DE102011015161A1 - LED lighting device for illuminating e.g. interior of aircraft, has light guide comprising core region made of multi-component glass containing divalent iron and/or trivalent iron of predetermined amount - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine LED-Beleuchtungseinrichtung sowie ihre Anwendungen. LEDs (Light Emitting Diodes) gewinnen zunehmend an Bedeutung als Lichtquelle, zum einen weil sie als energieeffizient gelten, zum anderen weil sie eine lange Lebensdauer aufweisen und somit wenig Wartungsaufwand erwarten lassen.The invention relates to an LED lighting device and its applications. LEDs (Light Emitting Diodes) are becoming increasingly important as a light source, on the one hand because they are considered energy-efficient, on the other hand because they have a long service life and thus can be expected to require little maintenance.
Eine LED ist ein elektronisches Halbleiterbauelement. Wird sie mit Strom versorgt, strahlt sie elektromagnetische Strahlung aus, deren Wellenlänge im infraroten, sichtbaren und/oder im ultravioletten Spektralbereich liegen kann. Der in der vorliegenden Beschreibung verwendete Begriff LED beinhaltet keine Einschränkung auf eine bestimmte Wellenlänge der emittierten Strahlung.An LED is an electronic semiconductor device. When supplied with electricity, it emits electromagnetic radiation whose wavelength can be in the infrared, visible and / or ultraviolet spectral range. The term LED used in the present specification includes no limitation to a particular wavelength of the emitted radiation.
Es ist ebenso möglich, dass mehrere emittierende aktive Elemente auf einem Chip angeordnet werden, der ebenfalls im Sinne der vorliegenden Beschreibung als LED bezeichnet wird. Weiterhin ist mit dem verwendeten Begriff LED auch keine Einschränkung der Kohärenzlänge der emittierten Strahlung verbunden, so dass Laserdioden ebenfalls von diesem umfasst sind.It is also possible that a plurality of emitting active elements are arranged on a chip, which is also referred to as LED in the sense of the present description. Furthermore, no limitation of the coherence length of the emitted radiation is associated with the term LED used, so that laser diodes are likewise included therein.
Eine für Beleuchtungsanwendungen nachteilige Eigenschaft von LEDs ist allerdings darin begründet, dass kommerziell erhältliche LEDs in einer Verkapselung geliefert werden, die einen Reflektor und/oder eine Linse beinhalten, welche die von der LED emittierte Strahlung in einem relativ geringen Öffnungswinkel nach vorne abstrahlen lässt. Für die Beleuchtung größerer Flächen werden daher nach wie vorne gerne Leuchtstoffröhren eingesetzt. Diese sind allerdings mit dem Nachteil behaftet, dass sie leicht zerbrechen können, was insbesondere in Anwendungen problematisch ist, bei denen starke Vibrationen oder andere mechanische Belastungen auftreten können, aber auch dass sie eine relativ hohe Zündspannung benötigen, welche entsprechend aufwendige Elektronikbauteile bei der Stromversorgung voraussetzen und ebenfalls elektromagnetische Störstrahlung aussenden können. Ein weiterer Nachteil von Leuchtstoffröhren ist, dass sie an ihrer Leuchtfläche Wärme und UV-Strahlung aussenden.A disadvantageous feature of LEDs for lighting applications, however, is that commercially available LEDs are provided in an encapsulation that includes a reflector and / or a lens that emits the radiation emitted by the LED forward at a relatively small opening angle. For the illumination of larger areas, therefore, fluorescent tubes are still popular. However, these have the disadvantage that they can break easily, which is particularly problematic in applications where strong vibrations or other mechanical stresses may occur, but also that they require a relatively high ignition voltage, which require correspondingly expensive electronic components in the power supply and can also emit electromagnetic interference. Another disadvantage of fluorescent tubes is that they emit heat and UV radiation at their luminous area.
Um insbesondere den letztgenannten Nachteil zu umgehen schlägt die
Flächige Emissionsprofile werden durch die aus dem Stand der Technik bekannten kantenbeleuchteten Informationspanele erreicht. In der
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine LED basierte Beleuchtungsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche größere Flächen beleuchten kann, flammfest ist und reinweißes Licht spenden kann.Against this background, it is an object of the invention to provide an LED based lighting device which can illuminate larger areas, is flame resistant and can provide pure white light.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Beleuchtungsvorrichtung gemäß dem Hauptanspruch. Bevorzugte Ausführungsformen und Anwendungen ergeben sich aus den davon abhängigen Ansprüchen.The object is achieved by the lighting device according to the main claim. Preferred embodiments and applications emerge from the dependent claims.
Die erfindungsgemäße LED-Beleuchtungseinrichtung beinhaltet einen starren stabförmigen Lichtleiter, der zumindest eine Stirnfläche aufweist. Dieser ist zumindest eine LED zugeordnet. In dem Außenumfangsflächenbereich des starren stabförmigen Lichtleiters sind Mittel zum Auskoppeln von Strahlung vorhanden. Im Betriebszustand, d. h. wenn Strom durch die LED fließt, wird die von der zumindest einen LED emittierte Strahlung durch die Stirnfläche in den Lichtleiter eingestrahlt und von diesem durch Totalreflektion geführt. Die Mittel zum Auskoppeln der Strahlung sorgen dafür, dass die auf sie treffende Strahlung in den Lichtleiter hinein reflektiert und unter Durchtritt durch den Lichtleiter lateral, das bedeutet seitlich bzw. unter Austritt aus dessen Außenumfangsfläche, aus dem Lichtleiter ausgekoppelt wird. Der Lichtleiter besteht dabei zumindest in seinem Kernbereich aus einem Mehrkomponentenglas, das höchstens 50 ppm (parts per million) Fe2+ und/oder Fe3+ enthält. The LED lighting device according to the invention includes a rigid rod-shaped light guide, which has at least one end face. This is assigned at least one LED. In the outer peripheral surface area of the rigid rod-shaped optical waveguide there are means for decoupling radiation. In the operating state, ie when current flows through the LED, the radiation emitted by the at least one LED is radiated through the end face into the light guide and guided by the latter by total reflection. The means for decoupling the radiation ensure that the radiation impinging on them reflected into the light guide and laterally, while passing through the light guide, that is laterally or at the outlet from the outer peripheral surface, is coupled out of the light guide. The light guide consists at least in its core region of a multi-component glass containing at most 50 ppm (parts per million) Fe 2+ and / or Fe 3+ .
Ein Mehrkomponentenglas, auch Mineralglas genannt, wird aus mehr als einem Rohstoff erschmolzen und enthält die Oxide mehr als eines chemischen Elements. Das unterscheidet es von einem Quarzglas, das nur aus SiO2 besteht. Die Erfinder haben erkannt, dass der Eisenanteil des Glases maßgeblich dafür ist, dass durch den Lichtleiter selbst keine Verschiebung des Farbspektrums der in ihm geleiteten Strahlung stattfindet, welche eine Emission von reinweißer Strahlung unmöglich machen würde. Mit anderen Worten bedeutet das bei Lichtleitern aus Glas, die einen höheren Anteil an Fe2+ und/oder Fe3+ 50 ppm enthalten, dass wenn weißes Licht in ihnen geleitet würde, ein Farbstich beim Austritt des Lichts zu beobachten wäre, der für Beleuchtungsanwendungen unerwünscht oder zumindest nachteilhaft ist.A multi-component glass, also called mineral glass, is melted from more than one raw material and contains the oxides of more than one chemical element. This differentiates it from a quartz glass, which consists only of SiO 2 . The inventors have recognized that the iron content of the glass is decisive for the fact that the optical fiber itself does not shift the color spectrum of the radiation conducted in it, which would make emission of pure white radiation impossible. In other words, with glass optical fibers containing a higher proportion of Fe 2+ and / or
Das Fe2+ und/oder Fe3+ kann in dem Glas dabei in Form von Ionen vorliegen, oder aber in Form von Oxiden, beispielsweise FeO und/oder Fe2O3. Eisen gelangt oftmals in Gläser aufgrund von Verunreinigungen der Rohstoffe, die beim Schmelzen des Glases eingesetzt werden, aber auch durch die Verwendung von Stahlbauteilen, die in Verbindung mit der Glasschmelze kommen. Daher werden bei der Herstellung der Glasstäbe, die Bestandteil der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung sind, bevorzugt besonders reine Rohstoffe verwendet.The Fe 2+ and / or Fe 3+ may be present in the glass in the form of ions, or else in the form of oxides, for example FeO and / or Fe 2 O 3 . Iron often gets into glass due to contamination of the raw materials used in melting the glass, but also through the use of steel components that come in conjunction with the molten glass. Therefore, particularly pure raw materials are preferably used in the production of the glass rods which are part of the lighting device according to the invention.
Erfindungsgemäß sind die Mittel zum Auskoppeln der Strahlung im Außenumfangsbereich des starren stabförmigen Lichtleiters aufgebracht. Im einfachsten Fall besteht der Lichtleiter aus einem Glasstab aus dem beschriebenen Glas. Die Strahlung wird in dem Glasstab an der Grenzfläche des Glasstabes durch Totalreflektion gegen das umgebende Medium, im allgemeinen Luft, geleitet. Die Mittel zum Auskoppeln der Strahlung werden in diesem einfachsten Fall direkt außen auf dem Glasstab und somit auf seiner Außenumfangsfläche angebracht.According to the invention, the means for decoupling the radiation are applied in the outer peripheral region of the rigid rod-shaped optical waveguide. In the simplest case, the light guide consists of a glass rod from the described glass. The radiation is conducted in the glass rod at the interface of the glass rod by total reflection against the surrounding medium, generally air. The means for decoupling the radiation are in this simplest case directly outside of the glass rod and thus mounted on its outer peripheral surface.
Es ist aber ebenso möglich, dass der stabförmige Lichtleiter aus einem Kernbereich aus dem genannten Glas besteht, der von einem weiteren Glas mit einem niedrigeren Brechungsindex ummantelt ist. Die für die Lichtleitung benötigte Totalreflektion erfolgt dann an der Grenzfläche zwischen dem Kern- und dem Mantelglas mit dem niedrigeren Brechungsindex. Die Mittel zum Auskoppeln der Strahlung können auf dem Kernglas angebracht sein und von dem Mantelglas bedeckt werden, oder aber bei geeigneter Wahl z. B. der Brechungsindices der Gläser auf dem Mantelglas selbst. Gegenüber dem Kern ist die Dicke des oder der umgebenden Mäntel aber vergleichsweise gering. Aus diesem Grund bedeutet der Begriff Außenumfangsflächenbereich im Sinne der Erfindung nicht nur die Außenumfangsfläche des Lichtleiters, sondern eine Fläche, die sich in der äußeren Peripherie des Lichtleiters befindet, also auch in einer gewissen Tiefe nahe der Oberfläche. So ist es ebenfalls möglich und von der Erfindung umfasst, dass die Mittel zum Auskoppeln der Strahlung und/oder der Lichtleiter von mindestens einer weiteren Schicht, z. B. einer Schutzschicht, bedeckt sind, unabhängig davon, ob sich die Mittel zum Auskoppeln der Strahlung unmittelbar auf dem Kern aus dem genannten Glas oder auf einem ihn umgebenden Mantelglas befinden.But it is also possible that the rod-shaped light guide consists of a core region of said glass, which is covered by another glass with a lower refractive index. The total reflection required for the light pipe then takes place at the interface between the core and the cladding glass with the lower refractive index. The means for decoupling the radiation may be mounted on the core glass and covered by the cladding glass, or with a suitable choice z. As the refractive indices of the glasses on the cladding glass itself. Compared to the core, the thickness of the or the surrounding shells but relatively low. For this reason, the term outer peripheral surface area in the sense of the invention not only the outer peripheral surface of the light guide, but a surface which is located in the outer periphery of the light guide, ie at a certain depth near the surface. Thus, it is also possible and encompassed by the invention that the means for decoupling the radiation and / or the light guides of at least one further layer, for. As a protective layer, are covered, regardless of whether the means for coupling the radiation are directly on the core of said glass or on a surrounding cladding glass.
In der einfachsten Form werden Mittel zum Auskoppeln der Strahlung auf die Mantelfläche aufgedruckt und/oder aufgeklebt und/oder aufgesprüht. Sie befinden sich dann als Schicht direkt auf der Außenumfangsfläche. Es ist aber ebenso möglich, die Mittel zum Auskoppeln der Strahlung durch Strukturierung der Mantelfläche zu erzeugen, z. B. durch Aufrauen. Ebenso möglich ist das Aufbringen von Schichten, beispielsweise spiegelnden Schichten, durch physikalische Dampfphasenabscheidung (PVD), plasmainduzierte chemische Dampfphasenabscheidung (PICVD) und/oder Sputtern. Am einfachsten erfolgt allerdings das Aufdrucken oder Aufsprühen von beispielsweise weißer Farbe. Je nach Anwendung sind allerdings auch alle erdenklichen anderen Farben möglich. Durch die höchstens geringe Verfärbung des eingestrahlten Lichts durch den Lichtleiter gemäß der Erfindung kann somit die von der Beleuchtungseinrichtung emittierte Farbe einfach über die Farbe der Mittel zum Auskoppeln der Strahlung eingestellt werden. Alternativ kann ein Farbfilter in den Strahlengang eingebracht werden.In the simplest form, means for decoupling the radiation are printed on the lateral surface and / or glued and / or sprayed. You are then as a layer directly on the outer peripheral surface. But it is also possible to produce the means for coupling the radiation by structuring the lateral surface, for. B. by roughening. It is also possible to apply layers, for example, reflective layers, by physical vapor deposition (PVD), plasma-induced chemical vapor deposition (PICVD) and / or sputtering. The easiest way, however, is the printing or spraying of, for example, white color. Depending on the application, however, all conceivable other colors are possible. As a result of the at most slight discoloration of the incident light by the light guide according to the invention, the color emitted by the illumination device can thus be adjusted simply by the color of the means for decoupling the radiation. Alternatively, a color filter can be introduced into the beam path.
Der starre stabförmige Lichtleiter hat bevorzugt einen runden Querschnitt und ist gerade. Der Begriff umfasst aber ebenso wie die Erfindung andere Querschnittsgeometrien und/oder gebogene und/oder geknickte Lichtleiter respektive Stäbe. The rigid rod-shaped optical fiber preferably has a round cross section and is straight. However, as well as the invention, the term encompasses other cross-sectional geometries and / or curved and / or kinked optical fibers or rods.
Bevorzugt besteht der starre stabförmige Lichtleiter zumindest in seinem Kernbereich aus einem Glas, das enthält: 70%–85% SiO2, 8%–20% B2O3 und einzeln oder in Summe 2%–8% Na2O und/oder K2O und/oder Li2O. Dies bedeutet, dass nicht jedes der genannten Alkalimetalle in dem Glas enthalten sein muss, sondern mindestens eines in der genannten Mindestmenge. Weitere bevorzugte optionale Komponenten sind bist zu 7% Al2O3 und einzeln oder in Summe bis zu 5% MgO und/oder CaO und/oder BaO und/oder ZnO. Alle Prozentangaben in dieser Beschreibung werden in Gewichtsprozent (Gew.%) auf Oxidbasis angegeben. Wie beschrieben enthält das Glas erfindungsgemäß in Summe höchstens 50 ppm Fe2+ und/oder Fe3+, vorzugsweise höchstens 20 ppm, besonders bevorzugt höchstens 10 ppm. Weitere Komponenten sind optional, allerdings ist der Anteil von Schwermetallen wie Pb, Cd, Hg und Cr bevorzugt geringer als 100 ppm.Preferably, the rigid rod-shaped light guide, at least in its core region of a glass containing: 70% -85% SiO 2 , 8% -20% B 2 O 3 and individually or in total 2% -8% Na 2 O and / or K 2 O and / or Li 2 O. This means that not every one of the alkali metals mentioned must be present in the glass, but at least one in said minimum amount. Further preferred optional components are up to 7% Al 2 O 3 and individually or in total up to 5% MgO and / or CaO and / or BaO and / or ZnO. All percentages in this specification are given in weight percent (wt.%) Based on oxide. As described, the glass according to the invention contains in total at most 50 ppm Fe 2+ and / or Fe 3+ , preferably at most 20 ppm, particularly preferably at most 10 ppm. Other components are optional, but the proportion of heavy metals such as Pb, Cd, Hg and Cr is preferably less than 100 ppm.
Ein solches Glas zeichnet sich durch seine hervorragende Beständigkeit gegenüber Angriffen von Wasser, Säure und Laugen aus. Insbesondere entspricht es einer Wasserbeständigkeitsklasse HGB1 nach
Besonders bevorzugt besteht der starre stabförmige Lichtleiter zumindest in seinem Kernbereich aus einem Glas, das enthält: 75%–85% SiO2, 8%–15% B2O3, einzeln oder in Summe 2%–8% Na2O und/oder K2O und/oder Li2O, optional 0%–5% Al2O3 und optional einzeln oder in Summe 0%–2% MgO und/oder CaO und/oder BaO und/oder ZnO. Die vorgenannte Bedingung der Gehalte an Fe2+ und/oder Fe3+ gilt natürlich auch für diese besonders bevorzugten Gläser.Particularly preferably, the rigid rod-shaped light guide consists, at least in its core region, of a glass which contains: 75% -85% SiO 2 , 8% -15% B 2 O 3 , individually or in total 2% -8% Na 2 O and / or K 2 O and / or Li 2 O, optionally 0% -5% Al 2 O 3 and optionally individually or in total 0% -2% MgO and / or CaO and / or BaO and / or ZnO. The aforementioned condition of the contents of Fe 2+ and / or Fe 3+ of course also applies to these particularly preferred glasses.
Das Glas weist bevorzugt ein Elastizitätsmodul E, auch Young's Modulus genannt, von höchstens 66·103 N·mm–2 auf. Je kleiner der Zahlenwert von E ist, desto geringer ist die Steifheit des betreffenden Bauteils, hier des starren stabförmigen Lichtleiters aus dem genannten Glas. Es hat sich herausgestellt, dass das Elastizitätsmodul E mit der Widerstandsfähigkeit des Glases bzw. hier des starren stabförmigen Lichtleiters gegenüber Vibrationen korreliert, und zwar in der Weise, dass der Lichtleiter umso besser den Vibrationen standhält, je weniger steif er ist. Dies bedeutet, dass angestrebt wird, dass der Wert des Elastizitätsmodul E des Glases des starren Lichtleiters möglichst gering sein sollte, um eine gute Vibrationswiderstandsfähigkeit zu gewährleisten. Vibrationen können den starren Lichtleiter aus Glas insbesondere dadurch schädigen, dass sich Risse in diesem bilden, die zu einem Bruch des Lichtleiters und/oder zu Abplatzungen von Material führen können. Beides ist unverwünscht und kann zum Ausfall der Beleuchtungseinrichtung führen. Im Vergleich zu dem genannten Wert für das Elastizitätsmodul E von höchstens 66·103 N·mm–2 weist Quarzglas, wie es für Beleuchtungsvorrichtungen aus dem Stand der Technik bekannt ist, ein Elastizitätsmodul E von 72,5·103 N·mm–2 auf. Wie bereits beschrieben ist es viel spröder als das Mehrkomponentenglas gemäß der Erfindung und kann Vibrationsbelastungen weniger gut widerstehen.The glass preferably has a modulus of elasticity E, also called Young's modulus, of at most 66 × 10 3 N · mm -2 . The smaller the numerical value of E is, the lower the stiffness of the relevant component, in this case of the rigid rod-shaped optical waveguide made of said glass. It has been found that the modulus of elasticity E correlates with the resistance of the glass or in this case of the rigid rod-shaped optical fiber to vibrations, in such a way that the less rigid the optical fiber is, the better it will withstand the vibrations. This means that it is desired that the value of the elastic modulus E of the glass of the rigid optical fiber should be as low as possible in order to ensure a good vibration resistance. Vibrations can damage the rigid optical fiber made of glass in particular in that cracks form in it, which can lead to breakage of the optical fiber and / or to spalling of material. Both are undesirable and can lead to failure of the lighting device. As compared to the above-mentioned value for the modulus of elasticity E of at most 66 · 10 3 N · mm -2 , quartz glass has a modulus of elasticity E of 72.5 · 10 3 N · mm, as is known for lighting devices of the prior art . 2 on. As already described, it is much more brittle than the multicomponent glass according to the invention and can withstand vibration loads less well.
Gemäß der Erfindung ist es möglich, die von der zumindest einen LED emittierte Strahlung direkt oder durch ein Linsensystem fokussiert durch die Stirnfläche des Lichtleiters in diesen einzustrahlen, oder aber auch zwischen der zumindest einen LED und der Stirnfläche des starren stabförmigen Lichtleiters zumindest einen faseroptischen flexiblen Lichtleiter zu platzieren. Im Betriebszustand wird die von der zumindest einen LED emittierte Strahlung gemäß dieser Ausführungsform von dem flexiblen Faseroptischen Lichtleiter zu dem starren stabförmigen Lichtleiter transportiert. Linsen und/oder Linsensysteme können an beliebigen geeigneten Stellen vor und/oder nach den Grenzflächen der flexiblen faseroptischen Lichtleiter oder des starren stabförmigen Lichtleiters angeordnet werden. Besonders vorteilhaft wird der flexible faseroptische Lichtleiter dazu eingesetzt, die von der LED emittierte Strahlung umzulenken und/oder zu verteilen. Dies kann besonders vorteilhaft sein, wenn nur geringe Bautiefen für die LED und die Linsensysteme zur Verfügung stehen. Daher sieht es eine besonders bevorzugte Variante der Beleuchtungseinrichtung vor, dass im Betriebszustand die von der zumindest einen LED emittierte Strahlung durch ein Linsensystem in den flexiblen faseroptischen Lichtleiter geleitet wird, und dieser direkt, beispielsweise durch einen optischen Kitt und/oder eine geeignete Verklebung und/oder eine geeignete Fassung mit dem starren stabförmigen Lichtleiter verbunden ist. Der flexible faseroptische Lichtleiter kann bevorzugt um 90° oder um 180° gebogen werden, um das Licht in diese Richtung umzulenken.According to the invention, it is possible to irradiate the radiation emitted by the at least one LED directly or through a lens system through the end face of the light guide, or else between the at least one LED and the end face of the rigid rod light guide at least one fiber optic flexible light guide to place. In the operating state, the radiation emitted by the at least one LED according to this embodiment is transported by the flexible fiber optic light guide to the rigid rod-shaped light guide. Lenses and / or lens systems may be placed at any suitable locations in front of and / or beyond the interfaces of the flexible fiber optic light guides or the rigid rod light guide. Particularly advantageously, the flexible fiber optic light guide is used to redirect and / or distribute the radiation emitted by the LED. This can be particularly advantageous if only small depths for the LED and the lens systems are available. Therefore, a particularly preferred variant of the illumination device provides that, in the operating state, the radiation emitted by the at least one LED is conducted through a lens system into the flexible fiber-optic light guide, and this directly, for example by an optical cement and / or a suitable bond and / or or a suitable socket is connected to the rigid rod-shaped light guide. The flexible one Fiber optic light guides may preferably be bent 90 ° or 180 ° to redirect the light in that direction.
Neben der Ablenkung des Lichts und der Variation der Bauform kann der flexible faseroptische Lichtleiter allerdings auch vorteilhaft dazu eingesetzt werden, um den starren stabförmigen Lichtleiter und die Lichterzeugungseinheit, namentlich die zumindest eine LED und das optionale optische System, mechanisch voneinander zu entkoppeln. Auf diese Weise können Vibrationen der Lichterzeugungseinheit von dem starren stabförmigen Lichtleiter ferngehalten werden oder Vibrationen des starren stabförmigen Lichtleiters von der Lichterzeugungseinheit.In addition to the deflection of the light and the variation of the design of the flexible fiber optic light guide, however, can also be advantageously used to mechanically decouple the rigid rod-shaped light guide and the light generating unit, namely the at least one LED and the optional optical system. In this way, vibrations of the light generating unit can be kept away from the rigid rod-shaped light guide or vibrations of the rigid rod-shaped light guide from the light generating unit.
Ein häufiges Problem bei dem Einsatz von LEDs, insbesondere lichtstarken Hochleistungs-LEDs, ist deren Wärmeentwicklung. Wird die LED zu heiß, kann sie im Extremfall zerstört werden oder aber weniger Nutzstrahlung emittieren. Ein weiterer von der Betriebstemperatur bedingter Effekt ist der sog. Colorshift, der bedeutet, dass sich das Spektrum der emittierten Strahlung der LED abhängig von der Betriebstemperatur verändert. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist es daher vorgesehen, dass die zumindest eine LED in einem Gehäusekörper montiert ist, dessen Wandung als Kühlkörper für die LED dient und Mittel zum Halten des flexiblen oder des starren stabförmigen Lichtleiters aufweist oder direkt mit Mitteln zum Halten des flexiblen oder des starren stabförmigen Lichtleiters verbunden ist. Der Gehäusekörper erfüllt in diesem Fall eine Doppelfunktion, nämlich die zumindest eine LED und den starren stabförmigen Lichtleiter zu halten, und gleichzeitig über dessen Fläche die im Betrieb von der zumindest einen LED erzeugte Wärme abzustrahlen. Auf diese Weise kann die produzierte Wärme von der LED wegtransportiert werden, so dass diese keinen Schaden nimmt und/oder möglichst wenig Effizienz einbüßt und/oder möglichst wenig Colorshift aufweist.A common problem with the use of LEDs, especially bright high-power LEDs, is their heat development. If the LED is too hot, it can be destroyed in extreme cases or emit less useful radiation. Another effect due to the operating temperature is the so-called Colorshift, which means that the spectrum of the emitted radiation of the LED changes depending on the operating temperature. In a further preferred embodiment, it is therefore provided that the at least one LED is mounted in a housing body, whose wall serves as a heat sink for the LED and means for holding the flexible or the rigid rod-shaped light guide or directly with means for holding the flexible or the rigid rod-shaped light guide is connected. The housing body in this case fulfills a dual function, namely to hold the at least one LED and the rigid rod-shaped light guide, and at the same time to radiate over its surface the heat generated during operation by the at least one LED. In this way, the heat produced by the LED can be transported away, so that it takes no damage and / or as little loss of efficiency and / or has as little as possible Colorshift.
Der Gehäusekörper selbst kann natürlich ebenso mit anderen Gegenständen verbunden werden, beispielsweise um die gesamte Beleuchtungseinrichtung an dem gewünschten Ort anzubringen. Zum Fixieren der LED-Beleuchtungseinrichtung an anderen Gegenständen wird daher ein Montagekörper vorgesehen, der diese Funktion übernimmt. Bevorzugt dient dieser Montagekörper ebenso wie der zuvor genannte Gehäusekörper als Kühlkörper für die zumindest eine LED.The housing body itself can of course also be connected to other objects, for example, to attach the entire lighting device at the desired location. For fixing the LED lighting device to other objects, therefore, a mounting body is provided which performs this function. Preferably, this mounting body as well as the aforementioned housing body serves as a heat sink for the at least one LED.
Beim Betrieb der LED-Beleuchtungseinrichtung kann wie beschrieben Wärme entstehen, aber es ist ebenso möglich, dass die LED-Beleuchtungseinrichtung sich in Umgebungen befindet, die starke Temperaturschwankungen aufweisen können. Die Komponenten der Beleuchtungseinrichtung, insbesondere der starre und/oder der flexible Lichtleiter und die Mittel zum Halten des starren Lichtleiters und/oder der Gehäusekörper oder die Elemente der Lichterzeugungseinheit weisen in der Regel unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten auf. Dies hat zur Folge, dass sich die genannten Komponenten bei Temperaturänderungen gegeneinander bewegen können. Stoßen sie dabei zusammen, können diese Komponenten beschädigt und/oder dejustiert werden. Daher sind in einer besonders bevorzugten Ausführungsform die Mittel zum Halten des flexiblen oder des starren stabförmigen Lichtleiters so ausgebildet, dass eine axiale Verschiebung des flexiblen oder des starren stabförmigen Lichtleiters möglich ist. Durch diese Maßnahme ist es ebenso möglich, Fertigungstoleranzen insbesondere bzgl. der Länge des starren Lichtleiters und/oder des Gehäusekörpers auszugleichen. Ebenso wird die Montage erleichtert.As described, heat may be generated during operation of the LED lighting device, but it is also possible that the LED lighting device is in environments that may experience large temperature fluctuations. The components of the illumination device, in particular the rigid and / or flexible light guide and the means for holding the rigid light guide and / or the housing body or the elements of the light generating unit generally have different thermal expansion coefficients. This has the consequence that the components mentioned can move against each other with temperature changes. If they collide, these components may be damaged and / or misaligned. Therefore, in a particularly preferred embodiment, the means for holding the flexible or the rigid rod-shaped light guide are formed so that an axial displacement of the flexible or the rigid rod-shaped light guide is possible. By this measure, it is also possible to compensate for manufacturing tolerances in particular with respect to the length of the rigid optical fiber and / or the housing body. Likewise, the assembly is facilitated.
Besonders bevorzugt sind die Mittel zum Halten des flexiblen oder des starren stabförmigen Lichtleiters weiterhin so ausgebildet, dass sie Vibrationen des starren stabförmigen Lichtleiters auch in der Richtung senkrecht zu seiner Achse abfangen. Dies kann dadurch erreicht werden, indem zumindest einige der Mittel zum Halten im Wesentlichen senkrecht zur Achse des starren stabförmigen Lichtleiters auslenkbar sind und nach der Auslenkung wieder in ihre Ursprungsposition zurückkehren. Neben der Gestaltung dieser Mittel zum Halten kann dies durch eine geeignete Materialwahl, beispielsweise aus thermoplastischen Kunststoffen, ermöglicht werden.Particularly preferably, the means for holding the flexible or the rigid rod-shaped light guide are further designed so that they also absorb vibrations of the rigid rod-shaped light guide in the direction perpendicular to its axis. This can be achieved by at least some of the means for holding substantially perpendicular to the axis of the rigid rod-shaped light guide are deflectable and return to its original position after the deflection. In addition to the design of these means for holding this can be made possible by a suitable choice of materials, for example made of thermoplastic materials.
Die beschriebene Konstruktion ermöglicht es in einer besonders bevorzugten Ausführungsform, dass der starre stabförmige Lichtleiter gegenüber dem Gehäusekörper um seine Achse drehbar angebracht ist, so dass das nutzbare Licht unabhängig von dem Ort der Montage des Gehäusekörpers und/oder des Montagekörpers aus dem Lichtleiter auskoppelbar ist. Bei konventionellen Beleuchtungseinrichtungen mit Leuchtstoffröhren als Beleuchtungsmittel wird das nutzbare Licht in der maximalen Intensität in Richtung der Reflektoren ausgesandt. Die Reflektoren sind ein Bestandteil solcher Beleuchtungseinrichtungen, so dass deren Positionierung bei deren Montage berücksichtigt werden muss. Dies beeinträchtigt die Freiheit bei der Auslegung der Montageorte und ist besonders nachteilig beispielsweise in Flugzeugkabinen oder in den Innenräumen von Zügen. In der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung wird der Reflektor sozusagen von den Mitteln zum Auskoppeln der Strahlung repräsentiert und auf dem starren Lichtleiter angeordnet, so dass dieser gegenüber dem Gehäuse- und/oder dem Montagekörper verdreht werden kann, wodurch bei der Positionierung der Beleuchtungseinrichtung weniger Parameter zu berücksichtigen sind und größere Freiheiten bestehen.The construction described makes it possible in a particularly preferred embodiment that the rigid rod-shaped optical fiber is rotatably mounted relative to the housing body about its axis, so that the usable light can be coupled out regardless of the location of mounting the housing body and / or the mounting body of the light guide. In conventional lighting devices with fluorescent tubes as the illumination means, the usable light is emitted in the maximum intensity in the direction of the reflectors. The reflectors are part of such lighting devices, so that their positioning must be taken into account during their installation. This impairs the freedom of design of the mounting locations and is particularly disadvantageous for example in aircraft cabins or in the interior of trains. In the illumination device according to the invention, the reflector is as it were represented by the means for decoupling the radiation and arranged on the rigid optical fiber, so that this opposite the housing and / or the mounting body can be rotated, whereby in the positioning of the lighting device fewer parameters are taken into account and greater freedom exist.
Bevorzugt wird die Verdrehung des starren stabförmigen Lichtleiters und damit die Justage des Beleuchtungsorts bei der Montage der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung durchgeführt. Anschließend kann es unerwünscht sein, dass sich der starre stabförmige Lichtleiter axial verdreht. Daher sieht eine besonders bevorzugte Ausführungsform vor, dass der starre stabförmige Lichtleiter mittels zumindest einer Unterstützungsstruktur mit dem Montagekörper verbunden ist. Die Unterstützungsstruktur weist dabei bevorzugt Mittel zum Fixieren des starren stabförmigen Lichtleiters auf, so dass die Verdrehung um seine Achse verhindert wird. Die Mittel zum Fixieren können auf verschiedenste Art und Weise realisiert werden, beispielsweise durch eine Verklemmvorrichtung, oder aber auch durch Klemmschrauben, beispielsweise durch Madenschrauben etc.. Der Einsatz der Unterstützungsstruktur kann auch den weiteren Vorteil bewirken, dass der starre stabförmige Lichtleiter bei Belastungen senkrecht zu seiner Achse, die bei der Montage und/oder Justage und/oder durch Vibrationen im Betrieb auftreten können, von der Unterstützungsstruktur unterfangen wird. Dadurch kann die maximale Durchbiegung des starren stabförmigen Lichtleiters limitiert und sein Brechen verhindert werden.Preferably, the rotation of the rigid rod-shaped optical waveguide and thus the adjustment of the illumination location during assembly of the illumination device according to the invention is performed. Subsequently, it may be undesirable that the rigid rod-shaped optical fiber is twisted axially. Therefore, a particularly preferred embodiment provides that the rigid rod-shaped light guide is connected by means of at least one support structure with the mounting body. The support structure preferably has means for fixing the rigid rod-shaped light guide, so that the rotation about its axis is prevented. The means for fixing can be realized in various ways, for example by a Verklemmvorrichtung, or else by clamping screws, for example by grub screws etc. The use of the support structure can also bring about the further advantage that the rigid rod-shaped light guide at loads perpendicular to its axis, which may occur during assembly and / or adjustment and / or vibrations during operation, is supported by the support structure. As a result, the maximum deflection of the rigid rod-shaped light guide can be limited and its breakage can be prevented.
Die durch die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung zur Verfügung gestellte Strahlungsmenge und damit auch die Lichtintensität kann erhöht werden, indem zumindest zwei gerade starre stabförmige Lichtleiter parallel zueinander angeordnet mit einem Montagekörper verbunden und unabhängig voneinander gegenüber dem Gehäusekörper und/oder dem Montagekörper um ihre Achse verdrehbar sind. Das nutzbare Licht ist dann unabhängig von dem Ort der Montage des Gehäusekörpers und/oder des Montagekörpers aus dem Lichtleiter auskoppelbar und der gesamte Abstrahlwinkel der LED-Beleuchtungseinrichtung ist auf diese Weise einstellbar. Dies entspricht sozusagen einem Multistabsystem. Es können zwei, drei oder mehr starre Lichtleiter vorgesehen sein.The amount of radiation provided by the illumination device according to the invention and thus also the light intensity can be increased by at least two straight rigid rod-shaped light guides arranged parallel to each other connected to a mounting body and are independently rotatable about its axis relative to the housing body and / or the mounting body. The usable light is then decoupled from the light guide regardless of the location of the mounting of the housing body and / or the mounting body and the entire beam angle of the LED lighting device is adjustable in this way. This corresponds to a multistatic system, so to speak. Two, three or more rigid optical fibers can be provided.
Das optische System der LED-Beleuchtungseinrichtung besteht bevorzugt aus einem Linsensystem, das besonders bevorzugt aus zwei asphärischen Linsen besteht, deren Brennweiten auf die numerische Apertur des Lichtleiters abgestimmt sind, in den die Strahlung eingekoppelt wird. Befinden sich die Linsen vor dem flexiblen Lichtleiter, d. h. koppeln sie die von der LED emittierte Strahlung in den flexiblen Lichtleiter ein, ist das optische System auf die numerische Apertur des flexiblen Lichtleiters abgestimmt. Befinden sich die Linsen vor dem starren Lichtleiter, so dass die von der LED emittierte Strahlung von den Linsen direkt in den starren Lichtleiter geleitet werden, sind deren Brennweiten auf die numerische Apertur des starren Lichtleiters abgestimmt. Wie dem Fachmann bekannt ist, ist die numerische Apertur der Sinus des Akzeptanzwinkels des Lichtleiters. Wird auf diese Abstimmung verzichtet, kann in den meisten Fällen die von der LED emittierte Strahlung nicht vollständig in den Lichtleiter eingekoppelt werden und die Effizienz und/oder die durch die Beleuchtungseinrichtung zur Verfügung gestellte maximale Helligkeit ist geringer.The optical system of the LED illumination device preferably consists of a lens system, which particularly preferably consists of two aspherical lenses whose focal lengths are matched to the numerical aperture of the optical waveguide into which the radiation is coupled. Are the lenses in front of the flexible light guide, d. H. When the radiation emitted by the LED is coupled into the flexible light guide, the optical system is tuned to the numerical aperture of the flexible light guide. If the lenses are located in front of the rigid optical waveguide so that the radiation emitted by the LED is guided by the lenses directly into the rigid optical waveguide, their focal lengths are matched to the numerical aperture of the rigid optical waveguide. As is known to those skilled in the art, the numerical aperture is the sine of the acceptance angle of the optical fiber. If this vote is dispensed with, in most cases the radiation emitted by the LED can not be completely coupled into the optical waveguide and the efficiency and / or the maximum brightness provided by the illumination device is lower.
Bevorzugt befindet sich eine Linse des beschriebenen Linsensystems im Verbund mit der LED. Meistens wird diese Preferably, a lens of the described lens system is in combination with the LED. Mostly this will
dann bereits bei der Herstellung der LED bei der Verkapselung der LED mit aufgebracht. Die andere Linse ist bevorzugt in einer Fassung montiert, die mit dem Gehäusekörper verbunden und somit auch in diesem montiert ist.then already applied in the manufacture of the LED in the encapsulation of the LED with. The other lens is preferably mounted in a socket, which is connected to the housing body and thus also mounted in this.
Die LED ist bevorzugt ein LED-Chip, der insbesondere einen RGB-, RGBA-, RGBW- oder einen RGGB-Chip umfasst. Weiterhin kann dieser besonders bevorzugt ein Sensor (sowie im Folgenden exemplarisch beschriebene Maßnahmen) zur Regelung des Farbortes und/oder der Helligkeit der emittierten Strahlung der LED zugeordnet sein. Dabei ist es möglich, dass sich der Sensor auf dem LED-Chip befindet, oder er kann an einer anderen Stelle im Strahlengang integriert sein. Ebenso ist es möglich, dass sich der Sensor an einer beliebigen Stelle des starren und/oder gegebenenfalls vorhandenen flexiblen Lichtleiters befindet. Die LED und/oder der Chip ist in der Regel einer Auswerte- und Regelelektronik zugeordnet, welche den Farbort und/oder die Helligkeit bestimmt, woraufhin die LED bzw. der LED-Chip so angesteuert werden, dass bestimmte Betriebszustände der LED eingestellt werden. Durch gezielte Ansteuerung der Elemente des Chips erfolgt eine Farbmischung der emittierten Strahlung. Auf diese Weise kann beispielsweise Licht einer beliebigen Farbe von der LED und somit der Beleuchtungseinrichtung emittiert werden. Wie bereits bzgl. des Colorshift beschrieben kann der Farbort allerdings abhängig von den Umgebungsbedingungen, insbesondere der Temperatur, aber auch vom Alter der LED variieren. Diese Variation kann nicht determiniert werden, weshalb der Sensor die Intensität der Strahlung und deren Farbort messen soll. Durch Berücksichtigung dieser Werte bei der Ansteuerung der LED bzw. LED-Chips können ein reproduzierbarer und dauerhaft stabiler Farbort sowie eine reproduzierbare und dauerhaft stabile Intensität der von der Beleuchtungseinrichtung emittierten Strahlung erreicht werden.The LED is preferably an LED chip, which in particular comprises an RGB, RGBA, RGBW or RGGB chip. Furthermore, this sensor may be associated with a sensor (and measures described below by way of example) for controlling the color locus and / or the brightness of the emitted radiation of the LED. It is possible that the sensor is located on the LED chip, or it may be integrated at another point in the beam path. It is also possible that the sensor is located at any point of the rigid and / or optionally existing flexible light guide. The LED and / or the chip is usually associated with an evaluation and control electronics, which determines the color location and / or brightness, whereupon the LED or the LED chip are controlled so that certain operating states of the LED can be set. By targeted control of the elements of the chip is a color mixing of the emitted radiation. In this way, for example, light of any color can be emitted from the LED and thus the illumination device. However, as already described with regard to the color shift, the color location can vary depending on the ambient conditions, in particular the temperature, but also on the age of the LED. This variation can not be determined, which is why the sensor should measure the intensity of the radiation and its color location. By taking these values into account when controlling the LED or LED chips, a reproducible and permanently stable color location as well as a reproducible and permanently stable intensity of the radiation emitted by the illumination device can be achieved.
Von der Erfindung sind nicht nur Beleuchtungseinrichtungen mit geraden starren stabförmigen Lichtleitern umfasst, sondern ebenso solche mit beliebig gebogenen starren Lichtleitetrn. The invention includes not only lighting devices with straight rigid rod-shaped optical fibers, but also those with arbitrarily bent rigid Lichtleitetrn.
Besonders bevorzugt ist es, wenn jeder Stirnseite der starren Lichtleiters zumindest eine LED zugeordnet ist und im Betriebszustand durch jede dieser Stirnseiten Strahlung in den Lichtleiter eingekoppelt wird. Dies kann zu weiter erhöhten erzielbaren Intensitäten der Beleuchtungseinrichtung führen. Besonders bevorzugt befinden sich die genannten LEDs vor jeder Stirnseite in den beschriebenen Gehäusekörpern und weisen das beschriebene Linsensystem auf. Die zumindest zwei Gehäusekörper können auf einem gemeinsamen Montageelement angebracht sein. Dadurch kann eine besonders große Oberfläche erreicht werden, die wie beschrieben zur Abfuhr der von den LEDs erzeugten Wärme und damit zur Kühlung der LEDs genutzt werden kann.It is particularly preferred if each end face of the rigid optical waveguide is assigned at least one LED and, in the operating state, radiation is coupled into the optical waveguide through each of these end faces. This can lead to further increased achievable intensities of the illumination device. Particularly preferably, the said LEDs are located in front of each end face in the housing bodies described and have the described lens system. The at least two housing bodies may be mounted on a common mounting element. As a result, a particularly large surface can be achieved, which as described can be used to dissipate the heat generated by the LEDs and thus to cool the LEDs.
Um ein möglichst homogenes Emissionsprofil zu erzeugen, werden die Mittel zum Auskoppeln der Strahlung durch eine zumindest abschnittsweise auf den starren stabförmigen Lichtleiter aufgebrachte Beschichtung gebildet, die bevorzugt durch Variation ihrer Dichte und/oder Struktur und/oder geometrisches Muster und/oder Zusammensetzung so ausgebildet wird, dass im Betriebszustand der mit der Entfernung zur LED zunehmende Abfall der Intensität der in dem Lichtleiter geleiteten Strahlung zumindest teilweise ausgeglichen wird. So kann für den Benutzer der Eindruck einer weitgehend homogen abstrahlenden Lichtquelle erreicht werden. Alle zum Aufbringen der Beschichtung geeigneten Verfahren sind möglich, bevorzugt werden allerdings Druckverfahren, insbesondere Sieb- oder Tampondruck.In order to produce the most homogeneous possible emission profile, the means for decoupling the radiation are formed by a coating applied at least in sections to the rigid rod-shaped optical fiber, which is preferably formed by varying its density and / or structure and / or geometric pattern and / or composition in that, in the operating state, the decrease of the intensity of the radiation conducted in the light guide, which increases with the distance to the LED, is at least partially compensated. Thus, the impression of a largely homogeneously radiating light source can be achieved for the user. All methods suitable for applying the coating are possible, but preference is given to printing methods, in particular screen or pad printing.
Die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung weist den besonderen Vorteil auf, dass flammfeste Materialen verwendet werden, insbesondere der starre Lichtleiter aus Glas. Dieser ist durch die Auswahl des Glases auch noch vibrationsresistent. Dies macht die Beleuchtungsvorrichtung besonders geeignet für den Einsatz in Innenräumen von Flugzeugen, für die besondere Sicherheitsbestimmungen gelten. Besonders bevorzugte Anwendungen erfolgen daher in Flugzeugkabinen und/oder Flugzeugfrachträumen.The lighting device according to the invention has the particular advantage that flame-resistant materials are used, in particular the rigid optical fiber made of glass. This is by the selection of the glass also vibration resistant. This makes the lighting device particularly suitable for use in interiors of aircraft subject to special safety regulations. Particularly preferred applications are therefore carried out in aircraft cabins and / or aircraft cargo holds.
Ihre Vorteile sind aber auch nutzbringend einsetzbar in den Innenräumen von anderen Verkehrsmitteln wie Zügen oder Automobilen (Personenkraftwagen ebenso wie Lastkraftwagen).Their advantages are also useful in the interiors of other means of transport such as trains or automobiles (passenger cars as well as trucks).
Weitere vorteilhafte und bevorzugte Verwendungen sind allgemein Leuchtelemente von Fahrzeugen, bevorzugt Tagfahrlicht und/oder Positionslicht an der Front von Automobilen und/oder als Element deren Frontscheinwerfer, oder als Element der Heckleuchte von Automobilen.Further advantageous and preferred uses are generally light elements of vehicles, preferably daytime running lights and / or position lights on the front of automobiles and / or as an element whose headlights, or as an element of the taillight of automobiles.
Eine weitere bevorzugte Verwendung der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung erfolgt als Element einer Designerlampe und/oder Haushaltslampe und/oder Bürolampe. Weitere bevorzugte Anwendungen sind Regalbeleuchtungen, insbesondere in Verkaufsregalen, Schränken und sonstigen Möbeln.A further preferred use of the illumination device according to the invention takes place as an element of a designer lamp and / or household lamp and / or office lamp. Other preferred applications are shelf lighting, especially on store shelves, cabinets and other furniture.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen weiter verdeutlicht. Die Zeichnungen sind schematisch, die Maßstäbe und Abmessungen müssen nicht mit den tatsächlichen Gegenständen übereinstimmen. Es zeigen:The invention will be further clarified below with reference to the drawings. The drawings are schematic, the scales and dimensions do not have to match the actual objects. Show it:
In
Das Prinzip der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen LED-Beleuchtungseinrichtung (
Die LED (
Die Mittel zum Halten (
Wie in der
Durch die Halterung des Lichtleiters (
Bevorzugt weist die Unterstützungsstruktur (
Die Unterstützungsstruktur (
In
Die Unterstützungsstrukturen befinden sich bevorzugt an Positionen des Montagekörpers (
Die Verbindung zwischen Gehäusekörpern (
In den
Die in den
Die Ausführungsformen gemäß den
Die vorgestellten LED-Beleuchtungseinrichtungen (
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R230 | Request for early publication | ||
R120 | Application withdrawn or ip right abandoned |
Effective date: 20120531 |