WO2017202670A1 - Linse und leuchte mit einer solchen linse - Google Patents

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WO2017202670A1
WO2017202670A1 PCT/EP2017/061872 EP2017061872W WO2017202670A1 WO 2017202670 A1 WO2017202670 A1 WO 2017202670A1 EP 2017061872 W EP2017061872 W EP 2017061872W WO 2017202670 A1 WO2017202670 A1 WO 2017202670A1
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WO
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fresnel
lens
central axis
rings
fresnel structure
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PCT/EP2017/061872
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English (en)
French (fr)
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Ulrich Streppel
Original Assignee
Osram Opto Semiconductors Gmbh
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V5/00—Refractors for light sources
    • F21V5/04—Refractors for light sources of lens shape
    • F21V5/045—Refractors for light sources of lens shape the lens having discontinuous faces, e.g. Fresnel lenses
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B19/00—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics
    • G02B19/0004—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the optical means employed
    • G02B19/0019—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the optical means employed having reflective surfaces only (e.g. louvre systems, systems with multiple planar reflectors)
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B19/00—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics
    • G02B19/0033—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use
    • G02B19/0047—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use for use with a light source
    • G02B19/0061—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use for use with a light source the light source comprising a LED
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/02—Simple or compound lenses with non-spherical faces
    • G02B3/08—Simple or compound lenses with non-spherical faces with discontinuous faces, e.g. Fresnel lens
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
    • G03B21/00—Projectors or projection-type viewers; Accessories therefor
    • G03B21/14—Details
    • G03B21/145—Housing details, e.g. position adjustments thereof

Definitions

  • Luminaire specified with such a lens Luminaire specified with such a lens.
  • the document US 2005/0024746 Al relates to a Fresnel lens in a luminaire with an LED as a light source.
  • One problem to be solved is to specify a lens with which a large angular range can be illuminated efficiently, while at the same time the height of the lens is low.
  • the lens is set up for a point light source.
  • Point light source means, for example, that a light-emitting surface of the
  • Point light source is smaller than a light entrance surface of the lens, each seen in plan view.
  • the lens is designed for light expansion. This may mean that a radiation angle of the point light source is increased in the
  • this preferably means that the lens is not set up for imaging the point light source into an optical near field and / or a far-field optical field. From the lens, the light of the point light source is thus over a large
  • the lens has a light entry side with a first Fresnel structure. Likewise, the lens has at a light exit side, which is opposite to the light entrance side and of the
  • Point light source is intentionally remote, via a second Fresnel structure.
  • the lens is a double Fresnel lens.
  • the Fresnel structures are preferably each by Fresnel rings
  • a sectional plane of the lens lies entirely between the first and the second
  • the cutting plane between the light entrance side and the light exit side is preferably exclusively in a material of the lens.
  • the sectional plane intersects and / or touches neither the light entrance side nor the light exit side. Because the cutting plane completely
  • the lens is a flat lens. This may also mean that a thickness of the lens, based on an optically active region, is at most 70% or 50% or 30% or 20% of the mean diameter of the optically active region.
  • the optically active area is the Region of the lens, intended to guide and
  • the lens has a central axis.
  • the middle axis is
  • the central axis is preferably perpendicular to the cutting plane
  • the first Fresnel structure differs from the second Fresnel structure.
  • the Fresnel structures are not designed symmetrically to the cutting plane.
  • the Fresnel structures may have different Fresnel rings with different heights, cross-sectional shapes and / or diameters.
  • the height refers to a distance of a tip of the associated Fresnel ring to the cutting plane or to a point of the light entry side which is closest to the cutting plane. This is especially true in a cross section seen perpendicular to the sectional plane. In other words, the farther the corresponding Fresnel ring from the Fresnel ring, the farther away from the cutting plane
  • the Fresnel rings are seen in plan view each circular.
  • a center of the circles formed by the Fresnel rings is preferably on the central axis, for example with a tolerance of at most 10% or 5% or 2% of the diameter of the associated
  • the Fresnel rings of the first Fresnel structure each have an entrance surface facing the central axis and a deflection surface facing away from the center axis. The deflection is intended to a total reflection of light
  • Light entrance surface is adapted to the light of the point light source enters through this surface through the lens.
  • the mirror surface is designed for the total reflection of light, wherein a small proportion of radiation can also escape through the mirror surface.
  • Mirror surface is optically direct to the deflection surface
  • Fresnel lens enters, emitted from the lens.
  • Radiation component which comes from the deflection forth, direct to the mirror surface, so that this radiation component then exits through the mirror surface of the lens.
  • the first and second Fresnel structures each comprise the same number Fresnel rings.
  • each Fresnel ring of the first Fresnel structure is uniquely associated with a Fresnel ring of the second Fresnel structure, and vice versa.
  • the lens is for
  • the lens includes a light entrance side having a first Fresnel structure and a light exit side having a second Fresnel structure.
  • the first Fresnel structure is different from the second Fresnel structure.
  • a sectional plane of the lens is entirely between the first and second Fresnel structures, so that the lens is flat.
  • Central axis of the lens preferably forms an optical axis and is oriented perpendicular to the sectional plane.
  • a height of Fresnel rings of the first Fresnel structure with respect to the sectional plane increases in the direction away from the central axis.
  • the Fresnel rings of the first Fresnel structure each have an entrance surface facing the center axis and a deflection surface facing away from the center axis.
  • the Fresnel rings of the second Fresnel structure each have a mirror surface facing the center axis and an exit surface facing away from the center axis.
  • the lens described here is a high
  • the lens described here can be produced by large-volume processes such as injection molding. This is achieved by the first and the second Fresnel structure on the light entry side and on the light exit side, which are correspondingly matched to one another.
  • Fresnel rings on the light entry side efficient collection of light from the point light source.
  • a tilt angle of the Fresnel rings, in particular the deflection surface so large that incident light safely above a
  • the light is focused by a concave curvature of the mirror surface at the light exit side. According to at least one embodiment, the
  • an optically inactive zone is located between adjacent Fresnel rings of the second Fresnel structure.
  • the optically inactive zone is formed for example by a surface which is oriented parallel or approximately parallel to the cutting plane.
  • the optically inactive zones are each formed by an annular surface.
  • widths of the optically inactive zones increase toward away from the central axis. In other words, a gap between takes
  • Fresnel structure on another optically inactive zone is preferred by the
  • the further optically inactive zone is a circular area which is completely surrounded by the innermost Fresnel ring of the second Fresnel structure.
  • the further optically inactive zone can be oriented parallel to the cutting plane.
  • inactive zone may be the area within the innermost
  • Fresnel rings of the second Fresnel structure be designed lens-shaped, such as in the form of a scattering lens or a Samme11inse. According to at least one embodiment, the
  • Top view of the light exit surface seen the tips of the Fresnel rings of the first Fresnel structure below the optically inactive zones between the Fresnel rings of the second Fresnel structure.
  • the deflection surfaces are convexly curved, seen in cross section.
  • the deflection surfaces act like a collector lens on that of the
  • Point light source coming light much like a concave mirror.
  • the mirror surfaces are concavely curved.
  • the mirror surfaces act as
  • the entrance surface and the exit surface may be free of bends.
  • some, most, or all of the transitions between adjacent faces of the lens are rounded. Rounding achieves more efficient production, for example in an injection molding process.
  • a diameter of the light entry side is at least 1 mm or 2 mm or 3 mm. Alternatively or additionally, this diameter is at most 10 mm or 8 mm or 6 mm.
  • a thickness of the lens, in the direction perpendicular to the cutting plane and with respect to the optically active region of the lens, is preferably at least 0.1 mm or 0.3 mm and / or at most 2 mm or 1 mm or 0.8 mm.
  • Fresnel structure a constant height up. According to at least one embodiment, the heights of the Fresnel rings of the first Fresnel structure at the
  • the luminaire comprises one or more lenses as in connection with at least one of the preceding embodiments
  • the luminaire comprises one or more light-emitting LED chips.
  • LED chip is the point light source realized.
  • the LED chip and thus the point light source has a mean edge length, hereinafter denoted by D.
  • D mean edge length
  • the average edge length is the mean value of all edge lengths. If the light-emitting diode chip has at least partially a round shape, then, instead of the mean edge length, an average diameter may be used
  • Main emission side of the LED chip is preferably within the manufacturing tolerances on the central axis.
  • Point light source particularly the main emission side of the LED chip, close to the light entrance side of the lens.
  • Light entrance side and the point light source along the central axis at least 10% or 20% or 25% and / or at most 90% or 60% or 40% of the mean edge length.
  • Vn (0.1 + 0.3n) D ⁇ 0.05D;
  • the distances Vn and Wn are preferably determined in the direction perpendicular to the central axis.
  • an area at the light entrance side within the first Fresnel ring of the first Fresnel structure is formed by a condenser lens.
  • the converging lens is pierced by the central axis.
  • a maximum height of the converging lens, with respect to the sectional plane, is preferably smaller than the height of the innermost Fresnel ring of the first Fresnel structure. In particular, is the
  • the tip of the farthest outer Fresnel ring may be farther away from the cutting plane than the main emission side the point light source or it is the
  • the Fresnel rings of the second Fresnel structure radiate during operation of the
  • Point light source from the same large amounts of light This preferably applies with a relative deviation of at most 20%.
  • the deviation applies in particular in pairs with respect to all Fresnel rings of the second Fresnel structure.
  • the lens comprises a mounting base. Together with a mounting platform for the point light source, such as a circuit board or a mounting plane in a housing of a smartphone, the lens fully encloses the point light source all around.
  • the lens can serve as a housing and / or as a cover for the point light source.
  • the luminaire is installed in a mobile image recording device, wherein the luminaire Image recording device, in particular a smartphone or
  • Mobile phone is also about a portable computer or a tablet.
  • the luminaire serves as a flashlight.
  • the lamp is especially designed for a pulsed operation.
  • Point light source composed of a semiconductor region on a chip substrate, followed by at least one
  • the main emission side can in this case through a lens zugwandte side of the
  • the light-emitting diode chips are individually controllable and arranged at only a small distance from each other.
  • a color location of the light emitted by the light can be set.
  • the emitted light can be adapted in particular to an ambient light in order to increase image quality.
  • FIGS 1 and 2 are schematic representations of
  • FIGS 3 and 4A are schematic representations of
  • FIG. 4B are schematic representations of
  • FIG. 1 schematically shows a lens 3, see the perspective views in FIGS. 1A and 1B and the sectional view in FIG. 1C.
  • the lens 3 has a light entrance side 31 with a first Fresnel structure and a light exit side 32 with a second Fresnel structure. It is in the lens 3 is a flat lens, so that a cutting plane 33 completely between the light entrance side 31 and the
  • Light exit side 32 is located and this does not cut and not touched.
  • the cutting plane 33 as in Figure IC
  • the cutting plane 33 is oriented perpendicular to a central axis 34 of the lens 3.
  • the central axis 34 preferably represents an optical axis of the lens 3.
  • the lens 3 is adapted to be mounted above a point light source 2, wherein the point light source 2 may be located centrally on the central axis 34, see FIG.
  • the light entrance side 31 is formed by a converging lens 315.
  • the collecting lens 315 is followed, in the direction away from the central axis 34, by an area with a plurality of Fresnel rings 313. Tips 314 of the Fresnel rings 313 are located farther from the cutting plane 33, the farther the associated one
  • Fresnel ring 313 is removed from the central axis 34. All transitions between adjacent surfaces are rounded. The tips 314 separate entry surfaces 311 from deflection surfaces 312 of the respective Fresnel ring 313.
  • the light exit side 32 is also formed by a plurality of Fresnel rings 323. Tips 324 of these Fresnel rings 323 lie in a common plane parallel to the cutting plane 33. These tips 324 are located between mirror surfaces 321 and exit surfaces 322 of the respective Fresnel rings 323. A difference in diameter of corresponding Fresnel rings 313, 323 on the light entrance side 31 and the
  • Light exit side 32 increases particularly preferably from the inside to the outside.
  • optically inactive zone 325b Between adjacent Fresnel rings 323 is located in each case a circular area, optically inactive zone 325b. Widths of these zones 325b increase in the direction away from the central axis 34. As seen in cross section, see FIG. 1C, the optically inactive zones 325b are aligned parallel to the sectional plane 33. In the central area within the innermost Fresnel ring 323 of the light exit side 32 is another optically inactive zone 325a. The circular, more optical
  • the lens 3 has a mounting base 35, which is outside the optically effective
  • Light entrance side 31 and light exit side 32 is located.
  • the mounting base 35 which preferably rotates the lens 3 all around, the lens 3 is attachable to an external support, for example, via gluing, screwing or hooking.
  • FIG. 3 shows a luminaire 1 with such a lens 3.
  • the lamp 1 is located in one
  • Image recording device 4 for example a smartphone.
  • the lamp 1 comprises a
  • Point light source 2 formed by a light-emitting diode chip
  • the LED chip 2 comprises a chip substrate 24, on which a semiconductor region 23 is grown or mounted with a not shown active radiation generating zone.
  • a phosphor layer 25 is optionally located on the semiconductor region 23.
  • LED chips 2 is thus formed by the phosphor layer 25.
  • the main emission site 21 takes place
  • the mirror surfaces 321 are concavely curved and have a divergent effect on the light L.
  • the LED chip 2 with the mean edge length D is electrically contacted via a bonding wire 6 to a mounting platform 5.
  • the lens 3 is also attached to the mounting platform 5 via the mounting base 35. Thus, the LED chip 2 from the lens 3 is also simultaneously
  • point light sources 2 which are arranged tightly in a region below the converging lens 315.
  • the point light source 2 it is alternatively possible for the point light source 2 to emit radiation on the side surfaces 22, for example in the case of a sapphire chip with a semiconductor layer sequence made of AlInGaN. Will a significant proportion of radiation to the
  • FIG. 2A shows a further sectional view of the lens 3, see also the detailed illustration in FIG. 2B.
  • all the tips 314 of the Fresnel rings 313 are located at the
  • the stated values are preferably present with a tolerance of at most 25% or 10% or 5% or exactly.
  • the listed values are to be scaled linearly with the mean edge length D. For example, if the average edge length D is 1.5 mm instead of 0.75 mm, then all the dimensions given are to be doubled. In other words, the listed values with the actual mean edge length D are to be changed proportionally, in each case the above-mentioned tolerances may be present.
  • the radii RH and R12 see FIG. 2B, are preferably at infinity.
  • the radius of curvature of the deflection surface 312 is preferably between 0.9 times and 1.5 times the average edge length D.
  • Mirror surface 321 is preferably between 0.4 times and the average of the average edge length D of the point light source 2.
  • FIG 4A another embodiment of the lamp 1 and the image pickup device 4 is shown in perspective.
  • the illumination field A is preferably an approximately rectangular region, for example with an aspect ratio of 4: 3 or 16: 9.
  • a diagonal angle of the illumination field A is preferably at least 70 ° or 80 °, relative to the
  • Luminaire 1 According to Figure 4A, the diagonal angle is 83 °.
  • FIG. 4B an illuminance distribution is indicated using the lens of FIGS. 2 and 3, and wherein the mean edge length D is 0.75 mm.
  • Illuminance levels are determined at a distance of 1 m to the lamp 1.
  • At the top left is a sectional view through the illumination field A shown, ie in the XY plane.
  • a section along the Y-axis is shown, right above a section along the X-axis.
  • a schematic scaling is shown in Figure 4B bottom right.

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Abstract

In einer Ausführungsform ist die Linse (3) zur Lichtaufweitung einer Punktlichtquelle (2) eingerichtet. Die Linse (3) beinhaltet eine Lichteintrittsseite (31) mit einer ersten Fresnel-Struktur und eine Lichtaustrittsseite (32) mit einer zweiten Fresnel-Struktur. Die erste Fresnel-Struktur ist von der zweiten Fresnel-Struktur verschieden. Eine Schnittebene (33) der Linse (3) liegt gänzlich zwischen der ersten und der zweiten Fresnel-Struktur, sodass die Linse (3) flach ist. Eine Mittelachse (34) der Linse (3) bildet eine optische Achse und ist senkrecht zur Schnittebene (33) orientiert. Eine Höhe (H) von Fresnel-Ringen (313) der ersten Fresnel-Struktur nimmt in Richtung weg von der Mittelachse (34) zu. Die Fresnel-Ringe (313) der ersten Fresnel-Struktur weisen je eine der Mittelachse (34) zugewandte Eintrittsfläche (311) und eine der Mittelachse (34) abgewandte Umlenkfläche (312) auf. Fresnel-Ringe (323) der zweiten Fresnel-Struktur weisen je eine der Mittelachse (34) zugewandte Spiegelfläche (321) und eine der Mittelachse (34) abgewandte Austrittsfläche (322) auf.

Description

Beschreibung
Linse und Leuchte mit einer solchen Linse Es wird eine Linse angegeben. Darüber hinaus wird eine
Leuchte mit einer solchen Linse angegeben.
In der Druckschrift US 4,900,129 A ist eine Fresnel-Linse für einen Projektor angegeben.
Die Druckschrift US 2005/0024746 AI betrifft eine Fresnel- Linse in einer Leuchte mit einer LED als Lichtquelle.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine Linse anzugeben, mit der effizient ein großer Winkelbereich ausgeleuchtet werden kann, bei gleichzeitig geringer Bauhöhe der Linse.
Diese Aufgabe wird unter anderem durch eine Linse und durch eine Leuchte mit den Merkmalen der unabhängigen
Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind
Gegenstand der übrigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Linse für eine Punktlichtquelle eingerichtet. Punktlichtquelle bedeutet dabei etwa, dass eine Licht abstrahlende Fläche der
Punktlichtquelle kleiner ist als eine Lichteintrittsfläche der Linse, jeweils in Draufsicht gesehen. Beispielsweise beträgt ein mittlerer Durchmesser der Linse, in Draufsicht gesehen, mindestens ein Dreifaches oder Fünffaches oder
Achtfaches oder Zwölffaches eines mittleren Durchmessers der Punktlichtquelle . Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Linse zur Lichtaufweitung eingerichtet. Dies kann bedeuten, dass ein Abstrahlwinkel der Punktlichtquelle vergrößert wird, im
Vergleich zu einer Situation ohne Linse. Weiterhin bedeutet dies bevorzugt, dass die Linse nicht zu einer Abbildung der Punktlichtquelle in ein optisches Nahfeld und/oder ein optisches Fernfeld eingerichtet ist. Von der Linse wird das Licht der Punktlichtquelle somit über einen großen
Raumwinkelbereich hinweg homogen verteilt abgestrahlt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Linse eine Lichteintrittsseite mit einer ersten Fresnel-Struktur auf. Ebenso verfügt die Linse an einer Lichtaustrittsseite, die der Lichteintrittsseite gegenüberliegt und von der
Punktlichtquelle bestimmungsgemäß abgewandt ist, über eine zweite Fresnel-Struktur. Mit anderen Worten handelt es sich bei der Linse um eine Doppel-Fresnel-Linse . Die Fresnel- Strukturen sind bevorzugt jeweils durch Fresnel-Ringe
gebildet .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt eine Schnittebene der Linse gänzlich zwischen der ersten und der zweiten
Fresnel-Struktur. Somit liegt die Schnittebene zwischen der Lichteintrittsseite und der Lichtaustrittsseite bevorzugt ausschließlich in einem Material der Linse. Die Schnittebene schneidet und/oder berührt weder die Lichteintrittsseite noch die Lichtaustrittsseite. Da die Schnittebene gänzlich
zwischen der Lichteintrittsseite und der Lichtaustrittsseite liegt, handelt es sich bei der Linse um eine flache Linse. Dies kann ferner bedeuten, dass eine Dicke der Linse, bezogen auf einen optisch aktiven Bereich, höchstens 70 % oder 50 % oder 30 % oder 20 % des mittleren Durchmessers des optisch aktiven Bereichs beträgt. Der optisch aktive Bereich ist die Region der Linse, die bestimmungsgemäß zur Führung und
Lenkung des Lichts eingerichtet ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Linse eine Mittelachse auf. Bei der Mittelachse handelt es sich
bevorzugt um eine optische Achse der Linse. Weiterhin ist die Mittelachse bevorzugt senkrecht zur Schnittebene
ausgerichtet . Gemäß zumindest einer Ausführungsform unterscheidet sich die erste Fresnel-Struktur von der zweiten Fresnel-Struktur.
Insbesondere sind die Fresnel-Strukturen nicht symmetrisch zur Schnittebene gestaltet. Ferner können die Fresnel- Strukturen unterschiedliche Fresnel-Ringe mit voneinander verschiedenen Höhen, Querschnittsformen und/oder Durchmessern aufweisen .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform nimmt eine Höhe der Fresnel-Ringe der ersten Fresnel-Struktur an der
Lichteintrittsseite in Richtung weg von der Mittelachse zu. Die Höhe bezieht sich auf einen Abstand einer Spitze des zugehörigen Fresnel-Rings zu der Schnittebene oder auf einen Punkt der Lichteintrittsseite, der der Schnittebene am nächsten liegt. Dies gilt insbesondere in einem Querschnitt senkrecht zur Schnittebene gesehen. Mit anderen Worten reichen die Fresnel-Ringe desto weiter von der Schnittebene weg, je weiter der entsprechende Fresnel-Ring von der
Mittelachse entfernt ist. Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Fresnel-Ringe in Draufsicht gesehen jeweils kreisförmig. Ein Mittelpunkt der durch die Fresnel-Ringe gebildeten Kreise liegt bevorzugt auf der Mittelachse, etwa mit einer Toleranz von höchstens 10 % oder 5 % oder 2 % des Durchmessers des zugehörigen
Fresnel-Rings . Dies kann für die Fresnel-Ringe an der
Lichteintrittsseite und an der Lichtaustrittsseite gelten. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Fresnel- Ringe der ersten Fresnel-Struktur je eine der Mittelachse zugewandte Eintrittsfläche und je eine der Mittelachse abgewandte Umlenkfläche auf. Dabei ist die Umlenkfläche bestimmungsgemäß zu einer Totalreflexion von Licht
eingerichtet, das von der Punktlichtquelle stammt. Die
Lichteintrittsfläche ist dazu eingerichtet, dass durch diese Fläche hindurch das Licht der Punktlichtquelle in die Linse eintritt . Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Fresnel- Ringe der zweiten Fresnel-Struktur an der
Lichtaustrittsfläche je eine der Mittelachse zugewandte
Spiegelfläche und je eine der Mittelachse abgewandte
Austrittsfläche auf. Die Spiegelfläche ist zur Totalreflexion von Licht gestaltet, wobei ein kleiner Strahlungsanteil auch durch die Spiegelfläche hindurch austreten kann. Die
Spiegelfläche ist der Umlenkfläche optisch direkt
nachgeordnet. Über die Austrittsfläche wird der überwiegende Strahlungsanteil, der über die Eintrittsfläche in die
Fresnel-Linse eintritt, aus der Linse abgestrahlt. In
geringem Umfang kann auch die Austrittsfläche
totalreflektierend wirken und einen geringen
Strahlungsanteil, der von der Umlenkfläche her kommt, zu der Spiegelfläche lenken, sodass dieser Strahlungsanteil dann über die Spiegelfläche aus der Linse austritt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfassen die erste und die zweite Fresnel-Struktur jeweils die gleiche Anzahl an Fresnel-Ringen . Insbesondere ist jeder Fresnel-Ring der ersten Fresnel-Struktur eineindeutig einem Fresnel-Ring der zweiten Fresnel-Struktur zugeordnet und umgekehrt. In mindestens einer Ausführungsform ist die Linse zur
Lichtaufweitung einer Punktlichtquelle eingerichtet. Die Linse beinhaltet eine Lichteintrittsseite mit einer ersten Fresnel-Struktur und eine Lichtaustrittsseite mit einer zweiten Fresnel-Struktur. Die erste Fresnel-Struktur ist von der zweiten Fresnel-Struktur verschieden. Eine Schnittebene der Linse liegt gänzlich zwischen der ersten und der zweiten Fresnel-Struktur, sodass die Linse flach ist. Eine
Mittelachse der Linse bildet bevorzugt eine optische Achse und ist senkrecht zur Schnittebene orientiert. Eine Höhe von Fresnel-Ringen der ersten Fresnel-Struktur, bezogen auf die Schnittebene, nimmt in Richtung weg von der Mittelachse zu. Die Fresnel-Ringe der ersten Fresnel-Struktur weisen je eine der Mittelachse zugewandte Eintrittsfläche und eine der Mittelachse abgewandte Umlenkfläche auf. Die Fresnel-Ringe der zweiten Fresnel-Struktur weisen je eine der Mittelachse zugewandte Spiegelfläche und eine der Mittelachse abgewandte Austrittsfläche auf.
Kamerasysteme in Mobilgeräten wie Smartphones weisen einen Trend zu immer höheren Gesichtsfeldern auf, bis hin zu
Weitwinkelkameras oder Fischaugenkameras. Für Blitzlicht- Beleuchtungseinheiten bedeutet dies, dass ein großer
Winkelbereich ausgeleuchtet werden muss. Dies hat für
Mobilgeräte wie Smartphones bei sehr geringen Bauhöhen im Bereich weniger Millimeter zu erfolgen, da der Bauraum in solchen Mobilgeräten sehr beschränkt ist und zukünftig von einer weiteren Abnahme des zur Verfügung stehenden Bauraums, speziell hinsichtlich einer Dicke der Linse, auszugehen ist. Bei herkömmlichen Fresnel-Linsen ergibt sich dabei bei großen Abstrahlwinkeln das Problem, dass ein Grenzwinkel für eine interne Totalreflexion, die innerhalb der Linse erfolgt, unterschritten wird und dass dadurch die Linse große
Effizienzeinbußen aufweist.
Bei der hier beschriebenen Linse hingegen ist eine hohe
Effizienz bei einem großen Abstrahlwinkel und bei einem kleinen benötigten Bauraum erzielbar. Ferner ist die hier beschriebene Linse mit Verfahren für große Stückzahlen wie Spritzguss herstellbar. Dies wird erreicht durch die erste und die zweite Fresnel-Struktur an der Lichteintrittsseite und an der Lichtaustrittsseite, die entsprechend aufeinander abgestimmt sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt durch die
Fresnel-Ringe an der Lichteintrittsseite ein effizientes Einsammeln des Lichts von der Punktlichtquelle. Dabei ist ein Kippwinkel der Fresnel-Ringe, insbesondere der Umlenkfläche, so groß, dass einfallendes Licht sicher oberhalb eines
Grenzwinkels für Totalreflexion geführt wird. Zudem erfolgt eine Fokussierung des Lichts durch eine konkave Krümmung der Spiegelfläche an der Lichtaustrittsseite. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die
Eintrittsfläche der ersten Fresnel-Struktur eine konvexe Krümmung auf, sodass eine Kollimation des einfallenden Lichts hin zur Spiegelfläche erfolgt. Insbesondere hierdurch ist eine Abstrahlung des Lichts unter großen Winkeln möglich. Ferner ist erzielbar, dass ein Strahlungseinfall auf die
Umlenkfläche der zweiten Fresnel-Struktur weitgehend oberhalb des Grenzwinkels für die Totalreflexion erfolgt. Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich zwischen benachbarten Fresnel-Ringen der zweiten Fresnel-Struktur jeweils eine optisch inaktive Zone. Die optisch inaktive Zone ist beispielsweise durch eine Fläche gebildet, die parallel oder näherungsweise parallel zur Schnittebene orientiert ist. Insbesondere sind die optisch inaktiven Zonen je durch eine kreisringförmige Fläche gebildet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform nehmen Breiten der optisch inaktiven Zonen in Richtung weg von der Mittelachse zu. Mit anderen Worten nimmt ein Abstand zwischen
benachbarten Fresnel-Ringen der zweiten Fresnel-Struktur zu, je weiter diese Fresnel-Ringe von der Mittelachse entfernt sind .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die zweite
Fresnel-Struktur eine weitere optisch inaktive Zone auf. Die weitere optisch inaktive Zone wird bevorzugt von der
Mittelachse durchstoßen. Beispielsweise handelt es sich bei der weiteren optisch inaktiven Zone um eine Kreisfläche, die vom innersten Fresnel-Ring der zweiten Fresnel-Struktur vollständig ringsum umschlossen ist. Die weitere optisch inaktive Zone kann parallel zur Schnittebene orientiert sein. Alternativ zu einer solchen mittig liegenden optisch
inaktiven Zone kann der Bereich innerhalb des innersten
Fresnel-Rings der zweiten Fresnel-Struktur linsenförmig gestaltet sein, etwa in Form einer Streulinse oder einer Samme11inse . Gemäß zumindest einer Ausführungsform befinden sich die
Spitzen der Fresnel-Ringe der ersten Fresnel-Struktur im Bereich der optisch inaktiven Zonen, wenn diese Spitzen parallel zur Mittelachse auf die optisch inaktiven Zonen projiziert werden. Mit anderen Worten befinden sich in
Draufsicht auf die Lichtaustrittsfläche gesehen die Spitzen der Fresnel-Ringe der ersten Fresnel-Struktur unterhalb der optisch inaktiven Zonen zwischen den Fresnel-Ringen der zweiten Fresnel-Struktur.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Umlenkflächen konvex gekrümmt, im Querschnitt gesehen. Somit wirken die Umlenkflächen sammellinsenartig auf das von der
Punktlichtquelle kommende Licht, ähnlich wie ein Hohlspiegel.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Spiegelflächen konkav gekrümmt. Somit wirken die Spiegelflächen als
Streulinse auf die von der Umlenkfläche her kommende
Strahlung, die an der Spiegelfläche reflektiert wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die
Eintrittsfläche und die Austrittsfläche durch gerade
verlaufende Strecken gebildet, im Querschnitt senkrecht zur Schnittfläche und durch die Mittelachse gesehen. Das heißt, im Querschnitt gesehen können die Eintrittsfläche und die Austrittsfläche frei von Krümmungen sein. Alternativ ist es möglich, dass die Eintrittsfläche und/oder die
Austrittsfläche Krümmungen aufweisen, im Querschnitt gesehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind einige , die meisten oder alle Übergänge zwischen benachbarten Flächen der Linse verrundet. Durch Verrundungen wird eine effizientere Herstellung, etwa in einem Spritzgussverfahren, erreicht .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegen
Verrundungsradien zwischen benachbarten Flächen bei
mindestens 5 ym oder 10 ym und/oder bei höchstens 50 ym oder 30 ym oder 20 ym. Besonders bevorzugt liegen die Verrundungsradien bei höchstens 20 % oder 10 % oder 5 ~6 einer mittleren Höhe des nächstgelegenen Fresnel-Rings . Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt ein Durchmesser der Lichteintrittsseite bei mindestens 1 mm oder 2 mm oder 3 mm. Alternativ oder zusätzlich liegt dieser Durchmesser bei höchstens 10 mm oder 8 mm oder 6 mm. Eine Dicke der Linse, in Richtung senkrecht zur Schnittebene und bezogen auf den optisch aktiven Bereich der Linse, liegt bevorzugt bei mindestens 0,1 mm oder 0,3 mm und/oder bei höchstens 2 mm oder 1 mm oder 0,8 mm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befinden sich die
Spitzen der Fresnel-Ringe der ersten Fresnel-Struktur in einer gemeinsamen Ebene, speziell parallel zur Schnittebene. Mit anderen Worten weisen die Fresnel-Ringe der zweiten
Fresnel-Struktur eine konstante Höhe auf. Gemäß zumindest einer Ausführungsform nehmen die Höhen der Fresnel-Ringe der ersten Fresnel-Struktur an der
Lichteintrittsseite in Richtung weg von der Mittelachse gemäß einer quadratischen Funktion, also wie eine Parabel, zu. Dies gilt bevorzugt mit einer Toleranz von höchstens 10 % oder 5 % der Höhe des jeweiligen Fresnel-Rings.
Darüber hinaus wird eine Leuchte angegeben. Die Leuchte umfasst eine oder mehrere Linsen, wie in Verbindung mit zumindest einer der vorhergehenden Ausführungsformen
angegeben. Merkmale der Linse sind daher auch für die Leuchte offenbart und umgekehrt. Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Leuchte einen oder mehrere Licht emittierende Leuchtdiodenchips.
Durch den zumindest einen, bevorzugt genau einen
Leuchtdiodenchip ist die Punktlichtquelle realisiert. Der Leuchtdiodenchip und damit die Punktlichtquelle weist eine mittlere Kantenlänge auf, im Folgenden mit D bezeichnet. Sind unterschiedlich lange Kanten des Leuchtdiodenchips vorhanden, insbesondere in Draufsicht auf eine Hauptemissionsseite des Leuchtdiodenchips gesehen, so ist die mittlere Kantenlänge der Mittelwert aller Kantenlängen. Weist der Leuchtdiodenchip zumindest teilweise eine runde Form auf, so kann anstelle der mittleren Kantenlänge auf einen mittleren Durchmesser
zurückgegriffen werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich die
Punktlichtquelle in der Mittelachse der Linse an deren
Lichteintrittsseite. Ein geometrischer Mittelpunkt der
Hauptemissionsseite des Leuchtdiodenchips liegt bevorzugt im Rahmen der Herstellungstoleranzen auf der Mittelachse.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich die
Punktlichtquelle, insbesondere die Hauptemissionsseite des Leuchtdiodenchips, nahe an der Lichteintrittsseite der Linse. Insbesondere beträgt ein Abstand zwischen der
Lichteintrittsseite und der Punktlichtquelle entlang der Mittelachse mindestens 10 % oder 20 % oder 25 % und/oder höchstens 90 % oder 60 % oder 40 % der mittleren Kantenlänge.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform gilt für die Höhen h der einzelnen Fresnel-Ringe der ersten Fresnel-Struktur, bezogen auf einen Abstand d in Richtung weg von der
Mittelachse und bezogen auf die mittlere Kantenlänge D der folgende Zusammenhang: h(d) = 0,12 (d/D) 2 + 0,06 (d/D) . Insbesondere gilt dieser Zusammenhang mit einer Toleranz von höchstens 10 % oder 5 % der mittleren Kantenlänge D.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform gelten für einen
Abstand Vn der n-ten Spitze der Fresnel-Ringe der ersten Fresnel-Struktur und für einen Abstand Wn der n-ten Spitze der Fresnel-Ringe der zweiten Fresnel-Struktur die folgenden Zusammenhänge oder zumindest einer dieser Zusammenhänge:
Vn = (0,1 + 0,3 n) D ± 0,05 D;
Wn = (0,4 + 0,4 n + 0,14 n2) D ± 0,05 D. Dabei ist n eine natürliche Zahl zwischen einschließlich 1 und 6, insbesondere ist n = 3 oder n = 4. Die Abstände Vn und Wn werden bevorzugt in Richtung senkrecht zur Mittelachse bestimmt. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist ein Gebiet an der Lichteintrittsseite innerhalb des ersten Fresnel-Rings der ersten Fresnel-Struktur durch eine Sammellinse gebildet. Die Sammellinse wird von der Mittelachse durchstoßen. Eine größte Höhe der Sammellinse, bezogen auf die Schnittebene, ist bevorzugt kleiner als die Höhe des innersten Fresnel-Rings der ersten Fresnel-Struktur. Insbesondere liegt der
Schnittpunkt der Sammellinse mit der Mittelachse auf
derselben Parabel, auf der sich die Spitzen der Fresnel-Ringe der ersten Fresnel-Struktur befinden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform beträgt ein Abstand zwischen dem weitest außen liegenden Fresnel-Ring der ersten Fresnel-Struktur und einer der Lichteintrittsseite
zugewandten Hauptemissionsseite mindestens 5 % oder 10 % und/oder höchstens 25 % oder 10 % der mittleren Kantenlänge, gemessen in Richtung parallel zur Mittelachse. Dabei kann die Spitze des weitest außen liegenden Fresnel-Rings weiter von der Schnittebene entfernt sein als die Hauptemissionsseite der Punktlichtquelle oder es befindet sich die
Hauptemissionsseite weiter von der Schnittebene entfernt als die Spitze des äußersten Fresnel-Rings . Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die
Punktlichtquelle und damit der Leuchtdiodenchip an der
Hauptemissionsseite eine Lambert' sehe Abstrahlcharakteristik auf. Eine in einem Winkel abgestrahlte Intensität I beträgt somit Imax cos , wobei Imax die entlang der Mittelachse emittierte Intensität ist. Dieser Zusammenhang gilt bevorzugt mit einer Toleranz von höchstens 0,05 Imax oder 0,1 Imax.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform strahlen die Fresnel- Ringe der zweiten Fresnel-Struktur im Betrieb der
Punktlichtquelle gleich große Lichtströme ab. Dies gilt bevorzugt mit einer relativen Abweichung voneinander von höchstens 20 %. Relative Abweichung bedeutet etwa, dass ein Quotient der beiden zu betrachtenden Größen im Falle einer Toleranz von 20 % = 0,2 bei 1 +/- 0,2 liegt. Bevorzugt liegt diese relative Abweichung bei höchstens 10 %. Die Abweichung gilt insbesondere paarweise hinsichtlich aller Fresnel-Ringe der zweiten Fresnel-Struktur.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Linse einen Befestigungssockel. Zusammen mit einer Montageplattform für die Punktlichtquelle, beispielsweise einer Leiterplatte oder einer Montageebene in einem Gehäuse eines Smartphones, schließt die Linse die Punktlichtquelle ringsum vollständig ein. Somit kann die Linse als Gehäuse und/oder als Abdeckung für die Punktlichtquelle dienen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Leuchte in ein mobiles Bildaufnahmegerät eingebaut, wobei es sich bei dem Bildaufnahmegerät insbesondere um ein Smartphone oder
Mobiltelefon handelt oder auch um einen tragbaren Computer oder um ein Tablet. Gemäß zumindest einer Ausführungsform dient die Leuchte als Blitzlicht. Damit ist die Leuchte insbesondere für einen gepulsten Betrieb eingerichtet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die
Punktlichtquelle zusammengesetzt aus einem Halbleiterbereich auf einem Chipsubstrat, gefolgt von zumindest einer
Leuchtstoffschicht . Die Hauptemissionsseite kann in diesem Fall durch eine der Linse zugwandte Seite der
Leuchtstoffschicht gebildet sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die
Punktlichtquelle durch mehrere Leuchtdiodenchips,
beispielsweise durch zwei, drei oder vier Leuchtdiodenchips, gebildet. Bevorzugt sind die Leuchtdiodenchips einzeln ansteuerbar und in einem nur geringen Abstand zueinander angeordnet. Über die Verwendung mehrerer Leuchtdiodenchips ist ein Farbort des von der Leuchte abgestrahlten Lichts einstellbar. Im Falle eines Blitzlichts kann das emittierte Licht insbesondere an ein Umgebungslicht angepasst werden, um eine Bildqualität zu erhöhen.
Nachfolgend werden eine hier beschriebene Linse und eine hier beschriebene Leuchte unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein. Es zeigen:
Figuren 1 und 2 schematische Darstellungen von
Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen
Linsen,
Figuren 3 und 4A schematische Darstellungen von
Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen
Leuchten, und
Figur 4B schematische Darstellungen von
Emissionseigenschaften eines Ausführungsbeispiels einer hier beschriebenen Leuchte.
In Figur 1 ist schematisch eine Linse 3 dargestellt, siehe die perspektivischen Darstellungen in den Figuren 1A und 1B sowie die Schnittdarstellung in Figur IC. Die Linse 3 weist eine Lichteintrittsseite 31 mit einer ersten Fresnel-Struktur und eine Lichtaustrittsseite 32 mit einer zweiten Fresnel-Struktur auf. Es handelt sich bei der Linse 3 um eine flache Linse, sodass eine Schnittebene 33 vollständig zwischen der Lichteintrittsseite 31 und der
Lichtaustrittsseite 32 liegt und diese nicht schneidet und nicht berührt. Die Schnittebene 33, wie in Figur IC
gezeichnet, liegt senkrecht zur Zeichenebene. Ferner ist die Schnittebene 33 senkrecht zu einer Mittelachse 34 der Linse 3 orientiert. Die Mittelachse 34 stellt bevorzugt eine optische Achse der Linse 3 dar. Die Linse 3 ist dazu eingerichtet, über einer Punktlichtquelle 2 angebracht zu werden, wobei sich die Punktlichtquelle 2 mittig an der Mittelachse 34 befinden kann, siehe Figur 3. In einem Zentralbereich um die Mittelachse 34 herum ist die Lichteintrittsseite 31 durch eine Sammellinse 315 gebildet. An die Sammellinse 315 schließt sich, in Richtung weg von der Mittelachse 34, ein Bereich mit mehreren Fresnel-Ringen 313 an. Spitzen 314 der Fresnel-Ringe 313 liegt umso weiter von der Schnittebene 33 entfernt, je weiter der zugehörige
Fresnel-Ring 313 von der Mittelachse 34 entfernt ist. Alle Übergänge zwischen benachbarten Flächen sind verrundet. Die Spitzen 314 trennen Eintrittsflächen 311 von Umlenkflächen 312 des jeweiligen Fresnel-Rings 313.
Die Lichtaustrittsseite 32 ist auch durch mehrere Fresnel- Ringe 323 gebildet. Spitzen 324 dieser Fresnel-Ringe 323 liegen in einer gemeinsamen Ebene parallel zur Schnittebene 33. Diese Spitzen 324 liegen zwischen Spiegelflächen 321 und Austrittsflächen 322 der jeweiligen Fresnel-Ringe 323. Eine Differenz der Durchmesser von korrespondierenden Fresnel- Ringen 313, 323 auf der Lichteintrittsseite 31 und der
Lichtaustrittsseite 32 steigt besonders bevorzugt von innen nach außen an.
Zwischen benachbarten Fresnel-Ringen 323 befindet sich je eine kreisflächenförmige, optisch inaktive Zone 325b. Breiten dieser Zonen 325b nehmen in Richtung weg von der Mittelachse 34 zu. Im Querschnitt gesehen, siehe Figur IC, sind die optisch inaktiven Zonen 325b parallel zur Schnittebene 33 ausgerichtet . Im Zentralbereich innerhalb des innersten Fresnel-Rings 323 der Lichtaustrittsseite 32 befindet sich eine weitere optisch inaktive Zone 325a. Die kreisförmige, weitere optisch
inaktive Zone 325a ist parallel zur Schnittebene 33 ausgerichtet, befindet sich jedoch weiter von der Schnittebene 33 entfernt als die optisch inaktiven Zonen 325b. An einem Rand weist die Linse 3 einen Befestigungssockel 35 auf, der sich außerhalb der optisch wirksamen
Lichteintrittsseite 31 und Lichtaustrittsseite 32 befindet. Über den Befestigungssockel 35, der bevorzugt die Linse 3 ringsum umläuft, ist die Linse 3 an einem externen Träger anbringbar, beispielsweise über ein Kleben, ein Anschrauben oder ein Einhaken.
In Figur 3 ist eine Leuchte 1 mit einer solchen Linse 3 dargestellt. Die Leuchte 1 befindet sich in einem
Bildaufnahmegerät 4, beispielsweise ein Smartphone .
Zusätzlich zu der Linse 3 umfasst die Leuchte 1 eine
Punktlichtquelle 2, gebildet durch einen Leuchtdiodenchip, der Leuchtdiodenchip 2 umfasst ein Chipsubstrat 24, auf dem ein Halbleiterbereich 23 mit einer nicht gezeichneten aktiven Zone zur Strahlungserzeugung aufgewachsen oder angebracht ist. Optional befindet sich an dem Halbleiterbereich 23 eine LeuchtstoffSchicht 25, die der Lichteintrittsseite 31 zugewandt ist. Eine Hauptemissionsseite 20 des
Leuchtdiodenchips 2 ist somit durch die LeuchtstoffSchicht 25 gebildet. An der Hauptemissionsseite 21 erfolgt
näherungsweise eine Lambert' sehe Abstrahlung von Licht L. An Seitenflächen 22 der Punktlichtquelle 2 erfolgt gemäß Figur 3 keine oder keine signifikante Lichtabstrahlung . In Figur 3 sind ferner schematisch einzelne Strahlverläufe des Lichts L dargestellt, das auf die Fresnel-Ringe 313, 323 trifft. Das Licht L wird über die Eintrittsflächen 311 in die Fresnel-Ringe 313 der ersten Fresnel-Struktur eingekoppelt und an den Umlenkflächen 312 totalreflektiert und hin zu den Fresnel-Ringen 323 an der Lichtaustrittsseite 32 gelenkt. An den Spiegelflächen 321, die den Umlenkflächen 312 des zugehörigen Fresnel-Rings 313 an der Lichteintrittsseite 31 optisch unmittelbar nachgeordnet sind, erfolgt eine Umlenkung des Lichts L hin zu den Austrittsflächen 322. Zu einem geringen Anteil wird Licht an den Austrittsflächen 322 hin zu den Spiegelflächen 321 reflektiert und an den Spiegelflächen 321 ausgekoppelt. Dabei sind die Umlenkflächen 312
fokussierend und somit konvex gekrümmt, die Spiegelflächen 321 sind konkav gekrümmt und wirken divergierend auf das Licht L.
Der Leuchtdiodenchip 2 mit der mittleren Kantenlänge D ist über einen Bonddraht 6 an einer Montageplattform 5 elektrisch kontaktiert. Die Linse 3 ist über den Befestigungssockel 35 ebenfalls an der Montageplattform 5 angebracht. Somit ist der Leuchtdiodenchip 2 von der Linse 3 gleichzeitig auch
eingehaust .
Abweichend von der Darstellung in Figur 3 können auch mehrere Punktlichtquellen 2, die dicht in einem Bereich unterhalb der Sammellinse 315 angeordnet sind, vorhanden sein. Weiterhin ist es alternativ möglich, dass die Punktlichtquelle 2 an den Seitenflächen 22 Strahlung emittiert, beispielsweise im Falle eines Saphir-Chips mit einer Halbleiterschichtenfolge aus AlInGaN. Wird ein signifikanter Strahlungsanteil an den
Seitenflächen 22 abgestrahlt, so sind bevorzugt zusätzliche, weiter außen liegende Fresnel-Zähne 313, 323 vorhanden, die näher an die Montageplattform 5 reichen. Spitzen 314 solcher Fresnel-Ringe 313 an der Lichteintrittsseite 31 können dabei weiter von der Schnittebene 33 entfernt liegen als die
Hauptemissionsseite 21. Somit ist es möglich, dass in Richtung parallel zur Schnittebene 33 die Fresnel-Ringe 313 die Seitenflächen 22 teilweise bedecken, anders als in Figur 3 gezeichnet. In Figur 2A ist eine weitere Schnittdarstellung der Linse 3 gezeigt, siehe auch die Detaildarstellung in Figur 2B. Wie bevorzugt auch in allen anderen Ausführungsbeispielen liegen alle Spitzen 314 der Fresnel-Ringe 313 an der
Lichteintrittsseite 31 auf einer gemeinsamen Parabel,
zusammen mit einem Durchstoßpunkt der Mittelachse 34 durch die zentrale Sammellinse 315.
Nachfolgend sind beispielhaft Maße M und Radien R für die Linse 3 illustriert. Die genannten Werte gelten für eine mittlere Kantenlänge D von 0,75 mm. Alle Werte sind in
Millimetern angegeben. Bevorzugt liegen die genannten Werte mit einer Toleranz von höchstens 25 % oder 10 % oder 5 % oder exakt vor. Dabei sind die aufgeführten Werte linear mit der mittleren Kantenlänge D zu skalieren. Liegt die mittlere Kantenlänge D beispielsweise anstatt bei 0,75 mm bei 1,5 mm, so sind alle genannten Maße zu verdoppeln. Mit anderen Worten sind die aufgeführten Werte mit der tatsächlichen mittleren Kantenlänge D proportional zu verändern, wobei jeweils die voranstehend genannten Toleranzen vorliegen können.
Für D = 0,75 mm liegen beispielsweise die folgenden Maße vor: Ml = 0,39; M2 = 0,61; M3 = 0,85; M4 = 0,07 ; M5 = 0,05; M6 = 0,30; M7 = 0,51; M8 = 0,73. Für die Krümmungsradien gilt Folgendes: Rl = 0,01 wie bevorzugt auch bei allen anderen Verrundungen an der Lichtaustrittsseite 32; R2 = 0,65; R3 = 0,50; R4 = 0,45; R5 ist bevorzugt unendlich; R6 = 0,60; R7 = 0,89; R8 = 0,89; R9 = 1,09; RIO = 0,02 wie bevorzugt auch bei allen anderen Verrundungen an der Lichteintrittsseite 31. Die Radien RH und R12, siehe Figur 2B, liegen bevorzugt bei unendlich. Der Krümmungsradius der Umlenkfläche 312 liegt bevorzugt jeweils zwischen dem 0,9-Fachen und dem 1,5-Fachen der mittleren Kantenlänge D. Der Krümmungsradius der
Spiegelfläche 321 liegt bevorzugt zwischen einschließlich dem 0,4-Fachen und dem Einfachen der mittleren Kantenlänge D der Punktlichtquelle 2. In Figur 4A ist schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Leuchte 1 und des Bildaufnahmegeräts 4 perspektivisch dargestellt. Mit der Leuchte 1 wird ein Beleuchtungsfeld A ausgeleuchtet. Bei dem Beleuchtungsfeld A handelt es sich bevorzugt um einen näherungsweise rechteckigen Bereich, beispielsweise mit einem Seitenverhältnis von 4:3 oder von 16:9. Ein Diagonalenwinkel des Beleuchtungsfelds A liegt bevorzugt bei mindestens 70° oder 80°, bezogen auf die
Leuchte 1. Gemäß Figur 4A liegt der Diagonalenwinkel bei 83°. In Figur 4B ist eine Beleuchtungsstärkeverteilung angegeben, wobei die Linse gemäß der Figuren 2 und 3 verwendet wird und wobei die mittlere Kantenlänge D bei 0,75 mm liegt. Die
Beleuchtungsstärken sind bestimmt in einem Abstand von 1 m zur Leuchte 1. Links oben ist eine Schnittdarstellung durch das Beleuchtungsfeld A gezeigt, also in der XY-Ebene. In der Darstellung in Figur 4B unten links ist ein Schnitt entlang der Y-Achse gezeigt, rechts oben ein Schnitt entlang der X- Achse. Eine schematische Skalierung ist in Figur 4B rechts unten dargestellt.
Die hier beschriebene Erfindung ist nicht durch die
Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt.
Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist .
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2016 109 647.4, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Bezugs zeichenliste
1 Leuchte
2 PunktIichtquelle, Leuchtdiodenchip
21 Hauptemissionsseite
22 Seitenfläche
23 Halbleiterbereich
24 Chipsubstrat
25 LeuchtstoffSchicht
3 Linse
31 Lichteintrittsseite mit der ersten Fresnel-Struktur
311 Eintrittsfläche
312 Umlenkfläche
313 Fresnel-Ringe der ersten Fresnel-Struktur
314 Spitzen der Fresnel-Ringe der ersten Fresnel-Struktur
315 Samme11inse
32 Lichtaustrittsseite mit der zweiten Fresnel-Struktur
321 Spiegelfläche
322 Austrittsfläche
323 Fresnel-Ringe der zweiten Fresnel-Struktur
324 Spitzen der Fresnel-Ringe der zweiten Fresnel-Struktur
325 optisch inaktive Zone
33 Schnittebene
34 Mittelachse/optische Achse
35 Befestigungssocke1
4 Bildaufnahmegerät
5 Montageplattform
6 Bonddraht
A Beieuchtungsfeld
d Abstand Spitze - Mittelachse
h Höhe der Spitzen
D Kantenlänge des Leuchtdiodenchips
L Licht
M.. Maß
R.. Radius

Claims

Patentansprüche
1. Linse (3) zur Lichtaufweitung einer Punktlichtquelle (2) mit
- einer Lichteintrittsseite (31) mit einer ersten
Fresnel-Struktur,
- einer Lichtaustrittsseite (32) mit einer zweiten Fresnel-Struktur, die von der ersten Fresnel-Struktur verschieden ist,
- einer Schnittebene (33) gänzlich zwischen der ersten und der zweiten Fresnel-Struktur, sodass die Linse (3) flach ist, und
- einer Mittelachse (34) als optische Achse senkrecht zur Schnittebene (33) ,
wobei
- eine Höhe von Fresnel-Ringen (313) der ersten
Fresnel-Struktur, bezogen auf die Schnittebene (33) , in Richtung weg von der Mittelachse (34) zunimmt,
- die Fresnel-Ringe (313) der ersten Fresnel-Struktur je eine der Mittelachse (34) zugewandte Eintrittsfläche
(311) und je eine der Mittelachse (34) abgewandte
Umlenkfläche (312) aufweisen, und
- Fresnel-Ringe (323) der zweiten Fresnel-Struktur je eine der Mittelachse (34) zugewandte Spiegelfläche (321) und je eine der Mittelachse (34) abgewandte
Austrittsfläche (322) aufweisen.
2. Linse (3) nach dem vorhergehenden Anspruch,
bei der die Umlenkflächen (312) und die Spiegelfläche (321) je zur Totalreflexion von Licht eingerichtet sind,
wobei die Fresnel-Ringe (313, 323) der ersten und der zweiten Fresnel-Struktur jeweils konzentrisch um die Mittelachse (34) verlaufen.
Linse (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der sich zwischen den Fresnel-Ringen (323) der zweiten Fresnel-Struktur jeweils eine optisch inaktive Zone (325b) befindet,
wobei Breiten der optisch inaktiven Zonen (325b) in Richtung weg von der Mittelachse (34) zunehmen.
Linse (3) nach dem vorhergehenden Anspruch,
bei der die optisch inaktiven Zonen (325b) durch kreisringförmige Flächen gebildet sind,
wobei sich Spitzen (314) der Fresnel-Ringe (313) der ersten Fresnel-Struktur im Bereich der optisch
inaktiven Zonen (325b) befinden, wenn diese Spitzen
(314) parallel zur Mittelachse (34) auf die optisch inaktiven Zonen (325b) projiziert werden.
Linse (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der im Querschnitt gesehen die Umlenkflächen (312) konvex die Spiegelfläche (321) konkav gekrümmt sind, wobei die Eintrittsfläche (311) und die Austrittsfläche (322) im Querschnitt gesehen gerade verlaufen.
Linse (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der alle Übergänge zwischen benachbarten Flächen verrundet sind,
wobei ein Verrundungsradius zwischen einschließlich 5 ym und 30 ym liegt, und
wobei ein Durchmesser der Lichteintrittsseite (31) zwischen einschließlich 1 mm und 8 mm beträgt. Linse (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der sich Spitzen (324) der Fresnel-Ringe (323) der zweiten Fresnel-Struktur in einer Ebene parallel zur Schnittebene (33) befinden,
wobei die Höhen der Fresnel-Ringe (313) der ersten Fresnel-Struktur in Richtung weg von der Mittelachse (34) gemäß einer Parabel zunehmen, mit einer Toleranz von höchstens 10 % der Höhe des jeweiligen Fresnel- Rings (313) .
Leuchte (1) mit
- einer Linse (3) nach einem der vorherigen Ansprüche, und
- einem lichtemittierenden Leuchtdiodenchip mit einer mittleren Kantenlänge (D) als Punktlichtquelle (2), wobei
- sich die Punktlichtquelle (2) in der Mittelachse (34) an der Lichteintrittsseite (31) befindet, und
- ein Abstand zwischen der Lichteintrittsseite (31) und der Punktlichtquelle (2) entlang der Mittelachse (34) mindestens 20 % und höchstens 90 % der mittleren
Kantenlänge (D) beträgt.
Leuchte (1) nach dem vorhergehenden Anspruch mit der Linse (3) nach Anspruch 7,
bei der für die Höhen h der einzelnen Fresnel-Ringe (313) der ersten Fresnel-Struktur, bezogen auf einen Abstand d in Richtung weg von der Mittelachse (34) und bezogen auf die mittlere Kantenlänge D, der folgende Zusammenhang gilt:
h(d) = 0,12 (d/D)2 + 0,06 (d/D) ,
wobei die Toleranz zusätzlich höchstens 10 % der mittleren Kantenlänge D beträgt. Leuchte (1) nach Anspruch 8 oder 9,
bei der für einen Abstand Vn der n-ten Spitze (314) der Fresnel-Ringe (313) der ersten Fresnel-Struktur und für einen Abstand Wn der n-ten Spitze (324) der Fresnel- Ringe (323) der zweiten Fresnel-Struktur die folgenden Zusammenhänge gelten:
Vn = (0,1 + 0,3 n) D ± 0,05 D und
Wn = (0,4 + 0,4 n + 0,14 n2) D ± 0,05 D,
wobei n eine natürliche Zahl zwischen einschließlich 1 und 6 ist, D für die mittlere Kantenlänge (D) steht und die Abstände Vn, Wn in Richtung senkrecht zur
Mittelachse (34) bestimmt sind, und
wobei die erste und die zweite Fresnel-Struktur
dieselbe Anzahl an Fresnel-Ringen (313, 312) aufweisen.
Leuchte (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 10,
bei der die Lichteintrittsseite (31) innerhalb des ersten Fresnel-Rings (313) der ersten Fresnel-Struktur durch eine Sammellinse (315) gebildet ist,
wobei die Lichtaustrittsseite (32) innerhalb des ersten
Fresnel-Rings (323) der zweiten Fresnel-Struktur planar geformt ist.
Leuchte (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 11,
bei der ein Abstand zwischen dem weitest außen
liegenden Fresnel-Ring (313) der ersten Fresnel- Struktur und einer der Lichteintrittsseite (31)
zugewandten Hauptemissionsseite (21) mindestens 5 % und höchstens 25 % der mittlere Kantenlänge (D) beträgt, gemessen in Richtung parallel zur Mittelachse (34) .
13. Leuchte (1) nach Anspruch 12,
bei der die Punktlichtquelle (2) an einer der
Lichteintrittsseite (31) zugewandten Hauptemissionsseite (21) eine Lambert 'sehe Abstrahlcharakteristik aufzeigt,
wobei die Fresnel-Ringe (323) der zweiten Fresnel- Struktur im Betrieb der Punktlichtquelle (2) gleich große Lichtströme abstrahlen, mit einer relativen
Abweichung voneinander von höchstens 20 %, und
wobei die Linse (3) einen Befestigungssockel (25) umfasst und zusammen mit einer Montageplattform (5) die Punktlichtquelle (2) vollständig umschließt, sodass die Linse (3) als Gehäuse für die Punktlichtquelle (2) dient .
14. Leuchte (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 13,
die in ein mobiles Bildaufnahmegerät (4) eingebaut ist und als Blitzlicht eingerichtet ist.
PCT/EP2017/061872 2016-05-25 2017-05-17 Linse und leuchte mit einer solchen linse WO2017202670A1 (de)

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