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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Scheinwerfer zur stationären Montage im Außen- oder Innenraum, insbesondere einen Stadionscheinwerfer, und betrifft insbesondere die Anordnung der LED innerhalb des Scheinwerfers.
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Im Stand der Technik ist bekannt, in einem Scheinwerfer mehrere LEDs (worunter hier jede Form von Halbleiterlichtquellen verstanden werden einschließlich organischer LEDs), insbesondere mit zugehöriger optischer Komponente in einem Cluster anzuordnen. Wenn das Cluster jedoch beispielsweise eine matrixförmige Anordnung von 3x3 LEDs besitzt, so ergibt sich eine leicht quadratische Verzerrung in der Lichtstärkeverteilung gemessen in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse des Scheinwerfers. Dieser Effekt wird mit zunehmender Größe des Clusters noch verstärkt. Da jedoch für Scheinwerfer häufig möglichst kreisrunde Lichtverteilungen gewünscht sind, wird mit optischen Komponenten oder facettierten Reflektoren versucht, aus der quadratisch oder rechteckig verzerrten Lichtverteilungskurve wieder eine rotationssymmetrische Lichtverteilung zu erzeugen. Allerdings wird durch die Verwendung von streuenden optischen Komponenten oder facettierten Reflektoren immer das Maximum der Lichtstärke durch die Streuung reduziert. Dies ist bei Scheinwerfern, welche über eine große Distanz eine bestimmte Fläche beleuchten sollen, z.B. Scheinwerfer in einem Sportstadion, nicht gewünscht.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Scheinwerfer mit LEDs bereitzustellen, welcher eine möglichst rotationssymmetrische Lichtverteilungskurve bei gleichzeitig geringerem Halbstreuwinkel, d.h. einem scharfen Maximum der Lichtverteilungskurve entlang der optischen Achse des Scheinwerfers, erzeugt.
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Gelöst wird die Aufgabe durch einen Scheinwerfer nach Anspruch 1.
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Eine Besonderheit des Scheinwerfers gemäß der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass mehrere LED-Cluster in einem Array in dem Scheinwerfer vorgesehen sind und die Cluster gegeneinander um jeweils ihre Mittelachse verdreht sind. Beispielsweise können jeweils gleiche matrixförmige, kreuzförmige oder andere Anordnungen von LEDs innerhalb der Cluster vorgesehen sein und die Cluster jeweils um einen Winkel zu einem nächsten Nachbarn verdreht sein. Durch diese Drehung der einzelnen LED-Cluster zueinander ergibt sich eine Überlagerung der einzelnen Lichtverteilungskurven zu einer rotationssymmetrischen Gesamtlichtverteilungskurve, ohne die Lichtverteilung insgesamt aufzuweiten, d.h. einen größeren Halbstreuwinkel um das Maximum der Lichtstärke entlang der optischen Achse zu erzeugen. Der Drehwinkel der einzelnen LED-Cluster hängt dabei von der Clustergröße ab. Allgemein gilt für rechtwinklige LED-Cluster, je größer das Cluster ist, desto kleiner muss der Drehwinkel sein, um eine rotationssymmetrische Lichtverteilung zu erzeugen.
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Gemäß einer Ausführungsform weist jedes der LED-Cluster jeweils eine Reihe von LEDs, insbesondere drei LEDs, auf. Eine einzelne Reihe von LEDs würde eine elliptisch verzerrte Lichtverteilung erzeugen. Durch das Drehen der einzelnen Cluster zueinander, d.h. die LED-Reihen sind zueinander gedreht, werden die einzelnen elliptisch verzerrten Lichtverteilungskurven zu einer rotationssymmetrischen Lichtverteilungskurve überlagert.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfassen die LED-Cluster eine rechteckige oder quadratische Matrix von LEDs. Auch diese LED-Cluster würden einzeln eine elliptische oder quadratisch verzerrte LVK in einer Kegelmantelkurve um die optische Achse hervorbringen. Durch die Überlagerung der zueinander gedrehten einzelnen LVKs ergibt sich wieder eine rotationssymmetrische LVK.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfassen einige der LED-Cluster eine kreuzförmige Anordnung von zwei senkrecht zueinander verlaufenden LED-Reihen oder rechteckigen LED-Matrizen. Die einzelnen LVKs dieser Cluster wären bereits einer Kreisform besser angenähert, jedoch immer noch gegenüber der Kreisform verzerrt. Die Kombination mehrerer solcher Cluster, die erfindungsgemäß verdreht sind, führt zu einer Vergleichmäßigung der LVK.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die mehreren LED-Cluster um die Winkel ±α und ±2α zueinander gedreht, wobei α ein Winkel ≤45° ist. Generell ist bei größeren quadratischen LED-Clustern ein kleinerer Verdrehwinkel notwendig im Vergleich zu sich linear erstreckenden Clustern. Für ein 4x4-LED-Cluster ist beispielsweise bevorzugt, die Cluster jeweils um 22,5° zueinander zu drehen. Um eine vollständig rotationssymmetrische LVK zu erhalten, müssen daher die LED-Cluster um ±22,5° und ±45° zueinander gedreht werden. Bei linearen Clustern, z.B. für 1x3-LED-Cluster, muss der Vedrehwinkel größer sein. Für derartige Cluster ist beispielsweise der Winkel von α = 45° bevorzugt. Diese Anordnung hat noch weitere Vorteile im Hinblick auf eine mögliche thermische Verzerrung der LED-Anordnung. Bei α = 45° mitteln sich in einem symmetrischen Array von wenigstens neun oder mehr Clustern die Effekte einer thermischen Verzerrung innerhalb der LED-Cluster heraus. Dadurch bleibt die rotationssymmetrische LVK auch bei Erwärmen des Scheinwerfers erhalten.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Cluster über das gesamte Array hinweg um insgesamt 360° gedreht. Das heißt, es gibt mehrere Drehwinkel (z.B. α = 45° wie vorhergehend ausgeführt), so dass die Cluster stufenweise alle Drehwinkel zwischen 0° und 360° abdecken, wodurch sich die gewünschte rotationssymmetrische Lichtverteilung ergibt. Bei größeren matrixförmigen LED-Clustern hat sich jedoch gezeigt, dass bereits kleinere Verdrehungswinkel über die Cluster im gesamten Array ausreichen, um eine nahezu rotationssymmetrische LVK zu erzeugen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die von allen LED-Clustern erzeugte Gesamtlichtverteilung gemessen in einem Kegelmantelschnitt der Leuchte, insbesondere einen Kegelmantelschnitt senkrecht zur Hauptabstrahlrichtung der Leuchte, konstant. Dies ergibt eine gleichmäßige Beleuchtungsstärke auf einer ebenen Fläche, welche in einem Winkel zu der optischen Achse des Scheinwerfers angeordnet ist. Für den Fall, dass der Scheinwerfer genau senkrecht auf die zu beleuchtende Fläche ausgerichtet ist, ist eine konstante Lichtverteilungskurve in jedem Kegelmantelschnitt der Leuchte senkrecht zur Hauptabstrahlrichtung der Leuchte wünschenswert. Wenn die optische Achse des Scheinwerfers gegenüber der zu beleuchtenden Fläche jedoch gekippt ist, sind konstante Lichtverteilungskurven in einem Kegelmantelschnitt entsprechend dem Verkippungswinkel der zu beleuchtenden Fläche gegenüber der optischen Achse des Scheinwerfers von Vorteil.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist jedes der LED-Cluster eine eigene optische Einrichtung auf. Die optische Einrichtung kann zur Bündelung der Lichtverteilung des jeweiligen Clusters dienen. Sie muss jedoch nicht dazu ausgebildet sein, um die Lichtverteilung aufzustreuen. Dementsprechend ist ein facettierter Reflektor oder eine Linse mit lichtstreuenden Eigenschaften nicht notwendig. Die Aufstreuung des Lichts zur Vergleichmäßigung der LVK, wie im Stand der Technik üblich, ist nicht notwendig aufgrund der gegeneinander verdrehten LED-Cluster. Die Optik kann daher stärker lichtbündelnd ausgeführt sein, wenn ein stark fokussierender Scheinwerfer gewünscht ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Abstand benachbarter LED-Cluster in dem Array von jeweils dem Mittelpunkt der LED-Cluster aus gemessen größer oder gleich der optischen Einrichtung. Dadurch lassen sich die optischen Einrichtungen für jedes Cluster dicht an dicht an dem Array anordnen. Die optischen Einrichtungen können auch gemeinsam miteinander verbunden sein, wobei sie jeweils einem der LED-Cluster zugeordnet sind, was kostengünstig herzustellen ist. Separate optische Einrichtungen für jedes Cluster haben den Vorteil, dass sie weniger empfindlich auf thermische Verzerrungen der gesamten Einrichtung reagieren.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weisen die LEDs innerhalb der LED-Cluster verschiedene Farben auf. Beispielsweise können die LED-Farben in einem LED-Cluster rot, grün und blau umfassen. Durch die Lichtmischung kann weißes Licht erzeugt werden. Ein einzelnes Cluster würde noch Farbunterschiede erkennen lassen, weil die Mischung des Lichts innerhalb eines Clusters auch mit einer Optik, soweit diese nicht lichtstreuend ist, nicht zur vollständigen Durchmischung des Lichts der LEDs ausreicht. Durch die erfindungsgemäße Anordnung von mehreren Clustern, die zueinander verdreht sind, wird jedoch auch dieser Effekt ausgeglichen, so dass die unterschiedlichen LED-Farben im gesamten Scheinwerfer soweit durchmischt werden, dass beispielsweise weißes Licht erzeugt werden kann. Jede andere Mischfarbe lässt sich ebenfalls erzeugen, wobei in diesem Fall die Anzahl der roten, grünen und blauen LED-Farben entsprechend gewählt werden. Es ist auch möglich, das Licht von verschiedenfarbigen Clustern, die jeweils eine einheitliche Lichtfarbe aufweisen, über das Drehen der Cluster zu mischen. Dies kann alternativ oder zusätzlich zu der Farbmischung innerhalb der Cluster vorgegeben sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann der Scheinwerfer auch wenigstens zwei verschiedene Gruppen von jeweils gleichen LED-Clustern in einem Array aufweisen. Die Gruppen von LED-Clustern in dem Array sind jeweils, wie vorhergehend für die immer gleichen LED-Cluster beschrieben, zueinander gedreht. Die Verdrehungswinkel innerhalb der Gruppen von Clustern müssen nicht gleich sein. Insbesondere können die kleineren Cluster einen stärkeren Verdrehungswinkel zueinander aufweisen als die größeren Cluster.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform können auch einzelne oder mehrere LED-Cluster in dem Array unabhängig von den übrigen Clustern in dem Array separat ein- und ausgeschaltet und/oder dimmbar sein. Mit dieser Ausführungsform lassen sich durch einen Scheinwerfer verschiedene Lichtverteilungskurven erzeugen. Durch das Zu- oder Abschalten einzelner Cluster kann die Lichtverteilung beispielsweise zwischen oval und kreisrund umgeschaltet werden. Durch Dimmen kann die Lichtverteilung sogar kontinuierlich geändert werden. Ferner ist es auch möglich, dass einzelne LEDs innerhalb der Cluster separat von den übrigen LEDs des betreffenden Clusters geschaltet werden. Auch in diesen Ausführungsformen lassen sich unterschiedliche Lichtverteilungen durch das Zu- und Abschalten oder Dimmen von LEDs innerhalb der Cluster erzeugen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen deutlich, die in Zusammenhang mit den beigefügten Figuren gegeben wird. In den Figuren ist Folgendes dargestellt:
- 1 zeigt ein Array von neun 3x3-LED-Cluster.
- 2 zeigt ein Array von neun LED-Cluster mit kreuzförmig angeordneten LEDs.
- 3 zeigt zwei LED-Cluster mit jeweils 21 LEDs, die gegeneinander um den Winkle α gedreht sind.
- 4a und 4b zeigen LED-Platinen mit linearen 3x3-LED-Cluster, die mit 45° und 90° zueinander in einem Array aus neuen Clustern gedreht sind, wobei 4b eine thermische Verzerrung beinhaltet.
- 5 zeigt zueinander gedrehte 4x4-LED-Cluster in einem Array, wobei die LEDs unterschiedliche Farben aufweisen.
- 6a und 6b zeigen LVKs in einer vertikalen Schnittebene durch die Leuchte ohne gedrehte Cluster (a) und mit zueinander um 30° gedrehten Cluster (b).
- 7 zeigt ein Array mit zwei gemischten Clustergrößen.
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Bezug nehmend auf die 1 ist eine erste Ausführungsform eines Scheinwerfers dargestellt, wobei von dem Scheinwerfer nur die Aufsicht auf die LED-Anordnung in dem Scheinwerfer dargestellt ist. Die Anordnung umfasst neun LED-Cluster 2, die jeweils eine 3x3-Matrix von LEDs 1 umfassen. Die Cluster sind um einen Abstand a zueinander versetzt, wobei der Abstand a wesentlich größer als der Abstand der LEDs 1 innerhalb der Cluster ist. Jedem Cluster ist eine optische Komponente 3, z.B. eine Linse, zugeordnet. Wie in der 1 dargestellt, sind die Cluster 2 zueinander verdreht, wobei der Relativwinkel zwischen Clustern α und 2α beträgt. α kann beispielsweise ein spitzer Winkel ≤45°, insbesondere 22,5° sein. In einer anderen Ausführungsform kann der Winkel α auch 30° betragen. Jedes der Cluster 2 mit zugehöriger Optik 3 erzeugt eine eigene Lichtverteilung, welche in einem Kegelmantelschnitt von einer idealen kreisrunden Lichtverteilung abweichen. Durch die Überlagerung der Lichtverteilungskurven der neun Cluster 2 ergibt sich jedoch insgesamt eine etwa kreissymmetrische Lichtverteilung.
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2 zeigt eine alternative Ausführungsform, in welcher die Cluster 2 jeweils fünf LEDs 1 umfassen, wobei die LEDs in zwei zueinander senkrecht angeordneten Reihen zu drei LEDs angeordnet sind. Diese Art von kreuzförmigen Clustern erzeugt ebenfalls für sich genommen zusammen mit der Optik eine asymmetrisch verzerrte Lichtverteilung. Durch den Drehwinkel wird dieser Effekt jedoch in der LVK des gesamten Scheinwerfers durch die Drehung der LED-Cluster 2 zueinander aufgehoben.
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3 zeigt eine Anordnung mit zwei LED-Clustern 2, die jeweils 21 LEDs 1 aufweisen. Die LEDs innerhalb der Cluster sind in Form von zwei rechteckigen LED-Matrizen (3x5-Matrix), die zueinander senkrecht angeordnet sind, ausgerichtet. Diese Art von Cluster ist einer Kreisform bereits angenähert, so dass sich diese Cluster insbesondere für kreisförmige optische Einrichtungen 3 eignen. Durch die Drehung um den Winkel α wird die Asymmetrie der Lichtverteilungen in der Gesamtlichtverteilung aufgehoben. Bei derartigen Clustern mit relative vielen LEDs sind verhältnismäßig kleine Verdrehungswinkel α ausreichend. Beispielsweise genügt in der gezeigten Ausführungsform die Verwendung von lediglich zwei Clustern, die mit einem Winkel von weniger als 30° zueinander verdreht sind, um den Effekt in der Lichtverteilung auszugleichen.
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Die 4a und 4b zeigen eine spezielle Anordnung von 3x1-LED-Cluster 2, welche nicht nur dafür eingerichtet sind, eine möglichst kreisrunde Lichtverteilung zu erzeugen, sondern außerdem den Effekt der thermischen Ausdehnung der Platine, auf welcher die Cluster angeordnet sind, auszugleichen. Dabei sind in einem quadratischen Array von insgesamt neun 3x1-Cluster 2 alle LED-Reihen der Cluster zum Mittelpunkt der LED-Platine 5 ausgerichtet. Für jedes optische System, bei dem ein möglichst geringer Halbstreuwinkel erzielt werden soll, sollte der Mittelpunkt 8 der Optik 3 möglichst zentral über der mittleren LED liegen. Durch eine thermische Ausdehnung der Platine, wie in 4 dargestellt, verschiebt sich jedoch der Mittelpunkt der Optik gegenüber der jeweils mittleren LEDs der 3x1-LED-Cluster. Durch die Drehung der Cluster mit Ausrichtung zum Mittelpunkt der LED-Platine ist der Einfluss der thermischen Ausdehnung auf die Lichtverteilung jedoch nur gering.
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In 5 ist eine Ausführungsform mit sechs LED-Clustern 12 dargestellt, die jeweils eine 4x4-Matrix von LEDs aufweisen. In dieser Ausführungsform sind jedoch verschiedenfarbige LEDs 9, 10 und 11 in den Farben Rot, Grün und Blau in jedem Cluster miteinander kombiniert. Auch in dieser Ausführungsform sind die Cluster in dem Winkel α gegeneinander verdreht, wie in den vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben. Das Licht der Cluster 12 vermischt sich bereits innerhalb der Cluster, so dass durch die Farben Rot, Grün und Blau etwa weißes Licht entsteht. Allerdings ist die Lichtmischung innerhalb der Cluster 12 noch unzureichend. Durch die Verwendung mehrerer Cluster 12, die zueinander gedreht sind, wird auch dieser Effekt der Lichtmischung verbessert, so dass das Gesamtlicht des Scheinwerfers nahezu gleichmäßig weiß erscheint.
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In den 6a und 6b ist der Effekt der Verdrehung der Cluster zueinander dargestellt. Die Figuren zeigen eine LVK in einer vertikalen Ebene durch die Lichtaustrittsfläche des Scheinwerfers, wobei in der x-Achse der Polarwinkel gegenüber der Mittelsenkrechten in der Schnittebene aufgetragen ist. Die gestrichelte und die durchgezogenen Linien zeigen jeweils die Werte für zwei zueinander senkrecht stehenden Ebenen an (C0/180-Ebene und C90/270-Ebene der Leuchte). 6a zeigt ein Vergleichsbeispiel, in welchem 3x3-LED-Cluster in einem Array von sechs Clustern alle parallel zueinander angeordnet sind. Die LVK in der Ebene parallel zu den Reihen der LEDs zeigt deutliche Zacken an (in 6a die durchgezogene Linie). Demgegenüber zeigt die 6b eine Ausführungsform, in welcher die 3×3-LED-Cluster in 30°-Schritten zueinander gedreht sind. Die LVK ist deutlich rotationssymmetrischer, was daran zu erkennen ist, dass die gestrichelte und die durchgezogene Linie der zwei verschiedenen Schnittebenen deckungsgleich übereinander liegen.
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Die 7 zeigt eine Platine 5 mit drei 3x3-LED-Clustern 2 und zwei 2x2-Cluster. Die beiden unterschiedlichen Cluster sind dabei in einem Array aus 2x3 Clustern positioniert. Die 3x3-LED-Cluster sind um α und 2α zueinander gedreht. Die drei 2x2-LED-Cluster sind um jeweils ±45° zueinander gedreht. Generell ist für die kleineren Clustergrößen ein größerer Verdrehungswinkel notwendig als für die größeren Clustergrößen, um den gewünschten Effekt einer möglichst rotationssymmetrischen Lichtverteilung zu erzielen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- LEDs
- 2
- LED-Cluster
- 3
- optische Komponente, z.B. Linse oder Reflektor
- 5
- LED-Platine
- 8
- Mittelpunkt der optischen Komponente
- 9
- rote LED
- 10
- grüne LED
- 11
- blaue LED
- 12
- LED-Cluster mit verschiedenfarbigen LEDs
- a
- Abstand der LED-Cluster im Array
