DE212019000457U1

DE212019000457U1 - Beleuchtungsvorrichtung mit Trennplatte

Info

Publication number: DE212019000457U1
Application number: DE212019000457.1U
Authority: DE
Original assignee: Lumileds LLC
Current assignee: Lumileds LLC
Priority date: 2018-12-19
Filing date: 2019-12-09
Publication date: 2021-08-04
Anticipated expiration: 2029-12-10
Also published as: US20200200350A1; US10955101B2; TW202032059A; CN216670383U; WO2020126603A1

Abstract

Beleuchtungsvorrichtung, umfassend:
ein lichtemittierendes Element mit einer lichtemittierenden Fläche;
einen Lichtleiter mit einer Lichteintrittsfläche, wobei der Lichtleiter dafür ausgelegt ist, Licht, das von dem lichtemittierenden Element emittiert wird, mittels Totalreflexion zu leiten; und
eine Trennplatte, die eine erste Fläche und eine zweite Fläche umfasst, wobei die erste Fläche in direktem Kontakt mit der Lichteintrittsfläche angeordnet ist und die zweite Fläche gegenüber der lichtemittierenden Fläche angeordnet ist, die Trennplatte so angeordnet ist, dass ein Mindestabstand zwischen der lichtemittierenden Fläche und der Lichteintrittsfläche 300 µm oder weniger beträgt und die Trennplatte so angeordnet ist, dass zumindest abschnittsweise ein Spalt zwischen dem lichtemittierenden Element und der Trennplatte bereitgestellt wird.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung, die mindestens ein lichtemittierendes Element, wie etwa eine Leuchtdiode (LED), und einen Lichtleiter zum Leiten von Licht, das von dem lichtemittierenden Element emittiert wird, umfasst.
ALLGEMEINER TECHNISCHER HINTERGRUND
Beleuchtungsvorrichtungen können optische Elemente wie Kollimatoren umfassen, die dafür ausgelegt sind, einen gelenkten Lichtstrahl aus dem Licht zu formen, das von einer Lichtquelle emittiert wird. Zum Beispiel kann mittels eines Kollimators ein Strahl mit spezifischen Abmessungen und spezifischer Intensitätsverteilung aus dem von einer Lichtquelle emittierten Licht erhalten werden. Kollimatoren sind insbesondere für lichtemittierende Elemente wie LEDs nützlich, die eine relativ breite Emissionswinkelverteilung, z.B. eine Lambertsche Emissionsverteilung, aufweisen.
Optische Elemente können als Lichtleiter ausgelegt sein. Licht kann in eine Eintrittsfläche des Lichtleiters eingekoppelt werden, und beispielsweise wird eine Kollimation unter anderem auf Basis einer Totalreflexion von Licht an Seitenflächen des Lichtleiters bewirkt. Die Effektivität der Beleuchtungsvorrichtung hängt entscheidend von der Lichtmenge ab, die in die Eintrittsfläche des Lichtleiters eingekoppelt wird. Somit ist es typischerweise anzustreben, das lichtemittierende Element und den Lichtleiter so nah wie möglich anzuordnen, um die Lichtmenge zu maximieren, die in die Lichteintrittsfläche eingekoppelt wird.
Außerdem hängt die Effektivität des Lichtleiters ferner von der Totalreflexionsrate und daher von der Winkelverteilung des in den Lichtleiter eintretenden Lichtes ab. Lichtemittierende Elemente umfassen typischerweise lichtemittierende keramische Oberflächen, und transparente Materialien mit hohen Brechungsindizes, wie etwa Silikon, werden für den Lichtleiter verwendet. Ein direkter optischer Kontakt zwischen einer lichtemittierenden Fläche des lichtemittierenden Elements und der Lichteintrittsfläche des Lichtleiters ist zu vermeiden. Stattdessen wird ein Luftspalt zwischen der lichtemittierenden Fläche und der Lichteintrittsfläche gelassen, da das Licht an der Grenzfläche zwischen der lichtemittierenden Fläche und der Luft und der Luft und der Lichteintrittsfläche gebrochen wird, so dass eine größere Menge an Licht einer Totalreflexion unterworfen werden kann. Ein direkter optischer Kontakt würde im Gegensatz dazu zu einer vergleichsweise ungünstigen Lichtbrechung an der Grenzfläche der lichtemittierenden Fläche und der Lichteintrittsfläche und einem erheblichen Verlust an Intensität des kollimierten Lichtes führen. Außerdem wird blaues Licht im Vergleich zu umgewandeltem gelbem Licht effizienter aus dem lichtemittierenden Element extrahiert, was zu einer Farbverschiebung des kollimierten Lichtes führt, insbesondere dann, wenn es zu Wärmespannungen kommt.
Daher werden das lichtemittierende Element und der Lichtleiter üblicherweise mit einem beträchtlich großen Luftspalt zwischen lichtemittierender Fläche und Lichteintrittsfläche angeordnet, um einen solchen optischen Kontakt zu vermeiden. Der Abstand zwischen der lichtemittierenden Fläche und der Lichteintrittsfläche wird typischerweise mit Blick auf die Wärmeausdehnung des Lichtleiters und die Fertigungstoleranzen gewählt, wodurch die Lichtmenge, die in die Lichteintrittsfläche eingekoppelt wird, verringert wird.
Somit benötigen Beleuchtungsvorrichtungen, die Lichtleiter als Kollimatoren umfassen, immer noch eine weitere Optimierung in Bezug auf die Lichtmenge, die in den Lichtleiter eingekoppelt wird, und die Effektivität der Kollimation.
ABRISS DER ERFINDUNG
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Beleuchtungsvorrichtung, die einen Lichtleiter umfasst, wobei die Menge an geleitetem Licht weiter optimiert ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Fertigung einer Beleuchtungsvorrichtung und einen Automobilscheinwerfer, der eine erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung (22) umfasst.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Beleuchtungsvorrichtung bereit gestellt, die umfasst: mindestens ein lichtemittierendes Element mit einer lichtemittierenden Fläche; einen Lichtleiter mit einer Lichteintrittsfläche, wobei der Lichtleiter dafür ausgelegt ist, Licht, das von dem lichtemittierenden Element emittiert wird, mittels Totalreflexion zu leiten; und eine Trennplatte, die eine erste Fläche und eine zweite Fläche aufweist, wobei die erste Fläche in direktem Kontakt mit der Lichteintrittsfläche angeordnet ist, wobei die zweite Fläche der lichtemittierenden Fläche gegenüber angeordnet ist, und wobei die Trennplatte so angeordnet ist, dass ein Mindestabstand zwischen der lichtemittierenden Fläche und der Lichteintrittsfläche 300 µm oder weniger beträgt.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Fertigung einer Beleuchtungsvorrichtung bereit gestellt, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen mindestens eines lichtemittierenden Elements mit einer lichtemittierenden Fläche; Bereitstellen eines Lichtleiters mit einer Lichteintrittsfläche, wobei der Lichtleiter dafür ausgelegt ist, Licht, das von dem lichtemittierenden Element emittiert wird, mittels Totalreflexion zu leiten; Bereitstellen einer Trennplatte, die eine erste Fläche und eine zweite Fläche umfasst; Anordnen der ersten Fläche in direktem Kontakt mit der Lichteintrittsfläche; und Anordnen der zweiten Fläche gegenüber der lichtemittierenden Fläche so, dass ein Mindestabstand zwischen der lichtemittierenden Fläche und der Lichteintrittsfläche 300 µm oder weniger beträgt.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Automobilscheinwerfer bereit gestellt, der eine erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung umfasst.
Ausführungsbeispiele für den ersten, den zweiten und den dritten Aspekt der Erfindung weisen oder weisen möglicherweise eine oder mehrere von den folgenden Eigenschaften auf wie nachstehend beschrieben.
Das mindestens eine lichtemittierende Element weist eine lichtemittierende Fläche auf, die beispielsweise eine Fläche des lichtemittierenden Elements ist, welche die höchste Intensität von emittiertem Licht bereitstellen kann. Genauer kann das lichtemittierende Element eine im Wesentlichen plane Form aufweisen, wobei eine von den Hauptflächen der planen Form als lichtemittierende Fläche ausgelegt ist. In manchen Ausführungsformen kann die lichtemittierende Fläche auf Halbleiterelementen basieren. Das lichtemittierende Element kann insbesondere eine lichtemittierende Fläche aufweisen, die (halbtransparentes oder transparentes) keramisches Material, insbesondere ein keramisches Material auf Basis von Aluminiumoxid, und/oder eine Wellenlängenumwandlungsplatte umfasst oder aus diesen besteht.
Der Lichtleiter ist dafür ausgelegt, Licht, das von dem lichtemittierenden Element emittiert wird, mittels Totalreflexion zu leiten, und umfasst transparentes Material oder besteht aus einem solchen. Der Lichtleiter kann Seitenflächen aufweisen, die so geformt sind, dass sie Licht so leiten, dass Licht, das einer Totalreflexion an den Seitenflächen unterworfen wird, mit einer bestimmten Strahlform und Intensitätsverteilung zu einer Lichtaustrittsfläche des Lichtleiters umgelenkt wird. Die Form der Lichteintrittsfläche kann der Form der lichtemittierenden Fläche des lichtemittierenden Elements angepasst sein. Genauer kann die Lichteintrittsfläche eine plane und/oder rechtwinklige Form aufweisen, die der Form der lichtemittierenden Fläche entspricht. In manchen Ausführungsformen weist der Lichtleiter eine sich aufweitende Form auf, weil der Querschnitt des Lichtleiters von der Lichteintrittsfläche zu der Lichtaustrittsfläche kontinuierlich größer wird. Die Form der Lichtaustrittsfläche des Lichtleiters kann in Form und/oder Seitenverhältnis von der Lichteintrittsfläche abweichen.
Gemäß der Erfindung wird ein Mindestabstand zwischen der lichtemittierenden Fläche und der Lichteintrittsfläche von 300 µm oder weniger bereitgestellt. Genauer kann der Mindestabstand zwischen der lichtemittierenden Fläche und der Lichteintrittsfläche kleiner sein als der Mindestabstand, der typischerweise nötig ist, um einen optischen Kontakt aufgrund von Wärmeausdehnung und aufgrund von Fertigungstoleranzen zu vermeiden, was die Lichtmenge, die in die Lichteintrittsfläche eingekoppelt wird, beträchtlich erhöht. Gleichzeitig wird ein direkter optischer und mechanischer Kontakt zwischen der lichtemittierenden Fläche und der Lichteintrittsfläche vermieden. Es wird eine Trennplatte bereitgestellt, die eine erste Fläche und eine zweite Fläche aufweist, wobei die erste Fläche in direktem Kontakt mit der Lichteintrittsfläche angeordnet ist, und wobei die zweite Fläche gegenüber der lichtemittierenden Fläche angeordnet ist. Das heißt, die Trennplatte ist zwischen dem lichtemittierenden Element und dem Lichtleiter angeordnet.
Die erste Fläche der Trennplatte kann in direktem mechanischem und insbesondere in direktem optischem Kontakt mit der Lichteintrittsfläche stehen. Somit kann die Trennplatte als mechanische Barriere für die Position des Lichtleiters dienen. Ein optischer Kontakt des lichtemittierenden Elements und des Lichtleiters aufgrund von Wärmeausdehnung oder Toleranzen in der Anordnung und der Größe des Lichtleiters wird daher vermieden, da die Trennplatte sicherstellen kann, dass ein Mindestabstand zwischen dem lichtemittierenden Element und dem Lichtleiter aufrechterhalten wird. Die Trennplatte gemäß der Erfindung ermöglicht auch zumindest abschnittsweise einen Spalt zwischen dem lichtemittierenden Element und der Trennplatte, so dass eine Brechungswirkung eintritt, die für die Totalreflexion in dem Lichtleiter von Vorteil ist. Der Spalt kann zum Beispiel mit Luft gefüllt sein, die einen Brechungsindex aufweist, der niedriger ist als der Brechungsindex der lichtemittierenden Fläche und des Lichtleiters.
Bei der Beleuchtungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung können somit ein lichtemittierendes Element und ein Lichtleiter sehr nahe aneinander positioniert werden, um die Lichtmenge, die in die lichtemittierende Fläche eingekoppelt wird, zu optimieren, während gleichzeitig ein optischer Kontakt zwischen dem lichtemittierenden Element und dem Lichtleiter vermieden wird, wodurch die Totalreflexion in dem Lichtleiter optimiert wird.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Lichtleiter dafür ausgelegt, Licht, das von dem lichtemittierenden Element emittiert wird, mittels Totalreflexion zu kollimieren. Das heißt, der Lichtleiter ist als Kollimator für das von dem lichtemittierenden Element emittierte Licht ausgelegt.
Da die Trennplatte sicherstellt, dass das lichtemittierende Element und der Lichtleiter nicht in optischem Kontakt miteinander stehen, kann der Mindestabstand noch weiter verringert werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Trennplatte so angeordnet, dass der Mindestabstand zwischen der lichtemittierenden Fläche und der Lichteintrittsfläche 150 µm oder weniger beträgt. Da die Menge an eingekoppeltem Licht typischerweise umso größer ist, je kleiner ein Abstand zwischen der lichtemittierenden Fläche und der Lichteintrittsfläche ist, ist die Effektivität der Beleuchtungsvorrichtung noch weiter verbessert. In manchen Ausführungsformen beträgt der Mindestabstand zwischen der lichtemittierenden Fläche und der Lichteintrittsfläche 50 µm oder weniger, was zu einer besonders hohen Effizienz führt.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Trennplatte eine Dicke von der ersten Fläche zu der zweiten Fläche von 50 µm oder weniger auf. Da die Trennplatte zwischen dem lichtemittierenden Element und dem Lichtleiter positioniert ist, kann eine Trennplatte, die weniger dick ist, eine Anordnung mit einem kleineren Mindestabstand und somit einer verbesserten Lichteinkopplung bereitstellen. Genauer kann eine Dicke von 30 µm oder weniger bereitgestellt werden. In manchen Ausführungsformen kann die Dicke der Trennplatte deutlich geringer gewählt werden, wobei die Mindestdicke der Trennplatte nur durch Überlegungen hinsichtlich der Mechanik, d.h. der Stabilität der Trennplatte angesichts der Wärmeausdehnung der anderen Elemente der Beleuchtungsvorrichtung, beschränkt sein könnte. Eine Mindestdicke der Trennplatte von der ersten Fläche zu der zweiten Fläche kann 3 µm, insbesondere 10 µm betragen.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird mindestens ein Abstandshalterelement bereitgestellt, wobei das mindestens eine Abstandshalterelement dafür ausgelegt ist, die zweite Fläche in einem vorgegebenen Mindestabstand zu der lichtemittierenden Fläche anzuordnen. Der vorgegebene Mindestabstand zwischen der zweiten Fläche und dem lichtemittierenden Element stellt die Mindestdicke des Spalts dar, welche die oben genannte vorteilhafte Brechungswirkung liefert, wobei der Spalt beispielsweise mit Luft gefüllt sein kann. Das Abstandshalterelement kann daher so ausgelegt sein, dass ein direkter mechanischer oder optischer Kontakt zwischen der lichtemittierenden Fläche und der zweiten Fläche der Trennplatte vermieden wird. In manchen Ausführungsformen kann das Abstandshalterelement zwischen dem lichtemittierenden Element und der zweiten Fläche der Trennplatte angeordnet sein. Alternativ dazu kann das Abstandshalterelement zur Vermeidung einer Blockierung und/oder Brechung von Licht durch das Abstandshalterelement mit Abstand zu der lichtemittierenden Fläche angeordnet sein. Genauer kann das lichtemittierende Element ein Substrat, wie etwa eine Wärmesenke und/oder eine Leiterplatte, umfassen. Das Abstandshalterelement kann zwischen dem Substrat und der Trennplatte angeordnet sein.
Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die zweite Fläche in direktem mechanischem Kontakt mit der lichtemittierenden Fläche angeordnet. In dieser Ausführungsform kann der Mindestabstand zwischen der lichtemittierenden Fläche und der Lichteintrittsfläche der Dicke der Trennplatte im Wesentlichen gleich sein. Der direkte Kontakt mit der lichtemittierenden Fläche wird regional bereitgestellt, so dass die übrigen Regionen der lichtemittierenden Fläche einen Spalt zwischen der lichtemittierenden Fläche und der zweiten Fläche bereitstellen. In einer Ausführungsform weisen die lichtemittierende Fläche und die zweite Fläche jeweils eine im Wesentlichen plane Form auf, die in direktem Kontakt miteinander stehen. Obwohl die lichtemittierende Fläche und die zweite Fläche eine im Wesentlichen plane Form aufweisen, können die lichtemittierende Fläche und die zweite Fläche Oberflächenunregelmäßigkeiten aufweisen, die regional effektiv Spalte in Form von Hohlräumen zwischen der lichtemittierenden Fläche und der zweiten Fläche hervorbringen, wobei diese Spalte eine vorteilhafte Lichtbrechung bereitstellen. Die Trennplatte und/oder die lichtemittierende Fläche kann/können eine Oberflächenhärte aufweisen, die ausreicht, um die Hohlräume beizubehalten, auch wenn ein Kontaktdruck erhöht wird, z.B. wegen Wärmespannungen während des Betriebs der Beleuchtungsvorrichtung.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Oberflächenrauigkeit Rz der zweiten Fläche geringer als 1 µm, insbesondere geringer als 100 nm oder geringer als 10 nm. Typischerweise kann die Oberflächenrauigkeit Rz der lichtemittierenden Fläche, insbesondere einer lichtemittierenden Fläche, die Keramik umfasst, in der Größenordnung von Mikrometern, z.B. etwa 1 µm, liegen. Wenn die Oberflächenrauigkeit Rz der zweiten Fläche relativ gering ist, können somit auch bei einem direkten mechanischen Kontakt zwischen der zweiten Fläche und der lichtemittierenden Fläche Regionen mit Spalten zwischen der zweiten Fläche und der lichtemittierenden Fläche erhalten werden. Ein voller optischer Kontakt über der gesamten lichtemittierenden Fläche kann somit vermieden werden.
Die Trennplatte kann ein transparentes Material, z.B. ein Material mit einer Durchlässigkeit von 90 % oder mehr für Licht, das von dem lichtemittierenden Element emittiert wird, umfassen oder aus einem solchen bestehen. Das Material der Trennplatte kann so gewählt werden, dass die Trennplatte in der Lage ist, der mechanischen Spannung standzuhalten, die insbesondere durch den direkten Kontakt mit der Lichteintrittsfläche und optional der lichtemittierenden Fläche bewirkt werden kann. Für manche Anwendungen ist es ferner erstrebenswert, wenn das Material der Trennplatte eine hohe Wärmestabilität aufweist, so dass ein kleiner vorgegebener Abstand zu der lichtemittierenden Fläche oder sogar ein direkter Kontakt mit der lichtemittierenden Fläche bereitgestellt werden kann. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst die Trennplatte Glas oder besteht daraus. Glas kann einen oder mehrere der oben genannten Vorteile kombinieren und kann insbesondere bis zu Temperaturen, die auftreten, wenn lichtemittierende Elemente wie LEDs betrieben werden, wärmebeständig sein. Genauer kann Glas auch zu Platten mit geringer Dicke geformt werden, die trotzdem eine gute mechanische Stabilität und hohe Lichtdurchlässigkeit bereitstellen. Glas kann auch eine Härte bereitstellen, die ausreicht, um eine Verformung der zweiten Fläche zu verhindern, wenn die zweite Fläche in direkten mechanischen Kontakt mit der lichtemittierenden Fläche gebracht wird. Ein Verschließen von Spalten, die aufgrund der Oberflächenrauigkeit der lichtemittierenden Fläche vorhanden sind, kann daher vermieden werden, beispielsweise auch dann, wenn Wärmespannungen die zweite Fläche gegen die lichtemittierende Fläche drücken.
Der Lichtleiter umfasst transparentes Material, vorzugsweise ein transparentes Material mit hohem Brechungsindex, oder besteht aus einem solchen. Im Prinzip kann jedes Kunststoffmaterial und insbesondere ein Kunststoffmaterial auf Basis von Polycarbonaten verwendet werden. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst der Lichtleiter Silikon oder besteht aus einem solchen. Transparentes Silikon hat insbesondere einen vergleichsweise hohen Brechungsindex und ist leicht herzustellen, wobei der Lichtleiter mit verschiedenen Formen gefertigt werden kann. Ferner kann Silikon elastische Eigenschaften aufweisen, so dass der Lichtleiter verformbar sein kann.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung sind der Lichtleiter und die Trennplatte so angeordnet, dass die erste Fläche auf die Lichteintrittsfläche gedrückt wird. Diese Anordnung kann besonders vorteilhaft sein, wenn der Lichtleiter ein elastisches Material wie Silikon umfasst. Im Stand der Technik, der Beleuchtungsvorrichtungen ohne die erfindungsgemäße Trennplatte betrifft, kann ein elastisches Material für den Lichtleiter problematisch sein, da das Material der Lichteintrittsfläche aufgrund von Wärmeausdehnung auf die lichtemittierende Fläche gedrückt werden kann. Die übrigen Spalte zwischen der Lichteintrittsfläche und der lichtemittierenden Fläche werden dann verschlossen und die Effektivität der Beleuchtungsvorrichtung wird verringert. Bei der vorliegenden Erfindung kann das Drücken der ersten Fläche auf die Lichteintrittsfläche sogar von Vorteil sein, da die erste Fläche als mechanische Begrenzung des Lichtleiters dient, was zu einer gut definierten Anordnung der Lichteintrittsfläche führt. Mit der Trennplatte wird ein direkter (optischer) Kontakt zwischen der Lichteintrittsfläche und der lichtemittierenden Fläche vermieden.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst die Beleuchtungsvorrichtung ferner eine Sekundäroptik, beispielsweise mindestens ein reflektierendes Element und/oder mindestens ein refraktives Element und/oder mindestens ein streuendes Element und/oder mindestens ein Filter. Bei manchen Anwendungen kann die Sekundäroptik eine Reflektorschüssel und/oder ein Linsensystem umfassen. Der Lichtleiter kann dafür ausgelegt sein, das von dem lichtemittierenden Element emittierte Licht auf die Sekundäroptik zu kollimieren. Die Sekundäroptik kann auch einen Kollimator umfassen, wobei der Lichtleiter als Präkollimator für den Kollimator ausgelegt ist.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst das lichtemittierende Element mindestens eine LED. Zum Beispiel kann eine LED mindestens ein Halbleiterelement umfassen, wie etwa einen p-n-Übergang, eine Diode und/oder einen Transistor. Zum Beispiel können LEDs in Form von separaten oder kombinierte LED-Dies und/oder LED-Packages bereitgestellt werden. Mindestens eine LED kann auf einem Substrat, z.B. einer Wärmesenke, einem Interposer und insbesondere einer (gedruckten) Schaltung angeordnet sein. Ein LED-Package kann ein Wellenlängenumwandlungselement (z.B. auf Basis von Phosphor) umfassen und/oder kann mindestens ein optisches Element wie etwa ein reflektierendes Element (z.B. eine Reflektorschüssel) umfassen. Die LED kann beispielsweise auf einem LED-Leiterrahmen montiert sein.
In einem anderen Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung ist die Beleuchtungsvorrichtung für eine Automobilbeleuchtung ausgelegt, insbesondere für einen Automobilscheinwerfer. Automobilbeleuchtungsvorrichtungen und insbesondere Automobilscheinwerfer können hohe Lichtintensitäten benötigen, so dass eine Vielzahl von lichtemittierenden Elementen mittels Lichtleitern, die z.B. als Kollimatoren wirken, in eine Sekundäroptik eingekoppelt werden können. Wie oben beschrieben, stellt die Beleuchtungsvorrichtung gemäß der Erfindung eine hohe Effizienz bei der Lichteinkopplung und Kollimation bereit, während sie gleichzeitig eine stabile mechanische Anordnung der lichtemittierenden Elemente und der Lichtleiter ermöglicht.
Die Merkmale und Ausführungsbeispiele der oben beschriebenen Erfindung können die verschiedenen Aspekte gemäß der vorliegenden Erfindung gleichermaßen betreffen. Genauer werden mit der Offenbarung von Merkmalen, die auf die Beleuchtungsvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt bezogen sind, auch entsprechende Merkmale offenbart, die das Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt und den Automobilscheinwerfer gemäß dem dritten Aspekt betreffen.
Man beachte, dass die Darlegung von Ausführungsformen der Erfindung in dieser Region lediglich Beispiele liefert, aber keine Beschränkung darstellt.
Andere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen deutlich werden. Man beachte jedoch, dass die Zeichnungen nur erläuternd sein, aber nicht die Grenzen der Erfindung definieren sollen, für die auf die beigefügten Ansprüche verwiesen wird. Man beachte ferner, dass die Zeichnungen nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind und dass sie lediglich konzeptionell die hierin beschriebenen Strukturen und Abläufe erläutern sollen.
Figurenliste
Beispiele für die Erfindung werden nun ausführlich unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:

1 eine schematische Darstellung einer Beleuchtungsvorrichtung gemäß dem Stand der Technik zeigt;
2 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Beleuchtungsvorrichtung gemäß der Erfindung zeigt;
3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Beleuchtungsvorrichtung gemäß der Erfindung zeigt;
4 ein schematisches Diagramm der Beleuchtungsstärke einer Beleuchtungsvorrichtung gemäß dem Stand der Technik in Abhängig von der relativen Position von Lichtleiter und lichtemittierendem Element zeigt; und
5 ein schematisches Diagramm der Beleuchtungsstärke einer Beleuchtungsvorrichtung gemäß der Erfindung in Abhängig von der relativen Position von Lichtleiter und lichtemittierendem Element zeigt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Beleuchtungsvorrichtung 2 gemäß dem Stand der Technik in einer Seitenansicht. Die Beleuchtungsvorrichtung 2 umfasst ein lichtemittierendes Element 4 mit einer lichtemittierenden Fläche 6 und einen Lichtleiter 8 mit einer Lichteintrittsfläche 10.
Ein Mindestabstand d` zwischen der lichtemittierenden Fläche 6 und der Lichteintrittsfläche 10 wird aufrechterhalten, um die Lichtmenge zu optimieren, die an Seitenflächen 12 des Lichtleiters 8 einer Totalreflexion unterworfen wird. Ein Luftspalt wird als Folge des Mindestabstands d` gebildet, und Licht wird an den Grenzflächen des Luftspalts und der lichtemittierenden Fläche 6 und der Lichteintrittsfläche 10 gebrochen. Würde ein direkter optischer Kontakt zwischen der lichtemittierenden Fläche 6 und der Lichteintrittsfläche 10 gebildet, würde eine vergleichsweise ungünstige Lichtbrechung an der Grenzfläche der lichtemittierenden Fläche 6 und der Lichteintrittsfläche 10 stattfinden, was zu einem beträchtlichen Verlust an Intensität des kollimierten Lichts führen würde. Daher wird ein relativ großer Mindestabstand d` bereitgestellt, um sicherzustellen, dass ein direkter Kontakt vermieden wird, wobei die Wärmeausdehnung und Fertigungstoleranzen berücksichtigt werden.
Jedoch führt der relativ große Mindestabstand d` in einer solchen Anordnung zu einem Verlust an Intensität von Licht, das in die Lichteintrittsfläche 10 eingekoppelt wird, da das Licht, das von dem lichtemittierenden Element 4 emittiert wird, eher ungelenkt und beispielsweise vom Lambertschen Typ ist.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Beleuchtungsvorrichtung 22 in einer Seitenansicht. Die Beleuchtungsvorrichtung 22 umfasst ein lichtemittierendes Element 24 mit einer lichtemittierenden Fläche 26. Ferner ist ein Lichtleiter 28 mit einer Lichteintrittsfläche 30 bereitgestellt, wobei der Lichtleiter 28 dafür ausgelegt ist, Licht, das von dem lichtemittierenden Element 24 emittiert wird zu kollimieren mittels Totalreflexion an den Seitenflächen 32. Das lichtemittierende Element 24 ist als LED ausgelegt, die auf einer gedruckten Schaltung 34 angeordnet ist. Der Lichtleiter 28 ist aus transparentem Silikon gebildet. Die Beleuchtungsvorrichtung 22 ist als Automobilscheinwerfer ausgelegt, wobei der Lichtleiter 28 als Kollimator für eine Sekundäroptik (nicht gezeigt) ausgelegt ist.
Es ist eine Trennplatte 36 bereitgestellt, die eine erste Fläche 38 und eine zweite Fläche 40 umfasst, wobei die erste Fläche 38 in direktem Kontakt mit der Lichteintrittsfläche 30 angeordnet ist. Die zweite Fläche 40 ist gegenüber der lichtemittierenden Fläche 26 angeordnet. Die Trennplatte 36 ist so angeordnet, dass ein Mindestabstand d zwischen der lichtemittierenden Fläche und der Lichteintrittsfläche 300 µm oder weniger beträgt.
In der ersten Ausführungsform, die in 2 abgebildet ist, ist die zweite Fläche 40 in direktem Kontakt mit der lichtemittierenden Fläche 26 angeordnet. Das heißt, die zweite Fläche 40 berührt die lichtemittierende Fläche 26 an bestimmten Punkten oder in bestimmten Regionen, während Regionen der lichtemittierenden Fläche 26 trotzdem aufgrund von Oberflächenunregelmäßigkeiten der lichtemittierenden Fläche 26 von der zweiten Fläche 40 beabstandet sind, wie schematisch in 2 angegeben ist. Die Trennplatte 36 ist aus Glas gebildet und weist zum Beispiel eine Oberflächenrauigkeit Rz in der Größenordnung von 1-5 nm auf, während die lichtemittierende Fläche 26 des lichtemittierenden Elements 24 aus keramischem Material mit einer Oberflächenrauigkeit Rz von etwa 1 µm gebildet ist. Auch wenn ein direkter Kontakt zwischen der zweiten Fläche 40 und der lichtemittierenden Fläche 26 besteht, wird somit trotzdem ein Luftspalt zumindest in Regionen zwischen der zweiten Fläche 40 und der lichtemittierenden Fläche 26 gebildet, da aufgrund der Oberflächenrauigkeit der lichtemittierenden Fläche 26 und der starren Eigenschaften und der Härte der Trennplatte 36 Hohlräume gebildet werden. Mit den Hohlräumen wird eine beträchtliche Menge des Lichts, das von dem lichtemittierenden Element 24 emittiert wird, mit einem Winkel, der für eine Totalreflexion geeignet ist, in die Lichteintrittsfläche 30 gebrochen.
Im Gegensatz dazu würden in einem Fall, wo ein direkter Kontakt zwischen der lichtemittierenden Fläche 26 und der Lichteintrittsfläche 30 hergestellt würde (d.h. die Trennplatte 36 weggelassen würde), die elastischen Eigenschaften des Silikons des Lichtleiters 28 zu einem effektiven Verschluss der Hohlräume führen, da sich der Lichtleiter 28 den Oberflächenunregelmäßigkeiten der lichtemittierenden Fläche 26 anpassen würde.
Gemäß der Erfindung kann der Mindestabstand d erheblich verringert werden, um die Lichtmenge zu optimieren, die in die Lichteintrittsfläche 30 eingekoppelt wird. In der ersten Ausführungsform kann der Mindestabstand d der Dicke der Trennplatte 36 von der ersten Fläche 38 zu der zweiten Fläche 40, die geringer sein kann als 50 µm oder geringer sein kann als 30 µm, im Wesentlichen gleich sein.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Beleuchtungsvorrichtung 22 gemäß der Erfindung. Für entsprechende Elemente werden die gleichen Bezugszahlen wie in 2 verwendet.
Die Anordnung der Beleuchtungsvorrichtung 22 in 3 unterscheidet sich von der Anordnung von 2 darin, dass die lichtemittierende Fläche 26 nicht in direktem Kontakt mit der zweiten Fläche 40 steht und dass Abstandshalterelemente 42 bereitgestellt sind. Die Abstandshalterelemente 42 sind dafür ausgelegt, die zweite Fläche 40 in einem vorgegebenen Mindestabstand zu der lichtemittierenden Fläche 26 anzuordnen. Der Mindestabstand d ist daher einer Summe der Dicke der Trennplatte 36 und des vorgegebenen Mindestabstands im Wesentlichen gleich. Die Abstandshalterelemente 42 sind zwischen der Trennplatte 36 und der gedruckten Schaltung 34 des lichtemittierenden Elements 24 angeordnet.
Die zweite Ausführungsform kann besonders für Konfigurationen von Vorteil sein, deren lichtemittierende Fläche 26 und/oder zweite Fläche 40 eine geringe Oberflächenrauigkeit Rz aufweist. Durch Bereitstellen des vorgegebenen Mindestabstands kann ein Spalt zu der zweiten Fläche 40 über der gesamten lichtemittierenden Fläche 26 erhalten werden, was die Effektivität der Kollimation weiter verbessert.
4 und 5 zeigen schematische Diagramme der Beleuchtungsstärke der Beleuchtungsvorrichtung gemäß dem Stand der Technik und gemäß der Erfindung auf Basis von Versuchen. 4 zeigt die Beleuchtungsstärke in Abhängigkeit von der relativen Position des Lichtleiters und des lichtemittierenden Elements für eine Beleuchtungsvorrichtung des Standes der Technik, d.h. ohne eine Trennplatte. Die Beleuchtungsstärke, die an der Lichtaustrittsfläche des Kollimators erfasst wird, ist für unterschiedliche Farbsensoren Y und Z an der Ordinate dargestellt. Die Abszisse wird von der Position der Lichtaustrittsfläche des Lichtleiters dargestellt, wobei höhere Werte dem entsprechen, dass der Lichtleiter näher an dem lichtemittierenden Element, d.h. mehr in einer Richtung, in der ein Spalt zwischen lichtemittierender Fläche und Lichteintrittsfläche geschlossen wird, positioniert ist. Die Sensorbeleuchtungsstärke wurde für eine Vorwärtsbewegung des Lichtleiters (hin zu höheren Positionswerten) und für eine Rückwärtsbewegung des Lichtleiters (hin zu niedrigeren Positionswerten) gemessen.
Ausgehend von der linken Seite in 4 ist zu sehen, dass eine Verkleinerung des Spalts die Sensorbeleuchtungsstärke zu Anfang erhöht, da die Menge an Licht, die in den Lichtleiter eingekoppelt wird, zunimmt. Dann wird ein Maximum an Intensität an einer Position von etwa 350 µm beobachtet, ungefähr dann, wenn zwischen der lichtemittierenden Fläche und der Lichteintrittsfläche ein Kontakt hergestellt wird.
Wenn der Lichtleiter weiter bewegt wird, wird die Lichteintrittsfläche in die lichtemittierende Fläche gedrückt, was effektiv zu einem direkten optischen Kontakt führt. Verbliebene Hohlräume werden aufgrund der elastischen Eigenschaften des Lichtleiters verschlossen. In dieser Region ist zu sehen, dass die Beleuchtungsstärke zumindest für den Farbsensor Y nachlässt. Außerdem tritt eine Farbverschiebung auf, da sich die Beleuchtungsstärken von Farbsensoren Y und Z (die unterschiedliche Farben messen) bei Änderungen der Position unterschiedlich verhalten.
5 zeigt ein schematisches Diagramm der Beleuchtungsstärke einer Beleuchtungsvorrichtung gemäß der Erfindung in Abhängig von der relativen Position von Lichtleiter und lichtemittierendem Element. Es wird eine Trennplatte aus Glas mit einer Dicke von 30 µm verwendet. Wie in 4 ist die Beleuchtungsstärke, die an der Lichtaustrittsfläche des Kollimators erfasst wird, für unterschiedliche Farbsensoren Y und Z an der Ordinate gezeigt, während die Abszisse von der Position der Lichtaustrittsfläche des Lichtleiters dargestellt wird. Höhere Werte für die Position entsprechen einer Annäherung des Lichtleiters an das lichtemittierende Element.
Ausgehend von der linken Seite in 5 nimmt die Beleuchtungsstärke aufgrund des kleineren Abstands zwischen lichtemittierender Fläche und Lichteintrittsfläche ebenfalls zu. Ein direkter Kontakt zwischen der zweiten Fläche und der lichtemittierenden Fläche findet an einer Position von etwa 350 µm statt. Aufgrund der Trennplatte wird zumindest regional ein direkter optischer Kontakt zwischen der lichtemittierenden Fläche und der Lichteintrittsfläche vermieden Bei höheren Positionswerten wird die Lichtaustrittsfläche weiter in Richtung des lichtemittierenden Elements bewegt, wobei der Lichtleiter weiter auf die Trennplatte gedrückt wird. Im Gegensatz zu dem Verhalten der in 4 gezeigten Beleuchtungsstärke wird die Sensorbeleuchtungsstärke bei höheren Positionswerten nicht verringert. Ferner wird auch eine Farbverschiebung im Wesentlichen vermieden, da die Differenz der Beleuchtungsstärke der Farbsensoren Y und Z bei Variationen der Position ungefähr konstant ist.
Bezugszeichenliste

2, 22: Beleuchtungsvorrichtung
4, 24: lichtemittierendes Element
6, 26: lichtemittierende Fläche
8,28: Lichtleiter
10, 30: Lichteintrittsfläche
12, 32: Seitenflächen
34: gedruckte Schaltung
36: Trennplatte
38: erste Fläche
40: zweite Fläche
42: Abstandshalterelement
d, d': Mindestabstand

Claims

Beleuchtungsvorrichtung, umfassend: ein lichtemittierendes Element mit einer lichtemittierenden Fläche; einen Lichtleiter mit einer Lichteintrittsfläche, wobei der Lichtleiter dafür ausgelegt ist, Licht, das von dem lichtemittierenden Element emittiert wird, mittels Totalreflexion zu leiten; und eine Trennplatte, die eine erste Fläche und eine zweite Fläche umfasst, wobei die erste Fläche in direktem Kontakt mit der Lichteintrittsfläche angeordnet ist und die zweite Fläche gegenüber der lichtemittierenden Fläche angeordnet ist, die Trennplatte so angeordnet ist, dass ein Mindestabstand zwischen der lichtemittierenden Fläche und der Lichteintrittsfläche 300 µm oder weniger beträgt und die Trennplatte so angeordnet ist, dass zumindest abschnittsweise ein Spalt zwischen dem lichtemittierenden Element und der Trennplatte bereitgestellt wird.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Lichtleiter dafür ausgelegt ist, Licht, das von dem lichtemittierenden Element emittiert wird, mittels Totalreflexion zu kollimieren.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Trennplatte so angeordnet ist, dass der Mindestabstand zwischen der lichtemittierenden Fläche und der Lichteintrittsfläche 150 µm oder weniger beträgt.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Trennplatte eine Dicke von der ersten Fläche zu der zweiten Fläche von 50 µm oder weniger aufweist.
Beleuchtungsvorrichtung (22) nach Anspruch 1, wobei mindestens ein Abstandshalterelement bereitgestellt ist, wobei das mindestens eine Abstandshalterelement dafür ausgelegt ist, die zweite Fläche in einem vorgegebenen Mindestabstand zu der lichtemittierenden Fläche anzuordnen.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die zweite Fläche in direktem mechanischem Kontakt mit der lichtemittierenden Fläche angeordnet ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Trennplatte Glas umfasst oder aus einem solchen besteht.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Lichtleiter transparentes Silikon umfasst oder aus einem solchen besteht.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Lichtleiter und die Trennplatte so angeordnet sind, dass die erste Fläche auf die Lichteintrittsfläche gedrückt wird.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, ferner eine Sekundäroptik umfassend, wobei der Lichtleiter dafür ausgelegt ist, das von dem lichtemittierenden Element emittierte Licht zu der Sekundäroptik zu leiten.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das lichtemittierende Element mindestens eine lichtemittierende Diode umfasst.
Automobilscheinwerfer, die Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1 umfassend.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die zweite Fläche eine Oberflächenrauigkeit aufweist, die geringer ist als 1 µm, und die lichtemittierende Fläche eine Oberflächenrauigkeit aufweist, die größer ist als die der zweiten Fläche.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 13, wobei die größere Oberflächenrauigkeit 1 µm beträgt und die geringere Oberflächenrauigkeit 100 nm beträgt.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Trennplatte ein Material mit einer Durchlässigkeit für Licht, das von dem lichtemittierenden Element emittiert wird, von 90 % oder mehr umfasst.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 5, wobei das mindestens eine Abstandshalterelement mit der lichtemittierenden Fläche nicht in direktem Kontakt steht.