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Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Kollimator zur Fokussierung von Licht mittels mehrerer optischer Flächen, die als Lichteintrittsflächen und/oder Lichtaustrittsflächen und/oder Reflektionsflächen ausgebildet sind, die jeweils optische Grenzflächen mit einer Änderung der optischen Dichte bilden.
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Derartige Kollimatoren sind aus dem Stand der Technik bekannt und dienen zur Bündelung von Licht, das von Lichtquellen abgestrahlt wird, wodurch die Beleuchtung individuellen Vorgaben angepasst werden kann. Insbesondere bei Taschen- und Kopflampen dienen solche Kollimatoren zur Fokussierung des abgestrahlten Lichtkegels.
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Zur Erzeugung von großen Lichtströmen werden häufig mehrere dicht nebeneinander angeordnete Lichtquellen verwendet, wie beispielsweise vier zu einem Quadrat angeordnete LEDs oder LED Chips in einem LED Gehäuse. Damit liegt allerdings keine homogene Lichtquelle vor, wodurch sich insbesondere in Kombination mit einem vergleichsweise kleinen Kollimator eine inhomogene Beleuchtung ergibt. Unter einer homogenen Beleuchtung wird in der Beleuchtungsoptik eine gleichmäßige Verteilung der Beleuchtungsstärke auf einer Testoberfläche verstanden, die von der Beleuchtungsvorrichtung bestrahlt wird. Artefakte bei einer inhomogenen Beleuchtung, wie beispielsweise quadratische, punktförmige oder kreuzförmige Hell-Dunkel-Kontraste sind bei einer homogenen Beleuchtung für das menschliche Auge nicht sichtbar.
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Zur Vermeidung derartiger Artefakte sind Diffusoren beziehungsweise Streuscheiben bekannt, die eine große Anzahl kleiner Streuzentren besitzen und die auf der den Lichtquellen abgewandten Seite des Kollimators angeordnet sind. Solche zusätzlichen Diffusoren sind jedoch nachteilbehaftet, weil sie bei der Herstellung und Montage zusätzliche Kosten verursachen und weil sie einen zusätzlichen Platzbedarf haben, der in kleinen und handlichen Taschen- und Kopflampen nur bedingt zur Verfügung steht.
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Ferner ist es bekannt, die Lichtaustrittsflächen eines Kollimators als Diffusor auszubilden. Hierzu wird ein Teil oder die gesamte Lichtaustrittsfläche des Kollimators mattiert. Dies führt nachteiliger Weise zu einer gewissen Rückstreuung des Lichts, sodass die Effizienz gesenkt wird. Außerdem sind diffuse Strukturen schwierig zu spezifizieren und reproduzierbar zu fertigen, denn oft werden hierzu nicht deterministische Prozesse, wie Erodieren oder Ätzen angewendet.
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Schließlich ist bekannt, auf der Lichtaustrittsfläche eines Kollimators konvexe Mikrolinsen anzuordnen, was insbesondere bei Zoomoptiken, bei denen der Abstand zwischen Kollimator und Lichtquelle variiert, zu Inhomogenitäten in der Lichtverteilung führen kann. Die Inhomogenitäten entstehen, weil die Mikrolinsen eine Fokalebene besitzen, die bei bestimmten Einstellungen des Kollimators in der Nähe der Lichtquelle angeordnet ist, wodurch Mehrfachbilder der Lichtquelle in das Fernfeld projiziert werden. Die Mehrfachbilder erzeugen eine kurzwellige Intensitätsmodulation, die selbst bei kleinen Amplituden vom menschlichen Auge wahrnehmbar ist. Auf einer Testoberfläche sind in einem solchen Fall in der Regel gitterförmige Hell-Dunkel-Kontraste erkennbar.
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Zwar lässt sich dieses Problem zumindest teilweise durch die Verkleinerung der Mikrolinsen beheben, weil hierdurch die lichtstreuende Wirkung beibehalten aber die Brennweite der Mikrolinsen erniedrigt wird. Allerdings ist die Herstellung derart kleiner Mikrolinsen relativ aufwendig und die Anforderungen an das Werkzeug zur Herstellung der Mikrolinsen sind hoch.
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Hiervon ausgehend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere soll ein Kollimator vorgeschlagen werden, mit dem eine homogene Beleuchtung auch bei der Verwendung mehrerer Lichtquellen möglich ist. Der Kollimator soll dabei kompakt ausgestaltet sein und kostenschonend herstellbar sein.
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Diese Aufgabe wird durch den Kollimator nach Anspruch 1 gelöst, wonach erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass der Kollimator eine Vielzahl von konkaven Mikrolinsen aufweist, die auf mindestens einer der optischen Flächen ausgebildet sind.
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Die Fokalebenen der konkaven Mikrolinsen, die ins Fernfeld projiziert werden können, sind im Gegensatz zu den Fokalebenen der konvexen Mikrolinsen virtuell und befinden sich an der von der Lichtquelle abgewandten Seite. Hierdurch werden Artefakte durch Mehrfachabbildungen verhindert, während die Streueigenschaften der Mikrolinsen im Übrigen erhalten bleiben.
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden und sowie in den Unteransprüchen beschrieben.
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Nach einer ersten bevorzugten Ausgestaltung ist der Kollimator als sogenannter TIR-Kollimator (Total Internal Reflection - Kollimator) ausgebildet. Der TIR-Kollimator besitzt eine zentrale Sammellinse, die eine rückwärtige Lichteintrittsfläche und eine frontwärtige Lichtaustrittsfläche aufweist. Die rückwärtige Lichteintrittsfläche kann plan, konkav oder konvex ausgebildet sein. Ferner besitzt der TIR-Kollimator einen Reflektorteil, der eine Lichteintrittsfläche, eine TIR-Reflektorfläche und eine Lichtaustrittsfläche besitzt, wobei der Reflektorteil die zentrale Sammellinse derart umgreift, dass der Kollimator eine rückwärtige Kavität besitzt, die durch die Lichteintrittsfläche der Sammellinse und die Lichteintrittsfläche des Reflektorteils begrenzt ist. Die konkaven Mikrolinsen eines derartigen TIR-Kollimators sind vorzugsweise auf der Lichteintrittsfläche der Sammellinse, der Lichtaustrittsfläche der Sammellinse, der Lichteintrittsfläche des Reflektorteils, der TIR-Reflektorfläche und/oder der Lichtaustrittsfläche des Reflektorteils ausgebildet. Weil die Sammellinse den größten Anteil an den in Rede stehenden Artefakten verursacht, ist es in den meisten Anwendungsfällen bereits ausreichend, wenn die Lichteintritts- oder Lichtaustrittsfläche der Sammellinse konkave Mikrolinsen aufweist. Ergänzend können die übrigen optischen Flächen in beliebiger Kombination ebenfalls konkave Mikrolinsen besitzen.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass auf mindestens einer optischen Fläche ohne konkave Mikrolinsen konvexe Mikrolinsen ausgebildet sind. Hierbei ist vorzugsweise vorgesehen, dass auf der Lichteintrittsfläche der Sammellinse konkave Mikrolinsen und auf der TIR-Reflektorfläche konvexe Mikrolinsen ausgebildet sind. Die Lichteintrittsfläche der Sammellinse kann insbesondere bei dieser Ausführungsform konkav ausgebildet sein, wobei ein Krümmungsradius vorgesehen ist, der deutlich größer ist, als der Krümmungsradius der konvexen Lichtaustrittsfläche der Sammellinse.
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Damit die konkaven Mikrolinsen mit einfachen Mitteln und kostenschonend hergestellt werden können, sind sie im Wesentlichen kreisförmig ausgebildet oder besitzen polygonale Umfangslinien und weisen vorzugsweise einen mittleren Durchmesser von 0,4 mm bis 3 mm auf. Hierdurch ergibt sich bei der bevorzugten Anordnung von einheitlichen Mikrolinsen eine Mikrolinsendichte von 9 bis 625 Mikrolinsen/cm2. Es ist allerdings auch in Abhängigkeit des Anwendungsfalls vorgesehen, dass Mikrolinsen mit unterschiedlichen Durchmessern angeordnet werden, was sich positiv auf die Streueigenschaften des Kollimators auswirken kann.
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Die Mikrolinsen können sphärisch oder asphärisch ausgebildet sein, wobei sphärische Mikrolinsen einen Krümmungsradius R von vorzugsweise 0,3 mm bis 20 mm aufweisen. Dabei ist vorgesehen, dass die Tiefe T der Mikrolinsen zwischen 0,05 mm und 1 mm variiert.
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Neben der Anordnung ungleichmäßig großer Mikrolinsen ist auch eine gleichmäßige oder ungleichmäßige Verteilung der konkaven und konvexen Mikrolinsen auf den optischen Flächen des Kollimators vorgesehen. Darüber hinaus ist auch eine Verteilung von Mikrolinsen mit variabler optischer Auslegung vorgesehen, wie beispielsweise Mikrolinsen mit verschiedenen Krümmungsradien, unterschiedlichen mittleren Radien oder asphärischen Mikrolinsen. Ebenfalls ist eine bereichsweise oder flächendeckende Anordnung der Mikrolinsen vorgesehen.
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Die beschriebenen Kollimatoren mit konkaven Mikrolinsen werden vorzugsweise im Spritzgießverfahren hergestellt, wozu zu den Mikrolinsen korrespondierende konvexe Strukturen im Einspritzwerkzeug vorhanden sind, die direkt mittels Diamantdrehen, Hochgeschwindigkeitsfräsen oder vergleichbaren zerspanenden Verfahren eingebracht werden können. Dabei entstehen jedoch an den Kanten der Mikrolinsen Verrundungen, deren Größe vom Radius des eingesetzten Werkzeugs und anderen produktionstechnischen Parametern abhängig sind. Sofern die Verrundungen klein genug sind, wird die optische Funktion der Mikrolinsen hierdurch nicht signifikant beeinträchtigt.
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Alternativ kann ein Negativ des Werkzeugs hergestellt werden, in dem die zu den Mikrolinsen korrespondierenden Strukturen konkav ausgebildet sind, womit sie für zerspanende Werkzeuge leicht zugänglich sind. In einem zweiten Schritt kann hiervon ein Werkzeug abgeformt werden, z.B. durch das galvanische Aufwachsen einer hinreichend dicken Nickelschicht, die anschließend von dem Negativ getrennt und nachbearbeitet wird. In dem Werkzeug sind dann die formgebenden Strukturen konvex und beim Abformen mit dem Dielektrikum entstehen Kollimatoren mit konkaven Mikrolinsen, an deren Rändern keine Verrundungen auftreten.
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Konkrete Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Querschnittsdarstellung eines TIR-Kollimators nach dem Stand der Technik,
- 2a-f mehrere Querschnittsdarstellungen eines erfindungsgemäßen Kollimators,
- 3 den Querschnitt einer konkaven Mikrolinse und
- 4a-c unterschiedliche Verteilungen der Mikrolinsen.
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1 zeigt einen TIR-Kollimator 1, wie er nach dem Stand der Technik bekannt ist. Solche TIR-Kollimatoren 1 besitzen eine zentrale Sammellinse 2, die durch eine hintere Lichteintrittsfläche 3 und eine vordere Lichtaustrittsfläche 4 definiert ist. Die zentrale Sammellinse 2 ist von einem Reflektorteil 5 umgriffen, der seitlich Lichteintrittsflächen 6, TIR-Reflektorflächen 7 und frontseitig Lichtaustrittsflächen 8 aufweist. Der Reflektorteil 5 umgreift dabei die zentrale Sammellinse 2 derart, dass der TIR-Kollimator 1 eine rückwärtige Kavität 9 besitzt, die durch die Lichteintrittsfläche 6 des Reflektorteils 5 und durch die Lichteintrittsfläche 3 der zentralen Sammellinse 2 begrenzt ist. Im montierten Zustand eines solchen TIR-Kollimators 1 befindet sich die Lichtquelle 10 innerhalb oder unterhalb der Kavität 9, so dass das abgestrahlte Licht der LED vollständig oder wenigstens zum größten Teil in den TIR-Kollimator 1 eindringt. Das Licht wird innerhalb des TIR-Kollimators 1 entweder in der zentralen Sammellinse 2 gebündelt oder an der TIR-Reflektorfläche 7 des Reflektorteils 5 totalreflektiert. Zur Erhöhung des Lichtstroms werden üblicherweise mehrere Lichtquellen 10 verwendet, zwischen denen ein geringfügiger Abstand A angeordnet ist. Hierdurch liegt keine homogene Lichtquelle 10 mehr vor und das abgestrahlte Licht weist Inhomogenitäten in Form von Hell-Dunkel-Kontrasten auf.
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Um derartige Inhomogenitäten zu beheben, ist nach einer konkreten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung vorgesehen, konkave Mikrolinsen 11 an der Lichteintrittsfläche 3 der zentralen Sammellinse 2 anzuordnen. Hierdurch werden Mehrfachabbildungen verhindert und die dargelegten Inhomogenitäten werden vermieden. 2a zeigt einen solchen TIR-Kollimator 1, bei dem an der Lichteintrittsfläche 3 der zentralen Sammellinse 2 konkave Mikrolinsen 11 angeordnet sind.
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Die 2b-f zeigen alternative Ausgestaltungen, bei denen andere optische Flächen des TIR-Kollimators 1 mit konkaven Mikrolinsen 11 versehen sind. Konkret sind die Mikrolinsen 11 auf der Lichtaustrittsfläche 8 des Reflektors 5 (2b), der Lichteintrittsfläche 6 des Reflektorteils 5 (2c), der Lichtaustrittsfläche 4 der Sammellinse 2 (2d) und/oder der TIR-Reflektorfläche 7 (2e) ausgebildet.
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2f zeigt eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung, bei der sich die Anordnung von konkaven Mikrolinsen 11 und konvexen Mikrolinsen 12 auf unterschiedlichen optischen Flächen mischen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die konkaven Mikrolinsen 11 auf einer konkaven Lichteintrittsfläche 3 der Sammellinse 2 ausgebildet, während die TIR-Reflektorfläche 7 konvexe Mikrolinsen 12 aufweist. Die Verwendung von konvexen Mikrolinsen 12 auf der TIR-Reflektorfläche 7 erzeugt in diesem Anwendungsbeispiel keine Inhomogenitäten und wird hier aus Gründen der einfacheren Produzierbarkeit des Werkzeugs bevorzugt.
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3 zeigt ausschnittsweise den Querschnitt einer einzelnen konkaven Mikrolinse 11, die im Querschnitt im Wesentlichen teilkreisförmig ausgebildet ist. Die dargestellte Mikrolinse 11 besitzt einen mittleren Durchmesser D von 1 mm und einen Krümmungsradius R von 4 mm. Ferner weist die Mikrolinse eine Tiefe T von 0,03 mm auf.
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Die Mikrolinsen können gleichmäßig oder ungleichmäßig sowie bereichsweise oder flächendeckend auf der optischen Fläche verteilt sein. Die 4a-c zeigen bevorzugte Verteilungen von Mikrolinsen von durchschnittlich gleicher Größe. Konkret zeigt 4a eine hexagonale Verteilung von Mikrolinsen und 4b eine Verteilung von Mikrolinsen auf konzentrischen Kreisen. 4c zeigt eine Phyllotaxis-Verteilung.
