EP2317215B1

EP2317215B1 - Beleuchtung mit wenigstens einer LED

Info

Publication number: EP2317215B1
Application number: EP10450164.8A
Authority: EP
Inventors: Volker Mannheim
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-11-02
Filing date: 2010-10-28
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2030-10-28
Also published as: AT509016A1; AT509016B1; EP2317215A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtung mit einer Lichtquelle mit wenigstens einer LED und mit wenigstens einer Linse, die in der optischen Achse der LED liegt.
Eine abgekürzt auch als LED bezeichnete Leuchtdiode weist unter anderem eine Diode auf, welche Licht abstrahlt, wenn sie von Strom in Durchlassrichtung durchströmt wird. Vor der Diode befindet sich üblicherweise eine halbkugelförmige LED-Linse, welche das Licht bis zu einem gewissen Grad bündelt und Bestandteil der LED ist. Der Kegelwinkel des aus der LED-Linse austretenden Lichts ist aber in vielen Fällen zu groß, so dass das Licht weiter gebündelt werden muss. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, vor der LED einen weiteren transparenten, lichtbrechenden Körper anzuordnen, mit dem das Licht effizient stärker gebündelt und sehr gleichmäßig auf einer beleuchteten Fläche verteilt werden kann.
Gelöst wird diese Aufgabe mit einer Beleuchtung mit den Merkmalen des Anspruches 1.
Das Dokument JP2003109415 offenbart den Oberbegriff des Anspruchs 1.
Da die lichterzeugende Fläche des LED-Chip bzw. der Diode eine gewisse Ausdehnung hat, häufig mindestens eine Kantenlänge von 1 mm, kommt es durch den kreisförmigen Querschnitt der Linse zu einer natürlichen Vermischung der Strahlen, welche die Homogenität des aus der Linse austretenden Lichts und eines somit erzeugten Lichtflecks auf einer Fläche, auf der das Licht auftritt, fördert. Der kreisförmige Querschnitt der Linse fördert dies ferner durch die gegenüber dünnen Linsen hohe sphärischen Aberration.
Zwei Formen von Linsen sind bei der Erfindung bevorzugt. Wenn die beschriebene Bündelung des Lichts nur in Richtung einer Ebene erwünscht bzw. benötigt wird, ist eine wenigstens über eine bestimmte Länge zylindrische Form der Linse bevorzugt, wobei die beschriebene Bündelung und homogene Verteilung des Lichts in Richtung dieser Ebenen erfolgt, in denen die Linse einen kreisrunden Querschnitt aufweist.
Eine zylindrische Linse wirkt vornehmlich strahlformend nur in diesen Ebenen, die Strahlen werden durch das kreisförmige Profil gebündelt. In anderen Richtungen werden sie nicht oder nicht in dieser Form gebündelt, allenfalls durch Endflächen bzw. Stirnflächen der Linse. Wenn diese nicht spiegelnd ausgeführt sind, werden hier die Strahlen das optische System verlassen und nicht auf den Lichtfleck fallen. Strahlen, die in Ebenen liegen, in denen die Linse keinen kreisrungen Querschnitt aufweist, führen zu eine verringerten Homogenität des Lichtflecks, die Intensitätsverteilung folgt der originalen Lambertschen Verteilung. Wählt man eine kürzere zylinderförmige Linse in dieser Dimension, ist diese Inhomogenität vertretbar. Sieht man konvexe Endflächen der zylinderförmige Linse vor, kann die oben angesprochene Inhomogenität in der Achse des Zylinders verringert werden, da ein Teil der Strahlen wieder in Richtung zur optischen Achse zurück reflektiert wird. Ähnliche Ergebnisse werden für rotationssymmetrische Linsen erreicht.
Wenn die beschriebene Bündelung und homogene Verteilung des Lichts um 360° bzw. in allen Ebenen erforderlich bzw. erwünscht ist, in denen die optischen Achse liegt, ist eine kugelförmige Linse bevorzugt.
In vielen Anwendungsfällen, beispielhaft wird die Beleuchtung von Bildern beschrieben, wird die effiziente Erzeugung eines rechteckigen oder quadratischen Lichtflecks benötigt. Die meisten Beleuchtungen, Scheinwerfer, Lampen und dergleichen erzeugen rotationssymmetrische oder ovale bzw. elliptische Lichtflecken. Um hier rechteckige oder quadratische Lichtflecken erzeugen zu können, werden die Lichtflecken "beschnitten", was meist durch den Einsatz von Blenden oder dergleichen erfolgt. Dies ist allerdings ineffizient, da ein Teil des zur Verfügung stehenden Lichts nicht genutzt wird.
Bei der Erfindung kann man hierfür entweder einen rechteckigen oder quadratischen LED-Chip verwenden. Da zur Erhöhung der Auskopplungseffizienz der eigentliche Lichtaustritt durch eine meist halbkugelförmige LED-Linse erfolgt, welche das Lambertsche Strahlverhalten des LED-Chip nicht wesentlich beeinflusst, kann man für die hier beschriebene Optik den LED-Chip als Referenzpunkt nehmen.
Die hier beschriebene Optik bildet insbesondere bei Verwendung einer kugelförmigen Linse den LED-Chip beziehungsweise dessen Form ab. Wird eine kugelförmige Linse in einem Abstand angeordnet, der in vielen Fällen (abhängig vom Aufbau bzw. der Geometrie der LED und deren integrierter LED-Linse) im Bereich von einem Drittel des Umfangs der LED-Linse vor dem LED-Chip liegt, wird ein Abbild des LED-Chip bzw. dessen Form als Lichtfleck erzeugt. Um Inhomogenitäten des Abstrahlverhaltens des LED-Chip, aber auch die Abbildung der Bonddrähte zu vermeiden, kann eine Justierung der Position der Linse in Bezug auf die LED erforderlich sein.
Es versteht sich, dass der beschriebene Effekt der exakten Abbildung der Form des LED-Chip bei zylinderförmigen Linsen nur in Richtung jener Ebene auftritt, in der die Linse tatsächlich kreisrund ist.
In jenen Fällen, in denen die Lichtquelle nicht nur aus einer einzigen LED sondern aus einem Feld mit mehreren LED besteht, welche beispielsweise in einer rechteckigen Form angeordnet sind, tritt im Stand der Technik der Effekt einer inhomogenen Verteilung des Lichts verstärkt auf. Hier kommt die vorteilhafte Wirkung der erfindungsgemäßen Beleuchtung besonders zum Tragen, insbesondere wenn eine einzige Linse mit dem kreisförmigen Querschnitt vor dem gesamten Feld der LED angeordnet ist, da hier eine effektive Vermischung der Strahlen aller LED erfolgt und somit eine äußerst homogene Lichtverteilung erzielt werden kann.
Alternativ ist es aber auch möglich, für jede einzelne LED eine eigene Linse oder für Gruppen von LED des Feldes eine gemeinsame Linse vorzusehen.
Dieser Effekt ist ganz besonders dann von Bedeutung, wenn das Feld LED mit unterschiedlichen Farben bzw. Frequenzspektren besitzt. Dies kann beispielsweise dann der Fall sein, wenn entweder LED mit unterschiedlichen Farben zu unterschiedlichen Zeitpunkten eingeschaltet werden oder LED mit unterschiedlichen Farben zeitgleich eingeschaltet werden um bestimmte Frequenzspektren abzudecken, die von einer oder mehreren LED einer einzigen Farbe nicht erzeugt werden können.
In den Fällen, in denen zu unterschiedlichen Zeitpunkten unterschiedliche LED eingeschaltet werden, stellen die einzelnen eingeschalteten LED faktisch diskrete Lichtquellen innerhalb des Feldes da, welche automatisch zu einer inhomogenen Verteilung des Lichts innerhalb des von der Beleuchtung erzeugten Lichtbündels führen würden. Es hat sich gezeigt, dass bei der erfindungsgemäßen Beleuchtung dieser nachteilige Effekt sehr stark verringert werden kann.
Im anderen erwähnten Fall, bei dem LED mit zwei oder mehr unterschiedlichen Farben bzw. Farbspektren zeitgleich eingeschaltet werden, um breitere Frequenzspektren zu erzeugen, führt die erfindungsgemäße Beleuchtung zu einer sehr guten Durchmischung der Strahlen der einzelnen LED, so dass innerhalb des Lichtbündels eine sehr homogene Verteilung des Lichts aller Frequenzspektren erfolgt. Damit kann ein Regenbogeneffekt, bei dem bestimmte Frequenzspektren streifenförmig verstärkt auftreten, vermieden werden.
Eine einstellbare Veränderung des Strahlenprofils kann ferner durch eine Versetzung der Linse senkrecht zur optischen Achse erreicht werden. Bei einer kugelförmigen oder (annähernd) zylindrischen Linse werden dann die Strahlen nicht nur symmetrisch um die optische Achse gebündelt, sondern auch zu einer Seite abgelenkt, wobei die Homogenität der Lichtverteilung aber erhalten bleibt, die Intensität aber in eine Richtung abnimmt Dadurch kann die Beleuchtung schräg auf einen Gegenstand, z.B. ein Bild, scheinen und man erhält dennoch eine gleichmäßige Beleuchtung.
Wenn im Strahlengang nach der Linse in wenigstens zwei ersten Lagen angeordnete Reihen von Zylinderlinsen mit parallelen Längsachsen angeordnet sind, kann das Strahlenprofil nach der Linse in Richtung einer ersten Ebene, in der die Zylinderlinsen kreisrund sind, wieder aufgeweitet werden.
Wenn die Aufweitung auch in Richtung einer zweiten Ebene erfolgen soll, die beispielsweise um 90° gegenüber der vorerwähnten ersten Ebene gedreht ist und in der ebenfalls die optische Achse liegt, können erfindungsgemäß nach den zwei ersten Lagen in wenigstens zwei weiteren Lagen angeordnete Reihen von Zylinderlinsen angeordnet sein, deren Längsachsen zu den Längsachsen der in den ersten Lagen angeordneten Linsen in einem Winkel größer 0°, vorzugsweise etwa 90°, angeordnet sind.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der für Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Es zeigt:

Fig. 1: eine erste Ausführungsform einer Beleuchtung mit einer kugelförmigen Linse,
Fig. 2: eine zweite Ausführungsform einer Beleuchtung mit einer versetzten kugelförmigen Linse und dem Strahlengang,
Fig. 3: eine dritte Ausführungsform einer Beleuchtung mit einer zylinderförmigen Linse von der Seite,
Fig. 4: eine Draufsicht auf die Beleuchtung von Fig. 3,
Fig. 5: den Strahlengang durch die zylinderförmigen Linse entsprechend Fig. 3,
Fig. 6: den Strahlengang durch die zylinderförmigen Linse entsprechend Fig. 4,
Fig. 7: eine erste Ausführungsform nachgeschalteter optische Elemente,
Fig. 8: eine zweite Ausführungsform nachgeschalteter optische Elemente,
Fig. 9: eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform nachgeschalteter optische Elemente,
Fig. 10: eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform nachgeschalteter optische Elemente und
Fig. 11: einen Reflektor für die erfindungsgemäße Beleuchtung.

In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform einer Beleuchtung dargestellt, welche eine LED 1 mit einer LED-Platine 2, einem LED-Chip 3 und einer LED-Linse 4 aufweist. Die LED 1 weist eine optische Achse 5 auf, die im rechten Winkel zum LED-Chip 3 bzw. zur LED-Platine 2 steht und durch das Zentrum des LED-Chip 3 geht. Vor der LED 1 ist in der optischen Achse 5 eine kugelförmige Linse 6 angeordnet, durch welche die von der LED 1 abgegebenen Lichtstrahlen gebündelt werden. Die Bündelung der Lichtstrahlen erfolgt im Prinzip so wie dies in Fig. 5 bei einer zylindrischen Linse 6' dargestellt ist, jedoch nicht nur in Richtung einer Ebene sondern in allen Ebenen um 360° um die optische Achse 5.
In Fig. 2 ist eine Ausführungsform einer Beleuchtung dargestellt, bei der die Linse 6 gegenüber der optischen Achse 5 der LED 1 seitlich versetzt ist. Dadurch werden die Lichtstrahlen zwar ebenso gebündelt wie dies bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung der Fall ist, jedoch gleichzeitig auch leicht aus der optischen Achse 5 in die Richtung abgelenkt, in welche die Linse 6 verschoben ist. Das Maß der Versetzung zwischen der optischen Achse 5 und einer Mittelachse 7, welche parallel zur optischen Achse 5 liegt, bestimmt das Ausmaß der Ablenkung von der optischen Achse 5 weg.
In den Fig. 3 und 4 ist eine zylinderförmige Linse 6' dargestellt, deren Längsachse 8 die optische Achse 5 der LED 1 in einem Winkel von 90° schneidet.. Wie die Fig. 5 zeigt, erfolgt bei einer zylindrischen Linse 6' die Bündelung der Lichtstrahlen nur in Richtung einer Ebene (die Fig. 5 in der Bildebene liegt und in Fig. 6 normal zur Bildebene steht) bzw. in Parallelebenen zu dieser Ebene, wogegen die Lichtstrahlen in anderen Richtungen, in denen die zylinderförmige Linse 6' nicht kreisförmig ist, eine nach außen gestreute Komponente aufweisen, die allenfalls durch Endflächen 9, 10 beeinflusst wird. Sieht man konvexe Endflächen der zylinderförmigen Linse 6' vor, kann die oben angesprochene Inhomogenität in Richtung der Achse 8 des Zylinders verringert werden, da ein Teil der Strahlen wieder in Richtung zur optischen Achse 5 zurück reflektiert wird.
Wie Fig. 5 zeigt, erfolgt durch den kreisrunden Querschnitt der Linse 6' nicht nur eine Bündelung der Lichtstrahlen in dieser Achse sondern gleichzeitig auch eine Durchmischung der Lichtstrahlen, so dass Inhomogenitäten des die Lichtstrahlen erzeugenden LED-Chip 3 in den Ebenen, in denen die Linse rund ist, verstreut werden und an einem auf einer Fläche erzeugten Lichtfleck stark abschwächt oder überhaupt nicht mehr zu erkennen sind.
Diese Wirkung kann besonders dann von Bedeutung sein, wenn anstelle einer einzigen LED 1 ein Feld aus mehreren LED 1 verwendet wird, da das Licht der technisch bedingt etwas voneinander beabstandeten, unterschiedlichen LED 1 durchmischt wird, was sehr stark zu einer Homogenisierung des Lichtbündels von mehreren LED 1 und des damit erzeugten Lichtflecks beiträgt.
Wie die Fig. 7 und Fig. 8 zeigen, können einer kugelförmigen Linse 6 oder zylinderförmigen Linse 6' an sich bekannte transparente, lichtbrechende Körper im Strahlengang nachgeordnet sein. Hier dient die Kugellinse 6 oder zylindrische Linse 6' der Vorkonditionierung des Lichts: der kollimierte Strahl kann von diesen nachgeordneten optischen Systemen kontrolliert aufgenommen und weiterverarbeitet werden. Beide Teilsysteme sollten aufeinander abgestimmt sein.
Eine einstellbare Verbreiterung des Lichtflecks in nur einer Dimension kann, wie dies beispielsweise in Fig. 7 dargestellt ist, durch zwei Prismen 11, 12 erreicht werden, die gegengleich angeordnet und drehbar sind. Je länger der Weg der Strahlen durch das Glas ist, desto größer ist die Strahlaufweitung. Die Homogenität der Intensität und der Farbwidergabewert werden nicht wesentlich beeinflusst.
Eine Aufweitung kann auch durch eine Kombination von Linsenfeldern 13, 14 (so genannten "lenslet arrays") und weiteren optionalen Linsen 15 erreicht werden wie in Fig. 8 dargestellt ist. Haben die einzelnen Linsen dieser Linsenfelder 13, 14 unterschiedliche Ausdehnung in den zwei Achsen (z.B. bei rechteckigen Linsen) oder drei Achsen (z.B. bei sechseckigen Linsen), kann das Lichtbild entsprechend unterschiedliche Ausdehnung haben.
Eine nachgeordnete Aufweitung des Strahlenprofils kann erfindungsgemäß über zwei doppelte Lagen gekreuzter Zylinderlinsen 20 erzielt werden. Die Zylinderlinsen 20 liegen mit parallelen Längsachse in Reihen in Lagen 16, 17, 18, 19, wobei die Lagen 16, 17, 18, 19 in Richtung der optischen Achse 5 gesehen hintereinander liegen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 9 sind zwei erste Lagen 16, 17 vorgesehen, bei denen die Zylinderlinsen 20 parallel zueinander angeordnet sind. Nach den zwei ersten Lagen 16, 17 sind zwei weiteren Lagen 18, 19 angeordnet, in denen die Zylinderlinsen 20 wiederum parallel zueinander angeordnet sind. Die Längsachsen der Zylinderlinsen 20 der ersten Lagen 16, 17 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel zu den Längsachsen der Zylinderlinsen 20 der zweiten Lagen 18, 19 in einem Winkel von 90° angeordnet. Es ist aber auch ein anderer, beliebiger Winkel zwischen 0° und 90° denkbar, wobei die Aufweitung dann in entsprechenden Achsen stattfinden würde. Es sind auch mehr als zwei Paar von Lagen 16, 17, 18, 19 möglich, die in Winkeln von ≤90° zu den jeweils benachbarten Paaren von Lagen angeordnet sein können.
Die Zylinderlinsen 20 werden im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 9 exakt übereinander gelegt, so dass die größte Dicke des jeweiligen Lagenpaares erreicht wird. Hierbei wird die Homogenität der Intensität beibehalten. Abhängig vom Durchmesser der Zylinderlinsen 20 kann der Winkel von dem mittels der kugelförmigen Linse 6 erreichbaren Winkel von beispielsweise 50° auf über 120° aufgeweitet werden. Die Anordnung sollte in direkter Nähe zur LED 1 beziehungsweise zur Linse 6 positioniert werden. Eine Drehung der Anordnung orthogonal zur optischen Achse erlaubt einen Schwenk des Lichtflecks µm den gleichen Drehwinkel.
Wenn die Lagen 16, 17 18, 19 mit Bezug zur optischen Achse 5 verschwenkt sind, wie dies beispielhaft in Fig. 10 dargestellt ist, dann erfolgt nicht nur eine Aufweitung des Lichtbündels sondern auch eine Ablenkung gegenüber der optischen Achse 5.
Wird nur eine doppelte Lage 16, 17 Zylinderlinsen 20 genutzt, kann der Lichtfleck in nur einer Richtung aufgeweitet werden.
Innerhalb der einzelnen Lagen 16 bis 19 können Linsen 20 mit unterschiedlichen Durchmessern verwendet werden. Zusätzlich oder alternativ können die Durchmesser der Linsen 20 einer Lage 16 bis 19 größer oder kleiner als die Durchmesser der Linsen 20 anderer Lagen 16 bis 19 sein.
Die Linsen 20 einer Lage 16 bis 19 können wenigstens zum Teil auch einen Abstand voneinander haben. Ebenso können die einzelnen Lagen 16 bis 19 einen Abstand voneinander haben.
Wenn, wie in Fig. 9 und 10 zwei oder mehr parallele und/oder gekreuzte Lagen 16 bis 19 von Zylinder-Linsen 20 verwendet werden, kann anstelle der kugelförmigen oder zylinderförmigen Linse 6 auch eine andere herkömmliche Linse verwendet werden, welche das Licht bündelt, bevor es auf die Lagen 16 bis 19 trifft.
Der erreichbare kleine Strahlwinkel von 10° oder weniger erlaubt die Nutzung eines so genannten Lichtsegels 21, das in Fig. 11 dargestellt ist. Beispielsweise kann die erfindungsgemäße Beleuchtung zentral unter der Decke eines Wohnraums aufgehängt werden, dort mit Strom versorgt werden und mittels Fernbedienung oder über Signalleitung gesteuert werden. Das Licht kann auf ein Lichtsegel 21 gerichtet werden, welches an einer Wand des Raumes befestigt sein kann. Das Lichtsegel 21 hat eine reflektierende, leicht bis vollständig streuende Oberfläche und wirft das Licht in Form eines Lichtflecks 22 beispielsweise auf eine Wand. Streut die Oberfläche in einen engeren Winkel als ein Lambertscher Strahler, kann die Oberfläche entlang einer oder zweier orthogonaler Achsen gebogen sein, konvex oder konkav, sowie bezüglich der optischen Achse geneigt werden.

Claims

Beleuchtung mit einer Lichtquelle mit wenigstens einer LED (1) und mit wenigstens einer Linse (6, 6'), die in der optischen Achse (5) der LED (1) liegt, wobei die Linse (6, 6') in wenigstens einer Ebene, in der die optische Achse (5) liegt, einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, wobei im Strahlengang nach der Linse (6) in wenigstens zwei ersten Lagen (16, 17) angeordnete Reihen von Zylinderlinsen (20) mit parallelen Längsachsen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass nach den zwei ersten Lagen (16, 17) in wenigstens zwei weiteren Lagen (18, 19) angeordnete Reihen von Zylinderlinsen (20) angeordnet sind, deren Längsachsen zu den Längsachsen der in den ersten Lagen (16, 17) angeordneten Linsen in einem Winkel größer 0°, vorzugsweise etwa 90°, angeordnet sind.
Beleuchtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse (6') wenigstens über eine bestimmte Länge eine zylindrische Form aufweist.
Beleuchtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse (6) eine Kugelform aufweist.
Beleuchtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein LED-Chip (3) der LED (1) eine rechteckige Form aufweist.
Beleuchtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, mehrere LED (1) in einer vorzugsweise rechteckigen Form angeordnet sind.
Beleuchtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine einzige Linse (6, 6') vor allen LED (1) angeordnet ist.
Beleuchtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass für jede einzelne LED (1) eine eigene Linse (6, 6') vorhanden ist.
Beleuchtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass für Gruppen von LED (1) eine gemeinsame Linse (6, 6') vorhanden ist.
Beleuchtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei LED (1) Licht unterschiedlicher Frequenzspektren abgeben.
Beleuchtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsen (20) in den jeweils ersten und/oder zweiten Lagen (16, 17, 18, 19) exakt übereinander liegen.
Beleuchtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagen (16, 17 18, 19) mit Bezug zur optischen Achse (5) verschwenkt sind.
Beleuchtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse (6, 6') senkrecht zur optischen Achse (5) versetzt ist
Beleuchtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch kennzeichnet, dass der Abstand der Linse (6, 6') von der LED (1) etwa 1/3 des Umfangs der LED (1) beträgt.