WO2011127902A1 - Lichtleitsystem - Google Patents

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WO2011127902A1
WO2011127902A1 PCT/DE2011/000388 DE2011000388W WO2011127902A1 WO 2011127902 A1 WO2011127902 A1 WO 2011127902A1 DE 2011000388 W DE2011000388 W DE 2011000388W WO 2011127902 A1 WO2011127902 A1 WO 2011127902A1
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light
mass
light guide
lens
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Paul Voinea
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Paul Voinea
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    • H01L33/641—Heat extraction or cooling elements characterized by the materials

Definitions

  • the invention relates to a light guide system with an LED (light emitting diode), consisting of a semiconductive chip which emits light when in contact with a DC voltage and which is mechanically and electrically connected to a plate-shaped chip carrier having two electrical contacts.
  • LED light emitting diode
  • Light-emitting diodes have been a well-known and proven light source for decades. Compared to incandescent lamps in all their variants, they have the advantage of a significantly better efficiency with significantly smaller dimensions, lower costs and longer life. Therefore, they are increasingly used in the current state of the art.
  • An interesting application example is e.g. the drills in the dental field.
  • a light-emitting diode is integrated in the angle piece of the holder of the drill, whose light beams must be focused on the tooth to be processed.
  • a particular challenge of this application is the relatively tiny installation space available for the light source.
  • light-emitting diodes in principle consist of an approximately plate-shaped section of a semiconducting material which, by appropriate doping, forms part of the semiconducting material
  • a major disadvantage is that all the required components must be installed in a transparent or at least translucent housing, which is very bulky compared to the dimensions of the chip. If several LED ' s have to be strung together on a single surface, this large volume makes it possible to significantly reduce the achievable light density.
  • Another serious disadvantage is that the cost of the reflector and the special optical lens are very high compared to the cost of the chip itself.
  • the published patent application DE 10 2007 004 807 describes a "light-emitting device" in which the light beam from the LED through a translucent mass to an optical lens.
  • the light-emitting chip is mounted on the "bottom" of a vessel-like housing which is filled with a transparent or at least translucent potting compound This potting compound extends to an optical lens which rests on the surface of the chip carrier by means of at least three legs and the light beams focused.
  • a major disadvantage of this arrangement is that in each case a separate lens is needed. So it must be designed for each desired light beam angle and a correspondingly adapted lens, manufactured and procured. Another disadvantage that should not be underestimated is that several parts and the potting compound must be procured, kept ready and brought together professionally during assembly.
  • the invention has set itself the task of developing a light control system with an LED, in which the number of parts required is further reduced, the prefabricated parts are widely suitable for different light emission angle, the costs are reduced and still the exit angle a substantial subset of the total amount of light emerging from the LED light can be quickly and easily adjusted to the value required in each case and the remaining, smaller part of the amount of light outside this exit angle scattered wide or is also focused.
  • the invention teaches that on the chip carrier, a hollow body is fixed, the inner surface of which reflects light and has two openings, of which the first, the mounting opening surrounds the chip and through the second, the light opening light with a eem emission angle, which is smaller than the beam angle of the LED, and the hollow body is approximately rotationally symmetrical.
  • the essential feature of the invention is therefore the hollow body.
  • This hollow body can have various shapes, which differ significantly in their production cost and in their effect.
  • the hollow body is a short section of a pipe cut perpendicular to the axis of symmetry. It makes sense that its diameter is so large that its mounting hole rests on the chip carrier. Since the chip carrier is square in most cases, it follows that the hollow body surrounds the chip.
  • the symmetry axis of the hollow body can take any angle to the chip. Usually, however, the symmetry axis of the hollow body is aligned perpendicular to the surface of the chip and extends through the chip. In both of these simple cases, the light exit angle of the LED is reduced by the fact that the light rays in the outer regions of the light exit angle - which radiate almost parallel to the surface of the chip or at an acute angle thereto - are blocked on their direct path from the hollow body , Only the light rays radiated perpendicularly to the chip surface or at a fairly large angle to the chip surface emerge directly from the free opening of the hollow body.
  • the other light rays impinging on the inner surface of the hollow body are not swallowed when the inner surface che is reflective.
  • the beam path can be tracked very easily.
  • a geometrically simple to describe and inexpensive to manufacture shape of a hollow body is for example a hollow circular cylinder, also abbreviated as a hollow cylinder. If the inner surface of such a hollow cylinder is designed to be reflective, it can be very clearly shown on the beam path that this reflection increases the cone of directly exiting light, since a light beam reflected twice and more often still has to be perceived.
  • the losses in the reflection are so small that even the double and even more often reflected light rays contribute effectively to an enlargement of the light cone.
  • the inner surface is only a polished metal surface, or if it has an even lower reflection factor, then the brightness of the multiply reflected light beam will be very low at the exit.
  • a beam of light forms in the sum of directly passing and reflected light beams, the intensity of which decreases significantly towards its edge.
  • the cone of light is NOT sharply demarcated, but surrounded by a "ring” with subdued light. These cones are often required for lighting tasks, for example.
  • a very important advantage of this arrangement is its very simple structure, since only a single element is required. If it is as the mentioned section of pipe, the absolute costs are for very low and much lower than in other known lighting systems for LEDs.
  • the inner diameter of the hollow body must meaningfully always be greater than the maximum dimension of the chip surface, in most cases larger than the diagonal of the chip.
  • the length of the hollow body determines the light exit angle of the directly emitting light: the longer the hollow body is, the smaller is this light exit angle.
  • the reflected light there is a limitation on the number of reflections of the light rays. Since a relatively large number of reflections are required for a very small light exit angle, the necessity of a relatively high reflection factor, e.g. the need to polish or mirror the inner surface of the hollow body.
  • the invention proposes that the inner surface of the hollow body is not a circular cylinder, but a truncated cone. With this shape of the hollow body of the light exit angle is reduced for all emerging from the LED light rays, as the not passing through the light exit opening of the hollow body directly passing light rays after reflection closer to the axis of symmetry of the hollow body than in a hollow circular cylinder.
  • the inner surface of the hollow body is a segment of a paraboloid, in the focal point of the LED is arranged. Characterized in that the paraboloid has two openings This arrangement differs from the numerous, known paraboloid in headlights and LEDs. Since an LED - unlike, for example, a glowing wire - does not emit light all around, only the actually irradiated surfaces have to be reflective.
  • the paraboloid can be shaped to reduce the light exit angle, but the exiting light rays are not parallel to each other, but still somewhat "diverge".
  • the paraboloid has a focal point. If the surface of the LED is arranged in this focal point, then the exiting light rays run approximately in parallel. The smaller the surface of the chip relative to the inner surface of such a shaped paraboloid, the smaller the deviation of the reflected light rays from the exact parallelism.
  • all the above-described embodiments of the hollow body do not influence the portion of the light which passes directly through the light opening.
  • the invention proposes a more cost-effective embodiment variant which is very interesting, especially at small light exit angles.
  • the hollow body is filled with a transparent or at least translucent mass which forms an optically acting lens at the open end of the hollow body forms.
  • this lens must be a convergent lens, also collimator lens or Called convex lens.
  • convex lens is derived from its outer shape, namely its convexly curved surface.
  • the invention utilizes the surface tension that each liquid has at its interface with adjacent gases.
  • This surface tension is z.
  • the surface tension of this liquid makes it possible to fill in the drinking vessel a slightly larger amount of liquid, as dictated by the geometric volume of the drinking vessel, since the excess amount of liquid forms a "hill". At the edges of this hill a strongly curved surface is formed, which is held together by the surface tension.
  • the maximum achievable height of this "liquid hillock” depends on the rheological properties of the liquid.
  • the well-known example of coffee in a coffee cup allows a maximum elevation of the liquid level, which is much smaller than the diameter of a typical coffee cup that the maximum achievable elevation of the liquid level not only increases relative to the decreasing diameter of the vessel, but also the absolute height at a significant reduction of the diameter of the vessel increases as the lateral pressure of the amount of liquid beyond the edge of the vessel decreases.
  • a concave lens is formed at the end of the upwardly open hollow body instead of a convex lens by incomplete filling of the cavity.
  • this is only possible if the filled mass wets the vessel wall.
  • the at least translucent, better still transparent mass in the hollow body should have other properties in addition to a high refractive index as possible.
  • a high heat capacity is advantageous.
  • the light-emitting, semiconducting chip only gives off a maximum of about 20% of the absorbed energy as light and the remaining 80% are converted into heat, this heat has to be dissipated as heat loss. This is done on the one hand, the chip carrier, on the other hand, but also the mass that covers the chip at the top, for the removal of heat very important because it covers more than half of the surface of the chip.
  • the mass is colored.
  • the inner surface of the hollow body can be covered with a translucent, colored layer.
  • a colored translucent mass or a colored translucent layer on the inner surface of the hollow body of a polychrome light of an LED only a certain wavelength range is filtered out. This is useful if, for example, when standard white glowing LEDs are to be used, and a certain color of the light to be filtered only by the mixing of the mass.
  • the mass in the hollow body is a solid which is shaped according to the requirements listed here.
  • a translucent or transparent body can be located in the hollow body, which is spaced to the inner surface or it touches only on a line or only in some points.
  • an optical lens are inserted in the hollow body.
  • This body can be completely or partially potted with a translucent mass.
  • channels can also be incorporated or molded into the solid as an inflow for a potting compound.
  • the mass in the liquid state is pourable into the hollow body and hardened in it. This is achieved as a significant advantage that the mass is used to connect the hollow body with the chip carrier. So it acts not only as a light guide, but at the same time as a fastener.
  • Another advantage is that the mass can be procured, stored and processed with relatively little effort.
  • the overall costs involved are orders of magnitude lower than in the design, manufacture and fitting of a solid.
  • crosslinkable plastics are suitable.
  • its base is e.g. a silicone, an epoxy resin, a polyurethane or an MS polymer.
  • plastics or other materials which are at least translucent and which in the liquid state have such a high surface tension that the formation of at least one convex lens is possible can also be used.
  • a hollow cylinder is fastened on the chip carrier, which is not filled with a mass. Regardless of whether the cavity is empty or filled with a special mass, it is advantageous if the inner surface of the hollow cylinder at least polished or - as a further improvement - mirrored st. As the reflection factor increases, so does the luminous efficacy of such a light guide system.
  • the hollow cylinder will be in most cases a circular cylinder, so have a circular cross-section.
  • the cross section may also be polygonal or irregularly shaped There are sections that recur periodically so that the shape is approximately rotationally symmetric.
  • the outer surface of the hollow cylinder is also expected to be cylindrical in most applications, so that the hollow cylinder is a portion of a thin-walled tube.
  • the outer surface of the hollow body is designed as a square or as a regular hexagon or as a regular octagon, to connect flat side by side arranged light guide systems on the side walls, e.g. by gluing.
  • the invention proposes, as a further interesting embodiment, that the hollow body has at its light opening a "sharp" edge with a very small radius of curvature, thereby ensuring that even with a relatively small surface tension of a liquid with which the hollow body is filled, while still the formation of a convex lens is possible, which is created by a "trapping" of the interior of the hollow body.
  • An advantageous variant for the design of the upper edge of the hollow body is an "oblique" bevel, which in the case of a circular hollow body - ie a hollow cylinder - produces the shape of a hollow cone inwards.
  • the surface of this hollow cylinder reflects incident light rays so that their direction approaches closer to the central axis.
  • Other variants for shaping the hollow body relate to the attachment and the centering of the hollow body on the chip carrier.
  • the chip carrier is plate-shaped and has a plane on which the hollow body is placed. This is easiest if the cut edge of the hollow body used for installation likewise runs in one plane.
  • this "cutting plane" of the hollow body extends perpendicularly to the axis of symmetry of the hollow body, as a result of which the light exit cone is also symmetrical.
  • the hollow body is arranged inclined on the chip surface.
  • the central axis of the light exit cone can also be aligned independently of the plane of the chip carrier.
  • a ledge or other raised portion or other raised formation centering the hollow body on the chip carrier may be inserted into the chip carrier Alternatively or additionally, the hollow body may be at its end facing the chip carrier Have molds which engage in approximately complementary openings in the chip carrier or engage over at least two opposite edges of the chip carrier away.
  • Another alternative embodiment, which can act on the optical properties of the light-guiding system according to the invention, is the coating with a lacquer layer.
  • This lacquer layer can be applied to the LED with a downwardly facing, convex lens such that a layer thickening toward the center forms on the lens. This creates an additional lens that further focuses the light rays. It goes without saying that the paint also needs to be at least translucent, better yet still transparent.
  • the hollow body in the first step, is positioned on the chip carrier in such a way that it surrounds the chip.
  • the upwardly facing hollow body is filled with a transparent or translucent mass in the liquid state.
  • this mass cures.
  • the optical properties of the solidified mass in the region of the open end of the hollow body are determined by the dosage of the filled amount of liquid mass. If the liquid-filled amount of the mass is greater than the volume of the hollow body and if the speed during filling is at most only so high that the remaining amount of liquid mass passing over the hollow body is still held together by its surface tension, a convex meniscus is formed which acts as a lens. The rheological properties of the filled liquids must allow the projecting beyond the edge of the hollow body lens.
  • the liquid should be such that the radius of the liquid hillock that can be built up beyond the edge of the hollow body corresponds approximately to the radius of the hollow body. Then it is possible to change the focus of the resulting lens by the filling quantity can. This of course requires a correspondingly high accuracy during filling and dosing.
  • the invention proposes to fill various liquid masses in layers in the hollow body, each layer having a different refractive index.
  • the respective filling quantity for each layer can also be used to vary the upper radius of curvature of this layer and thus to influence the focal length of the optical lens produced in this way.
  • a convex or concave surface of the lens is created. This allows you to choose whether the lens has a focusing or dissipative effect.
  • a multi-lens system can be set up at a relatively low cost and in a short working time.
  • LED constructed's are robust, relatively high light density and especially by a relatively very low total price of.
  • the silicone layer protects the sensitive semiconductor chips from aggressive environmental influences. Therefore, it is an interesting application example to use them in dental technology.
  • the application in drilling and milling tools mentioned for example, the installation in the elbow of a dental drill, so that the built-in LED according to the invention during the work of the dentist, the tooth to be processed well.
  • Figure 1 section through an inventive light guide system only with a hollow cylinder as a hollow body
  • FIG. 2 section as Figure 1, but with a transparent, a
  • the hollow body 3 should be a hollow cylinder 3 with a circular cross-section. Since it is cut along its axis of symmetry 32, only the two strip-shaped sections can be seen through the wall of the hollow cylinder 3 in section.
  • the hollow cylinder 3 is provided with the reference numeral 3 in the image description.
  • the upper edge of the hollow cylinder 3 forms the light opening 34 through which the light rays pass directly. This edge is "bevelled" in this embodiment, in order to further bundle the light beams reflected there, which will be explained again below.
  • the lower edge of the hollow cylinder 3 forms its mounting opening 33, with which it rests on the chip carrier 2.
  • the plate-shaped chip carrier 2 can be seen in section in Figure 1, the two large areas of the chip carrier 2 are perpendicular to the plane.
  • the chip 1 On the upper side of the chip carrier 2, the chip 1 is arranged, which emits light at its upper side and fixed with its underside on the chip carrier 2 and is electrically contacted with a pole.
  • the two electrical contacts 21 of the chip carrier 2 are arranged, one of which is connected via the visible in Figure 1 lead wire to the top of the light-emitting chip 1.
  • the other contact 21 is connected to the bottom of the chip 1.
  • the directly outgoing light beams are characterized by thick lines. It can be seen immediately how the hollow cylinder 3 reduces the exit angle of the light rays, he does not let the thin-line light rays through.
  • FIG. 1 also shows how the light rays, which are not transmitted directly - and are therefore marked thinly - are connected to the
  • Inner surfaces of the hollow cylinder 3 are reflected. Of particular interest is the upper portion of the inner surface 31, which is tapered. In this area meet some rays of light, which are reflected there for the first time. In FIG. 1, it is easy to see how these rays of light are compared with their original ones
  • the hollow cylinder 3 is also shown cut along its axis of symmetry 32, so that the side wall of the hollow cylinder 3 is seen once on the right and for the second time on the left side.
  • the space between the walls of the hollow cylinder 3 is filled with the transparent mass 4. So that the radiation Gang in the light control system can be shown, the mass 4 is indicated in Figure 1 only at its edge by hatching.
  • the light beams are represented by dash-dot-dash lines. It is very easy to understand that they are broken at the transition from the mass 4, the optically denser medium, to the visually less dense medium, the surrounding air. Compared with a line perpendicular to the crossed surface, the angle is always smaller in the optically denser medium than in the less optically dense medium. This results in that all the light rays which are radiated from the chip 1 directly onto the lens 41, are angled in the direction of the axis of symmetry 32.
  • Figure 2 also shows that the light rays that do not directly strike the lens 41 do not remain unused. Rather, they are reflected on the inner surface 31 of the hollow cylinder 3 and thus also pass through the lens 41 through.
  • the light rays reflected in the light opening 34 at the chamfered edge of the hollow cylinder 3 radiate toward the lens and are refracted there. Overall, they are brought closer to the central axis by reflection and refraction in their direction compared to the original orientation and thus contribute to focus the emitted light more in the middle.
  • the light beams which do not enter the lens 41 directly are used so that ambient light also falls into the surroundings of the cone which is brightly illuminated with the core region of the light rays, so that the transition between the light cone and the surroundings is not abrupt but flowing.
  • the inner surface 31 of the hollow body 3 is designed as a paraboloid, whose attachment opening 33 approaches the chip 1 quite close. extends and on the light opening 34, a lens 41 is placed, which consists of the transparent or translucent mass 4.
  • this paraboloid When this paraboloid is shaped to concentrate the light rays incident on its inner surface 31 so far that they all exit through the light aperture 34 but are not parallel to each other, they can propagate through the lens 41 formed by the surface of the mass 4 be bundled so that they run mostly parallel or even run together in a focal point or at least in a focal line

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Abstract

Lichtleitsystem mit einer LED (Licht emittierende Diode), bestehend aus einem halbleitenden Chip (1), der bei Kontakt mit einer Gleichspannung Licht emittiert und der mechanisch und elektrisch mit einem plattenförmigen Chipträger (2) verbunden ist, der zwei elektrische Kontakte (21) aufweist, wobei auf dem Chipträger (2) ein Hohlkörper (3) befestigt ist, dessen Innenfläche (31) Licht reflektiert und der zwei Öffnungen aufweist, von denen die erste, die Befestigungsöffnung, den Chip umgibt und durch die zweite, die Lichtöffnung Licht mit einem Ausstrahlungswinkel austritt, der kleiner als der Ausstrahlungswinkel der LED ist, und der Hohlkörper angenähert rotationssymmetrisch ist.

Description

Lichtleitsystem
Die Erfindung bezieht sich auf ein Lichtleitsystem mit einer LED (Licht emittierenden Diode), bestehend aus einem halbleitenden Chip, der bei Kontakt mit einer Gleichspannung Licht emittiert und der mechanisch und elektrisch mit einem plattenförmigen Chipträger verbunden ist, der zwei elektrische Kontakte aufweist.
Leuchtdioden sind seit Jahrzehnten ein bekanntes und bewährtes Leuchtmittel. Gegenüber Glühlampen in allen ihren Varianten haben sie den Vorteil eines erheblich besseren Wirkungsgrades bei erheblich kleineren Abmessungen, geringeren Kosten und längerer Lebensdauer. Deshalb werden sie auf aktuellem Stande der Technik immer zahlreicher eingesetzt.
Ein interessantes Anwendungsbeispiel sind z.B. die Bohrer im Dentalbereich. Zur Beleuchtung eines anzubohrenden Zahns ist in das Winkelstück der Halterung des Bohrers eine Leuchtdiode integriert, deren Lichtstrahlen auf den zu bearbeitenden Zahn fokussiert werden müssen. Eine besondere Herausforderung dieser Anwendung ist der relativ winzige Einbauraum, der für die Lichtquelle zur Verfügung steht.
Bei jeder Anwendung ist zu beachten, dass Leuchtdioden im Prinzip aus einem etwa plattenförmigen Abschnitt eines halbleitenden Mate- rials bestehen, das durch entsprechende Dotierung einen Teil des
Gleichstromes in Licht umwandelt. Leider können auf aktuellem Stand der Technik auch die effizientesten Leuchtdioden nur etwa 20 % der eingehenden elektrischen Energie in Licht umwandeln. Die restlichen 80 % müssen als„Verlustwärme" abgeführt werden. Für eine entsprechende Kühlung ist also zu sorgen. Eine weitere Einschränkung aller LED's ist, dass das Licht von einer der beiden großen Flächen der Platte in alle Richtungen abstrahlt. Der leuchtende Chip selbst hat also einen Lichtaustrittswinkel von 180 Grad, was für die meisten Anwendungen zu groß ist.
Deshalb ist es auf aktuellem Stand der Technik üblich, die Lichtstrahlen des Chips auf einen Reflektor zu richten, der oft rotationssymmetrisch aufgebaut ist und im Querschnitt parabolisch geformt ist. Dieser Reflektor bündelt die Lichtstrahlen so, dass sie in etwa parallel verlaufen und wirft sie auf eine optische Linse, die die Lichtstrahlen in einem Brennpunkt fokussieren. Dadurch wird der Lichtaustrittswinkel von den 180 Grad des Chips auf werte bis herunter zu 10 Grad reduziert. Weil die Lichtstrahlen dabei zum größten Teil reflektiert werden, lassen sich mit diesen Hilfseinrichtungen sehr hohe Leuchtdichten erzielen.
Ein wesentlicher Nachteil ist jedoch, dass alle benötigten Baugruppen in ein transparentes oder wenigstens transluzentes Gehäuse eingebaut werden müssen, das im Vergleich zu den Abmessungen des Chips sehr voluminös ist. Wenn mehrere LED's auf einer Fläche aneinander gereiht werden müssen, sorgt dieses große Bauvolumen für eine ganz deutliche Reduzierung der erzielbaren Lichtdichte.
Ein weiterer, gravierender Nachteil ist, dass die Kosten für den Reflektor und die spezielle optische Linse im Vergleich zu den Kosten des Chips selber sehr hoch sind.
Deshalb sind auf aktuellem Stand der Technik zahlreiche Beispiele für eine Vereinfachung der Konstruktion und eine Reduzierung der Herstellkosten bekannt. Die Offenlegungsschrift DE 10 2007 004 807 beschreibt eine„lichtemittierende Einrichtung", bei der die Lichtstrah- len von der LED aus durch eine lichtdurchlässige Masse hindurch auf eine optische Linse treffen. Dabei ist der lichtaussendende Chip auf dem„Boden" eines gefäßartigen Gehäuses montiert, das mit einer transparenten oder zumindest transluzenten Vergussmasse befüllt ist. Diese Vergussmasse reicht bis an eine optische Linse heran, die mittels wenigstens dreier Beine auf der Fläche des Chipträgers ruht und die Lichtstrahlen fokussiert.
Ein wesentlicher Nachteil dieser Anordnung ist, dass jeweils eine separate Linse benötigt wird. Es muss also für jeden erwünschten Lichtausstrahlwinkel auch eine entsprechend angepasste Linse konstruiert, gefertigt und herbeigeschafft werden. Ein ebenfalls nicht zu unterschätzender Nachteil ist, dass bei der Montage mehrere Teile und die Vergussmasse beschafft, bereitgehalten und fachgerecht zusammengebracht werden muss.
Auf diesem Hintergrund hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, ein Lichtleitsystem mit einer LED zu entwickeln, bei dem die Anzahl der benötigten Teile weiter reduziert ist, die vorgefertigten Teile in weiten Grenzen für verschiedene Lichtaustrittswinkel geeignet sind, die Kosten gesenkt werden und trotzdem der Austrittswinkel einer wesentlichen Teilmenge der insgesamt aus der LED austretenden Lichtmenge schnell und problemlos auf den jeweils benötigten Wert angepasst werden kann und der restliche, kleinere Teil der Lichtmenge außerhalb dieses Austrittswinkels breit gestreut oder ebenfalls fokussiert wird.
Als Lösung lehrt die Erfindung, dass auf dem Chipträger ein Hohlkörper befestigt ist, dessen Innenfläche Licht reflektiert und der zwei Öffnungen aufweist, von denen die erste, die Befestigungsöffnung, den Chip umgibt und durch die zweite, die Lichtöffnung Licht mit ei- nem Ausstrahlungswinkel austritt, der kleiner als der Ausstrahlungswinkel der LED ist, und der Hohlkörper angenähert rotationssymmetrisch ist. Das wesentliche Merkmal der Erfindung ist also der Hohlkörper. Dieser Hohlkörper kann verschiedene Formen aufweisen, die sich in ihrem Herstellungsaufwand und in ihrer Wirkung deutlich unterscheiden.
In einem sehr einfachen Fall ist der Hohlkörper ein kurzer Abschnitt eines Rohres, der senkrecht zur Symmetrieachse abgeschnitten ist. Sinnvollerweise ist sein Durchmesser so groß, dass seine Befestigungsöffnung auf dem Chipträger aufliegt. Da der Chipträger in den meisten Fällen quadratisch ist, ergibt sich daraus, dass der Hohlkörper den Chip umgibt.
Die Symmetrieachse des Hohlkörpers kann einen beliebigen Winkel zum Chip einnehmen. Meist ist die Symmetrieachse des Hohlkörpers jedoch senkrecht zur Oberfläche des Chips ausgerichtet und verläuft durch den Chip hindurch. In beiden dieser einfachen Fälle wird der Lichtaustrittswinkel der LED reduziert und zwar dadurch, dass die Lichtstrahlen in den äußeren Bereichen des Lichtaustrittswinkels - die also nahezu parallel zur Oberfläche des Chips oder in einem spitzen Winkel dazu abstrahlen - auf ihrem direkten Weg von dem Hohlkörper blockiert werden. Nur noch die senkrecht zur Chipoberfläche oder in einem recht großen Winkel zur Chipoberfläche abgestrahlten Lichtstrahlen treten direkt aus der freien Öffnung des Hohlkörpers aus.
Die anderen Lichtstrahlen, die auf die Innenfläche des Hohlkörpers auftreffen, werden jedoch dann nicht verschluckt, wenn die Innenflä- che reflektierend ausgebildet ist. Nach dem Grundsatz, dass der Einfallswinkel der Lichtstrahlen gleich dem Ausfallswinkel ist, lässt sich der Strahlengang sehr einfach nachverfolgen. Eine geometrisch einfach zu beschreibende und kostengünstig herzustellende Form eines Hohlkörpers ist zum Beispiel ein hohler Kreiszylinder, auch verkürzt als Hohlzylinder bezeichnet. Wenn die Innenfläche eines solchen Hohlzylinders reflektierend ausgeführt ist, lässt sich am Strahlengang sehr deutlich zeigen, dass durch diese Reflektion der Kegel des direkt austretenden Lichtes vergrößert wird, da auch ein zweifach und öfter reflektierter Lichtstrahl immer noch wahrzunehmen ist.
Wenn die Innenfläche des Hohlzylinders verspiegelt ist, sind die Ver- luste bei der Reflektion so gering, dass auch noch die doppelt und sogar die noch öfter reflektierten Lichtstrahlen wirkungsvoll zu einer Vergrößerung des Lichtkegels beitragen. Wenn die Innenfläche jedoch nur eine polierte Metalloberfläche ist oder wenn sie einen noch geringeren Reflexionsfaktor aufweist, dann wird die Helligkeit des mehrfach reflektierten Lichtstrahles beim Austritt nur noch sehr gering sein.
Dadurch bildet sich in der Summe von direkt durchlaufenden und reflektierten Lichtstrahlen ein Lichtkegel aus, dessen Intensität zu seinem Rand hin deutlich abnimmt. Im Unterschied zu den aufwendigen Systemen mit Reflektoren und Linsen ist der Lichtkegel NICHT scharf abgegrenzt, sondern von einem„Ring" mit gedämpftem Licht umgeben. Derartige Lichtkegel sind z.B. für Beleuchtungsaufgaben oft gefordert. Ein ganz wesentlicher Vorteil dieser Anordnung ist ihr sehr einfacher Aufbau, da nur ein einziges Element erforderlich ist. Wenn es z.B. der erwähnte Abschnitt eines Rohres ist, dann sind die absoluten Kosten dafür sehr niedrig und sehr viel geringer, als bei anderen, bekannten Lichtleitsystemen für LED 's.
Der Innendurchmesser des Hohlkörpers muss sinnvoller Weise stets größer als die maximale Abmessung der Chipoberfläche sein, in den meisten Fällen also größer als die Diagonale des Chips. Die Länge des Hohlkörpers bestimmt den Lichtaustrittswinkel des direkt ausstrahlenden Lichtes: Je länger der Hohlkörper ist, desto kleiner ist dieser Lichtaustrittswinkel.
Für das reflektierte Licht ergibt sich eine Einschränkung aus der Anzahl der Reflektionen der Lichtstrahlen. Da für einen sehr kleinen Lichtaustrittswinkel eine relativ große Anzahl von Reflektionen erforderlich ist, folgt daraus die Notwendigkeit eines relativ hohen Reflek- tionsfaktors, also z.B. die Notwendigkeit, die Innenfläche des Hohlkörpers zu polieren oder zu verspiegeln.
Um die Intensität der gebündelten Lichtstrahlen weiter zu erhöhen, schlägt die Erfindung vor, dass die Innenfläche des Hohlkörpers nicht ein Kreiszylinder ist, sondern ein Kegelstumpf. Mit dieser Formgebung des Hohlkörpers wird der Lichtaustrittswinkel für sämtliche, aus der LED austretenden Lichtstrahlen reduziert, da die nicht durch die Lichtaustrittsöffnung des Hohlkörpers direkt hindurch tretenden Lichtstrahlen nach der Reflektion näher an der Symmetrieachse des Hohlkörpers verlaufen als bei einem hohlen Kreiszylinder.
Eine noch schärfere Bündelung der Lichtstrahlen wird erreicht, wenn die Innenfläche des Hohlkörpers ein Segment eines Paraboloids ist, in dessen Brennpunkt die LED angeordnet ist. Diese Anordnung unterscheidet sich von den zahlreichen, bekannten Paraboloiden in Scheinwerfern und in LED's dadurch, dass der Paraboloid zwei Öffnungen aufweist. Da eine LED - anders als z.B. ein glühender Draht - nicht rundum Licht abstrahlt, müssen nur die tatsächlich bestrahlten Flächen reflektierend ausgebildet sein.
Der Paraboloid kann so geformt sein, dass er den Lichtaustrittswinkel reduziert, aber die austretenden Lichtstrahlen nicht parallel zueinander verlaufen, sondern immer noch etwas„auseinander" laufen.
In einer weiter eingegrenzten Alternative hat der Paraboloid einen Brennpunkt. Wenn in diesem Brennpunkt die Oberfläche der LED angeordnet ist, dann laufen die austretenden Lichtstrahlen etwa pa- rallel. Je kleiner die Oberfläche des Chips im Verhältnis zur Innenfläche eines derart geformten Paraboloiden ist, desto geringer ist die Abweichung der reflektierten Lichtstrahlen von der exakten Parallelität. Alle zuvor beschriebenen Ausführungsformen des Hohlkörpers beeinflussen den durch die Lichtöffnung direkt hindurch tretenden Anteil des Lichtes jedoch nicht.
Um auch die Ausrichtung dieses Anteils der Lichtstrahlen zu beein- Aussen, schlägt die Erfindung eine kostengünstigere und insbesondere bei kleinen Lichtaustrittswinkeln sehr interessante Ausführungsvariante vor: Der Hohlkörper wird mit einer transparenten oder zumindest transluzenten Masse befüllt, die am offenen Ende des Hohlkörpers eine optisch wirkende Linse bildet. Für eine Bündelung der Lichtstrahlen - also für einen relativ kleinen Lichtaustrittswinkel - muss diese Linse eine Sammellinse sein, auch Kollimatorlinse oder Konvexlinse genannt. Die Bezeichnung„Konvexlinse" ist von ihrer äußeren Form abgeleitet, nämlich ihrer konvex gekrümmten Oberfläche.
Es ist eine wesentliche Idee der vorliegenden Erfindung, nicht eine separate Linse einzusetzen, wie es dem bekannten Stand der Technik entspricht, sondern die Verfüllmasse, die zur Befestigung des Hohlkörpers dient, gleichzeitig auch zur Bildung einer Linse zu nutzen.
Dafür nutzt die Erfindung die Oberflächenspannung, die eine jede Flüssigkeit an ihrer Grenzfläche zu benachbarten Gasen aufweist. Dieses Oberflächenspannung ist z. B. für jedermann ersichtlich, der ein Trinkgefäß mit Flüssigkeit befüllt: Die Oberflächenspannung dieser Flüssigkeit ermöglicht es, in das Trinkgefäß eine geringfügig größere Flüssigkeitsmenge einzufüllen, als durch das geometrische Volumen des Trinkgefäßes vorgegeben ist, da die darüber hinausgehende Flüssigkeitsmenge einen„Hügel" bildet. An den Rändern dieses Hügels bildet sich eine stark gekrümmte Oberfläche aus, die durch die Oberflächenspannung zusammengehalten wird.
Dabei ist die maximal erreichbare Höhe dieses„Flüssigkeitshügels" von den rheologischen Eigenschaften der Flüssigkeit abhängig. Das weithin bekannte Beispiel von Kaffee in einer Kaffeetasse ermöglicht maximal eine Überhöhung des Flüssigkeitsspiegels, die sehr viel kleiner als der Durchmesser einer typischen Kaffeetasse ist. Es leuchtet ohne weiteres ein, dass bei einer deutlichen Verkleinerung des Durchmessers vom Gefäß die maximal erzielbare Überhöhung des Flüssigkeitsspiegels nicht nur relativ zum sinkenden Durchmesser des Gefäßes anwächst, sondern auch die absolute Höhe an- steigt, da der seitliche Druck der über den Rand des Gefäßes hinaus stehenden Flüssigkeitsmenge sinkt.
Bei einer„überfüllten" Kaffeetasse ist die Oberfläche des Flüssig- keitsspiegels zum allergrößten Teil eben. Bei einer kontinuierlichen
Reduzierung des Durchmessers einer„überfüllten" Kaffeetasse wird ab einem bestimmten Durchmesser der Flüssigkeitsspiegel keine Ebene mehr aufweisen, sondern ausschließlich aus gekrümmten Flächen bestehen. Diese Form der Flüssigkeitsoberfläche entspricht in etwa der Form einer Linse.
Dafür verantwortlich sind die Molekularkräfte zwischen den Molekülen verschiedener, aneinandergrenzender Stoffe, und zwar mit dem allgemein als Kohäsionskräfte bezeichneten Anteil.
Alternativ ist es bei der Erfindung möglich, dass am Ende des nach oben offenen Hohlkörpers anstelle einer konvexen Linse durch eine nicht vollständige Befüllung des Hohlraumes eine konkave Linse geformt wird. Das ist jedoch nur dann möglich, wenn die eingefüllte Masse die Gefäßwandung benetzt.
Die Erklärung dafür ist, dass auch zwischen gleichartigen Molekülen molekulare Wechselwirkungen existieren. In diesem Fall wird von Adhäsionskräften gesprochen. Je nach der resultierenden Kraft aus Adhäsions- und Kohäsionskräften sind die Flüssigkeiten benetzend oder nicht benetzend. Bei benetzenden Flüssigkeiten ist die Adhäsion größer als die Kohäsion, wie z.B. bei Wasser auf Glas. Bei nicht benetzenden Flüssigkeiten ist die Adhäsion kleiner als die Kohäsion, wie z.B. bei Quecksilber auf Glas. Für eine Wirkung als optische Linse ist es natürlich auch erforderlich, dass die Masse, mit der der Hohlkörper ausgefüllt ist, einen Brechungsindex besser als 1 aufweist. Die Erfindung bevorzugt Materialien mit einem Brechungsindex von wenigstens 1 ,1 bis herauf zu 2,5.
Die zumindest transluzente, besser noch transparente Masse im Hohlkörper sollte neben einem hohen Brechungsindex möglichst noch andere Eigenschaften aufweisen. Vorteilhaft ist eine hohe Wärmekapazität. Da der Licht emittierende, halbleitende Chip leider nur maximal etwa 20 % der aufgenommenen Energie als Licht wieder abgibt und die restlichen 80 % in Wärme umgewandelt werden, muss diese Wärme als Verlustwärme abgeführt werden. Dazu dient zum einen der Chipträger, zum anderen ist aber auch die Masse, die den Chip nach oben hin bedeckt, für die Abtransport der Wärme sehr wichtig, da sie mehr als die Hälfte der Oberfläche des Chips bedeckt.
Wenn die LED im intermittierenden Betrieb genutzt wird, also stromfreie Pausen vorhersehbar sind, dann kann ein Teil der Verlustwärme in der Masse selbst„zwischengelagert" werden. Dadurch ist es bei einer intermittierenden Betriebsweise möglich, eine hellere LED einzusetzen, als es von dem zur Verfügung stehenden Volumen des Wärmeabtransportes her eigentlich möglich wäre.
Aus dieser Betrachtung folgt auch, dass eine hohe Wärmeleitfähigkeit ebenso wünschenswert ist, um auch im Dauerbetrieb möglichst helle, lichtstarke LED s einsetzen zu können.
Da die Masse einen direkten Kontakt zu den elektrischen Zuleitungen haben kann, ist ein hoher elektrischer Widerstand vorteilhaft. Weitere, vorteilhafte Eigenschaften sind eine hohe Beständigkeit ge- gen UV-Strahlen, gegen hohe Temperaturen und generell eine möglichst hohe Alterungsbeständigkeit.
Als eine Ausführungsvariante ist die Masse eingefärbt. Alternativ dazu kann auch die Innenfläche des Hohlkörpers mit einer transluzen- ten, eingefärbten Schicht bedeckt werden. Durch eine eingefärbte transluzente Masse oder eine eingefärbt transluzente Schicht auf der Innenfläche des Hohlkörpers wird aus einem polychromen Licht einer LED nur ein bestimmter Wellenbereich herausgefiltert. Das ist z.B. dann interessant, wenn standardmäßig weiß leuchtende LED 's eingesetzt werden sollen, und nur durch die Mischung der Masse eine bestimmte Farbe des Lichtes herausgefiltert werden soll.
Es ist denkbar, dass die Masse im Hohlkörper ein Festkörper ist, der gemäß den hier aufgezählten Erfordernissen geformt ist.
Alternativ dazu kann sich im Hohlkörper auch ein transluzenter oder transparenter Körper befinden, der zu der Innenfläche beabstandet ist oder sie nur auf einer Linie oder nur in einigen Punkten berührt. So kann z.B. in den Hohlkörper eine optische Linse eingelegt werden. Dieser Körper kann ganz oder teilweise mit einer transluzenten Masse vergossen werden.
Wenn der Querschnitt des Hohlkörpers von dem eingelegten Festkörper nahezu oder vollständig ausgefüllt wird, dann können in den Festkörper auch Kanäle als Zufluss für eine Vergussmasse eingearbeitet oder eingeformt werden.
Die Aufwendungen für die Herstellung eines solchen Festkörpers sind jedoch nennenswert. Deshalb bevorzugt es die Erfindung, dass die Masse in flüssigem Zustand in den Hohlkörper eingießbar ist und darin aushärtet. Dadurch wird als wesentlicher Vorteil erreicht, dass die Masse zur Verbindung des Hohlkörpers mit dem Chipträger dient. Sie wirkt also nicht nur als Lichtleiter, sondern zugleich als Befestigungsmittel.
Ein weiterer Vorteil ist, dass die Masse mit verhältnismäßig geringem Aufwand beschafft, gelagert und verarbeitet werden kann. Die dafür anfallenden Gesamtkosten sind um Größenordnungen niedriger als bei dem Konstruieren, Herstellen und Einpassen eines Festkörpers.
Als Masse sind insbesondere vernetzbare Kunststoffe geeignet. Vorzugsweise ist ihre Basis z.B. ein Silikon, ein Epoxydharz, ein Polyurethan oder ein MS-Polymer. Jedoch sind auch alle anderen Kunststoffe oder anderen Werkstoffe mit einsetzbar, die zumindest trans- luzent sind und die in flüssigem Zustand eine derart hohe Oberflächenspannung aufweisen, dass die Bildung zumindest einer konvexen Linse möglich ist.
In einer sehr einfachen Ausführung eines erfindungsgemäßen Lichtleitsystems ist auf dem Chipträger ein Hohlzylinder befestigt, der nicht mit einer Masse befüllt ist. Unabhängig davon, ob der Hohlraum also leer oder mit einer besonderen Masse befüllt ist, ist es von Vorteil, wenn die Innenfläche des Hohlzylinders zumindest poliert oder - als weitere Verbesserung - verspiegelt st. Mit einer Zunahme des Reflexionsfaktors steigt auch die Lichtausbeute eines derartigen Lichtleitsystems.
Der Hohlzylinder wird in den meisten Fällen ein Kreiszylinder sein, also einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Der Querschnitt kann jedoch auch polygon sein oder aus unregelmäßig geformten Abschnitten bestehen, die periodisch wiederkehren, so dass die Form angenähert rotationssymmetrisch ist.
Ebenso wird die Außenfläche des Hohlzylinders voraussichtlich in den meisten Anwendungsfällen ebenfalls zylindrisch sein, so dass der Hohlzylinder ein Abschnitt eines dünnwandigen Rohres ist.
Für die Außenfläche sind jedoch keine prinzipiellen Einschränkungen der Formgebung erforderlich. Deshalb ist es z.B. denkbar, dass die Außenfläche der Hohlkörper als Quadrat oder als regelmäßiges Sechseck oder als regelmäßiges Achteck gestaltet ist, um nebeneinander angeordnete Lichtleitsysteme an den Seitenwänden miteinander flächig zu verbinden, z.B. durch Verklebung.
Für jede Form eines Hohlkörpers schlägt die Erfindung als eine weitere, interessante Ausführungsform vor, dass der Hohlkörper an seiner Lichtöffnung eine„scharfe" Kante mit einem sehr kleinen Krümmungsradius aufweist. Dadurch wird sichergestellt, dass auch bei einer relativ kleinen Oberflächenspannung einer Flüssigkeit, mit der der Hohlkörper befüllt wird, trotzdem noch die Ausbildung einer konvexen Linse möglich ist, die durch eine„Überfüllung" des Innenraumes vom Hohlkörper entsteht.
Eine vorteilhafte Variante für die Gestaltung des oberen Randes des Hohlkörpers ist ein„schräger" Anschliff, der bei einem kreisförmigen Hohlkörper - also einem Hohlzylinder - nach innen hin die Form eines Hohlkegels erzeugt. Alternativ kann der Hohlzylinder auch nach oben hin in einen Hohlkegel übergehen. Die Fläche dieses Hohlzylinders reflektiert auftreffende Lichtstrahlen so, dass ihre Richtung näher an die Mittelachse heran rückt. Damit trägt der hohlkegelförmige Bereich zu einer weiteren Bündelung der Lichtstrahlen bei. Weitere Varianten zur Formung des Hohlkörpers beziehen sich auf die Befestigung und die Zentrierung des Hohlkörpers auf dem Chip- träger. Im einfachsten Fall ist der Chipträger plattenförmig und weist eine Ebene auf, auf der der Hohlkörper aufgestellt wird. Das ist dann am einfachsten, wenn die zur Aufstellung genutzte Schnittkante des Hohlkörpers ebenfalls in einer Ebene verläuft.
Die Erfindung bevorzugt, dass diese„Schnittebene" des Hohlkörpers senkrecht zur Symmetrieachse des Hohlkörpers verläuft. Dadurch ist auch der Lichtaustrittskegel symmetrisch.
Es sind jedoch auch Anwendungsfälle denkbar, in denen der Hohlkörper geneigt auf der Chipfläche angeordnet wird. Dadurch kann die Mittelachse des Lichtaustrittskegels auch unabhängig von der Ebene des Chipträgers ausgerichtet werden.
Als Alternative zu einem„geraden" Ende des Hohlkörpers kann in den Chipträger ein Absatz oder ein anderer erhabener Abschnitt oder eine andere erhabene Ausformung eingebracht werden, die den Hohlkörper auf dem Chipträger zentriert. Alternativ oder zusätzlich kann der Hohlkörper an seinem zum Chipträger hin weisenden Ende Ausformungen aufweisen, die in dazu etwa komplementäre Öffnungen im Chipträger eingreifen oder die über wenigstens zwei gegenüberliegende Kanten des Chipträgers hinweg greifen.
Mit diesen zusätzlichen Absätzen, Rastnasen, Stiften oder ähnlichen Formelementen werden die Befestigung und die Zentrierung des Hohlkörpers auf dem Chipträger vereinfacht.
Es hängt vom Anwendungsfall mit seinen Anforderungen und seinem Stückzahlhorizont ab, ob der dafür erforderliche Mehraufwand wirtschaftlich sinnvoll ist, oder ob eine Vorrichtung effizienter ist, welche den Hohlkörper auf einem ebenen Chip vor dem Vergießen positioniert und festhält.
Eine andere, alternative Ausführungsform, die auf die optischen Ei- genschaften des erfindungsgemäßen Lichtleitsystems wirken kann, ist der Überzug mit einer Lackschicht. Diese Lackschicht kann auf die LED mit einer nach unten weisenden, konvexen Linse so aufgebracht werden, dass sich auf der Linse eine zum Mittelpunkt hin verdickende Schicht bildet. Dadurch entsteht eine zusätzliche Linse, die die Lichtstrahlen weiter fokussiert. Es ist selbstverständlich, dass dazu der Lack auch zumindest transluzent, besser aber noch transparent sein muss.
Bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Lichtleitsystems wird im ersten Schritt der Hohlkörper so auf dem Chipträger positioniert, dass er den Chip umgibt. Im zweiten Schritt wird der nach oben weisende Hohlkörper mit einer transparenten oder transluzenten Masse in flüssigem Zustand ausgefüllt. Im dritten Schritt härtet diese Masse aus.
Dabei ist es ein wesentliches Merkmal der Erfindung, dass durch die Dosierung der eingefüllten Menge an flüssiger Masse die optischen Eigenschaften der erstarrten Masse im Bereich des offenen Endes des Hohlkörpers bestimmt werden. Wenn die flüssig eingefüllte Men- ge der Masse größer ist als das Volumen des Hohlkörpers und wenn die Geschwindigkeit beim Einfüllen maximal nur so hoch ist, dass die über den Hohlkörper hinaustretende Restmenge der flüssigen Masse noch durch ihre Oberflächenspannung zusammengehalten wird, wird ein konvexer Meniskus gebildet, der als Linse wirkt. Die rheologi- sehen Eigenschaften der eingefüllten Flüssigkeiten müssen die Bil- dung der über den Rand des Hohlkörpers hinaus stehenden Linse ermöglichen.
In erster Annäherung sollte die Flüssigkeit so beschaffen sein, dass der Radius des maximal über den Rand des Hohlkörpers hinaus aufbaubaren Flüssigkeitshügels etwa dem Radius des Hohlkörpers entspricht. Dann ist es möglich, den Brennpunkt der dabei entstehenden Linse durch die Füllmenge verändern zu können. Das setzt natürlich eine entsprechend hohe Genauigkeit beim Einfüllen und Dosieren voraus.
Wenn kein konvexer Meniskus, also keine fokussierende Linse gewünscht ist, sondern eine lichtzerstreuende Wirkung erreicht werden soll, so kann durch das Einfüllen einer Menge an flüssiger Masse, die kleiner als das Volumen des Hohlkörpers ist und die die Innenfläche des Hohlkörpers benetzt, auch ein konvexer Meniskus gebildet werden. Auch hier bestimmt die Dosis der eingefüllten Masse die
Brennweite.
Als eine Ausführungsvariante schlägt die Erfindung vor, verschiedene flüssige Massen schichtweise in den Hohlkörper einzufüllen, wobei jede Schicht einen anderen Brechungsindex hat. Dabei kann durch die jeweilige Füllmenge für jede Schicht auch der obere Krümmungsradius dieser Schicht variiert werden und damit die Brennweite der auf diese Weise entstandenen optischen Linse be- einflusst werden. Abhängig davon, ob die flüssige Masse die Innenfläche des Hohlzylinders benetzt oder von ihr abgestoßen wird, entsteht eine konvexe oder konkave Oberfläche der Linse. Dadurch kann gewählt werden, ob die Linse fokussierend oder zerstreuend wirkt. Nach diesem Prinzip lässt sich mit relativ geringen Kosten und in kurzer Arbeitszeit ein Mehrlinsensystem aufbauen. Nach dem erfindungsgemäßen Prinzip aufgebaute LED 's zeichnen sich durch Robustheit, relativ hohe Lichtdichte und vor allem durch einen relativ sehr geringen Gesamtpreis aus. Die Silikonschicht schützt die empfindlichen Halbleiterchips vor aggressiven Umwelteinflüssen. Deshalb ist es ein interessantes Anwendungsbeispiel, sie in der Dentaltechnik einzusetzen. Hier sei vor allem die Anwendung in Bohr- und Fräswerkzeugen erwähnt, z.B. der Einbau im Winkelstück eines zahnärztlichen Bohrers, so dass die eingebaute, erfindungsgemäße LED während der Arbeit des Zahnarztes den zu bearbeitenden Zahn gut ausleuchtet.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von zwei Beispielen näher erläutert werden. Diese sollen die Erfindung jedoch nicht einschränken, sondern nur erläutern. Es zeigen in schematischer Darstellung:
Figur 1 Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Lichtleitsystem nur mit einem Hohlzylinder als Hohlkörper
Figur 2 Schnitt wie Figur 1 , jedoch mit einer transparenten, eine
Linse bildende Masse
In Figur 1 ist ein erfindungsgemäßes Lichtleitsystem im Schnitt gezeichnet. In diesem Ausführungsbeispiel soll der Hohlkörper 3 ein Hohlzylinder 3 mit kreisförmigem Querschnitt sein. Da er längs zu seiner Symmetrieachse 32 geschnitten ist, sind im Schnitt nur die beiden streifenförmigen Schnitte durch die Wandung des Hohlzylinders 3 zu sehen. Der Übersichtlichkeit halber wird in der Bildbeschreibung auch der Hohlzylinder 3 mit dem Bezugszeichen 3 versehen. Die obere Kante des Hohlzylinders 3 bildet die Lichtöffnung 34, durch die die Lichtstrahlen direkt hindurch treten. Diese Kante ist in diesem Ausführungsbeispiel„angeschrägt", um die dort reflektierten Lichtstrahlen weiter zu bündeln, was im Folgenden nochmals erläutert wird.
Die untere Kante des Hohlzylinders 3 bildet dessen Befestigungsöffnung 33, mit der er auf dem Chipträger 2 aufliegt. Der plattenförmige Chipträger 2 ist in Figur 1 im Schnitt zu sehen, die beiden großen Flächen des Chipträgers 2 verlaufen senkrecht zur Zeichenebene.
Auf der oberen Seite des Chipträgers 2 ist der Chip 1 angeordnet, der an seiner Oberseite Licht emittiert und mit seiner Unterseite auf dem Chipträger 2 befestigt und mit einem Pol elektrisch kontaktiert ist.
An der Unterseite des Chipträgers 2 sind die beiden elektrischen Kontakte 21 des Chipträgers 2 angeordnet, von denen einer über den in Figur 1 sichtbaren Anschlussdraht mit der Oberseite des lichtemittierenden Chips 1 verbunden ist. Der andere Kontakt 21 ist mit der Unterseite des Chips 1 verbunden.
Wenn eine Gleichspannung zwischen an die beiden Kontakte 21 angelegt wird, wird sie über den Chipträger und den Anschlussdraht auf die Unterseite und die Oberseite des Chips übertragen, der daraufhin Lichtstrahlen emittiert. Von diesen Lichtstrahlen sind in Figur 1 der
Übersichtlichkeit halber nur die von der rechten Hälfte des Chips 1 ausgesandten Strahlen mit Strich-Punkt-Strich-Linien gezeichnet.
In Figur 1 sind die direkt ausgehenden Lichtstrahlen durch dicke Li- nien gekennzeichnet. Sofort zu erkennen ist, wie der Hohlzylinder 3 für eine Reduzierung des Austrittwinkels der Lichtstrahlen sorgt, in- dem er die mit dünner Linie gekennzeichneten Lichtstrahlen nicht durch lässt.
Figur 1 zeigt aber auch, wie die Lichtstrahlen, die nicht direkt durch- gelassen werden - und deshalb dünn gekennzeichnet sind - an den
Innenflächen des Hohlzylinders 3 reflektiert werden. Besonders interessant ist der obere Bereich der Innenfläche 31 , der kegelförmig ausgearbeitet ist. Auf diesen Bereich treffen einige Lichtstrahlen, die dort zum ersten Mal reflektiert werden. In Figur 1 ist gut nachvoll- ziehbar, wie diese Lichtstrahlen gegenüber ihrer ursprünglichen
Richtung deutlich zur Mitte hin abgelenkt werden. Sie tragen damit zu einer vermehrten Konzentration des abgestrahlten Lichtes in der Mitte bei.
Auf den kegelstumpfförmig abgeschrägten Bereich des Hohlzylinders 3 treffen aber auch Lichtstrahlen auf, die bereits einmal reflektiert worden sind. Sie werden hier ein zweites Mal reflektiert. In Figur 1 ist sehr gut zu erkennen, dass ihre Ausrichtung durch diese zweite Re- flektion deutlich näher an die Symmetrieachse 32 des Hohlzylinders 3 heran geschoben ist. Auf diese Weise werden also auch weitere Teilmengen der vom Chip 1 ausgestrahlten Lichtmenge aufgabengemäß von ihrer ursprünglichen Abstrahlrichtung weg und mehr in die Mitte hin gelenkt. Der Randbereich ist nicht vollkommen abgedunkelt, aber ein großer Teil der gesamten Lichtmenge ist zur Mitte hin abgelenkt.
In Figur 2 ist der Hohlzylinder 3 ebenfalls entlang seiner Symmetrieachse 32 geschnitten dargestellt, so dass die Seitenwand des Hohlzylinders 3 einmal an der rechten und zum zweiten Mal an der linken Seite zu sehen ist. Der Raum zwischen den Wänden des Hohlzylinders 3 ist mit der transparenten Masse 4 gefüllt. Damit der Strahlen- gang im Lichtleitsystem gezeigt werden kann, ist in Figur 1 die Masse 4 nur an ihrem Rand durch eine Schraffur gekennzeichnet.
Im oberen Teil der Figur 2 ist auf den ersten Blick zu erkennen, dass der Hohlraum im Hohlzylinder 3 durch eine deutlich größere Menge der Masse 4 befüllt ist, als es von einer auf den Kanten aufliegenden Ebene geometrisch vorgegeben ist. Die über diesen Rand hinaustretende Masse 4 wird durch ihre Oberflächenspannung zusammengehalten und bildet einen konvex verlaufenden Meniskus, der als Linse 41 wirkt.
In Figur 2 werden die Lichtstrahlen durch Strich-Punkt-Strich-Linien dargestellt. Sehr gut nachzuvollziehen ist, dass sie an dem Übergang von der Masse 4, dem optisch dichteren Medium, in das optisch weniger dichte Medium, die umgebende Luft, gebrochen werden. Gegenüber einer zur durchkreuzten Oberfläche senkrechten Linie ist im optisch dichteren Medium der Winkel stets kleiner als im optisch weniger dichten Medium. Dadurch ergibt sich, dass alle Lichtstrahlen, die vom Chip 1 direkt auf die Linse 41 abgestrahlt werden, in Richtung auf die Symmetrieachse 32 abgewinkelt werden.
In Figur 2 ist deutlich zu sehen, wie mit zunehmendem radialen Abstand von der Symmetrieachse 32 die an der Oberfläche der Linse 41 verlaufenden Lichtstrahlen immer stärker abgewinkelt werden, so dass sich insgesamt eine deutliche Bündelung der Lichtstrahlen ergibt.
Figur 2 zeigt auch, dass die Lichtstrahlen, die nicht direkt auf die Linse 41 auftreffen, nicht ungenutzt bleiben. Vielmehr werden sie an der Innenfläche 31 des Hohlzylinders 3 reflektiert und treten so ebenfalls durch die Linse 41 hindurch aus. Die Lichtstrahlen, die in der Lichtöffnung 34 an der abgeschrägten Kante des Hohlzylinders 3 reflektiert werden, strahlen zur Linse hin ab und werden dort gebrochen. Insgesamt werden sie durch Reflek- tion und durch Brechung in ihrer Richtung im Vergleich zur ursprünglichen Ausrichtung näher an die Mittelachse heran gerückt und tragen so dazu bei, die ausgestrahlte Lichtmenge mehr in der Mitte zu konzentrieren.
Ein geringer Teil der Lichtstrahlen wird an der Innenfläche 31 des Hohlzylinders reflektiert und an der Oberfläche des Meniskus abgewinkelt. Gemäß einer Variante der Aufgabenstellung wird dieser Teil der Lichtmenge von der Symmetrieachse 32 hinweg gelenkt, so dass er sich„breit verteilt."
Damit werden die nicht direkt in die Linse 41 eintretenden Lichtstrahlen dafür eingesetzt, dass auch in die Umgebung des mit dem Kernbereich der Lichtstrahlen hell ausgeleuchteten Kegels noch Umgebungslicht fällt, so dass der Übergang zwischen dem Lichtkegel und der Umgebung nicht abrupt sondern fließend ist.
In Figur 2 ist nachvollziehbar, dass durch die mehrfache Reflektion an jeder Reflektionsstelle ein Teil des Lichtes verloren geht, so dass die ganz in die Breite gehenden Lichtstrahlen abgeschwächt sind, wodurch der aufgabengemäße Gegensatz zwischen einem hellen Bereich in der Symmetrieachse gegenüber einem schwach ausgeleuchteten Bereich am Rand des hellen Lichtkegels verstärkt wird.
Aus Figur 2 ist als eine weitere, interessante Variante ableitbar, dass die Innenfläche 31 des Hohlkörpers 3 als ein Paraboloid gestaltet ist, dessen Befestigungsöffnung 33 recht nahe an den Chip 1 heran- reicht und auf dessen Lichtöffnung 34 eine Linse 41 aufgesetzt ist, die aus der transparenten oder transluzenten Masse 4 besteht.
Wenn dieser Paraboloid so geformt ist, dass er die auf seine Innenfläche 31 auftretenden Lichtstrahlen so weit bündelt, dass sie alle durch die Lichtöffnung 34 austreten, aber nicht parallel zueinander verlaufen, so können sie durch die von der Oberfläche der Masse 4 gebildete Linse 41 weiter gebündelt werden, so dass sie mehrheitlich parallel verlaufen oder sogar in einem Brennpunkt oder zumindest in einer Brennlinie zusammen laufen
Bezugszeichenliste
1 Chip, emittiert Licht
2 Chipträger, trägt den Chip (1)
21 Kontakte des Chipträgers 2
3 Hohlkörper, mit Befestigungsöffnung (33) auf Chipträger (2) befestigt
31 Innenfläche des Hohlkörpers (3)
32 Symmetrieachse des Hohlkörpers (3)
33 Befestigungsöffnung des Hohlkörpers (3)
34 Lichtöffnung des Hohlkörpers (3)
4 Masse, transparent, füllt Hohlkörper (3) aus
41 Linse an der Lichtöffnung (34) des Hohlkörpers (3)

Claims

Ansprüche
Lichtleitsystem mit einer LED (Licht emittierende Diode), bestehend aus einem halbleitenden Chip (1),
- der bei Kontakt mit einer Gleichspannung Licht emittiert und
- der mechanisch und elektrisch mit einem plattenförmigen Chipträger (2) verbunden ist, der zwei elektrische Kontakte (21) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
auf dem Chipträger(2) ein Hohlkörper (3) befestigt ist,
- dessen Innenfläche (31) Licht reflektiert und
- der zwei Öffnungen (33, 34) aufweist,
- von denen die erste, die Befestigungsöffnung (33), den Chip (1) umgibt und
- durch die zweite, die Lichtöffnung Licht (34) mit einem Ausstrahlungswinkel austritt, der kleiner als der Ausstrahlungswinkel der LED ist, und
- der Hohlkörper (3) angenähert rotationssymmetrisch ist.
Lichtleitsystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Symmetrieachse (32) des Hohlkörpers (3) etwa senkrecht zur Oberfläche des Chipträgers (2) ausgerichtet ist.
Lichtleitsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (3) mit einer transparenten oder zumindest transluzenten Masse (4) befüllt ist,
- durch die er mit dem Chipträger
(2) mechanisch verbunden ist und
- die am offenen Ende des Hohlkörpers
(3) eine optisch wirkende Linse (41) bildet, die konkav oder konvex geformt ist.
4. Lichtleitsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Masse (4) einen Brechungsindex von wenigstens 1 ,1 bis hin zu 2,5 aufweist
Lichtleitsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Masse (4)
- eine hohe Wärmekapazität und/oder
- eine hohe Wärmeleitfähigkeit und/oder
- einen hohen elektrischen Widerstand und/oder
- eine hohe Beständigkeit gegen UV-Strahlen, hohe Temperaturen und Alterung
aufweist und/oder
- eingefärbt transluzent ist.
Lichtleitsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Masse
in flüssigem Zustand in den Hohlkörper (3) eingießbar ist und darin aushärtbar ist.
Lichtleitsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Masse eine vernetzbare Flüssigkeit ist, vorzugsweise auf der Basis
- eines Silikonkautschuks oder
- eines Epoxydharzes oder
- eines Polyurethans oder
- eines MS-Polymers.
8. Lichtleitsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenfläche (31) des Hohlkörpers (3) poliert und/oder verspiegelt ist.
9. Lichtleitsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (3) ein Hohlzylinder wie z. B. ein Abschnitt eines dünnwandigen Rohres ist.
10. Lichtleitsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr an seiner Lichtöffnung (34) eine„scharfe" Kante mit einem sehr kleinen Krümmungsradius aufweist.
11. Lichtleitsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenfläche (31)
- ein Kegelstumpf ist oder
- das Segment eines Paraboloiden ist, der einen Brennpunkt auf der Oberfläche des Chips (1) aufweisen kann.
12. Lichtleitsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Chipträger (2) einen Absatz oder andere erhabene Abschnitte oder erhabene Ausformungen aufweist, die zur Zentrierung der Befestigungsöffnung (33) des Hohlkörpers (3) auf dem Chipträger (2) dienen.
13. Lichtleitsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (3) an der Befestigungsöffnung (33) Ausformungen aufweist,
- die in dazu etwa komplementäre Öffnungen im Chipträger (2) eingreifen
oder
- die über wenigstens zwei gegenüberliegende Kanten des Chipträgers (2) hinweg greifen.
14. Lichtleitsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es mit einer Lackschicht überzogen ist, die auf einer konvexen Linse (41) eine zweite, ebenfalls optisch wirkende Linse bildet.
15. Lichtleitsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3- 14, dadurch gekennzeichnet, dass die transparente Masse (4) aus mehreren Schichten mit jeweils unterschiedlichem Brechungsindex und/oder einer Einfärbung besteht.
16. Lichtleitsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Hohlkörper (3) ein transluzen- ter oder transparenter Körper befindet.
17. Lichtleitsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenfläche (31) des Hohlkörpers (3) mit einer transluzenten, eingefärbten Schicht bedeckt ist.
18. Verfahren zur Herstellung eines Lichtleitsystems nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- im ersten Schritt der Hohlkörper (3) mit seiner Befestigungsöffnung (33) auf dem Chipträger (2) so positioniert wird, dass er den Chip (1 ) umgibt und
- im zweiten Schritt in den nach oben weisenden Hohlkörper (3) die Masse (4) in flüssigem Zustand eingefüllt wird und
- im dritten Schritt die Masse (4) aushärtet.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung einer konvexen Linse (41)
- die eingefüllte Menge der Masse (4) größer als das Volumen des Hohlkörpers (3) ist, und
- die Geschwindigkeit des Einfüllens maximal nur so hoch ist, dass die über den Hohlkörper (3) hinaustretende Restmenge der Masse (4) noch durch ihre Kohäsionskraft zusammen gehalten wird und einen konvexen Meniskus bildet.
20. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung einer konkaven Linse (41)
- die eingefüllte Menge der Masse (4) kleiner als das Volumen des Hohlkörpers (3) ist, und
- die Masse (4) die Innenfläche (31) des Hohlkörpers (3) benetzt und dadurch einen konvexen Meniskus bildet.
21. Verfahren nach den Ansprüchen 19 und 20, dadurch gekennzeich- net, dass
die Brennweite der Linse (41) durch die Dosierung der eingefüllten Menge der Masse (4) bestimmt wird.
22. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 18 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtleitsystem mit nach unten weisender Linse (41) definiert in einen transparenten oder zumindest transluzenten Lack eingetaucht wird und wieder herausgehoben wird, so dass sich auf der Linse (41) eine Schicht bildet, die in der
Mitte der Linse (41) stärker ist als am Rande.
23. Anwendung eines Lichtleitsystems nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es in einem Gerät der
Dentaltechnik wie z.B. dem Winkelstück eines Bohrers eingebaut ist.
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