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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung, die
mehrere Lichtquellen umfasst.
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Im
Stand der Technik ist für
eine Weitwinkel-Beleuchtungsvorrichtung eine Kombination aus kreisförmiger Fresnel-Linse
und Glühlampe
typisch, die bei Bojenleuchten zum Navigieren von Schiffen verwendet
wird.
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Bei
diesen Konstruktionen ist eine Fresnel-Linse oder eine plankonvexe
Linse in der horizontalen Ebene in einem kreisförmigen Muster gebildet. Die
Linse besitzt in der vertikalen Ebene eine Kontur, derart, dass
sich ein einzelner Brennpunkt in der Mitte des kreisförmigen Musters
befindet. Die Glühlampe
ist an diesem Brennpunkt angeordnet, woraus sich ein Muster des
Projektionsstrahls ergibt, der in der horizontalen Ebene eine Strahlbreite
von 360° und
in der vertikalen Ebene eine minimale Strahlbreite besitzt. Bei
dieser Konstruktion wird tatsächlich durch
die Glühlampe
erzeugtes Licht, das unter wesentlichen Winkeln über und unter der horizontalen Ebene
ausgesendet wird, gesammelt, wobei dieses Licht zu einem intensiven
Strahl in der horizontalen Ebene umgelenkt wird. Da die Glühlampe Licht
in einem im Wesentlichen gleichförmigen
räumlichen Strahlungsmuster
aussendet, ist das durch die Beleuchtungsvorrichtung gesammelte
und projizierte Licht in allen Richtungen des horizontalen Strahls von
360° im
Wesentlichen gleichförmig.
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Diese
Gleichförmigkeit
ist notwendig, da die Beleuchtungsvorrichtung aus allen Richtungen
in gleicher Weise sichtbar sein sollte. Das Gießen der Linse erzeugt leider
gewöhnlich
einen Grat oder eine Trennlinie an ihrer Oberfläche und diese Trennlinie behindert
das Licht, das sich durch die Linse bewegt. Ein zweites Hindernis
wird durch Leitungen erzeugt, die verwendet werden, um den Glühfaden der
Glühlampe
zu versorgen. Diese beiden Hindernisse verringern die Intensität des projizierten
Strahls an einer oder an mehreren Stellen der horizontalen Strahlstreuung
um 360°.
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Das
US-Patent Nr. 4.941.072 stellt den neuesten Stand der Technik dar
und enthält
die Merkmale des Oberbegriffs von Anspruch 1. Dieses Dokument offenbart
ein Beispiel einer Beleuchtungsvorrichtung, die mehrere Lampen aus
lichtemittierenden Dioden (LED) umfasst, die Lichtstrahlen durch
eine Linse aussenden, damit in einer geeigneten Breite des Strahls
eine wesentliche Lichtintensität
vorhanden ist. Die in diesem Dokument offenbarte Beleuchtungsvorrichtung ist
jedoch vom linearen Typ, d. h. sie verwendet eine stabförmige Linse,
die über
den LED-Lampen angeordnet ist. Eine derartige lineare Struktur ist
nicht geeignet, um eine Beleuchtungsvorrichtung zu bilden, die Licht
mit einer verbesserten Gleichförmigkeit
der Intensität
in einer geeigneten Breite des Strahls sowie in einer Richtung quer
zu der Breite des Strahls aussendet.
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Eine
weitere Konstruktion des Standes der Technik enthält dagegen
Gruppen von Lampen aus lichtemittierenden Dioden (LED) mit Linsenaufsatzkörpern, die
kreisförmig
angeordnet sind, wobei ihre einzelnen konzentrierten Lichtstrahlen
radial auswärts
zu der kreisförmigen
Linse gerichtet sind. Diese Baueinheiten aus LED-Lampen werden verwendet, um
die Glühlampe
zu ersetzen. Diese Konstruktionen sind ineffizient, da sie keinen
ausreichenden Anteil des erzeugten Lichts in das erforderliche Strahlmuster
sammeln. Ein Großteil
des erzeugten Lichts wird infolge der Körper der LED-Lampen fehlgeleitet.
Da außerdem
nur ein Brennpunkt vorhanden ist, kann die Linse das Licht von jeder
der mehreren LED-Lampen nicht in geeigneter Weise umlenken.
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Diese
Baueinheiten sind schließlich
in einer Kammer eingeschlossen, die mit Luft gefüllt ist, die eine geringe Wärmeleitfähigkeit
besitzt, wodurch ein Ausfall der Baueinheiten infolge von Überhitzung
begünstigt
wird.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Mehrere
Lichtquellen, die lichtemittierende Diodenelemente (LED-Elemente)
enthalten, werden in Zusammenwirkung mit einer gekrümmten zylindrischen
Oberfläche
und einem Lichtdurchlassmedium verwendet, um eine Vorrichtung zu
bilden, die eine maximale Menge des erzeugten Lichts in ein zusammengesetztes
Projektionslichtstrahlmuster konzentriert, das in einer ersten Referenzebene
eine erste Strahlbreite und in einer normalen Referenzebene eine
zweite und kleinere Strahlbreite enthält. Der Projektionslichtstrahl
von der Beleuchtungsvorrichtung ist aus den Projektionslichtstrahlen
von jeder der einzelnen LED-Quellen zusammengesetzt. Das von jeder
der einzelnen LED-Quellen ausgesendete Licht wird an der äußeren Oberfläche der
Beleuchtungsvorrichtung gebeugt, so dass es mit einem gebeugten
oder projizierten Strahlmuster austritt, das in der ersten Referenzebene
eine erste Strahlbreite und in der normalen Referenzebene eine zweite
und kleinere Strahlbreite enthält.
Die Achsen des geometrischen Musters der einzelnen Projektionslichtstrahlen schneiden
gewöhnlich
die erste Referenzebene, wobei sie einen eingeschlossenen Winkel
mit im Wesentlichen gleicher Größe bilden,
die um weniger als 5 Grad schwankt. Dadurch können die einzelnen gebeugten
Lichtstrahlen überlappen
und sich zu einem einzelnen lang gestreckten zusammengesetzten Lichtstrahl
mit hoher Intensität
vereinigen. Die Quellen aus lichtemittierenden Dioden (LED) sind
in ein Lichtdurchlassmedium eingekapselt. Das Lichtdurchlassmedium
erstreckt sich zu der äußeren Oberfläche der
Beleuchtungsvorrichtung, wo es eine konturierte äußere Oberfläche bildet. Die äußere Oberfläche bildet
eine erste Schnittlinienform, wenn sie durch die erste Referenzebene
geschnitten wird, sowie eine zweite Schnittlinienform, wenn sie
durch die Ebene geschnitten wird, die normal zu der ersten Referenzebene
verläuft.
Die erste Linienform und die Lage der LED-Elemente wirken zusammen,
um Licht, das durch die LED-Elemente
erzeugt wird, in einen zusammengesetzten Projektionsausgangsstrahl
umzulenken, der ein Weitwinkel-Strahlmuster mit einer horizontalen
Strahlbreite, die gewöhnlich der
von der Spezifikation geforderten Strahlbreite entspricht, projiziert.
Die zweite Linienform und die Lage der LED-Elemente wirken in ähnlicher
Weise zusammen, um Licht, das durch die LED-Elemente erzeugt wird,
in einen Projektionsausgangsstrahl mit einer kleinen vertikalen
Strahlbreite, die ebenfalls gewöhnlich
der von der Spezifikation geforderten Strahlbreite entspricht, umlenkt.
Die Tatsache, dass die geforderte horizontale Strahlbreite die geforderte vertikale
Strahlbreite übersteigt,
ermöglicht,
dass die erste Linienform in der Weise gewählt wird, dass eine geringere
Beugung erzeugt wird, wodurch die Fehlausrichtung des Lichts in
der horizontalen Ebene verringert wird. Das Einschließen des
Lichtdurchlassmediums zwischen den Lichtquellen und der äußeren Oberfläche verhindert
eine Beugung in der Beleuchtungsvorrichtung. Diese unerwünschte Beugung
würde eine
scheinbare Verschiebung oder Vergrößerung der Lichtquelle zur
Folge haben, wodurch der Umfang des fehlgeleiteten Lichts vergrößert werden
würde.
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Jedes
der mehreren lichtemittierenden Elemente sendet Licht mit einem
in Winkelrichtung divergierenden räumlichen Strahlungsmuster aus,
das eine Richtung mit hoher Intensität und einen allmählichen
Intensitätsgradienten
enthält.
Die Verwendung von LED-Lampen mit Linsenoberteilen des Standes der
Technik erzeugt dunkle Zonen, da die Wirkung der Linse einen konzentrierten
Strahl mit einem großen
Intensitätsgradienten
erzeugt. Wenn diese Lampen jedoch in das Lichtdurchlassmedium, das
in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, eingekapselt sind,
wirkt die Linse nicht und die allmähliche Divergenz wird aufrechter halten.
Das Lichtdurchlassmedium verbessert daher die Vorrichtung weiter,
indem das divergierende räumliche
Strahlungsmuster der lichtemittierenden Elemente aufrechterhalten
wird, bis das Licht durch die äußere Oberfläche hindurchgeht.
Durch das Aufrechterhalten dieses divergierenden Musters erhalten
zwischen Quellen liegende Azimutrichtungen Lichtenergie von einer
Vielzahl von Lichtquellen. Dies verringert wiederum Intensitätsschwankungen
oder dunkle Zonen in dem zusammengesetzten Strahl zwischen Lichtquellen.
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Konzepte
dieser Anmeldung beziehen sich auf das US-Patent Nr. 5.782.553 für eine Beleuchtungsvorrichtung
mit mehreren Lampen, das am 28. Oktober 1993 im Namen von Kevin
McDermott eingereicht wurde.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Beleuchtungsvorrichtung
zu schaffen, die mehrere LED-Elemente verwendet, um einen zusammengesetzten
Lichtstrahl mit einem lang gestreckten Strahlmuster unter Verwendung
eines optischen Systems zu projizieren, das den Anteil des erzeugten
Lichts, der zu diesem Lichtstrahl beiträgt, optimiert.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Beleuchtungsvorrichtung
zu schaffen, die mehrere LED-Elemente effizient verwendet und einen Lichtstrahl
mit einer verbesserten Gleichförmigkeit der
Intensität
in der gesamten horizontalen Strahlbreite projiziert.
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BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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1 ist
eine perspektivische Ansicht der bevorzugten Ausführungsform
der Beleuchtungsvorrichtung;
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2 ist
eine Vorderansicht der Beleuchtungsvorrichtung von 1;
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3 ist
eine Draufsicht der Beleuchtungsvorrichtung von 1;
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4 ist
eine vergrößerte Ansicht
des Mittelabschnitts von 3;
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5 ist
eine perspektivische Ansicht der Leiterplatte, die aus der Vergrößerung von 4 entnommen
wurde;
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6 ist
eine erläuternde
Ansicht einer LED-Lampe, die aus 4 entnommen
wurde;
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7 ist
eine Schnittansicht längs
der Linie 7'-7'' von 2;
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8 ist
eine Vergrößerung des
linken oberen Quadranten von 7;
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9 ist
eine Schnittansicht längs
der Linie 9'-9''; von 7;
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10 ist
eine schematische Vergrößerung der
rechten Hälfte
von 9;
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11 ist
eine Schnittansicht längs
der Linie 11'-11'' von 7; und
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12 ist
eine Vorderansicht der Beleuchtungsvorrichtung 40, die
unter Verwendung von drei Beleuchtungsvorrichtungen von 1 aufgebaut
ist.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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In
den 1, 2 und 3, die eine
perspektivische Ansicht, eine Vorderansicht bzw. eine Draufsicht
der Beleuchtungsvorrichtung 30 sind, kann erkannt werden,
dass die Beleuchtungsvorrichtung 30 ein äußeres Lichtdurchgangsmedium 1 enthält, das
eine gekrümmte äußere Oberfläche 4,
eine obere äußere Oberfläche 2 und
eine untere äußere Oberfläche 3 bildet.
Die obere äußere Oberfläche 2 und
die untere äußere Oberfläche 3 weisen
eine obere reflektierende Beschichtung 5 bzw. eine untere
reflektierende Beschichtung 6 auf, die durch einen Prozess,
wie etwa Unterdruck-Metallablagerung, aufgebracht sind. Leitungen 7 und 8 stellen
ein Mittel zur Leistungsversorgung dar. Eine vertikale Referenzebene
V ist dargestellt, die durch die vertikale Mittellinie CL verläuft.
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4 ist
eine vergrößerte Ansicht
der Lampenbaueinheit 20, die aus dem mittleren Abschnitt von 3 entnommen
wurde. 5 ist eine perspektivische Ansicht der Leiterplatte 9,
die aus der Lampenbaueinheit 20 von 4 entnommen
wurde. Sie ist mittig in der Lampenbaueinheit 20 angeordnet und
verteilt Leistung von den Leitungen 7 und 8 der Beleuchtungsvorrichtung
an jede der LED-Lampenkomponenten S1 bis S6. Die Leiterplatte 9 besitzt eine
leitende obere Oberfläche 10 und
eine leitende untere Oberfläche 11,
die durch eine Isolierung 12 getrennt sind.
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6 ist
eine schematische Seitenansicht der LED-Lampe S1, die aus 4 entfernt
wurde. Sie ist im Aufbau mit den Lampen S2 bis S6 identisch. Die
LED-Lampe S1 enthält
das LED-Element E1, das im lichtdurchlässigen Körper 13 eingekapselt ist,
der eine Kontur um die geometrische Körperachse X1 besitzt, um das
Linsenoberteil 14 und die gefaste Basis 15 zu
bilden. Das LED-Element E1 sendet im Allgemeinen Lichtenergie mit
einem räumlichen
Strahlungsmuster mit Intensitäten
aus, die sich auf den Kosinus des Winkels zwischen der Richtung der
Spitzenintensität,
die gewöhnlich
längs der
Achse P1 des geometrischen Musters des räumlichen Strahlungsmusters
verläuft,
und der gewählten
Richtung bezieht. Die geometrische Körperachse X1 ist kolinear mit
der Achse P1 des geometrischen Musters des räumlichen Strahlungsmusters
des Lichts, das vom LED-Ele ment E1 ausgesendet wird. Die Lampenleitungen 18 und 19 stellen
ein Mittel dar, um Leistung an das LED-Element E1 zu liefern.
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In
den 4 bis 6 besitzt die typische LED-Lampe
S1 eine Lampenleitung 18, die an die leitende obere Oberfläche 10 gelötet ist,
und eine Lampenleitung 19, die an die untere leitende Oberfläche 11 der
Leiterplatte 9 gelötet
ist. Die anderen LED-Lampen S2 bis S6 sind in ähnlicher Weise angeschlossen,
so dass Leistung, die auf den Leistungsversorgungsleitungen 7 und 8 der
Leiterplatte 9 geliefert wird, an alle LED-Lampen verteilt
wird. Das ist eine Parallelschaltungsanordnung, es können jedoch
bei anderen Anzahlen von LED-Lampen natürlich eine Reihenschaltung
oder andere Anordnungen gebildet werden. Die Lampen S1 bis S6 sind
in einer kreisförmigen
Anordnung angebracht, wobei ihre geometrischen Körperachsen in Winkelrichtung
gleichmäßig beabstandet
sind und ihre LED-Elemente in einem kreisförmigen Muster im Durchmesser
um einen Abstand D1 beabstandet sind.
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7 ist
eine Schnittansicht längs
der Linie 7'-7'' in der horizontalen Ebene H von 2.
Sie zeigt die Lampenbaueinheit 20, die in dem Lichtdurchlassmedium 21 teilweise
eingekapselt ist. Das äußere Lichtdurchlassmedium 1 bildet
eine gekrümmte äußere Oberfläche 4,
die dann, wenn sie durch die horizontale Ebene H geschnitten wird,
eine Schnittlinie 22 bildet, die mit einem Krümmungsradius
C2 kreisförmig
ist, wobei der Mittelpunkt der Krümmung am Punkt 23 liegt.
Die Linie 24 bezeichnet den Innendurchmesser der Beleuchtungsvorrichtung 30.
Er ist mit einem Krümmungsradius
C1 kreisförmig,
wobei ein Mittelpunkt der Krümmung
ebenfalls am Punkt 23 liegt. Bei der vorliegenden Ausführungsform
ist der Krümmungsradius
C1 gleich der Hälfte
der Strecke D1 von 4, so dass die LED-Elemente
E1 bis E6 auf einer Kreislinie 24 liegen. Die Beleuchtungsvorrichtung 30 ist
mit einem inneren Lichtdurchlassmedium 21 gefüllt, das
eine Flüssigkeit
oder ein Festkörper
sein kann. Optimale Ergebnisse werden erreicht, wenn sowohl das
innere Lichtdurchlassmedium 21 als auch das äußere Lichtdurchlassmedium 1 nichtstreuende
durchlässige
Substanzen sind, deren Brechungsindizes untereinander gleich sind
und mit dem Brechungsindex des Körpers 13 der
Lampe S1 übereinstimmen.
Der Brechungsindex von Luft, die normalerweise die Beleuchtungsvorrichtung 30 umgibt, ist
1,0. Um eine adäquate
Beugung an der äußeren gekrümmten Oberfläche 4 zu
erhalten, muss deshalb der Brechungsindex des äußeren transparenten Mediums 1 den
Wert 1,1 übersteigen.
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8 ist
eine vergrößerte schematische
Ansicht von 7, die den obe ren linken Quadranten enthält und die
Optik in der horizontalen Ebene H in Bezug auf die Lampen S1 und
S6 darstellt. Ein einzelnes äußeres durchlässiges Medium 1 wirkt
sowohl als inneres transparentes Medium 21 als auch als äußeres durchlässiges Medium 1.
Diese Modifikation beeinflusst die zu beschreibende Optik nicht
und wurde hergestellt, um die Erläuterung zu vereinfachen. Bei
der Produktion kann die Verwendung eines einzelnen durchlässigen Mediums
eine mögliche Fehlanpassung
der Brechungsindizes zwischen durchlässigen Medien verhindern und
gewährleistet einen
vollständig
ununterbrochenen optischen Weg für
Licht, das sich durch die Vorrichtung bewegt.
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In 8 schneidet
der Lichtstrahl R1, der von der Lampe S1 längs ihrer Achse P1 des geometrischen
Musters ausgesendet wird, die Schnittlinie 22 am Punkt 27 längs der
Normalen N1 zur Linie 22 am Punkt 27 und tritt
deswegen aus der Beleuchtungsvorrichtung 30 ohne Beugung
aus. Es sollte klar sein, dass ein einzelner Lichtstrahl keine Intensität oder Energie
besitzt. Deswegen beziehen sich alle Bezugnahmen auf die Intensität, die Energie
oder die Lichtstrahlen in dieser Offenbarung dann, wenn ein bestimmter
Lichtstrahl erläutert
wird, tatsächlich
auf das Bündel
von Lichtstrahlen, für
welches der Referenzlichtstrahl typisch ist. Da das LED-Element
E1 ein typischer LED-Übergang
ist, der Licht mit einem räumlichen
Strahlungsmuster aussendet, das längs seiner Achse P1 des geometrischen
Musters die größte Intensität besitzt,
repräsentiert
der Lichtstrahl R1 ein Bündel
von Strahlen mit hoher Intensität.
Der Lichtstrahl R2 wird ebenfalls vom LED-Element E1 ausgesendet,
divergiert jedoch von der Achse P1 des geometrischen Musters um
den Winkel A1 und deswegen repräsentiert
der Lichtstrahl R2 gemäß dem räumlichen
Strahlungsmuster des LED-Elements E1 ein Bündel von Lichtstrahlen, das
eine geringere Intensität
besitzt als die Lichtstrahlen, die durch den Lichtstrahl R1 repräsentiert
werden. Der Lichtstrahl R2 schneidet die Schnittlinie 22 am
Punkt 28. Die Normale N2 zur Schnittlinie 22 am
Punkt 28 bildet mit dem Lichtstrahl R2 einen eingeschlossenen
Winkel A2. Da der Winkel A2 verhältnismäßig klein
ist, erfährt
der Lichtstrahl R2 lediglich eine geringe Beugung und tritt von
der gekrümmten äußeren Oberfläche 4 unter
einem Winkel A3 relativ zur Normalen N2 aus. Der Winkel A3 ist geringfügig größer als
der Winkel A2, hat jedoch trotzdem eine kleine Größe. Wenn
die Lampe S1 die einzige Lichtquelle wäre, würde die Lichtenergie, die durch
den Punkt 28 hindurchgeht, wegen der Intensitätsdifferenz
zwischen den typischen Lichtstrahlen R1 und R2 kleiner sein als
die Lichtenergie, die durch den Punkt 27 hindurchgeht.
Wenn jedoch die be nachbarte Lampe S6 betrachtet wird, sendet sie
ebenfalls einen Lichtstrahl R3 unter einem Winkel A1 relativ zu
ihrer Achse P6 des geometrischen Musters aus. Der Lichtstrahl R3 schneidet
ferner ebenso die Schnittlinie 22 am Punkt 28 und
ist minimal gebeugt, woraufhin er ebenfalls aus der gekrümmten äußeren Oberfläche 4 unter
einem Winkel A3 relativ zur Normalen N2 austritt. Somit wird am
Punkt 28 Licht von zwei benachbarten Lampen kombiniert,
so dass die kumulative Größe der Lichtenergie,
die durch den Punkt 28 hindurchgeht, die Größe der Lichtenergie,
die von dem einzelnen Lichtstrahl R1 mit hoher Intensität durch
den Punkt 27 hindurchgeht, übersteigen kann. Ein kurzer Blick
auf die gebeugten Lichtstrahlen R2 und R3 zeigt, dass sie jeweils
geringfügig
von der Normalen N2 um einen Winkel A3 abweichen und aus diesem Grund
kombiniert werden, um einen stärker
divergierenden projizierten Strahl mit geringerer Intensität zu repräsentieren
als der einzelne Lichtstrahl R1 mit hoher Intensität, der längs der
Normalen N1 gerichtet ist.
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Das
räumliche
Strahlungsmuster von Licht, das von dem typischen LED-Element E1 ausgesendet
wird, ist in Winkelrichtung divergierend und seine erzeugte Lichtenergie
ist über
einen breiten Winkel gestreut. Diese Charakteristik ist erforderlich,
denn selbst bei dem hier beschriebenen Aufbau mit sechs Lampen gibt
es zwischen den geometrischen Körperachsen
von benachbarten Lampen einen eingeschlossenen Winkel von 60°. Energie
muss in den Winkelraum zwischen den Lampen abgestrahlt werden, wenn
der zusammengesetzte projizierte Ausgangslichtstrahl der gegenwärtigen Erfindung
gleichförmig
erscheinen soll. Um diese Aufgabe zu lösen, muss jede Lampe beträchtliche
Mengen von Energie in Richtungen aussenden, die von ihrer geometrischen
Körperachse
um mehr als 30° in
der Azimutrichtung abweichen. Diese Forderung ist in der vorliegenden
Erfindung eingehalten, da die LED-Elemente in jeder der Lampen Licht
mit einem räumlichen
Strahlungsmuster aussenden, das eine Richtung mit hoher Intensität längs der
Achse des geometrischen Musters sowie einen allmählichen Intensitätsgradienten
enthält.
Die Intensität
des ausgesendeten Lichts in einer definierten Richtung bezieht sich gewöhnlich auf
den Kosinus des Winkels zwischen der Achse des geometrischen Musters
und der definierten Richtung. Da der Kosinus von 30° 0,86 beträgt, ist
klar, dass der Punkt 28 in 8 wesentliche Mengen
von Lichtenergie von beiden Lampen S1 und S6 empfängt. Deswegen
bildet die vorliegende Erfindung einen gleichförmigen zusammengesetzten Projektionsstrahl.
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Der
allmähliche
Intensitätsgradient
des LED-Elements E6 ermöglicht
fer ner, Energie zu Punkten auf der Schnittlinie 22 zu senden,
die Richtungen repräsentieren,
die von der Achse P6 des geometrischen Musters in Bezug auf den
Punkt 28 um Winkel abweichen, die gut jenseits des Werts
von etwa 30° liegen.
Unter Berücksichtigung
dessen kann in 8 unter Verwendung des Kosinusgesetzes
gezeigt werden, dass der Lichtstrahl R4, der die Linie 22 am
Punkt 27 schneidet und eine Divergenzrichtung von der Achse
P6 des geometrischen Musters von etwa 60° darstellt, ebenfalls beträchtliche Mengen
von Lichtenergie, die von dem LED-Element E6 ausgesendet wird, liefert.
Die weitere Analyse zeigt, dass das LED-Element E6 eine beträchtliche, jedoch
verringerte Menge von Lichtenergie bei Divergenzwinkeln sogar jenseits
60° aussendet,
wodurch sie zu der Energie, die durch Punkte auf der Schnittlinie 22 der
ersten Referenzebene, die rechts vom Punkt 27 liegen, hindurchgeht,
hinzugefügt
werden kann. Somit empfängt
jeder Punkt auf der Schnittlinie 22 der ersten Referenzebene
Energie von mehreren LED-Elementen. Diese Wirkung zum Verstärken und Kombinieren
von Licht, das durch benachbarte Lampen ausgesendet wird, hat einen
zusammengesetzten Ausgangsprojektionsstrahl zur Folge, der in allen Azimutrichtungen
eine angemessen gleichmäßige Intensität besitzt.
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Die
kombinierende Wirkung ist ferner für den Aufbau dahingehend vorteilhaft,
dass ein Kratzer oder ein Oberflächendefekt
an einem Punkt auf der gekrümmten äußeren Oberfläche 4 die
Intensität
in der Richtung längs
der Normalen an dem Punkt nicht drastisch reduziert, wie es gegenwärtig bei
Konstruktionen des Standes der Technik geschieht, die kein durchlässiges Medium
enthalten. Bei der vorliegenden Erfindung ist die Intensität des projizierten
Lichts in der Richtung längs
der Normalen an jedem Punkt eine Kombination aus Lichtstrahlen,
die durch mehrere Punkte auf der gekrümmten äußeren Oberfläche 4 hindurchgehen.
Deswegen wird eine Blockierung an einem Punkt auf der äußeren Oberfläche 4 die
Intensität
in der Richtung längs
der Normalen an diesem Punkt verringern, jedoch nicht vollständig beseitigen.
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Wiederum
in Bezug auf den Lichtstrahl R4 kann erkannt werden, dass er nach
dem Schneiden der Schnittlinie 22 am Punkt 27 relativ
zur Normalen N1 gebeugt wird und aus der gekrümmten äußeren Oberfläche 4 unter
einem Winkel A5 relativ zur Normalen N1 austritt. Der Winkel A5
ist größer als
der Winkel A3. Somit treten Lichtstrahlen, die von dem LED-Element
E6 ausgesendet werden und auf entfernten Punkten bei großen Divergenzwinkeln
in Azimutrichtung ihrer Achse P6 des geometrischen Musters auftreffen,
aus der gekrümmten äußeren Oberflä che 4 bei
unproportional größeren Differenzwinkeln
von den Normalen an diesen entfernten Punkten aus. Bei den meisten
Konstruktionen, insbesondere jenen, die ein Strahlmuster mit einer
horizontalen Streuung von 360° erfordern,
stellt das kein Problem dar, da die austretenden Lichtstrahlen einfach
zu dem Licht in der Richtung der Normalen an anderen Punkten auf
der Schnittlinie 22 der ersten Referenzebene hinzugefügt werden.
Diese Änderung
des Austrittswinkels kann vorteilhaft sein, da sie eigentlich die Gleichförmigkeit
des Projektionsausgangsstrahls verbessert.
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Es
gibt andere Spezifikationen, die Strahlmuster mit horizontalen Strahlstreuungen
von weniger als 360° oder
hohe Intensitäten
in einer bestimmten Azimutrichtung erfordern. Bei diesen Konstruktionen
ist es erwünscht,
den Divergenzwinkel, der durch den Winkel A3 angegeben ist, zwischen
gebeugten Lichtstrahlen und ihren jeweiligen Normalen minimal zu
machen. Diese Divergenz kann verringert werden, indem der Winkel
A2 verringert wird. Eine Möglichkeit zur
Lösung
dieser Aufgabe besteht darin, den Abstand zwischen den Lampen S1
bis S6 und dem Punkt 28 zu vergrößern. In der beschriebenen
Ausführungsform
ist dieser Abstand zu der Differenz zwischen den Größen des
Krümmungsradius
C2 und des Krümmungsradius
C1 proportional. Eine Vergrößerung des
Wertes des Krümmungsradius
C2 wird somit den Winkel A3 verringern. Das erzeugt jedoch leider
die unerwünschte
Wirkung der Vergrößerung der
Abmessung der Beleuchtungsvorrichtung. Alternativ verringert die
Verkleinerung des Krümmungsradius
C1 durch das Verschieben der Lampen näher zum Punkt 23 in
der Mitte der Beleuchtungsvorrichtung die Divergenz zwischen den
gebeugten Lichtstrahlen R2 und R3. Das ist eine stärker erwünschte Lösung. In
dieser Hinsicht ermöglicht
die gefaste Basis 50 an der Lampe S1, dass sie auf einer
kleineren Leiterplatte 9 sowohl näher zum Punkt 23 als
auch zur Lampe S6 angebracht werden kann.
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Das
Anordnen der Lampen nahe beieinander kann negative Folgen haben.
Wenn die LED-Lampen nahe beieinander haufenförmig angeordnet werden, wird
das über
einen weiten Winkel divergierende räumliche Strahlungsmuster von
ihren typischen LED-Elementen bewirken, dass von einer Lampe ausgesendetes
Licht auf den Körper
der benachbarten Lampe auftrifft. Normalerweise würde dieses
Licht abgelenkt und nicht zu dem Ausgangslichtstrahl der Vorrichtung
beitragen. Wenn sich jedoch ein durchlässiges Medium zwischen den
Lampen befindet, bewegt sich das Licht durch den Körper der
benachbarten Lampe hindurch, als ob er nicht vorhanden wäre, und
tritt aus der angesteuerten Beleuchtungsvor richtung aus und trägt zur Energie
des projizierten Lichtstrahls bei. Das Anordnen der Lampen zu nahe
beieinander kann eine zweite negative Wirkung dahingehend haben,
dass die Wärmeübertragung
von ihren lichtemittierenden Übergängen verzögert wird,
wodurch ihr Überhitzen
begünstigt wird.
Dieses Problem wird durch die hohe Wärmeleitfähigkeit des inneren Lichtdurchlassmediums
verringert. Bei bestimmten Hochleistungskonstruktionen ist es selbst
bei dem Vorteil der hohen Wärmeleitfähigkeit
des Lichtdurchlassmediums, das die Lampen trennt, erforderlich,
dass ihre LED-Elemente wenigstens um 0,318 cm (0,125 Zoll) voneinander
getrennt sind, wenn ein Überhitzen
vermieden werden soll.
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Spezifikationen,
die eine horizontale Strahlstreuung von weniger als 360° erfordern,
können
außerdem
eingehalten werden, indem die Lampen in einer asymmetrischen Anordnung
um den Punkt 23 positioniert werden. Es könnten z.
B. lediglich drei Lampen S1, S2 und S6 verwendet werden, um eine
Beleuchtungsvorrichtung mit einer Strahlstreuung von etwa 180° zu bilden.
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Viele
kommerzielle LED-Lampen enthalten einen internen Reflektor, der
Licht umlenkt, das normalerweise die gekrümmte äußere Oberfläche 4 verfehlen würde, da
es von seinem LED-Element nach hinten ausgesendet wird. Das umgelenkte
Licht trägt zu
dem räumlichen
Strahlungsmuster des Lichts, das durch die LED-Lampe ausgesendet
wird, bei und verändert
dieses gemäß dem Kosinusgesetz,
die hier beschriebenen Prinzipien sind jedoch weiterhin gültig.
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Bei
der vorliegenden Ausführungsform
nähert
sich der Winkel A4 nicht dem kritischen Winkel des Einfallswinkels
und eine Totalreflexion stellt kein Problem dar. Das kann jedoch
ein Problem bei Konstruktion des Standes der Technik sein, die kein
inneres Lichtdurchlassmedium 21 besitzen. Bei Konstruktionen
des Standes der Technik muss infolge der Beugung an der inneren
Wand der Linse für
eine bestimmte Krümmung
der gekrümmten äußeren Oberfläche 4 der
Abstand D3 zwischen der gekrümmten äußeren Oberfläche 4 und
dem LED-Element E1 verringert werden, um eine bestimmte vertikale
Strahlbreite in dem projizierten Lichtstrahl aufrechtzuerhalten.
Durch Verringerung des Abstands D3 wird der Winkel A4 vergrößert, wodurch
möglicherweise
der kritische Winkel erreicht wird, was die Totalreflexion zur Folge
hat.
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In 7 ist
die Linie 22 kreisförmig,
wobei ihr Zentrum am Punkt 23 liegt. Sie könnte jedoch
außerdem
sich schneidende geradlinige oder gekrümmte Liniensegmente enthalten.
Wenn Normale, die von diesen Liniensegmenten gezeichnet werden,
im Allgemeinen in der Richtung des Punktes 23 konvergieren, könnte Licht,
das von jedem LED-Element in vertikale Ebenen, die das LED-Element
schneiden, ausgesendet wird und in Azimutrichtung von seiner geometrischen
Körperachse
divergiert, einen ähnlichen Grad
der Beugung erfahren. Dadurch könnte
die Beleuchtungsvorrichtung die vertikale Strahlstreuung unabhängig von
dem Betrachtungswinkel in Azimutrichtung aufrechterhalten und dadurch
annehmbar gut funktionieren.
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Die
Lampen S1 bis S6 sind mit dem Linsenoberteil 14 dargestellt.
Diese sind gewöhnliche
kommerziell verfügbare
Lampen, wie etwa das Modell Nr. CL00, hergestellt von Hewlett Packard
(Handelsmarke), wobei weitere Modelle und Körperformen in einem großen Bereich
von Farben und elektrischen Charakteristiken verfügbar sind.
Bei der vorliegenden Erfindung ist der Typ der Linse oder des Körpers, die bei
den LED-Lampen verwendet werden, nicht wesentlich. Das ermöglicht eine
größere Auswahl
aus den verfügbaren
kommerziellen Lampen. Da die Lampen in einem durchlässigen Medium
eingekapselt sind, das einen Brechungsindex besitzt, der im Wesentlichen
gleich dem des Körpers
der Lampe ist, wirken die Linsen oder die optischen Merkmale ihrer Körper nicht.
Es ist tatsächlich
nicht erwünscht,
dass der Körper
einer einzelnen Lampe als eine Optik wirkt, da das unannehmbare
Mengen von Lichtenergie infolge der im Wesentlichen ungesteuerten
Beugung an der Oberfläche
des Körpers
sowie der Totalreflexion infolge der Linsen fehlleiten würde. Wie
in 8 gezeigt ist, tritt in der horizontalen Ebene
H Licht, das durch das typische LED-Element E1 der vorliegenden
Erfindung erzeugt wird, sowohl aus der einzelnen Lampe als auch
aus der Beleuchtungsvorrichtung bei minimaler Beugung aus. In der
vertikalen Ebene tritt eine Beugung lediglich an der gekrümmten äußeren Oberfläche 4 auf.
Das verringert interne Verluste, die sich aus der Totalreflexion
ergeben, und verbessert den Wirkungsgrad der Beleuchtungsvorrichtung.
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Selbst
wenn das Linsenoberteil 14 der typischen Lampe S1 ohne
Verluste infolge von Totalreflexion arbeiten würde, würde es bei der vorliegenden Erfindung
Probleme erzeugen, indem es bewirkt, dass die Intensität des zusammengesetzten
projizierten Lichtstrahls in Abhängigkeit
von der Azimutrichtung der Betrachtung variiert. Das tritt auf,
da das Linsenoberteil 14 der typischen Lampe S1 das vom LED-Element
E1 erzeugte Licht sammelt, wobei das Licht weniger divergierend
und in stärkerem
Maße parallel
zu der geometrischen Körperachse
X1 der Lampe gemacht wird. Das Linsenoberteil 14 würde somit
für die
Lampe S1 die Intensität
des Lichts in der Richtung des Lichtstrahls R1, der längs der
geometri schen Körperachse
X1 auf den Punkt 27 auftrifft, vergrößern, jedoch die Intensität in der
Richtung des Lichtstrahls R2, der auf den Punkt 28 auftrifft,
drastisch verringern. Das würde
die Stärke
des projizierten Lichts in den Richtungen der Normalen N1 und N2
stark unterschiedlich machen und die Gleichförmigkeit des zusammengesetzten
Ausgangslichtstrahls der Beleuchtungsvorrichtung verringern.
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Wenn
der vorliegenden Ausführungsform
zusätzliche
Lampen hinzugefügt
werden, würde
die Energie, die durch einen bestimmten Punkt auf der Schnittlinie 22 hindurchgeht,
aus einer größer werdenden
Anzahl von Lampen summiert. Dies würde die Gesamtintensität des projizierten
Lichtstrahls vergrößern und
die Gleichförmigkeit
seines Ausgangs weiter verbessern. Das Hinzufügen von Lampen bei der Konstruktion
würde einen
Anstieg der Größe des Krümmungsradius
C1 erfordern, damit sie körperlich aufgenommen
werden können.
Diese Vergrößerung könnte negative
Folgen haben, die später
beschrieben werden.
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9 ist
eine Schnittansicht in der vertikalen Ebene V längs der Linie 9'-9'' von 7. Sie stellt
die optischen Charakteristiken der Beleuchtungsvorrichtung 30 in
der vertikalen Ebene V dar. Die vertikale Ebene V verläuft senkrecht
zu der gekrümmten äußeren Oberfläche 4 am
Punkt 27 und schneidet die LED-Elemente E2 und E4.
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Per
Definition ist in dieser Offenbarung eine normale Referenzebene
immer senkrecht zur horizontalen Ebene H und zur ersten äußeren Oberfläche 4.
Wenn sie ein LED-Element schneidet, wird sie eine mit ihm in Beziehung
stehende normale Referenzebene. Eine Beugungsreferenzebene verläuft immer
senkrecht zur horizontalen Ebene H und schneidet immer ein mit ihr
in Beziehung stehendes LED-Element. Sie muss nicht senkrecht zur
ersten äußeren Oberfläche 4 verlaufen.
Wenn sie zu der gekrümmten äußeren Oberfläche 4 senkrecht
verläuft, wird
sie mit einer zugehörigen
normalen Referenzebene identisch.
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Die
vertikale Ebene V, die außerdem
als eine zugehörige
normale Referenzebene betrachtet werden kann, schneidet das LED-Element
E1 und schneidet die gekrümmte äußere Oberfläche 4 senkrecht,
wodurch auf der rechten Seite der Zeichnung eine gekrümmte zugehörige normale
Linsenlinie 31 gebildet wird. Auf der linken Seite von 9 schneidet
sie das LED-Element E4 und schneidet die gekrümmte äußere Oberfläche 4 senkrecht, wodurch die
gekrümmte
zugehörige
normale Linsenlinie 32 gebildet wird. Die horizontale Ebene
H verläuft
durch die LED-Elemente E1 und E4. An der linken Seite der Zeichnung
schneidet der Lichtstrahl R5, der vom LED-Element E4 unter einem
Winkel A6 relativ zu der horizontalen Ebene H ausgesendet wird,
die untere äußere Oberfläche 3 am
Punkt 33, woraufhin er durch die reflektierende Beschichtung 6 zu
der zugehörigen
gekrümmten
normalen Linsenlinie 32 umgeleitet wird. Er schneidet dann
die gekrümmte äußere Oberfläche 4 längs der
gekrümmten
normalen Linsenlinie 32 am Punkt 34 und wird relativ
zur Normalen N3 zu der gekrümmten
normalen Linsenlinie 32 am Punkt 34 gebeugt, so
dass er nahezu parallel zu der horizontalen Ebene H austritt. Da
andere ähnliche
Lichtstrahlen, die ebenfalls durch die reflektierende Beschichtung 6 umgelenkt
werden, diese Beschichtung unter einer Vielzahl von Winkeln schneiden,
treten diese umgelenkten Lichtstrahlen nicht parallel zu der horizontalen
Ebene H aus. Da ferner jeder dieser umgelenkten Lichtstrahlen auf
die gekrümmte
normale Linsenlinie 32 an unterschiedlichen Punkten und
bei unterschiedlichen Winkeln in Bezug auf die Normalen an diesen
Punkten auftrifft, werden diese Lichtstrahlen in unterschiedlicher
Weise gebeugt, wodurch es noch schwieriger wird, die Steuerung auszuführen, die
erforderlich ist, um sie in den zusammengesetzten Ausgangsstrahl
zu lenken. Trotzdem trägt
Licht, das durch die untere reflektierende Beschichtung 6 und
die obere reflektierende Beschichtung 5 umgelenkt wird,
zu dem Ausgang der Beleuchtungsvorrichtung bei.
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10 ist
eine schematische Vergrößerung der
rechten Hälfte
von 9. Aus oben beschriebenen Gründen ist das äußere durchlässige Medium 1 bis
zu den Lichtquellen ausgedehnt worden und funktioniert gleichzeitig
als inneres durchlässiges
Medium 21. Auf der rechten Seite der Zeichnung ist die
gekrümmte
normale Linsenlinie 31 kreisförmig mit einem Krümmungsradius
C3 und dem Mittelpunkt der Krümmung
am Punkt 35. Der Abstand vom LED-Element E1 zum Punkt 35 ist
D2. In der vorliegenden Ausführungsform,
die von Luft mit einem Brechungsindex von 1,0 umgeben ist, besitzt
das äußere durchlässige Medium 1 einen
Brechungsindex von 1,5. Der Abstand D2 besitzt den doppelten Wert
des Krümmungsradius
C3. Die normale Linsenlinie 31 ist am Schnittpunkt der
vertikalen Ebene V mit der gekrümmten äußeren Oberfläche 4 gebildet.
Die vertikale Ebene V verläuft
senkrecht zur horizontalen Ebene H, die das LED-Element E1 schneidet
und senkrecht zur gekrümmten äußeren Oberfläche 4 verläuft, deswegen
kann die normale Linsenlinie 31 als zu dem LED-Element
E1 in Beziehung stehend betrachtet werden. Infolge der beschriebenen
optischen Parameter ist das LED-Element E1 am Brennpunkt F1 der
normalen Linsenlinie 31 angeordnet. Der Lichtstrahl R6,
der von dem LED-Element E1 unter einem Winkel A7 über der
horizontalen Ebene H austritt, schneidet die gekrümmte normale
Linsenlinie 31 am Punkt 36, wobei er einen eingeschlossenen
Winkel A8 mit der Normalen N4 zu der gekrümmten normalen Linsenlinie 31 am
Punkt 36 bildet, woraufhin er relativ zur Normalen N4 gebeugt
wird. Der gebeugte Lichtstrahl R6 verläuft im Wesentlichen parallel
zur horizontalen Ebene H infolge der Tatsache, dass sich das LED-Element E1 am Brennpunkt
F1 von seiner normalen Linsenlinie 31 befindet. Andere Lichtstrahlen,
die von dem LED-Element E1 unter Austrittswinkeln austreten, die
vom Winkel A7 verschieden sind, jedoch ausreichend klein sind, damit sie
im Wesentlichen paraxial verlaufen, treten ebenfalls aus der gekrümmten äußeren Oberfläche 4 parallel
zur horizontalen Ebene H aus. Die LED-Elemente E2 bis E6, die in
den 4 und 7 zu sehen sind, stimmen außerdem jeweils
mit ihren entsprechenden Brennpunkten F2 bis F6 überein. Deswegen tritt ihr
ausgesendetes Licht, das durch die gekrümmte äußere Oberfläche 4 verläuft, ebenfalls
parallel zur horizontalen Ebene H aus. Es kann erkannt werden, dass
alle LED-Elemente E1 bis E6 und ihre Brennpunkte F1 bis F7 sich
auf der Linie 24 befinden. Deswegen kann die Linie 24 als
eine Brennpunktlinie für
die gekrümmte äußere Oberfläche 4 betrachtet werden.
Die gesamte Brennpunktlinie, die eine unendliche Anzahl von Brennpunkten
enthält,
könnte erzeugt
werden, indem eine unendliche Anzahl von normalen Linsenlinien erzeugt
wird. In der vorliegenden Konfiguration gibt es lediglich sechs
LED-Elemente. Wenn eine zugehörige
normale Referenzebene ähnlich
wie die vertikale Ebene V für
jedes dieser LED-Elemente gezeichnet wird, die dieses Element schneidet,
senkrecht zur horizontalen Ebene H ist und senkrecht zu der gekrümmten äußeren Oberfläche 4 ist,
wird jede dieser zugehörigen
normalen Referenzebenen die gekrümmte äußere Oberfläche 4 schneiden,
um eine andere zugehörige
normale Linsenlinie zu bilden. Jede dieser zugehörigen normalen Linsenlinien
steht mit ihrem geschnittenen LED-Element in Beziehung und wird
unter Verwendung der klassischen Optik einen Brennpunkt definieren.
Somit können
lediglich sechs Brennpunkte gebildet werden. Zusätzliche Brennpunkte können angeordnet werden,
indem normale Referenzebenen gebildet werden, die nicht mit einem
bestimmten LED-Element in Beziehung stehen. Wenn in 7 an
jedem Punkt der Linie 22 eine normale Referenzebene, die senkrecht
zur horizontalen Ebene H verläuft
und senkrecht zu der gekrümmten äußeren Oberfläche 4 ist,
gezeichnet wird, schneidet diese normale Referenzebene die gekrümmte äußere Oberfläche 4,
um eine normale Linsenlinie zu bilden, wobei jede dieser normalen
Linsenlinien, obwohl sie mit keinem bestimmten LED-Element in Beziehung
steht, einen Brennpunkt besitzt, wobei die Orte dieser Brenn punkte
die Brennpunktlinie definieren.
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Es
ist gewöhnlich
erwünscht,
die Beleuchtungsvorrichtung in der Weise zu konstruieren, dass das
gesamte Licht, das von jedem LED-Element oberhalb und unterhalb
der horizontalen Ebene H ausgesendet wird, durch die gekrümmte äußere Oberfläche 4 so
umgelenkt wird, dass es parallel zu der horizontalen Ebene H austritt.
In dieser Hinsicht besteht die Funktion der gekrümmten äußeren Oberfläche 4 darin,
das von jedem LED-Element ausgesendete Licht in seine zugehörige normale
Referenzebene zu beugen, so dass die Lichtstrahlen in stärkerem Maße parallel
zueinander austreten. Die Beugung sollte die Parallelität der Lichtstrahlen
in der zugehörigen
normalen Referenzebene verbessern. Das gebeugte Licht, das von der
gekrümmten äußeren Oberfläche 4 austritt,
besitzt ein räumliches Strahlungsmuster
mit eigener Spitzenintensität,
Divergenz in Winkelrichtung und Achse des geometrischen Musters.
Die Winkeldivergenz zwischen den Lichtstrahlen, die von dem LED-Element
E1 in der vertikalen Ebene ausgesendet werden, ist geringer, da
sich diese Lichtstrahlen vom Typ des Lichtstrahls A1 schneiden und
an der gekrümmten äußeren Oberfläche 4 gebeugt
werden. Daher ist die Lichtenergie pro Winkeleinheit des räumlichen
Strahlungsmusters des von der gekrümmten äußeren Oberfläche 4 austretenden
Lichts größer als
die Lichtenergie pro Winkeleinheit des räumlichen Strahlungsmusters des
von dem LED-Element ausgesendeten Lichts. Demzufolge ist die vertikale
Strahlstreuung in Winkelrichtung des Lichts, das die gekrümmte äußere Oberfläche 4 verlässt, geringer
als die vertikale Strahlstreuung in Winkelrichtung des Lichts, das
von dem LED-Element E1 ausgesendet wird und auf die gekrümmte äußere Oberfläche 4 trifft.
Die Strahlstreuung in Winkelrichtung eines räumlichen Strahlungsmusters
enthält
im Allgemeinen alle Richtungen, die Intensitäten repräsentieren, die gleich einem definierten
Anteil, der gewöhnlich
10% beträgt,
der Spitzenintensität
sind. Außerdem
ist die Intensität des
Lichts, das die gekrümmte äußere Oberfläche 4 verlässt, im
Allgemeinen größer als
die Intensität
des Lichts, das vom LED-Element E1 ausgesendet wird. Für einen
typischen paraxialen Lichtstrahl R6 in 10 sind
die Form der zugehörigen
normalen Linsenlinie 31, die Lage des Punkts 35,
die Größe des Krümmungsradius
C3 und die Größe des Abstands D2
in der Weise gewählt,
dass sie der Gleichung für optische
sphärische
Oberflächen
entsprechen, wodurch gewährleistet
ist, dass der austretende Lichtstrahl R6 parallel zur horizontalen
Ebene H ist. Es ist gewöhnlich
erwünscht,
die Konstruktion der vorliegenden Erfindung nachzuvollziehen, bei
der jedes der sechs LED-Elemente E1 bis E6 sein Licht zu einer zugehörigen normalen
Linsenlinie aussendet, die sowohl in der Form als auch in der Lage
relativ zu ihrem zugehörigen
LED-Element identisch ist. Die verschiedenen zugehörigen normalen
Linsenlinien müssen
jedoch nicht der Form nach identisch sein. Es gibt zahlreiche Kombinationen
der optischen Parameter, die sicherstellen, dass ein typischer Lichtstrahl R6
parallel zur horizontalen Ebene H austritt. Solange der Quotient
aus dem Abstand D2 und der Summe aus dem Abstand D2 und dem Krümmungsradius C3
aufrechterhalten wird, treten Lichtstrahlen, die von einem LED-Element
zu seiner zugehörigen
normalen Linsenlinie ausgesendet werden, in der geforderten Weise
parallel aus.
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Es
sollte angemerkt werden, dass selbst dann, wenn alle optischen Parameter
in geeigneter Weise ausgewählt
werden, um sicherzustellen, dass alle typischen Lichtstrahlen, die
von einem bestimmten LED-Element zu seiner zugehörigen normalen Linsenlinie
ausgesendet werden, in der Weise gebeugt werden, dass sie parallel
zur horizontalen Ebene H austreten, dieses Ziel in der Praxis niemals
erreicht wird. Die gebeugten austretenden Lichtstrahlen besitzen
immer eine bestimmte Divergenz und schneiden schließlich die
horizontale Ebene H, wobei der eingeschlossene Schnittwinkel sehr
klein ist. Diese Divergenz ergibt sich aus der endlichen Größe jedes
LED-Elements, Ungenauigkeiten in Bezug auf die Anordnung des LED-Elements
und der exakten Form und Lage der normalen Linsenlinie. Eine allgemeine
Aufgabe des Entwicklers besteht darin, diese Divergenz durch Steuerung
zugehöriger
Parameter minimal zu machen. In dieser Hinsicht wird die Abmessung
des LED-Elements nicht einfach geändert. Eine unerwünschte Strahldivergenz,
die sich aus einem LED-Element mit endlicher Größe ergibt, kann jedoch verringert
werden, indem der Abstand D2 und der Krümmungsradius C3 vergrößert werden,
während
ihre erforderliche Beziehung, die oben angegeben wurde, aufrechterhalten
wird. Das muss für
jedes LED-Element erfolgen. Wenn jedes LED-Element seine eigene
separate Linse hätte,
die so aufgebaut ist, dass sie die vergrößerten Werte von Abstand D2 und
Krümmungsradius
C3 enthält,
würde die
Gesamtabmessung der Beleuchtungsvorrichtung unannehmbar groß werden.
Bei der vorliegenden Erfindung lenken Abschnitte der gekrümmten äußeren Oberfläche 4 Licht,
das durch mehrere LED-Elemente ausgesendet wird, wirkungsvoll um.
Durch Verwendung einer gemeinsamen gekrümmten äußeren Oberfläche für mehrere
LED-Elemente wird die Divergenz des austretenden Strahls minimal
gemacht, wobei die Gesamtabmessung der Beleuchtungsvorrichtung innerhalb
annehmbarer Grenzen gehalten wird.
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Wie
oben beschrieben wurde, eliminiert die Verwendung eines inneren
durchlässigen
Mediums 21 die innere Beugungswand des Standes der Technik
und für
einen bestimmten Krümmungsradius
C3 vergrößert sich
der Abstand D2, wodurch die Verringerung einer unerwünschten
Divergenz unterstützt wird.
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Das
Positionieren jedes LED-Elements von den mehreren LED-Elementen
an einer genauen gewünschten
Position relativ zu dem Brennpunkt ihrer zugehö rigen normalen Linsenlinien
ist ebenfalls nicht möglich.
Unterschiede zwischen Komponenten und Einschränkungen des Herstellungsprozesses haben
Schwankungen zur Folge und diese Schwankungen können die Richtung des einzelnen
gebeugten Ausgangslichtstrahls verschieben. Die Richtung eines Lichtstrahls
wird im Allgemeinen als die Richtung der Achse des geometrischen
Musters des Lichtstrahls betrachtet. Kein Lichtstrahl tritt perfekt parallel
zur horizontalen Ebene H aus. Die geometrische Achse des Strahls
schneidet schließlich
immer die horizontale Ebene H, obwohl der Schnittwinkel sehr klein
sein kann. Für
eine bestimmte Größe der Abweichung
der Lage des LED-Elements verringert eine Vergrößerung des Abstands D2 den
Betrag der Winkelverschiebung in der Richtung des einzelnen gebeugten
Lichtstrahls. Die Eliminierung der inneren Beugungswand des Standes
der Technik und die sich ergebende Vergrößerung des Abstands D mindert somit
sowohl das Problem der übermäßigen Divergenz
als auch das Problem der Strahlverschiebung.
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Das
Konzept einer gemeinsamen gekrümmten äußeren Oberfläche ist
besonders wertvoll für Spezifikationen,
die einen Weitwinkel-Projektionsstrahl in einer ersten Referenzebene,
wie etwa die horizontale Ebene, und eine verringerte Strahlstreuung
in der vertikalen Ebene oder in der zugehörigen Beugungsreferenzebene,
die in der vorliegenden Erfindung definiert ist, erfordern. Um diese
Forderungen einzuhalten, werden mehrere LED-Elemente in der horizontalen
oder ersten Referenzebene angeordnet. Sie werden gewöhnlich nahe
am Mittelpunkt der Krümmung
einer Schnittlinie der ersten Referenzebene positioniert, die durch
das Schneiden einer horizontalen Ebene H mit einer gekrümmten äußeren Oberfläche 4 erzeugt
wird. Die Lage jeder Lichtquelle relativ zum Mittelpunkt der Krümmung der
Schnittlinie der ersten Referenzebene beeinflusst die jeweilige
individuelle horizontale Strahlstreuung. Ihre exakte Lage relativ
zu der Schnittlinie der ersten Referenzebene ist jedoch gewöhnlich nicht
wesentlich, da das Licht nicht in der ersten Referenzebene konzentriert
werden muss. Die Situation ist anders in der zugehörigen Beugungsreferenzebene,
in der die Lage jedes LED- Elements
relativ zu seiner zugehörigen Brechungslinsenlinie
genau gesteuert werden sollte. Jedes LED-Element ist normalerweise
nahe am Brennpunkt seiner Schnittlinie der zugehörigen Beugungsreferenzebene
angeordnet, so dass das gebeugte Licht in der zugehörigen Beugungsreferenzebene
eine verringerte Strahlstreuung besitzt. Wie oben in 10 beschrieben
wurde, ist das LED-Element E1 am Brennpunkt F1 seiner zugehörigen normalen
Linsenlinie 31 positioniert und deswegen wird Licht, das
es in seine zugehörige
Beugungsreferenzebene aussendet, in der Weise gebeugt, dass es die gekrümmte äußere Oberfläche 4 parallel
zur horizontalen Ebene H verlässt.
Die LED-Elemente E2 bis E6 sind in ähnlicher Weise in Bezug auf
ihre zugehörigen
normalen Linsenlinien positioniert, so dass die Lichtenergie, die
von jedem von ihnen in seine zugehörige Beugungsreferenzebene
ausgesendet wird, in der Weise gebeugt wird, dass es von der gekrümmten äußeren Oberfläche 4 parallel
zur horizontalen Ebene H austritt. Bei den meisten Konstruktionen
ist der Krümmungsradius
der Schnittlinie der ersten Referenzebene wesentlich größer als
der Krümmungsradius
einer bestimmten Schnittlinie einer zugehörigen Beugungsreferenzebene,
so dass für
jede Lichtquelle die Strahlstreuung in Winkelrichtung des Lichtstrahls
in der horizontalen Ebene die Strahlstreuung in Winkelrichtung in
der zugehörigen
Beugungsreferenzebene übersteigt.
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Da
es in der vorliegenden Ausführungsform erwünscht ist,
einen Projektionslichtstrahl mit gleichen Energiewerten oberhalb
und unterhalb der horizontalen Ebene H zu erzeugen, werden die LED-Elemente
E1 bis E6 in der Weise angeordnet, dass sie durch die horizontale
Ebene H geschnitten werden. Es ist nicht immer physikalisch möglich, die
LED-Elemente E1 bis E6 genau nach Wunsch auf einer ersten Referenzebene,
wie etwa die horizontale Ebene H der vorliegenden Erfindung, anzuordnen.
Jedes der LED-Elemente sollte jedoch im Allgemeinen nahe an der
horizontalen Ebene H oder wenigstens innerhalb eines Abstands von
0,318 cm (0,125 Zoll) zur horizontalen Ebene H angeordnet werden,
so dass ihre einzelnen gebeugten Lichtstrahlen nach der Beugung
von der gekrümmten äußeren Oberfläche 4 in
der Weise austreten, dass sie zum Bilden eines zusammengesetzten
Strahls kombiniert werden können.
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Die
Anordnung der gesamten Gruppe von LED-Elementen E1 bis E6 in einem
festen Abstand oberhalb oder unterhalb der horizontalen Ebene H winkelt
die Achsen des geometrischen Musters der einzelnen gebeugten Lichtstrahlen
in der Weise an, dass sie die horizontale Ebene unter einem gemeinsamen
Winkel schneiden. Demzufolge divergiert der zusammengesetzte Projektionslichtstrahl
von der horizontalen Ebene unter diesem gemeinsamen Winkel. Dieses
Ergebnis kann bei bestimmten Anforderungen erwünscht sein, wie etwa eine Flughafenanwendung,
wenn eine nach oben gerichtete Neigung des zusammengesetzten Projektionslichtstrahls
gefordert ist.
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In 10 ist
die Achse P1 des geometrischen Musters der Lampe S1 parallel zur
horizontalen Ebene H. Das ist die gebräuchlichste Lage, sie könnte jedoch
nach oben geneigt sein, so dass die Achse P1 des geometrischen Musters
die horizontale Ebene H schneidet. Das würde die Menge der Lichtenergie,
die von der gekrümmten äußeren Oberfläche 4 oberhalb
der horizontalen Ebene H austritt, vergrößern und die austretende Menge
unterhalb der horizontalen Ebene H verringern. Dieser nach oben geneigte
Projektionsstrahl kann ebenfalls bei einer Flughafenanwendung eine
Verwendung finden. Eine nach unten gerichtete Neigung des Projektionsstrahls
kann erreicht werden, indem die Achse des geometrischen Musters
der LED-Elemente nach unten unter die horizontale Ebene H angewinkelt
wird. Die Neigung der Achse des geometrischen Musters sollte im
Allgemeinen 30° nicht übersteigen.
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Jedes
der LED-Elemente könnte
außerdem in
einem festen horizontalen Abstand entweder hinter oder vor seinem
zugehörigen
Brennpunkt angeordnet sein. Das würde die vertikale Strahlstreuung
des von der gekrümmten äußeren Oberfläche 4 austretenden
Lichtstrahls vergrößern, ein
Ergebnis, das bei einigen Anforderungen erwünscht ist. Selbst für Spezifikationen,
die eine größere vertikale
Strahlstreuung erfordern, ist jedoch die Gleichförmigkeit der Strahlstreuung
erwünscht
und kann erreicht werden, indem alle LED-Elemente in dem gleichen
festen Abstand von ihren zugehörigen
Brennpunkten angeordnet werden.
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11 ist
eine Schnittansicht in der vertikalen Ebene V1 längs der Linie 11'-11'' von 7. Wie in 10 ersetzt
ein einzelnes äußeres durchlässiges Medium 1 sowohl
das innere durchlässige
Medium 21 als auch das äußere durchlässige Medium 1. Die
vertikale Ebene V1, die als eine zugehörige Brechungsreferenzebene
betrachtet werden kann, schneidet die gekrümmte äußere Oberfläche 4, um die zugehörige Brechungslinsenlinie 37 zu
bilden. Der Lichtstrahl R7 tritt aus dem LED-Element E1 der Lampe
S1 unter einem Winkel A7 relativ zur horizontalen Ebene H aus, wobei
er die zugehörige
Brechungslinsenlinie 37 am Punkt 38 schneidet,
um einen eingeschlossenen Winkel A9 mit der Normalen N5 am Punkt 38 zu
bilden. Die zugehörige
Brechungslinsenlinie 37 ist nicht exakt kreisförmig. Am Punkt 38 kann
die zugehörige
Brechungslinsenlinie 37 jedoch im Wesentlichen als kreisförmig mit
dem Krümmungsradius
C4 und dem Mittelpunkt der Krümmung
am Punkt 39 betrachtet werden. Das LED-Element E1 ist in
einem Abstand D4 vom Mittelpunkt des Krümmungspunkts 39 angeordnet.
Der Abstand D4 ist geringfügig
größer als
der Abstand D2 von 10 und allein dies würde bewirken,
dass Licht, das von dem LED-Element E1 in die vertikale Ebene V1
ausgesendet wird, im Wesentlichen eine andere Beugung erfährt als
Licht, das in die vertikale Ebene V ausgesendet wird. Der Unterschied
der Beugung würde
einen Unterschied in der vertikalen Strahlstreuung in Abhängigkeit
von der Betrachtung in Azimutrichtung zur Folge haben. Im Einzelnen
würde der
gebeugte Lichtstrahl R7 austreten, wobei er auf der horizontalen
Ebene H konvergiert. Die Gruppe von Lichtstrahlen, die durch den
Lichtstrahl R7 repräsentiert
werden und in die Ebene V1 ausgesendet werden und von der gekrümmten äußeren Oberfläche 4 austreten,
würde zunächst zur
horizontalen Ebene H konvergieren und dann divergieren, um einen
Projektionsstrahl mit einer unerwünscht großen Divergenz in Winkelrichtung
zu bilden. Der Lichtstrahl R7 tritt somit wie der Lichtstrahl R6
von 10 von einem LED-Element E1 unter dem gleichen
Winkel A7 relativ zur horizontalen Ebene H aus, sie treten jedoch
von der gekrümmten äußeren Oberfläche 4 unter
unterschiedlichen Winkeln relativ zur horizontalen Ebene H aus.
Das ist eine unerwünschte
Charakteristik für
die meisten Beleuchtungsvorrichtungen, da die Strahlstreuung gewöhnlich minimal
und unabhängig
vom Betrachtungswinkel im Betrag gleich bleibend sein soll.
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Die
zugehörige
Brechungslinsenlinie 37 besitzt glücklicherweise einen weiteren
Parameter, der der negativen Wirkung, dass der Abstand D4 den Abstand
D2 übersteigt,
entgegenwirkt. Der Krümmungsradius
C4 ist größer als
der Krümmungsradius C2.
Deswegen ist der Quotient aus dem Betrag des Abstands D4 und der
Summe aus den Beträgen
des Abstands D4 und des Krümmungsradius
C4 von 11 gleich dem Quotienten aus
dem Betrag des Abstands D2 und der Summe der Beträge des Abstands
D und des Krümmungsradius
C3 von 10. Da die Quotienten gleich
sind, erfährt
der Lichtstrahl R7, der in Azimutrichtung von der vertikalen Ebene
V von 7 um etwa 30° divergiert,
eine vertikale Beugung, die nahezu gleich der Beugung des Lichtstrahls
R6 von 10 ist, der parallel zur vertikalen Ebene
V verläuft.
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Der
Betrag des Abstands D4 vergrößert sich relativ
zum Abstand D rascher als der Betrag des Krümmungsradius C4 relativ zum
Krümmungsradius C2 und
deswegen verringert der vergrößerte Betrag des
Krümmungsradius
C4 das Problem bezüglich
eines vergrößerten Betrags
des Abstands D4, beseitigt dieses Problem jedoch nicht. Da ein Großteil des Lichts,
das vom LED-Element E1 ausgesendet wird, in Azimutrichtung von der
vertikalen Ebene V von 7 divergiert, ist es wesentlich
zu gewährleisten, dass
das ausgesendete Licht unabhängig
von seinem Divergenzwinkel in Azimutrichtung eine ähnliche
Beugung erfährt.
Wenn dieses Ziel erreicht wird und der Grad der Beugung, die Lichtstrahlen
erfahren, die die zugehörigen
normalen Linsenlinien schneiden, die durch die Linie 31 verkörpert werden, im
Wesentlichen gleich dem Grad der Beugung ist, die die Lichtstrahlen
erfahren, die die zugehörigen Brechungslinsenlinien
schneiden, die durch die Linie 37 verkörpert werden, dann ist die
Strahlstreuung des Projektionsstrahls in der vertikalen Ebene gleich bleibend
unabhängig
von dem Betrachtungswinkel in Azimutrichtung. Um dieses Ziel zu
erreichen muss notwendigerweise verstanden werden, dass der Abstand
D4 sich immer relativ zum Abstand D2 vergrößert, wenn der Divergenzwinkel
in Azimutrichtung des ausgesendeten Lichtstrahls relativ zu seiner Achse
P1 des geometrischen Musters größer wird. Ein
Ansteigen des Abstands D4 bewirkt immer, dass der zugehörige Lichtstrahl,
der gebeugt werden soll, auf der horizontalen Ebene H schneller
konvergiert. Ferner ist die Änderung
des Konvergenzwinkels des gebeugten Lichtstrahls relativ zur horizontalen
Ebene H nicht linear, sondern vergrößert sich schneller bei größeren Divergenzwinkeln
in Azimutrichtung des ausgesendeten Lichtstrahls von seiner Achse
des geometrischen Musters. Diese Tatsachen ermöglichen eine weitere Verbesserung
des Aufbaus. In 10 kann das LED-Element E1 geringfügig vor dem
Brennpunkt F1 angeordnet sein, so dass der Abstand D2 den Brennpunkt
F1 geringfügig
verfehlt, wodurch bewirkt wird, dass der gebeugte Lichtstrahl R6 von
der gekrümmten äußeren Oberfläche 4 geringfügig divergierend
von der horizontalen Ebene H austritt. Da seine Divergenz in Azimutrichtung
von der vertikalen Ebene 5 bewirkt, dass der gebeugte Lichtstrahl
R7 in 11 in der Weise beeinflusst
wird, dass er zur horizontalen Ebene H konvergiert, wirkt er der
divergierenden Wirkung eines verkürzten Abstands D1 entgegen
und tritt schließlich
parallel zur horizontalen Ebene H aus. Das Ergebnis besteht darin,
dass Licht, das durch den Lichtstrahl R7 repräsentiert wird und unter Divergenzwinkeln
in Azimutrichtung von seiner Achse P1 des geometrischen Musters
von etwa 30° ausgesendet
wird, parallel zur horizontalen Ebene H austritt. Licht, das unter
Divergenzwinkeln größer als
30° ausgesendet
wird, tritt zunächst
geringfügig
konvergierend aus und tritt nach dem Schneiden der horizontalen
Ebene H geringfügig
divergierend aus. Licht, das schließlich unter Divergenzwinkeln
kleiner als 30° ausgesendet wird,
tritt geringfügig
divergierend aus der horizontalen Ebene H aus. Das Gesamtergebnis
ist eine verbesserte Beleuchtungsvorrichtung mit einer minimalen
und angemessen gleichförmigen
Strahlstreuung. Die oben stehende Analyse gilt außerdem für Lichtstrahlen,
die unter Divergenzwinkeln, die von 30° verschieden sind, austritt.
Bei einer geeigneten Konstruktion können die optischen Charakteristiken
der Beleuchtungsvorrichtung 30 in der Weise gesteuert werden,
dass Licht, das vom LED-Element E1 unter verschiedenen Divergenzwinkeln
in Azimutrichtung zu seiner Achse des geometrischen Musters austritt und
auf die gekrümmte äußere Oberfläche 4 auftritt, in
der vertikalen Ebene eine Brechung mit minimalen Unterschieden erfährt.
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12 ist
eine perspektivische Ansicht einer Beleuchtungsvorrichtung 40,
die drei Beleuchtungsvorrichtungen 30 enthält, die
so gestapelt sind, dass ihre horizontalen Referenzebenen H1, H2
bzw. H3 parallel sind. Unter Verwendung dieser Konfiguration werden
die zusammengesetzten Projektionslichtstrahlen von jeder der drei
Beleuchtungsvorrichtungskomponenten in einem Abstand kombiniert,
um einen zusammengesetzten Ausgangsstrahl mit hoher Intensität zu bilden.
Für eine
Lichtquelle mit einer vorgegebenen Abmessung gilt allgemein: je
größer das
Gehäuse,
desto besser ist die Steuerung des erzeugten Lichts. Um das erzeugte
Licht bei einigen schwierigen Spezifikationen in angemessener Weise zu
steuern, wäre
es deswegen nicht ungewöhnlich, dass
sich Licht, das von den LED-Elementen ausgesendet wird, durch ein
Lichtdurchlassmedium mit der Dicke 0,953 cm (0,375 Zoll) bewegt,
bevor es das Gehäuse
verlässt.
Der Durchlassgrad des ausgesendeten Lichts sollte bei dieser Dicke
80% übersteigen, um
eine übermäßige Lichtabsorption
und einen verringerten Wirkungsgrad zu vermeiden. Deswegen muss
die Auswahl des Lichtdurchlassmediums im Hinblick auf seine Durchlassfähigkeit
und Absorption bei der Wellenlänge
des erzeugten Lichts bei der Dicke des Aufbaus erfolgen. Acryl ist
eine gute Wahl für Licht
in den sichtbaren Wellenlängen,
da es in dicken Abschnitten eine sehr geringe Lichtabsorption besitzt.
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Fertigungsprobleme
können
sich aus dicken Abschnitten des Lichtdurchlassmediums und dem Schrumpfen
und der Verzerrung ergeben, die beim Gießvorgang auftreten. Das Gießen um eine
Lichtquelle, die einen Körper
aufweist, verringert die maximale Dicke und kann Gießprobleme
mindern. Ein alternativer Entwurf verwendet eine Flüssigkeit
als das innere Lichtdurchlassmedium. Die Flüssigkeit eliminiert das Gießen eines
dicken Abschnitts des Lichtdurchlassmediums. Infolge der Konvektion
verbessert sie außerdem
den Übergang
von Wärme
von den Lichtquellen.
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In
der Beleuchtungsvorrichtung 30 sind Lichtquellen enthalten,
die durch die in 6 gezeigte Lichtquelle S1 verkörpert werden,
die eine typische kommerziell verfügbare diskrete LED-Lampe ist,
die einen durchlässigen
Körper 13 enthält. Es ist
jedoch manchmal erwünscht,
Beleuchtungsvorrichtungen 30 unter Verwendung von Lichtquellen
ohne diskrete Körper
zu konstruieren, um Lichtenergieverluste an der Grenzfläche zwischen
dem Quellenkörper
und dem inneren Lichtdurchlassmedium zu eliminieren. Bei dieser
Konfiguration würden
die Lichtquellen keinen Körper
besitzen und das innere Lichtdurchlassmedium 21 würde die
LED-Elemente direkt einkapseln. Diese Ausführungsform ermöglicht,
die mehreren LED-Elemente näher
am Punkt 23 anzuordnen und dadurch aus dieser Anordnung
die oben beschriebenen Vorteile abzuleiten.
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Nach
der vollständigen
Darstellung der bevorzugten Ausführungsformen
und bestimmter Modifikationen des Konzepts, das der vorliegenden
Erfindung zu Grunde liegt, werden einem Fachmann verschiedene weitere
Ausführungsformen
sowie bestimmte Variationen und Modifikationen der hier gezeigten
und beschriebenen Ausführungsformen
offensichtlich erscheinen, wenn er mit dem zu Grunde liegenden Konzept
vertraut wird. Obwohl diese Offenbarung sich auf sichtbares Licht
konzentriert, sollen die beschriebenen Konzepte und der Ausdruck Licht
die gesamte elektromagnetisch abgestrahlte Energie, einschließlich den
infraroten Abschnitt des Spektrums umfassen.
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Es
sollte deswegen klar sein, dass die Erfindung im Umfang der beigefügten Ansprüche auf
andere Weise realisiert werden kann, als hier im Einzelnen dargestellt
wurde.