DE102022000971A1 - New light guide that specifically couples out the light from individual LEDs in multiple light pixels arranged over a large area - Google Patents
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Abstract
In der Display- und Leuchtentechnik sind homogen leuchtende Flächen Standarddesign geworden. Dabei kommen entweder Panels, die von flächig angeordneten LEDs durchleuchtet werden, oder flächige Lichtleiter mit seitlicher Lichteinkopplung durch LED Streifen zum Einsatz.Um LEDs und die dafür notwendige periphere elektronische Komponenten und Platinen einzusparen, verteilen adäquat konstruierte Lichtleiter das Licht einzelner Lichtquellen auf viele Auskoppelstellen mit durch die die Auskoppelgeometrie aufgeprägter Lichtverteilung in die Fläche oder Streifen. Sie ersetzen flächige öder länglichen Platinen mit einer Vielzahl von aufgebrachten Einzel - LEDsHomogeneously illuminated surfaces have become standard design in display and lighting technology. Either panels that are illuminated by flatly arranged LEDs or flat light guides with lateral light coupling through LED strips are used. In order to save on LEDs and the necessary peripheral electronic components and circuit boards, adequately constructed light guides distribute the light from individual light sources to many coupling points through the light distribution imposed by the output geometry into the surface or strip. They replace flat or elongated circuit boards with a large number of individual LEDs applied
Description
Aufgrund Ihrer hohen Effizienz, Lebensdauer und Robustheit werden LED mittlerweile praktisch für alle Beleuchtungs- und Anzeigezwecken eingesetzt.Due to their high efficiency, lifespan and robustness, LEDs are now used for practically all lighting and display purposes.
Linienleuchten und Flächenleuchten werden häufig als lange, schmale oder großflächige Platinen mit einer großen Anzahl aufgesetzter LED realisiert. Die elektronische Beschaltung und Wärmeabfuhr ist in und auf der Platine integriert. Durch die Miniaturisierung und hochautomatisierte Bestückungsprozesse sind solche technisch komplexen Beleuchtungslösungen wirtschaftlich darstellbar geworden.Line lights and panel lights are often realized as long, narrow or large circuit boards with a large number of attached LEDs. The electronic circuitry and heat dissipation are integrated in and on the circuit board. Thanks to miniaturization and highly automated assembly processes, such technically complex lighting solutions have become economically feasible.
Wie praktisch alle Halbleiterprodukte unterlagen auch die LED einer Entwicklung zur weitergehenden Miniaturisierung. Die Lichtmenge pro Bauteil nimmt dadurch erwartungsgemäß ab, aber aufgrund thermischer Effekte und anderer Skaleneffekte wird auch die Effizienz und die Lebensdauer reduziert.Like practically all semiconductor products, LEDs were also subject to further miniaturization. As expected, the amount of light per component decreases, but due to thermal effects and other economies of scale, efficiency and lifespan are also reduced.
Mit einem gesellschaftlich wachsenden Anspruch auf Nachhaltigkeit der Produkte, Recyclefähigkeit nach dem Gebrauchszyklus und dem Karbonfußabdruck bei der Herstellung unterliegen nun auch Leuchten und Lichtanwendungskonzepte mit LED einer gesellschaftlichen Neubewertung.With a growing social demand for the sustainability of products, recyclability after the usage cycle and the carbon footprint during production, lights and lighting application concepts with LEDs are now also subject to a social reassessment.
Bezogen auf die erzeugbare Lichtmenge pro LED bezogen auf die Größe bilanzieren sich mehr Lumen pro Gramm, auch die Effizienz Lumen pro Watt steigt für größere Bauformen. Im Sinne von Nachhaltigkeit empfehlen diese Zusammenhänge den Einsatz von möglichst wenigen und leistungsfähigen LED. Analog werden bei dieser Reduktion auch dann in der elektronischen Beschaltung und dem Wärmemanagement deutlich weniger Materialmengen mit umweltrelevanten Komponenten eingesetzt. Mithin ist eine Optimierung der Beleuchtungslösung unter Einsatz von weniger - aber leistungsfähigeren - LED zielführend. in Bezug auf
- - minimalen Einsatz chemischer umweltproblematischer Substanzen bei der LED
- - deren besserer Energieeffizienz
- - minimalen Einsatz umweltproblematischer Substanzen bei der Treiberelektronik
- - Vereinfachung der Treiberelektronik durch weniger Bauteile, weniger Leiterbahnen
- - minimal use of chemical, environmentally problematic substances in the LED
- - their better energy efficiency
- - Minimal use of environmentally problematic substances in the driver electronics
- - Simplifying the driver electronics through fewer components and fewer conductor tracks
Diese Neubewertung wird konsequenterweise, auch wegen besserer Kostenstruktur, zum Einsatz von weniger LED führen, deren System-, Betriebs-, und Ökoparameter optimiert sind. Die ursprüngliche Lichtverteilung der individuellen Leuchtpixel (viele Mikro LED) muss dann durch den Einsatz von angepassten Lichtleitern in die Fläche oder die Linie oder andere dezidierte Anwendungen umgesetzt werden.This reassessment will consequently, also due to a better cost structure, lead to the use of fewer LEDs whose system, operating and ecological parameters are optimized. The original light distribution of the individual light pixels (many micro LEDs) must then be implemented into the surface or line or other dedicated applications through the use of adapted light guides.
Den neuen Lichtleitern kommt die Aufgabe zu:
- - hocheffizient das Licht von LeistungsLED in den Lichtleiter einzukoppeln (
3 ) - - durch geometrische dreidimensionale Formgebung das Licht zum Anwendungsorten / den Anwendungsorten/ zu leiten (
4 ) - - das Licht und dessen Verteilung möglichst präzise gemäß der Anwendung auszukoppeln (
5 ,5a) - - Typisch eine Vielzahl von präzisen Leuchtpixeln zu erzeugen, die bisher durch micro LED Bauelemente dargestellt wurden. (
7 )
- - highly efficient coupling of the light from power LEDs into the light guide (
3 ) - - to guide the light to the application location(s) through geometric three-dimensional shaping (
4 ) - - to decouple the light and its distribution as precisely as possible according to the application (
5 ,5a) - - Typically to generate a large number of precise light pixels, which were previously represented by micro LED components. (
7 )
Stand der Technik:State of the art:
Lichtleiter sind bekannt als:
- A) Flächenlichtleiter, in die das Licht in der Regel über Kanteneinkopplung mit LED bestückten Platinen eingebracht wird.
Die Auskopplung geschieht über
- - räumliche Strukturierung einer oder mehrerer Oberflächen des Lichtleiters
- - mechanisch oder per Laser aufgeraute Oberfläche(n)
- - diffus transparentes Material des Lichtleiters
- - im Material eingebetteten lichtstreuenden Partikel.
- - Mit optischen Elementen mikrostrukturierte Oberfläche
1 ) Ebenfalls bekannt sind Flächenleuchten, bei denen viele LED auf einer Platine in der Fläche verteilt offen oder hinter einer diffusen oder transparenten Abdeckung angeordnet sind. (2 ) - B) lineare, oft gebogene Lichtleiter mit rundem, ovalen, rechteckigem Querschnitt, in die das Licht einer Lichtquelle stirnseitig einkoppelt wird.
Die Auskopplung geschieht über
- - räumliche Strukturierung einer oder mehrerer Oberflächen des Lichtleiters
- - mechanisch oder per Laser aufgeraute Oberfläche(n)
- - diffus transparentes Material des Lichtleiters
- - im Material eingebetteten lichtstreuenden Partikel.
- A) Surface light guides, into which the light is usually introduced via edge coupling with LED-equipped circuit boards. The decoupling happens via
- - spatial structuring of one or more surfaces of the light guide
- - surface(s) roughened mechanically or by laser
- - diffusely transparent material of the light guide
- - light-scattering particles embedded in the material.
- - Microstructured surface with optical elements
1 ) Also known are panel lights in which many LEDs are arranged openly on a circuit board over the surface or behind a diffuse or transparent cover. (2 ) - B) linear, often curved light guides with round, oval, rectangular cross-sections, into which the light from a light source is coupled at the front. The decoupling happens via
- - spatial structuring of one or more surfaces of the light guide
- - surface(s) roughened mechanically or by laser
- - diffusely transparent material of the light guide
- - light-scattering particles embedded in the material.
Lineare Lichtleiter werden für (farbige) Leuchtanzeigen, Begrenzungsmarkierungen und Beleuchtungsanwendungen, häufig in der Fahrzeugtechnik, angewandt.Linear light guides are used for (colored) light displays, boundary markings and lighting applications, often in automotive technology.
Zeichnungen:Drawings:
-
1 Flächenlichtleiter als Leuchte1 Surface light guide as a luminaire -
2 LED array als Leuchte2 LED array as a light -
3 Linearer Lichtleiter mit Einkoppel Kollimator3 Linear light guide with coupling collimator -
4 Dreidimensionale Lichtleiter mit diskreten Lichtauskoppel-Schnittstellen4 Three-dimensional light guides with discrete light output interfaces -
5 Auskoppeloptik und Lichtverteilung5 Coupling optics and light distribution -
5a Auskoppeloptikvarianten mit einstellbarer Lichtverteilung5a Coupling optics variants with adjustable light distribution -
6a lineare Lichtleiter speisen Flächenlichtleiter über diskrete Einkoppelschnittstellen6a Linear light guides feed surface light guides via discrete coupling interfaces -
6b zirkularer Lichtleiter speist Zirkularen Lichtleiter von innen über diskrete Einkoppelschnittstellen6b circular light guide feeds circular light guide from the inside via discrete coupling interfaces -
6c zirkularer Lichtleiter speist Zirkularen Lichtleiter von außen über diskrete Einkoppelschnittstellen6c circular light guide feeds circular light guide from outside via discrete coupling interfaces -
7 Mehrfach - linearer Fingerlichtleiter mit flächig regelmässiger Lichtauskopplung7 Multiple - linear finger light guide with regular light extraction across the area -
7a Mehrfach - linearer Fingerlichtleiter mit flächig regelmässiger Lichtauskopplung und doppelter Einspeisung7a Multiple - linear finger light guide with regular light extraction over the surface and double feed -
8 Flächenlichtleiter mit integriertem Lininenlichtleiter und Einkoppelschnittstellen8th Surface light guide with integrated linear light guide and coupling interfaces -
8a Zirkularer Flächenlichtleiter mit integriertem Lininenlichtleiter und Einkoppelschnittstellen8a Circular surface light guide with integrated linear light guide and coupling interfaces
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