DE60037965T2 - Leuchte - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf eine Leuchte, geeignet zum Aufnehmen einer Lichtquelle, die im Wesentlichen in einer ersten Ebene liegt, mit einem optischen Element, das im Wesentlichen in einer zweiten Ebene liegt, wobei das genannte optische Element an einer Seite oder beiden Seiten mit Facetten versehen ist, die unterschiedliche Neigungswinkel haben, welche Facetten hauptsächlich von parallelen Prismen gebildet werden. Die Erfindung betrifft auch ein optisches Element, das zur Verwendung in einer Leuchte geeignet ist
• Eine derartige Leuchte ist aus DE-A-43 05 585 bekannt. Mit Hilfe einer solchen Leuchte kann man ein kollimiertes Lichtbündel seine Richtung ändern lassen. Facetten können hierzu auf zwei unterschiedliche Weisen verwendet werden. Eine erste Weise ist, dass an den Facetten Brechung auftritt. Dies gilt für eine Ablenkung des Lichtes um einen Winkel von höchstens 30°. Eine zweite Weise ist, dass an einer Oberfläche der Facetten innere Totalreflexion auftritt. Dies ist eine geeignete Weise, um Ablenkwinkel zwischen 25° und 90° zu erhalten. Mit Hilfe einer Matrix aus solchen Facetten ist es möglich, eine Vielzahl von Strahlenbündeln zu bilden, die in unterschiedliche Richtungen strahlen. In größerem Abstand mengen sich diese Strahlenbündel (werden überlagert), was es möglich macht, ein Lichtbündel mit beliebiger Form zu erzeugen. Es ist somit möglich, eine äußerst komplexe und genaue Lichtverteilung nach Wunsch des Nutzers zu erhalten. Es ist sogar möglich, mit einer solchen Matrix einen Text zu projizieren.
• Es ist jedoch sehr schwierig, eine derartige Matrix aus Facetten herzustellen. Diese Situation kann dadurch stark verbessert werden, dass die Matrix aus einer Anzahl Reihen von Facetten aufgebaut ist, wobei die Facetten jeder Reihe einen festen Winkel, der in einer dritten Ebene senkrecht zu der Reihe und senkrecht zu der zweiten Ebene liegt, mit einer Senkrechten auf die zweite Ebene bilden, und einen Winkel mit der genannten Senkrechten in einer vierten Ebene durch die Reihe bilden, welche senkrecht zu der zweiten Ebene steht, welcher Winkel sich entlang der Reihe von einer Facette zur nächsten allmählich ändert. Der feste Winkel in der dritten Ebene ändert sich von Reihe zu Reihe. Das optische Element hat in einer Ausführungsform eine Sägezahnstruktur, wobei die Facetten durch nahezu parallele Prismen gebildet werden. In diesem Fall hat ein Prisma vorzugsweise gekrümmte Seiten, in der Ebene des optischen Elementes gesehen. Derartige Prismen können auf einer Linse oder einer Linsenform in einfacher Weise mit einem Formwerkzeug hergestellt werden. Ein so gebildetes optisches Element für eine Leuchte ist zum Formen mittelbreiter Strahlenbündel geeignet und kann industriell zuverlässig in Massenfertigung hergestellt werden.
• Aus WO 98/55798 ist eine brechende und reflektierende Wellenlinse bekannt, die eine Oberfläche hat, die mit einer Vielzahl von in parallelen Reihen angeordneten Prismen versehen ist. Die Oberfläche kann gekrümmt sein, beispielsweise wellenförmig. Für jeden Krümmungssektor liegen die durch den Scheitelpunkt jedes Prismas verlaufenden Mittellinien auf einem Radius der gekrümmten Oberflächen, die einen gemeinsamen Mittelpunkt haben.
• Probleme treten jedoch auf, wenn Strahlenbündel mit großen Ablenkwinkeln gebildet werden sollen. Ein erstes Problem ist, dass der gewünschte Winkelverlauf in der vierten Ebene zur Bildung von steil ansteigenden Reihen führt, die ihrerseits zur Bildung einer unpraktisch großen Höhe des optischen Elementes führen. Ein zweites Problem ist, dass wegen der zunehmenden Abmessungen der Prismen von aufeinander folgenden Reihen unter Umständen in Facetten einer ersten Reihe totalreflektiertes Licht von einer zweiten, angrenzenden Reihe abgefangen wird. Es wird dann ein Schatteneffekt einer oder mehrerer Reihen auftreten.
• Der Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, die oben genannten Probleme zu lösen. Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Leuchte der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß mit einem optischen Element versehen, in dem aufeinander folgende Facetten einer Reihe eine Oberfläche bilden, die abwechselnd konkave und konvexe Form hat. Ein Vorteil hiervon ist, dass die gesamte Konstruktion des optischen Elementes eine geringere Höhe erfordert. Eine weitere Verbesserung kann dadurch realisiert werden, dass aufeinander folgende Reihen in zueinander unterschiedlichen Abständen zur zweiten Ebene liegen. Eine weitere Verbesserung bei der Verhinderung von Schatteneffekten kann erhalten werden, wenn diejenigen Reihen aus aufeinander folgenden Reihen von Facetten für innere Totalreflexion heraus, die einen größten festen Winkel haben, sich in einem größten Abstand zur zweiten Ebene befinden. So kann eine verbesserte Bündelung des von der Leuchte ausge henden Lichtes realisiert werden, während der Vorteil verhältnismäßig kleiner Abmessungen des optischen Elementes erhalten bleibt.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Leuchte umfasst die Lichtquelle eine Vielzahl von Lichtquellen. Vorzugsweise sind die Lichtquellen kollimierte Lichtquellen. Die Bildung paralleler Strahlenbündel aus dem Licht der Vielzahl von Lichtquellen, mittels Reflexion und/oder Brechung, bevor dieses Licht auf das optische Element trifft, ermöglicht es, eine genaue Lichtverteilung des Ausgangsstrahlenbündels zu erhalten. Sehr gut geeignete Lichtquellen sind Leuchtdioden (LEDs).
• Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Leuchte ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
• 1 eine Leuchte,
• 2 eine Ansicht eines bekannten optischen Elementes, das zur Verwendung in der Leuchte von 1 entworfen ist,
• 3 ein erfindungsgemäßes optisches Element und
• 4 eine weitere Abwandlung eines erfindungsgemäßen optischen Elementes.
• 1 zeigt eine Leuchte 1, geeignet zum Aufnehmen einer Lichtquelle 2, die in einer ersten Ebene V1 liegt, und mit einem optischen Element 3, das im Wesentlichen in einer zweiten Ebene V2 liegt, welches optische Element an einer Seite mit Facetten 4 versehen ist. Die Lichtquelle 2 umfasst eine Vielzahl von kollimierten Lichtquellen 20, im dargestellten Fall in Form von Leuchtdioden (LEDs) 21, von denen jede mit einer Kollimatorlinse 22 versehen ist. Die Leuchte umfasst ein Gehäuse, das an einer Seite durch das optische Element 3 verschlossen wird.
• Ein bekanntes optisches Element 3, das zur Verwendung in einer Leuchte, wie in 1 gezeigt, geeignet ist, ist in 2 im Detail dargestellt. In 2 ist zu sehen, dass die Facetten 4 des optischen Elementes 3 zueinander unterschiedliche Neigungswinkel haben. Die Facetten 4 werden von im Wesentlichen parallelen Prismen 4a gebildet. Die Facetten 4 sind in einer Anzahl Reihen 40 von Facetten angeordnet, so dass die Facetten jeder Reihe einen festen Winkel α1, α2, α3, der in einer dritten Ebene V3 senkrecht zu der Reihe und senkrecht zu der zweite Ebene V2 liegt, mit einer Senkrechten n2 auf die zweite Ebene bilden, und einen Winkel β, der sich entlang der Reihe von einer Facette zu nächsten allmählich ändert, mit der Senkrechten n2 in einer vierten Ebene V4 durch die Reihe bilden, welche Ebene senkrecht zu der zweiten Ebene V2 steht. Der feste Winkel α1, α2, α3 in der dritten Ebene ändert sich von Reihe zu Reihe 40. In der Figur ist zu sehen, dass für Facetten, die mittels innerer Totalreflexion (für Winkel α ≥ 38° bei einer Brechzahl von 1,6) zur Bündelung des Lichtes beitragen, das von diesen mit kleinerem festen Winkel α reflektierte Licht durch die Facetten einer angrenzenden Reihe mit größerem festen Winkel α abgefangen wird.
• 3 zeigt ein erfindungsgemäßes optisches Element 2, das mit einer einzelnen Reihe von Facetten 4 versehen ist. Die aufeinander folgende Facetten 4 bilden eine Oberfläche, die abwechselnd konkave 402 und konvexe 401 Form hat. Ein solches optisches Element kann dadurch erhalten werden, dass die Facetten unter Beibehaltung ihrer individuellen Winkel (α, β), ausgehend von einer Reihe von Facetten, wie in 2 gezeigt, ihre gegenseitigen Positionen ändern. Indem die Breite der so geänderten Facetten verhältnismäßig klein gewählt wird, ist es möglich, eine Folge von so gebildeten Facetten einige Male in jeder Reihe zu wiederholen. Dadurch wird die abwechselnd konvexe und konkave Oberfläche gebildet, während die optischen Bündelbildungseigenschaften der Reihe von Facetten erhalten bleiben. Der Entwurf des beschriebenen optischen Elementes kann beispielsweise mittels einer Computerberechnung auf Basis der Form des bekannten optischen Elementes erhalten werden.
• 4 zeigt eine weitere Abwandlung eines erfindungsgemäßen optischen Elementes 2, das mit einer großen Anzahl Reihen 40 von durch Prismen 4a gebildeten Facetten versehen ist, wobei die Facetten, die in aufeinander folgenden, Facetten für innere Totalreflexion enthaltenden Reihen einen größten festen Winkel α haben, sich in einem größten Abstand zu der zweiten Ebene V2 befinden. In einer Weise, die ähnlich der oben anhand des optischen Elementes von 3 beschriebenen Weise ist, kann das optische Element von 4 durch ein gegenseitiges Austauschen der Positionen der Reihen von Facetten, ausgehend von der Form des bekannten optischen Elementes, realisiert werden. Wiederum kann dieser Entwurf mittels einer Computerberechnung ausgeführt werden.
• Der Schutzumfang der Erfindung ist nicht auf die angegebenen Ausführungsformen beschränkt. Die Verwendung des Verbs "umfassen" schließt das Vorhandensein anderer als in den Ansprüchen genannter Elemente nicht aus.

Claims (6)

1. Leuchte, geeignet zum Aufnehmen einer Lichtquelle, die im Wesentlichen in einer ersten Ebene (V1) liegt, mit einem optischen Element (3), das im Wesentlichen in einer zweiten Ebene (V2) liegt, wobei das genannte optische Element an einer Seite oder beiden Seiten mit Reihen (40) versehen ist, wobei jede Reihe aus parallelen Prismen (4a) gebildet ist, welche Prismen (4a) Facetten (4) haben, die in Bezug auf die zweite Ebene (V2) unterschiedliche Neigungswinkel haben, dadurch gekennzeichnet, dass aufeinander folgende Facetten (4) in einer Reihe (40) eine Oberfläche bilden, die abwechselnd konkave und konvexe Form hat, und dass die Facetten (4) von aufeinander folgenden Reihen (40) an einer Seite in zueinander unterschiedlichen Abständen zur zweiten Ebene liegen.
2. Leuchte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Facetten derjenigen Reihen aus aufeinander folgenden Reihen von Facetten für innere Totalreflexion heraus, die einen größten festen Winkel (α) haben, welcher der Winkel zwischen der Normalen der Facette und einer Normalen (n) der zweiten Ebene (V2) ist, gemessen in einer dritten Ebene (V3), die senkrecht zu den Reihen und der zweiten Ebene (V2) steht, sich in einem größten Abstand zur zweiten Ebene befinden.
3. Leuchte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle eine Vielzahl von Lichtquellen umfasst.
4. Leuchte nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen kollimierte Lichtquellen sind.
5. Leuchte nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen Leuchtdioden (LEDs) sind.
6. Optisches Element, das zur Verwendung in einer Leuchte nach einem der oben genannten Ansprüche geeignet ist.