WO2017207683A1

WO2017207683A1 - Optische linse für beleuchtungszwecke

Info

Publication number: WO2017207683A1
Application number: PCT/EP2017/063282
Authority: WO
Inventors: Daniel Hauser; Anton Flir; Walter Ebner
Original assignee: Swareflex Gmbh
Priority date: 2016-06-04
Filing date: 2017-06-01
Publication date: 2017-12-07
Also published as: CN109313325A; EP3465315A1; US20200200361A1

Abstract

Vorgeschlagen werden Optische Linsen für Beleuchtungszwecke (L), umfassend einen Mantel (C) und eine Lichtaustrittsfläche (B), wobei die Unterseite plan ausgeformt ist und eine optische relevante Ausnehmung zur Aufnahme einer Lichtquelle aufweist, die sich dadurch auszeichnet, dass die Linse (L) über einen Mantel (C) verfügt, der ganz reflektierend beschichtet ist, und eine Lichtaustrittsfläche (B) mit den beiden Scheitelpunkten (b1) und (b2) aufweist, wobei (bl) und (b2) die jeweils höchsten und tiefsten Scheitelpunkte beim Übergang von der Lichtaustrittsfläche (B) zum Mantel (C) darstellen.

Description

OPTISCHE LINSE FÜR BELEUCHTUNGSZWECKE

GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung befindet sich auf dem Gebiet der Verkehrstechnik und betrifft speziell ausgestaltete Linsen zum Einsatz in Beleuchtungsvorrichtungen für Tunnelanlagen sowie die Beleuchtungsvorrichtungen, die die Linsen enthalten.

STAND DER TECHNIK

Das Ausleuchten von Verkehrstunneln stellt aufgrund strenger Beleuchtungsnormen eine Herausforderung für Optikdesign und Lichtplanung dar. Besonders der Tunneleinfahrtsbereich ist kritisch, da sich das menschliche Auge an die rasch ändernden Helligkeitsverhältnisse anpassen muss (Adaptation). Außerdem ist die wahrgenommene Blendung bei der Durchfahrt des Tunnels ein wichtiges Kriterium und vom Gesetzgeber normiert.

Ein Beleuchtungskonzept, welches sich in den letzten Jahren im Tunnelbereich etabliert hat, ist das sogenannte Mit- und Gegenstrahlprinzip. Beim Mitstrahlprinzip verläuft die Projektion der Hauptabstrahlrichtung auf die Fahrbahn parallel zur Fahrtrichtung, während beim Gegenstrahlprinzip die Projektion antiparallel zur Fahrtrichtung ist. Die Funktionsweise ist auch in Figur 4 dargestellt, wobei links das Mitstrahlprinzip und rechts das Gegenstrahlprinzip dargestellt ist.

Der Vorteil des Mitstrahlprinzips liegt in einer Entblendung der Leuchte sowie in hohen Kontrastgütekoeffizienten. Die Mitstrahlung wird beispielsweise in der Durchfahrt in Verkehrstunneln verwendet. Das Gegenstrahlprinzip erlaubt eine hohe Lichtstromausbeute, welche speziell im Tunneleinfahrtsbereich gefordert ist. Dadurch kann die Anzahl der Leuchten und Leuchtmittel reduziert werden und geforderte Normvorgaben können effizienter erreicht werden. Zusätzlich wird das Gegenstrahlprinzip im Tunneleinfahrtsbereich eingesetzt, um den gewünschten Leuchtdichteverlauf für die Adaption des Auges zu erzeugen.

Tunnelleuchten mit unterschiedlichen Eignungskriterien sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt: So werden in der EP 2093484 Bl (BARTEN BACH) Tunnelleuchten offenbart, die einen Wärmepuffer zur Abpufferung von externer, auf die Leuchte einwirkender Umgebungs- bzw. Fremdwärme umfassend einen Wärmespeicher (2) mit einem Phasenwechsler enthalten, dessen Phasenwechseltemperatur von fest auf flüssig und/oder von flüssig auf gasförmig unterhalb der zulässigen Grenzbetriebstemperatur der Leuchte und oberhalb der Normalbetriebstemperatur der Leuchte liegt. Ein solcher Wärmespeicher saugt sozusagen die im Brandfall auf die Leuchte einwirkende Wärme auf, wodurch eine Erhitzung der Leuchte bzw. ihrer Bauteile über die jeweils zulässige Grenztemperatur verhindert wird. Die Schrift enthält jedoch keine Offenbarung in Richtung der Ausgestaltung einer optischen Linse.

In der EP 2565525 Bl (BARTENBACH) werden hingegen Leuchten beschrieben, bei denen die Linsen freiliegend angeordnet sind und einseitig auf der der Fahrtrichtung entgegengewandten Seite der Linsen jeweils eine höckerförmige Randerhöhung besitzen, die an ihrer Außenseite mit einer nach innen hin wirksamen reflektierenden Beschichtung versehen ist, eine Höhe über der Grundfläche der Linse von mindestens 125 % der maximalen Höhe des restlichen Korpus der Linse besitzt und Streulicht, das durch Verschmutzungen an der Lichtaustrittsfläche der Linse entgegen der Fahrtrichtung abgestrahlt wird, im Wesentlichen vollständig einfängt.

Gegenstand der EP 2112428 Bl (BARTENBACH) ist eine Straßen-, insbesondere Tunnelleuchte mit einer asymmetrischen Lichtstärkeverteilung. Der Lichtstrom der Leuchte wird dabei auf einen in Fahrtrichtung betrachtet hinter der Leuchte liegenden Halbraum beschränkt. Die Leuchte besitzt einen Ausblendraum, der den in Fahrtrichtung betrachtet vor der Leuchte liegenden Halbraum umfasst. Durch das Ausleuchten des Tunnels bzw. des Straßenbereichs in Fahrtrichtung werden vor einem bestimmten Fahrzeug herfahrende Fahrzeuge sozusagen von hinten beleuchtet, so dass sie für den dahinter herfahrenden Fahrer gut sichtbar sind. Andererseits wird durch das Ausblenden des entgegen der Fahrtrichtung orientierten Halbraums eine Blendungsfreiheit erreicht. Gegenstand der EP 2962998 AI (SWAREFLEX) sind ebenfalls Tunnellinsen, die sich dadurch auszeichnen, dass sie eine Lichtaustrittsfläche in ellipsoidartiger Freiform aufweisen, wobei die Unterseiten plan ausgeformt und mit einer optisch relevanten Ausnehmung zur Aufnahme einer Lichtquelle versehen sind und die Linsen aus einem Glas mit einer speziellen Zusammensetzung sowie einem definierten Brechungsindex bestehen.

Aus US 7,799,509 Bl und WO 2012/080889 AI sind optische Einheiten für Beleuchtungszwecke bekannt.

Optiksysteme mit asymmetrischen Lichtverteilungen haben den Vorteil, dass sie gut angepasste Lichtverteilungen ermöglichen. Der bisherige Ansatz ist eine transparente Freiformlinse, auch mit Abdeckhaube und/oder Teilverspiegelung der Mantelfläche, um die gewünschten Lichtverteilungen zu erzeugen. Allerdings weist der Stand der Technik erhebliche Probleme auf: so wird insbesondere ein Teil des Lichtstromes von der Abdeckhaube absorbiert, wodurch der Wirkungsgrad der Leuchte auf unter 60% sinkt. Auch die Teilverspiegelung der Mantelfläche ist nachteilig, denn es muss eine komplexe Linsenform verwendet werden, um die gewünschte Lichtablenkung auf die verspiegelte Fläche zu erhalten. Die Teilverspiegelung von einzelnen abgegrenzten Mantelflächen wirken sich des Weiteren negativ auf die Produzierbarkeit des Optiksystems aus. Schließlich sind die erzeugten Lichtverteilungen stark von Produktionstoleranzen abhängig. Generell haben bisherige Optiksysteme den Nachteil, dass ihre Lichtverteilungen nicht die optimale Exaktheit aufweisen und somit zu Lichtstromverlusten bzw. störenden Blendungen führen.

Diese Nachteile erschweren oder verhindern oft den Einsatz solcher Optikkonzepte im Verkehrstunnel.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung hat daher darin bestanden, ein alternatives Beleuchtungskonzept für Tunnel bereitzustellen, dass die oben geschilderten Nachteile des Stands der Technik voll umfänglich überwindet. Dabei sollten insbesondere folgende Teilaufgaben alle gleichzeitig gelöst werden :

• Verwendung einfacher geometrischer Grundformen;

• Einfache Herstellbarkeit, sowohl bezüglich des Linsenkörpers als auch der Beschichtung;

• Minimierung der Fresnel-Verluste bei gleichzeitig gesteigerter Lichtausbeute;

• Minimierung der wahrgenommenen abstrahlenden Fläche;

• Reduktion der Blendung beim Mitstrahlprinzip;

· Erhöhte Lichtstromausbeuten sowohl im Mit- wie im Gegenstrahlprinzip;

• Möglichkeit zur Erzielung beliebiger asymmetrischer Lichtverteilungen;

• Geringerer „Color-over-Angle" Effekt (Licht, das in engem Winkel abgestrahlt wird, ist weiß-bläulich, Licht, das hingegen in breitem Winkel emittiert wird, hat einen Gelb- oder Gelbrotstich. Dieses Phänomen wird als„Color-over-Angle" (CoA) bezeichnet), sowie

• Leichtes Abtropfen von Flüssigkeitsrückständen.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Ein erster Gegenstand der Erfindung betrifft optische Linsen für Beleuchtungszwecke (L), umfassend einen Mantel (C) und eine Lichtaustrittsfläche (B), wobei die Unterseite (A) plan ausgeformt ist und eine optisch relevante Ausnehmung zur Aufnahme einer Lichtquelle aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse (L)

(a) über einen Mantel (C) verfügt, der ganz reflektierend beschichtet ist, und

(b) eine Lichtaustrittsfläche (B) mit den beiden Scheitelpunkten (bl) und (b2) aufweist, wobei (bl) und (b2) die jeweils höchsten und tiefsten Scheitelpunkte beim Übergang von der Lichtaustrittsfläche (B) zum Mantel (C) darstellen.

Unter dem Mantel wird die Außenfläche des Linsenformkörpers verstanden, die an die Lichtaustrittsfläche und die plane Unterseite anschließt. Mit anderen Worten stellt der Mantel die Außenfläche des Linsenformkörpers, ohne die Lichtaustrittsfläche und ohne die plane Unterseite mit ihrer Lichteintrittsfläche, dar. Die Linsen zeichnen sich des Weiteren dadurch aus, dass die Lichtaustrittsfläche (B) entweder plan oder gekrümmt ausgestaltet ist. Ist die Fläche plan, dann fallen die Grundfläche (Bl) der Lichtaustrittsfläche und die Lichtaustrittsfläche (B) zusammen. Ist die Fläche hingegen gekrümmt ausgestaltet, also konkav, konvex oder konkav-konvex geformt, gilt, dass die Grundfläche (Bl) der Lichtaustrittsfläche und die Tangentialebene zur Lichtaustrittsfläche (B) parallel zueinander liegen.

Die Linsen sind dabei von der Seite betrachtet (das bedeutet mit Blick auf die Kante der Grundfläche Bl) nicht unbedingt symmetrisch ausgestaltet. Das bedeutet, dass z. B. die Seite, welche die Lichtaustrittsfläche aufweist, breiter sein kann, als die andere. Dies ist beispielsweise auch in Figur 1 illustriert. Gleichwohl ist es ebenso möglich, dass beide Seiten gleich breit sind, oder dass die Seite, die nicht die Lichtaustrittsfläche aufweist, breiter ist. In einer bevorzugten Variante ist, von der Seite betrachtet, die Seite, welche die Lichtaustrittsfläche aufweist, breiter.

Die erfindungsgemäßen Linsen können darüber hinaus in einigen Ausgestaltungen an ihrer Unterseite Montagehilfen aufweisen. Diese Montagehilfen können im Prinzip beliebige bekannte Montagehilfen sein . In bevorzugten Ausgestaltungen können dies Laschen oder insbesondere ein oder mehrere formschlüssige(s) Verbindungselement(e) sein. In einigen Ausgestaltungsformen ist es besonders bevorzugt, dass die erfindungsgemäße Linsen an ihrer Unterseite ein formschlüssiges Verbindungselement in Form eines um die Linse herumlaufenden Flansches aufweisen.

Die optischen Linsen gemäß vorliegender Erfindung, die an ihrer Unterseite eine Montagehilfe aufweisen, weisen entsprechend eine Außenflächenerweiterung der Unterseite auf. In solchen Ausgestaltungen ist die Mantelfläche nach unten durch die Kanten der Montagehilfen begrenzt. Entsprechend ist auch die reflektierende Fläche durch die Kanten der Montagehilfen begrenzt. Für den Fall, dass es sich bei den Montagehilfen um mehrere Montagehilfen in Form von Laschen oder ähnlichem handelt, befindet sich die Mantelfläche C sowohl über den jeweiligen Oberkanten der Laschen als auch in den Zwischenräumen zwischen den entsprechenden Laschenrändern. Für den Fall, dass das formschlüssige Verbindungselement ein Flansch ist, erstreckt sich die reflektierende Fläche des Mantels C bzw. der Mantel C bis zur Flansch-Oberkante.

Die Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung, bei denen die erfindungsgemäßen Linsen an ihrer unteren Seite eine Montagehilfe aufweisen haben verschiedene Vorteile.

Ein wichtiger Vorteil ist, dass mit diesen Montagehilfen eine bessere Befestigung ermöglicht wird. Durch die vergrößerte Bodenauflagefläche der erfindungsgemäßen Linsen, wird die zur Verfügung stehende Klebefläche vergrößert. Entsprechend wird auch die Adhäsion der erfindungsgemäßen Linsen auf dem Träger verbessert.

Zudem ist es von Vorteil eine größere Klebefläche zu haben, da in dem Falle der Kleber weiter außen, d.h. weiter entfernt von der Ausnehmung zur Aufnahme einer Lichtquelle in der Grundfläche der erfindungsgemäßen Linsen, aufgebracht werden kann; dadurch kann verhindert (oder zumindest deutlich vermindert) werden, dass Kleber in die Ausnehmung fließt bzw. dass volatile Bestandteile, insbesondere des Klebers, in die Ausnehmung gelangen. Entsprechend wird die Gefahr einer Verschmutzung bzw. Beschädigung von Lichtquelle und/oder Lichteintrittsfläche der Linsen minimiert bzw. ausgeschlossen.

Zudem ist es ein Vorteil, dass für den Fall, dass die Linsen in eine Vergussmasse eingebettet werden, die erfindungsgemäßen Linsen besser (fester) in der Vergussmasse verankert werden . Dies erhöht die Stabilität der entsprechenden Baugruppe erheblich.

Selbstverständlich ist es auch möglich, die erfindungsgemäßen Linsen über die Montagehilfen zusätzlich zu oder anstelle der Verklebung mechanisch mit dem Träger zu verbinden; bevorzugte Möglichkeiten hierfür sind Schrauben oder Nieten. Andere mechanische Verbindungsmöglichkeiten sind aber ebenfalls einsetzbar, wie z. B. Klammern. Die optisch relevante Ausnehmung zur Aufnahme der Lichtquelle ist eine gekrümmte Lichteintrittsfläche, die konkav bzw. konkav-konvex in den Linsenkörper eingearbeitet ist; entsprechend kann sie auch als konkav bzw. konkav-konvex in den Linsenkörper eingearbeitete gekrümmte Lichteintrittsfläche bezeichnet werden . Eine konkav-konvex gekrümmte Lichteintrittsfläche hat Bereiche, die konkav bzw. konvex gekrümmt sind.

In einer bevorzugten Variante ist die gekrümmte Lichteintrittsfläche elliptisch ausgeformt.

In anderen Ausgestaltungen ist die Lichteintrittsfläche nicht gekrümmt ausgestaltet, sondern beispielsweise plan, eckig, quadratisch o.ä.; es muss allerdings gewährleistet sein, dass genügend Licht in die Linse eintreten kann.

Die Linsen gemäß der vorliegenden Erfindung weisen in einer bevorzugten Ausgestaltung eine gekrümmte Lichteintrittsfläche, die elliptisch sein kann, einen reflektierenden, vorzugsweise reflektierend beschichteten Mantel, sowie eine ebene oder gekrümmte Lichtaustrittsfläche auf, die geneigt sein kann. Die Form des Linsensystems ist dabei vorzugsweise auf einfache geometrische Grundformen reduziert. Insbesondere die Erzeugung des Optiksystems durch eine geringe Anzahl (>2) von einfach parametrisierten Flächen und Körpern ergibt eine Linsenform, welche in der Produktion leicht zu verarbeiten ist. Die Einschränkungen im Design der Lichtverteilung aufgrund der simplen Grundform der Linse werden durch die vollummantelte reflektierende Randfläche aufgehoben. So kann ein Lichtstrahl unter jedem Einfallswinkel an der Randfläche mit hoher Effizienz reflektiert werden, ohne auf den TIR-Effekt zu beruhen. Denn anders als bei TIR-Linsen (TIR=Total-Internal-Reflection) ist die Lichtausbeute gemäß vorliegender Erfindung höher, da keine Fresnel- Verluste bei der Reflektion am Linsenrand auftreten. Zusätzlich kann ein Lichtstrahl unter jedem Einfallswinkel reflektiert werden, ohne auf dem TIR- Effekt zu beruhen. Dadurch ergeben sich weitere Freiheitsgrade im Design der Lichtverteilung. Im Gegensatz zu TIR-Systemen kann es auch nicht zur so genannten „frustrierten Totalreflexion" kommen, wodurch sich die Lichtleistung in angrenzende Medien einkoppelt. In einer Variante der vorliegenden Erfindung bestehen die Linsen aus einem einzigen Stück Linsenkörper und, gegebenenfalls, der Beschichtung.

Ebenso verringert sich durch die vollummantelte Beschichtung bzw. vorzugsweise Verspiegelung und die dadurch zumindest teilweise verdeckte Lichtquelle die wahrgenommene abstrahlende Fläche im Vergleich zu klassischen Linsensystemen deutlich. Dies bietet die Möglichkeit einer nahezu perfekten Entblendung im Mitstrahlprinzip sowie hohe Lichtstromausbeuten bei Mit- und Gegenstrahlleuchten, wobei die vollummantelte Verspiegelung kein Problem für gängige Beschichtungsverfahren darstellt. Dabei ist es möglich, den Mantel, d.h. die Außenfläche des Linsenformkörpers, nur in bestimmten Bereichen zu beschichten, nämlich in den Bereichen, in denen das vom Beleuchtungskörper ausgesendete Licht nicht ohnehin innerhalb des Linsenkörpers total reflektiert wird und somit nicht durch den Mantel treten kann.

Schließlich ist die Effizienz der Lichtbündelung höher als bei Linsensystemen mit Abdeckungen, wodurch Normvorgaben einfacher erreicht werden können .

Die Neigungswinkel der Lichtaustrittsfläche sowie des gesamten Glaskörpers können zudem stark variiert werden, um die Strahlen der Lichtquelle zu lenken und die gewünschte Lichtverteilung zu erzeugen. Die relative Position der Lichteintrittsfläche zum restlichen Linsensystem kann zusätzlich genutzt werden, um die Lichtverteilung weiter zu modifizieren. Diese Freiheitsgrade ermöglichen die Erzeugung beliebig asymmetrischer Lichtverteilungen, welche mit klassischen Linsensystemen nicht oder nur mit großen Verlusten möglich sind. Für die Lichtbündelung sind die Krümmungen der Lichteintritts- und Lichtaustrittsfläche sowie des Mantels entscheidend. Weiterhin spielt die relative Lage und Größe des Querschnitts der Lichtaustrittsfläche eine wichtige Rolle bei der Lichtbündelung. Lieg wenigstens ein Teilbereich der Oberfläche oder die gesamte Oberfläche facettiert vor, lassen sich zudem besonders homogene Lichtverteilungen erzielen.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass sich mit Hilfe der neuen Linse der so genannte „Color-over-Angle" Effekt besser steuern lässt. Dies führt zu besseren Bedingungen im Beleuchtungseinsatz, wenn Farbverläufe unerwünscht sind.

Die Formgebung der Linse bietet insbesondere auch die Möglichkeit eine Abtropfkante einzubauen, welche besonders im Straßenverkehr von Vorteil ist. Durch die Anschrägung der Lichtaustrittsfläche fließen mögliche Flüssigkeitsrückstände zum lichttechnisch unkritischen Randbereich des Optiksystems und tropfen dort ab. Dies reduziert die Bildung von Verschmutzungsrückständen, die sich negativ auf den Wirkungsgrad sowie die Lichtverteilung auswirken können.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER LINSEN

Die erfindungsgemäßen Linsen werden in Figur la und lb illustriert. Dabei haben die Bezugszeichen die folgenden Bedeutungen :

A = plane Unterseite mit Ausnehmung für die Lichtquelle

B = Lichtaustrittsfläche

Bl = Grundfläche der Lichtaustrittsfläche

C = Reflektierende Fläche = Mantel

L = Linsenkörper

a = Mittelpunkt der gekrümmten Lichteintrittsfläche

bl = Scheitelpunkt des Linsenkörpers und obere Begrenzung der Lichtaustrittsfläche

b2 = untere Begrenzung der Lichtaustrittsfläche

c = Höhe des Linsenkörpers

cl = Höhe des Linsenkörpers, bis zu der die Lichtaustrittsfläche hinabreicht c2 = Differenz zwischen c und cl (nicht eingezeichnet)

α (alpha) = Neigungswinkel

Reflektierende Flächen sind durch durchzogene Linien dargestellt. Lichteintritts- bzw. Austrittsflächen sind durch gestrichelte Linien dargestellt. Der Glaskörper ist grau dargestellt.

Die Lichtaustrittsfläche selbst hat vorzugsweise die Form einer Ellipse, im Sonderfall die Form eines Kreises. Vorzugsweise weisen die Linsen eine Höhe - gemessen von der planaren Grundfläche (A) bis zum Scheitelpunkt (bl) - von etwa 0,5 bis etwa 10 cm, vorzugsweise etwa 1 cm bis etwa 5 cm und insbesondere von etwa 2 bis etwa 3 cm auf. Diese Fläche kann jedoch beliebig komplizierter gestaltet werden, beispielsweise indem man Kanten von der Oberfläche einschließt oder ausnimmt.

Die Grundfläche der Lichtaustrittsfläche kann als schräger Schnitt durch den Linsenkörper aufgefasst werden, der am Scheitelpunkt (bl) der Linse ansetzt und bis zum Punkt (b2) bis auf eine Höhe (cl) hinab reicht, die etwa 5 bis etwa 75 %, vorzugsweise etwa 10 % bis etwa 50 % und insbesondere etwa 15 bis etwa 25 % der Gesamthöhe (c) der Linse entspricht. Insbesondere weist diese Fläche eine Neigung bzw. dieser Schnitt einen Winkel α auf. Der Neigungswinkel α der Grundfläche ist der Winkel zwischen der Normalen der Grundfläche (Bl) und der Normalen der planen Unterseite (A). Ein positiver Winkel α entsteht durch eine Drehung nach rechts in Richtung des Scheitelpunktes (b2), ein negativer Winkel durch eine Drehung nach links, also in Richtung des Scheitelpunktes (bl). Der Neigungswinkel α reicht von -90° bis + 90°. Vorzugsweise beträgt der Winkelbereich α etwa -45° bis etwa +45° und insbesondere 0 bis etwa +30 °.

Figur lb unterscheidet sich von Figur la nur dadurch, dass im unteren Teil nun ein Flansch dargestellt ist. Dabei wird die Lichteintrittsfläche - in dieser figurativen Darstellung - zum Teil durch den dargestellten Flansch verdeckt (auf Höhe der Linsengrundfläche). Der Mantel C führt bis auf das obere Ende des Flansches.

Die Neigung der Grundfläche beeinflusst die Hauptabstrahlrichtung. Die Krümmung der Lichtaustrittsfläche beeinflusst die Lichtverteilung. Der Neigungswinkel der Grundfläche α und die Krümmung der Lichtaustrittsfläche können an die Beleuchtungserfordernisse angepasst werden.

Figur 2a zeigt eine Drahtgestellskizze einer erfindungsgemäßen Linse, bei der die gekrümmte Oberfläche oberhalb der Grundfläche Bl der Lichtaustrittsfläche aufgrund der Perspektive nicht erkennbar ist.

Figur 2b zeigt eine Drahtgestellskizze einer erfindungsgemäßen Linse, bei der die gekrümmte Oberfläche oberhalb der Grundfläche Bl gezeigt ist. LINSENKÖRPER UND BESCHICHTUNG

Der Linsenkörper kann grundsätzlich aus einem beliebigen lichtdurchlässigen Polymer gefertigt sein, welches sich beschichten lässt. Vorzugsweise handelt es sich jedoch um Glaskörper, da diese sich durch besonders präzise Lichteinstrahlung bei gleichzeitig hoher Beständigkeit auszeichnen.

Auch die Natur der Beschichtung kann vielfältiger Art sein, angefangen von einer Aluminiumbedampfung, über die Beschichtung mit Silber, Gold oder weiteren Metallen. Es empfiehlt sich jedoch, die Beschichtung so durchzuführen bzw. eine solche Schichtdicke einzustellen, dass sich eine Reflektivität von mindestens 80 %, vorzugsweise mindestens 90 und insbesondere mindestens 95 % ergibt. Als Beschichtungsverfahren kommen beispielsweise nasschemische Prozesse in Frage, aber auch CVD, PVD oder insbesondere Sputtern.

LICHTQUELLEN

Die Lichtquellen können in diesem Zusammenhang LED, OLED, LET oder OLET darstellen; auch eine Laserbeleuchtung ist möglich.

LED, auch als Leuchtdioden bezeichnet, stellen lichtemittierende Halbleiter- Bauelemente dar, deren elektrische Eigenschaften denen einer Diode entsprechen. Fließt durch die Diode elektrischer Strom in Durchlassrichtung, so strahlt sie Licht, IR-Strahlung bis UV-Strahlung mit einer vom Halbleitermaterial und dessen Dotierung abhängigen Wellenlänge ab.

Hochleistungs-Leuchtdioden (H-LED) werden mit höheren Strömen als 20 Milliampere betrieben. Es entstehen besondere Anforderungen an die Wärmeableitung, die sich in speziellen Bauformen ausdrücken. Die Wärme kann über die Stromzuleitungen, die Reflektorwanne oder in den Leuchtdiodenkörper eingearbeitete Wärmeleiter abgeführt werden. Weitere geeignete LED-Ausführungen, die im Sinne der vorliegenden Erfindung als Lichtquellen eingesetzt werden können, umfassen das direkte Drahtbonden des Leuchtdioden-Chips auf der Platine (chip on board) und der spätere Verguss mit Silikonmassen. Die als Lichtquellen eingesetzten LED können auch mehrfarbig sein . Mehrfarbige Leuchtdioden bestehen aus mehreren (zwei oder drei) Dioden in einem Gehäuse. Meist haben sie eine gemeinsame Anode oder Kathode und einen Anschluss für jede Farbe. Bei einer Ausführung mit zwei Anschlüssen sind zwei Leuchtdioden-Chips antiparallel geschaltet. Je nach Polarität leuchtet die eine oder andere Diode. Eine quasi stufenlose Farbveränderung kann man über ein variables Pulsbreitenverhältnis eines geeigneten Wechselstroms realisieren .

Eine weitere mögliche Lichtquelle im Sinne der Erfindung sind OLEDs. Dabei handelt es sich um organische Leuchtdioden, genauer gesagt um leuchtende Dünnschichtbauelemente aus organischen halbleitenden Materialien, das sich von den anorganischen Leuchtdioden (LED) dadurch unterscheiden, dass die elektrische Stromdichte und Leuchtdichte geringer und keine einkristallinen Materialien erforderlich sind. Im Vergleich zu herkömmlichen (anorganischen) Leuchtdioden lassen sich organische Leuchtdioden daher in Dünnschichttechnik kostengünstiger herstellen. OLEDs sind aus mehreren organischen Schichten aufgebaut. Dabei wird meist auf die Anode, bestehend aus Indium-Zinn-Oxid (ITO), die sich auf einer Glasscheibe befindet, eine Lochleitungsschicht (hole transport layer, HTL) aufgebracht. Zwischen ITO und HTL wird - abhängig von der Herstellungsmethode - oft noch eine Schicht aus PEDOT/PSS aufgebracht, die zur Absenkung der Injektionsbarriere für Löcher dient und die Eindiffusion von Indium in den Übergang verhindert. Auf die HTL wird eine Schicht aufgebracht, die entweder den Farbstoff enthält (ca. 5-10 %) oder - eher selten - vollständig aus dem Farbstoff besteht, z. B. Aluminium-tris(8-hydroxychinolin), Alq3. Diese Schicht bezeichnet man als Emitterschicht (emitter layer, EL). Auf diese wird optional noch eine Elektronenleitungsschicht (electron transport layer, ETL) aufgebracht. Zum Abschluss wird eine Kathode, bestehend aus einem Metall oder einer Legierung mit geringer Elektronenaustrittsarbeit wie zum Beispiel Calcium, Aluminium, Barium, Ruthenium, Magnesium-Silber-Legierung, im Hochvakuum aufgedampft. Als Schutzschicht und zur Verringerung der Injektionsbarriere für Elektronen wird zwischen Kathode und E(T)L meistens eine sehr dünne Schicht aus Lithiumfluorid, Cäsiumfluorid oder Silber aufgedampft.

Anstelle der Licht emittierenden Dioden können auch entsprechende Transistoren verwendet werden, die als LET oder OLET bezeichnet werden.

Die Lichtquellen werden auf einen geeigneten Träger aufgebracht oder darin eingesetzt. Dabei kommen gegebenenfalls auch mehr als eine Lichtquelle zum Einsatz, beispielsweise 5, 10, 15, 20 oder bei Bedarf mehr, die entweder in Reihen oder Kreisen angeordnet sind. Über jede Lichtquelle wird eine der erfinderischen Linsen angebracht, wobei die Ausnehmung in der Linse an die Lichtquelle angepasst wird. Diese Ausnehmungen sind in der Regel bezüglich ihrer Grundfläche elliptisch, vorzugsweise kreisförmig, können jedoch grundsätzlich auch jede andere Form aufweisen. Die Fixierung erfolgt durch Verkleben der Linse mit dem Träger, wobei der, durch den um die Ausnehmung verbleibenden Rest der Unterseite gebildete, umlaufende Rand für einen besseren Halt sorgt und gleichzeitig das Eindringen von Feuchtigkeit verhindert. Vorzugsweise werden die Linsen mit der Einheit aus Träger und Lichtquelle mit Hilfe beispielsweise von Epoxidharz vergossen.

GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung, umfassend

(a) mindestens eine optische Linse gemäß vorliegender Erfindung;

(b) mindestens eine Lichtquelle sowie

(c) einen Träger zur Aufnahme der Lichtquelle(n) und Linse(n).

Um die Linsen mechanisch stabil in Leuchten zu integrieren, kommen diverse Träger bzw. Halterungstechniken zum Einsatz. Bei klassischen Optiksystemen wird dabei meist ein Teil des Lichtstromes absorbiert und/oder umgelenkt. Dies kann zu niedrigeren Wirkungsgraden und veränderten Lichtverteilungen der Leuchte führen. Das neue Linsensystem ist aufgrund des ganz reflektierend beschichteten Mantels völlig unabhängig von Effekten dieser Art, was zu einer Effizienzerhöhung der gesamten Leuchte führt. In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist der Träger jeweils in unmittelbarer Nähe der Lichtquelle(n) und innerhalb der Grundfläche(n) der Ausnehmung(en) von der/den erfindungsgemäßen optischen Linse(n) wenigstens ein Belüftungsloch auf, wodurch volatile Bestandteile, die beispielsweise aus der Verklebung der Linsen auf dem Träger stammen können, aus der/den Linsen-Ausnehmung(en) heraus diffundieren können. Dies hat mehrere Vorteile, unter anderem kann dadurch verhindert werden, dass die Oberfläche der Lichtquelle und/oder der erfindungsgemäßen Linse durch Reaktion mit den volatilen Bestandteilen verschmutzt und/oder beschädigt werden .

In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Beleuchtungsvorrichtung eine Vielzahl von auf dem Träger angeordneten Linsen, wobei es bevorzugt ist, wenn Linsen regelmäßig angeordnet sind.

Typische Ausgestaltungen sind Beleuchtungsvorrichtungen, die etwa 1 bis 200, bevorzugt 1 bis 60, besonders bevorzugt etwa 10 Linsen umfassen; es sind aber auch Beleuchtugsvorrichtungen mit noch mehr Linsen möglich.

In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Lichtaustrittsflächen B aller Linsen auf dem Träger in die gleiche Richtung ausgerichtet. Für andere Anwendungen ist es aber auch möglich, die Lichtaustrittsflächen B in verschiedene Richtungen auszurichten, wahlweise in Gruppen oder jeweils einzeln.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Beleuchtung, umfassend die folgenden Schritte:

(a) Bereitstellen mindestens einer Beleuchtungsvorrichtung wie oben beschrieben;

(b) Montieren der mindestens einen Beleuchtungsvorrichtung; und

(c) Anschließen der mindestens einen Beleuchtungsvorrichtung an eine Stromversorgung.

Das Verfahren bezieht sich auf die Beleuchtung unterschiedlicher Objekte, wie beispielsweise Straßen, Flughäfen, Schiffshäfen, Industrieanlagen, Spielplätzen und Sportanlagen. Insbesondere ist es für die Beleuchtung von Tunneln geeignet. Die Montage kann in jeder geeigneten Weise erfolgen, beispielsweise auf Dächern, Wänden, Masten oder Kränen. Im Fall der Tunnelbeleuchtung werden die Elemente in die Decken oder in geeigneter Höhe in die gegebenenfalls geneigten Wände eingebaut. Auch der Einbau in schon bestehende Stromleisten ist möglich.

Ein letzter Gegenstand der Erfindung betrifft die Verwendung der erfindungsgemäßen optischen Linsen oder der sie enthaltenden Beleuchtungsvorrichtung zum einen zur Beleuchtung beispielsweise von Straßen, Flughäfen, Schiffshäfen, Industrieanlagen, Spielplätzen und Sportanlagen sowie insbesondere von Tunneln und zum anderen zur Ausleuchtung von Flächen .

BEISPIELE BEISPIEL 1, VERGLEICHSBEISPIELE VI BIS V3

Um die Unterschiede des neuen Optiksystems weiter herauszuarbeiten, wurden lichttechnische Simulationen von drei klassischen Linsen und dem neuen Linsensystem durchgeführt. Der Simulationsaufbau ist für alle Linsensysteme identisch und ist wie folgt strukturiert:

1. Setzen der LED in den Koordinatenursprung.

2. Setzen der Linsen-CAD-Geometrie.

3. Einstellen der Bezugskoordinaten des LED-Linse-Systems.

4. Erfassen der Lichtstärkeverteilung in Polarkoordinaten.

5. Setzen eines rechteckigen Flächendetektors in konstantem Abstand und gleichbleibender Größe, um die Leuchtdichteverteilung zu berechnen . Figur 3 zeigt die Ergebnisse der lichttechnischen Simulation der verschiedenen Optiksysteme. Das Linsensystem 1 (Figur 3a) und Linsensystem 1 mit Abdeckung (Figur 3b) sind bereits produzierte Linsensysteme, welche im Straßenverkehr zum Einsatz kommen. Linsensystem 2 (Figur 3c) stellt ein Simulationskonzept einer reinen Linsenoptik dar, welche vorgeschriebene Normvorgaben im Straßenverkehr knapp nicht erreicht und zudem schwer produzierbar ist. Figur 3d stellt das neue Optiksystem dar.

Der optische Wirkungsgrad der Linsensysteme wird mit η bezeichnet. In den oberen Hälften der Figuren 3a bis 3d sind die Lichtstärkeverteilungskurven dargestellt und in den unteren Hälften die Leuchtdichteverteilungen. Dabei markieren die horizontalen Linien die Trennung zwischen Neben- und Hauptabstrahlebenen der Linsen. Der Punkt im Zentrum der Leuchtdichteverteilung repräsentiert die Position der Linse. Die absolute Helligkeit der Leuchtdichteverteilungen ist für jedes Beispiel auf das jeweilige Leuchtdichtemaximum normiert.

Linsensystem 1 hat einen optischen Wirkungsgrad η =86%.

Linsensystem 1 mit Abdeckung hat einen optischen Wirkungsgrad η =56%.

Linsensystem 2 hat einen optischen Wirkungsgrad η =82%.

Das erfindungsgemäße Optiksystem hat einen optischen Wirkungsgrad η =82- 85%.

Die Ergebnisse der lichttechnischen Untersuchung der vier Optiksysteme, welche in Figur 3a bis 3d dargestellt sind, verdeutlichen den Vorteil der vorliegenden Erfindung. Hierbei wird deutlich weniger Licht in die hintere Bildebene geworfen . Im Vergleich mit dem Linsensystem 1 mit Abdeckung fällt eine ähnliche Lichtmenge in die hintere Bildebene, jedoch ist der Wirkungsgrad aufgrund des reflektierenden Mantels des neuen Designs um bis zu 30% höher. Im Gegensatz zu klassischen Einzellinsensystemen ermöglicht das neue Optiksystem die Produktion von wesentlich effizienteren Leuchten, welche außerdem eine asymmetrischere Lichtverteilung erzeugen können.

Claims

Optische Linsen für Beleuchtungszwecke (L), umfassend einen Mantel (C) und eine Lichtaustrittsfläche (B), wobei die Unterseite (A) plan ausgeformt ist und eine optisch relevante Ausnehmung zur Aufnahme einer Lichtquelle aufweist,

dadurch gekennzeichnet, dass die Linse (L)

(b) eine Lichtaustrittsfläche (B) mit den beiden Scheitelpunkten (bl) und (b2) aufweist, wobei (bl) und (b2) die jeweils höchsten und tiefsten Scheitelpunkte beim Übergang von der Lichtaustrittsfläche (B) zum Mantel (C) darstellen .

Linsen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie an ihrer Unterseite eine Montagehilfe, bevorzugt ein formschlüssiges Verbindungselement, besonders bevorzugt einen Flansch aufweist

Linsen nach Anspruch 1 oder zwei, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtaustrittsfläche (B) plan ausgestaltet ist.

Linsen nach Anspruch 1 oder zwei, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtaustrittsfläche (B) gekrümmt ausgestaltet ist.

Linsen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundfläche (Bl) der Lichtaustrittsfläche und die Lichtaustrittsfläche (B) zusammenfallen.

Linsen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundfläche (Bl) der Lichtaustrittsfläche und die Tangentialebene zur Lichtaustrittsfläche (B) parallel zueinander liegen .

7. Linsen nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Höhe (c) berechnet vom Mittelpunkt (a) der planen Unterseite (A) bis zum Scheitelpunkt (bl) der Linse von etwa 0,5 bis etwa 10 cm aufweisen.

8. Linsen nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundfläche (Bl), am Scheitelpunkt (bl) der Linse ansetzt und bis zum Scheitelpunkt (b2) bis auf eine Höhe (cl) hinab reicht, die etwa 5 bis etwa 75 % der Gesamthöhe (c) der Linse entspricht.

9. Linsen nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundfläche (Bl) einen Winkel α aufweist, der zwischen der Normalen der Grundfläche (Bl) und der Normalen der planen Unterseite (A) aufgespannt wird und von -90° bis + 90° reicht.

10. Linsen nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundfläche (Bl) einen Winkel α aufweist, der zwischen der Normalen der Grundfläche (Bl) und der Normalen der planen Unterseite (A) aufgespannt wird und von -50° bis + 50° oder 0 bis +45° reicht.

11. Linsen nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle eine LED oder eine OLED darstellt.

12. Beleuchtungsvorrichtung, umfassend

(a) mindestens eine optische Linse für Beleuchtungszwecke nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11;

(b) mindestens eine Lichtquelle sowie

(c) einen Träger zur Aufnahme der Lichtquelle(n) und Linse(n).

13. Verfahren zur Beleuchtung umfassend die folgenden Schritte:

(a) Bereitstellen mindestens einer Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 12;

(b) Montieren der mindestens einen Beleuchtungsvorrichtung; und (c) Anschließen der mindestens einen Beleuchtungsvorrichtung an eine Stromversorgung.

14. Verwendung der optischen Linsen nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11 oder der Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 12 zur Beleuchtung.

15. Verwendung der optischen Linsen nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11 oder der Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 12 zur Ausleuchtung von Flächen.