DE102010002118A1

DE102010002118A1 - LED-Beleuchtungsvorrichtung mit Konkavreflektor und Verfahren zum Betreiben dieser LED-Beleuchtungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102010002118A1
Application number: DE102010002118A
Authority: DE
Inventors: Niko 51467 Kirsten; Holger 13595 Laabs; Henning 13407 Rehn
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2010-02-18
Filing date: 2010-02-18
Publication date: 2011-08-18

Abstract

In einer LED-Beleuchtungsvorrichtung (1) sind mindestens zwei LED (5) innerhalb eines optischen Konkavreflektors (2) in verschiedenen Abständen zum Reflektorscheitel (S) angeordnet. Die LED (5) sind getrennt ansteuerbar ausgelegt. Mit einer elektronischen Steuerung können LED (71; 72; 73) mit unterschiedlichen Abständen zum Reflektorfokus (F) angesteuert werden, wodurch unterschiedliche Bündelungen der von der LED-Beleuchtungsvorrichtung (1) abgestrahlten Lichtstrahlen erreicht werden.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine LED-Beleuchtungsvorrichtung, d. h. eine Beleuchtungsvorrichtung mit Leuchtdioden (LED: Licht emittierende Diode) und einem Konkavreflektor sowie einem Verfahren zum Betreiben dieser LED-Beleuchtungsvorrichtung.
Unter dem Begriff LED sind hier nicht nur sichtbares Licht (sichtbare elektromagnetische Strahlung [VIS]; weiß oder farbig) sondern auch infrarote (IR-) oder ultraviolette (UV-)Strahlung emittierende Dioden zu verstehen. Außerdem sollen sowohl reine LED-Chips als auch mit Gehäuse einschließlich Primäroptik und Leuchtstoff konfektionierte LED-Bauelemente umfasst sein.
Stand der Technik
In zahlreichen Anwendungsgebieten werden Leuchten verwendet, die den Lichtstrom einer Lichtquelle je nach Bedarf mehr oder weniger stark auf ein zu beleuchtendes Objekt bündeln können. Im medizinischen Bereich werden z. B. Operationsleuchten benötigt, die eine Anpassung der von der Operationsleuchte beleuchtbaren Fläche an das Operationsfeld ermöglichen. Dazu ist bisher eine Vorrichtung in der Leuchte notwendig, die dem Bediener eine Anpassung des Abstrahlwinkels der Leuchte erlaubt. Dazu sind bisher variable mechanische und/oder optische Bauteile erforderlich. Folgende Möglichkeiten kommen hierfür in Betracht: a) mechanisches Verschieben einer Lichtquelle innerhalb eines optischen Reflektors, beispielsweise eines Hohlspiegels; b) mechanisches Verschieben optischer Bauteile, z. B. Linsen oder Prismen (Zoom-Optik); c) mechanische Veränderung beweglicher Spiegelelemente und d) mechanische Schwenken einer Matrix aus vielen kleinen gerichtet abstrahlender Lichtquellen, die in ihrer Summe eine Leuchte bilden; dabei werden die einzelnen Lichtquellen relativ zu der Achse Leuchte-Objekt geschwenkt.
Das Dokument US 2009/0097258 A1 zeigt eine Leuchte mit einem Reflektor, in dessen optischer Achse ein länglicher Träger mit einer LED angeordnet ist. Die LED strahlt senkrecht zur optischen Achse. Der Reflektor weist mehrere unterschiedlich gekrümmte Sektoren auf. Durch Drehen des Reflektors sollen so unterschiedliche Bündelungen der Lichtstrahlen erzielt werden.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine LED-Beleuchtungsvorrichtung anzugeben, die für die Anpassung der Bündelung des abgestrahlten Lichts keine mechanisch beweglichen Teile benötigt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine LED-Beleuchtungsvorrichtung mit einem Konkavreflektor, durch den eine Reflektorachse definiert ist und einem auf der konkaven Seite in der Reflektorachse angeordneten Träger, wobei auf dem Träger mindestens zwei LED in Richtung der Reflektorachse hintereinander angeordnet sind.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Außerdem wird Schutz für die Betriebsweise der erfindungsgemäßen LED-Beleuchtungsvorrichtung beansprucht. Auf diesen Aspekt der Erfindung beziehen sich die auf die Verfahrensmerkmale gerichteten Ansprüche.
Im Folgenden wird die Erfindung sowohl anhand von Vorrichtungs- als auch Verfahrensmerkmalen näher erläutert, da die Erfindung beide Aspekte umfasst.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, mindestens zwei LED innerhalb eines optischen Konkavreflektors in verschiedenen Abständen zum Reflektorscheitel anzuordnen, und diese LED getrennt ansteuerbar auszulegen. Dazu ist eine entsprechende elektronische Ansteuerung vorgesehen. Aufgrund der unterschiedlichen Positionen der LED bezüglich des Reflektorscheitels wird deren Licht vom Reflektor unterschiedlich gebündelt zum Objektfeld hin reflektiert. Im Betrieb werden unterschiedliche Bündelungen des von der LED-Beleuchtungsvorrichtung abgestrahlten Lichts also durch die gezielte Ansteuerung reflektorscheitelnaher oder reflektorscheitelferner LED realisiert. Das hat den Vorteil, dass die Anpassung der Bündelung der Lichtstrahlen ausschließlich durch die vorstehend beschriebene Ansteuerung der LED erfolgt. Der dadurch mögliche Verzicht auf bewegte mechanische oder optische Teile hat den Vorteil eines geringeren konstruktiven Aufwands und folglich geringerer Herstellkosten sowie geringere Störanfälligkeit. Ein weiterer Vorteil ist die vereinfachte Bedienung für die Anpassung der Lichtbündelung.
Prinzipiell können statt zwei auch drei oder mehr LED in jeweils unterschiedlichen Abständen innerhalb des Konkavreflektors angeordnet sein. Dazu ist ein Träger vorgesehen, der vorzugsweise in der optischen Achse der Konkavreflektors, d. h. der Reflektorachse, positioniert ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Konkavreflektor rotationssymmetrisch ausgebildet, beispielsweise in der Form eines Rotationsparaboloiden oder auf der Basis eines anderen Kegelschnitts, z. B. Ellipsoid, Kugel oder Hyperboloid. Der Konkavreflektor ist vorzugsweise mit einer spiegelnden Innenfläche versehen, d. h. als Hohlspiegel ausgebildet. In diesem Fall ist mindestens eine LED bzw. eine Gruppe mehrerer LED im oder zumindest nahe beim Fokus des Hohlspiegels und mindestens eine weitere LED/LED-Gruppe weiter entfernt vom Fokus auf dem Träger angeordnet. Außerdem ist eine insgesamt zumindest näherungsweise rotationssymmetrische Anordnung der LED innerhalb einer LED-Gruppe bevorzugt, um eine entsprechend zumindest näherungsweise rotationssymmetrische Lichtstärkeverteilung auf einem Objektfeld erzielen zu können. Zu diesem Zweck sind die LED in jeder Gruppe möglichst gleichmäßig verteilt im Umfang des Trägers angeordnet. Mit anderen Worten liegen die LED einer Gruppe in einer gemeinsamen Bezugsebene, die einen definierten Anstand vom Reflektorscheitel hat. Dazu hat der Träger beispielsweise einen quadratischen Querschnitt, so dass auf jeder der vier Seitenflächen des Trägers je eine LED pro Gruppe angeordnet ist, d. h. die vier LED jeder Gruppe sind in Umfangsrichtung des Trägers drehsymmetrisch verteilt. Prinzipiell kommen für den Träger auch andere Querschnittsformen in Betracht, beispielsweise Dreieck, Fünfeck oder höhere Polygone. Wenn die Kantenlänge so bemessen ist, dass nur eine LED pro Kante Platz findet, so wäre die maximale Anzahl der LED pro Gruppe dann drei, fünf bzw. je nach der Ordnung des Polygons entsprechend mehr. Schließlich kann der Träger auch eine runde, beispielsweise kreisförmige Querschnittsform aufweisen. Die minimale Anzahl ist in jedem Fall eine LED pro Gruppe, wenn man eine entsprechend deutlich ausgeprägte Unsymmetrie der Leuchtstärkeverteilung in Kauf nimmt oder bewusst erzielen möchte, beispielsweise bei nicht-symmetrischen Konkavreflektoren.
Außerdem sind mindestens zwei LED-Gruppen erforderlich, um die erfindungsgemäße Wirkung erzielen zu können. Durch die gezielte Ansteuerung jeweils einer der beiden Gruppen können zwei unterschiedlichen Bündelungen der Lichtstrahlen erzielt werden. Falls weitere Einstellungen für die Bündelungen der Lichtstrahlen benötigt werden, kann auch eine dritte LED-Gruppe oder weitere vorgesehen sein. Innerhalb des Trägers verlaufen die Stromzuführungen, die die LED mit einem Steuergerät verbinden. Die jeweiligen LED-Gruppen sind unabhängig voneinander getrennt ansteuerbar ausgelegt. Die LED innerhalb einer Gruppe werden aber vorzugsweise zusammen gleichzeitig angesteuert.
Um die Verlustwärme der LED abführen zu können ist der Träger thermisch leitfähig ausgebildet. Falls der Konkavreflektor aus Metall, z. B. Aluminium, gefertigt ist, ist es außerdem vorteilhaft, den Träger mit dem Konkavreflektor thermisch zu koppeln, da der Konkavreflektor aufgrund seiner relativ großen Oberfläche die Verlustwärme besonders effizient an die Umgebung abstrahlt. Alternativ oder zusätzlich kann der Träger auch mit einem separaten Kühlelement verbunden sein.
Je nach gewünschter Lichtverteilung der LED-Beleuchtungsvorrichtung werden die in Richtung der Reflektorachse hintereinander auf dem Träger angeordneten LED einzeln, in Kombination oder alle gleichzeitig angesteuert. Letztere Ansteuerung entspricht dem maximal möglichen Lichtstrom ohne spezifische Bündelung. Insbesondere werden die LED/LED-Gruppen im oder in der Nähe des Reflektorfokus bzw. in einem Abstand vom Reflektorfokus je nach gewünschter Lichtverteilung der Beleuchtungsvorrichtung angesteuert. Hierzu ist eine elektronische Steuerung vorgesehen, die die Ansteuerung der LED/LED-Gruppen entsprechend der vorgewählten Lichtverteilung der LED-Beleuchtungsvorrichtung vornimmt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:
1 eine schematische, teilweise geschnittene Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen LED-Beleuchtungsvorrichtung,
2 eine graphische Darstellung verschiedener Lichtstärkeverteilungen der LED-Beleuchtungsvorrichtung aus 1.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Die 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen LED-Beleuchtungsvorrichtung 1 in einer teilweise geschnittenen Seitenansicht. Die LED-Beleuchtungsvorrichtung 1 umfasst einen konkaven Reflektor 2, der als Hohlspiegel mit paraboloider Oberflächenform ausgebildet ist, einen länglichen Träger 3, der durch eine Öffnung 4 im Scheitel S der Reflektorfläche hindurch in den konkaven Reflektor 2 hineinragt, zwölf weißes Licht abstrahlende LED 5, die auf dem Träger 3 angeordnet sind sowie eine elektrische Steuereinheit 6, die außerhalb des Reflektors an dem aus der Reflektoröffnung 4 herausragenden Ende des Trägers 3 angeordnet ist. Die elektrische Steuereinheit 6 weist einen Drehschalter 7 mit drei Schalterstellungen I–III sowie einen Kühlkörper 8 mit Kühlrippen 9 auf. Der LED-Träger 4 ist mit der Steuereinheit 6 thermisch leitend verbunden, so dass die Verlustwärme der LED 5 über den LED-Träger 4 an das Gehäuse der Steuereinheit 6 bzw. den Kühlkörper 8 abgegeben werden kann. Außerdem kann der LED-Träger 3 auch mit dem hier aus Aluminium bestehenden Reflektor 2 im Bereich der Durchführungsöffnung 4 thermisch leitend verbunden sein. Aufgrund der relativ großen Oberfläche des Reflektors 2 wird auch in diesem Fall eine gute Abfuhr der Verlustwärme der LED 5 erzielt. Die insgesamt zwölft LED 5 sind in drei Gruppen zu je vier LED auf dem Träger 3 unmittelbar nebeneinander angeordnet. Der Träger 3 hat einen quadratischen Querschnitt, so dass auf jeder der vier Seitenflächen des Trägers 3 je eine LED pro Gruppe angeordnet ist, d. h. die vier LED jeder Gruppe sind in Umfangsrichtung des Trägers 3 drehsymmetrisch verteilt. Die LED müssen nicht notwendigerweise – wie hier gezeigt – plan auf dem Träger 3 aufsitzen, sondern können auch geneigt angeordnet sein. Innerhalb des Trägers verlaufen die Stromzuführungen (nicht erkennbar), die die LED 5 mit dem Steuergerät 6 verbinden.
In Folgenden wird – auch mit Bezug auf die in 2 gezeigten gemessenen Lichtstärkewerte (y-Achse) in Abhängigkeit vom Winkel zur optischen Achse, also dem halben Öffnungswinkel (x-Achse) – das Verfahren zum Betreiben der LED-Beleuchtungsvorrichtung 1 und insbesondere die Funktion des Drehschalters 7 erläutert. Wenn der Drehschalter 7 in der Stellung I ist, leuchten nur die LED der ersten Gruppe 71, d. h. die vier LED, die in der senkrecht zur Reflektorachse L und durch den Fokus F der Reflektors 2 verlaufenden Bezugsebene entlang des Trägerumfangs angeordnet sind. Durch die Ansteuerung nur dieser in der Fokusebene angeordneten vier LED der Gruppe 71 wird eine relativ deutliche Bündelung des von diesen LED abgestrahlten Lichts erzielt, wie aus der Kurve A in 2 ersichtlich ist. Wenn der Drehschalter 7 in der Stellung II ist, leuchten nur die LED der zweiten Gruppe 72, d. h. die vier LED, die in einer um ca. 3 mm aus dem Fokus F hinaus verschobenen Bezugsebene angeordnet sind. Dadurch wird eine deutlich geringere Bündelung des von diesen LED abgestrahlten Lichts erzielt, wie aus der Kurve B in 2 ersichtlich ist. Wenn der Drehschalter 7 in der Stellung III ist, leuchten nur die LED der dritten Gruppe 73, d. h. die vier LED, die in einer um ca. 6 mm aus dem Fokus F hinaus verschobenen Bezugsebene angeordnet sind. Dadurch resultiert ein relativ aufgeweitetes Lichtbündel, wie aus der Kurve C in 2 ersichtlich ist.
Prinzipiell kann zusätzlich auch ein Betriebsmodus vorgesehen sein, bei dem zur Erzielung eines maximalen Lichtstroms alle LED gleichzeitig angesteuert werden. Außerdem können auch beliebige Kombination der LED vorgesehen sein. Darüber hinaus kann es auch vorteilhaft sein, wenn die verschiedenen LED-Gruppen aus LED mit jeweils verschiedenen spektralen Eigenschaften realisiert sind, beispielsweise indem die Gruppe 71 aus Weißlicht-LED, die Gruppe 72 aus IR-LED und die Gruppe 73 aus UV-LED besteht. Diese Variante kann beispielsweise insbesondere für medizinische oder industrielle Anwendungen Vorteile bieten.
Obwohl die Erfindung vorstehend am Beispiel eines rotationssymmetrischen Konkavreflektors erläutert wurde, ist die erfindungsgemäße Wirkung nicht auf diese Reflektortypen beschränkt. Vielmehr stellt sich die vorteilhafte Wirkung der Erfindung auch bei nicht-rotationssymmetrischen Konkavreflektoren ein, beispielsweise bei länglichen, trogförmigen Konkavreflektoren. In diesem (nicht dargestellten) Fall ist die in 1 eingezeichnete Reflektorachse L keine Rotationsachse. Vielmehr setzt sich die Reflektorform in der Richtung senkrecht zur Zeichenebene fort. Gleiches gilt für den Träger, zumindest in dem Bereich, in dem die LED angeordnet sind. Dadurch wird mit einem trogförmigen Reflektor eine längliche Leuchtstärkeverteilung erzeugt, deren Bündelung nach dem im Zusammenhang mit der 1 beschriebenen Prinzip funktioniert, aber symmetriebedingt nur in den Ebenen parallel zu der Zeichenebene möglich ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2009/0097258 A1 [0004]

Claims

LED-Beleuchtungsvorrichtung (1) mit einem Konkavreflektor (2), durch den eine Reflektorachse (L) definiert ist und einem auf der konkaven Seite in der Reflektorachse (L) angeordneten Träger (3), wobei auf dem Träger (3) mindestens zwei LED (5) in Richtung der Reflektorachse (L) hintereinander angeordnet sind.
LED-Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die mindestens zwei LED (5) zumindest in Richtung der Reflektorachse (L) getrennt ansteuerbar ausgelegt sind.
LED-Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei innerhalb des Trägers die Stromzuführungen für die LED angeordnet sind.
LED-Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Träger (3) thermisch leitfähig ist.
LED-Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Träger (3) durch eine Öffnung (4) im Scheitel (S) des Konkavreflektors (2) hindurch geführt ist.
LED-Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Träger (3) mit einem Kühlelement (8) verbunden ist.
LED-Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Konkavreflektor (2) selbst als Kühlelement fungiert.
LED-Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Konkavreflektor (2) rotationssymmetrisch und der Träger (3) länglich ausgebildet sind, wobei mehr als zwei LED (5) in mindestens zwei Gruppen (71; 72; 73) hintereinander auf dem Träger (3) angeordnet sind und wobei zumindest in einer der Gruppen (71; 72; 73) die LED in Umfangsrichtung des Trägers (3) drehsymmetrisch verteilt sind.
LED-Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Konkavreflektor (2) die Form eines Rotationsparaboloiden hat.
LED-Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Konkavreflektor (2) als Hohlspiegel ausgebildet.
LED-Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 10, wobei mindestens eine LED (71) im oder in der Nähe des Fokus (F) des Hohlspiegels (2) und mindestens eine LED (72; 73) weiter entfernt vom Fokus auf dem Träger (3) angeordnet ist.
LED-Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einer elektronischen Steuerung (6), die zur getrennten Ansteuerung der LED (71; 72; 73) ausgelegt ist.
Verfahren zum Betreiben einer LED-Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei je nach gewünschter Lichtverteilung der LED-Beleuchtungsvorrichtung (1) die in Richtung der Reflektorachse (L) hintereinander auf dem Träger (3) angeordneten LED (71; 72; 73) einzeln, in Kombination oder alle gleichzeitig angesteuert werden.
Verfahren nach Anspruch 13, mit einer elektronischen Steuerung (6), mit der die Ansteuerung der LED (71; 72; 73) entsprechend der vorgewählten Lichtverteilung der LED-Beleuchtungsvorrichtung (1) vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei der Konkavreflektor (2) als Hohlspiegel ausgebildet ist und wobei je nach gewünschter Lichtverteilung der LED-Beleuchtungsvorrichtung (1) mindestens eine LED (71) im oder in der Nähe des Reflektorfokus (F) bzw. mindestens eine LED (72; 73) in einem Abstand vom Reflektorfokus (F) angesteuert wird.