EP2487409A1 - Reflektor für Beleuchtungszwecke - Google Patents

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Publication number
EP2487409A1
EP2487409A1 EP12154231A EP12154231A EP2487409A1 EP 2487409 A1 EP2487409 A1 EP 2487409A1 EP 12154231 A EP12154231 A EP 12154231A EP 12154231 A EP12154231 A EP 12154231A EP 2487409 A1 EP2487409 A1 EP 2487409A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
light
base body
reflector
reflecting surfaces
total reflecting
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP12154231A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Henning Dieker
Hartmut Friedrich
Marcel Nierhoff
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Vossloh Schwabe Lighting Solutions GmbH and Co KG
Original Assignee
Vossloh Schwabe Lighting Solutions GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Vossloh Schwabe Lighting Solutions GmbH and Co KG filed Critical Vossloh Schwabe Lighting Solutions GmbH and Co KG
Publication of EP2487409A1 publication Critical patent/EP2487409A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V7/00—Reflectors for light sources
    • F21V7/0091—Reflectors for light sources using total internal reflection
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V7/00—Reflectors for light sources
    • F21V7/10—Construction

Definitions

  • the invention relates to a reflector which can be used in particular in connection with LED illuminations or similar semiconductor light sources.
  • LEDs have a very small light-emitting volume, on the one hand the bundling of LED light, e.g. on the other hand, but also requires special attention, so that no eye damage occurs.
  • LEDs when used for illumination purposes, they are regularly used in groups or arrays to increase the luminous efficacy. This must be taken into account when designing appropriate optical elements to distribute the LED light in space or objects in a particular desired manner.
  • the DE 10 2005 045 588 A1 a lighting device with LEDs, which are associated with specially designed light-guiding elements. On their side facing the LEDs they have a series of parallel ribs. At the light exit side, however, they have away from each other aspiring wings that emit the light should.
  • the DE 20 2005 006 915 U1 discloses a plate-shaped light guide member having a flat side on which an LED is disposed to introduce light into the plate-shaped member. Through total reflection, the light is held within the plate and scattered on outer contours, which then shine.
  • the DE 20 2010 006 557 U1 discloses a suitable also for the use of LEDs lamp with a light exit lens, which is designed as a zonal lens. This leads to an LED-facing back with annular zone lens structures that must be matched to the respective application arrow.
  • a plurality of totally reflecting surfaces are formed in the base body.
  • the main body is seamlessly one-piece, i. integrally. It preferably consists entirely of a uniform material.
  • To the body further parts, e.g. be applied by gluing, welding, clamping or other types of fastening, such as enclosures, covers, protective plates, possibly also scattering elements, light conversion elements and the like.
  • the totally reflecting surfaces are embedded in the volume of the base body. Preferably, they do not appear at any point of the body. They may have been produced by laser engraving, for example. For example, by laser engraving as total reflecting surfaces, gaps, cracks, slit-like microcavities and the like can be produced. These surfaces each have limited dimensions. In particular, such surfaces are the walls laser-generated columns, where the continuity of the body is interrupted.
  • the totally reflecting columns are two-dimensional planar elements.
  • the laser beam used to create the surfaces can cause physical and / or chemical changes in the volume of the reflector, ultimately leading to a structural change and the formation of the desired surface.
  • This structural change may be due to local overheating.
  • the embedding of the total reflecting surface (s) in the body ensures their lasting effectiveness. Pollution is excluded.
  • it is easy to produce reflectors in this way the duration of use of which is readily adapted to the long service life of LED light sources. This is in contrast to other reflectors or lenses, e.g. Zone lenses which, when soiled, are hardly cleanable and therefore unusable.
  • the reflector according to the invention preferably has a base body with a smooth light entrance surface and / or a smooth light exit surface.
  • the light entry surface and the light exit surface are planar.
  • the transparent base body may be formed as a flat plate in which one or more total reflecting surfaces are arranged in a desired pattern to effect a desired light distribution, light bundling, light expansion or light scattering for one or more LED light sources.
  • the main body can also, for example due to the production, a wavy light entrance surface and / or light exit surface exhibit.
  • the arrangement and / or distribution, inclination, size, shape, etc. of the totally reflecting surfaces can be determined, for example by computer control of the gravitational laser beam, so that the waviness of the light entry surface and / or light exit surface is compensated, ie the desired one Light distribution is not adversely affected.
  • the total reflecting surface is preferably a flat surface. However, it can also have a certain curvature or curvature.
  • the desired reflector is formed by a plurality of facet-like total reflecting surfaces arranged in a pattern giving the desired light distribution in the base body. Due to the distribution, shape, curvature, arrangement and inclination of the individual facets, i. total reflective surfaces, can be almost any desired light distribution from the bundling to a parallel beam to a planar light distribution with uniform or set up according to a pattern predetermined illumination.
  • the individual total reflecting surfaces are arranged along concentric circles or spirals whose center forms the optical axis.
  • the LED is then preferably arranged on this optical axis.
  • a base body a plurality of optical axes on which a plurality of LEDs are arranged.
  • the totally reflecting surfaces are then grouped around the respective optical axes in a suitable pattern whose arrangement, size and inclination determines the desired light distribution.
  • the reflector according to the invention can be operated in transmitted light. It has on one side a light entrance surface and e.g. on the opposite side or on an adjacent surface on a light exit surface.
  • the individual total reflecting surfaces are distributed in the base body according to a first family of embodiments in such a way that light which radiates through the base body in the direction of the optical axis strikes the individual totally reflecting surfaces at an acute angle and thereby undergoes a deflection.
  • the reflector thus acts like a lens, e.g. like a condensing lens, such as a diverging lens or any other lens.
  • the reflector may be formed such that the light entry surface and the light exit surface lie on the same side of the main body, so that the reflector as a mirror, e.g. like a concave mirror, works. This is determined only by the number and arrangement, as well as shape, size and orientation of the individual total reflecting surfaces.
  • the reflector may be operated with side light irradiation. Its optical axis contains an angle.
  • the reflector may be formed as a more or less flat plate which receives light from one or more LEDs or other light sources at one or more side surfaces and by a large area rectangular, square, round, polygonal, strip or otherwise emits a shaped light exit surface.
  • the lens formed by the reflector according to the invention does not produce any color aberrations and thus allows the illumination of objects or rooms with white light without rainbow effect.
  • the inventive concept allows the design of various refraction geometries by laser engraving a solid transparent body, such as glass body and is therefore particularly flexible application.
  • Fig. 1 illustrates a reflector 10 according to the invention, which serves to bundle the light of a light-emitting diode 11 in the desired manner or to distribute.
  • the reflector 10 works externally like a lens. It has a light entry surface 12 and a light exit surface 13, which are arranged on sides facing away from one another of the reflector 10, which is preferably designed as a flat planar plate. If necessary, however, the light entry surface and / or the light exit surface 13 may also be structured, for example arched or provided with other structures. However, the flat design is particularly easy to clean and facilitates the production considerably.
  • the reflector 10 comprises a base body 14 made of as clear as possible transparent material, e.g. Mineral glass, quartz glass, ceramic glass, acrylic glass or other transparent plastic.
  • a base body 14 made of as clear as possible transparent material, e.g. Mineral glass, quartz glass, ceramic glass, acrylic glass or other transparent plastic.
  • totally reflecting surfaces 15 are preferably formed in large numbers. As shown, these are preferably located within a zone 16 which is arranged at a constant distance from the light entry surface 12. Likewise, the zone 16 is preferably constantly spaced from the light exit surface 13.
  • the total reflecting surfaces 15 preferably have a constant extension in the direction of the optical axis 17, so that the zone 16 has a constant thickness. It should be noted, however, that it may also be desirable and expedient to form the zone 16 spatially deviating, so that it is curved, for example, and increases or decreases in thickness towards its edges, ie with increasing distance from the optical axis.
  • the total reflecting surfaces 15 are, as in particular Fig. 2 , preferably grouped around the optical axis 17 on a spiral or concentric circles around each light beam emanating from the light emitting diode 11, passing through the light entry surface by total reflection to give a desired angular deflection.
  • the total reflecting surfaces 15 are, as can be seen, densely staggered in the radial direction.
  • the distance between adjacent total reflecting surfaces 15 is preferably so small that between them both no light beam emanating from the LED 11 can pass unreflected. In Fig. 1 this is illustrated by the example of the total reflecting surfaces 15a, 15b.
  • the total reflecting surfaces 15 may be formed by laser engraving in the solid undivided main body 14, for example.
  • Fig. 1a illustrates the total reflecting surface 15a as an example.
  • a gap-like cavity is created in the base body 14, which is bounded by two boundary surfaces 18, 19.
  • the interior of the cavity is empty (vacuum) or filled by a, for example gaseous, glass decomposition product. It is also possible that it is filled by a resulting liquid or even a solid material, which has been created by the action of the used for producing focused laser beam, where it is itself transparent, but it has a different, preferably lower refractive index than that Material of the surrounding body 14. In this way, at a large angle to the interface 19 incident light experiences a total reflection.
  • the total reflecting surfaces 15 are arranged in the base body 19 so that all the light rays emanating from the light emitting diode 11 impinge at an angle to the respective total reflecting surface 15, the larger is as the necessary to bring about the total reflection limit angle ⁇ .
  • Fig. 1 the surface normal 20 of the total reflecting surface 19 registered.
  • the angle ⁇ is the angle at which an incident light beam just barely undergoes total reflection. Smaller angles no longer lead to total reflection.
  • the angle which the incident light beam 21 includes with the surface normal 20 is greater than the angle ⁇ . This condition is respected for all rays of light, like Fig. 1 shows.
  • the zone 16 may have gaps.
  • a central zone is left around the optical axis 17 in which the light of the light-emitting diode 11 can pass through the base body 14 without total reflection.
  • the reflector 10 described so far operates externally as a lens, as is readily apparent. He can be very thin. Its necessary thickness is insignificantly greater than that of zone 16. It is therefore possible to replace bulky collecting lenses with relatively flat plates of the type according to the invention.
  • almost any desired light distribution can be achieved by an appropriate orientation of the individual total reflecting surfaces 15, without having to deviate from the planar design of the reflector 10.
  • the individual total reflecting surfaces 15 are, for example, by generates a laser processing step with a computer-controlled laser, wherein for the modification of the light distribution to be generated and thus arrangement of the surface 15 only the data controlling the computer record must be changed. It is thus a flexible lighting design possible.
  • FIG. 3 out A modified embodiment of the reflector according to the invention is made FIG. 3 out.
  • the illustrated there reflector 10 has a plurality of optical axes 17a, 17b, which light emitting diodes 11a, 11b are assigned.
  • the reflector 10 in turn contains a number of totally reflecting surfaces 15 in its base body 14, these total reflecting surfaces 15 being associated in a first group of the light emitting diode 11a and a second group of the light emitting diode 11b.
  • the surfaces 15 of the light emitting diode 11a are grouped around the optical axis 17a, while the surfaces 15 of the light emitting diode 11b are grouped around the optical axis 17b.
  • FIG. 4 schematically illustrates another embodiment of the invention.
  • the base body 14 is here provided with a further optical element 23.
  • This may for example be mounted on the light exit surface 13.
  • the optical element 23 may be a plate or layer in which scattering elements are embedded, for example to produce diffused light. It may also be a layer or plate, in the alternative or in addition Light conversion particles are embedded. Also partially light-absorbing or light-reflecting elements such as opaque metal foils may be arranged on or in the optical element 23, for example, to achieve decorative effects or signal effects, for example, for signs.
  • light-scattering objects can also be introduced into the base body 14, for example in the form of light-scattering points generated by laser engraving. In this way, a uniform diffuse light distribution can be generated.
  • the reflector 10 as a mirror, as in FIG. 5 is symbolically illustrated.
  • the light entry surface 12 and the light exit surface 13 are arranged on the same side of the base body 14.
  • totally reflective surfaces 15 are arranged in the base body 14.
  • a second group of totally reflecting surfaces 24 may be provided or other groups if the light beams are to be totally reflected on their way from the light emitting diode 11 to the light exit surface 13 not only one, but two or more times.
  • Such a reflector can be used for indirect room lighting when it is mounted, for example, floating in front of a wall with light exit surface 13 toward the wall. The viewer facing side 25 can then remain dark. However, it is also possible to let outgoing light from the light emitting diode 11 partly from the side 25, for example when the totally reflecting surfaces 15 leave gaps 26 through which light can pass.
  • This light in turn, can be directed into the room as desired by further totally reflecting surfaces, for example downward to avoid glare effects.
  • the main body 14 may be plate-like with rectangular or square border round, oval or in any other form. The concept presented here is variably customizable in almost every respect.
  • FIG. 6 illustrated embodiment illustrates. It is based on the embodiment according to FIG. 1 , whose description is referenced here.
  • the reflector 10 after FIG. 6 has in the near-axis region about the optical axis 17 around totally reflecting surfaces 15c, which prevent the direct passage of light and the resulting glare.
  • the surfaces 15c reflect the light approximately radially outward.
  • the concept according to the invention is not restricted to the fact that the light entry surface 12 and the light exit surface 13 are arranged on sides of the main body 14 pointing away from one another.
  • the light entry surface 12 may also be formed by one or more side surfaces of the base body 14.
  • Light sources such as LEDs 11 may be arranged, which radiate light into the body.
  • reflecting surfaces 15 are arranged by total reflection, which can escape the light from the preferably flat light exit surface 13.
  • the total reflecting surfaces 15 are as possible distributed, shaped, arranged that emerges from the light exit surface 13, the light with the desired orientation and distribution. For this purpose, all the above-described measures can be used, which have been described above in connection with the other embodiments.
  • completely reflecting facets or surfaces 15 are generated by laser engraving or other suitable processing techniques in a transparent base body, which are preferably completely embedded in the base body 14 and the surface does not reach or touch. They are therefore deprived of external environmental influences.
  • the shape, number, distribution and orientation of the total reflecting surfaces make it possible to produce reflectors with lens properties, with mirror properties or with mixed properties. Mixed light experiences by the total reflection no spectral splitting. As a result, it is possible to achieve very large angular deflections for the individual light beams, without resulting in undesired rainbow effects.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Lenses (AREA)
  • Non-Portable Lighting Devices Or Systems Thereof (AREA)

Abstract

Erfindungsgemäß werden durch Lasergravur oder andere geeignete Bearbeitungstechniken in einem durchsichtigen Grundkörper (14) totalreflektierende Fassetten oder Flächen (15) erzeugt, die vorzugsweise vollkommen in den Grundkörper (14) eingebettet sind und dessen Oberfläche nicht erreichen oder berühren. Sie sind deshalb äußeren Umwelteinflüssen entzogen. Durch Formanzahl, Verteilung und Ausrichtung der totalreflektierenden Flächen lassen sich Reflektoren mit Linseneigenschaften, mit Spiegeleigenschaften oder gemischten Eigenschaften erzeugen. Mischlicht erfährt durch die Totalreflexion keine spektrale Aufspaltung. Dadurch lassen sich für die einzelnen Lichtstrahlen auch sehr große Winkelablenkungen erzielen, ohne dass es zu unerwünschten Regenbogeneffekten kommt.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Reflektor, der insbesondere im Zusammenhang mit LED-Beleuchtungen oder ähnlichen Halbleiterlichtquellen einsetzbar ist.
  • Die zunehmende Tendenz als Ersatz für herkömmliche Lichtquellen, wie beispielsweise Glühlampen, Leuchtstofflampen und dergleichen, nun LEDs einzusetzen und die zunehmende Verfügbarkeit leistungsstarker LEDs führt auch zu der Überlegung, Leuchtenkonzepte zu entwickeln, die speziell auf die Belange von LEDs eingerichtet sind.
  • LEDs weisen ein sehr kleines lichtemittierendes Volumen auf, was einerseits die Bündelung von LED-Licht, z.B. zur Objektbeleuchtung, ermöglicht, andererseits aber auch besonderer Beachtung bedarf, damit keine Augenschädigungen eintreten. Außerdem werden LEDs, wenn sie zu Beleuchtungszwecken eingesetzt werden, regelmäßig in Gruppen oder Arrays eingesetzt, um die Lichtausbeute zu steigern. Dies muss berücksichtigt werden, wenn entsprechende optische Elemente gestaltet werden, die das LED-Licht in einer bestimmten gewünschten Weise im Raum oder auf Objekte verteilen sollen.
  • Beispielsweise offenbart die DE 10 2005 045 588 A1 eine Beleuchtungsvorrichtung mit LEDs, denen speziell gestaltete Lichtleitelemente zugeordnet sind. An ihrer den LEDs zugewandten Seite weisen sie eine Reihe paralleler Rippen auf. An der Lichtaustrittsseite weisen sie hingegen voneinander weg strebende Flügel auf, die das Licht abgeben sollen.
  • Die DE 20 2005 006 915 U1 offenbart ein plattenförmiges Lichtlenkungselement mit einer Flachseite, auf der eine LED angeordnet ist, um Licht in das plattenförmige Element einzuleiten. Durch Totalreflexion wird das Licht innerhalb der Platte gehalten und an Außenkonturen gestreut, die dann leuchten.
  • Zur Hintergrundbeleuchtung von Schildern oder dergleichen schlägt die DE 20 2009 015 892 U1 einen Lichtleitkörper vor, der eine lichtabgebende Flachseite und eine gewölbte Rückseite aufweist. Seitlich eingestrahltes Licht wird zwischen der Lichtaustrittsseite und der Rückseite hin und her reflektiert, wobei jeweils ein gewisser Bruchteil an der Lichtaustrittsfläche austritt.
  • Mit dieser Anordnung wird eine flächige diffuse Lichtverteilung erreicht.
  • Die DE 20 2010 006 557 U1 offenbart eine auch zum Einsatz von LEDs geeignete Leuchte mit einer Lichtaustrittslinse, die als Zonenlinse ausgebildet ist. Dies führt zu einer der LED zugewandten Rückseite mit ringförmigen Zonenlinsenstrukturen, die auf den jeweiligen Anwendungspfeil abgestimmt sein müssen.
  • Weiter offenbart die DE 60 2005 004 314 T2 eine planare Lichtquelle mit Platten, die auf zumindest einer Seite, ein Rippen- oder Wellenmuster tragen, das als Zonenreflexionsplatte dient.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Konzept anzugeben, mit dem sich insbesondere bei konzentrierten punktförmigen Lichtquellen auf einfache Weise eine gewünschte Lichtverteilung erzeugen lässt.
  • Diese Aufgabe wird mit dem Reflektor nach Anspruch 1 gelöst:
    • Der erfindungsgemäße Reflektor weist einen durchsichtigen Grundkörper, z.B. aus Glas oder einem durchsichtigen, nicht streuenden Kunststoff, auf, der von dem Licht der Lichtquelle, beispielsweise einer LED, durchstrahlt wird. In dem Grundkörper ist mindestens eine totalreflektierende Fläche ausgebildet. Lichtstrahlen, die in den Grundkörper eingestrahlt werden, treffen mindestens eine, oder auch nacheinander mehrere totalreflektierende Flächen. Der Grundkörper kann aber auch andere Lichtstrahlen durchlassen, die keine totalreflektierende Fläche treffen.
  • Vorzugsweise sind in dem Grundkörper mehrere totalreflektierende Flächen ausgebildet. Der Grundkörper ist dabei nahtlos einteilig, d.h. einstückig. Er besteht vorzugsweise durchweg aus einem einheitlichen Material. An den Grundkörper können weitere Teile, z.B. durch Kleben, Schweißen, Klemmen oder sonstiger Befestigungsarten angebracht werden, wie beispielsweise Einfassungen, Abdeckungen, Schutzplatten, gegebenenfalls auch Streuelemente, Lichtkonversionselemente und dergleichen.
  • Die totalreflektierenden Flächen sind in das Volumen des Grundkörpers eingebettet. Vorzugsweise treten sie an keiner Stelle des Grundkörpers zutage. Sie können beispielsweise durch Lasergravur erzeugt worden sein. Z.B. können durch Lasergravur als totalreflektierende Flächen Spalten, Risse, spaltförmige Mikrokavitäten und dergleichen erzeugt werden. Diese Flächen haben jeweils begrenzte Abmessungen. Insbesondere sind solche Flächen die Wandungen lasererzeugter Spalten, an denen die Kontinuität des Grundkörpers unterbrochen ist. Es handelt sich bei den totalreflektierenden Spalten um zweidimensionale flächenhafte Elemente.
  • Der zur Erzeugung der Flächen herangezogene Laserstrahl kann in dem Volumen des Reflektors physikalische und/oder chemische Veränderungen hervorrufen, die letztendlich zu einer strukturellen Veränderung und der Ausbildung der gewünschten Fläche führen. Diese Strukturveränderung kann auf eine lokale Überhitzung zurückgehen. Durch die Einbettung der totalreflektierenden Fläche(en) in den Grundkörper wird deren dauerhafte Wirksamkeit sichergestellt. Eine Verschmutzung ist ausgeschlossen. Infolgedessen lassen sich auf diese Weise leicht Reflektoren erzeugen, deren Benutzungsdauer ohne weiteres der hohen Lebensdauer von LED-Lichtquellen angepasst ist. Dies ganz im Gegensatz zu anderen Reflektoren oder Linsen, wie z.B. Zonenlinsen, die, wenn sie verschmutzt sind, kaum zu reinigen und somit unbrauchbar sind.
  • Der erfindungsgemäße Reflektor weist vorzugsweise einen Grundkörper mit glatter Lichteintrittsfläche und/oder glatter Lichtaustrittsfläche auf. Im bevorzugten Falle sind Lichteintrittsfläche und Lichtaustrittsfläche eben ausgebildet. Damit kann der durchsichtige Grundkörper als ebene Platte ausgebildet sein, in der eine oder mehrere totalreflektierende Flächen in einem gewünschten Muster angeordnet sind, um für eine oder mehrere LED-Lichtquellen eine gewünschte Lichtverteilung, Lichtbündelung, Lichtaufweitung oder Lichtstreuung zu bewirken. Der Grundkörper kann aber auch, z.B. herstellungsbedingt, eine wellige Lichteintrittsfläche und/oder Lichtaustrittsfläche aufweisen. Bei der Erzeugung der einzelnen totalreflektierenden Flächen kann z.B. durch Computersteuerung des gravierenden Laserstrahls die Anordnung und/oder Verteilung, Neigung, Größe, Form usw. der totalreflektierenden Flächen so festgelegt werden, dass die Welligkeit der Lichteintrittsfläche und/oder Lichtaustrittsfläche kompensiert wird, also die gewünschte Lichtverteilung nicht nachteilig beeinflusst.
  • Die totalreflektierende Fläche ist vorzugsweise eine ebene Fläche. Sie kann jedoch auch eine gewisse Wölbung oder auch Krümmung aufweisen. Vorzugsweise wird der gewünschte Reflektor durch eine Vielzahl facettenartiger totalreflektierender Flächen gebildet, die in einem die gewünschte Lichtverteilung ergebenden Muster in dem Grundkörper angeordnet sind. Durch die Verteilung, Form, Krümmung, Anordnung und Neigung der einzelnen Facetten, d.h. totalreflektierenden Flächen, lässt sich nahezu jede gewünschte Lichtverteilung von der Bündelung zu einem parallelen Strahl bis hin zu einer flächenhaften Lichtverteilung mit gleichmäßiger oder nach einem Muster vorbestimmter Ausleuchtung einrichten.
  • Vorzugsweise sind die einzelnen totalreflektierenden Flächen entlang konzentrischer Kreise oder Spiralen angeordnet, deren Mittelpunkt die optische Achse bildet. Die LED ist dann vorzugsweise auf dieser optischen Achse angeordnet.
  • Es können für einen Grundkörper mehrere optische Achsen festgelegt werden, auf denen mehrere LEDs angeordnet sind. Um die jeweiligen optischen Achsen sind dann in geeignetem Muster die totalreflektierenden Flächen gruppiert, deren Anordnung, Größe und Neigung die gewünschte Lichtverteilung bestimmt.
  • Der erfindungsgemäße Reflektor kann im Durchlicht betrieben werden. Er weist an einer Seite eine Lichteintrittsfläche und z.B. an der gegenüberliegenden Seite oder auch an einer benachbarten Fläche eine Lichtaustrittsfläche auf. Die einzelnen totalreflektierenden Flächen sind gemäß einer ersten Familie von Ausführungsformen in dem Grundkörper so verteilt, dass Licht, das den Grundkörper in Richtung der optischen Achse durchstrahlt, die einzelnen totalreflektierenden Flächen in spitzem Winkel trifft und dadurch eine Ablenkung erfährt. Der Reflektor wirkt somit wie eine Linse, z.B. wie eine Sammellinse, wie eine Zerstreuungslinse oder wie eine sonstige Linse. Es ist aber bei einer zweiten Familie von Ausführungsformen auch möglich, den Reflektor so auszubilden, dass die Lichteintrittsfläche und die Lichtaustrittsfläche auf der gleichen Seite des Grundkörpers liegen, so dass der Reflektor wie ein Spiegel, z.B. wie ein Hohlspiegel, wirkt. Dies wird lediglich durch die Anzahl und Anordnung, sowie Form, Größe und Ausrichtung der einzelnen totalreflektierenden Flächen bestimmt. In einer dritten Familie von Ausführungsformen kann der Reflektor mit seitlicher Lichteinstrahlung betrieben werden. Seine optische Achse enthält einen Winkel. Z.B. kann der Reflektor als mehr oder weniger ebene Platte ausgebildet sein, die an einer oder an mehreren (z.B. relativ schmalen) Seitenflächen Licht von einer oder mehreren LED oder auch anderen Lichtquellen aufnimmt und durch eine großflächige rechteckige, quadratische, runde, polygonale, streifenförmige oder anderweitig geformte Lichtaustrittsfläche abgibt.
  • Anders als herkömmliche Linsen erzeugt die von dem erfindungsgemäßen Reflektor gebildete Linse jedoch keine farblichen Abberationen und ermöglicht somit die Beleuchtung von Objekten oder Räumen mit weißem Licht ohne Regenbogeneffekt.
  • Das erfindungsgemäße Konzept gestattet die Gestaltung verschiedenster Lichtbrechungsgeometrien durch Lasergravur eines massiven durchsichtigen Körpers, beispielsweise Glaskörpers und ist deshalb besonders anwendungsflexibel.
  • In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:
    • Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Reflektor mit einer LED als Lichtquelle und einer größeren Anzahl totalreflektierender Flächen nebst eingetragenem Strahlengang in schematisierter Darstellung,
    • Fig. 1a einen Ausschnitt aus dem Reflektor nach Figur 1 mit einer totalreflektierenden Fläche,
    • Fig. 2 den Reflektor nach Fig. 1 in einer Perspektivansicht,
    • Fig. 3 einen Reflektor mit mehreren optischen Achsen für ein Leuchtdiodenarray in schematisierter Seitenansicht,
    • Fig. 4 einen Reflektor mit Lichtkonversionselement oder Streukörper in schematisierter Seitenansicht und
    • Fig. 5 einen als Spiegel dienenden Reflektor der erfindungsgemäßen Bauart in schematisierter Seitenansicht.
  • Fig. 1 veranschaulicht einen erfindungsgemäßen Reflektor 10, der dazu dient, das Licht einer Leuchtdiode 11 in gewünschter Weise zu bündeln, bzw. zu verteilen. Der Reflektor 10 arbeitet dabei äußerlich wie eine Linse. Er weist eine Lichteintrittsfläche 12 und eine Lichtaustrittsfläche 13 auf, die an voneinander wegweisenden Seiten des vorzugsweise als flache ebene Platte ausgebildeten Reflektors 10 angeordnet sind. Bedarfsweise können jedoch die Lichteintrittsfläche und/oder die Lichtaustrittfläche 13 auch strukturiert sein, beispielsweise gewölbt oder auch mit anderen Strukturen versehen sein. Die ebene Bauform ist jedoch besonders leicht zu reinigen und erleichtert die Herstellung erheblich.
  • Der Reflektor 10 weist einen Grundkörper 14 aus einem möglichst klaren durchsichtigen Material, z.B. Mineralglas, Quarzglas, keramischem Glas, Acrylglas oder einem sonstigen durchsichtigen Kunststoff auf.
  • In dem Grundkörper 14 sind vorzugsweise in großer Zahl totalreflektierende Flächen 15 ausgebildet. Vorzugsweise liegen diese, wie dargestellt, innerhalb einer Zone 16, die von der Lichteintrittsfläche 12 in einem konstanten Abstand angeordnet ist. Ebenso ist die Zone 16 vorzugsweise von der Lichtaustrittsfläche 13 konstant beabstandet. Die totalreflektierenden Flächen 15 haben vorzugsweise in Richtung der optischen Achse 17 eine konstante Ausdehnung, so dass die Zone 16 eine konstante Dicke aufweist. Es sei aber darauf hingewiesen, dass es auch gewünscht und zweckmäßig sein kann, die Zone 16 räumlich abweichend auszubilden, so dass sie z.B. gewölbt ist und z.B. zu ihren Rändern, d.h. mit zunehmendem Abstand von der optischen Achse in ihrer Dicke zu- oder abnimmt.
  • Die totalreflektierenden Flächen 15 sind, wie insbesondere auch Fig. 2, vorzugsweise auf einer Spirale oder konzentrischen Kreisen um die optische Achse 17 herum gruppiert um jedem von der Leuchtdiode 11 ausgehenden, durch die Lichteintrittsfläche hindurchtretenden Lichtstrahl durch Totalreflexion eine gewünschte Winkelablenkung zu geben.
  • Die totalreflektierenden Flächen 15 sind, wie ersichtlich, in Radialrichtung dicht gestaffelt. Der Abstand zwischen benachbarten totalreflektierenden Flächen 15 ist dabei vorzugsweise so gering, dass zwischen ihnen beiden kein von der LED 11 ausgehender Lichtstrahl unreflektiert hindurch gehen kann. In Fig. 1 ist dies am Beispiel der totalreflektierenden Flächen 15a, 15b veranschaulicht.
  • Die totalreflektierenden Flächen 15 können beispielsweise durch Lasergravur in dem massiven ungeteilten Grundkörper 14 ausgebildet werden. Fig. 1a veranschaulicht die totalreflektierende Fläche 15a als Beispiel. Wie ersichtlich, ist in dem Grundkörper 14 ein spaltartiger Hohlraum geschaffen, der von zwei Grenzflächen 18, 19 begrenzt wird. Das Innere des Hohlraums ist leer (Vakuum) oder durch ein, z.B. gasförmiges, Glaszersetzungsprodukt gefüllt. Es ist auch möglich, dass es durch eine entstandene Flüssigkeit oder auch ein festes Material gefüllt ist, das durch die Einwirkung des zur Herstellung genutzten fokussierten Laserstrahls entstanden ist, wobei es selbst durchsichtig ist, dabei aber einen anderen, vorzugsweise geringeren Brechungsindex aufweist, als das Material des umgebenden Grundkörpers 14. Auf diese Weise erfährt unter einem großen Winkel auf die Grenzfläche 19 auftreffendes Licht eine Totalreflexion.
  • Unabhängig von Größe, Form sowie physikalischen und/oder chemischen Beschaffenheit der totalreflektierenden Flächen 15 sind diese in dem Grundkörper 19 so angeordnet, dass alle Lichtstrahlen, die von der Leuchtdiode 11 ausgehen, unter einem Winkel auf die jeweiligen der totalreflektierenden Fläche 15 auftreffen, der größer ist als der zur Herbeiführung der Totalreflexion notwendige Grenzwinkel α. Zum Verständnis ist in Fig. 1 die Flächennormale 20 der totalreflektierenden Fläche 19 eingetragen. Der Winkel α ist derjenige Winkel, bei dem ein einfallender Lichtstrahl gerade noch Totalreflexion erfährt. Kleinere Winkel führen nicht mehr zur Totalreflexion. Wie ersichtlich, ist der Winkel, den der einfallende Lichtstrahl 21 mit der Flächennormalen 20 einschließt, größer als der Winkel α. Diese Bedingung ist für alle Lichtstrahlen eingehalten, wie Fig. 1 zeigt.
  • Wie Fig. 1 weiter zeigt, kann die Zone 16 Lücken aufweisen. Beispielsweise ist um die optische Achse 17 herum eine mittlere Zone freigelassen, in der das Licht der Leuchtdiode 11 ohne Totalreflexion durch den Grundkörper 14 treten kann. Durch derartige Maßnahmen lässt sich wiederum eine gewünschte Lichtverteilung, beispielsweise mit spotartigem Lichtfleck und weichem Randübergang erreichen. Der in soweit beschriebene Reflektor 10 arbeitet wie leicht ersichtlich äußerlich wie eine Linse. Er kann dabei sehr dünn aufgebaut sein. Seine notwendige Dicke ist unwesentlich größer als die der Zone 16. Es ist deshalb möglich, voluminöse Sammellinsen durch relativ flache Platten erfindungsgemäßer Bauart zu ersetzen. Außerdem ist durch eine entsprechende Ausrichtung der einzelnen totalreflektierenden Flächen 15 nahezu jede gewünschte Lichtverteilung erzielbar, ohne von der flächigen Bauform des Reflektors 10 abweichen müssen. Die einzelnen totalreflektierenden Flächen 15 werden beispielsweise durch einen Laserbearbeitungsschritt mit einem computergesteuerten Laser erzeugt, wobei zur Abwandlung der zur erzeugenden Lichtverteilung und somit Anordnung der Fläche 15 lediglich der den Rechner steuernde Datensatz geändert werden muss. Es ist somit eine flexible Lichtgestaltung möglich.
  • Eine abgewandelte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reflektors geht aus Figur 3 hervor. Der dort veranschaulichte Reflektor 10 weist mehrere optische Achsen 17a, 17b auf, denen Leuchtdioden 11a, 11b zugeordnet sind. Der Reflektor 10 enthält wiederum eine Anzahl totalreflektierender Flächen 15 in seinem Grundkörper 14, wobei diese totalreflektierenden Flächen 15 in einer ersten Gruppe der Leuchtdiode 11a und einer zweiten Gruppe der Leuchtdiode 11b zugeordnet sind. Die Flächen 15 der Leuchtdiode 11a sind um die optische Achse 17a herum gruppiert, während die Flächen 15 der Leuchtdiode 11b um die optische Achse 17b herum gruppiert sind. Mit diesem Konzept lassen sich flächenhafte Lichtquellen erzeugen, Lichtverteilung einen konzentrierten begrenzten Lichtfleck bildet (Spot).
  • Figur 4 veranschaulicht schematisch eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Soweit die Leuchtdiode 11 und der Grundkörper 14 betroffen sind, wird auf die Beschreibung verwiesen, soweit sie zu den Figuren 1, 1a und 2 gegeben worden ist. Zusätzlich ist der Grundkörper 14 hier mit einem weiteren optischen Element 23 versehen. Dieses kann zum Beispiel auf der Lichtaustrittsfläche 13 angebracht sein. Es kann sich bei dem optischen Element 23 zum Beispiel um eine Platte oder Schicht handeln, in die Streukörper eingebettet sind, beispielsweise um diffuses Licht zu erzeugen. Es kann sich auch um eine Schicht oder Platte handeln, in die alternativ oder zusätzlich Lichtkonversionspartikel eingebettet sind. Auch können teilweise lichtabsorbierende oder lichtreflektierende Elemente wie beispielsweise undurchsichtige Metallfolien auf oder in dem optischen Element 23 angeordnet sein beispielsweise um dekorative Effekte oder Signaleffekte zum Beispiel für Hinweisschilder zu erzielen.
  • Anstelle des optischen Elements 23 können auch lichtstreuende Objekte in den Grundkörper 14 eingebracht sein, beispielsweise in Form lichtstreuender durch Lasergravur erzeugter Punkte. Auf diese Weise kann eine gleichmäßige diffuse Lichtverteilung erzeugt werden.
  • Weiter ist es möglich, den Reflektor 10 als Spiegel einzusetzen, wie es in Figur 5 symbolisch veranschaulicht ist. Hierbei sind die Lichteintrittsfläche 12 und die Lichtaustrittsfläche 13 auf der gleichen Seite des Grundkörpers 14 angeordnet. In dem Grundkörper 14 sind wiederum totalreflektierende Flächen 15 angeordnet. Bedarfsweise kann eine zweite Gruppe totalreflektierender Flächen 24 vorgesehen sein oder auch weitere Gruppen wenn die Lichtstrahlen auf ihrem Weg von der Leuchtdiode 11 zu der Lichtaustrittsfläche 13 nicht nur ein, sondern zwei oder mehrmals totalreflektiert werden sollen.
  • Mit diesem Konzept lassen sich weitere Anwendungsfelder erschließen. Beispielsweise kann ein solcher Reflektor zur indirekten Raumbeleuchtung eingesetzt werden, wenn er beispielsweise schwebend vor einer Wand mit Lichtaustrittsfläche 13 zur Wand hin montiert wird. Die dem Betrachter zugewandte Seite 25 kann dann dunkel bleiben. Es ist aber auch möglich, von der Leuchtdiode 11 ausgehendes Licht teilweise aus der Seite 25 austreten zu lassen, beispielsweise wenn die totalreflektierenden Flächen 15 Lücken 26 lassen, durch die Licht hindurch treten kann.
  • Auch dieses Licht kann wiederum durch weitere totalreflektierende Flächen wie gewünscht in den Raum gerichtet werden, beispielsweise abwärts um Blendeffekte zu vermeiden. Durch die Kleinheit, die große Anzahl und die flexible räumliche Einrichtung der einzelnen totalreflektierenden Flächen 15, 24 sowie gegebenenfalls weiterer, lassen sich mit dem Reflektor 10 aus einer punktartigen Lichtquelle nahezu beliebige Lichtverteilungsmuster erzeugen, die zu dekorativen Zwecken oder zu Beleuchtungszwecken einsetzbar sind. Der Grundkörper 14 kann plattenartig mit rechteckiger oder quadratischer Umrandung rund, oval oder in sonstiger Form ausgebildet sein. Das vorgestellte Konzept ist hier in nahezu jeder Hinsicht variabel anpassbar.
  • Letzteres wird durch ein in Figur 6 veranschaulichtes Ausführungsbeispiel veranschaulicht. Es beruht auf dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1, auf deren Beschreibung hier verwiesen wird. Der Reflektor 10 nach Figur 6 weist in dem achsennahen Bereich um die optische Achse 17 herum totalreflektierende Flächen 15c auf, die den unmittelbaren Lichtdurchtritt und daraus resultierende Blendwirkungen verhindern. Die Flächen 15c reflektieren das Licht ungefähr radial nach außen. Dort sind weitere totalreflektierende Flächen 15d angeordnet, die das Licht nochmals reflektieren und durch die Lichtaustrittsfläche 13 austreten lassen.
  • Das erfindungsgemäße Konzept ist nicht darauf beschränkt, dass die Lichteintrittsfläche 12 und die Lichtaustrittsfläche 13 an voneinander weg weisenden Seiten des Grundkörpers 14 angeordnet sind. Wie Figur 7 veranschaulicht, kann die Lichteintrittsfläche 12 auch durch eine oder mehrere Seitenflächen des Grundkörpers 14 gebildet sein. An der Lichteintrittsfläche 12 oder auch in einem Abstand zu dieser können eine oder mehrere Lichtquellen, z.B. LEDs 11 angeordnet sein, die Licht in den Grundkörper einstrahlen. In dem Grundkörper 14 sind wiederum durch Totalreflektion spiegelnde Flächen 15 angeordnet, die das Licht aus der vorzugsweise ebenen Lichtaustrittsfläche 13 austreten lassen. Die totalreflektierenden Flächen 15 sind möglichst so verteilt, geformt, angeordnet, dass aus der Lichtaustrittsfläche 13 das Licht mit der gewünschten Ausrichtung und Verteilung austritt. Dazu können alle vorbeschriebenen Maßnahmen genutzt werden, die vorstehend im Zusammenhang mit den andern Ausführungsformen beschrieben worden sind.
  • Erfindungsgemäß werden durch Lasergravur oder andere geeignete Bearbeitungstechniken in einem durchsichtigen Grundkörper 14 totalreflektierende Fassetten oder Flächen 15 erzeugt, die vorzugsweise vollkommen in den Grundkörper 14 eingebettet sind und dessen Oberfläche nicht erreichen oder berühren. Sie sind deshalb äußeren Umwelteinflüssen entzogen. Durch Form, Anzahl, Verteilung und Ausrichtung der totalreflektierenden Flächen lassen sich Reflektoren mit Linseneigenschaften, mit Spiegeleigenschaften oder gemischten Eigenschaften erzeugen. Mischlicht erfährt durch die Totalreflexion keine spektrale Aufspaltung. Dadurch lassen sich für die einzelnen Lichtstrahlen auch sehr große Winkelablenkungen erzielen, ohne dass es zu unerwünschten Regenbogeneffekten kommt.
    • Bezugszeichenliste:
    • 10
    Reflektor
    11, 11a, 11b
    Leuchtdiode
    12
    Lichteintrittsfläche
    13
    Lichtaustrittsfläche
    14
    Grundkörper
    15, 15a, 15b
    Totalreflektierende Flächen
    16
    Zone
    17, 17a, 17b
    Optische Achse
    18
    Erste Grenzfläche
    19
    Zweite Grenzfläche
    20
    Flächennormale
    A
    Winkel
    21
    Einfallender Lichtstrahl
    22
     
    23
    Optisches Element
    24
    Totalreflektierende Flächen
    25
    Seite

Claims (10)

  1. Reflektor (10), insbesondere für Beleuchtungszwecke,
    mit einem durchsichtigen Grundkörper (14), in dessen Volumen mindestens eine totalreflektierende Fläche (15) ausgebildet ist.
  2. Reflektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (14) eine glatte Lichteintrittsfläche (12) aufweist.
  3. Reflektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (14) eine glatte Lichtaustrittsfläche (13) aufweist.
  4. Reflektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (14) eine Lichteintrittsfläche (12) und eine Lichtaustrittsfläche (13) aufweist, von denen mindestens eine als ebene Fläche ausgebildet ist.
  5. Reflektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (14) eine optische Achse (17) festlegt, die senkrecht auf einer Lichteintrittsfläche (12) und/oder auf einer Lichtaustrittsfläche (13) steht und dass die totalreflektierende Fläche (15) zu der optischen Achse (17) geneigt angeordnet ist.
  6. Reflektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die totalreflektierende Fläche (15) eine Grenzfläche (18, 19) aufweist.
  7. Reflektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die totalreflektierende Fläche (15) eine ebene Fläche oder eine Fläche mit definierter Krümmung ist.
  8. Reflektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Volumen des Grundkörpers (14) eine Anzahl radial gestaffelter totalreflektierender Flächen (15) angeordnet ist.
  9. Reflektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Volumen des Grundkörpers (14) eine Anzahl von totalreflektierenden Flächen (15) angeordnet ist, die entlang konzentrischer Kreise oder auf Spiralen angeordnet sind.
  10. Reflektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Volumen des Grundkörpers (14) eine Anzahl von totalreflektierenden Flächen (15) angeordnet ist, die mit der optischen Achse (17) unterschiedliche Winkel einschließen.
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