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Die Erfindung betrifft eine Leuchtvorrichtung, aufweisend mindestens eine Halbleiterlichtquelle, insbesondere Leuchtdiode, sowie ein die mindestens eine Halbleiterlichtquelle verkapselndes Verkapselungsvolumen.
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Es sind LED-Module bekannt, welche mehrere Leuchtdioden (LEDs) aufweisen, denen beabstandet ein Diffusorelement nachgeschaltet ist. Das Diffusorelement ist mittels geeigneter Befestigungselemente an dem LED-Modul befestigt.
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Es sind ferner LED-Bänder bekannt, bei denen in regelmäßigem Abstand auf einer bandförmigen Platine angeordnete Leuchtdioden als Schutz gegen eine chemische und mechanische Beanspruchung mit Silikon vergossen sind.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine mindestens eine Halbleiterlichtquelle aufweisende Leuchtvorrichtung bereitzustellen, welche kompakt ist, preiswert herstellbar ist und geringe Lichtverluste zeigt.
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Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Leuchtvorrichtung, aufweisend mindestens eine Halbleiterlichtquelle, insbesondere Leuchtdiode, ein die mindestens eine Halbleiterlichtquelle verkapselndes (lichtdurchlässiges) Verkapselungsvolumen und mindestens ein auf das Verkapselungsvolumen flächig aufgebrachtes optisches Element. Diese Leuchtvorrichtung weist den Vorteil auf, dass durch die direkte (nicht beabstandete) Verbindung zwischen der mindestens einen Halbleiterlichtquelle, dem Verkapselungsvolumen und dem optischen Element ein Lichtverlust gering gehalten werden kann. Zudem ergibt sich so eine besonders kompakte Anordnung. Ein Aufwand für eine gesonderte Befestigung mindestens eines optischen Elements kann eingespart werden. Ferner kann eine solche Leuchtvorrichtung auf einfache Weise vielgestaltig ausgebildet werden, z. B. durch eine Wahl von Geometrien und Materialien von Verkapselungsvolumen und optischem Element.
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Das Verkapselungsvolumen als solches und das optische Element können auch als ein mehrlagiges, ggf. multifunktionales, Verkapselungsvolumen angesehen werden.
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Das optische Element und/oder das Verkapselungsvolumen können grundsätzlich transparent oder transluzent (z. B. milchig) sein.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass das Verkapselungsvolumen Vergussmasse aufweist oder daraus besteht. Die Vergussmasse lässt eine einfach herzustellende, preiswerte, dichte und einfach formbare Verkapselung oder Verguss der Halbleiterlichtquellen (insbesondere zumindest ihrer Lichtaustrittsflächen oder Emitterflächen) zu. Das Verkapselungsvolumen kann insbesondere lichtdurchlässigen Kunststoff als die Vergussmasse aufweisen oder daraus bestehen, beispielsweise Silikon, Thermoplast und/oder Duroplast. So weist Silikon eine hohe Beständigkeit gegenüber einer Degradation durch eine Lichteinstrahlung auf, ist preiswert und chemisch stabil als auch bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen gut gießbar und formbar. Die Wahl des Materials des Lichtleitvolumens kann beispielsweise basierend unter anderem auf einer gewünschten Lichtbrechung, einer benötigten Temperaturbeständigkeit usw. ausgewählt werden.
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Es ist noch eine Ausgestaltung, dass das optische Element im Wesentlichen vollflächig auf eine freie Oberfläche des Verkapselungsvolumens aufgebracht ist. Unter einer freien Oberfläche kann insbesondere eine vor einem Aufsetzen des optischen Elements nicht direkt begrenzte Oberfläche des Verkapselungsvolumens verstanden werden. Nach dem Aufsetzen des optischen Elements wird der von dem optischen Element abgedeckte Bereich dieser Oberfläche zu einer Kontaktfläche oder Grenzfläche. Insbesondere können geringe seitliche Bereiche der freien Oberfläche frei bleiben, d. h., nicht von dem optischen Element abgedeckt werden. Diese Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass ein überwiegender Großteil des von der mindestens einen Halbleiterlichtquelle abgestrahlten Lichts, ggf. sogar zumindest im Wesentlichen das gesamte Licht, durch das optische Element hindurchläuft und folglich von diesem beeinflussbar ist, z. B. für eine Strahlformung und/oder Streuung.
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Es ist noch eine weitere Ausgestaltung, dass das optische Element direkt (d. h. ohne Klebstoff, Halterungselemente usw.) auf das Verkapselungsvolumen aufgebracht ist. Dadurch wird eine besonders kompakte, einfach aufgebaute Leuchtvorrichtung bereitgestellt. Die Befestigung kann dabei insbesondere durch eine haftende Eigenschaft des Verkapselungsvolumens und/oder des optischen Elements erreicht werden, insbesondere falls eine Verbindung bei einem noch zähflüssigen Verkapselungsvolumen und/oder des optischen Elements vorgenommen wird. Unter Umständen kann auch eine stoffschlüssige Verbindung erreicht werden, insbesondere bei gleichen Materialien oder Grundmaterialien. Alternativ ist jedoch z. B. auch eine zumindest bereichsweise Verklebung möglich.
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Es ist ferner eine Ausgestaltung, dass das mindestens eine optische Element ein Diffusorelement ist. Das Diffusorelement kann einstrahlendes Licht diffus ablenken. So wird eine effektive Lichtmischung und eine Abgabe eines bezüglich seiner Helligkeit und/oder seiner Mischfarbe (bei verschiedenfarbigen Halbleiterlichtquellen) hochgradig ermöglicht. Die Lichtmischung wird auch dadurch verbessert, dass das mindestens eine optische Element einen Abstand, insbesondere vorbestimmten Abstand, zu der mindestens einen Halbleiterlichtquelle aufweist, was Lichtverluste weiter reduzieren kann. Insbesondere kann der Abstand einfach über eine Einstellung einer Dicke des optischen Elements und/oder eine Höhe des Verkapselungsvolumens eingestellt werden.
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Es ist außerdem eine Ausgestaltung, dass das optische Element eine strukturierte freie Oberfläche aufweist. So kann eine Strahlformung und/oder Homogenisierung des von der Leuchtvorrichtung abgestrahlten Lichts auf eine besonders einfache, kompakte und preiswerte Weise erreicht werden.
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Es ist eine spezielle Ausgestaltung, dass die strukturierte freie Oberfläche des optischen Elements eine raue, insbesondere aufgerauhte, Oberfläche umfasst. So kann eine effektive Diffusorwirkung oder diffuse Lichtstreuung bei besonders geringen optischen Verlusten und einer einfachen Umsetzung erreicht werden.
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Es ist eine zusätzliche oder alternative spezielle Ausgestaltung, dass das optische Element zumindest teilweise, insbesondere zumindest schichtweise, aus einem diffus streuenden Material besteht. Dies verstärkt eine Homogenisierung des abgestrahlten Lichts.
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Die freie Oberfläche des mindestens einen optischen Elements kann insbesondere für eine Strahlformung des von dem Verkapselungsvolumen eintretenden Lichts ausgeformt sein.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass das optische Element eine linsenartig ausgebildete freie Oberfläche aufweist. Dies heißt in anderen Worten, dass die freie Oberfläche eine linsenartige Funktion wahrnehmen kann. Die freie Oberfläche kann beispielsweise konvex oder konkav sein. Auch mag die freie Oberfläche eine im Wesentlichen ebene Form aufweisen. Die Strahlformung kann zusätzlich oder alternativ mittels der Strukturierung der strukturierten freien Oberfläche erreicht werden. So mag eine ebene freie Oberfläche des mindestens einen optischen Elements Fresnelringe aufweisen, um eine Funktion einer Fresnellinse bereitzustellen.
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Eine strahlformende freie Oberfläche des optischen Elements kann zusätzlich diffus streuend ausgebildet sein, z. B. aufgerauht sein, so dass sich eine Strahlformung gleichzeitig mit einer Homogenisierung ergibt.
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Es ist eine insbesondere für eine mechanisch abriebfeste und/oder optisch hochwertige Abbildung bevorzugte Ausgestaltung, dass das optische Element Glas aufweist oder aus Glas besteht.
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Besonders bevorzugt wird ein Verkapselungsvolumen aus Silikon zumindest als einem Grund- oder Matrixmaterial und einem optischen Element aus Glas mit einer rauen freien Oberfläche. Besonders bevorzugt wird im Wesentlichen transparentes Silikon und ein optisches Element aus transparentem Glasgrundmaterial.
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Es ist eine insbesondere für eine einfach und preiswerte Herstellung sowie besonders feste Anbindung an das Verkapselungsvolumen bevorzugte Ausgestaltung, dass das optische Element Kunststoff, insbesondere ABS, PC, Silikon, Epoxid und/oder PMMA, aufweist. Beispielsweise kann die Form des optischen Elements durch Formwerkzeuge erzeugt werden.
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Das Brechungsverhalten und/oder das Strahlverhalten des optischen Elements ist also in weiten Bereichen einstellbar und an eine gewünschte Leuchtvorrichtung anpassbar.
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Es ist eine Weiterbildung, dass das Verkapselungsvolumen ein transluzentes, insbesondere halbdurchlässiges, Verkapselungsvolumen ist. Das Verkapselungsvolumen ist bevorzugt diffus streuend. So kann eine besonders wirkungsvolle homogene Lichtabstrahlung von der Leuchtvorrichtung erreicht werden. Das transluzente Verkapselungsvolumen kann beispielsweise Streupartikel oder Streustoffe o. ä. als Füllstoff(e) aufweisen. Die Streupartikel können z. B. kleine Partikel aus Siliziumoxid oder Glas sein, als auch eingeschlossene Gasblasen, Farbpartikel, Filterpartikel usw. Eine Streuwirkung oder Diffusionsgrad kann einfach durch eine Konzentration der Streupartikel oder Streustoffe eingestellt werden. Das transluzente Verkapselungsvolumen kann, insbesondere als Streupartikel, mindestens einen Leuchtstoff (”phosphor”) mit wellenlängenverschiebender Wirkung aufweisen. So kann ein Farbraum erweitert werden und/oder es können Halbleiterlichtquellen bestimmter Farbe eingespart werden.
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Es ist eine alternative Ausgestaltung, dass das Verkapselungsvolumen ein transparentes Lichtleitvolumen ist. So kann eine Strahlführung besonders effektiv gestaltet werden.
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Es ist noch eine Ausgestaltung, dass das optische Element ein folienartiges optisches Element ist. Dieses ist besonders leicht und ferner leicht an eine Oberfläche des Verkapselungsvolumens konform anpassbar.
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Es ist eine für eine besonders sichere Verbindung bevorzugte Ausgestaltung, dass eine durch das optische Element und die freie Oberfläche des Verkapselungsvolumens gebildete Grenzfläche eine im Wesentlichen ebene Fläche ist. Alternativ kann die Grenzfläche jede andere geeignete Form aufweisen, z. B. konkav oder konvex sein.
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Bevorzugterweise umfasst die mindestens eine Halbleiterlichtquelle mindestens eine Leuchtdiode. Bei Vorliegen mehrerer Leuchtdioden können diese in der gleichen Farbe oder in verschiedenen Farben leuchten. Eine Farbe kann monochrom (z. B. rot, grün, blau oder mint und rot usw.) oder multichrom (z. B. weiß) sein. Auch kann das von der mindestens einen Leuchtdiode abgestrahlte Licht ein infrarotes Licht (IR-LED) oder ein ultraviolettes Licht (UV-LED) sein. Mehrere Leuchtdioden können ein Mischlicht erzeugen; z. B. ein weißes Mischlicht. Die mindestens eine Leuchtdiode kann mindestens einen wellenlängenumwandelnden Leuchtstoff enthalten (Konversions-LED). Der Leuchtstoff kann alternativ oder zusätzlich entfernt von der Leuchtdiode angeordnet sein (”remote phosphor”). Die mindestens eine Leuchtdiode kann in Form mindestens einer einzeln gehäusten Leuchtdiode oder in Form mindestens eines LED-Chips vorliegen. Mehrere LED-Chips können auf einem gemeinsamen Substrat (”Submount”) montiert sein.
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Die mindestens eine Leuchtdiode kann mit mindestens einer eigenen Optik (”Primäroptik”) und/oder mindestens einer gemeinsamen (Sekundär-)Optik zur Erhöhung der Effizienz und Verbesserung der Strahlformung ausgerüstet sein, z. B. mindestens einer Fresnellinse, Kollimator, und so weiter. Anstelle oder zusätzlich zu anorganischen Leuchtdioden, z. B. auf Basis von InGaN oder AlInGaP, sind allgemein auch organische LEDs (OLEDs, z. B. Polymer-OLEDs) einsetzbar. Alternativ kann die mindestens eine Halbleiterlichtquelle z. B. mindestens einen Diodenlaser aufweisen.
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Es ist folglich eine Ausgestaltung, dass die mindestens eine Halbleiterlichtquelle mehrere Halbleiterlichtquellen umfasst, wobei mindestens zwei der Halbleiterlichtquellen Licht unterschiedlicher Farbe abstrahlen.
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Es ist folglich auch eine Ausgestaltung, dass die mindestens eine Halbleiterlichtquelle als mindestens eine Leuchtdiode ausgebildet ist, welche jeweils mit mindestens einer Primäroptik ausgerüstet ist.
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Insbesondere die Verwendung unterschiedlich farbiger Halbleiterlichtquellen (z. B. mintgrüner und roter LEDs) kann eine Einstellung einer Farbkoordinate des resultierenden Mischlichts innerhalb eines erreichbaren Farbraums (”Gamut”) ermöglichen.
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Insbesondere ist es auch möglich, Halbleiterlichtquellen unterschiedlicher Helligkeit (z. B. bei einem Binning unterschiedlich einsortiert) zu verwenden, um so eine besonders preiswerte Leuchtvorrichtung zu erreichen. Insbesondere mag eine Helligkeit des sich an der Lichtaustrittsöffnung ergebenden Mischlichts im Wesentlichen vorgegeben sein, aber nicht der einzelnen Halbleiterlichtquellen.
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Ferner kann es möglich sein, Halbleiterlichtquellen mit unterschiedlicher Abstrahlcharakteristik (z. B. einer unterschiedlichen polaren Intensitätsverteilung) zu verwenden, um eine homogene Lichtverteilung an der Lichtaustrittsöffnung zu unterstützen.
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In den folgenden Figuren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen schematisch genauer beschrieben. Dabei können zur Übersichtlichkeit gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sein.
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1 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Leuchtvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform;
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2 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Leuchtvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform;
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3 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Leuchtvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform;
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4 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Leuchtvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform;
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5 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Leuchtvorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform; und
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6 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Leuchtvorrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform.
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1 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Leuchtvorrichtung 100 gemäß einer ersten Ausführungsform. Die Leuchtvorrichtung 100 weist ein Gehäuse 101 mit einer bodenseitigen Vertiefung 102 auf. In der, falls gewünscht auch reflektierenden, Vertiefung 102 sind mehrere Halbleiterlichtquellen in Form von Leuchtdioden 103 untergebracht. Die Leuchtdioden 103 leuchten in mindestens zwei verschiedenen Farben (mit unterschiedlicher Spitzenwellenlänge und/oder unterschiedlichem sprektralen Band). Insbesondere können die Leuchtdioden 103 mintgrünes bzw. rotes Licht aussenden. Das sich ergebende mintgrün/rote Mischlicht kann insbesondere ein weißes Mischlicht sein.
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Die Leuchtdioden 103 sind mit einem Verkapselungsvolumen in Gestalt einer Vergussmasse 104 aus im Wesentlichen transparenten Silikon verkapselt bzw. vergossen. Die Vergussmasse 104 befindet sich also in direktem Kontakt mit den Leuchtdioden 103, wodurch Lichtverluste gering gehalten werden können. Die Vergussmasse 104 verfüllt die Vertiefung 102, so dass eine definierte Menge und Form der Vergussmasse 104 eingießbar sind.
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Eine (zunächst) freie Oberfläche der Vergussmasse 104 ist im Wesentlichen vollständig oder vollflächig mit einem optischen Element in Form einer planen Glasplatte 105 flächig abgedeckt. Die Glasplatte 105 ist also flächig auf der Vergussmasse 104 aufgebracht. Die Glasplatte 105 ist direkt auf der Vergussmasse 104 aufgebracht bzw. liegt direkt flächig auf der Vergussmasse 104 auf, d. h. ohne eine Zwischenlage aus Klebstoff o. ä. Die Glasplatte 105 bildet somit an ihrem Flächenkontakt mit der Vergussmasse 104 eine Grenzfläche 106.
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Die der Grenzfläche 106 entgegengesetzte, freie Oberfläche 107 der Glasplatte 105 ist dahingehend strukturiert, dass sie eine raue Oberfläche ist und folglich durch sie hindurchlaufendes Licht diffus streut. Die Aufrauhung kann beispielsweise durch eine Bearbeitung der Glasplatte 105 erreicht werden. Die Glasplatte 105 wirkt dadurch als ein Diffusorelement.
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2 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Leuchtvorrichtung 200 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Im Gegensatz zu der Leuchtvorrichtung 100 ist nun ein geringerer senkrechter Abstand zwischen der aufgerauhten, freien Oberfläche 107 und den Leuchtdioden 103 durch einen Verwendung einer dünneren Glasplatte 205 auf einfache Weise eingestellt worden.
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3 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Leuchtvorrichtung 300 gemäß einer dritten Ausführungsform. Im Gegensatz zu der Leuchtvorrichtung 100 wird für eine diffuse Streuwirkung nun anstelle der Glasplatte 105 eine strukturierte Folie 305 verwendet. Diese ist besonders leicht. So kann ein besonders geringer senkrechter Abstand zwischen der diffus streuenden freien Oberfläche 307 (d. h., der Folie 305) und den Leuchtdioden 103 erreicht werden.
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4 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Leuchtvorrichtung 400 gemäß einer vierten Ausführungsform. Das optische Element liegt nun in Form einer einseitig konvexen Linse 405 vor, wobei eine ebene Seite der Linse 405 die Grenzfläche 106 bildet, während die konvexe Seite eine (linsenartige) freie Oberfläche 407 bildet. Die Linse 405 ist nicht aufgerauht und bildet keinen Diffusor, sondern dient im Wesentlichen zur Strahlformung.
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5 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Leuchtvorrichtung 500 gemäß einer fünften Ausführungsform. Die Leuchtvorrichtung 500 unterscheidet sich von der Leuchtvorrichtung 400 dahingehend, dass die freie Oberfläche 507 der Linse 505 rauh, insbesondere aufgerauht, ist, so dass sowohl eine Homogenisierung als auch eine Strahlformung des aus der freien Oberfläche 507 austretenden Lichts erreicht wird.
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6 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Leuchtvorrichtung 600 gemäß einer sechsten Ausführungsform. Die Leuchtvorrichtung 100 unterscheidet sich von der Leuchtvorrichtung 100 dahingehend, dass die freie Oberfläche 607 der Glasplatte 605 nicht aufgerauht ist und zur Strahlformung mehrere Fresnellinien oder Fresnelringe 608 aufweist bzw. als eine Fresnellinse wirkt.
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Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt.
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So können die Grenzflächen auch nicht-eben, insbesondere gekrümmt, ausgebildet sein.
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Ferner mag das Verkapselungsvolumen aus mehreren Materialien bestehen, insbesondere in Form von mehreren Schichten.
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Auch mag das optische Element aus Kunststoff bestehen.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Leuchtvorrichtung
- 101
- Gehäuse
- 102
- Vertiefung
- 103
- Leuchtdiode
- 104
- Vergussmasse
- 105
- Glasplatte
- 106
- Grenzfläche
- 107
- freie Oberfläche
- 200
- Leuchtvorrichtung
- 205
- Glasplatte
- 300
- Leuchtvorrichtung
- 305
- Folie
- 307
- freie Oberfläche
- 400
- Leuchtvorrichtung
- 405
- Linse
- 407
- freie Oberfläche
- 500
- Leuchtvorrichtung
- 505
- Linse
- 507
- freie Oberfläche
- 600
- Leuchtvorrichtung
- 605
- Glasplatte
- 607
- freie Oberfläche
- 608
- Fresnelring
