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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Optik zur Beeinflussung der Lichtabgabe einer LED-Lichtquelle, welche einen z.B. kegelstumpfartigen Linsenkörper aufweist, der eine der LED-Lichtquelle zugewandte Lichteinkoppelfläche sowie eine der Lichteinkoppelfläche gegenüberliegende Lichtabstrahlfläche aufweist.
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Optiken der zuvor beschriebenen Art finden bereits vielfach Verwendung und dienen dazu, das von einer LED üblicherweise in einen sehr großen Winkelbereich abgestrahlte Licht zu bündeln und als im Wesentlichen paralleles Strahlenbündel bzw. mit der gewünschten Winkelverteilung abzugeben. Der Vorteil dieser bekannten Optiken besteht dabei darin, dass sie in der Lage sind, nahezu vollständig das von der LED abgegebene Licht zu nutzen.
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Eine besondere Eigenschaft von LEDs besteht darin, dass die Lichtabgabe in die verschiedenen Richtungen des etwa halbkugelartigen Raumbereichs, in den Licht abgegeben wird, hinsichtlich der Farbe bzw. Farbtemperatur des abgegebenen Lichts ungleichmäßig ist. Beim Einsatz sog. Weißlicht-LEDs, die also – ggf. unter Zuhilfenahme entsprechender Leuchtstoffe – weißes Licht emittieren, wird z.B. weißes Licht, dessen Farbtemperatur eher im blauen Bereich liegt, mittig abgestrahlt, während hingegen Weißlicht mit einer niedrigeren Farbtemperatur, welche eher im gelblichen Bereich liegt, eher seitlich abgegeben wird. Wird mit Hilfe der eingangs beschriebenen Optik Licht einer derartigen Weißlicht-LED auf eine zu beleuchtende Fläche gerichtet, so können am Umfang des beleuchteten Bereichs leichte Abstufungen bzw. Farbschattierungen wahrgenommen werden, welche im Hinblick auf eine homogene und gleichmäßige Beleuchtung unerwünscht sind.
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Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabenstellung zugrunde, die eingangs beschriebenen optischen Systeme des Standes der Technik zu verbessern, insbesondere um derartige unerwünschte Farbschattierungen am Umfang zu beleuchtender Bereiche zu vermeiden.
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Die Aufgabe wird durch eine Optik zur Beeinflussung der Lichtabgabe einer LED-Lichtquelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Der erfindungsgemäßen Lösung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die oben erwähnten Farbschattierungen am Umfang eines beleuchteten Bereichs dadurch zustande kommen, dass Licht unterschiedlicher Farbtemperaturen über unterschiedliche Bereiche der Lichtabstrahlfläche der Optik abgegeben wird. Erfindungsgemäß ist nunmehr vorgesehen, dass die Lichtabstrahlfläche der Optik in unterschiedliche Abstrahlbereiche unterteilt wird, welche derart geformt sind, dass über diese Abstrahlbereiche abgegebene Strahlenbündel jeweils einen im Wesentlichen identischen Bereich einer vor der Optik angeordneten und zu beleuchtenden Fläche – mit einer vorzugsweise im Wesentlichen identischen Beleuchtungsstärkeverteilung – beleuchten. Mit anderen Worten, für die Strahlenbündel mit unterschiedlichen Farbtemperaturen werden jeweils eigene optische Systeme geschaffen, welche allerdings derart aufeinander abgestimmt sind, dass insgesamt immer der gleiche Bereich in gleicher Weise beleuchtet wird. Die Qualität der Lichtabgabe wird hierdurch deutlich erhöht, da auf einer zu beleuchtenden Fläche letztendlich lediglich ein einziger Bereich homogen ausgeleuchtet wird. Unter einer „homogenen Beleuchtung“ ist hierbei zu verstehen, dass in dem beleuchteten Bereich keine Farbverläufe, Farbtemperaturverläufe bzw. Schattierungen erkennbar sind. Die Helligkeit hingegen kann durchaus z.B. zum Rand des Bereichs hin abnehmen, wobei nunmehr allerdings – insbesondere bei einer identischen Beleuchtungsstärkeverteilung – alle Farb- bzw. Farbtemperaturanteile in gleicher Weise an dem Helligkeitsverlauf teilnehmen.
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Erfindungsgemäß wird dementsprechend eine Optik zur Beeinflussung der Lichtabgabe einer LED-Lichtquelle vorgeschlagen, welche einen Linsenkörper, der eine der LED-Lichtquelle zugewandte Lichteinkoppelfläche sowie eine der Lichteinkoppelfläche gegenüberliegende Lichtabstrahlfläche aufweist, wobei eine Mantelfläche des Linsenkörpers zumindest für einen Teil der über die Lichteinkoppelfläche eintretenden Lichtstrahlen total-reflektierend wirkt und die Lichtabstrahlfläche in zumindest zwei Abstrahlbereiche unterteilt ist, welche derart geformt sind, dass über die Abstrahlbereiche abgegebene Strahlenbündel jeweils einen im Wesentlichen identischen Bereich einer vor der Optik angeordneten und zu beleuchtenden Fläche – vorzugsweise mit einer im Wesentlichen identischen Beleuchtungsstärkeverteilung – beleuchten. Der Linsenkörper kann hierbei z.B. kegelstumpfartig, zylinderartig oder in Form eines Paraboloids ausgebildet sein.
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Die verschiedenen Abstrahlbereiche der erfindungsgemäßen Optik können dabei insbesondere durch sog. Freiformflächen gebildet sein. Es handelt sich hierbei um Flächen, die nicht einer bestimmten, mathematisch definierbaren Gesetzmäßigkeit folgen, sondern derart modelliert sind, dass sie letztendlich zu der gewünschten Lichtabgabe führen. Ist die zu beleuchtende Fläche sehr weit entfernt von der Optik angeordnet, befindet sie sich also im sog. Fernfeld, so sind die Abstrahlbereiche vorzugsweise derart ausgebildet, dass die abgegebenen Strahlenbündel jeweils eine im Wesentlichen identische Lichtstärkeverteilungskurve aufweisen. Für den Fall hingegen, dass sich die zu beleuchtende Fläche im sog. Nahfeld der Optik befindet, sind die Lichtstärkeverteilungskurven unterschiedlich, allerdings derart aufeinander abgestimmt, dass erfindungsgemäß letztendlich identische Bereiche beleuchtet werden.
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Wie auch bei den Optiken aus dem Stand der Technik üblich kann vorgesehen sein, dass die Lichteinkoppelfläche durch die Bodenfläche und eine Umfangsfläche einer Vertiefung, in der die LED-Lichtquelle anzuordnen ist, gebildet ist. Die erfindungsgemäße Optik unterscheidet sich somit gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen in erster Linie durch eine entsprechende Gestaltung der Lichtaustrittsfläche. Dies wiederum bedeutet wiederum, dass nach entsprechender Optimierung der Lichtaustrittsfläche der Optik diese verhältnismäßig einfach hergestellt werden kann und der zusätzliche Aufwand relativ gering gehalten wird. Alternativ zu einer derartigen Vertiefung kann allerdings die Lichtquelle auch außerhalb des Linsenkörpers angeordnet werden, wobei die Lichteintrittsfläche dann z.B. mit Facetten versehen sein kann.
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Nachfolgend soll die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
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1 die Ausgestaltung einer Optik entsprechend dem Stand der Technik sowie den sich hierbei ergebenden Verlauf von Lichtstrahlen, die von einer Weißlicht-LED stammen;
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2 Lichtstärkeverteilungskurven für die verschiedenen Weißlicht-Anteile bei Nutzung der Optik gemäß 1;
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3 eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer Optik zur Beeinflussung des Lichts einer Weißlicht-LED und
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4a bis 4c sich bei der Optik gemäß 3 ergebende Lichtabgaben und Lichtstärkeverteilungskurven, abhängig davon, ob sich die zu beleuchtende Fläche im Fernfeld oder im Nahfeld der Optik befindet.
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Das der Erfindung zugrunde liegende Problem soll nachfolgend nochmals anhand der 1 und 2 erläutert werden. 1 zeigt hierbei eine aus dem Stand der Technik bekannte Optik zur Beeinflussung der Lichtabgabe einer Weißlicht-LED 150. Es handelt sich um eine LED-Lichtquelle, bei der der lichtemittierende Halbleiterchip 151 von einem Farbkonversionsmaterial 152 mit darin befindlichen Phosphoren bzw. Leuchtstoffen umgeben ist, welche einen Teil des abgegebenen Lichts in Licht anderer Wellenlänge umwandeln, so dass letztendlich insgesamt gesehen als Mischlicht weißes Licht abgegeben wird.
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Die aus dem Stand der Technik bekannte Optik 100 ist kegelstumpfartig ausgebildet. Sie kann rotationssymmetrisch gestaltet sein oder auch im Sinne eines Pyramidenstumpfs vier – oder ggf. mehr – jeweils um 90° versetzte Seitenflächen aufweisen. Die grundsätzliche Wirkungsweise der Optik ändert sich hierdurch allerdings nicht.
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Der LED-Lichtquelle 150 zugewandt ist eine Ausnehmung 105 in dem kegelstumpfartigen Linsenkörper 101, wobei die LED-Lichtquelle 150 innerhalb dieser Ausnehmung 105 angeordnet ist, um sicherzustellen, dass nahezu alles von der Lichtquelle 150 abgegebene Licht in die Optik 100 eintreten und über diese abgegeben werden kann. Die Lichteintrittsfläche dieser Optik 100 wird dementsprechend durch die Umfangsfläche 106 sowie die Bodenfläche 107 der Ausnehmung 105 gebildet. Auch diese 105 Ausnehmung kann hinsichtlich der Gestaltung dieser Flächen unterschiedlich geformt sein und insgesamt Rotationssymmetrie oder die Querschnittsform eines Polygons aufweisen.
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Von der LED-Lichtquelle 150 abgegebene und in den Linsenkörper 101 eintretende Lichtstrahlen werden dann im Wesentlichen auf die zwei nachfolgend beschriebenen unterschiedlichen Arten abgegeben. Zum einen treten Lichtstrahlen A über die Bodenfläche 107 der Ausnehmung 105 in den Linsenkörper 101 ein. Sie werden hierbei leicht gebrochen und dementsprechend in ihrer Richtung verändert, treffen allerdings dann ohne weiter beeinflusst zu werden auf die ebene Lichtaustrittsfläche 110 auf.
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Andere Lichtstrahlen B hingegen, die eher seitlich von der LED-Lichtquelle 150 abgegeben werden, treten über die Umfangsfläche 106 der Ausnehmung 105 in den Linsenkörper 101 ein. Auch sie werden gebrochen, allerdings nicht derart stark umgelenkt, dass sie unmittelbar auf die Lichtaustrittsfläche 110 treffen. Stattdessen treffen sie auf die Mantelfläche 108 des Linsenkörpers 101, die derart geformt ist, dass die Lichtstrahlen B hier – wie dargestellt – total-reflektiert werden. Hierdurch werden sie umgelenkt, so dass sie nunmehr auf die Lichtaustrittsfläche 110 treffen und den Linsenkörper 101 verlassen.
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Die im vorliegenden Fall insbesondere besprochenen Weißlicht-LEDs weisen nunmehr die Eigenschaft auf, dass Licht unterschiedlicher Farbe bzw. Farbtemperatur unterschiedlich stark in die verschiedenen Richtungen abgegeben wird. So wird in der Regel Licht einer kürzeren Wellenlänge, also bläuliches Weißlicht direkt abgegeben, derart, dass es wie die dargestellten Strahlen A über die Bodenfläche 107 in den Linsenkörper 101 eintritt. Zur Seite hingegen wird eher Licht niedrigerer Energie, welches nachfolgend als gelbliches Weißlicht bezeichnet wird, abgestrahlt und stellt dementsprechend die Lichtstrahlen B dar, welche über die Umfangsfläche 106 der Ausnehmung 105 in den Linsenkörper 101 gelangen, zunächst total reflektiert werden und dann auf die Lichtaustrittsfläche 110 treffen.
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Der Verlauf der dargestellten Strahlen lässt nunmehr erkennen, dass die im vorliegenden Fall betrachteten beiden Weißlicht-Anteile mit bläulichem Weißlicht und gelblichem Weißlicht unterschiedlich beeinflusst und dementsprechend auch unterschiedlich durch die Optik 100 abgestrahlt werden. Es ergeben sich für die beiden Lichtanteile die leicht unterschiedlichen Lichtstärkeverteilungskurven, wie sie in 2 dargestellt sind, wobei mit I die Lichtstärkeverteilungskurve für das gelbliche Weißlicht und mit II die Lichtstärkeverteilungskurve für das bläuliche Weißlicht bezeichnet ist. Erkennbar ist, dass das gelbliche Weißlicht in einen leicht größeren Winkelbereich abgegeben wird, was letztendlich zur Folge hat, dass am Umfang eines beleuchteten Bereichs die zuvor erwähnten Farbschattierungen auftreten können.
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Anzumerken ist, dass die Lichtaustrittsfläche 110 der in 1 dargestellten Optik 100 auch konkav oder konvex ausgebildet sein könnte, sich allerdings trotz allem die unerwünschten Farbschattierungen ergeben würden.
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Um diese Problematik beim Stand der Technik zu vermeiden, wird nunmehr eine Optik vorgeschlagen, wie sie in 3 dargestellt ist. Die erfindungsgemäße, mit dem Bezugszeichen 20 versehene Optik besteht wiederum aus einem Linsenkörper 1, der nahezu identisch zu dem in 1 dargestellten Linsenkörper 101 ausgebildet ist. Auch der Linsenkörper 1 der erfindungsgemäßen Optik weist also eine der LED-Lichtquelle 150 zugewandte Ausnehmung 5 mit einer Mantel- bzw. Umfangsfläche 6 sowie einer Bodenfläche 7 auf, welche ggf. auch gewölbt bzw. gekrümmt ausgebildet sein könnten. Der der Lichtquelle 150 zugewandte Lichteintrittsbereich ist über eine Mantelfläche 8 mit dem Lichtaustrittsbereich verbunden. Ferner kann der Linsenkörper wiederum rotationssymmetrisch oder eher polygonal ausgebildet sein, wobei alternativ zu der dargestellten Form der Linsenkörper auch zylinderartig oder in Form eines Paraboloids ausgebildet sein könnte.
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Innerhalb des Linsenkörpers 1 verlaufen die Lichtstrahlen in gleicher Weise wie bei dem Linsenkörper gemäß 1, wie ein Vergleich beider Darstellungen zeigt. Auch hier werden also die Lichtstrahlen B mit etwas niedrigerer Energie, die dem gelblichen Weißlicht zuzuordnen sind, an der Mantelfläche 8 des Linsenkörpers 1 total reflektiert und auf die Lichtaustrittsfläche 10 gelenkt, während hingegen das bläuliche Weißlicht der Strahlen A über die Bodenfläche 7 eintritt und ohne reflektiert zu werden zu der Lichtaustrittsfläche 10 gelangt.
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Erfindungsgemäß unterscheidet sich allerdings die Lichtaustrittsfläche 10 der erfindungsgemäßen Optik 20 nunmehr gegenüber dem Stand der Technik darin, dass diese Fläche in unterschiedliche Abstrahlbereiche unterteilt ist, welche den jeweiligen Lichtanteilen zugeordnet sind. Im vorliegenden Fall ist also ein zentraler erster Bereich 10 1 vorgesehen, der dem bläulichen Weißlicht zugeordnet ist, während an beiden Seiten weitere Bereiche 10 2 und 10 3 ausgebildet sind, die den gelblichen Weißlicht-Anteilen zugeordnet sind. Anzumerken ist, dass die seitlichen Bereiche 10 2 und 10 3 symmetrisch zueinander ausgebildet sind. Wird davon ausgegangen, dass die Optik 20 insgesamt gesehen rotationssymmetrisch ausgebildet ist, so bilden die seitlichen Bereiche 10 2 und 10 3 einen zusammengehörenden, den ersten Bereich 10 1 ringartig umgebenen Aussenbereich.
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Die unterschiedlichen Abstrahlbereiche der Lichtabstrahlfläche 10 sind erfindungsgemäß derart ausgebildet, dass die über diese Bereiche abgegebenen Strahlenbündel auf einer zu beleuchtenden Fläche jeweils einen identischen Bereich beleuchten. Jeder Bereich der Abstrahlfläche 10 wird also dahingehend ausgelegt, dass das über ihn abgegebene Licht exakt jeweils einen zu beleuchtenden Bereich vollständig ausleuchtet, wobei für die verschiedenen Strahlenbündel vorzugsweise auch eine im Wesentlichen identische Beleuchtungsstärkeverteilung auf der beleuchteten Fläche vorliegt vorliegt. Auf der zu beleuchtenden Fläche werden deshalb die Lichtbündel der unterschiedlichen Weißlicht-Anteile exakt überlagert, so dass im Randbereich keine Farbschattierungen mehr auftreten. Stattdessen ergibt sich ein verhältnismäßig einheitlich beleuchteter Bereich, der über seine gesamte Fläche hinweg homogen mit Weißlicht ausgeleuchtet wird. Wie bereits erwähnt bedeutet dies nicht, dass die Helligkeit in dem beleuchteten Bereich überall gleich groß sein muß. Diese kann durchaus einen – z.B. nach außen hin abfallenden – Verlauf aufweisen, wobei allerdings vorzugsweise alle Lichtanteile in gleicher Weise zu diesem Helligkeitsverlauf beitragen und dementsprechend auch im Inneren des beleuchteten Bereichs keine Farbverläufe oder Farbtemperaturverläufe erkennbar sind.
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Die Wirkung der erfindungsgemäßen Optik 20 ist schematisch in den 4a bis 4c dargestellt, wobei in 4a davon ausgegangen wird, dass sich die zu beleuchtende Fläche verhältnismäßig weit weg von der erfindungsgemäßen Optik 20, also im sog. Fernfeld befindet. Erkennbar ist, dass die über die verschiedenen Abstrahlbereiche 10 1 bis 10 3 abgegebenen Strahlenbündel jeweils identisch ausgebildet sind, also – wie in 4b dargestellt – die gleiche Lichtstärkeverteilungskurve I1,2,3 aufweisen. Im Fernfeld wird dementsprechend exakt der gleiche Bereich beleuchtet, wobei es aufgrund des großen Abstandes keine Rolle spielt, dass die Abstrahlbereiche 10 1 bis 10 3 nebeneinander liegen.
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Für den Fall hingegen, dass sich die zu beleuchtende Fläche 200 im Nahbereich der Optik 20 befindet, sind die Abstrahlbereiche derart zu gestalten, dass sich unterschiedliche Lichtverteilungskurven ergeben. Diese sind allerdings derart aufeinander abgestimmt, dass die Strahlenbündel wieder exakt im gleichen Bereich auf der zu beleuchtenden Fläche 200 auftreffen, wie dies in 4c schematisch dargestellt ist.
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Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Lichtabstrahlfläche kann also die Qualität der Lichtabgabe deutlich verbessert werden. Bei den speziell gestalteten Abstrahlbereichen handelt es sich dabei insbesondere um sog. Freiformflächen, die in entsprechender Weise optimiert wurden, um den angestrebten Effekt zu erzielen. Diese müssen im Hinblick auf die Gestalt des Linsenkörpers entsprechend angepasst werden, um die gewünschte Lichtabgabe zu erzielen. Da allerdings letztendlich lediglich eine entsprechende Modifikation der Lichtaustrittsfläche erforderlich ist, kann das erfindungsgemäße optische Element nach entsprechender Formgebung der Lichtaustrittsfläche verhältnismäßig einfach und damit kostengünstig im Spritzgussverfahren hergestellt werden.
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Die erfindungsgemäß ausgestaltete Optik muss dabei nicht zwingend die der LED zugewandte Ausnehmung aufweisen. Stattdessen könnte die LED auch außerhalb der Optik angeordnet werden, wobei dann die z.B. ebene Lichteintrittsfläche mit Facetten versehen oder anderweitig strukturiert sein kann.
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Zu erwähnen ist ferner, dass sich die Totalreflexionen an der Mantelfläche des optischen Elements vorteilhaft auswirken, da hierdurch die verschiedenen Strahlenbündel beim Auftreffen auf die Lichtaustrittsfläche bereits eine verhältnismäßig ähnliche Verteilung aufweisen. Dies hat zur Folge, dass mit Hilfe der Freiformflächen der Lichtabstrahlbereiche eine größere Freiheit im Hinblick auf die Einstellung der Lichtverteilungskurve besteht. Würde stattdessen auf die Totalreflexionen verzichtet werden, so würden die Strahlenbündel von Haus aus sehr unterschiedliche Richtungen aufweisen und mit Hilfe der entsprechenden Lichtabstrahlflächen könnten nur noch geringfügige Anpassungen innerhalb eines begrenzten Bereichs vorgenommen werden.
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Dieser Effekt der Totalreflexionen kann dabei auch für alle verschiedenen Farbanteile bzw. Farbtemperaturanteile genutzt werden, indem der Linsenkörper mit einer zur Lichtabstrahlseite hin geöffnete Ausnehmung versehen wird. Die Form des Linsenkörpers ist dann z.B. derart gewählt, dass sämtliche Lichtstrahlen auf die Mantelfläche des Linsenkörpers gerichtet und dort total reflektiert werden. Wiederum treffen diese Lichtstrahlen aufgrund der Winkelabhängigkeit bei der Lichtabgabe der LED-Lichtquelle in unterschiedlichen Bereichen auf die Lichtaustrittsfläche, wobei die Lichtstrahlen z.B. des gelblichen Weißlichts ggf. sogar an der Umfangsfläche der der Lichtabstrahlseite zugewandten Ausnehmung ein zweites Mal total-reflektiert werden. Auch in diesem Fall sind dann an der Lichtaustrittsfläche unterschiedliche Abstrahlbereiche und gebildet, welche jeweils für die Lichtabgabe der verschiedenen Strahlenbündel verantwortlich sind und wiederum derart ausgestaltet sind, dass sich die von der Optik abgestrahlten Bündel auf einer zu beleuchtenden Fläche exakt überlagern.
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Letztendlich können also auf Linsen der vorliegenden Erfindung mit Hilfe verhältnismäßig einfacher Maßnahmen die Lichtabstrahleigenschaften entsprechender Optiken deutlich verbessert werden.
