Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchmischung von Licht, ein Verfahren zu deren Herstel- lung sowie Verwendungen der Lichtmischvorrichtung.

Stand der Technik

Bei verschiedenen Beleuchtungsanwendungen kann eine gleichmäßige Ausleuchtung, etwa hinsichtlich des Intensi ^¬ tätsverlaufs bzw. der spektralen Verteilung, von Interes- se sein. Um beispielsweise eine inhomogene Leuchtdichte ^¬ verteilung einer Lichtquelle auszugleichen, ist es insoweit aus dem Stand der Technik bekannt, der Lichtquelle nachgelagert eine transmissive Verblendung mit Streumit ^¬ teln vorzusehen, etwa eingebetteten Streupartikeln. Die diffuse Streuung kann jedoch erstens die abgegebene Leis ^¬ tung schon aufgrund von Absorptionseffekten prinzipiell verringern und zweitens auch eine „virtuelle Lichtquelle" mit ungünstiger Abstrahlwinkel-Verteilung schaffen; deren Abstrahlcharakteristik kann etwa näherungsweise lambertsch sein, sodass beispielsweise auch zuvor kollimiertes Licht aufgeweitet wird.

Der folgenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine gegenüber dem Stand der Technik vorteilhafte Vorrichtung zur Durchmischung von Licht anzugeben. Darstellung der Erfindung

Erfindungsgemäß löst diese Aufgabe eine Vorrichtung zur Durchmischung und zudem Umlenkung von Licht mit einer Vielzahl von Linsen, die jeweils eine Licht brechende Fläche und einen Transmissionskörper aufweisen und eine Brennweite f haben und solchermaßen nebeneinander angeordnet sind, dass die Licht brechenden Flächen flächig nebeneinander liegen; dabei ist die optische Vorrichtung dazu ausgelegt, durch die Licht brechenden Flächen eintretendes Licht so zu reflektieren, dass das Licht nach der Reflexion wieder durch die Licht brechenden Flächen austritt, wobei die zwischen dem Eintreten und dem Aus ^¬ treten zurückgelegte Lichtwegstrecke größer ist als die 0,5-fache und kleiner als die 1,8-fache effektive Brenn ^¬ weite f _aus der jeweiligen Linse („Austrittslinse"), durch deren Licht brechende Fläche das Licht austritt („Aus ^¬ trittsfläche") .

Die Lichtwegstrecke ist in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt größer als die 0,5-, 0,6-, 0,7-, 0,8- bzw. 0,9- fache effektive Brennweite f _aus der Austrittslinse und (davon unabhängig) in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt kleiner als die 1,7-, 1,6-, 1,5-, 1,4-, 1,3-, 1,2- bzw. 1,1-fache effektive Brennweite f _aus der Austrittslin- se; besonders bevorzugt ist die Lichtwegstrecke gleich der effektiven Brennweite f _aus der Austrittslinse, ist die Eintrittsfläche also in deren Brennpunkt angeordnet. Die Begriffe „Brennweite" und „Brennpunkt" beziehen sich da ^¬ bei im Allgemeinen nicht zwingend auf ein parallel zur optischen Linsenachse einfallendes Strahlenbündel, son ^¬ dern auf das ein jeweiliges Linsenpaar durchsetzendes Strahlenbündel .

Die „Lichtwegstrecke" wird entlang eines Schwerpunkt ^¬ strahls des die Einheit aus Eintritts- und Austrittslinse durchsetzenden Lichts betrachtet (ein Schwerpunktstrahl wird durch Mittelung der nach der Leistung gewichten Strahlen eines Strahlenbündels gebildet) ; die beispiels ^¬ weise von Strahlen am Rand des jeweiligen Strahlenbündels (das Eintritts- und Austrittslinse durchsetzt) zurückge ^¬ legte Wegstrecke weicht von der Lichtwegstrecke ab. Die „effektive Brennweite" der Austrittslinse (und auch der Eintrittslinse) ergibt sich aus der Brennweite f der jeweiligen Linse (bestimmt durch die Wölbung der Licht brechenden Fläche und das Material des Transmissionskörpers) und den Abbildungseigenschaften der Reflexion; etwa im Falle einer gekrümmten Reflexionsfläche wird die ef ^¬ fektive Brennweite also durch die Brennweite der Ein ^¬ tritts- oder Austrittslinse und der Brennweite der Refle ^¬ xionsfläche bestimmt. Dabei ist nicht die „globale" Form der Reflexionsfläche maßgeblich, sondern ihre Krümmung in dem Bereich, in welchem das Licht des jeweils betrachte ^¬ ten Linsenpaars reflektiert wird (es sind ja ein Vielzahl Linsenpaare vorgesehen) .

Dieser jeweils ein Linsenpaar betreffende „lokale" Refle ^¬ xionsbereich kann jedoch beispielsweise auch plan ausge- bildet sein, also nicht zur effektiven Brennweite beitra ^¬ gen, und zwar unabhängig von einer nachstehend weiter im Detail erläuterten „globalen" Form einer Reflexionsfläche (wenn diese beispielsweise facettiert und damit lokal plan ausgebildet ist) . Je Linsenpaar ist die Licht brechende Fläche, durch wel ^¬ che das Licht eintritt („Eintrittsfläche"), also im be ^¬ vorzugten Fall in der effektiven Brennweite der Austrittslinse angeordnet - unter Berücksichtigung der Re ^¬ flexion zwischen Ein- und Austritt. Die Austrittslinse kann die Eintrittslinse in ein (der Austrittslinse nach- gelagertes) Fernfeld abbilden, wobei aus unterschiedli ^¬ chen Richtungen auf die Eintrittslinse fallendes Licht der Austrittslinse nachgelagert (in gewissem Abstand da ^¬ zu) überlagert und in diesem Sinn gemischt wird; in ande- ren Worten überlagert ein Paar aus Eintritts- und Aus ^¬ trittslinse aus unterschiedlichen Richtungen einfallendes Licht, das von unterschiedlichen Bereichen einer Lichtquelle emittiert werden kann.

Sind als Lichtquelle also beispielsweise mehrere Leucht- dioden (LEDs) in einer bestimmten (beispielsweise flächigen) Anordnung vorgesehen, fällt das von jeder einzelnen LED abgegebene Licht unter jeweils einem anderen Winkel auf die Eintrittslinse; dabei bestimmen die sich bezogen auf eine Blickrichtung auf die Lichtquelle entlang der optischen Achse „am Rand" der Lichtquelle befindenden LEDs (allgemein: Lichtquellenbereiche) die Winkelvertei ^¬ lung des einfallenden Lichts, also dessen Eintrittsöff ^¬ nungswinkel .

Idealerweise wird das von jeder einzelnen LED stammende Licht durch die Austrittslinse zwar aufgeweitet, ent ^¬ spricht die Winkelverteilung der Austrittslinse nachgela ^¬ gert (der Austrittsöffnungswinkel) jedoch zumindest nähe ^¬ rungsweise dem Eintrittsöffnungswinkel, und zwar aufgrund der Überlagerung des von den unterschiedlichen LEDs stam- menden Lichts (dies gilt im Allgemeinen selbstverständ ^¬ lich für jede Lichtquelle und „LED" ist insoweit als Lichtquellenbereich zu lesen) . In anderen Worten werden Randstrahlen im Ort zu Randstrahlen im Winkel, bleiben jedoch Randstrahlen („Randstrahlentheorem"). Ein funktionales Linsenpaar (aus Eintritts- und Aus ^¬ trittslinse) lässt sich auch als ein durch die Lichtaus ^¬ breitung „funktional" gekoppeltes Linsenpaar beschreiben; von dem durch die Eintrittslinse eintretenden Licht tre- ten in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt mindestens 60 %, 70 %, 80 % bzw. 90 % durch die Austrittslinse aus, koppeln also auf die Austrittsfläche. Insgesamt sind in der optischen Vorrichtung eine Vielzahl Linsen vorgesehen, beispielsweise mehr als 50, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450 bzw. 500 Linsen; von den Vielzahl Linsen sind in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt mindestens 60 %, 70 %, 80 % bzw. 90 % der Linsen Teil eines funktio ^¬ nalen Linsenpaares (im Folgenden der Einfachheit halber auch nur „Linsenpaar") . Vereinfacht gesprochen „sieht" jede der Vielzahl Eintrittslinsen die Lichtquelle aus einer anderen Richtung und ist dementsprechend die Färb- bzw. Helligkeitsvertei ^¬ lung auf jeder Eintrittslinse (die durch die Abbildung zu einer Winkelverteilung wird) eine etwas andere. Es kann so beispielsweise eine Inhomogenität der Quelle, etwa ein Bereich geringerer Leuchtdichte oder auch eine inhomogene Farbverteilung, ausgeglichen werden.

Mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wird das Licht zudem nicht nur durch die Vielzahl funktionalen Linsen- paare geführt, sondern vor dem Austritt reflektiert, etwa an einer Reflexionsfläche. Im einfachsten Fall kann diese Reflexion ohne Änderung der Bündelung des gesamten (nicht nur für ein Linsenpaar betrachteten) Lichts erfolgen, kann also beispielsweise eine in globaler Betrachtung plane Reflexionsfläche vorgesehen sein; es wären dann beispielsweise auch die optischen Achsen der Linsen („op- tische Linsenachsen") im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet (beispielsweise um nicht mehr als 15°, 10° bzw. 5° zueinander verkippt). Im Wesentlichen parallel zur optischen Achse durch die Eintrittslinse fallendes Licht kann in diesem Fall nach der Reflexion wieder durch dieselbe Linse austreten, Eintritts- und Austrittslinse sind also dieselbe Linse.

Die optische Achse der optischen Vorrichtung wird als „optische Reflexionsflächenachse" bezeichnet; der Begriff bezieht sich auf eine durch die Reflexion im Gesamten (bei globaler Betrachtung) festgelegte optische Achse. Im Allgemeinen kann die optische Reflexionsflächenachse der Schwerpunktstrahl des gesamten von der Reflexionsfläche reflektierten Lichts sein; vorzugsweise fällt dieser zu- mindest in einer Schnittebene betrachtet mit einer Sym ^¬ metrieachse der Reflexionsfläche zusammen.

„Globale" Betrachtung der Reflexionsfläche meint einen sich durch Mittelung (gewissermaßen als gleitender Durchschnitt) über eine Vielzahl lokaler Reflexionsbereiche, die jeweils einem Linsenpaar zugeordnet sind, ergebenden Verlauf; die lokalen Reflexionsbereiche müssen dabei im Allgemeinen nicht notwendigerweise stetig sein (eine zu ^¬ sammenhängende Reflexionsfläche bilden) , sind es aber vorzugsweise. Besonders bevorzugt haben die lokalen Ref- lexionsbereiche dieselbe Form wie die Reflexionsfläche, sind also beispielsweise sphärisch.

Ein Vorteil eines erfindungsgemäßen Linsensystems mit ei ^¬ nander zugeordneten Eintritts- und Austrittslinsen sowie einer zwischengeschalteten Reflexion kann schon in der kompakten Bauweise bestehen; vereinfacht gesprochen kann eine entsprechende Vorrichtung aufgrund der Nutzung der Eintrittslinsen als zugleich Austrittslinsen hinsichtlich der in Richtung der optischen Linsenachse genommenen Dicke dünner gebaut werden (die Dicke lässt sich in etwa halbieren) . Etwa im Falle eines einstückigen, also monolithischen, Linsensystems kann dies Material und auch Ge ^¬ wicht sparen helfen.

Zudem kann in einem optischen System gewisser Komplexität, beispielsweise in einem Projektionsgerät, zur Licht- führung auch ein Spiegel bzw. Spiegelsystem notwendig sein; mit einer erfindungsgemäßen Lichtmischvorrichtung können Lichtmischung und Reflexion zugleich erfolgen, was die Integrationstiefe und die Anzahl an Einzelteilen ver ^¬ ringern kann. Mit einer Verringerung der Anzahl der beim Aufbau eines optischen Systems zu handhabenden Einzeltei ^¬ le lassen sich beispielsweise auch die zu berücksichti ^¬ genden Ausrichtungstoleranzen verringern; die erhöhte Integrationstiefe kann also beispielsweise Auslegung und Montage des optischen Systems vereinfachen. Die „Ausbreitung von Licht" könnte beispielsweise mit ei ^¬ ner Vielzahl Strahlen modelliert werden (sogenanntes „Raytracing" , vgl. auch das Ausführungsbeispiel); inso ^¬ weit kann „Licht" auch auf ein Strahlenbündel mit be ^¬ stimmtem Querschnitt und Öffnungswinkel zu lesen sein. Im Übrigen soll die Bezugnahme auf die Ausbreitung von Licht nicht implizieren, dass zur Erfüllung des Gegenstands auch tatsächlich eine solche Ausbreitung erfolgen muss; die erfindungsgemäße Vorrichtung soll für eine entspre ^¬ chende Ausbreitung ausgelegt sein. Weitere bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Ansprüchen sowie der nachstehenden Beschreibung, wobei weiterhin nicht immer im Einzelnen zwischen der Darstellung der Vorrichtung zur Lichtmischung (im Folgenden der Einfachheit halber „Linsenreflektor") bzw. einer Beleuchtungsvorrichtung mit einem entsprechenden Linsenreflektor, den Verfahren zu deren Herstellung sowie vorteilhaften Verwendungen unterschieden wird; jedenfalls implizit ist die Offenbarung hinsichtlich sämtlicher Kategorien zu verstehen.

In bevorzugter Ausgestaltung ist die Lichtwegstrecke größer als die 0,5-fache, in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt größer als die 0,6-, 0,7-, 0,8- bzw. 0,9-fache, effektive Brennweite f _e i _n der Eintrittslinse; von dieser Untergrenze unabhängig ist die Lichtwegstrecke in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt kleiner als die 1,8-, 1,7-, 1,6-, 1,5-, 1,4-, 1,3-, 1,2- bzw. 1,1-fache effek ^¬ tive Brennweite f _e i _n der Eintrittslinse. Im bevorzugten Fall entspricht die Lichtwegstrecke der effektiven Brenn- weite f _e i _{n /} ist die Austrittsfläche also in anderen Worten im Brennpunkt der Eintrittslinse angeordnet. Die Bezie ^¬ hung zwischen der Lichtwegstrecke und der Brennweite f _e i _n der Eintrittslinse wird auch unabhängig von der im Hauptanspruch genannten Beziehung zwischen Lichtwegstrecke und Brennweite f _aus der Austrittslinse als Erfindung gesehen und soll auch in dieser Form offenbart sein (bevorzugt ist gleichwohl die Beziehung in Bezug auf f _e i _n und f _aus zu ^¬ gleich erfüllt) .

Im Allgemeinen kann das Licht (ein Strahlenbündel) auch durch eine Linse eintreten und nach der Reflexion durch dieselbe Linse austreten, können Eintritts- und Aus- trittslinse also dieselbe Linse sein, und zwar für das ^¬ selbe Strahlenbündel. Unabhängig davon kann, auch wenn Eintritts- und Austrittslinse nicht dieselbe Linse sind, die Eintrittslinse zugleich auch Austrittslinse für durch eine andere Eintrittslinse einfallendes Licht sein (und umgekehrt), also für ein anderes Strahlenbündel.

In bevorzugter Ausgestaltung sind die Eintritts- und die Austrittslinse (bezogen auf das jeweilige Strahlenbündel, also das das jeweilige Linsenpaar durchsetzende Licht) nicht dieselbe Linse, sind Eintritts- und Austrittslinse also nicht nur begrifflich, sondern auch körperlich voneinander verschieden („zwei separate Linsen").

Weiter bevorzugt hat das ein solches Linsenpaar separater Linsen durchsetzende Strahlenbündel der Eintrittsfläche der Eintrittslinse vorgelagert einen anderen Winkel zur optischen Reflexionsflächenachse als der Austrittsfläche der Austrittslinse nachgelagert; in anderen Worten wird das Licht durch die Reflexion nicht nur umgelenkt (wie etwa im Falle einer planen Reflexionsfläche) , sondern än- dert die Reflexion (global betrachtet) die Bündelung des Lichts .

Es kann also beispielsweise ein divergentes Strahlenbün ^¬ del, beispielsweise von einer Lichtquelle mit Lambertscher Abstrahlcharakteristik emittiertes Licht, kollimiert werden. „Kollimation" meint im Allgemeinen zumindest eine Verringerung des Öffnungswinkels; dieser kann infolge der Kollimation dem Linsenreflektor nachgelagert beispielsweise um mindestens 25 %, 50 % oder 75 % verringert sein bzw. (etwa im Falle einer Lichtquelle mit Lambertscher Abstrahlcharakteristik) kleiner als 60°, 40° oder 20° sein.

Im Allgemeinen kann der Linsenreflektor selbstverständlich nicht nur zur Kollimation genutzt werden, sondern ließe sich mit einer von der Seite des eintretenden/austretenden Lichts gesehen (wie im Falle der Kollimation) konkaven Reflexionsfläche auch eine Fokussierung eines im Wesentlichen kollimierten Strahlenbündels errei ^¬ chen (die Richtung des Lichts ist umkehrbar) ; generell muss zudem auch nicht notwendigerweise eine konkave Ref ^¬ lexionsfläche vorgesehen werden, sondern könnte auch mit einer konkaven Reflexionsfläche (nach Art einer Streulinse) ein Strahlenbündel aufgeweitet (und zugleich durch ^¬ mischt) werden. Bevorzugt ist gleichwohl ein Linsenreflektor mit von der Lichtquelle aus gesehen konkaver Reflexionsfläche, der zur Kollimation (und aufgrund der Linsenpaare) zugleich Mischung des Lichts verwendet wird.

Funktionale Linsenpaare, bei denen Eintritts- und Aus- trittslinse identisch sind, und funktionale Linsenpaare, bei denen Eintritts- und Austrittslinse auseinanderfal ^¬ len, können auch gemeinsam in einem Linsenreflektor vorgesehen werden; erstere können etwa im Falle eines konka ^¬ ven Linsenreflektors für achsnahes Licht genutzt werden, also für sich bei kollimierender Nutzung mit geringem Verkippungswinkel zur optischen Reflexionsflächenachse ausbreitende Strahlenbündel. Mit zunehmendem

Verkippungswinkel müsste eine Linse, damit sie zugleich Eintritts- und Austrittslinse sein kann, einen zunehmend großen Akzeptanzwinkel haben, was zumindest technischen Aufwand bedeutet; für größere Verkippungswinkel von bei ^¬ spielsweise mehr als 10°, 20° oder 30° werden deshalb in bevorzugter Ausgestaltung je funktionalem Linsenpaar zwei separate Linsen vorgesehen. In bevorzugter Ausgestaltung sind die Licht brechenden Flächen von Eintritts- und Austrittslinse unmittelbar ne ^¬ beneinander angeordnet, also nächst benachbart; vorzugs ^¬ weise grenzen die Licht brechenden Flächen aneinander, gibt es also beispielsweise keinen Zwischenbereich, also zum Beispiel keine Linseneinfassung.

Es können beispielsweise mindestens 30 %, 40 %, 50 %, 60 % bzw. 70 % der funktionalen Linsenpaare solche nächst benachbarten Linsen sein; im Folgenden werden nächst benachbarte Linsenpaare auch als Linsenpaare „1. Ordnung" bezeichnet (und sind dementsprechend Linsenpaare mit identischer Eintritts- und Austrittslinse Linsenpaare „0. Ordnung") .

Etwa im Falle eines Linsenreflektors mit konkaver Form können mit zunehmendem Verkippungswinkel zur optischen Reflexionsflächenachse an funktionale Linsenpaare 1. Ord ^¬ nung auch funktionale Linsenpaare 2. bzw. höherer Ordnung anschließen, beispielsweise bei Verkippungswinkeln von mehr als 75°, 80° bzw. 85°. Bei funktionalen Linsenpaaren 2. Ordnung sind Eintritts- und Austrittslinse nicht nächst benachbart, sondern liegt eine weitere Linse da ^¬ zwischen, deren Licht brechende Fläche im Idealfall (also beispielsweise von Streu- bzw. anderen „Schmutzeffekten" abgesehen) nicht mit dem sie einfassenden funktionalen Linsenpaar wechselwirkt (in lokaler Betrachtung) ; global können die Strahlenbündel den Austrittsflächen nachgela ^¬ gert selbstverständlich überlappen.

In bevorzugter Ausgestaltung können die Linsen mit zunehmendem Verkippungswinkel zur optischen Reflexionsflächen- achse mit abnehmender Transmissionskörperdicke und/oder zunehmender Apertur vorgesehen sein. Die Transmissionskörperdicke wird jeweils in Richtung der optischen Linsenachse der jeweiligen Linse genommen; die Apertur betrifft den freien Querschnitt, welchen das Licht durch- setzen kann. Mit zunehmendem Abstand der Linsen zur optischen Reflexionsflächenachse, also mit zunehmendem Verkippungswinkel, kann also einerseits die Apertur zu ^¬ nehmen; da die effektive Fläche, die eine Linse von einer Lichtquelle „sieht", mit zunehmendem Verkippungswinkel abnimmt, kann so die Lichtmenge je Eintrittslinse bei ^¬ spielsweise auch näherungsweise gleich gehalten werden.

Die Apertur der Linsen muss dabei selbstverständlich nicht durchgehend zunehmen (gleichermaßen muss die Trans ^¬ missionskörperdicke nicht durchgehend abnehmen) , sondern kann beispielsweise über einen Winkelbereich von mindestens 10°, 20°, 30°, 40° bzw. 50° zunehmen (die Transmis ^¬ sionskörperdicke kann abnehmen) , und zwar vorzugsweise in einem Bereich maximaler Verkippungswinkel, also am Rand des Linsenreflektors. Sofern Linsen mit unterschiedlicher Transmissionskörperdicke vorgesehen sind, liegen die Licht brechenden Flächen (Tangenten an deren jeweiligen Scheitelpunkt) zumindest abschnittsweise nicht parallel zur Reflexionsfläche (zu Tangenten an die Reflexionsfläche im Schnittpunkt mit den optischen Linsenachsen) ; ansonsten ist ein paralleler Verlauf der Licht brechenden Flächen zu der Reflexions ^¬ fläche bevorzugt.

Eine vorzugsweise zur Reflexion vorgesehene Reflexions ^¬ fläche ist besonders bevorzugt eine verspiegelte Fläche, beispielsweise eine Interferenzfläche oder eine mittels eines Metallfilms verspiegelte Fläche. Im Allgemeinen kann das Licht indes selbstverständlich auch durch Totalreflexion zur Austrittslinse reflektiert werden; es kann beispielsweise die der Eintrittsfläche entgegengesetzte Seite des Transmissionskörpers gegenüber der Ausbrei ^¬ tungsrichtung des Lichts der Eintrittsfläche nachgelagert so geneigt sein, dass die Totalreflexionsbedingung erfüllt ist (mit einer Vielzahl die Totalreflexionsbedingung erfüllenden Flächen kann das Licht auch „um eine Kurve" geführt werden) . Bevorzugt ist gleichwohl eine VerSpiegelung .

In einer die optische Reflexionsflächenachse beinhalten ^¬ den Schnittebene kann die Reflexionsfläche im Allgemeinen beispielsweise auch eine asphärische Form haben; vorzugs- weise hat die Reflexionsfläche zumindest abschnittsweise eine sphärische, konische, elliptische, hyperbolische und/oder parabolische Form (kann also auch aus mehreren dieser Formen zusammengesetzt sein) . Besonders bevorzugt hat die Reflexionsfläche genau eine der genannten Formen, und zwar in einem Flächenbereich von in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt mindestens 70 %, 80 %, 90 % bzw. 95 %.

In Richtung der optischen Reflexionsflächenachse auf die Reflexionsfläche blickend kann diese beispielsweise eine sphärische, elliptische oder polygonische Form haben, et- wa auch eine rechteckige oder hexagonale Form. Eine nicht rotationssymmetrische, als Freiformfläche gestaltete Ref ^¬ lexionsfläche kann insbesondere bei sogenannten „off- axis"-Anwendungen von Interesse, also im Falle einer Schrägbeleuchtung.

Generell kann zwischen Lichtquelle und Linsenreflektor auch eine weitere optische Komponente vorgesehen sein, beispielsweise eine sogenannte Primäroptik (eine Linse beziehungsweise ein Linsensystem) . Im Allgemeinen kann die Reflexionsfläche, wie bereits eingangs erwähnt, auch nicht stetig aus Teilflächen zu ^¬ sammengesetzt sein; vorzugsweise ist sie stetig. Sofern eine Facettierung vorgesehen ist, kann die einzelne Facette asphärisch oder sphärisch, konisch, elliptisch, hy- perbolisch parabolisch und/oder plan sein.

Vorzugsweise ist die Reflexionsfläche am Transmissions ^¬ körper der jeweiligen Linse ausgebildet, und zwar an dessen der Licht brechenden Fläche entgegengesetzter Seite. Das Licht tritt somit an der der Eintritts- /Austrittsfläche entgegengesetzten Seite nicht aus (und wird erst dann reflektiert, um erneut in den Transmissi ^¬ onskörper einzutreten) , sondern bleibt bis zum Austritt durch die Austrittsfläche im Transmissionskörper bzw. geht (vor dem Austritt) unmittelbar in einen benachbarten Transmissionskörper einer benachbarten Linse über.

In bevorzugter Ausgestaltung sind die Transmissionskörper der Vielzahl Linsen monolithisch ausgebildet, liegen zwischen den Transmissionskörpern also keine Materialgrenzen vor. Der monolithische Transmissionskörper kann bei- spielsweise aus einem Volumenmaterial durch Abtragen von Material herausgearbeitet sein, etwa durch Schleifen. In bevorzugter Ausgestaltung wird der monolithische Transmissionskörper in einem Formverfahren hergestellt, wird also einer der Form des monolithischen Transmissionskör- pers entsprechenden Kavität beispielsweise ein erwärmtes Material bzw. ein Ausgangsmaterial zugeführt und gibt die Kavität nach einem An-/Durchhärten den monolithischen Transmissionskörper frei; der monolithische Transmissi ^¬ onskörper kann also beispielsweise spritzgegossen werden. Weiter bevorzugt ist - auch im Falle des monolithischen Transmissionskörpers - die Reflexionsfläche an der den Licht brechenden Flächen entgegengesetzten Seite ausgebildet, und zwar besonders bevorzugt als durchgehende Reflexionsfläche und/oder durch Verspiegelung, etwa mit einer Metallbeschichtung . Das Licht tritt also durch die Eintrittsflächen ein, durchsetzt den monolithischen Transmissionskörper zur Reflexionsfläche hin und nach der Reflexion von dieser weg, um schließlich durch die Austrittsflächen auszutreten; der Linsenreflektor ist inso- weit (zwischen Ein- und Austritt) ein geschlossenes opti ^¬ sches System.

Die Transmissionskörper können beispielsweise auch (bezogen auf die optische Linsenachse zumindest abschnittswei ^¬ se) aus einem Silikon-Material vorgesehen werden, vor- zugsweise einstückig; das Silikon-Material kann dann ent ^¬ weder unmittelbar auf der Reflexionsfläche oder vorzugs ^¬ weise auf einem Glaskörper angeordnet werden, welcher rückseitig verspiegelt ist. Der Transmissionskörper einer Linse setzt sich dann also aus einem Silikon- und einem Glasabschnitt zusammen (Silikon haftet gut auf Glas) . Ein Vorteil dieser Ausführungsform kann darin bestehen, dass die Oberflächenstrukturierung des im Vergleich weichen Silikon-Materials einfacher sein kann, sich also Eintritts- und Austrittsflächen im Wesentlichen ohne Stoßkanten strukturieren lassen. Generell kann eine Linse in Richtung ihrer optischen Linsenachse gesehen auch eine asphärische Form haben. Bevorzugt ist jedoch eine sphärische, elliptische oder poly ^¬ gonische Form, und zwar des Transmissionskörpers und/oder der Licht brechenden Fläche der Linse; es kann also bei- spielsweise ein Transmissionskörper mit hexagonaler Grundform auch mit einer sphärischen Licht brechenden Fläche versehen sein. In bevorzugter Ausgestaltung haben der Transmissionskörper und die Licht brechende Fläche jedoch dieselbe Form. Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat die Licht brechende Fläche einer Linse in einer die optische Linsen ^¬ achse beinhaltenden Schnittebene eine sphärische, ellip ^¬ tische oder polygonische Form.

In dem Linsenreflektor haben dann in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt mindestens 25 %, 50 % bzw. 75 % der Linsen dieselbe Grundform (von Transmissionskörper und/oder Licht brechender Fläche beziehungsweise Licht brechender Fläche im Schnitt) .

Generell, also unabhängig von der spezifischen Linsen- form, können die Linsen beispielsweise aus Glas oder ei ^¬ nem Silikonmaterial vorgesehen sein; bevorzugt sind Kunststoffmaterialien wie beispielsweise Polymethylmeth- acrylat (PMMA) , Polycarbonat (PC) oder Cyclo-Olefin-Copo- lymere (COC) . Im Allgemeinen können die Linsen auch unregelmäßig angeordnet sein; bevorzugt ist eine regelmäßige Anordnung, beispielsweise eine symmetrische bzw. spiralenförmige An ^¬ ordnung. Die Linsen können also beispielsweise in einer die optische Reflexionsflächenachse beinhaltenden Schnittebene bezüglich der optischen Reflexionsflächenachse spiegelsymmetrisch vorgesehen sein und senkrecht zu dieser Schnittebene translationssymmetrisch bzw. rotationssymmetrisch bezüglich der optischen Reflexionsflächen- achse angeordnet werden.

Generell ist nicht notwendigerweise die gesamte Reflexi ^¬ onsfläche mit Linsen bedeckt, sondern kann beispielsweise auch ein Bereich um die optische Reflexionsflächenachse frei bleiben, also etwa ein Bereich der Reflexionsfläche, von welchem das Licht auf beispielsweise eine ausgedehnte Lichtquelle rückreflektiert wird. Es sind in dieser Rei ^¬ henfolge zunehmend bevorzugt mindestens 50 %, 75 % bzw. 90 % der Reflexionsfläche mit Linsen bedeckt.

Die Erfindung betrifft auch eine Beleuchtungsvorrichtung mit einem Linsenreflektor und einer Lichtquelle; die Lichtquelle ist dabei zu der Vielzahl Linsen so angeord ^¬ net, dass das von ihr emittierte Licht den Linsenreflek ^¬ tor in einer zuvor beschriebenen Weise durchsetzt. Sämtliche im Rahmen dieser Offenbarung für den Linsenreflek- tor getroffenen Angaben sind auch auf eine Beleuchtungs ^¬ vorrichtung mit einer Lichtquelle, beispielsweise mit ei ^¬ nem LED-Array, zu lesen.

Gleichermaßen betrifft die Erfindung die Verwendung eines erfindungsgemäßen Linsenreflektors mit einer Lichtquelle und die Anordnung der beiden relativ zueinander solcher- maßen, dass die Lichtausbreitung in einer vorstehend beschriebenen Weise erfolgt.

Ferner richtet sich die Erfindung auch auf ein Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Linsenreflektors. Dabei wird eine Lichtquelle vorgesehen, üblicherweise ei ^¬ ne der späteren Anwendung entsprechende virtuelle Licht ^¬ quelle; eine globale Reflexionsfläche wird in Abhängig ^¬ keit von der gewünschten globalen Lichtformung gewählt, beispielsweise eine (in Bezug auf die Lichtquelle) konka- ve Reflexionsfläche zur Kollimation des Lichts.

Die Lichtquelle wird dann relativ zur Reflexionsfläche positioniert, beispielsweise in deren Brennebene und/oder auf der optischen Reflexionsflächenachse angeordnet; selbstverständlich ist keine dreidimensionale Modellie- rung erforderlich, sondern kann (zunächst) auch ein zweidimensionales Modell erstellt werden.

Im Weiteren wird eine Eintrittslinse mit einer (Licht brechenden) Eintrittsfläche vorgesehen und werden Reflexionsfläche und Linse relativ zueinander angeordnet. Dann wird ein von der (virtuellen) Lichtquelle durch die Eintrittsfläche auf die Reflexionsfläche fallendes Strahlen ^¬ bündel ermittelt. Dabei wird idealerweise das gesamte von der Lichtquelle in Richtung der Eintrittsfläche abgegebe ^¬ ne Licht berücksichtigt, werden also im Falle einer aus- gedehnten Lichtquelle (auch) die von Randbereichen der Lichtquelle abgegebenen Strahlen berücksichtigt; es müs ^¬ sen dann prinzipiell nicht einmal dazwischenliegende Strahlen modelliert werden, weil die Modellierung der Randstrahlen deren Berücksichtigung sicherstellt (Rand- Strahlentheorem) . Dies kann beispielsweise den Berechnungsaufwand reduzieren helfen.

Weiterhin wird eine Austrittslinse mit einer Austritts ^¬ fläche vorgesehen und solchermaßen an der Reflexionsflä- che angeordnet, dass idealerweise das gesamte durch die Eintrittsfläche einfallende Strahlenbündel die Austritts ^¬ fläche durchsetzt. Vorzugsweise wird die Austrittsfläche derart angeordnet, dass die Lichtwegstrecke größer ist als die 0,5-fache und kleiner als die 1,8-fache effektive Brennweite f _e i _n Eintrittslinse (die vorstehend offenbarten bevorzugten Intervalle sollen auch in diesem Zusammenhang offenbart sein) ; in anderen Worten wird die Austrittsflä ^¬ che besonders bevorzugt im Brennpunkt der Eintrittslinse angeordnet . Im Weiteren wird die Brennweite f _aus Austrittslinse derart angepasst, dass die Lichtwegstrecke zwischen Eintritts ^¬ fläche und Austrittsfläche größer ist als die 0,5-fache und kleiner als die 1,8-fache effektive Brennweite f _aus der Austrittslinse; auch in diesem Zusammenhang sollen die vorstehend als bevorzugt offenbarten Intervalle of ^¬ fenbart sein. Üblicherweise wird die Brennweite f _aus der Austrittslinse eingestellt, indem der Krümmungsradius der Austrittsfläche angepasst wird.

Eine Verkippung der Austrittsfläche, also die Orientie- rung einer Normalen auf den Aufpunkt (den Schnittpunkt zwischen Hauptstrahl und Austrittsfläche) , wird bei ^¬ spielsweise zur Konstruktion eines kollimierenden Linsenreflektors so ausgerichtet, dass das Strahlenbündel der Austrittsfläche nachgelagert eine zur optischen Reflexi- onsflächenachse im Wesentlichen parallele Hauptausbrei ^¬ tungsrichtung hat.

Generell können die Eintritts- und die Austrittsfläche auch identisch sein (kann also die Eintrittslinse zu- gleich auch Austrittslinse sein) ; in bevorzugter Ausgestaltung stellt eine von der Eintrittslinse verschiedene Austrittslinse die Austrittsfläche zur Verfügung, die ih ^¬ rerseits zugleich Eintrittsfläche des nächsten funktiona ^¬ len Linsenpaares ist (sind also in dem vorstehend be- schriebenen Konstruktionsverfahren Eintritts- und Austrittslinse auf zwei benachbarte, vorzugsweise nächstbe ^¬ nachbarte, Linsen zu lesen) . In anderen Worten werden also in der eben beschriebenen Weise Linsen nebeneinander positioniert . Vorzugsweise wird nach der Konstruktion eines ersten funktionalen Linsenpaares ein durch eine (zweite) Ein ^¬ trittsfläche, die vorzugsweise der (ersten) Austrittsflä ^¬ che entspricht, fallendes (zweites) Strahlenbündel ermit ^¬ telt; eine dritte Linse, die eine zweite Austrittsfläche zur Verfügung stellt, wird dann in zuvor beschriebener Weise angepasst. Das Verfahren kann bis zu einer n-ten Linse fortgesetzt werden, beispielsweise bis zum Rand der Reflexionsfläche .

Die Erfindung betrifft auch die Verwendung eines erfin- dungsgemäßen Linsenreflektors zur Beleuchtung eines Land ^¬ fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, insbesonde ^¬ re eines Personenkraftwagens; dabei ist eine Verwendung im Bereich der Außenbeleuchtung bevorzugt, etwa für Fernlicht, Abblendlicht und/oder Tagfahrlicht bzw. in den Schlussleuchten und/oder Bremsleuchten. Ein weiteres be- vorzugtes Anwendungsgebiet betrifft die Beleuchtung im Bereich der Medizintechnik, insbesondere die Operations ^¬ feldbeleuchtung .

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungs- beispiels näher erläutert, wobei weiterhin nicht im Ein ^¬ zelnen zwischen den verschiedenen Erfindungskategorien unterschieden wird.

Im Einzelnen zeigt

Fig. 1 eine Beleuchtungsanordnung mit einer flächigen

Lichtquelle und einem erfindungsgemäßen Linsenre ^¬ flektor in einer Schnittdarstellung;

Fig. 2 eine Detaildarstellung eines funktionalen Linsenpaares;

Fig. 3 einen Zwischenschnitt bei der Konstruktion eines funktionalen Linsenpaares;

Fig. 4 die Anpassung der Brennweite der Austrittslinse bei der Konstruktion eines funktionalen Linsenpaares;

Fig. 5 einen erfindungsgemäßen Linsenreflektor in einer

Schrägansicht.

Fig. 1 zeigt einen Linsenreflektor 1 mit einer Vielzahl Linsen 2, die jeweils paarweise als funktionale Linsen ^¬ paare zusammenwirken. Von einer Lichtquelle 3, in diesem Beispiel einem LED-Array mit einer Vielzahl LEDs unter- schiedlicher Farbe, emittiertes Licht wird von dem Lin ^¬ senreflektor 1 kollimiert und zugleich durchmischt, so ^¬ dass also der spektrale Verlauf im Fernfeld einer Überla- gerung der Spektren der einzelnen LEDs entspricht; mit grünen, roten und blauen LEDs lässt sich also beispiels ^¬ weise weißes Mischlicht einstellen.

Jede einzelne Linse 2 a,b ist aus einem Transmissionskör- per 4 mit einer der Lichtquelle 3 zugewandten, Licht bre ^¬ chenden Fläche 5 aufgebaut. Die Transmissionskörper 4 sind einstückig, als monolithischer Transmissionskörper ausgebildet und in einem formenden Verfahren hergestellt. Der monolithische Transmissionskörper aus PMMA ist spritzgegossen.

Von der Lichtquelle 3 fällt Licht auf die (Licht brechen ^¬ de) Eintrittsfläche 5a einer ersten Linse 2a des funktio ^¬ nalen Linsenpaares 2 a,b und durchsetzt die Transmissi ^¬ onskörper 4a, b, um durch die (Licht brechende) Austritts- fläche 5b der zweiten Linse 2b auszutreten, und zwar nach einer Reflexion an der Reflexionsfläche 6, vgl. auch die Detaildarstellung in Figur 2.

Die Reflexionsfläche 6 ist am monolithischen Transmissi ^¬ onskörper ausgebildet, nämlich durch eine Verspiegelung dessen den Licht brechenden Flächen 5a, b entgegengesetzter Seite mittels eines Metallfilms 7.

Das von der Lichtquelle 3 auf die Eintrittsfläche 5a des funktionalen Linsenpaares 2a, b fallende Licht wurde in einer den Figuren zugrunde liegenden Simulation mittels „Ray-Tracing" modelliert; von einem sich von der Lichtquelle 3 zur Eintrittsfläche 5a ausbreitenden Strahlenbündel 7 wurden dabei die Randstrahlen 8 modelliert, wo ^¬ mit auch die zwischen den Randstrahlen 8 liegenden Strahlen berücksichtigt sind (Randstrahlentheorem) . Das Strahlenbündel 7 hat der Eintrittsfläche 5a vorgela ^¬ gert einen Eintrittsöffnungswinkel 9, wobei unterschied ^¬ liche Winkelbereiche des Strahlenbündels 7 mit von unter ^¬ schiedlichen LEDs der Lichtquelle 3 stammendem Licht auf- gefüllt sind; der Eintrittsfläche 5a vorgelagert ist das von den einzelnen LEDs stammende Licht innerhalb des Strahlenbündels 7 voneinander getrennt.

Durch das funktionale Linsenpaar 2a, b wird das Strahlen ^¬ bündel 7, also das von unterschiedlichen Ortsbereichen der Lichtquelle 3 eintreffende Licht, in unterschiedliche Raumwinkel abgebildet. Der Austrittsfläche 5b nachgela ^¬ gert ist, soweit das Strahlenbündel 7 aus einer Vielzahl Sub-Strahlenbündel zusammengesetzt ist, zwar jedes Sub- Strahlenbündel aufgeweitet (vgl. Fig 2, die ein Sub- Strahlenbündel zeigt) ; da die Sub-Strahlenbündel der Aus ^¬ trittsfläche 5b nachgelagert jedoch (von einem geringen Versatz abgesehen) überlagert sind, entspricht der Aus ^¬ trittsöffnungswinkel 10 des Strahlenbündels 11 dem funk ^¬ tionalen Linsenpaar 5a, b nachgelagert im Wesentlichen dem ursprünglichen Eintrittsöffnungswinkel 9. Das von den einzelnen LEDs stammende Licht ist dem funktionalen Linsenpaar 5a, b nachgelagert, allerdings durchmischt.

Die Reflexionsfläche 6 hat in einer ihre optische Refle ^¬ xionsflächenachse 15 beinhaltenden Schnittebene (die der Zeichenebene entspricht) einen parabolischen Verlauf; das von der Lichtquelle 3 näherungsweise Lambertsch mit einer Hauptausbreitungsrichtung entlang der optischen Reflexionsflächenachse 15 abgegebene Licht wird mit der Reflexi ^¬ on kollimiert, der Reflexionsfläche 6 nachgelagert liegt Licht mit einem geringeren Öffnungswinkel vor (der nähe- rungsweise dem Öffnungswinkel 10 jedes einzelnen Strah ^¬ lenbündels entspricht) .

In der Detaildarstellung in Fig. 2 ist zu erkennen, wie die Austrittsfläche 5b im Brennpunkt der ersten Linse 2a angeordnet wird; die erste Linse 2a fokussiert dann das Strahlenbündel auf die Austrittsfläche 5b. Dies lässt sich durch eine Anpassung der in Richtung der optischen Linsenachse 21 genommenen Linsendicke 22 und durch eine Variation des in Flächenrichtung der Reflexionsfläche 6 genommenen Abstands 23 der Linsen 2a, b einstellen.

Um zu einer ersten Linse 2a eine zweite Linse 2b hinzufü ^¬ gen, also ein funktionales Linsenpaar 2a, b zu erzeugen, wird nach einer Anordnung der ersten Linse 2a in einem Abstand zur Reflexionsfläche 6, der in etwa ihrer halben Brennweite f entspricht, die zweite Linse 2b in einem ersten Schritt solchermaßen angeordnet, dass das durch die Eintrittsfläche 5a der ersten Linse 2a eintretende Strahlenbündel 7 nach der Reflexion durch die zweite Linse 2b austritt und die Austrittsfläche 5b insbesondere im Brennpunkt der Eintrittslinse 2a liegt (siehe Figur 2) .

Anschließend wird die Verkippung der Austrittsfläche 5b der Austrittslinse 2b angepasst. Dazu muss nicht das ge ^¬ samte Strahlenbündel 7 modelliert werden, sondern kann auch nur ein Schwerpunktstrahl 26 betrachtet werden; der Schnittpunkt zwischen Schwerpunktstrahl 26 und Eintritts ^¬ fläche 5a beziehungsweise Austrittsfläche 5b wird jeweils als „Aufpunkt" bezeichnet. Die Verkippung der Austritts ^¬ fläche 5b (die Orientierung einer Flächennormalen auf den Aufpunkt 25b) wird angepasst, um den Winkel zwischen der optischen Reflexionsflächenachse 15 und dem Schwerpunkt- strahl 26 der Austrittsfläche 5b nachgelagert einzustel ^¬ len. Um eine gute Kollimation zu erreichen, sollte der Schwerpunktstrahl 26 in etwa parallel zur optischen Reflexionsflächenachse 15 liegen, wie in Figur 3 illus- friert.

Figur 4 illustriert als letzten Schritt der Justage des funktionalen Linsenpaares die Anpassung der Krümmung der Austrittsfläche 5b der Austrittslinse 2b derart, dass vom Aufpunkt 25a der Eintrittsfläche 5a ausgehende Strah- len 41 der Austrittsfläche 5b nachgelagert im Wesentli ^¬ chen parallel verlaufen. Es werden also die Strahlen des (gesamten) Strahlenbündels 7 betrachtet, die den Aufpunkt 25a der Eintrittsfläche 5a durchsetzen und wird die Krümmung der Austrittsfläche 5b so angepasst, dass dieses divergente Strahlenbündel kollimiert wird. Die Eintrittsfläche 5a liegt dann im Brennpunkt der Aus ^¬ trittslinse 2b.

Nach der Justage des ersten funktionalen Linsenpaares kann eine nächste (dritte) Linse an die zweite Linse 2b gesetzt werden; die Austrittsfläche 5b der zweiten Linse 2b wird für das zweite funktionale Linsenpaar zur Ein ^¬ trittsfläche. Die dritte Linse wird, bezogen auf ein durch die Austrittsfläche 5b der zweiten Linse 2b einfal ^¬ lendes zweites Strahlenbündel, im Brennpunkt der zweiten Linse 2b angeordnet und in ihrer Verkippung und Krümmung in einer vorstehend für die zweite Linse 2b beschriebenen Weise angepasst. Die Reflexionsfläche 6 kann so bis zum Rand mit Linsen bestückt werden.

Die Konstruktion des Linsenreflektors 1 erfolgte bislang in einem zweidimensionalen Schnitt; dieser könnte bei- spielsweise senkrecht zur optischen Reflexionsflächenachse 15 extrudiert, also translationssymmetrisch in einem dreidimensionalen Linsenreflektor 1 umgesetzt werden (dieser hätte in Richtung der optischen Reflexionsflä- chenachse 15 darauf blickend eine rechteckige Form) .

Fig. 5 zeigt einen aus der zweidimensionalen Grundform gemäß Fig. 1 durch Rotation um die optische Reflexions ^¬ flächenachse 15 erzeugten Linsenreflektor 1. Die Rotationssymmetrie ist dabei mit einer solchen Zähligkeit ge- wählt, dass eine in Umlaufrichtung genommene Weite einer Linse jeweils in etwa dem vorstehend genannter Linsenab ^¬ stand in den nächst benachbarten Linsen entspricht.