DE102015114653A1

DE102015114653A1 - Optikanordnung zum Bereitstellen einer Beleuchtungsverteilung

Info

Publication number: DE102015114653A1
Application number: DE102015114653.3A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Nevoigt
Original assignee: LIGHTING INNOVATION GROUP AG
Current assignee: LIGHTING INNOVATION GROUP AG
Priority date: 2015-09-02
Filing date: 2015-09-02
Publication date: 2017-03-02

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine zum Bereitstellen einer Beleuchtungsverteilung auf einer zu beleuchtenden oder zu bestrahlenden Fläche (18), wobei die Optikanordnung (24) mindestens zwei Beleuchtungsoptiken (28) aufweist, die mit von mindestens einer Lichtquelle (32) und insbesondere von einer LED (30) emittierten Lichtstrahlen optisch zusammenwirken, wobei die mindestens zwei Beleuchtungsoptiken (28) eine unterschiedliche Form aufweisen. Ferner betrifft die Erfindung eine LED-Platine (23) mit einer derartigen Optikanordnung (24) sowie einen Beleuchtungskopf (22) und eine Beleuchtungsvorrichtung (201), die eine derartige Optikanordnung (24) und/oder eine LED-Platine (23) mit der Optikanordnung (24) umfassen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Optikanordnung zum Bereitstellen einer Beleuchtungsverteilung auf einer zu beleuchtenden oder zu bestrahlenden Fläche. Ferner betrifft die Erfindung eine LED-Platine mit einer derartigen Optikanordnung sowie einen Beleuchtungskopf und eine Beleuchtungsvorrichtung, die eine derartige Optikanordnung und/oder eine LED-Platine mit der Optikanordnung umfassen.
Das Bereitstellen einer definierten Beleuchtungsverteilung auf einer zu beleuchtenden oder zu bestrahlenden Fläche ist eine der wichtigsten Aufgaben von Optikanordnungen. Die Anwendungsbereiche von Optikanordnungen sind sehr vielfältig und umfassen unter anderem Scheinwerfer von Fahrzeugen, Straßenlaternen und Arbeitsplatzleuchten. Darüber hinaus kommen Optikanordnungen immer häufiger auch in medizinischen Anwendungen zum Einsatz, beispielsweise, um UV-aushärtbare Zahnfüllungen auszuhärten oder den Bilirubinabbau bei Säuglingen, die unter einer Neugeborenen-Gelbsucht leiden, zu beschleunigen.
Die Beleuchtungsverteilung, welche für den jeweiligen Anwendungsbereich erforderlich ist, kann je nach Anwendungsbereich sehr unterschiedlich sein. Bei Scheinwerfern von Fahrzeugen steht die bestmögliche Ausleuchtung des Vorfelds des Fahrzeug im Vordergrund, ohne hierbei den Gegenverkehr und den Fahrer selbst zu blenden. Bei Straßenbeleuchtungen soll die Straße über eine möglichst große Fläche möglichst homogen ausgeleuchtet werden, ohne dabei Licht in Richtungen abzustrahlen, die für die Beleuchtung der Straße nicht relevant sind. Dabei soll ein weitgehend nahtloser Übergang der Straßenbeleuchtung zwischen zwei benachbarten Straßenlaternen erreicht werden, wobei man bestrebt ist, den Abstand zwischen zwei benachbarten Straßenlaternen zu maximieren, um die Anzahl der Straßenlaternen zu reduzieren. Bei Arbeitsplatzbeleuchtungen steht ebenfalls die möglichst homogene und blendfreie Ausleuchtung insbesondere der Schreibtischplatte im Vordergrund.
Schon seit einiger Zeit werden vermehrt LEDs als Lichtquellen verwendet, da diese unter anderem im Vergleich zu herkömmlichen Glühlampen eine bessere Energie- und Leistungsbilanz bei einer geringeren Wärmeentwicklung aufweisen. Zudem können LEDs deutlich raumsparender verbaut werden, was völlig neue Gestaltungsmöglichkeiten von Beleuchtungsvorrichtungen zulässt. Eine LED kann als nahezu punktförmige Lichtquelle aufgefasst werden, was die Gestaltung der Optikanordnungen im Vergleich zu herkömmlichen Glühlampen deutlich verändert. Werden bei Glühbirnen relativ aufwendige und voluminöse Optikanordnungen verwendet, die beispielsweise Kollektoren aufweisen, so werden bei LEDs häufig sogenannte Freiformoptiken verwendet. Eine LED-betriebene Beleuchtungsvorrichtung weist üblicherweise eine Vielzahl von LEDs auf. Häufig wird jeweils einer LED eine Freiformoptik zugeordnet, wobei die verwendeten Freiformoptiken dieselbe Form aufweisen. In vielen Fällen umschließt die Freiformoptik die LEDs zumindest teilweise. Es ist jedoch auch möglich, zwei oder mehreren LEDs eine Freiformoptik zuzuordnen. Beispiele derartiger Freiformoptiken sind in der DE 20 2013 103 401 U1 sowie der WO 2008/122941 A1 dargestellt, in denen ein Beleuchtungskopf einer Straßenlaterne eine Arrayförmige Anordnung von LEDs aufweist, wobei jeder LED jeweils eine gleichartige Freiformoptik, also eine Freiformoptik mit derselben Form, zugeordnet ist.
Unter Freiformoptiken werden Optiken, beispielsweise Linsen oder Reflektoren, verstanden, welche aus einer Anzahl von Flächen zusammengesetzt sind, deren Verlauf keiner mathematischen Regelfläche entspricht. Die Größe und Form der Flächen werden computergestützt berechnet, wodurch es möglich ist, die Beleuchtungsverteilung sehr genau auf den jeweiligen Anwendungsfall anzupassen. Die äußere Form des mit der Beleuchtungsverteilung ausgeleuchteten Beleuchtungsfelds kann beispielsweise rechteckig, rund, oval oder auch andersartig begrenzt sein. Insbesondere ist es unter Verwendung von Freiformoptiken möglich, sowohl relativ scharfe Hell-Dunkel-Grenzen als auch sanfte Übergänge bereitzustellen.
Allerdings ist die Array-förmige Anordnung gleichartiger Freiformoptiken über eine ausgedehnte Fläche nur für Anwendungen sinnvoll, bei denen die zu beleuchtenden oder zu bestrahlenden Flächen im sogenannten fotometrischen Fernfeld der Lichtquellen liegen. Im Fernfeld ist der Abstand der zu beleuchtenden Fläche im Verhältnis zur Ausdehnung der Lichtaustrittsfläche der betreffenden Beleuchtungsvorrichtung hinreichend groß, so dass die gesamte Lichtaustrittsfläche der Lichtquelle selbst als Punktlicht betrachtet werden kann. Insofern ist für die Beleuchtungsverteilung in weitem Abstand lediglich die Summe der winkelabhängigen räumlichen Lichtverteilungen der einzelnen Freiformoptiken relevant. Die Anordnung der Freiformoptiken auf der Beleuchtungsvorrichtung spielt hingegen keine Rolle. Von einem fotometrischen Fernfeld kann man dann sprechen, wenn der Beleuchtungsabstand das 5-fache der größten Ausdehnung der Lichtaustrittsfläche der Beleuchtungsvorrichtung übersteigt, bei eng bündelnden Systemen das 10-fache.
Es gibt jedoch auch eine Reihe an Beleuchtungs- oder Bestrahlungsanwendungen, bei denen die zu beleuchtende oder zu bestrahlende Fläche nur einen relativ geringen Abstand zur Beleuchtungsvorrichtung hat. Dies kann bei Arbeitsplatzleuchten der Fall sein, insbesondere jedoch sind medizinische Geräte zum Beleuchten oder Bestrahlen menschlicher oder tierischer Körper oder Körperteile zu nennen. In diesem Fall liegt die zu beleuchtende oder zu bestrahlende Fläche im fotometrischen Nahfeld. In diesen Fällen ist ebenfalls eine definierte Beleuchtungs- oder Bestrahlungsstärkeverteilung gewünscht. Die Beleuchtungsköpfe weisen häufig unter anderem aus Gründen des Produktdesigns und der Bereitstellung einer ausreichenden Kühlung eine gewisse räumliche Ausdehnung auf, so dass die LEDs mit den zugehörigen Beleuchtungsoptiken einen bestimmten Abstand untereinander aufweisen und über eine relativ große Fläche verteilt sind. Im fotometrischen Nahfeld bestimmt neben der räumlichen Lichtverteilung der einzelnen Freiformoptiken auch die örtliche Verteilung der Lichtquellen die resultierende Beleuchtungsverteilung. Im Nahfeld überlagern sich die von den einzelnen gleichartigen Freiformoptiken bereitgestellten Beleuchtungsverteilungen nicht deckungsgleich, sondern weisen einen dem Rasterabstand der LEDs entsprechenden Versatz auf, der in 1 dargestellt ist. Dieser Versatz führt dazu, dass beispielsweise im Randbereich des Beleuchtungsfelds keine scharfe Begrenzung möglich wird oder das Beleuchtungsfeld andere unerwünschte Überlagerungseffekte wie Streifenmuster aufweist.
Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Optikanordnung anzugeben, mit der sich auch im fotometrischen Nahfeld ein Beleuchtungsfeld mit einer genau definierten Beleuchtungsverteilung und einer genau definierten äußeren Form realisieren lässt.
Gelöst wird die Aufgabe mit den in den Ansprüchen 1, 7, 8, 9 und 13 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft eine Optikanordnung zum Bereitstellen einer Beleuchtungsverteilung auf einer zu beleuchtenden oder zu bestrahlenden Fläche, bei der die Optikanordnung mindestens zwei Beleuchtungsoptiken aufweist, die mit von mindestens einer Lichtquelle und insbesondere von einer LED emittierten Lichtstrahlen optisch zusammenwirken, wobei die mindestens zwei Beleuchtungsoptiken eine unterschiedliche Form aufweisen. Unter einer Beleuchtungsoptik soll eine Vorrichtung verstanden werden, mit welcher der Strahlengang der von einer Lichtquelle emittierten Lichtstrahlen zielführend beeinflusst werden kann. Beispielhaft seien an dieser Stelle Linsen und Reflektoren genannt. Unter einer optischen Zusammenwirkung soll die Interaktion zwischen der Beleuchtungsoptik und den Lichtstrahlen verstanden werden. Wie eingangs erwähnt, ist es nicht möglich, mit Beleuchtungsoptiken, welche dieselbe Form aufweisen, im Nahfeld ein Beleuchtungsfeld bereitzustellen, welches den gewünschten Anforderungen entspricht. Die gewünschten Anforderungen bestehen beispielsweise in einem scharf begrenzten Beleuchtungsfeld ohne Überlagerungseffekte wie Streifenmuster. Demgegenüber ist es mit der vorschlagsgemäßen Optikanordnung möglich, eine besonders gut definierbare Beleuchtungsverteilung insbesondere im Nahfeld zu erzielen, wenn mindestens zwei Beleuchtungsoptiken vorhanden sind, die eine unterschiedliche Form aufweisen. Mit unterschiedlich geformten Beleuchtungsoptiken können Beleuchtungsfelder im Nahfeld erzeugt werden, deren äußere Form beispielsweise kreis- oder ellipsenförmig, oval, polygon, beispielsweise viereckig und insbesondere rechteckig ist. Es ist aber auch möglich, die äußere Form aus einer Kombination dieser Grundformen zu bilden, beispielsweise aus einer Halbellipse und einem Rechteck. Die äußere Form kann auch unabhängig von diesen Grundformen gebildet werden, was beispielsweise dann vorteilhaft ist, wenn ein Teil des menschlichen Körpers beleuchtet oder bestrahlt werden soll, der eine mathematisch nur sehr schwer beschreibbare äußere Form aufweist. Nicht nur die äußere Form des zu bestrahlenden Objekts, sondern auch der dreidimensionale Verlauf seiner Oberfläche kann bei der Gestaltung der Form der Beleuchtungsoptiken berücksichtigt werden, um die Beleuchtungsverteilung nicht nur in der Ebene, sondern auch räumlich anzupassen.
Bei aus dem Stand der Technik bekannten Optikanordnungen, die baugleiche Beleuchtungsoptiken verwenden, ist es nicht möglich, Beleuchtungsfelder mit derartigen äußeren Formen und einer derartigen Beleuchtungsverteilung insbesondere im Nahfeld zu erzeugen. Da jede Beleuchtungsoptik eine unterschiedliche Form aufweist, steigt der Konstruktions- und Fertigungsaufwand im Vergleich zu gleichartigen Beleuchtungsoptiken. Allerdings wird dieser Mehraufwand dadurch in Grenzen gehalten, dass die Beleuchtungsoptiken mit modernen Fertigungsverfahren relativ kostengünstig innerhalb von kurzer Zeit herzustellen sind.
Die erfindungsgemäße Optikanordnung ist nicht auf eine bestimmte Lichtquelle festgelegt, so dass thermische Strahler wie Glühlampen und nichtthermische Strahler wie Gasentladungslampen eingesetzt werden können. Aufgrund ihres verminderten Energieverbrauchs bei einer reduzierten Wärmeentwicklung und ihrem geringen Bauraum bietet sich die Verwendung von LEDs als nichtthermische Strahler besonders an.
Eine weitere Ausführungsform der Optikanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass die Beleuchtungsoptiken bezogen auf eine Symmetrieebene und/oder auf ein Symmetriezentrum symmetrisch sind. Die Beleuchtungsoptiken können beispielsweise punktsymmetrisch oder spiegelsymmetrisch sein. Auch wenn durch die Symmetrie der Beleuchtungsoptiken der Gestaltungsfreiheit bezüglich der äußeren Form des Beleuchtungsfelds gewisse Grenzen gesetzt werden, ist die Gestaltungsfreiheit im Vergleich zu gleichartigen Beleuchtungsoptiken deutlich höher. Im Vergleich zu den Beleuchtungsoptiken mit individuellen, unterschiedlichen Formen wird der zusätzliche Konstruktions- und Fertigungsaufwand durch die Symmetrie verringert. Eine einmal entworfene Beleuchtungsoptik kann mit modernen Computerprogrammen ohne nennenswerten Aufwand durch Spiegeln an einer oder mehreren wählbaren Symmetrieebenen vervielfältigt werden, so dass die so erzeugten Beleuchtungsoptiken die gewünschten Symmetrien aufweisen.
Wenn im Folgenden von individuellen Beleuchtungsoptiken oder Beleuchtungsoptiken mit unterschiedlicher Form die Rede ist, ist damit gemeint, dass die Formen keine Symmetrie zueinander aufweisen. Wenn von symmetrischen Beleuchtungsoptiken oder von Beleuchtungsoptiken mit symmetrischer Form die Rede ist, ist dies nicht so zu verstehen, dass eine gegebene Form nicht einzigartig innerhalb der Optikanordnung sein kann, allerdings weist die Form eine symmetrische Beziehung zu mindestens einer weiteren Form innerhalb der Optikanordnung auf.
Bei der Verwendung von Beleuchtungsoptiken mit unterschiedlichen Formen lässt sich das Beleuchtungsfeld mit der gewünschten Beleuchtungsverteilung nur dann genau einstellen, wenn der Abstand zwischen der Lichtquelle und der zu beleuchtenden Fläche demjenigen entspricht, der bei der Konstruktion der Beleuchtungsoptiken zugrunde gelegt worden ist. Bereits bei einer geringen Abweichung ändern sich die äußere Form des Beleuchtungsfelds und die Beleuchtungsverteilung relativ stark. Wenn jedoch Beleuchtungsoptiken mit symmetrischen Formen verwendet werden, lässt sich das definierte Beleuchtungsfeld aufgrund der Symmetrie der Beleuchtungsoptiken auch dann weitgehend aufrechterhalten, wenn der Abstand zwischen der Lichtquelle und der zu beleuchtenden oder zu bestrahlenden Fläche in gewissen Grenzen geändert wird.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Beleuchtungsoptiken zu wenigstens einer ersten Gruppe und zu wenigstens einer zweiten Gruppe zusammengefasst sind, wobei die erste und die zweite Gruppe dieselbe Anzahl von Beleuchtungsoptiken umfasst und die erste und die zweite Gruppe bezogen auf eine Symmetrieebene und/oder auf ein Symmetriezentrum symmetrisch sind. Durch die Zusammenfassung einer Anzahl von Beleuchtungsoptiken zu einer ersten und einer zweiten Gruppe lässt sich ein modularer Aufbau erzielen, sodass insbesondere sehr große Beleuchtungsfelder mit einer definierten Beleuchtungsverteilung mit einem verringerten Fertigungsaufwand bereitstellen lassen.
In einer alternativen Ausführungsform der Optikanordnung sind die Beleuchtungsoptiken als Freiformoptiken ausgestaltet. Wie bereits eingangs erwähnt, zeichnen sich die Freiformoptiken in dadurch aus, dass sie aus einer Anzahl von Flächen zusammengesetzt sind, deren Verlauf keiner mathematischen Regelfläche entspricht. Der Verlauf und die Größe der Flächen werden computergestützt berechnet, so dass es möglich ist, auf den individuellen Einzelfall zugeschnittene Beleuchtungsfelder mit der gewünschten zwei- oder dreidimensionalen Beleuchtungsverteilung und der gewünschten äußeren Form bereitzustellen. Auch wenn die Flächen mitunter einen komplizierten Verlauf aufweisen, lassen sich die Freiformoptiken beispielsweise im Spritzgussverfahren auch für den Fall relativ kostengünstig fertigen, dass jede der verwendeten Beleuchtungsoptiken eine unterschiedliche Form aufweist. Die Verwendung von Freiformoptiken bietet sich insbesondere für Beleuchtungsvorrichtungen an, die eine Anzahl von LEDs aufweisen.
Eine weitere Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsoptiken als refraktive Elemente ausgestaltet sind oder refraktive Elemente umfassen. Diese sind fertigungstechnisch insbesondere für kleine Lichtquellen, wie z. B. LEDs, vorteilhaft.
Ferner können die Beleuchtungsoptiken als reflektierende und/oder totalreflektierende Elemente ausgestaltet sein oder reflektierende und/oder totalreflektierende Elemente umfassen. Diese sind insbesondere für größere Lichtquellen, wie z. B. Glühlampen, Leuchtstofflampen, vorteilhaft.
In einer Ausbildung der Erfindung ist die LED-Platine mit mindestens zwei LEDs und einer Optikanordnung nach einem der vorherigen Ausführungsformen ausgestattet, wobei jede LED mit genau einer der Beleuchtungsoptiken optisch zusammenwirkt. Wie eingangs erwähnt, zeichnen sich LEDs durch einen verminderten Energieverbrauch bei einer reduzierten Wärmeentwicklung aus. Hierdurch ist es möglich, die Optikanordnung und insbesondere die Freiformoptik sehr dicht an der LED anzuordnen und dadurch bei reduziertem Bauraum nahezu das gesamte von der LED emittierte Licht wunschgemäß zu lenken. Zudem ist es möglich, für jede LED eine Beleuchtungsoptik mit unterschiedlicher Form und insbesondere eine individuelle Freiformoptik vorzusehen, wodurch ein genau auf die jeweilige Anwendung zugeschnittenes Beleuchtungsfeld und insbesondere mit einer auf den jeweiligen Anwendungsfall optimierter äußeren Form im Nahfeld bereitgestellt werden kann. Der hierfür notwendige Konstruktions- und Fertigungsaufwand insbesondere bei einer hohen Anzahl von LEDs lässt sich durch Symmetrien in der Form der Beleuchtungsoptiken reduzieren. Wie zuvor beschrieben, reagiert das Beleuchtungsfeld, welches mit Freiformoptiken mit unterschiedlichen Formen erzeugt werden kann, relativ empfindlich auf Schwankungen im Abstand, der bei der Konstruktion der Freiformoptiken zugrunde gelegt worden ist. Im Gegensatz dazu reagieren die Eigenschaften des Beleuchtungsfelds, welches mit den symmetrischen Beleuchtungsoptiken bereitgestellt wird, weniger empfindlich auf Abstandsänderungen. Für jeden Anwendungsfall lässt sich aber feststellen, ob es wichtiger ist, ein Beleuchtungsfeld mit einer ganz besonderen äußeren Form bereitzustellen oder das Beleuchtungsfeld auch bei schwankenden Abständen weitgehend unverändert zur Verfügung zu stellen. Je nachdem, welche Anforderung eine höhere Priorität hat, können Beleuchtungsoptiken mit unterschiedlicher Form oder mit Symmetrie verwendet werden.
Eine Ausführung der Erfindung betrifft einen Beleuchtungskopf zum Beleuchten oder zum Bestrahlen einer Fläche, umfassend eine LED-Platine nach der zuvor diskutierten Ausbildung oder einer Optikanordnung nach einem der zuvor offenbarten Ausführungsformen. Die Vorteile und technischen Effekte, die sich mit dem Beleuchtungskopf realisieren lassen, entsprechen denjenigen, die für die LED-Platine und für die Ausführungsformen der Optikanordnung erläutert worden sind. Insbesondere soll zusammenfassend festgehalten werden, dass es mit dem Beleuchtungskopf möglich ist, ein Beleuchtungsfeld mit definierten Eigenschaften auch im Nahfeld der Lichtquelle zu schaffen.
Eine Fortbildung der Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung zum Beleuchten oder zum Bestrahlen einer Fläche, umfassend mindestens eine Lichtquelle und eine Optikanordnung insbesondere nach einem der zuvor vorgestellten Ausführungsformen zum Bereitstellen einer Beleuchtungsverteilung auf der Fläche, wobei die Optikanordnung mindestens zwei Beleuchtungsoptiken aufweist, die mit von der mindestens einen Lichtquelle emittierten Lichtstrahlen optisch zusammenwirken, wobei die mindestens zwei Beleuchtungsoptiken eine unterschiedliche Form aufweisen. Die Vorteile und technischen Effekte, die sich mit der Beleuchtungsvorrichtung realisieren lassen, entsprechen denjenigen, die für die LED Platine und für die Ausführungsformen der Optikanordnung sowie zum Beleuchtungskopf erläutert worden sind.
In einer weiteren Fortbildung weist die Lichtquelle eine Anzahl von LEDs und dieselbe Anzahl der Beleuchtungsoptiken auf, wobei jeweils eine der LEDs mit genau einer der Beleuchtungsoptiken optisch zusammenwirkt. LEDs weisen unter anderem im Vergleich zu herkömmlichen Glühlampen eine bessere Energie- und Leistungsbilanz bei einer geringeren Wärmeentwicklung auf. Zudem können LEDs deutlich raumsparender verbaut werden, was die Freiheit in der Gestaltung der Beleuchtungsvorrichtungen erhöht.
In einer alternativen Fortbildung sind die Beleuchtungsoptiken bezogen auf eine Symmetrieebene und/oder auf ein Symmetriezentrum symmetrisch. Der Konstruktions- und Fertigungsaufwand lässt sich hierdurch im Vergleich zu Beleuchtungsoptiken mit unterschiedlichen Formen senken.
Eine andere Fortbildung der Beleuchtungsvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Beleuchtungsvorrichtung einen Beleuchtungskopf aufweist, auf dem die Lichtquelle und die Optikanordnung angeordnet sind. Hierdurch kann die Flexibilität der Fertigung erhöht werden, da der gleiche Beleuchtungskopf für verschiedene Beleuchtungsvorrichtungen verwendet werden kann. Beispielsweise kann eine Fortbildung der Beleuchtungsvorrichtung nur einen Beleuchtungskopf aufweisen, während eine andere Fortbildung mehrere Beleuchtungskopfe aufweisen kann.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung betrifft die Verwendung einer Beleuchtungsvorrichtung insbesondere nach einem der zuvor beschriebenen Fortbildungen in der Medizintechnik. Hierbei sind Anwendungen zu nennen, bei denen ein Teil eines menschlichen oder tierischen Körpers mit Licht einer bestimmten Wellenlänge beleuchtet oder bestrahlt wird, beispielsweise um UV-aushärtbare Zahnfüllungen auszuhärten oder den Bilirubinabbau bei Säuglingen, die unter einer Neugeborenen-Gelbsucht leiden, zu beschleunigen. Die Vorteile, die sich hierdurch erzielen lassen, entsprechen denjenigen, die für die verschiedenen Fortbildungen der Beleuchtungsvorrichtung beschrieben worden sind. Insbesondere soll an dieser Stelle darauf hingewiesen werden, dass es möglich ist, auch im Nahfeld Beleuchtungsfelder bereitzustellen, die eine Beleuchtungsverteilung und eine äußere Form aufweisen, die auf den jeweiligen Anwendungsfall zugeschnitten ist. Das Beleuchtungsfeld kann dabei den Verlauf des zu beleuchtenden oder zu bestrahlenden Körperteils berücksichtigen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die anhängenden Zeichnungen im Detail erläutert. Es zeigen
1 eine prinzipielle Seitenansicht einer Beleuchtungsvorrichtung mit einer Optikanordnung nach dem Stand der Technik und der sich mit dieser Optikanordnung einstellende Strahlengang,
2 eine prinzipielle Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung,
3 eine prinzipielle Seitenansicht des in 2 dargestellten ersten Ausführungsbeispiels der Beleuchtungsvorrichtung und der sich hiermit einstellende Strahlengang,
4a) eine prinzipielle Draufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel der Beleuchtungsvorrichtung, und
4b) eine prinzipielle Seitenansicht einer Beleuchtungsvorrichtung mit einer Optikanordnung mit individuellen Beleuchtungsoptiken sowie der sich hiermit einstellende Strahlengang.
1 zeigt eine prinzipielle Seitenansicht einer bekannten Beleuchtungsvorrichtung 10 mit einem bekannten Beleuchtungskopf 12, auf welchem eine Optikanordnung 14 nach dem Stand der Technik angeordnet ist, die eine Anzahl von gleichartigen oder baugleichen Beleuchtungsoptiken 16 umfasst. Ferner weist der Beleuchtungskopf 12 eine Anzahl von Lichtquellen 15 auf, wobei die Lichtquellen 15 im dargestellten Beispiel als LEDs 17 geführt sind. Jeder Lichtquelle 15 ist jeweils eine der baugleichen Beleuchtungsoptiken 16 zugeordnet. Weiterhin sind in 1 eine erste zu beleuchtende oder zu bestrahlende Fläche 18 ₁ und eine zweite zu leuchtende oder zu bestrahlende Fläche 18 ₂ dargestellt. Die die erste zu beleuchtende oder zu bestrahlende Fläche 18 ₁ weist einen ersten Abstand A₁ zur Beleuchtungsvorrichtung 20 ₁ und die zweite zu beleuchtende oder zu bestrahlende Fläche 18 ₂ einen zweiten Abstand A₂ zur Beleuchtungsvorrichtung 10 auf. Der erste Abstand A₁ ist so bemessen, dass sich die erste Fläche 18 ₁ im Nahfeld der Beleuchtungsvorrichtung 10 und die zweite Fläche 18 ₂ im Fernfeld der Beleuchtungsvorrichtung 10 befinden. Auf beiden Flächen 18 ₁, 18 ₂ wird aufgrund des dargestellten Strahlengangs ein erstes bzw. ein zweites Beleuchtungsfeld F₁, F₂ begrenzt, weshalb nur die jeweils äußersten Strahlen, die von einer der Beleuchtungsoptiken 16 generiert wird, dargestellt sind. Aufgrund des größeren zweiten Abstands A₂ der zweiten Fläche 18 ₂ zur Beleuchtungsvorrichtung 10 weist das sich dort ausbildende zweite Beleuchtungsfeld F₂ eine homogene Beleuchtungsverteilung auf. Aufgrund des geringeren ersten Abstands A₁ zur Beleuchtungsvorrichtung 10 überlagern sich die Beleuchtungsverteilungen der einzelnen Optikanordnungen 14 nicht deckungsgleich, sondern weisen einen dem Abstand der LEDs 17 entsprechenden Versatz auf. Dieser Versatz führt dazu, dass das erste Beleuchtungsfeld F₁, welches sich auf der ersten Fläche 18 ₁ ausbildet, nicht scharf begrenzt ist und unerwünschte Überlagerungseffekte wie Streifenmuster aufweist.
In 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung 20 ₁ mit einem Beleuchtungskopf 22 gezeigt, auf dem eine LED-Platine 23 mit einem ersten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Optikanordnung 24 ₁ angeordnet ist. Neben dem Beleuchtungskopf 22 umfasst die Beleuchtungsvorrichtung 20 ₁ weiterhin einen Haltearm 26 und nicht näher dargestellte Gehäuseabschnitte sowie ebenfalls nicht dargestellte Versorgungs- und Befestigungseinrichtungen zum Betreiben der Beleuchtungsvorrichtung 20 ₁. Die Optikanordnung 24 ₁ umfasst eine Anzahl von Beleuchtungsoptiken 28, die jeweils einer gleichen Anzahl von als LEDs 30 ausgestalteten Lichtquellen 32 zugeordnet ist. Im dargestellten Beispiel umfasst die LED-Platine 23 zwölf LEDs 30 ₁–30 ₁₂ und zwölf Beleuchtungsoptiken 28 ₁–28 ₁₂, die als Freiformoptiken 34 ₁–34 ₁₂ ausgestaltet sind. Die LEDs 30 sind im Zentrum der Beleuchtungsoptiken 28 angeordnet, was aber nicht zwingend der Fall sein muss.
Die LED-Platine 23 ist im Wesentlichen rechteckig ausgestaltet und weist eine Längsachse L und eine Querachse Q auf. Zu beiden Seiten der Längsachse L ist jeweils eine Reihe von LEDs 30 und Beleuchtungsoptiken 28 angeordnet, wobei die in 2 linke Reihe die Beleuchtungsoptiken 28 mit den ungeraden Indices und die rechte Reihe die Beleuchtungsoptiken 28 mit den geraden Indices umfasst. Sowohl die LEDs 30 als auch die Beleuchtungsoptiken 28 weisen denselben Abstand zur Längsachse L auf. Entsprechend weisen jeweils vier LEDs 30 und vier Beleuchtungsoptiken 28 denselben Abstand zur Querachse Q auf, nämlich die LEDs 30 ₁, 30 ₂, 30 ₁₁ und 30 ₁₂, die LEDs 30 ₃, 30 ₄, 30 ₉ und 30 ₁₀ und die LEDs 30 ₅, 30 ₆, 30 ₇ und 30 ₈. Entsprechendes gilt für die zugeordneten Beleuchtungsoptiken 28.
Die Form der Freiformoptiken 34 ist symbolisch durch Striche charakterisiert. Man erkennt, dass die Freiformoptiken 34 der linken Reihe zu den jeweils gegenüberliegenden Freiformoptiken 34 der rechten Reihe bezogen auf eine durch die Längsachse L und senkrecht zur LED-Platine 23 verlaufende erste Spiegelebene E₁ spiegelsymmetrisch sind. Bezogen auf die Längsachse L ist die Freiformoptik 34 ₁ spiegelsymmetrisch zu Freiformoptik 34 ₂, die Freiformoptik 34 ₃ spiegelsymmetrisch zur Freiformoptik 34 ₄ usw. Zudem sind die Freiformoptiken 34 einer Reihe zu den Freiformoptiken 34 derselben Reihe mit demselben Abstand zur Querachse Q bezüglich einer durch die Querachse Q und senkrecht zur LED-Platine 23 verlaufenden zweiten Spiegelebene E₂ spiegelsymmetrisch. Folglich ist bezogen auf die Querachse Q die Freiformoptik 34 ₁ spiegelsymmetrisch zur Freiformoptik 34 ₁₁, die Freiformoptik 34 ₂ spiegelsymmetrisch zur Freiformoptik 34 ₁₂ usw. Hieraus ergibt sich weiterhin eine Punktsymmetrie, die durch ein Symmetriezentrum Z definiert wird, welches vom Schnittpunkt der Längsachse L mit der Querachse Q gebildet wird. Demzufolge ist bezogen auf das Symmetriezentrum Z die Freiformoptik 34 ₅ punktsymmetrisch zur Freiformoptik 34 ₈, die Freiformoptik 34 ₃ punktsymmetrisch zur Freiformoptik 34 ₁₀ usw.
Die Freiformoptiken 34 können auch in Gruppen eingeteilt werden. Beispielsweise können die Freiformoptiken 34 ₁, 34 ₃ und 34 ₅ zu einer ersten Gruppe 36 zusammengefasst werden und durch Spiegeln an der ersten Symmetrieebene E₁ eine zweite Gruppe 38 erzeugt werden, welche die Freiformoptiken 34 ₂, 34 ₄ und 34 ₆ umfasst, wobei die zweite Gruppe 38 bezogen auf die erste Symmetrieebene E₁ symmetrisch zur ersten Gruppe 36 ist. Es lassen sich weitere Gruppen definieren, die Symmetrien zueinander aufweisen.
An dieser Stelle soll angemerkt werden, dass im in 2 dargestellten Beispiel die Längsachse L und die Querachse Q der LED-Platine 23 innerhalb der jeweiligen Symmetrieebenen E₁, E₂ und die LED-Platine 23 senkrecht zu den jeweiligen Symmetrieebenen E₁, E₂ verlaufen. Diese Konstellation ist stark idealisiert wird in der Realität allein schon an Fertigungsungenauigkeiten so nicht anzutreffen sein. Es kann zudem auch gar nicht gewollt oder technisch möglich sein, die LEDs 30 und die Freiformoptiken 34 wie beschrieben bezüglich der Längsachse L und der Querachse Q der LED-Platine 23 anzuordnen, was aber keinen Einfluss auf die Ausführbarkeit der Erfindung hat.
In 3 sind eine prinzipielle Seitenansicht der in 2 dargestellten Beleuchtungsvorrichtung 20 ₁ und der sich mit dem ersten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Optikanordnung 24 ₁ einstellende Strahlengang gezeigt. Aus Darstellungsgründen sind nur die Strahlengänge gezeigt, die von den äußeren und den inneren symmetrischen Freiformoptiken 34 hervorgerufen werden. Man erkennt, dass die beiden äußeren und die beiden inneren Freiformoptiken 34 jeweils spiegelsymmetrische Strahlengänge hervorrufen. Die Gestaltung der Freiformoptiken 34 ist so gewählt, dass sich die jeweils äußeren Strahlen in der ersten zu beleuchtenden oder zu bestrahlenden Fläche schneiden. Wird die erste Fläche 18 ₁ um die Abstandsdifferenz A von der Beleuchtungsvorrichtung 20 ₁ entfernt, ergibt sich hierdurch eine erste Aufweitung der äußeren Strahlen um den Wert l₁ auf der ersten Fläche 18 ₁.
In 4a) ist eine prinzipielle Draufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel der Beleuchtungsvorrichtung 20 ₂ gezeigt, die ein zweites Ausführungsbeispiel der Beleuchtungsanordnung 24 ₂ mit acht Beleuchtungsoptiken 28i aufweist, die jeweils eine andere Form aufweisen. Der Index i umfasst in diesem Fall die Zahlen 1 bis 8. Aus Darstellungsgründen sind in 4a) die LEDs 30i und die Beleuchtungsoptiken 28i sowie die Freiformoptiken 34i nicht einzeln zugeordnet.
In 4b) sind eine prinzipielle Seitenansicht der in 4a) gezeigten Beleuchtungsvorrichtung 20 ₂ sowie der sich einstellende Strahlengang gezeigt. Wiederum sind nur die Strahlengänge gezeigt, die von den äußeren und den inneren Beleuchtungsoptiken 28i hervorgerufen werden. Da es sich um individuelle Beleuchtungsoptiken 28i handelt, schneiden sich sowohl die äußeren und die inneren Strahlen in der ersten Fläche 18 ₁, wohingegen bei der Beleuchtungsvorrichtung 20 ₁ nach dem ersten Ausführungsbeispiel 20 ₁ nur die äußeren Strahlen in der ersten Fläche 18 ₁ schneiden. Wird die erste Fläche 18 ₁ um die Differenz A von der Beleuchtungsvorrichtung 20i entfernt, ergibt sich hierdurch eine zweite Aufweitung der äußeren Strahlen um den Wert l₂ auf der ersten Fläche 18 ₁, die größer ist als l₁. Je größer die Aufweitung der Strahlen ist, desto stärker weichen sowohl die äußere Form des Beleuchtungsfelds als auch die Beleuchtungsverteilung im Beleuchtungsfeld F₁ von den gewünschten Werten ab. Man erkennt, dass die in 4 gezeigte Beleuchtungsvorrichtung 20 ₂ trotz individueller Beleuchtungsoptiken 28i deutlich empfindlicher auf Änderungen des Abstands der ersten Fläche 18 ₁ zur Beleuchtungsvorrichtung 20 ₁ reagiert als die in den 2 und 3 gezeigte Beleuchtungsvorrichtung 20 ₁ nach dem ersten Ausführungsbeispiel, welches symmetrische Beleuchtungsoptiken 28 aufweist.
Bezugszeichenliste

10: Beleuchtungsvorrichtung nach dem Stand der Technik
12: Beleuchtungskopf nach dem Stand der Technik
14: Optikanordnung nach dem Stand der Technik
15: Lichtquelle
16: Beleuchtungsoptik nach dem Stand der Technik
17: LED
18, 18₁, 18₂: zu beleuchtende oder zu bestrahlende Fläche
20, 20₁, 20₂: Beleuchtungsvorrichtung
22: Beleuchtungskopf
23: LED-Platine
24, 24₁, 24₂: Optikanordnung
26: Haltearm
28, 28i, 28₁–28₁₂: Beleuchtungsoptik
30, 30i, 30₁–30₁₂: LED
32: Lichtquelle
34, 34i, 34₁–34₁₂: Freiformoptik
36: erste Gruppe
38: zweite Gruppe
A₁: erster Abstand
A₂: zweiter Abstand
A: Abstandsdifferenz
F₁: erstes Beleuchtungsfeld
F₂: zweites Beleuchtungsfeld
E₁: erste Symmetrieebene
E₂: zweite Symmetrieebene
L: Längsachse
Q: Querachse
Z: Symmetriezentrum
l₁: erste Aufweitung
l₂: zweite Aufweitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202013103401 U1 [0004]
WO 2008/122941 A1 [0004]

Claims

Optikanordnung zum Bereitstellen einer Beleuchtungsverteilung auf einer zu beleuchtenden oder zu bestrahlenden Fläche (18), wobei die Optikanordnung (24) mindestens zwei Beleuchtungsoptiken (28) aufweist, die mit von mindestens einer Lichtquelle (32) und insbesondere von einer LED (30) emittierten Lichtstrahlen optisch zusammenwirken, wobei die mindestens zwei Beleuchtungsoptiken (28) eine unterschiedliche Form aufweisen.
Optikanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsoptiken (28) bezogen auf eine Symmetrieebene (E) und/oder auf ein Symmetriezentrum (Z) symmetrisch sind.
Optikanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsoptiken (28) zu wenigstens einer ersten Gruppe (36) und zu wenigstens einer zweiten Gruppe (38) zusammengefasst sind, wobei die erste und die zweite Gruppe (36, 38) dieselbe Anzahl von Beleuchtungsoptiken (28) umfasst und die erste und die zweite Gruppe (26, 38) bezogen auf eine Symmetrieebene (E) und/oder auf ein Symmetriezentrum (Z) symmetrisch sind.
Optikanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsoptiken (28) als Freiformoptiken (34) ausgestaltet sind.
Optikanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsoptiken (28) als refraktive Elemente ausgestaltet sind oder refraktive Elemente umfassen.
Optikanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsoptiken (28) als reflektierende und/oder totalreflektierende Elemente ausgestaltet sind oder reflektierende und/oder totalreflektierende Elemente umfassen.
LED-Platine mit mindestens zwei LEDs (30) und einer Optikanordnung (24) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei jeweils eine der LEDs (30) mit genau einer der Beleuchtungsoptiken (28) optisch zusammenwirkt.
Beleuchtungskopf zum Beleuchten oder zum Bestrahlen einer Fläche (18), umfassend eine LED-Platine (23) nach Anspruch 7 oder einer Optikanordnung (24) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
Beleuchtungsvorrichtung zum Beleuchten oder zum Bestrahlen einer Fläche (18), umfassend mindestens eine Lichtquelle (32) und eine Optikanordnung (24) insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 5, zum Bereitstellen einer Beleuchtungsverteilung auf der Fläche (18), wobei die Optikanordnung (24) mindestens zwei Beleuchtungsoptiken (28) aufweist, die mit von der mindestens einen Lichtquelle (32) emittierten Lichtstrahlen optisch zusammenwirken, wobei die mindestens zwei Beleuchtungsoptiken (28) eine unterschiedliche Form aufweisen.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (32) eine Anzahl von LEDs (30) und dieselbe Anzahl der Beleuchtungsoptiken (28) aufweist und jeweils eine der LEDs (30) mit genau einer der Beleuchtungsoptiken (28) optisch zusammenwirkt.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsoptiken (28) bezogen auf eine Symmetrieebene (E) und/oder auf ein Symmetriezentrum (Z) symmetrisch sind.
Beleuchtungsvorrichtung einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsvorrichtung (20) einen Beleuchtungskopf (22) aufweist, auf dem die Lichtquelle (32) und die Optikanordnung (24) angeordnet sind.
Verwendung einer Beleuchtungsvorrichtung insbesondere nach einem der Ansprüche 9 bis 12 in der Medizintechnik.