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Die
Erfindung betrifft eine Halbleiter-Strahlungsquelle, gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1.
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Bei
einer derartigen Halbleiter-Strahlungsquelle ist es bereits vorgeschlagen
worden, mindestens zwei LED-Chips zentral auf einem Kühlkörper zu lagern
und über
eine gemeinsame Sammellinse die Lichtabgabe der LED-Chips zu bündeln. Die
Lichtabgabe ist besonders effizient, wenn die LED-Chips eng benachbart
dem Brennpunkt der Linse angeordnet sind. Durch eine derartige eng
benachbarte Anordnung wird neben der hohen Lichtleistung eine erhebliche
Wärmeleistung
dort erzeugt. Hierzu ist es längst
bekannt, Kühlkörper einzusetzen,
um die Wärmeleistung
abzuführen.
Für die
Lichtausbeute ist es entscheidend, dass hier eine gute Kühlung vorgenommen,
um dem Betriebstemperaturbereich der LED-Chips nicht zu überschreiten.
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Gerade
energiereiche LED-Chips müssen für ein zuverlässiges Funktionieren
abgedichtet aufbewart werden. Um dies zu erreichen, ist es seit
langem bekannt, die LED-Chip in Kunststoffkörpern zu vergießen. Dies
bedingt jedoch eine vorgegebene Form eines Linsenkörpers. In
vielen Fällen
wäre es wünschenswert,
anstelle der üblichen
Vergußmasse ein
Material mit höherem
Brechungsindex zu verwenden, so dass eine separate Linse erwünscht ist.
Beispielsweise kann eine derartige Linse aus einem hochbrechendem
Kunststoff oder Glas bestehen. Diese Linse sollte jedoch andererseits,
nachdem es sich um ein optisches Präzisionsbauteil handelt, nicht zu
großen
Wärmeschwankungen
unterworfen werden, damit sie sich nicht verformt oder eintrübt.
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Um
eine gute Wärmeableitung
zu gewährleisten,
ist es bekannt geworden, den Raum zwischen Linse und Chip über eine
Flüssigkeit
zu füllen. Gegenüber einer
Luftbefüllung
ist hiermit eine wesentlich verbesserte Wärmeableitung möglich. Hintergrund
ist, dass die Flüssigkeit
aufgrund von Konvektionen zwischen der vergleichsweise kühlen Kühlkörperoberfläche und
den LED-Chips strömt,
so dass ein Wärmeaustausch
erzielt wird.
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Bei
einer Flüssigkeitsfüllung muss
jedoch Sorge getragen werden, dass eine sichere Abdichtung für den Raum
zwischen Linse und Chip gewährleistet
ist. Diese Abdichtung ist vergleichsweise aufwändig, denn typischerweise muss
auch berücksichtigt
werden, dass sich die Flüssigkeit
durch die Erwärmung
ausdehnt. Die entstehenden Probleme sind umso größer, je größer die von den LED-Chips erzeugte Verlustwärme ist,
während
andererseits gerade Hochleistungschips recht viel Wärmestrahlung abgeben.
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Um
die Wärme
besser ableiten zu können, ist
es bereits vorgeschlagen worden, eine Vielzahl von LED-Chips verteilt
anzubringen. Zwar lässt
sich auch hierdurch eine recht hohe Gesamt-Lichtleistung bereitstellen. Die Bündelung
des Lichtstrahls ist – gerade
bei Einleitung in einen Lichtleiter – jedoch erheblich aufwändiger,
und es ist auch erforderlich, eine Vielzahl von einzelnen LED-Chips – je mit
den entsprechenden Ansprüchen – zu montieren.
Die Einzelchip-Ausfallwahrscheinlichkeit, also die Wahrscheinlichkeit,
dass einer der Chips ausfällt,
ist wesentlich höher
und die Konstruktion wird insgesamt wesentlich schwerer, was gerade
bei Handgeräten
unerwünscht
ist.
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Gerade
bei Handgeräten
ist der zur Verfügung
stehende Raum für
die Bereitstellung der LED-Chips ausgesprochen begrenzt. Andererseits wäre es wünschenswert,
ausreichend Platz für
die Anschlüsse
und gegebenenfalls auch für
Vorwiderstände
für den
Abgleich bzw. die Kalibrierung der LED-Chips bereitzustellen, aber
dennoch ist eine gute Wärmeableitung über den
Basiskörper,
hingegen eine Wärmeabschirmung
nach vorne hin zu sorgen.
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Daher
liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Halbleiter-Strahlungsquelle
gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 zu schaffen, die hinsichtlich des Verhältnisses
zwischen der Lichteffizienz und der Verlustleistungsabführung verbessert
ist, ohne das die Gefahr bestände,
dass vor der Halbleiter-Strahlungsquelle angeordnete Bauteile stark
erwärmt
werden.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Anspruch
1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß besonders
günstig
ist es, wenn die LED-Chips in dichter Packung, also angrenzend aneinander – gegebenenfalls
unter Zwischenschaltung von sehr kompakten Reflektorelementen – in einem
zentralen Bereich des Basiskörpers
angeordnet sind. Hierunter ist ein mittlerer Bereich des Basiskörpers zu
verstehen, der sich beispielsweise über etwa das mittlere Drittel
oder weniger, beispielsweise auch über das mittlere Fünftel, des
Basiskörpers
erstreckt. Dies erlaubt zunächst,
ausreichend Platz für Leiterbahnen
für die
stabile und temperaturfeste mechanische Anschlußbereitstellung, sowie gegebenenfalls
für Vorwiderstände, zu
belassen. Zudem ermöglicht
diese zentrale Anordnung, nahezu den gesamten Bereich, beispielsweise
90% der Fläche,
des Basiskörpers
mit einer Printplatte zu versehen. Die Printplatte hat hier die
Doppelfunktion, die Anschlussleitungen möglichst eng an die LED-Chips heranzuführen, um
geeignete Anschlussflächen,
insbesondere für
Bondverbindungen, bereitzustellen. Zudem dient sie der Wärmedämmung und
schützt damit
die thermisch empfindliche Optik vor der Anstrahlung des vergleichsweise
heißen
Basiskörpers, der
so besonders effizient für
die Ableitung der Wärme
der LED-Chips benutzt werden kann. Die Printplatte wirkt insofern
wie eine Art Mantel und deckt praktisch die gesamte Fläche des
Basiskörpers,
abgesehen von der Fläche,
die von den LED-Chips eingenommen wird, so wie gegebenenfalls von
den sehr kleinen Reflektorelementen, ab.
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Die
Reflektorelemente können
so klein sein, dass jedes Reflektorelement beispielsweise lediglich ein
Zehntel der Fläche
jedes LED-Chips einnimmt, wobei die LED-Chips ohnehin sehr klein
sind. Dies ermöglicht überraschend
einen besonders guten Schutz der Linse und weiterer empfindlicher
optischer Bauteile, und zwar überraschend
auch gegenüber
dezentral aufgebauten Chips, bei denen insofern mehrere punktförmige Wärmequellen
verteilt strahlen.
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Überraschend
hat sich die in besonders günstiger
Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Halbleiter-Strahlungsquelle
vorgesehene fingerförmige
Teilabdeckung von LED-Chips radial belegten Bereich als besonders
wirksam herausgestellt. Hierdurch lassen sich einerseits die Anschlussflächen für das Bonden
besonders nahe an die Chips heranführen, aber andererseits ergibt
sich auch eine besonders gute Wärmedämmung an
sehr heißen
Bereichen des Basiskörpers.
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Eine
kreuzförmige
oder sternförmige
Anordnung der LED-Chips begünstigt
diese bevorzugte Ausgestaltung, bei der dann die seitlichen Freiflächen, also
die Flächen,
die sich bei Betrachtung von der Seite neben einem äußeren LED-Chip
erstrecken, vollständig
oder zumindest im Wesentlichen vollständig von der Printplatte abgedeckt
sind. Bei quadratischen LED-Chips ist eine kreuzweise Anordnung
der Chips bevorzugt, so dass sich insgesamt vier seitliche Freiflächen – je zwischen
den Schenkeln des Kreuzes – erstrecken,
aber auch eine sternförmige
Anordnung, beispielsweise eines Sterns mit drei, fünf oder
sechs Schenkeln erlaubt die Bereitstellung seitlicher Freiflächen, die
dann von einer Printplatte abgedeckt werden.
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Diese
Ausgestaltung steht der Kompaktanordnung mit guter Fokussierbarkeit
der abgegebenen Lichtstrahlung mit einer einzigen Linse nicht entgegen.
Besonders günstig
ist es in diesem Zusammenhang, wenn die Linse über einen Abstandshalter abgestützt ist,
der seinerseits auf der Printplatte gelagert ist, so dass auch der
Abstandshalter selbst sich auf einem geringeren Temperaturniveau
befindet.
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Besonders
günstig
ist es in diesem Zusammenhang, wenn die LED-Chips so dicht aneinander angrenzen,
dass die Breite zwischen ihnen weniger als ein Fünftel, insbesondere etwa ein
Zehntel, des Durchmessers jedes LED-Chips beträgt.
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Erfindungsgemäß besonders
günstig
ist es auch, wenn durch ein eng an einen Einzelchip angrenzendes
Reflektorelement, das in seiner Höhe auf die Höhe des LED-Chips
beschränkt
sein kann, das dort austretende Strahlungsmaximum ausgenutzt und
nach vorne reflektiert werden kann. Dies erlaubt es auch, einen
Abstand zwischen einem sich vor den LED-Chips erstreckenden Parabol-Reflektor
oder Reflektorkegel in Richtung der optischen Achse vorzunehmen
und insofern auch die Einleitung der Wärmestrahlung auch auf den optischen
Reflektor zu reduzieren, ohne dass Emissionsstrahlung verloren ginge.
Bevorzugt ist es in diesem Zusammenhang, wenn die abgegebene Lichtstrahlung
zunächst
die vor den LED-Chips angeordnete gemeinsame Abdecklinse durchtritt
und erst dann auf den Parabol-Reflektor fallen kann. Dies erlaubt
es, den größten Teil
der abgegebenen Lichtstrahlung bereits vorab zu bündeln und
zu fokussieren, so dass auch eine etwaige Verschmutzung des Reflektors
sich weniger stark auswirken würde.
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In
erfindungsgemäß besonders
günstiger Ausgestaltung
ist es vorgesehen, dass ein für
die Linse vor den LED-Chips vorgesehener Abstandshalter im Wesentlichen
ringförmig
ausgestaltet ist, wobei sich die Leiterbahnen der Printplatte unter
dem Abstandshalter hindurch erstrecken. Dies ermöglicht einerseits ein einfaches
Bonden, wobei die Bonddrähte nach
Anbringung des Abstandshalters und der Linse gut geschützt sind,
aber andererseits eine leichte Kontaktierung nach außen.
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Die
erfindungsgemäße Printplatte
kann aus einem beliebigen geeigneten wärmedämmenden Material bestehen,
beispielsweise aus Epoxidharz, aber auch aus einem anderen hierfür geeigneten Kunststoff
oder auch aus Keramik.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass die
Printplatte in Freiflächen
hineinragt, die sich seitlich neben den Chips erstrecken.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass
die Printplatte bis neben die Chips verläuft, jedoch nicht zwischen
Chips und optischer Achse der Strahlungsquelle.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass
ein erster LED-Chip in einer optischen Achse angeordnet ist und
eine Mehrzahl von mehreren LED-Chips, insbesondere symmetrisch zueinander
und den LED-Chip nach der Art eines Kreuzes oder Sternes umgebend,
radial außerhalb
des ersten LED-Chips angeordnet sind.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass
vier weitere LED-Chips den ersten LED-Chip umgeben.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass
die LED-Chips in dem zentralen Bereich des Basiskörpers einander
benachbart, also ohne Printplatte zwischen ihnen, angeordnet sind.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass
die Printplatte die LED-Chips umgibt.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass
die LED-Chips und die Printplatte im Wesentlichen die gleiche Höhe aufweisen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass
insbesondere über
Bondverbindungen Anschlußflächen von
Leiterbahnen der Printplatte mit den LED-Chips verbunden sind.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass
die LED-Chips, ggf. über
einen thermisch leitfähigen
Kle ber, unmittelbar auf dem Basiskörper gelagert sind und die
Printplatte auf dem Basiskörper
insbesondere aufgeklebt ist.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass
die Printplatte eine Epoxidharzbasis aufweist und wenigstens auf
einer Seite mindestens eine Leiterbahn aufweist und insbesondere
mit Kupfer beschichtet sowie durchkontaktiert ist.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass
die LED-Chips auf einem zentralen Vorsprung des Basiskörpers angeordnet sind,
dessen Höhe
im Wesentlichen der Höhe
der Printplatte entspricht.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass
mindestens zwischen zwei einander benachbarten LED-Chips ein Reflektorelement
angeordnet ist, das sich an dem Basiskörper, und/oder der Printplatte
und/oder den LED-Chips, insbesondere auch an dem Basiskörper, abstützt.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass
ein sich zwischen zwei LED-Chips erstreckendes Reflektorelement
zwei im Wesentlichen schräg
verlaufende Reflexionsflächen aufweist,
wobei jede Reflexionsfläche
aus dem benachbarten LED-Chip
stammende Strahlung reflektiert.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass
die Reflexionsflächen
in Richtung der optischen Achse betrachtet sich im Wesentlichen
entsprechend der Höhe
der Printplatte erstrecken oder die Printplatteüberragen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass
Reflexionsflächen
leicht konkav oder parabolisch ausgestaltet sind und dass das Reflektorelement
einen im Wesentlichen dreieckigen Querschnitt, insbesondere im Wesentlichen
eines gleichschenkligen Dreiecks, aufweist.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass
mehrere Reflektorelemente unter Bildung eines Gitterreflektors miteinander
verbunden sind.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass
die LED-Chips in dem Gitterreflektor aufgenommen sind und dass sich
der Gitterreflektor an dem Basiskörper und/oder der Printplatte und/oder
den LED-Chips abstützt.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass
sich Reflektorelemente zwischen den seitlichen Freiflächen und
den LED-Chips erstrecken und dort insbesondere die LED-Chips abstützen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass
sich zwischen LED-Chips, insbesondere zwischen äußeren LED-Chips, und der Printplatte Strahlungsabsorber
erstrecken, die insbesondere mit dem Basiskörper in Wärmeleitverbindungen miteinander
verbunden sind.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass
die Strahlungsabsorber zugleich wärmedämmend ausgebildet sind und
insbesondere aus Keramik bestehen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass
die Strahlungsabsorber sich mindestens über die Breite der LED-Chips
erstrecken und insbesondere eine größere Höhe als die LED-Chips aufweisen,
bevorzugt etwa die 1,5 bis 5-fache Höhe und besonders bevorzugt
etwa die zweifache Höhe
der LED-Chips.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass
eine Abdecklinse im Strahlengang nach den LED-Chips angeordnet ist
und ein Abstandshalter für
diese im Wesentlichen rohr- oder ringförmig ausgebildet ist, und dass
der Abstandshalter mindestens teilweise auf der Printplatte und/oder dem
Basiskörper
abgestützt
ist.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass
mindestens eine Leiterbahn der Printplatte unter einem Abstandshalter
hindurch verläuft
und insbesondere von außerhalb
des Abstandshalters nach innerhalb des Abstandshalters verläuft.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass
sich zwischen den LED-Chips, dem Abstandshalter und der Abdecklinse
ein geschlossener Raum erstreckt, der eine durchsichtige oder durchscheinende,
flüssige
oder gelförmige
Substanz, insbesondere Silikongel oder eine Vergußmasse,
aufweist.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass
die Substanz Phosphorpartikel aufweist.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass
im Strahlengang nach einer Abdecklinse eine Sammellinse angeordnet
ist, deren Durchmesser insbesondere größer als der Durchmesser der
Abdecklinse ist.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass
von den LED-Chips beabstandet vor diesen, also im Strahlengang nach
diesen, und/oder insbesondere auch im Strahlengang nach einer Abdecklinse,
ein Reflektor angeordnet ist.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass
im Strahlengang nach dem Reflektor ein Lichtleiter angeordnet ist.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass
auf der Printplatte, außerhalb des
Abstandshalters insbesondere abgleichbare Vorwiderstände angeordnet
sind, die für
die Abgleichung frei zugänglich
sind.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass
der erste LED-Chip und die weiteren LED-Chips Licht mit unterschiedlichen
Wellenlängen
ausstrahlen, insbesondere einerseits mit 400 bis 430 nm und andererseits
mit 450 bis 480 nm.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass
der erste Chip und die weiteren Chips gleichzeitig oder zu unterschiedlichen
Zeitpunkten einschaltbar und ausschaltbar sind.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass
der erste LED-Chip Licht mit 400 bis 430 nm und die weiteren LED-Chips
Licht mit 450 bis 480 nm ausstrahlen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass
das Lichthärtgerät als Handgerät mit einem
Griff ausgebildet ist.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass
dass das Lichthärtgerät ein Gehäuse aufweist,
an dem die Sammellinse abgestützt
ist.
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Weitere
Einzelheiten, Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand der Zeichnung.
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Es
zeigen:
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1 Eine
schematische Ansicht eines Details einer erfindungsgemäßen Halbleiter-Strahlungsquelle;
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2 eine
Draufsicht auf ein weiteres Detail einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Halbleiter-Strahlungsquelle;
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3 einen
Schnitt durch eine Halbleiter-Strahlungsquellle;
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4 einen
Schnitt durch eine weitere Ausführungsform
einer Halbleiter-Strahlungsquelle;
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5 eine
Draufsicht auf die Halbleiter-Strahlungsquelle in der Ausführungsform
gemäß 4;
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6 einen
Schnitt durch die erfindungsgemäße Halbleiter-Strahlungsquelle
in einer weiteren Ausführungsform;
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7 eine
Draufsicht auf die Ausführungsform
gemäß 6;
und
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8 eine
Draufsicht auf einen Teils einer erfindungsgemäßen Strahlungsquelle; und
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9 einen
Schnitt durch die Ausführungsform
gemäß 8.
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Die
in 1 teilweise dargestellte Halbleiter-Strahlungsquelle 10 weist
eine Mehrzahl von LED-Chips auf, in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
einen mittig angeordneten Chip 12 und vier je sich entlang
seiner Seitenkanten erstreckende Chips 14, 16, 18 und 20.
Die Chips sind auf einem Basiskörper 22 angebracht,
der aus Metall besteht und zugleich als Montagebasis und als Kühlkörper. Der
Basiskörper
besteht bevorzugt wenigstens teilweise aus Kupfer und/oder ist wenigstens
teilweise mit Gold oder Nickel-Gold beschichtet. Die Aufbringung
erfolgt mit einem geringen Wärmewiderstand zwischen
den Chips und dem Basiskörper 22,
so dass auch eine hohe Wärmeleistung
abführbar
ist.
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Zwischen
dem mittigen Chip 12 und den benachbarten Chips 14 bis 20 ist
je ein Reflektorelement 24 angeordnet, das in der Seitenansicht
einen im Wesentlichen dachförmigen
Aufbau hat. Das Reflektorelement 24 erstreckt sich angrenzend
an die je benachbarten Seitenflächen
der LED-Chips 18 und 12 und dient der Reflektion
der an über
die Seitenflächen
austretenden Strahlung der LED-Chips. Die Reflexionsflächen 26 und 28 erstrecken
sich etwa im Winkel von 45° gegenüber der
Oberfläche
des Basiskörpers 22,
so dass schräg
aus dem Chip 12 bzw. 18 austretende Strahlung
schräg
nach vorne reflektiert wird. Die Reflexion folgt bekann termaßen dem Grundsatz
Einfallswinkel gleich Ausfallwinkel, so dass die betreffende Strahlung
regelmäßig schräg nach vorne
fällt.
Vor den LED-Chips ist eine Abdecklinse 40 angeordnet, die
die Strahlung bündelt
und vor der Abdecklinse ein Reflektor 50, der noch seitlich
austretende Strahlung weiter fokussiert, damit sie einem noch weiter
vor den LED-Chips angeordneten Eintrittsende eines Lichtleiters
zugeleitet werden kann.
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Es
versteht sich, dass der Schrägstellungswinkel
der Reflexionsflächen 26 und 28 in
weiten Bereichen an die Erfordernisse anpassbar ist. Eine stärkere Fokussierung
für die
Hauptstrahlung ergibt sich durch einen Schrägstellungswinkel von beispielsweise
60° gegenüber der
Oberfläche
des Basiskörpers 22,
wobei dann gewisse Anteile der austretenden Strahlung rückreflektiert
werden, also über
die optische Achse der Abdecklinse hinaus auf die gegenüberliegende
Seite reflektiert werden, was im Grunde nicht erwünscht ist.
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In
den dargestellten Ausführungsbeispielen ist
die Höhe
jedes Reflektorelements wesentlich höher als die Höhe eines
Chips. Es versteht sich, dass auch diese Höhe in weiten Bereichen an die
Erfordernisse anpassbar ist, beispielsweise von dem einfachen bis
zum dreifachen oder sogar fünffachen
der Höhe
des Chips betragen kann.
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Die
Reflektorelemente 24 wirken zugleich auch als Abstandshalter
zwischen den LED-Chips. Sie können
auch an allen vier Seitenkanten beispielsweise des Chips 12 vorgesehen
sein; auch eine Gitterstruktur gemäß dem Gitterreflektor 30,
wie sie aus 2 ersichtlich ist, ist besonders
günstig,
nachdem hierdurch auch die Montage der Chips vereinfacht werden
kann. Die Reflektorelemente 24 sind bei dieser Lösung zu
dem Gitterreflektor 30 zusammengefasst. Jeder Steg des
Gitters weist daher den entsprechenden dachförmigen Querschnitt auf, also
im Wesentlichen den Querschnitt eines gleichschenkligen Dreiecks,
je von der Seite betrachtet, und die Stege erstrecken sich kreuzweise
zueinander, wie es aus 2 ersichtlich ist. Hierdurch
sind Freiflächen belassen,
wobei in der Ausgestaltung gemäß 2 in
den Freiflächen 34a, 34b, 34c, 34d und 34e je
ein LED-Chip aufgenommen ist – entsprechend
den LED-Chips 12 bis 20 aus 1 –, während die
Freiflächen 36a, 36b, 36c und 36d,
die sich seitlich neben den Chips befinden, frei auch von Chips
sind. Es ist bevorzugt, dass dort die Printplatte hineinragt, die der
Bereitstellung von Anschlussflächen
für die LED-Chips
dient. Diese bevorzugte Ausgestaltung erlaubt es, die Printplatte
einerseits recht nahe an die Chips heranzuführen, was für das Bonden günstig ist, aber
andererseits eine kompakte Chipanordnung zu gewährleisten, die aus optischen
Gründen
günstig ist.
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Es
versteht sich, dass im Grunde an die Freiflächen 36a bis 36d angrenzend
keine Schrägflächen des
Reflektorelements 24 vorgesehen sein müssen, denn dort wird keine
Strahlung abgegeben. Insofern ist es ausreichend, wenn dort die
Breite der Gitterstruktur 30 halbiert ist, also sich lediglich
einseitig Schrägflächen je
zu den benachbarten Chip hin erstrecken. Aus Gründen der einfacheren Fertigung und
auch aus Gründen
der besseren Stabilität
der Finger des Gitterreflektors 30 kann dennoch eine je zugehörige Reflexionsfläche vorgesehen
sein. Beispielsweise kann jeder LED-Chip eine Kantenlänge von
1,5 mm aufweisen, so dass die Breite jedes Fingers 38 der
Gitterstruktur beispielsweise 0,5 mm betragen kann. Eine Gitterstruktur
mit Fingerbreiten von 0,5 mm lässt
sich aber wesentlich besser handhaben als eine Gitterstruktur einer
Fingerbreite von 0,25 mm.
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Erfindungsgemäß besonders
günstig
ist es, dass der Abstand zwischen den einzelnen LED-Chips weniger
als 1/5, insbesondere etwa 1/10, des Durchmessers jedes LED-Chips
beträgt.
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Es
versteht sich, dass die genauen Abmessungen der Halbleiter-Strahlungsquelle 10 in
weiten Bereichen an die Erfordernisse anpassbar sind. Besonders
günstig
ist es, wenn die Gesamtbreite der Chipanordnung der erfindungsgemäßen Halbleiter-Strahlungsquelle 10,
die Erstreckung von der Außenkante
des Chips 18 zur Außenkante
des Chips 16, oder die Erstreckung von der Außenkante des Chips 12 bis
zur Außenkante
des Chips 20, weniger als 8 mm, insbesondere weniger als
6 mm und bevorzugt etwa 5 mm beträgt, so dass einerseits eine
zentrale Anordnung der LED-Chipanordnung auf dem Basiskörper möglich ist,
aber andererseits dennoch eine günstige
Wärmeableitung
möglich
ist. Bei dieser Dimensionierung kann der Basiskörper beispielsweise eine Breite
von etwa 1,5 cm und eine Länge
von etwa 2,5 cm aufweisen und in weiter unten liegenden Bereichen
in an sich bekannter Weise mit Kühlrippen versehen
sein.
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Eine
modifizierte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Halbleiter-Strahlungsquelle 10 ist aus 3 ersichtlich.
Dort sind ebenfalls fünf LED-Chips
kreuzweise angeordnet, ähnlich
wie es bei den Ausführungsformen
gemäß 1 und 2 vorgesehen
ist. Zwischen ihnen erstreckt sich eine Gitterstruktur 30 mit
Reflektorelementen 24, deren Höhe praktisch der Höhe der LED-Chips
entspricht. Unmittelbar hieran angrenzend ist eine Abdecklinse 40 vorgesehen.
Unter unmittelbar angrenzend ist hier zu verstehen, dass die Abdecklinse 40 auf
den Oberkanten der Reflektorelemente 24 aufliegen kann, oder
einem ganz geringen Abstand von beispielsweise 0,1 bis 1 mm sich
oberhalb der LED-Chips erstrecken kann.
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Die
Abdecklinse 40 ist über
einen Abstandshalter 42 abgestützt. Der Abstandshalter 42 weist eine
Innenschulter 44 auf, die sich genau zum Umfang der Abdecklinse 40 erstreckt,
diese seitlich abstützt
und umgreift.
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Der
Abstandshalter 42 ist hauptsächlich auf einer Printplatte 46 abgestützt, wobei
im Bereich eines Zapfens 48 die Abstützung zusätzlich auf dem Basiskörper 22 erfolgt.
Die Printplatte 46 erstreckt sich seitlich bis zu den äußeren LED-Chips 14 und 20 hin – abgesehen
von dem Zapfen 48, der in 3 im Schnitt
dargestellt ist – erstreckt
sich jedoch noch weiter radial einwärts neben den Chips 14 und 20, nämlich in
die Freiflächen 36a, 36b, 36c und 36d hinein,
so dass Teile der Printplatte sich je zwischen den äußeren LED-Chips,
also beispielsweise zwischen dem Chip 14 und dem Chip 16,
erstrecken. Gerade dort, also im Bereich der Freiflächen 36a bis 36d,
sind Anschlußflächen ausgebildet,
die aus 3 nicht ersichtlich sind.
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Die
Kontaktierung erfolgt bevorzugt so, dass der Basiskörper 22 als
Massekörper
dient, während Leiterbahnen
zu den Chips 12 bis 20 hingeführt sind, die sich oben auf
der Printplatte 46 erstrecken und den Anschluß sicherstellen.
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Oberhalb
des Abstandshalters 46 erstreckt sich ein Reflektor 50,
der in an sich bekannter Weise eine parabolische Oberfläche aufweist.
Er schließt sich
an die Vorderseite der Abdecklinse 40 an. Durch diese Zwischenschaltung
ist er zusätzlich
thermisch getrennt von den heißen
LED-Chips 12 bis 20 und von dem ebenfalls recht
warmen Basiskörper 22,
so dass er nicht zur Eintrüben
neigt, auch wenn preisgünstiges
Kunststoffmaterial eingesetzt wird.
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Von
dem Reflektorelement etwas beabstandet erstreckt sich dieses überlappend
eine Sammellinse 52, die an einer Innenschulter in dem
Gehäuse 54 gelagert
ist. Das Gehäuse 54 nimmt
wiederum den Basiskörper 22 auf,
so dass insofern eine feste räumliche
Zuordnung zwischen dem Reflektor 50 und der Sammellinse 52 gegeben
ist.
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Eine
modifizierte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle ist aus 4 ersichtlich.
Bei dieser Lösung
ist eine Mehrzahl von LED-Chips 12, 14 kompakt
und zentral auf dem Basiskörper 22 angeordnet.
Wie auch bei den Ausführungsformen
gemäß 1 bis 3 sind
die LED-Chips eng benachbart angeordnet, wobei höchstens ein Reflektorelement
sich zwischen ihnen erstreckt und – in dem dargestellten Ausführungsbeispiel – kein Reflektorelement
vorgesehen ist.
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Erfindungsgemäß besonders
günstig
ist es, dass sich zwischen der optischen Achse 60 und den Chips
keine Printplatte erstreckt, sondern dass insofern eine enge Anordnung
vorgesehen ist, wäh rend sich
seitlich eine Printplatte in den Bereich der LED-Chips hinein erstrecken
kann. Bei der Ausführungsform
gemäß den 4 und 5 ist
die Printplatte 46 deutlich außerhalb der Chipanordnung vorgesehen
und umgibt diese kreisringförmig,
wie es aus 5 ersichtlich ist. Sie deckt
auch den Basiskörper 22 praktisch
auf seiner gesamten Oberfläche ab,
so dass eine gute Wärmedämmung nach
vorne entsteht. Ausgenommen hiervon ist nur ein zentraler Chipbereich 62,
der die Chips 12 und 14 aufnimmt. Auch wenn dieser
kreisförmige
Bereich in 5 recht großzügig dargestellt ist, versteht
es sich, dass anstelle dessen auch eine engere Heranführung der Printplatte
an die Chips günstig
sein kann.
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Wie
aus 5 ersichtlich ist, erstrecken sich die Leiterbahnen 47 von
Anschlußflächen 70, 72 für Bonddrähte 74, 76 nach
außen,
also zum Außenumfang
des Basiskörpers 22 und
sind dort über
Anschlußdrähte 78, 80 verbunden.
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Der
Abstandshalter 42 für
die Abdecklinse 40 erstreckt sich kreisringförmig (vgl. 5),
wobei die Abdecklinse 40 wiederum in einer Innenschulter 44 aufgenommen
ist. Zwischen der planen Rückseite der
Abdecklinse 40 und dem Chipbereich ist ein Raum 82 geschlossen
ausgebildet, der seitlich von dem ringförmigen Abstandshalter 42 begrenzt
ist. Dieser Raum ist bevorzugt mit einer durchsichtigen Substanz
wie Silikongel oder einer Vergussmasse, die gegebenenfalls Phosphorpartikel
aufweisen kann.
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Eine
weiter modifizierte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle 10 ist
aus 6 ersichtlich. Gleiche Bezugszeichen weisen hier
wie auch in den weiteren Figuren auf gleiche Teile hin. Diese Ausgestaltung
zeichnet sich durch eine ebenfalls recht kompakte Ausführung aus,
bei der die LED-Chips kreuz- oder sternförmig angeordnet sind, wobei
sich zwischen den äußeren LED-Chips 14 und 20 und
der optischen Achse 60 nichts chipfremdes – außer gegebenenfalls
einem sehr kompakten Reflektorelement 24 – erstreckt.
Die Reflektorelemente 24 sind wiederum dachförmig ausgebildet,
so dass sie Reflexionsflächen 26 und 28 bieten
und das seitlich austretende Licht nach vorne werfen.
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Aus 7,
aber auch aus 6 ist ersichtlich, dass an die
Leiterbahnen 47 je ein Vorwiderstand 84 angeschlossen
ist, der gerade auch bei Parallelschaltung der LED-Chips dem Abgleich
dienen kann. Dies ist besser aus 7 ersichtlich,
wobei 7 insgesamt vier je über Laserabgleich abgeglichene
Vorwiderstände 84 zeigt,
die den vier äußeren LED-Chips 14 bis 12 zugeordnet
sind. Bei dieser Lösung
ist es vorgesehen, den Zentral-LED-Chip 12 mit einer anderen
Wellenlänge
und unabhängig
zu betreiben, während
die äußeren LED-Chips 14 bis 20 je parallel
geschaltet sind und daher Vorwiderstände in ihren Leiterbahnen 47 aufweisen.
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Die
Printplatte 46 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
mit Durchkontaktierungen 90 versehen, die es erlauben,
die Anschlußfahnen 92 von
oben und von unten zu kontaktieren.
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Wie
aus 7 ersichtlich ist, erstrecken sich Anschlußflächen, beispielsweise
die Anschlußflächen 70 und 72 von
außen
neben die äußeren LED-Chips 14 bis 20,
während
der Chipbereich 76 nach innen, also zur optischen Achse
hin, frei von Leiterbahnen verbleibt.
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Diese
Lösung
erlaubt es, trotz kompakter Anordnung die Leiterbahnen innerhalb
des Abstandshalter 42 enden zu lassen, so dass Bonddrähte geschützt zu den
Chips verlaufen können,
aber dennoch eine gemeinsame Abdecklinse 40 – die aus 7 nicht
ersichtlich ist – sich
oberhalb aller Chips 12 bis 20 erstrecken kann.
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Eine
weitere Ausführungsform
ist aus 8 und 9 ersichtlich.
Dort wie auch in den weiteren Figuren weisen gleiche oder ähnliche
Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche
Teil hin. Bei dieser Lösung sind
wiederum fünf
LED-Chips 12 bis 20 im Wesentlichen kreuzförmig angeordnet,
so dass die Chips 14 bis 20 einen zentralen Chip 12 umgeben.
Die Chips sind je von Reflektorele menten 24 umgeben, die
sich zwischen und neben ihnen erstrecken und Teil eines Abstandshalter
bilden, der einen Reflektor 50 vor dem LED-Chips abstützt.
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In
der Zeichnungsebene unterhalb des Reflektors 50 und wie
es besser aus 9 ersichtlich ist, sind Strahlungsabsorber 24 und 96 vorgesehen, die
sich zwischen den äußeren LED-Chips 14 und 20 einerseits
und der Printplatte 46 erstrecken. Diese Lösung ist
besonders günstig
wenn es gilt, hoch energiereiche Strahlung abzufangen, ohne die
Printplatte zu beeinträchtigen.
Die Strahlungsabsorber 94 und 96 können als
massive Körper
auf dem Basiskörper 22 aufgebracht
sein, beispielsweise über
eine extrem dünne
Klebeschicht, ähnlich
wie auch die Chips selbst, so dass eine gute Wärmeableitung gewährleistet
ist.
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Die
Strahlungsabsorber 94 und 96, von denen natürlich bei
den weiteren LED-Chips 16 und 18 ebenfalls zwei
entsprechende Strahlungsabsorber vorgesehen sind, können aus
beliebigen geeigneten Material bestehen. In Frage kommen beispielsweise Kunststoffkörper, Aluminiumkörper, aber
auch bevorzugt Keramikkörper,
die auch dunkel eingefärbt
sein können,
um noch eine bessere Strahlungsabsorbtion zu gewährleisten.
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In
dem in 8 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Printplatte 46 zudem
von einem Schutzring 98 abgedeckt, der ebenfalls dem besseren
Schutz, insbesondere der Kalibrierwiderstände dient, denn durch eine
zu starke Erwärmung
der Kalibrierwiderstände
kann die Kalibrierung beeinträchtigt
werden.
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Es
versteht sich, dass der Schutzring 98 so dimensioniert
ist, dass die Anschlussbahnen 92 frei bleiben, wobei der
Schutzring bevorzugt mindestens auf seiner Unterseite elektrisch
isolierend ausgestaltet ist.
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Aus 9 ist
ersichtlich, dass die LED-Chips 14, 12 und 20 je
auch von dem Reflektorelement beabstandet angeordnet sind. Auch
dies trägt
dazu bei, die intensive Wärmeabgabe
durch die LED- Chips nicht
zu einer intensiven Wärmebeaufschlagung
des Gitterreflektors 30, der aus Kunststoff mit verspiegelten
Oberflächen
bestehen kann, werden zu lassen.
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Auch
wenn bei der Darstellung gemäß 9 keine
Linse entsprechend der Abdecklinse 40 dargestellt ist,
versteht es sich, dass diese in beliebiger geeigneter Weise dort
vorgesehen sein kann.