DE112013005281T5

DE112013005281T5 - Optisches Element mit einem TIR-Flächenabschnitt für verbesserte räumliche Lichtverteilung

Info

Publication number: DE112013005281T5
Application number: DE112013005281.4T
Authority: DE
Inventors: Haifeng Zhang; Yuanijing Peng
Original assignee: Koninklijke Philips NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2012-11-05
Filing date: 2013-10-30
Publication date: 2015-08-13
Also published as: DE202013012202U1; CN204964862U; WO2014068497A1

Abstract

Diese Erfindung bezieht sich auf ein optisches Element (7; 21) zum Modifizieren einer räumlichen Verteilung von durch eine Lichtquelle (4) emittiertem Licht. Das optische Element weist eine Lichteingangsfläche (17; 27) zum Empfang von durch die Lichtquelle (4) emittiertem Licht auf, wobei die Lichteingangsfläche (17; 27) einen Hohlraum (16) im optischen Element (7; 21) zur Aufnahme der Lichtquelle (4) definiert. Das optische Element weist weiter eine Lichtausgangsfläche (9; 22) zur Aussendung eines langgestreckten Lichtstrahls (10) auf. Die Lichtausgangsfläche (9; 22) weist einen ersten Flächenabschnitt interner Totalreflexion (12; 23) auf, der so ausgebildet ist, dass er von der Lichteingangsfläche (17; 27) kommendes Licht empfängt. Der erste Flächenabschnitt interner Totalreflexion (12; 23) ist so geformt, dass er mindestens einen Teil des Lichts zur Ebene parallel zur Tragefläche (8; 25) durch interne Totalreflexion reflektiert.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein optisches Element zum Modifizieren einer räumlichen Verteilung von durch eine auf einem Träger montierte Lichtquelle emittiertem Licht zur Bereitstellung eines langgestreckten Lichtstrahls. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Beleuchtungssystem und auf eine Lichtausgabeeinrichtung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Im Interesse der Sicherheit von Fahrern von Motorfahrzeugen und Fußgängern etc. werden Straßen nachts oft durch Straßenbeleuchtung beleuchtet.
Bei der Straßenbeleuchtung besteht eine der Anforderungen darin, eine selektive Beleuchtung zu erreichen, d.h. die Straße und nicht die umgebenden Bereiche zu beleuchten. Dies kann durch Nutzung optischer Elemente wie Reflektoren und/oder Linsen bewerkstelligt werden. Dies ermöglicht eine effizientere Energienutzung, da der Abstand zwischen benachbarten Straßenlampen erhöht werden kann, ohne die gewünschte Beleuchtung zu verlieren. Weiterhin werden bei einer Erhöhung des Abstandes weniger Straßenlampen benötigt, und daher verringern sich auch die Installations- und Wartungskosten.
Jedoch benötigen herkömmliche Beleuchtungstechnologien, wie z.B. etwa Entladungslampen, für jede Lampe eine große Energiemenge, um die Straße zwischen den Lampen zu erhellen, insbesondere wenn der Abstand zwischen benachbarten Lampen erhöht wird. Darüber hinaus benötigen sie häufige Wartung.
In letzter Zeit wurden Festkörper-Lichtquellen, wie etwa lichtemittierende Dioden (LEDs) in Anwendungen der Straßenbeleuchtung eingesetzt. Beispielsweise beschreibt die WO 2012/080889 A1 eine Straßenbeleuchtung, welche eine Anordnung von LEDs und eine Anordnung von optischen Elementen aufweist, wobei jedes optische Element vor jeweils einer LED angeordnet ist.
Jedes der optischen Elemente gemäß der WO 2012/080889 A1 modifiziert die räumliche Verteilung des durch die entsprechende LED emittierten Lichts, um ein langgestrecktes Beleuchtungsmuster auf der Straße bereitzustellen. Dies ermöglicht einen erhöhten Abstand zwischen Straßenlampen.
Es ist jedoch wünschenswert, die räumliche Verteilung des Lichts weiter zu verbessern und ein verbessertes Beleuchtungsmuster bei der LED-basierten Straßenbeleuchtung bereitzustellen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Im Hinblick auf das oben Gesagte, ist es eine allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes optisches Element bereitzustellen, welches für eine verbesserte räumliche Verteilung von Licht sorgt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird daher ein optisches Element zum Modifizieren einer räumlichen Verteilung von durch eine Lichtquelle emittiertem Licht zur Bereitstellung eines langgestreckten Lichtstrahls, der in eine erste Richtung langgestreckt ist, bereitgestellt, wobei das optische Element aufweist: eine Tragefläche zum Tragen des optischen Elements auf einem Träger, eine Lichteingangsfläche zum Empfangen von durch die Lichtquelle emittiertem Licht, wobei die Lichteingangsfläche einen Hohlraum in dem optischen Element zur Aufnahme der Lichtquelle definiert, eine Lichtausgangsfläche zum Emittieren des langgestreckten Lichtstrahls, folgend auf eine erste Brechung an der Lichteingangsfläche und eine zweite Brechung an der Lichtausgangsfläche, wobei die Lichtausgangsfläche mindestens einen ersten Flächenabschnitt interner Totalreflexion aufweist, der so ausgebildet ist, dass er von der Lichteingangsfläche in einer zweiten Richtung senkrecht zur ersten Richtung kommendes und von einer Ebene parallel zur Tragefläche um einen kleineren Winkel als 45° abweichendes Licht empfängt, wobei der erste Flächenabschnitt interner Totalreflexion so gestaltet ist, dass er mindestens einen Teil des Lichts zur Ebene parallel zur Tragefläche durch interne Totalreflexion reflektiert.
Die Lichtquelle kann vorteilhafterweise eine sogenannte Festkörper-Lichtquelle sein, welche eine Lichtquelle ist, bei der Licht durch Rekombination von Elektronen und Löchern erzeugt wird. Beispiele solcher Festkörper-Lichtquellen sind lichtemittierende Dioden (LEDs) und Halbleiterlaser.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass der Anteil an „nützlicher“ Beleuchtung durch Bereitstellen eines optischen Elements erhöht werden kann, welches Lichtstrahlen, die ansonsten in eine unerwünschte Richtung ausgesandt würden, zurück zur Tragefläche richtet, so dass dieses Licht „recycelt“ werden kann. Beispielsweise kann das so durch das optische Element zurückgeworfene Licht durch einen streuenden Reflektor reflektiert werden und danach in das optische Element unter günstigeren Richtungen eintreten. Beispielsweise kann die Lichtquelle auf einem Träger montiert sein, welcher eine diffus reflektierende obere Oberfläche hat. Nach Reflexion an einem solchen streuenden Reflektor können „recycelte“ Lichtstrahlen zur „nützlichen“ Beleuchtung beitragen.
Die Erfinder haben weiter erkannt, dass die oben erwähnte Ausrichtung von Lichtstrahlen zum Träger hin bequem und effizient durch interne Totalreflexion durch einen geeignet geformten Abschnitt einer Lichtausgangsfläche des optischen Elements erreicht werden kann.
Durch Erhöhung des Anteils „nützlicher“ Beleuchtung, d.h. von Licht, welches ansonsten die beabsichtigte Beleuchtungsfläche nicht erreichen würde, kann der Energieverbrauch einer Energieausgabeeinrichtung, die das optische Element aufweist, verringert werden, während noch der gleiche Betrag an „nützlicher“ Beleuchtung bereitgestellt wird.
Da die erste TIR-Fläche bzw. -Oberfläche so ausgebildet bzw. angeordnet ist, dass sie Licht in einer zweiten Richtung empfängt, die von einer Ebene parallel zur Tragefläche (etwa eine Oberfläche des Trägers, wenn das optische Element so ausgebildet ist, dass es eine auf einem Träger angeordnete Lichtquelle aufnimmt) um einen kleineren Winkel als 45 Grad abweicht, ist der erste TIR-Oberflächenabschnitt so angeordnet bzw. ausgebildet, dass er Lichtstrahlen empfängt, die von der Lichtquelle unter kleinen Winkeln bezüglich der Tragefläche emittiert werden. Dies bedeutet, dass „divergierendes“ Licht, welches ansonsten das optische Element in einer unerwünschten Richtung verlassen würde, am TIR-Oberflächenabschnitt „eingefangen“ und zum Träger zurückgerichtet werden kann.
Das optische Element kann aus einem optischen Material hergestellt werden, welches einen größeren Brechungsindex als 1 hat. Beispiele geeigneter optischer Materialien sind Poly(Methylmethacrylat) (PMMA) oder Polycarbonat (PC), es könnten aber auch viele andere Materialien benutzt werden, beispielsweise Glas.
Der erste TIR-Oberflächenabschnitt kann vorteilhafterweise einen Oberflächenabschnitt mit einem Krümmungszentrum aufweisen, welches sich von einem Krümmungszentrum benachbarter Oberflächenabschnitte der Lichtausgangsfläche außerhalb der ersten Fläche interner Totalreflexion unterscheidet.
Mit anderen Worten, in jedem Querschnitt des optischen Elements, der eine Verbindung zwischen dem ersten TIR-Flächenabschnitt und einem anderen Abschnitt der Lichtausgabefläche aufweist, hat eine die Umrisslinie des Querschnitts definierende Kurve einen Unterbrechungspunkt an der Verbindung, so dass die Umrisskurve an der Verbindung diskontinuierlich bzw. unterbrochen ist.
Vorteilhafterweise kann das optische Element eine Symmetrieebene haben, die den ersten TIR-Flächenabschnitt schneidet.
Dies kann vorteilhaft beispielsweise der Fall eines divergenten Abschnitts sein, der Teil der Symmetrieebene ist, wobei in diesem Fall die divergierenden Lichtstrahlen durch den TIR-Flächenabschnitt gesammelt und zum Träger zurückreflektiert werden können.
Ein Querschnitt des TIR-Flächenabschnitts ist bezüglich der Symmetrieebene durch eine Bézier-Kurve definiert.
Eine Bézier-Kurve ist eine Kurve, die durch drei Punkte definiert werden kann und eine effiziente Weise der Steuerung einer Krümmung darstellt. Durch Definieren des Querschnitts des ersten Flächenabschnitts interner Totalreflexion unter Nutzung einer Bézier-Kurve kann das Design des optischen Elements erleichtert werden.
Die Lichtausgangsfläche kann weiter vorteilhaft einen zweiten TIR-Flächenabschnitt aufweisen, wobei der zweite TIR-Flächenabschnitt gegenüber dem ersten TIR-Flächenabschnitt bezüglich des Hohlraums des optischen Elements angeordnet ist, derart, dass der zweite TIR-Flächenabschnitt durch die Symmetrieebene des optischen Elements geschnitten wird.
Um das Auftreten von „zu den Seiten“ emittiertem Streulicht weiter zu reduzieren, kann das optische Element zusätzlich einen zweiten TIR-Flächenabschnitt aufweisen. Beispielsweise kann mit dem zusätzlichen TIR-Flächenabschnitt, der gegenüber dem ersten TIR-Flächenabschnitt angeordnet ist, der emittierte Lichtstrahl längs der Dimension zwischen den beiden TIR-Flächenabschnitten schmaler gemacht werden.
In einer Ausführungsform, die eine zweite TIR-Fläche ähnlich zur ersten TIR-Fläche hat, könnte das optische Element dieser Ausführungsform zwei zueinander senkrechter Symmetrieebenen haben.
Vorteilhafterweise kann die Lichteingangsfläche einen Brechungs-Flächenabschnitt aufweisen, der auf solche Weise konfiguriert ist, dass ein Winkel zwischen einer Tangente an den Oberflächenabschnitt und der Ebene parallel zur Tragefläche mindestens 40° ist.
Der Brechungs-Flächenabschnitt ist so ausgebildet, dass Lichtstrahlen durch den Brechungs-Flächenabschnitt gebrochen werden können, bevor sie den TIR-Flächenabschnitt erreichen. Die brechende Oberfläche bricht Lichtstrahlen auf solche Weise, dass der Einfallswinkel der Lichtstrahlen, wenn sie die TIR-Fläche erreichen, groß ist. Wenn der Winkel zwischen einer Tangente an den Brechungs-Flächenabschnitt und einer Ebene parallel zur Tragefläche mindestens 40° ist, kann der TIR-Flächenabschnitt der Lichtausgangsfläche das Licht effizient zurück zum Träger reflektieren.
Weiterhin kann der Brechungs-Flächenabschnitt der Lichteingangsfläche vorteilhafterweise eben sein. Jedoch kann der Brechungs-Flächenabschnitt weiterhin auch ein gekrümmter Flächenabschnitt sein, solange eine Tangente an den Oberflächenabschnitt die Bedingung erfüllt, dass ein Winkel von mindestens 40° mit einer Ebene parallel zur Tragefläche vorliegt.
Der Brechungs-Flächenabschnitt ist benachbart zum TIR-Flächenabschnitt der Lichtausgangsfläche angeordnet, derart, dass Lichtstrahlen durch den Brechungs-Flächenabschnitt gebrochen werden können, bevor sie den TIR-Flächenabschnitt erreichen. In der Symmetrieebene sind der Brechungs-Flächenabschnitt und der TIR-Flächenabschnitt „auf der gleichen Seite“ bezüglich des Hohlraums angeordnet.
Die Lichtausgangsfläche kann vorteilhafterweise einen Oberflächenabschnitt aufweisen, der durch ein Zernike-Polynom definiert ist.
Mit anderen Worten, ein Flächenabschnitt benachbart zum TIR-Flächenabschnitt kann durch ein Zernike-Polynom definiert sein. Zernike-Polynome werden üblicherweise benutzt, um optische Aberrationen zu beschreiben, und sind daher nützlich, wenn Optik mit hoher Präzision zu entwerfen ist. Ein durch Zernike-Polynome definierter Flächenabschnitt bildet eine gekrümmte Oberfläche.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Lichtausgangsfläche vorteilhafterweise zwei konvergente Oberflächenabschnitte aufweisen, die durch einen divergenten Oberflächenabschnitt überbrückt bzw. verbunden sind. Diese Konfiguration liefert eine „erdnussförmige“ Oberfläche und ist effizient beim Sammeln von emittierten Lichtstrahlen in eine langgestreckte Gestalt, wobei die lange Erstreckung in einer ersten Richtung längs der Längsachse der „erdnussförmigen“ Oberfläche ist.
Vorteilhafterweise kann die TIR-Oberfläche benachbart zum divergenten Oberflächenabschnitt angeordnet sein.
Mit anderen Worten, die TIR-Fläche kann auf dem schmalen Abschnitt in der Mitte der „Erdnuss“ angeordnet sein. Durch Anordnen des TIR-Flächenabschnitts benachbart zum divergenten Abschnitt, können die in Richtung des TIR-Flächenabschnitts divergierenden Lichtstrahlen in effizienter Weise zum Träger zurückgeworfen werden.
Eine Mehrzahl optischer Elemente gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann weiterhin vorteilhafterweise in einer regelmäßigen Anordnung bzw. einem Array angeordnet sein, um eine optische Anordnung zu bilden. Eine solche optische Anordnung kann unterschiedliche optische Elemente aufweisen, oder alle optischen Elemente in der optischen Anordnung können im Wesentlichen identisch sein.
Die optischen Elemente einer solchen Anordnung können so angeordnet sein, dass das emittierte Licht aller optischen Elemente einen zusammengesetzten gleichförmigen Ausgangs-Lichtstrahl mit hoher Intensität bildet.
Vorteilhafterweise kann die Mehrzahl der optischen Elemente in der optischen Anordnung integral einstückig gebildet sein.
Die einstückige Ausführung der Anordnung erleichtert die Wartung eines Finalprodukts signifikant. Weiterhin kann eine Massenproduktion einer Einrichtung, welche die optischen Elemente aufweist, effizienter mit höherem Durchsatz ausgeführt werden, wenn die Elemente integral einstückig gebildet sind.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird weiter eine Beleuchtungseinrichtung bereitgestellt, welche aufweist: eine Mehrzahl von Lichtquellen, die auf einem Träger montiert sind, und die oben erwähnte optische Anordnung, die auf dem Träger auf solche Weise angeordnet ist, dass jede der Lichtquellen in dem Hohlraum eines entsprechenden der optischen Elemente, die in der optischen Anordnung enthalten sind, aufgenommen ist, wobei der Träger ein streuend reflektierender Träger ist.
Der Träger der Beleuchtungseinrichtung, auf dem die Lichtquellen montiert sind, weist eine streuend reflektierende Fläche auf, um das von der TIR-Fläche zurückkehrende Licht (diffus) zu reflektieren und hierdurch zu „recyceln“.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Leuchtkörper bereitgestellt, welcher eine Befestigung und die an der Befestigung angebrachte Beleuchtungseinrichtung aufweist.
Beispielsweise kann die Befestigung ein Pfosten bzw. Mast sein, der den Leuchtkörper für die Wege- oder Straßenbeleuchtung geeignet macht. Es kann weiterhin ein kleiner Pfosten sein, der den Leuchtkörper geeignet für die Beleuchtung von Bürgersteigen, Wanderwegen, zur Gartenbeleuchtung oder Beleuchtung von Parks macht. Die Befestigung kann auch die Decke eines Tunnels sein, derart, dass der Leuchtkörper zur Beleuchtung des Tunnels genutzt werden kann, oder eine andere Decke. Weiterhin kann eine Wand eine Befestigung sein, so dass der Leuchtkörper an der Wand angebracht sein kann, um Tunnel zu beleuchten, oder sogar zur Innenraumbeleuchtung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und andere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die anhängenden Zeichnungen, die beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung zeigen, näher beschrieben, wobei:
1 einen Leuchtkörper darstellt, der eine Beleuchtungseinrichtung und einen Mast aufweist;
2 eine beispielhafte Ausführungsform einer Beleuchtungseinrichtung zeigt, die optische Elemente gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist;
3 eine Explosionsdarstellung eines optischen Elements gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und einer auf einem Träger montierten lichtemittierenden Diode ist;
4 eine Querschnittsdarstellung des optischen Elements gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und einer auf einem Träger montierten lichtemittierenden Diode ist;
5 ein optisches Element gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
6 eine Querschnittsdarstellung der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, montiert auf einem Träger, ist; und
7 schematisch eine weitere beispielhafte Ausführungsform des optischen Elements gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, welches zwei TIR-Flächenabschnitte hat.
BESCHREIBUNG EINER BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORM DER
VORLIEGENDEN ERFINDUNG
In der nachfolgenden Beschreibung wird die vorliegende Erfindung hauptsächlich unter Bezugnahme auf eine Straßenbeleuchtungs-Anwendung mit optischen Elementen beschrieben, welche zur Beleuchtung einer Straße an einer Platte angeordnet ist, die an einem Mast befestigt ist.
Es sollte jedoch beachtet werden, dass dies in keiner Weise den Schutzbereich der Erfindung beschränkt, welche gleichermaßen für andere Anwendungen geeignet ist, wie die Beleuchtung von Bürgersteigen, Parks, Gärten etc.
1 illustriert eine beispielhafte Anwendung für Ausführungsformen des optischen Elements gemäß der vorliegenden Erfindung in Form eines Leuchtkörpers 1, der eine Befestigung 2 und eine Beleuchtungseinrichtung 3 aufweist, die an der Befestigung 2 angebracht ist. In dieser Ausführungsform kann die Anwendung eine solche zur Beleuchtung beispielsweise einer Straße oder eines Bürgersteigs sein.
2 stellt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Form einer Beleuchtungseinrichtung 3 dar, die eine Mehrzahl von Festkörper-Lichtquellen aufweist, hier vorgesehen in Form lichtemittierender Dioden (LEDs) 4, montiert auf einen Träger 5. Eine optische Anordnung bzw. Baugruppe 6 ist auf dem Träger 5 derart angeordnet, dass jede der LEDs 4 im Hohlraum eines entsprechenden der optischen Elemente 7 der optischen Anordnung 6 untergebracht ist. Auf diese Weise können die optischen Elemente das durch die LEDs emittierte Licht modifizieren. Der Träger 5 dieser Ausführungsform ist ein streuend reflektierender Träger, der dazu dient, Lichtstrahlen bzw. -bündel zu „recyceln“, die durch die TIR-Fläche (siehe 4) des optischen Elements reflektiert werden. Die Beleuchtungseinrichtung kann an einer Befestigung 4, etwa einem Mast bzw. Pfosten zur Beleuchtung beispielsweise einer Straße, montiert sein.
In einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung, wie in 2 illustriert, weist die optische Anordnung 16 optische Elemente mit korrespondierenden LEDs auf. Die optischen Elemente sind derart angeordnet, dass emittierte Licht in effizienter Weise einen gleichförmigen zusammengesetzten Lichtstrahl mit hoher Intensität und geringem Energieverbrauch erzeugt. Wenn eine solche Beleuchtungseinrichtung auf einem Mast zur Straßenbeleuchtung montiert ist, kann sie einen Abstand/Höhe von 8/1 erreichen, wobei der Abstand die Strecke zwischen benachbarten Lampenmasten und die Höhe die Höhe des Masts sind.
3 ist eine Explosionsdarstellung einer beispielhaften Ausführungsform eines optischen Elements 7, welches an einem Träger 5 zum Tragen des optischen Elements 7 auf der Tragefläche 8 montiert ist. Eine LED 4 ist in einem durch das optische Element 7 und den Träger 5 gebildeten Hohlraum, wenn das optische Element 7 auf dem Träger 5 angeordnet ist, angeordnet. (Der Hohlraum wird detaillierter unter Bezugnahme auf 4 erläutert.) Es gibt eine Lichtausgangsfläche 9 zur Aussendung eines langgestreckten Lichtstrahls 10, der längs einer ersten Richtung 11 langgestreckt ist. Die Lichtausgangsfläche 9 weist mindestens einen ersten TIR-Flächenabschnitt 12 auf, der dazu ausgebildet ist, von der Lichteingangsfläche (gezeigt in 4) in einer zweiten Richtung 13 senkrecht zur ersten Richtung 11 kommendes Licht zu empfangen.
In der in 3 gezeigten Ausführungsform weist die Lichtausgangsfläche 9 zwei konvergente Oberflächenabschnitte 14 auf, die durch einen divergenten Oberflächenabschnitt 15 miteinander verbunden sind, und einen benachbart zum divergenten Oberflächenabschnitt 15 angeordneten ersten TIR-Oberflächenabschnitt 12. Diese Konfiguration liefert eine „erdnussförmige“ Lichtausgangsfläche. Die beiden konvergierenden Oberflächenabschnitte 14 sind längs einer ersten Richtung 11 verteilt, welches dazu führt, dass der emittierte Lichtstrahl 10 in die erste Richtung 11 langgestreckt ist, wie in 3 angegeben. Der überbrückende divergente Oberflächenabschnitt breitet das emittierte Licht von der divergenten Oberfläche zu dem konvergenten Oberflächenabschnitt hin aus. Der TIR-Flächenabschnitt 12 ist benachbart zum divergenten Flächenabschnitt 15 und derart angeordnet bzw. ausgebildet, dass in einer zweiten Richtung 13, senkrecht zur ersten Richtung 11, emittiertes Licht, welches innerhalb eines Winkels von weniger als 45 Grad mit einer Ebene parallel zur Tragefläche 8 liegt, zum Träger 5 hin total reflektiert werden kann. Auf diese Weise kann mit dem TIR-Flächenabschnitt 12 das ansonsten durch die LED emittierte „nutzlose“ Licht zum Träger zurückreflektiert und „recycelt“ werden. In einigen Ausführungsformen kann der Winkel in vorteilhafter Weise kleiner als 35° oder 25° sein, um den langgestreckten Lichtstrahl 10 ein wenig breiter zu haben.
4 ist eine Querschnittsdarstellung des optischen Elements 7, montiert auf einem Träger 5 zum Tragen des optischen Elements 7 auf der Tragefläche 8 und zum Tragen einer LED 4, wie in 3 gezeigt. Der Querschnitt ist in der Symmetrieebene, welche den ersten TIR-Flächenabschnitt 12 längs der zweiten Richtung 13 schneidet. Wie in 4 zu erkennen, ist der Hohlraum 16, der die LED 4 beherbergt, durch eine Lichteingangsfläche 17 definiert, die einen ebenen Brechungs-Flächenabschnitt 18 aufweist. Der ebene Brechungs-Flächenabschnitt ist so angeordnet, dass ein Winkel von mindestens 40° zwischen dem ebenen Brechungs-Flächenabschnitt und einer Ebene parallel zur Tragefläche 8 des optischen Elements 7 gebildet ist. Die obere Oberfläche 19 des Trägers 5 ist eine solche Ebene parallel zur Tragefläche 8 des optischen Elements.
In 4 ist ein beispielhafter Lichtweg 20 eines Lichtstrahls angegeben. Der beispielhafte Lichtstrahl wird durch die LED 4 emittiert und pflanzt sich zur Lichteingangsfläche 17 in Richtung des ebenen Brechungs-Flächenabschnitts 18 fort. Die Lichteingangsfläche 17 empfängt den Lichtstrahl 20 an der ebenen Brechungsfläche 18, und der Lichtstrahl wird an der ebenen Brechungsfläche 18 gebrochen. Nach der Brechung an der Brechungsfläche 18 gibt es eine Lichtausgangsfläche 9 zur Aussendung des Lichtstrahls nach einer zweiten Brechung an der Lichtausgangsfläche 9. Der Lichtweg 20 des Lichtstrahls in 4 erreicht nach der ersten Brechung an der ebenen Brechungsfläche 18 den TIR-Flächenabschnitt 12, der so ausgebildet ist, dass er von der Lichteingangsfläche 17 in die zweite Richtung 13 senkrecht zur erste Richtung 11 sich ausbreitendes Licht, welches von einer Ebene parallel zur Tragefläche 8 um einen kleineren Winkel als 45° abweicht, empfängt. Der TIR-Flächenabschnitt ist so geformt, dass er mindestens einen Teil des Lichts zur Ebene parallel zur Tragefläche 8 durch interne Totalreflexion reflektiert. Daher pflanzt sich, wie durch den beispielhaften Lichtweg 20 gezeigt, der Lichtstrahl nach der internen Totalreflexion an dem TIR-Flächenabschnitt 12 zum Träger 5 hin fort. Der Träger ist derart, dass Licht an der Oberfläche reflektiert wird, wie in 4 angezeigt, und daher recycelt werden kann.
Die in 4 gezeigte Ausführungsform weist einen planaren (ebenen) Brechungs-Flächenabschnitt 18 auf. Die brechende Oberfläche kann in verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein gekrümmter Oberflächenabschnitt sein, vorausgesetzt, dass ein Winkel zwischen einer Tangente am Brechungs-Flächenabschnitt und der Ebene des Trägers mindestens 40° ist. Beispielsweise kann der Brechungs-Flächenabschnitt ein konvergenter Flächenabschnitt sein, der gemäß der vorliegenden Erfindung in gleicher Weise gut funktioniert.
In verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann der Querschnitt des TIR-Flächenabschnitts 12 in der Symmetrieebene durch eine Bézier-Kurve definiert sein. Die Nutzung einer Bézier-Kurve ist eine effiziente Weise zur Definition von Krümmungen. Eine Bézier-Kurve kann durch drei Punkte definiert sein, wobei drei Punkte der Kurve gegeben sind durch: P(t) = (1 – t)²*P₀ + 2t(1 – t)*P₁ + t²*P₂ (0 < * < 1), worin P₀, P₁ und P₂ die drei Punkte sind, die die Gestalt der Kurve bestimmen. Beispielsweise ist für t = 0 P(t) = P₀ und für t = 1 P(t) = P₂, das bedeutet, P₀ und P₂ am Start- und Endpunkt der Bézier-Kurve. Durch Ändern von P₁ kann die Krümmung gesteuert werden.
In verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann der Querschnitt mindestens eines Flächenabschnitts der Lichteingangsfläche 17 in der Symmetrieebene durch eine Bézier-Kurve definiert werden.
5 stellt eine alternative Ausführungsform eines optischen Elements 21 gemäß der vorliegenden Erfindung dar, welches eine Lichtausgangsfläche 22, eine ersten TIR-Flächenabschnitt 23, eine durch ein Zernike-Polynom definierte Lichtausgangsfläche 24 aufweist, wobei der TIR-Flächenabschnitt 23 benachbart zum Zernike-Lichtausgangsflächenabschnitt 24 angeordnet ist.
Zernike-Polynome werden typischerweise benutzt, um optische Aberrationen zu beschreiben, wobei unterschiedliche Ordnungen der Zernike-Polynome unterschiedliche Ordnungen an Aberration beschreiben. Die die Fläche beschreibende Funktion ist gegeben durch
worin k eine Konizitätskonstante, c die Krümmung, c_n+1 der Koeffizient von Z_n (n = 1 bis 66), Z_n das n-te Zernike-Polynom ist und
ist, worin x und y die senkrechten Abmessungen in der Ebene des Trägers 5 sind.
6 zeigt einen Querschnitt in der Symmetrieebene der in 5 gezeigten Ausführungsform der Erfindung, wobei der Querschnitt die Lichtausgangsfläche 22, die einen durch Zernike-Polynome 24 definierten Flächenabschnitt und einen ersten TIR-Flächenabschnitt 23 benachbart zum Zernike-Lichtausgangsflächenabschnitt 24 schneidet, einen das optische Element 21 auf einer Tragefläche 25, die eine LED tragen kann, stützenden Träger 5, einen benachbart zum ersten TIR-Flächenabschnitt 23 angeordneten Brechungs-Flächenabschnitt 26 und eine Lichteingangsfläche 27.
In 6 kann der Querschnitt mindestens eines Flächenabschnitts der Lichteingangsfläche 27 in der Symmetrieebene durch eine Bézier-Kurve definiert sein. Weiterhin kann der Querschnitt des TIR-Flächenabschnitts 23 in der Symmetrieebene durch eine Bézier-Kurve definiert sein.
Schließlich wird ein optisches Element 30 gemäß einer weiteren Ausführungsform unter Bezugnahme auf 7 beschrieben. Das optische Element in 7 ist ähnlich zum optischen Element 7, welches weiter oben unter Bezugnahme auf die 3 und 4 beschrieben wurde. Während das optische Element 7 in den 3 und 4 einen einzelnen TIR-Flächenabschnitt 12 hat und somit bezüglich des in 4 gezeigten Querschnitts unsymmetrisch ist, hat das optische Element 30 in 7 einen ersten und zweiten TIR-Flächenabschnitt 12, 31, um den durch das optische Element 30 geformten Lichtstrahl symmetrisch schmaler zu machen. Obgleich dies in 7 nicht ausdrücklich gezeigt ist, ist zu verstehen, dass die Lichteingangsfläche des in 7 gezeigten optischen Elements 30 vorteilhafterweise eine zusätzliche Brechungsfläche haben kann, die gegenüber dem in 4 gezeigten Brechungs-Flächenabschnitt 18 angeordnet ist, so dass auch die Lichteingangsfläche in dem in 4 gezeigten Querschnitt symmetrisch ist.
Außerdem können Abwandlungen der beschriebenen Ausführungsformen durch den Fachmann bei der Ausführung der beanspruchten Erfindung aufgrund eines Studiums der Zeichnungen, der Offenbarung und der anhängenden Ansprüche verstanden und ausgeführt werden. Beispielsweise sind die Ausführungsformen in keiner Weise darauf beschränkt, dass in jedem optischen Element eine einzelne Lichtquelle vorhanden ist, sondern es kann gleichermaßen mehr als eine Lichtquelle vorgesehen sind. Weiterhin wird die vorliegende Erfindung in Ausführungsformen beschrieben, in denen die Lichtausgangsfläche die „Erdnussform“ hat, und in einer anderen Ausführungsform mit einer Zernike-Polynom-Fläche. Die Erfindung kann jedoch gleichermaßen gut beispielsweise mit sphärischen, elliptischen, parabolischen oder anderen durch Polynome ausdrückbaren Lichtausgangsflächen funktionieren.
Die Lichteingangsfläche und der TIR-Flächenabschnitt werden in verschiedenen Ausführungsformen durch Bézier-Kurven beschrieben. Jedoch ist weder die erwähnte Ordnung „drei“ der Bézier-Kurve begrenzend, noch kann sie die Funktion der vorliegenden Erfindung begrenzen. Weiterhin kann der TIR-Oberflächenabschnitt ebenso ein ebener Oberflächenabschnitt sein.
In den Ansprüchen schließt das Wort „aufweist“ nicht andere Elemente oder Schritte aus, und der unbestimmte Artikel „ein“ oder „eine“ schließt keine Mehrzahl aus. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Maßnahmen in voneinander verschiedenen abhängigen Ansprüchen beschrieben sind, ist kein Hinweis darauf, dass nicht eine Kombination dieser Maßnahmen vorteilhaft genutzt werden kann.

Claims

Optisches Element (7; 21) zum Modifizieren einer räumlichen Verteilung von durch eine Lichtquelle (4) emittiertem Licht zur Bereitstellung eines langgestreckten Lichtstrahls (10), der in eine erste Richtung (11) langgestreckt ist, wobei das optische Element (7; 21) aufweist: eine Tragefläche (8; 25) zum Tragen des optischen Elements (7; 21) auf einem Träger (5); eine Lichteingangsfläche (17; 27) zum Empfangen von durch die Lichtquelle (4) emittiertem Licht, wobei die Lichteingangsfläche (17; 27) einen Hohlraum (16) in dem optischen Element (7; 21) zur Aufnahme der Lichtquelle (4) definiert; eine Lichtausgangsfläche (9; 22) zum Emittieren des langgestreckten Lichtstrahls (10), folgend auf eine erste Brechung an der Lichteingangsfläche (17; 27) und eine zweite Brechung an der Lichtausgangsfläche (9; 22), wobei die Lichtausgangsfläche (9; 22) mindestens einen ersten Flächenabschnitt interner Totalreflexion (12; 23) aufweist, der so ausgebildet ist, dass er von der Lichteingangsfläche (17; 27) in einer zweiten Richtung (13) senkrecht zur ersten Richtung (11) kommendes und von einer Ebene parallel zur Tragefläche (8; 25) um einen kleineren Winkel als 45 Grad abweichendes Licht empfängt, wobei der erste Flächenabschnitt interner Totalreflexion (12; 23) so gestaltet ist, dass er mindestens einen Teil des Lichts zur Ebene parallel zur Tragefläche (8; 25) durch interne Totalreflexion reflektiert.
Optisches Element (7; 21) nach Anspruch 1, wobei der erste Flächenabschnitt interner Totalreflexion (12; 23) einen Oberflächenabschnitt mit einem Krümmungszentrum aufweist, welches sich von einem Krümmungszentrum benachbarter Oberflächenabschnitte der Lichtausgangsfläche (9; 22) außerhalb der ersten Fläche interner Totalreflexion (12; 23) unterscheidet.
Optisches Element (7; 21) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das optische Element (7; 21) eine Symmetrieebene hat, die den ersten Flächenabschnitt interner Totalreflexion (12; 23) schneidet.
Optisches Element (7; 21) nach Anspruch 3, wobei ein Querschnitt des Flächenabschnitts interner Totalreflexion (12; 23) bezüglich der Symmetrieebene durch eine Bézier-Kurve definiert ist.
Optisches Element (7; 21) nach Anspruch 3, wobei die Lichtausgangsfläche (9; 22) weiter einen zweiten Flächenabschnitt interner Totalreflexion aufweist, wobei der zweite Flächenabschnitt interner Totalreflexion gegenüber dem ersten Flächenabschnitt interner Totalreflexion (12; 23) bezüglich des Hohlraums (16) des optischen Elements (7; 21) angeordnet ist, derart, dass der zweite Flächenabschnitt interner Totalreflexion durch die Symmetrieebene des optischen Elements (7; 21) geschnitten wird.
Optisches Elements nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Lichteingangsfläche (17; 27) einen Brechungs-Flächenabschnitt (18; 26) aufweist, der auf solche Weise konfiguriert ist, dass ein Winkel (α) zwischen einer Tangente an den Oberflächenabschnitt (18; 26) und der Ebene parallel zur Tragefläche (8; 25) mindestens 40 Grad ist.
Optisches Element nach Anspruch 6, wobei der Brechungs-Flächenabschnitt (18; 26) der Lichteingangsfläche (17; 27) eben ist.
Optisches Element nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Lichtausgangsfläche (9; 22) einen durch ein Zernike-Polynom (24) definierten Flächenabschnitt aufweist.
Optisches Element (7; 21) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Lichtausgangsfläche (9; 22) weiter zwei konvergente Flächenabschnitte (14) aufweist, die durch einen divergenten Flächenabschnitt (15) überbrückt sind.
Optisches Element (7; 21) nach Anspruch 9, wobei der erste Flächenabschnitt interner Totalreflexion (12; 23) benachbart zum divergenten Flächenabschnitt (15) angeordnet ist.
Optische Anordnung (6), welche eine Mehrzahl optischer Elemente (7; 21) nach Anspruch 1 oder 2 aufweist, die in einer regulären Anordnung angeordnet sind.
Optische Anordnung (6) nach Anspruch 11, wobei die Mehrzahl optischer Elemente (7; 21) integral einstückig geformt ist.
Beleuchtungseinrichtung (3), welche aufweist: eine Mehrzahl von Lichtquellen (4), die auf einem Träger (5) montiert sind; und die optische Anordnung (6) nach Anspruch 11 oder 12, die auf dem Träger (5) auf solche Weise angeordnet ist, dass jede der Lichtquellen (4) in dem Hohlraum (16) eines entsprechenden der optischen Elemente (7; 21), die in der optischen Anordnung (6) enthalten sind, aufgenommen ist; wobei der Träger (5) ein streuend reflektierender Träger ist.
Leuchtkörper (1), welcher aufweist: eine Befestigung und die Beleuchtungseinrichtung (3) nach Anspruch 13, die an der Befestigung (2) angebracht ist.