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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung umfassend mindestens eine erste LED, die ausgelegt ist, Strahlung in einem ersten Wellenlängenbereich abzugeben, und mindestens eine zweite LED, die ausgelegt ist, Strahlung in einem zweiten Wellenlängenbereich abzugeben, wobei der zweite Wellenlängenbereich vom ersten Wellenlängenbereich verschieden ist.
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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft insbesondere das Problem der Farbmischung von Strahlung, die von LEDs emittiert wird und in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen liegt. Eine derartige Farbmischung ist zur Optimierung der Farbwiedergabe und der Farbanpassung notwendig. Beispielsweise ist für eine sehr gute Farbwiedergabe für Verkaufsbeleuchtungen oder Museen beziehungsweise zur Erreichung einer Farbunterscheidung die Mischung der Strahlung mindestens zweier unterschiedlich farbiger LEDs nötig. Auf der einen Seite sollte der Abstand dieser LEDs etwa 10 mm oder mehr betragen, um thermische Probleme zu vermeiden. Andererseits sollte der Abstand minimiert werden, um Farben einfacher mischen zu können und Farbschatten und deren unerwünschte Effekte zu verhindern. Ist nämlich der Abstand der LEDs voneinander zu groß, wirft ein Hindernis, das zwischen der Beleuchtungsvorrichtung und dem zu beleuchtenden Bereich steht, Farbschatten. Die Anforderungen zur Vermeidung thermischer Probleme einerseits und Verhinderung von Farbschatten andererseits sind daher gegensätzlich.
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Dieses Problem wird umso größer, je größer der mittels einer derartigen Beleuchtungsvorrichtung zu erzielende Lichtstrom sein soll. Für Beleuchtungszwecke, wie sie die vorliegende Erfindung ins Auge fasst, sollen Lichtströme von 2000 lm, insbesondere sogar Lichtströme von mehr als 3000 lm bei hoher Qualität erzeugbar sein.
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Aus dem Stand der Technik sind so genannte Color Mixing Linsen bekannt, bei denen die Strahlung mehrerer LEDs unter Verwendung von Linsen und Reflektoren mit Mehrfachumlenkung gemischt wird. Dazu wird auf eine begrenzte Anzahl von LEDs, beispielsweise drei oder vier, eine Linse aufgesetzt. Die LEDs sind am Boden eines halbkugelförmigen Reflektors angeordnet, in den die Linse eingepasst ist. Eine derartige Vorrichtung zur Farbmischung ist beispielsweise bekannt unter der Bezeichnung SPUTNIK-Z der Firma LEDIL. Eine derartige Beleuchtungsvorrichtung stellt quasi eine Kollimatorlinse mit lichtmischenden Eigenschaften dar. Sie glättet das Strahlungsmuster und erzeugt eine einheitliche Farbverteilung über den gesamten Strahlungswinkel. Aufgrund thermischer Probleme ist jedoch die Anzahl der in einer derartigen Beleuchtungsvorrichtung anordenbaren LEDs begrenzt. Damit ist einerseits der damit erzeugbare Lichtstrom begrenzt, andererseits die Anzahl der zu mischenden Farben.
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Die mit einer derartigen Vorrichtung erzielbare Lichtverteilung ist kreisförmig (SPUTNIK-Z Smooth Spot) oder oval (SPUTNIK-Z oval) und in jedem Falle symmetrisch.
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Zum weiteren Stand der Technik wird verwiesen auf die
US 7,322,731 sowie auf
A. J. W. Whang, P. C. Li, Y. Y. Chen: „Guiding light from LED array via tapered light pipe for illumination systems design", Journal of Technology, 2009.
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Darstellung der Erfindung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, eine gattungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung derart weiterzubilden, dass die Erzeugung hoher Lichtströme bei möglichst geringen Farbschatten ermöglicht wird.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Beleuchtungsvorrichtung mit den Merkmalen von Patentanspruch 1.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Strahlung einer Vielzahl von LEDs gemischt werden kann, wenn eine gattungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung um eine Strahlungsmischkammer erweitert wird, die eine Höhe, eine Breite und eine Länge aufweist, wobei die Strahlungsmischkammer einen geschlossenen Boden, mindestens eine erste und eine zweite Seitenwand in Längsrichtung, mindestens eine dritte und eine vierte Seitenwand in Breitenrichtung und eine dem Boden gegenüberliegende Öffnung aufweist, wobei die mindestens eine erste und die mindestens eine zweite LED am Boden der Strahlungsmischkammer angeordnet sind. Durch eine derartige Strahlungsmischkammer ist es möglich, eine beliebige Anzahl von LEDs am Boden anzuordnen, wobei sich die von den LEDs abgegebene Strahlung durch Reflexion an den Seitenwänden der Strahlungsmischkammer mischt, bevor sie die Strahlungsmischkammer durch die dem Boden gegenüberliegende Öffnung verlässt. Auf diese Weise können demnach auch sehr hohe Lichtströme ohne die Gefahr der Entstehung von Farbschatten erzeugt werden.
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Besonders bevorzugt ist der Querschnitt der Strahlungsmischkammer in Längsrichtung zumindest abschnittsweise rechteckig, parabolisch, kreissektorförmig, dreieckig oder elliptisch oder er umfasst Kombinationen dieser Formen. Damit lässt sich die Art der Mischung der von den LEDs abgegebenen Strahlung nach Wunsch beeinflussen. In diesem Zusammenhang sind die Seitenwände in Breitenrichtung jeweils auf den Querschnitt der Strahlungsmischkammer in Längsrichtung abzustimmen, d.h. deren Form so zu wählen, dass sich im Ergebnis eine – bis auf die Öffnung – geschlossene Strahlungsmischkammer ergibt. Bei kreissektorförmigem Querschnitt, d.h. die Strahlungsmischkammer weist im Wesentlichen eine Zylinderform auf, ist der Boden der Strahlungsmischkammer im Sinne der vorliegenden Erfindung der Bereich, an dem die LEDs angeordnet sind. Insofern sind die LEDs nicht auf einer ebenen Oberfläche angeordnet, sondern auf einer kreissektorförmigen Oberfläche. Selbstverständlich sind Mischformen der angegebenen Formen möglich, beispielsweise eine Strahlungsmischkammer, deren Seitenwände jeweils kreissektorförmig oder parabolisch sind, die aber dennoch einen ebenen Boden aufweist.
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Bevorzugt weist die Öffnung eine geringere Fläche auf, als der Boden. Auf diese Weise wird eine besonders gute Durchmischung der von den LEDs abgegebenen Strahlung erreicht. Die sich dabei ergebenden Farbschatten sind minimal.
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Die Querschnittsfläche der Strahlungsmischkammer kann sich von der Öffnung zum Boden zumindest abschnittsweise vergrößern. Dabei kann vorgesehen sein, dass sich die Querschnittsfläche der Strahlungsmischkammer von der Öffnung zum Boden stetig aufweitet, oder sich abschnittsweise aufweitet und wieder verengt. Auf diese Weise kann die Qualität bzw. das Ergebnis der Mischung zielgerichtet beeinflusst werden.
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Bevorzugt ist zumindest eine Seitenwand reflektierend für die Strahlung im ersten und im zweiten Wellenlängenbereich ausgebildet, insbesondere durch Verspiegelung oder durch zumindest einen metallenen Überzug oder durch Weißfärbung. Durch diese Maßnahme kann ein besonders hoher Wirkungsgrad erzielt werden, wodurch thermische Probleme weiter reduziert werden.
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Bevorzugt sind mindestens drei LEDs vorgesehen, die in einer Reihe angeordnet sind. Es können jedoch auch mindestens vier LEDs vorgesehen sein, die in mindestens zwei Reihen angeordnet sind. In diesem Zusammenhang können die LEDs einen gleichen Abstand oder einen unterschiedlichen Abstand zueinander aufweisen. Je nach Anordnung der LEDs kann die Strahlungsmischkammer daher linear oder nichtlinear ausgebildet sein.
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Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn der Boden und/oder mindestens eine Seitenwand als Kühlkörper ausgebildet sind oder mit einem Kühlkörper gekoppelt sind. Im Gegensatz zum Stand der Technik kann auf diese Weise eine besonders gute Abführung der entstehenden Wärme erzielt werden. Dadurch lässt sich die Packungsdichte erhöhen und damit lassen sich die Ausmaße einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung reduzieren.
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Vorteilhaft ist es, wenn die LEDs derart zu den Seitenwänden angeordnet sind, dass zumindest ein Teil der von den LEDs ausgehenden Strahlung zumindest einmal an zumindest einer Seitenwand reflektiert wird bevor er durch die Öffnung aus der Strahlungsmischkammer austritt. Auf diese Weise wird eine besonders gute Durchmischung der von den LEDs ausgehenden Strahlung erzielt. Die durch die Öffnung austretende gemischte Strahlung zeichnet sich durch besonders hohe Homogenität aus.
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Eine weitere Verbesserung der Mischung der Strahlung kann erzielt werden, wenn zumindest eine der Seitenwände bodenseitig oder öffnungsseitig in Längsrichtung und/oder in Breitenrichtung und/oder in Höhenrichtung glatt und/oder geriffelt und/oder gekurvt und/oder mit konkaven und/oder konvexen Linsen besetzt ist.
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Die Beleuchtungsvorrichtung kann weiterhin mindestens eine Linsenanordnung umfassen, die an der Öffnungsseite der Strahlungsmischkammer angeordnet ist. Auf diese Weise kann eine Strahlformung vorgenommen werden. Während bei den bekannten Vorrichtungen zur Lichtmischung lediglich eine symmetrische Strahlungsverteilung erzeugt werden kann, lässt sich mittels einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung eine asymmetrische Lichtabstrahlung erzielen. Erst durch eine asymmetrische Strahlungsverteilung lässt sich auf der zu beleuchtenden Fläche eine gleichförmige Bestrahlungsstärke sicherstellen. Eine kreisförmige Lichtabstrahlung, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, führt auf einer zu beleuchtenden Fläche zu einer diffusen Verteilung, die umso schwächer wird, je weiter man sich von der Symmetrieachse und dem Symmetriepunkt entfernt. Im Hinblick auf Beleuchtungszwecke ist dies unerwünscht. Mittels einer derartigen Weiterbildung einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung kann dieser Mangel behoben werden.
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Besonders bevorzugt ist in diesem Zusammenhang, wenn ein Brennpunkt der mindestens einen Linsenanordnung in der Öffnung der Strahlungsmischkammer, insbesondere mittig in Breitenrichtung angeordnet ist. Die mindestens eine Linsenanordnung kann elliptisch, hyperbolisch oder parabelförmig sein. Auf diese Weise lassen sich beliebige Lichtstärkeverteilungen erzielen.
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Die mindestens eine Linsenanordnung kann zumindest teilweise reflektierend, insbesondere verspiegelt, ausgebildet sein. Auf diese Weise lässt sich der Wirkungsgrad einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung weiter erhöhen.
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Besonders bevorzugt ist mindestens eine erste und eine zweite Linsenanordnung vorgesehen, die in Breitenrichtung angeordnet sind. Dadurch lassen sich die mittels der jeweiligen Linsenanordnung erzielten Strahlungsverteilungen kombinieren, so dass das Spektrum der erzielbaren Strahlungsverteilungen erweitert wird.
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Dabei können die erste und die zweite Linsenanordnung als singuläre Linsenanordnung oder als integrierte Linsenanordnungen ausgebildet sein.
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Besonders bevorzugt ist die mindestens eine Linsenanordnung derart ausgebildet, dass sich in Breitenrichtung eine asymmetrische Strahlungsverteilung ergibt. Wie bereits erwähnt lassen sich hierdurch Strahlungsverteilungen erzielen, die eine konstante Bestrahlungsstärke auf einer zu beleuchtenden Fläche ergeben. Zu diesem Zweck kann die mindestens eine Linsenanordnung in Breitenrichtung geneigt sein.
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Die Beleuchtungsvorrichtung kann weiterhin einen Reflektor umfassen, der so angeordnet und/oder ausgebildet ist, dass sich eine asymmetrische Strahlungsverteilung ergibt. Beispielsweise kann der Reflektor außerhalb der Strahlungsmischkammer und so zu der die Öffnung passierenden Strahlung angeordnet sein, dass sich die gewünschte asymmetrische Strahlungsverteilung ergibt.
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Die Beleuchtungsvorrichtung kann insbesondere mindestens eine erste Strahlungsmischkammer und eine zweite Strahlungsmischkammer umfassen. Dadurch lassen sich symmetrische Strahlungsverteilungen erzielen, die dennoch zu einer homogenen Beleuchtung der zu beleuchtenden Fläche führen.
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Dabei können die erste und die zweite Strahlungsmischkammer parallel oder rechtwinklig zueinander angeordnet sein. Die Beleuchtungsvorrichtung kann auch mindestens eine erste, eine zweite und eine dritte Strahlungsmischkammer umfassen. In diesem Zusammenhang können die erste, die zweite und die dritte Strahlungsmischkammer parallel, rechtwinklig oder dreieckförmig zueinander angeordnet sein.
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Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung(en)
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Im Nachfolgenden werden nunmehr Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
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1 in schematischer Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung;
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2 weitere Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung mit unterschiedlicher Kontur der Seitenwände;
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3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung mit Seitenwänden, die boden- und öffnungsseitig geriffelt sind;
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4 Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung, bei denen eine Linsenanordnung öffnungsseitig angebracht ist;
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5 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung mit mehreren Linsenanordnungen;
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6 die mittels mehrerer Linsenanordnungen erzielbare asymmetrische Strahlungsverteilung;
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7 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung mit zwei Strahlungsmischkammern, bei denen jeweils mehrere Linsenanordnungen an der Öffnungsseite der jeweiligen Strahlungsmischkammer angeordnet sind;
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8 die mittels des in 7 dargestellten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung erzielbare Strahlungsverteilung;
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9 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung, bei der zwei Strahlungsmischkammern rechtwinklig zueinander angeordnet sind; und
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10 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung, bei der drei Strahlungsmischkammern dreieckförmig zueinander angeordnet sind.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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In den unterschiedlichen Ausführungsbeispielen werden für gleiche und gleich wirkende Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet. Diese werden der Übersichtlichkeit halber nur einmal eingeführt.
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1 zeigt in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung. Diese umfasst eine Vielzahl von LEDs 12a bis 12n, wobei zumindest zwei LEDs Strahlung in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen abgeben. Bevorzugt ist jedoch, wenn sich die Wellenlängenbereiche möglichst vieler LEDs voneinander unterscheiden. Es können mindestens eine LED, die im roten Wellenlängenbereich, mindestens eine LED, die im grünen Wellenlängenbereich und mindestens eine LED, die im blauen Wellenlängenbereich Strahlung emittiert, vorgesehen sein.
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Die Beleuchtungsvorrichtung 10 umfasst eine Strahlungsmischkammer 14, mit einem Boden 16, einer dem Boden gegenüberliegenden Öffnung 18 sowie vier Seitenwänden 20a bis 20d. Die Strahlungsmischkammer 10 weist eine Höhe h, eine Länge l und eine Breite b auf. Bei einer bevorzugten Ausführungsform beträgt b 2 cm, l 5 cm und h 1 cm. Als minimale Höhe h haben sich 2 mm erwiesen. Die Maximalhöhe beträgt bevorzugt 30 mm.
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In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung 10 sind sowohl der Boden 16, als auch die Öffnung 18 sowie die Seitenwände 20a bis 20d jeweils rechteckig ausgebildet. Bevorzugt sind der Boden 16 und/oder die Seitenwände 20a bis 20d als Kühlkörper ausgebildet oder mit einem Kühlkörper gekoppelt.
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Die Seitenwände 20a bis 20d sind bevorzugt reflektierend ausgebildet, insbesondere durch Verspiegelung oder durch einen metallenen Überzug oder durch Weißfärbung. Auf diese Weise wird erreicht, dass von den LEDs auf den Seitenwänden 20a bis 20d auftreffende Strahlung reflektiert wird, bevor sie aus der Öffnung 18 austritt.
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Die LEDs 12 können einen äquidistanten Abstand aufweisen oder auch einen unterschiedlichen Abstand. Auch wenn in 1 die LEDs in einer Reihe angeordnet sind, so können diese auch in zwei Reihen oder beliebig verstreut angeordnet sein.
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2 zeigt unterschiedliche Ausbildungen der Seitenwände einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung. In 2a) bilden die Seitenwände mit dem Boden ein Rechteck, in 2b) sind die Seitenwände parabolisch angeordnet, in 2c) kreisförmig und in 2d) dreieckförmig. Wie an dem eingezeichneten Strahlungsverlauf zu erkennen ist, wird ein Teil der von einer LED 12 abgegebenen Strahlung an mindestens einer Seitenwand 20 reflektiert, bevor er die Strahlungsmischkammer 14 über die Öffnung 18 verlässt.
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3 zeigt in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung 10, bei der die Seitenwände 20b, 20d öffnungs- und bodenseitig geriffelt ausgebildet sind, dies sowohl in Höhenrichtung als auch in Breitenrichtung.
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4 zeigt zwei Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung 10, die jeweils eine Linsenanordnung 22 umfassen, die an der Öffnungsseite der Strahlungsmischkammer 14 angeordnet ist. Ein mit 24 bezeichneter Brennpunkt der jeweiligen Linsenanordnung 22 ist mittig in Breitenrichtung in der Öffnung 18 der Strahlungsmischkammer 14 positioniert.
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4a) zeigt eine parabelförmige Linsenanordnung, während 4b) eine elliptische Linsenanordnung zeigt. Andere Arten von Linsenanordnungen können ebenfalls vorgesehen sein. Bevorzugt ist die Rückseite 26 der Linsenanordnung 22 verspiegelt ausgebildet, so dass ein Reflektor gebildet wird.
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5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung, bei dem drei Linsenanordnungen 22a bis 22c vorgesehen sind, die in Breitenrichtung angeordnet sind. Der jeweilige untere Brennpunkt 24a, b, c jeder elliptischen Linsenanordnung 22a, 22b, 22c liegt in der Strahlungaustrittsfläche 18 der Strahlungsmischkammer 14. Da die Strahlungaustrittsfläche 18 der Strahlungsmischkammer 14 schmal ist, werden die Strahlen in die oberen Linsen-Brennpunkte gerichtet. Die resultierende Lichtstärkeverteilung, siehe 6, ist eine Funktion der Anzahl und Form der elliptischen Linsenanordnungen 22a, 22b, 22c. Durch diese Maßnahme lässt sich eine asymmetrische Strahlungsverteilung 28 auf einer zu beleuchtenden Fläche erzielen, wie sie in 6 dargestellt ist.
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7 zeigt eine erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung 10, die zwei Strahlungsmischkammern 14a, 14b mit jeweils drei elliptischen Linsenanordnungen 22a, 22b, 22c einerseits und 22d, 22e, 22f andererseits umfasst. Der Abstand der LEDs 12a, 12b beträgt zwischen 3 mm und 40 mm. Die Strahlungsmischkammern 14a, 14b sind parallel zueinander angeordnet. Die Strahlungsverteilungen addieren sich im Fernfeld und ergeben die in 8 dargestellte Strahlungsverteilung. Wie sich 8 entnehmen lässt, entsteht eine symmetrische Strahlungsverteilung, wobei jedoch die Strahlungsverteilung nicht, wie bei einer kreisförmigen Strahlungsverteilung (Lambertsche Lichtabstrahlung), nach außen hin schwächer wird, sondern nach außen hin stärker wird. Dadurch kann eine homogene Beleuchtung einer zu beleuchtenden Fläche erzielt werden.
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9 und 10 zeigen, dass durch unterschiedliche Anordnungen von Linsenanordnungen und Strahlungsmischkammern eine Superposition von individuellen Lichtstärkeverteilungen zur Erzielung komplexer Lichtstärkeverteilungen möglich ist. 9 und 10 zeigen beispielhaft Anordnungen von oben auf die jeweilige Strahlungsmischkammer, wobei der Übersichtlichkeit halber die Linsenanordnungen weggelassen wurden. Die Pfeile kennzeichnen die Abstrahlrichtung maximaler Intensität. 9 zeigt zwei Strahlungsmischkammern 14a, 14b, die rechtwinklig zueinander angeordnet sind, während 10 drei Strahlungsmischkammern 14a, 14b, 14c zeigt, die dreieckförmig zueinander angeordnet sind. Im Prinzip sind beliebige Strahlungsverteilungen möglich, indem die jeweiligen Strahlungsmischkammern – auch um mehrere Achsen – gedreht und zueinander angeordnet werden.
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Mittels einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung lässt sich eine gleichmäßige Strahlungsverteilung erzielen, wie dies bei bekannten Leuchtstofflampen mit Paraboleffekt der Fall ist. Im Zusammenhang mit einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung können ebenfalls schwarz gefärbte Parabolspiegel verwendet werden, die auf einer Hälfte schwarz gefärbt sind. Werden zwei Strahlungsmischkammern, die mit derartigen Parabolspiegeln versehen sind, parallel zueinander angeordnet, so wird kein diffuses Licht erzeugt, sondern auf jeder Seite ein Peak, wie dies gewünscht ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- A. J. W. Whang, P. C. Li, Y. Y. Chen: „Guiding light from LED array via tapered light pipe for illumination systems design“, Journal of Technology, 2009 [0006]
