DE102008031930A1

DE102008031930A1 - Beleuchtungsvorrichtung mit Mikro-Linsenarray

Info

Publication number: DE102008031930A1
Application number: DE102008031930A
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-07-08
Filing date: 2008-07-08
Publication date: 2010-01-14
Anticipated expiration: 2028-07-09
Also published as: DE102008031930B4

Abstract

Beleuchtungsvorrichtung mit Linsenarray, umfassend
– zumindest einen Hochleistungs-LED-Chip (2) mit einer Vielzahl von Mikro-LEDs (1) sowie
– ein mit einem Abstand von 0,1 mm bis 0,5 mm auf diesen LED-Chip (2) aufgesetztes Mikro-Linsenarray (4),
– wobei das Mikro-Linsenarray (4) aus aneinander anliegend angeordneten, jeweils den Mikro-LEDs (1) direkt zugeordneten Kombinationslinsen (3) gebildet wird,
– die zumindest eine zylindrische Linse (6) und eine direkt auf diese aufgesetzte sphärische oder asphärische konvexe Linse (5) umfassen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung mit Mikro-Linsenarray.
Es ist bekannt, Leuchtdioden, sogenannte LEDs, auch in flächiger Anordnung zur Erzeugung eines Flächenstrahlers anzuordnen. Steigende Lichtleistungen bei LEDs machen es so möglich, derartige LED-Flächenstrahler als Ersatz für bekannte Leuchttechnologien, wie Glüh- oder Gasentladungslampen, zu verwenden, wobei die LED-Technik deutliche Vorzüge im Energieverbrauch, Wirtschaftlichkeit, der CO2-Ausstoßreduzierung, der Lebensdauer aber auch der Schadstoffentsorgung aufweist.
Es ist hierbei allerdings problematisch, das beispielsweise leistungsstarke LED-Chips als Leuchtmittel in flächiger Anordnung einen Abstrahlwinkel von bis zu 120° aufweisen, weshalb es für herkömmliche Anwendungen zwingend erforderlich ist, diese Abstrahlung zu sammeln und je nach Anforderung definiert gebündelt oder gestreut abzustrahlen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es vor diesem Hintergrund, eine Beleuchtungsvorrichtung mit Linsenarray zu schaffen, die eine Hochleistungslichtquelle in sehr kleiner Bauform darstellt, zum einen eine optimale Lichtausbeute des abgestrahlten Lichtes erreicht und zum anderen die Lichtabstrahlung definiert auszurichten.
Erreicht wird dies nach der Erfindung durch die Kombination flächig angeordneter Mikro-LEDs auf einem Hochleistungs-LED-Chip, dem gegenüberliegend ein Mikro-Linsenarray mit einem Abstand von nur 0,1 mm bis 0,5 mm angeordnet ist, wobei jeder Mikro-LED auf dem LED-Chip eine Kombinationslinse aus zylindrischen und sphärischen oder asphärischen Linsen zugeordnet ist. Dieses Linsenarray ist somit eine flächige Anordnung einer Vielzahl von aneinander anliegend angeordneten Kombinationslinsen, wodurch jede punktuelle Lichtabstrahlung des LED-Chips einzeln in einer Optik ausgerichtet wird.
Der hiermit erreichte Effekt ist, dass erstmals ein Hochleistungs-LED-Chip mit einer speziell konfigurierten Optik kombiniert wird, die die baulich bedingten Lichtverluste durch die starke seitliche Abstrahlung der LEDs deutlich reduziert und dadurch ein Leuchtmittel mit hoher Lichtausbeute realisiert. Der erfindungsgemäße Effekt wird hierbei durch die Merkmalskombination einer Kombinationslinse aus zylindrischer und sphärischer/asphärischer Linse in die speziellen Anordnung als Linsenarray und mit der unmittelbaren Anordnung vor dem LED-Chip und der Zuordnung jeweils einer Kombinationslinse zu einer Mikro-LED erreicht.
Dies bedingt ein in seiner Baugröße sehr klein ausgefertigtes Linsenarray aus einer Vielzahl direkt aneinander angrenzender Kombinationslinsen. Jede der Kombinationslinsen ist hierbei zusätzlich aus zumindest zwei Linsentypen zusammengesetzt und kann zudem mit Antireflexbeschichtungen versehen sein, um eine Entspiegelung der Optik zu erreichen. Das von den Mikro-LEDs emmitierte Licht wird hierbei trotz der starken seitlichen Abstrahlung bis zu einem Winkel von 120° zu einem Großteil vom direkt vor der LED ansetzenden zylindrischen Linsenkörper eingefangen, wenngleich dieser die Ränder der LEDs nur maximal um die Hälfte des Abstandes der LEDs zueinander überragen kann bei Linsenkörpern, die direkt aneinanderliegend das Linsenarray bilden. Die dichte Anordnung der Mirko-LEDs auf dem Hochleistungs-LED-Chip mit Abständen, die zwischen 0,1 mm und 2 mm liegen bedingt, dass die zylindrischen Linsenabschnitte die LEDs nur geringfügig überragen können, wobei aufgrund der dichten Anordnung des Linsenarrays dennoch Werte von bis zu 70% und mehr des abgestrahlten Lichtes durch die zylindrische Linse eingefangen und den sphärischen bzw. asphärischen Linsen zugeführt werden, die das Licht nun ausrichten. Diese Ausrichtung ist durch die Wahl der sphärischen bzw. asphärischen Linse je nach Anwendungsgebiet zu bestimmen.
Eine vorteilhafte Bauform der Erfindung umfasst einen LED-Chip, auf dem gleichmäßig 49 LEDs angeordnet sind in einem 7 × 7-Muster. Eine beispielhafte Größe der LEDs ist hierbei 1 mm², wobei diese in einem Abstand von ca. 1,875 mm zueinander angeordnet sind. Direkt über den LEDs ist das Linsenarray angeordnet, wobei die jeweils aus Zylinderlinse und asphärsicher bzw. sphärischer Linse zusammengesetzten Kombinationslinsen ein Maß aufweisen, welches sich aus der Größe der abzudeckenden LED sowie dem Abstand der LEDs zueinander ergibt, im Beispielfall beträgt der Durchmesser der einzelnen Kombinationslinse somit 2,875 mm. Im Ergebnis führt dies zu einem Linsenarray, bei dem die einzelnen Kombinationslinsen direkt aneinander anliegen und eine geschlossene Fläche ergeben, bei der lediglich Zwischenräume zwischen den kreisförmigen Linsenquerschnitten zur Verbindung der Kombinationslinsen zum Linsenarray gefüllt sind.
Die Höhe des zylindrischen Linsenanteils der Kombinationslinsen ist hierbei variabel den jeweiligen Anforderungen der Beleuchtungsvorrichtung zu wählen. Sie liegt zur Höhe der sphärischen bzw. asphärischen Linse im Verhältnis von etwa 1:1 bis 5:1, wobei eine höherer zylindrischer Anteil die Lichtausbeute begünstigt.
Auch die Ausbildung der asphärischen bzw. sphärischen Linse ist variabel zu wählen in Abhängigkeit vom angestrebten Brennpunkt dieser Linsen. So wird dem LED-Chip je nach Anwendungsbereich eine spezielles Linsenarray zugeordnet, wobei dieses über die Parameter der zwei Linsenarten anwendungsspezifisch ausbildbar ist.
Eine andere zweckmäßige Bauform sieht die Kombination eines LED-Chips mit 6 × 6, also 36 LEDs vor, der mit einem zuvor beschriebenen Linsenarray kombiniert wird. Der Abstand zwischen den LEDs auf dem Chip beträgt hierbei ca. 0,55 mm bei einer LED-Fläche von 1 mm². Hieraus ergibt sich für die Kombinationslinsen ein Durchmesser von ca. 1,55 mm, wobei die LED an ihren Rändern von der jeweilig zugeordneten Linse um 0,275 mm überragt wird.
Eine vorteilhafte Bauform sieht ein Leuchtmittel vor, das sich aus dem Hochleistungs-LED-Chip und einem diesen einfassenden Keramikrahmen zusammensetzt, auf den abschließend das Linsenarray aufgesetzt ist. Die so gebildete Bauform bildet eine handliche bauliche Einheit. Zudem ist das Leuchtmittel gegen Verunreinigung geschützt, was die Lebensdauer des Leuchtmittels erhöht. Über die Höhe des Keramikrahmens kann die Distanz zwischen den LEDs und dem Linsenarray eingestellt werden. Zudem ermöglicht diese Bauform durch die Kapselung ein Vakuum zwischen Linsenarray, LED-Chip und Keramikrahmen.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand einer Zeichnung dargestellt werden.
Es zeigen
1 einen Querschnitt durch den LED-Chip mit Linsenarray,
2 eine Draufsicht auf das Mikro-Linsenarray
Die 1 verdeutlicht die gleichmäßige und dichte Anordnung der LEDs 1 auf dem LED-Chip 2. Jeder LED 1 direkt gegenüberliegend ist eine Kombinationslinse 3 des Linsenarrays 4 angeordnet in möglichst kurzer Distanz. Hierdurch wird erreicht, dass das in einem Winkel bis zu 120° abgestrahlte Licht der LEDs 1 nahezu vollständig in dem ersten zylindrischen Abschnitt 6 der Kombinationslinse 3 eingefangen und gesammelt wird.
Beim Austritt aus dem Linsenarray 4 wird das Licht durch die zweite Linsenkomponente der asphärischen bzw. sphärischen Linse 5 in einer definierten Form gebündelt und gerichtet. Es kann hierbei eine Antireflexbeschichtung auf der Oberseite 8 und der Unterseite 7 des Linsenarrays aufgedampft sein.
Die dargestellte Bauform weist zudem einen Keramikrahmen 9 auf, der den LED-Chip 2 einfasst und als Abstützung für den aufgesetzten Linsenarray.
In 2 ist in der Draufsicht die Anordnung der Kombinationslinsen 3 zu einem flächigen Linsenarray 4 dargestellt. Es ist ebenfalls erkennbar, dass jedem LED 1 eine Kom binationslinse 3 zugeordnet ist, wobei der gesamte LED-Chip 2 von dem Linsenarray 4 abgedeckt ist.

Claims

Beleuchtungsvorrichtung mit Linsenarray, umfassend – zumindest einen Hochleistungs-LED-Chip (2) mit einer Vielzahl von Mikro-LEDs (1) sowie – ein mit einem Abstand von 0,1 mm bis 0,5 mm auf diesen LED-Chip (2) aufgesetztes Mikro-Linsenarray (4), – wobei das Mikro-Linsenarray (4) aus aneinander anliegend angeordneten, jeweils den Mikro-LEDs (1) direkt zugeordneten Kombinationslinsen (3) gebildet wird, – die zumindest eine zylindrische Linse (6) und eine direkt auf diese aufgesetzte sphärische oder asphärische konvexe Linse (5) umfassen.
Beleuchtungsvorrichtung mit Linsenarray nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die LEDs (1) flächig auf dem LED-Chip (2) angeordnet sind und somit auch die Kombinationslinsen (3) flächig als Linsenarray (4) angeordnet sind.
Beleuchtungsvorrichtung mit Linsenarray nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der LED-Chip (2) zumindest 36 LEDs (1) aufweist und dementsprechend zumindest 36 Kombinationslinsen (3) im Linsenarray (4) vorhanden sind.
Beleuchtungsvorrichtung mit Linsenarray nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die LEDs (1) zumindest eine Größe von 1 mm² aufweisen.
Beleuchtungsvorrichtung mit Linsenarray nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die LEDs (1) auf dem LED-Chip (2) einen Abstand zueinander von zumindest 0,1 mm aufweisen, wobei die Kombinationslinsen (3) in ihrem Durchmesser in Abhängigkeit von der Größe der LEDs (1) und deren Abstand zueinander so bemessen sind, dass diese sich an Ihrem Umfang berühren und zu einer Fläche verbinden.
Beleuchtungsvorrichtung mit Linsenarray nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Höhenverhältnis der zylindrischen Linse (6) zur sphärischen bzw. asphärischen Linse (5) zwischen 1:1 und 1:5 liegt.
Beleuchtungsvorrichtung mit Linsenarray nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die unterseitige Lichteintrittsfläche (7) und/oder die oberseitige Lichtaustrittsfläche (8) zur Entspiegelung mit einer Antireflexbeschichtung bedampft sind.
Beleuchtungsvorrichtung mit Linsenarray nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der LED-Chip (2) mittels eines umlaufenden Keramikrahmens (9), auf dem das Linsenarray (4) aufliegt, mit dem Linsenarray (4) zu einer baulichen Einheit verbunden ist.
Beleuchtungsvorrichtung mit Linsenarray nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der LED-Chip (2) mit dem umlaufenden Keramikrahmen (9) und dem aufgesetzten Linsenarray (4) ein Vakuum einschließt.