DE102011012297A1

DE102011012297A1 - Beleuchtungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102011012297A1
Application number: DE102011012297A
Authority: DE
Inventors: Dr. Brick Peter
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2011-02-24
Filing date: 2011-02-24
Publication date: 2012-08-30
Anticipated expiration: 2031-02-25
Also published as: US8998435B2; CN103392142A; DE102011012297B4; TW201235598A; US20140049943A1; KR101540873B1; WO2012113603A1; TWI506224B; CN103392142B; KR20130108652A

Abstract

Es wird eine Beleuchtungsvorrichtung (10) angegeben, mit einer mehrstufigen Optik (1, 2, 3), welche das durchtretende Licht (5, 6) spektral und räumlich kollimiert. Die Beleuchtungsvorrichtung eignet sich besonders gut zur Verwendung in einer Anzeigevorrichtung.

Description

Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine Beleuchtungsvorrichtung anzugeben, die eine besonders schmalbandige spektrale Emission aufweist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung umfasst die Beleuchtungsvorrichtung eine Lichtquelle, die zumindest einen Leuchtdiodenchip umfasst. Die Lichtquelle erzeugt dabei im Betrieb Licht. Bei dem zumindest einen Leuchtdiodenchip handelt es sich um das lichterzeugende Element der Lichtquelle. Die Lichtquelle kann beispielsweise farbiges, mehrfarbiges oder weißes Licht erzeugen. Die Lichtquelle kann dazu Leuchtdiodenchips des gleichen Typs oder auch unterschiedliche Leuchtdiodenchips umfassen, die im Betrieb Licht unterschiedlicher Farbe erzeugen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung umfasst die Beleuchtungsvorrichtung ein erstes optisches Element, das das durchtretende Licht der Lichtquelle in einen vorgebbaren Winkelbereich kollimiert.
Beispielsweise handelt es sich bei dem ersten optischen Element um einen sogenannten optischen Konzentrator. Bei dem optischen Konzentrator kann es sich beispielsweise um einen parabolischen optischen Konzentrator, einen elliptischen optischen Konzentrator oder einen hyperbolischen optischen Konzentrator handeln.
Ferner ist es möglich, dass das erste optische Element aus Kombinationen dieser optischen Konzentratoren aufgebaut ist, so dass beispielsweise ein erster Abschnitt des ersten optischen Elements als parabolischer optischer Konzentrator und ein angrenzender zweiter Abschnitt als hyperbolischer optischer Konzentrator ausgebildet ist.
Bei dem ersten optischen Element kann es sich auch um eine Linse handeln. Ferner ist es möglich, dass das erste optische Element eine Linse umfasst. Zum Beispiel ist das erste optische Element dann durch die Kombination eines reflektierenden optischen Elements mit einer Linse gebildet.
Das erste optische Element kollimiert dabei das durchtretende Licht der Lichtquelle in einem vorgebbaren Winkelbereich, so dass ein Lichtstrahl aus Licht der Lichtquelle nach dem Verlassen des ersten optischen Elements beispielsweise einen vorgebbaren Öffnungswinkel aufweist. Auf diese Weise verringert das erste optische Element die Divergenz des durchtretenden Lichts. Insbesondere ist das erste optische Element hinsichtlich einer Haupterstreckungsrichtung quadrantensymmetrisch oder insbesondere rotationssymmetrisch ausgebildet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung umfasst die Beleuchtungsvorrichtung ein zweites optisches Element, welches zumindest zunächst nicht in das erste optische Element eintretendes Licht der Lichtquelle zur Lichtquelle zurückreflektiert. Das heißt, Licht der Lichtquelle, das nicht in das erste optische Element eingestrahlt wird, weil es beispielsweise an einer Lichteintrittsseite des ersten optischen Elementes vorbeiläuft, wird vom zweiten optischen Element zur Lichtquelle zurückreflektiert. Dort kann dieses Licht dann beispielsweise an Komponenten der Lichtquelle wie etwa einem Träger oder dem zumindest einen Leuchtdiodenchip reflektiert werden. Das Licht wird dann beispielsweise in Richtung des ersten optischen Elements zurückreflektiert und tritt dort gegebenenfalls in das erste optische Element ein. Ferner ist es möglich, dass das Licht in den zumindest einen Leuchtdiodenchip eindringt und dort mittels sogenanntem „Photonenrecycling” zur Lichterzeugung verwendet wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung umfasst die Beleuchtungsvorrichtung ein drittes optisches Element, das die spektrale Bandbreite von durchtretendem Licht der Lichtquelle zumindest stellenweise verringert. Unter einer Verringerung der spektralen Bandbreite ist dabei auch zu verstehen, dass die ansteigenden und abfallenden Flanken eines Peaks in der spektralen Verteilung abgeschnitten werden. Dies kann zum Beispiel durch einen Bandpassfilter erfolgen.
Das von einem monochromatischen Leuchtdiodenchip erzeugte Licht weist üblicherweise eine spektrale Halbwertsbreite zwischen 20 nm und 40 nm auf. Das dritte optische Element kann diese spektrale Halbwertsbreite reduzieren. Handelt es sich bei dem Leuchtdiodenchip beispielsweise um einen Leuchtdiodenchip, der weißes Licht erzeugt, ist es möglich, dass das dritte optische Element die spektrale Bandbreite des durchtretenden Lichts an unterschiedlichen Stellen reduziert. So kann das breite Spektrum des weißen Lichts beispielsweise mittels des dritten optischen Elements zu einem Spektrum verengt werden mit einem engen Peak beispielsweise im Bereich von blauem Licht und einem engen Peak beispielsweise im Bereich gelben Licht.
Auf diese Weise verringert das dritte optische Element die spektrale Bandbreite des durchtretenden Licht der Lichtquelle zumindest stellenweise.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung weist das erste optische Element eine Lichteintrittsseite auf, die der Lichtquelle zugewandt ist. Zumindest ein Teil des Lichts der Lichtquelle an der Lichteintrittsseite tritt dann in das erste optische Element ein. Beispielsweise weist das erste optische Element an der Lichteintrittsseite eine Öffnung auf, insbesondere wenn das erste optische Element als verspiegelter Hohlkörper ausgebildet ist oder eine Lichteintrittsfläche, wenn es sich beim ersten optischen Element beispielsweise um einen Vollkörper handelt, der mit einem transparenten Material gebildet ist. Im ersten Fall kann es sich beim ersten optischen Element beispielsweise um einen CPC(Compound Parabolic Concentrator)-Reflektor handeln, der parabolisch geformte Außenflächen aufweist, die an ihrer Innenseite beispielsweise metallisch verspiegelt sind. Im zweiten Fall kann es sich beispielsweise um einen CPC mit konischem Abschnitt handeln, der mit einem transparenten Material wie Glas, PC, PMMA oder einem anderen Kunststoff gebildet ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung umgibt das zweite optische Element die Lichteintrittsseite des ersten optischen Elements insbesondere in lateralen Richtungen vollständig, derart, dass zumindest ein Großteil des Lichts der Lichtquelle, das nicht in das erste optische Element eintritt, auf das zweite optische Element trifft. Die laterale Richtungen sind dabei diejenigen Richtungen, die zum Beispiel parallel zu einer Strahlungsaustrittfläche des zumindest einen Leuchtdiodenchips verlaufen. Mit anderen Worten umgibt das das zweite optische Element die Lichteintrittsseite des ersten optischen Elements seitlich vollständig.
Hier und im Folgenden bezeichnet ein „Großteil” des Lichts mehr als 50 Prozent des Lichts, insbesondere mehr als 75 Prozent des Lichts der Lichtquelle. Im Idealfall wird das gesamte, nicht in das erste optische Element eintretende Licht der Lichtquelle vom zweiten optischen Element reflektiert, das heißt das gesamte nicht-eingekoppelte Licht trifft auf das zweite optische Element. Das zweite optische Element kann dazu die Lichteintrittsseite des ersten optischen Elements rahmen- oder ringartig in lateralen Richtungen vollständig umgeben.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung ist das dritte optische Element an einer der Lichteintrittsseite abgewandten Lichtaustrittsseite des ersten optischen Elements angeordnet. Bei der Lichtaustrittsseite des optischen Elements handelt es sich um diejenige Seite, an der das Licht, welches das erste optische Element durchlaufen hat, aus diesem wieder austritt. Beispielsweise kann die Lichtaustrittseite eine Lichtaustrittsöffnung umfassen oder mit einer Lichtaustrittsfläche gebildet sein. Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung tritt zumindest ein Großteil des aus der Lichtaustrittsseite des ersten optischen Elements austretenden Lichts durch das dritte optische Element, idealerweise sämtliches aus der Lichtaustrittsseite austretende Licht. Das dritte optische Element kann dazu beispielsweise an der Lichtaustrittsseite mit dem ersten optischen Element in direktem Kontakt stehen. Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung umfasst die Beleuchtungsvorrichtung eine Lichtquelle, die zumindest einen Leuchtdiodenchip umfasst und im Betrieb Licht erzeugt, ein erstes optisches Element, das das durchtretende Licht der Lichtquelle in einen vorgebbaren Winkelbereich kollimiert, ein zweites optisches Element, welches zumindest zunächst nicht in das erste optische Element eintretendes Licht der Lichtquelle zur Lichtquelle zurückreflektiert und ein drittes optisches Element, das die spektrale Bandbreite von durchtretendem Licht der Lichtquelle zumindest stellenweise verringert. Dabei weist das erste optische Element eine Lichteintrittsseite auf, die der Lichtquelle zugewandt ist, zumindest ein Teil des Lichts der Lichtquelle tritt an der Lichteintrittsseite in das erste optische Element ein, das zweite optische Element umgibt die Lichteintrittsseite des ersten optischen Elements zumindest seitlich vollständig, zumindest ein Großteil des Lichts der Lichtquelle das nicht in das optische Element eintritt trifft auf das zweite optische Element, und das dritte optische Element ist an einer der Lichteintrittsseite abgewandten Lichtaustrittsseite des ersten optischen Elements angeordnet, wobei zumindest ein Großteil des aus der Lichtaustrittsseite des ersten optischen Elements austretenden Lichts durch das dritte optische Element tritt. Mit der hier beschriebenen Beleuchtungsvorrichtung ist es insbesondere möglich, spektral schmalbandiges Licht in einem engen Winkelbereich zu erzeugen. Dabei liegt der Beleuchtungsvorrichtung unter anderem die folgende Überlegung zugrunde:

Ein Leuchtdiodenchip der Lichtquelle weist ein hohes Etendue auf. Beispielsweise beträgt das Etendue E = Π × (sin 90°)² × (Lichtaustrittsfläche des Leuchtdiodenchips). Bei einer Lichtaustrittsfläche von einem Quadratmillimeter beträgt das Etendue also zirka 3,14.

Ein drittes optisches Element, das die spektrale Bandbreite von durchtretendem Licht der Lichtquelle zumindest stellenweise verringert, beispielsweise ein Interferenzfilter, hat ein begrenztes Etendue von E = Π × (sinα)² × (Flächeninhalt der Lichteintrittsfläche des Filters).
α ist dabei der maximale Lichteintrittswinkel, mit dem Licht auf die Lichteintrittsfläche des dritten optischen Elements trifft. Ist α beispielsweise 15° und beträgt die Lichteintrittsfläche des Filters 16 Quadratmillimeter so beträgt das Etendue 1,07 × Π also zirka 3,4.
Eine derartige Anordnung arbeitet also sehr nahe am Etendue-Limit. Dementsprechend ist es schwierig, alles vom zumindest einen Leuchtdiodenchip der Lichtquelle im Betrieb erzeugte Licht durch das dritte optische Element zu führen. Man bräuchte beispielsweise dazu ein erstes optisches Element, welches das durchtretende Licht der Lichtquelle in einem vorgebbaren Winkelbereich kollimiert, wobei der gewünschte maximale Winkel, in dem Licht auf die Lichteintrittsfläche des dritten optischen Elementes trifft der Zielwinkel ist. Es gilt dann a₁ × sin 90° = a₂ × sin (Zielwinkel). a1 ist dabei beispielsweise der halbe Durchmesser einer Lichteintrittsfläche oder Lichteintrittsöffnung des ersten optischen Elements, das beispielsweise als CPC ausgeführt ist, a2 ist der halbe Durchmesser der Lichtaustrittsöffnung oder der Lichtaustrittsfläche dieses ersten optischen Elements. Unter der Bedingung, dass a1 größer gewählt werden sollte als die Seitenlänge beispielsweise eines Leuchtdiodenchips der Lichtquelle, welcher das erste optische Element nachgeordnet ist, ergeben sich insbesondere für größere Leuchtdiodenchips Schwierigkeiten. Es erscheint daher notwendig, einen möglichst großen Teil des von der Lichtquelle im Betrieb erzeugten Lichts in das erste optische Element einzukoppeln. Dies kann bei einer vorliegenden Beleuchtungsvorrichtung beispielsweise durch das zweite optische Element, welches zumindest zunächst nicht in das erste optische Element eintretendes Licht der Lichtquelle zur Lichtquelle zurückreflektiert, erreicht werden, indem durch diese Zurückreflektion dem Licht eine weitere Möglichkeit zum Eintritt in das erste optische Element gegeben wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung umfasst das dritte optische Element einen Interferenzfilter oder ist durch einen Interferenzfilter gebildet. Interferenzfilter sind besonders gut dazu geeignet, die spektrale Bandbreite des durchtretenden Lichts zu verringern. Bei der Verwendung von Interferenzfiltern tritt jedoch das Problem auf, dass die Filterwirkung stark vom Einfallswinkel der durchtretenden Strahlung abhängig ist. Vorteilhaft führt das erste optische Element zu verringerten Einfallswinkeln, sodass das als Interferenzfilter ausgebildete dritte optische Element die spektrale Bandbreite vorgebbar verringern kann.
Ein Interferenzfilter zeichnet sich ferner dadurch aus, dass an ihm keine Absorption von Licht stattfindet. Anteile des Lichts, die nicht durch den Interferenzfilter treten, werden reflektiert und können beispielsweise durch das erste optische Element hindurch zum zumindest einen Leuchtdiodenchip der Lichtquelle gelangen, wo diese Anteile mittels Photonenrecycling wiederverwendet werden können. Beispielsweise handelt es sich bei dem Interferenzfilter um einen Bandpass mit steilen Flanken. Der Interferenzfilter kann beispielsweise durch eine Schicht ausgebildet sein, welche direkt auf eine Außenfläche des ersten optischen Elements an dessen Lichtaustrittsseite aufgebracht werden kann. Auch das Aufbringen der Schicht auf eine andere Komponente der Beleuchtungsvorrichtung ist möglich. Beispielsweise handelt es sich bei der Schicht um eine dielektrische Schichtenfolge. Der Interferenzfilter kann alternativ auch auf eine Trägerplatte, beispielsweise aus Glas, aufgebracht sein, welche der Lichtaustrittsseite des ersten optischen Elements nachgeordnet ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung erzeugt die Lichtquelle weißes oder mehrfarbiges Licht und das dritte optische Element weist zumindest zwei Transmissionsbande auf. Beispielsweise erzeugt die Lichtquelle Licht mit Anteilen von rotem, grünem und blauem Licht. Das dritte optische Element kann dann beispielsweise drei Transmissionsbande aufweisen, in denen spektral schmalbandiges rotes, blaues und grünes Licht transmittiert wird. Der nicht transmittierte Anteil des Lichts kann zur Lichtquelle zurückreflektiert werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung kollimiert das erste optische Element insbesondere einen Großteil des durchtretenden Lichts der Lichtquelle in einem Winkelbereich von höchstens plus/minus 15°. In diesem Fall, trifft das Licht aus dem ersten optischen Element mit einem Einfallswinkel von höchstens 15° auf das dritte optische Element. Solch geringe Einfallswinkel erweisen sich insbesondere dann als vorteilhaft, wenn das dritte optische Element einen Interferenzfilter umfasst oder durch einen Interferenzfilter gebildet ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung verengt das dritte optische Element das Spektrum des durchtretenden Lichts der Lichtquelle zumindest stellenweise zu einem Peak mit einer spektralen Bandbreite von höchstens 10 nm. Die spektrale Bandbreite wird beispielsweise anhand der Halbwertsbreite eines Peaks gemessen, bei dem die Lichtintensität gegen die Wellenlänge aufgetragen ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung erzeugt die Lichtquelle weißes oder mehrfarbiges Licht und das dritte optische Element umfasst zumindest zwei Transmissionsbande, wobei die Zahl der Peaks des vom dritten optischen Element gefilterten Lichts der Zahl der Transmissionsbande entspricht. Beispielsweise weist dann jeder Peak eine spektrale Bandbreite von höchstens 10 nm auf. Dabei ist es möglich, dass sich ein Peak aus mehreren Peaks zusammensetzt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung ist das zweite optische Element dazu eingerichtet, auftretendes Licht gerichtet zu reflektieren. Beispielsweise kann das zweite optische Element dazu eine spiegelnde Metallschicht umfassen, welche der Lichtquelle zugewandt ist. Licht, das dann nicht an einer Lichteintrittsseite in das erste optische Element eintritt, sondern auf das zweite optische Element trifft, wird gerichtet in Richtung der Lichtquelle zurückreflektiert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung befindet sich das zweite optische Element stellenweise in direktem Kontakt mit einer Außenfläche des ersten optischen Elements. Das zweite optische Element kann beispielsweise in der Form eines Hohlkegelstumpfes oder Hohlpyramidenstumpfes ausgebildet sein, wobei die Grundfläche dieser geometrischen Elemente insbesondere die gleiche Form aufweist wie eine Lichteintrittsfläche oder eine Lichteintrittsöffnung an der Lichteintrittsseite des ersten optischen Elements. Mit seiner dem ersten optischen Element zugewandten Seite befindet sich das optische Element dann stellenweise in direktem Kontakt mit der Außenfläche des ersten optischen Elements. Die Verbindung zwischen zweiten optischen Element und ersten optischen Element kann dabei derart gewählt sein, dass kein Licht zwischen dem ersten optischen Element und dem zweiten optischen Element entweichen kann, das heißt, es gibt in diesem Fall eine unterbrechungsfreie Verbindung zwischen den beiden optischen Elementen. An seiner der Lichtquelle zugewandten Seite kann das zweite optische Element beispielsweise in direktem Kontakt mit einer Komponente der Lichtquelle, beispielsweise einem Träger für den zumindest einen Leuchtdiodenchip, sein. Auf diese Weise umgibt das zweite optische Element den Zwischenraum zwischen der Lichtquelle und dem ersten optischen Element vollständig. Es kann auf diese Weise kein Licht nach außen gelangen, da es, wenn es von zumindest einen Leuchtdiodenchip emittiert worden ist, entweder in das erste optische Element eintritt oder vom zweiten optischen Element reflektiert wird. Das zweite optische Element bildet dann mit anderen Worten einen Lichtkasten, der an zwei gegenüberliegenden Seiten die Lichtquelle beziehungsweise das erste optische Element aufweist.
Es wird darüber hinaus eine Anzeigevorrichtung angegeben.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Anzeigevorrichtung umfasst die Anzeigevorrichtung zumindest eine hier beschriebene Beleuchtungsvorrichtung. Das heißt, sämtliche für die Beleuchtungsvorrichtung angegebenen Merkmale sind auch für die Anzeigevorrichtung offenbart. Darüber hinaus umfasst die Anzeigevorrichtung ein bildgebendes Element, das vom Licht der zumindest einen Beleuchtungsvorrichtung hinterleuchtet oder beleuchtet wird. Bei dem bildgebenden Element kann es sich beispielsweise um ein LCD-Display oder ein Mikrospiegelarray handeln. Bei der Anzeigevorrichtung kann es sich dann beispielsweise um einen Bildschirm oder um ein Projektionsgerät handeln.
Aufgrund der spektral schmalbandigen Emission der Beleuchtungsvorrichtung eignet sich eine solche Anzeigevorrichtung besonders gut für die Codierung von Information über Wellenlänge und damit insbesondere zur 3D-Darstellung. Das heißt, die hier beschriebene Anzeigevorrichtung ist besonders gut zur 3D-Darstellung geeignet, insbesondere für auf Multiwellen-Triplets basierende Verfahren, wie beispielsweise das Verfahren „Dolby 3D” der Firma „Dolby”.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Anzeigevorrichtung umfasst die Anzeigevorrichtung zumindest einen Lichtleiter, wobei das Licht der zumindest einen Beleuchtungsvorrichtung zumindest zum Großteil in den Lichtleiter eintritt und aus dem Lichtleiter austretendes Licht der zumindest einen Beleuchtungsvorrichtung das bildgebende Element hinterleuchtet. Das heißt, bei einer derart ausgebildeten Anzeigevorrichtung wird beispielsweise ein LCD-Display als bildgebendes Element nicht direkt von der Beleuchtungsvorrichtung hinterleuchtet, sondern das Licht tritt zunächst in einen großflächigen Lichtleiter ein, der dann wiederum das bildgebende Element hinterleuchtet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform einer hier beschriebenen Anzeigevorrichtung ist das bildgebende Element durch die zumindest eine Beleuchtungsvorrichtung gebildet. Beispielsweise umfasst die Anzeigevorrichtung eine Vielzahl von Beleuchtungsvorrichtungen, wobei jede Beleuchtungsvorrichtung einem Pixel des zu erzeugenden Bildes zugeordnet ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Anzeigevorrichtung umfasst die Anzeigevorrichtung zumindest zwei Beleuchtungsvorrichtungen, die Licht der gleichen Farbe erzeugen, wobei die Wellenlänge der maximalen Intensität des Lichts der Beleuchtungsvorrichtungen sich voneinander, insbesondere um wenigstens 10 nm, unterscheidet. Das heißt, die Beleuchtungsvorrichtung erzeugt beispielsweise zwei Arten von rotem Licht, wobei die Peaks maximaler Intensität dieses Lichts leicht gegeneinander verschoben sind. Eine derartige Anzeigevorrichtung eignet sich dann besonders gut zur 3D-Darstellung, da unterschiedliche Teilbilder für das linke und rechte Auge durch leicht zueinander verschobene Wellenlängen codiert sind. Zum Erhalt eines dreidimensionalen Bildes kommen dann zum Beispiel Brillen zum Einsatz, welche Interferenzfilter umfassen. Beispielsweise wird die Bildinformation für das linke Auge durch rotes Licht mit einem Peakmaximum bei 629 nm, grünes Licht mit einem Peakmaximum bei 532 nm und blaues Licht mit einem Peakmaximum bei 446 nm erzeugt. Das Bild für das rechte Auge wird dann aus rotem Licht mit einer Peakwellenlänge bei 615 nm, grünem Licht bei einer Peakwellenlänge bei 518 nm und blauem Licht bei einer Peakwellenlänge von 432 nm erzeugt. Die Kanaltrennung des Bildes erfolgt über trennscharfe Interferenzfilter, welche für jedes Auge das passende Wellenlängentriplet herausfiltert.
Im Folgenden werden die hier beschriebenen Beleuchtungsvorrichtung sowie die hier beschriebene Anzeigevorrichtung anhand von Ausführungsbeispielen und den dazu gehörigen Figuren näher erläutert.
Die 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer hier beschriebenen Beleuchtungsvorrichtung in einer schematischen Schnittdarstellung.
Die 2, 3, 4 und 5 zeigen Ausführungsbeispiele von hier beschriebenen Anzeigevorrichtungen in schematischen Schnittdarstellungen.
Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder für eine bessere Verständlichkeit übertrieben groß dargestellt sein.
Die 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer hier beschriebenen Beleuchtungsvorrichtung. Die Beleuchtungsvorrichtung umfasst eine Lichtquelle 4. Die Lichtquelle 4 umfasst zumindest einen Leuchtdiodenchip 41. Die Lichtquelle 4 kann dabei auch mehrere Leuchtdiodenchips 41 umfassen, die beispielsweise dazu geeignet sein können, Licht unterschiedlicher Farbe zu erzeugen. Den Leuchtdiodenchips 41 der Lichtquelle 4 ist ein erstes optisches Element 1 nachgeordnet. Das erste optische Element 1 ist vorliegend als zusammengesetzter parabolischer Konzentrator (CPC), beispielsweise in der Form eines verspiegelten Hohlkörpers ausgeführt. An der Lichteintrittsseite 1a weist das erste optische Element 1 eine Lichteintrittsöffnung auf, mit einem Durchmesser von 2 × a1, der größer ist als die dem ersten optischen Element zugewandte Lichtaustrittsfläche des Leuchtdiodenchips 41 oder – im Fall von mehreren Leuchtdiodenchips 41 – größer als die Summe der Lichtaustrittsflächen.
Licht 5, 6, das vom Leuchtdiodenchip 41 stammt, wird beim Durchlauf durch das erste optische Element 1 kollimiert, derart, dass es nach dem Durchtritt einen Strahlkegel mit einem Öffnungswinkel von maximal plus/minus 15° bildet. Das Licht tritt dabei an der Lichtaustrittsseite 1b beispielsweise aus einer Lichtaustrittsöffnung auf, die einen Durchmesser von 2 × a2 aufweist.
Ein Teil des Lichts des Leuchtdiodenchips 41 tritt nicht in das erste optische Element 1 ein. Dieses Licht wird vom zweiten optischen Element 2 zur Lichtquelle 4 zurückreflektiert, wo es beispielsweise auf den Leuchtdiodenchip 41 trifft und von dort wiederum in Richtung des ersten optischen Elements 1 reflektiert wird.
Das zweite optische Element 2 befindet sich in direktem Kontakt mit einer Außenfläche des ersten optischen Elements 1 und umgibt das erste optische Element 1 an seiner Lichteintrittsseite 1a seitlich vollständig. Beispielsweise sind die der Lichtquelle 4 zugewandten Flächen des zweiten optischen Elements gerichtet reflektierend ausgebildet. Dabei ist es möglich, dass das zweite optische Element den Hohlraum zwischen der Lichtquelle 4 und dem ersten optischen Element vollständig abschließt (vergleiche dazu beispielsweise die 3), so dass kein Licht des Leuchtdiodenchips 41 anders als an der Lichtaustrittsseite 1b des ersten optischen Elements 1 nach außen treten kann.
Die Beleuchtungsvorrichtung umfasst ferner ein drittes optisches Element 3, das vorliegend als Interferenzfilter ausgebildet ist. Beispielsweise ist der Interferenzfilter als dielektrische Schichtenfolge auf einer Trägerplatte ausgebildet, welche an der Lichtaustrittsseite 1b beispielsweise in direktem Kontakt mit dem ersten optischen Element 1 stehen kann. Für den Fall, dass das erste optische Element 1 als Vollkörper ausgebildet ist, kann das dritte optische Element 3 beispielsweise als Schicht auch direkt an der Lichtaustrittsseite 1b auf das erste optische Element 1 aufgebracht sein.
Eine Reflexion des vom zweiten optischen Element 2 zum Leuchtdiodenchip 41 reflektierten Lichts erfolgt dort beispielsweise an der Außenfläche des Leuchtdiodenchips diffus, sodass eine erhöhte Wahrscheinlichkeit besteht, dass dieses Licht in das erste optische Element 1 eintreten kann.
In Verbindung mit der 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer hier beschriebenen Anzeigevorrichtung näher erläutert. Die Anzeigevorrichtung umfasst eine Beleuchtungsvorrichtung, wie sie in Verbindung mit der 1 näher erläutert ist. An der Lichtaustrittsseite 1b des ersten optischen Element 1 der Beleuchtungsvorrichtung ist ein Lichtleiter 7 angeordnet. Das Licht der Beleuchtungsvorrichtung wird an einer Kante in den Lichtleiter eingekoppelt. Vom Lichtleiter 7 tritt das Licht durch den Diffusor 8, der für eine Homogenisierung des austretenden Lichts sorgt und trifft dann beispielsweise auf ein LCD-Panel, welches das bildgebende Element 9 darstellt.
In Verbindung mit der 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer hier beschriebenen Anzeigevorrichtung näher erläutert. Im Unterschied zur in Verbindung mit der 2 beschriebenen Anzeigevorrichtung ist in diesem Ausführungsbeispiel eine Mischoptik 81, die optional ist, zwischen der Vielzahl von Beleuchtungsvorrichtungen 10 und dem flächigen Lichtleiter 7 angeordnet. Auf eine Darstellung des bildgebenden Elements 9 ist vorliegend aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet. Die Beleuchtungsvorrichtungen 10 können dabei monochromatisches Licht unterschiedlicher Farben und unterschiedlicher Wellenlängen erzeugen. Beispielsweise erzeugen die Beleuchtungsvorrichtungen Licht zweier unterschiedlicher Rottöne, zweier unterschiedlicher Grüntöne und zweier unterschiedlicher Blautöne. Dazu können die Beleuchtungsvorrichtungen 10 unterschiedliche Filter zur Erzeugung von spektral besonders schmalbandigem Licht nachgeordnet sein. Auch die Verwendung von weißem Licht unterschiedlicher Zusammensetzung oder anders zusammengesetzten mehrfarbigen Licht ist möglich. So können unterschiedliche Beleuchtungsvorrichtungen 10 beispielsweise unterschiedliche Rot- und unterschiedlicher Minttöne erzeugen.
Wie in der 3 dargestellt können die Filter für die einzelnen Beleuchtungsvorrichtungen dabei auf einer gemeinsamen Trägerplatte angeordnet sein. Alternativ ist es möglich, dass die Filter als Schichten auf einer der anderen Komponenten der Anzeigevorrichtung wie beispielsweise der Mischoptik 81, der Strahlungseintrittsfläche des Lichtleiters 7 oder an der Lichtaustrittsseite 1b auf den ersten optischen Elementen 1 der Beleuchtungsvorrichtungen 10 ausgebildet sind.
Im Unterschied zur 3 zeigt die 4 eine Anzeigevorrichtung, bei der auf einen Lichtleiter 7 verzichtet ist und das bildgebende Element 9 direkt vom Licht der Beleuchtungsvorrichtungen ausgeleuchtet wird. Die Verwendung einer Mischoptik 81 oder eines Diffusors 8 ist dabei jeweils optional.
In Verbindung mit der 5 ist eine Anzeigevorrichtung beschrieben, bei der auf das bildgebende Element verzichtet wird. Die Beleuchtungsvorrichtungen 10 finden hier selbst als bildgebende Elemente Verwendung. Beispielsweise können die Beleuchtungsvorrichtungen 10 wie oben beschrieben einzelnen Pixeln eines zu erzeugenden Bildes zugeordnet sein.
Insgesamt eignet sich eine hier beschriebene Beleuchtungsvorrichtung aufgrund der schmalbandigen Emission des Lichts besonders gut für bestimmte 3D-Darstellungstechniken zur Erzeugung von bewegten und unbewegten dreidimensionalen Bildern. Es ist jedoch auch möglich, dass sich eine hier beschriebene Beleuchtungsvorrichtung in anderen Einsatzgebieten, wie beispielsweise der Allgemeinbeleuchtung für eine besonders farbechte Ausleuchtung von Räumen oder Gegenständen als vorteilhaft erweist.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Beleuchtungsvorrichtung (10) mit – einer Lichtquelle (4), die zumindest einen Leuchtdiodenchip (41) umfasst und im Betrieb Licht (5, 6) erzeugt, – einem ersten optischen Element (1), das das durchtretende Licht (5, 6) der Lichtquelle (4) in einem vorgebbaren Winkelbereich kollimiert, – einem zweiten optischen Element (2), welches zumindest zunächst nicht in das erste optische Element (1) eintretendes Licht (5) der Lichtquelle (4) zur Lichtquelle (4) zurückreflektiert, und – einem dritten optischen Element (3), das die spektrale Bandbreite von durchtretendem Licht (5, 6) der Lichtquelle (4) zumindest stellenweise verringert, wobei – das erste optische Element (1) eine Lichteintrittsseite (1a) aufweist, die der Lichtquelle (4) zugewandt ist, – zumindest ein Teil des Lichts (5, 6) der Lichtquelle (4) an der Lichteintrittsseite in das erste optische Element eintritt, – das zweite optische Element (2) die Lichteintrittsseite (1a) des ersten optischen Elements (1) seitlich vollständig umgibt, – zumindest ein Großteil des Lichts der Lichtquelle (4), das nicht in das erste optische Element (1) eintritt auf das zweite optische Element (2) trifft, – das dritte optische Element (3) an einer der Lichteintrittseite (1a) abgewandten Lichtaustrittsseite (1b) des ersten optischen Elements (1) angeordnet ist, und – zumindest ein Großteil des aus der Lichtaustrittsseite (1b) des ersten optischen Elements (1) austretenden Lichts durch das dritte optische Element (3) tritt.
Beleuchtungsvorrichtung (10) nach dem vorherigen Anspruch, bei der das dritte optische Element (3) einen Interferenzfilter umfasst oder ein Interferenzfilter ist.
Beleuchtungsvorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der das dritte optische Element (3) als Schicht ausgebildet ist, die direkt auf eine Außenfläche des ersten optischen Elements (1) an dessen Lichtaustrittsseite (1b) aufgebracht ist.
Beleuchtungsvorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Lichtquelle (4) weißes oder mehrfarbiges Licht (5, 6) erzeugt und das dritte optische Element (3) zumindest zwei Transmissionsbande aufweist.
Beleuchtungsvorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der das erste optische Element (1) das durchtretende Licht (5, 6) der Lichtquelle (4) in einem Winkelbereich von höchstens +/–15° kollimiert.
Beleuchtungsvorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der das dritte optische Element (3) das Spektrum des durchtretenden Lichts (5, 6) der Lichtquelle (4) zumindest stellenweise zu einem Peak mit einer spektralen Bandbreite von höchsten 20 nm, insbesondere höchsten 10 nm verengt.
Beleuchtungsvorrichtung (10) nach dem vorherigen Anspruch, bei der die Lichtquelle (4) weißes oder mehrfarbiges Licht (5, 6) erzeugt und das dritte optische Element (3) zumindest zwei Transmissionsbande aufweist, wobei die Zahl der Peaks der Zahl der Transmissionsbande entspricht.
Beleuchtungsvorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der das zweite optische Element (2) auftreffendes Licht (5, 6) gerichtet reflektiert.
Beleuchtungsvorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der das zweite optische Element (2) sich stellenweise in direktem Kontakt mit einer Außenfläche des ersten optischen Elements (1) befindet.
Anzeigevorrichtung mit – zumindest einer Beleuchtungsvorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, und – einem Bild gebenden Element (9), das von Licht (5, 6) der zumindest einen Beleuchtungsvorrichtung (10) hinterleuchtet oder beleuchtet wird.
Anzeigevorrichtung nach dem vorherigen Anspruch mit – zumindest einem Lichtleiter (7), wobei – das Licht (5, 6) der der zumindest einen Beleuchtungsvorrichtung (10) zumindest zum Großteil in den Lichtleiter (7) eintritt und aus dem Lichtleiter (7) austretendes Licht (5, 6) der zumindest einen Beleuchtungsvorrichtung (10) das Bild gebende Element (9) hinterleuchtet.
Anzeigevorrichtung mit – zumindest einer Beleuchtungsvorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein Bild gebendes Element (9) durch die zumindest eine Beleuchtungsvorrichtung (10) gebildet ist.
Anzeigevorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der zumindest zwei der Beleuchtungsvorrichtungen Licht (5, 6) der gleichen Farbe erzeugen, wobei die Wellenlänge der maximalen Intensität des Lichts der Beleuchtungsvorrichtungen sich voneinander, insbesondere um wenigstens 10 nm, unterscheiden.