Kollimierte Lichtquelle und Verfahren zu deren Herstellung

Beschreibung

Die Erfindung betrifft allgemein Linsen für Lichtquellen. Im Speziellen betrifft die Erfindung LED-Lichtquellen mit kollimierenden oder strahl formenden Linsen.

Aus der DE 601 01 021 T2 sind Objektivlinsen mit hoher numerischer Apertur bekannt. Diese Linsen sind für den

Einsatz als Pick-up-Linsen in einem optischen Aufnahmegerät gedacht. Dementsprechend handelt es sich um ein optisch abbildendes System. Die dort beschriebenen Linsen werden als Presslinge hergestellt und müssen den Bedingungen der Herstellbarkeit und der optischen Leistung genügen. Für das Verhältnis zwischen dem Polradius r ₀ der Asphäre und dem Linsenvolumen V _lens der Linsen soll gelten:

Dementsprechend ist hier das Linsenvolumen kleiner als das Volumen einer Kugel mit einem Radius, der dem Polradius der Linse entspricht. Die Linsen sollen eine hohe numerische Apertur aufweisen und geringe Anforderungen an die optische Justierung stellen. Das optische System ist aber insgesamt relativ komplex und es werden zwei

hintereinandergeschaltete Linsen zur Fokussierung

verwendet .

BESTÄTIGUNGSKOPIE Zur Erzielung einer hohen Effizienz bei der Kollimierung werden auch in LED-Beleuchtungssystemen mehrere Linsen verwendet. Eine solche Anordnung mit mehreren Linsen zur Kollimierung des Lichts einer Leuchtdiode ist unter anderem aus der CN 101373047 A bekannt.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, bereits mit einer Einzellinse eine hocheffektive

Kollimation des Lichts einer flächig und unter großem

Winkelbereich abstrahlenden Lichtquelle, wie insbesondere einer Leuchtdiode oder einer Leuchtdiodenanordnung zu kollimieren. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Wei erbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben.

Eine erfindungsgemäße kollimierende Linse zur Kollimation des Lichtstrahls einer Lichtquelle weist

- eine Lichteintrittsfläche und

- eine Lichtaustrittsfläche auf, wobei

- die Lichtaustrittsfläche konvex asphärisch geformt ist, und

- der Krümmungsradius vom Zentrum der Linse zu deren Rand hin zunimmt, und

- der Brechungsindex der Linse an der Lichtaustrittfläche einen Wert von zumindest 1,70, vorzugsweise mindestens 1,75 aufweist, und

- die Gesamthöhe der Linse (h _L i _na6i( gesamt ) größer ist, als die Pfeilhöhe (h _Augt ritt ) der Lichtaustrittsfläche, wobei

- die Pfeilhöhe der Lichtaustrittsfläche sich bemisst anhand der axialen Distanz zwischen Scheitelpunkt und Rand der Lichtaustrittsfläche, und wobei

- sich das Volumen der Linse zumindest aus dem von der Lichtaustrittsfläche umschlossenen Volumen und dem

Zylindervolumen eines Zylinders ergibt, dessen Stirnfläche durch die Lichteintrittsfläche gegeben ist und dessen Höhe durch die axiale Distanz von der Lichteintrittsfläche bis zum Rand der Lichtaustrittsfläche gegeben ist, wobei für das Vol men gilt:

wobei r ₀ den Krümmungsradius am Scheitelpunkt der

asphärischen Lichtaustrittsfläche und V _lens das

Linsenvolumen bezeichnen.

Mit einer solchen kollimierenden Linse kann dann eine

Beleuchtungseinrichtung zur Erzeugung eines kollimierten Lichtstrahls bereitgestellt werden, welche

- eine Lichtquelle mit zumindest einer Leuchtdiode und

- eine Linse umfasst,

wobei die Linse eine Lichteintrittsfläche und eine

Lichtaustrittsfläche aufweist, und wobei

- die Lichteintrittsfläche in einem Abstand zur Leuchtdiode angeordnet ist, und wobei

- die Lichtaustrittsfläche konvex asphärisch geformt ist, und dabei vorzugsweise

- der Krümmungsradius vom Zentrum der Linse zu deren Rand hin zunimmt, und wobei

- der Brechungsindex der Linse an der Lichtaustrittfläche einen Wert von zumindest 1,70, vorzugsweise mindestens 1,75 aufweist, und wobei

- die Gesamthöhe der Linse (h _L inse, gesamt ) größer ist, als die Pfeilhöhe (h _Aust ritt ) der Lichtaustrittsfläche, wobei

- die Pfeilhöhe der Lichtaustrittsfläche sich bemisst anhand der axialen Distanz zwischen Scheitelpunkt und Rand der Lichtaustrittsfläche, und wobei - sich das Volumen der Linse zumindest aus dem von der Lichtaustrittsfläche umschlossenen Volumen und dem

Zylindervolumen eines Zylinders ergibt, dessen Stirnfläche durch die Lichteintrittsfläche gegeben ist und dessen Höhe durch die axiale Distanz von der Lichteintrittsfläche bis zum Rand der Lichtaustrittsfläche gegeben ist, wobei für das Volumen gilt:

wobei r ₀ den Krümmungsradius am Scheitelpunkt der

asphärischen Lichtaustrittsfläche und V _lens das

Linsenvolumen bezeichnen. Unter der Gesamthöhe der Linse wird die axiale Distanz zwischen Scheitelpunkt der konvexen Lichtaustrittsfläche und der Lichteintrittsfläche gemessen entlang der optischen Achse der Linse verstanden. Eine vollständige Kollimation ist wegen der im Vergleich zur

Linse örtlich ausgedehnten Lichtquelle im Allgemeinen nicht möglich. Allerdings wird mit der erfindungsgemäßen

Anordnung typischerweise ein voller Öffnungswinkel des Lichtstrahls von kleiner 30° für mindestens 40%, sogar im Allgemeinen für mindestens 60% der von der

Lichtabstrahlfläche abgestrahlten Intensität erzielt. Dies wird im Sinne der Erfindung als ein kollimierter

Lichtstrahl angesehen. Besonders zweckmäßig ist es, eine plane

Lichteintrittsfläche vorzusehen. Dies ermöglicht zum einen eine einfache Herstellung der Linse aus einem ersten Körper mit zwei planparallelen Flächen und einem zweiten, an eine der planparallelen Flächen anschließenden Körper mit der konvexen Brechfläche. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Linse und das Verfahren zur Herstellung einer

Beleuchtungseinrichtung mit einer solchen Linse basiert entsprechend darauf, dass eine Linse hergestellt wird, die eine Lichteintrittsfläche und eine Lichtaustrittsfläche aufweist, wobei

- die Lichteintrittsfläche vorzugsweise plan und

- die Lichtaustrittsfläche konvex asphärisch geformt wird, und die Linse weiterhin vorzugsweise so geformt wird, dass - der Krümmungsradius vom Zentrum der Linse zu deren Rand hin zunimmt, und wobei

- ein Material für die Linse verwendet wird, welches wenigstens an der Lichtaustrittfläche einen Wert von zumindest 1,70, vorzugsweise mindestens 1,75 aufweist, und wobei

- die Linse mit einer Gesamthöhe hergestellt wird, welche größer ist, als die Pfeilhöhe der Lichtaustrittsfläche, wobei die Pfeilhöhe der Lichtaustrittsfläche sich bemisst anhand der axialen Distanz zwischen Scheitelpunkt und Rand der Lichtaustrittsfläche, und wobei

- sich das Volumen der Linse zumindest aus dem von der Lichtaustrittsfläche umschlossenen Volumen und dem

Zylindervolumen eines Zylinders ergibt, dessen Stirnfläche durch die Lichteintrittsfläche gegeben ist und dessen Höhe durch die axiale Distanz von der Lichteintrittsfläche bis zum Rand der Lichtaustrittsfläche gegeben ist, wobei für das Volumen wieder die oben angegebene Beziehung (2) gilt. Zur Herstellung der Beleuchtungseinrichtung wird weiterhin

- eine Lichtquelle mit zumindest einer Leuchtdiode

bereitgestellt und

- die Linse und die Lichtquelle so zueinander angeordnet, dass die Lichteintrittsfläche der Linse zur Leuchtdiode beabstandet ist . Im sich aus dem Abstand zwischen der Leuchtdiode und der Lichteintrittsfläche ergebenden Zwischenraum ist

vorzugsweise ein niedrigbrechendes Medium, im einfachsten Fall ein Gas, insbesondere Luft vorhanden. Damit wird ein hoher Brechungsindex-Sprung an der Lichteintrittsfläche verursacht, welcher eine Brechung der eintretenden

Lichtstrahlen zur optischen Achse hin verursacht. Der

Zwischenraum kann aber gegebenenfalls auch mit einem

Medium ausgefüllt sein, welches einen höheren

Brechungsindex als Luft aufweist, beispielsweise

Schutzlack, Silikon oder ähnlichem gefüllt sein.

Um andererseits hohe Reflexionsverluste an der

Linsenoberfläche zu vermeiden, wird die Linse weiterhin besonders bevorzugt vergütet, beziehungsweise mit einer Antireflex-Beschichtung versehen. Eine Vergütung ist aufgrund des hohen Brechungsindexes auch auf der

Lichtaustrittsseite von Vorteil.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine weitaus höhere Lichtsammeieffizienz erzielt werden kann, wenn die Linsen noch dicker als gemäß der oben angegebenen Beziehung (1) ausgelegt werden. Mit der Dicke geht ein entsprechend größeres Volumen und eine große

Lichteintrittsfläche einher. Im Besonderen hat es sich gezeigt, dass ist die Einschränkung gemäß Gleichung (1) für Beleuchtungsanwendungen nicht notwendig oder sogar

ungünstig ist. Mit bisherigen Linsen werden LED- Beleuchtungen sehr bauraum- intensiv. Weiterhin ist die sammelnde Wirkung der Linsen aus dem Stand der Technik unbefriedigend . Wird aber erfindungsgemäß ein im Verhältnis zum Volumen der Linse kleiner Polradius gewählt, insbesondere kleiner als gemäß Gleichung (1) , so kann insgesamt eine sehr kompakte Bauweise erzielt werden. Erfindungsgemäß eingesetzte

Einzel -Linsen können daher aufgrund des im Verhältnis zum Linsenvolumen kleinen Polradius, beziehungsweise im

Verhältnis zum Linsenvolumen kleinem zum Polradius

korrespondierenden Kugelvolumen als vergleichsweise spitzer oder länglicher charakterisiert werden. Insbesondere ist dabei das Linsenvolumen größer als das Kugelvolumen einer Kugel, deren Radius gleich dem Polradius ist.

Mit dem großen Linsenvolumen und aufgrund des

vergleichsweise kleinen Polradius ergeben sich

typischerweise auch große Flankenwinkel . Diese sind sehr günstig für eine hohe Sammeleffizienz. In Weiterbildung der Erfindung wird dazu vorgeschlagen, die asphärische konvexe Lichtaustrittsfläche so auszugestalten, dass deren

Flankenwinkel mindestens 30° beträgt. Vorzugsweise liegt der Flankenwinkel im Bereich von 30° bis 70°.

Der axiale Abschnitt zwischen dem Rand der asphärischen Brechfläche und der Lichteintrittsfläche macht in

Weiterbildung der Erfindung einen beträchtlichen Teil des Volumens der Linse aus .Allgemein hat es sich sogar

überraschend als günstig erwiesen, wenn der axiale,

zylindrische Abschnitt zwischen dem Rand der asphärischen Brechfläche und der Lichteintrittsfläche einen größeren Anteil am Volumen hat, als das von der asphärischen

Brechfläche eingeschlossene Volumen. Dies ist insofern überraschend, da man annehmen würde, dass dieser Abschnitt aufgrund der vorgeschalteten planen Lichteintrittsfläche an sich nicht zur Kollimation beiträgt. Im Gegenteil liegt innerhalb dieses Abschnittes sogar ein divergenter

Lichtstrahl vor. Gemäß dieser Weiterbildung der Erfindung hat es sich insgesamt als günstig erwiesen, wenn das

Verhältnis des von der Brechfläche eingeschlossenen

Volumens zum Volumen des axialen zylindrischen Abschnitts zwischen dem Rand der asphärischen Lichtaustrittsfläche und der Lichteintrittsfläche kleiner ist als 1/2. Weist das verwendete Material an der Lichtaustrittsfläche sehr hohe Brechungsindizes von mindestens n _d =l,9 auf, kann sogar ein entsprechendes Verhältnis der Volumina von kleiner als 1/3 gewählt werden.

Der oben angegebene Brechungsindex von mindestens n=l,70, vorzugsweise mindestens 1,75 wird bevorzugt noch höher gewählt. Insbesondere wird bevorzugt ein Brechungsindex größer 1,8 für die asphärische Brechfläche gewählt, um die Sammeleffizienz zu erhöhen. Auch für die

Lichteintrittsfläche wird ein hoher Brechungsindex

bevorzugt. Der Brechungsindex an der Lichteintrittsfläche beträgt in Weiterbildung der Erfindung mindestens 1,5, vorzugsweise mindestens 1,6, besonders bevorzugt ebenfalls wie die Lichtaustrittsfläche mindestens 1,70, insbesondere bevorzugt mindestens 1,75. Um eine hohe Sammeleffizienz zu erreichen, wird auch eine große Lichteintrittsfläche vorgeschlagen. Die

Lichteintrittsfläche hat in Weiterbildung der Erfindung anders als die in der der DE 601 01 021 T2 beschriebene Linse einen Durchmesser, welcher mindestens doppelt so groß ist, wie die Wurzel der aktiven Emitterfläche der

Lichtquelle. Im Falle einer quadratischen Emitterfläche stellt die Wurzel der Fläche die seitliche Abmessung der Emitterfläche dar. Die erfindungsgemäßen hochbrechenden Linsen können im

Allgemeinen allenfalls unter Einschränkungen aus

Kunststoffen hergestellt werden. Demgemäß werden

anorganische Werkstoffe, wie insbesondere Gläser oder

Optokeramiken besonders bevorzugt .

Für Gläser bietet sich als Herstellungsverfahren besonders das Blankpressen an. Allerdings kann eine Linse des

Volumens, beziehungsweise der erfindungsgemäßen Geometrie nicht mehr in üblicher Weise aus einer Kugel durch

Blankpressen hergestellt werden. Eine erste Möglichkeit zur Herstellung einer solchen Linse durch Blankpressen ist, einen Zylinderabschnitt als Vorvormling zu verwenden. Ein solcher Zylinderabschnitt wird in seiner Größe im

Wesentlichen nur durch die Ausmaße der Form beschränkt. Ein solcher Zylinderabschnitt hat viel mehr Volumen als eine Kugel. Alternativ können auch nicht - zylindrische

Glasabschnitte, wie Vierkant-Abschnitte oder ovale

Abschnitte verwendet werden.

Besonders bevorzugt wird die Herstellung von Glas-Glas- Hybridlinsen. Diese sind aus zwei Glaselementen

zusammengesetzt, welche direkt miteinander durch

Aufeinanderpressen und Verklebung der Gläser in erweichtem Zustand verbunden werden. Auch andere Verbindungsarten, wie etwa Kitten sind denkbar. Demgemäß ist in Weiterbildung der Erfindung eine Beleuchtungseinrichtung vorgesehen, deren Linse aus zwei Glaselementen zusammengesetzt ist, wobei von einem der Glaselemente die Lichteintrittsfläche und vom anderen Glaselement die Lichtaustrittsfläche gebildet wird. Im Speziellen umfasst bei einer Ausführungsform der

Erfindung das Herstellen der Linse das Verpressen,

insbesondere das Blankpressen eines ersten Glaselements oder Vorformlings auf einer planen Seite eines zweiten Glaselements oder Vorformlings, welcher zwei

gegenüberliegende planparallele Flächen aufweist. Der erste Vorformling wird beim Aufeinanderpressen zu einer Asphäre umgeformt, dessen Oberfläche die Lichtaustrittsfläche der Linse und die der Fläche des zweiten Vorformlings, auf welcher der erste Vorformling aufgepresst wird,

gegenüberliegende Fläche die Lichteintrittsfläche der Linse bildet, und wobei beim Verpressen an der Grenzfläche zwischen den beiden Vorformlingen die Klebeviskosität unterschritten wird. Für den ersten Vorformling kann nun beispielsweise eine Kugelvorform verwendet werden.

Besonders günstig für die optischen und auch mechanischen Eigenschaften der Linse hat es sich weiterhin erwiesen, wenn gewisse Einschränkungen bei der Materialauswahl beachtet werden. In Weiterbildung der Erfindung werden dabei vorzugsweise beim Aufeinanderpressen der Glaselemente oder Vorformlinge und deren direkter Verklebung unter

Erweichung zumindest eines der Gläser solche Gläser

verwendet, bei welchen für die

Temperaturausdehungskoeffizienten a _G i _a si / ot _G ias2 gilt:

(3) lOciasi - α(3ΐ ₃ 32 I ^ 0,2 X Oclasl ·

Diese Bedingung führt dazu, dass die mechanischen

Spannungen beim Abkühlen auf Raumtemperatur nicht zu hoch werden. Mechanische Spannungen können insbesondere aufgrund der im Wesentlichen planen Verbindungsfläche bei Verwendung eines planparallelen Vorformlings kritisch werden, da in diesem Fall fast ausschließlich Scherkräfte an der

Verbindungsfläche aufgebaut werden. Die in Gleichung (3) beschriebene Bedingung sollte zur Reduzierung mechanischer Spannungen insbesondere im Temperaturbereich zwischen der Raumtemperatur und der Temperatur beim Verpressen der beiden Glaselemente erfüllt sein. Die Bedingung (3) ist unter anderem auch gerade dann erfüllt, wenn zwei gleiche Gläser verwendet werden. Die für die Lichtquellen verwendeten Leuchtdioden sind typischerweise diffus abstrahlende Flächenstrahler. Die erfindungsgemäße Linse ist gerade für die Kollimierung einer derartigen Lichtquelle besonders geeignet.

Insbesondere können im Verhältnis zur flächigen Lichtquelle relativ kompakte Linsen verwendet werden, die dennoch eine sehr hohe Lichtsammeieffizienz aufweisen. So ist in

Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die

Lichtabstrahlfläche der Lichtquelle zumindest 1/80, vorzugsweise mindestens 1/40, besonders bevorzugt

mindestens 1/30 der Fläche der Lichteintrittsfläche oder der auf die Ebene der Lichteintrittsfläche projizierten Lichtaustrittsfläche beträgt. Die Fläche der einen oder mehreren Leuchtdioden kann ohne erhebliche Verluste der Sammeleffizienz sogar bis zu einem 1/5 der optisch

relevanten Fläche der Linse, nämlich der auf die Ebene der Lichteintrittsfläche projizierten Lichtaustrittsfläche betragen. Im Falle mehrerer Leuchtdioden wird im Sinne der Erfindung die leuchtende Gesamtfläche der Leuchdioden, welche der Linse zugeordnet sind, als Lichtabstrahlfläche erachtet. Sind die Leuchtdioden beabstandet, so ist die Lichtabstrahlfläche im Sinne der Erfindung durch die kleinste konvexe Fläche gegeben, in welcher die Lichtabstrahlflächen der einzelnen Leuchtdioden vollständig enthalten sind.

Weiterhin hat sich überraschend gezeigt, dass die

Sammeleffizienz und damit die in Abstrahlrichtung erzielte Helligkeit besonders hoch ist, wenn die Brennweite der Linse so groß ist, dass der Brennpunkt eines auf die

Lichtaustrittsfläche treffenden Parallelstrahls außerhalb der Linse in einem Abstand zur Lichteintrittsfläche liegt und die zumindest eine Leuchtdiode der Lichtquelle, beziehungsweise genauer deren Lichtabstrahlfläche in axialer Richtung zwischen der Position dieses Brennpunkts und der Lichteintrittsfläche angeordnet ist. Mit anderen Worten ergibt sich damit eine positive hintere Schnittweite (engl, back-focal-length) , also ein positiver Abstand des Brennpunkts zur Linsenrückseite.

Mit der Erfindung können auch sehr kompakte

Beleuchtungseinrichtungen mit mehreren nebeneinander angeordneten Linsen und zugeordneten Leuchtdioden

geschaffen werden. Zur Herstellung einer

Beleuchtungsanordnung mit einem Array solcher Linsen bietet es sich insbesondere an, die asphärischen Linsen auf einem gemeinsamen Grundkörper zu vereinen, da ohnehin ein großer Teil des Volumens der Einzellinsen durch den Abschnitt zwischen Lichteintrittsfläche und Rand der asphärischen Brechfläche gegeben ist.

In Weiterbildung der Erfindung wird daher eine

Beleuchtungseinrichtung mit einer Linsenanordnung mit mehreren nebeneinander angeordneten asphärischen

Linsenflächen vorgesehen, wobei die Linsenflächen auf einem gemeinsamen Grundkörper angeordnet, beziehungsweise über diesen miteinander verbunden sind, wobei der Grundkörper eine den Linsenflächen gegenüberliegende plane Seite aufweist, und beabstandet zu der gegenüberliegenden planen Fläche mehrere Leuchtdioden angeordnet sind, und wobei die Leuchtdioden den verschiedenen Linsenflächen zugeordnet sind, so dass das Licht der Leuchtdioden jeweils von verschiedenen asphärischen Linsenflächen kollimiert wird.

Eine erfindungsgemäße Beleuchtungsanordnung kann für allgemeine Beleuchtungszwecke verwendet werden. Besondere Anwendungsfeider liegen im Bereich medizinischer

Beleuchtungseinrichtungen, sowie für Projektoren.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von

Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die

beigeschlossenen Zeichnungen näher erläutert . Dabei

verweisen gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder

entsprechende Elemente. Es zeigen:

Fig . 1 eine Linse für eine Beleuchtungseinrichtung,

Fig . 2 eine Beleuchtungsanordnung mit simuliertem

Strahlengang

Fig . 3 eine Linsenanordnung mit mehreren über einen

Grundkörper zusammenhängenden Linsen,

Fig . 4 eine Beleuchtungseinrichtung mit einer

Linsenanordnung gemäß Fig . 3 , Fig. 5 eine Pressform mit eingelegten Glaselementen zur Herstellung einer Linsenanordnung, und

Fig. 6 eine mittels der Pressform erhaltene

Linsenanordnung .

Fig. 1 zeigt in Querschnittansicht eine Linse 3 für eine erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung. Die Linse 3 umfasst eine konvex asphärische Lichtaustrittsfläche 5 und eine plane Lichteintrittsfläche 9. Allgemein kann die Linse 3 daher auch als plankonvexe Linse bezeichnet werden.

Das Volumen der Linse kann in zwei Teile untergliedert werden, die in Fig. 1 durch unterschiedliche Schraffüren hervorgehoben sind. Die Bereiche können, müssen aber nicht aus zwei verschiedenen Materialien bestehen. Der Bereich 9 ist das von der asphärischen Lichtaustrittsfläche 5 bis zu deren Rand 13 umschlossene Volumen. Der Bereich 11 ist der axiale Abschnitt der Linse zwischen dem Rand 13 und der Lichteintrittsfläche 9. Im Falle einer Einzellinse, wie sie Fig. 1 zeigt, wird dieser Abschnitt auch gleichzeitig durch die seitliche Linsenoberfläche begrenzt, so dass die Linse 3 sich aus einem asphärischen Teil mit dem Volumen 7 und einem zylindrischen Teil mit dem Volumen des Abschnitts 11 zusammensetzt.

Der zylindrische Abschnitt kann gegebenenfalls auch breiter sein, als der Abschnitt 11. In diesem Fall ist die

Lichteintrittsfläche 9 größer als die Projektion der

Lichtaustrittsfläche auf die Ebene der

Lichtaustrittsfläche. Um eine hohe Sammeleffizienz zu erreichen, ist die Lichteintrittsfläche aber vorzugsweise - entsprechend dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel - so groß wie die Projektion der Lichtaustrittsfläche auf die Ebene der Lichtaustrittsfläche, beziehungsweise die von dem auf die Lichtaustrittsfläche projizierten Rand 13 umschlossene Fläche, oder auch gegebenenfalls noch größer.

Mit anderen Worten ist das Volumen der Linse 3 zumindest durch das von der Lichtaustrittsfläche 5 umschlossenen Volumen 7 und dem Zylindervolumen eines Zylinders gegeben, dessen Stirnfläche durch die Lichteintrittsfläche 9

definiert wird und dessen Höhe durch die axiale Distanz von der Lichteintrittsfläche 9 bis zum Rand 13 der

Lichtaustrittsfläche 5 gegeben ist. Aufgrund des Abschnitts 11 ist weiterhin auch die Dicke der Linse 3,

beziehungsweise deren Gesamthöhe 16 um die Dicke dieses Abschnitts 11 größer, als die Pfeilhöhe 12 der

Lichtaustrittsfläche 5, wobei die Pfeilhöhe der

Lichtaustrittsfläche 5 sich bemisst anhand der axialen Distanz zwischen Scheitelpunkt 14 und Rand 13 der

Lichtaustrittsfläche 5.

Der Krümmungsradius der asphärischen Lichtaustrittsfläche 5 am Scheitelpunkt 14, der am Durchstosspunkt der optischen Achse 15 liegt, wird als Polradius bezeichnet. In Fig. 1 ist der Polradius 17 der Lichtaustrittsfläche 5 als Pfeil eingezeichnet. Dem Polradius 17 kann nun die in Fig. 1 eingezeichnete, gedachte Kugel 19 zugeordnet werden, deren Radius dem Polradius 17 entspricht.

Wie anhand von Fig. 1 unmittelbar ersichtlich, ist in

Einklang mit der oben angegebenen Beziehung (2) das

zusammengesetzte Linsenvolumen aus dem Volumen 7 und dem Volumen des zylindrischen Abschnittes 11 deutlich größer als das Volumen der Kugel 19. Dieses große Volumen wird insbesondere durch die große Lichteintrittsfläche 9 der Linse 3 und dem damit verbundenen großen Volumen des

Abschnitts 11 verursacht. Besonders bevorzugt ist dabei insbesondere auch das Volumen des Abschnitts 11 größer als das Volumen 7. Gemäß einem Ausführungsbeispiel hat das Verhältnis zwischen dem

asphärischen Teil, beziehungsweise dem Volumen 7 und dem Zylinderteil der Linse, beziehungsweise dem zylindrischen axialen Abschnitt 11 einen Wert von 0,456, wobei zwei verschiedene Gläser für das Volumen 7 und den Abschnitt 11 verwendet werden. In diesem Ausführungsbeispiel wurde ein Glas mit der Bezeichnung D263 für den Abschnitt 11 und ein Glas mit der Bezeichnung P-LASF47 mit einem Brechungsindex von nd=l,8 für den asphärischen Teil verwendet.

Wird ein noch höherbrechendes Material, zB. das Glas P-SF68 mit nd=2,0 gewählt, sinkt das Verhältnis sogar auf Werte unter 1/3. Eine Simulation liefert dabei bessere

Lichtausbeuten für kleinere Verhältnisse der Volumina.

Dabei ist überraschend, dass mit sinkendem Verhältnis des Volumens 7 zum Volumen 11 der zylindrische Abschnitt 11 immer größer wird und die kollimierend wirkende

Lichtaustrittsfläche sich damit weiter von der

Lichteintrittsfläche entfernt. Aufgrund dessen wäre an sich eine geringere numerische Apertur anzunehmen.

Die Form der asphärischen Lichtaustrittsfläche wird

vorzugsweise allgemein gemäß folgender Beziehung für eine rotationssymmetrische Fläche gewählt: (nach DIN ISO 10110)

In dieser Gleichung bezeichnet der Parameter x die

Koordinate entlang der optischen Achse (sogenannte

Pfeilhöhe) und der Parameter y den radialen Abstand

(Radius) zur optischen Achse. Die Größe r ₀ bezeichnet wieder den Polradius. Der Koeffizient k ist eine Größe, welche die Konizität kennzeichnet und wird auch als

konische Konstante bezeichnet. Weiterhin wird die Form der Fläche, im Speziellen die Abweichung von einer Parabelform noch durch die Koeffizienten α _2η , n= 2, 3, 4 , ...

charakterisiert. Typischerweise ist es ausreichend, in der Summe nach Gleichung (4) Glieder bis höchstens zur zehnten Ordnung (d.h. N=5) zu berücksichtigen.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Linse 3 ein Linsenvolumen von 30,288 mm ³ auf, wobei für die Parameter der Beziehung (4) unter Berücksichtigung von Gliedern bis maximal achter Ordnung gilt:

Für eine solche Linse wurde festgestellt, dass diese mehr als 92 % des Lichtes einer LED einsammeln und nach vorne gerichtet abstrahlen kann. Ohne Beschränkung auf das vorstehende Beispiel können mit einer erfindungsgemäßen Anordnung im Allgemeinen mehr als 70% des von der LED emittierten Lichts durch die Linse 3 eingefangen und nach vorne gerichtet abgestrahlt werden.

Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Beleuchtungsanordnung 1 mit einem simulierten Strahlengang und dem abgestrahlten

Lichtstrahl 2. Die Lichtquelle 21 der Beleuchtungsanordnung 1 umfasst eine Leuchtdiode 22 deren Lichtabstrahlfläche 24 in einem Abstand 28 zur Lichteintrittsfläche 9 der Linse 3 angeordnet ist.

Im Unterschied zu einer Linse eines Pick-Up-Systems besteht erfindungsgemäß die Aufgabe, das Licht der quer zur

optischen Achse ausgedehnten Lichtabstrahlfläche möglichst gut zu kollimieren; d.h. das Licht verlässt die Linse 3 mit einem möglichst geringen Öffnungswinkel.

Eine vollständige Kollimation ist wegen der im Vergleich zur Linse örtlich ausgedehnten, diffus emittierenden

Lichtquelle typischerweise nicht möglich. Als Kollimation wird daher festgelegt, dass mindestens 40%, vorzugsweise mindestens 60% des von der Lichtabstrahlfläche der

Lichtquelle abgestrahlten Lichtes die Linse unter einem Öffnungswinkel kleiner gleich 30° verlässt. Zum Vergleich mit dem tatsächlichen Strahlenbündel ist in Fig. 2 ein gedachter Lichtstrahl 200, welcher einen Öffnungswinkel von 30°, beziehungsweise einen Winkel von 15° zur optischen Achse hat, eingezeichnet.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Position der Leuchtdiode 22 gegenüber der Linse 3 wird ein optimierter kollimierter Strahl erzeugt. Zum Zwecke der Übersichtlichkeit sind dabei allerdings nur von einem einzelnen Punkt der

Lichtabstrahlfläche ausgehende Lichtstrahlen eingezeichnet. Wie anhand von Fig. 2 weiterhin zu erkennen ist, ist der Lichtstrahl 2 nach der Kollimierung durch die Linse 3 divergent. Selbst die paraxialen Teilstrahlen nahe der optischen Achse laufen mit wachsender Entfernung von der Linse auseinander.

Anhand dessen wird ersichtlich, dass die Leuchtdiode 22 so angeordnet ist, dass die axiale Position der

Lichtabstrahlfläche 24 nicht mit dem lichteintrittsseitigen Brennpunkt 26 eines auf die Lichtaustrittsseite treffenden Parallelstrahls zusammenfällt. Insbesondere ist, wie in Fig. 2 gezeigt, die Brennweite der Linse 3 so groß, dass der Brennpunkt 26 eines auf die Lichtaustrittsfläche 5 treffenden Parallelstrahls außerhalb der Linse 3 in einem Abstand zur Lichteintrittsfläche 9 liegt, wobei die

Lichtabstrahlfläche 9 der Leuchtdiode 22 in axialer

Richtung zwischen der Position dieses Brennpunkts 26 und der Lichteintrittsfläche 9 der Linse 3 angeordnet ist.

Diese Abweichung ist sogar erheblich. Bei der Linse 3, wie sie der Simulation der Fig. 2 zugrundegelegt wurde, liegt die Position der Lichtabstrahlfläche deutlich innerhalb der Hälfte der Strecke von der Lichtabstrahlfläche 9 zum

Brennpunkt 26. Die Lichtabstrahlfläche liegt hier sogar noch innerhalb des ersten Drittels dieser an der

Lichteintrittsseite 9 beginnenden Strecke.

Diese beiden vorstehenden Parameter können als allgemein angenommen werden, zumal für die zugrundegelegte Linse 3 ein noch relativ niedriger Brechungsindex an der

Lichteintrittsseite angenommen wurde und ein hoher

Brechungsindex an der Lichteintrittsseite im Allgemeinen noch eine Erniedrigung des Abstands 28 erlaubt. Der geringe Abstand bewirkt eine hohe Sammeleffizienz, wäre aber für abbildende oder auf einen Punkt fokussierende Systeme nur schlecht geeignet. In Weiterbildung der Erfindung ist daher die Lichtabstrahlfläche innerhalb der ersten Hälfte, vorzugsweise innerhalb des ersten Drittels der an der

Lichteintrittsfläche 9 der Linse 3 beginnenden Strecke bis zum lichteintrittsseitigen Brennpunkt 26 angeordnet. Die Einhaltung eines Abstands ist generell günstig, um die Anforderungen an die Fertigungstoleranzen zu erniedrigen und/oder Bauraum für Anschlußstrukturen, wie etwa für

Bonddrähte zu schaffen. Generell, ohne Beschränkung auf die dargestellten Ausführungsbeispiele wird ein Abstand der

Lichtabstrahlfläche zur Lichteintrittsfläche der Linse von mindestens 200 Mikrometern bevorzugt.

Weiterhin hat die Lichtabstrahlfläche 24 der Leuchtdiode 22 auch eine Ausdehnung quer zur Richtung des Lichtstrahls 2, beziehungsweise zur optischen Achse. Zieht man die von weiteren Punkten der Lichtabstrahlfläche 24 abgestrahlten Lichtstrahlen in Betracht, ergibt sich gerade eine bessere Kollimierung des Lichtstrahls für die gegenüber dem

Brennpunkt 26 nähere Position der Lichtabstrahlfläche 24 an der Lichteintrittsfläche 9 der Linse 3.

Die Linse 3, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist, ist aus zwei Glaselementen 30, 33 zusammengesetzt, wobei von einem der Glaselemente, nämlich dem Glaselement 30 die

Lichteintrittsfläche 9 und vom anderen Glaselement

(Glaselement 33) die Lichtaustrittsfläche 5 gebildet wird. Die Linse wird dabei vorzugsweise durch Verpressen,

insbesondere Blankpressen eines ersten Vorformlings auf einer planen Seite eines zweiten Vorformlings, welcher zwei gegenüberliegende planparallele Flächen aufweist,

hergestellt. Der erste Vorformling wird dabei zum

Glaselement 33 und damit zu einer Asphäre umgeformt, dessen Oberfläche die Lichtaustrittsfläche 5 der Linse 3 bildet. Die der Fläche des zweiten Vorformlings , auf welcher der erste Vorformling aufgepresst wird, gegenüberliegende

Fläche bildet die Lichteintrittsfläche 9 der Linse 3. Um die beiden Vorformlinge, beziehungsweise die resultierenden Glaselemente 30, 33 miteinander zu verbinden, wird beim Verpressen an der Grenzfläche zwischen den beiden

Vorformlingen die Klebeviskosität dieser Materialpaarung unterschritten. Das bedeutet, dass die Klebetemperatur der Materialpaarung überschritten wird.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel wurden folgende Parameter der Linse zugrundegelegt :

Das Glas des Glaselements 33 mit der Bezeichnung P-LASF47 hat einen Brechungsindex von 1,8061. Das Glas des

Glaselements 30 hat einen niedrigeren Brechungsindex von 1,5231. Die Dicke des Glaselements 33 zur Dicke des

Glaselements 30 verhält sich wie 2,05 zu 0,55, wobei die Dicke des Glaselements 33 in axialer Richtung gemessen ist von der Grenzfläche der beiden Glaselemente 33 zum

Scheitelpunkt des Glaselements 33. Wie weiterhin anhand von Fig. 2 zu erkennen ist, wird ein Teil des Abschnitts 11 durch das Glaselement 33 gebildet. Es ist also nicht zwingend, dass bei Verwendung einer Linse aus zwei

Glaselementen der Abschnitt 11 vollständig durch eines der Glaselemente gebildet wird.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel wurde eine

Leuchtdiode mit einer Abstrahlfläche von 1mm x 1mm

verwendet, deren Abstand zur Lichteintrittsfläche der Linse 0,5 Millimeter betrug. Die Lichteintrittsfläche der Linse hat in diesem Ausführungsbeispiel einen Durchmesser von 5mm, entsprechend einer Fläche von 19,6 mm ² . Demgemäß weist die Lichtabstrahlfläche 24 der Leuchtdiode eine Fläche von 1/19,6 der Fläche der Lichteintrittsfläche 9 auf. Die Linse hat eine Gesamthöhe von 3,55 Millimetern, einen konvexen Polradius von -2,14101 Millimetern, eine konische Konstante k=-6, 913545. Der Parameter cc ₄ beträgt - 4,71584E-2, der Parameter oc _s beträgt 4,13144E-3 und der Parameter a ₈ beträgt -l,86246E-4. Das Glaselement 33 weist eine Dicke von 3,0 Millimetern auf und ist aus Glas mit einer Brechzahl von 1,80 und das Glaselement 30 aus Glas mit einer Brechzahl von 1,52 und einer Dicke von 0,55 Millimetern gefertigt. Mit dieser Anordnung konnte bei beidseitig entspiegelter Linse ein Öffnungswinkel von 25° für 82% der von der Leuchtdiode abgestrahlten

Lichtintensität erzielt werden.

Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht nicht nur eine sehr gute Kollimierung flächiger Leuchtdioden. Es hat sich auch gezeigt, dass die Kollimierung weiterhin auch nahezu farbunabhängig ist. Damit eignet sich die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung besonders auch für mehrfarbige

Leuchtdioden oder Weisslicht-Leuchtdioden. Wie unter anderem bei Mehrfarben-Leuchtdioden kann also auch die Leuchtdiode 22 durch mehrere nebeneinander angeordnete Leuchtdioden ersetzt werden.

Bei den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen wurde eine einzelne Linse für eine Beleuchtungsanordnung

verwendet. Es ist aber auch möglich, zur Erzielung höherer Lichtintensitäten mehrere Linsen und zugeordnete

Leuchtdioden nebeneinander anzuordnen. Dazu kann

insbesondere auch eine Linsenanordnung mit mehreren nebeneinander angeordneten asphärischen Linsenflächen vorgesehen werden, welche auf einem gemeinsamen Grundkörper angeordnet sind, der eine den Linsenflächen

gegenüberliegende plane Seite aufweist, wobei beabstandet zu der gegenüberliegenden planen Fläche mehrere

Leuchtdioden angeordnet sind, so dass das Licht der

Leuchtdioden jeweils von verschiedenen asphärischen

Linsenflächen kollimiert wird.

Eine solche Linsenanordnung 100 mit mehreren in einem gemeinsamen Grundkörper 101 vereinigten Linsen 103 ist in den Fig. 3 und 4 dargestellt. Dabei zeigt Fig. 3 eine

Aufsicht. Fig. 4 zeigt in Seitenansicht eine

Beleuchtungseinrichtung mit einer solchen Linsenanordnung 100 und einer entsprechenden Lichtquelle 21 mit mehreren Leuchtdioden 22. Die Leuchtdioden 21 sind auf einem Träger 35 befestigt. Vorzugsweise wird eine Leiterplatte als

Träger 35 verwendet, auf welcher die Leuchtdioden 22 aufgelötet sind. Diese Anordnung bietet neben dem kompakten Aufbau auch den Vorteil, dass die Positionen der

Leuchtdioden 22 in einem Schritt zu den Positionen der optischen Achsen der Linsen ausgerichtet werden können. Dies senkt den Justageaufwand gegenüber einer Anordnung von Einzellinsen, die jede für sich zur zugeordneten

Leuchtdiode auszurichten sind, erheblich.

Die Linsenanordnung 100 und der Träger 35 sind mit einer Halterung 37 zueinander unter Einhaltung eines Abstands 28 zwischen den Lichtabstrahlflächen 24 und den

Lichteintrittsflächen 9 der Linsen, welche durch die gemeinsame plane Seite 90 des Grundkörpers 101 definiert werden, fixiert. Nachfolgend wird ein Herstellungsverfahren für eine solche Linsenanordnung 100 beschrieben, welches analog auch für die Herstellung von Einzellinsen entsprechend der

Ausführungsbeispiele der Fig. 1 und 2 angewendet werden kann. Das Verfahren basiert darauf, dass zur Herstellung der Linse 3 oder der Linsenanordnung 100 ein erster

Vorformling mit einen zweiten Vorformling verpresst, insbesondere unter Blankpressen verpresst wird, wobei der erste Vorformling auf einer planen Seite des zweiten

Vorformlings aufgepresst und dabei der erste Vorformling zu einer Asphäre umgeformt wird.

Die zur verpressten Seite gegenüberliegende plane Fläche des zweiten Vorformlings, auf welcher der erste Vorformling aufgepresst wird, bildet die Lichteintrittsfläche 9 der

Linse 3, beziehungsweise der Linsen 103 der Linsenanordnung 100. Zur Verbindung wird beim Verpressen an der

Grenzfläche zwischen den beiden Vorformlingen die

Klebeviskosität unterschritten. Dabei erfolgt beim

Aufeinanderpressen deren direkte Verklebung unter

Erweichung zumindest eines der Gläser der Glaselemente. Besonders bevorzugt werden entweder gleiche Gläser oder solche mit sehr ähnlichen Temperaturausdehungskoeffizienten verwendet, für die insbesondere die oben angegebene

Beziehung (3) gilt.

Das Blankpressverfahren funktioniert dabei wie folgt:

Beide Glaselemente oder Vorformlinge werden in eine Form eingelegt . Dann wird die Form geschlossen und auf eine Temperatur aufgeheizt, bei der beide Gläser miteinander verkleben. Bei erreichter Temperatur erfolgt das Pressen, anschließend wird die Form abgekühlt und geöffnet und die Linse 3 oder die Linsenanordnung 100 kann entnommen werden. Gegebenenfalls kann noch eine Nachbearbeitung der

Oberfläche, beispielsweise durch Nachpolieren erfolgen. Ein kritischer Parameter beim Verpressen ist die Temperatur, denn die Gläser sollten nicht mit der Pressform

verschmelzen/verkleben. Um dies zu vermeiden, können geeignete Materialien der Form und/oder Beschichtungen auf der Form verwendet werden. Ein geeignetes Material zur Vermeidung eines Anklebens ist z.B. eine Platin- Iridium- Legierung. Alternativ oder zusätzlich möglich ist auch, ein Trennmittel, wie BN, Graphit, Ruß, auf der Form zu

verwenden .

Fig. 5 zeigt eine Pressform 40 mit eingelegten

Glaselementen. Die Pressform 40 weist zwei Formhälften 41, 42 mit Pressflächen 43, beziehungsweise 44 auf. Auf die plane Pressfläche 43 der Formhälfte 41 ist als zweites Glaselement ein Glaselement 30 mit zwei planen Flächen aufgelegt. Die Pressfläche 44 der Formhälfte 42 weist die zur Herstellung der asphärischen Brechfläche komplementären Vertiefungen 46 auf.

In den Vertiefungen 46 werden die ersten Glaselemente 33 angeordnet, die beim Erreichen der Klebeviskosität und dem Verpressen zu ashärischen Glaselementen umgeformt werden, so dass eine wie in Fig. 6 dargestellte Linsenanordnung 100 erhalten wird. Bei dieser Linsenanordnung wird der

Grundkörper durch das zweite Glaselement 30 und das von den asphärischen Linsenflächen umschlossene Volumen 5 durch die ersten Glaselemente 33 gebildet. Die Pressflächen 41, 43 sind mit einer Antihaftbeschichtung 45 beschichtet.

Anstelle oder zusätzlich zu dieser Antihaftbeschichtung 45 kann auch eine Schicht eines Trennmittels verwendet werden. Ein Verkleben eines Glases erfolgt im Allgemeinen bei einer Glasviskosität von kleiner 1-10 ^"10 dPa-s. Die genaue

Klebeviskosität ist abhängig von der Materialpaarung. So kann durch eine geschickte Wahl der

Presswerkzeugbeschichtung die Klebeviskosität zur Form verringert werden. Damit wird es möglich, die Form 40 so weit aufzuheizen, dass die Kontaktstelle zwischen den

Gläsern der Glaselemente 30, 33 zwar die ihnen eigene

Klebeviskosität erreicht, aber an den Kontaktstellen zu den Formen wird die unterschiedliche, insbesondere geringere Klebeviskosität nicht erreicht.

Wenn eine optische Fläche eine einfache Geometrie

(Planfläche, Sphäre) aufweist, kann anstelle oder

zusätzlich zur Antihaftbeschichtung 45 auch ein Trennmittel verwendet werden, das einfach abpoliert wird. Wird ein Trennmittel verwendet, so kann die Form, welche mit

Trennmittel beschichtet ist, sehr viel heißer gefahren werden.

Mit dem Verfahren, insbesondere auch mit einer Antihaft- oder Trennmittelbeschichtung ist es möglich, hinsichtlich ihrer Temperaturausdehnungskoeffizienten und

Erweichungspunkte sehr ähnliche, sogar gleiche Gläser für die Glaselemente 30, 33 zu verwenden. Dies ermöglicht unter anderem auch, ebenso hohe Brechungsindizes an der

Lichteintrittsfläche wie an der Lichtaustrittsfläche der Linse 3, beziehungsweise der Linsen 103 bereitzustellen.

Obwohl Linsen verwendet werden, die sehr steile Flanken haben, können Linsen mit kleinen Durchmessern verwendet werden und es kann insgesamt eine Anordnung mit nur kleinem Bauraum und entsprechend hoher Leuchtkraft erzielt werden.

Die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung, insbesondere mit einer Linsenanordnung, wie sie etwa in Fig. 4 gezeigt ist, kann weiterhin als hocheffiziente Lichtquelle für faseroptische Beleuchtungsanwendungen eingesetzt werden.

Um bei der Verwendung mehrere Linsen 103 eine optimale Lichtmischung zu erreichen und die Entstehung von

Farbsäumen zu vermeiden, hat es sich weiterhin als

überraschend günstig erwiesen, wenn der optische

Schwerpunkt der Linsenanordnung 50 seitlich verschoben zur optischen Achse 51 oder Mittenachse einer nachgeschalteten Optik wie beispielsweise einer faseroptischen Einrichtung angeordnet wird. Zur Verdeutlichung dieser Anordnung sind in Fig. 3 der optische Schwerpunkt 50 der Linsenanordnung 100 und eine entsprechend seitlich verschobene optische Achse 51 einer nachgeschalteten Optik eingezeichnet. Mit anderen Worten ist damit keine der Linsen 103 in Koinzidenz mit der optischen Achse 51 der Faser/des Faserbündels.

Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die Erfindung nicht auf die vorstehenden Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern vielmehr im Rahmen der Ansprüche variiert werden kann. Bezugszeichenliste

1 Beleuchtungseinrichtung

2 Lichtstrahl

3 Linse

5 asphärische Lichtaustrittsfläche

7 von 5 umschlossenes Volumen

9 plane Lichteintrittsfläche

11 axialer Abschnitt von 3 zwischen 13 und 9

12 Pfeilhöhe von 3

13 Rand von 5

14 Scheitelpunkt

15 optische Achse von 3

16 Gesamthöhe von 3

17 Polradius

19 gedachte Kugel mit Radius 17

21 Lichtquelle

22 Leuchtdiode

24 Lichtabstrahlfläche von 22

26 lichtaustrittsseitiger Brennpunkt von 3 28 Abstand von 24 zu 9

30, 33 Glaselemente

35 Träger

37 Halterung

40 Pressform

41, 42 Pressformhälften

50 optischer Schwerpunkt von 100

51 optische Achse einer nachgeschalteten Optik 90 plane Seite von 101

100 Linsenanordnung

101 Grundkörper von 100

103 Linsen von 100

200 gedachter Lichtstrahl mit 30° Öffnungswinkel