DE202012101129U1

DE202012101129U1 - Beleuchtungsgerät

Info

Publication number: DE202012101129U1
Application number: DE202012101129U
Authority: DE
Original assignee: GOLSEN Ltd; OOO "NOVYE ENERGETICHESKIE TECHNOLOGII"; OOO NOVYE ENERGET TECHNOLOGII
Current assignee: GOLSEN Ltd; OOO "NOVYE ENERGETICHESKIE TECHNOLOGII"; OOO NOVYE ENERGET TECHNOLOGII
Priority date: 2012-03-29
Filing date: 2012-03-29
Publication date: 2012-06-29
Anticipated expiration: 2022-03-30

Abstract

Beleuchtungsgerät, umfassend: ein Lichtleitelement, das mit einer langgestreckten Form gebildet ist und in mindestens einem Längsschnitt eine Basis und zwei laterale Seiten aufweist, die von der Basis zu einer Spitze hin zusammenlaufen, wobei die Basis jedes der Längsschnitte an der Stirnseite des Lichtleitelement angeordnet ist, und eine auslenkbare Lichtquelle zum Ausrichten des Lichtstroms in eine Stirnseite an der Stirnseite des Lichtleitelements angeordnet ist, wobei der Winkel zwischen der Ausrichtung des Lichtstroms von der auslenkbaren Lichtquelle und der Richtung der Verlängerung des Lichtleitelements in einem solchen Bereich gewählt ist, dass der Lichtstrom mindestens eine innere Totalreflexion von den zusammenlaufenden lateralen Seiten in dem mindestens einen Längsschnitt des Lichtleitelements erfährt und nach mindestens einer inneren Totalreflexion durch eine der zusammenlaufenden lateralen Seiten austritt.

Description

Die Erfindung betrifft die Beleuchtungstechnik und insbesondere ein Beleuchtungsgerät, welches es ermöglicht, wirtschaftliche, für die Wahrnehmung durch das Auge angenehme, homogene Lichtströme unter Verwendung von Leuchtdioden-Lichtquellen zur Beleuchtung von Wohn-, Arbeits- und technischen Räumen zu erhalten.
Stand der Technik
Gegenwärtig sind Lichtgeräte bekannt, in denen Leuchtdioden-Lichtquellen verwendet werden, in welchen zur Gewährleistung eines gleichmäßigeren Lichtstroms eine Lichtstreuung durch Diffusion angewendet wird. Siehe zum Beispiel Gebrauchsmusterpatente der Russischen Föderation Nr. 95886 (veröffentlicht 10.07.2010) und Nr. 93929 (veröffentlicht 10.05.2010) sowie US-Patentanmeldung Nr. 2011/0042700 (veröffentlicht 24.02.2011).
Der Nachteil solcher technischer Lösungen besteht im Vorhandensein von zerstreuenden Teilchen im Material des Lichtleitelements, welches das Licht von Leuchtdioden durchlässt.
Außerdem ist eine Fokussierung des Lichtstroms durch verschiedene Linsen bekannt, wie zum Beispiel im Gebrauchsmusterpatent der Russischen Föderation Nr. 95181 (veröffentlicht 10.06.2010). Jedoch ist eine solche Fokussierung, auch wenn bei ihr keine das Licht zerstreuenden Teilchen im Material des Lichtleitelements vorhanden sind, infolge der bei beliebigen Linsen auftretenden Verzerrungen (Aberrationen) nicht in der Lage, eine gleichmäßige Beleuchtung zu gewährleisten.
Zusammenfassung der Erfindung
Somit besteht die Aufgabe der Erfindung darin, Folgendes zu gewährleisten:

– eine Umwandlung der Lichtbündel von den Quellen in ein oder mehrere austretende Lichtbündel mit größerem Querschnitt,
– eine gleichmäßigere Helligkeit der austretenden Bündel über den Querschnitt,
– einen hohen Wirkungsgrad hinsichtlich des Eintritts/Austritts der Lichtstrahlung, und
– eine vorgegebene Richtung (Richtungen) der austretenden Bündel.

Zur Lösung der oben genannten Aufgabe wird ein Beleuchtungsgerät vorgeschlagen, welches umfasst: ein Lichtleitelement, das mit einer langgestreckten Form gebildet ist und in mindestens einem Längsschnitt eine Basis und zwei laterale Seiten aufweist, die von der Basis zu einer Spitze hin zusammenlaufen, wobei die Basis jedes der Längsschnitte an der Stirnseite des Lichtleitelement angeordnet ist, und eine auslenkbare Lichtquelle zum Ausrichten des Lichtstroms in eine Stirnseite an der Stirnseite des Lichtleitelements angeordnet ist, wobei der Winkel zwischen der Ausrichtung des Lichtstroms von der auslenkbaren Lichtquelle und der Richtung der Verlängerung des Lichtleitelements in einem solchen Bereich gewählt ist, dass der Lichtstrom mindestens eine innere Totalreflexion von den zusammenlaufenden lateralen Seiten in dem mindestens einen Längsschnitt des Lichtleitelements erfährt und nach mindestens einer inneren Totalreflexion durch eine der zusammenlaufenden lateralen Seiten austritt.
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beleuchtungsgerätes kann vorsehen, dass der Brechungsindex des Materials des Lichtleitelements sowie die Grenzwerte der Winkel zwischen den zusammenlaufenden lateralen Seiten in denjenigen der Längsschnitte, in denen die Ausbreitung des Lichtstroms erfolgt, und der Bereich der Winkel, unter denen der Lichtstrom in das Lichtleitelement eintritt, so gewählt werden können, dass der Lichtstrom durch ein und dieselbe von den zusammenlaufenden lateralen Seiten austritt.
Eine weitere Fortbildung des Beleuchtungsgerätes kann vorsehen, dass das Lichtleitelement derart gebogen ausgeführt sein kann, dass in mindestens einem der Längsschnitte, in denen die Ausbreitung des Lichtstroms in dem Lichtleitelement erfolgt, eine sich stetig verjüngende Form mit einer Konvexität zur Seite des Austritts des Lichtstroms aus dem Lichtleitelement gebildet wird.
Hierbei kann das Lichtleitelement in Form einer stetig gebogenen Platte ausgebildet sein, die durch Parallelverschiebung der sich stetig verjüngenden Form in einer zur Ebene dieser Form senkrechten Richtung erhalten wurde, und an der Stirnseite des Lichtleitelements kann eine Vielzahl von gerichteten Lichtquellen angeordnet sein. Oder das Lichtleitelement kann in Form eines Rotationskörpers ausgebildet sein, der durch Rotation der sich stetig verjüngenden Form um eine in der Ebene dieser Form und außerhalb dieser Form in der Nähe ihres spitzen Endes liegende Achse erhalten wurde, und an der Stirnseite des Lichtleitelements kann eine Vielzahl von gerichteten Lichtquellen angeordnet sein.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Beleuchtungsgerätes kann vorsehen, dass das Lichtleitelement derart gebogen ausgeführt sein kann, dass in mindestens einem der Längsschnitte, in denen die Ausbreitung des Lichtstroms in dem Lichtleitelement erfolgt, eine mehrseitige sich verjüngende Figur gebildet wird, die durch gebrochene Linien begrenzt ist, welche eine Konvexität zur Seite des Austritts des Lichtstroms aus dem Lichtleitelement aufweisen.
Hierbei kann das Lichtleitelement in Form einer mit Knickungen gebogenen Platte ausgebildet sein, die durch Parallelverschiebung der mehrseitigen sich verjüngenden Form in einer zur Ebene dieser Form senkrechten Richtung erhalten wurde, und an der Stirnseite des Lichtleitelements kann eine Vielzahl von gerichteten Lichtquellen angeordnet sein. Alternativ kann das Lichtleitelement in Form eines Rotationskörpers ausgebildet sein, der durch Rotation der mehrseitigen sich verjüngenden Form um eine in der Ebene dieser Form und außerhalb dieser Form in der Nähe ihres spitzen Endes liegende Achse erhalten wurde, und an der Stirnseite des Lichtleitelements kann eine Vielzahl von gerichteten Lichtquellen angeordnet sein.
Gemäß einer Weiterbildung des Beleuchtungsgerätes kann vorgesehen sein, dass die gerichteten Lichtquellen gleichmäßig an der Stirnseite des Lichtleitelements angeordnet sind.
Schließlich sieht eine Ausführungsform des Beleuchtungsgerätes vor, dass die mindestens eine gerichtete Lichtquelle eine Leuchtdiode ist.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden durch die beigefügten Figuren einer Zeichnung veranschaulicht.
1 ist eine Querschnittsdarstellung des Lichtleitelements gemäß einer Ausführungsform.
2 zeigt ein Schema der Ausbreitung von Strahlen in einer Ellipse mit einem Längenverhältnis der Halbachsen a/b = 2.
3 veranschaulicht die Ausgangsverteilung eines Lichtstroms von einer punktförmigen Quelle.
4 zeigt den Anteil η der aus der Ellipse nach außen austretenden Strahlung in Abhängigkeit von dem Neigungswinkel φ des Lichtbündels bezüglich einer Achse, welche die Brennpunkte der Ellipse verbindet; es sind Punkte 1–4 angegeben, welche Neigungswinkeln entsprechen, bei denen 15% der Gesamtleistung der Quelle nach außen austreten.
5 zeigt Abschnitte A₁B₁ und A₂B₂ der Oberfläche einer elliptischen Linse aus Glas, durch welche ein Anteil von 0,15 der Leistung der Quelle im Brennpunkt 1 nach außen austritt.
6 stellt ein Schema der Konstruktion eines Abschnitts A₂B₂ der unteren Fläche (Nicht-Arbeitsfläche) eines Lichtleitelements mit totaler innerer Reflexion dar; die Brennpunkte 1 der großen und der kleinen Ellipse fallen zusammen.
7 zeigt Einfallswinkel von Strahlen eines Bündels auf die Fläche A₂B₂ von 6.
8 veranschaulicht Winkelverteilungsfunktionen eines Lichtbündels in dem Lichtleitelement von 6.
9 zeigt eine schematische Ansicht eines Lichtleitelements mit festgelegter Leistung (15% der Gesamtleistung), welche bei jeder Reflexion des Lichtbündels von der oberen Fläche (Arbeitsfläche) austritt, wobei die Strahlung nicht durch die untere Fläche austritt (die Winkelbeziehungen sind exakt eingehalten).
10 zeigt die Ausgangs-Verteilungsfunktion (0) und die Winkelverteilungsfunktionen nach jeder Reflexion 1–11 in dem Lichtleitelement von 9.
11 zeigt ein Lichtleitelement gemäß einer Ausführungsform.
Ausführliche Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung
Das Beleuchtungsgerät umfasst ein Lichtleitelement und mindestens eine gerichtete Lichtquelle. Betrachten wir zunächst das Lichtleitelement mit von der Basis aus zusammenlaufenden lateralen Seiten (11) in einem Querschnitt, welcher schematisch in 1 dargestellt ist. Dies kann ein keilförmiges oder kegelförmiges Lichtleitelement sein, das heißt ein Lichtleitelement, das mit einer langgestreckten Form hergestellt ist und in mindestens einem Längsschnitt eine Basis und zwei laterale Seiten, die von der Basis zu einer Spitze hin zusammenlaufen, aufweist, wobei die Basis jedes der besagten Längsschnitte an der Stirnseite des Lichtleitelement angeordnet ist.
In dem Lichtleitelement mit dem Querschnitt gemäß 1 erfährt ein Strahl, der von einer Lichtquelle (12) ausgesendet wird, die an der Stirnseite des Lichtleitelements angeordnet ist, zum Richten eines Lichtstroms in diese Stirnseite, und der einen Winkel θ bezüglich der Längsachse des Lichtleitelements aufweist, eine erste Reflexion unter einem Winkel φ₁ = π/2 – θ – α/2 von der linken Arbeitsfläche des Lichtleiters und verläuft dann weiter. Nach einer zweiten Reflexion (einer Reflexion von der rechten Arbeitsfläche) ist φ₂ = π/2 – θ – 3α/2, nach einer k-ten Reflexion ist der Winkel dann gleich φ_k = π/2 – θ – α(k – 1/2), d. h. φ_k verringert sich mit jeder Reflexion. Somit erweist es sich bei einer gewissen Reflexion k_*(θ) (in 1 ist k_*(θ) = 2), dass
ist, wobei φ_* – Winkel der totalen inneren Reflexion für ein Lichtleitermaterial mit einem Brechungsindex n. Nach der Reflexion k_* und den folgenden Reflexionen beginnt das Licht, aus dem Lichtleiter nach außen auszutreten. Somit erfolgt in der Anfangsetappe der Ausbreitung des Lichtes, bei k < k_*(θ), eine Übertragung desselben entlang der Richtung der Verlängerung des Lichtleiters ohne Austritt nach außen, danach jedoch, bei k ≥ k_*(θ), sowohl eine Übertragung als auch ein Austritt der Strahlung nach außen. Strahlen der Quelle mit einem größeren Winkel θ bezüglich der Längsachse des Lichtleiters treten näher an der Eingangsstirnseite des Lichtleiters aus, und Strahlen mit kleinerem θ weiter entfernt von dieser Stirnseite.
Das heißt, der Winkel zwischen der Richtung des Lichtstroms von der gerichteten Lichtquelle und der Richtung der Verlängerung des Lichtleitelements ist in einem solchen Bereich gewählt, dass der Lichtstrom mindestens eine totale innere Reflexion von den besagten zusammenlaufenden lateralen Seiten in dem besagten mindestens einen Längsschnitt des Lichtleitelements erfährt und nach mindestens einer der besagten totalen inneren Reflexionen durch eine dieser zusammenlaufenden lateralen Seiten hindurch austritt. Auf diese Weise wird die Gleichmäßigkeit des Austritts von Strahlung von den Seitenflächen des Lichtleiters gewährleistet.
Wenn nun der Brechungsindex des Materials des Lichtleitelements sowie die Grenzwerte der Winkel zwischen den zusammenlaufenden lateralen Seiten (11) in denjenigen Längsschnitten, in denen die Ausbreitung des Lichtstroms erfolgt, sowie der Bereich der Winkel, unter denen der Lichtstrom in das Lichtleitelement eintritt, so gewählt werden, dass der Lichtstrom durch ein und dieselbe von den zusammenlaufenden lateralen Seiten (11) austritt, ergibt sich ein Lichtleitelement mit einer Strahlung nur von einer Seite.
Die angegebene Wahl des Brechungsindex und der entsprechenden Winkel stellt eine recht schwierige Aufgabe dar, welche in jedem konkreten Fall mit Hilfe mathematischer Modellierung gelöst wird.
Das in 1 dargestellte Lichtleitelement kann derart gebogen werden, dass in wenigstens einem der Längsschnitte, in denen die Ausbreitung des Lichtstroms in dem Lichtleitelement erfolgt, eine sich stetig verjüngende Figur mit einer Konvexität zur Seite des Austritts des Lichtstroms aus dem Lichtleitelement gebildet wird.
Betrachten wir nun den Fall, wenn die gebogenen Linien im Längsschnitt eines solchen Lichtleitelements Abschnitte von Ellipsen darstellen. Der Einfachheit halber wird zunächst auf 2 Bezug genommen, wo eine punktförmige Lichtquelle (12), die einen Lichtstrom innerhalb eines Winkels 2θ₀ liefert, in einem der Brennpunkte der Ellipse angeordnet ist. Die Ellipse ist aus einem Material mit einem Brechungsindex n₁ hergestellt, außen befindet sich Material mit einem Brechungsindex n₂ < n₁. Die Richtung des Bündels der Quelle (12) bezüglich der Oberfläche der Ellipse wird durch den Neigungswinkel φ der rechten Grenze des Bündels bezüglich der horizontalen Achse, welche die Brennpunkte der Ellipse verbindet, bestimmt.
Ein gewisser Strahl aus dem Bündel weist einen Winkel φ + θ bezüglich der horizontalen Achse auf. Der diesem Strahl entsprechende reflektierte Strahl weist einen Winkel φ' + θ' auf, wobei φ' der Neigungswinkel des am weitesten links befindlichen reflektierten Strahls in dem Bündel bezüglich der horizontalen Achse ist und θ' von diesem Strahl aus gemessen wird. Da die Winkel ϕ gleich sind, ist der Einfallswinkel des ausgewählten Strahls
Um den Zusammenhang zwischen den Winkeln θ und θ' zu bestimmen, benutzen wir die Ellipsengleichung in Polarkoordinaten [1]
Wie aus 2 ersichtlich ist, ist für jeden Strahl in dem Bündel der Quelle die Beziehung ρcos(φ + θ) + ρ'cos(φ' + θ') = 2ae erfüllt. Dann finden wir, indem wir den Ausdruck (1) in diese Beziehung einsetzen,
wobei, wie aus 2 folgt, cos(φ') = F(φ + 2θ₀).
Der Ausdruck (2) stellt einen Zusammenhang zwischen θ und θ' her. Nehmen wir um der Bestimmtheit willen an, dass das Lichtleitelement (und die Ellipse in 2) aus Glas mit n₁ = n = 1.55 hergestellt ist, um das herum sich Luft mit n₂ = 1 befindet. Die Quelle (12) erzeugt einen Lichtstrom in den Grenzen des Winkels 2θ₀ = 30⁰, mit Gaußscher Winkelverteilung der abgestrahlten Leistung
Der relative Anteil der Strahlungsleistung der Quelle (12), der in die Umgebung (2) ausgetreten ist, bestimmt sich nach der Formel:
wobei der Einfallswinkel α = α(θ, φ) durch (0) unter Berücksichtigung des Ausdrucks (2) bestimmt ist. Der Reflexionskoeffizient (bezüglich der Intensität) der nicht polarisierten Strahlung ist
Reflexionskoeffizienten entsprechend der Amplitude des Feldes,
In 4 ist der Anteil η(φ) der Strahlung dargestellt, die aus einer Ellipse mit einem Aspektverhältnis a/b = 2 nach außen austritt.
Abschnitte mit η(φ) = 0 entsprechen einer totalen inneren Reflexion. Es sind die Neigungswinkel φ₁ = 73.2⁰ und φ₂ = 357.6⁰ angegeben (welche den Punkten 1 und 2 in dem Diagramm entsprechen), bei denen ein Anteil η = 0.15 der Leistung der Quelle nach außen austritt. Die Punkte 4 und 3 entsprechen den Winkeln 2π – (φ₁ + 2θ₀) = 256.8⁰ und 4π – (φ₂ + 2θ₀) = 332.4⁰ für Bündel, die zu den Bündeln mit φ_1,2 bezüglich der horizontalen Achse symmetrisch sind. Die Abschnitte der Oberfläche des Ellipsoids, durch welche ein Anteil von 0,15 der Leistung der Quelle austritt, sind in 5 angegeben.
Es ist anzumerken, dass eine relativ geringfügige Änderung der Winkel zu einer beträchtlichen Änderung der Energie führt, die aus der Ellipse austritt. Wenn man zum Beispiel φ₁ auf φ₁ = 71.8⁰ verkleinert, d. h. um 1.4⁰, so erweist sich, dass η = 0.1 ist, und wenn φ₁ auf φ₁ = 74.2⁰ vergrößert wird, d. h. um 1⁰, so ist η = 0.2. Dies hängt damit zusammen, dass der Reflexionskoeffizient (5) nur für Winkel, die nahe bei θ_* liegen, wesentlich von dem Einfallswinkel θ abhängt. Somit muss bei einer festen Vorgabe bezüglich der Leistung der austretenden Strahlung (mit einem zulässigen Fehler von weniger als 5%) die Form der Oberfläche der Lichtleitelemente (sowie die Lage der Lichtquelle und die Winkelverteilung ihrer Leistung) recht genau eingehalten werden und bekannt sein.
Das Lichtleitelement in 6 umfasst eine Quelle 1 und einen Abschnitt A₁B₁ der Arbeitsoberfläche mit der dargestellten Ausrichtung relativ zueinander. Nach einer Reflexion vom Abschnitt A₁B₁, mit teilweisem Austritt nach außen, wird das Bündel fokussiert und breitet sich dann in Richtung zum Brennpunkt 2 der Ellipse aus. Um das Bündel wieder zu defokussieren und es entlang des Lichtleitelements auszurichten, muss der Teil seiner Oberfläche, von dem aus die zweite Reflexion des Bündels erfolgt, eine defokussierende (d. h. bezüglich der Ausbreitungsrichtung des Bündels einwärts gebogene) elliptische Linse sein. Hierbei müssen die Einfallswinkel der Strahlen des Bündels auf die Oberfläche dieser Linse größer als der Winkel der totalen inneren Reflexion sein; dann tritt die Strahlung nicht aus dem Lichtleitelement nach außen aus. Es ist offensichtlich, dass eine zweite Fläche in Form einer Ellipse mit derselben Exzentrizität e wie für die erste Fläche nicht geeignet ist, da die Einfallswinkel der Strahlen auf sie dieselben sein werden wie auf die erste, d. h. kleiner als der Winkel der totalen inneren Reflexion, und ein Teil der Strahlung aus dem Lichtleitelement nach außen (d. h. ins Innere der Ellipse) austreten wird. Somit ist es erforderlich, entweder das Aspektverhältnis für die Ellipse, die der zweiten Fläche entspricht, zu ändern (zu vergrößern), oder diese Ellipse bezüglich ihres Brennpunktes so zu drehen, dass beim Auftreffen von Strahlen auf ihre Oberfläche dieselben alle eine totale innere Reflexion erfahren. Es ist offensichtlich, dass, wenn als zweite Fläche ein Teil einer Ellipse mit einer Länge der großen Halbachse von 3,3 und einem Aspektverhältnis von 2,2 genommen wird, wie in 6 (das Aspektverhältnis für die große Ellipse in 6 ist gleich 2, und die Länge ihrer großen Halbachse ist 4), jeder Strahl aus dem Bündel an dieser Fläche eine totale innere Reflexion erfährt und das Licht nicht nach außen austritt. In der Tat, definieren wir die Winkel φ₁' und φ₁'', wie aus 6 ersichtlich, dann ist gemäß (2) cos(φ₁') = F(φ₁ + 2θ₀) und cos(φ₁'') = F(φ₁) (5a)
Der Einfallswinkel des Bündels auf den Abschnitt A₂B₂ der Oberfläche ist ein und derselbe für ein Bündel, das von außerhalb oder von innerhalb der kleineren Ellipse in 6 auf den Abschnitt fällt, und wird durch einen zu (0) analogen Ausdruck bestimmt,
wobei sich φ von φ₁' bis φ₁'' ändert. Die Abhängigkeit α₂(φ), φ₁' < φ < φ₁'', ist in 7 dargestellt. Wie aus 7 ersichtlich, ist α₂(φ) > θ_*, d. h. die Strahlung tritt über den Abschnitt A₂B₂ nicht aus dem Lichtleitelement aus. Dabei ist anzumerken, dass das minimale Aspektverhältnis, bei welchem α₂(φ) > θ_* ist, gleich 2,16 ist. Für die innere Ellipse in 6 kann man ein Aspektverhältnis a/b > 2.16 wählen, und man kann auch unter Beibehaltung des Aspektverhältnisses die Abmessungen der Ellipse ändern, was hilft, die Lage der Abschnitte der Oberfläche relativ zueinander zu optimieren.
Damit bei einer dritten Reflexion des Bündels von den Grenzen des Lichtleitelements, d. h. von dem Abschnitt A₃B₃ in 6, ein vorgegebener Anteil der vollen Strahlungsleistung der Quelle nach außen austritt (zum Beispiel dieselben 15% wie bei der Reflexion vom Abschnitt A₁B₁), muss sich die Form der Oberfläche des Abschnitts A₃B₃ von der Form des Abschnitts der Oberfläche der großen Ellipse unterscheiden. Doch selbst wenn es sich aufgrund einer zufälligen Übereinstimmung erweist, dass aus dem Abschnitt A₃B₃ der großen Ellipse etwa 15% der vollen Leistung der Quelle austreten, so wird es nach der dritten Reflexion in diesem Falle schwer, den Verlauf der Strahlen zu beschreiben, da das Bündel, das von A₃B₃ reflektiert wird, von dem Punkt 2 in 6 ausgeht, welcher kein Brennpunkt der großen Ellipse ist. Somit muss die Form des Oberflächenabschnitts A₃B₃ so verändert werden, dass sie einer gewissen Ellipse mit einem Brennpunkt im Punkt 2 entspricht (derselbe Punkt ist Brennpunkt der kleinen Ellipse in 6). Die geometrischen Parameter dieser dritten Ellipse müssen die Ausleitung eines vorgegebenen Anteils (15%) der Lichtleistung nach außen gewährleisten.
Weiterhin ist anzumerken, dass die Winkelverteilung der Leistung der Quelle sich beim Übergang von ihr zum Abschnitt A₃B₃ ändert, sowohl durch den Austritt eines Teil der Strahlung durch den Abschnitt A₁B₁ nach außen als auch infolge der Fokussierung und Defokussierung des Bündels bei der Reflexion von den Oberflächen des Lichtleitelements.
Bestimmen wir die Verteilungsfunktion nach der ersten Reflexion. Vor der Fokussierung ist f ~₁(θ) = R[α(θ, φ₁]f(θ), (6) wobei α(θ, φ₁) durch (0) unter Berücksichtigung des Ausdrucks (2) definiert ist. Nach der Fokussierung beträgt die Leistung in einem kleinen Winkelintervall f ~₁(θ)dθ = f₁(θ')dθ', (7) wobei θ und θ' durch den Ausdruck (2) verknüpft sind. Aus der Gleichung (7) folgt die Verteilungsfunktion nach der ersten Reflexion
Bestimmen wir θ(θ'). Da der Ausdruck (2) symmetrisch bezüglich φ' + θ' und φ + θ ist, d. h. cos(φ + θ) = F(φ' + θ'), gilt θ(θ') = arccos[F(φ₁'+ θ')] – φ₁, (9) θ' ändert sich von 0 bis φ₁'' – φ₁', und φ₁'', φ,' werden aus dem Ausdruck (5a) bestimmt. In 8 sind Winkelverteilungsfunktionen dargestellt: die anfängliche für die Quelle – Kurve 1, vor der ersten Reflexion bis zur Fokussierung – Kurve 2, nach der ersten Reflexion und der Fokussierung – Kurve 3; zum Vergleich ist eine Kurve 4 angegeben, die einer Fokussierung bei 100% Reflexion entspricht.
Auf analoge Weise wird die Winkelverteilungsfunktion f₂(θ') nach der zweiten (totalen inneren) Reflexion bestimmt; sie ist in 8 durch die Kurve 5 dargestellt:
Bei den Berechnungen ist die Exzentrizität der kleinen Ellipse in 6
zu verwenden. Der Winkel θ' ändert sich von 0 bis 2θ₂ = φ₂'' – φ₂' = 29.1⁰, wobei φ₂'' = arccos[F(φ₁')], φ₂' = arccos[F(φ₁'')], θ(θ') = arccos[F(φ₂'' + θ')] – φ₁'. Wie aus 6 ersichtlich ist, erfolgte nach der zweiten Reflexion eine geringfügige Fokussierung des Bündels, im Vergleich zu dem Ausgangsbündel. Man kann sich davon überbeugen, dass bei den ausgewählten Elementen der Grenzen des Lichtleitelements das Bündel nach der zweiten Reflexion 85% der Energie des Ausgangsbündels enthält:
Um den folgenden Abschnitt der Oberfläche des Lichtleitelements zu bestimmen, ist die folgende, zu (4) analoge Gleichung zu lösen:
und φ₂ = φ₂' + θ, φ₃ = arccos[F(φ₂)]. Als Variable in dem Ausdruck (2) für F wählen wir die Exzentrizität e, und die Länge der großen Halbachse der dritten Ellipse kann so gewählt werden, dass der dritte Abschnitt der Oberfläche des Lichtleitelements mit dem ersten verknüpft wird. Somit ist die Gleichung (11) η(e) = 0.15 bezüglich e zu lösen, welches in den Ausdruck für φ₃ eingeht. Die Lösung der letzten Gleichung ergibt e = e₃ = 0.723, was das Aspektverhältnis
definiert. Für den dritten Abschnitt der Oberfläche des Lichtleitelements kann man eine Ellipse mit einer Länge der großen Halbachse a = 3.911 und der kleinen Halbachse b = 2.7 wählen, wobei der linke Brennpunkt der dritten Ellipse mit dem linken Brennpunkt der zweiten zusammenfällt.
Auf analoge Weise können die nachfolgenden Elemente der Oberfläche des Lichtleitelements hinzugefügt werden (mit unterschiedlichen Verfahren). In 9 ist zum Beispiel ein Lichtleitelement dargestellt, dessen Oberflächenabschnitte durch Bestimmung der Exzentrizitäten entsprechender Ellipsen und (oder) durch Neigung der Achsen der Ellipsen bezüglich der Horizontalen erhalten wurden. Ein solches Lichtleitelement ist so ausgeführt, das in seinem Querschnitt eine mehrseitige sich verjüngende Figur gebildet wird, die durch gebrochene Linien begrenzt ist, welche eine Konvexität zur Seite des Austritts des Lichtstroms aus dem Lichtleitelement aufweisen. Die Strahlungsquelle wird an der Stirnseite (dem breitesten Teil des Querschnitts) des besagten Lichtleitelements angeordnet.
In 9 ist ein Lichtleitelement aus sieben Seitenflächen, welche eine konvexe ellipsoidale Oberfläche für die Ausleitung von Strahlung von der besagten Strahlungsquelle bilden, und sieben Seitenflächen, welche eine konkave ellipsoidale Oberfläche zur Reflexion der Strahlung von der besagten Strahlungsquelle bilden, hergestellt. Durch die Oberflächenabschnitte, die auf dem konvexen Teil des Lichtleitelements markiert sind, treten 15% der gesamten Strahlungsleistung aus, während die Reflexionen des Lichtes von den Abschnitten, die auf dem konkaven Teil des Lichtleitelements markiert sind, ohne Austritt von Strahlung nach außen erfolgen.
In 10 sind die Ausgangs-Verteilungsfunktion und die Winkelverteilungsfunktionen der Strahlung nach jeder Reflexion dargestellt.
Die gesamte obige Beschreibung wurde für den Fall eines flachen Querschnitts gegeben. Ein reales Lichtleitelement kann auf unterschiedliche Weise hergestellt sein. Zum Beispiel kann ein Lichtleitelement, das im Querschnitt eine sich verjüngende Figur gemäß 1, 6 oder 9 aufweist, in Form einer Platte ausgebildet sein, die durch Parallelverschiebung dieser sich verjüngenden Figur in einer zur Ebene dieser Figur senkrechten Richtung erhalten wurde. An der Stirnseite eines solchen Lichtleitelements wird eine Vielzahl von gerichteten Lichtquellen, zum Beispiel Leuchtdioden, angeordnet.
Ein anderes Beispiel eines Lichtleitelements ist in 11 dargestellt. Dieses Lichtleitelement ist in Form eines Rotationskörpers ausgebildet, der durch Rotation der sich verjüngenden Figur von 1, 6 oder 9 um eine in der Ebene dieser Figur und außerhalb dieser Figur in der Nähe ihres spitzen Endes liegende Achse erhalten wurde. An der Stirnseite des Lichtleitelements wird ebenfalls eine Vielzahl von gerichteten Lichtquellen, zum Beispiel Leuchtdioden, angeordnet.
Es ist auch eine Ausführung des Lichtleitelements auf eine solche Weise möglich, dass in mindestens einem der Längsschnitte, in denen die Ausbreitung des Lichtstroms in dem Lichtleitelement erfolgt, eine mehrseitige sich verjüngende Figur gebildet wird, die durch gebrochene Linien begrenzt ist, welche eine Konvexität zur Seite des Austritts des Lichtstroms aus dem Lichtleitelement aufweisen. Hierbei kann das Lichtleitelement sowohl in Form einer mit Knickungen gebogenen Platte ausgebildet sein, die durch Parallelverschiebung der besagten mehrseitigen sich verjüngenden Figur in einer zur Ebene dieser Figur senkrechten Richtung erhalten wurde, als auch in Form eines Rotationskörpers, der durch Rotation der besagten mehrseitigen sich verjüngenden Figur um eine in der Ebene dieser Figur und außerhalb dieser Figur in der Nähe ihres spitzen Endes liegende Achse erhalten wurde.
Es ist zweckmäßig, die Anordnung der Leuchtdioden oder anderen gerichteten Lichtquellen an der Stirnseite eines beliebigen Lichtleitelements gleichmäßig vorzunehmen, wenn es erforderlich ist, einen vollen Lichtstrom mit einer gleichverteilten Dichte zu erhalten. Dann ist der gebildete Lichtstrom im Falle der Ausführung des Lichtleitelements in Form einer gebogenen Platte zu einer Seite hin gerichtet, und im Falle der Ausführung des Lichtleitelements in Form eines Rotationskörpers nach allen Seiten.
Es ist klar, dass bei einer anderen Ausführungsform des Lichtleitelements, zum Beispiel in Form eines konvexen Körpers, der dem in 11 dargestellten ähnlich ist, jedoch in einem zur vertikalen Achse senkrechten Schnitt nicht kreisförmig, sondern ellipsenförmig ist, der Lichtstrom eine in verschiedenen Richtungen unterschiedliche Dichte aufweisen kann.
Das Beleuchtungsgerät kann in Aushängeschildern, Hinweisschildern mit unterschiedlichen Informationen, Leuchtreklamen, Beleuchtungsvorrichtungen für medizinische Anwendungen und anderen Leuchtvorrichtungen verwendet werden.
Somit gewährleistet das Beleuchtungsgerät die Lösung der gestellten Aufgabe durch Umwandlung der Lichtbündel von den Quellen in ein oder mehrere austretende Lichtbündel mit größerem Querschnitt, die eine gleichmäßigere Helligkeit der austretenden Bündel über dem Querschnitt mit einem hohen Wirkungsgrad hinsichtlich des Eintritts/Austritts der Lichtstrahlung und in den vorgegebenen Richtungen der austretenden Bündel ergeben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

RU 95886 [0002]
RU 93929 [0002]
US 2011/0042700 [0002]
RU 95181 [0004]

Claims

Beleuchtungsgerät, umfassend: ein Lichtleitelement, das mit einer langgestreckten Form gebildet ist und in mindestens einem Längsschnitt eine Basis und zwei laterale Seiten aufweist, die von der Basis zu einer Spitze hin zusammenlaufen, wobei die Basis jedes der Längsschnitte an der Stirnseite des Lichtleitelement angeordnet ist, und eine auslenkbare Lichtquelle zum Ausrichten des Lichtstroms in eine Stirnseite an der Stirnseite des Lichtleitelements angeordnet ist, wobei der Winkel zwischen der Ausrichtung des Lichtstroms von der auslenkbaren Lichtquelle und der Richtung der Verlängerung des Lichtleitelements in einem solchen Bereich gewählt ist, dass der Lichtstrom mindestens eine innere Totalreflexion von den zusammenlaufenden lateralen Seiten in dem mindestens einen Längsschnitt des Lichtleitelements erfährt und nach mindestens einer inneren Totalreflexion durch eine der zusammenlaufenden lateralen Seiten austritt.
Gerät nach Anspruch 1, wobei der Brechungsindex des Materials des Lichtleitelements sowie die Grenzwerte der Winkel zwischen den zusammenlaufenden lateralen Seiten in denjenigen der Längsschnitte, in denen die Ausbreitung des Lichtstroms erfolgt, und der Bereich der Winkel, unter denen der Lichtstrom in das Lichtleitelement eintritt, so gewählt sind, dass der Lichtstrom durch ein und dieselbe von den zusammenlaufenden lateralen Seiten austritt.
Gerät nach Anspruch 2, wobei das Lichtleitelement derart gebogen ist, dass in mindestens einem der Längsschnitte, in denen die Ausbreitung des Lichtstroms in dem Lichtleitelement erfolgt, eine sich stetig verjüngende Form mit einer Konvexität zur Seite des Austritts des Lichtstroms aus dem Lichtleitelement gebildet ist.
Gerät nach Anspruch 3, wobei das Lichtleitelement in Form einer stetig gebogenen Platte ausgebildet ist, die durch Parallelverschiebung der sich stetig verjüngenden Form in einer zur Ebene der Form senkrechten Richtung gebildet ist, und an der Stirnseite des Lichtleitelements eine Vielzahl von auslenkbaren Lichtquellen angeordnet ist.
Gerät nach Anspruch 3, wobei das Lichtleitelement in Form eines Rotationskörpers ausgebildet ist, der durch Rotation der sich stetig verjüngenden Form um eine in der Ebene der Form und außerhalb der Form in der Nähe ihres spitzen Endes liegende Achse gebildet ist, und an der Stirnseite des Lichtleitelements eine Vielzahl von auslenkbaren Lichtquellen angeordnet ist.
Gerät nach Anspruch 2, wobei das Lichtleitelement derart gebogen ausgeführt ist, dass in mindestens einem der besagten Längsschnitte, in denen die Ausbreitung des Lichtstroms in dem Lichtleitelement erfolgt, eine mehrseitige sich verjüngende Form gebildet ist, die durch gebrochene Linien begrenzt ist, welche eine Konvexität zur Seite des Austritts des Lichtstroms aus dem Lichtleitelement aufweisen.
Gerät nach Anspruch 6, wobei das Lichtleitelement in Form einer mit Knickungen gebogenen Platte ausgebildet ist, die durch Parallelverschiebung der mehrseitigen sich verjüngenden Form in einer zur Ebene der Form senkrechten Richtung gebildet ist, und an der Stirnseite des Lichtleitelements eine Vielzahl von auslenkbaren Lichtquellen angeordnet ist.
Gerät nach Anspruch 6, wobei das Lichtleitelement in Form eines Rotationskörpers ausgebildet ist, der durch Rotation der mehrseitigen sich verjüngenden Form um eine in der Ebene dieser Form und außerhalb der Form in der Nähe ihres spitzen Endes liegende Achse gebildet ist, und an der Stirnseite des Lichtleitelements eine Vielzahl von auslenkbaren Lichtquellen angeordnet ist.
Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die auslenkbaren Lichtquellen gleichmäßig an der Stirnseite des Lichtleitelements angeordnet sind.
Gerät nach Anspruch 9, wobei die mindestens eine auslenkbare Lichtquelle eine Leuchtdiode ist.