CN102713431B - 用发光二极管模块的光在反射体上的回射照亮目标区域的灯具 - Google Patents

用发光二极管模块的光在反射体上的回射照亮目标区域的灯具 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种利用在反射体（30）上的回射来照亮目标区域（34）的灯具，其具有带有至少一个发光二极管（14）的发光二极管模块（12）和用于发光二极管模块（12）的冷却装置（10），其中冷却装置包括作为冷却剂的透明液体（26）和用于容纳冷却剂（26）的透明的冷却剂容器（20），冷却剂容器（20）包括透明的第一壁（22）和第二壁（24），冷却剂（26）处于第一壁和第二壁之间而且两个壁大体上垂直于反射体（30）的光轴（36）延伸，并且第一壁和第二壁具有这种表面，即在发光二极管模块（12）和冷却装置（10）与反射体（30）连接的装配状态下，被反射体（30）反射并落入目标区域（34）的发光二极管模块（12）的至少90%的光线穿过冷却剂容器（20）。

Description

用发光二极管模块的光在反射体上的回射照亮目标区域的灯具
技术领域
本发明涉及一种利用在反射体上的回射来照亮目标区域的灯具，其具有带有至少一个发光二极管（LED）的发光二极管模块，以及用于该发光二极管模块的冷却装置，其中冷却装置包括作为冷却剂的、对于发光二极管模块的光线而言透明的液体和用于容纳冷却剂的透明的冷却剂容器。
背景技术
使用此类灯具的照明系统由US 2007/0253733A1已知。该文件描述了这种照明系统在荧光显微镜上的应用。LED-光源被放置在椭圆形镜子的焦点上并且向面对镜子的半空间发射它的光线。镜子将接受到的光线反射回去并将其聚焦在后续的光学系统上。基于在反射体上的回射，即入射角小于45°的光线的反射，LED-光源和用于其固定的必需的机械结构不可避免地给被反射的光线本身造成障碍。
由于LED的光输出随着温度上升而下降，必须确保在其操作过程中产生热量被导出，以便减小LED在工作中的升温。在LED-模块被安排在回射的反射体的焦点时，LED-模块不能经由在一般情况下常用的散热器降温，因为这种散热器会遮蔽更大的一部分在反射体上被反射的光线。代替这种情况，热量必须经支架被向外导出。即使它们为了将被反射的光线的损失尽量保持在低水平而可以被布置得非常紧凑，但是它们与LED独自相比会占据更多空间并且因此导致被反射的光线的遮暗。就算支架被设计成透明的，射到支架上的被反射的光线也会被影响并且降低这种布置的光学效率。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种这种类型的灯具，其中能高效地实现光传输及LED-模块的降温，其中该使伪影、如遮蔽的产生最小化。
该目的通过一种具有根据权利要求1所述特征的灯具实现。
特别有利的设计方案可在从属权利要求中得到。
本发明是基于这一认知，即可以这样设计对LED-模块的液态冷却，即由LED发射并从反射体上被反射的光线在落在冷却剂容器上时以确定的方式被影响。为此，冷却剂容器包括透明的第一壁和第二壁，冷却剂位于第一壁和第二壁之间而且这两个壁大体上垂直于反射体的光轴延伸，并且第一壁和第二壁具有这样的表面，即在LED-模块和反射体结合的装配的状态下，被反射体反射并落入目标区域的发光二极管的几乎全部、即至少90%的光线穿过冷却剂容器。
所以冷却剂容器具有两个与彼此平行的壁并且覆盖从发光二极管发出的和被反射体反射的光线的整个横截面。冷却剂容器的壁可以由玻璃或塑料制成。冷却剂例如可以是水，其数值为1.33的折射率与低折射率的玻璃或者透明的塑料的折射率（大约1.5）相差很小，冷却剂或者是透明的油。在选择冷却剂和冷却剂容器的材料时无论如何有利的是，第一壁和第二壁的折射率和冷却剂的折射率这样相近，使得在壁和冷却剂之间的界面上的反射损失非常小。冷却剂容器的第一壁和第二壁可以是长方形、特别是正方形，或者它们的边缘可以匹配于反射体的边缘。在此有利的是，冷却剂容器的外缘处于从灯具发出的光线被反射的区域之外，以便排除对被反射的光线的损失。那么边缘本身是否透明也就不重要了。在理想情况下，发光二极管的全部在反射体上反射并落入目标区域的光线穿过冷却剂容器。
LED-模块被优选地这样设计，即至少一个发光二极管最多照亮一个半空间。以这种方式，LED-模块可以这样被布置，即全部发出的光线击中反射体并由其向目标区域的方向被反射，由此落入目标区域的光具有确定的特征。
根据本发明的一个优选的设计方案，冷却装置此外还用作发光二极管模块的支架。由此，两个功能被结合在一个组件上，在此避免经由额外的支架引起的遮蔽。
根据本发明的一个特别优选的设计方案，发光二极管模块包括与发光二极管结合的导热元件，其被这样嵌入冷却剂容器，即它与冷却剂接触。以这种方式，LED-模块被固定在冷却装置上并且同时保障了在操作过程中产生的热量被有效导出。从导热元件到冷却剂的特别有效的热传递例如可以由此实现，即导热元件被设计成实心圆柱体，实心圆柱体带有从其上突起的鳍状散热片，或者具有由冷却剂穿流过的孔洞。此外，导热元件可以具有粗糙的或者结构化的表面。
根据本发明的另一个特别优选的设计方案，发光二极管包括电路板，在其顶侧上装配有一个或多个发光二极管并且其底侧特别借助导热材料与导热元件相连接，其中导热元件在垂直于发光二极管模块的光轴的方向上的尺寸小于或者等于电路板的相应的尺寸。以这种方式，LED-模块上的遮蔽仅仅降低了到达目标区域的光量。
根据本发明的另一个优选的设计方案，冷却剂容器的第一壁、即在装配好的状态下朝向反射体的那壁具有用于电接触发光二极管模块的导电涂层，其可以设计为透明的。
根据本发明的另一个优选的设计方案，冷却剂容器的第一壁和第二壁可以被设计成平面的彼此平行的板。以这种方式，经冷却剂容器穿过的光线被尽可能小地影响。
根据本发明的另一个优选的设计方案，冷却剂容器的第一壁和/或第二壁的外侧面为了实现特殊的光学功能被设计成弯曲的。由此冷却剂容器可以同时承担光学元件、例如是透镜的作用，这样可以节省额外的组件并由此节约成本。
特别有利地，在冷却剂容器的第一壁和/或第二壁的外侧面形成有二维的透镜阵列。特别地，冷却剂容器可以有蜂窝冷凝器的形状，如此促使穿过冷却剂容器的光线的均一化。
附图说明
以下结合实施例进一步对本发明进行说明。附图示出：
图1是根据本发明的灯具的第一实施例的剖面示意图；和
图2是根据本发明的灯具的第二实施例的剖面示意图。
具体实施方式
图中互相对应的组成部分用同样的参考标记标注。示出的组成部分以及组成部分之间的大小比例并不遵照比例尺。
图1中示出了根据本发明的灯具的第一实施例。灯具包括与反射体30这样组合的LED-模块12，即从一个或多个发光二极管14发出的光被反射体30在反方向上反射，并且包括用于冷却LED-模块的冷却装置10，其同时用作LED-模块12的支架。LED-模块12包括一个或多个以半圆形示出的LED 14和导热元件16。一个LED-模块12可以具有多个而并非一个LED 14。
一个LED或者多个LED 14位于电路板上，其底侧布置有导热元件16。导热元件16优选地是铜块。它的轮廓匹配于电路板的形状，其中其在垂直于LED-模块的光轴的方向上的尺寸小于或者等于电路板的相应尺寸。以这种方式，由遮蔽引起的光损失被降到最低。特别是导热元件16被设计成实心圆柱体并且具有从其上突起的鳍状或肋状散热片，以便能将操作过程中吸收的热量特别好地传递给冷却装置10。
冷却装置包括带有第一壁22和第二壁24的通流的冷却剂容器20，冷却剂26处于两个壁之间。导热元件16通过第一壁22上相应的开口被这样嵌入冷却剂容器20，即它与冷却剂26接触并且LED-模块12由此被固定在冷却剂容器20上。在第一壁22的外侧面设计有电接触LED-模块12的、图中未示出的透明导电涂层，其与LED-模块12的电路板连接。但可替换地，电接触也可以通过细导线实现。如从图1可见，冷却剂容器20在上缘和下缘具有输入管道27，28，冷却剂26能通过它们流入冷却剂容器20或从其中流出。例如冷却剂26经上方的输入管道27流入冷却剂容器20并通过下方的输入管道28再度流出冷却剂容器20，如此导热元件16被冷却剂环流。但也可以设想的是，冷却剂容器在填充冷却剂以后被封闭，并且在运行期间冷却剂并不主动循环。透明的液体被作为冷却剂26使用。在此它可以是折射率为1.33的水，该折射率与适合用作冷却剂容器20的器壁的透明材料的折射率相差不大，例如玻璃的折射率为1.41。冷却剂容器20的壁22和24彼此平行并且垂直于LED-模块12的光轴36取向。它们的面积大于被反射体30反射的光束的面积。
在图1中为了说明光径标出了从LED-模块12出射的光线的两条边界。壁22和24是长方形或者从其轮廓上看匹配于反射体30。在它们的边缘，壁通过合适的方式、特别是通过侧壁互相连接。这些边缘区域优选地处于被反射的光线的范围之外，以避免被反射的光线受到干扰。冷却剂容器20的壁的内侧面被设计成平坦的，以避免冷却剂26在壁上流过时产生旋涡。根据图1示出的本发明的第一实施例，特别是冷却剂容器20的第一壁22和第二壁24的外侧面也被设计成平坦的，这样两个壁22和24是平面的彼此平行的板。以这种方式，整个冷却剂容器20像一块平面的彼此平行的板一样对接收到的光线起作用。
在图2中示出了根据本发明的灯具的第二实施例。根据图2的实施例的特征在于，冷却剂溶剂20除了起冷却和支撑LED-模块12的作用之外还承担光学作用。否则根据第二实施例的冷却装置10符合联系根据图1的第一实施例而给出的描述。在图2中示出的冷却剂容器20被设计为蜂窝冷凝器。为此在冷却剂容器20的第一壁22和第二壁24的外侧面上设计有透镜阵列。由此促使经由冷却剂容器20穿过的光线的均一化。沿着光线的传播方向可看到，在冷却剂容器20之后还设置有用来将光束集中到目标区域34的菲涅尔透镜32。通过将蜂窝冷凝器的光学功能集成到冷却剂容器20内，不仅可以节省空间还可以节省材料并由此节约成本。以类似的方式，通过适合地设计冷却剂容器20的壁22和24可以实现其它希望的光学功能。
在两个实施例中，冷却剂容器20在灯具内这样被布置，即LED-模块12位于反射体的焦点附近，它的一个LED或多个LED最多照亮一个半空间。因此反射体30聚集全部的LED-光线并能将其发送出通过冷却剂容器。特别是锥形截面，如抛物面或椭圆面被用作反射体。由此，使用反射体回射促使光线在简单的构造中被良好地充分利用。
根据本发明的灯具这样被构造，即它可以被装入现有的带有反射体的灯具中，这样可以实现对迄今为止的卤素灯进行改造。根据本发明的解决方案的优选应用是医学照明、小的光学径角性的应用（如投影仪）或者高的轴向光强的应用（如探照灯）。当需要大直径的光学器件时，根据本发明的灯具特别有效并成本低廉。

Claims (16)

1.一种利用在反射体(30)上的回射来照亮目标区域(34)的灯具，所述灯具具有
-带有至少一个发光二极管(14)的发光二极管模块(12)和
-用于所述发光二极管模块(12)的冷却装置(10)，其中所述冷却装置包括作为冷却剂的对于所述发光二极管模块的光线而言透明的液体(26)以及用于容纳所述冷却剂(26)的透明的冷却剂容器(20)，
其特征在于，所述冷却剂容器(20)包括透明的第一壁(22)和第二壁(24)，所述冷却剂(26)位于所述第一壁和第二壁之间，而且所述第一壁和所述第二壁大体上垂直于所述反射体(30)的光轴(36)延伸，并且所述第一壁和所述第二壁具有这种表面，即在所述发光二极管模块(12)和所述冷却装置(10)与所述反射体(30)连接的装配状态下，被所述反射体(30)反射并落入所述目标区域(34)的所述发光二极管模块(12)的至少90％的光线穿过所述冷却剂容器(20)，
所述冷却装置还用作所述发光二极管模块(12)的支架，
所述发光二极管模块(12)包括与至少一个所述发光二极管(14)连接的导热元件(16)，所述导热元件被这样嵌入所述冷却剂容器(20)，即所述导热元件与所述冷却剂(26)接触，
所述发光二极管模块(12)包括电路板，在所述电路板的顶侧上装配有一个或多个所述发光二极管(14)并且所述电路板的底侧特别借助于导热材料与所述导热元件(16)连接，其中所述导热元件(16)在垂直于所述发光二极管模块(12)的光轴的方向上的尺寸小于或者等于所述电路板相应的尺寸。
2.根据权利要求1所述的灯具，其特征在于，所述冷却剂容器(20)的所述第一壁(22)和所述第二壁(24)具有这样的表面，即所述发光二极管模块(12)的、全部被所述反射体(30)反射到所述目标区域(34)的光线穿过所述冷却剂容器(20)。
3.根据权利要求1或2所述的灯具，其特征在于，至少一个所述发光二极管(14)被这样设计，即所述发光二极管最多照亮半空间。
4.根据权利要求1所述的灯具，其特征在于，所述导热元件(16)被设计成实心圆柱体，所述实心圆柱体带有从所述实心圆柱体上突起的鳍状散热片。
5.根据权利要求1或2所述的灯具，其特征在于，所述冷却剂容器(20)的所述第一壁(22)具有用于电接触所述发光二极管模块(12)的导电涂层。
6.根据权利要求3所述的灯具，其特征在于，所述冷却剂容器(20)的所述第一壁(22)具有用于电接触所述发光二极管模块(12)的导电涂层。
7.根据权利要求4所述的灯具，其特征在于，所述冷却剂容器(20)的所述第一壁(22)具有用于电接触所述发光二极管模块(12)的导电涂层。
8.根据权利要求1或2所述的灯具，其特征在于，所述冷却剂容器(20)的所述第一壁(22)和所述第二壁(24)被设计成平面的彼此平行的板。
9.根据权利要求6所述的灯具，其特征在于，所述冷却剂容器(20)的所述第一壁(22)和所述第二壁(24)被设计成平面的彼此平行的板。
10.根据权利要求7所述的灯具，其特征在于，所述冷却剂容器(20)的所述第一壁(22)和所述第二壁(24)被设计成平面的彼此平行的板。
11.根据权利要求1或2所述的灯具，其特征在于，所述冷却剂容器(20)的所述第一壁(22)和/或所述第二壁(24)的外侧面为了实现光学功能被设计成弯曲的。
12.根据权利要求6所述的灯具，其特征在于，所述冷却剂容器(20)的所述第一壁(22)和/或所述第二壁(24)的外侧面为了实现光学功能被设计成弯曲的。
13.根据权利要求7所述的灯具，其特征在于，所述冷却剂容器(20)的所述第一壁(22)和/或所述第二壁(24)的外侧面为了实现光学功能被设计成弯曲的。
14.根据权利要求11所述的灯具，其特征在于，在所述冷却剂容器(20)的所述第一壁(22)和/或所述第二壁(24)的外侧面上形成有二维透镜阵列。
15.根据权利要求12所述的灯具，其特征在于，在所述冷却剂容器(20)的所述第一壁(22)和/或所述第二壁(24)的外侧面上形成有二维透镜阵列。
16.根据权利要求13所述的灯具，其特征在于，在所述冷却剂容器(20)的所述第一壁(22)和/或所述第二壁(24)的外侧面上形成有二维透镜阵列。
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