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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung mit einem optoelektronischen Bauelement, das zur Emission von Licht ausgelegt ist.
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Stand der Technik
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Optoelektronische Lichtquellen finden aufgrund ihrer gegenüber Glüh- oder auch Leuchtstofflampen verbesserten Energieeffizienz zunehmend auch in der Allgemeinbeleuchtung Anwendung, also etwa in bzw. als Leuchten für Wohn- oder auch Arbeitsräume. Neben der Abstrahlcharakteristik im Fernfeld, etwa dem ausgeleuchteten Winkelbereich, kommt es dabei vermehrt auch auf den von der Lichtquelle selbst hervorgerufenen ästhetischen Eindruck an. Es kann beispielsweise gewünscht sein, dass das Licht möglichst gleichmäßig über eine Lichtaustrittsfläche der Lichtquelle verteilt abgegeben wird. Dies soll ein bevorzugtes Anwendungsgebiet illustrieren, den Erfindungsgegenstand jedoch nicht in seiner Allgemeinheit beschränken.
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Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine vorteilhafte Beleuchtungsvorrichtung mit einer optoelektronischen Lichtquelle anzugeben.
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Darstellung der Erfindung
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Erfindungsgemäß löst diese Aufgabe eine Beleuchtungsvorrichtung mit einem optoelektronischen Bauelement, das zur Emission von Licht ausgelegt ist, das einen Hauptstrahl hat, einer Streuscheibe mit einer Lichteintrittsfläche und einer Lichtaustrittsfläche, welche Streuscheibe so vorgesehen und relativ zu dem Bauelement angeordnet ist, dass ihre in Richtung des Hauptstrahls genommene Dicke kleiner als ihre senkrecht zum Hauptstrahl von diesem weg genommene Seitenerstreckung ist, und einer Reflexionsfläche, die relativ zu dem Bauelement und der Streuscheibe so angeordnet ist, dass sie zumindest einen Teil des von dem Bauelement emittierten Lichts auf die Lichteintrittsfläche der Streuscheibe reflektiert, wobei die Streuscheibe solchermaßen mit einem inerten Streumittel vorgesehen und relativ zu dem Bauelement angeordnet ist, dass die mittlere Streuung von Licht, das in den inneren 50 % der Seitenerstreckung auf die Lichteintrittsfläche fällt, um mindestens 5 % größer ist als die mittlere Streuung von Licht, das in den äußeren 50 % der Seitenerstreckung auf die Lichteintrittsfläche fällt.
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Der „Hauptstrahl“ ist als Schwerpunktstrahl der nach der Strahlstärke gewichteten Strahlen des von dem Bauelement emittierten Strahlenbündels gebildet, und zwar der Eintrittsfläche unmittelbar vorgelagert, also unter Berücksichtigung einer möglichen Reflexion an der Reflexionsfläche. Letztere beeinflusst jedoch üblicherweise nicht die Richtung des Hauptstrahls, der aus Symmetriegründen und insbesondere im Falle einer Lambertschen Abstrahlcharakteristik vielfach mit einer Symmetrieachse des Strahlenbündels zusammenfallen wird.
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Vereinfacht gesprochen wird also beispielsweise entlang des Hauptstrahls auf die Lichteintrittsfläche fallendes Licht stärker gestreut als verkippt zum Hauptstrahl einfallendes Licht. In der Folge ist die Bestrahlungsstärke an der Lichtaustrittsfläche in einem Bereich um den Hauptstrahl stärker durch Streuung verringert als in einem Randbereich. Etwa im Falle eines Bauelements, dessen Abstrahlcharakteristik durch einen Lambertschen Strahler angenähert werden kann, wird entlang des Hauptstrahls am meisten und mit zunehmendem Verkippungswinkel dazu weniger Licht abgegeben. Entlang des Hauptstrahls fällt mehr Licht auf die Lichteintrittsfläche als verkippt dazu, was durch die erfindungsgemäß variierende Streuung dann zumindest teilweise ausgeglichen wird.
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Der angepasste Verlauf der Streuung ist auch hinsichtlich der Effizienz der Beleuchtungsanordnung vorteilhaft. Die Erfinder haben nämlich festgestellt, dass sich die Lichtabgabe an der Lichtaustrittsfläche zwar auch durch eine Erhöhung der Streuung insgesamt homogenisieren lässt, also durch einen über die Streuscheibe konstant hohen Streukoeffizienten; die starke Streuung hat allerdings eine erheblich reduzierte optische Effizienz zur Folge, es geht also vereinfacht gesprochen zunehmend Licht verloren.
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So haben beispielsweise Vergleichssimulationen der Erfinder mit Streuscheiben konstanter Streuung gezeigt, dass erst bei einer Streupartikel-Konzentration von 20 Gew.-% Al2O3 eine homogene Lichtabgabe erreicht wird; die optische Effizienz einer solchen Streuscheibe ist dann jedoch gegenüber einer Streuscheibe gleichermaßen konstanter Streuung mit einem Streupartikel-Anteil von nur 3 Gew.-% um mehr als 20 % verringert. Zum Vergleich: Mit der in 2 gezeigten Streuscheibe lässt sich eine homogene Lichtabgabe mit einer Streupartikelkonzentration von nur 1,5 Gew.-% erreichen, wobei die mittlere Dicke der erfindungsgemäßen Streuscheibe den in den Vergleichssimulationen zugrunde gelegten Dicken vergleichbar ist.
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Bei einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung ist die mittlere Streuung von in den inneren 50 % der Seitenerstreckung auf die Lichteintrittsfläche fallendem Licht um mindestens 5 %, in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt mindestens 10 %, 15 %, 20 %, 25 %, 30 %, 35 %, 40 %, 45 % bzw. 50 %, größer als jene von in den äußeren 50 % der Seitenerstreckung auf die Lichteintrittsfläche fallendem Licht.
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Die „Seitenerstreckung“ wird vom Hauptstrahl weggenommen, dort ist also der 0 %-Wert; ferner bezieht sich die Seitenerstreckung auf den vom Licht des Bauelements durchstrahlten Bereich der Lichteintrittsfläche. Es soll also beispielsweise ein der Befestigung der Streuscheibe dienender Bereich bei der Ermittlung der Seitenerstreckung außer Betracht bleiben. Der 100 %-Wert liegt also jeweils am Schnittpunkt eines Randstrahls (des Strahlenbündels) mit der Lichteintrittsfläche. Unter Berücksichtigung eines Umlaufs um den Hauptstrahl ergibt sich dann eine 100 %-Linie, und es können jeweilige prozentuale Teilstücke (zum Beispiel 50 %/50 % im Falle des Hauptanspruchs) für die geraden Verbindungsstrecken vom 0 %-Wert zur 100 %-Linie ermittelt werden.
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Soweit von einer „mittleren Streuung“ die Rede ist, wird die Streuung über einen entsprechenden Flächenbereich gemittelt betrachtet, also über einen Flächenbereich, der sich aus dem Umlauf um den Hauptstrahl unter Zugrundelegung des entsprechenden Teilstücks ergibt. Etwa im Falle einer kreisförmigen Lichteinstrahlfläche, die generell bevorzugt sein kann, genügt beispielsweise die prozentuale Betrachtung für eine einzige gerade Verbindungsstrecke und ergibt sich die Fläche durch die Rotation um 360°. Im Falle einer rechteckigen bzw. insbesondere quadratischen Lichteinstrahlfläche wären die verschiedenen Prozentwerten zugeordneten Bereiche beispielsweise ineinander geschachtelte Rechtecke bzw. Quadrate.
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Das Licht bzw. jedenfalls ein Teil davon wird an bzw. in der Streuscheibe gestreut, und zwar diffus gestreut, was eine Lichtausbreitung in einer von der ursprünglichen Richtung abweichenden Richtung zur Folge hat; die resultierenden Richtungen sind zufallsverteilt (jedenfalls bei makroskopischer Betrachtung, bei der nicht ein jedes Streuzentrum einzeln modelliert wird). Durch die im mittigen Bereich erhöhte Streuung wird dort eintreffendes Licht stärker gestreut und damit im statistischen Mittel zur Seite hin verteilt. In der modellhaften Betrachtung einer Raytracing-Simulation können sich die einzelnen Lichtwege beispielsweise unter Mehrfachablenkung in der Streuscheibe selbst seitlich ausbreiten oder etwa auch mit einer Richtungskomponente zur Seite hin an der Lichteintrittsfläche austreten, um dann gegebenenfalls seitlich zur ursprünglichen Eintrittsstelle versetzt erneut auf die Lichteintrittsfläche reflektiert zu werden.
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Im Rahmen dieser Offenbarung wird von „Streuung“, die stärker bzw. schwächer ist, gesprochen. Dies bezieht sich auf einen entsprechend variierenden Streukoeffizienten, der mittlere Streukoeffizient soll also im mittigen Bereich (0 %–50 %) entsprechend größer als im äußeren Bereich (50 %–100 %) sein. Es sollen explizit sämtliche Angaben zur „Streuung“ auch hinsichtlich des Streukoeffizienten offenbart sein. Die Streuung kann beispielsweise ermittelt werden über das Verhältnis von Bestrahlungsstärke an der Lichteintritts- zu Bestrahlungsstärke an der Lichtaustrittsfläche, und zwar bezogen auf dieselbe Seiten- und Umlauferstreckung (die infinitesimal klein sein kann).
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Der Begriff „Bauelement“ ist auch auf eine Mehrzahl LEDs zu lesen, und es können gehäuste LEDs und/oder für sich ungehäuste LED-Chips zu einer entsprechenden Gesamtheit zusammengefasst und gegebenenfalls auch gemeinsam gehäust sein, also etwa auf einer gemeinsamen Trägerplatte montiert und insbesondere mit einem gemeinsamen Verfüllmaterial verfüllt, insbesondere umgossen sein. Auf einer entsprechenden Trägerplatte können neben den LEDs/LED-Chips etwa auch Bauteile als Treiber-/Steuerelektronik vorgesehen sein.
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Die Reflexionsfläche reflektiert zumindest einen Teil des von dem Bauelement reflektierten Lichts in Richtung der Lichteintrittsfläche und kann beispielsweise eine Reflektivität von mindestens 80 %, in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt mindestens 85 %, 90 %, 92 %, 94 %, 95 %, 96 %, 97 %, 98 % bzw. 99 %, haben, und zwar jeweils im Mittel über den sichtbaren Bereich. Üblicherweise wird die Reflexionsfläche um das Bauelement umlaufend vorgesehen sein und eine Erstreckung in Richtung des Hauptstrahls und/oder senkrecht dazu haben, also insbesondere auch schräg zum Hauptstrahl orientiert sein(„trichterförmig“).
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Die Reflexionsfläche kann direkt vom Bauelement emittiertes Licht oder auch von der Streuscheibe zurückgestreutes (bzw. an Grenzflächen zurückreflektiertes) Licht zur Lichteintrittsfläche reflektieren, und zwar mit einer mit dem Hauptstrahl in dieselbe Richtung weisenden Richtungskomponente. Üblicherweise begrenzen die Lichteintrittsfläche und die Reflexionsfläche gemeinsam einen Hohlraum, und zwar einen Luftraum; gleichermaßen an diesen grenzend ist dann in der Regel der Lichteintrittsfläche gegenüberliegend das Bauelement vorgesehen, und zwar mit der Lichteintrittsfläche zugewandter/zugewandten Lichtabstrahlfläche(n).
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Im Übrigen soll die im Rahmen dieser Offenbarung beschriebene Beleuchtungsvorrichtung aber auch unabhängig von dem Merkmal „Reflexionsfläche“ offenbart sein, also als Beleuchtungsvorrichtung mit Bauelement und Streuscheibe mit jeweils den hauptanspruchsgegenständlichen Merkmalen und in entsprechender Anordnung zueinander. Eine solche Beleuchtungsvorrichtung (ohne Reflexionsfläche) wird für sich und insbesondere auch in Kombination mit den Merkmalen der abhängigen Ansprüche 2 bis 12 sowie in Kombination mit dem Verwendungsanspruch 15 als Erfindung gesehen.
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Die Streuscheibe ist flächig vorgesehen, ihre Dicke ist kleiner als ihre Seitenerstreckung, etwa um mindestens das 5-, 10-, 15- bzw. 20-fache. Im Allgemeinen kann die Streuscheibe auch gewölbt sein, also die Lichteintritts- und/oder die Lichtaustrittsfläche einen leicht gekrümmten Verlauf haben; die Flächeninhalte von Lichteintritts- und Lichtaustrittsfläche sollen jedoch vorzugsweise um nicht mehr als 20 % bzw. nicht mehr als 10 % oder 5 % voneinander abweichen (vom kleineren der beiden ausgehend).
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Generell sind weitere bevorzugte Ausgestaltungen Gegenstand der abhängigen Ansprüche sowie der nachstehenden Beschreibung, wobei in der Darstellung weiterhin nicht immer im Einzelnen zwischen den Anspruchskategorien unterschieden wird und die Merkmale sowohl die Vorrichtung als auch jedenfalls implizit entsprechende Verwendungen beziehungsweise Herstellungen betreffend offenbart sein sollen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform verläuft die Abnahme der Streuung stetig und glatt, also ohne Stufen zwischen Bereichen unterschiedlicher Streuung. Die Erfinder haben festgestellt, dass sich so auch ein besonders homogener Verlauf der Bestrahlungsstärke an der Lichtaustrittsfläche erreichen lässt, was bevorzugt sein kann. Im Allgemeinen soll ein gestufter Verlauf indes nicht ausgeschlossen sein und kann etwa aus Gründen einer vereinfachten Herstellung gewählt werden.
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Soweit im Rahmen dieser Offenbarung auf die Zu- oder Abnahme der Streuung Bezug genommen wird, bezieht sich dies auf den Verlauf der Streuung, also des Streukoeffizienten, in einer den Hauptstrahl beinhaltenden Schnittebene betrachtet. Bezogen auf die Umlaufrichtung soll dies dann vorzugsweise für sämtliche Schnittebenen in einem nicht notwendigerweise zusammenhängenden Winkelbereich von mindestens 180°, weiter bevorzugt mindestens 270°, gelten. Besonders bevorzugt ist ein entsprechender Verlauf vollständig umlaufend erfüllt, also für sämtliche den Hauptstrahl beinhaltenden Schnittebenen. Dies gilt insbesondere auch für die nachstehend erläuterten Ausführungsformen.
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In bevorzugter Ausgestaltung nimmt die Streuung von in den inneren 15 % der Seitenerstreckung auf die Eintrittsfläche fallendem Licht um höchstens 15 %, vorzugsweise höchstens 12,5 % bzw. 10 %, ab. Betrachtet wird also die Differenz zwischen Maximal- und Minimalwert (der Streuung, also des Streukoeffizienten) bezogen auf den Maximalwert, und zwar zwischen 0 % und 15 % der Seitenerstreckung (inklusive der Grenzwerte). Bevorzugt liegt der Maximalwert beim 0 %-Wert und der Minimalwert beim 15 %-Wert. Vereinfacht ausgedrückt soll die Streuung beim Hauptstrahl am stärksten sein und anfangs nur sehr wenig nach außen abnehmen.
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Bevorzugt ist auch, dass die Streuung in einem Bereich von 25 % bis 75 % der Seitenerstreckung um mindestens 50 % abnimmt, vorzugsweise um mindestens 55 % bzw. 60 %. Betrachtet werden wiederum Maximal- und Minimalwert der Streuung innerhalb dieses Intervalls (und wird die Differenz davon auf den Maximalwert bezogen), wobei vorzugsweise der Maximalwert bei 25 % und der Minimalwert bei 75 % liegt. Soweit bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform die Streuung in dem mittigen Bereich (0 bis 15 %) noch weitgehend konstant bleiben soll, wird in diesem Zwischenbereich (25 % bis 75 %) die Streuung vergleichsweise stark abnehmen; in diesem Bereich muss zur Erreichung einer homogenen Lichtabgabe an der Lichtaustrittsfläche weniger stark gestreut werden und lässt sich durch das Reduzieren der Streuung eine gute optische Effizienz erzielen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die mittlere Streuung von in den äußeren 15 % der Seitenerstreckung, also zwischen 85 % und 100 % (inklusive der Randwerte), auf die Lichteintrittsfläche fallendem Licht um mindestens 50 %, vorzugsweise mindestens 60 % bzw. 70 %, kleiner als jene von in den inneren 15 % (0 % bis 15 %) einfallendem Licht. In diesem Fall werden wieder Mittelwerte verglichen (die Fläche ergibt sich aus prozentualem Teilstück und Umlauf).
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ergibt sich eine Projektionsfläche durch eine Projektion der Abstrahlfläche des Bauelements, die im Allgemeinen auch aus einer Mehrzahl nicht zusammenhängender Flächen aufgebaut sein kann, in Richtung des Hauptstrahls auf die Lichteintrittsfläche (entsprechend kann auch die Projektionsfläche aus mehreren nicht zusammenhängenden Teilflächen zusammengesetzt sein). Bezogen auf einen absoluten Maximalwert der Streuung, also einen Maximalwert bei Betrachtung der gesamten Streuscheibe, soll dann in bevorzugter Ausgestaltung die mittlere Streuung des auf besagte Projektionsfläche fallenden Lichts um höchstens 5 %, bevorzugt höchstens 4 %, 3 % bzw. 2 %, kleiner sein als der absolute Maximalwert. Entsprechend wird also in Richtung des Hauptstrahls von der Abstrahlfläche abgegebenes Licht vergleichsweise stark gestreut und zumindest teilweise zur Seite hin verteilt.
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Die „Abstrahlfläche“ ist die der Streuscheibe zugewandte, Licht emittierende Oberfläche des Bauelements (der Oberflächenbereich, durch den tatsächlich Licht austritt), die üblicherweise über einen Luftraum zu der Streuscheibe beabstandet ist. Etwa im Falle eines LED-Moduls kann die
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Abstrahlfläche der Licht durchstrahlte Oberflächenbereich der der Streuscheibe zugewandten Oberfläche eines die LED(s) bedeckenden Verfüllmaterials sein, etwa eines Vergussmaterials. Das Verfüll-/Vergussmaterial kann direkt an die LED(s) grenzen und das von dieser/diesen emittierte Licht transmittieren bzw. aufgrund eines eingebetteten Leuchtstoffs auch (teilweise) konvertieren.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind als Streumittel Streupartikel vorgesehen, die als Beschichtung auf die Lichteintritts- und/oder die Lichtaustrittsfläche aufgebracht sind. Die Streupartikel können dabei beispielsweise in einer durchgehenden Schicht in veränderlicher Konzentration und/oder in einer abschnittsweise unterbrochenen Schicht aufgebracht sein, sodass ein vorstehend beschriebener Verlauf der Streuung eingestellt wird.
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Gleichermaßen kann eine Einstellung der Streueigenschaften über eine Anrauung der Lichteintritts- und/oder Lichtaustrittsfläche bevorzugt sein, wäre also beispielsweise in einem Bereich um den Hauptstrahl die Rauheit erhöht.
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In bevorzugter Ausgestaltung sind als Streumittel in die Streuscheibe, also in deren Volumenmaterial, eingebettete Streupartikel vorgesehen, etwa Aluminiumoxid- und/oder Titandioxidpartikel. Im Allgemeinen kann ein vorstehend beschriebener Verlauf des Streukoeffizienten dabei beispielsweise auch über die Konzentration der Streupartikel eingestellt werden, können also beispielsweise in dem mittigen Bereich um den Hauptstrahl mehr Streupartikel je Volumeneinheit vorgesehen sein. Insofern ist beispielsweise eine Herstellung in einem mehrstufigen Verfüllverfahren denkbar, wobei etwa zuerst der mittige Bereich hoher Streupartikelkonzentration gegossen und Zwischen- bzw. Randbereich dann angeformt werden.
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Vorzugsweise wird die Streuung im Falle der in die Streuscheibe eingebetteten Streupartikel jedoch über die Dicke der Streuscheibe eingestellt, besonders bevorzugt allein über die Dicke, also bei gleichbleibender Streupartikelkonzentration. Dies kann die Herstellung insoweit vereinfachen, als eine Form die sich ändernde Dicke vorgeben und die Streuscheibe so auch in einem einzigen Schritt gegossen werden kann.
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Eine Herstellung durch Gießen ist generell bevorzugt, insbesondere durch Spritzgießen. Im Allgemeinen auch unabhängig von dem spezifischen Herstellungsverfahren ist die Streuscheibe vorzugsweise aus einem Kunststoffmaterial vorgesehen, etwa aus Polycarbonat und/oder Polymethylmethacrylat.
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Im Falle der Streuscheibe mit darin eingebetteten Streupartikeln und variabler Dicke ist die mittlere Dicke der Streuscheibe in den inneren 50 % der Seitenerstreckung (0 % bis 50 %) größer als die mittlere Streuscheibendicke in den äußeren 50 %, also von 50 % bis 100 %. Analog der vorstehenden Betrachtung der mittleren Streuung wird hier also ein Mittelwert (der Dicke) betrachtet, der sich auf einen Bereich bezieht, der sich aus prozentualer Seitenerstreckung und Umlauf ergibt.
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Vorzugsweise wird eine vorstehend angegebene, prozentuale Änderung der Streuung und/oder prozentuale Zu- bzw. Abnahme der Streuung allein durch eine dazu proportionale Dickenschwankung eingestellt, und es sollen sämtliche zur Streuung getroffenen prozentualen Angaben auch hinsichtlich einer entsprechenden mittleren Dicke bzw. Dickenänderung offenbart sein. Der mittleren Streuung entspricht insoweit die mittlere Dicke in dem jeweiligen Bereich, und die Zu- bzw. Abnahme der Dicke wird analog der Streuungen in der/den den Hauptstrahl beinhaltenden Schnittebene(n) betrachtet.
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Insbesondere im Falle einer Streuscheibe mit über die Dicke eingestellter Streuung, aber auch im Allgemeinen, ist die Lichtaustrittsfläche in bevorzugter Ausgestaltung plan ausgebildet. Im erstgenannten Fall (Dickenschwankung) ist also die Lichteintrittsfläche gegenüber einer zum Hauptstrahl senkrechten Ebene verwölbt vorgesehen.
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Eine bevorzugte Ausführungsform richtet sich auf eine Reflexionsfläche, die sich zur Streuscheibe hin weitet; die Streuscheibe ist also in ihrer Seitenerstreckung größer als das Bauelement und die Reflexionsfläche „führt“ das Licht vom Bauelement zur Streuscheibe.
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Die Streuscheibe hat vorzugsweise einen umlaufenden Rand, an den die Reflexionsfläche grenzt, und weiter bevorzugt wird die Streuscheibe in einem Sitz am Reflektor (der die Reflexionsfläche zur Verfügung stellt) gehalten, etwa in diesen Sitz gedrückt, beispielsweise über eine Rastverbindung.
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Die Erfindung betrifft auch die Herstellung einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung, insbesondere die Herstellung einer Beleuchtungsvorrichtung mit als Beschichtung aufgebrachten Streupartikeln, wobei die Aufbringung vorzugsweise in einem Druckverfahren erfolgt. Die Streupartikel können beispielsweise in einem Ink Jet-Verfahren aufgedruckt und die Streuung dabei durch eine Anpassung der Dichte der gedruckten Punkte eingestellt werden.
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Gleichermaßen ist auch ein Graustufendruck- bzw. Siebdruckverfahren möglich, wobei die Streuung wiederum über die Dichte der gedruckten Punkte, also deren Abstand zueinander, eingestellt werden kann. Insbesondere kann ein reflektives Material aufgedruckt und auch über die Dichte der Druckpunkte, also über die Druckpunkte je Flächeneinheit, ein gewünschter Streukoeffizient eingestellt werden.
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Die Erfindung betrifft auch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung zur Allgemeinbeleuchtung, insbesondere zur Gebäudebeleuchtung, insbesondere zur Innenraumbeleuchtung.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei die einzelnen Merkmale im Rahmen der unabhängigen Ansprüche auch in anderer Kombination erfindungswesentlich sein können und in dieser Form offenbart sein sollen; es wird weiterhin nicht im Einzelnen zwischen den verschiedenen Anspruchskategorien unterschieden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im Einzelnen zeigt
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1 eine erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung in einer Explosionsdarstellung;
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2 eine erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung in einer Schnittdarstellung;
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3 den Bestrahlungsstärkeverlauf an der Lichtaustrittsfläche der Streuscheibe der Beleuchtungsvorrichtung gemäß den 1 und 2;
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die 4 bis 7 verschiedene Streuscheiben für eine erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung 1 in einer Explosionsdarstellung, zeigt also eine Streuscheibe 2, einen Reflektor 3, ein Gehäuse 4 zur Aufnahme der beiden sowie ein LED-Modul 5 versetzt zueinander in einer Schrägansicht.
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Das LED-Modul 5 wird von unten an das Gehäuse 4 gesetzt, sodass die Abstrahlfläche 6 in der komplementären bodenseitigen Ausnehmung im Gehäuse 4 angeordnet ist (vgl. 2 bezüglich des zusammengesetzten Zustands). Als Abstrahlfläche 6 wird hier die der Streuscheibe 2 zugewandte Oberfläche der transmissiven Vergussmasse (Silikon) bezeichnet, mit welcher die auf der Trägerplatte 7 des LED-Moduls 5 angeordneten LED-Chips gekapselt sind.
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Im zusammengesetzten Zustand, wenn also auch der Reflektor 3 in das Gehäuse 4 eingesetzt ist, ist die Abstrahlfläche 6 zugleich in einer bodenseitigen Ausnehmung im Reflektor 3 angeordnet, vgl. insbesondere die Schnittdarstellung in 2. An das entgegengesetzte Ende des Reflektors 3 wird die Streuscheibe 2 gesetzt und in diesem Sitz über Rastvorsprünge gehalten.
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Die Beleuchtungsvorrichtung 1 kann dann gegenüber 1 um 180° gedreht mit nach unten weisender Streuscheibe 2 an einem Vorsprung, etwa eines Möbelstücks, oder auch an der Decke montiert werden, also als sogenanntes Downlight-Modul. Es wird dann an der Lichtaustrittsfläche 9 nach unten Licht abgegeben.
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2 zeigt eine Schnittdarstellung, und zwar eine den Hauptstrahl 21 beinhaltenden Schnittebene. Von der Abstrahlfläche 6 wird das Licht näherungsweise lambertsch in den in der Figur rechten Halbraum emittiert, der Hauptstrahl 21 ergibt sich als Schwerpunktrichtung. Von der Abstrahlfläche 6 unter einem größeren Verkippungswinkel zum Hauptstrahl 21 emittiertes Licht trifft dabei nicht direkt auf die Lichteintrittsfläche 22 der Streuscheibe 2, sondern wird über die Reflexionsfläche 23 des Reflektors 2 zur Lichteintrittsfläche 22 reflektiert.
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In die Streuscheibe 2 sind (nicht dargestellte) Streupartikel, nämlich Titandioxid-Partikel, eingebettet und gleichmäßig darin verteilt. Der Streukoeffizient hängt somit von der in Richtung des Hauptstrahls 21 genommenen Dicke der Streuscheibe ab, sodass also entlang des Hauptstrahls 21 auf die Lichteintrittsfläche 22 fallendes Licht stärker gestreut wird als in einem der Reflexionsfläche 23 nahen Randbereich der Streuscheibe 2 einfallendes Licht.
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Vereinfacht gesprochen wird aufgrund der mittig stärkeren, zum Randbereich der Streuscheibe 2 hin abfallenden Streuung mittig eintreffendes Licht stärker gestreut und zur Seite hin verteilt. Im Ergebnis lässt sich so die Lichtabgabe an der Lichtaustrittsfläche 9 homogenisieren, es wird also insbesondere ein übermäßiges Maximum der Bestrahlungsstärke im Bereich um den Hauptstrahl 21 vermieden.
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3 illustriert in einer Darstellung in Höhenlinien (zweidimensionale X-/Y-Darstellung) den Verlauf der Bestrahlungsstärke über die Lichtaustrittsfläche 9. Die Bestrahlungsstärke ist weitgehend konstant und fällt dann am Rand der Streuscheibe 2 vergleichsweise abrupt ab; die Bestrahlungsstärkeverteilung zeigt also keine maßgebliche Schwankung über die Lichtaustrittsfläche 9.
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Dies illustrieren auch die beiden Graphen, die in zwei zueinander senkrechten, jeweils den Hauptstrahl 21 beinhaltenden Schnittebenen genommen sind. In einem Bereich um den Hauptstrahl 21 ist zwar eine kleine Erhöhung zu erkennen, insgesamt ist der Verlauf aber weitgehend homogenisiert, also über die Lichtaustrittsfläche 9 näherungsweise konstant. Die Darstellung gemäß 3 basiert auf Ergebnissen einer Raytracing-Simulation, welche die Erfinder unter Annahme des in 2 illustrierten Aufbaus durchgeführt haben.
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4 zeigt die Streuscheibe 2 der Beleuchtungsvorrichtung 1 gemäß den 1 und 2 in einer geschnittenen Schrägansicht. Die Lichtaustrittsfläche 9 ist plan ausgebildet, und die Lichteintrittsfläche 22 verläuft dazu verwölbt.
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Bezogen auf die vom Hauptstrahl 21 weg genommene Seitenerstreckung 41 der Streuscheibe 2 ist deren Dicke in den inneren 15 % dieser Erstreckung maximal und nimmt kaum ab. In einem Bereich zwischen ca. 25 bis 75 % hingegen fällt die Dicke deutlich ab, um in den äußeren 15 % der Seitenerstreckung 41 (85 % bis 100 %) in grober Näherung wieder konstant und dabei deutlich geringer als im mittigen Bereich zu sein.
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5 zeigt eine weitere Streuscheibe 2, bei welcher durch eine Variation der Dicke mittig, also um den Hauptstrahl 21, eine starke Streuung eingestellt ist, die zum Rand hin abnimmt (die Streupartikel sind wiederum gleichmäßig verteilt in die Streuscheibe 2 eingebettet). Im Gegensatz zu der Ausführungsform gemäß 4 verläuft die Änderung der Dicke in diesem Fall allerdings nicht glatt, sondern stufenförmig, und zwar mit Stufen bei ca. 15 %, 33 % und 70 % der Seitenerstreckung 41.
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Die in 6 gezeigte Streuscheibe ist mit konstanter Dicke vorgesehen, und die stärkere Streuung ist durch eine erhöhte Streupartikel-Konzentration in dem mittigen Bereich 61 eingestellt. Die Streupartikel-Konzentration ist im äußeren Bereich 62 also geringer, sodass die Streuung einen stufenförmigen Verlauf hat. Zur Herstellung einer entsprechenden Streuscheibe 2 kann beispielsweise zunächst der innere Bereich 61 gegossen und anschließend der äußere Bereich 62 aus einem Material mit anderer Streupartikel-Konzentration angeformt werden.
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7 zeigt eine weitere Streuscheibe 2, bei welcher auf der Lichtaustrittsfläche 9 mittig eine Beschichtung 71 mit Streupartikeln aufgebracht ist. Die Beschichtung 71 erhöht die Streuung in dem Bereich um den Hauptstrahl 21, sodass das Licht also stärker zu Seite hin verteilt wird.
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Hinsichtlich einer Homogenisierung der Bestrahlungsstärke an der Lichtaustrittsfläche 9 konnten die vielversprechendsten Ergebnisse mit dem glatt verlaufenden Streukoeffizienten einer Streuscheibe gemäß 4 erreicht werden.
