CN103748407A - 带有包括菲涅耳透镜和呈蜂窝状布置的非球面透镜的透镜系统的led灯 - Google Patents

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欧根·弗里奇
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Abstract

本发明涉及一种照明效率提高的LED灯，该LED灯特别适合用于工作场所，在该工作场所中重要的是低亮度容差。根据本发明的LED工作场所灯的特征在于被准确限定的具有精确边缘的照明表面，该照明表面可以另外以模块化的方式构造并且能够借助于变焦元件来限制或扩大有待被照明的区域。该灯和灯系统的特征在于，辐射源为多个LED，每个LED分别以这种方式被分配有至少一个用于聚焦并收集照射光的光学设备，即，在光输入侧上设置有一菲涅耳光学设备，并且在光输出侧上设置有呈六边形布置的非球面透镜。

Description

带有包括菲涅耳透镜和呈蜂窝状布置的非球面透镜的透镜系统的LED灯
技术领域
本发明涉及一种照明效率提高的LED灯，该LED灯特别适合用作工作场所灯。为了本发明的目的，工作场所灯被定义为适合用于那些应用领域的灯，即，在这些应用领域中，低亮度容差和清晰定界边缘在光分布中是很重要的。这些应用领域可以是实验室中、办公室中、医疗设施中或机器照明系统中的特殊工作场所。然而，可能的应用领域并不限于此。根据本发明的LED灯的出众之处在于被准确限定的具有精确边缘的照明区域，该照明区域可以另外以模块化的方式构造并且能够借助于变焦元件来限制或扩大有待被照明的区域。
背景技术
不断改进光输出同时节约能量的需要通常构成了针对开发LED作为光源的需求。特别是高亮度LED允许在工业或医疗应用中使用，具体是用于有待被充分且均匀地照明的工作场所，诸如像实验室中、质量控制中或计量技术中或外科手术技术中。密集封装LED灯领域的进一步持续发展为此提供了先决条件。
从DE 102010004221 A1中已知的是，多种灯装备有设置在一个平面中的多个点型光源、特别是LED。还已知的是，将这些光源设置在一个或多个电路板上并且在光源上方以一个恒定的间距设置一个光漫射板，从而使得该光漫射板用作一个光密度积分器。
从WO 2011/032975 A1已知的一种LED灯元件，该LED灯元件是针对均匀光分布，并且其中一个细长的灯元件包括沿一个纵向方向设置的多个LED，其中优选地，在每个光源上方设置有一个透镜，从而使得这些光源用作漫射发射器。
还已知的是一种外科手术灯（例如来自DE 102004055839 A1），该外科手术灯是针对手术区的照明进行改进。
WO 2004/098857 A1描述了一种用于生产光散射成形零件的方法，该方法尤其能够带来廉价的生产成本及高的生产率。此外，同时该成品应当具有高的光学质量。
然而，这些已知的解决方案都不满足用于高度敏感的工作场所的均匀且准确可定界照明所需要的要求。此外，这类灯应当构造简单并且生产成本低廉。
发明内容
因此，本发明的目的在于开发一种改进的LED灯或一种LED灯系统，该LED灯或LED灯系统达成了改进照明效率的目的，并且具有非常小的亮度容差的特征，而且改进了物体和边缘的照明。
本发明的目的是通过一种灯或一种灯系统来实现的，该灯或灯系统的特征在于，辐射源为多个LED，这些LED被分配有用于聚焦和收集发射光的光学设备，从而使得以菲涅耳光学系统形式的一个光学系统被定位在光入射侧上，并且这些LED在光出射侧上被分配有多个呈六角形结构的非球面透镜。非球面透镜的尺寸和数量取决于使用该灯的特定要求和条件。光学设备优选由一种合适的光散射塑料（诸如PMMA）组成。优选地采用适合于此的一种注射模塑技术来实现光学设备的生产。被配置具有所需的角度和相互间距（LED与透镜之间）的一个光分布情况产生了具有最佳安装空间的最佳光照明。
具体实施方式
图1描绘了本发明的原理图示。这些LED2被设置在一个电路板3上。图2和图3示出了该LED灯的多个具体实施例。在一个特定实施例中，根据本发明的LED灯由至少一个监控二极管4控制，以用于亮度调节。在图2中，该示例性实施例具有多个被称为监控二极管的二极管，这些监控二极管被配置为光电二极管。所述监控二极管确定（测量）在这些LED与设置在其上方的该光学设备之间的相应的指定测量区域的亮度。可能的是通过合适的电子控制装置来捕获这些监控二极管的结果，从而使得所述测量结果与该灯或多个灯部分的预定值进行比较，并且使得这些LED在一个另外的步骤中被重新调整，以便获得亮度增强或变暗的效果。
也可能的是，使用合适的控制元件（未图示）通过一个对应的接口来达成接通和断开的目的。此外，该灯可以配备有一个捕获设备，该捕获设备读取这些监控二极管的老化情况并且如果有必要的话提示更换这些LED。例如，在要求非常精确和准确的照明的工作场所，如测量设施、样品检查等的情况下，这可能是重要的。
图4至图8示出了作为光引导元件的光学设备1，其中图4提供了光出射表面（具有非球面透镜的表面）的图示并且同时提供了部分的侧视图。在此很容易看出的是，连接到该光学设备底面的光入射元件与多个光出射元件的模块化构造。这些元件优选地根据非球面透镜的尺寸和数量配置成所希望的，并且由于该模块化构造的缘故，这些元件是可扩展的。
图5示出了根据本发明的光学设备的侧视图。图6示出该光学设备的底面及其光入射表面。可以看到在根据本发明的这个构造中所使用的菲涅耳光学系统。在一个合适的配置中，该菲涅耳光学系统的尺寸和规格与该灯和有待被照明的区域相匹配。图7示出了被称为菲涅耳光学设备的拼贴（tile）形式的一个实施例（尺寸比率和数量仅仅是示例性的）。以斜线示出的是，例如，单个模块（菲涅耳光学系统和非球面透镜）可以如何彼此连接（例如在侧面粘性结合）的一个变化例。
图8示出了光出射侧（LA）、侧视图（倾斜的）以及光入射侧（LE）的视图。这些所附文件阐释了该工作场所灯或机器灯的配置的多个实例。图9示出多个模块部分连接的一个实例。模块的数量以及其光出射元件的数量和尺寸可以根据需要进行配置。在该实例中，出射元件是由6×7个正方形的单独元件制成的，这些单独元件进而可以用合适的方式进行连接。
例如，根据本发明的解决方案的一个变化例包括以下配置。可以理解的是，此实施例不限制根据本发明的解决方案的保护范围，而由此也覆盖了等效的设计：
-LED的数量6×42=252个LED
-LED的工作电流ILED=70mA
-一个光学元件的尺寸A=20×16.5mm
-1m距离处的中心光照强度E=1300lx
-1m距离处的50%直径d50=1.3m（33°）
-1m距离处的10%直径d10=3.0m（54°）
-分布的光通量Ф分布=1800lm
依据：高斯分布，其中IZ=1300cd并且α50%=33°
-光学系统的几何损失v光学系统=40%
Ф=3000lm
-盖板和光学系统的菲涅耳损失vFR=15%
Ф=3530lm
-热降解（jct.85℃）v热=15%
Ф=4150lm
-寿命退化vLD=15%
Ф=4880lm
-每个LED的光通量ФLED=4512lm/252=19.4lm
所使用的LED例如是一个LED Osram LUW G5GP。
-安装空间6×3.6×2.2mm
-发射角α=135°
-色温
Figure BDA0000465480010000041
-典型光通量（I=100mA时）Φ=18-39lm
-70mA时的相对光通量Φrel=75%
-所需面元划分（binning）Φ=19.4/0.75=25.8lm
对应于面元GZ（24lm至28lm）
光入射侧（LE）例如被配置如下：
-菲涅耳透镜
最大弧深t=3mm
最小弧角
Figure BDA0000465480010000042
拔模角度β=3°
模腔半径r>10μm
距光源的距离d=6.5mm（中心）
（距电路板8mm）。
根据本发明，该光出射侧具有根据图10的六角形结构的非球面透镜。在此，根据这些六角形透镜的角位置和尺寸可以对设计进行配置。
在该示例性实施例中，对边宽度为1.92mm并且顶点半径r=0.90mm（未按比例示出）。
合适的参数（如透镜的数量、所分配的一个或多个菲涅耳光学系统的尺寸、LED的发光强度、LED距光学设备的距离等）是根据需要的光分布和亮度以及灯距有待被照明的区域的距离进行选择的。
在该示例性实施例中，透镜距LED的距离是4.5mm并且，距这些LED被安排在其上的电路板6mm。
效率可以通过更短的焦距来提高。当然可能的是，根据工作场所的要求，通过光出射处的扩展光学系统的优化措施来匹配并提高效率。
在一个具体实施例中，当然也可能将紧凑的光学设备配置成2个单独模块（光入射光学系统和光出射光学系统）并且将它们以适于要求的方式进行连接。
在本发明的一个具体实施例中，在LED灯中，每个LED被恰好分配有一个位于其上方的根据本发明的光学设备。
为了将对应地与相应要求相匹配的一个光学系统配置为一个光学设备，本发明的目标的还在于：将该光学系统以不同尺寸、以不同间距和/或以模块化构造进行配置。在一个具体实施例中，使用了彩色LED以便指示有待被照明的区域中的某些点，和/或来更好地标记照明的边缘。例如，以这种方式所确定的金属中的裂缝或塑料中的夹杂物可以被标记，并通过对这个位置进行存储以在稍后进行处理。在一个另外的实施例中，也可能将纳米粒子添加到由一种合适的塑料制造的光学设备中，和/或在光入射侧和/或光出射侧上涂敷一层纳米粒子。
已经表明，特别是在对形成雾的工作表面或释放湿气的工作表面进行照明的情况下，在灯表面上可以容易地沉降出一个水分膜。根据本发明，这可以通过该纳米涂层在很大程度上得到避免。可能沉降的湿气可以通过在该灯附近的一个集成的通风系统或鼓风机来防止。
本发明的目标还在于：根据需要用多个单独彩色模块或多个部分着色模块来补充该灯以形成一个灯系统。例如，可以因此将多个特定标记施加在照明表面上或添加到照明表面中。
另外，还可能的是使用多个不同着色的模块或模块部件。
在特定情况下，明智的是在该光学设备上方安装一个保护性玻璃/圆盘。
该灯的这些部件优选通过一种UV粘合剂进行互连，所述UV粘合剂例如，光固化丙烯酸酯粘合剂。为此，该丙烯酸酯粘合剂可以基于一种单组分、无溶剂并且触变性的改性聚氨酯丙烯酸酯。

Claims (9)

1.一种LED灯，其包括至少一个LED辐射源，该LED灯被分配有一用于聚焦和收集发射光的光学设备，从而使一菲涅耳光学设备被定位在光入射侧上，该LED灯在光出射侧上被分配有呈六角形结构的一个或多个非球面透镜。
2.如权利要求1所述的LED灯，其特征在于，所述光学设备被构建为一个单独模块或多模块。
3.如权利要求1至2所述的LED灯，其特征在于，所述光学设备由一种光散射塑料组成。
4.如上述权利要求中至少一项所述的LED灯，其特征在于，所述光学设备中含有纳米粒子。
5.如上述权利要求中至少一项所述的LED灯，其特征在于，所述光学设备涂覆有纳米粒子。
6.如上述权利要求中至少一项所述的LED灯，其特征在于，所述工作灯（LED）包括至少一个监控二极管，该监控二极管用于捕获供亮度调整或变暗效果用的数据。
7.如权利要求6所述的LED灯，其特征在于，所述LED灯包括一用于处理所述监控二极管的测量数据的电子控制装置。
8.如上述权利要求中至少一项所述的LED灯，其特征在于，所述LED辐射源中的至少一个是一个彩色LED。
9.如上述权利要求中至少一项所述的LED灯，其特征在于，所述光学设备的所述模块中的至少一个被配置为是至少部分着色的。
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