DE102009041613A1

DE102009041613A1 - Lighting system, has rib sections comprising radially outside boundary surface and radially inside boundary surface, and LED arranged on side, where light from LED is accessed at side by inside boundary surface

Info

Publication number: DE102009041613A1
Application number: DE102009041613A
Authority: DE
Inventors: Helmut Würz
Original assignee: R Stahl Schaltgeraete GmbH
Current assignee: R Stahl Schaltgeraete GmbH
Priority date: 2009-09-17
Filing date: 2009-09-17
Publication date: 2011-04-07

Abstract

The system (1) has a Fresnel arrangement (3) made of translucent material and comprising multiple rib sections that are formed concentric to an optical-axis (6). The rib sections comprise a radially outside boundary surface and a radially inside boundary surface. The outside boundary surface forms a total reflection surface, and an LED (7) i.e. high speed LED, is arranged on a side, where light from the LED is accessed at the side by the inside boundary surface. The translucent material is glass or plastic such as polycarbonate or acrylic compound.

Description

Das von Glühlampen oder Leuchtstofflampen ausgesandte Licht vermag die Netzhaut nicht zu beschädigen, weil die Energiedichte auf der Netzhaut zu gering ist. Leuchtstofflampen und Glühlampen emitieren das Licht über eine verhältnismäßig große Fläche, so dass die Abbildung der entsprechenden leuchtenden Flächen auf die Netzhaut bei den handelsüblichen Beleuchtungskörpern keine Probleme hervorrufen. Anders dagegen Leuchtdioden, die zu Beleuchtungszwecken verwendet werden. Das Risiko einer Netzhautschädigung ist hier sehr groß, weil die LEDs in erster Näherung als Punktlichtquelle angesehen werden können. Das gesamte Licht wird über eine vergleichsweise sehr kleine Fläche emitiert, womit die Energiedichte auf der Netzhaut entsprechend hoch ist und die Nervenzellen geschädigt werden.The light emitted by incandescent or fluorescent light can not damage the retina, because the energy density on the retina is too low. Fluorescent lamps and incandescent lamps emit light over a relatively large area, so that the imaging of the corresponding luminous surfaces on the retina in the standard lighting fixtures cause no problems. Unlike LEDs, however, which are used for illumination purposes. The risk of retinal damage here is very large, because the LEDs can be considered in a first approximation as a point source of light. The entire light is emitted over a comparatively small area, whereby the energy density on the retina is correspondingly high and the nerve cells are damaged.

Man ist deswegen bemüht durch optische Systeme eine Strahlaufweitung zu bekommen, damit die Leuchtdiode bei der Betrachtung ähnlich wirkt wie ein flächiges Leuchtmittel, nämlich eine Glühlampe oder eine Leuchtstofflampe.It is therefore endeavored by optical systems to get a beam widening, so that the light-emitting diode when viewed looks similar to a flat illuminant, namely an incandescent lamp or a fluorescent lamp.

Andererseits darf das optische Mittel nicht zu viel Licht selber absorbieren oder an Grenzfläche verlieren, was den Wirkungsgrat des Gesamtsystems wieder verschlechtern würde.On the other hand, the optical means must not absorb too much light itself or lose it at the interface, which would worsen the effect of the whole system again.

Im einfachsten Falle kann zur Strahlverbreiterung eine Sammellinse verwendet werden, wobei die Leuchtdiode in den Brennpunkt der Sammellinse gesetzt wird. Dadurch wird ein Abstrahlen eines parallelen Lichtbündels erreicht, mit einer entsprechenden großen Fläche, entsprechen der wirksamen Apertur.In the simplest case, a converging lens can be used for beam broadening, wherein the light-emitting diode is set in the focal point of the converging lens. As a result, a radiation of a parallel light beam is achieved, with a corresponding large area corresponding to the effective aperture.

Theoretisch können Fresnellinsen, auch Zonenlinsen genannt, verwendet werden. Fresnellinsen sind im Grunde genommen angenähert Plankonvexlinsen, bei denen zur Mitte hin die Linsenstärke vermindert ist. Die radial äußeren Bereiche sind von diskreten Ringe gebildet, in die das von der Lichtquelle ausgesandte Licht eintritt, an einer Totalreflexionsfläche reflektiert und dann wiederum über eine Grenzfläche ausgesendet wird. Der Querschnitt dieser Ringzonen ist etwa dreieckförmig, wobei an diesen Ringen eine Kombination aus Totalreflexion und Lichtbrechung verwendet wird, um die gewünschte Lichtführung zu erreichen.Theoretically, Fresnel lenses, also called zone lenses, can be used. Fresnel lenses are basically plano-convex lenses, with the lens power diminished towards the center. The radially outer regions are formed by discrete rings into which the light emitted by the light source enters, is reflected at a total reflection surface and then in turn emitted through an interface. The cross-section of these ring zones is approximately triangular, wherein a combination of total reflection and refraction is used on these rings to achieve the desired light guidance.

Nachteilig hierbei ist die starke Lichtreflexion auf der Lichteintritts- und auf der Lichtaustrittsseite. Der Lichtstrahl gelangt unter einem verhältnismäßig flachem Winkel auf die Glas-Luftfläche bzw. tritt unter einem zu 90° abweichendem Winkel aus dem Glas wieder aus. In beiden Fällen entsteht eine nicht unerhebliche Reflexion, was den Gesamtwirkungsgrad des Systems deutlich mindert. Insbesondere im Randbereich wird deswegen die Fresnellinse wesentlich dunkler als im zentralen Bereich um die optische Achse.The disadvantage here is the strong light reflection on the light entrance and on the light exit side. The light beam passes at a relatively flat angle to the glass-air surface or exits at a different angle to 90 ° from the glass again. In both cases, a not inconsiderable reflection, which significantly reduces the overall efficiency of the system. In particular, in the edge region, therefore, the Fresnel lens is much darker than in the central region around the optical axis.

Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung ein Beleuchtungssystem mit Leuchtdiode zu schaffen, bei dem die Strahlaufweitung verlustarm geschieht.Based on this, it is an object of the invention to provide a lighting system with light emitting diode, in which the beam expansion happens lossless.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Beleuchtungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved with a lighting system with the features of claim 1.

Bei dem erfindungsgemäßen Beleuchtungssystem wird eine LED in Kombination mit einer Frasnellanordnung verwendet. Die Fresnelanordung besteht aus einem lichtdurchlässigen Material und bildet auf der Lichteintrittseite mehrere zur optischen Achse konzentrische Rippenabschnitte. Jeder Rippenabschnitt weist bezogen auf die optische Achse eine radial äußere und eine radial innere Grenzfläche auf. Die radial innere Grenzfläche ist lichtdurchlässig und ein Kugelzonenausschnitt aus einer gedachten Halbkugel, deren Mittelpunkt bei der LED liegt. Diese gedachte Halbkugel erhebt sich über der LED.In the illumination system according to the invention, an LED is used in combination with a Frasnell arrangement. The Fresnelanordung consists of a translucent material and forms on the light entrance side a plurality of concentric to the optical axis rib sections. Each rib section has a radially outer and a radially inner boundary with respect to the optical axis. The radially inner interface is translucent and a Kugelzonenausschnitt of an imaginary hemisphere, the center of which lies in the LED. This imaginary hemisphere rises above the LED.

Die radial äußere Grenzfläche des betreffenden Rippenabschnittes ist eine Totalreflexionsfläche. Die LED ist auf der Seite angeordnet, an der das Licht von der LED kommend durch die radial innere Grenzfläche eintritt. Da die radial innere Grenzfläche des Rippenabschnittes ein Ausschnitt aus einer Kugelzone ist, wie oben beschrieben, tritt das Licht, das von der punktförmigen LED ausgeht, nahezu senkrecht oder vollständig senkrecht auf diese Grenzfläche auf, und damit reflexionsarm. Die Reflexion an dieser Grenzfläche, die vorzugsweise eine Luftgrenzfläche gegenüber einem Medium ist, das das Licht stärker bricht als Luft, ist dadurch minimiert. Zufolge der Totalreflexion geht auch an der anderen Grenzfläche praktisch kein Licht verloren und es tritt das gesamte Licht, das von der LED in diesem Bereich ausgestrahlt wird unvermindert durch die Fresnelanordnung nach außen aus.The radially outer boundary surface of the respective rib section is a total reflection surface. The LED is located on the side where the light from the LED enters through the radially inner interface. Since the radially inner boundary surface of the rib section is a section of a spherical zone, as described above, the light emanating from the point LED emerges almost perpendicularly or completely perpendicular to this interface, and thus with little reflection. The reflection at this interface, which is preferably an air interface to a medium that breaks the light stronger than air, is thereby minimized. As a result of the total reflection, virtually no light is lost at the other boundary surface, and all the light emitted by the LED in this area passes unimpeded through the Fresnel arrangement to the outside.

Besonders gute Verhältnisse ergeben sich, wenn die Fresnelnanordnung eine Lichtaustrittseite aufweist, die von der LED abliegt und die eine wesentliche glatte Fläche bildet. Diese glatte Fläche kann die Gestalt einer Planfläche, einer Kugelkalotte oder eines Rotationsparaboloids aufweisen.Particularly good conditions arise when the Fresnelnanordnung has a light exit side, which rests on the LED and forms a substantial smooth surface. This smooth surface may have the shape of a plane surface, a spherical cap or a paraboloid of revolution.

Die Totalreflexionsfläche der Rippe kann die Gestalt eines kugelzonenausschnittes oder eines Paraboloitausschnittes haben. Der Ausschnitt wird jeweils aus einem gedachten Spiegel ausgeschnitten, der sich hinter der LED befindet. Dieser Ausschnitt wird dann gedanklich parallel zur optischen Achse zur Lichteintrittsseite der Fresnelanordnung verschoben. Mit anderen Worten es würde ein Parabol- oder Hohlspiegel entstehen, wenn man die einzelnen Totalreflexionsfläche, die in der Ebene der Fresnelanordnung nebeneinander liegend räumlich auseinander ziehen würde, so dass der Bereich der Totalreflexionsfläche mit dem kleineren Durchmesser an die Totalreflexionsfläche anschließt und zwar an denjenigen Ende, das den größeren Durchmesser ausweist.The total reflection surface of the rib may have the shape of a spherical zone cutout or a paraboloid cutout. The cutout is cut out of an imaginary mirror, which is located behind the LED. This section is then mentally displaced parallel to the optical axis to the light entrance side of the Fresnel arrangement. In other words it would be a parabolic or Concave mirrors are formed when the individual total reflection surface adjacent to each other in the plane of the Fresnel arrangement would be spatially separated so that the area of the total reflection surface having the smaller diameter adjoins the total reflection surface at that end which has the larger diameter.

Die LED kann in der Brennebene oder im Brennpunkt des gedachten Spiegels angeordnet sein. Je nachdem wie stark die Defokussierung ist, entsteht ein paralleles Lichtbündel oder ein divergentes Lichtbündel, womit auch eine entsprechende Beleuchtung zur Seite hin möglich wird. Da die LED keine ideale Punktlichtquelle ist, wird ohnehin ein Teil des Lichtes schräg zu optischen Achse aus dem System austreten.The LED can be arranged in the focal plane or in the focal point of the imaginary mirror. Depending on how strong the defocusing is, a parallel light beam or a divergent light beam is created, which also makes it possible to illuminate it to the side. Since the LED is not an ideal point light source, part of the light will exit the system at an angle to the optical axis anyway.

Das lichtdurchlässige Material hat vorzugsweise einen möglichst großen Brechungsindex und es kann aus Glas oder Kunststoff bestehen. Der Kunststoff kann aus einer Gruppe ausgewählt werden, die Polycarbonat, Acryl, ... enthält.The translucent material preferably has the largest possible refractive index and it can be made of glass or plastic. The plastic can be selected from a group that includes polycarbonate, acrylic, ...

Die Totalreflexionsfläche wird in Ihrer Wirksamkeit beeinträchtigt, wenn die Oberfläche verschmutz ist. Sobald Partikel an der Totalreflexionsfläche anhaften, wird Licht aus der Totalreflexionsfläche in den angrenzenden Luftbereich ausgekoppelt. Dies würde eine Reduktion des Wirkungsgrads bedeuten.The total reflection surface is affected in its effectiveness, if the surface is dirty. As soon as particles adhere to the total reflection surface, light is decoupled from the total reflection surface into the adjacent air region. This would mean a reduction of the efficiency.

Um eine Verschmutzung der Totalreflexionsfläche zu vermeiden ist ein Gehäuse vorgesehen, bei dem ein Wandbereich von der Fresnelanordnung im Gehäuse angeordnet ist. Die Totalreflexionsflächen sind auf diese Weise sehr wirksam gegen Verschmutzung geschützt.In order to avoid contamination of the total reflection surface, a housing is provided in which a wall region of the Fresnel arrangement is arranged in the housing. The total reflection surfaces are very effectively protected against contamination in this way.

Es können auch mehrere LEDs in einem Gehäuse angeordnet werden, von denen jede ihrer zugehörige Fresnelanordnung aufweist. Eine weitere Möglichkeit besteht darin eine LED mit mehreren Fresnelanordnungen zu kombinieren, womit eine sehr gute Rundumverteilung des Lichts erreicht werden kann.It is also possible to arrange a plurality of LEDs in a housing, each having its associated Fresnel arrangement. Another possibility is to combine an LED with several Fresnelanordnungen, whereby a very good all-round distribution of the light can be achieved.

Die Rippenabschnitte, aus denen sich die Fresnelanordung zusammensetzt, können konzentrische Ringe oder Abschnitte von konzentrischen Ringen, jeweils um die optische Achse sein. Im zentralen Bereich der Fresnelanordnung bis zu einem Durchmesser von ca. 20 mm kann die Anordnung als einfache Sammellinse ausgeführt sein, vorzugsweise als Plankonvexe oder Konkavkonvexlinse.The rib sections composing the Fresnel assembly may be concentric rings or sections of concentric rings, each about the optical axis. In the central region of the Fresnel arrangement up to a diameter of approximately 20 mm, the arrangement can be designed as a simple converging lens, preferably as a plano-convex or concave convex lens.

Es ist auch möglich die Fresnelanordnung mit einem Lumineszensmittel zu versehen und die LED im nicht sichtbar Licht strahlen zu lassen. Die Fresnelanordnung wird dann bei Betrachtung wie eine in sich leuchtende Scheibe erscheinen, was eine sehr gleichmäßige Lichtverteilung ergeben kann.It is also possible to provide the Fresnel arrangement with a luminescent agent and to allow the LED to radiate in invisible light. The Fresnel arrangement will then look like a self-illuminating disk when viewed, which can give a very uniform light distribution.

Im Übrigen sind Weiterbildungen der Erfindung Gegenstand von Unteransprüchen.Incidentally, developments of the invention are the subject of subclaims.

Die nachfolgende Figurenbeschreibung erläutert Aspekte zum Verständnis der Erfindung. Weitere nicht beschriebene Details kann der Fachmann in der gewohnten Weise den Zeichnungen entnehmen, die insoweit die Figurenbeschreibung ergänzt. Es ist klar, dass eine Reihe von Abwandlungen möglich sind.The following description of the figures explains aspects for understanding the invention. Further details not described to those skilled in the usual way the drawings refer, which complements the description of the figures. It is clear that a number of modifications are possible.

Die nachfolgenden Zeichnungen sind nicht unbedingt maßstäblich. Zur Veranschaulichung von Details können möglicherweise bestimmte Bereiche übertrieben groß dargestellt sein. Darüber hinaus sind die Zeichnungen plakativ vereinfacht und enthalten nicht jedes bei der praktischen Ausführung gegebenenfalls vorhandene Detail. Die Begriffe ”oben” und ”unten”, bzw. ”links” und ”rechts” beziehen sich auf die Darstellung in den Figuren.The following drawings are not necessarily to scale. To illustrate details, certain areas may be exaggerated. Moreover, the drawings are simplistically simplified and do not include any detail that may be present in the practice. The terms "top" and "bottom", or "left" and "right" refer to the illustration in the figures.

1 zeigt in einem Schnitt parallel zur optischen Achse das erfindungsgemäße Beleuchtungssystem. 1 shows in a section parallel to the optical axis, the illumination system according to the invention.

2 erläutert an einem Ausschnitt die Bemessung der Grenzflächen an den optisch wirksamen Rippen. 2 explains on a section the dimensioning of the interfaces at the optically effective ribs.

1 zeigt in Querschnitt eine Beleuchtungseinrichtung 1. Zu der Beleuchtungseinrichtung 1 gehören ein flaches becherförmiges Gehäuse 2 und eine Fresnelanordnung 3. Das Gehäuse 1 weist einen Boden 4 mit einem umlaufenden Rand 5 auf. Der Boden 4 und der Rand 5 sind lichtundurchlässig während die Fresnelanordnung 3 licht durchlässig ist. 1 shows in cross section a lighting device 1 , To the lighting device 1 include a flat cup-shaped housing 2 and a Fresnel arrangement 3 , The housing 1 has a floor 4 with a circumferential edge 5 on. The floor 4 and the edge 5 are opaque during the Fresnel arrangement 3 light is permeable.

Die Fresnelanordnung 3 zeigt eine optische Achse 6, auf der auf der Innenseite des Bodens eine LED 7 angeordnet ist. Die LED 7 sendet Licht in Richtung auf die Fresnelanordnung 3 aus.The Fresnel arrangement 3 shows an optical axis 6 on the inside of the floor there is an LED 7 is arranged. The LED 7 sends light towards the fresnel assembly 3 out.

Die Fresnelanordnung 3 ist mit der Innenseite des Randes 5 fest verklebt, so dass ein hermetisch dichtes Gehäuse 2 entsteht, dass allseits verschlossen ist. Die Stromzuleitungen zu der LED 7 sind nicht weiter dargestellt. Sie führen abgedichtet aus dem Gehäuse heraus.The Fresnel arrangement 3 is with the inside of the edge 5 firmly glued, leaving a hermetically sealed housing 2 arises, that is closed on all sides. The power supply lines to the LED 7 are not shown further. They lead sealed out of the housing.

Es kann außerdem in dem Gehäuse 1 noch ein Vorschaltgerät untergebracht werden, um die äußere Versorgungsspannung an die Betriebsspannung für die LED 7 anzupassen.It can also be in the case 1 still a ballast can be accommodated to the external supply voltage to the operating voltage for the LED 7 adapt.

Der Aufbau der Bemessung der Fresnelanordnung 3 ist nachfolgend anhand von 2 erklärt. Die Fresnelanordnung 3 besteht aus einem stark brechendem lichtdurchlässigen Material beispielsweise Glas oder Polycarbonat. Sie weist eine plane Außenseite 8 auf und eine strukturierte Rückseite 9. Die Rückseite 9 setzt sich aus einer Vielzahl von Rippen 11 zusammen, die zu der optischen Achse 6 konzentrisch sind. Der Brennpunkt des Systems ist bei 12 angegeben und liegt auf der optischen Achse 6. Jede Rippe 11 wird von einer bezogen auf die optische Achse 6 radial außen liegenden Grenzfläche 13 und einer radial innen liegenden Grenzfläche 14 begrenzt. Die radial außen liegende Grenzfläche 143 und die radial innen liegende Grenzfläche 14 stoßen an einer Scheitellinie 15 aneinander. Die Scheitellinie 15 ist der LED zugekehrt.The structure of the design of the Fresnel arrangement 3 is below based on 2 explained. The Fresnel arrangement 3 consists of a strong refractive translucent material such as glass or polycarbonate. It has a flat outside 8th on and a textured back 9 , The backside 9 is made up of a variety of ribs 11 together, leading to the optical axis 6 are concentric. The focal point of the system is at 12 indicated and lies on the optical axis 6 , Every rib 11 is from one related to the optical axis 6 radially outer boundary surface 13 and a radially inner interface 14 limited. The radially outer interface 143 and the radially inner interface 14 encounter a crest line 15 together. The crest line 15 is facing the LED.

Die Grenzfläche 14 ist ein Ausschnitt aus einer Kugelzone, deren Mittelpunkt mit dem Brennpunkt 12 zusammenfällt. Die radial außen liegende Grenzfläche 13 ist eine Zone, aus einem Paraboloid 16, dessen Rotationsachse mit der optischen Achse 6 zusammenfällt und dessen Brennpunkt bei 12 liegt. Wie gezeigt läuft das Paraboloid 16 durch die Fresnelanordnung durch, so dass die Grenzfläche 13 unmittelbar eine Ringzone aus dem Paraboloid 16 ist. Für die radial weiter innen liegende äußere Grenzfläche 13a gilt diese Bedingung nicht mehr. Es handelt sich hierbei ebenfalls um eine Zone aus dem Paraboloid 16, die längs den zu der optischen Achse 6 parallelen Geraden 16 und 17 in die Fresnelanordnung verschoben ist.The interface 14 is a section of a spherical zone whose center point with the focal point 12 coincides. The radially outer interface 13 is a zone made of a paraboloid 16 , whose axis of rotation with the optical axis 6 coincides and its focus at 12 lies. As shown, the paraboloid is running 16 through the Fresnel arrangement, so that the interface 13 immediately a ring zone from the paraboloid 16 is. For the radially inner outer interface 13a this condition no longer applies. This is also a zone from the paraboloid 16 along the axis to the optical axis 6 parallel lines 16 and 17 is shifted in the Fresnel arrangement.

Für alle weiteren näher zu optischen Achse 6 liegenden Rippen 11 gilt dieselbe Bemessungsvorschrift. Die radial innere liegende Grenzflächen 14 sind jeweils Kugelzonen einer Kugel mit dem Kugelmittelpunkt der auf dem Brennpunkt 12 des Systems liegt, so dass die jeweils zugehörige Scheitellinie 15 die Länge des Radius der gedachten Kugel definiert.For all further closer to optical axis 6 lying ribs 11 the same design rule applies. The radially inner lying interfaces 14 are each spherical zones of a ball with the ball center of the focal point 12 of the system, so that the respective associated vertex line 15 defines the length of the radius of the imaginary sphere.

Die radial außen liegende Grenzfläche 13 ist in jedem Falle eine Ringzone aus dem Paraboloid 16, die in Richtung auf die Fresnelanordnung parallel versetzt ist. Die beiden Geraden 16 und 17, längs derer die Verschiebung erfolt und die die Ränder der Ringzone definieren, können auch als Zylindermantelflächen aufgefasst werden können. Sie werden einerseits durch die jeweilige Scheitellinie 15 definiert und andererseits durch ein Tal- oder Senkenlinien, die sich an der Übergangsstelle zwischen den Rippen 11 befindet.The radially outer interface 13 is in any case a ring zone from the paraboloid 16 which is offset parallel in the direction of the Fresnel arrangement. The two straights 16 and 17 , along which the displacement takes place and which define the edges of the annular zone, can also be understood as cylinder jacket surfaces. They are on the one hand by the respective crest line 15 defined and on the other hand by a valley or valley lines, which are located at the transition point between the ribs 11 located.

In unmittelbarer Umgebung um die opotische Achse 6 ist die Fresnelanordnung 3, wie 1 zeigt als Plankonvexlinse 19 ausgeführt, deren Planseite der Leuchtdiode 7 zugekehrt ist.In the immediate vicinity of the optic axis 6 is the Fresnel arrangement 3 , as 1 shows as a plano-convex lens 19 executed, the plan side of the LED 7 is facing.

Aufgrund der obiben Bemessungsvorschrift ergibt sich der ebenfalls in 2 gezeigte Strahlengang. In Verbindung mit der Rippe 11 ist ein Strahlenbündel veranschaulicht, dessen Randstrahlen bei 21 und 22 eingezeichnet sind. Die beiden Randstrahlen 21 und 22 gehen vom Brennpunkt 12 aus und durchsetzen die radial innen liegende Grenzfläche jeweils unter einen rechten Winkel. Das bedeutet, dass dort eine Reflexion auftritt, die in der Größenordnung von ca. 5% liegt. Damit tritt das Licht praktisch verlustlos in den Glaskörper der Fresnelanordnung 3 ein. Es gelangt hier auf die radial außen liegende Grenzfläche 11, die aufgrund der Glas-Luft-Bedingung zu einer total reflektierenden Fläche für die beiden Randstrahlen 21, 22 wird und damit auch für alle Strahlen, die sich zwischen dem Randstrahlen 21, 22 befinden. Da die radial außen liegende Grenzfläche 13 so bemessen ist, dass sie ein Ausschnitt aus dem Parabolspiegel 16 darstellt, werden die Randstrahlen 21 und 22 zu parallelen Lichtstrahlen, die zueinander parallel aus der Planfläche 8 austreten, denn die Planfläche 8 schneidet rechtwinklig die optische Achse 6. Auch hier tritt nur ein sehr geringer Lichtverlust von der Größenordnung 5% auf. Damit ist die Fresnelanordnung 3 sehr verlustarm.Due to the above design rule, the result also in 2 shown beam path. In conjunction with the rib 11 is illustrated a beam whose marginal rays at 21 and 22 are drawn. The two marginal rays 21 and 22 go from the focal point 12 from and enforce the radially inner interface each at a right angle. This means that there is a reflection, which is in the order of about 5%. Thus, the light occurs virtually lossless in the glass body of the Fresnel arrangement 3 one. It reaches here on the radially outer interface 11 , which due to the glass-air condition to a totally reflective surface for the two marginal rays 21 . 22 becomes and thus also for all rays, which are between the marginal rays 21 . 22 are located. Because the radially outer interface 13 is sized so that they have a section of the parabolic mirror 16 represents, the marginal rays become 21 and 22 to parallel light rays parallel to each other from the plane surface 8th exit, because the plane surface 8th cuts the optical axis at right angles 6 , Again, only a very small loss of light of the order of 5% occurs. This is the Fresnel arrangement 3 very low loss.

2 lässt auch erkennen, welche Höhe die Scheitellinie 15a der näher an der optischen Achse liegenden Rippe 11a haben darf. Die Scheitellinie 15a der näher an der optischen Achse liegenden Rippe 11a muss so bemessen sein, dass die radial außen liegende Grenzfläche 13 der Rippe 11 möglichst von der LED vollständig ausgeleuchtet wird. D. h. der Randstrahl 22, der in der Nähe der Tallinie 16 in die Rippe 11 eintritt, läuft knapp an der Scheitellinie 15a vorbei. Ansonsten gelten für die Bemessungen der beiden Grenzflächen 14a und 13a die selben Bedingungen wie dies Zusammenhang mit der Rippe 11 erläutert ist. 2 also lets you know what height the crest line is 15a the closer to the optical axis rib 11a may have. The crest line 15a the closer to the optical axis rib 11a must be such that the radially outer interface 13 the rib 11 as far as possible completely illuminated by the LED. Ie. the marginal ray 22 standing near the valley line 16 in the rib 11 enters, runs close to the crest line 15a past. Otherwise apply to the design of the two interfaces 14a and 13a the same conditions as this related to the rib 11 is explained.

Wenn diese Konstruktionsbedingung eingehalten wird, wird sämtliches Licht, das von der LED 7 in dem Azimutwinkel zwischen dem Randstrahl 21 und der optischen Achse 6 ausgesandt wird, durch die Fresnelanordnung 3 abgestrahlt wird. Es gibt keine Schatten.If this design condition is met, all the light coming from the LED 7 in the azimuth angle between the marginal ray 21 and the optical axis 6 is emitted through the Fresnel arrangement 3 is emitted. There are no shadows.

Obwohl das gesamte Licht der LED 7 ausgenutzt wird, bilden sich auf der Außenseite 8 leuchtende und nicht leuchtende Ringzonen, wenn die Rippen 11 ringförmige Rippen sind. Diese Hell-Dunkelzonen ergeben sich aufgrund der radial innen liegenden Grenzflächen 14 der Rippen 11. Wenn diese radial innen liegenden Grenzflächen 14 auf die Planfläche 8 projiziert werden, entsprechen diese projizierten Ringe, die konzentrisch zu der optischen Achse 6 liegen, den Dunkelzonen. Das auf die Grenzflächen 14 auftreffende Licht, tritt nämlich, wie oben erläutert, ohne Reflexion durch die Grenzfläche 14 hindurch, so dass die Fresnelanordnung in diesen ringförmigen Bereichen dunkel bleibt.Although the entire light of the LED 7 exploited form on the outside 8th luminous and non-luminous ring zones when the ribs 11 annular ribs are. These light-dark zones are due to the radially inner boundary surfaces 14 the ribs 11 , If these radially inner interfaces 14 on the plane surface 8th projected, these projected rings, which are concentric with the optical axis 6 lie, the dark zones. That on the interfaces 14 incident light, namely, as explained above, without reflection through the interface 14 through, so that the Fresnel arrangement remains dark in these annular areas.

Die dunklen Zonen haben jedoch keinen Einfluss auf den Wirkungsgrad der Anordnung, da es sich hierbei nicht um Abschattungsflächen handelt, wo das Licht abgeschattet wird, sondern um Flächen, an denen kein Licht nach außen reflektiert wird.The dark zones, however, have no effect on the efficiency of the arrangement, since these are not shading areas where the light is shaded, but areas where no light is reflected to the outside.

Die Zeichnung lässt unschwer erkennen, dass das gesamte Licht durch die Fresnelanordnung 3 nach außen austritt und keine Abschattungen in den Dunkelbereichen auftreten.The drawing makes it easy to see that all the light through the Fresnel arrangement 3 escapes to the outside and no shadowing in the dark areas occur.

Wenn diese Dunkelbereiche als geschlossen ringförmige Zonen unerwünscht sind, lassen sie sich in einfacher Weise dadurch vermeiden, indem die Scheitellinien 15 keine geschlossene konzentrischen Kreise optische Achse 6 bilden. Vielmehr kann in jede Rippe 11 ein Rippenabschnitt repräsentieren, der ein Stück weit von ca. 5 oder 10° mit der selben Scheitellinie um die optische Achse 6 herumläuft. Im Anschluss an einen solchen betrachteten Rippenabschnitt käme ein Weiterer Abschnitt, der einen etwas geänderten radialen Abstand zur optischen Achse zeigt, bis der übernächste Rippenabschnitt wiederum dieselben geometrischen Bedingungen erfüllt wie der erste Abschnitt. Auf der Lichtaustrittsseite 8 würden dadurch dunkle Abschnitte entstehen, die kurze Ausschnitte aus Ringen sind und in radialer Weise gegeneinander versetzt sind.If these dark areas are undesirable as closed annular zones, they can be easily avoided by using the crest lines 15 no closed concentric circles optical axis 6 form. Rather, in every rib 11 a rib portion which is a distance of about 5 or 10 ° with the same vertex line around the optical axis 6 running around. Subsequent to such a considered rib section, there would be another section, which shows a slightly changed radial distance from the optical axis, until the next-but-one rib section again fulfills the same geometrical conditions as the first section. On the light exit side 8th This would create dark sections, which are short sections of rings and are offset from each other in a radial manner.

Für den Fachmann auf dem Gebiet der geometrischen Optik ist auch ohne weiteres sofort zu erkennen, dass durch Verschiebung der Leuchtdiode 7 aus dem Brennpunkt 12 eine divergentes Strahlenbündel auf der Lichtaustrittsseite erzeugt werden kann oder ein schiefes Austrittsbündel, je nachdem wo die LED 7 angeordnet wird.For the expert in the field of geometric optics is also readily apparent immediately that by shifting the light emitting diode 7 from the focal point 12 a divergent beam on the light exit side can be generated or a skewed exit beam, depending on where the LED 7 is arranged.

Es ist ferner ersichtlich, dass eine LED 7 mit mehreren Fresnelanordnungen 3 kombiniert werden kann, die eine entsprechenden kleinen Außendurchmesser haben und ähnliche Gestalt wie die Flicken auf einem Fußball haben. Nebeneinander zusammengesetzt bilden sie eine angenäherte Halbkugelfläche.It can also be seen that an LED 7 with several Fresnel arrangements 3 can be combined, which have a corresponding small outer diameter and have a similar shape as the patches on a football. When juxtaposed, they form an approximate hemisphere surface.

Schließlich ist es auch denkbar den Glaskörper der Fresnelanordnung 3 mit einem Lumineszensmittel zu füllen und eine LED zu verwenden, die nicht im sichtbaren Licht strahlt.Finally, it is also conceivable the glass body of the Fresnel arrangement 3 to fill with a luminescent agent and use an LED that does not emit in visible light.

Ein Beleuchtungssystem weist eine Power-LED auf, die mit einer Fresnelanordnung kombiniert ist. Die Fresnelanorndung ist so gestaltet, dass die radial außen liegenden Grenzflächen der Fresnelrippen als Totalreflexionsflächen wirken, während die radial innen liegende Flächen so gestaltet ist, dass dort die Reflexion minimal wird. Diese Bedingung wird erreicht, indem die radial innen liegende Fläche ein Kugelzone ist, deren geometrischer Mittelpunkt mit dem Brennpunkt des Systems zusammenfällt.An illumination system has a power LED combined with a Fresnel arrangement. The Fresnelanorndung is designed so that the radially outer boundary surfaces of the Fresnel ribs act as total reflection surfaces, while the radially inner surfaces is designed so that there the reflection is minimal. This condition is achieved by the radially inner surface is a spherical zone whose geometric center coincides with the focal point of the system.

Claims

Lighting system with one LED ( 7 ), and with a Fresnel arrangement ( 3 ), which consists of a translucent material and several optical axis ( 6 ) concentric rib sections ( 11 ), which with respect to the optical axis ( 6 ) a radially outer and a radially inner interface ( 13 . 14 ), wherein the radially inner boundary surface ( 14 ) translucent and a spherical zone cutout of an imaginary hemisphere whose center is at the LED ( 7 ) and located above the light exit side of the LED ( 7 ), wherein the radially outer interface ( 13 ) forms a total reflection surface and wherein the LED ( 7 ) is located on the side where the light from the LED ( 7 ) through the radially inner interface ( 14 ) entry.

Illumination system according to claim 1, characterized in that the Fresnel arrangement ( 3 ) a light exit side ( 8th ), which from the LED ( 7 ) and which forms a substantially smooth surface, which has the shape of a plane surface, a spherical cap or Paraboloidausschnitts.

Illumination system according to claim 1, characterized in that the total reflection surface ( 13 ) has the shape of a spherical zone cutout or a paraboloid cutout, each cut out of an imaginary mirror ( 16 ) behind the LED ( 7 ) and parallel to the optical axis ( 6 ) shifted to the light entry side ( 8th ) of the Fresnel arrangement ( 3 ).

Lighting system according to claim 3, characterized in that the LED ( 7 ) in the focal plane or focal point of the imaginary mirror ( 16 ) is arranged.

Illumination system according to claim 1, characterized in that the translucent material is glass or plastic selected from a group comprising polycarbonate, acrylic.

Lighting system according to claim 1, characterized in that the LED ( 7 ) in a hermetically sealed housing ( 2 ) is arranged, from which a wall portion of the Fresnel arrangement ( 3 ) is formed.

Illumination system according to claim 6, characterized in that a plurality of LEDs ( 7 ) in a housing ( 2 ), each of which has its associated Fresnel arrangement ( 3 ) having.

Lighting system according to claim 1, characterized in that the LED ( 7 ) is a high power LED.

Illumination system according to claim 1, characterized in that an LED ( 7 ) with two or more Fresnel arrangements ( 3 ), whose optical axes ( 6 ) are at an angle to each other.

Illumination system according to claim 1, characterized in that the rib sections ( 11 ) concentric rings or sections of concentric rings, each about the optical axis ( 6 ) form.

Illumination system according to claim 1, characterized in that the Fresnel arrangement ( 3 ) in the range of up to 20 mm diameter about the optical axis ( 6 ) is designed as a simple converging lens, preferably as a plano-convex lens.

Illumination system according to claim 1, characterized in that the material of the Fresnel arrangement ( 3 ) contains a luminescent agent or at least coated on the radially inner interface with it.