DE60128140T2

DE60128140T2 - Beleuchtungsverfahren und -vorrichtung

Info

Publication number: DE60128140T2
Application number: DE60128140T
Authority: DE
Inventors: Mauri Drufva
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-12-21
Filing date: 2001-12-20
Publication date: 2007-12-27
Anticipated expiration: 2021-12-21
Also published as: ATE360783T1; CA2431708A1; EP1350060A1; WO2002055926A1; NO20032825D0; RU2003123126A; US20040027669A1; JP2004517452A; DE60128140D1; CN1531637A; KR20040004466A; RU2336458C2; US6988820B2; FI109430B; FI20002820A0; CN1311187C; EP1350060B1; HK1070121A1; PL361878A1; NO20032825L

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beleuchtung und eine Vorrichtung zum Erzeugen (Projizieren) eines Beleuchtungsmusters, das seine Eigenschaften zeitlich ändert. Die Beleuchtungsvorrichtung weist ein mindestens teilweise durchscheinendes und Licht brechendes optisches Element, mehrere Lichtquellen, die konische Lichtmuster abgeben und so gehaltert sind, dass ihre Position und ihr Winkel sich relativ zueinander und/oder zum optischen Element verstellen lassen, und eine Steuerelektronik auf, an die jede Lichtquelle elektrisch so angeschlossen ist, dass die von den Lichtquellen jeweils abgegebene Lichtintensität unter Steuerung durch die Steuerelektronik verstellbar ist, wobei das optische Element so befestigt ist, dass die von den Lichtquellen abgegebenen Lichtstrahlen mindestens teilweise durch das optische Element auf das zu beleuchtende Ziel fallen. Nach dem Verfahren werden zur Ausbildung eines Beleuchtungsmusters variabler Gestalt und Leuchtintensität mit mehreren Lichtquellen Lichtkegel auf ein Ziel geworfen, von denen mindestens einige über ein mindestens teilweise durchscheinendes und Licht brechendes optisches Element auf das zu beleuchtende Ziel gerichtet werden, wobei die Position und der Winkel der Lichtquellen relativ zueinander und/oder zum optischen Element sowie die Leuchtintensität mindestens einer der Lichtquellen einstellbar sind.
Es ist bekannt, einen Lichtprojektor zu realisieren, in dem das Licht einer Lichtquelle durch ein durchscheinendes und/oder Licht brechendes optisches Element auf eine Zielfläche fällt, so dass ein Lichtmuster entsteht, dem die optischen Eigenschaften des optischen Elements zu Grunde liegen. Ein Nachteil dieser Vorrichtung ist, dass das Lichtmuster festliegt.
Auch ist ein Videoprojektor bekannt, mit dem sich bewegende Beleuchtungsmuster auf eine Zielfläche projizierbar sind. Die Nachteile in der Realisierung einzelner Lichteffekte sind bspw. die Größe des Projektors, ein für Umweltbedingungen empfindlicher Aufbau sowie die verhältnismäßig hohen Fertigungskosten.
Die US 4 972 305 offenbart ein gattungsgemäßes System zum Erzeugen eines Lichtmusters, bei dem ein speziell geformtes – bspw. ein künstlerisch entworfenes und modelliertes – optisches Element Einsatz findet. Bei diesem System wird auf einem Bildschirm bzw. einer entsprechenden Fläche ein Muster erzeugt, das die Gestalt des modellierten Elements wiedergibt. Bei dem modellierten Element handelt es sich um ein Licht reflektierendes und/oder durchscheinendes solches, das auf einem Fuß angeordnet ist. Licht wird auf das modellierte Element aus mindestens einer primären und mindestens einer sekundären Lichtquelle gerichtet, wobei die Gestalt des modellierten Elements auf einen Schirm oder eine entsprechende Zielfläche geworfen wird. Die Farbe und Intensität des Lichts aus der primären Lichtquelle lassen sich einstellen. Weiterhin lassen die Lichtquelle und/oder das modellierte Element sich drehen, wobei das zu erzeugende Lichtmuster sich entsprechend ändert. In Verbindung mit einer Lichtquelle ist es auch möglich, ein Element anzuordnen, mit dem der Lichtstrahl aus der Lichtquelle sich verengen lässt. Das von der Lichtquelle gem. dieser Veröffentlichung erzeugte Lichtmuster gibt im wesentlichen die Gestalt des modellierten Elements wieder. Durch Ändern der Eigenschaften unterschiedlicher Lichtquellen kann man nur die Schattierung und Farben, nicht aber die Form des grundsätzlichen Musters selbst beeinflussen.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die oben genannten Nachteile zu einem erheblichen Ausmaß zu beseitigen, den Stand der Technik auf dem einschlägigen Gebiet zu verbessern und ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Beleuchten anzugeben, mit denen sich Lichtmuster auf das Ziel werfen lassen, die ihre Eigenschaften zeitlich ändern. Der Erfindung liegt der Gedanke zu Grunde, dass mittels mehrerer Lichtquellen Lichtkegel erzeugt und auf ein optisches Teil bzw. Element gerichtet werden. Im optischen Element werden unterschiedliche Lichtstrahlen auf unterschiedliche Weise geändert und die Lichtstrahlen verschiedener Lichtquellen auf eine Zielfläche geworfen. Weiterhin wird mindestens die Leuchtintensität der Lichtstrahlen variiert, wobei auf der Zielfläche mittels des Verfahrens zeitlich sich ändernde Lichtmuster erzeugt werden.
Die erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung ist primär dadurch gekennzeichnet, dass der von jeder Lichtquelle erzeugte Lichtstrahl so angeordnet ist, dass er einen Teil des mittels der Beleuchtungsvorrichtung erzeugten Beleuchtungsmusters darstellt, dessen Form im wesentlichen unabhängig von der äußeren Gestalt des optischen Teils bzw. Elements ist. Das erfindungsgemäße Verfahren ist primär dahingehend gekennzeichnet, dass der von jeder Lichtquelle erzeugte Lichtstrahl einen Element des mittels der Beleuchtungsvorrichtung erzeugten Beleuchtungsmusters bildet, dessen Form im wesentlichen unabhängig von der äußeren Gestalt des optischen Elements ist.
Mittels der vorliegenden Erfindung erreicht man gegenüber den bekannten Verfahren und Vorrichtungen erhebliche Vorteile. Die erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtungen lassen sich gedrängt und einfach aufgebaut realisieren. Das Ändern des Lichtmusters erfordert nicht unbedingt einen Wechsel des optischen Elements, speziell wenn die mit der Beleuchtungsvorrichtung zu erzeugenden unterschiedlichen Lichtmuster beim Entwurf des optischen Elements berücksichtigt wurden. Auch ist die Herstellung der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtungen wirtschaftlich. Da darüberhinaus derartige Beleuchtungsvorrichtungen in der Größe klein sind, lassen sie sich im Vergleich zu bekannten Vorrichtungen leichter positionieren. Weiterhin ist die Wärmeentwicklung in Vorrichtungen nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weniger ausgeprägt, da LED-Lampen als Lichtquellen dienen können. Nach dem Verfahren einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden zum Leiten des von den Lichtquellen abgegebenen Lichts Faseroptiken verwendet, so dass die Lichtquellen sich freier anordnen und besser vor Umwelteinflüssen – bspw. Feuchtigkeit – schützen lassen. Daher lässt sich das mittels der Lichtquellen erzeugte Lichtmuster auch unter schwierigen Umweltbedingungen platzieren.
Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben; sie zeigen eine Vorrichtung, der das Beleuchtungsverfahren nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zu Grunde liegt.
Die Vorrichtung weist mehrere Lichtquellen 3, die Lichtkegel erzeugen, sowie mindestens einen optischen Element 1 auf. Der von mindestens einer Lichtquelle erzeugte Lichtstrahl wird direkt oder über einen Lichtwellenleiter wie bspw. eine Faseroptik auf den optischen Element 1 gerichtet. So ändern mindestens einige der aus den Lichtquellen 3 auf das optische Element 1 gerichteten Lichtstrahlen ihre Richtung, bevor sie zur Zielfläche 5 weiterlaufen. Die Intensität des von den Lichtquellen 3 erzeugten Lichts wird mittels einer Steuerelektronik 4 gesteuert. In einer derartigen Steuerelektronik 4 kann ein Anwendungsprogramm od. dergl. ablaufen, mit dem sich die Lichtquellen 3 steuern und die auf der Zielfläche 5 erzeugten Lichtmuster zeitlich ändern lassen. Eine vorteilhafte Alternative für die Steuerung der Leuchtintensität der Lichtquelle ist eine Impulsbreitenmodulation (PWM), aber auch andere Steuerungsverfahren sind einsetzbar, wie bekannt.
Die Lichtquellen 3 lassen sich bspw. auf einem ebenen Montagefuß od. dergl. so anordnen, dass die Position und/oder Richtung mindestens einer Lichtquelle sich ändern lässt. Die Energie für die Lichtquelle wird über Leitungen 2 zugeführt, die bspw. biegsam sein können.
Bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung ist der zentrale Aspekt die Ausführung des optischen Elements 1 und die Anordnung der Lichtquellen 3 derart, dass das gewünschte Lichtmuster sich erzeugen lässt. Seit Kurzem sind 3D-Entwurfs- bzw. Konstruktionsprogramme bekannt, mit denen sich Elemente unterschiedlicher Gestalt konstruieren und deren Eigenschaften simulieren lassen – bspw. die Ausrichtung der Lichtquellen. Die Planung des Aufbaus der Vorrichtung auf der Grundlage des erfindungsgemäßen Beleuchtungsverfahrens lässt sich so mit derartigen modernen computer gestützten Entwurfs- und Simulationswerkzeugen implementieren, die für den 3D-Entwurf bzw. das 3D-Konstruieren gedacht sind. Durch Ändern der Position und der Leuchtintensität der Lichtquellen sowie der Gestalt und anderer Eigenschaften des optischen Elements kann man so einen Aufbau entwerfen und simulieren, mit dem sich der Soll-Lichteffekt erzeugen lässt. Die für den Aufbau der Vorrichtung erforderliche Dokumentation ergibt sich als Resultat der Entwurfssarbeit. Bspw. lässt sich auf Grund der Dokumentation das zum Aufbau gehörende optische Element aus einem gewählten Werkstoff erstellen. Handelt es sich um Glas, ist aus der Entwurfsdokumentation eine zur Herstellung erforderliche Gussform ableitbar.
Bei der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung muss das optische Element 1 in seiner Außengestalt nicht dem mittels der Beleuchtungsvorrichtung erzeugten Beleuchtungsmuster ähneln; so wird das gewünschte Beleuchtungsmuster bspw. durch Beeinflussen der Ausbreitungsrichtung der Lichtstrahlen durch das optische Element 1 erzeugt. In der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung wird die Grundform des Beleuchtungsmusters nicht durch das optische Element 1 erzeugt, sondern so, dass die endgültige Gestalt des Beleuchtungsmusters eine Kombination mehrerer der Lichtstrahlen aus der Lichtquelle 3 darstellt, sich also aus Beleuchtungsflächen zusammensetzt, die aus separaten Lichtstrahlen gebildet ist. Die Gestalt, Farbe und innere Intensitätsverteilung dieser beleuchteten Flächen lassen sich mit einem oder mehr optischen Elementen 1 modifizieren, indem man die Lichtstrahlen durch ein oder mehr optische Elemente 1 sendet. Das Soll-Beleuchtungsmuster wird also sozusagen mittels der Lichtstrahlen "gemalt". Jeder Lichtstrahl kann als einer Farbe eines Pinselstrichs in einem Gemälde entsprechend betrachtet werden, das optische Element als ein von Künstlerhand geführter Pinsel, der die Farbe in der korrekten Form an den richtigen Ort im Gemälde bringt. Weiterhin ist es mittels der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung möglich, das erzeugte Beleuchtungsmuster zu beleben, indem man im Betrieb der Vorrichtung die Intensität der Lichtmuster zeitabhängig steuert.
Für die Beleuchtungsvorrichtung ist auch eine separate Steuereinheit 4 erforderlich, mittels der die Steuerfunktionen der Vorrichtung ausgeführt werden, um einen Lichteffekt zu erzeugen. Die Steuereinheit besteht typischerweise aus einem Mikroprozessor oder -controller sowie dessen Peripherie (nicht gezeigt) sowie einer Stromversorgung. Diese elektronische Steuereinheit 4 enthält vorzugsweise ein Programm, das das Arbeiten der Beleuchtungsvorrichtung steuert. Nach diesem Programm kann die Steuereinheit die Leuchtintensität jeder Lichtquelle 3 individuell steuern. Weiterhin kann sie andere Hilfsfunktionen der Vorrichtung steuern – bspw. die Bewegung eines baulichen Vorrichtungsteils wie des optischen Elements 1 oder einer oder mehr Lichtquellen 3 relativ zu anderen baulichen Teilen. Es gibt Werkzeuge zur Entwicklung des Programms für die Steuereinheit, mit denen sich auch komplexe Software entwickeln lässt. Ersichtlich ist es in einigen Anwendungen möglich, die Lichtquellen zu gruppieren, wobei die Steuereinheit 4 dann derartige Gruppen aus Lichtquellen 3 gruppenweise, nicht oder zusätzlich hierzu einzeln ansteuert.
Der mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung realisierte Lichteffekt ergibt sich als Kombinationseffekt aus dem Auf bau der Vorrichtung und den Steuerfunktionen der elektronischen Steuereinheit 4 der Beleuchtungsvorrichtung.
Das erfindungsgemäße Beleuchtungsverfahren lässt sich bspw. für die Stimmungsbeleuchtung einsetzen, indem man eine Vorrichtung ausführt, der das Verfahren zu Grunde liegt und mit der sich bspw. ein Lichteffekt erreichen lässt, der ein Lagerfeuer simuliert. Diese Ausführungsform arbeitet mit einem Beleuchtungsmuster in der Gestalt eines schmalen Kegels, der kennzeichnend für die einzelne Lichtquelle 3 ist, und zwar so, dass jeder Einzellichtstrahl schräg durch das optische Element 1 auf die Zielfläche 5 gerichtet wird. Dabei entstehen mehrere längliche Lichtmuster in Flammengestalt, die gemeinsam ein Beleuchtungsmuster 6 erzeugen, das ein Lagerfeuer darstellt. Die elektronische Steuereinheit 4 dient dann zur zeitvariablen Steuerung der Leuchtintensität der Lichtquellen 3 so, dass die Gestalt des Beleuchtungsmusters 6 und die Leuchtintensität in den verschiedenen Bereichen des Flammenmusters variieren und man den Eindruck eines echten Lagerfeuers erhält.
Eine zweite Ausführungsform ist eine Vorrichtung, der das erfindungsgemäße Beleuchtungsverfahren zu Grunde liegt und mittels der sich ein Polarlichteffekt erzeugen lässt. Der Aufbau der Vorrichtung entspricht dem der Vorrichtung nach dem vorgehenden Beispiel. Die Unterschiede liegen primär in der Anordnung und in den Farben der Lichtquellen 3, in der Gestalt und der Anordnung des optischen Elements 1 sowie im Steuerprogramm der Steuereinheit 4.
In der Ausführung der vorliegenden Erfindung ist ein Grundgedanke das Ausnutzen der Möglichkeiten moderner Technolo gie im Entwurf und der praktischen Ausführung einer Beleuchtungsvorrichtung der vorgenannten Art. Der Grundaufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist recht einfach, erfordert aber eine komplexe Anordnung der einzelnen Anordnungsteile und eine solche Steuerung der optischen Eigenschaften, um den gewünschten Lichteffekt kontrolliert zu erreichen.
Bei der Vorrichtung nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei den Lichtquellen 3 um LED-Bauteile.
Die Ansprüche 2 bis 12 beschreiben alternative Ausführungsformen der auf Grund des erfindungsgemäßen Beleuchtungsverfahrens ausgeführten Vorrichtungen.
Ersichtlich ist die Erfindung nicht auf die oben genannten Ausführungsformen beschränkt; vielmehr lassen diese sich im Rahmen der angefügten Ansprüche modifizieren.

Claims

Eine Beleuchtungsvorrichtung für das Erzeugen eines Beleuchtungsmusters (6) mit einer variablen Form und Leuchtintensität auf einem Zielobjekt (5), umfassend einen optischen Teil (1), welcher mindestens teilweise lichtdurchlässig und lichtbrechend ist, – mehrere ein konisches Lichtmuster erzeugende Lichtquellen (3), die so angebracht sind, dass deren Position und Winkel relativ zueinander und/oder zum optischen Teil (1) einstellbar sind – eine elektronische Steuervorrichtung (4), die derart mit jeder Lichtquelle (3) gekoppelt ist, dass die durch jede Lichtquelle erzeugte Lichtintensität mittels der Steuervorrichtung (4) einstellbar ist, und der optische Teil (1) so angebracht ist, dass die durch die Lichtquellen (3) erzeugten Lichtstrahlen sich mindestens teilweise durch den optischen Teil (1) auf dem zu beleuchtenden Ziel (5) ausbreiten, dadurch gekennzeichnet, dass jede Lichtquelle (3) so angeordnet ist, dass deren Lichtstrahl sich durch den gleichen optischen Teil ausbreitet, wobei der durch jede Lichtquelle (3) erzeugte Lichtstrahl derart angeordnet ist, dass dieser nur einen Teil des durch die Beleuchtungsvorrichtung erzeugten Beleuchtungsmusters (6) bildet, so dass das Beleuchtungsmuster (6) aus einer Kombination von mehreren durch die Lichtquellen (3) erzeugten Lichtstrahlen zusammengesetzt ist, wobei dieses Beleuchtungsmuster im Wesentlichen unabhängig von der äusseren Form des optischen Teiles ist, und dass die Steuervorrichtung ein Steuerprogramm für die Steuerung der Intensität des durch jede Lichtquelle erzeugten Lichtes und/oder für das Bewegen eines Konstruktionselementes (1, 3) der Vorrichtung relativ zu den anderen Konstruktionselementen aufweist, um das Beleuchtungsmuster zu variieren.
Beleuchtungsvorrichtung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese fest als ein Teil eines allgemein bekannten Illuminators gekoppelt ist.
Beleuchtungsvorrichtung gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Konstruktionselement, welches den Beleuchtungsteil abtrennt, an die Vorrichtung gekoppelt ist.
Beleuchtungsvorrichtung gemäss Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen (3) LED Komponenten sind.
Beleuchtungsvorrichtung gemäss Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuervorrichtung durch Mikroprozessortechnologie oder digitale Schaltungstechnologie implementiert ist und die Steuerung der Leuchtintensität der Lichtquellen mittels Pulsbreitenmodulation (PWM) erfolgt.
Beleuchtungsvorrichtung gemäss Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Teil (1) aus Glas oder aus Kunststoff gefertigt ist, und dass er absichtlich eine unregelmässige Form aufweist, welche sich wesentlich von einem rechteckigen Prisma oder Kugelsegment oder Rotationsparaboloid oder von einem anderen entsprechenden regelmässigen geometrischen Teil unterscheidet.
Beleuchtungsvorrichtung gemäss Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere optische Teile (1) vorhanden sind, welche hintereinander und/oder nebeneinander angeordnet sind.
Beleuchtungsvorrichtung gemäss Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Licht erzeugenden Lichtquellen (3) durch eine Kombination einer Lichtquelle (3) und einer optischen Faser ersetzt ist, wobei das erste Ende der optischen Faser optisch mit einer Lichtquelle (3) verbunden ist, und das zweite Ende der optischen Faser einen Lichtstrahl erzeugt, welcher zum optischen Teil (1) hin gerichtet ist.
Beleuchtungsvorrichtung gemäss Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich in der optischen Bahn der Vorrichtung zwischen dem optischen Teil (1) und der Zielfläche (5) ein Spiegel zur Umlenkung des Beleuchtungsmusters befindet.
Beleuchtungsvorrichtung gemäss Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zielfläche (5) ein fester Bestandteil der Vorrichtung ist.
Beleuchtungsvorrichtung gemäss Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass diese mindestens eine erste und eine zweite Gruppe von Lichtquellen (3) und/oder mindestens einen ersten und einen zweiten optischen Teil (1) umfasst, und dass die Formation von Lichtstrahlen wechselweise von der ersten Gruppe von Lichtquellen und der zweiten Gruppe von Lichtquellen gebildet wird und/oder dass ein oder mehrere optische Teile (1) zum wahlweisen Ausrichten der Lichtstrahlen während des Betriebs der Vorrichtung vorhanden sind.
Beleuchtungsvorrichtung gemäss Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines dieser Konstruktionselemente (1), (2) oder (5) derart koppelbar ist, dass dessen Position relativ zur übrigen Vorrichtung während des Betriebs der Vorrichtung veränderbar ist.
Verfahren zur Erzeugung eines Beleuchtungsmusters (6) mit einer variablen Form Leuchtintensität auf einem Zielobjekt (5), wobei konische Lichtmuster mittels mehrerer Lichtquellen (3) erzeugt werden durch einen mindestens teilweise lichtdurchlässigen und lichtbrechenden optischen Teil (1) auf das zu beleuchtende Zielobjekt (5) gerichtet werden, wobei die Position und der Winkel der Lichtquellen (3) relativ zueinander und/oder relativ zum optischen Teil einstellbar sind, und die Leuchtintensität von mindestens einer Lichtquelle eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der von jeder Lichtquelle (3) erzeugte Lichtstrahl sich durch den gleichen optischen Teil (1) ausbreitet, dass der von jeder Lichtquelle (3) erzeugte Lichtstrahl nur einen Teil des durch die Beleuchtungsvorrichtung erzeugten Beleuchtungsmusters (6) bildet, wobei das Beleuchtungsmuster (6) aus einer Kombination von mehreren durch die Lichtquellen (3) erzeugten Lichtstrahlen besteht, und wobei die Form dieses Beleuchtungsmusters im Wesentlichen unabhängig von der äusseren Form des optischen Teils ist, und dass ein Steuerprogramm verwendet wird, um die Intensität des von jeder Lichtquelle erzeugten Lichts zu steuern und/oder um ein Konstruktionselement (1, 3) der Vorrichtung relativ zu den anderen Konstruktionselementen zu bewegen, um dadurch das Beleuchtungsmuster zu variieren.