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Die
Erfindung betrifft eine Leuchtdiodenanordnung.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Leuchtdiodenanordnung anzugeben,
die besonders effizient gekühlt
ist.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch eine Leuchtdiodenanordnung nach Patentanspruch 1. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand abhängiger Ansprüche.
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Es
wird eine Leuchtdiodenanordnung angegeben, die wenigstens einen
Leuchtdiodenchip aufweist. Bevorzugt weist die Leuchtdiodenanordnung eine
Vielzahl von Leuchtdiodenchips auf.
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In
wenigstens einer ersten Ausführungsform der
Leuchtdiodenanordnung ist jedem Leuchtdiodenchip wenigstens ein
optisches Element zugeordnet. Bei dem optischen Element kann es
sich beispielsweise um eine lichtreflektierende, lichtbrechende oder
lichtbeugende Optik handeln. Es ist z.B. möglich, dass jedem Leuchtdiodenchip
genau ein optisches Element zugeordnet ist. Es ist jedoch auch möglich, dass
mehreren Leuchtdiodenchips jeweils ein gemeinsames optisches Element
zugeordnet ist.
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Die
Leuchtdiodenanordnung weist weiter bevorzugt wenigstens ein Wärmeleitelement
auf, das geeignet ist, die von dem Leuchtdiodenchip erzeugte Wärme abzuführen. Der
Wärmetransport
von den Leuchtdiodenchips weg erfolgt dabei im Wärmeleitelement bevorzugt im
Wesentlichen mittels Wärmeleitung,
wobei im Wesentlichen mittels Wärmeleitung bedeutet,
dass andere Mechanismen des Wärmetransports
wie Wärmestrahlung
oder Konvektion höchstens
eine untergeordnete Rolle spielen.
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Bei
dem Wärmeleitelement
kann es sich z.B. um einen Träger
handeln, auf dem die Leuchtdiodenchips aufgebracht sind.
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Weiter
weist die Leuchtdiodenanordnung bevorzugt wenigstens eine Kühlvorrichtung
auf, die geeignet ist, Wärme
vom Wärmeleitelement
aufzunehmen und abzuführen.
Die Kühlvorrichtung
ist dabei bevorzugt geeignet, die Wärme mittels Wärmeleitung oder
Konvektion abzuführen.
Weiter ist es möglich, dass
die Kühlvorrichtung
geeignet ist, die von den Leuchtdiodenchips erzeugte Wärme teils
mittels Wärmeleitung
und teils mittels Konvektion vom Wärmeleitelement abzuführen.
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Gemäß wenigstens
einer Ausführungsform wird
also eine Leuchtdiodenanordnung angegeben, die wenigstens einen
Leuchtdiodenchip aufweist, wobei jedem Leuchtdiodenchip wenigstens
ein optisches Element zugeordnet ist. Weiter weist die Leuchtdiodenanordnung
wenigstens ein Wärmeleitelement
auf, das geeignet ist, die von den Leuchtdiodenchips erzeugte Wärme abzuführen und
wenigstens eine Kühlvorrichtung,
die geeignet ist, die vom Wärmeleitelement
abgeführte
Wärme aufzunehmen.
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In
wenigstens einer Ausführungsform
der Leuchtdiodenanordnung weist wenigstens einer der Leuchtdiodenchips
eine Strahlungsauskoppelfläche auf,
durch die ein Großteil
der vom Leuchtdiodenchip emittierten elektromagnetischen Strahlung ausgekoppelt
wird. Besonders bevorzugt tritt die gesamte vorn Leuchtdiodenchip
emittierte Strahlung durch die Strahlungsauskoppelfläche aus.
Die Strahlungsauskoppelfläche
ist beispielsweise durch einen Teil der Oberfläche des Leuchtdiodenchips gegeben.
Bevorzugt ist die Strahlungsauskoppelfläche durch eine Hauptfläche des
Leuchtdiodenchips gegeben, die beispielsweise parallel zu einer
Epitaxieschichtfolge des Leuchtdiodenchips angeordnet ist, welche
geeignet ist, elektromagnetische Strahlung zu erzeugen.
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Dazu
kann die Epitaxieschichtfolge beispielsweise einen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur,
einen Einfach-Quantentopf
oder besonders bevorzugt eine Mehrfach-Quantentopfstruktur (MQW) aufweisen.
Die Bezeichnung Quantentopfstruktur umfasst im Rahmen der Anmeldung
jegliche Struktur, bei der Ladungsträger durch Einschluss ("confinement") eine Quantisierung
ihrer Energiezustände
erfahren. Insbesondere beinhaltet die Bezeichnung Quantentopfstruktur
keine Angabe über die
Dimensionalität
der Quantisierung. Sie umfasst somit u.a. Quantentröge, Quantendrähte und
Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen.
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Bevorzugt
handelt es sich bei dem Leuchtdiodenchip um einen Halbleiterleuchtdiodenchip
bei dem das Aufwachssubstrat zumindest teilweise entfernt ist und
auf dessen dem ursprünglichen
Aufwachssubstrat abgewandte Oberfläche ein Trägerelement aufgebracht ist.
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Das
Trägerelement
kann, verglichen mit einem Aufwachssubstrat, relativ frei gewählt werden. Bevorzugt
wird ein Trägerelement
gewählt,
das hinsichtlich seines Temperaturausdehnungskoeffizienten besonders
gut an die strahlungserzeugende Epitaxieschichtfolge angepasst ist.
Weiter kann das Trägerelement
ein Material enthalten, das besonders gut Wärme leitend ist. Auf diese
Weise wird die im Betrieb vom Leuchtdiodenchip erzeugte Wärme besonders
effizient an das Wärmeleitelement
abgeführt.
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Solche,
durch das Entfernen des Aufwachssubstrat hergestellten Leuchtdiodenchips,
werden oftmals als Dünnfilmleuchtdiodenchips
bezeichnet und zeichnen sich bevorzugt durch die folgenden Merkmale
aus:
- – An
einer zum Trägerelement
hingewandten ersten Hauptfläche
der strahlungserzeugenden Epitaxieschichtfolge ist eine reflektierende
Schicht oder Schichtenfolge aufgebracht oder ausgebildet, die zumindest
einen Teil der in der Epitaxieschichtfolge erzeugten elektromagnetischen Strahlung
in diese zurückreflektiert.
- – Die
Epitaxieschichtfolge weist bevorzugt eine Dicke von maximal 20 μm, besonders
bevorzugt von maximal 10 μm
auf.
- – Weiter
enthält
die Epitaxieschichtfolge bevorzugt mindestens eine Halbleiterschicht
mit zumindest einer Fläche,
die eine Durchmischungsstruktur aufweist. Im Idealfall führt diese
Durchmischungsstruktur zu einer annähernd ergodischen Verteilung
des Lichts in der Epitaxieschichtfolge, d.h. sie weist ein möglichst
ergodisch, stochastisches Streuverhalten auf.
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Ein
Grundprinzip eines Dünnfilmleuchtdiodenchips
ist beispielsweise in der Druckschrift I. Schnitzer at al., Appl.
Phys. Lett. 63(16), 18. Oktober 1993, Seiten 2174 bis 2176 beschrieben,
deren Offenbarungsgehalt das Grundprinzip eines Dünnfilmleuchtdiodenchips
betreffend hiermit durch Rückbezug
aufgenommen wird.
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Besonders
bevorzugt sind alle Leuchtdiodenchips der Leuchtdiodenanordnung
Dünnfilmleuchtdiodenchips.
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In
wenigstens einer Ausführungsform
der Leuchtdiodenanordnung ist das optische Element geeignet, die
Divergenz der von den Leuchtdiodenchips emittierten elektromagnetischen
Strahlung zu verhindern.
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Das
optische Element kann dazu beispielsweise eine reflektive Optik
sein. Das heißt,
das optische Element ist geeignet, zumindest einen Teil der von
den Leuchtdiodenchips emittierten elektromagnetischen Strahlung
zu reflektieren. Dazu kann das optische Element beispielsweise Seitenwände aufweisen,
die eine Strahlungseingangsöffnung
mit einer Strahlungsausgangsöffnung
verbinden. Bevorzugt sind die Seitenwände reflektierend ausgestaltet. Elektromagnetische
Strahlung, die durch die Strahlungseingangsöffnung des optischen Elements
eintritt, kann dann zumindest teilweise an den Seitenwänden reflektiert
werden und das optische Element durch die Strahlungsausgangsöffnung wieder
verlassen.
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Die
Seitenwände
können
dazu beispielsweise mit einem reflektierenden Material beschichtet sein.
Die Seitenwände
können
jedoch auch ein dielektrisches Material enthalten, das einen geeigneten Brechungsindex
aufweist, sodass durch die Strahlungseintrittsöffnung eintretende Strahlung
durch Totalreflektion an der Grenzfläche von Seitenwand und umgebendem
Medium reflektiert wird.
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Das
optische Element kann zudem ein aus einem dielektrischen Material
bestehender Vollkörper sein.
Die durch die Strahlungseintrittsöffnung in das optische Element
tretende elektromagnetische Strahlung wird dann bevorzugt an den
seitlichen Grenzflächen
des Vollkörpers
zum umgebenden Medium reflektiert.
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Bevorzugt
verringert das optische Element die Divergenz eines durch die Strahlungseintrittsöffnung tretenden
Strahlkegels zumindest in einer Raumrichtung derart, dass der Strahlkegel
beim Austritt durch die Strahlungsaustrittsöffnung einen Öffnungswinkel
zwischen 0 und 30°,
bevorzugt zwischen 0 und 20°,
besonders bevorzugt zwischen 0 und 10° zu einer Mittelachse des optischen
Elements aufweist, die senkrecht auf der Strahlungsauskoppelfläche eines
dem optischen Element zugeordneten Leuchtdiodenchips steht.
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In
wenigstens einer Ausführungsform
der Leuchtdiodenanordnung ist die reflektive Optik ein nichtabbildender
optischer Konzentrator. Dabei ist das optische Element bevorzugt
derart der Strahlungsauskoppelfläche
wenigstens eines Leuchtdiodenchips nachgeordnet, dass die Strahlungseintrittsöffnung des
optischen Elements die eigentliche Strahlungsaustrittsöffnung des
Konzentrators ist. Auf diese Weise verlässt durch die Strahlungseintrittsöffnung in
das optische Element tretende elektromagnetische Strahlung den Konzentrator
mit verringerter Divergenz durch die Strahlungsaustrittsöffnung.
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Das
optische Element kann dazu zumindest teilweise nach Art eines der
folgenden optischen Elemente gebildet sein:
Zusammengesetzter
parabolischer Konzentrator (CPC-Coumpound Parabolic Concentrator),
zusammengesetzter elliptischer Konzentrator (CEC- Compound Elliptic
Concentrator), zusammengesetzter hyperbolischer Konzentrator (CHC-Compound
Hyperbolic Concentrator). Das heißt, beispielsweise die reflektierenden
Seitenwände
des optischen Elements sind zumindest teilweise in der Form wenigstens
eines der genannten optischen Elemente ausgebildet.
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Gemäß wenigstens
einer Ausführungsform der
Leuchtdiodenanordnung kann der nichtabbildende optische Konzentrator
Seitenwände
aufweisen, die die Strahlungseintrittsöffnung mit der Strahlungsaustrittsöffnung verbinden
und dabei derart ausgebildet sind, dass auf den Seitenwänden verlaufende Verbindungslinien
zwischen der Strahlungseintrittsöffnung und der Strahlungsaustrittsöffnung im
Wesentlichen gerade verlaufen. Die Seitenwände bilden dabei beispielsweise
die Form eines Pyramiden- oder Kegelstumpfes.
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In
wenigstens einer Ausführungsform
der Leuchtdiodenanordnung ist jedem Leuchtdiodenchip genau ein optisches
Element zugeordnet. Die Strahlungseintrittsöffnung des optischen Elements
ist dabei bevorzugt der Strahlungsauskoppelfläche des Leuchtdiodenchips in
einer Hauptabstrahlrichtung des Leuchtdiodenchips nachgeordnet.
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Es
ist aber auch möglich,
dass mehrere Leuchtdiodenchips einem gemeinsamen optischen Element
zugeordnet sind. Die Leuchtdiodenchips können dazu beispielsweise entlang
wenigstens einer Geraden angeordnet sein. Die Strahlungseintrittsöffnung des
optischen Elements ist dann der Gesamtfläche der Strahlungsauskoppelfläche der
einzelnen Leuchtdiodenchips in einer Hauptabstrahlrichtung der Leuchtdiodenchips
nachgeordnet.
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Gemäß wenigstens
einer Ausführungsform weist
die Strahlungseintrittsöffnung
des optischen Elements eine Fläche
auf, die maximal zweimal so groß ist,
wie die Gesamtstrahlungauskoppelfläche der dem optischen Element
zugeordneten Leuchtdiodenchips. Die Gesamtstrahlungsauskoppelfläche ist dabei
durch die Summe der Flächen
der Strahlungsauskoppelflächen
der einzelnen, dem optischen Element zugeordneten Leuchtdiodenchips
gegeben. Bevorzugt ist die Fläche
der Strahlungseintrittsöffnung maximal
1,5, besonders bevorzugt maximal 1,25 mal so groß wie die Gesamtstrahlungsauskoppelfläche der
dem optischen Element zugeordneten Leuchtdiodenchips.
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Eine
derart kleine Strahlungseintrittsöffnung erlaub es, den Raumwinkel
in dem die elektromagnetische Strahlung emittiert wird, möglichst
nahe an der Strahlungsauskoppelfläche des Leuchtdiodenchips zu
verkleinern. Dort ist die Querschnittsfläche des vom Leuchtdiodenchip
emittierten Strahlenkegels besonders klein. Dies ermöglicht die
Konstruktion von Bauelementen mit optimierter Etendue. Das heißt, eine
möglichst
hohe Strahlungsstärke
wird auf eine möglichst
kleine Fläche
projiziert. Die Etendue ist dabei eine Erhaltungsgröße der geometrischen Optik.
Sie ist durch das Produkt aus Flächeninhalt
einer Lichtquelle und dem Raumwinkel in dem die Lichtquelle abstrahlt
gebildet.
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In
wenigstens einer Ausführungsform
der Leuchtdiodenanordnung ist zwischen der Strahlungsauskoppelfläche des
Leuchtdiodenchips und der Strahlungseintrittsöffnung des optischen Elements
ein Spalt, beispielsweise ein Luftspalt, angeordnet. Dadurch ist
erreicht, dass besonders divergente Strahlung nicht in das optische
Element gelangt, sondern durch den Spalt vor dem Eintritt in das optische
Element beispielsweise seitlich austreten kann. Damit lässt sich
die Divergenz der vom optischen Element emittierten Strahlung weiter
verringern.
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Anstelle
eines Spalts ist es zudem möglich, dass
beispielsweise Seitenwände
die der Strahlungsauskoppelfläche
des Leuchtdiodenchips nachgeordnet sind nahe an der Strahlungseintrittsöffnung des
optischen Elements absorbierend oder für elektromagnetische Strahlung
transparent ausgebildet sind. Auch auf diese Weise kann erreicht
sein, dass der hochdivergente Anteil der vom Leuchtdiodenchip emittierten
Strahlung nicht in das optische Element tritt.
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Gemäß wenigstens
einer Ausführungsform der
Leuchtdiodenanordnung ist der Strahlungsaustrittsöffnung des
optischen Elements ein zusätzliches optisches
Element in Hauptabstrahlrichtung nachgeordnet. Bei dem zusätzlichen
optischen Element handelt es sich bevorzugt um eine lichtbrechende
oder lichtbeugende Optik mit der eine weitere Verringerung der Divergenz
der durch das zusätzliche
optische Element tretenden Strahlung erreicht werden kann.
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In
wenigstens einer Ausführungsform
der Leuchtdiodenanordnung weist die Leuchtdiodenanordnung ein Lumineszenzkonversionsmaterial
auf, das der Strahlungsauskoppelfläche wenigstens einer der Leuchtdiodenchips
nachgeordnet ist. Bevorzugt ist ein Lumineszenzkonversionsmaterial
der Strahlungsauskoppelfläche eines
jeden Leuchtdiodenchips der Leuchtdiodenanordnung nachgeordnet.
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Das
Lumineszenzkonversionsmaterial ist bevorzugt geeignet wenigstens
einen Teil der vom Leuchtdiodenchip ausgesandten elektromagnetischen
Strahlung Wellenlängen
zu konvertieren. Bevorzugt mischt sich die vom Leuchtdiodenchip
emittierte Strahlung mit ihrem wellenlängenkonvertierten Anteil beispielsweise
zu weißem
Licht.
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Es
ist aber auch möglich,
dass die vom Leuchtdiodenchip emittierte Strahlung im Wesentlichen
vollständig
durch das Lumineszenzkonversionsmaterial wellenlängenkonvertiert wird. Beispielsweise
kann auf diese Weise vom Leuchtdiodenchip emittierte Strahlung im
nichtsichtbaren Spektralbereich zu Strahlung im sichtbaren Spektralbereich
umgewandelt werden. Durch Verwendung von beispielsweise zwei verschiedenen
Leuchtstoffen im Lumineszenskonversionsmaterial kann dann durch
Lichtmischung z.B. weißes
Licht erzeugt werden.
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Geeignete
Leuchtstoffe zur Wellenlängenkonvertierung
sind beispielsweise in der Druckschrift WO98/12757 beschrieben,
deren Offenbarungsgehalt, die Leuchtstoffe betreffend hiermit durch
Rückbezug
aufgenommen wird.
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Das
Lumineszenzkonversionsmaterial kann in wenigstens einer Ausführungsform
der Leuchtdiodenanordnung beispielsweise einer strahlungsdurchlässigen Vergussmasse
beigemischt sein, die den Leuchtdiodenchip zumindest teilweise umgibt.
Die Vergussmasse kann dabei beispielsweise Epoxy- oder Silikonmaterialien
enthalten.
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Das
Lumineszenzkonversionsmaterial kann jedoch beispielsweise auch als
dünne Schicht
direkt auf die Strahlungsauskoppelfläche der einzelnen Leuchtdiodenchips
aufgebracht sein.
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Zudem
ist es möglich,
dass das Lumineszenzkonversionsmaterial zumindest stellenweise im optischen
Element enthalten ist. So kann das Lumineszenzkonversionsmaterial
beispielsweise als dünne
Schicht auf die Seitenwände,
die der Strahlungsauskoppelfläche
des Leuchtdiodenchips nachgeordnet sind, aufgebracht sein. Das Lumineszenzkonversionsmaterial
kann homogen auf den Seitenwänden verteilt
sein.
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Es
ist vorteilhaft aber auch möglich,
dass das Lumineszenzkonversionsmaterial auf definierte Stellen der
Seitenwände
aufgebracht ist. Auf diese Weise ist eine besonders definierte Konversion
der durch das optische Element tretenden elektromagnetischen Strahlung
möglich.
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Gemäß wenigstens
einer Ausführungsform der
Leuchtdiodenanordnung ist auf das Wärmeleitelement der Leuchtdiodenanordnung
ein Kühlkörper aufgebracht.
Der Kühlkörper besteht
bevorzugt aus einem besonders gut wärmeleitenden Material. Besonders
bevorzugt ist zumindest eine Oberfläche des Kühlkörpers mittels Kühlrippen
vergrößert. Die
Kühlrippen
befinden sich beispielsweise auf der dem Wärmeleitelement abgewandten
Oberfläche
des Kühlkörpers.
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In
wenigstens einer Ausführungsform
der Leuchtdiodenanordnung weist die Leuchtdiodenanordnung eine Kühlvorrichtung
auf, die geeignet ist, die vom Leuchtdiodenchip erzeugte Wärme vom Wärmeleitelement
und/oder dem Kühlkörper abzuführen. Die Kühlvorrichtung
ist bevorzugt geeignet Wärme
durch wenigstens einen der folgenden Mechanismen des Wärmetransports
abzuführen:
freie Konvektion, erzwungene Konvektion, Wärmeleitung.
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Bevorzugt
enthält
die Kühlvorrichtung
wenigstens eines der folgenden Elemente: Kühlkörper, wärmeleitendes Material, Heatpipe,
Thermosyphon, Flüssigkeitskreislauf,
Lüfter.
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Die
Kühlvorrichtung
ist beispielsweise geeignet, die von den Leuchtdiodenchips erzeugte
Wärme an
einen Kühlkörper abzugeben,
der wie eine Wärmesenke
wirkt. Die Wärmesenke
kann beispielsweise durch die Karosserie eines Kraftfahrzeuges oder die
Scheiben eines Kraftfahrzeugscheinwerfers gegeben sein. Sie kann
aber auch durch ein Gehäuse der
Leuchtdiodenanordnung gegeben sein.
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Gemäß wenigstens
einer Ausführungsform der
Leuchtdiodenanordnung ist die Kühlvorrichtung geeignet,
die von den Leuchtdiodenchips erzeugte Wärme an einen Ort zu transportieren,
an dem sie zu einem gezielten Heizen Verwendung findet. Besonders
bevorzugt wird die Wärme
mittels freier Konvektion, erzwungener Konvektion und/oder Wärmeleitung
an diesen Ort transportiert. Die von den Leuchtdiodenchips abgegebene
Wärme kann
dabei beispielsweise zum Enteisen oder Entfrosten Verwendung finden.
Bei einer Verwendung der Leuchtdiodenanordnung beispielsweise in
einem Kfz-Scheinwerfer können
die Scheiben des Scheinwerfers mittels der von den Leuchtdiodenchips
abgegebenen Wärme
aufgeheizt werden. Es ist damit beispielsweise möglich Frontscheinwerfer möglichst
schnell von Eis oder Schnee zu befreien. Auch bei der Verwendung
der Leuchtdiodenanordnung beispielsweise als Strahler im Außenbereich
kann auf diese Weise sichergestellt werden, dass die Abdeckscheiben
des Strahlers frei von Eis oder Schnee bleiben. Auch kann durch
das gezielte Beheizen von Abdeckscheiben mittels der von den Leuchtdiodenchips
abgegebenen Wärme
die Bildung von Kondenswasser auf den Abdeckscheiben zumindest weitgehend
verhindert werden.
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Im
folgenden wird die hier beschriebene Leuchtdiodenanordnung anhand
von Ausführungsbeispielen
und den dazugehörigen
Figuren näher
erläutert.
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In
den Ausführungsbeispielen
und Figuren sind gleiche oder gleichwirkende Bestandteile jeweils mit
den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Elemente
sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen,
vielmehr können
einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
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1 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung eines optischen Elements mit
Leuchtdiodenchip gemäß eines
Ausführungsbeispiels
der Leuchtdiodenanordnung.
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2 zeigt
eine schematische Skizze zur Erläuterung
der Funktionsweise eines nichtabbildenden optischen Konzentrators.
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3 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung eines optischen Elements gemäß eines
Ausführungsbeispiels
der Leuchtdiodenanordnung.
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4 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels
der hier beschriebenen Leuchtdiodenanordnung.
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5 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels
der hier beschriebenen Leuchtdiodenanordnung.
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6 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung eines dritten Ausführungsbeispiels
der hier beschriebenen Leuchtdiodenanordnung.
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7 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung eines vierten Ausführungsbeispiels
der hier beschriebenen Leuchtdiodenanordnung.
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8 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung eines fünften Ausführungsbeispiels der hier beschriebenen
Leuchtdiodenanordnung.
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9 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung eines sechsten Ausführungsbeispiels
der hier beschriebenen Leuchtdiodenanordnung.
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10 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung eines siebten Ausführungsbeispiels
der hier beschriebenen Leuchtdiodenanordnung.
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11 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung eines achten Ausführungsbeispiels
der hier beschriebenen Leuchtdiodenanordnung.
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12 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung eines neunten Ausführungsbeispiels
der hier beschriebenen Leuchtdiodenanordnung.
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13 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung eines zehnten Ausführungsbeispiels
der hier beschriebenen Leuchtdiodenanordnung.
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14 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung eines elften Ausführungsbeispiels
der hier beschriebenen Leuchtdiodenanordnung.
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15 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung eines zwölften Ausführungsbeispiels der hier beschriebenen
Leuchtdiodenanordnung.
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16 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung eines dreizehnten Ausführungsbeispiels
der hier beschriebenen Leuchtdiodenanordnung.
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17 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung eines vierzehnten Ausführungsbeispiels
der hier beschriebenen Leuchtdiodenanordnung.
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18 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung eines fünfzehnten Ausführungsbeispiels
der hier beschriebenen Leuchtdiodenanordnung.
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19 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung eines sechzehnten Ausführungsbeispiels der
hier beschriebenen Leuchtdiodenanordnung.
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1 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung eines optischen Elements 4 mit
einem Leuchtdiodenchip 1 gemäß eines Ausführungsbeispiels
der Leuchtdiodenanordnung.
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Der
Leuchtdiodenchip 1 ist hier auf einem Träger 2 aufgebracht.
Der Träger 2 kann
beispielsweise auf einen zweiten Träger 12 oder ein erstes Wärmeleitelement 13 (siehe
beispielsweise 4) montiert sein.
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Der
Leuchtdiodenchip 1 ist beispielsweise ein Dünnfilmleuchtdiodenchip,
wie er im allgemeinen Teil der Beschreibung erläutert ist.
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Dem
Leuchtdiodenchip 1 ist ein optisches Element 4 nachgeordnet,
bei dem es sich beispielsweise um einen dreidimensionalen CPC-artigen
nicht abbildenden optischen Konzentrator handeln kann. Das optische
Element 4 weist dabei eine Lichteingangsöffnung b
auf, durch die vom Leuchtdiodenchip emittierte elektromagnetische
Strahlung 3 treten kann. Die elektromagnetische Strahlung 3 wird
zumindest teilweise an den Seitenwänden des optischen Elements 4 reflektiert,
die dazu bevorzugt mit einer reflektierenden Beschichtung versehen
sind. Die Strahlung 3 verlässt das optische Element dann durch
die Strahlungsaustrittsöffnung 5.
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Je
näher die
Strahlungseintrittsöffnung
b des optischen Elements 4 an die Strahlungsauskoppelfläche des
Leuchtdiodenchips 1 gebracht wird, desto kleiner kann die
Strahlungseintrittsöffnung
b gestaltet sein und desto höher
ist die Strahldichte (Etendue) der durch die Strahlungsaustrittsöffnung 5 austretenden
elektromagnetischen Strahlung 3. Optisches Element 4 und
Leuchtdiodenchip 1 bilden zusammen die Beleuchtungseinrichtung 10.
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Alternativ
zum in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist es auch
möglich,
dass mehrere Leuchtdiodenchips beispielsweise entlang einer Geraden
auf dem Träger 2 angeordnet
sind und diesen Leuchtdiodenchips ein gemeinsames optisches Element 4 zugeordnet
ist.
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2 zeigt,
dass der Strahlkegel
6 der durch das optische Element
4 tretenden
Strahlung die Strahlungsaustrittsöffnung
5 mit einem
maximalen Winkel θ zur
Mittelachse
7 des optischen Elements
4 verlässt. Die
Länge l
des optischen Elements
4 bestimmt dabei bei gegebener Breite
der Strahlungseintrittsöffnung
b den Winkel θ.
Für einen
idealen kompakten parabolischen Konzentrator ergibt sich beispielsweise
folgender Zusammenhang:
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Um
einen maximalen Öffnungswinkel
von beispielsweise θ =
9° zu erreichen,
muss die Länge
l des optischen Elements etwa 23 mal so groß wie die Breite der Strahlungseintrittsöffnung b
sein.
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3 zeigt,
dass Alternativ zu einem CPC-artigen optischen Konzentrator das
optische Element beispielsweise Seitenwände 8 aufweisen kann,
die in geraden Linien von der Strahlungseintrittsöffnung b
zur Strahlungsaustrittsöffnung 5 verlaufen.
Dabei kann das optische Element ein Vollkörper aus einem dielektrischen
Material sein, der eine kegelstumpf- oder pyramidenstumpfartige Grundform aufweist.
Zusätzlich
kann die Strahlungsaustrittsöffnung 5 nach
Art einer sphärischen
oder asphärischen Linse
nach aussen gewölbt
sein, die ein zweites optisches Element 9 bildet, das geeignet
ist, die Divergenz der durch das optische Element 4 tretenden Strahlung 3 weiter
zu verringern.
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4 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel der
hier beschriebenen Leuchtdiodenanordnung. Wenigstens eine Beleuchtungseinrichtung 10,
wie sie beispielsweise in 1 erläutert ist,
ist hier auf einem Träger 12 aufgebracht
und. bildet die Lichtquelle 11. Bevorzugt sind mehrere
Beleuchtungseinrichtungen 10 auf einem gemeinsamen Träger 12 aufgebracht. Die
Beleuchtungseinrichtungen 10 sind dabei beispielsweise
derart auf dem Träger 12 angeordnet, dass
die von der Lichtquelle 11 abgestrahlte elektromagnetische
Strahlung beispielsweise dem deutschen Standard ECE für Kfz-Scheinwerfer genügt. Zusätzlich kann
der Lichtquelle 11 ein weiteres optisches Element 18 nachgeordnet
sein. Bei dem zweiten optischen Element 18 handelt es sich
beispielsweise um eine linsen- oder reflektorartige Optik.
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Der
Träger 12 ist
mit seiner der Lichtquelle 11 abgewandeten Oberfläche auf
ein erstes Wärmeleitelement 13 aufgebracht,
das beispielsweise in ein Gehäuse 16 der
Leuchtdiodenanordnung integriert sein kann. Alternativ kann die
Lichtquelle 11 direkt auf das Wärmeelement 13 aufgebracht
sein, der Träger 12 kann
dann entfallen.
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Das
Wärmeleitelement 13 besteht
bevorzugt aus einem gut wärmeleitendem
Material wie Kupfer, Aluminium oder Magnesium.
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Für den Fall,
dass die Leuchtdiodenanordnung in einem Kraftfahrzeug Verwendung
findet, kann das Gehäuse 16 der
Leuchtdiodenanordnung beispielsweise durch einen Teil der Kfz-Karosserie gebildet
sein.
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Auf
die der Lichtquelle 11 abgewandeten Oberfläche des
Wärmeleitelement 13 ist
in diesem Ausführungsbeispiel
ein Kühlkörper 14 aufgebracht. Der
Kühlkörper 14 enthält bevorzugt
ein besonders gut wärmeleitendes
Material Wie etwa Aluminium oder Kupfer. Die Verbindung zwischen
Wärmeleitelement 13 und
Kühlkörper 14 weist
bevorzugt einen besonders geringen Wärmewiderstand auf und ist beispielsweise
durch eine Lötverbindung
gegeben. Bevorzugt weist der Kühlkörper 14 zumindest
auf seiner dem Wärmeleitelement 13 abgewandeten
Oberfläche
Kühlrippen
auf. Im in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel
wird die Wärme
vom Kühlkörper 14 mittels
freier Konvektion an einen zweiten Kühlkörper 17 abgegeben,
der beispielsweise mit dem Gehäuse 16 der
Leuchtdiodenanordnung verbunden ist und als Wärmesenke fungiert. Die Wärme wird
dabei mittels eines Luftstroms 15 übertragen, der sich aufgrund des
Temperaturgradients zwischen erstem Kühlkörper 14 und zweitem
Kühlkörper 17 ausbildet.
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Wie
in 5 gezeigt, ist es zudem möglich, dass die Luftzirkulation
im Gehäuse 16 der
Leuchtdiodenanordnung zusätzlich
von wenigstens einem Lüfter 19 unterstützt wird.
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In 6 ist
ein Ausführungsbeispiel
der Leuchtdiodenanordnung gezeigt, bei dem die durch die Lichtquelle 11 erzeugte
Wärme durch
ein zweites Wärmeleitelement 20 vom
ersten Wärmeleitelement 13 zum
Gehäuse 16 abgeführt wird.
Das zweite Wärmeleitelement 20 kann
dabei beispielsweise ein Flachbandkabel sein, das ein wärmeleitendes
Material enthält.
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Im
Ausführungsbeispiel
der 7 ist das erste Wärmeleitelement 13 durch
einen metallischen Träger
gebildet, der beispielsweise Aluminium, Kupfer oder Magnesium enthalten
kann. Der Träger
ist beispielsweise mit einem zweiten Wärmeleitelement 20 thermisch
leitend verbunden oder erstes Wärmeleitelement 13 und
zweites Wärmeleitelement 20 sind einteilig
ausgeführt.
Zusätzlich
ist es möglich,
dass der Träger
und damit das Wärmeleitelement 13 als Halterung
für die
der Lichtquelle 11 nachgeordneten zusätzlichen Optik 18 fungiert.
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Im
Ausführungsbeispiel
der 8 ist auf die der Lichtquelle 11 abgewandten
Oberfläche
des Wärmeleitelements 13 ein
Flüssigkeitskühler 22 aufgebracht.
Ein Kühlkreislauf 21 führt die
Wärme vom Flüssigkeitskühler 22 beispielsweise
an das Gehäuse 16 der
Leuchtdiodenanordnung ab.
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9 zeigt
die Kühlung
der Leuchtdiodenanordnung mittels eines mit dem Wärmelement 13 thermisch
kontaktierten Thermosyphons 23. Das Thermosyphon 23 gibt
die Wärme
an einem oberhalb des Wärmeleitelements 13 gelegenen
Kühlkörper ab, der
beispielsweise durch das Gehäuse 16 der Leuchtdiodenanordnung
gegeben ist.
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10 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
der Leuchtdiodenanordnung, in dem die Wärme vom Wärmeleitelement 13 mittels
einer Heatpipe 24 abgegeben wird. Die Heatpipe 24 gibt
die aufgenommene Wärme
beispielsweise an das Gehäuse 16 und/oder einen
Kühlkörper 17 ab.
Gegenüber
einem Thermosyphon hat die Heatpipe 24 dabei den Vorteil,
dass die Wärme
in eine beliebige Richtung abgeführt
werden kann. Anders als beim Thermosyphon geschieht der Transport
von Kühlflüssigkeit
in der Heatpipe 24 nicht aufgrund von Gravitationskräften, sondern
die Kühlflüssigkeit
wird beispielsweise mittels Kapillarwirkung an den Innenwänden der
Heatpipe 24 zu der zu kühlenden
Stelle geleitet.
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11 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
der Leuchtdiodenanordnung, bei dem die von der Lichtquelle 11 erzeugte
Wärme an
einen Ort transportiert wird, an dem sie zum gezielten Heizen Verwendung findet.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel
wird mittels der durch einen Kühlkörper 14 und
einem Lüfter 19 gebildeten
Kühlvorrichtung
Wärme vom
Wärmeleitelement 13 zu äußeren und
inneren Abdeckscheiben 25a, 25b geführt. Die
Abdeckscheiben 25a, 25b sind dabei beispielsweise
Abdeckscheiben eines Kfz-Scheinwerfers. Ein Luftstrom 15 wird
dabei beispielsweise mittels des Lüfters 19 zwischen
den Abdeckscheiben 25a, 25b durchgeführt. Beispielsweise enteist
der Luftstrom 15 dabei die Abdeckscheiben 25a, 25b indem
Wärme vom
Luftstrom 15 an die Abdeckscheiben 25a, 25b abgegeben
wird. Der derart abgekühlte
Luftstrom 15 wird dann wiederum am Kühlkörper 14 vorbeigeführt, wo
er von den Leuchtdiodenchips erzeugte Wärme aufnehmen kann.
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Alternativ
ist es wie in 12 gezeigt möglich, dass Abwärme einer
weiteren Wärmequelle,
beispielsweise aus dem Motorraum eines Kraftfahrzeuges, mittels
eines Lüfters 19 zwischen
die beiden Abdeckscheiben 25a, 25b geführt wird.
Zusätzlich
kann eine Kühlung
der Leuchtdiodenanordnung beispielsweise durch eine der oben beschriebenen
Kühlvorrichtungen
erfolgen. Es ist dabei auch möglich,
dass die Abwärme
einer weiteren Wärmequelle
sowie die Abwärme
der Lichtquelle 11 zum Heizen der Abdeckscheiben 25a, 25b Verwendung
findet.
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13 zeigt
das Erwärmen
einer einzelnen Abdeckscheibe 25a analog zum in 11 erläuterten
Ausführungsbeispiels
mittels erzwungener Konvektion. Wenigstens ein Lüfter 19 ist dabei
geeignet im Gehäuse 16 der
Leuchtdiodenanordnung angeordnet, sodass ein Luftstrom 15 sowohl
an der Abdeckscheibe 25a, als auch am Kühlkörper 14 vorbeigeführt werden
kann. Dabei kann auch das zusätzlich optische
Element 18 beheizt werden.
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14 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
der Leuchtdiodenanordnung, bei dem das Wärmeleitelement 13 durch
einen metallischen Träger
gebildet ist. Der Träger
kann wenigstens eines der folgenden Materialien enthalten: Aluminium,
Kupfer, Magnesium. Das Wärmeleitelement 13 ist
beispielsweise thermisch leitend mit einem zweiten Wärmeleitelement 20 verbunden,
oder die beiden Wärmeleitelemente 13, 20 sind
einteilig ausgeführt.
Das Wärmeleitelement 13 kann
zusätzlich
als Halterung für
ein optisches Element 18 dienen, das der Lichtquelle 11 nachgeordnet
ist. Das Wärmeleitelement 13, 20 ist geeignet,
Wärme von
der Lichtquelle 11 zur Abdeckscheibe 25a abzuführen. Die
Abdeckscheibe 25a kann mittels Wärmeleitung 26 und/oder
freier Konvektion 15 beheizt werden. Zudem erlaubt das
gezeigte Ausführungsbeispiel
ein gezieltes Erhitzen des optischen Elements 18. Auf diese
Weise kann auch das optische Element 18 durch die von der Lichtquelle 11 abgegebene
Wärme beispielsweise entfrostet
werden.
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15 zeigt
das Erwärmen
der Abdeckscheibe 25a mittels einer Scheibenheizung, die
beispielsweise aus wenigstens einem dünnen metallischen Draht 27 besteht.
Der Draht 27 kann beispielsweise mittels eines elektrischen
Stroms erwärmt
werden.
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Zudem
ist es möglich,
dass der Draht 27 wärmeleitend
mit dem Wärmeleitelement 13 verbunden ist.
wie in 16 gezeigt ist, wird die von
der Lichtquelle 11 erzeugte Wärme mittels des Drahtes 27 dann
beispielsweise zur Abdeckscheibe 25a geführt.
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17 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
der Leuchtdiodenanordnung, bei dem die Abdeckscheibe 25a mittels
einer Heatpipe beheizt wird. Zudem ist es auch möglich, dass die Heatpipe Wärme beispielsweise
auch an das optische Element 18 abgibt.
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Im
Ausführungsbeispiel
der 18 ist ein Absorber 28, der geeignet
ist, beispielsweise Infrarot oder UV Strahlung in Wärme umzuwandeln,
auf die Abdeckscheibe 25a aufgebracht. Auf diese Weise kann
die Abdeckscheibe 25a mittels Infrarot oder UV Strahlung
aufgeheizt werden, die beispielsweise von der Lichtquelle 11 emittiert
wird.
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19 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
der Leuchtdiodenanordnung, bei dem zusätzlich zur Lichtquelle 11 wenigstens
eine Wärmequelle
oder Infrarotquelle 29 auf den Träger 12 aufgebracht
ist, die Wärme
zur Abdeckscheibe 25a hin abstrahlt. Bei der Wärmequelle
kann es sich zum Beispiel um wenigstens eines der folgenden Bauelemente
handeln:
Infrarot LED, High Power Laser, Glühlampe, Halogenlampe, Gasentladungslampe.
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In
allen genannten Ausführungsbeispielen
ist es zusätzlich
möglich,
dass die Lichtquelle 11 derart montiert ist, dass die Hauptabstrahlrichtung
des von der Lichtquelle emittierten Lichts von der Abdeckscheibe 25a, 25b abgewandt
ist. Die Lichtquelle 11 strahlt dann beispielsweise in
ein weiteres optisches Element, beispielsweise einen Reflektor,
der das Licht der Lichtquelle 11 zur Abdeckscheibe 25a, 25b hin
umleitet.
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Die
obige Erläuterung
der Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele
ist nicht als Beschränkung der
Erfindung auf die Ausführungsbeispiele
zu verstehen. So beschränkt
sich die Erfindung keineswegs auf Kfz-Scheinwerfer, sondern umfasst
alle denkbarein Scheinwerferarten. Merkmale die anhand unterschiedlicher
Ausführungsbeispiele
erläutert wurden
sind unabhängig
vom Ausführungsbeispiel beliebig
miteinander kombinierbar. Die Erfindung umfasst jedes neue Merkmal,
sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von
Merkmalen in den Patenansprüchen
beinhaltet, auch wenn diese Merkmale oder diese Kombinationen selbst
nicht explizit in den Patenansprüchen
oder den Ausführungsbeispielen
angegeben ist.