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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zoom-Strahler mit variablem Strahlwinkel, umfassend zumindest eine Lichtquelle, eine Primäroptik zum Bündeln des von der Lichtquelle abgegebenen Lichts, sowie eine Zoom-Linse, die relativ zur Lichtquelle und Primäroptik axial verstellbar angeordnet ist.
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Zoom-Strahler werden üblicherweise dazu eingesetzt, um verschieden große Gegenstände oder verschieden weit beabstandete Raumzonen flexibel zu akzentuieren. Mögliche Einsatzbereiche solcher Zoom-Strahler reichen beispielsweise von der Bühnenbeleuchtung in Theatern oder Varietés bis hin zur Produktbeleuchtung im Einzelhandel, können aber auch allgemeine Beleuchtungsandwendungen umfassen.
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Durch die verstellbare Zoom-Linse kann der Strahl- bzw. Aufweitwinkel des vom Zoom-Strahler abgestrahlten Lichts verändert und somit die Lichtabgabe flexibel an das zu beleuchtende Objekt bzw. den entsprechenden Raumbereich angepasst werden.
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In einfacher Bauart weisen solche Zoom-Strahler als Optik lediglich Linsensysteme auf, die der Lichtquelle zugeordnet sind, beispielsweise in Form einer asphärischen Linse, die vor der Lichtquelle bewegt werden kann. Solche reinen Linsensysteme erreichen jedoch typischerweise lediglich geringe optische Wirkungsgrade, die nicht über 40% hinausgehen, da für den eng strahlenden Bereich die Lichtquellenstrahlung großteils seitlich an der Linse vorbeigeht.
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Um diesen seitlichen Lichtverlust zu vermeiden, sind bereits Zoom-Strahler bekannt, deren Optiksystem Reflektor-Linsen-Kombinationen verwendet, wobei mittels eines Reflektors das von der Lichtquelle abgegebene Licht eingefangen und gebündelt wird. Durch Verstellung einer vor dem Reflektor angeordneten Linse kann der gewünschte Zoom-Effekt erzielt werden.
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Einen Zoom-Strahler dieser Gattung zeigt beispielsweise die Schrift
DE 20 2014 000 449 U1 , die als Lichtquelle eine sog. COB-LED verwenden will, deren Licht im stärker aufgeweiteten Bereich von einem Reflektor eingefangen wird, wobei eine konvexe Linse vor dem Reflektor axial verstellbar ist, um einen einstellbaren Zoom-Effekt zu erzielen.
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Solche Zoom-Strahler mit verstellbaren Reflektor-Linsen-Systemen sind zwar im Vergleich zu reinen Linsensysteme effizienter, besitzen jedoch immer noch relativ begrenzte Wirkungsgrade, zumindest dann, wenn ein größerer Zoom-Bereich durch einen größeren Verstellbereich der Linse realisiert werden soll, da dann typischerweise in den weiter entfernt liegenden Verstellpositionen der Linse wiederum ein Teil des Lichts an der Linse vorbei gestrahlt wird. Zum anderen ist die Homogenität des vom Zoom-Strahler abgestrahlten Lichts unbefriedigend. Durch das axiale Verstellen der Linse vor dem Reflektor kommt es je nach Stellung der Linse im Strahlungsbereich des Zoom-Strahlers zu mehr oder minder größeren Inhomogenitäten, die sich in ungleichmäßigen Helligkeiten des bestrahlten Objekts bzw. Raumbereichs zeigt.
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Zoom-Strahler der eingangs genannten Art zu schaffen, der Nachteile des Standes der Technik vermeidet und Letzteren in vorteilhafter Weise weiterbildet. Insbesondere soll bei erhöhter Systemeffizienz, d. h. verbessertem optischen Wirkungsgrad eine verbesserte Lichthomogenität im Strahlungsbereich des Zoom-Strahlers erreicht werden.
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Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe durch einen Zoom-Strahler gemäß Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Es wird also vorgeschlagen, das von der Lichtquelle des Zoom-Strahlers abgegebene Licht mittels eines Konzentrators zu transformieren und auf die Zoom-Linse zu geben, von welcher das Licht dann abgestrahlt wird. Erfindungsgemäß umfasst die Primäroptik einen Konzentrator in Form eines CPC-Elements oder eines CPC-artigen Elements, welches das von der Lichtquelle abgegebene Licht modifiziert und gesamthaft auf die Zoom-Linse gibt. Ein solches CPC- oder CPC-artiges Element transformiert das von der Lichtquelle her kommende Licht in ein Strahlenbündel, in dessen Strahlungsbereich jeder Punkt von der zumindest annähernd vollen Leuchtdichte der Lichtquelle beaufschlagt ist. In der Praxis kann die volle Leuchtdichte an einigen Stellen gewisse Abstriche erleiden, z. B. durch Inhomogenitäten der Lichtquelle oder Fehlstellen, durch 3D-Effekte bzw. Fertigungstoleranzen einer Reflektorfläche oder dergleichen, sodass die volle Leuchtdichte an einigen Punkten eventuell nur annähernd erreicht wird. Von solchen Praxiseffekten abgesehen transformiert das CPC- bzw. CPC-artige Element das von der Lichtquelle empfangene Licht jedoch in das genannte Strahlenbündel, in dessen Strahlungsbereich zumindest theoretisch jeder Punkt von der vollen Leuchtdichte der Lichtquelle beaufschlagt ist. Bei Betrachtung innerhalb des Strahlungsbereiches zurück in das genannte CPC- oder CPC-artige Element sind – von jedem Punkt im Strahlungsbereich aus – alle sichtbaren, lichttechnisch aktiven Oberflächen des CPC- bzw. CPC-artigen Elements mit dem Licht der Lichtquelle voll beaufschlagt, sodass der gesamte, definierte Strahlungsbereich annähernd ohne Löcher leuchtet. Dementsprechend wird sozusagen eine neue Lichtquelle erzeugt, die sich auf den Durchmesser der Optik bzw. des CPC- bzw. CPC-artigen Elements vergrößert hat, andererseits aber im Vergleich zur tatsächlichen Lichtquelle in einem kleineren Raumwinkel strahlt.
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Es wird also mit einem nicht abbildenden Optiksystem in Form des genannten CPC-Elements das abbildende System des Zoom-Strahlers optimiert. Die an sich abbildende Eigenschaft des Zoom-Systems kann dabei jedoch auch durch andere an sich zumindest näherungsweise Maßnahmen reduziert bzw. eliminiert sein, z. B. durch Facettierung der Zoom-Linse.
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Ein solches CPC-Element, d. h. Compound Parabolic Concentrator-Element ist in seiner ursprünglichen Grundform ein aus zwei Kurvenformen zusammengesetzter Konzentrator und wird klassischerweise an sich in der Solartechnik eingesetzt. In klassischer Ausgestaltung ist ein solches CPC-Element dabei aus zwei Parabeln zusammengesetzt, allerdings sind auch Abwandlungen bekanntgeworden, bei denen keine Parabeln, sondern andere Kurven die Kontur des Konzentratorelements definieren, wobei solche abgewandelten Konzentratoren – soweit sie nicht mehr parabolisch sind – nachfolgend als CPC-artige Elemente bezeichnet werden. Gemeinsam ist den CPC-Elementen und den abgewandelten CPC-artigen Elementen, dass sie in der genannten Weise das von der Lichtquelle herkommende Licht in ein Strahlenbündel transformieren, in dessen Strahlungsbereich jeder Punkt von der vollen Leuchtdichte der Lichtquelle beaufschlagt ist.
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In einem Zoom-Strahler kann ein solches CPC- oder CPC-artiges Element in Verbindung mit der verstellbaren Zoom-Linse eine hohe Homogenität im Strahlungsbereich des Zoom-Strahlers bei gleichzeitig großer Systemeffizienz bzw. hohem optischen Wirkungsgrad erzielen. Durch den Konzentrator wird die Strahldivergenz der Lichtquelle vor dem Auftreffen der Strahlung auf die Zoom-Linse verringert und gleichzeitig die Gleichmäßigkeit der Lichtverteilung der Lichtquelle in dem neuen Strahlungswinkel erhalten, wodurch eine hohe Homogenität im Strahlungsbereich erzielt werden kann. Gleichzeitig bündelt das CPC- bzw. CPC-artige Element das von der Lichtquelle abgegebene Licht auch bei größeren Verstellbereichen der Zoom-Linse auf diese Zoom-Linse, so dass ein hoher Wirkungsgrad erzielt wird.
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Ist die Umrisskontur des CPC-Elements klassisch aus zwei Parabeln zusammengesetzt, befinden sich deren Fokuspunkte für parallele Strahlung unter dem Akzeptanzwinkel gegenüberliegend an der unteren Begrenzung der gespiegelten Parabel. Hierdurch wird gewährleistet, dass eine hemisphärische, kontinuierliche und vollflächige Abstrahlung innerhalb des CPC-Elements in eine kontinuierliche Abstrahlung innerhalb des Akzeptanzwinkels bzw. Strahlungswinkels außerhalb des CPC-Elements mündet.
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Das CPC- bzw. CPC-artige Element muss jedoch nicht durch solche Parabeln definiert sein, sondern kann auch aus anderen Kurven zusammengesetzt bzw. gebildet werden. Dabei kann das CPC- bzw. CPC-artige Element auch hinsichtlich seines Aufbaus verschieden beschaffen sein. Zum einen kann das CPC-Element als Reflektor ausgebildet sein, wobei sich ein solches reflektorisches CPC- bzw. CPC-artiges Element besonders für breite Strahlungswinkel von > 2 × 30° eignet und sich durch seine kostengünstige, beispielsweise im Spritzguss ausführbare, Herstellung auszeichnet. Dabei treten keine Dispersionseffekte auf.
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Alternativ zu einer solchen Reflektorausbildung kann das CPC- bzw. CPC-artige Element auch als Linse, insbesondere Lichtsammellinse ausgebildet sein, deren Mantelfläche totalreflektierend ausgebildet und/oder mit einer reflektierenden Beschichtung versehen sein kann. Eine totalreflektierend ausgebildete Linse eignet sich gut für relativ enge Strahlungswinkel von beispielsweise < 2 × 20°, wobei hier kein Verlust der Totalreflexion droht, wobei sich die Linse auch dadurch auszeichnet, dass keine dunklen Stege bei einer Mehrfachanordnung beispielsweise in Form eines Felds aus mehreren CPCs entstehen. Bei einer Ausbildung des CPC- bzw. CPC-artigen Elements als Linse bzw. transparenter Korpus mit einer reflektierenden Beschichtung außen an der Reflexionsfläche des Korpus können der Akzeptanzwinkelbereich vergrößert und im Vergleich zu innenliegenden Beschichtungen herstellungsbedingte Schwierigkeiten vermieden werden. Auch in der Variante mit einer reflektierenden Beschichtung zeichnet sich das CPC- bzw. CPC-artige Element durch eine gute Eignung für enge Strahlungswinkel von beispielsweise < 2 × 20° und die Vermeidung dunkler Stege bei einer Mehrfachanordnung beispielsweise in Form eines Felds aus mehreren CPCs aus.
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Ferner können auch Hybridformen des CPC- bzw. CPC-artigen Elements vorgesehen werden, bei denen sowohl brechende als auch reflektierende Konturen vorhanden sind und eine Linse in Verbindung mit einer reflektierenden Kontur vorgesehen ist. Ein solches Hybridelement zeichnet sich durch eine kürzere Systemlänge aus und wird bisweilen als „lense mirror CPC” bezeichnet.
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Das CPC- bzw. CPC-artige Element kann auch einen Rotationskörper bilden, der durch Rotation zumindest einer Kurve um eine Kollektorachse gebildet ist.
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Anstelle eines Rotationskörpers kann das CPC- oder CPC-artige Element auch einen Korpus mit eckigem Querschnitt besitzen, der durch Querverschieben zumindest einer Kurve entlang einer Querachse, Umklappen der Kurve um eine zur Querachse quer verlaufende Klappachse, erneutes Querverschieben der umgeklappten Kurve und Verschneiden der beim Querverschieben jeweils erzeugten Flächen gebildet werden kann.
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Alle vorgenannten CPC-Typen weisen analoge lichttechnische Eigenschaften bezüglich Beaufschlagung auf, wobei sich Wirkungsgrade, Lichtverteilungen und andere Parameter unterscheiden können. Aufgrund dieser geteilten, analogen lichttechnischen Eigenschaft werden die Konzentratorsysteme zusammen als CPC- bzw. CPC-artige Elemente bezeichnet.
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Durch die Kombination einer axial verstellbaren Zoom-Linse mit einem solchen CPC- bzw. CPC-artigen Element zwischen der Zoom-Linse und der Lichtquelle kann ein Zoom-Strahler mit variablem Strahlwinkel erzielt werden, der einen sehr hohen optischen Wirkungsgrad unabhängig von der Feldgröße, d. h. unabhängig vom Strahlwinkel erzielt, wobei der genannte optische Wirkungsgrad größer 0,7 sein kann und sowohl für den eng strahlenden als auch für den breit strahlenden Grenzwinkel des Zoom-Strahlers gilt. Im Vergleich zu den eingangs genannten, einfachen Linsensystemen, die je nach Anzahl der Linsen einen Gesamtwirkungsgrad von kleiner 0,20 bis 0,40 besitzen, ist dies eine enorme Verbesserung. In Weiterbildung der Erfindung kann das CPC-Element dazu ausgelegt sein, ein Abstrahlbündel mit einem Strahlwinkel von beispielsweise 2 × 10° bis 2 × 60° oder 2 × 50° bis 2 × 70° oder auch nur 2 × 20° bis 2 × 30° zu erzeugen, wobei ggf. auch andere Strahlwinkel vorgesehen werden können. Ein relativ großer Strahlwinkel des vom CPC-Element abgegebenen Lichts erlaubt einen relativ großen Verstellbereich für die Zoom-Linse und damit einen relativ großen Zoom-Bereich, ohne dass die Systemeffizienz leiden würde.
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Dabei kann je nach Ausbildung des CPC- bzw. CPC-artigen Elements mit verschiedenen, nachfolgenden Zoom-Linsen der gewünschte Zoom-Bereich hergestellt werden. Beispielsweise kann es vorteilhaft sein, bei einem breitstrahlend ausgebildeten CPC- bzw. CPC-artigen Element eine Sammellinse im Strahlungsbereich des CPCs längsverschieblich anzuordnen, während bei einer engstrahlenden Ausbildung des CPC- bzw. CPC-artigen Elements eine nachgeordnete Streulinse, die im Strahlungsbereich des CPCs angeordnet ist, vorteilhaft sein kann.
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Um einen hohen Systemwirkungsgrad zu erzielen, kann die Zoom-Linse derart bemessen und angeordnet sein, dass das gesamte von dem CPC- bzw. CPC-artigen Element abgestrahlte Licht von der Zoom-Linse eingefangen wird, insbesondere in jeder Verstellbereichs-Stellung der Zoom-Linse.
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Die genannte Zoom-Linse kann grundsätzlich verschieden gestaltet sein, insbesondere als Streulinse oder Sammellinse, wobei in Weiterbildung der Erfindung eine doppelt konvexe und/oder beidseitig konvexe und/oder eine zumindest näherungsweise plankonvexe Zoom-Linse vorgesehen sein kann. Alternativ oder zusätzlich kann jedoch auch eine konkave bzw. ggfs. beidseitig konkave oder auch eine plankonkave Linse im Sinne einer streuenden Linse vorgesehen sein.
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Um eine bessere Lichtdurchmischung und Homogenität im Strahlungsbereich des Zoom-Strahlers zu erzielen, kann in Weiterbildung der Erfindung an der Zoom-Linse eine Facettierung vorgesehen sein. Hierbei kann die Lichteintrittsfläche und/oder die Lichtaustrittsfläche der Zoom-Linse mit einer Facettierung versehen sein. Die Facettierung kann dabei grundsätzlich verschieden beschaffen sein, wobei vorteilhafterweise regelmäßige Facetten beispielsweise mit einer kreisrunden oder mehreckigen oder hexagonförmigen Konturierung vorgesehen sein können. Unabhängig hiervon können die Facetten eben oder konvex in Form von linsenförmigen Abdrücken nach Art eines Golfballs oder konvex in Form von vorspringenden Noppen ausgebildet sein. Die ggf. facettierte Lichteintritts- oder Lichtaustritts- oder Mantelfläche der Zoom-Linse umfasst dabei vorteilhafterweise eine Vielzahl von Facetten, vorzugsweise mehr als 50, insbesondere auch mehr als 100 solcher Facetten, die beispielsweise in mehreren Ringen oder einer anderen, vorzugsweise regelmäßigen Verteilung auf der jeweiligen Linsenfläche angeordnet sein können.
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Alternativ oder zusätzlich zu einer solchen Facettierung der Zoom-Linse kann ggf. auch das CPC-Element mit einer entsprechenden Facettierung versehen sein, wobei insbesondere die Mantelfläche des CPC- bzw. CPC-artigen Elements, ggf. alternativ oder zusätzlich auch dessen Lichteintritts- und/oder Lichtaustrittfläche und/oder dessen Totalreflexionsflächen mit einer solchen Facettierung versehen sein kann. Die genannte Facettierung kann hinsichtlich Linsenform, -anzahl und -anordnung in der zuvor genannten, beschriebenen Weise beschaffen sein.
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Die Lichtquelle des Zoom-Strahlers besitzt vorteilhafterweise eine hemisphärische Abstrahlcharakteristik und bedeckt vorteilhafterweise die gesamte Lichteintrittsfläche des CPC- oder CPC-artigen Elements. Die Lichtquelle ist also vorteilhafterweise derart ausgebildet und/oder angeordnet, dass die gesamte Lichteintrittsfläche des CPC- bzw. CPC-artigen Elements von der Lichtquelle bestrahlt wird. Insbesondere kann als Lichtquelle zumindest eine LED vorgesehen sein, beispielsweise in Form einer COB-LED, also einer sog. Chip On Board-LED, oder eines LED-Clusters, wobei aber auch andere Lichtquellenformen vorgesehen sein können. Beispielsweise können auch Mischboxen mit oder ohne Diffusoren oder Mischstäbe als Lichtquelle verwendet werden.
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In Verbindung mit einer LED ist der genannte Konzentrator besonders vorteilhaft, da hier das diffuse, stark aufgeweitete Licht der LED durch das CPC- bzw. CPC-artige Element transformiert und in Form einer relativ stark konzentrierten, homogenen Lichtstrahlung abgegeben wird. Das CPC- bzw. CPC-artige Element modifiziert einen ausgedehnten, kontinuierlichen Halbraumstrahler wie eine LED in einen definiert, räumlich homogen abstrahlenden Raumwinkelstrahler mit einem Strahlwinkel von beispielsweise 2 × 10° bis 2 × 40° oder 2 × 50°, oder beispielsweise 2 × 20° bis 2 × 30°. Die Lichtquelle mit sehr großem Abstrahlwinkel von insbesondere etwa 2 × 90° wird auf den Durchmesser der Primäroptik in Form des CPC-Elements vergrößert, während gleichzeitig der Strahlwinkel deutlich verkleinert wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
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1: eine schematische, längsschnittartige Darstellung eines Zoom-Strahlers nach einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung, wobei das der Lichtquelle zugeordnete CPC-Element und die verstellbare Zoom-Linse gezeigt sind,
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2: eine schematische Darstellung des von dem CPC-Element erzeugten Strahlengangs, wobei die Teilansicht (a) das Prinzip der Ausblendung bei einem CPC-Element zeigt, die Teilansicht (b) den Strahlengang vom Randpunkt des CPC-Elements auf die parabolische Mantelfläche des CPC-Elements zeigt und die Teilansicht (c) den kompletten Strahlengang der Lichtquelle wie von dem CPC-Element transformiert und das Prinzip der vollen Beaufschlagung eines jeden Punkt im Strahlungsbereich eines CPCs zeigt,
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3: eine schematische Darstellung der aus zwei Parabeln zusammengesetzten Konturierung eines CPC-Elements, wobei die Teilansicht (a) die beiden Parabeln und deren Anordnung zueinander zeigt und die Teilansicht (b) die sich ergebende Umrisskonturierung des CPC-Elements,
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4: eine prinzipielle Darstellung eines als Reflektor ausgebildeten CPC-Elements,
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5: eine prinzipielle Darstellung eines als Hybrid ausgebildeten CPC-Elements umfassend eine Linse und eine reflektierende Kontur,
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6: eine prinzipielle Darstellung eines als totalreflektierende Lichtsammellinse ausgebildeten CPC-Elements,
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7: eine schematische Darstellung eines CPC-Elements, das als Linse bzw.
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transparenter Korpus mit einer reflierenden Beschichtung an der Außenfläche ausgebildet ist, und
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8: eine schematische, längsschnittartige Darstellung eines Zoom-Strahlers ähnlich 1, wobei anstelle einer einzelnen verstellbaren Zoom-Linse dem CPC-Element ein Mehrlinsen-Zoomsystem nachgeschaltet ist.
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Wie 1 zeigt, kann der Zoom-Strahler 1 ein Gehäuse 2 umfassen, in dem eine Lichtquelle 3 vorzugsweise in Form einer LED wie beispielsweise einer COB-LED, eine Zoom-Linse 5 sowie eine zwischen der Lichtquelle 3 und der zumindest einen Zoom-Linse 5 angeordnete Primäroptik 4 aufgenommen sein können.
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Die genannte Primäroptik 4 ist vorteilhafterweise unmittelbar an der Lichtquelle 3 angeordnet und kann derart ausgebildet sein, dass das gesamte von der Lichtquelle 3 abgegebene Licht durch die Primäroptik 4 hindurchgeht. Je nach Ausbildung der Primäroptik 4 kann es hierbei zu verschiedenen Konstellationen kommen. Ist die Primäroptik 4 beispielsweise als reflektorisches CPC-Element ausgebildet, tritt ein Teil des von der Lichtquelle 3 abgegebenen Lichts direkt durch den Innenraum des Reflektors hindurch, ohne an den Reflexionswänden des Reflektors reflektiert zu werden, während ein anderer Teil des abgegebenen Lichts an den genannten Reflexionswänden reflektiert und dann abgegeben wird. Umfasst die Primäroptik 4 ein CPC- bzw. CPC-artiges Element 6, das als Linse ausgebildet ist, kann das von der Lichtquelle 3 abgegebene Licht von der genannten Linse vollständig eingefangen werden und vollständig durch die Linse hindurchtreten. Bei Hybridlösungen kann es wiederum zu anderen Konstellationen kommen.
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Die genannte Primäroptik 4 umfasst ein CPC-Element 6, das einen zusammengesetzten, parabolischen Konzentrator (Compound Parabolic Concentrator) bilden, jedoch auch nicht parabolisch ausgebildet sein kann und das von der Lichtquelle 3 kommende, diffuse Licht, das von der Lichtquelle 3 näherungsweise hemisphärisch abgegeben wird, in ein relativ enges Strahlungsbündel bzw. einen engen Strahlungskegel mit einem Strahlwinkel im Bereich von beispielsweise 2 × 10° bis 2 × 60° oder 2 × 20° bis 2 × 50° oder 2 × 20° bis 2 × 30° transformiert und abstrahlt.
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Das von dem CPC-Element 6 abgegebene Strahlungsbündel fällt vollständig auf die dem CPC-Element 6 nachgeordnete Zoom-Linse 5, so dass die Zoom-Linse 5 das durch das CPC-Element 6 transformierte Licht vollständig einfangen kann und in den zu beleuchtenden Raum abstrahlt.
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Die genannte Zoom-Linse 5 kann, wie 1 zeigt, doppelt konvex bzw. beidseitig ballig gekrümmt ausgebildet sein, wobei jedoch auch andere Zoom-Linsen-Formen eingesetzt sein können. Unabhängig hiervon ist die genannte Zoom-Linse 5 in dem Gehäuse 2 axial verstellbar angeordnet, so dass die Zoom-Linse 5 in Richtung der Hauptabstrahlachse der Primäroptik 4 näher zu und weiter weg von der genannten Primäroptik 4 positioniert werden kann. Die axiale Verstellbarkeit der Zoom-Linse 5 kann hierbei in verschiedener Weise realisiert sein, beispielsweise durch einen Drehring 7 am Gehäuse 2, dessen Drehbewegung über ein Spindelgewinde oder ähnliche Verschraubungsmittel in eine axiale Stellbewegung der Zoom-Linse 5 umgesetzt werden kann.
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Die genannte Zoom-Linse 5 kann dabei beispielsweise derart ausgebildet sein, dass die Zoom-Linse 5 in einem Brennpunkt bzw. Einschnürpunkt maximal bündelt. Wird die Zoom-Linse 5 entlang der optischen Achse bewegt, so dass die Zoom-Linse den Brennpunkt verlässt, wird der Strahlungswinkel breiter.
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Das CPC-Element 6 der Primäroptik 4 kann als Reflektor ausgebildet sein, wie dies 4 zeigt, oder alternativ auch als Sammellinse, an deren Umfangswandung das in die Sammellinse eingestrahlte Licht durch Totalreflexion reflektiert wird, wie dies 6 zeigt.
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Das CPC- bzw. CPC-artige Element 6 kann jedoch auch als Linsenkorpus bzw. transparenter Korpus, der mit einer reflektierenden Beschichtung versehen ist, ausgebildet sein, wie dies 7 zeigt. Insbesondere kann dabei die äußere Mantelfläche des aus transparentem Material wie beispielsweise Glas oder Kunststoff ausgebildeten Korpus mit einer solchen reflektierenden Beschichtung 6R versehen sein, vgl. 7.
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Wie 5 zeigt, kann das CPC- bzw. CPC-artige Element auch als Hybridlösung ausgebildet sein und eine Linse in Verbindung mit einer reflektierenden Kontur umfassen. Solche an sich bekannten Hybrid-CPC-Elemente werden bisweilen auch als „lense mirror CPC bezeichnet und ermöglichen als wesentlichen Vorteil eine Verkürzung der Länge des Systems.
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Die in den 4 bis 7 gezeigten CPC-Varianten sind als Rotationskörper ausgebildet, die durch Rotation einer Kurve bzw. zweier zusammengesetzer Kurven um eine Konzentratorachse gebildet sind.
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Alternativ zu solchen rotatorischen CPCs kann jedoch auch je nach Anwendungsfall ein im Querschnitt mehreckiger CPC Verwendung finden, dessen Konturierung beispielsweise durch Extrusion der parabolischen oder anders konturierten Kurve erhalten werden kann, sodass die durch die genannte Querverschiebung der Kontur entstehende Konturfläche (die in Verschiebungsrichtung gerade ausgebildet ist) mit einer weiteren Konturfläche verschnitten werden kann, die nach Drehung der genannten Kurve um 90° wiederum durch entsprechende Querverschiebung entstanden ist.
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Wie 3 näher zeigt, kann die reflektierende Umfangswandung eines rotationssymmetrischen, reflektorischen CPC-Elements 6 aus zwei Parabeln zusammengesetzt sein, deren Fokuspunkte für parallele Strahlung unter dem Akzeptanzwinkel ψ0 gegenüberliegend an der unteren Begrenzung der gespiegelten Parabel liegen, vgl. Teilansicht (a) der 2. Der Korpus des CPC-Elements wird von den Parabelästen der beiden Parabeln gebildet, die den Schnittbereich der beiden Parabeln begrenzen. Die Schnittpunkte der Parabelachsen mit den Parabelästen der jeweils anderen Parabel ergeben die Aperturen des parabolischen Korpus, vgl. Teilansicht (a) der 2, so dass der in der Teilansicht (b) der 2 dargestellte parabolische CPC-Korpus definiert wird, der an seinen beiden Stirnseiten jeweils Stumpfflächen besitzt, die die Lichteintritts- und Lichtaustrittsflächen bzw. -querschnitte bilden.
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Ein solchermaßen aus zwei Parabeln zusammengesetzter CPC-Korpus erzeugt die in 2 dargestellten Strahlungsgänge. Dabei sind in 2 die Pfeile der Strahlen an sich „verkehrt” eingetragen, da sie den üblichen Anwendungsfall eines CPC-Elements in der Solartechnik zeigen, gemäß dem unter einem relativ engen Strahlwinkel in die große Apertur einfallendes Licht in eine diffuse bzw. mit großem Strahlwinkel austretende Strahlung transformiert wird, die aus der kleinen Apertur austritt. Im vorliegenden Anwendungsfall des CPC-Elements 6 in einem Zoom-Strahler 1 wird das CPC-Element 6 jedoch – im Vergleich zur Solartechnik – sozusagen verkehrt herum eingesetzt. Die kleine Apertur ist der Lichtquelle 3 zugeordnet, so dass das von der Lichtquelle 3 abgegebene Licht über die kleine Apertur des parabolischen CPC-Korpus einfällt, transformiert wird und dann über die große Apertur abgestrahlt wird. Hierdurch wird das breitwinklig, diffuse Licht der Lichtquelle 3 auf den großen Durchmesser der großen Apertur vergrößert, andererseits jedoch im Strahlwinkel deutlich verjüngt, wie dies 2, dort insbesondere Teilansicht (c) zeigt.
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Wie 8 zeigt, kann das dem CPC-Element nachgeordnete Zoom-Linsensystem auch mehr als eine Zoom-Linse aufweisen. Beispielsweise können drei Linsen 5a, 5b und 5c hintereinander in dem Gehäuse 2 angeordnet sein, wobei in der eingangs beschriebenen Weise verschiedene Linsenformen miteinander kombiniert sein können. Von den genannten Zoom-Linsen 5a, 5b und 5c ist zumindest eine Linse verstellbar ausgebildet, um den gewünschten Zoom-Effekt zu erreichen. Beispielsweise kann die in 8 dritte, das heißt die ganz rechte Linse achsial verstellbar sein, um den Zoom-Effekt einstellen zu können.
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Um eine hochwertige Abstrahlcharakteristik zu erzielen, kann in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, dass die erste Linse, die dem CPC-Element unmittelbar nachgeordnet ist, ihren Brennpunkt in der Lichtaustrittsebene des CPC-Elements 6 besitzt. Ist nur eine Zoom-Linse 5 vorhanden bzw. ist die erste von mehreren Zoom-Linsen verstellbar ausgebildet, kann die Anordnung vorteilhafterweise derart getroffen sein, dass das Zoom-System die engste Bündelung besitzt, wenn der Brennpunkt der genannten ersten Linse zumindest näherungsweise auf der Lichtsaustrittsfläche des CPC-Elements 6 zu liegen kommt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202014000449 U1 [0006]
