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DE102006047233A1 - Optisches Element für eine Leuchtdiode, Leuchtdiode, LED-Anordnung und Verfahren zur Herstellung einer LED-Anordnung - Google Patents

Optisches Element für eine Leuchtdiode, Leuchtdiode, LED-Anordnung und Verfahren zur Herstellung einer LED-Anordnung Download PDF

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Abstract

Optisches Element, insbesondere Linse, mit einer Strahlungsaustrittsfläche für eine Leuchtdiode, wobei das optische Element bevorzugt geeignet ist, eine eine Rotationssymmetrie durchbrechende Abstrahlcharakteristik zu erzeugen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein optisches Element für eine Leuchtdiode, eine Leuchtdiode mit einem optischen Element, eine LED-Anordnung mit einer Mehrzahl von Leuchtdioden und ein Verfahren zur Herstellung einer LED-Anordnung.
  • Für das Erzielen unterschiedlicher Lichtverteilungen werden derzeit LEDs mit auf die spezielle Situation angepassten Optiken verwendet. Somit wird für jede neue Beleuchtungsanwendung eine eigene Optik benötigt.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches Element für eine Leuchtdiode anzugeben, mit dem vereinfacht ein LED-Anordnung mit einer Mehrzahl von Leuchtdioden und einer vorgegebenen Abstrahlcharakteristik der LED-Anordnung gebildet werden kann. Weiterhin soll eine Leuchtdiode mit einem derartigen optischen Element und eine LED-Anordnung mit einer Mehrzahl von Leuchtdioden angegeben werden. Zudem soll ein Verfahren angegeben werden, das die Herstellung einer LED-Anordnung mit einer vorgegebenen Abstrahlcharakteristik vereinfacht.
  • Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
  • Im Rahmen der Erfindung wird nur eine Optik mit nicht radialsymmetrischer Abstrahlcharakteristik benötigt. Durch Rotieren einzelner oder mehrerer LEDs einschließlich der Optik um Winkel zwischen 0° und 90°, vorzugsweise von größer 0° und kleiner 90°, auf dem Träger ist es möglich, unterschiedliche Lichtverteilungen einer LED-Anordnung zu realisieren. Die resultierende Lichtverteilung ergibt sich hierbei aus Kombination der Lichtverteilung der einzelnen LEDs. Dabei kann der Drehwinkel zwischen den einzelnen LEDs inkl. Optik gleich oder unterschiedlich sein.
  • Auch die Ausgestaltung des Trägers kann zur Beeinflussung der Lichtverteilung variiert werden. Beispielsweise kann ein Spiegelelemente oder eine Mehrzahl von Spiegelelementen am Träger befestigt oder im Träger ausgebildet sein. Weiterhin kann der Träger flexibel ausgebildet sein, so dass durch eine entsprechende Biegung des Trägers die Abstrahlcharakteristik der LED-Anordnung variiert werden kann.
  • Durch geeignete Drehung der mit optischem Element (Linse, Reflektor, Kombination aus Linse und Reflektor...) versehenen LEDs und insbesondere einer entsprechend verdrehten Montage auf dem Träger können unterschiedliche Beleuchtungsaufgaben gelöst werden, ohne für jede Situation die Optik neu anpassen zu müssen. Insbesondere können mit LEDs, die mit gleichartigen optischen Elementen ausgestattet sind, durch verdrehte Anordnung zueinander verschiedenste Abstrahlcharakteristiken der LED-Anordnung ausgebildet werden. Der entscheidende Vorteil liegt also darin, dass für neue Lichtverteilungen nur die Rotation der LEDs angepasst werden muss und keine neue Optik designed und gefertigt werden muss.
  • Eine vorgegebene Abstrahlcharakteristik könnte zwar auch durch spezielle Entwicklung eines optischen Elements für die jeweilige Beleuchtungssituation (z.B. Linse, Reflektor) erzielt werden, eine Variation der Abstrahlcharakteristik kann jedoch auch auf einfache Weise über die Anordnung der LEDs relativ zueinander auf dem Träger erreicht werden.
  • Bevorzugt sind die optischen Elemente der Einzel-LEDs für eine rotationssymmetriefreie Abstrahlcharakteristik in Aufsicht auf ihre Strahlungsaustrittsseite länglich ausgebildet.
  • Weitere Merkmale, vorteilhafte Ausgestaltungen und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren.
  • 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer LED-Anordnung anhand einer schematischen Schrägaufsicht in 1A und einer schematischen Aufsicht in 1B.
  • Die 2, 3 und 4 zeigen jeweils ein weiteres Ausführungsbeispiel einer LED-Anordnung anhand einer schematischen Aufsicht.
  • Gleiche, gleichartige und gleich, wirkende Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Die in den 1 bis 4 schematisch dargestellten LED-Anordnungen 1 umfassen jeweils einen Träger 2.
  • Auf dem Träger 2 sind eine Mehrzahl von Leuchtdioden 3, bevorzugt drei Leuchtdioden oder mehr, besonders bevorzugt sechs Leuchtdioden oder mehr (dargestellt sind z.B. neun Leuchtdioden) befestigt. Der Träger 2 ist vorzugsweise als Anschlussträger, z.B. als Leiterplatte, vorzugsweise als gedruckte Leiterplatte, ausgeführt. Die Leuchtdioden 3 sind zweckmäßigerweise als oberflächenmontierbare Bauteile ausgebildet und auf dem Anschlussträger elektrisch leitend mit Anschlussleitern verbunden, z.B. durch Kleben oder Löten.
  • Bevorzugt umfasst die LED-Anordnung Leuchtdioden für die Erzeugung mischfarbigen Lichts, z.B. in drei Grundfarben wie Rot, Grün und Blau.
  • Die Leuchtdioden 3 umfassen jeweils ein gleichartiges optisches Element 4 und ein LED-Bauelement 5. Das optische Element 4 ist als separat vorgefertigtes optisches Element, insbesondere als Linse, ausgeführt, das an dem LED-Bauelement 5 befestigt ist. Gegebenenfalls kann das optische Element auch als Reflektor, der in dem LED-Bauelement integriert ist, oder als Kombination aus einem derartigen Reflektor mit einer Linse ausgeführt sein (nicht dargestellt). Das jeweilige optische Element 4 weist eine Strahlungsaustrittsfläche 40 auf.
  • Das optische Element 4 kann von außerhalb des Elements betrachtet mit einer, vorzugsweise durchgehend, konvex gekrümmten Strahlungsaustrittsfläche 40 ausgebildet sein.
  • Das optische Element 4 ist derart ausgeführt, dass die Leuchtdioden 3 jeweils eine nicht rotationssymmetrisch verlaufende Abstrahlcharakteristik aufweisen.
  • Die Abstrahlcharakteristik kann beispielsweise durch die Abhängigkeit der Intensität der aus der Leuchtdiode tretenden Strahlung vom Winkel zur optischen Achse bestimmt sein. Die optische Achse 7 verläuft bevorzugt durch einen LED-Chip 6 der jeweiligen Leuchtdiode 3. Besonders bevorzugt verläuft die optische Achse 7 durch einen Zentralbereich der Strahlungsaustrittsfläche 40. Die optische Achse kann insbesondere senkrecht zu der dem optischen Element 4 zugewandten Oberfläche des LED-Chips 6 und vorzugsweise senkrecht zur Strahlungsaustrittsfläche 40 verlaufen.
  • Das jeweilige optische Element 4 ist länglich, z.B. mit einer in Aufsicht ellipsenförmigen, Strahlungsaustrittsfläche 40 ausgeführt. Die lange Hauptachse a ist bevorzugt zweimal so lang oder länger, besonders bevorzugt dreimal so lang oder länger, am meisten bevorzugt viermal so lang oder länger, als die kurze Hauptachse b der Ellipse.
  • Über ein derartiges optisches Element 4 kann durch Strahlformung über Brechung der im LED-Chip 6 erzeugten Strahlung eine zur optischen Achse rotationssymmetriefreie Abstrahlcharakteristik ausgebildet werden.
  • Ein im LED-Bauelement 5 ausgebildeter Reflektor kann rotationssymmetrisch zur optischen Achse ausgeführt sein. Eine rotationssymmetriefreie Abstrahlcharakteristik kann auch noch durch das entsprechend geformte optische Element ausgebildet werden.
  • Auf einer parallel zum Träger 2 verlaufenden zu beleuchtenden Fläche kann sich dementsprechend eine längliche, insbesondere ellipsoidartige, Beleuchtungsstärkeverteilung ergeben, falls die Fläche mittels einer einzelnen Leuchtdiode 3 beleuchtet wird.
  • Die Abstrahlcharakteristik der Leuchtdiode kann trotz der Durchbrechung der Rotationssymmetrie achsensymmetrisch zur optischen Achse verlaufen. Die Beleuchtungsstärkeverteilung der einzelnen Leuchtdiode auf der zu beleuchtenden Fläche zeigt dann keine Inseln erhöhter Strahlungsleistung in einem Abstand von der optischen Achse.
  • Durch Überlagerung der von den einzelnen Leuchtdioden 3 abgestrahlten Strahlung ergibt sich die Abstrahlcharakteristik der LED-Anordnung 1.
  • Werden optischen Elemente 4 teilweise oder allesamt mit der Längserstreckungsrichtung (z.B. der langen Hauptachse a) schräg, also unter einem von 0° und insbesondere auch von 90° verschiedenen Winkel, zu einem Rand 20 des Trägers angeordnet, so können vorgegebene Abstrahlcharakteristiken für die LED-Anordnungen und damit auch eine vorgegebene Beleuchtungsstärkeverteilung auf einer zu beleuchtenden Fläche erreicht werden.
  • Gemäß 3 sind alle optischen Elemente 4 schräg zum Trägerrand 20 angeordnet, wobei die Längserstreckungsrichtungen aller optischen Elemente 4 parallel zueinander verlaufen.
  • Bei den Ausführungsbeispielen gemäß den verbleibenden 1, 2 und 4 sind einzelne optische Elemente 4 zueinander verdreht auf dem, insbesondere ebenen, Träger angeordnet. Die Drehrichtung verläuft bevorzugt azimutal zur optischen Achse 7.
  • Gemäß 1 sind die Leuchtdioden in einem Mehreck, insbesondere einem Rechteck, gruppiert angeordnet. Die optischen Elemente 4 der Eck-Leuchtdioden sind mit ihrer Längserstreckungsrichtung jeweils gegenüber derjenigen des optischen Elements 4 einer benachbarten Leuchtdiode verdreht (vgl. z.B. den Zwischenwinkel 8). Die inneren optischen Elemente 4 sind in Längsrichtung parallel und insbesondere parallel zum Trägerrand 20 ausgerichtet. Diagonal gegenüberliegende optische Elemente sind mit paralleler Längsrichtung angeordnet. Ein randseitiger Abfall einer Beleuchtungsstärkeverteilung auf der mit der LED-Anordnung 1 zu beleuchtenden Fläche kann so vermindert werden. Eine homogene Ausleuchtung der Fläche wird so vereinfacht.
  • Bei den Ausführungsbeispielen gemäß den 3 und 4 sind die optischen Elemente 4 in Reihen mit zueinander parallelen Längserstreckungsrichtungen angeordnet, wobei die Längserstreckungsrichtungen benachbarter Reihen schräg zueinander verlaufen. Die Längserstreckungsrichtungen der Außen-Reihen verlaufen parallel zueinander.
  • Durch eine Kombination einer geeigneten Anzahl an Leuchtdioden 3 und geeigneter Schrägstellung der länglichen optischen Elemente 4 zueinander und/oder zum Trägerrand kann eine vorgegebene Abstrahlcharakteristik der LED-Anordnung 1 auf einfache Weise erzielt werden.
  • Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims (36)

  1. Optisches Element, insbesondere Linse, mit einer Strahlungsaustrittsfläche für eine Leuchtdiode, wobei das optische Element bevorzugt geeignet ist, eine eine Rotationssymmetrie durchbrechende Abstrahlcharakteristik zu erzeugen.
  2. Optisches Element nach Anspruch 1, dessen Strahlungsaustrittsfläche in Aufsicht länglich ausgebildet ist.
  3. Optisches Element nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Verhältnis einer Längsausdehnung, z.B. der Länge, der Strahlungsaustrittsfläche des optischen Elements zu einer Querausdehnung, z.B. der Breite, der Strahlungsaustrittsfläche in Aufsicht auf die Strahlungsaustrittsfläche 2:1 oder größer, bevorzugt 3:1 oder größer, besonders bevorzugt 4:1 oder größer ist.
  4. Optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Strahlungsaustrittsfläche des optischen Elements in Aufsicht auf die Strahlungsaustrittsfläche zumindest zwei ausgezeichnete Achsen aufweist.
  5. Optisches Element nach Anspruch 4, bei dem die Achsen Symmetrieachsen sind.
  6. Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 5, das in Aufsicht auf die Strahlungsaustrittsfläche ellipsenartig geformt ist.
  7. Leuchtdiode mit einer Strahlungsaustrittsseite und einem optischen Element, wobei das optische Element bevorzugt derart angeordnet und ausgebildet ist, dass die Leuchtdiode eine Abstrahlcharakteristik mit durchbrochener Rotationssymmetrie aufweist.
  8. Leuchtdiode nach Anspruch 7, die gezielt mit einer nicht rotationssymmetrischen Abstrahlcharakteristik ausgebildet ist.
  9. Leuchtdiode nach Anspruch 7 oder 8, bei der das optische Element als Linse ausgeführt ist.
  10. Leuchtdiode nach Anspruch 7 oder 8, bei der das optische Element als Reflektor ausgeführt ist.
  11. Leuchtdiode nach Anspruch 7 oder 8, bei der das optische Element mittels einer Kombination aus einer Linse und einem Reflektor gebildet ist.
  12. Leuchtdiode nach einem der Ansprüche 7 bis 11, die einen LED-Chip zur Strahlungserzeugung umfasst.
  13. Leuchtdiode nach einem der Ansprüche 7 bis 11, die ein LED-Bauelement, insbesondere ein oberflächenmontierbares LED-Bauelement, umfasst, wobei das LED-Bauelement den LED-Chip und ein Gehäuse aufweist und der LED-Chip in dem Gehäuse angeordnet ist.
  14. Leuchtdiode nach Anspruch 13, bei der das optische Element mittels eines für die im LED-Chip erzeugte Strahlung reflektierend ausgebildeten Teils des Gehäuses gebildet ist.
  15. Leuchtdiode nach Anspruch 13 oder 14, bei der das optische Element mittels eines an dem LED-Bauelement befestigten, vorgefertigten optischen Elements, insbesondere einer Aufsatzlinse, gebildet ist.
  16. Leuchtdiode nach einem der Ansprüche 7 bis 15, bei der das optische Element, insbesondere die Linse, einen Kunststoff, z.B. einen Thermoplasten, einen Duroplasten oder ein Silikon, enthält.
  17. Leuchtdiode nach einem der Ansprüche 7 bis 16, bei der das optische Element, insbesondere die Linse, ein Harz, insbesondere ein Epoxid-, ein Acryl- oder ein Silikonharz, enthält.
  18. Leuchtdiode nach einem der Ansprüche 7 bis 17, bei der das optische Element in Aufsicht auf die Strahlungsaustrittsseite des optischen Elements langgestreckt ausgebildet ist.
  19. Leuchtdiode nach Anspruch 18, bei der das Verhältnis der Längsausdehnung des optischen Elements zu der Querausdehnung des optischen Elements in Aufsicht auf die Strahlungsaustrittsseite 2:1 oder größer, bevorzugt 3:1 oder größer, besonders bevorzugt 4:1 oder größer ist.
  20. Leuchtdiode nach einem der Ansprüche 7 bis 19, bei der eine Strahlungsaustrittsfläche der Leuchtdiode, insbesondere eine Strahlungsaustrittsfläche des optischen Elements, in Aufsicht auf die Strahlungsaustrittsfläche zumindest zwei ausgezeichnete Achsen aufweist.
  21. Leuchtdiode nach Anspruch 20, bei der die Achsen Symmetrieachsen sind.
  22. Leuchtdiode nach einem der Ansprüche 7 bis 21, bei der das optische Element in Aufsicht auf die Strahlungsaustrittsseite ellipsenartig geformt ist.
  23. Leuchtdiode nach einem der Ansprüche 7 bis 22, bei der das optische Element gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgeführt ist.
  24. LED-Anordnung mit einer Mehrzahl von auf einem Träger angeordneten Leuchtdioden, wobei den Leuchtdioden jeweils ein eigenes optisches Element zugeordnet ist und das optische Element bevorzugt derart angeordnet und ausgebildet ist, dass eine Abstrahlcharakteristik der jeweiligen Leuchtdiode mit durchbrochener Rotationssymmetrie geformt wird, und die optischen Elemente gleichartig, insbesondere gleich, ausgeführt sind.
  25. LED-Anordnung nach Anspruch 24, bei dem der Träger ein Anschlussträger mit einer Mehrzahl von Anschlussleitern, z.B. eine Leiterplatte, ist, und die Leuchtdioden mit den Anschlussleitern elektrisch leitend verbunden sind.
  26. LED-Anordnung nach Anspruch 24 oder 25, bei dem die optischen Elemente gleichartig geformte Strahlungsaustrittsflächen aufweisen.
  27. LED-Anordnung nach einem der Ansprüche 24 bis 26, bei dem die Leuchtdioden gitterpunktartig auf dem Träger angeordnet sind.
  28. LED-Anordnung nach einem der Ansprüche 24 bis 27, bei der eine Längserstreckungsrichtung des optischen Elements einer Leuchtdiode oder einer Mehrzahl von Leuchtdioden schräg zu einem Rand des Trägers verläuft.
  29. LED-Anordnung nach einem der Ansprüche 24 bis 28, bei der optische Elemente, insbesondere bezüglich deren Längserstreckungsrichtung, in Aufsicht auf den Träger verdreht zueinander, insbesondere um einen Winkel von größer 0° und kleiner oder gleich 90° zueinander verdreht, angeordnet sind.
  30. LED-Anordnung nach einem der Ansprüche 24 bis 29, bei der optische Elemente, insbesondere bezüglich deren Längserstreckungsrichtung, parallel zueinander angeordnet sind.
  31. LED-Anordnung nach einem der Ansprüche 24 bis 30, die optische Elemente umfasst, die, insbesondere bezüglich deren Längserstreckungsrichtungen, parallel zueinander angeordnet sind und die schräg zueinander angeordnet sind.
  32. LED-Anordnung nach einem der Ansprüche 24 bis 31, bei der die Leuchtdioden derart angeordnet sind, dass sich die Abstrahlcharakteristiken der Leuchtdioden zu einer vorgegebenen Abstrahlcharakteristik der LED-Anordnung überlagern.
  33. LED-Anordnung nach einem der Ansprüche 24 bis 32, bei der die vorgegebene Abstrahlcharakteristik der LED-Anordnung, insbesondere alleinig, durch Verdrehung von Leuchtdioden zueinander ausgebildet ist.
  34. LED-Anordnung nach einem der Ansprüche 24 bis 33, bei der die Leuchtdioden gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet sind.
  35. Verfahren zur Ausbildung einer LED-Anordnung mit einer Mehrzahl von Leuchtdioden mit den Schritten: a) Vorgeben einer Soll-Abstrahlcharakteristik für die LED-Anordnung b) Bereitstellen einer Vielzahl von Leuchtdioden mit gleichartiger Abstrahlcharakteristik, wobei die Abstrahlcharakteristik der Leuchtdioden bevorzugt jeweils eine durchbrochene Rotationssymmetrie aufweist; c) Ermitteln einer geeigneten Anzahl und einer geeigneten Anordnung der Leuchtdioden für die Soll-Abstrahlcharakteristik; d) Anordnen der zuvor ermittelten geeigneten Anzahl an Leuchtdioden in der zuvor ermittelten Anordnung, insbesondere schräg zueinander und/oder schräg zu einem Rand des Trägers, auf einem Träger für die LED-Anordnung; e) Fertigstellen der LED-Anordnung mit der Soll-Abstrahlcharakteristik.
  36. Verfahren nach Anspruch 35, bei dem eine LED-Anordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt wird.
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