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Die Erfindung betrifft eine Leuchtdiode als Einzelelement und eine Leuchtdiodenanordnung aus einer Vielzahl von Leuchtdioden jeweils in Funktionseinheit mit dem Reflektor eines Scheinwerfers. Eine erfindungsgemäße Leuchtdiode weist als ein erstes optisches System einen konzentrisch und koaxial zur optischen Achse der Leuchtdiode angeordneten Reflektorkelch mit einer konvexen Innenwand auf, der die von einen am Boden des Reflektorkelchs angeordneten Halbleiterkristall in unterschiedliche Richtungen emittierten Lichtstrahlen durch Reflektion an der konvexen Innenwand zu einem gerichteten, divergenten und zur optischen Achse konzentrisch angeordneten Strahlenbündel ausrichtet. Der spitze Öffnungswinkel (α ≤ 40°) dieses Strahlenbündels ermöglicht die Ausbildung eines zweiten optischen Systems auf der optischen Achse einer Leuchtdiode. Erfindungsgemäß weist dieses zweite optische System ein Umlenkelement auf, das in einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung von einem Umlenkprisma an der Spitze des Gehäuses einer Leuchtdiode gebildet wird oder aus einem Umlenkspiegel außerhalb des Gehäuses einer Leuchtdiode besteht. Durch Totalreflektion lenken diese Umlenkelemente die Lichtstrahlen quer zur optischen Achse einer Leuchtdiode auf den Reflektor eines Scheinwerfers. Im Falle einer Leuchtdiode als Einzelelement weist der Reflektor eines Scheinwerfers eine Rotationsschale auf, deren Brennpunkt einen Schnittpunkt mit der optischen Achse einer Leuchtdiode besitzt, im Falle einer Reihenanordnung haben die optischen Achse der Leuchtdioden einen Schnittpunkt mit der Brennlinie eines parabolrinnenförmigen Reflektors, im Falle einer ringförmigen Anordnung der Leuchtdioden liegen sie auf dem Brennring einer Rotationsringschale. Die Erfindung betrifft deshalb nicht nur die Ausgestaltung einer Leuchtdiode oder einer Leuchtdiodenanordnung als Lichtquelle für einen Scheinwerfer, sondern betrifft auch unterschiedliche Arten von Scheinwerfern, deren Reflektoren jeweils auf eine bestimmte Leuchtdiodenanordnung abgestimmt sind.
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Stand der Technik
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Mit einer Lichtausbeute von 50 bis 250 Lumen pro Watt – maximal möglich sind 350 Lumen pro Watt – transformieren Leuchtdioden eine elektrische Spannung sehr effektiv in Licht und sind deshalb besonders geeignet den Energieverbrauch zur Erzeugung von Licht, sei es in privaten Haushalten, sei es im Automobilverkehr oder aber auch im öffentlichen Raum, drastisch abzusenken. Eine dem Stand der Technik entsprechende Leuchtdiode besteht aus einer Anode und einer Kathode, die als Leiterrahmen ausgebildet sind in den eine Reflektorwanne zur Aufnahme eines Halbleiterkristalls vorgesehen ist. Die elektrische Kontaktierung zwischen Anode und Kathode wird zum Beispiel aus einem feinen Draht aus Gold gebildet. Ein Leiterrahmen ist hohlraumfrei in ein Gehäuse aus Gießharz eingebettet. Bei Anlegen einer elektrischen Spannung emittiert ein Halbleiterkristall Licht, der abhängig vom jeweiligen Material unterschiedliche Farben abstrahlt. Durch Reflektion an einer Reflektorwanne erfahren die Lichtstrahlen eine erste grobe Ausrichtung – erst durch eine Linse an der Spitze des Gehäuses können die von einem Halbleiterkristall emittierten Lichtstrahlen zu einem Strahlenbündel ausgerichtet werden, das stark divergierend ist. Eine präzise Ausrichtung und Lenkung der Lichtstrahlen ist mit herkömmlichen Leuchtdioden nicht möglich und erfordert externe Maßnahmen. Das von einer Leuchtdiode abgestrahlte Licht zeichnet sich einerseits durch eine hohe Leuchtdichte aus, was für das menschliche Auge mit der Gefahr von Blendung verbunden ist, andererseits erschwert die divergente Abstrahlung den Einsatzbei Scheinwerfern, an die höhere Anforderungen gestellt sind. Ein Bündel aus parallelen Strahlen kann mit einer herkömmlichen Leuchtdiode nicht hergestellt werden.
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Patentschriften
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Aus der
US 7,872,273 B2 ist eine Leuchtdiode bekannt, die aus einem Halbleiterkristall, einem Leiterrahmen mit einer Pfanne zur Aufnahme der Leuchtdiode und aus einem transparenten Gehäuse aufgebaut ist. Das transparente Gehäuse weist an seiner Spitze eine konkave Einsenkung mit einem Reflektor auf, der dazu ausgebildet ist, die Lichtstrahlen quer zu dem transparenten Gehäuse abzulenken. Eine präzise Lenkung der von dem Halbleiterkristall in alle Richtungen emittierten Lichtstrahlen, ist mit diesem Aufbau einer Leuchtdiode nicht möglich. Aus der
US 2004/0114358 A1 geht ein rotationssymmetrisch ausgebildeter Scheinwerfer mit einem gefalteten Strahlengang hervor, bei dem eine reflektierende Pfanne vorgesehen ist, um die Strahlen einer Leuchtdiode auf einen ersten Parabolspiegel zu lenken, der einen gemeinsamen Brennpunkt mit einem zweiten Parabolspiegel besitzt. Der zweite Parabolspiegel dient als Reflektor für die Kollimation der Lichtstrahlen eines Scheinwerfers.
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Aufgabenstellung
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Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe der zugrunde, eine Leuchtdiode als Einzelelement und eine Leuchtdiodenanordnung aus einer Vielzahl einzelner Leuchtdioden für Scheinwerfer mit unterschiedlichen Funktionen anzugeben. Es ist insbesondere Aufgabe der Erfindung bereits innerhalb des Gehäuses einer Leuchtdiode eine exakte Strahlungsführung zu verwirklichen, sodass das von einem Halbleiterkristall emittierte Licht in einem gefalteten Strahlengang gezielt auf den Reflektor eines Scheinwerfers gelenkt werden kann. Dabei wird das Licht auf die Oberfläche eines Reflektors verteilt und kann als paralleles, divergentes oder konvergentes Strahlenbündel einen definierten Bereich ausleuchten. Die erfindungsgemäße Verteilung des Lichts, ausgehend von einer oder mehreren punktförmigen Lichtquellen auf den Reflektor eines Scheinwerfers ermöglicht eine funktionsgerechte Dosierung und Lenkung des Lichts. Die von einem Halbleiterkristall als Strahlungsquelle emittierten Strahlen werden dabei bereits nahe der Strahlungsquelle in einem ersten optischen System, das von einem Halbleiterkristall und einem Reflektorkelch gebildet wird, innerhalb des transparenten Kunststoffgehäuses einer Leuchtdiode zu einem gerichteten und leicht divergenten Strahlenbündel β mit einem Öffnungswinkel α kleiner/gleich 40 Grad ausgerichtet. Ein Reflektorkelch, an dessen Grund sich ein Halbleiterkristall befindet, ist vorzugsweise rotationssymmetrisch ausgebildet und besitzt eine konvexe Innenwand, deren Kontur aus dem Abschnitt einer Parabel besteht. Durch Reflektion an diesem Rotationsparaboloid wird ein quer zur optischen Achse einer Leuchtdiode von einem Halbleiterkristall emittierter Lichtstrahl parallel zur optischen Achse ausgerichtet. An der Spitze des Gehäuses einer Leuchtdiode kann deshalb ein zweites optisches System ausgebildet werden, dessen Aufgabe darin besteht, das von dem Reflektorkelch ausgestrahlte divergente Strahlenbündel β quer zur optischen Achse einer Leuchtdiode auf den Reflektor eines Scheinwerfers zu lenken. Diese Aufgaben werden mit den in Anspruch 1 der Erfindung genannten Merkmalen erfüllt. Weitere vorteilhafte Eigenschaften und Merkmale der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor. In einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung besteht das zweite, in das Gehäuse einer Leuchtdiode intergierte, optische System aus einem Umlenkprisma, das an der Spitze des Gehäuses einer Leuchtdiode dazu ausgebildet ist, das von einem Reflektorkelch abgestrahlte, divergente Strahlenbündel durch Totalreflektion quer zur optischen Achse einer Leuchtdiode, bevorzugt in einem Winkel von 90 Grad, auf den Reflektor eines Scheinwerfers umzulenken. Das Gehäuse einer Leuchtdiode als Einzelelement ist dabei als trichterförmiges Umlenkprisma ausgebildet, während Leuchtdioden in einer Reihenanordnung oder in einer Ringanordnung ein zweischenkliges Umlenkprisma aufweisen. Sowohl ein trichterförmiges, als auch ein zweischenkliges Umlenkprisma können facettiert ausgebildet werden, um die als divergentes Strahlenbündel aus einem Reflektorkelch austretenden Lichtstrahlen gegenüber der optischen Achse einer Leuchtdiode möglichst senkrecht umzulenken. Für achsparallele Strahlen ist dabei ein Prismenwinkel von 45° vorgesehen, während Strahlen mit einer Neigung zur optischen Achse auf einen flacheren, dem äußeren Rand einer Leuchtdiode zugeordneten Prismenwinkel von zum Beispiel 38° treffen. In einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung besteht das zweite, in das Gehäuse einer Leuchtdiode intergierte, optische System aus einer abgeflachten Linse, die an der Spitze einer Leuchtdiode dazu ausgebildet ist, das von einem Reflektorkelch abgestrahlte, divergente Strahlenbündel zu einem parallelen Strahlenbündel auszurichten, sodass die parallelen Lichtstrahlen von einem Umlenkspiegel außerhalb des Gehäuses einer Leuchtdiode auf den Reflektor eines Scheinwerfers gelenkt werden können. Im Falle einer Leuchtdiode als Einzelelement ist ein Umlenkelement im Brennpunkt eines Scheinwerfers, dessen Reflektor von einer Rotationsschale gebildet wird, angeordnet. Im Falle einer linearen Leuchtdiodenanordnung liegt eine Vielzahl von Leuchtdioden auf der Brennlinie eines Scheinwerfers, dessen Reflektor von einer Translationsschale gebildet wird. Im Falle einer radialen Leuchtdiodenanordnung liegt eine Vielzahl von Leuchtdioden auf dem Brennring eines Scheinwerfers, dessen Reflektor von einer Rotationsringschale gebildet wird. Zusätzlich zu diesen kategorischen Ausführungsvarianten, kann der Reflektor eines Scheinwerfers auch als zusammengesetzte Form aus zwei der genannten Reflektorschalen bestehen. So kann z. B. eine Rotationsschale mit einer Translationsschale kombiniert werden, oder eine Rotationsringschale mit zwei zueinander parallelen Translationsschalen. Schließlich sind im Rahmen der Erfindung auch ovale und frei geformte Ringschalen als Reflektoren für Scheinwerfer mit spezifischen Funktionen herstellbar.
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Die zweifache Faltung der von einer Leuchtdiode emittierten Lichtstrahlen innerhalb eines Scheinwerfers kann auf unterschiedliche Weise bewirkt werden. Das Umlenkprisma einer einzelnen Leuchtdiode kann zum Beispiel im Brennpunkt des Reflektors einer Taschenlampe angeordnet werden. Liegen die Umlenkprismen einer Leuchtdiode auf einer Brennlinie, kann ein Scheinwerfer als Handleuchte, als Raumleuchte oder als Straßenleuchte ausgebildet werden. Dabei kann eine Vielzahl einzelner Leuchtdioden in unterschiedlichen Farben strahlen, sodass einerseits unterschiedliche Beleuchtungsszenarien ermöglicht werden und andererseits eine Mischung von Lichtfarben im Spektralbereich von 380–780 Nm hergestellt werden kann. In diesem Spektralbereich ist die Wahrnehmungsfähigkeit des menschlichen Auges am größten. Liegen die Leuchtdioden auf dem Reflektor einer Rotationsringschale kann der erfindungsgemäße Strahlengang mit besonderem Vorteil für unterschiedliche Scheinwerferarten angewandt werden. Bei einer OP-Leuchte sind konzentrisch angeordnete Rotationsringschalen vorgesehen, die untereinander einen Neigungswinkel aufweisen, sodass die optischen Achsen der einzelnen Leuchtdioden zu einem konvergenten Lichtkegel gebündelt werden. Bei einem Autoscheinwerfer wird ein Umlenkprisma oder ein Umlenkspiegel auf der Symmetrieachse des Scheinwerfers verschoben, sodass die Funktionen Fernlicht und Abblendlicht realisiert werden können. Dabei werden die Lichtstrahlen von einem Umlenkprisma oder von einem Umlenkspiegel gezielt auf das Innensegment oder das Außensegment einer Rotationsringschale gelenkt, sodass bei der Abblendfunktion alle vom Scheinwerfer emittierten Lichtstrahlen auf die Fahrbahn geworfen werden. Man erkennt, dass sich die Erfindung sowohl auf Scheinwerfer mit nur einer Leuchtdiode im Brennpunkt eines rotationsschalenförmigen Reflektors, als auch auf Scheinwerfer mit einer linearen Leuchtdiodenanordnungen auf der Brennlinie eines rinnenförmigen Reflektors und auch auf Scheinwerfer mit einer radialen Leuchtdiodenanordnungen auf dem Brennring einer oder mehrerer konzentrisch zueinander angeordneter ringförmigen Reflektorschale als Reflektor bezieht. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, mehrere Leiterrahmen in einem Gehäuse anzuordnen, das im Falle einer linearen Anordnung eine Stangenform und im Falle einer radialen Anordnung eine Ringform aufweist. Zum Gehäuse gehörende Umlenkprismen sind in diesem Fall ebenfalls stangen- oder ringförmig ausgebildet. Im Rahmen der Erfindung wird zwischen einseitig reflektierenden Umlenkprismen und zweiseitig reflektierenden Umlenkprismen unterschieden. Am Sockel eines Sammelgehäuses werden Kathode und Anode der einzelnen Leiterrahmen durch einen scheinwerferseitigen Anoden- und Kathodenring mit Strom versorgt. Die Erfindung bezieht sich auch auf eine ”Glühbirne” mit Schraubfassung. Innerhalb einer ”Glühbirne” können z. B. 12 Leuchtdioden in einem ringförmigen Gehäuse so angeordnet werden, dass ein ringförmiger Reflektor einen gerichteten, leicht divergenten Lichtkegel abstrahlt.
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Weitere mögliche Ausgestaltungen gehen aus den in den Figuren exemplarisch dargestellten Ausführungsbeispielen hervor. Es zeigen:
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1 eine Leuchtdiode mit Reflektorkelch und einem rotationssymmetrischen Umlenkprisma in der isometrischen Übersicht
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2 die Leuchtdiode nach 1 im schematischen Querschnitt
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3 eine Taschenlampe mit der in den 1 und 2 dargestellten Leuchtdiode im schematischen Querschnitt
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4 eine Leuchtdiode mit aufgesetztem Reflektorkelch und einer linsenförmig ausgebildeten Spitze in der isometrischen Übersicht
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5 eine Leuchtdiode mit Reflektorkelch nach 4 im schematischen Querschnitt
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6 eine Leuchtdiode mit Reflektorkelch, linsenförmiger Spitze und einem externen Umlenkspiegel im schematischen Querschnitt
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7 einen Autoscheinwerfer mit einer Rotationsringschale als Reflektor in der isometrischen Übersicht
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8 den in 7 gezeigten Autoscheinwerfer in einer schematischen Aufsicht
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9 den in den 7 und 8 gezeigten Autoscheinwerfer in einem schematischen Schnitt mit Fernlicht
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10 den in den 7–9 gezeigten Autoscheinwerfer in einem schematischen Schnitt mit Abblendlicht
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11 eine Leuchtdiode mit Reflektorkelch und einem zweischenkligen Umlenkprisma in der isometrischen Übersicht
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12 die Leuchtdiode nach 11 im schematischen Querschnitt
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13 den Randverbund einer 3-fach Isolierverglasung mit integriertem Deckenstrahler
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14 eine OP-Leuchte mit drei konzentrisch zueinander angeordneten Rotationsringschalen in einem schematischen Querschnitt
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15 die OP-Leuchte nach 14 mit einer Vielzahl von Leuchtdioden in der perspektivischen Übersicht
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16 einen Scheinwerfer mit einer parabolrinnenförmigen Translationsschale als Reflektor und fünf in einer Reihe angeordnete Leuchtdioden in einem Gehäuse
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17 das Gehäuse nach 16 für fünf in Reihe angeordnete Leuchtdioden mit einer Stangenform und einem zweischenkligen Umlenkprisma, in der isometrischen Übersicht
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18 einen Scheinwerfer mit einer parabolrinnenförmigen Translationsschale als Reflektor im schematischen Querschnitt
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19 das Gehäuse nach 18 für fünf in Reihe angeordnete Leuchtdioden mit einer Stangenform und einem externen Umlenkspiegel, in der isometrischen Übersicht
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20 einen Scheinwerfer mit 12 Leuchtdioden die in einem Gehäuse mit einer Ringform zusammengefasst sind und einer Rotationsringschale als Reflektor in der isometrischen Übersicht
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21 ein Gehäuse für insgesamt 12 Leuchtdioden mit einer Ringform im perspektivischen Detailschnitt
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22 eine ”Glühbirne” mit einer Rotationsringschale als Reflektor für, wie in den 22 und 23 gezeigt, insgesamt 12 Leuchtdioden, die in einem Gehäuse mit einer Ringform zusammengefasst sind im schematischen Querschnitt
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1 zeigt eine Leuchtdiode 1 mit einem zylinderförmigen Gehäuse 11 aus Gießharz 106, in das einen Leiterrahmen 100 mit Kathode (–) und Anode (+) eingeschlossen ist, in der isometrischen Übersicht. Die Kathode (–) trägt einen, von einem Gießharz 106 umgebenen Reflektorkelch 10, an dessen Boden 104 sich ein nicht näher dargestellter Halbleiterkristall 101 befindet. Eine Kontaktierung 102 zum Beispiel aus einem Golddraht verbindet die Kathode (–) mit der Anode (+). Der Reflektorkelch 10 ist koaxial und konzentrisch zur optischen Achse x der Leuchtdiode 1 angeordnet und ist mit seiner konvexen Innenwand 103 zur optischen Achse x ausgerichtet. Die Spitze 111 des Gehäuses 11 ist als rotationssymmetrisches Umlenkprisma 112 ausgebildet. Der Strahlengang innerhalb der Leuchtdiode 1 wird in 2 näher dargestellt.
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2 zeigt die in 1 in der isometrischen Übersicht dargestellte Leuchtdiode 1 in einem vertikalen Schnitt entlang der optischen Achse x. Man erkennt den mit der Kathode verbundenen Reflektorkelch 10, dessen nach innen gerichtete konvexe Innenwand 103 dazu ausgebildet ist, die von einem Halbleiterkristall 101 multidirektional emittierten Lichtstrahlen durch Mehrfachreflektion an der konvexen Innenwand 103 zu einem divergenten Strahlenbündel β mit den Lichtstrahlen S1 auszurichten. Der Öffnungswinkel α wird durch Lichtstrahlen S1 definiert, die nicht an der verspiegelten Innenwand 103 eines Reflektorkelchs 10 reflektiert werden und beträgt ≤ 44°. Die einfach oder mehrfach an der konvexen Innenwand 103 reflektierten Strahlen S1 werden von dem Reflektorkelch 10 überwiegend parallel zur optischen Achse x ausgerichtet. Die verspiegelte Innenwand 103 des Reflektorkelchs 10 ist als Rotationsparaboliod ausgebildet. Am Boden 104 des Reflektorkelchs 10 können in eine Matrix 105 eingelassene Leuchtstoffpartikel zum Beispiel aus ”YAG” (Yttrium Aluminium Granat) oder aus ”BOSE” (ein Orthosilikat) vorgesehen sein, um die Lichtfarbe des Halbleiterkristalls 101 zu beeinflussen. Das rotationssymmetrisch ausgebildete Umlenkprisma 112 an der Spitze 111 des Gehäuses 11 lenkt das Strahlenbündel S1 quer zur optischen Achse x der Leuchtdiode 1 in einem Winkel von 90° ab. Die totalreflektierenden Oberflächen des rotationssymmetrischen Umlenkprismas 112 weisen für Strahlen S1, die parallel zur optischen Achse x emittiert werden einen Neigungswinkel von 45° auf, während Strahlen S1, die nicht parallel zur optischen Achse x emittiert werden, auf einen oberen Teilabschnitt des Umlenkprismas 112 mit einem flacheren Neigungswinkel treffen. Auf diese Weise können sämtliche Lichtstrahlen S1 des divergenten Strahlenbündels β durch Totalreflektion an dem Umlenkprisma 112 als Lichtstrahlen S2 auf den Reflektor des in 3 näher dargestellten Scheinwerfers umgelenkt werden. Voraussetzung dafür ist die Anordnung der Leuchtdiode im Brennpunkt F des in 3 näher dargestellten Reflektors als Rotationsschale.
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3 zeigt das Zusammenwirken einer Leuchtdiode 1 mit dem Reflektor 20 eines Scheinwerfers 2 am Beispiel einer Taschenlampe 22. Die in den 1 und 2 dargestellte Leuchtdiode 1 dient hier als Lichtquelle für eine Taschenlampe 22, deren Reflektor 20 von einer paraboloidförmigen Rotationsschale 200 gebildet wird. Der Brennpunkt F der Rotationsschale 200 weist einen Schnittpunkt mit der optischen Achse x der Leuchtdiode 1 im Zentrum des Umlenkprismas 112 auf. Deshalb werden die von der Leuchtdiode 1 quer zur optischen Achse x abgestrahlten Lichtstrahlen S2 von dem Reflektor 20 der Taschenlampe 22 in ein zur optischen Achse x paralleles Strahlenbündel p ausgerichtet. Verschiebt man den Reflektor 20 der Taschenlampe 22 auf der optischen Achse x der Leuchtdiode 1 über ein nicht näher bezeichnetes Feingewinde können die Lichtstrahlen S3 in ein konvergentes oder divergentes Strahlenbündel überführt werden.
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4 zeigt eine Leuchtdiode 1 mit einem zylindrischen, transparenten Gehäuse 11 in der isometrischen Übersicht. Koaxial und konzentrisch zur optischen Achse x der Leuchtdiode 1 ist ein mit der Kathode (–) eines Leiterrahmens 100 verbundener Reflektorkelch 10 für einen nicht näher dargestellten Halbleiterkristall vorgesehen. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Reflektorkelch 10 auf den Leiterrahmen 100 aufgesetzt. Die Kontaktierung 102 von Anode (+) und Kathode (–) erfolgt von unten mittels eines Golddrahts. Die von dem Reflektorkelch 10 emittierten Lichtstrahlen werden von einer abgeflachten Linse 113 an der Spitze 111 des Gehäuses 11 der Leuchtdiode 1, wie in 7 gezeigt, zu einem parallelen Strahlenbündel ausgerichtet. Bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Verbindungsdraht zur Kontaktierung 103 des Halbleiterkristalls 101 durch eine Öffnung im Boden 104 des Reflektorkelchs 10 geführt.
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5 zeigt die in 4 in der isometrischen Übersicht dargestellte Leuchtdiode 1 in einem Detailschnitt. Die von einem Halbleiterkristall 101 in unterschiedliche Richtungen emittierten Lichtstrahlen werden an der konvexen Innenwand 103 des Reflektorkelchs 10 reflektiert zu einem parallelen Strahlenbündel p ausgerichtet. Lichtstrahlen des divergenten Strahlenbündels β, die nicht an der Innenwand des Reflektorkelchs 10 reflektiert werden und den Reflektorkelch 10 als schräge Strahlen verlassen, treffen an der an der Spitze 111 des Gehäuses 11 auf eine speziell geoformte Linse 113 und werden von der Linse 113 in ein zur optischen Achse x paralleles Strahlenbündel p gebrochen. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Reflektorkelch 10 auf den Leiterrahmen 100 aufgesetzt und nimmt innerhalb des Gehäuses 11 der Leuchtdiode 1 eine zentrale Stellung ein.
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6 zeigt das Zusammenwirken einer Leuchtdiode 1 mit dem Reflektor 20 eines Scheinwerfers 2. Auf der optischen Achse x der Leuchtdiode 1 ist ein externer Umlenkspiegel 12 als Kegelfläche vorgesehen, der die von der Leuchtdiode 1 emittierten Strahlen S1 als Lichtstrahlen S2 quer zur optischen Achse x auf den Reflektor 20 eines Scheinwerfers 2 reflektiert. Der Reflektor 20 des Scheinwerfers 2 richtet die Strahlen S2 als Strahlen S3 parallel zur optischen Achse x der Leuchtdiode 1 aus.
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7 zeigt einen Autoscheinwerfer 23 mit einer Rotationsringschale 202 als Reflektor 20. Die optischen Achsen x von insgesamt 10 Leuchtdioden 1, die den in den 5 und 6 näher erläuterten Ausführungsbeispielen entsprechen, weisen jeweils einen Schnittpunkt mit der ringförmigen Brennlinie R einer verspiegelten Rotationsringschale 202 auf. Die von einer Leuchtdiode 1 emittierten Lichtstrahlen werden als parallele Lichtstrahlen S1 auf einen Umlenkspiegel 12 gelenkt und als Lichtstrahlen S2 entweder auf das Reflektorinnensegment 203 oder auf das Reflektoraußensegment 204 der Rotationsringschale 202 gelenkt. Als Lichtstrahlen S3 verlassen sie das Gehäuse des Scheinwerfers 2, bei Fernlicht als paralleles Strahlenbündel, wie in 9 gezeigt und bei Abblendlicht als zur Fahrbahn geneigtes Strahlenbündel, wie in 10 gezeigt.
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8 zeigt eine schematische Aufsicht des in 7 in der Übersicht dargestellten Autoscheinwerfers 23. Die ringförmige Brennlinie R der Rotationsringschale 202, die den Reflektor 20 des Scheinwerfers 2 bildet, weist jeweils einen Schnittpunkt mit den optischen Achsen x der insgesamt 10 Leuchtdioden 1 auf. Für die Funktionen Abblendlicht und Fernlicht ist von Bedeutung, dass die Lichtstrahlen S2 der oberen fünf Leuchtdioden 1 auf das Reflektoraußensegment 204 und die fünf unteren Leuchtdioden 1 auf das Reflektorinnensegment 203 der Rotationsringschale 202 gerichtet sind. Die Funktionen Fernlicht und Abblendlicht werden in den 9 und 10 näher erläutert.
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9 zeigt den in den 7 und 8 dargestellten Autoscheinwerfer 23 in einem schematischen Querschnitt. Bei Fernlicht f sind die Lichtstrahlen S3 parallel bzw. leicht konvergent ausgerichtet. Dabei weist ein Umlenkspiegel 12 auf der optischen Achse x jeder Leuchtdiode 1 einen Schnittpunkt mit der ringförmigen Brennlinie R einer Rotationsringschale 202 auf. Die 10 Leuchtdioden 1 des Autoscheinwerfers 23 sind auf einem gemeinsamen Tragring angeordnet und stehen mit Kathode (–) und Anode (+) jeweils mit einem Kathodenring 28 und einem Anodenring 27 in Verbindung. Für die Einstellung von Abblendlicht a ist ein Umlenkspiegel 12 in einem Kunststoffgehäuse beweglich mit dem Tragring der Leuchtdioden 1 verbunden und wird auf der optischen Achse x nach außen geschoben. Alternativ kann der Tragring mit den 10 Leuchtdioden 1 als Ganzes parallel zur Symmetrieachse S des Scheinwerfers 2 verschoben werden.
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10 zeigt den in den 7–9 dargestellten Autoscheinwerfer 23 bei Abblendlicht a. Die Umlenkspiegel 12 der Leuchtdioden 1 sind hier vor der ringförmigen Brennlinie R der Rotationsringschale 202 angeordnet, wobei, wie in 10 gezeigt, die fünf oberen Leuchtdioden 1 auf das Reflektoraußensegment 204 der Rotationsringschale 202 und die fünf unteren Leuchtdioden 1 auf das Reflektorinnensegment 203 der Rotationsringschale 202 gerichtet sind.
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11 zeigt eine Leuchtdiode 1 für einen Scheinwerfer 2 deren Gehäuse 11 an der Spitze 111 ein zweischenkliges Umlenkprisma 112 aufweist. Eine derartige, erfindungsgemäße Leuchtdiode 1 kann mit Vorteil mit unterschiedlichen Reflektoren 20 verschiedenartiger Scheinwerfer 2 zusammenwirken.
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12 zeigt die in 11 in der Übersicht gezeigte Leuchtdiode 1 in einem schematischen Querschnitt. Man erkennt, dass die aus einem Reflektorkelch 10 in einem divergenten Strahlenbündel β emittierten Lichtstrahlen S1 innerhalb der Leuchtdiode 1 an dem zweischenklig ausgebildeten Umlenkprisma 112 an der Spitze 111 des Gehäuses 11 quer zur optischen Achse x der Leuchtdiode 1 reflektiert und als Lichtstrahlen S2 auf einen hier nicht näher dargestellten Reflektor eines Scheinwerfers 2 gelenkt werden. Die reflektierende Fläche eines Schenkels des Umlenkprismas 112 weist dabei gegenüber der optischen Achse x zwei unterschiedliche Neigungswinkel auf. Während die der optischen Achse x zugewandte Reflektionsfläche einen Winkel von 45° aufweist, ist die dem äußeren Rand des Gehäuses 11 zugewandte Fläche flacher geneigt. Der Neigungswinkel beträgt hier zum Beispiel 38°. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass auch die äußeren, geneigten Lichtstrahlen S1 des divergenten Strahlenbündels β bezogen auf die optische Achse x der Leuchtdiode 1 um 90° umgelenkt werden.
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13 zeigt einen Scheinwerfer 2 im Bereich des Randverbunds einer Isolierglasscheibe mit zwei Scheibenzwischenräumen. Die innenraumseitige Scheibe ist gegenüber dem nicht näher bezeichneten, versiegelten Randverbund überstehend ausgebildet. Unmittelbar vor dieser Scheibe ist ein Scheinwerfer 2 angeordnet, dessen Reflektor 20 von einem linearen Spiegel gebildet wird, der das von einer Vielzahl in Reihe angeordneter Leuchtdioden 1, entsprechend den in den 11 und 12 gezeigten Ausführungsbeispiel, quer zu deren optischer Achsen x abgestrahlte Licht auf einen gekrümmten Reflektor 20 lenkt, sodass zum Beispiel am oberen Ende einer Isolierglasscheibe Lichtstrahlen S3 blendfrei zur Decke eines angrenzenden Innenraums gelenkt werden können.
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14 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine OP-Leuchte 24, deren kreisrundes Gehäuse konkav und rückseitig konvex ausgebildet ist. Das Gehäuse der OP-Leuchte 24 besitzt eine konkav gewölbte transparente Abdeckung 21 und nimmt insgesamt drei konzentrisch zueinander angeordnete Rotationsringschalen 202 als Reflektoren 20 für eine Vielzahl ringförmig angeordneter Leuchtdioden 1 auf. In ihrem Aufbau entsprechen die Leuchtdioden 1 als Einzelelemente dem in den 11 und 12 dargestellten Ausführungsbeispiel und sind jeweils auf der ringförmigen Brennlinie R einer Rotationsringschale 202 angeordnet, sodass das von einer Leuchtdiode 1 abgestrahlte Strahlenbündel S2 quer zur optischen Achse x der Leuchtdiode 1 umgelenkt wird. Die Leuchtdioden 1 weisen jeweils eine Ringschaltung mit einem Anodenring 27 und einem Kathodenring 28 und einem zentral angeordneten Gleichrichter 26 auf. Da die konzentrischen Rotationsringschalen 202 zueinander geneigt angeordnet sind werden die von ihnen abgestrahlten Lichtstrahlen S3 zu einem konvergenten Strahlenbündel k zusammengefasst, das gezielt auf ein Operationsfeld gelenkt werden kann. Eine nicht näher bezeichnete Aufhängung mit nicht näher bezeichneten Verstellachsen geht aus der in 15 dargestellten räumlichen Übersicht der OP-Leuchte 24 hervor.
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15 zeigt die in 14 dargestellte OP-Leuchte 24 in einer perspektivischen Übersicht. Man erkennt drei zueinander konzentrisch angeordnete Rotationsringschalen 202, die mit einer Vielzahl von Leuchtdioden 1 besetzt sind. Als Einzelelemente weisen die Leuchtdioden 1, wie in den 11 und 12 näher dargestellt, jeweils einen Schnittpunkt mit der ringförmigen Brennlinie R einer Rotationsringschale 202 auf. Mit dieser OP-Leuchte 24 kann ein konvergentes Strahlenbündel k auf das Aktionsfeld des Operateurs gelenkt werden. Die Vielzahl der einzelnen Leuchtdioden 1 auf einer ringförmigen Brennlinie R ermöglicht unterschiedliche und individuelle Fokussierungen des abgestrahlten Lichts, indem zum Beispiel jede zweite, dritte oder vierte Leuchtdiode 1 für ein spezifisches Beleuchtungsszenario bestimmt ist. Entsprechend ist es auch möglich unterschiedliche Lichtfarben aufzurufen, wobei die Leuchtdioden 1 alternierend mit unterschiedlichen Lichtfarben besetzt sein können. Schließlich ist es auch möglich die Leuchtdioden 1 in ihrer Stellung gegenüber einer Rotationsringschale 202 als Reflektor 20 zu verstellen, sodass das konvergente Strahlenbündel k aus den Lichtstrahlen S3 unterschiedlich fokussiert werden kann.
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16 zeigt einen Scheinwerfer 2, dessen Reflektor 20 von einer Translationsschale 201 gebildet wird, auf deren Brennlinie L ein zweischenkliges Umlenkprisma 112 angeordnet ist. Das Gehäuse 11 für insgesamt fünf Leuchtdioden 1 zeigt eine Stangenform 115 und besteht aus einem transparenten Gießharz 106. Die Umlenkung der Lichtstrahlen von den Leuchtdioden 1 auf den Reflektor 20 entspricht dem in 12 dargestellten Ausführungsbeispiel für ein zweischenkliges Umlenkprisma 112.
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17 zeigt die Lichtquelle des in 16 dargestellten Scheinwerfers, bei der fünf Leuchtdioden 1 in einem Gehäuse 11 mit einer Stangenform 115 zusammengefasst sind. Die Spitze 111 des Gehäuses 11 ist als zweischenkliges Umlenkprisma 112 ausgebildet, wobei jeder Schenkel des Prismas 112 Facetten zeigt, die eine Umlenkung der von den Leuchtdioden 1 emittierten Lichtstrahlen um 90° ermöglicht, wie in 12 näher erläutert.
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18 zeigt die Führung der Lichtstrahlen S1, S2 und S3 in einem Scheinwerfer 2, dessen Reflektor 20 von einer verspiegelten Translationsschale 201 gebildet wird. Auf der Brennlinie F dieser parabolrinnenförmigen Translationsschale 201 ist ein Umlenkspiegel 12 vorgesehen, der die aus dem Reflektorkelch 10 austretenden Lichtstrahlen S1 als Lichtstrahlen S2 auf den Reflektor 20 des Scheinwerfers 2 umlenkt. Parallel zur optischen Achse x einer Leuchtdiode 1 verlassen die Lichtstrahlen S3 das Gehäuse des Scheinwerfers 2. Das als Umlenkspiegel 12 bezeichnete Umlenkelement kann auch aus einem transparenten Prisma bestehen, in das die Strahlen S1 mindestens teilweise eindringen, sodass im Zentrum des Scheinwerfers 2 ein leuchtendes Umlenkelement realisiert werden kann.
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19 zeigt eine Leuchtdiodenanordnung mit einer Stangenform 115, bei der fünf in Reihe angeordnete Leuchtdioden 1 in einem Gehäuse aus einem transparenten Gießharz zusammengefasst sind. An der Spitze 111 dieses stangenförmigen Gehäuses 11 sind koaxial und konzentrisch zur den optischen Achsen x der fünf Leuchtdioden 1 abgeflachte Linsen 113 vorgesehen, die, wie in den 5 und 6 gezeigt, dazu ausgebildet sind das von einem Reflektorkelch 10 abgestrahlte, divergente Strahlenbündel in ein paralleles Strahlenbündel auszurichten. Außerhalb des Gehäuses 11 ist ein Umlenkspiegel 12 in Prismenform dargestellt, der die Lichtstrahlen auf den Reflektor eines Scheinwerfers nach 18 lenkt.
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20 zeigt einen Scheinwerfer 2, dessen Reflektor 20 von einer Rotationsringschale 202 gebildet wird, in der isometrischen Übersicht. Die optischen Achsen x von insgesamt 12 Leuchtdioden 1 weisen einen Schnittpunkt mit dem ringförmigen Brennring R einer Rotationsringschale 202 auf, wobei der Brennring R, wie in 23 gezeigt, genau zwischen den beiden Schenkeln eines ringförmig ausgebildeten Umlenkprismas 112 an der Spitze 111 eines Gehäuses 11 mit einer Ringform 116 verläuft.
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21 zeigt einen perspektivischen Ausschnitt, der in 22 dargestellten Anordnung von 12 Leuchtdioden 1 in einem Gehäuse 11 mit einer Ringform 116. An seiner Spitze 111 weist das Gehäuse 11 ein ringförmig ausgebildetes Umlenkprisma 112 auf. Der Brennring R einer Rotationsringschale 202 verläuft genau zwischen den beiden Schenkeln des Umlenkprismas 112, sodass das von den Reflektorkelchen 10 abgestrahlte Licht durch Totalreflektion an den ringförmigen Umlenkprismen 112 quer zu den optischen Achsen x der Leuchtdioden 1 auf die äußere und innere Reflektorfläche der Rotationsringschale 202 gelenkt wird.
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22 zeigt den schematischen Querschnitt durch eine ”Glühbirne”
25. Diese ”Glühbirne”
25 weist an ihrem unteren Ende eine Schraubfassung mit einem zentralen Kontaktstück auf. In das birnenförmige Gehäuse dieser ”Glühbirne”
25 ist ein Reflektor
20 in Form einer Rotationsringschale
202 eingesetzt, der, wie in den
20 und
21 gezeigt, mit insgesamt 12 Leuchtdioden
1 bestückt ist. Das ringförmige Umlenkprisma
112 lenkt die von jeweils einer Leuchtdiode
1 abgestrahlten Lichtstrahlen S1 als Lichtstrahlen S2 quer zur optischen Achse x der Leuchtdioden
1 auf die innere und äußere Reflektorfläche einer Rotationsringschale
202, sodass Lichtstrahlen S3 als divergentes Strahlenbündel d von einer ”Glühbirne”
25 abgestrahlt werden. Die transparente Abdeckung
21 rundet die Birnenform am oberen Ende des Scheinwerfers
2 ab. Unterhalb des Reflektors
20 sind die einzelnen Leuchtdioden
1 in einem Anodenring
27 und einem Kathodenring
28 untereinander und mit einem Gleichrichter
26 verbunden. Bezugszeichenübersicht
| Leuchtdiode | 1 | Scheinwerfer | 2 |
| Reflektorkelch | 10 | Reflektor | 20 |
| Optische Achse | x | Lichtstrahlen | S3 |
| Lichtstrahlen | S1 | Symmetrieachse | S |
| Öffnungswinkel | α | Rotationsschale | 200 |
| Divergentes Strahlenbündel | β | Brennpunkt | F |
| Leiterrahmen | 100 | Translationsschale | 201 |
| Halbleiterkristall | 101 | Brennlinie | L |
| Kontaktierung | 102 | Rotationsringschale | 202 |
| Konvexe Innenwand | 103 | Brennring | R |
| Boden | 104 | Reflektorinnensegment | 203 |
| Matrix | 105 | Reflektoraußensegment | 204 |
| Gießharz | 106 | Transparente Abdeckung | 21 |
| Gehäuse | 11 | Taschenlampe | 22 |
| Sockel | 110 | Autoscheinwerfer | 23 |
| Spitze | 111 | Abblendlicht | a |
| Umlenkprisma | 112 | Fernlicht | f |
| Lichtstrahlen | S2 | OP-Leuchte | 24 |
| Linse | 113 | Glühbirne | 25 |
| Punktform | 114 | Gleichrichter | 26 |
| Stangenform | 115 | Anodenring | 27 |
| Ringform | 116 | Kathodenring | 28 |
| Umlenkspiegel | 12 | Paralleles Strahlenbündel | p |
| Anode | + | Konvergentes Strahlenbündel | k |
| Kathode | – | Divergentes Strahlenbündel | d |
