EP4264116A1 - Kollimator und tragbare leuchte - Google Patents

Kollimator und tragbare leuchte

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EP4264116A1
EP4264116A1 EP22714109.0A EP22714109A EP4264116A1 EP 4264116 A1 EP4264116 A1 EP 4264116A1 EP 22714109 A EP22714109 A EP 22714109A EP 4264116 A1 EP4264116 A1 EP 4264116A1
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EP
European Patent Office
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light
collimator
section
exit surface
cross
Prior art date
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Pending
Application number
EP22714109.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Oliver Dross
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Ledlenser GmbH and Co KG
Original Assignee
Ledlenser GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Ledlenser GmbH and Co KG filed Critical Ledlenser GmbH and Co KG
Publication of EP4264116A1 publication Critical patent/EP4264116A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Definitions

  • the invention relates to a collimator for collimating light by means of a plurality of optical surfaces, each of which forms optical boundary surfaces with a change in optical density, the collimator having an essentially planar light entry surface, a convex light exit surface and a totally reflecting side wall which connects the light entry surface to the light exit surface connects.
  • the invention relates to a portable lamp with such a collimator.
  • Collimators for collimating light are known in particular in connection with portable or mobile lights according to the prior art, with the various collimators having different geometries for different areas of application.
  • Lenses with a planar or concave light entry surface and a convex light exit surface are known, for example.
  • TIR collimators So-called total internal reflection collimators (TIR collimators) are also known, which have a converging lens and a reflector part that completely surrounds the converging lens.
  • the light entry surface of such a TIR collimator is usually divided into two sections, namely a planar, convex or concave light entry surface of the converging lens and an essentially cylindrical light entry surface of the reflector part.
  • the central converging lens and the reflector part also have different light exit surfaces, which is why TIR collimators usually have a complex geometry.
  • straight-walled light guides which are designed in the shape of a truncated cone in cross section with a flat light entry surface and a flat light exit surface.
  • So-called compound parabolic concentrator collimators CPC collimators
  • CPC collimators have a geometry comparable to a straight-walled light guide, which also have a flat light entry surface and a flat light exit surface, but whose side walls are convex.
  • DTIR collimators dielectric total internal reflection collimators
  • DTIR collimators have a light exit surface that is completely convex.
  • An ideal light distribution is understood to mean a light distribution that has a substantially constant or homogeneous light intensity within a definable light cone, that is free of reflections, lines and other rings with a locally deviating light intensity and that has a clearly defined edge. Outside the edge and therefore outside the intended light distribution, the light intensity should, if possible, disappear completely.
  • the light exit surface of the claimed DTIR collimator has refractive structures.
  • the refractive structures on the light exit surface of the DTIR collimator mean that each light beam leaves the light exit surface with a small cone angle, which is small compared to the cone angle of the entire light distribution. This does not enlarge the light cone of the entire light distribution, but it does local intensity maxima are effectively prevented which would otherwise be recognizable as undesired local intensity maxima and/or intensity minima, for example in the form of rings, lines or other reflections without a definable geometry.
  • the light-refracting structures thus cause the light to be mixed within the light cone, which is why an essentially constant or homogeneous light intensity results within the light cone and therefore within the desired light distribution both in the near range and in the far range.
  • the arrangement of the microlenses on the light exit surface of a claimed DTIR collimator results in a collimator with a comparatively compact design, which is also associated with a small light exit surface compared to known collimators. Furthermore, the collimator according to the invention is advantageously essentially etendue-limited.
  • a first advantageous embodiment of the invention provides for the light-refracting structures to be in the form of concave and/or convex microlenses or as diffuse light-refracting structures.
  • the geometry, number, arrangement and density of concave and/or convex microlenses can be arranged on the light exit surface of the collimator in such a way that a homogeneous light distribution within the emitted light cone results, even taking into account the geometry of the collimator and the light source used. It is preferably provided that the microlenses are spherical or aspherical and are preferably arranged square, hexagonal, ring-shaped or phyllotaxially on the light exit surface of the collimator.
  • Such microlenses preferably have a diameter of 0.3 mm to 4 mm.
  • the essentially planar light entry surface is planar, convex or concavely curved.
  • this surface has a polygonal, square or round cross-section within the scope of an advantageous development of the invention.
  • the surfaces of the microlenses can be essentially the same, i.e. the sizes of the surfaces can essentially be the same as the average of the surfaces or not significantly deviate from it.
  • the radii of curvature of the microlenses can also be essentially identical.
  • the microlenses have a varying surface.
  • the surface size of each microlens correlates with the radius of curvature of the microlens under consideration in such a way that the radius of curvature increases with increasing surface size.
  • the radius of curvature is therefore proportional to the surface area of the microlens.
  • the surface sizes and the radii of curvature are preferably selected in such a way that all microlenses have a substantially equiangular rising flank at the transition to the envelope of the light exit surface. Smaller microlenses therefore have an identical surface inclination at the transitions to the envelope of the light exit surface compared to larger microlenses, which means that comparatively smaller microlenses make an identical contribution to light mixing.
  • the side wall of the collimator is at least partially concave, convex or flat in cross section, with a side wall with a concave cross section preferably being spherical, aspheric, hyperbolic, parabolic, elliptical or Cartesian-oval in shape, with the cross-sectional plane being the optical axis of the collimator contains.
  • the side wall can also have several areas with different curvatures, for example a lower area with a concave curvature, which merges into an area with a convex curvature via a turning point.
  • the light is completely reflected there within the collimator and, after a first and possibly a further total reflection, reaches the light exit surface, where the light leaves the collimator within a well-defined light cone via the light-refracting structures.
  • the refractive concave light exit surface is thus designed in such a way that both the direct light that reaches the light exit surface directly from the light entry surface and the light reflected on the side walls exit completely.
  • the light exit surface preferably has a spherical or aspherical curvature and is preferably round, polygonal or square in cross section.
  • a spherical light exit surface more precisely, a spherically designed enveloping surface of the light exit surface, preferably has a radius of curvature of 4 mm to 20 mm, preferably 3 mm to 7 mm, particularly preferably a radius of curvature of 5 mm to 6 mm.
  • the collimator In order to fasten the collimator within a lamp, in particular within a portable lamp, the collimator has a retaining edge which at least partially or completely surrounds the light exit surface.
  • the collimator can be made of different transparent materials, with the collimator preferably being made of polycarbonate (PC), polymethyl methacrylate (PMMA), glass, cyclo-olefin copolymer (COC), cyclo-olefin polymer (COP), polymethacrylmethylimide (PMMI) or silicone is made.
  • PC polycarbonate
  • PMMA polymethyl methacrylate
  • COC cyclo-olefin copolymer
  • COP cyclo-olefin polymer
  • PMMI polymethacrylmethylimide
  • silicone silicone
  • the collimator is the collimator of a portable lamp with a light source, in particular a flashlight or headlight
  • a preferred embodiment of the invention provides that there is a distance, in particular a distance, between the light source and the light entry surface of the collimator noh 0.1 mm to 0.5 mm, which is wide enough to ensure sufficient heat dissipation and is so narrow that the light reaches the light entry surface without any significant loss of power, where the light emitted by the light source is in the Essentially fully collimated. Provision is preferably made for the distance between the light entry surface of the collimator and the light source to be less than or equal to 0.2 times the width of the light source.
  • a particularly preferred embodiment of the invention provides that the geometry of the light source is matched to the geometry of the light entry surface in such a way that a) a light source with a square cross section has a light entry surface with a square cross section or b) a light source with a round cross section, a light entry surface with a round cross section or c) a light source with a polygonal cross section is assigned a light source with a corresponding polygonal cross section.
  • the geometry of the light entry surface is essentially independent of the geometry of the light exit surface, which can also be square, polygonal or round in plan view, but a correlation with the geometry of the light entry surface is not prescribed.
  • a round light exit surface can be assigned to a square light entry surface.
  • the light entry surface is designed to be planar or even.
  • the light entry surface has an area which is 1 to 2 times the area of the light source.
  • the light source has one or more light source elements, which preferably have a flat light exit surface. All of the light sources mentioned are preferably in the form of light-emitting diodes (LEDs). Accordingly, the light sources do not have a dome and are therefore designed without a dome. A cathedral is a spherical dome made of transparent plastic that covers the LED.
  • 1 is a cross-sectional view of a first collimator
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a second collimator
  • FIG. 5 shows different arrangements of microlenses
  • FIG. 6 shows a portable lamp with a collimator.
  • the collimator 1 shows a first concrete embodiment of a collimator 1 according to the invention in cross section.
  • the collimator 1 has a completely flat and square light entry surface 2 with a width Bi of 8.41 mm.
  • the light entry surface 2 merges directly into a light guide section with a square cross-section and a side wall 3 which, in the exemplary embodiment shown, has a lower region 31 with a concave curvature and an upper region 32 with a convex curvature.
  • the concave (lower) area 31 and the convex (upper) area 32 of the side wall 3 turning points 33 are formed along the peripheral line, at which points a tangent applied to the side wall 3 changes sides.
  • the collimator 1 has a convex-spherical light exit surface 4 whose envelope (shown in broken lines) has a radius of curvature Ri of 16.5 mm.
  • convex microlenses 5 with a radius of curvature R2 of 3.0 mm are arranged covering the entire area.
  • the light exit surface 4 is surrounded at least in sections by a holding edge 7 which has a thickness d of 1.96 mm and a diameter Di of 20 mm.
  • the light exit surface 4 has a diameter D2 of 14.1 mm at the transition to the holding edge 7 .
  • the collimator 1 has a width B2 of 14.0 mm.
  • the overall height H of the collimator 1 is 20.22 mm.
  • the collimator 1 are two Associated light source elements 61, 62, which together form a light source 6 and which are arranged at a slight distance from the light entry surface 2 such that the light emitted by the light source elements 61, 62 is almost completely coupled into the collimator 1.
  • the collimator 1 shows a second concrete embodiment of a collimator 1 according to the invention in cross section.
  • the collimator 1 has a completely flat and square light entry surface 2 with a width Bi of 2.64 mm.
  • the light entry surface 2 merges into a light guide section with a side wall 3, which is completely concave in the illustrated embodiment.
  • the radius of curvature of the side wall 3 is not constant in the exemplary embodiment shown and has a comparatively small radius of curvature in the lower region of the side wall 3, which becomes steadily larger towards the top, i.e. towards the light exit surface 4.
  • the collimator 1 has a convex spherical light exit surface 4, whose envelope (shown in broken lines) has a radius of curvature Ri of 4.95 mm.
  • Convex microlenses 5 with a radius of curvature R2 of 1.42 mm are arranged over the entire area on the light exit surface 4 .
  • the light exit surface 2 is surrounded at least in sections by a holding edge 7 which has a thickness d of 0.91 mm and a diameter Di of 10.9 mm.
  • the light exit surface 4 has a diameter D2 of 8.14 mm at the transition to the holding edge 7 .
  • the collimator 1 has a width B2 of 5.22 mm.
  • the overall height H of the collimator 1 is 7.71 mm.
  • the collimator 1 is assigned a light source 6 which is arranged at a slight distance from the light entry surface 2 in such a way that the light emitted by the light source 6 is coupled almost completely into the collimator 1 .
  • an imaginary tangential extension 11 of the side wall 3 intersects the light exit surface 4. This means that between the imaginary tangential extension 11 of the side wall 3 and a direct linear connection 12 of the edges of the light exit surface 4 and the side wall 3 creates a positive angle a. In the illustrated embodiment, the angle a is 40.1°. This advantageously reduces any losses in light output.
  • FIG. 3 shows a further embodiment of a collimator 1 according to the invention in a perspective view.
  • the collimator 1 has a square light entry surface 2 and a—in a top view—also square light exit surface 4, which, however, forms a convex spherical light exit surface 4 on the outside with microlenses 5 arranged to cover the entire surface.
  • the light entry surface 2 merges into a light guide section with the side wall 3 .
  • a holding edge 7 is arranged on two opposite sides of the collimator 1, so that the holding edge 7 only encompasses the collimator 1 in certain areas.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of a collimator 1 according to the invention with a square light entry surface 2 and a light exit surface 4 with a circular cross section, which is completely encompassed by an annular holding edge 7 .
  • the light entry surface 2 merges into a light guide section with the side wall 3 .
  • the light exit surface 4 is otherwise designed to be convex-spherical and has convex microlenses 5 covering the entire area.
  • the microlenses 5 can be arranged in different ways on the light exit surface 4 of a collimator 1 .
  • 5a, b, c and d show different and preferred arrangements of the microlenses 5, which can be adapted to the geometry of the collimator and to the intended light distribution as required.
  • Fig. 5a shows a square arrangement of the microlenses 5.
  • Fig. 5b shows a hexagonal arrangement of the microlenses 5.
  • An annular arrangement of the microlenses 5 is shown in Fig. 5c and finally Fig. 5d discloses a phyllotaxic arrangement of the microlenses 5.
  • a collimator 1 of the type described above is used as a collimator 1 for a portable lamp 8, in particular a flashlight 81, within the scope of a concrete embodiment of the invention.
  • Fig. 6 shows a schematic representation of the cross-sectional view of a flashlight 81 with a collimator 1, a light source 6, a housing 9 and a power supply mounted therein in the form of an accumulator 10.
  • the accumulator 10 is connected to control electronics (not shown) with which the instantaneous light output of the light source 6 can be controlled automatically or manually.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kollimator (1) zur Kollimierung von Licht mittels mehrerer optischer Flächen, die jeweils optische Grenzflächen mit einer Änderung der optischen Dichte bilden, wobei der Kollimator (1) eine im wesentlichen ebene Lichteintrittsfläche (2), eine konvexe Lichtaustrittsfläche (4) und eine totalreflektierende Seitenwandung (3) besitzt, die die Lichteintrittsfläche (2) mit der Lichtaustrittfläche (4) verbindet. Ferner betrifft die Erfindung eine tragbare Leuchte mit einem solchen Kollimator. Um einen Kollimator und eine tragbare Leuchte mit einem Kollimator vorzuschlagen, der eine verbesserte Lichtverteilung schafft, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Lichtaustrittsfläche des Kollimators lichtbrechende Strukturen (5) aufweist.

Description

Kollimator und tragbare Leuchte
Die Erfindung betrifft einen Kollimator zur Kollimierung von Licht mittels mehrerer optischer Flächen, die jeweils optische Grenzflächen mit einer Änderung der optischen Dichte bilden, wobei der Kollimator eine im wesentlichen ebene Lichteintrittsfläche, eine konvexe Lichtaustrittsfläche und eine totalreflektierende Seitenwandung besitzt, die die Lichteintrittsfläche mit der Lichtaustrittfläche verbindet.
Ferner betrifft die Erfindung eine tragbare Leuchte mit einem solchen Kollimator.
Kollimatoren zur Kollimierung von Licht sind insbesondere im Zusammenhang mit tragbaren bzw. mobilen Leuchten nach dem Stand der Technik bekannt, wobei die verschiedenen Kollimatoren für unterschiedliche Anwendungsbereiche verschiedene Geometrien besitzen.
Bekannt sind beispielsweise Linsen mit einer planen oder konkaven Lichteintrittsfläche und einer konvexen Lichtaustrittsfläche.
Ferner sind sog. Total-Internal-Reflection-Kollimatoren (TIR-Kollimatoren) bekannt, die eine Sammellinse und einen Reflektorteil aufweisen, der die Sammellinse vollständig umgreift. Die Lichteintrittsfläche eines solchen TIR-Kollimators ist in der Regel in zwei Abschnitte unterteilt, nämlich in eine plane, konvexe oder konkave Lichteintrittsfläche der Sammellinse und in eine im Wesentlichen zylinderförmige Lichteintrittsfläche des Reflektorteils. Die zentrale Sammellinse und der Reflektorteil besitzen zudem unterschiedliche Lichtaustrittsflächen, weshalb TIR-Kollimatoren in der Regel eine komplexe Geometrie aufweisen.
Darüber hinaus sind geradwandige Lichtleiter bekannt, die im Querschnitt kegelstumpfförmig mit einer ebenen Lichteintrittsfläche und einer ebenen Lichtaustrittsfläche ausgebildet sind. Eine zu einem geradwandigen Lichtleiter vergleichbare Geometrie weisen sog. Compound-Parabolic-Concentrator-Kollimatoren (CPC-Kollimatoren) auf, die zwar ebenfalls eine ebene Lichteintrittsfläche und eine ebene Lichtaustrittsfläche aufweisen, deren Seitenwandung allerdings konvex ausgebildet ist.
Schließlich sind gattungsgemäße Kollimatoren als sog. Dielectric-Total-Internal- Reflection-Kollimator (DTIR-Kollimator) bekannt. In Abgrenzung zu den bekannten Lichtleitern sowie zu CPC-Kollimatoren weisen DTIR-Kollimatoren eine Lichtaustrittsfläche auf, die vollständig konvex ausgebildet ist.
Die bekannten Kollimatoren erlauben zwar die Kollimierung von Licht, allerdings wurde eine ideale Lichtverteilung bislang noch nicht erreicht. Dabei wird unter einer idealen Lichtverteilung eine Lichtverteilung verstanden, die innerhalb eines vorgebbaren Lichtkegels eine im wesentlichen konstante bzw. homogene Lichtintensität aufweist, die frei von Reflexen, Linien und sonstigen Ringen mit einer lokal abweichenden Lichtintensität ist und einen klar definierten Rand aufweist. Außerhalb des Randes und mithin außerhalb der beabsichtigten Lichtverteilung soll die Lichtintensität nach Möglichkeit vollständig verschwinden.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kollimator und eine tragbare Leuchte mit einem Kollimator vorzuschlagen, der eine verbesserte Lichtverteilung schafft.
Diese Aufgabe wird durch den Kollimator nach Anspruch 1 und die tragbare Leuchte nach Anspruch 12 gelöst.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Lichtaustrittsfläche des anspruchsgemäßen DTIR-Kollimators lichtbrechende Strukturen aufweist. Die lichtbrechenden Strukturen auf der Lichtaustrittsfläche des DTIR-Kollimators führen dazu, dass jedes Lichtbündel die Lichtaustrittsfläche mit einem kleinen Kegelwinkel verlässt, der jedoch klein im Vergleich zum Kegelwinkel der gesamten Lichtverteilung ist. Hierdurch wird der Lichtkegel der gesamten Lichtverteilung nicht vergrößert aber lokale Intensitätsmaxima werden wirksam verhindert, die anderenfalls als unerwünschte lokale Intensitätsmaxima und/oder Intensitätsminima beispielsweise in Form von Ringen, Linien oder sonstigen Reflexen ohne eine definierbare Geometrie erkennbar sind. Die lichtbrechenden Strukturen bewirken somit eine Durchmischung des Lichts innerhalb des Lichtkegels, weshalb sich innerhalb des Lichtkegels und mithin innerhalb der gewünschten Lichtverteilung eine im wesentlichen konstante bzw. homogene Lichtintensität sowohl im Nahbereich als auch im Fernbereich ergibt.
Durch die Anordnung der Mikrolinsen auf der Lichtaustrittsfläche eines anspruchsgemäßen DTIR-Kollimators ergibt sich ein Kollimator mit einer vergleichsweise kompakten Bauform, was auch im Vergleich zu bekannten Kollimatoren mit einer kleinen Lichtaustrittsfläche verbunden ist. Ferner ist der erfindungsgemäße Kollimator vorteilhafter weise im Wesentlichen Etenduelimitiert.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend und in den Unteransprüchen beschrieben.
Im Rahmen einer ersten vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die lichtbrechenden Strukturen als konkave und/oder konvexe Mikrolinsen oder als diffus lichtbrechende Strukturen ausgebildet sind. Konkave und/oder konvexe Mikrolinsen können in ihrer Geometrie, Anzahl, Anordnung und Dichte so auf der Lichtaustrittsfläche des Kollimators angeordnet sein, dass sich auch unter Berücksichtigung der Geometrie des Kollimators und der verwendeten Lichtquelle eine homogene Lichtverteilung innerhalb des abgestrahlten Lichtkegels ergibt. Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Mikrolinsen sphärisch oder asphärisch ausgebildet sind und vorzugsweise quadratisch, hexagonal, ringförmig oder phyllotaxisch auf der Lichtaustrittsfläche des Kollimators angeordnet sind. Im Rahmen von sphärischen Mikrolinsen ist vorzugsweise jeweils ein Krümmungsradius von 0,4 mm bis 6 mm, vorzugsweise von 0,75 mm bis 3 mm, besonders bevorzugt von 1 mm bis 2 mm vorgesehen. Derartige Mikrolinsen besitzen vorzugsweise einen Durchmesser von 0,3 mm bis 4 mm. lm Rahmen einerweiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die im Wesentlichen ebene Lichteintrittsfläche eben, konvex oder konkav gekrümmt ist.
Unabhängig von der Krümmung der Lichteintrittsfläche ist diese im Rahmen einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung im Querschnitt polygonal, quadratisch oder rund ausgebildet.
Die Oberflächen der Mikrolinsen können im Rahmen einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung im Wesentlichen gleich sein, d.h., dass die Größen der Oberflächen im Wesentlichen dem Durchschnitt der Oberflächen gleichen oder hiervon nicht nennenswert abweichen. Bei einer derartigen Ausgestaltung können auch die Krümmungsradien der Mikrolinsen im Wesentlichen identisch sein.
Alternativ ist im Rahmen einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Mikrolinsen eine variierende Oberfläche aufweisen. Dabei korreliert die Oberflächengröße jeder Mikrolinse in der Weise mit dem Krümmungsradius der betrachteten Mikrolinse, dass sich der Krümmungsradius mit zunehmender Oberflächengröße vergrößert. Der Krümmungsradius verhält sich somit proportional zur Oberflächengröße der Mikrolinse. Vorzugsweise sind die Oberflächengrößen und die Krümmungsradien derart gewählt, dass alle Mikrolinsen eine im Wesentlichen äquiangulare Anstiegsflanke am Übergang zur Einhüllenden der Lichtaustrittsfläche besitzen. Damit weisen kleinere Mikrolinsen an den Übergängen zur Einhüllenden der Lichtaustrittsfläche im Vergleich zu größeren Mikrolinsen eine identische Oberflächenneigung auf, womit vergleichsweise kleinere Mikrolinsen einen identischen Beitrag zur Lichtmischung liefern.
In vorteilhafter Weise ist die Seitenwandung des Kollimators im Querschnitt zumindest abschnittsweise konkav, konvex oder eben ausgebildet, wobei eine im Querschnitt konkav ausgebildete Seitenwandung vorzugsweise sphärisch, asphärisch, hyperbolisch, parabolisch, elliptisch oder kartesisch-ovalförmig ausgebildet ist, wobei die Querschnittsebene die optische Achse des Kollimators enthält. Die Seitenwandung kann im Rahmen einer vorteilhaften Weiterbildung auch mehrere Bereiche mit einer unterschiedlichen Krümmung aufweisen, beispielsweise einen unteren Bereich mit einer konkaven Krümmung, der über eine Wendestelle in einen Bereich mit einer konvexen Krümmung übergeht. Unabhängig von der konkreten Ausgestaltung der Seitenwandung wird das Licht dort innerhalb des Kollimators vollständig reflektiert und gelangt nach einer ersten und ggf. einer weiteren Totalreflektion zur Lichtaustrittsfläche, wo das Licht über die lichtbrechenden Strukturen den Kollimator innerhalb eines wohl definierten Lichtkegels verlässt. Die refraktive konkave Lichtaustrittsfläche ist somit derart ausgestaltet, dass sowohl das direkte Licht, das von der Lichteintrittsfläche unmittelbar zur Lichtaustrittsfläche gelangt, als auch das an den Seitenwandungen reflektierte Licht vollständig austritt. Die Lichtaustrittsfläche besitzt dabei vorzugsweise eine sphärische oder asphärische Krümmung und ist im Querschnitt vorzugsweise rund, polygonal oder quadratisch ausgebildet. Eine sphärische Lichtaustrittsfläche, genauer gesagt, eine sphärisch ausgestaltete einhüllende Fläche der Lichtaustrittsfläche, besitzt dabei vorzugsweise einen Krümmungsradius von 4 mm bis 20 mm, vorzugsweise von 3 mm bis 7 mm, besonders bevorzugt einen Krümmungsradius von 5 mm bis 6 mm.
Zur Befestigung des Kollimators innerhalb einer Leuchte, insbesondere innerhalb einer tragbaren Leuchte, weist der Kollimator einen Halterand auf, der die Lichtaustrittsfläche zumindest teilweise oder vollständig umgreift.
Der Kollimator kann aus unterschiedlichen transparenten Materialien bestehen, wobei der Kollimator vorzugsweise aus Polycarbonat (PC), Polymethylmethacrylat (PMMA), Glas, Cyclo-Olefin-Copolymer (COC), Cyclo-Olefin-Polymer (COP), Polymethacrylmethylimid (PMMI) oder Silikon gefertigt ist.
Sofern der Kollimator der Kollimator einer tragbaren Leuchte mit einer Lichtquelle ist, insbesondere einer Taschenleuchte oder Stirnleuchte, ist nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass zwischen der Lichtquelle und der Lichteintrittsfläche des Kollimators ein Abstand besteht, insbesondere ein Abstand noh 0,1 mm bis 0,5 mm, der breit genug ist, um für eine hinreichende Wärmeabfuhr zu sorgen und so schmal ist, dass das Licht ohne nennenswerte Verlustleistung von der Lichtquelle bis zur Lichteintrittsfläche gelangt, wo das von der Lichtquelle abgestrahlte Licht im Wesentlichen vollständig kollimiert wird. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Abstand zwischen der Lichteintrittsfläche des Kollimators und der Lichtquelle kleiner oder gleich der 0,2-fachen Breite der Lichtquelle ist. In diesem Zusammenhang ist im Rahmen einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Geometrie der Lichtquelle auf die Geometrie der Lichteintrittsfläche derart abgestimmt ist, dass a) einer Lichtquelle mit einem quadratischen Querschnitt eine Lichteintrittsfläche mit einem quadratischen Querschnitt oder b) einer Lichtquelle mit einem runden Querschnitt eine Lichteintrittsfläche mit einem runden Querschnitt oder c) einer Lichtquelle mit einem polygonalen Querschnitt eine Lichtquelle mit einem korrespondierenden polygonalen Querschnitt zugeordnet ist. Hierdurch werden Verlustleistungen deutlich reduziert und die Abstrahlcharakteristik wird optimiert. Die Geometrie der Lichteintrittsfläche ist demgegenüber im Wesentlichen unabhängig von der Geometrie der Lichtaustrittsfläche, die in einer Draufsicht zwar ebenfalls quadratisch, polygonal oder rund ausgebildet sein kann, allerdings ist eine Korrelation mit der Geometrie der Lichteintrittsfläche nicht vorgeschrieben. Insofern kann einer quadratischen Lichteintrittsfläche eine runde Lichtaustrittsfläche zugeordnet sein. Bei alledem ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Lichteintrittsfläche plan bzw. eben ausgebildet ist. Ferner weist die Lichteintrittsfläche eine Fläche auf, die das 1 -fache bis 2-fache der Fläche der Lichtquelle beträgt.
Schließlich ist im Rahmen einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Lichtquelle eine oder mehrere Lichtquellenelemente aufweist, die vorzugsweise eine ebene Lichtaustrittsfläche besitzen. Alle genannten Lichtquellen sind vorzugsweise als Leuchtdioden (LED) ausgebildet. Demnach besitzen die Lichtquellen keinen Dom und sind daher domfrei ausgebildet. Ein Dom ist dabei eine sphärische Kuppel aus einem transparenten Kunststoff, die die LED bedeckt.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen und eine konkrete Ausgestaltung der Erfindung werden nachfolgend mit Bezug auf die Figuren erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines ersten Kollimators,
Fig. 2 eine Querschnittsansicht eines zweiten Kollimators,
Fig. 3,4 perspektivische Darstellungen zweier Kollimatoren,
Fig. 5 unterschiedlichen Anordnungen von Mikrolinsen und Fig. 6 eine tragbare Leuchte mit einem Kollimator.
Fig. 1 zeigt eine erste konkrete Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kollimators 1 im Querschnitt. Der Kollimator 1 weist eine vollständig ebene und quadratische Lichteintrittsfläche 2 mit einer Breite Bi von 8,41 mm auf. Die Lichteintrittsfläche 2 geht unmittelbar in einen im Querschnitt quadratischen Lichtleiterabschnitt mit einer eine Seitenwandung 3 über, die im dargestellten Ausführungsbeispiel einen unteren Bereich 31 mit einer konkaven Krümmung und einen oberen Bereich 32 mit einer konvexen Krümmung besitzt. Zwischen dem konkaven (unteren) Bereich 31 und dem konvexen (oberen) Bereich 32 der Seitenwandung 3 sind entlang der Umfangslinie Wendestellen 33 ausgebildet, bei denen eine an die Seitenwandung 3 angelegte Tangente die Seite wechselt. Der Kollimator 1 besitzt eine konvex-sphärische Lichtaustrittsfläche 4, deren Einhüllende (strichliniert dargestellt) einen Krümmungsradius Ri von 16,5 mm aufweist. Auf der Lichtaustrittsfläche 4 sind flächendeckend konvexe Mikrolinsen 5 mit einem Krümmungsradius R2 von 3,0 mm angeordnet. Die Lichtaustrittsfläche 4 wird zumindest abschnittsweise von einem Halterand 7 umgriffen, der eine Dicke d von 1,96 mm und einen Durchmesser Di von 20 mm besitzt. Die Lichtaustrittsfläche 4 besitzt am Übergang zu Halterand 7 einen Durchmesser D2 von 14,1 mm. Am Übergang zwischen dem Lichtleiterabschnitt mit der Seitenwandung 3 und dem Halterand 7 besitzt der Kollimator 1 eine Breite B2 von 14,0 mm. Die Gesamthöhe H des Kollimators 1 beträgt 20,22 mm. Dem Kollimator 1 sind zwei Lichtquellenelemente 61, 62 zugeordnet, die gemeinsam eine Lichtquelle 6 bilden und die in einer geringfügigen Beabstandung zur Lichteintrittsfläche 2 derart angeordnet sind, dass das von den Lichtquellenelementen 61 , 62 abgegebene Licht nahezu vollständig in den Kollimator 1 einkoppelt.
Fig. 2 zeigt eine zweite konkrete Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kollimators 1 im Querschnitt. Der Kollimator 1 besitzt eine vollständig ebene und quadratische Lichteintrittsfläche 2 mit einer Breite Bi von 2,64 mm. Die Lichteintrittsfläche 2 geht in eine Lichtleiterabschnitt mit einer Seitenwandung 3 über, die im dargestellten Ausführungsbeispiel vollständig konkav ausgebildet ist. Der Krümmungsradius der Seitenwandung 3 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel nicht konstant und weist im unteren Bereich der Seitenwandung 3 einen vergleichsweise geringen Krümmungsradius auf, der nach oben hin, d.h. zur Lichtaustrittsfläche 4 hin, stetig größer wird. Der Kollimator 1 besitzt eine konvex sphärische Lichtaustrittsfläche 4, deren Einhüllende (strichliniert gezeigt) einen Krümmungsradius Ri von 4,95 mm aufweist. Auf der Lichtaustrittsfläche 4 sind flächendeckend konvexe Mikrolinsen 5 mit einem Krümmungsradius R2 von 1,42 mm angeordnet. Die Lichtaustrittsfläche 2 wird zumindest abschnittsweise von einem Halterand 7 umgriffen, der eine Dicke d von 0,91 mm und einen Durchmesser Di von 10,9 mm aufweist. Die Lichtaustrittsfläche 4 besitzt am Übergang zum Halterand 7 einen Durchmesser D2 von 8,14 mm. Am Übergang zwischen dem Lichtleiterabschnitt mit der Seitenwandung 3 und dem Halterand 7 besitzt der Kollimator 1 eine Breite B2 von 5,22 mm. Die Gesamthöhe H des Kollimators 1 beträgt 7,71 mm. Dem Kollimator 1 ist eine Lichtquelle 6 zugeordnet, die in einer geringfügigen Beabstandung zur Lichteintrittsfläche 2 derart angeordnet ist, dass das von der Lichtquelle 6 abgegebene Licht nahezu vollständig in den Kollimator 1 einkoppelt.
Insbesondere bei dem Kollimator 1 nach Fig. 2 schneidet eine gedachte tangentiale Verlängerung 11 der Seitenwandung 3 die Lichtaustrittsfläche 4. Das bedeutet, dass zwischen der gedachten tangentialen Verlängerung 11 der Seitenwandung 3 und einer unmittelbaren linearen Verbindung 12 der Ränder der Lichtaustrittsfläche 4 sowie der Seitenwandung 3 ein positiver Winkel a entsteht. Bei der dargestellten Ausführungsform beträgt der Winkel a 40,1 °. Hierdurch werden etwaige Verluste der Lichtleistung in vorteilhafter weise reduziert.
Die Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kollimators 1 in perspektivischer Darstellung. Der Kollimator 1 besitzt eine quadratische Lichteintrittsfläche 2 und eine - in einer Draufsicht - ebenfalls quadratische Lichtaustrittsfläche 4, die jedoch nach außen hin eine konvex sphärische Lichtaustrittsfläche 4 mit darauf flächendeckend angeordneten Mikrolinsen 5 bildet. Die Lichteintrittsfläche 2 geht in einen Lichtleiterabschnitt mit der Seitenwandung 3 über. An zwei gegenüberliegenden Seiten des Kollimators 1 ist ein Halterand 7 angeordnet, so dass der Halterand 7 nur bereichsweise den Kollimator 1 umgreift.
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kollimators 1 mit einer quadratischen Lichteintrittsfläche 2 und einer im Querschnitt kreisförmigen Lichtaustrittsfläche 4, die vollständig von einemringförmigen Halterand 7 umgriffen ist. Die Lichteintrittsfläche 2 geht in einen Lichtleiterabschnitt mit der Seitenwandung 3 über. Die Lichtaustrittsfläche 4 ist im Übrigen konvex-sphärisch ausgestaltet und weist flächendeckend konvexe Mikrolinsen 5 auf.
Die Mikrolinsen 5 können in unterschiedlicher Weise auf der Lichtaustrittsfläche 4 eines Kollimators 1 angeordnet sein. Die Fig. 5a, b, c und d zeigen unterschiedliche und bevorzugte Anordnungen der Mikrolinsen 5, die bedarfsabhängig an die Geometrie des Kollimators und an die beabsichtigte Lichtverteilung angepasst werden können. Fig. 5a zeigt eine quadratische Anordnung der Mikrolinsen 5. Fig. 5b zeigt eine hexagonale Anordnung der Mikrolinsen 5. Eine ringförmige Anordnung der Mikrolinsen 5 ist in Fig. 5c gezeigt und schließlich offenbart Fig. 5d eine phyllotaxische Anordnung der Mikrolinsen 5. Ein Kollimator 1 der zuvor beschrieben Art wird im Rahmen einer konkreten Ausführungsform der Erfindung als Kollimator 1 für eine tragbare Leuchte 8, insbesondere eine Taschenleuchte 81 eingesetzt. Fig. 6 zeigt in schematischer Darstellung die Querschnittsansicht einer Taschenleuchte 81 mit einem Kollimator 1, einer Lichtquelle 6, einem Gehäuse 9 und einer hierin gelagerten Stromversorgung in Form eines Akkumulators 10. Der Akkumulator 10 ist mit einer (nicht dargestellten) Steuerelektronik verbunden, mit der die momentane Lichtleistung der Lichtquelle 6 automatisch oder manuell gesteuert werden kann.
Bezuqszeichen
1 Kollimator
2 Lichteintrittsfläche
3 Seitenwandung
31 unterer Bereich
32 oberer Bereich
33 Wendestelle
4 Lichtaustrittsfläche
5 Mikrolinse
6 Lichtquelle
61 Lichtquellenelement
62 Lichtquellenelement
7 Halterand
8 Leuchte
81 Taschenleuchte
9 Gehäuse
10 Akkumulator
11 tangentiale Verlängerung der Seitenwandung
12 lineare Verbindung a Winkel
Bi Breite der Lichteintrittsfläche
B2 Breite der Seitenwandung am Übergang zum Halterand d Dicke des Halterandes
Di Durchmesser des Halterandes
D2 Durchmesser der Lichtaustrittsfläche
H Höhe des Kollimators
Ri Krümmungsradius der Lichtaustrittsfläche
R2 Krümmungsradius der Mikrolinse

Claims

Ansprüche
1. Kollimator (1 ) zur Kollimierung von Licht mittels mehrerer optischer Flächen, die jeweils optische Grenzflächen mit einer Änderung der optischen Dichte bilden, wobei der Kollimator (1) eine im wesentlichen ebene Lichteintrittsfläche (2), eine konvexe Lichtaustrittsfläche (4) und eine totalreflektierende Seitenwandung (3) besitzt, die die Lichteintrittsfläche (2) mit der Lichtaustrittfläche (4) verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtaustrittsfläche (4) lichtbrechende Strukturen aufweist.
2. Kollimator (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die lichtbrechenden Strukturen als konkave und/oder konvexe Mikrolinsen (5) oder als diffus lichtbrechende Strukturen ausgebildet sind.
3. Kollimator (1 ) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrolinsen (5) sphärisch oder asphärisch ausgebildet sind und vorzugsweise quadratisch, hexagonal, ringförmig oder phyllotaxisch auf der Lichtaustrittsfläche (4) des Kollimators (1) angeordnet sind.
4. Kollimator (1 ) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine sphärische Mikrolinse (5) einen Krümmungsradius 0,4 mm bis
6 mm, vorzugsweise von 0,75 mm bis 3 mm, besonders bevorzugt von 1 mm bis 2 mm aufweist.
5. Kollimator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die im wesentlichen ebene Lichteintrittsfläche (2) eben ausgebildet ist oder konvex oder konkav gekrümmt ist.
6. Kollimator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichteintrittsfläche (2) einen polygonalen, quadratischen oder runden Querschnitt besitzt.
7. Kollimator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwandung (3) im Querschnitt zumindest abschnittsweise konkav, konvex oder eben ausgebildet ist, wobei eine im Querschnitt konkav ausgebildete Seitenwandung (3) vorzugsweise sphärisch, asphärisch, hyperbolisch, parabolisch, elliptisch oder kartesisch-ovalförmig ausgebildet ist, wobei die Querschnittsebene die optische Achse des Kollimators (1) enthält.
8. Kollimator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtaustrittsfläche (4) eine sphärische oder asphärische Krümmung besitzt und vorzugsweise im Querschnitt rund, polygonal oder quadratisch ausgebildet ist.
9. Kollimator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine sphärische Lichtaustrittsfläche (4) einen Krümmungsradius von 4 mm bis 20 mm, vorzugsweise von 3 mm bis 7 mm, besonders bevorzugt von 5 mm bis 6 mm aufweist.
10. Kollimator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollimator (1) einen Halterand (7) aufweist, der die Lichtaustrittsfläche (4) zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig umgreift.
11. Kollimator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollimator (1) aus Polycarbonat (PC), Polymethylmethacrylat (PMMA), Glas, Cyclo-Olefin-Copolymer (COC), Cyclo-Olefin-Polymer (COP), Polymethacrylmethylimid (PMMI) oder Silikon besteht.
12. Tragbare Leuchte (8), insbesondere Taschenleuchte (81) oder Stirnleuchte, mit einer Lichtquelle (6) gekennzeichnet durch einen Kollimator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
13. Tragbare Leuchte (8) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Lichtquelle (6) und der Lichteintrittsfläche (2) des Kollimators (1) ein Abstand besteht, insbesondere ein Abstand von 0,1 mm bis 0,5 mm.
14. Tragbare Leuchte (8) nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie der Lichtquelle (6) auf die Geometrie der Lichteintrittsfläche (2) derart abgestimmt ist, dass a) einer Lichtquelle (6) mit einem quadratischen Querschnitt eine Lichteintrittsfläche (2) mit einem quadratischen Querschnitt oder b) einer Lichtquelle (6) mit einem runden Querschnitt eine Lichteintrittsfläche (6) mit einem runden Querschnitt oder c) einer Lichtquelle (2) mit einem polygonalen Querschnitt eine Lichtquelle (6) mit einem korrespondierenden polygonalen Querschnitt zugeordnet ist.
15. Tragbare Leuchte nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (6) eine oder mehrere Lichtquellenelemente (61 , 62) aufweist, die vorzugsweise eine ebene Lichtaustrittsfläche besitzen.
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