DE102021212448A1

DE102021212448A1 - Optische vorrichtung für die desinfektion oberer luftschichten in einem raum

Info

Publication number: DE102021212448A1
Application number: DE102021212448.8A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Hartwig
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2021-11-04
Filing date: 2021-11-04
Publication date: 2023-05-04
Also published as: WO2023078600A1

Abstract

Eine optische Vorrichtung (10) für die Desinfektion oberer Luftschichten in einem Raum umfasst eine Lichtquelleneinheit (120) und einen Reflektor (200). Die Lichtquelleneinheit (120) umfasst eine Lichtquelle (150) und eine lichtemittierende Fläche (100), die eine Lichtquellenebene (105) festlegt und eingerichtet ist, Strahlung (300) in einem UV-Wellenlängenbereich abzugeben, wobei die lichtemittierende Fläche (100) eingerichtet ist, die Strahlung (300) aus der Lichtquelleneinheit (120) in einem Winkelbereich (a, β, γ, δ) relativ zu einer Hautabstrahlrichtung (Z) abzugeben, die in Bezug auf die Lichtquellenebene (105) senkrecht steht. Der Reflektor (200) ist in einem in der Hautabstrahlrichtung (Z) vorbestimmten Abstand (199) von der lichtemittierenden Fläche (100) angeordnet und empfängt die von der lichtemittierenden Fläche (100) abgegebene Strahlung (300) und reflektiert diese zumindest entgegen der Hauptabstrahlrichtung (Z). Der Reflektor (200) weist eine Freiform auf, die derart ausgelegt ist, dass die von dem Reflektor (200) reflektierte Strahlung (300) auf eine in dem Raum festgelegte, zu bestrahlende Fläche (915) geworfen wird, die sich entgegen der Hauptabstrahlrichtung (Z) vom Reflektor (200) aus betrachtet jenseits der Lichtquellenebene (105) erstreckt, wobei eine Verteilung der Bestrahlungsstärke der vom Reflektor (200) auf die Fläche geworfenen Strahlung (300) innerhalb der Fläche im Wesentlichen homogen ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung für die Desinfektion oberer Luftschichten in einem Raum, welcher beispielsweise von Personen genutzt wird, insbesondere auch um einer Ansteckung mit Krankheitserregern vorzubeugen.
Stand der Technik
Optische Vorrichtungen zur Desinfektion von Luft insbesondere in geschlossenen Räumen finden in jüngerer Zeit zunehmend Verwendung, besonders auch im Zuge der durch das Coronavirus SARS-CoV-2 ausgelösten Pandemie. Solche Vorrichtungen verwenden im Regelfall ultraviolette Strahlung, insbesondere UV-C-Strahlung, um Keime bzw. Krankheitserreger wie etwa Bakterien, Bakteriensporen, Viren oder Viroide, Pilze, Pilzsporen oder Algen etc. aus der Raumluft zu inaktivieren bzw. abzutöten.
Im Fall von zu diesem Zweck häufig eingesetzten UV-C-Wandgeräten oder auch mobilen UV-C-Geräten kann dabei den entsprechenden Räumen Luft entnommen, diese bei der Aufbereitung der UV-C-Strahlung ausgesetzt und schließlich wieder dem entsprechenden Raum zugeführt werden. Ein der UV-C-Strahlung entsprechender Wellenlängenbereich reicht von 100 nm bis 280 nm. Andere Wellenlängenbereiche wie die der UV-A- oder UV-B-Strahlung sind nicht ausgeschlossen. Beispielsweise können Niederdruck-Quecksilberdampflampen eingesetzt werden, die Strahlung bzw. Licht einer Wellenlänge von 254 nm emittieren, welches zum Beispiel zur Virusinaktivierung ausgenutzt wird, da in diesem Fall die Virusnukleinsäure angegriffen wird. Nach einer Vielzahl von Zyklen kann durch diese Behandlung die Keim last in den betreffenden Räumen um mehr als 99 % reduziert werden.
Konventionell wurden in Vorrichtungen zur UV-C-Keimabtötung auch Quecksilber-Mitteldrucklampen oder gepulste Xenon-Bogenlampen verwendet. Die derzeitigen Geräte verwenden meist UVC-Niederdrucklampen. In jüngerer Zeit werden auch Anstrengungen unternommen, UV-C-LEDs einzusetzen.
Beim Einsatz solcher Geräte sind allerdings grundsätzliche auch immer Fragen des Stahlenschutzes zu beachten, da sich die freigesetzte UV-C-Strahlung bei Exposition sehr schädigend auch auf Augen und Haut etc. von Personen auswirken kann. Bei den genannten Wandgeräten sind daher im Allgemeinen spezielle Maßnahmen erforderlich, die sicherstellen, dass die UV-C-Strahlung nicht aus dem jeweiligen Innenraum der Geräte nach außen gelangt, wie etwa gewinkelte Ein- und Auslassöffnungen oder auch Lamellen.
Ein anderer, derzeit besonderes in den Vereinigten Staaten zum Einsatz kommender Typ von Vorrichtungen zur Keimtötung mittels UV-C-Strahlung stellt das sog. Upper Air bzw. Upper Room GUV Device (GUV: germicidal UV - keimabtötendes UV) dar. Solche Vorrichtungen werden für Räume mit einer Deckenhöhe von mindestens 10 Fuß (entspricht etwa 3,048 m) empfohlen. Die in einer Höhe von z.B. ca. 2,1 m (entsprechend 7 Fuß) montierten Vorrichtungen zur UV-C-Desinfektion sind solchermaßen verbaut, dass sie lediglich die Luft oberhalb der eigenen Höhe desinfizieren. Sie geben dabei die UV-C-Strahlung nach außen direkt in den Raum oberhalb der sich möglicherweise darin befindlichen Personen ab. Die Gesamtdesinfektion der Raumluft erfolgt durch natürlich Luftzirkulation.
Ein Überblick über die Desinfektion anhand solcher Vorrichtungen ist in 1 gezeigt, die mit geringfügiger Überarbeitung dem ASHRAE Handbook - HVAC Applications (ASHRAE: American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers, 2019, Handbook-HVAC Applications, Chapter 62.6. USA, Atlanta, GA.), entnommen ist. Das Diagramm zeigt entlang der Abszisse die Raumtiefe d_horiz (gemessen von der auf den Boden projizierten Position der Vorrichtung, in Einheiten von 0,3048 m bzw. Fuß) und entlang der Ordinate die Raumhöhe d_horiz, gemessen vom Boden des Raums aus, in Einheiten von 0,3048 m bzw. Fuß. Die konventionelle optische Vorrichtung 1000 ist in etwa 2,1 m Höhe installiert. Mit den Bezugszeichen 1010, 1020, 1030, 1040, und 1050 sind Linien gleicher lokaler Bestrahlungsstärke bezeichnet (1010: 200 µW/cm², 1020: 100 µW/cm², 1030: 50 µW/cm², 1040: 20 µW/cm², 1050: 10 µW/cm²). Das Bezugszeichen 1060 bezeichnet einen Bereich, in welchem die Bestrahlungsstärke immer noch über 0,2 µW/cm² liegt. In der zur Desinfektion aktiven Zone sollte die Bestrahlungsstärke einen Mindestwert von 10 µW/cm² überschreiten, um ausreichend wirksam zu sein. Unterhalb der aktiven Zone befindet sich die sogenannte Safe-Zone. Hier sollten sich die Menschen länger aufhalten können (z.B. bis zu 8 Stunden). In dieser Zone sollte die Bestrahlungsstärke im Allgemeinen unterhalb von 0,2 µW/cm² liegen. Wie zuerkennen ist, ist die UV-C-Strahlung im Wesentlichen horizontal mit einer geringfügigen Neigung nach oben gerichtet, um die Safe-Zone nicht mit UV-C-Strahlung zu beeinträchtigen. Entlang der Abszisse nimmt die Bestrahlungsstärke aufgrund des zunehmenden Abstands von der Vorrichtung erheblich ab. Durch eine höhere Lampenleistung kann eine Desinfektion in größerer Raumtiefe erzielt werden.
Durch die Verwendung von UV-C-Niederdrucklampen in herkömmlichen Vorrichtungen, die eine vergleichsweise große Etendue und infolgedessen geringe Strahldichte besitzen, ist es erforderlich, um die Strahlung in der in 1 angedeuteten engen Zone unter der Raumdecke zu halten, Reflektoren und Lamellen einzusetzen. Durch die Lamellen können diejenigen Strahlungsanteile, die die Reflektoren der Vorrichtung unter größeren Winkeln (nach oben oder unten relativ zur horizontalen Ebene) verlassen, absorbiert werden. Dies führt aber wiederum zu Wirkungsgraden, die im Allgemeinen unterhalb von 10 % liegen. Die daher hohen Leistungsaufnahmen bei geringer Fernwirkung und die hochgradig ungleiche Verteilung der Bestrahlungsstärke im Bereich der Raumdecke wirken sich folglich auch durchaus nachteilhaft auf die Wirtschaftlichkeit der Vorrichtungen - es ist eine höhere Anzahl von Geräten pro Raumdeckenfläche erforderlich - und auch auf die Komplexität des Desinfektionskonzepts für einen gegebenen Raum aus.
Darstellung von Aspekten der Erfindung
Einigen der nachfolgend beschriebenen Aspekten liegt eine Aufgabe zugrunde, die Wirtschaftlichkeit der für die Desinfektion mittels UV-Strahlung, insbesondere UV-C-Strahlung, verwendeten optischen Vorrichtungen zu verbessern und gleichzeitig auch einen größeren Schutz für die in dem Raum befindlichen Personen herbeizuführen beziehungsweise eine ausreichende Safe-Zone sicherzustellen.
Die Aufgabe wird unter anderem gelöst durch eine optische Vorrichtung für die Desinfektion oberer Luftschichten in einem Raum mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Aspekte und Ausführungsformen sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
Ausgangspunkt ist eine optische Vorrichtung mit einer Lichtquelleneinheit und einem Reflektor. Die optische Vorrichtung gibt ihre Strahlung im UV-Wellenlängenbereich, bevorzugt im UV-C-Wellenlängenbereich, in einer im Wesentlichen horizontalen Richtung ab - mit einer geringfügigen Neigung zur Raumdecke hin - jedoch in einem (zumindest in vertikaler Richtung betrachtet) wesentlich größeren Raumwinkel. Eine direkte Abstrahlung von ultraviolettem Licht von der Lichtquelleneinheit in den Raum ist nicht vorgesehen. Diese Aufgabe wird vielmehr von dem Reflektor übernommen. Zu diesem Zweck umfasst die Lichtquelleneinheit eine lichtemittierende Fläche, die eine Lichtquellenebene (engl. source plane) festlegt und eingerichtet ist, Strahlung in einem UV-Wellenlängenbereich, insbesondere dem UV-C-Wellenlängenbereich (z.B. 100 nm - 280 nm) abzugeben. Alternativ kann auch UV-A- oder UV-B-Strahlung insbesondere in Verbindung mit Photokatalyse eingesetzt werden, wenn die Raumdecke beispielsweise mit Titandioxid beschichtet ist. Aspekte sehen eine recht große zu bestrahlende Fläche vor, so dass potenziell auch in diesem Fall eine gute katalytische Wirkung erzielbar sein kann.
Die lichtemittierende Fläche bezeichnet diejenige Fläche der Lichtquelleneinheit, durch welche das von dieser erzeugte Licht abgegeben wird. Es kann sich beispielsweise um eine Lichtaustrittsfläche eines z.B. einer LED etc. nachgeschalteten optischen Elements oder unmittelbar um eine aktive Oberfläche einer LED handeln, wenn kein weiteres optisches Element vorgesehen ist. Die lichtemittierende Fläche liegt in der Lichtquellenebene und kann diese aufspannen. Ferner ist die lichtemittierende Fläche eingerichtet, die Strahlung in einem Winkelbereich α, β, γ, δ relativ zu einer Hautabstrahlrichtung Z abzugeben, die in Bezug auf die festgelegte Lichtquellenebene senkrecht steht. Es versteht sich, dass, weil die lichtemittierende Fläche eine Ebene festlegt, der Winkelbereich maximal 90° betragen kann. Bei einer Montage der optischen Vorrichtung in dem Raum erfolgt die Anordnung bevorzugt in einer Weise, bei welcher die Hautabstrahlrichtung Z mit der Raumhöherichtung (z.B. die Richtung der Ordinate in 1) zusammenfällt. In diesem Fall gibt die lichtemittierende Fläche ihre Strahlung maximal in einen Halbraum nach unten zum Boden gerichtet ab. Einem speziellen Ausführungsbeispiel zufolge weist die Lichtquelleneinheit eine Lichtquelle auf, die eine oder mehrere UV-LEDs, insbesondere UV-C-LEDs umfasst. Die lichtemittierende Fläche könnte dann zum Beispiel durch die Fläche der Lichtquellen ausgebildet sein. Es ist aber nachfolgend zu beschreibenden Ausführungsbeispielen zufolge genauso möglich, zusätzlich optische Elemente einzurichten, die mit den Lichtquellen zusammenwirken und dann selbst die lichtemittierende Fläche der Lichtquelleneinheit bereitstellen.
Der Reflektor ist in einem in der Hautabstrahlrichtung Z vorbestimmten Abstand von der lichtemittierenden Fläche angeordnet. Er empfängt die von der lichtemittierenden Fläche abgegebene Strahlung und reflektiert diese bestimmungsgemäß zumindest entgegen der Hauptabstrahlrichtung Z. Das heißt, dass die reflektierte UV Strahlung zumindest eine Richtungskomponente in Z-Richtung besitzt, die zurück in die Richtung der Lichtquellenebene der lichtemittierenden Fläche weist.
Der Reflektor weist zudem hinsichtlich der Ausgestaltung seiner reflektierenden Fläche eine Freiform auf. Der Begriff Freiform beschreibt eine Technik, mit der frei definierbare optische wirksame Flächen sehr präzise gefertigt werden können. Diese Technik kommt in unterschiedlichsten Produktionsverfahren zum Einsatz. Der Begriff Freiform steht für die technische Möglichkeit, Spiegelflächen mit unkonventioneller dreidimensionaler Form zu fertigen, welches aber nicht ausschließt, dass eine exakte mathematische Formulierung für die geometrische Form gefunden werden könnte.
Die Freiform ist derart ausgelegt, dass die von dem Reflektor reflektierte Strahlung auf eine in dem Raum festgelegte, zu bestrahlende Fläche geworfen wird. Da der Raum selbst nicht Teil der optischen Vorrichtung ist, kann es sich zunächst um eine virtuelle Fläche handeln, die sich in gegebener Positionierung relativ zu dem Reflektor und der Lichtquelleneinheit befindet. Diese Fläche erstreckt sich nun entgegen der Hauptabstrahlrichtung Z - vom Reflektor aus betrachtet - jenseits der Lichtquellenebene. In dem oben beschriebenen Fall der Montage der optischen Vorrichtung im Raum nahe dessen Raumdecke, z.B. in einer Raumhöhe von ungefähr 2,1 m ähnlich wie in 2 gezeigt, ist die Lichtquellenebene eine zur (vertikalen) Z-Richtung senkrechte horizontale Ebene, und die zu bestrahlende Fläche erstreckt sich vollständig darüber. Die zu bestrahlende Fläche kann vorzugsweise die Raumdecke selbst - oder ein begrenzter Teil derselben - sein. Die Fläche kann eben oder gekrümmt oder auch gestuft sein, liegt aber in jedem Fall oberhalb der Lichtquellenebene.
Die Freiform des Reflektors ist nun derart ausgelegt, dass eine Verteilung der Bestrahlungsstärke der vom Reflektor auf die Fläche geworfenen Strahlung innerhalb der Fläche im Wesentlichen homogen ist. Dies stellt keinesfalls die Äußerung eines bloßen Wunsches für ein zu erreichendes Ergebnis dar. Vielmehr wurde von dem Erfinder diesbezüglich ein Konzept auf die aktuelle Problemstellung angewandt, das aus der Veröffentlichung Ries, H & Muschaweck, J.: „Tailored freeform optical surfaces“ in J. Opt. Soc. Am. A/ Vol. 19, No. 3/ March 2002 bekannt ist. Darin ist beschrieben, wie optische Freiformflächen, die im dreidimensionalen Raum eingebettet sind und keine Symmetrie aufweisen müssen, so gestaltet werden, dass sie die Strahlung einer gegebenen sehr kleinen Lichtquelle auf eine gegebene Referenzfläche umverteilen, um so eine vorgegebene Bestrahlungsstärkeverteilung auf dieser Fläche zu erreichen. Die Form der optischen Freiformfläche wird durch die Lösung einer Reihe partieller nichtlinearer Differentialgleichungen gefunden. In den meisten Fällen gibt es nur wenige topologisch unterschiedliche Lösungen, wenn geeignete Randbedingungen gegeben sind. Für den vorliegenden, etwas einfacheren Fall einer hochgradig homogenen Verteilung konnte festgestellt werden, dass im Regelfall sogar nur eine einzige Lösung für die dreidimensionale Ausgestaltung der Freiform existiert.
Mit anderen Worten, durch den Abstand der lichtemittierenden Fläche vom Reflektor, durch die Vorgabe einer kleinen Lichtquelleneinheit und durch die Vorgabe bzw. Festlegung der Geometrie und Position der zu bestrahlenden Fläche im Raum relativ zur lichtemittierenden Fläche und zum Reflektor und durch die Vorgabe einer homogenen Verteilung der Bestrahlungsstärke ist die Freiform praktisch eindeutig festgelegt, oder im Ausnahmefall von mehr als einer topologischen Lösung, zumindest aus einer Auswahl abzählbarer, sehr weniger Lösungen erhältlich. Die Freiform kann computergestützt ermittelt und dann hergestellt werden.
Die optische Vorrichtung kann mit besonderem Vorteil zur Desinfektion oberer Luftschichten in einem Raum eingesetzt werden. Die lichtemittierende Fläche strahlt im Fall eines Lambertschen Strahlers nur in einen Halbraum um die Hauptabstrahlrichtung Z, die der optischen Achse entspricht, bevorzugt in einen noch engeren konusförmigen Raum um die Hauptabstrahlrichtung Z. Die optische Freiform des Reflektors wirft die Strahlung in seitlicher Richtung zurück auf eine Fläche oberhalb der Lichtquellenebene, die durch die im Wesentlichen horizontale Ausrichtung der lichtemitterenden Fläche festgelegt wird. Die Fläche kann Teil der Raumdecke sein. Diese wird durch die Freiform mit dort homogener Verteilung der Bestrahlungsstärke bestrahlt. Dadurch werden anders als bisher lokale Maxima vermieden.
Die 1 zeigt zudem auch nicht den Effekt einer reflektierenden Raumdecke. Je nach Positionierung derselben in 1 ergibt sich auch dort ein lokales Maximum, wo die schmale aktive Zone auf die Raumdecke trifft. Die Folge wäre auch hier, dass die optische Vorrichtung in größerer Höhe zu installieren wäre und ggf. flacher abstrahlen muss, um eine gleichmäßigere Verteilung auf der Fläche der Raumdecke zu erzielen. Dieser Ansatz ist aber durch die absolute Deckenhöhe begrenzt. Ausführungsbeispiele der Erfindung erlauben im Gegenzug die Applikation der optischen Vorrichtung auch bei niedrigen Deckenhöhen, ohne dass in die Safe-Zone eingegriffen wird. Die Wirtschaftlichkeit wird auch dadurch verbessert.
Wie beschrieben entsteht durch die Verwendung der beschriebenen lichtemittierenden Fläche der Vorteil, dass sehr kleine Lichtquelleneinheiten realisiert werden können.
Dies betrifft gemäß Ausführungsbeispielen insbesondere UV-LEDs, bevorzugt UV-C-LEDs, die eine hohe Strahldichte bzw. eine geringe Etendue bereitstellen. Dadurch wird einerseits die Freiform sinnvoll berechen- und überhaupt einsetzbar. Andererseits wird dadurch die Leistungsaufnahme bei erhöhtem Wirkungsgrad reduziert. Ferner wird durch die geringe Etendue eine Bestrahlung des Reflektors in extremer Nahdistanz möglich.
Durch die niedrige Quellgröße und geringe Etendue ist es nun auch möglich, ein klar abgegrenzte, zu bestrahlende Fläche mit homogener Verteilung der Bestrahlungsstärke zu erhalten. Durch geeignetes Positionieren von mehreren optischen Vorrichtungen relativ zueinander können zudem gemäß den hier vorgestellten Ausführungsbeispielen die entsprechend zu bestrahlenden Flächen benachbart zueinander platziert werden, so dass die Raumdecke vollflächig erfasst wird. Die zu bestrahlenden Flächen können durch die Auslegung der Freiform jeweils gut abgegrenzt sein, d.h., dort wo sie bestrahlt werden, ist die Bestrahlungsstärke homogen und außerhalb fällt die Bestrahlungsstärke auf im Vergleich dazu verschwindende Werte ab. Im konventionellen Fall (1) liegen dagegen meist keine klaren Abgrenzungen vor und es lassen sich insofern keine festen Angaben der Reichweiten der jeweiligen optischen Vorrichtungen machen.
Einer speziellen Weiterbildung der optischen Vorrichtung zufolge umfasst die Lichtquelleneinheit ein optisches Element, oder mehrere optische Elemente, das beziehungsweise die jeweils der einen oder den mehreren UV-LEDs bzw. UV-C-LEDs zugeordnet ist beziehungsweise sind, wobei die lichtemittierende Fläche durch das eine oder die mehreren optischen Elemente ausgebildet wird. Mit Hilfe solcher spezieller optischer Elemente kann z.B. der Winkelbereich, in welchem die lichtemittierende Fläche relativ zur Hauptabstrahlrichtung Z Strahlung abgibt, weiter verringert werden.
Dabei kann z.B. vorgesehen sein, dass eine oder die mehreren optischen Elemente durch einen - von der Lichtquelle ausgehend - im Querschnitt zunehmenden Lichtleiter nach Art eines Tapers auszubilden.
Alternativ können das eine oder die mehreren optischen Elemente eine Linse umfassen, um den beschriebenen Effekt zu erzielen.
Eine weitere Alternative kann beispielweise darin bestehen, dass das optische Element einen lichtabsorbierenden Ring umfasst, welcher einen mittleren Bereich mit der lichtemittierenden Fläche umschließt. Der absorbierende Ring nimmt Strahlung auf und absorbiert diese, welche bei großen Winkeln (relativ zur Hauptabstrahlrichtung) abgegeben wird. Die Geometrie des Rings ist nicht eingeschränkt. Es kann sich um einen kreisförmigen Ring oder um einen rechteckförmigen oder quadratisch ausgelegten Ring handeln. Andere Formen sind ebenso möglich. Anders als bei dem oben vorgeschlagenen Taper oder bei der Linse sind hier aber durch die Absorption die Leistungsverluste größer bzw. der Wirkungsgrad geringer.
Einer weiteren Weiterbildung der optischen Vorrichtung zufolge besitzt die lichtemittierende Fläche eine Breite in einer zu der Hauptabstrahlrichtung Z senkrechten ersten Richtung X und eine Länge in einer zu der Hauptabstrahlrichtung Z senkrechten zweiten Richtung Y. Die beiden Richtungen X und Y stehen zueinander ebenfalls senkrecht. Sie spannen gemeinsam die Lichtquellenebene auf. Die Länge ist dabei größer als die Breite.
Bei diesem Aspekt kann die Länge der lichtemittierenden Fläche in der ersten Richtung X als Maximalabschätzung 16 mm oder weniger betragen, vorzugsweise 8 mm oder weniger, weiter bevorzugt 4 mm oder weniger. Ferner kann die Breite der lichtemittierenden Fläche in der zweiten Richtung Y als Minimalabschätzung 2 mm oder weniger betragen, vorzugsweise 1 mm oder weniger, weiter bevorzugt 0,5 mm oder weniger.
Es wurde bei den Untersuchungen herausgefunden, dass die Ausdehnung der lichtemittierende Fläche in der Richtung quer zur zweiten Richtung Y durchaus deutlich größer gewählt werden kann, ohne dass die Bedingung beeinträchtigt zu sein braucht, dass die Bestrahlungsstärke in der zu bestrahlenden Fläche homogen verteilt ist. Dadurch wird es möglich, ohne nennenswerte Verluste deutlich mehr Strahlung auf die Fläche zu bringen.
Ferner kann gemäß Ausführungsbeispielen bei der optische Vorrichtung ein Aspektverhältnis der Länge gegenüber der Breite 32 oder weniger, bevorzugt 16 oder weniger, weiter bevorzugt 12 oder weniger betragen. Alternativ oder zusätzlich kann das Aspektverhältnis der Länge gegenüber der Breite 2 oder mehr, vorzugsweise 4 oder mehr, weiter bevorzugt 6 oder mehr betragen. Diese Auswahlbereiche haben sich als besonders effizient hinsichtlich einer Balance zwischen dem Einhalten der Bedingung (homogene Verteilung der Bestrahlungsstärke) und dem Erhalt der Etendue erwiesen.
Weiteren Ausführungsbeispielen zufolge können das eine oder die mehreren optischen Elemente und die lichtemittierende Fläche eingerichtet sein, Strahlung in einem ersten Winkelbereich α, β relativ zur Hautabstrahlrichtung Z innerhalb einer durch die erste Richtung X und die Hautabstrahlrichtung Z aufgespannten Ebene abzugeben, wobei ein Winkel des ersten Winkelbereichs α, β maximal 30° oder mehr, vorzugsweise 45° oder mehr, sowie 90° oder weniger, vorzugsweise 85° oder weniger beträgt. Durch Auswahl des entsprechend gegenüber dem vollen Halbraum verringerten Abstrahlungswinkels in der X-Richtung quer zu der durch die Y- und Z-Richtung aufgespannten Ebene, die gleichzeitig bevorzugt die einzige Symmetrieebene des Projektionssystems darstellen kann, kann das Ausmaß der Homogenität der Bestrahlungsstärke weiter verbessert werden.
Alternativ oder zusätzlich zu diesen Ausführungsbeispielen können das eine oder die mehreren optischen Elemente und die lichtemittierende Fläche eingerichtet sein, Strahlung in einem zweiten Winkelbereich α, β relativ zur Hautabstrahlrichtung Z innerhalb einer durch die zweite Richtung Y und die Hautabstrahlrichtung Z aufgespannten Ebene abzugeben, wobei ein Winkel des zweiten Winkelbereichs α, β maximal 30° oder mehr, vorzugsweise 45° oder mehr, sowie 90° oder weniger, vorzugsweise 70° oder weniger beträgt. Für diesen engeren Auswahlbereich ergeben sich die gleichen Vorteile wie oben beschrieben.
Weiteren Ausgestaltungen zufolge kann der vorbestimmte Abstand zwischen der lichtemittierenden Fläche und dem Reflektor in der Hauptabstrahlrichtung Z maximal 20 mm oder weniger betragen, vorzugsweise 10 mm oder weniger, und 2 mm oder mehr, bevorzugt 4 mm oder mehr. Diese niedrigen Werte für den Abstand erlauben eine besonders kompakte Bauweise.
Aspekten der Erfindung zufolge ist die Freiform des Reflektors so ausgelegt, dass sich die mit homogener Verteilung der Bestrahlungsstärke zu bestrahlende Fläche im Wesentlichen in einer zweiten Richtung Y senkrecht zu der Hauptabstrahlrichtung Z erstreckt, und zwar ausgehend von einer zur Hauptabstrahlrichtung parallelen Achse, die sich auch durch die lichtemittierende Fläche durch die erstreckt. Mit anderen Worten, wenn die zu bestrahlende Fläche beispielsweise eine Raumdecke (ggf. einschließlich möglicher Teile der oberen Seitenwände ist), führt die Freiform zu einer Bestrahlung in einer seitlichen Richtung und nach oben zur Decke hin. Projiziert auf die Raumdecke kann sich demnach die optische Vorrichtung am Rand der bestrahlten Fläche befinden. Das ermöglicht beispielsweise die Kombination mehrerer optischer Vorrichtungen, um ausgehend von einem gemeinsamen Raumpunkt nahe der Raumdecke in verschiedenen Richtungen abzustrahlen.
Weiteren Ausgestaltungen zufolge erstreckt sich die zu bestrahlende Fläche im Wesentlichen parallel zu der Lichtquellenebene. Dann kann ein Verhältnis zwischen der Länge der zu bestrahlenden Fläche in der zweiten Richtung und einem Abstand der zu bestrahlenden Fläche von der Lichtquellenebene z.B. 15 oder weniger, vorzugsweise 10 oder weniger betragen. Ferner kann das Verhältnis 2,5 oder mehr, bevorzugt 5 oder mehr betragen. Alternativ oder zusätzlich kann ein Verhältnis zwischen der Breite der zu bestrahlenden Fläche in der ersten Richtung X und dem Abstand der zu bestrahlenden Fläche von der Lichtquellenebene 15 oder weniger, vorzugsweise 10 oder weniger, sowie 2,5 oder mehr, bevorzugt 5 oder mehr betragen.
Ferner kann wie beschrieben bei der optischen Vorrichtung die Freiform des Reflektors spiegelsymmetrisch in Bezug auf eine Ebene ausgebildet sein, die durch die Hauptabstrahlrichtung Z und die zweite Richtung X aufgespannt wird (d.h., die XY-Ebene). Dabei kann die Freiform z.B. eine Höhe in der Hauptabstrahlrichtung Z in einem Bereich von 15 mm bis 90 mm, eine Breite in der ersten Richtung X in einem Bereich von 40 mm bis 180 mm, und eine Länge in der zweiten Richtung Y in einem Bereich von 50 mm bis 250 mm besitzen.
Mit Vorteil kann die optische Vorrichtung auch ein Blockierelement aufweisen, das Strahlung absorbiert oder reflektiert, die aufgrund ihres Abstrahlungswinkels ausgehend von der lichtemittierenden Fläche über einen Rand der Freiform des Reflektors hinausgeht. Das Blockierelement kann sich gegebenenfalls um den kompletten Rand der Freiform herum erstrecken. Dadurch wird vermieden, dass die aus der lichtemittierenden Fläche emittierte Strahlung direkt in die Safe-Zone gelangt bzw. diese schmälert.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale und Funktionen.
Figurenliste
Es zeigen:

1 in einem Diagramm die Wirkung einer optischen Vorrichtung zur Desinfektion oberer Luftschichten in einem Raum gemäß dem Stand der Technik;
2 in schematischer Darstellung eine optische Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, die eine Fläche einer Raumdecke oberhalb einer Safe-Zone bestrahlt;
3 eine optische Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel mit lichtemittierender Fläche (einer Lichtquelleneinheit) und Reflektor in Seitenansicht (oben), Draufsicht (unten links) und Vorderansicht (unten rechts), mit Festlegung der Koordinatenachsen in den Richtungen X, Y, und Z;
4 eine Tabelle mit vorgegebenen Daten für die zu bestrahlende Fläche (Länge, Breite) in Relation zum Abstand zur optischen Vorrichtung und für die Abstrahlwinkel der lichtemittierenden Fläche sowie den Abstand zwischen dieser und der Freiform in Z-Richtung, und mit sich daraus für die Freiform ergebenden Daten (Länge, Breite, Höhe), um eine homogene Bestrahlungsstärke über die zu bestrahlende Fläche zu erzielen;
5 in schematischer Darstellung einen Winkelbereich γ, δ der Abstrahlung aus der lichtemittierenden Fläche in der YZ-Ebene aus 3;
6 in schematischer Darstellung einen Winkelbereich α, β der Abstrahlung aus der lichtemittierenden Fläche in der XZ -Ebene aus 3;
7 in schematischer Darstellung eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel der sich in der XY-Ebene erstreckenden lichtemittierenden Fläche mit grundsätzlich in X-Richtung langgezogenem, rechteckförmigen Grundriss;
8 in schematischer Darstellung eine Draufsicht auf eine sich in der XY-Ebene erstreckende geschlossene Lichtquelle der Lichtquelleneinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel;
9 in schematischer Darstellung eine Draufsicht auf eine sich in der XY-Ebene erstreckende Lichtquelle der Lichtquelleneinheit, die eine Reihe von Einzellichtquellen aufweist, gemäß einem zu 8 alternativen Ausführungsbeispiel;
10 in schematischer Darstellung eine Draufsicht auf eine sich in der XY-Ebene erstreckende Lichtquelle der Lichtquelleneinheit, die eine Reihe von zueinander durch einen Spalt getrennte Einzellichtquellen aufweist, gemäß einem gegenüber 9 angewandelten Ausführungsbeispiel;
11 in schematischer Darstellung eine Draufsicht auf eine sich in der XY-Ebene erstreckende Lichtquelle der Lichtquelleneinheit, die eine zweireihige Matrix von Einzellichtquellen aufweist, gemäß einem weiteren gegenüber 9 abgewandelten Ausführungsbeispiel;
12 in schematischer Darstellung eine Seitenansicht (auf die YZ-Ebene) eines vor der Lichtquelle (wie in einer der in 8 bis 11 gezeigt) angeordneten und als Taper ausgebildeten optischen Elements, das gegenüberliegend eine lichtemittierende Fläche bereitstellt, gemäß einem Ausführungsbeispiel;
13 in schematischer Darstellung eine Seitenansicht wie in 12, aber auf die XZ-Ebene;
14 in schematischer Darstellung eine Seitenansicht (z.B. auf die YZ- oder XZ-Ebene) eines vor der Lichtquelle angeordneten und als CPC ausgebildeten optischen Elements, das für jeweils eine Einzellichtquelle (wie in 9 bis 11 gezeigt) ausgelegt ist, gemäß einem zu 12 und 13 alternativen Ausführungsbeispiel;
15 in schematischer Darstellung eine Seitenansicht (z.B. auf die XZ-Ebene) einer Vielzahl von jeweils vor den Einzellichtquellen aus 9 bis 11 angeordneten und als CPC ausgebildeten optischen Elementen gemäß 14;
16 in schematischer Darstellung den Strahlengang in dem optischen Element bzw. den jeweiligen optischen Elementen aus 14 oder 15;
17 in schematischer Darstellung eine Seitenansicht auf (z.B. die YZ-Ebene) eines vor der Lichtquelle angeordneten und als Linse ausgebildeten optischen Elements, das für jeweils eine Einzellichtquelle (wie in 9 bis 11 gezeigt) ausgelegt ist, gemäß einem zu den 12 bis 16 alternativen Ausführungsbeispiel;
18 in schematischer Darstellung eine Seitenansicht auf (z.B. die YZ-Ebene) eines vor der Lichtquelle angeordneten und als außen Licht absorbierender Ring ausgebildeten optischen Elements, das für jeweils eine Einzellichtquelle (wie in 9 bis 11 gezeigt) ausgelegt ist, gemäß einem zu den 12 bis 17 alternativen Ausführungsbeispiel;
19 in schematischer Darstellung eine Draufsicht auf das optische Element aus 18;
20 in schematischer Darstellung einen Querschnitt in der YZ-Ebene (Symmetrieebene) durch die optische Vorrichtung mit außen angedeutetem Blockierelement gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
21 in schematischer Darstellung die Anordnung von lichtemittierender Fläche und Reflektor relativ zu der an der Raumdecke im Raum zu bestrahlenden Fläche;
22 in Draufsicht auf die zu bestrahlende Fläche eine darin eingezeichnete weitgehend homogene Verteilung der Bestrahlungsstärke.

In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele ist zu berücksichtigen, dass die vorliegende Offenbarung der verschiedenen Aspekte nicht auf die Details des Aufbaus und der Anordnung der Komponenten beschränkt ist, wie sie in der nachfolgenden Beschreibung und in den Figuren dargestellt sind. Die Ausführungsbeispiele können auf verschiedenen Wegen in die Praxis umgesetzt oder ausgeführt werden. Es ist des Weiteren zu berücksichtigen, dass die hier verwendete Ausdrucksweise und Terminologie lediglich zum Zweck der konkreten Beschreibung verwendet wird und diese sollten nicht durch den Fachmann als solche in einschränkender Weise ausgelegt werden.
2 zeigt in schematischer Darstellung eine optische Vorrichtung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel, die eine Fläche 915 (mit vorbestimmter Länge und Breite) einer Raumdecke 910 oberhalb einer Safe-Zone bestrahlt, die durch die strichpunktierte Linie 920 dargestellt ist (bzw. die Linie 920 stellt räumlich betrachtet deren obere Grenze dar). Damit eine aufrechtstehende Person sicher in der Safe-Zone aufgenommen ist, sollte die Höhe der Linie 920 wenigstens deren Länge übersteigen. Die optische Vorrichtung 10 gibt dabei ihre Strahlung 300 seitlich in einem ausgewählten Winkelbereich in einer im Wesentlichen horizontalen Richtung mit einer vertikal nach oben gerichteten Komponente ab. Innerhalb des Kegels der Strahlung 300 beträgt die Bestrahlungsstärke teilweise mehr als 10µW/cm² bzw. 100 mW/m², welches als Minimalbedingung für eine ausreichende Keimabtötung in den darin befindlichen Luftschichten zu erachten ist. Ferner ist die optische Vorrichtung 10 in ihrem Aufbau und der räumlichen Anordnung so konfiguriert, dass die schräg über ihr liegende Fläche 915 mit einer dort homogenen Verteilung der Bestrahlungsstärke bestrahlt wird.
Die Raumdecke 910 bzw. die zu bestrahlende Fläche 915 kann idealisiert als Lambertscher Strahler mit einer Reflexivität R von 0,3 betrachtet werden. Rein beispielhaft kann die zu bestrahlende Fläche mit einer Länge und Breite von je 5 m vorgegeben werden. Die in diesem Bereich ebenso homogen von der Raumdecke 910 reflektierte Strahlung 950 sollte in der Safe-Zone eine Bestrahlungsstärke von nur 0.2 µW/cm² = 2 mW/m² oder weniger annehmen, um keine Schädigungen durch UV-Strahlung bei den sich in der Safe-Zone aufhaltenden Personen herbeizuführen. Mit diesen Annahmen kann für die Leistung der abgegebenen Strahlung eine zulässige obere Grenze von etwa 0,167 W bestimmt werden. In dem vereinfachten Beispiel sind Strahlungsbeiträge etwaig reflektierender Wände allerdings außer Acht gelassen. Das Beispiel zeigt aber, dass ein gemäß den hier vorgeschlagenen Aspekten und Ausführungsbeispielen vorgesehener Ansatz, bei dem die UV-Strahlung 300 durch einen Reflektor gegen die Decke gerichtet ist, von welcher sie reflektiert wird, einerseits ein hinreichendes Luftvolumen wirksam desinfiziert, und andererseits zu keiner Beeinträchtigung der Safe-Zone führt. Zu diesem Zweck können bereits geringe Strahlungsleistungen eingesetzt werden und ausreichen. Die niedrigen, hier rein beispielhaft geschätzten Obergrenzen für die Strahlungsleistung sind kompatibel mit dem Einsatz und UV-LEDs, und insbesondere verfügbaren UV-C-LEDs.
Soweit die Raumdecke die UV-Strahlung reflektiert (typischerweise selbst als Lambertscher Strahler mit Reflektivität R = 0,3), erfolgt dies über die Fläche hinweg mit gleicher Stärke. Dadurch wird die Safe-Zone deutlich weniger beeinträchtigt als dies im konventionellen Fall (siehe 1) zutrifft. In der Safe-Zone sollte die Bestrahlungsstärke wie beschrieben nicht über 0,2 µW/cm² liegen. 1 zeigt, dass bei der konventionellen Vorrichtung 1000 in einem horizontalen Abstand von etwa einem Meter (3 bis 4 Fuß) von der Position der optischen Vorrichtung der entsprechende Bereich 1060 am weitesten nach unten verschoben ist. Das lokale Maximum schränkt die Safe-Zone insgesamt ein, oder anders ausgedrückt: ist diese Verschiebung aufgrund des lokalen Maximums zu stark ausgeprägt, muss die optische Vorrichtung im Raum noch höher montiert werden um eine hinreichende Höhe für die Safe-Zone zu gewährleisten.
In 3 ist eine optische Vorrichtung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel gezeigt, das z. B. in 2 verwendet werden kann. Die optische Vorrichtung umfasst eine Lichtquelleneinheit 120, von der aber nur eine lichtemittierende Fläche 100 dargestellt ist, und einen Reflektor 200. Der obere Teil der 3 zeigt die Seitenansicht, unten links ist eine Draufsicht zu sehen und unten rechts eine Vorderansicht. Mit dem Bezugszeichen 900 ist in dieser und in allen nachfolgenden Figuren ein kartesisches Koordinatensystem mit Richtungen X,Y,Z bezeichnet. Die Z-Richtung ist die vertikale Richtung im Raum und fällt mit der Hauptabstrahlrichtung Z der lichtemittierenden Fläche 100 zusammen, die allerdings vertikal nach unten zeigt. Die lichtemittierende Fläche 100 liegt eine Lichtquellenebene 105 fest, die senkrecht zur Hauptabstrahlrichtung Z liegt und dementsprechend durch eine erste Richtung X und eine zweite Richtung Y aufgespannt wird.
Der lichtemittierenden Fläche 100 liegt eine Freiform des Reflektors 200 gegenüber, welche die von der lichtemittierenden Fläche 100 abgegebene Strahlung 300 entsprechend ihrer dreidimensionalen Form reflektiert. Die Freiform des Reflektors 200 besitzt einen schalenartigen Aufbau, der sich zur zweiten Richtung Y hin öffnet und gemäß diesem speziellen Ausführungsbeispiel genau eine Spiegel- bzw. Symmetrieebene besetzt, die sich in der YZ-Ebene erstreckt, und in welcher sich auch die lichtemittierende Fläche 100 befindet. Anderen Ausführungsbeispielen zufolge kann diese Spiegelsymmetrie entfallen.
Die Form und Größe der Freiform des Reflektors 200 ist durch die Anforderung gegeben, eine optimale Anpassung an eine weitgehend oder sogar hochgradig homogene Bestrahlung der Fläche 915 an der Raumdecke 910 und gleichzeitig die Erfassung möglichst der gesamten von der Lichtquellenebene 105 ausgehenden Strahlung 300 zu erreichen. Mit Bezug auf 20 werden weiter unten Maßnahmen beschrieben, die erfolgen, wenn nicht die gesamte Strahlung erfasst werden kann. Die Größe der Freiform kann durch Parameter wie eine Höhe 201 in der Hauptabstrahlrichtung Z, eine Breite 202 in der ersten Richtung X, und eine Länge in der zweiten Richtung Y charakterisiert werden. Die konkrete dreidimensionale Form als solche ist dagegen nicht in einfacher Schreibweise angebbar und ist im Regelfall programmiertechnisch zu ermitteln, nicht nur gemäß den hier gezeigten Ausführungsbeispielen. Zum entsprechenden Verfahren, das auch das Lösen nichtlinearer Differentialgleichungen beinhalten kann, wird auf die Druckschrift Ries, H & Muschaweck, J.: „Tailored freeform optical surfaces“ in J. Opt. Soc. Am. A/ Vol. 19, No. 3/ March 2002 und darin angegeben weiteren Literaturstellen verwiesen.
Zur Berechnung der Freiform werden dabei bestimmte Vorgaben gemacht, welche schließlich die dreidimensionale Ausgestaltung als Ergebnis der Berechnung eindeutig festlegen. Dazu gehört die Festlegung der Lichtquellenebene 105 sowie der Ebene der zu bestrahlenden Fläche (hier: der Raumdecke 910) relativ zueinander (in den speziellen, hier gezeigten Ausführungsbeispielen grundsätzlich parallel zueinander), deren gegenseitiger Abstand 901 sowie die Länge 911 und die Breite 912 der zu bestrahlenden Fläche 915 (siehe 22), vorzugsweise normiert auf den Abstand 901, und die Position bzw. Ausrichtung der Fläche 915 innerhalb der Ebene der Raumdecke 910, der Abstand 199 der lichtemittierenden Fläche 100 von der Freiformoberfläche des Reflektors 200 entlang der Hauptabstrahlrichtung Z, sowie der Winkelbereich α, β (in der XZ-Ebene), bzw. γ, δ (in der YZ-Ebene) relativ zur Hautabstrahlrichtung Z, in welcher die lichtemittierende Oberfläche 105 die Strahlung 300 in Richtung der Freiform abgibt (siehe die 5 und 6).
In den vorliegenden Ausführungsbeispielen ist die zu bestrahlende Fläche 915 (als eine der Vorgaben für die Berechnung der Freiform) an der Raumdecke 910 so orientiert, dass die vergleichsweise klein dimensionierte lichtemittierende Fläche 100 bei einer Projektion entlang (bzw. genau entgegen) der Hauptabstrahlrichtung Z auf die Ebene der Raumdecke 910 auf den Rand der zu bestrahlenden Fläche 915 fällt. Dies ist nicht zwingend, hat aber den Vorteil, dass sich die Fläche 915 genau von der optischen Vorrichtung 10 aus in den Raum hinein erstreckt, welches eine Konfiguration im Raum für den Anwender deutlich erleichtert. Ferner ist auch eine Wandmontage möglich.
Durch Vorgabe der genannten Parameter bzw. hier auch spezieller Annahmen (Ebenen parallel, optische Vorrichtung nahe oder am Rand der zu bestrahlenden Fläche, und z.B. auf deren Symmetrieachse, keine Strahlung über den Rand der Freiform hinaus) kann nun unter der hier wichtigen Maßgabe, dass die innerhalb der Fläche 915 resultierende Bestrahlungsstärke homogen ist, wie beschrieben eine eindeutige Lösung für die Freiform ermittelt werden.
In 4 ist dazu eine Tabelle 1 angegeben, welche in den Spalten 1 bis 5 einige der genannten Vorgabeparameter mit darin ausgewählten Werten wiederspiegelt. Während sich für die dreidimensionale Ausgestaltung der Freiform sinnvoll die Wirkung der homogene Ausstrahlung der Fläche 915 angeben lässt, können zumindest für die Höhe 201, die Breite 202 und die Länge 203 konkrete Werte aus der Berechnung geliefert werden, die sich jeweils eindeutig aus den vorgegebenen Parametern ergeben. Für 13 unterschiedliche Konstellationen von Länge, Breite und Abstand der Fläche 915 sowie entsprechender Abstrahlwinkelbereiche α, β (in der XZ-Ebene), bzw. γ, δ (in der YZ-Ebene) sind diese in Tabelle 1 beispielhaft angegeben. Typische Abmessungen des Reflektors 200 sind in der Tabelle 1 aufgeführt, die konkreten Abmessungen können aber auch geringfügig um bis zu ±20 % oder auch mehr abweichen.
Für die vorgegebenen Parameter kann folglich die optimale Freiform berechnet werden. Durch eine Variation des Abstands 901 von der Raumdecke 910 kann die zu bestrahlende Fläche 915 mit der Länge 911 und der Breite 912 proportional skaliert werden. Somit kann der als Freiform ausgebildete Reflektor 200 durch Änderung des Abstands zur Raumdecke 910 an andere Zielflächen angepasst werden. Durch ein Kippen zur Z-Richtung kann auch das Seitenverhältnis der zu bestrahlenden Fläche 915 angepasst werden. Gültige Kippwinkel sollten weniger als 5°, vorzugsweise weniger als 2° betragen.
Die 5 und 6 illustrieren in schematischer Darstellung die Winkelbereiche γ, δ bzw. α, β der Abstrahlung aus der lichtemittierenden Fläche 100 in der YZ-Ebene bzw. der XZ-Ebene aus 3. In den speziellen Ausführungsbeispielen sind die Winkel γ, δ auf der einen Seite bzw. α, β auf der anderen Seite untereinander identisch (s.a. Tabelle 1, idealer Konus), können aber grundsätzlich auch verschieden gewählt werden. In den 5 und 6 sowie insbesondere auch in der Draufsicht der 7 sind außerdem die Länge 102 der lichtemittierenden Fläche 100 in der ersten Richtung X und die Breite 101 in der zweiten Richtung Y gezeigt. Optimale Ergebnisse einer homogenen Bestrahlungsstärke in der Fläche 915 werden erzielt, wenn die Länge 102 nicht mehr als 4 mm und die Breite 101 nicht mehr als 0,5 mm beträgt. Das optimale Aspektverhältnis beträgt zwischen 6 und 12 einschließlich dieser Randwerte. Optimale Werte für den maximalen Abstrahlwinkel γ, δ relativ zur Hauptabstrahlrichtung Z liegen in einem Bereich von 45° bis 70° und für den maximalen Abstrahlwinkel α, β relativ zur Hauptabstrahlrichtung Z liegen sie in einem Bereich von 45° bis 85°. Die Bezugszeichen 301, 302, 303 und 304 in den 5 und 6 bezeichnen die unter größtmöglichen Winkel aus der lichtemittierenden Fläche 100 ausgesandte Strahlung. Die angegebenen Wertebereiche repräsentieren optimale Ergebnisse für die lichtemittierende Fläche 100. In der vorhergehenden Beschreibung sind aber auch weitere Wertebereiche angegeben, die ebenfalls noch bevorzugte Resultate für die optische Vorrichtung 10 wiederspiegeln.
In den 8 bis 11 sind bevorzugte Ausgestaltungen für die (zu der lichtemittierenden Fläche 100) zugehörige Lichtquelle 150 illustriert. Die 8 zeigt dabei eine schematische Draufsicht auf eine sich in der XY-Ebene erstreckende, geschlossen zusammenhängende Lichtquelle 150 der Lichtquelleneinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Lichtquelle 150 besitzt eine Länge 152 in der ersten Richtung X und eine Breite 151 in der zweiten Richtung Y. Das Aspektverhältnis entspricht in etwa demjenigen der lichtemittierenden Fläche 100. Es ist anzumerken, dass, wenn kein weiteres optisches Element vorgesehen ist, die Lichtquelle 150 selbst die lichtemittierende Fläche 100 bereitstellen kann, die ihre Strahlung 300 direkt auf den Reflektor 200 abgibt. Bei der Lichtquelle in 8 kann es sich auch um eine lang gestreckte, einzelne UV-LED, insbesondere eine UV-C-LED, handeln.
In 9 ist alternatives Ausführungsbeispiel in einer Draufsicht auf eine sich in der XY-Ebene erstreckende Lichtquelle 150 der Lichtquelleneinheit 120 gezeigt, die anders als in 8 eine Reihe von unmittelbar aneinandergrenzenden Einzellichtquellen 154 aufweist. Bei diesen handelt es sich bevorzugt um einzelne UV-LEDs, insbesondere UV-C-LEDs. Bei einem optimalen Aspektverhältnis zwischen 6 und 12 und quadratischen LEDs kommt folglich eine Reihe von 6 bis 12 LEDs in Betracht. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kommen rein beispielhaft UV-C-LEDs mit Wellenlängen des von ihnen emittierten Lichts im Bereich 260 - 280 nm, Abmessungen der LED-Chips im Bereich von 0.2 x 0.2 mm² bis 1.0 x 1.0 mm² und Leistungen im Bereich von 10 mW - 150 mW in Frage.
Eine Modifikation des in 9 gezeigten Ausführungsbeispiels ist in 10 illustriert. Die sich ebenfalls in der XY-Ebene erstreckende Lichtquelle 150 der Lichtquelleneinheit 120 weist hier eine Reihe von zueinander durch einen Spalt getrennte Einzellichtquellen 154 auf. Dies ermöglicht es, jeweils individuelle Primäroptiken (optische Elemente 162, siehe insbesondere 15) für jede der Einzellichtquellen 154 einzurichten.
Ferner kann der den 9 und 10 zugrundeliegende Gedanke auf zwei- oder mehrreihige Matrix-ähnliche Anordnungen von Einzellichtquellen 154 (UV-LEDs bzw. speziell UV-C-LEDs) angewandt werden, wie es in 11 zu sehen ist. Bei diesen Anordnungen kann gegebenenfalls sogar von der bloßen Rechteckform der Lichtquelle 150 in Draufsicht auf die XY-Ebene abgewichen werden, um vorteilhafte geometrische Ausgestaltungen der lichtemittierenden Fläche 100 zu ermöglichen.
Die 12 und 13 zeigen ein Ausführungsbeispiel der Lichtquelleneinheit 120 mit einer Lichtquelle 150 und einem zugeordneten optischen Element 161, das als ein sich im Querschnitt aufweitender stabförmiger Lichtleiter (Taper) ausgebildet ist. Der Lichtleiter kann aus festem Material gebildet sein, insbesondere aus einem UVbeständigen Glas (Quarzglas, Sol-Gel-Glas oder hohlraumbeschichtetes Aluminium). Andere Materialien, ggf. auch UV-beständige Kunststoffe hergestellt sein. Der Querschnitt in der XY-Ebene ist an die Geometrie der Lichtquelle 150 angepasst. Die der Lichtquelle 150 gegenüberliegende Oberfläche des optischen Elements 161 kann die lichtemittierende Fläche ausbilden. Denkbar ist grundsätzlich auch, dass sich weitere optische Elemente anschließen (Kombination mehrerer optischer Elemente).
Die Abmessungen der lichtemittierenden Fläche 100 sollten gegenüber der Emitteroberfläche der Einzellichtquellen 154 so gewählt werden, dass die Etendue möglichst erhalten bleibt. Für LEDs bedeutet dies im Allgemeinen, dass sich die Abmessung x_e des Emitters der Einzellichtquelle 154 und die Abmessung x_s der lichtemittierenden Fläche 100 jeweils in X-Richtung betrachtet wie folgt verhalten sollten: x_e ≤ x_s · sin((α + β)/2), und analog in y-Richtung: y_e ≤ y_s · sin((γ + δ)/2). Je enger der Abstrahlwinkel ist, desto größer kann durch den sich aufweitenden Taper (bzw. das optische Element 161) die lichtemittierende Fläche 100 ausgelegt sein.
Das als Primäroptik dienende optische Element 161 der 12 und 13 sowie auch entsprechende optische Elemente 162, 163, 164 gemäß den nachfolgend zu beschreibenden 14 bis 19 passen die von der Lichtquelle 150 bzw. den Einzellichtquellen 154 emittierte Strahlung an, um eine gemeinsame Strahlungsquelle auszubilden, die vom Reflektor 200 auch verarbeitet werden kann (Abstrahlung mit maximalem Winkel α, β, γ, δ und Größe der lichtemittierenden Fläche 100), so dass - wie beschrieben - möglichst die gesamte Strahlung erfasst wird und in homogener Verteilung der Bestrahlungsstärke auf die zu bestrahlende Fläche 915 abgegeben wird.
In den 14 bis 16 ist ein zu den 12 und 13 alternatives Ausführungsbeispiel einer Lichtquelleneinheit 120 gezeigt. Es ist kompatibel mit jenen reihenweisen Anordnungen von Einzellichtquellen 150, die in den 9 bis 11 dargestellt sind. Jeder der Einzellichtquellen 150 ist dabei individuell ein eigenes optisches Element 162 zugeordnet, das als CPC (Compound-Parabolic-Concentrator, Beispiel einer nichtabbildenden Optik) ausgeführt ist. Diese ebenfalls als Lichtleiter oder auch als Tunnel ausgebildeten optischen Elemente 162 besitzen jeweils eine der Einzellichtquelle 150 zugewandte Lichteintrittsfläche, die der Lichtaustrittsfläche gegenüberliegt, wie es am besten in 16 zu sehen ist, die den Weg der Strahlung 300 durch das optische Element 162 zeigt. Die Gesamtheit dieser Lichtaustrittsflächen bildet die lichtemittierende Fläche 100. Die lichtemittierende Fläche 100 braucht mithin auch nicht unbedingt zusammenhängend ausgebildet zu sein. Vorzugsweise bilden die Lichtaustrittsflächen aber die Lichtquellenebene 105 aus. Der Weg der Strahlung 300 in 16 verdeutlicht noch einmal, wie durch eine Vergrößerung der Lichtaustrittsfläche gegenüber der Lichteintrittsfläche (durch einen Taper) der Abstrahlwinkel gegenüber 90° (unter Erhalt der Etendue) verkleinert werden kann.
In 17 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Lichtquelleneinheit 120 gezeigt. Hierbei ist ein der Lichtquelle 150 bzw. jeweils jeder Einzellichtquelle 154 gegenüberliegendes optisches Element 163 vorgesehen, das als Linse ausgebildet ist. Linsen könne insbesondere als individuelle Primäroptik für ein Array von Emittern (Einzellichtquellen 150, UV-LEDs, UV-C-LEDs) verwendet werden. Anhand der Linsen kann ebenfalls ein verringerter Abstrahlwinkel erzielt werden, wie dem Gang der Strahlung in 17 zu entnehmen ist. Die individuelle Lichtaustrittsfläche ist hierbei gekrümmt. Die aus der Vielzahl von einzelnen Linsen zusammengesetzte Fläche bildet allerdings im Ergebnis durch ihre Anordnung eine Ebene aus, die hierin als Lichtquellenebene 105 bezeichnet wird. Liegt überhaupt nur eine einzige Linse als optisches Element 163 vor, so wird die Lichtquellenebene 105 durch eine zur entsprechenden optischen Achse senkrechte Ebene festgelegt, die an der Lichtaustrittsfläche der Linse anliegt.
Anstelle der oben rein beispielhaft vorgestellten optischen Elemente 161 und 162 können auch Vielzahlen einzelner lichtleitender Stäbe als optische Elemente dienen (nicht gezeigt).
In den 18 und 19 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Lichtquelleneinheit 120 mit einem optischen Element 164 dargestellt, das als ein Licht absorbierender Ring ausgebildet ist, der z.B. aus einem Metall wie Aluminium oder Stahl mit einem inneren Loch gebildet ist. Statt der Eigenschaft, Licht zu absorbieren, kann der Rand auch zur Innenseite hin reflektierend beschichtet sein, wobei die innere Randfläche ggf. konisch ausgebildet sein kann, um den Abstrahlwinkel zu verringern. Der Zweck des absorbierenden Rings besteht darin, die Winkel der austretenden Strahlung 300 an die gegenüber der Lichtquellenebene 105 von Seiten des Reflektors 200 bestehenden Anforderungen anzupassen. Es kann sich auch um ein absorbierendes Rechteckrohr handeln. Die Sicherheit der Vorrichtung insgesamt kann durch solche absorbierenden Elemente verbessert werden, indem horizontal austretende Strahlung vermieden wird. Wie beschrieben können die optische Elemente 161, 162, 163 und/oder 164 auch kombiniert werden, z. B. Stäbe oder Linsen und absorbierende Ringe.
Die 20 zeigt einen Querschnitt durch die optische Vorrichtung 10 mit Lichtquelleneinheit 120 und Reflektor 200. Die 20 zeigt dabei ein optionales Blockierelement 400, das sich rund um den Rand des Reflektors 200 herum erstreckt. Die Strahlen 311 und 312 bezeichnen in der Figur den Rand des Strahlungsfelds mit größtmöglicher Ablenkung bei der Reflektion. Das Blockierelement 400 weist im Querschnitt Abschnitte 411 und 412 auf, die sicherstellen, dass bspw. durch Fertigungstoleranzen oder Montagefehler größere Ablenkungswinkel dieser Randstrahlen 311 und 312 nicht über einen vorab festgelegten Bereich hinaus gehen, sondern durch das Blockierelement absorbiert werden. Die die Abschnitte 411 und 412 verbindende, schwach strichpunktierte Linie ist rein schematisch und nicht Teil des Querschnitts: sie soll lediglich verdeutlichen, dass das Blockierelement 400 zusammenhängend den Rand des Reflektors 200 umgeben kann.
Die 21 zeigt eine rein beispielhafte Anordnung der optischen Vorrichtung 10 mit Lichtquelleneinheit 120 und Reflektor 200 im Bereich der Raumdecke 910. Die durch die lichtemittierende Fläche 100 festgelegte Lichtquellenebene 105 erstreckt sich horizontal im Raum und parallel zur Raumdecke 910. Die Lichtquellenebene 105 weist einen Abstand 901 zur Raumdecke 910 bzw. zur darin vorab festgelegten zu bestrahlenden Oberfläche 915 auf. Eine Unterkante des Reflektors 200 bildet eine am höchsten gelegene Position für die Safe-Zone im Raum, bezeichnet in 21 durch die horizontale Fläche bzw. Linie 920. Da die Raumdecke 910 großflächig bestrahlt wird, nimmt zumindest in einem Raumbereich unterhalb der zu bestrahlenden Fläche 915 die Bestrahlungsstärke durch die reflektierte Strahlung 950 (siehe 2) mit zunehmendem Abstand 902 von der Raumdecke nicht so schnell ab. Durch die beschriebenen Aspekte und Ausführungsbeispiele ist diese aber so homogen verteilt, dass die Werte der Bestrahlungsstärke hinreichend gering ausfallen und die Safe-Zone (Linie 920) bereits nahe unter dem Reflektor festgelegt werden kann.
In 22 ist in Draufsicht das Ergebnis einer Berechnung der in 3 gezeigten Freiform zu sehen: für eine Projektion auf die zu bestrahlende Fläche 915 mit der Länge 911 in Y-Richtung von 5 m und der Breite 912 in X-Richtung von 2,5 m ist darin eine weitgehend homogene Verteilung 913 der Bestrahlungsstärke zu erkennen. Der Berechnung liegt weiter zugrunde, dass die Vorrichtung 0,5 m unterhalb der Fläche 915 an der Position (x,y) = (0,-2500 mm) liegt. Die Lichtquelle 150 hat die Abmessungen 4 x 0.5 mm. Der Abstand 199 von der Lichtquelle 150 zum Reflektor 200 beträgt 10 mm. Die Lichtquelle 150 hat eine Leistung von 1 W. Auf der rechten Seite ist in doppeltlogarithmischer Darstellung ein Histogramm der für alle Flächenelemente der Fläche 915 ermittelten Werte aufgetragen. Die Werte des Histogramms sind in Einheiten von W/mm² angegeben. Der überwiegende Teil der Flächenelemente in der Fläche 915 weist umgerechnet eine Bestrahlungsstärke von 3,51 bis 10,4 µW/cm² auf.
Es ist anzumerken, dass einer Modifikation der obigen Ausführungsbeispiel zufolge die Raumdecke 910 beziehungsweise die zu bestrahlende Fläche 915 mit einer photokatalytisch wirksamen Schicht beschichtet sein kann. Diese Schicht kann zum Beispiel Titandioxid umfassen. In diesem Fall können die oben beschriebenen Einzellichtquellen 154 durchaus auch als UV-A-LEDs oder als UV-B-LEDs ausgebildet sein, die Licht in den entsprechenden Wellenlängenbereichen emittieren. Auch Kombinationen aller genannten LED-Typen sind denkbar. Durch das von der optischen Vorrichtung eingestrahlte UV-Licht werden an der Oberfläche beispielsweise der Titandioxidschicht Radikale gebildet, welche in der Lage sind, organische Substanzen, darunter auch Keime oder Viren, zu zersetzen und gasförmige Stoffe zu oxidieren.
Die optische Vorrichtung 10 gemäß den oben gezeigten Ausführungsbeispielen kann weitere Komponenten wie etwa eine Ansteuerungselektronik (nicht gezeigt) aufweisen. Die Ansteuerelektronik kann eine dimmbare LED-Ansteuerschaltung beinhalten. Durch die Dimmfunktion kann die Vorrichtung auf eine optimal keiminaktivierende Wirkung eingestellt werden und gleichzeitig die Anforderungen an die Sicherheitszone erreichen. Da die optischen Eigenschaften der Raumdecke 910 und der Wände nicht überall gleich sind, kann durch die Ansteuerungselektronik der Treiberstrom so eingestellt werden, dass die Sicherheitsanforderungen bei der Installation noch erreicht werden.
Ferner kann die optische Vorrichtung 10 eine Kühlung (nicht gezeigt) aufweisen. Dabei ist es sinnvoll, die LEDs an einer Wärmeabführleitung zu montieren. Die Wärmeabführleitung kann die abgeführte Wärme unter oder neben den Reflektor leiten. Dadurch wird nur wenig Nutzstrahlung durch die Wärmeabführleitung, etwaige Kühlkörper oder einen entsprechenden Lüfter blockiert.
Darüber hinaus kann optische Vorrichtung 10 eine Justagemechanik aufweisen (nicht gezeigt). Mit dieser kann durch Kippen der optischen Vorrichtung 10 die Reichweite (oder die Länge 911 der zu bestrahlenden Fläche 915 in Y-Richtung) während der Installation oder später im Betrieb angepasst werden. Dies lässt sich mit Standardkomponenten (Gelenk, Arm, Gehäuse, Feststellelemente) leicht bewerkstelligen.
Außerdem können in Kombination mit der optischen Vorrichtung 10 ein oder mehrere Ventilatoren für erzwungene Konvektion vorgesehen sein. Um ein noch besseres keimtötendes Ergebnis zu erzielen, können diese Ventilatoren an geeigneten Positionen installiert werden, damit kann ein Austausch zwischen den Luftschichten in der keimtötenden Zone und den darunter liegenden Luftschichten erzwungen werden.
Ferner kann die optische Vorrichtung 10 durch den Einbau von UV-C-Sensoren oder fluoreszierenden Materialien erweitert werden, die die UV-C-Strahlung in der Sicherheitszone erkennen oder sichtbar machen. Beispielweise kann eine Rückkopplung solchermaßen vorgesehen sein, dass, wenn durch die UV-C-Sensoren ein Überschreiten eines Grenzwerts in der Safe-Zone erfasst wird, ein Signal erzeugt wird, anhand dessen die Ansteuerelektronik die Leistung (z.B. den Treiberstrom) anpasst, mit welchem die UV-C-LEDs versorgt werden. Ein Überschreiten kann z.B. von einer zusätzlichen Reflexion von Seitenwänden herrühren, oder von einem vor Installation zu gering eingeschätzten Reflexionsvermögen der Raumdecke 910, etc. Andererseits können durch die Messung über Sensoren der Degradation der UV-C-LEDs über deren Lebensdauer hinweg Rechnung getragen werden, indem die Leistung auf solche gerade noch mit der Safe-Zone verträgliche Werte nachgeregelt wird. Auch ein komplettes Abschalten mit optionalem Warnsignal ist denkbar.
Bezugszeichenliste

10: optische Vorrichtung
100: lichtemittierende Fläche der Lichtquelleneinheit 120 (Lichtaustrittsfläche des optischen Elements, falls vorhanden)
101: Breite (lichtemittierende Fläche)
102: Länge (lichtemittierende Fläche)
105: Lichtquellenebene, aufgespannt durch lichtemittierende Fläche(n) 100
120: Lichtquelleneinheit
150: Lichtquelle
151: Breite (Lichtquelle)
152: Länge (Lichtquelle)
154: Einzellichtquelle (UV-LED, UV-C-LED)
161: optisches Element (Lichtleiter, Stab, Taper)
162: optisches Element (CPC)
163: optisches Element (Linse)
164: optisches Element (Licht absorbierender Ring)
199: Abstand lichtemittierende Fläche - Reflektor
200: Reflektor, mit Freiform
201: Höhe (Reflektor)
202: Breite (Reflektor)
203: Länge (Reflekor)
300: Strahlung
311, 312: Randstrahlung (maximaler Reflexionswinkel)
400: Blockierelement
411, 412: Abschnitte (Blockierelement)
900: kartesisches Koordinatensystem (X, Y, Z)
901: Abstand zu bestrahlende Fläche - Lichtquellenebene
902: Abstand von Raumdecke (z.B. Safe-Zone)
910: Raumdecke
911: Länge (der zu bestrahlenden Fläche) in Y-Richtung
912: Breite (der zu bestrahlenden Fläche) in X-Richtung
913: Verteilung der Bestrahlungsstärke (homogen)
915: zu bestrahlende Fläche
920: Safe-Zone (Obergrenze)
950: von Fläche 915 reflektierte Strahlung
Z: Hauptabstrahlrichtung (lichtemittierende Fläche)
α, β: Winkelbereich (maximaler Abstrahlwinkel relativ zur Hauptabstrahlrichtung in XZ-Ebene)
γ, δ: Winkelbereich (maximaler Abstrahlwinkel relativ zur Hauptabstrahlrichtung in YZ-Ebene)

Claims

Optische Vorrichtung (10) für die Desinfektion oberer Luftschichten in einem Raum, umfassend: eine Lichtquelleneinheit (120), umfassend eine Lichtquelle (150) und eine lichtemittierende Fläche (100), die eine Lichtquellenebene (105) festlegt und eingerichtet ist, Strahlung (300) in einem UV-Wellenlängenbereich abzugeben, wobei die lichtemittierende Fläche (100) eingerichtet ist, die Strahlung (300) aus der Lichtquelleneinheit (120) in einem Winkelbereich (a, β, γ, δ) relativ zu einer Hautabstrahlrichtung (Z) abzugeben, die in Bezug auf die Lichtquellenebene (105) senkrecht steht; einen Reflektor (200), der in einem in der Hautabstrahlrichtung (Z) vorbestimmten Abstand (199) von der lichtemittierenden Fläche (100) angeordnet ist und die von der lichtemittierenden Fläche (100) abgegebene Strahlung (300) empfängt und zumindest entgegen der Hauptabstrahlrichtung (Z) reflektiert, wobei der Reflektor (200) eine Freiform aufweist, die derart ausgelegt ist, dass die von dem Reflektor (200) reflektierte Strahlung (300) auf eine in dem Raum festgelegte, zu bestrahlende Fläche (915) geworfen wird, die sich entgegen der Hauptabstrahlrichtung (Z) vom Reflektor (200) aus betrachtet jenseits der Lichtquellenebene (105) erstreckt, wobei eine Verteilung der Bestrahlungsstärke der vom Reflektor (200) auf die Fläche geworfenen Strahlung (300) innerhalb der Fläche im Wesentlichen homogen ist.
Optische Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 1, wobei die Lichtquelle (150) eine oder mehrere Einzellichtquellen (154), insbesondere UV-LEDs, bevorzugt UV-C-LEDs umfasst.
Optische Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 2, wobei die Lichtquelleneinheit (120) ein optisches Element (161, 163, 164) oder mehrere optische Elemente (162) umfasst, das beziehungsweise die der einen oder den mehreren UV-LEDs zugeordnet ist beziehungsweise sind, wobei die lichtemittierende Fläche (100) durch das eine oder die mehreren optischen Elemente (161, 162, 163, 164) ausgebildet wird.
Optische Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 3, wobei das eine optische Element (161) oder die mehreren optische Elemente (162) durch einen sich von der Lichtquelle (150) ausgehend im Querschnitt zunehmenden Lichtleiter nach Art eines Tapers ausgebildet wird beziehungsweise werden.
Optische Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 3, wobei das eine optische Element (163) oder die mehreren optischen Elemente eine Linse umfassen beziehungsweise umfassen.
Optische Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 3, wobei das optische Element (164) einen Licht absorbierenden Ring umfasst, welcher einen mittleren Bereich mit der lichtemittierenden Fläche (100) umschließt.
Optische Vorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die lichtemittierende Fläche (100) eine Länge (102) in einer zu der Hauptabstrahlrichtung (Z) senkrechten ersten Richtung (X) und eine Breite (101) in einer zu der Hauptabstrahlrichtung (Z) senkrechten zweiten Richtung (Y) besitzt, die zusammen die Quellenebene (105) aufspannen, wobei die Länge (102) größer als die Breite (101) ist.
Optische Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 7, wobei die Länge (102) der lichtemittierenden Fläche (100) in der ersten Richtung (X) 16 mm oder weniger beträgt, vorzugsweise 8 mm oder weniger, weiter bevorzugt 4 mm oder weniger, und/oder die Breite (101) der lichtemittierenden Fläche (100) in der ersten Richtung (Y) 2 mm oder weniger beträgt, vorzugsweise 1 mm oder weniger, weiter bevorzugt 0,5 mm oder weniger.
Optische Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 7 oder 8, wobei ein Aspektverhältnis der Länge (102) gegenüber der Breite (101) 32 oder weniger, bevorzugt 16 oder weniger, weiter bevorzugt 12 oder weniger beträgt, und/oder wobei ein Aspektverhältnis der Länge (102) gegenüber der Breite (101) 2 oder mehr beträgt, vorzugsweise 4 oder mehr, weiter bevorzugt 6 oder mehr.
Optische Vorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei das eine oder die mehreren optischen Elemente (161, 162, 163, 164) und die lichtemittierende Fläche (100) eingerichtet sind, Strahlung (300) in einem ersten Winkelbereich (a, β) relativ zur Hautabstrahlrichtung (Z) innerhalb einer durch die erste Richtung (X) und die Hautabstrahlrichtung (Z) aufgespannten Ebene abzugeben, wobei ein maximaler Winkel des ersten Winkelbereichs (α, β) 30° oder mehr, vorzugsweise 45° oder mehr, und 90° oder weniger, vorzugsweise 85° oder weniger beträgt.
Optische Vorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei das eine oder die mehreren optischen Elemente (161, 162, 163, 164) und die lichtemittierende Fläche (100) eingerichtet sind, Strahlung (300) in einem zweiten Winkelbereich (γ, δ) relativ zur Hautabstrahlrichtung (Z) innerhalb einer durch die zweite Richtung (Y) und die Hautabstrahlrichtung (Z) aufgespannten Ebene abzugeben, wobei ein maximaler Winkel des zweiten Winkelbereichs (γ, δ) 30° oder mehr, vorzugsweise 45° oder mehr, und 90° oder weniger, vorzugsweise 70° oder weniger beträgt.
Optische Vorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der vorbestimmte Abstand (199) zwischen der der lichtemittierenden Fläche (100) und dem Reflektor (200) in der Hautabstrahlrichtung (Z) 20 mm oder weniger beträgt, vorzugsweise 10 mm oder weniger, und 2 mm oder mehr beträgt, bevorzugt 4 mm oder mehr.
Optische Vorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Freiform des Reflektors (200) so ausgelegt ist, dass sich die mit homogener Verteilung der Bestrahlungsstärke zu bestrahlende Fläche (915) im Wesentlichen in einer zweiten Richtung (Y) senkrecht zu der Hauptabstrahlrichtung (Z) ausgehend von einer Achse erstreckt, die sich entlang der Hauptabstrahlrichtung (Z) durch die lichtemittierende Fläche (100) erstreckt.
Optische Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 13, wobei sich die zu bestrahlende Fläche (915) im Wesentlichen parallel zu der Lichtquellenebene (105) erstreckt, und - ein Verhältnis zwischen der Länge in der zweiten Richtung (Y) und einem Abstand der zu bestrahlenden Fläche (915) von der Lichtquellenebene (105) von 15 oder weniger, vorzugsweise 10 der weniger, und 2,5 oder mehr, bevorzugt 5 oder mehr beträgt, und/oder - ein Verhältnis zwischen der Breite in der ersten Richtung (X) und dem Abstand der zu bestrahlenden Fläche (915) von der Lichtquellenebene (105) von 15 oder weniger, vorzugsweise 10 m oder weniger, und 2,5 oder mehr, bevorzugt 5 oder mehr beträgt.
Optische Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 13 oder 14, wobei die Freiform des Reflektors (200) spiegelsymmetrisch in Bezug auf eine Ebene ausgebildet ist, die durch die Hauptabstrahlrichtung (Z) und die zweite Richtung (X) aufgespannt wird, und bevorzugt: - eine Höhe (201) in der Hauptabstrahlrichtung (Z) in einem Bereich von 15 mm bis 90 mm besitzt; - eine Breite (202) in der ersten Richtung (X) in einem Bereich von 40 mm bis 180 mm besitzt; - eine Länge (203) in der zweiten Richtung (Y) in einem Bereich von 50 mm bis 250 mm besitzt.
Optische Vorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, ferner umfassend: ein Blockierelement (400), das Strahlung (300) absorbiert oder reflektiert, die aufgrund ihres Abstrahlungswinkels ausgehend von der lichtemittierenden Fläche (100) über einen Rand der Freiform des Reflektors (200) hinausgeht.
Optische Vorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei die Lichtquelle (150) eine oder mehrere Einzellichtquellen (154) umfasst, die eingerichtet sind, Licht im UV-A-Wellenlängenbereich oder im UV-B-Wellenlängenbereich zu emittieren, wobei die zu bestrahlende Fläche (915) mit einer in Verbindung mit Photokatalyse wirksamen Schicht beschichtet ist, insbesondere mit Titandioxid.