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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Leuchten und insbesondere auf Leuchten, wie sie als Spotlights oder Scheinwerfer in Showbeleuchtungsanwendungen einsetzbar sind.
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Bei Leuchten existiert der Bedarf, das komplette sichtbare optische Spektrum mit größtmöglicher optischer Effizienz mittels einer Lichtquelle bzw. Leuchte nachzubilden. Ein Problem dabei ist, dass Weißlicht ein Gemisch aus verschiedenen Wellenlängen ist und LEDs als Leuchtmittel oder Gasentladungslampen einen nur schmalbandigen Wellenlängenbereich emittieren. Im Stand der Technik existieren verschiedene Ansätze, um diese Problematik anzugehen. Ein Ansatz besteht darin, sogenannte Weißlicht-LEDs bereitzustellen. Unter solchen Weißlicht-LEDs versteht man in der Regel eine blau emittierende LED, die mit einem gelben Konversionsphosphor beschichtet ist. Das von dieser Kombination emittierte Licht enthält somit blaue und gelbe Bestandteile und erzeugt beim menschlichen Auge den Eindruck von Quasi-Weißlicht. Ein Spektrum einer solchen Weißlicht-LED ist in 10 dargestellt. Aus 10 ist ersichtlich, dass dieses Spektrum keinen flachen Verlauf hat. Stattdessen hat dieses Spektrum eine tiefe Senke bei etwa 490 nm (Cyan) und fällt in Richtung 600 nm (rot) stark ab.
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Ein weiterer Lösungsansatz aus dem Stand der Technik besteht in sogenannten Color-Combiners. Darunter versteht man ein System aus mehreren dichroitischen Filtern mit deren Hilfe man das Licht von mehreren unterschiedlich farbigen LEDs zu einem gemeinsamen Lichtstrahl kombinieren kann. In der Regel werden eine rot emittierende LED, eine grün emittierende LED und eine blau emittierende LED verwendet. Ferner wird dieses Spektrum in ein oberes, ein mittleres und ein unteres Band aufgeteilt. Filter für solche Lichtquellen sind beispielsweise unter dem Markenzeichen LED Color Dichroics von der Firma Optics Balzers AG erhältlich. Für die Implementierung der Farbkombination existieren verschiedene Aufbauten, die sich im Platzbedarf unterscheiden. Ferner können Einkoppelstufen vorgesehen werden, um z. B. noch Cyan oder Amber einzukoppeln. Solche Lichtquellen werden als sogenannte LED-Engines unter dem Markennamen Zorolight von der Firma Bookham hergestellt, die dann die Lichtquellen von (stecker-)fertigen Leuchten sein können. Diese Systeme können ein farbreiches Spektrum emittieren. Die Präzisionsanforderung an die Montage der Komponenten sowie die speziellen dichroitischen Filter machen diese Systeme jedoch teuer. Außerdem ist der Wirkungsgrad durch die vielen verwendeten Glasoberflächen eher niedrig. Deshalb hat sich dieses System bisher nur als Spezial-Lichtquelle in Laboranwendungen etablieren können. Eine Einkopplung von Weißlicht-LEDs ist hier nicht möglich, da diese Weißlicht-LEDs zwei unterschiedliche Peak-Wellenlängen emittieren und deshalb keine Einkopplung mittels dichroitischer Filter stattfinden kann. Das Spektrum einer solchen Lichtquelle ist in 9 dargestellt. Deutlich sind ein blauer Peak 90, ein grüner Peak 91 und ein roter Peak 92 erkennbar. Diese Lichtquelle macht sich den Trick zunutze, dass das menschliche Auge eine Art Mittelwert-Bildung vollzieht und dem Gehirn z. B. den Eindruck Gelb übermittelt, wenn lediglich die Rezeptoren für Grün und Rot angesprochen werden.
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So kann auch die Weißlicht-LED keinen Cyan-Eindruck beim Betrachter hervorrufen, da die Gelb- und Blau-Anteile nicht unabhängig voneinander in der Intensität steuerbar sind. Beim Ausfiltern mittels eines dichroitischen Farbfilters würde dieser Spektralbereich einfach fehlen.
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Weitere Lösungsansätze bestehen in der Verwendung von Mischerstufen, die beliebige Wellenlängen kombinieren können. Solche Systeme werden beispielsweise mit Hilfe von Lightpipes oder sogenannten „Fly's Eye Arrays” aufgebaut. Solche Mischoptiken sind aber im Vergleich zur eigentlichen LED sehr groß und deshalb nicht für kompakte Systeme geeignet. Außerdem ist durch die internen Verluste, wie beispielsweise Mehrfachreflexionen bei der Lightpipe oder ein Übersprechen zwischen den Linsen beim Fly's Eye der Wirkungsgrad eher niedrig. Es kann also sein, dass man zu einer rgb-Lichtquelle per Lightpipe eine Weiß-Lichtquelle zumischen will, um eine höhere Weiß-Helligkeit zu erreichen. Dank des geringeren Wirkungsgrades ergibt sich aber nur eine unwesentliche Helligkeitssteigerung bei gleichzeitig höherem Energiebedarf. Diese Lösung kann also höchstens die Farbsättigung, meist aber nicht die Helligkeit, verbessern. Auch ist diese Variante wegen der Größe und der nicht ganz vermeidbaren Sekundäreffekte praktisch nur für den Bau von sogenannten Washlights interessant.
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Die Vorteile von Weißlicht-LEDs bestehen in einer enormen Helligkeit in dem vom menschlichen Auge als Weiß empfundenen Spektralbereich. Ferner sind hier noch Steigerungen zu erwarten, da dies der LED-Typ ist, der für den Allgemeinbeleuchtungsmarkt am interessantesten ist. Hier wird am meisten geforscht und demnach auch am weitesten optimiert. Dagegen sind einfarbige rote, grüne und blaue LEDs eher Produkte mit kleineren Stückzahlen, bei denen die Investitionen in Chip-Grundlagenforschungen für die Hersteller oftmals nicht zu rechtfertigen sind.
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Weißlicht-LEDs haben als Nachteil das Vorhandensein eines fixen Weißlichtpunkts. Die Lichtfarbe der LED-Quelle ist durch die Chip-Materialien bestimmt und als solche nicht einstellbar. Beim Herausfiltern bestimmter Wellenlängen durch dichroitische Farbfilter ergibt sich ein schlechter Wirkungsgrad. Im Rot-Bereich zeigt eine Phosphor-konvertierte LED nur eine sehr geringe Emission. Ein dichroitischer Farbfilter für gesättigtes Rot hat eine Transmission von ca. 2–2,5%. Die dadurch erreichbaren Helligkeiten sind also im Bereich der gesättigten Farben zum Teil sehr niedrig. Außerdem sind die Filter meist für Vollspektrum-Lichtquellen oder Gasentladungslampen optimiert. Mit diesen Filtern ergibt sich bei LEDs ein eher seltsamer Farbeindruck. Auf die LED-Wellenlängen optimierte Filter sind Sonderanfertigungen und dementsprechend teuer.
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Die Color-Combiner-Leuchten haben als Vorteil, dass sie voll durchstimmbare Lichtquellen sind. Durch Veränderung der relativen Helligkeiten der einzelnen LEDs lassen sich in gewissen Grenzen auch Zwischenfarben mischen. Zur Erzeugung dieser Zwischenfarben werden keine dichroitischen Farbfilter benötigt, sondern die Mischung von Zwischenfarben kann durch unterschiedliches individuelles Ansteuern der einzelnen LED-Schaltungen bzw. LED-Chips erfolgen. Darüber hinaus ist die erreichbare Helligkeit für gesättigte Farben sehr hoch, da aus dem Lichtstrahl keine Wellenlängen herausgefiltert werden müssen.
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Nachteilig an den Color-Combiner-Leuchten ist jedoch, dass der Lichtstrom als Weißlicht-Quelle, wenn also alle LEDs eingeschaltet sind, wesentlich geringer ist als der Lichtstrom von einer klassischen Weißlicht-LED.
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US 2008/0 310 168 A1 offenbart ein Lichtquellensystem und eine Anzeigevorrichtung. Die Anzeigevorrichtung umfasst das Lichtquellensystem und ein Abbildungssystem. Das Lichtquellensystem ist konfiguriert, um ein Licht für die Abbildung zu schaffen und umfasst ein Spiegelrad und mindestens zwei Lichtquellenmodule, um zumindest zwei Lichtstrahlen zu erzeugen. Diese Lichtstrahlen werden in einer vorbestimmten Sequenz aktiviert. Nachdem sie reflektiert oder direkt durch das Spiegelrad gelaufen sind, bilden die Lichtstrahlen ein durchgehendes Licht, das in das Abbildungssystem hineinläuft.
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Die
US 5 590 955 A offenbart einen variablen Lichtmodifizierer, der eine schnelle Strahlablenkung und ein Umschalten mit einem Minimum an Rauschen, Leistungsverbrauch und Wärmeerzeugung schafft. Ein zweiseitiger Reflektor ist entlang orthogonaler Achsen drehbar.
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Die
DE 10 2007 044 448 A1 offenbart eine effiziente Festkörperlichtquelle zur Erzeugung von Licht in einem begrenzten Bereich des Farbraums, wobei eine erste und eine zweite Teillichtquelle neben einer Mischvorrichtung und einer Steuereinrichtung vorgesehen sind. Die erste Teillichtquelle erzeugt Licht, das eine wahrgenommene Farbe aufweist, die innerhalb eines vorgegebenen zweidimensionalen Bereichs des Farbraums als Antwort auf einen Satz von Farbsteuersignalen verändert werden kann. Die zweite Teillichtquelle erzeugt weißes Licht. Die Mischvorrichtung kombiniert das Licht aus der ersten Teillichtquelle und der zweiten Teillichtquelle, um ein Ausgabelichtsignal zu erzeugen, das eine wahrgenommene Ausgabefarbe aufweist.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein effizientes und gleichzeitig hochqualitatives Konzept für Leuchten zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Leuchte nach Patentanspruch 1 oder ein Verfahren zum Betreiben einer Leuchte nach Patentanspruch 17 gelöst.
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Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass eine Kombination einer Mehrfarb-LED-Quelle und einer eigens dafür angepassten Weißlicht-Quelle die Vorteile der bekannten Lösungsansätze vereinigt, jedoch die Nachteile der bekannten Lösungsansätze vermeidet. Erfindungsgemäß wird eine Mehrfarb-LED-Quelle zum Emittieren eines ersten Lichtstrahls in einer ersten Richtung vorgesehen. Darüber hinaus wird eine Weißlicht-Quelle, die von der Mehrfarb-LED-Quelle separat angeordnet ist, vorgesehen, um einen zweiten Lichtstrahl in einer zweiten unterschiedlichen Richtung zu emittieren. Die Leuchte umfasst ferner eine Projektionsoptik zum Ausgeben eines Ausgangslichtstrahls der Leuchte und ein optisches Element, das ausgebildet ist, um in wenigstens zwei unterschiedliche Zustände bringbar zu sein, wobei die Zustände so sind, dass in einem ersten Zustand der Ausgangslichtstrahl überwiegend durch den ersten Lichtstrahl gebildet wird und dass in einem zweiten Zustand der Ausgangslichtstrahl überwiegend durch den zweiten Lichtstrahl gebildet wird. Das optische Element kann bei bestimmten Ausführungsformen ein bewegliches optisches Element sein, das einen Spiegel oder ein dichroitisches Filter aufweist. Bei anderen Ausführungsformen kann das optische Element ein elektronisch oder anderweitig steuerbares optisches Element sein, das je nach Ansteuersignal transparent oder nicht-transparent ist.
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Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass dann, wenn farbiges Licht benötigt wird, die Mehrfarb-LED-Quelle bei einer entsprechenden Stellung des optischen Elements den überwiegenden Teil des Ausgangslichtstrahls bildet. Damit kann jegliche gewünschte Farbe mit guter Farbintensität eingestellt werden. Wird jedoch ein Weißlicht gewünscht, so wird die Weißlicht-Quelle, die speziell für eine hohe Emission von weißem Licht ausgebildet ist, unter Verwendung des optischen Elements zum Ausgang gewissermaßen „durchgeschaltet”, so dass deren Ausgangslichtstrahl auch den Ausgangslichtstrahl der Leuchte überwiegend bildet.
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Diese Umschaltbarkeit ist dahingehend besonders günstig, weil sich herausgestellt hat, dass im Showbeleuchtungs-Markt meist der Anwendungsfall Weißlicht oder der Anwendungsfall Buntlicht existiert.
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Der Anwendungsfall, bei dem leicht farbig eingefärbtes Weißlicht benötigt wird, ist beispielsweise für Theateranwendungen interessant. Dort werden jedoch meist keine allzu hohen Helligkeiten gebraucht. Deshalb kann dieser Anwendungsfall typischerweise von der Mehrfarb-LED-Quelle allein abgedeckt werden, indem das optische Element in den Zustand gebracht wird, bei dem der Ausgangslichtstrahl überwiegend oder ausschließlich durch die Mehrfarb-LED-Quelle bestimmt wird.
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Für sonstige Anwendungen, bei denen sowohl intensive Farben als auch helles Weißlicht benötigt werden, wird somit je nach Anwendungsform entweder die Mehrfarb-LED-Quelle oder die Weißlicht-Quelle zur Projektionsoptik unter Verwendung der entsprechenden Steuerung des optischen Elements „durchgeschaltet”.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird als Mehrfarb-LED-Quelle eine rgb-Lichtquelle verwendet, welche vorzugsweise mit Hilfe eines dichroitischen Color-Combiners aufgebaut ist. Als Weißlicht-Quelle wird bei dieser bevorzugten Implementierung eine phosphorkonvertierte Weißlicht-LED verwendet. Alternative Weißlicht-Quellen umfassen auch Gasentladungslampen oder ähnliche nicht-LED-basierte Quellen, obgleich LED-basierte Quellen bei bestimmten Ausführungsbeispielen besondere Vorteile liefern.
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Bei einer Ausführungsform wird als optisches Element ein bewegliches optisches Element eingesetzt, das einen Klapp- oder Schwenkspiegel ähnlich zu einer Spiegelreflex-Kamera aufweist und damit eine Auswahl zwischen der Mehrfarb-LED-Quelle und der Weißlicht-Quelle erreichen kann.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen detaillierter erläutert. Es zeigen:
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1 ein Blockschaltbild der Leuchte gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Leuchte;
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3 eine Ansicht der Ausführungsform der Leuchte von 2, bei der das optische Element in einem anderen Zustand ist;
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4 eine alternative Ausführungsform der Leuchte gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem rotierbaren optischen Element;
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5 eine alternative Ausführungsform der Leuchte gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem zweiteiligen rotierbaren optischen Element;
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6 eine Draufsicht auf zwei verschiedene Spiegel zur Verwendung in den Ausführungsbeispielen von 4 und 5;
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7 eine Darstellung verschiedener Relativpositionen von zwei Spiegeln für die Leuchte gemäß dem Ausführungsbeispiel von 5;
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8 ein Zeitdiagramm zur Illustration der Synchronisation zwischen dem PWM-Signal und der Rotation des optischen Elements gemäß dem Ausführungsbeispiel von 4 oder 5;
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9 eine relative spektrale Leistungsverteilung für eine Mehrfarb-LED-Quelle mit einer rot emittierenden LED, einer grün emittierenden LED und einer blau emittierenden LED;
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10 eine Darstellung eines Spektrums für eine Weißlicht-Quelle mit einer LED und einer Konversionsschicht; und
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11 eine Überlagerung eines Spektrums einer Mehrfarb-LED-Quelle und eines Spektrums einer Weißlicht-Quelle.
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1 zeigt eine Leuchte, die in einem Gehäuse 10 untergebracht ist. Die Leuchte umfasst, wie es in 1 schematisch dargestellt ist, eine Mehrfarb-LED-Quelle 12 zum Emittieren eines ersten Lichtstrahls 13 in einer ersten Richtung. Ferner ist eine Weißlicht-Quelle 15 vorhanden, die von der Mehrfarb-LED-Quelle separat angeordnet und ausgebildet ist, um einen zweiten Lichtstrahl 16 in einer zweiten Richtung zu emittieren. Wie es in 1 zu sehen ist, ist die erste Richtung 13 zur zweiten Richtung 16 orthogonal. Allerdings existieren auch andere Implementierungen, bei denen die Richtungen 13 und 16 nicht orthogonal sind, sondern einen Winkel zueinander haben. Dies wird bevorzugt, obgleich auch Quellen, die in derselben Richtung emittieren, verwendet werden können, um letztendlich den Ausgangslichtstrahl der Leuchte, der mit dem Bezugszeichen 18 bezeichnet ist, zu erzeugen, welcher von einer Projektionsoptik 19 ausgegeben wird. Darüber hinaus umfasst die Leuchte ein optisches Element 21, das ausgebildet ist, um in wenigstens zwei unterschiedliche Zustände bringbar zu sein. Insbesondere sind die Zustände so, dass in einem ersten Zustand der Ausgangslichtstrahl 18 überwiegend durch den ersten Lichtstrahl 13 gebildet wird, und dass in einem zweiten Zustand des optischen Elements 21, der sich von dem ersten Zustand des optischen Elements 21 unterscheidet, der Ausgangslichtstrahl 18 überwiegend durch den zweiten Lichtstrahl 16 gebildet wird. Bei bestimmten Implementierungen wird, wie es nachfolgend noch dargelegt wird, der Ausgangslichtstrahl dann, wenn das optische Element in dem ersten Zustand ist, ausschließlich durch den Ausgangslichtstrahl der Mehrfarb-LED-Quelle 12 gebildet, und wird der Ausgangslichtstrahl 18 dann, wenn das optische Element 21 in dem zweiten Zustand ist, ausschließlich durch die Weißlicht-Quelle 15 gebildet. In einem solchen Fall ist das optische Element ausgebildet, um im ersten Zustand den Lichtstrahl 13 der Mehrfarb-LED-Quelle im Wesentlichen vollständig durchzulassen, während im zweiten Zustand der Lichtstrahl 13 der Mehrfarb-LED-Quelle vollständig absorbiert oder reflektiert wird und das optische Element dazu ausgebildet ist, um den Ausgangslichtstrahl 16 der Weißlicht-Quelle 15 teilweise oder vollständig zur Projektionsoptik 19 hin zu reflektieren. Daher wird es bevorzugt, dass eine der beiden Quellen derart angeordnet ist, dass die Richtung des Lichtstrahls, der von der einen dieser beiden Quellen ausgegeben wird, die Projektionsoptik 19 „trifft”. Alternativ können jedoch beide Quellen auch so angeordnet sein, dass die Richtungen beider Ausgangslichtstrahlen die Projektionsoptik nicht treffen, dass jedoch je nach Zustand des optischen Elements einer der beiden Lichtstrahlen zur Projektionsoptik hin gerichtet wird, während der andere der beiden Lichtstrahlen nicht zur Projektionsoptik hin gerichtet wird. Je nach Implementierung können auch beide Quellen derart angeordnet sein, dass deren Ausgangslichtstrahlen ohne optisches Element beide die Projektionsoptik „treffen”. In einem solchen Fall ist das optische Element wirksam, um in seinem ersten Zustand den ersten Strahl im Wesentlichen zu verdecken und den zweiten Strahl durchzulassen oder umgekehrt.
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Je nach Implementierung ist das optische Element ein mechanisch betätigbares Element, ein elektrisch betätigbares Element, ein elektromechanisch betätigbares Element, ein magnetisch betätigbares Element oder irgendein anders betätigbares Element, das in zwei verschiedene Zustände bringbar ist, und das so bezüglich der LED-Quellen angeordnet ist, dass abhängig vom Zustand der Ausgangslichtstrahl überwiegend durch den ersten Lichtstrahl aus der Mehrfarb-LED-Quelle oder durch den zweiten Lichtstrahl aus der Weißlicht-Quelle gebildet wird. Die Ausgangslichtstrahlen aus den beiden Quellen 12, 15 müssen keine gebündelten Strahlen oder etwas Ähnliches sein. In diesem Zusammenhang sollen die Ausgangslichtstrahlen lediglich eine Lichtausgabe aus irgendwie gearteten unterschiedlichen Quellen bezeichnen.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem die Weißlicht-Quelle eine Weiß-LED ist. Darüber hinaus ist die Mehrfarb-LED-Quelle 12 in kompakter Ausführungsform dahingehend ausgebildet, dass sie eine blau-emittierende 12a, eine grün-emittierende LED 12b, eine rot-emittierende LED 12c, ein erstes Filterelement 12d und ein zweites Filterelement 12e aufweist. Insbesondere sind beide Filterelemente 12d und 12e ausgebildet, um die Lichtausgabe der grünen LED 12b zuzulassen. Ferner ist das Element 12e ausgebildet, um die Lichtausgabe der blauen LED nicht durchzulassen, sondern in Richtung der Projektionsoptik 19 zu reflektieren. Dagegen ist das Element 12d für blaues Licht transparent. Entsprechend ist das Element 12d für rotes Licht reflektierend, und ist das Licht 12e für rotes Licht durchlässig. Der Schwenkspiegel 21 ist an einer Drehachse 30 angebracht und stellt das optische Element dar. In diesem Fall ist das optische Element ein bewegliches optisches Element und die beiden Zustände sind unterschiedliche mechanische Stellungen des Schwenkspiegels 21. So zeigt 2 eine erste Stellung A, während 3 eine zweite Stellung B zeigt. In der ersten Stellung A in 2 ist der Ausgangslichtstrahl der Mehrfarb-LED-Quelle 12 auf die Projektionsoptik 19 gerichtet, und das optische Element 21 ist aus dem Strahlengang herausgeklappt. Dagegen ist bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel das optische Element 21 in den Strahlengang hineingeklappt, wobei das optische Element 21 vorzugsweise als Spiegel ausgebildet ist, wobei die beschichtete spiegelnde Oberfläche an der Seite des optischen Elements 21 angebracht ist, auf die das Licht der Weiß-LED 15 fällt. Dadurch wird das Licht der Weiß-LED, also der zweite Lichtstrahl von dem Spiegel 21 reflektiert und auf die Projektionsoptik 19 gerichtet, um den Ausgangslichtstrahl zu bilden. Das Licht der LEDs 12a, 12b, 12c wird dagegen von dem Spiegel 21 entweder absorbiert oder nach oben hin reflektiert, also nicht in die Projektionsoptik. In einer Stellung des Spiegels 21 von 3 kann auch bei Ausführungsformen die Mehrfarb-LED-Quelle 12 ausgeschaltet werden. Genauso kann dann, wenn der Spiegel in der Stellung von 2 ist, die Weißlicht-Quelle 15 ausgeschaltet werden.
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Insbesondere ist bei den in 2 und 3 gezeigten Ausführungsbeispielen eine der beiden Lichtquellen so positioniert, dass sie direkt in die abbildende Optik des Scheinwerfers einstrahlen kann. Die zweite Lichtquelle bzw. Optik ist zu dieser um 90° verdreht montiert. Der Klappspiegel liegt in Ruhestellung, wie es in 2 gezeigt ist, in der die Lichtquelle 1 aktiv ist, neben dem Strahlengang. Wird dagegen die Lichtquelle 2 aktiviert, klappt der Spiegel um 45° in den Strahlengang und lenkt den Lichtstrahl von Lichtquelle 2 so um, dass diese nun in die abbildende Optik bzw. Projektionsoptik 19 einstrahlen kann. So wird es bevorzugt, die Mehrfarb-LED-Quelle derart zu montieren, dass diese dann, wenn das optische Element in dem ersten Zustand ist, direkt den Ausgangslichtstrahl bildet, da die Helligkeit der Weißlicht-Quelle typischerweise größer sein wird als die Helligkeit der LED-Quelle, so dass die Weißlicht-Quelle Reflektionsverluste am Spiegel 21 besser verkraften kann als die rgb-Quelle. Dies liegt daran, dass der Spiegel einen Wirkungsgrad kleiner 1 hat. In der Implementierung dürften jedoch auch Baugrößenüberlegungen die Positionierung der beiden Quellen bezüglich der Projektionsoptik bestimmen. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel wird der Spiegel 21 durch einen dichroitischen Farbfilter ersetzt. So strahlt beispielsweise die LED-Lichtquelle direkt in die abbildende Optik ein, während die Weißlicht-Quelle 15 um 90° verdreht angeordnet ist. Wird nun statt des Spiegels ein möglichst flankensteiler dichroitischer Farbfilter verwendet, der Wellenlängen beispielsweise unter 260 nm reflektiert und den Rot-Anteil durchlässt, so stellt der Ausgangslichtstrahl eine Mischung aus dem Ausgangslichtstrahl der Weiß-LED und dem Ausgangslichtstrahl der Mehrfarb-LED-Quelle 12 dar. Da die Weißlicht-Quelle ohnehin kaum im Rot-Bereich emittiert, wie es aus 10 ersichtlich ist, ist der Verlust aufgrund des dichroitischen Filters, das ja den Rot-Anteil nicht zur Projektionsoptik 19 hin reflektiert, sondern gewissermaßen nach oben durchlässt, nicht so groß. Darüber hinaus kann dieser Rot-Verlust nun durch Zumischen von Rot aus der rgb-Lichtquelle nicht nur kompensiert werden, sondern auch gesteuert eingestellt werden. Durch noch stärkeres Zumischen von Rot aus der rgb-Quelle kann bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel die Farbtemperatur des Weißlicht-Strahls in weiten Grenzen eingestellt werden. So zeigt 11 eine Überlagerung der Spektralkurven der rgb-Lichtquelle und der Weiß-Lichtquelle zur Verdeutlichung. Wenn man diese mittels dichroitischer Farbfilter kombiniert, würden jedoch die Lichtanteile jenseits der Farbfilter-Schwelle wegfallen, was in 11 jedoch nicht berücksichtigt ist.
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Vorzugsweise sollte bei dieser Ausführungsform die Weißlicht-Quelle eine möglichst hohe Farbtemperatur, also einen möglichst hohen Blau-Anteil haben. Das Einstellen niedrigerer Farbtemperaturen kann dann durch Zumischen von Rot aus der rgb-Quelle über das optische Element 21 erfolgen. Dies hat einen weiteren Vorteil. Niedrigere Farbtemperaturen werden bei Weiß-LEDs meist durch dickere Schichten von Konversionsphosphor erreicht. Diese haben aber auch einen schlechten Wirkungsgrad und wandeln das eingestrahlte blaue Licht zu einem großen Teil in Wärme um. Weiße Phosphor-konvertierte LEDs mit hoher Farbtemperatur sind also meist heller als solche mit niedrigen Farbtemperaturen. Eine solche Weißlicht-LED mit hoher Farbtemperatur kann also durch die in 3 gezeigte Anordnung ersetzt werden, um auch eine Weißlicht-LED mit niedrigerer Farbtemperatur zu schaffen. In diesem Fall würde lediglich die Rot-LED 12 aktiv sein, und würden die beiden anderen LEDs 12a, 12b deaktiviert sein. Der Rot-Anteil im Ausgangslichtstrahl ist durch das Ansteuersignal für die Rot-LED 12c steuerbar, und zwar durch Variieren des PWM-Verhältnisses. Die Lichtausgabe der Rot-LED 12c wird durch Vergrößern des PWM-Pulses pro PWM-Takt vergrößert, um mehr Rot zuzumischen, während dann, wenn weniger Rot zuzumischen ist, die zeitliche Dauer des PWM-Impulses pro PWM-Takt reduziert wird.
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Das in 3 gezeigte Ausführungsbeispiel hat bei bestimmten Anwendungen einen Nachteil dahingehend, dass beide Lichtquellen während des Schwenkvorgangs des Spiegels ausgeschaltet werden sollten. Andernfalls würden Wischeffekte beim Ausgangslichtstrahl erzeugt werden, der zu gewissen Anteilen das Gerät als Streulicht durch die Projektionsoptik verlassen würde. Um diesen Nachteil zu eliminieren, wird bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ein segmentierter Spiegel (Im Gegensatz zum Klappspiegel in 2 und 3) als optisches Element vorgesehen. Bei einer Ausführungsform des Schwenkspiegels ist das optische Element ein rotierbares Rad, das Bereiche unterschiedlicher Charakteristik aufweist, wie es noch anhand der 6 und 7 dargestellt wird. Das segmentierte Rad ist auf einer Motorachse 40 befestigt und ist zu den beiden Lichtquellen 12 und 15 um jeweils 45° verdreht angeordnet, was zu den rgb-Farbrädern zur Farbkanal-Auswahl bei Videoprojektoren ähnlich ist. Die Drehachse 40 wird von einem Rotationsmotor 41 angetrieben, der damit das optische Element in Form eines drehbaren Rades 21 in Drehung versetzen kann. Wie es in 6 gezeigt ist, kann das Rad 21 eine oder mehrere Ausnehmungen 50 haben, durch die der Lichtstrahl der Mehrfarb-LED-Quelle 12 in die Projektionsoptik 19 einstrahlen kann. Wird das Rad weitergedreht, fällt der Lichtstrahl von Lichtquelle 2 auf den Teil des Rades, an dem nicht die Ausnehmung angeordnet ist und wird in die abbildende Optik umgelenkt. Der Vorteil dieser Variante besteht darin, dass es keinen Wischeffekt beim Schwenkvorgang gibt. In einer Implementierung kann auch dieser Spiegel 21 durch einen geeigneten dichroitischen Farbfilter ersetzt werden, wie es in Verbindung mit 3 dargelegt worden ist. Das Rad 21 hat somit einen Bereich mit einer ersten Charakteristik, in dem nämlich keine Ausnehmung vorhanden ist, und einen Bereich mit einer zweiten Charakteristik, in dem die Ausnehmung vorhanden ist. In der Implementierung müssen jedoch die Bereiche unterschiedlicher Charakteristik nicht durch Vorhandensein von Material einerseits und Nicht-Vorhandensein von Material andererseits implementiert werden. Stattdessen kann der ausgenommene Bereich auch ein Bereich sein, der transparent für die Strahlung der einen Lichtquelle und reflektierend für die Strahlung der anderen Lichtquelle ist, während der andere Bereich, der dem nicht-ausgenommenen Bereich in 6 entspricht, derart ist, dass dort die Reflexions-Transmissions-Eigenschaften umgekehrt sind.
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Sind die beiden Lichtquellen nicht in 90° zueinander angeordnet, so würde je nach Reflexionsrichtung die Ausrichtung des Rades 21 in einem anderen Winkel als 45° vorhanden sein.
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Ein wesentlicher Vorteil der Implementierung von 4 besteht darin, dass mm eine Farbmischung auch zeitlich kontrolliert erfolgen kann. Somit kann durch entsprechendes Positionieren des Farbrades, also des optischen Elements, jeweils die eine oder die andere Lichtquelle dauerhaft ausgewählt werden. Dies bedeutet, dass durch den Motor 41 das Rad nur über einen bestimmten Winkel kleiner als 360° gedreht wird, um die Ausnehmung entweder in den Strahlengang zu positionieren oder aus dem Strahlengang heraus zu positionieren. Dann, nachdem die Ausnehmung an der gewünschten Stelle positioniert worden ist, wird der Motor wieder angehalten und das drehbare Element 21 bleibt nunmehr stationär bezüglich den anderen Elementen der Leuchte.
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Bei einer anderen Implementierung kann jedoch der Spiegel auch rotieren, wie es noch anhand von 5, 7 und 8 erläutert wird. Das Rad wird also in eine schnelle konstante Rotation versetzt, wodurch die Anteile der Lichtquellen am Nutzlichtstrahl, also am Ausgangslichtstrahl 18 im Verhältnis Lücke-Spiegel gemischt werden. Hierzu wird es bevorzugt, das PWM-Signal der jeweiligen Lichtquellen mit der Rotation zu synchronisieren, wie es schematisch in 8 dargestellt ist.
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8 zeigt im oberen Bereich einen typischen Verlauf eines PWM-Signals mit einem PWM-Takt und einem PWM-Impuls 81, der sich von Takt zu Takt wiederholt, was bedeutet, dass in den vier Takten, die in 8 dargestellt sind, die Lichtstärke der angesteuerten LED nicht verändert wird, weil die PWM-Impulse 81 alle gleich lang sind. Der zweite Zeitverlauf in 8 stellt die Rotation des beweglichen Elements dar, wobei B für den Beginn der Ausnehmung beispielsweise in 6 steht, während E für das Ende der Ausnehmung steht. So passiert zum Zeitpunkt, der mit B bezeichnet ist, der Beginn der Ausnehmung in den Bereich des Strahlengangs vor der Projektionsoptik, in den die Mehrfarb-LED-Quelle bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel einstrahlt. Dies bedeutet, dass der Spiegel damit beginnt, den Bereich freizugeben. Es wird bevorzugt, dass dann nach diesem Zeitpunkt erst das PWM-Signal, also der PWM-Impuls 81, anfängt und dass der PWM-Impuls 81 beendet ist bevor das Ende der Ausnehmung den Strahlengang passiert. Damit wird sichergestellt, dass Schwebungen zwischen dem Rotationstakt und dem PWM-Takt, die auch auftreten können, wenn ganzzahlige Vielfache zwischen den beiden Frequenzen liegen, so weit als möglich unterbunden werden. Damit werden Blink- und Flackereffekte, die ansonsten auftreten können, vermieden.
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Es sei darauf hingewiesen, dass die Mehrfarb-LED-Quelle insbesondere dann, wenn sie als rgb-Lichtquelle ausgebildet ist, alle Anwendungen für gesättigte Farben gut erfüllen kann, und dass es bei Weißlicht-Anwendungen eher um ein dezentes Zumischen von Farben geht. Aus diesem Grund wird es bevorzugt, nicht etwa eine symmetrische Aufteilung der Spiegelsegmente auf dem Rad, wie in 6 rechte Seite dargestellt ist, zu verwenden, sondern eine flächenmäßige Aufteilung zugunsten einer der Lichtquellen. Bei einer Variante von 1:10 (rgb:weiß) wäre demnach ein Weiß-Lichtstrahl mit einer Intensität von maximal 90% der Weißlicht-Quelle und maximal 10% zugemischter Farbe von der rgb-Lichtquelle erreichbar. Eine alternative Aufteilung ist in 6 gezeigt, wo ¼ als Ausnehmung dargestellt ist und ¾ des Kreise als Spiegelfläche. Um den Winkelbereich bzw. die Fläche der Ausnehmungen zu steuern, wird es bevorzugt, dass in den 5 und 7 dargestellte Ausführungsbeispiel zu verwenden. Hier umfasst der Rotationsmotor zwei Einzelmotoren 41a, 41b, wobei der Motor 41a für den Spiegel 1 21a ausgebildet ist und der Motor 41b für den Spiegel 2 21b ausgebildet ist. Spiegel 1 und Spiegel 2 sind im Wesentlichen parallel und relativ nahe beieinander angeordnet und können durch Betätigung der Einzelmotoren 41a, 41b gegeneinander verdreht werden. Die Einzelmotoren 41a und 41b bilden somit zusammen einen Koaxial-Schrittmotor als Antrieb für zwei Spiegelräder, die dicht hintereinander liegen und jeweils eine Spiegelfläche entsprechend einem Sektor von 180° abdecken können.
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Werden nun beide Spiegelräder in einem Zustand, in dem sie relativ zueinander fest sind, in eine gleichsinnige, gleichschnelle Rotation versetzt, kann durch Verstellen der Winkel zueinander das Spiegelflächenverhältnis zwischen 50% und 100% eingestellt werden, um damit den jeweiligen Farb-Zumischfaktor noch weiter zu variieren, wie es aus der Skizze in 7 hervorgeht. In einer Implementierung können jedoch auch für die Mehrfarb-LED-Quelle LEDs anderer Wellenlängen eingesetzt werden, wie beispielsweise Cyan, Amber, UV, IR, LEDs mit remote Phosphor, usw. Ferner können auch die „Schnittstellen” der dichroitischen Filter in einen anderen Wellenlängen-Bereich gelegt werden.
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Darüber hinaus sei darauf hingewiesen, dass der Weißlicht-Quelle nicht nur Rot zugemischt werden kann, sondern auch jede andere Farbe je nach Ansteuerung der Einzel-LEDs 12a 12b, 12c. Soll Rot hinzugemischt werden, werden die LEDs 12a, 12b deaktiviert und wäre die LED 12c aktiv. Sollen jedoch andere Farben als Rot hinzugemischt werden, wie beispielsweise Grün, so wäre lediglich die LED 12b aktiv und die LEDs 12a und 12c waren inaktiv. Soll z. B. Blau hinzugemischt werden, so wäre lediglich die LED 12a aktiv und wären die LEDs 12b, 12c deaktiviert. Zur Hinzumischung sämtlicher anderer Mischfarben im Farbraum, der durch die LEDs 12a, 12b, 12c erzeugt werden kann, wären die drei LEDs in einem entsprechenden geforderten Verhältnis anzusteuern.
