DE112015003351T5

DE112015003351T5 - LED-Leuchte

Info

Publication number: DE112015003351T5
Application number: DE112015003351.3T
Authority: DE
Inventors: Derek Mallory; Brian Wells; Dianna Stadtherr
Original assignee: CoreLed Systems LLC
Current assignee: CoreLed Systems LLC
Priority date: 2014-07-21
Filing date: 2015-07-21
Publication date: 2017-04-06
Also published as: US20160018077A1; US9285098B2; WO2016014450A1

Abstract

Eine Leuchte mit einer Anordnung von lichtemittierenden Dioden auf einer Leiterplatte weist ein im Allgemeinen ebenes Linsenelement benachbart zu jeder der LEDs auf, wobei jedes Linsenelement eine Vielzahl von konzentrischen Rippen aufweist, die von einer Oberfläche des Linsenbauteils vorstehen, um Fresnel-Facetten zur Umlenkung von Licht zu bestimmen, welches von der entsprechenden LED abgegeben wird, um eine gleichmäßigere Lichtverteilung bei einer kompakten Konfiguration zu erhalten.

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Beleuchtung und insbesondere LED-Leuchten.
Leuchten mit lichtemittierenden Dioden (LED) und Linsen oder anderen optischen Elementen sind kommerziell erhältlich. Allerdings besteht ein Bedarf für LED-Leuchten, die effizienter sind und das Licht der LEDs gleichmäßig verteilen. Zusätzlich ist es wünschenswert, dass solche Leuchten kompakter sind, um eine Reduzierung der Größe, des Gewichts und der Kosten von Gehäusen oder Halterungen zu ermöglichen, in denen die Leuchten verwendet werden.
Es wird eine LED-Leuchte offenbart, welche eine Anordnung von lichtemittierenden Dioden aufweist, die auf einer Leiterplatte montiert sind, und ein im Allgemeinen planares Linsenelement benachbart zu jeder der entsprechenden LEDs, wobei jedes Linsenelement eine Vielzahl von konzentrischen Leisten oder Rippen aufweist, die von der Oberfläche der im Allgemeinen planaren Linsenelemente vorstehen, um Fresnel-Facetten zum Umlenken von entsprechendem LED-emittiertem Licht zu definieren.
Bei bestimmten Aspekten bestimmt jede der Vielzahl von konzentrischen Leisten oder Rippen eine im Allgemeinen quadratische Form mit runden Ecken.
Es besteht ebenfalls die Möglichkeit, dass wenigstens eine der Rippen oder Leisten eine erste oder nach vorne gerichtete Facette aufweist, die Licht von der LED empfängt und nach außen ablenkt, eine zweite oder nach oben weisende Facette aufweist, die Licht empfängt und nach innen in Richtung einer dritten oder nach hinten weisenden Facette umlenkt, welche das Licht nach innen reflektiert.
Die Leisten oder Rippen sind typischerweise weniger als 0,5 mm hoch und die LEDs sind im Allgemeinen weniger als 5 mm von den Linsenelementen entfernt positioniert, wodurch sich eine sehr kompakte Leuchte ergibt.
Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht einer in der Anmeldung offenbarten Leuchte;
2 eine Draufsicht auf ein Linsenbauteil, welches in einer in der Anmeldung beschriebenen Leuchte verwendet wird;
3 ein horizontales Querschnittprofil der Hälfte eines Linsenelements des Linsenbauteils nach 2;
4 ein diagonales Querschnittprofil einer Hälfte eines Linsenelements eines Linsenbauteils nach 2;
5 eine schematische Darstellung von Licht, welches auf eine erste Fresnel-Facette einer der Leisten eines Linsenelements nach 2 auftrifft;
6 eine schematische Darstellung von auf eine zweite Fresnel-Facette eine Rippe nach 5 auftreffendem Licht;
7 eine grafische Darstellung eines Achtelbereichs der Mittellinien von konzentrischen Leisten eines Linsenelements des Linsenbauteils nach 2;
8 eine grafische Darstellung einer Beleuchtung durch eine DurisE5(gelb)LED allein, ohne eine Linse als Funktion eines Abstands von einer Mittelline der LED;
9 eine grafische Darstellung einer Beleuchtung durch eine LED nach 8 mit einer Linse nach vorliegender Anmeldung als Funktion einer Entfernung von der Mittelline der LED; und
10 eine grafische Darstellung einer Beleuchtung über eine Fläche parallel zu einem im Wesentlichen planaren Linsenelement und senkrecht zu einer allgemeinen Richtung, in welcher Licht von einer LED durch das Linsenelement abgegeben wird.
In 1 ist eine Leuchtenanordnung 10 mit einer Vielzahl von LEDs 12 in einer Anordnung auf einer Leiterplatte dargestellt, beispielsweise neun LEDs angeordnet in drei Reihen in drei Spalten. Der Ausdruck „Anordnung”, wie er in der Anmeldung verwendet wird, kann sich auf jede Anzahl von Reihen und Spalten beziehen und kann eine gleiche Anzahl von LEDs in jeder Reihe und Spalte oder auch unterschiedliche Anzahlen von LEDs in einigen Reihen und Spalten aufweisen. Der Ausdruck „Leiterplatte” bezieht sich im Allgemeinen auf jedes Substrat, auf dem LEDs montiert werden können und welches elektrische Pfade zur Versorgung der LEDs aufweist. Ein Beispiel ist eine bedruckte Leiterplatte. Die LEDs in der Anordnung sind typischerweise gleich weit voneinander entfernt, aber können auch ungleich voneinander entfernt sein.
Ein im Allgemeinen ebenes Linsenbauteil 16 weist eine Vielzahl von integralen Linsenelementen 16a in einer entsprechenden Anordnung auf, wobei jedes Linsenelement 16A einer der LEDs 12 entspricht und zu dieser ausgerichtet ist, z. B. mittig über dieser. Das Linsenbauteil 16 kann aus einer Anordnung von integralen Linsenbauteilen hergestellt sein unter Verwendung bekannter Präzisions-Spritzgießverfahren und Übertragungs-Transfertechniken. Alternativ können die Linsenelemente individuell durch Spritzgießen hergestellt und in einer Anordnung von Elementen kombiniert werden. Die Linsenelemente 16A sind zu ihren entsprechenden LEDs 12 so ausgerichtet, dass eine gerade Linie senkrecht zur ebenen Oberfläche der Leiterplatte 14, die durch die Mitte einer LED 12 hindurchtritt, ebenfalls durch die Mitte des entsprechenden Linsenelements 16A hindurchtritt. Der Ausdruck „im Allgemeinen planar” betrifft das Linsenbauteil 16 und die Linsenelemente 16A mit einer insgesamt planaren Struktur mit gegenüberliegenden, im Wesentlichen flachen Oberflächen, die an einer Seite durch lichtablenkende Facetten von sehr geringem Profil unterbrochen sind, siehe die zur Seite gerichteten LEDs 12.
Linsenbauteil 16 kann entsprechend positioniert und im Abstand von den LEDs 12 durch Abstandselemente 18 angeordnet werden, welche von der Oberfläche der Leiterplatte vorstehen. Alternativ können die Abstandshalter einteilig als Teil des Linsenbauteils 16 gebildet sein.
Jedes im Allgemeinen ebene Linsenelement 16A weist eine Vielzahl von konzentrischen Leisten 20A–20J (2, 3 und 4) auf. Die Vielzahl von konzentrischen Leisten oder Rippen bilden eine Linse vom Fresnel-Typ, wodurch eine Linse mit einer großen Apertur und einer kurzen Brennweite in einer kompakten Linsenkonfiguration bereitgestellt wird, welche weniger Masse und weniger Volumen als eine funktionell äquivalente Linse eines typischeren oder bekannten Designs erfordert. Die Höhen der konzentrischen Leisten oder Rippen sind typischerweise geringer als 0,5 mm, um ein kompaktes Linsendesign und eine kompakte Leuchtenanordnung zu ermöglichen, welche weniger Material erfordert, sowie kompaktere, leichtere und weniger teure Leuchtenhalterungen und -gehäuse (z. B. 2 ft × 4 ft Muldenleuchten). Jede der Rippen 20A–20J bestimmt Lichtbrechungsflächen oder -facetten 21A, 22A, 23A, 21B, 22B, 23B, 21C, 22C, 23C, 21D, 22D, 23D, 21E, 22E, 23E, 21F, 22F, 23F, 21G, 22G, 23G, 21H, 22H, 23H, 24H, 25H, 21I, 22I, 23I, 24I, 25I, 21J und 22J. Die nach innen gerichteten Facetten 21A, 21B, 21C, 21D, 21E, 21F, 21G, 21H, 21I und 21J lenken Licht nach außen, weg von der Mitte des Linsenelements 16A. Im Allgemeinen nach oben weisende Facetten 22A, 22B, 22C, 22D, 22E, 22F, 22G, 22H und 22I lenken Licht in Richtung der nach außen weisenden Facetten 23A, 23B, 23C, 23D, 23E, 23F, 23G, 23H und 23I, welche durch interne Reflexion das Licht zurück nach innen in Richtung der Mitte des Linsenelements richten. Dieser Effekt ist in den 5 und 6 dargestellt, welche Lichtstrahl 30 zeigen, der auf eine Facette 21B der Rippe oder Leiste 20B trifft, welche von der Mitte des Linsenelements 16 weg nach außen gerichtet ist, und Lichtstrahl 32, der auf eine Facette 22B auftrifft, welcher in Richtung Facette 23B gerichtet und nach innen in Richtung der Mitte des Linsenelements 16A reflektiert wird.
7 zeigt eine grafische Darstellung eines Achtelbereichs der Mittellinien 40A–40J der dargestellten konzentrischen Rippen 20A–20J. Jeder der verbleibenden sieben Bereiche ist ein Spiegelbild eines benachbarten Bereichs. Mehrere der Rippen haben ein im Allgemeinen quadratische Form mit geraden Seiten und gerundeten Ecken, definiert durch die geraden Bereiche 41G–41J und die gerundeten Bereiche 42G–42J der Mittellinien 40G–40J. Mehrere der Rippen (siehe z. B. Rippen 20A–20F) können kontinuierlich gekrümmt sein, wie angezeigt durch Mittelline 40A–40F.
Im Allgemeinen sind alle der Facetten konkav, wobei die meisten Rippen (siehe z. B. 20A– 20I), eine nach innen gerichteten Facette 21A–21I und eine nach außen gerichtete Facette 23A–23I haben, wie auch nach oben gerichtete Facetten 22A–22I, um Licht sowohl nach außen als auch nach innen in Richtung zur Mitte des Linsenelements 16A zu richten. Leiste 20J hat nur eine nach innen gerichtete Facette 21J und eine nach außen gerichtete Facette 22J, um Licht nur in eine im Allgemeinen nach außen verlaufende Richtung zu richten.
Das Linsenbauteil 16 mit Linsenelementen 16A sind in enger Nachbarschaft zu den LEDs 12 positioniert. Insbesondere sind die Rippen typischerweise maximal ungefähr 0,3 mm hoch von der planaren Oberfläche des Linsenbauteils 16 angeordnet und die LEDs können weniger als 5 mm von der Hauptplanaroberfläche des Linsenbauteils angeordnet sein, sowie auch weniger als 4 mm oder weniger als 3 mm. Dies ermöglicht eine sehr kompakte Konfiguration zur Reduktion von Masse, Volumen und Kosten.
8 zeigt die Beleuchtung auf einer Fläche für eine Duris E5 (gelb) LED allein ohne eine Linse als Funktion eines Abstands von einer Mittelline der LED. Das Licht ist über eine sehr breite Fläche verteilt und erstreckt sich radial über ungefähr 20 m.
9 zeigt die Beleuchtung auf einer Oberfläche für die gleiche LED mit einer Linse, wie dargestellt. Das Licht ist enger fokussiert in einem kleineren Bereich mit einem Radius von ungefähr 6 m. Da die Fläche in Relation zum Quadrat des Radius steht, wird Licht von dem Linsenelement 16A umgeleitet oder über eine Fläche fokussiert, die geringer als 20% oder geringer als 10% der Fläche ist, die durch die gleiche LED ohne Linse beleuchtet wird. Zusätzlich zur Fokuseinschränkung des Lichts formt das Linsenelement 16A ebenfalls die Lichtverteilung um, so dass die Beleuchtungsstärke entlang der Oberfläche im Allgemeinen linear mit einer Entfernung von der Mittelline der LED abnimmt. Dies ermöglicht eine Anordnung der LEDs 12 und entsprechender Linsenelemente 16A in einer aneinander angrenzenden Anordnung, die eine gleichmäßige Beleuchtungsstärke über die gesamte Ausdehnung einer Anordnung bereitstellt.
10 ist eine grafische Darstellung der Beleuchtungsstärke über eine Ebene parallel zu einem allgemein ebenen Linsenelement einer Anordnung mit einer LED positioniert benachbart zum Linsenelement. Das Licht der LED wird über die Oberfläche so verteilt, dass der maximale Lichtstrom (beispielsweise 1,75 lux) sich an einem Mittelpunkt 50 der Fläche befindet. An Seitenpunkten 55 in im Wesentlichen gleichen Abständen (beispielsweise ungefähr 3000 mm) in jeder der vier unterschiedlichen, voneinander um 90° beabstandeten Richtungen, beträgt der Lichtstrom im Wesentlichen 50% des maximalen Lichtstroms (beispielsweise ungefähr 0,85 lux). An vier Eckpunkten 60 eines Quadrats, welches Seiten aufweist, die durch Linien bestimmt sind, die durch die Seitenpunkte hindurchtreten, wobei die Seitenpunkte auf den Seiten des Quadrats zentriert sind, beträgt der Lichtstrom 25% des maximalen Lichtstroms (beispielsweise ungefähr 0,43 lux). Als Ergebnis können eine Vielzahl von Paaren identischer LEDs und Linsenelemente in einer Anordnung angeordnet werden, in welcher die Seiten von benachbarten Linsenelementen sich treffen, d. h. beispielsweise aneinander angrenzen oder im Wesentlichen zusammenfallen, und in welcher die Ecken der vier jeweils benachbarten Linsenelemente sich treffen. Diese Anordnung ermöglicht ein Zusammenstellen von ausgedehnten Beleuchtungsmustern in der Weise, dass die Beleuchtungsstärke gleichmäßig über die gesamte Fläche verteilt ist, die durch eine zusammengesetzte Leuchte mit einer Vielzahl von LEDs und einer Vielzahl entsprechender Linsenelemente beleuchtet wird.
Durch Bereitstellen von Leisten oder Rippen 20, die Facetten aufweisen, die Licht in beide Richtungen sowohl weg von einer Mitte eines jeden der im Allgemeinen ebenen Linsenelemente 16A als auch zu einer Mitte eines jeden der im Allgemeinen ebenen Linsenelemente richten, kann Licht effektiver aufgeweitet werden, um ein Strahlmuster zu bilden, das den Effekt einer gleichmäßigen Beleuchtung über die gesamte Fläche des Linsenbauteils 16 von allen Betrachtungswinkeln aufweist, wodurch ein gesprenkeltes Aussehen minimiert wird, welches typisch ist für viele LED-Leuchten.
Durch die Verwendung einer Kombination von konzentrischen Rippen mit runden Ecken und so konfiguriert, dass sie Fresnel-Facetten bereitstellen, wird ein Strahlungsmuster erzeugt, das ein quadratisches Innenlicht nach unten bereitstellt.

Claims

Eine LED-Leuchte, welche aufweist: eine Anordnung von lichtemittierenden Dioden (LEDs), die auf einer Leiterplatte montiert sind, und ein im Allgemeinen ebenes Linsenelement, das benachbart zu einer entsprechenden lichtemittierenden Dioden jeweils positioniert ist, wobei jedes im Allgemeinen ebene Linsenelement eine Vielzahl von konzentrischen Rippen aufweist, die eine obere Mitte des im Allgemeinen ebenen Linsenelements umgeben und von einer Oberfläche des im Allgemeinen ebenen Elements vorstehen, um Facetten zu bilden zur Umlenkung des von der entsprechenden lichtemittierenden Diode ausgegebenen Lichts.
Leuchte nach Anspruch 1, wobei wenigstens eine der Vielzahl von konzentrischen Rippen eine im Wesentlichen quadratische Form mit gerundeten Ecken aufweist.
Leuchte nach Anspruch 1, bei welcher wenigstens eine der konzentrischen Rippen eine erste konkave Facette aufweist, die in Richtung einer oberen Mitte des im Allgemeinen planaren Linsenelements gerichtet ist, eine zweite konkave Facette aufweist, die von der oberen Mitte des im Allgemeinen planaren Linsenelements weg gerichtet ist, und eine dritte konkave Facette aufweist, die sich zwischen einem oberen Ende der ersten Facette und einem oberen Ende der zweiten Facette erstreckt.
Leuchte nach Anspruch 1, bei welcher die im Allgemeinen planaren Linsenelemente mit einer oberen Mitte des im Allgemeinen planaren Linsenelements weniger als 5 mm von der entsprechenden lichtemittierenden Diode positioniert sind.
Leuchte nach Anspruch 1, in welcher jede der Vielzahl von konzentrischen Rippen eine Höhe geringer als 0,5 mm aufweist.
Leuchte nach Anspruch 1, wobei jede Linse Licht von der entsprechenden lichtemittierenden Diode über eine Fläche konzentriert, die geringer als 20% einer Fläche ist, die durch eine lichtemittierende Diode allein ohne Linsenelement beleuchtet wird.
Leuchte nach Anspruch 1, in welcher Licht emittiert von jeder lichtemittierenden Diode und gelenkt durch ein entsprechendes Linsenelement ein im Wesentlichen quadratisches Strahlungsmuster auf einer Oberfläche senkrecht zur im Allgemeinen planaren Oberfläche der Linsen bildet, so dass ein maximaler Lichtstrom in einer Mitte des quadratischen Musters auftritt, ein Lichtstrom von ungefähr 50% des maximalen Lichtstroms an jeder der vier Kantenpunkte auftritt, in einer vorgegebenen Entfernung entlang einer geraden Linie, die sich von der Mitte in Richtung der Ecken des im Allgemeinen quadratischen Musters erstreckt, und ein Lichtstrom von ungefähr 25% des maximalen Lichtstroms an jedem der vier Eckpunkte auftritt, die die Ecken eines Quadrats mit Seiten bestimmen, welche durch die vier Kantenpunkte hindurchtreten, wobei die Linsenelemente und die lichtemittierenden Dioden der Leuchte in einer Anordnung vorgesehen sind mit benachbarten Kanten- und Eckpunkten, die so ausgerichtet sind, dass ein zusammengesetztes Strahlungsmuster von einer Vielzahl von lichtemittierenden Dioden und deren entsprechender Linsenelemente eine Lichtverteilung über die Fläche aufweist, wie ein Lichtstrom von einer einzelnen lichtemittierenden Diode mit einem einzelnen Linsenelement.
Leuchte nach Anspruch 1, in welcher wenigstens eine der konzentrischen Rippen Facetten aufweist, die Licht in beide Richtungen, sowohl weg von einer Mitte eines jeden der im Allgemeinen planaren Linsenelemente als auch in eine Richtung zu einer Mitte eines jeden der im Allgemeinen planaren Linsenelemente richtet.
Leuchte nach Anspruch 1, in welcher wenigstens eine der konzentrischen Rippen eine im Allgemeinen quadratische Form mit gerundeten Ecken bestimmt und wenigstens eine der konzentrischen Rippen eine im Allgemeinen kreisförmige Form bestimmt.