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Die
Erfindung betrifft ein Leuchtdioden-Modul gemäß Patentanspruch
1.
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Leuchtdioden-Module
sind beispielsweise aus der Druckschrift
WO 2006/045545 A1 bekannt. Diese
Module enthalten ein Array von Lichtquellen und ein Mikrolinsenarray,
die in einem bestimmten Muster angeordnet sind, wobei jeweils einer
Linse eine Lichtquelle zugeordnet ist.
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Dieses
Modul hat den Nachteil, dass durch die Zuordnung einer Lichtquelle
zu jeweils einer Linse weißes Licht mit einer inhomogenen
Lichtverteilung abgestrahlt wird, und dass das Modul keine gute Farbmischung
im Fernfeld besitzt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Leuchtdioden-Modul mit
einer verbessert homogenen, weißen Lichtverteilung und
mit einer verbesserten Farbmischung der von dem Leuchtdioden-Modul
emittierten weißen Strahlung im Fernfeld anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Leuchtdioden-Modul mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen
und bevorzugte Weiterbildungen des Moduls sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Erfindungsgemäß ist
vorgesehen, dass das Leuchtdioden-Modul ein Linsenarray mit mehreren Linsen
enthält, wobei jede Linse rotationssymmetrisch um jeweils
eine optische Achse ausgebildet ist. Jede Linse weist eine konkave Eintrittsfläche
und eine konvexe Austrittsfläche auf. Vor jeder Linse sind mindestens
drei Leuchtdioden angeordnet, wobei jeweils eine Leuchtdiode Strahlung
im roten Spektralbereich, eine Leuchtdiode Strahlung im grünen
Spektralbereich und eine Leuchtdiode Strahlung im blauen Spektralbereich
emittiert ("RGB-LEDs").
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Es
ist auch möglich, zusätzlich zu den Leuchtdioden
im roten, im grünen und im blauen Spektralbereich eine
oder mehrere weitere Leuchtdioden mit unterschiedlichen Farbabstrahlcharakteristiken
anzuordnen, um insbesondere gezielt einen gewünschten Farbort
des Leuchtdioden-Moduls einstellen zu können.
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Der „Farbort"
definiert im Sinne der Erfindung die Zahlenwerte, die die Farbe
des emittierten Lichts des Leuchtdioden-Moduls in der CIE-Normfarbtafel
beschreiben.
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Durch
die spezielle Form der Linse, die sich durch die konkave Eintrittsfläche
und die konvexe Austrittsfläche auszeichnet, in Kombination
mit den mindestens drei Leuchtdioden, die vor jeder Linse angeordnet
sind, und die Strahlung im roten Spektralbereich, Strahlung im grünen
Spektralbereich und Strahlung im blauen Spektralbereich emittieren,
wird eine verbesserte Effizienz und eine gleichmäßige Farbmischung
und Helligkeit im Fernfeld erzielt. Des Weiteren ist das Modul kostengünstig
herstellbar.
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Durch
die konkave Eintrittsfläche der Linse ist es möglich,
dass die Eintrittsfläche die Leuchtdioden bevorzugt fast
vollständig umschließt. Dadurch wird ein breiter
Winkelbereich der von den Leuchtdioden emittierten Strahlung von
den Linsen, und somit von dem Linsenarray, erfasst.
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Bevorzugt
wird ein Winkelbereich zwischen 150° und 180°,
beispielsweise im Winkelbereich von 170°, von der Linse
erfasst. Hierzu sind die Leuchtdioden vorzugsweise möglichst
nah an der Eintrittsfläche der Linse angeordnet, wobei
sich die Leuchtdioden möglichst gleichmäßig
um eine optische Achse der Linse gruppieren. Bei einer solchen Anordnung wirkt
die konkave Eintrittsfläche kollimierend und trägt
zur Bündelung der Strahlung bei.
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Bevorzugt
ist zwischen den Leuchtdioden und den Linseneintrittsflächen
ein Abstand vorhanden, der vorzugsweise Luft enthält. Der
Luftspalt zwischen den Leuchtdioden und der jeweiligen Linse verringert
vorteilhaft die Wärmeübertragung von den Leuchtdioden
auf die Linse. Das Linsenarray erfährt daher keine so hohen
Temperaturen wie Linsenarrays in herkömmlichen Modulen,
womit sich vorzugsweise eine größere Materialauswahl
für das Linsenarray ergibt. Bevorzugt weist das Linsenarray
einen Kunststoff auf. Des Weiteren lassen sich durch den Luftspalt
Strahlungs-Hotspots weitgehend vermeiden.
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Besonders
bevorzugt weist das Linsenarray einen transparenten Thermoplast
auf, vorzugsweise Polycarbonat, PMMA oder Polyimid (PI). Alternativ kann
das Linsenarray Silikon oder eine Silikon-Thermoplastverbindung
enthalten.
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Mit
Vorteil weisen die Linsen des Linsenarrays eine lichtstreuende Struktur
auf den Austrittsflächen auf. Durch die streuenden Austrittsflächen
erfolgt eine Homogenisierung der Strahlung am Rand der Linsen, wodurch
sich insgesamt eine verbesserte Homogenisierung der von dem Leuchtdioden-Modul emittierten
Strahlung im Nah- und Fernfeld ergibt.
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Gemäß zumindest
einer weiteren Ausgestaltung enthält das Linsenarray genau
sechs Linsen. Die sechs Linsen sind rotationssymmetrisch zueinander
angeordnet. Durch die spezielle Anordnung der Linsen kann weiterhin
vorzugsweise eine verbesserte Farbmischung im Fernfeld erreicht
werden.
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Bevorzugt
sind vor jeder Linse genau vier Leuchtdioden, die zueinander rotationssymmetrisch angeordnet
sind, angeordnet, wobei jeweils eine Leuchtdiode Strahlung im roten
Spektralbereich, zwei Leuchtdioden Strahlung im grünen
Spektralbereich und eine Leuchtdiode Strahlung im blauen Spektralbereich
emittieren ("RGGB-LEDs"). Die vier Leuchtdioden liegen dabei auf
Eckpunkten eines imaginären Rechtecks, bevorzugt eines
imaginären Quadrats. Durch die rotationssymmetrische Anordnung
der Leuchtdioden in Kombination mit dem speziell ausgebildeten vorgeordneten
Linsenarray verbessert sich die Farbmischung im Fernfeld weiter.
Inhomogenitäten der emittierten Strahlung des Moduls, die
durch die spezielle Form der Linsen, jedoch ohne die spezielle rotationssymmetrische
Anordnung der Leuchtdioden entstehen würden, werden durch
die spezielle Anordnung der Leuchtdioden kompensiert.
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Bei
einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass sich die Linsen
zumindest teilweise durchdringen. Das bedeutet, dass sich die Linsen des
Linsenarrays bevorzugt zumindest teilweise überlappen.
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Besonders
bevorzugt ist das Linsenarray einstückig ausgebildet. Das
bedeutet, dass das Linsenarray ein zusammenhängendes, einstöckiges Bauelement
darstellt. Das hat den Vorteil, dass bei der Herstellung des Moduls
mit einer Mehrzahl von Leuchtdioden genau ein zusammenhängendes
und einstückig ausgebildetes Linsenarray hergestellt werden
kann. Dadurch können sich vorteilhaft die Produktionszeit
und Produktionskosten erniedrigen. Des Weiteren erhöht
sich die Stabilität des Linsenarrays und es erleichtert
sich die Herstellung des Linsenarrays mittels eines Spritzgießverfahrens.
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Zumindest
eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Linsen jeweils die
Strahlung der jeweils vor der Linse angeordneten Leuchtdioden derart bündeln,
dass eine Winkelverteilung der Strahlung nach dem Durchgang der
Linse eine volle Halbwertsbreite von weniger als 80° aufweist.
Nach dem Durchgang durch die Linse ist die Strahlung also vorteilhaft
im Wesentlichen in einen Winkelbereich von +/–40 Grad um
eine optische Achse der Linse konzentriert. Diese Bündelung
der Strahlung kommt durch die spezielle Form der Linsen, die eine
konkave Eintrittsfläche und eine konvexe Austrittsfläche aufweisen,
in Kombination mit der rotationssymmetrischen Anordnung der Leuchtdioden
zustande. Die Bündelung der Strahlung verbessert die Farbmischung
der Strahlung im Fernfeld. Inhomogenitäten der Strahlung
des Leuchtdioden-Moduls werden vorteilhafterweise dadurch weitgehend
kompensiert.
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Bevorzugt
sind die Eintrittsflächen und die Austrittsflächen
der Linsen asphärisch ausgebildet. Durch eine solche Form
der Linse hat man die Möglichkeit, Abbildungsfehler zu
korrigieren, da die Eintrittsflächen und die Austrittsflächen
der Linsen frei wählbar sind. Vorzugsweise lässt
sich die sphärische Aberration korrigieren.
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Durch
die voneinander unabhängig ausgebildeten asphärischen
Eintrittsflächen und Austrittsflächen kann ein
bestimmter Eintrittswinkel der von den Leuchtdioden emittierten
Strahlung auf einen bestimmten Austrittswinkel abgebildet werden.
Das bedeutet, dass Strahlung, die im Bereich der optischen Achse
von der Leuchtdiode unter einem Austrittswinkel abgestrahlt wird,
der gegenüber der optischen Achse gemessen wird, durch
Brechung an der asphärisch ausgebildeten Eintrittsfläche
und der von der Eintrittsfläche unabhängig asphärisch
ausgebildeten Austrittsfläche derart umgelenkt wird, dass
die Strahlung einen vorbestimmten Austrittswinkel gegenüber
der optischen Achse aufweist. Dadurch kann ein vorbestimmter Austrittswinkel
der Strahlung aus der Linse, somit eine vorbestimmte Winkelverteilung
der Strahlung nach Durchgang durch die Linse und folglich weitgehend
eine vorbestimmte Bündelung der Strahlung nach Durchgang
durch die Linse stattfinden.
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Des
Weiteren können mit Vorteil Strukturen und Strahlungs-HotSpots
der Leuchtdioden weitgehend durch das nachgeordnete Linsenarray
beseitigt werden, so dass die emittierte Strahlung des Leuchtdioden-Moduls
eine gleichmäßige Lichtverteilung besitzt.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist dem Linsenarray eine
Fresnel-Linse nachgeordnet. Das Linsenarray bündelt bevorzugt
die von den Leuchtdioden emittierte Strahlung derart, dass eine
Winkelverteilung der Strahlung nach Durchgang durch das Linsenarray
eine volle Halbwertsbreite von weniger als 80° aufweist.
Die Fresnel-Linse bündelt die bereits durch das Linsenarray
gebündelte Strahlung weiter in einen kleineren Winkelbereich.
Durch die weitere Bündelung der Strahlung in einen kleineren
Winkelbereich können in Kombination mit der speziellen
symmetrischen Anordnung der Leuchtdioden Inhomogenitäten
der Strahlung des Leuchtdioden-Moduls vorteilhaft weiter kompensiert
werden. Die Farbmischung im Fernfeld verbessert sich vorzugsweise
weiter. Des Weiteren ermöglicht sich eine enge Winkelverteilung
der emittierten Strahlung des Leuchtdioden-Moduls bei hoher Effizienz.
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Bevorzugt
weist die Fresnel-Linse eine Austrittsseite auf, auf die Auskoppelstrukturen
aufgebracht sind. Dadurch verbessern sich die Auskoppeleigenschaften
der Fresnel-Linse vorteilhaft, wodurch weiter die Homogenität
der Strahlung und eine gute Farbmischung der Strahlung im Fernfeld
des Leuchtdioden-Moduls erzielt werden kann.
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Gemäß zumindest
einer Ausgestaltung des Leuchtdioden-Moduls ist der Fresnel-Linse
ein Wabenkondensor nachgeordnet. Dieser Wabenkondensor weist bevorzugt
Eintrittslinsen und Austrittslinsen auf. Der Wabenkondensor sorgt
für eine gute Farb- und Helligkeitshomogenität
des Leuchtdioden-Moduls im Fernfeld und für ein Ausbleiben
von Farbschatten.
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Eine
Anordnung der Leuchtdioden in Kombination mit dem Linsenarray und
der Fresnel-Linse sorgt zwar für eine gute Farb- und Helligkeitshomogenität
des Moduls im Fernfeld, allerdings können Farbschatten
auftreten. Eine solche Anordnung kann für spezielle Anwendungen
erwünscht sein, wie zum Beispiel bei Partybeleuchtungen.
Durch die zusätzliche Anordnung eines Wabenkondensors dagegen werden
diese Farbschatten kompensiert und treten somit nicht auf. Eine
solche Anordnung ist beispielsweise bei Hintergrundbeleuchtungen
oder als Scheinwerferbeleuchtung anwendbar.
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Bevorzugt
sind die Austrittslinsen des Wabenkondensors im Brennpunkt der Eintrittslinsen
angeordnet. Besonders bevorzugt weisen die Eintrittslinsen eine
größere Krümmung als die Austrittslinsen auf.
Dadurch werden eine verbesserte Farb- und Helligkeitshomogenität
im Fernfeld und das Ausbleiben von Farbschatten erreicht.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform weisen die Eintrittslinsen und die
Austrittslinsen des Wabenkondensors jeweils optische Achsen auf,
wobei die optischen Achsen der Eintrittslinsen gegenüber
den optischen Achsen der Austrittslinsen bevorzugt lateral verschoben
sind. Dadurch verbessert sich die Homogenität der Strahlung
des Leuchtdioden-Moduls weiter vorteilhaft.
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Bevorzugt
sind die Austrittslinsen im Brennpunkt der Eintrittslinsen angeordnet.
Besonders bevorzugt sind die Austrittslinsen in Richtung der Eintrittslinsen
hin verschoben. Dadurch ergibt sich eine Unschärfe der
Abbildung ins Fernfeld, wodurch vorteilhafterweise eine gute Farb-
und Helligkeitshomogenität des Leuchtdioden-Moduls im Fernfeld
und das Ausbleiben von Farbschatten erzielt werden kann.
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Mit
Vorteil sind die Fresnel-Linse und der nachfolgend angeordnete Wabenkondensor
zylinderförmig ausgebildet. Der Durchmesser der Fresnel-Linse
und des Wabenkondensors beträgt bevorzugt zwischen 40 mm
und 120 mm, besonders bevorzugt 50 mm.
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Bei
zumindest einer Ausführungsform des Leuchtdioden-Moduls
ist mittig zwischen den mindestens vier Linsen ein Sensor angeordnet.
Der Sensor ermittelt Werte für die Helligkeit und den Farbort der
Strahlung, die auf die Fresnel-Linse trifft.
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Die
Leuchtdioden können beispielsweise einzeln ansteuerbar
sein. Jede Leuchtdiode kann somit unabhängig von den anderen
Leuchtdioden des Moduls bestromt werden. Alternativ ist es möglich, dass
die Leuchtdioden in Gruppen von mehreren Leuchtdioden angeordnet
sind, die beispielsweise in Reihe zueinander geschaltet und so ausschließlich gemeinsam
ansteuerbar sind. Durch den von dem Sensor ermittelten Wert für
die Helligkeit und den Farbort des Leuchtdioden-Moduls kann der
Strom durch bestimmte Leuchtdioden so gesteuert werden, dass das
Leuchtdioden-Modul Strahlung eines bestimmten Farborts emittiert.
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Unter
Verwendung eines integrierten Sensors in dem Leuchtdioden-Modul
ist es nun möglich, den Strom durch einzelne Leuchtdioden
des Moduls in Abhängigkeit von den Werten für
Helligkeit und Farbort der Leuchtdioden derart zu steuern, dass sich
eine exakte, reproduzierbare Einstellung des Farborts ergibt. Befindet
sich zum Beispiel eine Leuchtdiode geringerer Helligkeit auf dem
Leuchtdioden-Modul, kann diese Leuchtdiode stärker als
andere Leuchtdioden des Moduls bestromt werden. Ist der Farbort
einer ersten Leuchtdiode zum Farbort einer zweiten Leuchtdiode hin
verschoben, so kann die Stromstärke durch die zweite Leuchtdiode
reduziert werden.
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Vorteilhaft
kann das Linsenarray mit geringem Herstellungsaufwand aus einem
Kunststoff, beispielsweise PMMA oder Polycarbonat, im Spritzgießverfahren
hergestellt werden.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform sind die Leuchtdioden auf
einem Substrat angeordnet, auf dem das Linsenarray aufgebracht ist.
Das Substrat enthält bevorzugt Al oder Cu. Alternativ kann
das Substrat als spritzgegossener Schaltungsträger (Moulded
Interconnect Devices, MID), als DBC-Substrat (Direct Bond Copper)
oder als Leiterplatte (Printed Circuit Board, PCB) ausgebildet sein.
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Bevorzugt
sind die Leuchtdioden oberflächenmontierbar ausgebildet.
Oberflächenmontierbare Bauteile zeichnen sich durch eine
besonders einfache Handhabbarkeit, insbesondere bei der Montage
auf der Trägerplatte, bevorzugt bei der Montage auf einer
Leiterplatte aus. Sie können beispielsweise mittels eines
automatischen Bestückungsverfahrens (Pick and Place-Prozesses)
auf einer Leiterplatte positioniert und nachfolgend elektrisch und/oder
thermisch angeschlossen werden.
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Das
Linsenarray kann bevorzugt durch Kleben, Heißverstemmen
oder Schnapphaken auf dem Substrat aufgebracht und befestigt sein.
Alternativ ist eine Kombination der Montagetechniken möglich.
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Bevorzugt
ist die Fresnel-Linse mit nachgeordnetem Wabenkondensor in einem
Abstand zwischen 20 mm und 100 mm von dem Substrat angeordnet. Besonders
bevorzugt beträgt der Abstand zwischen Substrat und Fresnel-Linse
mit nachgeordnetem Wabenkondensor 27 mm.
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Bevorzugt
weist das Substrat Vertiefungen auf, in denen die Leuchtdioden angeordnet
sind. Besonders bevorzugt dienen die Vertiefungen als Reflektor
für die von den Leuchtdioden emittierte Strahlung. Durch
die Vertiefungen, die bevorzugt als Reflektor dienen, kann vorteilhafterweise
die Effizienz des Leuchtdioden-Moduls erhöht werden.
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Die
Leuchtdioden können jeweils einzeln in einer Vertiefung
des Substrats angeordnet sein. Dabei wird vorteilhafterweise nur
ein geringer Bruchteil der von einer Leuchtdiode emittierten Strahlung
von den anderen Leuchtdioden absorbiert. Ein solches Leuchtdioden-Modul
zeichnet sich daher im Wesentlichen durch eine verbesserte Lichtleistung
aus. Alternativ können die Leuchtdioden, die vor jeweils
einer Linse angeordnet sind, gemeinsam in einer Vertiefung des Substrats
angeordnet sein.
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Besonders
bevorzugt ist der Abstand zwischen den Leuchtdioden und den Eintrittsflächen
der Linsen des Linsenarrays kleiner als die Brennweite der Linsen.
Dadurch, dass die Leuchtdioden nicht in den Brennpunkten der einzelnen
Linsen, sondern möglichst nahe an den Linsen angeordnet
sind, wirkt die konkave Eintrittsfläche der Linsen kollimierend beziehungsweise
bündelnd auf die jeweilige Strahlung der einzelnen Leuchtdioden.
Die nahe Anordnung der Leuchtdioden an den Linsen hat den Vorteil, dass
Strukturen und Farbverläufe der Leuchtdioden für
einen Betrachter nicht wahrnehmbar sind. Dadurch erhält
man eine homogene Lichtverteilung der emittierten Strahlung im Farbortbereich
von weißem Licht.
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Des
Weiteren kann durch die nahe Anordnung der Leuchtdioden an die Linse
in Kombination mit der konkave Eintrittsfläche der Linse
im Vergleich zu einer konvexen oder planaren Eintrittsfläche
wesentlich mehr Strahlung der einzelnen Leuchtdioden erfasst werden,
wodurch sich die Effizienz des Leuchtdioden-Moduls vorteilhaft verbessert.
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Die
Leuchtdioden umfassen eine aktive Schichtenfolge, die bevorzugt
einen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, einen Einfach-Quantentopf
oder besonders bevorzugt eine Mehrfach-Quantentopfstruktur (MQW)
zur Strahlungserzeugung aufweist. Die Bezeichnung Quantentopfstruktur
umfasst im Rahmen der Anmeldung insbesondere jegliche Struktur,
bei der Ladungsträger durch Einschluss ("confinement")
eine Quantisierung ihrer Energiezustände erfahren können.
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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Die
Leuchtdioden sind mit besonderem Vorteil Dünnfilm-Leuchtdiodenchips.
Als Dünnfilm-Leuchtdiodenchip wird im Rahmen der Anmeldung
ein LED-Chip angesehen, während dessen Herstellung das
Aufwachssubstrat, auf dem eine Schichtenfolge für den LED-Chip,
beispielsweise epitaktisch, aufgewachsen wurde, gedünnt
oder, insbesondere vollständig, abgelöst ist.
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Ein
Grundprinzip eines Dünnfilm-Leuchtdiodenchip ist beispielsweise
in I. Schnitzer et al., Appl. Phys. Lett. 63 (16), 18. Oktober
1993, 2174–2176 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt
insofern hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
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Ein
Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip ist in guter Näherung
ein Lambert'scher Oberflächenstrahler und eignet sich von
daher besonders gut für die Anwendung in einem Scheinwerfer.
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Weitere
Merkmale, Vorteile, bevorzugte Ausführungsformen und Zweckmäßigkeiten
des Leuchtdioden-Moduls ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung
mit den Figuren erläuterten Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
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1 einen
schematischen Querschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Leuchtdioden-Moduls,
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2 einen
schematischen Querschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Leuchtdioden-Moduls,
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3 eine
schematische Seitenansicht auf ein erfindungsgemäßes
Leuchtdioden-Modul gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
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4 eine
schematische Ansicht des dritten Ausführungsbeispiels des
erfindungsgemäßen Leuchtdioden-Moduls von unten,
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5 einen
schematischen Querschnitt eines vierten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Leuchtdioden-Moduls, und
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6 eine
schematische Seitenansicht auf das erfindungsgemäße
Leuchtdioden-Modul gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel.
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Gleiche
oder gleich wirkende Bestandteile sind jeweils mit den gleichen
Bezugszeichen versehen. Die dargstellten Bestandteile sowie die
Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander
sind nicht notwendigerweise als maßstabsgerecht anzusehen.
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Das
in 1 dargestellte Leuchtdioden-Modul weist ein Linsenarray
aus zwei Linsen 2 auf, wobei jede Linse 2 rotationssymmetrisch
um jeweils eine optische Achse 3 ausgebildet ist. Jede
Linse 2 weist eine konkave Eintrittsfläche 9 und
eine konvexe Austrittsfläche 10 auf. Vor jeder
Linse 2 sind jeweils drei Leuchtdioden 1 angeordnet,
wobei die Leuchtdioden 1 um die optische Achse 3 rotationssymmetrisch
angeordnet sind (in 1 sind nur zwei der drei Leuchtdioden 1 dargestellt).
Eine der Leuchtdioden 1 emittiert Strahlung im roten Spektralbereich,
eine Leuchtdiode 1 emittiert Strahlung im grünen
Spektralbereich und eine Leuchtdiode 1 emittiert Strahlung
im blauen Spektralbereich ("RGB-LEDs").
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Die
konkave Eintrittsfläche 9 umschließt
die Leuchtdioden 1 bevorzugt fast vollständig.
Dadurch wird ein breiter Winkelbereich der von den Leuchtdioden 1 emittierten
Strahlung von der Linse 2 und somit von dem Linsenarray
erfasst. Hierzu sind die Leuchtdioden 1 vorzugsweise möglichst
nah an der jeweiligen Eintrittsfläche 9 der Linse 2 angeordnet.
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Durch
die Form der Linse 2, die sich durch die konkave Eintrittsfläche 9 und
die konvexe Austrittsfläche 10 auszeichnet, in
Kombination mit den drei um die optische Achse 3 rotationssymmetrisch angeordneten
Leuchtdioden 1, die vor jeder Linse 2 angeordnet
sind, wird eine verbesserte Effizienz, eine gleichmäßige
Farbmischung der RGB-LEDs 1 und eine verbesserte Helligkeit
im Fernfeld erzielt.
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Zwischen
den Leuchtdioden 1 und den Eintrittsflächen 9 ist
ein Abstand 11 vorhanden, der vorzugsweise Luft enthält.
Der Luftspalt zwischen den Leuchtdioden 1 und der jeweiligen
Linse 2 verringert mit Vorteil die Wärmeübertragung
von den Leuchtdioden 1 auf die Linse 2. Das Linsenarray
erfährt daher keine so hohen Temperaturen wie Linsenarrays
in herkömmlichen Modulen, womit sich vorzugsweise eine
größere Materialauswahl für das Linsenarray
ergibt. Beispielsweise weist das Linsenarray einen Kunststoff, insbesondere
einen Thermoplast auf, bevorzugt PMMA oder Polycarbonat. Durch den Luftspalt
lassen sich des Weiteren Strahlungspunkte (Hotspots) weitgehend
vermeiden.
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Die
Austrittsflächen 10 der Linsen 2 können bevorzugt
streuend ausgebildet sein. Dadurch erfolgt eine Homogenisierung
der Strahlung am Rand der Linsen, wodurch sich insgesamt eine verbesserte Homogenisierung
der von dem Leuchtdioden-Modul emittierten Strahlung im Nah- und
Fernfeld ergibt.
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Die
Linsen 2 bündeln jeweils die Strahlung der vor
der Linse 2 angeordneten Leuchtdioden 1 derart,
dass eine Winkelverteilung der Strahlung nach Durchgang durch die
Linse 2 eine volle Halbwertsbreite von weniger als 80° aufweist.
Die Bündelung der Strahlung verbessert die Farbmischung
der Strahlung im Fernfeld. Inhomogenitäten der Strahlung
des Leuchtdioden-Moduls werden vorteilhafterweise dadurch weitgehend
kompensiert.
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Die
Eintrittsfläche 9 und die Austrittsfläche 10 sind
jeweils asphärisch ausgebildet. Durch eine solche Form
der Linse 2 hat man die Möglichkeit, Abbildungsfehler
zu korrigieren, da die Eintrittsflächen 9 und
die Austrittsflächen 10 der Linsen 2 frei
wählbar sind. Durch die voneinander unabhängig
ausgebildeten asphärischen Eintrittsflächen 9 und
Austrittsflächen 10 kann ein bestimmter Eintrittswinkel
der von den Leuchtdioden 1 emittierten Strahlung auf einen bestimmten
Austrittswinkel abgebildet werden. Dadurch kann ein vorbestimmter
Austrittswinkel der Strahlung aus der Linse 2, somit eine
vorbestimmte Winkelverteilung der Strahlung nach Durchgang durch
die Linse 2 und folglich weitgehend eine vorbestimmte Bündelung
der Strahlung nach Durchgang durch die Linse 2 stattfinden.
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Des
Weiteren weist die Winkelverteilung der Strahlung nach Durchgang
durch die Linsen 2 eine volle Halbwertsbreite von weniger
als 80° auf. Ferner können Strukturen und Strahlungs-Hotspots
der Leuchtdioden 1 durch das nachgeordnete Linsenarray
weitgehend beseitigt werden, sodass die emittierte Strahlung des
Leuchtdioden-Moduls eine gleichmäßige Lichtverteilung
besitzt.
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Die
Abstände zwischen den Leuchtdioden 1 und den Eintrittsflächen 9 der
Linsen 2 des Linsenarrays sind bevorzugt kleiner als die
Brennweite der Linsen 2. Dadurch, dass die Leuchtdioden 1 nicht
in den Brennpunkten der einzelnen Linsen 2, sondern möglichst
nahe an den Linsen 2 angeordnet sind, wirkt die konkave
Eintrittsfläche 9 der Linsen 2 bündelnd
auf die jeweilige Strahlung der einzelnen Leuchtdioden 1.
Die nahe Anordnung der Leuchtdioden an den Linsen hat ferner den
Vorteil, dass Strukturen und Farbverläufe der Leuchtdioden
für einen Betrachter nicht wahrnehmbar sind. Man erhält
eine homogene Lichtverteilung der emittierten Strahlung im Farbortbereich
von weißem Licht.
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Die
Leuchtdioden 1 sind bevorzugt als Dünnfilmleuchtdioden
ausgebildet. Eine Dünnfilmleuchtdiode ist in guter Näherung
ein Lambert'scher Oberflächenstrahler.
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Das
in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel eines
Leuchtdioden-Moduls unterscheidet sich von dem Leuchtdioden-Modul
aus 1 dadurch, dass sich die zwei Linsen 2 teilweise
durchdringen. Das bedeutet, dass sich die Linsen 2 des
Linsenarrays teilweise überlappen.
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Das
Linsenarray ist bevorzugt einstückig ausgebildet. Es stellt
somit ein zusammenhängendes, einstückiges Bauelement
dar. Das hat den Vorteil, dass bei der Herstellung des Leuchtdioden-Moduls
mit einer Mehrzahl von Leuchtdioden 1 genau ein zusammenhängendes
und einstückig ausgebildetes Linsenarray hergestellt werden
kann. Dadurch erniedrigen sich die Produktionszeit und Produktionskosten.
Des Weiteren erhöht sich die Stabilität des Linsenarrays
und es erleichtert sich die Herstellung des Linsenarrays mittels
eines Spritzgießverfahrens.
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Die
Leuchtdioden 1 sind auf einem Substrat 12 angeordnet,
auf dem außerdem das Linsenarray aufgebracht ist. Das Substrat 12 enthält
bevorzugt Al oder Cu. Alternativ kann das Substrat 12 als
spritzgegossener Schaltungsträger, als DBC-Substrat oder als
Leiterplatte ausgebildet sein.
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Das
Linsenarray ist bevorzugt durch Kleben, Heißverstemmen
oder Schnapphaken auf dem Substrat 12 aufgebracht und befestigt.
Alternativ ist eine Kombination der Montagetechniken möglich.
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Das
Substrat 12 kann Vertiefungen aufweisen, in denen die Leuchtdioden 1 angeordnet
sind (nicht dargestellt). Bevorzugt dienen die Vertiefungen als
Reflektor für die von den Leuchtdioden 1 emittierte
Strahlung. Dadurch kann die Effizienz des Leuchtdioden-Moduls mit
Vorteil erhöht werden.
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Die
Leuchtdioden 1 können jeweils einzeln in einer
Vertiefung des Substrats 12 angeordnet sein. Dadurch verringert
sich der Bruchteil der von einer Leuchtdiode 1 emittierten
Strahlung, die von den anderen Leuchtdioden 1 absorbiert
werden kann. Dadurch verbessert sich die Lichtleistung des Leuchtdioden-Moduls.
Alternativ können die Leuchtdioden 1, die vor
jeweils einer Linse 2 angeordnet sind, gemeinsam in einer
Vertiefung des Substrats 12 angeordnet sein.
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Das
in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet
sich von den in 1 oder in 2 dargestellten
Ausführungsbeispielen dadurch, dass das Linsenarray aus
vier Linsen 2 ausgebildet ist. Die vier Linsen 2 sind
rotationssymmetrisch zueinander angeordnet. Die optischen Achsen
der vier Linsen 2 liegen dabei auf Eckpunkten eines imaginären
Rechtecks, bevorzugt auf Eckpunkten eines imaginären Quadrats.
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Vor
jeder Linse 2 sind genau vier Leuchtdioden 1 angeordnet,
die rotationssymmetrisch um die jeweilige optische Achse der jeweiligen
Linse 2 angeordnet sind. Die vier Leuchtdioden 1,
die vor jeder Linse 2 angeordnet sind, liegen somit wie
die optischen Achsen der vier Linsen 2 auf Eckpunkten eines imaginären
Rechtecks, bevorzugt eines Quadrats. Jeweils eine Leuchtdiode 1 emittiert
Strahlung im roten Spektralbereich, zwei Leuchtdioden 1 emittieren Strahlung
im grünen Spektralbereich und eine weitere Leuchtdiode 1 emittiert
Strahlung im blauen Spektralbereich ("RGGB-LEDs").
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Die
von den Leuchtdioden 1 emittierte Strahlung wird von den
Linsen 2 des Linsenarrays derart gebündelt, dass
eine Winkelverteilung der Strahlung nach dem Durchgang durch die
Linsen 2 eine volle Halbwertsbreite von weniger als 80° aufweist.
Die Strahlung tritt aus dem Linsenarray als gebündelte Strahlung 4 aus.
Durch die rotationssymmetrische Anordnung der Linsen 2 in
Kombination mit der rotationssymmetrischen Anordnung der Leuchtdioden 1 kann
vorzugsweise eine verbesserte Farbmischung im Fernfeld erreicht
werden. Inhomogenitäten der emittierten Strahlung 4 des
Moduls, die ohne die symmetrische Anordnung der Leuchtdioden 1 entstehen
würde, werden durch diese rotationssymmetrische Anordnung
der Leuchtdioden 1 kompensiert.
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Bei
dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel eines
Leuchtdioden-Moduls ist die Unterseite des in 3 dargestellten
Ausführungsbeispiels gezeigt. Die Anordnung der Leuchtdioden 1 unterscheiden
sich für jede der vier Linsen 2. Die Anordnung
der Leuchtdioden 1 einer Linse ist im Vergleich zu der
Anordnung der Leuchtdioden 1 einer benachbarten Linse um
90° gedreht. Durch diese spezielle Anordnung der Leuchtdioden 1 in
Verbindung mit der symmetrischen Anordnung der Linsen 2 des
Linsenarrays ermöglicht sich eine verbesserte Farbmischung
im Nah- und Fernfeld. Inhomogenitäten der von dem Leuchtdioden-Modul
emittierten Strahlung werden weitgehend vermieden beziehungsweise kompensiert.
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Bei
dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel eines
Leuchtdioden-Moduls ist im Vergleich zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen
dem Linsenarray eine Fresnel-Linse 6 nachgeordnet. Die Fresnel-Linse 6 bündelt
die bereits durch das Linsenarray gebündelte Strahlung 4 in
einen kleineren Winkelbereich. Dadurch lassen sich Inhomogenitäten
der Strahlung des Leuchtdioden-Moduls vorteilhaft weiter kompensieren.
Die Farbmischung im Fernfeld verbessert sich weiter.
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Die
Fresnel-Linse 6 weist eine Austrittsseite der Strahlung
auf, auf die Auskoppelstrukturen 7 aufgebracht sind. Dadurch
verbessern sich die Auskoppeleigenschaften der Fresnel-Linse 6,
wodurch weiter die Homogenität der Strahlung und eine gute Farbmischung
der Strahlung im Fernfeld des Leuchtdioden-Moduls erzielt werden
kann.
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Der
Fresnel-Linse 6 ist ein Wabenkondensor 8 nachgeordnet,
der Eintrittslinsen und Austrittslinsen aufweist. Der Wabenkondensor
sorgt bei der von dem Linsenarray und der Fresnel-Linse 6 gebündelten
Strahlung 4 für eine gute Farb- und Helligkeitshomogenität
im Fernfeld und für ein Ausbleiben von Farbschatten. Ohne
einen nachgeordneten Wabenkondensor 8 würden sich
Farbschatten in der von dem Leuchtdioden-Modul emittierten Strahlung
ergeben. Eine Anordnung mit integriertem Wabenkondensor 8 ist
beispielsweise bei Hintergrundbeleuchtungen oder als Scheinwerferbeleuchtung
bevorzugt anwendbar.
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Die
Austrittslinsen des Wabenkondensors 8 sind bevorzugt im
Brennpunkt der Eintrittslinsen angeordnet. Vorzugsweise weisen die
Eintrittslinsen eine größere Krümmung
auf als die Austrittslinsen. Dadurch werden eine verbesserte Farb-
und Helligkeitshomogenität im Fernfeld und das Ausbleiben von
Farbschatten erreicht.
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Die
Austrittslinsen und die Eintrittslinsen des Wabenkondensors weisen
jeweils optische Achsen auf (nicht dargestellt). Zur Verbesserung
der Homogenität der von dem Leuchtdioden-Modul emittierten Strahlung 4 sind
die optischen Achsen der Eintrittslinsen gegenüber den
optischen Achsen der Austrittslinsen lateral verschoben. Alternativ
oder zusätzlich können die Austrittslinsen in
Richtung der Eintrittslinsen hin verschoben sein. Dadurch ergibt
sich eine Unschärfe der Abbildung im Fernfeld, wodurch
eine verbesserte Homogenität im Fernfeld. erzielt werden kann.
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Die
Fresnel-Linse 6 und der Wabenkondensor 8 sind
bevorzugt zylinderförmig ausgebildet. Der Durchmesser der
Fresnel-Linse 6 und des Wabenkondensors 8 beträgt
bevorzugt zwischen 40 mm und 120 mm, in dem Ausführungsbeispiel
von 5 50 mm.
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Das
in 6 dargestellte Ausführungsbeispiel eines
Leuchtdioden-Moduls stellt eine perspektivische Ansicht des in 5 dargestellten
Ausführungsbeispiels dar. Zusätzlich zu dem in 5 dargestellten
Ausführungsbeispiel ist mittig zwischen den vier Linsen
des Linsenarrays ein Sensor 13 angeordnet. Der Sensor ermittelt
Werte für die Helligkeit und den Farbort der Strahlung,
die auf die Fresnel-Linse 6 trifft. Die Leuchtdioden 1 können
beispielsweise einzeln ansteuerbar sein. Alternativ ist es möglich,
dass die Leuchtdioden 1 in Gruppen von mehreren Leuchtdioden 1 angeordnet
sind, die beispielsweise in Reihe zueinander geschaltet und so gemeinsam
ansteuerbar sind. Durch den von dem Sensor 13 ermittelten
Wert für die Helligkeit und den Farbort des Leuchtdioden-Moduls
kann der Strom durch bestimmte Leuchtdioden 1 so gesteuert
werden, dass das Leuchtdioden-Modul Strahlung eines bestimmten Farborts
emittiert. Dadurch ergibt sich vorzugsweise eine exakte, reproduzierbare
Einstellung des Farborts. Befindet sich zum Beispiel eine Leuchtdiode 1 geringerer
Helligkeit auf dem Leuchtdioden-Modul, kann diese Leuchtdiode 1 stärker
als andere Leuchtdioden 1 des Moduls bestromt werden. Ist
der Farbort einer ersten Leuchtdiode 1 zum Farbort einer
zweiten Leuchtdiode 1 hin verschoben, so kann die Stromstärke
durch die zweite Leuchtdiode 1 reduziert werden.
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Die
Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele
auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes
neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere
jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen
beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst
nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen
angegeben ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2006/045545
A1 [0002]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - I. Schnitzer
et al., Appl. Phys. Lett. 63 (16), 18. Oktober 1993, 2174–2176 [0045]