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Es wird eine Beleuchtungseinrichtung angegeben.
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In den Druckschriften
CA 2 620 144 A1 ,
WO 2008/152576 A1 ,
DE 10 2006 043 402 A1 und
US 6 547 423 B2 sind verschiedene Beleuchtungseinrichtungen mit optischen Elementen beschrieben, die beispielsweise als rotationssymmetrische Vollkörper ausgebildet sind.
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Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine Beleuchtungseinrichtung anzugeben, die mischfarbiges Licht besonders homogen und mit definierter Abstrahlcharakteristik erzeugen kann.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung umfasst die Beleuchtungseinrichtung eine Lichtquelle. Die Lichtquelle weist zumindest zwei Leuchtdiodenchips auf, die im Betrieb Licht voneinander unterschiedlicher Farbe emittieren. Beispielsweise kann zumindest einer der Leuchtdiodenchips im Betrieb rotes Licht emittieren. Ein anderer Leuchtdiodenchip der Lichtquelle kann dann im Betrieb zum Beispiel weißes Licht emittieren. Ferner ist es möglich, dass die Lichtquelle mehr als zwei Leuchtdiodenchips aufweist, wobei von den Leuchtdiodenchips im Betrieb Licht von drei oder mehr unterschiedlichen Farben emittiert wird.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung umfasst die Beleuchtungseinrichtung ein optisches Element. Das optische Element ist dazu vorgesehen, das von der Lichtquelle erzeugte Licht in einen Lichtstrahl mit definiertem Abstrahlprofil zu bündeln. Beispielsweise kann das optische Element das von der Lichtquelle im Betrieb erzeugte Licht in einen Lichtkegel mit einem Öffnungswinkel zwischen wenigstens 5° bis höchstens 40° bündeln. Bei dem Öffnungswinkel des Lichtkegels handelt es sich dabei um den Winkel zwischen der Mantellinie des Kegels und der Kegelachse. Der Mantel des Lichtkegels wird dort angenommen, wo die Intensität des abgestrahlten Lichts auf die Hälfte ihres maximalen Werts abgesunken ist.
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Darüber hinaus ist das optische Element dazu vorgesehen, das Licht unterschiedlicher Farben der Leuchtdiodenchips der Lichtquelle zu mischen. Das optische Element mischt dabei das Licht derart, dass der resultierende Farbort des abgestrahlten Lichts der Beleuchtungseinrichtung im Fernfeld wenigstens innerhalb der Koordinaten der ANSI-Boxen der korrelierten Farbtemperatur des Mischlichts liegt. „Im Fernfeld“ bedeutet dabei, dass der Abstand zu einer Strahlungsaustrittsfläche der Beleuchtungseinrichtung beispielsweise zehnmal dem Durchmesser des optischen Elements oder mehr beträgt (zum Beispiel 1 m oder mehr). Das optische Element ist dabei vorzugsweise dazu vorgesehen, dass sich der definierte Farbort des Mischlichts über den vollen Winkel um die Beleuchtungseinrichtung einstellt. Das heißt, in einem Winkelbereich von 180° - auf einer gedachten Halbkugel, welche die Beleuchtungseinrichtung vollständig, kuppelartig überspannt - stellt sich der beschriebene definierte Farbort des Mischlichts ein.
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Mit anderen Worten ist das optische Element dazu vorgesehen, das von den Leuchtdiodenchips emittierte Licht unterschiedlicher Farbe derart zu mischen, dass der Farbort einer mit der Beleuchtungseinrichtung ausgeleuchteten Fläche für das menschliche Auge homogen erscheint.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung ist das optische Element als ein Vollkörper ausgebildet, der aus einem dielektrischen Material besteht. Zum Beispiel besteht das optische Element aus einem Kunststoff, wie zum Beispiel PMMA. Dies hat den Vorteil, dass das optische Element beispielsweise über ein Spritzgussverfahren besonders kostengünstig hergestellt werden kann.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung weist das optische Element die folgenden Flächen auf: Eine Strahlungseintrittsfläche, die den Leuchtdiodenchips zugewandt ist, eine Strahlungsaustrittsfläche, die den Leuchtdiodenchips abgewandt ist, und eine Mantelfläche, die die Strahlungseintrittsfläche und die Strahlungsaustrittsfläche miteinander verbindet.
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Mit anderen Worten ist das optische Element mit seiner Strahlungseintrittsfläche den Leuchtdiodenchips in deren Hauptabstrahlrichtung nachgeordnet, sodass der überwiegende Teil des von den Leuchtdiodenchips im Betrieb emittierten Lichts zur Strahlungseintrittsfläche des optischen Elements gelangt und dort in das optische Element eintreten kann. Ein Großteil des in das optische Element eingekoppelten Lichts verlässt das optische Element durch die Strahlungsaustrittsfläche, die an der der Strahlungseintrittsfläche abgewandten Seite des optischen Elements angeordnet ist. Die Mantelfläche des optischen Elements umgibt das optische Element seitlich und verbindet auf diese Weise die Strahlungseintrittsfläche mit der Strahlungsaustrittsfläche.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung ist die Mantelfläche für das von den Leuchtdiodenchips im Betrieb emittierte Licht reflektierend ausgebildet. Das heißt, Licht, das beim Durchlaufen des optischen Elements auf die Mantelfläche trifft, wird dort zumindest zu einem überwiegenden Teil, beispielsweise in Richtung der Strahlungsaustrittsfläche, reflektiert. Die Reflexion kann dabei mittels Totalreflexion erfolgen. Es ist aber auch möglich, dass die Mantelfläche reflektierend beschichtet ist. Die reflektierende Beschichtung kann zum Beispiel durch eine Metallschicht, die auf die Mantelfläche zum Beispiel aufgedampft ist, realisiert sein.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung ist die Mantelfläche zumindest stellenweise aus den Mantelflächen von zumindest zwei Kegelstümpfen zusammengesetzt, die sich hinsichtlich ihrer Öffnungswinkel unterscheiden. Die Öffnungswinkel der Kegelstümpfe sind dabei die Winkel zwischen einer Mantellinie des Kegelstumpfs und der Kegelachse. Die Kegelachse der Kegelstümpfe fällt bevorzugt mit der Längsmittelachse des optischen Elements zusammen. Die Kegel sind dabei derart aufeinander angeordnet, dass sie sich jeweils in der Richtung von der Strahlungsaustrittsfläche zur Strahlungseintrittsfläche des optischen Elements verjüngen.
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Das optische Element weist in dieser Ausführungsform also eine Mantelfläche auf, die sich aus den Mantelflächen von zumindest zwei oder mehr Kegelstümpfen zusammensetzt. Die zumindest zwei oder mehr Kegelstümpfe approximieren dabei die Mantelfläche eines größeren Kegelstumpfs. Mit anderen Worten weist das optische Element an seiner Außenfläche rotationssymmetrische Facetten auf, die bezüglich der Längsmittelachse des optischen Elements rotationssymmetrisch ausgebildet sind. Diese Facettierung der Mantelfläche des optischen Elements führt dazu, dass das austretende Licht besonders homogen hinsichtlich seiner Farbe gemischt ist.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung sind die Strahlungseintrittsfläche und/oder die Strahlungsaustrittsfläche des optischen Elements zumindest stellenweise uneben. „Uneben“ kann dabei bedeuten, dass zumindest eine dieser Flächen konvex oder konkav gewölbt ist. Ferner kann uneben bedeuten, dass zumindest eine dieser Flächen eine Strukturierung, wie zum Beispiel eine Aufrauung, aufweist. Dabei kann die Fläche, welche zumindest stellenweise uneben ist, in Bereichen auch eben und/oder glatt ausgeführt sein. In diesen Bereichen weist die Fläche keine Krümmung und/oder keine Strukturierung auf.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung ist ein Spalt zwischen zumindest einem der Leuchtdiodenchips der Lichtquelle und der Strahlungseintrittsfläche angeordnet, der mit einem Gas gefüllt ist. Der Spalt kann beispielsweise mit Luft gefüllt sein. Das heißt, von den Leuchtdiodenchips im Betrieb emittiertes Licht wird beim Eintritt in das optische Element an der Strahlungseintrittsfläche gebrochen, da dort ein großer Brechungsindexunterschied vorhanden ist. Beispielsweise beträgt der Brechungsindex des Gases zirka n = 1. Der Brechungsindex des optischen Elements beträgt wenigstens 1,3. Mit anderen Worten wirkt die Strahlungseintrittsfläche als optische Fläche. Zumindest einer der Leuchtdiodenchips ist nicht brechungsindexangepasst an das optische Element angeschlossen. Dabei ist es möglich, dass sich der Spalt zwischen sämtlichen Leuchtdiodenchips der Lichtquelle und der Strahlungseintrittsfläche des optischen Elements befindet.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung stellt das optische Element der Beleuchtungseinrichtung das einzige optische Element dar, das sämtlichen Leuchtdiodenchips der Lichtquelle nachgeordnet ist. Das heißt, die Beleuchtungseinrichtung umfasst in diesem Fall ein einziges optisches Element, das zur Erzeugung eines definierten Abstrahlprofils und zur Farbmischung vorgesehen ist. Die Verwendung eines einzigen optischen Elements für beide dieser Aufgaben minimiert die optischen Grenzflächenverluste und bietet damit den Vorteil einer besonders effizienten Beleuchtungseinrichtung. Es wird also kein mehrstufiges Optiksystem verwendet, bei dem in einer ersten Stufe das Licht zum Beispiel vor-kollomiert wird, in einer zweiten Stufe das Abstrahlprofil definiert eingestellt wird und in einer letzten Stufe - zum Beispiel mittels eines Lichtdiffusionselements - die Farbmischung durchgeführt wird.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung weist das optische Element an der Seite der Strahlungsaustrittsfläche eine Einbuchtung auf, wobei das optische Element in der Einbuchtung einen konvex nach außen gekrümmten ersten Bereich aufweist. Der erste Bereich ist dabei vorzugsweise rotationssymmetrisch um die Längsmittelachse des optischen Elements angeordnet. In diesem Bereich kann das optische Element beispielsweise nach Art einer Sammellinse ausgebildet sein. Das optische Element weist dann vorzugsweise einen zweiten Bereich auf, welcher den ersten Bereich seitlich umgibt. Beispielsweise umschließt der zweite Bereich den ersten Bereich ringförmig.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung umfasst die Beleuchtungseinrichtung eine Lichtquelle, die zumindest zwei Leuchtdiodenchips umfasst, die im Betrieb Licht voneinander unterschiedlicher Farbe emittieren, und ein optisches Element, das als Vollkörper aus einem dielektrischen Material ausgebildet ist. Das optische Element umfasst dabei eine Strahlungseintrittsfläche, die den Leuchtdiodenchips zugewandt ist, eine Strahlungsaustrittsfläche, die den Leuchtdiodenchips abgewandt ist, und eine Mantelfläche, welche die Strahlungseintrittsfläche und die Strahlungsaustrittsfläche miteinander verbindet, wobei die Mantelfläche für das von den Leuchtdiodenchips im Betrieb emittierte Licht reflektierend ausgebildet ist und zumindest stellenweise aus den Mantelflächen von zumindest zwei Kegelstümpfen zusammengesetzt ist, die sich hinsichtlich ihrer Öffnungswinkel unterscheiden, und die Strahlungseintrittsfläche und/oder die Strahlungsaustrittsfläche zumindest stellenweise uneben sind. Dabei ist ein Spalt zwischen zumindest einem der Leuchtdiodenchips der Lichtquelle und der Strahlungseintrittsfläche angeordnet, der mit einem Gas gefüllt ist. Das optische Element stellt dabei das einzige optische Element dar, das sämtlichen Leuchtdiodenchips der Beleuchtungseinrichtung nachgeordnet ist. Im Fernfeld wird von der Beleuchtungseinrichtung homogenes Mischlicht abgestrahlt. Ferner weist das optische Element an der Seite der Strahlungsaustrittsfläche eine Einbuchtung auf, wobei das optische Element in der Einbuchtung einen konvex nach außen gekrümmten ersten Bereich aufweist, der seitlich zumindest stellenweise von einem zweiten Bereich des optischen Elements umgeben ist.
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Der hier beschriebenen Beleuchtungseinrichtung liegen dabei unter anderem die folgenden Ideen zugrunde: Zum einen erweist sich die Verwendung einer einzigen, einstufigen Optik zur Farbmischung und Erzeugung eines definierten Abstrahlprofils als besonders effizient, da Verluste an Grenzflächen des optischen Elements dadurch minimiert sind. Dazu wird für jede Farbe der Leuchtdiodenchips ein eigener Lichtpfad im optischen Element realisiert, der jeweils für sich genommen eine Fläche im Fernfeld zumindest hinsichtlich der Farbe inhomogen ausleuchten würde. Die Inhomogenitäten der einzelnen Lichtpfade kompensieren sich in der Summe, wodurch eine Lichtmischung realisiert ist. Das heißt, an der Strahlungsaustrittsfläche des optischen Elements können Inhomogenitäten im Farbort vorhanden sein, die vom menschlichen Betrachter wahrnehmbar sind. Im Fernfeld jedoch erscheint der Farbort der mit der Beleuchtungseinrichtung ausgeleuchteten Fläche als homogen.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung ist die Mantelfläche des optischen Elements zumindest stellenweise die Mantelfläche eines Kegelstumpfes. Das heißt, das optische Element weist zwischen der Strahlungseintrittsfläche und der Strahlungsaustrittsfläche zumindest einen Bereich auf, in dem es kegelstumpfartig ausgebildet ist. Der Kegelstumpf verjüngt sich dabei vorzugsweise von der Strahlungsaustrittsfläche in Richtung der Strahlungseintrittsfläche. Dabei ist es insgesamt auch möglich, dass die Projektion der Strahlungsaustrittsfläche in eine Ebene senkrecht zu einer Längsmittelachse des optischen Elements einen größeren Flächeninhalt aufweist, als die Projektion der Strahlungseintrittsfläche in diese Ebene.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung wird das Licht der Leuchtdiodenchips mittels Totalreflexion an der Mantelfläche in Richtung der Strahlungsaustrittsfläche reflektiert. Das bedeutet, im optischen Element findet eine Lichtleitung von der Strahlungseintrittsfläche zur Strahlungsaustrittsfläche mittels Totalreflexion an der Mantelfläche statt. Lichtstrahlen der Leuchtdiodenchips verlaufen im Vollkörper des optischen Elements und treffen an der Mantelfläche an einem Brechungsindexsprung vom optisch dichteren Material des optischen Elements zum optisch dünneren Material der Umgebung - zum Beispiel Luft. Die Lichtlenkung mittels Totalreflexion erweist sich dabei als besonders effizient und führt zu kaum oder gar keinen optischen Verlusten aufgrund der Reflexion.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung wird jeder Lichtstrahl des von den Leuchtdiodenchips emittierten Lichts höchstens einmal an der Mantelfläche reflektiert, bevor er das optische Element durch die Strahlungsaustrittsfläche verlässt. Das heißt, ein Lichtstrahl durchtritt das optische Element entweder ohne auf die Mantelfläche zu treffen oder der Lichtstrahl trifft höchstens einmal auf die Mantelfläche und kann dort dann in Richtung der Strahlungsaustrittsfläche des optischen Elements zum Beispiel totalreflektiert werden. Dies kann durch eine entsprechende Anpassung der Höhe des optischen Elements im Bereich der Mantelfläche in einer Richtung längs der Längsmittelachse des optischen Elements in Bezug auf die Lichtabstrahlfläche der Lichtquelle realisiert sein. Das heißt zum Beispiel, dass das optische Element im Bereich der Mantelfläche umso dünner ausgeführt wird, je größer die Lichtabstrahlfläche der Lichtquelle ist. Die Lichtabstrahlfläche ist dabei die Fläche, welche die Umhüllende einschließt, die um sämtliche Leuchtdiodenchips der Lichtquelle geführt ist.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung ist das optische Element stellenweise als Kegelstumpf ausgebildet. Im Bereich, in dem das optische Element als Kegelstumpf ausgebildet ist, weist es eine Mantelfläche auf, welche die Mantelfläche eines Kegelstumpfes ist. Das optische Element kann dabei ein oder mehr Kegelstümpfe aufweisen, wobei die mehreren Kegelstümpfe übereinander gestapelt sind. Der oder die Kegelstümpfe verjüngen sich dabei in Richtung von der Strahlungsaustrittsfläche zur Strahlungseintrittsfläche des optischen Elements.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung ist das optische Element stellenweise als Kegelstumpf ausgebildet, der an der Seite der Strahlungseintrittsfläche eine Ausnehmung aufweist. An der Seite der Strahlungseintrittsfläche kann der Kegelstumpf beispielsweise ein Loch aufweisen, das in vorgegebener Weise ausgeformt ist. Die Ausnehmung ist dabei vorzugsweise rotationssymmetrisch zur Längsmittelachse des optischen Elements ausgebildet. Zum Beispiel ist die Ausnehmung zylindrisch ausgebildet, wobei die Längsmittelachse des Zylinders mit der Längsmittelachse des Kegelstumpfes und mit der Längsmittelachse des optischen Elements zusammenfällt.
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Die Ausnehmung kann dafür vorgesehen sein, dass Lichtstrahlen, die auf eine den Leuchtdiodenchips zugewandte Bodenfläche der Ausnehmung treffen, das optische Element durchlaufen können, ohne auf die Mantelfläche des optischen Elements zu treffen. Seitenflächen der Ausnehmung, welche die Bodenfläche der Ausnehmung seitlich umschließen, können dazu vorgesehen sein, durch Lichtbrechung auftreffende Lichtstrahlen zur Mantelfläche zu lenken, wo sie mittels Totalreflexion in Richtung der Strahlungsaustrittsfläche reflektiert werden. Insgesamt dient die mit einer Ausnehmung strukturierte Strahlungseintrittsfläche zur Strahlformung. Die Bodenfläche der Ausnehmung kann dafür stellenweise strukturiert sein, zum Beispiel kann sie konvex oder konkav gekrümmt sein oder Aufrauungen aufweisen. Die Seitenfläche der Ausnehmung ist vorzugsweise glatt ausgebildet - sie ist also nicht aufgeraut.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung überragt der zweite Bereich den ersten Bereich in Richtung von der Strahlungseintrittsfläche zur Strahlungsaustrittsfläche zumindest stellenweise. Das heißt, der zweite Bereich kann nach Art eines Walls rahmenartig um den ersten Bereich herum ausgeführt sein. Der zweite Bereich kann dabei den ersten Bereich vollständig umschließen. Das optische Element weist dann zum Beispiel an seiner Strahlungsaustrittsfläche eine Einbuchtung auf, in welcher ein Bereich ausgebildet ist, der konvex nach außen, das heißt in Richtung von der Strahlungseintrittsfläche zur Strahlungsaustrittsfläche gekrümmt ist. Der konvex gekrümmte Bereich wird seitlich dann vom zweiten Bereich überragt.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung weist zumindest eine der folgenden Flächen des optischen Elements zumindest stellenweise eine Strukturierung auf: Die Strahlungseintrittsfläche, die Strahlungsaustrittsfläche, die Mantelfläche. Bei der Strukturierung kann es sich zum Beispiel um linsenartige konvexe oder konkave Strukturierungen handeln, welche in die jeweilige Fläche eingeformt sind. Zum Beispiel sind auf der Strahlungsaustrittsfläche elliptische Linsen angeordnet, welche durch konvex nach außen gekrümmte Bereiche des optischen Elements auf der Strahlungsaustrittsfläche ausgebildet sind. Die elliptischen Linsen können dann mit ihrer Haupterstreckungsrichtung in Richtung des Durchstoßpunktes von Längsmittelachse und Strahlungsaustrittsfläche ausgerichtet sein.
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Darüber hinaus kann es sich bei der Strukturierung um eine Aufrauung handeln, die zur Lichtstreuung vorgesehen ist. Die Aufrauung kann zu einer weiteren Durchmischung der unterschiedlichen Farben der Leuchtdiodenchips vorgesehen sein. Dabei ist es jedoch dann wichtig, dass zumindest Teile der Strahlungseintrittsfläche frei von solchen Aufrauungen sind. Das heißt, gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung ist die Strahlungseintrittsfläche stellenweise glatt ausgeführt. Insbesondere ist die Strahlungseintrittsfläche dort glatt ausgeführt, wo Lichtstrahlen in sie eintreten, welche im weiteren Verlauf auf die Mantelfläche treffen und dort totalreflektiert werden. Diese Lichtstrahlen werden nämlich vom optischen Element definiert derart gelenkt, dass sich insgesamt ein farbhomogenes Mischlicht einstellt, das ein definiertes Abstrahlprofil aufweist.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung ist die Mantelfläche zumindest stellenweise aus ebenen Flächen zusammengesetzt, die zumindest einen Kegelstumpf approximieren. Das heißt, die Mantelfläche ist beispielsweise vollständig aus nichtrotationssymmetrischen Facetten zusammengesetzt. Auch diese Maßnahme führt dazu, dass das aus der Beleuchtungseinrichtung austretende Licht besonders homogen gemischt wird.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung umfasst die Beleuchtungseinrichtung eine Lichtquelle, die zumindest zwei Leuchtdiodenchips umfasst, die im Betrieb Licht voneinander unterschiedlicher Farbe emittieren, und ein optisches Element, das als Vollkörper aus einem dielektrischen Material ausgebildet ist. Das optische Element umfasst dabei eine Strahlungseintrittsfläche, die den Leuchtdiodenchips zugewandt ist, eine Strahlungsaustrittsfläche, die den Leuchtdiodenchips abgewandt ist, und eine Mantelfläche, welche die Strahlungseintrittsfläche und die Strahlungsaustrittsfläche miteinander verbindet, wobei die Mantelfläche für das von den Leuchtdiodenchips im Betrieb emittierte Licht reflektierend ausgebildet ist und die Strahlungseintrittsfläche und/oder die Strahlungsaustrittsfläche zumindest stellenweise uneben sind. Dabei ist ein Spalt zwischen zumindest einem der Leuchtdiodenchips der Lichtquelle und der Strahlungseintrittsfläche angeordnet, der mit einem Gas gefüllt ist. Das optische Element stellt dabei das einzige optische Element dar, das sämtlichen Leuchtdiodenchips der Beleuchtungseinrichtung nachgeordnet ist. Im Fernfeld wird von der Beleuchtungseinrichtung homogenes Mischlicht abgestrahlt. Ferner ist die Mantelfläche zumindest stellenweise aus den Mantelflächen von zumindest zwei Kegelstümpfen zusammengesetzt, die sich hinsichtlich ihrer Öffnungswinkel unterscheiden, wobei die Mantelfläche zumindest stellenweise aus ebenen Flächen zusammengesetzt ist, die zumindest einen Kegelstumpf approximieren.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung sind die Leuchtdiodenchips der Lichtquelle in einer gemeinsamen Montageebene angeordnet. Bei der gemeinsamen Montageebene handelt es sich beispielsweise um die Oberfläche eines Anschlussträgers, auf welchen die Leuchtdiodenchips aufgebracht sind. Das optische Element ist rotationssymmetrisch bezüglich der Längsmittelachse ausgebildet. Leuchtdiodenchips gleicher Farbe der Lichtquelle sind punktsymmetrisch bezüglich des Durchstoßpunktes zwischen der Längsmittelachse und der Montageebene angeordnet. Eine solche Anordnung der Leuchtdiodenchips der Lichtquelle bezüglich des optischen Elements ermöglicht eine besonders homogene Lichtmischung des von der Beleuchtungseinrichtung abgestrahlten Lichts.
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Die Ausdrücke „rotationssymmetrisch“ und „punktsymmetrisch“ sind dabei so zu verstehen, dass diese Symmetrie hinsichtlich einer Herstellungstoleranz eingehalten wird. Es wird also nicht augenfällig und absichtlich von diesen Symmetrien abgewichen.
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Im Folgenden wird die hier beschriebene Beleuchtungseinrichtung anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert.
- Die 1A, 1B, 2A, 2B, 3A, 3B, 4 zeigen Ausführungsbeispiele von hier beschriebenen Beleuchtungseinrichtungen und den dazugehörigen optischen Elementen anhand schematischer Darstellungen.
- Anhand der 5, 6A und 6B sind optische Eigenschaften der hier beschriebenen Beleuchtungseinrichtungen näher erläutert.
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Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
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Die 1A und 1B zeigen ein erstes nicht beanspruchtes Ausführungsbeispiel einer hier beschriebenen Beleuchtungseinrichtung in schematischen Perspektivdarstellungen aus unterschiedlichen Betrachtungswinkeln. Die Beleuchtungseinrichtung umfasst eine Lichtquelle 1. Die Lichtquelle 1 umfasst sechs Leuchtdiodenchips 2a, 2b. Beispielsweise umfasst die Lichtquelle 1 zwei rotes Licht emittierende Leuchtdiodenchips 2a und vier weißes Licht emittierende Leuchtdiodenchips 2b.
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Das weiße Licht der Leuchtdiodenchips 2b wird dabei beispielsweise mittels eines Lumineszenzkonversionsmaterials erzeugt, welches zumindest einen Teil des von einem Halbleiterkörper der Leuchtdiodenchips emittierten Lichts zu einem Licht höherer Wellenlänge konvertiert. Beispielsweise ist das weiße Licht aus blauen und gelben Anteilen gemischt.
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Die Leuchtdiodenchips 2a können jeweils ein eigenes optisches Element umfassen, das zum Beispiel durch einen Vergusskörper gebildet ist, in welchem die Leuchtdiodenchips 2a, 2b eingebettet sind.
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Die Leuchtdiodenchips 2a, 2b sind auf einem Anschlussträger 5 aufgebracht, der als bedruckte Leiterplatte oder Metallfilmplatine ausgebildet sein kann. Die Leuchtdiodenchips 2a, 2b sind in einer gemeinsamen Montageebene 12 angeordnet, die zum Beispiel durch die den Leuchtdiodenchips 2a, 2b zugewandte Montageseite des Anschlussträgers 5 gebildet ist. Die Leuchtdiodenchips der Lichtquelle 1 sind punktsymmetrisch hinsichtlich des Durchstoßpunkts 13 zwischen der Längsmittelachse 11 des optischen Elements 3 und der Montageebene 12 angeordnet. Mit anderen Worten befinden sich die beiden rotes Licht emittierenden Leuchtdiodenchips 2a auf einer Diagonalen, welche die Längsmittelachse 11 schneidet.
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Der Lichtquelle 1 ist das optische Element 3 nachgeordnet.
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Das optische Element 3 ist als Vollkörper aus einem transparenten Kunststoff ausgebildet. Das optische Element 3 ist vorzugsweise frei von strahlungsstreuenden Teilchen. Das heißt, das optische Element 3 ist klarsichtig ausgebildet. Das optische Element 3 umfasst eine Strahlungseintrittsfläche 31, die der Lichtquelle 1 zugewandt ist. Die Strahlungseintrittsfläche 31 ist beabstandet von den Leuchtdiodenchips 2a, 2b der Lichtquelle 1 angeordnet, sodass ein Spalt 4 zwischen der Lichtquelle 1 und dem optischen Element 3 vorhanden ist, der vorliegend mit Luft gefüllt ist. Das optische Element 3 umfasst ferner eine Mantelfläche 32, die vorliegend stellenweise die Mantelfläche eines Kegelstumpfes ist, der sich in Richtung der Strahlungseintrittsfläche 31 verjüngt.
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Weiter umfasst das optische Element 3 eine Strahlungsaustrittsfläche 33. Die Strahlungsaustrittsfläche 33 gliedert sich vorliegend in zwei Bereiche 331, 332. Im ersten Bereich 331 ist die Strahlungsaustrittsfläche 33 konvex nach außen gewölbt. Der zweite Bereich 332 ist eben ausgebildet und umschließt den ersten Bereich 331 randseitig, wobei die Strahlungsaustrittsfläche im ersten Bereich 331 die Strahlungsaustrittsfläche im zweiten Bereich 332 überragt.
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Auch das optische Element 3 ist in zwei Bereiche gegliedert: In einem ersten Bereich 3a ist die Mantelfläche des optischen Elements 32 die Mantelfläche eines Kegelstumpfs. Bis auf die Ausnehmung 6 an der Strahlungseintrittsfläche 33 ist das optische Element 3 im ersten Bereich 3a als ein Kegelstumpf ausgebildet. Im zweiten Bereich des optischen Elements 3b ist das optische Element kuppelartig nach außen gewölbt.
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Im ersten Bereich 3a des optischen Elements 3 weist das optische Element 3 eine Ausnehmung 6 auf, die zylinderartig oder kegelstumpfartig ausgebildet ist. Ist die Ausnehmung 6 kegelstumpfartig ausgebildet, so verjüngt sich der Kegelstumpf von der Strahlungseintrittsfläche 31 in Richtung der Strahlungsaustrittsfläche 33. Die Ausnehmung 6 ist in jedem Fall rotationssymmetrisch ausgebildet, wobei die Rotationsachse mit der Längsmittelachse 11 des optischen Elements zusammenfällt. Die Längsmittelachse 11 schneidet die Lichtquelle 1 im Durchstoßpunkt 13. Bevorzugt liegt auch der geometrische Schwerpunkt der Lichtquelle 1 auf der Längsmittelachse 11.
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Die Funktionsweise der Beleuchtungseinrichtung im Betrieb kann wie folgt beschrieben werden: Das von den Leuchtdiodenchips 2a, 2b im Betrieb emittierte Licht 22a, 22b trifft auf die Strahlungseintrittsfläche 31. Dort wird es aufgrund des Brechungsindexunterschieds gebrochen. Manche Strahlen werden dabei direkt zur Strahlungsaustrittsfläche 33 gelenkt und verlassen das optische Element 3, ohne auf die Mantelfläche 32 im Bereich 3a des optischen Elements zu treffen. Dies trifft insbesondere für Strahlen zu, die im Bereich der Bodenfläche 6a der Ausnehmung 6 in das optische Element 3 eintreten.
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Lichtstrahlen, die im Bereich der Seitenfläche 6b der Ausnehmung 6 in das optische Element 3 eintreten, werden in Richtung der Mantelfläche 32 im Bereich 3a gelenkt und dort vorzugsweise genau einmal totalreflektiert, bevor sie das optische Element 3 durch die Strahlungsaustrittsfläche 33, zum Beispiel im zweiten Bereich 332, verlassen.
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Insgesamt weist das optische Element 3 an seiner Strahlungsaustrittsfläche 33 eine inhomogene Verteilung des Lichts der unterschiedlichen Farben auf. Aufgrund der Rotationssymmetrie des optischen Elements 3 sowie der Anordnung der Leuchtdiodenchips 2 der Lichtquelle 1 findet jedoch im Fernfeld, das heißt in einem Abstand von beispielsweise wenigstens 10 cm, zum Beispiel von 1 m, eine Farbmischung statt, die besonders gleichmäßig ist.
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Die Lichtstrahlen 22a, 22b werden insbesondere nicht schon bei ihrem Eintritt in das optische Element, zum Beispiel durch eine Aufrauung, diffus gestreut und auf diese Weise durchmischt, sondern das Licht unterschiedlicher Farben kann das optische Element auf getrennten Wegen, unabhängig voneinander durchlaufen.
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Insbesondere im Bereich der Seitenflächen 6b der Ausnehmung ist die Strahlungseintrittsfläche 31 glatt ausgebildet, sodass sich eine definierte Brechung der Lichtstrahlen 22a, 22b in Richtung der Mantelfläche 32 und anschließend eine definierte Reflexion in Richtung der Strahlungsaustrittsfläche 33 ergibt.
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In Verbindung mit den 2A, 2B ist ein weiteres nicht beanspruchtes Ausführungsbeispiel einer hier beschriebenen Beleuchtungseinrichtung näher erläutert. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 1A, 1B weist die Lichtquelle 1 vorliegend vier Leuchtdiodenchips auf. Beispielsweise kann die Lichtquelle zwei grüne Leuchtdiodenchips 2b, einen roten Leuchtdiodenchip 2a und einen blauen Leuchtdiodenchip (nicht gezeigt) umfassen.
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Ferner ist im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 1A, 1B die Bodenfläche 6a der Ausnehmung 6 nicht glatt ausgebildet, sondern stellenweise konvex und konkav gekrümmt. Die Ausnehmung ist dabei wiederum rotationssymmetrisch zur Längsmittelachse 11 des optischen Elements ausgebildet.
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Das optische Element 3 weist an seiner Strahlungsaustrittsfläche 33 eine Strukturierung 8 auf. Die Strukturierung 8 ist in Form von elliptischen Linsen ausgeführt, die konvex aus dem optischen Element 3 herausragen und zum Beispiel aus dem Material des optischen Elements 3 geformt sind. Die elliptischen Linsen sind in konzentrischen Kreisen um den Durchstoßpunkt der Längsmittelachse 11 des optischen Elements mit der Strahlungsaustrittsfläche 33 angeordnet, wobei die Haupterstreckungsrichtung der elliptischen Linsen in Richtung dieses Durchstoßpunktes ausgerichtet ist.
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Die Ausgestaltung der Strahlungseintrittsfläche 31 sowie der Strahlungsaustrittsfläche 33 des optischen Elements 3 führt dabei zu einer besonders homogenen Lichtmischung der einzelnen Farben der Leuchtdiodenchips 2a, 2b im Fernfeld.
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Bei den Beleuchtungseinrichtungen der 1 und 2 kann sich nun das Problem ergeben, dass unter wenigen, bestimmten Blickrichtungen auf das optische Element 3 bestimmte Leuchtdiodenchips 2a, 2b vergrößert zu erkennen sind und sich im Fernfeld an ausgezeichneten Punkten daher eine schlechtere Farbmischung ergibt. Die in Verbindung mit den 3A, 3B und 4 beschriebenen optischen Elemente 3 für eine hier beschriebene Beleuchtungseinrichtung lösen auch dieses Problem.
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Beim in Verbindung mit den 3A und 3B beschriebenen optischen Element 3 ist die Mantelfläche 32 des optischen Elements durch Kegelstümpfe 9 mit unterschiedlichem Öffnungswinkel gebildet. Die Längsmittelachsen der Kegelstümpfe 9 fallen dabei mit der Längsmittelachse 11 des optischen Elements 3 zusammen. Je kleiner der Öffnungswinkel eines Kegelstumpfs 9 ist, desto näher ist er an der Strahlungsaustrittsfläche 33 angeordnet. Das optische Element umfasst beispielsweise wenigstens zwei Kegelstümpfe 9 unterschiedlicher Größe und maximal zehn Kegelstümpfe 9 unterschiedlicher Größe. Die Kegelstümpfe 9 approximieren einen größeren Kegelstumpf. Die Mantelfläche 32 ist mit anderen Worten durch rotationssymmetrische Facetten gebildet.
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An der Strahlungsaustrittsfläche 33 kann das optische Element eine Einbuchtung 7 aufweisen, in dem ein erster Bereich 331 der Strahlungsaustrittsfläche 33 ausgebildet ist, der konvex nach außen gekrümmt ist. In einem zweiten Bereich 332 der Strahlungsaustrittsfläche 33 ist die Einbuchtung 7 nicht angeordnet. Dieser zweite Bereich 332 überragt den ersten Bereich 331 und umschließt ihn rahmenartig.
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In Verbindung mit der 4 ist ein optisches Element für eine hier beschriebene Beleuchtungseinrichtung näher erläutert, bei dem die Mantelfläche 32 zumindest stellenweise durch nichtrotationssymmetrische Facetten, zum Beispiel durch ebene Flächen 10 gebildet ist. Die ebenen Flächen 10 approximieren dabei die Mantelfläche eines Kegelstumpfes. Beispielsweise ist der Kegelstumpf mittels wenigstens 40 ebenen Flächen 10 und höchstens 500 ebenen Flächen 10 approximiert. Das optische Element 3 umfasst wiederum eine Ausbuchtung 7, in welcher ein erster Bereich 331 der Strahlungsaustrittsfläche 33 angeordnet ist, der von einem zweiten Bereich 332 überragt und seitlich umschlossen ist.
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In Verbindung mit den 5, 6A und 6B ist anhand grafischer Auftragung die Farbmischung für eine hier beschriebene Beleuchtungseinrichtung erläutert. In der 5 ist der Farbort des Mischlichts, das sich beispielsweise aus den Lichtstrahlen 22a und 22b zusammensetzt für vier verschiedene Schnittwinkel im Fernfeld dargestellt. Wie aus der 5 ersichtlich ist, befindet sich der Farbort für sämtliche Winkel innerhalb einer einzigen ANSI-Box, sodass vom menschlichen Betrachter keine Farbinhomogenität feststellbar ist.
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Die 6A und 6B zeigen die CX- beziehungsweise die CY-Koordinaten des Farborts für die vier verschiedenen Schnittwinkel aufgetragen für eine Halbkugel um die Beleuchtungseinrichtung. Auch aus der 6 ist ersichtlich, dass die homogene Farbmischung annähernd winkelunabhängig ist.
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Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist. Zum Beispiel stellt das hier beschriebene optische Element an sich eine Erfindung dar und kann auch unabhängig von der Beleuchtungseinrichtung beansprucht werden.