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Die Erfindung betrifft einen kompakten Weißlicht-LED-Spotlichtstrahler mit scharf abgegrenztem Ausleuchtungsbereich bei homogener Farbverteilung über den gesamten Ausleuchtungsbereich, welcher insbesondere bei der dekorativen Beleuchtung von Vitrinen oder Schaufenstern Verwendung findet.
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Im Rahmen der Ablösung konventioneller Leuchtmittel durch energiesparende Lichtquellen und als Ersatz für umweltschädliche Leuchtstofflampen gewinnt die Lichtemitterdiode (LED) immer mehr an Bedeutung. Neben der Erzeugung von weißem Licht aus einer Mischung der drei Grundfarben Rot, Grün, Blau beruht das Grundprinzip der Erzeugung des weißen Lichts einer einfachen Weißlicht-LED auf der teilweisen Umwandlung des Lichts einer blauen LED in gelbes Licht mittels eines Leuchtstoffs. Die Mischung des blauen und gelben Lichts ergibt das weiße Licht. Da in diesem Licht kaum rotes Licht vorhanden ist, wirkt es relativ kalt und wird deshalb gerne im Bereich der Effektbeleuchtung, wie beispielsweise für Spotlichtstrahler, eingesetzt.
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Bei den Spotlichtstrahlern können neben einer Vielzahl von Mischformen zwei wesentliche Bauformen unterschieden werden. In einer ersten größeren Bauform sind meist mehrere superhelle LEDs nebeneinander als flächige Lichtquelle angeordnet, deren Licht mittels einer reflektierenden oder brechenden Optik auf einen gemeinsamen Ausleuchtungsbereich konzentriert wird.
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Eine zweite Bauform verwendet eine einzelne LED oder Hochleistungs-LED, von der ein flächig abgestrahltes Lichtstrahlenbündel, üblicherweise mit einem Öffnungswinkel von mindestens 120°, abgegeben wird. Zur Verwendung im Spotlichtstrahler wird der große Öffnungswinkel des Lichtstrahlenbündels mittels eines Reflektors oder einer Linse kollimiert. Diese Bauform eignet sich insbesondere für kleine und unauffällige Spotlichtstrahler, wie sie beispielsweise in Vitrinen oder Schaufenstern einsetzbar sind. Eine besonders kompakte und leichte Bauform kann erreicht werden, wenn für die Kollimation des Lichtstrahlenbündels asphärisch geformte Linsen verwendet werden, die vorzugsweise aus Kunststoff bestehen.
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In der Offenlegungsschrift
DE 10 2010 004 825 A1 ist eine Beleuchtungseinrichtung offenbart, bei der eine einzelne asphärisch geformte Linse zur Kollimation des Lichtstrahlenbündels einer LED verwendet wird. Dazu ist die plane Lichteintrittsfläche der asphärischen Linse in einem Abstand von der Lichtaustrittsfläche der LED angeordnet, wobei sich die Lichtaustrittsfläche der LED in einem optimalen Abstand zur Lichteintrittsfläche zwischen der Lichteintrittsfläche und dem Brennpunkt der asphärischen Linse befindet. Zur gezielten Beeinflussung der optischen Eigenschaften der asphärischen Linse ist diese axial in mehrere optische Bereiche unterteilt, die aus Gläsern unterschiedlicher Brechzahl bestehen. Bei der hier beschriebenen Kollimation finden Farbfehler, die durch das physikalische Prinzip der Weißlichterzeugung mittels Leuchtstoff und durch die besonders stark in asphärischen Optiken auftretende Dispersion entstehen, keine Beachtung.
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Wenn im Folgenden von gelbem Licht gesprochen wird, ist damit der Anteil des durch den Leuchtstoff von Blau nach Gelb gewandelten Lichts gemeint. Dieses Licht ist natürlich nicht ausschließlich gelb, sondern erstreckt sich über das gesamte Spektrum von Grün über Gelb bis Rot, wobei das Maximum im gelben Bereich liegt.
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Je nach Aufbau der Weißlicht-LED und der Form der asphärischen Linse können diese Farbfehler im Ausleuchtungsbereich der Weißlicht-LED mehr oder weniger stark ausgeprägt sein. Während sich im Zentrum des Ausleuchtungsbereiches das gelbe und blaue Licht zu weißem Licht ergänzen, kommt es im Randgebiet des Ausleuchtungsbereiches durch die Dispersion zu einem höheren Anteil an gelbem als an blauem Licht, was zu einem gelben Saum führt. Ab einem dicht am Rand liegenden Gebiet fehlt das blaue Licht ganz.
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Im Allgemeinen werden Spotlichtstrahler verwendet, um einen begrenzten Bereich oder ein einzelnes Objekt zu beleuchten, der oder das sich von seiner Umgebung abheben und eine besondere Aufmerksamkeit erzeugen soll. Aufgrund der gesteigerten Aufmerksamkeit und der meist scharf abgegrenzten Hell-Dunkel-Grenze am Rand des Ausleuchtungsbereiches werden eventuelle Farbfehler einem Betrachter besonders leicht auffallen und schnell störend wirken. Zur Beseitigung der Farbfehler könnten prinzipiell Achromate oder Apochromate verwendet werden. Die Verwendung solcher hochwertigen Optiken oder Optiken aus Gläsern mit geringer Dispersion ist jedoch teuer und erhöht Baugröße und Gewicht des Spotlichtstrahlers.
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Bei einem in der Offenlegungsschrift
DE 10 2008 005 120 A1 offenbarten LED-Modul wird zur Beeinflussung des Abstrahlverhaltens einer LED eine Kunststofflinse in Kombination mit einem Reflektor verwendet. Die Kunststofflinse, die auch asphärisch geformt sein kann, ist mit einem Abstand zur LED angeordnet. Durch den Abstand strahlt ein Teil des Lichtstrahlenbündels an der Linse vorbei und kann nicht von der Linse kollimiert werden. Zur Kollimation des vorbeistrahlenden Lichts ist der Reflektor vorgesehen. Der Reflektor lenkt das vorbeistrahlende Licht in den Ausleuchtungsbereich des von der Linse kollimierten Lichtstrahlenbündels ab. Mit dem vom Reflektor abgelenkten Licht können Farbfehler im Ausleuchtungsbereich der Linse gemindert werden, indem dieses Licht gezielt mit den Teilen des Ausleuchtungsbereiches der Linse gemischt wird, in denen Farbfehler auftreten. Die Verwendung des Reflektors erhöht jedoch den Aufwand und die Baugröße des LED-Moduls. Außerdem ist durch die viel geringere Lichtintensität im Bereich des Reflektors die Farbkorrektur kaum zu erreichen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfache und kostengünstige Lösung zur Unterdrückung von Farbfehlern bei kompakten Spotlichtstrahlern zu finden.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe für einen LED-Spotlichtstrahler gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
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1 einen prinzipiellen Aufbau eines kompakten Spotlichtstrahlers mit Weißlicht-LED,
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2 einen schematischen Verlauf eines Lichtstrahlenbündels ohne Korrektur des Farbfehlers und
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3 einen schematischen Verlauf eines Lichtstrahlenbündels mit Korrektur des Farbfehlers mittels diffraktiver Struktur.
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Ein erfindungsgemäßer LED-Spotlichtstrahler 1 ist grundsätzlich wie in 1 gezeigt aufgebaut. Der LED-Spotlichtstrahler 1 umfasst eine einzelne Weißlicht-LED 2 mit einer in Abstrahlrichtung nachgeordneten asphärischen Linse 3 mit einer optischen Achse 4. Die asphärische Linse 3 und die Weißlicht-LED 2 sind in einem Gehäuse 5 in einem Abstand A zueinander befestigt. An mindestens einer von zwei optisch wirksamen Flächen der asphärischen Linse 3 ist eine diffraktive Struktur 6 angeordnet.
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Gemäß einer in 1 gezeigten Ausführung ist das Gehäuse 5 des LED-Spotlichtstrahlers 1 zylindrisch ausgeformt, wobei es becherförmig einen Boden 5.1 und eine Wand 5.2 aufweist. An einem dem Boden 5.1 gegenüberliegenden Ende der Wand 5.2 weist diese eine Stirnfläche 5.3 auf. Das Gehäuse 5 besteht vorzugsweise aus einem Material mit guter Wärmeleitung, sodass es gleichzeitig als ein Kühlkörper für die Weißlicht-LED 2 zur Verfügung steht.
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Die Weißlicht-LED 2 ist zentrisch am Boden 5.1 im Inneren des Gehäuses 5 befestigt. Als Weißlicht-LED 2 werden handelsübliche LEDs verwendet, die vorzugsweise mit dem Boden 5.1 verklebt sind. Für eine Kontaktierung der Weißlicht-LED 2 erforderliche Anschlüsse sind durch den Boden 5.1 des Gehäuses 5 hindurch nach außen geführt.
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Die Weißlicht-LED 2 ist prinzipbedingt eine flächig abstrahlende LED. Mit „flächig abstrahlend“ ist hier gemeint, dass eine zur Erzeugung eines weißen Lichts verwendete und aus dem Stand der Technik bekannte Leuchtstoffschicht der Weißlicht-LED 2 eine flächige Ausdehnung senkrecht zur optischen Achse 4 aufweist. Von der flächig ausgedehnten Leuchtstoffschicht geht ein von der Weißlicht-LED 2 erzeugtes Lichtstrahlenbündel 7 aus. Bei bestimmten Bauformen der Weißlicht-LED 2 kann durch eine unmittelbar an der Weißlicht-LED 2 angebrachte kollimierende Optik ein abgestrahlter Öffnungswinkel α geringfügig verringert werden, was jedoch zu einer entsprechend größeren Ausdehnung der leuchtenden Fläche führt.
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Der Öffnungswinkel α, mit dem das Lichtstrahlenbündel 7 von der Weißlicht-LED 2 abgestrahlt wird, liegt bei bis zu 120°.
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Die Kollimation des Lichtstrahlenbündels 7 wird durch die asphärische Linse 3 bewirkt. Die asphärische Linse 3 ist eine rotationssymmetrische asphärische Linse 3 mit zwei optisch wirksamen Flächen. Die der Weißlicht-LED 2 zugewandte optisch wirksame Fläche der Linse stellt eine plane Lichteintrittsfläche 3.1 und die der Weißlicht-LED 2 abgewandte optisch wirksame Fläche stellt eine konvexe, asphärisch gekrümmte Lichtaustrittsfläche 3.2 dar. Die asphärische Linse 3 ist mit der optischen Achse 4 senkrecht zur Weißlicht-LED 2 und durch deren Zentrum verlaufend angeordnet. Die Lichteintrittsfläche 3.1 liegt an der Stirnfläche 5.3 des Gehäuses 5 an. Für die einfache Zentrierung und Aufnahme der asphärischen Linse 3 am Gehäuse 5 verfügt die Stirnfläche 5.3 über einen axial über die Stirnfläche 5.3 herausragenden Zentrieransatz 5.4, der den Umfang der asphärischen Linse 3 aufnimmt. Die asphärische Linse 3 kann z. B. mit dem Zentrieransatz 5.4 verklebt oder mittels eines Ringes verschraubt sein. Aus Gewichts- und Kostengründen besteht die asphärische Linse 3 vorzugsweise aus Kunststoff.
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Um das gesamte von der Weißlicht-LED 2 ausgehende Lichtstrahlenbündel 7 zur Kollimation nutzen zu können, ist der Abstand A zwischen der Weißlicht-LED 2 und der Lichteintrittsfläche 3.1 auf den Öffnungswinkel α des Lichtstrahlenbündels 7 angepasst. Entsprechend einer axialen Bauhöhe der Weißlicht-LED 2 wird der Abstand A durch eine Anpassung der Lage der Stirnfläche 5.3 zum Boden 5.1 des Gehäuses 5 eingestellt.
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Wie aus dem Stand der Technik bekannt, entsteht das mittels der Weißlicht-LED 2 erzeugte Lichtstrahlenbündel 7 durch Mischung bzw. Überlagerung von blauem Licht und gelbem Licht. Das Lichtstrahlenbündel 7 besteht damit hauptsächlich aus Licht zweier spektral unterschiedlicher Wellenlängenbereiche, dem blauen Licht in einem kurzwelligeren und dem gelben Licht in einem langwelligeren Wellenlängenbereich. Für die Kollimation des Lichtstrahlenbündels 7 ist es erforderlich, die asphärische Lichtaustrittsfläche 3.2 an diese Wellenlängenbereiche des weißen Lichts und an die flächige Ausdehnung der Weißlicht-LED 2 im Abstand A anzupassen. Wie ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt, wird zur Anpassung die Krümmung der asphärischen Lichtaustrittsfläche 3.2 genau berechnet und gefertigt. Wegen der spektralen Unterschiede wird die asphärische Lichtaustrittsfläche 3.2 auf eine mittlere Wellenlänge, die zwischen den Wellenlängenbereichen des blauen und gelben Lichts liegt, berechnet.
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Im Allgemeinen besteht der Wunsch, den Öffnungswinkel α des Lichtstrahlenbündels 7 deutlich zu reduzieren (z. B. von 120° auf 50° bis 60° oder noch kleiner).
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Je kleiner der Winkel gewählt wird, umso größer muss der Abstand A gewählt werden und umso größer (und schwerer und teurer) wird die asphärische Linse 3 und die Baulänge des LED-Spotlichtstrahlers 1.
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Bei der Erzeugung in der Weißlicht-LED 2 und beim Durchtritt des weißen Lichts des Lichtstrahlenbündels 7 durch die asphärische Linse 3 entstehen prinzipbedingt Farbfehler, die in einem Ausleuchtungsbereich 8 des LED-Spotlichtstrahlers 1 störend hervortreten. Der Ausleuchtungsbereich 8 des erfindungsgemäßen LED-Spotlichtstrahlers 1 befindet sich in einer Entfernung, die bei der bevorzugten Verwendung in Vitrinen oder Schaufenstern üblicherweise zwischen 0,3 m und 1 m liegt.
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Ein erster Farbfehler kann bereits nach der Erzeugung des gelben Lichts in der Leuchtstoffschicht entstehen. Aufgrund des Öffnungswinkels α fallen am Umfang des Lichtstrahlenbündels 7 verlaufende Randstrahlen schräger in die flächig ausgedehnte Leuchtstoffschicht ein als in der Mitte des Lichtstrahlenbündels 7 verlaufende Zentrumsstrahlen. Das ursprünglich blaue Licht der Weißlicht-LED 2 legt deshalb in der Leuchtstoffschicht unterschiedlich lange Wege zurück. Mit zunehmend längerem Weg wird ein zunehmender Anteil des blauen Lichts in gelbes Licht gewandelt, sodass der Anteil des gelben Lichtes des Lichtstrahlenbündels 7 zum Randbereich hin größer wird.
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Ein zweiter Farbfehler entsteht durch die Dispersion in der asphärischen Linse 3. In 2 ist ein beispielhafter Verlauf der Randstrahlen des kollimierten Lichtstrahlenbündels 7 gezeigt. Das blaue Licht wird stärker gebrochen als das gelbe Licht, sodass der Rand des Ausleuchtungsbereiches 8 hauptsächlich gelbes Licht aufweist.
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Um den zweiten Farbfehler auf möglichst kleinem Raum und mit geringem Aufwand zu korrigieren, ist, wie in 3 gezeigt, auf der Lichteintrittsfläche 3.1 eine rotationssymmetrisch um die optische Achse 4 angeordnete diffraktive Struktur 6 eingebracht. Da die asphärische Linse 3 vorzugsweise aus Kunststoff besteht, kann die Einbringung der diffraktiven Struktur 6 bereits durch eine entsprechende Ausformung eines zur Herstellung der asphärischen Linse 3 verwendeten Spritzgusswerkzeugs realisiert werden.
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Die diffraktive Struktur 6 ist eine für Licht beugende Struktur. Die Beugung resultiert aus einer Phasenänderung Φ des Lichts beim Durchtritt durch die diffraktive Struktur 6. Physikalisch wirkt die Beugung der diffraktiven Struktur 6 der Dispersion der asphärischen Linse 3 entgegen, da der Wellenlängenbereich des blauen Lichts schwächer gebeugt wird als der Wellenlängenbereich des gelben Lichts.
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Die durch die diffraktive Struktur
6 eingeführte Phasenänderung Φ wird in Abhängigkeit von der optischen Achse
4 durch die folgende Gleichung (1) beschrieben:
- M
- ist die Beugungsordnung. Hier wird die 1. Beugungsordnung verwendet.
- A2i
- ist der i-te Koeffizient eines Designparameters.
- r
- ist der normierte Abstand des Strahldurchstoßpunktes auf der Lichteintrittsfläche 3.1 zur optischen Achse 4.
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Zur Korrektur des durch die Dispersion verursachten Farbfehlers wird die diffraktive Struktur 6 – also die Parameter A2i – so bestimmt, dass Strahlen unterschiedlicher Wellenlänge (hier z. B. von blauem und gelbem Licht), die vor der Asphäre zusammenfallen, auch nach der Asphäre wieder möglichst zusammenfallen. Damit sichert man gleich große Bilder für die einzelnen Farben im Ausleuchtungsbereich 8 und damit die Überlagerung der einzelnen farbigen Bilder zu Weiß.
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Im Designprozess kann man natürlich noch mehr Wellenlängen, wie z. B. Grün und Rot, einbeziehen.
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Da die diffraktive Struktur 6 eine Phasenänderung Φ beschreibt und die Phasen sich nach 2pi wiederholen, kann die diffraktive Struktur 6, wenn 2pi erreicht sind, um diesen Wert vermindert werden. Aus der ursprünglich stetigen Phasenänderung wird eine stückweise stetige Phasenänderung. Für die diffraktive Struktur 6 bedeutet das, dass beim Erreichen einer maximalen Strukturtiefe die Strukturtiefe auf Null zurückspringt und eine neue Rille begonnen wird. Diese Stellen in der Struktur werden als Rücksprungstellen bezeichnet.
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Die maximale Strukturtiefe ergibt sich aus folgender Gleichung (2): tm = λ/(n – 1) (2)
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Die maximale Strukturtiefe tm ist von der Brechzahl n abhängig. Man wählt eine mittlere Brechzahl n zwischen Blau und Gelb.
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Die Strukturbreiten ergeben sich aus der Differenz der Abstände benachbarter Rücksprungstellen.
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Die resultierende Strukturtiefe ST der diffraktiven Struktur 6 ergibt sich aus folgender Gleichung (3): ST = Φ – int(Φ/tm)·tm(3) int bedeutet hier Integer.
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Wie in 3 gezeigt, wird mit der resultierenden Strukturtiefe ST das nun um die Dispersion korrigierte gelbe Licht dem blauen Licht überlagert.
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Im Randgebiet des Ausleuchtungsbereiches 8 wird deshalb eine wesentlich homogenere Lichtmischung von blauem und gelbem Licht zu weißem Licht erreicht.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel (nicht in den Figuren gezeigt) ist neben der Lichteintrittsfläche 3.1 auch die asphärisch geformte Lichtaustrittsfläche 3.2 mit einer diffraktiven Struktur 6 versehen. Dadurch ist es möglich, die Strukturbreite zu vergrößern.
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Verteilt man die diffraktive Struktur 6 auf die Lichteintrittsfläche 3.1 und auf die Lichtaustrittsfläche 3.2 zu gleichen Teilen, so verdoppelt sich etwa die Strukturbreite auf beiden Flächen gegenüber nur einer diffraktiven Struktur 6.
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Manchmal ist durch diese größeren Strukturbreiten erst eine Herstellung des Spritzgusswerkzeugs möglich. Da die Rillenstrukturen immer geringe Verrundungen aufweisen, sind geringere Rillenzahlen und breitere Strukturen besser und steigern die Beugungseffizienz.
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Um vorteilhaft auch den ersten Farbfehler zu korrigieren, muss man die Intensitätsverteilung des Lichtes der beiden Wellenlängenbereiche kennen und berücksichtigen.
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Ausgangspunkt hierfür ist die lichttechnische Vermessung der Lichtverteilungskurve der LED für den blauen und gelben Wellenlängenbereich. Wie schon erwähnt, wird bei großen Abstrahlwinkeln der Weg durch die Leuchtstoffschicht länger. Die Intensität des gelben Lichts nimmt dadurch am Rand zu. Folglich muss das gelbe Licht im Randbereich noch stärker gebeugt werden. Strahlen von blauem und gelbem Licht, die vor der asphärischen Linse 3 übereinanderliegen, liegen dann nach der asphärischen Linse 3 nicht mehr übereinander, da die Strahlen des gelben Lichtes stärker gebeugt werden müssen.
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Im Designprozess ist dann für den Verlauf der Intensitäten über den Ausleuchtungsbereich 8 ein gleiches Verhältnis von blauem und gelbem Licht zu fordern.
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Die Durchmesser der Ausleuchtungsbereiche 8 für gelbes und blaues Licht sind damit gleich.
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Für diese Farbfehlerkorrektur kann die Aufteilung auf zwei diffraktive Strukturen 6 günstig sein, da sich damit die Anzahl der Designparameter vergrößert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- LED-Spotlichtstrahler
- 2
- Weißlicht-LED
- 3
- asphärische Linse
- 3.1
- Lichteintrittsfläche
- 3.2
- Lichtaustrittsfläche
- 4
- optische Achse
- 5
- Gehäuse
- 5.1
- Boden
- 5.2
- Wand
- 5.3
- Stirnfläche
- 5.4
- Zentrieransatz
- 6
- diffraktive Struktur
- 7
- Lichtstrahlenbündel
- α
- Öffnungswinkel
- 8
- Ausleuchtungsbereich
- A
- Abstand (zwischen Weißlicht-LED 2 und asphärischer Linse 3)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010004825 A1 [0005]
- DE 102008005120 A1 [0009]
