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Die Erfindung betrifft ein optisches Element mit einem lichtdurchlässigen Träger, wobei mindestens eine Lichteintrittsfläche des Trägers von mindestens einer Leuchtstoffschicht bedeckt ist. Die Erfindung betrifft ferner eine Leuchtvorrichtung mit mindestens einer Halbleiterlichtquelle und ein mindestens einer der Halbleiterlichtquellen) nachgeschaltetes optisches Element.
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Es ist ein LED-Modul bekannt, welches mehrere Leuchtdioden (LEDs) aufweist, wobei die Leuchtdioden von einer mehrere Leuchtstoffe enthaltenden, beabstandeten Abdeckung überdeckt sind. Die Abdeckung weist einen plattenförmigen lichtdurchlässigen Träger auf, welche an einer ersten Seite zuerst von einer Streuschicht oder Diffusorschicht und folgend von einer strukturierten Leuchtstoffschicht bedeckt ist. Die erste Seite ist den Leuchtdioden zugewandt und stellt somit eine Lichteintrittsfläche dar. Die strukurierte Leuchtstoffschicht weist nebeneinander angrenzend angeordnete Leuchtstoff-Teilbereiche auf, wobei jeder der Leuchtstoff-Teilbereiche genau einen Leuchtstoff aufweist. Bei einer Beleuchtung der strukturierten Leuchtstoffschicht mittels der Leuchtdioden werden die Leuchtstoff-Teilbereiche beleuchtet und strahlen meist teilweise konvertiertes und teilweise nicht-konvertiertes Licht ab. Eine Konversionswellenlänge des konvertierten oder wellenlängenumgewandelten Lichts ist von dem Leuchtstoff des Leuchtstoff-Teilbereichs abhängig. Folglich strahlt die Leuchtstoffschicht farblich inhomogen Licht ab, und zwar entsprechend der Strukturierung der Leuchtstoffschicht. Zur Homogenisierung des von der strukturierten Leuchtstoffschicht in Richtung des Trägers abgestrahlten Lichts dient die Diffusorschicht, so dass durch die Lichteintrittsfläche in den Träger eintretendes Licht homogenisiert ist und als dreifarbiges Mischlicht vorliegt. Das Mischlicht weist einen Anteil des nicht-konvertierten, primären Lichts der Leuchtdioden, einen Anteil des durch die einen Leuchtstoff-Teilbereiche konvertierten Lichts einer ersten Konversionswellenlänge und einen Anteil des durch die anderen Leuchtstoff-Teilbereiche konvertierten Lichts einer zweiten Konversionswellenlänge auf. Bei diesem LED-Modul ist es nachteilig, dass die Diffusorschicht eine hochgradige Rückstreuung des auf sie von der Leuchtstoffschicht einfallenden Lichts aufweist und das LED-Modul folglich eine geringe Lichteffizienz.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise zu überwinden und insbesondere eine Möglichkeit zur Homogenisierung von Licht einer Halbleiterleuchtvorrichtung mit einer hohen Lichteffizienz bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein optisches Element, aufweisend mindestens einen lichtdurchlässigen Träger, wobei mindestens eine Lichteintrittsfläche des Trägers von mindestens einer Leuchtstoffschicht bedeckt ist und wobei an dem Träger mehrere Mikrolinsenelemente angeordnet sind.
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Unter einer Lichteintrittsfläche kann insbesondere eine Fläche verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, dass Licht an ihr hauptsächlich in den Träger eintritt. Insbesondere kann die mindestens eine Lichteintrittsfläche vollständig von mindestens einer Leuchtstoffschicht bedeckt sein. Das optische Element kann eine oder mehrere Lichteintrittsflächen aufweisen.
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Das optische Element kann einen oder mehrere solcher Träger aufweisen, beispielsweise in einer gestapelten Anordnung.
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Die Leuchtstoffschicht kann einen oder mehrere wellenlängenumwandelnde oder wellenlängenkonvertierende Leuchtstoffe aufweisen.
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Die an dem Träger angeordneten mehreren Mikrolinsenelemente befinden sich optisch hinter der mindestens einen Leuchtstoffschicht, d. h., dass durch die mindestens eine Lichteintrittsfläche eintretendes Licht zuvor in der mindestens einen Leuchtstoffschicht erzeugt oder durch diese hindurchgelaufen ist.
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Dieses optische Element weist den Vorteil auf, dass durch die mindestens eine Lichteintrittsfläche eintretendes Licht, welches bezüglich seiner Farbverteilung und/oder Helligkeitsverteilung vergleichsweise inhomogen sein kann, durch die optisch nachgeschalteten Mikrolinsenelemente homogenisierbar ist, und zwar mit einer im Vergleich zu einer Streuschicht oder Diffusorschicht erheblich verringerten Rückstrahlung. Dieses optische Element ermöglicht also eine effektive Lichthomogenisierung bei einer gleichzeitig hohen optischen Effizienz. Zudem sind Mikrolinsenelemente einfach und kostengünstig herstellbar, z. B. unter Verwendung eines Stempels, welcher auf den Träger wirkt, da die Qualitätsanforderungen an die Linsenqualität sehr gering sind.
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Der Träger kann insbesondere aus lichtdurchlässigem Kunststoff oder Glas bestehen. Als Kunststoffe kommen insbesondere lichtdurchlässige thermoplastische Kunststoffe in Betracht.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass die mindestens eine Leuchtstoffschicht mindestens zwei Leuchtstoffe aufweist, welche flächig in jeweiligen Leuchtstoff-Teilbereichen strukturiert verteilt sind. Eine flächig strukturierte Verteilung kann insbesondere umfassen, dass mindestens zwei Leuchtstoffe in unterschiedlichen, nebeneinander angeordneten Leuchtstoff-Teilbereichen der Leuchtstoffschicht vorhanden sind. Diese zwei Leuchtstoffe sind also weder gemischt noch übereinander (gestapelt) angeordnet. Dadurch wird eine gegenseitige Beeinflussung bei der Wellenlängenumwandlung unterdrückt, was eine genauere Einstellung eines Farborts eines durch die Mikrolinsenelemente homogenisierten bzw. gemischten Lichts ermöglicht.
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Es ist noch eine Ausgestaltung, dass die Leuchtstoff-Teilbereiche in einem regelmäßigen Muster angeordnet sind. Dies erleichtert eine spätere Homogenisierung des von den Leuchtstoff-Teilbereichen abgegebenen Lichts durch die Mikrolinsenelemente. Die Leuchtstoff-Teilbereiche können insbesondere in einem Matrixmuster angeordnet sein. Die Leuchtstoff-Teilbereiche können insbesondere eine in Draufsicht rechteckige, insbesondere quadratische, Grundform aufweisen.
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Es ist außerdem eine Ausgestaltung, dass die Leuchtstoff-Teilbereiche in einer ungeordneten Anordnung vorliegen, insbesondere mit einer im Wesentlichen gleichen lokalen Dichte. Durch diese unordentliche Anordnung (beispielsweise ähnlich zum sog. ”Dithering” beim Drucken von grauen Flächen mit schwarzen Pigmenten) können unbeabsichtigte Beugungseffekte, die an periodischen Strukturen auftreten können, unterdrückt werden.
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Es ist noch eine weitere Ausgestaltung, dass die Mikrolinsenelemente mindestens ein Mikrolinsenfeld bilden, welches einen Lichtquerschnitt des Trägers im Wesentlichen bedeckt, insbesondere im Wesentlichen vollflächig bedeckt.
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Unter einem Lichtquerschnitt kann insbesondere eine (gedachte) Fläche des Trägers verstanden werden, durch welche sämtliches Licht laufen muss. Durch die Bedeckung dieses Lichtquerschnitts wird erreicht, dass im Wesentlichen das ganze aus dem optischen Element austretende Licht homogenisiert ist und keine signifikanten nicht-homogenisierten Bereiche verbleiben.
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Es ist ferner eine Ausgestaltung, dass die Mikrolinsenelemente in einem regelmäßigen Muster angeordnet sind. Dies mag eine homogene Lichtverteilung noch weiter unterstützen. Das Muster mag beispielsweise eine linearsymmetrische oder spiegelsymmetrische Anordnung von Mikrolinsenelementen umfassen. Das Muster mag insbesondere eine Anordnung von Mikrolinsenelementen in einer vier-, sechs- oder acht-zähligen Drehsymmetrie umfassen. Insbesondere ist eine Anordnung in einem Matrixmuster möglich. Jedoch kann jegliche drehsymmetrische Anordnung verwendet werden, beispielsweise auch eine fünf-zählige Symmetrie mit unterschiedlich geformten Mikrolinsen usw. Die Mikrolinsenelemente können auch in verschränkten (”twinned”) regelmäßigen Mustern unterschiedlicher Symmetrie angeordnet sein.
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In einer alternativen Ausgestaltung liegen die Mikrolinsenelemente in einer ungeordneten Anordnung vor, insbesondere mit einer im Wesentlichen gleichen lokalen Dichte. Durch diese unordentliche Anordnung (beispielsweise ähnlich zum sog. ”Dithering” beim Drucken von grauen Flächen mit schwarzen Pigmenten) können ebenfalls unbeabsichtigte Beugungseffekte, die an periodischen Strukturen auftreten können, unterdrückt werden, insbesondere im Zusammenspiel mit unregelmäßig ausgebildeten oder angeordneten Leuchtstoff-Teilbereichen.
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Es ist auch eine Ausgestaltung, dass ein Mitte-Mitte-Abstand nächstbenachbarter Mikrolinsenelemente und ein Mitte-Mitte-Abstand nächstbenachbarter Leuchtstoff-Teilbereiche ein Verhältnis in einem Bereich von ca. [10:1, 1:10], insbesondere in einem Bereich von ca. [4:1, 1:4], insbesondere in einem Bereich von ca. [2:1, 1:2], aufweist. Der Mitte-Mitte-Abstand (auch ”Pitch” oder Pitch-Abstand genannt) in einem Bereich [10:1, 1:10] ermöglicht, insbesondere zusammen mit einer dichtgepackten Anordnung der Mikrolinsen (bei welcher benachbarte Mikrolinsen keinen signifikanten oder einen nur geringen minimalen Spaltabstand zueinander aufweisen), dass die Mikrolinsenelemente und die Leuchtstoff-Teilbereiche eine Ausdehnung oder Größe in der gleichen Größenordnung aufweisen. Dadurch wird verhindert, dass die Mikrolinsen im Vergleich zu den Leuchtstoff-Teilbereichen so klein werden, dass sie als Streuer wirken und dann eine signifikante Rückstreuung bewirken.
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Insbesondere, falls der Mitte-Mitte-Abstand nächstbenachbarter Mikrolinsenelemente kleiner ist als der Mitte-Mitte-Abstand nächstbenachbarter Leuchtstoff-Teilbereiche, wird eine effektive Lichthomogenisierung ermöglicht. Dies entspricht der Ausgestaltung, dass ein Mitte-Mitte-Abstand nächstbenachbarter Mikrolinsenelemente und ein Mitte-Mitte-Abstand nächstbenachbarter Leuchtstoff-Teilbereiche ein Verhältnis in einem Bereich von ca. 11:1, 1:10], insbesondere in einem Bereich von ca. 11:1, 1:4], insbesondere in einem Bereich von ca. 11:1, 1:2], aufweist.
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Es ist außerdem eine Ausgestaltung, dass zumindest einige der Mikrolinsenelemente eine kompakte Grundform aufweisen.
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Unter einer kompakten Grundform wird insbesondere eine Form verstanden, welche nicht in einer Richtung erheblich größer ist als in den anderen Richtungen. Eine kompakte Grundform umfasst insbesondere keine sich im Wesentlichen eindimensional erstreckende Grundform (z. B. Linienform). Eine solche Grundform ermöglicht eine hochgradig gleichmäßige Verteilung der Mikrolinsenelemente auch bei unregelmäßig geformten Lichtquerschnitten und folglich einen besonders hohen Homogenisierungsgrad. Insbesondere können alle Mikrolinsenelemente eine kompakte Grundform aufweisen.
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Die Mikrolinsen können insbesondere eine kugelkalottenartige, insbesondere halbkugelartige, Grundform aufweisen. Dies ermöglicht eine besonders dichte Packung und winkelhomogene Lichtabstrahlung. Die kugelkalottenartige Grundform umfasst insbesondere eine in Draufsicht kreisförmige Außenkontur und eine im Profil kreissektorförmige Profilkontur. Die Mikrolinsen können alternativ eine kreiszylinderförmige Grundform (beispielsweise mit einer kreisförmigen Außenkontur und einer im Wesentlichen rechteckigen Profilkontur) aufweisen. Jedoch sind die Mikrolinsen nicht auf diese Art von Außenkontur beschränkt und können z. B. auch eine (in Draufsicht) ovale oder mindestens dreieckige, insbesondere rechteckige, insbesondere quadratische Außenkontur aufweisen. Bei einer quadratischen Außenkontur mag das Mikrolinsenelement beispielsweise eine quaderförmige Grundform aufweisen. Auch mag die Außenkontur eine mehr als viereckige Kontur aufweisen. Die Außenkontur mag insbesondere eine drehsymmetrische Form aufweisen, z. B. eine sechseckige Form. Es mögen auch unterschiedliche Außenkonturen verwendet werden, insbesondere für eine fünfzählig drehsymmetrische Anordnung der Mikrolinsenelemente. Die Außenkontur mag insbesondere ein eine Kreisform oder eine ovale Form annähernder Polygonzug sein.
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Eine maßgebliche Lichtaustrittsfläche der mindestens einen Mikrolinse, aus welcher Licht hauptsächlich austritt, mag insbesondere eben, konkav oder konvex ausgebildet sein.
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Auch können Mikrolinsen unterschiedlicher Art verwendet werden. Diese können einzeln und/oder zusammen ein regelmäßiges Muster bilden.
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Es ist noch eine Ausgestaltung, dass zumindest eines, insbesondere mehrere, der Mikrolinsenelemente eine eindimensional ausgedehnte Grundform aufweist.
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Das mindestens eine eindimensional ausgedehnte Mikrolinsenelement kann beispielsweise ein ringförmiges Element sein. Mehrere ringförmige Mikrolinsenelemente mögen unterschiedliche Durchmesser aufweisen und zueinander konzentrisch angeordnet sein. Die Durchmesser mögen insbesondere eine gleichmäßige Abstufung aufweisen. Die mehreren ringförmigen Mikrolinsenelemente mögen insbesondere eine oder mehrere Fresnel-Linsen bilden.
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Das mindestens eine eindimensional ausgedehnte Mikrolinsenelement kann alternativ oder zusätzlich ein zumindest im Wesentlichen geradliniges Element sein. Mehrere ringförmige Mikrolinsenelemente mögen insbesondere eine oder mehrere sternförmig zusammenlaufende Anordnungen bilden.
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Das mindestens eine eindimensional ausgedehnte Mikrolinsenelement kann alternativ oder zusätzlich zumindest ein Freiform-Element sein.
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Es ist noch eine weitere Ausgestaltung, dass zumindest einige der Mikrolinsenelemente an einer Lichtaustrittsfläche und/oder der Lichteintrittsfläche des Trägers angeordnet sind.
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Dabei können die Mikrolinsenelemente bezüglich der Lichtaustrittsfläche und/oder der Lichteintrittsfläche vorspringen oder als Vorsprünge ausgebildet sein. Die Mikrolinsenelemente können insbesondere aus dem gleichen Material bestehen wie der Träger, was eine Herstellung vereinfacht. Alternativ können die Mikrolinsenelemente aus einem unterschiedlichen Material (insbesondere mit einem größeren Brechungsindex als dem des restlichen Trägers) bestehen, was eine besonders flexible optische Wirkung ermöglicht. Die Mikrolinsenelemente können einstückig mit dem Träger verbunden sein. Im Fall eines unterschiedlichen Materials beispielsweise durch einen Zwei-Komponenten-Spritzguss (Bi-Injektion).
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Alternativ könnend die Mikrolinsenelemente als Rücksprünge in der Lichtaustrittsoberfläche und/oder der Lichteintrittsoberfläche vorliegen. Die Rücksprünge können leer sein oder aufgefüllt sein, insbesondere mit einem von dem Träger unterschiedlichen Material aufgefüllt sein.
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Es ist auch eine Ausgestaltung, dass eine Dicke des Trägers mindestens einer Hälfte eines Mitte-Mitte-Abstands nächstbenachbarter Leuchtstoff-Teilbereiche beträgt.
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Der Träger mag insbesondere ein plattenförmiger Träger sein.
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Es ist ferner eine Ausgestaltung, dass zumindest einige der Mikrolinsenelemente innerhalb des Trägers angeordnet sind.
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Diese Mikrolinsenelemente sind also von dem Träger vollständig umgeben. Die Mikrolinsenelemente können insbesondere eine Kugelform aufweisen. Die Hohlräume können insbesondere eine sphärische, sphäroide, ellipsoide oder vieleckige Grundform aufweisen. Insbesondere können die Hohlräume auch eine fassartige Form aufweisen (”drum lens” oder ”barrel lens”).
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Die innerhalb des Trägers angeordneten Mikrolinsenelemente können insbesondere als leere oder gefüllte Hohlräume vorliegen. Eine bevorzugte Füllung besteht in einem Material mit einem größeren Brechungsindex als dem des Trägers. Eine Füllung mag auch aus einem oder mehreren Leuchtstoffen bestehen.
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Die Aufgabe wird auch gelöst durch eine Leuchtvorrichtung, aufweisend mindestens eine Halbleiterlichtquelle und mindestens ein der Halbleiterlichtquelle nachgeschaltetes optisches Element wie oben beschrieben. Diese Leuchtvorrichtung ermöglicht eine Abstrahlung eines besonders homogenen Lichts.
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Mindestens eine Halbleiterlichtquelle strahlt Licht aus, das zumindest teilweise von der mindestens einen Leuchtstoffschicht bzw. dem darin enthaltenden mindestens einen Leuchtstoff wellenlängenumwandelbar ist.
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Die mindestens eine Leuchtstoffschicht kann einen oder mehrere Leuchtstoffe aufweisen, welche Licht einer oder mehrerer Arten von Halbleiterlichtquellen umwandeln können.
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Bevorzugterweise umfasst die mindestens eine Halbleiterlichtquelle mindestens eine Leuchtdiode. Bei Vorliegen mehrerer Leuchtdioden können diese in der gleichen Farbe oder in verschiedenen Farben leuchten. Eine Farbe kann monochrom (z. B. rot, grün, blau usw.) oder multichrom (z. B. weiß) sein. Auch kann das von der mindestens einen Leuchtdiode abgestrahlte Licht ein infrarotes Licht (IR-LED) oder ein ultraviolettes Licht (UV-LED) sein. Mehrere Leuchtdioden können ein Mischlicht erzeugen; z. B. ein weißes Mischlicht. Die mindestens eine Leuchtdiode kann mindestens einen wellenlängenumwandelnden Leuchtstoff enthalten (Konversions-LED). Die mindestens eine Leuchtdiode kann in Form mindestens einer einzeln gehäusten Leuchtdiode oder in Form mindestens eines LED-Chips vorliegen. Mehrere LED-Chips können auf einem gemeinsamen Substrat (”Submount”) montiert sein. Die mindestens eine Leuchtdiode kann mit mindestens einer eigenen und/oder gemeinsamen Optik zur Strahlführung ausgerüstet sein, z. B. mindestens einer Fresnel-Linse, Kollimator, und so weiter. Anstelle oder zusätzlich zu anorganischen Leuchtdioden, z. B. auf Basis von InGaN oder AlInGaP, sind allgemein auch organische LEDs (OLEDs, z. B. Polymer-OLEDs) einsetzbar. Alternativ kann die mindestens eine Halbleiterlichtquelle z. B. mindestens einen Diodenlaser aufweisen.
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Insbesondere kann mindestens eine Halbleiterlichtquelle der gleichen Art verwendet werden, welche insbesondere gleichartiges Licht (z. B. mit gleicher Spitzenwellenlänge und/oder gleicher spektraler Bandbreite usw.) abstrahlt. Zusammen mit mindestens einem Leuchtstoff kann das von der mindestens einen Halbleiterlichtquelle abgestrahlte Licht mindestens teilweise in Licht mindestens einer anderen, insbesondere höheren, Wellenlänge umgewandelt oder konvertiert werden. Ein anderer Teil des Lichts kann die mindestens eine Leuchtstoffschicht unkonvertiert durchlaufen bzw. von dem Leuchtstoff absorbiert und ohne eine Wellenlängenänderung wieder reemittiert werden. Alternativ mag das Licht vollständig konvertiert werden. Das sich ergebende teilweise konvertierte, teilweise unkonvertierte Licht oder alternativ vollständig konvertierte Licht wird durch die mehreren Mikrolinsenelemente mit einer nur geringen Rückstreuung homogenisiert, so dass hinter dem optischen Element ein Mischlicht mit einem im Wesentlichen homogenen (Summen-)Farbort und/oder mit einer im Wesentlichen homogenen Helligkeit erzeugbar ist.
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Zusammen mit mehreren Leuchtstoffen kann das von der mindestens einen Halbleiterlichtquelle abgestrahlte Licht ein Mischlicht mit mehr als zwei Farbkomponenten erzeugen.
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Es ist eine Weiterbildung, dass die mindestens eine Halbleiterlichtquelle blaues Licht abstrahlt, z. B. mit einer Spitzenwellenlänge von 445 nm. Dieses Licht mag insbesondere mittels eines Leuchtstoffs teilweise in gelbes Licht umgewandelt werden, so dass sich hinter dem optischen Element ein aus einer blauen Farbkomponente und einer gelben Farbkomponente zusammengesetztes weißes Mischlicht ergibt. Alternativ mag dieses Licht z. B. mittels zweier Leuchtstoffe in rotes Licht bzw. in grünes Licht teilumgewandelt werden, so dass sich hinter dem optischen Element ein aus einer blauen, einer grünen und einer blauen Farbkomponente zusammengesetztes weißes Mischlicht ergibt.
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Es ist eine Weiterbildung, dass die mindestens eine Halbleiterlichtquelle UV-Licht abstrahlt, welches durch mindestens zwei Leuchtstoffe der Leuchtstoffschicht vollständig in mindestens zwei Farbkomponenten im sichtbaren Lichtspektrum umwandelbar ist.
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Die mindestens eine Leuchtstoffschicht des optischen Elements dient also hier als eine ”Remote-Phosphor”-Schicht in Bezug auf die mindestens eine Halbleiterlichtquelle.
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Das optische Element kann insbesondere eine Abdeckung für die mindestens eine Halbleiterlichtquelle darstellen.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass die Leuchtvorrichtung ein Lichtkasten (”Light Box”) ist.
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Ganz allgemein kann die Leuchtvorrichtung eine Lampe, insbesondere Retrofitlampe, ein Modul, eine Leuchte oder ein Leuchtensystem sein.
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Das optische Element kann insbesondere eine Abdeckung des Lichtkastens darstellen. Die Innenseiten des Lichtkastens können insbesondere spekular reflektierend oder, für eine Lichthomogenisierung bevorzugt, diffus reflektierend ausgebildet sein. Insbesondere mag die mindestens eine Halbleiterlichtquelle an einem Boden des Lichtkastens angeordnet sein, welcher einer durch das optische Element abgedeckten Öffnung gegenüberliegt.
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In den folgenden Figuren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen schematisch genauer beschrieben. Dabei können zur Übersichtlichkeit gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sein.
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1 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht ein optisches Element gemäß einer ersten Ausführungsform;
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2 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Leuchtvorrichtung mit dem optischen Element gemäß der ersten Ausführungsform;
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3 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine weitere Leuchtvorrichtung mit einem optischen Element gemäß einer zweiten Ausführungsform;
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4 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine weitere Leuchtvorrichtung mit einem optischen Element gemäß einer dritten Ausführungsform;
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5 zeigt in Draufsicht das optische Element gemäß einer der ersten bis dritten Ausführungsformen mit einem möglichen Muster von Mikrolinsenelementen;
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6 zeigt in Draufsicht ein optisches Element gemäß einer der ersten bis dritten Ausführungsformen mit einem weiteren möglichen Muster von Mikrolinsenelementen;
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7 zeigt in Draufsicht ein optisches Element gemäß einer der ersten bis dritten Ausführungsformen mit noch einem weiteren möglichen Muster von Mikrolinsenelementen;
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8 zeigt in Draufsicht ein optisches Element gemäß einer vierten Ausführungsform;
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9 zeigt in Draufsicht ein optisches Element gemäß einer fünften Ausführungsform;
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10 zeigt in Draufsicht ein optisches Element gemäß einer sechsten Ausführungsform; und
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11 zeigt in Draufsicht ein optisches Element gemäß einer siebten Ausführungsform.
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1 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht ein optisches Element 1 gemäß einer ersten Ausführungsform. Das optische Element 1 weist einen lichtdurchlässigen Träger 2 auf. Der Träger 2 liegt in Form einer Scheibe oder Platte aus einem transparenten thermoplastischen Kunststoff vor. Eine in dieser Ansicht als Lichteintrittsfläche 3 dienende Unterseite ist vollflächig von einer strukturierten Leuchtstoffschicht 4 bedeckt. An der der Lichteintrittsfläche 3 gegenüberliegenden, als Lichtaustrittsfläche 5 dienenden Oberseite sind großflächig, insbesondere zumindest im Wesentlichen vollflächig, mehrere Mikrolinsenelemente 6 in einem regelmäßigen Muster angeordnet.
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Die Leuchtstoffschicht 4 weist mehrere Leuchtstoff-Teilbereiche 4a, 4b auf, die in einem regelmäßigen Muster direkt aneinandergrenzend angeordnet sind. Der Leuchtstoff-Teilbereich 4a weist einen ersten Leuchtstoff auf, welcher ein auf ihn eingestrahltes Primärlicht einer ersten (Spitzen)-Wellenlänge zumindest teilweise in ein erstes, wellenlängenumgewandeltes Sekundärlicht einer zweiten (Spitzen)-Wellenlänge umwandeln kann. Der Leuchtstoff-Teilbereich 4b weist einen zweiten Leuchtstoff auf, welcher das auf ihn eingestrahlte Primärlicht der ersten (Spitzen)-Wellenlänge zumindest teilweise in ein zweites, wellenlängenumgewandeltes Sekundärlicht einer dritten (Spitzen)-Wellenlänge umwandeln kann.
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Um eine Rückstrahlung sehr gering zu halten und gleichzeitig eine gute Lichthomogenisierung zu ermöglichen, weist ein Mitte-Mitte-Abstand (”Pitch-Abstand”) dm nächstbenachbarter Mikrolinsenelemente 6 und ein Mitte-Mitte-Abstand (”Pitch-Abstand”) dl nächstbenachbarter Leuchtstoff-Teilbereiche 4a, 4b ein besonders bevorzugtes Verhältnis von dm:dl = 1:2 auf. In anderen Worten sind in einer (hier horizontalen) Ausbreitungsrichtung des Felds der Mikrolinsenelemente 6 und der Leuchtstoffschicht 4 doppelt so viele Mikrolinsenelemente 6 wie Leuchtstoff-Teilbereiche 4a, 4b vorhanden. Da sowohl die Mikrolinsenelemente 6 als auch die Leuchtstoff-Teilbereiche 4a, 4b die Lichtaustrittsfläche 5 bzw. die Lichteintrittsfläche 3 dichtgepackt (mit einem nur vernachlässigbar kleinen Spalt oder ohne Spalt zwischen benachbarten Elementen) bedecken, ist eine seitliche (hier horizontale) Ausdehnung wm der Mikrolinsenelemente 6 mindestens in etwa halb so groß wie eine seitliche Ausdehnung wl der Leuchtstoff-Teilbereiche 4a, 4b.
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Ferner beträgt eine Dicke h des Trägers 2 (hier in einer Richtung senkrecht zu einer Längsachse L) mindestens die Hälfte des Mitte-Mitte-Abstands dl nächstbenachbarter Leuchtstoff-Teilbereiche 4a, 4b.
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Die Mikrolinsenelemente 6 weisen hier eine einheitliche, kompakte Grundform auf. Diese Grundform entspricht insbesondere einer Kugelkalottenform (Kugelschnitt). Unmittelbar benachbarte Mikrolinsenelemente 6 (”nächste Nachbarn”) stoßen aneinander an. Die freie Oberfläche der Mikrolinsenelemente 6 entspricht einer jeweiligen konvexen Oberfläche.
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Die Mikrolinsenelemente 6 sind als Vorsprünge des Trägers 2 ausgebildet, aus dem gleichen Material und insbesondere mit dem Träger 2 einstückig verbunden. Die Mikrolinsenelemente 6 können beispielsweise als ein Teil des Trägers 2 mittels eines Spritzgussverfahrens hergestellt werden, oder auch unter Verwendung eines Stempels usw.
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2 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Leuchtvorrichtung 7 mit dem optischen Element 1 gemäß der ersten Ausführungsform. Die Leuchtvorrichtung 7 stellt einen Lichtkasten dar, welcher ein kastenförmiges Gehäuse 8 mit (hier) einer Öffnung 9 aufweist. Eine Innenseite 10 des Gehäuses 8 ist spekular oder diffus reflektierend ausgebildet. Die Öffnung 9 ist von dem optischen Element 1 abgedeckt. Das optische Element 1 dient folglich als eine Abdeckung für das Gehäuse 8. An einem der Öffnung 9 gegenüberliegenden Boden 11 des Gehäuses 8 sind mehrere Halbleiterlichtquellen in Form von (hier gleichartigen) Leuchtdioden 12, z. B. blauen Leuchtdioden, angeordnet. Das optische Element 1 ist also den Leuchtdioden 12 optisch nachgeschaltet.
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Die Leuchtdioden 12 strahlen ihr Primärlicht teilweise direkt, teilweise indirekt an der Innenseite 10 reflektiert auf das optische Element 1. Dabei treffen sie zuerst auf die Leuchtstoffschicht 4, deren Leuchtstoff-Teilbereiche 4a, 4b daraufhin zumindest teilweise wellenlängenumgewandeltes und teilweise nicht-wellenlängenumgewandeltes Licht in den Träger 2 abgeben, und zwar farblich inhomogen entsprechend dem räumlichen (horizontalen) Muster ihrer Anordnung. Nach Durchlaufen des Trägers 2 tritt das Licht durch das Feld (”Array”) der Mikrolinsenelemente 6 hindurch und wird dadurch zumindest ab einem geringen Abstand, und also praktisch im Nahfeld, hinter den Mikrolinsenelementen 6 hochgradig homogenisiert. Eine Rückstrahlung an den Mikrolinsenelementen 6 zurück in den (restlichen) Träger 2 ist vernachlässigbar gering. Eine Lichteffizienz der Leuchtvorrichtung 7 ist folglich sehr hoch.
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3 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine weitere Leuchtvorrichtung 13 mit einem optischen Element 14 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Mikrolinsenelemente 15 sind ähnlich zu den Mikrolinsenelementen 6 ausgebildet, z. B. in Bezug auf eine seitliche Ausdehnung usw., sind aber nun als konkave Rücksprünge in der als Lichtaustrittsfläche 5 dienenden Oberseite des Trägers 16 ausgebildet.
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4 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine weitere Leuchtvorrichtung 17 mit einem optischen Element 18 gemäß einer dritten Ausführungsform.
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Kugelförmige Mikrolinsenelemente 19 sind nun innerhalb des Trägers 20 angeordnet und können mit einem Material gefüllt sein, welches einen höheren Brechungsindex aufweist als das thermoplastische Material des Trägers 20. Ein Durchmesser der Mikrolinsenelemente 19 ist etwa halb so groß wie die seitliche Ausdehnung wl der Leuchtstoff-Teilbereiche 4a, 4b.
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5 zeigt in Draufsicht das optische Element 1, 4, 18 gemäß einer der ersten bis dritten Ausführungsformen mit einem möglichen Muster von Mikrolinsenelementen 6, 15 bzw. 19.
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Der Träger 2, 16 bzw. 20 weist eine in Draufsicht (gegen die Richtung der Längsachse) kreisförmige Außenkontur A auf. Die Mikrolinsenelementen 6, 15 bzw. 19 sind in einem Matrixmuster angeordnet, welches den Träger 2, 16 bzw. 20 im Wesentlichen (bis auf praktisch vernachlässigbare randseitige Lücken) vollständig abdeckt. Diese Mikrolinsenelementen 6, 15 bzw. 19 weisen folglich ein vierzählige Drehsymmetrie auf.
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Die Leuchtstoff-Teilbereiche 4a, 4b der Leuchtstoffschicht 4 (o. Abb.) können insbesondere ebenfalls in einem Matrixmuster angeordnet sein. Die Leuchtstoff-Teilbereiche 4a, 4b können insbesondere jeweils eine in Draufsicht quadratische Fläche aufweisen, welche einer Fläche von vier in einem 2×2-Matrix(teil)muster angeordneten Mikrolinsenelementen 6, 15 bzw. 19 entspricht.
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Für eine verbesserte Flächenausnutzung können auch Mikrolinsenelemente verwendet werden, welche die Fläche zwischen sich vollständig abdecken. So mögen diese Mikrolinsenelemente eine in Draufsicht quadratische Außenkontur und im Profil eine sphärische oder sphäroide Grundform aufweisen.
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6 zeigt in Draufsicht ein optisches Element 1, 4, 18 gemäß einer der ersten bis dritten Ausführungsformen mit einem weiteren möglichen Muster von Mikrolinsenelementen 6, 15 bzw. 19.
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Im Gegensatz zu der Ausführung nach 5 sind die Mikrolinsenelemente 6, 15 bzw. 19 nun in einem Muster einer sechszähligen Drehsymmetrie angeordnet, insbesondere in einem sechseckigen, zentral gefüllten Muster als einer Einheitszelle.
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Die Leuchtstoff-Teilbereiche 4a, 4b der Leuchtstoffschicht 4 (o. Abb.) können insbesondere ebenfalls in einem sechszähligen Drehsymmetriemuster angeordnet sein. Die Leuchtstoff-Teilbereiche 4a, 4b können insbesondere jeweils eine in Draufsicht sechseckige Fläche aufweisen, welche einer Fläche von sieben in der Einheitszelle angeordneten Mikrolinsenelementen 6, 15 bzw. 19 entspricht.
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Für eine verbesserte Flächenausnutzung können auch Mikrolinsenelemente verwendet werden, welche die Fläche zwischen sich vollständig abdecken. So mögen diese Mikrolinsenelemente eine in Draufsicht sechseckige Außenkontur aufweisen und im Profil eine sphärische oder sphäroide Grundform aufweisen.
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7 zeigt in Draufsicht ein optisches Element 1, 4, 18 gemäß einer der ersten bis dritten Ausführungsformen mit noch einem weiteren möglichen Muster von Mikrolinsenelementen 6, 15 bzw. 19. Die Mikrolinsenelemente 6, 15 bzw. 19 sind hier in Form von konzentrisch um die Längsachse liegenden Ringen angeordnet.
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8 zeigt in Draufsicht ein optisches Element 21 gemäß einer vierten Ausführungsform. Dieses optische Element 21 weist nun keine kompakten Mikrolinsenelemente auf, sondern mehrere Mikrolinsenelemente 22 mit einer eindimensional ausgedehnten Grundform. Die Mikrolinsenelemente 22 sind geradlinig ausgedehnt und erstrecken sich von der Außenkontur A des Trägers 23 sternförmig in seine Mitte.
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9 zeigt in Draufsicht ein optisches Element 24 gemäß einer fünften Ausführungsform. Dieses optische Element 21 weist ebenfalls Mikrolinsenelemente 25 mit einer eindimensional ausgedehnten Grundform auf. Die Mikrolinsenelemente 25 sind nun aber ringförmig ausgestaltet und bilden eine Gruppe von zu der Mitte des Trägers 26 hin konzentrischen, radial gleichbeabstandeten Ringen. Die ringförmigen Mikrolinsenelemente 25 können ein Fresnelmuster bilden bzw. funktional einer Fresnellinse entsprechen.
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Alternativ mag auch ein einziges, spiralförmiges Mikrolinsenelement verwendet werden.
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10 zeigt in Draufsicht ein optisches Element 27 gemäß einer sechsten Ausführungsform.
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Dieses optische Element 27 weist weitere Mikrolinsenelemente 28, 29 mit einer nicht-drehsymmetrischen eindimensional ausgedehnten Grundform auf, z. B. Buchstaben, Zahlen und/oder Symbole darstellend. Die Größe und lokale Dichte der Mikrolinsenelemente 28 auf dem Träger 30 ist variabel und mag auch mehrere solche Mikrolinsenelemente 28, 29 in einem symmetrischen Grundmuster aufweisen.
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11 zeigt in Draufsicht ein optisches Element 31 gemäß einer siebten Ausführungsform. Das optische Element 31 weist einen Träger 32 ähnlich zu einem der Träger 2, 16 oder 20 auf. An dem Träger 2, 16 oder 20 sind nun Mikrolinsenelemente 33 ähnlich den Mikrolinsenelementen 6, 15 bzw. 19 angebracht.
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Die Mikrolinsenelemente 33 liegen jedoch nicht mehr in einem regelmäßigen Muster vor. Dadurch können Beugungseffekte, die an periodischen Strukturen auftreten können, vermieden werden. Um eine homogene Lichtverteilung zu erreichen, sind die Mikrolinsenelemente 33 mit einer im Wesentlichen gleichen lokalen Dichte angeordnet.
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Insbesondere mögen auch die Leuchtstoff-Teilbereiche (o. Abb.) in einer nicht-regelmäßigen Anordnung vorliegen, insbesondere mit einer im Wesentlichen gleichen lokalen Dichte.
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Die Mikrolinsenelemente 33 bedecken den Träger 32 weiterhin im Wesentlichen vollflächig.
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Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt.
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So sind allgemein auch andere als die gezeigten Formen und Anordnungen von Mikrolinsenelementen möglich, z. B. rechteckige oder schräge Gittermuster.
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Auch sind allgemein mehr als eine Lage oder Schicht von Mikrolinsenelementen einsetzbar, beispielsweise in dem Träger vorhandene Mikrolinsenelemente zusammen mit an einer Lichtaustrittsfläche vorhandenen, anderen Mikrolinsenelemente.
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Allgemein können gleiche oder unterschiedliche Mikrolinsenelemente verwendet werden.
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Zudem können zusätzlich oder alternativ Mikrolinsenelemente an der Lichteintrittsfläche angeordnet sein und z. B. direkt von der Leuchtstoffschicht bedeckt sein. Beispielsweise können sowohl an der Lichteintrittsfläche als auch an der Lichtaustrittsfläche angeordnete Mikrolinsenelemente, insbesondere kugelkalottenförmige Mikrolinsenelemente, ein Doppellage bilden, z. B. zur Erzeugung einer ”Fliegenaugen”-Struktur (”Fly's Eye”). Allgemein können beliebig viele, insbesondere parallel zueinander angeordnete, Lagen von Mikrolinsenelementen bzw. Feldern davon verwendet werden.
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Allgemein können auch mehr als zwei Leuchtstoffe verwendet werden, insbesondere in einer Leuchtstoffschicht, insbesondere in unterschiedlichen Leuchtstoff-Teilbereichen. Beispielsweise können die Leuchtdioden UV-Licht abstrahlende Leuchtdioden sein, welchen drei Leuchtstoffe zur vollständigen Umwandlung von UV-Licht insbesondere in Licht roter, grüner und blauer Farbe nachgeschaltet sind.
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Außerdem mag die Außenkontur eine unterschiedliche Form aufweisen, z. B. oval, oder eckig.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- optisches Element
- 2
- Träger
- 3
- Lichteintrittsfläche
- 4
- Leuchtstoffschicht
- 4a
- Leuchtstoff-Teilbereich
- 4b
- Leuchtstoff-Teilbereich
- 5
- Lichtaustrittsfläche
- 6
- Mikrolinsenelement
- 7
- Leuchtvorrichtung
- 8
- Gehäuse
- 9
- Öffnung
- 10
- Innenseite
- 11
- Boden
- 12
- Leuchtdiode
- 13
- Leuchtvorrichtung
- 14
- optisches Element
- 15
- Mikrolinsenelement
- 16
- Träger
- 17
- Leuchtvorrichtung
- 18
- optisches Element
- 19
- Mikrolinsenelement
- 20
- Träger
- 21
- optisches Element
- 22
- Mikrolinsenelement
- 23
- Träger
- 24
- optisches Element
- 25
- Mikrolinsenelement
- 26
- Träger
- 27
- optisches Element
- 28
- Mikrolinsenelement
- 29
- Mikrolinsenelement
- 30
- Träger
- A
- Außenkontur des Trägers
- dm
- Mitte-Mitte-Abstand
- dl
- Mitte-Mitte-Abstand
- h
- Dicke
- L
- Längsachse
- wm
- seitliche Ausdehnung
- wl
- seitliche Ausdehnung
