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Die
Erfindung betrifft eine optische LED-Linse und Beleuchtungsvorrichtung
derselben, insbesondere eine optische LED-Linse und Beleuchtungsvorrichtung,
bei der die optische Fläche
an der Lichtquellenseite und die optische Fläche an der Beleuchtungsseite
der ersten bzw. zweiten LED-Linse durch Flächendefinitionen zu ermitteln
sind, um verschiedene Krümmungsgrade
in unterschiedlichen Achsenrichtungen zu generieren und somit ein
beinahe viereckiges Distributionsmuster mit gleichmäßiger Helligkeit
im Zielgebiet durch Eintritt der LED-Lichtquellen in die optische Linse zu
erzeugen.
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Beim
Stand der Technik findet LED als Lichtquellen eine umfangreiche
Anwendung in beispielsweise Taschenlampen, Schreibtischlampen, Scheinwerfern
bzw. Rücklichten,
Straßenbeleuchtungen
oder anderen zusätzlichen
Beleuchtungsgeräten
in Elektroanlagen wie Kamerablitzen, Scanning-Beleuchtungen usw.,
in denen eine aus mehreren LEDs bestehende LED-Matrix als Lichtquelle
dient. Hier bildet die LED-Matrix nach vielfältigen Bedürfnissen der Beleuchtungsanlagen
ein Muster wie lineare Anordnung, Matrixform, konzentrische Kreisform
usw.
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Eine
LED umfasst grundsätzlich
ein Substrat zur Aufnahme einer oder mehrerer LED-Würfel sowie zum
Anschließen
an einem zusätzlichen
Netzteil und eine durch ein- oder mehrschichtigen optischen Harz bzw.
Glas entstehende Linse, nämlich
erste optische LED-Linse, zur Umhüllung auf dem Substrat und
den LED-Würfeln,
um eine LED-Baugruppe (im Folgenden wird es als LED bezeichnet)
zu generieren. Beim Benutzen treten die von LED-Würfeln ausgesendeten
Lichtstrahlen über
die vorstehende erste Linse mit einem vorher bestimmten Distributionsmuster
ins Zielgebiet ein.
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Hinsichtlich
der Benutzung von LED unterliegen unterschiedliche Beleuchtungsanlagen
verschiedenen Bedingungen. Hier werden Straßenbeleuchtungen als Beispiele
angeführt.
Dabei ist erforderlich, in dem Zielgebiet, nämlich auf den Straßen, gleichmäßige und
ausreichende Helligkeit sowie ein beinahe viereckiges Distributionsmuster
auszubilden, wobei das Länge-Breite-Verhältnis des
viereckigen Distributionsmusters bei 3:1 liegt, und wobei die Länge des
viereckigen Distributionsmusters als Richtung der langen Achse parallel
zur Straße
und die Breite des viereckigen Distributionsmusters als Richtung
der kurzen Achse vertikal zur Straße ausgeführt ist. Da jede zwei Straßenbeleuchtungen
ungefähr
15 bis 30 m voneinander entfernt und Straßenbeleuchtungen etwa 6 bis
20 m hoch sind, ist es nötig,
außerhalb
der Anordnung einer ersten Linse eine zweite Linse in der Lichtstrahlungsrichtung
von LED, und zwar vor der LED, vorzusehen, um die vorstehenden Anforderungen
an LED-Lichtquelle bzw. LED-Matrixlichtquelle zu erfüllen. Auf
diese Weise sind die Verwendungseffektivität der LED-Lichtquelle und der
Helligkeitsgrad zu erhöhen
sowie den Strahlungsumfang sowie die Gleichmäßigkeit der Helligkeit einzustellen.
Jedoch weisen herkömmliche
Straßenbeleuchtungen
wie Hochspannungsnatriumlampen trotz ihrer höheren Beleuchtungseffektivität einen
niedrigeren Helligkeitsgrad auf, weil das Distributionsmuster von
ihren Strahlen die zu beleuchtenden Gebiete nicht völlig abdecken
kann, was schließlich
zur Verschwendung führen
könnte.
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Aus
diesen Gründen
ist es notwendig, eine optische Linse mit einem beinahe viereckigen
Distributionsmuster und einer hohen Helligkeit zu entwickeln, die
als erste bzw. zweite Linse von LED dienen sollte.
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Eine
erste Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine optische LED-Linse
und Beleuchtungsvorrichtung derselben zu schaffen, die sich auf
erste bzw. zweite Linse von LED beziehen. Dabei werden eine zu der Lichtquelle
gerichtete optische Fläche
an der Lichtquellenseite und eine zum Zielgebiet gerichtete optische Fläche an der
Beleuchtungsseite durch Flächendefinitionen
ermittelt, damit die optische Linse auf unterschiedlichen Achsen
verschiedene Krümmungsgrade
aufweist, sodass der Helligkeitsgrad von LED im Zielgebiet mithilfe
der optischen Linse erhöht
wird und ein beinahe viereckiges Distributionsmuster mit gleichmäßigen Lichtstrahlen
entsteht. Die dargestellte optische Linse ist geeignet für Straßenbeleuchtungen,
Scheinwerfern bzw. Rücklichten
oder Kamerablitzen usw. und hat auch die Anforderung an das Länge-Breite-Verhältnis des
viereckigen Distributionsmusters von 3:1 erfüllt, wobei die Länge des
viereckigen Distributionsmusters als Richtung der langen Achse parallel
zur Straße
und die Breite des viereckigen Distributionsmusters als Richtung
der kurzen Achse vertikal zur Straße ausgeführt ist.
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Eine
zweite Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine optische LED-Linse
und Beleuchtungsvorrichtung derselben zu schaffen, wobei eine optische
Fläche
an der Lichtquellenseite mittels einer anamorphischen Flächenformel
so generiert wird, dass die optische Fläche an der Lichtquellenseite
achsensymmetrisch und der langen Achse entlang konkav ausgeführt ist.
Eine optische Fläche
an der Beleuchtungsseite wird durch eine torische Flächenformel
erzeugt, sodass die optische Fläche
an der Beleuchtungsseite achsensymmetrisch angeordnet und der langen
Achse entlang M-förmig
ausgebildet ist, wobei die optische Fläche an der Beleuchtungsseite
in der Mitte mit einer Konkavität
und auf beiden Seiten jeweils mit einer Konvexität ausgestattet ist. Auf diese
Weise sind eine Erhöhung
des Helligkeitsgrads und eine Erzeugung eines beinahe viereckigen
Distributionsmusters mit gleichmäßigen Lichtstrahlen
gestattet.
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Eine
dritte Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine optische LED-Linse
und Beleuchtungsvorrichtung derselben bereitzustellen, wobei die
zweite LED-Linse aus mehreren optischen Linsen mit gleichen Achsenrichtungen
besteht. Das heißt,
dass die X-Achsen der optischen Linsen in gleicher Richtung und
die Y-Achsen der optischen Linsen wiederum in gleicher Richtung
sind. Die optischen Linsen bilden eine Linsen-Matrix auf einem Außendeckel,
die gemeinsam mit der LED-Lichtquellenmatrix eine LED-Beleuchtungsvorrichtung bildet,
um den Helligkeitsgrad im Zielgebiet zu erhöhen und ein beinahe viereckiges
Distributionsmuster mit gleichmäßigen Lichtstrahlen
zu generieren. Demzufolge ist die erfindungsgemäße optische LED-Linse und Beleuchtungsvorrichtung
derselben geeignet für
Straßenbeleuchtungen,
Scheinwerfern bzw. Rücklichten
oder Kamerablitze usw.
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Im
Folgenden werden die Erfindung und deren Ausgestaltungen anhand
der Zeichnung näher
erläutert.
In der Zeichnung zeigt:
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1 eine
perspektivische Darstellung einer Perspektive (Beleuchtungsseite)
eines Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen optischen
Linse (als zweite Linse);
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2 Perspektivische
Darstellung einer anderen Perspektive (Lichtquellenseite) des in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiels;
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3 eine
frontale Darstellung (X-Y-Achsenfläche) eines Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen optischen
Linse (als zweite Linse), wobei die Abmessungen in mm bezeichnet
sind;
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4 einen
seitlichen Schnitt entlang der Linie 4-4 (X-Achse) des in 3 dargestellten
Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen optischen
Linse;
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5 einen
seitlichen Schnitt entlang der Linie 5-5 (Y-Achse) des in 3 dargestellten
Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen optischen
Linse;
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6 eine
Schnittansicht einer erfindungsgemäßen optischen Linse (als zweite
Linse) mit einer LED-Lichtquelle
und einem Außendeckel,
wobei die Abmessungen in mm bezeichnet sind;
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7 den
Verwendungszustand einer erfindungsgemäßen optischen Linse (als zweite
Linse), die eine Linsenmatrix auf dem Außendeckel bildet;
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8 eine
schematische Darstellung unterschiedlicher Austrittsstahlen auf
der X- und Y-Achse, die nach dem Eintritt der LED-Lichtquelle mit
einem gleichem Eintrittswinkel in eine optische Linse ausgebildet sind;
und
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9 eine
schematische Darstellung eines durch unterschiedliche Austrittsstahlen
entstehenden viereckigen Distributionsmusters
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Bezug
nehmend auf 1 bis 6 ist die
erfindungsgemäße optische
LED-Linse als erste bzw. zweite Linse auszuführen, wobei hier die zweite
Linse als Beispiel der erfindungsgemäßen optischen LED-Linse 1 angeführt wird,
worauf sich die Erfindung nicht beschränken sollte. Wie in 6 gezeigt,
ist die optische Linse 1 mit mindestens einer LED 2 versehen
und transparent ausgeführt
ist. Die optische Linse 1 umfasst mindestens eine optische
Fläche 10 an
der Lichtquellenseite und eine optische Fläche 20 an der Beleuchtungsseite,
damit die von LED 2 ausgesendeten Lichtstrahlen über die
optische Fläche 10 an
der Lichtquellenseite in die optische Linse 1 eintreten,
welche anschließend über die
optische Fläche 20 an
der Beleuchtungsseite nach vorne in ein Zielgebiet eintreten.
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Die
Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass sich die optische Fläche 10 an
der Lichtquellenseite und die optische Fläche 20 an der Beleuchtungsseite
der optischen Linse 1 mittels Flächendefinitionen ermitteln
lassen. Diese Flächendefinitionen
sind Stand der optischen Technik und umfasst eine Menge von Formeln, die
bei der Entwicklung von optischen Linsen in Anwendung kommen, wie
z. B. die folgende anamorphische Formel 1 und die torische Formel
2.
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Formel
1: Anamorphische Formel
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Formel
2: Torische Formel
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Bei
der Entwicklung der optischen Fläche 10 an
der Lichtquellenseite und der optischen Fläche 20 an der Beleuchtungsseite
der optischen Linse 1 sind die optischen Parameter in der
anamorphischen Formel 1 und der torischen Formel 2 nach Bedürfnissen
zu modifizieren, was mit Computer-Software zur Realisierung der
erwünschten
Ergebnisse zu simulieren ist. Unter Zuhilfenahme der Flächendefinitionen
sind die beiden optischen Flächen 10, 20 als
kontinuierliche Flächen
auszuführen,
was die Herstellung einer Form der optischen Linse 1 begünstigt.
Auf diese Weise sind eine leichtere Herstellung der Form und somit
eine Erhöhung
der Präzision
der optischen Flächen 10, 20 zur
Erreichung der optischen Hierarchien gewährleistet.
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Hinsichtlich
der erfindungsgemäßen optischen
Linse 1 ist die optische Fläche 10 an der Lichtquellenseite
mittels der anamorphischen Formel achsensymmetrisch und der Längsachse
entlang konkav ausgeführt (2 und 4).
Die optische Fläche 20 an
der Beleuchtungsseite ist durch die torische Formel M-förmig ausgeführt (1 und 4),
wobei die optische Fläche 20 achsensymmetrisch
auf beiden Seiten mit Konvexität 22 und
in der Mitte mit Konkavität 21 versehen
ist. Außerdem
passen sich die optische Fläche 10 an der Lichtquellenseite
und die optische Fläche 20 an
der Beleuchtungsseite aneinander.
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In 3 bis 5 ist
eine realisierbare Abmessung der erfindungsgemäßen optischen Linse 1 dargestellt.
Dabei werden die optischen Parameter in Formeln 1, 2 nach Bedürfnissen
der Straßenbeleuchtungen verändert und
anschließend
mit Software so simuliert, dass eine optische Linse 1 schließlich hergestellt
wird, wobei sich das Verhältnis
der Länge
der X-Achse (lange Achse, parallel zu der Straßenrichtung) zu der Breite der
Y-Achse (kurze Achse, vertikal zur Straßenrichtung) der Straßenbeleuchtungen
als 3:1 ergibt. Außer
den optischen Flächen 10, 20 sind
alle anderen Bauteile der erfindungsgemäßen optischen Linse 1 wie
der in 1 und 2 dargestellte Randabschnitt 30 sind
beschränkungsfrei,
d. h. dass die anderen Bauelemente der erfindungsgemäßen optischen
Linse 1 nach Bedürfnissen
der Montage veränderbar
sind. Die in 1 bis 5 dargestellte
optische Linse 1 ist die zweite Linse der LED, die viereckig
ausgeführt
ist. Der in dieser Ausführung
dargelegte Randabschnitt 30 ist der auf dem Außendeckel 4 der
LED-Beleuchtungsvorrichtung 3 ausgebildeten Aussparung 41 angepasst
erarbeitet.
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Mithilfe
der Anpassung der optischen Fläche 10 an
der Lichtquellenseite und der optischen Fläche 20 an der Beleuchtungsseite
sind unterschiedliche Krümmungsgrade
der optischen Linse 1 auf der X-Achse (lange Achse) und
der Y-Achse (kurze
Achse) ausgebildet, sodass unterschiedliche Strahlungswinkel von
den aus LED 2 ausgesendeten Lichtstrahlen 201 auf
der X-Achse und der Y-Achse zur Ausbildung eines viereckigen Distributionsmusters
mit unterschiedlichen Länge-Breite-Verhältnissen
entstehen, was verschiedene Brechungswirkungen zur Folge hat. Aus 8 ist
ersichtlich, das der Strahlungswinkel θ'x der von der LED 2 ausgesendeten
Lichtstrahlen 201 auf der X-Achse größer als der Strahlungswinkel θ'y auf der Y-Achse.
Dementsprechend ist die auf der X-Achse ausgebildete Strahlungsfläche der
Austrittsstrahlen 202 Lx im Zielgebiet A größer als
die auf der Y-Achse ausgebildete Strahlungsfläche Ly, sodass ein viereckiges
Distributionsmuster (9) im Zielgebiet generiert ist,
wobei das Länge-Breite-Verhältnis des
viereckigen Distributionsmusters Lx:Ly ist. In den 1 bis 6 ist
eine Ausführung
der erfindungsgemäßen optischen
Linse 1 und der LED-Beleuchtungsvorrichtung 3 beschrieben,
wobei die von LED 2 ausgesendeten Lichtstrahlen nach der
Brechung ein viereckiges Distributionsmuster mit einem Länge-Breite-Verhältnis von
3:1 generiert, wodurch die Bedürfnisse
der Straßenbeleuchtungen
nach einem viereckigen Distributionsmuster und gleichmäßigen Lichtstrahlen
erfüllt
werden können.
Das Länge-Breite-Verhältnis des
viereckigen Distributionsmusters ist zur Herstellung einer optimalen
optischen Linse 1 nach Bedürfnissen durch Änderung
der optischen Parameter in den Formeln und mithilfe der Software-Simulation
zu optimieren.
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Bezug
nehmend auf 6 und 7 umfasst
die erfindungsgemäße LED-Beleuchtungsvorrichtung 3 mindestens
eine LED 2, mindestens eine optische Linse 1 und
einen Außendeckel 4.
Dabei sind die Form, die Abmessung sowie die Montageweise der LED-Beleuchtungsvorrichtung 3 sowie
die Anpassung der LED 2 und der optischen Linse 1,
d. h. ob eine optische Linse 1 mit einer LED 2 oder
zwei LED 2 ausgestattet ist, beschränkungsfrei und nach verschiedenen
Bedürfnissen
wie Straßenbeleuchtungen,
Scheinwerfern bzw. Rücklichten
oder Kamerablitze modifizierbar. Hinsichtlich 6 und 7 ist
die erfindungsgemäße optische Linse 1 jeweils
mit einer LED 2 versehen, wobei die optische Linse 1,
wie in 3 bis 5 dargelegt, nach Bedürfnissen
der Straßenbeleuchtungen
entwickelt ist. Die LED 2 ist dabei in der in der optischen
Fläche 10 an
der Lichtquellenseite befindlichen konkaven Fläche untergebracht. Weiterhin
ist der Erfindung gemäß ebenfalls
möglich,
eine Matrix auf einem größeren Außendeckel 4 durch
mehrere optische Linse 1 mit gleichen Achsenrichtungen,
nämlich
mit gleichen X-Achsen-Richtungen und gleichen Y-Achsen-Richtungen der optischen Linsen 1,
auszubilden. In 7 ist eine 6×6-Matrix zur Anpassung an
eine LED-Lichtquellenmatrix
als Beispiel angeführt,
worauf sich die Erfindung nicht beschränken sollte. In der in 7 dargelegten
LED-Beleuchtungsvorrichtung 3 sind eine Erhöhung der
Helligkeitsgrad der LED durch Verringerung des Lichtquellenverlusts
sowie Generierung eines viereckigen Distributionsmusters mit gleichmäßigen Lichtstrahlen
möglich.
Außerdem ist
die LED-Beleuchtungsvorrichtung 3 von einer 6×6-Matrix
in der 7 nach Bedürfnissen
der Straßenbeleuchtungen
hergestellt, wobei die Anordnungsweise der optischen Linsen nach
unterschiedlichen Bedürfnissen
von Scheinwerfern bzw. Rücklichten
oder Kamerablitzen usw. veränderbar
ist, wie 5×4-Matrix
oder 2×1-Matrix
oder ähnliche
Anordnungsweisen wie lineare, konzentrisch kreisförmige bzw.
gekreuzte Ordnung etc.
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Die
Form, der Montagezustand sowie die Abmessung des Außendeckels 4 sind
ebenfalls nach Bedürfnissen
modifizierbar, wie z. B. der Außendeckel 4 kann
entweder durch Kunststoff-Spritzguss-Verfahren integral (6 und 7)
oder durch Zusammenbau mehrere Bauelemente (nicht gezeigt) montiert
werden. Auf dem Außendeckel 4 ist
mindestens eine Aussparung 41 ausgebildet. In der 6 ist
der Außendeckel 4 mit
einer Aussparung 41 geformt, während der Außendeckel 4 in
der 7 zur Bildung einer Aussparungsmatrix mit mehreren
Aussparungen 41 ausgestattet ist, in denen jeweils eine
optische Linse 1 zur Bildung einer in der 7 gezeigten
6×6-Matrix
eingebaut ist, worauf sich die Erfindung nicht beschränken sollte.
Jede optische Linse 1 ist zur Ausbildung einer LED- Beleuchtungsvorrichtung 3 jeweils
mit einer LED 2 versehen. In den in 1 bis 7 dargelegten
Ausführungsbeispielen
sind die Formen sowie die Größe des Randabschnitts 30 der
erfindungsgemäßen optischen
Linse 1 den Aussparungen 41 des Außendeckels 4 angepasst,
damit die optische Linse 1 entsprechend in den Aussparungen 41 integral
eingebaut werden kann, wobei der Zusammenbau durch Kleben mit Klebstoffen
zu realisieren ist. Darauf sollte sich die Erfindung ebenfalls nicht
beschränken.
Hauptsache ist, dass es wasserdicht ist.
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Bei
der Generierung der erfindungsgemäßen LED-Beleuchtungsvorrichtung 3 wird
zunächst
mindestens eine Aussparung 41 zur Aufnahme einer entsprechenden
optischen Linse 1 auf dem Außendeckel 4 ausgebildet.
Aus diesem Grund ist es möglich,
den Außendeckel 4 und
die optische Linse 1 getrennt herzustellen. Des Weiteren
ist die Form der Aussparung 41 nach der Form der aufzunehmenden
optischen Linse 1 entwickelt, was eine leichte Entwicklung,
Herstellung sowie einen leichten Herstellungsprozess der Form von
optischen Linsen 1 gewährleistet.
Außerdem
sind optimale optische Linsen 1 durch leichtes Verfahren
herzustellen, was eine Erhöhung
der optischen Effektivität
sowie eine Vereinfachung der Montage der LED-Beleuchtungsvorrichtung 3 gestattet.
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- 1
- optische
Linse
- 10
- optische
Fläche
an der Lichtquellenseite
- 11
- Mittelachse
- 20
- optische
Fläche
an der Beleuchtungsseite
- 21
- Konkavität
- 22
- Konvexität
- 23
- Mittelachse
- 30
- Randabschnitt
- 2
- LED
- 201
- Lichtstrahl
- 202
- Austrittsstrahl
- 3
- LED-Beleuchtungsvorrichtung
- 4
- Außendeckel
- 41
- Aussparung
