WO2012107097A1 - Optisches bauelement und zugehörige beleuchtungs-vorrichtung - Google Patents

Optisches bauelement und zugehörige beleuchtungs-vorrichtung Download PDF

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    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V5/00—Refractors for light sources
    • F21V5/04—Refractors for light sources of lens shape
    • F21V5/045—Refractors for light sources of lens shape the lens having discontinuous faces, e.g. Fresnel lenses
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0938—Using specific optical elements
    • G02B27/095—Refractive optical elements
    • G02B27/0955—Lenses
    • G02B27/0961—Lens arrays

Definitions

  • the invention is based on an optical component according to the preamble of claim 1. It is intended in particular for lighting device such as modules or lamps or lights. Furthermore, the invention relates to a lighting device with such a device.
  • US 2004/008411 describes a microlens array for optical purposes.
  • the optical structure is mounted on one of the two main surfaces of the Mi kro 1 insenar rays.
  • WO 2009/065389 discloses an optical component with two surfaces, each of which is acted upon by a lens structure.
  • the second lens structure corresponds to the first, but it is mirror-inverted applied to the second surface.
  • the second lens structure is completely different from the first lens structure.
  • An object of the present invention is to provide an improved optical device which is suitable to homogenize the luminance distribution in a lighting device.
  • Another object is to provide a lighting device that exhibits a homogenized luminance distribution. This second object is achieved by the characterizing ⁇ the features of claim 10.
  • the present invention relates to an optimized optical component and an associated illumination device.
  • the illumination device is based on the color mixture of different colored light sources, in particular chips or LEDs or modules thereof.
  • the aim here is to provide an optical device for color ⁇ mix differently colored semiconductor devices such as LEDs.
  • the result is a homogenization of the luminance distribution of a lighting device equipped with a washed, not sharply delimited, transition between illuminated and unlit surface.
  • the optical component uses the technology of the microlens arrays, in short also called MLA or Fly's Eyes.
  • Such MLA are especially used in novel LED lamps, in particular also in retrofit lamps, in order to obtain the spectra of different colored light sources. len, usually LEDs or laser diodes to mix and thereby homogenize the luminance distribution.
  • the white LEDs consist of blue LEDs, preceded by a phosphor layer for partial conversion into yellow or even green and red secondary radiation. With this technique, however, only relatively low values of color reproduction can be achieved.
  • Double-sided MLAs are frequently used for good color mixing, as described in WO 2009/065389.
  • FIG. 1 shows a representation of this known prior art. Both sides have with the main surfaces of the lens structure a mutually mirror-symmetrical arrangement. This means that every surface with a lenslet has an exact same surface on the second side.
  • the lens structure itself ie the shape of the individual lenslet, is not fixed. sets. They can be rectangular, hexagonal, circular, or honeycomb as described in detail in WO 2009/065389 be ⁇ wrote.
  • the solution proposed here is to make the second lens structure on the second main surface deliberately similar to the lens structure on the first main surface.
  • the rule for modification is to use a geometric distortion of the lens structure of the first main surface for the second Hau ⁇ pt surface.
  • This distortion can have several axes of symmetry with a different distortion factor a, b, c,... Relative to the single axis of symmetry.
  • a further advantageous embodiment is a ⁇ Ver distortion in two axes that are preferably perpendicular to each other. In the following, they will be understood as x and y axes.
  • x and y axes For the distortion factor in the x direction, as defined ax, a similar advantageous Wertebe ⁇ applies rich: 1, 001 ⁇ ax ⁇ 1.05.
  • ax ay is often selected.
  • ay may also be different from ay, and the greater of the two is that it should not differ more than 30% from the smaller value.
  • a maximum distortion factor of 1% is sufficient.
  • a specific example is the use of a trapezförmi ⁇ gen, honeycomb-shaped, or rectangular rautenfömigen Lens-lets with a distortion factor a from 0.3 to 1%, with 1.003 ⁇ a ⁇ 1.01.
  • the front or the rear MLA can be enlarged with a> l, relative to the other one.
  • the larger MLA is on the light exit side.
  • the origin of the projection can be moored at any point on the main surfaces. Preferably, however, it is located in the center of the Carrier, given by the origin U, or at least in a region which carries a maximum of 20% of the distance D from the center ⁇ point Z of the carrier to the edge of the main surface be ⁇ .
  • this shift value V refers to the largest distance D between the origin and the edge of the main surface.
  • the lens structure normally covers the principal surface entirely, but this is not unabding ⁇ bar.
  • An optical device comprising a support plate or sub ⁇ strat comprising a first major surface and a surface facing away from the first major surface of the second main surface, with a given lens structure on the first main surface, wherein the first Lin ⁇ class structure the first major surface is covered, and having a lens structure on the second main surface, characterized in that the lenses ⁇ structure of the second main surface is similar to that of the first, wherein the projection is distorted by a factor a.
  • Optical component according to claim 1 characterized marked ⁇ characterized in that the distortion in all directions of the main surface is the same.
  • Optical component according to claim 1 characterized marked ⁇ records that the distortion has axes of symmetry.
  • Optical component according to claim 1 characterized marked ⁇ characterized in that the distortion factor is the same in both directions.
  • characterized ge ⁇ indicates that the lens structure comprises a plurality of differently shaped lens elements.
  • Lighting device with at least two different-colored light sources and with an optical component according to one of the preceding claims.
  • Lighting device with an optical component characterized in that the device further comprises: the light sources emit light during operation in a limited solid angle, wherein the optical component sits according to one of Ansprü ⁇ che 1 to 10 in the beam path of the light sources and wherein the light sources comprises an array of light emitting semiconductor devices ⁇ and a downstream of the arrangement collimator.
  • Figure 1 is an optical device as Prinzipdarstel ⁇ ment
  • Figure 2 shows an optical device according to the invention in different views
  • FIG. 3 shows a further embodiment of an optical rule ⁇ device
  • Figure 5 is a schematic diagram of a lenslet according to the invention.
  • Figure 6 is a representation of the difference of both sides of an optical device according to the invention and a detailed view ( Figure 6a) thereto;
  • FIG. 7 shows the distribution of the illuminance of an op ⁇ tables device according to the invention.
  • identical or identically acting components can each be provided with the same reference numerals.
  • the illustrated elements and their proportions with each other are basically not to be considered as true to scale, much ⁇ more individual elements, such as layers, components, components and areas, for better presentation and / or better understanding exaggerated be shown thick or large.
  • FIGS. 1A to 1C show an exemplary embodiment of an optical component 100.
  • the illustration of FIG. 1C shows a section through the optical component 100 along the sectional plane CC shown in FIG. 1A.
  • Figure 1A shows a front view of the optical construction elements ⁇ from the direction indicated in IC direction AA
  • Figure 1B shows a rear view of the gekennzeich ⁇ Neten IC in the direction BB.
  • the following description refers equally to FIGS. 1A to 1C.
  • Figure 1 shows schematically an embodiment of an optical component 1, which comprises a support plate or sub ⁇ strat. 2 It is made of optically permeable material such as plastic or glass.
  • the substrate 2 has here a circular shape with a radius D.
  • the substrate may also have a different shape, showing a lower symmetry, such as in particular a polygonal, elliptical shape or a combination of both.
  • the carrier plate is produced together with the hereinafter be ⁇ registered first and second lens structure 3, 4 is preferably integrally formed by a molding process.
  • the optical component 100 comprises a carrier plate 1 made of an optical material, preferably plastic, which has a circular shape.
  • the carrier plate 1 may also have a polygonal or elliptical shape or a combination thereof.
  • the carrier plate 1 has a first main surface 2 with a first lens structure 4 and a second, the first main surface 2 facing away from the main surface 3 with a second lens structure 5.
  • the first main surface 2 is formed by the first lens structure 4 completely covering the first main surface 2, while the second main surface is formed by the second lens structure 5, so that the second lens structure 5 completely covers the second main surface 3.
  • the first main surface 2 also has a main extension direction 20, while the second main surface 3 has a main extension direction 30 parallel thereto.
  • the main extension directions 20 and 30 define a surface normal 21 as shown in IC.
  • the first lens structure 4 has a plurality of lens elements, of which, for example, a first lens element 41, a second lens element 42 and a second lens element 42 teres lens element 43 are designated.
  • the number of lens elements shown is purely exemplary and not restrictive.
  • the support plate may for example also QUIRES ONLY lent, the first and second lens elements 41, 42 have a lens structure. 4
  • the first and second lens elements 41, 42 like all other lens elements of the first lens structure 4, have a polygonal shape.
  • the first lens element 41 has a first polygonal shape
  • the second lens element 42 has a second polygonal shape. They preferably have the same shape.
  • the first and the second polygonal shape are not congruent in one embodiment, since, for example, the first polygonal shape of the first lens element 41 can not be converted by rotation about an axis of rotation parallel to the surface normal 21 and by no translation into the second polygonal shape.
  • the polygonal shape of all lens elements that do not directly adjoin the edge region of the first main surface 2 is hexagonal. Characterized a complete and gaps ⁇ loose covering or paving the first major surface 2 with the first lens structure 4 is possible.
  • Another preferred embodiment of the lens elements or lenslets is rectangular.
  • the first lens element 41 and the further lens element 43 differ in their orientation on the first main surface 2 of the support plate 1.
  • the first lens element 41 and the further lens element 43 are congruent rotated against each other about a rotation axis parallel to the solicitnorma ⁇ len 21 and arranged on the carrier plate 1 arranged.
  • the lens elements of the first lens structure 4 could have a vortex structure, but this is not absolutely necessary.
  • the lenses ⁇ elements are rotated with increasing distance from a center ⁇ point 70 of the first major surface more and more about a rotation axis parallel to the surface normal 21st
  • each lens element of the lens structure 4 is rotated relative to ⁇ over its direct radially adjacent lens elements.
  • this rotation further contributes to the destruction of a possible symmetry of the lens elements.
  • a lens structure of high symmetry can be selected.
  • each of the lens elements has a surface which occupies it on the main surface 2 and which becomes smaller as the distance from the center point 70 increases. This results in effects on the emission characteristic of the optical component, which are explained in more detail in connection with FIG.
  • the second lens structure in comparison to the first lens structure each mirror-inverted shaped and mirror-inverted arranged lens elements as shown purely by way of example with reference to the first lens ⁇ element 51 and the second lens element 52 of the second lens structure 5, which correspond to the first and second lens element 41, 42 of the first lens structure 4.
  • the second lens structure represents a distorted projection of the first lens structure.
  • the center of the MLA may be located at the origin of the coordination system with respect to the distortion.
  • the two lens structures on the two main surfaces are not exactly the same, but the distances of the individual ⁇ nen lenslets are on the, arbitrarily defined, second side, including the second main surface, larger than on the first page.
  • the centers of the individual lenslets on the first page are defined by the distances dxl in the x-direction and dyl in the y-direction.
  • the centers of the individual lenslets on the opposite second side are by the distances dx2 and dy2 in the x-direction and y-direction.
  • dx2 a * dxl
  • dy2 b * dyl.
  • a typi ⁇ shear value of a is 1.001 ⁇ a ⁇ 1.01. It suffices therefore be ⁇ already a very low distortion factor to advantageously use a lens structure of high symmetry, so that the design of such major surfaces is much easier.
  • the lenslet "i" has on the first side of the Po ⁇ sition its center at (x_i / y_i) and on the second side the position of its center at (a * x_i / b * y_i).
  • the lenslets themselves lens cutouts on at ⁇ the sides are basically the same, in particular spherical or aspherical lenses.
  • FIG. 6 the side view lenslets 20 are shown by solid lines (surface Hl) and the second side lenslets by dashed lines (surface H2). This principle is applicable to circular, more rectangular ⁇ ge and other structures.
  • FIG. 6a shows a detail in side view.
  • the shape or arrangement of the lenslets determines the shape of the illuminated area. That is, in a hexagonal arrangement as shown here in the example is a hexagon on the wall in the far field.
  • each Linsenele ⁇ ment on each of the two major surfaces 2 and 3 of the support body 1 to a curved surface.
  • the carrier body 1 and the first and second lens structures 4, 5 can therefore be understood approximately as overlapping lenses.
  • FIGS. 2A and 2B A further exemplary embodiment for an optical component 200 is shown in FIGS. 2A and 2B.
  • the Figu- ren 2A and 2B each show only a section of the optical component 200, where Figure 2A shows a three-dimensional cutout of the carrier body 1 and 2B is a plan view of a section of the first Kleinoberflä ⁇ surface 2 with the first lens structure 4.
  • Figure 2A shows a three-dimensional cutout of the carrier body 1 and 2B is a plan view of a section of the first Kleinoberflä ⁇ surface 2 with the first lens structure 4.
  • the op ⁇ tables device 200 on a support body 1 with a ers ⁇ th lens structure 4 on the first major surface 2 and a second magnification ⁇ ßerten lens structure 5 to mirror running on the second main surface.
  • the first and second lens structure 4, 5 each have ⁇ wells a plurality of lens elements, one of which by way of example, the lens elements 41, 42 and 43 of the first lens structure are indicated.
  • the lens elements all have a polygonal shape in the form of non-conforming hexagons that are directly adjacent to each other and adjoin one another. Thus, can the entire first and second main surfaces 2, 3 of the optical device 200 are covered with lens elements, all contributing to the optical imaging.
  • the lens elements have, as in the previous execution, for example a vortex structure in the relative arrangement of the lens elements to each other on and a Verkleine ⁇ tion of the respective area of the lens elements proportio ⁇ nal to the distance to (not shown) center of the first major surface 2 of the support plate 1.
  • the optical For example, device 200 may have a circular shape having a diameter greater than or equal to 1 cm and less than or equal to several tens of centimeters.
  • the thickness 10 of the support plate 1 can, depending on ge ⁇ wünschter focusing or Defokusstechnikseigenschaf- th be greater than or equal to 100 .mu.m and less than or equal to a few mm.
  • a carrier body with a diameter of about 10 cm and a thickness of about 2 mm is advantageous for illumination devices.
  • the mittle ⁇ re diameter of a lens element is about 1 mm at a focal length of the lens elements of about 2 mm, so that the first and second lens structure 4, 5 each having about 10,000 lens elements.
  • the thickness 10 may also be at play ⁇ , about 500 ym of the support plate 1 and the Linsenele- elements may have a focal length of about 500 ym.
  • Typical are thicknesses of a few mm and lens sizes of less than 1 mm. The thickness results from the focal length or vice versa.
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment of a lighting device 300.
  • the lighting device 300 includes a light source 6, which in the shown example exporting ⁇ approximately four LEDs 61, 62, 63, 64 on a Trä ⁇ ger 60th
  • the LED 61 radiates in operation ro ⁇ tes light from the LEDs 62 and 63, the green light and the LED 64 blue light. Since the LEDs 61 to 64 are arranged next to one another on the carrier 60 in the emission direction, the light emitted by the carrier 6 with the LEDs 61 to 64 has an inhomogeneous luminance and color distribution.
  • the light source 6 further comprises a collimator 7, which is arranged downstream of the LEDs 61 to 64 in the emission direction and which collimates the light emitted by the LEDs 61 to 64 into a limited solid angle range.
  • the collimator 7 is followed by an optical component 200 as shown in the previous exemplary embodiment, of which only a section is shown in FIG. In particular, the light source 6 with the LEDs 61 to 64 and the collimator 7 and the optical component 200 along ei ⁇ ner common optical axis (not shown) angeord- net.
  • the collimator 7 is designed as a lens in the illustrated embodiment. This can for example be a Fresnel lens.
  • the light emitted by the collimator 7, such as the light emitted directly by the carrier 60 with the LEDs 61 to 64, has an inhomogeneous luminance and color distribution.
  • the LEDs 61 to 64 appear from the collimator 7 in the middle of the collimator at a maximum angle 83, while As seen from the edge of the collimator 7 at a minimum angle 82 appear. Due to the etendue preservation in classical, imaging systems, the light of the LEDs 61 to 64 is bundled more strongly at the edge of the collimator 7 than in the center of the collimator 7. At the edge of the collimator, the light is emitted with a minimal opening angle ⁇ 84, while the light in the center of the collimator 7 is emitted having a maximum angle 83rd Especially for lighting applications, such directed radiation in a limited solid angle range may be desired.
  • the emission characteristic of the light source 6 can be ⁇ be written by a radiation cone having an aperture angle, for example, corresponds to the opening angle, wherein the has dropped along the optical axis ask ⁇ incident light intensity by half.
  • the opening angle which thus defines the limited solid angle ⁇ range in which the light source collimated light radiates, can be adjusted for example by the distance between the collimator 7 and the LEDs 61 to 64.
  • the lens elements of the first and two ⁇ th that the areas of the lens elements which are located farther from the center of the carrier plate 1 are made smaller than the areas of the lens elements which are closer to the center of the carrier plate 1 are arranged.
  • this is not essential.
  • the first major surface 2 with the first lens structure 4 forms a radiation entrance surface of the optical see device 200, while the second major surface 3 forms the sauce ⁇ radiated from the light source 6 with the second lens structure 5 a Strahlungsaustrittsflä ⁇ surface.
  • the thickness of the carrier plate 1 and the focal length of the lens elements of the first lens structure 4 can be chosen in such a way 10 that from the light source 6 to the optical device 200 fall ⁇ de beams of light from each lens element of the first lens structure 4 on the underlying lens element of the second lens structure 5, so on the Strahlungsaus ⁇ tread surface, are mapped.
  • the emission angles with which the light continues to be emitted by the radiation exit surface behave in a similar manner to the emission angles of the collimator 7, as shown for example by the angles 91 and 92.
  • the light from the more distant from the center of the support plate 1 lens ⁇ elements emitted more in the forward direction ie with a smaller opening angle than lens elements which are closer to the center of the support plate 1 angeord ⁇ net.
  • the optical component 300 shown here is further distinguished by a very good mixing of the light emitted by the light source 6.
  • the here shown ⁇ th first and second lens structures 4, 5 allow high spatial resolution of the lens elements, which in turn causes inhomogeneous brightness and / or color distributions on the radiation entrance surface forming the first lens structure 4 by the plurality of lens elements on the radiation exit surface or second lens structure 5 are imaged and superimposed by the second lens structure 5 in the far field.
  • the overlay is in this case from all the images of the light source 6 together, which are generated by each Linsenele ⁇ ment on or behind the radiation exit surface forming said second lens structure. 5
  • FIG. 4 shows the illumination intensity distribution in the two directions x and y as a function of the distance for a optical component according to the prior art as described in WO 2009/065389. There is a sharp drop in both the x and y directions.
  • FIG. 5 shows the definition of the terms used here for a concrete polygonal lenslet 20, the entire surface of the main surface being paved with such lenses 20.
  • the midpoint and origin is denoted by M and U.
  • the distance of the centers M in the x-direction is dx, and the distance of the centers M in the y-direction is dy.
  • FIG. 6 shows, purely schematically, a superposition of the two main surfaces H 1 and H 2 in order to demonstrate the principle of distortion.
  • the first main surface Hl is shown by solid lines
  • the second main surface H2 is Darge ⁇ with dashed lines.
  • the magnification factor a is chosen to be the same in both directions x and y, starting from the origin U. a is given by x2: xl and equally by y2: yl.
  • FIG. 7 shows a representation of the homogenized light distribution which can be achieved in each case with different factors a.
  • the y-position of the illuminance is shown in arbitrary units (w.E.) and the x-position is shown below.
  • a is the same in the x and y directions, and 1.001 a ⁇ 1.005 holds.
  • a 1, 002
  • a 1, 005
  • a 1, 001.
  • the invention is not limited by the description based on the embodiments of these. Rather, environmentally, the invention contemplates each new feature and any combination ⁇ nation of features, which in particular includes any combination of features in the patent claims, even if this feature or this combination itself is not explicitly specified in the patent claims orsettingsbeispie ⁇ len.

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Abstract

Das optische Bauelement ist mit einer Linsenstruktur ausgestattet. Es weist ein Substrat mit zwei Haupt- Oberflächen auf. Beide zeigen eine ähnliche Linsenstruktur, jedoch ist die Linsenstruktur der zweiten Haupt- Oberfläche gegenüber der Linsenstruktur der ersten Haupt- Oberfläche verzerrt. Dabei kann ein konstanter Verzerrungsfaktor a verwendet werden, der im Bereich 1,001 bis 1,05 liegt.

Description

Titel: Optisches Bauelement und zugehörige Beleuchtungs¬ vorrichtung
Technisches Gebiet
Die Erfindung geht aus von einem optischen Bauelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie ist insbesondere für Beleuchtungsvorrichtung wie Module oder Lampen oder Leuchten gedacht. Des weiteren betrifft die Erfindung ei- ne Beleuchtungsvorrichtung mit einem derartigen Bauelement .
Stand der Technik
Die US 2004/008411 beschreibt ein Mikrolinsenarray für optische Zwecke. Die optische Struktur ist auf einer der beiden Haupt-Oberflächen des Mi kro 1 insenar rays angebracht .
Die WO 2009/065389 offenbart ein optisches Bauelement mit zwei Oberflächen, die jeweils mit einer Linsenstruktur beaufschlagt sind. Die zweite Linsenstruktur entspricht dabei der ersten, nur ist sie spiegelverkehrt auf die zweite Oberfläche aufgebracht. In der WO 02/10804 ist die zweite Linsenstruktur völlig anders ausgeprägt wie die erste Linsenstruktur.
Darstellung der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes optisches Bauelement bereitzustellen, das ge- eignet ist, bei einer Beleuchtungsvorrichtung die Leuchtdichteverteilung zu homogenisieren.
Diese erste Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Eine weitere Aufgabe ist es, eine Beleuchtungsvorrichtung bereitzustellen, die eine homogenisierte Leuchtdichteverteilung zeigt. Diese zweite Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnen¬ den Merkmale des Anspruchs 10.
Grundsätzlich bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein optimiertes optisches Bauelement und eine zugehörige Beleuchtungsvorrichtung. Die Beleuchtungsvorrichtung die- nt dabei der Farbmischung verschiedenfarbiger Lichtquellen, insbesondere Chips oder LEDs oder Module daraus.
Dabei wird angestrebt, ein optisches Bauelement zur Farb¬ mischung verschiedenfarbiger Halbleiterbauelemente wie LEDs bereitzustellen. Das Ergebnis ist eine Homogenisie- rung der Leuchtdichteverteilung einer damit ausgestatteten Beleuchtungsvorrichtung mit einem verwaschenen, nicht scharf begrenzten, Übergang zwischen beleuchteter und unbeleuchteter Fläche. Das optisches Bauelement nützt die Technologie der Mikrolinsenarrays , kurz auch MLA genannt oder Fly' s Eyes.
Derartige MLA werden insbesondere gerne bei neuartigen LED-Lampen, insbesondere auch bei Retrofit-Lampen, eingesetzt, um die Spektren verschiedenfarbiger Lichtquel- len, meist LEDs oder auch Laserdioden, zu mischen und dabei die Leuchtdichteverteilung zu homogenisieren.
Das grundsätzliche Problem dabei ist, dass eine gute Farbwiedergabe nur durch Farbmischung mehrerer verschie- denfarbiger LEDs erreicht werden kann. Die Kunst ist da¬ bei, eine gute Farbmischung bei gleichzeitig hoher opti¬ scher Effizienz zu erzielen.
Für lichtstarke, aus mehreren LEDs o.ä. bestehende LED- Lampen werden grundsätzlich entweder weiße oder verschie- denfarbige LEDs verwendet. Die weißen LEDs bestehen aus blauen LEDs, denen eine LeuchtstoffSchicht zur teilweisen Konversion in gelbe oder auch grüne und rote Sekundärstrahlung vorgeschaltet ist. Mit dieser Technik lassen sich allerdings nur relativ niedrige Werte der Farbwie- dergabe erzielen.
Bei Verwendung verschiedenfarbiger LEDs für eine Weißlichtquelle ist zwar grundsätzlich eine deutlich bessere Farbwiedergabe möglich, jedoch führt diese Technik zu un¬ erwünschten Farbschatten im Nahfeld. Hinzu kommen uner- wünschte Farbschatten, wenn Objekte bzw. Personen in den Sichtstrahl gelangen. Für eine gute Farbmischung werden dafür häufig doppelseitige MLA verwendet, wie in WO 2009/065389 beschrieben.
Figur 1 zeigt eine Darstellung dieses bekannten Stand der Technik. Dabei haben beide Seiten mit den Haupt- Oberflächen der Linsenstruktur eine zueinander spiegelsymmetrische Anordnung. Diese heißt jeder Oberfläche mit einem Lenslet liegt eine exakt gleiche Oberfläche auf der zweiten Seite gegenüber. Die Linsenstruktur selbst, also die Form des einzelnen Lenslets, ist dabei nicht festge- legt. Sie kann rechteckig, hexagonal, zirkulär, oder auch wabenförmig sein, wie im Detail in WO 2009/065389 be¬ schrieben .
Bei einer derartigen Anordnung ist aber der Übergang zwi- sehen beleuchteter und unbeleuchteter Fläche einer Beleuchtungsvorrichtung mit einem derartigen optischen Bauelement recht scharf. Diese scharfe Hei 1-Dunkel-Grenze ist aus ästhetischen Gründen von den Nutzern oft gar nicht erwünscht. Ein bekannter Lösungsansatz ist ein randomisiertes MLA, beispielsweise wie in US 2004/008411 offengelegt. Diese Lösung hat jedoch den grundsätzlichen Nachteil, dass die Gefahr besteht, dass eine Beleuchtungsstruktur mit Flügeln an den Ecken entsteht, die erst durch eine lineare Anordnung möglichst vieler LEDs mit eigenem Reflektor verschwindet .
Die hier vorgeschlagene Lösung besteht darin, die zweite Linsenstruktur auf der zweiten Haupt-Oberfläche bewusst ähnlich der Linsenstruktur auf der ersten Haupt- Oberfläche zu gestalten. Die Vorschrift zur Abwandlung besteht darin, eine geometrische Verzerrung der Linsenstruktur der ersten Haupt-Oberfläche für die zweite Hau¬ pt-Oberfläche zu verwenden. Damit ist die Größe und der Abstand aneinandergrenzender Lenslets anders als auf der ersten Haupt-Oberfläche im Sinne einer verzerrten Projektion. Diese Verzerrung kann mehrere Symmetrieachsen mit einem unterschiedlichen Verzerrungsfaktor a,b,c,... bezogen auf die einzelne Symmetrieachse aufweisen.
Bevorzugt ist eine Anordnung, bei der die Verzerrung in jede Raumrichtung, ausgehend vom Mittelpunkt des opti- sehen Bauelements gleich ist. Der Verzerrungsfaktor a liegt dabei bevorzugt in einem Bereich der Verzerrung von maximal bis 5 %, also a = 1,05. vorteilhaft ist ein be- reich von 1,001 -S a -S 1,01. Es genügt, dass die Werte le- diglich sich geringfügig unterscheiden.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform ist eine Ver¬ zerrung in zwei Achsen, die bevorzugt zueinander senkrecht stehen. Sie werden im folgenden als x- und y-Achse verstanden. Für den Verzerrungsfaktor in x-Richtung, als ax definiert, gilt ein ähnlicher vorteilhafter Wertebe¬ reich: 1, 001 < ax < 1,05.
In gleicher Weise wird von einem Verzerrungsfaktor ay in y-Richtung Gebrauch gemacht, auch hier gilt ein ähnlich vorteilhafter Wertebereich 1,001 -S ay -S 1,05. Insbesondere ist häufig ax=ay gewählt. Jedoch kann auch ay verschieden von ay sein, wobei für den größeren Wert der beiden gilt, dass er insbesondere nicht mehr als 30% sich von dem kleineren Wert unterscheiden sollte. Meist genügt bereits ein maximaler Verzerrungsfaktor von 1%. Ein konkretes Beispiel ist der Einsatz eines trapezförmi¬ gen, wabenförmigen, rautenfömigen oder rechteckigen Lens- lets mit einem Verzerrungsfaktor a von 0,3 bis 1%, also 1,003 < a < 1,01.
Grundsätzlich kann das vordere oder das hintere MLA ver- größert sein mit a>l, relativ zum jeweils anderen. Bevorzugt ist das größere MLA auf der Lichtaustrittsseite.
Grundsätzlich kann der Ursprung der Projektion an einem beliebigen Punkt der Haupt-Oberflächen festgemacht werden. Bevorzugt befindet er sich jedoch im Mittelpunkt des Trägers, gegeben durch den Ursprung U, oder wenigstens in einem Bereich, der maximal 20% des Abstands D vom Mittel¬ punkt Z des Trägers zum Rand der Haupt-Oberfläche be¬ trägt. Im Falle einer unsymmetrischen Gestalt der Haupt- Oberfläche bezieht sich dieser Verschiebungswert V auf den größten Abstand D zwischen Ursprung und Rand der Haupt-Oberfläche .
Die Linsenstruktur bedeckt normalerweise die Haupt- Oberfläche vollständig, dies ist jedoch nicht unabding¬ bar .
Wesentliche Merkmale der Erfindung in Form einer nume¬ rierten Aufzählung sind:
1. Optisches Bauelement mit einer Trägerplatte oder Sub¬ strat, das eine erste Haupt-Oberfläche und eine von der ersten Haupt-Oberfläche abgewandte zweite Haupt- Oberfläche umfasst, mit einer gegebenen Linsenstruktur auf der ersten Haupt-Oberfläche, wobei die erste Lin¬ senstruktur die erste Haupt-Oberfläche bedeckt, und mit einer Linsenstruktur auf der zweiten Haupt- Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsen¬ struktur der zweiten Haupt-Oberfläche derjenigen der ersten ähnlich ist, wobei die Projektion um einen Faktor a verzerrt ist.
2. Optisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass die Verzerrung in alle Richtungen der Haupt-Oberfläche gleich ist.
3. Optisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass die Verzerrung Symmetrieachsen aufweist. Optisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass die Verzerrung zwei bis fünf Symmetrie¬ achsen aufweist und insbesondere zwei zueinander senk¬ echte stehende Symmetrieachsen aufweist. Optisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass der Verzerrungsfaktor a mindestens 1,001 beträgt und bevorzugt höchstens 1,05. Optisches Bauelement nach Anspruch 5, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass der Verzerrungsfaktor a höchstens 1% beträgt . Optisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass der Verzerrungsfaktor sich in verschiedene Richtungen um maximal 30% unterscheidet. Optisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass der Verzerrungsfaktor in beide Richtungen gleich groß ist. Optisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass der Verzerrungsfaktor sich in Abhängigkeit von der Entfernung vom Ursprung ändert. Er kann beispielsweise linear oder quadratisch zunehmen. Optisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass die Linsenstruktur eine mehreckige Form besitzt, insbesondere ein Dreieck, Rechteck, Rau¬ te, Trapez oder Wabe, wobei insbesondere eine voll¬ ständige Pflasterung der Haupt-Oberfläche erreicht wird . Optisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass die Linsenstruktur mehrerer verschieden geformte Linsenelemente umfasst.
Beleuchtungsvorrichtung mit mindestens zwei ver- schiedenfarbenen Lichtquellen und mit einem optischen Bauelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
13. Beleuchtungsvorrichtung mit einem optisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung weiter umfasst: die Lichtquellen strahlen im Betrieb Licht in einem begrenzten Raumwinkel ab, wobei das optisches Bauelement nach einem der Ansprü¬ che 1 bis 10 im Strahlengang der Lichtquellen sitzt, und wobei die Lichtquellen eine Anordnung mit licht¬ emittierenden Halbleiter-Bauelementen und einen der Anordnung nachgeordneten Kollimator aufweist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Figuren zeigen :
Figur 1 ein optisches Bauelement als Prinzipdarstel¬ lung;
Figur 2 ein optisches Bauelement gemäß der Erfindung in verschiedenen Ansichten
Figur 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines opti¬ schen Bauelements;
Figur 4 die Verteilung der Beleuchtungsstärke eines op¬ tischen Bauelements gemäß Stand der Technik; Figur 5 eine Prinzipdarstellung eines Lenslets gemäß der Erfindung;
Figur 6 eine Darstellung des Unterschieds beider Seiten eines optisches Bauelements gemäß der Erfindung sowie eine Detailansicht (Figur 6a) dazu;
Figur 7 die Verteilung der Beleuchtungsstärke eines op¬ tischen Bauelements gemäß der Erfindung.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den glei- chen Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen, viel¬ mehr können einzelne Elemente, etwa Schichten, Bauteile, Bauelemente und Bereiche, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein.
In den Figuren 1A bis IC ist ein Ausführungsbeispiel für ein optisches Bauelement 100 gezeigt. Dabei zeigt die Darstellung der Figur IC einen Schnitt durch das optische Bauelement 100 entlang der in 1A gezeigten Schnittebene CC . Figur 1A zeigt eine Vorderansicht des optischen Bau¬ elements aus der in IC gekennzeichneten Richtung AA, während Figur 1B eine Rückansicht aus der in IC gekennzeich¬ neten Richtung BB zeigt. Die folgende Beschreibung be- zieht sich gleichermaßen auf die Figur 1A bis IC.
Figur 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel für ein optisches Bauelement 1, das eine Trägerplatte oder Sub¬ strat 2 umfasst. Es ist aus optisch durchlässigem Material wie Kunststoff oder Glas gefertigt. Das Substrat 2 hat hier eine kreisrunde Form mit einem Radius D. Alternativ dazu kann selbstverständlich das Substrat auch eine andere Gestalt besitzen, die eine geringere Symmetrie zeigt, wie insbesondere eine mehreckige, elliptische Form oder auch eine Kombination aus beidem.
Die Trägerplatte wird zusammen mit der im folgenden be¬ schriebenen ersten und zweiten Linsenstruktur 3, 4 bevorzugt einstückig mittels eines Formprozesses hergestellt.
Das optische Bauelement 100 umfasst eine Trägerplatte 1 aus einem optischen Material, bevorzugt Kunststoff, die eine kreisrunde Form aufweist. Alternativ dazu kann die Trägerplatte 1 auch eine mehreckige oder elliptische Form oder eine Kombination daraus aufweisen.
Die Trägerplatte 1 weist eine erste Hauptoberfläche 2 mit einer ersten Linsenstruktur 4 und eine zweite, der ersten Hauptoberfläche 2 abgewandte Hauptoberfläche 3 mit einer zweiten Linsenstruktur 5 auf. Die erste Hauptoberfläche 2 wird durch die erste Linsenstruktur 4 gebildet, die die erste Hauptoberfläche 2 vollständig bedeckt, während die zweite Hauptoberfläche durch die zweite Linsenstruktur 5 gebildet wird, so dass die zweite Linsenstruktur 5 die zweite Hauptoberfläche 3 vollständig bedeckt. Die erste Hauptoberfläche 2 weist weiterhin eine Haupterstreckungs¬ richtung 20 auf, während die zweite Hauptoberfläche 3 ei- ne dazu parallele Haupterstreckungsrichtung 30 aufweist. Durch die Haupterstreckungsrichtungen 20 und 30 ist eine Flächenormale 21 wie in IC gezeigt definiert.
Die erste Linsenstruktur 4 weist eine Vielzahl von Linsenelementen auf, von denen beispielhaft ein erstes Lin- senelement 41, ein zweites Linsenelement 42 und ein wei- teres Linsenelement 43 bezeichnet sind. Die Anzahl der gezeigten Linsenelemente ist dabei rein beispielhaft und nicht beschränkend. Alternativ zum gezeigten Ausführungs¬ beispiel kann die Trägerplatte beispielsweise auch ledig- lieh das erste und das zweite Linsenelement 41 , 42 als Linsenstruktur 4 aufweisen.
Das erste und das zweite Linsenelement 41, 42 weisen wie alle weiteren Linsenelemente der ersten Linsenstruktur 4 eine mehreckige Form auf. Insbesondere weist das erste Linsenelement 41 eine erste mehreckige Form auf, während das zweite Linsenelement 42 eine zweite mehreckige Form aufweist. Sie besitzen bevorzugt die gleiche Form.
Die erste und die zweite mehreckige Form sind in einer Ausführungsform nicht deckungsgleich, da sich beispielsweise die erste mehreckige Form des ersten Linsenelements 41 durch keine Drehung um eine Drehachse parallel zur Flächenormalen 21 und durch keine Translation in die zweite mehreckige Form überführen lässt. Die mehreckige Form aller Linsenelemente, die nicht unmittelbar an den Randbereich der ersten Hauptoberfläche 2 grenzen, ist dabei sechseckig. Dadurch ist eine vollständige und lücken¬ lose Bedeckung oder Pflasterung der ersten Hauptoberfläche 2 mit der ersten Linsenstruktur 4 möglich. Eine andere bevorzugte Ausführungsform der Linsenelemente oder Lenslets ist rechteckig.
Im Gegensatz dazu unterscheiden sich beispielsweise das erste Linsenelement 41 und das weitere Linsenelement 43 durch ihre Orientierung auf der ersten Hauptoberfläche 2 der Trägerplatte 1. Das erste Linsenelement 41 und das weitere Linsenelement 43 sind zwar deckungsgleich aber gegeneinander um eine Drehachse parallel zur Flächenorma¬ len 21 verdreht und translatiert auf der Trägerplatte 1 angeordnet .
Weiterhin könne die Linsenelemente der ersten Linsen- struktur 4 eine Wirbelstruktur aufweisen, diese ist aber nicht unbedingt notwendig. Das bedeutet, dass die Linsen¬ elemente mit größer werdendem Abstand zu einem Mittel¬ punkt 70 der ersten Hauptoberfläche immer mehr um eine Drehachse parallel zur Flächenormalen 21 gedreht sind. Damit ist jedes Linsenelement der Linsenstruktur 4 gegen¬ über seinen direkten in radialer Richtung benachbarten Linsenelementen verdreht. Neben der nichtdeckungsgleichen Ausformung der Linsenelemente trägt diese Drehung noch weiter zur Zerstörung einer möglichen Symmetrie der Linsenelemente bei.
Vorteilhaft kann aber eine Linsenstruktur hoher Symmetrie gewählt werden.
Weiterhin weist jedes der Linsenelemente eine Fläche auf, die es auf der Hauptoberfläche 2 einnimmt und die mit zu- nehmendem Abstand vom Mittelpunkt 70 kleiner wird. Da¬ durch ergeben sich Auswirkungen auf die Abstrahlcharakteristik des optischen Bauelements, die in Verbindung mit 3 näher erläutert werden.
Darüber hinaus weist das optische Bauelement 1 eine zwei- te Linsenstruktur 5 auf der zweiten Hauptoberfläche 3 auf, die dem Grunde nach Spiegelverkehrt oder deckungs¬ gleich zur ersten Linsenstruktur 4 ist. Das bedeutet, dass die zweite Linsenstruktur im Prinzip im Vergleich zur ersten Linsenstruktur jeweils spiegelverkehrt ausge- formte und spiegelverkehrt angeordnete Linsenelemente aufweist, wie rein beispielhaft anhand des ersten Linsen¬ elements 51 und des zweiten Linsenelements 52 der zweiten Linsenstruktur 5 gezeigt ist, die dem ersten bzw. zweiten Linsenelement 41, 42 der ersten Linsenstruktur 4 entspre- chen.
Der entscheidende Unterschied ist jedoch, dass die zweite Linsenstruktur eine verzerrte Projektion der ersten Linsenstruktur darstellt. Dabei mag sich ohne Beschränkung der Allgemeinheit die Mitte des MLA im Ursprung des Koor- dinatensystems , bezogen auf die Verzerrung, befinden. Die beiden Linsenstrukturen auf den beiden Haupt-Oberflächen sind nicht exakt gleich, sondern die Abstände der einzel¬ nen Lenslets sind auf der, willkürlich definierten, zweiten Seite, also auch der zweiten Haupt-Oberfläche, größer als auf der ersten Seite.
Die Mittelpunkte der einzelnen Lenslets auf der ersten Seite sind durch die Abstände dxl in x-Richtung und dyl in y-Richtung definiert. Die Mittelpunkte der einzelnen Lenslets auf der gegenüberliegenden zweiten Seite sind hingegen durch die Abstände dx2 und dy2 in x-Richtung bzw. y-Richtung. Dabei ist dx2 = a*dxl und dy2 = b*dyl . Typische Werte liegen bei b=l,0*a bis b=l,3*a. Ein typi¬ scher Wert für a ist 1,001 ^ a ^ 1,01. Es genügt also be¬ reits ein sehr geringer Verzerrungsfaktor um vorteilhaft eine Linsenstruktur hoher Symmetrie verwenden zu können, so dass das Design derartiger Haupt-Oberflächen deutlich erleichtert wird.
Demnach hat das Lenslet „i" auf der ersten Seite die Po¬ sition seines Mittelpunkts bei (x_i/y_i) und auf der zweiten Seite die Position seines Mittelpunkts bei (a*x_i/b*y_i) .
Die Lenslets selbst sind Linsenausschnitte, die auf bei¬ den Seiten dem Grunde nach gleich sind, insbesondere sphärische oder asphärische Linsen.
In Figur 5 ist diese Lenslets 20 exemplarisch für eine hexagonale Anordnung dargestellt.
In der Figur 6 sind die Lenslets 20 der einen Seite durch durchgezogene Linien (Oberfläche Hl) und die Lenslets der zweiten Seite durch gestrichelte Linien (Oberfläche H2 ) dargestellt. Dieses Prinzip ist auf zirkuläre, rechtecki¬ ge und andere Strukturen anwendbar. Figur 6a zeigt ein Detail in Seitenansicht dazu.
In Figur 7 ist beispielhaft die Beleuchtungsstärkevertei- lung und Schnitte in x und y-Richtung für vier verschie¬ dene Werte von a dargestellt, mit Reihe 1 bis Reihe 4 be¬ zeichnet .
Einfluss auf die Lichtmischung selbst hat diese Vor¬ schrift zum Bau eines optischen Bauelements nicht. Die Form bzw. Anordnung der Lenslets bestimmt die Form der ausgeleuchteten Fläche. D.h. bei hexagonaler Anordnung wie hier im Beispiel gezeigt ist im Fernfeld ein Sechseck an der Wand.
Alternativ zur der in den 1A bis IC gezeigten Anordnung der Linsenelement können diese auch alle paarweise von¬ einander verschieden, das heißt, nicht deckungsgleich sein . Wie aus Figur IC ersichtlich ist, weist jedes Linsenele¬ ment auf jeder der zwei Hauptoberflächen 2 und 3 des Trägerkörpers 1 eine gekrümmte Oberfläche auf. Generell wei¬ sen alle Linsenelemente Oberflächen mit derselben Krüm- mung und damit dieselbe Brennweite auf. Im gezeigten Aus¬ führungsbeispiel entsprechen die Linsenelemente dabei Teilen von bikonvexen Linsen, wobei in IC die zugrunde liegenden, gedachten bikonvexen Linsen 11 , 12 , 13 beispielhaft durch die gestrichelten Linien im Trägerkörper 1 angedeutet sind. Der Trägerkörper 1 und die erste und zweite Linsenstruktur 4 , 5 können daher näherungsweise als sich überschneidende Linsen verstanden werden.
In den Figuren 2A und 2B ist ein weiteres Ausführungsbei¬ spiel für ein optisches Bauelement 200 gezeigt. Die Figu- ren 2A und 2B zeigen dabei jeweils nur einen Ausschnitt des optischen Bauelements 200, wobei 2A einen dreidimensionalen Ausschnitt des Trägerkörpers 1 zeigt und 2B eine Draufsicht auf einen Ausschnitt der ersten Hauptoberflä¬ che 2 mit der ersten Linsenstruktur 4. Wie im vorangegangenen Ausführungsbeispiel weist das op¬ tische Bauelement 200 einen Trägerkörper 1 mit einer ers¬ ten Linsenstruktur 4 auf der ersten Hauptoberfläche 2 und einer dazu spiegelverkehrt ausgeführten zweiten vergrö¬ ßerten Linsenstruktur 5 auf der zweiten Hauptoberfläche 3 auf. Die erste und zweite Linsenstruktur 4, 5 weisen je¬ weils eine Vielzahl von Linsenelementen auf, von denen beispielhaft die Linsenelemente 41 , 42 und 43 der ersten Linsenstruktur bezeichnet sind. Die Linsenelemente weisen alle eine mehreckige Form in Form von nicht- deckungsgleichen Sechsecken auf, die direkt benachbart zueinander sind und aneinander anschließen. Somit kann die gesamte erste und zweite Hauptoberfläche 2 , 3 des optischen Bauelements 200 mit Linsenelementen bedeckt werden, die alle zur optischen Abbildung beitragen.
Die Linsenelemente weisen wie im vorherigen Ausführungs- beispiel eine Wirbelstruktur in der relativen Anordnung der Linsenelemente zueinander auf sowie eine Verkleine¬ rung der jeweiligen Fläche der Linsenelemente proportio¬ nal zum Abstand zum (nicht gezeigten) Mittelpunkt der ersten Hauptoberfläche 2 der Trägerplatte 1. Das optische Bauelement 200 kann beispielsweise eine kreisrunde Form mit einem Durchmesser von größer oder gleich 1 cm und kleiner oder gleich mehreren 10 cm aufweisen. Die Dicke 10 der Trägerplatte 1 kann je nach ge¬ wünschter Fokussierungs- oder Defokussierungseigenschaf- ten größer oder gleich 100 ym und kleiner oder gleich einigen mm sein. Vorteilhaft für Beleuchtungsvorrichtungen ist beispielsweise ein Trägerkörper mit einem Durchmesser von etwa 10 cm und einer Dicke von etwa 2 mm. Der mittle¬ re Durchmesser eines Linsenelements ist dabei etwa 1 mm bei einer Brennweite der Linsenelemente von etwa 2 mm, so dass die erste bzw. zweite Linsenstruktur 4 , 5 jeweils etwa 10000 Linsenelemente aufweisen.
Alternativ dazu kann die Dicke 10 der Trägerplatte 1 bei¬ spielsweise auch etwa 500 ym betragen und die Linsenele- mente können eine Brennweite von etwa 500 ym aufweisen. Typisch sind Dicken von wenigen mm und Linsengrößen von kleiner 1 mm. Die Dicke ergibt sich aus der Brennweite bzw. umgekehrt.
In Figur 3 ist ein Ausführungsbeispiel für eine Beleuch- tungsvorrichtung 300 gezeigt. Die Beleuchtungsvorrichtung 300 umfasst eine Lichtquelle 6 , die im gezeigten Ausfüh¬ rungsbeispiel vier LEDs 61 , 62 , 63 , 64 auf einem Trä¬ ger 60 aufweist. Die LED 61 strahlt dabei im Betrieb ro¬ tes Licht ab, die LEDs 62 und 63 grünes Licht und die LED 64 blaues Licht. Da die LEDs 61 bis 64 auf dem Träger 60 in Abstrahlrichtung nebeneinander angeordnet sind, weist das vom Träger 6 mit den LEDs 61 bis 64 abgestrahlte Licht eine inhomogene Leuchtdichte- und Farbverteilung auf . Die Lichtquelle 6 umfasst weiterhin einen Kollimator 7, der den LEDs 61 bis 64 in Abstrahlrichtung nachgeordnet ist und der das von den LEDs 61 bis 64 abgestrahlte Licht in einen begrenzten Raumwinkelbereich kollimiert. Dem Kollimator 7 ist ein optisches Bauelement 200 wie im vor- herigen Ausführungsbeispiel gezeigt nachgeordnet, von dem in 3 lediglich ein Ausschnitt gezeigt ist. Insbesondere sind die Lichtquelle 6 mit den LEDs 61 bis 64 und dem Kollimator 7 und das optische Bauelement 200 entlang ei¬ ner gemeinsamen optischen Achse (nicht gezeigt) angeord- net.
Der Kollimator 7 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel als Linse ausgeführt. Diese kann beispielsweise eine Fresnel- Linse sein. Jedoch weist das vom Kollimator 7 abgestrahlte Licht wie das vom Träger 60 mit den LEDs 61 bis 64 di- rekt abgestrahlte Licht eine inhomogene Leuchtdichte- und Farbverteilung auf.
Wie durch die gestrichelten Linien zwischen dem Träger 60 und dem Kollimator 7 angedeutet, erscheinen die LEDs 61 bis 64 vom Kollimator 7 aus gesehen in der Mitte des Kol- limators unter einem maximalen Winkel 83 , während sie vom Rand des Kollimators 7 aus gesehen unter einem minimalen Winkel 82 erscheinen. Aufgrund der Etendueerhaltung in klassischen, abbildenden Systemen wird das Licht der LEDs 61 bis 64 am Rand des Kollimators 7 stärker gebün- delt als in der Mitte des Kollimators 7 . Am Rand des Kollimators wird das Licht mit einem minimalen Öffnungs¬ winkel 84 abgestrahlt, während das Licht in der Mitte des Kollimators 7 mit einem maximalen Winkel 83 abgestrahlt wird. Gerade für Beleuchtungsanwendungen kann eine solche gerichtete Abstrahlung in einen begrenzten Raumwinkelbereich erwünscht sein.
Die Abstrahlcharakteristik der Lichtquelle 6 kann durch einen Abstrahlungskegel mit einem Öffnungswinkel be¬ schrieben werden, der beispielsweise dem Öffnungswinkel entspricht, bei dem die entlang der optischen Achse abge¬ strahlte Lichtintensität auf die Hälfte abgefallen ist. Der Öffnungswinkel, der somit den begrenzten Raumwinkel¬ bereich definiert, in den die Lichtquelle kollimiertes Licht abstrahlt, kann beispielsweise durch den Abstand zwischen dem Kollimator 7 und den LEDs 61 bis 64 eingestellt werden.
Aufgrund der vorher beschriebenen Abstrahlcharakteristik des Kollimators 7 mit den nach außen hin kleiner werdenden Öffnungswinkeln des vom Kollimator 7 abgestrahlten Lichts folgt für die Linsenelemente der ersten und zwei¬ ten Linsenstruktur 4 , 5 des optischen Bauelements 200 wie im Zusammenhang mit dem vorherigen Ausführungsbeispiel beschrieben, dass die Flächen der Linsenelemente, die weiter vom Mittelpunkt der Trägerplatte 1 entfernt angeordnet sind, kleiner ausgeführt sind als die Flächen der Linsenelemente, die näher am Mittelpunkt der Träger- platte 1 angeordnet sind. Dies ist jedoch nicht unbedingt erforderlich .
Die erste Hauptoberfläche 2 mit der ersten Linsenstruktur 4 bildet dabei eine Strahlungseintrittsfläche des opti- sehen Bauelements 200 für das von der Lichtquelle 6 abge¬ strahlte Licht, während die zweite Hauptoberfläche 3 mit der zweiten Linsenstruktur 5 eine Strahlungsaustrittsflä¬ che bildet.
Wie aus Figur 3 ersichtlich ist, können die Dicke 10 der Trägerplatte 1 und die Brennweite der Linsenelemente der ersten Linsenstruktur 4 derart gewählt werden, dass von der Lichtquelle 6 auf das optische Bauelement 200 fallen¬ de Lichtstrahlen von jedem Linsenelement der ersten Linsenstruktur 4 auf das dahinter liegende Linsenelement der zweiten Linsenstruktur 5, also auf die Strahlungsaus¬ trittsfläche, abgebildet werden.
Die Abstrahlwinkel, mit denen das Licht weiterhin von der Strahlungsaustrittsfläche, also den Linsenelementen der zweiten Linsenstruktur 5 abgestrahlt wird, verhalten sich ähnlich wie die Abstrahlwinkel des Kollimators 7 , wie beispielhaft durch die Winkel 91 und 92 gezeigt ist. Auf¬ grund der Abstrahlcharakteristik der Lichtquelle 6 und der Anordnung der Linsenelemente der ersten und zweiten Linsenstruktur 4 , 5 wird das Licht von den weiter vom Mittelpunkt der Trägerplatte 1 entfernt liegenden Linsen¬ elementen stärker in Vorwärtsrichtung abgestrahlt, also mit einem geringeren Öffnungswinkel als von Linsenelementen, die näher am Mittelpunkt der Trägerplatte 1 angeord¬ net sind. Das hier gezeigte optische Bauelement 300 zeichnet sich weiterhin durch eine sehr gute Durchmischung des von der Lichtquelle 6 abgestrahlten Lichts aus. Die hier gezeig¬ ten ersten und zweiten Linsenstrukturen 4 , 5 ermöglichen eine hohe räumliche Auflösung der Linsenelemente, die wiederum bewirkt, dass inhomogene Helligkeits- und/oder Farbverteilungen auf der die Strahlungseintrittsfläche bildenden ersten Linsenstruktur 4 durch die Vielzahl der Linsenelemente auf der Strahlungsaustrittsfläche bzw. zweite Linsenstruktur 5 abgebildet und durch die zweite Linsenstruktur 5 im Fernfeld überlagert werden. Die Überlagerung setzt sich dabei aus allen Abbildern der Lichtquelle 6 zusammen, welche durch jedes einzelne Linsenele¬ ment auf oder hinter der die Strahlungsaustrittsfläche bildenden zweiten Linsenstruktur 5 erzeugt werden.
Figur 4 zeigt die Beleuchtungsstärkeverteilung in die beiden Richtungen x und y als Funktion des Abstands für ein optisches Bauelement gemäß dem Stand der Technik wie in WO 2009/065389 beschrieben. Es zeigt sich ein scharfer Abfall sowohl in x- als auch in y-Richtung.
Figur 5 zeigt die Definition der hier verwendeten Begriffe für ein konkretes mehreckiges Lenslet 20, wobei die gesamte Fläche der Haupt-Oberfläche mit derartigen Lens- lets 20 gepflastert ist. Der Mittelpunkt und Ursprung ist mit M und U bezeichnet. Der Abstand der Mittelpunkte M in x-Richtung ist dx, und der Abstand der Mittelpunkte M in y-Richtung ist dy.
Figur 6 zeigt rein schematisch eine Überlagerung der beiden Haupt-Oberflächen Hl und H2 um das Prinzip der Ver- zerrung zu demonstrieren. Die erste Haupt-Oberfläche Hl ist mit durchgezogenen Linien dargestellt, die zweite Haupt-Oberfläche H2 ist mit gestrichelten Linien darge¬ stellt. Hier ist der Vergrößerungsfaktor a in beide Richtungen x und y gleich groß gewählt, ausgehend vom Ur- sprung U. a ist gegeben durch x2:xl und gleichermaßen durch y2 : yl .
Figur 7 zeigt eine Darstellung der jeweils mit unterschiedlichen Faktoren a erzielbaren homogenisierten Lichtverteilung. Oben ist die y-Position der Beleuch- tungsstärke in willkürlichen Einheiten (w.E.) dargestellt und unten ist die x-Position dargestellt. Überraschenderweise zeigt sich, dass bereits ein geringer Faktor der Vergrößerung oder Verzerrung a von 0,1 bis 0,5% genügt um die Verwaschung zu optimieren. Mit anderen Worten ist hier a in x und y-Richtung gleich groß und es gilt: 1,001 a ^ 1,005. Dabei ist Kurve 1 auf ein a=l,0 bezogen. Für Kurve 2 gilt a=l,002, bei Kurve 3 ist a=l,005, bei Kurve 4 ist a=l,001.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr um- fasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombi¬ nation von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispie¬ len angegeben ist.

Claims

Ansprüche
Optisches Bauelement mit einer Trägerplatte oder Substrat, das eine erste Haupt-Oberfläche und eine von der ersten Haupt-Oberfläche abgewandte zweite Haupt-Oberfläche umfasst, mit einer gegebenen Lin¬ senstruktur auf der ersten Haupt-Oberfläche, wobei die erste Linsenstruktur die erste Haupt-Oberfläche bedeckt, und mit einer Linsenstruktur auf der zwei¬ ten Haupt-Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsenstruktur der zweiten Haupt-Oberfläche derjenigen der ersten ähnlich ist, wobei die Projektion um einen Faktor a verzerrt ist.
Optisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass die Verzerrung in alle Richtungen der Haupt-Oberfläche gleich ist. 3. Optisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass die Verzerrung Symmetrieachsen aufweist .
4. Optisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzerrung zwei zueinander senkechte stehende Symmetrieachsen aufweist.
5. Optisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass der Verzerrungsfaktor mindestens 1,001 beträgt und bevorzugt höchstens 1,05.
6 Optisches Bauelement nach Anspruch 5, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass der Verzerrungsfaktor höchstens 1% beträgt. Optisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass der Verzerrungsfaktor sich in verschiedene Richtungen um maximal 30% unterschei¬ det . 8. Optisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass der Verzerrungsfaktor in beide Richtungen gleich groß ist.
9. Optisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass der Verzerrungsfaktor sich in Ab- hängigkeit von der Entfernung vom Ursprung ändert.
10. Optisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsenstruktur eine mehr¬ eckige Form besitzt, insbesondere ein Dreieck, Rechteck, Raute, Trapez oder Wabe, wobei insbesonde¬ re eine vollständige Pflasterung der Haupt- Oberfläche erreicht wird.
Optisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsenstruktur mehrerer verschieden geformte Linsenelemente umfasst.
Beleuchtungsvorrichtung mit mindestens zwei ve- rschiedenfarbenen Lichtquellen und mit einem optisches Bauelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche .
13. Beleuchtungsvorrichtung mit einem optisches
Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung weiter umfasst: die Lichtquel¬ len strahlen im Betrieb Licht in einem begrenzten Raumwinkel ab, wobei das optisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10 im Strahlengang der Lichtquellen sitzt, und wobei die Lichtquellen eine Anordnung mit lichtemittierenden Halbleiter- Bauelementen und einen der Anordnung nachgeordneten
Kollimator aufweist.
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