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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Mischung
von Lichts von Lampen verschiedener Farben, insbesondere zur Erzeugung
von weißem
Licht.
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Die
Standardlichtquelle für
engstrahlige Beleuchtung geringer bis mittlerer Größe zur Akzentbeleuchtung
und allgemeiner Beleuchtung ist die Glüh-/Halogenbirne, wie z.B. eine
PAR-(verspiegelter Parabolkolben) Lampe. Diese Lichtquellen sind kompakt
und vielseitig, jedoch nicht sehr effizient. Eine bestimmte Lampe
arbeitet bei einer bestimmten Farbtemperatur bei einer festgelegten
Leistung, und obgleich diese gedimmt werden können, verschiebt sich die Farbtemperatur
mit der zugeführten
Leistung nach dem Gesetz für
Schwarzkörperstrahlung,
was die von dem Benutzer gewünschte Änderung
darstellen kann oder auch nicht.
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Eine
Matrix aus LEDs in jeweils mehreren Farben bietet die Möglichkeit,
eine Leuchte vorzusehen, bei welcher die Farbtemperatur auf jedem
Leistungsniveau gesteuert werden kann, wodurch eine Lampe vorgesehen
werden kann, welche dimmbar ist und ein gleichmäßig weißes Licht auf jedem Leistungsniveau
abstrahlt.
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WO-A-01/01188,
veröffentlicht
am 4. Januar 2001 (US-Patentanmeldung 09/338 997, eingereicht am
24. Juni 1999, offenbart eine Vorrichtung mit Strahlenteilern, welche
Licht von einer Matrix aus LEDs verschiedener Farben mischen. Eine
quadratische Matrix aus vier LEDs ist so angeordnet, dass jedes
Paar Licht zu einer gegenüberliegenden
Seite einer halb reflektiven Schicht in einem 45° Winkel emittiert und ein Paar
gemischte Lichtstrahlen von jeder Seite in einem 45° Winkel durchgelassen
wird. Eine zweite identische Stufe mischt die beiden Paare gemischte
Strahlen, so dass vier identische, gemischte Strahlen als weißes Licht
parallel austreten. Die halb reflektive Oberfläche kann durch eine Schachbrettstruktur
aus voll reflektiven und voll transmissiven Flächen, welche klein genug sind,
damit austretende Teilstrahlen nicht aufgelöst werden können und als vollkommen gemischt
erscheinen, näherungsweise
dargestellt werden.
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Der
Erfindung liegt, wie auch dem oben erörterten Stand der Technik,
als Aufgabe zugrunde, Licht von LEDs verschiedener Farben, z.B.
rot, grün und
blau, zu mi schen, um weißes
Licht zu erzeugen. Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung mischt
Lichtstrahlen, welche von bis zu vier verschiedenen Lichtquellen
zugeführt
werden, unter der Voraussetzung, dass die Lichtquellen die gleichen
Ausgangsstrahlprofile aufweisen.
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Die
vorliegende Erfindung sieht einen anderen Lösungsweg als den vom Stand
der Technik her bekannten vor. Gemäß der vorliegenden Erfindung weist
eine facettierte Oberfläche
eine Vielzahl parallele, erste Facetten auf, welche mit einer Vielzahl
parallelen, zweiten Facetten alternieren, um eine Sägezahnstruktur
zu bilden. Die Facetten sind so angeordnet, dass ein erster Lichtstrahl,
welcher auf die ersten Facetten und parallel zu den zweiten Facetten
auftrifft, von den ersten Facetten als eine Vielzahl voneinander
beabstandete, erste Teilstrahlen abgelenkt wird, und dass ein zweiter
Lichtstrahl, welcher auf die zweiten Facetten und parallel zu den
ersten Facetten auftrifft, von den zweiten Facetten als eine Vielzahl voneinander
beabstandete, zweite Teilstrahlen abgelenkt wird. Die ersten Teilstrahlen
alternieren mit den zweiten Teilstrahlen, und sämtliche Teilstrahlen sind parallel.
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Gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel ist
die facettierte Oberfläche
durch eine erste reflektive Oberfläche dargestellt, wobei jedes
erste und zweite Facettenpaar einen dazwischen liegenden Winkel
von 120° aufweist,
wobei die ersten und zweiten Lichtstrahlen jeweils einen Auftreffwinkel
von 30° zu
den Normalen der Facettenoberflächen
aufweisen. Sämtliche
Teilstrahlen werden daher in einem Winkel von 30° zu diesen Normalen reflektiert
und treten parallel aus. Die Ausgangsstrahlen weisen die gleiche
Winkelverteilung wie die Eingangsstrahlen auf. Daher sind, wenn
die farbigen Eingangsstrahlen stark kollimiert sind, die weißen Ausgangsstrahlen ebenfalls
stark kollimiert.
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Es
kann eine identische, zweite reflektive Oberfläche angeordnet sein, um dritte
und vierte Lichtstrahlen als alternierende, parallele Teilstrahlen zu
reflektieren. Eine dritte, im Wesentlichen identische Oberfläche weist
erste Facetten, welche die gemischten Teilstrahlen von der ersten
reflektiven Oberfläche
auffangen, sowie zweite Facetten auf, welche die Teilstrahlen von
der zweiten reflektiven Oberfläche
auffangen. Die dritte reflektive Oberfläche reflektiert sämtliche
Teilstrahlen parallel.
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Gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel ist
die facettierte Oberfläche
eine refaktive Oberfläche,
welche jeden Eingangsstrahl in voneinander beabstandete Teilstrahlen
bricht. Bei zwei Lichtquellen, welche Licht parallel zu den ersten
und zweiten Facetten übertragen,
alternieren die ersten Teilstrahlen mit den zweiten Teilstrahlen
in einem Überlappungsbereich.
Gemäß einer
bevorzugten Variation des zweiten Ausführungsbeispiels ist die facettierte
Oberfläche
eine zweite refraktive Oberfläche,
und es ist eine erste refraktive Oberfläche parallel zu der zweiten
refraktiven Oberfläche
vorgesehen. Bei Lichtquellen, welche parallele Eingangsstrahlen
senkrecht zu der ersten refraktiven Oberfläche übertragen, brechen die Facetten
der ersten Oberfläche
jeden Eingangsstrahl in ein Paar divergierende, erste und zweite
Strahlen, welche auf den jeweiligen ersten und zweiten Facetten
der zweiten refraktiven Oberfläche
auftreffen. Bei jedem Paar Lichtstrahlen, welches auf der ersten
refraktiven Oberfläche
auftrifft, alternieren 50% der ersten Teilstrahlen mit 50% der zweiten
Teilstrahlen. Bei einer linearen Matrix aus Paaren nimmt dieses
Alternieren bzw. diese Überlappung
mit der Anzahl von Paaren in der Matrix zu.
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Die
erste und zweite refraktive Oberfläche sind vorzugsweise auf gegenüberliegenden
Seiten eines ersten, soliden, refraktiven Aufspaltungselements ausgebildet.
Bei einer quadratischen Matrix aus Lichtquellen ist ein identisches,
zweites Aufspaltungselement parallel zu dem ersten Element angeordnet
und um 90° gedreht.
In dem Fall, in welchem eine 6×6
Matrix von Lichtquellen vorgesehen ist, wird eine 7×7 Matrix
von Teilstrahlen mit einer 5×5
Matrix von gemischten Teilstrahlen abgegeben.
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Gemäß sämtlichen
Ausführungsbeispielen ist
die Periode (Spitze-zu-Spitze-Abstand)
der Facetten klein genug, damit die einzelnen Farbteilstrahlen nicht
von einem Beobachter aufgelöst
werden können.
Das sich ergebende, weiße
Licht ist somit ein scheinbares, weißes Licht, ziemlich dasselbe
wie ein weißes
Feld auf einem CRT-Farbbildschirm,
welches eigentlich eine Mischung aus Rot, Grün und Blau ist. Die zweistufigen
Mischer gemäß der vorliegenden Erfindung
erzeugen typischerweise rot/grün- und blaugrün-gemischte
Strahlen in der ersten Stufe und durch eine Mischung aus roten/grünen und
blauen/grünen
Strahlen approximierte, weiße
Strahlen in der zweiten Stufe. Die Strahlenmischungsvorrichtung der
vorliegenden Erfindung kann Herstellungseffektivitäten bieten,
welche diese für
einige Anwendungen geeigneter machen, als vom Stand der Technik
her beschrieben.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
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1 – eine schematische
Darstellung des Prinzips eines facettierten Reflektors zum Mischen von
zwei auftreffenden Lichtstrahlen;
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2 – eine Perspektive
eines Zweistufen-Mischungsblocks mit drei facettierten Reflektoren zum
Mischen von vier auftreffenden Lichtstrahlen;
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3 – eine schematische
Darstellung des Prinzips eines facettierten Refraktors, welcher
zwei auftreffende Lichtstrahlen mischt;
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4 – eine schematische
Darstellung eines facettierten Refraktors mit parallelen Oberflächen zum
Spalten und Mischen paralleler Eingangsstrahlen;
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5 – einen
Aufriss eines zweistufigen, facettierten Refraktors, welcher ein
quadratisches Netz aus 36 LED-Lichtquellen aufspaltet und mischt;
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6A – eine schematische
Draufsicht der von den 36 LED-Lichtquellen emittierten Eingangsstrahlen;
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6B – eine schematische
Darstellung der aus der ersten Stufe des Refraktors von 4 austretenden
Ausgangsstrahlen; sowie
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6C – eine schematische
Darstellung der aus der zweiten Stufe des Refraktors von 4 austretenden
Ausgangsstrahlen.
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Die
Figuren sind rein schematisch und nicht maßstabsgetreu dargestellt. Zum
Zwecke einer deutlicheren Darstellung sind einige Dimensionen stark übertrieben
wiedergegeben. In den Figuren sind, wann immer dieses möglich ist,
gleiche Teile durch gleiche Bezugsziffern gekennzeichnet.
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1 zeigt
eine reflektive Oberfläche 22,
um zwei kollimierte Lichtstrahlen 11', 12' aus zwei LED-Lichtquellen 11, 12 verschiedener
Farben zu mischen. Obgleich hier als einzelne Elemente 11, 12 dargestellt,
könnte
jede Lichtquelle selbstverständlich
eine Matrix aus kleineren Elementen sein.
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Die
reflektive Oberfläche 22 ist
eine facettierte Oberfläche
mit einer ersten Gruppe von Facetten 24, welche mit einer
zweiten Gruppe von Facetten 26 alterniert. Die Facetten
und Lichtquellen sind so angeordnet, dass jeder Eingangsstrahl lediglich
auf eine Gruppe von Facetten auftrifft. Der Strahl 11' trifft auf
erste Facetten 24 auf und wird als eine Vielzahl voneinander
beabstandete, erste Teilstrahlen reflektiert, während der Strahl 12' auf zweite
Facetten 26 auftrifft und als eine Vielzahl voneinander
beabstandete, zweite Teilstrahlen reflektiert wird. Der sich ergebende
Ausgangsstrahl besteht aus einer Vielzahl ersten Teilstrahlen, welche
mit einer Vielzahl zweiten Teilstrahlen alternieren, wobei sämtliche
Teilstrahlen parallel und senkrecht zu der Ebene der facettierten Oberfläche 22 verlaufen.
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Die
Größe der Facetten
auf der Reflektorplatte sollte klein genug sein, damit die einzelnen Farbstrahlen
nicht aufgelöst
werden können;
dieses ist das Prinzip eines weißen Feldes auf einem CRT-Farbbildschirm.
In der Praxis beträgt
die Periode der Facetten vorzugsweise 0,1 bis 0,3 mm und kann so
klein sein, wie dieses für
die Herstellung am praktischsten ist.
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Damit
ein ankommender Strahl parallel zu der gegenüberliegenden Facettengruppe
verläuft, müssen die
Facetten dazwischen einen Winkel von 120° aufweisen. Hieraus ergibt sich
für die
ankommenden Strahlen ein Auftreffwinkel von 30° auf den Reflektoren. In der
Praxis werden die Eingangsstrahlen nicht perfekt kollimiert; die
Streuung resultiert darin, dass einiges Licht auf die falsche Gruppe
von Facetten auftrifft. Durch Reduzieren des Winkels zwischen den
beiden Facettengruppen auf weniger als 120° kann dieses minimiert werden.
Der Auftreffwinkel wird größer, und
eine Facettengruppe wird gegen jeden Eingangsstrahl abgeschirmt.
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Die
beiden, im Zusammenhang mit 1 beschriebenen
Strahlenmischer können
so erweitert werden, dass sie durch Mischen in zwei Stufen bis zu vier
Strahlen mischen. 2 zeigt eine Konfiguration,
um dieses durch Verwendung eines Kunststoffblocks mit einer ersten
facettierten Oberfläche 22 und einer
identischen, zweiten facettierten Oberfläche 28, welche als
Mischer der ersten Stufe dienen, sowie einer dritten facettierten
Oberfläche 29,
welche als Mischer der zweiten Stufe dient, zu erreichen. Die Eingangsstrahlen 11' und 12' für einen
der Mischer der ersten Stufe, welche typischerweise verschiedenfarbig,
wie z.B. rot und grün,
sind, treten in den Block durch jeweilige Fenster 23, 25 ein
und treffen auf die Facetten 24, 26 auf, wie in 1 dargestellt. Die
Eingangsstrahlen für
den anderen Zweistufenmischer, welche typischerweise verschiedenfarbig,
wie zum Beispiel blau und grün,
sind, treten durch gleiche Fenster ein und treffen auf gleiche Facetten
der zweiten Facettenoberfläche 28 auf.
Die Ausgangsstrahlen der ersten Stufe dienen als Eingangsstrahlen
für den
Mischer 29 der dritten Stufe, welcher, abgesehen von der
Möglichkeit,
eine andere Fläche
aufzuweisen, mit der facettierten Oberfläche des Mischers der ersten
Stufe im Wesentlichen identisch ist.
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Die
reflektiven Oberflächen 22, 28, 28 sind auf
der Außenseite
des Kunststoffblocks mit reflektivem Material beschichtet. Die vier
Strahlen, welche in den Block eintreten, treten nur aus, wenn die
Mischung abgeschlossen ist. Es besteht ebenfalls die Möglichkeit,
einen Vierstrahlenmischer aus gesonderten, facettierten, reflektiven
Platten vorzusehen, so dass der Lichtweg komplett in Luft liegt.
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3 zeigt
ein refraktives Mischelement in Form eines Kunststoff umgossenen
Blocks 30, um zwei kollimierte Lichtstrahlen 11', 12' aus zwei LED-Lichtquellen 11, 12 verschiedener
Farben zu mischen. Die Strahlen 11', 12' treten durch jeweilige Fenster 31, 31' in den Block
ein und treffen auf die Facetten 38, 37 auf. Die
ersten Facetten 37 brechen einfallendes Licht in eine Vielzahl
parallele, erste Teilstrahlen, während
die zweiten Facetten 38 einfallendes Licht in eine Vielzahl
parallele, zweite Teilstrahlen brechen, welche mit den ersten Teilstrahlen
alternieren, um eine gemischte Abgabe vorzusehen. Dieses Ausführungsbeispiel
kann ebenfalls angewandt werden, um, wie für den reflektiven Fall beschrieben, vier
Strahlen unter Verwendung von zwei Stufen zu mischen, obgleich die
Geometrie geringfügig
verschieden ist.
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4 zeigt
ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des refraktiven Elements in Form eines Kunststoff umgossenen Blocks 30,
welcher eine erste refraktive Oberfläche 32 und eine gegenüberliegende, parallele,
zweite refraktive Oberfläche 36 aufweist.
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Die
erste refraktive Oberfläche 32 besteht aus
parallelen, ersten Facetten 33, welche mit parallelen zweiten
Facetten 34 alternieren, wobei die Facetten das Licht von
jeder Lichtquelle 11, 12 in zwei divergierende
Strahlen innerhalb des Blocks aufspalten. Die zweite refraktive
Oberfläche
besteht aus parallelen, ersten Facetten 37, welche einen
der divergierenden Strahlen auffangen, sowie aus parallelen, zweiten
Facetten 38, welche den anderen divergierenden Strahl auffangen.
Die ersten Facetten 37 brechen einfallendes Licht in eine
Vielzahl parallele, erste Teilstrahlen, während die zweiten Facetten 38 einfallendes
Licht in eine Vielzahl parallele, zweite Teilstrahlen brechen. Sämtliche
Teilstrahlen treten aus der zweiten, refraktiven Oberfläche parallel
aus. Die zweiten Teilstrahlen, welche aus der ersten Lichtquelle
stammen, alternieren mit den ersten Teilstrahlen von der zweiten
Lichtquelle, um eine gemischte Abgabe, flankiert von nicht gemischten
Abgaben, vorzusehen. Die obere (zweite) und untere (erste), refraktive
Oberfläche
sind identisch, und es ist keine Deckungsgleichheit zwischen den
beiden Oberflächen
erforderlich.
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Die
Trennung der beiden Oberflächen 32, 36 wird
durch die Lichtquellengröße ermittelt
und wird so bestimmt, dass die Hälfte
des Lichts von jeder von zwei benachbarten Lichtquellen genau überlappt.
Die Periode der prismatischen Struktur (Abstand zwischen Facettenspitzen)
ist nicht kritisch. Sie muss klein genug sein, damit sie bei der
Anwendung nicht wahrnehmbar ist, und groß genug sein, damit Fertigungsimperfektionen
die Effektivität
nicht reduzieren. Typischerweise beträgt die Periode 0,1 bis 0,3
mm.
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Der
Winkel 2 der Prismenfacetten, d.h. der Winkel zwischen der Facette
und der Ebene des refraktiven Strahlenteilers, wird so eingestellt,
dass jeder Strahl innerhalb des Strahlenteilers parallel zu einem
solchem der Facettengruppe verläuft.
Die maßgebende
Gleichung lautet 2 sin22 – (n1/n2)sin2 – 1 = 0wobei
n1 den Brechungsindex des Materials außerhalb
des Strahlenteilers, normalerweise Luft, und n2 den
Brechungsindex des refraktiven Strahlenteilers darstellt. Denn ein
typischer n2 von 1.5,2 = 63°. Dieses
resultiert in einem hohen Brechungswinkel, so dass die Fresnel-Verluste
sowohl auf der Eintritts- als auch der Austrittsfläche hoch
sind – typischerweise etwa
11% bei jeder Oberfläche.
Die Effektivität
dieses Mischungsschemas würde
daher von einer Reflex mindernden Schicht profitieren. Eine Strahlspreizung resultiert
darin, dass Licht zum Teil auf die falschen Facetten auftrifft,
wodurch eine Verzerrung des Strahlenprofils hervorgerufen wird.
Eine Vergrößerung des
Winkels 2 kann die Verzerrung reduzieren, hat jedoch eine Zunahme
der Fresnel-Verluste zur Folge.
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Statt
durch ein solides Aufspaltungselement 30 kann der refraktive
Strahlenteiler von 4 ebenfalls durch zwei dünne Platten
mit einem Luftzwischenraum zwischen diesen vorgesehen sein. Diese Variante
würde das
System kostengünstiger
machen, würde
jedoch in Fresnel-Verlusten resultieren.
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5 zeigt
eine Anordnung von zwei refraktiven Strahlenteilern 30, 40,
um Licht aus einer quadratischen Matrix von Lichtquellen, welche
aus Reihen aus roten und grünen
LEDs besteht, die mit Reihen aus grünen und blauen LEDs alternieren,
zu mischen (s. auch 6A). Der erste refraktive Strahlenteiler 30 weist
längliche
Facetten auf, welche senkrecht zu der Ebene des Papiers angeordnet sind,
und mischt die Eingangsstrahlen von 6A, um
Ausgangsstrahlen von 6B zu erzeugen. Die Farben Rot,
Grün und
Blau werden durch die Buchstaben R, G und B und die gemischten Strahlen,
welche sich aus parallelen Teilstrahlen zusammensetzen, durch die
Buchstabenpaare RG und GB symbolisiert.
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Der
zweite refraktive Strahlenteiler 40 ist mit dem ersten
refraktiven Strahlenteiler 30 identisch, jedoch um 90° gedreht,
so dass die Facetten parallel zu der Ebene des Papiers angeordnet
sind. Es besteht keine untere Grenze zu dem Abstand zwischen den
Strahlenteilern. Der zweite Strahlenteiler 40 empfängt die
Ausgangsstrahlen des ersten Strahlenteilers 30 und mischt
diese, um die Ausgangsstrahlen von 6C zu
erzeugen. Hier symbolisiert der Buchstabe W Weiß, welches eine nicht auflösbare Mischung
aus Rot, Grün
und Blau ist. Licht von LEDs an dem Perimeter der Matrix wird nicht
vollständig
gemischt, um weißes
Licht zu erzeugen. Dieses kann als Effektivitätsverlust angesehen werden,
welcher mit Größerwerden
der Matrix geringfügig
kleiner wird.