EP1889303A1 - Lichterzeugende anordnung - Google Patents

Lichterzeugende anordnung

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EP1889303A1 EP06777261A EP06777261A EP1889303A1 EP 1889303 A1 EP1889303 A1 EP 1889303A1 EP 06777261 A EP06777261 A EP 06777261A EP 06777261 A EP06777261 A EP 06777261A EP 1889303 A1 EP1889303 A1 EP 1889303A1
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light
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luminous flux
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    • F21V5/04—Refractors for light sources of lens shape
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
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    • F21—LIGHTING
    • F21Y—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO THE FORM OR THE KIND OF THE LIGHT SOURCES OR OF THE COLOUR OF THE LIGHT EMITTED
    • F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources
    • F21Y2115/10—Light-emitting diodes [LED]

Definitions

  • the invention relates to a light-generating arrangement comprising a light-emitting semiconductor element having electrical leads, as well as a transparent Lichtausrichtelement arranged in the emission direction in front of the semiconductor element, through which the light emitted from the semiconductor element is bün ⁇ delbar to a luminous flux.
  • Semiconductor light emitting elements in particular high- ⁇ -performance LEDs usually have a Lambert radiation or a very large opening angle of the radiation.
  • s primarily refractive and reflective secondary optics are recognized as Lichtausrichtelement ⁇ turned in the high-power LED '. These optics lead to a bundling of the luminous flux and to very high luminances in the forward direction.
  • the object of the invention is therefore to provide a light-generating An ⁇ order of the aforementioned type which avoids the disadvantages mentioned and whose luminous flux is highly homogeneous and has no significant loss of brightness.
  • the decoupling surface of the light-aligning element has a microstructure formed of a plurality of elevations and depressions, through which the beam paths of the luminous flux by an angle ⁇ 5 ° are deflected.
  • Another solution of this object is achieved by having a microstructure formed levies of a plurality of elevations and Vertie ⁇ by the coupling surface to the output surface of the Lichtausrichtelements extending wall of the Lichtausrichtelements that of the reflection of the beam paths of the light flux on the wall Lichtaus ⁇ directing element by an angle ⁇ 5 ° are deflected.
  • the individual beam paths of the directed light beams of the luminous flux are so easily changed that, although within the luminous flux, which can be a cone of light after Abstrah ⁇ ment, the light is redistributed. But this is so that essentially no light scatters back or is scattered out of the luminous flux or light cone.
  • the light-aligning element may preferably be a converging lens.
  • a high uniformity of the luminous flux is characterized ⁇ rich enough that the microstructure has a surface roughness of ⁇ 100 microns.
  • the microstructure is formed on a transparent film, the buildin on the output surface by means of a refractive index-matched adhesive ⁇ is Untitled.
  • microstructure is applied by means of the decoupling and / or the wall of the light ⁇ aligning resist is formed, whose free surface assumes the microstructure during curing.
  • microstructure is formed by a plurality distributed on the outcoupling surface and / or on the wall of the alignment element arranged microlenses or microlens-like elevations.
  • the elevations and depressions are preferably arranged distributed stochastisch.
  • FIGURE of the drawing shows a schematic cross- sectional view of a light-generating arrangement.
  • the illustrated light-generating arrangement has as a light-emitting semiconductor element a high-power LED (light emitting diode) 1, in front of which a light-aligning element 2 is arranged at a distance in the emission direction of the light.
  • a high-power LED light emitting diode
  • the secondary optics forming Lichtausrichtelement 2 is made of a transparent plastic as an injection molded part Herge ⁇ provides.
  • the non-directional light emitted by the high-power LED is introduced into a coupling surface 3 of the light-directing element 2 in this and, inter alia, by a reflection at the wall 5 of the light-aligning element 2 extending from the coupling surface 3 to a coupling surface 4 of the Lichtausrichtelements 2 to a homogeneous and directed aligned at the outcoupling surface 4 emerging luminous flux.
  • the decoupling surface 4 has a microstructure 6 of a plurality of uneven elevations and depressions, through which the beam paths of the aligned luminous flux are deflected at the exit from the Lichtausrichtelement 2 by an angle ⁇ 5 °.
  • the microstructure 6 could also be arranged on the wall 5.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine lichterzeugende Anordnung mit einem lichtemittierenden Halbleiterelement, das elektrische Zuleitungen besitzt, sowie mit einem mit einem Abstand in Abstrahlrichtung vor dem Halbleiterelement angeordneten transparenten Lichtausrichtelement 2, durch das das von dem Halbleiterelement emittierte Licht zu einem Lichtstrom bündelbar ist. Die Auskoppelfläche 4 des Lichtausrichtelements 2 weist eine Mikrostruktur 6 auf, die aus einer Vielzahl Erhebungen und Vertiefungen gebildet ist, durch die die Strahlwege des Lichtstroms um einen Winkel < 5° ablenkbar sind.

Description

Beschreibung
Lichterzeugende Anordnung
Die Erfindung bezieht sich auf eine lichterzeugende Anordnung mit einem lichtemittierenden Halbleiterelement, das elektrische Zuleitungen besitzt, sowie mit einem mit einem Abstand in Abstrahlrichtung vor dem Halbleiterelement angeordneten transparenten Lichtausrichtelement, durch das das von dem Halbleiterelement emittierte Licht zu einem Lichtstrom bün¬ delbar ist.
Lichtemittierende Halbleiterelemente, insbesondere Hoch¬ leistungs-LED' s besitzen meist eine Lambert-Abstrahlcharak- teristik bzw. einen sehr großen Öffnungswinkel der Abstrahlcharakteristik. Um eine gerichtete Abstrahlung zu erhalten, werden bei den Hochleistungs-LED' s vornehmlich refraktive und reflektive Sekundäroptiken als Lichtausrichtelement einge¬ setzt. Diese Optiken führen zu einem Bündeln des Lichtstroms und zu sehr hohen Leuchtdichten in Vorwärtsrichtung.
Durch die Struktur der Halbleiterelemente, insbesondere auch durch deren elektrische Zuleitungen und Kontaktierungen kommt es zu einer deutlichen Inhomogenität des Lichtstroms.
Bei Einsatz von mehreren LED-Chips in einem Feld spiegelt sich die Positionierung der einzelnen Chips in der Helligkeitsverteilung des Lichtstroms wieder.
Handelt es sich weiterhin um LED-Chips unterschiedlicher Farbe, so ist meist die Vermischung der einzelnen Farbkomponenten unvollständig. Daher sind deutliche Farbvariationen über die Breite des Lichtstroms zu beobachten. Diese Beeinflussungen des Lichtstroms sind sehr störend und schränken den Einsatz derartiger lichterzeugender Anordnungen ein.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine lichterzeugende An¬ ordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die die genannten Nachteile vermeidet und deren Lichtstrom in hohem Maß homogen ist und keinen wesentlichen Verlust an Helligkeit aufweist .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Auskoppelfläche des Lichtausrichtelements eine aus einer Vielzahl Erhebungen und Vertiefungen gebildete Mikrostruktur aufweist, durch die die Strahlwege des Lichtstroms um einen Winkel < 5° ablenkbar sind.
Eine weitere Lösung dieser Aufgabe wird dadurch erreicht, dass die die von der Einkoppelfläche zur Auskoppelfläche des Lichtausrichtelements sich erstreckende Wandung des Lichtaus- richtelements eine aus einer Vielzahl Erhebungen und Vertie¬ fungen gebildete Mikrostruktur aufweist, die die Reflexion der Strahlwege des Lichtstroms an der Wandung des Lichtaus¬ richtelements um einen Winkel < 5° ablenkbar sind.
An sich wird durch das eine Sekundäroptik bildende Lichtaus¬ richtelement das von dem Halbleiterelement in alle Richtungen abgestrahlte Licht gerichtet und als gerichteter Lichtstrom abgestrahlt .
Durch die Mikrostruktur werden die einzelnen Strahlwege der gerichteten Lichtstrahlen des Lichtstroms derart leicht geändert, dass zwar innerhalb des Lichtstroms, der nach Abstrah¬ lung ein Lichtkegel sein kann, das Licht neu verteilt ist. Dies aber so, dass im Wesentlichen kein Licht zurückstreut oder aus dem Lichtstrom oder Lichtkegel herausgestreut wird.
Das Lichtausrichtelement kann vorzugsweise eine Sammellinse sein.
Eine hohe Gleichmäßigkeit des Lichtstroms wird dadurch er¬ reicht, dass die Mikrostruktur eine Rautiefe von < 100 μm besitzt .
Ist das Lichtausrichtelement ein Kunststoffspritzgussteil, an dessen Auskoppelfläche und/oder an dessen Wandung die Mikrostruktur angeformt ist, so kann durch entsprechende Ausbil¬ dung des Spritzwerkzeugs die Mikrostruktur bei der Herstel- lung des Lichtausrichtelements kostengünstig miterzeugt wer¬ den.
Es ist aber auch möglich, dass die Mikrostruktur an einer transparenten Folie ausgebildet ist, die mittels eines bre- chungsindexangepassten Klebers auf der Auskoppelfläche befes¬ tigt ist.
Eine weitere, ebenfalls einfache Maßnahme zur Erzeugung der Mikrostruktur besteht darin, dass die Mikrostruktur mittels eines auf die Auskoppelfläche und/oder die Wandung des Licht¬ ausrichtelements aufgebrachten Lacks gebildet ist, dessen freie Oberfläche beim Aushärten die Mikrostruktur annimmt.
Eine gute Homogenisierung des Lichtstroms ohne Streuung im eigentlichen Sinn wird dadurch erreicht, dass die Mikrostruktur durch eine Vielzahl verteilt an der Auskoppelfläche und/oder an der Wandung des Ausrichtelements angeordneter Mikrolinsen oder mikrolinsenartigen Erhebungen gebildet ist. Die Erhebungen und Vertiefungen sind vorzugsweise sto- chastisch verteilt angeordnet.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine schematische Quer¬ schnittsdarstellung einer lichterzeugenden Anordnung.
Die dargestellte lichterzeugende Anordnung weist als licht- emittierendes Halbleiterelement eine Hochleistungs-LED (light emitting diode) 1 auf, vor der in Abstrahlrichtung des Lichts in einem Abstand ein Lichtausrichtelement 2 angeordnet ist.
Das eine Sekundäroptik bildende Lichtausrichtelement 2 ist aus einem transparenten Kunststoff als Spritzgussteil herge¬ stellt.
Das von der Hochleistungs-LED emittierte ungerichtete Licht wird an einer Einkoppelfläche 3 des Lichtausrichtelements 2 in dieses eingeleitet und unter anderem durch Reflektion an der von der Einkoppelfläche 3 zu einer Auskoppelfläche 4 des Lichtausrichtelements 2 sich erstreckenden Wandung 5 des Lichtausrichtelements 2 zu einem homogen und gerichtet an der Auskoppelfläche 4 austretenden Lichtstrom ausgerichtet.
Die Auskoppelfläche 4 weist eine Mikrostruktur 6 aus einer Vielzahl ungleichmäßiger Erhebungen und Vertiefungen auf, durch die die Strahlwege des ausgerichteten Lichtstroms beim Austritt aus dem Lichtausrichtelement 2 um einen Winkel < 5° abgelenkt werden.
Damit wird der gerichtete Lichtstrom weitestgehend beibehal¬ ten. Es erfolgt nur eine leichte Veränderung der Strahlwege, was zu einer Homogenisierung des Lichtstroms führt. Anstatt der Anordnung der Mikrostruktur 6 an der Auskoppelfläche 4 könnte die Mikrostruktur auch an der Wandung 5 angeordnet sein.
Dies würde dazu führen, dass zwar eine Reflektion der Strahlwege zu deren Ausrichtung erfolgt. Zusätzlich würden durch die Mikrostruktur diese Strahlwege aber noch um einen Winkel < 5° abgelenkt, wodurch der gerichtete Lichtstrom eine Homo¬ genisierung erhalten würde.

Claims

Patentansprüche
1. Lichterzeugende Anordnung mit einem lichtemittierenden Halbleiterelement, das elektrische Zuleitungen besitzt, sowie mit einem mit einem Abstand in Abstrahlrichtung vor dem Halbleiterelement angeordneten transparenten Lichtausrichtelement, durch das das von dem Halbleiter¬ element emittierte Licht zu einem Lichtstrom bündelbar ist, da du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Auskoppelfläche des Lichtausrichtelements (2) eine aus einer Vielzahl Erhebungen und Vertiefungen gebildete Mikrostruktur (6) aufweist, durch die die Strahlwege des Lichtstroms um einen Winkel < 5° ablenkbar sind.
2. Lichterzeugende Anordnung mit einem lichtemittierenden Halbleiterelement, das elektrische Zuleitungen besitzt, sowie mit einem mit einem Abstand in Abstrahlrichtung vor dem Halbleiterelement angeordneten transparenten Lichtausrichtelement, durch das das von dem Halbleiter- element emittierte Licht zu einem Lichtstrom bündelbar ist, da du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die von der Einkoppelfläche (3) zur Auskoppelfläche (4) des Lichtausrichtelements (2) sich erstreckende Wandung (5) des Lichtausrichtelements (2) eine aus einer Viel- zahl Erhebungen und Vertiefungen gebildete Mikrostruktur aufweist, durch die die Reflexion der Strahlwege des Lichtstroms an der Wandung (5) des Lichtausricht¬ elements (2) um einen Winkel < 5° ablenkbar sind.
3. Lichterzeugende Anordnung nach einem der Ansprüche 1 und 2, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Lichtausrichtelement eine Sammellinse ist.
4. Lichterzeugende Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Mikrostruktur (6) eine Rautiefe von < 100 μm be¬ sitzt .
5. Lichterzeugende Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Lichtausrichtelement (2) ein Kunststoffspritz- gussteil ist, an dessen Auskoppelfläche (4) und/oder an dessen Wandung die Mikrostruktur angeformt ist.
6. Lichterzeugende Anordnung nach einem der Ansprüche 1, 3 und 4, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Mikrostruktur an einer transparenten Folie ausge- bildet ist, die mittels eines brechungsindexangepassten Klebers auf der Auskoppelfläche befestigt ist.
7. Lichterzeugende Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Mikrostruktur mittels eines auf die Auskoppelfläche und/oder die Wandung des Lichtausrichtelements aufge¬ brachten Lacks gebildet ist, dessen freie Oberfläche beim Aushärten die Mikrostruktur annimmt.
8. Lichterzeugende Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Mikrostruktur durch eine Vielzahl verteilt an der Auskoppelfläche und/oder an der Wandung des Ausrichtelements angeordneter Mikrolinsen oder mikrolin- senartigen Erhebungen gebildet ist.
9. Lichterzeugende Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Erhebungen und Vertiefungen stochastisch verteilt angeordnet sind.
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