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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung mit mehreren lichtemittierenden Elementen, wie beispielsweise lichtemittierende Dioden (LEDs), die auf einem Substrat angeordnet sind, und Lichtleiter, die Licht von den lichtemittierenden Elementen in Richtung einer Linse leiten, insbesondere auf dem Gebiet der Automobilbeleuchtung.
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Hintergrund der Erfindung
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Beleuchtungsvorrichtungen mit mehreren lichtemittierenden Elementen dienen dem Erzielen einer höheren Lichtleistung und können darüber hinaus ein Variieren der Strahlform und der emittierten Intensität ermöglichen. Zum Beispiel können adaptive Frontscheinwerfer in Automobilen eine Matrixanordnung aus lichtemittierenden Elementen aufweisen, wobei Abschnitte von lichtemittierenden Elementen unabhängig voneinander angesprochen werden können. Die von dem Frontscheinwerfer bereitgestellte Beleuchtung kann daher durch das Ansteuern entsprechender lichtemittierender Elemente in der Beleuchtungsvorrichtung von Abblendlicht auf Fernlicht umgeschaltet werden.
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Die Beleuchtung durch lichtemittierende Elemente wie LEDs kann durch die Verwendung von Lichtleitern verbessert werden, welche beispielsweise als Kollimatoren für die LEDs ausgebildet sein können, um die Richtwirkung des emittierten Lichts zu verbessern und Lichtverluste in der Beleuchtungsvorrichtung zu minimieren. Lichtleiter für eine Anordnung von lichtemittierenden Elementen, wie beispielsweise einer Matrixanordnung, können als fingerförmiger Kollimator ausgebildet sein, wobei für jedes lichtemittierende Element ein Lichtleiter vorgesehen ist, der einen „Finger“ des Kollimators bildet. Die Lichtleiter sind für jede LED spezifisch geformt und erfordern eine zuverlässige Positionierung in Bezug zur LED, um eine effektive Kollimation des Lichts zu gewährleisten.
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Eine Herausforderung bei der Verwendung von lichtemittierenden Elementen, wie beispielsweise LEDs, für Zwecke, die hohe Intensitäten erfordern, wie beispielsweise Automobilfrontscheinwerfer, ist die hohe Wärmebelastung, die im Betrieb der Beleuchtungsvorrichtung erzeugt wird. Die Wärmebelastung führt zu thermischen Spannungen innerhalb der Beleuchtungsvorrichtung, so dass sich Lichtleiter verformen können und sich in Bezug auf die lichtemittierenden Elemente verschieben können.
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Dieser Effekt kann bedeutsam werden, wenn eine relativ dicht gepackte Anordnung von lichtemittierenden Elementen verwendet wird, was zu einer ungleichmäßigen thermischen Ausdehnung des fingerförmigen Kollimators führt. Hierdurch kann sich ein Spalt zwischen der Lichtemissionsfläche der lichtemittierenden Elemente und den Lichtleitern vergrößern, wodurch die in die Lichtleiter eingekoppelte Lichtmenge verringert wird. Da die Wärmebelastung in der Mitte größer als nahe den Rändern der Anordnung der lichtemittierenden Elemente ist, kann es darüber hinaus zu einem Wölbungseffekt des fingerförmigen Kollimators kommen, welcher die Lichtleiter relativ zu den lichtemittierenden Elementen durch Verkippen der Finger des Kollimators falsch ausrichtet. Hierdurch wird die Wirksamkeit der Kollimation der Lichtleiter verringert und das emittierte Lichtmuster wird ungleichmäßig.
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Versuche wurden unternommen, um den Effekt der thermischen Empfindlichkeit von Beleuchtungsvorrichtungen zu reduzieren.
WO 2018/065278 A1 betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung mit einer Halterung für ein optisches Element, das von mindestens einer LED beabstandet ist. Die Halterung weist eine Struktur auf, die derart ausgebildet ist, dass sie das Erreichen einer stabilen Positionierung des optischen Elements selbst im Falle einer erheblichen Diskrepanz eines Wärmeausdehnungskoeffizienten ermöglicht.
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EP 3 376 099 A1 betrifft eine Beleuchtungsanordnung, bei welcher eine optische Unter-Halterung eine verbindende Unter-Halterung überbrückt, um ein optisches Element in einer gewünschten Position relativ zu einem LED-Beleuchtungselement zu halten. Die optische Unter-Halterung weist mindestens ein Spannungsentlastungselement, wie beispielsweise mindestens einen offenen Schlitz auf.
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ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Beleuchtungsvorrichtung mit mehreren lichtemittierenden Elementen und Lichtleitern zu schaffen, bei welcher die thermische Empfindlichkeit der Beleuchtungsvorrichtung auf besonders einfache Weise verringert wird. Es ist ferner eine Aufgabe der Erfindung, ein kostengünstiges Verfahren zur Herstellung einer solchen Beleuchtungsvorrichtung zu schaffen.
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Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Beleuchtungsvorrichtung vorgesehen, welche aufweist: lichtemittierende Elemente, die auf einem Substrat angeordnet sind; eine Linse mit einer Lichteintrittsseite und einer Lichtaustrittsseite; Lichtleiter, wobei jeder Lichtleiter in optischem Kontakt mit mindestens einem der lichtemittierenden Elemente angeordnet ist und dazu ausgebildet ist, von dem mindestens einen der lichtemittierenden Elemente emittiertes Licht in Richtung der Lichteintrittsseite der Linse zu leiten; und ein transparentes Stabilisatorelement, das in mechanischem Kontakt mit der Lichtaustrittsseite der Linse angeordnet ist, wobei das transparente Stabilisatorelement dazu ausgebildet ist, die Form der Lichtaustrittsseite der Linse zumindest bereichsweise zu definieren.
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Nach einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Beleuchtungsvorrichtung bereitgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Anordnen von lichtemittierenden Elementen auf einem Substrat; Vorsehen von Lichtleitern und einer Linse mit einer Lichteintrittsseite und einer Lichtaustrittsseite, wobei jeder Lichtleiter in optischem Kontakt mit mindestens einem der lichtemittierenden Elemente angeordnet ist und dazu ausgebildet ist, von dem mindestens einen der lichtemittierenden Elemente emittiertes Licht in Richtung der Lichteintrittsseite der Linse zu leiten; Anordnen eines transparenten Stabilisatorelements in mechanischem Kontakt mit der Lichtaustrittsseite der Linse, derart, dass das transparente Stabilisatorelement die Form der Lichtaustrittsseite der Linse zumindest bereichsweise definiert. Mit dem Verfahren nach dem zweiten Aspekt wird insbesondere eine Beleuchtungsvorrichtung nach dem ersten Aspekt hergestellt.
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Ferner wird die Verwendung der Beleuchtungsvorrichtung nach dem ersten Aspekt bei der Automobilbeleuchtung, insbesondere als Kraftfahrzeugfrontscheinwerfer, offenbart sowie als Kraftfahrzeugfrontscheinwerfer, welcher die Beleuchtungsvorrichtung nach dem ersten Aspekt aufweist.
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Exemplarische Ausführungsbeispiele der verschiedenen Aspekte der Erfindung können eine oder mehrere der nachfolgend beschriebenen Eigenschaften aufweisen.
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Die lichtemittierenden Elemente sind auf einem Substrat angeordnet. Das Substrat kann insbesondere eine planare Form aufweisen. Das Substrat kann der mechanischen Befestigung der lichtemittierenden Elemente dienen und einen Anschluss für die lichtemittierenden Elemente bereitstellen. Insbesondere kann das Substrat als Leiterplatte ausgebildet sein. In einigen Ausführungsbeispielen können die lichtemittierenden Elemente auf halbleitenden Elementen, wie beispielsweise einem p-n-Übergang, einer Diode und/oder einem Transistor basieren. Die lichtemittierenden Elemente sind beispielsweise als LEDs ausgebildet, beispielsweise in Form von separaten oder kombinierten LED-Chips. Insbesondere können die lichtemittierenden Elemente eine im Wesentlichen planare Form aufweisen, wobei eine der Hauptflächen der planaren Form als eine lichtemittierende Fläche ausgebildet ist.
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Die Linse ist dazu ausgebildet, zumindest einen Teil des von den lichtemittierenden Elementen emittierten Lichts zu brechen. Insbesondere kann die Linse einen Bereich abdecken, der die lichtemittierenden Flächen der lichtemittierenden Elemente einschließt. Die Linse weist eine Lichteintrittsseite und eine Lichtaustrittsseite auf, welche entsprechend der gewünschten Brechung des emittierten Lichts geformt sein können. Nach einem Ausführungsbeispiel kann die Linse eine planare Form aufweisen, wobei die Lichteintrittsseite und die Lichtaustrittsseite zumindest abschnittsweise im Wesentlichen parallel zueinander sind.
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Jeder Lichtleiter ist in optischem Kontakt mit mindestens einem der lichtemittierenden Elemente angeordnet, um das von dem mindestens einen der lichtemittierenden Elemente in Richtung der Lichteintrittsseite der Linse zu leiten. Die Lichtleiter sind insbesondere als Kollimatoren ausgebildet. Das Leiten des Lichts kann auf der Totalreflexion an Seitenwänden der Lichtleiter basieren. Die Seitenwände können daher eine Form aufweisen, die für die Kollimation von Licht geeignet ist, insbesondere eine Form, die sich von der den lichtemittierenden Elementen zugewandten Seite des Lichtleiters zu der der Linse zugewandten Seite erweitert.
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Bei einem Ausführungsbeispiel sind die Lichtleiter und die Linse als ein einstückiges Element ausgebildet. Insbesondere weisen die Lichtleiter und/oder die Linse transparentes Silikon auf oder bestehen aus diesem.
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Gemäß der Erfindung ist ein transparentes Stabilisatorelement in mechanischem Kontakt mit der Lichtaustrittsseite der Linse angeordnet. Der mechanische Kontakt kann ein direkter Kontakt und/oder ein indirekter Kontakt sein, wobei zwischen der Linse und dem Stabilisatorelement weitere Einrichtungen angeordnet sind. Der mechanische Kontakt kann zumindest bereichsweise, insbesondere in einem Mittelbereich der Lichtaustrittsseite, oder über die gesamte Lichtaustrittsseite gebildet sein. Da das transparente Stabilisatorelement dazu ausgebildet ist, die Form der Lichtaustrittsseite der Linse zumindest bereichsweise zu definieren, stabilisiert das Stabilisatorelement die Form der Linse und der Lichtleiter, wenn während des Betriebs der Beleuchtungsvorrichtung Temperaturänderungen und thermische Gradienten auftreten. Die thermische Ausdehnung der Linse und der Lichtleiter wird durch das transparente Stabilisatorelement in Richtung der Lichtaustrittsseite wirksam begrenzt. Es hat sich herausgestellt, dass ohne ein transparentes Stabilisatorelement ein Wölbungseffekt der Linse und der Lichtleiter auftritt, welcher zu einem Verkippen der Lichtleiter relativ zu den lichtemittierenden Elementen und einer ungleichmäßigen Verteilung von Abständen zwischen den Lichtleitern und den lichtemittierenden Elementen führt. Dieser für die thermische Empfindlichkeit kritische Effekt kann durch das transparente Stabilisatorelement verringert werden, und die thermische Empfindlichkeit der Beleuchtungsvorrichtung wird erheblich verbessert.
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Da die thermische Ausdehnung der Linse und der Lichtleiter durch das transparente Stabilisatorelement in Richtung der Lichtaustrittsseite wirksam begrenzt ist, neigen die Lichtleiter dazu sich in einer von der Lichtaustrittsseite weg und zu den lichtemittierenden Elementen führenden Richtung auszudehnen. Nach einem Ausführungsbeispiel ist zwischen den lichtemittierenden Flächen der lichtemittierenden Elemente und den Lichtleitern ein vordefinierter Spalt vorgesehen, so dass ein mechanischer Kontakt zwischen den lichtemittierenden Elementen und dem Lichtleiter auch bei höheren Temperaturen vermieden ist.
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Alternativ können die Lichtleiter zumindest abschnittsweise in mechanischem Kontakt mit den lichtemittierenden Elementen angeordnet sein. Da die Ausdehnung der Linse und der Lichtleiter sodann durch das transparente Stabilisatorelement und die lichtemittierenden Elemente in einer Richtung begrenzt ist, die im Wesentlichen parallel zu der Flächennormalen des Substrats verläuft, neigen die Lichtleiter dazu, die thermische Belastung durch eine seitliche Ausdehnung zu kompensieren. Die Form und die Größe des Lichtleiters kann derart ausgebildet sein, dass ein Wölben des Lichtleiters in dem während des Betriebs der Beleuchtungsvorrichtung auftretenden Temperaturbereich vermieden ist.
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Ein direkter mechanischer Kontakt zwischen den Lichtleitern und den lichtemittierenden Elementen kann durch Kontaktelemente, beispielsweise runde oder quadratische Spitzen auf der Unterseite der Lichtleiter gebildet sein, um die Kontaktbelastung an einen nicht empfindlichen Bereich der lichtemittierenden Elemente zu übertragen und einen Spalt in dem Bereich zwischen lichtemittierenden Flächen und den Lichtleitern beizubehalten. In ähnlicher Weise kann ein Abstandselement zwischen den lichtemittierenden Flächen und den Lichtleitern vorgesehen sein. Beispielsweise kann eine Schutzbeschichtung auf den lichtemittierenden Elementen vorgesehen sein, um die lichtemittierenden Elemente vor hohen Wärmebelastungen zu schützen. Ferner kann ein transparentes Abstandselement, wie beispielsweise eine Glasplatte und/oder eine Kunststoffplatte, an einer Unterseite der Lichtleiter vorgesehen sein, wobei ein Spalt zwischen dem transparenten Abstandselement und den lichtemittierenden Elementen gebildet ist.
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Nach einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das transparente Stabilisatorelement eine planare Form auf. Das transparente Stabilisatorelement kann daher auf besonders einfache Weise, beispielsweise aus Plattenmaterial, vorgesehen werden und die Beleuchtungsvorrichtung erhält eine kompakte Form. Insbesondere weist die Lichtaustrittsseite der Linse zumindest abschnittsweise auch eine planare Form auf, um einen zuverlässigen mechanischen Kontakt zwischen der Linse und dem transparenten Stabilisatorelement zu schaffen.
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Die Ausbildung der Beleuchtungsvorrichtung kann dahingehend weiter vereinfacht werden, dass das transparente Stabilisatorelement Glas aufweist oder daraus besteht. Glas bietet eine hohe mechanische und thermische Stabilität, während es eine hohe Lichtdurchlässigkeit aufweist.
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Nach einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung, weist die Beleuchtungsvorrichtung ferner eine auf dem Substrat angeordnete Halterung auf, wobei die Halterung dazu ausgebildet ist, das transparente Stabilisatorelement relativ zu den lichtemittierenden Elementen zu halten. Insbesondere hält die Halterung das transparente Stabilisatorelement zumindest in einer Richtung, die im Wesentlichen senkrecht zu einer Flächennormalen des Substrats verläuft. Somit ist ein Abstand zwischen dem transparenten Stabilisatorelement und dem Substrat sowie der Abstand zwischen den lichtemittierenden Elementen und der Lichtaustrittsseite der Linse durch die Halterung definiert.
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Die Halterung kann das transparente Stabilisatorelement direkt oder indirekt durch andere Einrichtungen wie ein Rahmenelement oder dergleichen halten. Das Rahmenelement kann eine Öffnung im Bereich der lichtemittierenden Elemente aufweisen, um die von dem Rahmenelement blockierte Lichtmenge zu verringern. Das transparente Stabilisatorelement kann insbesondere derart ausgebildet sein, dass die Öffnung des Rahmenelementes von dem transparenten Stabilisatorelement abgedeckt ist. Das Rahmenelement und die Halterung können Befestigungseinrichtungen, wie entsprechende Verriegelungselemente, aufweisen, um eine mechanische Verbindung herzustellen. Das Rahmenelement kann insbesondere opakes Material, beispielsweise Metall, aufweisen oder daraus bestehen.
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Die Halterung kann die lichtemittierenden Elemente, die Lichtleiter und/oder die Linse umgeben und kann daher einen mechanischen Schutz für die Beleuchtungsvorrichtung bieten. Nach einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Halterung eine Linsenausnehmung zum Aufnehmen der Linse auf, so dass die Linse zumindest teilweise in die Halterung eingesetzt werden kann. Nach dem Einsetzen der Linse kann das transparente Stabilisatorelement auf der Lichtaustrittsseite der Linse angeordnet werden, und das Rahmenelement kann mit der Halterung verbunden werden und kann das transparente Stabilisatorelement an der Linse fixieren. Nach einem alternativen Ausführungsbeispiel kann das transparente Stabilisatorelement umspritzt sein.
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Nach einem exemplarischen Ausführungsbeispiel ist ein Spalt zumindest abschnittsweise zwischen der Halterung und der Linse in der Linsenausnehmung vorgesehen. Durch den Spalt kann die Linse sich thermisch in Richtung der Halterung ohne eine wesentliche Verformung, wie beispielsweise einen Wölbungseffekt, der Linse ausdehnen. Insbesondere ist ein Spalt sowohl in einer im Wesentlichen parallel zur Flächennormalen des Substrats verlaufenden Richtung als auch in im Wesentlichen senkrecht zur Flächennormalen des Substrats verlaufenden Richtungen vorgesehen.
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Nach einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Halterung mindestens ein seitliches Ausrichtelement auf, das dazu ausgebildet ist, die Linse relativ zu den lichtemittierenden Elementen zu halten, insbesondere in einer Richtung, die im Wesentlichen senkrecht zur Flächennormalen des Substrats verläuft. Durch das seitliche Ausrichtelement kann die Positionierung der Linse relativ zu den lichtemittierenden Elementen gesteuert werden, wenn Temperaturänderungen auftreten, selbst, wenn ein Spalt zwischen der Linse und der Halterung in der Linsenausnehmung vorgesehen ist. Somit wird die thermische Stabilität der Beleuchtungsvorrichtung weiter verbessert.
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Das mindestens eine seitliche Ausrichtelement kann im Wesentlichen in der Mitte mindestens eines Randbereichs der Halterung angeordnet sein. Daher kann eine thermische Ausdehnung der Linse in zwei entgegengesetzten Richtungen weg von der Mitte des mindestens einen Randbereichs erfolgen, derart, dass eine Verschiebung der Linse relativ zu der Halterung verringert ist. Beispielsweise kann die Halterung und/oder die Linse eine im Wesentlichen rechteckige Form aufweisen, wobei mindestens ein seitliches Ausdehnungselement in der Mitte mindestens einer langen Seite und/oder kurzen Seite der rechteckigen Form angeordnet ist. Insbesondere die Verschiebung der Linse kann durch das Anordnen seitlicher Ausrichtelemente in der Mitte der langen Seiten der Rechteckform der Halterung verringert werden.
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Nach einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Linse eine Stabilisatorausnehmung zum Aufnehmen des transparenten Stabilisatorelements auf. Die Stabilisatorausnehmung kann beispielsweise einen Formschluss für das transparente Stabilisatorelement bilden. Das transparente Stabilisatorelement kann daher auf besonders einfache Weise zuverlässig auf der Lichtaustrittsseite der Linse angeordnet werden.
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Nach einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung sind das transparente Stabilisatorelement und/oder die Linse mit einem transparenten Abdeckmaterial umspritzt. Das transparente Abdeckmaterial kann daher eine einfache mechanische Verbindung des transparenten Stabilisatorelements mit der Linse und/oder einer optionalen Halterung, die auf dem Substrat vorgesehen ist, bilden. Insbesondere kann ein an der Halterung angeordnetes Rahmenelement entfallen, da das transparente Abdeckmaterial die Halterung mechanisch mit dem transparenten Stabilisatorelement verbinden kann, wodurch ein Abstand zwischen dem Substrat und dem transparenten Stabilisatorelement vordefiniert ist. Das Umspritzen mit einem transparenten Abdeckmaterial ermöglicht einen besonders einfachen Schutz der Beleuchtungsvorrichtung. Das transparente Abdeckmaterial kann ferner Vorsprünge aufweisen, insbesondere kuppelförmige Vorsprünge. Die Vorsprünge können jeweils einem Lichtleiter entsprechen und eine Grundfläche jedes Lichtleiters abdecken, um die Lichtleistung zu verbessern.
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Nach einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das transparente Stabilisatorelement zumindest teilweise im Inneren der Linse eingebettet. Beispielsweise kann ein geeignetes Linsenmaterial wie transparentes Silikon um das transparente Stabilisatorelement gespritzt werden. Auf diese Weise kann durch Vorsehen des transparenten Stabilisatorelements und der Linse als im Wesentlichen als einstückiges Bauteil, eine besonders stabile mechanische Verbindung zwischen der Linse und dem transparenten Stabilisatorelement erzielt werden. Darüber hinaus kann dieses Ausführungsbeispiel eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung der Beleuchtungsvorrichtung ermöglichen, wobei zuerst das Stabilisatorelement vorgesehen wird, welches danach umspritzt wird, um die Linse zu bilden.
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Wie zuvor beschrieben, kann das transparente Stabilisatorelement in direktem oder indirektem mechanischem Kontakt mit der Lichtaustrittsseite der Linse sein. Nach einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das transparente Stabilisatorelement über eine Paste in mechanischem Kontakt mit der Lichtaustrittsseite angeordnet. Die Paste kann die Reibung zwischen der Linse und dem transparenten Stabilisatorelement derart verringen, dass Unterschiede im Wärmedehnungskoeffizient zwischen der Linse und dem transparenten Stabilisatorelement kompensiert werden können, da eine Relativbewegung an der Grenzfläche zwischen der Linse und dem transparenten Stabilisatorelement durch die Paste ermöglicht wird. Insbesondere wird der mechanische Kontakt über eine den optischen Index anpassende Paste hergestellt, so dass eine unerwünschte Lichtreflexion an der Grenzfläche der Linse und des transparenten Stabilisatorelements verringert wird.
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Nach einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die lichtemittierenden Elemente in einer Matrix auf dem Substrat angeordnet. Die Matrix kann regelmäßig oder unregelmäßig sei. Die lichtleitenden Elemente können beispielsweise in einer 5x6-Matrix angeordnet sein.
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Insbesondere sind die lichtemittierenden Elemente in einer zur Verwendung in einer Kraftfahrzeugbeleuchtung, insbesondere für einen Kraftfahrzeugfrontscheinwerfer geeigneten Anordnung vorgesehen. Zumindest ein Teil der lichtemittierenden Elemente kann unabhängig ansprechbar ausgebildet sein, d.h. die Menge am lichtemittierenden Elementen, die aktiv/passiv sind, und/oder das Beleuchtungsmuster kann mittels der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung variiert werden. Die Beleuchtungsvorrichtung kann insbesondere für eine adaptive Frontbeleuchtung ausgebildet sein.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Beleuchtungsvorrichtung können ein oder mehrere Verfahrensschritte einen Formvorgang aufweisen. Insbesondere kann das Verfahren das Umspritzen des transparenten Stabilisatorelements und/oder der Linse mit einem transparenten Abdeckmaterial aufweisen.
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Ferner können die Lichtleiter und/oder die Linse durch einen Formvorgang bereitgestellt werden. Insbesondere können die Lichtleiter und die Linse als ein einstückiges Bauteil ausgebildet sein, das durch Formen beispielsweise aus transparentem Silikon hergestellt werden kann. Darüber hinaus oder alternativ kann das Verfahren das Umspritzen des transparenten Stabilisatorelements zur Bildung der Linse aufweisen, wobei das transparente Stabilisatorelement zumindest teilweise in der geformten Linse eingebettet ist.-
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Nach einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Halterung auf dem Substrat angeordnet, wobei die Halterung dazu ausgebildet ist, das transparente Stabilisatorelement relativ zu den lichtemittierenden Elementen zu halten. Insbesondere wird die Halterung durch einen Formvorgang bereitgestellt. Der Formvorgang zur Bereitstellung der Halterung kann derselbe Verfahrensschritt wie der Formvorgang zur Bereitstellung der Lichtleiter und/oder der Linse sein.
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Nach einem exemplarischen Ausführungsbeispiel weist das Verfahren zwei Formschritte auf. Die Linse und/oder die Lichtleiter werden durch Formen beispielsweise als einstückiges Element bereitgestellt. Optional kann eine Halterung durch Formen auf dem Substrat vorgesehen werden. Die Linse und die Lichtleiter werden auf dem Substrat angeordnet. Das transparente Stabilisatorelement wird auf der Lichtaustrittsseite der Linse angeordnet. Danach werden das transparente Stabilisatorelement und/oder die Linse, optional zusammen mit der Halterung, mit einem transparenten Abdeckmaterial umspritzt.
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Es sei darauf hingewiesen, dass die Darstellung von Ausführungsbeispielen der Erfindung in diesem Abschnitt lediglich exemplarisch und nicht einschränkend ist.
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Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen ersichtlich. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die Zeichnungen lediglich Darstellungszwecken dienen und nicht als Definition der Grenzen der Erfindung. Für die auf die beigefügten Ansprüche verwiesen wird. Es sei ferner darauf hingewiesen, dass die Zeichnungen nicht maßstabsgetreu sind und dass sie lediglich der konzeptuellen Darstellung der hier beschriebenen Strukturen und Verfahren dienen.
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Figurenliste
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Beispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher beschrieben, welche zeigen:
- 1a eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels der Beleuchtungsvorrichtung in Explosionsdarstellung;
- 1b eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels der Beleuchtungsvorrichtung in perspektivischer Darstellung;
- 2a eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels der Beleuchtungsvorrichtung in Draufsicht;
- 2b, 2c schematische Ansichten des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels der Beleuchtungsvorrichtung in Schnittdarstellungen;
- 3a, 3b schematische Ansichten eines anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels der Beleuchtungsvorrichtung in Schnittdarstellungen, und
- 4 eine schematische Ansicht eines anderen Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung in Schnittdarstellung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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1a zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung 2 in einer Explosionsdarstellung. Dementsprechend zeigt 1b schematisch das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung 2 in perspektivischer Darstellung. Die Beleuchtungsvorrichtung 2 weist lichtemittierende Elemente 4 auf, die auf einem Substrat 6 angeordnet sind, welches als Leiterplatte ausgebildet ist. Die lichtemittierenden Elemente 4 sind auf dem Substrat 6 in einer 5y6-Matrix angeordnet.
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Eine Linse 8 mit einer Lichteintrittsseite 10 und einer Lichtaustrittsseite 12 ist vorgesehen, wobei die Linse 8 als einstückiges Element mit einer Anordnung von Lichtleitern 14 ausgebildet ist. Jeder Lichtleiter 14 für einen optischen Kontakt mit einem der lichtemittierenden Elemente 4 ausgebildet, wobei die Lichtleiter 14 eine der Matrix der lichtemittierenden Elemente 4 entsprechende Matrix bilden. Die Lichtleiter 14 sind dazu ausgebildet, von dem entsprechenden lichtemittierenden Element 4, mit dem ein optischer Kontakt hergestellt ist, emittiertes Licht in Richtung der Lichteintrittsseite 10 der Linse 8 zu leiten.
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Die Lichtleiter 14 sind als Kollimatoren für das von den lichtemittierenden Elementen 4 emittierte Licht ausgebildet. Die Lichtleiter 14 bestehen insbesondere aus transparentem Silikon mit Seitenwänden, welche eine Kollimation des Lichts durch Totalreflexion bewirken.
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Ferner ist ein transparentes Stabilisatorelement 16 vorgesehen. Das transparente Stabilisatorelement 16 ist in mechanischem Kontakt mit der Lichtaustrittsseite 12 der Linse 8 angeordnet. Im montierten Zustand der Beleuchtungsvorrichtung 2 ist das transparente Stabilisatorelement 16 dazu ausgebildet, die Form der Lichtaustrittsseite 12 der Linse 8 in einem Mittelbereich der Lichtaustrittsseite 12 zu definieren.
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Die Beleuchtungsvorrichtung 2 weist ferner eine auf dem Substrat 6 angeordnete Halterung 18 auf, wobei die Halterung 18 durch Befestigungseinrichtungen 19, wie beispielsweise Schrauben, an dem Substrat 6 angebracht ist. Die Halterung 18 ist derart ausgebildet, dass sie das transparente Stabilisatorelement 16 relativ zu den lichtemittierenden Elementen 4 in einer Richtung hält, die im Wesentlichen senkrecht zu der Flächennormalen des Substrats 6 verläuft.
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Hierzu ist ein Rahmenelement 20 vorgesehen, das durch entsprechende Verriegelungselemente 22a, 22b, welche an dem Rahmenelement 20 bzw. der Halterung 18 vorgesehen sind, mechanisch an der Halterung 18 befestigt werden kann. Das Rahmenelement 20 weist eine Öffnung 24 im Bereich der lichtemittierenden Elemente 4 und der Lichtleiter 14 auf, so dass ein Blockieren von Licht durch das Rahmenelement 20 reduziert ist.
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Wie insbesondere aus 2b und 2c ersichtlich, welche Schnittdarstellungen in den Ebenen IIb und IIc der 2a zeigen, weist die Halterung 18 eine Linsenausnehmung 26 zum Aufnehmen der Linse 8 auf. In der Linsenausnehmung 26 ist zwischen der Halterung 18 und der Linse 8 ein Spalt sowohl in zu einer Flächennormalen des Substrats 6 parallelen als auch senkrechten Richtungen vorgesehen.
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Während des Betriebs der Beleuchtungsvorrichtung 2 können die lichtemittierenden Elemente 4 eine hohe Wärmebelastung erzeugen. Da die lichtemittierenden Elemente 4 in einem Array auf dem Substrat 6 angeordnet sind und nahe beieinander positioniert sein können, können darüber hinaus hohe Temperaturgradienten auftreten, da die Mitte der Anordnung von lichtemittierenden Elementen 4 einer höheren Wärmebelastung ausgesetzt ist als die Ränder der Anordnung.
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Der Spalt ermöglicht es der Linse 8 sich in Richtung der Halterung 18 auszudehnen, wenn im Betrieb der Beleuchtungsvorrichtung 2 Temperaturänderungen auftreten. Da das transparente Stabilisatorelement 16 dazu ausgebildet ist, die Form der Lichtaustrittsseite 12 zu definieren und von der Halterungen 18 und dem Rahmenelement 20 relativ zu dem Substrat 6 gehalten wird, wird die thermische Ausdehnung der Linse 8 und der Lichtleiter in Richtung der Lichtaustrittsseite 12 wirksam begrenzt. Insbesondere behält die Lichtaustrittsseite 12 der Linse 8 aufgrund des mechanischen Kontakts mit dem planaren Stabilisatorelement 16 eine planare Form bei. Somit kann ein Wölbungseffekt der Linse 8 und der Lichtleiter 14 (beispielsweise durch eine Ausdehnung der Linse 8 durch die Öffnung 24 des Rahmenelements 20) vermieden werden. Der Wölbungseffekt hat sich als kritisch für die thermische Empfindlichkeit erwiesen, da die Wölbung ein Verkippen der Lichtleiter 14 relativ zu den Lichtaustrittsflächen der lichtemittierenden Elemente 4 verursacht, welches die Effizienz der Lichteinkopplung in die Lichtleiter 14 und der Kollimation durch Totalreflexion erheblich verringert,. Durch das erfindungsgemäße transparente Stabilisatorelement 16 kann dieser Effekt verringert werden und die thermische Empfindlichkeit der Beleuchtungsvorrichtung 2 wird erheblich verbessert.
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Die Halterung 18 weist ferner seitliche Ausrichtelemente 28 auf, die dazu ausgebildet sind, die Linse 8 relativ zu den lichtemittierenden Elementen 4 in einer zu der Flächennormalen des Substrats 6 im Wesentlichen senkrechten Richtung zu halten, wodurch die thermische Stabilität der Beleuchtungsvorrichtung 2 weiter verbessert wird. Die seitlichen Ausrichtelemente 28 sind im Wesentlichen in der Mitte von Randbereichen der Halterung 18 angeordnet. Die Halterung 18 weist genauer gesagt eine im Wesentlichen rechteckige Form auf, wobei die seitlichen Ausrichtelemente 28 im Wesentlichen in der Mitte einer langen Seite der rechteckigen Form angeordnet sind, um eine durch thermische Ausdehnung bewirkte Verschiebung der Linse 8 in Bezug auf die Halterung 18 zu verringern.
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Die Linse 8 weist eine Stabilisatorausnehmung 10 zum formschlüssigen Aufnehmen des transparenten Stabilisatorelements 16 auf. In diesem Ausführungsbeispiel weist das transparente Stabilisatorelement 16 eine planare Form auf und besteht aus Glas. Das transparente Stabilisatorelement 16 ist insbesondere eine rechteckige Glasplatte, die der Linse 8 und den Lichtleitern ausreichend mechanische Stabilität verleiht, während es eine hohe Transmission des von den lichtemittierenden Elementen 4 emittierten Lichts ermöglicht.
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Das transparente Stabilisatorelement 16 ist in der Stabilisatorausnehmung 30 seitlich angeordnet und ist in mechanischem Kontakt mit der Lichtaustrittsseite 12. Hierbei ist das transparente Stabilisatorelement 16 über eine den optischen Index anpassende Paste in indirektem mechanischem Kontakt mit der Lichtaustrittseite der Linse angeordnet, wodurch unerwünschte Reflexionseffekte an der Grenzfläche zwischen dem transparenten Stabilisatorelement 16 und der Linse 6 verringert werden. Gleichzeitig werden Unterschiede in der Wärmeausdehnung in seitlicher Richtung ausgeglichen.
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3a, 3b zeigen schematisch ein anderes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung 2 in Schnittdarstellungen analog zu den 2b, 2c. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind das transparente Stabilisatorelement 16 und die Linse 8 mit einem transparenten Abdeckmaterial 32 umspritzt. Das Rahmenelement 20 kann daher entfallen, wodurch eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung der Beleuchtungsvorrichtung 2 möglich ist. Darüber hinaus kann die Beleuchtungsvorrichtung 2 nach diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls eine (nicht dargestellte) Halterung aufweisen, die insbesondere ebenfalls mit dem transparenten Abdeckmaterial 32 umspritzt ist.
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Das transparente Abdeckmaterial 32 kann ferner (nicht dargestellte) Vorsprünge, insbesondere kuppelförmige Vorsprünge, aufweisen. Derartige Vorsprünge können jeweils einem Lichtleiter 14 entsprechen.
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4 zeigt schematisch ein anderes alternatives Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung 2 in einer Schnittdarstellung analog zu den Schnittdarstellungen der 2b, 2c. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das transparente Stabilisatorelement 16 in die Linse 8 eingebettet. Es sei darauf hingewiesen, dass das transparente Stabilisatorelement 16 ganz oder teilweise in die Linse 8 eingebettet sein kann, wodurch in beiden Fällen eine erwünschte Verbesserung der Stabilität erreicht werden kann. Die Lichtleiter 14 sind einstückig mit der Linse 8 ausgebildet, beispielsweise unter Verwendung von transparentem Silikon. Wie das vorangehende Ausführungsbeispiel der 3a und 3b, kann auch das Ausführungsbeispiel nach 4 eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung der Beleuchtungsvorrichtung 2 ermöglichen. Die Linse 8 und die Lichtleiter 14 können beispielsweise durch das Formen eines geeigneten Linsenmaterials, beispielsweise transparentes Silikon, (zumindest teilweise) um das Stabilisatorelement 16 herum ausgebildet werden. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel kann das Rahmenelement 20 entfallen, was die Einfachheit des Herstellungsvorgangs weiter erhöht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2018/065278 A1 [0006]
- EP 3376099 A1 [0007]
