DE102004004261B3 - Arrangement for uniform or predefinable illumination of large areas - Google Patents

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Abstract

The invention relates to a system for illuminating large areas in an even or defined manner. The aim of the invention is to provide a system with which large areas having the defined parameters can be illuminated in an inexpensive and variable manner, said system comprising at least one reflective element that is relatively compact. According to the inventive system, light (1') collimated by a light source (1) is directed onto at least one reflecting element (2) having a Fresnel structure reflecting surface. The reflecting element is provided at least in some areas with a disturbance flank-free Fresnel structure having varying angle inclinations relative to the imminent collimated light. The collimated light is collected by these effective flanks and is scattered by the respectively adjacent effective flank.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur gleichmäßigen oder vorgebbaren Beleuchtung von großen Flächen mit einer Lichtquelle, wobei über die jeweilige Fläche eine weitestgehend konstante Beleuchtungsstärkeverteilung erreicht werden soll. Mit der erfindungsgemäßen Lösung können beispielsweise eine großflächige Beleuchtung im Freien, aber auch in geschlossenen Räumen erzielt werden, so dass sie beispielsweise für die Ausleuchtung von Verkehrs- oder auch Büroräumen geeignet ist. Es kann aber auch eine gewünschte vorgegebene Beleuchtung bestimmter Flächenbereiche einer zu beleuchtenden Fläche, wie insbesondere äußere Randbereiche einer solchen Fläche erreicht werden.The The invention relates to an arrangement for uniform or predefinable illumination of large areas with a light source, with over the respective area a largely constant illumination intensity distribution can be achieved should. For example, with the solution according to the invention a large-scale lighting be achieved outdoors, but also indoors, so that for example for the illumination of traffic or office space is suitable. It can but also a desired one predetermined illumination of certain surface areas of a to be illuminated Area, in particular outer edge areas such a surface be achieved.

Bei der Ausleuchtung von Flächen mit großen Aperturwinkeln, bei denen die Randstrahlung mit Winkeln von ca. 120 ° emittiert wird, kommt es an den Rändern von auszuleuchtenden Flächenbereichen zu einem erheblichen Abfall der dort erreichbaren Beleuchtungsstärken.at the illumination of surfaces with big Aperture angles, where the edge radiation with angles of approx. Emitted 120 ° is, it comes at the edges of surface areas to be illuminated to a considerable drop in illuminance levels achievable there.

Unter Berücksichtigung des photometrischen Entfernungsgesetzes und die schräg geneigte Projektion des abgestrahlten Lichtes auf die jeweilige auszuleuchtende Fläche treten Beleuchtungsstärkeabfälle, mit einem Faktor cos (w)3, bezogen auf die Mitte der beleuchteten Fläche (bei 60 °: 0,125 auf). So ist eine Reduzierung der Beleuchtungsstärke an den Rändern in Bezug zur Mitte der jeweiligen Fläche auf 1/8 bei herkömmlichen Lösungen zu verzeichnen.Taking into account the photometric law of removal and the obliquely inclined projection of the radiated light onto the respective surface to be illuminated, illuminance drops occur, with a factor cos (w) 3 relative to the center of the illuminated surface (at 60 °: 0.125). Thus, a reduction in illuminance at the edges with respect to the center of the respective area to 1/8 in conventional solutions is recorded.

Für viele Anwendungsfälle ist aber eine gleichmäßige Beleuchtungsstärkeverteilung über die gesamte jeweilig auszuleuchtende Fläche erwünscht.For many use cases but is a uniform illumination distribution over the entire area to be illuminated is desired.

Hierzu werden bei bekannten Lösungen speziell asphärisch geformte und Freiformflächen aufweisende Reflektoren eingesetzt, die hohe Anforderungen an die Berechnung und die Herstellung solcher Asphären und Freiformflächen aufweisenden Reflektoren stellen. Üblicherweise müssen solche Reflektoren auch für den jeweiligen Anwendungsfall gesondert berechnet und gefertigt werden.For this be in known solutions especially aspherical shaped and freeform surfaces exhibiting reflectors, the high demands on the Calculation and production of such aspheres and free-form surfaces Reflectors provide. Usually have to Such reflectors also for the particular application separately calculated and manufactured become.

In einer anderen Alternative ist es ebenfalls Stand der Technik gesondert berechnete optische Elemente mit Fresnelstrukturen für eine solche Beleuchtung einzusetzen, die in relativ weiten Bereichen eine Variation der Beleuchtungsstärkeverteilung ermöglichen.In In another alternative, it is also separate from the prior art calculated optical elements with Fresnel structures for such Lighting to use, which in a relatively wide areas a variation of Illuminance distribution enable.

Bei den herkömmlichen Fresneloptiken werden aber alternierend wechselnd die so genannten Wirk- und Störflanken eingesetzt, wobei die Störflanken einen eher negativen Einfluss auf die Lichtführung ausüben und häufig Lichtverluste in Kauf genommen werden müssen.at the conventional one Fresnel optics are alternately changing the so-called Active and interference edges used, with the Störflanken have a rather negative influence on the lighting and often light losses in purchase must be taken.

So ist in DE 197 40 243 C1 ein optischer Sender zum Aussenden von Lichtsignalen, insbesondere zum gleichzeitigen Aktivieren von in einem Raumbereich vorhandenen Lichtsignalempfängern beschrieben. Dabei soll ein Laserstrahl sowie eine Sendeoptik eingesetzt werden, um durch den Sender einen möglichst großen Raumwinkel ausleuchten zu können. An der Sendeoptik ist ein Fresnelspiegel und ein Primärspiegel vorhanden, deren Spiegelflächen zueinander zu gekehrt sind.So is in DE 197 40 243 C1 an optical transmitter for emitting light signals, in particular for the simultaneous activation of present in a spatial area light signal receivers described. In this case, a laser beam and a transmission optics are used to illuminate the largest possible solid angle through the transmitter can. At the transmitting optics, a Fresnel mirror and a primary mirror is present, whose mirror surfaces are turned to each other.

In DE 691 21 651 T2 ist eine katadioptrische Linse mit gleichmäßigem Intensitätsprofil beschrieben, wobei eine Lichtvorrichtung neben einer Lichtquelle weitere optische Elemente in einem Gehäuse aufweist. An der Lichtvorrichtung ist auch ein Reflektor mit einer strukturierten Oberfläche vorhanden.In DE 691 21 651 T2 a Katadioptrische lens is described with uniform intensity profile, wherein a light device in addition to a light source further optical elements in a housing. The light device also has a reflector with a structured surface.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung Möglichkeiten vorzuschlagen, mit denen eine gleichmäßige oder vorgegebene Beleuchtung großer Flächen in kostengünstiger, variabler Form erreichbar ist und eine relativ geringe Baugröße mindestens eines einzusetzenden reflektierenden Elementes eingehalten werden kann.It is therefore an object of the invention to propose ways with which a uniform or predetermined Lighting big surfaces in cheaper, variable shape is achievable and a relatively small size at least be adhered to a reflective element can.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Anordnung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung können mit den in den untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.According to the invention this Task with an arrangement having the features of claim 1, solved. Advantageous embodiments and developments of the invention can having the features indicated in the subordinate claims be achieved.

Die erfindungsgemäße Anordnung zur gleichmäßigen oder vorgegebenen Beleuchtung von großen Flächen, wobei die jeweiligen großen Flächen immer in Bezug zur Größe der jeweiligen Lichtquelle, bzw. der von einer Lichtquelle emittierten Lichtstrahlung gewertet werden soll, verwendet mindestens ein reflektierendes Element, an dem eine Fresnelstruktur ausgebildet ist und kollimiertes Licht der Lichtquelle an der mit der Fresnelstruktur versehenen Oberfläche reflektiert wird. Bei dem auf diese Oberfläche gerichteten Licht kann eine geringe Divergenz toleriert und durch geeignete Maßnahmen am reflektierenden Element gegebenenfalls auch noch kompensiert werden.The inventive arrangement for uniform or predetermined illumination of large areas, the respective large areas always in relation to the size of the respective light source, or the is to be evaluated by a light source emitted light radiation, uses at least one reflective element on which a Fresnel structure is formed and collimated light of the light source is reflected at the surface provided with the Fresnel structure. In the case of the light directed onto this surface, a slight divergence can be tolerated and optionally also compensated by suitable measures on the reflective element.

Dabei ist an dem mindestens einen reflektierenden Element eine zumindest bereichsweise störflankenfreie Fresnelstruktur ausgebildet. Diese Fresnelstruktur wird dabei aus alternierend wechselnden Wirkflanken gebildet, die jeweils in Bezug zum einfallenden kol limierten Licht wechselnde Winkelneigung aufweisen. Dadurch wird mit einer in einer Winkelneigung ausgerichteten Wirkflanke einfallendes kollimiertes Licht gesammelt und mit der zu einer solchen Wirkflanke benachbarten in einer jeweils anderen Winkelneigung ausgerichteten Wirkflanke das einfallende kollimierte Licht gestreut.there is at least one reflective element at least one partially non-interfering Fresnel structure formed. This Fresnel structure is characterized alternately changing active edges formed, each with respect to the incident kol limierten light changing angle inclination. Thereby becomes with an active flank aligned in an angle inclination incident collimated light collected and with the to such Active flank adjacent in a different angle inclination aligned Flank the incident collimated light scattered.

In bevorzugter Form sollte dabei eine solche störflankenfreie Fresnelstruktur in Bezug zur optischen Achse des gesamten Systems bzw. des kollimierten Lichtes zumindest im radial äußeren Bereich eines solchen reflektierenden Elementes ausgebildet sein. Selbstverständlich besteht aber auch die Möglichkeit, den gesamten zur Reflexion genutzten Oberflächenbereich eines solchen erfindungsgemäßen reflektierenden Elementes mit einer störflankenfreien Fresnelstruktur zu versehen.In In this case, a preferred shape should be such a Fresnel structure free from fringes in relation to the optical axis of the entire system or of the collimated one Light at least in the radially outer region be formed of such a reflective element. Of course, there is but also the possibility the entire surface area used for reflection of such a reflective according to the invention Element with a non-interfering edge To provide Fresnel structure.

Vorteilhaft ist es außerdem an erfindungsgemäß einzusetzenden reflektierenden Elementen eine störflankenfreie Fresnelstruktur auf dessen Rückseite auszubilden, so dass das kollimierte Licht über die der jeweiligen Lichtquelle zugewandten Oberfläche des reflektierenden Elementes, durch dieses hindurch auf die jeweiligen Wirkflanken der erfindungsgemäßen Fresnelstruktur auftreffen, an diesen in Abhängigkeit der jeweiligen Neigungswinkel der Wirkflächen reflektiert und nach einer Brechung an der Grenzfläche, die gegenüberliegend der störflankenfreien Fresnelstruktur an der Oberfläche des reflektierenden Elementes angeordnet ist, zusätzlich gebrochen wird, so dass durch eine solche Brechung die Strahlführung nochmals vorteilhaft für die gewünschte gleichmäßige großflächige Ausleuchtung genutzt werden kann.Advantageous it is as well to be used according to the invention reflective elements a Störflankenfreie Fresnel structure on the back form so that the collimated light over that of the respective light source facing surface of the reflective element, passing therethrough to the respective ones Active edges of the Fresnel structure according to the invention impose on these in dependence reflected the respective angle of inclination of the active surfaces and after a Refraction at the interface, the opposite of the störflankenfreien Fresnel structure on the surface the reflective element is arranged, additionally broken is, so that by such a refraction, the beam guidance again advantageous for the desired uniform, large-area illumination can be used.

In diesem Fall sollte das erfindungsgemäß einzusetzende reflektierende Element aus einem das jeweilige Licht transparenten Werkstoff mit einem bekannten Brechungsindex gebildet sein und die äußeren Oberflächen der störflankenfreien Fresnelstruktur mit einer das jeweilige Licht reflektierenden Beschichtung überzogen sein. So können die eigentlichen reflektierenden Elemente aus einem geeigneten Kunststoff bestehen, der beispielsweise durch Spritzgussverfahren oder an sich herkömmliches Heißprägen bearbeitet werden kann.In In this case, should be used according to the invention reflective Element made of a material transparent to the respective light be formed a known refractive index and the outer surfaces of the störflankenfreien Fresnel structure coated with a coating reflecting the respective light be. So can the actual reflective elements made of a suitable plastic consist, for example, by injection molding or in itself conventional Hot stamping processed can be.

Erfolgt die Reflexion des kollimierten Lichtes aber direkt unmittelbar auf der Oberfläche einer störflankenfreien Fresnelstruktur, ohne dass das jeweilige Licht vorab durch den Werkstoff eines reflektierenden Elementes auf die jeweiligen Wirkflanken auftrifft, kann die erfindungsgemäße störflankenfreie Fresnelstruktur auch ausschließlich aus einem entsprechend reflektierenden Werkstoff gebildet sein oder, wie bereits angesprochen, eine solche reflektierende Beschichtung auf einer entsprechend störflankenfreien Fresnelstruktur ausgebildet worden sein.He follows but the reflection of the collimated light directly directly on the surface a Störflankenfreien Fresnel structure without the respective light in advance through the material a reflective element impinges on the respective active edges, can the Störflankenfreie invention Fresnel structure also exclusively be formed from a correspondingly reflective material or, As already mentioned, such a reflective coating on a corresponding no-flank Fresnel structure have been formed.

An einer erfindungsgemäßen Anordnung können aber auch mehr als ein reflektierendes Element mit störflankenfreier Fresnelstruktur eingesetzt werden. So besteht die Möglichkeit mehrere solcher reflektierender Elemente in Form eines so genannten „Arrays" nebeneinander anzuordnen, die gegebenenfalls auch fest oder wieder lösbar miteinander verbunden werden können. In dieser Form lassen sich quasi, wie in einem Baukastensystem, unterschiedlich dimensionierte und den jeweiligen Anwendungsfall berücksichtigende erfindungsgemäße Anordnungen montieren.At an inventive arrangement can but also more than a reflective element with Störflankenfreier Fresnel structure can be used. So there is the possibility arrange several such reflective elements next to each other in the form of a so-called "array", which optionally also fixed or detachably connected to each other can be. In this form you can almost, as in a modular system, different sized and the particular application consider inventive arrangements assemble.

Sowohl ein, wie auch mehrere reflektierende Elemente, an denen störflankenfreie Fresnelstrukturen ausgebildet sind, sollten dabei möglichst in einer gemeinsamen Ebene, die außerdem möglichst parallel oder unter einem geneigten Winkel zur jeweiligen zu beleuchtenden Fläche ausgerichtet ist, angeordnet werden.Either a, as well as several reflective elements on which Störflankenfreie Fresnel structures are formed, should possible in a common plane that is also as parallel or as possible aligned at an inclined angle to the respective surface to be illuminated is to be arranged.

Für die gewünschte homogene Ausleuchtung der jeweiligen relativ großen Fläche sollten bevorzugt Mindestabstände an einer erfindungsgemäßen Anordnung eingehalten werden, um die gewünschten Effekte erreichen zu können. So sollte der Abstand A des einen oder auch mehrerer reflektierender(n) Element(e) zur zu beleuchtenden Fläche mindestens fünffach, bevorzugt mindestens zehnfach so groß sein, wie der Durchmesser oder die Flächendiagonale des Querschnitts des jeweiligen kollimierten Lichtes, das auf das jeweilige oder die zueinander entsprechend angeordneten reflektierende(n) Element(e) gerichtet ist, sein.For the desired homogeneous Illumination of the respective relatively large area should preferably minimum distances at one inventive arrangement be respected to the desired To achieve effects. So should the distance A of the one or more reflective (s) Element (s) to the surface to be illuminated at least five times, preferably at least ten times as large as the diameter or the area diagonal of the cross section of the respective collimated light incident on the respective or mutually correspondingly arranged reflective (s) Element (s) is directed to be.

Dadurch können die mit der Erfindung erreichbaren Effekte noch besser ausgenutzt werden. Hierbei kann berücksichtigt werden, dass eine der beiden Wirkflanken eines benachbart zueinander angeordneten entsprechend entgegengesetzt ausgerichteten Wirkflankenpaares, die Funktion eines konkaven Reflex(Hohl-Spiegel) und die jeweils andere Wirkflanke die Funktion eines konvexen Spiegels (Wölbspiegels) erfüllt. Die die Funktion eines konvexen Spiegels ausübende Wirkflanke streut das Licht in Richtung äußeren Rand der auszuleuchtenden Fläche und die die Funktion eines konkaven Spiegels ausübende Wirkfläche sammelt das Licht in Richtung des Brennpunktes, da aber die Entfernungen der zu beleuchtenden Fläche relativ groß gehalten sind, wird auch das entsprechend mit einer solchen Wirkflanke reflektierte Licht eigentlich gestreut.Thereby can exploited the achievable with the invention effects even better become. This can be considered be that one of the two active edges of one adjacent to each other arranged corresponding oppositely oriented active edge pair, the function of a concave reflex (hollow mirror) and the respectively other active flank the function of a convex mirror (curvature mirror) Fulfills. The effect of the function of a convex mirror active edge scatters that Light towards the outer edge the surface to be illuminated and collects the function surface of a concave mirror performing effective area the light towards the focal point, but the distances the surface to be illuminated kept relatively large are also reflected accordingly with such an active edge Light actually scattered.

Die durch die an den jeweiligen unterschiedlich ausgerichteten Wirkflächen durch Reflexion auf die zu beleuchtende Fläche erhaltenden Abbildungen überlagern sich auf der jeweilig auszuleuchtenden Fläche und es wird eine Vergleichmäßigung der Beleuchtungsstärke über die gesamte zu beleuchtende Fläche erreicht. Die Lichtverteilung erfolgt dabei unabhängig von der jeweiligen Geometrie der Lichtquelle oder der Strahlgeometrie der von dieser emittierten Lichtstrahlung, so dass von einer Ausleuchtung im so genannten „Fernfeld" gesprochen werden kann. Hierbei sollte die photometrische Grenzentfernung des photometrischen Entfernungsgesetzes berücksichtigt sein.The by the at the respective differently oriented active surfaces through Superimpose reflection on the surface to be illuminated on the respective surface to be illuminated and it is a homogenization of the Illuminance over the entire surface to be illuminated reached. The light distribution is independent of the respective geometry of the light source or the beam geometry the light radiation emitted by this, so that of an illumination to be spoken in the so-called "far field" can. Here, the photometric limit of the photometric Distance law considered be.

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.following the invention will be explained in more detail by way of example.

Dabei zeigen:there demonstrate:

1 in schematischer Form ein Beispiel einer Anordnung für eine Ausleuchtung großer Flächen; 1 in schematic form an example of an arrangement for illuminating large areas;

2 eine Teildarstellung eines reflektierenden Elementes mit konventioneller Fresnelstruktur, wie es bei einer Anordnung nach 1 eingesetzt werden kann; 2 a partial view of a reflective element with conventional Fresnel structure, as in an arrangement according to 1 can be used;

3 in schematischer Form das Reflexionsverhalten einer konventionellen Fresnelstruktur an Wirk- und Störflanke; 3 in schematic form, the reflection behavior of a conventional Fresnel structure at the active and Störflanke;

4 das Reflexionsverhalten an einer konventionellen Fresnelstruktur mit Mehrfachreflexionen an der Störflanke; 4 the reflection behavior on a conventional Fresnel structure with multiple reflections at the Störflanke;

5 in schematischer Form das prinzipielle Reflexionsverhalten an einer erfindungsgemäß einzusetzenden störflankenfreien Fres nelstruktur und 5 in schematic form, the principal reflection behavior on an inventively used Störflankfreien Fres nelstruktur and

6 in dreidimensionaler Form eine berechnete Beleuchtungsstärkeverteilung über eine Fläche, die mit einer erfindungsgemäßen Anordnung erreichbar ist. 6 in three-dimensional form, a calculated illumination intensity distribution over a surface, which can be achieved with an arrangement according to the invention.

In 1 ist in schematischer Form eine Anordnung zur Beleuchtung großer Flächen 5 dargestellt. Dabei wird kollimiertes Licht 1' einer Lichtquelle 1 auf ein mit einer Fresnelstruktur versehenes reflektierendes Element 2 gerichtet und von diesem in Richtung auf die zu beleuchtende Fläche 5 mit einer entsprechend großen Apertur zurückreflektiert.In 1 is in schematic form an arrangement for illuminating large areas 5 shown. This becomes collimated light 1' a light source 1 on a reflective element provided with a Fresnel structure 2 directed and from this in the direction of the surface to be illuminated 5 reflected back with a correspondingly large aperture.

In 2 und 3 sind Teildarstellungen gezeigt, bei denen herkömmliche, mit einer Fresnelstruktur versehene reflektierende Elemente mit ihrer jeweiligen Strahlführung dargestellt sind.In 2 and 3 partial representations are shown in which conventional, provided with a Fresnel structure reflective elements are shown with their respective beam guidance.

So wird mit 2 angedeutet, wie das kollimierte Licht der Lichtquelle 1 durch den Werkstoff eines reflektierenden Elementes auf die Wirkflanken einer herkömmlichen Fresnelstruktur auftrifft, entsprechend des Einfallswinkels auf den jeweiligen Wirkflanken in einem radial nach außen gerichteten Winkel reflektiert und an der äußeren Oberfläche, als Grenzfläche des reflektierenden Elementes entsprechend nochmals gebrochen wird.So will with 2 hinted at how the collimated light of the light source 1 impinges on the active edges of a conventional Fresnel structure through the material of a reflective element, is reflected according to the angle of incidence on the respective active edges in a radially outwardly directed angle and refracted on the outer surface, as an interface of the reflective element again.

Mit der schematischen Darstellung nach 3 soll aber verdeutlicht werden, wie ein Teil des einfallen den kollimierten Lichtes 1' nicht nur an einer Wirkflanke 6 einer herkömmlichen Fresnelstruktur, sondern auch an einer Störflanke 7 reflektiert wird, so dass dieser Teil, der sowohl an Wirk-, wie auch an Störflanken reflektiert zu einer stärkeren Ausleuchtung, mit entsprechend erhöhter Beleuchtungsstärke des zentralen mittigen Bereiches der jeweiligen zu beleuchtenden Fläche führt.With the schematic representation after 3 but should be clarified, as part of the idea of collimated light 1' not only on an active edge 6 a conventional Fresnel structure, but also at a Störflanke 7 is reflected, so that this part, which reflects both on active as well as on Störflanken leads to a stronger illumination, with a correspondingly increased illuminance of the central central region of the respective surface to be illuminated.

Wie aus 4 deutlich ersichtlicht wird, trifft ein Teil des kollimierten Lichtes 1' direkt auf eine Störflanke, wird von dieser auf eine Wirkflanke reflektiert und von der Wirkflanke wieder auf die Störflanke und von dieser dann aus dem reflektierenden Element 2 zur Beleuchtung einer Fläche reflektiert. Der Anteil des vom reflektierenden Element 2 reflektierten Lichtes tritt dabei nahezu parallel aus diesem heraus, so dass eine unerwünschte Erhöhung der Beleuchtungsstärke im zentralen Bereich der zu beleuchtenden Fläche auftritt.How out 4 is clearly seen, meets a part of the collimated light 1' directly on a disturbing flank, is reflected by this on an active edge and from the active edge back to the Störflanke and from this then from the reflective element 2 reflected to illuminate a surface. The proportion of the reflective element 2 reflected light occurs almost parallel out of this, so that an undesirable increase in the illuminance occurs in the central region of the surface to be illuminated.

Bei den in den 3 und 4 dargestellten reflektierenden Elementen 2 könnte eine solche unerwünschte Lichtführung, die insbesondere durch die Reflexionen an den Störflanken auftritt, vermieden werden, wenn ein Störflankenwinkel von 0 ° eingehalten worden ist, wobei dieser Winkel in Bezug zur optischen Achse betrachtet werden soll. Bei einer Ausführungsform gemäß 3 würde dann ein Lichtstrahl nach der Reflexion an einer senkrechten Störflanke mit dem gleichen Winkel nach rechts aus dem reflektierenden Element 2 austreten, so dass er mit dem gleichen Abstand auf der anderen Seite der zu beleuchtenden Fläche auftreffen würde. Ein analoges Verhalten würde ein Lichtstrahl auf der gegenüberliegenden Seite des reflektierenden Elementes 2 zeigen, so dass dadurch dann keine Erhöhung der Beleuchtungsstärke im zentralen mittigen Bereich der zu beleuchtenden Fläche zu verzeichnen wäre. Solche Fresnelstrukturen sind aber wegen der üblichen formgebenden Herstellungsverfahren ungeeignet, da sie eine zerstörungsfreie Entformung unmöglich machen.In the in the 3 and 4 illustrated reflective elements 2 could such unwanted light guidance, which occurs in particular by the reflections on the Störflanken, be avoided if a Störflankenwinkel of 0 ° has been complied with, this angle is to be considered in relation to the optical axis. In one embodiment according to 3 would then be a light beam after reflection on a vertical interfering edge at the same angle to the right from the reflecting element 2 emerge so that he would strike with the same distance on the other side of the surface to be illuminated. An analogous behavior would be a beam of light on the opposite side of the reflective element 2 show, so that then no increase in the illuminance in the central central region of the surface to be illuminated would be recorded. However, such Fresnel structures are unsuitable because of the usual shaping manufacturing processes, since they make a non-destructive demolding impossible.

Mit 5 soll aber das vorteilhafte Reflexionsverhalten einer störflankenfreien Fresnelstruktur an einer bei der Erfindung einsetzbarem reflektierendem Element 2 in schematischer Form verdeutlicht werden.With 5 but should the advantageous reflection behavior of a Fresnel structure free of flanks on a reflective element which can be used in the invention 2 be illustrated in schematic form.

So trifft das von der hier nicht dargestellten Lichtquelle 1 emittierte, kollimierte Licht 1' zumindest nahezu orthogonal auf ein planare ebene Grenzfläche eines ansonsten transparenten reflektierenden Elementes 2, auf die jeweiligen Wirkflanken 3 und 4, die in Bezug zur optischen Achse, die parallel zum kollimierten Licht ausgerichtet ist, in einem jeweils entgegengesetzten Winkel geneigt sind, auf und wird entsprechend der Einfallswinkel auf diese, hier reflektierend beschichteten Wirkflanken 3 und 4 die jeweiligen Einfallswinkel berücksichtigend, reflektiert. Das jeweilige reflektierte Licht wird dann an der gegenüberliegenden Oberfläche des reflektierenden Elementes 2 entsprechend gebrochen. Dabei ist 5 deutlich entnehmbar, dass das von den in unterschiedlichen Winkelneigungen ausgerichteten Wirkflächen 3 und 4 einfallende kollimierte Licht 1' jeweils in entgegengesetzte Richtungen reflektiert und zusätzlich gebrochen wird.This is the case with the light source, which is not shown here 1 emitted, collimated light 1' at least nearly orthogonal to a planar planar interface of an otherwise transparent reflective element 2 , on the respective active edges 3 and 4 , which are inclined with respect to the optical axis, which is aligned parallel to the collimated light, at a respective opposite angle, and is corresponding to the angle of incidence on these, here reflective coated active edges 3 and 4 considering the respective angles of incidence, reflected. The respective reflected light is then on the opposite surface of the reflective element 2 broken accordingly. It is 5 clearly removable, that of the aligned in different angle inclinations active surfaces 3 and 4 incident collimated light 1' each reflected in opposite directions and additionally refracted.

Je nach Position/Abstand der Wirkflanken 3 und 4 in Bezug zur optischen Achse des einfallenden kollimierten Lichtes 1' wird dabei das jeweilige an den Wirkflanken 3 und 4 reflektierte und gegebenenfalls zu sätzlich noch gebrochene Licht einmal in Richtung auf den radial äußeren Rand der zu beleuchtenden Fläche 5 abgelenkt und die jeweils andere der Wirkflächen 3 oder 4 lenkt Licht in fokussierter Form auf einen entsprechenden Brennpunkt und bei entsprechend großem Abstand zwischen reflektierendem Element 2 und zu beleuchtender Fläche 5 über den Brennpunkt, der in der optischen Achse angeordnet ist, in radial äußere Richtung weiter nach außen hinaus ab, so dass sich dadurch der erfindungsgemäß gewünschte Effekt einer gleichmäßigen Beleuchtungsstärke, die über die gesamte zu beleuchtende Fläche 5 erreicht werden soll, einstellen kann.Depending on the position / distance of the active edges 3 and 4 in relation to the optical axis of the incident collimated light 1' is doing the respective at the active edges 3 and 4 Reflected and possibly additionally additionally broken light once in the direction of the radially outer edge of the surface to be illuminated 5 distracted and the other of the active surfaces 3 or 4 directs light in focused form to a corresponding focal point and with a correspondingly large distance between the reflective element 2 and surface to be illuminated 5 via the focal point, which is arranged in the optical axis, in the radially outer direction further outwards, so that thereby the desired effect according to the invention of a uniform illuminance, over the entire surface to be illuminated 5 to be achieved, can adjust.

In nicht dargestellter Form können zusätzlich, ausgehend von der optischen Achse einer erfindungsgemäßen Anordnung, die jeweiligen Neigungswinkel von Wirkflanken 3 und 4 einer störflankenfreien Fresnelstruktur entsprechend ihrer Abstände in Bezug zur optischen Achse angepasst werden und entsprechend unterschiedliche Neigungswinkel von Wirkflächen 3 und 4 am reflektierenden Element eingehalten werden.In an unillustrated form additionally, starting from the optical axis of an arrangement according to the invention, the respective inclination angle of active edges 3 and 4 a Fresnel structure free of interfering edges can be adapted according to their distances in relation to the optical axis, and correspondingly different angles of inclination of active surfaces 3 and 4 adhered to the reflective element.

Bei einem Beispiel, analog zu einem reflektierenden Element 2, wie es in 5 gezeigt ist, kann aber auch die Oberfläche eines reflektierenden Elementes 2, in die das Licht ein- und gebrochen wieder austritt, zumindest bereichsweise konkav und/oder konvex gekrümmt ausgebildet sein. Dadurch können einmal eine nicht auszuschließende Divergenz, des auf die entsprechende Oberfläche des reflektierenden Elementes 2 gerichteten kollimierten Lichtes 1' kompensiert und gegebenenfalls zum anderen für die gewünschte homogene Beleuchtung der jeweiligen Fläche 5 verbesserte Austrittswinkel der an einer solchen in gewölbter Form ausgebildeten Oberfläche von reflektierenden Elementen 2 gebrochenen Lichtes ausgenutzt werden.In one example, analogous to a reflective element 2 as it is in 5 but can also be the surface of a reflective element 2 into which the light exits and breaks again, at least partially concave and / or convexly curved. This can once a non-excludable divergence, on the corresponding surface of the reflective element 2 directed collimated light 1' compensated and, where appropriate, for the desired homogeneous illumination of the respective area 5 improved exit angles of the surface of reflective elements formed on such an arched shape 2 be exploited broken light.

In 6 ist in dreidimensionaler Form eine berechnete Beleuchtungsstärkeverteilung über eine beleuchtete Fläche 5, die mit einem Beispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung erreichbar ist, gezeigt.In 6 is in three-dimensional form a calculated illuminance distribution over an illuminated area 5 , which can be reached with an example of an arrangement according to the invention shown.

Die hier berücksichtigte zu beleuchtende Fläche 5 hatte eine Kreisform mit einem Durchmesser von 7100 mm, bei einem Abstand der Fläche vom reflektierenden Element 2 von 2500 mm.The considered here to be illuminated area 5 had a circular shape with a diameter of 7100 mm, with a distance of the surface from the reflective element 2 of 2500 mm.

Bei der Berechnung wurden folgende weitere Parameter eines Beispiels einer erfindungsgemäßen Anordnung berücksichtigt:
Es wurde eine maximale Randstrahlneigung von 55 ° für an einem reflektierenden Element 2 reflektiertes Licht, das auf eine zu beleuchtende Fläche gerichtet wird, angenommen. Dieser Randstrahlwinkel entspräche den jeweiligen äußeren Lichtstrahlen, wie sie 1 entnommen werden können.The following additional parameters of an example of an arrangement according to the invention were taken into account in the calculation:
It has a maximum marginal beam tilt of 55 ° for a reflective element 2 reflected light, which is directed to a surface to be illuminated, adopted. This marginal ray angle would correspond to the respective outer light rays, as they 1 can be removed.

Es ergab sich dadurch ein Beleuchtungsstärkeabfall von cos3(55) = 0,189, was etwa 19 % in Bezug zur Mitte der zu beleuchtenden Fläche entsprechen würde.This resulted in an illumination intensity drop of cos 3 (55) = 0.189, which would correspond to about 19% with respect to the center of the surface to be illuminated.

Durch die Berechnung für ein erfindungsgemäßes reflektierendes Element 2 konnte hierfür eine deutliche Kompensation nachgewiesen werden, so dass eine gleichmäßige Beleuchtungsstärkeverteilung über die recht große Fläche erreicht werden konnte.By the calculation for a reflective element according to the invention 2 For this purpose, a clear compensation could be demonstrated, so that a uniform illumination intensity distribution over the rather large area could be achieved.

Bei der Berechnung wurde auf die bekannte Asphärengleichung:

Figure 00140001
The calculation was based on the well-known aspheric equation:
Figure 00140001

Dabei wurde von einem zurückgegriffenen Radius r = 157,67 mm
einem Kegelschnittparameter cc = –1
A2 = 0
A4 = –1.73625E-7
A6 = 1.23325E-11 und
A8 = –5.0425E-16 angezeigt.It was from a recourse radius r = 157.67 mm
a conic parameter cc = -1
A 2 = 0
A 4 = -1.73625E-7
A 6 = 1.23325E-11 and
A 8 = -5.0425E-16 is displayed.

Als h wurde der jeweilige Abstand von der optischen Achse berücksichtigt.When h the respective distance from the optical axis was considered.

Das reflektierende Element war aus einem transparenten Werkstoff mit einem Brechungsindex von n = 1.49.The reflective element was made of a transparent material with a refractive index of n = 1.49.

Claims (7)

Anordnung zur gleichmäßigen oder vorgebbaren Beleuchtung von großen Flächen mit einer Lichtquelle, von der kollimiertes Licht auf mindestens ein reflektierendes Element mit einer in Fresnelstruktur ausgebildeten reflektierenden Oberfläche gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest bereichsweise eine störflankenfreie Fresnelstruktur mit alternierend wechselnden Wirkflanken (3, 4), die jeweils in Bezug zum einfallenden kollimierten Licht wechselnde Winkelneigungen und für einfallendes kollimiertes Licht einmal eine Licht sammelnde und einmal eine Licht streuende Wirkung aufweisen, ausgebildet ist.Arrangement for the uniform or predefinable illumination of large surfaces with a light source, of which collimated light is directed onto at least one reflective element with a reflecting surface formed in fresnel structure, characterized in that at least in regions a Fresnel structure free of fringes with alternating alternating active edges ( 3 . 4 ), each having a light-gathering and once a light-scattering effect in relation to the incident collimated light angle angles and for incident collimated light is formed. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine störflankenfreie Fresnelstruktur in Bezug zur optischen Achse zumindest im radial äußeren Bereich eines reflektierenden Elementes (2) ausgebildet ist.Arrangement according to claim 1, characterized in that a Fresnel structure free of disturbing edges with respect to the optical axis at least in the radially outer region of a reflective element ( 2 ) is trained. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die störflankenfreie Fresnelstruktur auf der Rückseite von reflektierenden Elementen (2) ausgebildet ist.Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the spurious-free Fresnel structure on the back of reflective elements ( 2 ) is trained. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere reflektierende Elemente (2) in einer Ebene, ein Array bildend, nebeneinander angeordnet sind.Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of reflective elements ( 2 ) are arranged side by side in a plane forming an array. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand A des/der reflektierenden Element(e) (2) zur zu beleuchtenden Fläche mindestens dem fünffachen des Durchmessers oder der Flächendiagonale des Querschnitts des kollimierten Lichtes entspricht.Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the distance A of the reflective element or elements (e) ( 2 ) to the surface to be illuminated corresponds to at least five times the diameter or the area diagonal of the cross section of the collimated light. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Neigungswinkel, der alternierend angeordneten Wirkflanken (3, 4) ausgehend von der optischen Achse radial nach außen verändert ist.Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the respective inclination angle of the alternately arranged active edges ( 3 . 4 ) is changed radially outward starting from the optical axis. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die der störflankenfreien Fresnelstruktur gegenüberliegende Oberfläche des reflektierenden Elementes zumindest bereichsweise konkav und/oder konvex gewölbt ist.Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the non-flank Fresnel structure opposite surface of the reflective element at least in area wisely concave and / or convex.
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