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Es wird eine Halbleiterlichtquelle angegeben.
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Eine zu lösende Aufgabe liegt darin, eine Halbleiterlichtquelle anzugeben, die als Blitzlicht bei variierenden Umgebungslichtbedingungen eingesetzt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine Halbleiterlichtquelle mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Halbleiterlichtquelle umfasst eine oder mehrere erste Emissionseinheiten. Die mindestens eine erste Emissionseinheit ist beispielsweise durch einen oder durch mehrere LED-Chips oder auch durch einen pixelierten LED-Chip gebildet. Bevorzugt ist die zumindest eine erste Emissionseinheit zur Erzeugung von sichtbarem Licht, insbesondere zur Erzeugung von weißem Licht, eingerichtet. Die erste Emissionseinheit wird bevorzugt gepulst betrieben, emittiert also nur in relativ kurzen Zeitbereichen, kann aber auch zur Dauerstrichbeleuchtung verwendbar sein.
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Die Halbleiterlichtquelle umfasst eine oder mehrere zweite Emissionseinheiten. Die mindestens eine zweite Emissionseinheit ist zur Erzeugung von sichtbarem Licht, insbesondere von weißen Licht, eingerichtet. Die zweite Emissionseinheit ist bevorzugt elektrisch unabhängig von der ersten Emissionseinheit betreibbar.
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Beide Emissionseinheiten emittieren im Rahmen der Herstellungstoleranzen Licht desselben Farborts. Dabei können voneinander verschiedene erste Emissionseinheiten jeweils Licht voneinander verschiedener Farben emittieren, insbesondere verschiedene Weißtöne, entsprechend können verschiedene zweiten Emissionseinheiten untereinander Licht verschiedener Farborte erzeugen. Sind mehrere erste und mehrere zweite Emissionseinheiten vorhanden, so erzeugen einander zugeordnete erste und zweite Emissionseinheiten bevorzugt jeweils Licht desselben Farborts. Eine erste und eine gleichfarbig emittierende zweite Emissionseinheit können ein Paar bilden.
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Alternativ und weniger bevorzugt ist es möglich, dass von der zweiten Emissionseinheit im Betrieb Licht mit einem anderen Farbort emittiert wird als von der ersten Emissionseinheit. Beispielsweise emittieren beide Emissionseinheiten dann weißes Licht, jedoch mit unterschiedlichen Farbtemperaturen.
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Die Halbleiterlichtquelle umfasst eine oder mehrere Optiken. Die bevorzugt genau eine Optik ist zur Strahlformung des von der ersten und von der zweiten Emissionseinheit abgestrahlten und erzeugten Lichts eingerichtet. Insbesondere handelt es sich bei der Optik um die einzige strahlformende Komponente der Halbleiterlichtquelle. Die Optik kann einstückig und/oder monolithisch aufgebaut sein. Alternativ ist die Optik aus mehreren, bevorzugt innig miteinander verbundenen Komponenten zusammengesetzt.
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Die Optik weist einen Innenbereich auf. Der Innenbereich ist zur Bündelung von Strahlung vorgesehen. Dies bedeutet insbesondere, dass durch den Innenbereich ein Divergenzwinkel der Strahlung verringert sein kann, im Vergleich zur Strahlung vor Durchlaufen der Optik. Insbesondere ist der Innenbereich zur Ausleuchtung eines Gebiets eingerichtet, das in einem Abstand zur Halbleiterlichtquelle von mindestens 1 m oder 2 m und/oder von höchstens 8 m oder 4 m liegt. Durch den Innenbereich kann die im Betrieb von der ersten Emissionseinheit erzeugte Strahlung geformt werden.
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Die Optik weist mindestens einen Außenbereich auf. Der oder die Außenbereiche sind zur Aufweitung oder Streuung von Strahlung eingerichtet. Dies bedeutet, ein Divergenzwinkel der Strahlung kann durch die Optik vergrößert werden. Alternativ bleibt der Divergenzwinkel gleich oder näherungsweise gleich, jedoch erfolgt eine Richtungsänderung der Strahlung durch den Außenbereich. Insbesondere wird durch den Außenbereich die im Betrieb von der zweiten Emissionseinheit erzeugte Strahlung geformt.
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Der Innenbereich der Optik weist einen ersten Lichtabstrahlbereich auf. Bei dem ersten Lichtabstrahlbereich kann es sich um die gesamte lichtabstrahlende Fläche des Innenbereichs handeln. Der erste Lichtabstrahlbereich kann durch ein zusammenhängendes, lückenloses Gebiet gebildet sein.
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Der erste Lichtabstrahlbereich überdeckt in Draufsicht auf die Halbleiterlichtquelle gesehen die erste Emissionseinheit vollständig. Alternativ oder zusätzlich wird die zweite Emissionseinheit teilweise oder vollständig von dem ersten Lichtabstrahlbereich überdeckt.
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Der Außenbereich weist einen zweiten Lichtabstrahlbereich auf, insbesondere genau einen zusammenhängenden zweiten Lichtabstrahlbereich. Der zweite Lichtabstrahlbereich bildet bevorzugt sämtliche lichtabstrahlenden Flächen des Außenbereichs.
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Der zweite Lichtabstrahlbereich liegt in Draufsicht gesehen teilweise oder vollständig neben der zumindest einen zweiten Emissionseinheit. Damit liegt der zweite Lichtabstrahlbereich auch bevorzugt vollständig neben der ersten Emissionseinheit. In Draufsicht gesehen überlappen der erste Lichtabstrahlbereich und der zweite Lichtabstrahlbereich bevorzugt nicht.
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Der Innenbereich und der Außenbereich weisen voneinander verschieden geformte Lichteintrittsbereiche auf. Dabei ist ein erster Lichteintrittsbereich dem Innenbereich und ein zweiter Lichteintrittsbereich dem Außenbereich zugeordnet. In Draufsicht gesehen überlappen die beiden Lichteintrittsbereiche bevorzugt nicht. Verschieden geformt bedeutet insbesondere, dass die beiden Lichteintrittsbereiche nicht durch eine zusammenhängende, optisch gleichwirkende Fläche gebildet sind. Insbesondere weisen die beiden Lichteintrittsbereiche voneinander verschiedene Orientierungen und/oder Krümmungen auf.
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Insbesondere umfasst die Halbleiterlichtquelle zumindest eine erste Emissionseinheit, zumindest eine zweite Emissionseinheit sowie eine Optik. Die Optik weist einen Innenbereich zur Bündelung von Strahlung der ersten Emissionseinheit und einen Außenbereich zur Aufweitung oder Streuung von Strahlung der zweiten Emissionseinheit auf. Ein erster Lichtabstrahlbereich des Innenbereichs überdeckt in Draufsicht gesehen die erste Emissionseinheit vollständig und die zweite Emissionseinheit mindestens teilweise. Ein zweiter Lichtabstrahlbereich des Außenbereichs liegt in Draufsicht gesehen teilweise oder vollständig neben der zweiten Emissionseinheit. Der Innenbereich und der Außenbereich weisen voneinander verschieden geformte Lichteintrittsbereiche auf.
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In mobilen Bildaufnahmegeräten wie Mobiltelefonen sind häufig mehrere Kamerasensoren zur Aufnahme von Bildern enthalten. Die Kamerasensoren unterscheiden sich insbesondere hinsichtlich ihrer Brennweiten und damit hinsichtlich ihrer Größen eines Zielfensters und eines Abstands des Zielfensters von dem Mobiltelefon. Dabei befindet sich in dem Zielfenster das abzubildende Objekt. Damit Fotoaufnahmen auch bei dunklen Umgebungslichtbedingungen möglich sind, ist es sinnvoll, ebenso das Blitzlicht für das Bildaufnahmegerät an die unterschiedlichen Abstände und Zielfenstergrößen anzupassen. Des Weiteren weisen beispielsweise Sensoren mit Teleobjektiven eine geringere Empfindlichkeit auf, weshalb eine Anpassung des Blitzlichts dann besonders vorteilhaft ist. der Sensor oder Kamerasensor ist beispielsweise durch ein zweidimensionales CCD-Feld gebildet, etwa um Bilder oder Filme aufnehmen zu können.
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Mit der hier beschriebenen Halbleiterlichtquelle ist insbesondere ein Blitzlicht speziell für Kamerasysteme mit zwei oder mehr verbauten Kamerasensoren aufbaubar. Dabei können unterschiedliche Fokusbereiche abgedeckt werden. Je nachdem, welcher Kamerasensor eingesetzt wird, kann automatisch oder manuell eine Auswahl einer bestimmten Ausleuchtung mit Hilfe des Blitzlichts, insbesondere der hier beschriebenen Halbleiterlichtquelle, definiert werden.
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Durch die Optik, die insbesondere als Freiform-Linse mit unterschiedlichen Formen für den Innenbereich und den Außenbereich gebildet ist, kann etwa bei gleichzeitiger Anpassung einer Leuchtquellengröße, also einer Größe einer leuchtenden Fläche der Emissionseinheiten, eine stärkere Fokussierung erreicht werden. Diese stärkere Fokussierung ermöglicht es zum Beispiel, dass in einem größeren Abstand eine kleinere Fläche mit höherer Leuchtdichte erreicht werden kann als bei größeren Leuchtquellen. Zudem ist eine Separation von Strahlpfaden für die beiden Emissionseinheiten, die dem Innenbereich sowie den Außenbereich zugeordnet sind, realisierbar. Damit kann eine getrennte Ausleuchtung eines Zentrums und von Ecken des Zielbereichs erzielt werden. Außerdem ist eine definiertere Homogenität der Ausleuchtung erreichbar, insbesondere wenn beide Emissionseinheiten gleichzeitig betrieben werden.
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So werden bisher Blitzlicht-LEDs, auch als Flash-LEDs bezeichnet, mit festen Chipgrößen in Kombination überwiegend mit Fresnel-Linsen entweder direkt in das LED-Bauteil eingebaut oder als sekundäre Linse eingesetzt. Veränderliche Abstrahlwinkel können durch Einsatz und Überlagerung zwei verschieden abstrahlender Flash-Module realisiert werden. Module bedeutet in diesem Zusammenhang insbesondere zwei unabhängige Lichtquellen mit jeweils zwei unterschiedlichen optischen Systemen. Des Weiteren können in Kamerasystemen Optiken verwendet werden, die mindestens eine bewegliche Linse zur Veränderung einer Gesamtbrennweite aufweisen.
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Außerdem sind optische Systeme möglich, die eine Linse besitzen, die eine veränderliche Form aufweist, zum Beispiel durch eine flüssigkeitsgefüllte Membran. Beispiele solcher Optiken können Flüssigkristall-basierte Linsen, Flüssigphasen-Membran-Linsen oder electro-wetted-Linsen sein.
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Die hier beschriebene Halbleiterlichtquelle bietet insbesondere die Möglichkeit, eine Leuchtquellengröße zu verändern und in Verbindung mit dem Einsatz einer geeigneten Optik eine Ausleuchtung des Zielfensters hinsichtlich Abstand, Größe und/oder Leuchtdichte an eine Auswahl der verwendeten Kamerasensoren anzupassen. Dabei sind keine mechanisch beweglichen Teile erforderlich. Ebenso kann auf flüssigkeitsgefüllte Linsen und/oder elektrostatisch anzusteuernde Elemente verzichtet werden, womit eine erhöhte Lebensdauer und eine erhöhte Vibrationsstabilität erreicht werden kann. Im Vergleich zu flüssigkeitsgefüllten Linsen und/oder mechanisch beweglichen Teilen kann die Halbleiterlichtquelle mit vermindertem Platzbedarf und in kompakter, kleiner Bauform realisiert werden.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umläuft der Außenbereich vollständig oder teilweise ringsum den Innenbereich. Das heißt, der Außenbereich ist um den Innenbereich herum angeordnet. Dabei ist der Außenbereich bevorzugt eindeutig der zweiten Emissionseinheit und/oder der Innenbereich eindeutig der ersten Emissionseinheit zugeordnet. Über den Außenbereich und den Innenbereich lässt sich das Licht der Emissionseinheiten verschieden voneinander behandeln. Eine Kombination der beiden Bereiche ist weiterhin anwendbar.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind der Außenbereich und/oder der Innenbereich in Draufsicht gesehen quadrantensymmetrisch gestaltet. Das heißt, die vier Quadranten können insbesondere durch Spiegelung an Symmetrieachsen ineinander abgebildet werden. Dabei liegen bevorzugt genau zwei oder genau vier Symmetrieachsen vor, in Draufsicht gesehen. Insbesondere ist die Optik in Draufsicht gesehen eher quadratisch oder rechteckig denn kreisförmig geformt.
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Die zweite Emissionseinheit umläuft die erste Emissionseinheit in Draufsicht gesehen vollständig oder teilweise ringsum. Mit anderen Worten kann die zweite Emissionseinheit in Draufsicht gesehen die erste Emissionseinheit umringen und/oder umschließen. Bevorzugt ist eine Gesamtfläche der zweiten Emissionseinheit größer als eine Gesamtfläche der ersten Emissionseinheit, beispielsweise um mindestens einen Faktor 1,5 oder 2 und/oder um höchstens einen Faktor 4 oder 3.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Lichtabstrahlbereich als Sammellinse geformt. Dabei ist es nicht zwingend erforderlich, dass der erste Lichtabstrahlbereich sphärisch geformt ist. Die Sammellinse, die den ersten Lichtabstrahlbereich bildet, kann eine Freiformlinse sein.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind der erste Lichtabstrahlbereich und der zweite Lichtabstrahlbereich im Querschnitt gesehen durch einen Knick voneinander getrennt. Dies gilt insbesondere in einem Querschnitt durch eine optische Achse der Optik hindurch. Alternativ oder zusätzlich sind die beiden Lichteintrittsbereiche durch einen Knick voneinander getrennt. Der Begriff Knick schließt nicht aus, dass herstellungsbedingt im Bereich des Knicks eine Verrundung vorliegt, die einen kleinen Krümmungsradius aufweist. Solche Verrundungen können beispielsweise durch ein Herstellungsverfahren der Optik bedingt sein, etwa wenn die Optik über Spritzgießen oder Spritzpressen hergestellt wird.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der erste Lichteintrittsbereich stellenweise oder vollständig planar geformt. Das heißt, der erste Lichteintrittsbereich weist dann keine oder keine signifikante Krümmung auf. In diesem Fall ist der erste Lichteintrittsbereich bevorzugt senkrecht oder näherungsweise senkrecht zur optische Achse orientiert. Näherungsweise bedeutet bei Winkelangaben etwa eine Toleranz von höchstens 15° oder 10° oder 5°.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der zweite Lichteintrittsbereich des Außenbereichs, insbesondere im Querschnitt durch die optische Achse gesehen, prismatisch geformt. Das bedeutet etwa, dass der Lichteintrittsbereich durch eine oder durch mehrere ebene Flächen zusammengesetzt ist, die schräg zur optischen Achse ausgerichtet sein können. Der zweite Lichteintrittsbereich kann beispielsweise ähnlich einem Kegelmantel geformt sein.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der zweite Lichteintrittsbereich teilweise oder vollständig im Querschnitt gesehen durch eine hin zur ersten Emissionseinheit geneigte Fläche gebildet. Hierdurch kann die Strahlung der zweiten Emissionseinheit refraktiv, also durch Lichtbrechung, von der ersten Emissionseinheit weggelenkt werden. Das heißt, das Licht der zweiten Emissionseinheit wird weg von der ersten Emissionseinheit geführt.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der zweite Lichtabstrahlbereich im Querschnitt gesehen, etwa durch die optische Achse, als Dreieck geformt. Das heißt etwa, in Richtung weg von der zweiten Emissionseinheit und/oder einer Montageseite der Optik verjüngt sich der zweite Lichtabstrahlbereich.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist eine Innenseite des zweiten Lichtabstrahlbereichs, die sich näher an der ersten Emissionseinheit befindet und damit näher an der optischen Achse liegt, zur Totalreflexion von Strahlung der zweiten Emissionseinheit eingerichtet. Alternativ oder zusätzlich ist eine der Innenseite gegenüberliegende Außenseite, die damit weiter von der optischen Achse und/oder den Emissionseinheiten entfernt liegt, zur Lichtbrechung von Strahlung der zweiten Emissionseinheit eingerichtet. Die Lichtbrechung erfolgt bevorzugt hin zur optischen Achse.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Dreieck, das den zweiten Lichtabstrahlbereich bildet, eine abgerundete Spitze auf. Eine abgerundete Spitze kann bedingt durch das Herstellungsverfahren, also insbesondere ein Spritzgießen oder ein Spritzpressen, resultieren. In Draufsicht gesehen macht die abgerundete Spitze an dem zweiten Lichtabstrahlbereich bevorzugt einen Flächenanteil von höchstens 10 % oder 20 % aus.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform schließen die beiden Lichtabstrahlbereiche in Richtung weg von den Emissionseinheiten und/oder in Richtung weg von der Montageseite bündig miteinander ab. Das heißt, die beiden Lichtabstrahlbereiche sind gleich hoch, entlang der optischen Achse gesehen und/oder bezogen auf die Montageseite der Optik.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Optik im Querschnitt gesehen, insbesondere durch die optische Achse, einen trapezförmigen Lichteingangsbereich auf. Dabei ist eine Bodenfläche des Lichteingangsbereichs bevorzugt der ersten Emissionseinheit zugewandt. Die Bodenfläche kann den ersten Lichteintrittsbereich bilden. Insbesondere ist die Bodenfläche deckungsgleich oder näherungsweise deckungsgleich mit der ersten Emissionseinheit ausgebildet.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind Seitenflächen des Lichteingangsbereichs mit einem Spiegel versehen. Der Spiegel ist zur Reflexion von Strahlung der ersten als auch der zweiten Emissionseinheit eingerichtet. Dabei erfolgt eine Reflexion der Strahlung der ersten Emissionseinheit bevorzugt innerhalb des Lichteingangsbereichs und eine Reflexion von Strahlung der zweiten Emissionseinheit außerhalb des Lichteingangsbereichs. Die Seitenflächen und der Spiegel sind im Querschnitt gesehen bevorzugt gerade gestaltet. Der Spiegel reflektiert bevorzugt beidseitig spekular und kann durch eine Metallbeschichtung gebildet sein.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der zweite Lichtabstrahlbereich durch mehrere Streulinsen gebildet. Die Streulinsen sind in Draufsicht bevorzugt dicht gepackt und flächenfüllend oder nahezu flächenfüllend angeordnet. Insbesondere sind die Streulinsen in einem hexagonalen oder quadratischen oder rechteckigen Muster angeordnet. Bei den Streulinsen handelt es sich bevorzugt um vergleichsweise kleine Sammellinsen. Die Streulinsen können untereinander gleich geformt sein. Ist der erste Lichtabstrahlbereich als Sammellinse geformt, so weisen die Streulinsen bevorzugt einen mittleren Durchmesser von höchstens 20 % oder 10 % eines mittleren Durchmessers dieser den ersten Lichtabstrahlbereich bildenden Sammellinse auf.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umgeben die Streulinsen in Draufsicht gesehen den ersten Lichtabstrahlbereich teilweise oder vollständig ringsum. Das heißt, der erste Lichtabstrahlbereich kann vollständig von den kleineren Streulinsen eingefasst sein.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Halbleiterlichtquelle ein Reflektorgehäuse. In dem Reflektorgehäuse befinden sich die Emissionseinheiten. Ebenso ist bevorzugt der Lichteingangsbereich in dem Reflektorgehäuse angeordnet.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind Innenwände des Reflektorgehäuses zur Reflexion der Strahlung der zweiten Emissionseinheit eingerichtet. Strahlung der ersten Emissionseinheit gelangt bevorzugt nicht oder zu keinem signifikanten Anteil zu den Innenwänden. Die Innenwände können gekrümmt verlaufen, sodass sich das Reflektorgehäuse in Richtung hin zur Optik und entlang der optischen Achse bevorzugt zunehmend langsamer verbreitert.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform erstreckt sich der zweite Lichteintrittsbereich vollständig und/oder eben zwischen den Innenwänden und dem Spiegel. Das heißt etwa, das Reflektorgehäuse ist vollständig von dem zweiten Lichteintrittsbereich zusammen mit dem ersten Lichteintrittsbereich abgedeckt. Im Falle eines ebenen zweiten Lichteintrittsbereichs ist dieser bevorzugt senkrecht zur optischen Achse der Optik orientiert.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt im Querschnitt gesehen, insbesondere durch die optische Achse, ein Quotient aus einer Breite der Emissionseinheiten und einer Breite einer Reflektorgrundfläche des Reflektorgehäuses, wobei die Emissionseinheiten auf der Reflektorgrundfläche angebracht sind, bei mindestens 1 oder 1,1 oder 1,2. Alternativ oder zusätzlich liegt dieser Quotient bei höchstens 1,7 oder 1,5 oder 1,3.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt ein Quotient aus der Breite der Emissionseinheiten und einer Höhe des Reflektorgehäuses, im Querschnitt insbesondere durch die optische Achse gesehen, bei mindestens 2,5 oder 2,9 oder 3,1. Alternativ oder zusätzlich liegt dieser Quotient bei höchstens 4 oder 3,5 oder 3,3.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt ein Quotient aus der Breite der Emissionseinheiten und einer Höhe des ersten Lichtabstrahlbereichs im Querschnitt gesehen, insbesondere durch die optische Achse, bei mindestens 1,7 oder 1,9 oder 2,0. Alternativ oder zusätzlich liegt dieser Quotient bei höchstens 2,5 oder 2,3 oder 2,2.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt ein Quotient aus der Breite der Emissionseinheiten und einem Krümmungsradius oder mittleren Krümmungsradius des ersten Lichtabstrahlbereichs bei mindestens 1,5 oder 2 oder 2,2. Alternativ oder zusätzlich liegt dieser Quotient bei höchstens 4 oder 3 oder 2,7.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Optik als Mehrfachoptik, insbesondere als Doppeloptik für mehrere, insbesondere genau zwei erste und genau zwei zweite Emissionseinheiten eingerichtet. Dabei sind die zweiten Lichtabstrahlbereiche in Draufsicht gesehen und zusammengenommen bevorzugt achterförmig gestaltet, sodass die bevorzugt zwei ersten Lichtabstrahlbereiche durch die beiden zweiten Lichtabstrahlbereiche voneinander separiert und von den zweiten Lichtabstrahlbereichen umschlossen sind.
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Sind mehr als zwei erste Lichtabstrahlbereiche vorhanden, so können die zweiten Lichtabstrahlbereiche gitternetzförmig die ersten Lichtabstrahlbereiche einrahmen, wobei in jeder Masche des resultierenden Gitters bevorzugt einer der ersten Lichtabstrahlbereiche angebracht ist. Bei einer solchen Anordnung ist besonders bevorzugt jeder ersten Emissionseinheit genau eine zweite Emissionseinheit eineindeutig zugeordnet. Jedem solchen Paar von Emissionseinheiten, wobei die in dem Paar arrangierten Emissionseinheiten bevorzugt Licht derselben Farbe emittieren, ist eine optische Achse der Optik zugeordnet. Das heißt insbesondere, dass jedes Paar über einen eigenen Innenbereich und einen eigenen Außenbereich der Optik verfügt. Die oben angegebenen Ausführungsformen zur Optik und zu den Emissionseinheiten treffen bevorzugt auf jedes Paar von Emissionseinheiten zu.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind eine erste und eine zweite Emissionseinheit vorhanden, die zur Erzeugung von weißem Licht mit einer korrelierten Farbtemperatur von mindestens 2700 K und/oder höchstens 4500 K vorgesehen sind. Durch diese Emissionseinheiten wird warmweißes Licht erzeugt. Ferner sind bevorzugt zwei Emissionseinheiten zur Erzeugung von weißem Licht mit einer korrelierten Farbtemperatur von mindestens 5000 K und/oder von höchstens 8000 K, also für kaltweißes Licht, vorhanden. Die kaltweiß emittierenden sowie die warmweiß emittierenden Emissionseinheiten sind bevorzugt je als Paar gestaltet, sodass Emissionseinheiten gleicher Farbtemperatur einander in dem Paar zugeordnet sind.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich die Halbleiterlichtquelle als Blitzlicht in einem tragbaren Bildaufnahmegerät. Entsprechend wird ein Bildaufnahmegerät mit einer solchen Halbleiterlichtquelle angegeben.
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Nachfolgend werden eine hier beschriebene Halbleiterlichtquelle und ein hier beschriebenes tragbares Bildaufnahmegerät unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Sofern kenntlich gemacht, sind die Darstellungen maßstäblich aufzufassen.
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Es zeigen:
- 1 bis 3 und 6 bis 8 schematische Darstellungen von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen Halbleiterlichtquellen,
- 4, 5, 9 und 10 schematische Darstellungen von optischen Eigenschaften von hier beschriebenen Halbleiterlichtquellen, und
- 11 eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines Bildaufnahmegeräts mit einer hier beschriebenen Halbleiterlichtquelle.
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Halbleiterlichtquelle 1 gezeigt, siehe die perspektivische Darstellung in 1A, die Schnittdarstellung entlang einer Längsachse in 1B, die Draufsicht in 1C, die Schnittdarstellung entlang einer Querachse in 1D und die perspektivische Darstellung von Emissionseinheiten 21, 22 in 1E. Die 1B, 1C sowie 1D sind maßstäblich. Beispielhaft angegebene Maße sind in Millimeter angegeben.
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Die Halbleiterlichtquelle 1 umfasst mehrere Emissionseinheiten 21, 22. Dabei sind innenliegende erste Emissionseinheiten 21 und außenliegende, umrahmende zweite Emissionseinheiten 22 vorhanden, siehe 1E. Die Emissionseinheiten 21, 22 sind paarweise angeordnet. Innerhalb eines Paars wird Licht derselben Farbe emittiert. Es ist ein Paar zur Erzeugung von warmweißem Licht und ein Paar zur Erzeugung von kaltweißem Licht vorhanden. In den Ausführungsbeispielen sind jeweils zwei Paare von Emissionseinheiten 21, 22 vorhanden. Abweichend hiervon kann auch nur ein einziges Paar oder mehr als zwei Paare in der Halbleiterlichtquelle 1 Verwendung finden.
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Jede Emissionseinheit 21, 22 ist beispielsweise durch einen einzigen LED-Chip gebildet. Dabei können die Emissionseinheiten 21, 22 in Subbereiche unterteilt sein. Es ist möglich, dass nicht nur die Emissionseinheiten 21, 22 untereinander, sondern auch die Subbereiche elektrisch separat angesteuert werden können. Alternativ sind die Emissionseinheiten 21, 22 durch einen gemeinsamen LED-Chip realisiert, der pixeliert ist. Das heißt, bestimmte Pixel dieses LED-Chips bilden die erste Emissionseinheit 21 und andere Pixel bilden die umrahmende zweite Emissionseinheit 22. Die Emissionseinheiten 21, 22 könne je durch nur ein Pixel oder durch mehrere Pixel realisiert sein. Entsprechendes gilt für alle anderen Ausführungsbeispiele.
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Die Emissionseinheiten 21, 22 können auf einem Träger 8 platziert sein. Bei dem Träger 8 handelt es sich beispielsweise um eine gedruckte Leiterplatte, kurz PCB.
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Ferner umfasst die Halbleiterlichtquelle 1 eine Optik 3. Für jedes Paar von Emissionseinheiten 21, 22 ist ein Bereich der Optik 3 mit einer eigenen optischen Achse 11 vorgesehen. Somit können die Paare von Emissionseinheiten 21, 22 eineindeutig den Einheiten der Optik 3 zugeordnet sein. Die Optik 3 wird teilweise oder vollständig beispielsweise über Spritzgießen hergestellt. Ein Material für die Optik 3 ist etwa Polymethylmethacrylat, kurz PMMA, ein Polycarbonat, kurz PC, ein Silikon, ein Epoxid oder ein Silikon-Epoxid-Hybridmaterial.
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Die Optik 3 weist pro Einheit einen Innenbereich 31 sowie einen umlaufenden Außenbereich 32 auf. Der Innenbereich 31 ist optisch jeweils der ersten Emissionseinheit 21 und der Außenbereich 32 der zweiten Emissionseinheit 22 zugeordnet, bezogen auf jedes Paar von Emissionseinheiten 21, 22. Der Innenbereich 31 weist einen ersten Lichtabstrahlbereich 41 und einen ersten Lichteintrittsbereich 51 auf. Entsprechend weist der Außenbereich 32 einen zweiten Lichtabstrahlbereich 42 und einen zweiten Lichteintrittsbereich 52 auf. An einer den Emissionseinheiten 21, 22 zugewandten Seite befindet sich eine Montageseite 30 der Optik 3. Abweichend von der Darstellung in 1B und 1D kann die Optik 3 mit der Montageseite 30 auf dem Träger 8 aufsitzen. Durch den Innenbereich 31 und den Außenbereich 32 ist eine Separation von Strahlpfaden von Licht der innenliegenden ersten Emissionseinheit 21 und der außenliegenden zweiten Emissionseinheit 22 erreichbar.
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Für die optional pixelierte, innenliegende erste Emissionseinheit 21 ist damit eine effiziente Kollimation oder Bündelung von Licht in einem Zentrum eines Zielbereichs möglich, wobei der Zielbereich beispielsweise in einer Entfernung von 1 m von der Halbleiterlichtquelle liegt. Damit ist die Erzeugung eines hellen Bereichs oder Spots in einer Mitte des Zielbereichs möglich. Ein Durchmesser oder mittlerer Durchmesser des als Kollimatorlinse gestalteten ersten Lichtabstrahlbereichs 41 ist bevorzugt größer als eine Breite einer Leuchtfläche der ersten Emissionseinheit 21. Hierdurch ist näherungsweise eine Etendue-Erhaltung realisierbar.
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Der zweite Lichtabstrahlbereich 42 des Außenbereichs 32 ist prismatisch gebildet, um Strahlbündel nach außen hin abzulenken, damit die Kollimatorlinse des ersten Lichtabstrahlbereichs 41 über ausreichend Platz verfügt. Flächen des resultierenden Prismenrings des zweiten Lichtabstrahlbereichs 42 sind so geformt, dass bevorzugt für alle oder näherungsweise alle Strahlwege auch Licht in die Ecken des Zielbereichs gelenkt wird und nicht in das Zentrum des Zielbereichs.
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Sind beide Emissionseinheiten 21, 22 pro Paar angeschaltet, so erfolgt eine Überlagerung deren Strahlung im Zielbereich so, dass eine hohe Homogenität erreicht wird.
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Die in den 1B bis 1D angegebenen Abmessungen und die sich daraus ergebenden relativen Verhältnisse zueinander gelten bevorzugt mit einer Toleranz von höchstens einem Faktor 1,25 oder 1,5 oder 2.
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Eine Gesamthöhe H4 der Optik 3 zusammen mit den Emissionseinheiten 21, 22 ist beispielsweise um lediglich zirka 10 % größer als eine Gesamthöhe H1 der Optik 3 alleine. Dabei liegt die Höhe H1 der Optik 3 bevorzugt bei höchstens 50 % eines Abstands zwischen benachbarten optischen Achsen 11 entlang der Längsrichtung, siehe 1B.
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In Draufsicht gesehen sind die Emissionseinheiten 21, 22 quadratisch oder als Quadratring geformt. Entsprechend weist die Optik 3 pro Einheit eine Quadrantensymmetrie auf. Damit ist die Optik 3 in Draufsicht gesehen, siehe 1C, eher quadratisch als rund geformt.
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In den schematischen Schnittdarstellungen der 2 und 3 sind verschiedene Strahlwege und geometrische Kenngrößen der Optik 3 der Halbleiterlichtquelle 1 detaillierter gezeigt. In 2A ist ein erster Strahlweg S1 zu sehen, der sich auf den Innenbereich 31 bezieht. Von der ersten Emissionseinheit 21 verläuft der Strahlweg S1 zum ersten Lichteintrittsbereich 51 und erfährt dort eine Lichtbrechung. Eine zweite Lichtbrechung erfolgt an dem ersten Lichtabstrahlbereich 41, erneut in Richtung hin zur optischen Achse 11.
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Die beiden Strahlwege S2, S3 sind zwei unterschiedliche Arten von Strahlwege für den Außenbereich 32. Beim zweiten Strahlweg S2 erfolgt an dem ebenen, im Querschnitt gesehen gerade verlaufenden und schräg zur optischen Achse 11 angeordneten zweiten Lichteintrittsbereich 52 eine Lichtbrechung weg von der optischen Achse 11. An einer Innenseite 43 des zweiten Lichtabstrahlbereichs 42 erfolgt eine Totalreflexion in Richtung weg von der optischen Achse 11 und an einer Außenseite 44 des zweiten Lichtabstrahlbereichs 42 eine vergleichsweise geringfügige Lichtbrechung.
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Demgegenüber erfährt der dritte Strahlweg S3 eine Lichtbrechung an dem zweiten Lichteintrittsbereich 52 sowie an der Außenseite 44. Insgesamt erfolgt somit über den Außenbereich 32 eine Strahlaufweitung von Licht der zugehörigen zweiten Emissionseinheit 22. An einer der Montageseite 30 gegenüberliegenden Spitze weist der Außenbereich 32 eine geringfügige Verrundung auf. Diese Verrundung trägt nicht signifikant zur Strahlformung bei.
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In 2B ist ein vierter Strahlweg S4 dargestellt, der sich über zwei benachbarte Einheiten der Optik 3 hinweg erstreckt. Dabei stoßen die beiden Einheiten der Optik 3 in einem Fugenbereich 45 aneinander. In 2B ist der Fugenbereich 45 als durchgezogene Linie symbolisiert, jedoch entspricht der Fugenbereich 45 nicht notwendigerweise einem Phasenübergang oder einer Materialgrenze, sodass es sich bei dem Fugenbereich 45 innerhalb der Optik um eine nur fiktive Unterteilung handeln kann, vergleiche auch 1A.
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Beim vierten Strahlweg S4 erfolgt an dem zweiten Lichteintrittsbereich 52 eine Lichtbrechung und an der zugehörigen Innenseite 43a eine Totalreflexion. Dadurch wird die Strahlung in die benachbarte Einheit der Optik 3 gelenkt und an der Innenseite 43b der anderen Einheit gebrochen und ausgekoppelt. Durch diese Anordnung kann ein Abstand zwischen zwei benachbarten optischen Achsen 11 verringert werden, sodass eine effektive Breite der Einheiten der Optik 3 in Längsrichtung kleiner ist als eine Breite in Querrichtung, siehe die 1B und 1D. In einem der Montageseite 30 abgewandten Bereich oberhalb des Fugenbereichs 45 sind die beiden Außenseiten 44 vorhanden. Die Außenseiten 44 erstrecken sich zirka ein Drittel längs der optischen Achsen 11, bezogen auf eine Höhe des ersten Lichtabstrahlbereichs 41, der sammellinsenförmig gestaltet ist.
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In 3A ist erkennbar, dass ein Winkel A1 zwischen den Innenseiten 43 und den Außenseiten 44 in einem Schnitt durch die optische Achse 11 bevorzugt bei mindestens 45° und/oder höchstens 60° liegt, bevorzugt bei ungefähr 52°. Gemäß 3B liegt ein Winkel A2 zwischen der Montageseite 30 und dem zweiten Lichteintrittsbereich 52 im Schnitt durch die optische Achse 11 bevorzugt bei mindestens 20° und/oder 40°, insbesondere bei 30°. Die Angaben für die Winkel A1, A2 können sich im Verlauf des Prismenrings, der den Außenbereich 32 bildet, ändern, das heißt in verschiedenen Schnitten können die Winkel A1, A2 unterschiedliche Werte aufweisen.
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In 3C ist zu sehen, dass der erste Lichtaustrittsbereich 41 im Querschnitt durch die optische Achse 11 gesehen sphärisch geformt ist, beispielsweise mit einem Krümmungsradius von mindestens 0,4 mm und/oder höchstens 0,8 mm, insbesondere zirka 0,6 mm. Ein Verhältnis aus einer Breite B der Emissionseinheiten 21, 22 und dem Krümmungsradius R des ersten Lichtaustrittsbereichs 41 liegt bevorzugt bei mindestens 2 und/oder höchstens 3, insbesondere bei zirka 2,4. Alternativ zur Darstellung in 3C kann die Sammellinse des ersten Lichtaustrittsbereichs 41 auch asphärisch ausgeführt sein, etwa als xy-Polynom oder als Freiform.
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In den 4 und 5 sowie 9 und 10 ist jeweils eine Abstrahlcharakteristik der Halbleiterlichtquelle 1 in Abhängigkeit von Abstand D zur optischen Achse 11 illustriert. Die Figurenteile A beziehen sich je auf den Fall, dass beide Emissionseinheiten 21, 22 angeschaltet sind. In den Figurenteilen B ist jeweils nur die zugehörige erste Emissionseinheit 21 angeschaltet. Aufgetragen sind eine Beleuchtungsstärke EV in willkürlichen Einheiten sowie eine korrelierte Farbtemperatur T in K. Die Darstellungen beziehen sich auf eine Ebene senkrecht zur optischen Achse, 1 m von der Halbleiterlichtquelle 1 entfernt.
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Den 4A und 4B ist zu entnehmen, dass eine gleichmäßige Beleuchtungsstärke über ein großes Gebiet hinweg realisierbar ist. Weiterhin ist, siehe die 5A und 5B, über ein großes Gebiet hinweg eine homogene Farbtemperatur T erzielbar.
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In 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Halbleiterlichtquelle 1 dargestellt, analog zur Darstellung in 1. Dabei wird bevorzugt auf die Emissionseinheiten 21, 22 zurückgegriffen, wie in 1E illustriert. Lediglich die Optik 3 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel der 1. Die Darstellung in den 6B bis 6D ist wiederum maßstäblich.
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Die Halbleiterlichtquelle 1 umfasst ein Reflektorgehäuse 62, das sich bevorzugt direkt an dem Träger 8 befindet. Das Reflektorgehäuse 62 weist bevorzugt spekular oder alternativ auch diffus reflektierende Innenwände 63 auf. Die Reflektivität der Innenwände 63 stammt entweder von einem Material des Reflektorgehäuses 62 selbst oder von einer nicht gezeichneten reflektiven Beschichtung, etwa einer Metallbeschichtung.
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Innerhalb des Reflektorgehäuses 62 befindet sich ein Lichteingangsbereich 33, dessen Seitenwände mit einem Spiegel 61 versehen sind. Eine Bodenfläche des Lichteingangsbereichs 33 liegt bevorzugt deckungsgleich über der ersten Emissionseinheit 21 und nicht über der zweiten Eimissionseinheit 22. Der Lichteingangsbereich 33 ist im Querschnitt gesehen wie ein symmetrisches Trapez geformt und erweitert sich in Richtung weg von den Emissionseinheiten 21, 22.
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Der Lichteingangsbereich 33 ist einstückig mit dem Innenbereich 31 sowie dem Außenbereich 32 und aus dem gleichen Material. Beispielsweise sind der Lichteingangsbereich 33, der Innenbereich 31 sowie der Außenbereich 32 auf dem Reflektorgehäuse 62 aufgeklebt.
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Der zweite Lichteintrittsbereich 52 des Außenbereichs 32 ist eben gestaltet und läuft ringsum um den sammellinsenförmigen ersten Lichtabstrahlbereich 41 des Innenbereichs 31. Der zweite Lichtabstrahlbereich 42 ist durch eine Vielzahl von vergleichsweise kleinen Streulinsen 45 gebildet, die sammellinsenförmig gestaltet sind.
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Durch diese Anordnung lässt sich eine Separation der Strahlpfade der Emissionseinheiten 21, 22 realisieren. Dabei ist die Optik 3 aus zwei Komponenten zusammengesetzt, nämlich dem lichtdurchlässigen Körper mit dem Spiegel 61, den Lichteintrittsbereichen 51, 52 und den Lichtabstrahlbereichen 41, 42 sowie dem spekular oder diffus reflektierenden Reflektorgehäuse 62 mit der Innenwand 63. Der lichtdurchlässige Körper ist innig mit dem Reflektorgehäuse 62 verbunden.
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Die Emissionseinheiten 21, 22 sind auf einer Reflektorgrundfläche 64 des Reflektorgehäuses 62 und damit an den Träger 8 angebracht. Der Träger 8 und das Reflektorgehäuse 62 können einstückig ausgeführt sein, etwa als QFN-Gehäuse.
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In den Schnittdarstellungen der 7 sind exemplarisch mehrere Strahlwege gezeigt. Bei dem Strahlweg S5 in 7A tritt Licht der ersten Emissionseinheit 21 über die Bodenfläche 51 in den lichtdurchlässigen Körper ein und wird ohne weitere Brechung oder Reflexion an dem ersten Lichtabstrahlbereich 41 in Richtung hin zur optischen Achse 11 gelenkt. Beim Strahlweg S6 erfolgt in dem Lichteingangsbereich 33 zusätzlich eine Reflexion an dem Spiegel 61, bevor eine Lichtbrechung zur optischen Achse 11 hin an dem ersten Lichtabstrahlbereich 41 erfolgt.
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In 7B ist zu sehen, dass beim Strahlweg S7 eine Reflexion an dem Spiegel 61 außen am Lichteingangsbereich 33 erfolgt, gefolgt von einer Reflexion an der Innenwand 63 und einer Lichtbrechung an dem zweiten Lichteintrittsbereich 52. Beim Strahlweg S8 erfolgt eine Einkopplung unmittelbar von der zweiten Emissionseinheit 22 in den zweiten Lichteintrittsbereich 52. Bei beiden Strahlwegen S7, S8 erfolgt über die Streulinsen 55 eine diffuse Strahlaufweitung und Lichtverteilung.
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In der Schnittdarstellung in 8A ist zu sehen, dass ein Verhältnis aus einer Breite B der Emissionseinheiten 21, 22 und einer Breite W der Reflektorgrundfläche 64 zwischen 1,0 und 1,5 liegt, insbesondere bei ungefähr 1,25. Ein Verhältnis aus der Breite B der Emissionseinheiten 21, 22 und einer Höhe H2 des Reflektorgehäuses 62 liegt bevorzugt zwischen 2,9 und 3,5, insbesondere um 3,2. Ferner liegt ein Verhältnis aus der Breite B der Emissionseinheiten 21, 22 und einer Höhe H3 des ersten Lichtabstrahlbereichs 41 über dem zweiten Lichtabstrahlbereich 42 zwischen 1,9 und 2,3, bevorzugt um 2,1.
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Die halbe Breite W der Reflektorgrundfläche 64 liegt beispielsweise bei 1,17 mm, die Reflektorhöhe H2 bei 0,45 mm und die Höhe H3 des ersten Lichtabstrahlbereichs 41 bei 0,68 mm. Ein Krümmungsradius der Streulinsen 55 beträgt beispielsweise mindestens 0,2 mm und/oder höchstens 0,6 mm, insbesondere 0,4 mm. Die genannten Werte und die daraus abgeleiteten Verhältnisse gelten, soweit nicht anders kenntlich gemacht, bevorzugt mit einer Toleranz von höchstens einem Faktor 1,5 oder 1,25.
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In 8B ist illustriert, dass der linsenförmige erste Lichtabstrahlbereich 41 durch eine Rotation einer Leitkurve um die optische Achse 11 gebildet ist. Solche Lichtabstrahlbereiche 41 können für alle Ausführungsbeispiele ehrangezogen werden. Die Leitkurve weist beispielsweise die Punkte mit den Koordinaten 0; 0,885 sowie 0,55; 0,626 und 0,775; 0 auf; durch diese Punkte wird insbesondere ein kubischer Spline-Fit gelegt. Optional kann der erste Lichtabstrahlbereich 41 auch anamorphisch mit unterschiedlichen Krümmungen in x-Richtung sowie y-Richtung ausgeführt sein.
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In den 9 und 10 sind Darstellungen analog zu den 4 und 5 zu sehen, jedoch bezogen auf das Ausführungsbeispiel der 6.
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In 11 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel eines tragbaren Bildaufnahmegeräts 7 dargestellt. Das Bildaufnahmegerät 7 umfasst eine Halbleiterlichtquelle 1, insbesondere wie in Verbindung mit den 1 oder 6 dargestellt. Zudem sind zwei Kamerasensoren 71, 72 vorhanden. Die Kamerasensoren 71, 72 sind für unterschiedliche Abstände eines aufzunehmenden Objekts zum Bildaufnahmegerät 7 eingerichtet. Abhängig davon, welcher Kamerasensor 71, 72 zum Einsatz kommt, werden die Emissionseinheiten 21, 22 entsprechend angesteuert, um den gewünschten Zielbereich passend auszuleuchten. Ferner weist das Bildaufnahmegerät 7 ein Display 73 auf.
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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.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Halbleiterlichtquelle
- 11
- optische Achse
- 21
- erste Emissionseinheit
- 22
- zweite Emissionseinheit
- 3
- Optik
- 30
- Montageseite
- 31
- Innenbereich
- 32
- Außenbereich
- 33
- Lichteingangsbereich
- 41
- erster Lichtabstrahlbereich
- 42
- zweiter Lichtabstrahlbereich
- 43
- Innenseite
- 44
- Außenseite
- 45
- Fugenbereich
- 51
- erster Lichteintrittsbereich
- 52
- zweiter Lichteintrittsbereich
- 55
- Streulinse
- 61
- Spiegel
- 62
- Reflektorgehäuse
- 63
- Innenwand
- 64
- Reflektorgrundfläche
- 7
- tragbares Bildaufnahmegerät
- 71
- erster Kamerasensor
- 72
- zweiter Kamerasensor
- 73
- Display
- 8
- Träger
- A
- Winkel
- B
- Breite der Emissionseinheiten zusammengenommen
- D
- Abstand zur optischen Achse in mm, in 1 m Abstand
- EV
- Beleuchtungsstärke in willkürlichen Einheiten (a.u.)
- H1
- Höhe der Optik
- H2
- Höhe des Reflektorgehäuses
- H3
- Höhe des ersten Lichtabstrahlbereichs
- H4
- Höhe der Optik zusammen mit den Emissionseinheiten
- R
- Krümmungsradius des ersten Lichtabstrahlbereichs
- S
- Strahlweg
- T
- korrelierte Farbtemperatur in K
- W
- Breite der Reflektorgrundfläche
