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Die Erfindung betrifft einen Kollimator zur Kollimierung von Licht mittels mehrerer optischer Flächen, die jeweils optische Grenzflächen mit einer Änderung der optischen Dichte bilden, wobei der Kollimator eine im wesentlichen ebene Lichteintrittsfläche, eine konvexe Lichtaustrittsfläche und eine totalreflektierende Seitenwandung besitzt, die die Lichteintrittsfläche mit der Lichtaustrittfläche verbindet.
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Ferner betrifft die Erfindung eine tragbare Leuchte mit einem solchen Kollimator.
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Kollimatoren zur Kollimierung von Licht sind insbesondere im Zusammenhang mit tragbaren bzw. mobilen Leuchten nach dem Stand der Technik bekannt, wobei die verschiedenen Kollimatoren für unterschiedliche Anwendungsbereiche verschiedene Geometrien besitzen.
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Bekannt sind beispielsweise Linsen mit einer planen oder konkaven Lichteintrittsfläche und einer konvexen Lichtaustrittsfläche.
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Ferner sind sog. Total-Internal-Reflection-Kollimatoren (TIR-Kollimatoren) bekannt, die eine Sammellinse und einen Reflektorteil aufweisen, der die Sammellinse vollständig umgreift. Die Lichteintrittsfläche eines solchen TIR-Kollimators ist in der Regel in zwei Abschnitte unterteilt, nämlich in eine plane, konvexe oder konkave Lichteintrittsfläche der Sammellinse und in eine im Wesentlichen zylinderförmige Lichteintrittsfläche des Reflektorteils. Die zentrale Sammellinse und der Reflektorteil besitzen zudem unterschiedliche Lichtaustrittsflächen, weshalb TIR-Kollimatoren in der Regel eine komplexe Geometrie aufweisen.
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Darüber hinaus sind geradwandige Lichtleiter bekannt, die im Querschnitt kegelstumpfförmig mit einer ebenen Lichteintrittsfläche und einer ebenen Lichtaustrittsfläche ausgebildet sind.
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Eine zu einem geradwandigen Lichtleiter vergleichbare Geometrie weisen sog. Compound-Parabolic-Concentrator-Kollimatoren (CPC-Kollimatoren) auf, die zwar ebenfalls eine ebene Lichteintrittsfläche und eine ebene Lichtaustrittsfläche aufweisen, deren Seitenwandung allerdings konvex ausgebildet ist.
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Schließlich sind gattungsgemäße Kollimatoren als sog. Dielectric-Total-Internal-Reflection-Kollimator (DTIR-Kollimator) bekannt. In Abgrenzung zu den bekannten Lichtleitern sowie zu CPC-Kollimatoren weisen DTIR-Kollimatoren eine Lichtaustrittsfläche auf, die vollständig konvex ausgebildet ist.
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Die bekannten Kollimatoren erlauben zwar die Kollimierung von Licht, allerdings wurde eine ideale Lichtverteilung bislang noch nicht erreicht. Dabei wird unter einer idealen Lichtverteilung eine Lichtverteilung verstanden, die innerhalb eines vorgebbaren Lichtkegels eine im wesentlichen konstante bzw. homogene Lichtintensität aufweist, die frei von Reflexen, Linien und sonstigen Ringen mit einer lokal abweichenden Lichtintensität ist und einen klar definierten Rand aufweist. Außerhalb des Randes und mithin außerhalb der beabsichtigten Lichtverteilung soll die Lichtintensität nach Möglichkeit vollständig verschwinden.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kollimator und eine tragbare Leuchte mit einem Kollimator vorzuschlagen, der eine verbesserte Lichtverteilung schafft.
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Diese Aufgabe wird durch den Kollimator nach Anspruch 1 und die tragbare Leuchte nach Anspruch 12 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Lichtaustrittsfläche des anspruchsgemäßen DTIR-Kollimators lichtbrechende Strukturen aufweist. Die lichtbrechenden Strukturen auf der Lichtaustrittsfläche des DTIR-Kollimators führen dazu, dass jedes Lichtbündel die Lichtaustrittsfläche mit einem kleinen Kegelwinkel verlässt, der jedoch klein im Vergleich zum Kegelwinkel der gesamten Lichtverteilung ist. Hierdurch wird der Lichtkegel der gesamten Lichtverteilung nicht vergrößert aber lokale Intensitätsmaxima werden wirksam verhindert, die anderenfalls als unerwünschte lokale Intensitätsmaxima und/oder Intensitätsminima beispielsweise in Form von Ringen, Linien oder sonstigen Reflexen ohne eine definierbare Geometrie erkennbar sind. Die lichtbrechenden Strukturen bewirken somit eine Durchmischung des Lichts innerhalb des Lichtkegels, weshalb sich innerhalb des Lichtkegels und mithin innerhalb der gewünschten Lichtverteilung eine im wesentlichen konstante bzw. homogene Lichtintensität sowohl im Nahbereich als auch im Fernbereich ergibt.
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Durch die Anordnung der Mikrolinsen auf der Lichtaustrittsfläche eines anspruchsgemäßen DTIR-Kollimators ergibt sich ein Kollimator mit einer vergleichsweise kompakten Bauform, was auch im Vergleich zu bekannten Kollimatoren mit einer kleinen Lichtaustrittsfläche verbunden ist. Ferner ist der erfindungsgemäße Kollimator vorteilhafter Weise im Wesentlichen Etenduelimitiert.
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend und in den Unteransprüchen beschrieben.
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Im Rahmen einer ersten vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die lichtbrechenden Strukturen als konkave und/oder konvexe Mikrolinsen oder als diffus lichtbrechende Strukturen ausgebildet sind. Konkave und/oder konvexe Mikrolinsen können in ihrer Geometrie, Anzahl, Anordnung und Dichte so auf der Lichtaustrittsfläche des Kollimators angeordnet sein, dass sich auch unter Berücksichtigung der Geometrie des Kollimators und der verwendeten Lichtquelle eine homogene Lichtverteilung innerhalb des abgestrahlten Lichtkegels ergibt. Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Mikrolinsen sphärisch oder asphärisch ausgebildet sind und vorzugsweise quadratisch, hexagonal, ringförmig oder phyllotaxisch auf der Lichtaustrittsfläche des Kollimators angeordnet sind. Im Rahmen von sphärischen Mikrolinsen ist vorzugsweise jeweils ein Krümmungsradius von 0,75 mm bis 3 mm, insbesondere von 1 mm bis 2 mm vorgesehen.
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Im Rahmen einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die im Wesentlichen ebene Lichteintrittsfläche eben, konvex oder konkav gekrümmt ist.
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Unabhängig von der Krümmung der Lichteintrittsfläche ist diese im Rahmen einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung im Querschnitt polygonal, quadratisch oder rund ausgebildet.
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In vorteilhafter Weise ist die Seitenwandung des Kollimators im Querschnitt zumindest abschnittsweise konkav, konvex oder eben ausgebildet, wobei eine im Querschnitt konkav ausgebildete Seitenwandung vorzugsweise sphärisch, asphärisch, hyperbolisch, parabolisch, elliptisch oder kartesisch-ovalförmig ausgebildet ist, wobei die Querschnittsebene die optische Achse des Kollimators enthält. Die Seitenwandung kann im Rahmen einer vorteilhaften Weiterbildung auch mehrere Bereiche mit einer unterschiedlichen Krümmung aufweisen, beispielsweise einen unteren Bereich mit einer konkaven Krümmung, der über eine Wendestelle in einen Bereich mit einer konvexen Krümmung übergeht. Unabhängig von der konkreten Ausgestaltung der Seitenwandung wird das Licht dort innerhalb des Kollimators vollständig reflektiert und gelangt nach einer ersten und ggf. einer weiteren Totalreflektion zur Lichtaustrittsfläche, wo das Licht über die lichtbrechenden Strukturen den Kollimator innerhalb eines wohl definierten Lichtkegels verlässt. Die Lichtaustrittsfläche besitzt dabei vorzugsweise eine sphärische oder asphärische Krümmung und ist im Querschnitt vorzugsweise rund, polygonal oder quadratisch ausgebildet. Eine sphärische Lichtaustrittsfläche, genauer gesagt, eine sphärisch ausgestaltete einhüllende Fläche der Lichtaustrittsfläche, besitzt dabei vorzugsweise einen Krümmungsradius von 3 mm bis 7 mm, insbesondere einen Krümmungsradius von 5 mm bis 6 mm.
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Zur Befestigung des Kollimators innerhalb einer Leuchte, insbesondere innerhalb einer tragbaren Leuchte, weist der Kollimator einen Halterand auf, der die Lichtaustrittsfläche zumindest teilweise oder vollständig umgreift.
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Der Kollimator kann aus unterschiedlichen transparenten Materialien bestehen, wobei der Kollimator vorzugsweise aus Polycarbonat (PC), Polymethylmethacrylat (PMMA), Glas, Cyclo-Olefin-Copolymer (COC), Cyclo-Olefin-Polymer (COP), Polymethacrylmethylimid (PMMI) oder Silikon gefertigt ist.
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Sofern der Kollimator der Kollimator einer tragbaren Leuchte mit einer Lichtquelle ist, insbesondere einer Taschenleuchte oder Stirnleuchte, ist nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass zwischen der Lichtquelle und der Lichteintrittsfläche des Kollimators ein Abstand besteht, insbesondere ein Abstand von 0,1 mm bis 0,5 mm, der breit genug ist, um für eine hinreichende Wärmeabfuhr zu sorgen und so schmal ist, dass das Licht ohne nennenswerte Verlustleistung von der Lichtquelle bis zur Lichteintrittsfläche gelangt, wo das von der Lichtquelle abgestrahlte Licht im Wesentlichen vollständig kollimiert wird. In diesem Zusammenhang ist im Rahmen einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Geometrie der Lichtquelle auf die Geometrie der Lichteintrittsfläche derart abgestimmt ist, dass
- a) einer Lichtquelle mit einem quadratischen Querschnitt eine Lichteintrittsfläche mit einem quadratischen Querschnitt oder
- b) einer Lichtquelle mit einem runden Querschnitt eine Lichteintrittsfläche mit einem runden Querschnitt oder
- c) einer Lichtquelle mit einem polygonalen Querschnitt eine Lichtquelle mit einem korrespondierenden polygonalen Querschnitt
zugeordnet ist. Hierdurch werden Verlustleistungen deutlich reduziert und die Abstrahlcharakteristik wird optimiert. Die Geometrie der Lichteintrittsfläche ist demgegenüber im Wesentlichen unabhängig von der Geometrie der Lichtaustrittsfläche, die in einer Draufsicht zwar ebenfalls quadratisch, polygonal oder rund ausgebildet sein kann, allerdings ist eine Korrelation mit der Geometrie der Lichteintrittsfläche nicht vorgeschrieben. Insofern kann einer quadratischen Lichteintrittsfläche eine runde Lichtaustrittsfläche zugeordnet sein.
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Schließlich ist im Rahmen einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Lichtquelle eine oder mehrere Lichtquellenelemente aufweist, die vorzugsweise eine ebene Lichtaustrittsfläche besitzen. Alle genannten Lichtquellen sind vorzugsweise als Leuchtdioden (LED) ausgebildet.
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Weitere bevorzugte Ausführungsformen und eine konkrete Ausgestaltung der Erfindung werden nachfolgend mit Bezug auf die Figuren erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Querschnittsansicht eines ersten Kollimators,
- 2 eine Querschnittsansicht eines zweiten Kollimators,
- 3,4 perspektivische Darstellungen zweier Kollimatoren,
- 5 unterschiedlichen Anordnungen von Mikrolinsen und
- 6 eine tragbare Leuchte mit einem Kollimator.
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1 zeigt eine erste konkrete Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kollimators 1 im Querschnitt. Der Kollimator 1 weist eine vollständig ebene und quadratische Lichteintrittsfläche 2 mit einer Breite B1 von 8,41 mm auf. Die Lichteintrittsfläche 2 geht in einen im Querschnitt quadratischen Lichtleiterabschnitt mit einer eine Seitenwandung 3 über, die im dargestellten Ausführungsbeispiel einen unteren Bereich 31 mit einer konkaven Krümmung und einen oberen Bereich 32 mit einer konvexen Krümmung besitzt. Zwischen dem konkaven (unteren) Bereich 31 und dem konvexen (oberen) Bereich 32 der Seitenwandung 3 sind entlang der Umfangslinie Wendestellen 33 ausgebildet, bei denen eine an die Seitenwandung 3 angelegte Tangente die Seite wechselt. Der Kollimator 1 besitzt eine konvexsphärische Lichtaustrittsfläche 4, deren Einhüllende (strichliniert dargestellt) einen Krümmungsradius R1 von 16,5 mm aufweist. Auf der Lichtaustrittsfläche 4 sind flächendeckend konvexe Mikrolinsen 5 mit einem Krümmungsradius R2 von 3,0 mm angeordnet. Die Lichtaustrittsfläche 4 wird zumindest abschnittsweise von einem Halterand 7 umgriffen, der eine Dicke d von 1,96 mm und einen Durchmesser D1 von 20 mm besitzt. Die Lichtaustrittsfläche 4 besitzt am Übergang zu Halterand 7 einen Durchmesser D2 von 14,1 mm. Am Übergang zwischen dem Lichtleiterabschnitt mit der Seitenwandung 3 und dem Halterand 7 besitzt der Kollimator 1 eine Breite B2 von 14,0 mm. Die Gesamthöhe H des Kollimators 1 beträgt 20,22 mm. Dem Kollimator 1 sind zwei Lichtquellenelemente 61, 62 zugeordnet, die gemeinsam eine Lichtquelle 6 bilden und die in einer geringfügigen Beabstandung zur Lichteintrittsfläche 2 derart angeordnet sind, dass das von den Lichtquellenelementen 61, 62 abgegebene Licht nahezu vollständig in den Kollimator 1 einkoppelt.
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2 zeigt eine zweite konkrete Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kollimators 1 im Querschnitt. Der Kollimator 1 besitzt eine vollständig ebene und quadratische Lichteintrittsfläche 2 mit einer Breite B1 von 2,64 mm. Die Lichteintrittsfläche 2 geht in eine Lichtleiterabschnitt mit einer Seitenwandung 3 über, die im dargestellten Ausführungsbeispiel vollständig konkav ausgebildet ist. Der Krümmungsradius der Seitenwandung 3 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel nicht konstant und weist im unteren Bereich der Seitenwandung 3 einen vergleichsweise geringen Krümmungsradius auf, der nach oben hin, d.h. zur Lichtaustrittsfläche 4 hin, stetig größer wird. Der Kollimator 1 besitzt eine konvexsphärische Lichtaustrittsfläche 4, deren Einhüllende (strichliniert gezeigt) einen Krümmungsradius R1 von 4,95 mm aufweist. Auf der Lichtaustrittsfläche 4 sind flächendeckend konvexe Mikrolinsen 5 mit einem Krümmungsradius R2 von 1,42 mm angeordnet. Die Lichtaustrittsfläche 2 wird zumindest abschnittsweise von einem Halterand 7 umgriffen, der eine Dicke d von 0,91 mm und einen Durchmesser D1 von 10,9 mm aufweist. Die Lichtaustrittsfläche 4 besitzt am Übergang zum Halterand 7 einen Durchmesser D2 von 8,14 mm. Am Übergang zwischen dem Lichtleiterabschnitt mit der Seitenwandung 3 und dem Halterand 7 besitzt der Kollimator 1 eine Breite B2 von 5,22 mm. Die Gesamthöhe H des Kollimators 1 beträgt 7,71 mm. Dem Kollimator 1 ist eine Lichtquelle 6 zugeordnet, die in einer geringfügigen Beabstandung zur Lichteintrittsfläche 2 derart angeordnet ist, dass das von der Lichtquelle 6 abgegebene Licht nahezu vollständig in den Kollimator 1 einkoppelt.
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Insbesondere bei dem Kollimator 1 nach 2 schneidet eine gedachte tangentiale Verlängerung 11 der Seitenwandung 3 die Lichtaustrittsfläche 4. Das bedeutet, dass zwischen der gedachten tangentialen Verlängerung 11 der Seitenwandung 3 und einer unmittelbaren linearen Verbindung 12 der Ränder der Lichtaustrittsfläche 4 sowie der Seitenwandung 3 ein positiver Winkel α entsteht. Bei der dargestellten Ausführungsform beträgt der Winkel α 40,1°. Hierdurch werden etwaige Verluste der Lichtleistung in vorteilhafter Weise reduziert.
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Die 3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kollimators 1 in perspektivischer Darstellung. Der Kollimator 1 besitzt eine quadratische Lichteintrittsfläche 2 und eine - in einer Draufsicht - ebenfalls quadratische Lichtaustrittsfläche 4, die jedoch nach außen hin eine konvexsphärische Lichtaustrittsfläche 4 mit darauf flächendeckend angeordneten Mikrolinsen 5 bildet. Die Lichteintrittsfläche 2 geht in einen Lichtleiterabschnitt mit der Seitenwandung 3 über. An zwei gegenüberliegenden Seiten des Kollimators 1 ist ein Halterand 7 angeordnet, so dass der Halterand 7 nur bereichsweise den Kollimator 1 umgreift.
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4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kollimators 1 mit einer quadratischen Lichteintrittsfläche 2 und einer im Querschnitt kreisförmigen Lichtaustrittsfläche 4, die vollständig von einemringförmigen Halterand 7 umgriffen ist. Die Lichteintrittsfläche 2 geht in einen Lichtleiterabschnitt mit der Seitenwandung 3 über. Die Lichtaustrittsfläche 4 ist im Übrigen konvex-sphärisch ausgestaltet und weist flächendeckend konvexe Mikrolinsen 5 auf.
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Die Mikrolinsen 5 können in unterschiedlicher Weise auf der Lichtaustrittsfläche 4 eines Kollimators 1 angeordnet sein. Die 5a, b, c und 5d zeigen unterschiedliche und bevorzugte Anordnungen der Mikrolinsen 5, die bedarfsabhängig an die Geometrie des Kollimators und an die beabsichtigte Lichtverteilung angepasst werden können. 5a zeigt eine quadratische Anordnung der Mikrolinsen 5. 5b zeigt eine hexagonale Anordnung der Mikrolinsen 5. Eine ringförmige Anordnung der Mikrolinsen 5 ist in 5c gezeigt und schließlich offenbart 5d eine phyllotaxische Anordnung der Mikrolinsen 5.
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Ein Kollimator 1 der zuvor beschrieben Art wird im Rahmen einer konkreten Ausführungsform der Erfindung als Kollimator 1 für eine tragbare Leuchte 8, insbesondere eine Taschenleuchte 81 eingesetzt. 6 zeigt in schematischer Darstellung die Querschnittsansicht einer Taschenleuchte 81 mit einem Kollimator 1, einer Lichtquelle 6, einem Gehäuse 9 und einer hierin gelagerten Stromversorgung in Form eines Akkumulators 10. Der Akkumulator 10 ist mit einer (nicht dargestellten) Steuerelektronik verbunden, mit der die momentane Lichtleistung der Lichtquelle 6 automatisch oder manuell gesteuert werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kollimator
- 2
- Lichteintrittsfläche
- 3
- Seitenwandung
- 31
- unterer Bereich
- 32
- oberer Bereich
- 33
- Wendestelle
- 4
- Lichtaustrittsfläche
- 5
- Mikrolinse
- 6
- Lichtquelle
- 61
- Lichtquellenelement
- 62
- Lichtquellenelement
- 7
- Halterand
- 8
- Leuchte
- 81
- Taschenleuchte
- 9
- Gehäuse
- 10
- Akkumulator
- 11
- tangentiale Verlängerung der Seitenwandung
- 12
- lineare Verbindung
- α
- Winkel
- B1
- Breite der Lichteintrittsfläche
- B2
- Breite der Seitenwandung am Übergang zum Halterand
- d
- Dicke des Halterandes
- D1
- Durchmesser des Halterandes
- D2
- Durchmesser der Lichtaustrittsfläche
- H
- Höhe des Kollimators
- R1
- Krümmungsradius der Lichtaustrittsfläche
- R2
- Krümmungsradius der Mikrolinse
