DE10214566B4

DE10214566B4 - Homogen paralleles Licht emittierende Leuchtdiode

Info

Publication number: DE10214566B4
Application number: DE10214566A
Authority: DE
Inventors: Volker Frese; Markus Dr. Kamp
Original assignee: Odelo Led GmbH
Current assignee: Odelo Led GmbH
Priority date: 2002-04-02
Filing date: 2002-04-02
Publication date: 2007-05-24
Anticipated expiration: 2022-04-03
Also published as: AU2003233924A8; AU2003233924A1; WO2003083943A3; DE10214566A1; WO2003083943A2; DE10391138D2

Abstract

Leuchtdiode zur homogenen Ausleuchtung von Flächen mit parallel verlaufenden Lichtstrahlen mit einem Linsenkörper und einem LED-Halbleiterchip,
wobei der Linsenkörper (2) der Leuchtdiode (1) eine Fresnellinse (3) zur Abstrahlung von Lichtstrahlen mit parallelem Strahlengang aufweist und
Totalreflexionsflächen (5) in der Fresnellinse (3) vorgesehen sind und
wobei mit Hilfe der Totalreflexionsflächen (5) ein Anteil der Strahlung aus dem Strahlengang herausreflektiert wird, der genau so groß ist, dass die Intensitätsverteilung konstant über die Lichtaustrittsfläche der LED (1) ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Leuchtdiode (LED) und eine Lichtquelle umfassend eine Mehrzahl von Leuchtdioden zur homogenen Ausleuchtung von Flächen mit parallel verlaufenden Lichtstrahlen.

Aus der JP 5-102 528 A ist eine aus Harz in einer Metallform gegossene Leuchtdiode bekannt. Ihre Fresnellinse verfügt über Entnahmeschrägen, um die Leuchtdiode beschädigungsfrei aus der Form entnehmen zu können. Diese Entnahmeschrägen sind parallel zueinander angeordnet.

Bisher werden Leuchtdioden (LED's) beispielsweise einzeln als Leuchtindikatoren oder in regelmäßigen Abständen angeordnet, als sogenannte LED-Arrays oder LED-Displays zur Darstellung von alphanumerischen Zeichen oder Bildern verwendet. In einer LED erzeugt dabei ein LED-Halbleiterchip in einem Linsenkörper aus Kunststoff oder Epoxydharz Licht mittels Elektrolumineszenz. Durch die elektrisch leitende Kontaktierung des LED-Halbleiterchips mit einem Leiterrahmen, einem Stanzteil aus Metall, auf welchem der LED-Halbleiterchip zumeist innerhalb eines Reflektors aufgeklebt ist, wird die Stromzufuhr zum LED-Halbleiterchip gewährleistet.

Infolge gestiegener Lichtleistungen der eingesetzten LED-Halbleiterchips werden LED's in zunehmendem Maße auch für Beleuchtungszwecke eingesetzt. Insbesondere industriell eingesetzte optische Inspektionssysteme verwenden häufig LED's als Lichtquelle zur Beleuchtung von zu untersuchenden Objekten, da einerseits aufgrund des schmalbandigen Emissionsspektrums der LED's ein störlichtunempfindlicher Aufbau des Inspektionssystems erreicht werden kann und andererseits LED's eine hohe Lebensdauer aufweisen. Die LED's werden dabei zumeist in einer LED-Gruppierung aber auch einzeln als Lichtquelle eingesetzt.

Werden mit einem optischen Inspektionssystem spiegelnde Oberflächen, beispielsweise metallische Oberflächen, kontrolliert, wird zusätzlich zur homogenen Ausleuchtung der zu kontrollierenden Fläche auch ein möglichst paralleler Strahlengang der Lichtstrahlen der Lichtquelle gefordert.

Bisher bekannte Beleuchtungssysteme zur Ausleuchtung von spiegelnden Oberflächen sind mit einer Mehrzahl von in einer LED-Gruppierung angeordneten LED's mit einer konventionellen konvexen Linse ausgestattet. Die konventionellen LED's gewährleisten dabei zwar einen relativ parallelen Strahlengang der emittierten Lichtstrahlen, erzeugen jedoch auf der Oberfläche ein unerwünschtes Punktraster aufgrund der räumlichen Intensitätsverteilung der emittierten Lichtstrahlen, die im Bereich der optischen Achse der LED ein Maximum aufweist. Die räumliche Intensitätsverteilung resultiert dabei aus der annähernd kosinusförmigen Abhängigkeit der Intensitätsverteilung vom Betrachtungswinkel des als Flächenstrahlers abstrahlenden LED-Halbleiterchips. Zur Unterdrückung des Punktrasters werden Diffusorscheiben, in denen die Lichtstrahlen an eingebrachten Streukörpern diffus gestreut werden, zwischen Objekt und Lichtquelle gebracht. Durch diese Maßnahme geht jedoch die Parallelität des Strahlengangs verloren.

Ausgehend von dem beschriebenen, bekannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine LED sowie eine eine Mehrzahl von LED's umfassende Lichtquelle zur Verfügung zu stellen, welche eine homogene Ausleuchtung von Flächen mit parallel verlaufenden Lichtstrahlen ermöglicht.

Gemäß der ersten Lehre der Erfindung wird die zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe dadurch gelöst, dass der Linsenkörper der LED eine Fresnellinse zur Abstrahlung von Lichtstrahlen mit parallelem Strahlengang aufweist und Totalreflexionsflächen in der Fresnellinse vorgesehen sind. Eine Fresnellinse besteht dabei aus Ringzonen, die jeweils ein Bündel an Lichtstrahlen in eine gewünschte Richtung brechen. Die vom LED-Halbleiterchip im Linsenkörper emittierten Lichtstrahlen werden beim Austritt in den Außenraum an den Flächen der Ringzonen der Fresnellinse gebrochen, so dass im Außenraum der Strahlengang der Lichtstrahlen parallel verläuft. Zusätzlich wird das vom LED-Halbleiterchip in den Linsenkörper der LED emittierte Licht an den Totalreflexionsflächen wieder in den Linsenkörper reflektiert, so dass die reflektierten Lichtstrahlen in Abstrahlrichtung nicht in den Außenraum gelangen. Durch die Anordnung der Totalreflexionsflächen wird eine Absenkung des Intensitätsmaximums erreicht, so dass eine konstante Intensitätsverteilung über die Lichtaustrittsfläche der LED gewährleistet werden kann. Darüber hinaus kann durch die Auswahl der Position und Größe der Totalreflexionsflächen auch beim Einsatz verschiedener Rohmaterialien, beispielsweise unterschiedlicher LED-Halbleiterchips oder Reflektoren, welche zu unterschiedlichen Intensitätsverteilungen im Linsenkörper führen, die Intensitätsverteilung über die Lichtaustrittsfläche der LED konstant gehalten werden. Eine erfindungsgemäße LED kann somit eine Fläche des auszuleuchtenden Objektes von der Größe der Lichtaustrittsfläche der LED homogen mit parallel verlaufenden Lichtstrahlen ausleuchten. Aufgrund des parallelen Strahlengangs der emittierten Lichtstrahlen kann der Abstand einer erfindungsgemäßen LED zum auszuleuchtenden Objekt oder beispielsweise zu einer Sekundäroptik, welche zwischen der LED und dem auszuleuchtenden Objekt angeordnet ist, frei gewählt werden. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn hohe Umgebungstemperaturen den Einsatz von LED's in unmittelbarer Nähe der auszuleuchtenden Fläche ausschließen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung erfährt die erfindungsgemäße LED dadurch, dass der Linsenkörper der LED zumindest im Bereich der Lichtaustrittsfläche einen hexagonalen Querschnitt aufweist. Die LED's lassen sich so in einer hexagonal dichten Packung in einer LED-Gruppierung anordnen, ohne dass es im wesentlichen zur Ausbildung nichtstrahlender Flächen zwischen den LED's kommt.

Die Parallelität des Strahlengangs der von einer in einer LED-Gruppierung angeordneten LED ausgesandten Lichtstrahlen kann dadurch weiter verbessert werden, dass, gemäß einer nächsten weitergebildeten Ausführungsform, die LED einen sich in Abstrahlrichtung vergrößernden Querschnitt aufweist. Über die Kontaktflächen benachbarter LED's können beispielsweise an den Totalreflexionsflächen reflektierte Lichtstrahlen in benachbarte LED's eingestrahlt und durch die benachbarte LED unter Verletzung der Parallelität in den Außenraum emittiert werden. Durch den sich in Abstrahlrichtung vergrößernden Querschnitt der LED werden die Kontaktflächen benachbarter LED's jedoch deutlich reduziert, womit gleichzeitig das Einstrahlen von reflektierten Lichtstrahlen in benachbarte LED's minimiert wird.

Eine besonders einfache Anpassung an die Reflexionseigenschaften der Oberfläche der zu untersuchenden Objekte kann dadurch erreicht werden, dass die LED Licht im sichtbaren, infraroten oder ultravioletten Wellenlängenbereich emittiert.

Ist, gemäß einer nächsten weitergebildeten Ausführungsform der erfindungsgemäßen LED, ein unter Verwendung des Spritzgießverfahrens hergestellter Linsenkörper vorgesehen, kann die benötigte Präzision in der Ausprägung der Fresnellinse auch in einer Massenproduktion in guter Qualität sichergestellt werden.

Die Herstellung einer erfindungsgemäßen LED ist jedoch auch unter Verwendung des konventionellen Epoxydharz-Gießverfahrens vorstellbar.

Gemäß einer zweiten Lehre der Erfindung wird die zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe durch eine Lichtquelle umfassend eine Mehrzahl erfindungsgemäßer LED's dadurch gelöst, dass die LED's in einer Gruppierung eine geschlossene Leuchtfläche bildend angeordnet sind. Die erfindungsgemäße Lichtquelle vergrößert dabei die ausleuchtbare Fläche, ohne dabei das typische Punktraster zu erzeugen.

Wird die erfindungsgemäße Lichtquelle gemäß der zweiten Lehre der Erfindung dadurch weitergebildet, dass die LED's in einer Gruppierung hexagonal dicht gepackt, eine geschlossene Leuchtfläche bildend angeordnet sind, so kann eine maximale Dichte an LED's in der Lichtquelle realisiert werden und die Intensität auf der auszuleuchtenden Fläche maximiert werden.

Die Ausleuchtung einer Fläche, die größer als die geschlossene Leuchtfläche der Lichtquelle ist, kann, gemäß einer nächsten weitergebildeten Ausführungsform der Lichtquelle, dadurch erreicht werden, dass mindestens eine Streuscheibe zwischen den LED's und der zu beleuchtenden Fläche zur Aufweitung der parallelen Lichtstrahlen in einer Raumebene vorgesehen ist. Dabei bleibt die Parallelität der Lichtstrahlen in der Raumebene senkrecht zur Aufweitungsebene erhalten, so dass die Kontrolle von spiegelnden Oberflächen weiterhin durchgeführt werden kann.

Vorzugsweise ist, gemäß einer weitergebildeten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lichtquelle, mindestens eine Walzenplatte als Streuplatte vorgesehen. Eine Walzenplatte besteht dabei aus einer Platte aus transparentem Material, beispielsweise Kunststoff oder Glas, wobei eine Seite der Walzenplatte walzenförmige, parallel verlaufende und aneinander gereihte Erhebungen aufweist. Der benötigte Aufweitungswinkel der parallelen Lichtstrahlen kann durch Variation der Anzahl und Krümmung der Walzenstrukturen eingestellt werden. Weiterhin ist es ebenso möglich eine diffuse Streuscheibe zwecks Vergrößerung der Ausleuchtfläche einzusetzen, wenn eine Parallelität des Strahlengangs nicht gefordert wird.

Es gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, sowohl die LED gemäß der ersten Lehre der Erfindung, als auch die Lichtquelle gemäß der zweiten Lehre der Erfindung vorteilhaft auszugestalten und weiterzubilden. Hierzu wird beispielsweise verwiesen einerseits auf die den Patentansprüchen 1 und 7 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt:
1 im Schnitt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen LED zur homogenen Ausleuchtung von Flächen mit parallel verlaufenden Lichtstrahlen,
1a Vergrößerter Ausschnitt aus 1
2 eine Aufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Lichtquelle gemäß der zweiten Lehre der Erfindung und
3 im Schnitt ein Ausführungsbeispiel einer Streuscheibe zur Verwendung in Verbindung zusammen mit einer Lichtquelle gemäß der zweiten Lehre der Erfindung.
Das in 1 im Schnitt dargestellte erste Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen LED 1 zur homogenen Ausleuchtung von Flächen mit parallel verlaufenden Lichtstrahlen weist einen Linsenkörper 2 mit einer Fresnellinse 3 und einem LED-Halbleiterchip 4 auf. Vorzugsweise ist der LED-Halbleiterchip 4 in einen hier nicht dargestellten Reflektor eingeklebt. Die Fresnellinse 3 weist zusätzlich Totalreflexionsflächen 5 im Bereich der optischen Achse der LED auf.
Die vom LED-Halbleiterchip 4 in den Linsenkörper 2 emittierten Lichtstrahlen 6 werden beim Austritt in den Außenraum durch die in konzentrischen Ringen ausgebildeten Rippen der Fresnellinse 3 derart gebrochen, dass im Außenraum die Lichtstrahlen parallel in Abstrahlrichtung verlaufen. Zur Ausbildung einer konstanten Intensitätsverteilung auf der Lichtaustrittsfläche der LED wird die kosinusförmige Intensitätsverteilung des als Flächenstrahler abstrahlenden LED-Halbleiterchips 4 mit Hilfe der Totalreflexionsflächen 5 korrigiert. Die Totalreflexionsflächen 5 sind dabei konzentrisch um die optische Achse der LED 1 angeordnet, vgl. auch 1a. Treffen Lichtstrahlen 6, vom LED-Halbleiterchip 4 emittiert, direkt die Totalreflexionsflächen 5, so werden sie vollständig in den Linsenkörper der LED 1 reflektiert. Die entsprechenden Lichtstrahlen gelangen somit nicht in Abstrahlrichtung in den Außenraum. Werden Flächeninhalt und Position der konzentrischen Totalreflexionsflächen 5 dabei abhängig von der räumlichen Intensitätsverteilung der vom LED-Halbleiterchip 4 emittierten Lichtstrahlen im Linsenkörper der LED gewählt, kann nicht nur eine Mittenintensitätsabsenkung erreicht werden, sondern die Intensitätsverteilung der Lichtstrahlen in Abstrahlrichtung im Außenraum über die gesamte Lichtaustrittsfläche der LED 1 konstant gehalten werden.
Wie weiter der 1 zu entnehmen ist, weist der Linsenkörper 2 der LED einen sich in Abstrahlrichtung vergrößernden Querschnitt auf. Beim dichten Anordnen mehrerer LED's 1, beispielsweise in einer LED-Gruppierung, berühren sich benachbarte LED's nur im Bereich der Fresnellinse 3, so dass extrem kleine Berührungsflächen entstehen. Lichtstrahlen 6, welche durch die Totalreflexionsflächen 5 in den Linsenkörper der LED's 1 reflektiert worden sind, werden daher nur zu einem kleinen Teil in benachbarte LED's eingestreut. Hierdurch wird der Austritt von reflektierten Lichtstrahlen 6 in Abstrahlrichtung reduziert. Eine verbesserte Parallelität des Strahlengangs mit weniger Streulicht ist die Folge.
In 2 ist eine Aufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Lichtquelle gemäß der zweiten Lehre der vorliegenden Erfindung dargestellt. Wie 2 zeigt, ist eine Mehrzahl von LED's 1 in einer LED-Gruppierung 7 in einer hexagonal dichten Packung angeordnet, so dass die Lichtaustrittsflächen der LED's 1 eine geschlossene Leuchtfläche bilden. Aufgrund des parallelen Strahlengangs der emittierten Lichtstrahlen und der konstanten Intensitätsverteilung über die gesamte Leuchtfläche der LED-Gruppierung 7 kann eine große Fläche homogen mit parallel verlaufenden Lichtstrahlen ausgeleuchtet werden, ohne das typische Punktraster einer herkömmlichen LED-Gruppierung zu erzeugen.
3 zeigt wiederum im Schnitt eine als Walzenplatte 8 ausgebildete Streuscheibe, welche zur Aufweitung der parallelen Lichtstrahlen 10 einer in 3 nicht dargestellten erfindungsgemäßen Lichtquelle 7 oder LED 1 eingesetzt wird. Die Walzenplatte 8 weist dabei nebeneinanderliegende, parallel verlaufende Walzenstrukturen 9 auf einer Seite der aus optisch transparentem Material bestehenden Walzenplatte 8 auf. Parallel verlaufende, auf die Walzenplatte 8 auftreffende Lichtstrahlen 10 werden nur in der Ebene senkrecht zu den Walzenstrukturen 9 gebrochen und aufgeweitet. Durch das aufgeweitete Strahlenbündel kann jetzt eine größere Fläche homogen ausgeleuchtet werden, wobei die Parallelitätsbedingungen nur noch in der Ebene parallel zu den auf der Walzenplatte 8 verlaufenden Walzenstrukturen 9 eingehalten ist. Aufgrund des parallelen Strahlengangs einer erfindungsgemäßen LED 1 oder Lichtquelle 7 kann der Abstand zur Walzenplatte 8 nahezu beliebig gewählt werden.

1: LED
2: Linsenkörper
3: Fresnellinse
4: LED-Halbleiterchip
5: Totalreflexionsflächen
6: Lichtstrahlen
7: Lichtquelle
8: Walzenplatte
9: Walzenstruktur
10: Lichtstrahlen

Claims

Leuchtdiode zur homogenen Ausleuchtung von Flächen mit parallel verlaufenden Lichtstrahlen mit einem Linsenkörper und einem LED-Halbleiterchip, wobei der Linsenkörper (2) der Leuchtdiode (1) eine Fresnellinse (3) zur Abstrahlung von Lichtstrahlen mit parallelem Strahlengang aufweist und Totalreflexionsflächen (5) in der Fresnellinse (3) vorgesehen sind und wobei mit Hilfe der Totalreflexionsflächen (5) ein Anteil der Strahlung aus dem Strahlengang herausreflektiert wird, der genau so groß ist, dass die Intensitätsverteilung konstant über die Lichtaustrittsfläche der LED (1) ist.
Leuchtdiode nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Linsenkörper (2) der Leuchtdiode zumindest im Bereich der Lichtaustrittsfläche einen hexagonalen Querschnitt aufweist.
Leuchtdiode nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtdiode einen sich in Abstrahlrichtung vergrößernden Querschnitt aufweist.
Leuchtdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtdiode Licht im sichtbaren, infraroten oder ultravioletten Wellenlängenbereich emittiert.
Leuchtdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass der Linsenkörper (2) unter Verwendung des Spritzgießverfahrens hergestellt wird.
Lichtquelle umfassend eine Mehrzahl von Leuchtdioden nach einem der Ansprüche 1 bis 5 wobei die Leuchtdioden (1) in einer Gruppierung eine geschlossene Leuchtfläche bildend angeordnet sind.
Lichtquelle umfassend eine Mehrzahl von Leuchtdioden nach einem der Ansprüche 3 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtdioden (1) in einer Gruppierung hexagonal dicht gepackt, eine geschlossene Leuchtfläche bildend angeordnet sind.
Lichtquelle nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Streuscheibe zwischen den Leuchtdioden und der zu beleuchtenden Fläche zur Aufweitung der parallelen Lichtstrahlen in einer Raumebene vorgesehen ist.
Lichtquelle nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Walzenplatte (8) als Streuscheibe vorgesehen ist.