WO2010091998A1 - Beleuchtungseinrichtung - Google Patents

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WO2010091998A1
WO2010091998A1 PCT/EP2010/051375 EP2010051375W WO2010091998A1 WO 2010091998 A1 WO2010091998 A1 WO 2010091998A1 EP 2010051375 W EP2010051375 W EP 2010051375W WO 2010091998 A1 WO2010091998 A1 WO 2010091998A1
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light
lighting device
radiation
emitting diode
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PCT/EP2010/051375
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Jan Marfeld
Ulrich Streppel
Julius Muschaweck
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Osram Opto Semiconductors Gmbh
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Publication date
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    • F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources
    • F21Y2115/10—Light-emitting diodes [LED]

Definitions

  • a lighting device is specified.
  • Indicate lighting device that can produce mixed-colored light particularly homogeneous and with a defined radiation characteristic.
  • the illumination device comprises a light source.
  • the light source has at least two light-emitting diode chips, which emit light of different color during operation. For example, at least one of the light-emitting diode chips can emit red light during operation. Another light-emitting diode chip of the light source can then emit white light during operation, for example. Furthermore, it is possible that the light source is more than two
  • LED chips wherein the light-emitting diode chips in operation light of three or more different colors is emitted.
  • Lighting device the illumination device comprises an optical element.
  • the optical element is intended to bundle the light generated by the light source into a light beam with a defined emission profile.
  • the opening angle of the light cone is This is the angle between the generatrix of the cone and the cone axis.
  • the mantle of the light cone is assumed to be where the intensity of the emitted light has dropped to half its maximum value.
  • the optical element is intended to mix the light of different colors of the LED chips of the light source.
  • the optical element mixes the light such that the resulting color locus of the emitted light of the illumination device in the far field is at least within the coordinates of the ANSI boxes of the correlated color temperature of the mixed light.
  • “In the far field” means that the distance to a radiation exit surface of the illumination device, for example, ten times the diameter of the optical element or more (for example, 1 m or more).
  • the optical element is preferably provided for the fact that adjusts the defined color location of the mixed light over the full angle to the illumination device. That is, in an angular range of 180 ° - on an imaginary hemisphere, which completely, dome-like spans the lighting device - sets the described defined color location of the mixed light.
  • the optical element is intended to mix the light of different colors emitted by the light-emitting diode chips in such a way that the color location of a surface illuminated by the illumination device appears homogeneous to the human eye.
  • the optical element is formed as a solid body, which consists of a dielectric material consists.
  • the optical element is made of a plastic such as PMMA. This has the advantage that the optical element can be produced particularly cost-effectively, for example via an injection molding process.
  • the optical element has the following surfaces: A radiation entrance surface, which faces the LED chips, a
  • Radiation exit surface which faces away from the LED chips, and a lateral surface which connects the radiation entrance surface and the radiation exit surface with each other.
  • the optical element with its radiation entrance surface is arranged downstream of the light-emitting diode chips in their main emission direction, so that the predominant part of the light emitted by the light-emitting diode chips during operation reaches the radiation entrance surface of the optical element and can enter the optical element there.
  • a large part of the light coupled into the optical element leaves the optical element through the radiation exit surface, which is arranged on the side of the optical element facing away from the radiation entrance surface.
  • the lateral surface of the optical element laterally surrounds the optical element and in this way connects the radiation entrance surface to the radiation exit surface.
  • Lighting device is the lateral surface for the light emitted by the LED chips in operation light reflective educated. That is to say, light which strikes the lateral surface when passing through the optical element is reflected there at least to a predominant extent, for example in the direction of the radiation exit surface. The reflection can be done by total reflection. But it is also possible that the lateral surface is coated reflective.
  • the reflective coating may, for example, be realized by a metal layer vapor-deposited on the lateral surface, for example.
  • Lighting device are the radiation entrance surface and / or the radiation exit surface of the optical element at least locally uneven. "Uneven” can mean that at least one of these surfaces is convex or concave. Furthermore, uneven may mean that at least one of these surfaces has a structuring, such as a roughening. In this case, the surface, which is uneven at least in places, may also be flat and / or smooth in areas. In these areas, the surface has no curvature and / or no structuring.
  • Radiation entrance surface arranged, which is filled with a gas.
  • the gap may be filled with air, for example. That is, light emitted by the LED chips in operation is refracted upon entering the optical element at the radiation entrance surface because there is a large refractive index difference.
  • the refractive index of the optical element is at least 1.3.
  • the radiation entrance surface acts as an optical surface. At least one of the light-emitting diode chips is not connected to the refractive index matched to the optical element. In this case, it is possible for the gap to be located between all the light-emitting diode chips of the light source and the radiation entrance surface of the optical element.
  • the optical element represents the
  • Lighting device is the only optical element which is arranged downstream of all light-emitting diode chips of the light source. That is, the illumination device comprises in this case a single optical element which is provided for generating a defined emission profile and for color mixing.
  • the use of a single optical element for both of these tasks minimizes optical interface losses and thus offers the advantage of a particularly efficient illumination device.
  • no multi-stage optical system is used in which, for example, the light is pre-collimated in a first stage, the emission profile is set in a defined manner in a second stage and in a final stage - for example by means of a light diffusion element - the color mixing is performed.
  • the illumination device comprises a light source comprising at least two light-emitting diode chips, which emit in operation light of different color, and an optical element, which as
  • the optical element comprises a radiation entrance surface which is the light-emitting diode chip is facing, a radiation exit surface which faces away from the LED chips, and a lateral surface which connects the radiation entrance surface and the radiation exit surface with each other, wherein the lateral surface is designed to be reflective for the light emitted by the LED chips in operation and the radiation entrance surface and / or the
  • Radiation exit surface are at least locally uneven. In this case, a gap between at least one of the light-emitting diode chips of the light source and the
  • Radiation entrance surface arranged, which is filled with a gas.
  • the optical element is the only optical element that is arranged downstream of all the light-emitting diode chips of the illumination device. In the far field is mixed by the illumination device homogeneous mixed light.
  • the lighting device described here is based on the following ideas: On the one hand, the use of a single, single-stage optical system proves to be
  • Color mixing and generation of a defined emission profile as particularly efficient, as losses of interfaces of the optical element are thereby minimized.
  • a separate light path in the optical element is realized for each color of the LED chips, which would in each case illuminate an area in the far field inhomogeneous at least in terms of color.
  • the inhomogeneities of the individual light paths compensate each other in the sum, whereby a light mixture is realized. That is, at the radiation exit surface of the optical element inhomogeneities in the color location may be present, which are perceivable by the human observer. In the far field, however the color location of the area illuminated by the illumination device appears to be homogeneous.
  • the lateral surface of the optical element is at least in places the lateral surface of a truncated cone. That is, the optical element has between the radiation entrance surface and the radiation exit surface at least a region in which it is formed in a truncated cone.
  • the truncated cone preferably tapers from the radiation exit surface in the direction of the radiation entrance surface.
  • the projection of the radiation exit surface into a plane perpendicular to a longitudinal central axis of the optical element has a larger surface area than the projection of the radiation entrance surface into this plane.
  • the light of the light-emitting diode chips is reflected by means of total reflection on the lateral surface in the direction of the radiation exit surface. This means that in the optical element there is a light conduction from the radiation entrance surface to the radiation exit surface by means of total reflection at the lateral surface.
  • Light beams of the LED chips run in the solid body of the optical element and meet on the lateral surface at a refractive index jump from the optically denser material of the optical element to the optically thinner material of the environment - for example, air.
  • the light deflection by means of total reflection proves to be particularly efficient and leads to little or no optical losses due to the reflection. According to at least one embodiment of the
  • each light beam of the light emitted by the LED chip light is reflected at most once on the lateral surface before it leaves the optical element through the radiation exit surface. That is, one
  • Light beam passes through the optical element either without meeting the lateral surface or the light beam strikes at most once on the lateral surface and can then be totally reflected there in the direction of the radiation exit surface of the optical element, for example.
  • This can be realized by a corresponding adjustment of the height of the optical element in the region of the lateral surface in a direction along the longitudinal central axis of the optical element with respect to the light emitting surface of the light source. This means, for example, that the larger the light emission surface of the light source, the thinner the optical element in the region of the lateral surface.
  • the light emitting surface is the surface which encloses the envelope, which is guided around all light-emitting diode chips of the light source.
  • the optical element is locally formed as a truncated cone. In the area in which the optical element is formed as a truncated cone, it has a
  • the optical element may have one, two, three or more truncated cones, wherein the plurality of truncated cones are stacked on top of each other.
  • the one or more truncated cones taper in the direction of the
  • the optical element is locally formed as a truncated cone, which has a recess on the side of the radiation entrance surface.
  • On the side of the radiation entrance surface of the truncated cone may for example have a hole which is formed in a predetermined manner.
  • the recess is preferably formed rotationally symmetrical to the longitudinal central axis of the optical element.
  • the recess is cylindrical, wherein the longitudinal center axis of the
  • Cylinder coincides with the longitudinal center axis of the truncated cone and with the longitudinal central axis of the optical element.
  • the recess may be provided so that light rays which strike a bottom surface of the recess facing the light-emitting diode chips can pass through the optical element without striking the lateral surface of the optical element. Side surfaces of the recess, which laterally surround the bottom surface of the recess, may be provided for impacting by refraction of light
  • the structured with a recess radiation entrance surface is used for beam shaping.
  • the bottom surface of the recess may be patterned in places, for example, it may be convex or concave curved or have roughening.
  • the side surface of the recess is preferably smooth - so it is not roughened.
  • Lighting device the optical element on the side of the radiation exit surface on a recess, wherein the optical element in the recess has a convexly outwardly curved first region.
  • the first region is preferably arranged rotationally symmetrically about the longitudinal central axis of the optical element.
  • the optical element may be formed, for example, in the manner of a converging lens.
  • the optical element then preferably has a second region which laterally surrounds the first region. For example, the second region surrounds the first region in an annular manner.
  • the second region projects beyond the first region in the direction from the radiation entrance surface to the radiation exit surface at least in places. That is, the second area may be like a ramp around the first area like a frame. The second area can completely enclose the first area.
  • the optical element then has, for example, at its radiation exit surface on a recess in which a region is formed, which is curved convexly outwardly, that is in the direction of the radiation entrance surface to the radiation exit surface.
  • the convexly curved area is laterally surmounted by the second area.
  • Lighting device has at least one of the following surfaces of the optical element at least in places structuring: The radiation entrance surface, the radiation exit surface, the lateral surface.
  • the structuring may be, for example, lenticular convex or concave structuring, which are formed in the respective surface.
  • elliptical lenses are arranged on the radiation exit surface, which are formed by convex outwardly curved portions of the optical element on the radiation exit surface. The elliptical lenses can then with their main direction of extension in the direction of the puncture point of the longitudinal center axis and
  • the structuring may be a roughening intended for light scattering.
  • the roughening can be provided for further mixing of the different colors of the LED chips.
  • the radiation entrance surface is made smooth where light rays enter it, which in the further course meet the lateral surface and are totally reflected there. Namely, these light beams are deflected in a defined manner by the optical element such that as a whole a color-homogeneous mixed light is established which has a defined emission profile.
  • the lateral surface at least in places from the lateral surfaces of at least two, in particular composed of at least three truncated cones, which differ with respect to their opening angle.
  • the opening angle of the truncated cones are the angle between a surface line of the truncated cone and the cone axis.
  • the cone axis of the truncated cones preferably coincides with the longitudinal central axis of the optical element.
  • the Cone are arranged on each other so that they each taper in the direction of the radiation exit surface to the radiation entrance surface of the optical element.
  • the optical element has a lateral surface which is composed of the lateral surfaces of at least two or more truncated cones.
  • the at least two or more truncated cones approximate the lateral surface of a larger truncated cone.
  • the optical element has on its outer surface rotationally symmetrical facets, which are rotationally symmetrical with respect to the longitudinal central axis of the optical element. This faceting of the lateral surface of the optical element causes the exiting light to be mixed particularly homogeneously with respect to its color.
  • the lateral surface is composed at least in places of planar surfaces which approximate at least one truncated cone. That is, the lateral surface is for example completely composed of non-rotationally symmetric facets. This measure also means that the light emerging from the illumination device is mixed particularly homogeneously.
  • the light-emitting diode chips of the light source are arranged in a common mounting plane.
  • the common mounting plane is, for example, the surface of a connection carrier on which the light-emitting diode chips are applied.
  • the optical element is rotationally symmetrical with respect to the longitudinal central axis educated.
  • Light-emitting diode chips of the same color of the light source are arranged point-symmetrically with respect to the puncture point between the longitudinal central axis and the mounting plane.
  • FIGS IA, IB, 2A, 2B, 3A, 3B, 4 show embodiments of what is described here
  • Lighting devices and the associated optical elements based on schematic representations.
  • FIGS IA and IB show a first embodiment of a lighting device described herein in schematic perspective views from different viewing angles.
  • the illumination device comprises a light source 1.
  • the light source 1 comprises six light-emitting diode chips 2a, 2b.
  • the light source 1 comprises two red light emitting LED chips 2a and four white light emitting LED chips 2b.
  • the white light of the LED chips 2b is generated, for example, by means of a luminescence conversion material, which at least a part of the one of
  • Semiconductor body of the LED chips emitted light converted to a light of higher wavelength.
  • the white light is mixed with blue and yellow parts.
  • the light-emitting diode chips 2a may each comprise a separate optical element which is formed, for example, by a potting body in which the light-emitting diode chips 2a, 2b are embedded.
  • the LED chips 2a, 2b are applied to a connection carrier 5, which may be formed as a printed circuit board or metal film board.
  • the light-emitting diode chips 2 a, 2 b are arranged in a common mounting plane 12 which, for example, through the mounting side of the light-emitting diode chip 2 a, 2 b facing the light-emitting diode chips
  • Connection carrier 5 is formed.
  • the light-emitting diode chips of the light source 1 are point-symmetrical with respect to the puncture point 13 between the longitudinal central axis 11 of the optical element 3 and the mounting plane 12 is arranged.
  • the two red light-emitting LED chips 2a are located on a diagonal which intersects the longitudinal central axis 11.
  • the light source 1 is arranged downstream of the optical element 3.
  • the optical element 3 is formed as a solid body made of a transparent plastic.
  • the optical element 3 is preferably free of radiation-scattering particles. That is, the optical element 3 is formed clear.
  • the optical element 3 comprises a radiation entrance surface 31, which faces the light source 1.
  • the radiation entrance surface 31 is arranged at a distance from the light-emitting diode chips 2a, 2b of the light source 1, so that there is a gap 4 between the light source 1 and the optical element 3, which in the present case is filled with air.
  • the optical element 3 further comprises a lateral surface 32, which in the present case is in places the lateral surface of a truncated cone, which tapers in the direction of the radiation entrance surface 31.
  • the optical element 3 comprises a radiation exit surface 33.
  • the radiation exit surface 33 is divided here into two regions 331, 332. In the first region 331, the radiation exit surface 33 is curved convexly outwards.
  • the second region 332 is planar and encloses the first region 331 at the edge, wherein the radiation exit surface in the first region 331 projects beyond the radiation exit surface in the second region 332.
  • the optical element 3 is divided into two areas: In a first region 3 a is the lateral surface of the optical Element 32, the lateral surface of a truncated cone. Except for the recess 6 at the radiation entrance surface 33, the optical element 3 is formed in the first region 3a as a truncated cone. In the second region of the optical element 3b, the optical element is dome-shaped curved outward.
  • the optical element 3 has a recess 6, which is formed like a cylinder or a truncated cone. If the recess 6 is truncated cone-shaped, the tapered
  • the recess 6 is formed in each case rotationally symmetrical, wherein the axis of rotation coincides with the longitudinal central axis 11 of the optical element.
  • the longitudinal central axis 11 intersects the light source 1 in the piercing point 13.
  • the geometric center of gravity of the light source 1 preferably also lies on the longitudinal central axis 11.
  • the operation of the lighting device during operation can be described as follows:
  • Light-emitting diode chips 2a, 2b emitted in operation light 22a, 22b strikes the radiation entrance surface 31. There it is refracted due to the refractive index difference. Some of the rays are directed directly to the radiation exit surface 33 and leave the optical element 3 without hitting the lateral surface 32 in the region 3 a of the optical element. This applies in particular to beams which enter the optical element 3 in the region of the bottom surface 6a of the recess 6.
  • Light rays which enter the optical element 3 in the region of the side surface 6b of the recess 6, are in Direction of the lateral surface 32 is guided in the region 3a and there preferably totally reflected once before they leave the optical element 3 through the radiation exit surface 33, for example in the second region 332.
  • the optical element 3 has at its radiation exit surface 33 an inhomogeneous distribution of the light of the different colors. Due to the rotational symmetry of the optical element 3 and the arrangement of the LED chips 2 of the light source 1, however, takes place in the far field, that is, at a distance of, for example, at least 10 cm, for example, 1 m, a color mixture instead, which is particularly uniform.
  • the light beams 22a, 22b are not diffusely scattered as they enter the optical element, for example by roughening, and are mixed in this way, but the light of different colors can pass through the optical element independently of one another in separate ways.
  • the radiation entrance surface 31 is smooth, so that a defined refraction of the light beams 22a, 22b in the direction of the lateral surface 32 and then a defined reflection in the direction of the radiation exit surface 33 results.
  • the light source 1 in the present case has four light-emitting diode chips.
  • the light source comprises two green LED chips 2b, a red LED chip 2a and a blue LED chip (not shown).
  • the bottom surface 6a of the recess 6 is not smooth, but in places convex and concave curved.
  • the recess is in turn formed rotationally symmetrical to the longitudinal central axis 11 of the optical element.
  • the optical element 3 has at its
  • the structuring 8 is in the form of elliptical lenses which project convexly out of the optical element 3 and are formed, for example, from the material of the optical element 3.
  • the elliptical lenses are arranged in concentric circles around the piercing point of the longitudinal central axis 11 of the optical element with the radiation exit surface 33, the main extension direction of the elliptical lenses being oriented in the direction of this piercing point.
  • the design of the radiation entrance surface 31 and the radiation exit surface 33 of the optical element 3 leads to a particularly homogeneous light mixture of the individual colors of the LED chips 2a, 2b in the far field.
  • LED chips 2a, 2b can be seen enlarged and therefore in the far field at excellent points results in a poorer color mixing.
  • the in conjunction with the figures 3A, 3B and 4 described optical elements 3 for a lighting device described here also solve this problem.
  • the lateral surface 32 of the optical element is formed by truncated cones 9 with different opening angle.
  • the longitudinal center axes of the truncated cones 9 coincide with the longitudinal central axis 11 of the optical element 3.
  • the optical element comprises, for example, at least two, in particular at least three truncated cones 9 of different size and a maximum of ten truncated cones 9 of different size.
  • Truncated cones 9 approximate a larger truncated cone.
  • the lateral surface 32 is in other words formed by rotationally symmetric facets.
  • the optical element may have a recess 7, in which a first region 331 of the radiation exit surface 33 is formed, which is curved convexly outward.
  • a second region 332 of the radiation exit surface 33 the indentation 7 is not arranged. This second region 332 projects beyond the first region 331 and encloses it like a frame.
  • the lateral surface 32 is formed at least in places by non-rotationally symmetrical facets, for example by flat surfaces 10.
  • the flat surfaces 10 thereby approximate the lateral surface of a truncated cone.
  • the truncated cone is approximated by means of at least 40 flat surfaces 10 and at most 500 flat surfaces 10.
  • the optical element 3 in turn comprises a bulge 7, in which a first region 331 of the radiation exit surface 33 is arranged, which projects beyond a second region 332 and is enclosed laterally.
  • the color mixture for a lighting device described here is explained on the basis of graphical representation.
  • the color location of the mixed light which is composed for example of the light beams 22a and 22b, is shown for four different cutting angles in the far field.
  • the color locus for all angles is located within a single ANSI box, so that no color inhomogeneity can be detected by the human observer.
  • Figures 6A and 6B show the CX and CY coordinates, respectively, of the color locus for the four different cut angles plotted for a hemisphere around the illuminator. It can also be seen from FIG. 6 that the homogeneous color mixture is approximately angle-independent.
  • the invention is not limited by the description based on the embodiments of these. Rather, the invention encompasses any novel feature as well as any combination of features, including in particular any combination of features in the claims, even if this feature or combination itself is not explicitly stated in the patent claims or exemplary embodiments.
  • the optical element described here adjusts is an invention and can also be claimed independently of the lighting device.

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Abstract

Es wird eine Beleuchtungseinrichtung angegeben, mit - einer Lichtquelle (1), die zumindest zwei Leuchtdiodenchips (2a, 2b) umfasst, die im Betrieb Licht voneinander unterschiedlicher Farbe emittieren, und einem optischen Element (3), das als Vollkörper aus einem dielektrischen Material ausgebildet ist, wobei - ein Spalt (5) zwischen zumindest einem der Leuchtdiodenchips (2a, 2b) der Lichtquelle (1) und dem optischen Element angeordnet ist, der mit einem Gas gefüllt ist, und - das optische Element (3) das einzige optische Element Beleuchtungseinrichtung ist, das allen Leuchtdiodenchips (2a, 2b) der Lichtquelle (1) nachgeordnet ist.

Description

Beschreibung
Beieuchtungseinrichtung
Es wird eine Beleuchtungseinrichtung angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine
Beleuchtungseinrichtung anzugeben, die mischfarbiges Licht besonders homogen und mit definierter Abstrahlcharakteristik erzeugen kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der
Beleuchtungseinrichtung umfasst die Beleuchtungseinrichtung eine Lichtquelle. Die Lichtquelle weist zumindest zwei Leuchtdiodenchips auf, die im Betrieb Licht voneinander unterschiedlicher Farbe emittieren. Beispielsweise kann zumindest einer der Leuchtdiodenchips im Betrieb rotes Licht emittieren. Ein anderer Leuchtdiodenchip der Lichtquelle kann dann im Betrieb zum Beispiel weißes Licht emittieren. Ferner ist es möglich, dass die Lichtquelle mehr als zwei
Leuchtdiodenchips aufweist, wobei von den Leuchtdiodenchips im Betrieb Licht von drei oder mehr unterschiedlichen Farben emittiert wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der
Beleuchtungseinrichtung umfasst die Beleuchtungseinrichtung ein optisches Element. Das optische Element ist dazu vorgesehen, das von der Lichtquelle erzeugte Licht in einen Lichtstrahl mit definiertem Abstrahlprofil zu bündeln. Beispielsweise kann das optische Element das von der
Lichtquelle im Betrieb erzeugte Licht in einen Lichtkegel mit einem Öffnungswinkel zwischen wenigstens 5° bis höchstens 40° bündeln. Bei dem Öffnungswinkel des Lichtkegels handelt es sich dabei um den Winkel zwischen der Mantellinie des Kegels und der Kegelachse. Der Mantel des Lichtkegels wird dort angenommen, wo die Intensität des abgestrahlten Lichts auf die Hälfte ihres maximalen Werts abgesunken ist.
Darüber hinaus ist das optische Element dazu vorgesehen, das Licht unterschiedlicher Farben der Leuchtdiodenchips der Lichtquelle zu mischen. Das optische Element mischt dabei das Licht derart, dass der resultierende Farbort des abgestrahlten Lichts der Beleuchtungseinrichtung im Fernfeld wenigstens innerhalb der Koordinaten der ANSI-Boxen der korrelierten Farbtemperatur des Mischlichts liegt. "Im Fernfeld" bedeutet dabei, dass der Abstand zu einer Strahlungsaustrittsfläche der Beleuchtungseinrichtung beispielsweise zehnmal dem Durchmesser des optischen Elements oder mehr beträgt (zum Beispiel 1 m oder mehr) . Das optische Element ist dabei vorzugsweise dazu vorgesehen, dass sich der definierte Farbort des Mischlichts über den vollen Winkel um die Beleuchtungseinrichtung einstellt. Das heißt, in einem Winkelbereich von 180° - auf einer gedachten Halbkugel, welche die Beleuchtungseinrichtung vollständig, kuppelartig überspannt - stellt sich der beschriebene definierte Farbort des Mischlichts ein.
Mit anderen Worten ist das optische Element dazu vorgesehen, das von den Leuchtdiodenchips emittierte Licht unterschiedlicher Farbe derart zu mischen, dass der Farbort einer mit der Beleuchtungseinrichtung ausgeleuchteten Fläche für das menschliche Auge homogen erscheint.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der
Beleuchtungseinrichtung ist das optische Element als ein Vollkörper ausgebildet, der aus einem dielektrischen Material besteht. Zum Beispiel besteht das optische Element aus einem Kunststoff, wie zum Beispiel PMMA. Dies hat den Vorteil, dass das optische Element beispielsweise über ein Spritzgussverfahren besonders kostengünstig hergestellt werden kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung weist das optische Element die folgenden Flächen auf: Eine Strahlungseintrittsfläche, die den Leuchtdiodenchips zugewandt ist, eine
Strahlungsaustrittsfläche, die den Leuchtdiodenchips abgewandt ist, und eine Mantelfläche, die die Strahlungseintrittsfläche und die Strahlungsaustrittsfläche miteinander verbindet.
Mit anderen Worten ist das optische Element mit seiner Strahlungseintrittsfläche den Leuchtdiodenchips in deren Hauptabstrahlrichtung nachgeordnet, sodass der überwiegende Teil des von den Leuchtdiodenchips im Betrieb emittierten Lichts zur Strahlungseintrittsfläche des optischen Elements gelangt und dort in das optische Element eintreten kann. Ein Großteil des in das optische Element eingekoppelten Lichts verlässt das optische Element durch die Strahlungsaustrittsfläche, die an der der Strahlungseintrittsfläche abgewandten Seite des optischen Elements angeordnet ist. Die Mantelfläche des optischen Elements umgibt das optische Element seitlich und verbindet auf diese Weise die Strahlungseintrittsfläche mit der Strahlungsaustrittsfläche .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der
Beleuchtungseinrichtung ist die Mantelfläche für das von den Leuchtdiodenchips im Betrieb emittierte Licht reflektierend ausgebildet. Das heißt, Licht, das beim Durchlaufen des optischen Elements auf die Mantelfläche trifft, wird dort zumindest zu einem überwiegenden Teil, beispielsweise in Richtung der Strahlungsaustrittsfläche, reflektiert. Die Reflexion kann dabei mittels Totalreflexion erfolgen. Es ist aber auch möglich, dass die Mantelfläche reflektierend beschichtet ist. Die reflektierende Beschichtung kann zum Beispiel durch eine Metallschicht, die auf die Mantelfläche zum Beispiel aufgedampft ist, realisiert sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der
Beleuchtungseinrichtung sind die Strahlungseintrittsfläche und/oder die Strahlungsaustrittsfläche des optischen Elements zumindest stellenweise uneben. "Uneben" kann dabei bedeuten, dass zumindest eine dieser Flächen konvex oder konkav gewölbt ist. Ferner kann uneben bedeuten, dass zumindest eine dieser Flächen eine Strukturierung, wie zum Beispiel eine Aufrauung, aufweist. Dabei kann die Fläche, welche zumindest stellenweise uneben ist, in Bereichen auch eben und/oder glatt ausgeführt sein. In diesen Bereichen weist die Fläche keine Krümmung und/oder keine Strukturierung auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung ist ein Spalt zwischen zumindest einem der Leuchtdiodenchips der Lichtquelle und der
Strahlungseintrittsfläche angeordnet, der mit einem Gas gefüllt ist. Der Spalt kann beispielsweise mit Luft gefüllt sein. Das heißt, von den Leuchtdiodenchips im Betrieb emittiertes Licht wird beim Eintritt in das optische Element an der Strahlungseintrittsfläche gebrochen, da dort ein großer Brechungsindexunterschied vorhanden ist. Beispielsweise beträgt der Brechungsindex des Gases zirka n = 1. Der Brechungsindex des optischen Elements beträgt wenigstens 1,3. Mit anderen Worten wirkt die Strahlungseintrittsfläche als optische Fläche. Zumindest einer der Leuchtdiodenchips ist nicht brechungsindexangepasst an das optische Element angeschlossen. Dabei ist es möglich, dass sich der Spalt zwischen sämtlichen Leuchtdiodenchips der Lichtquelle und der Strahlungseintrittsfläche des optischen Elements befindet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung stellt das optische Element der
Beleuchtungseinrichtung das einzige optische Element dar, das sämtlichen Leuchtdiodenchips der Lichtquelle nachgeordnet ist. Das heißt, die Beleuchtungseinrichtung umfasst in diesem Fall ein einziges optisches Element, das zur Erzeugung eines definierten Abstrahlprofils und zur Farbmischung vorgesehen ist. Die Verwendung eines einzigen optischen Elements für beide dieser Aufgaben minimiert die optischen Grenzflächenverluste und bietet damit den Vorteil einer besonders effizienten Beleuchtungseinrichtung. Es wird also kein mehrstufiges Optiksystem verwendet, bei dem in einer ersten Stufe das Licht zum Beispiel vor-kollomiert wird, in einer zweiten Stufe das Abstrahlprofil definiert eingestellt wird und in einer letzten Stufe - zum Beispiel mittels eines Lichtdiffusionselements - die Farbmischung durchgeführt wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der
Beleuchtungseinrichtung umfasst die Beleuchtungseinrichtung eine Lichtquelle, die zumindest zwei Leuchtdiodenchips umfasst, die im Betrieb Licht voneinander unterschiedlicher Farbe emittieren, und ein optisches Element, das als
Vollkörper aus einem dielektrischen Material ausgebildet ist. Das optische Element umfasst dabei eine Strahlungseintrittsfläche, die den Leuchtdiodenchips zugewandt ist, eine Strahlungsaustrittsfläche, die den Leuchtdiodenchips abgewandt ist, und eine Mantelfläche, welche die Strahlungseintrittsfläche und die Strahlungsaustrittsfläche miteinander verbindet, wobei die Mantelfläche für das von den Leuchtdiodenchips im Betrieb emittierte Licht reflektierend ausgebildet ist und die Strahlungseintrittsfläche und/oder die
Strahlungsaustrittsfläche zumindest stellenweise uneben sind. Dabei ist ein Spalt zwischen zumindest einem der Leuchtdiodenchips der Lichtquelle und der
Strahlungseintrittsfläche angeordnet, der mit einem Gas gefüllt ist. Das optische Element stellt dabei das einzige optische Element dar, das sämtlichen Leuchtdiodenchips der Beleuchtungseinrichtung nachgeordnet ist. Im Fernfeld wird von der Beleuchtungseinrichtung homogenes Mischlicht abgestrahlt .
Der hier beschriebenen Beleuchtungseinrichtung liegen dabei unter anderem die folgenden Ideen zugrunde: Zum einen erweist sich die Verwendung einer einzigen, einstufigen Optik zur
Farbmischung und Erzeugung eines definierten Abstrahlprofils als besonders effizient, da Verluste an Grenzflächen des optischen Elements dadurch minimiert sind. Dazu wird für jede Farbe der Leuchtdiodenchips ein eigener Lichtpfad im optischen Element realisiert, der jeweils für sich genommen eine Fläche im Fernfeld zumindest hinsichtlich der Farbe inhomogen ausleuchten würde. Die Inhomogenitäten der einzelnen Lichtpfade kompensieren sich in der Summe, wodurch eine Lichtmischung realisiert ist. Das heißt, an der Strahlungsaustrittsfläche des optischen Elements können Inhomogenitäten im Farbort vorhanden sein, die vom menschlichen Betrachter wahrnehmbar sind. Im Fernfeld jedoch erscheint der Farbort der mit der Beleuchtungseinrichtung ausgeleuchteten Fläche als homogen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung ist die Mantelfläche des optischen Elements zumindest stellenweise die Mantelfläche eines Kegelstumpfes. Das heißt, das optische Element weist zwischen der Strahlungseintrittsfläche und der Strahlungsaustrittsfläche zumindest einen Bereich auf, in dem es kegelstumpfartig ausgebildet ist. Der Kegelstumpf verjüngt sich dabei vorzugsweise von der Strahlungsaustrittsfläche in Richtung der Strahlungseintrittsfläche. Dabei ist es insgesamt auch möglich, dass die Projektion der Strahlungsaustrittsfläche in eine Ebene senkrecht zu einer Längsmittelachse des optischen Elements einen größeren Flächeninhalt aufweist, als die Projektion der Strahlungseintrittsfläche in diese Ebene.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung wird das Licht der Leuchtdiodenchips mittels Totalreflexion an der Mantelfläche in Richtung der Strahlungsaustrittsfläche reflektiert. Das bedeutet, im optischen Element findet eine Lichtleitung von der Strahlungseintrittsfläche zur Strahlungsaustrittsfläche mittels Totalreflexion an der Mantelfläche statt.
Lichtstrahlen der Leuchtdiodenchips verlaufen im Vollkörper des optischen Elements und treffen an der Mantelfläche an einem Brechungsindexsprung vom optisch dichteren Material des optischen Elements zum optisch dünneren Material der Umgebung - zum Beispiel Luft. Die Lichtlenkung mittels Totalreflexion erweist sich dabei als besonders effizient und führt zu kaum oder gar keinen optischen Verlusten aufgrund der Reflexion. Gemäß zumindest einer Ausführungsform der
Beleuchtungseinrichtung wird jeder Lichtstrahl des von den Leuchtdiodenchips emittierten Lichts höchstens einmal an der Mantelfläche reflektiert, bevor er das optische Element durch die Strahlungsaustrittsfläche verlässt. Das heißt, ein
Lichtstrahl durchtritt das optische Element entweder ohne auf die Mantelfläche zu treffen oder der Lichtstrahl trifft höchstens einmal auf die Mantelfläche und kann dort dann in Richtung der Strahlungsaustrittsfläche des optischen Elements zum Beispiel totalreflektiert werden. Dies kann durch eine entsprechende Anpassung der Höhe des optischen Elements im Bereich der Mantelfläche in einer Richtung längs der Längsmittelachse des optischen Elements in Bezug auf die Lichtabstrahlfläche der Lichtquelle realisiert sein. Das heißt zum Beispiel, dass das optische Element im Bereich der Mantelfläche umso dünner ausgeführt wird, je größer die Lichtabstrahlfläche der Lichtquelle ist. Die Lichtabstrahlfläche ist dabei die Fläche, welche die Umhüllende einschließt, die um sämtliche Leuchtdiodenchips der Lichtquelle geführt ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der
Beleuchtungseinrichtung ist das optische Element stellenweise als Kegelstumpf ausgebildet. Im Bereich, in dem das optische Element als Kegelstumpf ausgebildet ist, weist es eine
Mantelfläche auf, welche die Mantelfläche eines Kegelstumpfes ist. Das optische Element kann dabei ein, zwei, drei oder mehr Kegelstümpfe aufweisen, wobei die mehreren Kegelstümpfe übereinander gestapelt sind. Der oder die Kegelstümpfe verjüngen sich dabei in Richtung von der
Strahlungsaustrittsfläche zur Strahlungseintrittsfläche des optischen Elements. Gemäß zumindest einer Ausführungsform der
Beleuchtungseinrichtung ist das optische Element stellenweise als Kegelstumpf ausgebildet, der an der Seite der Strahlungseintrittsfläche eine Ausnehmung aufweist. An der Seite der Strahlungseintrittsfläche kann der Kegelstumpf beispielsweise ein Loch aufweisen, das in vorgegebener Weise ausgeformt ist. Die Ausnehmung ist dabei vorzugsweise rotationssymmetrisch zur Längsmittelachse des optischen Elements ausgebildet. Zum Beispiel ist die Ausnehmung zylindrisch ausgebildet, wobei die Längsmittelachse des
Zylinders mit der Längsmittelachse des Kegelstumpfes und mit der Längsmittelachse des optischen Elements zusammenfällt.
Die Ausnehmung kann dafür vorgesehen sein, dass Lichtstrahlen, die auf eine den Leuchtdiodenchips zugewandte Bodenfläche der Ausnehmung treffen, das optische Element durchlaufen können, ohne auf die Mantelfläche des optischen Elements zu treffen. Seitenflächen der Ausnehmung, welche die Bodenfläche der Ausnehmung seitlich umschließen, können dazu vorgesehen sein, durch Lichtbrechung auftreffende
Lichtstrahlen zur Mantelfläche zu lenken, wo sie mittels Totalreflexion in Richtung der Strahlungsaustrittsfläche reflektiert werden. Insgesamt dient die mit einer Ausnehmung strukturierte Strahlungseintrittsfläche zur Strahlformung. Die Bodenfläche der Ausnehmung kann dafür stellenweise strukturiert sein, zum Beispiel kann sie konvex oder konkav gekrümmt sein oder Aufrauungen aufweisen. Die Seitenfläche der Ausnehmung ist vorzugsweise glatt ausgebildet - sie ist also nicht aufgeraut.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der
Beleuchtungseinrichtung weist das optische Element an der Seite der Strahlungsaustrittsfläche eine Einbuchtung auf, wobei das optische Element in der Einbuchtung einen konvex nach außen gekrümmten ersten Bereich aufweist. Der erste Bereich ist dabei vorzugsweise rotationssymmetrisch um die Längsmittelachse des optischen Elements angeordnet. In diesem Bereich kann das optische Element beispielsweise nach Art einer Sammellinse ausgebildet sein. Das optische Element weist dann vorzugsweise einen zweiten Bereich auf, welcher den ersten Bereich seitlich umgibt. Beispielsweise umschließt der zweite Bereich den ersten Bereich ringförmig.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung überragt der zweite Bereich den ersten Bereich in Richtung von der Strahlungseintrittsfläche zur Strahlungsaustrittsfläche zumindest stellenweise. Das heißt, der zweite Bereich kann nach Art eines Walls rahmenartig um den ersten Bereich herum ausgeführt sein. Der zweite Bereich kann dabei den ersten Bereich vollständig umschließen. Das optische Element weist dann zum Beispiel an seiner Strahlungsaustrittsfläche eine Einbuchtung auf, in welcher ein Bereich ausgebildet ist, der konvex nach außen, das heißt in Richtung von der Strahlungseintrittsfläche zur Strahlungsaustrittsfläche gekrümmt ist. Der konvex gekrümmte Bereich wird seitlich dann vom zweiten Bereich überragt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der
Beleuchtungseinrichtung weist zumindest eine der folgenden Flächen des optischen Elements zumindest stellenweise eine Strukturierung auf: Die Strahlungseintrittsfläche, die Strahlungsaustrittsfläche, die Mantelfläche. Bei der Strukturierung kann es sich zum Beispiel um linsenartige konvexe oder konkave Strukturierungen handeln, welche in die jeweilige Fläche eingeformt sind. Zum Beispiel sind auf der Strahlungsaustrittsfläche elliptische Linsen angeordnet, welche durch konvex nach außen gekrümmte Bereiche des optischen Elements auf der Strahlungsaustrittsfläche ausgebildet sind. Die elliptischen Linsen können dann mit ihrer Haupterstreckungsrichtung in Richtung des Durchstoßpunktes von Längsmittelachse und
Strahlungsaustrittsfläche ausgerichtet sein.
Darüber hinaus kann es sich bei der Strukturierung um eine Aufrauung handeln, die zur Lichtstreuung vorgesehen ist. Die Aufrauung kann zu einer weiteren Durchmischung der unterschiedlichen Farben der Leuchtdiodenchips vorgesehen sein. Dabei ist es jedoch dann wichtig, dass zumindest Teile der Strahlungseintrittsfläche frei von solchen Aufrauungen sind. Das heißt, gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung ist die Strahlungseintrittsfläche stellenweise glatt ausgeführt. Insbesondere ist die Strahlungseintrittsfläche dort glatt ausgeführt, wo Lichtstrahlen in sie eintreten, welche im weiteren Verlauf auf die Mantelfläche treffen und dort totalreflektiert werden. Diese Lichtstrahlen werden nämlich vom optischen Element definiert derart gelenkt, dass sich insgesamt ein farbhomogenes Mischlicht einstellt, das ein definiertes Abstrahlprofil aufweist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der
Beleuchtungseinrichtung ist die Mantelfläche zumindest stellenweise aus den Mantelflächen von zumindest zwei, insbesondre von zumindest drei Kegelstümpfen zusammengesetzt, die sich hinsichtlich ihrer Öffnungswinkel unterscheiden. Die Öffnungswinkel der Kegelstümpfe sind dabei die Winkel zwischen einer Mantellinie des Kegelstumpfs und der Kegelachse. Die Kegelachse der Kegelstümpfe fällt bevorzugt mit der Längsmittelachse des optischen Elements zusammen. Die Kegel sind dabei derart aufeinander angeordnet, dass sie sich jeweils in der Richtung von der Strahlungsaustrittsfläche zur Strahlungseintrittsfläche des optischen Elements verjüngen.
Das optische Element weist in dieser Ausführungsform also eine Mantelfläche auf, die sich aus den Mantelflächen von zumindest zwei oder mehr Kegelstümpfen zusammensetzt. Die zumindest zwei oder mehr Kegelstümpfe approximieren dabei die Mantelfläche eines größeren Kegelstumpfs. Mit anderen Worten weist das optische Element an seiner Außenfläche rotationssymmetrische Facetten auf, die bezüglich der Längsmittelachse des optischen Elements rotationssymmetrisch ausgebildet sind. Diese Facettierung der Mantelfläche des optischen Elements führt dazu, dass das austretende Licht besonders homogen hinsichtlich seiner Farbe gemischt ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung ist die Mantelfläche zumindest stellenweise aus ebenen Flächen zusammengesetzt, die zumindest einen Kegelstumpf approximieren. Das heißt, die Mantelfläche ist beispielsweise vollständig aus nichtrotationssymmetrischen Facetten zusammengesetzt. Auch diese Maßnahme führt dazu, dass das aus der Beleuchtungseinrichtung austretende Licht besonders homogen gemischt wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung sind die Leuchtdiodenchips der Lichtquelle in einer gemeinsamen Montageebene angeordnet. Bei der gemeinsamen Montageebene handelt es sich beispielsweise um die Oberfläche eines Anschlussträgers, auf welchen die Leuchtdiodenchips aufgebracht sind. Das optische Element ist rotationssymmetrisch bezüglich der Längsmittelachse ausgebildet. Leuchtdiodenchips gleicher Farbe der Lichtquelle sind punktsymmetrisch bezüglich des Durchstoßpunktes zwischen der Längsmittelachse und der Montageebene angeordnet. Eine solche Anordnung der Leuchtdiodenchips der Lichtquelle bezüglich des optischen Elements ermöglicht eine besonders homogene Lichtmischung des von der Beleuchtungseinrichtung abgestrahlten Lichts.
Die Ausdrücke "rotationssymmetrisch" und "punktsymmetrisch" sind dabei so zu verstehen, dass diese Symmetrie hinsichtlich einer Herstellungstoleranz eingehalten wird. Es wird also nicht augenfällig und absichtlich von diesen Symmetrien abgewichen .
Im Folgenden wird die hier beschriebene
Beleuchtungseinrichtung anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert.
Die Figuren IA, IB, 2A, 2B, 3A, 3B, 4 zeigen Ausführungsbeispiele von hier beschriebenen
Beleuchtungseinrichtungen und den dazugehörigen optischen Elementen anhand schematischer Darstellungen .
Anhand der Figuren 5, 6A und 6B sind optische Eigenschaften der hier beschriebenen Beleuchtungseinrichtungen näher erläutert.
Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Die Figuren IA und IB zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel einer hier beschriebenen Beleuchtungseinrichtung in schematischen Perspektivdarstellungen aus unterschiedlichen Betrachtungswinkeln. Die Beleuchtungseinrichtung umfasst eine Lichtquelle 1. Die Lichtquelle 1 umfasst sechs Leuchtdiodenchips 2a, 2b. Beispielsweise umfasst die Lichtquelle 1 zwei rotes Licht emittierende Leuchtdiodenchips 2a und vier weißes Licht emittierende Leuchtdiodenchips 2b.
Das weiße Licht der Leuchtdiodenchips 2b wird dabei beispielsweise mittels eines Lumineszenzkonversionsmaterials erzeugt, welches zumindest einen Teil des von einem
Halbleiterkörper der Leuchtdiodenchips emittierten Lichts zu einem Licht höherer Wellenlänge konvertiert. Beispielsweise ist das weiße Licht aus blauen und gelben Anteilen gemischt.
Die Leuchtdiodenchips 2a können jeweils ein eigenes optisches Element umfassen, das zum Beispiel durch einen Vergusskörper gebildet ist, in welchem die Leuchtdiodenchips 2a, 2b eingebettet sind.
Die Leuchtdiodenchips 2a, 2b sind auf einem Anschlussträger 5 aufgebracht, der als bedruckte Leiterplatte oder Metallfilmplatine ausgebildet sein kann. Die Leuchtdiodenchips 2a, 2b sind in einer gemeinsamen Montageebene 12 angeordnet, die zum Beispiel durch die den Leuchtdiodenchips 2a, 2b zugewandte Montageseite des
Anschlussträgers 5 gebildet ist. Die Leuchtdiodenchips der Lichtquelle 1 sind punktsymmetrisch hinsichtlich des Durchstoßpunkts 13 zwischen der Längsmittelachse 11 des optischen Elements 3 und der Montageebene 12 angeordnet. Mit anderen Worten befinden sich die beiden rotes Licht emittierenden Leuchtdiodenchips 2a auf einer Diagonalen, welche die Längsmittelachse 11 schneidet.
Der Lichtquelle 1 ist das optische Element 3 nachgeordnet.
Das optische Element 3 ist als Vollkörper aus einem transparenten Kunststoff ausgebildet. Das optische Element 3 ist vorzugsweise frei von strahlungsstreuenden Teilchen. Das heißt, das optische Element 3 ist klarsichtig ausgebildet. Das optische Element 3 umfasst eine Strahlungseintrittsfläche 31, die der Lichtquelle 1 zugewandt ist. Die Strahlungseintrittsfläche 31 ist beabstandet von den Leuchtdiodenchips 2a, 2b der Lichtquelle 1 angeordnet, sodass ein Spalt 4 zwischen der Lichtquelle 1 und dem optischen Element 3 vorhanden ist, der vorliegend mit Luft gefüllt ist. Das optische Element 3 umfasst ferner eine Mantelfläche 32, die vorliegend stellenweise die Mantelfläche eines Kegelstumpfes ist, der sich in Richtung der Strahlungseintrittsfläche 31 verjüngt.
Weiter umfasst das optische Element 3 eine Strahlungsaustrittsfläche 33. Die Strahlungsaustrittsfläche 33 gliedert sich vorliegend in zwei Bereiche 331, 332. Im ersten Bereich 331 ist die Strahlungsaustrittsfläche 33 konvex nach außen gewölbt. Der zweite Bereich 332 ist eben ausgebildet und umschließt den ersten Bereich 331 randseitig, wobei die Strahlungsaustrittsfläche im ersten Bereich 331 die Strahlungsaustrittsfläche im zweiten Bereich 332 überragt.
Auch das optische Element 3 ist in zwei Bereiche gegliedert: In einem ersten Bereich 3a ist die Mantelfläche des optischen Elements 32 die Mantelfläche eines Kegelstumpfs. Bis auf die Ausnehmung 6 an der Strahlungseintrittsfläche 33 ist das optische Element 3 im ersten Bereich 3a als ein Kegelstumpf ausgebildet. Im zweiten Bereich des optischen Elements 3b ist das optische Element kuppelartig nach außen gewölbt.
Im ersten Bereich 3a des optischen Elements 3 weist das optische Element 3 eine Ausnehmung 6 auf, die zylinderartig oder kegelstumpfartig ausgebildet ist. Ist die Ausnehmung 6 kegelstumpfartig ausgebildet, so verjüngt sich der
Kegelstumpf von der Strahlungseintrittsfläche 31 in Richtung der Strahlungsaustrittsfläche 33. Die Ausnehmung 6 ist in jedem Fall rotationssymmetrisch ausgebildet, wobei die Rotationsachse mit der Längsmittelachse 11 des optischen Elements zusammenfällt. Die Längsmittelachse 11 schneidet die Lichtquelle 1 im Durchstoßpunkt 13. Bevorzugt liegt auch der geometrische Schwerpunkt der Lichtquelle 1 auf der Längsmittelachse 11.
Die Funktionsweise der Beleuchtungseinrichtung im Betrieb kann wie folgt beschrieben werden: Das von den
Leuchtdiodenchips 2a, 2b im Betrieb emittierte Licht 22a, 22b trifft auf die Strahlungseintrittsfläche 31. Dort wird es aufgrund des Brechungsindexunterschieds gebrochen. Manche Strahlen werden dabei direkt zur Strahlungsaustrittsfläche 33 gelenkt und verlassen das optische Element 3, ohne auf die Mantelfläche 32 im Bereich 3a des optischen Elements zu treffen. Dies trifft insbesondere für Strahlen zu, die im Bereich der Bodenfläche 6a der Ausnehmung 6 in das optische Element 3 eintreten.
Lichtstrahlen, die im Bereich der Seitenfläche 6b der Ausnehmung 6 in das optische Element 3 eintreten, werden in Richtung der Mantelfläche 32 im Bereich 3a gelenkt und dort vorzugsweise genau einmal totalreflektiert, bevor sie das optische Element 3 durch die Strahlungsaustrittsfläche 33, zum Beispiel im zweiten Bereich 332, verlassen.
Insgesamt weist das optische Element 3 an seiner Strahlungsaustrittsfläche 33 eine inhomogene Verteilung des Lichts der unterschiedlichen Farben auf. Aufgrund der Rotationssymmetrie des optischen Elements 3 sowie der Anordnung der Leuchtdiodenchips 2 der Lichtquelle 1 findet jedoch im Fernfeld, das heißt in einem Abstand von beispielsweise wenigstens 10 cm, zum Beispiel von 1 m, eine Farbmischung statt, die besonders gleichmäßig ist.
Die Lichtstrahlen 22a, 22b werden insbesondere nicht schon bei ihrem Eintritt in das optische Element, zum Beispiel durch eine Aufrauung, diffus gestreut und auf diese Weise durchmischt, sondern das Licht unterschiedlicher Farben kann das optische Element auf getrennten Wegen, unabhängig voneinander durchlaufen.
Insbesondere im Bereich der Seitenflächen 6b der Ausnehmung ist die Strahlungseintrittsfläche 31 glatt ausgebildet, sodass sich eine definierte Brechung der Lichtstrahlen 22a, 22b in Richtung der Mantelfläche 32 und anschließend eine definierte Reflexion in Richtung der Strahlungsaustrittsfläche 33 ergibt.
In Verbindung mit den Figuren 2A, 2B ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer hier beschriebenen
Beleuchtungseinrichtung näher erläutert. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der Figuren IA, IB weist die Lichtquelle 1 vorliegend vier Leuchtdiodenchips auf. Beispielsweise kann die Lichtquelle zwei grüne Leuchtdiodenchips 2b, einen roten Leuchtdiodenchip 2a und einen blauen Leuchtdiodenchip (nicht gezeigt) umfassen.
Ferner ist im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der Figuren IA, IB die Bodenfläche 6a der Ausnehmung 6 nicht glatt ausgebildet, sondern stellenweise konvex und konkav gekrümmt. Die Ausnehmung ist dabei wiederum rotationssymmetrisch zur Längsmittelachse 11 des optischen Elements ausgebildet.
Das optische Element 3 weist an seiner
Strahlungsaustrittsfläche 33 eine Strukturierung 8 auf. Die Strukturierung 8 ist in Form von elliptischen Linsen ausgeführt, die konvex aus dem optischen Element 3 herausragen und zum Beispiel aus dem Material des optischen Elements 3 geformt sind. Die elliptischen Linsen sind in konzentrischen Kreisen um den Durchstoßpunkt der Längsmittelachse 11 des optischen Elements mit der Strahlungsaustrittsfläche 33 angeordnet, wobei die Haupterstreckungsrichtung der elliptischen Linsen in Richtung dieses Durchstoßpunktes ausgerichtet ist.
Die Ausgestaltung der Strahlungseintrittsfläche 31 sowie der Strahlungsaustrittsfläche 33 des optischen Elements 3 führt dabei zu einer besonders homogenen Lichtmischung der einzelnen Farben der Leuchtdiodenchips 2a, 2b im Fernfeld.
Bei den Beleuchtungseinrichtungen der Figuren 1 und 2 kann sich nun das Problem ergeben, dass unter wenigen, bestimmten Blickrichtungen auf das optische Element 3 bestimmte
Leuchtdiodenchips 2a, 2b vergrößert zu erkennen sind und sich im Fernfeld an ausgezeichneten Punkten daher eine schlechtere Farbmischung ergibt. Die in Verbindung mit den Figuren 3A, 3B und 4 beschriebenen optischen Elemente 3 für eine hier beschriebene Beleuchtungseinrichtung lösen auch dieses Problem.
Beim in Verbindung mit den Figuren 3A und 3B beschriebenen optischen Element 3 ist die Mantelfläche 32 des optischen Elements durch Kegelstümpfe 9 mit unterschiedlichem Öffnungswinkel gebildet. Die Längsmittelachsen der Kegelstümpfe 9 fallen dabei mit der Längsmittelachse 11 des optischen Elements 3 zusammen. Je kleiner der Öffnungswinkel eines Kegelstumpfs 9 ist, desto näher ist er an der Strahlungsaustrittsfläche 33 angeordnet. Das optische Element umfasst beispielsweise wenigstens zwei, insbesondere wenigstens drei Kegelstümpfe 9 unterschiedlicher Größe und maximal zehn Kegelstümpfe 9 unterschiedlicher Größe. Die
Kegelstümpfe 9 approximieren einen größeren Kegelstumpf. Die Mantelfläche 32 ist mit anderen Worten durch rotationssymmetrische Facetten gebildet.
An der Strahlungsaustrittsfläche 33 kann das optische Element eine Einbuchtung 7 aufweisen, in dem ein erster Bereich 331 der Strahlungsaustrittsfläche 33 ausgebildet ist, der konvex nach außen gekrümmt ist. In einem zweiten Bereich 332 der Strahlungsaustrittsfläche 33 ist die Einbuchtung 7 nicht angeordnet. Dieser zweite Bereich 332 überragt den ersten Bereich 331 und umschließt ihn rahmenartig.
In Verbindung mit der Figur 4 ist ein optisches Element für eine hier beschriebene Beleuchtungseinrichtung näher erläutert, bei dem die Mantelfläche 32 zumindest stellenweise durch nichtrotationssymmetrische Facetten, zum Beispiel durch ebene Flächen 10 gebildet ist. Die ebenen Flächen 10 approximieren dabei die Mantelfläche eines Kegelstumpfes. Beispielsweise ist der Kegelstumpf mittels wenigstens 40 ebenen Flächen 10 und höchstens 500 ebenen Flächen 10 approximiert. Das optische Element 3 umfasst wiederum eine Ausbuchtung 7, in welcher ein erster Bereich 331 der Strahlungsaustrittsfläche 33 angeordnet ist, der von einem zweiten Bereich 332 überragt und seitlich umschlossen ist.
In Verbindung mit den Figuren 5, 6A und 6B ist anhand grafischer Auftragung die Farbmischung für eine hier beschriebene Beleuchtungseinrichtung erläutert. In der Figur 5 ist der Farbort des Mischlichts, das sich beispielsweise aus den Lichtstrahlen 22a und 22b zusammensetzt für vier verschiedene Schnittwinkel im Fernfeld dargestellt. Wie aus der Figur 5 ersichtlich ist, befindet sich der Farbort für sämtliche Winkel innerhalb einer einzigen ANSI-Box, sodass vom menschlichen Betrachter keine Farbinhomogenität feststellbar ist.
Die Figuren 6A und 6B zeigen die CX- beziehungsweise die CY- Koordinaten des Farborts für die vier verschiedenen Schnittwinkel aufgetragen für eine Halbkugel um die Beleuchtungseinrichtung. Auch aus der Figur 6 ist ersichtlich, dass die homogene Farbmischung annähernd winkelunabhängig ist.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist. Zum Beispiel stellt das hier beschriebene optische Element an sich eine Erfindung dar und kann auch unabhängig von der Beleuchtungseinrichtung beansprucht werden.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Prioritäten der deutschen Patentanmeldungen 102009008368.5 und 102009017495.8, deren Offenbarungsgehalt hiermit jeweils durch Rückbezug aufgenommen wird.

Claims

Patentansprüche
1. Beleuchtungseinrichtung mit
- einer Lichtquelle (1), die zumindest zwei Leuchtdiodenchips (2a, 2b) umfasst, die im Betrieb Licht voneinander unterschiedlicher Farbe emittieren, und
- einem optischen Element (3) , das als Vollkörper aus einem dielektrischen Material ausgebildet ist, aufweisend
- eine Strahlungseintrittsfläche (31), die den Leuchtdiodenchips (2a, 2b) zugewandt ist,
- eine Strahlungsaustrittsfläche (33) , die den Leuchtdiodenchips (2a, 2b) abgewandt ist, und
- eine Mantelfläche (32), die die Strahlungseintrittsfläche (31) und die Strahlungsaustrittsfläche (33) miteinander verbindet, wobei
- die Mantelfläche (32) für das von den Leuchtdiodenchips (2a, 2b) im Betrieb emittierte Licht reflektierend ausgebildet ist, und - die Strahlungseintrittsfläche (31) und/oder die
Strahlungsaustrittsfläche (33) zumindest stellenweise uneben ist, wobei
- ein Spalt (5) zwischen zumindest einem der Leuchtdiodenchips (2a, 2b) der Lichtquelle (1) und der Strahlungseintrittsfläche
(31) angeordnet ist, der mit einem Gas gefüllt ist, und
- das optische Element (3) das einzige optische Element der Beleuchtungseinrichtung ist, das allen Leuchtdiodenchips (2a, 2b) der Lichtquelle (1) nachgeordnet ist.
2. Beleuchtungseinrichtung nach dem vorherigen Anspruch, bei der das optische Element (3) an der Seite der Strahlungsaustrittsfläche (31) eine Einbuchtung (7) aufweist, wobei das optische Element (3) in der Einbuchtung (7) einen konvex nach außen gekrümmten ersten Bereich (331) aufweist, der seitlich zumindest stellenweise von einem zweiten Bereich (332) des optischen Elements (3) umgeben ist.
3. Beleuchtungseinrichtung nach dem vorherigen Anspruch, bei der der zweite Bereich (332) den ersten Bereich (331) zumindest stellenweise überragt.
4. Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der im Betrieb der Lichtquelle (1) an der Strahlungsaustrittsfläche (33) des optischen Elements (3) Inhomogenitäten im Farbort vorhanden sind, die von einem Betrachter wahrnehmbar sind, wobei im Fernfeld der Farbort einer mit dem Licht der Beleuchtungseinrichtung ausgeleuchteten Fläche dem Betrachter als homogen erscheint.
5. Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Mantelfläche (32) zumindest stellenweise die Mantelfläche eines Kegelstumpfes (9) ist.
6. Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der das Licht der Leuchtdiodenchips (2a, 2b) mittels Totalreflexion an der Mantelfläche (32) in Richtung der Strahlungsaustrittsfläche (33) reflektiert wird.
7. Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der jeder Lichtstrahl des von den Leuchtdiodenchips (2a, 2b) emittierten Lichts höchstens einmal an der Mantelfläche (32) reflektiert wird, bevor er das optische Element (3) durch die Strahlungsaustrittsfläche (33) verlässt.
8. Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der das optische Element (3) stellenweise als Kegelstumpf (9) ausgebildet ist, der an der Seite der Strahlungseintrittsfläche (31) eine Ausnehmung (6) aufweist.
9. Beleuchtungseinrichtung nach dem vorherigen Anspruch, bei der die Ausnehmung (6) zylindrisch oder kegelstumpfartig ausgebildet ist.
10. Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der zumindest eine der folgenden Flächen des optischen Elements (3) zumindest stellenweise eine Strukturierung (8) aufweist: Strahlungseintrittsfläche (31), Strahlungsaustrittsfläche (33), Mantelfläche (32) .
11. Beleuchtungseinrichtung nach dem vorherigen Anspruch, bei der die Strukturierung (8) eine optische, insbesondere eine elliptische Linse umfasst, die in die Fläche eingeformt ist und/oder bei der die Strukturierung (8) eine Aufrauung umfasst.
12. Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Strahlungseintrittsfläche (31) zumindest stellenweise glatt ausführt ist.
13. Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Mantelfläche (32) zumindest stellenweise aus den Mantelflächen von zumindest zwei Kegelstümpfen (9) zusammengesetzt ist, die sich hinsichtlich ihrer Öffnungswinkel unterscheiden.
14. Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Mantelfläche (32) zumindest stellenweise aus ebenen Flächen (10) zusammengesetzt ist, die zumindest einen Kegelstumpf approximieren.
15. Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der - die Leuchtdiodenchips (2a, 2b) der Lichtquelle (1) in einer gemeinsamen Montageebene (12) angeordnet sind,
- das optische Element (3) rotationssymmetrisch bezüglich der Längsmittelachse (11) ausgebildet ist, und
- die Leuchtdiodenchips (2a, 2b) gleicher Farbe der Lichtquelle (1) punktsymmetrisch bezüglich des
Durchstoßpunktes (13) von der Längsmittelachse (11) und der Montageebene (12) angeordnet sind.
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