Die Erfindung betrifft eine Linsenplatten-Optik für LED-Leuchten mit asymmetrischer Lichtverteilung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1 und der WO 2013/152199A1.

Diese Druckschrift zeigt eine Umlenkung des nach hinten abgestrahlten Lichts mittels einer optisch wirksamen Rippe, welche sich innerhalb der Optik befindet und darauf fallendes Licht mittels Totalreflexion in einen günstigeren Winkelbereich umlenkt. Die geometrischen Randbedingungen, insbesonders einer gemeinsam genutzten Linsen-Außenfläche gestatten allerdings nur die Nutzbarmachung eines geringen Anteils des nach hinten abgestrahlten Lichts, weil viele Lichtstrahlen außerhalb der Totalreflexionswinkel liegen oder diese Fläche überhaupt verfehlen, oder in irrelevante Bereiche gelenkt werden und auf diese Weise viele Lichtverteilungswünsche nicht effizient bedient werden können.

Große Lichtablenkungen benötigen eine Optik aus mehreren Linsen oder eine Totalreflexion zur Lichtumlenkung. Die CN 103471033A beschreibt insbesonders anhand der Fig. 25 den Strahlengang einer solchen Optik, welche mit einer totalreflektierenden Fläche das rückwärtige Licht auf die Fahrbahnseite reflektiert. Es ist hier aber auch dargestellt, dass trotzdem Licht nach hinten verloren geht. Auch die US 2014/0085905A1 (Broughton) zeigt eine ähnliche Funktionsweise, in Fig. 28 ist der Lichtverlust nach hinten zu erkennen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine geeignete Optik zu gestalten, welche den gesamten gegen den Mast oder Hauswände (die Rückseite) gerichteten und damit bisher verlorenen und störenden Teil des LED-Lichts soweit umlenkt, dass dieses Licht zur Gänze für die gewünschte Lichtverteilung nutzbar wird und auch in vielfacher Anordnung in einer Linsenplatte eine einfache, kostengünstige Herstellung aus transparentem Kunststoff erlaubt.

Allgemein kann gesagt werden: Leuchtdioden, kurz LEDs, haben sich in der Beleuchtungstechnik als effiziente Lichtquellen durchgesetzt. Sie weisen zwar verschiedene Bauformen und Lichtqualitäten auf, unterscheiden sich in ihren lichttechnischen Eigenschaften aber relativ wenig voneinander. Die meisten LEDs sind sogenannte Cosinus-Strahler, weil diese ein Optimum an Lichtleistung und Effizienz bei geringem Herstellungsaufwand und geringer Baugröße darstellen. Die Lichtleistung pro LED ist unterschiedlich je nach innerem Aufbau und Größe des Halbleiters, trotzdem unterscheiden sich die LED-Größen äußerlich nur wenig. Daher können Optiken entwickelt werden, welche in ihren wesentlichen Parametern für eine Vielzahl von auf dem Markt befindlichen LED-Typen geeignet oder leicht adaptierbar sind. An die Optiken werden jedoch je nach Lichtplanungsaufgabe stark unterschiedliche Anforderungen an die zu erzeugende Lichtverteilung gestellt.

Hier ist nun eine Optik betroffen, welche insbesonders in Straßenleuchten Verwendung findet. Diese Leuchten sind hauptsächlich am Straßenrand, Gehsteigbereich oder zwischen den Fahrbahnen auf geraden Masten ohne Ausleger angeordnet, auch um sie ohne Beeinträchtigung des Verkehrs warten zu können. Das bedingt jedoch eine schräge Lichtabstrahlung, um auch die gegenüberliegende Straßenseite oder eine breitere Straße ausleuchten zu können. Zusätzlich werden Anforderungen an Blendung und Lichtverschmutzung gestellt, weshalb ein einfaches Aufneigen der Leuchten für eine breitere Ausleuchtung heutzutage nicht mehr erwünscht ist. Ein nach hinten in Richtung Mast oder Hauswand abstrahlendes Licht ist dabei zu verhindern oder abzuschatten, um die Anrainer nicht zu stören. Die Summe dieser Anforderungen erfordert daher Leuchtensysteme, deren Lichtaustrittsfläche waagrecht angeordnet ist, wobei das Licht im Wesentlichen schräg weg vom Mast abstrahlen muss.

Für eine solche Leuchte bietet sich eine Lichtquelle in Form einer waagrechten, ebenen Leiterplatte an, auf welcher die LEDs in mehr oder weniger regelmäßigen Abständen zueinander angeordnet sind und ihr Licht nach unten abstrahlen. Das Licht wird durch vor die LEDs gesetzte Linsen wunschgemäß verteilt, welche in einer gemeinsamen Platte aus transparentem Material, einer sogenannten Linsenplatte integriert sind, die gleichzeitig auch den Schutz vor Feuchtigkeit und Witterung bildet.

Die technische Herausforderung besteht nun darin, eine Optik für diese LEDs zu entwickeln, welche die halbkugelförmige Lichtabstrahlung der LED vollständig erfasst und genau in die benötigte Lichtverteilung umlenkt. Je besser das gelingt, umso effizienter ist die Leuchte und damit kostengünstiger im Energieverbrauch. Eine solche Optik soll darüber hinaus auch so einfach zu fertigen sein, dass sie in dutzendfacher oder gar hundertfacher Anordnung in einer solchen gemeinsamen Linsenplatte durch Spritzgießen von transparentem Kunststoff wie Plexiglas oder Polykarbonat herstellbar ist, wobei auf möglichst gleichmäßige Wandstärke mit nur geringen Masse-Anhäufungen bei den Optiken und einfache Entformbarkeit geachtet werden muss.

Bisher bekannte Optiken erfüllen diese Anforderungen nur ungenügend. Eine einfache Linsengeometrie ist nicht in der Lage, Licht so weit umzulenken wie wünschenswert. Es wird daher ein relativ großer Lichtverlust in Kauf genommen.

Die chinesischen Anmeldungen CN 102102851A, CN 201764411 U oder CN 101699148 A zeigen solche Optiken, welche das Licht vor allem in Straßenlängsrichtung verteilen, die schräge Abstrahlung wird durch einen entsprechend schiefen Hohlraum für die LED erzeugt, wobei aber für eine ausreichend schräge Ausleuchtung zusätzlich die Leuchte selbst aufgeneigt werden muss wie etwa in CN 102102851A dargestellt, was in Europa aus Gründen der Blendung und Lichtverschmutzung nicht mehr erwünscht ist.

Andere Hersteller arbeiten mit teilweise sehr komplizierten Einzeloptiken, welche über die LED gesetzt werden und durch Verdrehen und Mischen die Lichtverteilung einer Leuchte verändern können.

Größere Lichtablenkungen benötigen eine Optik aus mehreren Linsen oder eine Totalreflexion zur Lichtumlenkung. Die bereits erwähnte CN 103471033A beschreibt insbesonders in Fig.25 den Strahlengang einer solchen Optik, welche mit einer totalreflektierenden Fläche das rückwärtige Licht auf die Fahrbahnseite reflektiert. Es ist hier aber auch dargestellt, dass trotzdem Licht nach hinten verloren geht.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine geeignete Optik zu gestalten, welche den gesamten gegen den Mast oder Hauswände gerichteten und damit bisher verlorenen und störenden Teil des LED-Lichts soweit umlenkt, dass dieses Licht zur Gänze für die gewünschte Lichtverteilung nutzbar wird und auch in vielfacher Anordnung in einer Linsenplatte eine einfache, kostengünstige Herstellung aus transparentem Kunststoff erlaubt. Das wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die Erfindung wird nun anhand von Zeichnungen erläutert. Es zeigt

• die Fig.1 die erfindungsgemäße Optik in Grund-, Auf- und Seitenriss samt Lichtstrahlen in Form einer Draht-Darstellung,
• die Fig. 2 die erfindungsgemäße Optik von vorne und hinten in axionometrischer Ansicht,
• die Fig. 3 die simulierte Lichtverteilung in zwei üblichen grafischen Darstellungen und
• die Fig. 4 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Linsenplatte samt Leiterplatte und Formplattendetails des Spritzgusswerkzeugs.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer einzelnen Optik 10. Auf einer Leiterplatte 1 sitzt eine handelsübliche SMD-LED 2, deren Halbleiter 3 die eigentliche Lichtquelle darstellt. Bei Hochleistungs-LEDs ist eine LED-Linse als Schutz darüber gesetzt, LEDs mittlerer Leistung haben eine Vertiefung, in welcher sich der Halbleiter befindet und vergossen ist. Unabhängig davon wird eine halbkugelförmige Lichtabstrahlung mit nach außen gegen Null abfallender Intensität erzeugt, allgemein als Lambert'sche oder Cosinus-Verteilung bekannt.

Die LED ist von einem Hohlraum der Optik umgeben, welcher durch einen Linsensteg 4 in eine Hauptkavität 5, welche die LED 2 aufnimmt, und eine Nebenkavität 6 unterteilt wird. Der Linsensteg 4 weist auf der Seite der Hauptkavität 5 eine als konvexe Sammellinse 4a wirkende optische Fläche auf, die Seite der Nebenkavität 6 ist hier eine ebene Fläche 4b, könnte aber auch beliebig gekrümmt sein. Die Hauptkavität 5 ist einerseits durch die Sammellinse 4a, andererseits durch eine unterschiedlich gekrümmte Freiformfläche 5a begrenzt, welche besonders wirksam durch partielles Streuen und Sammeln des Lichts zur Bildung der gewünschten Lichtverteilung beiträgt. Die anschließende Fläche 5b hat keine optischen Aufgaben, sie schließt lediglich die Hauptkavität 5 zur Leiterplatte 1 hin ab. Die Nebenkavität 6 ist einerseits durch die Fläche 4b des Linsensteges, andererseits durch eine zumeist lichtstreuend wirkende konkave Linsenfläche 6a gebildet. Die daran angrenzende Fläche 6b hat keinen optischen Belang, sie schließt lediglich die Nebenkavität 6 zur Leiterplatte 1 hin ab.

Die Außenseite der Optik 10 besteht aus einer Linsenkuppe 7 mit veränderlicher Krümmung, welche sich im Wesentlichen über den Hohlraum der Optik erstreckt. Unmittelbar daran anschließend befindet sich eine zumeist krumm erscheinende Lichtlenkungsrippe 8, welche meist etwas in die Linsenkuppe 7 hineinragt, aber auch gänzlich davon abgesetzt sein könnte. Sie erstreckt sich über der Nebenkavität 6 und ragt deutlich über sie hinaus. Die Lichtlenkungsrippe 8 besteht aus einer konvexen Linsenfläche 8a auf der Seite der Linsenkuppe 7 und einer hauptsächlich für Totalreflexion zuständigen Freiform-Reflexionsfläche 8b auf der anderen Seite.

Die Optik 10 grenzt allseitig an eine Linsenplatte 9 mit im Allgemeinen konstanter Dicke, in welcher sie integriert ist.

Der Halbleiter 3 der LED 2 strahlt halbkugelförmig Licht 11 aus, welches entweder auf die Freiformfläche 5a oder auf die Sammellinse 4a des Linsensteges 4 fällt. Das auf die Freiformfläche 5a einfallende Licht 11a wird zur Gänze auf die Linsenkuppe 7 gelenkt, von wo es in den Raum abstrahlt. Seine Intensität und Richtung wird durch das Zusammenspiel der Freiformfläche 5a und der Linsenkuppe 7 bestimmt.

Das auf die Sammellinse 4a des Linsensteges 4 einfallende Licht 11b tritt durch die Fläche 4b aus dem Linsensteg aus, wobei es vor allem vertikal gebündelt und parallel gerichtet wurde, sodass es zur Gänze auf die konkave Linsenfläche 6a trifft. Dort wird es so abgelenkt und gestreut, dass es beim nachfolgenden Auftreffen auf die Reflexionsfläche 8b vollständig total reflektiert wird und bei der Linsenfläche 8a der Lichtlenkungsrippe austritt. So erfährt das Licht 11b großteils eine erhebliche Umlenkung von meist über 90° bis nahezu 180°, wobei die vier Linsenflächen 4a, 4b, 6a und 8a und die Reflexionsfläche 8b zusätzlich noch für ein günstiges Verteilungsergebnis sorgen.

Wie man sieht, wird jeder Lichtstrahl nutzbringend durch die Optik geleitet und in den gewünschten Verteilungsbereich gelenkt, Richtung Mast oder Hausfassade wird nahezu kein Licht abgestrahlt, was insgesamt auch eine sehr effiziente Lösung ergibt. Es ist offensichtlich, dass die genaue Abstimmung der beiden Lichtpfade und dabei erzielten Lichtverteilungen zueinander, die Möglichkeiten der Lichtlenkung innerhalb dieser Optik und die Gestaltungsvariablen der Freiform-Oberflächen nur mehr auf simulatorischem Weg zu ermitteln sind. Ebenso ist einsichtig, dass eine erfindungsgemäße Optik stark unterschiedliche Lichtverteilungen erzielen kann, wenn manche Geometrien nur ein wenig verändert werden, unter Beibehaltung des Funktionsprinzips.

Fig. 2 zeigt die vorgestellte Optik in anschaulicher Darstellung, rechts von vorne bzw. außen, links von hinten bzw. der Leiterplattenseite.

Fig. 3 zeigt die durch lichttechnische Simulation erhaltene Lichtverteilung der dargestellten Optik-Geometrie in zwei gebräuchlichen Darstellungen. Die obere Grafik ist eine gebräuchliche polare Schnittdarstellung durch den Lichtkegel längs und quer zur Straße, die untere Darstellung zeigt die gesamte Lichtverteilung in einem Isocandela-Diagramm.

Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch eine Linsenplatte 9 mit erfindungsgemäßen Optiken 10. Der kleinstmögliche Abstand benachbarter Optiken wird durch die gegenseitige Abschattung bestimmt, welche am sichersten ebenfalls simulatorisch feststellbar ist. Sie ist abhängig von der Lichtverteilung, dem genauen Strahlengang und der Position der benachbarten Optik. Hierbei müssen beide Optiken auf gegenseitige Abschattung geprüft werden. Hier bestimmen Grenzlichtstrahlen 11c den Mindestabstand der Optiken in der dargestellten Richtung.

Weiters ist hier zu erkennen, dass die vorgestellte Optik keine Hinterschneidungen aufweist und sowohl durch die Außenform 12a wie auch die Innenform 12b einwandfrei entformbar ist. Hierdurch bleiben die Werkzeugkosten gering. Ebenso halten sich die Wandstärke-Unterschiede in Grenzen, sodass die Linsenoberflächen auch hinreichend präzise ausgeformt werden können, selbst bei großen Linsenplatten.

Im Allgemeinen weisen alle Optiken in einer Linsenplatte die gleiche Orientierung auf. Jedoch ergeben sich auch sinnvolle Anwendungen mit unterschiedlicher Orientierung, wenn etwa eine symmetrische Lichtverteilung benötigt wird, erzielbar durch Gegeneinanderstellen der Optiken. Ebenso kann mit einer kreisförmigen Anordnung der Optiken eine rotationssymmetrische Lichtverteilung, etwa zur Beleuchtung von Plätzen erzeugt werden.

In Ausgestaltung der Erfindung können auch unterschiedliche Optiken in einer Linsenplatte vorgesehen werden, um etwa eine Lichtverteilung durch Mischung vorhandener Optik-Geometrien zu erzielen.

Durch Modifizieren der LED-Position in der Optik ändert sich auch die Lichtverteilung. Hierdurch sind Anpassungen etwa an unterschiedliche Straßenbreiten oder Mastverhältnisse möglich, ohne an der optischen Geometrie der Linsenplatte und damit am Spritzgießwerkzeug Änderungen durchführen zu müssen.

Es können auch mehrere LEDs unter einer erfindungsgemäßen Optik angeordnet sein, insbesonders geometrisch minimierte Chip-LEDs, oder LEDs mit mehreren Halbleitern, oder Leiterplatten mit COB (Chip-on-Board)-Ausführung. Hierdurch wird die Lichtleistung entsprechend gesteigert, die Lichtverteilung jedoch unschärfer. In vielen Anwendungen ergibt sich hierdurch eine bessere Wirtschaftlichkeit bei akzeptabler Beleuchtungsqualität.