DE102011112285A1 - Optical device for use as e.g. illumination device and for illuminating e.g. road sign, has lenses arranged in small distance to surface of light sources, where one of lenses focuses light in direction and forms light on defined geometry - Google Patents
Optical device for use as e.g. illumination device and for illuminating e.g. road sign, has lenses arranged in small distance to surface of light sources, where one of lenses focuses light in direction and forms light on defined geometry Download PDFInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Lichtformung eines durch eine LED-Lichtquelle abgegebenen Lichtes, umfassend eine oder mehrere LED-Lichtquellen und eine oder mehrere Linsen. Die Vorrichtung dient der Erzeugung eines auf die Beleuchtung bestimmter Flächen, Objekte oder Räume angepassten Lichtes hoher Homogenität.The invention relates to a device for light shaping of a light emitted by an LED light source comprising one or more LED light sources and one or more lenses. The device serves to generate a light of high homogeneity adapted to the illumination of specific surfaces, objects or rooms.
Licht-emittierende Dioden oder LED können als künstliche Lichtquelle oder Leuchtmittel ausgebildet sein. Sie können in vielfältiger Weise für eine Beleuchtung von Flächen, Gegenständen oder Räumen sowie auch zur Illumination, d. h. zur Erzeugung von Lichteffekten zu dekorativen oder künstlerischen Effekten, genutzt werden. LED umfassen typischerweise ein elektronisches Halbleiter-Bauelement, welches bei Durchfließen mit Strom Licht emittiert. Die Farbe des emittierten Lichtes, somit die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung der Diode, hängt von dem Halbleitermaterial sowie der Dotierung ab. Manche LEDs benutzen sogenannte Konvertermaterialien, und die gewünschte Farbe einzustellen – beispielsweise wird das Licht einer blauen LED mittels eines Konvertermaterials in weißes Licht umgewandelt.Light-emitting diodes or LEDs can be designed as artificial light source or light source. They can be used in a variety of ways to illuminate surfaces, objects, or rooms, as well as for illumination, d. H. used to create lighting effects for decorative or artistic effects. LEDs typically include a semiconductor electronic device that emits light when flowing through current. The color of the emitted light, thus the wavelength of the electromagnetic radiation of the diode, depends on the semiconductor material as well as the doping. Some LEDs use so-called converter materials, and to set the desired color - for example, the light of a blue LED is converted by means of a converter material into white light.
Unter Beleuchtung ist in diesem Zusammenhang die optische Ausleuchtung oder Erhellung von Objekten, Flächen oder Räumen zu verstehen, so beispielsweise die optische Ausleuchtung von Objekten – etwa in Mikroskopen – oder die Erhellung von Wegen, Gängen oder Gegenständen wie etwa Verkehrszeichen.Under illumination in this context, the optical illumination or illumination of objects, surfaces or spaces to understand, such as the optical illumination of objects - such as in microscopes - or the illumination of paths, aisles or objects such as traffic signs.
Die Lichtstärke sowie die Lichtausbeute der LEDs konnte in den letzten Jahren deutlich gesteigert werden, wodurch sich für derartige Lichtquellen beständig weitere Anwendungsbereiche öffnen. So konnte etwa die Lichtausbeute von weniger als 1 Lumen/Watt auf über 200 Lumen/Watt gesteigert werden.The luminous intensity and the luminous efficacy of the LEDs has been significantly increased in recent years, which constantly opens up further fields of application for such light sources. For example, the luminous efficacy could be increased from less than 1 lumen / watt to more than 200 lumen / watt.
Wurden LED zunächst beispielsweise als Anzeigeelement für Statusanzeigen, etwa in Uhren oder Instrumenten, genutzt, so werden sie heutzutage auch als Leuchtmittel etwa in Taschenlampen eingesetzt. Lichtstarke LED werden inzwischen auch im Bereich der Außen-Fahrzeugbeleuchtung, beispielsweise als Tagfahrlicht oder Rücklicht, eingesetzt. Ein eher junges Anwendungsgebiet stellt der Einsatz von LED-Lichtquellen im Bereich der Straßenbeleuchtung dar.If LEDs were initially used, for example, as a display element for status displays, for example in watches or instruments, they are now also used, for example, as bulbs in flashlights. High-intensity LEDs are now also used in the field of exterior vehicle lighting, for example as a daytime running light or tail light. A rather young field of application is the use of LED light sources in the field of street lighting.
Die
Zur Beleuchtung von Straßen beschreibt die
Ist dagegen etwa zur Erreichung einer geforderten Lichtstärke der Einsatz mehrere Lichtquellen erforderlich, die parallel zu einem homogenen Licht geformt werden sollen, so ist diese Anordnung hierfür ungeeignet.If, on the other hand, it is necessary to use a plurality of light sources, which are to be formed parallel to a homogeneous light, to achieve a required luminous intensity, then this arrangement is unsuitable for this purpose.
Die
In der
Durch die bekannten Vorrichtungen und Verfahren kann Licht von LED-Lichtquellen gebündelt und konzentriert werden. Durch die Bündelung entsteht hierdurch ein Lichtstrahl mit einer hohen Lichtintensität im Zentrum sowie einer im äußeren Bereich des Lichtstrahls stark abfallenden Lichtstärke. Eine annähernd gleichmäßige und homogene Beleuchtung von Flächen oder Räumen ist daher nicht gewährleistet.By the known devices and methods, light from LED light sources can be focused and concentrated. By bundling this creates a light beam with a high light intensity in the center as well as a strong drop in the outer region of the light beam intensity. An approximately uniform and homogeneous illumination of surfaces or rooms is therefore not guaranteed.
Hieraus ergibt sich die Aufgabe der Erfindung.This results in the object of the invention.
Ziel der Erfindung ist es, eine bestimmte Formung des Lichtes zu erreichen. Das kann z. B. eine homogene und annähernd gleichmäßige Beleuchtung eines Raumes, einer Fläche oder eines Objektes mittels LED-Lichtquellen sein. Dabei soll die beleuchtete Fläche, die durch das emittierte Licht aus der Lichtquelle angestrahlt wird, möglichst homogen und gleichmäßig beleuchtet werden. Des weiteren soll auch eine gewisse Lichtverteilung und Abschwächung der Lichtstärke zum Rand der beleuchteten Fläche erreicht werden können, um z. B. bestimmte Gradienten vom Zentrum zum Rand hin festlegen zu können.The aim of the invention is to achieve a specific shaping of the light. This can z. B. be a homogeneous and nearly uniform illumination of a room, a surface or an object by means of LED light sources. In this case, the illuminated area, which is illuminated by the emitted light from the light source, should be illuminated as homogeneously and uniformly as possible. Furthermore, a certain light distribution and attenuation of the light intensity to the edge of the illuminated surface should be achieved to z. B. to be able to determine certain gradients from the center to the edge.
Ziel kann es auch sein, bestimmte Formen des Lichtfleckes zu erreichen, umfassend quadratische, rechteckige, vieleckige, runde oder ovale Formen des Lichtfleckes.The aim may also be to achieve certain shapes of light spot, including square, rectangular, polygonal, round or oval shapes of the spot.
Es soll insbesondere auch dann die gewünschte Form des Lichtfleckes mit vorgegebener Helligkeitsverteilung (z. B. eine homogene und annähernd gleichmäßige Beleuchtung der Fläche) erreicht werden, wenn mehrere LED-Lichtquellen parallel verwendet werden, welche einen größeren Lichtstrom (bzw. Strahlungsfluss im nicht-sichtbaren Wellenlängenspektrum elektromagnetischer Strahlung), abstrahlen. Ziel ist es somit auch, Licht aus mehreren LED-Lichtquellen derart zu formen, dass auf dem beleuchteten bzw. angestrahlten Objekt bzw. auf den Flächen des beleuchteten bzw. angestrahlten Raumes eine flächige Zone mit der gewünschten Lichtstärkeverteilung (z. B. homogener, annähernd gleichmäßiger Helligkeit) erzeugt wird. Dabei soll auch eine kompakte, kleine Bauform der LED-Lichtquelle erreicht werden.In particular, the desired shape of the light spot with predetermined brightness distribution (eg homogeneous and approximately uniform illumination of the area) should also be achieved if several LED light sources are used in parallel, which produce a larger luminous flux (or radiation flux in the non-luminous area). visible wavelength spectrum of electromagnetic radiation) radiate. The aim is therefore also to form light from a plurality of LED light sources in such a way that on the illuminated or illuminated object or on the surfaces of the illuminated or illuminated space, a planar zone with the desired light intensity distribution (eg homogeneous, approx uniform brightness) is generated. It should also be a compact, small design of the LED light source can be achieved.
Überraschend einfach wird diese Aufgabe durch eine optische Vorrichtung, umfassend eine oder mehrere LED-Lichtquellen sowie eine oder mehrere Linsen, nach einem der unabhängigen Ansprüche gelöst. Dabei üben die eine oder mehrere Linsen die Funktionen eines Bündelns und/oder einer Kollimation eines durch die eine oder mehrere LED-Lichtquellen emittierten Lichtes sowie des Formens aus, wobei eine Fläche vorgegebener geometrischer Form in einem bestimmten Abstand von der Vorrichtung erhellt und das LED-Licht somit geformt wird.Surprisingly, this object is achieved by an optical device comprising one or more LED light sources and one or more lenses, according to one of the independent claims. In this case, the one or more lenses perform the functions of bundling and / or collimating a light emitted by the one or more LED light sources as well as forming, wherein an area of predetermined geometric shape is illuminated at a specific distance from the device and the LED is illuminated. Light is thus shaped.
Dabei kann besonders vorteilhaft die Bauweise der optischen Vorrichtung sehr klein gehalten werden.In this case, the design of the optical device can be kept very small particularly advantageous.
Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.Preferred embodiments and further developments of the invention are to be taken from the respective subclaims.
Unter einer homogenen Beleuchtung einer Fläche wird im Sinne der Erfindung verstanden, dass ein bestimmter Anteil einer beleuchteten Fläche eine vorzugsweise identische Helligkeit durch eine erfindungsgemäße Beleuchtung und somit keinen oder nur einen geringen Helligkeitsunterschied aufweist. Dies bedeutet, dass sich die Helligkeit eines jeden Punktes einer homogen beleuchteten Fläche nicht oder nur sehr gering von den anderen Punkten der homogen beleuchteten Fläche unterscheidet.A homogeneous illumination of a surface is understood in the sense of the invention that a certain proportion of an illuminated surface has a preferably identical brightness by an illumination according to the invention and thus no or only a slight difference in brightness. This means that the brightness of each point of a homogeneously illuminated area differs only slightly, or only slightly, from the other points of the homogeneously illuminated area.
Vorzugsweise liegen dabei die minimale und die maximale Abweichung der Helligkeit der Punkte einer homogen beleuchteten Fläche, ausgehend von dem Mittelwert der Helligkeit sämtlicher Punkte in diesem Bereich, in einem Bereich von weniger als ±15%, bevorzugt von weniger als ±10% der Strahlungsdichte. Die Helligkeit kann als Lichtstrom pro Fläche bestimmt werden.Preferably, the minimum and the maximum deviation of the brightness of the points of a homogeneously illuminated surface, starting from the mean value of the brightness of all points in this region, lie in a range of less than ± 15%, preferably less than ± 10% of the radiation density. The brightness can be determined as luminous flux per area.
Die Erfindung kann elektromagnetische Strahlung formen, somit auch elektromagnetische Strahlung im nicht-sichtbaren Wellenlängenspektrum elektromagnetischer Strahlung, beispielsweise im ultravioletten oder infraroten Bereich. Eine Homogenität einer bestrahlten Fläche kann daher auch mittels der Abweichung der Strahlungsdichte einer bestrahlten Fläche im nicht-sichtbaren Wellenlängenspektrum elektromagnetischer Strahlung bestimmt werden.The invention can form electromagnetic radiation, thus also electromagnetic radiation in the non-visible wavelength spectrum of electromagnetic radiation, for example in the ultraviolet or infrared range. A homogeneity of an irradiated area can therefore also be determined by means of the deviation of the radiation density of an irradiated area in the non-visible wavelength spectrum of electromagnetic radiation.
Die nachfolgend genannten lichttechnische Größen wurden der Einfachheit halber gewählt. Die Erfindung bzw. die lichttechnischen Größen sind daher aber nicht nur auf das sichtbaren Wellenlängenspektrum der elektromagnetischen Strahlung beschränkt.The following photometric variables have been chosen for the sake of simplicity. However, the invention or the photometric variables are therefore not limited to the visible wavelength spectrum of the electromagnetic radiation.
Der Anteil der annähernd homogen beleuchteten Fläche an der insgesamt beleuchteten Fläche kann dabei wenigstens 60%, bevorzugt wenigstens 70% und besonders bevorzugt mehr als 75% betragen. Somit ist der überwiegende Anteil einer durch die optische Vorrichtung beleuchteten Fläche annähernd homogen beleuchtet. Für andere Lichtverteilungen sind ähnliche Toleranzen anzusetzen.The proportion of the approximately homogeneously illuminated surface on the total illuminated surface may be at least 60%, preferably at least 70% and particularly preferably more than 75%. Thus, the vast majority of illuminated by the optical device surface is illuminated approximately homogeneously. For other light distributions similar tolerances are to be applied.
Die geometrische Form der Fläche kann eine Vielzahl von möglichen Formen umfassen, beispielsweise kreis- oder rechteckförmige Flächen, aber auch ovale, stern- oder ringförmige Flächen. Diese Aufzählung ist nicht als abschließend zu verstehen. Die optische Vorrichtung kann entsprechend einer vorgegebenen geometrischen Form ausgebildet sein. The geometric shape of the surface may include a variety of possible shapes, such as circular or rectangular areas, but also oval, star or annular surfaces. This list is not meant to be exhaustive. The optical device may be formed according to a predetermined geometric shape.
Die Erfindung betrifft somit zum einen eine oder mehrere LED-Lichtquellen. Bei derartigen Lichtquellen strahlt typischerweise eine Licht emittierende Schicht eines Halbleiters Licht ab. Unter einer LED-Lichtquelle ist im Sinne der Erfindung jegliche, zumindest eine LED-Lichtquelle umfassende Anordnung zu verstehen, welche Licht emittiert. Diese Anordnung kann beispielsweise zum Zwecke der Beleuchtung oder Illumination, etwa als Lampe oder Leseleuchte, aber auch zur Abgabe von Signalen ausgebildet sein.The invention thus relates to one or more LED light sources. In such light sources, typically a light-emitting layer of a semiconductor emits light. For the purposes of the invention, an LED light source means any arrangement comprising at least one LED light source which emits light. This arrangement may be formed, for example, for the purpose of illumination or illumination, such as a lamp or reading light, but also for the delivery of signals.
Vorzugsweise ist die LED-Lichtquelle aber zur Beleuchtung oder Illumination von Räumen oder Flächen, beispielsweise zur Beleuchtung von Straßen oder Gängen, ausgebildet. Sie kann aber auch für Projektoren oder Fahrzeug-Beleuchtung verwendet werden. Nachfolgend wird zusammenfassend der Begriff einer beleuchteten Fläche verwendet, wobei verstanden werden sollte, dass hierunter erfindungsgemäß erhellte oder beleuchtete Flächen, Räume oder Gegenstände gemeint sind.Preferably, however, the LED light source is designed for illuminating or illuminating rooms or areas, for example for illuminating streets or corridors. It can also be used for projectors or vehicle lighting. In the following, the term "illuminated surface" will be used in summary, it being understood that this refers to illuminated or illuminated surfaces, spaces or objects according to the invention.
Die optische Vorrichtung betrifft zum anderen zumindest eine Linse, bevorzugt zwei oder mehrere Linsen. Die eine oder mehrere Linsen sind vorzugsweise derart angeordnet, dass sie im Strahlengang nach der LED-Lichtquelle angeordnet sind und im Fall mehrerer Linsen von einem durch die LED-Lichtquelle emittierten Licht nacheinander durchquert werden. Dabei ist die der LED-Lichtquelle am nächsten angeordnete Linse als Sammellinse, vorzugsweise als Kollimations-Sammellinse, ausgebildet. Die im Strahlengang nachgeordnete, somit von der LED-Lichtquelle weiter entfernte Linse ist vorzugsweise als Formungslinse ausgebildet.On the other hand, the optical device relates to at least one lens, preferably two or more lenses. The one or more lenses are preferably arranged such that they are arranged in the beam path after the LED light source and, in the case of a plurality of lenses, are traversed successively by a light emitted by the LED light source. In this case, the lens arranged closest to the LED light source is designed as a converging lens, preferably as a collimating condenser lens. The downstream in the beam path, thus further away from the LED light source lens is preferably formed as a shaping lens.
Die Sammellinse bündelt daher das von der annähernd punktförmigen LED-Lichtquelle ausgehende Licht in Richtung des Strahlenganges, wohingegen die Formungslinse das derart gebündelte Licht in die gewünschte Form bringt. Die Formungslinse ist dabei vorzugsweise derart ausgebildet, dass sie das emittierte Licht der LED-Lichtquelle entsprechend der zu beleuchtenden Fläche formt. Sowohl die Sammellinse als auch die Formungslinse kann aus einer einzelnen oder auch aus mehreren Sammel- bzw. Formungslinsen ausgebildet sein.The converging lens therefore focuses the light emanating from the approximately point-shaped LED light source in the direction of the beam path, whereas the shaping lens brings the light bundled in this way into the desired shape. The shaping lens is preferably designed such that it forms the emitted light of the LED light source corresponding to the surface to be illuminated. Both the condenser lens and the shaping lens can be formed from a single or even from several collection or shaping lenses.
Die LED-Lichtquelle und die Sammellinse können somit unabhängig von der zu beleuchtenden Fläche ausgebildet sein, wohingegen die Formungslinse in Abhängigkeit von der geometrischen Form der zu beleuchtenden Fläche ausgewählt wird.The LED light source and the condenser lens can thus be formed independently of the surface to be illuminated, whereas the shaping lens is selected depending on the geometric shape of the surface to be illuminated.
Eine LED-Lichtquelle kann in einem breiten Winkel Licht abstrahlen. Als Winkel ist dabei der beidseitige Winkelbereich ausgehend von der Mittelachse der LED-Lichtquelle zu verstehen. Typischerweise strahlt eine LED-Lichtquelle Licht in einem Winkelbereich von ±90° ab. Der Anteil der abgestrahlten Lichtleistung nimmt dabei ausgehend von der Mittelachse der LED-Lichtquelle mit zunehmenden Winkel nach außen hin ab. So wird beispielsweise in einem Winkelbereich von ±30° der größte Anteil der Lichtleistung abgestrahlt.An LED light source can emit light at a wide angle. The angle to be understood here is the double-sided angular range starting from the central axis of the LED light source. Typically, an LED light source emits light in an angular range of ± 90 °. The proportion of the radiated light power decreases starting from the central axis of the LED light source with increasing angle to the outside from. For example, the largest part of the light output is emitted in an angular range of ± 30 °.
Vorteilhaft im Sinne der Erfindung ist es, wenn die LED-Lichtquelle in einem Winkelbereich von ±35° ausgehend von der Mittelachse wenigstens 50% der Lichtleistung abstrahlt. Hierdurch kann eine besonders hohe Effizienz erreicht werden.It is advantageous in the context of the invention if the LED light source emits at least 50% of the light output in an angular range of ± 35 ° starting from the central axis. As a result, a particularly high efficiency can be achieved.
Um eine große Helligkeit bzw. Beleuchtungsstärke auf der beleuchteten Fläche zu erreichen, die etwa zur Erhellung von Straßen erforderlich sein kann, werden bevorzugt LED-Lichtquellen mit hoher Leuchtdichte gewählt. Eine hohe Leuchtdichte einer Lichtquelle läßt sich durch eine hohe Lichtstärke der Lichtquelle und/oder eine kleine Licht-Emittierende Fläche erreichen.In order to achieve a high brightness or illuminance on the illuminated surface, which may be required for illuminating roads, for example, high-density LED light sources are selected. A high luminance of a light source can be achieved by a high luminous intensity of the light source and / or a small light-emitting surface.
Als vorteilhaft haben sich LED-Lichtquellen mit einer Leuchtdichte ab etwa Lv = 15 × 106 cd/m2, bevorzugt ab etwa 20 × 106 cd/m2 erwiesen. Die Größe einer Licht-emittierenden Fläche kann dabei in einem Bereich von weniger als 5 mm2, beispielsweise bei 1 mm2 oder auch darunter liegen.LED light sources with a luminance of from about L v = 15 × 10 6 cd / m 2 , preferably from about 20 × 10 6 cd / m 2, have proved to be advantageous. The size of a light-emitting surface may be in a range of less than 5 mm 2 , for example, 1 mm 2 or less.
Sofern die geforderte Leuchtdichte erreicht werden kann, können bevorzugt LED-Lichtquellen mit einer kleinen Licht-emittierenden Fläche eingesetzt werden. Dies hat den Vorteil, daß mehrere LED-Lichtquellen auf kleinen Raum nebeneinander angeordnet werden können und somit in kompakter Bauweise eine Lichtquelle, umfassend ein Array (Feld) aus mehreren einzelnen LED-Lichtquellen, ausgebildet sein kann.If the required luminance can be achieved, preferably LED light sources with a small light-emitting surface can be used. This has the advantage that a plurality of LED light sources can be arranged side by side in a small space and thus in a compact design, a light source, comprising an array (field) of a plurality of individual LED light sources, can be formed.
Die Sammellinse kann im Strahlengang des Lichtes nach der LED-Lichtquelle angeordnet sein. Sie hat die Aufgabe, möglichst einen hohen Anteil des von der LED-Lichtquelle emittierten Lichtes zu bündeln.The condenser lens can be arranged in the beam path of the light after the LED light source. Its task is to bundle as much of the light emitted by the LED light source as possible.
Die Breite des erfassten Abstrahlwinkels der LED-Lichtquelle ist dabei möglichst groß zu wählen. Vorzugsweise ist die Sammellinse derart im Strahlengang der LED-Lichtquelle angeordnet, dass sie zumindest einen Winkelbereich der LED-Lichtquelle erfasst, der zumindest 50% der Lichtmenge beinhaltet, bevorzugt 60% und besonders bevorzugt mehr als 65%.The width of the detected radiation angle of the LED light source is to be chosen as large as possible. The converging lens is preferably arranged in the beam path of the LED light source such that it detects at least one angle range of the LED light source which contains at least 50% of the light quantity, preferably 60%, and more preferably more than 65%.
Der zugehörige Winkelbereich ergibt sich aus den Spezifikationen der LED-Lichtquelle und kann bei einem Winkelbereich von etwa ±45° liegen, um etwa 50% der Lichtmenge empfangen zu können.The associated angle range results from the specifications of the LED light source and can be at an angular range of about ± 45 ° to receive about 50% of the amount of light can.
Aus dem Winkelbereich ergibt sich ein bevorzugter Abstand zwischen der LED-Lichtquelle und der Sammellinse, da der Abstand die Größe der Sammellinse beeinflusst. Je geringer dieser Abstand ist, um so kleiner kann die Sammellinse ausgebildet sein. Grundsätzlich ist daher ein möglichst geringer Abstand zu bevorzugen, der idealerweise bei annähernd Null liegt. Die Sammellinse ist derart von der LED-Lichtquelle beabstandet, dass sie sämtliche unter dem entsprechenden Winkelbereich emittierte Lichtstrahlen empfangen kann.From the angle range, there is a preferred distance between the LED light source and the condenser lens, since the distance affects the size of the convergent lens. The smaller this distance, the smaller the condenser lens can be formed. Basically, therefore, the smallest possible distance is preferred, which ideally lies at approximately zero. The condenser lens is spaced from the LED light source so that it can receive all of the light beams emitted under the corresponding angular range.
Als vorteilhaft im Sinne der Erfindung hat sich ein Abstand zwischen der Sammellinse und der LED-Lichtquelle in einem Bereich von 0 bis 5 mm, bevorzugt von 0,3 bis 2 mm herausgestellt. Eine kreisrunde Sammellinse kann bei einem Abstand von etwa 1 mm von der Licht-emittierenden Fläche mit einem Radius von etwa 5 mm ausgebildet sein.As advantageous in the context of the invention, a distance between the converging lens and the LED light source in a range of 0 to 5 mm, preferably from 0.3 to 2 mm has been found. A circular converging lens may be formed at a distance of about 1 mm from the light-emitting surface having a radius of about 5 mm.
Hierdurch wird gewährleistet, dass ein ausreichend großer Anteil des emittierten Lichtes auf die Sammellinse geleitet werden kann und diese entsprechend klein ausgebildet sein kann.This ensures that a sufficiently large proportion of the emitted light can be conducted to the converging lens and this can be made correspondingly small.
Die Sammellinse ist vorteilhafterweise an der der LED-Lichtquelle abgewandten Seite konvex ausgebildet, um das austretende Licht zu bündeln. Dabei kann der Krümmungsradius sphärisch oder asphärisch ausgebildet sein. Aufgrund des großen Abstrahlwinkels der LED weist die Sammellinse bevorzugt eine asphärische Freiformfläche auf, so dass über die Ausgestaltung der Asphäre Licht der LED-Lichtquelle bis zu einem Abstrahlwinkel von etwa 60° in die Sammellinse eintreten kann. Eine kostengünstiger herzustellende sphärische Ausbildung ist ebenfalls möglich. Das Aspektverhältnis der Sammellinse, somit das Verhältnis von Höhe und Breite der Linse, liegt bei mehr als 0,1. Günstig hat sich ein Aspektverhältnis von 0,5 bis 1,2 erwiesen.The converging lens is advantageously convex on the side facing away from the LED light source in order to focus the exiting light. In this case, the radius of curvature may be spherical or aspherical. Due to the large emission angle of the LED, the converging lens preferably has an aspherical free-form surface, so that via the configuration of the asphere light of the LED light source can enter the convergent lens up to an emission angle of approximately 60 °. A cost-effective to produce spherical training is also possible. The aspect ratio of the condenser lens, thus the ratio of height and width of the lens, is more than 0.1. Conveniently, an aspect ratio of 0.5 to 1.2 has been found.
Durch einen geringen Abstand zu der LED-Lichtquelle können besonders kleine Sammellinsen bereitgestellt werden, die einen großen Teil des emittierten Lichtes erfassen können und sich aufgrund ihrer geringen Abmessungen sehr gut eigenen für LED-Lichtquellen in Form von LED-Arrays.By a small distance to the LED light source particularly small converging lenses can be provided, which can capture a large part of the emitted light and very well own due to their small dimensions for LED light sources in the form of LED arrays.
Bei einem LED-Array kann die LED-Lichtquelle aus mehreren einzelnen LED-Lichtquellen, die beispielsweise linien- oder flächenweise angeordnet sein können, bestehen. Die Anordnung der einzelnen LED-Lichtquellen des LED-Arrays kann dabei vorzugsweise der Form der zu beleuchtenden Fläche entsprechen, um eine besonders hohe Homogenität der Beleuchtung zu erreichen.In the case of an LED array, the LED light source can consist of a plurality of individual LED light sources, which can be arranged, for example, along lines or areas. The arrangement of the individual LED light sources of the LED array can preferably correspond to the shape of the surface to be illuminated in order to achieve a particularly high homogeneity of the illumination.
Soll beispielsweise eine rechteckige Fläche homogen und annähernd gleichmäßig ausgeleuchtet werden, so kann das LED-Array vorteilhafterweise ebenfalls rechteckig ausgebildet sein. Ist dagegen eine runde, beispielsweise eine kreisrunde oder elliptische Fläche, homogen auszuleuchten, so können die einzelnen LED-Lichtquellen des LED-Arrays ebenfalls adäquat angeordnet sein.If, for example, a rectangular area is to be illuminated homogeneously and approximately evenly, the LED array can advantageously also be rectangular. If, however, a round, for example, a circular or elliptical surface to illuminate homogeneous, the individual LED light sources of the LED array can also be adequately arranged.
Es ist aber keine zwingende Voraussetzung der Erfindung, das LED-Array gemäß der geometrischen Form der beleuchteten Fläche anzuordnen. So kann eine Lichtverteilung mit einer ovalen geometrischen Form auch mit einem rechteckigen LED-Array erzeugt werden. Entscheidend für die Formung des Lichtes ist die Ausbildung der Linsen.However, it is not a mandatory requirement of the invention to arrange the LED array according to the geometric shape of the illuminated surface. Thus, a light distribution with an oval geometric shape can also be generated with a rectangular LED array. Decisive for the shaping of the light is the formation of the lenses.
In einer weiteren Ausführungsform kann das LED-Array Halbleiter-Substrate umfassen, die jeweils mehrere Licht-emittierende Schichten aufweisen können. Hierdurch kann die Vorrichtung besonders kompakt und auf einem sehr kleinen Bauraum ausgebildet sein.In another embodiment, the LED array may comprise semiconductor substrates, each of which may comprise a plurality of light-emitting layers. This allows the device to be particularly compact and designed in a very small space.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann das LED-Array LED-Lichtquellen umfassen, die elektromagnetische Strahlung in verschieden Wellenlängenbereichen emittieren. So können bestimmte Farbeffekte bei der beleuchteten Fläche hervorgerufen werden.In one development of the invention, the LED array can comprise LED light sources which emit electromagnetic radiation in different wavelength ranges. This can cause certain color effects in the illuminated area.
Bei einem LED-Array kann jede einzelne Licht-emittierenden Fläche einer Sammellinse zugeordnet werden. Die Sammellinse kann als Stablinse ausgebildet sein.In an LED array, each individual light-emitting surface can be assigned to a collective lens. The converging lens can be designed as a rod lens.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann die Sammellinse derart ausgebildet sein, dass sie Licht von zumindest zwei oder mehreren einzelnen LED-Lichtquellen eines LED-Arrays empfangen und bündeln kann. Hierbei kann die Sammellinse bevorzugt als Stab- oder Zylinderlinse ausgebildet sein, umfassend eine vorderseitige, der LED-Lichtquelle zugewandte sowie eine rückseitige, von der LED-Lichtquelle abgewandte Fläche.In one development of the invention, the converging lens can be designed such that it can receive and focus light from at least two or more individual LED light sources of an LED array. Here, the convergent lens may preferably be formed as a rod or cylindrical lens, comprising a front side facing the LED light source and a rear side, facing away from the LED light source surface.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die vorderseitige Fläche der Zylinderlinse eine plane Form, die rückseitige Fläche eine konvexe, sphärische oder asphärische Form aufweisen. Die rückseitige Fläche kann auch als Freiform-Fläche ausgebildet, die vorderseitige Fläche auch konvex oder konkav, sphärisch oder asphärisch ausgebildet sein.In a preferred embodiment, the front surface of the cylindrical lens may have a planar shape, the back surface may have a convex, spherical or aspherical shape. The rear surface may also be formed as a free-form surface, the front surface may also be convex or concave, spherical or aspherical.
Bespiel 1: Example 1:
Ein rechteckiges LED-Array ist mit einer Vielzahl von LEDs ausgebildet, welche jeweils mit einer 1 mm × 1 mm großen Licht-emittierenden Fläche ausgebildet sind. Eine Stablinse ist mit ihrer Vorderseite 0,8 mm von einer LED beabstandet, wobei die Linsenbreite 6 mm beträgt. Die Stablänge ist derart groß gewählt, dass die Linse umseitig um ca. 3 mm über die Licht-emittierende Fläche hinausragt. Die rückseitige Fläche der Stablinse ist mit einer konvexasphärische Kontur ausgebildet, wobei R0 = 1,651 mm beträgt und die konische Konstante mit k = –1,014 ausgebildet ist. Als Glasart wird P-LASF47 oder P-SF69 ausgewählt, da sich diese Gläser als besonders vorteilhaft für diesen Kollimationswinkel herausgestellt haben. Des weiteren zeichnen sich diese Gläser aufgrund ihres hohen Brechungsindex sowie ihrer Preßbarkeit aus.A rectangular LED array is formed with a plurality of LEDs each formed with a 1 mm × 1 mm light-emitting area. A rod lens is 0.8 mm apart from an LED at its front, with the lens width being 6 mm. The rod length is chosen so large that the lens protrudes on the other side by about 3 mm beyond the light-emitting surface. The back surface of the rod lens is formed with a convex-spherical contour, where R0 = 1.651 mm and the conical constant is formed with k = -1.014. The type of glass chosen is P-LASF47 or P-SF69, as these glasses have proven to be particularly advantageous for this collimation angle. Furthermore, these glasses are characterized by their high refractive index and their compressibility.
In einer nochmals weiteren Ausführungsform sind im Strahlengang des emittierten Lichtes bei einem LED-Array mehr als eine Stab- oder Zylinderlinse angeordnet. In bevorzugter Weise sind die im Strahlengang als erstes angeordneten Zylinderlinsen parallel zueinander angeordnet und erhalten somit Licht mehrerer einzelner LED-Lichtquellen, wobei beispielsweise Licht mehrer linienförmig angeordneter einzelner LED-Lichtquellen von einer einzigen Zylinderlinse gebündelt werden kann. Über diese Zylinderlinsen können vorteilhafterweise im Strahlengang nachgeordnet weitere Zylinderlinsen parallel angeordnet sein, wobei diese um 90° gedreht zu den vorgenannten Zylinderlinsen angeordnet sein können.In yet another embodiment, more than one rod or cylinder lens are arranged in the beam path of the emitted light in an LED array. Preferably, the first arranged in the beam path cylindrical lenses are arranged parallel to each other and thus receive light of several individual LED light sources, for example, light of several linearly arranged individual LED light sources can be bundled by a single cylindrical lens. By means of these cylindrical lenses, further cylindrical lenses can advantageously be arranged in parallel in the beam path, whereby these can be arranged rotated by 90 ° relative to the aforementioned cylindrical lenses.
Somit passiert ein emittiertes Licht des LED-Arrays nacheinander zwei Ebenen von Zylinderlinsen, die etwa gitterförmig angeordnet sein können. Diese Anordnung von Zylinderlinsen ist besonders kostengünstig herzustellen und daher vorteilhaft bei viereckigen, bevorzugt rechteckigen oder trapezförmigen LED-Arrays.Thus, an emitted light of the LED array successively passes through two levels of cylindrical lenses, which may be arranged approximately in the form of a grid. This arrangement of cylindrical lenses is particularly inexpensive to produce and therefore advantageous in quadrangular, preferably rectangular or trapezoidal LED arrays.
Unmittelbar neben der Licht-Emittierenden Fläche der LED-Lichtquelle und in einem Bereich zwischen der LED-Lichtquelle sowie der Sammellinse können zudem Reflektoren oder reflektierende Flächen angeordnet sein, wodurch auftreffendes Licht reflektiert und in Richtung der Sammellinse gelenkt werden kann. Hierdurch kann der Wirkungsgrad der Vorrichtung verbessert werden.Immediately adjacent to the light-emitting surface of the LED light source and in a region between the LED light source and the converging lens may also be arranged reflectors or reflective surfaces, whereby incident light can be reflected and directed in the direction of the converging lens. As a result, the efficiency of the device can be improved.
Die Sammellinse ist bevorzugt aus einem hitzefesten Material hergestellt, beispielsweise einem amorphen Material, um eine hohe Temperaturstabilität zu gewährleisten, da beispielsweise LED-Lichtquellen hoher Leistung typischerweise auch eine hohe Wärmeabgabe haben.The condenser lens is preferably made of a heat resistant material, such as an amorphous material, to ensure high temperature stability because, for example, high power LED light sources typically also have high heat output.
Zumindest soll die Temperaturstabilität der Linsen diejenige der LED-Lichtquelle übersteigen. Insbesondere kann eine dauerhafte Temperaturbeständigkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Bereich von TB = 100°C und darüber erreicht werden.At least the temperature stability of the lenses should exceed that of the LED light source. In particular, a durable temperature resistance of the device according to the invention in a range of T B = 100 ° C and above can be achieved.
Als geeignetes Material für die Sammellinse haben sich daher Gläser oder Glaskeramiken herausgestellt, wobei bevorzugt derartige Materialien mit einer hohen Brechzahl ausgewählt werden. Die Brechzahl liegt bevorzugt über 1,5, besonders bevorzugt über 1,7. Als geeignete Gläser haben sich beispielsweise P-SF69, 2-SF70, P-LASF47 oder N-LAF33 herausgestellt.Glasses or glass ceramics have therefore proven to be a suitable material for the condenser lens, such materials having a high refractive index preferably being selected. The refractive index is preferably above 1.5, more preferably above 1.7. As suitable glasses, for example, P-SF69, 2-SF70, P-LASF47 or N-LAF33 have been found.
Im Strahlengang des emittierten Lichtes nach Passieren der einen oder mehrer Sammellinsen nachgeordnet kann die Vorrichtung zumindest eine weitere Formungslinse umfassen. Diese hat die Aufgabe, das aus der Sammellinse austretende gebündelte Licht derart zu formen, dass am Ort des Auftreffens des Lichtes auf einen Gegenstand eine homogene und gleichmäßige Helligkeit erzeugt wird.Subordinated in the beam path of the emitted light after passing through the one or more collecting lenses, the device may comprise at least one further shaping lens. This has the task of shaping the bundled lens emerging bundled light in such a way that at the location of the impact of light on an object a homogeneous and uniform brightness is generated.
Dabei ist die Formungslinse vorteilhafterweise derart angeordnet, dass ein möglichst großer Teil des aus der Sammellinse austretenden Lichtes auf diese fällt. Bevorzugt ist daher die Formungslinse in einem engen Abstand zu der Sammellinse angeordnet. Es hat sich herausgestellt, daß ein Abstand von weniger als 10 mm, bevorzugt von weniger als 6 mm und besonders bevorzugt von weniger als 3 mm vorteilhaft im Sinne der Erfindung ist. Hierdurch kann die erfindungsgemäße Vorrichtung sehr kompakt gebaut und auf kleinem Bauraum realisiert werden.In this case, the shaping lens is advantageously arranged such that the largest possible part of the light emerging from the converging lens falls on it. Preferably, therefore, the shaping lens is arranged at a close distance to the converging lens. It has been found that a distance of less than 10 mm, preferably less than 6 mm and more preferably less than 3 mm is advantageous in the context of the invention. As a result, the device according to the invention can be built very compact and realized in a small space.
In einer besonderen Ausführungsform ist zwischen der oder den äußeren Kanten der Sammellinsen und der äußeren Kante der Formungslinse ein reflektierender Mantel angeordnet, so dass auf diesen Mantel auftreffendes Licht aus der Sammellinse reflektiert und auf die Formungslinse abgelenkt werden kann. Der reflektierende Mantel kann beispielsweise Bestandteil eines umgebenden Gehäuses sein. Hierdurch wird gewährleistet, dass nahezu sämtliches, aus der oder den Sammellinsen austretendes Licht auf die Formungslinse gelangt. Insbesondere kann auf diese Weise erreicht werden, dass mindestens 90%, bevorzugt mindestens 95% des Lichtes auf die Formungslinse gelangen kann.In a particular embodiment, a reflective sheath is disposed between the outer edge (s) of the converging lenses and the outer edge of the shaping lens so that light incident on that sheath can be reflected from the converging lens and deflected onto the shaping lens. The reflective jacket may for example be part of a surrounding housing. This ensures that almost all of the light exiting the collecting lens (s) reaches the shaping lens. In particular, it can be achieved in this way that at least 90%, preferably at least 95%, of the light can reach the shaping lens.
Auf der der LED-Lichtquelle abgewandten Seite kann die Formungslinse typischerweise eine konkave Fläche aufweisen. Diese kann sphärisch oder asphärisch ausgebildet sein. Besonders geeignet sind auch Freiformflächen auf der der LED-Lichtquelle abgewandten Seite, die gemäß der zu beleuchtenden Fläche ausgewählt werden. Unter einer Freiformfläche ist zu verstehen, dass die besagte Fläche unterschiedliche Krümmungen aufweisen kann, wobei diese auch in unterschiedlichen Richtungen verlaufen können. Die der Sammellinse zugewandte Fläche der Formungslinse kann eine plane oder auch eine konkave Form aufweisen, wobei diese Ausführungsformen häufig günstig, aber nicht zwingend sind, um einen Lichtstrahl zu formen.On the side facing away from the LED light source, the shaping lens may typically have a concave surface. This may be spherical or aspherical. Free-form surfaces on the side facing away from the LED light source, which are selected according to the surface to be illuminated, are also particularly suitable. Under a free form surface is to be understood that the said surface may have different curvatures, which may also extend in different directions. The conical lens facing surface of the shaping lens may have a plane or a concave shape, these embodiments are often convenient, but not mandatory, to form a light beam.
Beispiel 2:Example 2:
Eine Sammellinsen umfasst ein Array von Stablinsen sowie als Formungslinse eine einzelne, kreisförmige oder runde Linse mit einer plan-konkaven Sphäre, wobei dessen Durchmesser 60 mm und dessen Dicke 6 mm beträgt bei R = –60 mm. Als Glasart wird ein N-BK7 ausgewählt. Die Stablinsen sind 1,5 mm von den LEDs beabstandet, wobei sie eine Breite von 10 mm, eine Länge von 20 mm und eine Dicke von 5 mm aufweisen bei R0 = 1,715, k = –1,744, C4 = –5,301e-04 und C6 = 4,669e-05.A converging lens comprises an array of rod lenses and as a shaping lens a single, circular or round lens with a plano-concave sphere, whose diameter is 60 mm and whose thickness is 6 mm at R = -60 mm. The glass type selected is an N-BK7. The rod lenses are spaced 1.5 mm from the LEDs, having a width of 10 mm, a length of 20 mm and a thickness of 5 mm at R0 = 1.715, k = -1.744, C4 = -5.301e-04 and C6 = 4,669e-05.
Die Formungslinse kann ebenfalls als Stab- oder Zylinderlinse ausgebildet sein. Diese können auf der der Sammellinse zugewandten Seite eine plane Fläche und auf der gegenüberliegenden Seite eine konkave, sphärische, asphärische oder auch Freiformfläche aufweisen.The shaping lens can also be designed as a rod or cylindrical lens. These can have a flat surface on the side facing the condenser lens and a concave, spherical, aspherical or even freeform surface on the opposite side.
Durch die Formungslinse wird das durch die Sammellinse erzeugte Bündel von kollimierten Lichtstrahlen derart aufgeweitet, daß die sich im weiteren Strahlengang aufweitenden Lichtstrahlen eine Fläche in einem festgelegten Entfernungsbereich zu der Formungslinse annähernd homogen beleuchten. Die Form bzw. die Krümmung dieser Fläche der Formungslinse bestimmt demnach diejenige Fläche, die in einem bestimmten Abstandsbereich von der erfindungsgemäßen Vorrichtung annähernd homogen beleuchtet wird. Es hat sich herausgestellt, dass eine annähernd homogene Helligkeit der beleuchteten Fläche sehr gut erreicht werden kann, wenn die Fläche in einem Abstand von 0,2 bis 20 m, bevorzugt von 0,5 bis 15 m von der Vorrichtung angeordnet ist.By the shaping lens, the bundle of collimated light beams generated by the converging lens is widened such that the light beams which expand in the further beam path illuminate an area in a fixed distance range to the shaping lens approximately homogeneously. The shape or the curvature of this surface of the shaping lens accordingly determines the surface which is illuminated approximately homogeneously in a certain distance range by the device according to the invention. It has been found that an approximately homogeneous brightness of the illuminated surface can be achieved very well if the surface is arranged at a distance of 0.2 to 20 m, preferably 0.5 to 15 m from the device.
Soll beispielsweise eine rechteckige Fläche annähernd gleichmäßig und homogen beleuchtet werden, so kann die konkave Außenfläche verschiedene Krümmungen aufweisen, wobei zumindest zwei Krümmungen senkrecht zu einander stehen.If, for example, a rectangular surface is to be illuminated approximately uniformly and homogeneously, then the concave outer surface may have different curvatures, at least two curvatures being perpendicular to one another.
Des weiteren können auch anstelle der einen Formungslinse mehrere, beispielsweise zwei Formungslinsen mit jeweils einer oder mehreren Krümmungen eingesetzt werden, um komplexere Beleuchtungsformen zu erzielen. Es können aber auch im Strahlengang nacheinander angeordnet zwei oder mehrere Formungslinsen mit jeweils einem oder mehreren, gleichen oder unterschiedlichen Krümmungen angeordnet sein.Furthermore, instead of the one shaping lens, a plurality of, for example, two shaping lenses, each having one or more curvatures, can also be used in order to achieve more complex forms of illumination. However, it is also possible to arrange two or more shaping lenses, each having one or more identical or different curvatures, arranged one after the other in the beam path.
Häufig ist es kostengünstiger, Linsen mit nur einer Krümmung zu erzeugen. Durch die Anordnung von zwei im Strahlengang nacheinander zu durchlaufenden Linsen kann somit auf die Herstellung einer Linse mit zwei Krümmungen verzichtet werden, wenn beide besagte Linsen jeweils nur einer der entsprechenden Krümmungen aufweist und beide Linsen beispielsweise um 90° zueinander gedreht sind.Often it is cheaper to produce lenses with only one bend. By arranging two lenses to be successively traversed in the beam path, it is thus possible to dispense with the production of a lens with two curvatures if both said lenses each have only one of the corresponding curvatures and both lenses are rotated by 90 °, for example.
Die Formungslinse kann aus Glas oder Glaskeramik ausgebildet sein. Da aber aufgrund einer größeren Entfernung von der Wärme emittierenden Lichtquelle die Anforderungen an eine Hitzebeständigkeit geringer sind, können auch alternative Materialien wie Kunststoffe eingesetzt werden. Eine Verwendung von Kunststoffen kann durch eine geeignete Kühlung der Lichtquelle und damit durch eine Wärmeabfuhr aus dem Bereich der Vorrichtung verbessert werden.The shaping lens may be formed of glass or glass ceramic. However, since the requirements for heat resistance are lower because of a greater distance from the heat-emitting light source, alternative materials such as plastics can also be used. A use of plastics can be improved by a suitable cooling of the light source and thus by a heat removal from the area of the device.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann grundsätzlich nicht nur für elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Bereich verwendet werden, sondern auch für elektromagnetische Strahlung in anderen Wellenlängenbereichen, beispielsweise in den angrenzenden Wellenlängenbereichen im ultravioletten oder infraroten Bereich.In principle, the device according to the invention can be used not only for electromagnetic radiation in the visible range but also for electromagnetic radiation in other wavelength ranges, for example in the adjacent wavelength ranges in the ultraviolet or infrared range.
Neben kreis- oder rechteckförmigen Flächen können durch die erfindungsgemäße optische Vorrichtung auch Flächen weitere geometrische Formen in unterschiedlichen Entfernungsbereichen homogen beleuchtet und annähernd gleichmäßig mittels LED-Licht bestrahlt werden. Hierunter fallen beispielsweise auch sternenförmige oder ringförmige Beleuchtungen von Flächen, Objekten oder Räumen.In addition to circular or rectangular surfaces can be homogeneously illuminated by the optical device according to the invention surfaces and other geometric shapes in different distance ranges and irradiated approximately uniformly by means of LED light. This includes, for example, star-shaped or annular lighting of surfaces, objects or rooms.
So kann die optische Vorrichtung beispielsweise zur Beleuchtung oder Illumination von Straßen, Gängen, Wegen oder Plätzen, aber auch von Innenräumen und innenliegenden Gängen oder Wegen, zur Erhellung von Objekten wie etwa Verkehrszeichen, Bildern, Arbeitsplätzen oder Tischen verwendet werden.For example, the optical device can be used to illuminate or illuminate streets, corridors, paths or squares, as well as interiors and internal corridors or paths, to illuminate objects such as traffic signs, pictures, workplaces or tables.
Durch die Möglichkeit, das Licht aus LED-Lichtquellen frei zu formen, kann somit eine annähernd gleichmäßige Beleuchtung von unterschiedlich geformten Objekten erreicht werden.The ability to freely shape the light from LED light sources, thus an approximately uniform illumination of differently shaped objects can be achieved.
Die Vorrichtung kann auch zur Ausleuchtung von Objekten – etwa in Mikroskopen – verwendet werden.The device can also be used to illuminate objects - such as in microscopes.
In einer besonderen Ausführungsform können unterschiedlich farbige LED-Lichtquellen parallel eingesetzt werden, beispielsweise in einem LED-Array. Hierdurch können bei einer gleichmäßigen Beleuchtung von Flächen bestimmte Bereiche farbig hervorgehoben werden.In a particular embodiment, differently colored LED light sources can be used in parallel, for example in an LED array. In this way, certain areas can be highlighted in color with a uniform illumination of surfaces.
Diese Weiterbildung ist insbesondere geeignet, um Gefahrenbereiche, etwa Öffnungsbereiche von Toren oder Türen, farbig hervorzuheben. This development is particularly suitable for highlighting danger areas, such as opening areas of gates or doors, in color.
Zur Beleuchtung von Kunstgegenständen kann die Farbtemperatur der Beleuchtung durch additive Farbmischung eingestellt werden.For illuminating objects of art, the color temperature of the illumination can be adjusted by additive color mixing.
Die Vorrichtung kann auch verwendet werden zur Beleuchtung von Hallen, beispielsweise von Sport- oder Schwimmhallen, oder auch von Bühnen.The device can also be used to illuminate halls, for example, sports or swimming pools, or even stages.
Die optische Vorrichtung kann weiterhin genutzt werden als Leseleuchte.The optical device can also be used as a reading light.
In einer weiteren Ausführungsform wird die optische Vorrichtung für Projektoren eingesetzt.In a further embodiment, the optical device is used for projectors.
Ein weiteres Anwendungsgebiet stellt beispielsweise die Fahrzeugbeleuchtung dar. Hier kann die Vorrichtung etwa für eine homogene Ausleuchtung von Teilen des Innenraumes, beispielsweise des Dachhimmels, verwendet werden.A further field of application is, for example, the vehicle lighting. Here, the device can be used, for example, for homogeneous illumination of parts of the interior, for example the headliner.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung der dargestellten Ausführungsbeispiele und den angefügten Ansprüchen.Further details of the invention will become apparent from the description of the illustrated embodiments and the appended claims.
Die Zeichnungen zeigen:The drawings show:
Detaillierte Beschreibung bevorzugter AusführungsformenDetailed description of preferred embodiments
Die in der Beschreibung genannten lichttechnische Größen wurden der Einfachheit halber gewählt und sind nicht nur auf das sichtbaren Wellenlängenspektrum der elektromagnetischen Strahlung beschränkt, da die Erfindung sich auf die Formung von elektromagnetischer Strahlung auch außerhalb des sichtbaren Wellenlängenspektrums bezieht. Daher umfasst z. B. die lichttechnische Größe Lichtstrom auch die allgemeinere Größe Strahlungsfluss, bzw. die Leuchtdichte auch die Strahldichte.The photometric quantities mentioned in the description have been chosen for the sake of simplicity and are not limited to the visible wavelength spectrum of the electromagnetic radiation, since the invention relates to the formation of electromagnetic radiation also outside the visible wavelength spectrum. Therefore, z. As the photometric quantity luminous flux and the more general size radiation flux, and the luminance and the radiance.
Die LED-Lichtquelle ist auf einem umgebenden Gehäusekörper
In
In
Typischerweise verfügen die Sammellinsen über gerade Außenkanten, so dass sie spaltfrei aneinander stoßen. Die einzelnen Linsen können zu einem Linsenpaket zusammengefasst werden. Bei einer rotationssymmetrischen Sammellinse können durch Abschleifen von vier Seiten gerade Außenkanten erzeugt werden.Typically, the converging lenses have straight outer edges so that they abut one another without a gap. The individual lenses can be combined to form a lens package. In a rotationally symmetrical converging lens straight edges can be generated by grinding four sides.
Im Strahlengang nachgeordnet ist eine Formungslinse
Die aktiven Flächen der zumindest einen Formungslinse sind in Abhängigkeit der gewünschten Form der Beleuchtung zu wählen. Als vorteilhaft für eine flächige, rechteckförmige Beleuchtung stellt sich etwa eine Krümmung in zwei senkrecht zueinander stehenden Richtungen dar.The active surfaces of the at least one shaping lens are to be selected depending on the desired shape of the illumination. As advantageous for a flat, rectangular illumination is about a curvature in two mutually perpendicular directions.
Zwischen LED-Array und der Formungslinse ist vorteilhafterweise eine Mantelfläche
In einer weiteren Ausführungsform ist die Sammellinse als Stablinse oder Zylinderlinse ausgeführt.
In
Die austretenden Lichtstrahlen
Als Sammellinse können besonders günstig vier Stablinsen aus dem Glas P-LASF47 verwendet werden, welche einen Abstand von 1,5 mm zur Licht-emittierenden Fläche aufweisen können. Eine Stablinse kann eine Länge von 40 mm und eine Breite von 10 mm aufweisen. Die Stablinsen lassen sich kostengünstig herstellen und ermöglichen es, das Licht des LED-Array besonders gut zu bündeln.As a converging lens, four rod lenses made of the glass P-LASF47 can be used particularly favorably, which can have a spacing of 1.5 mm from the light-emitting surface. A rod lens may have a length of 40 mm and a width of 10 mm. The rod lenses can be produced inexpensively and make it possible to bundle the light of the LED array particularly well.
Eine rotationssymmetrische Formungslinse kann günstig aus dem Glas N-BK7 mit einem Durchmesser der Linse von 60 mm und einer Dicke von 6 mm ausgebildet sein sowie eine plankonkave Form aufweisen. Der Abstand zur Licht-emittierenden Fläche kann 8 mm betragen. Eine vorteilhafte Ausbildung der Formungslinse kann durch die Parameter R = –1,96, K = –1,591, C4 = –2,256e-04 und C6 = –6,386e-06 bestimmt werden.A rotationally symmetrical shaping lens can be favorably formed from the glass N-BK7 with a diameter of the lens of 60 mm and a thickness of 6 mm and have a plano-concave shape. The distance to the light-emitting surface may be 8 mm. An advantageous embodiment of the shaping lens can be determined by the parameters R = -1.96, K = -1.591, C4 = -2.256e-04 and C6 = -6.386e-06.
In
Durch eine derart ausgebildete optische Vorrichtung kann ein großer Bereich der rechteckigen Fläche annähernd homogen und gleichmäßig beleuchtet werden, wobei gleichzeitig ein weicher Übergang von dem heller beleuchteten, zentrumsnahen Bereich zu dem umgebenden, weniger hell beleuchteten Bereich der Fläche bewirkt werden kann. Ein scharfer Übergang von einem hell zu einem weniger hell beleuchteten Bereich kann daher vermieden werden.By means of such an optical device formed, a large area of the rectangular area can be illuminated approximately homogeneously and uniformly, at the same time effecting a smooth transition from the brighter illuminated, near-center area to the surrounding, less brightly illuminated area of the area. A sharp transition from a bright to a less brightly lit area can therefore be avoided.
Auf diese Weise kann eine sehr gute Kollimation des Lichtes der licht-emittierenden Fläche der LED durch die Sammellinse
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