WO2013030285A1 - Beleuchtungseinheit mit optischem system - Google Patents

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WO2013030285A1
WO2013030285A1 PCT/EP2012/066872 EP2012066872W WO2013030285A1 WO 2013030285 A1 WO2013030285 A1 WO 2013030285A1 EP 2012066872 W EP2012066872 W EP 2012066872W WO 2013030285 A1 WO2013030285 A1 WO 2013030285A1
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WO
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light
reflector
lighting unit
unit according
light source
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PCT/EP2012/066872
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Herbert Weiss
Sergey Kudaev
Tobias FRUNDER
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Osram Ag
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Publication date
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Priority to US14/241,501 priority patent/US20140218935A1/en
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    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
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    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0005—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being of the fibre type
    • G02B6/0008—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being of the fibre type the light being emitted at the end of the fibre
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F21K9/60—Optical arrangements integrated in the light source, e.g. for improving the colour rendering index or the light extraction
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    • F21Y2115/10—Light-emitting diodes [LED]
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F21Y2115/10—Light-emitting diodes [LED]
    • F21Y2115/15—Organic light-emitting diodes [OLED]

Definitions

  • the present invention relates to a lighting unit having a light source and an optical system including a light guide assembly and reflector assembly.
  • Such a lighting unit is from the
  • WO2008 / 017968A2 known. There is disclosed a lighting unit comprising a semiconductor light source
  • the primary-optic system directs the light from the semiconductor light source to the secondary-optic system.
  • the secondary-optic system radiates the light in one
  • Lighting unit introduced. As a result, such a lighting unit achieves a low luminous intensity.
  • the present invention is based on the problem of a lighting unit with a surface light source
  • Reflector halogen incandescent lamp reaches the usual axis intensity while maintaining a narrow beam angle.
  • the illumination unit have a surface light source, a primary optic element, a first reflector and a second reflector.
  • the primary optic element is arranged on a surface light source in such a way that a light emitted by the surface light source is imaged onto the first reflector by the primary optic element and the beam cross section of the light is reduced by the primary optic element.
  • Reflector forms the light beam reduced from the primary optic element onto the second reflector in order to remove the light from the second reflector from the illumination unit
  • the primary optic element which reduces the beam cross-section, makes it possible to use a larger-sized one
  • Area light source such as a large area
  • LED Light-emitting diodes
  • Area light sources emit a multiple luminous flux compared to a conventional LED or a small-sized LED module.
  • geometric adjustment of the surface light source can be as a luminous flux comparable to a conventional light source such.
  • Halogen bulb can be achieved.
  • About the Primäroptikelement is a luminous flux on the
  • the reflector arrangement comprises a first and a second reflector. About the
  • Reflector arrangement the luminous flux from the Illuminated unit, whereby the usual from a conventional lighting unit Achsandergro is achieved.
  • Some embodiments of the illumination unit contain a light-emitting area light source
  • Semiconductor components can be, for example, light emitting diodes (LEDs), organic light emitting diodes (OLEDs) or also laser diodes (LDs). Also would be organic light-emitting LEDs (LEDs), organic light emitting diodes (OLEDs) or also laser diodes (LDs). Also would be organic light-emitting LEDs (LEDs), organic light emitting diodes (OLEDs) or also laser diodes (LDs). Also would be organic light-emitting
  • the light-emitting semiconductor components can each emit single-color light (for example in the colors red, green, blue, etc.) or mixed light (for example white).
  • mixed light for example white.
  • semiconductor light-emitting devices can produce a mixed light; z. B. a white mixed light.
  • the surface light source is mounted outside the reflector assembly. It is the
  • Area light source greater than or equal to dimensioned as an opening in the apex region of the second reflector. Through this opening, the light of the surface light source is guided by means of the primary optics element in the reflector assembly, whereby the coupling of a large luminous flux in the
  • Reflector arrangement is possible with good heat dissipation of the surface light source.
  • the area light source is a directional light source.
  • the majority of the emitted light radiates in a preferred direction, for example, perpendicular to the surface light source. To that of the
  • Coupling surface light source emitted light as lossless in the primary optic element is the
  • Beam angle of the directed surface light source limited to 80 ° FWHM.
  • the semiconductor devices may include optical elements that focus the light in the emission direction.
  • optical elements can be tower lenses.
  • the semiconductor devices themselves may include curved surfaces that preferentially diffuse the radiated light
  • the conical element can be, for example, a conical light guide whose light entry surface greater than its light exit surface.
  • the area ratio of the entrance area to the exit area should be at least 2: 1, better still at least 9: 1.
  • the conical light guide can be a hollow body with conical
  • a technically easy to implement element is a conical metal ring.
  • the inside of the conical surface is mirrored or provided with a reflective coating.
  • transparent material such as glass or perspex.
  • Fiber optic recesses contain, in which the
  • the primary optic element contains a linear light guide which adjoins the outlet opening of the conical element.
  • the linear light guide for example, a cylindrical glass rod or
  • the linear light guide may alternatively consist of a metal tube whose
  • the light guide guides the light concentrated by the conical element in the direction of the first
  • the first reflector is in some way
  • the optical axis is perpendicular to the surface light source and extends axially symmetric through the
  • Lighting unit The light emitted by the primary optic element is transmitted through the first reflector to the second
  • the second reflector deflects the light beam close to the axis of the illumination unit.
  • a lateral radiation from the lighting unit is
  • an axicon shaped mirror is used as the first reflector.
  • An axicon-shaped mirror is a rotationally symmetric mirror with conical
  • Photographing light point in a circular ring of light The axicon-shaped mirror completely deflects the light beam emitted by the primary optic element to the second reflector.
  • the second reflector is, in some embodiments, a parabolic mirror whose apex region includes an aperture through which the primary optic element penetrates
  • Lighting unit protrudes.
  • Mirror reflected rays form an annular light distribution, which corresponds to the dimension of the second reflector. Loss of light due to lateral radiation are avoided.
  • lateral radiation would be meant light rays passing inside the inner annulus or outside the outer annulus of the second reflector. Ideally, the reflection of the axicon-shaped mirror, the surface of the second reflector is homogeneous
  • the second reflector generates in the plane of the first
  • Reflektor s an annular light distribution whose inner diameter is greater than or equal to the diameter of the first reflector. The rays of light are at the first
  • the beam angle of the lighting unit is less than 10 ° FWHM.
  • the surface area of the primary optics element or the surface of the second reflector can be faceted for color homogenization.
  • the facet dimensions of the second reflector are not larger than the light-emitting surface of the individual LEDs.
  • the illumination unit comprises a transparent cover, which encloses the reflector arrangement.
  • the transparent cover protects the light
  • the transparent cover may be on the second reflector
  • the first reflector is fixed in one embodiment to the transparent cover, so that the first reflector is connected via the transparent cover with the second reflector. In this embodiment omitted
  • the transparent cover may include a light-diffusing structure having a scattering angle range of preferably 2 ° to 4 ° FWHM. This makes a far more homogeneous field
  • the transparent cover may comprise a material having a light-scattering structure.
  • the transparent cover can also comprise a material with high optical transparency, such as, for example, glass or Plexiglas, wherein a surface contains a light-scattering structure.
  • the transparent cover contains a color-mixing structure, which in particular achieves better color homogeneity in the far field. This has a particularly advantageous in the color homogeneity, if the surface light source multi-colored emitting LEDs or LEDs with different colors
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view through a first embodiment of a lighting unit
  • Fig. 2 is a schematic cross-sectional view of
  • Fig. 4 is a schematic cross-sectional view of
  • Fig. 5 is a schematic cross-sectional view through a second embodiment of a lighting unit with a transparent cover.
  • the lighting unit 100 has a surface light source 110 as the light-emitting element.
  • An optical axis OA is perpendicular to a light output surface of the
  • Area light source 110 and extends axially symmetrically through the illumination unit 100.
  • the area light source 110 includes in the direction of the optical axis OA
  • the primary optic element 120 at.
  • the primary optic element includes a conical element 122 having an entrance surface 124 and an exit surface 126, followed by a cylindrical element 130.
  • the illumination unit 100 has a reflector arrangement with a first reflector 150 and a second reflector 160.
  • the first reflector 150 and the second reflector 160 are each radially symmetric about the optical axis arranged, wherein the first reflector 150 the
  • Primary optic element 120 is arranged downstream.
  • the second reflector 160 is arranged in a ring around the primary optic element 120 in relation to the first reflector 150. Through an opening in the apex region of the annular second reflector 160, the primary optic element 120 protrudes into the reflector arrangement 140.
  • the area light source 110 may include a light emitting diode (LED) or an organic light emitting diode (OLED) or a laser diode (LD).
  • LED light emitting diode
  • OLED organic light emitting diode
  • LD laser diode
  • Exit surface 126 is reduced.
  • the cylindrical element 130 is a linear light guide, which leads light from the exit surface 126 in the direction of the optical axis OA and decouples in front of the first reflector 120.
  • the first reflector 150 completely deflects the light beam emitted from the primary optic element 120 onto the second one
  • the second reflector 160 radiates the light from the illumination unit 100 in the direction of the optical axis OA at a radiation angle of less than 10 ° FWHM.
  • Heat energy of the surface light source 110 can be dissipated, without the optical properties of
  • Obstruct lighting unit 100 This arrangement allows the use of a large-scale
  • Area light source 110 one to a conventional light source such.
  • B. a halogen incandescent lamp provides comparable luminous flux. Via the primary optics element 120, this luminous flux is introduced into the reflector arrangement and is emitted by it in the direction of the optical axis at a narrow angle of less than 10 ° FWHM.
  • Fig. 2 shows a schematic representation of
  • Area light source 110 with the primary optic element 120 as can be used for example in the illumination unit 100 of the first performance example.
  • Area light source 110 comprises a module with several
  • the LEDs 214 may each emit white light or monochrome light (red-green-blue). Also, a mixture of white and monochromatic LEDs 214 may be mounted on the module. The spatial radiation angle of the LEDs 214 is less than 80 °.
  • the light emitted by the area light source 110 couples into the light entrance surface 124 of the primary optic element 120. It comprises a conical element 122 with a light entry surface 124, a conical
  • Geometry of the surface light source 110 so that the light emitted from the surface light source 110 at an angle of 80 ° light into the entrance surface 124 couples.
  • the conical element 122 has, for example, a conical metal band 204, the inside of which is reflective or is covered by a reflective layer.
  • the conical element 122 can also be made of a solid material such as glass or plastic with a light entry surface 124, a conical side surface 204 and a
  • Light exit surface 126 exist whose conical
  • the light guide 130 Arranged on the light exit surface 126 of the conical light guide 122 is a cylindrical light guide 130, which guides the light emerging through the exit surface 126 linearly in the direction of the first reflector 150.
  • the light guide 130 may be made of glass, such as glass. BK7 or transparent
  • Plastics such as e.g. Polymethyl methacrylate (PMMA or
  • the optical waveguide 130 includes an entry surface 228, which is perpendicular to the optical axis OA
  • Entry surface 228 may not exceed a certain amount depending on the material.
  • the tangent angle for surface irregularities is 1.5 °.
  • the lateral surface 206 of the linear light guide 130 may be provided with a mirror layer.
  • a reflective layer 208 is attached, which reflects the light scattered by the primary optic element back into the primary optic element.
  • the layer 208 may be a diffusely or specularly reflective foil, wherein the foil contains openings for the LEDs.
  • the layer 208 may comprise light-reflecting particles, such as e.g. Contain alumina powder or titanium oxide powder. In the case of multicolor LEDs or a mixture of white and multicolor LEDs, the extra affects
  • faceting of the conical surface 204 advantageously has an effect on the
  • Fig. 3 shows a one-piece compared to Fig. 2
  • Embodiment of the primary optic element 120 Embodiment of the primary optic element 120.
  • Primary optic element 120 includes an open light guide tube 302 having an entrance surface 124 and an exit surface 126, whose lateral surface 304 is axially symmetric along the optical axis OA from the entrance surface 124 to
  • Exit surface 126 is tapered.
  • the inner surface 306 of the light guide tube is reflective or with a
  • the exit surface 126 is reduced in size with respect to the entry surface 124, whereby the luminous area at the exit surface 126 is reduced.
  • the primary optic element 120 may alternatively be a continuous light guide 308, the light guide 308 being made of glass, such as glass. BK7 or of transparent plastics such as e.g.
  • Polymethyl methacrylate (PMMA or "plexiglass”) may exist.
  • Fig. 4 shows a schematic illustration of
  • Reflector assembly 140 includes a first reflector 150 and a second reflector 160.
  • the first reflector 150 has the shape of an axicon.
  • the axicon-shaped first reflector 150 is opposite to the light exit surface 126 of the
  • Primary optic elements 120 arranged axially symmetrically on the optical axis OA.
  • the from the primary optic element 120th Exiting light beams are completely deflected by the mirror geometry of the axicon-shaped first reflector 150 to the second reflector 160, wherein in the region of the second reflector 160, a circular light distribution is formed. Side glare is prevented.
  • the second reflector 160 has a parabolic shape, in whose apex region an opening 400 is provided, through which the primary optic element 120 projects into the reflector arrangement 140.
  • the second reflector 160 passes the light beams past the first reflector 150 in such a way that a circular light distribution is generated in the plane of the first reflector 150.
  • the inner diameter of the circular disk produced by the light rays in the plane of the first reflector 150 is greater than the outer diameter of the first
  • Reflectors 150 As a result, light losses are avoided by shading or scattering at the first reflector 150 or second reflector 160.
  • the surface of the second reflector 160 may be faceted. A faceting has an advantageous effect on the
  • FIG. 5 shows a schematic cross-sectional representation of a second exemplary embodiment of a lighting unit 100.
  • the lighting unit 100 is similar to that of FIG. 1, wherein a transparent cover 500 covers the light exit opening of the lighting unit 100.
  • the second reflector 160 includes an outer ring 502 on which the cover 500 is disposed radially symmetrically about the optical axis OA. It encloses the first reflector 150 and borders the transparent cover can for example be screwed by means of a thread on the edge of the second reflector 160 or by means of a snap device
  • the transparent cover 500 may be a light-diffusing
  • the transparent cover 500 may have a material with light-scattering structure.
  • the transparent cover 500 may comprise a material of high optical transparency, such as glass or Plexiglas, with a surface containing a light-diffusing structure.
  • the transparent cover 500 may be a color mixing
  • Lighting unit 100 produces a more homogeneous color mixture. This has a particularly advantageous in the
  • multicolored emitting light emitting diodes 214 or light emitting diodes with mixed color mixed light such as warm white or cold white contains.
  • the lighting unit was used to illustrate the underlying idea based on some

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Abstract

Verschiedene Ausführungsformen der Beleuchtungseinheit (100) weisen eine Flächenlichtquelle (110), ein Primäroptikelement (120), einen ersten Reflektor (150) und einen zweiten Reflektor (160) auf. Das Primäroptikelement (120) ist derart an der Flächenlichtquelle (110) angeordnet, dass ein von der Flächenlichtquelle (110) emittiertes Licht durch das Primäroptikelement (120) auf den ersten Reflektor (150) abgebildet ist und dabei der Strahlquerschnitt des Lichts durch das Primäroptikelement (120) verkleinert ist. Dabei bildet der erste Reflektor (150) den mittels des Primäroptikelements (120) verkleinerten Lichtstrahl auf den zweiten Reflektor (160) ab, um das Licht aus dem zweiten Reflektor (160) aus der Beleuchtungseinheit (100) abzustrahlen.

Description

Beschreibung
Beleuchtungseinheit mit optischem System Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinheit mit einer Lichtquelle und einem optischem System, das eine Lichtleiteranordnung und Reflektoranordnung enthält.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2011 112 222.6, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Eine derartige Beleuchtungseinheit ist aus der
WO2008/017968A2 bekannt. Dort wird eine Beleuchtungseinheit offenbart, die eine Halbleiterlichtquelle, ein
primäroptisches System und ein sekundäroptisches System enthält. Das primäroptische System leitet das Licht der Halbleiterlichtquelle auf das sekundäroptische System. Das sekundäroptische System strahlt das Licht in einem
gewünschten Strahlmuster ab. Wegen der geometrisch eng begrenzten Fläche der Lichtquelle wird nur eine geringe
Lichtmenge über das primäroptische System in die
Beleuchtungseinheit eingebracht. Folglich erreicht eine derartige Beleuchtungseinheit eine geringe Achslichtstärke.
Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Beleuchtungseinheit mit einer Flächenlichtquelle
bereitzustellen, bei der die von einer konventionellen
Reflektor-Halogenglühlampe gewohnte Achslichtstärke bei gleichzeitig engem Abstrahlwinkel erreicht wird.
Dieses Problem wird durch eine Beleuchtungseinheit gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der
Beleuchtungseinheit sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben .
Verschiedene Ausführungsformen der Beleuchtungseinheit weisen eine Flächenlichtquelle, ein Primäroptikelement, einen ersten Reflektor und einen zweiten Reflektor auf. Das
Primäroptikelement ist derart an einer Flächenlichtquelle angeordnet, dass ein von der Flächenlichtquelle emittiertes Licht durch das Primäroptikelement auf den ersten Reflektor abgebildet ist und dabei der Strahlquerschnitt des Lichts durch das Primäroptikelement verkleinert ist. Der erste
Reflektor bildet den aus dem Primäroptikelement verkleinerten Lichtstrahl auf den zweiten Reflektor ab, um das Licht aus dem zweiten Reflektor aus der Beleuchtungseinheit
abzustrahlen .
Das den Strahlquerschnitt verkleinernde Primäroptikelement ermöglicht die Verwendung einer größer dimensionierten
Flächenlichtquelle, beispielsweise einem großflächigen
Leuchtdioden (LED) - Modul. Solche groß dimensionierten
Flächenlichtquellen strahlen verglichen zu einer gewöhnlichen LED oder zu einem klein dimensionierten LED-Modul einen vielfachen Lichtstrom ab. Durch geometrische Anpassung der Flächenlichtquelle kann so ein Lichtstrom vergleichbar mit einer konventionellen Lichtquelle wie z. B. einer
Halogenglühlampe erzielt werden. Über das Primäroptikelement ist ein Lichtstrom auf die
Reflektoranordnung gerichtet. Die Reflektoranordnung umfasst einen ersten und einen zweiten Reflektor. Über die
Reflektoranordnung wird der Lichtstrom aus der Beleuchtungseinheit abgestrahlt, wodurch die von einer konventionellen Beleuchtungseinheit gewohnte Achslichtstärke erreicht wird. Einige Ausführungsformen der Beleuchtungseinheit enthalten als Flächenlichtquelle ein lichtemittierendes
Halbleiterbauelement oder ein Modul mit mehreren
lichtemittierenden Halbleiterbauelementen. Solche
Halbleiterbauelemente können beispielsweise Leuchtdioden (LEDs) , organische Leuchtdioden (OLEDs) oder auch Laserdioden (LDs) sein. Auch wären organische lichtemittierende
elektrochemische Zellen (OLEECs) als Flächenlichtquelle geeignet . Die lichtemittierenden Halbleiterbauelemente können jeweils einfarbiges Licht (beispielsweise in den Farben rot, grün, blau, usw.) oder Mischlicht (beispielsweise weiß) emittieren. Mehrere lichtemittierende Halbleiterbauelemente können ein Mischlicht erzeugen; z. B. ein weißes Mischlicht.
Mit zunehmender Temperatur verliert ein lichtemittierendes Halbleiterbauelement Effizienz und degradiert frühzeitiger. Daher wird eine gute Wärmeableitung der lichtemittierenden Halbleiterbauelemente angestrebt. Neben Kühlvorrichtungen spielt die lokale Temperaturverteilung am
Halbleiterbauelement eine wichtige Rolle. Die Verwendung einer groß dimensionierten Flächenlichtquelle erweist sich als vorteilhaft. Denn der für die Beleuchtungseinheit
benötigte Lichtstrom wird auf einer größeren Fläche erzeugt. Die dabei entstehende Wärme ist über eine größere Fläche verteilt, wodurch die einzelnen Halbleiterbauelemente einer geringeren thermischen Belastung ausgesetzt sind und
langsamer degradieren. In einer Ausführungsform ist die Flächenlichtquelle außerhalb der Reflektoranordnung angebracht. Dabei ist die
Flächenlichtquelle größer als oder gleich dimensioniert wie eine Öffnung im Scheitelbereich des zweiten Reflektors. Durch diese Öffnung wird das Licht der Flächenlichtquelle mittels des Primäroptikelements in die Reflektoranordnung geführt, wodurch die Einkopplung eines großen Lichtstroms in die
Reflektoranordnung bei gleichzeitig guter Wärmeabfuhr der Flächenlichtquelle ermöglicht ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Flächenlichtquelle eine gerichtete Lichtquelle. Der Großteil des emittierten Lichts strahlt dabei in eine Vorzugsrichtung beispielsweise senkrecht zur Flächenlichtquelle ab. Um das von der
Flächenlichtquelle abgestrahlte Licht möglichst verlustfrei in das Primäroptikelement einzukoppeln, ist der
Abstrahlwinkel der gerichteten Flächenlichtquelle auf 80° FWHM begrenzt. Dabei wird der Abstrahlwinkel mit der
Halbwertsbreite (engl.: Füll With at Half Maximum, FWHM) angegeben .
Die Halbleiterbauelemente können optische Elemente enthalten, die das Licht in die Abstrahlrichtung bündeln. Solche
optischen Elemente können Aufsatzlinsen sein. Alternativ können die Halbleiterbauelemente selbst gekrümmte Oberflächen enthalten, die das abgestrahlte Licht in die bevorzugte
Richtung bündeln. Verschiedene Ausführungsformen enthalten ein
Primäroptikelement mit einem konischen Element als
Lichtkonzentrator . Das konische Element kann beispielsweise ein konischer Lichtleiter sein, dessen Lichteintrittsfläche größer als dessen Lichtaustrittsfläche ist. Das
Flächenverhältnis von Eintrittsfläche zu Austrittsfläche sollte mindestens 2:1 sein, besser noch mindestens 9:1. Der konische Lichtleiter kann ein Hohlkörper mit konischer
Mantelfläche sein. Ein technisch leicht zu realisierendes Element ist ein konischer Metallring. Idealerweise ist die Innenseite der konischen Mantelfläche verspiegelt oder mit einer reflektierenden Beschichtung versehen. Alternativ kann der konische Lichtleiter aus einem
transparenten Material wie Glas oder Plexiglas bestehen.
Zusätzlich kann die Lichteintrittsfläche des konischen
Lichtleiters Aussparungen enthalten, in welche die
lichtemittierenden Halbleiterbauelemente der
Flächenlichtquelle hineinragen. Diese Vertiefungen
ermöglichen eine verlustarme Einkopplung des von der
Flächenlichtquelle emittierten Lichts in das
Primäroptikelement . In weiteren Ausführungsformen enthält das Primäroptikelement einen linearen Lichtleiter, der an die Austrittsöffnung des konischen Elements anschließt. Der lineare Lichtleiter kann beispielsweise ein zylinderförmiger Glasstab oder
zylinderförmiger Plexiglasstab sein. Der lineare Lichtleiter kann alternativ aus einem Metallrohr bestehen, dessen
Innenseite verspiegelt ist oder mit einer reflektierenden Schicht versehen ist. Der Lichtleiter führt das vom konischen Element konzentrierte Licht in Richtung des ersten
Reflektors .
Der erste Reflektor befindet sich in einigen
Ausführungsformen in Verlängerung der optischen Achse und verdeckt die Austrittfläche des primäroptischen Elements. Die optische Achse steht senkrecht zur Flächenlichtquelle und erstreckt sich axialsymmetrisch durch die
Beleuchtungseinheit. Das vom Primäroptikelement emittierte Licht wird durch den ersten Reflektor auf den zweiten
Reflektor zurückgerichtet. Der zweite Reflektor lenkt den Lichtstrahl achsnah aus der Beleuchtungseinheit ab. Eine seitliche Abstrahlung aus der Beleuchtungseinheit ist
unterdrückt, womit eine Blendung senkrecht zur optischen Achse vermieden ist.
In einigen Ausführungsformen wird als erster Reflektor ein axikonförmiger Spiegel verwendet. Ein axikonförmiger Spiegel ist ein rotationssymmetrischer Spiegel mit konisch
verlaufender Spiegelfläche, der einen kreisförmigen
Lichtpunkt in einen kreisförmigen Lichtring abbildet. Der axikonförmige Spiegel lenkt den vom primäroptischen Element emittierten Lichtstrahl vollständig auf den zweiten Reflektor um.
Der zweite Reflektor ist in einigen Ausführungsformen ein parabolförmiger Spiegel, dessen Scheitelbereich eine Öffnung enthält, durch welche das Primäroptikelement in die
Beleuchtungseinheit hineinragt. Die vom axikonförmigen
Spiegel reflektierten Strahlen bilden eine kreisringförmige Lichtverteilung, die der Dimension des zweiten Reflektors entspricht. Lichtverluste infolge seitlicher Abstrahlung sind vermieden. Mit seitlicher Abstrahlung wären Lichtstrahlen gemeint, die innerhalb des inneren Kreisrings oder außerhalb des äußeren Kreisrings des zweiten Reflektors vorbeiführten. Idealerweise wird durch die Reflektion am axikonförmigen Spiegel die Fläche des zweiten Reflektors homogen
ausgeleuchtet . Der zweite Reflektor erzeugt in der Ebene des ersten
Reflektors eine kreisringförmige Lichtverteilung, dessen innerer Durchmesser größer oder gleich dem Durchmesser des ersten Reflektors ist. Die Lichtstrahlen sind am ersten
Reflektor ohne Lichtverluste infolge Abschattung am ersten Reflektor vorbeigeführt. Mittels geometrischer Anpassung des ersten Reflektors und zweiten Reflektors kann so eine
achsennahe Lichtverteilung ohne Abschattungsverluste erreicht werden. Der Abstrahlwinkel der Beleuchtungseinheit liegt bei weniger als 10° FWHM.
Enthält die Flächenlichtquelle mehrfarbige LEDs kann zur Farbhomogenisierung die Mantelfläche des Primäroptikelements oder die Oberfläche des zweiten Reflektors facettiert sein. Die Facettenabmessungen des zweiten Reflektors sind nicht größer als die lichtemittierende Fläche der einzelnen LEDs.
In weiteren Ausführungsformen umfasst die Beleuchtungseinheit eine transparente Abdeckung, welche die Reflektoranordnung umschließt. Die transparente Abdeckung schützt die
Beleuchtungseinheit vor eindringendem Staub oder Schmutz und verhindert eine Korrosion der optischen Komponenten. Die transparente Abdeckung kann am zweiten Reflektor
beispielsweise durch ein Gewinde oder eine Schnappvorrichtung befestigt sein.
Der erste Reflektor ist in einer Ausführungsform an der transparenten Abdeckung fixiert, so dass der erste Reflektor über die transparente Abdeckung mit dem zweiten Reflektor verbunden ist. Bei dieser Ausführungsform entfallen
mechanische Komponenten, welche den ersten Reflektor in definierter Positionen zu dem Primäroptikelement und dem zweiten Reflektor halten. Dadurch sind Lichtverluste infolge Abschattung an den mechanischen Komponenten, die ansonsten im Strahlenverlauf der Reflektoranordnung liegen,
ausgeschlossen . Die transparente Abdeckung kann eine lichtstreuende Struktur mit einem Streuwinkelbreich von vorzugsweise 2° bis 4° FWHM enthalten. Dadurch ist eine im Fernfeld homogenere
Lichtverteilung erzielt. Die transparente Abdeckung kann dabei ein Material mit lichtstreuender Struktur umfassen. Alternativ kann auch die transparente Abdeckung ein Material mit hoher optischer Transparenz wie beispielsweise Glas oder Plexiglas umfassen, wobei eine Oberfläche eine lichtstreuende Struktur enthält. In einer weiteren Ausführungsform enthält die transparente Abdeckung eine farbmischende Struktur, wodurch insbesondere eine bessere Farbhomogenität im Fernfeld erreicht ist. Diese wirkt sich insbesondere vorteilhaft in der Farbhomogenität aus, wenn die Flächenlichtquelle mehrfarbig emittierende Leuchtdioden oder Leuchtdioden mit verschiedenfarbigem
Mischlicht wie zum Beispiel warmweiß oder kaltweiß enthält.
Verschiedene Ausführungsbeispiele der Beleuchtungseinheit werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren gehen die erste (n) Ziffer (n) eines
Bezugszeichens die Figur an, in dem das Bezugszeichen zuerst verwendet wird. Gleiche Bezugszeichen werden für gleichartige oder gleichwirkende Elemente bzw. Eigenschaften in allen Figuren verwendet.
Es zeigen Fig. 1 eine schematische Querschnittsdarstellung durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer Beleuchtungseinheit;
Fig. 2 eine schematische Querschnittsdarstellung des
Primäroptikelements ;
Fig. 3 eine weitere schematische Querschnittsdarstellung des Primäroptikelements;
Fig. 4 eine schematische Querschnittsdarstellung der
Reflektoranordnung;
Fig. 5 eine schematische Querschnittsdarstellung durch ein zweites Ausführungsbeispiels einer Beleuchtungseinheit mit einer transparenten Abdeckung.
Fig. 1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer Beleuchtungseinheit 100. Die Beleuchtungseinheit 100 weist als lichtemittierendes Element eine Flächenlichtquelle 110 auf. Eine optische Achse OA steht senkrecht zu einer Lichtauskoppelfläche der
Flächenlichtquelle 110 und erstreckt sich axialsymmetrisch durch die Beleuchtungseinheit 100. An die Flächenlichtquelle 110 schließt in Richtung der optischen Achse OA ein
Primäroptikelement 120 an. Das Primäroptikelement enthält ein konisches Element 122 mit einer Eintrittsfläche 124 und einer Austrittsfläche 126, an die ein zylinderförmiges Element 130 anschließt . Die Beleuchtungseinheit 100 weist eine Reflektoranordnung mit einen ersten Reflektor 150 und einen zweiten Reflektor 160 auf. Der erste Reflektor 150 und der zweite Reflektor 160 sind jeweils radialsymmetrisch um die optische Achse angeordnet, wobei der erste Reflektor 150 dem
Primäroptikelement 120 nachgeordnet ist. Der zweite Reflektor 160 ist gegenüber dem ersten Reflektor 150 ringförmig um das Primäroptikelement 120 angeordnet. Durch eine Öffnung im Scheitelbereich des ringförmigen zweiten Reflektors 160 ragt das Primäroptikelement 120 in die Reflektoranordnung 140 hinein .
Die Flächenlichtquelle 110 kann eine Leuchtdiode (LED) oder eine organische Leuchtdiode (OLED) oder eine Laserdiode (LD) umfassen. Das von der Flächenlichtquelle 110 emittierte Licht strahlt in die Eintrittsfläche 124 des konischen Elements 122. Die Austrittsfläche 126 des konischen Elements 122 ist gegenüber der Eintrittsfläche 124 des konischen Elements 122 verkleinert, wodurch die leuchtende Fläche an der
Austrittsfläche 126 verkleinert ist. Das zylinderförmige Element 130 ist ein linearer Lichtleiter, der Licht von der Austrittsfläche 126 in Richtung der optischen Achse OA führt und vor dem ersten Reflektor 120 auskoppelt.
Der erste Reflektor 150 lenkt den aus dem Primäroptikelement 120 emittierten Lichtstrahl vollständig auf den zweiten
Reflektor 160 um. Der zweite Reflektor 160 strahlt das Licht aus der Beleuchtungseinheit 100 in Richtung der optischen Achse OA unter einem Abstrahlwinkel von weniger als 10° FWHM ab .
Durch die Anordnung der Flächenlichtquelle 110 außerhalb der Reflektoranordnung kann diese einfach an eine Wärmesenke (nicht dargestellt) kontaktiert werden, so dass die
Wärmeenergie der Flächenlichtquelle 110 abgeführt werden kann, ohne die optischen Eigenschaften der
Beleuchtungseinheit 100 zu behindern. Diese Anordnung ermöglicht die Verwendung einer groß dimensionierten
Flächenlichtquelle 110, die einen zu einer konventionellen Lichtquelle wie z. B. einer Halogenglühlampe vergleichbaren Lichtstrom bereitstellt. Über das Primäroptikelement 120 ist dieser Lichtstrom in die Reflektoranordnung eingebracht und wird von dieser in Richtung der optischen Achse unter einem engen Winkel von weniger als 10° FWHM abgestrahlt.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung der
Flächenlichtquelle 110 mit dem Primäroptikelement 120, wie sie beispielsweise in der Beleuchtungseinheit 100 des ersten Aufführungsbeispiels verwendet werden kann. Die
Flächenlichtquelle 110 umfasst ein Modul mit mehreren
Leuchtdioden (LEDs) 214. Die LEDs 214 können jeweils weißes Licht oder einfarbiges Licht (Rot-Grün-Blau) emittieren. Auch kann eine Mischung von weißen und einfarbigen LEDs 214 auf dem Modul angebracht sein. Der räumliche Abstrahlwinkel der LEDs 214 liegt unter 80°. Das von der Flächenlichtquelle 110 emittierte Licht koppelt in die Lichteintrittsfläche 124 des Primäroptikelements 120 ein. Es umfasst ein konisches Element 122 mit einer Lichteintrittsfläche 124, einer konischen
Seitenfläche 204 und einer Lichtaustrittsfläche 126. Die Geometrie der Lichteintrittsfläche 124 entspricht der
Geometrie der Flächenlichtquelle 110, so dass das von der Flächenlichtquelle 110 in einem Winkel von 80° emittierte Licht in die Eintrittsfläche 124 einkoppelt.
Das konische Element 122 weist beispielsweise ein konisches Metallband 204 auf, dessen Innenseite reflektierend ist oder von einer reflektierenden Schicht bedeckt ist.
Das konische Element 122 kann auch aus einem Vollmaterial wie z.B. Glas oder Kunststoff mit einer Lichteintrittsfläche 124, einer konischen Seitenfläche 204 und einer
Lichtaustrittsfläche 126 bestehen, dessen konische
Seitenfläche 204 umlaufend reflektierend beschichtet oder verspiegelt ist.
An die Lichtaustrittsfläche 126 des konischen Lichtleiters 122 ist ein zylinderförmiger Lichtleiter 130 angeordnet, der das durch die Austrittsfläche 126 austretende Licht linear in Richtung des ersten Reflektors 150 führt. Der Lichtleiter 130 kann aus Glas wie z.B. BK7 oder aus transparenten
Kunststoffen wie z.B. Polymethylmethacrylat (PMMA bzw.
"Plexiglas") sein. Der Lichtleiter 130 enthält eine senkrecht zur optische Achse OA stehende Eintrittsfläche 228 und
Austrittsfläche 229. Eine Oberflächenunebenheit der
Eintrittsfläche 228 darf je nach Material ein gewisses Maß nicht überschreiten. Für Glas aus dem Material BK7 liegt der Tangentenwinkel für Oberflächenunebenheiten bei 1,5°. Die Mantelfläche 206 des linearen Lichtleiters 130 kann mit einer Spiegelschicht versehen sein.
Zwischen der Flächenlichtquelle 110 und der
Lichteintrittfläche 124 ist eine reflektierende Schicht 208 angebracht, die das vom Primäroptikelement gestreute Licht zurück in das Primäroptikelement reflektiert. Die Schicht 208 kann eine diffus oder spekular reflektierende Folie sein, wobei die Folie Öffnungen für die LEDs enthält. Alternativ kann die Schicht 208 lichtreflektierende Partikel wie z.B. Aluminiumoxidpulver oder Titanoxidpulver enthalten. Im Fall von mehrfarbigen LEDs oder einer Mischung von weißen und mehrfarbigen LEDs wirkt sich die zusätzliche
reflektierende Schicht 208 vorteilhaft auf die
Farbhomogenität aus, da das Licht infolge von Mehrfachreflexionen besser durchmischt ist.
Im Fall von mehrfarbigen LEDs oder einer Mischung von weißen und mehrfarbigen LEDs wirkt sich eine Facettierung der konischen Mantelfläche 204 vorteilhaft auf die
Farbhomogenität aus, insbesondere wenn die Facettengröße der Dimension der LEDs entspricht.
Fig. 3 zeigt im Vergleich zu Fig. 2 eine einteilige
Ausführungsform des Primäroptikelements 120. Das
Primäroptikelement 120 enthält ein offenes Lichtleiterrohr 302 mit einer Eintrittsfläche 124 und einer Austrittsfläche 126, dessen Mantelfläche 304 axialsymmetrisch entlang der optischen Achse OA von der Eintrittsfläche 124 zur
Austrittsfläche 126 verjüngt ist. Die Innenfläche 306 des Lichtleiterrohrs ist reflektierend oder mit einer
reflektierenden Schicht versehen. Die Austrittsfläche 126 ist gegenüber der Eintrittsfläche 124 verkleinert, wodurch die leuchtende Fläche an der Austrittsfläche 126 verkleinert ist.
Das Primäroptikelement 120 kann alternativ ein durchgehender Lichtleiter 308 sein, wobei der Lichtleiter 308 aus Glas wie z.B. BK7 oder aus transparenten Kunststoffen wie z.B.
Polymethylmethacrylat (PMMA bzw. "Plexiglas") bestehen kann.
Fig. 4 zeigt eine schematische Abbildung der
Reflektoranordnung 140 der Beleuchtungseinheit 100. Die
Reflektoranordnung 140 enthält einen ersten Reflektor 150 und einen zweiten Reflektor 160. Der erste Reflektor 150 hat die Form eines Axikons. Der axikonförmige erste Reflektor 150 ist gegenüber der Lichtaustrittsfläche 126 des
Primäroptikelements 120 axialsymmetrisch auf der optischen Achse OA angeordnet. Die aus dem Primäroptikelement 120 austretenden Lichtstrahlen werden durch die Spiegelgeometrie des axikonförmigen ersten Reflektors 150 vollständig auf den zweiten Reflektor 160 umgelenkt, wobei im Bereich des zweiten Reflektors 160 eine kreisförmige Lichtverteilung entsteht. Eine seitliche Blendung ist verhindert.
Der zweite Reflektor 160 hat eine Parabelform, in dessen Scheitelbereich eine Öffnung 400 vorgesehen ist, durch die das Primäroptikelement 120 in die Reflektoranordnung 140 hineinragt. Der zweite Reflektor 160 führt die Lichtstrahlen derart am ersten Reflektor 150 vorbei, dass in der der Ebene des ersten Reflektors 150 eine kreisförmige Lichtverteilung erzeugt ist. Der innere Durchmesser der von den Lichtstrahlen in der Ebene des ersten Reflektors 150 erzeugten Kreisscheibe ist dabei größer als der äußere Durchmesser des ersten
Reflektors 150. Dadurch sind Lichtverluste durch Abschattung oder Streuung am ersten Reflektor 150 oder zweiten Reflektor 160 vermieden. Die Oberfläche des zweiten Reflektors 160 kann facettiert sein. Eine Facettierung wirkt sich vorteilhaft auf die
Farbmischung aus, wenn z.B. die Flächenlichtquelle
mehrfarbige LEDs oder LEDs mit verschiedenen Mischfarben enthält .
Fig. 5 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Beleuchtungseinheit 100. Die Beleuchtungseinheit 100 gleicht der aus Figur 1, wobei eine transparente Abdeckung 500 die Lichtaustrittsöffnung der Beleuchtungseinheit 100 bedeckt. Der zweite Reflektor 160 enthält einen äußeren Ring 502, an dem die Abdeckung 500 radialsymmetrisch um die optische Achse OA angeordnet ist. Sie umschließt den ersten Reflektor 150 und grenzt formschlüssig an den äußeren Ring 502 des zweiten Reflektors 160. Die transparente Abdeckung kann beispielsweise mittels eines Gewindes auf dem Rand des zweiten Reflektors 160 aufgeschraubt oder mittels einer Schnappvorrichtung
aufgesteckt sein.
Die transparente Abdeckung 500 kann eine lichtstreuende
Struktur mit einem Streuwinkelbereich von beispielsweise 2° bis 4° FWHM enthalten, welche eine im Fernfeld der
Beleuchtungseinheit 100 homogenere Lichtverteilung erzeugt. Die transparente Abdeckung 500 kann dabei ein Material mit lichtstreuender Struktur aufweisen. Alternativ kann die transparente Abdeckung 500 ein Material mit hoher optischer Transparenz wie beispielsweise Glas oder Plexiglas aufweisen, wobei eine Oberfläche eine lichtstreuende Struktur enthält.
Die transparente Abdeckung 500 kann eine farbmischende
Struktur enthalten, welche im Fernfeld der
Beleuchtungseinheit 100 eine homogenere Farbmischung erzeugt. Diese wirkt sich insbesondere vorteilhaft in der
Farbhomogenität aus, wenn die Flächenlichtquelle 110
mehrfarbig emittierende Leuchtdioden 214 oder Leuchtdioden mit verschiedenfarbigem Mischlicht wie zum Beispiel warmweiß oder kaltweiß enthält.
Die Beleuchtungseinheit wurde zur Veranschaulichung des zugrunde liegenden Gedankens anhand einiger
Ausführungsbeispiele beschrieben. Die Ausführungsbeispiele sind dabei nicht auf bestimmte Merkmalskombinationen
beschränkt. Auch wenn einige Merkmale und Ausgestaltungen nur im Zusammenhang mit einem besonderen Ausführungsbeispiel oder einzelnen Ausführungsbeispielen beschrieben wurden, können sie jeweils mit anderen Merkmalen aus anderen Ausführungsbeispielen kombiniert werden. Es ist ebenso möglich, in Ausführungsbeispielen einzelne dargestellte Merkmale oder besondere Ausgestaltungen wegzulassen oder hinzuzufügen, soweit die allgemeine technische Lehre realisiert bleibt.

Claims

Patentansprüche
1. Beleuchtungseinheit mit:
- einer Flächenlichtquelle (110),
- einem Primäroptikelement (120),
- einem erstem Reflektor (150) und
- einem zweitem Reflektor (160),
wobei das Primäroptikelement (120) derart an der
Flächenlichtquelle (110) angeordnet ist, dass ein von der Flächenlichtquelle (110) emittiertes Licht durch das
Primäroptikelement (120) auf den ersten Reflektor (150) abgebildet ist und dabei der Strahlquerschnitt des Lichts durch das Primäroptikelement (120) verkleinert ist, und wobei der erste Reflektor (150) den mittels des
Primäroptikelements (120) verkleinerten Lichtstrahl auf den zweiten Reflektor (160) abbildet, um das Licht aus den zweiten Reflektor (160) aus der Beleuchtungseinheit (100) abzustrahlen. 2. Beleuchtungseinheit gemäß Patentanspruch 1, wobei die
Flächenlichtquelle (110) ein lichtemittierendes
Halbleiterbauelement (214) oder ein Modul mit mehreren lichtemittierenden Halbleiterbauelementen (214) enthält. 3. Beleuchtungseinheit gemäß Patentanspruch 2, wobei das Modul verschiedenfarbig emittierende
Halbleiterbauelemente (214) enthält.
4. Beleuchtungseinheit gemäß Patentanspruch 2 oder 3, wobei das lichtemittierende Halbleiterbauelement (214) in einen Winkel von nicht mehr als 80° (FWHM) abstrahlt. Beleuchtungseinheit gemäß einem der vorangehenden
Patentansprüche, wobei die Flächenlichtquelle (110) außerhalb einer Reflektoranordnung (140), welche den ersten Reflektor (150) und den zweiten Reflektor (160) umfasst, angeordnet ist.
Beleuchtungseinheit gemäß einem der vorangehenden
Patentansprüche, wobei das Primäroptikelement (120) einen konischen Lichtleiter (122) enthält und die
Lichteintrittsfläche (124) des konischen Lichtleiters größer als die Lichtaustrittsfläche (126) ist.
Beleuchtungseinheit gemäß Patentanspruch 6, wobei die Lichteintrittsfläche (124) des konischen Lichtleiters (122) mindestens doppelt, insbesondere mindestens
neunfach so groß wie die Lichtaustrittsfläche (126) ist.
Beleuchtungseinheit gemäß einem der Patentansprüche 6 oder 7, wobei ein konisches Metallband die Mantelfläche des konischen Lichtleiters (121) bildet, dessen
Innenseite reflektierend ist.
Beleuchtungseinheit gemäß einem der Patentansprüche 6 bis 8, wobei das Primäroptikelement (120) einen
zylinderförmigen Lichtleiter (130) enthält, der an die Lichtaustrittsfläche (126) des konischen Lichtleiters (122) anschließt.
Beleuchtungseinheit gemäß einem der vorangehenden
Patentansprüche, wobei der erste Reflektor (150) eine axikonförmige Geometrie besitzt.
11. Beleuchtungseinheit gemäß einem der vorangehenden
Patentansprüche, wobei der zweite Reflektor (160) eine parabelförmige Geometrie besitzt.
12. Beleuchtungseinheit gemäß einem der vorangehenden
Patentansprüche, wobei der zweite Reflektor (160) eine Öffnung (400) im Scheitelbereich enthält, durch die das Primäroptikelement ragt.
13. Beleuchtungseinheit gemäß einem der vorangehenden
Patentansprüche, wobei die Beleuchtungseinheit eine transparente Abdeckung (500) enthält, die an einen äußeren Rand des zweiten Reflektors (160) angrenzt.
14. Beleuchtungseinheit gemäß Patentanspruch 13, wobei die transparente Abdeckung (500) eine lichtstreuende Struktur enthält .
15. Beleuchtungseinheit gemäß Patentanspruch 13, wobei die transparente Abdeckung (500) eine farbmischende Struktur enthält .
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