DE102007022605A1

DE102007022605A1 - Farblich durchstimmbares Beleuchtungssystem zur abbildenden Beleuchtung

Info

Publication number: DE102007022605A1
Application number: DE102007022605A
Authority: DE
Inventors: Dirk Dr. Berben; Tim Fiedler; Frank Dr. Jermann
Original assignee: Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2006-05-24
Filing date: 2007-05-15
Publication date: 2007-11-29
Anticipated expiration: 2027-05-16
Also published as: DE102007022605B4

Abstract

Farblich durchstimmbares Beleuchtungssystem zur abbildenden Beleuchtung mit einem Durchstimmmittel und mindestens zwei Lichtquellen unterschiedlicher Farbe, wobei das Beleuchtungssystem einen Reflektor mit einer Reflektorkontur umfasst, wobei die Lichtquellen in der Nähe der Reflektorkontur untergebracht sind, wobei im Brennpunkt des Reflektors ein kompaktes Streumedium untergebracht ist, wobei das Licht aus den Lichtquellen im Wesentlichen auf das Streumedium gerichtet ist und von dort auf die Reflektorkontur gestreut wird, wobei eine elektronische Ansteuerung der Lichtquellen es ermöglicht, die Intensität der Lichtquellen getrennt voneinander zu regeln, so dass das den Reflektor verlassende Licht farblich abstimmbar ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung geht aus von einem farblich durchstimmbaren Beleuchtungssystem zur abbildenden Beleuchtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Beleuchtungssysteme sind insbesondere für die Anwendung im Bühnenbau und Effektbeleuchtung interessant.
Stand der Technik
Die US-A 4 821 114 offenbart ein optisches Beleuchtungssystem mit Filterrad und weißer Lichtquelle in Gestalt einer Lampe. Dabei werden Blockungsfilter, wie beispielsweise Absorptionsfilter und dichroitische Filter, verwendet. Sie werden in den Strahlengang von nahezu punktförmigen Lichtquellen wie Xenon-Hochdruckentladungslampen eingeschoben. Ein kontinuierlicher Farbwechsel ist damit nur mit mehreren Filterrädern möglich und muss aufwendig mit mechanischen Mitteln realisiert werden. Die Filterräder werden hintereinander gestellt und passend gedreht. Die Steuerung ist aufwendig und die Filter sind sehr teuer.
Eine Steuerung für Gruppen von LEDs ist beispielsweise in US-A 5 515 136 und US-A 6 630 801 angegeben. In DE-Az 10 2005 041 319.6 ist ein Modul beschrieben, in dem mehrere hocheffiziente LED auf einer Platine vereinigt sind. Diese werden dann auf einen Punkt abgebildet.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein farblich durchstimmbares Beleuchtungssystem anzugeben, das einfach und schnell zu bedienen ist und insbesondere mit rein elektrischen Mitteln funktioniert.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Die neue farblich durchstimmbare Lichtquelle hat erstmals einen Weg gefunden, um das Durchstimmen rein elektrisch zu ermöglichen.
Im einzelnen handelt es sich um ein farblich abstimmbares Beleuchtungssystem mit einem Durchstimmmittel und mindestens zwei Lichtquellen unterschiedlicher Farbe, wobei das Beleuchtungssystem einen Reflektor mit einer Reflektorkontur umfasst, wobei die Lichtquellen in der Nähe der Reflektorkontur untergebracht sind, wobei im Brennpunkt des Reflektors ein kompaktes Streumedium untergebracht ist, wobei das Licht aus den Lichtquellen im wesentlichen auf das Streumedium gerichtet ist und von dort auf die Reflektorkontur gestreut wird, wobei eine elektronische Ansteuerung der Lichtquellen es ermöglicht, die Intensität der Lichtquellen getrennt voneinander zu regeln, so dass das den Reflektor verlassende Licht farblich abstimmbar ist.
Insbesondere besteht jede Lichtquelle aus mehreren Gruppen von gleichartigen Lichtquellen. Dabei können die Lichtquellen LEDs, Laserdioden oder Miniaturlampen sein. Häufig werden mindestens zwei, meist drei oder sogar mehr Gruppen von Lichtquellen unterschiedlicher Farbe verwendet. Eine weitverbreitete Gruppierung mit hoher Farbwiedergabe und hoher Effizienz ist es, wenn die Lichtquellen aus drei Gruppen bestehen, die nach dem RGB-Prinzip ausgewählt sind.
Das Beleuchtungssystem verwendet bevorzugt ein kompaktes Streumedium, das die Gestalt einer Kugel hat. Die Realisierung der Kugel kann durch einen Tropfen erfolgen. Dieser Tropfen kann als Grundgerüst ein Gießharz verwenden. Als eigentliches Streumittel im Streumedium kann ein Inertstreuer dienen, insbesondere Al₂O₃ oder TiO2, vorteilhaft in Form von in Gießharz dispergierten Partikeln.
Die Halterung des Streumediums im Reflektor kann auf verschiedene Weise erfolgen. Am elegantesten ist eine Lösung, bei der der Reflektor mit einer Vergussmasse ausgefüllt ist, wobei das Streumedium in der Vergussmasse platziert ist.
Das Streumedium dient letztlich als virtuelle Lichtquelle im Reflektor. Daher sollte sein Volumen möglichst klein sein, auf jeden Fall kleiner als 50 mm³, bevorzugt ≤ 10 mm³, um eine abbildbare Lichtquelle zu erhalten.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:
1 die Abstrahlcharakteristik einer normalen LED;
2 die Abstrahlcharakteristik einer LED mit Mikrolinse;
3 ein Beleuchtungssystem mit Reflektor im Querschnitt;
4 ein Beleuchtungssystem mit Reflektor im Querschnitt;
5 einen Reflektor in Draufsicht;
6 den Strahlengang im Reflektor;
7 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Beleuchtungssystems;
8 verschiedene Linsenformen.
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
1 zeigt die Cosinus-Abstrahl-Charakteristik einer normalen LED 1. Die Strahlen 2 divergieren vom Chip 3 aus in alle Raumrichtungen. Die Pfeillänge symbolisiert die relative Intensität.
2 zeigt eine LED 1 mit vorgeschalteter Mikrolinse 4, wie an sich bekannt. Diese hat die Aufgabe, das Licht des Chips 3 zu bündeln. Damit wird für eine einzelne LED die Abbildung auf einen Brennfleck möglich.
3 zeigt im Querschnitt ein Beleuchtungssystem 10 mit mehreren LEDs 1 und mit einem Reflektor 11. Dieser hat eine Kontur 12, die beispielsweise parabolisch ist. In der Wand der Reflektorkontur 12 sitzen mehrere LEDs mit abbildender Optik 4, beispielsweise einer Mikrolinse. Der Reflektor ist mit Vergussmasse 13, wie an sich bekannt, gefüllt. Im Brennpunkt des Reflektors ist als Streumittel in der Vergussmasse ein etwa 1 mm im Durchmesser messender Tropfen 14 eingebracht.
Die LEDs können auch gemäß 4 außerhalb des Reflektors in einer gewissen Nähe dazu sitzen, es bedarf im Reflektor lediglich jeweils einer Öffnung 21, um das Licht einer LED 1 bis zum Tropfen 14 zu leiten. Dies erlaubt eine einfachere Montage, weil es keine Probleme mehr mit Kühlung und Justage der LEDs gibt. Außerdem kann die verlustbehaftete Fläche in der Kontur minimiert werden.
Der Streutropfen besteht aus einer hochkonzentrierten Mischung aus Vergussmasse 15 wie Epoxidharz und einem Inertstreuer. Dies sind beispielsweise Partikel 16, die als Inertstreuer wirken, insbesondere Al₂O₃ oder TiO2 o.ä. Jedes verlustarme Material mit einem hinreichenden Brechungsindexsprung und geeigneter Partikelgröße ist ebenfalls prinzipiell dafür geeignet, z.B. YAG (undotiert), SiO2, sämtliche Lampenleuchtstoffe. Wesentlich ist eigentlich nur ein weiß erscheinendes Pulvermaterial, sofern sich dessen Brechungsindex vom Brechungsindex des Vergussmaterials unterscheidet. Eine alternative für die Realisierung des Inertstreuers ist es, den aktiven Trop fen als Kunststoff-Hybrid zu realisieren, also kleine Partikel höherbrechenden Kunststoffs in eine niedrigbrechende Vergussmasse einzubinden. Ebenso geeignet als Inertstreuer sind Gasblasen, beispielsweise Luftblasen, im Vergussmaterial.
Bevorzugt ist das Streumedium kugelförmig, es kann jedoch im Einzelfall auch andere Gestalt aufweisen.
In die Wand des Reflektors sind gemäß 5 Gruppen von blauen LEDs 17, grünen LEDs 18 und roten LEDs 19 eingelassen, die jeweils mit Mikrolinsen zur Lichtauskopplung versehen sind. Deren Optik ist so eingestellt, dass der jeweilige einzelne Chip auf das Streumedium abgebildet wird. Die Anzahl der einzelnen LEDs ist letztlich nur durch die Größe des Reflektors begrenzt.
Um die Effizienz des Reflektors nicht zu stark zu beeinträchtigen, sollte die nutzbare Fläche des Reflektors durch die LEDs nicht zu stark eingeschränkt werden. Ein akzeptabler Wert liegt bei unter 20%, insbesondere bei 1 bis 5%.
Der Streutropfen streut das Licht aller LEDs, bei passender Wahl der Konzentration an Streupartikeln, nahezu isotrop. Im Endeffekt wirkt der Streutropfen dann wie eine punktförmige weiße oder auch farbige Lichtquelle im Reflektor.
Die Ansteuerung der LEDs wird dabei bevorzugt gruppenweise für die Gruppe der verschiedenen Farben, meist blau, grün, rot, durchgeführt. Dies ermöglich die direkte Wahl eines beliebigen Farborts, wie für LEDs an sich bekannt.
Dafür gibt es viele bekannte Methoden, beispielsweise wie in der US-A 6 630 801 beschrieben.
5 zeigt einen Reflektor in Draufsicht. Die LEDs sind in drei Gruppen aufgeteilt, die jeweils blau, rot oder grün emittieren. Die LEDs sind so angeordnet, dass sie gleichmäßig über den Umfang des Reflektor verteilt sind. Sie sorgen somit für eine homogene Beleuchtung des Streutropfens.
6 zeigt im Querschnitt, wie das Licht aus dem Reflektor 11 emittiert wird. Von den LEDs kommend wird es im Streutropfen 14 isotrop gestreut und emittiert. Vor dem Reflektor kann ein Kondensor 20 sitzen, der das Licht auf einen Punkt abbildet. Möglich ist auch die Einkopplung in einen Lichtleiter.
Durch Regelung der relativen Intensität der Gruppen an blauen, grünen, roten LEDs kann der Farbort in weiten Grenzen beliebig eingestellt werden. Selbstverständlich können auch andere Gruppierungen an LEDs verwendet werden, insbesondere blau-gelb-Kombinationen oder blau-grün-orange-rot-Kombinationen.
Als Lichtquelle eignen sich neben einfachen LEDs selbstverständlich auch Laserdioden oder Miniaturlampen. Für viele Anwendungen, beispielsweise im Automotive-Bereich, sind Laserdioden am besten geeignet.
Vorteilhaft kann das Streumedium auch mechanisch im Reflektor befestigt sein, beispielsweise mit einem Draht oder Gestänge, etc.
Vorteilhaft kann auch ein Freiformreflektor wie an sich bekannt verwendet werden, wobei die Form des Streutrop fens dann keine Kugelgestalt hat, sondern eher eine davon abweichende Verzerrung hat, die dem Reflektor angepasst ist.
Das Konzept bietet sehr viele Anwendungsmöglichkeiten. Im Prinzip kann dieses neuartige Lampenkonzept den gesamten heutigen Halogenglühlampenmarkt ablösen. Einige Beispiele sind:
Automotive-Anwendungen: z.B. für Frontscheinwerfer. Die Prioritätsreihenfolge der Anforderungen sind:
optische Anforderungen (Indikatrix, Effizienz etc.),
gute Maintenance und Lebensdauer,
Preis.
Allgemeinbeleuchtungs-Anwendungen: alle Arten von Halogenspots. Prioritätsreihenfolge der Anforderungen ist hier:
Preis,
optische Anforderungen (Indikatrix, Effizienz etc.),
gute Maintenance und Lebensdauer. Der zunächst hohe Preis von LED-Spots wird sich vor allem in Anwendungen wie Industriebeleuchtung für Räume mit hoher Decke und somit hohen Wechselkosten rechtfertigen lassen.
Spezialanwendungen: Ersatz für Halogenspots für medizinische Anwendungen mit sehr guter Farbwiedergabe;
Muli-Color-Modul: Fotooptik-Anwendungen, z.B. im Bühnenbau;
Multi-Color-Modul: Die adaptive Beleuchtung mit Durchstimmung der Weißtöne mit verschiedenen Farbtemperaturen. Diese Art von Lichtquelle ist viel attraktiver als das derzeit favorisierte Konzept von Hybridlampen bestehend aus einer Mischung der Lichtquelle CFL+LED oder FL+LED, bei denen eine homogene Farbmischung nur sehr schwer zu erreichen ist. CFL bedeutet kompakte Leuchtstofflampe, FL bedeutet lineare Leuchtstofflampe;
Multi-Color-Modul: Disco- und Effektbeleuchtung mit schnell wechselnden Farben.
Insbesondere kann einerseits der Reflektor mit einer Vergussmasse quasi als Füllung versehen sein. Eine andere Ausführungsform ist ein nicht gefüllter Reflektor, d.h. ein Reflektor, der Luft statt einer Vergussmasse enthält. Er hat zwar tendenziell den Nachteil einer niedrigeren Effizienz wegen der Brechungsindexsprünge und der dadurch bedingten Streuverluste. Er bietet je nach Anwendung aber Vorteile oder mehr Möglichkeiten wie: geringere Kosten, einfachere Montage und Justage des Konverterelements (siehe unten), keine Probleme mit der Alterung der Vergussmasse, auch nicht in der Umgebung des kleinen Konverterelements, wo hohe Strahlungsdichten auftreten können. Im Falle der Verwendung einer Vergussmasse sollen die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Vergussmasse und Reflektor möglichst gut aufeinander abgestimmt sein.
Bisher ist als konkrete Ausführungsform der „aktive Tropfen" beschrieben worden als ein typisch etwa 1 mm durchmessender Tropfen aus einer hochkonzentrierten Mischung aus Vergussmasse, Leuchtstoff und Inertstreuern (z.B. Al2O3 Partikel). Der aktive Tropfen kann jedoch allgemeiner ein Konverterelement sein, das nur durch seine Dimensionierung im Reflektor beschränkt ist. Alternativen zur Form der Kugel sind beispielsweise auch ein beschichtetes Plättchen, das insbesondere perfekt eben oder auch gewölbt gebogen ist, eine Pyramide oder eine gestürzte Pyramide, ein Topf o.ä.
Außerdem können verschiedene Materialien verwendet werden, beispielsweise auch Keramik oder eine mit Konvertermaterial gefüllte Hohlkugel aus Glas etc. Dabei ist auf eine geeignete Wahl des Brechungsindex zu achten. Glas ist mit ähnlichem Brechungsindex wie Vergussmasse verfügbar, was etwaige Grenzflächenbrechung minimiert. Konverterelemente wie Trägerplättchen, Schalen oder Töpfchen können aus Glas (beständig, aber schwer und zerbrechlich), Kunststoff (leicht), Alu (leicht) oder auch aus anderen Metallen gefertigt sein.
In einer besonders bevorzugt Ausführungsform ist ein reflektierendes Elements auf der dem Reflektor abgewandten Seite angebracht. Dadurch ist garantiert, dass auch das vom Konverterelement emittierte Licht immer über den Reflektor geleitet wird, und damit immer den gleichen Weg nimmt wie das reflektierte Anregungslicht. Dadurch wird eine nahezu perfekte Homogenität erzielt.
Auch für den Reflektor sind verschiedene Ausführungsbeispiele möglich. insbesondere ist die Kontur unterschiedlich wählbar, beispielsweise elliptisch oder parabolisch. Bei einem beschichtetem Plättchen oder einer Glaskugel sind Verspiegelungen sehr einfach realisierbar.
7 zeigt ein Beleuchtungssystem 40 mit einer Reflektorkontur 41 und einem darin angeordneten Konverterelement 42 mit einem Tropfen 14 und einem zusätzlichen reflektierenden Element, beispielsweise eine Spiegelschicht 43, auf einem Teil, insbesondere einer Halbkugel, des tropfenförmigen Konverters 14.
Für die Dimensionierung des Konverterelements gilt: Je größer das Konverterelement, desto größer werden die Abweichungen vom punktförmigen Idealfall, bei dem alles Licht gebündelt den Reflektor verlässt. Während für gute abbildende Eigenschaften, wie sie z.B. bei Frontscheinwerfern im Automobilbereich gefragt sind, folglich eher kleine Konverter günstig sind, haben größere Konverter andere Vorteile: Mit entsprechend dimensionierten Linsen vor den LEDs, die das Anregungslicht auch auf dieses größere Konverterelement fokussieren, kann die Bestrahlungsstärke auf dem Konverter reduziert werden. Dadurch werden die Probleme und Risiken bei der Alterung reduziert, wenn das Konversionselement aus Polymeren besteht. Außerdem lassen sich die Anforderungen an die Genauigkeit bei der Justage des Konverterelements senken, sowie die Fertigungsstabilität und – ausbeute erhöhen und die Herstellkosten reduzieren. Des Weiteren kann man die Divergenz des Spots erhöhen und in Kombination mit dem Reflektor steuern, was insbesondere für Anwendungen in der Allgemeinbeleuchtung interessant ist.
Des weiteren sei auf das Problem der Abbildung der Lichtquellen auf das Konverterelement eingegangen. Der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, dass statt eines Reflektors auch Linsen verwendet werden können. Als Material eignet sich nicht nur Glas (Vorteil hoher Bre chungsindex machbar, dadurch kleinere Bauweise möglich, außerdem hohe Maintenance und Lebensdauer), sondern auch Kunststoff, z.B. Polycarbonat. Letzteres hat den Vorteil, dass es leichter, billiger als Glas ist. Die Geometrie der Linsen kann Sonderformen wie in 8 dargestellt erforderlich machen, z.B. zeigt 8a eine Form, bei der die Linse 48 an eine Flügelschraube erinnert mit einem halbkugelförmigen Zentrum 49 und zwei seitlich angesetzten Flügeln 50. 8b zeigt eine Linse 51 mit einer konventionellen Halbkugelform.
Der Reflektor der LED selbst kann als alternatives abbildendes Element in Betracht gezogen werden. Entweder in Kombination mit einer Linse oder sogar alleine ohne Linse.
Selbstverständlich kann ein festes Gestell die drei Komponenten LEDs, Konverterelement und Reflektor halten, sofern der Reflektor genügend dünn und leicht ist. das Gestellt erfüllt gleichzeitig die Funktion der Wärmeabführung aus den Lichtquellen.
Für Allgemeinbeleuchtung oder für Spezialanwendungen sind auch Lösungen möglich bei denen der Reflektor so stabil ausgelegt ist, dass er auch die Gestellfunktion erfüllt.
Zur Montage und Justage des Konverterelements sollte folgendes beachtet werden: Wird eine Vergussmasse verwendet, besteht die Möglichkeit das Konverterelement ohne jede Befestigung einzubringen: beispielsweise wird der Reflektor bis zur Brennpunkt-Höhe vergossen, dann das Konverterelement positioniert und dann erst wird die Vergussmasse weiter aufgefüllt. Alternativ kann das Konverterelement auch mit einem Draht oder einem anderen Befesti gungsmittel fest an einem Gestell, das auch die Lichtquellen hält, befestigt werden. Dieses Gestell kann ein stabil ausgeführter Reflektor sein. Die Befestigung erfolgt mittels Löten, Schweißens, Kalt-Verschweißen etc. Wenn keine Vergussmasse verwendet wird, ist für die Befestigung mindestes ein Draht erforderlich. Anforderungen an den Draht sind u.a. dass dessen Wärmeausdehnung auf den Reflektor abgestimmt ist. das verwendete Material sollte stabil und hochreflektierend sein. Eventuell kann dafür eine Beschichtung verwendet werden.
Je nach Anwendung ist es vorteilhaft, eine Justagemöglichkeit des Konverterelements vorzusehen. Dies geschieht beispielsweise mittels dünner hochreflektierender Drähte, die einen Polymertropfen als Konverter aufspießen oder die an einen Metallträger in Gestalt eines Plättchens, einer Schale oder eines Topfs angebracht werden können. Für eine Justagemöglichkeit sind mindestens 2 Drähte erforderlich.
Anstatt Drähten kann auch eine dünnes transparentes scheibenartiges Befestigungselement verwendet werden. Es sollte möglichst eben sein, aber auch eine gewölbte Version ist möglich. Dieses Element kann zusätzlich auch eine Schutzfunktion haben und/oder den Reflektor abschließen. Ist das Konversionselement zumindest teilweise aus Glas, Polycarbonat oder einem anderen Kunststoff, kann beispielsweise auch eine dünne transparente Scheibe aus dem gleichen Material zur Befestigung geeignet sein.

Claims

Farblich abstimmbares Beleuchtungssystem zur abbildenden Beleuchtung mit einem Durchstimmmittel und mindestens zwei Lichtquellen unterschiedlicher Farbe, dadurch gekennzeichnet, dass das Beleuchtungssystem einen Reflektor mit einer Reflektorkontur umfasst, wobei die Lichtquellen in der Nähe der Reflektorkontur untergebracht sind, wobei im Brennpunkt des Reflektors ein kompaktes Streumedium untergebracht ist, wobei das Licht aus den Lichtquellen im wesentlichen auf das Streumedium gerichtet ist und dann von dort auf die Reflektorkontur gestreut wird, wobei eine elektronische Ansteuerung der Lichtquellen es ermöglicht, die Intensität der Lichtquellen getrennt voneinander zu regeln, so dass das den Reflektor verlassende Licht farblich abstimmbar ist.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Lichtquelle aus mehreren Gruppen von gleichartigen Lichtquellen zusammengesetzt ist.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen LEDs, Laserdioden oder Miniaturlampen sind.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass drei Gruppen von Lichtquellen unterschiedlicher Farbe verwendet werden.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das kompakte Streumedium die Gestalt einer Kugel, einer Pyramide oder eines Topfes hat und insbesondere mit einer reflektierenden Beschichtung auf einem Teil seiner Oberfläche versehen ist.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das kompakte Streumedium einen Inertstreuer, insbesondere in Form von in Gießharz dispergierten Partikeln, insbesondere Al₂O₃ oder TiO2, enthält.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor mit einer Vergussmasse ausgefüllt ist, wobei das Streumedium in der Vergussmasse platziert ist.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen aus drei Gruppen bestehen, die nach dem RGB-Prinzip ausgewählt sind.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen des kompakten Streumediums kleiner als 50 mm³, bevorzugt ≤ 10 mm³ ist.