DE102009048830B4

DE102009048830B4 - Lichtleitstruktur

Info

Publication number: DE102009048830B4
Application number: DE102009048830A
Authority: DE
Inventors: Dr. Hartwig Ulrich; Dr. Rehn Henning; Dr. Morkel Matthias
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2009-10-09
Filing date: 2009-10-09
Publication date: 2012-01-12
Anticipated expiration: 2029-10-10
Also published as: JP2013507728A; CN102576118B; DE102009048830A1; WO2011042458A1; US20120195059A1; EP2486434A1; JP5677443B2; US9285526B2; CN102576118A

Abstract

Lichtleitstruktur mit einem mit einer Lichtquelle (6) optisch verbundenen Lichtleitelement (2) und einem daran gekoppelten Optikelement (10), wobei die dem Lichtleitelement (2) abgewandte Oberfläche des Optikelements (10) die Form eines Abschnitts (11) eines Rotationsellipsoids hat, wobei eine geometrische Schnittebene des Abschnitts (11) sich orthogonal zur Längsachse des Rotationsellipsoids erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass der ellipsoidförmige Lichtaustrittsabschnitt (11) des Optikelements (10) verspiegelt ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung geht aus von einer Lichtleitstruktur gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
Stand der Technik
Das Dokument WO 2006/054199 A1 offenbart eine derartige Lichtleitstruktur. Diese hat eine Lichtquelle, beispielsweise eine LED oder ein Laserlicht emittierendes Element, die optisch mit einem stabförmigen Lichtleiter verbunden ist. Ein von der Lichtquelle abgewandter Endabschnitt des Lichtleiters ist mit einer bestimmten Struktur ausgestaltet oder weist eine bestimmte Form auf, die dazu dient die Abstrahlcharakteristik der Lichtstrahlen zu beeinflussen. Somit ist die Abstrahlcharakteristik der Lichtquelle durch die Lichtleitstruktur derart geändert, dass das Licht dann näherungsweise zum Beispiel wie bei einer Halogen- oder Gasentladungslampe abstrahlt.
Nachteilig bei dieser Lösung ist, dass die Strukturen im Endabschnitt des Lichtleiters die übertragene Strahlungsleistung der Lichtquelle vermindern und durch die beschriebene Abstrahlcharakteristik eine effektive Übertragung des Lichts der Quelle in ein Zielgebiet verhindern.
Das Dokument DE 10 2005 011 337 A1 zeigt eine Anordnung, bei der ein Reflektor auf ein Optikelement aufgesteckt ist. Das von einer Lichtquelle kommende Licht wird auf der dem Reflektor abgewandten Seite in das Optikelement eingekoppelt und von diesem teilweise direkt – d. h. ohne Reflexion im Reflektor – in Vorwärtsrichtung transmittiert. Ein weiterer Teil wird an einem kragenförmigen Ansatzbereich des Reflektors reflektiert und danach über eine weitere Reflexion an dem wegragenden Teil des Reflektors ebenfalls in Vorwärtsrichtung weitergeleitet. Mit anderen Worten wird das ankommende Licht von dem Optikelement sowie dem Reflektor generell ausschließlich in Vorwärtsrichtung weitergeleitet.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lichtleitstruktur zur Veränderung einer Abstrahlcharakteristik einer Lichtquelle zu schaffen, die einfach aufgebaut und effizient ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Lichtleitstruktur gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Erfindungsgemäß weist eine Lichtleitstruktur eine Lichtquelle auf, die optisch mit einem Lichtleitelement verbunden ist. An dem Lichtleitelement ist weiter ein Optikelement gekoppelt, dessen dem Lichtleitelement abgewandte Oberfläche in Form eines Abschnitts eines Rotationsellipsoids ausgebildet ist, wobei eine geometrische Schnittebene des Abschnitts sich orthogonal zur Längsachse des Rotationsellipsoids erstreckt und wobei der ellipsoidförmige Lichtaustrittsabschnitt des Optikelements verspiegelt ist.
Diese Lösung hat den Vorteil, dass mit dem von der Lichtleitstruktur geleiteten Licht einer primären Lichtquelle eine sekundäre Lichtquelle erzeugt wird, deren Ort und Abstrahlung (letzteres durch Auslegung der elliptischen Oberfläche) vorteilhaft an die Anwendung oder ein nachfolgendes optisches System angepasst werden kann, wobei der Ort sich von dem der primären Lichtquelle unterscheidet und beispielsweise im Brennpunkt einer Optik platziert werden kann. Auf diese Art und Weise wird erreicht, dass mechanische Bestandteile der primären Lichtquelle wir Schäfte, Stromzuführungen oder Kühlkörper nicht die optische Übertragung beeinträchtigen. Da der rotationsellipsoidförmig ausgebildete Abschnitt des Optikelements verspiegelt ist, werden die Lichtstrahlen in den zweiten Brennpunkt der Ellipsoidfläche fokussiert, von wo sie sich in den rückwärtigen Halbraum ausbreiten. Eine auf diese Weise an diesem Ort erzeugte sekundäre Lichtquelle kann nun vorteilhaft so im Brennpunkt eines Reflektors oder dessen näherer Umgebung positioniert werden, dass dieser all ihr Licht reflektiert.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Das Lichtleitelement ist vorzugsweise stabförmig ausgebildet und über ein Lichteintrittsfenster mit der primären Lichtquelle optisch verbunden und über ein Lichtaustrittsfenster mit dem Optikelement gekoppelt.
Die Längsachse des Lichtleitelements und die Längsachse des Optikelements erstrecken sich etwa bevorzugt koaxial zueinander.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Lichtaustrittsfenster des Lichtleitelements etwa in einem ersten Brennpunkt des ellipsoidförmigen Optikelements angeordnet, wodurch das aus dem Optikelement austretende Licht kollimiert wird.
Der Reflektor kann beispielsweise elliptisch oder parabolisch ausgebildet sein. Durch die so beschriebene optische Abbildung kann das in das Lichtleitelement eingekoppelte und von diesem übertragene Licht von seinem Lichtaustrittsfenster zu einem Target übertragen werden, ohne dass sich seine Leuchtdichte wesentlich vermindert.
Damit die vom verspiegelten Lichtaustrittsabschnitt reflektierten Lichtstrahlen beim Austritt aus dem Optikelement nicht durch Brechung an der Oberfläche unkontrolliert abgelenkt werden, ist die dem Leitelement zugewandten Oberfläche bevorzugt halbkugelförmig ausgebildet, wobei der Mittelpunkt des Halbkugelabschnitts etwa im zweiten Brennpunkt des ellipsoidförmigen Austrittsabschnitts oder ist leicht zu diesem versetzt angeordnet ist.
Das Lichtleitelement und das Optikelement sind kraft-, stoff- und/oder formschlüssig miteinander verbunden.
Das Optikelement besteht beispielsweise aus einem Kunststoff und das Lichtleitelement aus einem Glas.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:
1 in einer perspektivischen Darstellung eine Lichtleitstruktur (kein Ausführungsbeispiel);
2 in einer Seitenansicht die Lichtleitstruktur gemäß 1;
3 in einer schematischen Darstellung Lichtstrahlen in der Lichtleitstruktur gemäß 1;
4 in einer perspektivischen Darstellung die Lichtleitstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel;
5 in einer perspektivischen Darstellung die Lichtleitstruktur gemäß dem Ausführungsbeispiel; und
6 in einer schematischen Darstellung Lichtstrahlen in der Lichtleitstruktur gemäß dem Ausführungsbeispiel.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
In 1 ist in einer perspektivischen Darstellung eine Lichtleitstruktur 1 (kein Ausführungsbeispiel) gezeigt. Dieses hat ein etwa stabförmiges Lichtleitelement 2, das über ein Lichteintrittsfenster 4 mit einer Lichtquelle 6, beispielsweise einer LED, optisch verbunden ist. Lichtstrahlen der Lichtquelle 6 werden dann durch das Lichtleitelement 2 zu einem Lichtaustrittsfenster 8 und in ein daran angeordnetes Optikelement 10 mit einem entsprechend eines Abschnitts eines Rotationsellipsoids ausgebildeten Lichtaustrittsabschnitt 11 geleitet.
2 offenbart die Lichtleitstruktur 1 aus 1 in einer Seitenansicht. Hierbei ist erkennbar, dass von der Lichtquelle 6 emittierte Lichtstrahlen nach dem Lichtaustrittsfenster 8 etwa kegelförmig in das Optikelement 10 eintreten und durch den entsprechend eines Abschnitts des Rotationsellipsoids ausgebildeten Lichtaustrittsabschnitt 11 beim Austritt aus dem Optikelement 10 kollimiert werden. Eine geometrische Schnittebene des Lichtaustrittsabschnitt 11 erstreckt sich etwa orthogonal zur Rotationsachse des Rotationsellipsoids und weist hin zum Lichtleitelement 2. Eine numerische Exzentrizität des Ellipsoids – wie dem Fachmann bekannt – wird entsprechend e = 1 / n gewählt, wobei n der Brechungsindex des Mediums ist, aus dem das Optikelement 10 aufgebaut ist.
3 stellt in einer schematischen Seitenansicht einen Teil der Lichtleitstruktur 1 aus 1 dar. Hierbei ist der Aufbau des Optikelements 10 erkennbar. Neben dem Lichtaustrittsabschnitt 11 hat dieses einen dem Lichtleitelement 2 zuweisenden Halbkugelabschnitt 14, wodurch das Optikelement 10 etwa eiförmig ausgestaltet ist. Die Längsachsen 16 des Lichtaustrittsabschnitts 11, des Halbkugelabschnitts 14 und des Lichtleitelements 2 erstrecken sich etwa koaxial zueinander.
Das Lichtaustrittsfenster 8 des Lichtleitelements 2 ist etwa im ersten Brennpunkt 18 des entsprechend eines Abschnitts eines Rotationsellipsoids ausgebildeten Lichtaustrittsabschnitts 11 des Optikelements 10 angeordnet.
Das Optikelement 10 kann aus einem kostengünstigen Kunststoff hergestellt sein, da dieses durch das Lichtleitelement 2 von den hohen Temperaturen in dem Bereich der Lichtquelle 6 beabstandet ist, wodurch eine Beschädigung des Kunststoffmaterials aufgrund hoher Temperaturen vermieden wird. Das Lichtleitelement 2 besteht beispielsweise aus Glas, wodurch dieses eine ausreichende mechanische Stabilität aufweist, um das Optikelement 10 zu haltern.
Das Optikelement 10 ist kraft-, stoff-, und/oder formschlüssig mit dem Lichtleitelement 2 verbunden. Die Elemente 2, 10 sind beispielsweise mit einer Immersion verklebt und/oder das Optikelement 10 weist eine Aussparung auf, in die das Lichtleitelement kraft-, und/oder formschlüssig eintaucht.
4 zeigt in einer perspektivischen Darstellung die Lichtleitstruktur 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die rotationsellipsoidförmige Oberfläche bzw. der Lichtaustrittsabschnitt 11 des Optikelements 10 weist hierbei eine verspiegelte Oberfläche 20 auf, die die Lichtstrahlen durch das Optikelement 10 auf einen Reflektor 22 lenkt. Der elliptische Reflektor 22 ist etwa mittig von dem Lichtleitelement 2 durchsetzt, wobei die Längsachsen des Lichtleitelements 2 und des Reflektors 22 zusammenfallen.
5 stellt die Lichtleitstruktur 1 aus 4 mit Lichtstrahlen 12 dar. Hierbei ist erkennbar, dass diese von dem Optikelement 10 in Richtung des Reflektors 22 gerichtet sind und von diesem reflektiert werden. Beim zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 5 werden die Lichtstrahlen 12 dann durch den Reflektor 22 gebündelt.
6 offenbar die Lichtleitstruktur 1 in einer schematischen Seitenansicht gemäß dem Ausführungsbeispiel. Die aus dem Lichtleitelement 2 austretenden Lichtstrahlen 12 gelangen über den Halbkugelabschnitt 14 in den ellipsoidförmigen Lichtaustrittsabschnitt 11, werden an der verspiegelten Oberfläche 20 des Lichtaustrittsabschnitts 11 in Richtung eines zweiten Brennpunkts 24 des Lichtaustrittsabschnitts 11 reflektiert, durchsetzen erneut den Halbkugelabschnitt 14, treten über diesen aus dem Optikelement 10 aus, treffen auf den Reflektor 22 und werden über diesen reflektiert. Durch die Form des Halbkugelabschnitts 14 und durch das etwa senkrechte Auftreffen der Lichtstrahlen 12 wird deren Richtung kaum, beispielsweise durch eine Brechung, beeinflusst.
In dem zweiten Brennpunkt 24 ist somit im Wesentlichen eine mit dem Licht der primären Lichtquelle 6 leuchtende sekundäre Lichtquelle geschaffen.
Der Reflektor 22 umgreift, wie es insbesondere in den 4 und 5 ersichtlich ist, den Halbkugelabschnitt 14 des Optikelements 10 etwa hemisphärisch, wodurch alle von der Oberfläche 20 reflektierten Lichtstrahlen 12 auf diesen treffen. Der erste Brennpunkt des Reflektors ist in diesem Beispiel im zweiten Brennpunkt 24 der ellipsoidförmigen Oberfläche 20 angeordnet.
Es ist denkbar, dass mehrere LEDs in der Lichtquelle eingesetzt sind, die auch in unterschiedlichen Farben abstrahlen. Durch das Lichtleitelement 2 werden diese Lichtstrahlen 12 dann gemischt. Dann kann vor dem Lichtleitelement 2 mit dichroitischen Strahlteilern gemischt werden.
Die Lichtstrahlen werden innerhalb des Lichtleitelements 2 total reflektiert.
Der Durchmesser des Lichtleitelements 2 ist an die Größe der Lichtquelle 6 anpassbar.
Je größer das Optikelement 10 im Verhältnis zum Durchmesser des Lichtleitelementes 2 ausgebildet ist, desto genauer ist die Abstrahlcharakteristik der Lichtstrahlen 12 beeinflussbar. Die Größe des Optikelements 10 ist allerdings durch die mechanische Stabilität des das Optikelement 10 tragenden Lichtleitelements 2 begrenzt.
Außerdem wird man die Größe des Optikelements 10 im Vergleich zur Größe des Reflektors 22 beschränken, damit es das reflektierte Lichtbündel möglichst wenig vignettiert.
In die Lichtleitstruktur 1 kann das Licht unterschiedlicher Lichtquellen 6 eingekoppelt werden, die beliebig austauschbar sind. Die unterschiedlichen Lichtquellen haben dann durch die Lichtleitstruktur 1 jeweils die gleiche Abstrahlcharakteristik.
Des Weiteren ist denkbar, die Lichtleitstruktur 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel aus 4 bis 6 zum Nachrüsten von Leuchten mit einem bereits vorhandenen Reflektor einzusetzen. Einsatzgebiete sind dann beispielsweise Front- und Heckleuchten von Automobilen, OP-Leuchten, Dental-Leuchten oder diverse Lampen, wie Stehlampen.
Offenbart ist eine Lichtleitstruktur mit einer Lichtquelle, die über ein Lichtleitelement mit einem Optikelement verbunden ist. Das Optikelement weist dabei einen abschnittsweise ellipsoidförmigen Abschnitt auf.

Claims

Lichtleitstruktur mit einem mit einer Lichtquelle (6) optisch verbundenen Lichtleitelement (2) und einem daran gekoppelten Optikelement (10), wobei die dem Lichtleitelement (2) abgewandte Oberfläche des Optikelements (10) die Form eines Abschnitts (11) eines Rotationsellipsoids hat, wobei eine geometrische Schnittebene des Abschnitts (11) sich orthogonal zur Längsachse des Rotationsellipsoids erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass der ellipsoidförmige Lichtaustrittsabschnitt (11) des Optikelements (10) verspiegelt ist.
Lichtleitstruktur nach Anspruch 1, wobei das Lichtleitelement (2) stabförmig ist, und ein mit der Lichtquelle (6) optisch verbundenes Lichteintritts- und ein mit dem Optikelement (10) gekoppeltes Lichtaustrittsfenster (4, 8) hat.
Lichtleitstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Längsachse des Lichtleitelements (2) und die Längsachse des Optikelements (10) koaxial zueinander verlaufen.
Lichtleitstruktur nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Lichtaustrittsfenster (8) des Lichtleitelements (2) in einem ersten Brennpunkt (18) der als Abschnitt des Rotationsellipsoid ausgebildeten Oberfläche (11) des Optikelements (10) angeordnet ist.
Lichtleitstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Lichtleitelement (2) und das Optikelement (10) aus einem Medium mit gleicher Brechzahl bestehen.
Lichtleitstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Optikelement (10) einen dem Lichtleitelement (2) zugewandten Halbkugelabschnitt (14) aufweist.
Lichtleitstruktur nach Anspruch 6, wobei ein Mittelpunkt des Halbkugelabschnitts (14) in einem zweiten Brennpunkt (24) der als Abschnitt des Rotationsellipsoid ausgebildeten verspiegelten Oberfläche (11) liegt.
Lichtleitstruktur nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei ein Reflektor (22) den Halbkugelabschnitt (14) zumindest abschnittsweise umgreift.
Lichtleitstruktur nach Anspruch 8, wobei der erste Brennpunkt des Reflektors im zweiten Brennpunkt der ellipsoidförmigen Oberfläche des Optikelements oder in dessen unmittelbarer Nähe angeordnet ist.
Lichtleitstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Lichtleitelement (2) und das Optikelement (10) kraft-, stoff- und/oder formschlüssig miteinander verbunden sind.
Lichtleitstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Optikelement (10) aus einem transparenten Kunststoff und das Lichtleitelement (2) aus Glas bestehen.