DE102017109083A1 - Beleuchtungsvorrichtung und Verfahren zur Herstellung einer Beleuchtungsvorrichtung - Google Patents

Beleuchtungsvorrichtung und Verfahren zur Herstellung einer Beleuchtungsvorrichtung Download PDF

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Henning Rehn
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Abstract

Beleuchtungsvorrichtung (1) umfassend ein lichtemittierendes Element (20) und eine optische Vorrichtung (10) mit einer ersten Linse (101), bei der
- die optische Vorrichtung (10) dem lichtemittierenden Element (20) in einer Abstrahlrichtung (A) nachgeordnet ist,
- die erste Linse (101) auf einer dem lichtemittierenden Element (20) zugewandten Seite der optischen Vorrichtung (10) angeordnet ist,
- zwischen der ersten Linse (101) und dem lichtemittierenden Element (20) ein Material angeordnet ist, welches einen von dem Material der ersten Linse (101) unterschiedlichen Brechungsindex aufweist, und
- eine dem lichtemittierenden Element (20) zugewandte erste Fläche (101a) der ersten Linse (101) einen Krümmungsradius (R1) von zumindest 200 mm aufweist und eine dem lichtemittierenden Element (20) abgewandte zweite Fläche (101b) der ersten Linse (101) einen Krümmungsradius (R2) von zumindest 200 mm aufweist.

Description

  • Die Patentanmeldung DE 102013110272 A1 beschreibt eine Beleuchtungsvorrichtung.
  • Es wird eine Beleuchtungsvorrichtung angegeben. Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung einer Beleuchtungsvorrichtung angegeben. Eine zu lösende Aufgabe besteht unter anderem darin, eine Beleuchtungsvorrichtung anzugeben, die eine verbesserte Effizienz aufweist. Darüber hinaus soll eine Beleuchtungsvorrichtung angegeben werden, mittels der ein zu beleuchtender Bereich mit einem besonders hohen Kontrast beleuchtet werden kann. Eine weitere zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Beleuchtungsvorrichtung anzugeben.
  • Bei der Beleuchtungsvorrichtung handelt es sich beispielsweise um einen Scheinwerfer, insbesondere einen Fahrzeugscheinwerfer, eine Beleuchtungsvorrichtung, die in einen Scheinwerfer eingesetzt werden kann, oder um eine Vorrichtung zur Allgemeinbeleuchtung, zum Beispiel zum Beleuchten von Gebäuden oder Räumen. Insbesondere kann die Beleuchtungsvorrichtung Teil eines Projektors sein. Das heißt, die Beleuchtungsvorrichtung kann als Lichtquelle und/oder bildgebende Einheit in einem Projektor oder einem anderen optischen Anzeigegerät Verwendung finden. Die Beleuchtungsvorrichtung ist dazu eingerichtet im bestimmungsgemäßen Betrieb elektromagnetische Strahlung, insbesondere Licht insbesondere im sichtbaren Wellenlängenbereich zu emittieren.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Beleuchtungsvorrichtung ein lichtemittierendes Element. Das lichtemittierende Element kann beispielsweise zumindest einen strahlungsemittierenden Halbleiterchip umfassen. Zum Beispiel umfasst das lichtemittierende Element zumindest eine Leuchtdiode oder zumindest eine Laserdiode Das lichtemittierende Element ist dazu eingerichtet im bestimmungsgemäßen Betrieb Licht zu erzeugen. Insbesondere handelt es sich bei dem lichtemittierenden Element um einen Lambert'schen Emitter.
  • Insbesondere kann das lichtemittierende Element auch passiv leuchtende Materialien, wie beispielsweise Konversionsmittel, oder reflektierende Materialien umfassen. Beispielsweise ist das lichtemittierende Element ein lichtemittierender Halbleiterchip, welcher eine Vielzahl von Emissionsbereichen aufweist, die separat voneinander betrieben werden können und/oder das lichtemittierende Element kann eine Vielzahl von Halbleiterchips umfassen, die in einer lateralen Ebene nebeneinander angeordnet sind und separat voneinander betrieben werden können. Alternativ ist das lichtemittierende Element mit einer Laserdiode gebildet, welcher in Abstrahlrichtung ein Konversionsmittel nachgeordnet ist. Im bestimmungsgemäßen Betrieb des lichtemittierenden Elements können dann beispielsweise unterschiedliche Bereiche des Konversionsmittels nacheinander mittels der Laserdiode beleuchtet werden. Das Konversionsmittel ist dazu eingerichtet, das von der Laserdiode emittierte Licht in Licht eines längeren Wellenlängenbereiches umzuwandeln.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Beleuchtungsvorrichtung eine optische Vorrichtung. Beispielsweise durchläuft zumindest ein Großteil der von dem lichtemittierenden Element emittierten elektromagnetischen Strahlung die optische Vorrichtung. Insbesondere ist die optische Vorrichtung dazu eingerichtet von dem lichtemittierenden Element emittierte elektromagnetische Strahlung mittels Refraktion, Diffraktion und/oder Reflektion zu beeinflussen. Die optische Vorrichtung umfasst zumindest ein erstes optisches Element. Beispielsweise umfasst die optische Vorrichtung neben dem ersten optischen Element weitere optische Elemente, die dazu eingerichtet sind elektromagnetische Strahlung, insbesondere die von dem lichtemittierenden Element emittierte elektromagnetische Strahlung, zu beeinflussen. Insbesondere umfasst die optische Vorrichtung ein zweites optisches Element. Weiter kann die optische Vorrichtung ein drittes optisches Element umfassen. Beispielsweise kann die optische Vorrichtung ausschließlich refraktive optische Elemente umfassen, mittels denen die von dem lichtemittierenden Element emittierte elektromagnetische Strahlung beeinflusst wird. Alternativ kann die optische Vorrichtung zusätzlich reflektierende und/oder diffraktive optische Elemente umfassen. Zum Beispiel handelt es sich bei dem ersten, dem zweiten und dem dritten optischen Element jeweils um eine Linse. Beispielsweise handelt es sich bei dem ersten optischen Element um eine erste Linse, bei dem zweiten optischen Element um eine zweite Linse und bei dem dritten optischen Element um eine dritte Linse.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die optische Vorrichtung dem lichtemittierenden Element in einer Abstrahlrichtung nachgeordnet. Bei der Abstrahlrichtung handelt es sich zum Beispiel um die Hauptabstrahlrichtung, entlang der die Intensität des abgestrahlten Lichts ein Maximum aufweist. Zum Beispiel verläuft die Hauptabstrahlrichtung parallel zu einer optischen Achse der optischen Vorrichtung. Beispielsweise kann im bestimmungsgemäßen Betrieb zumindest ein Großteil der von dem lichtemittierenden Element emittierten elektromagnetischen Strahlung die optische Vorrichtung durchlaufen. Insbesondere durchlaufen zumindest 50%, bevorzugt zumindest 70%, der von dem lichtemittierenden Element emittierten elektromagnetischen Strahlung die optische Vorrichtung.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die erste Linse an einer dem lichtemittierenden Element zugewandten Seite der optischen Vorrichtung angeordnet. Die erste Linse kann das optische Element der optischen Vorrichtung sein, welches die von dem lichtemittierenden Element emittierte elektromagnetische Strahlung als erstes durchläuft. Beispielsweise ist die erste Linse dem lichtemittierenden Element in Abstrahlrichtung direkt nachgeordnet, sodass die emittierte elektromagnetische Strahlung keine weiteren optischen Elemente durchläuft, bevor diese auf die erste Linse trifft.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist zwischen der ersten Linse und dem lichtemittierenden Element ein Material angeordnet, welches einen von dem Material der ersten Linse unterschiedlichen Brechungsindex aufweist. Insbesondere stehen die erste Linse und das lichtemittierende Element nicht in direktem mechanischem Kontakt zueinander. Beispielsweise sind die erste Linse und das lichtemittierende Element mittels eines Verbindungsmittels mechanisch fest miteinander verbunden. Das Verbindungsmittel weist dann einen von der Linse unterschiedlichen Brechungsindex auf. Alternativ ist zwischen der ersten Linse und dem lichtemittierenden Element ein gasförmiges Material angeordnet. Insbesondere ist zwischen der ersten Linse und dem lichtemittierenden Element Luft angeordnet. Alternativ können zwischen der ersten Linse und dem lichtemittierenden Element Gase wie beispielsweise Argon und/oder Stickstoff angeordnet sein. Der Raum zwischen der ersten Linse und dem lichtemittierende Element ist insbesondere mit einem Material befüllt, das einen kleineren Brechungsindex als das Material aufweist mit dem die erste Linse gebildet ist.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung weist eine dem lichtemittierenden Element zugewandte erste Fläche der ersten Linse einen Krümmungsradius von zumindest 200 mm auf und eine dem lichtemittierenden Element abgewandte zweite Fläche der ersten Linse einen Krümmungsradius von zumindest 200 mm auf. Insbesondere beträgt der Krümmungsradius der ersten und zweiten Fläche zumindest 500 mm, insbesondere zumindest 1000 mm. Beispielsweise handelt es sich bei der ersten Fläche um eine konkav gekrümmte Fläche und bei der zweiten Fläche und eine konvex gekrümmte Fläche. Insbesondere weist die erste Linse im Rahmen der Herstellungstoleranz an ihrer gesamten ersten Fläche einen gleichen ersten Krümmungsradius auf. Insbesondere weist die erste Linse im Rahmen der Herstellungstoleranz an ihrer gesamten zweiten Fläche einen gleichen zweiten Krümmungsradius auf.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Beleuchtungsvorrichtung ein lichtemittierendes Element und eine optische Vorrichtung mit einer ersten Linse, wobei bei der Beleuchtungsvorrichtung die optische Vorrichtung dem lichtemittierenden Element in einer Abstrahlrichtung nachgeordnet ist, die erste Linse auf einer dem lichtemittierenden Element zugewandten Seite der optischen Vorrichtung angeordnet ist, zwischen der ersten Linse und dem lichtemittierenden Element ein Material angeordnet ist, welches einen von dem Material der ersten Linse unterschiedlichen Brechungsindex aufweist, und eine dem lichtemittierenden Element zugewandte erste Fläche der ersten Linse einen ersten Krümmungsradius von zumindest 200 mm aufweist und eine dem lichtemittierenden Element abgewandte zweite Fläche der ersten Linse einen zweiten Krümmungsradius von zumindest 200 mm aufweist.
  • Einer hier beschriebenen Beleuchtungsvorrichtung liegen dabei unter anderem die folgenden Überlegungen zugrunde. Um die Abstrahlcharakteristik eines lichtemittierenden Elements anzupassen und/oder um mittels eines lichtemittierenden Elements möglichst effizient einen Bereich zu beleuchten, wird dem lichtemittierenden Element eine optische Vorrichtung nachgeordnet.
  • Die hier beschriebene Beleuchtungsvorrichtung macht nun unter anderem von der Idee Gebrauch, die erste Linse dem lichtemittierenden Element direkt nachzuordnen. Beispielsweise handelt es sich bei der ersten Linse um ein refraktives optisches Element, welches eine besonders geringe Krümmung der Oberflächen aufweist, sodass dieses besonders einfach dem lichtemittierenden Element nachgeordnet werden kann. Beispielsweise kann die erste Linse anstelle eines Deckglases oder eines Schutzglases dem lichtemittierenden Element in Abstrahlrichtung nachgeordnet sein.
  • Vorteilhafterweise weist eine derartige Beleuchtungsvorrichtung eine besonders kompakte Bauweise auf, da in die erste Linse der optischen Vorrichtung sowohl die Funktion eines refraktiven optischen Elements, welches Teil einer optischen Vorrichtung ist, als auch die Funktion eines Deckglases integriert ist.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung weist das lichtemittierende Element auf einer dem optischen Element zugewandten Seite eine Emissionsfläche einer aktiven oder passiven lichtemittierenden Komponente auf, durch welche im bestimmungsgemäßen Betrieb elektromagnetische Strahlung emittiert wird. Die Emissionsfläche kann beispielsweise die Oberfläche eines Konversionsmittels sein oder die Lichtaustrittsfläche eines einzelnen oder mehrerer lichtemittierender Bauteile. Ferner kann die Emissionsfläche die Oberflächen mehrerer lichtemittierender Bauteile umfassen, die in einer lateralen Ebene nebeneinander angeordnet sind. Alternativ kann die Emissionsfläche die Oberfläche eines einzelnen lichtemittierenden Bauteils sein, welches insbesondere eine Vielzahl lichtemittierender Bereiche umfasst, die beispielsweise separat voneinander betrieben werden können. Insbesondere kann die Emissionsfläche eine imaginäre Fläche sein, welche nicht zwangsläufig als eine zusammenhängende Fläche ausgebildet ist, sondern sich aus den Oberflächen mehrerer emittierender Elemente zusammensetzt. Beispielsweise liegen alle Flächen des lichtemittierenden Elements, welche der optischen Vorrichtung zugewandt sind und durch welche elektromagnetische Strahlung emittiert wird, zumindest zum Teil in der Emissionsfläche. Beispielsweise handelt es sich bei der Emissionsfläche um eine rechteckige, insbesondere quadratische, Fläche. Alternativ kann die Emissionsfläche die Form eines beliebigen Polygons aufweisen. Insbesondere weist die Emissionsfläche eine Kantenlänge auf, welche entlang einer Kante des Polygons gemessen wird.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die erste Linse eine Dicke auf, wobei die Dicke zumindest doppelt so groß wie eine Kantenlänge der Emissionsfläche ist, insbesondere eine größte Kantentenlänge der Emissionsfläche. Die erste Linse kann eine Dicke aufweisen, welche entlang der optischen Achse der optischen Vorrichtung gemessen wird. Die Dicke der ersten Linse ist zumindest doppelt so groß, insbesondere zumindest dreifach so groß, beispielsweise zumindest fünffach so groß, wie die Kantenlänge, insbesondere die größte Katentenlänge, der Emissionsfläche. Beispielsweise beträgt die Dicke zumindest 10 mm, insbesondere zumindest 20 mm. Vorteilhafterweise kann mittels der Anpassung der Dicke der ersten Linse beispielsweise eine Aberration der optischen Vorrichtung kompensiert werden. Weiter bietet eine erste Linse, welche die genannte Dicke aufweist, einen besonders guten Schutz des lichtemittierenden Elements vor Umwelteinflüssen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung ist die erste Linse mit einem Material gebildet, dessen Brechungsindex zumindest 1,6 beträgt. Insbesondere ist die erste Linse ausschließlich mit einem Material gebildet, dessen Brechungsindex zumindest 1,6, insbesondere zumindest 1,7, beträgt. Beispielsweise handelt es sich bei dem Material der ersten Linse um Schwerflintglas, beispielsweise N-SF11, NSF57HT, N-SF66, NSF57HT, N-SF57HT oder ein Material mit äquivalenten optischen Eigenschaften. Insbesondere ist das Material der ersten Linse ein bleifreies Glas. Vorteilhafterweise können mittels einer ersten Linse, welche mit einem derartigen Material gebildet ist, besonders gut die optischen Eigenschaften der optischen Vorrichtung angepasst werden.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung ist die erste Linse mit einem Material gebildet, dessen Abbezahl maximal 50 beträgt. Insbesondere weist das Material, mit dem die erste Linse gebildet ist, eine Abbezahl von maximal 40, auf. Vorteilhafterweise sind chromatische Abberationen mittels einer ersten Linse, die mit einem Material mit niedriger Abbezahl gebildet ist, besonders gut kompensierbar.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform kompensiert, aufgrund der Dicke der ersten Linse, der Strahlversatz entlang der optischen Achse der optischen Vorrichtung sphärische Aberrationen innerhalb der optischen Vorrichtung zumindest teilweise. Bei dem Durchlaufen der ersten Linse kann die von der lichtemittierenden Vorrichtung emittierte elektromagnetische Strahlung an der ersten und zweiten Fläche gebrochen werden. Beispielsweise treffen unterschiedliche Lichtstrahlen, die von einem gemeinsamen Punkt der Emissionsfläche emittiert werden, unter einem unterschiedlichen Winkel zur optischen Achse der optischen Vorrichtung auf die erste Fläche der ersten Linse. Strahlen, welche unter einem größeren Winkel zur optischen Achse auf die erste Fläche auftreffen, weisen nach dem Durchlaufen der ersten Linse, aufgrund der Brechung an der ersten und zweiten Fläche, einen größeren Versatz entlang der optischen Achse auf, als Strahlen die unter einem kleineren Winkel zur optischen Achse auf die erste Fläche auftreffen. Je größer die Dicke der Linse ist, desto größer ist der Unterschied des Versatzes entlang der optischen Achse, von Strahlen die unter einem unterschiedlichen Winkel auf die erste Fläche der Linse treffen. Mittels Anpassung der Dicke der ersten Linse kann der Versatz zwischen den unterschiedlichen Strahlen, die von einem gemeinsamen Punkt der Emissionsfläche emittiert werden, angepasst werden, sodass die sphärische Aberration, welche durch weitere optische Elemente der optischen Vorrichtung erzeugt werden kann, kompensiert werden kann. Vorteilhafterweise ermöglicht die Anpassung der Dicke der ersten Linse eine Kompensation der sphärischen Aberration.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung sind die erste Fläche und/oder die zweite Fläche plan ausgebildet. Sind die erste Fläche und/oder die zweite Fläche plan ausgebildet, so weisen diese im Rahmen der Herstellungstoleranz einen Krümmungsradius von unendlich auf. Beispielsweise verlaufen die planen Flächen senkrecht zur optischen Achse der ersten Linse. Vorteilhafterweise sind plane Oberflächen besonders einfach und präzise herstellbar. Weiter kann die erste Linse besonders einfach zum lichtemittierenden Element ausgerichtet werden, da mittels planer Flächen Abstände besonders genau einstellbar sind.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung verlaufen die erste und die zweite Fläche parallel zueinander. Insbesondere weisen die erste und die zweite Fläche einen Krümmungsradius von unendlich auf, sodass beide Flächen plan ausgebildet sind. Vorteilhafterweise kann eine erste Linse mit einer ersten und zweiten planen Fläche besonders vereinfacht relativ zu dem lichtemittierenden Element ausgerichtet werden. Insbesondere führt ein lateraler Versatz der ersten Linse - quer oder senkrecht zur optischen Achs der ersten Linse - relativ zum lichtemittierenden Element zu keiner Verschlechterung der Abbildungsleistung der optischen Vorrichtung.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung beträgt auf der Seite der optischen Vorrichtung, auf der das lichtemittierende Element angeordnet ist, ein Winkel zwischen einem Hauptstrahl und der optischen Achse maximal 2°. Bei der optischen Vorrichtung kann es sich um eine optische Vorrichtung handeln, welche auf der dem lichtemittierenden Element zugewandten Seite telezentrisch ausgebildet ist. Beispielsweise weist jeder Punkt auf der Emissionsfläche einen Hauptstrahl auf, welcher annähernd parallel zur optischen Achse der optischen Vorrichtung verläuft, bevor dieser Hauptstrahl auf die erste Fläche der ersten Linse trifft. Vorteilhafterweise ermöglicht eine telezentrische optische Vorrichtung einen besonders hohen Kontrast bei der Beleuchtung unterschiedlicher Bereiche mittels der Beleuchtungsvorrichtung.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung beträgt die numerische Apertur der optischen Vorrichtung zumindest 0,5. Insbesondere beträgt die numerische Apertur der optischen Vorrichtung zumindest 0,7. Vorteilhafterweise ermöglicht eine große numerische Apertur der optischen Vorrichtung einen besonders großen Anteil der vom lichtemittierenden Element emittierten elektromagnetischen Strahlung zur Beleuchtung mittels der Beleuchtungsvorrichtung zu nutzen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform beträgt der Abstand zwischen der Emissionsfläche und der ersten Fläche maximal die Länge der Kantenlänge der Emissionsfläche. Insbesondere beträgt der Abstand zwischen der Emissionsfläche und der ersten Fläche maximal die Hälfte der Länge der Kantenlänge der Emissionsfläche. Beispielsweise beträgt der Abstand zwischen der Emissionsfläche und der ersten Fläche maximal 1 mm, insbesondere maximal 0,5 mm. Vorteilhafterweise ermöglicht ein besonders geringer Abstand zwischen dem lichtemittierenden Element und der ersten Linse, dass ein besonders großer Anteil der von dem lichtemittierenden Element emittierten elektromagnetischen Strahlung die optische Vorrichtung durchläuft, und somit zur Beleuchtung nutzbar ist.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung ist auf einer dem lichtemittierenden Element abgewandten Seite der optischen Vorrichtung eine zweite Linse angeordnet, wobei die zweite Linse mit einem Material gebildet ist, dessen Abbezahl zumindest 55 beträgt. Das Material mit dem die zweite Linse gebildet ist kann ein Material mit einer geringen Glasübergangstemperatur sein. Beispielsweise weist das Material der zweiten Linse eine Glasübergangstemperatur von maximal 550 °C auf. Insbesondere ist die zweite Linse mit einem der folgenden Materialien gebildet: Kronglas, Borosilikatglas, Kalknatronglas, B270, P-BK7, Doctan, PMMA, Zeonex F52R. Insbesondere kann die zweite Linse als Pressglaslinse oder mit gepresstem Kunststoff gebildet sein. Eine derartige zweite Linse ist besonders kostengünstig und einfach herstellbar. Insbesondere kann es sich bei der zweiten Linse um eine asphärische Linse handeln, mittels der eine anamorphotisch abbildende optische Vorrichtung realisiert wird.
  • Die zweite Linse kann einen größeren Durchmesser als die erste Linse aufweisen. Der Durchmesser der Linsen wird dabei senkrecht zur optischen Achse der Linsen gemessen. Insbesondere ist im bestimmungsgemäßen Betrieb des lichtemittierenden Elements die Leuchtdichte der von dem lichtemittierenden Element emittierten elektromagnetischen Strahlung in der zweiten Linse geringer als in der ersten Linse. Vorteilhafterweise kann die größere zweite Linse mit einem kostengünstigeren Material als die erste Linse gebildet sein.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung ist das lichtemittierende Element in einem Gehäuse angeordnet, wobei das Gehäuse und die erste Linse mechanisch fest miteinander verbunden sind. Beispielsweise umgibt das Gehäuse das lichtemittierende Element in lateralen Richtungen vollständig. Insbesondere ist das lichtemittierende Element stoffschlüssig mit dem Gehäuse verbunden. Beispielsweise ist das lichtemittierende Element an einer der optischen Vorrichtung abgewandten Seite mechanisch fest mit dem Gehäuse verbunden. Beispielsweise umgibt das Gehäuse das lichtemittierende Element von allen Seiten, welche nicht der optischen Vorrichtung zugewandt sind. Das Gehäuse ist beispielsweise mit einem Epoxy-Material, einem Silikon-Material, einem Kunststoff, einer gedruckten Leiterplatte und/oder mit einem Glasmaterial gebildet.
  • Die erste Linse kann mittels einer kraftschlüssigen, einer formschlüssigen und/oder einer stoffschlüssigen Verbindung mit dem Gehäuse mechanisch fest verbunden sein. Beispielsweise wird die kraftschlüssige Verbindung mittels einer Klemmvorrichtung realisiert. Alternativ oder zusätzlich können das Gehäuse und die erste Linse mittels Klebens, mittels Bondens oder mittels eines Glaslots stoffschlüssig miteinander verbunden sein. Insbesondere überlappt in einer vertikalen Richtung, senkrecht zur lateralen Richtung, der Bereich in dem die erste Linse in direktem Kontakt mit dem Gehäuse steht, nicht mit der Emissionsfläche.
  • Vorteilhafterweise ermöglicht die direkte Verbindung der ersten Linse und des Gehäuses eine besonders robuste und kompakte Bauweise der Beleuchtungsvorrichtung.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung ist zwischen der Emissionsfläche und der ersten Fläche ein gasförmiges Material, insbesondere Luft, angeordnet. Beispielsweise ist auf der der ersten Linse zugewandten Seite des lichtemittierenden Elements kein Vergussmaterial angeordnet. Insbesondere ist das lichtemittierende Element höchstens oder ausschließlich in lateralen Richtungen von einem Vergussmaterial umgeben. Vorteilhafterweise ermöglicht der Übergang von Luft zu dem Material der ersten Linse eine besonders starke Brechung der von dem lichtemittierenden Element emittierten elektromagnetischen Strahlung an der Grenzfläche der ersten Linse.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung weist die erste Linse auf ihrer ersten und/oder zweiten Fläche eine Antireflexionsschicht auf. Bei der Antireflexionsschicht handelt es sich beispielsweise um eine Schicht mit einer konstanten Schichtdicke. Beispielsweise ist die Antireflexionsschicht mit Magnesiumfluorid, Siliziumdioxid (SiO2), Titandioxid ,(TiO2) oder Aluminiumoxid (AlO) gebildet. Vorteilhafterweise wird ein besonders geringer Anteil der von dem lichtemittierenden Element emittierten elektromagnetischen Strahlung an der ersten oder zweiten Fläche der ersten Linse reflektiert.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung ist die erste Linse zumindest teilweise mit einer Absorptionsschicht beschichtet. Insbesondere ist die erste Linse an ihren Seitenflächen, welche quer zur ersten und zweiten Fläche der ersten Linse verlaufen und diese miteinander verbinden, mit einer Absorptionsschicht beschichtet. Die Absorptionsschicht ist dazu eingerichtet, elektromagnetische Strahlung insbesondere vom lichtemittierenden Element erzeugte elektromagnetische Strahlung zu absorbieren. Weiter kann die Absorptionsschicht auch teilweise auf der ersten und/oder zweiten Fläche der ersten Linse angeordnet sein. Insbesondere kann mittels der Absorptionsschicht eine Apertur der optischen Vorrichtung gebildet sein. Vorteilhafterweise absorbiert die Absorptionsschicht einen Teil der elektromagnetischen Strahlung, welcher den Kontrast der Beleuchtung mindert.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung umfasst das lichtemittierende Element einen pixelierten lichtemittierenden Halbleiterchip oder das lichtemittierende Element umfasst eine Vielzahl lichtemittierender Halbleiterchips. Ein pixelierter lichtemittierender Halbleiterchip umfasst beispielsweise eine Vielzahl von lichtemittierenden Bereichen, welche separat voneinander betrieben werden können. Insbesondere sind die lichtemittierenden Bereiche in einer lateralen Ebene nebeneinander angeordnet. Beispielsweise sind die lichtemittierenden Bereiche an den Eckpunkten eines regelmäßigen Rechteckgitters in einer lateralen Ebene nebeneinander angeordnet. Die einzelnen lichtemittierenden Bereiche des lichtemittierenden Halbleiterchips sind beispielsweise in einem gemeinsamen Prozess hergestellt und weisen zum Beispiel gleichartige aktive Bereiche auf. Insbesondere sind die einzelnen lichtemittierenden Bereiche dazu eingerichtet im bestimmungsgemäßen Betrieb elektromagnetische Strahlung eines gemeinsamen Farbortes zu erzeugen. Insbesondere können die lichtemittierenden Bereiche ein Konversionsmittel aufweisen, welches dazu eingerichtet ist, die in den lichtemittierenden Bereichen erzeugte elektromagnetische Strahlung in elektromagnetische Strahlung eines längeren Wellenlängenbereichs umzuwandeln. Die Emissionsfläche des lichtemittierenden Elements kann alle lichtemittierenden Bereiche des pixelierten lichtemittierenden Halbleiterchips umfassen.
  • Alternativ kann das lichtemittierende Element eine Vielzahl lichtemittierender Halbleiterchips umfassen. Insbesondere können die die lichtemittierenden Halbleiterchips nichtpixeliert ausgestaltet sein. Beispielsweise sind die lichtemittierenden Halbleiterchips separat voneinander ansteuerbar. Insbesondere sind die lichtemittierenden Halbleiterchips nicht in einem gemeinsamen Verfahren hergestellt. Beispielsweise sind die lichtemittierenden Halbleiterchips dazu eingerichtet im bestimmungsgemäßen Betrieb elektromagnetische Strahlung unterschiedlicher Farborte zu erzeugen. Die Emissionsfläche des lichtemittierenden Elements kann alle lichtemittierenden Halbleiterchips umfassen.
  • Insbesondere umfasst ein pixelierter lichtemittierender Halbleiterchip zumindest 16, insbesondere zumindest 1024 Emissionsbereiche. Alternativ umfasst das lichtemittierende Element zumindest 16, insbesondere zumindest 1024, lichtemittierende Halbleiterchips. Die lichtemittierenden Halbleiterchips können in einer lateralen Ebene an den Eckpunkten eines regelmäßigen Rechteckgitters angeordnet sein. Beispielsweise weist jeder lichtemittierende Halbleiterchip, oder jeder lichtemittierende Bereich eines pixelierten Halbleiterchips eine Kantenlänge von zumindest 0,5 µm bis maximal 500 µm auf.
  • Vorteilhafterweise kann mittels einer Beleuchtungsvorrichtung, welche ein derartiges lichtemittierendes Element mit mehreren separat ansteuerbaren Halbleiterchips oder mit einem pixelierten Halbleiterchip aufweist, eine selektive Beleuchtung einzelner Bereiche realisiert werden.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung ist das lichtemittierende Element stoffschlüssig mit einer Ansteuervorrichtung verbunden. Beispielsweise ist die Ansteuervorrichtung auf einer der optischen Vorrichtung abgewandten Seite des lichtemittierenden Elements angeordnet. Insbesondere ist die Ansteuervorrichtung zwischen dem lichtemittierenden Element und dem Gehäuse angeordnet. Die Ansteuervorrichtung und das lichtemittierende Element können beispielsweise stoffschlüssig mechanisch miteinander verbunden sein. Insbesondere können das lichtemittierende Element und die Ansteuervorrichtung mittels eines Leitklebers oder eines Lots elektrisch und mechanisch miteinander verbunden sein.
  • Die Ansteuervorrichtung ist beispielsweise dazu eingerichtet, das lichtemittierende Element elektrisch leitend zu kontaktieren und im bestimmungsgemäßen Betrieb zu bestromen. Insbesondere ist die Ansteuervorrichtung dazu eingerichtet das lichtemittierende Element mittels eines pulsweitenmodulierten Signals anzusteuern und zu betreiben. Bei der Ansteuervorrichtung kann es sich um einen Mikrocontroller zum Beispiel in Form eines Siliziumchips handeln. Insbesondere kann die Ansteuervorrichtung einen Treiber für das lichtemittierende Element umfassen. Insbesondere umfasst die Ansteuervorrichtung eine Schnittstelle, über welche Daten an die Ansteuervorrichtung übertragen werden können oder Daten von der Ansteuervorrichtung und oder des lichtemittierenden Elements ausgelesen werden können. Weiter kann die Ansteuervorrichtung beispielsweise einen Speicher, insbesondere ein Register, umfassen.
  • Weiter können die Ansteuervorrichtung und das lichtemittierende Element mittels eines weiteren passiven Elements elektrisch und mechanisch miteinander verbunden sein. Das weitere passive Element kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, die Ansteuervorrichtung mit einzelnen elektrischen Kontakten des lichtemittierenden Elements elektrisch leitend zu verbinden. Vorteilhafterweise ermöglicht die Integration einer Ansteuervorrichtung in die Beleuchtungsvorrichtung eine besonders kompakte Bauweise der Beleuchtungsvorrichtung.
  • Es wird des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung einer Beleuchtungsvorrichtung angegeben. Mit dem Verfahren kann insbesondere eine hier beschriebene Beleuchtungsvorrichtung hergestellt werden. Das heißt, sämtliche für die Beleuchtungsvorrichtung offenbarten Merkmale sind auch für das Verfahren offenbart und umgekehrt.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen einer Beleuchtungsvorrichtung umfasst das Verfahren einen Verfahrensschritt A), in welchem lichtemittierende Elemente bereitgestellt werden. Bei den lichtemittierenden Elementen handelt es sich beispielsweise um Lambert'sche Emitter, die dazu eingerichtet sind im bestimmungsgemäßen Betrieb elektromagnetische Strahlung zu erzeugen. Beispielsweise sind die lichtemittierenden Elemente jeweils stoffschlüssig mit einer Ansteuervorrichtung verbunden.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen einer Beleuchtungsvorrichtung werden in einem Verfahrensschritt B) die lichtemittierenden Elemente jeweils in einem ersten Verbund von Gehäusen angeordnet. Beispielsweise umfasst der Verbund von Gehäusen eine Vielzahl von Gehäusen, die in einer lateralen Ebene nebeneinander angeordnet sind. Insbesondere werden die lichtemittierenden Elemente stoffschlüssig mit dem Verbund von Gehäusen mechanisch fest verbunden. Die lichtemittierenden Elemente können mittels eines Lötverfahrens oder mittels eines Klebeverfahrens mit dem Verbund von Gehäusen mechanisch fest verbunden werden. Beispielsweise wird in dem Verfahrensschritt B) genau ein lichtemittierendes Element in jedem Gehäuse des Verbunds von Gehäusen angeordnet.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen einer Beleuchtungsvorrichtung wird in einem Verfahrensschritt C) eine Vielzahl erster Linsen in einem zweiten Verbund bereitgestellt. Beispielsweise sind die ersten Linsen innerhalb des zweiten Verbundes in einer lateralen Richtung nebeneinander angeordnet. Insbesondere handelt es sich bei dem zweiten Verbund um eine Glasscheibe mit zwei planparallelen Flächen. Beispielsweise weist der zweite Verbund senkrecht zu seiner Haupterstreckungsrichtung eine Dicke auf, welche der Dicke der ersten Linse entspricht.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen einer Beleuchtungsvorrichtung werden in einem Verfahrensschritt D) der erste und der zweite Verbund stoffschlüssig miteinander verbunden. Beispielsweise werden der erste und der zweite Verbund mittels eines Klebeverfahrens, eines Glaslotverfahrens oder eines Lötverfahrens mechanisch fest miteinander verbunden.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen einer Beleuchtungsvorrichtung werden in einem Verfahrensschritt E) der erste und der zweite Verbund vereinzelt, wobei nach dem Vereinzeln jedem lichtemittierenden Element genau eine Linse und ein Gehäuse zugeordnet ist. Beispielsweise werden der erste und der zweite Verbund mittels eines Sägeprozesses, eines Ätzprozesses oder eines Laserschneideprozesses vereinzelt. Insbesondere werden der erste und der zweite Verbund in einem gemeinsamen Verfahrensschritt vereinzelt.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen einer Beleuchtungsvorrichtung werden weitere optische Komponenten der optischen Vorrichtung in Abstrahlrichtung der lichtemittierenden Elemente angeordnet. Beispielsweise werden zweite und/oder dritte Linsen in Abstrahlrichtung der lichtemittierenden Elemente der ersten Linse nachgeordnet.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen einer Beleuchtungsvorrichtung wird mittels des Verfahrens eine hier beschriebene Beleuchtungsvorrichtung hergestellt.
  • Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Beleuchtungsvorrichtung und des Verfahrens zum Herstellen einer Beleuchtungsvorrichtung ergeben sich aus den folgenden, im Zusammenhang mit den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen.
  • Es zeigen:
    • die 1 und 3D schematische Schnittansichten einer hier beschriebenen Beleuchtungsvorrichtung;
    • die 2A, 2B, 2C, 2D und 2E schematische Schnittansichten eines lichtemittierenden Elements, eines Gehäuses und einer ersten Linse, die Teil einer Beleuchtungsvorrichtung sind;
    • die 3A, 3B, 3C und 3D zeigen verschiedene Verfahrensschritte des Verfahrens zum Herstellen einer Beleuchtungsvorrichtung;
    • die 4A und 4B eine Schnittansicht eines lichtemittierenden Elements und einer Ansteuervorrichtung die Teil einer Beleuchtungsvorrichtung sind.
  • Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder für eine bessere Verständlichkeit übertrieben groß dargestellt sein.
  • Die 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer hier beschriebenen Beleuchtungsvorrichtung 1 umfassend ein lichtemittierendes Element 20 und eine optische Vorrichtung 10 mit einer ersten Linse 101. Die optische Vorrichtung 10 ist dem lichtemittierenden Element 20 in einer Abstrahlrichtung A nachgeordnet. An einer dem lichtemittierenden Element zugewandten Seite der optischen Vorrichtung 10 ist die erste Linse 101 angeordnet. An einer dem lichtemittierenden Element 20 abgewandten Seite der optischen Vorrichtung 10 ist eine zweite Linse 102 angeordnet. Zwischen der ersten Linse 101 und der zweiten Linse 102 ist eine dritte Linse 103 angeordnet. Im bestimmungsgemäßen Betrieb emittiert das lichtemittierende Element 20 elektromagnetische Strahlung, welche die erste 101, die dritte 103 und die zweite 102 Linse der optischen Vorrichtung 10 in dieser Reihenfolge durchläuft.
  • Bei dem lichtemittierenden Element 20 handelt es sich um einen Lambert'schen Emitter. Beispielsweise umfasst das lichtemittierende Element einen pixelierten lichtemittierenden Halbleiterchip oder eine Vielzahl lichtemittierender Halbleiterchips, die separat voneinander ansteuerbar sind. Alternativ umfasst das lichtemittierende Element 20 einen Laser, welchem im Strahlengang ein Konversionsmittel nachgeordnet ist.
  • Zwischen der ersten Linse 101 und dem lichtemittierenden Element 20 ist ein Material angeordnet, welches einen von dem Material der ersten Linse 101 unterschiedlichen Brechungsindex aufweist. Insbesondere weist das Material, welches zwischen dem lichtemittierenden Element 20 und der ersten Linse 101 angeordnet ist, einen geringeren Brechungsindex als das Material der ersten Linse auf. Beispielsweise ist zwischen dem lichtemittierenden Element 20 und der ersten Linse 101 ein gasförmiges Material, insbesondere Argon, Luft oder Stickstoff, angeordnet. Insbesondere beträgt der Abstand des lichtemittierenden Elements zur ersten Linse maximal die Länge der Kantenlänge K der Emissionsfläche 20a.
  • Eine dem lichtemittierenden Element 20 zugewandte erste Fläche 101a der ersten Linse 101 weist einen Krümmungsradius von zumindest 200 mm auf. Insbesondere ist die erste Fläche 101a konkav gekrümmt oder plan ausgebildet. Eine dem lichtemittierenden Element 20 abgewandte zweite Fläche 101b der ersten Linse 101 weist einen Krümmungsradius von zumindest 200 mm auf. Insbesondere ist die zweite Fläche 101b konvex gekrümmt oder plan ausgebildet.
  • Insbesondere sind die erste Fläche 101a und/oder die zweite Fläche 101b plan ausgestaltet. Beispielsweise verläuft die erste Fläche 101a parallel zur zweiten Fläche 101b.
  • Bei der dritten Linse 103 handelt es sich um eine bikonvexe Linse. Alternativ kann die dritte Linse 103 beliebige andere Krümmungen aufweisen. Die dritte Linse ist zum Beispiel mit F52R Zeon gebildet.
  • Bei der zweiten Linse 102 handelt es sich um eine asphärische Linse. Beispielsweise wird mittels der zweiten Linse 102 eine anamorphotische Abbildung des lichtemittierenden Elements realisiert. Die zweite Linse ist zum Beispiel mit F52R Zeon gebildet.
  • Der Durchmesser d3 der dritten Linse 103 ist größer als der Durchmesser d1 der ersten Linse 101. Der Durchmesser d2 der zweiten Linse 102 ist größer als der Durchmesser d1 der ersten Linse 101. Insbesondere beträgt der Durchmesser d2 der zweiten Linse 54 mm.
  • Die 2A zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines lichtemittierenden Elements 20, eines Gehäuses 30 und einer ersten Linse 101 einer hier beschriebenen Beleuchtungsvorrichtung 1. Das lichtemittierende Element 20 ist in dem Gehäuse 30 angeordnet. Insbesondere ist das lichtemittierende Element 20 an seiner der ersten Linse 101 abgewandten Seite mechanisch fest mit dem Gehäuse 30 verbunden. Beispielsweise ist das lichtemittierende Element 20 mittels einer Lotverbindung oder einer Klebeverbindung mit dem Gehäuse 30 verbunden. Auf der der ersten Linse 101 zugewandten Seite des lichtemittierenden Elements 20 weist das lichtemittierende Element 20 eine Emissionsfläche 20a auf. Im bestimmungsgemäßen Betrieb emittiert das lichtemittierende Element 20 im lichtemittierenden Element 20 erzeugte elektromagnetische Strahlung L durch die Emissionsfläche 20a. Die Emissionsfläche 20a weist in lateraler Richtung eine Kantenlänge K auf. Beispielsweise beträgt die Kantenlänge K 4 mm.
  • Die erste Linse 101 ist dem lichtemittierenden Element 20 in Abstrahlrichtung A nachgeordnet. Die erste Linse 101 weist entlang einer optischen Achse 11 der ersten Linse 101 eine Dicke D auf. Die Dicke D der ersten Linse 101 ist zumindest doppelt so groß wie die Kantenlänge K der Emissionsfläche 20a. Insbesondere ist die Dicke D zumindest dreimal so groß wie die Kantenlänge K. Beispielsweise beträgt die Dicke D 15 mm. Die Dicke D der ersten Linse 101 wird entlang der optischen Achse 11 von der ersten Fläche 101a bis zur zweiten Fläche 101b gemessen. Insbesondere ist die Dicke D der ersten Linse 101 so gewählt, dass der Strahlversatz entlang der optischen Achse der optischen Vorrichtung 10 sphärische Aberrationen, welche in der optischen Vorrichtung 10 entstehen, zumindest teilweise kompensiert.
  • Beispielsweise ist die erste Linse mit einem Material gebildet, dessen Brechungsindex zumindest 1,6 beträgt. Insbesondere ist die Abbezahl des Materials, mit dem die erste Linse 101 gebildet ist, maximal 50, insbesondere maximal 40. Beispielsweise ist die erste Linse 101 mit einem Schwerflintglas, insbesondere N-SF11, NSF57HT oder N-SF66 gebildet.
  • Die 2B zeigt eine Schnittansicht eines Gehäuses 30 eines lichtemittierenden Elements 20 und einer ersten Linse 101 einer Beleuchtungsvorrichtung 1. Das lichtemittierende Element 20 weist mehrere Emissionsbereiche auf, die beispielsweise Teil eines gemeinsamen pixelierten Halbleiterchips sind. Insbesondere sind die einzelnen Emissionsbereiche des lichtemittierenden Elements 20 in einem gemeinsamen Verfahren hergestellt. Beispielsweise emittieren die Emissionsbereiche des lichtemittierenden Elements elektromagnetische Strahlung eines gleichen Farborts. Die Emissionsbereiche weisen in lateraler Richtung jeweils zumindest eine Kantenlänge von 0,5 µm bis maximal 500 µm auf. Beispielsweise umfasst das lichtemittierende Element zumindest 16 Emissionsbereiche, insbesondere zumindest 1024 Emissionsbereiche, die in einer lateralen Ebene nebeneinander an den Knotenpunkten eines regelmäßigen Rechteckgitters angeordnet sind.
  • Insbesondere weist elektromagnetische Strahlung, welche von unterschiedlichen Punkten der Emissionsfläche 20a emittiert wird, jeweils unterschiedliche Hauptstrahlen H auf. Die Hauptstrahlen H verlaufen im zwischen der Emissionsfläche 20a und der ersten Fläche 101a im Wesentlichen parallel zur optischen Achse 11 der optischen Vorrichtung 10. Insbesondere beträgt ein Winkel zwischen der optischen Achse 11 und einem Hauptstrahl H höchstens 2°. Beispielsweise handelt es sich bei der optischen Vorrichtung 10 um ein optisches System, welches auf der Seite des lichtemittierenden Elements telezentrisch ausgebildet ist.
  • Insbesondere beträgt ein Abstand G zwischen der Emissionsfläche 20a und der ersten Fläche 101a maximal 1 mm. Weiter weist die optische Vorrichtung 10 eine numerische Apertur von zumindest 0,5, insbesondere von zumindest 0,7, auf. Beispielsweise wird die optische Vorrichtung 10 von zumindest 50 %, bevorzugt von zumindest 70 %, der von dem lichtemittierenden Element 20 emittierten elektromagnetischen Strahlung L durchlaufen.
  • Die 2C zeigt eine Schnittansicht eines Gehäuses 30, eines lichtemittierenden Elements 20 und einer ersten Linse 101. Das Gehäuse 30 und die erste Linse 101 sind mechanisch fest miteinander verbunden. Beispielsweise sind das Gehäuse 30 und die erste Linse 101 stoffschlüssig mechanisch fest miteinander verbunden. Insbesondere sind die erste Linse 101 und das Gehäuse 30 mittels eines Glaslotverfahrens, eines Lotverfahrens oder eines Klebeverfahrens mechanisch fest miteinander verbunden.
  • Vorliegend ist die erste Linse 101 zumindest teilweise mit einer Absorptionsschicht 120 beschichtet. Die Absorptionsschicht 120 bedeckt zumindest die Seitenflächen der ersten Linse 101, welche die erste Fläche 101a und die zweite Fläche 101b miteinander verbinden. Zusätzlich kann die Absorptionsschicht die Fläche 101a und die zweite Fläche 101b teilweise bedecken. Die Absorptionsschicht 120 ist dazu eingerichtet, von dem lichtemittierenden Element emittierte elektromagnetische Strahlung L zu absorbieren. Insbesondere reflektiert die Absorptionsschicht 120 von dem lichtemittierenden Element 20 emittierte elektromagnetische Strahlung nicht.
  • Das lichtemittierende Element 20 kann beispielsweise eine Vielzahl lichtemittierender Halbleiterchips, zum Beispiel Leuchtdiodenchips, umfassen, die in einer lateralen Ebene nebeneinander an den Knotenpunkten eines regelmäßigen Rechteckgitters angeordnet sind. Insbesondere sind die lichtemittierenden Halbleiterchips des lichtemittierenden Elements 20 dazu eingerichtet, im bestimmungsgemäßen Betrieb elektromagnetische Strahlung eines unterschiedlichen Farbortes zu erzeugen. Beispielsweise beträgt in der lateralen Richtung die Kantenlänge eines lichtemittierenden Halbleiterchips zumindest 0,5 µm und maximal 500 µm. Insbesondere können die einzelnen Halbleiterchips Konversionsmittel 21 aufweisen, die dazu eingerichtet sind, in den Halbleiterchips erzeugte elektromagnetische Strahlung in elektromagnetische Strahlung eines längeren Wellenlängenbereichs umzuwandeln. Alternativ kann den Halbleiterchips ein gemeinsames Konversionsmittel 21 in Abstrahlrichtung nachgeordnet sein, welches dazu eingerichtet ist, die in den Halbleiterchips erzeugte elektromagnetische Strahlung in elektromagnetische Strahlung eines längeren Wellenlängenbereichs umzuwandeln.
  • Die 2D zeigt eine schematische Schnittansicht eines lichtemittierenden Elements, eines Gehäuses 30, einer ersten Linse 101 und einer Ansteuervorrichtung 5. Die Ansteuervorrichtung 5 ist auf der der ersten Linse 101 abgewandten Seite des lichtemittierenden Elements 20 angeordnet. Insbesondere ist das lichtemittierende Element 20 mittels der Ansteuervorrichtung 5 mechanisch mit dem Gehäuse 30 verbunden. Die Ansteuervorrichtung 5 ist dazu eingerichtet, das lichtemittierende Element 20 im bestimmungsgemäßen Betrieb anzusteuern und zu betreiben. Beispielsweise umfasst die Ansteuervorrichtung 5 eine Schnittstelle, über welche die Ansteuervorrichtung 5 Daten empfangen und/oder senden kann. Insbesondere umfasst die Ansteuervorrichtung 5 einen Speicher. Beispielsweise sind in dem Speicher Ansteuerdaten zum Betreiben des lichtemittierenden Elements hinterlegt.
  • Weiter umfasst die erste Linse an der ersten Fläche 101a und an der zweiten Fläche 101b eine Antireflexionsschicht 110. Die Antireflexionsschicht 110 ist beispielsweise mit Magnesiumfluorid gebildet. Die Antireflexionsschicht 110 reduziert die Reflexion von im lichtemittierenden Element erzeugte elektromagnetische Strahlung an der ersten 101a und der zweiten 101b Fläche. Vorteilhafterweise wird mittels der Antireflexionsschicht 110 der Kontrast der Beleuchtungsvorrichtung 1 erhöht.
  • Die 2E zeigt eine Schnittansicht einer ersten Linse 101, eines Gehäuses 130, eines lichtemittierenden Elements 20 und einer Ansteuervorrichtung 5. Das lichtemittierenden Element 20 umfasst ein Konversionsmittel 21, welches dazu eingerichtet ist, von einem Halbleiterchip 200 emittierte elektromagnetische Strahlung in elektromagnetische Strahlung eines Wellenlängenbereichs mit größeren Wellenlängen umzuwandeln. Das lichtemittierende Element 20 und die Ansteuervorrichtung 5 sind mittels einer Kontaktstruktur 51 mechanisch miteinander verbunden. Die Kontaktstruktur ist weiter dazu eingerichtet, das lichtemittierende Element 20 und die Ansteuervorrichtung 5 elektrisch leitend miteinander zu verbinden. Weiter weist die Ansteuervorrichtung 5 eine Schnittstelle 52 auf, über welche die Ansteuervorrichtung 5 elektrisch leitend kontaktierbar ist. Beispielsweise können Daten an die Ansteuervorrichtung 5 übertragen werden oder Daten von der Ansteuervorrichtung 5 ausgelesen werden.
  • Die 3A zeigt ein Verfahren zum Herstellen einer Beleuchtungsvorrichtung nach dem Durchführen eines Verfahrensschritts A), in welchem lichtemittierende Elemente 20 bereitgestellt wurden. Die lichtemittierenden Elemente 20 sind jeweils auf einer Ansteuervorrichtung 5 angeordnet. Weiter wurden in einem Verfahrensschritt B) die lichtemittierenden Elemente 20 in einem ersten Verbund 33 von Gehäusen 30 angeordnet. Der erste Verbund 33 von Gehäusen 30 weist eine Vielzahl von Aussparungen auf, in denen die lichtemittierenden Elemente 20 angeordnet werden. Somit sind die lichtemittierenden Elemente 20 lediglich an ihrer Emissionsfläche 20a nicht von dem im zugeordneten Gehäuse überdeckt.
  • Die 3B zeigt ein Verfahren zum Herstellen einer Beleuchtungsvorrichtung nach den Verfahrensschritten C) und D). Im Verfahrensschritt C) wurde eine Vielzahl erster Linsen 101 in einem zweiten Verbund 111 bereitgestellt. Die ersten Linsen 101 sind in einer lateralen Ebene nebeneinander angeordnet und stehen in direktem Kontakt zueinander. In dem Verfahrensschritt D) wurden der erste Verbund 33 und der zweite Verbund 111 mechanisch fest miteinander verbunden. Insbesondere wird der zweite Verbund 111 von ersten Linsen 101 auf der Seite der Emissionsfläche 20a des lichtemittierenden Elements 20 angeordnet. Der erste Verbund 33 und der zweite Verbund 111 werden beispielsweise mittels eines Klebeverfahrens, eines Lötverfahrens oder eines Bondverfahrens stoffschlüssig miteinander verbunden.
  • Die 3C zeigt, wie in einem Verfahrensschritt E) die Gehäuse 33 und die ersten Linsen 101 entlang von Trennlinien 4 vereinzelt werden. Beispielsweise werden die ersten Linsen 101 und die Gehäuse 33 in einem gemeinsamen Verfahrensschritt durchtrennt. Beispielsweise werden der erste Verbund 33 und der zweite Verbund 111 mittels eines Sägeprozesses, eines Ätzprozesses oder eines Lasertrennprozesses vereinzelt.
  • Die 3D zeigt das Verfahren zum Herstellen einer Beleuchtungsvorrichtung nach einem Verfahrensschritt F), in welchem weitere optische Komponenten der optischen Vorrichtung in Abstrahlrichtung der lichtemittierenden Elemente 20 nachgeordnet werden. Insbesondere werden eine zweite Linse 102 und eine dritte Linse 103 auf der dem lichtemittierenden Element 20 abgewandten Seite der ersten Linse 101 angeordnet. Die zweite Linse 102 und/oder die dritte Linse 103 sind beispielsweise mit einem Material gebildet, dessen Abbezahl größer 55 ist. Insbesondere sind die zweite Linse 102 und/oder die dritte Linse 103 mit einem Material mit niedriger Glasübergangstemperatur gebildet. Beispielsweise beträgt die Glasübergangstemperatur des Materials der zweiten Linse 102 und oder der dritten Linse 103 weniger als 550 °C. Beispielsweise sind die zweite Linse 102 und oder die dritte Linse 103 mit einem der folgenden Materialien gebildet: Kronglas, Borosilikatglas, Kalknatronglas, B270, P-BK7, Doctan, PMMA, Zeonex F52R.
  • Die 4A zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines lichtemittierenden Elements 20, einer Kontaktstruktur 51 und einer Ansteuervorrichtung 5 wie sie in einem Ausführungsbeispiel einer hier beschriebenen Beleuchtungsvorrichtung zum Einsatz kommen können. Das lichtemittierende Element 20 umfasst mehrere Halbleiterchips 25. Die Halbleiterchips 25 sind mittels separat voneinander hergestellten Halbleiterstrukturen gebildet, welche dazu eingerichtet sein können, jeweils Licht L unterschiedlicher Wellenlängenbereiche zu erzeugen. Das lichtemittierende Element 20 ist mittels einer Kontaktstruktur 51 mit der Ansteuervorrichtung 5 mechanisch und elektrisch leitend verbunden. Insbesondere sind mittels der Kontaktstruktur 51 die elektrischen Kontakte 601, 602 der einzelnen Halbleiterchips 25 elektrisch leitend mit der Ansteuervorrichtung 5 verbunden. Insbesondere weist jeder Halbleiterchip 25 einen ersten Kontakt 601 auf, welcher über eine gemeinsame elektrische Leitung der Kontaktstruktur 51 mit der Ansteuervorrichtung 5 verbunden ist. Über einen zweiten Kontakt 602 eines jeden Halbleiterchips 25 sind diese jeweils separat voneinander betreibbar.
  • Die 4B zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines hier beschriebenen lichtemittierenden Elements 20 und einer Ansteuervorrichtung 5 wie sie in einem Ausführungsbeispiel einer hier beschriebenen Beleuchtungsvorrichtung zum Einsatz kommen können. Das lichtemittierende Element 20 umfasst einen lichtemittierenden Bereich erster Art 201, einen lichtemittierenden Bereich zweiter Art 202 und einen lichtemittierenden Bereich dritter Art 203. Jeder lichtemittierende Bereich ist mit einem ersten leitenden Bereich 1100, einem zweiten leitenden Bereich 1200 und einer aktiven Zone 1300 gebildet. Im bestimmungsgemäßen Betrieb werden die lichtemittierenden Bereiche jeweils über den ersten leitenden Bereich 1100 und über den zweiten leitenden Bereich 1200 bestromt, so dass in der aktiven Zone 1300 Licht erzeugt wird. Insbesondere emittieren die lichtemittierenden Bereiche 201, 202, 203 im bestimmungsgemäßen Betrieb Licht L durch die der Ansteuerschaltung 50 abgewandten Seite. Die einzelnen lichtemittierenden Bereiche 201, 202, 203 sind beispielsweise in einem gemeinsamen Herstellungsverfahren hergestellt und weisen eine gleiche Materialzusammensetzung und einen gleichen Schichtaufbau auf. Insbesondere wird in den aktiven Zonen 1300 von lichtemittierenden Bereichen unterschiedlicher Art 201, 202, 203 Licht L eines gleichen Farbortes erzeugt.
  • Das lichtemittierende Element 10 ist mechanisch fest mit der Ansteuervorrichtung 5 verbunden. Insbesondere ist die Ansteuervorrichtung 5 mit einem Halbleitermaterial gebildet und mittels eines Bondverfahrens oder eines Lötverfahrens mit dem lichtemittierenden Element 20 verbunden. Beispielsweise sind die Ansteuerschaltung 60 und das lichtemittierende Element 20 stoffschlüssig miteinander verbunden, so dass die Verbindung nur unter Zerstörung des Elements 20 oder der Ansteuervorrichtung 5 gelöst werden kann. Die Ansteuervorrichtung 60 weist eine Vielzahl von Transistoren 600 auf, mittels denen die einzelnen lichtemittierenden Bereiche des lichtemittierenden Elements 20 angesteuert werden können. Insbesondere ist jeder lichtemittierender Bereich 201, 202, 203 über einen ersten Kontakt 601 elektrisch leitend mit einem Transistor 600 verbunden. Weiter weist die Ansteuervorrichtung 50 einen zweiten Kontakt 602 auf, mittels dem alle lichtemittierenden Bereiche des lichtemittierenden Elements 20 elektrisch leitend kontaktiert sind.
  • Auf der der Ansteuervorrichtung 5 abgewandten Seite des lichtemittierenden Bereiche 201, 202, 203 sind Konversionsmittel 210, 220, 230 angeordnet. Insbesondere ist dem lichtemittierenden Bereich erster Art 201 in Abstrahlrichtung ein erstes Konversionsmittel 210 nachgeordnet, dem lichtemittierenden Bereich zweiter Art 202 in Abstrahlrichtung ein zweites Konversionsmittel 220 nachgeordnet und dem lichtemittierenden Bereich dritter Art 203 in Abstrahlrichtung ein drittes Konversionsmittel 230 nachgeordnet. Beispielsweise sind die Konversionsmittel 210, 220, 230 dazu eingerichtet, das in der aktiven Zone 1300 erzeugte Licht L eines jeden lichtemittierenden Bereichs zumindest teilweise in Licht L eines anderen Wellenlängenbereichs umzuwandeln. Insbesondere sind erste, zweite und dritte Konversionsmittel dazu eingerichtet, in den lichtemittierenden Bereichen unterschiedlicher Art 201, 202, 203 erzeugtes Licht in Licht unterschiedlicher Wellenlängenbereiche zu konvertieren.
  • Der erste leitende Bereich 1100, der zweite leitende Bereich 1200 und die aktive Zone 1300 unterschiedlicher lichtemittierender Bereiche sind mittels Trenngräben 800 vollständig durchtrennt. Beispielsweise sind die Trenngräben mittels eines lithographischen Verfahrens oder einer Laserschneideverfahrens hergestellt.
  • 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.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Beleuchtungsvorrichtung
    20
    lichtemittierendes Element
    20a
    Emissionsfläche
    200
    Halbleiterchip
    10
    optische Vorrichtung
    101
    erste Linse
    101a
    erste Fläche
    101b
    zweite Fläche
    102
    zweite Linse
    103
    dritte Linse
    11
    optische Achse
    K
    Kantenlänge
    D
    Dicke
    H
    Hauptstrahl
    A
    Abstrahlrichtung
    L
    elektromagnetische Strahlung
    G
    Abstand von Emissionsfläche zu erster Fläche
    120
    Absorptionsschicht
    110
    Antireflexionsschicht
    30
    Gehäuse
    21
    Konversionsmittel
    25
    Halbleiterchip
    210
    erstes Konversionsmittel
    220
    zweites Konversionsmittel
    230
    drittes Konversionsmittel
    51
    Kontaktstruktur
    33
    erster Verbund
    111
    Zweiter Verbund
    5
    Ansteuervorrichtung
    4
    Trennlinie
    d1
    Durchmesser der ersten Linse
    d2
    Durchmesser der zweiten Linse
    d3
    Durchmesser der dritten Linse
    201
    lichtemittierender Bereich erster Art
    202
    lichtemittierender Bereich zweiter Art
    203
    lichtemittierender Bereich dritter Art
    1100
    erster leitender Bereich
    1200
    zweiter leitender Bereich
    1300
    aktive Zone
    600
    Transistor
    601
    erster Kontakt
    602
    zweiter Kontakt
    800
    Trenngraben
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102013110272 A1 [0001]

Claims (19)

  1. Beleuchtungsvorrichtung (1) umfassend ein lichtemittierendes Element (20) und eine optische Vorrichtung (10) mit einer ersten Linse (101), bei der - die optische Vorrichtung (10) dem lichtemittierenden Element (20) in einer Abstrahlrichtung (A) nachgeordnet ist, - die erste Linse (101) auf einer dem lichtemittierenden Element (20) zugewandten Seite der optischen Vorrichtung (10) angeordnet ist, - zwischen der ersten Linse (101) und dem lichtemittierenden Element (20) ein Material angeordnet ist, welches einen von dem Material der ersten Linse (101) unterschiedlichen Brechungsindex aufweist, und - eine dem lichtemittierenden Element (20) zugewandte erste Fläche (101a) der ersten Linse (101) einen Krümmungsradius (R1) von zumindest 200 mm aufweist und eine dem lichtemittierenden Element (20) abgewandte zweite Fläche (101b) der ersten Linse (101) einen Krümmungsradius (R2) von zumindest 200 mm aufweist.
  2. Beleuchtungsvorrichtung (1) gemäß dem vorherigen Anspruch, bei der - das lichtemittierende Element (20) auf einer dem optischen Element (10) zugewandten Seite eine Emissionsfläche (20a) aufweist, und - die erste Linse (101) eine Dicke (D) aufweist, wobei die Dicke (D) zumindest doppelt so groß wie eine Kantenlänge (K) der Emissionsfläche (20a) ist.
  3. Beleuchtungsvorrichtung (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der die erste Linse (101) mit einem Material gebildet ist, dessen Brechungsindex (n1) zumindest 1,6 beträgt.
  4. Beleuchtungsvorrichtung (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der die erste Linse (101) mit einem Material gebildet ist, dessen Abbezahl maximal 50 beträgt.
  5. Beleuchtungsvorrichtung (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der aufgrund der Dicke (D) der ersten Linse (101) der Strahlversatz entlang der optischen Achse (11) der optischen Vorrichtung (10) sphärische Aberrationen innerhalb der optischen Vorrichtung (10) zumindest teilweise kompensiert.
  6. Beleuchtungsvorrichtung (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der die erste Fläche (101a) und/oder die zweite Fläche (101b) plan sind.
  7. Beleuchtungsvorrichtung gemäß dem vorherigen Anspruch, bei der die erste (101a) und die zweite (101b) Fläche parallel zueinander verlaufen.
  8. Beleuchtungsvorrichtung (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der auf der Seite der optischen Vorrichtung (10) auf der das lichtemittierenden Element (20) angeordnet ist, ein Winkel zwischen einem Hauptstrahl (H) und der optischen Achse (11) maximal 2° beträgt.
  9. Beleuchtungsvorrichtung (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der die numerische Apertur der optischen Vorrichtung (10) zumindest 0,5 beträgt.
  10. Beleuchtungsvorrichtung (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der ein Abstand (G) zwischen der Emissionsfläche (20a) und der ersten Fläche (101a) maximal die Länge der Kantenlänge (K) der Emissionsfläche beträgt.
  11. Beleuchtungsvorrichtung (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der auf einer dem lichtemittierenden Element (20) abgewandten Seite der optischen Vorrichtung (10) eine zweite Linse (102) angeordnet ist, wobei die zweite Linse (102) mit einem Material gebildet ist, dessen Abbezahl größer 55 ist.
  12. Beleuchtungsvorrichtung (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der das lichtemittierende Element (20) in einem Gehäuse (30) angeordnet ist, wobei das Gehäuse (30) und die erste Linse (101) mechanisch fest miteinander verbunden sind.
  13. Beleuchtungsvorrichtung (1) gemäß einer der vorherigen Ansprüche, bei der zwischen der Emissionsfläche (20a) und der ersten Fläche (101a) ein gasförmiges Material angeordnet ist.
  14. Beleuchtungsvorrichtung (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der die erste Linse (101) auf ihrer ersten (101a) und/oder zweiten (101b) Fläche eine Antireflexionsschicht (110) aufweist.
  15. Beleuchtungsvorrichtung (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der die erste Linse (101) zumindest teilweise mit einer Absorptionsschicht (120) beschichtet ist.
  16. Beleuchtungsvorrichtung (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der das lichtemittierende Element (20) einen pixelierten lichtemittierenden Halbleiterchip (25) umfasst oder eine Vielzahl lichtemittierender Halbleiterchips (25) umfasst.
  17. Beleuchtungsvorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der das lichtemittierende Element (20) stoffschlüssig mit einer Ansteuervorrichtung (5) verbunden ist.
  18. Verfahren zum Herstellen einer Beleuchtungsvorrichtung (1), mit den folgenden Verfahrensschritten: A) Bereitstellen von lichtemittierende Elementen (20); B) Anordnen der lichtemittierenden Elemente (20) jeweils in einem ersten Verbund (33) von Gehäusen (30); C) Bereitstellen einer Vielzahl erster Linsen (101) in einem zweiten Verbund (111); D) stoffschlüssiges Verbinden des ersten (33) und zweiten Verbunds (111) miteinander; E) Vereinzeln der Gehäuse (30) und der ersten Linsen (101), wobei nach dem Vereinzeln jedem lichtemittierenden Element (20) genau eine Linse (101) und ein Gehäuse (30) zugeordnet ist F) Anordnen weiterer optischer Komponenten (102, 103) der optischen Vorrichtung in Abstrahlrichtung (A) der lichtemittierenden Elemente (20).
  19. Verfahren zum Herstellen einer Beleuchtungsvorrichtung (1) gemäß dem vorherigen Anspruch, wobei mittels des Verfahrens eine Beleuchtungsvorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17 hergestellt wird.
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