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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Viele
Beleuchtungsvorrichtungen müssen
ihren Ausgabestrahl bzw. ihr ausgesendetes Licht in Strahlmustern
projizieren, die in einer definierten Ebene – üblicherweise der horizontalen
Ebene – lang gestreckt
sind, und in einer Ebene senkrecht zu der definierten Ebene verkürzt sind.
Eine typische Anforderung ist dabei ein Gesamtöffnungswinkel von 10 Grad in
der horizontalen und von 5 Grad in der vertikalen Ebene. Um diese
Anforderungen zu erfüllen, müssen optische
Systeme die Lichtenergie erfassen, die von der Vorrichtung erzeugt
wird, und sie in das erforderliche Strahlmuster lenken. Es ist normalerweise
unmöglich,
das gesamte erzeugte Licht in den projizierten Strahl umzulenken,
da ein Teil des Lichts fehlgeleitet wird oder verloren geht. Verbesserte
Ausführungen
reduzieren den Anteil an verloren gehendem erzeugten Licht.
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Lichtemittierende
Dioden-(LED)-Leuchten bzw. Lampen zur Signalisierungsanwendung werden in
einer Reihe von Beleuchtungsvorrichtungen benutzt. Die üblichste
LED-Leuchte weist einen zylinderförmigen Körper und eine Linse an der
Oberseite auf. Die Linse sammelt und konzentriert das Licht, das
von dem lichtemittierenden Diodenelement emittiert wird, um einen
konzentrierten Ausgabestrahl aus Licht zu bilden. Die Symmetrie
der Optik konzentriert das Licht sowohl in der horizontalen als
auch der vertikalen Ebene in gleichem Maße. Da viele Anwendungen lang-
gestreckte Ausgangslichtstrahlen benötigen, ist es üblich, diese
einzelnen LED-Leuchten in einer Beleuchtungsvorrichtung in einem
langgestreckten Muster zu gruppieren, um das gewünschte Strahlmuster zu projizieren.
Diese Ausführung
weist einen gravierenden Nachteil auf, indem die LED-Leuchte mit
Linse an der Oberseite in ihrer Kapazität, das Licht, das von dem Diodenelement
emittiert wird, in ihrem Körper
zu sammeln, äußerst eingeschränkt ist.
Im Allgemeinen verlieren LED-Leuchten, in die Linsen eingebaut sind,
um ihre Lichtenergie zu konzentrieren, bei zunehmender Konzentration
die Fähigkeit,
diese Lichtenergie zu sammeln. Obwohl also die LED-Leuchte mit Linse
an der Oberseite eine konzentrierte Ausgabe erzeugt, kann sie leider
nicht viel von der erzeugten Energie verwenden.
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Die
zum Stand der Technik gehörende US-Patentschrift
4,654,629, erteilt an Bezos, lenkt den Ausgabelichtstrahl von der
Oberseitenlinsen-LED-Leuchte in ein sekundäres Linsensystem. Obwohl dies
eine praktikable Ausführung
ist, weist sie Mängel
auf, da der Großteil
der fotometrischen Energie verloren geht, bevor er von dem sekundären Linsensystem
erfasst werden kann. Diese verlorene Energie ist das Ergebnis einer
unerwünschten
Brechung und internen Reflexion an der Oberfläche der LED-Leuchte. Ein weiterer
Stand der Technik ist in US-Patentschrift 4,009,394, erteilt an
Mierzwinski, zu finden. Bei dieser Vorrichtung handelt es sich um eine
zylindrische Linse zum Durchlassen von Infrarotlicht. Es ist ein
Versuch, einen größeren Anteil
der erzeugten Lichtenergie in dem projizierten Strahl einer Infrarotdurchlassvorrichtung
zu verwenden. Diese ist mit einer geraden zylindrischen Linse aufgebaut,
die von vier reflektierenden Wänden
umgeben ist. Licht von der Infrarot-LED-Quelle, das anderenfalls
fehlgelenkt oder verlorengehen würde,
wird von den reflektierenden Wänden
reflektiert, und trägt
so zu der nutzbaren Ausgabeenergie bei. Um Verluste zwischen der
zylindrischen Linse und der LED-Leuchten-„Kappe" zu reduzieren, die „mit Luft zwischen unterschiedlichen
optischen Flächen" auftreten würden, verbindet
die Ausführung
die „Kappe" mit der Linse. Obwohl
der vorgesehene Zweck hiermit offenbar erfolgreich erfüllt wird,
verfügt
das Patent von Mierzwinski für
viele Beleuchtungsvorrichtungen über
geringen Wert, da das gesammelte Licht nicht ausreichend gesteuert
werden kann, um in ein projiziertes Strahlmuster gelenkt zu werden,
welches eine Spezifikation für
einen begrenzten vertikalen und/oder horizontalen Öffnungswinkel
des Strahls erfüllt.
Zylindrische Flächen
können
Licht effektiv in einen projizierten Strahl mit einem begrenzten
vertikalen und/oder horizontalen Öffnungswinkel umlenken. Allerdings
verlangt das Erfüllen
dieser Anforderung ein sowohl festgelegtes als auch beständiges Verhältnis zwischen
dem sichtbaren oder virtuellen Emissionspunkt der Lichtstrahlen,
die in die Linse eindringen, und den Brennpunkten der Linsenfläche. Die
Ausführung
von Mierzwinski offenbart keine Beständigkeit des Verhältnisses
zwischen den Brennpunkten der Oberflächenlinse und dem sichtbaren Emissionspunkt
der Lichtstrahlen, die in sie eindringen. Licht, das von den Wänden des
Mierzwinski-Patents
reflektiert wird, gelangt in unterschiedlichen Winkeln in die zylindrische
Linsenfläche,
und scheint so von einer Vielzahl von Quellen an mehreren Standorten
auszugehen, von denen jeder ein anderes geometrisches Verhältnis zu
der Brennlinie aufweist. Ferner wird das Licht, das von der LED-Leuchte
erzeugt wird und direkt in die zylindrische Linsenoberfläche gelangt,
nicht präzise
umgelenkt, da die zylindrische Fläche eine Brennlinie aufweist,
und das Winkelverhältnis
und die Entfernung zwischen der Lichtquelle und der Brennlinie in
Richtung der horizontalen Ebene entlang der Linsenfläche variiert. Deshalb
steuert die Ausführung
nach Mierzwinski das Verhältnis
zwischen der sichtbaren, oder in diesem Fall der tatsächlichen
Lichtquelle, und den Linsenbrennpunkten für Licht, das direkt in die
Linse gelangt, oder für
Licht, das nach Reflexion von den Seitenwänden in die Linse gelangt,
nicht in präziser
Weise. Aus diesem Grund kann die Ausführung den begrenzten, definierten
projizierten Strahl, der für
eine Signalisierungsvorrichtung benötigt wird, nicht effizient
erzeugen. Außerdem
sind sowohl reflektierte als auch direkte Lichtstrahlen, die nicht
entlang der Achse der Vorrichtung in die zylindrische Fläche gelangen,
unterschiedlichen Brechungsgraden ausgesetzt, da sie auf unterschiedliche
Linsenkonturen treffen. 4 der Patentschrift ist eine
Schnittansicht der vertikalen Ebene durch die Mittelachse, und zeigt eine
gekrümmte
Linsenfläche 13.
Die Form der Linsenfläche 13 würde sich
verändern,
wenn die vertikale Ebene von der Mittelachse abgewinkelt wäre, was zu
einer Veränderung
des optischen Effekts dieser Linse führen würde. Die Ausführung nach
Mierzwinski würde
deshalb nicht die Steuerung des erzeugten Lichts erreichen, die
für die
meisten Signalisierungsvorrichtungen notwendig ist, da die erzeugten
Lichtstrahlen abhängig
von ihrem Divergenzwinkel von der Achse der Vorrichtung auf unterschiedliche
Linsenkonturen treffen.
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Kurzdarstellung der Erfindung
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Ein
Lichtemittierendes Dioden-(LED)-Element wird in Zusammenwirkung
mit einer gekrümmten
zylindrischen Fläche
und einem Lichtdurchlass-Medium benutzt, um eine Vorrichtung aufzubauen,
die eine maximale Menge des erzeugten Lichts in ein Strahlmuster
mit einer ersten Strahlbreite in einer ersten Referenzebene und
einer zweiten und kleineren Strahlbreite in einer senkrechten Ebene
konzentriert. Die Licht emittierende Dioden-(LED)-Quelle ist in
einem Lichtdurchlass-Medium eingeschlossen. Das Lichtdurchlass-Medium
erstreckt sich zur Außenfläche der
Beleuchtungsvorrichtung, wo es eine konturierte Außenfläche bildet.
Die Außenfläche bildet
eine erste Linienform, wenn sie von einer ersten Referenzebene geschnitten
wird, und eine zweite Linienform, wenn sie von einer Ebene geschnitten
wird, die zu der ersten Referenzebene senkrecht liegt. Die erste
Linienform und die Position des LED-Elements wirken zusammen, um
das Licht, das von dem LED-Element erzeugt wird, in ein projiziertes
Ausgangsstrahlmuster umzulenken, dessen horizontale Strahlbreite
normalerweise derjenigen entspricht, die von der Spezifikation verlangt
wird. Die zweite Linienform und die Position des LED-Elements wirken ebenso
zusammen, um das Licht, das von dem LED-Element erzeugt wird, in
ein projiziertes Ausgangsstrahlmuster umzulenken, dessen vertikale Strahlbreite
normalerweise derjenigen entspricht, die von der Spezifikation verlangt
wird. Die Tatsache, dass die verlangte horizontale Strahlbreite
größer als die
verlangte vertikale Strahlbreite ist, lässt es zu, die erste Linienform
so auszuwählen,
dass eine geringere Brechung erzeugt wird, was zu einem reduzierten Verlust
von Licht in der horizontalen Ebene führt. Die konturierte Außenfläche ist
ferner so geformt, dass in sie einfallende Lichtstrahlen eine ähnliche
vertikale Brechung erfahren, auch wenn sie mit unterschiedlichen
Scheitelwinkeln auf sie treffen. Die gleichmäßige Brechung erzeugt eine
gleichmäßige Strahlbreite. Indem
ein Lichtdurchlass-Medium
zwischen der Lichtquelle und der Außenfläche vorgesehen ist, wird eine
Brechung innerhalb der Beleuchtungsvorrichtung verhindert, die anderenfalls
zu einer sichtbaren Verschiebung oder Vergrößerung der Lichtquelle führen würde, was
den Anteil fehlgelenkten Lichts vergrößern würde.
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Konzepte
dieser Anmeldung sind verwandt mit der Patentanmeldung für eine Beleuchtungsvorrichtung
mit einer Vielzahl von Leuchten, US-A-5 782 553, ebenfalls im Namen
von Kevin McDermott.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Beleuchtungsvorrichtung
zu schaffen, die einen Lichtstrahl mit einem langgestreckten Strahlmuster
mit Hilfe eines optischen Systems Projiziert, das den Anteil erzeugten
Lichts optimiert, der zu diesem Lichtstrahl beiträgt.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Beleuchtungsvorrichtung
zu schaffen, die eine verbesserte Beständigkeit der horizontalen und
vertikalen Strahlbreite aufweist.
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Eine
andere Aufgabe der Erfindung ist es, eine hoch intensive Beleuchtungsvorrichtung
mit einer Vielzahl von Leuchten zu schaffen, indem mehrere effiziente
Einzelleuchten-Beleuchtungsvorrichtungen kombiniert werden, von
denen jede einzelne Licht mit langgestreckten projizierten Strahlmustern emittiert.
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Eine
andere Aufgabe dieser Erfindung ist es, eine hoch effiziente Beleuchtungsvorrichtung
mit einer Vielzahl von Leuchten bereitzustellen, die ein Strahlmuster
projiziert, das gebildet wird, indem die projizierten Strahlmuster
von mehreren einzelnen Beleuchtungsvorrichtungen übereinander
gelagert werden.
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Beschreibung der Figuren
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1 ist
eine perspektivische Ansicht der bevorzugten Ausführungsform
der Beleuchtungsvorrichtung.
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2 ist
eine Schnittansicht der Beleuchtungsvorrichtung aus 1 entlang
der Linie 2-2', welche
die horizontale Optik darstellt.
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3 ist
eine Schnittansicht der Beleuchtungsvorrichtung aus 1 entlang
der Linie 3-3', welche
die vertikale Optik darstellt.
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4 ist
eine veranschaulichende Ansicht einer lichtemittierenden Diodenleuchte,
die einen Körper
mit einer Linse an der Oberseite aufweist.
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5 ist
eine Ansicht des projizierten Strahlmusters der Beleuchtungsvorrichtung
aus 1.
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6 ist
eine Detailansicht der zentralen Öffnung aus 3,
wobei deren optische Eigenschaften demonstriert werden.
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7 ist
eine schematische Ansicht der horizontalen Schnittlinie einer alternativen
Ausführung der
zentralen Öffnungsfläche.
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8 ist
eine Stirn- bzw. Vorderansicht einer Beleuchtungsvorrichtung, die
mehrere der Beleuchtungsvorrichtungen aus 1 aufweist.
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9 ist
eine Schnittansicht der Beleuchtungsvorrichtung aus 8 entlang
der Linie 9-9'.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsform
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Bezugnehmend
auf 1 besteht eine Beleuchtungsvorrichtung 30 aus
einem äußeren Lichtdurchlass-Medium 1,
das die zentrale Öffnungsfläche 4,
die untere Öffnungsfläche 5,
die obere Öffnungsfläche 6 und
die äußere Seitenfläche 7 bildet,
welche mit einem metallischen Überzug
beschichtet ist, um zu einem Reflektor 8 zu werden.
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2 ist
eine schematische Querschnittansicht von 1 entlang
der horizontalen Ebene entlang Linie 2-2' aus 1.
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3 ist
eine schematische Querschnittansicht von 1 entlang
der vertikalen Ebene an Linie 3-3' aus 1.
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4 ist
eine veranschaulichende Ansicht einer Lichtquelle 36, die
ein LED-Element 33,
elektrische Leitungen 32, und einen transparenten Körper 34 mit
einer Linsenoberseite 35 aufweist. Die geometrische Achse
des transparenten Körpers 34 stimmt mit
der geometrischen Achse des räumlichen
Strahlungsmusters des Lichts überein,
das von dem LED-Element 33 emittiert wird. Diese Achse
ist Linie 31.
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5 ist
ein typisches Strahlmuster, wie es auf eine Fläche mit einer bestimmten Entfernung
von der Beleuchtungsvorrichtung aus 1 projiziert wird,
wobei die horizontale Ebene H und die vertikale Ebene V sich an
Punkt HV treffen.
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Erneut
Bezug nehmend auf 1 bis 5, und insbesondere
auf 2, schneidet die horizontale Ebene H entlang Linie
2-2' aus 1 die
zentrale Öffnungsfläche 4,
und erzeugt so Linie 11, sowie Reflektor 8, und
erzeugt so Linie 9. Die Linien 11 und 9 schneiden
sich an Punkten 12 und 13. Linie 11 ist kreisförmig, mit
einer Entfernung D1, die gleich ihrem Krümmungsradius ist, wobei ihr
Krümmungsmittelpunkt
an Punkt 14 liegt. Die Linie 9 ist elliptisch
und weist an Punkt 15 einen Brennpunkt auf. Die Lichtquelle 36 ist
so angeordnet, dass das LED-Element 33 an Brennpunkt 15 und
mit einer Entfernung D2 hinter dem Mittelpunkt des Krümmungspunkts 14 angeordnet
ist. Ein inneres Lichtdurchlass-Medium 10 mit
einem Brechungsindex, der im Wesentlichen dem des äußeren Lichtdurchlass-Mediums 1 und
des transparenten Körpers 34 entspricht,
füllt das
Innere aus, und vervollständigt
so einen kontinuierlichen optischen Pfad zwischen dem LED-Element 33 und
jeder einzelnen Öffnungsfläche. Ein
typischer Lichtstrahl R1, der von dem LED-Element 33 mit
einem Winkel A1 relativ zu einer ersten Seite der vertikalen Ebene
V emittiert wird, fällt
ohne Brechung durch Körper 34,
Linse 35, das innere transparente Medium 10 und
das äußere Lichtdurchlass-Medium 1.
Er fällt anschließend an
Punkt 16 durch die zentrale Öffnungsfläche 4, woraufhin er
der klassischen Optik entsprechend relativ zu der senkrechten Linie
bzw. Normalen N1 gebrochen wird. Strahl R1 tritt aufgrund der Brechung
in größerer Parallelität zur vertikalen Ebene
V aus der zentralen Öffnungsfläche 4 aus.
Ein Lichtstrahl R2, der von LED-Element 33 durch Brechung
an der zentralen Öffnungsfläche 4 mit
einem Winkel A1 relativ zu der zweiten Seite der vertikalen Ebene
V emittiert wird, erhält
ebenfalls eine größere Parallelität sowohl
zu der vertikalen Ebene V als auch zu Lichtstrahl R1. Wenn der hohe
Brechungsgrad ausreichend groß ist,
treten die typischen Lichtstrahlen R1 und R2 parallel aus der zentralen Öffnungsfläche 4 aus,
und bilden einen konzentrierten Lichtstrahl. Der Grad der Brechung
hängt von
mehreren Faktoren ab, darunter von dem Verhältnis zwischen den Entfernungen
D1 und D2. Wenn die Entfernung D2 auf null reduziert wird, so dass
LED-Element 33 in der Mitte des Krümmungspunkts 14 angeordnet
ist, fällt
der Strahl R1, der von dem LED-Element 33 ausgeht,
entlang der Senkrechten N1 durch die zentrale Öffnungsfläche 4, und es erfolgt
keine Brechung. Andere ähnliche
Lichtstrahlen erfahren ebenfalls keine Brechung. Wenn das LED-Element 33 mit
einer Entfernung D2 vom Krümmungsmittelpunkt 14 angeordnet
wird, wird an der zentralen Öffnungsfläche 4 eine Brechung
erzeugt, die eine größere Parallelität der gebrochenen
Lichtstrahlen und dass das projizierte Licht verstärkt wird,
bewirkt. Leider reduziert ein entferntes Anordnen des LED-Elements 33 vom
Krümmungsmittelpunkt 14 die Effizienz
der Beleuchtungsvorrichtung, und je größer die Entfernung ist, desto höher ist
der Effizienzverlust. Die Beschaffenheit dieser Verluste lässt sich
durch Berücksichtigung
der Referenzlinien L1 und L2 nachvollziehen, die das LED-Element 33 jeweils
mit dem Schnittpunkt 12 bzw. 13 verbinden. Die
Linien L1 und L2 schneiden sich, und bilden so einen eingeschlossenen
Winkel A2. Der Winkel A2 ist ein Indikator für den Anteil von insgesamt
durch LED-Element 33 erzeugtem Licht, das von der zentralen Öffnungsfläche 4 entlang
der Linie 11 erfasst wird. Es ist zu erkennen, dass das
Erhöhen
der Entfernung D2 den Winkel A2 verkleinert, und also den Anteil
an erzeugtem Licht reduziert, der in die zentrale Öffnungsfläche 4 gelangt.
Ein Erhöhen der
Entfernung D2 verursacht ebenfalls weitere Verluste in Bezug auf
die innere Gesamtreflexion, wie später in 6 beschrieben
werden soll.
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In 3 schneidet
die vertikale Ebene V entlang Linie 3-3' aus 1 die zentrale Öffnungsfläche 4,
um so Linie 17 zu erzeugen, die untere Öffnungsfläche 5, um so Linie 18 zu
erzeugen, die obere Öffnungsfläche 6,
um so Linie 19 zu erzeugen, und den Reflektor 8,
um so Linie 20 zu erzeugen. Die Linie 17 schneidet
Linie 18 an Punkt 21 und Linie 19 an
Punkt 22. Die Linie 20 schneidet Linie 18 an
Punkt 23 und Linie 19 an Punkt 24. Die
Linie 17 ist kreisförmig,
mit einer Entfernung D3, die ihrem Krümmungsradius entspricht, wobei
ihr Krümmungsmittelpunkt
im Punkt 25 liegt. Die Linie 20 ist elliptisch
und weist einen Brennpunkt 15 auf. Die Lichtquelle 36 wird – normalerweise
durch ein Gießverfahren – so angeordnet, dass
das LED-Element 33 im
Brennpunkt 15 und mit einer Entfernung D4 hinter dem Krümmungsmittelpunkt 25 angeordnet
ist. Das innere Lichtdurchlass-Medium 10 füllt den
Raum zwischen der Lichtquelle 36 und dem äußeren Lichtdurchlass-Medium 1.
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Referenzlinien
L3 und L4 verbinden das LED-Element 33 jeweils mit dem
Schnittpunkt 22 bzw. 21, und schneiden sich, um
einen eingeschlossenen Winkel A3 zu bilden, der den Anteil von insgesamt
durch LED-Element 33 erzeugtem Licht anzeigt, das von der
zentralen Öffnungsfläche 4 entlang Linie 17 erfasst
wird. D4 ist die Entfernung zwischen dem Krümmungsmittelpunkt 25 und
dem LED-Element 33. Ein typischer Lichtstrahl R3 fällt von
dem LED-Element 33 an Punkt 26 durch die erste
Außenfläche 4 an
Linie 17, woraufhin er relativ zur senkrechten Linie N2
gebrochen wird, so dass er eine größere Parallelität zu der
horizontalen Ebene H erhält. Das
Verhältnis
zwischen der Kontur der Linie 17, der Entfernung D3 und
der Entfernung D4 steuert den Brechungsgrad, und kann so ausgewählt werden, dass
der Strahl R3 und alle ähnlichen
Strahlen, die von dem LED-Element 33 direkt durch Linie 17 verlaufen,
so gebrochen werden, dass sie parallel austreten. Dies konzentriert
das gesamte Licht, das von dem LED-Element 33 in dem Winkel A3
emittiert wird, in einen projizierten Strahl mit hoher Lichtstärke, der
im Wesentlichen zu der horizontalen Ebene H parallel ist, mit einer
geringen Divergenz in der vertikalen Ebene V. Für einige Spezifikationen ist
dieser Grad an Konzentration erforderlich, und wir müssen deshalb
die zuvor beschriebenen Verluste hinnehmen. Wenn die Spezifikationen
jedoch eine gewisse Divergenz des austretenden Lichts in der vertikalen Ebene
zulassen, sollten die Entfernungen D3 und D4 angepasst werden, um
die Brechung zu minimieren, und so die Verluste minimal zu halten.
Im Allgemeinen sollte der projizierte Lichtstrahl so gesteuert werden,
dass seine Divergenz genau der Vorgabe der Spezifikation für eine jeweilige
Ebene entspricht. Es ist ineffizient, zunächst einen konzentrierten projizierten
Strahl zu erzeugen, und dann eine zweite Optik zu seiner Ausbreitung
zu verwenden.
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Da
die meisten Spezifikationen ein lang gestrecktes Strahlmuster mit
einer begrenzten Divergenz in der vertikalen Ebene und einer größeren Divergenz
in der horizontalen Ebene verlangen, bietet ein Anpassen der optischen
Eigenschaften aus 2 die beste Gelegenheit, die
Effizienz der Beleuchtungsvorrichtung zu erhöhen. Die Abmessungen aus 2 sollten
so angepasst werden, dass die Strahlbreite in der horizontalen Ebene
derjenigen entspricht, die laut Spezifikation zulässig ist.
Wenn keine Beschränkung
in der Spezifikation vorliegt, sollten die Abmessungen für eine Reduzierung
der Brechung angepasst werden. Dies vermeidet eine unnötige Konzentration
des Lichts, was zu weiteren Verlusten führen würde.
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3 zeigt
außerdem
einen typischen Lichtstrahl R4, der aufgrund seines großen Emissionswinkels
A4 relativ zu der horizontalen Ebene H die zentrale Öffnungsfläche 4 verfehlt.
An Punkt 27 trifft er jedoch auf Reflektor 8 und
wird von diesem reflektiert, woraufhin er sich der horizontalen
Ebene H annähert. Anschließend schneidet
er im Punkt 28 entlang Linie 19 die obere Öffnungsfläche 6,
wo er relativ zu der Senkrechten N3 gebrochen wird, um so im Wesentlichen
parallel zur horizontalen Ebene H auszutreten.
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Es
ist zu beachten, dass der Strahl R4, der typisch für einen
bestimmten Teil des Lichts ist, das nicht von der zentralen Öffnungsfläche 4 erfasst
wird, erfasst und präzise
in dasselbe Strahlmuster gelenkt wird, das von dem Licht gebildet
wird, welches von der zentralen Öffnungsfläche 4 emittiert
wird. Die Kontur von Reflektor 8, die Position des LED-Elements 33,
und die Position und Neigung der oberen Öffnungsfläche 6 sind alle so
ausgewählt,
dass sie zusammenwirken, um einen projizierten Strahl mit einer
gewünschten
Richtung und Divergenz zu erzeugen. Ähnliches gilt für die untere Öffnungsfläche 5.
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Der
Lichtstrahl R4 legt eine kürzere
Strecke zurück
als der Lichtstrahl R3, bevor beide auf ihre jeweilige Umlenkungsfläche treffen.
Diese geringere Entfernung gestaltet es schwieriger, den Strahl
R4 in den benötigten
projizierten Strahl umzulenken. Dieses Problem tritt auf, da in
der Position der Lichtquelle relativ zu ihrer jeweiligen Umlenkungsfläche stets geringfügige Variationen
vorliegen. Diese Variationen verändern
die Richtung, mit der ein typischer Lichtstrahl auf seine Umlenkfläche trifft,
und verändern also
die Richtung des Lichtstrahls, wenn dieser aus der Beleuchtungsvorrichtung
austritt. Je größer die Veränderung
der Richtung des Lichtstrahls bei seinem Austreten aus der Beleuchtungsvorrichtung
ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass der Strahl nicht zu dem
benötigten
Strahlmuster beiträgt.
Grundprinzipien von Geometrie und Optik zeigen, dass bei einer bestimmten
Variation der relativen Position der Lichtquelle die Größe der Richtungsänderung
eines typischen Strahls, der die Beleuchtungsvorrichtung verlässt, in
umgekehrtem Verhältnis
zu der Strecke steht, die der Lichtstrahl zurücklegt, bevor er auf seine
erste Umlenkungsfläche
trifft bzw. diese schneidet. Bei einer bestimmten jeweiligen Variation
der Position der Beleuchtungsvorrichtung erfährt also der Lichtstrahl R4,
der eine kürzere
Strecke zurücklegt als
der Lichtstrahl R3, bevor er auf seine Umlenkungsfläche trifft,
eine stärkere
Richtungsänderung, wenn
er die Beleuchtungsvorrichtung verlässt. In diesem Kontext genießt deshalb
die Umlenkungsfläche zentrale Öffnungsfläche 4 gegenüber der
Umlenkungsfläche
Reflektor 8 Vorrang, da bei einer bestimmten Variation
der Position der Beleuchtungsvorrichtung die von dieser emittierten
Lichtstrahlen keine so große
Fehllenkung erfahren wie die von Reflektor 8.
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Es
ist möglich,
den elliptischen Reflektor 8 durch eine alternative Form
zu ersetzen, z.B. eine Parabelform, solange die Position des LED-Elements 33 und
die Position und Neigung der unteren Öffnungsfläche 6 ebenfalls angepasst
werden, damit sie zusammenzuwirken, um den gewünschten projizierten Strahl
zu erzeugen. Die beschriebene elliptische Ausführung weist den Vorteil auf,
dass ihre Form eine kleinere Öffnung
zwischen den Punkten 23 und 24 bewirkt, und deshalb
einen größeren Teil
des erzeugten Lichtes erfasst. Der Reflektor 8 kann bei
kostengünstigeren
Ausführungen
auch entfallen.
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Die
vorliegende Erfindung verbessert die Effizienz, indem sie den Anteil
des erzeugten Licht erhöht,
der in das verlangte Strahlmuster gelenkt wird. Sie erreicht dieses
Ziel, indem ein berechnetes Verhältnis
zwischen dem virtuellen Ursprung des Lichts und dem Brennpunkt der
Optik sowohl in der horizontalen als auch der vertikalen Ebene aufrechterhalten wird.
Das berechnete Verhältnis
wird so ausgewählt, dass
die Menge an erfasstem Licht zunimmt, wobei eine unnötige Konzentration
oder Brechung eliminiert wird. Es wird eine physikalische und dimensionale Form
ausgewählt,
die das notwendige berechnete Verhältnis zwischen jedem Lichtstrahl
unter angemessener Berücksichtigung
seines Emissionswinkels und der Außenfläche aufrechterhält, auf
die er zuerst trifft. Das Verhältnis
wird beibehalten, indem ein oder mehrere Lichtdurchlass-Medien benutzt werden,
die die innere Brechung begrenzen, welche den virtuellen Ursprung
der Lichtstrahlen verschieben oder vergrößern würde, da dies die Fähigkeit
der zentralen Öffnungsfläche oder
des Reflektors beeinträchtigen
würde,
sie präzise
umzulenken.
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Im
Allgemeinen ist die Steuerbarkeit des erzeugten Lichts umso größer, je
größer das
Gehäuse abgemessen
ist. Um also das erzeugte Licht in Bezug auf eine schwierige Spezifikation
angemessen zu steuern, wäre
es nicht ungewöhnlich,
wenn Licht, das von dem LED-Element 33 emittiert wird,
durch ein Lichtdurchlass-Medium
mit einer Dicke von 0,750 Zoll gelangt, bevor es aus dem Gehäuse tritt.
Die Auswahl des Lichtdurchlass-Mediums muss unter angemessener Berücksichtigung
seiner Durchlässigkeit
und Absorption der Wellenlänge
des erzeugten Lichts bei einer jeweiligen Ausführungsdicke erfolgen. Für erzeugtes
Licht der sichtbaren Wellenlängen
ist Acryl eine gute Wahl, da dieses in dicken Abschnitten eine sehr
geringe Lichtabsorption aufweist.
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Die
dicken Abschnitte des Lichtdurchlass-Mediums sowie Schrumpfungen
und Verzerrungen, die das Gießverfahren
begleiten, können
Herstellungsprobleme aufwerten. Das Gießen um eine Lichtquelle mit
einem Körper
herum reduziert die maximale Dicke und kann die Gießprobleme
mildern. Eine andere Ausführung
verwendet Flüssigkeit
als inneres Lichtdurchlass-Medium. Dies eliminiert das Gießen des
dicken inneren Lichtdurchlass-Mediums und verbessert die Ableitung
von Wärme
fort von der Lichtquelle.
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Bei
der Beleuchtungsvorrichtung 30 wurde auch eine Lichtquelle 36 beschrieben,
bei der es sich um eine typische, kommerziell erhältliche
separate LED-Leuchte handelt, die einen transparenten Körper 34 aufweist.
Es ist bisweilen wünschenswert, eine
Beleuchtungsvorrichtung 30 ohne einen separaten LED-Körper 34 anzufertigen,
um Verluste an der Berührungsstelle
des LED-Körpers
und des inneren Lichtdurchlass-Mediums zu eliminieren. In diesem Fall
würde das
innere Lichtdurchlass-Medium 10 das LED-Element 33 direkt
umschließen.
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Außerdem können das äußere Lichtdurchlass-Medium 1 und
das innere Lichtdurchlass-Medium 10 eine einzige Substanz
sein. Dies ist vorteilhaft, da auf diese Weise optische Flächen oder
Barrieren zwischen den Medien, welche die Gesamtdurchlässigkeit
reduzieren, völlig
eliminiert werden. Auch wird die Wahrscheinlichkeit geringfügiger Unterschiede
in den Brechungsindizes vermieden, die zu Lichtverlusten führen können.
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5 zeigt
das projizierte Strahlmuster von der Beleuchtungsvorrichtung 30.
Die horizontale H und die vertikale V Ebene schneiden sich an Punkt HV,
bei dem es sich normalerweise um den Mittelpunkt des verlangten
Strahlmusters handelt. Linien 37 und 38 sind mit
einer Entfernung D5 voneinander beabstandet, die das langgestreckte
Strahlmuster in der horizontalen Ebene darstellt, das von der zentralen Öffnungsfläche 4 projiziert
wird. Wie zuvor beschrieben, kann die Entfernung D5 durch Anpassen der
Entfernung D2 aus 2 gesteuert werden. Ebenso sind
Linien 39 und 40 mit einer Entfernung D6 voneinander
beabstandet, die das kürzere
Strahlmuster darstellt, das von der zentralen Öffnungsfläche 4 in der senkrechten
Ebene projiziert wird, die in der Konfigurierung aus 1 die
vertikale Ebene bildet. Die Entfernung D6 kann durch Anpassen der Entfernung
D4 aus 3 gesteuert werden. Schließlich beschreiben Linien 41 und 42 die
Kontur des Strahlmusters, das von Lichtstrahlen erzeugt wird, die
von Reflektor 8 reflektiert werden, und durch die untere Öffnungsfläche 5 und
die obere Öffnungsfläche 6 treten.
Die Entfernung D7 zwischen den Linien 41 und 42 kann
gesteuert werden, indem das Verhältnis
zwischen der unteren Öffnungsfläche 5,
der oberen Öffnungsfläche 6,
dem Reflektor 8 und dem LED-Element 33 angepasst
wird. Normalerweise ist es wünschenswert,
die Entfernung D7 an die Entfernung D6 anzunähern, damit das gesamte reflektierte Licht
in die Anforderungen der Spezifikation einer vertikalen Breite D6
und einer horizontalen Breite D5 fällt.
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Typische
Spezifikationen für
Beleuchtungsvorrichtungen verlangen eine maximale Lichtstärke im Mittelpunkt
des Strahlmusters an Punkt HV aus 5, und sie
lassen zu, dass diese Lichtstärke
in einem akzeptablen Umfang – normalerweise
um 10 Prozent – gegenüber diesem
Maximum in Richtung der Außenkanten
an den Linien 37, 38, 39 und 40 abnimmt.
Das LED-Element 33 emittiert seine Energie mit einem räumlichen
Strahlungsmuster, das eine zentrale Richtung hoher Intensität bzw. Lichtstärke und
einen Gradienten aufweist, mit dem die Intensität bzw. Lichtstärke unter
zunehmender Entfernung von der Zentralrichtung abnimmt.
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Wenn
also das LED-Element 33 in einer Beleuchtungsvorrichtung
verwendet wird, wie sie in 1 bis 4 beschrieben
wird, weist der projizierte Lichtstrahl in der horizontalen Ebene
in seinem Zentrum eine hohe Lichtstärke auf, und nimmt allmählich zu
den Kanten des Strahlmusters an den Linien 37 und 38 ab.
Daher erzeugen LED-Elemente ihre Lichtenergie naturgemäß mit einem
räumlichen Strahlungsmuster,
das einen Gradienten aufweist, der demjenigen ähnelt, der von typischen gewerblichen
Spezifikationen verlangt wird. Umgekehrt würde eine gleichmäßig emittierende
Lichtquelle, wie z.B. eine Glühlampe,
ein Strahlmuster erzeugen, das über
die gesamte Strahlbreite eine im Wesentlichen gleichmäßige Lichtstärke aufweist.
Dieses gleichmäßige Strahlmuster
projiziert unnötige
Lichtenergie in Richtung der Kanten des Strahlmusters, und ist der LED-Ausführung deshalb
unterlegen.
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Wenn
die Spezifikation einen Energiegradienten verlangt, der sich von
dem räumlichen
Strahlungsmuster des LED-Elements in einer bestimmten Ebene, z.B. der
horizontalen Ebene, unterscheidet, kann die Entfernung D2 aus 2 angepasst
werden. Dies beeinflusst sowohl die Strahlbreite als auch den Lichtstärkegradienten
des projizierten Strahlmusters.
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6 ist
eine schematische Ansicht der zentralen Öffnungsfläche 4 aus 3,
welche die Optik zeigt, die die innere Reflexion des Lichts für diesen Ausführungstyp
steuert. Es ist gezeigt, dass das innere Lichtdurchlass-Medium 10 das
gesamte Gehäuse
bildet. Dies beeinflusst die optische Analyse nicht, da sowohl das
innere als auch das äußere Lichtdurchlass-Medium
denselben Brechungsindex aufweisen würden, und optisch wie eine
einzige Substanz wirken. In dieser Darstellung emittiert das LED-Element 33 Energie
in Richtung der Linie 17 der zentralen Öffnungsfläche 4 in das innere
Lichtdurchlass-Medium 10. Die gekrümmte Linie 17 weist
einen Krümmungsradius
auf, der der Entfernung D3 entspricht, und einen Krümmungsmittelpunkt
in Punkt 25. Die Linie L3 verbindet Punkt 22 mit
dem LED-Element 33, und bildet mit der horizontalen Ebene
H einen eingeschlossenen Winkel A5. Der typische Lichtstrahl R3,
der von dem LED-Element 33 mit
einem Winkel A6 relativ zu der horizontalen Ebene H emittiert wird,
schneidet Linie 17 an Punkt 26. Er schneidet auch
die Senkrechte N2 zu Linie 17, und bildet so Winkel A7,
und wird relativ zur Senkrechten N2 gebrochen, um den gebrochenen
Strahl R3 zu erzeugen. Ausgehend von einem Brechungsindex des Lichtdurchlass-Mediums 10 von
1,5 und einem Brechungsindex von 1,0 außerhalb von Linie 17 kann
anhand optischer Grundprinzipien bestimmt werden, dass der Winkel
A7 nicht 43 Grad übersteigen
kann, ohne dass das Licht vollständig
intern reflektiert wird und verloren geht, in dem Sinne, dass es
nicht zu dem projizierten Strahlmuster beitragen kann.
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Eine
weitere Analyse, die darauf beruht, dass die Winkel A7 und A6 Teil
eines Dreiecks sind, das die Punkte 25, 26 und
das LED-Element 33 verbindet, wobei die Entfernungen D3
und D4 die Strecke von zwei Abschnitten dieses Dreiecks ausmachen,
zeigt, dass der Winkel A6 auf etwa 20 Grad beschränkt ist.
Daher wird das gesamte Licht, das von LED-Element 33 bei
Winkeln erzeugt wird, die größer als
20 Grad in Bezug auf die horizontale Ebene sind, vollständig intern
reflektiert. Dieses Problem kann abgemildert und der Winkel kann
erhöht
werden, wenn die Entfernung D4 reduziert wird. Leider muss den Gesetzen
der Brechungsoptik gemäß die Entfernung
D4 das Doppelte der Entfernung D3 betragen, damit der Strahl R3
parallel zu der horizontalen Ebene H aus der zentralen Öffnungsfläche 4 treten
kann. Das Reduzieren der Entfernung D4 allein verändert das
Verhältnis
zwischen Entfernung D3 und D4 und die Richtung des gebrochenen Strahls
R3, so dass dieser eine geringere Parallelität zur horizontalen Ebene H
aufweist. Ein Senken der Konzentration oder des Parallelismus der
gebrochenen Lichtstrahlen, die aus der zentralen Öffnungsfläche 4 austreten,
erhöht
also den Anteil des von LED-Element 33 erzeugten Lichts,
das durch die zentrale Öffnungsfläche 4 gelangen
kann. Normalerweise wird der Winkel A5 als gleich dem Winkel der
gesamten internen Reflexion eingestellt, sobald ein Grad an Konzentration und
eine optische Ausführung
festgelegt wurden. Dies geschieht, damit die Masse des inneren Lichtdurchlass-Mediums 10 reduziert
werden kann. Es reduziert nicht die Effizienz, da eine große zentrale Öffnungsfläche, die
kein zusätzliches
Licht in das verlangte Strahlmuster reflektiert, keinen Vorteil
bietet. Das Potential erhöhter
Effizienz im Zusammenhang mit der Vermeidung interner Reflexion
wird auch in der Optik der horizontalen Ebene verwendet, wie sie in 2 gezeigt
ist. Da das verlangte Strahlmuster normalerweise eine breitere Divergenz
in der horizontalen Ebene zulässt,
ist das Potential für
eine erhöhte
Effizienz in dieser Ebene normalerweise sogar größer.
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7 zeigt
Linie 47, welche die Linie 11 aus 2 ersetzen
würde,
wenn eine akzeptable alternative Form der zentralen Öffnungsfläche 4 verwendet würde. Anstelle
der gekrümmten
Linie 11 aus 2 zeigt 7, dass
Linie 47 aus drei geraden Abschnitten 43, 44 und 45 ausgebildet
ist. Diese Abschnitte sind so abgewinkelt, dass ihre jeweiligen
Senkrechten N5, N6 bzw. N7 zusammenlaufen und einander an einem
Punkt 46 schneiden, der äquivalent zu dem Krümmungsmittelpunkt 14 aus 2 ist.
Die Benutzung gerader Abschnitte, wie durch Linie 47 angezeigt,
trägt dazu
bei, eine der Aufgaben der bevorzugten Ausführungsform zu erfüllen, die
einen konstanten Brechungsgrad für
alle Lichtstrahlen aufrechterhält,
die sich zwischen dem LED-Element 33 und der zentralen Öffnungsfläche 4 bewegen.
Wenn bei der Ausbildung von Linie 47 weitere gerade Abschnitte
benutzt werden, wird die Fähigkeit,
das Verhältnis
beizubehalten, erhöht,
und eine unendliche Anzahl gerader Abschnitte ergibt eine gekrümmte Linie ähnlich der
Linie 11 aus 2. Eine Kontur der zentralen Öffnungsfläche, die
eine Referenzebene schneidet, um so gerade Linienabschnitte anstelle
einer Krümmung
zu bilden, kann Vorteile aufweisen, da so Unregelmäßigkeiten
des Strahlmusters ausgeglichen werden können, die von der Lichtquelle
oder Fehlern in der Kontur der zentralen Öffnungsfläche 4 verursacht werden.
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8 ist
eine veranschaulichende Stirn- Vorderansicht einer Beleuchtungsvorrichtung 51 mit einer
Vielzahl von Leuchten. 9 ist ein Querschnitt entlang
Linie 9-9' aus 8.
Die Beleuchtungsvorrichtung 51 aus 8 und 9 weist
vier einzelne Leuchtenvorrichtungen auf, die der Beleuchtungsvorrichtung 30 aus 1 gleichen,
und als ein einziges Gießteil 48 geformt
sind. Das Gießteil 48 wird
aus einer einzigen transparenten Substanz ausgebildet, die sowohl
als das innere als auch als das äußere Lichtdurchlass-Medium dient, wie
in 2 beschrieben. Das Gießteil 48 ist an einer
Leiterplatte 49 angebracht, die an ihrer Rückseite
elektrische Leiterbahnen 50 aufweist. LED-Lichtquellen ähnlich der
Lichtquelle 36 aus 3 können fest
im Inneren des Gießteils
ausgeformt werden. Das gesamte Gießteil lässt sich leicht auf die Leiterplatte 49 löten. Die
gezeigten vier Beleuchtungsvorrichtungen weisen eine identische
Ausrichtung auf. Dies erzeugt einzelne, identisch ausgerichtete
Strahlmuster, die einander in der Entfernung überlagern, um die Gesamtlichtstärke der
Vorrichtung zu erhöhen.
Natürlich
können
andere Kombinationen oder Ausrichtungen benutzt werden, um bestimmte
Anforderungen an das Strahlmuster zu erfüllen. Diese Ausführung schafft
eine Beleuchtungsvorrichtung mit höherer Lichtstärke, mit
einer auch bei geringer Entfernung gleichmäßig beleuchteten Fläche, da
jede der einzelnen Beleuchtungskomponenten auf jeden Abschnitt des
verlangten Strahlmusters Licht projiziert.
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Indem
nun die bevorzugten Ausführungsformen
und bestimmte Modifikationen des Konzepts, das der vorliegenden
Erfindung zugrunde liegt, vollständig
erläutert
wurden, werden Fachleute selbstverständlich zu verschiedenen anderen
Ausführungsformen
sowie bestimmten Variationen und Modifikationen der hier gezeigten
und beschriebenen Ausführungsformen
gelangen, wenn sie sich mit dem zugrunde liegenden Konzept vertraut
machen. Obwohl diese Offenbarung sich z.B. auf sichtbares Licht bezieht,
ist vorgesehen, dass die beschriebenen Konzepte und der Begriff
Licht jede Art elektromomagnetisch abgestrahlter Energie umfassen,
einschließlich
des Infrarotanteils des Spektrums.