WO2024056429A1 - Optische vorrichtung für die desinfektion oberer luftschichten in einem raum - Google Patents

Optische vorrichtung für die desinfektion oberer luftschichten in einem raum Download PDF

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WO2024056429A1
WO2024056429A1 PCT/EP2023/074199 EP2023074199W WO2024056429A1 WO 2024056429 A1 WO2024056429 A1 WO 2024056429A1 EP 2023074199 W EP2023074199 W EP 2023074199W WO 2024056429 A1 WO2024056429 A1 WO 2024056429A1
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reflector
radiation
light source
optical device
source unit
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PCT/EP2023/074199
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Ulrich Hartwig
Werner Stolzenberg
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Osram Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to an optical device for the disinfection of upper air layers in a room which is used, for example, by people, in particular to prevent infection with pathogens.
  • Optical devices for disinfecting air, especially in closed rooms, are becoming increasingly important, especially in the wake of the pandemic caused by the SARS-CoV-2 coronavirus.
  • Such devices usually use ultraviolet radiation, in particular UV-C radiation, to inactivate or kill germs or pathogens such as bacteria, bacterial spores, viruses or viroids, fungi, fungal spores or algae, etc. from the room air.
  • UV-C wall devices or mobile UV-C devices that are often used for this purpose, air can be taken from the corresponding rooms, exposed to UV-C radiation during processing and finally returned to the corresponding room.
  • a wavelength range corresponding to UV-C radiation extends from 100 nm to 280 nm. Other wavelength ranges such as UV-A or UV-B radiation are not excluded.
  • low-pressure mercury vapor lamps have often been used so far, which emit radiation or light with a wavelength of 254 nm, which is used, for example, to inactivate viruses, since in this case the virus nucleic acid is attacked. After a number of cycles, this treatment can
  • the germ load in the rooms concerned can be reduced by more than 99%.
  • UV-C germ killing Conventionally, medium-pressure mercury lamps or pulsed xenon arc lamps have also been used in devices for UV-C germ killing. Current devices mostly use UVC low-pressure lamps. More recently, efforts have also been made to use UV-C LEDs.
  • UV-C radiation released can have a very damaging effect on people's eyes and skin etc. when exposed.
  • special measures are generally required to ensure that UV-C radiation does not escape from the interior of the device to the outside, such as angled inlet and outlet openings or slats.
  • UV-C disinfection devices are used for rooms with a high ceiling of at least 10 feet (equivalent to approximately 3,048 m) is recommended.
  • the UV-C disinfection devices mounted at a height of approximately 2.1 m (equivalent to 7 feet) are installed in such a way that they only disinfect the air above their own height. They emit the UV-C radiation to the outside directly into the room above the people who may be inside. The overall disinfection of the room air occurs through natural air circulation.
  • FIG. 1 An overview of disinfection using such devices is shown in Fig. 1, which is adapted, with minor revision, from the ASHRAE Handbook - HVAC Applications (ASHRAE: American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers, 2019, Handbook — HVAC Applications, Chapter 62.6 . USA, Atlanta, GA.).
  • the diagram shows along the abscissa the room depth dhoriz (measured from the position of the device projected onto the floor, in units of 0.3048 m or feet) and along the ordinate the room height dhoriz, measured from the floor of the room, in units of 0.3048 m or feet.
  • the conventional optical device 1090 is installed at a height of approximately 2.1 m.
  • Reference numbers 1010, 1020, 1030, 1040, and 1050 denote lines of equal local irradiance (1010: 200 pW/cm 2 , 1020: 100 pW/cm 2 , 1030: 50 pW/cm 2 , 1040: 20 pW/cm 2 , 1050: 10 pW/cm 2 ).
  • Reference numeral 1060 denotes a region in which the irradiance is still above 0.2 pW/cm 2 . In the zone active for disinfection, the irradiance should exceed a minimum value of 10 pW/cm 2 in order to be sufficiently effective. Below the active zone is the so-called safe zone. People should be able to stay here for longer (e.g.
  • the irradiance should generally be below 0.2 pW/cm 2 .
  • the UV-C radiation is essentially horizontally oriented so as not to affect the safe zone with UV-C radiation.
  • the irradiance decreases significantly due to the increasing distance from the device. With a higher lamp power, disinfection can be achieved in greater depths of the room.
  • UV-C low-pressure lamps Due to the use of UV-C low-pressure lamps in conventional devices, which, unlike LED-based light sources, have a comparatively large etendue and consequently low radiance, it is regularly necessary to use reflectors and slats to reduce the radiation in the manner indicated in Fig. 1 narrow zone under the ceiling.
  • the slats can absorb those radiation components that leave the reflectors of the device at larger angles (up or down relative to the horizontal plane). However, this in turn leads to efficiencies that are generally below 10%.
  • the resulting high power consumption with low long-distance effect and the highly unequal distribution of irradiance in the area of the ceiling also have a disadvantageous effect on the cost-effectiveness of the devices - a higher number of devices is required per ceiling area - and also on the complexity of the disinfection concept for one given space.
  • the LED-based light sources which only have a low etendue, significantly more extensive and homogeneous irradiation concepts can be developed for the upper air layers in a room as part of the Upper Air or Upper Room GUV Devices.
  • the rooms with the air layers to be sterilized can have completely different geometries, so that individual adaptation of the devices will usually be necessary.
  • AHU air handling units
  • the regulations regarding safety (radiation protection of people staying in the safe zone) must be adhered to, the germicidal effect must be optimized and at the same time the sufficient efficiency (efficiency) of the system must be ensured.
  • the device should also be easy to install.
  • the device installed in the room should in particular be independent of the optical properties of the relevant surfaces (ceiling and walls) of the room to be disinfected.
  • Some of the aspects described below are therefore based on the task of improving the economic efficiency of the optical devices used for disinfection using UV radiation, in particular UV-C radiation, and at the same time also bringing about greater protection for the people in the room to ensure a sufficient safe zone, as well as to improve flexibility and adaptability to the conditions in the room to be disinfected.
  • an optical device for the disinfection of upper air layers in a room have in common a light source unit which comprises a light source and a light-emitting surface, the latter defining a light source plane and the former being set up to emit radiation in a UV wavelength range.
  • the UV radiation can in particular be in the UV-C wavelength range (e.g. 100 nm - 280 nm). act.
  • UV-A or UV-B radiation can also be used, particularly in conjunction with photocatalysis, if the ceiling is coated with titanium dioxide, for example.
  • Individual aspects can provide for a fairly large area to be irradiated, so that a good catalytic effect can potentially be achieved in this case too.
  • a first reflector is provided, which is set up to be arranged at a first distance from the light source unit and to receive the radiation emitted by the light source unit and to reflect it into the room in a first direction with a collimating effect and a small far field angle.
  • Special exemplary embodiments provide for the reflection of an exactly parallel beam of rays, while other exemplary embodiments allow a slightly divergent beam of rays or a more focusing (i.e. convergent) beam of rays.
  • the aim of the first reflector is to combine the radiation emitted by the light source unit over a large solid angle range (Lambertian radiator) and to radiate it in a focused manner into the room to be disinfected over a large distance compared to the distance between the light source unit and the first reflector.
  • the correspondingly (at least essentially) collimated beam of rays thereby covers a defined volume area of the room.
  • the cross section of the beam of rays regularly corresponds to the reflector geometry. Due to the collimation, the irradiance can be constant in every point of the air column swept by the UV radiation, i.e.
  • the light source unit is located at least near a focus (focal point if the reflector is parabolic) or a focus area of the reflector.
  • the first reflector can be referred to as a spatial reflector due to its function.
  • a second reflector can also be provided, which is set up to be arranged in the room at a second distance from the first reflector and at a position opposite the first reflector and from the first Reflector to receive reflected radiation and to reflect it in a second direction such that a sensor unit can receive the radiation reflected by the second reflector directly or indirectly.
  • the second distance together with the cross section of the (at least essentially) collimated beam of rays, determines the volume whose air content is primarily disinfected by the UV radiation.
  • the second reflector can perform different functions according to different aspects. What these functions have in common is that the second reflector spatially reflects the received radiation in such a way that a sensor unit can ultimately detect it.
  • Back reflector here means that the (second) direction of the reflected beam of rays forms a relatively acute angle with the first direction of the beam of rays that previously hit it.
  • the sensor unit can thereby be set up spatially close to the light source unit, so that the control and power supply of the two units can be designed in a simplified and efficient manner, which reduces costs.
  • these two units can also be accommodated mechanically, for example in a common housing or on common carrier devices, which further simplifies the installation of the optical device as a whole. If the power losses due to the reflection itself are small, a further column-like air volume opens up in the returning UV ray bundle of approximately the same dimension, in which additional disinfection can take place.
  • first reflectors are set up in a cascade manner in order to cover even further column-like volume areas one after the other with UV radiation.
  • first reflector it is also possible for one and the same first reflector to be divided (or for several first reflectors to be provided next to one another) in order to reflect the radiation in the manner described in different directions in order to produce correspondingly different and spatially separated second ones to irradiate arranged second reflectors, which offers a certain advantage especially in the case of angled rooms.
  • the beam of rays returning from the second reflector can also be directed towards a wall area to be irradiated, for example a surface of the ceiling. There it also contributes to disinfection and is diffusely reflected depending on the surface properties. At least some of this reflected radiation can be detected by a sensor unit.
  • the optical device includes the sensor unit, which is set up to directly or indirectly detect the radiation reflected by the second reflector.
  • the indirect detection can take place, for example, via the aforementioned diffusely reflected radiation from a wall surface.
  • several special exemplary embodiments also provide for the use of a dedicated sensor reflector, which receives the beam of rays reflected back from the second reflector and focuses it on the sensor unit, which significantly increases the light yield for detection and allows a direct comparison of the light beam emitted by the light source unit with that of Radiation power detected by the sensor unit is permitted.
  • the radiation power of the radiation emitted by the light source unit can also be known in advance or can be estimated indirectly via the operating state (current, voltage, temperature, service life), so it does not necessarily need to be measured with a sensor
  • aspects of the present invention also take into account direct detection by the sensor unit. This becomes possible if the second reflector simultaneously functions as a sensor reflector and directs the reflected radiation directly onto the sensor unit.
  • a focusing property of the second reflector can be useful here.
  • the optical device can only comprise two reflectors (ignoring possible reflectors instead of lens elements as primary optics immediately in front of the light source).
  • the optical device can further comprise a control unit connected to the sensor unit and the light source unit, which is set up to output a signal depending on the radiation detected in each case. This signal can reflect the state of the optical device (e.g.
  • the radiation detected by the sensor unit can be transmitted to the control unit as a digital or analog level value, or in the case of several sensors (see description below), for example in an array with pixels, etc., as a large number of level or even color values.
  • Particularly mounted exemplary embodiments can provide that the sensor unit also detects spectral distributions of the radiation.
  • the control unit can evaluate the time course of the recorded and transmitted values and thereby detect sudden changes, in particular those that arise from the intervention or entry of people into the beam path and thus into the area of damaging radiation, i.e. people can be detected Leave the Safe Zone in an unauthorized manner.
  • exemplary embodiments of the invention also relate to a vertical division of the room into cells (ie, cells arranged horizontally next to one another), with the radiation in each cell being collimated and directed from a first reflector arranged in the upper area to a second reflector set up in the bottom area, which reflects them back upwards.
  • a person entering the cell can physically easily get into the beam area between the first and second reflectors, which is immediately detected by the sensor unit or the control unit connected to it.
  • the control unit can output a signal that can be used to switch off the UV radiation in the light source unit, so that the person is protected from radiation . This significantly improves the safety of the device and the radiation protection. Furthermore, in the example of vertically or horizontally dividing the room into cells, a control can be carried out in which only those cells in which people are present are excluded from UV disinfection. This creates an advantage in that far more space is available for UV disinfection, thereby significantly increasing the efficiency of the disinfection concept.
  • the optical device comprises the aforementioned sensor reflector, which receives the radiation reflected by the second reflector and is set up to focus the received radiation onto the sensor unit, the sensor reflector
  • (a) is an optical element different from the first and second reflectors, or
  • the optical device is conceivable without restricting generality.
  • the second reflector or its surface normal is slightly inclined or tilted relative to the first direction of the beam of rays incident on it from the first reflector, preferably by 10° or less, so that the returning beam of rays can impinge on the sensor reflector in different position, which is the Radiation focused on the sensor unit.
  • the first reflector (the spatial reflector) is also the receiver of the returning radiation.
  • the optical device comprises a beam absorber which at least predominantly absorbs the radiation that is not detected and utilized by the sensor unit. This means that the requirements for radiation protection can be taken into account.
  • the first distance provided between the light source unit and the first reflector is 1 m or less, preferably even only 0.5 m or less.
  • the second distance provided between the first reflector and the second reflector can be not less than 4 m and not more than 40 m. This second distance can therefore correspond to common room geometries (including open-plan offices, event halls, sales rooms, passages, etc.).
  • the first reflector can be a
  • the reflector can be cut rectangular or square in order to obtain an easily determinable cross-sectional profile for the beam of rays.
  • the first reflector essentially has a collimating effect. However, focusing on a sensor unit located distantly opposite in space is fundamentally not ruled out.
  • the first reflector in the case of a rectangular or square blank, can have an edge length along its optical axis in plan view (and in the case of a rounded shape in plan view: a diameter) of 100 mm or more, preferably 200 mm or more. This means that a sufficiently large volume of space (air column) is available for continuous disinfection using UV radiation.
  • the second reflector ideally has similar edge lengths or diameters.
  • the second reflector can preferably be a substantially flat mirror, but according to particular exemplary embodiments it can also be a paraboloid mirror with a focal length that corresponds to a third distance between the second reflector and the sensor unit (case (c) above).
  • case (b) is preferred, in which only a combined spatial and sensor reflector and a flat back reflector are provided, so that the number of parts is reduced, the costs are reduced and the structure is simplified.
  • the sensor unit may include a single or multiple photodiodes, and/or a single or multiple thermal sensors, a four-quadrant detector made of photodiodes or thermal sensors, or an imaging detector.
  • the latter two options allow spatial localization of a disturbance in the beam path.
  • the control unit can even detect a movement of the interfering body in the spatial volume swept over. On the one hand, it can be determined whether it is a human body, and on the other hand, in particular in the concept of the multitude of cells in the divided space (with cell grid) described above, it can be determined which cell is next is affected so that it can be switched to inactive at an early stage.
  • the power can also advantageously be regulated to a value that is below the threshold value of 0.2 pW/cm 2 so that the radiation that is then still emitted is harmless.
  • the control unit then relates the detected radiation to the reduced value of the emitted radiation.
  • sources can be arranged next to the UV source, or preferably around it, which emit radiation that is harmless to the human body (e.g. visible light, near IR, etc.).
  • the sensor unit can then continue to operate while the person is in the cell.
  • the radiation from the UV source can only be reduced below a threshold value (e.g. by reducing the current). In this case, the movements can be continuously monitored.
  • the described developments of the optical device with a beam absorber can provide that it comprises a surface with a material property that absorbs UV-C radiation and/or a surface with a structured surface through which UV-C radiation is reflected by multiple reflection into structures (trenchments or recesses ) is weakened or absorbed.
  • the beam absorber can comprise a device with a slatted curtain and a deflection reflector, with radiation with a predetermined direction being admitted into the interior of the device through the slatted curtain and with the deflection reflector the admitted radiation is directed inside onto the UV-C radiation-absorbing surface.
  • the slats prevent the radiation that has not yet been absorbed from re-emitting.
  • suitable light sources are one or several individual light sources, in particular UV LEDs, and here particularly preferably UV-C LEDs.
  • individual light sources or LEDs can be grouped into dense arrays.
  • Aspect ratios ie, length to width of the light source are preferably in a range from 0.5 to 2, preferably in a range from 0.8 to
  • a single UV-C LED can, for example, have dimensions of 1 x 1 mm 2 .
  • Arrays of UV LEDs, especially UV-C LEDs, are correspondingly larger.
  • the ratio of the edge length of the first reflector to the dimension of the light source is preferably below 1:50, particularly preferably below 1:100
  • the light source unit has a first optical element or a plurality of first optical elements as primary optics, which is or are assigned to the one or more UV LEDs. This(s) absorb the radiation from the emission surface of the LED.
  • the light-emitting surface is formed by the one or more first optical elements.
  • Such elements can be, for example, tapers or lenses that are placed directly in front of the emission surface of the LED.
  • the light source unit can also have a second optical element, which can be designed as a free-form reflector, or as a TIR lens or a free-form lens.
  • This second optical element has the task of imaging the radiation emitted from the light-emitting surface (primary optics or UV LED itself) onto the surface of the first reflector with the most homogeneous possible distribution of irradiance.
  • the free form of the second optical element is therefore designed such that a distribution of the irradiance of the radiation thrown by the corresponding free form reflector or the free form lens/TIR lens onto the first reflector (the spatial reflector) is essentially homogeneous.
  • the inventors used the information from the publication by Ries, H & Muschaweck, J.: "Tailored freeform optical surfaces" in
  • J. Opt. Soc. At the. A/ Vol. 19, No. 3/ March 2002 applied the concept to the current problem. It describes how optical free-form surfaces are embedded in three-dimensional space and do not have to have symmetry, can be designed in such a way that they redistribute the radiation from a given very small light source onto a given reference surface in order to achieve a predetermined irradiance distribution on this surface.
  • the shape of the freeform optical surface is found by solving a series of partial nonlinear differential equations. In most cases there are only a few topologically different solutions given appropriate boundary conditions.
  • the free form is practically unambiguously determined by the irradiance, or in exceptional cases it is available from more than one topological solution, at least from a selection of countable, very few solutions.
  • the free form can be determined with computer assistance and then manufactured.
  • a well-known software tool for these purposes is provided, for example, by “LightTools” from Synopsis.
  • This second optical element consequently ensures a very homogeneous distribution of the irradiance in every cross section within the air column between the first reflector and the second reflector, which significantly improves the system efficiency.
  • the reflectors increase the distance and thus the disinfection efficiency of the radiation through the room. Thanks to the homogeneous design of the irradiation and the controllable alignment of the reflectors, so-called blind spots, i.e. insufficiently irradiated volume areas or surfaces with the possible consequence of the formation of microorganisms, as well as dangerous hot spots, i.e. locally limited overdoses of UV-C, can be created -Radiation, which could cause excessive harm to people working there, should be avoided.
  • the safety of the entire system is increased by the absorption of radiation on surfaces with defined optical properties, at least in some embodiments.
  • the (uncontrollable) optical properties of the ceiling and wall surfaces play a major role in the safety of the device in question.
  • the high efficiency of the GUV device presented here for upper air layers also results in low power consumption. Furthermore, maximization of the reactor volume is achieved with minimal local irradiation.
  • the reflectors also create a clearly defined radiation field.
  • the special designs of the sensor unit with several photodiodes or arrays allow reliable detection of objects in the beam path ("volume" light barrier), which can also contribute to safety in lower room installations. Alternatively, installation in encapsulated systems is also possible (AHU - air handling units, ventilation systems), which must be opened regularly for service work, for example.
  • the use of UV-C LEDs further enables the use of more UV-C power compared to traditional open UVC devices, and they are instant-on, have lower thermal drift, are supplied with lower voltage, and can be installed in harsh environmental conditions (low temperatures and high humidity).
  • FIG. 1 shows in a diagram the effect of an optical device for disinfecting upper air layers in a room according to the prior art
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an optical device according to a comparative example, which irradiates a surface of a ceiling above a safe zone;
  • FIG. 3 shows a schematic representation of an optical device according to a first exemplary embodiment
  • FIG. 4 shows a schematic representation of an optical device according to a second exemplary embodiment
  • FIG. 5 shows a schematic representation of an optical device according to a third exemplary embodiment
  • FIG. 6 shows a schematic representation of an optical device according to a fourth exemplary embodiment
  • Fig. 7 is a schematic representation of a side view (on the YZ plane) of a first optical device arranged in front of the light source and designed as a taper Element that provides a light-emitting surface opposite, according to one embodiment;
  • FIG. 8 is a schematic representation of a side view (e.g. on the YZ or XZ plane) of a first optical element arranged in front of the light source and designed as a CPC, which is designed for an individual light source, according to an alternative embodiment to FIG. 7;
  • FIG. 9 shows a schematic representation of the beam path in the first optical element from FIG. 8.
  • FIGS. 7 to 9 shows a schematic representation of a side view (e.g. the YZ plane) of a first optical element arranged in front of the light source and designed as a lens, which is designed for a single light source, according to an alternative embodiment to FIGS. 7 to 9;
  • FIG. 11 is a schematic representation of a side view of (e.g. the YZ plane) an optical element arranged in front of the light source and designed to be transparent on the inside and a light-absorbing ring on the outside, which is designed for one individual light source, according to one of FIGS 10 alternative embodiment;
  • FIG. 12 is a schematic representation of a top view of the first optical element from FIG. 11 (XY plane);
  • FIG. 13 shows a schematic representation of a side cross-sectional view (YZ plane) of a second optical element designed as a free-form lens, according to an exemplary embodiment
  • FIG. 14 shows a schematic representation of a side cross-sectional view (YZ plane) of a second optical element designed as a TIR lens, according to an alternative embodiment to FIG. 13;
  • 15 shows a schematic representation of a side cross-sectional view (YZ plane) of a second optical element designed as a spherical or aspherical lens, according to an alternative embodiment to FIGS. 13 and 14;
  • FIGS. 13 to 15 is a schematic representation of a side view of (e.g. the YZ plane) a second optical element designed as a taper, according to an alternative exemplary embodiment to FIGS. 13 to 15;
  • FIG. 17 shows a perspective sketch of a special example of a free-form lens used in an exemplary embodiment with the radiation shown schematically in a sectional plane;
  • FIG. 18 shows a schematic cross-sectional view (left) and a perspective sketch (right) of a special example of a free-form reflector used in an exemplary embodiment as a second optical element, each with the radiation shown schematically in a sectional plane;
  • FIG. 19 in a schematic cross-sectional view (left) and in a perspective sketch (right) a special example of a free-form reflector different from that of FIG. 18 and used in an exemplary embodiment as a second optical element, each with the radiation shown schematically in a sectional plane;
  • FIGS. 18 and 19 in a schematic cross-sectional view (left) and in a perspective sketch (right) a special example of a free-form reflector different from FIGS. 18 and 19 and used in an exemplary embodiment as a second optical element, each with the radiation shown schematically in a sectional plane;
  • 21 shows a schematic cross-sectional view of a special example of a first reflector designed as a paraboloid mirror, according to one
  • Embodiment of the present invention shows a schematic cross-sectional view of a specific example of a first reflector designed as a Fresnel paraboloid reflector, according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 23 shows a perspective view of an overview of an exemplary embodiment of the optical device, with enlarged sections of individual components
  • Fig. 24 like Fig. 23, but with objects that have penetrated the beam path;
  • 25 shows a first example of a beam absorber in the optical device according to an embodiment
  • 26 shows a second example of a beam absorber in the optical device according to an embodiment
  • Fig. 27 shows an installation diagram of optical devices consisting of several individual cells in a room.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an optical device 10 according to a comparative example, which irradiates an area 915 (with a predetermined length and width) of a ceiling 910 above a safe zone, which is represented by the dash-dotted line 920 (or the line 920 Viewed spatially, it represents the upper one limit).
  • the height of line 920 should at least exceed its length.
  • the optical device 100 emits its radiation 300 laterally in a selected angular range in a substantially horizontal direction with a vertically upward component.
  • the irradiance is sometimes more than 10pW/cm 2 or 100 mW/m 2 , which is to be regarded as a minimum condition for sufficient germ killing in the air layers therein.
  • the optical device 10 is configured in its structure and spatial arrangement such that the surface 915 lying obliquely above it is irradiated with a homogeneous distribution of irradiance there. 2 describes a concept presented in the national German patent application DE 10 2021 212 448.8 (not yet published), which is based, for example, on homogeneous irradiation of the ceiling 910 and parallel planes in space below it.
  • the ceiling 910 or the surface 915 to be irradiated can be ideally viewed as a Lambertian radiator with a reflectivity R of 0.3.
  • the area to be irradiated can be specified with a length and width of 5 m each.
  • a permissible upper limit of approximately 0.167 W can be determined for the power of the emitted radiation. This means that even low radiation levels can be used and are sufficient for effective disinfection.
  • the low, purely exemplary estimated upper limits for the radiation output are compatible with the use of UV LEDs, and in particular available UV-C LEDs.
  • FIG. 3 shows an optical device 10 according to a first exemplary embodiment in a very schematic representation.
  • the optical device 10 comprises a light source unit 1, a first reflector 2, a second reflector 3, a sensor reflector 4, a sensor unit 5 and a beam absorber 6.
  • a control unit 8 and optionally a display unit 9 are provided, which additionally receive an audio or video signal to people in the room, etc.
  • the light source unit 1 emits radiation in the above-mentioned UV-C wavelength range, the distribution of the irradiance over the angular range viewed from the light source unit already being adjusted so that when it hits the first reflector 2 and is reflected again by it, as a goal, the irradiance resulting in the reflected beam of rays is distributed essentially throughout as homogeneously as possible, i.e. within a cross section of the beam of rays as well as viewed in its longitudinal direction.
  • the distribution of the irradiance can certainly be distributed inhomogeneously in order to achieve the goal.
  • the distribution of the irradiance that achieves the goal depending on the angular position viewed from the light source unit can be achieved in particular by a free-form lens or a free-form reflector, which are considered here as part of the light source unit and with reference to FIGS. 13 and 17 - 20 below be explained in more detail.
  • the light source unit is located in or very close to the focus or focal point of the first reflector 2, which is designed as a paraboloid mirror. Furthermore, the light source unit emits its radiation, here UV-C radiation, for example with the aid of the free-form reflector or the free-form lens, not shown in FIG. 3, in a cone-shaped solid angle (see the rays 9100 and 9101 of the cone delimiting the cone in FIG. , which is completely delimited on its opposite side by the first reflector 2. This causes the emitted UV-C radiation in this exemplary embodiment completely, ie almost loss-free, received by the first reflector 2 and reflected with a collimating effect, ie the bundle of rays reflected in FIG.
  • UV-C radiation for example with the aid of the free-form reflector or the free-form lens, not shown in FIG. 3
  • This causes the emitted UV-C radiation in this exemplary embodiment completely, ie almost loss-free, received by the first reflector 2 and reflected with a collimating effect,
  • the (first) distance between the light source unit and the first reflector 2 is 1 m or less, preferably 0.5 m or less.
  • the first reflector 2 is cut in a rectangular shape and correspondingly has edge lengths between, for example, 200 and 1000 mm.
  • the collimated beam of rays hits that second reflector 3 after passing through a significantly larger second distance than the first distance between the first reflector 2 and a second reflector 3.
  • the second distance can e.g. range from 4 m to 40 m, preferably from 10 m to 20 m.
  • the volume (air column) formed by the cross section of the beam of rays and its length (equal to the second distance) forms a delimited, defined disinfection zone for the UV-C Radiation with essentially homogeneous irradiance within this volume, so that at least there are no hot spots and no blind spots.
  • the second reflector 3 is a flat flat mirror and, in this special exemplary embodiment, is inclined by up to 10° relative to the direction of the incident beam of rays. Consequently, the beam of rays is reflected in a different direction in space with a double angle of inclination, but retains its shape as a beam of collimated radiation with a homogeneous distribution of irradiance.
  • the beam of rays reflected by the second reflector 3 (back reflector) and delimited in FIG Centralize power supply to the electronic components of the device in a housing or on a common holder.
  • the sensor unit is located here not far from the focus of a sensor reflector 4 designed as a paraboloid mirror, so that all of the UV-C radiation passing through the room is captured.
  • This once again reflected and focused radiation (limited in FIG. 3 by beams 9130, 9131) is thus directed towards the sensor unit 5 and detected by it, which, however, only occupies a small cross section in the beam path.
  • the radiation that is not blocked by it continues to fall on the beam absorber 6 (rays 9140, 9141), which will be explained below as an example. There the radiation is finally almost completely absorbed, so that harm to people is avoided and safety is increased.
  • back reflectors or second reflectors 3 can be set up in these and the exemplary embodiments described below in order to further extend the path that the radiation takes and to cover a larger volume for disinfection before the radiation enters the Beam absorber falls.
  • the sensor unit 5 is connected to the control unit 8 and can report the level values of the detected radiation to it (digitally or as an analog current or voltage signal).
  • the control unit 8 compares the current level values with predetermined threshold values, which correspond to a tolerance of fluctuations.
  • the control unit 8 is also connected to the light source unit. If the threshold value is undershot, which corresponds to the assumption that an object, in particular a human body part, is in the beam path, the control unit outputs a signal 90 which is fed to the light source unit 1, which is consequently switched inactive.
  • the display unit 9 can optionally be used to indicate that the disinfection protection is now inactive. If the threshold value is exceeded again, this can also be detected, and the light source unit can be switched active again with a further signal 90.
  • the light source unit 1 is not in the focus of the first reflector 2 but is asymmetrically offset from it, by a first direction of the beam (edge rays 9110 and 9111) deviating from an axis of symmetry 2001 (optical axis) of the first reflector 2 to achieve, which points straight in the direction of the correspondingly differently positioned second reflector 3. This is not inclined, or at least significantly less inclined, relative to the axis of symmetry of the first reflector.
  • the sensor unit 5 is located in the immediate vicinity of the light source unit 1, with a focusing sensor reflector 4 being omitted in comparison to the first two exemplary embodiments. Functionally, this is replaced by, for example, the ceiling surface 910 of the room, from which the radiation reflected by the second reflector 3 (rays 9120, 9121) is diffusely reflected (rays 9190). Some of the rays reflected from the ceiling surface are then collected and detected by the sensor unit 5.
  • the ceiling surface 910 therefore functions as a sensor reflector.
  • Fig. 6 shows a particularly preferred fourth exemplary embodiment.
  • the light source unit 1 and the sensor unit 5 can be spatially positioned very close to one another.
  • a separate sensor reflector 4 is also saved here.
  • the sensor reflector 4 is identical to the first reflector 2. Similar to the second exemplary embodiment (see FIG. 4), here the light source unit 1 and the sensor unit 5 are arranged offset relative to the optical axis of the first reflector 2, so that focusing is possible (rays 9130, 9131) of the previously collimated beam (rays 9110, 9111) is not directed back to the light source unit 1 itself but to the nearby sensor unit 5.
  • This structure achieves a high degree of integration, reduces the number of parts and significantly saves costs.
  • 7 to 22 show details and examples of the components shown schematically in FIGS. 3 to 6.
  • Figures 7 to 12 show alternatives for a first optical element that can be used as primary optics in the light source unit 1.
  • the reference number 900 in the figures denotes a Cartesian coordinate system with directions X, Y, Z.
  • the Z direction denotes the main radiation direction Z of the light-emitting surface 100, i.e. its optical axis, which is perpendicular to its surface.
  • the light-emitting surface 100 defines a light source plane that is perpendicular to the main emission direction Z and is accordingly spanned by a first direction X and a second direction Y.
  • FIG. 7 shows a light source unit 1 that can be used according to an exemplary embodiment, with one (or more) light source(s) 150 and an associated first optical element 161, which is designed as a rod-shaped light guide (taper) that widens in cross section.
  • the light sources 150 used are, purely by way of example, UV-C LEDs with wavelengths of the light they emit in the range of 260 - 280 nm, dimensions of the LED chips in the range of 0.2 x 0.2 mm 2 to 1.0 x 1.0 mm 2 and powers in the range of 10 mW - 150 mW in question.
  • the light guide can be made of solid material, in particular of a UV-resistant glass (quartz glass, sol-gel glass or cavity-coated aluminum). Other materials, possibly also UV-resistant plastics, may be made.
  • the cross section in the XY plane is adapted to the geometry of the light source 150.
  • the surface of the first optical element 161 opposite the light source 150 can form the light-emitting surface. In principle, it is also conceivable that additional optical elements can be added (combination of several optical elements).
  • the dimensions of the light-emitting surface 100 should be chosen relative to the emitter surface of the individual light sources 154 so that the etendue is largely preserved. For LEDs this generally means that the Dimension x e of the emitter of the individual light source 154 and the dimension x s of the light-emitting surface 100 should each behave as follows when viewed in the X direction: x e ⁇ x s ⁇ sin ((a + ß)/2), and analogously in y- Direction: y e ⁇ y s ⁇ sin((y + ö)/2), where a, ß, y, ö are the maximum radiation angles relative to the optical axis in the X and Y directions, respectively.
  • the narrower the beam angle the larger the light-emitting surface 100 can be designed due to the widening taper (or the first optical element 161).
  • a second optical element of the light source unit 1 for example a free-form reflector 1111 - 1113 or a free-form or TIR lens 1101 - 1104, so that - as described - if possible All radiation is detected and is emitted to the first reflector 2 in a predetermined distribution of irradiance.
  • FIG. 8 to 9 show an alternative first optical element to FIG. 7 according to an exemplary embodiment in a light source unit 1. It is compatible with a single light source 150 or an arrangement with an array of individual light sources 150 (not shown). Each of the individual light sources 150 can be individually assigned its own optical element 162, which is designed as a CPC (compound parabolic concentrator, example of non-imaging optics). These second optical elements 162, which are also designed as light guides or as tunnels, each have a light entry surface facing the individual light source 150, which is opposite the light exit surface, as can best be seen in FIG. 9, which shows the path of the radiation 300 through the optical element 162 shows. The entirety of these light exit surfaces (in the case of several CPCs) forms the light-emitting surface 100.
  • CPC compound parabolic concentrator, example of non-imaging optics
  • the light-emitting surface 100 therefore does not necessarily have to be designed to be coherent.
  • the light exit surfaces preferably form a light source level.
  • the path of radiation 300 in Fig. 9 illustrates once again how the beam angle can be reduced compared to 90° (while maintaining the etendue) by increasing the light exit surface compared to the light entrance surface (through a taper).
  • FIG. 10 A further exemplary embodiment of a light source unit 1 is shown in FIG.
  • an optical element 163 is provided which is opposite the light source 150 or each individual light source 154 and is designed as a lens.
  • Lenses can be used in particular as individual primary optics for an array of emitters (individual light sources 150, UV LEDs, UV-C LEDs). Using the lenses, a reduced beam angle can also be achieved, as can be seen from the path of the radiation in FIG. 10.
  • the individual light exit surface is curved. However, the surface composed of the large number of individual lenses ultimately forms a plane due to its arrangement, which is referred to herein as the light source plane. If there is only a single lens as the optical element 163, the light source plane is defined by a plane perpendicular to the corresponding optical axis, which rests on the light exit surface of the lens.
  • optical elements 161, 162 and 163 can also serve as optical elements (not shown).
  • a light source unit 1 is shown with an optical element 164, which is designed as a light-absorbing ring, which is formed, for example, from a metal such as aluminum or steel with an inner hole.
  • the edge can also have a reflective coating towards the inside, whereby the inner edge surface can optionally be conical in order to reduce the radiation angle.
  • the purpose of the absorbing ring is to adapt the angles of the emerging radiation 300 to the requirements of the receiving second optical element relative to the light source plane. It can also be an absorbent rectangular tube.
  • the optical elements 161, 162, 163 and/or 164 can also be combined, e.g. B. rods or lenses and absorbent rings.
  • FIG. 13 to 17 show examples of second optical elements that can be used in the light source unit 1 in the form of lenses 1101, 1102, 1103 (diffractive optics) or tapers 1104, which are each opposite the light source or sources 150 or the primary optics.
  • the reference number 1300 denotes the combined element of (individual) light source 150 and first optical element 161 - 164.
  • 9200 denotes the rays propagating from the light source 150 into and through the optics.
  • Fig. 13 shows schematically a free-form lens 1101
  • Fig. 14 shows a TIR lens 1102 (total internal reflection)
  • Fig. 15 a spherical or aspherical lens 1103 and Fig.
  • the second optical elements 1101 - 1104 serve to limit the far field angles of the light source 150.
  • the far field angle is to be understood as meaning the angle that contains a dominant portion of the radiation energy at a distance that is much larger than the exit surface of the respective optical element - ideally at infinity, e.g. B. more than 90%.
  • the radiation pattern output to the first reflector 2 can be designed in such a way that the radiation reflected and collimated by the first reflector (rays 9110, 9111 ) achieved the desired homogeneity in this regard.
  • FIG. 17 shows only the rays propagating through a sectional plane (as in Fig. 13) in a schematic manner.
  • the example of FIG. 17 that can be used as part of an exemplary embodiment of the optical device is from the publication Ries, H & Muschaweck, J. cited above: "Tailored freeform optical surfaces" in J. Opt. Soc. Am. A/ Vol. 19, No. 3/ March 2002.
  • the special free-form lens 1101 has a base area (in plan view in the Z direction) of approximately 2.6 x 2.6 mm 2 and can record the radiation of a cone of 80° (relative to the optical axis, starting from the light-emitting surface of the LED chip (0.5 x 0.5 mm 2 )).
  • the distance of the free-form lens 1101 from the light-emitting surface is 0.1 mm and the thickness of the free-form lens 1101 in the middle, ie, along the optical axis, is 0.9 mm.
  • the free-form reflector 1111 (see Fig. 18) has a base area (in projection/top view) of 17 x 17 mm 2 and a distance of 3 mm to the light source plane.
  • the LED chip As a reflector, it can also collect significantly more radiation than the example of a free-form lens mentioned above: the cone angle here is 89.9°.
  • the LED chip has an area of 1.0 x 1.0 mm 2 and an output of 1 W.
  • the free-form reflector 1111 is symmetrical to the Z direction or optical axis of the LED chip.
  • the free-form reflector 1112 is designed asymmetrically and deflects the radiation from the light source 150 by approximately 90 ° to the first reflector 2.
  • the free-form reflector 1112 has a base area projected in the XY plane of approximately 5 x 10 mm 2 and its distance from the light source plane is 3 mm in the Z direction.
  • the cone angle determining the collected radiation is only 45° here, so that pre-collimation of the radiation emitted by the LED chip by first optical elements 161 - 164 as shown in FIGS. 7 to 12 is desirable.
  • the free-form reflector 1112 is designed asymmetrically and deflects the radiation from the light source 150 by approximately 90 ° to the first reflector 2.
  • the free-form reflector 1112 has a base area projected in
  • a free-form reflector 1113 is shown, which is similar in structure and shape to the free-form reflector 1111 from FIG. 18, but can only collect radiation from a significantly smaller cone angle of approximately 45 °. Therefore, first optical elements 161 - 164 as shown in FIGS. 7 to 12 are also desirable here for preliminary collimation of the radiation emitted by the LED chip.
  • the emission area of the UV-C LED chip here is, purely as an example, 0.5 x 0.5 mm 2 at 1 W power.
  • the dimensions of the emission surface of the LED chip are preferably smaller than 1:50, in particular smaller than 1:100, in relation to the dimensions of the first reflector.
  • preferred dimensions of the first (room) reflector are 100 x 100 mm 2 or more.
  • the aspect ratio of the emission surface of the one or more LED chips should be close to 1, preferably between 0.5 and 2, particularly preferably between 0.8 and 1.2.
  • the first reflector is preferably rectangular in the projection along its optical axis.
  • the distance between the light source plane and the free-form lens is 0.5 mm or less, preferably 0.25 mm or less.
  • the diameter of the free-form lens should be 25 mm or less, preferably 12.5 mm or less.
  • the distance of the light source plane to the first reflector should be less than the edge length of the first reflector, preferably half or less, more preferably a third or less, of the longer edge length of a rectangular first reflector, or in the case of a reflector with a round or elliptical base accordingly less than twice the semimajor axis.
  • the distance between the light source plane and the free-form reflector of the light source unit is 5 mm or less, preferably 2.5 mm or less.
  • the diameter of the free-form reflector is 75 mm or less, preferably 40 mm or less.
  • the distance of the light source plane to the first reflector should be more than half of the larger edge length of the first reflector, and less than 1.5 times the larger edge length of the first reflector, or correspondingly less than in the case of a first reflector with a round or elliptical base twice the semimajor axis.
  • Figures 21 and 22 show exemplary embodiments using a paraboloid mirror as the first reflector 2 (FIG. 20) or a Fresnel-structured parabolic spatial reflector as the first reflector 2.
  • the reference number 9400 indicates the radiation emitted by the light source unit 1, the reference number 9500 that collimated, essentially parallel beams of rays, which are reflected by the first reflector 2.
  • reference numeral 2001 indicates an enlargement of the mirror surface with the Fresnel structures, with incident rays 9401 and reflected parallel rays 9501 composing the collimated beam 9500.
  • the second reflector 3 (rear reflector) is preferably a flat mirror with low distortion.
  • An exception is the embodiment shown in FIG. 5.
  • the diffuse scattered light 9190 should be limited in open installations, for example. B. to protect the people in the room in the case of an upper air installation.
  • the limitation can be achieved either by reducing the radiation from the light source unit, for example by limiting the power supplied to the light source unit, or by means of a back reflector with low reflectivity in order to limit the scattered light that occurs and is difficult to control.
  • FIGS. 23 and 24 A further exemplary embodiment of the optical device is shown in FIGS. 23 and 24.
  • the Fig. 23 shows on the left (Fig. 23 (a)) an overview of the optical device with the light source unit 1, the first reflector 2, which receives the radiation emitted by the light source unit 1 and reflects it as a collimated beam of rays 9500, the second reflector 3, the bundle of rays 9500 receives and reflects back as a reflected beam 9600, and the sensor reflector 4, which is identical to the first reflector 2.
  • the exemplary embodiment corresponds to the schematic representation of an optical device 10 in Fig. 6.
  • In the middle (Fig. 23 (b)) is an enlarged section with the light source unit 1 and the first reflector 2 can be seen.
  • the first reflector 2 or the sensor reflector 4 is a Fresnel-structured spatial and sensor reflector.
  • a sensor level of the sensor unit 5 is designated by reference number 5000.
  • the reference number 9400 denotes the divergently emitted beam of rays emanating from the light source unit 1.
  • the reference number 9700 denotes the beam of rays between the sensor reflector 4 and the sensor plane of the sensor unit 5.
  • the light source unit 1 is located closer to the first reflector 2 and the sensor unit 5 with the sensor plane 5000 is located behind it along the optical axis.
  • the arrangement of the light source unit and sensor unit is shown again enlarged (see Fig. 23(c)).
  • On the surface of the sensor level 5000 a rough pattern of the radiation focused by the sensor reflector 4 into this level can be seen.
  • Fig. 24 shows the identical structure as in Fig. 23, but purely schematically a cylindrical object 8001 and a spherical object 8002 are inserted into the beam path between the 1st. Reflector 2 and the 2nd reflector 3 are introduced. If the sensor unit 5 has a higher resolution in the sensor level 5000, for example through a quadrant sensor or a larger number of photodiodes, a change in the detected radiation shown illustratively in FIG. 24 c) can be recorded, which is recorded by the control unit (not shown here ) can be evaluated. In any case, the shutdown can result in a reduction in the power of the radiation detected in the sensor unit 5. At higher resolutions, the approximate size of the objects can be calculated when evaluating the pattern.
  • a position in the X and Y directions In the case of the asymmetrical arrangement of the light source unit 1 and sensor unit 5 in the optical device 10 with a corresponding inclination of the second reflector 3, even two shadows can be determined for a given object (one in the incoming beam 9500, one in the returning beam of rays 9600), from the distance of which the distance of the object to the sensor unit 5 can be deduced.
  • the beam absorber 6 comprises a "W'-shaped folded structure 6100, e.g. made of sheet metal.
  • the "W'-shaped structure is made of a material with a low reflectance for the harmful UV-C radiation, e.g. B. it could be anodized accordingly.
  • the structure should not be able to scatter radiation at large angles.
  • the incident radiation 9000 is reflected several times in the depressions of the "W and loses considerable power until it is completely absorbed.
  • Fig. 26 the bare material or the structure of Fig. 6 is integrated into a housing of the beam absorber 6.
  • the incident radiation 9000 passes through suitably oriented slats 6300, is then deflected at a mirror surface 6200 and then falls onto the structure 6100 so that it is absorbed there.
  • the beam absorber 6 can be mounted behind the sensor unit 4 in FIG. 23, etc., in order to absorb radiation 9000 passing past it.
  • FIG. 27 shows a room with several cells 1000, 1001, 1002, 1003, 1004, in each of which an optical device is set up.
  • the light source unit 1, the sensor unit 5 and the beam absorber 6 are each installed close to one another in the upper room area.
  • First reflectors are located in the upper corners of the cells and reflect the radiation received from the light source unit vertically downward onto the floor of the room or the respective cells 1000, 1001, 1002, 1003, 1004 (beam of rays 9199).
  • the second reflector 3 is positioned there, which reflects the beam of rays back in the same way (see FIG. 6 or 23), so that the radiation can be detected by the sensor unit 5. If a person 7001 enters a cell (here the cell 1002), this is detected by a control unit, as described with reference to FIG.
  • the control unit of the optical device of this neighboring cell can send a signal via the communication path 1900, so that under the assumption that the Person 7001 has left cell 1002, the optical device 10 of this cell can be operated again with full disinfection performance.
  • the optical device can comprise a second light source unit (not shown) that emits radiation in the visual or infrared wavelength range, with the sensor unit 5 being set up to additionally detect the radiation of the second light source unit.
  • the second light source unit can then be switched active. This makes it possible to continue tracking the person's movement through the room or the cells.
  • optical device may have other features that are not described in detail, such as drive electronics, cooling, mechanical components for blocking unwanted radiation, e.g. B. scattered light, electronic and / or mechanical devices for aligning the
  • System components (light source unit, first reflector, second reflector, sensor reflector, sensor unit, beam absorber), a fan for forced convection in the room and/or for cooling the LED source(s), further sensors in the room with associated shading devices that can be activated To ensure the safety of those present in the room, heating to prevent condensation on parts damaged by moisture, indicator lights, e.g. B. in the visible area, the active zone of the installation is visualized and can serve as an adjustment aid.
  • fluorescent material can be used to make the radiation emerging from the radiation path, which is highly defined here, visible, and further sensors can be installed to measure the radiation emerging from the defined beam path. The signal of such
  • Sensors can be used to turn off the device.
  • the signal can also be used to indicate that maintenance of the device or external reflectors (cleaning) is required.
  • Small heat sinks can be used to cool the LEDs.
  • For forced convection can Fans can be used. The airflow from forced convection can be used to transport the treated air from the active zone to the safe zone. In most cases, such an air exchange is the only way to effectively treat the entire volume of air in the room.
  • Light source unit first reflector second reflector third reflector
  • Signal light-emitting surface of the light source unit 1 (light exit surface of the optical element, if present)
  • UV-LED Single light source
  • UV-C-LED first optical element
  • CPC first optical element
  • first optical element light guide, rod, taper
  • first optical element CPC
  • first optical element lens
  • first optical element light absorbing
  • TIR lens 1102 diffractive optics: TIR lens
  • diffractive optics spherical or aspherical lens
  • diffractive optics light guide (rod, taper)

Landscapes

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Abstract

Eine optische Vorrichtung (10) für die Desinfektion oberer Luftschichten in einem Raum umfasst: - eine Lichtquelleneinheit (120), umfassend eine Lichtquelle (150) und eine lichtemittierende Fläche (100), die eingerichtet ist, Strahlung (300) in einem UV- Wellenlängenbereich abzugeben, - einen ersten Reflektor, der eingerichtet ist, in einem ersten Abstand von der Lichtquelleneinheit angeordnet zu werden und die von der Lichtquelleneinheit (120) abgegebene Strahlung (300) zu empfangen und mit kollimierender Wirkung und geringem Fernfeldwinkel in eine erste Richtung in den Raum zu reflektieren; - einen zweiten Reflektor, der eingerichtet ist, in dem Raum in einem zweiten Abstand von dem ersten Reflektor und an einer dem ersten Reflektor gegenüberliegenden Position angeordnet zu werden und die von dem ersten Reflektor reflektierte Strahlung (300) zu empfangen und in eine zweite Richtung derart zu reflektieren, dass eine Sensoreinheit, die von dem zweiten Reflektor reflektierte Strahlung direkt oder mittelbar empfangen kann; - die Sensoreinheit, die eingerichtet ist, die vom zweiten Reflektor reflektierte Strahlung zu erfassen; und eine mit der Sensoreinheit und der Lichtquelleneinheit verbundene Steuereinheit, die eingerichtet ist, abhängig von der jeweils erfassten Strahlung ein Signal auszugeben, das den Zustand der optischen Vorrichtung oder eine Beeinträchtigung des Schutzes von Personen vor der abgegebenen und/oder reflektierten Strahlung wiedergibt.

Description

OPTISCHE VORRICHTUNG FÜR DIE DESINFEKTION OBERER LUFTSCHICHTEN IN EINEM RAUM
BESCHREIBUNG
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung Nr. 10 2022 123220.4 vom 12. September 2022, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird.
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung für die Desinfektion oberer Luftschichten in einem Raum, welcher beispielsweise von Personen genutzt wird, insbesondere auch um einer Ansteckung mit Krankheitserregern vorzubeugen.
Stand der Technik
Optische Vorrichtungen zur Desinfektion von Luft insbesondere in geschlossenen Räumen nehmen stark an Bedeutung zu, besonders auch im Zuge der durch das Coronavirus SARS-CoV-2 ausgelösten Pandemie. Solche Vorrichtungen verwenden im Regelfall ultraviolette Strahlung, insbesondere UV-C-Strahlung, um Keime bzw. Krankheitserreger wie etwa Bakterien, Bakteriensporen, Viren oder Viroide, Pilze, Pilzsporen oder Algen etc. aus der Raumluft zu inaktivieren bzw. abzutöten.
Im Fall von zu diesem Zweck häufig eingesetzten UV-C-Wandgeräten oder auch mobilen UV-C-Geräten kann dabei den entsprechenden Räumen Luft entnommen, diese bei der Aufbereitung der UV-C-Strahlung ausgesetzt und schließlich wieder dem entsprechenden Raum zugeführt werden. Ein der UV-C-Strahlung entsprechender Wellenlängenbereich reicht von 100 nm bis 280 nm. Andere Wellenlängenbereiche wie die der UV-A- oder UV-B-Strahlung sind nicht ausgeschlossen. Beispielsweise wurden bisher oftmals Niederdruck-Quecksilberdampflampen eingesetzt, die Strahlung bzw. Licht einer Wellenlänge von 254 nm emittieren, welches zum Beispiel zur Virusinaktivierung ausgenutzt wird, da in diesem Fall die Virusnukleinsäure angegriffen wird. Nach einer Vielzahl von Zyklen kann durch diese Behandlung die
Keim last in den betreffenden Räumen um mehr als 99 % reduziert werden.
Konventionell wurden in Vorrichtungen zur UV-C-Keimabtötung auch Quecksilber- Mitteldrucklampen oder gepulste Xenon-Bogenlampen verwendet. Die derzeitigen Geräte verwenden meist UVC-Niederdrucklampen. In jüngerer Zeit werden auch Anstrengungen unternommen, UV-C-LEDs einzusetzen.
Beim Einsatz solcher Geräte sind allerdings grundsätzliche auch immer Fragen des Strahlenschutzes zu beachten, da sich die freigesetzte UV-C-Strahlung bei Exposition sehr schädigend auch auf Augen und Haut etc. von Personen auswirken kann. Bei den genannten Wandgeräten sind daher im Allgemeinen spezielle Maßnahmen erforderlich, die sicherstellen, dass die UV-C-Strahlung nicht aus dem jeweiligen Innenraum der Geräte nach außen gelangt, wie etwa gewinkelte Ein- und Auslassöffnungen oder auch Lamellen.
Ein anderer, derzeit in den Fokus rückender Typ von Vorrichtungen zur Keimtötung mittels UV-C-Strahlung stellt das sog. Upper Air bzw. Upper Room GUV Device (GUV: germicidal UV- keimabtötendes UV) dar. Solche Vorrichtungen werden für Räume mit einer Deckenhöhe von mindestens 10 Fuß (entspricht etwa 3,048 m) empfohlen. Die in einer Höhe von z.B. ca. 2,1 m (entsprechend 7 Fuß) montierten Vorrichtungen zur UV-C-Desinfektion sind solchermaßen verbaut, dass sie lediglich die Luft oberhalb der eigenen Höhe desinfizieren. Sie geben dabei die UV-C-Strahlung nach außen direkt in den Raum oberhalb der sich möglicherweise darin befindlichen Personen ab. Die Gesamtdesinfektion der Raumluft erfolgt durch natürliche Luftzirkulation.
Ein Überblick über die Desinfektion anhand solcher Vorrichtungen ist in Fig. 1 gezeigt, die mit geringfügiger Überarbeitung dem ASHRAE Handbook - HVAC Applications (ASHRAE: American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers, 2019, Handbook — HVAC Applications, Chapter 62.6. USA, Atlanta, GA.), entnommen ist. Das Diagramm zeigt entlang der Abszisse die Raumtiefe dhoriz (gemessen von der auf den Boden projizierten Position der Vorrichtung, in Einheiten von 0,3048 m bzw. Fuß) und entlang der Ordinate die Raumhöhe dhoriz, gemessen vom Boden des Raums aus, in Einheiten von 0,3048 m bzw. Fuß. Die konventionelle optische Vorrichtung 1090 ist in etwa 2,1 m Höhe installiert. Mit den Bezugszeichen 1010, 1020, 1030, 1040, und 1050 sind Linien gleicher lokaler Bestrahlungsstärke bezeichnet (1010: 200 pW/cm2, 1020: 100 pW/cm2, 1030: 50 pW/cm2, 1040: 20 pW/cm2, 1050: 10 pW/cm2). Das Bezugszeichen 1060 bezeichnet einen Bereich, in welchem die Bestrahlungsstärke immer noch über 0,2 pW/cm2 liegt. In der zur Desinfektion aktiven Zone sollte die Bestrahlungsstärke einen Mindestwert von 10 pW/cm2 überschreiten, um ausreichend wirksam zu sein. Unterhalb der aktiven Zone befindet sich die sogenannte Safe-Zone. Hier sollten sich die Menschen länger aufhalten können (z.B. bis zu 8 Stunden). In dieser Zone sollte die Bestrahlungsstärke im Allgemeinen unterhalb von 0,2 pW/cm2 liegen. Wie zuerkennen ist, ist die UV-C- Strahlung im Wesentlichen horizontal ausgerichtet, um die Safe-Zone nicht mit UV-C- Strahlung zu beeinträchtigen. Entlang der Abszisse nimmt die Bestrahlungsstärke aufgrund des zunehmenden Abstands von der Vorrichtung erheblich ab. Durch eine höhere Lampenleistung kann eine Desinfektion in größerer Raumtiefe erzielt werden.
Durch die Verwendung von UV-C-Niederdrucklampen in herkömmlichen Vorrichtungen, die anders als LED-basierte Lichtquellen eine vergleichsweise große Etendue und infolgedessen geringe Strahldichte besitzen, ist es regelmäßig erforderlich, Reflektoren und Lamellen einzusetzen, um die Strahlung in der in Fig. 1 angedeuteten engen Zone unter der Raumdecke zu halten. Durch die Lamellen können diejenigen Strahlungsanteile, die die Reflektoren der Vorrichtung unter größeren Winkeln (nach oben oder unten relativ zur horizontalen Ebene) verlassen, absorbiert werden. Dies führt aber wiederum zu Wirkungsgraden, die im Allgemeinen unterhalb von 10 % liegen. Die daher hohen Leistungsaufnahmen bei geringer Fernwirkung und die hochgradig ungleiche Verteilung der Bestrahlungsstärke im Bereich der Raumdecke wirken sich folglich auch durchaus nachteilhaft auf die Wirtschaftlichkeit der Vorrichtungen - es ist eine höhere Anzahl von Geräten pro Raumdeckenfläche erforderlich - und auch auf die Komplexität des Desinfektionskonzepts für einen gegebenen Raum aus. Mit den nur eine geringe Etendue aufweisenden LED-basierten Lichtquellen lassen sich daher wesentlich weitreichendere und homogenere Bestrahlungskonzepte für die oberen Luftschichten in einem Raum im Rahmen der Upper Air bzw. Upper Room GUV Devices entwickeln. Allerdings sind auch hierbei weitere Probleme zu lösen: beispielsweise könne die Räume mit den zu entkeimenden Luftschichten völlig unterschiedliche Geometrien aufweisen, so dass im Regelfall eine individuelle Anpassung der Vorrichtungen erforderlich sein wird. Dies kann auch die Anwendung in Lüftungsgeräten (AHU, air handling units) betreffen. Ferner sind dabei jeweils die Vorschriften bezüglich Sicherheit (Strahlungsschutz von sich in der Safe Zone aufhaltenden Personen) einzuhalten, eine Optimierung der keimtötenden Wirkung zu bewirken und gleichzeitig die ausreichende Effizienz (Wirkungsgrad) des Systems sicherzustellen. Indessen sollte das Gerät auch leicht zu installieren sein. Ferner sollte die im Raum installierte Vorrichtung insbesondere auch unabhängig von den optischen Eigenschaften der betreffenden Oberflächen (Decke und Wände) des zu entkeimenden Raums sein.
Darstellung von Aspekten der Erfindung
Einigen der nachfolgend beschriebenen Aspekten liegt daher eine Aufgabe zugrunde, die Wirtschaftlichkeit der für die Desinfektion mittels UV-Strahlung, insbesondere UV- C-Strahlung, verwendeten optischen Vorrichtungen zu verbessern und gleichzeitig auch einen größeren Schutz für die in dem Raum befindlichen Personen herbeizuführen beziehungsweise eine ausreichende Safe-Zone sicherzustellen, sowie auch die Flexibilität und Anpassbarkeit an die Gegebenheiten in dem zu desinfizierenden Raum zu verbessern.
Die Aufgabe wird unter anderem gelöst durch eine optische Vorrichtung für die Desinfektion oberer Luftschichten in einem Raum mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Aspekte und Ausführungsformen sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
Den hier vorgestellten Aspekten einer optischen Vorrichtung für die Desinfektion oberer Luftschichten in einem Raum ist gemeinsam eine Lichtquelleneinheit, die eine Lichtquelle und eine lichtemittierende Fläche umfasst, wobei Letztere eine Lichtquellenebene (engl. source plane) festlegt und Erstere eingerichtet ist, Strahlung in einem UV-Wellenlängenbereich abzugeben. Bei der UV-Strahlung kann es sich insbesondere um solche im dem UV-C-Wellenlängenbereich (z.B. 100 nm - 280 nm) handeln. Alternativ (oder zusätzlich) kann auch UV-A- oder UV-B-Strahlung insbesondere in Verbindung mit Photokatalyse eingesetzt werden, wenn die Raumdecke beispielsweise mit Titandioxid beschichtet ist. Einzelne Aspekte können eine recht große zu bestrahlende Fläche vorsehen, so dass potenziell auch in diesem Fall eine gute katalytische Wirkung erzielbar sein kann.
Ferner ist ein erster Reflektor vorgesehen, der eingerichtet ist, in einem ersten Abstand von der Lichtquelleneinheit angeordnet zu werden und die von der Lichtquelleneinheit abgegebene Strahlung zu empfangen und mit kollimierender Wirkung und geringem Fernfeldwinkel in eine erste Richtung in den Raum zu reflektieren. Spezielle Ausführungsbeispiele sehen die Reflexion eines exakt parallelen Strahlenbündels vor, während andere Ausführungsbeispiele ein leicht divergentes Strahlenbündel oder auch ein eher fokussierendes (d.h. konvergentes) Strahlenbündel erlauben. Ziel des ersten Reflektors ist es, die von der Lichtquelleneinheit über einen großen Raumwinkelbereich (Lambertscher Strahler) emittierte Strahlung zusammenzufassen und gebündelt über eine im Vergleich zum Abstand Lichtquelleneinheit - erster Reflektor große Distanz gerichtet in den zu desinfizierenden Raum abzustrahlen. Das entsprechend (zumindest im Wesentlichen) kollim ierte Strahlenbündel überstreicht dadurch einen festgelegten Volumenbereich des Raums. Der Querschnitt des Strahlenbündels entspricht dabei regelmäßig der Reflektorgeometrie. Durch die Kollimation kann die Bestrahlungsstärke in jedem Punkt der von der UV-Strahlung überstrichenen Luftsäule konstant sein, d.h. eine im Wesentlichen homogene Verteilung der Bestrahlungsstärke innerhalb des bestrahlten säulenartigen Volumenbereichs sowohl hinsichtlich des Punktes im Querschnitt als auch hinsichtlich des Abstands vom ersten Reflektor. Um die kollimierende Wirkung zu erzielen, befindet sich die Lichtquelleneinheit zumindest nahe einem Fokus (Brennpunkt, wenn der Reflektor parabolisch ist) bzw. einem Fokusbereich des Reflektors. Der erste Reflektor kann aufgrund seiner Funktion als Raumreflektor bezeichnet werden.
Ferner kann auch ein zweiter Reflektor vorgesehen sein, der eingerichtet ist, in dem Raum in einem zweiten Abstand von dem ersten Reflektor und an einer dem ersten Reflektor gegenüberliegenden Position angeordnet zu werden und die von dem ersten Reflektor reflektierte Strahlung zu empfangen und in eine zweite Richtung derart zu reflektieren, dass eine Sensoreinheit die von dem zweiten Reflektor reflektierte Strahlung direkt oder mittelbar empfangen kann. Der zweite Abstand legt zusammen mit dem Querschnitt des (zumindest im Wesentlichen) kollimierten Strahlenbündels das Volumen fest, dessen Luftinhalt primär durch die UV-Strahlung desinfiziert wird. Der zweite Reflektor kann verschiedenen Aspekten zufolge unterschiedliche Funktionen ausüben. Gemeinsam ist diesen Funktionen, dass der zweite Reflektor die empfangene Strahlung räumlich so reflektiert, dass eine Sensoreinheit diese schließlich erfassen kann.
Zum einen kann er als Rück-Reflektor (engl. back reflector) dienen. In diesem Fall kann es sich auch um einen planen Reflektor handeln, welches die Kosten minimiert und die Installation vereinfacht. "Rück-Reflektor" bedeutet hier, dass die (zweite) Richtung des reflektierten Strahlenbündels einen relativ spitzen Winkel mit der ersten Richtung des vorher auf ihn treffenden Strahlbündels einschließt. Die Sensoreinheit kann dadurch räumlich nahe an der Lichtquelleneinheit eingerichtet werden, so dass die Steuerung und Leistungsversorgung der beiden Einheiten vereinfacht und effizient ausgelegt sein kann, welches die Kosten verringert. Ferner können diese beiden Einheiten auch mechanisch, z.B. in einem gemeinsamen Gehäuse oder an gemeinsamen Trägervorrichtungen, aufgenommen sein, welches die Installation der optischen Vorrichtung als Ganzes weiter vereinfacht. Wenn zudem die Leistungsverluste aufgrund der Reflektion selbst gering ausfallen, eröffnet sich ein weiteres säulenartiges Luftvolumen im rücklaufenden UV-Strahlenbündel ungefähr gleicher Dimension, in welchem zusätzlich Desinfektion stattfinden kann.
Weitere Ausführungsbeispiele sehen vor, dass mehrere solcher zweiten Reflektoren kaskadenartig eingerichtet werden, um noch weitere säulenartige Volumenbereiche einen nach dem anderen mit UV-Strahlung zu überstreichen. Ferner ist es einer Weiterbildung zufolge auch möglich, dass ein und derselbe erste Reflektor unterteilt ist (bzw. nebeneinander mehrere erste Reflektoren vorgesehen sind), um die Strahlung in der beschriebenen Weise in unterschiedliche Richtungen zu reflektieren, um entsprechend verschiedene und räumlich getrennt voneinander zweite angeordnete zweite Reflektoren zu bestrahlen, welches besonders im Fall von verwinkelten Räumen einen gewissen Vorteil bietet.
Zum anderen kann das vom zweiten Reflektor rücklaufende Strahlenbündel aber auch auf einen zu bestrahlenden Wandbereich, beispielswiese eine Fläche der Raumdecke, gerichtet sein. Dort trägt sie ebenfalls zur Entkeimung bei und wird je nach Oberflächenbeschaffenheit diffus reflektiert. Zumindest ein Teil dieser reflektierten Strahlung kann von einer Sensoreinheit erfasst werden.
Desweiteren umfasst die optische Vorrichtung gemäß diesem Aspekt die Sensoreinheit, die eingerichtet ist, die vom zweiten Reflektor reflektierte Strahlung direkt oder mittelbar zu erfassen. Die mittelbare Erfassung kann beispielsweise über die vorgenannte diffus reflektierte Strahlung von einer Wandfläche erfolgen. Mehrere spezielle Ausführungsbeispiele sehen aber auch vor, einen dedizierten Sensorreflektor einzusetzen, der das vom zweiten Reflektor zurück reflektierte Strahlenbündel empfängt und auf die Sensoreinheit fokussiert, welches die Lichtausbeute für die Erfassung noch einmal deutlich erhöht und einen direkten Vergleich der von der Lichtquelleneinheit abgestrahlten mit der von der Sensoreinheit erfassten Strahlungsleistung erlaubt. Die Strahlungsleistung der von der Lichtquelleneinheit emittierten Strahlung kann dabei auch vorab bekannt sein oder indirekt über den Betriebszustand (Strom, Spannung, Temperatur, Lebensdauer) abgeschätzt werden, braucht also nicht notwendig ebenfalls mit einem Sensor gemessen zu werden
Aspekte der vorliegenden Erfindung berücksichtigen aber auch eine direkte Erfassung durch die Sensoreinheit. Dies wird möglich, wenn der zweite Reflektor gleichzeitig als Sensorreflektor fungiert und die rückreflektierte Strahlung direkt auf die Sensoreinheit richtet. Eine fokussierende Eigenschaft des zweiten Reflektors (mit Fokussierung auf die Sensoreinheit) kann hierbei nützlich sein. Die optische Vorrichtung kann in diesem Fall überhaupt nur zwei Reflektoren umfassen (mögliche Reflektoren anstatt Linsenelementen als Primäroptik unmittelbar vor der Lichtquelle außer Acht lassend). Die optische Vorrichtung kann ferner eine mit der Sensoreinheit und der Lichtquelleneinheit verbundene Steuereinheit umfassen, die eingerichtet ist, abhängig von der jeweils erfassten Strahlung ein Signal auszugeben. Dieses Signal kann den Zustand der optischen Vorrichtung (z.B. Vorhandensein und Ausmaß einer Funktionsstörung oder Degradation einzelner Komponenten der Vorrichtung, oder Störungen in der Leistungsversorgung) oder eine Beeinträchtigung des Schutzes von Personen vor der abgegeben und/oder reflektierten Strahlung wiedergeben. Die von der Sensoreinheit erfasste Strahlung kann als digitaler oder analoger Pegelwert, oder im Fall mehrerer Sensoren (siehe nachfolgende Beschreibung), z.B. in einem Array mit Bildpunkten etc., entsprechend als Vielzahl von Pegel- oder sogar Farbwerten an die Steuereinheit übermittelt werden. Besonders gelagerte Ausführungsbeispiele können vorsehen, dass die Sensoreinheit auch spektrale Verteilungen der Strahlung erfasst.
Die Steuereinheit kann den zeitlichen Verlauf der erfassten und übermittelten Werte auswerten und dadurch plötzliche Änderungen detektieren, insbesondere solche, die durch den Eingriff bzw. Eintritt von Personen in den Strahlengang und damit in den Bereich schädigender Strahlung zustande kommen, d.h., Personen können erfasst werden die in nicht zulässiger Weise die Safe Zone verlassen.
Es kann sich dabei um Personen handeln, die beispielsweise in den oberen Bereich des Raums eindringen, um dort verschiedene Tätigkeiten durchzuführen (z.B. Reparaturen, anderweitige Installationen, Dekoration, Lampenwechsel etc.) ohne sich der schädigenden UV-Strahlung bewusst zu sein.
Ausführungsbeispiele der Erfindung betreffen allerdings auch eine vertikale Unterteilung des Raums in Zellen (d.h., horizontal nebeneinander angeordnete Zellen), wobei in jeder Zelle die Strahlung von einem im oberen Bereich angeordneten ersten Reflektor zu einem im Bodenbereich eingerichteten zweiten Reflektor hin kollim iert und gelenkt wird, der sie nach oben rückreflektiert. Eine die Zelle betretende Person kann dabei physisch leicht in den Strahlenbereich zwischen dem ersten und dem zweiten Reflektor gelangen, welches sofort von der Sensoreinheit bzw. der mit ihr verbundenen Steuereinheit erfasst wird. Einer dazu alternativen Ausführungsform zufolge kann vorgesehen sein, den Raum horizontal zu unterteilen, um entsprechende über- bzw. untereinander angeordnete Zellen zu erhalten, die sich z.B. von Wand zu Wand erstrecken, wobei jedoch keine eigentliche Safe-Zone vorgesehen ist, sondern wie beschrieben die Detektion von Personen (einer Lichtschranke ähnlich) durchgeführt wird, wobei wie beschrieben eine entsprechende Verschaltung der UV-Quellen/Zonen bereitgestellt ist.
Eine solche Ausgestaltung wie sie nachfolgend z.B. mit Bezug auf Fig. 27 beschrieben ist, macht es möglich, einen erheblichen Teil des Raumes ohne Gefährdung der Personen im Raum zu behandeln. Auch bedarf es hierbei keiner großen Luftbewegung: Allergene und Staub verbleiben dort, wo sie sind und verteilen sich nicht im Raum. In einem OP-Saal oder anderen medizinischen/klinischen Räumen kann dieser Vorteil von großem Wert sein.
In den genannten Fällen (Upper Room und Safe Zone; Unterteilung in vertikale Zellen; Unterteilung in horizontale Zellen) kann die Steuereinheit ein Signal ausgeben, das zur Abschaltung der UV-Strahlung in der Lichtquelleneinheit genutzt werden kann, so dass die Person vor Strahlung geschützt ist. Dadurch wird die Sicherheit der Vorrichtung bzw. der Strahlungsschutz deutlich verbessert. Ferner kann in dem Beispiel der vertikalen oder der horizontalen Unterteilung des Raums in Zellen eine Steuerung durchgeführt werden, bei der nur solche Zellen von einer UV-Desinfektion ausgenommen sind, in denen sich gerade Personen aufhalten. Dadurch wird ein Vorteil dahingehend erzielt, dass weitaus mehr Raum für eine UV-Desinfektion zur Verfügung steht und somit die Effizienz des Desinfektionskonzepts noch einmal deutlich gesteigert wird.
Einer vorteilhaften Weiterbildung der optischen Vorrichtung zufolge umfasst diese den vorerwähnten Sensorreflektor, der die von dem zweiten Reflektor reflektierte Strahlung empfängt und dazu eingerichtet ist, die empfangene Strahlung auf die Sensoreinheit zu fokussieren, wobei der Sensorreflektor
(a) ein von dem ersten und zweiten Reflektor verschiedenes optisches Element ist, oder
(b) identisch mit dem ersten Reflektor ist, oder (c) identisch mit dem zweiten Reflektor ist.
Entsprechend sind ohne Beschränkung der Allgemeinheit wenigstens drei Grundanordnungen für die optische Vorrichtung denkbar. Im Fall (a) ist der zweite Reflektor bzw. dessen Flächennormale geringfügig gegenüber der ersten Richtung des auf ihn vom ersten Reflektor einfallenden Strahlenbündels geneigt oder gekippt, vorzugsweise um 10° oder weniger, damit das rücklaufende Strahlenbündel auf den positionsverschiedenen Sensorreflektor einfallen kann, der die Strahlung auf die Sensoreinheit fokussiert. Im Fall (b) ist der erste Reflektor (der Raumreflektor) gleichzeitig der Empfänger der rücklaufenden Strahlung. Damit das rücklaufende und (bei planem zweiten Reflektor) immer noch kollim ierte Strahlenbündel nicht auf die Lichtquelleneinheit zurück sondern auf die nahe positionierte Sensoreinheit fokussiert wird, kann entweder bereits die Lichtquelleneinheit asymmetrisch aus dem Fokus verschoben positioniert sein, oder der zweite Reflektor ist ähnlich wie oben beschrieben leicht gekippt oder geneigt, so dass das rücklaufende Strahlenbündel nicht unmittelbar den gleichen Strahlengang besitzt wie das vom ersten Reflektor reflektierte Strahlenbündel. Der Fall (c) wurde bereits oben beschrieben.
Einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung zufolge umfasst die optische Vorrichtung einen Strahlabsorber, der die nicht von der Sensoreinheit erfasste und verwertete Strahlung zumindest überwiegend absorbiert. Dadurch kann den Anforderungen an den Strahlungsschutz Rechnung getragen werden.
Einer vorteilhaften Weiterbildung der optischen Vorrichtung zufolge beträgt der zwischen der Lichtquelleneinheit und dem ersten Reflektor vorgesehene erste Abstand 1 m oder weniger, vorzugsweise sogar nur 0,5 m oder weniger. Alternativ oder zusätzlich kann der zwischen dem ersten Reflektor und dem zweiten Reflektor vorgesehene zweite Abstand nicht weniger als 4 m und nicht mehr als 40 m betragen. Dieser zweite Abstand kann somit üblichen Raumgeometrien (einschließlich Großraumbüros, Veranstaltungssälen, Verkaufsräumen, Passagen, etc.) entsprechen.
Gemäß speziellen Ausführungsbeispielen kann der erste Reflektor ein
Paraboloidspiegel oder aber bevorzugt auch ein Fresnel-Reflektor mit
Paraboloideigenschaften sein, wobei sich besondere Vorteile durch den flachen Aufbau bieten. Der Reflektor kann rechteckig oder quadratisch geschnitten sein, um ein gut bestimmbares Querschnittsprofil für das Strahlenbündel zu erhalten. Wie erwähnt wirkt der erste Reflektor im Wesentlichen kollimierend. Eine Fokussierung auf eine im Raum entfernt gegenüberliegende Sensoreinheit ist aber grundsätzlich nicht ausgeschlossen.
Speziellen Ausführungsbeispielen zufolge kann der erste Reflektor im Fall eines rechteckigen oder quadratischen Zuschnitts in Draufsicht entlang seiner optischen Achse eine Kantenlänge (und im Fall einer in Draufsicht abgerundeten Form: einen Durchmesser) von 100 mm oder mehr, vorzugsweise 200 mm oder mehr besitzen. Dadurch steht ein hinreichend großes Raumvolumen (Luftsäule) für die fortlaufende Desinfektion durch UV-Strahlung zur Verfügung. Der zweite Reflektor besitzt idealerweise ähnliche Kantenlängen oder Durchmesser.
Wie beschrieben kann der zweite Reflektor bevorzugt ein im Wesentlichen planer Spiegel sein, jedoch kann es sich besonderen Ausführungsbeispielen zufolge auch um einen Paraboloidspiegel mit einer Fokallänge handeln, die einem dritten Abstand zwischen dem zweiten Reflektor und der Sensoreinheit entspricht (obiger Fall (c)). Bevorzugt ist allerdings der oben genannte Fall (b), in welchem lediglich ein kombinierter Raum- und Sensorreflektor und ein planer Rückreflektor vorgesehen ist, so dass die Anzahl der Teile reduziert, die Kosten gesenkt und der Aufbau vereinfacht ist.
Speziellen Ausführungsbeispielen zufolge kann die Sensoreinheit eine einzelne oder mehrere Photodioden, und/oder einen einzelnen oder mehrere thermische Sensoren, einen Vierquadranten-Detektor aus Photodioden oder thermischen Sensoren, oder einen bildgebenden Detektor umfassen. Die beiden letztgenannten Optionen erlauben eine räumliche Lokalisierung einer Störung im Strahlengang. Bei höherer Auflösung kann von der Steuereinheit sogar eine Bewegung des störenden Körpers in dem überstrichenen Raumvolumen erfasst werden. Zum einen kann dadurch festgestellt werden, ob es sich um einen menschlichen Körper handelt, zum anderen kann insbesondere in dem oben beschriebenen Konzept der Vielzahl von Zellen im unterteilten Raum (mit Zellenraster) ermittelt werden, welche Zelle als nächste betroffen ist, so dass diese frühzeitig auf inaktiv geschaltet werden kann. Um die Bewegung des Körpers in der Zelle weiter erfassen zu können, kann aber mit Vorteil auch die Leistung auf einen Wert geregelt werden, der unterhalb des Schwellwerts von 0,2 pW/cm2 liegt, so dass die dann noch emittierte Strahlung unbedenklich ist. Die Steuereinheit setzt dann die erfasste Strahlung in Bezug zu dem reduzierten Wert der emittierten Strahlung. Diese Werte können auch vorab kalibriert und in der Steuereinheit (z.B. in einem Speicher) hinterlegt sein.
Einer Weiterbildung dieses Gedankens zufolge können neben die UV-Quelle, oder vorzugsweise um sie herum, Quellen angeordnet werden, die in Bezug auf den menschlichen Körper harmlose Strahlung emittieren (z.B. sichtbares Licht, nahes IR etc.). Die Sensoreinheit kann dann weiter betrieben werden, während sich die Person in der Zelle befindet. Alternativ kann man wie oben beschrieben die Strahlung der UV- Quelle auch nur unter einen Schwellwert abgesenkt werden (z.B. durch Stromreduktion). Die Bewegungen können in diesem Fall durchgehend überwacht werden.
Die beschriebenen Weiterbildungen der optischen Vorrichtung mit einem Strahlabsorber können vorsehen, dass dieser eine Oberfläche mit einer UV-C- Strahlung absorbierenden Materialeigenschaft und/oder eine Oberfläche mit strukturierter Oberfläche umfasst, durch welche UV-C-Strahlung durch Mehrfachreflexion in Strukturen (Gräben oder Ausnehmungen) abgeschwächt oder absorbiert wird.
Ferner kann Ausführungsbeispielen zufolge der Strahlabsorber eine Vorrichtung mit Lamellenvorhang und Umlenkreflektor umfassen, wobei durch den Lamellenvorhang Strahlung mit vorgegebener Richtung in ein Inneres der Vorrichtung eingelassen und mit dem Umlenkreflektor die eingelassene Strahlung im Inneren auf die UV-C- Strahlung absorbierende Oberfläche gelenkt wird. Die Lamellen verhindern den Wiederaustritt der insoweit noch nicht absorbierten Strahlung.
Aufgrund der für die hier vorgeschlagene Anwendung wünschenswerten geringen Etendue eignen sich Aspekten der Erfindung zufolge als Lichtquellen eine oder mehrere Einzellichtquellen, insbesondere UV-LEDs, und hier besonders bevorzugt UV-C-LEDs. Mehrere Einzellichtquellen bzw. LEDs können zu dichten Arrays gruppiert sein. Aspektverhältnisse (d.h. , Länge zu Breite der Lichtquelle) liegen bevorzugt in einem Bereich von 0,5 bis 2, vorzugsweise in einem Bereich von 0,8 bis
I ,2, idealerweise nahe bei 1 ,0. Eine einzelne UV-C-LED kann beispielsweise Dimensionen von 1 x 1 mm2 aufweisen. Arrays von UV-LEDs, insbesondere UV-C- LEDs sind entsprechend größer. Das Verhältnis der Kantenlänge des ersten Reflektors zur Dimension der Lichtquelle liegt vorzugsweise unterhalb von 1 :50, besonders bevorzugt unterhalb von 1 :100
Die Lichtquelleneinheit weist Ausführungsbeispielen zufolge ein erstes optisches Element oder mehrere erste optische Elemente als Primäroptik auf, das beziehungsweise die der einen oder den mehreren UV-LEDs zugeordnet ist beziehungsweise sind. Diese(s) nimmt/nehmen die Strahlung aus der Emissionsfläche der LED auf. Die lichtemittierende Fläche wird dabei durch das eine oder die mehreren ersten optischen Elemente ausgebildet. Bei solchen Elementen kann es sich beispielsweise um Tapers oder Linsen handeln, die direkt vor der Emissionsfläche der LED platziert sind.
Die Lichtquelleneinheit kann speziellen Weiterbildungen zufolge auch ein zweites optisches Element aufweisen, das ausgebildet sein kann als ein Freiformreflektor, oder als eine TIR-Linse oder eine Freiform linse. Dieses zweite optische Element hat die Aufgabe, die aus der lichtemittierenden Fläche (Primäroptik oder UV-LED selbst) emittierte Strahlung mit möglichst homogener Verteilung der Bestrahlungsstärke auf die Oberfläche des ersten Reflektors abzubilden.
Die Freiform des zweiten optischen Elements ist folglich so ausgelegt, dass eine Verteilung der Bestrahlungsstärke der vom entsprechenden Freiform reflektor bzw. der Freiformlinse/TIR-Linse auf den ersten Reflektor (den Raum reflektor) geworfenen Strahlung im Wesentlichen homogen ist. Hierbei wurde von den Erfindern das aus der Veröffentlichung von Ries, H & Muschaweck, J.: "Tailored freeform optical surfaces" in
J. Opt. Soc. Am. A/ Vol. 19, No. 3/ March 2002 bekannte Konzept auf die aktuelle Problemstellung angewandt. Darin ist beschrieben, wie optische Freiformflächen, die im dreidimensionalen Raum eingebettet sind und keine Symmetrie aufweisen müssen, so gestaltet werden, dass sie die Strahlung einer gegebenen sehr kleinen Lichtquelle auf eine gegebene Referenzfläche umverteilen, um so eine vorgegebene Bestrahlungsstärkeverteilung auf dieser Fläche zu erreichen. Die Form der optischen Freiformfläche wird durch die Lösung einer Reihe partieller nichtlinearer Differentialgleichungen gefunden. In den meisten Fällen gibt es nur wenige topologisch unterschiedliche Lösungen, wenn geeignete Randbedingungen gegeben sind. Für den vorliegenden, etwas einfacheren Fall einer hochgradig homogenen Verteilung konnte festgestellt werden, dass im Regelfall sogar nur eine einzige Lösung für die dreidimensionale Ausgestaltung der Freiform existiert, je nachdem ob es sich um eine Linse oder einen Reflektor (hier sind verschiedene Reflexionsrichtungen möglich) handelt.
Mit anderen Worten, durch den Abstand der lichtemittierenden Fläche vom Reflektor, durch die Vorgabe einer kleinen Lichtquelleneinheit und durch die Vorgabe bzw. Festlegung der Geometrie und Position der zu bestrahlenden Fläche im Raum relativ zur lichtemittierenden Fläche und zum Reflektor und durch die Vorgabe einer homogenen Verteilung der Bestrahlungsstärke ist die Freiform praktisch eindeutig festgelegt, oder im Ausnahmefall von mehr als einer topologischen Lösung, zumindest aus einer Auswahl abzählbarer, sehr weniger Lösungen erhältlich. Die Freiform kann computergestützt ermittelt und dann hergestellt werden. Ein bekanntes Softwarewerkzeug für diese Zwecke ist beispielsweise durch "LightTools" von Synopsis bereitgestellt.
Durch dieses zweite optische Element wird folglich eine sehr homogene Verteilung der Bestrahlungsstärke in jedem Querschnitt innerhalb der Luftsäule zwischen dem ersten Reflektor und dem zweiten Reflektor sichergestellt, welches die System effizienz erheblich verbessert.
Durch die hier und in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung angeführten Ausführungsbeispielen können eine oder mehrere der folgenden Vorteile erzielt werden: so geht beispielsweise nur sehr wenig Strahlung durch die Verwendung von Lichtquellen mit sehr geringer Etendue und den einander zugeordneten Aufbau der Reflektoren nur sehr wenig Strahlung als nicht nutzbar verloren. Ferner wird durch die Reflektoren die Wegstrecke und damit die Desinfektionseffizienz der Strahlung durch den Raum vergrößert. Durch die homogene Auslegung der Bestrahlung und die kontrollierbare Ausrichtung der Reflektoren können sog. blind spots, das heißt unzureichend bestrahlte Volumenbereiche oder Oberflächen mit der möglichen Folge der Bildung von Mikroorgansimen, wie aber auch gefährliche hot spots, das heißt lokal begrenzte Überdosen an UV-C-Strahlung, die dort eingreifende Personen übermäßig schädigen könnten, vermieden werden.
Die Sicherheit der gesamten Anlage wird durch die Absorption der Strahlung an Oberflächen mit definierten optischen Eigenschaften zumindest in einigen Ausführungsformen erhöht. Bei konventionellen Installationen spielen dagegen die (unkontrollierbaren) optischen Eigenschaften der Decken- und Wandfläche eine große Rolle in Bezug auf die Sicherheit des betreffenden Gerätes.
Durch geeignete Wahl von Drehrichtung (tilt) und Abstand des zweiten Reflektors vom ersten Reflektor bzw. der Sensoreinheit kann eine optimale Anpassung an die Gegebenheiten bzw. Geometrie des Raums erfolgen. Mit weiteren, dem zweiten Reflektor nachgeschalteten Reflektoren können Kaskaden (bis hin zur Sensoreinheit) eingerichtet werden, die eine optimale Raumabdeckung erzielen.
Bei dem hohen Wirkungsgrad des hier vorgestellten GUV-Geräts für obere Luftschichten (sogar auch mit den derzeitigen UV-C-LEDs mit an sich niedrigem Wirkungsgrad) schlägt auch ein geringer Stromverbrauch zu Buche. Ferner wird Maximierung des Reaktorvolumens bei minimaler lokaler Bestrahlung erzielt. Die Reflektoren legen außerdem ein klar abgegrenztes Strahlungsfeld fest. Die speziellen Ausgestaltungen der Sensoreinheit mit mehreren Photodioden oder Arrays erlauben eine zuverlässige Erkennung von Objekten im Strahlengang ("Volumen"- Lichtschranke), welches auch zur Sicherheit in unteren Rauminstallationen beitragen kann. Alternativ ist auch der Einbau in gekapselten Anlagen möglich (AHU - air handling units, Lüftungsanlagen), die z.B. für Servicearbeiten regelmäßig geöffnet werden müssen. Die Verwendung von UV-C-LEDs ermöglicht ferner den Einsatz von mehr UV-C-Leistung im Vergleich zu herkömmlichen offenen UVC-Geräten, und sie sind sofort einschaltbar, besitzen eine geringere thermische Drift, werden mit niedrigerer Spannung versorgt, und können in rauen Umgebungsbedingungen (niedrige Temperaturen und hohe Luftfeuchtigkeit) installiert werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale und Funktionen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung(en)
Es zeigen:
Fig.1 in einem Diagramm die Wirkung einer optischen Vorrichtung zur Desinfektion oberer Luftschichten in einem Raum gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 2 in schematischer Darstellung eine optische Vorrichtung gemäß einem Vergleichsbeispiel, die eine Fläche einer Raumdecke oberhalb einer Safe-Zone bestrahlt;
Fig. 3 in schematischer Darstellung eine optische Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
Fig. 4 in schematischer Darstellung eine optische Vorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
Fig. 5 in schematischer Darstellung eine optische Vorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel;
Fig. 6 in schematischer Darstellung eine optische Vorrichtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel;
Fig. 7 in schematischer Darstellung eine Seitenansicht (auf die YZ-Ebene) eines vor der Lichtquelle angeordneten und als Taper ausgebildeten ersten optischen Elements, das gegenüberliegend eine lichtemittierende Fläche bereitstellt, gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 8 in schematischer Darstellung eine Seitenansicht (z.B. auf die YZ- oder XZ- Ebene) eines vor der Lichtquelle angeordneten und als CPC ausgebildeten ersten optischen Elements, das für jeweils eine Einzellichtquelle ausgelegt ist, gemäß einem zu Fig. 7 alternativen Ausführungsbeispiel;
Fig. 9 in schematischer Darstellung den Strahlengang in dem ersten optischen Element aus Fig. 8;
Fig. 10 in schematischer Darstellung eine Seitenansicht auf (z.B. die YZ-Ebene) eines vor der Lichtquelle angeordneten und als Linse ausgebildeten ersten optischen Elements, das für jeweils eine Einzellichtquelle ausgelegt ist, gemäß einem zu den Fig. 7 bis 9 alternativen Ausführungsbeispiel;
Fig. 11 in schematischer Darstellung eine Seitenansicht auf (z.B. die YZ-Ebene) ein vor der Lichtquelle angeordneten und innen transparenten und außen als Licht absorbierender Ring ausgebildeten optischen Elements, das für jeweils eine Einzellichtquelle ausgelegt ist, gemäß einem zu den Fig. 7 bis 10 alternativen Ausführungsbeispiel;
Fig. 12 in schematischer Darstellung eine Draufsicht auf das erste optische Element aus Fig. 11 (XY-Ebene);
Fig. 13 in schematischer Darstellung eine seitliche Querschnittsansicht (YZ-Ebene) auf ein als Freiformlinse ausgebildetes zweites optisches Element, gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 14 in schematischer Darstellung eine seitliche Querschnittsansicht (YZ-Ebene) auf ein als TIR-Linse ausgebildetes zweites optisches Element, gemäß einem zu Fig. 13 alternativen Ausführungsbeispiel; Fig. 15 in schematischer Darstellung eine seitliche Querschnittsansicht (YZ-Ebene) auf ein als sphärische oder asphärische Linse ausgebildetes zweites optisches Element, gemäß einem zu Fig. 13 und 14 alternativen Ausführungsbeispiel;
Fig. 16 in schematischer Darstellung eine Seitenansicht auf (z. B. die YZ-Ebene) ein als Taper ausgebildetes zweites optisches Element, gemäß einem zu den Fig. 13 bis 15 alternativen Ausführungsbeispiel;
Fig. 17 in perspektivischer Skizze ein spezielles Beispiel einer in einem Ausführungsbeispiel verwendeten Freiformlinse mit der in einer Schnittebene schematisch dargestellten Strahlung;
Fig. 18 in schematischer Querschnittsansicht (links) und in perspektivischer Skizze (rechts) ein spezielles Beispiel eines in einem Ausführungsbeispiel verwendeten Freiformreflektors als zweites optisches Element mit jeweils der in einer Schnittebene schematisch dargestellten Strahlung;
Fig. 19 in schematischer Querschnittsansicht (links) und in perspektivischer Skizze (rechts) ein spezielles Beispiel eines von einem zu Fig. 18 verschiedenen, in einem Ausführungsbeispiel verwendeten Freiform reflektors als zweites optisches Element mit jeweils der in einer Schnittebene schematisch dargestellten Strahlung;
Fig. 20 in schematischer Querschnittsansicht (links) und in perspektivischer Skizze (rechts) ein spezielles Beispiel eines von einem zu Fig. 18 und 19 verschiedenen, in einem Ausführungsbeispiel verwendeten Freiform reflektors als zweites optisches Element mit jeweils der in einer Schnittebene schematisch dargestellten Strahlung;
Fig. 21 in schematischer Querschnittsansicht ein spezielles Beispiel eines als Paraboloidspiegel ausgebideten ersten Reflektors, gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; Fig. 22 in schematischer Querschnittsansicht ein spezielles Beispiel eines als Fresnelparaboloid-Reflektor ausgebildeten ersten Reflektors, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 23 in perspektivischer Darstellung einen Überblick über ein Ausführungsbeispiel der optischen Vorrichtung, mit vergrößerten Ausschnitten einzelner Komponenten;
Fig. 24 wie Fig. 23, aber mit in den Strahlengang eingedrungenen Objekten;
Fig. 25 ein erstes Beispiel eines Strahlabsorbers in der optischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 26 ein zweites Beispiel eines Strahlabsorbers in der optischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 27 ein Installationsschema von mehreren einzelnen Zellen aufbauenden optischen Vorrichtungen in einem Raum.
In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele ist zu berücksichtigen, dass die vorliegende Offenbarung der verschiedenen Aspekte nicht auf die Details des Aufbaus und der Anordnung der Komponenten beschränkt ist, wie sie in der nachfolgenden Beschreibung und in den Figuren dargestellt sind. Die Ausführungsbeispiele können auf verschiedenen Wegen in die Praxis umgesetzt oder ausgeführt werden. Es ist des Weiteren zu berücksichtigen, dass die hier verwendete Ausdrucksweise und Terminologie lediglich zum Zweck der konkreten Beschreibung verwendet wird und diese sollten nicht durch den Fachmann als solche in einschränkender Weise ausgelegt werden.
Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung eine optische Vorrichtung 10 gemäß einem Vergleichsbeispiel, die eine Fläche 915 (mit vorbestimmter Länge und Breite) einer Raumdecke 910 oberhalb einer Safe-Zone bestrahlt, die durch die strichpunktierte Linie 920 dargestellt ist (bzw. die Linie 920 stellt räumlich betrachtet deren obere Grenze dar). Damit eine aufrechtstehende Person sicher in der Safe-Zone aufgenommen ist, sollte die Höhe der Linie 920 wenigstens deren Länge übersteigen. Die optische Vorrichtung 100 gibt dabei ihre Strahlung 300 seitlich in einem ausgewählten Winkelbereich in einer im Wesentlichen horizontalen Richtung mit einer vertikal nach oben gerichteten Komponente ab. Innerhalb des Kegels der Strahlung 300 beträgt die Bestrahlungsstärke teilweise mehr als 10pW/cm2 bzw. 100 mW/m2, welches als Minimalbedingung für eine ausreichende Keimabtötung in den darin befindlichen Luftschichten zu erachten ist. Ferner ist die optische Vorrichtung 10 in ihrem Aufbau und der räumlichen Anordnung so konfiguriert, dass die schräg über ihr liegende Fläche 915 mit einer dort homogenen Verteilung der Bestrahlungsstärke bestrahlt wird. Die Fig. 2 beschreibt ein in der nationalen deutschen Patentanmeldung DE 10 2021 212 448.8 vorgestelltes Konzept (noch nicht veröffentlicht), das z.B. auf eine homogene Bestrahlung der Raumdecke 910 und unterhalb zu ihr liegender paralleler Ebenen in Raum abstellt.
Die Raumdecke 910 bzw. die zu bestrahlende Fläche 915 kann idealisiert als Lambertscher Strahler mit einer Reflexivität R von 0,3 betrachtet werden. Rein beispielhaft kann die zu bestrahlende Fläche mit einer Länge und Breite von je 5 m vorgegeben werden. Die in diesem Bereich ebenso homogen von der Raumdecke 910 reflektierte Strahlung 950 sollte in der Safe-Zone eine Bestrahlungsstärke von nur 0.2 pW/cm2 = 2 mW/m2 oder weniger annehmen, um keine Schädigungen durch UV- Strahlung bei den sich in der Safe-Zone aufhaltenden Personen herbeizuführen. Mit diesen Annahmen kann für die Leistung der abgegebenen Strahlung eine zulässige obere Grenze von etwa 0,167 W bestimmt werden. D.h., es können bereits geringe Strahlungsleistungen eingesetzt werden und für die wirksame Desinfektion ausreichen. Die niedrigen, rein beispielhaft geschätzten Obergrenzen für die Strahlungsleistung sind kompatibel mit dem Einsatz und UV-LEDs, und insbesondere verfügbaren UV-C-LEDs.
Das Konzept homogener Bestrahlung von Ebenen oder sogar von Volumenbereichen im Raum wird auch in Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung übernommen. In Fig. 3 ist eine optische Vorrichtung 10 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in sehr schematischer Darstellung gezeigt. Die optische Vorrichtung 10 umfasst eine Lichtquelleneinheit 1 , einen ersten Reflektor 2, einen zweiten Reflektor 3, einen Sensorreflektor 4, eine Sensoreinheit 5 sowie einen Strahlabsorber 6. Ferner ist eine Steuereinheit 8 und optional eine Anzeigeeinheit 9 vorgesehen, die zusätzlich ein Audio- oder Videosignal an sich im Raum befindliche Personen etc. ausgeben kann.
Die Lichtquelleneinheit 1 emittiert eine Strahlung im oben angeführten UV-C- Wellenlängenbereich, wobei die Verteilung der Bestrahlungsstärke über den Winkelbereich von der Lichtquelleneinheit aus gesehen bereits so angepasst ist, dass, wenn sie auf den ersten Reflektor 2 trifft und von diesem wieder reflektiert wird, als Ziel die in dem reflektierten Strahlenbündel resultierende Bestrahlungsstärke darin im Wesentlichen durchweg möglichst homogen verteilt ist, d.h. innerhalb eines Querschnitts des Strahlenbündels als auch betrachtet in dessen Längsrichtung. Betrachtet über ein Sphärensegment mit der Lichtquelleneinheit als Mittelpunkt kann die Verteilung der Bestrahlungsstärke dabei durchaus auch inhomogen verteilt sein, um das Ziel zu erreichen. Insbesondere hängt dies von der dreidimensionalen Ausgestaltung der reflektierenden Oberfläche des ersten Reflektors sowie von dessen Position und Ausrichtung gegenüber der Lichtquelleneinheit ab. Die das Ziel erreichende Verteilung der Bestrahlungsstärke abhängig von der Winkelposition von der Lichtquelleneinheit aus betrachtet kann insbesondere durch eine Freiform linse oder einen Freiform reflektor erreicht werden, die hier als Teil der Lichtquelleneinheit betrachtet werden und mit Bezug zu den Fig. 13 und 17 - 20 nachfolgend näher erläutert werden.
Die Lichtquelleneinheit befindet sich in diesem Ausführungsbeispiel in oder sehr nahe dem Fokus bzw. Brennpunkt des ersten Reflektors 2, der als Paraboloidspiegel ausgebildet ist. Ferner emittiert die Lichtquelleneinheit ihre Strahlung, hier UV-C- Strahlung, z.B. mit Hilfe des in Fig. 3 nicht gezeigten Freiformreflektors bzw. der Freiformlinse in einem konusförmigen Raumwinkel (siehe in Fig. 3 die den Konus begrenzenden Strahlen 9100 und 9101 des Konus), der auf seiner gegenüberliegenden Seite vollständig von dem ersten Reflektor 2 begrenzt ist. Dadurch wird in diesem Ausführungsbeispiel die emittierte UV-C-Strahlung vollständig, d.h. nahezu verlustfrei, vom ersten Reflektor 2 empfangen und mit kollimierender Wirkung reflektiert, d.h., das in Fig. 3 durch die begrenzenden Strahlen 9110 und 9111 reflektierte Strahlenbündel umfasst im Wesentlichen parallel durch den Raum laufende UV-C-Strahlen. Der (erste) Abstand zwischen der Lichtquelleneinheit und dem ersten Reflektor 2 beträgt 1 m oder weniger, vorzugsweise 0,5 m oder weniger. Der erste Reflektor 2 ist rechteckförmig geschnitten und besitzt entsprechend Kantenlängen zwischen z.B. 200 und 1000 mm.
Das kollimierte Strahlenbündel (in Fig. 3 begrenzt durch Strahlen 9110 und 9111 ) trifft nach Durchlaufen eines im Vergleich zum ersten Abstand deutlich größeren zweiten Abstands zwischen dem ersten Reflektor 2 und einem zweiten Reflektor 3 eben auf jenen zweiten Reflektor 3. Der zweite Abstand kann z.B. von 4 m bis hin zu 40 m reichen, bevorzugt von 10 m bis 20 m. Das durch den Querschnitt des Strahlenbündels und dessen Länge (gleich dem zweiten Abstand) gebildete Volumen (Luftsäule) bildet eine abgegrenzte, festgelegte Desinfektionszone für die UV-C- Strahlung, mit im Wesentlichen homogener Bestrahlungsstärke innerhalb dieses Volumens, so dass zumindest darin schon keine Hot Spots und auch keine Blind Spots vorliegen.
Der zweite Reflektor 3 ist ein planer Flachspiegel und ist in diesem speziellen Ausführungsbeispiel gegenüber der Richtung des einfallenden Strahlenbündels um bis zu 10° geneigt ("tilt"). Folglich wird das Strahlenbündel mit doppeltem Neigungswinkel in eine andere Richtung im Raum reflektiert, behält aber seine Form als Bündel kollimierter Strahlung mit homogener Verteilung der Bestrahlungsstärke.
Im Ausführungsbeispiel wird das vom zweiten Reflektor 3 (Rückreflektor) reflektierte und in Fig. 3 durch die Strahlen 9120, 9121 begrenzte Strahlenbündel der Sensoreinheit 5 zugeführt, die räumlich vorzugsweise wieder in der Nähe der Lichtquelleneinheit eingerichtet ist, um die Anschlüsse, Leitungen, Steuerung und Leistungsversorgung der elektronischen Komponenten der Vorrichtung in einem Gehäuse oder an einer gemeinsamen Halterung zu zentralisieren. Die Sensoreinheit befindet hier unweit des Fokus eines als Paraboloidspiegels ausgebildeten Sensorreflektors 4, so dass die gesamte durch den Raum laufende UV- C-Strahlung aufgefangen wird. Diese noch einmal reflektierte und fokussierte Strahlung (in Fig. 3 begrenzt durch Strahlen 9130, 9131 ) wird somit in Richtung auf die Sensoreinheit 5 gelenkt und von dieser erfasst, die aber nur einen geringen Querschnitt im Strahlengang einnimmt. Die von ihr nicht abgeblockte Strahlung fällt weiter auf den Strahlabsorber 6 (Strahlen 9140, 9141), der nachfolgend noch beispielhaft erläutert werden wird. Dort wird die Strahlung schließlich nahezu vollständig absorbiert, so dass eine Schädigung von Personen vermieden wird und die Sicherheit erhöht ist.
Es ist anzumerken, dass weitere Rückreflektoren bzw. zweite Reflektoren 3 in diesen und den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen eingerichtet sein können, um den Weg, den die Strahlung nimmt, weiter zu verlängern und ein größeres Volumen für die Desinfektion zu überstreichen, bevor die Strahlung in den Strahlabsorber fällt.
Die Sensoreinheit 5 ist mit der Steuereinheit 8 verbunden und kann ihr die Pegelwerte der erfassten Strahlung melden (digital oder als analoges Strom- oder Spannungssignal). Die Steuereinheit 8 vergleicht die laufenden Pegelwerte mit vorgegebenen Schwellwerten, die einer Toleranz an Schwankungen entsprechen. Die Steuereinheit 8 ist auch mit der Lichtquelleinheit verbunden. Wird der Schwellwert unterschritten, welches der Annahme entspricht, dass sich ein Gegenstand, insbesondere ein menschliches Körperteil, im Strahlengang befindet, gibt die Steuereinheit ein Signal 90 aus, das der Lichtquelleinheit 1 zugeführt wird, die infolgedessen inaktiv geschaltet wird. Über die Anzeigeeinheit 9 kann optional mitgeteilt werden, dass der Desinfektionsschutz nunmehr inaktiv ist. Wird der Schwellwert wieder überschritten, so kann auch dies erfasst werden, und mit einem weiteren Signal 90 kann die Lichtquelleneinheit wieder aktiv geschaltet werden.
In den Fig. 4 bis 6 sind Ausführungsbeispiele mit zu dem ersten Ausführungsbeispiel der Fig. 3 alternativen Ausgestaltungen des allgemeinen Aufbaus gezeigt. Es werden lediglich Abweichungen beschrieben, um Wiederholungen zu vermeiden. Im zweiten Ausführungsbeispiel der Fig. 4 befindet sich die Lichtquelleneinheit 1 nicht im Fokus des ersten Reflektors 2 sondern ist diesem gegenüber asymmetrisch versetzt, um eine erste Richtung des Strahlenbündels (Randstrahlen 9110 und 9111) abweichend von einer Symmetrieachse 2001 (optische Achse) des ersten Reflektors 2 zu erzielen, die gerade in Richtung des entsprechend anders positionierten zweiten Reflektors 3 zeigt. Dieser ist dafür nicht oder zumindest deutlich weniger gegenüber der Symmetrieachse des ersten Reflektors geneigt.
Im dritten Ausführungsbeispiel der Fig. 5 befindet sich die Sensoreinheit 5 in unmittelbarer Nähe zur Lichtquelleneinheit 1 , wobei im Vergleich zu den ersten beiden Ausführungsbeispielen ein fokussierender Sensorreflektor 4 entfällt. Funktionell wird dieser ersetzt durch z.B. die Deckenfläche 910 des Raums, von welcher die vom zweiten Reflektor 3 reflektierte Strahlung (Strahlen 9120, 9121 ) diffus reflektiert wird (Strahlen 9190). Ein Teil der von der Deckenfläche reflektierten Strahlen wird dann von der Sensoreinheit 5 aufgefangen und erfasst. Mithin fungiert die Deckenfläche 910 als Sensorreflektor. Es gelten hierbei die oben mit Bezug auf die Fig. 2 aufgestellten Grundsätze, wonach die in der Safe Zone ankommende Strahlung nur noch eine Bestrahlungsstärke unterhalb eines Personen schädigenden Pegels aufweist. Ein Strahlabsorber 6 braucht in diesem dritten Ausführungsbeispiel daher auch nicht mehr eingerichtet zu sein.
Die Fig. 6 zeigt ein besonders bevorzugtes viertes Ausführungsbeispiel. Auch hier können die Lichtquelleneinheit 1 und die Sensoreinheit 5 räumlich sehr nahe aneinander positioniert werden. Zudem wird auch hier ein separater Sensorreflektor 4 eingespart. Der Sensorreflektor 4 ist nämlich in diesem Ausführungsbeispiel identisch mit dem ersten Reflektor 2. Ähnlich wie bei dem zweiten Ausführungsbeispiel (siehe Fig. 4) sind hier die Lichtquelleneinheit 1 und die Sensoreinheit 5 gegenüber der optischen Achse des ersten Reflektors 2 versetzt angeordnet, damit die Fokussierung (Strahlen 9130, 9131 ) des vorher kollimierten Strahlenbündels (Strahlen 9110, 9111) nicht wieder auf die Lichtquelleneinheit 1 selbst sondern auf die nahe positionierte Sensoreinheit 5 erfolgt. Mit diesem Aufbau wird ein hoher Grad an Integration erzielt, die Anzahl der Teile reduziert und es werden deutlich Kosten gespart. In den Fig. 7 bis 22 sind Details und Beispiele der in den Fig. 3 bis 6 schematisch gezeigten Komponenten dargestellt. Die Figuren 7 bis 12 zeigen dabei Alternativen für ein als Primäroptik in der Lichtquelleneinheit 1 einsetzbares erstes optisches Element.
Mit dem Bezugszeichen 900 ist in den Figuren ein kartesisches Koordinatensystem mit Richtungen X, Y, Z bezeichnet. Die Z-Richtung bezeichnet dabei die Hauptabstrahlrichtung Z der lichtemittierenden Fläche 100, d.h. deren optische Achse, die senkrecht zu deren Oberfläche ist. Die lichtemittierende Fläche 100 legt eine Lichtquellenebene fest, die senkrecht zur Hauptabstrahlrichtung Z liegt und dementsprechend durch eine erste Richtung X und eine zweite Richtung Y aufgespannt wird.
Die Fig. 7 zeigt eine gemäß einem Ausführungsbeispiel einsetzbare Lichtquelleneinheit 1 mit einer (oder mehreren) Lichtquelle(n) 150 und einem zugeordneten ersten optischen Element 161 , das als ein sich im Querschnitt aufweitender stabförmiger Lichtleiter (Taper) ausgebildet ist. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kommen als Lichtquellen 150 rein beispielhaft UV-C-LEDs mit Wellenlängen des von ihnen emittierten Lichts im Bereich 260 - 280 nm, Abmessungen der LED-Chips im Bereich von 0.2 x 0.2 mm2 bis 1 .0 x 1.0 mm2 und Leistungen im Bereich von 10 mW - 150 mW in Frage.
Der Lichtleiter kann aus festem Material gebildet sein, insbesondere aus einem UV- beständigen Glas (Quarzglas, Sol-Gel-Glas oder hohlraumbeschichtetes Aluminium). Andere Materialien, ggf. auch UV-beständige Kunststoffe hergestellt sein. Der Querschnitt in der XY-Ebene ist an die Geometrie der Lichtquelle 150 angepasst. Die der Lichtquelle 150 gegenüberliegende Oberfläche des ersten optischen Elements 161 kann die lichtemittierende Fläche ausbilden. Denkbar ist grundsätzlich auch, dass sich weitere optische Elemente anschließen (Kombination mehrerer optischer Elemente).
Die Abmessungen der lichtemittierenden Fläche 100 sollten gegenüber der Emitteroberfläche der Einzellichtquellen 154 so gewählt werden, dass die Etendue weitgehend erhalten bleibt. Für LEDs bedeutet dies im Allgemeinen, dass sich die Abmessung xe des Emitters der Einzellichtquelle 154 und die Abmessung xs der lichtemittierenden Fläche 100 jeweils in X-Richtung betrachtet wie folgt verhalten sollten: xe < xs ■ sin((a + ß)/2), und analog in y-Richtung: ye < ys ■ sin((y + ö)/2), wobei a, ß, y, ö die maximalen Abstrahlwinkel gegenüber der optischen Achse entsprechend in X- und Y-Richtung sind. Je enger der Abstrahlwinkel ist, desto größer kann durch den sich aufweitenden Taper (bzw. das erste optische Element 161 ) die lichtemittierende Fläche 100 ausgelegt sein.
Das als Primäroptik dienende erste optische Element 161 der Fig. 7 sowie auch entsprechende erste optische Elemente 162, 163, 164 gemäß den nachfolgend zu beschreibenden Fig. 8 bis 12 passen die von der Lichtquelle 150 bzw. den Einzellichtquellen 154 eines Arrays emittierte Strahlung an, um eine gemeinsame Strahlungsquelle auszubilden, die von einem nachfolgenden zu beschreibenden zweiten optischen Element der Lichtquelleneinheit 1 , z.B. ein Freiform reflektor 1111 - 1113 oder eine Freiform- oder TIR-Linse 1101 -1104 auch verarbeitet werden kann, so dass - wie beschrieben - möglichst die gesamte Strahlung erfasst wird und in vorbestimmter Verteilung der Bestrahlungsstärke auf den ersten Reflektor 2 abgegeben wird.
In den Fig. 8 bis 9 ist ein zu der Fig. 7 alternatives erstes optisches Element gemäß einem Ausführungsbeispiel in einer Lichtquelleneinheit 1 gezeigt. Es ist kompatibel mit einer einzelnen Lichtquelle 150 oder einer Anordnung mit einem Array von Einzellichtquellen 150 (nicht gezeigt). Jeder der Einzellichtquellen 150 kann dabei individuell ein eigenes optisches Element 162 zugeordnet sein, das als CPC (Compound-Parabolic-Concentrator, Beispiel einer nichtabbildenden Optik) ausgeführt ist. Diese ebenfalls als Lichtleiter oder auch als Tunnel ausgebildeten zweiten optischen Elemente 162 besitzen jeweils eine der Einzellichtquelle 150 zugewandte Lichteintrittsfläche, die der Lichtaustrittsfläche gegenüberliegt, wie es am besten in Fig. 9 zu sehen ist, die den Weg der Strahlung 300 durch das optische Element 162 zeigt. Die Gesamtheit dieser Lichtaustrittsflächen (im Falle mehrerer CPCs) bildet die lichtemittierende Fläche 100. Die lichtemittierende Fläche 100 braucht mithin auch nicht unbedingt zusammenhängend ausgebildet zu sein. Vorzugsweise bilden die Lichtaustrittsflächen aber eine Lichtquellenebene aus. Der Weg der Strahlung 300 in Fig. 9 verdeutlicht noch einmal, wie durch eine Vergrößerung der Lichtaustrittsfläche gegenüber der Lichteintrittsfläche (durch einen Taper) der Abstrahlwinkel gegenüber 90° (unter Erhalt der Etendue) verkleinert werden kann.
In Fig. 10 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Lichtquelleneinheit 1 gezeigt. Hierbei ist ein der Lichtquelle 150 bzw. jeweils jeder Einzellichtquelle 154 gegenüberliegendes optisches Element 163 vorgesehen, das als Linse ausgebildet ist. Linsen könne insbesondere als individuelle Primäroptik für ein Array von Emittern (Einzellichtquellen 150, UV-LEDs, UV-C-LEDs) verwendet werden. Anhand der Linsen kann ebenfalls ein verringerter Abstrahlwinkel erzielt werden, wie dem Gang der Strahlung in Fig. 10 zu entnehmen ist. Die individuelle Lichtaustrittsfläche ist hierbei gekrümmt. Die aus der Vielzahl von einzelnen Linsen zusammengesetzte Fläche bildet allerdings im Ergebnis durch ihre Anordnung eine Ebene aus, die hierin als Lichtquellenebene bezeichnet wird. Liegt überhaupt nur eine einzige Linse als optisches Element 163 vor, so wird die Lichtquellenebene durch eine zur entsprechenden optischen Achse senkrechte Ebene festgelegt, die an der Lichtaustrittsfläche der Linse anliegt.
Anstelle der oben rein beispielhaft vorgestellten optischen Elemente 161 , 162 und 163 können auch Vielzahlen einzelner lichtleitender Stäbe als optische Elemente dienen (nicht gezeigt).
In den Fig. 11 und 12 ist gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel einer optischen Vorrichtung eine Lichtquelleneinheit 1 mit einem optischen Element 164 dargestellt, das als ein Licht absorbierender Ring ausgebildet ist, der z.B. aus einem Metall wie Aluminium oder Stahl mit einem inneren Loch gebildet ist. Statt der Eigenschaft, Licht zu absorbieren, kann der Rand auch zur Innenseite hin reflektierend beschichtet sein, wobei die innere Randfläche ggf. konisch ausgebildet sein kann, um den Abstrahlwinkel zu verringern. Der Zweck des absorbierenden Rings besteht darin, die Winkel der austretenden Strahlung 300 an die gegenüber der Lichtquellenebene von Seiten des empfangenden zweiten optischen Elements bestehenden Anforderungen anzupassen. Es kann sich auch um ein absorbierendes Rechteckrohr handeln. Wie beschrieben können die optische Elemente 161 , 162, 163 und/oder 164 auch kombiniert werden, z. B. Stäbe oder Linsen und absorbierende Ringe.
In den Fig. 13 bis 17 sind Beispiele für in der Lichtquelleneinheit 1 einsetzbare zweite optische Elemente in Form von Linsen 1101 , 1102, 1103 (diffraktive Optiken) oder Tapers 1104 gezeigt, die jeweils der oder den Lichtquellen 150 bzw. der Primäroptik gegenüberliegen. Mit dem Bezugszeichen 1300 wird das kombinierte Element aus (Einzel-)lichtquelle 150 und erstem optischen Element 161 -164 bezeichnet. Mit 9200 werden die von der Lichtquelle 150 bis in und durch die Optik jeweils propagierenden Strahlen bezeichnet. Fig. 13 zeigt beispielsweise in schematischer Weise eine Freiformlinse 1101 , Fig. 14 zeigt eine TIR-Linse 1102 (total internal reflection), Fig. 15 eine sphärische oder asphärische Linse 1103 und Fig. 16 eine als Stab ausbildeten Lichtleiter 1104, dessen Querschnittsbreite sich mit zunehmendem Abstand von der Lichtquelle 150 vergrößert (Taper). Die zweiten optischen Elemente 1101 - 1104 dienen dazu, die Fernfeldwinkel der Lichtquelle 150 einzugrenzen. Unter dem Fernfeldwinkel ist derjenige Winkel zu verstehen, der in einem Abstand, der viel größer als die Austrittsfläche des jeweiligen optischen Elements ist - idealer Weise im Unendlichen - der einen dominanten Anteil der Strahlungsenergie enthält, z. B. mehr als 90%.
Im Fall der Freiformlinse 1101 besteht der besondere Vorteil, dass das an den ersten Reflektor 2 ausgegebene Strahlungsmuster (Verteilung der Bestrahlungsstärke über den Ausgangswinkel von der Lichtquellenebene aus) so ausgestaltet werden kann, dass die von dem ersten Reflektor reflektierte und kollimierte Strahlung (Strahlen 9110, 9111 ) die gewünschte Homogenität in dieser Hinsicht erlangt.
Ein spezielles Ausführungsbeispiel einer Freiformlinse 1101 ist in Fig. 17 gezeigt. Der zu bestrahlende erste Reflektor 2 besitzt Kantenlängen von 200 x 200 mm2, wobei der (erste) Abstand zwischen dem zweiten optischen Element (Freiformlinse 1101 ) und dem zweiten Reflektor 75 mm beträgt. Fig. 17 zeigt nur die durch eine Schnittebene (wie in Fig. 13) propagierenden Strahlen in schematischer Weise. Das im Rahmen eines Ausführungsbeispiels der optischen Vorrichtung einsetzbare Beispiel der Fig. 17 ist der oben zitierten Veröffentlichung Ries, H & Muschaweck, J.: "Tailored freeform optical surfaces" in J. Opt. Soc. Am. A/ Vol. 19, No. 3/ March 2002 entnommen. Die spezielle Freiformlinse 1101 besitzt eine Grundfläche (in Draufsicht in Z-Richtung) von ungefähr 2.6 x 2.6 mm2 und kann die Strahlung eines Konus von 80° (gegenüber der optischen Achse, ausgehend von der Lichtemissionsfläche des LED-Chips (0.5 x 0.5 mm2)) aufnehmen. Der Abstand der Freiformlinse 1101 von der Lichtemissionsfläche beträgt 0,1 mm und die Dicke der Freiformlinse 1101 in der Mitte, d.h., entlang der optischen Achse, beträgt 0,9 mm.
Die Fig. 18 bis 20 zeigen Beispiele von gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung in der Lichtquelleneinheit 1 einsetzbaren Freiformreflektoren 1111 , 1112, 1113 als zweites optisches Element. Links ist jeweils eine Schnittansicht gezeigt, rechts eine perspektivische Ansicht. Mit dem Bezugszeichen 1211 sind Punkte auf den Oberflächen beschrieben, sie stellen Stützpunkte der Freiform dar. Mit dem Bezugszeichen 9200 sind wieder die zum Freiformreflektor und wieder von diesem weg propagierenden Strahlen bezeichnet. Alle drei Beispiele können ebenfalls angepasst sein, einen ersten Reflektor 2 mit Kantenlängen von 200 x 200 mm2, zu bestrahlen. Der Freiformreflektor 1111 (siehe Fig. 18) besitzt eine Grundfläche (in Projektion/Draufsicht) von 17 x 17 mm2 und einen Abstand von 3 mm zur Lichtquellenebene. Als Reflektor kann er zudem deutlich mehr Strahlung aufsammeln als die o.g. Beispiel einer Freiformlinse: der Konuswinkel beträgt hier 89,9°. Der LED- Chip hat in diesem Beispiel eine Fläche von 1 .0 x 1 .0 mm2 sowie eine Leistung von 1 W.
Im Beispiel der Fig. 19 ist der Freiformreflektor 1111 symmetrisch zur Z-Richtung bzw. optische Achse des LED-Chips. Im Beispiel der Fig. 19 ist der Freiformreflektor 1112 dagegen asymmetrisch ausgebildet und lenkt die Strahlung von der Lichtquelle 150 her um etwa 90° zum ersten Reflektor 2 um. Der Freiform reflektor 1112 besitzt eine Grundfläche projiziert in die XY-Ebene von ungefähr 5 x 10 mm2 und sein Abstand von der Lichtquellenebene beträgt 3 mm in Z-Richtung. Der die aufgesammelte Strahlung bestimmende Konuswinkel beträgt hier nur 45°, so dass eine Vorab- Kollimation der vom LED-Chip emittierten Strahlung durch erste optische Elemente 161 - 164 wie in Fig. 7 bis 12 gezeigt wünschenswert ist. Im Beispiel der Fig. 20 ist ein Freiformreflektor 1113 gezeigt, der dem Freiform reflektor 1111 aus der Fig. 18 nach Aufbau und Form ähnelt, jedoch Strahlung nur aus einem deutlich kleineren Konuswinkel von etwa 45° aufsammeln kann. Deshalb sind auch hier für eine Vorab-Kollimation der vom LED-Chip emittierten Strahlung erste optische Elemente 161 - 164 wie in Fig. 7 bis 12 gezeigt wünschenswert. Die Emissionsfläche des UV-C-LED-Chips beträgt hier rein beispielhaft 0.5 x 0.5 mm2 bei 1 W Leistung.
Für die zweiten optischen Elemente insgesamt (Linsen und Reflektoren) wurden folgende bevorzugte geometrischen Zusammenhänge gefunden: die Abmessungen der Emissionsfläche des LED-Chips ist bevorzugt im Verhältnis zu den Abmessungen des ersten Reflektors kleiner als 1 :50, insbesondere kleiner 1 :100 sein. Bei einer Emissionsfläche von z.B. 1 x 1 mm liegen dann bevorzugte Abmessungen des ersten (Raum-)Reflektors bei 100 x 100 mm2 oder mehr. Das Aspektverhältnis der Emissionsfläche des oder der mehreren LED-Chips sollte nahe bei 1 liegen, vorzugsweise zwischen 0,5 und 2, besonders bevorzugt zwischen 0,8 und 1 ,2. Ferner ist der erste Reflektor in der Projektion entlang seiner optischen Achse vorzugsweise rechteckig.
Ferner beträgt für die Ausgestaltungen mit Freiformlinse (siehe die Fig. 13 und 17) der Abstand zwischen der Lichtquellenebene und der Freiformlinse der 0,5 mm oder weniger, vorzugsweise 0,25 mm oder weniger. Der Durchmesser der Freiformlinse sollte 25 mm oder weniger betragen, vorzugsweise 12,5 mm oder weniger. Ferner sollt der Abstand der Lichtquellenebene zum ersten Reflektor geringer sein als die Kantenlänge des ersten Reflektors, vorzugsweise die Hälfte oder weniger, weiter bevorzugt ein Drittel oder weniger der längeren Kantenlänge eines rechteckigen ersten Reflektors, oder im Falle eines Reflektors mit einer runden oder elliptischer Grundfläche entsprechend weniger als das Doppelte der großen Halbachse.
Für die Ausgestaltungen mit Freiformreflektor (siehe die Fig. 18 - 20) beträgt der Abstand zwischen der Lichtquellenebene und dem Freiformreflektor der Lichtquelleneinheit 5 mm oder weniger, vorzugsweise 2,5 mm oder weniger. Der Durchmesser des Freiform reflektors beträgt 75 mm oder weniger, vorzugsweise 40 mm oder weniger. Der Abstand der Lichtquellenebene zum ersten Reflektor sollte mehr als die Hälfte der größeren Kantenlänge des ersten Reflektors betragen, und geringer sein als das 1 ,5-fache der größeren Kantenlänge des ersten Reflektors, oder bei einem ersten Reflektor mit runder oder elliptischer Grundfläche entsprechend weniger als das Doppelte der große Halbachse.
Die Figuren 21 und 22 zeigen Ausführungsbeispiele unter Verwendung eines Paraboloidspiegels als ersten Reflektor 2 (Fig. 20) bzw. eines Fresnel-strukturierten parabolischen Raumreflektors als ersten Reflektor 2. Das Bezugszeichen 9400 zeigt die von der Lichtquelleneinheit 1 emittierte Strahlung an, das Bezugszeichen 9500 das kollimierte, im Wesentlichen parallele Strahlenbündel, das von dem ersten Reflektor 2 reflektiert wird. In Fig. 22 zeigt das Bezugszeichen 2001 eine Vergrößerung der Spiegeloberfläche mit den Fresnel-Strukturen an, mit einfallenden Strahlen 9401 und reflektierten, parallelen Strahlen 9501 , die das kollimierte Strahlenbündel 9500 zusammensetzen.
Der zweite Reflektor 3 (Rückreflektor) ist bevorzugt ein planer Spiegel mit geringer Verzerrung. In den meisten Ausführungsformen besitzt der vorzugsweise einen hohen Reflexionsgrad von über 70 %, vorzugsweise mehr als 80 %. um weiteres Volumen für die Desinfektion zu erschließen. Eine Ausnahme stellt die in Fig. 5 gezeigte Ausführungsform dar. Dort sollte das diffuse Streulicht 9190 in offenen Installationen begrenzt werden, um z. B. im Falle einer Oberluftinstallation die im Raum befindlichen Personen zu schützen. Die Begrenzung kann entweder durch eine Reduzierung der Strahlung der Lichtquelleneinheit, z.B. durch eine Begrenzung der der Lichtquelleneinheit zugeführten Leistung, oder mittels eines Rückreflektors mit geringem Reflexionsvermögen, um das auftretende und kaum zu kontrollierende Streulicht zu begrenzen.
In den Fig. 23 und 24 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der optischen Vorrichtung gezeigt. Die Fig. 23 zeigt dabei links (Fig. 23(a)) einen Überblick über die optische Vorrichtung mit der Lichtquelleneinheit 1 , dem ersten Reflektor 2, der die von der Lichtquelleneinheit 1 emittierte Strahlung empfängt und als kollimiertes Strahlenbündel 9500 reflektiert, dem zweiten Reflektor 3, der das Strahlenbündel 9500 empfängt und als reflektiertes Strahlenbündel 9600 zurückwirft, und dem mit dem ersten Reflektor 2 identischen Sensorreflektor 4. Das Ausführungsbeispiel entspricht der schematischen Darstellung einer optischen Vorrichtung 10 in Fig. 6. In der Mitte (Fig. 23(b)) ist ein vergrößerter Ausschnitt mit der Lichtquelleneinheit 1 und dem ersten Reflektor 2 zu sehen. Bei dem ersten Reflektor 2 bzw. dem Sensorreflektor 4 handelt es sich um einen Fresnel-strukturierten Raum- und Sensorreflektor. Mit dem Bezugszeichen 5000 ist eine Sensorebene der Sensoreinheit 5 bezeichnet. Mit dem Bezugszeichen 9400 ist das von der Lichtquelleneinheit 1 ausgehende divergierend emittierte Strahlenbündel bezeichnet. Mit dem Bezugszeichen 9700 ist das Strahlenbündel zwischen dem Sensorreflektor 4 und der Sensorebene der Sensoreinheit 5 bezeichnet. Wie zu erkennen ist, befindet sich die Lichtquelleneinheit 1 näher am ersten Reflektor 2 und die Sensoreinheit 5 mit der Sensorebene 5000 befindet sich entlang der optischen Achse dahinter. Auf der rechten Seite in Fig. 23 ist die Anordnung aus Lichtquelleneinheit und Sensoreinheit noch einmal vergrößert dargestellt (siehe Fig. 23(c)). Auf der Fläche der Sensorebene 5000 ist ein grobes Muster der vom Sensorreflektor 4 in diese Ebene fokussierten Strahlung zu erkennen.
Die Fig. 24 zeigt den identischen Aufbau wie in Fig. 23, wobei jedoch rein schematisch ein zylindrisches Objekt 8001 sowie ein sphärisches Objekt 8002 in den Strahlengang zwischen dem 1 . Reflektor 2 und dem 2. Reflektor 3 eingebracht sind. Besitzt die Sensoreinheit 5 in der Sensorebene 5000 eine höhere Auflösung, zum Beispiel durch einen Quadrantensensor oder eine größere Anzahl von Fotodioden, so kann eine in Fig. 24 c) illustrativ eingezeichnete Änderung der erfassten Strahlung verzeichnet werden, welches von der Steuereinheit (hier nicht gezeigt) ausgewertet werden kann. In jedem Fall kann durch die Abschaltung eine Reduktion der Leistung der in der Sensoreinheit 5 erfassten Strahlung verzeichnet werden. Bei höherer Auflösung kann die ungefähre Größe der Objekte bei der Auswertung des Musters berechnet werden. Es kann außerdem möglich sein, eine Position in der X- und Y- Richtung zu bestimmen. Im Fall der asymmetrischen Anordnung von Lichtquelleneinheit 1 und Sensoreinheit 5 in der optischen Vorrichtung 10 mit entsprechender Neigung des zweiten Reflektor 3 können für ein gegebenes Objekt sogar zwei Schatten festgestellt werden (einen im hinlaufenden Strahlenbündel 9500, einen im rücklaufenden Strahlenbündel 9600), aus deren Abstand auf die Entfernung des Objekts zur Sensoreinheit 5 rückgeschlossen werden kann.
In den Figuren 25 und 26 sind Beispiele für den Strahlabsorber 6 zu sehen. In Fig. 25 umfasst der Strahlabsorber 6 eine "W'-förmig gefaltete Struktur 6100, z.B. aus Blech. Die "W'-förmige Struktur ist aus einem Material mit niedrigem Reflexionsgrad für die schädliche UV-C-Strahlung, z. B. könnte sie entsprechend eloxiert sein. Idealerweise sollte die Struktur die Strahlung nicht in großen Winkeln streuen können. Die einfallende Strahlung 9000 wird in den Vertiefungen des "W mehrfach reflektiert und verliert dabei beträchtlich an Leistung, bis sie vollständig absorbiert ist.
In Fig. 26 das bloße Material bzw. die Struktur der Fig. 6 in ein Gehäuse des Strahlabsorbers 6 integriert. Die einfallende Strahlung 9000 durchläuft geeignet orientierte Lamellen 6300, wird dann an einer Spiegeloberfläche 6200 umgelenkt, um dann auf die Struktur 6100 zu fallen, so dass sie dort absorbiert wird. Der Strahlabsorber 6 kann in Fig. 23 hinter der Sensoreinheit 4 angebracht sein, etc., um an ihr vorbeilaufende Strahlung 9000 zu absorbieren.
Die Fig. 27 zeigt einen Raum mit mehreren Zellen 1000, 1001 , 1002, 1003, 1004, in denen jeweils eine optische Vorrichtung eingerichtet ist. Die Lichtquelleneinheit 1 , die Sensoreinheit 5 und der Strahlabsorber 6 sind im oberen Raumbereich jeweils nahe beieinander installiert. Erste Reflektoren befinden sich in den oberen Ecken der Zellen und reflektieren die von der Lichtquelleneinheit empfangene Strahlung vertikal nach unten auf den Boden des Raums bzw. der jeweiligen Zellen 1000, 1001 , 1002, 1003, 1004 (Strahlenbündel 9199). Dort ist der zweite Reflektor 3 positioniert, der das Strahlenbündel auf gleichem Wege (siehe Fig. 6 oder 23) wieder zurückwirft, so dass die Strahlung von der Sensoreinheit 5 erfasst werden kann. Betritt eine Person 7001 eine Zelle (hier die Zelle 1002) so wird dies wie mit Bezug auf Fig. 24 beschrieben von einer Steuereinheit erfasst, welche die Leistung der Lichtquelleneinheit 1 solchermaßen reduziert, dass keine Schädigungen von Personen mehr zu erwarten sind, oder die Leistung ganz abschaltet. Betritt die Person 7001 eine Nachbarzelle, so kann die Steuereinheit der optischen Vorrichtung dieser Nachbarzelle ein Signal über den Kommunikationsweg 1900 senden, so dass unter der Vermutung, dass die Person 7001 die Zelle 1002 verlassen hat, die optische Vorrichtung 10 dieser Zelle wieder mit voller Desinfektionsleistung betrieben werden kann.
Alternativ zu der Reduktion der UV-Strahlung auf unterhalb eines Schwellwerts kann die optische Vorrichtung eine zweite Lichtquelleneinheit (nicht gezeigt) umfassen, die Strahlung im visuellen oder infraroten Wellenlängenbereich emittiert, wobei die Sensoreinheit 5 eingerichtet ist, zusätzlich die Strahlung der zweiten Lichtquelleneinheit zu erfassen. In dem Fall, dass die erste Lichtquelleneinheit infolge des Signals 90 inaktiv geschaltet wird, kann dann die zweite Lichtquelleneinheit aktiv geschaltet werden. Dadurch wird es möglich, die Bewegung der Person durch den Raum bzw. die Zellen weiter zu verfolgen.
Es ist anzumerken, dass die optische Vorrichtung weitere Merkmale aufweisen kann, die nicht im Einzelnen beschrieben sind, wie etwa Antriebselektronik, Kühlung, mechanische Komponenten zur Blockierung unerwünschter Strahlung, z. B. Streulicht, elektronische und/oder mechanische Einrichtungen zur Ausrichtung der
System komponenten (Lichtquelleneinheit, erster Reflektor, zweiter Reflektor, Sensor- Reflektor, Sensoreinheit, Strahlabsorber), ein Ventilator zur Zwangskonvektion im Raum und/oder zur Kühlung der LED-Quelle(n), weitere Sensoren im Raum mit zugehörigen aktivierbaren Abschattungseinrichtungen, um die Sicherheit der im Raum anwesenden Personen zu gewährleisten, eine Heizung zur Vermeidung von Kondensation an den durch Feuchtigkeit beschädigten Teilen, Anzeigeleuchten, z. B. im sichtbaren Bereich, die aktiven Zone der Installation visualisiert und als Einstellhilfe dienen kann.
Ferner kann fluoreszierendes Material verwendet werden, um die aus dem hier hochgradig definierten Strahlungsweg austretende Strahlung sichtbar zu machen, und es können weitere Sensoren installiert werden, um die aus dem definierten Strahlengang austretende Strahlung zu messen. Das Signal solcher
Sensoren kann zum Abschalten des Geräts verwendet werden. Das Signal kann auch verwendet werden, um anzuzeigen, dass eine Wartung des Geräts oder der externen Reflektoren (Reinigung) erforderlich ist. Für die genannte Kühlung der LEDs können kleine Kühlkörper verwendet werden. Für die Zwangskonvektion können Lüfter verwendet werden. Der Luftstrom aus der Zwangskonvektion kann genutzt werden, um die behandelte Luft aus der aktiven Zone in die Safe Zone zu befördern. Meist kann nur durch einen solchen Luftaustausch das gesamte Luftvolumen im Raum effektiv behandelt werden.
BEZUGSZEICHENLISTE:
Lichtquelleneinheit erster Reflektor zweiter Reflektor dritter Reflektor
Sensoreinheit
Strahlabsorber
Raumdecke als diffuser Reflektor
Steuereinheit
Anzeigeinheit optische Vorrichtung
Signal lichtemittierende Fläche der Lichtquelleneinheit 1 (Lichtaustrittsfläche des optischen Elements, falls vorhanden)
Lichtquelle
Einzellichtquelle (UV-LED, UV-C-LED) erstes optisches Element (Lichtleiter, Stab, Taper) erstes optisches Element (CPC) erstes optisches Element (Linse) erstes optisches Element (Licht absorbierender
Ring)
Strahlung kartesisches Koordinatensystem (X, Y, Z)
Abstand zu bestrahlende Fläche -
Lichtquellenebene zu bestrahlende Fläche
Safe-Zone (Obergrenze) 950 von Fläche 915 reflektierte Strahlung
1000-1004 Zellen
1010-1050 Linien gleicher lokaler Bestrahlungsstärke
1090 konventionelle optische Vorrichtung
1101 diffraktive Optik:
1102 diffraktive Optik: TIR-Linse
1103 diffraktive Optik: sphärische oder asphärische Linse
1104 diffraktive Optik: Lichtleiter (Stab, Taper)
1111 Freiformreflektor
1112 Freiformreflektor
1113 Freiformreflektor
1211 Stützpunkte
1300 kombiniertes Element aus Lichtquelle 150 und erstem optischen Element 161 -164
1900 Kommunikationsweg
2001 Symmetrieachse (erster Reflektor)
5000 Sensorebene
6100 "W'-förmig gefaltete Struktur
6200 Spiegel, Spiegeloberfläche
6300 Lamellen, Lamellenvorhang
7001 Person
8001 zylindrisches Objekt
8002 sphärisches Objekt
9100, 9101 von Lichtquelleneinheit abgegebene Strahlung (Randstrahlen)
9110, 9111 von erstem Reflektor reflektierte Strahlung
(Randstrahlen)
9120, 9121 von zweitem Reflektor reflektierte Strahlung (Randstrahlen) 9130, 9131 von erstem oder drittem Reflektor reflektierte und fokussierte Strahlung (Randstrahlen)
9140, 9141 auf Strahlabsorber gelenkte Strahlung
9190 diffuse reflektierte Strahlung (Raumdecke), wie 950
9199 Strahlenbündel
9200 von Sekundäroptik weg propagierende Strahlen
9400 divergierend emittiertes Strahlenbündel
9401 einfallenden Strahlen
9500 kollimiertes Strahlenbündel
9501 reflektierte, parallele Strahlen
9600 rücklaufendes Strahlenbündel
9700 Strahlenbündel zwischen dem Sensorreflektor 4 und der Sensorebene der Sensoreinheit 5 z Hauptabstrahlnchtung (lichtem ittierende Fläche)

Claims

Ansprüche:
1 . Optische Vorrichtung (10) für die Desinfektion oberer Luftschichten in einem Raum, umfassend: eine Lichtquelleneinheit (1 ; 120), umfassend eine Lichtquelle (150) und eine lichtemittierende Fläche (100), die eingerichtet ist, Strahlung (300; 9100, 9101 ) in einem UV-Wellenlängenbereich abzugeben, einen ersten Reflektor (2), der eingerichtet ist, in einem ersten Abstand von der Lichtquelleneinheit angeordnet zu werden und die von der Lichtquelleneinheit (120) abgegebene Strahlung (300; 9100, 9101 ) zu empfangen und mit kollimierender Wirkung und geringem Fernfeldwinkel in eine erste Richtung in den Raum zu reflektieren; einen zweiten Reflektor (3), der eingerichtet ist, in dem Raum in einem zweiten Abstand von dem ersten Reflektor (2) und an einer dem ersten Reflektor (2) gegenüberliegenden Position angeordnet zu werden und die von dem ersten Reflektor (2) reflektierte Strahlung (300) zu empfangen und in eine zweite Richtung derart zu reflektieren, dass eine Sensoreinheit (5), die von dem zweiten Reflektor (3) reflektierte Strahlung (9110, 9111 ) direkt oder mittelbar empfangen kann; die Sensoreinheit (5), die eingerichtet ist, die vom zweiten Reflektor (3) reflektierte Strahlung (9120, 9121 ) zu erfassen; und eine mit der Sensoreinheit (5) und der Lichtquelleneinheit (1) verbundene Steuereinheit (8), die eingerichtet ist, abhängig von der jeweils erfassten Strahlung ein Signal (90) auszugeben, das den Zustand der optischen Vorrichtung (10) oder eine Beeinträchtigung des Schutzes von Personen vor der abgegebenen und/oder reflektierten Strahlung (300, 9100 - 9120) wiedergibt.
2. Optische Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 1 , ferner umfassend: einen Sensorreflektor (4), der die von dem zweiten Reflektor (3) reflektierte Strahlung (9120, 9121 ) empfängt und dazu eingerichtet ist, die empfangene Strahlung auf die Sensoreinheit (5) zu fokussieren, wobei der Sensorreflektor (4)
(a) ein von dem ersten und zweiten Reflektor (2, 3) verschiedenes optisches Element ist, oder
(b) identisch mit dem ersten Reflektor (2) ist, oder (c) identisch mit dem zweiten Reflektor (3) ist.
3. Optische Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 2, ferner umfassend: einen Strahlabsorber (6), der die nicht von der Sensoreinheit erfasste und verwertete Strahlung (9130,9131) zumindest überwiegend absorbiert.
4. Optische Vorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der zwischen der Lichtquelleneinheit (1 ) und dem ersten Reflektor (2) vorgesehene erste Abstand 1 m oder weniger beträgt, vorzugsweise 0,5 m oder weniger; und/oder der zwischen dem ersten Reflektor (2) und dem zweiten Reflektor (3) vorgesehene zweite Abstand nicht weniger als 4 m und nicht mehr als 40 m beträgt.
5. Optische Vorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Lichtquelle (150) eine oder mehrere Einzellichtquellen (154), insbesondere UV-LEDs, bevorzugt UV-C-LEDs umfasst.
6. Optische Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 5, wobei die Lichtquelleneinheit (120) ein erstes optisches Element (161 , 163, 164) oder mehrere erste optische Elemente (162) als Primäroptik umfasst, das beziehungsweise die der einen oder den mehreren UV-LEDs zugeordnet ist beziehungsweise sind, wobei die lichtemittierende Fläche (100) durch das eine oder die mehreren ersten optischen Elemente (161 , 162, 163, 164) ausgebildet wird.
7. Optische Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 5 oder 6, wobei die Lichtquelleneinheit (1 ) ein zweites optische Element (1101 - 1104; 1111 - 1113) aufweist, das ausgebildet ist als:
(a) ein Freiformreflektor (1111 - 1113), oder als
(b) eine TIR-Linse (1102), eine sphärische oder asphärische Linse (1103), ein Lichtleiter (1104) oder eine Freiformlinse (1101 ), vorzugsweise mit der Eigenschaft, eine im Wesentlichen homogene Verteilung der Bestrahlungsstärke der von dem zweiten optischen Element auf die Fläche des ersten Reflektors (2) geworfenen Strahlung (300; 9100, 9101 ) zu erzielen.
8. Optische Vorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der erste Reflektor (2) ein Paraboloidspiegel oder ein Fresnel-Reflektor mit
Paraboloideigenschaften ist.
9. Optische Vorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der erste Reflektor (2) im Fall einer in Draufsicht quadratischen oder
Rechteckform eine Kantenlänge und im Fall einer in Draufsicht abgerundeten Form einen Durchmesser von 100 mm oder mehr, vorzugsweise 200 mm oder mehr besitzt.
10. Optische Vorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der zweite Reflektor (3) ein im Wesentlichen planer Spiegel ist.
11 . Optische Vorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der zweite Reflektor (3) ein Paraboloidspiegel mit einer Fokallänge ist, die einem dritten Abstand zwischen dem zweiten Reflektor und der Sensoreinheit entspricht.
12. Optische Vorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Sensoreinheit (5) umfasst: eine einzelne oder mehrere Photodioden, einen einzelnen oder mehrere thermische Sensoren, einen Vierquadranten-Detektor aus Photodioden oder thermischen Sensoren, oder einen bildgebenden Detektor.
13. Optische Vorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 3 oder 4 bis 10, soweit rückbezogen auf Anspruch 3, wobei der Strahlabsorber (6) umfasst: eine Oberfläche mit einer UV-C-Strahlung absorbierenden
Materialeigenschaft; und/oder eine Oberfläche mit strukturierter Oberfläche (6100), durch welche UV- C-Strahlung durch Mehrfachreflexion in Strukturen abgeschwächt oder absorbiert wird.
14. Optische Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 12, wobei der Strahlabsorber (6) ferner eine Vorrichtung mit Lamellenvorhang (6300) und Umlenkreflektor (6200) umfasst, wobei durch den Lamellenvorhang Strahlung mit vorgegebener Richtung in ein Inneres der Vorrichtung eingelassen werden und mit dem Umlenkreflektor die eingelassene Strahlung (9000) im Inneren auf die UV-C-Strahlung absorbierende Oberfläche oder die strukturierte Oberfläche (6100) gelenkt wird.
15. Optische Vorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Steuereinheit (8) eingerichtet ist, abhängig von der Strahlung, die durch die Sensoreinheit (5) erfasst wird, die Lichtquelleneinheit (1 ) durch das ausgegebene Signal (90) wahlweise aktiv oder inaktiv zu schalten oder die von ihr zu emittierende Strahlung zumindest auf eine Bestrahlungsstärke in der vom ersten Reflektor reflektierten Strahlung unterhalb eines vorgegebenen Schwellwerts einzustellen.
16. Optische Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 15, wobei die Lichtquelleneinheit eine erste Lichtquelleneinheit ist; eine zweite Lichtquelleneinheit vorgesehen ist, die Strahlung im visuellen oder Infrarotbereich emittiert, wobei die Sensoreinheit (5) eingerichtet ist, zusätzlich die Strahlung der zweiten Lichtquelleneinheit zu erfassen; wobei in dem Fall, dass die erste Lichtquelleneinheit (1 ) inaktiv geschaltet wird, die zweite Lichtquelleneinheit aktiv geschaltet wird
17. Optische Anordnung umfassend wenigstens zwei der optischen Vorrichtungen (10) gemäß Anspruch 15 oder 16, wobei die Steuereinheiten (8) miteinander über einen Kommunikationsweg (1900) miteinander verbunden sind; wobei die Steuereinheit (8) einer ersten der optischen Vorrichtungen eingerichtet ist, das Signal (90) zusätzlich einer Steuereinheit (8) einer zweiten der optischen Vorrichtungen zuzuführen; wobei die Steuereinheit (8) der zweiten der optischen Vorrichtungen die ihr zugeordnete Lichtquelleneinheit (1) abhängig von dem ihr zugeführten Signal (90) wahlweise aktiv oder inaktiv schaltet.
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