WO2008083677A1 - Beleuchtungselement mit reflektierender fresnel-struktur - Google Patents

Beleuchtungselement mit reflektierender fresnel-struktur Download PDF

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WO2008083677A1
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Hans-Martin Bitzer
Frank KÜHNLENZ
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Fresnel Optics Gmbh
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    • F21V7/04—Optical design
    • F21V7/09—Optical design with a combination of different curvatures

Definitions

  • the invention relates to lighting elements with a reflective Fresnel structure, with which light from a light source is directed onto a reflective element provided with a Fresnel structure and is reflected from there to illuminate a surface.
  • the desired effect can often not be achieved since, for example, the room heights are not sufficiently large or an application to luminous elements, such as e.g. Table lamps, to prevent an exploitation of this effect.
  • An illumination element is designed so that light from a light source is directed onto a reflective element provided with a Fresnel structure and is reflected from there to illuminate a surface.
  • the Fresnel structure is formed faceted in a region about the optical axis of the light source, wherein deviating flank angles of effective surfaces of the Fresnel structure are present.
  • the effect can also be achieved alone or in addition in that an unstructured region is formed at the outer edge of the reflective element about a region which is provided with a Fresnel structure, from which light into the region
  • Area of the outer edge of the surface to be illuminated is reflected, so that the illumination of this outer edge of the surface to be illuminated can be carried out both with reflected light from the Fresnel structure, as well as the unstructured area reflected light.
  • a faceted Fresnel structure may be formed so that light from active surfaces in the vicinity of the optical axis is at least partially reflected further to the outer edge of the surface to be illuminated than is the case from active surfaces with a greater distance from the optical axis.
  • the faceted Fresnel structure may be formed such that flank angles of active surfaces are alternately larger and smaller and, with the larger flank angles with respect to the optical axis, light can be reflected to the outer edge of the surface to be illuminated.
  • An unstructured region of the reflective element which is preferably formed on the edge of a Fresnel structure, can have a planar, convexly or concavely curved surface, taking into account the divergence of incident light, optionally the refractive index of the material from which a reflective element is formed. can be inclined or curved.
  • the illumination element according to the invention can also be advantageously designed so that collimating tes light is directed to the respective reflective element. This can be achieved, for example, with a collimating optical element arranged between the respective light source and the reflecting element.
  • a reflective element which can be used on an illumination element according to the invention can be formed from an optically transparent material.
  • the outer surface of the scythe structure can then be provided with a reflective coating.
  • a reflective element used in a lighting element according to the invention can also be formed linearly formed active edges of a Fresnel structure.
  • FIG. 1 in schematic form an example of a
  • Lighting element with a reflective element having a faceted Fresnel structure shows an example of a lighting element according to the invention, in which collimated light is directed to a reflecting element;
  • Figure 3 shows a portion of a reflective
  • FIG. 4 shows a partial section through a reflective element with a faceted Fresnel structure that can be used on an illumination element according to the invention, in which the different flank angles of active surfaces in relation to the optical axis are illustrated.
  • the reflection of light on a reflective element 3 is intended to be exemplified by dispensing with a light source 1 and the light directed by it onto a reflective element 3.
  • the reflective element 3 has a faceted Fresnel structure. This is realized with the facets A and B in the example of FIG. With the faceted Fresnel structures B formed on the outer edge of the reflecting element 3 in relation to the optical axis, which is illustrated by the dashed line, light is reflected at least predominantly into an outer edge region of a surface 4 to be illuminated.
  • the light divergently emitted by the light source 1 is directed by means of a collimating optical element 1 'at least approximately parallel to a plane, planar surface of a reflecting element 3 oriented perpendicular to the optical axis.
  • the surface of the reflecting element 3 facing away from the light source 1 has a faceted Fresnel structure in the form according to the invention and is provided with a reflective coating.
  • the reflection of light which is again directed here in collimated form by a light source 1, not shown, on the reflective element 3 to be illustrated.
  • the faceted Fresnel structure is formed on the light source 1 facing away from the surface of the reflective element 3.
  • the reflective optical element 3 is formed from an optically transparent material, the refraction of the light reflected by the Fresnel structure can additionally be exploited on exiting the reflective element 3 by utilizing the different refractive indices.
  • the light which is reflected by the adjacent active edge B and then refracted when it emerges from the reflecting element 3 impinges on a region of the surface 4 to be illuminated, which is arranged substantially closer to the optical axis, although this active edge B in FIG a slightly greater distance to the opti- see axis is arranged as the active edge A.

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Abstract

Die Erfindung betrifft Beleuchtungselemente mit reflektierender Fresnelstruktur (3), mit denen Licht einer Lichtquelle (1) auf ein mit einer Fresnelstruktur versehenes reflektierendes Element gerichtet ist und von dort zur Beleuchtung einer Fläche (4) reflektiert wird. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Möglichkeit zu schaffen, um mit Beleuchtungselementen, die reflektierende Elemente einsetzen, in universeller Form eine homogene Beleuchtung von zu beleuchtenden Flächen zu ermöglichen. Ein erfindungsgemäßes Beleuchtungselement ist dadurch gekennzeichnet, dass am reflektierenden Element in einem Bereich um die optische Achse der Lichtquelle eine facettierte Fresnelstruktur mit voneinander abweichenden Flankenwinkeln von Wirkflächen der Fresnelstruktur ausgebildet ist. Mit wird zumindest ein Teil des reflektierten Lichts an den äußeren Rand der zu beleuchtenden Fläche gerichtet ist und/oder am äußeren Rand des reflektierenden Elements um einen Bereich, der mit einer Fresnelstruktur versehen ist, ist ein nicht strukturierter Bereich ausgebildet, der Licht in den Bereich des äußeren Randes der zu beleuchtenden Fläche reflektiert.

Description

Beleuchtungselement mit reflektierender Fresnel-Struktur
Die Erfindung betrifft Beleuchtungselemente mit re- flektierender Fresnelstruktur, mit denen Licht einer Lichtquelle auf ein mit einer Fresnelstruktur versehenes reflektierendes Element gerichtet ist und von dort zur Beleuchtung einer Fläche reflektiert wird.
Bei herkömmlichen Beleuchtungselementen mit reflektierenden Elementen kommt es in Folge großer Appertu- ren dazu, dass eine gleichmäßige Beleuchtung von Flächen, d.h. eine nahezu gleichmäßige Beleuchtungsstärke über die zu beleuchtende Fläche, nicht erreicht wird. Flächenbereiche, die weiter von der optischen Achse einer Lichtquelle entfernt sind, werden üblicherweise weniger beleuchtet als zentrale Flächenbereiche in der Nähe der optischen Achse. Dabei gilt das photometrische Entfernungsgesetz und es treten Beleuchtungsstärkeabfälle mit dem Faktor cos3 (w) auf. Bei Beleuchtungselementen, bei denen reflektierende Elemente, die mit einer Fresnelstruktur versehen sind, eingesetzt sind, kommt es außerdem zu Verlusten in Folge der erforderlichen Störflanken, die an Fres- nelstrukturen ausgebildet sind.
Um letztgenanntem Nachteil entgegenzuwirken, wurde in DE 10 2004 004 261 vorgeschlagen, Fresnelstrukturen an reflektierenden Elementen auszubilden, die aus- schließlich Wirkflanken aufweisen. Dadurch können die Störflanken-bedingten Lichtverluste vermieden werden. Bei der in diesem Stand der Technik beschriebenen Lösung ist es aber nachteilig, dass für eine zu erreichende gleichmäßige Beleuchtung großer Flächen ein sehr hoher Mindestabstand zwischen dem reflektierenden Element und der zu beleuchtenden Fläche eingehalten werden muss und dieser Abstand mindestens das 5- fache, besser mindestens 10-fach, so groß ist, wie eine Appertur des auf ein reflektierendes Element einfallenden Lichtes.
Dadurch kann der gewünschte Effekt häufig nicht erreicht werden, da beispielsweise die Raumhöhen nicht ausreichend groß sind oder eine Anwendung an Leucht- elementen, wie z.B. Tischlampen, eine Ausnutzung dieses Effektes verhindern.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit zu schaffen, um mit Beleuchtungselementen, die re- flektierende Elemente einsetzen, in universeller Form eine homogene Beleuchtung von zu beleuchtenden Flächen zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Beleuch- tungselement , das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden .
Ein erfindungsgemäßes Beleuchtungselement ist dabei so ausgebildet, dass Licht einer Lichtquelle auf ein mit einer Fresnelstruktur versehenes reflektierendes Element gerichtet ist und von dort zur Beleuchtung einer Fläche reflektiert wird. Die Fresnelstruktur ist dabei in einem Bereich um die optische Achse der Lichtquelle facettiert ausgebildet, wobei voneinander abweichende Flankenwinkel an Wirkflächen der Fresnelstruktur vorhanden sind. Durch diese voneinander abweichenden Flankenwinkel wird zumindest ein Teil des dort reflektierten Lichts an den äußeren Rand der zu beleuchtenden Fläche gerichtet und lediglich ein anderer Teil einen zentralen Bereich der zu beleuchtenden Fläche beleuchten kann, so dass ein Randabfall an Beleuchtungsstärke für die zu beleuchtende Fläche zumindest weitestgehend ausgeglichen werden kann.
Dabei kann es günstig sein, den größeren Teil des reflektierten Lichts an den äußeren Rand der zu beleuchtenden Fläche zu richten.
Der Effekt kann aber auch alleine oder zusätzlich dadurch erreicht werden, indem am äußeren Rand des reflektierenden Elementes um einen Bereich, der mit einer Fresnelstruktur versehen ist, ein nicht struktu- rierter Bereich ausgebildet ist, von dem Licht in den
Bereich des äußeren Randes der zu beleuchtenden Fläche reflektiert wird, so dass die Beleuchtung dieses äußeren Randes der zu beleuchtenden Fläche sowohl mit von der Fresnelstruktur reflektiertem Licht, wie auch vom unstrukturierten Bereich reflektiertem Licht erfolgen kann. Dabei kann eine facettierte Fresnelstruktur so ausgebildet sein, dass Licht von Wirkflächen in der Nähe der optischen Achse zumindest teilweise weiter an den äußeren Rand der zu beleuchtenden Fläche reflektiert wird, als dies von Wirkflächen mit größerem Abstand zur optischen Achse der Fall ist. Dabei kann im Gegensatz zu den bekannten technischen Lösungen keine kontinuierliche Veränderung der Flankenwinkel von Wirkflächen ausgehend von der optischen Achse bis zum äußeren Rand der Fresnelstruktur, vorgesehen sein.
Zumindest bereichsweise kann die facettierte Fresnelstruktur so ausgebildet sein, dass Flankenwinkel von Wirkflächen alternierend größer und kleiner sind und dabei mit den größeren Flankenwinkeln in Bezug zur optischen Achse Licht an den äußeren Rand der zu beleuchtenden Fläche reflektiert werden kann.
Es besteht aber auch die Möglichkeit eine facettierte Fresnelstruktur zumindest bereichsweise ohne Störflanken auszubilden, wie dies in DE 10 2004 261 beschrieben ist. In diesem Fall sollte ein größerer Abstand zwischen reflektierendem Element und zu beleuchtender Fläche eingehalten werden können.
Ein bevorzugt am Rand einer Fresnelstruktur ausgebildeter nicht strukturierter Bereich des reflektierenden Elementes kann eine ebene planare, eine konvex oder konkav gekrümmte Oberfläche aufweisen, wobei diese unter Berücksichtigung der Divergenz von einfallendem Licht, gegebenenfalls des Brechungsindex des Werkstoffes, aus dem ein reflektierendes Element gebildet ist, geneigt oder auch gekrümmt sein kann.
Das erfindungsgemäße Beleuchtungselement kann außerdem vorteilhaft so ausgebildet sein, dass kollimier- tes Licht auf das jeweilige reflektierende Element gerichtet ist. Dies kann beispielsweise mit einem zwischen der jeweiligen Lichtquelle und dem reflektierenden Element angeordneten kollimierenden opti- sches Element erreicht werden.
Ein an einem erfindungsgemäßen Beleuchtungselement einsetzbares, reflektierendes Element kann aus einem optisch transparenten Werkstoff gebildet sein. In diesem Fall besteht die Möglichkeit, die Fres- nelstruktur auf der der jeweiligen Lichtquelle gegenüber liegenden Oberfläche des reflektierenden Elementes auszubilden, so dass dadurch neben den unterschiedlichen Reflexionswinkeln auch noch die Bre- chungswinkel zumindest beim Austritt des reflektierten Lichtes aus dem reflektierenden Element ausgenutzt werden können. Die äußere Oberfläche der Fres- nelstruktur kann dann mit einer reflektierenden Be- schichtung versehen sein.
Ein bei einem erfindungsgemäßen Beleuchtungselement eingesetzten reflektierenden Element können auch linear ausgebildete Wirkflanken einer Fresnelstruktur ausgebildet sein.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
Figur 1 in schematischer Form ein Beispiel eines
Beleuchtungselementes mit einem eine facettierte Fresnelstruktur aufweisenden reflektierenden Element; Figur 2 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Beleuchtungselementes, bei dem kollimiertes Licht auf ein reflektierendes Element gerichtet ist;
Figur 3 einen Teilbereich eines reflektierenden
Elementes mit facettierter Fresnelstruktur eines Beispiels eines an einem erfindungsgemäßen Beleuchtungselement einsetzbaren reflektierenden Elements;
Figur 4 einen Teilschnitt durch ein an einem erfindungsgemäßen Beleuchtungselement einsetzbaren reflektierenden Element mit facettier- ter Fresnelstruktur, bei der die unterschiedlichen Flankenwinkel von Wirkflächen in Bezug zur optischen Achse verdeutlicht sind.
Mit Figur 1 soll unter Verzicht einer Lichtquelle 1 und des von ihr auf ein reflektierendes Element 3 gerichteten Lichtes beispielhaft die Reflexion von Licht an einem reflektierenden Element 3 verdeutlicht werden. Dabei weist das reflektierende Element 3 eine facettierte Fresnelstruktur auf. Diese ist mit den Facetten A und B beim Beispiel nach Figur 1 realisiert. Mit dem in Bezug zur optischen Achse, die mit der gestrichelten Linie verdeutlicht ist, am äußeren Rand des reflektierenden Elementes 3 ausgebildeten facettierten Fresnelstrukturen B wird Licht zumindest überwiegend in einen äußeren Randbereich einer zu beleuchtenden Fläche 4 reflektiert.
Mit den zentral um die optische Achse angeordneten facettierten Fresnelstrukturen A wird ein Teil des von der Lichtquelle 1 auf diesen Bereich des reflek- tierenden Elementes 3 gerichteten Lichts in einen zentralen Bereich um die optische Achse der zu beleuchtenden Fläche 4 und ein weiterer Teil in deren radial äußeren Randbereich reflektiert, so dass Licht sowohl von der facettierten Fresnelstruktur B, wie auch von dem Bereich A auf äußere Randbereiche der zu beleuchtenden Fläche 4 reflektiert wird und dadurch dieser Bereich stärker, als in herkömmlicher Form ausgeleuchtet werden kann. Dadurch wird eine deutlich gleichmäßigere Beleuchtungsstärke über die gesamte Fläche, die zu beleuchten ist, erreicht.
Beim in Figur 2 gezeigten Beispiel wird das von der Lichtquelle 1 divergent emittierte Licht mittels ei- nes kollimierenden optischen Elementes 1' zumindest nahezu parallel auf eine ebene, planare und hier senkrecht zur optischen Achse ausgerichtete Fläche eines reflektierenden Elementes 3 gerichtet. Die der Lichtquelle 1 abgewandte Oberfläche des reflektieren- den Elementes 3 weist in erfindungsgemäßer Form eine facettierte Fresnelstruktur auf und ist mit einer reflektierenden Beschichtung versehen. Dadurch kann, wie bereits vorab mehrfach erläutert, die Reflexion in der gewünschten homogenen Form beeinflusst und ei- ne gleichmäßige Beleuchtungsstärke über die gesamte Fläche, die zu beleuchten ist, erreicht werden.
Mit der Teildarstellung, wie sie in Figur 3 gezeigt ist, soll die Reflexion von Licht, das hier wiederum in kollimierter Form von einer nicht dargestellten Lichtquelle 1 auf das reflektierende Element 3 gerichtet ist, veranschaulicht werden. Auch hier ist die facettierte Fresnelstruktur auf der der Lichtquelle 1 abgewandten Oberfläche des reflektierenden Elements 3 ausgebildet. Mittels der unterschiedlichen Flankenwinkel der Wirkflanken der Fresnelstruktur kann die Reflexion des Lichts in der gewünschten Weise beeinflusst werden.
Da das reflektierende optische Element 3 aus einem optisch transparenten Werkstoff gebildet ist, kann unter Ausnutzung der unterschiedlichen Brechungsindizes zusätzlich die Brechung des von der Fresnelstruk- tur reflektierten Lichts beim Austritt aus dem reflektierenden Element 3 ausgenutzt werden.
Mit der Darstellung nach Figur 4, bei der zwei Wirkflanken mit stark voneinander abweichenden Flankenwinkeln abgebildet sind, kann eine sehr unterschiedliche Reflexion von den hier nah beieinander liegen- den Wirkflanken erreicht werden. So wird Licht von der Wirkflanke mit der Facette A in einem deutlich größeren Winkel reflektiert und beim Austritt aus dem reflektierenden Element 3 auch mit einem größeren Winkel gebrochen, so dass das von dieser Wirkflanke reflektierte Licht in einen Bereich der zu beleuchtenden Fläche 4 gerichtet werden kann, der in einem größeren Abstand zu einem zentralen Bereich um die optische Achse angeordnet ist. Das Licht, das von der benachbarten Wirkflanke B reflektiert und dann beim Austritt aus dem reflektierenden Element 3 wieder gebrochen wird, trifft dagegen auf einen Bereich der zu beleuchtenden Fläche 4 auf, der deutlich näher um die optische Achse angeordnet ist, obwohl diese Wirkflanke B in einem etwas größeren Abstand zur opti- sehen Achse angeordnet ist, als die Wirkflanke A.

Claims

Patentansprüche
1. Beleuchtungselement mit reflektierender Fres- nelstruktur, bei dem Licht einer Lichtquelle auf ein mit einer Fresnelstruktur versehenes reflektierendes Element gerichtet ist und von dort zur Beleuchtung einer Fläche reflektiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass am reflektierenden Element (3) in einem Bereich um die optische Achse der Lichtquelle (1) eine facettierte Fresnelstruktur mit voneinander abweichenden Flankenwinkeln von Wirkflächen der Fresnelstruktur ausgebildet ist, mit der zumindest ein Teil des reflektierten Lichts an den äußeren Rand der zu beleuchtenden Fläche (4) gerichtet ist und/oder am äußeren Rand des reflektierenden Elements (3) um einen Bereich, der mit einer Fresnelstruktur versehen ist, ein nicht strukturierter Bereich ausgebildet ist, der Licht in den Bereich des äußeren Randes der zu beleuchtenden Fläche reflektiert.
2. Beleuchtungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die facettierte Fresnelstruktur so ausgebildet ist, dass Licht von Wirkflä- chen in der Nähe der optischen Achse weiter an den äußeren Rand der zu beleuchtenden Fläche (4) reflektiert wird, als von Wirkflächen mit größerem Abstand zur optischen Achse.
3. Beleuchtungselement nach Anspruch 1 oder 2, da- durch gekennzeichnet, dass der Flankenwinkel von
Wirkflächen der facettierten Fresnelstruktur alternierend größer und kleiner ist und mit größeren Flankenwinkeln Licht an den äußeren Rand der zu beleuchtenden Fläche gerichtet ist.
4. Beleuchtungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein größerer Teil des reflektierten Lichts an den äußeren Rand der zu beleuchtenden Fläche (4) ge- richtet ist.
5. Beleuchtungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein nicht strukturierter Bereich, der frei von Fresnelstrukturen ist, vorhanden ist.
6. Beleuchtungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein nicht strukturierter Bereich des reflektierenden Elements (3) eine ebene planare, konvex oder konkav gekrümmte Oberfläche aufweist.
7. Beleuchtungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass kol- limiertes Licht auf das reflektierende Element
(3) gerichtet ist.
8. Beleuchtungselement nach einem der vorhergehen- den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die
Fresnelstruktur auf der der Lichtquelle (1) gegenüberliegenden Fläche des reflektierenden Elements (3) ausgebildet und die Oberfläche der Fresnelstruktur mit einer reflektierenden Be- Schichtung versehen ist.
9. Beleuchtungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Flankenwinkel von Wirkflanken mit denen Licht an den äußeren Rand der zu beleuchtenden Fläche ge- richtet ist, in Bezug zur optischen Achse größer sind, als Flankenwinkel mit denen Licht in einen zentralen Bereich der zu beleuchtenden Fläche
(4) gerichtet ist.
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