DE29617203U1 - Peripheres optisches Element zum Umleiten von Licht von einer LED - Google Patents

Peripheres optisches Element zum Umleiten von Licht von einer LED

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Description

Peripheres optisches Element zum Umleiten von Licht von
einer LED
Beschreibung
Diese Erfindung offenbart ein optisches Element zum Steuern des Sichtwinkels von Licht, das durch Licht-emittierende Dioden (LEDs) erzeucft wird.
Aufgrund ihrer kompakten Größe, ihres hohen Wirkungsgrades und ihrer langen Lebensdauer ersetzten Licht-emittierende Dioden (LEDs) weißcflühende Lichtquellen in einer Vielzahl von Leistungssignalgebungsanwendungen, die farbiges Licht hoher Intensität erfordern. Obwohl Licht, das durch LEDs emittiert wird, von Natur aus über einen breiten Winkel zerstreut ist, erfordern Kraftfahrzeugschlußleuchten, Verkehrsampeln, Anzeigen für bewegte Meldungen und andere Leistungssigna lgebungsanwendungen, daß Licht in einem schmalen Sichtwinkel begrenzt ist. Tatsächlich spezifiziert die Society of Automotive Engineers; (SAE) eine Beleuchtungsintensität über dem Sichtwinkel relativ zu einer optischen Achse in der horizontalen und der vertikalen Ebene für Kraftfahrzeugschlußleuchten. Verschiedene Systeme wurden verwendet, um das Licht von LEDs effizient umzuleiten, um eine hohe Leuchtintensität in einem gewünschten Sichtwinkel zu erreichen.
Bei der mittleren Elremsleuchte des Modells Taurus SHO der Ford Motor Company ist eine Linse vor einer LED positioniert. Die Linse leitet in Verbindung mit einer metallisierten parabolischen Oberfläche, die hinter der Linse plaziert ist, Licht, das durch die LED emittiert wird, in einen schmalen Sichtwinkel um. Obwohl das Licht effizient umgeleitet wird, erhöht die metallisierte Oberfläche die Herstellungskosten für diesen Systemtyp.
Ein bekannter Kollimator für ein LED-Array ist in dem US-
•±* 2 -
Patent 4,767,172 gelehrt. Bei dem US-Patent 4,767,172 ist eine Linse vor einer LED in Verbindung mit einem transparenten eingebauten Kollektor verwendet, um Licht parallel zu einer optischen Achse für eine Projektion in einen Lichtleiter oder einen optischen Wellenleiter auszurichten. Obwohl dieser Kollimatortyp Licht effizient umleitet und geringe Herstellungskosten aufweisen kann, ist das Licht auf eine axiale Betrachtung begrenzt, was diesen Systemtyp für Leistungssignalgebungsanwendungen ungeeignet macht.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein peripheres optisches Element, eine Lichtquelle und ein Array von peripheren optischen Elementen zu schaffen, die wenig aufwendig herzustellen sind und im Betrieb Licht hoher Intensität in einem schmalen Sichtwinkel abstrahlen.
Diese Aufgabe wird durch ein peripheres optisches Element gemäß Anspruch 1, eine Lichtquelle gemäß Anspruch 6 und ein Array von peripheren optischen Elementen gemäß Anspruch 11 gelöst.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sammelt ein peripheres optisches Element wirksam Licht von einer LED, um eine hohe Leuchtintensität in einem begrenzten, schmalen, vordefinierten Sichtwinkel relativ zu einer optischen Achse zu erzeugen. Eine LED ist in dem peripheren optischen Element zentriert, während eine Brechungsoberfläche Licht in das periphere optische Element leitet. Das Licht wird dann durch eine Reflexionsoberfläche intern total reflektiert und verläßt das periphere optische Element durch eine Austrittsoberfläche. Der Sichtwinkel entspricht den Winkeln der Brechungs- und der Reflexions-Oberfläche relativ zu der optischen Achse. Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist das periphere optische Element radial symmetrisch, um ein Ringelement zu bilden. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind mehrere, periphere optische Elemente in ein Array integriert, um !mehrere LEDs aufzunehmen. Das periphere
optische Element, das ohne weiteres aus Polymethyl-Methacrylat oder einem ähnlichen Material geformt wird, weist geringe Herstellungskosten auf und ist für Leistungssignalgebungsanwendungen gut. geeignet.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Querschnittansicht eines ersten, dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine graphische Darstellung der relativen Leuchtintensität über dem Sichtwinkel für das bevorzugte Ausführungsbeispiel von Fig. 1;
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung ; und
Fig. 4 ein drittes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 1 ist eine Querschnittansicht eines peripheren optischen Elements 10, hierin nachfolgend optisches Element 10. Ein Körper 13 des optischen Elements 10 ist symmetrisch um eine optische Achse &zgr; in der Ebene der Querschnittansicht. Das optische Element 10 ist mit seiner Basisoberfläche 17 auf der Oberseite eines Trägers 12 einer LED 11 befestigt. Die LED 11 ist in einer Öffnung der Breite W in der Basisoberfläche 17 zentriert. Die optischen Wege 20, 22 des Lichts, das durch die LED 11 emittiert wird, sind gezeigt. Ein bestimmter Teil des von der LED 11 emittierten Lichts, das nicht gestörte Licht 22, befindet sich innerhalb eines ausreichend kleinen Winkels zu der optischen Achse &zgr;, wird nicht durch den Körper 13 gestört und wird nicht durch die Wirkung des optischen Elements 10 beeinflußt. Licht, das mit
großen Winkeln zu der optischen Achse &zgr; durch die LED 11 emittiert wird, das abgefangene Licht 20, wird durch die Brechungsoberfläche 16 des optischen Elements 10 abgefangen.
Der Brechungsindex des optischen Elements 10 ist höher als der des umgebenden Mediums, das typischerweise Luft ist, was bewirkt, daß das abgefangene Licht 20 von der optischen Achse &zgr; weg und in den Körper 13 gebrochen wird. Das Licht in dem Körper 13 wird an einer Reflexionsoberfläche 18 intern total reflektiert und wird in einen verringerten Winkel relativ zu der optischen Achse &zgr; ausgerichtet. Da das Licht durch die Reflexionsoberfläche 18 intern total reflektiert wird, kann die Reflexionsoberfläche optisch durchlässig sein, oder dieselbe kann aus einem optisch reflektierenden Material gebildet sein.
Das Licht verläßt den Körper 13 dann durch eine Austrittsoberfläche 14. Die Austrittsoberfläche 14 ist flach dargestellt. Eine zusätzliche Ausrichtung des Lichts kann erreicht werden, indem die Austrittsoberfläche 14 in einer anderen Form ausgebildet wird, beispielsweise als eine konvexe oder konkave Krümmung, oder dieselbe kann abgeschrägt sein. Der Winkel A2 der Brechungsoberfläche, der Winkel A3 der Reflexionsoberfläche, die Höhe H der Austrittsoberfläche 14 und die Öffnungsbreite W in der Basisoberfläche 17 sind ausgewählt, um den Sichtwinkel abzuschneiden, wobei der Winkelsektor um die optische Achse &zgr; erhalten wird, indem ein definierter Prozentsatz des Lichts, das durch die LED 11 emittiert wird, enthalten ist.
Fig. 2 zeigt eine graphische Darstellung der relativen Leuchtintensität I über dem Sichtwinkel Al für das optische Element 10. Der Sichtwinkel Al ist in der Ebene des optischen Elements 10, die die optische Achse &zgr; enthält, beobachtet. Der Sichtwinkel Al ist relativ zu der optischen Achse z, die in der Darstellung 0° entspricht, angezeigt. Obwohl die LED 11 Licht über einen breiten Winkel relativ zu der optischen Achse &zgr; verteilen kann, beispielsweise plus
oder minus 45°, leitet das optische Element 10 das emittierte Licht in einen schmalen Winkel um, beispielsweise plus oder minus 15°, was das optische Element 10 für Leistungssigna lgebungs anwendung en, die begrenzte Sichtwinkel Al erfordern, ideal geeignet macht. Diese spezielle Leuchtintensität I über dem Sichtwinkel Al wird mit einem Winkel A2 der Brechungsoberfläche von 25°, einem Winkel A3 der Reflexionsoberfläche von 40°, einer Höhe H der Austrittsoberfläche 14 gleich 6 Millimetern und einer Länge der Basisoberfläche 17 von 2,9 Millimetern erreicht. Die Öffnungsbreite W in der Basisoberfläche 17 beträgt 3,2 Millimeter. Das Profil der Leuchtintensität I wird ohne weiteres abgeschnitten, indem der Winkel A3 der Reflexionsoberfläche, der Winkel A2 der Brechungsoberfläche, die Länge der Basisoberfläche 17 und die Höhe H der Austrittsoberfläche 14 gewählt werden. Der Brechungsindex des Materials, das verwendet ist, um das optische Element 10 zu bilden, beeinflußt ebenfalls das Profil der Leuchtintensität I über dem Sichtwinkel Al. Wenn das optische Element 10 beispielsweise aus Glas aufgebaut ist, kann der Brechungsindex erhöht oder verringert sein, um ein gewünschtes Profil der Leuchtintensität I über dem Sichtwinkel Al zu erreichen. Die Leuchtintensität I über den Sichtwinkel Al ist in jeder Sichtebene einer Drehung um die optische Achse &zgr; durch die Querschnittsform für das optische Element 10 in jeder der Sichtebenen abgeschnitten.
Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht eines Ringelements 40, das gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist. Das Ringelement 40 ist um die optische Achse &zgr; radial symmetrisch. Licht von der LED 11, die unterhalb des Ringelements 40 befestigt ist, wird in einen vorbestimmten Sichtsektor einer Leuchtintensität I umgeleitet, der einen Kegel 42 um die optische Achse &zgr; bildet. Das Ringelement 40 ist durch ein Paar von abgeschnittenen, konzentrischen, konischen Oberflächen, eine innere Brechungsoberfläche 36 und eine äußere Reflexionsoberfläche 38 definiert. Die innere Brechungsoberfläche bildet einen ersten Winkel A32 mit der optischen Achse z, während
die äußere Reflexionsoberfläche 38 einen zweiten Winkel A34 bildet, der spitz bezüglich der optischen Achse &zgr; und größer als der erste Winkel A32 ist. Das Ringelement 40 ist auf der Oberseite durch eine ringförmige Austrittsoberfläche 34 begrenzt und auf der Unterseite durch eine ringförmige Basisoberfläche 37 begrenzt. Das Ringelement 40 ist aus einem Kunststoffharz, beispielsweise Polymethylmethacrylat, PoIykarbonat oder anderen Materialien, die für das Licht, das durch die LED 11 emittiert wird, optisch durchlässig sind, hergestellt. Das Ringelement 40 bildet, wenn es in Verbindung mit einem Lichtemitter, beispielsweise einer LED 11 verwendet ist, eine Lichtquelle mit einer hohen Leuchtintensität I innerhalb eines vorbestimmten Sichtwinkels und ist zur Verwendung in einer Vielzahl von Leistungssignalgebungsanwendungen gut geeignet.
Fig. 4 ist eine Querschnittansicht eines Arrays 30 von optischen Elementen 10, das gemäß einem dritten, dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist. Mehrere optische Elemente 10 sind in einen Rahmen 25 integriert, der ein Array 3 0 bildet, um mehrere LEDs 11 zur Verwendung bei Leistungssignalgebungsanwendungen, beispielsweise Kraftfahrzeugbremsleuchten, aufzunehmen. Beleuchtet durch die LEDs 11 bildet das Array 30 ein Lichtfeld mit einer großen Beleuchtungsfläche, das Licht in einem begrenzten Sichtwinkel relativ zu einer optischen Achse &zgr; &zgr; des Arrays erzeugt.

Claims (12)

··· »J J J JJ ·&phgr;# Schutzansprüche
1. Peripheres optisches Element (10) zum Umleiten von gestreutem Licht in einen vorbestimmten Sichtwinkel relativ zu einer optischen Achse (z), wobei das periphere optische Element (10) folgende Merkmale aufweist:
ein Paar von koplanaren Basisoberflächen (17, 37), die jeweils eine innere und eine äußere Kante aufweisen, senkrecht zu der optischen Achse (z) und versetzt aus der optischen Achse;
ein Paar von Brechungsoberflächen (16, 36), wobei jede Brechungsoberfläche benachbart zu der inneren Kante jeder Basisoberfläche (37) ist und einen ersten spitzen Winkel (A32) mit der optischen Achse (z) bildet;
ein Paar von Reflexionsoberflächen (18, 38), wobei jede Reflexionsoberfläche benachbart zu der äußeren Kante jeder Basisoberfläche (17, 37) ist und einen zweiten spitzen Winkel (A4, A34) mit der optischen Achse (z) bildet, wobei der zweite spitze Winkel (A3, A34) größer als der erste spitze Winkel (A2, A32) ist; und
ein Paar von Austrittsoberflächen (14, 34), die benachbart zu den Reflexions- (18, 38) und Brechungs-Oberflächen (16, 36) sind.
2. Peripheres optisches Element (10) gemäß Anspruch 1, bei dem das Paar von Austrittsoberflächen (34) koplanar und parallel zu dem Paar von koplanaren Basisoberflächen (37) ist.
3. Peripheres optisches Element (10) gemäß Anspruch 2, bei dem die Basisoberflächen (17, 37) , die Brechungsoberflächen (16, 36) und die Austrittsoberflächen optisch durchlässig sind (14, 34).
I ·
4. Peripheres optisches Element (10) gemäß Anspruch 3, bei dem die Reflexionsoberflächen (18, 38) optisch durchlässig sind.
5. Peripheres optisches Element (10) gemäß Anspruch 3, bei dem die Brechungsoberflächen (16, 36), die Reflexionsoberflächen (18, 38), die Basisoberflächen (17, 37) und die Austrittsoberflächen (14, 34) um die optische Achse (z) rotationssymmetrisch sind.
6. Lichtquelle, die einen Kegel einer Leuchtintensität, der um eine optische Achse (z) zentriert ist, erzeugt, mit folgenden Merkmalen:
einem radialsyirimetrischen peripheren optischen Element (10), das durch folgende Merkmale definiert ist:
ein Paar von konischen Oberflächen (36, 38), die um die optische Achse (z) angeordnet sind, wobei die erste konische Oberfläche (36) des Paars einen ersten spitzen Winkel (A32) mit der optischen Achse bildet, und wobei die zweite konische Oberfläche (38) des Paars einen zweiten spitzen Winkel (A34) mit der optischen Achse bildet, der größer als der erste spitze Winkel (A32) ist,
eine ringförmige Basisoberfläche (37) , die durch das Abschneiden der Kegel in einer ersten Ebene, die senkrecht zu der optischen Achse (z) ist, gebildet ist, und
eine ringförmige Austrittsoberfläche (34), die durch das Abschneiden der Kegel in einer zweiten Ebene, die senkrecht zu der optischen Achse (z) ist, gebildet ist; und
einer Licht-emittierenden Diode (11), die in der ring-
förmigen Basisoberfläche (37) zentriert ist.
7. Lichtquelle gemäß Anspruch 6, bei der die erste konische Oberfläche (36), die ringförmige Basisoberfläche (37) und die ringförmige Austrittsoberfläche (34) für Licht, das durch die Licht-emittierende Diode (11) erzeugt wird, optisch durchlässig sind.
8. Lichtquelle gemäß Anspruch 7, bei der die zweite konische Oberfläche (38) für Licht, das durch die Lichtemittierende Diode (11) erzeugt wird, optisch durchlässig ist.
9. Lichtquelle gemäß Anspruch 8, bei der das periphere optische Element aus Polymethyl-Methacrylat hergestellt ist.
10. Lichtquelle gemäß Anspruch 8, bei der das periphere optische Element aus Polykarbonat hergestellt ist.
11. Array (3 0) von peripheren optischen Elementen zum Leiten von Licht in einem vorbestimmten Sichtwinkel relativ zu einer optischen Achse (zz), mit folgenden Merkmalen:
mehreren peripheren optischen Elementen (10), wobei im Querschnitt jedes periphere optische Element (10) folgende Merkmale aufweist:
ein Paar von koplanaren Basisoberflächen (17), von denen jede eine innere und eine äußere Kante aufweist, senkrecht zu der optischen Achse (zz) und versetzt aus; der optischen Achse (zz) ,
ein Paar von Brechungsoberflächen (16), wobei jede Brechungsoberfläche (16) benachbart zu der inneren Kante jeder Basisoberfläche (17) ist und einen ersten spitzen Winkel (A2) mit der optischen Achse
• · · J J J
(zz) bildet,
ein Paar von Reflexionsoberflächen (18), wobei jede Reflexionsoberfläche (18) benachbart zu der äußeren Kante jeder Basisoberfläche (17) ist und einen zweiten spitzen Winkel (A3) mit der optischen Achse (zz) bildet, wobei der zweite spitze Winkel (A3) größer als der erste spitze Winkel (A2) ist,
ein Paar von koplanaren Austrittsoberflächen (14), wobei jede Austrittsoberfläche (14) senkrecht zu der optischen Achse (zz) und benachbart zu den Reflexions- (18) und Brechungs-Oberflächen (16) ist; und
einem Rahmen (25), der mit den mehreren peripheren optischen Elementen (10) verbunden ist.
12. Array (30) gemäß Anspruch 11, das ferner mehrere Licht-emittierende Dioden (11) aufweist, wobei jede Licht-emittierende Diode (11) koplanar zu der Basisoberfläche (17) eines entsprechenden peripheren optischen Elements (10) des Arrays (30) positioniert ist.
DE29617203U 1995-11-01 1996-10-02 Peripheres optisches Element zum Umleiten von Licht von einer LED Expired - Lifetime DE29617203U1 (de)

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