帶有包括菲涅耳透鏡和呈蜂窩狀布置的非球面透鏡的透鏡系統(tǒng)的led燈的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種照明效率提高的LED燈，該LED燈特別適合用于工作場所，在該工作場所中重要的是低亮度容差。根據(jù)本發(fā)明的LED工作場所燈的特征在于被準確限定的具有精確邊緣的照明表面，該照明表面可以另外以模塊化的方式構造并且能夠借助于變焦元件來限制或擴大有待被照明的區(qū)域。該燈和燈系統(tǒng)的特征在于，輻射源為多個LED，每個LED分別以這種方式被分配有至少一個用于聚焦并收集照射光的光學設備，即，在光輸入側上設置有一菲涅耳光學設備，并且在光輸出側上設置有呈六邊形布置的非球面透鏡。
【專利說明】帶有包括菲涅耳透鏡和呈蜂窩狀布置的非球面透鏡的透鏡系統(tǒng)的LED燈
【技術領域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種照明效率提高的LED燈，該LED燈特別適合用作工作場所燈。為了本發(fā)明的目的，工作場所燈被定義為適合用于那些應用領域的燈，即，在這些應用領域中，低亮度容差和清晰定界邊緣在光分布中是很重要的。這些應用領域可以是實驗室中、辦公室中、醫(yī)療設施中或機器照明系統(tǒng)中的特殊工作場所。然而，可能的應用領域并不限于此。根據(jù)本發(fā)明的LED燈的出眾之處在于被準確限定的具有精確邊緣的照明區(qū)域，該照明區(qū)域可以另外以模塊化的方式構造并且能夠借助于變焦元件來限制或擴大有待被照明的區(qū)域。
【背景技術】
[0002]不斷改進光輸出同時節(jié)約能量的需要通常構成了針對開發(fā)LED作為光源的需求。特別是高亮度LED允許在工業(yè)或醫(yī)療應用中使用，具體是用于有待被充分且均勻地照明的工作場所，諸如像實驗室中、質量控制中或計量技術中或外科手術技術中。密集封裝LED燈領域的進一步持續(xù)發(fā)展為此提供了先決條件。
[0003]從DE 102010004221 Al中已知的是，多種燈裝備有設置在一個平面中的多個點型光源、特別是LED。還已知的是，將這些光源設置在一個或多個電路板上并且在光源上方以一個恒定的間距設置一個光漫射板，從而使得該光漫射板用作一個光密度積分器。
[0004]從WO 2011/032975 Al已知的一種LED燈元件，該LED燈元件是針對均勻光分布，并且其中一個細長的燈元件包括沿一個縱向方向設置的多個LED，其中優(yōu)選地，在每個光源上方設置有一個透鏡，從而使得這些光源用作漫射發(fā)射器。
[0005]還已知的是一種外科手術燈(例如來自DE 102004055839 Al)，該外科手術燈是針對手術區(qū)的照明進行改進。
[0006]WO 2004/098857 Al描述了一種用于生產(chǎn)光散射成形零件的方法，該方法尤其能夠帶來廉價的生產(chǎn)成本及高的生產(chǎn)率。此外，同時該成品應當具有高的光學質量。
[0007]然而，這些已知的解決方案都不滿足用于高度敏感的工作場所的均勻且準確可定界照明所需要的要求。此外，這類燈應當構造簡單并且生產(chǎn)成本低廉。
【發(fā)明內容】
[0008]因此，本發(fā)明的目的在于開發(fā)一種改進的LED燈或一種LED燈系統(tǒng)，該LED燈或LED燈系統(tǒng)達成了改進照明效率的目的，并且具有非常小的亮度容差的特征，而且改進了物體和邊緣的照明。
[0009]本發(fā)明的目的是通過一種燈或一種燈系統(tǒng)來實現(xiàn)的，該燈或燈系統(tǒng)的特征在于，輻射源為多個LED，這些LED被分配有用于聚焦和收集發(fā)射光的光學設備，從而使得以菲涅耳光學系統(tǒng)形式的一個光學系統(tǒng)被定位在光入射側上，并且這些LED在光出射側上被分配有多個呈六角形結構的非球面透鏡。非球面透鏡的尺寸和數(shù)量取決于使用該燈的特定要求和條件。光學設備優(yōu)選由一種合適的光散射塑料(諸如PMMA)組成。優(yōu)選地采用適合于此的一種注射模塑技術來實現(xiàn)光學設備的生產(chǎn)。被配置具有所需的角度和相互間距(LED與透鏡之間)的一個光分布情況產(chǎn)生了具有最佳安裝空間的最佳光照明。
【具體實施方式】
[0010]圖1描繪了本發(fā)明的原理圖示。這些LED2被設置在一個電路板3上。圖2和圖3示出了該LED燈的多個具體實施例。在一個特定實施例中，根據(jù)本發(fā)明的LED燈由至少一個監(jiān)控二極管4控制，以用于亮度調節(jié)。在圖2中，該示例性實施例具有多個被稱為監(jiān)控二極管的二極管，這些監(jiān)控二極管被配置為光電二極管。所述監(jiān)控二極管確定(測量)在這些LED與設置在其上方的該光學設備之間的相應的指定測量區(qū)域的亮度?？赡艿氖峭ㄟ^合適的電子控制裝置來捕獲這些監(jiān)控二極管的結果，從而使得所述測量結果與該燈或多個燈部分的預定值進行比較，并且使得這些LED在一個另外的步驟中被重新調整，以便獲得亮度增強或變暗的效果。
[0011]也可能的是，使用合適的控制元件(未圖示)通過一個對應的接口來達成接通和斷開的目的。此外，該燈可以配備有一個捕獲設備，該捕獲設備讀取這些監(jiān)控二極管的老化情況并且如果有必要的話提示更換這些LED。例如，在要求非常精確和準確的照明的工作場所，如測量設施、樣品檢查等的情況下，這可能是重要的。
[0012]圖4至圖8示出了作為光引導元件的光學設備1，其中圖4提供了光出射表面(具有非球面透鏡的表面)的圖示并且同時提供了部分的側視圖。在此很容易看出的是，連接到該光學設備底面的光入射元件與多個光出射元件的模塊化構造。這些元件優(yōu)選地根據(jù)非球面透鏡的尺寸和數(shù)量配置成所希望的，并且由于該模塊化構造的緣故，這些元件是可擴展的。
[0013]圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的光學設備的側視圖。圖6示出該光學設備的底面及其光入射表面?？梢钥吹皆诟鶕?jù)本發(fā)明的這個構造中所使用的菲涅耳光學系統(tǒng)。在一個合適的配置中，該菲涅耳光學系統(tǒng)的尺寸和規(guī)格與該燈和有待被照明的區(qū)域相匹配。圖7示出了被稱為菲涅耳光學設備的拼貼(tile)形式的一個實施例(尺寸比率和數(shù)量僅僅是示例性的)。以斜線示出的是，例如，單個模塊(菲涅耳光學系統(tǒng)和非球面透鏡)可以如何彼此連接(例如在側面粘性結合)的一個變化例。
[0014]圖8示出了光出射側(LA)、側視圖(傾斜的)以及光入射側(LE)的視圖。這些所附文件闡釋了該工作場所燈或機器燈的配置的多個實例。圖9示出多個模塊部分連接的一個實例。模塊的數(shù)量以及其光出射元件的數(shù)量和尺寸可以根據(jù)需要進行配置。在該實例中，出射元件是由6X7個正方形的單獨元件制成的，這些單獨元件進而可以用合適的方式進行連接。
[0015]例如，根據(jù)本發(fā)明的解決方案的一個變化例包括以下配置?？梢岳斫獾氖牵藢嵤├幌拗聘鶕?jù)本發(fā)明的解決方案的保護范圍，而由此也覆蓋了等效的設計:
[0016]-LED 的數(shù)量 6 X 42=252 個 LED
[0017]-LED 的工作電流 ILED=70mA
[0018]-一個光學兀件的尺寸A=20X 16.5臟
[0019]-1m距離處的中心光照強度E=13001x
[0020]-1m 距離處的 50% 直徑 d50=l.3m (33。)[0021]-1m 距離處的 10% 直徑 dl0=3.0m (54。)
[0022]-分布的光通量Φ分布=18001m
[0023]依據(jù):高斯分布，其中IZ=1300cd并且α 50%=33°
[0024]-光學系統(tǒng)的幾何損失V光學系統(tǒng)=40%
[0025]Φ=30001ηι
[0026]-蓋板和光學系統(tǒng)的菲涅耳損失vFR=15%
[0027]Φ=35301ηι
[0028]-熱降解(jet.85°C) V 熱=15%
[0029]Φ =4150 Im
[0030]-壽命退化vLD=15%
[0031]Φ=48801ηι[0032]-每個LED 的光通量 ΦΙ?0=45121πι/252=19.41m
[0033]所使用的LED 例如是一個 LED Osram LUff G5GP。
[0034]-安裝空間6X3.6X2.2mm
[0035]-發(fā)射角α=135。
[0036]-色溫?= 6500 K
[0037]-典型光通量(I=IOOmA時)Φ =18_391m
[0038]-70mA時的相對光通量Orel=75%
[0039]-所需面兀劃分(binning)Φ=19.4/0.75=25.81m
[0040]對應于面元GZ (241m至281m)
[0041]光入射側(LE)例如被配置如下:
[0042]-菲涅耳透鏡
[0043]最大弧深t=3mm
[0044]最小弧角Cp> 25°
[0045]拔模角度β =3°
[0046]模腔半徑r>10μπι
[0047]距光源的距離d=6.5臟(中心)
[0048](距電路板8mm)。
[0049]根據(jù)本發(fā)明，該光出射側具有根據(jù)圖10的六角形結構的非球面透鏡。在此，根據(jù)這些六角形透鏡的角位置和尺寸可以對設計進行配置。
[0050]在該示例性實施例中，對邊寬度為1.92mm并且頂點半徑r=0.90mm (未按比例示出)。
[0051]合適的參數(shù)(如透鏡的數(shù)量、所分配的一個或多個菲涅耳光學系統(tǒng)的尺寸、LED的發(fā)光強度、LED距光學設備的距離等)是根據(jù)需要的光分布和亮度以及燈距有待被照明的區(qū)域的距離進行選擇的。
[0052]在該示例性實施例中，透鏡距LED的距離是4.5mm并且，距這些LED被安排在其上的電路板6mm。
[0053]效率可以通過更短的焦距來提高。當然可能的是，根據(jù)工作場所的要求，通過光出射處的擴展光學系統(tǒng)的優(yōu)化措施來匹配并提高效率。[0054]在一個具體實施例中，當然也可能將緊湊的光學設備配置成2個單獨模塊(光入射光學系統(tǒng)和光出射光學系統(tǒng))并且將它們以適于要求的方式進行連接。
[0055]在本發(fā)明的一個具體實施例中，在LED燈中，每個LED被恰好分配有一個位于其上方的根據(jù)本發(fā)明的光學設備。
[0056]為了將對應地與相應要求相匹配的一個光學系統(tǒng)配置為一個光學設備，本發(fā)明的目標的還在于:將該光學系統(tǒng)以不同尺寸、以不同間距和/或以模塊化構造進行配置。在一個具體實施例中，使用了彩色LED以便指示有待被照明的區(qū)域中的某些點，和/或來更好地標記照明的邊緣。例如，以這種方式所確定的金屬中的裂縫或塑料中的夾雜物可以被標記，并通過對這個位置進行存儲以在稍后進行處理。在一個另外的實施例中，也可能將納米粒子添加到由一種合適的塑料制造的光學設備中，和/或在光入射側和/或光出射側上涂敷一層納米粒子。
[0057]已經(jīng)表明，特別是在對形成霧的工作表面或釋放濕氣的工作表面進行照明的情況下，在燈表面上可以容易地沉降出一個水分膜。根據(jù)本發(fā)明，這可以通過該納米涂層在很大程度上得到避免?？赡艹两档臐駳饪梢酝ㄟ^在該燈附近的一個集成的通風系統(tǒng)或鼓風機來防止。
[0058]本發(fā)明的目標還在于:根據(jù)需要用多個單獨彩色模塊或多個部分著色模塊來補充該燈以形成一個燈系統(tǒng)。例如，可以因此將多個特定標記施加在照明表面上或添加到照明表面中。
[0059]另外，還可能的是使用多個不同著色的模塊或模塊部件。
[0060]在特定情況下，明智的是在該光學設備上方安裝一個保護性玻璃/圓盤。
[0061 ] 該燈的這些部件優(yōu)選通過一種UV粘合劑進行互連，所述UV粘合劑例如，光固化丙烯酸酯粘合劑。為此，該丙烯酸酯粘合劑可以基于一種單組分、無溶劑并且觸變性的改性聚氨酯丙烯酸酯。
【權利要求】
1.一種LED燈，其包括至少一個LED輻射源，該LED燈被分配有一用于聚焦和收集發(fā)射光的光學設備，從而使一菲涅耳光學設備被定位在光入射側上，該LED燈在光出射側上被分配有呈六角形結構的一個或多個非球面透鏡。
2.如權利要求1所述的LED燈，其特征在于，所述光學設備被構建為一個單獨模塊或多模塊。
3.如權利要求1至2所述的LED燈，其特征在于，所述光學設備由一種光散射塑料組成。
4.如上述權利要求中至少一項所述的LED燈，其特征在于，所述光學設備中含有納米粒子。
5.如上述權利要求中至少一項所述的LED燈，其特征在于，所述光學設備涂覆有納米粒子。
6.如上述權利要求中至少一項所述的LED燈，其特征在于，所述工作燈(LED)包括至少一個監(jiān)控二極管，該監(jiān)控二極管用于捕獲供亮度調整或變暗效果用的數(shù)據(jù)。
7.如權利要求6所述的LED燈，其特征在于，所述LED燈包括一用于處理所述監(jiān)控二極管的測量數(shù)據(jù)的電子控制裝置。
8.如上述權利要求中至少一項所述的LED燈，其特征在于，所述LED輻射源中的至少一個是一個彩色LED。
9.如上述權利要求中至少一項所述的LED燈，其特征在于，所述光學設備的所述模塊中的至少一個被配置為是至少部分著色的。
【文檔編號】F21V5/04GK103748407SQ201280039530
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2012年8月17日 優(yōu)先權日:2011年8月21日
【發(fā)明者】馬蒂亞斯·戈貝爾, 歐根·弗里奇, 沃爾克·舒馬赫 申請人:業(yè)納聚合物系統(tǒng)有限公司