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Die
Erfindung betrifft eine LED-Beleuchtungsvorrichtung, insbesondere
eine LED-Beleuchtungsvorrichtung mit einem luftdicht außer einem LED-Feld
gekapselten, mit Nuten vorgesehenen Außendeckel, bei der ein zweites
Linsenfeld durch das Einbetten einer Vielzahl von den zweiten Linsen
in den Nuten des Nutfeldes realisiert ist. Die von dem LED-Feld erzeugten LED-Lichtstrahlen
lassen sich über
das zweite Linsenfeld nach außen
projizieren, sodass eine Funktion der Wasserbeständigkeit von dem Außendeckel
zusätzlich
zu dessen optischer Funktion als zweite Linse realisiert werden
kann.
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Die
Beleuchtungsvorrichtungen mit LED-Lichtquelle gehören zu dem
Stand der Technik, die bereits verbreitete Anwendungen finden. Beispielsweise
machen Taschenlampe, Autobeleuchtungen wie Scheinwerfer und Hecklicht,
Straßenbeleuchtung,
Hilfsbeleuchtungsvorrichtung anderer elektronischer Geräte wie Kamerablitzer,
Lichtquelle im Scanner, usw. vorwiegend von einer Vielzahl von Lichtdioden
als Lichtquelle Gebrauch, die von einem LED-Feld ausgebildet ist.
Solche LED-Felder kommen derart zustande, indem eine Vielzahl von
Lichtdioden gemäß der Anforderung
der Beleuchtung angeordnet wird und dabei ein bestimmtes Muster
bildet, wobei die Anordnung der Lichtdioden in der Form von einer
Linie, einer Matrix bzw. konzentrisch ausgeführt sein kann und keiner Beschränkung unterliegen
soll. Im Wesentlichen setzt sich eine Leuchtdiode aus einem den
LED-Transistor tragenden Sockel und einer einschichtigen bzw. mehrschichtigen
Deckellinse zusammen. Im Allgemeinen wird die aus transparentem
Harzwerkstoff hergestellte Deckellinse als die erste Linse der LED
bezeichnet, die den oben erwähnten
Sockel und LED-Transistor
umschließt
und einen LED-Zusammenbau bildet. Der LED-Zusammenbau wird hiermit
als LED vereinfacht bezeichnet.
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Beim
Einsatz werden die von dem LED-Transistor erzeugten Lichtstrahlen über die
erste Linse nach außen
projiziert.
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Bei
der Anwendung der LED-Beleuchtungen variieren die Einsatzanforderungen
und Bedingungen je nach dem Anwendungszweck. Beispielsweise werden
die Straßenbeleuchtungen
alle 30 Meter mit einer Höhe
von 6 bis 20 installiert. Dabei sieht es eine ausreichende Helligkeit
sowie einen optimalen rechteckigen Beleuchtungsbereich mit einem
Längen-Breiten-Verhältnis von
3:1 vor. Die als Lichtquelle verwendeten Lichtdioden weisen in der
Regel neben einer ersten Linse jeweils noch eine vordere zweite
Linse in der Projektionsrichtung, um die Ausnutzungseffizienz der
LED-Strahlen zu erhöhen.
In einem anderen Wort dienen die zweiten Linsen zur Steigerung der
effektiven Beleuchtungsstärke
(Einheit: Lux) und zur Reduzierung der Prozessverluste bzw. zur
Modifikation der von den LED-Lichtstrahlen belichteten Beleuchtungsfläche und
der Gleichmäßigkeit
der Beleuchtung. Aufgrund der Prozessverluste der Lichtstrahlen
beim Durchstrahlen durch die Medien, die entweder durch die Absorption
von den Medien oder durch die Reflexion in der Übergangszone zwischen zwei
Medien entstehen, wird die effektive Beleuchtungsstärke verringert,
was sich negativ auf die Einsatzeffizienz auswirkt. Aus diesem Grund werden
die zweiten Linsen zum Zweck der Reduzierung der Prozessverluste
in der Regel aus optischem Glas bzw. Kunststoff hergestellt, auf
deren Oberfläche
gewünschte
Optikflächen
zur Erhöhung
der optischen Effizienz entweder mit dem präzisen Gießverfahren oder mit dem Spritzgussverfahren
u. ä. realisiert
werden können.
Jedoch machen die gestiegenen Kosten des optischen Glases bzw. des
optischen Kunststoffs die Herstellung großflächiger optischer Elemente unwirtschaftlich.
Darüber
hinaus steigt die Schwierigkeit der Herstellung benötigter Werkzeuge proportional
zu dem Flächeninhalt
bzw. der Anzahl der Optikflächen
der optischen Bauelemente, was sich negativ auf die Massenproduktion
auswirkt.
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Zum
Verhindern eines frühzeitigen
Ausfalls müssen
die Lichtdioden und die Zubehöre
(z. B. die die Lichtdioden tragende Schaltungsplatte) wasserbeständig sein.
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Üblicherweise
wird meist ein zusätzlicher Außendeckel
bei herkömmlicher
Beleuchtungsvorrichtung außer
den Lichtdioden und den zweiten Linsen vorgesehen. Jedoch weisen
solche Außendeckel (beispielsweise
der Außendeckel
der Straßenbeleuchtung
im Freien) in der Regel ein relativ großes Volumen auf. Die Herstellung
der Außendeckel
direkt aus dem optischen Glas bzw. aus Kunststoff widerspricht der
Wirtschaftlichkeit und der Reduzierung des CO2-Ausstosses. Außerdem ist
der Herstellungsprozess sehr schwer zu gestalten bzw. zu überwachen.
Der aus herkömmlichem
Glas bzw. Kunststoff hergestellte Außendeckel führt dagegen zu erhöhten Prozessverlusten
(mit einem optischen Verlust von 8~15%), da die LED-Lichtstrahlen
erst nach Passieren der zweiten Linse und des Außendeckels nach außen projiziert
werden können.
Dabei wird die Ausnutzungseffizienz der Beleuchtungsvorrichtung stark
von der reduzierten effektiven Beleuchtungsstärke beeinträchtigt.
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Im
Hinblick auf die Anwendungstechnik der Lichtdioden als Lichtquelle
scheint es durchaus nötig zu
sein, eine LED-Beleuchtungsvorrichtung
zu entwickeln, die sich durch minimierte Prozessverluste, hohe effektive
Beleuchtungsstärke
und einfache Herstellung und Montage mit niedrigen Kosten auszeichnet.
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Eine
erste Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine LED-Beleuchtungsvorrichtung
zu schaffen, die hauptsächlich
ein LED-Feld und einen Außendeckel
aufweist. Das LED-Feld entsteht durch die Anordnung einer Vielzahl
von Lichtdioden nach einem Muster. Zur Realisierung einer wasserdichten Schutzfunktion
ist der Außendeckel
luftdicht vor dem LED-Feld
gekapselt, der auf der gegenüberliegenden Plattenfläche zu dem
LED-Feld mit einem Nutfeld versehen ist. Eine Vielzahl von den zweiten
Linsen, die mit den Lichtdioden zusammenwirken, ist entsprechend
in den Nuten des Nutfeldes eingebettet, wobei ein zweites Linsenfeld
durch diese integrale Kombination zustande kommt. Die von den Lichtdioden
erzeugten Lichtstrahlen lassen sich direkt über die zweiten Linsen nach
außen
projizieren, um die Prozessverluste zu reduzieren und die effektive
Beleuchtungsstärke
zu erhöhen,
was wiederum eine Steigerung der optischen Effizienz und der Ausnutzungseffizienz
der LED-Beleuchtungsvorrichtung ermöglicht.
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Eine
zweite Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine LED-Beleuchtungsvorrichtung
zu schaffen, bei der das Muster des im Außendeckel vorgesehenen Nutfeldes
keiner Beschränkung
unterliegt. Da sich das Muster der Form des LED-Feldes entsprechend
gestalten lässt,
können
die von den im LED-Feld
angeordneten Lichtdioden erzeugten Lichtstrahlen nach Passieren
der im Nutfeld eingebetteten zweiten Linsen nach außen projiziert
werden, um die optische Effizienz und die Ausnutzungseffizienz der LED-Beleuchtungsvorrichtung
zu erhöhen.
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Eine
dritte Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine LED-Beleuchtungsvorrichtung
zu schaffen, bei der die Form der Nuten des im Außendeckel
vorgesehenen Nutfeldes keiner Beschränkung unterliegt, die der Form
der zweiten Linse entsprechend zu gestalten ist. Aus diesem Grund
sind die Gestaltung der Werkzeuge zur Herstellung der zweiten Linsen, die
Gestaltung der Optikflächen
und der Herstellprozess relativ einfacher durchzuführen, was
zu der Erhöhung
der optischen Effizienz der zweiten Linsen und zu der Vereinfachung
der Montage der LED-Beleuchtungsvorrichtung beiträgt.
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Diese
Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst durch
eine LED-Beleuchtungsvorrichtung, die die im Anspruch 1 angegebenen
Merkmale aufweist. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen
aus den Unteransprüchen
hervor.
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Im
Folgenden werden die Erfindung und deren Ausgestaltungen anhand
der Zeichnung näher erläutert. In
der Zeichnung zeigt:
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1 einen
Seitenschnitt einer erfindungsgemäßen LED-Beleuchtungsvorrichtung;
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2 eine
Draufsicht auf eine in 1 dargestellte LED-Beleuchtungsvorrichtung,
deren Außendeckel
nicht mit den eingebetteten zweiten Linsen versehen ist;
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3 eine
andere Draufsicht einer in 1 dargestellten
LED-Beleuchtungsvorrichtung, deren zweites Linsenfeld dem LED-Feld
völlig
entspricht;
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4 eine
andere Draufsicht einer in 1 dargestellten
LED-Beleuchtungsvorrichtung, deren zweites Linsenfeld dem LED-Feld
nicht völlig
entspricht; und
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5 ein
Seitenschnitt einer anderen erfindungsgemäßen LED-Beleuchtungsvorrichtung.
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Bezug
nehmend auf 1 bis 3 weist eine
erfindungsgemäße LED-Beleuchtungsvorrichtung 1 hauptsächlich ein
LED-Feld 10 und einen Außendeckel 20 auf,
die bezüglich
der Form, der Zusammenbaugestaltung sowie der Bemessung keiner Beschränkung unterliegt
und nach Anwendungsanforderungen flexibel zu gestalten ist. Die
Gestaltungen der LED-Beleuchtungsvorrichtung 1 variieren
je nach konkreten Anwendungsfällen
(Taschenlampe, Tischlampe, Autobeleuchtungen wie Scheinwerfer und
Hecklicht, Straßenbeleuchtung,
Hilfsbeleuchtungsvorrichtungen anderer elektronischer Geräte wie Kamerablitzer,
Lichtquelle im Scanner, usw.). Die Straßenbeleuchtung bzw. ähnlicher
Gegenstand im vorliegenden Ausführungsbeispiel
dient lediglich zur Erläuterung
der Erfindung.
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Das
LED-Feld 10 entsteht durch die Anordnung einer Vielzahl
von Leuchtdioden 11 nach einem bestimmten Muster, wobei
das Muster ohne Beschränkung
in der Form von einer Linie, einer Matrix bzw. konzentrisch ausgeführt ist
und sich an dem konkreten Anwendungsgebiet orientiert. Die Straßenbeleuchtung
bzw. der ähnliche
Gegenstand im vorliegenden Ausführungsbeispiel
in 1 bis 3 dient lediglich zur Erläuterung
der Erfindung, bei der das LED-Feld 10 ein
Rechteck ausbildet. Die Leuchtdiode 11 besteht aus einem
in den Figuren nicht dargestellten LED-Transistor und einer ersten
Linse 12. Wie aus 1 ersichtlich,
lassen sich die aus dem LED-Transistor auskommenden Lichtstrahlen über die
erste Linse 12 nach außen
projizieren. Bezüglich des
Kapselaufbaus, der Zusammenbaugestaltung, der Belichtungsform, der
Herstellung sowie der entsprechend Schaltungsentwicklung orientiert
sich die Leuchtdiode 11 an konkreter Anwendung und unterliegt
keiner Beschränkung.
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Zur
Realisierung einer wasserdichten Schutzfunktion ist der Außendeckel 20 luftdicht
vor dem LED-Feld 10 gekapselt, wobei sich die Gestaltung,
die Zusammenbaugestalt und die Abmessung des Außendeckels 20 an konkreten
Anwendungen orientieren und keiner Beschränkungen unterliegen. Der Außendeckel 20 kann
entweder mit dem Spritzgießverfahren
integral hergestellt (1) oder aus mehreren Bauteilen zusammengebaut
werden (in Figuren nicht dargestellt).
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Darüber hinaus
weist der Außendeckel 20 wenigstens
eine dem LED-Feld 10 gegenüberliegende Plattenfläche 21 auf,
auf der ein in 2 gezeigtes Nutfeld 22 vorgesehen
ist. Das Nutfeld 22 wird aus einer Vielzahl von nach einem
bestimmten Muster ausgebildeten Nuten 23 realisiert, wobei
das Muster des Nutfeldes 22 keiner Beschränkung unterliegt und
je nach Anwendungsgebieten beispielsweise als Linienfeld, Rechteckfeld,
konzentrisches Feld usw. ausgeführt
sein kann. Ein in 1 bis 3 gezeigtes,
als Straßenbeleuchtung
oder ähnlicher
Gegenstand verkörpertes
Ausführungsbeispiel
dient ausschließlich
zur Erläuterung
der Erfindung und stellt keinerlei Beschränkung dar, bei dem das Nutfeld 22 rechteckförmig gestaltet
und symmetrisch zu dem LED-Feld 10 ist.
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Eine
Vielzahl von den zweiten Linsen 30, die mit den Leuchtdioden 11 zusammenwirken,
ist entsprechend jeweils in den Nuten 23 des Nutfeldes 22 eingebettet,
wobei ein zweites Linsenfeld 31 durch die integrale Kombination
der zweiten Linsen 30 mit dem Außendeckel 20, insbesondere
mit der Plattenfläche 21 zustande
kommt. Die Gestaltung und Abmessung der zweiten Linsen 30 orientieren
sich an der Abmessung der Nuten 23, sodass die zweiten Linsen 30 jeweils
in den Nuten 23 integral eingebettet werden können. Das
Verbindungsverfahren ist frei zu wählen, wobei das Kleben eine
gute Befestigung und Wasserbeständigkeit
bietet. Die Gestaltung der Optikflächen der zweiten Linse 30 ist
nach den spezifischen Anforderungen in verschiedenen Anwendungsgebieten
festzulegen. Ein in 1 bis 3 gezeigtes,
als Straßenbeleuchtung
oder ähnlicher Gegenstand
verkörpertes
Ausführungsbeispiel
dient ausschließlich
zur Erläuterung
der Erfindung und stellt keinerlei Beschränkung dar.
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Das
Muster des auf dem Außendeckel 20 bzw.
auf der entsprechenden Plattenfläche 21 ausgebildeten
Nutfeldes 22 unterliegt keiner Beschränkung und orientiert sich bevorzugt
an dem Muster des LED-Feldes 10, sodass sich das erzeugte
zweite Linsenfeld 31 zur Realisierung der Einsatzfunktion
der zweiten Linsen 30 das LED-Feld 10 anpassen
kann (3 und 4).
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Die
Passung zwischen dem LED-Feld 10, dem Nutfeld 22 und
dem zweiten Linsenfeld 31 lässt sich in der Praxis bei
Bedarf ändern.
Statt eine Leuchtdiode 11 in einer vorgesehenen Einlegestelle im
LED-Feld 10 anzuordnen, kann beispielsweise zwei Leuchtdioden 11 parallel
in einer vorgesehenen Einlegestelle angeordnet werden, wobei die
im LED-Feld 10 eingesetzten Leuchtdioden 11 nicht
unbedingt typ-identisch sind. Darüber hinaus beschränken sich
die Nuten 23 im Nutfeld 22 nicht auf gleiche Gestaltung
und Größe. Bezug
nehmend auf 2 und 3 können zwei
benachbarte Nuten 23 zur Bildung einer größeren Nut
mit verdoppeltem Flächeninhalt
miteinander verbunden werden, in der eine zweite Linse 30 von
gleicher Größe (doppelt
so groß wie
die ursprüngliche
zweite Linse 30) eingebettet werden kann. Wenn die 2 und 3 gezeigten
Nuten 23 im Nutfeld 22 identisch ausgebildet werden,
kann die zweiten Linsen 30 ebenfalls typidentisch gestaltet
werden, was zu einer vereinfachten Massenproduktion der zweiten
Linsen 30 und einer Kostenreduzierung führen kann. Wie auf 3 ersichtlich,
stehen die zweiten Linsen 30 im zweiten Linsenfeld 31 in
einem 1:1-Verhältnis
zu den im LED-Feld 10 angeordneten Leuchtdioden 11.
Das heißt,
jede zweite Linse 30 im zweiten Linsenfeld 31 entspricht
einer im LED-Feld 10 angeordneten Leuchtdiode 11.
Jedoch stellt das oben genannte 1:1-Verhältnis keine Beschränkung da.
Die in 4 gezeigten, im LED-Feld 10 angeordneten
Leuchtdioden 11 entsprechen nur einen Teil von den zweiten Linsen 30 im
zweiten Linsenfeld 31. Die zweiten Linsen 30,
die keinen Leuchtdioden 11 entsprechen, können aus
herkömmlichem
Glas bzw. Kunststoff hergestellt und in den Nuten 23 eingebettet
werden, um die Einsatzmenge der zweiten Linsen 30 zu reduzieren
und dadurch die Materialkosten zu senken. Beim Einsatz lassen sich
die von den Lichtdioden 11 im LED-Feld 10 erzeugten
Lichtstrahlen über
die zweiten Linsen 30 im zweiten Linsenfeld 31 nach
außen
projizieren, um die effektive Beleuchtungsstärke zu erhöhen, was wiederum eine Steigerung
der optischen Effizienz und der Ausnutzungseffizienz der LED-Beleuchtungsvorrichtung 1 ermöglicht.
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Der
Außendeckel 20 bzw.
die gegenüberliegende
Plattenfläche 21 und
die zweiten Linsen 30 sind getrennt hergestellt, indem
ein Nutfeld 22 zuerst im Außendeckel 20 bzw.
in der gegenüberliegenden Plattenfläche 21 ausgebildet
und eine Vielzahl von zweiten Linsen 30 jeweils anschließend in
den Nuten 23 des Nutfeldes 22 eingebettet wird.
Außerdem
werden die Form der Nuten 23 des Nutfeldes 22 nach
der Form der zweiten Linsen 30 gestaltet. Aus diesem Grund
können
die Entwicklung und Fertigung der für die Herstellung der erfindungsgemäßen zweiten
Linsen 30 eingesetzten Werkzeuge sowie der Produktionsprozess
vereinfacht werden. Darüber
hinaus tragen die mit geringem Aufwand realisierbaren optimalen
Optikflächen
der zweiten Linsen 30 zu der Erhöhung der optischen Effizienz
und zu der Vereinfachung der Montage der LED-Beleuchtungsvorrichtung 1 bei.
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Bezug
nehmend auf 5 besteht der Unterschied der
in dieser Figur dargestellten LED-Beleuchtungsvorrichtung 2 zu
der LED-Beleuchtungsvorrichtung 1 hauptsächlich darin,
dass die Leuchtdioden 11 jeweils zusätzlich mit einem Objektivtubus 13 mit
den entsprechenden zweiten Linsen 30 verbunden werden können. Zum
Einrasten in den oberen Rand des Objektivtubuses 13 kann
ein Flansch 32 am Umfang der zweiten Linse 30 vorgesehen
werden, sodass eine zweite Linse 30 zum Ausbilden eines
LED-Moduls auf einfache Weise auf dem Objektivtubus 13 montiert
werden kann. Die Verbindung des Objektivtubuses 13 nach
der Montage ermöglicht eine
automatische Ausrichtung der Leuchtdioden 11 zu den zweiten
Linsen 30, sodass die von den Leuchtdioden erzeugten Lichtstrahlen
nach Passieren der ersten Linse 12 über den Objektivtubus 13 und über die
zweiten Linsen 30 nach außen projiziert werden können. Auf
diese Weise lässt
sich die nachfolgende Montagearbeit vereinfachen. Beim Montieren
bleiben die zweiten Linsen 30 der LED-Module in den entsprechenden
Nuten 23 eingebettet.
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Im
Vergleich zu herkömmlicher
LED-Beleuchtungsvorrichtung, in der eine transparente Schutzhülle außerhalb
der zweiten Linsen vorgesehen ist, bietet der als zweite Linsen 30 verwendete Außendeckel 20 noch
zusätzlich
eine wasserbeständige
Schutzfunktion, was einen Verlust der Beleuchtungsstärke vermeidet.
Darüber
hinaus werden die zweiten Linsen 30 und der Außendeckel 20 getrennt hergestellt
und danach zusammengebaut, was es unnötig macht, dass ein die zweiten
Linsen und einen Außendeckel
enthaltener integraler Außendeckel
direkt aus Optikglas bzw. Optikkunststoff hergestellt werden muss,
wobei die Probleme von erhöhten
Materialkosten, komplizierter Herstellung und schwer realisierbarer
Genauigkeitskontrolle der zweiten Linsen auftreten. Dies trägt sicherlich
zu der Reduzierung der Prozessverluste, der Erhöhung der effektiven Beleuchtungsstärke, der
Vereinfachung der Montage und der Steigerung der optischen Effizienz
und Ausnutzungseffizienz bei.
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- 1,
2
- LED-Beleuchtungsvorrichtung
- 10
- LED-Feld
- 11
- Leuchtdiode
- 12
- erste
Linse
- 13
- Objektivtubus
- 20
- Außendeckel
- 21
- Plattenfläche
- 22
- Nutfeld
- 23
- Nut
- 30
- zweite
Linse
- 31
- zweites
Linsenfeld
- 32
- Flansch