WO2013060351A1 - Beleuchtungseinrichtung mit einer optischen anordnung zur farbmischung von lichtquellen - Google Patents

Beleuchtungseinrichtung mit einer optischen anordnung zur farbmischung von lichtquellen Download PDF

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Julius Muschaweck
Tobias Schmidt
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Osram Ag
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    • G02B6/0085—Means for removing heat created by the light source from the package

Definitions

  • Lighting device with an optical arrangement for color mixing of light sources
  • the invention relates to a lighting device with an optical arrangement for color mixing of light sources according to the preamble of claim 1, in particular of
  • Light-emitting diodes and an arrangement, in particular a lamp, with such an optical element for color mixing.
  • An object of the present invention is to easily set a desired hue in a lighting device having an optical arrangement for color mixing of light sources according to the preamble of claim 1. This object is achieved by the characterizing features of claim 1.
  • the hue of white LEDs is subject to due to the
  • One aspect of the invention is based on the problem of simply mixing the light from a plurality of light sources, such as LEDs, miniature incandescent lamps or discharge lamps, etc.
  • the problem is solved by passing the light of the LEDs through a transparent, diffusing material (diffuser).
  • LED lamps in retrofit technology use a diffuser cap over the LEDs.
  • the optical arrangement according to the invention can also be used for directing the light from LEDs onto a reflective phosphor layer attached remotely, a so-called remote reflective phosphor element as a converting optical converter.
  • the present invention relates to lighting devices having an optical arrangement for color mixing light sources that are substantially similar but slightly different, such as LEDs from different bins, or LEDs of different colors.
  • optical converter for color mixing and the arrangement for color mixing can be found in the subclaims.
  • the problem is solved in particular by a body of transparent material and a diffusely reflecting layer (eg white color) and a capsule with diffusely reflecting surfaces, these components and the LEDs being arranged so that the light of the LEDs can only leave the arrangement, after it has passed from the LEDs through the body of transparent material to the diffusely reflecting layer and has been scattered at that layer.
  • a diffusely reflecting layer eg white color
  • a capsule with diffusely reflecting surfaces these components and the LEDs being arranged so that the light of the LEDs can only leave the arrangement, after it has passed from the LEDs through the body of transparent material to the diffusely reflecting layer and has been scattered at that layer.
  • the arrangement according to the invention has the advantages that it is very space-saving and is very easy to manufacture.
  • Lighting device with an optical arrangement for color mixing of light sources, wherein at least two Light sources, in particular semiconductor elements, are arranged outside a transparent body, wherein the light sources emit primary radiation, which is coupled into the transparent body and redirected there by total reflection, wherein the transparent body has a bottom part and a ceiling part and a light exit opening, wherein an optical Transducer, in particular a scattering and / or radiation-converting means, the bottom part is assigned, wherein an external housing closes the transparent body except for the light exit opening, so that color-mixed radiation leaves the illumination device through the light exit opening.
  • Lighting device characterized in that the housing has diffusely reflecting inner surfaces.
  • the arrangement is designed so that the light generated by the light sources can leave the illumination device only after it has interacted with the bottom of the transparent body, which is provided with a reflective scattering agent and / or a phosphor-containing layer as a radiation converting means ,
  • Lighting device characterized in that the diffusing means is a diffuse reflectors ⁇ animal layer on the bottom part, which in particular has Ti02.
  • Lighting device characterized in that the light sources are spaced from the transparent body by at least one recess, wherein the recess with a low refractive medium, in particular air, is filled.
  • the recesses can be realized in the region of the transparent body, or in the region of the housing or as a gap between the housing and body, the refractive index is usually in a range of 1.0 to 1.1.
  • Lighting device characterized in that the transparent body consists of a high ⁇ refractive material, in particular of glass, PMMA or polycarbonate. Most of the refractive index is at least 1.3.
  • Lighting device characterized in that the light sources are white LEDs, UV LEDs or blue emitting LEDs. Lighting device according to claim 1, characterized in that there is a secondary optics in front of the light exit opening. Lighting device according to claim 1, characterized in that a cooling device for the light sources is provided, said cooling device in particular also cools the optical converter. Lighting device according to claim 1, characterized in that the scattering means also has a pri ⁇ marge radiation at least partially converting phosphor. , Lighting device according to claim 1, characterized in that the converting means are one or more phosphors. 11. Lighting device according to claim 10, characterized in that the phosphor is selected from the group of garnets, orthosilicates, silicates, sions, sialones, aluminates.
  • Lighting device characterized in that the light sources and the luminescent ⁇ substances cooperate so that the illumination device emits white.
  • Lighting device characterized in that the light sources are arranged laterally or below or in recesses of the transparent body, wherein in particular each light source is associated with its own recess.
  • Lighting device characterized in that recesses are arranged at the edge of the transpa ⁇ pensions body and / or inside of the transparent body, wherein the recesses insbesonde ⁇ a re Strahlungsabsdes is assigned in the direction of the De ⁇ ckenteil agent.
  • Lighting device according to claim 14, characterized in that the recesses are continuous bores ⁇ holes or blind holes.
  • FIG. 1 a first exemplary embodiment of a lighting device for illustrating a first basic mode of operation
  • Figure 2 shows a second embodiment of a lighting ⁇ device for illustrating a second basic operation
  • Figure 3 shows an embodiment of a circular lamp
  • Figure 4 shows the color distribution of the embodiment according to
  • FIG. 3
  • Figure 6 shows the color distribution of the embodiment according to
  • Figure 7 shows another embodiment of a linear, elongated light
  • Figure 8 shows the color distribution of the embodiment according to
  • Figure 9 shows another embodiment of a linear, elongated light
  • Figure 10 the transparent body of the embodiment seen from below;
  • Figure 11 shows the color distribution of the embodiment according to
  • Figure 12 shows another embodiment of a circular lamp
  • Figure 13 shows the color distribution of the embodiment according to
  • FIG. 12 is a diagrammatic representation of FIG. 12
  • Figure 14 shows an embodiment of a grid lamp
  • Figure 15 shows the color distribution of the embodiment according to
  • the illumination device is based, for example, on an LED array.
  • These chips emit primary radiation in the range of typically 370 to 470 nm, especially 440 to 465 nm, peak wavelength, which are converted to white by the phosphor upstream of the chip.
  • the principle of the light mixer is based on the fact that next to or below a central body of transparent medium 3, which in the simplest case is cube-shaped or cuboid or disk-shaped, several LEDs 2, in particular at least two LEDs, which are inclined in the embodiment shown, are arranged ,
  • the LEDs 2 and the transparent body 3 are enclosed by a housing 13, often referred to herein as a capsule, which housing is intended to prevent escape of direct radiation of the LEDs.
  • the capsule 13 has diffusely reflecting inner surfaces 5, 15, in particular this applies to the side surfaces, but also for top surfaces and bottom surfaces.
  • the underside of the body 3 is provided with a diffusely reflecting layer 4, e.g. white color, covered.
  • the body 3 itself also has side surfaces 14. There are recesses between the side surfaces 14 of the transparent body and the side walls 15 of the capsule, preferably they are air-containing gaps 6.
  • the gap 6 can also be filled with a transparent medium.
  • the light of the LEDs 2 arranged here laterally from the body 3 enters the body 3, partly directly, partly only after scattering on the inner wall 15 of the capsule 3, through the side surfaces 14. Part of the light is scattered by the diffusely reflec ⁇ Governing layer 4 at the bottom 16 of the body 3 so that it can be comparable by the upper surface 17 of the body 3, the arrangement. Light that is not at the diffuse reflecting
  • Layer 4 was scattered at the bottom of the body can not leave the Kör ⁇ per 3 through the top, since it is retained by total ⁇ reflection at the top.
  • Light which leaves the body 3 through side surfaces is in part scattered on the inner sides 14 of the capsule 13 and thrown back into the body.
  • the geometric arrangement and the refractive index of the body 3 are chosen so that Totalreflexi ⁇ on occurs.
  • An essential feature is a right angle or approximately right angle between upper and lower surface 17 and side wall 14 defined. In particular, the angle should deviate ⁇ surfaces by not more than 10 ° from the right angle.
  • Lighting devices are, for example: Interior lighting in automobiles, railway carriages, aircraft and ships.
  • General lighting Interior lighting of showcases.
  • the body 3 may preferably consist of highly heat-resistant transparent material, for example of glass, PMMA or polycarbonate.
  • the diffusely reflecting layer 4 at the bottom may e.g. Made of a color with titanium dioxide.
  • For the capsule 13 white plastic is well suited.
  • the lighting device can be provided with a secondary optics.
  • the secondary optics may for example be made of specular reflective material (eg Miro-Silver) or is designed as a lens 20, for example, which is located above the top of the body 3, see FIG. 2.
  • an air gap between the lens and the lens may be present Body 3 may be necessary to allow total reflection on the exit surface of the body 3.
  • the GESAM ⁇ te top surface 17 of the body 3 used as a light exit opening is advantageous if the GESAM ⁇ te top surface 17 of the body 3 used as a light exit opening.
  • the width of the light exit opening is a typical measure about 20 mm and for the height of the body 1, a typical size is about 5 to 10 mm. Other dimensions are possible.
  • the LEDs can be mounted on a circuit board as a substrate through which they are cooled.
  • the layer 4 on the ground can be cooled if necessary via the same board.
  • the principle described above can also be used to direct the light from LEDs 2 onto a reflective phosphor layer 24
  • a reflective phosphor layer 24 For this purpose, only the dif ⁇ fus reflective layer has to be replaced on the ground by a reflective phosphor layer or also supplemented.
  • the phosphor-containing layer can in particular be mixed or may be applied to a scattering ⁇ structure with a dif- fusor (eg titanium dioxide).
  • a dif- fusor eg titanium dioxide
  • Figure 3 shows an embodiment of a round lighting device with light mixer as a compact lamp 30, Figure 3a shows it disassembled, Figure 3b Lovege ⁇ builds.
  • the housing 31 and also the central body 32 is round.
  • This air ⁇ gap enables total internal reflection at the outside of the body 32, resulting in that a in the illumination device The inside does not see the inside of the side surface of the housing.
  • the air gap is widened into recesses to accommodate the LEDs. In the other places it is sufficient if the width of the air gap is very large against the wavelengths of the light, in particular by at least a factor of 5, better still a factor of 10, greater.
  • the light is the is scattered back from the inner sides of the side surfaces of the body 31, sufficiently mixed, so that no air gap is necessary.
  • Recesses for the LEDs may be required independently to accommodate the LEDs.
  • each recess is located in the light exit opening a small cover 35 to the Ab- radiation of direct light from the LEDs to the front to prevent.
  • the covers 35 and side walls 36 are internally provided with a diffusely reflecting layer so that the LEDs need not be skewed.
  • This exemplary embodiment has a system efficiency of 67%.
  • FIG. 4 shows the color distribution that can be seen when looking into the outlet opening of the light mixer. Given is the x and y value of the color coordinates according to CIE, here denoted by z. This value is given as a function of the location in the area of the light exit, in Cartesian coordinates x, y.
  • Figure 5 shows a further embodiment of a lamp 40. It is a linear light-mixing lamp 40.
  • Figure 5a shows a cross section
  • Figure 5b shows a short section of the lamp in a perspective view.
  • the LEDs 41 in two rows next to the continuous, cuboid elongate transparent body 42.
  • the recesses 48 are continuous. This results in a system efficiency of 62%.
  • the housing 43 of such a linearly stretched light-mixing luminaire 40 can be manufactured as a lighting device by means of extrusion.
  • Mögleiterwei ⁇ se is a post-processing, for example drilling of recesses, similar to the niche in Figure 10, is advantageous. Extruded parts are often cheaper than cast parts.
  • the cover 44 can be selected here continuously, the LEDs are arranged in egg ⁇ nem a certain distance from each other laterally adjacent to the transparent body 42.
  • Figure 6 shows the color distribution seen when looking into the lamp. Indicated in FIGS. 6a and 6b are the x and y values according to CIE, first and second coordinates. This value is given as a function of the location in the area of the light emission in Cartesian coordinates x, y.
  • FIG 7 shows a portion of another gameintrsbei ⁇ a linear light mixing lamp 40.
  • Figure 7a shows the lamp 40 disassembled in Explosionsdarstel ⁇ lung
  • Figure 7b shows the lamp assembled.
  • the LEDs 41 are here again under recesses 48 on the edge of the transparent body 42.
  • the body 42 is comb-like provided with prongs 49 which project between the LEDs to the outside and leave shaft-like recesses 48.
  • the LEDs 41 are just below these recesses 48.
  • Their light is prevented by tine-like, the cutouts 48 adapted Abdeck- ckungsplättchen 44 at the direct leaving the light exit opening. This results in a system efficiency of 71%. This is higher than in the previous conductedsbei ⁇ game, because the space occupied by the realized as air gaps Ausspa- ments is less.
  • Figure 8 shows the color distribution seen when looking into the luminaire.
  • Figure 8a shows the distribution of the value of the y coordinate CIE over the bottom surface as a grid ⁇ network.
  • Figure 8b similarly shows the scattering of the x coordinate.
  • FIG. 9 The embodiment shown in Figure 9 in Explosionsdar ⁇ position ( Figure 9a) and assembled (Fig 9b) is a linear light mixed light 40, in which the LEDs 41 arranged in egg ⁇ ner row centered under an elongate transparent body 42 at a certain distance from each other are. Above each LED 41 is a recess 50, which is approximately cylindrically or frusto-conically shaped and extends from the bottom 51 of the transparent body in this body as a blind hole. The recesses do not reach through the transparent body. Above each recess 50 is located on the upper side of the transparent body, a circle 56 of white color, the diameter of which is slightly larger than the diameter of the recess. requirements. It serves as a cover and at the same time as a diffusely backscattering scattering agent which distributes the light in the body 42. This results in an efficiency of 70%.
  • FIG. 10 shows the transparent body 42 from below with three blind holes 50, see FIG. 10a, and from the side, FIG. 10b.
  • Figure 11 shows the color distribution seen when looking into the luminaire.
  • Figure IIa shows the distribution of the value of the y-coordinate CIE on the floor surface as a network of data points.
  • Figure IIb similarly shows the scattering of the x-coordinate.
  • FIG. 12 shows a round light-mixing luminaire 30 in which the LEDs 34 are in semi-conical or more generally rounded or bevelled recesses 60 in the side wall 61 of the capsule which open towards the inside 62 of the side wall 61.
  • the inner wall 63 of the recess 60 is thus cut obliquely, similar to a longitudinally-cut part of a cone.
  • This inner wall 63 is preferably diffusely reflective, for example made of white plastic or coated with white paint. Alternatively, a specularly reflective coating such as aluminum or silver is possible.
  • the transparent body 65 is a disk 66 fitted in the side wall of the housing 67. The efficiency here is 73%.
  • FIGS. 13a and 13b show the y- or x-coordinates as parameters z, as a function of the surface points of the light exit opening, in Cartesian coordinates x, y (in mm).
  • Figure 14 shows as a further embodiment a lichtmi ⁇ Schende Louvrelight 70.
  • Figure 14a shows the luminaire without louvre attachment
  • Figure 14B the LEDs 72 with the louvre attachment 71 (shown in dashed lines) are ⁇ arranged on a substrate 75 and are located under the transparent body 74, here a plate made of transparent material, namely they are directly below recesses 73, here holes or blind holes, arranged in the plate.
  • the screen attachment 71 covers exactly the holes 73.
  • the underside of the grid projection ⁇ zes is painted white. Between the grid and the plate is an air gap. This results in an efficiency of 77%.
  • Figure 15 shows the color distribution seen when looking into the lamp.
  • 8a shows the distribution of the value of the y-coordinate CIE over the ground surface as a network of data points.
  • Figure 8b similarly shows the scattering of the x-coordinate.
  • the LEDs can also be mounted at any height, for example half height, etc., outside or in recesses within the transparent body.
  • the light exit opening is the entire top surface of the transparent body.
  • the transparent body For optical and AES ⁇ thetic reasons it is but, if slightly smaller selected by protrude the covers slightly into the top surface of the transparent body.

Abstract

Beleuchtungseinrichtung mit einer optischen Anordnung zur Farbmischung von Lichtquellen, wobei mindestens zwei Lichtquellen, insbesondere Halbleiterelemente, außerhalb eines transparenten Körpers angeordnet sind, wobei die Lichtquellen primäre Strahlung emittieren, die in den transparenten Körper eingekoppelt wird und dort mittels Totalreflexion umgeleitet wird, wobei der transparente Körper ein Bodenteil und ein Deckenteil sowie eine Lichtaustrittsöffnung aufweist, wobei ein optischer Wandler, insbesondere ein streuendes und/oder Strahlungskonvertierendes Mittel, dem Bodenteil zugeordnet ist, wobei ein externes Gehäuse den transparenten Körper bis auf die Lichtaustrittsöffnung verschließt, so dass farbgemischte Strahlung die Beleuchtungseinrichtung durch die Lichtaustrittsöffnung verlässt.

Description

Beschreibung
Beleuchtungseinrichtung mit einer optischen Anordnung zur Farbmischung von Lichtquellen
Technisches Gebiet
Die Erfindung geht aus von einer Beleuchtungsemrichtung mit einer optischen Anordnung zur Farbmischung von Lichtquellen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere von
Leuchtdioden, und eine Anordnung, insbesondere eine Leuchte, mit einem solchen optischen Element zur Farbmischung.
Stand der Technik
Aus der WO 2009/033922 ist eine Beleuchtungsanordnung mit mehreren Leuchtdioden bekannt, denen beispielsweise ein Dif- fusor zur Homogenisierung vorgeschaltet ist.
Darstellung der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einer Be- leuchtungseinrichtung mit einer optischen Anordnung zur Farbmischung von Lichtquellen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 auf einfache Weise einen gewünschten Farbton einzustellen. Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.
Der Farbton von weißen LEDs unterliegt aufgrund der
Herstellungsverfahren starken Schwankungen. Um eine Serie von Beleuchtungseinrichtungen, insbesondere optischen Anordnungen von Lichtquellen wie insbesondere Lampen oder Leuchten mit gleichem Farbton, herzustellen, werden üblicherweise in jede dieser Lampen oder Leuchten weiße LEDs mit verschiedenen
Farbtönen eingebaut, so dass durch Mischung des Lichts der LEDs in einer Lampe oder Leuchte der gewünschte weiße Farbton entsteht. Einem Aspekt der Erfindung liegt das Problem zugrunde, das Licht von mehreren Lichtquellen wie LEDs, Miniaturglühlampen oder Entladungslampen etc. auf einfache Weise zu mischen. Üblicherweise wird das Problem bisher gelöst, indem das Licht der LEDs durch ein transparentes, streuendes Material (Diffusor) geleitet wird. Häufig wird bei LED-Lampen in Retrofit-Technologie eine eine Diffusorkappe über den LEDs verwendet.
Die erfindungsgemäße optische Anordnung kann auch dazu benutzt werden, das Licht von LEDs auf eine davon entfernt angebrachte reflektive Leuchtstoff-Schicht, ein sog. Remote Reflektive Phosphor-Element als konvertierender optischer Wandler, zu lenken.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Beleuchtungseinrichtungen mit einer optischen Anordnung zur Farbmischung von Lichtquellen, die im wesentlichen gleichartig sind, jedoch leicht voneinander abweichen, wie zum Beispiel LEDs aus ver- schiedenen Bins, oder LEDs von verschiedener Farbe.
Weitere Aus führungs formen des optischen Wandlers zur Farbmischung sowie der Anordnung zur Farbmischung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Das Problem wird insbesondere gelöst durch einen Körper aus transparentem Material und eine diffus reflektierende Schicht (z.B. weiße Farbe) und eine Kapsel mit diffus reflektierenden Oberflächen, wobei diese Bauteile und die LEDs so angeordnet sind, dass das Licht der LEDs die Anordnung erst verlassen kann, nachdem es von den LEDs durch den Körper aus transpa- rentem Material zu der diffus reflektierenden Schicht gelangt ist und an dieser Schicht gestreut wurde.
Die erfindungsgemäße Anordnung hat die Vorteile, dass sie sehr platzsparend ist und sehr einfach herzustellen ist.
Wesentliche Merkmale der Erfindung in Form einer numerierten Aufzählung sind:
1. Beleuchtungseinrichtung mit einer optischen Anordnung zur Farbmischung von Lichtquellen, wobei mindestens zwei Lichtquellen, insbesondere Halbleiterelemente, außerhalb eines transparenten Körpers angeordnet sind, wobei die Lichtquellen primäre Strahlung emittieren, die in den transparenten Körper eingekoppelt wird und dort mittels Totalreflexion umgeleitet wird, wobei der transparente Körper ein Bodenteil und ein Deckenteil sowie eine Lichtaustrittsöffnung aufweist, wobei ein optischer Wandler, insbesondere ein streuendes und/oder strah- lungskonvertierendes Mittel, dem Bodenteil zugeordnet ist, wobei ein externes Gehäuse den transparenten Körper bis auf die Lichtaustrittsöffnung verschließt, so dass farbgemischte Strahlung die Beleuchtungseinrichtung durch die Lichtaustrittsöffnung verlässt.
Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse diffus reflektierende innere Oberflächen aufweist. Insbesondere ist die Anordnung so ausgeführt, dass das von den Lichtquellen erzeugte Licht die Beleuchtungseinrichtung erst verlassen kann, nachdem es mit dem Boden des transparenten Körpers interagiert hat, der mit einem reflektierenden streuenden Mittel und/oder einer leuchtstoffhaltigen Schicht als strah- lungskonvertierendem Mittel versehen ist.
Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das streuende Mittel eine diffus reflek¬ tierende Schicht am Bodenteil ist, die insbesondere Ti02 aufweist .
Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen vom transparenten Körper durch mindestens eine Aussparung beabstandet sind, wobei die Aussparung mit einem niedrigbrechenden Medium, insbesondere Luft, gefüllt ist. Die Aussparungen können da- bei im Bereich des transparenten Körpers, oder im Bereich des Gehäuses oder als Spalt zwischen Gehäuse und Körper realisiert sein, der Brechungsindex liegt dabei meist in einem Bereich von 1,0 bis 1,1.
Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der transparente Körper aus einem hoch¬ brechenden Material besteht, insbesondere aus Glas, PMMA oder Polycarbonat . Meist ist der Brechungsindex dabei mindestens 1,3.
Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen weiße LEDs, UV-LEDs oder blau emittierende LEDs sind. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich vor der Lichtaustrittsöffnung eine Sekundäroptik befindet. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühlvorrichtung für die Lichtquellen vorhanden ist, wobei diese Kühlvorrichtung insbesondere auch den optischen Wandler kühlt. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das streuende Mittel auch einen die pri¬ märe Strahlung zumindest teilweise konvertierenden Leuchtstoff aufweist. . Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das konvertierende Mittel ein oder mehrere Leuchtstoffe sind. 11. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtstoff aus der Gruppe der Granate, Orthosilikate, Silikate, Sione, Sialone, Alumi- nate ausgewählt ist.
12. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen und die Leucht¬ stoffe so zusammenwirken, dass die Beleuchtungseinrichtung weiß emittiert.
13. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen seitlich oder unterhalb oder in Aussparungen des transparenten Körpers angeordnet sind, wobei insbesondere jeder Lichtquelle eine eigene Aussparung zugeordnet ist.
14. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass Aussparungen am Rande des transpa¬ renten Körpers und/oder innerhalb des transparenten Körpers angeordnet sind, wobei den Aussparungen insbesonde¬ re ein Strahlungsabdeckendes Mittel in Richtung zum De¬ ckenteil zugeordnet ist.
15. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen durchgängige Boh¬ rungen oder Sacklöcher sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Figuren zeigen: Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Beleuchtungs¬ einrichtung zur Illustration einer ersten grundsätzlichen Funktionsweise; Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Beleuchtungs¬ einrichtung zur Illustration einer zweiten grundsätzlichen Funktionsweise;
Figur 3 ein Ausführungsbeispiel einer Rundleuchte;
Figur 4 die Farbverteilung des Ausführungsbeispiels gemäß
Figur 3;
Figur 5 ein Ausführungsbeispiel einer linearen, längsge¬ streckten Leuchte;
Figur 6 die Farbverteilung des Ausführungsbeispiels gemäß
Figur 5;
Figur 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer linearen, längsgestreckten Leuchte;
Figur 8 die Farbverteilung des Ausführungsbeispiels gemäß
Figur 7;
Figur 9 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer linearen, längsgestreckten Leuchte;
Figur 10 der transparente Körper des Ausführungsbeispiels von unten gesehen;
Figur 11 die Farbverteilung des Ausführungsbeispiels gemäß
Figur 9;
Figur 12 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Rundleuchte; Figur 13 die Farbverteilung des Ausführungsbeispiels gemäß
Figur 12;
Figur 14 ein Ausführungsbeispiel einer Rasterleuchte;
Figur 15 die Farbverteilung des Ausführungsbeispiels gemäß
Figur 14.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Beleuch¬ tungseinrichtung 1 nach dem Prinzip des Lichtmischers. Die Beleuchtungseinrichtung basiert beispielsweise auf einem LED- Array. Dabei sitzen auf einem Substrat 20 mehrere LEDs oder Chips 2 des gleichen oder ähnlichen Typs, insbesondere weiß emittierend, bevorzugt werden dabei InGaN-Chips verwendet. Diese Chips emittieren primäre Strahlung im Bereich von typisch 370 bis 470 nm, insbesondere 440 bis 465 nm, Peakwel- lenlänge, die durch dem Chip vorgeschaltete Leuchtstoffe zu weiß konvertiert werden.
Das Prinzip des Lichtmischers basiert darauf, dass neben oder unter einem zentralen Körper aus transparentem Medium 3, der im einfachsten Fall würfelförmig oder quaderförmig oder scheibenförmig ist, mehrere LEDs 2, insbesondere mindestens zwei LEDs, die im gezeigten Ausführungsbeispiel schrägge- stellt sind, angeordnet sind. Die LEDs 2 und der transparente Körper 3 werden von einem Gehäuse 13 umschlossen, hier oft als Kapsel bezeichnet, wobei dieses Gehäuse ein Entweichen von direkter Strahlung der LEDs verhindern soll. Die Kapsel 13 hat diffus reflektierende innere Oberflächen 5, 15, insbe- sondere gilt dies für die Seitenflächen, aber auch für Deckflächen und Bodenflächen. Die Unterseite des Körpers 3 ist mit einer diffus reflektierenden Schicht 4, z.B. weiße Farbe, bedeckt. Der Körper 3 selbst besitzt ebenfalls Seitenflächen 14. Zwischen den Seitenflächen 14 des transparenten Körpers und den Seitenwänden 15 der Kapsel befinden sich Aussparungen, bevorzugt sind sie Luft enthaltende Spalte 6. Der Spalt 6 kann auch mit einem transparenten Medium gefüllt sein.
Das Licht der hier seitlich vom Körper 3 angeordneten LEDs 2 tritt, teils direkt, teils erst nach Streuung an der Innen- wand 15 der Kapsel 3, durch die Seitenflächen 14 in den Körper 3 ein. Ein Teil des Lichtes wird an der diffus reflektie¬ renden Schicht 4 am Boden 16 des Körpers 3 so gestreut, dass es die Anordnung durch die Oberseite 17 des Körpers 3 ver- lässt. Licht, dass nicht an der diffus reflektierenden
Schicht 4 am Boden des Körpers gestreut wurde, kann den Kör¬ per 3 nicht durch die Oberseite verlassen, da es durch Total¬ reflexion an der Oberseite zurückgehalten wird. Licht, welches den Körper 3 durch Seitenflächen verlässt, wird zum Teil an den Innenseiten 14 der Kapsel 13 gestreut und in den Kör- per zurückgeworfen. Die geometrische Anordnung und der Brechungsindex des Körpers 3 sind so gewählt, dass Totalreflexi¬ on auftritt. Dabei ist ein wesentliches Merkmal durch einen rechten Winkel oder annähernd rechten Winkel zwischen Ober- fläche 17 und Seitenwand 14 definiert. Insbesondere sollte der Winkel um nicht mehr als 10° vom rechten Winkel abwei¬ chen .
Da das Licht von mehreren LEDs 2 in den Körper 3 eindringt und diesen ohne Streuung an der Schicht 4 nicht verlassen kann, wird da Licht durch diese Anordnung effektiv gemischt. Diese Art der Lichtmischung ist sinnvoll für Beleuchtungseinrichtungen, bei denen man direkt in die Beleuchtungseinrichtung, insbesondere eine Leuchte, schauen kann. Für indirekte Beleuchtung ist eine solche Art der Lichtmischung unnötig.
Anwendungen für derartige Beleuchtungseinrichtungen sind beispielsweise: Innenbeleuchtung in Automobilen, Bahnwagen, Flugzeugen und Schiffen. Allgemeinbeleuchtung. Innenbeleuchtung von Vitrinen. Akzentbeleuchtung in Küchen an Stellen, an denen die Leuchte sichtbar ist, z.B. Unterseiten von Dunstabzugshauben .
Der Körper 3 kann bevorzugt aus hoch wärmebeständigem transparentem Material, zum Beispiel aus Glas, PMMA oder Polycar- bonat, bestehen. Die diffus reflektierenden Schicht 4 am Bo- den kann z.B. aus einer Farbe mit Titandioxid bestehen. Für die Kapsel 13 ist weißer Kunststoff gut geeignet.
Um eine gewünschte Abstrahlcharakteristik (Lichtstärkevertei¬ lung) zu erreichen, kann die Beleuchtungseinrichtung mit einer Sekundäroptik versehen werden. Die Sekundäroptik kann z.B. aus spekular reflektierendem Material (z.B. Miro-Silver) sein oder ist z.B. als Linse 20 ausgeführt, die sich oberhalb der Oberseite des Körpers 3 befindet, siehe Figur 2. Je nach Ausführung der Linse kann ein Luftspalt zwischen der Linse und dem Körper 3 notwendig sein, um an der Austrittsfläche des Körpers 3 Totalreflexion zu ermöglichen.
Es hat sich gezeigt, dass es vorteilhaft ist, wenn die gesam¬ te Oberseite 17 des Körpers 3 als Lichtaustrittsöffnung verwendet wird. Für die Breite der Lichtaustrittsöffnung ist ein typisches Maß ca. 20 mm und für die Höhe des Körpers 1 ist ein typisches Maß ca. 5 bis 10 mm. Andere Maße sind möglich. Für die Lichtauskopplung nach dem Prinzip der Totalreflexion ist es günstig, ein Verhältnis von größter Querabmessung zu Höhe des Körpers 3 von 5:1 bis 2:1 zu wählen. Die LEDs können auf einer Platine als Substrat montiert sein, über die sie gekühlt werden. Die Schicht 4 am Boden kann bei Bedarf über die gleiche Platine gekühlt werden.
In einer zweiten Aus führungs form gemäß Figur 2 kann das oben beschriebene Prinzip auch verwendet werden, um das Licht von LEDs 2 auf eine reflektierende LeuchtstoffSchicht 24 (Remote Reflektive Phosphor) zu lenken. Dazu muss lediglich die dif¬ fus reflektierende Schicht am Boden durch eine reflektierende Leuchtstoffschicht ersetzt oder auch ergänzt werden. Die Leuchtstoff-haltige Schicht kann insbesondere mit einem Dif- fusor (z.B. Titandioxid) gemischt werden oder auf eine streu¬ ende Struktur aufgebracht sein. Ein Vorteil dieser Ausführungsform gegenüber anderen Systemen, die Remote-Reflektive- Phosphor-Technologie verwenden, ist, dass LEDs 2 und Remote Reflektive Phosphor-Schicht 24 über den gleichen Kühler 25 gekühlt werden können, wie und Figur 2 schematisch dargestellt.
Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer runden Beleuchtungseinrichtung mit Lichtmischer als kompakte Leuchte 30, Figur 3a zeigt sie auseinander gebaut, Figur 3b zusammenge¬ baut. Hier ist das Gehäuse 31 und auch der zentrale Körper 32 rund. Bei dieser Aus führungs form befindet sich rings um den Körper 32 herum ein Luftspalt zwischen dem Körper 32 und den Innenseiten der Seitenfläche des Gehäuses 31. Dieser Luft¬ spalt ermöglicht Totalreflexion an der Außenseite der Körpers 32, was dazu führt, dass ein in die Beleuchtungseinrichtung Hineinschauender die Innenseite der Seitenfläche des Gehäuses nicht sieht. Bei einigen Aus führungs formen ist das vorteil¬ haft, da das von diesen Innenseiten zurückgestreute Licht nicht so gut gemischt ist wie das Licht, das vom Boden der Anordnung zurückgestreut wird. An einigen Stellen ist der Luftspalt zu Aussparungen verbreitert, um den LEDs Platz zu bieten. An den anderen Stellen genügt es, wenn die Breite des Luftspaltes sehr groß gegen die Wellenlängen des Lichtes ist, insbesondere um mindestens einen Faktor 5, besser noch einen Faktor 10, größer.
Bei anderen Ausführungsformen, insbesondere bei Verwendung von vielen, z.B. mindestens zehn, LEDs, ist das Licht, das von den Innenseiten der Seitenflächen des Körpers 31 zurückgestreut wird, ausreichend gemischt, so dass kein Luftspalt nötig ist. Aussparungen für die LEDs können unabhängig davon notwendig sein, um den LEDs Platz zu bieten.
Hier befinden sich also die LEDs 34 auf einem Boden 37 des Gehäuses unter Aussparungen 33 am Rand des transparenten Körpers 32. Über jeder Aussparung befindet sich im Bereich der Lichtaustrittsöffnung eine kleine Abdeckung 35, um die Ab- Strahlung von direktem Licht von den LEDs nach vorne zu verhindern. Die Abdeckungen 35 und die Seitenwände 36 sind innen mit einer diffus reflektierenden Schicht versehen, so dass die LEDs nicht schräg gestellt werden brauchen. Dieses Aus¬ führungsbeispiel hat eine System-Effizienz von 67%.
Figur 4 zeigt die Farbverteilung, die man sieht, wenn man in die Austrittsöffnung des Lichtmischers schaut. Angegeben ist der x- und y-Wert der Farbkoordinaten gemäß CIE, hier jeweils mit z bezeichnet. Dieser Wert ist als Funktion des Ortes in der Fläche des Lichtaustritts, in kartesischen Koordinaten x,y angegeben.
Figur 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Leuchte 40. Es handelt sich um eine lineare lichtmischende Leuchte 40. Figur 5a zeigt einen Querschnitt, Figur 5b zeigt einen kurzen Abschnitt der Leuchte in perspektivischer Ansicht. Hier befinden sich die LEDs 41 in zwei Reihen neben dem durchgehenden, quaderförmigen längsgestreckten transparenten Körper 42. die Aussparungen 48 sind durchgängig. Es ergibt sich eine Systemeffizienz von 62%.
Insbesondere kann das Gehäuse 43 einer derartigen linear ge- streckte lichtmischenden Leuchte 40 als Beleuchtungseinrichtung mithilfe von Extrusion hergestellt werden. Möglicherwei¬ se ist dabei eine Nachbearbeitung, zum Beispiel Bohren von Nischen, ähnlich der Nische in Figur 10, vorteilhaft. Extru- dierte Teile sind oft günstiger als gegossene. Die Abdeckung 44 kann hier durchgehend gewählt werden, die LEDs sind in ei¬ nem gewissen Abstand voneinander seitlich neben dem transparenten Körper 42 angeordnet. Figur 6 zeigt die Farbverteilung, die man sieht, wenn man in die Leuchte schaut. Angegeben ist in Figur 6a und 6b der x- und y-Wert gemäß CIE, erste und zweite Koordinate. Dieser Wert ist als Funktion des Ortes in der Fläche des Lichtaus- tritts in kartesischen Koordinaten x,y angegeben.
Figur 7 zeigt einen Abschnitt eines weiteren Ausführungsbei¬ spiels einer linearen lichtmischenden Leuchte 40. Figur 7a zeigt die Leuchte 40 auseinandergebaut in Explosionsdarstel¬ lung, Figur 7b zeigt die Leuchte zusammengebaut. Die LEDs 41 befinden sich hier wieder unter Aussparungen 48 am Rand des transparenten Körpers 42. Jedoch ist der Körper 42 kammartig mit Zinken 49 versehen, die zwischen die LEDs nach außen ragen und schachtartige Aussparungen 48 belassen. Die LEDs 41 sitzen gerade unter diesen Aussparungen 48. Ihr Licht wird von zinkenartigen, den Aussparungen 48 angepassten Abde- ckungsplättchen 44 am direkten Verlassen der Lichtaustrittsöffnung gehindert. Damit ergibt sich eine System-Effizienz von 71 %. Dies ist höher als im vorhergehende Ausführungsbei¬ spiel, weil der von den als Luftspalten realisierten Ausspa- rungen eingenommene Raum geringer ist.
Figur 8 zeigt die Farbverteilung, die man sieht, wenn man in die Leuchte schaut. Dabei zeigt Figur 8a die Verteilung des Wertes der y-Koordinate CIE über die Bodenfläche als Gitter¬ netz. Figur 8b zeigt in ähnlicher Weise die Streuung der x- Koordinate.
Das in Figur 9 gezeigte Ausführungsbeispiel in Explosionsdar¬ stellung (Figur 9a) und zusammengebaut (Figur 9b) ist eine lineare lichtmischende Leuchte 40, bei der die LEDs 41 in ei¬ ner Reihe mittig unter einem längsgestreckten transparenten Körper 42 in einem gewissen Abstand voneinander angeordnet sind. Über jeder LED 41 befindet sich eine Aussparung 50, die annähernd zylinderförmig oder kegelstumpfartig geformt ist und die von der Unterseite 51 des transparenten Körpers aus in diesen Körper als Sackloch hineinreicht. Die Aussparungen reichen nicht durch den transparenten Körper hindurch. Über jeder Aussparung 50 befindet sich auf der Oberseite des transparenten Körpers ein Kreis 56 aus weißer Farbe, dessen Durchmesser etwas größer ist als der Durchmesser der Ausspa- rungen. Er dient als Abdeckung und zugleich als diffus rückstreuendes Streumittel, das das Licht im Körper 42 verteilt. Es ergibt sich eine Effizienz von 70%.
Figur 10 zeigt den transparenten Körper 42 von unten mit drei Sacklöchern 50, siehe Figur 10a, und von der Seite, Figur 10b.
Figur 11 zeigt die Farbverteilung, die man sieht, wenn man in die Leuchte schaut. Dabei zeigt Figur IIa die Verteilung des Wertes der y-Koordinate CIE über die Bodenfläche als Netz von Datenpunkten. Figur IIb zeigt in ähnlicher Weise die Streuung der x-Koordinate .
Figur 12 zeigt eine lichtmischende Rund-Leuchte 30, bei der die LEDs 34 sich in halbkegel-förmigen oder allgemeiner gerundeten oder abgeschrägten Aussparungen 60 in der Seitenwand 61 der Kapsel befinden, die sich zur Innenseite 62 der Seitenwand 61 hin öffnen. Die Innenwand 63 der Aussparung 60 ist also schräg geschnitten, ähnlich einem längsgeschnittenen Teil eines Kegels. Diese Innenwand 63 ist bevorzugt diffus reflektierend, beispielsweise aus weißem Kunststoff oder mit weißer Farbe beschichtet. Alternativ dazu ist auch eine spe- kular reflektierende Beschichtung wie Aluminium oder Silber möglich. Der transparente Körper 65 ist eine in die Seitenwand des Gehäuses 67 eingepasste Scheibe 66. Die Effizienz beträgt hier 73%.
Figur 13 zeigt die Farbverteilung, die man sieht, wenn man in die Leuchte schaut. Figur 13 a und 13b zeigen die y- bzw. x- Koordinate als Parameter z, als Funktion der Flächenpunkte der Lichtaustrittsöffnung, in kartesischen Koordinaten x,y ( in mm) .
Figur 14 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel eine lichtmi¬ schende Rasterleuchte 70. Figur 14a zeigt die Leuchte ohne Rastervorsatz, Figur 14b mit dem Rastervorsatz 71. Die LEDs 72 (gestrichelt eingezeichnet) sind auf einem Substrat 75 an¬ geordnet und befinden sich unter dem transparentem Körper 74, hier einer Platte aus transparentem Material, und zwar sind sie direkt unterhalb von Aussparungen 73, hier Löchern oder Sacklöchern, in der Platte angeordnet. Der Rastervorsatz 71 verdeckt genau die Löcher 73. Im Falle von durchgehenden Lö- ehern als Aussparung 73 ist die Unterseite des Rastervorsat¬ zes mit weißer Farbe angestrichen. Zwischen dem Raster und der Platte befindet sich ein Luftspalt. Es ergibt sich eine Effizienz von 77%.
Figur 15 zeigt die Farbverteilung, die man sieht, wenn man in die Leuchte schaut. Dabei zeigt Figur 8a die Verteilung des Wertes der y-Koordinate CIE über die Bodenfläche als Netz von Datenpunkten. Figur 8b zeigt in ähnlicher Weise die Streuung der x-Koordinate .
Grundsätzlich können die LEDs auch auf beliebiger Höhe, beispielsweise halber Höhe etc., außerhalb oder in Aussparungen innerhalb des transparenten Körpers angebracht sein.
Im allgemeinen ist die Lichtaustrittsöffnung die gesamte Deckfläche des transparenten Körpers. Aus optischen und äs¬ thetischen Gründen wird sie aber gerne etwas kleiner gewählt, indem die Abdeckungen geringfügig in die Deckfläche des transparenten Körpers hineinragen.

Claims

Patentansprüche
1. Beleuchtungseinrichtung mit einer optischen Anordnung zur Farbmischung von Lichtquellen, wobei mindestens zwei Lichtquellen, insbesondere Halbleiterelemente, außerhalb eines transparenten Körpers angeordnet sind, wobei die Lichtquellen primäre Strahlung emittieren, die in den transparenten Körper eingekoppelt wird und dort mittels Totalreflexion umgeleitet wird, wobei der transparente Körper ein Bodenteil und ein Deckenteil sowie eine Lichtaustrittsöffnung aufweist, wobei ein optischer Wandler, insbesondere ein streuendes und/oder strah- lungskonvertierendes Mittel, dem Bodenteil zugeordnet ist, wobei ein externes Gehäuse den transparenten Körper bis auf die Lichtaustrittsöffnung verschließt, so dass farbgemischte Strahlung die Beleuchtungseinrichtung durch die Lichtaustrittsöffnung verlässt.
2. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung so ausgeführt ist, dass das von den Lichtquellen erzeugte Licht die Beleuchtungseinrichtung erst verlassen kann, nachdem es mit dem Boden des transparenten Körpers interagiert hat, der mit einem reflektierenden streuenden Mittel und/oder einer leucht- stoffhaltigen Schicht als strahlungskonvertierendem Mittel versehen ist.
3. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse diffus reflektierende innere Oberflächen aufweist.
4. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das streuende Mittel eine diffus reflek- tierende Schicht am Bodenteil ist, die insbesondere Ti02 aufweist .
Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen vom transparenten Körper durch mindestens eine Aussparung beabstandet sind, wobei die Aussparung mit einem niedrigbrechenden Medium, insbesondere Luft, gefüllt ist.
Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der transparente Körper aus einem opti¬ schen Medium besteht, insbesondere aus Glas, PMMA, Poly- carbonat oder Silikon.
7. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Lichtquel .en weiße LEDs, UV-LEDs oder blau emittierende LEDs sind.
Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich vor der Lichtaustrittsöffnung eine Sekundäroptik befindet.
Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühlvorrichtung für die Lichtquellen vorhanden ist, wobei diese Kühlvorrichtung insbesondere auch den optischen Wandler kühlt.
Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das streuende Mittel auch einen die primäre Strahlung zumindest teilweise konvertierenden Leuchtstoff aufweist.
11. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das konvertierende Mittel ein oder mehrere Leuchtstoffe sind.
12. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtstoff oder die Leucht¬ stoffe aus der Gruppe der Granate, Orthosilikate, Sili¬ kate, Sione, Sialone, Aluminate ausgewählt ist bzw. sind .
13. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen und die Leucht¬ stoffe so zusammenwirken, dass die Beleuchtungseinrichtung weiß emittiert.
14. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen seitlich oder un- terhalb oder in Aussparungen des transparenten Körpers angeordnet sind, wobei insbesondere jeder Lichtquelle eine eigene Aussparung zugeordnet ist.
15. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass Aussparungen am Rande des transpa- renten Körpers und/oder innerhalb des transparenten Körpers angeordnet sind, wobei den Aussparungen insbesonde¬ re ein Strahlungsabdeckendes Mittel in Richtung zum De¬ ckenteil zugeordnet ist.
16. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen durchgängige Boh¬ rungen oder Sacklöcher sind.
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