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Es
wird eine Beleuchtungseinrichtung angegeben.
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Eine
zu lösende Aufgabe besteht darin, eine Beleuchtungseinrichtung
anzugeben, die mischfarbiges Licht besonders homogen und mit definierter
Abstrahlcharakteristik erzeugen kann.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung umfasst
die Beleuchtungseinrichtung eine Lichtquelle. Die Lichtquelle weist
zumindest zwei Leuchtdiodenchips auf, die im Betrieb Licht voneinander
unterschiedlicher Farbe emittieren. Beispielsweise kann zumindest
einer der Leuchtdiodenchips im Betrieb rotes Licht emittieren. Ein
anderer Leuchtdiodenchip der Lichtquelle kann dann im Betrieb zum
Beispiel weißes Licht emittieren. Ferner ist es möglich,
dass die Lichtquelle mehr als zwei Leuchtdiodenchips aufweist, wobei
von den Leuchtdiodenchips im Betrieb Licht von drei oder mehr unterschiedlichen
Farben emittiert wird.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung umfasst
die Beleuchtungseinrichtung ein optisches Element. Das optische
Element ist dazu vorgesehen, das von der Lichtquelle erzeugte Licht
in einen Lichtstrahl mit definiertem Abstrahlprofil zu bündeln.
Beispielsweise kann das optische Element das von der Lichtquelle
im Betrieb erzeugte Licht in einen Lichtkegel mit einem Öffnungswinkel
zwischen wenigstens 5° bis höchstens 40° bündeln.
Bei dem Öffnungswinkel des Lichtkegels handelt es sich
dabei um den Winkel zwischen der Mantellinie des Kegels und der
Kegelachse. Der Mantel des Lichtkegels wird dort angenommen, wo die
Intensität des abgestrahlten Lichts auf die Hälfte ihres
maximalen Werts abgesunken ist.
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Darüber
hinaus ist das optische Element dazu vorgesehen, das Licht unterschiedlicher
Farben der Leuchtdiodenchips der Lichtquelle zu mischen. Das optische
Element mischt dabei das Licht derart, dass der resultierende Farbort
des abgestrahlten Lichts der Beleuchtungseinrichtung im Fernfeld
wenigstens innerhalb der Koordinaten der ANSI-Boxen der
korrelierten Farbtemperatur des Mischlichts liegt. ”Im
Fernfeld” bedeutet dabei, dass der Abstand zu einer Strahlungsaustrittsfläche
der Beleuchtungseinrichtung beispielsweise zehnmal dem Durchmesser des
optischen Elements oder mehr beträgt (zum Beispiel 1 m
oder mehr). Das optische Element ist dabei vorzugsweise dazu vorgesehen,
dass sich der definierte Farbort des Mischlichts über den
vollen Winkel um die Beleuchtungseinrichtung einstellt. Das heißt, in
einem Winkelbereich von 180° – auf einer gedachten
Halbkugel, welche die Beleuchtungseinrichtung vollständig,
kuppelartig überspannt – stellt sich der beschriebene
definierte Farbort des Mischlichts ein.
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Mit
anderen Worten ist das optische Element dazu vorgesehen, das von
den Leuchtdiodenchips emittierte Licht unterschiedlicher Farbe derart
zu mischen, dass der Farbort einer mit der Beleuchtungseinrichtung
ausgeleuchteten Fläche für das menschliche Auge
homogen erscheint.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung ist das
optische Element als ein Vollkörper ausgebildet, der aus
einem dielektrischen Material besteht. Zum Beispiel besteht das
optische Element aus einem Kunststoff, wie zum Beispiel PMMA. Dies
hat den Vorteil, dass das optische Element beispielsweise über
ein Spritzgussverfahren besonders kostengünstig hergestellt
werden kann.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung weist
das optische Element die folgenden Flächen auf: Eine Strahlungseintrittsfläche,
die den Leuchtdiodenchips zugewandt ist, eine Strahlungsaustrittsfläche,
die den Leuchtdiodenchips abgewandt ist, und eine Mantelfläche,
die die Strahlungseintrittsfläche und die Strahlungsaustrittsfläche
miteinander verbindet.
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Mit
anderen Worten ist das optische Element mit seiner Strahlungseintrittsfläche
den Leuchtdiodenchips in deren Hauptabstrahlrichtung nachgeordnet,
sodass der überwiegende Teil des von den Leuchtdiodenchips
im Betrieb emittierten Lichts zur Strahlungseintrittsfläche
des optischen Elements gelangt und dort in das optische Element
eintreten kann. Ein Großteil des in das optische Element
eingekoppelten Lichts verlässt das optische Element durch
die Strahlungsaustrittsfläche, die an der der Strahlungseintrittsfläche
abgewandten Seite des optischen Elements angeordnet ist. Die Mantelfläche des
optischen Elements umgibt das optische Element seitlich und verbindet
auf diese Weise die Strahlungseintrittsfläche mit der Strahlungsaustrittsfläche.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung ist die
Mantelfläche für das von den Leuchtdiodenchips
im Betrieb emittierte Licht reflektierend ausgebildet. Das heißt,
Licht, das beim Durchlaufen des optischen Elements auf die Mantelfläche
trifft, wird dort zumindest zu einem überwiegenden Teil,
beispielsweise in Richtung der Strahlungsaustrittsfläche,
reflektiert. Die Reflexion kann dabei mittels Totalreflexion erfolgen.
Es ist aber auch möglich, dass die Mantelfläche
reflektierend beschichtet ist. Die reflektierende Beschichtung kann zum
Beispiel durch eine Metallschicht, die auf die Mantelfläche
zum Beispiel aufgedampft ist, realisiert sein.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung sind
die Strahlungseintrittsfläche und/oder die Strahlungsaustrittsfläche
des optischen Elements zumindest stellenweise uneben. ”Uneben” kann
dabei bedeuten, dass zumindest eine dieser Flächen konvex
oder konkav gewölbt ist. Ferner kann uneben bedeuten, dass
zumindest eine dieser Flächen eine Strukturierung, wie
zum Beispiel eine Aufrauung, aufweist. Dabei kann die Fläche, welche
zumindest stellenweise uneben ist, in Bereichen auch eben und/oder
glatt ausgeführt sein. In diesen Bereichen weist die Fläche
keine Krümmung und/oder keine Strukturierung auf.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung ist ein
Spalt zwischen zumindest einem der Leuchtdiodenchips der Lichtquelle
und der Strahlungseintrittsfläche angeordnet, der mit einem
Gas gefüllt ist. Der Spalt kann beispielsweise mit Luft
gefüllt sein. Das heißt, von den Leuchtdiodenchips
im Betrieb emittiertes Licht wird beim Eintritt in das optische
Element an der Strahlungseintrittsfläche gebrochen, da
dort ein großer Brechungsindexunterschied vorhanden ist.
Beispielsweise beträgt der Brechungsindex des Gases zirka
n = 1. Der Brechungsindex des optischen Elements beträgt wenigstens
1,3. Mit anderen Worten wirkt die Strahlungseintrittsfläche
als optische Fläche. Zumindest einer der Leuchtdiodenchips
ist nicht brechungsindexangepasst an das optische Element angeschlossen.
Dabei ist es möglich, dass sich der Spalt zwischen sämtlichen
Leuchtdiodenchips der Lichtquelle und der Strahlungseintrittsfläche
des optischen Elements befindet.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung stellt
das optische Element der Beleuchtungseinrichtung das einzige optische
Element dar, das sämtlichen Leuchtdiodenchips der Lichtquelle
nachgeordnet ist. Das heißt, die Beleuchtungseinrichtung
umfasst in diesem Fall ein einziges optisches Element, das zur Erzeugung
eines definierten Abstrahlprofils und zur Farbmischung vorgesehen
ist. Die Verwendung eines einzigen optischen Elements für
beide dieser Aufgaben minimiert die optischen Grenzflächenverluste
und bietet damit den Vorteil einer besonders effizienten Beleuchtungseinrichtung.
Es wird also kein mehrstufiges Optiksystem verwendet, bei dem in
einer ersten Stufe das Licht zum Beispiel vor-kollomiert wird, in
einer zweiten Stufe das Abstrahlprofil definiert eingestellt wird
und in einer letzten Stufe – zum Beispiel mittels eines
Lichtdiffusionselements – die Farbmischung durchgeführt
wird.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung umfasst
die Beleuchtungseinrichtung eine Lichtquelle, die zumindest zwei Leuchtdiodenchips
umfasst, die im Betrieb Licht voneinander unterschiedlicher Farbe
emittieren, und ein optisches Element, das als Vollkörper
aus einem dielektrischen Material ausgebildet ist. Das optische Element
umfasst dabei eine Strahlungseintrittsfläche, die den Leuchtdiodenchips zugewandt
ist, eine Strahlungsaustrittsfläche, die den Leuchtdiodenchips abgewandt
ist, und eine Mantelfläche, welche die Strahlungseintrittsfläche
und die Strahlungsaustrittsfläche miteinander verbindet,
wobei die Mantelfläche für das von den Leuchtdiodenchips
im Betrieb emittierte Licht reflektierend ausgebildet ist und die
Strahlungseintrittsfläche und/oder die Strahlungsaustrittsfläche
zumindest stellenweise uneben sind. Dabei ist ein Spalt zwischen
zumindest einem der Leuchtdiodenchips der Lichtquelle und der Strahlungseintrittsfläche
angeordnet, der mit einem Gas gefüllt ist. Das optische
Element stellt dabei das einzige optische Element dar, das sämtlichen
Leuchtdiodenchips der Beleuchtungseinrichtung nachgeordnet ist.
Im Fernfeld wird von der Beleuchtungseinrichtung homogenes Mischlicht
abgestrahlt.
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Der
hier beschriebenen Beleuchtungseinrichtung liegen dabei unter anderem
die folgenden Ideen zugrunde: Zum einen erweist sich die Verwendung
einer einzigen, einstufigen Optik zur Farbmischung und Erzeugung
eines definierten Abstrahlprofils als besonders effizient, da Verluste
an Grenzflächen des optischen Elements dadurch minimiert sind.
Dazu wird für jede Farbe der Leuchtdiodenchips ein eigener
Lichtpfad im optischen Element realisiert, der jeweils für
sich genommen eine Fläche im Fernfeld zumindest hinsichtlich
der Farbe inhomogen ausleuchten würde. Die Inhomogenitäten
der einzelnen Lichtpfade kompensieren sich in der Summe, wodurch
eine Lichtmischung realisiert ist. Das heißt, an der Strahlungsaustrittsfläche
des optischen Elements können Inhomogenitäten
im Farbort vorhanden sein, die vom menschlichen Betrachter wahrnehmbar
sind. Im Fernfeld jedoch erscheint der Farbort der mit der Beleuchtungseinrichtung
ausgeleuchteten Fläche als homogen.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung ist die
Mantelfläche des optischen Elements zumindest stellenweise
die Mantelfläche eines Kegelstumpfes. Das heißt,
das optische Element weist zwischen der Strahlungseintrittsfläche
und der Strahlungsaustrittsfläche zumindest einen Bereich
auf, in dem es kegelstumpfartig ausgebildet ist. Der Kegelstumpf
verjüngt sich dabei vorzugsweise von der Strahlungsaustrittsfläche
in Richtung der Strahlungseintrittsfläche. Dabei ist es
insgesamt auch möglich, dass die Projektion der Strahlungsaustrittsfläche
in eine Ebene senkrecht zu einer Längsmittelachse des optischen
Elements einen größeren Flächeninhalt
aufweist, als die Projektion der Strahlungseintrittsfläche
in diese Ebene.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung wird
das Licht der Leuchtdiodenchips mittels Totalreflexion an der Mantelfläche
in Richtung der Strahlungsaustrittsfläche reflektiert.
Das bedeutet, im optischen Element findet eine Lichtleitung von
der Strahlungseintrittsfläche zur Strahlungsaustrittsfläche
mittels Totalreflexion an der Mantelfläche statt. Lichtstrahlen
der Leuchtdiodenchips verlaufen im Vollkörper des optischen
Elements und treffen an der Mantelfläche an einem Brechungsindexsprung
vom optisch dichteren Material des optischen Elements zum optisch
dünneren Material der Umgebung – zum Beispiel
Luft. Die Lichtlenkung mittels Totalreflexion erweist sich dabei
als besonders effizient und führt zu kaum oder gar keinen optischen
Verlusten aufgrund der Reflexion.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung wird
jeder Lichtstrahl des von den Leuchtdiodenchips emittierten Lichts höchstens
einmal an der Mantelfläche reflektiert, bevor er das optische
Element durch die Strahlungsaustrittsfläche verlässt.
Das heißt, ein Lichtstrahl durchtritt das optische Element
entweder ohne auf die Mantelfläche zu treffen oder der
Lichtstrahl trifft höchstens einmal auf die Mantelfläche
und kann dort dann in Richtung der Strahlungsaustrittsfläche
des optischen Elements zum Beispiel totalreflektiert werden. Dies
kann durch eine entsprechende Anpassung der Höhe des optischen
Elements im Bereich der Mantelfläche in einer Richtung
längs der Längsmittelachse des optischen Elements
in Bezug auf die Lichtabstrahlfläche der Lichtquelle realisiert
sein. Das heißt zum Beispiel, dass das optische Element im
Bereich der Mantelfläche umso dünner ausgeführt wird,
je größer die Lichtabstrahlfläche der
Lichtquelle ist. Die Lichtabstrahlfläche ist dabei die
Fläche, welche die Umhüllende einschließt,
die um sämtliche Leuchtdiodenchips der Lichtquelle geführt
ist.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung ist das
optische Element stellenweise als Kegelstumpf ausgebildet. Im Bereich,
in dem das optische Element als Kegelstumpf ausgebildet ist, weist
es eine Mantelfläche auf, welche die Mantelfläche
eines Kegelstumpfes ist. Das optische Element kann dabei ein oder
mehr Kegelstümpfe aufweisen, wobei die mehreren Kegelstümpfe übereinander
gestapelt sind. Der oder die Kegelstümpfe verjüngen
sich dabei in Richtung von der Strahlungsaustrittsfläche
zur Strahlungseintrittsfläche des optischen Elements.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung ist das
optische Element stellenweise als Kegelstumpf ausgebildet, der an
der Seite der Strahlungseintrittsfläche eine Ausnehmung
aufweist. An der Seite der Strahlungseintrittsfläche kann
der Kegelstumpf beispielsweise ein Loch aufweisen, das in vorgegebener
Weise ausgeformt ist. Die Ausnehmung ist dabei vorzugsweise rotationssymmetrisch
zur Längsmittelachse des optischen Elements ausgebildet.
Zum Beispiel ist die Ausnehmung zylindrisch ausgebildet, wobei die Längsmittelachse
des Zylinders mit der Längsmittelachse des Kegelstumpfes
und mit der Längsmittelachse des optischen Elements zusammenfällt.
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Die
Ausnehmung kann dafür vorgesehen sein, dass Lichtstrahlen,
die auf eine den Leuchtdiodenchips zugewandte Bodenfläche
der Ausnehmung treffen, das optische Element durchlaufen können, ohne
auf die Mantelfläche des optischen Elements zu treffen.
Seitenflächen der Ausnehmung, welche die Bodenfläche
der Ausnehmung seitlich umschließen, können dazu
vorgesehen sein, durch Lichtbrechung auftreffende Lichtstrahlen
zur Mantelfläche zu lenken, wo sie mittels Totalreflexion
in Richtung der Strahlungsaustrittsfläche reflektiert werden.
Insgesamt dient die mit einer Ausnehmung strukturierte Strahlungseintrittsfläche
zur Strahlformung. Die Bodenfläche der Ausnehmung kann
dafür stellenweise strukturiert sein, zum Beispiel kann
sie konvex oder konkav gekrümmt sein oder Aufrauungen aufweisen. Die
Seitenfläche der Ausnehmung ist vorzugsweise glatt ausgebildet – sie
ist also nicht aufgeraut.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung weist
das optische Element an der Seite der Strahlungsaustrittsfläche
eine Einbuchtung auf, wobei das optische Element in der Einbuchtung
einen konvex nach außen gekrümmten ersten Bereich
aufweist. Der erste Bereich ist dabei vorzugsweise rotationssymmetrisch
um die Längsmittelachse des optischen Elements angeordnet.
In diesem Bereich kann das optische Element beispielsweise nach
Art einer Sammellinse ausgebildet sein. Das optische Element weist
dann vorzugsweise einen zweiten Bereich auf, welcher den ersten
Bereich seitlich umgibt. Beispielsweise umschließt der zweite
Bereich den ersten Bereich ringförmig.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung überragt
der zweite Bereich den ersten Bereich in Richtung von der Strahlungseintrittsfläche
zur Strahlungsaustrittsfläche zumindest stellenweise. Das
heißt, der zweite Bereich kann nach Art eines Walls rahmenartig
um den ersten Bereich herum ausgeführt sein. Der zweite
Bereich kann dabei den ersten Bereich vollständig umschließen.
Das optische Element weist dann zum Beispiel an seiner Strahlungsaustrittsfläche
eine Einbuchtung auf, in welcher ein Bereich ausgebildet ist, der
konvex nach außen, das heißt in Richtung von der
Strahlungseintrittsfläche zur Strahlungsaustrittsfläche
gekrümmt ist. Der konvex gekrümmte Bereich wird
seitlich dann vom zweiten Bereich überragt.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung weist
zumindest eine der folgenden Flächen des optischen Elements
zumindest stellenweise eine Strukturierung auf: Die Strahlungseintrittsfläche,
die Strahlungsaustrittsfläche, die Mantelfläche.
Bei der Strukturierung kann es sich zum Beispiel um linsenartige
konvexe oder konkave Strukturierungen handeln, welche in die jeweilige
Fläche eingeformt sind. Zum Beispiel sind auf der Strahlungsaustrittsfläche
elliptische Linsen angeordnet, welche durch konvex nach außen
gekrümmte Bereiche des optischen Elements auf der Strahlungsaustrittsfläche
ausgebildet sind. Die elliptischen Linsen können dann mit
ihrer Haupterstreckungsrichtung in Richtung des Durchstoßpunktes
von Längsmittelachse und Strahlungsaustrittsfläche
ausgerichtet sein.
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Darüber
hinaus kann es sich bei der Strukturierung um eine Aufrauung handeln,
die zur Lichtstreuung vorgesehen ist. Die Aufrauung kann zu einer
weiteren Durchmischung der unterschiedlichen Farben der Leuchtdiodenchips
vorgesehen sein. Dabei ist es jedoch dann wichtig, dass zumindest
Teile der Strahlungseintrittsfläche frei von solchen Aufrauungen
sind. Das heißt, gemäß zumindest einer
Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung ist die Strahlungseintrittsfläche
stellenweise glatt ausgeführt. Insbesondere ist die Strahlungseintrittsfläche dort
glatt ausgeführt, wo Lichtstrahlen in sie eintreten, welche
im weiteren Verlauf auf die Mantelfläche treffen und dort
totalreflektiert werden. Diese Lichtstrahlen werden nämlich
vom optischen Element definiert derart gelenkt, dass sich insgesamt
ein farbhomogenes Mischlicht einstellt, das ein definiertes Abstrahlprofil
aufweist.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung ist die
Mantelfläche zumindest stellenweise aus den Mantelflächen
von zumindest zwei Kegelstümpfen zusammengesetzt, die sich
hinsichtlich ihrer Öffnungswinkel unterscheiden. Die Öffnungswinkel
der Kegelstümpfe sind dabei die Winkel zwischen einer Mantellinie
des Kegelstumpfs und der Kegelachse. Die Kegelachse der Kegelstümpfe
fällt bevorzugt mit der Längsmittelachse des optischen
Elements zusammen. Die Kegel sind dabei derart aufeinander angeordnet,
dass sie sich jeweils in der Richtung von der Strahlungsaustrittsfläche
zur Strahlungseintrittsfläche des optischen Elements verjüngen.
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Das
optische Element weist in dieser Ausführungsform also eine
Mantelfläche auf, die sich aus den Mantelflächen
von zumindest zwei oder mehr Kegelstümpfen zusammensetzt.
Die zumindest zwei oder mehr Kegelstümpfe approximieren
dabei die Mantelfläche eines größeren
Kegelstumpfs. Mit anderen Worten weist das optische Element an seiner Außenfläche
rotationssymmetrische Facetten auf, die bezüglich der Längsmittelachse
des optischen Elements rotationssymmetrisch ausgebildet sind. Diese
Facettierung der Mantelfläche des optischen Elements führt
dazu, dass das austretende Licht besonders homogen hinsichtlich
seiner Farbe gemischt ist.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung ist die
Mantelfläche zumindest stellenweise aus ebenen Flächen
zusammengesetzt, die zumindest einen Kegelstumpf approximieren.
Das heißt, die Mantelfläche ist beispielsweise
vollständig aus nichtrotationssymmetrischen Facetten zusammengesetzt.
Auch diese Maßnahme führt dazu, dass das aus der
Beleuchtungseinrichtung austretende Licht besonders homogen gemischt
wird.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung sind
die Leuchtdiodenchips der Lichtquelle in einer gemeinsamen Montageebene
angeordnet. Bei der gemeinsamen Montageebene handelt es sich beispielsweise
um die Oberfläche eines Anschlussträgers, auf
welchen die Leuchtdiodenchips aufgebracht sind. Das optische Element
ist rotationssymmetrisch bezüglich der Längsmittelachse ausgebildet.
Leuchtdiodenchips gleicher Farbe der Lichtquelle sind punktsymmetrisch
bezüglich des Durchstoßpunktes zwischen der Längsmittelachse
und der Montageebene angeordnet. Eine solche Anordnung der Leuchtdiodenchips der
Lichtquelle bezüglich des optischen Elements ermöglicht
eine besonders homogene Lichtmischung des von der Beleuchtungseinrichtung
abgestrahlten Lichts.
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Die
Ausdrücke ”rotationssymmetrisch” und ”punktsymmetrisch” sind
dabei so zu verstehen, dass diese Symmetrie hinsichtlich einer Herstellungstoleranz
eingehalten wird. Es wird also nicht augenfällig und absichtlich
von diesen Symmetrien abgewichen.
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Im
Folgenden wird die hier beschriebene Beleuchtungseinrichtung anhand
von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen
Figuren näher erläutert.
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Die 1A, 1B, 2A, 2B, 3A, 3B, 4 zeigen
Ausführungsbeispiele von hier beschriebenen Beleuchtungseinrichtungen und
den dazugehörigen optischen Elementen anhand schematischer
Darstellungen.
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Anhand
der 5, 6A und 6B sind optische
Eigenschaften der hier beschriebenen Beleuchtungseinrichtungen näher
erläutert.
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Gleiche,
gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit
denselben Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse
der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht
als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können
einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren
Verständnis übertrieben groß dargestellt
sein.
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Die 1A und 1B zeigen
ein erstes Ausführungsbeispiel einer hier beschriebenen
Beleuchtungseinrichtung in schematischen Perspektivdarstellungen
aus unterschiedlichen Betrachtungswinkeln. Die Beleuchtungseinrichtung
umfasst eine Lichtquelle 1. Die Lichtquelle 1 umfasst
sechs Leuchtdiodenchips 2a, 2b. Beispielsweise
umfasst die Lichtquelle 1 zwei rotes Licht emittierende Leuchtdiodenchips 2a und
vier weißes Licht emittierende Leuchtdiodenchips 2b.
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Das
weiße Licht der Leuchtdiodenchips 2b wird dabei
beispielsweise mittels eines Lumineszenzkonversionsmaterials erzeugt,
welches zumindest einen Teil des von einem Halbleiterkörper
der Leuchtdiodenchips emittierten Lichts zu einem Licht höherer
Wellenlänge konvertiert. Beispielsweise ist das weiße
Licht aus blauen und gelben Anteilen gemischt.
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Die
Leuchtdiodenchips 2a können jeweils ein eigenes
optisches Element umfassen, das zum Beispiel durch einen Vergusskörper
gebildet ist, in welchem die Leuchtdiodenchips 2a, 2b eingebettet
sind.
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Die
Leuchtdiodenchips 2a, 2b sind auf einem Anschlussträger 5 aufgebracht,
der als bedruckte Leiterplatte oder Metallfilmplatine ausgebildet
sein kann. Die Leuchtdiodenchips 2a, 2b sind in
einer gemeinsamen Montageebene 12 angeordnet, die zum Beispiel
durch die den Leuchtdiodenchips 2a, 2b zugewandte
Montageseite des Anschlussträgers 5 gebildet ist.
Die Leuchtdiodenchips der Lichtquelle 1 sind punktsymmetrisch
hinsichtlich des Durchstoßpunkts 13 zwischen der
Längsmittelachse 11 des optischen Elements 3 und
der Montageebene 12 angeordnet. Mit anderen Worten befinden
sich die beiden rotes Licht emittierenden Leuchtdiodenchips 2a auf einer
Diagonalen, welche die Längsmittelachse 11 schneidet.
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Der
Lichtquelle 1 ist das optische Element 3 nachgeordnet.
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Das
optische Element 3 ist als Vollkörper aus einem
transparenten Kunststoff ausgebildet. Das optische Element 3 ist
vorzugsweise frei von strahlungsstreuenden Teilchen. Das heißt,
das optische Element 3 ist klarsichtig ausgebildet. Das
optische Element 3 umfasst eine Strahlungseintrittsfläche 31, die
der Lichtquelle 1 zugewandt ist. Die Strahlungseintrittsfläche 31 ist
beabstandet von den Leuchtdiodenchips 2a, 2b der
Lichtquelle 1 angeordnet, sodass ein Spalt 4 zwischen
der Lichtquelle 1 und dem optischen Element 3 vorhanden
ist, der vorliegend mit Luft gefüllt ist. Das optische
Element 3 umfasst ferner eine Mantelfläche 32,
die vorliegend stellenweise die Mantelfläche eines Kegelstumpfes
ist, der sich in Richtung der Strahlungseintrittsfläche 31 verjüngt.
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Weiter
umfasst das optische Element 3 eine Strahlungsaustrittsfläche 33.
Die Strahlungsaustrittsfläche 33 gliedert sich
vorliegend in zwei Bereiche 331, 332. Im ersten
Bereich 331 ist die Strahlungsaustrittsfläche 33 konvex
nach außen gewölbt. Der zweite Bereich 332 ist
eben ausgebildet und umschließt den ersten Bereich 331 randseitig,
wobei die Strahlungsaustrittsfläche im ersten Bereich 331 die Strahlungsaustrittsfläche
im zweiten Bereich 332 überragt.
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Auch
das optische Element 3 ist in zwei Bereiche gegliedert:
In
einem ersten Bereich 3a ist die Mantelfläche des optischen Elements 32 die
Mantelfläche eines Kegelstumpfs. Bis auf die Ausnehmung 6 an
der Strahlungseintrittsfläche 33 ist das optische
Element 3 im ersten Bereich 3a als ein Kegelstumpf
ausgebildet. Im zweiten Bereich des optischen Elements 3b ist das
optische Element kuppelartig nach außen gewölbt.
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Im
ersten Bereich 3a des optischen Elements 3 weist
das optische Element 3 eine Ausnehmung 6 auf,
die zylinderartig oder kegelstumpfartig ausgebildet ist. Ist die
Ausnehmung 6 kegelstumpfartig ausgebildet, so verjüngt
sich der Kegelstumpf von der Strahlungseintrittsfläche 31 in
Richtung der Strahlungsaustrittsfläche 33. Die
Ausnehmung 6 ist in jedem Fall rotationssymmetrisch ausgebildet,
wobei die Rotationsachse mit der Längsmittelachse 11 des
optischen Elements zusammenfällt. Die Längsmittelachse 11 schneidet
die Lichtquelle 1 im Durchstoßpunkt 13.
Bevorzugt liegt auch der geometrische Schwerpunkt der Lichtquelle 1 auf
der Längsmittelachse 11.
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Die
Funktionsweise der Beleuchtungseinrichtung im Betrieb kann wie folgt
beschrieben werden: Das von den Leuchtdiodenchips 2a, 2b im
Betrieb emittierte Licht 22a, 22b trifft auf die
Strahlungseintrittsfläche 31. Dort wird es aufgrund
des Brechungsindexunterschieds gebrochen. Manche Strahlen werden
dabei direkt zur Strahlungsaustrittsfläche 33 gelenkt
und verlassen das optische Element 3, ohne auf die Mantelfläche 32 im
Bereich 3a des optischen Elements zu treffen. Dies trifft
insbesondere für Strahlen zu, die im Bereich der Bodenfläche 6a der
Ausnehmung 6 in das optische Element 3 eintreten.
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Lichtstrahlen,
die im Bereich der Seitenfläche 6b der Ausnehmung 6 in
das optische Element 3 eintreten, werden in Richtung der
Mantelfläche 32 im Bereich 3a gelenkt
und dort vorzugsweise genau einmal totalreflektiert, bevor sie das
optische Element 3 durch die Strahlungsaustrittsfläche 33,
zum Beispiel im zweiten Bereich 332, verlassen.
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Insgesamt
weist das optische Element 3 an seiner Strahlungsaustrittsfläche 33 eine
inhomogene Verteilung des Lichts der unterschiedlichen Farben auf.
Aufgrund der Rotationssymmetrie des optischen Elements 3 sowie
der Anordnung der Leuchtdiodenchips 2 der Lichtquelle 1 findet
jedoch im Fernfeld, das heißt in einem Abstand von beispielsweise
wenigstens 10 cm, zum Beispiel von 1 m, eine Farbmischung statt,
die besonders gleichmäßig ist.
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Die
Lichtstrahlen 22a, 22b werden insbesondere nicht
schon bei ihrem Eintritt in das optische Element, zum Beispiel durch
eine Aufrauung, diffus gestreut und auf diese Weise durchmischt,
sondern das Licht unterschiedlicher Farben kann das optische Element
auf getrennten Wegen, unabhängig voneinander durchlaufen.
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Insbesondere
im Bereich der Seitenflächen 6b der Ausnehmung
ist die Strahlungseintrittsfläche 31 glatt ausgebildet,
sodass sich eine definierte Brechung der Lichtstrahlen 22a, 22b in
Richtung der Mantelfläche 32 und anschließend
eine definierte Reflexion in Richtung der Strahlungsaustrittsfläche 33 ergibt.
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In
Verbindung mit den 2A, 2B ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel einer hier beschriebenen
Beleuchtungseinrichtung näher erläutert. Im Unterschied
zum Ausführungsbeispiel der 1A, 1B weist
die Lichtquelle 1 vorliegend vier Leuchtdiodenchips auf.
Beispielsweise kann die Lichtquelle zwei grüne Leuchtdiodenchips 2b,
einen roten Leuchtdiodenchip 2a und einen blauen Leuchtdiodenchip
(nicht gezeigt) umfassen.
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Ferner
ist im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 1A, 1B die
Bodenfläche 6a der Ausnehmung 6 nicht
glatt ausgebildet, sondern stellenweise konvex und konkav gekrümmt.
Die Ausnehmung ist dabei wiederum rotationssymmetrisch zur Längsmittelachse 11 des
optischen Elements ausgebildet.
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Das
optische Element 3 weist an seiner Strahlungsaustrittsfläche 33 eine
Strukturierung 8 auf. Die Strukturierung 8 ist
in Form von elliptischen Linsen ausgeführt, die konvex
aus dem optischen Element 3 herausragen und zum Beispiel
aus dem Material des optischen Elements 3 geformt sind.
Die elliptischen Linsen sind in konzentrischen Kreisen um den Durchstoßpunkt
der Längsmittelachse 11 des optischen Elements
mit der Strahlungsaustrittsfläche 33 angeordnet,
wobei die Haupterstreckungsrichtung der elliptischen Linsen in Richtung
dieses Durchstoßpunktes ausgerichtet ist.
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Die
Ausgestaltung der Strahlungseintrittsfläche 31 sowie
der Strahlungsaustrittsfläche 33 des optischen
Elements 3 führt dabei zu einer besonders homogenen
Lichtmischung der einzelnen Farben der Leuchtdiodenchips 2a, 2b im
Fernfeld.
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Bei
den Beleuchtungseinrichtungen der 1 und 2 kann sich nun das Problem ergeben, dass
unter wenigen, bestimmten Blickrichtungen auf das optische Element 3 bestimmte
Leuchtdiodenchips 2a, 2b vergrößert
zu erkennen sind und sich im Fernfeld an ausgezeichneten Punkten
daher eine schlechtere Farbmischung ergibt. Die in Verbindung mit
den 3A, 3B und 4 beschriebenen optischen
Elemente 3 für eine hier beschriebene Beleuchtungseinrichtung
lösen auch dieses Problem.
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Beim
in Verbindung mit den 3A und 3B beschriebenen
optischen Element 3 ist die Mantelfläche 32 des
optischen Elements durch Kegelstümpfe 9 mit unterschiedlichem Öffnungswinkel gebildet.
Die Längsmittelachsen der Kegelstümpfe 9 fallen
dabei mit der Längsmittelachse 11 des optischen
Elements 3 zusammen. Je kleiner der Öffnungswinkel
eines Kegelstumpfs 9 ist, desto näher ist er an
der Strahlungsaustrittsfläche 33 angeordnet. Das
optische Element umfasst beispielsweise wenigstens zwei Kegelstümpfe 9 unterschiedlicher
Größe und maximal zehn Kegelstümpfe 9 unterschiedlicher
Größe. Die Kegelstümpfe 9 approximieren
einen größeren Kegelstumpf. Die Mantelfläche 32 ist mit
anderen Worten durch rotationssymmetrische Facetten gebildet.
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An
der Strahlungsaustrittsfläche 33 kann das optische
Element eine Einbuchtung 7 aufweisen, in dem ein erster
Bereich 331 der Strahlungsaustrittsfläche 33 ausgebildet
ist, der konvex nach außen gekrümmt ist. In einem
zweiten Bereich 332 der Strahlungsaustrittsfläche 33 ist
die Einbuchtung 7 nicht angeordnet. Dieser zweite Bereich 332 überragt
den ersten Bereich 331 und umschließt ihn rahmenartig.
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In
Verbindung mit der 4 ist ein optisches Element
für eine hier beschriebene Beleuchtungseinrichtung näher
erläutert, bei dem die Mantelfläche 32 zumindest
stellenweise durch nichtrotationssymmetrische Facetten, zum Beispiel
durch ebene Flächen 10 gebildet ist. Die ebenen
Flächen 10 approximieren dabei die Mantelfläche
eines Kegelstumpfes. Beispielsweise ist der Kegelstumpf mittels
wenigstens 40 ebenen Flächen 10 und höchstens
500 ebenen Flächen 10 approximiert. Das optische
Element 3 umfasst wiederum eine Ausbuchtung 7,
in welcher ein erster Bereich 331 der Strahlungsaustrittsfläche 33 angeordnet
ist, der von einem zweiten Bereich 332 überragt
und seitlich umschlossen ist.
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In
Verbindung mit den 5, 6A und 6B ist
anhand grafischer Auftragung die Farbmischung für eine
hier beschriebene Beleuchtungseinrichtung erläutert. In
der 5 ist der Farbort des Mischlichts, das sich beispielsweise
aus den Lichtstrahlen 22a und 22b zusammensetzt
für vier verschiedene Schnittwinkel im Fernfeld dargestellt.
Wie aus der 5 ersichtlich ist, befindet
sich der Farbort für sämtliche Winkel innerhalb
einer einzigen ANSI-Box, sodass vom menschlichen Betrachter keine Farbinhomogenität
feststellbar ist.
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Die 6A und 6B zeigen
die CX- beziehungsweise die CY-Koordinaten des Farborts für die
vier verschiedenen Schnittwinkel aufgetragen für eine Halbkugel
um die Beleuchtungseinrichtung. Auch aus der 6 ist
ersichtlich, dass die homogene Farbmischung annähernd winkelunabhängig
ist.
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Die
Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele
auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes
neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere
jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen
beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst
nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen
angegeben ist. Zum Beispiel stellt das hier beschriebene optische
Element an sich eine Erfindung dar und kann auch unabhängig
von der Beleuchtungseinrichtung beansprucht werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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