AT516820A1

AT516820A1 - Vorrichtung zum homogenen Ausleuchten eines vorbestimmten Bereichs und Beleuchtungseinheit mit einer solchen Vorrichtung

Info

Publication number: AT516820A1
Application number: ATA50109/2015A
Authority: AT
Original assignee: Technische Universität Wien
Priority date: 2015-02-13
Filing date: 2015-02-13
Publication date: 2016-08-15

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zum homogenen Ausleuchten eines vorbestimmten Bereichs (X), mit einer Vielzahl an Lichtquellen (2), einem flachen optischen Element (3), welches eine Lichteintrittsseite (5) mit einem im Wesentlichen parabelförmigen Profil und eine Lichtaustrittsseite (6) aufweist, wobei die Lichteintrittsseite (5) des optischen Elements (3) in eine Vielzahl an Lichteintrittsflächen (7) und dahinter angeordneten Reflexionsflächen (8) segmentiert ist, sowie eine Beleuchtungseinheit (15) mit einer solchen Vorrichtung (1). Zur Erzielung einer möglichst homogenen Ausleuchtung bei gleichzeitig kompakter Bauweise ist vorgesehen, dass die Lichtaustrittsseite (6) des optischen Elements (3) entsprechend der Segmentierung der Lichteintrittsflächen (7) in eine Vielzahl an Lichtaustrittsflächen (12) segmentiert ist, und Elemente (18) zur Lenkung der aus den Lichtaustrittsflächen (12) austretenden Lichtstrahlen in Richtung des vorbestimmten Bereichs (X) vorgesehen sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum homogenen Ausleuchten eines vorbestimmten Bereichs, mit einer Vielzahl an Lichtquellen, einem flachen optischen Element mit einer Symmetrieachse bzw. -ebene, welches optische Elemente, eine Lichteintrittsseite mit einem im Wesentlichen parabelförmigen Profil und eine Lichtaustrittsseite aufweist, wobei die Licht-eintrittsseite des optischen Elements in eine Vielzahl an Licht-eintrittsflachen und dahinter angeordneten Reflexionsflächen segmentiert ist, und jede Lichteintrittsfläche in Richtung des der Symmetrieachse bzw. -ebene gegenüberliegenden Randes des optischen Elements weist, an welchem Rand die Stellen für die Anordnung der Lichtquellen vorgesehen sind, sodass die Lichtstrahlen der Lichtquellen im Wesentlichen normal in die Lichteintrittsflächen eintreten, an den hinter den Lichtein-trittsflächen angeordneten Reflexionsflächen reflektiert und kollimiert werden, und die kollimierten Lichtstrahlen über die Lichtaustrittsseite in Richtung des vorbestimmten Bereichs gelenkt werden.

Weiters betrifft die Erfindung eine Beleuchtungseinheit mit einer Vielzahl an Lichtquellen und einer oben genannten Vorrichtung zum homogenen Ausleuchten eines vorbestimmten Bereichs.

Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen zum Lenken von Lichtstrahlen und Beleuchtungseinheiten mit solchen Lichtlenkvorrichtungen in einer Vielzahl an Ausführungsformen bekannt. Beispielsweise bündeln Fresnel-Linsen das Licht einer Lichtquelle in Richtung der optischen Achse der Linse. Um das Licht einer Punktlichtquelle zu kollimieren, verwendet man typischerweise einen Parabolspiegel oder eine Linse. Dieses Prinzip kann von einer Punktlichtquelle auf eine kleine Gruppe von Punktlichtquellen ausgedehnt werden. Will man jedoch eine große Anzahl an Lichtquellen kollimieren, sind die bekannten Vorrichtungen nicht mehr anwendbar, ohne die Lichtquellen wieder in kleinere Gruppen zu unterteilen und mit eigenen Kollimatoren zu versehen. Mit dem Einzug von Leuchtdioden als Lichtquellen bestehen viele Beleuchtungseinheiten heutzutage nicht mehr aus wenigen sondern aus einer Vielzahl an Lichtquellen, deren Lichtstrahlen mit herkömmlichen Lichtlenkvorrichtungen in keiner geeigneten Weise gelenkt werden können.

Zusätzlich sind Vorrichtungen zum möglichst homogenen Ausleuchten eines vorbestimmten Bereichs und Beleuchtungseinheiten mit solchen Vorrichtungen bekannt geworden. Um eine gleichmäßige Lichtverteilung in einem vorbestimmten Bereich bzw. auf einer definierten Fläche zu erzeugen, wird das Licht entweder projektiv oder superponierend verteilt. Der Projektionsansatz erlaubt es, eine scharf definierte, gleichmäßig ausgeleuchtete Fläche zu erzeugen. Allerdings erlaubt die Projektionsoptik nur den Einsatz einer einzelnen bzw. einer kleinen Gruppe an Lichtquellen und erfordert einen vergleichsweise großen und genau justierten optischen Aufbau. Der Superpositionsansatz hingegen kommt gänzlich ohne Optik aus und verwendet lediglich ein Punktlichtquel-lengitter und eine matte Fläche, die transparent sein kann (z.B. Milchglas). Hierbei werden die Abbildungen der individuellen Richtcharakteristika der Lichtquellen auf der matten Fläche überlagert. Mit steigender Distanz zwischen Lichtquellengitter und der matten Fläche wird die Lichtverteilung zunehmend gleichmäßiger. Wird Milchglas verwendet, so kann eine geringe Bautiefe auf Kosten der Homogenität der Lichtverteilung erzielt werden. Allerdings ist dieser Ansatz mit einem zur Fläche proportionalen Aufwand an Lichtquellen, Montagematerial und Diffusorfläche verbunden .

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer Vorrichtung der obigen Art und einer Beleuchtungseinheit mit einer derartigen Vorrichtung, durch welche eine möglichst homogene Ausleuchtung des vorbestimmten Bereichs erzielt werden kann. Der konstruktive Aufwand und die Herstellungskosten für eine solche Vorrichtung bzw. Beleuchtungseinheit sollen möglichst gering sein, um eine breite Anwendung für verschiedenste Anwendungsgebiete zu ermöglichen. Die Nachteile des Standes der Technik sollen vermieden oder zumindest reduziert werden.

Gelöst wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch eine oben genannte Vorrichtung zum homogenen Ausleuchten eines vorbestimmten Bereichs, wobei die Lichtaustrittsseite des optischen Elements entsprechend der Segmentierung der Lichteintrittsflächen in eine Vielzahl an Lichtaustrittsflächen segmentiert ist, und Elemente zur Lenkung der aus den Lichtaustrittsflächen austretenden Lichtstrahlen in Richtung des vorbestimmten Bereichs vorgesehen sind. Die Erfindung verbindet die Vorzüge des Projektions- und des Superpositionsansatzes, indem durch Kollimation und gezielte Verteilung des Lichts vieler Lichtquellen der Vorteil des Projektionsansatzes (Homogenität) mit dem kompakten Aufbau des Diffusors (geringe Baugröße und Anwendung beliebig vieler Lichtquellen) in einem optischen Element vereint werden. Darüber hinaus wird durch den erfindungsgemäßen Ansatz der zur Fläche proportionale Material- und Montageaufwand des einfach Superpositionsansatzes um eine Dimension reduziert. Die Vorrichtung zum homogenen Ausleuchten eines vorbestimmten Bereichs teilt die Richtcharakteristik der einzelnen Lichtquellen in einzelne Segmente auf, welche danach gleichmäßig auf dieselbe Fläche bzw. den vorbestimmten Bereich, der homogen ausgeleuchtet werden soll, verteilt wird. Dadurch, dass die Lichtstrahlen der einzelnen Lichtquellen nach den Lichteintrittsflächen kollimiert werden, wird die Richtcharakteristik der einzelnen Segmente auf den vorbestimmten Bereich X abgebildet, was nach Superposition der Lichtstrahlen der einzelnen Segmente zu einer optimalen homogenen Ausleuchtung des vorbestimmten Bereichs führt. An den Lichtaustrittsflächen werden die Lichtstrahlen in Richtung des vorbestimmten Bereichs gelenkt und entsprechend der Größe des vorbestimmten Bereichs aufgefächert.

Vorzugsweise sind die Lichtaustrittsflächen gekrümmt ausgebildet, um die Lichtstrahlen aller Segmente der Lichtaustrittsseite des optischen Elements in die gewünschte Richtung entsprechend dem homogen auszuleuchtenden Bereich lenken zu können.

Alternativ oder zusätzlich zu einer gekrümmten Ausbildung der Lichtaustrittsflächen können auch hinter den Lichtaustrittsflächen Linsen angeordnet sein, um die Lichtstrahlen aller Segmente der Lichtaustrittsseite des optischen Elements in die gewünschte Richtung lenken zu können.

Wenn vor den Lichtaustrittsflächen Reflexionsflächen vorgesehen sind, welche vorzugsweise gekrümmt ausgebildet sind, kann die entsprechende Lenkung der Lichtstrahlen in die gewünschte Richtung ebenfalls erzielt werden.

Vorzugsweise sind die Lichteintrittsflächen mit kreisförmigem

Querschnitt ausgebildet, wobei der Mittelpunkt der mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildeten Lichteintrittsflächen im Wesentlichen mit den Stellen für die Anordnung der Lichtquellen übereinstimmt. Durch diese kreisförmige bzw. sphärische Gestaltung der Lichteintrittsflächen wird gewährleistet, dass die von den Lichtquellen herrührenden Lichtstrahlen im Wesentlichen normal zur Oberfläche des optischen Elements eintreten, wodurch Rückreflexionen minimiert und Brechungen der eintretenden Lichtstrahlen unterbunden werden können.

Das optische Element besteht vorzugsweise aus optisch transparentem Werkstoff, vorzugsweise Kunststoff oder Glas, und ist vorzugsweise durch Gießen hergestellt. Dadurch kann die Vorrichtung zum homogenen Ausleuchten eines vorbestimmten Bereichs bzw. die Beleuchtungseinheit sehr kostengünstig in großer Stückzahl hergestellt werden, wodurch eine breite Anwendbarkeit gesichert werden kann.

Wenn am Rand des optischen Elements vor den Stellen für die Anordnung der Lichtquellen Linsen angeordnet sind, kann die Richtcharakteristik der Lichtquellen entsprechend verändert werden.

Je nach verwendeten Lichtquellen kann es von Vorteil sein, die Richtcharakteristik derselben durch derartige Linsen zu verändern bzw. an das optische Element der Vorrichtung zum homogenen Ausleuchten eines vorbestimmten Bereichs anzupassen. Häufig wird es kostengünstiger sein, derartige Linsen vor Standardlichtquellen vorzusehen anstelle der Verwendung teurerer Lichtquellen mit spezieller Richtcharakteristik. Bei der gegenständlichen Vorrichtung haben sich optimale Eigenschaften ergeben, wenn die Lichtquellen flache bzw. elliptische Richtcharakteristik aufweisen. Dadurch kann Streulicht vermieden oder zumindest reduziert werden. Sofern die Lichtquellen von sich aus keine derartige elliptische oder flache Richtcharakteristik aufweisen, kann eine Verbesserung durch die Linsen vor den Lichtquellen erzielt werden .

Das optische Element und die Linsen können auch einteilig hergestellt sein, wodurch die Herstellungskosten und der Installati-ons- bzw. Montageaufwand noch weiter reduziert werden kann.

Zur Erzielung verschiedener Beleuchtungseffekte kann das opti- sehe Element und bzw. oder die Linsen gefärbt ausgebildet sein. Bei der Verwendung von Kunststoff oder Glas für das optische Element und bzw. oder die Linsen kann eine derartige Färbung gleich mit dem Herstellungsprozess des optischen Elements erfolgen. Alternativ dazu kann die Färbung auch durch Aufträgen von Farbschichten erzielt werden.

An den Lichteintrittsflächen des optischen Elements, an den Lichtaustrittsflächen des optischen Elements und bzw. oder an den Linsen kann eine Antireflexionsbeschichtung angeordnet sein, wodurch Reflexionsverluste unterdrückt werden können.

Alternativ zu einer oben erwähnten Herstellung des optischen Elements aus optisch transparentem Werkstoff kann das optische Element auch aus diskreten optischen Elementen hergestellt sein. Auch wenn der Herstellungsaufwand dadurch wesentlich erhöht wird, kann ein Aufbau aus diskreten optischen Elementen für bestimmte Anwendungen von Vorteil sein.

Gelöst wird die erfindungsgemäße Aufgabe auch durch eine oben genannte Beleuchtungseinheit mit einer Vielzahl an Lichtquellen und einer oben beschriebenen Vorrichtung zum homogenen Ausleuchten eines vorbestimmten Bereichs, wobei die Lichtquellen zumindest an einem Teil des der Symmetrieachse bzw. -ebene gegenüberliegenden Randes des optischen Elements angeordnet sind. Eine derartige Beleuchtungseinheit ist durch einen besonders kompakten und kostengünstigen Aufbau und eine homogene Ausleuchtung des vorbestimmten Bereichs gekennzeichnet. Bezüglich weiterer Vorteile wird auf die obige Beschreibung der Vorrichtung zum homogenen Ausleuchten des vorbestimmten Bereichs verwiesen .

Die Lichtquellen weisen vorzugsweise schmale Richtcharakteristik auf. Wie bereits oben erwähnt, ist es in Bezug auf eine optimale Funktion des optischen Elements bzw. der darin stattfindenden Totalreflexionen vorteilhaft, wenn die Lichtquellen eine schmale Richtcharakteristik aufweisen.

Weiters ist es von Vorteil, wenn die Lichtquellen elliptische Richtcharakteristik aufweisen. Durch eine derartige elliptische

Richtcharakteristik kann Streulicht wirkungsvoll unterbunden werden.

Vorzugsweise sind die Lichtquellen durch Leuchtdioden gebildet. Leuchtdioden sind zur Zeit in verschiedenen Farben und mit verschiedenen Leistungsdichten besonders kostengünstig erhältlich und weisen zudem besonders geringe Baugröße auf. Auch wenn die Verlustleistung bei Leuchtdioden relativ gering ist, kann es bei Leuchtdioden mit höherer Lichtleistung unter Umständen erforderlich sein, die Lichtquellen zu kühlen. Da die Lichtquellen bei der gegenständlichen Beleuchtungseinheit am Rand des optischen Elements angeordnet sind, kann eine Abführung der Verlustwärme jedoch relativ einfach erfolgen. Ein weiterer Vorteil ist dadurch gegeben, dass Leuchtdioden mit elliptischer Richtcharakteristik relativ kostengünstig erhältlich sind.

Alternativ dazu können die Lichtquellen auch durch Laserdioden gebildet sein. Gegenüber Leuchtdioden haben Laserdioden den Vorteil, dass sie eine besonders schmale Richtcharakteristik aufweisen, wodurch Streulicht unterbunden werden kann.

Wenn vor den Lichtquellen Linsen angeordnet sind, kann die Richtcharakteristik der Lichtquellen entsprechend verändert werden. Wie bereits oben erwähnt kann durch die Linsen die wünschenswerte schmale Richtcharakteristik der Lichtquellen hergestellt bzw. verbessert werden. Derartige Linsen können auch einteilig mit dem optischen Element hergestellt sein.

Vorzugsweise sind die Lichtquellen zur Aussendung von weißem Licht ausgebildet. Für die meisten Anwendungen ist weißes Licht gefordert. Da bereits kostengünstige Leuchtdioden im weißen Spektralbereich erhältlich sind, können somit auch kostengünstige Beleuchtungseinheiten zum Aussenden von weißem Licht hergestellt werden. Für verschiedene Beleuchtungseffekte und Anwendungen können die Lichtquellen auch zur Aussendung von färbigem Licht ausgebildet sein. Derartige färbige Lichtquellen können für bestimmte Anwendungen notwendig oder vorteilhaft sein.

Vor der Lichtaustrittsseite des optischen Elements kann ein Abdeckelement aus zumindest teilweise transparentem Material angeordnet sein. Mit einer derartigen Abdeckung können schablonenartig Piktogramme oder dergl. in der Beleuchtungseinheit vorgesehen werden, wie sie für viele Anwendungen vorteilhaft oder wünschenswert sind. Beispielsweise können in einem derartigen Abdeckelement Piktogramme von stehenden oder gehenden Personen aus transparentem Material angeordnet werden, wie sie bei Fußgängerampeln üblich sind.

Zum Schutz der Beleuchtungseinheit insbesondere bei Anwendungen im Außenbereich ist es weiters von Vorteil, wenn ein vorzugsweise wasserdichtes Gehäuse vorgesehen ist.

Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine kreisförmige Vorrichtung zum homogenen Ausleuchten eines vorbestimmten Bereichs mit einer Vielzahl von Lichtquellen;

Fig. 2 einen Schnitt durch die Vorrichtung gemäß Fig. 1 entlang der Schnittlinie II - II;

Fig. 3 eine Detailansicht auf einen Teil der Vorrichtung gemäß Fig. 1 im Bereich der Lichtaustrittsfläche;

Fig. 4 eine Draufsicht auf eine lineare Vorrichtung zum homogenen Ausleuchten eines vorbestimmten Bereichs mit einer Vielzahl von Lichtquellen;

Fig. 5 einen Schnitt durch die Vorrichtung gemäß Fig. 4 entlang der Schnittlinie IV-IV;

Fig. 6 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform einer

Vorrichtung zum homogenen Ausleuchten eines vorbestimmten Bereichs;

Fig. 7 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform einer

Vorrichtung zum homogenen Ausleuchten eines vorbestimmten Bereichs;

Fig. 8 eine schematische Ansicht auf eine diskret aufgebaute

Vorrichtung zum homogenen Ausleuchten eines vorbestimmten Bereichs gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 9A bis 9E Beispiele für erfindungsgemäße Vorrichtungen zur homogenen Ausleuchtung eines vorbestimmten Bereichs;

Fig. 10 ein Schnittbild durch eine Beleuchtungseinheit mit einer Vorrichtung zum homogenen Ausleuchten gemäß der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 11 eine schematische Darstellung des Verlaufs der Lichtstrahlen einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinheit.

Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf eine kreisförmige Vorrichtung 1 zum homogenen Ausleuchten eines vorbestimmten Bereichs X mit einer Vielzahl von Lichtquellen 2 und Fig. 2 einen Schnitt durch die kreisförmige Vorrichtung 1 gemäß Fig. 1 entlang der Schnittlinie II - II. Die Vorrichtung 1 umfasst ein flaches optisches Element 3 aus optisch transparentem Material mit einer Symmetrieachse 4. Im dargestellten Beispiel ist das optische Element 3 rotationssymmetrisch um die Symmetrieachse 4 angeordnet. Am Rand 9 des optischen Elements 3 sind die Lichtquellen 2, welche beispielsweise durch Leuchtdioden gebildet sind, so angeordnet, dass die Lichtstrahlen der Lichtquellen 2 in Richtung der Symmetrieachse 4 des optischen Elements 3 strahlen. Wie besser aus dem Schnittbild durch das optische Element 3 gemäß Fig. 2 ersichtlich ist, weist das optische Element 3 eine Lichteintrittsseite 5 und eine Lichtaustrittsseite 6 auf. Die

Lichteintrittsseite 5 ist in eine Vielzahl an Lichteintrittsflächen 7 und dahinter angeordnete Reflexionsflächen 8 segmentiert. Die Lichteintrittsflächen 7 sind vorzugsweise kreisförmig bzw. sphärisch ausgebildet, wobei der Mittelpunkt 11 der Kreise der Lichteintrittsflächen 7 im Wesentlichen mit den Stellen 10 für die Anordnung der Lichtquellen 2 übereinstimmt. Dadurch wird gewährleistet, dass die von den Lichtquellen 2 ausgesandten Lichtstrahlen im Wesentlichen normal in die Lichteintrittsflächen 7 eintreten und keine Verluste durch Teilreflexionen stattfinden. An den hinter den Lichteintrittsflächen 7 angeordneten Reflexionsflächen 8 findet eine Totalreflexion der Lichtstrahlen in Richtung der Lichtaustrittsseite 6 des optischen Elements 3 statt. Die Lichtaustrittsseite 6 des optischen Elements 3 ist entsprechend der Segmentierung der Lichteintrittsflächen 7 ebenfalls in eine Vielzahl an Lichtaustrittsflächen 12 segmentiert und es sind Elemente 18 zur Lenkung der aus den Lichtaustrittsflächen 12 austretenden Lichtstrahlen in Richtung des vorbestimmten Bereichs X vorgesehen. Diese Elemente 18 zur Lenkung der aus den Lichtaustrittsflächen 12 austretenden Lichtstrahlen in Richtung des vorbestimmten Bereichs X können durch gekrümmte Ausbildung der Lichtaustrittsflächen 12 selbst und bzw. oder hinter den Lichtaustrittsflächen 12 angeordnete Linsen 19 gebildet sein. Die Berechnung der Krümmung der Lichtaustrittsflächen 12 und die Anzahl der Segmentierungen wird auf die jeweilige Anzahl der Lichtquellen 2 und die Größe des optischen Elements 3 als auch auf den vorbestimmten Bereich X angepasst, was durch verschiedene mathematische Modelle und Berechnungsprogramme relativ rasch und einfach vorgenommen werden kann.

Vor den Lichtquellen 2 können Linsen 14 zum Verändern der Richtcharakteristik der Lichtquellen 2 angeordnet sein, welche auch einteilig mit dem optischen Element 3 hergestellt werden können. Zur Reduktion der Herstellungskosten sind das optische Element 3 und die allfälligen Linsen 14 und 19 einteilig, beispielsweise durch Gießen, hergestellt.

Aus Fig. 3 ist eine Detailansicht eines Teils der Vorrichtung 1 gemäß Fig. 1 im Bereich der Lichtaustrittsfläche 12 des optischen Elements 3 ersichtlich. Die von den Lichtquellen 2 herrührenden Lichtstrahlen werden durch die Lichteintrittsflächen 7 gelenkt und an den Reflexionsflächen 8 hinter den Lichtein-trittsflächen 7 reflektiert. Die auf diese Weise kollimierten Lichtstrahlen gelangen zu den gekrümmt ausgebildeten Lichtaustrittsflächen 12, wo sie entsprechend der Krümmung jeder Lichtaustrittsfläche in den vorbestimmten Bereich X gelenkt werden. Auf diese Weise wird ein homogenes Ausleuchten des vorbestimmten Bereichs X bzw. der gewünschten Fläche erreicht.

Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf eine lineare Vorrichtung 1 zum homogenen Ausleuchten eines vorbestimmten Bereichs X mit einer Vielzahl von Lichtquellen 2. Die Lichtquellen 2 sind an beiden Rändern 9 des symmetrisch angeordneten optischen Elements 3 um die Symmetrieebene 4 angeordnet. Auf diese Weise können beliebige Längen an Vorrichtungen 1 zum homogenen Ausleuchten eines vorbestimmten Bereichs X bzw. entsprechende Beleuchtungseinheiten 15 (siehe Fig. 10) hergestellt werden. Theoretisch ist auch ein asymmetrischer Aufbau der Vorrichtung 1 denkbar, indem eine Seite des optischen Elements 3 neben der Symmetrieebene 4 weggelassen wird.

In Fig. 5 ist ein Schnitt durch die Vorrichtung 1 gemäß Fig. 4 entlang der Schnittlinie IV-IV dargestellt. Darin sind die Lichtstrahlen durch entsprechende Linien angedeutet.

Fig. 6 zeigt einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung 1 zum homogenen Ausleuchten eines vorbestimmten Bereichs X. Bei dieser Ausführungsform des optischen Elements 3 sind die Lichtaustrittsflächen 12 als konvexe Reflexionsflächen 20 ausgebildet. Auf diese Weise kann ein Ausleuchten eines Bereichs seitlich des optischen Elements 3 erzielt werden.

Die Ausführungsform einer Vorrichtung 1 zum homogenen Ausleuchten eines vorbestimmten Bereichs X gemäß Fig. 7 ist durch konkave Linsen 19 an den Lichtaustrittsflächen 12 gekennzeichnet, wodurch ein Auffächern der Lichtstrahlen für einen größeren auszuleuchtenden vorbestimmten Bereich X erzielt werden kann.

Fig. 8 zeigt eine schematische Ansicht auf eine diskret aufgebaute Vorrichtung 1 zum homogenen Ausleuchten eines vorbestimmten Bereichs X gemäß der vorliegenden Erfindung. Dabei sind die Eintrittsflächen 7 durch parabolische Spiegelsegmente 21 und die Lichtaustrittsflächen 12 durch plankonvexe Linsen 22 gebildet. Obgleich der Herstellungsaufwand für eine solche aus diskreten Elementen aufgebaute Vorrichtung 1 bedeutend höher ist als jener für die Herstellung eines vorzugsweise einteiligen optischen Elements 3 kann es Anwendungsgebiete geben, wo der diskrete Aufbau von Vorteil oder sogar notwendig ist.

Die Figuren 9A bis 9E zeigen weitere Beispiele für erfindungsgemäße Vorrichtungen 1 zur homogenen Ausleuchtung eines vorbestimmten Bereichs X. In Figur 9A ist eine Vorrichtung 1 skizziert, durch welche ein Vorwärtsstrahler realisiert werden kann. Die Variante gemäß Fig. 9B zeigt einen Vorwärtsstrahler mit Lichtquellen 2 zur Symmetrieachse 4 des optischen Elements 3 leuchtend. Figur 9C zeigt eine Variante einer Vorrichtung 1 zum homogenen Ausleuchten eines vorbestimmten Bereichs X der seitlich zum optischen Element 3 abstrahlt. Bei symmetrischem Aufbau der Vorrichtung 1 ist eine Abstrahlung in beide Richtungen möglich. Natürlich kann eine Seite weggelassen und somit ein Leuch ten nur auf einer Seite erzielt werden. Bei der Variante gemäß Fig. 9D wird eine seitliche Abstrahlung von der Vorrichtung 1 erzielt bzw. eine ringförmige Beleuchtung bei rotationssymmetrischer Ausführung. Die Auskopplung der Lichtstrahlen an der Lichtaustrittsseite 6 erfolgt durch entsprechende Spiegel. Schließlich zeigt Figur 9E einen Vorwärtsstrahler mit Spiege-lauskopplung.

In Fig. 10 ist ein Schnittbild durch eine Beleuchtungseinheit 15 mit einer Vorrichtung 1 zum homogenen Ausleuchten gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Vor dem optischen Element 3 der Vorrichtung 1 kann ein zumindest teilweise transparentes Abdeckelement 16 angeordnet sein, wodurch eine Verwendung der Beleuchtungseinheit 15 auch im Außenbereich ermöglicht wird. Zusätzlich kann ein vorzugsweise wasserdichtes Gehäuse 17 die gesamte Beleuchtungseinheit 15 umgeben.

Schließlich zeigt Fig. 11 eine schematische Darstellung des Verlaufs der Lichtstrahlen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum homogenen Ausleuchten eines vorbestimmten Bereichs X. Der vorbestimmte Bereich X wird durch sämtliche Lichtstrahlen, welche aus der Lichtaustrittsseite 6 des optischen Elements 3 der Vorrichtung 1 austreten, gleichmäßig und homogen ausgeleuchtet.

Die vorliegende Erfindung erhöht die Gestaltungsmöglichkeiten in der Beleuchtungstechnik für Beleuchtungsanwendungen, wo ein möglichst homogenes Ausleuchten eines bestimmten Bereichs gewünscht wird. Durch die Verwendung einer Vielzahl an Lichtquellen ist auch eine höhere Zuverlässigkeit der Beleuchtungseinheit gewährleistet, da der Ausfall einzelner Lichtquellen auf die Funktion der Beleuchtungseinheit keinen bzw. nur einen unwesentlichen Einfluss hat.

Claims

Patentansprüche :

1. Vorrichtung (1) zum homogenen Ausleuchten eines vorbestimmten Bereichs (X) , mit einer Vielzahl an Lichtquellen (2), einem flachen optischen Element (3) mit einer Symmetrieachse bzw. -ebene (4) , welches optische Element (3) eine Lichteintrittsseite (5) mit einem im Wesentlichen parabelförmigen Profil und eine Lichtaustrittsseite (6) aufweist, wobei die Lichteintrittsseite (5) des optischen Elements (3) in eine Vielzahl an Lichtein-trittsflachen (7) und dahinter angeordneten Reflexionsflächen (8) segmentiert ist, und jede Lichteintrittsfläche (7) in Richtung des der Symmetrieachse bzw. -ebene (4) gegenüberliegenden Randes (9) des optischen Elements (3) weist, an welchem Rand (9) die Stellen (10) für die Anordnung der Lichtquellen (2) vorgesehen sind, sodass die Lichtstrahlen der Lichtquellen (2) im Wesentlichen normal in die Lichteintrittsflächen (7) eintreten, an den hinter den Lichteintrittsflächen (7) angeordneten Reflexionsflächen (8) reflektiert und kollimiert werden, und die kolli-mierten Lichtstrahlen über die Lichtaustrittsseite (6) in Richtung des vorbestimmten Bereichs (X) gelenkt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtaustrittsseite (6) des optischen Elements (3) entsprechend der Segmentierung der Lichteintrittsflächen (7) in eine Vielzahl an Lichtaustrittsflächen (12) segmentiert ist, und Elemente (18) zur Lenkung der aus den Lichtaustrittsflächen (12) austretenden Lichtstrahlen in Richtung des vorbestimmten Bereichs (X) vorgesehen sind.
2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtaustrittsflächen (12) gekrümmt ausgebildet sind.
3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass hinter den Lichtaustrittsflächen (12) Linsen (19) angeordnet sind.
4. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass vor den Lichtaustrittsflächen (12) Reflexionsflächen (20) vorgesehen sind, welche vorzugsweise gekrümmt ausgebildet sind.
5. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Lichteintrittsflächen (7) mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildet sind, wobei der Mittelpunkt (11) der mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildeten Lichteintrittsflächen (7) im Wesentlichen mit den Stellen (10) für die Anordnung der Lichtquellen (2) übereinstimmt.
6. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (3) aus optisch transparentem Werkstoff, vorzugsweise Kunststoff oder Glas, besteht und vorzugsweise durch Gießen hergestellt ist.
7. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass am Rand (9) des optischen Elements (3) vor den Stellen (10) für die Anordnung der Lichtquellen (2) Linsen (14) zum Verändern der Richtcharakteristik der Lichtquellen (2) angeordnet sind.
8. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (3) und die Linsen (14, 19) einteilig hergestellt sind.
9. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (3) und bzw. oder die Linsen (14, 19) gefärbt ausgebildet sind.
10. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass an den Lichteintrittsflächen (7) des optischen Elements (3), an den Lichtaustrittsflächen (12) des optischen Elements (3) und bzw. oder an den Linsen (14, 19) eine Antireflexionsbeschichtung (13) angeordnet ist.
11. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (3) aus diskreten optischen Elementen hergestellt ist.
12. Beleuchtungseinheit (15) mit einer Vielzahl an Lichtquellen (2) und einer Vorrichtung (1) zum homogenen Ausleuchten eines vorbestimmten Bereichs (X) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen (2) zumindest an einem Teil des der Symmetrieachse bzw. -ebene (4) gegenüberlie- genden Randes (9) des optischen Elements (3) angeordnet sind.
13. Beleuchtungseinheit (15) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen (2) schmale Richtcharakteristik aufweisen.
14. Beleuchtungseinheit (15) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen (2) elliptische Richtcharakteristik aufweisen.
15. Beleuchtungseinheit (15) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen (2) durch Leuchtdioden gebildet sind.
16. Beleuchtungseinheit (15) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen (2) durch Laserdioden gebildet sind.
17. Beleuchtungseinheit (15) nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass vor den Lichtquellen (2) Linsen (14) zum Verändern der Richtcharakteristik der Lichtquellen (2) angeordnet sind.
18. Beleuchtungseinheit (15) nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen (2) zur Aussendung von weißem Licht ausgebildet sind.
19. Beleuchtungseinheit (15) nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen (2) zur Aussendung von färbigem Licht ausgebildet sind.
20. Beleuchtungseinheit (15) nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Lichtaustrittsseite (6) des optischen Elements (3) ein Abdeckelement (16) aus zumindest teilweise transparentem Material angeordnet ist.