EP2108089B1

EP2108089B1 - Beleuchtungselement mit reflektierender fresnel-struktur

Info

Publication number: EP2108089B1
Application number: EP08700855.3A
Authority: EP
Inventors: Hans-Martin Bitzer; Frank KÜHNLENZ
Original assignee: Orafol Fresnel Optics GmbH
Current assignee: Orafol Fresnel Optics GmbH
Priority date: 2007-01-10
Filing date: 2008-01-09
Publication date: 2016-03-23
Anticipated expiration: 2028-01-09
Also published as: EP2108089A1; WO2008083677A1; DE102007002438A1

Description

Die Erfindung betrifft Beleuchtungselemente mit reflektierender Fresnelstruktur, mit denen Licht einer Lichtquelle auf ein mit einer Fresnelstruktur versehenes reflektierendes Element gerichtet ist und von dort zur Beleuchtung einer Fläche reflektiert wird.
Bei herkömmlichen Beleuchtungselementen mit reflektierenden Elementen kommt es in Folge großer Apperturen dazu, dass eine gleichmäßige Beleuchtung von Flächen, d.h. eine nahezu gleichmäßige Beleuchtungsstärke über die zu beleuchtende Fläche, nicht erreicht wird. Flächenbereiche, die weiter von der optischen Achse einer Lichtquelle entfernt sind, werden üblicherweise weniger beleuchtet als zentrale Flächenbereiche in der Nähe der optischen Achse. Dabei gilt das photometrische Entfernungsgesetz und es treten Beleuchtungsstärkeabfälle mit dem Faktor cos³ (w) auf.
Bei Beleuchtungselementen, bei denen reflektierende Elemente, die mit einer Fresnelstruktur versehen sind, eingesetzt sind, kommt es außerdem zu Verlusten in Folge der erforderlichen Störflanken, die an Fresnelstrukturen ausgebildet sind.
Um letztgenanntem Nachteil entgegenzuwirken, wurde in DE 10 2004 004 261 vorgeschlagen, Fresnelstrukturen an reflektierenden Elementen auszubilden, die ausschließlich Wirkflanken aufweisen. Dadurch können die Störflanken-bedingten Lichtverluste vermieden werden. Bei der in diesem Stand der Technik beschriebenen Lösung ist es aber nachteilig, dass für eine zu erreichende gleichmäßige Beleuchtung großer Flächen ein sehr hoher Mindestabstand zwischen dem reflektierenden Element und der zu beleuchtenden Fläche eingehalten werden muss und dieser Abstand mindestens das 5-fache, besser mindestens 10-fach, so groß ist, wie eine Appertur des auf ein reflektierendes Element einfallenden Lichtes.
Dadurch kann der gewünschte Effekt häufig nicht erreicht werden, da beispielsweise die Raumhöhen nicht ausreichend groß sind oder eine Anwendung an Leuchtelementen, wie z.B. Tischlampen, eine Ausnutzung dieses Effektes verhindern.
Aus US 4,081,667 B1 ist ein Beleuchtungselement mit einer reflektierenden Fresnelstruktur bekannt, bei der Licht mit möglichst großem Winkel reflektiert werden soll.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit zu schaffen, um mit Beleuchtungselementen, die reflektierende Elemente einsetzen, in universeller Form eine homogene Beleuchtung von zu beleuchtenden Flächen zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Beleuchtungselement, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.
Ein erfindungsgemäßes Beleuchtungselement ist dabei so ausgebildet, dass Licht einer Lichtquelle auf ein mit einer Fresnelstruktur versehenes reflektierendes Element gerichtet ist und von dort zur Beleuchtung einer Fläche reflektiert wird. Die Fresnelstruktur ist dabei in einem Bereich um die optische Achse der Lichtquelle facettiert ausgebildet, wobei voneinander abweichende Flankenwinkel an Wirkflächen der Fresnelstruktur vorhanden sind. Durch diese voneinander abweichenden Flankenwinkel wird zumindest ein Teil des dort reflektierten Lichts an den äußeren Rand der zu beleuchtenden Fläche gerichtet und lediglich ein anderer Teil einen zentralen Bereich der zu beleuchtenden Fläche beleuchten kann, so dass ein Randabfall an Beleuchtungsstärke für die zu beleuchtende Fläche zumindest weitestgehend ausgeglichen werden kann.
Dabei kann es günstig sein, den größeren Teil des reflektierten Lichts an den äußeren Rand der zu beleuchtenden Fläche zu richten.
Der Effekt kann aber auch alleine oder zusätzlich dadurch erreicht werden, indem am äußeren Rand des reflektierenden Elementes um einen Bereich, der mit einer Fresnelstruktur versehen ist, ein nicht strukturierter Bereich ausgebildet ist, von dem Licht in den Bereich des äußeren Randes der zu beleuchtenden Fläche reflektiert wird, so dass die Beleuchtung dieses äußeren Randes der zu beleuchtenden Fläche sowohl mit von der Fresnelstruktur reflektiertem Licht, wie auch vom unstrukturierten Bereich reflektiertem Licht erfolgen kann.
Dabei kann in einer erfindungsgemäßen Alternative eine facettierte Fresnelstruktur so ausgebildet sein, dass Licht von Wirkflächen in der Nähe der optischen Achse weiter an den äußeren Rand der zu beleuchtenden Fläche reflektiert wird, als dies von Wirkflächen mit größerem Abstand zur optischen Achse der Fall ist. Dabei kann im Gegensatz zu den bekannten technischen Lösungen keine kontinuierliche Veränderung der Flankenwinkel von Wirkflächen ausgehend von der optischen Achse bis zum äußeren Rand der Fresnelstruktur, vorgesehen sein.
Zumindest bereichsweise kann in einer weiteren erfindungsgemäßen Alternative die facettierte Fresnelstruktur so ausgebildet sein, dass Flankenwinkel von Wirkflächen alternierend größer und kleiner sind und dabei mit den größeren Flankenwinkeln in Bezug zur optischen Achse Licht an den äußeren Rand der zu beleuchtenden Fläche reflektiert werden kann.
Es besteht aber auch die Möglichkeit eine facettierte Fresnelstruktur zumindest bereichsweise ohne Störflanken auszubilden, wie dies in DE 10 2004 261 beschrieben ist. In diesem Fall sollte ein größerer Abstand zwischen reflektierendem Element und zu beleuchtender Fläche eingehalten werden können.
Ein bevorzugt am Rand einer Fresnelstruktur ausgebildeter nicht strukturierter Bereich des reflektierenden Elementes kann eine ebene planare, eine konvex oder konkav gekrümmte Oberfläche aufweisen, wobei diese unter Berücksichtigung der Divergenz von einfallendem Licht, gegebenenfalls des Brechungsindex des Werkstoffes, aus dem ein reflektierendes Element gebildet ist, geneigt oder auch gekrümmt sein kann.
Das erfindungsgemäße Beleuchtungselement kann außerdem vorteilhaft so ausgebildet sein, dass kollimiertes Licht auf das jeweilige reflektierende Element gerichtet ist. Dies kann beispielsweise mit einem zwischen der jeweiligen Lichtquelle und dem reflektierenden Element angeordneten kollimierenden optisches Element erreicht werden.
Ein an einem erfindungsgemäßen Beleuchtungselement einsetzbares, reflektierendes Element kann aus einem optisch transparenten Werkstoff gebildet sein. In diesem Fall besteht die Möglichkeit, die Fresnelstruktur auf der der jeweiligen Lichtquelle gegenüber liegenden Oberfläche des reflektierenden Elementes auszubilden, so dass dadurch neben den unterschiedlichen Reflexionswinkeln auch noch die Brechungswinkel zumindest beim Austritt des reflektierten Lichtes aus dem reflektierenden Element ausgenutzt werden können. Die äußere Oberfläche der Fresnelstruktur kann dann mit einer reflektierenden Beschichtung versehen sein.
Ein bei einem erfindungsgemäßen Beleuchtungselement eingesetzten reflektierenden Element können auch linear ausgebildete Wirkflanken einer Fresnelstruktur ausgebildet sein.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert werden.
Dabei zeigen:

Figur 1: in schematischer Form ein Beispiel eines Beleuchtungselementes mit einem eine facettierte Fresnelstruktur aufweisenden reflektierenden Element;
Figur 2: ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Beleuchtungselementes, bei dem kollimiertes Licht auf ein reflektierendes Element gerichtet ist;
Figur 3: einen Teilbereich eines reflektierenden Elementes mit facettierter Fresnelstruktur eines Beispiels eines an einem erfindungsgemäßen Beleuchtungselement einsetzbaren reflektierenden Elements;
Figur 4: einen Teilschnitt durch ein an einem erfindungsgemäßen Beleuchtungselement einsetzbaren reflektierenden Element mit facettierter Fresnelstruktur, bei der die unterschiedlichen Flankenwinkel von Wirkflächen in Bezug zur optischen Achse verdeutlicht sind.

Mit Figur 1 soll unter Verzicht einer Lichtquelle 1 und des von ihr auf ein reflektierendes Element 3 gerichteten Lichtes beispielhaft die Reflexion von Licht an einem reflektierenden Element 3 verdeutlicht werden. Dabei weist das reflektierende Element 3 eine facettierte Fresnelstruktur auf. Diese ist mit den Facetten A und B beim Beispiel nach Figur 1 realisiert. Mit dem in Bezug zur optischen Achse, die mit der gestrichelten Linie verdeutlicht ist, am äußeren Rand des reflektierenden Elementes 3 ausgebildeten facettierten Fresnelstrukturen B wird Licht zumindest überwiegend in einen äußeren Randbereich einer zu beleuchtenden Fläche 4 reflektiert.
Mit den zentral um die optische Achse angeordneten facettierten Fresnelstrukturen A wird ein Teil des von der Lichtquelle 1 auf diesen Bereich des reflektierenden Elementes 3 gerichteten Lichts in einen zentralen Bereich um die optische Achse der zu beleuchtenden Fläche 4 und ein weiterer Teil in deren radial äußeren Randbereich reflektiert, so dass Licht sowohl von der facettierten Fresnelstruktur B, wie auch von dem Bereich A auf äußere Randbereiche der zu beleuchtenden Fläche 4 reflektiert wird und dadurch dieser Bereich stärker, als in herkömmlicher Form ausgeleuchtet werden kann. Dadurch wird eine deutlich gleichmäßigere Beleuchtungsstärke über die gesamte Fläche, die zu beleuchten ist, erreicht.
Beim in Figur 2 gezeigten Beispiel wird das von der Lichtquelle 1 divergent emittierte Licht mittels eines kollimierenden optischen Elementes 1' zumindest nahezu parallel auf eine ebene, planare und hier senkrecht zur optischen Achse ausgerichtete Fläche eines reflektierenden Elementes 3 gerichtet. Die der Lichtquelle 1 abgewandte Oberfläche des reflektierenden Elementes 3 weist in erfindungsgemäßer Form eine facettierte Fresnelstruktur auf und ist mit einer reflektierenden Beschichtung versehen. Dadurch kann, wie bereits vorab mehrfach erläutert, die Reflexion in der gewünschten homogenen Form beeinflusst und eine gleichmäßige Beleuchtungsstärke über die gesamte Fläche, die zu beleuchten ist, erreicht werden.
Mit der Teildarstellung, wie sie in Figur 3 gezeigt ist, soll die Reflexion von Licht, das hier wiederum in kollimierter Form von einer nicht dargestellten Lichtquelle 1 auf das reflektierende Element 3 gerichtet ist, veranschaulicht werden. Auch hier ist die facettierte Fresnelstruktur auf der der Lichtquelle 1 abgewandten Oberfläche des reflektierenden Elements 3 ausgebildet. Mittels der unterschiedlichen Flankenwinkel der Wirkflanken der Fresnelstruktur kann die Reflexion des Lichts in der gewünschten Weise beeinflusst werden.
Da das reflektierende optische Element 3 aus einem optisch transparenten Werkstoff gebildet ist, kann unter Ausnutzung der unterschiedlichen Brechungsindizes zusätzlich die Brechung des von der Fresnelstruktur reflektierten Lichts beim Austritt aus dem reflektierenden Element 3 ausgenutzt werden.
Mit der Darstellung nach Figur 4, bei der zwei Wirkflanken mit stark voneinander abweichenden Flankenwinkeln abgebildet sind, kann eine sehr unterschiedliche Reflexion von den hier nah beieinander liegenden Wirkflanken erreicht werden. So wird Licht von der Wirkflanke mit der Facette A in einem deutlich größeren Winkel reflektiert und beim Austritt aus dem reflektierenden Element 3 auch mit einem größeren Winkel gebrochen, so dass das von dieser Wirkflanke reflektierte Licht in einen Bereich der zu beleuchtenden Fläche 4 gerichtet werden kann, der in einem größeren Abstand zu einem zentralen Bereich um die optische Achse angeordnet ist. Das Licht, das von der benachbarten Wirkflanke B reflektiert und dann beim Austritt aus dem reflektierenden Element 3 wieder gebrochen wird, trifft dagegen auf einen Bereich der zu beleuchtenden Fläche 4 auf, der deutlich näher um die optische Achse angeordnet ist, obwohl diese Wirkflanke B in einem etwas größeren Abstand zur optischen Achse angeordnet ist, als die Wirkflanke A.

Claims

Beleuchtungselement mit reflektierender Fresnelstruktur, bei dem Licht einer Lichtquelle (1) auf ein mit einer Fresnelstruktur versehenes reflektierendes Element (3) gerichtet ist und von dort zur Beleuchtung einer Fläche (4) reflektiert wird, und
am reflektierenden Element (3) in einem Bereich um die optische Achse der Lichtquelle (1) eine facettierte Fresnelstruktur mit Stör- und Wirkflanken und dabei voneinander abweichenden Flankenwinkeln von Wirkflächen der Fresnelstruktur ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
mit der facettierten Fresnelstruktur ein Teil des reflektierten Lichts an den äußeren Rand der zu beleuchtenden Fläche (4) gerichtet ist; wobei die facettierte Fresnelstruktur so ausgebildet ist, dass Licht von Wirkflächen in der Nähe der optischen Achse weiter an den äußeren Rand der zu beleuchtenden Fläche (4) reflektiert wird, als von Wirkflächen mit größerem Abstand zur optischen Achse
und/oder der Flankenwinkel von Wirkflächen der facettierten Fresnelstruktur alternierend größer und kleiner ist und mit größeren Flankenwinkeln Licht an den äußeren Rand der zu beleuchtenden Fläche gerichtet ist.
Beleuchtungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein größerer Teil des reflektierten Lichts an den äußeren Rand der zu beleuchtenden Fläche (4) gerichtet ist.
Beleuchtungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein nicht strukturierter Bereich, der frei von Fresnelstrukturen ist, vorhanden ist.
Beleuchtungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein nicht strukturierter Bereich des reflektierenden Elements (3) eine ebene planare, konvex oder konkav gekrümmte Oberfläche aufweist.
Beleuchtungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass kollimiertes Licht auf das reflektierende Element (3) gerichtet ist.
Beleuchtungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fresnelstruktur auf der der Lichtquelle (1) gegenüberliegenden Fläche des reflektierenden Elements (3) ausgebildet und die Oberfläche der Fresnelstruktur mit einer reflektierenden Beschichtung versehen ist.
Beleuchtungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Flankenwinkel von Wirkflanken mit denen Licht an den äußeren Rand der zu beleuchtenden Fläche gerichtet ist, in Bezug zur optischen Achse größer sind, als Flankenwinkel mit denen Licht in einen zentralen Bereich der zu beleuchtenden Fläche (4) gerichtet ist.