DE102016109647A1

DE102016109647A1 - Linse und Leuchte mit einer solchen Linse

Info

Publication number: DE102016109647A1
Application number: DE102016109647.4A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Streppel
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2016-05-25
Filing date: 2016-05-25
Publication date: 2017-11-30
Anticipated expiration: 2036-05-26
Also published as: US10955111B2; DE102016109647B4; US20200271297A1; WO2017202670A1

Abstract

In einer Ausführungsform ist die Linse (3) zur Lichtaufweitung einer Punktlichtquelle (2) eingerichtet. Die Linse (3) beinhaltet eine Lichteintrittsseite (31) mit einer ersten Fresnel-Struktur und eine Lichtaustrittsseite (32) mit einer zweiten Fresnel-Struktur. Die erste Fresnel-Struktur ist von der zweiten Fresnel-Struktur verschieden. Eine Schnittebene (33) der Linse (3) liegt gänzlich zwischen der ersten und der zweiten Fresnel-Struktur, sodass die Linse (3) flach ist. Eine Mittelachse (34) der Linse (3) bildet eine optische Achse und ist senkrecht zur Schnittebene (33) orientiert. Eine Höhe (H) von Fresnel-Ringen (313) der ersten Fresnel-Struktur nimmt in Richtung weg von der Mittelachse (34) zu. Die Fresnel-Ringe (313) der ersten Fresnel-Struktur weisen je eine der Mittelachse (34) zugewandte Eintrittsfläche (311) und eine der Mittelachse (34) abgewandte Umlenkfläche (312) auf. Fresnel-Ringe (323) der zweiten Fresnel-Struktur weisen je eine der Mittelachse (34) zugewandte Spiegelfläche (321) und eine der Mittelachse (34) abgewandte Austrittsfläche (322) auf.

Description

Es wird eine Linse angegeben. Darüber hinaus wird eine Leuchte mit einer solchen Linse angegeben.
In der Druckschrift US 4,900,129 A ist eine Fresnel-Linse für einen Projektor angegeben.
Die Druckschrift US 2005/0024746 A1 betrifft eine Fresnel-Linse in einer Leuchte mit einer LED als Lichtquelle.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine Linse anzugeben, mit der effizient ein großer Winkelbereich ausgeleuchtet werden kann, bei gleichzeitig geringer Bauhöhe der Linse.
Diese Aufgabe wird unter anderem durch eine Linse und durch eine Leuchte mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der übrigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Linse für eine Punktlichtquelle eingerichtet. Punktlichtquelle bedeutet dabei etwa, dass eine Licht abstrahlende Fläche der Punktlichtquelle kleiner ist als eine Lichteintrittsfläche der Linse, jeweils in Draufsicht gesehen. Beispielsweise beträgt ein mittlerer Durchmesser der Linse, in Draufsicht gesehen, mindestens ein Dreifaches oder Fünffaches oder Achtfaches oder Zwölffaches eines mittleren Durchmessers der Punktlichtquelle.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Linse zur Lichtaufweitung eingerichtet. Dies kann bedeuten, dass ein Abstrahlwinkel der Punktlichtquelle vergrößert wird, im Vergleich zu einer Situation ohne Linse. Weiterhin bedeutet dies bevorzugt, dass die Linse nicht zu einer Abbildung der Punktlichtquelle in ein optisches Nahfeld und/oder ein optisches Fernfeld eingerichtet ist. Von der Linse wird das Licht der Punktlichtquelle somit über einen großen Raumwinkelbereich hinweg homogen verteilt abgestrahlt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Linse eine Lichteintrittsseite mit einer ersten Fresnel-Struktur auf. Ebenso verfügt die Linse an einer Lichtaustrittsseite, die der Lichteintrittsseite gegenüberliegt und von der Punktlichtquelle bestimmungsgemäß abgewandt ist, über eine zweite Fresnel-Struktur. Mit anderen Worten handelt es sich bei der Linse um eine Doppel-Fresnel-Linse. Die Fresnel-Strukturen sind bevorzugt jeweils durch Fresnel-Ringe gebildet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt eine Schnittebene der Linse gänzlich zwischen der ersten und der zweiten Fresnel-Struktur. Somit liegt die Schnittebene zwischen der Lichteintrittsseite und der Lichtaustrittsseite bevorzugt ausschließlich in einem Material der Linse. Die Schnittebene schneidet und/oder berührt weder die Lichteintrittsseite noch die Lichtaustrittsseite. Da die Schnittebene gänzlich zwischen der Lichteintrittsseite und der Lichtaustrittsseite liegt, handelt es sich bei der Linse um eine flache Linse. Dies kann ferner bedeuten, dass eine Dicke der Linse, bezogen auf einen optisch aktiven Bereich, höchstens 70 % oder 50 % oder 30 % oder 20 % des mittleren Durchmessers des optisch aktiven Bereichs beträgt. Der optisch aktive Bereich ist die Region der Linse, die bestimmungsgemäß zur Führung und Lenkung des Lichts eingerichtet ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Linse eine Mittelachse auf. Bei der Mittelachse handelt es sich bevorzugt um eine optische Achse der Linse. Weiterhin ist die Mittelachse bevorzugt senkrecht zur Schnittebene ausgerichtet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform unterscheidet sich die erste Fresnel-Struktur von der zweiten Fresnel-Struktur. Insbesondere sind die Fresnel-Strukturen nicht symmetrisch zur Schnittebene gestaltet. Ferner können die Fresnel-Strukturen unterschiedliche Fresnel-Ringe mit voneinander verschiedenen Höhen, Querschnittsformen und/oder Durchmessern aufweisen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform nimmt eine Höhe der Fresnel-Ringe der ersten Fresnel-Struktur an der Lichteintrittsseite in Richtung weg von der Mittelachse zu. Die Höhe bezieht sich auf einen Abstand einer Spitze des zugehörigen Fresnel-Rings zu der Schnittebene oder auf einen Punkt der Lichteintrittsseite, der der Schnittebene am nächsten liegt. Dies gilt insbesondere in einem Querschnitt senkrecht zur Schnittebene gesehen. Mit anderen Worten reichen die Fresnel-Ringe desto weiter von der Schnittebene weg, je weiter der entsprechende Fresnel-Ring von der Mittelachse entfernt ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Fresnel-Ringe in Draufsicht gesehen jeweils kreisförmig. Ein Mittelpunkt der durch die Fresnel-Ringe gebildeten Kreise liegt bevorzugt auf der Mittelachse, etwa mit einer Toleranz von höchstens 10 % oder 5 % oder 2 % des Durchmessers des zugehörigen Fresnel-Rings. Dies kann für die Fresnel-Ringe an der Lichteintrittsseite und an der Lichtaustrittsseite gelten.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Fresnel-Ringe der ersten Fresnel-Struktur je eine der Mittelachse zugewandte Eintrittsfläche und je eine der Mittelachse abgewandte Umlenkfläche auf. Dabei ist die Umlenkfläche bestimmungsgemäß zu einer Totalreflexion von Licht eingerichtet, das von der Punktlichtquelle stammt. Die Lichteintrittsfläche ist dazu eingerichtet, dass durch diese Fläche hindurch das Licht der Punktlichtquelle in die Linse eintritt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Fresnel-Ringe der zweiten Fresnel-Struktur an der Lichtaustrittsfläche je eine der Mittelachse zugewandte Spiegelfläche und je eine der Mittelachse abgewandte Austrittsfläche auf. Die Spiegelfläche ist zur Totalreflexion von Licht gestaltet, wobei ein kleiner Strahlungsanteil auch durch die Spiegelfläche hindurch austreten kann. Die Spiegelfläche ist der Umlenkfläche optisch direkt nachgeordnet. Über die Austrittsfläche wird der überwiegende Strahlungsanteil, der über die Eintrittsfläche in die Fresnel-Linse eintritt, aus der Linse abgestrahlt. In geringem Umfang kann auch die Austrittsfläche totalreflektierend wirken und einen geringen Strahlungsanteil, der von der Umlenkfläche her kommt, zu der Spiegelfläche lenken, sodass dieser Strahlungsanteil dann über die Spiegelfläche aus der Linse austritt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfassen die erste und die zweite Fresnel-Struktur jeweils die gleiche Anzahl an Fresnel-Ringen. Insbesondere ist jeder Fresnel-Ring der ersten Fresnel-Struktur eineindeutig einem Fresnel-Ring der zweiten Fresnel-Struktur zugeordnet und umgekehrt.
In mindestens einer Ausführungsform ist die Linse zur Lichtaufweitung einer Punktlichtquelle eingerichtet. Die Linse beinhaltet eine Lichteintrittsseite mit einer ersten Fresnel-Struktur und eine Lichtaustrittsseite mit einer zweiten Fresnel-Struktur. Die erste Fresnel-Struktur ist von der zweiten Fresnel-Struktur verschieden. Eine Schnittebene der Linse liegt gänzlich zwischen der ersten und der zweiten Fresnel-Struktur, sodass die Linse flach ist. Eine Mittelachse der Linse bildet bevorzugt eine optische Achse und ist senkrecht zur Schnittebene orientiert. Eine Höhe von Fresnel-Ringen der ersten Fresnel-Struktur, bezogen auf die Schnittebene, nimmt in Richtung weg von der Mittelachse zu. Die Fresnel-Ringe der ersten Fresnel-Struktur weisen je eine der Mittelachse zugewandte Eintrittsfläche und eine der Mittelachse abgewandte Umlenkfläche auf. Die Fresnel-Ringe der zweiten Fresnel-Struktur weisen je eine der Mittelachse zugewandte Spiegelfläche und eine der Mittelachse abgewandte Austrittsfläche auf.
Kamerasysteme in Mobilgeräten wie Smartphones weisen einen Trend zu immer höheren Gesichtsfeldern auf, bis hin zu Weitwinkelkameras oder Fischaugenkameras. Für Blitzlicht-Beleuchtungseinheiten bedeutet dies, dass ein großer Winkelbereich ausgeleuchtet werden muss. Dies hat für Mobilgeräte wie Smartphones bei sehr geringen Bauhöhen im Bereich weniger Millimeter zu erfolgen, da der Bauraum in solchen Mobilgeräten sehr beschränkt ist und zukünftig von einer weiteren Abnahme des zur Verfügung stehenden Bauraums, speziell hinsichtlich einer Dicke der Linse, auszugehen ist.
Bei herkömmlichen Fresnel-Linsen ergibt sich dabei bei großen Abstrahlwinkeln das Problem, dass ein Grenzwinkel für eine interne Totalreflexion, die innerhalb der Linse erfolgt, unterschritten wird und dass dadurch die Linse große Effizienzeinbußen aufweist.
Bei der hier beschriebenen Linse hingegen ist eine hohe Effizienz bei einem großen Abstrahlwinkel und bei einem kleinen benötigten Bauraum erzielbar. Ferner ist die hier beschriebene Linse mit Verfahren für große Stückzahlen wie Spritzguss herstellbar. Dies wird erreicht durch die erste und die zweite Fresnel-Struktur an der Lichteintrittsseite und an der Lichtaustrittsseite, die entsprechend aufeinander abgestimmt sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt durch die Fresnel-Ringe an der Lichteintrittsseite ein effizientes Einsammeln des Lichts von der Punktlichtquelle. Dabei ist ein Kippwinkel der Fresnel-Ringe, insbesondere der Umlenkfläche, so groß, dass einfallendes Licht sicher oberhalb eines Grenzwinkels für Totalreflexion geführt wird. Zudem erfolgt eine Fokussierung des Lichts durch eine konkave Krümmung der Spiegelfläche an der Lichtaustrittsseite.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Eintrittsfläche der ersten Fresnel-Struktur eine konvexe Krümmung auf, sodass eine Kollimation des einfallenden Lichts hin zur Spiegelfläche erfolgt. Insbesondere hierdurch ist eine Abstrahlung des Lichts unter großen Winkeln möglich. Ferner ist erzielbar, dass ein Strahlungseinfall auf die Umlenkfläche der zweiten Fresnel-Struktur weitgehend oberhalb des Grenzwinkels für die Totalreflexion erfolgt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich zwischen benachbarten Fresnel-Ringen der zweiten Fresnel-Struktur jeweils eine optisch inaktive Zone. Die optisch inaktive Zone ist beispielsweise durch eine Fläche gebildet, die parallel oder näherungsweise parallel zur Schnittebene orientiert ist. Insbesondere sind die optisch inaktiven Zonen je durch eine kreisringförmige Fläche gebildet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform nehmen Breiten der optisch inaktiven Zonen in Richtung weg von der Mittelachse zu. Mit anderen Worten nimmt ein Abstand zwischen benachbarten Fresnel-Ringen der zweiten Fresnel-Struktur zu, je weiter diese Fresnel-Ringe von der Mittelachse entfernt sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die zweite Fresnel-Struktur eine weitere optisch inaktive Zone auf. Die weitere optisch inaktive Zone wird bevorzugt von der Mittelachse durchstoßen. Beispielsweise handelt es sich bei der weiteren optisch inaktiven Zone um eine Kreisfläche, die vom innersten Fresnel-Ring der zweiten Fresnel-Struktur vollständig ringsum umschlossen ist. Die weitere optisch inaktive Zone kann parallel zur Schnittebene orientiert sein. Alternativ zu einer solchen mittig liegenden optisch inaktiven Zone kann der Bereich innerhalb des innersten Fresnel-Rings der zweiten Fresnel-Struktur linsenförmig gestaltet sein, etwa in Form einer Streulinse oder einer Sammellinse.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befinden sich die Spitzen der Fresnel-Ringe der ersten Fresnel-Struktur im Bereich der optisch inaktiven Zonen, wenn diese Spitzen parallel zur Mittelachse auf die optisch inaktiven Zonen projiziert werden. Mit anderen Worten befinden sich in Draufsicht auf die Lichtaustrittsfläche gesehen die Spitzen der Fresnel-Ringe der ersten Fresnel-Struktur unterhalb der optisch inaktiven Zonen zwischen den Fresnel-Ringen der zweiten Fresnel-Struktur.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Umlenkflächen konvex gekrümmt, im Querschnitt gesehen. Somit wirken die Umlenkflächen sammellinsenartig auf das von der Punktlichtquelle kommende Licht, ähnlich wie ein Hohlspiegel.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Spiegelflächen konkav gekrümmt. Somit wirken die Spiegelflächen als Streulinse auf die von der Umlenkfläche her kommende Strahlung, die an der Spiegelfläche reflektiert wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Eintrittsfläche und die Austrittsfläche durch gerade verlaufende Strecken gebildet, im Querschnitt senkrecht zur Schnittfläche und durch die Mittelachse gesehen. Das heißt, im Querschnitt gesehen können die Eintrittsfläche und die Austrittsfläche frei von Krümmungen sein. Alternativ ist es möglich, dass die Eintrittsfläche und/oder die Austrittsfläche Krümmungen aufweisen, im Querschnitt gesehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind einige, die meisten oder alle Übergänge zwischen benachbarten Flächen der Linse verrundet. Durch Verrundungen wird eine effizientere Herstellung, etwa in einem Spritzgussverfahren, erreicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegen Verrundungsradien zwischen benachbarten Flächen bei mindestens 5 µm oder 10 µm und/oder bei höchstens 50 µm oder 30 µm oder 20 µm. Besonders bevorzugt liegen die Verrundungsradien bei höchstens 20 % oder 10 % oder 5 % einer mittleren Höhe des nächstgelegenen Fresnel-Rings.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt ein Durchmesser der Lichteintrittsseite bei mindestens 1 mm oder 2 mm oder 3 mm. Alternativ oder zusätzlich liegt dieser Durchmesser bei höchstens 10 mm oder 8 mm oder 6 mm. Eine Dicke der Linse, in Richtung senkrecht zur Schnittebene und bezogen auf den optisch aktiven Bereich der Linse, liegt bevorzugt bei mindestens 0,1 mm oder 0,3 mm und/oder bei höchstens 2 mm oder 1 mm oder 0,8 mm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befinden sich die Spitzen der Fresnel-Ringe der ersten Fresnel-Struktur in einer gemeinsamen Ebene, speziell parallel zur Schnittebene. Mit anderen Worten weisen die Fresnel-Ringe der zweiten Fresnel-Struktur eine konstante Höhe auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform nehmen die Höhen der Fresnel-Ringe der ersten Fresnel-Struktur an der Lichteintrittsseite in Richtung weg von der Mittelachse gemäß einer quadratischen Funktion, also wie eine Parabel, zu. Dies gilt bevorzugt mit einer Toleranz von höchstens 10 % oder 5 % der Höhe des jeweiligen Fresnel-Rings.
Darüber hinaus wird eine Leuchte angegeben. Die Leuchte umfasst eine oder mehrere Linsen, wie in Verbindung mit zumindest einer der vorhergehenden Ausführungsformen angegeben. Merkmale der Linse sind daher auch für die Leuchte offenbart und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Leuchte einen oder mehrere Licht emittierende Leuchtdiodenchips. Durch den zumindest einen, bevorzugt genau einen Leuchtdiodenchip ist die Punktlichtquelle realisiert. Der Leuchtdiodenchip und damit die Punktlichtquelle weist eine mittlere Kantenlänge auf, im Folgenden mit D bezeichnet. Sind unterschiedlich lange Kanten des Leuchtdiodenchips vorhanden, insbesondere in Draufsicht auf eine Hauptemissionsseite des Leuchtdiodenchips gesehen, so ist die mittlere Kantenlänge der Mittelwert aller Kantenlängen. Weist der Leuchtdiodenchip zumindest teilweise eine runde Form auf, so kann anstelle der mittleren Kantenlänge auf einen mittleren Durchmesser zurückgegriffen werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich die Punktlichtquelle in der Mittelachse der Linse an deren Lichteintrittsseite. Ein geometrischer Mittelpunkt der Hauptemissionsseite des Leuchtdiodenchips liegt bevorzugt im Rahmen der Herstellungstoleranzen auf der Mittelachse.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich die Punktlichtquelle, insbesondere die Hauptemissionsseite des Leuchtdiodenchips, nahe an der Lichteintrittsseite der Linse. Insbesondere beträgt ein Abstand zwischen der Lichteintrittsseite und der Punktlichtquelle entlang der Mittelachse mindestens 10 % oder 20 % oder 25 % und/oder höchstens 90 % oder 60 % oder 40 % der mittleren Kantenlänge.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform gilt für die Höhen h der einzelnen Fresnel-Ringe der ersten Fresnel-Struktur, bezogen auf einen Abstand d in Richtung weg von der Mittelachse und bezogen auf die mittlere Kantenlänge D der folgende Zusammenhang: h(d) = 0,12(d/D)² + 0,06(d/D).
Insbesondere gilt dieser Zusammenhang mit einer Toleranz von höchstens 10 % oder 5 % der mittleren Kantenlänge D.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform gelten für einen Abstand Vn der n-ten Spitze der Fresnel-Ringe der ersten Fresnel-Struktur und für einen Abstand Wn der n-ten Spitze der Fresnel-Ringe der zweiten Fresnel-Struktur die folgenden Zusammenhänge oder zumindest einer dieser Zusammenhänge: Vn = (0,1 + 0,3n) D ± 0,05D; Wn = (0,4 + 0,4n + 0,14n²)D ± 0,05D. Dabei ist n eine natürliche Zahl zwischen einschließlich 1 und 6, insbesondere ist n = 3 oder n = 4. Die Abstände Vn und Wn werden bevorzugt in Richtung senkrecht zur Mittelachse bestimmt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist ein Gebiet an der Lichteintrittsseite innerhalb des ersten Fresnel-Rings der ersten Fresnel-Struktur durch eine Sammellinse gebildet. Die Sammellinse wird von der Mittelachse durchstoßen. Eine größte Höhe der Sammellinse, bezogen auf die Schnittebene, ist bevorzugt kleiner als die Höhe des innersten Fresnel-Rings der ersten Fresnel-Struktur. Insbesondere liegt der Schnittpunkt der Sammellinse mit der Mittelachse auf derselben Parabel, auf der sich die Spitzen der Fresnel-Ringe der ersten Fresnel-Struktur befinden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform beträgt ein Abstand zwischen dem weitest außen liegenden Fresnel-Ring der ersten Fresnel-Struktur und einer der Lichteintrittsseite zugewandten Hauptemissionsseite mindestens 5 % oder 10 % und/oder höchstens 25 % oder 10 % der mittleren Kantenlänge, gemessen in Richtung parallel zur Mittelachse. Dabei kann die Spitze des weitest außen liegenden Fresnel-Rings weiter von der Schnittebene entfernt sein als die Hauptemissionsseite der Punktlichtquelle oder es befindet sich die Hauptemissionsseite weiter von der Schnittebene entfernt als die Spitze des äußersten Fresnel-Rings.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Punktlichtquelle und damit der Leuchtdiodenchip an der Hauptemissionsseite eine Lambert’sche Abstrahlcharakteristik auf. Eine in einem Winkel α abgestrahlte Intensität I beträgt somit Imax cos α, wobei Imax die entlang der Mittelachse emittierte Intensität ist. Dieser Zusammenhang gilt bevorzugt mit einer Toleranz von höchstens 0,05 Imax oder 0,1 Imax.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform strahlen die Fresnel-Ringe der zweiten Fresnel-Struktur im Betrieb der Punktlichtquelle gleich große Lichtströme ab. Dies gilt bevorzugt mit einer relativen Abweichung voneinander von höchstens 20 %. Relative Abweichung bedeutet etwa, dass ein Quotient der beiden zu betrachtenden Größen im Falle einer Toleranz von 20 % = 0,2 bei 1 +/– 0,2 liegt. Bevorzugt liegt diese relative Abweichung bei höchstens 10 %. Die Abweichung gilt insbesondere paarweise hinsichtlich aller Fresnel-Ringe der zweiten Fresnel-Struktur.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Linse einen Befestigungssockel. Zusammen mit einer Montageplattform für die Punktlichtquelle, beispielsweise einer Leiterplatte oder einer Montageebene in einem Gehäuse eines Smartphones, schließt die Linse die Punktlichtquelle ringsum vollständig ein. Somit kann die Linse als Gehäuse und/oder als Abdeckung für die Punktlichtquelle dienen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Leuchte in ein mobiles Bildaufnahmegerät eingebaut, wobei es sich bei dem Bildaufnahmegerät insbesondere um ein Smartphone oder Mobiltelefon handelt oder auch um einen tragbaren Computer oder um ein Tablet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform dient die Leuchte als Blitzlicht. Damit ist die Leuchte insbesondere für einen gepulsten Betrieb eingerichtet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Punktlichtquelle zusammengesetzt aus einem Halbleiterbereich auf einem Chipsubstrat, gefolgt von zumindest einer Leuchtstoffschicht. Die Hauptemissionsseite kann in diesem Fall durch eine der Linse zugwandte Seite der Leuchtstoffschicht gebildet sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Punktlichtquelle durch mehrere Leuchtdiodenchips, beispielsweise durch zwei, drei oder vier Leuchtdiodenchips, gebildet. Bevorzugt sind die Leuchtdiodenchips einzeln ansteuerbar und in einem nur geringen Abstand zueinander angeordnet. Über die Verwendung mehrerer Leuchtdiodenchips ist ein Farbort des von der Leuchte abgestrahlten Lichts einstellbar. Im Falle eines Blitzlichts kann das emittierte Licht insbesondere an ein Umgebungslicht angepasst werden, um eine Bildqualität zu erhöhen.
Nachfolgend werden eine hier beschriebene Linse und eine hier beschriebene Leuchte unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Es zeigen:
1 und 2 schematische Darstellungen von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen Linsen,
3 und 4A schematische Darstellungen von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen Leuchten, und
4B schematische Darstellungen von Emssionseigenschaften eines Ausführungsbeispiels einer hier beschriebenen Leuchte.
In 1 ist schematisch eine Linse 3 dargestellt, siehe die perspektivischen Darstellungen in den 1A und 1B sowie die Schnittdarstellung in 1C.
Die Linse 3 weist eine Lichteintrittsseite 31 mit einer ersten Fresnel-Struktur und eine Lichtaustrittsseite 32 mit einer zweiten Fresnel-Struktur auf. Es handelt sich bei der Linse 3 um eine flache Linse, sodass eine Schnittebene 33 vollständig zwischen der Lichteintrittsseite 31 und der Lichtaustrittsseite 32 liegt und diese nicht schneidet und nicht berührt. Die Schnittebene 33, wie in 1C gezeichnet, liegt senkrecht zur Zeichenebene. Ferner ist die Schnittebene 33 senkrecht zu einer Mittelachse 34 der Linse 3 orientiert. Die Mittelachse 34 stellt bevorzugt eine optische Achse der Linse 3 dar. Die Linse 3 ist dazu eingerichtet, über einer Punktlichtquelle 2 angebracht zu werden, wobei sich die Punktlichtquelle 2 mittig an der Mittelachse 34 befinden kann, siehe 3.
In einem Zentralbereich um die Mittelachse 34 herum ist die Lichteintrittsseite 31 durch eine Sammellinse 315 gebildet. An die Sammellinse 315 schließt sich, in Richtung weg von der Mittelachse 34, ein Bereich mit mehreren Fresnel-Ringen 313 an. Spitzen 314 der Fresnel-Ringe 313 liegt umso weiter von der Schnittebene 33 entfernt, je weiter der zugehörige Fresnel-Ring 313 von der Mittelachse 34 entfernt ist. Alle Übergänge zwischen benachbarten Flächen sind verrundet. Die Spitzen 314 trennen Eintrittsflächen 311 von Umlenkflächen 312 des jeweiligen Fresnel-Rings 313.
Die Lichtaustrittsseite 32 ist auch durch mehrere Fresnel-Ringe 323 gebildet. Spitzen 324 dieser Fresnel-Ringe 323 liegen in einer gemeinsamen Ebene parallel zur Schnittebene 33. Diese Spitzen 324 liegen zwischen Spiegelflächen 321 und Austrittsflächen 322 der jeweiligen Fresnel-Ringe 323. Eine Differenz der Durchmesser von korrespondierenden Fresnel-Ringen 313, 323 auf der Lichteintrittsseite 31 und der Lichtaustrittsseite 32 steigt besonders bevorzugt von innen nach außen an.
Zwischen benachbarten Fresnel-Ringen 323 befindet sich je eine kreisflächenförmige, optisch inaktive Zone 325b. Breiten dieser Zonen 325b nehmen in Richtung weg von der Mittelachse 34 zu. Im Querschnitt gesehen, siehe 1C, sind die optisch inaktiven Zonen 325b parallel zur Schnittebene 33 ausgerichtet.
Im Zentralbereich innerhalb des innersten Fresnel-Rings 323 der Lichtaustrittsseite 32 befindet sich eine weitere optisch inaktive Zone 325a. Die kreisförmige, weitere optisch inaktive Zone 325a ist parallel zur Schnittebene 33 ausgerichtet, befindet sich jedoch weiter von der Schnittebene 33 entfernt als die optisch inaktiven Zonen 325b.
An einem Rand weist die Linse 3 einen Befestigungssockel 35 auf, der sich außerhalb der optisch wirksamen Lichteintrittsseite 31 und Lichtaustrittsseite 32 befindet. Über den Befestigungssockel 35, der bevorzugt die Linse 3 ringsum umläuft, ist die Linse 3 an einem externen Träger anbringbar, beispielsweise über ein Kleben, ein Anschrauben oder ein Einhaken.
In 3 ist eine Leuchte 1 mit einer solchen Linse 3 dargestellt. Die Leuchte 1 befindet sich in einem Bildaufnahmegerät 4, beispielsweise ein Smartphone. Zusätzlich zu der Linse 3 umfasst die Leuchte 1 eine Punktlichtquelle 2, gebildet durch einen Leuchtdiodenchip. der Leuchtdiodenchip 2 umfasst ein Chipsubstrat 24, auf dem ein Halbleiterbereich 23 mit einer nicht gezeichneten aktiven Zone zur Strahlungserzeugung aufgewachsen oder angebracht ist. Optional befindet sich an dem Halbleiterbereich 23 eine Leuchtstoffschicht 25, die der Lichteintrittsseite 31 zugewandt ist. Eine Hauptemissionsseite 20 des Leuchtdiodenchips 2 ist somit durch die Leuchtstoffschicht 25 gebildet. An der Hauptemissionsseite 21 erfolgt näherungsweise eine Lambert’sche Abstrahlung von Licht L. An Seitenflächen 22 der Punktlichtquelle 2 erfolgt gemäß 3 keine oder keine signifikante Lichtabstrahlung.
In 3 sind ferner schematisch einzelne Strahlverläufe des Lichts L dargestellt, das auf die Fresnel-Ringe 313, 323 trifft. Das Licht L wird über die Eintrittsflächen 311 in die Fresnel-Ringe 313 der ersten Fresnel-Struktur eingekoppelt und an den Umlenkflächen 312 totalreflektiert und hin zu den Fresnel-Ringen 323 an der Lichtaustrittsseite 32 gelenkt. An den Spiegelflächen 321, die den Umlenkflächen 312 des zugehörigen Fresnel-Rings 313 an der Lichteintrittsseite 31 optisch unmittelbar nachgeordnet sind, erfolgt eine Umlenkung des Lichts L hin zu den Austrittsflächen 322. Zu einem geringen Anteil wird Licht an den Austrittsflächen 322 hin zu den Spiegelflächen 321 reflektiert und an den Spiegelflächen 321 ausgekoppelt. Dabei sind die Umlenkflächen 312 fokussierend und somit konvex gekrümmt, die Spiegelflächen 321 sind konkav gekrümmt und wirken divergierend auf das Licht L.
Der Leuchtdiodenchip 2 mit der mittleren Kantenlänge D ist über einen Bonddraht 6 an einer Montageplattform 5 elektrisch kontaktiert. Die Linse 3 ist über den Befestigungssockel 35 ebenfalls an der Montageplattform 5 angebracht. Somit ist der Leuchtdiodenchip 2 von der Linse 3 gleichzeitig auch eingehaust.
Abweichend von der Darstellung in 3 können auch mehrere Punktlichtquellen 2, die dicht in einem Bereich unterhalb der Sammellinse 315 angeordnet sind, vorhanden sein. Weiterhin ist es alternativ möglich, dass die Punktlichtquelle 2 an den Seitenflächen 22 Strahlung emittiert, beispielsweise im Falle eines Saphir-Chips mit einer Halbleiterschichtenfolge aus AlInGaN. Wird ein signifikanter Strahlungsanteil an den Seitenflächen 22 abgestrahlt, so sind bevorzugt zusätzliche, weiter außen liegende Fresnel-Zähne 313, 323 vorhanden, die näher an die Montageplattform 5 reichen. Spitzen 314 solcher Fresnel-Ringe 313 an der Lichteintrittsseite 31 können dabei weiter von der Schnittebene 33 entfernt liegen als die Hauptemissionsseite 21. Somit ist es möglich, dass in Richtung parallel zur Schnittebene 33 die Fresnel-Ringe 313 die Seitenflächen 22 teilweise bedecken, anders als in 3 gezeichnet.
In 2A ist eine weitere Schnittdarstellung der Linse 3 gezeigt, siehe auch die Detaildarstellung in 2B. Wie bevorzugt auch in allen anderen Ausführungsbeispielen liegen alle Spitzen 314 der Fresnel-Ringe 313 an der Lichteintrittsseite 31 auf einer gemeinsamen Parabel, zusammen mit einem Durchstoßpunkt der Mittelachse 34 durch die zentrale Sammellinse 315.
Nachfolgend sind beispielhaft Maße M und Radien R für die Linse 3 illustriert. Die genannten Werte gelten für eine mittlere Kantenlänge D von 0,75 mm. Alle Werte sind in Millimetern angegeben. Bevorzugt liegen die genannten Werte mit einer Toleranz von höchstens 25 % oder 10 % oder 5 % oder exakt vor. Dabei sind die aufgeführten Werte linear mit der mittleren Kantenlänge D zu skalieren. Liegt die mittlere Kantenlänge D beispielsweise anstatt bei 0,75 mm bei 1,5 mm, so sind alle genannten Maße zu verdoppeln. Mit anderen Worten sind die aufgeführten Werte mit der tatsächlichen mittleren Kantenlänge D proportional zu verändern, wobei jeweils die voranstehend genannten Toleranzen vorliegen können.
Für D = 0,75 mm liegen beispielsweise die folgenden Maße vor: M1 = 0,39; M2 = 0,61; M3 = 0,85; M4 = 0,07; M5 = 0,05; M6 = 0,30; M7 = 0,51; M8 = 0,73. Für die Krümmungsradien gilt Folgendes: R1 = 0,01 wie bevorzugt auch bei allen anderen Verrundungen an der Lichtaustrittsseite 32; R2 = 0,65; R3 = 0,50; R4 = 0,45; R5 ist bevorzugt unendlich; R6 = 0,60; R7 = 0,89; R8 = 0,89; R9 = 1,09; R10 = 0,02 wie bevorzugt auch bei allen anderen Verrundungen an der Lichteintrittsseite 31.
Die Radien R11 und R12, siehe 2B, liegen bevorzugt bei unendlich. Der Krümmungsradius der Umlenkfläche 312 liegt bevorzugt jeweils zwischen dem 0,9-Fachen und dem 1,5-Fachen der mittleren Kantenlänge D. Der Krümmungsradius der Spiegelfläche 321 liegt bevorzugt zwischen einschließlich dem 0,4-Fachen und dem Einfachen der mittleren Kantenlänge D der Punktlichtquelle 2.
In 4A ist schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Leuchte 1 und des Bildaufnahmegeräts 4 perspektivisch dargestellt. Mit der Leuchte 1 wird ein Beleuchtungsfeld A ausgeleuchtet. Bei dem Beleuchtungsfeld A handelt es sich bevorzugt um einen näherungsweise rechteckigen Bereich, beispielsweise mit einem Seitenverhältnis von 4:3 oder von 16:9. Ein Diagonalenwinkel des Beleuchtungsfelds A liegt bevorzugt bei mindestens 70° oder 80°, bezogen auf die Leuchte 1. Gemäß 4A liegt der Diagonalenwinkel bei 83°.
In 4B ist eine Beleuchtungsstärkeverteilung angegeben, wobei die Linse gemäß der 2 und 3 verwendet wird und wobei die mittlere Kantenlänge D bei 0,75 mm liegt. Die Beleuchtungsstärken sind bestimmt in einem Abstand von 1 m zur Leuchte 1. Links oben ist eine Schnittdarstellung durch das Beleuchtungsfeld A gezeigt, also in der XY-Ebene. In der Darstellung in 4B unten links ist ein Schnitt entlang der Y-Achse gezeigt, rechts oben ein Schnitt entlang der X-Achse. Eine schematische Skalierung ist in 4B rechts unten dargestellt.
Die hier beschriebene Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste

1: Leuchte
2: Punktlichtq uelle, Leuchtdiodenchip
21: Hauptemissionsseite
22: Seitenfläche
23: Halbleiterbereich
24: Chipsubstrat
25: Leuchtstoffschicht
3: Linse
31: Lichteintrittsseite mit der ersten Fresnel-Struktur
311: Eintrittsfläche
312: Umlenkfläche
313: Fresnel-Ringe der ersten Fresnel-Struktur
314: Spitzen der Fresnel-Ringe der ersten Fresnel-Struktur
315: Sammellinse
32: Lichtaustrittsseite mit der zweiten Fresnel-Struktur
321: Spiegelfläche
322: Austrittsfläche
323: Fresnel-Ringe der zweiten Fresnel-Struktur
324: Spitzen der Fresnel-Ringe der zweiten Fresnel-Struktur
325: optisch inaktive Zone
33: Schnittebene
34: Mittelachse/optische Achse
35: Befestigungssockel
4: Bildaufnahmegerät
5: Montageplattform
6: Bonddraht
A: Beleuchtungsfeld
d: Abstand Spitze-Mittelachse
h: Höhe der Spitzen
D: Kantenlänge des Leuchtdiodenchips
L: Licht
M: Maß
R: Radius

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 4900129 A [0002]
US 2005/0024746 A1 [0003]

Claims

Linse (3) zur Lichtaufweitung einer Punktlichtquelle (2) mit – einer Lichteintrittsseite (31) mit einer ersten Fresnel-Struktur, – einer Lichtaustrittsseite (32) mit einer zweiten Fresnel-Struktur, die von der ersten Fresnel-Struktur verschieden ist, – einer Schnittebene (33) gänzlich zwischen der ersten und der zweiten Fresnel-Struktur, sodass die Linse (3) flach ist, und – einer Mittelachse (34) als optische Achse senkrecht zur Schnittebene (33), wobei – eine Höhe von Fresnel-Ringen (313) der ersten Fresnel-Struktur, bezogen auf die Schnittebene (33), in Richtung weg von der Mittelachse (34) zunimmt, – die Fresnel-Ringe (313) der ersten Fresnel-Struktur je eine der Mittelachse (34) zugewandte Eintrittsfläche (311) und je eine der Mittelachse (34) abgewandte Umlenkfläche (312) aufweisen, und – Fresnel-Ringe (323) der zweiten Fresnel-Struktur je eine der Mittelachse (34) zugewandte Spiegelfläche (321) und je eine der Mittelachse (34) abgewandte Austrittsfläche (322) aufweisen.
Linse (3) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei der die Umlenkflächen (312) und die Spiegelfläche (321) je zur Totalreflexion von Licht eingerichtet sind, wobei die Fresnel-Ringe (313, 323) der ersten und der zweiten Fresnel-Struktur jeweils konzentrisch um die Mittelachse (34) verlaufen.
Linse (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der sich zwischen den Fresnel-Ringen (323) der zweiten Fresnel-Struktur jeweils eine optisch inaktive Zone (325b) befindet, wobei Breiten der optisch inaktiven Zonen (325b) in Richtung weg von der Mittelachse (34) zunehmen.
Linse (3) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei der die optisch inaktiven Zonen (325b) durch kreisringförmige Flächen gebildet sind, wobei sich Spitzen (314) der Fresnel-Ringe (313) der ersten Fresnel-Struktur im Bereich der optisch inaktiven Zonen (325b) befinden, wenn diese Spitzen (314) parallel zur Mittelachse (34) auf die optisch inaktiven Zonen (325b) projiziert werden.
Linse (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der im Querschnitt gesehen die Umlenkflächen (312) konvex die Spiegelfläche (321) konkav gekrümmt sind, wobei die Eintrittsfläche (311) und die Austrittsfläche (322) im Querschnitt gesehen gerade verlaufen.
Linse (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der alle Übergänge zwischen benachbarten Flächen verrundet sind, wobei ein Verrundungsradius zwischen einschließlich 5 µm und 30 µm liegt, und wobei ein Durchmesser der Lichteintrittsseite (31) zwischen einschließlich 1 mm und 8 mm beträgt.
Linse (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der sich Spitzen (324) der Fresnel-Ringe (323) der zweiten Fresnel-Struktur in einer Ebene parallel zur Schnittebene (33) befinden, wobei die Höhen der Fresnel-Ringe (313) der ersten Fresnel-Struktur in Richtung weg von der Mittelachse (34) gemäß einer Parabel zunehmen, mit einer Toleranz von höchstens 10 % der Höhe des jeweiligen Fresnel-Rings (313).
Leuchte (1) mit – einer Linse (3) nach einem der vorherigen Ansprüche, und – einem lichtemittierenden Leuchtdiodenchip mit einer mittleren Kantenlänge (D) als Punktlichtquelle (2), wobei – sich die Punktlichtquelle (2) in der Mittelachse (34) an der Lichteintrittsseite (31) befindet, und – ein Abstand zwischen der Lichteintrittsseite (31) und der Punktlichtquelle (2) entlang der Mittelachse (34) mindestens 20 % und höchstens 90 % der mittleren Kantenlänge (D) beträgt.
Leuchte (1) nach dem vorhergehenden Anspruch mit der Linse (3) nach Anspruch 7, bei der für die Höhen h der einzelnen Fresnel-Ringe (313) der ersten Fresnel-Struktur, bezogen auf einen Abstand d in Richtung weg von der Mittelachse (34) und bezogen auf die mittlere Kantenlänge D, der folgende Zusammenhang gilt: h(d) = 0,12(d/D)² + 0,06(d/D), wobei die Toleranz zusätzlich höchstens 10 % der mittleren Kantenlänge D beträgt.
Leuchte (1) nach Anspruch 8 oder 9, bei der für einen Abstand Vn der n-ten Spitze (314) der Fresnel-Ringe (313) der ersten Fresnel-Struktur und für einen Abstand Wn der n-ten Spitze (324) der Fresnel-Ringe (323) der zweiten Fresnel-Struktur die folgenden Zusammenhänge gelten: Vn = (0,1 + 0,3n)D ± 0,05D und Wn = (0,4 + 0,4n + 0,14n²)D ± 0,05D, wobei n eine natürliche Zahl zwischen einschließlich 1 und 6 ist, D für die mittlere Kantenlänge (D) steht und die Abstände Vn, Wn in Richtung senkrecht zur Mittelachse (34) bestimmt sind, und wobei die erste und die zweite Fresnel-Struktur dieselbe Anzahl an Fresnel-Ringen (313, 312) aufweisen.
Leuchte (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei der die Lichteintrittsseite (31) innerhalb des ersten Fresnel-Rings (313) der ersten Fresnel-Struktur durch eine Sammellinse (315) gebildet ist, wobei die Lichtaustrittsseite (32) innerhalb des ersten Fresnel-Rings (323) der zweiten Fresnel-Struktur planar geformt ist.
Leuchte (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, bei der ein Abstand zwischen dem weitest außen liegenden Fresnel-Ring (313) der ersten Fresnel-Struktur und einer der Lichteintrittsseite (31) zugewandten Hauptemissionsseite (21) mindestens 5 % und höchstens 25 % der mittlere Kantenlänge (D) beträgt, gemessen in Richtung parallel zur Mittelachse (34).
Leuchte (1) nach Anspruch 12, bei der die Punktlichtquelle (2) an einer der Lichteintrittsseite (31) zugewandten Hauptemissionsseite (21) eine Lambert´sche Abstrahlcharakteristik aufzeigt, wobei die Fresnel-Ringe (323) der zweiten Fresnel-Struktur im Betrieb der Punktlichtquelle (2) gleich große Lichtströme abstrahlen, mit einer relativen Abweichung voneinander von höchstens 20 %, und wobei die Linse (3) einen Befestigungssockel (25) umfasst und zusammen mit einer Montageplattform (5) die Punktlichtquelle (2) vollständig umschließt, sodass die Linse (3) als Gehäuse für die Punktlichtquelle (2) dient.
Leuchte (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 13, die in ein mobiles Bildaufnahmegerät (4) eingebaut ist und als Blitzlicht eingerichtet ist.