-
Die Erfindung betrifft einen Lichtmischstab und eine Leuchtanordnung.
-
Es gibt verschiedene Ansätze zur Lichtmischung, beispielsweise durch eine Linse nahe an Lichtquellen in Kombination mit einem Mikrolinsenarray, oder auch durch Lichtmischstäbe. Ein solcher Lichtmischstab zur Homogenisierung eines Lichtbündels ist z.B. aus der
US 6,890,108 B2 bekannt.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, Licht auf verbesserte Weise zu mischen und/oder zu homogenisieren.
-
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Lichtmischstab gemäß Patentanspruch 1. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sowie anderer Erfindungskategorien ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren. Der Lichtmischstab dient zur Abstrahlung eines homogenen Lichtstrahls entsprechend einer gewünschten Umrissform. Der Lichtmischstab erstreckt sich von seinem bzw. einem ersten Längsende entlang einer Längsachse des Lichtmischstabes zu seinem bzw. einem zweiten Längsende. Am ersten Längsende weist der Lichtmischstab eine Eintrittsfläche für einfallendes Licht zur Bildung des Lichtstrahls auf. Die Eintrittsfläche erstreckt sich insbesondere quer zur Längsachse. Am zweiten Längsende weist der Lichtmischstab eine Austrittsfläche zur Abstrahlung des Lichtstrahls auf. Auch diese erstreckt sich insbesondere quer zur Längsachse und verläuft insbesondere parallel zur Eintrittsfläche. Die Austrittsfläche weist die Umrissform auf.
-
Ein erster Teil des Lichtmischstabes, insbesondere ein erster Längsabschnitt entlang der Längsachse, ist aus einem ersten Material und ein zweiter Teil des Lichtmischstabes, insbesondere ein zweiter Längsabschnitt, ist aus einem zweiten Material ausgeführt. Das zweite Material ist optisch diffuser als das erste Material. Der zweite Teil weist die Austrittsfläche auf.
-
Im Verhältnis zum zweiten Material ist das erste Material also ein optisch vergleichsweise klares Material. Der „Lichtstrahl entsprechend einer gewünschten Umrissform“ ist so zu verstehen, dass die Austrittsfläche die Umrissform aufweist und somit der Lichtstrahl zumindest an einem Längsort in Abstrahlrichtung (insbesondere in Längsrichtung), insbesondere an einem Auftreffort auf eine Zielfläche bzw. Oberfläche eine gewünschte Zielform aufweist, die insbesondere der Umrissform entspricht. Alternativ oder zusätzlich kann der Längsort auch ein von der Austrittsfläche anders beabstandeter Ort sein. Es kann insbesondere ein Fokusort einer Optik sein, falls der Lichtstrahl nach dem Austritt aus dem Lichtmischstab die entsprechende Optik durchläuft. Insbesondere hat also nicht der Lichtstrahl die Umrissform, sondern erst dessen Abbildung auf einer Zielfläche. Der Lichtstrahl kann also entsprechend einer gewünschten Umrissform abgebildet werden.
-
Der erste Teil im Lichtmischstab dient somit insbesondere vorrangig zur Lichtmischung bzw. zur Lichthomogenisierung. Der zweite Teil dient insbesondere vorrangig zur Formung der Umrissform des Lichtstrahls bzw. einer Spotgeometrie, wie weiter unten erläutert wird. Auch der zweite Teil kann zur Lichtmischung/Homogenisierung beitragen.
-
Gemäß der Erfindung ergibt sich somit die Schaffung bzw. Nutzung eines diffusen Teils im Lichtmischstab (zweiter Teil) zur Formung von beliebigen Umrissformen des Lichtstrahls und somit Spotgeometrien. Die Begriffe „Umrissform“ und „Spotgeometrie“ werden im Folgenden der Einfachheit halber teilweise synonym verwendet. Der „Spot“ entsteht, wenn der Lichtstrahl in seiner Gänze, insbesondere senkrecht, auf eine (streuende) Oberfläche fällt. Gemäß der Erfindung ergibt sich die Kombination einer Lichthomogenisierung bzw. Lichtmischung (im Fall getrennter verschiedenfarbiger Anteile im einfallenden Licht) und der Formung der Spotgeometrie in einem (einzigen) Bauteil, nämlich dem Lichtmischstab.
-
Gemäß der Erfindung ergibt sich ein minimaler Platzbedarf, nämlich die Kombination von Lichthomogenisierung/-mischung und Formung der Spotgeometrie in einem Bauteil. Außerdem ergibt sich die Erzeugung von beliebigen Spotgeometrien. Diese kann durch die Geometrie der Austrittsfläche am zweiten (diffusen) Teil des Lichtmischstabes angepasst werden. Der Lichtmischstab kann mit einer (einzigen bzw. einfarbigen) Lichtquelle verwendet werden, die das einfallende Licht erzeugt. Hierdurch ergibt sich ausschließlich die Formung der Spotgeometrie im Lichtmischstab (einschließlich Homogenisierung). Alternativ können auch mehrere, verschiedenfarbige Lichtquellen verwendet werden, um das einfallende Licht zu erzeugen. Dann ergibt sich eine Lichtmischung der Einzelfarben zu einer Summenfarbe und die Formung der Spotgeometrie (einschließlich Homogenisierung).
-
Bei der Erzeugung von weißem Licht durch LEDs (Light Emitting Diodes) wird das Licht einer blauen LED durch bestimmte Stoffe (z.B. gelber Phosphor) in weißes Licht konvertiert. Wird das weiße Licht durch strahlformende Systeme geleitet, kommt es zu einer teilweisen Aufspaltung in gelbes und blaues Licht (sogenannter „halo effect of blue/yellow color separation“). Durch jede Linse/Reflektor im Strahlengang wird der Effekt ausgeprägter. Gemäß der Erfindung ist nur ein (einziges) Bauteil an der optischen Verarbeitung (z.B. Lichtmischung) beteiligt, was den Effekt mindert. Zusätzlich sorgt der zweite (diffuse) Teil im Lichtmischstab für eine Verringerung des Effekts.
-
Gemäß der Erfindung ergibt sich eine optimierte Lichtmischung durch Kombination des klaren (ersten) und diffusen (zweiten) Teils bzw. Anteils im Lichtmischstab. Dieses Verhältnis kann entsprechend optimiert werden, z.B. durch ein bestimmtes Verhältnis von Volumenanteilen der Teile zueinander. Optimierbar ist außerdem der Zusammenhang zwischen Querschnitt des Lichtmischstabes zur Ausdehnung/Anordnung von Lichtquellen, welche das einfallende Licht erzeugen.
-
Der Lichtmischstab ist einfach zu fertigen: nur ein (einziges) Bauteil mit insbesondere einfachen bzw. klaren Formen muss gefertigt werden, zum Beispiel ein im Querschnitt erster Teil entsprechend ausgeführt ist und dessen zweiter Teil sich in eine gewünschte Umrissform entwickelt, sich zum Beispiel kontinuierlich zu einem kreisförmigen Querschnitt hin (Austrittsfläche, Umrissform) verjüngt.
-
Gemäß der Erfindung ergibt sich mit anderen Worten die Anfügung eines zweiten (diffusen) Teils an einen klaren (gemäß der Erfindung nunmehr der erste Teil) Lichtmischstab.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das erste Material ein optisch klares Material und das zweite Material ein optisch diffuses Material. Entsprechende Materialien sind unter den Bezeichnungen „optisch klar“ oder „(optischer) Diffusor“, „Volumendiffusor“ usw. kommerziell erhältlich, sodass der Lichtmischstab einfach herzustellen ist.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform bilden der erste Teil und der zweite Teil gemeinsam den gesamten Lichtmischstab. Der Lichtmischstab weist somit keine weiteren Komponenten auf und ist daher besonders einfach herzustellen.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform nimmt der zweite Teil einen Volumenanteil zwischen 5 % und 40% des Lichtmischstabes ein. Insbesondere beträgt der Volumenanteil 10% bis 30 %, insbesondere 20 %. Insbesondere sind hierbei Toleranzen im einstelligen Prozentbereich zulässig. Durch Optimierung der entsprechenden Verhältnisse kann eine optimierte Homogenisierung/Lichtmischung und Strahlformung erfolgen.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der erste Teil ein erster Längsabschnitt des Lichtmischstabes, der die Eintrittsfläche enthält. Somit schließt sich an die Eintrittsfläche sogleich der vergleichsweise klare Anteil des Lichtmischstabes an, der für die Lichtmischung/Homogenisierung des einfallenden Lichts zuständig ist. Somit ist das Licht bereits gemischt/homogenisiert, bevor es in den strahlformenden Teil des Lichtmischstabes eintritt.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der erste Teil entlang der Längsachse einen konstanten oder konisch verlaufenden Querschnitt und insbesondere eine konstante oder konisch verlaufende Querschnitts-/Umrissform auf. Die Querschnittsform ist insbesondere rechteckig oder quadratisch. Derartige Lichtmischstäbe haben sich zur Lichtmischung/Homogenisierung bewährt. Der Querschnitt muss also nicht konstant sein. Er kann z.B. auch konisch verlaufen.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der zweite Teil ein zweiter Längsabschnitt des Lichtmischstabes, der die Austrittsfläche enthält. Somit stellt die Strahlformung den letzten Abschnitt des Lichtmischstabes im Strahlverlauf dar, weshalb im vorhergehenden Strahlverlauf für das zu formende Licht genügend Möglichkeit zur - zumindest teilweisen - Lichtmischung / Homogenisierung verbleibt.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der zweite Teil bezüglich seiner Oberfläche außerhalb der Austrittsfläche in mindestens einem Teilbereich mit mindestens einem Licht absorbierenden und/oder Licht reflektierenden Element versehen. Derjenige Anteil der äußeren Oberfläche des zweiten Teils, der nicht für den Austritt des Lichtstrahls vorgesehen ist (Austrittsfläche), - oder zumindest ein Teil davon - ist also selbst reflektierend und/oder absorbierend ausgebildet oder steht mit entsprechenden Elementen in Wirkverbindung, ist insbesondere von solchen Elementen bedeckt oder beschichtet. Dies führt zu einer besonders effektiven Strahlformung.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform schließt sich der zweite Teil bezüglich seiner Umrissform kontinuierlich an den ersten Teil bzw. dessen Umrissform an. Der zweite Teil weist also an der Grenze zum ersten Teil dessen bzw. die gleiche Umrissform auf. Somit erfolgt ein nahtloser Übertritt von Licht aus dem ersten in den zweiten Teil.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform ändert sich der zweite Teil entlang der Längsachse kontinuierlich in seiner Umrissform zur Austrittsfläche hin. Somit erfolgt eine möglichst kontinuierliche und homogene Strahlformung.
-
Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst durch eine Leuchtanordnung gemäß Patentanspruch 11. Diese enthält den erfindungsgemäßen Lichtmischstab und eine in Richtung der Längsachse der Austrittsfläche in Abstrahlrichtung des Lichtstrahls optisch nachgeschaltete Optik. Die Optik dient dazu, den Lichtstrahl weiterzuführen bzw. zu leiten. Die Optik dient dabei zur Abbildung der Austrittsfläche auf einer Zielfläche. Die Zielfläche befindet sich in einer vorgebbaren Relativlage zur Austrittsfläche. Hierbei kann es sich um eine reale oder virtuelle Zielfläche handeln. Die Zielfläche ist insbesondere eine mit Hilfe der Leuchtanordnung zu bestrahlende Oberfläche. Die Zielfläche kann eine solche sein, für die die Leuchtanordnung bestimmungsgemäß ausgeführt ist; die Zielfläche kann jedoch auch Teil der Leuchtanordnung sein.
-
Die Leuchtanordnung bietet den Vorteil, dass auf der Zielfläche ein Lichtfleck („Spot“, auftreffender bzw. gestreuter Lichtstrahl) entsprechend der bzw. mit der gewünschten Umrissform entsteht.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Optik eine Abbildungslinse. Alternativ ist die Optik ein Spiegel. Alternativ enthält die Optik eine Abbildungslinse und/oder einen Spiegel. Eine entsprechende Optik ist besonders einfach und kostengünstig auszuführen.
-
In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform liegt die Bildebene der Optik auf und/oder in Richtung der Längsachse in einem vorgebbaren Abstand vor oder hinter der Zielfläche. Alternativ oder zusätzlich ist die Optik parallel zur Längsachse verschoben und/oder verkippt, um gezielte Effekte im Spot (insbesondere Lichtfleck auf Zielfläche) zu erzeugen. Im ersten Fall wird ein Spot genau gemäß der Umrissform als „scharfes“ Abbild erzeugt, im zweiten Fall ein (je nach Größe des Abstands) in Bezug auf die Umrissform mehr oder weniger unscharfer, ungenauer, verschwommener Spot erzeugt. Je nach persönlichem Geschmack können so verschiedene optisch ansprechende Licht-Spots erzeugt werden.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Leuchtanordnung eine Lichtquelle zur Einstrahlung von Licht in die Eintrittsfläche. Somit ergibt sich eine vollständige Leuchte zur Erzeugung des entsprechenden Lichtstrahls bzw. von Spots, wie sie oben erläutert wurden.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Lichtquelle mindestens zwei örtlich voneinander getrennte Einzelquellen zur Einstrahlung von Licht in die Eintrittsfläche. Insbesondere strahlen die Einzelquellen im Betrieb ihr Licht an unterschiedlichen Orten in die Eintrittsfläche ein. Insbesondere weisen die Einzelquellen unterschiedliche Lichtfarben auf. Insbesondere sind die Einzelquellen einzeln bezüglich Helligkeit und/oder Lichtmenge steuerbar. Somit können besonders variantenreiche Lichtstrahlen bzw. Spots erzeugt werden.
-
Die Erfindung beruht auf folgenden Erkenntnissen, Beobachtungen bzw. Überlegungen und weist noch die nachfolgenden Ausführungsformen auf. Die Ausführungsformen werden dabei teils vereinfachend auch „die Erfindung“ genannt. Die Ausführungsformen können hierbei auch Teile oder Kombinationen der oben genannten Ausführungsformen enthalten oder diesen entsprechen und/oder gegebenenfalls auch bisher nicht erwähnte Ausführungsformen einschließen.
-
Die Erfindung beruht auf der Grundidee, ein Konzept zur Lichthomogenisierung / Farbmischung zu entwickeln. Anwendungsfall sollen insbesondere Spotlights für die Passagierkabine eines Flugzeuges sein, die Licht in verschiedenen (kommandierbaren) Farben emittieren können.
-
Gemäß der Erfindung ergibt sich insbesondere ein Lichtmischstab mit diffusem Anteil (zweitem Teil) zur Erzeugung beliebiger Spotgeometrien. Die Erfindung beschreibt insbesondere eine stabförmige Optik (Lichtmischstab / Leuchtanordnung) zur Mischung von Licht von mindestens zwei verschiedenfarbig leuchtenden Lichtquellen, oder auch zur Erzeugung von beliebig geformten Spotgeometrien aus dem Licht von mindestens einer Lichtquelle. Die stabförmige Optik enthält bzw. besteht zu diesem Zweck aus einem klaren Bereich (zur Lichtmischung) und einem diffusen Teil (zur Formung der Spotgeometrie).
-
Der Lichtmischstab oder die Leuchtanordnung ist insbesondere Teil eines sogenannten „Spotlights“ für eine Passagierkabine eines Flugzeuges. Die Erfindung betrifft insbesondere daher auch ein entsprechendes Spotlight.
-
Weitere Merkmale, Wirkungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie der beigefügten Figuren. Dabei zeigen, jeweils in einer schematischen Prinzipskizze:
- 1 einen Lichtmischstab,
- 2 eine Leuchtanordnung mit einem alternativen Lichtmischstab.
-
1 zeigt einen Lichtmischstab 2, der im dargestellten Betrieb einen homogenen Lichtstrahl 4 (durch Strichelungen angedeutet) in Richtung eines Pfeils 6 abstrahlt. Der Lichtstrahl 4 weist dabei eine gewünschte Umrissform 8, hier eine Kreisform, auf.
-
Der Lichtmischstab 2 erstreckt sich von seinem ersten Längsende 10a entlang einer Längsachse 12 zu seinem zweiten Längsende 10b. Am ersten Längsende 10a weist der Lichtmischstab 2 eine Eintrittsfläche 14 für einfallendes Licht 16 (durch vier Pfeile symbolisiert) auf. Am zweiten Längsende 10b weist der Lichtmischstab 2 eine Austrittsfläche 18 zur Abstrahlung des Lichtstrahls 4 auf. Die Austrittsfläche 18 weist dabei die Umrissform 8 auf.
-
Ein erster Teil 20a des Lichtmischstabes 2 ist aus einem ersten Material 22a, hier einem optisch klaren Material, ausgeführt. Ein zweiter Teil 20b des Lichtmischstabes 2 ist aus einem zweiten Material 22b, hier einem optisch volumenhaft diffusen Material, ausgeführt; dieses ist damit optisch diffuser als das erste Material 22a. Der zweite Teil 20b des Lichtmischstabes 2 weist die Austrittsfläche 18 auf.
-
Der erste Teil 20a und der zweite Teil 20b bilden zusammen bzw. gemeinsam den gesamten Lichtmischstab 2. Der zweite Teil 20b nimmt dabei einen Volumenanteil von 20 % des Lichtmischstabes 2 ein. Der erste Teil 20a ist damit ein erster Längsabschnitt entlang der Längsachse 12 des Lichtmischstabes 2, der die Eintrittsfläche 14 enthält; der zweite Teil 20b ist ein zweiter Längsabschnitt, der die Austrittsfläche 18 enthält.
-
Der erste Teil 20a weist entlang der Längsachse 12 einen konstanten Querschnitt 24, hier mit konstanter Umrissform, hier in Form eines Quadrats (gestrichelt angedeutet) auf.
-
An seiner äußeren Oberfläche 26, die nicht der Austrittsfläche 18 entspricht, ist der zweite Teil 20b mit einem Licht absorbierenden Element 28, hier einer Beschichtung, versehen. Der zweite Teil 20b weist eine Umrissform 30 auf, die sich kontinuierlich an die Umrissform des ersten Teils 20a, hier das Quadrat, anschließt. In Richtung des Pfeils 6 ändert sich die Umrissform 30 von dem Quadrat allmählich und kontinuierlich in die Umrissform 8, nämlich den Kreis.
-
1 zeigt außerdem eine Lichtquelle 32 zur Erzeugung des einfallenden Lichts 16 bzw. zu dessen Einstrahlung in die Eintrittsfläche 14. Die Lichtquelle 32 weist vier örtlich voneinander getrennte Einzelquellen 34a-d auf. Jede der Einzelquellen 34a-d strahlt einen Teil des einfallen Lichts 16 in die Eintrittsfläche 14 ein, angedeutet durch einen jeweiligen Pfeil. Im Beispiel sind die Einzelquellen 34a-d LED-Quellen der Farben blau (34a), grün (34b), weiß (34c) und rot (34d) mit einer jeweils nur als Rechteck angedeuteten Einzel-LED zur eigentlichen Lichtabstrahlung.
-
Im ersten Teil 20a werden die einzelnen Anteile des Lichts 16 zu einer Summenfarbe gemischt und über den gesamten Querschnitt 24 homogenisiert, im zweiten Teil 20b zu dem Lichtstrahl 4 mit der gewünschten Umrissform 8 geformt. Im Ergebnis gelangt also Licht 16 von hier vier Lichtquellen (Einzelquellen 34a-d) in den klaren ersten Teil 20a des Lichtmischstabes 2, wird dort gemischt, gelangt in den diffusen zweiten Teil 20b des Lichtmischstabes 2 und tritt an der Austrittsfläche 18 aus.
-
2 zeigt einen alternativen Lichtmischstab 2, der sich von dem aus 1 alleine dadurch unterscheidet, dass der zweite Teil 20b anders geformt ist, nämlich eine Austrittsfläche 18 mit quadratischer Umrissform 8 aufweist. Etliche gleiche Bestandteile sind der Übersichtlichkeit halber nicht nochmals nummeriert. Die Umrissform 8 ist identisch zum Querschnitt 24 bzw. dessen Umrissform. Die Umrissform 30 ist daher konstant und entspricht ebenfalls der Umrissform 8 bzw. derjenigen des Querschnitts 24.
-
In 2 ist außerdem eine Optik 36, hier eine Abbildungslinse, dargestellt, die in Richtung der Längsachse 12 und des Pfeils 6 der Austrittsfläche 18 optisch nachgeschaltet ist. Die Optik 36 bildet im Betrieb den Lichtstrahl 4 bzw. die Austrittsfläche 18 auf einer Zielfläche 38 ab, hier einem zu beleuchtenden Oberflächenbauteil einer Passagierkabine eines Flugzeugs (nur gestrichelt angedeutet). Der Abbildungsvorgang ist gepunktet angedeutet. Die Zielfläche 38 befindet sich dabei in einer vorgebbaren Relativlage R zur Austrittsfläche 18.
-
Der Lichtmischstab 2 und die Optik 36 zusammen sind Teil einer Leuchtanordnung 40, hier eines Spotlights in der Passagierkabine. Auch die Lichtquelle 32 ist Teil der Leuchtanordnung 40. Die Bildebene der Optik 36 liegt auf der Zielfläche 38, sodass ein exaktes und scharf fokussiertes Abbild 42 der Austrittsfläche 18 auf der Zielfläche 38 als Licht-Spot dargestellt ist.
-
In einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform enthält die Lichtquelle 32 in den 1 und 2 nur zwei Einzelquellen 34a,b, die eine kaltweiße LED einerseits und eine warmweiße LED andererseits enthalten.
-
Bezugszeichenliste
-
- 2
- Lichtmischstab
- 4
- Lichtstrahl
- 6
- Pfeil
- 8
- Umrissform
- 10a,b
- erstes, zweites Längsende
- 12
- Längsachse
- 14
- Eintrittsfläche
- 16
- Licht (einfallend)
- 18
- Austrittsfläche
- 20a,b
- erster, zweiter Teil
- 22a,b
- erstes, zweites Material
- 24
- Querschnitt
- 26
- Oberfläche
- 28
- Element
- 30
- Umrissform
- 32
- Lichtquelle
- 34a-d
- Einzelquelle
- 36
- Optik
- 38
- Zielfläche
- 40
- Leuchtanordnung
- 42
- Abbild
- R
- Relativlage
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
