TW201312035A - 借助ｌｅｄ光源的光成形技術 - Google Patents

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Abstract

本發明涉及借助LED光源的光成形。尤其涉及一種用於對由LED光源發出的光進行光成形的設備，包括一個或多個LED光源和一個或多個透鏡。該設備用於產生適合對特定面、物體或空間照明的、高均勻性的光。在此，一個或多個透鏡完成對由一個或多個LED光源發射的光的集束功能和/或準直功能以及成形功能，其中，預先給定幾何形狀的面在與設備確定的距離上被照亮並且LED光由此成形。在此，光學設備的構造方式可以保持得非常小。

Description

借助LED光源的光成形技術 發明領域
本發明涉及用於對由LED光源發出的光進行光成形的設備，其包括一個或多個LED光源和一個或多個透鏡。該設備用於產生適合對特定面、物體或空間照明的、高均勻性的光。
發明背景
光發射二極體或LED可以構造為人造光源或照明器件。它們可以以多種方式用於面的、物品的或者空間的照明以及也用於燈飾，也就是說為了產生用於裝飾性的和藝術性的效果。LED典型地包括當流過電流時發射光的電子半導體器件。所發射的光的顏色，因此二極體的電磁輻射的波長，依賴於半導體材料以及摻雜。一些LED利用所謂的轉換材料調節出所希望的顏色，例如藍色LED的光借助轉換材料轉化為白色的光。
在本文上下文中，“照明”應理解為物體的、面的或空間的光學的照射或照亮，例如物體的光學照射(例如在顯微鏡中)或者道路的、通道的或物品的，例如交通標誌的照亮。
近年來，LED的光強以及發光效率顯著地提高，由此，針對這種光源持續地開拓出其它的應用領域。於是，例如發光效率可以從少於1流明/瓦特提高到多於200流明/瓦特。
如果說起先LED例如為了指示狀態用作指示元件，例如在表或儀器中，那麼它們如今也用作照明器件，例如在手電筒中。在此期間，光線強的LED也使用在車輛外部照明領域中，例如作為日間行車燈或尾燈。相當新的應用領域為LED光源在街道照明領域中的使用。
例如，DE 10 2004 056 252 A1描述一種帶有光學裝置的LED光源，其中，該光學裝置可以是折射的或衍射的光學器件或者由此的組合。該光學元件同樣可以是發光二極體的光耦入其中的纖維光學器件。通過可借助匹配銷(Pass-Stiften)調整的設計，所描述的設備適合用作機動車的照明裝置。
為了街道的照明，GB 2457971A描述一種光學設備，其包括帶有大量LED的殼體，其中，多個LED聯合成組並且如此地定向，使得它們照射街道的特定區域。
WO 10069101描述一種光學設備，包括LED光源以及在光出射區域中帶有兩種不同彎曲的透鏡，以便產生帶有卵形的或橢圓形的橫截面的光輻射。該設備用作投影顯示的背景照明。
相反例如為了達到需要的光強需要使用多個應平行地成形出均勻光的光源，那麼這種佈置對此是不適合的。
DE 10 2009 015 088描述帶有多於一個發射UV光的LED的光源。該光源包括LED的分組以及由玻璃製造的、用於捕獲和聚集所發射的光的光學構件。通過該光學構件應彙集所發射的光，以便在目標體積中達到非常高的功率 密度或者說在電磁輻射的可見波長範圍中達到高的光密度。因此出現光的近似點狀的密集。因此，近似均勻的、物體的或空間的在面積上均等的照明是不可能的，因為由於點狀的密集，功率密度在照亮的具體位置處由內向外地減少。
DE 10 2006 039 705描述一種用於探照燈的透鏡附加件，在該探照燈中，為由LED光源組成的陣列配備有透鏡附加件。該透鏡附加件由數個聚集成透鏡組的單透鏡組成。此外，DE 10 2004 018 424描述一種包括帶透鏡的光源的和適用於橢圓面探照燈的照明裝置。
最後，在DE 10 2008 048 379中描述一種帶有準直光學器件的LED光源。目的如下，即，合適地準直LED光源的寬闊的輻射角度。在此，應同時保證該設備的高的溫度耐受性。
通過公知的設備和方法，可以集束和集中LED光源的光。由此，通過集束產生在光輻射的中心帶有高的光強度的以及在光輻射的靠外區域帶有強烈下降的光強的光輻射。因此，不保證面的或空間的近似均等的和均勻的照明。
發明概要
由此得出本發明的任務。
本發明的目的在於，達到光的特定的成形。例如，這可以是空間的、面的或者物體的借助LED光源的均勻和近似均等的照明。在此，通過由光源發射的光來輻照的被照 明面應該盡可能均勻地和均等地被照明。此外，應該也可以達到一定的光分佈和向被照明面的邊緣的光強衰減，以便例如可以確定從中心到邊緣的特定的梯度。
目的也可以是，達到光斑的特定的形狀，包括光斑的正方形的、矩形的、多邊形的、圓形的或者卵形的形狀。
即使當平行使用多個輻射更大光通量(或者說在電磁輻射的不可見波長譜中的輻射通量)的LED光源時，也應該達到尤其是帶有預先給定的亮度分佈(例如面的均勻的和近似均等的照明)的光斑的所希望的形狀。因此，目的也在於，將由多個LED光源發出的光如此地成形，即，使得在被照明的或者說被輻射的物體上或者在被照明的或者說被輻射的空間的面上產生帶有所希望的光強分佈(例如均勻的、近似均等的亮度)的面式區域。在此，也應該達到LED光源的緊湊的小的構造形式。
這個任務通過包括一個或多個LED光源以及一個或多個透鏡的光學設備，根據獨立申請專利範圍之一極簡單地解決。在此，所述一個或多個透鏡完成對由所述一個或多個LED光源發射的光的集束功能和/或準直功能以及成形功能，其中，預先給定幾何形狀的面在與設備特定的距離上被照亮並且LED光由此成形。
在此，光學設備的構造方式可以特別有利地保持得非常小。
本發明的優選的實施方式和改進方案從各從屬申請專利範圍獲悉。
“面的均勻的照明”在本發明的含義中理解為，通過依據本發明的照明，被照明面的特定份額具有優選相同的亮度並且因此沒有或者僅具有微小的亮度差異。這意味著，被均勻照明的面的每個點的亮度沒有或僅很微小地區別於該被均勻照明的面的其它點。
在此優選地，被均勻照明的面的點的亮度從這個區域中所有點的亮度的平均值出發的最小的和最大的偏差位於少於±15%的、優選少於±10%的輻射密度(Strahlungsdichte)的範圍內。亮度可以確定為單位面積上的光通量。
本發明可以使電磁輻射成形，由此也可以使在電磁輻射的不可見波長譜中的電磁輻射，例如在紫外的或紅外的範圍中的電磁輻射，成形。因此，受輻射的面的均勻性也可以在電磁輻射的不可見的波長譜中借助受輻射的面的輻射密度的偏差確定。
為了簡單起見而選擇隨後提及的光學技術方面的量。但在此，本發明或者說光學技術方面的量並不僅局限於電磁輻射的可見的波長譜。
在此，在整個被照明面上被近似均勻照明的面的份額可以是至少60%，優選至少70%並且特別優選多於75%。因此，通過所述光學設備照明的面的主要份額被近似均勻地照明。針對其它光分佈，可規定相似的容差。
面的幾何形狀可以包括大量可能的形狀，例如圓形的或者矩形的面，但也有卵形的、星形的或者環形的面。這種列舉不應理解為封閉式的。所述光學設備可以與預先給 出的幾何形狀相應地構造。
因此，本發明一方面涉及一個或多個LED光源。典型地，在這類的光源中，半導體的光發射層輻射光。在本發明的含義中，LED光源應理解為每一種包括至少一個發射光的LED光源的佈置方案。這種佈置方案例如可以為了照明或燈飾的目的，例如作為燈或閱覽燈，但也可以為了發送信號而構造。
但是優選地，LED光源為了空間或面的照明或燈飾，例如為了街道或通道的照明而構造。但它也可以用於投影儀或車輛照明。接下來，概括地使用“被照明面”的概念，其中，應該理解為，該概念指的是依據本發明被照亮或被照明的面、空間或物品。
另一方面，所述光學設備涉及至少一個透鏡，優選兩個或多個透鏡。所述一個或多個透鏡優選如此地佈置，即，它們佈置在LED光源後的輻射路徑中，並且在有多個透鏡的情況下被由LED光源發射的光依次穿越。在此，最近於LED光源佈置的透鏡構造為會聚透鏡，優選構造為準直會聚透鏡。在輻射路徑中後置的、由此進一步遠離LED光源的透鏡優選地構造為成形透鏡。
因此，會聚透鏡在輻射路徑方向上使由近似點狀的LED光源發出的光集束，反之，成形透鏡使如此集束的光產生所希望的形狀。在此，該成形透鏡優選如此構造，使得，該成形透鏡使LED光源發射的光與待照明面相應地成形。不但會聚透鏡而且成形透鏡可以由單個的或者也可由 多個會聚透鏡或者成形透鏡構造。
因此，LED光源和會聚透鏡可以不依賴於待照明面地構造，反之，依賴於待照明面的幾何形狀地選擇成形透鏡。
LED光源可以在寬闊的角度中輻射光。在此，角度應理解為由LED光源的中軸出發的兩側的角度區域。典型地，LED光源在±90°的角度區域中輻射光。在此，所輻射的光功率由LED光源的中軸出發隨角度增大向外減少。例如在±30°的角度區域中輻射最大份額的光功率。
如果LED光源在由中軸出發的±35°的角度區域中輻射至少50%的光功率，那麼這在本發明的含義中是有利的。由此可以達到特別高的效率。
為了在被照明面上達到大的亮度或者說照明強度，所述亮度或者說照明強度例如可能對照亮街道來說是需要的，優選選擇帶有高光密度的LED光源。光源的高光密度可以通過光源的高光強和/或小的光發射面達到。
帶有從大約Lv=15×106 cd/m2起的、優選從大約20×106 cd/m2起的光密度的LED光源，證實為是有利的。在此，光發射面的大小可以處在少於5 mm2的範圍中，例如為1mm2或也可比在這之下。
如果可以達到所要求的光密度，那麼優選可以使用帶有小的光發射面的LED光源。這有如下優點，即，多個LED光源可以彼此相鄰地佈置在小的空間上並且包括由多個單個LED光源組成的陣列(場)的光源由此可以以緊湊的構造方式構造。
會聚透鏡可以在輻射路徑中佈置在LED光源後。它有如下任務，即，盡可能地使高份額的由LED光源發射的光集束。
在此，盡可能大地選擇LED光源的被捕獲的輻射角度的寬度。優選地在LED光源的輻射路徑中如此地佈置有會聚透鏡，即，使得該會聚透鏡至少捕獲LED光源的含有至少50%的光量，優選60%和特別優選多於65%的光量的角度區域。
所屬的角度區域由LED光源的規格中得出，並且可以處在大約±45°的角度區域中，以便可以接收大約50%的光量。
由角度區域得出LED光源與會聚透鏡之間優選的距離，這是因為該距離影響會聚透鏡的大小。這個距離越小，就可以越小地構造會聚透鏡。因此，原則上優選盡可能小的距離，該距離理想地近似為零。會聚透鏡如此地與LED光源相距，即，使得該會聚透鏡可以接收全部的在相應角度區域中發射的光輻射。
會聚透鏡與LED光源之間的距離在0 mm至5 mm的、優選0.3 mm至2 mm的範圍中，在本發明的含義中證實是有利的。在與光發射面的距離為大約1 mm的情況下，可以以大約5 mm的半徑構造圓形的會聚透鏡。
由此保證，所發射的光的足夠大的份額可以被引導到會聚透鏡上並且該會聚透鏡可以相應小地構造。
有利地，會聚透鏡在背離LED光源的一側凸形地構 造，以便使出射的光集束。在此，曲率半徑可以球面地或非球面地構造。由於LED的大的輻射角度，會聚透鏡優選具有非球面的自由形狀面，從而通過該非球面設計使得LED光源的光可以以直至大約6(0°的輻射角度入射到會聚透鏡中。成本更低廉地製造的球面構造同樣是可能的。會聚透鏡的高寬比例(Aspektverhältnis)，由此透鏡的高度與寬度的比例為大於0.1。0.5至1.2的高寬比例證實是有利的。
由於距LED光源的小的距離，可以提供特別小的會聚透鏡，這些會聚透鏡可以捕獲所發射的光的大部分並且由於其小的尺寸，非常好地適合LED陣列形式的LED光源。
在LED陣列中，LED光源可以由多個例如可以線式地或面式地佈置的單個LED光源組成。在此，LED陣列的單個LED光源的佈置可以優選與待照明面的形狀相應，以便達到特別高的照明均勻性。
例如，如果矩形面應被均勻地和近似均等地照射，那麼LED陣列可以有利地同樣矩形地構造。相反，如果需均勻地照射弄圓的，例如圓形的或橢圓形的面，那麼LED陣列的單個LED光源同樣可以相適應地佈置。
但依據被照明面的幾何形狀佈置LED陣列不是本發明的強制性前提。所以，帶有卵形的幾何形狀的光分佈也可以用矩形的LED陣列產生。透鏡的構造對光的成形是決定性的。
在另一種實施方式中，LED陣列可以包括半導體襯底，所述半導體襯底可以分別具有多個光發射層。由此， 設備可以是特別緊湊的並且在很小的結構空間中構造。
在本發明的改進方案中，LED陣列包括發射不同波長範圍內的電磁輻射的LED光源。這樣，可以在被照明面上引起特定的顏色效應。
在LED陣列中，每個單個的光發射面可以分配給一個會聚透鏡。該會聚透鏡可以構造為棒透鏡。
在本發明的改進方案中，會聚透鏡可以如此地構造，即，它可以接收LED陣列的至少兩個或多個LED光源的光和使之集束。在這種情況下，會聚透鏡可以優選地構造為棒透鏡或柱面透鏡，其包括面向LED光源的正面以及背離LED光源的背面。
在一種優選的實施方式中，柱面透鏡的正面可以具有平面的形狀，背面可以具有凸形的、球面的或非球面的形狀。所述背面也可以構造為自由形狀面，所述正面也可以凸形地或凹形地、球面地或非球面地構造。
例1：
矩形LED陣列構造有大量LED，這些LED分別構造有1 mm×1 mm的光發射面。棒透鏡以其正面與LED相距0.8 mm，其中，透鏡寬度為6 mm。棒長如此大小地選擇，即，透鏡在周邊伸出光發射面大約3 mm。棒透鏡的背面構造有凸面非球面的輪廓，其中R0=1.651 mm並且構造有k=-1.014的圓錐係數。選擇P-LASF47或P-SF69作為玻璃類型，因為這些玻璃對這種準直角度來說證實是特別有利的。此外，這些玻璃由於它們的高折射率以及它們的可模壓性而 表現出眾。
在又一實施方式中，在LED陣列情況下，在所發射的光的輻射路徑中，佈置有多於一個的棒透鏡或柱面透鏡。以優選的方式，在輻射路徑中佈置在首位的柱面透鏡彼此平行地佈置並且因此得到多個單個LED光源的光，其中，例如多個線式佈置的單個LED光源的光可以由唯一的柱面透鏡集束。在該柱面透鏡的上方，可以有利地在輻射路徑中後置地、平行佈置有其它柱面透鏡，其中，這些其它柱面透鏡可以相對前面提及的柱面透鏡旋轉90°地佈置。
因此，LED陣列的所發射的光依次通過例如可以格柵形佈置的柱面透鏡的兩個平面。柱面透鏡的這種佈置可特別成本低廉地製造並且因此在多邊形的，優選地矩形的或梯形的LED陣列中是有利的。
此外，可以直接在LED光源的光發射面旁和在LED光源以及會聚透鏡之間的區域中佈置反射體或反射面，由此可以反射並且向會聚透鏡方向引導打到的光。由此可以改善設備的效率。
會聚透鏡優選地由抗熱的材料製造，例如非晶態材料，以便保證高的溫度穩定性，因為例如高功率的LED光源典型地也具有高的發熱性。至少，透鏡的溫度穩定性應該勝過LED光源的溫度穩定性。特別地，依據本發明的設備的持久的溫度耐受性可以達到在TB=100℃及其之上的範圍內。
因此，玻璃或者玻璃陶瓷經證實是用於會聚透鏡的合 適的材料，其中，優選選擇這樣的帶有高折射率的材料。折射率優選超出1.5，特別優選超出1.7。例如，P-SF69、P-SF70、P-LASF47或者N-LAF33經證實為合適的玻璃。
在所發射的光的輻射路徑中，在通過一個或多個會聚透鏡後後置地，設備可以包括至少一個其它的成形透鏡。該至少一個其它的成形透鏡具有如下任務：使由會聚透鏡出射的、集束的光如此地成形，從而在光打到物品上的位置上產生均勻的和均等的亮度。
在此，有利地如此佈置成形透鏡，即，使得由會聚透鏡出射的光的盡可能大的部分落到成形透鏡上。因此，成形透鏡優選地佈置在距會聚透鏡狹窄的距離上。已證實的是，少於10 mm的距離、優選少於6 mm的和特別優選少於3 mm的距離在本發明的含義中是有利的。由此，依據本發明的設備可以非常緊湊地製造並且在小的結構空間中實現。
在一種特別的實施方式中，在會聚透鏡的外棱邊與成形透鏡的外棱邊之間佈置有反射罩，從而使得由會聚透鏡出射的、打到該罩上的光可以被反射並且被轉向到成形透鏡上。例如，反射罩可以是周圍殼體的組成部分。由此保證，幾乎所有的由會聚透鏡出射的光到達到成形透鏡上。特別是以這種方式可以達到，至少90%，優選至少95%的光可以到達到成形透鏡上。
在背離LED光源的一側，成形透鏡可以典型地具有凹形的面。該面可以球面地或非球面地構造。在背離LED光源的一側自由形狀面也特別地適合，依據待照明面選擇所 述自由形狀面。“自由形狀面”可理解為，所提及的面可以具有不同的彎曲，其中，這些彎曲也可以向不同方向走向。成形透鏡的面向會聚透鏡的面可以具有平整的或凹形的形狀，其中，此實施方式經常是有利的，但對於為使光輻射成形而言並不是強制性的。
例2：
棒透鏡的陣列包括會聚透鏡以及作為成形透鏡的、帶有平凹形球面體的圓形的或弄圓的單個透鏡，其中，在R=-60 mm時，它的直徑為60 mm並且它的厚度為6 mm。選擇N-BK7作為玻璃類型。棒透鏡與LED相距1.5 mm，其中，棒透鏡在R0=1.715、k=-1.744、C4=-5.301e-04和C6=4.669e-05時具有10 mm的寬度、20 mm的長度和5 mm的厚度。
成形透鏡同樣可以構造為棒透鏡或柱面透鏡。所述成形透鏡可以在面向會聚透鏡的一側具有平坦的面並且在相反的一側具有凹形、球面、非球面或者自由形狀面。
通過成形透鏡，由會聚透鏡產生的經準直的光輻射的束如此地擴張，即，在進一步的輻射路徑中擴張的光輻射近似均勻地對在距成形透鏡確定的離開範圍上的面照明。成形透鏡的所述面的形狀或者彎曲相應地確定在與依據本發明設備的特定距離範圍中近似均勻地被照明面。經證實，如果被照明面佈置在與設備0.2 m至20 m的、優選0.5 m至15 m的距離上，可以非常好地達到該被照明面的近似均勻的亮度。
例如，如果要近似均等地和均勻地對矩形面照明，那麼凹形的外部面可以具有不同的彎曲，其中，至少兩個彎曲彼此垂直。
此外，代替一個成形透鏡，可以使用多個，例如兩個分別具有一個或多個彎曲的成形透鏡，以便取得更複雜的照明形狀。但也可以在輻射路徑中依次佈置兩個或多個分別帶有一個或多個、相同的或不同的彎曲的成形透鏡。
產生僅帶有一個彎曲的透鏡經常是更加成本低廉的。由此，通過佈置兩個在輻射路徑中依次待穿過的透鏡，可以放棄製造帶有兩個彎曲的透鏡，如果這兩個所描述的透鏡分別僅具有所述相應的彎曲之一並且這兩個透鏡例如相對彼此轉過90°的話。
成形透鏡可以由玻璃或者玻璃陶瓷構造。但因為對耐熱性的要求由於更大地離開發熱的光源而更小，所以也可以使用備選的材料如合成材料。合成材料的使用可以通過合適地冷卻光源進而由此通過由設備區域輸出熱量而改善。
基本上，依據本發明的設備不僅可以用於在可見範圍中的電磁輻射，而且可以用於在其它波長範圍中的電磁輻射，例如在毗鄰的、紫外或紅外範圍中的波長範圍中。
除了圓形的或者矩形的面，通過依據本發明的光學設備也可以借助LED光源均勻地照明和近似均等地輻射在不同的離開範圍中的其它幾何形狀的面。對此，也包括例如面的、物體的或者空間的星形的或環形的照明。
於是，該光學設備例如可以使用於街道的、通道的、道路的或者廣場的照明或燈飾，但也可以用於內部空間的和處於內部的通道的或道路的照明或燈飾，用以照亮物體，例如交通標誌、圖片、工作場所或桌子。
通過自由地成形來自LED光源的光的可能，因此可以實現對不同地成形的物體的近似均等的照明。
該設備還可以用於物體的照射，例如在顯微鏡中。
在一種特別的實施方式中可以平行使用不同顏色的LED光源，例如在LED陣列中。由此，在面的均等照明情況下，可以有色地強調特定的區域。
這種改進方案特別地適合有色地強調危險區域，例如大門或閘的開啟區域。
為了藝術品的照明，可以通過相加的色彩混合來調節照明的色溫。
該設備也可以用於大廳的照明，例如體育館或游泳館或舞臺。
此外，該光學設備可以用作閱覽燈。
在另外一種實施方式中，該光學設備用於投影儀。
其它應用領域例如為車輛照明。這裡，該設備可例如用於部分內部空間的，例如天花板的均勻照射。
本發明的其它細節由示出的實施例的描述和所附的申請專利範圍得出。
圖式簡單說明
圖1示出會聚透鏡的和LED光源的示意性的佈置方案； 圖2針對在依據本發明的LED光源的實施方式中的光輻射的輻射路徑示出示意性的例子；圖3在橫截面中示出一維LED陣列的示意性的佈置方案，包括用於準直的會聚透鏡和用於光成形的成形透鏡；圖4示出二維LED陣列的示意性的佈置方案，包括棒透鏡或者柱面透鏡；圖5示出LED陣列的矩形實施方式的、示意性的佈置方案；圖6示出LED陣列的星形實施方式的、示意性的佈置方案；圖7在俯視圖中示出帶有格柵形佈置的棒透鏡或者柱面透鏡的LED陣列的矩形實施方式的、示意性的佈置方案；圖8針對在一維LED陣列的LED光源的實施方式中的光輻射的輻射路徑示出示意性的例子；圖9示出圓形的被照明面；圖10示出離開5m的、借助LED陣列照明的面的例子；圖11示出被照明面在橫向方向上的截線中的亮度分佈；圖12示出被照明面在縱向方向上的截線中的亮度分佈；圖13示出會聚透鏡和LED光源的示例性的佈置方案。
具體實施方式
為了簡單起見而選擇在描述中所提及的光學技術方面 的量，並且其並不僅局限在電磁輻射的可見波長譜上，這是因為本發明也涉及在可見波長譜之外的電磁輻射的成形。因此，例如光學技術方面的量包括光通量，也包括更普遍的量：輻射通量，或者說光密度，也稱為輻射率(Strahldichte)。
圖1示意地示出帶有會聚透鏡13的LED光源的結構。該LED光源通過如下的襯底12表示，在該襯底12上佈置有光發射面11。襯底12可以是半導體元件。會聚透鏡在與光發射面11的小的距離上如此地佈置，即，使得光發射面的中軸穿過會聚透鏡的彎曲面的頂點地走向。會聚透鏡可以旋轉對稱地構造。但其也可以實施為棒透鏡或者柱面透鏡。
LED光源佈置在周圍殼體14上。該殼體在分配給會聚透鏡的一側具有鏡面反光件16。會聚透鏡13在背離LED光源的一側包括凸形構造的表面。該表面可以具有球面的或者非球面的形狀15或也可具有自由形狀面的形狀。
在圖2中，示意地示出光輻射的輻射路徑。從光發射面11發出的光輻射21打到會聚透鏡上，該光輻射21通過折射成束地離開該會聚透鏡。22示出出射的光輻射。
在圖3中，示意地示出帶有多個會聚透鏡以及一個成形透鏡的一維LED陣列的結構。該LED陣列由在各相應的襯底12、32、34上的三個單個的光發射層11、33、35組成。在本發明的未示出的改進方案中，還可以在一個共同的襯底上佈置有多個光發射層。為陣列的每個LED光源分配有一個會聚透鏡13、36、37。基於會聚透鏡的可達到的小的 構造方式，這些會聚透鏡可以彼此很緊密地佈置。
典型地，會聚透鏡具有直的外棱邊，從而使所述會聚透鏡無間隙地彼此碰觸。這些單個透鏡可以集合成透鏡組。在旋轉對稱的會聚透鏡情況下，可以通過四面打磨產生直的外棱邊。
在輻射路徑中後置地構造有成形透鏡39，該成形透鏡接收和散射由會聚透鏡出射的光。為此，該成形透鏡具有光學有效面38。“光學有效面”理解為如下的面，通過該面發生所希望的折射、繞射、反射和/或散射。該面可以凹形地、凸形地、球面地或者非球面地構造。例如對非球面的有效面來說，可以是橢圓形的、圓柱形的和/或拋物線形的面形狀。
至少一個成形透鏡的有效面依賴於照明的所希望的形狀而選擇。對於面式的矩形狀的照明來說，在兩個彼此垂直的方向上大約呈現出彎曲是有利的。在LED陣列與成形透鏡之間以有利的方式佈置有可以構造為殼體的內部面的罩面30。優選地，該罩面在面向LED光的一側鏡面化，以便將打到的光輻射反射並且引導到會聚透鏡上。
在另一種實施方式中，會聚透鏡實施為棒透鏡或者柱面透鏡。圖4示出兩個這類的棒透鏡或者說柱面透鏡61、62。在這種情況中，透鏡如下方式地佈置，即，使得透鏡處在多個單個LED光源的輻射路徑中。在所畫出的情況中，包括四個單個LED光源的行的光分別引導到各柱面透鏡上。因此，示意地畫出的LED陣列63包括各帶有四個單 個LED光源的兩個行。這些由透鏡遮蓋的單個LED光源例如通過光發射面64和襯底65表示。
圖5示意地示出二維LED陣列的結構，包括各帶有六個單個LED光源的五個行。示意性地示出光發射層11和會聚透鏡13。在圖6中示出星形的LED佈置方案，包括總共16個光發射層11和相應的多個會聚透鏡13。LED陣列的形狀可以遵循待照明面的所希望的形狀。
在圖7中在俯視圖中畫出依據本發明的LED陣列。LED光源集合成各帶有四個單個光發射面11的五行。五個構造為柱面透鏡的會聚透鏡以及其它四個構造為柱面透鏡的會聚透鏡或者成型透鏡分別平行地佈置並且相對彼此轉過90°，相疊地佈置。
圖8在橫截面中示出由LED陣列形成的輻射路徑的例子，所述LED陣列包括在一行中的四個LED光源。從光發射面11出發，光輻射通過會聚透鏡13集束並且落到成形透鏡39上。該成形透鏡具有如下有效面81，該有效面構造成使出射的光輻射82寬闊地散射。
出射的光輻射82落到以截線示出的面85上。依賴於成形透鏡的有效面81的彎曲，在該面上的區域以不同的亮度受輻射。因此，被照明面的亮度是不同的。中心區域A通過光輻射的折射近似均勻地受輻射，反之，靠外區域C不受或者僅幾乎不受輻射。此外，存在過渡區域B，該過渡區域比中心的、均勻區域A具有更小的均勻性和更小的亮度。
圖9示出光成形的兩種可能性。光成形91示出寬闊的光 分佈95，反之，光成形92示出在中心93帶有耀點的光分佈。不但在寬闊的光分佈95的情況下，而且在中心93中有耀光點的情況下，都存在以減少的亮度為特徵的過渡區域96、94。然而，寬闊的光分佈95的面以及在中心95的點的面被近似均等地、均勻地照明。
圖10示出在矩形形狀的被照明面的情況下，可能的亮度分佈。作為光源，可以使用帶有76個LED光源的LED陣列，其中，所述LED光源可以佈置在四行中。
作為會聚透鏡，可以特別有利地使用四個由玻璃P-LASF47製成的棒透鏡，所述棒透鏡可以具有距光發射面1.5 mm的距離。棒透鏡可以具有40 mm的長和10 mm的寬。所述棒透鏡可以成本低廉地製造並且使特別良好地集束LED陣列的光成為可能。
旋轉對稱的成形透鏡可以有利地由玻璃N-BK7以60 mm的透鏡直徑和6 mm的厚度構造以及具有平凹的形狀。距光發射面的距離可以是8 mm。成形透鏡的一種有利的構造可以通過參數R=-1.96、K=-1.591、C4=-2.256e-04和C6=-6.386e-06來確定。
101示出尺寸為6 m×12 m的被照明面，該面離開設備5 m。該由LED陣列非相干地輻射的面的輻射率可以是大約68%至75%，特別優選是69.2%。
102示出距設備同樣為5 m的3 m×6 m的面，其中，輻射率可以是大約41%至48%，特別優選是44.5%。在103中示出同樣在距設備5 m的距離上的，為2 m×4 m大小的面。輻 射率可以是大約22%至30%，特別優選是26.6%。
在圖11中，示出被照明的矩形面101在橫向方向上、即在較短的延伸X的方向上的截線中的輻射率的分佈，其中，截線穿過面的中心分佈。針對半值寬度FWHM，設備的角度區域是大約+/-13.5°。
圖12示出被照明的矩形面101在穿過面的中心的縱向方向的截線中，即在較大的延伸Y的方向上的輻射率的分佈。半值寬度FWHM的所屬區域在這裡是大約+/-27.5°。
通過如此構造的光學設備，矩形面的大的區域可以被近似均勻地和均等地照明，其中，可以同時引起該面從較光亮地被照明的、接近中心的區域到周圍的、較少光亮地被照明區域的柔和的過渡。因此，可以避免從光亮的被照明區域到較少光亮的被照明區域的銳利的過渡。
圖13示出用於使成行佈置的LED光源的光集束的會聚透鏡131的佈置方案，其中，為了簡單起見，僅畫出一個光發射面11和一個襯底12。透鏡的後近軸焦點位於透鏡的內部。LED的發射面11與會聚透鏡131的平整面相距0.6 mm並且因此以意外的方式不位元於透鏡的後近軸焦點上。
以這種方式，可以通過會聚透鏡131達到LED的光發射面的光的很良好的準直。
11‧‧‧光發射面
11、33、35‧‧‧光發射層
12、32、34‧‧‧襯底
13、36、37‧‧‧會聚透鏡
14‧‧‧殼體
15‧‧‧形狀
16‧‧‧鏡面反光件
21、22‧‧‧光輻射
38‧‧‧光學有效面
39‧‧‧成形透鏡
61、62‧‧‧柱面透鏡
63‧‧‧LED陣列
64‧‧‧光發射面
65‧‧‧襯底
81‧‧‧有效面
82‧‧‧光輻射
85‧‧‧面
91‧‧‧光成形
92‧‧‧光成形
93‧‧‧中心
94、96‧‧‧過渡區域
95‧‧‧光分佈
95‧‧‧中心
95‧‧‧光分佈
101,102,103‧‧‧矩形面
131‧‧‧會聚透鏡
A‧‧‧中心區域
B‧‧‧過渡區域
C‧‧‧靠外區域
圖1示出會聚透鏡的和LED光源的示意性的佈置方案；圖2針對在依據本發明的LED光源的實施方式中的光輻射的輻射路徑示出示意性的例子； 圖3在橫截面中示出一維LED陣列的示意性的佈置方案，包括用於準直的會聚透鏡和用於光成形的成形透鏡；圖4示出二維LED陣列的示意性的佈置方案，包括棒透鏡或者柱面透鏡；圖5示出LED陣列的矩形實施方式的、示意性的佈置方案；圖6示出LED陣列的星形實施方式的、示意性的佈置方案；圖7在俯視圖中示出帶有格柵形佈置的棒透鏡或者柱面透鏡的LED陣列的矩形實施方式的、示意性的佈置方案；圖8針對在一維LED陣列的LED光源的實施方式中的光輻射的輻射路徑示出示意性的例子；圖9示出圓形的被照明面；圖10示出離開5m的、借助LED陣列照明的面的例子；圖11示出被照明面在橫向方向上的截線中的亮度分佈；圖12示出被照明面在縱向方向上的截線中的亮度分佈；圖13示出會聚透鏡和LED光源的示例性的佈置方案。
11‧‧‧光發射面、光發射層
12‧‧‧襯底
13‧‧‧會聚透鏡
14‧‧‧殼體
15‧‧‧形狀
16‧‧‧鏡面反光件

Claims (31)

  1. 光學設備，其包括一個或多個LED光源以及一個或多個透鏡，其中，- 電磁輻射由一個或多個LED光源的光發射面射出；- 該一個或多個透鏡佈置在所發射的光的輻射路徑中；- 有透鏡至少在一個方向上使光集束；- 有透鏡使光成形成限定的幾何形狀；- 有一個或多個透鏡佈置在距該LED光源的一個或多個光發射面非常小的距離上。
  2. 如前面的申請專利範圍第1項的光學設備，其中，由該LED光源發射的光在距該設備預先限定的距離上對預先給定幾何形狀的面照明。
  3. 如前面的申請專利範圍的光學設備，其中，該預先給定幾何形狀的面具有近似相等的亮度或預先給定的亮度分佈(+/-25%)。
  4. 如前面的申請專利範圍的光學設備，其中，該一個或多個透鏡構造為會聚透鏡和/或成形透鏡。
  5. 如前面的申請專利範圍的光學設備，其中，所發射的光在第一步驟中至少在一個方向上集束和/或準直，並且在後面的步驟中成形。
  6. 如前面的申請專利範圍的光學設備，其中，該一個或多個會聚透鏡構造為準直會聚透鏡。
  7. 如前面的申請專利範圍的光學設備，其中，該LED光源包括至少一個光發射面，其中，至少50%的光功率在由該LED光源的中軸出發的±35°的角度區域中輻射。
  8. 如前面的申請專利範圍的光學設備，其中，該LED光源的光密度至少為Lv=10×106 cd/m2，優選地至少為Lv=15×106 cd/m2並且特別優選地至少為Lv=20×106 cd/m2。
  9. 如前面的申請專利範圍的光學設備，其中，該會聚透鏡如此地與該LED光源相距，即，使得該會聚透鏡接收50%的由該LED光源發射的光的光量，優選60%並且特別優選65%。
  10. 如前面的申請專利範圍的光學設備，其中，該會聚透鏡在背離該LED光源的一側凸形地構造。
  11. 如前面的申請專利範圍的光學設備，其中，該會聚透鏡在背離該LED光源的一側具有一個或多個球面的和/或非球面的和/或自由形狀彎曲。
  12. 如前面的申請專利範圍的光學設備，其中，該會聚透鏡構造為棒透鏡或柱面透鏡，其中，該棒透鏡或柱面透鏡處在一個或多於一個的單個LED光源的輻射路徑中。
  13. 如前面的申請專利範圍的光學設備，其中，彼此平行地佈置有多於一個的棒透鏡或柱面透鏡。
  14. 如前面的申請專利範圍的光學設備，其中，在由該LED光源發射的光的輻射路徑中佈置有多於一個的棒透鏡或柱面透鏡。
  15. 如前面的申請專利範圍的光學設備，其中，該會聚透鏡由折射率至少為nd>=1.5，優選nd>=1.7的玻璃或玻璃陶瓷製成的溫度穩定的材料構造。
  16. 如前面的申請專利範圍的光學設備，其中，該LED光源包括多個以LED陣列方式佈置的單個LED光源。
  17. 如前面的申請專利範圍的光學設備，其中，為該LED陣列的每個LED光源分配有恰好一個會聚透鏡。
  18. 如前面的申請專利範圍的光學設備，其中，為每個會聚透鏡分配有LED陣列的多個單個LED光源。
  19. 如前面的申請專利範圍的光學設備，其中，經集束的光幾乎完全打到至少一個在輻射路徑中後置的透鏡上。
  20. 如申請專利範圍第18項的光學設備，其中，該後置的透鏡構造為成形透鏡。
  21. 如申請專利範圍第18或19項的光學設備，其中，該成形透鏡在背離該LED光源的一側具有凹形的面。
  22. 如前面的申請專利範圍的光學設備，其中，該成形透鏡在背離該LED光源的一側具有一個或多個球面的和/或非球面的和/或自由形狀彎曲。
  23. 如前面的申請專利範圍的光學設備，其中，該成形透鏡在兩個彼此垂直的方向上具有不同的彎曲。
  24. 如前面的申請專利範圍的光學設備，其中，在輻射路徑中，在該成形透鏡後佈置有至少一個其它的成形透鏡。
  25. 如前面的申請專利範圍的光學設備，其中，提供在至少TB=100℃範圍中的運行溫度上的持久的溫度耐受性。
  26. 如前面的申請專利範圍的光學設備的使用，即，用於面和/或物體的照明或燈飾，特別是用於交通標誌、牌子、圖畫、工作場所、桌子、房屋或建築物的照明。
  27. 如前面的申請專利範圍第1至25項中任一項的光學設備的使用，即，用於空間、通道、大廳或舞臺的照明或燈飾。
  28. 如前面的申請專利範圍第1至25項中任一項的光學設備的使用，即，作為道路、通道、街道或廣場的照明。
  29. 如前面的申請專利範圍第1至25項中任一項的光學設備的使用，即，作為閱覽燈。
  30. 如前面的申請專利範圍第1至25項中任一項的光學設備的使用，即，作為投影儀的照明裝置。
  31. 如前面的申請專利範圍第1至25項中任一項的光學設備的使用，即，作為車輛內的和車輛上的照明裝置。
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