專利名稱：借助led光源的光成形的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于對由LED光源發(fā)出的光進行光成形的設(shè)備，其包括一個或多個 LED光源和一個或多個透鏡。該設(shè)備用于產(chǎn)生適合對特定面、物體或空間照明的、高均勻性的光。
背景技術(shù)：
光發(fā)射二極管或LED可以構(gòu)造為人造光源或照明器件。它們可以以多種方式用于面的、物品的或者空間的照明以及也用于燈飾，也就是說為了產(chǎn)生用于裝飾性的和藝術(shù)性的效果。LED典型地包括當(dāng)流過電流時發(fā)射光的電子半導(dǎo)體器件。所發(fā)射的光的顏色，因此二極管的電磁輻射的波長，依賴于半導(dǎo)體材料以及摻雜。一些LED利用所謂的轉(zhuǎn)換材料調(diào)節(jié)出所希望的顏色，例如藍色LED的光借助轉(zhuǎn)換材料轉(zhuǎn)化為白色的光。
在本文上下文中，“照明”應(yīng)理解為物體的、面的或空間的光學(xué)的照射或照亮，例如物體的光學(xué)照射(例如在顯微鏡中)或者道路的、通道的或物品的，例如交通標(biāo)志的照亮。
近年來，LED的光強以及發(fā)光效率顯著地提高，由此，針對這種光源持續(xù)地開拓出其它的應(yīng)用領(lǐng)域。于是，例如發(fā)光效率可以從少于I流明/瓦特提高到多于200流明/瓦特。
如果說起先LED例如為了指示狀態(tài)用作指示元件，例如在表或儀器中，那么它們?nèi)缃褚灿米髡彰髌骷?，例如在手電筒中。在此期間，光線強的LED也使用在車輛外部照明領(lǐng)域中，例如作為日間行車燈或尾燈。相當(dāng)新的應(yīng)用領(lǐng)域為LED光源在街道照明領(lǐng)域中的使用。
例如，DE 10 2004 056 252 Al描述一種帶有光學(xué)裝置的LED光源，其中，該光學(xué)裝置可以是折射的或衍射的光學(xué)器件或者由此的組合。該光學(xué)元件同樣可以是發(fā)光二極管的光耦入其中的纖維光學(xué)器件。通過可借助匹配銷(Pass-Stiften)調(diào)整的設(shè)計，所描述的設(shè)備適合用作機動車的照明裝置。
為了街道的照明，GB 2457971A描述一種光學(xué)設(shè)備，其包括帶有大量LED的殼體， 其中，多個LED聯(lián)合成組并且如此地定向，使得它們照射街道的特定區(qū)域。
WO 10069101描述一種光學(xué)設(shè)備，包括LED光源以及在光出射區(qū)域中帶有兩種不同彎曲的透鏡，以便產(chǎn)生帶有卵形的或橢圓形的橫截面的光輻射。該設(shè)備用作投影顯示的背景照明。
相反例如為了達到需要的光強需要使用多個應(yīng)平行地成形出均勻光的光源，那么這種布置對此是不適合的。
DE 10 2009 015 088描述帶有多于一個發(fā)射UV光的LED的光源。該光源包括LED 的分組以及由玻璃制造的、用于捕獲和聚集所發(fā)射的光的光學(xué)構(gòu)件。通過該光學(xué)構(gòu)件應(yīng)匯集所發(fā)射的光，以便在目標(biāo)體積中達到非常高的功率密度或者說在電磁輻射的可見波長范圍中達到高的光密度。因此出現(xiàn)光的近似點狀的密集。因此，近似均勻的、物體的或空間的在面積上均等的照明是不可能的，因為由于點狀的密集，功率密度在照亮的具體位置處由內(nèi)向外地減少。
DE 10 2006 039 705描述一種用于探照燈的透鏡附加件，在該探照燈中，為由 LED光源組成的陣列配備有透鏡附加件。該透鏡附加件由數(shù)個聚集成透鏡組的單透鏡組成。 此外，DE 10 2004 018 424描述一種包括帶透鏡的光源的和適用于橢圓面探照燈的照明裝置。
最后，在DE 10 2008 048 379中描述一種帶有準(zhǔn)直光學(xué)器件的LED光源。目的如下，即，合適地準(zhǔn)直LED光源的寬闊的輻射角度。在此，應(yīng)同時保證該設(shè)備的高的溫度耐受性。
通過公知的設(shè)備和方法，可以集束和集中LED光源的光。由此，通過集束產(chǎn)生在光輻射的中心帶有高的光強度的以及在光輻射的靠外區(qū)域帶有強烈下降的光強的光輻射。因此，不保證面的或空間的近似均等的和均勻的照明。發(fā)明內(nèi)容
由此得出本發(fā)明的任務(wù)。
本發(fā)明的目的在于，達到光的特定的成形。例如，這可以是空間的、面的或者物體的借助LED光源的均勻和近似均等的照明。在此，通過由光源發(fā)射的光來輻照的被照明面應(yīng)該盡可能均勻地和均等地被照明。此外，應(yīng)該也可以達到一定的光分布和向被照明面的邊緣的光強衰減，以便例如可以確定從中心到邊緣的特定的梯度。
目的也可以是，達到光斑的特定的形狀，包括光斑的正方形的、矩形的、多邊形的、 圓形的或者卵形的形狀。
即使當(dāng)平行使用多個輻射更大光通量(或者說在電磁輻射的不可見波長譜中的輻射通量)的LED光源時，也應(yīng)該達到尤其是帶有預(yù)先給定的亮度分布(例如面的均勻的和近似均等的照明)的光斑的所希望的形狀。因此，目的也在于，將由多個LED光源發(fā)出的光如此地成形，即，使得在被照明的或者說被輻射的物體上或者在被照明的或者說被輻射的空間的面上產(chǎn)生帶有所希望的光強分布(例如均勻的、近似均等的亮度)的面式區(qū)域。在此，也應(yīng)該達到LED光源的緊湊的小的構(gòu)造形式。
這個任務(wù)通過包括一個或多個LED光源以及一個或多個透鏡的光學(xué)設(shè)備，根據(jù)獨立權(quán)利要求之一極簡單地解決。在此，所述一個或多個透鏡完成對由所述一個或多個LED 光源發(fā)射的光的集束功能和/或準(zhǔn)直功能以及成形功能，其中，預(yù)先給定幾何形狀的面在與設(shè)備特定的距離上被照亮并且LED光由此成形。
在此，光學(xué)設(shè)備的構(gòu)造方式可以特別有利地保持得非常小。
本發(fā)明的優(yōu)選的實施方式和改進方案從各從屬權(quán)利要求獲悉。
“面的均勻的照明”在本發(fā)明的含義中理解為，通過依據(jù)本發(fā)明的照明，被照明面的特定份額具有優(yōu)選相同的亮度并且因此沒有或者僅具有微小的亮度差異。這意味著，被均勻照明的面的每個點的亮度沒有或僅很微小地區(qū)別于該被均勻照明的面的其它點。
在此優(yōu)選地，被均勻照明的面的點的亮度從這個區(qū)域中所有點的亮度的平均值出發(fā)的最小的和最大的偏差位于少于±15%的、優(yōu)選少于±10%的輻射密度 (Strahlungsdichte)的范圍內(nèi)。亮度可以確定為單位面積上的光通量。
本發(fā)明可以使電磁輻射成形，由此也可以使在電磁輻射的不可見波長譜中的電磁輻射，例如在紫外的或紅外的范圍中的電磁輻射，成形。因此，受輻射的面的均勻性也可以在電磁輻射的不可見的波長譜中借助受輻射的面的輻射密度的偏差確定。
為了簡單起見而選擇隨后提及的光學(xué)技術(shù)方面的量。但在此，本發(fā)明或者說光學(xué)技術(shù)方面的量并不僅局限于電磁輻射的可見的波長譜。
在此，在整個被照明面上被近似均勻照明的面的份額可以是至少60%，優(yōu)選至少 70%并且特別優(yōu)選多于75%。因此，通過所述光學(xué)設(shè)備照明的面的主要份額被近似均勻地照明。針對其它光分布，可規(guī)定相似的容差。
面的幾何形狀可以包括大量可能的形狀，例如圓形的或者矩形的面，但也有卵形的、星形的或者環(huán)形的面。這種列舉不應(yīng)理解為封閉式的。所述光學(xué)設(shè)備可以與預(yù)先給出的幾何形狀相應(yīng)地構(gòu)造。
因此，本發(fā)明一方面涉及一個或多個LED光源。典型地，在這類的光源中，半導(dǎo)體的光發(fā)射層輻射光。在本發(fā)明的含義中，LED光源應(yīng)理解為每一種包括至少一個發(fā)射光的 LED光源的布置方案。這種布置方案例如可以為了照明或燈飾的目的，例如作為燈或閱覽燈，但也可以為了發(fā)送信號而構(gòu)造。
但是優(yōu)選地，LED光源為了空間或面的照明或燈飾，例如為了街道或通道的照明而構(gòu)造。但它也可以用于投影儀或車輛照明。接下來，概括地使用“被照明面”的概念，其中， 應(yīng)該理解為，該概念指的是依據(jù)本發(fā)明被照亮或被照明的面、空間或物品。
另一方面，所述光學(xué)設(shè)備涉及至少一個透鏡，優(yōu)選兩個或多個透鏡。所述一個或多個透鏡優(yōu)選如此地布置，即，它們布置在LED光源后的輻射路徑中，并且在有多個透鏡的情況下被由LED光源發(fā)射的光依次穿越。在此，最近于LED光源布置的透鏡構(gòu)造為會聚透鏡， 優(yōu)選構(gòu)造為準(zhǔn)直會聚透鏡。在輻射路徑中后置的、由此進一步遠離LED光源的透鏡優(yōu)選地構(gòu)造為成形透鏡。
因此，會聚透鏡在輻射路徑方向上使由近似點狀的LED光源發(fā)出的光集束，反之， 成形透鏡使如此集束的光產(chǎn)生所希望的形狀。在此，該成形透鏡優(yōu)選如此構(gòu)造，使得，該成形透鏡使LED光源發(fā)射的光與待照明面相應(yīng)地成形。不但會聚透鏡而且成形透鏡可以由單個的或者也可由多個會聚透鏡或者成形透鏡構(gòu)造。
因此，LED光源和會聚透鏡可以不依賴于待照明面地構(gòu)造，反之，依賴于待照明面的幾何形狀地選擇成形透鏡。
LED光源可以在寬闊的角度中輻射光。在此，角度應(yīng)理解為由LED光源的中軸出發(fā)的兩側(cè)的角度區(qū)域。典型地，LED光源在±90°的角度區(qū)域中輻射光。在此，所輻射的光功率由LED光源的中軸出發(fā)隨角度增大向外減少。例如在±30°的角度區(qū)域中輻射最大份額的光功率。
如果LED光源在由中軸出發(fā)的±35°的角度區(qū)域中輻射至少50%的光功率，那么這在本發(fā)明的含義中是有利的。由此可以達到特別高的效率。
為了在被照明面上達到大的亮度或者說照明強度，所述亮度或者說照明強度例如可能對照亮街道來說是需要的，優(yōu)選選擇帶有高光密度的LED光源。光源的高光密度可以通過光源的高光強和/或小的光發(fā)射面達到。
帶有從大約Lv=15 X 106Cd/m2起的、優(yōu)選從大約20X 106cd/m2起的光密度的LED光源，證實為是有利的。在此，光發(fā)射面的大小可以處在少于5mm2的范圍中，例如為Imm2或也可比在這之下。
如果可以達到所要求的光密度，那么優(yōu)選可以使用帶有小的光發(fā)射面的LED光源。這有如下優(yōu)點，即，多個LED光源可以彼此相鄰地布置在小的空間上并且包括由多個單個LED光源組成的陣列(場)的光源由此可以以緊湊的構(gòu)造方式構(gòu)造。
會聚透鏡可以在輻射路徑中布置在LED光源后。它有如下任務(wù)，即，盡可能地使高份額的由LED光源發(fā)射的光集束。
在此，盡可能大地選擇LED光源的被捕獲的輻射角度的寬度。優(yōu)選地在LED光源的輻射路徑中如此地布置有會聚透鏡，即，使得該會聚透鏡至少捕獲LED光源的含有至少50% 的光量，優(yōu)選60%和特別優(yōu)選多于65%的光量的角度區(qū)域。
所屬的角度區(qū)域由LED光源的規(guī)格中得出，并且可以處在大約±45°的角度區(qū)域中，以便可以接收大約50%的光量。
由角度區(qū)域得出LED光源與會聚透鏡之間優(yōu)選的距離，這是因為該距離影響會聚透鏡的大小。這個距離越小，就可以越小地構(gòu)造會聚透鏡。因此，原則上優(yōu)選盡可能小的距離，該距離理想地近似為零。會聚透鏡如此地與LED光源相距，即，使得該會聚透鏡可以接收全部的在相應(yīng)角度區(qū)域中發(fā)射的光輻射。
會聚透鏡與LED光源之間的距離在Omm至5mm的、優(yōu)選O. 3mm至2mm的范圍中，在本發(fā)明的含義中證實是有利的。在與光發(fā)射面的距離為大約Imm的情況下，可以以大約5mm 的半徑構(gòu)造圓形的會聚透鏡。
由此保證，所發(fā)射的光的足夠大的份額可以被引導(dǎo)到會聚透鏡上并且該會聚透鏡可以相應(yīng)小地構(gòu)造。
有利地，會聚透鏡在背離LED光源的一側(cè)凸形地構(gòu)造，以便使出射的光集束。在此，曲率半徑可以球面地或非球面地構(gòu)造。由于LED的大的輻射角度，會聚透鏡優(yōu)選具有非球面的自由形狀面，從而通過該非球面設(shè)計使得LED光源的光可以以直至大約60°的輻射角度入射到會聚透鏡中。成本更低廉地制造的球面構(gòu)造同樣是可能的。會聚透鏡的高寬比例(Aspektverhiiltnis)，由此透鏡的高度與寬度的比例為大于O. I。O. 5至I. 2的高寬比例證實是有利的。
由于距LED光源的小的距離，可以提供特別小的會聚透鏡，這些會聚透鏡可以捕獲所發(fā)射的光的大部分并且由于其小的尺寸，非常好地適合LED陣列形式的LED光源。
在LED陣列中，LED光源可以由多個例如可以線式地或面式地布置的單個LED光源組成。在此，LED陣列的單個LED光源的布置可以優(yōu)選與待照明面的形狀相應(yīng)，以便達到特別高的照明均勻性。
例如，如果矩形面應(yīng)被均勻地和近似均等地照射，那么LED陣列可以有利地同樣矩形地構(gòu)造。相反，如果需均勻地照射弄圓的，例如圓形的或橢圓形的面，那么LED陣列的單個LED光源同樣可以相適應(yīng)地布置。
但依據(jù)被照明面的幾何形狀布置LED陣列不是本發(fā)明的強制性前提。所以，帶有卵形的幾何形狀的光分布也可以用矩形的LED陣列產(chǎn)生。透鏡的構(gòu)造對光的成形是決定性的。
在另一種實施方式中，LED陣列可以包括半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底可以分別具有多個光發(fā)射層。由此，設(shè)備可以是特別緊湊的并且在很小的結(jié)構(gòu)空間中構(gòu)造。
在本發(fā)明的改進方案中，LED陣列包括發(fā)射不同波長范圍內(nèi)的電磁輻射的LED光源。這樣，可以在被照明面上引起特定的顏色效應(yīng)。
在LED陣列中，每個單個的光發(fā)射面可以分配給一個會聚透鏡。該會聚透鏡可以構(gòu)造為棒透鏡。
在本發(fā)明的改進方案中，會聚透鏡可以如此地構(gòu)造，即，它可以接收LED陣列的至少兩個或多個LED光源的光和使之集束。在這種情況下，會聚透鏡可以優(yōu)選地構(gòu)造為棒透鏡或柱面透鏡，其包括面向LED光源的正面以及背離LED光源的背面。
在一種優(yōu)選的實施方式中，柱面透鏡的正面可以具有平面的形狀，背面可以具有凸形的、球面的或非球面的形狀。所述背面也可以構(gòu)造為自由形狀面，所述正面也可以凸形地或凹形地、球面地或非球面地構(gòu)造。
例I
矩形LED陣列構(gòu)造有大量LED，這些LED分別構(gòu)造有Imm X Imm的光發(fā)射面。棒透鏡以其正面與LED相距O. 8mm，其中，透鏡寬度為6mm。棒長如此大小地選擇，即，透鏡在周邊伸出光發(fā)射面大約3mm。棒透鏡的背面構(gòu)造有凸面非球面的輪廓，其中RO=L 651mm并且構(gòu)造有k=-l. 014的圓錐系數(shù)。選擇P-LASF47或P-SF69作為玻璃類型，因為這些玻璃對這種準(zhǔn)直角度來說證實是特別有利的。此外，這些玻璃由于它們的高折射率以及它們的可模壓性而表現(xiàn)出眾。
在又一實施方式中，在LED陣列情況下，在所發(fā)射的光的輻射路徑中，布置有多于一個的棒透鏡或柱面透鏡。以優(yōu)選的方式，在輻射路徑中布置在首位的柱面透鏡彼此平行地布置并且因此得到多個單個LED光源的光，其中，例如多個線式布置的單個LED光源的光可以由唯一的柱面透鏡集束。在該柱面透鏡的上方，可以有利地在輻射路徑中后置地、平行布置有其它柱面透鏡，其中，這些其它柱面透鏡可以相對前面提及的柱面透鏡旋轉(zhuǎn)90°地布置。
因此，LED陣列的所發(fā)射的光依次通過例如可以格柵形布置的柱面透鏡的兩個平面。柱面透鏡的這種布置可特別成本低廉地制造并且因此在多邊形的，優(yōu)選地矩形的或梯形的LED陣列中是有利的。
此外，可以直接在LED光源的光發(fā)射面旁和在LED光源以及會聚透鏡之間的區(qū)域中布置反射體或反射面，由此可以反射并且向會聚透鏡方向引導(dǎo)打到的光。由此可以改善設(shè)備的效率。
會聚透鏡優(yōu)選地由抗熱的材料制造，例如非晶態(tài)材料，以便保證高的溫度穩(wěn)定性， 因為例如高功率的LED光源典型地也具有高的發(fā)熱性。至少，透鏡的溫度穩(wěn)定性應(yīng)該勝過LED光源的溫度穩(wěn)定性。特別地，依據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的持久的溫度耐受性可以達到在 TB=100° C及其之上的范圍內(nèi)。
因此，玻璃或者玻璃陶瓷經(jīng)證實是用于會聚透鏡的合適的材料，其中，優(yōu)選選擇這樣的帶有高折射率的材料。折射率優(yōu)選超出I. 5，特別優(yōu)選超出I. 7。例如，P-SF69、P-SF70、 P-LASF47或者N-LAF33經(jīng)證實為合適的玻璃。
在所發(fā)射的光的輻射路徑中，在通過一個或多個會聚透鏡后后置地，設(shè)備可以包括至少一個其它的成形透鏡。該至少一個其它的成形透鏡具有如下任務(wù)使由會聚透鏡出射的、集束的光如此地成形，從而在光打到物品上的位置上產(chǎn)生均勻的和均等的亮度。
在此，有利地如此布置成形透鏡，S卩，使得由會聚透鏡出射的光的盡可能大的部分落到成形透鏡上。因此，成形透鏡優(yōu)選地布置在距會聚透鏡狹窄的距離上。已證實的是，少于IOmm的距離、優(yōu)選少于6mm的和特別優(yōu)選少于3mm的距離在本發(fā)明的含義中是有利的。 由此，依據(jù)本發(fā)明的設(shè)備可以非常緊湊地制造并且在小的結(jié)構(gòu)空間中實現(xiàn)。
在一種特別的實施方式中，在會聚透鏡的外棱邊與成形透鏡的外棱邊之間布置有反射罩，從而使得由會聚透鏡出射的、打到該罩上的光可以被反射并且被轉(zhuǎn)向到成形透鏡上。例如，反射罩可以是周圍殼體的組成部分。由此保證，幾乎所有的由會聚透鏡出射的光到達到成形透鏡上。特別是以這種方式可以達到，至少90%，優(yōu)選至少95%的光可以到達到成形透鏡上。
在背離LED光源的一側(cè)，成形透鏡可以典型地具有凹形的面。該面可以球面地或非球面地構(gòu)造。在背離LED光源的一側(cè)自由形狀面也特別地適合，依據(jù)待照明面選擇所述自由形狀面?！白杂尚螤蠲妗笨衫斫鉃椋峒暗拿婵梢跃哂胁煌膹澢?，其中，這些彎曲也可以向不同方向走向。成形透鏡的面向會聚透鏡的面可以具有平整的或凹形的形狀，其中， 此實施方式經(jīng)常是有利的，但對于為使光輻射成形而言并不是強制性的。
例2
棒透鏡的陣列包括會聚透鏡以及作為成形透鏡的、帶有平凹形球面體的圓形的或弄圓的單個透鏡，其中，在R=_60mm時，它的直徑為60mm并且它的厚度為6mm。選擇N-BK7作為玻璃類型。棒透鏡與LED相距1. 5mm，其中，棒透鏡在RO=L 715、k=_l. 744、C4=_5. 301e_04 和C6=4. 669e-05時具有IOmm的寬度、20mm的長度和5mm的厚度。
成形透鏡同樣可以構(gòu)造為棒透鏡或柱面透鏡。所述成形透鏡可以在面向會聚透鏡的一側(cè)具有平坦的面并且在相反的一側(cè)具有凹形、球面、非球面或者自由形狀面。
通過成形透鏡，由會聚透鏡產(chǎn)生的經(jīng)準(zhǔn)直的光輻射的束如此地擴張，即，在進一步的輻射路徑中擴張的光輻射 近似均勻地對在距成形透鏡確定的離開范圍上的面照明。成形透鏡的所述面的形狀或者彎曲相應(yīng)地確定在與依據(jù)本發(fā)明設(shè)備的特定距離范圍中近似均勻地被照明面。經(jīng)證實，如果被照明面布置在與設(shè)備O. 2m至20m的、優(yōu)選O. 5m至15m的距離上，可以非常好地達到該被照明面的近似均勻的亮度。
例如，如果要近似均等地和均勻地對矩形面照明，那么凹形的外部面可以具有不同的彎曲，其中，至少兩個彎曲彼此垂直。
此外，代替一個成形透鏡，可以使用多個，例如兩個分別具有一個或多個彎曲的成形透鏡，以便取得更復(fù)雜的照明形狀。但也可以在輻射路徑中依次布置兩個或多個分別帶有一個或多個、相同的或不同的彎曲的成形透鏡。
產(chǎn)生僅帶有一個彎曲的透鏡經(jīng)常是更加成本低廉的。由此，通過布置兩個在輻射路徑中依次待穿過的透鏡，可以放棄制造帶有兩個彎曲的透鏡，如果這兩個所描述的透鏡分別僅具有所述相應(yīng)的彎曲之一并且這兩個透鏡例如相對彼此轉(zhuǎn)過90°的話。
成形透鏡可以由玻璃或者玻璃陶瓷構(gòu)造。但因為對耐熱性的要求由于更大地離開發(fā)熱的光源而更小，所以也可以使用備選的材料如合成材料。合成材料的使用可以通過合適地冷卻光源進而由此通過由設(shè)備區(qū)域輸出熱量而改善。
基本上，依據(jù)本發(fā)明的設(shè)備不僅可以用于在可見范圍中的電磁輻射，而且可以用于在其它波長范圍中的電磁輻射，例如在毗鄰的、紫外或紅外范圍中的波長范圍中。
除了圓形的或者矩形的面，通過依據(jù)本發(fā)明的光學(xué)設(shè)備也可以借助LED光源均勻地照明和近似均等地輻射在不同的離開范圍中的其它幾何形狀的面。對此，也包括例如面的、物體的或者空間的星形的或環(huán)形的照明。
于是，該光學(xué)設(shè)備例如可以使用于街道的、通道的、道路的或者廣場的照明或燈飾，但也可以用于內(nèi)部空間的和處于內(nèi)部的通道的或道路的照明或燈飾，用以照亮物體，例如交通標(biāo)志、圖片、工作場所或桌子。
通過自由地成形來自LED光源的光的可能，因此可以實現(xiàn)對不同地成形的物體的近似均等的照明。
該設(shè)備還可以用于物體的照射，例如在顯微鏡中。
在一種特別的實施方式中可以平行使用不同顏色的LED光源，例如在LED陣列中。 由此，在面的均等照明情況下，可以有色地強調(diào)特定的區(qū)域。
這種改進方案特別地適合有色地強調(diào)危險區(qū)域，例如大門或門的開啟區(qū)域。
為了藝術(shù)品的照明，可以通過相加的色彩混合來調(diào)節(jié)照明的色溫。
該設(shè)備也可以用于大廳的照明，例如體育館或游泳館或舞臺。
此外，該光學(xué)設(shè)備可以用作閱覽燈。
在另外一種實施方式中，該光學(xué)設(shè)備用于投影儀。
其它應(yīng)用領(lǐng)域例如為車輛照明。這里，該設(shè)備可例如用于部分內(nèi)部空間的，例如天花板的均勻照射。
本發(fā)明的其它細節(jié)由示出的實施例的描述和所附的權(quán)利要求得出。


圖I示出會聚透鏡的和LED光源的示意性的布置方案；
圖2針對在依據(jù)本發(fā)明的LED光源的實施方式中的光輻射的輻射路徑示出示意性的例子；
圖3在橫截面中示出一維LED陣列的示意性的布置方案，包括用于準(zhǔn)直的會聚透鏡和用于光成形的成形透鏡；
圖4示出二維LED陣列的示意性的布置方案，包括棒透鏡或者柱面透鏡；
圖5示出LED陣列的矩形實施方式的、示意性的布置方案；
圖6示出LED陣列的星形實施方式的、示意性的布置方案；
圖7在俯視圖中示出帶有格柵形布置的棒透鏡或者柱面透鏡的LED陣列的矩形實施方式的、示意性的布置方案；
圖性的例子；
圖8針對在一維LED陣列的LED光源的實施方式中的光輻射的輻射路徑示出示意 9示出圓形的被照明面；10示出離開5m的、借助LED陣列照明的面的例子；11示出被照明面在橫向方向上的截線中的亮度分布；12示出被照明面在縱向方向上的截線中的亮度分布；13示出會聚透鏡和LED光源的示例性的布置方案。
具體實施方式
為了簡單起見而選擇在描述中所提及的光學(xué)技術(shù)方面的量，并且其并不僅局限在電磁輻射的可見波長譜上，這是因為本發(fā)明也涉及在可見波長譜之外的電磁輻射的成形。 因此，例如光學(xué)技術(shù)方面的量包括光通量，也包括更普遍的量輻射通量，或者說光密度，也稱為福射率(Strahldichte )。
圖1示意地示出帶有會聚透鏡13的LED光源的結(jié)構(gòu)。該LED光源通過如下的襯底12表示，在該襯底12上布置有光發(fā)射面11。襯底12可以是半導(dǎo)體元件。會聚透鏡在與光發(fā)射面11的小的距離上如此地布置，即，使得光發(fā)射面的中軸穿過會聚透鏡的彎曲面的頂點地走向。會聚透鏡可以旋轉(zhuǎn)對稱地構(gòu)造。但其也可以實施為棒透鏡或者柱面透鏡。
LED光源布置在周圍殼體14上。該殼體在分配給會聚透鏡的一側(cè)具有鏡面反光件 16。會聚透鏡13在背離LED光源的一側(cè)包括凸形構(gòu)造的表面。該表面可以具有球面的或者非球面的形狀15或也可具有自由形狀面的形狀。
在圖2中，示意地示出光輻射的輻射路徑。從光發(fā)射面11發(fā)出的光輻射21打到會聚透鏡上，該光福射21通過折射成束地尚開該會聚透鏡。22不出出射的光福射。
在圖3中，示意地示出帶有多個會聚透鏡以及一個成形透鏡的一維LED陣列的結(jié)構(gòu)。該LED陣列由在各相應(yīng)的襯底12、32、34上的三個單個的光發(fā)射層11、33、35組成。在本發(fā)明的未不出的改進方案中，還可以在一個共同的襯底上布置有多個光發(fā)射層。為陣列的每個LED光源分配有一個會聚透鏡13、36、37。基于會聚透鏡的可達到的小的構(gòu)造方式， 這些會聚透鏡可以彼此很緊密地布置。
典型地，會聚透鏡具有直的外棱邊，從而使所述會聚透鏡無間隙地彼此碰觸。這些單個透鏡可以集合成透鏡組。在旋轉(zhuǎn)對稱的會聚透鏡情況下，可以通過四面打磨產(chǎn)生直的外棱邊。
在輻射路徑中后置地構(gòu)造有成形透鏡39，該成形透鏡接收和散射由會聚透鏡出射的光。為此，該成形透鏡具有光學(xué)有效面38?！肮鈱W(xué)有效面”理解為如下的面，通過該面發(fā)生所希望的折射、繞射、反射和/或散射。該面可以凹形地、凸形地、球面地或者非球面地構(gòu)造。例如對非球面的有效面來說，可以是橢圓形的、圓柱形的和/或拋物線形的面形狀。
至少一個成形透鏡的有效面依賴于照明的所希望的形狀而選擇。對于面式的矩形狀的照明來說，在兩個彼此垂直的方向上大約呈現(xiàn)出彎曲是有利的。在LED陣列與成形透鏡之間以有利的方式布置有可以構(gòu)造為殼體的內(nèi)部面的罩面30。優(yōu)選地，該罩面在面向 LED光的一側(cè)鏡面化，以便將打到的光輻射反射并且引導(dǎo)到會聚透鏡上。
在另一種實施方式中，會聚透鏡實施為棒透鏡或者柱面透鏡。圖4示出兩個這類的棒透鏡或者說柱面透鏡61、62。在這種情況中，透鏡如下方式地布置，S卩，使得透鏡處在多個單個LED光源的輻射路徑中。在所畫出的情況中，包括四個單個LED光源的行的光分別引導(dǎo)到各柱面透鏡上。因此，示意地畫出的LED陣列63包括各帶有四個單個LED光源的兩個行。這些由透鏡遮蓋的單個LED光源例如通過光發(fā)射面64和襯底65表示。
圖5示意地示出二維LED陣列的結(jié)構(gòu)，包括各帶有六個單個LED光源的五個行。示意性地示出光發(fā)射層11和會聚透鏡13。在圖6中示出星形的LED布置方案，包括總共16 個光發(fā)射層11和相應(yīng)的多個會聚透鏡13。LED陣列的形狀可以遵循待照明面的所希望的形狀。
在圖7中在俯視圖中畫出依據(jù)本發(fā)明的LED陣列。LED光源集合成各帶有四個單個光發(fā)射面11的五行。五個構(gòu)造為柱面透鏡的會聚透鏡以及其它四個構(gòu)造為柱面透鏡的會聚透鏡或者成型透鏡分別平行地布置并且相對彼此轉(zhuǎn)過90°，相疊地布置。
圖8在橫截面中示出由LED陣列形成的輻射路徑的例子，所述LED陣列包括在一行中的四個LED光源。從光發(fā)射面11出發(fā)，光輻射通過會聚透鏡13集束并且落到成形透鏡39上。該成形透鏡具有如下有效面81，該有效面構(gòu)造成使出射的光輻射82寬闊地散射。
出射的光輻射82落到以截線示出的面85上。依賴于成形透鏡的有效面81的彎曲，在該面上的區(qū)域以不同的亮度受輻射。因此，被照明面的亮度是不同的。中心區(qū)域A通過光輻射的折射近似均勻地受輻射，反之，靠外區(qū)域C不受或者僅幾乎不受輻射。此外，存在過渡區(qū)域B，該過渡區(qū)域比中心的、均勻區(qū)域A具有更小的均勻性和更小的亮度。
圖9示出光成形的兩種可能性。光成形91示出寬闊的光分布95，反之，光成形92 示出在中心93帶有耀點的光分布。不但在寬闊的光分布95的情況下，而且在中心93中有耀光點的情況下，都存在以減少的亮度為特征的過渡區(qū)域96、94。然而，寬闊的光分布95的面以及在中心95的點的面被近似均等地、均勻地照明。
圖10示出在矩形形狀的被照明面的情況下，可能的亮度分布。作為光源，可以使用帶有76個LED光源的LED陣列，其中，所述LED光源可以布置在四行中。
作為會聚透鏡，可以特別有利地使用四個由玻璃P-LASF47制成的棒透鏡，所述棒透鏡可以具有距光發(fā)射面I. 5mm的距離。棒透鏡可以具有40mm的長和IOmm的寬。所述棒透鏡可以成本低廉地制造并且使特別良好地集束LED陣列的光成為可能。
旋轉(zhuǎn)對稱的成形透鏡可以有利地由玻璃N-BK7以60mm的透鏡直徑和6mm的厚度構(gòu)造以及具有平凹的形狀。距光發(fā)射面的距離可以是8mm。成形透鏡的一種有利的構(gòu)造可以通過參數(shù) R=-L 96、K=-L 591、C4=-2. 256e_04 和 C6=-6. 386e_06 來確定。
101不出尺寸為6m X 12m的被照明面,該面尚開設(shè)備5m。該由LED陣列非相干地輻射的面的輻射率可以是大約68%至75%，特別優(yōu)選是69. 2%。
102示出距設(shè)備同樣為5m的3mX 6m的面，其中，輻射率可以是大約41%至48%，特別優(yōu)選是44. 5%。在103中示出同樣在距設(shè)備5m的距離上的，為2mX4m大小的面。輻射率可以是大約22%至30%，特別優(yōu)選是26. 6%。
在圖11中，示出被照明的矩形面101在橫向方向上、即在較短的延伸X的方向上的截線中的輻射率的分布，其中，截線穿過面的中心分布。針對半值寬度FWHM，設(shè)備的角度區(qū)域是大約+/-13. 5°。
圖12示出被照明的矩形面101在穿過面的中心的縱向方向的截線中，即在較大的延伸Y的方向上的輻射率的分布。半值寬度FWHM的所屬區(qū)域在這里是大約+/-27. 5°。
通過如此構(gòu)造的光學(xué)設(shè)備，矩形面的大的區(qū)域可以被近似均勻地和均等地照明， 其中，可以同時引起該面從較光亮地被照明的、接近中心的區(qū)域到周圍的、較少光亮地被照明區(qū)域的柔和的過渡。因此，可以避免從光亮的被照明區(qū)域到較少光亮的被照明區(qū)域的銳利的過渡。
圖13示出用于使成行布置的LED光源的光集束的會聚透鏡131的布置方案，其中，為了簡單起見，僅畫出一個光發(fā)射面11和一個襯底12。透鏡的后近軸焦點位于透鏡的內(nèi)部。LED的發(fā)射面11與會聚透鏡131的平整面相距O. 6mm并且因此以意外的方式不位于透鏡的后近軸焦點上。
以這種方式，可以通過會聚透鏡131達到LED的光發(fā)射面 的光的很良好的準(zhǔn)直。
權(quán)利要求
1.光學(xué)設(shè)備，其包括ー個或多個LED光源以及ー個或多個透鏡，其中， -電磁輻射由ー個或多個LED光源的光發(fā)射面射出； -所述ー個或多個透鏡布置在所發(fā)射的光的輻射路徑中； -有透鏡至少在ー個方向上使光集束； -有透鏡使光成形成限定的幾何形狀； -有一個或多個透鏡布置在距所述LED光源的一個或多個光發(fā)射面非常小的距離上。
2.根據(jù)前面的權(quán)利要求I所述的光學(xué)設(shè)備，其特征在干，由所述LED光源發(fā)射的光在距所述設(shè)備預(yù)先限定的距離上對預(yù)先給定幾何形狀的面照明。
3.根據(jù)前面的權(quán)利要求所述的光學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述預(yù)先給定幾何形狀的面具有近似相等的亮度或預(yù)先給定的亮度分布(+/-25%)。
4.根據(jù)前面的權(quán)利要求所述的光學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述ー個或多個透鏡構(gòu)造為會聚透鏡和/或成形透鏡。
5.根據(jù)前面的權(quán)利要求所述的光學(xué)設(shè)備，其特征在于，所發(fā)射的光在第一步驟中至少在ー個方向上集束和/或準(zhǔn)直，并且在后面的步驟中成形。
6.根據(jù)前面的權(quán)利要求所述的光學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述ー個或多個會聚透鏡構(gòu)造為準(zhǔn)直會聚透鏡。
7.根據(jù)前面的權(quán)利要求所述的光學(xué)設(shè)備，其特征在干，所述LED光源包括至少ー個光發(fā)射面，其中，至少50%的光功率在由所述LED光源的中軸出發(fā)的±35°的角度區(qū)域中輻射。
8.根據(jù)前面的權(quán)利要求所述的光學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述LED光源的光密度至少為Lv=IOX 106cd/m2，優(yōu)選地至少為LV=15X 106cd/m2并且特別優(yōu)選地至少為Lv=20 X 106cd/m2。
9.根據(jù)前面的權(quán)利要求所述的光學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述會聚透鏡如此地與所述LED光源相距，即，使得所述會聚透鏡接收50%的由所述LED光源發(fā)射的光的光量，優(yōu)選60%并且特別優(yōu)選65%。
10.根據(jù)前面的權(quán)利要求所述的光學(xué)設(shè)備，其特征在干，所述會聚透鏡在背離所述LED光源的ー側(cè)凸形地構(gòu)造。
11.根據(jù)前面的權(quán)利要求所述的光學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述會聚透鏡在背離所述LED光源的ー側(cè)具有ー個或多個球面的和/或非球面的和/或自由形狀彎曲。
12.根據(jù)前面的權(quán)利要求所述的光學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述會聚透鏡構(gòu)造為棒透鏡或柱面透鏡，其中，所述棒透鏡或柱面透鏡處在一個或多于ー個的單個LED光源的輻射路徑中。
13.根據(jù)前面的權(quán)利要求所述的光學(xué)設(shè)備，其特征在于，彼此平行地布置有多于ー個的棒透鏡或柱面透鏡。
14.根據(jù)前面的權(quán)利要求所述的光學(xué)設(shè)備，其特征在于，在由所述LED光源發(fā)射的光的輻射路徑中布置有多于ー個的棒透鏡或柱面透鏡。
15.根據(jù)前面的權(quán)利要求所述的光學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述會聚透鏡由折射率至少為nd>=l. 5，優(yōu)選nd>=l. 7的玻璃或玻璃陶瓷制成的溫度穩(wěn)定的材料構(gòu)造。
16.根據(jù)前面的權(quán)利要求所述的光學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述LED光源包括多個以LED陣列方式布置的單個LED光源。
17.根據(jù)前面的權(quán)利要求所述的光學(xué)設(shè)備，其特征在干，為所述LED陣列的每個LED光源分配有恰好ー個會聚透鏡。
18.根據(jù)前面的權(quán)利要求所述的光學(xué)設(shè)備，其特征在干，為每個會聚透鏡分配有LED陣列的多個單個LED光源。
19.根據(jù)前面的權(quán)利要求所述的光學(xué)設(shè)備，其特征在于，經(jīng)集束的光幾乎完全打到至少一個在輻射路徑中后置的透鏡上。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的光學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述后置的透鏡構(gòu)造為成形透鏡。
21.根據(jù)權(quán)利要求18和19所述的光學(xué)設(shè)備，其特征在干，所述成形透鏡在背離所述LED光源的ー側(cè)具有凹形的面。
22.根據(jù)前面的權(quán)利要求所述的光學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述成形透鏡在背離所述LED光源的ー側(cè)具有ー個或多個球面的和/或非球面的和/或自由形狀彎曲。
23.根據(jù)前面的權(quán)利要求所述的光學(xué)設(shè)備，其特征在于，所述成形透鏡在兩個彼此垂直的方向上具有不同的彎曲。
24.根據(jù)前面的權(quán)利要求所述的光學(xué)設(shè)備，其特征在于，在輻射路徑中，在所述成形透鏡后布置有至少ー個其它的成形透鏡。
25.根據(jù)前面的權(quán)利要求所述的光學(xué)設(shè)備，其特征在于，提供在至少TB=100°C范圍中的運行溫度上的持久的溫度耐受性。
26.根據(jù)前面的權(quán)利要求所述的光學(xué)設(shè)備的使用，即，用于面和/或物體的照明或燈飾，特別是用于交通標(biāo)志、牌子、圖畫、工作場所、桌子、房屋或建筑物的照明。
27.根據(jù)前面的權(quán)利要求I至25所述的光學(xué)設(shè)備的使用，S卩，用于空間、通道、大廳或舞臺的照明或燈飾。
28.根據(jù)前面的權(quán)利要求I至25所述的光學(xué)設(shè)備的使用，S卩，作為道路、通道、街道或廣場的照明。
29.根據(jù)前面的權(quán)利要求I至25所述的光學(xué)設(shè)備的使用，即，作為閱覽燈。
30.根據(jù)前面的權(quán)利要求I至25所述的光學(xué)設(shè)備的使用，即，作為投影儀的照明裝置。
31.據(jù)前面的權(quán)利要求I至25所述的光學(xué)設(shè)備的使用，S卩，作為車輛內(nèi)的和車輛上的照明裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及借助LED光源的光成形。尤其涉及一種用于對由LED光源發(fā)出的光進行光成形的設(shè)備，包括一個或多個LED光源和一個或多個透鏡。該設(shè)備用于產(chǎn)生適合對特定面、物體或空間照明的、高均勻性的光。在此，一個或多個透鏡完成對由一個或多個LED光源發(fā)射的光的集束功能和/或準(zhǔn)直功能以及成形功能，其中，預(yù)先給定幾何形狀的面在與設(shè)備確定的距離上被照亮并且LED光由此成形。在此，光學(xué)設(shè)備的構(gòu)造方式可以保持得非常小。
文檔編號F21Y101/02GK102980133SQ20121031091
公開日2013年3月20日 申請日期2012年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月5日
發(fā)明者斯特芬·賴切爾, 拉爾夫·比爾廷普費爾 申請人:肖特公開股份有限公司