-
Die Erfindung betrifft eine Strahlungsanordnung zum Bereitstellen elektromagnetischer Strahlung mit mindestens einer Strahlungsquelle zum Erzeugen elektromagnetischer Strahlung und mit einem optischen Körper. Der optische Körper weist eine Außenwandung und eine Innenwandung auf. Die Innenwandung ist der Strahlungsquelle zugewandt. Der optische Körper ist so ausgebildet und bezüglich der Strahlungsquelle so angeordnet, dass zumindest ein Anteil der elektromagnetischen Strahlung durch die Innenwandung in den optischen Körper eintritt und dass die Außenwandung zumindest einen Anteil der in den optischen Körper eingetretenen elektromagnetischen Strahlung intern reflektiert.
-
Es sind moderne Strahlungsquellen bekannt, die beispielsweise eine, zwei oder mehr LED's oder OLED's und/oder Light-Engines aufweisen, bei denen eine Farbverteilung und/oder Helligkeitsverteilung der von ihnen erzeugten elektromagnetischen Strahlung inhomogen ist. Beispielsweise weisen manche LED's aktive und nicht aktive Bereiche auf. Bei einer optischen Abbildung der LED mit ihren aktiven und nicht aktiven Bereichen beispielsweise auf einen Schirm, beispielsweise mit Hilfe einer Optik, können die aktiven und nicht aktiven Bereiche derart abgebildet werden, dass eine Projektion der elektromagnetischen Strahlung, beispielsweise Licht, helle und weniger helle Bereiche aufweist. Beispielsweise kann ein Lichtspot einer Lichtquelle mit aktiven und nicht aktiven Bereichen unterschiedlich helle Bereiche aufweisen. Derartige Abbildungen ins Fernfeld können beispielsweise bei Scheinwerfern in einem Kraftfahrzeug, bei einer Ausleuchtung von Lande- und Startbahnen an Flughäfen, bei Taschenlampen, bei Leuchttürmen, bei Strahlern, beispielsweise bei LED-Retrofits für Halogenstrahler und/oder bei Signalleuchten auftreten. Beispielsweise bilden gerade besonders effiziente und eng gebündelte Scheinwerferanwendungen, beispielsweise Etendue-begrenzte Systeme und/oder kollimierende Optiken, lokal inhomogene Emissionen der Strahlungsquelle ins Fernfeld ab. Derartige Strahlungsquellen sind beispielsweise zusammengesetzte LED-Module, RGB-LED's, Mid-Power-LED-Anordnungen, Volumenverguss-LED's und/oder Flipchip-LED's.
-
Alternativ oder zusätzlich zu der inhomogenen Helligkeitsverteilung kann auch eine inhomogene Farbverteilung der Strahlungsquelle in das Fernfeld abgebildet werden, beispielsweise bei einem RGB-LED-Modul. Bei einem derartigen RGB-LED-Modul sind auf einem Modul nebeneinander mehrere aktive Bereiche angeordnet, die jeweils Licht unterschiedlicher Farbe emittieren. Wird nun dieses emittierte Licht mit Hilfe einer kollimierenden Optik abgebildet, so werden unterschiedliche räumliche Bereiche mit unterschiedlich farbigem Licht ausgeleuchtet. Beispielsweise kann ein Lichtspot einer Lichtquelle mit aktiven Bereichen unterschiedlicher Farbe unterschiedlich farbige Bereiche aufweisen.
-
Des Weiteren ist bei Strahlungsquellen häufig die maximal zu erreichende Strahlungsstärke ein entscheidendes Merkmal. Beispielsweise gehört die maximal zu erreichende Strahlungsstärke gerade bei Scheinwerferanwendungen zu einem der wichtigsten Merkmale. Die maximal erreichbare Strahlungsstärke einer Strahlungsquelle, beispielsweise einer Scheinwerferanwendung, ist bei gegebenen Abmessungen der Optik durch die Leuchtdichte der verwendeten Strahlungsquelle bestimmt. Bei einer strukturierten Strahlungsquelle, die beispielsweise aktive und nicht aktive Bereiche aufweist, ist die mittlere Leuchtdichte entscheidend.
-
Zum Erzeugen von homogener Strahlung, beispielsweise zum Homogenisieren der Farbverteilung und/oder der Helligkeitsverteilung ist es bekannt, eine Köhlerbeleuchtung zu verwenden und/oder die erzeugte Strahlung einem oder mehreren Streuprozessen zu unterziehen. Die Köhlerbeleuchtung kann beispielsweise bezüglich der Effizienz nachteilig sein und benötigt zusätzliche optische Elemente, die grundsätzlich Bauraum benötigen. Beim Streuen der emittierten Strahlung werden ebenfalls zusätzliche optische Elemente, wie beispielsweise Mikrolinsen oder prismatische Strukturen, benötigt. Dabei kann die Lichtverteilung breiter werden und die maximale Strahlungsstärke abnehmen. Außerdem kann die Effizienz der Leuchte mit der streuenden Optik gering sein.
-
Zum Erhöhen der mittleren Leuchtdichte bei LED's ist es beispielsweise bekannt, die einzelnen LED's und/oder deren aktive Bereiche dichter aneinander zu packen. Die dichtere Packung der LED's bzw. der aktiven Bereiche der LED's führt jedoch grundsätzlich zu einer größeren Wärmeerzeugung beim Betrieb der Strahlungsquelle und zu vermehrtem Aufwand bei einem Fertigungsprozess zum Herstellen der Strahlungsquelle.
-
In verschiedenen Ausführungsformen wird eine Strahlungsanordnung bereitgestellt, die auf einfache und/oder effiziente Weise eine Erzeugung von homogener elektromagnetischer Strahlung ermöglicht, wobei die elektromagnetische Strahlung beispielsweise bezüglich der Strahlungsdichte und/oder der Farbverteilung der erzeugten elektromagnetischen Strahlung homogen ist. Alternativ oder zusätzlich kann die Strahlungsanordnung dazu beitragen, elektromagnetische Strahlung mit einer hohen Strahlungsstärke zu erzeugen.
-
In verschiedenen Ausführungsformen wird eine Strahlungsanordnung mit mindestens einer Strahlungsquelle zum Erzeugen und Abgeben elektromagnetischer Strahlung und mit einem optischen Körper bereitgestellt. Der optische Körper weist eine Außenwandung und eine Innenwandung auf. Die Innenwandung ist der Strahlungsquelle zugewandt und weist einen Reflektor auf. Der optische Körper ist so ausgebildet und bezüglich der Strahlungsquelle so angeordnet, dass der Reflektor zumindest einen Anteil der elektromagnetischen Strahlung zurück zu der Strahlungsquelle reflektiert und dass zumindest ein Anteil der elektromagnetischen Strahlung durch die Innenwandung in den optischen Körper eintritt und dass die Außenwandung zumindest einen Anteil der in den optischen Körper eingetretenen elektromagnetischen Strahlung intern reflektiert. Zumindest ein Teil der intern reflektierten elektromagnetischen Strahlung tritt aus dem optischen Körper aus.
-
Die Strahlungsquelle kann beispielsweise diffus streuend und/oder reflektierend, beispielsweise hoch reflektierend, ausgebildet sein. Dabei stellt die Reflexion einen Sonderfall der Streuung dar, bei dem ein Einfallswinkel der elektromagnetischen Strahlung gleich einem Ausfallswinkel der elektromagnetischen Strahlung ist. Die Strahlungsquelle kann reflektierend oder zumindest teilweise reflektierend ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Strahlungsquelle ein lambert'scher Strahler sein. Beispielsweise kann die Strahlungsquelle an ihrer Oberfläche weißes Material und/oder Material mit hoher Reflektivität, beispielweise TiO2 in Silikon, aufweisen. Die erzeugte elektromagnetische Strahlung kann beispielsweise Licht im sichtbaren Bereich, UV-Licht und/oder Infrarot-Licht sein, wobei die Strahlungsquelle dann auch als Lichtquelle, die Strahlungsanordnung als Beleuchtungsanordnung und/oder die von der Strahlungsanordnung bereitgestellte elektromagnetische Strahlung als Beleuchtungslicht und/oder nutzbares Licht bezeichnet werden kann. Beispielsweise kann die intern reflektierte, aus dem optischen Körper austretende elektromagnetischen Strahlung als bereitgestellte elektromagnetische Strahlung bezeichnet werden. Der Reflektor ist beispielsweise als Konkavspiegel ausgebildet. Dies ermöglicht auf besonders einfache Weise, die elektromagnetische Strahlung, die von der Strahlungsquelle in Richtung hin zu dem Reflektor emittiert und/oder abgegeben wird, zurück zu der Strahlungsquelle zu reflektieren. Dass der erste Reflektor als Konkavspiegel ausgebildet ist, bedeutet beispielsweise, dass der erste Reflektor nach innen gewölbt ist. Die Strahlungsanordnung gibt die an der Außenwandung intern reflektierte elektromagnetische Strahlung nach außen ab, beispielsweise als nutzbare elektromagnetische Strahlung.
-
Die Strahlungsquelle erzeugt die elektromagnetische Strahlung, insbesondere die beiden Anteile der elektromagnetischen Strahlung. Der Reflektor bewirkt eine Reflexion eines der beiden Anteile der von der Strahlungsquelle erzeugten elektromagnetischen Strahlung zurück zu der Strahlungsquelle. Die von dem Reflektor reflektierte elektromagnetische Strahlung wird von der Strahlungsquelle reflektiert, beispielsweise durch Fresnel-Reflexion, beispielsweise an deren dem Reflektor zugewandten Oberfläche. Das Abgeben der elektromagnetischen Strahlung durch die Strahlungsquelle umfasst beispielsweise dieses Reflektieren der elektromagnetischen Strahlung an der Strahlungsquelle. Alternativ oder zusätzlich wird die von dem Reflektor zu der Strahlungsquelle reflektierte elektromagnetische Strahlung von der Strahlungsquelle gestreut, beispielsweise in der Strahlungsquelle, an einer dem Reflektor zugewandten Oberfläche der Strahlungsquelle und/oder an einer von dem Reflektor abgewandten Unterseite der Strahlungsquelle, beispielsweise intern an der Außenwandung der Strahlungsquelle oder extern an einem Träger, auf dem die Strahlungsquelle angeordnet ist. Das Abgeben der elektromagnetischen Strahlung durch die Strahlungsquelle umfasst beispielsweise dieses Streuen der elektromagnetischen Strahlung an und/oder bei der Strahlungsquelle. Alternativ oder zusätzlich bewirkt die von dem Reflektor zu der Strahlungsquelle reflektierte elektromagnetische Strahlung in der Strahlungsquelle durch Anregung die Erzeugung zusätzlicher elektromagnetischer Strahlung, was beispielsweise als Recycling bezeichnet werden kann. Das Abgeben der elektromagnetischen Strahlung durch die Strahlungsquelle umfasst beispielsweise dieses Recyceln der elektromagnetischen Strahlung.
-
Das Abgeben der elektromagnetischen Strahlung führt zu einer Mischung der abgegebenen und erzeugten elektromagnetischen Strahlung. Dies bewirkt eine Homogenisierung einer Leuchtdichteverteilung und gegebenenfalls einer Farbverteilung der mit Hilfe der Strahlungsanordnung bereitgestellten elektromagnetischen Strahlung. Wird die vermischte elektromagnetische Strahlung von der Strahlungsquelle zurück in Richtung des ersten Reflektors abgegeben, so kann sich der Prozess der Lichtmischung wiederholen, wodurch die elektromagnetische Strahlung zunehmend homogenisiert wird.
-
Die Außenwandung reflektiert den auf sie treffenden Anteil der elektromagnetischen Strahlung aufgrund interner Reflexion, beispielsweise aufgrund interner Totalreflexion. Der optische Körper kann beispielsweise dazu beitragen, die Strahlungsanordnung einfach und/oder kompakt auszubilden. Die Strahlungsquelle ist so zu dem optischen Körper angeordnet, dass der eine Anteil der elektromagnetischen Strahlung auf den Reflektor treffen kann und der andere Anteil der elektromagnetischen Strahlung über die Innenwandungen der Ausnehmung in den optischen Körper eingekoppelt werden kann. Der optische Körper kann beispielsweise einstückig oder mehrstückig ausgebildet sein.
-
Die Strahlungsanordnung ermöglicht auf besonders einfache und effiziente Weise das Bereitstellen elektromagnetischer Strahlung mit einer homogenen Leuchtdichteverteilung, Strahlungsstärkeverteilung, Beleuchtungsstärke und/oder Farbverteilung.
-
Bei verschiedenen Ausführungsformen weist der Anteil der elektromagnetischen Strahlung, der auf den Reflektor trifft, einen ersten Strahlungsanteil auf, den die Strahlungsquelle erzeugt und in Richtung des ersten Reflektors emittiert. Außerdem weist der Anteil der elektromagnetischen Strahlung, der auf den Reflektor trifft, einen zweiten Strahlungsanteil auf, den die Strahlungsquelle in Richtung des Reflektors abgibt aufgrund elektromagnetischer Strahlung, die nach Reflexion an dem Reflektor auf die Strahlungsquelle trifft.
-
Bei verschiedenen Ausführungsformen weist der Anteil der elektromagnetischen Strahlung, der durch die Innenwandung in den optischen Körper eintritt, einen dritten Strahlungsanteil auf, den die Strahlungsquelle erzeugt und in Richtung der Außenwandung emittiert. Außerdem weist der Anteil der elektromagnetischen Strahlung, der durch die Innenwandung in den optischen Körper eintritt, einen vierten Strahlungsanteil auf, den die Strahlungsquelle in Richtung der Außenwandung abgibt aufgrund elektromagnetischer Strahlung, die nach Reflexion an dem Reflektor auf die Strahlungsquelle trifft.
-
Bei verschiedenen Ausführungsformen weist die elektromagnetische Strahlung, die die Strahlungsquelle abgibt, elektromagnetische Strahlung auf, die die Strahlungsquelle reflektiert, streut und/oder aufgrund von Anregung durch auf die Strahlungsquelle zurückreflektierte elektromagnetische Strahlung erzeugt.
-
Bei verschiedenen Ausführungsformen weist die Strahlungsquelle einen aktiven Bereich, an dem die Strahlungsquelle die elektromagnetische Strahlung erzeugt und/oder abgibt, und einen passiven Bereich auf, an dem die Strahlungsquelle die elektromagnetische Strahlung abgibt, beispielsweise reflektiert und/oder streut. Der aktive und/oder der passive Bereich können beispielsweise diffus streuend und/oder reflektierend, beispielsweise hoch reflektierend, ausgebildet sein. Dabei stellt die Reflexion einen Sonderfall der Streuung dar, bei dem ein Einfallswinkel der elektromagnetischen Strahlung gleich einem Ausfallswinkel der elektromagnetischen Strahlung ist. Der aktive und/oder der passive Bereich können reflektierend oder zumindest teilweise reflektierend ausgebildet sein. Beispielsweise kann der aktive Bereich ein lambert'scher Strahler sein. Beispielsweise können der aktive und/oder der passive Bereich an ihrer Oberfläche weißes Material und/oder Material mit hoher Reflektivität, beispielweise TiO2 in Silikon, aufweisen.
-
Der aktive und der passive Bereich bewirken grundsätzlich eine inhomogene Leuchtdichteverteilung der von der Strahlungsquelle erzeugten elektromagnetischen Strahlung, die ohne den Reflektor zu einer inhomogenen Helligkeitsverteilung der von der Strahlungsanordnung bereitgestellten elektromagnetischen Strahlung führen würde. Falls zwei oder mehr aktive Bereiche ausgebildet sind, die jeweils elektromagnetische Strahlung unterschiedlicher Farbe emittieren, so würden ohne den optischen Körper mit dem Reflektor die unterschiedlichen aktiven Bereiche zu einer inhomogenen Farbverteilung der von der Strahlungsanordnung bereitgestellten elektromagnetischen Strahlung führen. Der optische Körper mit dem Reflektor und die dadurch erzielte Mischung der von dem aktiven Bereich erzeugten elektromagnetischen Strahlung mit der von dem aktiven und dem passiven Bereich abgegebenen elektromagnetischen Strahlung bewirkt jedoch eine homogene Leuchtdichteverteilung und/oder homogene Farbverteilung der von der Strahlungsanordnung abgegebenen elektromagnetischen Strahlung. Somit können sowohl der aktive Bereich als auch der passive Bereich zum Abgeben der elektromagnetischen Strahlung und zum Bereitstellen des Anteils der elektromagnetischen Strahlung beitragen, der von der Strahlungsquelle in Richtung hin zu der Außenwandung abgegeben wird und nachfolgend einen Teil der von der Strahlungsanordnung bereitgestellten elektromagnetischen Strahlung bildet.
-
Bei verschiedenen Ausführungsformen weist der optische Körper eine Ausnehmung auf, die sich in einer Erstreckungsrichtung in den optischen Körper hinein erstreckt. Die Ausnehmung ist in ihrer Erstreckungsrichtung durch eine Grundfläche der Ausnehmung und senkrecht zu ihrer Erstreckungsrichtung durch die Innenwandung des optischen Körpers begrenzt. An der Grundfläche ist der Reflektor ausgebildet. Die Ausnehmung erstreckt sich nicht vollständig hindurch durch den optischen Körper, sondern endet an der Grundfläche. Die Innenwandung des optischen Körpers verbindet einen Teil der äußeren Oberfläche des optischen Körpers mit der Grundfläche. Beispielsweise ist die Strahlungsquelle zumindest teilweise in der Ausnehmung des optischen Körpers angeordnet. Beispielsweise ist zumindest die erste Seite der Strahlungsquelle innerhalb der Ausnehmung des optischen Körpers angeordnet.
-
Bei verschiedenen Ausführungsformen weisen der aktive und/oder der passive Bereich einen äußeren Rand auf. Der Reflektor ist so ausgebildet, dass er den ersten Strahlungsanteil und den zweiten Strahlungsanteil auf den äußeren Rand reflektiert. Somit wird elektromagnetische Strahlung, die von dem äußeren Rand der Strahlungsquelle in Richtung des Reflektors emittiert und/oder abgegeben wird, zurück zu dem äußeren Rand der Strahlungsquelle reflektiert. In anderen Worten wird die elektromagnetische Strahlung, die von dem Reflektor erfasst wird, vollständig zurück zu der Strahlungsquelle reflektiert. Strahlen der elektromagnetischen Strahlung, die von dem äußeren Rand der Strahlungsquelle kommt, können auch als Randstrahlen bezeichnet werden. Die Randstrahlen können zurück zu dem äußeren Rand der Strahlungsquelle gelenkt werden. Dies kann zu einer besonders hohen Effizienz der Strahlungsanordnung beitragen.
-
Bei verschiedenen Ausführungsformen weist der äußere Rand einen ersten Randabschnitt und mindestens einen zweiten Randabschnitt auf. Der Reflektor ist so ausgebildet, dass er die von dem ersten Randabschnitt kommenden ersten und/oder zweiten Strahlungsanteile auf den zweiten Randabschnitt reflektiert. Dies kann zu einer besonders hohen Effizienz der Strahlungsanordnung beitragen. Ferner kann der Reflektor so ausgebildet sein, dass er die von dem zweiten Randabschnitt kommende elektromagnetische Strahlung hin zu dem ersten Randabschnitt reflektiert.
-
Bei verschiedenen Ausführungsformen weist der Reflektor eine Reflektorausnehmung auf, die sich durch den Reflektor hindurch erstreckt und durch die Anteile des ersten und/oder zweiten Strahlungsanteils durch den Reflektor hindurch treten können. Die Reflektorausnehmung kann sich beispielsweise über einen relativ kleinen Bereich des ersten Reflektors erstrecken. Dabei kann die Reflektorausnehmung beispielsweise so ausgebildet sein, dass einerseits möglichst viel elektromagnetische Strahlung durch sie hindurch treten kann, andererseits jedoch keine Abbildung der flächig inhomogenen Strukturen der Strahlungsquelle im Fernfeld erfolgt. Beispielsweise kann die Reflektorausnehmung so ausgebildet sein, dass diese als punktförmige oder nahezu punktförmige Strahlungsquelle betrachtet werden kann. Die Reflektorausnehmung kann zu einer besonders hohen Strahlungsstärke der von der Strahlungsanordnung bereitgestellten elektromagnetischen Strahlung beitragen, beispielsweise dann, wenn die Reflektorausnehmung gegenüberliegend eines Bereichs der Strahlungsquelle angeordnet wird, der elektromagnetische Strahlung mit einer hohen Strahldichte emittiert. Die maximale Strahlungsstärke der mit Hilfe der Strahlungsanordnung bereitgestellten elektromagnetischen Strahlung nimmt mit zunehmender Strahldichte und zunehmendem Querschnitt der Reflektorausnehmung zu.
-
Bei verschiedenen Ausführungsformen weist der optische Körper eine Linse auf. Die Linse ist in einem Strahlengang der durch die Reflektorausnehmung hindurch tretenden elektromagnetischen Strahlung nach dem Reflektor angeordnet. Die Linse kann beispielsweise dazu dienen, die durch die Reflektorausnehmung hindurch tretende elektromagnetische Strahlung zu kollimieren. Die Linse kann beispielsweise derart ausgestaltet sein, dass die Reflektorausnehmung ins Fernfeld abgebildet wird.
-
Bei verschiedenen Ausführungsformen weist die Strahlungsquelle auf der ersten Seite mindestens einen zweiten aktiven Bereich zum Emittieren der elektromagnetischen Strahlung auf. Zusätzlich kann die Strahlungsquelle noch ein, zwei oder mehr weitere aktive Bereiche aufweisen. Beispielsweise kann die Strahlungsquelle eine LED-Anordnung aufweisen, die in ihren aktiven Bereichen LED's aufweist. Alternativ dazu kann die Strahlungsquelle eine oder mehrere LED's mit jeweils mehreren aktiven Bereichen aufweisen. Beispielsweise kann in den aktiven Bereichen elektromagnetische Strahlung gleicher Wellenlänge oder elektromagnetische Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen erzeugt werden. Beispielsweise kann in einem ersten aktiven Bereich rotes Licht, in einem zweiten aktiven Bereich, grünes Licht und in einem dritten aktiven Bereich blaues Licht erzeugt werden. Die Strahlungsquelle kann beispielsweise als RGB-LED-Modul bezeichnet werden.
-
Bei verschiedenen Ausführungsformen ist der passive Bereich zumindest teilweise zwischen dem ersten aktiven Bereich und dem zweiten aktiven Bereich ausgebildet. Dies trägt dazu bei, dass auch der passive Bereich zwischen den aktiven Bereichen zum Abgeben elektromagnetischer Strahlung, beispielsweise aufgrund der Streu- und/oder Reflexionsprozessen, beitragen kann. Dies kann zu einem besonders effizienten Bereitstellen von homogener elektromagnetischer Strahlung, beispielsweise mit einer besonders hohen Strahldichte und/oder einer besonders großen Strahlungsstärke, beitragen.
-
Bei verschiedenen Ausführungsformen ist der Reflektor an der Grundfläche angeordnet. Beispielsweise ist der Reflektor durch einen unabhängigen Körper gebildet, der an der Grundfläche befestigt ist.
-
Bei verschiedenen Ausführungsformen ist der Reflektor durch die Grundfläche gebildet. Beispielsweise kann die Grundfläche selbst reflektierend ausgebildet sein und/oder mit einer reflektierenden Schicht beschichtet sein.
-
Bei verschiedenen Ausführungsformen ist der optische Körper eine TIR-Optik (TIR = Total Internal Reflection).
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
-
Es zeigen:
-
1 ein Ausführungsbeispiel einer Strahlungsanordnung,
-
2 ein Ausführungsbeispiel einer Strahlungsanordnung,
-
3 eine Detailansicht eines Ausführungsbeispiels einer Strahlungsanordnung,
-
4 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer Strahlungsquelle,
-
5 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer Strahlungsquelle,
-
6 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer Strahlungsquelle,
-
7 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer Strahlungsquelle.
-
In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die Teil dieser Beschreibung bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. In dieser Hinsicht wird Richtungsterminologie wie etwa „oben”, „unten”, „vorne”, „hinten”, „vorderes”, „hinteres”, usw. mit Bezug auf die Orientierung der beschriebenen Figur(en) verwendet. Da Komponenten von Ausführungsbeispielen in einer Anzahl verschiedener Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie zur Veranschaulichung und ist auf keinerlei Weise einschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsbeispiele benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert.
-
Im Rahmen dieser Beschreibung werden die Begriffe ”verbunden”, ”angeschlossen” sowie ”gekoppelt” verwendet zum Beschreiben sowohl einer direkten als auch einer indirekten Verbindung, eines direkten oder indirekten Anschlusses sowie einer direkten oder indirekten Kopplung. In den Figuren werden identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist.
-
Ein elektromagnetische Strahlung emittierendes Bauelement kann in verschiedenen Ausführungsbeispielen ein elektromagnetische Strahlung emittierendes Halbleiter-Bauelement sein und/oder als eine Licht emittierende Diode (light emitting diode, LED), eine organische Licht emittierende Diode (organic light emitting diode, OLED) oder als ein organischer Licht emittierender Transistor ausgebildet sein. Das elektromagnetische Strahlung emittierende Bauelement kann in verschiedenen Ausführungsbeispielen Teil einer integrierten Schaltung und/oder eines Light-Engines sein. Weiterhin kann eine Mehrzahl von elektromagnetische Strahlung emittierenden Bauelementen vorgesehen sein, beispielsweise untergebracht in einem gemeinsamen Gehäuse. Die elektromagnetische Strahlung kann beispielsweise Licht im sichtbaren Bereich, UV-Licht und/oder Infrarot-Licht sein.
-
1 zeigt eine Strahlungsanordnung 10. Die Strahlungsanordnung 10 eignet sich beispielsweise zum effizienten Bereitstellen elektromagnetischer Strahlung 32, beispielsweise in Scheinwerfern, beispielsweise zum Bereitstellen von Abblendlicht oder Fernlicht bei einem Kraftfahrzeug oder zur Ausleuchtung von Start- und/oder Landebahnen an Flughäfen, in Etendue-begrenzten Systemen, in Taschenlampen, in Leuchttürmen, in Strahlern, beispielsweise in LED-Retrofits für Halogenstrahler, und/oder in Signalleuchten.
-
Die Strahlungsanordnung 10 weist eine Strahlungsquelle 12, einen Reflektor 14 und einen optischen Körper (40) auf. Die Strahlungsquelle 12 kann beispielsweise als elektromagnetische Strahlung emittierendes Bauelement ausgebildet sein oder ein, zwei oder mehr elektromagnetische Strahlung emittierende Bauelemente aufweisen. Die Strahlungsquelle 12 weist eine erste Seite 13 auf. An der ersten Seite 13 ist mindestens ein aktiver Bereich 18 zum Erzeugen der elektromagnetischen Strahlung ausgebildet. Optional kann an der ersten Seite 13 zusätzlich mindestens ein passiver Bereich 20 ausgebildet sein. Der aktive Bereich 18 kann beispielsweise als elektromagnetische Strahlung emittierendes Bauelement ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Strahlungsquelle 12 ein zusammengesetztes LED-Modul, eine RGB-LED, ein MID-PowerLED-Array, eine Flipchip-LED, oder eine RGGB-LED aufweisen.
-
Der Reflektor 14 kann ein reflektierendes Material aufweisen, daraus gebildet sein oder damit beschichtet sein. Beispielsweise kann eine Oberfläche des Reflektors 14, beispielsweise eine reflektierende Oberfläche 15, die der ersten Seite 13 der Strahlungsquelle 12 gegenüberliegend angeordnet ist, reflektierend ausgebildet sein und/oder mit einer reflektierenden Schicht beschichtet sein. Alternativ dazu kann der Reflektor 14 auch einen transparenten Grundkörper aufweisen, beispielsweise aus Glas, und seine von der Strahlungsquelle 12 abgewandte Seite kann reflektierend ausgebildet sein. Der transparente Grundkörper kann dann beispielsweise als Schutz für die reflektierende Schicht dienen. Der Reflektor 14 kann beispielsweise als Konkavspiegel ausgebildet sein. Die reflektierende Oberfläche 15 des Reflektors 14 kann beispielsweise ein Metall oder einen reflektierenden Kunststoff, beispielsweise ein reflektierendes Polymer aufweisen. Beispielsweise kann die reflektierende Oberfläche 15 Aluminium und/oder Silber aufweisen. Der Reflektor 14 kann vollständig aus dem reflektierenden Material gebildet sein oder die reflektierende Oberfläche 15 kann als reflektierende Schicht auf den Reflektor 14 aufgebracht sein. Beispielsweise kann der Reflektor 14 mit der reflektierenden Schicht beschichtet sein.
-
Der aktive und/oder der passive Bereich 18, 20 können beispielsweise streuend ausgebildet sein, das bedeutet beispielsweise, dass diese beispielsweise eine weiße Oberfläche und/oder eine lambert'sche Abstrahlcharakteristik haben und/oder hochgradig streuend und/oder hochgradig reflektierend sind. Beispielsweise können 20% bis 99,9%, beispielsweise 70% bis 99,5%, beispielsweise 95% bis 99% der auf den aktiven bzw. passiven Bereich 18, 20 auftreffenden elektromagnetischen Strahlung gestreut oder reflektiert werden. Beispielsweise können der aktive und/oder der passive Bereich 20 TiO2 aufweisen, das beispielsweise in Silikon eingebettet sein kann. Ferner kann der aktive Bereich 18 als lambert'scher Strahler ausgebildet sein.
-
Der optische Körper 40 weist eine Außenwandung 41 auf, die sich beispielsweise um den gesamten Umfang des optischen Körpers 40 erstreckt. Der optische Körper 40 weist beispielsweise eine Ausnehmung 42 auf, die beispielsweise zentral in dem optischen Körper 40 ausgebildet ist. Die Ausnehmung 42 erstreckt sich in einer Erstreckungsrichtung hinein in den optischen Körper 40 bis hin zu einer Grundfläche 46 der Ausnehmung 42. Senkrecht zu der Erstreckungsrichtung ist die Ausnehmung 42 von einer Innenwandung 44 des optischen Körpers 40 begrenzt. Ausgehend von der Ausnehmung 42 ist senkrecht zu der Erstreckungsrichtung der Ausnehmung 42, zunächst die Innenwandung 44 des optischen Körpers 40 angeordnet und dahinter die Außenwandung 41. In 1 bildet somit die Innenwandung 44 eine seitliche Begrenzung der Ausnehmung 42 und die Grundfläche 46 bildet eine obere Abgrenzung der Ausnehmung 42. Der optische Körper 40 kann beispielsweise bezüglich einer Symmetrieachse 43 rotations-symmetrisch ausgebildet sein. Alternativ dazu kann sich der optische Körper 40 beispielsweise länglich in die Zeichenebene hinein erstrecken und/oder der optische Körper 40 kann beispielsweise extrudiert sein.
-
Die Strahlungsquelle 12 kann beispielsweise teilweise oder vollständig in der Ausnehmung 42 angeordnet sein. Beispielsweise kann zumindest die erste Seite 13 der Strahlungsquelle 12 in der Ausnehmung 42 angeordnet sein. Der Reflektor 14 ist beispielsweise an der Grundfläche 46 angeordnet, an dieser ausgebildet und/oder durch diese gebildet. Die Außenwandung 41 kann als weiterer Reflektor 16 dienen.
-
Von der Strahlungsquelle 12 aus gesehen weist der optische Körper 40 nach der Grundfläche 46 einen äußeren Oberflächenbereich 48 auf. Der äußere Oberflächenbereich 48 kann beispielsweise linsenförmig ausgebildet sein. Alternativ dazu kann der äußere Oberflächenbereich auch flach ausgebildet sein, was in 1 durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist.
-
Der optische Körper 40 kann beispielsweis einstückig oder mehrstückig ausgebildet sein. Beispielsweise kann der optische Körper 40 in einem Spritzgussverfahren hergestellt werden. Der Reflektor 14 kann beispielsweise nach dem Fertigstellen des optischen Körpers 40 auf die Grundfläche 46 aufgebracht werden, beispielsweise daran festgeklebt werden, oder der Reflektor 14 kann schon während des Herstellens des optischen Körpers 40 auf der Grundfläche 46 ausgebildet werden. Beispielsweise kann der Reflektor 14 als Einlage in ein Gusswerkzeug zum Gießen des optischen Körpers 40 eingelegt werden. Der optische Körper 40 kann beispielsweise Glas oder transparenten Grundstoff, beispielsweise PMMA oder PC, aufweisen oder daraus bestehen.
-
Die Strahlungsquelle 12 erzeugt elektromagnetische Strahlung und gibt elektromagnetische Strahlung ab. Beispielsweise erzeugt der aktive Bereich 18 einen ersten Strahlungsanteil 22 der elektromagnetischen Strahlung und emittiert diesen in Richtung hin zu dem Reflektor 14. Der Reflektor 14 ist so ausgebildet und angeordnet, dass zumindest ein Teil des ersten Strahlungsanteils 22 als reflektierte elektromagnetische Strahlung 26 zurück in Richtung hin zu der Strahlungsquelle 12 reflektiert wird. Zumindest ein Teil der reflektierten elektromagnetischen Strahlung 26, beispielsweise die gesamte reflektierte elektromagnetische Strahlung 26, trifft auf die Strahlungsquelle 12, beispielsweise auf den aktiven Bereich 18 und/oder den passiven Bereich 20.
-
Die auf die Strahlungsquelle 12 treffende reflektierte elektromagnetische Strahlung 26 wird zumindest teilweise von der Strahlungsquelle 12, beispielsweise von dem passiven Bereich 20 und/oder dem aktiven Bereich 18, abgegeben. Das Abgeben der elektromagnetischen Strahlung umfasst beispielsweise ein Reflektieren oder ein Streuen der elektromagnetischen Strahlung, beispielsweise an der ersten Seite 13 der Strahlungsquelle 12, in der Strahlungsquelle 12, beispielsweise in dem aktiven und/oder passiven Bereich 18, 20, und/oder an oder bei einer von der ersten Seite 13 abgewandten zweiten Seite der Strahlungsquelle 12 und/oder des aktiven und/oder passiven Bereichs 18, 20. Ferner kann das Abgegeben der elektromagnetischen Strahlung bezüglich des aktiven Bereichs 18 auch ein durch die reflektierte elektromagnetische Strahlung 26 angeregtes Erzeugen zusätzlicher elektromagnetischer Strahlung umfassen. Das Erzeugen der zusätzlichen elektromagnetischen Strahlung kann auch als Recycling bezeichnet werden.
-
Ein zweiter Strahlungsanteil 30 wird von der Strahlungsquelle 12, beispielsweise von dem aktiven und/oder dem passiven Bereich 18, 20, in Richtung hin zu dem Reflektor 14 abgegeben. Zumindest ein Teil des zweiten Strahlungsanteils 30 wird von dem Reflektor 14 als reflektierte elektromagnetische Strahlung 26 zurück zu der Strahlungsquelle 12 reflektiert.
-
Ein dritter Strahlungsanteil 24 wird von der Strahlungsquelle 12, beispielsweise von dem aktiven Bereich 18, erzeugt und in Richtung hin zu der Innenwandung 44 der Ausnehmung 42 des optischen Körpers 40 emittiert, und zwar nicht in Richtung hin zu dem Reflektor 14. Ein vierter Strahlungsanteil 28 wird von der Strahlungsquelle 12, beispielsweise von dem aktiven und/oder von dem passiven Bereich 18, 20, abgegeben, und zwar in Richtung hin zu der Innenwandung 44 der Ausnehmung 42 des optischen Körpers 40 und nicht in Richtung hin zu dem Reflektor 14. Der dritte und/oder der vierte Strahlungsanteil 24, 28 transmittieren durch den optischen Körper 40 bis hin zu der Außenwandung 41 des optischen Körpers. Beispielsweise kann der vierte Strahlungsanteil 28 in Richtung hin zu der Außenwandung 41 gestreut oder reflektiert werden.
-
Die Außenwandung ist derart ausgebildet, dass die auf sie treffenden Strahlungsanteile 24, 28 an der Außenwandung 41 intern reflektiert werden. Beispielsweise kann die Außenwandung 41 derart ausgebildet sein, dass der dritte und der vierte Strahlungsanteil 24, 28 an der Außenwandung 41 intern total-reflektiert werden. Die Außenwandung 41 reflektiert den dritten Strahlungsanteil 24 und/oder den vierten Strahlungsanteil 28 als nutzbare, von der Strahlungsanordnung 10 bereitgestellte elektromagnetische Strahlung 32 in Richtung weg von der Strahlungsquelle 12.
-
Der erste Strahlungsanteil 22 ist in den Figuren mit durchgezogenen Pfeilen dargestellt. Der zweite Strahlungsanteil 30 ist in den Figuren mit gepunkteten Pfeilen dargestellt. Der dritte Strahlungsanteil 24 ist in den Figuren mit gestrichelten Pfeilen dargestellt. Der vierte Strahlungsanteil 28 ist in den Figuren mit Strich-Doppelpunkt-Pfeilen dargestellt. Der reflektierte Strahlungsanteil 26 ist in den Figuren mit Strich-Punkt-Pfeilen dargestellt. Die von der Strahlungsanordnung 10 bereitgestellte elektromagnetische Strahlung 32 ist in den Figuren mit Doppelstrich-Punkt-Pfeilen dargestellt. Die Pfeile, die die unterschiedlichen Strahlungsanteile repräsentieren, stehen stellvertretend für alle Strahlengänge der elektromagnetischen Strahlung des entsprechenden Strahlungsanteils. Beispielsweise weisen die Strahlungsanteile jeweils Bündel von Strahlen auf, wobei je eines der Bündel durch einen der Pfeile repräsentiert ist. Innerhalb eines der Bündel können jedoch Strahlengänge der elektromagnetischen Strahlung Richtungen aufweisen, die von der Richtung des entsprechenden Pfeils abweichen. Zu einem Bündel von elektromagnetischer Strahlung und dem entsprechenden Pfeil gehört dann die gesamte elektromagnetische Strahlung, deren Strahlengänge die mit Bezug auf den entsprechenden Strahlungsanteil beschriebenen Eigenschaften aufweisen.
-
Die von dem aktiven Bereich 18 erzeugten ersten und dritten Strahlungsanteile 22, 24 können beispielweise elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen im sichtbaren Bereich aufweisen. Beispielsweise können die von der Strahlungsquelle 12 emittierten Strahlungsanteile 22, 24 rotes, grünes, blaues und/oder weißes Licht aufweisen. Alternativ dazu kann die emittierte elektromagnetische Strahlung UV-Licht oder Infrarot-Licht und/oder Laserlicht aufweisen.
-
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Strahlungsanordnung 10, das weitgehend dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der Strahlungsanordnung 10 entspricht. Im Unterschied dazu weist das in 2 gezeigte Ausführungsbeispiel der Strahlungsanordnung 10 jedoch eine Reflektorausnehmung 50 auf, die sich durch den ersten Reflektor 14 hindurch erstreckt. Außerdem weist im Unterschied zu 1 die Strahlungsquelle 12 keinen passiven Bereich 20 an der ersten Seite 13 auf. Alternativ dazu kann jedoch auch bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel die Strahlungsquelle 12 den aktiven und den passiven Bereich 18, 20 aufweisen. Ferner kann auch bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel die Strahlungsquelle 12 keinen passiven Bereich 18 aufweisen.
-
Die Reflektorausnehmung 50 bewirkt, dass ein Teil des ersten und/oder zweiten Strahlungsanteils 22, 30 durch den Reflektor 14 hindurch in den optischen Körper 40 eintreten kann. Die Reflektorausnehmung 50 dient dann als Strahlungsquelle für transmittierte elektromagnetische Strahlung 52, die in 2 durch Pfeile mit langen und kurzen Strichen dargestellt ist und die als von der Strahlungsanordnung 10 bereitgestellte elektromagnetische Strahlung 32 nutzbar ist. Falls der äußere Oberflächenbereich 48 linsenförmig ausgebildet ist, so kann der äußere Oberflächenbereich 48 dazu beitragen, die transmittierte elektromagnetische Strahlung 52 zu kollimieren. Alternativ oder zusätzlich kann der äußere Oberflächenbereich 48 so ausgebildet sein, dass er die Reflektorausnehmung 50 ins Fernfeld abbildet.
-
Die Reflektorausnehmung 50 und/oder der linsenförmige äußere Oberflächenbereich 48 können einfach dazu beitragen, dass mit der Strahlungsanordnung 10 eine besonders hohe maximal erreichbare Strahlungsstärke erzielbar ist. Die Reflektorausnehmung 50 erstreckt sich beispielsweise in radialer Richtung lediglich über einen geringen Teil des ersten Reflektors 14, so dass die Strukturen und/oder gegebenenfalls lokalen Inhomogenitäten der Strahlungsquelle 12 und/oder der ersten Seite 13 der Strahlungsquelle 12 nicht in das Fernfeld abgebildet werden.
-
3 zeigt eine Detailansicht eines Ausführungsbeispiels der Strahlungsanordnung 10, wobei im Wesentlichen die Strahlungsquelle 12 und der Reflektor 14 dargestellt sind. Die Strahlungsquelle 12 weist den aktiven und den passiven Bereich 18, 20 auf. Alternativ dazu kann die Strahlungsquelle 12 jedoch auch keinen passiven Bereich 20 aufweisen. Der Reflektor 14 ist bei diesem Ausführungsbeispiel als Konkavspiegel ausgebildet. Die Strahlungsquelle 12 weist an ihrer in 3 linken oberen Seite einen ersten Randabschnitt 54 und an ihrer rechten oberen Seite einen zweiten Randabschnitt 56 auf. Der erste und/oder der zweite Randabschnitt 54, 56 können am Rand des passiven Bereichs 20 und/oder am Rand des aktiven Bereichs 18 ausgebildet sein. Die reflektierende Oberfläche 15 des Reflektors 14 ist bei diesem Ausführungsbeispiel derart ausgebildet, dass Strahlengänge des ersten und/oder zweiten Strahlungsanteils 30, die ihren Ursprung am ersten Randabschnitt 54 haben und die auch als Randstrahlen bezeichnet werden können, nach Reflexion an der reflektierenden Fläche 15 auf den zweiten Randabschnitt 56 treffen. In anderen Worten wird bei verschiedenen Ausführungsbeispielen elektromagnetische Strahlung, die an dem ersten Randabschnitt 54 in Richtung hin zu dem Reflektor 14 emittiert und/oder abgegeben wird, auf den zweiten Randabschnitt 56 reflektiert. Ferner kann der Reflektor 14 so ausgebildet und angeordnet sein, dass elektromagnetische Strahlung, die an dem zweiten Randabschnitt 54 in Richtung hin zu dem Reflektor 14 emittiert und/oder abgegeben wird, auf den ersten Randabschnitt 56 reflektiert wird, was aus Gründen der besseren Anschaulichkeit in 3 nicht dargestellt ist.
-
Dies kann bewirken, dass die gesamte von der Strahlungsquelle 12 in Richtung hin zu dem ersten Reflektor 14 emittierte und/oder abgegebene Lichtmenge wieder zurück auf die erste Seite 13 der Strahlungsquelle 12 reflektiert wird. Dies kann zu einem besonders effizienten Bereitstellen homogener elektromagnetischer Strahlung 32 beitragen.
-
4 zeigt eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel der Strahlungsquelle 12. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist die Strahlungsquelle 12 lediglich einen aktiven Bereich 18 und keinen passiven Bereich 20 auf. Die Strahlungsquelle 12, insbesondere der aktive Bereich 18, hat einen äußeren Rand 58, der den ersten Randabschnitt 54 und den zweiten Randabschnitt 56 aufweist. Der aktive Bereich 18 kann reflektierend und/oder streuend ausgebildet sein, wie mit Bezug zu 1 näher erläutert. Der aktive Bereich 18 kann beispielsweise ein elektromagnetische Strahlung emittierendes Bauelement sein oder ein solches aufweisen.
-
5 zeigt eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel der Strahlungsquelle 12. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist die Strahlungsquelle 12 einen aktiven Bereich 18 und einen passiven Bereich 20 auf. Der aktive Bereich 18 ist von dem passiven Bereich 20 umgeben. Die Strahlungsquelle 12, insbesondere der aktive und der passive Bereich 18, 20, hat den äußeren Rand 58, der den ersten Randabschnitt 54 und den zweiten Randabschnitt 56 aufweist. Zusätzlich zu dem um den aktiven Bereich 18 herum dargestellten passiven Bereich 20 können auch innerhalb des aktiven Bereichs 18 ein, zwei oder mehr passive Bereiche 20 ausgebildet sein. Ferner kann der aktive Bereich 18 selbst reflektierend und/oder streuend ausgebildet sein, wie mit Bezug zu 1 näher erläutert. Der aktive Bereich 18 kann beispielsweise ein elektromagnetische Strahlung emittierendes Bauelement sein oder ein solches aufweisen.
-
6 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Strahlungsquelle 12, das weitgehend dem mit Bezug zu 5 erläuterten Ausführungsbeispiel der Strahlungsquelle 12 entspricht, wobei im Unterschied dazu bei dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel die Strahlungsquelle 12 zwei der aktiven Bereiche 18 aufweist. Die beiden aktiven Bereiche 18 können elektromagnetische Strahlung gleicher oder unterschiedlicher Wellenlänge erzeugen. Beispielsweise können die beiden aktiven Bereiche 18 Licht gleicher oder unterschiedlicher Farbe erzeugen, wobei mit Hilfe des optischen Körpers 40 und/oder des Reflektors 14 eine Mischung der Farben des Lichts erfolgen kann und so Licht einer weiteren Farbe erzeugt werden kann. Ferner kann der passive Bereich 20 zum Mischen der Farben beitragen.
-
7 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Strahlungsquelle 12, das weitgehend dem mit Bezug zu 5 erläuterten Ausführungsbeispiel der Strahlungsquelle 12 entspricht, wobei im Unterschied dazu bei dem in 7 gezeigten Ausführungsbeispiel die Strahlungsquelle 12 vier der aktiven Bereiche 18 aufweist. Die vier aktiven Bereiche 18 können vier elektromagnetische Strahlung emittierende Bauelemente sein oder vier aktive Bereiche 18 eines elektromagnetische Strahlung emittierenden Bauelements. Beispielsweise können die vier aktiven Bereiche 18 zwei grünes Licht emittierende Chips, einen rotes Licht emittierenden Chip und einen blaues Licht emittierenden Chip aufweisen. Der Zwischenraum zwischen den einzelnen Chips kann dann beispielsweise mit dem hoch reflektierenden und/oder weißen Streumaterial gefüllt sein. Mit Hilfe des optischen Körpers 40 und/oder des Reflektors 14 kann dann eine Mischung der Farben des Lichts erfolgen und so Licht einer weiteren Farbe erzeugt werden. Ferner kann der passive Bereich 20 zum Mischen der Farben beitragen.
-
Die Erfindung ist nicht auf die angegebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Beispielsweise kann der optische Körper 40 Formen aufweisen, die von den in den Figuren gezeigten Formen abweichen. Ferner kann die Strahlungsquelle 12 drei oder mehr als vier aktive Bereiche 18 aufweisen. Beispielsweise kann die Strahlungsquelle 12 ein LED-Array, beispielsweise ein Mid-Power-LED-Package aufweisen. Beispielsweise kann der optische Körper 40 mehrstückig ausgebildet sein. Beispielsweise kann anstatt des linsenförmigen Oberflächenbereichs 48 eine entsprechende Linse an dem optischen Körper 40 angeordnet sein.
