Title:
Beleuchtungsvorrichtung zum Erzeugen einer rechteckigen Lichtverteilung in einer Beleuchtungsebene
Document Type and Number:
Kind Code:
A1

Abstract:

Die Erfindung schlägt eine Beleuchtungsvorrichtung (1) vor, bei der Licht einer oder mehrerer Lichtquellen mit Hilfe geeigneter optischer Elemente in eine rechteckige Lichtverteilung transformiert und damit in einer Beleuchtungsebene eine rechteckige Beleuchtungsfläche erzeugt wird. Dazu wird in einer Lichteinheit (2) mit Hilfe eines Wabenkondensors (26) Licht mit einer rechteckigen Winkelverteilung geformt. Dazu weist der Wabenkondensors (26) rechteckig begrenzte Mikrolinsen als Waben auf. Eine nachfolgende Freiformoptik (4) modifiziert diese Winkelverteilung und ermöglicht einen relativ kurzen Abstand zur Beleuchtungsebene (W). Optional kann zwischen Lichteinheit (2) und Freiformoptik (4) ein Zoomobjektiv (3) geschaltet sein.





Inventors:
Rehn, Henning, Dr. (13407, Berlin, DE)
Application Number:
DE102016205590A
Publication Date:
10/05/2017
Filing Date:
04/05/2016
Assignee:
OSRAM GmbH, 80807 (DE)
International Classes:
F21V13/04; F21V5/04; G02B27/18; G03B21/00
Domestic Patent References:
DE202015104894U1N/A2015-09-25
DE102013110272A1N/A2015-03-19
DE102010039683A1N/A2012-03-01
DE968430CN/A1958-02-13
Foreign References:
201203004692012-11-29
201500777252015-03-19
201501242252015-05-07
17629321930-06-10
Claims:
1. Beleuchtungsvorrichtung (1; 5; 9) zum Bereitstellen von Licht und zum Beleuchten einer Beleuchtungsebene mit einem rechteckigen Lichtverteilung, umfassend
a. mindestens eine Lichtquelle (211; 221; 231; 72), die Licht erzeugt,
b. eine Kollimationsoptik (212; 222; 232; 71, 8), die das Licht kollimiert,
c. eine Kondensoroptik (26) zur Formung einer rechteckigen Winkelverteilung des von der Kollimationsoptik kommenden Lichts,
d. eine Freiformoptik (4) mit mindestens einer Freiformfläche (41) zur Modifizierung der Winkelverteilung derart, dass in einer optisch nachgeschalteten Beleuchtungsebene eine rechteckige Lichtverteilung erzeugt wird.

2. Beleuchtungsvorrichtung (1; 5; 9) nach Anspruch 1, wobei die Kondensoroptik (26) als Wabenkondensor mit rechteckig begrenzten Mikrolinsen als Waben ausgebildet ist.

3. Beleuchtungsvorrichtung (1; 5; 9) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Freiformoptik als eine der folgenden Ausführungsformen ausgebildet ist: Freiformspiegel (4), Spiegelteleskop (1013) mit zwei oder drei Freiformspiegeln, ein oder mehrere Freiformlinsen.

4. Beleuchtungsvorrichtung (1; 5; 9) nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einer afokalen Zoomoptik (3) die optisch zwischen der Kondensoroptik (26) und der Freiformoptik (4; 1013) geschaltet ist.

5. Beleuchtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 4, wobei die optische Achse (L1) der Kondensoroptik (26) und die optische Achse (L2) der Zoomoptik (3) zueinander nicht kollinear ausgerichtet sind sondern einen Winkelversatz bilden.

6. Beleuchtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 5, wobei der Winkelversatz so gewählt ist, dass die optische Achse (L2) der Zoomoptik (3) die Mitte der Unterkante der rechteckigen Lichtverteilung trifft.

7. Beleuchtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 5 oder 6, wobei der Winkelversatz der halben vertikalen Winkelausdehnung des von der Kondensoroptik kommenden Lichtes entspricht.

8. Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei die Zoomoptik als Zoomobjektiv (3; 12) ausgebildet ist, das vier bis sieben Linsen aufweist, vorzugsweise fünf Linsen.

9. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei die Zoomoptik anamorphotisch ausgelegt ist.

10. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 9 mit einer Alvarez-Linse.

11. Beleuchtungsvorrichtung (1; 5; 9) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Lichtquelle eine oder mehrere Elemente oder eine Kombination verschiedener Elemente aus der Gruppe der folgenden Lichtquellen umfasst: Entladungslampe (72), Leuchtdiode (211; 221; 231), Laserdiode, Laser Activated Remote Phosphor.

12. Beleuchtungssystem mit einer Mehrzahl von Beleuchtungsvorrichtungen gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Beleuchtungsvorrichtungen nebeneinander angeordnet sind, vorzugsweise horizontal nebeneinander, und zwar so, dass die jeweiligen Lichtverteilungen bzw. Beleuchtungsflächen zu einer zusammenhängenden größeren Beleuchtungsfläche zusammengefügt sind („Stitching").

Description:
Technisches Gebiet

Die Erfindung geht aus von einer Beleuchtungsvorrichtung zum Bereitstellen von Licht. Genauer betrifft die Erfindung eine Beleuchtungsvorrichtung zum Beleuchten einer definiert begrenzten Fläche, im Folgenden auch "Beleuchtungsfläche" genannt, in einer Beleuchtungsebene mit einer entsprechend geformten Lichtverteilung. Die Beleuchtungsebene kann dabei beispielsweise durch die Oberfläche einer Wand eines Gebäudes oder einer Leinwand, einen Hintergrund eines Fernseh- oder Filmstudios oder einer Theater-Bühne, etc. gebildet sein. Je nach Anwendung wird weißes oder farbiges Licht, auch im Wechsel bzw. beliebig einstellbar, verwendet.

Stand der Technik

Für derartige Beleuchtungszwecke sind Beleuchtungsvorrichtungen, sogenannte „Washlights" oder „Cyclorama Lights" bekannt. Diese Leuchten verwenden als Lichtquellen unter anderem Entladungslampen oder in jüngerer Zeit auch Leuchtdioden (LED). Diese Lichtquellen erzeugen in der Regel bezüglich ihrer Lichtstärkeverteilung und/oder Farbverteilung inhomogenes Licht.

Dadurch ist bei Verwendung herkömmlicher Leuchten die Beleuchtungsstärkeverteilung und/oder die Farbverteilung (bei farbigem bzw. mehrfarbigem Licht) innerhalb der beleuchteten Fläche (Beleuchtungsfläche) ungleichmäßig. Außerdem ist die Form der Lichtverteilung bzw. der Beleuchtungsfläche oft unerwünscht verzerrt, unsymmetrisch oder unförmig. Dies führt insbesondere beim sogenannten „Stitching", also dem unmittelbaren Aneinanderfügen von zwei oder mehr Beleuchtungsflächen zu einer zusammenhängenden größeren Beleuchtungsfläche mit Hilfe entsprechend vieler geeignet angeordneter Leuchten, zu Problemen hinsichtlich der Gleichmäßigkeit und äußeren Form der resultierenden Beleuchtungsfläche.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, in einer Beleuchtungsebene eine rechteckige Fläche zu beleuchten, d.h. in dieser Beleuchtungsebene eine rechteckförmige Beleuchtungsfläche zu erzielen. Zudem sollen dabei die eingangs erwähnten Nachteile hinsichtlich der Gleichmäßigkeit von Beleuchtungsstärke und gegebenenfalls Farbverteilung innerhalb der rechteckigen Beleuchtungsfläche weitgehend vermieden werden.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, dass diese Art und geometrische Form der Beleuchtung bei relativ kurzem Abstand zwischen Beleuchtungsvorrichtung und Beleuchtungsebene erzielt wird. Dadurch sollen unerwünschte Abschattungen dieser Hintergrundbeleuchtung durch beispielsweise Personen (bei Bodenmontage bzw. bodennahe Montage der Beleuchtungsvorrichtung) oder Deckeninstallationen (bei Deckenmontage der Beleuchtungsvorrichtung) möglichst ausgeschlossen werden.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Beleuchtungsvorrichtung zum Bereitstellen von Licht und zum Beleuchten einer Beleuchtungsebene mit einer rechteckigen Lichtverteilung, umfassend mindestens eine Lichtquelle, die Licht erzeugt, eine Kollimationsoptik, die das Licht kollimiert, eine Kondensoroptik zur Formung einer rechteckigen Winkelverteilung des von der Kollimationsoptik kommenden Lichts und eine Freiformoptik mit mindestens einer Freiformfläche zur Modifizierung der Winkelverteilung derart, dass in einer optisch nachgeschalteten Beleuchtungsebene eine rechteckige Lichtverteilung erzeugt wird.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.

Außerdem wird Schutz begehrt für ein Beleuchtungssystem mit einer Mehrzahl von erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtungen gemäß dem auf das Beleuchtungssystem gerichteten Anspruch.

Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, das Licht einer oder mehrerer Lichtquellen mit Hilfe geeigneter optischer Elemente in eine rechteckige Lichtverteilung zu transformieren, um damit in einer Beleuchtungsebene eine rechteckige Beleuchtungsfläche zu erzeugen. Mit dem Begriff rechteckige Lichtverteilung ist hier gemeint, dass in einer Beleuchtungsebene die Lichtverteilung eine zumindest im wesentlichen rechteckige Form aufweist. Leichte Abweichungen von der streng geometrischen Rechteckform sind in der Praxis nicht vermeidbar oder sogar gewünscht, beispielsweise leicht unscharfe Ränder, leicht abgerundete Ecken oder ähnliches. Außerhalb dieser zumindest im wesentlichen rechteckigen Form fällt die Lichtstärke jedenfalls stark ab, ist also deutlich geringer als innerhalb, kann insbesondere auch praktisch null ("dunkel") sein. Mit anderen Worten wird in der Beleuchtungsebene, die beispielsweise durch eine Oberfläche einer Gebäudewand oder Leinwand gebildet ist, nur eine zumindest im wesentlichen rechteckige Fläche mit Hilfe der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung ausgeleuchtet. Dazu wird Licht mit einer rechteckigen Winkelverteilung geformt und auf die zu beleuchtende Oberfläche, beispielsweise einer Gebäude- oder Leinwand geworfen. Eine optische Abbildung erfolgt hingegen nicht. Ebenso wenig muss die rechteckige Beleuchtungsfläche dynamisch ausgeleuchtet werden, etwa durch zeilenweises Ausleuchten mit einer relativ kleinen kreisförmigen Lichtverteilung. Vielmehr wird die Lichtverteilung so geformt, dass sie mit der gewünschten Beleuchtungsfläche geometrisch übereinstimmt. Dadurch kann das gewünschte Beleuchtungsergebnis mit einer statischen Lösung erzielt werden. Ein aufwendiges dynamisches Konzept ist nicht erforderlich.

Das von der mindestens einen Lichtquelle kommende Licht wird zunächst mit Hilfe einer Kollimationsoptik kollimiert und danach mit Hilfe einer geeigneten Kondensoroptik eine rechteckige Winkelverteilung geformt. Eine nachfolgende Freiformoptik modifiziert diese Winkelverteilung und ermöglich dadurch einen relativ kurzen Abstand zur Beleuchtungsebene.

Optional kann eine afokale Zoomoptik zwischen der Kondensoroptik und der Freiformoptik geschaltet sein, um die Ausdehnung der rechteckigen Lichtverteilung in der Beleuchtungsebene variieren zu können. Da die rechteckige Beleuchtungsfläche an der Wand keine scharfen Ränder haben muss oder auch soll, kann die Zoomoptik ohne große Randschärfe, sprich Auflösung im Randbereich, ausgelegt werden. Außerdem kann der Freiformspiegel näher zur Austrittspupille der Zoomoptik positioniert werden.

Die Zoomoptik kann als Zoomobjektiv ausgelegt sein und insbesondere vier bis sieben Linsen aufweisen, vorzugsweise fünf Linsen. Das Zoomobjektiv ist zudem vorzugsweise so ausgelegt, dass beim Zoomen die beiden äußeren Linsen stehen bleiben und sich nur die mittlere Gruppe bewegt.

Weiterhin kann die Zoomoptik auch anamorphotisch ausgelegt sein, also z.B. eine Stauchung oder Streckung des Bildes bewirken, beispielsweise mit Hilfe einer Alvarez-Linse, also einem aus zwei Linsenelementen bestehenden Linsensystem zur kontinuierlichen Veränderung der sphärozylindrischen Wirkung.

Damit beim Zoomen die Unterkante der rechteckigen Lichtverteilung in der Beleuchtungsebene stehen bleibt, sich der Lichtverteilung also gleichsam nur nach oben und seitwärts vergrößert, ist es vorteilhaft die Beleuchtungsvorrichtung so auszulegen, dass die optische Achse der Zoomoptik die Mitte der Unterkante der rechteckigen Lichtverteilung trifft, da die optische Achse bzw. der Lichtstrahl in der optischen Achse beim Zoomen unverändert bleiben.

Zusätzlich ist bei üblicher Anordnung der Beleuchtungsvorrichtung am Boden oder zumindest in Bodennähe dafür zu sorgen, dass die auf das Zoomobjektiv einfallende Lichtverteilung (im Winkelraum) nur mehr oder weniger nach unten (also schräg zum Boden hin) gerichtete Strahlen enthält.

Dies kann durch einen Winkelversatz (Offset, „Knick") zwischen der optischen Achse der Kondensoroptik (die mit der optischen Achse der gesamten Lichteinheit, bestehend aus Lichtquelle, Kollimations- und Kondensatoroptik zusammenfällt) und der optischen Achse des Zoomobjektivs realisiert werden, d.h. die optische Achse des Zoomobjektivs und die optische Achse der Kondensoroptik sind zueinander nicht kollinear.

Vorzugsweise beträgt der Offset die halbe vertikale Winkelausdehnung des von der Kondensoroptik kommenden Lichtes.

Vorzugsweise ist die optische Achse der Zoomoptik horizontal und senkrecht zur Beleuchtungsebene ausgerichtet. In Bezug dazu ist die optische Achse der Kondensoroptik (und der vorgeschalteten Kollimationsoptik) schräg nach unten ausgerichtet (in Richtung der Lichtausbreitung betrachtet), um den gewünschten Winkelversatz zu erzielen. Daran ändert sich auch nichts, falls die Beleuchtungsvorrichtung statt am Boden oder in Bodennähe alternativ an der Decke installiert und betrieben wird. Die Beleuchtungsvorrichtung bleibt in sich gleich und wird nur verkehrt herum an die Decke gehängt.

Für die Erzeugung der rechteckigen Winkelverteilung hat sich als Kondensoroptik ein Wabenkondensor, dessen Waben als rechteckig begrenzte Mikrolinsen ausgebildet sind, als besonders geeignet erwiesen. Die Eingangs- und Ausgangsseite der rechteckig begrenzten Mikrolinsen kann sphärisch oder asphärisch ausgebildet sein. Mit Hilfe der rechteckig begrenzten Mikrolinsen wird eine rechteckige Winkelverteilung erzielt. Außerdem ist der Wabenkondensator an die Winkelverteilung des einfallenden Lichts angepasst. Er dient auch dazu, die Lichtverteilung zu homogenisieren. Für weitere Details zu Wabenkondensoren sei beispielsweise auf die Druckschrift US 1 762 932 oder DE 968 430 C verwiesen.

Als Lichtquellen kommen unter anderem Lampen, insbesondere Entladungslampen, aber auch Halbleiterlichtquellen wie Leuchtdioden (LED) und Laserdioden (LD) sowie die in jüngster Zeit zunehmend diskutierte LARP-Technologie (LARP: Laser Activated Remote Phosphor) in Betracht. Für weitere Details zur LARP-Technologie sei beispielsweise auf die Schrift DE 10 2010 039 683 A1 verwiesen.

Für die Erzeugung von farbigem Licht ist im Falle der Verwendung von herkömmlichen Lampen mindestens ein Farbfilter, beispielsweise ein rotierendes Filterrad mit mehreren farbselektiven Filtersegmenten, erforderlich.

Bei der alternativen Verwendung von Halbleiterlichtquellen sind geeignete Emissionswellenlängen kommerziell verfügbar, beispielsweise rot (R), grün (G) und blau (B). Durch geeignete Farblichtmischung lassen sich im Prinzip alle innerhalb des von den RGB-Lichtfarben aufgespannten Farbraums liegenden Lichtfarben einschließlich weißen Lichts erzeugen. Um die Beleuchtungsvorrichtung möglichst kompakt zu halten, ist es bevorzugt, die verschiedenfarbigen Lichtbündel der mehreren Halbleiterlichtquellen über einen Strahlkombinierer, beispielsweise eine dichroitische Spiegelanordnung, zusammen- und der Kondensoroptik zuzuführen. Außerdem werden vorzugsweise LEDs hoher Leuchtdichte verwendet, um die notwendigen Abmessungen des Beleuchtungssystems möglichst zu begrenzen. Insbesondere soll die gesamte Leuchtdichte vorzugsweise mehr als 100 Mcd/m2 (einhundert Megacandela pro Quadratmeter) betragen.

Für die alternative oder kombinierte Verwendung der LARP-Technologie sind Leuchtstoffe mit geeigneten Emissionswellenlängen, beispielsweise im roten und grünen Spektralbereich, bei Anregung mit beispielsweise ultraviolettem oder blauem Pumplaserlicht kommerziell ebenfalls verfügbar. Außerdem kann die LARP-Technologie auch mit zusätzlichen Farblicht emittierenden Halbleiterlichtquellen kombiniert werden.

Die Kollimationsoptik muss naturgemäß zur Abstrahlungscharakteristik der Lichtquelle passend gewählt bzw. ausgelegt werden. Für punklichtartige Lichtquellen, wie beispielsweise Kurzbogen-Entladungslampen, kommen optische Reflektoren, beispielsweise parabolisch oder elliptisch geformte Reflektoren, in Betracht. Für LED, die üblicherweise eine Lambert’sche Abstrahlcharakteristik aufweisen, und LD sind Linsenkombinationen aus beispielsweise zwei Linsen geläufig.

Die Freiformoptik kann als Freiformspiegel, Spiegelteleskop mit zwei oder drei Freiformspiegeln oder als eine oder mehrere Freiformlinsen ausgebildet sein.

Die mindestens eine Freiformfläche der Freiformoptik kann beispielsweise mit Hilfe der gängigen Methode des optischen Maßschneiderns berechnet werden, die bei branchenüblicher Software für die Berechnung von Beleuchtungslösungen üblicherweise implementiert ist. Dabei wird von einer Punktlichtquelle ausgegangen und die Freiformfläche so berechnet, dass in der Beleuchtungsebene eine rechteckige Beleuchtungsfläche ausgeleuchtet wird.

Tatsächlich wird die Freiformfläche erfindungsgemäß aber nicht mit einer Punktlichtquelle beleuchtet sondern mit dem von der Kondensoroptik kommenden Licht bzw. gegebenenfalls dem Licht aus der gesamten Austrittspupille der Zoomoptik. Die dadurch verursachte Unschärfe des rechteckigen Randes der Lichtverteilung bzw. der Beleuchtungsfläche ist je nach Anforderung des Anwendungsfalls aber mindestens akzeptabel oder sogar willkommen.

Um noch größere zusammenhängende Beleuchtungsflächen zu erzielen kann eine Mehrzahl von erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtungen zu einem gemeinsamen Beleuchtungssystem kombiniert werden. Dazu werden zwei oder mehr Beleuchtungsvorrichtungen nebeneinander angeordnet, vorzugsweise horizontal nebeneinander, und zwar so, dass die jeweiligen Lichtverteilungen bzw. Beleuchtungsflächen unmittelbar aneinander angrenzen oder auch leicht überlappen („Stitching").

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:

1 ein Ausführungsbeispiel der Beleuchtungsvorrichtung mit Leuchtdioden und Freiformspiegel,

2 die Lichteinheit der Beleuchtungsvorrichtung aus 1 in einer vergrößerten Darstellung,

3a eine rechteckige Beleuchtungsfläche zur Berechnung des Freiformspiegels bei Beleuchtung mit einer Punktlichtquelle,

3b die vom Freiformspiegel gemäß 3a bei Beleuchtung mit der Lichteinheit aus 2 erzeugte rechteckige Beleuchtungsfläche,

4 ein Ausführungsbeispiel der Beleuchtungsvorrichtung mit einer Reflektorlampe,

5 ein Ausführungsbeispiel der Beleuchtungsvorrichtung mit Leuchtdioden und Freiformspiegelteleskop.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung

Gleiche oder gleichartige Merkmale können im Folgenden der Einfachheit halber auch mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sein.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung 1 zur Erzeugung einer rechteckigen Lichtverteilung bzw. einer rechteckigen Beleuchtungsfläche auf der Oberfläche einer Wand W in einer Seitenansicht. Die Wand W gehört nicht zur Beleuchtungsvorrichtung und ist auch nicht in ihrer gesamten Ausdehnung dargestellt sondern nur symbolisch angedeutet.

Die Beleuchtungsvorrichtung 1 weist die folgenden Komponenten auf: eine Lichteinheit 2, ein afokales Zoomobjektiv 3 und einen Freiformspiegel 4. Für die Details der Lichteinheit wird im Folgenden auch Bezug auf die 2 genommen.

2 zeigt eine schematische Darstellung der Lichteinheit 2 in Draufsicht. Die Lichteinheit 2 weist drei LED-Module 211, 221, 231 auf, denen jeweils eine Kollimationsoptik 212, 222, 232 nachgeschaltet. Die drei Kollimationsoptiken 212, 222, 232 sind beispielsweise gleichartig aufgebaut und umfassen jeweils drei Linsen. Dadurch wird die für die Kollimation erforderliche gesamte Lichtbrechung auf drei optische Elemente aufgeteilt und damit optische Fehler der jeweiligen gesamten Kollimationsoptik verringert. Um einen möglichst hohen Lichtstrom bei möglichst kompakten Abmessungen erzielen zu können, werden für die LED-Module jeweils eine Hochleistungsleuchtdiode verwendet, wie sie auch für Projektionsanwendungen zum Einsatz kommen. Die Hochleistungsleuchtdiode des LED-Moduls 231 emittiert rotes Licht (R), die Hochleistungsleuchtdiode des LED-Moduls 211 grünes Licht (G) und die Hochleistungsleuchtdiode des LED-Moduls 221 blaues Licht (B).

Nach den Kollimationsoptik 212, 222, 232 folgt ein aus zwei gekreuzten dichroitischen Spiegeln 24, 25 bestehender Strahlkombinierer. Der dichroitische Spiegel 24 ist für das rote Licht R des LED-Moduls 231 reflektierend und das grüne Licht G des LED-Moduls 211 transmittierend ausgelegt. Der dichroitische Spiegel 25 ist für das blaue Licht B des LED-Moduls 221 reflektierend und das grüne Licht G des LED-Moduls 211 transmittierend ausgelegt.

Das so zusammengeführte kollimierte Mischlicht aus einem roten, grünen und blauen Anteil (RGB) gelangt nach dem Strahlkombinierer 24, 25 auf einen Wabenkondensor 26. Der Wabenkondensor 26 weist als Waben eine Vielzahl rechteckig begrenzter Mikrolinsen auf (nicht gezeigt). Vorzugsweise ist die rechteckige Umrandung der Mikrolinsen (mathematisch) ähnlich und genauso orientiert wie die LED-Chipflächen bzw. die Platine der LED-Module 211, 221, 231, nämlich jeweils ziemlich exakt senkrecht zur optischen Achse L1 der Lichteinheit 2.

Der Wabenkondensor kann auch aus zwei identischen Mikro-Linsen-Arrays (MLA) in geeignetem Abstand aufgebaut sein. Die rechteckig umrandeten Mikrolinsen können sphärisch oder asphärisch geformt sein.

Vorzugsweise ist die Étendue des Wabenkondensors 26 ca. 10% bis 20% größer gewählt als die der einzelnen LED der LED-Module 211, 221, 231. Die Vorteile sind eine möglichst effiziente Lichtsammlung des von den LED emittierten Lichts sowie die Vermeidung oder zumindest Verringerung von Übersprechen zwischen den durch einander gegenüberliegende Mikrolinsen gebildeten Kanälen.

Das afokale Zoomobjektiv 3 weist sieben Linsen auf und ist so ausgelegt, dass die beiden äußeren Linsen beim Zoomen stehen bleiben und nur die mittlere Gruppe bewegt wird. Die Länge beträgt ca. 250 mm. Die Verzeichnung ist im gesamten Feld gering und die Auflösung am Rande ebenso. Daraus resultiert auf der Oberfläche der Wand W eine rechteckige Beleuchtungsfläche mit weichen (unscharfen) Rändern.

Während die optische Achse L2 des Zoomobjektivs 3 horizontal und senkrecht zur Wand W ausgerichtet ist, ist in Bezug dazu die optische Achse L1 der Lichteinheit 2 zwar ebenfalls in der Zeichenebene aber schräg nach unten ausgerichtet. Die beiden optischen Achsen L1, L2 sind also nicht kollinear sondern durch einen "Knick" winkelversetzt ("Offset"). Der Winkelversatz ist gleich der halben vertikalen Winkelausdehnung des von der Kondensoroptik kommenden Lichts. Im Ausführungsbeispiel beträgt die vertikale Winkelausdehnung des von der Kondensoroptik 26 kommenden Lichts ±8,9°, die horizontale Winkelausdehnung beträgt ±4,7°. Die Werte für die Winkelausdehnung beziehen sich auf 50% der maximalen Lichtstärke (FWHM) der korrespondierenden rechteckigen Lichtverteilung.

Die optische Achse L2 des Zoomobjektivs 3 trifft die Mitte der Unterkante der rechteckigen Lichtverteilung (beispielsweise auf dem Freiformspiegel 4) bzw. der Beleuchtungsfläche auf der Wand W. Dies ist durch den Bezugspunkt 0 auf der Oberfläche der Wand W in 1 symbolisch dargestellt. Dadurch wird erreicht, dass beim Zoomen die Unterkante der rechteckigen Lichtverteilung in der Beleuchtungsebene (entspricht in der Vertikalen dem Bezugspunkt 0 in 1) stehen bleibt, sich die Lichtverteilung und folglich die Beleuchtungsfläche an der Wand W gleichsam nur nach oben und seitwärts vergrößert. Dies ist in 1 durch die beiden vertikalen Markierungen E1, E2 für eine Ausleuchtung in Teleeinstellung bzw. Weitwinkeleinstellung des Zoomobjektivs 3 symbolisch dargestellt. Die Unterkante (Bezugspunkt 0) der jeweiligen Beleuchtungsfläche bleibt dabei in beiden Fällen unverändert.

Das vom Zoomobjektiv 3 kommende Licht wird vom Freiformspiegel 4 auf die Oberfläche der Wand W reflektiert. Dabei wird der Lichtweg entgegen der vom Zoomobjektiv 3 kommenden Richtung zurückgespiegelt, und zwar unter einem Winkel so, dass die Lichtstrahlen am Zoomobjektiv 3 vorbei zur Wand gelangen, ohne dabei einen unerwünschten Schattenwurf zu erzeugen. Außerdem ist der Freiformspiegel 4 so ausgelegt, dass er die Winkelverteilung des vom Zoomobjektiv 3 kommenden Lichts modifiziert, um einen möglichst kurzen Abstand des Freiformspiegels 4 zur Wand W zu erzielen. Dieser Abstand beträgt typischerweise zwischen ca. 50 und 100 cm. Er wird für ein Beleuchtungsdesign anfangs festgelegt und in der Regel dann nicht mehr verändert. Die zusammen mit dem Zoomobjektiv 3 erzielten Abmessungen der Beleuchtungsfläche Eb auf der Oberfläche der Wand W ergeben sich zu (2m·3m)·(1 + z)2, wobei z der Zoomfaktor ist und hier zwischen ca. –20% und +20% beträgt.

Die Freiformfläche 41 des Freiformspiegels 4 wird mit Hilfe des bei Beleuchtungssoftware gebräuchlichen Verfahrens des optischen Maßschneiderns berechnet. Ausgehend von einer Punklichtquelle wird die Freiformfläche 41 so berechnet, dass sich die in 3a gezeigte rechteckige Beleuchtungsfläche Ea auf der Oberfläche der Wand W (in 3a, 3b ist jeweils nur der beleuchtete Ausschnitt der Oberfläche der Wand W gezeigt). Tatsächlich ergibt sich bei einer ausgedehnten Lichtquelle entsprechend dem Licht aus der gesamten Austrittspupille des Zoomobjektivs 3 eine Beleuchtungsfläche Eb mit einer Unschärfe des rechteckigen Randes (vgl. 3b). Zudem hat es sich herausgestellt, dass diese Unschärfe dann das richtige Maß hat, wenn ein Punkt auf der Unterkante des Freiformspiegels 4 die Austrittspupille des Zoomobjektivs 3 unter einem Winkel von ±2.5°...±10° sieht. Wenn der Winkel größer als dieser Wertebereich gewählt wird, verschmiert die Lichtverteilung zu stark und die vorgesehene rechteckige Beleuchtungsfläche wird nicht erreicht. Wenn der Winkel kleiner gewählt wird, vergrößert sich sowohl der erforderliche Abstand zwischen Zoomoptik und Freiformspiegel und damit auch die notwendige Größe des Freiformspiegels.

In 1 ist der Freiformspiegels 4 in einer die optische Achse L2 des Zoomobjektivs 3 enthaltenden vertikalen Ebene geschnitten. Tatsächlich aber ist die Freiformfläche 41 nicht nur in einer Richtung sondern flächig gekrümmt (nicht dargestellt). Die Größe des Freiformspiegels 4 entspricht in diesem Ausführungsbeispiel in etwa der Größe zwischen einem A5 und A4-Blatt.

Prinzipiell kann der Freiformspiegel 4 auch durch eine Linse oder ein Linsensystem mit einer oder mehreren geeignet geformten Freiformflächen ersetzt werden. Allerdings sind mit Freiformspiegel stärkere Lichtablenkungen realisierbar als mit Freiformlinsen.

Zwischen der Lichteinheit 2 bzw. dem Zoomobjektiv 3 und dem Freiformspiegel 4 oder auch nach dem Freiformspiegel 4 können noch ein oder zwei Planspiegel zur Faltung des Lichtweges und damit Verkleinerung der gesamten Systems vorgesehen sein.

4 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung 5. Sie unterscheidet sich von der in 1 dargestellten Beleuchtungsvorrichtung 1 lediglich in der modifizierten Lichteinheit 6. Zoomobjektiv 3 und Freiformspiegel 4 sind hingegen unverändert. Die Lichteinheit 6 umfasst eine Reflektorlampe 7, hier konkret vom Typ P-VIP® der Firma OSRAM. Im Reflektor 71 ist eine Kurzbogen-Entladungslampe 72 montiert, die einer Punktlichtquelle relativ nahe kommt. Der Reflektor 71 fungiert zusammen mit einer Sammellinse 8 als Kollimationsoptik, also quasi wie ein Parabolreflektor. Das so kollimierte Licht gelangt danach auf den Wabenkondensor 26. Der Rest entspricht der Situation in 1 und ist bereits dort ausführlich beschrieben. Für die Erzeugung von farbigem Licht kann noch ein oder mehrere Farbfilter, beispielsweise ein Farbfilterrad, in dem Lichtstrahlengang der Beleuchtungsvorrichtung 5 vorgesehen sein, beispielsweise zwischen Kollimations- und Kondensoroptik.

5 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung 9. Sie unterscheidet sich von der in 1 dargestellten Beleuchtungsvorrichtung 1 dadurch, dass der Freiformspiegel 4 durch ein Freiformspiegelteleskop ersetzt ist. Das Freiformspiegelteleskop besteht aus zwei Linsen 10, 11 sowie zwei Freiformspiegeln 12, 13, die den Strahlengang zweifach falten, so dass die Ausleuchtungsrichtung am Ende – und im Unterschied zu der in 1 gezeigten Variante – nicht umgekehrt ist. Außerdem ist sowohl die Gesamtlänge der Beleuchtungsvorrichtung 9 als auch der Abstand des letzten Freiformspiegels 11 zur Wand W gegenüber der in 1 gezeigten Variante verkürzt. Dem stehen neben den höheren Kosten für einen zweiten Freiformspiegel auch eine notwendige Anpassung des Zoomobjektivs 3 gegenüber. Insbesondere ist auch eine relativ große Linse 11 für das Freiformspiegelteleskop erforderlich, um die notwendige Ausleuchtung des ersten Freiformspiegels 12 zu gewährleisten. Im Übrigen entspricht die Lichteinheit 2 derjenigen der in 1 gezeigten und oben beschriebenen Beleuchtungsvorrichtung 1.

Bezugszeichenliste

1
Beleuchtungsvorrichtung
2
Lichteinheit
3
Zoomobjektiv
4
Freiformspiegel
5
Beleuchtungsvorrichtung
6
Lichteinheit
7
Reflektorlampe
8
Sammellinse
9
Beleuchtungsvorrichtung
10
Linse des Teleskops
11
Linse des Teleskops
12
Freiformspiegel 1 des Teleskops
13
Freiformspiegel 2 des Teleskops
211; 221; 231
Leuchtdioden-Module
212; 222; 232
Kollimationsoptiken
24; 25
dichroitische Spiegel
26
Wabenkondensor
71
Reflektor (der Reflektorlampe)
72
Kurzbogen-Entladungslampe
W
Wand
0, E1, E2
vertikale Ausdehnung der Beleuchtungsfläche
Ea, Eb
Beleuchtungsfläche
L1
optische Achse 1 (der Lichteinheit)
L2
optische Achse 2 (des Zoomobjektivs)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • US 1762932 [0019]
  • DE 968430 C [0019]
  • DE 102010039683 A1 [0020]