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Die Erfindung betrifft ein Beleuchtungssystem mit einer in einem Gehäuse angeordneten, regelbaren Lichtquelle und einem Lichtsensor, der eine Lichtaufnahmefläche aufweist, die im innerhalb des Gehäuses verlaufenden Strahlengang der Lichtquelle liegt.
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Ein Beleuchtungssystem der eingangs angegebenen Art ist beispielsweise aus der
WO 2008/123413 A1 bekannt. Dieses Beleuchtungssystem dient zur Hintergrundbeleuchtung eines Displays, wobei dieses jeweils am Rand Zeilen von LEDs aufweist, die parallel zur Displayfläche strahlen und wobei eine Umlenkung des Lichtes zum Display durch einen geeigneten Reflektor realisiert ist. Auf der Reflektorfläche dieses Reflektors sitzt ein optischer Sensor, der den Hohlraum des Reflektors als Einbauraum nutzt und mit dem sich die Strahlung überprüfen lässt. Der Flächenabschnitt, auf dem der Sensor sitzt, steht zur Reflektion des von den Leuchtdioden ausgesandten Lichtes nicht zur Verfügung.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Beleuchtungssystem derart zu verbessern, dass sich die Lichtintensität der Lichtquelle innerhalb des Gehäuses, in dem diese verbaut ist, messen lässt und dabei den Strahlengang der Lichtquelle möglichst wenig stört.
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Diese Aufgabe wird mit dem eingangs aufgeführten Beleuchtungssystem erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Lichtaufnahmefläche durch das erste Ende eines Lichtleiters ausgebildet ist und das zweite Ende des Lichtleiters mit der Sensorfläche des Sensors optisch gekoppelt ist. Hierdurch wird es vorteilhaft möglich, den Lichtsensor außerhalb des Reflektors zu verbauen, so dass die Reflektorfläche bzw. der Strahlengang der Lichtquelle vorteilhaft nur wenig abgeschattet wird. Daher kann der Strahlengang der Lichtquelle ungehindert durch das Gehäuse und aus dem Gehäuse hinaus strahlen, weswegen sich vorteilhaft ein homogenes Lichtfeld erzeugen lässt. Als einzige Störung des Strahlengangs ist die Lichtaufnahmefläche des Lichtleiters zu berücksichtigen, die wesentlich kleiner ausfallen kann, als wenn der komplette Lichtsensor im Strahlengang der Lichtquelle angeordnet wird. Auch muss mittels des Lichtleiters nur eine vergleichsweise geringe Menge an von der Lichtquelle ausgestrahlten Licht entnommen werden, da ein außerhalb des Strahlengangs angeordneter Lichtsensor eine größere Baugröße haben darf und daher auch vergleichsweise lichtempfindlich ausgeführt sein kann.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in dem Gehäuse eine den Strahlengang der Lichtquelle bestimmende Reflektorfläche vorgesehen ist, und der Lichtleiter in einer Öffnung in der Reflektorfläche liegt. Reflektoren werden insbesondere bei LEDs als Lichtquelle bevorzugt eingesetzt, um die vergleichsweise weitwinklige Abstrahlungscharakteristik von LEDs dahingehend zu beeinflussen, dass das abgestrahlte Licht gesammelt wird. Hierdurch lässt sich ein Lichtfeld höherer Konzentration und Lichtintensität erzeugen. Wird ein solcher Reflektor vorgesehen, so lässt sich der Lichtleiter vorteilhaft auf einfache Weise in den Strahlengang der Lichtquelle bringen, indem in der Reflektorfläche eine Öffnung vorgesehen ist. Durch diese kann der Lichtleiter geschoben werden und wahlweise ein Stück in den durch die Reflektorfläche definierten Raum hineinragen oder mit der Reflektorfläche abschließen. In beiden Fällen wird der Strahlengang der Lichtquelle vorteilhaft nur wenig gestört und es lässt sich eine gewisse Menge an Licht auskoppeln, um diese über den Lichtleiter dem Lichtsensor zuzuführen.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Lichtleiter zumindest an seinem ersten Ende, welches in den Strahlengang der Lichtquelle hineinragt, ungekapselt ist. Dies hat den Vorteil, dass das abgezweigte Messlicht nicht nur über die Stirnseite des Lichtleiters am ersten Ende, sondern auch über dessen Mantelflächen ausgekoppelt werden kann. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn die Reflektorfläche vergleichsweise steil in Bezug auf die Oberfläche, auf der die Lichtquelle (vorzugsweise LED-Chips) montiert ist, vorliegt. In diesem Fall wird ein parallel zur Oberfläche verlaufender Lichtleiter, der in den Reflektor hineinragt, hauptsächlich an den Seitenflächen bestrahlt.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Lichtleiter stabförmig ausgebildet ist. Hiermit ist gemeint, dass dieser verhältnismäßig biegesteif ist und daher freitragend verbaut werden kann. Insbesondere kann dieser dann auf einfache Weise durch eine Bohrung im Reflektor gesteckt werden und freitragend in der bereits beschriebenen Weise in den Strahlengang im Inneren des Reflektors eingebracht werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Durchgang in dem Reflektor mit einem optischen Kunststoff auszugießen.
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Vorteilhaft ist der Lichtsensor spektral auslösend ausgebildet. Hierdurch kann vorteilhaft erreicht werden, dass nicht nur die Lichtintensität durch den Lichtsensor geprüft werden kann, sondern auch die Farbgebung des ausgesendeten Lichtes. Werden beispielsweise mehrere LED-Chips unterschiedlicher Farbe auf der Oberfläche kombiniert, so lässt sich die Farbe des ausgesendeten Lichtes durch die Einstellung unterschiedlicher Leuchtleistungen der LED-Chips beeinflussen. Hierbei ist es besonders wichtig, dass alterungsbedingten Farbänderungen der einzelnen LED-Chips Rechnung getragen wird, um das gewünschte Lichtspektrum zu erzeugen. Hierzu kann der spektral auflösende Lichtsensor verwendet werden.
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Außerdem ist es sehr vorteilhaft, wenn mehrere Lichtleiter vorgesehen sind, deren erste Enden an unterschiedlichen Stellen des Strahlenganges liegen. Hierdurch können Aussagen hinsichtlich der Homogenität des Lichtfeldes getroffen werden. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn ein homogenes Lichtfeld gefordert wird, welches aufgrund der Intensität von mehreren LED-Chips erzeugt werden muss. Da diese unterschiedlich schnell altern können, kann es sein, dass das Lichtfeld dadurch inhomogen wird, dass die verbauten LED-Chips unterschiedliche Leuchtintensitäten aufweisen. Dies kann mittels der genannten Anordnung mehrerer Lichtleiter überprüft werden. Die ortsaufgelöste Messung der Lichtintensität oder des Farbspektrums im ausgesendeten Strahlengang ermöglicht selbstverständlich bei geeigneter Ansteuerung auch eine ortsaufgelöste, d. h. chipindividuelle Nachregelung der Leuchtkraft der LED-Chips. Um eine individuelle Auswertung des in den mehreren Lichtleitern geführten Lichtes zu ermöglichen, muss jeder Lichtleiter oder mehrere Gruppen von Lichtleitern optisch an jeweils einen Lichtsensor gekoppelt sein.
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Eine weiterführende Ausgestaltung der Erfindung wird erhalten, wenn der Lichtleiter rohrförmig ausgeführt ist. Hierdurch ist vorteilhaft auch eine Belüftung des durch den Reflektor gebildeten Innenraumes möglich, der zu Kühlzwecken dienen kann. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der durch den rohrförmigen Lichtleiter ausgebildeten Kanal am zweiten Ende mit einem Gebläse verbunden ist. Hierdurch kann die Kühlluft (oder ein anderes gasförmiges oder flüssiges Kühlmedium) schneller zirkulieren, wodurch eine bessere Kühlleistung erreicht wird. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der durch den rohrförmigen Lichtleiter gebildete Kanal in Richtung der Lichtquelle ausgerichtet ist. Hierdurch kann das Kühlmedium in Richtung der Lichtquelle (bevorzugt der LED-Chips) beschleunigt werden und sorgt beim Auftreffen für eine erhöhte Kühlleistung. Die auf diesem Wege erwärmten Luft- oder Flüssigkeitsmoleküle werden dann von nachfolgenden, kühleren Molekülen verdrängt und transportieren die Wärme zuverlässig ab, die fakultativ auch über einen Wärmetauscher abgegeben werden kann.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente in den einzelnen Figuren sind jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems schematisch im Querschnitt,
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2 ein Blockschaltbild für eine Regelung der Funktion der Lichtquelle und
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3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lichtquelle in schematischer Schnittdarstellung.
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Ein Beleuchtungssystem gemäß 1 weist ein Gehäuse 11 auf, welches mittels eines transparenten Deckels 12 verschlossen ist. Im Inneren des Gehäuses sind als Bauelemente LED-Chips auf einer keramischen Leiterplatte 14 (Verwendung einer Wärmeleitkeramik) angeordnet, wobei die Leiterplatte 14 in einen ersten Kühlkörper 15 und einem zweiten Kühlkörper 16 eingeschlossen ist. An die Leiterplatte 14 aus Wärmeleitkeramik und den ersten Kühlkörper 15 sowie den zweiten Kühlkörper 16, die beispielsweise aus Aluminium bestehen können, kann die in den LED-Chips 13 entstehende Verlustwärme gut abgeführt werden.
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Der erste Kühlkörper 15 bildet außerdem einen Reflektor mit einer Reflektorfläche 17 aus. Über diesen wird nicht nur das durch die LED-Chips erzeugte Licht, sondern auch ein gewisser Teil der durch die LED-Chips erzeugten Wärmestrahlung abgegeben. Zusätzlich ragen aus der Reflektorfläche 17 zwei Rohre 18 heraus, wobei an deren ersten Enden Düsenöffnungen 20 realisiert sind, die zu durch die Rohre 18 ausgebildeten Düsen 20 gehören. Über die Düsenöffnungen 19 kann entsprechend der angedeuteten Pfeile Kühlluft als gasförmiges Kühlmedium auf die LED-Chips 13 geleitet werden, wobei diese aufgrund der Ausrichtung der Düsen 20 in einem Winkel φ < 80° zu einem Lot auf der durch die Leiterplatte 14 gebildeten Oberfläche 21 auftrifft.
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Weiterhin ist in dem zweiten Kühlkörper 16 ein Kühlkanal 22 ausgebildet, durch den die Kühlluft entsprechend der angedeuteten Pfeile an die Rückseite der Trägerplatte 14 herangeführt werden kann. Die Umwälzung der Kühlluft in dem Gehäuse wird durch die angedeuteten Pfeile deutlich, die eine Vorstellung von dem Kühlkreislauf vermitteln. Als Antrieb für den Kühlkreislauf sind mehrere kleine Lüftereinheiten als Fördereinrichtung 24 für die Kühlluft vorgesehen. Die erforderliche Kühlleistung der Fördereinrichtungen 24 wird über eine erste Steuereinheit 25 bewerkstelligt, die zu diesem Zweck das Signal eines Temperatursensors 26 auswertet. Die LED-Chips 13, die erste Steuereinheit 25, der Temperatursensor 26 sowie die Fördereinrichtungen 24 sind alle als SMT-Bauelemente auf der Trägerplatte 14 montiert, wobei die elektrisch leitfähigen Verbindungen der genannten Bauteile über nicht dargestellte Leiterbahnen und Durchkontaktierungen in der Trägerplatte 14 realisiert sind.
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Die Wände des Rohres 18 dienen gleichzeitig als Lichtleiter 27, wobei das von den LED-Chips 13 abgestrahlte Licht vorangig über die Stirnseite am ersten Ende des Rohres als Lichtaufnahmefläche 28 und im geringen Maße auch über die innerhalb der Reflektorfläche 17 freiliegenden Außenwände des Rohres 18 in den Lichtleiter 28 eintreten. Gegenüber der Stirnseite am jeweils anderen Ende der Rohre 18 sind Lichtsensoren angeordnet, wobei diese jeweils eine Sensorfläche 30 aufweisen, mit der das durch die Lichtleiter 27 geleitete Licht aufgefangen und in ein Messsignal umgewandelt werden kann.
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In 2 ist schematisch ein Schaltungsaufbau als Blockschaltbild dargestellt, der für einen zuverlässigen Betrieb des LED-Chips 13 verwendet kann. In 2 ist eine Variante dargestellt, bei der die Düse 12 und der Lichtleiter 27 als getrennte Bauteile ausgeführt sind. Die Düse 20 kann sich zur Düsenöffnung 19 verjüngen, um eine bessere Beschleunigung des gasförmigen Kühlmediums zu bewirken. Der Lichtleiter 27 kann mit seinem einen Ende in den durch die Reflektorfläche 17 definierten Raum hineinragen. Als Lichtaufnahmefläche dient dann nicht nur die Stirnseite selbst, sondern, wenn der Lichtleiter 27 nicht ummantelt ist, auch die Mantelfläche, die in den Raum der Reflektorfläche 17 hineinragt. Die Steuerung der Kühlleistung wird in der bereits beschriebenen Weise durch Auswertung des Signals des Temperatursensors 26 durch die erste Steuereinheit 25 und entsprechende Ansteuerung der Fördereinheit 24 geregelt. Außerdem ist eine zweite Steuereinheit 31 vorgesehen, welche die Leistung des LED-Chips 13 steuern kann. Hierzu wird zum einen das Signal des Lichtsensors 29 ausgewertet. Hierdurch kann beispielsweise ein alterungsbedingtes Nachlassen der Leuchtkraft des LED-Chips kompensiert werden, indem dieser so ausgelegt ist, dass er bei Inbetriebnahme beispielsweise nur mit einer Leistung von 80% der maximal nötigen Leistung betrieben werden muss. Lässt die Leuchtkraft mit der Zeit nach, kann die Leistung dann bis zu einem Wert von 100% gesteigert werden, um die geforderte Leuchtleistung des LED-Chips zu erbringen. Um eine Überhitzung des LED-Chips zu vermeiden, ist zusätzlich vorgesehen, dass die zweite Steuereinheit 31 das Signal des Temperatursensors 26 auswertet. Die Schwelle für ein Herunterregeln der Leistung am LED-Chip 13 sollte jedoch höher sein als der Temperaturwert, mit dem die Fördereinheit 24 mit maximaler Leistung betrieben wird. Erst wenn diese Kühlleistung nicht mehr ausreicht, kann dann mit einer Begrenzung der Leistungsaufnahme am LED-Chip 13 reagiert werden. Selbstverständlich können die erste Steuereinheit und die zweite Steuereinheit baulich auch mit einem Microcontroller realisiert sein, wobei die Funktionalitäten in der beschriebenen Weise umgesetzt werden müssen.
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Bei dem Beleuchtungssystem gemäß 3 sind mehrere Lichtleiter 27 in dem ersten Kühlkörper 15 vorgesehen, von denen zwei als Schnitt zu erkennen sind. Die weiteren Lichtleiter selbst sind nicht zu erkennen, jedoch sieht man die jeweiligen Lichtaufnahmeflächen 28 derjenigen Lichtleiter, die hinter der Zeichenebene gemäß 3 dargestellt sind. Diese sind regelmäßig am Umfang und in verschiedener Höhe bezüglich der Oberfläche 21 der Trägerplatte 14 angeordnet, so dass durch Vergleich der Gesamtheit der einzeln ausgewerteten Messwerte ein Rückschluss über die Homogenität des durch die LED-Chips 13 ausgesendeten Lichtfeldes möglich wird.
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Zur Auswertung sind außen am ersten Kühlkörper 15 Lichtsensoren 29 angebracht, von denen zwei zu erkennen sind. Diese sowie die nicht dargestellten weiteren Lichtsensoren sind mit einer zweiten Steuereinheit 31 verbunden, die nach einer Auswertung der Messsignale einer Ansteuerung der LED-Chips 13 einzeln erlaubt. Die LED-Chips 13 leuchten in unterschiedlicher Farbe und ermöglichen dadurch, dass das Beleuchtungssystem wahlweise in unterschiedlichen Farben leuchten kann. Hierzu kann mittels eines externen Rechners 34 eine Sollfarbe vorgegeben werden.
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In 3 ist auch zu erkennen, dass bei diesem Ausführungsbeispiel die Lichtaufnahmeflächen 28 genau mit der Reflektorfläche 17 abschließen. Hierdurch wird die geringst mögliche Störung des durch die LED-Chips 13 abgestrahlten Lichtfeldes erreicht, wobei die geringe Menge an ausgekoppeltem Licht auch die Intensität des Lichtfeldes nur wenig verringert. Die Lichtsensoren 29 werden in einer geeigneten Empfindlichkeit ausgelegt, damit diese mit den durch die Lichtleiter 27 ausgekoppelten Lichtintensitäten arbeiten können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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