WO2006089450A2 - Lichtquelle - Google Patents

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Lucea Ag Wey & Spiess Treuhand- Und Revisionsgesellschaft
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Definitions

  • the present invention relates to a light source with LED chips as light-emitting elements.
  • Linear light sources i.e., light sources having an overall elongated light emitting body
  • Linear light sources are available in a variety of designs and for a variety of applications. They are, for example, well known for the external illumination of flat objects such as, for example, signs, posters or pictures in practice.
  • Reflector surfaces necessary ie, the cross section of the linear light source extends over several centimeters, bringing such a light source in many Cases as the object to be lit disturbing appears. If the reflectors designed with the smallest possible cross-section, significantly larger light losses must be accepted.
  • linear light sources for the external illumination of flat objects which are designed with a linear arrangement of a multiplicity of packaged, light-bundling LED lamps.
  • Such embodiments have the great advantage that the stray light losses are reduced in comparison to the fluorescent tube solution and that it is tight by the use of light, i. For example, to ⁇ 20 °, focusing LED easier to focus the light to a large extent as possible to focus on the flat object. But they also have the disadvantage that a homogeneous illumination of the flat object can be achieved only with great effort.
  • the linear light source it is desirable for the linear light source to be close to an edge of the planar object, for example 10 cm above and 10 cm in front of this, can be arranged and exactly the object, and not its surroundings, illuminated in a grazing light.
  • LED lamps which are packaged to generate the linear light source and emit their light rotationally symmetrically with respect to their optical axis are formed, then, when the linear light source is arranged near an edge of the planar object along this edge, unwanted cone-like light zones are produced. In addition, a larger part of the light will impinge on the object in the vicinity of the light source, whereby an uneven illumination is also produced in the direction away from the light source of the flat object.
  • Linear light sources for internal illumination from illuminating, flat objects such as light boxes in advertising are also known in practice.
  • solutions are increasingly found in which the light of linearly arranged at intervals of, for example, 1 cm housed LED lamps is coupled into at least one of the edges of a transparent plate.
  • the large surfaces of the transparent plate then act, by total reflection, as a light guide, and the light is distributed over the whole plate.
  • Targeted structures on at least one of the large surfaces or in the interior of the plate specifically generated inhomogeneities ensure the desired light emission.
  • the discrete light-generating elements must be as homogeneous as possible in the longitudinal direction of the light source in order to avoid cone-like bright zones a wide range of angles, that is, for example, in a range of greater than ⁇ 50 °, leave.
  • the linear light source in the plane perpendicular to the planar object and to its longitudinal direction is intended to deliver its light asymmetrically in the sense of its optical axis, that it sends more light to the distant zones of the planar object than to the near and thus a homogeneous illumination generated.
  • the light source should produce as little stray light and thus as little glare as possible from the viewer.
  • the discrete light-generating elements must emit their light as homogeneously as possible in a wide angular range.
  • the generated light including IR or UV light
  • the requirements are often slightly different. It is also desirable that as few light-generating elements as possible must be used and that as little scattered light as possible be generated, but often the highest possible energy density is desired, ie the angular range is often as narrow as possible.
  • a linear arrangement - which overcomes the disadvantages of the prior art and which allows the greatest possible lighting efficiency with the simplest possible structure and is as cost effective as possible.
  • the light source should satisfy as many of the above requirements as possible.
  • the light source has a plurality of subgroups of at least one unhoused LED chip.
  • the subgroups are in a linear arrangement.
  • a "linear" arrangement means that the subgroups form a straight line, and a slightly curved line forming a circle, an ellipse, a circle or ellipse segment, etc. is also possible, with the average radius of curvature of the line being much larger than Also, a zigzag, meandering or similar course is conceivable as long as a line is defined and the average distance of each LED chip from a straight centerline is much smaller (eg at least a factor of 5, or at least one factor 10) is smaller than the length of the line. preferably arranged at regular intervals from each other along the line.
  • a plurality of lines is formed.
  • the subgroups are distributed in a different manner from a linear array, for example grid-like.
  • Each of the subgroups comprises at least one LED chip, but it can also consist of several different chips. For example, to produce any light color, it may be useful to put together a group of several chips which emit red, green or blue light.
  • the LED chips are applied to an electrically contacting carrier. According to a first. Variant all LED chips are applied to a common, for example. Platinen- or flexprintartigen carrier. According to a further variant, a carrier is present per subgroup or per unit of several subgroups, electrical connections existing between the carriers.
  • a (single), preferably full (ie no voids) body of optically transparent material is present, which at least partially surrounds the LED chips, so that the light-emitting surfaces of each LED chip are enveloped and in such a way that the LEDs Chips radiated light propagates in the optically transparent material, wherein the at least one carrier is mechanically fixed to the optically transparent body.
  • the light generated by the LED chips and propagating in the optically transparent material is coupled out front optically transparent body over a desired area to the outside.
  • the optically transparent body is preferably designed such that it deflects the light of the chips by means of at least partial reflection at at least one interface, as a rule by total reflection, so that the desired light distribution is produced.
  • the LED chips are present on a formation or on formations which have light-deflecting boundary surfaces.
  • the formations have a shape tapering towards the LED chips in an environment of the LED chips. This shape can be comb-like in the case of a linear arrangement of the chips, the LED chips being arranged in the vicinity of the ridgeline. Often the shape is flattened in the vicinity of the ridge line, wherein the flattening forms a support surface against which the often flat support.
  • the formations are hilly, with one or more LED chips, for example, also being flattened ("the hilltop"), being present Due to the tapered shape, light emitted sideways from the LED chips is reflected by the at least partial reflection in a direction corresponding to the main emission direction deflected - lateral leakage from the optically transparent body is prevented ..
  • the side sections with respect to the LED chips thus act as a kind of Lichtumlenk lake.
  • the invention offers a surprisingly simple approach with which the problem posed at the outset is achieved and which, in many cases, brings about improvements over the prior art. Due to the fact that the LED chips are not located outside the flat object, but emit their light directly inside the plate to be flooded with light, stray light losses are largely avoided.
  • the light source is also inexpensive to produce and can be easily carried out so that it is robust against environmental influences. Because the LED chips are generally in contact only with the carrier and the optically transparent body enclosing it, and the surrounding medium does not reach the LED chips, they are naturally protected against environmental influences. Preferably, there are no gas inclusions between the LEDs and the optically transparent body.
  • optically transparent body must be in one piece or monolithic-homogeneous. It may also be composed of several components of possibly different materials that are transparent. Preferably, such different materials have a similar refractive index, which differs, for example, by at most 30%, more preferably by at most 20% or even at most 15% or 10%.
  • refractive index which differs, for example, by at most 30%, more preferably by at most 20% or even at most 15% or 10%.
  • Not transparent elements may be attached, for example. VerLiteisme etc.
  • LED chips usually emit light into the half-space, more precisely into a certain solid angle, for example ⁇ 70 °, ⁇ 80 ° or ⁇ 90 °.
  • This has the meaning of Invention the advantage that no "backwards” emerging light deflected, but only the "forward” emerging light has to be bundled into the desired space area. This not only results in drastically reduced stray light losses, but also makes it possible in a simple manner to generate directional, possibly completely asymmetrical, light distributions. In particular, it is possible to produce in one direction a very wide light distribution of for example + 70 °, ⁇ 80 ° or ⁇ 90 ° and in a direction perpendicular to the first a much narrower light distribution of for example ⁇ 10 ° to + 40 °.
  • the center of the solid angle is often referred to as the optical axis of the LED chip.
  • the optical axis of the LED chip According to one embodiment of the invention - in the version "linear
  • Light distribution perpendicular to the plane with respect to this is asymmetrical.
  • said optically transparent body can be, for example, simply a cylindrical body with a cross-section which is, for example, a rectangle whose two corners are chamfered at the plane containing the LED chips.
  • a light distribution corresponding to that of the unpackaged LED chips is obtained, while the light is deflected transversely at said oblique surfaces by total reflection and in many cases sufficiently well is bundled (ie, said oblique surfaces act as the light redirecting surfaces).
  • An improvement in the bundling behavior can be achieved by making the Lichtumlenk vom approximately parabolic. Such a parabolic shape You can also by several, for example. Three, cones with different slopes replicate. This may be a preferred option for small series production.
  • a further improvement of the bundling effect can be achieved by the surface opposite the LED chips is not flat, but designed in the sense of a cylindrical lens.
  • the long transparent body may have any repeating additional shapes in its longitudinal direction, such as transversely to the longitudinal direction V-shaped grooves or dome-like shapes. With such additional shapes, it is also possible in a simple manner to concentrate the light emerging from the LED chips in the longitudinal direction of the long transparent body to a desired solid angle.
  • the two end faces (or faces) of the long transparent body may also be designed as planes which are not simply perpendicular, but may form the light exit at the ends of the linear light source in a desired manner by tilting and / or by an approximately parabolic shape.
  • the light source is designed such that the light emitted by the LED chips is mostly coupled out by a light exit surface of the optically transparent body, which lies opposite the carrier surface.
  • the above directivity is utilized.
  • the directional effect can be further enhanced by the light exit surface having a cylindrical lens-like or domed-lens-like or otherwise refractive and / or diffractive collimating structure.
  • a further directivity can be achieved in that the carrier is mirrored and has a hollow-mirror-like shape.
  • the light source is a planar object, which emits light through at least one of the large side surfaces, that is, for example, a panel illuminated from the inside.
  • This embodiment can be considered as a combination of a linear light source with a large-area transparent body.
  • the side surfaces thus have comparatively large sections, which are preferably parallel to the carrier surface and parallel to the optical axes of the LED chips.
  • At least one of the side wall sections may be provided with coupling-out structures.
  • the optically transparent body may have the shape of a torus, in which the LED chips are arranged along the inner circumferential line and radiate outwards. This results in a virtually isotropic emission characteristic along the plane of the torus.
  • the optically transparent body can also be formed by a plurality of quasi stacked tori with identical radii or with different radii.
  • the light source is flat in the sense that the optically transparent body is formed flat and defines a plane and the LED chips are distributed over this plane. Along the plane, the LED chips can form multiple linear arrays.
  • the light source can be designed such that it has structures which, in addition to a possible isotropic radiation characteristic, are still called "spots" - ie directed emitters - act. Such spots can be formed by formations in the form of, for example, rotation parabola-type collimation structures.
  • all LED chips of the light source are electrically connected together. This means, i.a., that all LED chips of the light source can be lit simultaneously by applying a voltage between two electrodes.
  • the LED chips can be connected in groups in series, the groups being connected in parallel. If there are several carriers, these are, for example, connected to one another by wires or strands.
  • the electrical paths of the carrier can be designed so that a contact can take place from the outside in each case between, for example, any two LED chip subgroups.
  • the carrier may have two separate connection paths, possibly each with an extension between the subgroups. Contacting can be achieved by drilling a thin hole at the points to be contacted and pressing in contact pins which are slightly larger in diameter than the drilled holes, thereby establishing contact. This works even if the carrier and conductor tracks are completely enclosed by the transparent material of the main body (or of the silicone in the groove).
  • the invention also relates to a pixel wall, ie a planar arrangement of two-dimensionally juxtaposed, individually controllable light sources.
  • the light sources of the pixel wall are designed according to the invention.
  • at least some of the light sources of the pixel wall have LED chips with different emission wavelengths, for example red, green and blue LEDs.
  • the LEDs of themselves different wavelengths are then independently controllable (and therefore not electrically connected), so that the pixel can shine in a desired color.
  • the light sources are monochrome, with more or less identical emission wavelengths, so that only a light-dark image can be displayed.
  • each light source is monochrome, but there are light sources with (for example three) different emission wavelengths, with groups each having a light source of each emission wavelength, similar to the principle of certain color television sets.
  • the light sources of the pixel wall are preferably formed as flat objects, of which light is emitted through one of the large side surfaces.
  • the optical axes of the LED chips thus form an angle to the pixel wall plane and are preferably perpendicular or approximately perpendicular (angle between 80 ° and 90 °) to her.
  • the carrier can be transparent, which is particularly advantageous in the pixel wall. If the carrier then bears tightly against the neighboring element (and, for example, is still connected to it by a transparent permanently elastic layer), light from the neighboring element couples into the carrier and makes it appear bright towards the outside.
  • the carrier may additionally be mirrored on its upper side, so that the coupled-in light of the neighboring element reflects back and thus the brightness of the neighboring element is optimized.
  • the refractive index of the carrier material may be selected so that it does not deviate very little, for example at most by 30% or even at most 20% or 10% from that of the optically transparent body, then the coupling-in of the light from the neighboring element will be particularly effective Good.
  • the carrier in addition to the transparent main body and the possible mirroring, the carrier also has conductor structures for contacting the LED chips; Of course these do not have to be transparent.
  • the long, substantially optically transparent body should, as mentioned, enclose the LED chips in such a way that coupling losses are minimized.
  • the long transparent body must have on one of its sides a groove whose shape and roughness has no significant influence and which is therefore very inexpensive to produce.
  • this groove is initially filled with a low-viscosity, at least partially curable, transparent material, such as a suitable silicone. After curing, this filler material should have an optical refractive index which comes as close as possible to that of the long transparent body, a difference of, for example, 0.1 to 0.2 not playing a decisive role according to Fresnel's law.
  • the initially thin liquid filler compensates for all irregularities of said groove so that they no longer play a role visually.
  • the carrier carrying the LED chips is inserted in a second step so that the filling material completely surrounds at least the chips, but possibly also the carrier. Thereafter, the filler material is cured, wherein a material with permanently elastic properties after curing is preferable to avoid for the LED chips unfavorable mechanical stresses.
  • the method includes the steps as set forth above: Inserting a groove-like depression into an oblong depression of an optically transparent body,
  • Steps 2 and 3 can also be carried out in reverse order, i.
  • the carrier is inserted or inserted with the LED chips in the groove-like depression and then allowed to flow from one end of the liquid transparent material into the recess.
  • the cross section of the groove-like depression has a step on which the carrier is placed so that the LED chips float freely in the lower part of the groove.
  • the deeper part of the groove can then be made as deep as possible, so that the inflow of the liquid, transparent material is facilitated.
  • the light source can be produced in, for example, very long pieces and subsequently cut into sections, each comprising at least one LED group. This also does not impair the possibility of a flat shape of the end surfaces which is not perpendicular to the base surface (corresponding to the support surface after the attachment of the support).
  • the separation can be effected in such a way that a desired shape (inclined plane or parabolic shape, etc.) results. It goes without saying that light sources according to the invention can also be produced by a method other than that described here.
  • light in this text generally refers to electromagnetic radiation and, where useful in addition to visible light, includes, in particular, infrared and ultraviolet radiation.
  • Figure 1 shows a schematic oblique view of a simple linear light source for the external illumination of flat objects.
  • FIGS. 2a to 2d schematically show differently optically effective cross sections of the simple linear light source of FIG. 1.
  • FIGS. 3a and 3b show schematic oblique views of linear light sources with optical elements for influencing the light distribution in the plane extending along the linear light source.
  • FIG. 4 shows a schematic oblique view of a simple linear light source for internal illumination of a planar object.
  • FIG. 5 shows a schematic oblique view of a simple linear light source for internal illumination of a planar object with a variant for producing white light.
  • FIG. 6 shows schematically the cross section through a pixel wall which is constructed with the aid of elements according to FIG.
  • FIGS. 7a to 7c show principle sketches with different cross-sectional shapes of formations which have the LED chips and whose side faces have a light-deflecting effect
  • FIG. 8 shows the view of a torus-shaped light source according to the invention with light emission direction to the outside
  • FIG. 9 shows the view of a torus-shaped light source according to the invention with light emission direction inwards
  • FIGS. 10 and 11 each show a light source radiating against an inner side with a plurality of lines formed by LED chips
  • FIGS. 12 and 13 each show a planar light source with a plurality of lines formed by LED chips
  • FIGS. 14 to 16 embodiments of flat light sources with additional collimation structures.
  • Figure 1 shows the schematic oblique view of a simple linear light source 10 for external illumination, for example, of flat objects.
  • the linear light source consists of a long transparent base body 11 with a light exit surface Hd and a groove-like depression 12 on the opposite side of the light exit surface Hd.
  • the two side surfaces have flat bevels IIb and Hc at the transitions to the opposite side of the light exit surface Hd
  • Material of which the base body 11 consists may be glass or a suitable plastic such as acrylic glass (PMMA) or polycarbonate.
  • a plurality of LED chips 14 is mounted at defined intervals on a suitable support 13 and electrically contacted by means of this support 13 and electrically connected to each other (parallel and / or series connection).
  • groups of several, i. For example, 2 to 9, LED chips at defined intervals on the carrier 13 may be arranged.
  • the LED chips 14 may be surrounded on the carrier 13 before the union with the transparent main body 11 with a - not shown - transparent protective material.
  • a suitable transparent protective material may be, for example, a permanently elastic silicone.
  • the LED chips 14 can be surrounded by a light conversion dye (phosphor), which is possibly mixed into the protective material mentioned, and has, for example, the task of converting blue light emitted by the LED chip 14 into white.
  • the groove-like recess 12 is filled with a first relatively thin liquid transparent material which hardens after the union of the base body 11 and the carrier 13 with the LED chips 14 at least partially. It is preferable to have a transparent filling material which becomes permanently elastic after curing remains.
  • a suitable transparent filling material may be, for example, a permanently elastic silicone.
  • the main body forms, together with the filling material, an optically transparent body, on which an extension is formed at the end by the flat bevels IIb, 11c, which tapers towards a ridgeline (namely the line along which the LED chips are arranged).
  • This function has the function that with respect to an optical axis of the LED chip laterally emitted light is deflected by at least partial reflection so that it temporarily remains in the optically trans-parent body and can be used together with the light emitted in the forward direction (the LED chips) light ,
  • the inclination of the flat bevels IIb and 11c is chosen for this purpose so that the light emitted by the LED chip light is deflected at the surfaces IIb and 11c by total reflection and emerges in the desired light distribution to the surface Hd.
  • the chamfers IIb, 11c thus act as Lichtumlenk lake
  • the end faces I Ia are formed here perpendicular to the linear LED arrangement (to the cylinder axis of the substantially cylindrical transparent body 11), but they may also have chamfers or the like.
  • a total width of the linear light source 10 of about 2.5 mm, a total height thereof of about 2 mm, a width of the flat lower surface of the base body 11 of 1 mm and a height of the chamfers IIb and 11c of 0.8 mm can be with Such a structure, a light distribution in the common center plane of all LED chips 14 of, for example, + 80 ° and in the plane perpendicular to this centering, for example, reach ⁇ 35 °.
  • FIG. 1 as in the following figures, only one LED chip is drawn per subgroup, but it is just as possible for there to be a plurality of LED chips per subgroup; the subgroups may each have the same or a different number of LED chips.
  • FIGS. 2 a to 2 d schematically show examples of different cross sections with different light distributions of a linear light source 20.
  • Figure 2a shows the schematic cross section of a linear light source 20, in which the non-perpendicular to the support surface extending portions 21b and 21c of the two side walls (the side walls here consist of these sections, ie do not parallel to each other and perpendicular to the support surface extending portions) of the transparent body 21 are symmetrical to the center plane of the linear light source and have parabolic-like shape.
  • the light distribution perpendicular to the center plane of the linear light source can be made substantially narrower than with the configuration shown in FIG.
  • parabola-like side walls or side wall sections light distributions of less than ⁇ 15 ° are easily achievable in the size ratios described for FIG. FIG.
  • FIG. 2b shows the schematic cross section of a linear light source 20, with a largely corresponding structure as in FIG. 2a.
  • the light exit surface 21d is not flat but designed in the sense of a cylindrical lens. With such a construction, the light distribution perpendicular to the center plane of the linear light source can be made even narrower than with the configuration shown in FIG. 2a. In the size ratios described for Figure 1 light distributions of less than ⁇ 10 ° can be achieved here easily.
  • Figure 2c shows the schematic cross-section of a linear light source 20, in which the two side walls 21b and 21c of the transparent base body 21 are asymmetrical to the center plane of the linear light source and a parabolic
  • Center plane of the linear light source 20 is. With such a structure, a clearly asymmetrical light distribution perpendicular to the center plane of the linear light source can be achieved.
  • Figure 2d shows the schematic cross section of a linear light source 20, in which the two side walls 21b and 21c of the transparent base body 21 are asymmetrical to the center plane of the linear light source and parabolic-like shape and in which the carrier 23 with the LED chips 24 obliquely to the median plane of linear light source 20 stands. Even with such a construction, a clearly asymmetrical light distribution perpendicular to the center plane of the linear light source can be achieved.
  • FIGS. 3a and 3b show schematic oblique views of linear light sources with optical elements for influencing the light distribution in the center plane extending along the linear light source.
  • FIG. 3a corresponds in all points to the configuration described in FIG.
  • the LED chips 34 carrying carrier 33 is mirrored and reshaped so that between the LED chips, or between any LED chip groups, inclined planes are present, the light emitted in the direction of the median plane of the linear light source in a desired light distribution to the exit surface 3 Id of the transparent body 31 can escape.
  • the deformation of the carrier 33 can also be done so that arbitrarily shaped generatrices, ie in particular in an environment of the LED chip subgroups in cross section parabolic similar, arise.
  • FIG. 3 b illustrates two further possibilities for influencing the light distribution in the direction of the center plane of all LED chips 34.
  • the light exit surface 31d of the transparent main body 31 is designed per LED chip or per possible LED chip group in the sense of a cylindrical lens. This allows a shaping of the light distribution in the direction of said center plane.
  • dome-lens-like structures result, by means of which the light distribution is influenced both in the direction of the plane and perpendicularly thereto.
  • the end surfaces 31a - which were previously perpendicular planes in all configurations - are designed as parabola-like surfaces. This causes a Narrowing of the light distribution in the direction of said center plane at the ends of the linear light source 30th
  • FIG. 4 shows a schematic oblique view of a simple linear light source for internal illumination of a planar object.
  • the linear light source is integrated in a flat transparent base body 41, which has a groove-like depression 42.
  • the two side surfaces have flat bevels 41b and 41c, respectively, at the transitions to the plane containing this groove-like depression 42.
  • the transparent material constituting the main body 41 may be glass or a suitable plastic such as acrylic glass (PMMA) or polycarbonate.
  • a plurality of LED chips 44 are mounted at defined intervals on a suitable carrier 43 and electrically contacted by means of this carrier 43 and electrically connected to each other.
  • a suitable carrier 43 instead of in each case one LED chip 44, groups of several, ie, for example, 3 to 9, LED chips can also be arranged on carrier 43 at defined intervals.
  • the LED chip 44 can be surrounded on the carrier 43 even before the union with the transparent main body 41 with a transparent protective material (not shown).
  • a suitable transparent protective material may be, for example, a permanently elastic silicone.
  • the LED chip 44 may be surrounded by a light conversion dye (fluorescent dye, phosphorus), which may be mixed in said protective material, which, for example, has the task of converting blue light emitted by the LED chip 44 into white.
  • the groove-like recess 42 is filled with a first relatively thin liquid transparent material which hardens after the union of the main body 41 and the carrier 43 with the LED chips 44 at least partially. It is preferable to use a transparent filling material which remains permanently elastic after curing.
  • a suitable transparent filling material may be, for example, a permanently elastic silicone.
  • the LEDs can also be incorporated into the transparent block as a whole - for example, cast or molded. Then the groove-like, filled with transparent filling material wells can be omitted.
  • the inclination of the flat bevels 41b and 41c is selected such that the light emitted by the LED chip is deflected at the surfaces 41b and 41c by total reflection and remains within the planar base body 41 by total reflection. At least one of the large side surfaces of the main body 41 is structured so that light incident on it partially decouples to the outside, wherein
  • a light distribution in the common center plane of all LED chips 44 for example, ⁇ 80 ° and in the plane perpendicular to this centering, for example, ⁇ 35 °. In this case, far more than 90% of the light emitted by the LED chips remain within the flat main body 41.
  • FIGS. 2 a to 2 d All of the configurations shown in FIGS. 2 a to 2 d can also be used in the case of a flat light source according to FIG. 4.
  • FIG. 5 shows in principle the same structure as FIG. 4.
  • any color conversion dye present is not arranged in the immediate vicinity of the LED chips 54, but the color conversion dye 51 e covers at least one of the large side surfaces of the flat main body 51 the advantage that no additional structure for decoupling the light is needed, and that light that is radiated from the color conversion layer 51e "back ,, ,, is not lost, but to the opposite large surface of the flat body 51 exits.
  • FIG. 6 schematically shows the cross section through a translucent pixel wall which is constructed with the aid of elements 60 according to FIG. 4 and which, for example, can produce an arbitrary image in the sense of a screen on house facades or on floors, ceilings and walls of rooms.
  • the planar elements 60 are arranged close to each other in the two directions lying in the same area.
  • the LED chips 64 are arranged in subgroups each consisting of a mixture of red, green and blue light emitting LED. They are contacted by means of the carrier 63 so that red, green and blue within an element 60 can each be controlled independently of each other.
  • the close-fitting elements 60 are mounted by means of spacers 66 on a large-area support member 65.
  • the distance ensured by the spacers 66 is a fraction of a mm to a few mm.
  • the large-area support element may be a window glass or a house wall or a ceiling or any large flat surface.
  • Each element 60 acts as a pixel of a digital image.
  • the pixels, i. the elements 60 be relatively small, which means, for example, for the facade of a high-rise s element size of about 20 x 20 cm and for floor ceiling or walls of an inner space element size of a few centimeters.
  • this also means that non-illuminated edges between the pixels or the elements 60 must be minimal.
  • the carrier 63 consists for example of the same transparent material as the flat base body 61 and has at its the LEDs facing surface conductors for contacting them.
  • the close-to-close arrangement of the elements 60 takes place by means of a transparent material with a similar refractive index, that is, for example, with a silicone.
  • a transparent material with a similar refractive index that is, for example, with a silicone.
  • the carrier 63 is additionally mirrored on its upper side 63 a (ie on its surface facing the LEDs), so that the coupled-in light of the neighboring element is reflected back and the brightness of the neighboring element is thus optimized.
  • the oblique surface 61c necessary for the light bundling results in a gap 61f between mutually following elements 60, which can appear as a dark edge. By a suitable design of the surface 61c this is avoided.
  • the area Ic is inclined so that a well-defined, small proportion of the
  • LED chips 64 incident on them light is not deflected by total reflection, but decoupled directly. In this way it is achieved that also the gap 6 If appears in the same brightness as the rest of the element 60.
  • a pixel wall is designed that has no dark edges between the individual pixels and therefore allows very small pixels.
  • an additional transparent protective element 67 is necessary, which consists for example of a thin glass pane or a suitable transparent plastic film.
  • the entire structure is not transparent, but translucent. If the large-area support element 65 translucent, so for example glass, such a light transmission is guaranteed by the described structure.
  • FIGS. 7 a to 7 c show, in addition to FIGS. 2 a to 2 d, principle sketches with variations of cross sections through formations which may be present on optically transparent bodies of embodiments of the invention and which have LED chips 74.
  • the formations of the type shown in FIGS. 7a to 7c, as well as those of FIGS. 2a to 2d, or modifications to optically transparent bodies of various shapes may be present, for example as shown in the preceding or following figures.
  • FIG. 7a The principle of the simplest embodiment with flat bevels 71b is outlined again in FIG. 7a.
  • the arrows illustrate how light radiated laterally from the LED chips with respect to an optical axis 74a
  • Total reflection is deflected so that it remains in the optically transparent body.
  • the comb-shaped formation may also have a plurality of bevelled sidewall portions 71b, 71c, which form different angles to the optical axis and, for example, imitate a parabolic-like course, as shown in Figure 7b. This increases the bundling effect, i. the scattering of the light directions becomes smaller.
  • FIG. 7b Another possible variation is also sketched in FIG. 7b:
  • the position of the LED chip can be varied.
  • the LED chip along its optical Axis slightly displaced against a heart of light source; a spacer 78 is shown symbolically in the figure.
  • FIG. 7c like FIGS. 2a-2d, shows a curved course of the side wall sections 71h.
  • the carrier surface 71i is significantly wider.
  • the ridge line in the sense of the invention is here in the middle of the support surface 71 i.
  • the shaping can also be selected specifically for the specific application and, for example, bring about certain desired bundling characteristics.
  • the light source according to FIG. 8 is designed as a torus radiator emitting from inside to outside.
  • a linear array of LED chips 84 is located on the inside of a toroidal optically transparent body 81, namely along its inner peripheral line.
  • the light-emitting surfaces of the LED chips are aligned against the outside of the toms.
  • the sidewall sections 81b which are formed by a configuration of the type outlined in FIGS. 2a-2d and 7a to 7c, deflect light generated by the LED chips to the outside by reflection.
  • the light is emitted by a light exit surface 81d running along the outer circumferential line of the torus. This results in a radiation characteristic, as sketched in the small picture on the left in the figure.
  • the light source according to FIG. 8 can be advantageous, in particular, for room lighting since, given a suitable arrangement, it does not fade even at high light output and can illuminate the room walls uniformly.
  • the light source according to FIG. 9 also has a toroidal optically transparent body.
  • the LED chips 94 are arranged along the outer peripheral line of the optically transparent body so that the light-emitting surfaces are oriented towards the inside.
  • the formations with the light-deflecting side walls 91b correspondingly connect to the outer peripheral line and deflect light emitted laterally from the LED chips inward.
  • the light exit surface 91d is located on the inside.
  • the light source according to FIG. 9 can bring about a high light intensity in the torus center. This can be advantageous in industrial applications, for example for the curing of plastics, the exposure of photosensitive materials, the sterilization (in particular with UV light), etc.
  • the development of LED chips, which radiate at the wavelengths required for the sterilization of water is in progress.
  • a disc-shaped light source can also be made available, in which the LED chips and the formations with the light-deflecting side walls are arranged along the outer circumferential line. At least one of the large areas of the disk-shaped light source then preferably has light-coupling structures, so that the light source acts as a uniformly illuminated disk.
  • the light sources of Figures 10 and 11 also have the topology of a torus (the surfaces are "topologically equivalent” to the torus), ie, they are formed as a continuous-through body, consisting of a plurality of stacked tori of the type of light source Figure 9.
  • the optically transparent body 101 of the light source of Figure 10 is in the form of a hollow cylinder having a plurality of flattened combs on the outside of the molds
  • Each of the molds carries outwardly inwardly radiating LED chips 104 and acts through the Side surfaces 101b light-deflecting for laterally radiated electromagnetic radiation
  • material to be illuminated for example water to be sterilized, etc.
  • Light source also serve to illuminate an elongated object. Instead of the drawn course with ring-like lines, the LED chips can also run in a spiral along the cylinder jacket.
  • the light source of Figure 11 differs from that of Figure 10 in that the emission direction - it is by the arrangement of the LED chips
  • Position varies so that the light density inside the cavity formed by the optically transparent body 111 increases toward the center of the body. This configuration is particularly favorable for cases where a high light density is desired at a certain point.
  • the formations and LED chip lines of the embodiment of FIG. 11 can also run in a spiral.
  • FIGS. 12 and 13 are examples of planar light sources in which, in contrast to the likewise planar light source according to FIG. 4, linear arrangements of the LED chips span a plane which runs parallel to the light exit surface.
  • the LED chips 124 and the formations with the light-deflecting sidewalls 121b form a plurality of concentric circles, which together form the substantially disk-shaped light source.
  • the light exit surface is not visible in the figure lower surface of the optically transparent body 121.
  • the LED chips and the formations could also form a spiral-like structure or meander.
  • the light source as a whole can also be oval, ie have an elliptical peripheral line, or have a different peripheral shape.
  • the at least one - as in all figures 8 to 13 not shown - - carrier of the LED chips can be linear and, for example, be bendable and follow the arrangement of the LED chips. Alternatively, it may also be formed as a plate which in Essentially the entire back of the light source - in the figure, this corresponds to the top - spanned and has a LED chip arrangement mirrors reflective strip structure.
  • the light source according to FIG. 13 can be constructed, which, for example, is rectangular in its basic form and in which the linear arrangements of light sources form straight lines which run essentially parallel to one another here.
  • each carrying linear arrays of LEDs an embodiment with a plurality of hill-like formations is conceivable, each carrying an LED chip or a group of LED chips.
  • the hill-like formations may have an approximately conical shape and be distributed rasteratig.
  • the LED chips or groups of LED chips are preferably arranged at the vertices of the formations.
  • the light source according to FIG. 14 corresponds, for example, in geometry and basic structure (arrangement of a plurality of LED chips 144 on a carrier 143 and light-deflecting sidewall sections 141b) to that of FIG. 4 or that of FIG. 5.
  • a first variant in contrast to FIG figure 4 all surfaces of the optically transparent body 141 smooth and transparent. Then, light exits through the narrow surfaces 141a, 141d.
  • the upper surface 141e in the image is structured and, for example, additionally mirrored.
  • the narrow surfaces 141a, 141d are, for example, mirrored. Then, light exits diffusely through the lower large area 141f.
  • further variants serving as a light exit surface lower large surface roughened or otherwise provided with auskoppelnden structures.
  • the optically transparent body has rotation-parabolic collimating structures 141g on its upper side, to the vertex of which an LED chip or a plurality of LED chips 145 are attached.
  • a separate carrier 146 serves to contact these LED chips 145.
  • These LED chips 146 with rotation-parabolic collimating structures 141g generate concentrated light, which also exits on the opposite side 141f.
  • the light source of Figure 14 can be used anywhere where a diffuse basic lighting is to be combined with a source bundled light, eg. As an automotive rail vehicle or aircraft interior lighting with reading light. Only one or more than two collimation structures can be used.
  • FIG. 15 shows a variant of the light source of FIG. 14, which allows the LED chips 154 arranged in a linear manner and LED chips associated with the collimation structures 151g to be mounted on a common circuit board serving as a support
  • Side walls 151b are arranged so that the optical axis of the linearly arranged LED chips 154 are approximately perpendicular to the large areas 151e, 151f.
  • the Deflection surface 151h has an angle of approximately 45 ° to the large surfaces and causes the light to deflect a plane parallel to the large surfaces, guided in this plane and, for example, coupled out as in the embodiment according to FIG.
  • FIG. 16 finally combines the approaches of FIGS. 12 and 13 (planar light source with arrangement of LED chips which span a surface) on the one hand and FIGS. 14 and 15 ("spots" with rotationally parabolic structures 161g and associated LED chips) 166) on the other hand.

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Abstract

Die Lichtquelle besitzt eine Mehrzahl von Untergruppen von je mindestens einem ungehäusten LED-Chip 14), wobei die Untergruppen in einer linearen Anordnung vorhanden sind. Die Untergruppen sind in definierten, vorzugsweise regelmässigen Abständen voneinander entlang einer Linie angeordnet. Die LED-Chips sind auf einen sie elektrisch kontaktierenden Träger (13) aufgebracht. Erfindungsgemäss ist ein (einziger) Körper (11) aus optisch transparentem Material vorhanden, der jeden LED-Chip mindestens teilweise umschliesst, so, dass von den LED-Chips abgestrahltes Licht sich im Körper ausbreitet, wobei der mindestens eine Träger am Körper mechanisch fixiert ist.

Description

LICHTQUELLE
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lichtquelle mit LED-Chips als lichtgebenden Elementen.
Lineare Lichtquellen (d.h. Lichtquellen mit einem insgesamt länglichen lichtgebenden Körper) gibt es in den unterschiedlichsten Ausführungen und für eine Vielzahl von Anwendungen. Sie sind bspw. zur äusseren Beleuchtung flächiger Objekte wie beispielsweise Tafeln, Plakaten oder Bildern in der Praxis wohlbekannt.
Oft werden sie mit mindestens einer oder mehreren in einer Reihe angeordneten Leuchtstoffröhren ausgeführt. Für eine einigermassen effiziente Nutzung des von den Leuchtstoffröhren rundum homogen abgegebenen Lichtes werden in der Regel einseitig langgezogene Reflektorelemente angeordnet, die das Licht zu einem möglichst grossen Anteil auf das zu beleuchtende flächige Objekt umlenken sollen. Derartige lineare Lichtquellen weisen folgende Nachteile auf:
Durch den relativ grossen, d.h. auch im besten Fall mindestens ca. 7 mm betragenden, Durchmesser der Leuchtstoffröhren sind für eine einigermassen effiziente Umlenkung des Lichtes Reflektorelemente mit grossen
Reflektorflächen notwendig, d.h. der Querschnitt der linearen Lichtquelle erstreckt sich über mehrere Zentimeter, womit eine solche Lichtquelle in vielen Fällen als das zu beleuchtende Objekt störend in Erscheinung tritt. Werden die Reflektoren mit möglichst kleinem Querschnitt gestaltet, müssen erheblich grossere Lichtverluste in Kauf genommen werden.
Es tritt immer Streulicht in der Grössenordnung einiger 10% auf. Dies reduziert nicht nur prinzipiell die Effizienz der linearen Lichtquelle, sondern es bewirkt auch eine Blendung des Betrachters.
- Mit derartigen Anordnungen ist es äusserst schwierig, eine homogene Ausleuchtung des flächigen Objektes zu erreichen, ohne dass ein Grossteil des Lichtes unerwünschterweise auch die Umgebung des flächigen Objektes ausleuchtet.
Aus der Praxis sind auch lineare Lichtquellen zur äusseren Beleuchtung flächiger Objekte bekannt, die mit einer linearen Anordnung einer Vielzahl von gehäusten, das Licht bündelnden LED-Lampen ausgeführt sind.
Derartige Ausführungen haben den grossen Vorteil, dass die Streulichtverluste im Vergleich zu der Leuchtstoffröhren-Lösung reduziert sind und dass es durch die Verwendung von das Licht eng, d.h. beispielsweise auf ± 20°, bündelnden LED leichter möglich ist das Licht zu einem möglichst grossen Anteil auf das flächige Objekt zu konzentrieren. Sie haben aber ebenfalls den Nachteil, dass eine homogene Ausleuchtung des flächigen Objektes nur mit grossem Aufwand zu erreichen ist.
Aus Gründen der Effizienz ist es wünschenswert, dass die lineare Lichtquelle nahe entlang einer Kante des flächigen Objektes, also beispielsweise 10 cm oberhalb und 10 cm vor dieser, angeordnet werden kann und exakt das Objekt, und nicht dessen Umgebung, streiflichtartig ausleuchtet.
Werden zur Erzeugung der linearen Lichtquelle gehäuste LED-Lampen verwendet, die ihr Licht rotationssymmetrisch- zu ihrer optischen Achse abgeben, so entstehen bei Anordnung der linearen Lichtquelle in der Nähe einer Kante des flächigen Objektes entlang dieser Kante unerwünschte kegelartige helle Zonen. Zusätzlich wird ein grosserer Teil des Lichtes in der Nähe der Lichtquelle auf das Objekt auftreffen, womit auch in der von der Lichtquelle weglaufenden Richtung des flächigen Objektes eine ungleichmässige Ausleuchtung entsteht.
Lineare Lichtquellen zur inneren Beleuchtung aus sich herausleuchtender, flächiger Objekte wie beispielsweise Lichtkästen in der Werbung sind ebenfalls aus der Praxis bekannt. Neben konventionellen Lösungen unter Verwendung von beispielsweise Leuchtstoffröhren, sind vermehrt Lösungen zu finden, bei denen das Licht von linear in Abständen von beispielsweise 1 cm angeordneten gehäusten LED-Lampen in mindestens eine der Kanten einer transparenten Platte eingekoppelt wird. Die grossen Oberflächen der transparenten Platte wirken dann, mittels Totalreflexion, als Lichtleiter, und das Licht wird über die ganze Platte verteilt. Gezielte Strukturen auf mindestens einer der grossen Oberflächen oder im Innern der Platte gezielt erzeugte Inhomogenitäten sorgen für den gewünschten Lichtaustritt.
Eine solche mittels LED-Lampen aufgebaute lineare Lichtquelle hat folgende Nachteile:
Nicht alles Licht der LED-Lampen wird in die Platte eingekoppelt, ein nicht unbeträchtlicher Anteil wird reflektiert (Fresnelsches Gesetz). Dieser reflektierte Anteil wird umso grösser in je breiterem Winkelbereich die LED-Lampen ihr Licht abgeben.
- In diesem Sinne wäre es also wünschenswert, dass die LED-Lampen das Licht sehr eng bündeln. Damit treten aber im Randbereich der Platte unerwünschte, kegelförmige helle Zonen auf. Eine Möglichkeit ist, diese kegelförmig hellen
Zonen durch einen entsprechend breiten undurchsichtigen Randstreifen zu verdecken, was aber als hässlich empfunden wird und was die nutzbare Zone der
Platte einschränkt. Die andere Möglichkeit, eine Lichtabgabe in weiterem
Winkel, beispielsweise auch die Verwendung ovaler LED-Lampen, bringt nicht nur wie erwähnt deutliche Wirkungsgradverluste durch Reflexion mit sich, sondern das reflektierte Licht tritt zusätzlich als störendes Streulicht in
Erscheinung.
Für linearen Lichtquellen zur äusseren Beleuchtung flächiger Objekte wie beispielsweise Tafeln, Plakaten oder Bildern, die aus Gründen der Effizienz in der Nähe und entlang einer Kante des zu beleuchtenden flächigen Objektes angeordnet werden soll, sind folgende Anforderungen zu stellen:
Sie soll möglichst wenig Streulicht und damit möglichst wenig Blendung des Betrachters erzeugen.
- Sie soll aus Kostengründen mit möglichst wenigen diskreten lichterzeugenden Elementen aufgebaut werden.
Die diskreten lichterzeugenden Elemente müssen zur Vermeidung von kegelartig hellen Zonen ihr Licht in Längsrichtung der Lichtquelle möglichst homogen in einem breiten Winkelbereich, also beispielsweise in einem Bereich der grösser als ±50° ist, abgeben.
- Die lineare Lichtquelle soll in der Ebene senkrecht zum flächigen Objekt und zu ihrer Längsrichtung ihr Licht vorteilhafterweise in dem Sinne asymmetrisch zu ihrer optischen Achse abgeben, dass sie mehr Licht zu den entfernten Zonen des flächigen Objektes sendet als zu den nahen und so eine homogene Ausleuchtung erzeugt.
Dieselben Anforderungen gelten für lineare Lichtquellen zur inneren Beleuchtung flächiger Objekte, wie beispielsweise Lichtkästen in der Werbung.
Auch für andere als lineare Lichtquellen - bspw. für die diffuse Beleuchtung von Objekten etc. - gelten ähnliche Anforderungen:
Die Lichtquelle soll möglichst wenig Streulicht und damit möglichst wenig Blendung des Betrachters erzeugen.
Sie soll mit möglichst wenigen diskreten lichterzeugenden Elementen aufgebaut werden.
Die diskreten lichterzeugenden Elemente müssen zur Vermeidung von kegelartig hellen Zonen ihr Licht möglichst homogen in einem breiten Winkelbereich abgeben. Schliesslich sind für technische Anwendungen - also für Anwendungen, bei denen das erzeugte Licht (inklusive IR, oder UV-Licht) dazu verwendet wird, einen chemischen oder physikalischen Prozess zu bewirken - die Anforderungen oft ein wenig verschieden. Ebenfalls erwünscht ist, dass möglichst wenige lichterzeugende Elemente verwendet werden müssen und dass möglichst wenig Streulicht erzeugt werden soll, aber oft ist eine möglichst hohe Energiedichte erwünscht, d.h. der Winkelbereich ist oft möglichst schmal.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Lichtquelle mit lichterzeugenden Elementen - bspw. in einer linearen Anordnung - zur Verfügung zu stellen, welche Nachteile gemäss dem Stand der Technik überwindet und welche eine möglichst grosse Beleuchtungseffizienz bei einem möglichst einfachen Aufbau ermöglicht und dabei möglichst kostengünstig ist. Vorzugsweise sollte die Lichtquelle möglichst vielen der obigen Anforderungen gerecht werden.
Die Lichtquelle besitzt eine Mehrzahl von Untergruppen von je mindestens einem ungehäusten LED-Chip.
Gemäss einer ersten Version sind die Untergruppen in einer linearen Anordnung vorhanden sind. Eine „lineare" Anordnung bedeutet beispielsweise, dass die Untergruppen eine gerade Linie bilden; auch eine leicht gekrümmte Linie die insgesamt einen Kreis, eine Ellipse, ein Kreis- oder Ellipsensegment etc. bildet ist möglich, wobei der mittlere Krümmungsradius der Linie dann viel grösser als der Abstand zweier Untergruppen ist. Auch ein zickzackförmiger, mäandrierender oder ähnlicher Verlauf ist denkbar, solange eine Linie definiert ist und der durchschnittliche Abstand jedes LED-Chips von einer gerade verlaufenden Mittellinie viel kleiner (bspw. um mindestens einen Faktor 5, oder mindestens einen Faktor 10) kleiner ist als die Länge der Linie. Die Untergruppen sind in definierten, vorzugsweise regelmässigen Abständen voneinander entlang der Linie angeordnet. Natürlich auch mit umfasst sind Anordnungen, in denen eine Mehrzahl von Linien gebildet wird.
Gemäss einer zweiten Version sind die Untergruppen in einer von einer linearen Anordnung verschiedenen Art verteilt, bspw. rasterartig.
Jede der Untergruppen umfasst jeweils mindestens einen LED-Chip, sie kann aber auch aus mehreren unterschiedlichen Chips bestehen. So kann es zur Erzeugung beliebiger Lichtfarben beispielsweise sinnvoll sein, eine Gruppe aus mehreren Chips zusammen zu setzen die rotes, grünes oder blaues Licht abgeben.
Die LED-Chips sind auf einen sie elektrisch kontaktierenden Träger aufgebracht. Gemäss einer ersten. Variante sind alle LED-Chips auf einem gemeinsamen, bspw. platinen- oder flexprintartigen Träger aufgebracht. Gemäss einer weiteren Variante ist pro Untergruppe oder pro Einheit von mehreren Unterguppen ein Träger vorhanden, wobei elektrische Verbindungen zwischen den Trägern existieren.
Erfindungsgemäss ist ein (einziger), vorzugsweise voller (also keine Hohlräume aufweisender) Körper aus optisch transparentem Material vorhanden, der die LED- Chips mindestens teilweise umschliesst, so dass die lichtabstrahlenden Flächen jedes LED-Chips umhüllt sind und so, dass von den LED-Chips abgestrahltes Licht sich im optisch transparenten Material ausbreitet, wobei der mindestens eine Träger am optisch transparenten Körper mechanisch fixiert ist. Das von den LED-Chips erzeugte und sich im optisch transparenten Material ausbreitende Licht wird vorn optisch transparenten Körper über eine gewünschte Fläche nach aussen ausgekoppelt. Der optisch transparente Körper ist vorzugsweise so gestaltet, dass er das Licht der Chips mittels mindestens teilweiser Reflexion an mindestens einer Grenzfläche, in der Regel mittels Totalreflexion, so umlenkt wird, dass die gewünschte Lichtverteilung entsteht. Durch die mindestens teilweise Reflexion wird sichergestellt, dass das Licht zur gewünschten Lichtaustrittsfläche gelenkt wird und gleichzeitig verhindert, dass Licht an unerwünschten Orten als Streulicht austritt. Zu diesem Zweck sind die LED-Chips an einer Ausformung oder an Ausformungen vorhanden, welche lichtumlenkende Grenzflächen aufweisen. Die Ausformungen haben in einer Umgebung der LED-Chips eine sich gegen die LED-Chips hin verjüngende Form. Diese Form kann im Falle einer linearen Anordnung der Chips kammartig sein, wobei die LED-Chips in der Nähe der Kammlinie angeordnet sind. Oft ist die Ausformung in der Umgebung der Kammlinie abgeflacht, wobei die Abflachung eine Trägerfläche bildet, an der der oft flache Träger anliegt. Im Falle einer Anordnung, in welcher die LED-Chips keine lineare Anordnung bilden, sind die Ausformungen hügelartig, wobei am - bspw. ebenfalls abgeflachten - Scheitelpunkt („der Hügelkuppe") jeweils ein oder mehrere LED-Chips vorhanden ist/sind. Die LED-Chips sind so orientiert, dass ihre Hauptabstrahlrichtung von der Kammlinie bzw. Hügelkuppe weg ins Innere des optisch transparenten Körpers gerichtet ist. Durch die sich verjüngende Form wird von den LED-Chips seitlich abgestrahltes Licht mittels der mindestens teilweisen Reflexion in eine der Hauptabstrahlrichtung entsprechende Richtung umgelenkt - seitliches Austreten aus dem optisch transparenten Körper wird verhindert. Die bezüglich der LED-Chips seitlichen Flächenabschnitte wirken also quasi als Lichtumlenkflächen.
Auch an die Lichtumlenkflächen anschliessende Seitenflächen-Abschnitte des Körpers können- bis auf eventuelle Auskoppel-Teilflächen mit entsprechenden Auskoppelstrukturen - lichtleitend wirken. Die Lichtverteilung kann richtungsabhängig und allenfalls asymmetrisch sein. Die Lichtumlenkflächen oder die ganzen Seitenwände können unter Umständen auch mindestens abschnittweise verspiegelt sein.
Die Erfindung bietet mit diesen Merkmalen einen verblüffend einfachen Ansatz, mit dem die eingangs gestellte Aufgabe gelöst wird und die so in vielen Fällen Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik bringt. Dadurch, dass sich die LED-Chips nicht ausserhalb des flächigen Objektes befinden, sondern ihr Licht direkt im Innern der mit Licht zu durchflutenden Platte abgeben, werden Streulichtverluste weitgehend vermieden. Die Lichtquelle ist darüber hinaus kostengünstig herstellbar und kann problemlos so ausgeführt werden, dass sie gegen Umwelteinflüsse robust ist. Dadurch, dass die LED-Chips im Allgemeinen nur mit dem Träger und dem sie umschliessenden optisch transparenten Körper im Kontakt stehen und das Umgebungsmedium nicht an die LED-Chips gelangt, sind diese auf natürliche Weise vor Umwelteinflüssen geschützt. Vorzugsweise gibt es keine Gaseinschlüsse zwischen den LEDs und dem optisch transparenten Körper.
Die Tatsache, dass ein einziger, alle LED-Chips gemeinsam mindestens teilweise umschliessender optisch transparenter Körper vorhanden ist, bedeutet nicht, dass der optisch transparente Körper einstückig bzw. monolithisch-homogen sein muss. Er kann auch aus mehreren Komponenten aus unter Umständen unterschiedlichen Materialien aufgebaut sein, die transparent sind. Vorzugsweise haben solche unterschiedlichen Materialien einen ähnlichen Brechungsindex, der sich bspw. um höchstens 30%, noch besser um höchstens 20% oder gar höchstens 15% oder 10% unterscheidet. Am optisch transparenten Körper können zusätzliche, bspw. auch nicht transparente Elemente befestigt sein, bspw. Verspiegelungen etc.
LED-Chips strahlen in der Regel Licht in den Halbraum ab, genauer in einen bestimmten Raumwinkel, bspw. ±70°, ±80° oder ±90°. Dies hat im Sinne der Erfindung den Vorteil, dass kein „nach rückwärts" austretendes Licht umgelenkt, sondern nur das „nach vorne" austretende Licht in den gewünschten Raumbereich gebündelt werden muss. Hieraus resultieren nicht nur drastisch reduzierte Streulichtverluste, sondern es ermöglicht auch auf einfache Weise die Erzeugung gerichteter, unter Umständen völlig asymmetrischer Lichtverteilungen. Insbesondere ist es möglich, in einer Richtung eine sehr breite Lichtverteilung von beispielsweise +70°, ±80° oder ±90° und in einer Richtung senkrecht zu der Ersten eine wesentlich engere Lichtverteilung von beispielsweise ±10° bis +40° zu erzeugen.
Das Zentrum des Raumwinkels wird oft als optische Achse des LED-Chips bezeichnet. Gemäss einer Ausführungsform der Erfindung - in der Version „lineare
Anordnung" - verlaufen die optischen Achsen einer Mehrzahl der LED-Chips, meist aller LED-Chips, in einer gemeinsamen Ebene. Die Lichtverteilung des von der
Lichtquelle emittierten Lichts in dieser Ebene unterscheidet sich von derjenigen senkrecht zu der Ebene. In der Regel wird sie in der genannten Ebene wesentlich breiter sein als senkrecht zu dieser Ebene. Es ist aber auch möglich, dass die
Lichtverteilung senkrecht zur Ebene bezüglich dieser asymmetrisch ist.
Im einfachsten Falle einer linearen Anordnung der LED-Chips kann der genannte optisch transparente Körper beispielsweise einfach ein zylindrischer Körper mit einem Querschnitt sein, der beispielsweise ein Rechteck ist, dessen beiden Ecken an der die LED-Chips beinhaltenden Ebene abgeschrägt sind. Auf diese Weise erhält man in Längsrichtung (in Bezug auf die lineare Anordnung) des langen transparenten Körpers eine Lichtverteilung, welche derjenigen der ungehäusten LED-Chips entspricht, während das Licht in Querrichtung an den genannten schrägen Flächen durch Totalreflexion umgelenkt und für viele Fälle genügend gut gebündelt wird (d.h. die genannten schrägen Flächen . wirken als die Lichtumlenkflächen). Eine Verbesserung des Bündelungsverhaltens kann dadurch erreicht werden, dass man die Lichtumlenkflächen ungefähr parabolisch gestaltet. Eine solche parabolische Form kann man auch durch mehrere, bspw. drei, Konen mit unterschiedlichen Steigungen nachbilden. Dies kann für die Herstellung kleiner Serien eine bevorzugte Option sein. Eine weitere Verbesserung der Bündelungswirkung kann erreicht werden, indem die den LED-Chips gegenüber liegende Fläche nicht eben, sondern im Sinne einer zylindrischen Linse gestaltet ist.
In obigen oder in anderen Fällen kann der lange transparente Körper sich in seiner Längsrichtung allenfalls wiederholende zusätzliche Formen wie quer zur Längsrichtung verlaufende V-förmige Nuten oder kuppelartige Formen aufweisen. Mit solchen zusätzlichen Formen ist es auf einfache Weise möglich auch das in Längsrichtung des langen transparenten Körpers aus den LED-Chips austretende Licht auf eine gewünschten Raumwinkel zu bündeln.
Die beiden Endflächen (oder Stirnflächen) des langen transparenten Körpers können auch als nicht einfach senkrechte Ebenen gestaltet sein, sondern sie können durch Schrägstellen und/oder durch eine angenähert parabolische Form den Lichtaustritt an den Enden der linearen Lichtquelle auf gewünschte Weise formen.
In diversen Ausführungsformen ist die Lichtquelle so ausgebildet, dass das von den LED-Chips abgestrahltes Licht mehrheitlich durch eine Lichtaustrittsfläche des optisch transparenten Körpers ausgekoppelt wird, welche der Trägerfläche gegenüberliegt. In dieser Konfiguration wird die vorstehend genannte Richtwirkung ausgenutzt. Die Richtwirkung kann noch verstärkt werden, indem die Lichtaustrittsfläche eine zylinderlinsenartige oder domlinsenartige oder sonstwie refraktiv und/oder diffraktiv kollimierend wirkende Struktur besitzt. Eine weitere Richtwirkung kann dadurch erzielt werden, dass der Träger verspiegelt ist und eine hohlspiegelartige Form besitzt. Gemäss einer weiteren Ausführungsform ist die Lichtquelle ein flächiges Objekt, welches Licht durch mindestens eine der grossen Seitenflächen abstrahlt, also bspw. eine von innen beleuchtete Tafel. Diese Ausführungsform kann als Kombination einer linearen Lichtquelle mit einem grossflächigen transparenten Körper angesehen werden. In dieser Ausführungsform besitzen die Seitenflächen also vergleichsweise grosse parallel und vorzugsweise senlσecht zur Trägerfläche und parallel zu den optischen Achsen der LED-Chips verlaufende Abschnitte. Mindestens einer der Seitenwand-Abschnitte kann mit Auskoppelstrukturen versehen sein.
Gemäss weiteren Ausführungsformen kann der optisch transparente Körper die Form eines Torus haben, bei dem die LED-Chips entlang der inneren Umfangslinie angeordnet sind und nach aussen strahlen. Es ergibt sich eine entlang der Torusebene praktisch isotrope Abstrahlcharakteristik. Bei einem torusartigen optisch transparenten Körper können die LED-Chips - und mit ihnen die Ausformung mit den Lichtumlenkflächen — auch entlang der äusseren Umfangslinie angeordnet sein, was die Erzeugung von hohen Lichtdichten im Inneren des Torus ermöglicht. Dies ist insbesondere für technische Anwendungen von Interesse. Anstelle eines Torus kann der optisch transparente Körper auch durch mehrere quasi aufeinandergestapelte Tori mit identischen Radien oder mit verschiedenen Radien gebildet werden.
Gemäss noch anderer Ausführungsformen ist die Lichtquelle flächig in dem Sinne, dass der optisch transparente Körper flächig ausgebildet ist und eine Ebene definiert und die LED-Chips über diese Ebene verteilt angeordnet sind. Entlang der Ebene können die LED-Chips mehrere lineare Anordnungen bilden.
Die Lichtquelle kann so ausgebildet sein, dass sie Strukturen aufweist, welche zusätzlich zu einer möglichst isotropen Abstrahlcharakteristik noch als „Spots" - d.h. gerichtete Strahler — wirken. Solche Spots können durch Ausformungen in der Form von bspw. rotationsparabelartigen Kollimationsstrukturen gebildet werden.
Oft sind in den verschiedenen Ausführungsformen alle LED-Chips der Lichtquelle miteinander elektrisch verbunden. Das bedeutet i.A., dass alle LED-Chips der Lichtquelle durch das Anlegen einer Spannung zwischen zwei Elektroden gleichzeitig zum Leuchten gebracht werden können. Die LED-Chips können gruppenweise seriell geschaltet sein, wobei die Gruppen parallel geschaltet sind. Sind mehrere Träger vorhanden, sind diese bspw. durch Drähte oder Litzen miteinander verbunden.
Die elektrischen Bahnen des Trägers können so ausgebildet sein, dass eine Kontaktierung von aussen jeweils zwischen - bspw. zwei beliebigen - LED-Chip- Untergruppen stattfinden kann. Zum Beispiel kann der Träger zwei getrennte Verbindungsbahnen, ev. jeweils mit einer Erweiterung zwischen den Untergruppen vorhanden sein. Kontaktiert werden kann durch das Bohren eines dünnen Loches an den zu kontaktierenden Stellen und das Einpressen von Kontaktierungsstiften, die einen leicht grosseren Durchmesser als die gebohrten Löcher haben, wodurch ein Kontakt hergestellt ist. Dies klappt auch dann, wenn der Träger und Leiterbahnen vollständig vom transparenten Material des Grundkörpers (bzw. des Silikon in der Rille) umschlossen sind.
Die Erfindung betrifft auch eine Pixelwand, d.h. eine flächige Anordnung von zweidimensional nebeneinander angeordneten, individuell ansteuerbaren Lichtquellen. Die Lichtquellen der Pixelwand sind gemäss der Erfindung ausgestaltet. Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform besitzen mindestens einiger der Lichtquellen der Pixelwand LED-Chips mit verschiedenen Emissionswellenlängen, bspw. rote, grüne und blaue LEDs. Die LEDs von sich unterscheidenen Wellenlängen sind dann unabhängig voneinander ansteuerbar (und also nicht miteinander elektrisch verbunden), so dass das Pixel in einer gewünschten Farbe leuchten kann. Gemäss einer ersten Alternative dazu sind die Lichtquellen monochrom, mit mehr oder weniger identischen Emissionswellenlängen, so dass nur ein Hell-Dunkel-Bild darstellbar ist. Gemäss einer weiteren Alternative ist jede Lichtquelle monochrom, aber es existieren Lichtquellen mit (bspw. drei) unterschiedlichen Emissionswellenlängen, wobei Gruppen mit je einer Lichtquelle jeder der Emissionswellenlänge vorhanden sind, ähnlich dem Prinzip gewisser Farbfernseher.
Die Lichtquellen der Pixelwand sind vorzugsweise als flächige Objekte ausgebildet, von denen Licht durch eine der grossen Seitenflächen abgestrahlt wird. Die optischen Achsen der LED-Chips bilden also einen Winkel zur Pixelwand-Ebene und stehen vorzugsweise senkrecht oder annähernd senkrecht (Winkel zwischen 80° und 90°) zu ihr.
Auch der Träger kann transparent sein, was speziell bei der Pixelwand vorteilhaft ist. Wenn der Träger dann dicht am Nachbarelement anliegt (und bspw. noch durch eine transparente dauerelastische Schicht mit diesem verbunden ist), koppelt Licht vom Nachbarelement in den Träger ein und lässt diesen gegen aussen hell erscheinen. Der Träger kann auf seiner Oberseite zusätzlich verspiegelt sein, so dass das eingekoppelte Licht des Nachbarelementes zurück reflektiert und so die Helligkeit des Nachbarelementes optimiert wird. Der Brechungsindex des Trägermaterials kann so gewählt sein, dass er nicht oder nur um wenig - bspw. höchstens um 30% oder gar um höchstens 20% oder 10% - von demjenigen des optisch transparenten Körpers abweicht - dann funktioniert das Einkoppeln des Lichts vom Nachbarelement besonders gut. Nebst dem transparenten Hauptkörper und der eventuellen Verspiegelung weist der Träger natürlich noch Leiterstrukturen für die Kontaktierung der LED-Chips auf; diese müssen selbstverständlich nicht transparent sein. Der lange, im Wesentlichen optisch transparente Körper soll, wie erwähnt die LED- Chips so umschliessen, dass Einkoppelungsverluste minimiert werden.
Dies lässt sich auf einfache Weise erreichen indem der Träger mit den LED-Chip und der lange transparente Körper unabhängig von einander hergestellt und nachträglich vereinigt werden. Zu diesem Zwecke muss der lange transparente Körper auf einer seiner Seiten eine Nut aufweisen, deren Form und Rauheit keinen wesentlichen Einfluss hat und die deshalb sehr kostengünstig herstellbar ist. Zum Zwecke der Vereinigung der beiden genannten Komponenten wird zunächst diese Nut mit einem dünnflüssigen, mindestens teilweise aushärtbaren, transparenten Material, wie beispielsweise einem geeigneten Silikon, gefüllt. Dieses Füllmaterial sollte nach dem Aushärten einen optischen Brechungsindex aufweisen, der demjenigen des langen transparenten Körpers möglichst nahe kommt, wobei ein Unterschied von beispielsweise 0.1 bis 0.2 gemäss dem Fresnelschen Gesetz keine entscheidende Rolle spielt.
Das zunächst dünnflüssige Füllmaterial gleicht sämtliche Unregelmässigkeiten der genannten Nut so aus, dass diese optisch keine Rolle mehr spielen. In das noch dünnflüssige Füllmaterial wird in einem zweiten Schritt der die LED-Chips tragende Träger so eingelegt, dass das Füllmaterial mindestens die Chips, allenfalls aber auch den Träger vollständig umhüllt. Danach wird das Füllmaterial ausgehärtet, wobei zur Vermeidung von für die LED-Chips ungünstigen mechanischen Spannungen ein Material mit dauerelastischen Eigenschaften nach dem Aushärten vorzuziehen ist.
Erfindungsgemässe Lichtquellen lassen sich mit diesem sehr einfachen Verfahren herstellen, welches auch für kleine Stückzahlen ökonomisch ist. Auch das Verfahren ist Gegenstand der Erfindung. Das Verfahren beinhaltet wie vorstehend dargelegt die Schritte: Einbringen einer rillenartigen Vertiefung in eine längliche Vertiefung eines optisch transparenten Körpers,
Füllen der rillenartigen Vertiefung mit flüssigem oder plastisch oder elastisch deformierbarem transparentem Material,
Anbringen von mindestens einem Träger mit darauf angebrachten elektrisch kontaktierten ungehäusten LED-Chips, so, dass die LED-Chips in das flüssige oder deformierbare Material hineinragen und von diesem mindestens teilweise umschlossen werden,
mindestens teilweises Aushärten des flüssigen oder deformierbaren Materials.
Die Schritte 2 und 3 können auch in umgekehrter Reihenfolge ausgeführt werden, d.h. zunächst wird der Träger mit den LED-Chips in die rillenartige Vertiefung eingelegt bzw. eingeschoben und danach lässt man von einem Ende her das flüssige transparente Material in die Vertiefung einfliessen. Zu diesem Zweck kann es vorteilhaft sein, wenn der Querschnitt der rillenartigen Vertiefung eine Stufe aufweist auf welche der Träger so aufgelegt wird, dass die LED-Chips im tieferen Teil der Rille frei schweben. Der tiefere Teil der Rille kann dann so tief wie möglich ausgeführt sein, damit das Einfliessen des flüssigen, transparenten Materials erleichtert wird.
Die Lichtquelle kann in bspw. sehr langen Stücken hergestellt und nachträglich in Teilstücke zertrennt werden, die je mindestens eine LED-Gruppe umfassen. Dies beeinträchtigt auch nicht die Möglichkeit einer nicht zur Grundfläche (entsprechend der Trägerfläche nach dem Anbringen des Trägers) senkrechten ebenen Form der Endflächen: Die Trennung kann so erfolgen, dass dabei eine gewünschte Form (schiefe Ebene oder parabelartige Form etc.) entsteht. Es versteht sich von selbst, dass erfindungsgemässe Lichtquellen auch mit einem anderen als dem hier beschriebenen Verfahren hergestellt werden können.
Es versteht sich, dass „Licht" in diesem Text generell elektromagnetische Strahlung bezeichnet und wo von der Anwendung her sinnvoll nebst sichtbarem Licht insbesondere Infrarot- und Ultraviolettstrahlung mit einschliesst.
Im Folgenden wird die erfindungsgemässe lineare Lichtquelle mit asymmetrischer Lichtabstrahlung anhand beispielhafter Ausführungsformen erläutert.
Figur 1 zeigt eine schematische Schrägansicht einer einfachen linearen Lichtquelle zur äusseren Beleuchtung von flächigen Objekten.
- Die Figuren 2a bis 2d zeigen schematisch unterschiedlich optisch wirksame Querschnitte der einfachen linearen Lichtquelle von Figur 1.
Die Figuren 3a und 3b zeigen schematische Schrägansichten linearer Lichtquellen mit optischen Elementen zur Beeinflussung der Lichtverteilung in der längs der linearen Lichtquelle verlaufenden Ebene.
- Figur 4 zeigt eine schematische Schrägansicht einer einfachen linearen Lichtquelle zur inneren Beleuchtung eines flächigen Objektes. Figur 5 zeigt eine schematische Schrägansicht einer einfachen linearen Lichtquelle zur inneren Beleuchtung eines flächigen Objektes mit einer Variante zur Erzeugung weissen Lichtes.
- Figur 6 zeigt schematisch den Querschnitt durch eine Pixelwand die mit Hilfe von Elementen gemäss Figur 4 aufgebaut ist.
Figuren 7a bis 7c zeigen Prinzipienskizzen mit verschiedenen Querschnittsformen von Ausformungen, die die LED-Chips aufweisen und deren Seitenflächen lichtumlenkend wirken,
- Figur 8 zeigt die Ansicht einer torusförmigen Lichtquelle gemäss der Erfindung mit Lichtabstrahlrichtung nach Aussen,
Figur 9 zeigt die Ansicht einer torusförmigen Lichtquelle gemäss der Erfindung mit Lichtabstrahlrichtung nach Innen,
Figuren 10 und 11 je eine Licht gegen eine Innenseite abstrahlende Lichtquelle mit einer Mehrzahl von durch LED-Chips gebildeten Linien,
- Figur 12 und 13 je eine flächige Lichtquelle mit einer Mehrzahl von durch LED- Chips gebildeten Linien,
Figuren 14 bis 16 Ausfürhungsformen flächiger Lichtquellen mit zusätzlichen Kollimationsstrukturen. Figur 1 zeigt die schematische Schrägansicht einer einfachen linearen Lichtquelle 10 zur äusseren Beleuchtung beispielsweise von flächigen Objekten.
Die lineare Lichtquelle besteht aus einem langen transparenten Grundkörper 11 mit einer Lichtaustrittsfläche Hd und einer rillenartigen Vertiefung 12 auf der Gegenseite der Lichtaustrittsfläche Hd. Die beiden Seitenflächen weisen an den Übergängen zu der Gegenseite der Lichtaustrittsfläche Hd ebene Abschrägungen IIb bzw. Hc auf.. Das transparente Material, aus dem der Grundkörper 11 besteht, kann Glas oder ein geeigneter Kunststoff wie Acrylglas (PMMA) oder Polycarbonat sein.
Eine Vielzahl von LED-Chips 14 ist in definierten Abständen auf einem geeigneten Träger 13 montiert und mittels dieses Trägers 13 elektrisch kontaktiert und elektrisch mit einander verbunden (Parallel- und/oder Serienschaltung). Statt jeweils eines LED-Chips 14 können auch Gruppen von mehreren, d.h. beispielsweise 2 bis 9, LED-Chips in definierten Abständen auf dem Träger 13 angeordnet sein. Die LED- Chips 14 können auf dem Träger 13 schon vor der Vereinigung mit dem transparenten Grundkörper 11 mit einem - nicht dargestellten - transparenten Schutzmaterial umgeben sein. Ein geeignetes transparentes Schutzmaterial kann beispielsweise ein dauerelastisches Silikon sein. Weiter können die LED-Chips 14 von einem, allenfalls in das genannte Schutzmaterial eingemischten, Lichtkonversions-Farbstoff (Phosphor) umgeben sein, der beispielsweise die Aufgabe hat blaues von den LED-Chip 14 abgegebenes Licht in Weiss zu wandeln.
Die rillenartige Vertiefung 12 ist mit einem zunächst relativ dünnflüssigen transparenten Material gefüllt, das nach der Vereinigung von dem Grundkörpers 11 und dem Träger 13 mit den LED-Chips 14 mindestens teilweise aushärtet. Zu bevorzugen ist ein transparentes Füllmaterial, das nach dem Aushärten dauerelastisch bleibt. Ein geeignetes transparentes Füllmaterial kann beispielsweise ein dauerelastisches Silikon sein.
Der Grundkörper bildet zusammen mit dem Füllmaterial einen optisch transparenten Körper, an welchem durch die ebenen Abschrägungen IIb, 11c endseitig eine Ausformung gebildet wird, welche sich gegen eine Kammlinie (nämlich die Linie, entlang derer die LED-Chips angeordnet sind) hin verjüngt..
Diese Ausformung hat die Funktion, dass bezüglich einer optischen Achse der LED- Chips seitlich abgestrahltes Licht durch mindestens teilweise Reflexion so umgelenkt wird, dass es einstweilen im optisch tranpsarenten Körper verbleibt und zusammen mit dem in Vorwärtsrichtung (der LED-Chips) abgestrahlten Licht nutzbar ist. Die Neigung der ebenen Abschrägungen IIb und 11c ist zu diesem Zweck so gewählt, dass das von den LED-Chip abgegebene Licht an den Flächen IIb und 11c durch Totalreflexion umgelenkt wird und in gewünschter Lichtverteilung zur Fläche Hd austritt. Die Abschrägungen IIb, 11c wirken also als Lichtumlenkflächen
Die Stirnflächen I Ia sind hier senkrecht zur linearen LED-Anordnung (zur Zylinderachse des im Wesentlichen zylindrischen transparenten Körpers 11) ausgebildet, sie können aber ebenfalls Abschrägungen oder dergleichen aufweisen.
Bei einer totalen Breite der linearen Lichtquelle 10 von ca. 2.5 mm, einer totalen Höhe derselben von ca. 2 mm, einer Breite der ebenen unteren Fläche des Grundkörpers 11 von 1 mm und einer Höhe der Abschrägungen IIb und 11c von 0.8 mm lässt sich mit einem solchen Aufbau eine Lichtverteilung in der gemeinsamen Mittelebene aller LED-Chips 14 von beispielsweise +80° und in der Ebene senkrecht zu dieser Mitteleben von beispielsweise ±35° erreichen. In Figur 1 ist - ebenso wie in den folgenden Figuren - nur ein LED-Chip pro Untergruppe gezeichnet, Es können aber ebensogut mehrere LED-Chips pro Untergruppe vorhanden sein; die Untergruppen können jeweils dieselbe oder eine voneinander verschiedene Anzahl LED-Chips aufweisen. Nicht alle Chips müssen - wie in den gezeichneten Ausführungsformen - streng auf einer geraden Linie liegen. Es sind auch Konfigurationen denkbar, in denen eine Zickzack- oder vergleichbare Anordnung vorhanden ist, wobei das Ensemble der LED-Chips eine Ausdehnung hat, welche in einer Dimension grösser als in den zwei anderen Dimensionen ist und also eine Linie definiert.
Natürlich sind auch Aufbauten mit wesentlich grosseren Abmessungen problemlos realisierbar.
Die Figuren 2a bis 2d zeigen schematisch Beispiele unterschiedlicher Querschnitte mit unterschiedlichen Lichtverteilungen einer linearen Lichtquelle 20.
Figur 2a zeigt den schematischen Querschnitt einer linearen Lichtquelle 20, bei dem die nicht senkrecht zur Trägerfläche verlaufenden Abschnitte 21b und 21c der beiden Seitenwände (die Seitenwände bestehen hier aus diesen Abschnitten, d.h. beinhalten keine parallel zueinander und senkrecht zur Trägerfläche verlaufende Abschnitte) des transparenten Grundkörpers 21 symmetrisch zur Mittelebene der linearen Lichtquelle sind und parabelähnliche Form aufweisen. Mit einem solchen Aufbau lässt sich die Lichtverteilung senkrecht zur Mittelebene der linearen Lichtquelle wesentlich enger gestalten als mit der in Figur 1 gezeigten Konfiguration. Mit parabelähnlichen Seitenwänden bzw. Seiten wand- Abschnitten sind bei den zu Figur 1 beschrieben Grössenverhältnissen problemlos Lichtverteilungen von weniger als ±15° erreichbar. Figur 2b zeigt den schematischen Querschnitt einer linearen Lichtquelle 20, mit weitgehend entsprechendem Aufbau wie bei Figur 2a. Zusätzlich zu den parabelähnlichen Seitenwänden 21b und 21c ist hier die Lichtaustrittsfläche 21d nicht eben sondern im Sinne einer Zylinderlinse gestaltet. Mit einem solchen Aufbau lässt sich die Lichtverteilung senkrecht zur Mittelebene der linearen Lichtquelle noch enger gestalten als mit der in Figur 2a gezeigten Konfiguration. Bei den zu Figur 1 beschrieben Grössenverhältnissen sind hier problemlos Lichtverteilungen von weniger als ±10° erreichbar.
Figur 2c zeigt den schematischen Querschnitt einer linearen Lichtquelle 20, bei dem die beiden Seitenwände 21b und 21c des transparenten Grundkörpers 21 asymmetrisch zur Mittelebene der linearen Lichtquelle sind und eine parabelähnliche
Form aufweisen und bei dem die hier ebene Lichtaustrittsfläche 21 d schief zur
Mittelebene der linearen Lichtquelle 20 steht. Mit einem solchen Aufbau lässt sich eine deutlich asymmetrische Lichtverteilung senkrecht zur Mittelebene der linearen Lichtquelle erreichen.
Figur 2d zeigt den schematischen Querschnitt einer linearen Lichtquelle 20, bei dem die beiden Seitenwände 21b und 21c des transparenten Grundkörpers 21 asymmetrisch zur Mittelebene der linearen Lichtquelle sind und parabelähnliche Form aufweisen und bei dem der Träger 23 mit den LED-Chips 24 schief zur Mittelebene der linearen Lichtquelle 20 steht. Auch mit einem solchen Aufbau lässt sich eine deutlich asymmetrische Lichtverteilung senkrecht zur Mittelebene der linearen Lichtquelle erreichen.
Es kann mit beliebigen Kombinationen der in Figur 1 und Figur 2 skizzierten Elemente gearbeitet werden, um Konfigurationen mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften zu erzeugen. Die Figuren 3a und 3b zeigen schematische Schrägansichten linearer Lichtquellen mit optischen Elementen zur Beeinflussung der Lichtverteilung in der längs der linearen Lichtquelle verlaufenden Mittelebene.
Figur 3a entspricht in allen Punkten der in Figur 1 beschriebenen Konfiguration. Zusätzlich ist jedoch der die LED-Chips 34 tragende Träger 33 verspiegelt und so umgeformt, dass zwischen den LED-Chips, bzw. zwischen allfälligen LED-Chip Gruppen, schiefe Ebenen vorhanden sind, die das in Richtung der Mittelebene der linearen Lichtquelle abgegebene Licht in einer gewünschten Lichtverteilung zur Austrittsfläche 3 Id des transparenten Grundkörpers 31 austreten lassen.
Die Umformung des Trägers 33 kann auch so geschehen, dass beliebig geformte Mantellinien, also insbesondere auch in einer Umgebung der LED-Chip- Untergruppen im Querschnitt parabelähnliche Verläufe , entstehen.
Figur 3b verdeutlicht zwei weitere Möglichkeiten zur Beeinflussung der Lichtverteilung in Richtung der Mittelebene aller LED-Chips 34.
Zum einen ist die Lichtaustrittsfläche 31d des transparenten Grundkörpers 31 pro LED-Chip bzw. pro eventuelle LED-Chip-Gruppe im Sinne einer Zylinderlinse gestaltet. Dies ermöglicht eine Formung der Lichtverteilung in Richtung der genannten Mittelebene. Bei einer Kombination mit der Struktur von Figur 2b ergeben sich domlinsenartige Strukturen, durch die die Lichtverteilung sowohl in Richtung der Ebene als auch senkrecht dazu beeinflusst wird.
Zum Zweiten sind die Endflächen 31a - die bisher bei allen Konfigurationen senkrechte Ebenen waren - als parabelähnliche Flächen gestaltet. Dies bewirkt eine Einengung der Lichtverteilung in Richtung der genannten Mittelebene an den Enden der linearen Lichtquelle 30.
Die in den Figuren 3a und 3b gezeigten Merkmale können mit denjenigen der Figuren 1 und/oder 2 kombiniert werden, wodurch fast beliebige gewünschte Lichtverteilungen in der Mittelebene aller LED-Chips 34 und senkrecht zu dieser Mittelebene erzeugbar sind.
Figur 4 zeigt eine schematische Schrägansicht einer einfachen linearen Lichtquelle zur inneren Beleuchtung eines flächigen Objektes.
Die lineare Lichtquelle ist in einem flächigen transparenten Grundkörper 41 integriert, der eine rillenartige Vertiefung 42 hat. Die beiden Seitenflächen weisen an den Übergängen zu der Ebene, welche diese rillenartige Vertiefung 42 beinhaltet, ebene Abschrägungen 41b bzw. 41c auf. Das transparente Material, aus dem der Grundkörper 41 besteht, kann Glas oder ein geeigneter Kunststoff wie Acrylglas (PMMA) oder Polycarbonat sein.
Wie auch bei den vorstehend und nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen ist eine Vielzahl von LED-Chips 44 in definierten Abständen auf einem geeigneten Träger 43 montiert und mittels dieses Trägers 43 elektrisch kontaktiert und elektrisch mit einander verbunden. Statt jeweils eines LED-Chips 44 können auch Gruppen von mehreren, d.h. beispielsweise 3 bis 9, LED-Chips in definierten Abständen auf dem Träger 43 angeordnet sein. Die LED-Chip 44 können auf dem Träger 43 schon vor der Vereinigung mit dem transparenten Grundkörper 41 mit einem - nicht dargestellten - transparenten Schutzmaterial umgeben sein. Ein geeignetes transparentes Schutzmaterial kann beispielsweise ein dauerelastisches Silikon sein. Weiter können die LED-Chip 44 von einem, allenfalls in das genannte Schutzmaterial eingemischten, Lichtkonversions-Farbstoff (Fluoresnzenzfarbstoff, Phosphor) umgeben sein, der beispielsweise die Aufgabe hat blaues von den LED- Chip 44 abgegebenes Licht in Weiss zu wandeln.
Die rillenartige Vertiefung 42 ist mit einem zunächst relativ dünnflüssigen transparenten Material gefüllt, das nach der Vereinigung von dem Grundkörpers 41 und dem Träger 43 mit den LED-Chips 44 mindestens teilweise aushärtet. Zu bevorzugen ist ein transparentes Füllmaterial, das nach dem Aushärten dauerelastisch bleibt. Ein geeignetes transparentes Füllmaterial kann beispielsweise ein dauerelastisches Silikon sein.
Die LEDs können auch in den transparenten Block als Ganzen eingebracht - bspw. eingegossen oder umspritzt - sein. Dann können die rillenartigen, mit transparentem Füllmaterial gefüllten Vertiefungen entfallen.
Die Neigung der ebenen Abschrägungen 41b und 41c ist so gewählt, dass das von den LED-Chip abgegebene Licht an den Flächen 41b und 41c durch Totalreflexion umgelenkt wird und durch Totalreflexion innerhalb des flächigen Grundkörpers 41 verbleibt. Mindestens eine der grossen Seitenflächen des Grundkörpers 41 ist so strukturiert, dass auf sie auftreffendes Licht teilweise nach aussen auskoppelt, wobei
Licht unter Umständen teilweise durch die gegenüberliegende Fläche austritt und teilweise innerhalb des Grundkörpers 41 bleibt. Die Gestaltung einer solchen
Strukturierung ist wohlbekannt und muss hier nicht weiter geschildert werden.
Bei einer totalen Dicke des flächigen Grundkörpers 41 von ca. 2.5 mm und einer Breite der ebenen unteren Fläche des Grundkörpers 41 von 1 mm und einer Höhe der Abschrägungen 41b und 41c von 0.8 mm lässt sich mit einem solchen Aufbau eine Lichtverteilung in der gemeinsamen Mittelebene aller LED-Chips 44 von beispielsweise ±80° und in der Ebene senkrecht zu dieser Mitteleben von beispielsweise ±35° erreichen. Dabei verbleiben weit über 90% des von den LED- Chips abgegebenen Lichtes innerhalb des flächigen Grundkörpers 41.
Dies bedeutet, dass dank der breiten Lichtverteilung in Richtung der genannten Mittelebene nur wenige LED-Chips notwenig sind, um einen völlig homogen erscheinenden Lichtaustritt aus den flächigen Grundkörper schon in einem mm Abstand von den LED-Chips 44 zu gewährleisten. Es bedeutet weiterhin, dank der relativ engen Lichtverteilung in der Senkrechten zur genannten Mittelebene und dem erwähnten sehr hohen Einkoppelungsgrad von über 90%, dass das von den LED- Chip abgestrahlte Licht auch einen flächigen Grundkörper mit Dimensionen bis zu 2 m Höhe vollständig und homogen zu durchleuchten vermag.
Sämtliche in den Figuren 2a bis 2d gezeigten Konfigurationen können auch bei einer flächigen Lichtquelle gemäss der Figur 4 zum Einsatz kommen.
Figur 5 zeigt prinzipiell denselben Aufbau wie Figur 4. Im Unterschied zu Figur 4 ist ein allfällig vorhandener Farbkonversionsfarbstoff jedoch nicht in unmittelbarer Nähe der LED-Chips 54 angeordnet, sondern der Farbkonversionsfarbstoff 51 e bedeckt mindestens eine der grossen Seitenflächen des flächigen Grundkörpers 51. Dies hat den Vorteil, dass keine zusätzliche Struktur zur Auskoppelung des Lichtes von Nöten ist, und dass Licht das von der Farbkonversionsschicht 51e „nach hinten,, abgestrahlt wird nicht verloren geht, sondern zur gegenüber liegenden grossen Fläche des flächigen Grundkörpers 51 austritt. Figur 6 zeigt schematisch den Querschnitt durch eine lichtdurchlässige Pixelwand die mit Hilfe von Elementen 60 gemäss Figur 4 aufgebaut ist und die beispielsweise an Hausfassaden oder an Böden, Decken und Wänden von Räumen ein beliebiges Bild im Sinne eines Bildschirms erzeugen kann.
Die flächigen Elemente sind 60 sind in den zwei in derselben Fläche liegenden Richtungen dicht an dicht angeordnet. Die LED-Chips 64 sind in Untergruppen angeordnet die jeweils eine Mischung aus rotes, grünes und blaues Licht abgebenden LED besteht. Sie werden mittels des Trägers 63 so kontaktiert, dass Rot, Grün und Blau innerhalb eines Elements 60 jeweils unabhängig von einander angesteuert werden können.
Die dicht an dicht angeordneten Elemente 60 sind mittels Abstandhaltern 66 auf einem grossflächigen Tragelement 65 montiert. Der durch die Abstandhalter 66 gewährleistete Abstand beträgt einen Bruchteil eines mm bis einige mm. Das grossflächige Tragelement kann ein Fensterglas oder eine Hauswand oder eine Raumdecke oder eine beliebige grosse ebene Fläche sein.
Jedes Element 60 wirkt als ein Pixel eines digitalen Bildes. Um hohe Auflösungen des Bildes zu erreichen müssen die Pixel, d.h. die Elemente 60, relativ klein sein, was beispielsweise für die Fassade eine Hochhause s eine Elementgrösse von ca. 20 x 20 cm und für Boden Decke oder Wände eines Innerraumes Elementgrösse von wenigen Zentimetern bedeutet. Dies bedeutet aber auch, dass nicht beleuchtete Ränder zwischen den Pixeln bzw. den Elementen 60 minimal sein müssen.
Um dies zu erreichen besteht der Träger 63 beispielsweise aus demselben transparenten Material wie der flächige Grundkörper 61 und besitzt an seiner den LEDs zugewandten Oberfläche Leiter für deren Kontaktierung. Die dicht-an-dicht- Anordnung der Elemente 60 geschieht mittels eines transparenten Materials mit ähnlichem Brechungsindex, also beispielsweise mit einem Silikon. Auf diese Weise koppelt Licht vom Nachbarelement in den Träger 63 ein und lässt diesen gegen aussen hell erscheinen. Der Träger 63 ist auf seiner Oberseite 63 a (d.h. an seiner den LEDs zugewandten Oberfläche) zusätzlich verspiegelt, so dass das eingekoppelte Licht des Nachbarelementes zurück reflektiert und so die Helligkeit des Nachbarelementes optimiert wird.
Die zur Lichtbündelung notwendige schiefe Fläche 61c ergibt einen Spalt 61f zwischen auf einander folgenden Elementen 60, der als dunkler Rand in Erscheinung treten kann. Durch eine geeignete Gestaltung der Fläche 61c wird dies vermieden.
Die Fläche Ic ist so geneigt, dass ein wohl definierter, kleiner Anteil des von den
LED-Chips 64 auf sie auftreffenden Lichte nicht mittels Totalreflexion umgelenkt wird, sondern direkt auskoppelt. Auf diese Weise wird erreicht, dass auch der Spalt 6 If gegen aus in derselben Helligkeit wie das restliche Element 60 erscheint.
In Summe ist so eine Pixelwand gestaltet, die keinerlei dunkle Ränder zwischen den einzelnen Pixeln aufweist und deshalb sehr kleine Pixel zulässt.
Wenn eine solche Pixelwand an der Aussenfassade eines (Hoch-)Hauses installiert wird, ist ein zusätzliches transparentes Schutzelement 67 notwendig, das beispielsweise aus einer dünnen Glasscheibe oder einer geeigneten transparenten Kunststofffolie besteht.
Zusätzlich ist es in diesem Falle oft erwünscht, dass der gesamte Aufbau zwar nicht durchsichtig aber lichtdurchlässig ist. Wenn das grossflächige Tragelement 65 lichtdurchlässig, also beispielsweise Glas ist, wird eine solche Lichtdurchlässigkeit vom geschilderten Aufbau gewährleistet.
Mit Ausnahme der Figuren 2a bis 2d sind in den gezeichneten Ausführungsformen die - kammartigen - Ausformungen mit den lichtumlenkenden Seitenwandabschnitten immer als abgeschrägte Seitenflächen gezeichnet. Figur 7a bis 7c zeigen ergänzend zu Figuren 2a bis 2d Prinzipenskizzen mit Variationen von Querschnitten durch Ausformungen, welche an optisch transparenten Körpern von Ausführungsformen der Erfindung vorhanden sein können und welche LED-Chips 74 aufweisen. Die Ausformungen der in Figuren 7a bis 7c gezeichneten Art können ebenso wie diejenigen der Figuren 2a bis 2d oder Abwandlungen an optisch transparenten Körpern verschiedenster Ausformungen vorhanden sein, beispielsweise wie in den vorstehenden oder nachfolgenden Figuren gezeichnet.
Das Prinzip der einfachsten Ausgestaltung mit ebenen Abschrägungen 71b ist noch einmal in Figur 7a skizziert. Die Pfeile verdeutlichen, wie von den LED-Chips bezüglich einer optischen Achse 74a seitlich abgestrahltes Licht durch
Totalreflektion so umgelenkt wird, dass es im optisch transparenten Körper verbleibt.
Anstatt einer einzigen Abschrägung kann die kammarige Ausformung auch mehrere abgeschrägte Seitenwand-Abschnitte 71b, 71c aufweisen, die verschiedene Winkel zur optischen Achse bilden und bspw. einen parabelähnlichen Verlauf imitieren, wie das in Figur 7b dargestellt ist. Dies erhöht die Bündelungswirkung, d.h. die Streuung der Lichtrichtungen wird kleiner.
Eine weitere Variationsmöglichkeit ist ebenfalls in Figur 7b skizziert: Die Position des LED-Chips kann variiert werden. Hier ist der LED-Chip entlang seiner optischen Achse gegen ein Inneres der Lichtquelle leicht verschoben; ein distanzhaltendes Element 78 ist in der Figur symbolisch dargestellt.
Figur 7c schliesslich zeigt wie Figuren 2a-2d einen gekrümmten Verlauf der Seitenwandabschnitte 71h. Im Unterschied zu den parabelähnlichen Verläufen in Figuren 2a bis 2d ist aber die Trägerfläche 71i deutlich breiter. Die Kammlinie im Sinne der Erfindung befindet sich hier in der Mitte der Trägerfläche 71 i. Viele weitere Ausführungsformen sind denkbar, bspw. sogar mit abschnittweise konkaven Verläufen; die Ausformung kann auch anwendungsspezifisch gezielt gewählt sein und bspw. bestimmte gewünschte Bündelungscharakteristika bewirken.
Die Lichtquelle gemäss Figur 8 ist als von innen nach aussen strahlender Torus- Strahler ausgebildet. Eine lineare Anordnung von LED-Chips 84 befindet sich auf der Innenseite eines torusförmigen optisch transparenten Körpers 81, nämlich entlang dessen innerer Umfangslinie. Die lichtabstrahlenden Flächen der LED-Chips sind gegen die Aussenseite des Toms hin ausgerichtet. Die Seitenwand-Abschnitte 81b, welche durch eine Ausformung der in den Figuren 2a-2d und 7a bis 7c skizzierten Art gebildet werden, lenken von den LED-Chips erzeugtes Licht durch Reflexion nach aussen ab. Das Licht wird durch eine hier entlang der äusseren Umfangslinie des Torus verlaufende Lichtaustrittsfläche 81d abgegeben. Es ergibt sich eine Abstrahlcharakteristik, wie sie im kleinen Bild links in der Figur skizziert ist. Die Lichtquelle gemäss Figur 8 kann insbesondere für die Raumbeleuchtung vorteilhaft sein, da sie bei geeigneter Anordnung auch bei hoher Lichtleistung nicht blendet und die Raumwände gleichmässig ausleuchten kann.
Ebenfalls einen torusförmigen optisch transparenten Körper weist die Lichtquelle gemäss Figur 9 auf. Die LED-Chips 94 sind entlang der äusseren Umfangslinie des optisch transparenten Körpers so angeordnet, dass die lichtabstrahlenden Flächen gegen innen orientiert sind. Die Ausformungen mit den lichtumlenkenden Seitenwänden 91b schliessen entsprechend an die äussere Umfangslinie an und lenken von den LED-Chips seitlich abgegebenes Licht nach innen ab. Die Lichtaustrittsfläche 91d befindet sich an der Innenseite. Die Lichtquelle gemäss Figur 9 kann eine hohe Lichtintensität im Torus-Zentrum bewirken. Dies kann bei technischen Anwendungen vorteilhaft sein, bspw. für die Aushärtung von Kunststoffen, die Belichtung fotosensitiver Materialien, die Entkeimung (insbesondere mit UV-Licht) usw. Die Entwicklung von LED-Chips, welche bei der für die Entkeimung von Wasser benötigten Wellenlängen strahlen, ist im Gange.
Anstelle der torusförmigen Lichtquelle gemäss Figur 9 kann gemäss demselben Prinzip auch eine scheibenförmige Lichtquelle zur Verfügung gestellt werden, bei welcher die LED-Chips und die Ausformungen mit den lichtumlenkenden Seitenwänden entlang der äusseren Umfanglinie angeordnet sind. Mindestens eine der grossen Flächen der scheibenförmigen Lichtquelle besitzt dann vorzugsweise lichtauskoppelnde Strukturen, so dass die Lichtquelle als gleichmässig leuchtende Scheibe wirkt.
Die Lichtquellen der Figuren 10 und 11 haben ebenfalls die Topologie eines Torus (die Oberflächen sind „topologisch äquivalent" zum Torus), d.h. sie sind als Körper mit durchgehender Öffnung ausgebildet. Sie bestehen quasi aus einer Mehrzahl von aufeinander gestapelten Tori der Art der Lichtquelle von Figur 9. Der optisch transparente Körper 101 der Lichtquelle von Figur 10 hat die Form eines Hohlzylinders mit einer Mehrzahl von in der Art eines Abgeflachten Kammes auf der Aussenseite verlaufenden Ausformungen. Jede der Ausformungen trägt aussenseitig nach innen strahlende LED-Chips 104 und wirkt durch die Seitenflächen 101b lichtumlenkend für seitlich abgestrahlte elektromagnetische Strahlung. Im Zylinderinnern kann zu beleuchtendes Material (bspw. zu entkeimendes Wasser etc.) in Richtung der Zylinderachse transportiert werden. Alternativ dazu kann die Lichtquelle auch zur Beleuchtung eines länglichen Objektes dienen. Anstelle des gezeichneten Verlaufs mit ringartigen Linien können die LED-Chips auch spiralartig entlang des Zylindermantels verlaufen.
Die Lichtquelle von Figur 11 unterscheidest sich von derjenigen von Figur 10 dadurch, dass die Abstrahlrichtung - sie wird durch die Anordnung der LED-Chips
114 und die Orientierung der Ausformungen bestimmt - in Funktion der axialen
Position variiert Dies so, dass die Lichtdichte im Innern des vom optisch transparenten Körpers 111 gebildeten Hohlraum gegen das Zentrum des Körpers hin zunimmt. Diese Konfiguration ist besonders günstig für Fälle, wo eine hohe Lichtdichte an einem bestimmten Punkt gewünscht wird. Auch die Ausformungen und LED-Chip-Linien der Ausführungsform von Figur 11 können spiralartig verlaufen.
Die Ausführungsformen gemäss den Figuren 12 und 13 sind Beispiele von flächigen Lichtquellen, bei denen sich im Gegensatz zur ebenfalls flächigen Lichtquelle gemäss Figur 4 lineare Anordnungen der LED-Chips eine Ebene aufspannen, welche hier parallel zur Lichtaustrittsfläche verläuft. In der Anordnung gemäss Figur 12 bilden die LED-Chips 124 und die Ausformungen mit den lichtumlenkenden Seitenwänden 121b eine Mehrzahl von konzentrischen Kreisen, die in der Summe die im wesentlichen Scheibenförmige Lichtquelle bilden. Die Lichtaustrittsfläche ist die in der Figur nicht sichtbare untere Oberfläche des optisch transparenten Körpers 121. Anstelle der Anordnung mit mehreren konzentrischen Kreisen könnten die LED-Chips und die Ausformungen auch eine spiralartige Struktur bilden oder mäandrieren. Die Lichtquelle als ganze kann auch oval sein, d.h. eine elliptische Umfangslinie aufweisen, oder eine andere Umfangsform besitzen. Der mindestens eine - wie in allen Figuren 8 bis 13 nicht gezeichnete - Träger der LED-Chips kann linear und bspw. biegbar sein und der Anordnung der LED-Chips folgen. Alternativ dazu kann er auch als Platte ausgebildet sein, welche im Wesentlichen die ganze Rückseite der Lichtquelle - in der Figur entspricht diese der Oberseite - überspannt und eine die LED-Chip-Anordnung widerspiegelnde Leiterbahnstruktur besitzt.
Bezüglich der Beschaffenheit des Trägers analog kann die Lichtquelle gemäss Figur 13 aufgebaut sein, welche bspw. in ihrer Grundform rechteckig ist und bei welcher die linearen Anordnungen von Lichtquellen Geraden bilden, die hier im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen.
Sowohl bei der Ausführungsform gemäss Figur 12 als auch bei derjenigen gemäss Figur 13 ist nicht zwingend, dass alle LED-Chips 124 bzw. 134 in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind; vielmehr kann der Abstand zur Lichtaustrittsfläche von linearer Anordnung zu linearer Anordnung, unter Umständen auch von LED zu LED innerhalb der linearen Anordnungen verschieden sein.
Alternativ zu den gezeichneten Ausführungsformen mit einer Mehrzahl von kammartigen Ausformungen, die je lineare Anordnungen von LEDs tragen, ist auch eine Ausführungsform mit einer Mehrzahl von hügelartigen Ausformungen denkbar, die je einen LED-Chip oder eine Gruppe von LED-Chips tragen. Die hügelartigen Ausformungen können eine ungefähr konische Form aufweisen und rasteratig verteilt sein. Die LED-Chips oder Gruppen von LED-Chips sind vorzugsweise an den Scheitelpunkten der Ausformungen angeordnet.
Die Lichtquelle gemäss Figur 14 entspricht bspw. in Geometrie und Grundaufbau (Anordnung einer Mehrzahl von LED -Chips 144 auf einem Träger 143 sowie lichtablenkende Seitenwand-Abschnitte 141b) derjenigen von Figur 4 oder derjenigen von Figur 5. Gemäss einer ersten Variante sind im Unterschied zur Figur 4 alle Flächen des optisch transparenten Körpers 141 glatt und transparent. Dann tritt Licht durch die schmalen Flächen 141a, 141d aus. Gemäss einer zweiten Variante ist die im Bild obere grosse Fläche 141e strukturiert und bspw. zusätzlich noch verspiegelt. Auch die schmalen Flächen 141a, 141d sind bspw. verspiegelt. Dann tritt Licht durch die untere grosse Fläche 141f diffus aus. Gemäss weiteren Varianten (ergänzend oder alternativ) ist die als Lichtaustrittsfläche dienende untere grosse Fläche aufgerauht oder sonstwie mit auskoppelnden Strukturen versehen.
Zusätzlich besitzt der optisch transparente Körper an seiner Oberseite rotationsparabolische Kollimationsstrukturen 141g, an deren Scheitel je ein LED-Chip oder mehrere LED-Chips 145 angebracht sind. Ein separater Träger 146 dient der Kontaktierung dieser LED-Chips 145. Diese LED-Chips 146 mit rotationsparabolischen Kollimationsstrukturen 141g erzeugen gebündeltes Licht, welches ebenfalls auf der gegenüberliegenden Seite 141f austritt.
Die Lichtquelle der Figur 14 kann überall dort angewendet werden, wo eine diffuse Grundbeleuchtung mit einer Quelle gebündelten Lichts kombiniert werden soll, bspw. als Automobil- Schienenfahrzeug- oder Flugzeug-Innenbeleuchtung mit Leseleuchte. Es kann auch nur eine oder es können mehr als zwei Kollimationsstrukturen verwendet werden.
Figur 15 zeigt eine Variante der Lichtquelle von Figur 14, welche ermöglicht, dass die linear angeordneten LED-Chips 154 und den Kollimationsstrukturen 151g zugeordneten LED-Chips auf einer gemeinsamen, als Träger dienenden Leiterplatte
153 angebracht sind. Dies wird durch eine Umlenkfläche 151h des optisch transparenten Körpers 151 ermöglicht. Die Ausformung mit den lichtumlenkenden
Seitenwänden 151b ist so angeordnet, dass die optisch Achse der linear angeordneten LED-Chips 154 ungefähr senkrecht zu den grossen Flächen 151e, 151f liegen. Die Umlenkfläche 151h hat einen Winkel von ungefähr 45° zu den grossen Flächen und bewirkt, dass das Licht eine Ebene parallel zu den grossen Flächen abgelenkt, in dieser Ebene geführt und bspw. wie in der Ausführungsform gemäss Figur 14 ausgekoppelt wird.
Die Ausführungsform gemäss Figur 16, schliesslich kombiniert die Ansätze der Figuren 12 und 13 (flächige Lichtquelle mit Anordnung von LED-Chips, welche eine Fläche aufspannen) einerseits und 14 und 15 („Spots", welche mit rotationsparabolischen Strukturen 161g und zugeordneten LED-Chips 166 gebildet werden) andererseits.
In jeder der Ausführungsformen der Figuren 14 bis 16 können für die Spots anstelle von rotations-parabolischen Kollimationsstrukturen auch andere lichtbündelnde Strukturen verwendet werden, zum Beispiel näherungsweise rotations-parabolische Strukturen; diese können abschnittsweise konisch sein.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Lichtquelle mit einer Mehrzahl von Untergruppen von je mindestens einem ungehäusten LED-Chip (14, 24, 34, 44, 54, 64, 74, 84, 94, 104, 114, 124, 134, 144, 154, 164) mit einer lichtabstrahlenden Fläche, sowie mit einem Körper (11, 21, 31, 41, 51, 61, 81, 91", 101, 111, 121, 131, 141, 151, 161) aus optisch transparentem Material, der die lichtabstrahlende Fläche jedes LED-Chips einhüllt, so, dass sich von den LED-Chips abgestrahltes Licht im optisch transparenten Material ausbreitet, und dass mindestens ein Teil des von den LED-Chips bezüglich einer optischen Achse seitlich abgestrahlten Lichtes durch mindestens teilweise Reflexion an mindestens einer Grenzfläche des
Körpers umgelenkt wird, wobei die LED-Chips auf mindestens einem sie elektrisch kontaktierenden Träger (13, 23, 33, 43, 53, 63, 143, 153, 163) aufgebracht sind, wobei der mindestens eine Träger am optisch transparenten Körper mechanisch fixiert ist.
2. Lichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der optisch transparente Körper mindestens eine Ausformung aufweist, welche sich gegen eine Kammlinie oder einen Scheitelpunkt hin verjüngt, wobei mindestens einige der LED-Chips an der Ausformung bzw. den Ausformungen angeordnet sind, und wobei diese LED-Chips so angeordnet sind, dass mindestens ein Teil des von den LED-Chips abgestrahlten Lichtes durch Reflexion an einer
Grenzfläche der Ausformung umgelenkt wird.
3. Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Untergruppen in mindestens einer linearen, eine Linie definierenden Anordnung vorhanden sind.
4. Lichtquelle nach Anspruch 3 bezogen auf Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausformung bzw. Ausformungen kammartig ist bzw. sind und dass die LED-Chips entlang der Kammlinie angeordnet sind.
5. Lichtquelle nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der bzw. die Träger an einer Trägerfläche des Körpers vorhanden ist bzw. sind, an welche bezüglich der Linie seitlich Seitenwände anschliessen.
6. Lichtquelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwände einen Abschnitt mit Abschrägungungen (IIb, 11c, 21b, 21c, 31b, 31c, 41b, 41c, 51b, 51c, 71b, 71c, 81b, 91b, 101b, 121b, 141b, 151b) besitzen, welcher Abschnitt zu der Trägerfläche keinen rechten Winkel bildet, sondern eine an die Trägerfläche anschliessende schiefe Ebene bildet oder einen gekrümmten Verlauf aufweist, wobei die Krümmung vorzugsweise parabelartig verläuft.
7. Lichtquelle nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass von den LED-Chips abgestrahltes Licht mehrheitlich durch eine der Trägerfläche gegenüberliegende Lichtaustrittsfläche (Hd, 21d, 31d, 81d, 9Id) aus dem Körper ausgekoppelt wird.
8. Lichtquelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtaustrittsfläche (21 d, 3Id) eine zylinderlinsenartige oder domlinsenartige Struktur besitzt.
9. Lichtquelle nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet dass die Lichtverteilung in einer Mittelebene der optischen Achsen sich von derjenigen senkrecht zu der Mittelebene unterscheidet
10. Lichtquelle nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzflächen des Körpers so ausgebildet sind, dass von den LED-Chips seitlich und senkrecht zur Linie abgestrahltes Licht durch mindestens teilweise Reflexion umgelenkt wird.
11. Lichtquelle nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper beiderseits bezüglich der Linie Seitenwände aufweist, die als lichtumlenkende Flächen wirken, durch welche vorzugsweise bis auf eventuelle Teilflächen mit Auskoppelstrukturen kein Licht oder insgesamt maximal 20% des von den LED-Chips erzeugten Lichtes austritt.
12. Lichtquelle nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Seitenfläche des Körpers Auskoppelstrukturen aufweist.
13. Lichtquelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Achsen einer Mehrzahl der LED-Chips, vorzugsweise aller LED-Chips, in einer Ebene verlaufen..
14. Lichtquelle nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Ebene parallel zu Abschnitten von Seitenflächen des Körpers ist.
15. Lichtquelle einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage der Grenzflächen und der Brechungsindex des Körpers so gewählt sind, dass von den LED-Chips seitlich abgestrahltes Licht durch Totalreflexion umgelenkt wird.
16. Lichtquelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass elektrisch leitende Verbindungen zwischen die LED- ■ Chips kontaktierenden Kontakten des Träger bzw. der Träger existieren, so dass alle LED-Chips miteinander elektrisch verbunden sind.
17. Lichtquelle nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet dass eine Mehrzahl von Trägern vorhanden ist und dass die Träger durch Drähte oder Litzen miteinander verbunden sind.
18. Lichtquelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Konversionsfarbstoff (5Ie) welcher entweder in einer mindestens einige der LED-Chips umgebenden Schicht oder an einer Oberfläche vorhanden ist, durch welche Licht aus dem Körper auskoppelt.
19. Lichtquelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der optisch transparente Körper eine durchgehende
Öffnung aufweist, und dass die LED-Chips entlang einer Innenseite des optisch transparenten Körpers so angebracht sind, dass von ihnen abgestrahltes Licht auf einer Aussenseite aus dem Körper austritt
20. Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der optisch transparente Körper eine durchgehende Öffnung aufweist, und dass die LED-Chips entlang einer Aussenseite des optisch transparenten Körpers so angebracht sind, dass von ihnen abgestrahltes Licht in die durchgehende
Öffnung austritt..
21. Lichtquelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die LED-Chips in einer Anordnung vorhanden sind, in welcher sie eine Ebene aufspannen, wobei die optische Achse der LED-Chips zu dieser Ebene senkrecht steht oder zu ihr einen Winkel bildet.
22. Lichtquelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie zusätzliche, Kollimationsstrukturen bildende Ausformungen (141g, 151g, 161g) aufweist, denen zusätzliche LED-Chips (146, 156, 166) zugeordnet sind
23. Pixelwand, aufweisend eine Mehrzahl von Lichtquellen (60) gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Lichtquellen einzeln ansteuerbar sind.
24. Pixelwand nach Anspruch 23, wobei mindestens einige der Lichtquellen LED- Chips mit verschiedenen Emissionswellenlängen aufweist, und wobei die LED-Chips mit sich unterscheidenden Wellenlängen unabhängig voneinander angesteuert werden können.
25. Pixelwand nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, sie eine Pixelwand-Ebene definiert, in welcher die je ein Pixel bildenden Lichterzeugenden Elemente nebeneinander angeorndet sind, und dass die optischen Achsen der LED-Chips einen Winkel zur Pixelwand-Ebene bilden und vorzugsweise senkrecht zu ihr stehen.
26. Pixelwand nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennezeichnet, dass der Träger transparent ist, und dass einen Hauptkörper des Trägers bildendes Material vorzugsweise einen optischen Brechungsindex aufweist, welcher um höchstens 30% von demjenigen des Körpers aus optisch transparentem Material abweicht.
27. Verfahren zur Herstellung einer Lichtquelle, mit den Verfahrensschritten
a) zur Verfügung-Stellen eines Körpers aus optisch transparentem Material mit einer länglichen Grundfläche und daran angrenzenden Abschnitten von
Seitenflächen, welche Abschnitte nicht senkrecht zur Grundfläche verlaufen,
b) anbringen einer rillenartigen Vertiefung in der Grundfläche,
c) füllen der rillenartigen Vertiefung mit flüssigem oder plastisch oder elastisch deformierbarem transparentem Material,
d) anbringen von mindestens einem Träger mit darauf 'angebrachten elektrisch kontaktierten ungehäusten LED-Chips,
so, dass die LED-Chips in das flüssige oder deformierbare Material hineinragen und von diesem mindestens teilweise umschlossen werden,
e) aushärten des flüssigen oder deformierbaren Materials,
wobei die Verfahrensschritte c) und d) in beliebiger Reihenfolge durchführbar sind.
28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Brechungsindex des flüssigen oder deformierbaren Materials nach dem Aushärten sich um höchstens 30%, vorzugsweise höchstens 20% von demjenigen des Körpers unterscheidet.
29. Verfahren nach Anspruch 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper nach dem Aushärten in Teilstücke zertrennt wird, so, dass jedes Teilstück als eigenständige Lichtquelle funktionsfähig ist.
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