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CN102980133A - 借助led光源的光成形 - Google Patents

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CN102980133A
CN102980133A CN2012103109168A CN201210310916A CN102980133A CN 102980133 A CN102980133 A CN 102980133A CN 2012103109168 A CN2012103109168 A CN 2012103109168A CN 201210310916 A CN201210310916 A CN 201210310916A CN 102980133 A CN102980133 A CN 102980133A
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described optical
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斯特芬·赖切尔
拉尔夫·比尔廷普费尔
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Schott AG
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Abstract

本发明涉及借助LED光源的光成形。尤其涉及一种用于对由LED光源发出的光进行光成形的设备，包括一个或多个LED光源和一个或多个透镜。该设备用于产生适合对特定面、物体或空间照明的、高均匀性的光。在此，一个或多个透镜完成对由一个或多个LED光源发射的光的集束功能和/或准直功能以及成形功能，其中，预先给定几何形状的面在与设备确定的距离上被照亮并且LED光由此成形。在此，光学设备的构造方式可以保持得非常小。

Description

借助LED光源的光成形
技术领域
本发明涉及用于对由LED光源发出的光进行光成形的设备，其包括一个或多个LED光源和一个或多个透镜。该设备用于产生适合对特定面、物体或空间照明的、高均匀性的光。
背景技术
光发射二极管或LED可以构造为人造光源或照明器件。它们可以以多种方式用于面的、物品的或者空间的照明以及也用于灯饰，也就是说为了产生用于装饰性的和艺术性的效果。LED典型地包括当流过电流时发射光的电子半导体器件。所发射的光的颜色，因此二极管的电磁辐射的波长，依赖于半导体材料以及掺杂。一些LED利用所谓的转换材料调节出所希望的颜色，例如蓝色LED的光借助转换材料转化为白色的光。
在本文上下文中，“照明”应理解为物体的、面的或空间的光学的照射或照亮，例如物体的光学照射（例如在显微镜中）或者道路的、通道的或物品的，例如交通标志的照亮。
近年来，LED的光强以及发光效率显著地提高，由此，针对这种光源持续地开拓出其它的应用领域。于是，例如发光效率可以从少于1流明/瓦特提高到多于200流明/瓦特。
如果说起先LED例如为了指示状态用作指示元件，例如在表或仪器中，那么它们如今也用作照明器件，例如在手电筒中。在此期间，光线强的LED也使用在车辆外部照明领域中，例如作为日间行车灯或尾灯。相当新的应用领域为LED光源在街道照明领域中的使用。
例如，DE 10 2004 056 252 A1描述一种带有光学装置的LED光源，其中，该光学装置可以是折射的或衍射的光学器件或者由此的组合。该光学元件同样可以是发光二极管的光耦入其中的纤维光学器件。通过可借助匹配销（Pass-Stiften）调整的设计，所描述的设备适合用作机动车的照明装置。
为了街道的照明，GB 2457971A描述一种光学设备，其包括带有大量LED的壳体，其中，多个LED联合成组并且如此地定向，使得它们照射街道的特定区域。
WO 10069101描述一种光学设备，包括LED光源以及在光出射区域中带有两种不同弯曲的透镜，以便产生带有卵形的或椭圆形的横截面的光辐射。该设备用作投影显示的背景照明。
相反例如为了达到需要的光强需要使用多个应平行地成形出均匀光的光源，那么这种布置对此是不适合的。
DE 10 2009 015 088描述带有多于一个发射UV光的LED的光源。该光源包括LED的分组以及由玻璃制造的、用于捕获和聚集所发射的光的光学构件。通过该光学构件应汇集所发射的光，以便在目标体积中达到非常高的功率密度或者说在电磁辐射的可见波长范围中达到高的光密度。因此出现光的近似点状的密集。因此，近似均匀的、物体的或空间的在面积上均等的照明是不可能的，因为由于点状的密集，功率密度在照亮的具体位置处由内向外地减少。
DE 10 2006 039 705描述一种用于探照灯的透镜附加件，在该探照灯中，为由LED光源组成的阵列配备有透镜附加件。该透镜附加件由数个聚集成透镜组的单透镜组成。此外，DE 10 2004 018 424描述一种包括带透镜的光源的和适用于椭圆面探照灯的照明装置。
最后，在DE 10 2008 048 379中描述一种带有准直光学器件的LED光源。目的如下，即，合适地准直LED光源的宽阔的辐射角度。在此，应同时保证该设备的高的温度耐受性。
通过公知的设备和方法，可以集束和集中LED光源的光。由此，通过集束产生在光辐射的中心带有高的光强度的以及在光辐射的靠外区域带有强烈下降的光强的光辐射。因此，不保证面的或空间的近似均等的和均匀的照明。
发明内容
由此得出本发明的任务。
本发明的目的在于，达到光的特定的成形。例如，这可以是空间的、面的或者物体的借助LED光源的均匀和近似均等的照明。在此，通过由光源发射的光来辐照的被照明面应该尽可能均匀地和均等地被照明。此外，应该也可以达到一定的光分布和向被照明面的边缘的光强衰减，以便例如可以确定从中心到边缘的特定的梯度。
目的也可以是，达到光斑的特定的形状，包括光斑的正方形的、矩形的、多边形的、圆形的或者卵形的形状。
即使当平行使用多个辐射更大光通量（或者说在电磁辐射的不可见波长谱中的辐射通量）的LED光源时，也应该达到尤其是带有预先给定的亮度分布（例如面的均匀的和近似均等的照明）的光斑的所希望的形状。因此，目的也在于，将由多个LED光源发出的光如此地成形，即，使得在被照明的或者说被辐射的物体上或者在被照明的或者说被辐射的空间的面上产生带有所希望的光强分布（例如均匀的、近似均等的亮度）的面式区域。在此，也应该达到LED光源的紧凑的小的构造形式。
这个任务通过包括一个或多个LED光源以及一个或多个透镜的光学设备，根据独立权利要求之一极简单地解决。在此，所述一个或多个透镜完成对由所述一个或多个LED光源发射的光的集束功能和/或准直功能以及成形功能，其中，预先给定几何形状的面在与设备特定的距离上被照亮并且LED光由此成形。
在此，光学设备的构造方式可以特别有利地保持得非常小。
本发明的优选的实施方式和改进方案从各从属权利要求获悉。
“面的均匀的照明”在本发明的含义中理解为，通过依据本发明的照明，被照明面的特定份额具有优选相同的亮度并且因此没有或者仅具有微小的亮度差异。这意味着，被均匀照明的面的每个点的亮度没有或仅很微小地区别于该被均匀照明的面的其它点。
在此优选地，被均匀照明的面的点的亮度从这个区域中所有点的亮度的平均值出发的最小的和最大的偏差位于少于±15%的、优选少于±10%的辐射密度（Strahlungsdichte）的范围内。亮度可以确定为单位面积上的光通量。
本发明可以使电磁辐射成形，由此也可以使在电磁辐射的不可见波长谱中的电磁辐射，例如在紫外的或红外的范围中的电磁辐射，成形。因此，受辐射的面的均匀性也可以在电磁辐射的不可见的波长谱中借助受辐射的面的辐射密度的偏差确定。
为了简单起见而选择随后提及的光学技术方面的量。但在此，本发明或者说光学技术方面的量并不仅局限于电磁辐射的可见的波长谱。
在此，在整个被照明面上被近似均匀照明的面的份额可以是至少60%，优选至少70%并且特别优选多于75%。因此，通过所述光学设备照明的面的主要份额被近似均匀地照明。针对其它光分布，可规定相似的容差。
面的几何形状可以包括大量可能的形状，例如圆形的或者矩形的面，但也有卵形的、星形的或者环形的面。这种列举不应理解为封闭式的。所述光学设备可以与预先给出的几何形状相应地构造。
因此，本发明一方面涉及一个或多个LED光源。典型地，在这类的光源中，半导体的光发射层辐射光。在本发明的含义中，LED光源应理解为每一种包括至少一个发射光的LED光源的布置方案。这种布置方案例如可以为了照明或灯饰的目的，例如作为灯或阅览灯，但也可以为了发送信号而构造。
但是优选地，LED光源为了空间或面的照明或灯饰，例如为了街道或通道的照明而构造。但它也可以用于投影仪或车辆照明。接下来，概括地使用“被照明面”的概念，其中，应该理解为，该概念指的是依据本发明被照亮或被照明的面、空间或物品。
另一方面，所述光学设备涉及至少一个透镜，优选两个或多个透镜。所述一个或多个透镜优选如此地布置，即，它们布置在LED光源后的辐射路径中，并且在有多个透镜的情况下被由LED光源发射的光依次穿越。在此，最近于LED光源布置的透镜构造为会聚透镜，优选构造为准直会聚透镜。在辐射路径中后置的、由此进一步远离LED光源的透镜优选地构造为成形透镜。
因此，会聚透镜在辐射路径方向上使由近似点状的LED光源发出的光集束，反之，成形透镜使如此集束的光产生所希望的形状。在此，该成形透镜优选如此构造，使得，该成形透镜使LED光源发射的光与待照明面相应地成形。不但会聚透镜而且成形透镜可以由单个的或者也可由多个会聚透镜或者成形透镜构造。
因此，LED光源和会聚透镜可以不依赖于待照明面地构造，反之，依赖于待照明面的几何形状地选择成形透镜。
LED光源可以在宽阔的角度中辐射光。在此，角度应理解为由LED光源的中轴出发的两侧的角度区域。典型地，LED光源在±90°的角度区域中辐射光。在此，所辐射的光功率由LED光源的中轴出发随角度增大向外减少。例如在±30°的角度区域中辐射最大份额的光功率。
如果LED光源在由中轴出发的±35°的角度区域中辐射至少50%的光功率，那么这在本发明的含义中是有利的。由此可以达到特别高的效率。
为了在被照明面上达到大的亮度或者说照明强度，所述亮度或者说照明强度例如可能对照亮街道来说是需要的，优选选择带有高光密度的LED光源。光源的高光密度可以通过光源的高光强和/或小的光发射面达到。
带有从大约Lv=15×106cd/m2起的、优选从大约20×106cd/m2起的光密度的LED光源，证实为是有利的。在此，光发射面的大小可以处在少于5mm2的范围中，例如为1mm2或也可比在这之下。
如果可以达到所要求的光密度，那么优选可以使用带有小的光发射面的LED光源。这有如下优点，即，多个LED光源可以彼此相邻地布置在小的空间上并且包括由多个单个LED光源组成的阵列（场）的光源由此可以以紧凑的构造方式构造。
会聚透镜可以在辐射路径中布置在LED光源后。它有如下任务，即，尽可能地使高份额的由LED光源发射的光集束。
在此，尽可能大地选择LED光源的被捕获的辐射角度的宽度。优选地在LED光源的辐射路径中如此地布置有会聚透镜，即，使得该会聚透镜至少捕获LED光源的含有至少50%的光量，优选60%和特别优选多于65%的光量的角度区域。
所属的角度区域由LED光源的规格中得出，并且可以处在大约±45°的角度区域中，以便可以接收大约50%的光量。
由角度区域得出LED光源与会聚透镜之间优选的距离，这是因为该距离影响会聚透镜的大小。这个距离越小，就可以越小地构造会聚透镜。因此，原则上优选尽可能小的距离，该距离理想地近似为零。会聚透镜如此地与LED光源相距，即，使得该会聚透镜可以接收全部的在相应角度区域中发射的光辐射。
会聚透镜与LED光源之间的距离在0mm至5mm的、优选0.3mm至2mm的范围中，在本发明的含义中证实是有利的。在与光发射面的距离为大约1mm的情况下，可以以大约5mm的半径构造圆形的会聚透镜。
由此保证，所发射的光的足够大的份额可以被引导到会聚透镜上并且该会聚透镜可以相应小地构造。
有利地，会聚透镜在背离LED光源的一侧凸形地构造，以便使出射的光集束。在此，曲率半径可以球面地或非球面地构造。由于LED的大的辐射角度，会聚透镜优选具有非球面的自由形状面，从而通过该非球面设计使得LED光源的光可以以直至大约60°的辐射角度入射到会聚透镜中。成本更低廉地制造的球面构造同样是可能的。会聚透镜的高宽比例（
Figure BDA00002064651500071
），由此透镜的高度与宽度的比例为大于0.1。0.5至1.2的高宽比例证实是有利的。
由于距LED光源的小的距离，可以提供特别小的会聚透镜，这些会聚透镜可以捕获所发射的光的大部分并且由于其小的尺寸，非常好地适合LED阵列形式的LED光源。
在LED阵列中，LED光源可以由多个例如可以线式地或面式地布置的单个LED光源组成。在此，LED阵列的单个LED光源的布置可以优选与待照明面的形状相应，以便达到特别高的照明均匀性。
例如，如果矩形面应被均匀地和近似均等地照射，那么LED阵列可以有利地同样矩形地构造。相反，如果需均匀地照射弄圆的，例如圆形的或椭圆形的面，那么LED阵列的单个LED光源同样可以相适应地布置。
但依据被照明面的几何形状布置LED阵列不是本发明的强制性前提。所以，带有卵形的几何形状的光分布也可以用矩形的LED阵列产生。透镜的构造对光的成形是决定性的。
在另一种实施方式中，LED阵列可以包括半导体衬底，所述半导体衬底可以分别具有多个光发射层。由此，设备可以是特别紧凑的并且在很小的结构空间中构造。
在本发明的改进方案中，LED阵列包括发射不同波长范围内的电磁辐射的LED光源。这样，可以在被照明面上引起特定的颜色效应。
在LED阵列中，每个单个的光发射面可以分配给一个会聚透镜。该会聚透镜可以构造为棒透镜。
在本发明的改进方案中，会聚透镜可以如此地构造，即，它可以接收LED阵列的至少两个或多个LED光源的光和使之集束。在这种情况下，会聚透镜可以优选地构造为棒透镜或柱面透镜，其包括面向LED光源的正面以及背离LED光源的背面。
在一种优选的实施方式中，柱面透镜的正面可以具有平面的形状，背面可以具有凸形的、球面的或非球面的形状。所述背面也可以构造为自由形状面，所述正面也可以凸形地或凹形地、球面地或非球面地构造。
例1：
矩形LED阵列构造有大量LED，这些LED分别构造有1mm ×1mm的光发射面。棒透镜以其正面与LED相距0.8mm，其中，透镜宽度为6mm。棒长如此大小地选择，即，透镜在周边伸出光发射面大约3mm。棒透镜的背面构造有凸面非球面的轮廓，其中R0=1.651mm并且构造有k=-1.014的圆锥系数。选择P-LASF47或P-SF69作为玻璃类型，因为这些玻璃对这种准直角度来说证实是特别有利的。此外，这些玻璃由于它们的高折射率以及它们的可模压性而表现出众。
在又一实施方式中，在LED阵列情况下，在所发射的光的辐射路径中，布置有多于一个的棒透镜或柱面透镜。以优选的方式，在辐射路径中布置在首位的柱面透镜彼此平行地布置并且因此得到多个单个LED光源的光，其中，例如多个线式布置的单个LED光源的光可以由唯一的柱面透镜集束。在该柱面透镜的上方，可以有利地在辐射路径中后置地、平行布置有其它柱面透镜，其中，这些其它柱面透镜可以相对前面提及的柱面透镜旋转90°地布置。
因此，LED阵列的所发射的光依次通过例如可以格栅形布置的柱面透镜的两个平面。柱面透镜的这种布置可特别成本低廉地制造并且因此在多边形的，优选地矩形的或梯形的LED阵列中是有利的。
此外，可以直接在LED光源的光发射面旁和在LED光源以及会聚透镜之间的区域中布置反射体或反射面，由此可以反射并且向会聚透镜方向引导打到的光。由此可以改善设备的效率。
会聚透镜优选地由抗热的材料制造，例如非晶态材料，以便保证高的温度稳定性，因为例如高功率的LED光源典型地也具有高的发热性。至少，透镜的温度稳定性应该胜过LED光源的温度稳定性。特别地，依据本发明的设备的持久的温度耐受性可以达到在TB=100°C及其之上的范围内。
因此，玻璃或者玻璃陶瓷经证实是用于会聚透镜的合适的材料，其中，优选选择这样的带有高折射率的材料。折射率优选超出1.5，特别优选超出1.7。例如，P-SF69、P-SF70、P-LASF47或者N-LAF33经证实为合适的玻璃。
在所发射的光的辐射路径中，在通过一个或多个会聚透镜后后置地，设备可以包括至少一个其它的成形透镜。该至少一个其它的成形透镜具有如下任务：使由会聚透镜出射的、集束的光如此地成形，从而在光打到物品上的位置上产生均匀的和均等的亮度。
在此，有利地如此布置成形透镜，即，使得由会聚透镜出射的光的尽可能大的部分落到成形透镜上。因此，成形透镜优选地布置在距会聚透镜狭窄的距离上。已证实的是，少于10mm的距离、优选少于6mm的和特别优选少于3mm的距离在本发明的含义中是有利的。由此，依据本发明的设备可以非常紧凑地制造并且在小的结构空间中实现。
在一种特别的实施方式中，在会聚透镜的外棱边与成形透镜的外棱边之间布置有反射罩，从而使得由会聚透镜出射的、打到该罩上的光可以被反射并且被转向到成形透镜上。例如，反射罩可以是周围壳体的组成部分。由此保证，几乎所有的由会聚透镜出射的光到达到成形透镜上。特别是以这种方式可以达到，至少90%，优选至少95%的光可以到达到成形透镜上。
在背离LED光源的一侧，成形透镜可以典型地具有凹形的面。该面可以球面地或非球面地构造。在背离LED光源的一侧自由形状面也特别地适合，依据待照明面选择所述自由形状面。“自由形状面”可理解为，所提及的面可以具有不同的弯曲，其中，这些弯曲也可以向不同方向走向。成形透镜的面向会聚透镜的面可以具有平整的或凹形的形状，其中，此实施方式经常是有利的，但对于为使光辐射成形而言并不是强制性的。
例2：
棒透镜的阵列包括会聚透镜以及作为成形透镜的、带有平凹形球面体的圆形的或弄圆的单个透镜，其中，在R=-60mm时，它的直径为60mm并且它的厚度为6mm。选择N-BK7作为玻璃类型。棒透镜与LED相距1.5mm，其中，棒透镜在R0=1.715、k=-1.744、C4=-5.301e-04和C6=4.669e-05时具有10mm的宽度、20mm的长度和5mm的厚度。
成形透镜同样可以构造为棒透镜或柱面透镜。所述成形透镜可以在面向会聚透镜的一侧具有平坦的面并且在相反的一侧具有凹形、球面、非球面或者自由形状面。
通过成形透镜，由会聚透镜产生的经准直的光辐射的束如此地扩张，即，在进一步的辐射路径中扩张的光辐射近似均匀地对在距成形透镜确定的离开范围上的面照明。成形透镜的所述面的形状或者弯曲相应地确定在与依据本发明设备的特定距离范围中近似均匀地被照明面。经证实，如果被照明面布置在与设备0.2m至20m的、优选0.5m至15m的距离上，可以非常好地达到该被照明面的近似均匀的亮度。
例如，如果要近似均等地和均匀地对矩形面照明，那么凹形的外部面可以具有不同的弯曲，其中，至少两个弯曲彼此垂直。
此外，代替一个成形透镜，可以使用多个，例如两个分别具有一个或多个弯曲的成形透镜，以便取得更复杂的照明形状。但也可以在辐射路径中依次布置两个或多个分别带有一个或多个、相同的或不同的弯曲的成形透镜。
产生仅带有一个弯曲的透镜经常是更加成本低廉的。由此，通过布置两个在辐射路径中依次待穿过的透镜，可以放弃制造带有两个弯曲的透镜，如果这两个所描述的透镜分别仅具有所述相应的弯曲之一并且这两个透镜例如相对彼此转过90°的话。
成形透镜可以由玻璃或者玻璃陶瓷构造。但因为对耐热性的要求由于更大地离开发热的光源而更小，所以也可以使用备选的材料如合成材料。合成材料的使用可以通过合适地冷却光源进而由此通过由设备区域输出热量而改善。
基本上，依据本发明的设备不仅可以用于在可见范围中的电磁辐射，而且可以用于在其它波长范围中的电磁辐射，例如在毗邻的、紫外或红外范围中的波长范围中。
除了圆形的或者矩形的面，通过依据本发明的光学设备也可以借助LED光源均匀地照明和近似均等地辐射在不同的离开范围中的其它几何形状的面。对此，也包括例如面的、物体的或者空间的星形的或环形的照明。
于是，该光学设备例如可以使用于街道的、通道的、道路的或者广场的照明或灯饰，但也可以用于内部空间的和处于内部的通道的或道路的照明或灯饰，用以照亮物体，例如交通标志、图片、工作场所或桌子。
通过自由地成形来自LED光源的光的可能，因此可以实现对不同地成形的物体的近似均等的照明。
该设备还可以用于物体的照射，例如在显微镜中。
在一种特别的实施方式中可以平行使用不同颜色的LED光源，例如在LED阵列中。由此，在面的均等照明情况下，可以有色地强调特定的区域。
这种改进方案特别地适合有色地强调危险区域，例如大门或门的开启区域。
为了艺术品的照明，可以通过相加的色彩混合来调节照明的色温。
该设备也可以用于大厅的照明，例如体育馆或游泳馆或舞台。
此外，该光学设备可以用作阅览灯。
在另外一种实施方式中，该光学设备用于投影仪。
其它应用领域例如为车辆照明。这里，该设备可例如用于部分内部空间的，例如天花板的均匀照射。
本发明的其它细节由示出的实施例的描述和所附的权利要求得出。
附图说明
图1示出会聚透镜的和LED光源的示意性的布置方案；
图2针对在依据本发明的LED光源的实施方式中的光辐射的辐射路径示出示意性的例子；
图3在横截面中示出一维LED阵列的示意性的布置方案，包括用于准直的会聚透镜和用于光成形的成形透镜；
图4示出二维LED阵列的示意性的布置方案，包括棒透镜或者柱面透镜；
图5示出LED阵列的矩形实施方式的、示意性的布置方案；
图6示出LED阵列的星形实施方式的、示意性的布置方案；
图7在俯视图中示出带有格栅形布置的棒透镜或者柱面透镜的LED阵列的矩形实施方式的、示意性的布置方案；
图8针对在一维LED阵列的LED光源的实施方式中的光辐射的辐射路径示出示意性的例子；
图9示出圆形的被照明面；
图10示出离开5m的、借助LED阵列照明的面的例子；
图11示出被照明面在横向方向上的截线中的亮度分布；
图12示出被照明面在纵向方向上的截线中的亮度分布；
图13示出会聚透镜和LED光源的示例性的布置方案。
具体实施方式
为了简单起见而选择在描述中所提及的光学技术方面的量，并且其并不仅局限在电磁辐射的可见波长谱上，这是因为本发明也涉及在可见波长谱之外的电磁辐射的成形。因此，例如光学技术方面的量包括光通量，也包括更普遍的量：辐射通量，或者说光密度，也称为辐射率（Strahldichte）。
图1示意地示出带有会聚透镜13的LED光源的结构。该LED光源通过如下的衬底12表示，在该衬底12上布置有光发射面11。衬底12可以是半导体元件。会聚透镜在与光发射面11的小的距离上如此地布置，即，使得光发射面的中轴穿过会聚透镜的弯曲面的顶点地走向。会聚透镜可以旋转对称地构造。但其也可以实施为棒透镜或者柱面透镜。
LED光源布置在周围壳体14上。该壳体在分配给会聚透镜的一侧具有镜面反光件16。会聚透镜13在背离LED光源的一侧包括凸形构造的表面。该表面可以具有球面的或者非球面的形状15或也可具有自由形状面的形状。
在图2中，示意地示出光辐射的辐射路径。从光发射面11发出的光辐射21打到会聚透镜上，该光辐射21通过折射成束地离开该会聚透镜。22示出出射的光辐射。
在图3中，示意地示出带有多个会聚透镜以及一个成形透镜的一维LED阵列的结构。该LED阵列由在各相应的衬底12、32、34上的三个单个的光发射层11、33、35组成。在本发明的未示出的改进方案中，还可以在一个共同的衬底上布置有多个光发射层。为阵列的每个LED光源分配有一个会聚透镜13、36、37。基于会聚透镜的可达到的小的构造方式，这些会聚透镜可以彼此很紧密地布置。
典型地，会聚透镜具有直的外棱边，从而使所述会聚透镜无间隙地彼此碰触。这些单个透镜可以集合成透镜组。在旋转对称的会聚透镜情况下，可以通过四面打磨产生直的外棱边。
在辐射路径中后置地构造有成形透镜39，该成形透镜接收和散射由会聚透镜出射的光。为此，该成形透镜具有光学有效面38。“光学有效面”理解为如下的面，通过该面发生所希望的折射、绕射、反射和/或散射。该面可以凹形地、凸形地、球面地或者非球面地构造。例如对非球面的有效面来说，可以是椭圆形的、圆柱形的和/或抛物线形的面形状。
至少一个成形透镜的有效面依赖于照明的所希望的形状而选择。对于面式的矩形状的照明来说，在两个彼此垂直的方向上大约呈现出弯曲是有利的。在LED阵列与成形透镜之间以有利的方式布置有可以构造为壳体的内部面的罩面30。优选地，该罩面在面向LED光的一侧镜面化，以便将打到的光辐射反射并且引导到会聚透镜上。
在另一种实施方式中，会聚透镜实施为棒透镜或者柱面透镜。图4示出两个这类的棒透镜或者说柱面透镜61、62。在这种情况中，透镜如下方式地布置，即，使得透镜处在多个单个LED光源的辐射路径中。在所画出的情况中，包括四个单个LED光源的行的光分别引导到各柱面透镜上。因此，示意地画出的LED阵列63包括各带有四个单个LED光源的两个行。这些由透镜遮盖的单个LED光源例如通过光发射面64和衬底65表示。
图5示意地示出二维LED阵列的结构，包括各带有六个单个LED光源的五个行。示意性地示出光发射层11和会聚透镜13。在图6中示出星形的LED布置方案，包括总共16个光发射层11和相应的多个会聚透镜13。LED阵列的形状可以遵循待照明面的所希望的形状。
在图7中在俯视图中画出依据本发明的LED阵列。LED光源集合成各带有四个单个光发射面11的五行。五个构造为柱面透镜的会聚透镜以及其它四个构造为柱面透镜的会聚透镜或者成型透镜分别平行地布置并且相对彼此转过90°，相叠地布置。
图8在横截面中示出由LED阵列形成的辐射路径的例子，所述LED阵列包括在一行中的四个LED光源。从光发射面11出发，光辐射通过会聚透镜13集束并且落到成形透镜39上。该成形透镜具有如下有效面81，该有效面构造成使出射的光辐射82宽阔地散射。
出射的光辐射82落到以截线示出的面85上。依赖于成形透镜的有效面81的弯曲，在该面上的区域以不同的亮度受辐射。因此，被照明面的亮度是不同的。中心区域A通过光辐射的折射近似均匀地受辐射，反之，靠外区域C不受或者仅几乎不受辐射。此外，存在过渡区域B，该过渡区域比中心的、均匀区域A具有更小的均匀性和更小的亮度。
图9示出光成形的两种可能性。光成形91示出宽阔的光分布95，反之，光成形92示出在中心93带有耀点的光分布。不但在宽阔的光分布95的情况下，而且在中心93中有耀光点的情况下，都存在以减少的亮度为特征的过渡区域96、94。然而，宽阔的光分布95的面以及在中心95的点的面被近似均等地、均匀地照明。
图10示出在矩形形状的被照明面的情况下，可能的亮度分布。作为光源，可以使用带有76个LED光源的LED阵列，其中，所述LED光源可以布置在四行中。
作为会聚透镜，可以特别有利地使用四个由玻璃P-LASF47制成的棒透镜，所述棒透镜可以具有距光发射面1.5mm的距离。棒透镜可以具有40mm的长和10mm的宽。所述棒透镜可以成本低廉地制造并且使特别良好地集束LED阵列的光成为可能。
旋转对称的成形透镜可以有利地由玻璃N-BK7以60mm的透镜直径和6mm的厚度构造以及具有平凹的形状。距光发射面的距离可以是8mm。成形透镜的一种有利的构造可以通过参数R=-1.96、K=-1.591、C4=-2.256e-04和C6=-6.386e-06来确定。
101示出尺寸为6m ×12m的被照明面，该面离开设备5m。该由LED阵列非相干地辐射的面的辐射率可以是大约68%至75%，特别优选是69.2%。
102示出距设备同样为5m的3m×6m的面，其中，辐射率可以是大约41%至48%，特别优选是44.5%。在103中示出同样在距设备5m的距离上的，为2m×4m大小的面。辐射率可以是大约22%至30%，特别优选是26.6%。
在图11中，示出被照明的矩形面101在横向方向上、即在较短的延伸X的方向上的截线中的辐射率的分布，其中，截线穿过面的中心分布。针对半值宽度FWHM，设备的角度区域是大约+/-13.5°。
图12示出被照明的矩形面101在穿过面的中心的纵向方向的截线中，即在较大的延伸Y的方向上的辐射率的分布。半值宽度FWHM的所属区域在这里是大约+/-27.5°。
通过如此构造的光学设备，矩形面的大的区域可以被近似均匀地和均等地照明，其中，可以同时引起该面从较光亮地被照明的、接近中心的区域到周围的、较少光亮地被照明区域的柔和的过渡。因此，可以避免从光亮的被照明区域到较少光亮的被照明区域的锐利的过渡。
图13示出用于使成行布置的LED光源的光集束的会聚透镜131的布置方案，其中，为了简单起见，仅画出一个光发射面11和一个衬底12。透镜的后近轴焦点位于透镜的内部。LED的发射面11与会聚透镜131的平整面相距0.6mm并且因此以意外的方式不位于透镜的后近轴焦点上。
以这种方式，可以通过会聚透镜131达到LED的光发射面的光的很良好的准直。

Claims (31)

1.光学设备，其包括一个或多个LED光源以及一个或多个透镜，其中，
-电磁辐射由一个或多个LED光源的光发射面射出；
-所述一个或多个透镜布置在所发射的光的辐射路径中；
-有透镜至少在一个方向上使光集束；
-有透镜使光成形成限定的几何形状；
-有一个或多个透镜布置在距所述LED光源的一个或多个光发射面非常小的距离上。
2.根据前面的权利要求1所述的光学设备，其特征在于，由所述LED光源发射的光在距所述设备预先限定的距离上对预先给定几何形状的面照明。
3.根据前面的权利要求所述的光学设备，其特征在于，所述预先给定几何形状的面具有近似相等的亮度或预先给定的亮度分布（+/-25%）。
4.根据前面的权利要求所述的光学设备，其特征在于，所述一个或多个透镜构造为会聚透镜和/或成形透镜。
5.根据前面的权利要求所述的光学设备，其特征在于，所发射的光在第一步骤中至少在一个方向上集束和/或准直，并且在后面的步骤中成形。
6.根据前面的权利要求所述的光学设备，其特征在于，所述一个或多个会聚透镜构造为准直会聚透镜。
7.根据前面的权利要求所述的光学设备，其特征在于，所述LED光源包括至少一个光发射面，其中，至少50%的光功率在由所述LED光源的中轴出发的±35°的角度区域中辐射。
8.根据前面的权利要求所述的光学设备，其特征在于，所述LED光源的光密度至少为Lv=10×106cd/m2，优选地至少为Lv=15×106cd/m2并且特别优选地至少为Lv=20×106cd/m2。
9.根据前面的权利要求所述的光学设备，其特征在于，所述会聚透镜如此地与所述LED光源相距，即，使得所述会聚透镜接收50%的由所述LED光源发射的光的光量，优选60%并且特别优选65%。
10.根据前面的权利要求所述的光学设备，其特征在于，所述会聚透镜在背离所述LED光源的一侧凸形地构造。
11.根据前面的权利要求所述的光学设备，其特征在于，所述会聚透镜在背离所述LED光源的一侧具有一个或多个球面的和/或非球面的和/或自由形状弯曲。
12.根据前面的权利要求所述的光学设备，其特征在于，所述会聚透镜构造为棒透镜或柱面透镜，其中，所述棒透镜或柱面透镜处在一个或多于一个的单个LED光源的辐射路径中。
13.根据前面的权利要求所述的光学设备，其特征在于，彼此平行地布置有多于一个的棒透镜或柱面透镜。
14.根据前面的权利要求所述的光学设备，其特征在于，在由所述LED光源发射的光的辐射路径中布置有多于一个的棒透镜或柱面透镜。
15.根据前面的权利要求所述的光学设备，其特征在于，所述会聚透镜由折射率至少为nd>=1.5，优选nd>=1.7的玻璃或玻璃陶瓷制成的温度稳定的材料构造。
16.根据前面的权利要求所述的光学设备，其特征在于，所述LED光源包括多个以LED阵列方式布置的单个LED光源。
17.根据前面的权利要求所述的光学设备，其特征在于，为所述LED阵列的每个LED光源分配有恰好一个会聚透镜。
18.根据前面的权利要求所述的光学设备，其特征在于，为每个会聚透镜分配有LED阵列的多个单个LED光源。
19.根据前面的权利要求所述的光学设备，其特征在于，经集束的光几乎完全打到至少一个在辐射路径中后置的透镜上。
20.根据权利要求18所述的光学设备，其特征在于，所述后置的透镜构造为成形透镜。
21.根据权利要求18和19所述的光学设备，其特征在于，所述成形透镜在背离所述LED光源的一侧具有凹形的面。
22.根据前面的权利要求所述的光学设备，其特征在于，所述成形透镜在背离所述LED光源的一侧具有一个或多个球面的和/或非球面的和/或自由形状弯曲。
23.根据前面的权利要求所述的光学设备，其特征在于，所述成形透镜在两个彼此垂直的方向上具有不同的弯曲。
24.根据前面的权利要求所述的光学设备，其特征在于，在辐射路径中，在所述成形透镜后布置有至少一个其它的成形透镜。
25.根据前面的权利要求所述的光学设备，其特征在于，提供在至少TB=100°C范围中的运行温度上的持久的温度耐受性。
26.根据前面的权利要求所述的光学设备的使用，即，用于面和/或物体的照明或灯饰，特别是用于交通标志、牌子、图画、工作场所、桌子、房屋或建筑物的照明。
27.根据前面的权利要求1至25所述的光学设备的使用，即，用于空间、通道、大厅或舞台的照明或灯饰。
28.根据前面的权利要求1至25所述的光学设备的使用，即，作为道路、通道、街道或广场的照明。
29.根据前面的权利要求1至25所述的光学设备的使用，即，作为阅览灯。
30.根据前面的权利要求1至25所述的光学设备的使用，即，作为投影仪的照明装置。
31.据前面的权利要求1至25所述的光学设备的使用，即，作为车辆内的和车辆上的照明装置。
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