DE10158395B4

DE10158395B4 - LED-Beleuchtungssystem

Info

Publication number: DE10158395B4
Application number: DE10158395A
Authority: DE
Inventors: Joachim 93197 Reill
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2001-11-28
Filing date: 2001-11-28
Publication date: 2011-07-07
Anticipated expiration: 2021-11-29
Also published as: DE10158395A1; JP2003209288A; JP4285981B2

Abstract

LED-Beleuchtungssystem zur Beleuchtung einer Fläche (5) mit einer vorgegebenen Beleuchtungsstärkenverteilung und mit zumindest einem LED-Element (2; 12a–c), wobei – das LED-Element (2; 12a–c) Licht symmetrisch bezogen auf seine Hauptstrahlrichtung (9) abstrahlt, – zwischen dem zumindest einen LED-Element (2; 12a–c) und der zu beleuchtenden Fläche (5) eine Beleuchtungsoptik (4; 14) angeordnet ist, die das abgestrahlte Licht (6) bezogen auf die Hauptstrahlrichtung (9) des LED-Elements (2; 12a–c) asymmetrisch umlenkt, – die Beleuchtungsoptik (4; 14) durch mindestens eine Einzellinse gebildet ist, und – eine zum LED-Element (2; 12a–c) hin gewandte Fläche (41) der mindestens einen Einzellinse konkav und eine zur zu beleuchtenden Fläche (5) hin gewandte Fläche (42) der Einzellinse konvex ist.

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Beleuchtungssysteme und betrifft insbesondere ein LED-Beleuchtungssystem (LED: Light Emitting Diode, Leuchtdiode) zur Beleuchtung einer Fläche mit einer vorgegebenen Beleuchtungsstärkenverteilung, mit zumindest einem LED-Halbleiterkörper, der Licht bezogen auf eine Hauptstrahlrichtung der LED-Halbleiterkörper symmetrisch abstrahlt.
In der europäischen Patentanmeldung EP 1 017 222 A2 ist eine Beleuchtungsvorrichtung beschrieben, die eine Mehrzahl von Lichtquellen und einen Lichtleiter aufweist, der das emittierte Licht entlang seiner longitudinalen Richtung führt und auf ein zu beleuchtendes Objekt hin abstrahlt. Die abstrahlende Oberfläche des Lichtleiters ist dabei in Form einer Linse ausgeführt, so daß Licht mit höherer Intensität auf den Ort des beleuchteten Objekts gebündelt werden kann.
Derartige Beleuchtungseinrichtungen sind auf die Beleuchtung eines mehr oder weniger ausgedehnten Gegenstands, beispielsweise zum Abtasten oder Abbilden des Gegenstands eingerichtet. Das Licht wird daher so weit als möglich auf den Gegenstand fokussiert, um die geforderte Beleuchtung mit minimaler Lichtleistung bereitstellen zu können.
Bei einem Beleuchtungssystem, das für die Beleuchtung ausgedehnter Flächen eingesetzt wird, stellen sich demgegenüber andere Anforderungen. Zu diesem Zweck soll das Beleuchtungssystem in der Lage sein, die zu beleuchtende Fläche mit einer bestimmten, vorgegebenen Verteilung der Beleuchtungsstärke zu bestrahlen. Beispielsweise erfordert Text oder farbige Darstellungen auf der beleuchteten Fläche eine weitgehend gleichmäßige Ausleuchtung der Fläche, um nicht das Lesen des Textes über Gebühr zu erschweren oder tatsächlich nicht vorhandene Farbunterschiede in der Farbdarstellung vorzutäuschen.
Herkömmliche Beleuchtungssysteme liefern dabei entweder unbefriedigende Ergebnisse oder sind in ihrem Aufbau aufwendig und teuer.
In der Druckschrift DE 195 07 234 A1 ist eine Fahrzeugsignalleuchte mit mehreren Leuchtdioden offenbart.
Die Druckschrift WO 96/06442 A2 betrifft Displays.
Ein monolithisches Array von Leuchtdioden zur Erzeugung von Licht bei mehreren Wellenlängen ist in der Druckschrift US 5 952 680 A angegeben.
In der Druckschrift WO 99/31737 A1 ist ein oberflächenmontierbares optoelektronisches Bauelement beschrieben.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein LED-Beleuchtungssystem der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit dem eine zu beleuchtende Fläche mit einer vorgegebenen, insbesondere homogenen Beleuchtungsstärkenverteilung beleuchtet werden kann, und die einen einfachen Aufbau aufweist und preiswert herzustellen ist.
Diese Aufgabe wird durch das LED-Beleuchtungssystem mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Erfindungsgemäß ist bei dem LED-Beleuchtungssystem zwischen dem zumindest einen LED-Halbleiterkörper und der zu beleuchtenden Fläche eine Beleuchtungsoptik angeordnet, die das abgestrahlte Licht bezogen auf die Hauptstrahlrichtung der LED-Halbleiterkörper asymmetrisch umlenkt.
Die asymmetrische Umlenkung ermöglicht eine gezielte Einstellung der Beleuchtung der Fläche, unabhängig von der Form der Fläche. Somit kann bei beliebiger Form der Fläche der sich ändernde Abstand der Oberflächenpunkte von der Lichtquelle und der sich ändernde Winkel, unter dem die Lichtstrahlen auf der Fläche auftreffen, durch die asymmetrische Strahlumlenkung des symmetrisch abgestrahlten Lichts berücksichtigt werden.
In einer Ausgestaltung ist das Beleuchtungssystem zur gleichmäßigen Beleuchtung einer Fläche eingerichtet und bestimmt. Insbesondere kann das Beleuchtungssystem zur gleichmäßigen Beleuchtung einer gekrümmten Fläche, insbesondere einer konvexen oder konkaven Fläche eingerichtet und bestimmt sein.
Es ist jedoch auch möglich, das Beleuchtungssystem zur gezielt ungleichmäßigen Beleuchtung der Fläche zu verwenden, beispielsweise um bestimmte Flächenbereiche optisch hervorzuheben oder zurücktreten zu lassen.
Es ist die Beleuchtungsoptik durch eine oder mehrere Einzellinsen gebildet. Es weist die Einzellinse zur LED hin eine konkave Fläche und zur beleuchtenden Fläche hin eine konvexe Fläche auf.
Eine entsprechende Beleuchtungsoptik kann auch vorteilhafterweise eine oder mehrere Fresnellinsen aufweisen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Beleuchtungssystem mehrere LED-Halbleiterkörper auf, die in verschiedenen Spektralbereichen emittieren.
Dabei ist eine solche Ausgestaltung besonders zweckmäßig, bei der sich das in den verschiedenen Spektralbereichen emittierte Licht der LED-Halbleiterkörper zu weißem Licht ergänzt, beispielsweise drei LED-Halbleiterkörper vorgesehen sind, von denen einer rotes, einer grünes und einer blaues Licht emittiert.
Der oder die LED-Halbleiterkörper enthalten bevorzugt GaN-, InGaN-, AlGaN-, InAlGaN-, ZnS-, ZnSe-, CdZnS- oder CdZnSe-Halbleitermaterial, und emittieren zweckmäßig sichtbares Licht, infrarote oder ultraviolette elektromagnetische Strahlung.
Eine Alternative zur Erzeugung von weißem Licht im Beleuchtungssystem verwendet ein oder mehrere Lumineszenzkonversionselemente, die dem Halbleiterkörper in dessen Abstrahlrichtung nachgeordnet und bevorzugt zwischen Halbleiterkörper und Linse angeordnet sind. Hierzu eignet sich beispielsweise bei einem blaues Licht abstrahlenden Halbleiterkörper ein Lumineszenzkonversionselement, das einen Teil des blauen Lichts in gelbes Licht oder in grünes Licht und rotes Licht umwandelt und mit dem blauen Licht des Halbleiterkörpers vermischt.
In einer Ausgestaltung bilden der LED-Halbleiterkörper und die Beleuchtungsoptik ein Beleuchtungsmodul, und sind in einem gemeinsamen Modulgehäuse angeordnet.
Eine Wand des Modulgehäuses kann dabei von einer Fresnellinse gebildet sein, die Bestandteil der Beleuchtungsoptik ist.
In diesem Fall ergibt sich ein besonders einfacher und kompakter Aufbau des Beleuchtungssystems.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung der Ausführungsbeispiele und der Zeichnungen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert. Es sind jeweils nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente dargestellt. Dabei zeigt
1 eine schematische Darstellung einer Schnittansicht eines LED-Beleuchtungssystems nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
2 eine schematische Darstellung einer Schnittansicht einer Abwandlung eines LED-Beleuchtungssystems;
3 eine schematische Schnittansicht durch ein für die Verwendung in dem Beleuchtungssystem bevorzugtes LED-Element.
Das in 1 in Schnittansicht schematisch dargestellte LED-Beleuchtungssystem 1 nach dem Ausführungsbeispiel ist beispielsweise für eine weitestgehend gleichmäßige Beleuchtung einer gekrümmten Fläche 5, beispielsweise einer Schautafel vorgesehen.
Ein auf einem Träger 3 angebrachtes LED-Element 2 emittiert im Betrieb das für die Beleuchtung benötigte Licht. Ohne Korrektur des abgestrahlten Lichts ergibt sich, wie für den Fachmann unmittelbare einsichtig, aus mehreren Gründen keine gleichmäßige Beleuchtung der gekrümmten Fläche 5.
Erstens ist die Abstrahlcharakteristik des LED-Elements 2 nicht über den gesamten, von der gekrümmten Fläche 5 eingenommen Raumwinkel Ω konstant, sondern weist ihre maximale Intensität in einem Winkelbereich um die Hauptstrahlrichtung 9 auf. Zweitens ändert sich der Abstand der gekrümmten Fläche 5 von dem LED-Element 2, und drittens ändert sich mit der Krümmung der Fläche 5 entlang deren longitudinalen Ausdehnung auch der Einfallswinkel der auftreffenden Strahlung.
Um dennoch eine weitgehend gleichmäßige Beleuchtung der gekrümmten Fläche 5 zu erreichen, ist zwischen dieser und dem LED-Element 2 als Beleuchtungsoptik eine Linse 4 angeordnet, die das abgestrahlte Licht bezogen auf die Hauptstrahlrichtung 9 des LED-Elements 2 entsprechend asymmetrisch umlenkt.
Das von dem LED-Element 2 emittierte Licht, in der 1 durch die geometrischen Lichtstrahlen 6 mit Pfeilen veranschaulicht, ist in seiner Intensitätsverteilung bezogen auf die Hauptstrahlrichtung 9 zumindest näherungsweise symmetrisch. Die Beleuchtungsoptik 4 lenkt nun die Lichtstrahlen 6 so um, daß sie als asymmetrisch verteilte Lichtstrahlen 8 auf die gekrümmte Fläche 5 auftreffen. Hierzu ist die Beleuchtungsoptik 4 eine asymmetrisch geformte Linse 4, deren zum LED-Element 2 hin gewandte Fläche 41 konkav ist und deren zur gekrümmten Fläche 5 hin gewandte Fläche 42 konvex, beispielsweise parabelartig konvex geformt ist.
Dabei ist das Ausmaß der Umlenkung durch die Linse 4 gerade so bemessen, daß die oben genannten und eventuelle weitere Effekte, die zu einer ungleichmäßigen Beleuchtung der gekrümmten Fläche 5 führen würden, kompensiert werden, so daß auf der Oberfläche der gekrümmten Fläche 5 eine gleichmäßige Beleuchtungsstärke resultiert. Diese Kompensation kann beispielsweise in einer als solcher im Stand der Technik bekannten Art und Weise durch die Wahl der Krümmung der äußeren 42 und inneren Linsenfläche 41 erfolgen.
Die gesamte Anordnung von LED-Element 2 und Beleuchtungsoptik 4 ist vorzugsweise in einem gemeinsamen Modulgehäuse 7 untergebracht.
Während das Ausführungsbeispiel der 1 der Einfachheit halber nur mit einem LED-Element 2 beschrieben wurde, versteht es sich für den Fachmann, daß an Stelle der einzelnen LED-Elemente auch eine Mehrzahl von LED-Elementen in dem Beleuchtungssystem vorgesehen sein können. Insbesondere können die LED-Elemente verschiedene Spektralfarben emittieren, um einen gewünschten Farbeindruck auf der angestrahlten Fläche 5 zu erzielen.
Dies ist in der Abwandlung des Beleuchtungssystems 11 gemäß der 2 beispielhaft verwirklicht. Die drei LED-Elemente 12a, 12b, 12c emittieren im roten (650 nm), grünen (530 nm) bzw. blauen (470 nm) Spektralbereich derart, daß sich insgesamt eine Emission von weißem Licht ergibt. Alternativ kann für die Emission von weißem Licht eine blaue Leuchtdiode in Zusammenwirkung mit einem Konverterstoff zur Umwandlung des blauen Lichts in längerwellige Strahlung eingesetzt werden.
Die drei LED-Elemente 12a–c sind auf einem Träger 3 angebracht, und bestimmt, analog zur Beleuchtungseinrichtung 1 eine in der 2 nicht gezeigte Fläche zu beleuchten.
Die Beleuchtungsoptik, die die gewünschte Beleuchtungsstärke auf der zu beleuchtenden Fläche erzeugt, ist bei dieser Abwandlung durch eine Fresnellinse 14 gebildet. Durch die Unterteilung der Fresnellinse 14 in radiale Zonen etwa gleicher maximaler Dicke läßt sich eine sehr flache Ausführung der Linse verwirklichen.
Dadurch kann die Fresnellinse 14 eine Wand des Modulgehäuses 17 bilden, und es wird eine kompakte, abgeschlossene Ausführung des Beleuchtungssystems verwirklicht. Dazu kann die Fresnellinse 14, wenn ein anderes Verteilungsmuster für die Beleuchtungsstärke gewünscht wird, einfach durch eine entsprechend angepaßte Fresnellinse ausgetauscht werden.
Als bevorzugte LED-Elemente 2, 12a–12b für Ausführungsbeispiele und für die Erfindung im allgemeinen sind handelsübliche oberflächenmontierbare LED-Bauelemente verwendet. Ein solches ist in der 3 schematisch gezeigt. Bei diesen ist jeweils mindestens ein LED-Halbleiterkörper 20 in einem LED-Kunststoffgehäuse 21 angeordnet. Bevorzugt befindet sich der LED-Halbleiterkörper 20 in einer Reflektoreinrichtung 22 des LED-Kunststoffgehäuses 21, die vorteilhafterweise das von dem LED-Halbleiterkörper 20 abgestrahlte Licht bündelt.
Alternativ oder zusätzlich zur Reflektoreinrichtung 22 kann zur Bündelung des von dem LED-Halbleiterkörper 20 abgestrahlten Lichts diesem eine Sammellinse 23 nachgeordnet sein, die vorzugsweise auf dem LED-Kunststoffgehäuse 21 befestigt ist.
Alternativ dazu kann in dem Beleuchtungsmodul als LED-Element ein oder eine Mehrzahl von unmittelbar ohne Gehäuse versehenen LED-Halbleiterchips auf einem Chipträger 3 montiert sein. Das Modulgehäuse 7 muß dann aber beispielsweise hinsichtlich Dichtigkeit höheren Anforderungen genügen als bei Verwendung von mit Gehäuse versehenen LED-Bauelementen, wie sie beispielsweise oben in Verbindung mit 3 beschrieben sind.

Claims

LED-Beleuchtungssystem zur Beleuchtung einer Fläche (5) mit einer vorgegebenen Beleuchtungsstärkenverteilung und mit zumindest einem LED-Element (2; 12a–c), wobei – das LED-Element (2; 12a–c) Licht symmetrisch bezogen auf seine Hauptstrahlrichtung (9) abstrahlt, – zwischen dem zumindest einen LED-Element (2; 12a–c) und der zu beleuchtenden Fläche (5) eine Beleuchtungsoptik (4; 14) angeordnet ist, die das abgestrahlte Licht (6) bezogen auf die Hauptstrahlrichtung (9) des LED-Elements (2; 12a–c) asymmetrisch umlenkt, – die Beleuchtungsoptik (4; 14) durch mindestens eine Einzellinse gebildet ist, und – eine zum LED-Element (2; 12a–c) hin gewandte Fläche (41) der mindestens einen Einzellinse konkav und eine zur zu beleuchtenden Fläche (5) hin gewandte Fläche (42) der Einzellinse konvex ist.
LED-Beleuchtungssystem nach Anspruch 1, wobei die Beleuchtungsoptik durch genau eine Einzellinse (4; 14) gebildet ist.
LED-Beleuchtungssystem nach Anspruch 1, wobei die zur zu beleuchtenden Fläche (5) hin gewandte Fläche (42) der Einzellinse wie eine Parabel geformt ist.
LED-Beleuchtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einzellinse in einem Zentralbereich eine größere Dicke aufweist als an Randbereichen.
LED-Beleuchtungssystem nach einem der vorigen Ansprüche, wobei das zumindest eine LED-Element (2; 12a–c) GaN-, InGaN-, AlGaN-, InAlGaN-, ZnS-, ZnSe-, CdZnS- oder CdZnSe-Halbleitermaterial enthält.
LED-Beleuchtungssystem nach einem der vorigen Ansprüche, wobei das zumindest eine LED-Element (2; 12a–c) im Betrieb sichtbares Licht, infrarote oder ultraviolette elektromagnetische Strahlung emittiert.
LED-Beleuchtungssystem nach einem der vorigen Ansprüche, wobei das System mehrere von den LED-Elementen (12a–c) aufweist, welche in verschiedenen Spektralbereichen emittieren.
LED-Beleuchtungssystem nach Anspruch 7, wobei sich ein emittiertes Licht der mehrere LED-Elemente (12a–c) zu weißem Licht ergänzt.
LED-Beleuchtungssystem nach einem der vorigen Ansprüche, wobei das zumindest eine LED-Element (2; 12a–c) und die Beleuchtungsoptik (4; 14) ein Beleuchtungsmodul bilden und in einem gemeinsamen Modulgehäuse (7; 17) angeordnet sind.
LED-Beleuchtungssystem nach Anspruch 9, wobei die Beleuchtungsoptik eine Fresnellinse (14) aufweist, die eine Wand des Modulgehäuses (17) bildet.
LED-Beleuchtungssystem nach einem der vorigen Ansprüche, wobei das zumindest eine LED-Element ein oberflächenmontierbares LED-Bauelement mit einem LED-Kunststoffgehäuse und einer LED-Halbleiterkörper ist.
LED-Beleuchtungssystem nach Anspruch 11, wobei das LED-Kunststoffgehäuse eine Reflektoreinrichtung aufweist, in der sich der LED-Halbleiterkörper befindet.
LED-Beleuchtungssystem nach Anspruch 11 oder 12, wobei das LED-Kunststoffgehäuse eine dem LED-Halbleiterkörper in Abstrahlungsrichtung nachgeordnete, insbesondere auf dem LED-Kunststoffgehäuse aufgebrachte Sammellinse aufweist.
LED-Beleuchtungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das zumindest eine LED-Element (2; 12a–c) durch mindestens einen, ohne Gehäuse versehenen LED-Halbleiterchip gebildet ist, der unmittelbar auf einem Chipträger (3) montiert ist.
Verwendung eines LED-Beleuchtungssystems nach einem der Ansprüche 1 bis 14 zur gleichmäßigen Beleuchtung einer Fläche (5).
Verwendung eines LED-Beleuchtungssystems nach einem der Ansprüche 1 bis 14 zur gleichmäßigen Beleuchtung einer gekrümmten Fläche (5).