DE60037178T2 - Leuchte, optisches element und verfahren zum beleuchten eines objektes - Google Patents

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    • F21Y2115/10—Light-emitting diodes [LED]

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Leuchte mit einer Gruppe von Lichtquellen und einer Gruppe von optischen Elementen. Die in Frage kommende Leuchte ist eine, bei welcher insbesondere die Lichtquellen aus Licht emittierenden Dioden (LEDs) bestehen.
  • Eine Leuchte dieser Art kann zum Beispiel als Straßenbeleuchtung oder zur Beleuchtung von Objekten in Schaufenstern verwendet werden. Da LEDs immer effizienter und leistungsfähiger werden, nehmen die Möglichkeiten, LEDs für diese Zwecke einzusetzen, kontinuierlich zu, wobei sich die für die erforderliche Lichtleistung benötigte Anzahl von LEDs kontinuierlich verringert. Es ist bekannt, jede LED hinter einem optischen Element oder einer Linse für sich zu positionieren, so dass das Licht jeder LED auf die zu beleuchtende Straße oder das zu beleuchtende Objekt gerichtet werden kann.
  • Leuchten, wie oben beschrieben, sind aus FR2740535 bekannt. Dieses Dokument offenbart ein 1xn Array von LEDs in einer ersten Ebene und ein 1xn Array von optischen Elementen in einer zweiten Ebene, wobei die beiden Ebenen im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Jedes Element des Arrays von optischen Elementen besteht aus 4 kissenförmigen Linsen. Die LEDs sind an der optischen Achse des gegenüberliegenden, optischen Elements, d. h. zentrisch-symmetrisch zu den vier kissenförmigen Linsen, positioniert.
  • Ein Nachteil einer solchen Leuchte besteht darin, dass die Lichtverteilung einer separaten LED mit der zugeordneten Linse oftmals nicht gleichmäßig ist, was durch die Tatsache hervorgerufen wird, dass das auf die Linse auffallende Licht der LED nicht gleichmäßig verteilt wird. Da der gesamte Lichtstrahl eine Summe dieser einzelnen, nicht gleichmäßig verteilten Lichtstrahlen darstellt, ist das Endergebnis ebenfalls ein ungleichmäßig verteilter Lichtstrahl.
  • Der Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, die obigen Nachteile zu mindern und eine Leuchte mit einem gleichmäßiger verteilten Lichtstrahl vorzusehen.
  • Diese Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Leuchte mit einer Gruppe von Lichtquellen, welche vorwiegend in einer ersten Ebene angeordnet sind, sowie einer Gruppe von im Wesentlichen identischen, optischen Elementen, welche vorwiegend in einer zu der ersten Ebene im Wesentlichen parallelen, zweiten Ebene angeordnet sind, gelöst, wobei sich die Position von mindestens einer Lichtquelle gegenüber einem, der Lichtquelle gegenüberliegenden, optischen Element von der Position einer der weiteren Lichtquellen gegenüber einem, der weiteren Lichtquelle gegenüberliegenden, optischen Element unterscheidet. Da die Position der einzelnen LEDs gegenüber dem, das Licht derselben lenkenden, optischen Element stets unterschiedlich ist, ist die Wirkung die gleiche wie diese, die erreicht wird, wenn ein optisches Element von verschiedenen LEDs an verschiedenen Stellen beleuchtet wird. Daher ist das Ergebnis ein gleichmäßiger verteilter Lichteinfall auf den optischen Elementen und damit ein gleichmäßiger verteilter, ausgehender Lichtstrahl. Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die Anzahl Lichtquellen unabhängig von der Anzahl optischer Elemente gewählt werden kann. Infolgedessen kann die Lichtintensität der Leuchte durch Hinzufügen oder Entfernen von Lichtquellen oder durch Ein- oder Ausschalten derselben leichter angepasst werden, ohne dass das gewünschte Lichtmuster beeinflusst wird.
  • Erfindungsgemäß bilden die Gruppe von Lichtquellen und die Gruppe von optischen Elementen jeweils eine Matrix mit im Wesentlichen den gleichen Dimensionen, während die Anzahl Zeilen und/oder Spalten von zwei Matrizes unterschiedlich sind. Ein Ausführungsbeispiel, in welchem die Anzahl Zeilen und/oder Spalten einer Matrix die Anzahl Zeilen und/oder Spalten der anderen Matrix um Eins überschreitet, ergibt in der Praxis ein gutes Ergebnis. Durch eine solche Matrixanordnung kann eine Leuchte vorgesehen werden, welche leicht hergestellt werden kann.
  • Vorzugsweise sind die Lichtquellen durch kollimierte Lichtquellen dargestellt. Eine genauere Lichtverteilung des ausgehenden Strahls kann erreicht werden, indem das Licht von jeder LED so gelenkt wird, dass parallele Strahlen durch Reflexion und/oder Refraktion erhalten werden, bevor es auf die Gruppe von optischen Elementen auftrifft.
  • Vorzugsweise können die optischen Elemente rechteckig sein und über zumindest einen Teil ihres Umfangs aneinander angrenzen. Auf Grund dessen kann sichergestellt werden, dass der von der Gruppe von LEDs emittierte, gesamte Lichtstrahl durch die Gruppe von optischen Elementen hindurch geht, so dass kein Licht verloren geht.
  • Vorzugsweise sind die optischen Elemente auf einer oder beiden Seiten mit Facetten versehen, welche unterschiedliche Neigungswinkel aufweisen. Die Neigungswinkel werden vorzugsweise aus dem Beleuchtungsmuster, mit dem das Objekt beleuchtet werden soll, berechnet. Auf Grund dessen ist es möglich, eine sehr komplexe und genaue Lichtverteilung zu ermöglichen, um die speziellen Anforderungen des Benutzers zu erfüllen. Solche optische Elemente ermöglichen sogar das Projizieren von Text.
  • In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weisen die optischen Elemente eine Sägezahnstruktur auf, wobei die Facetten durch im Wesentlichen parallele Prismen gebildet werden. Ein Prisma, in einer Richtung in der Ebene des optischen Elements betrachtet, besitzt vorzugsweise gewölbte Seiten. Solche Prismen können mit Hilfe von Metallbeseitigungswerkzeugen leicht auf einer Linse oder einer Linsenmatrix vorgesehen werden.
  • Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf ein Verfahren zur Beleuchtung eines Objekts, wie in Anspruch 10 definiert, wobei eine Gruppe von Lichtquellen vorwiegend in einer ersten Ebene und eine Gruppe von im Wesentlichen identischen, optischen Elementen vorwiegend in einer zu der ersten Ebene im Wesentlichen parallelen, zweiten Ebene positioniert sind, wobei mindestens eine Lichtquelle gegenüber einem, der Lichtquelle gegenüberliegenden, optischen Element in einer Position angeordnet ist, welche sich von der Position einer der anderen Lichtquellen gegenüber einem, der anderen Lichtquelle gegenüberliegenden, optischen Element unterscheidet.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Draufsicht einer bekannten Leuchte;
  • 2 eine Schnittansicht entlang der Linie II-II der in 1 dargestellten Leuchte;
  • 3 ein optisches Element;
  • 4 eine schematische Draufsicht einer Leuchte; sowie
  • 5 eine schematische Darstellung der Wirkung der in 4 dargestellten Leuchte.
  • 1 zeigt eine schematische Draufsicht einer bekannten Leuchte und 2 eine Schnittansicht entlang der Linie II-II, derselben. Die Leuchte umfasst ein kastenförmiges Gehäuse 1, welches 25 LED-Module 2 aufnimmt. Diese Module weisen jeweils eine Licht emittierende Diode (LED) 3 und eine Kollimatorlinse 4 auf, welche die Strahlen der LED durch Reflexion und Refraktion in einen parallelen Strahl bringen. Der ausgehende, parallele Lichtstrahl erstreckt sich im Wesentlichen parallel zu der Symmetrieachse 5 des LED-Moduls 2. Jedes dieser LED-Module 2 besitzt eine Symmetrieachse 5, welche sich in zueinander parallelen Richtungen erstrecken.
  • Das Gehäuse 1 weist eine Abdeckung 6 auf, welche mit 25 optischen Elementen oder Linsen versehen ist, deren Symmetrieachsen sich mit den Symmetrieachsen 5 der LED-Module 2 decken. Die Austrittsebene jeder Linse 7 ist mit einer sägezahnförmigen Struktur 8 versehen, um das von der relevanten LED 3 erzeugte, ausgehende Licht abzulenken. Die einzelnen Linsen 7 können so ausgerichtet sein, dass sich die abgelenkten Strahlen in parallelen Richtungen erstrecken. Alternativ besteht jedoch die Möglichkeit, einzelne Linsen 7 so auszurichten, dass, wie z. B. in 1 dargestellt, ein unterschiedliches, gewünschtes Beleuchtungsmuster erhalten wird. Darüber hinaus können für die verschiedenen LED-Module 2 ebenfalls sägezahnförmige Strukturen mit einer unterschiedlichen Ablenkleistung verwendet werden. Alternativ ist es möglich, verschiedene Arten von LEDs 3 einzusetzen, so dass ein gewünschtes Farb- und/oder Intensitätsmuster vorgesehen werden kann.
  • 3 zeigt ein rechteckiges, optisches Element 17, welches erfindungsgemäß verwendet werden kann. Das optische Element 17 besteht aus einer ebenen Platte aus einem transparenten Material, wobei auf einer Seite durch Fräsen eine Reihe Prismen 18 vorgesehen wird. Diese Prismen 18 können ebenfalls auf beiden Seiten des optischen Elements vorgesehen werden. An jeder Frässtelle weist die Oberfläche des optischen Elements entlang der Länge eines Prismas 18 gemäß einer bestimmten Funktion einen Winkel α, welcher bei jedem Prisma 18 unterschiedlich ist, und einen Winkel β, welcher variiert, auf, so dass das Prisma, in einer Richtung in der Ebene des optischen Elements betrachtet, gewölbt ist. Die Richtung, in welcher das Licht von der LED abgelenkt wird, hängt somit von der Stelle ab, an welcher der Lichtstrahl in das optische Element eintritt. Die Winkel α und die Variation des Winkels β werden aus dem auf dem zu beleuchtenden Objekt zu erzeugenden, erforderlichen Lichtmuster mit Hilfe eines Computers berechnet. Dieses Muster kann sehr komplex sein; es hat sich sogar als möglich erwiesen, mit Hilfe solcher optischen Elemente Text zu projizieren.
  • Ein solches optisches Element oder eine Matrix für ein solches Element kann leicht hergestellt werden, indem ein rechteckiges Stück Material in einem bestimmten Winkel α auf eine Fräsmaschine aufgespannt und dann ein erstes Prisma ausgefräst wird, wobei der Fräser einem Weg folgt, welcher die Variation des Winkels β bestimmt. Als nächstes werden alle nachfolgenden Prismen entsprechend ausgefräst.
  • Gemäß 4 werden 25 LED-Module 2, wie in den 1 und 2 dargestellt, in einer 5×5 Matrix in einem Gehäuse angeordnet. In diesem Fall wird die Abdeckung jedoch nicht durch eine entsprechende 5×5 Matrix aus Linsen, sondern durch eine 2×4 Matrix aus identischen, rechteckigen, optischen Elementen 17, wie in 3 dargestellt, gebildet.
  • Wird die Anzahl Zeilen und Spalten der Lichtquellenmatrix jeweils als Nsr und Nsc, der Zwischenraum zwischen den LEDs in beiden Richtungen jeweils als Wsr und Wsc, die Anzahl Zeilen und Spalten der Linsenmatrix jeweils als Nlr und Nlc und die Dimensionen der optischen Elemente jeweils als Wlr und Wlc bezeichnet, wird, unter der Voraussetzung, dass beide Matrizes die gleichen Dimensionen aufweisen, die folgende Gleichung angewandt: Nsr × Wsr = Nlr × Wlr Nsc × Wsc = Nlc × Wlc welche die Relation zwischen den Dimensionen der optischen Elemente und dem Abstand zwischen den LED-Modulen bestimmt.
  • In diesem Beispiel gilt Folgendes:
    Nsr = 5, Nsc = 5, Nlr = 2 und Nlc = 4
  • Das Ergebnis einer solchen Anordnung ist, dass sich die LED-Module 2 gegenüber einem optischen Element 17 stets in einer anderen Position befinden, und der Effekt dieser Anordnung ist mit dem Effekt vergleichbar, der erreicht wird, wenn alle LED-Module, wie in 5 dargestellt, mit einem sehr geringen Abstand hinter einem optischen Element 17 platziert wären. Diese Anordnung wäre jedoch aufgrund der Dimensionen der LED-Module 2 physikalisch unmöglich. Auf diese Weise werden eine sehr gleichmäßige Beleuchtung des optischen Elements 17 und folglich ein sehr gleichmäßig verteilter Lichtstrahl erreicht.
  • Das beabsichtigte Ergebnis kann erreicht werden, indem die Anzahl Zeilen und Anzahl Spalten der LED-Matrix und der Linsenmatrix so ausgewählt werden, dass diese unterschiedlich sind, d. h. Nsr ≠ Nlr und Nsc ≠ Nlc, wobei ein optimales Ergebnis theoretisch erreicht werden kann, indem die Anzahl Zeilen und Anzahl Spalten so ausgewählt werden, dass die Differenz zwischen diesen lediglich 1 beträgt. Produktionstechnische Gründe können jedoch für unterschiedliche Anzahlen sprechen.

Claims (11)

  1. Leuchte mit einer Gruppe von Lichtquellen (2), welche vorwiegend in einer ersten Ebene angeordnet sind, sowie einer Gruppe von im Wesentlichen identischen, optischen Elementen (17), welche vorwiegend in einer zu der ersten Ebene im Wesentlichen parallelen, zweiten Ebene angeordnet sind, wobei sich die Position von mindestens einer Lichtquelle gegenüber einem, der Lichtquelle gegenüberliegenden, optischen Element von der Position einer der weiteren Lichtquellen gegenüber einem, der weiteren Lichtquelle gegenüberliegenden, optischen Element unterscheidet, wobei die Gruppe von Lichtquellen und die Gruppe von optischen Elementen jeweils eine Matrix mit im Wesentlichen den gleichen Dimensionen bilden, während die Anzahl Zeilen und/oder Spalten der beiden Matrizes unterschiedlich sind.
  2. Leuchte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl Zeilen und/oder Spalten einer Matrix die Anzahl Zeilen und/oder Spalten der anderen Matrix um Eins überschreitet.
  3. Leuchte nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen durch kollimierte Lichtquellen dargestellt sind.
  4. Leuchte nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen durch Licht emittierende Dioden (LEDs) dargestellt sind.
  5. Leuchte nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Elemente rechteckig sind.
  6. Leuchte nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Elemente über zumindest einen Teil ihres Umfangs aneinander angrenzen.
  7. Leuchte nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Elemente auf einer oder beiden Seiten mit unterschiedliche Neigungswinkel aufweisenden Facetten versehen sind.
  8. Leuchte nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Elemente eine sägezahnartige Struktur aufweisen, wobei die Facetten durch im Wesentlichen parallele Prismen gebildet werden.
  9. Leuchte nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Prisma, in einer Richtung in der Ebene des optischen Elements betrachtet, gewölbte Seiten aufweist.
  10. Verfahren zur Beleuchtung eines Objekts, wobei eine Gruppe von Lichtquellen vorwiegend in einer ersten Ebene und eine Gruppe von im Wesentlichen identischen, optischen Elementen vorwiegend in einer zu der ersten Ebene im Wesentlichen parallelen, zweiten Ebene positioniert sind, wobei mindestens eine Lichtquelle gegenüber einem, der Lichtquelle gegenüberliegenden, optischen Element in einer Position angeordnet ist, welche sich von der Position einer der anderen Lichtquellen gegenüber einem, der anderen Lichtquelle gegenüberliegenden, optischen Element unterscheidet, wobei die Gruppe von Lichtquellen und die Gruppe von optischen Elementen jeweils eine Matrix mit im Wesentlichen den gleichen Dimensionen bilden, während die Anzahl Zeilen und/oder Spalten der beiden Matrizes unterschiedlich sind.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Elemente auf einer oder beiden Seiten mit unterschiedliche Neigungswinkel aufweisenden Facetten versehen sind, wobei die Neigungswinkel aus dem Beleuchtungsmuster, mit dem das Objekt zu beleuchten ist, berechnet werden.
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