DE102018109408A1

DE102018109408A1 - Led-modul mit silikonlinse in 3d druck

Info

Publication number: DE102018109408A1
Application number: DE102018109408.6A
Authority: DE
Inventors: Katrin Schroll; Konstantin Engeter
Original assignee: Siteco Beleuchtungstechnik GmbH
Current assignee: Siteco GmbH
Priority date: 2018-04-19
Filing date: 2018-04-19
Publication date: 2019-10-24
Also published as: WO2019201794A1; EP3782208A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein LED-Modul aufweisend wenigstens eine LED (2), welche an einem Trägersubstrat (1) befestigt und elektrisch kontaktiert ist, und eine Kunststofflinse, insbesondere aus Silikon, die auf dem Trägersubstrat (1) und über der wenigstens einen LED (2) durch 3D-Druck angebracht ist, um die Lichtverteilung der LED zu beeinflussen, wobei der 3D-Druck derart erfolgt ist, dass die Linse direkt mit dem Trägersubstrat durch den Druckvorgang verbunden ist, um die Linse an dem Substrat mechanisch zu halten.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein LED-Modul, welches eine im 3D-Druckverfahren hergestellte Linse aus Kunststoff, insbesondere Silikon, aufweist.
LEDs (lichtemittierende Dioden, worunter alle Formen von Halbleiterlichtquellen einschließlich organischer lichtemittierender Dioden verstanden werden), die in LED-Modulen verbaut sind, werden häufig durch neuere Versionen ersetzt. Die Optiken für die LEDs in den LED-Modulen müssen dazu angepasst werden. Hohe Werkzeugkosten für immer neue Optiken sind daher die Folge.
Ferner werden abhängig von der bestimmten Anwendung für die gleiche Art von Leuchten häufig unterschiedliche Lichtverteilungen der LED-Module gewünscht. Auch hierzu müssen unterschiedliche Optiken für die gleichen LED-Module vorgehalten werden, was hohe Lagerhaltungskosten und hohe Werkzeugkosten zur Folge hat.
Ein weiteres Problem im Zusammenhang mit den Optiken in LED-Modulen im Stand der Technik besteht darin, dass die Optiken präzise gegenüber den LEDs auf den jeweiligen Träger der LED ausgerichtet werden müssen. Da die LED als nahezu punktförmige Lichtquelle wirkt, muss die Optik genau auf die Lage der LED abgestimmt sein. Eine präzise Abstimmung, Justage und Fertigung einer aus Spritzgussteil hergestellten Linse muss sein, da für eine schnellere kostengünstigere Montage normalerweise möglichst große Linsenarray verwendet werden, die aber eine deutlich unterschiedliche thermische Ausdehnung haben, als das verwendete PCB Material. Einfache mechanische Mittel zum Befestigen von Kunststoffbauteilen auf einem Träger sind häufig nicht ausreichend, um eine präzise Ausrichtung einer Kunststoffoptik gegenüber der LED zu gewährleisten.
Aufgabe der vorliegende Erfindung ist es, ein LED-Modul bereitzustellen, welches die genannten Nachteile hinsichtlich der hohen Werkzeugkosten, der hohen Lagerhaltungskosten für das Vorhalten verschiedener Optiken sowie die Problematik der Befestigung der Optik auf dem Träger der LED löst.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein LED-Modul nach Anspruch 1 sowie durch ein Herstellungsverfahren eines solchen LED-Moduls gemäß Anspruch 18.
Eine Besonderheit des LED-Moduls der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Kunststofflinse, insbesondere aus Silikon, direkt auf die Trägersubstanz der LED mittels eines 3D-Druckverfahrens aufgedruckt wird. Dadurch kann die Linse individuell für die jeweilige LED und für den Anwendungszweck der Leuchte, in welchem das LED-Modul eingebaut werden soll, angepasst werden, ohne hierzu verschiedene Werkzeuge für im Spritzgussverfahren hergestellte Kunststofflinsen vorzuhalten. Ferner wird durch das Aufdrucken der Linse auf das Trägersubstrat gleich das Problem gelöst, dass die Linse auf der Trägersubstrat mechanisch befestigt ist und gegenüber der LED präzise ausgerichtet ist. Das Linsenmaterial Silikon weist ferner eine hohe optische Qualität auf und kann in einem 3D-Drucker gut verarbeitet werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Trägersubstrat als Printed Circuit Board, PCB, ausgebildet. Auf einem PCB, beispielsweise einer Platine aus Kunststoff mit oder ohne einem Metallkern oder aus Keramik, können die Leiterbahnen zur Kontaktierung der LEDs bereits aufgebracht sein. Das PCB kann auch als Teil eines Leuchtengehäuses ausgebildet sein. Die LED kann auf dem PCB beispielsweise durch einen Bestückungsautomat einfach aufgebracht werden. Die üblichen Materialien eines PCBs eignen sich, um darauf direkt eine Linse aus Silikon oder einem anderen Kunststoff aufzudrucken. Die Materialien ermöglicht die notwendige mechanische Verbindung zu dem Material des PCB. Die gedruckte Optik kann sowohl auf der LED oder auf dem PCB-Material angebracht sein, oder auf beidem. Es kann auch eine Kunststofflinse aufgedruckt werden, die dann mittels vorher aufgebrachtem Haftvermittler oder mit Haltestiften die z.B. die LED umgreifen befestigt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Linse aus unterschiedlichen Materialien, insbesondere unterschiedlichen Silikonmaterialien, gebildet, die sich im Brechungsindex, in der Farbe, in der Lichtabsorptionseigenschaft und/oder in der Lichtreflexionseigenschaft unterscheiden. Durch das 3D-Druckverfahren ist es problemlos möglich, verschiede Materialien innerhalb der Linse zu kombinieren. Diese Eigenschaft kann ausgenutzt werden, um komplizierte Linsenstrukturen aus verschiedenen Materialien zu bilden. Beispielsweise können durch die Verwendung von Materialien mit unterschiedlichem Brechungsindex Grenzflächen erzeugt werden, an denen interne Totalreflexion in der Linse stattfindet. Ferner können Linsenbereiche vorgesehen sein, die lichtabsorbierend ausgebildet sind. Dadurch können bestimmte Effekte in der Lichtverteilung des LED-Moduls erzielt werden. Beispielsweise können ein Cut-Off in der Lichtverteilung in einem bestimmten Raumwinkelbereich erzeugt werden, um eine Entblendung der Leuchte zu ermöglichen. Ferner können auch Materialien eingesetzt werden, die bestimmte Lichtreflexionseigenschaften (gerichtet reflektierend oder diffus reflektierend) aufweisen, um die Lichtlenkung in der LED nicht nur durch Lichtbrechung sondern außerdem durch Lichtreflexion zu gestalten. Auch durch diese Maßnahme lassen sich bestimmte Lichtverteilungen, insbesondere ein bestimmter Cut-Off in einem Raumwinkelbereich, erzeugen. Im Vergleich zu lichtabsorbieren Materialien ist der Vorteil, dass bei den lichtreflektierenden Materialien der Gesamtwirkungsgrad des LED-Moduls nur geringfügig verringert wird. Auch die Kombination der verschiedenen Materialien mit unterschiedlichem Lichtbrechungsindex, Lichtabsorptionseigenschaft oder Lichtreflexionseigenschaft ist möglich. Ferner kann das Linsenmaterial eingefärbt sein, um bestimmte Farbeffekte zu erzeugen. Die Färbung kann ein phosphoreszierendes Material umfassen, um eine Umwandlung der Wellenlänge der LED zu bewirken. Ferner ist es möglich, auch unterschiedliche Farben innerhalb einer Linse zu kombinieren.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Linse gekrümmte Oberflächenabschnitte auf, deren Krümmung stufenförmig ausgebildet ist, und die eine Lichtdiffusion und/oder bei Verwendung von unterschiedlich farbigen LEDs eine Lichtmischung bewirken. Durch den 3D-Druck sind Oberflächenabschnitte mit Krümmung zwar in einer hohen Qualität herstellbar, jedoch lassen sich kleine Stufen, die durch das Druckverfahren bedingt sind, nicht vermeiden. Dies muss jedoch nicht von Nachteil für die optische Qualität der Linsen sein. Die Stufen können gezielt vorgesehen werden, um absichtlich eine Lichtdiffusion und/oder bei verschiedenfarbigen LEDs eine Farbdurchmischung zu bewirken. Besonders für punkförmige Lichtquellen, wie sie LEDs darstellen, ist es ohnehin häufig notwendig, wenigstens eine geringe Lichtdiffusion einzuführen, um die Leuchtdichte der Leuchte zu homogenisieren sowie harte Übergänge in der Lichtstärkeverteilung der Leuchte, die zu Schattenbildung im Anwendungsfall führen, zu reduzieren. Dies kann gleich durch die bauartbedingten stufenförmigen Abschnitte innerhalb der Krümmungsbereiche der Oberflächenstruktur der Linse erfolgen.
Ferner muss das Licht bei unterschiedlich farbigen LEDs gemischt werden, um zu verhindern, dass aus unterschiedlichen Blickwinkeln Licht unterschiedlicher Farbe wahrgenommen wird. Eine Lichtdurchmischung ist häufig auch bei weißen LEDs von Vorteil, da diese auch das Problem von sich über den Winkel ändernde Farben haben. Oft bilden Leuchten diese Farben über die Winkel in den Raum ab. Hier kommt es häufig dazu, dass man eine Lichtdurchmischung braucht, um gelbe Streifen an Wänden zu verhindern. Auch die Lichtmischung erfolgt durch die Stufen in den gekrümmten Oberflächenabschnitten der Linse, welche durch das 3D-Druckverfahren ohnehin entstehen. Sofern jedoch glatte gekrümmte Oberflächenabschnitte gewünscht sind, können diese beispielsweise durch eine separate nachträgliche Behandlung der Linsenoberfläche, z.B. durch Aufbringen einer zusätzlichen Beschichtung, durch lokales Aufschmelzen von Oberflächenbereichen der Linse oder durch Polieren der Linsenoberfläche, erfolgen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst wenigstens ein Teil der Linse ein schwarz eingefärbtes Material neben einem transparenten Abschnitt der Linse. Das schwarz eingefärbte Material, insbesondere Silikonmaterial, wirkt lichtabsorbierend. Dadurch lässt sich in einem gewünschten Raumwinkelbereich die Lichtausbreitung blockieren. Insbesondere kann das schwarz eingefärbte Material in einem Bereich radial zur optischen Achse der Linse angeordnet sein. Dies ist von Vorteil für Linsen, welche kein Licht seitlich abgeben sollen, um z.B. eine gewünschte Entblendung des LED-Moduls zu erzeugen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Linse eine oder mehrere Grenzflächen auf, die gegenüber der LED so angeordnet sind, dass das Licht der LED reflektiert wird. Die Grenzflächen können durch eine Außenfläche der Linse, d.h. durch einen optischen Übergang vom Linsenmaterial zur Luft, oder durch eine Grenzfläche innerhalb der Linse, d.h. zwischen zwei Linsenmaterialien mit unterschiedlichem Brechungsindex, gebildet sein. Beide Arten von Grenzflächen eignen sich, um das Licht der LED wenigstens zum Teil oder sogar total zu reflektieren. Dies ist eine besonders effiziente Weisem um das Licht innerhalb der Linse zu lenken, da durch die Reflexion keine Verluste entstehen und ferner kein zusätzliches Reflexionsmaterial, wie eine metallische Beschichtung oder dgl., auf oder in die Linse eingebracht werden muss.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Linse Bereiche aus lichtreflektierendem Linsenmaterial, insbesondere weiß eingefärbtes Linsenmaterial, aufweisen, die an einen Bereich mit transparentem Linsenmaterial angrenzen. Das reflektierende Linsenmaterial kann gerichtet reflektierend oder diffus reflektierend ausgebildet sein. Durch weißes Linsenmaterial kann insbesondere diffuse Reflexion erzeugt werden. Durch Lichtreflexion lassen sich größere Ablenkwinkel im Vergleich zur Lichtbrechung erzeugen. Daher ist es möglich, mit dieser Art von Linsen Lichtverteilungen zu erzeugen, die sich sehr stark von der natürlichen Lichtverteilung einer LED (diese wirkt als Lambert-Strahler) unterscheiden.
Das reflektierende Linsenmaterial kann insbesondere radial zur optischen Achse der Linse angeordnet sein. Dadurch lassen sich Lichtstrahlen der LED in Richtung zur optischen Achse der Linse umlenken, um eine Fokussierung des Lichts zu erzielen. Die Reflexionsbereiche können jedoch auch einen Neigungswinkel gegenüber der optischen Achse der Linse aufweisen, um die Lichtstrahlung über Kreuz zur optischen Achse der Linse umzulenken. Dadurch lässt sich die Lichtverteilung auch aufweiten und/oder Licht gezielt in einem flachen Winkel zur Lichtaustrittsfläche des LED-Moduls umlenken.
Gemäß einer Weiterbildung der zuletzt genannten Ausführungsformen kann das reflektierende Linsenmaterial auch nur einseitig an dem transparenten Abschnitt der Linse angeordnet sein. Diese Ausführungsform ist beispielsweise für Leuchten bevorzugt, in welchen eine asymmetrische Lichtverteilung in Bezug auf einen bestimmten Raumwinkelbereich erzeugt werden soll. Beispielweise ist es für Straßenleuchten häufig gewünscht, die Lichtverteilung in Richtung zu einer angrenzenden Häuserfassade vollständig auszublenden. In diesem Fall können erfindungsgemäße LED-Module so ausgebildet sein, dass die Linse ein lichtreflektierendes oder lichtabsorbierendes Linsenmaterial auf der Seite der optischen Achse aufweist, die in Richtung zur Häuserfront weist. Dadurch lässt sich das Licht zur Häuserfassade abblocken oder in Richtung der zu beleuchtenden Straßenseite umlenken.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Linse eine Vertiefung auf der der LED entgegengesetzten Seite entlang der optischen Achse auf und Grenzflächen der Vertiefung sind gegenüber der LED so angeordnet, dass Licht der LED daran totalreflektiert wird. Diese Ausführungsform eignet sich, um eine sehr breite Lichtverteilung und/oder eine Lichtverteilung mit einem Minimum entlang der optischen Achse zu erzeugen, weil das Licht durch die Totalreflexion an den Grenzflächen der Vertiefung entlang der optischen Achse umgelenkt wird. Das Licht kann allerdings durch Mehrfachreflexion, beispielsweise an Außenflächen der Linse oder an lichtreflektierenden Bereichen an der Außenseite der Linse, wieder in Richtung zur optischen Achse umgelenkt werden. In jedem Fall ist diese Ausführungsform dafür eingerichtet, um Licht, welches entlang der optischen Achse ohne Lichtumlenkung abgegeben wird, in andere Raumwinkelbereiche umzulenken.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Linse integral mit den optisch wirksamen Bestandteilen der Linse noch Halteeinrichtungen für weitere Bauteile auf. Beim Drucken der Linse können des Weiteren auch noch Halterungen für andere optische Bauteile direkt auf das Trägersubstrat der LED oder direkt auf die LED gedruckt werden. Beispielsweise können Halterungen für weitere Vorsatzlinsen oder Reflektoren oder mechanische Befestigung zum Einbringen einer Abdeckung (z.B. Einschiebeplatte etc.) beim Drucken der Linse mit erzeugt werden. Der 3D-Druck erlaubt es, z.B. durch die Verwendung von zwei oder mehr Komponenten, auch Hinterschnitte zu erzielen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Linse mit dem Trägersubstrat derart verbunden, dass ein feuchtigkeits- und/oder gasdichter Abschluss zwischen dem Trägersubstrat und der LED gebildet wird. Beim Drucken der 3D-Linse kann die Linse nicht nur präzise gegenüber dem Trägersubstrat ausgerichtet werden, sondern auch gleich fluiddicht abgeschlossen werden. Dadurch lässt sich ohne zusätzliche Dichtung eine besonders kostengünstige Variante zur Erzeugung eines LED-Modul für höhere Schutzarten der Leuchte, insbesondere für Leuchten in Feuchträumen oder im Außenbereich, erzeugen. Ferner wird das Eindringen von Verschmutzung zwischen der LED und der Linse verhindert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können auf dem Trägersubstrat beabstandet von der Linse noch weitere Lichtbeeinflussungselemente, insbesondere Reflektoren oder lichtbrechende Elemente, in dem 3D-Druck aufgebracht sein. Beispielsweise kann ein Reflexionsabschnitt oder ein Abschnitt mit einer internen oder externen Grenzfläche, an welche interne Totalreflexion stattfindet, vorgesehen sein, um das Licht nach dem Austritt aus der Linse noch einmal in dem LED-Modul umzulenken.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist ein Abschnitt der Linse eine Prismen- oder wellenförmige Oberfläche auf. Die Oberfläche kann zur Lichtstreuung oder Lichtmischung dienen. Die Oberflächenstrukturen lassen sich im 3D-Druckverfahren sehr einfach aufbringen. Die Abmessungen der Strukturen können auch kleiner als 0,5 mm in der maximalen Höhe sein. Abhängig von dem verwendeten 3D-Druckverfahren können solche Erhebungen ohnehin durch das Druckverfahren entstehen. Die Oberflächenstruktur eignet sich insbesondere zur Lichtdiffusion und Lichtmischung.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines LED-Moduls wie vorhergehend beschrieben. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines Trägersubstrats, insbesondere eines Printed Circuit Boards; ein mechanisches Befestigen und elektrisches Kontaktieren von wenigstens einer LED auf dem Trägersubstrat; und ein Aufdrucken der Linse aus einem Kunststoffmaterial, insbesondere aus Silikon, wobei die Linse auf das Trägersubstrat und über die wenigstens eine LED aufgedruckt wird.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen deutlich, die in Zusammenhang mit den beigefügten Figuren gegeben werden. In den Figuren ist Folgendes dargestellt:

1 zeigt einen Querschnitt durch ein LED-Modul mit einer halbseitig dargestellten zugehörigen Lichtverteilungskurve.
2 zeigt einen Querschnitt durch ein LED-Modul einer weiteren Ausführungsform mit einer halbseitig dargestellten Lichtverteilungskurve.
3 zeigt einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines LED-Moduls.
4 zeigt einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines LED-Moduls.
5 zeigt einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines LED-Moduls.
6 zeigt einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines LED-Moduls.
7 zeigt einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines LED-Moduls.
8 zeigt einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines LED-Moduls.
9 zeigt einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines LED-Moduls.

Das LED-Modul der vorliegenden Erfindung umfasst ein Trägersubstrat 1, welches insbesondere als eine Platine (PCB) mit bereits aufgedruckten elektrischen Leiterbahnen ausgebildet sein kann. Auf dem Substrat 2 ist, wie in den Figuren dargestellt, wenigstens eine LED 2 aufgebracht, wobei die von einer Linse 4, 6 umgeben.
Die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen unterscheiden sich insbesondere in der Linsenform. Die Linse wird mittels eines 3D-Drucks aus Silikon oder aus anderen Kunststoffen aufgedruckt. Eine Besonderheit besteht darin, dass die Linse nicht im Spritzgussverfahren auf die LED 2 bzw. das Trägersubstrat 1 angespritzt wird, sondern in einem 3D-Drucker aufgedruckt wird. Dadurch kann eine Vielzahl von verschiedenen Formen von Linsen erzeugt werden sowie ein Materialmix aus dem Linsenmaterialien verwendet werden, ohne dass hierzu unterschiedliche Formwerkzeuge notwendig sind. Dies ermöglicht eine Serienfertigung von LED-Modulen mit hoher Flexibilität.
Die 1 zeigt eine erste Ausführungsform in welcher eine Silikonlinse aus einem transparenten Abschnitt 4 und einem aus einem schwarz eingefärbten Silikonmaterial 6 umgebenen Randabschnitt gebildet ist. Die Linse wird in einem Druckverfahren auf die LED bzw. das Trägersubstrat aufgedruckt. Das transparente Linsenmaterial 4 weist eine verhältnismäßig starke konvexe Krümmung auf. Dadurch wirkt die Linse stark fokussierend. Das schwarz eingefärbte Silikonmaterial 6 im Randbereich bewirkt ferner, dass Licht, welches von der LED 2 in einem flachen Winkel seitlich abgegeben wird, absorbiert wird. Demgemäß weist die Lichtverteilungskurve mit einem dementsprechenden Querschnitt ein starkes Maximum entlang der optischen Achse der Linse auf. Ferner ist die Lichtverteilungskurve ab einem definierten Grenzwinkel in Richtung zu ±90° abgeschnitten. Dieser Effekt wird durch das absorbierende Linsenmaterial 6 im Randbereich der Linse erzeugt. Diese Lichtverteilung eignet sich insbesondere zur Entblendung der Leuchte.
2 zeigt demgegenüber eine Variante, in welcher der Krümmungsradius des transparenten Abschnitts 4 der Linse geringer ist. Dementsprechend ist die Lichtverteilungskurve breiter ausgebildet. Jedoch ist auch diese Lichtverteilungskurve ein einem Grenzwinkel zu ±90° abgeschnitten aufgrund des absorbierenden Linsenmaterials 6.
3 zeigt eine Variante, in welcher absorbierendes Linsenmaterial 6 nur einseitig an der Linse vorgesehen ist. Alternativ kann dort auch reflektierendes Linsematerial vorgesehen sein. Dementsprechend weist die Linse eine LVK (in der Figur nicht dargestellt) auf, die nur auf einer Seite abgeschnitten ist. Ferner weist die Linse an der Außenseite eine Grenzfläche 7 auf, welche Lichtstrahlung von der LED 2 durch interne Totalreflexion in Richtung zur optischen Achse umgelenkt wird. Diese Art von Linse eignet sich beispielsweise für ein LED-Modul in einer Straßenleuchte, wobei die Straßenleuchte eine Lichtverteilung erzeugt, die Licht vorwiegend in Richtung zur Straßenseite abgibt und kein Licht oder nur einen geringen Anteil des Lichts in Richtung zu einer ganzen Häuserfassade abgibt.
4 zeigt eine alternative Ausführungsform, in welcher zwei Linsenmaterialien 4 und 8 kombiniert werden, die einen unterschiedlichen Brechungsindex aufweisen. Ferner ist der Winkel der Grenzfläche 7 zwischen den Bereichen der Linse mit unterschiedlichem Brechungsindex derart gewählt, dass das Licht der LED 2 an der Grenzfläche intern totalreflektiert wird. Dieses LED-Modul erzeugt durch die Krümmung des transparenten Abschnitts 4 der Linse einerseits und die Reflexion an den Grenzflächen zu dem Linsenmaterial 8 mit niedrigeren Brechungsindex andererseits eine stark fokussierte Lichtverteilung. Im Vergleich zu der Ausführungsform in 1 weist die Linse noch den Vorteil auf, dass kein Licht absorbiert, sondern nur reflektiert wird. Dadurch ist der Gesamtwirkungsgrad des LED-Moduls erhöht. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die Grenzfläche zwischen den zwei Brechungsindices auch entlang einer Kurve verlaufen, wenn für unterschiedliche Strahlen unterschiedliche Winkel benötigt werden.
5 zeigt eine Variante eines LED-Moduls ähnlich wie 4, wobei eine asymmetrische Lichtverteilung erzeugt wird. An der Grenzfläche 7 zwischen dem transparenten Lichtmaterial 4 mit einem höheren und dem Linsenmaterial 8 mit einem niedrigeren Brechungsindex findet ebenfalls interne Totalreflexion statt. Die Linse erzeugt daher eine asymmetrische Lichtverteilung.
6 stellt eine alternative Ausführungsform dar, in welcher eine Vertiefung 10 auf der der LED 2 entgegengesetzten Seite entlang der optischen Achse der Linse angeordnet ist. Die Vertiefung 10 bildet eine kegelförmige Außenfläche 7 des transparenten Abschnitts 4 der Linse. In dieser Grenzfläche 7 wird das Licht der LED 2 intern totalreflektiert. Ferner weist die Linse in einem Randbereich ein Linsenmaterial 8 mit größerem Brechungsindex auf, sowie im Zusammenhang mit 4 beschrieben. Das Licht wird demgemäß zweimal umgelenkt, zuerst an der Grenzfläche 11 und ein zweites Mal an der Grenzfläche zwischen den Linsenbereichen 4 und 8. Diese Linse eignet sich zur Erzeugung einer Lichtverteilung, welche entlang der optischen Achse ein Minimum aufweist und den in den Randbereichen symmetrische Maxima aufweist. Die Vertiefung dient auch dazu, die Leuchtedichte der LED zu verringern und auf eine größere Fläche zu verteilen. Der Linsenbereich 8 kann auch ein specular reflektierendes Material aufweisen.
7 zeigt eine Variante, in welcher die Linse nur aus einem Material 4 mit gleichem Brechungsindex gebildet ist. Von der Linse beabstandet ist noch ein weiteres in 3D-Druck aufgebrachtes Lichtbeeinflussungselement 12 vorgesehen, welches lichtreflektierend ausgebildet ist. Dadurch lassen sich Lichtstrahlen, welche die Linse unter einem flachen Winkel verlassen, in Richtung zur optischen Achse umlenken. Alternativ zu dem reflektierenden Element 12 kann auch ein Körper aus Linsenmaterial mit zwei verschiedenen Brechungsindices vorgesehen sein, der intern eine Grenzfläche zwischen den Materialien mit höherem und niedrigerem Brechungsindex definiert. Ein solcher Umlenkkörper wirkt ähnlich wie das reflektive Element 12.
8 zeigt eine Variante, in welcher das Linsenmaterial 14 ein eingefärbtes Silikon oder anderes Kunststoffmaterial umfasst, um eine Farbkonvertierung oder einfach Absorption von gewissen Teilen des Spektrums zu erzeugen. Der optische Wirkungsgrad wird hierbei reduziert, um das Spektrum des Lichts anzupassen. Es kann ferner auch vorgesehen sein, weiße Farbe oder Streupartikel in das Linsenmaterial einzubringen, um eine Streuung oder Farbmischung des Lichts zu erzeugen. Dadurch lässt sich verhindern, dass das von der Linse abgegebene Licht in unterschiedlichen Raumrichtungen eine unterschiedliche Farbe aufweist.
Durch gezieltes Einbringen von Farb- oder phosphoreszierenden Partikeln, insbesondere Phosphor, in die aufgedruckte Optik lässt sich daher die Farbtemperatur des LED-Moduls leicht einstellen, ohne dass hierzu Lagerhaltungskosten für die Module oder die LEDs in unterschiedlichen Farbtemperaturen anfallen. Ein weiterer Vorteil von Phosphor in dem Linsenmaterial ist, dass LEDs mit weniger Phosphor oder keinen Phosphor eingesetzt werden können, die eine höhere Lebensdauer aufweisen.
9 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei welcher die Oberfläche der Linse eine prismen- oder wellenförmige Struktur 16 aufweist. Die prismenartige Struktur 16 sorgt für eine Reflexion der Lichtstrahlung der LED in einigen Raumwinkelbereichen. Ferner kann die Grenzfläche zwischen dem Linsenmaterial 4 und dem Trägersubstrat 1 reflektierend ausgebildet sein, so dass Licht, das von der Prismenstruktur 16 in Richtung zum Träger umgelenkt wird, wieder zur Lichtaustrittsseite der Linse um reflektiert wird. Durch eine derartige Prismenstruktur 16 lässt sich eine Streuung und/oder Durchmischung des Lichtes zu erzeugen. Die Ausführungsform nach 9 weist ferner ein absorbierendes Linsenmaterial 6 auf, welches im Zusammenhang mit den 1 und 2 beschrieben wurde, einen Cut-Off-Winkel in der Lichtverteilungskurve bei einem definierten Grenzwinkel in Richtung zu ±90° erzeugt.
Bei allen vorhergehend beschriebenen Ausführungsformen ist zu verstehen, dass die Linse, insbesondere die Linsen aus unterschiedlichem Linsenmaterial 4, 6, 8, 14 vergleichsweise einfach durch ein 3D-Druckverfahren herstellbar sind. Beim Drucken können ohne Aufwand verschiedene Linsenmaterialien miteinander kombiniert werden, die sich im Brechungsindex oder bei den Reflexionseigenschaften sowie in der Farbe unterscheiden können. Dies ist ein wesentlicher Vorteil zu Linsenmaterialien, die im Spritzgussverfahren hergestellt sind. Das Spritzgussverfahren ist aufwendiger, weil für jede Form ein unterschiedliches Werkzeug benötigt wird. Ferner ist ein Materialmix nur mit einem Mehrkomponentenspritzgussverfahren zu erzeugen, welches technisch sehr aufwändig ist im Vergleich zu einem 3D-Druck.
Weitere Varianten der vorliegenden Erfindung können auch das Aufdrucken von Halterungen oder weiteren Optiken oder Mechaniken an der Linse umfassen. Insbesondere können Halterungen zur Halterung weiterer Reflektoren oder anderer Vorsatzoptiken dienen. Beispielsweise können Hinterschneidungen vorgesehen sein, in welchem eine Einschiebplatte eingeschoben wird, oder es können Vertiefungen vorgesehen, sein, in welche direkt Halteeinrichtungen eines Reflektors aufgesteckt werden.
Bezugszeichenliste

1: Trägersubstrat
2: LED
4: transparentes Linsenmaterial
6: absorbierendes Linsenmaterial
7: Grenzfläche
8: reflektives Linsenmaterial
10: Vertiefung
12: Lichtbeeinflussungselement
14: eingefärbtes Linsenmaterial
16: prismen- oder wellenförmige Oberfläche

Claims

LED-Modul aufweisend: wenigstens eine LED (2), welche an einem Trägersubstrat (1) befestigt und elektrisch kontaktiert ist, und eine Kunststofflinse, insbesondere aus Silikon, die auf dem Trägersubstrat (1) und über der wenigstens einen LED (2) durch 3D-Druck angebracht ist, um die Lichtverteilung der LED zu beeinflussen, wobei der 3D-Druck derart erfolgt ist, dass die Linse direkt mit dem Trägersubstrat durch den Druckvorgang verbunden ist, um die Linse an dem Substrat mechanisch zu halten.
LED-Modul nach Anspruch 1, wobei das Trägersubstrat (1) als Printed Circuit Board, PCB, ausgebildet ist.
LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Linse aus unterschiedlichen Materialien (4, 6, 8, 14) gebildet ist, die sich im Brechungsindex, in der Farbe, in der Lichtabsorptionseigenschaft und/oder in der Lichtreflexionseigenschaft unterscheiden.
LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Linse gekrümmte Oberflächenabschnitte aufweist, deren Krümmung stufenförmig ausgebildet ist, und die eine Lichtdiffusion und/oder eine Lichtmischung unterschiedlich farbiger LEDs bewirken.
LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens ein Teil der Linse ein schwarz eingefärbtes Material (6) neben einem transparenten Abschnitt (4) der Linse umfasst.
LED-Modul nach Anspruch 5, wobei der Teil der Linse mit schwarz eingefärbtem Material (6) in einem Bereich radial zur optischen Achse der Linse angeordnet ist.
LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Linse ein oder mehrere Grenzflächen (7) aufweist, die gegenüber der LED so angeordnet sind, dass Licht der LED totalreflektiert wird.
LED-Modul nach Anspruch 7 mit Rückbezug auf Anspruch 6, wobei die besagte Grenzfläche (7), an welcher Reflexion stattfindet, an einer Grenzfläche anschließt, an welchem transparenten Linsenmaterial (4) mit schwarz eingefärbtem Linsenmaterial (6) angrenzt.
LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Linse Bereiche aus reflektierendem Linsenmaterial 88), insbesondere aus weiß eingefärbtem Linsenmaterial, aufweist, die an einen Bereich mit transparentem Linsenmaterial (4) angrenzen.
LED-Modul nach Anspruch 8, wobei das reflektierende Linsenmaterial (8) radial zu der optischen Achse der Linse angeordnet ist.
LED-Modul nach Anspruch 8 oder 9, wobei das reflektierende Linsenmaterial (8) nur einseitig an einem zentralen Abschnitt der Linse angeordnet ist.
LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Linse eine Vertiefung (10) auf der der LED entgegensetzten Seite entlang der optischen Achse aufweist und Grenzflächen (7) der Vertiefung gegenüber der LED (2) so angeordnet sind, dass Licht der LED (2) daran totalreflektiert wird.
LED-Modul nach Anspruch 12, wobei eine weitere Grenzflächenlinse so angeordnet ist, dass das Licht nach der Reflexion auf die weitere Grenzfläche auftrifft und daran reflektiert wird.
LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Linse und/oder das Trägersubstrat ferner mechanische Halteeinrichtungen aufweist, die zusammen mit der Linse im 3D-Druck hergestellt sind.
LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Linse zusammen mit dem Trägersubstrat 1 die LED (2) feuchtigkeitsdicht und/oder gasdicht abschließt.
LED-Modul nach einem der vorhergehend Ansprüche, wobei auf dem Trägersubstrat beabstandet von der Linse wenigstens noch ein weiteres Lichtbeeinflussungselemente (12) durch den 3D-Druck aufgebracht ist.
LED-Modul nach einem der vorherhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens ein Abschnitt der Linse eine prismen- oder wellenförmige Oberfläche (16) aufweist.
Verfahren zum Herstellen eines LED-Moduls nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines Trägersubstrats (1), insbesondere ein Printed Circuit Board; mechanisches Befestigen und Kontaktieren von wenigstens einer LED (2) auf dem Trägersubstrat; und Aufdrucken einer Linse aus einem Kunststoffmaterial (4, 6, 8, 14), insbesondere aus Silikon, wobei die Linse auf das Trägersubstrat (1) und über der wenigstens einen LED (2) aufgedruckt wird.