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Die
Erfindung betrifft ein Leuchtmittel gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Derartige
Leuchtmittel finden beispielsweise in Form von Leuchtdioden, welche
als LEDs bekannt sind, weit verbreitet Verwendung.
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Die
Sammeloptik dient dazu, von dem Halbleiterkristall in verschiedene
Raumrichtungen emittiertes Licht so zu bündeln, daß ein möglichst großer Anteil dieses Lichts den
Strahlungskegel des Leuchtmittels bildet, wodurch die nutzbare Lichtausbeute maximiert
werden soll.
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Beruht
die Umlenkung der Strahlung auf Brechung, trifft jedoch häufig ein
nicht unerheblicher Teil der Strahlung in einem solchen Winkel auf
die brechende Fläche
der Sammeloptik, daß die
Brechkraftder Sammeloptik an der brechenden Fläche nicht ausreicht, diese
Strahlung in die gewünschte
Richtung in den Strahlungskegel umzulenken. Diese Strahlung trägt dadurch
nicht zur Lichtausbeute des Leuchtmittels bei.
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Es
kommt zudem vor, daß Strahlung
vom Halbleiterkristall dicht an der brechenden Fläche der Sammeloptik
vorbei abgestrahlt wird und somit nicht von dieser umgelenkt werden
kann.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Leuchtmittel der eingangs genannten
Art zu schaffen, bei welchem die Strahlungsausbeute des Leuchtmittels
erhöht
ist.
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Diese
Aufgabe ist bei einem Leuchtmittel der eingangs genannten Art dadurch
gelöst,
daß die Sammeloptik
außerdem
wenigstens eine Reflexionsfläche
für von
dem Halbleiterkristall emittierte Strahlung aufweist.
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Die
Reflexionsfläche
kann dann so angeordnet sein, daß sie Strahlung reflektiert,
welche von der brechenden Fläche
auf Grund fehlender Brechkraft nicht mehr in dem gewünschten
Maße umgelenkt werden
kann. Ferner kann auch solche Strahlung in den Strahlungskegel umgelenkt
werden, welche von dem Halbleiterkristall an der brechenden Fläche vorbei
abgestrahlt wird.
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Auf
diese Weise trägt
ein größerer Strahlungsanteil
zur Lichtausbeute des Leuchtmittels bei, welche dadurch insgesamt
erhöht
ist.
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Vorteilhafte
Weiterentwicklungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die
Weiterbildung nach Anspruch 2 ist im Hinblick auf einen gleichmäßigen Strahlungskegel des
Leuchtmittels von Vorteil. Diesem Wunsch trägt auch die Weiterbildung gemäß Anspruch
3 Rechnung.
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Wenn
die Reflexionsfläche
wie in Anspruch 4 angegeben verläuft,
kann ein großer
Teil der Strahlung reflektiert werden, welche nicht auf die brechende
Fläche
trifft.
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Um
mittels der brechenden Fläche
eine gute Sammelwirkung zu erzielen, ist es günstig, wenn die brechende Fläche wie
in den Ansprüchen
5 bis 8 angegeben ausgebildet ist. Dabei wird insbesondere durch
die Weiterentwicklung gemäß der Ansprüche 7 und
8 dem Problem von sphä rischen
Aberrationen Rechnung getragen.
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Die
gerade zu den Weiterentwicklungen gemäß der Ansprüche 5 bis 8 genannten Vorteile
gelten sinngemäß entsprechend
für die
Weiterbildungen gemäß den Ansprüchen 9 bis
12.
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Im
Hinblick au die Herstellung der Sammeloptik ist es günstig, wenn
diese aus im Anspruch 13 angegebenen Material besteht. Dieses ist
gut zu verarbeiten und weist ausgehärtet gute mechanische sowie
optische Eigenschaften auf.
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Die
Sammeloptik kann z. B. in günstiger
Weise als Gußteil
hergestellt werden, wenn sie wie in Anspruch 14 angegeben ausgebildet
ist.
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Nachstehend
wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung anhand der Zeichnung näher
erläutert. In
dieser zeigen:
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1 ein
Leuchtmittel mit einer Sammeloptik im Schnitt;
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2 eine
perspektivische Ansicht des geschnittenen Leuchtmittels von 1,
wobei ein in 1 zu erkennendes Gehäuse nicht
gezeigt ist;
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3 eine
der 2 entsprechende Darstellung aus einem anderen
Blickwinkel; und
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4 das
Leuchtmittel in einem der 1 entsprechenden
Schnitt, wobei emittierte Strahlung in Form von Pfeilen veranschaulicht
ist.
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In 1 ist
mit 10 insgesamt ein Leuchtmittel in Form einer LED bezeichnet.
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Das
Leuchtmittel 10 umfaßt
ein Gehäuse 12 aus
transparentem Kunststoff mit einer zylindrischen Umfangswand 14.
An einer Stirnseite ist das Gehäuse 12 mit
einer Stirnwand 16 verschlossen, wogegen es auf der gegenüberliegenden
Stirnseite offen ist und eine Ringfläche 18 aufweist, welche
senkrecht zur Achse des Gehäuses 12 verläuft. In
der Praxis hat das Gehäuse 12 einen
Durchmesser von etwa 35 mm bis 43 mm, vorzugsweise von 39 mm.
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Auf
ihrer Innenseite trägt
die Stirnwand 16 des Gehäuses 12 eine Platine 20 aus
Aluminium mit kreisförmiger
lichter Außenkontur,
was insbesondere in 3 zu erkennen ist. Dort ist
ferner gezeigt, daß die
Platine 20 in ihrer Randkontur in regelmäßigen Abständen insgesamt
sechs zungenförmige
Ausnehmungen 22 aufweist. Gegebenenfalls können auf
der Innenseite der Stirnwand 16 des Gehäuses 12 dazu passende
Erhebungen vorgesehen sein, in welche die Platine 20 mit
ihren Ausnehmungen 22 paßgenau eingesetzt sein kann.
Auf diese Weise ist die Positionierung der Platine 20 auf
der Stirnwand 16 beim Zusammenbau des Leuchtmittels 10 vereinfacht.
Zur Befestigung der beiden Komponenten miteinander kann ein Klebstoff
dienen.
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Die
Platine 20 ist von sechs axialen Durchgangsbohrungen 24 durchsetzt,
welche gleichmäßig in Umfangsrichtung
verteilt und jeweils im Randbereich zwischen zwei zungenförmigen Ausnehmungen 22 angeordnet
sind.
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Die
Platine 20 ist etwa 2,0 mm bis 2,8 mm, vorzugsweise etwa
2,4 mm, dick und hat einen Durchmesser von 23,0 mm bis 24,6 mm,
vorzugsweise von etwa 23,8 mm.
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Wie
wieder in 1 zu erkennen ist, hat die Platine 20 auf
ihrer der Stirnwand 16 des Gehäuses 12 gegenüber liegenden
Seite eine zylindrische Vertiefung 26 mit einem planen
Boden 28. Auf letzterem ist mittig eine im wesentlichen
quadratische Leiterfläche 30 aufgebracht,
welche über
eine erste, in 1 nur schematisch angedeutete,
Leiterbahn 32 mit einem ersten Anschlußstift 34 des Leuchtmittels 10 verbunden
ist.
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Auf
die Leiterfläche 30 ist
ein unter Spannungsbeaufschlagung elektromagnetische Strahlung emittierender
Halbleiterkristall 36 leitend derart aufgesetzt, daß die Leiterfläche 30,
die Leiterbahn 32 und der erste Anschlußstift 34 die Kathode
des Leuchtmittels 10 darstellen.
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Der
Halbleiterkristall 36 ist über einen feinen Bonddraht 38 mit
einer zweiten, ebenfalls nur schematisch angedeuteten, Leiterbahn 40 verbunden, welche
zu einem zweiten Anschlußstift 42 des Leuchtmittels 10 führt. Der
Bonddraht 38, die Leiterbahn 40 sowie der Anschlußstift 42 bilden
auf diese Weise die Anode des Leuchtmittels 10.
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Bei
dem Halbleiterkristall 36 kann es sich z. B. um einen Blaulicht
emittierenden III-V-Halbleiterkristall oder um einen im Infrarot-Bereich
emittierenden Halbleiterkristall handeln. Aber auch andere Halbleiterkristalle
sind möglich.
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Auf
die Leiterfläche 30 können auch
mehrere Halbleiterkristalle 36 aufgesetzt sein. Diese können dann
in beispielseweise einer 3×4-Matrix
angeordnet sein, wobei z. B. jeweils drei Sätze von jeweils vier in Reihe
geschalteter Halbleiterkristalle 36 in einer Parallelschaltung
angeordnet sein können.
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Die
Leiterfläche 30 und
die Leiterbahnen 32, 34 sind durch Aufdampfen
einer Kupfer-Gold-Legierung erhalten. Alternativ können auch
Silber- oder Aluminium-Legierungen verwendet werden. Anstelle der
Leiterbahnen 32 und 40 können auch Verbindungsleiter
beispielsweise in Form eines dünnen Kupferdrahtes
vorgesehen sein.
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Die
Platine 20 trägt
auf ihrer zum Inneren des Gehäuses 12 weisenden
Seite eine asphärische Sammeloptik 44 aus
einem Epoxidharz. Gut geeignet ist dafür z. B. ein auf Bisphenol A
basierendes Epoxidharz. Durch die Verwendung von Epoxidharz ist die
Sammeloptik 44 – nach
dem üblichen
Härtungsprozeß – im wesentlichen
spannungsfrei, weist eine hohe mechanische Stabilität sowie
eine gute Beständigkeit
gegen äußere Einflüsse, wie
agressive Gase oder Lösungsmittel,
auf. Zudem kann die Sammeloptik 44 als Gieß- oder
Spritzteil gefertigt werden.
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Anstelle
aus einem Epoxidharz kann die Sammeloptik 44 auch aus einem
anderen transparenten Kunststoff, insbesondere aus Acrylglas, gefertigt
sein.
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Die
Sammeloptik 44 ist insgesamt als Rotationskörper ausgebildet;
die zugehörige
Rotationsachse 46 ist strichpunktiert gezeigt. Der Außenkontur
der Sammeloptik 44 liegt ein längsseitiger Endabschnitt eines
prolaten Rotationsellipsoids zu Grunde, dessen Längsachse mit der Rotationsachse 46 zusammenfällt. Bei
diesem Rotationsellipsoid ist das Verhältnis der Länge seiner Längsachse
zu der Länge seiner
Nebenachse etwa 11:7.
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Anstelle
einer rotationssymmetrischen Kappe weist die Sammeloptik 44 einen
zu ihrer Rotationsachse 46 koaxialen kreiszylindrischen
Abschnitt 48 auf. Dessen Außendurchmesser ist beim hier
gezeigten Ausführungsbeispiel
etwas kleiner als derjenige der Platine 20.
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In
der freien Stirnseite 50 des kreiszylindrischen Ab schnitts 48 ist
eine zur Rotationsachse 46 der Sammeloptik 44 koaxiale
Ausnehmung 52 mit kreiszylindrischer Wand und in Richtung
auf den Halbleiterkristall 36 konvexer Bodenfläche 54 vorgesehen.
Der Durchmesser der Ausnehmung 52 entspricht demjenigen
der Vertiefung 26 in der Platine 20. Die untere
Stirnseite 50 der Sammeloptik 44 ist somit als
Ringfläche
ausgebildet, welche sich senkrecht zur Rotationsachse 46 erstreckt.
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Von
dieser Ringfläche 50 gehen
sechs in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilte
axiale Haltestifte 56 ab, welche in Position und Durchmesser den
axialen Durchgangsbohrungen 24 der Platine 20 entsprechen.
Wie in den 1 bis 4 zu erkennen
ist, ist die Sammeloptik 44 so auf die Platine 20 aufgesetzt,
daß sie
mit ihrer Ringfläche 50 plan
auf der Platine 20 aufliegt und jeder Haltestift 56 in
jeweils eine axialen Durchgangsbohrung 24 der Platine 20 ragt.
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Zur
Verbindung der Sammeloptik 44 mit der Platine 20 kann
die Außenwand
jedes Haltestifts 56 mit der Innenwand der zugehörigen Durchgangsbohrung 24 der
Platine 20 verklebt sein.
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Die
Sammeloptik 44 ist somit in der durch Pfeile angedeuteten
Abstrahlrichtung 58 des Leuchtmittels 10 vor dem
Halbleiterkristall 36 angeordnet, wobei ihre optische Achse
mit ihrer Rotationsachse 46 zusammenfällt.
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Die
kreiszylindrische Wand der Ausnehmung 52, deren Bodenfläche 54,
die Vertiefung 26 in der Platine 20 und der Halbleiterkristall 36 begrenzen
einen Hohlraum, welcher mit einer Flüssigkeit 59 gefüllt ist.
Beispielsweise handelt es sich dabei um transparentes Silikonöl. Dieses
dient als Kühlmittel
für die damit
in Kontakt stehenden Oberflächen.
Darüber
hinaus weist das transparente Silikonöl lichtleitende Eigenschaften
auf. Anstelle des transparenten Silikonöls kann auch eine andere, vorzugsweise
transparente, Flüssigkeit
verwendet werden, welche eine Wärmeabfuhr
von den entsprechenden Oberflächen ermöglicht und
einen Durchtritt der von dem Halbleiterkristall 36 emittierten
Strahlung nicht verhindert.
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In
der dem kreiszylindrischen Abschnitt 48 gegenüberliegende
vorderen oder oberen Stirnseite 60 der Sammeloptik 44 ist
eine zu deren Rotationsachse 46 koaxiale kreiszylindrische
Ausnehmung 62 mit zur Rotationsachse 46 senkrechter
planer Bodenfläche 64 vorgesehen.
Deren Durchmesser entspricht wie derjenige der Ausnehmung 52 dem Durchmesser
der Vertiefung 26 in der Platine 20.
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In
der Praxis haben die Durchmesser der Vertiefung 26 in der
Platine 20 sowie der Ausnehmung 56 und der Ausnehmung 62 in
der Sammeloptik 44 eine Größe von 10,0 mm bis 17,2 mm,
vorzugsweise von etwa 13,6 mm.
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Durch
die Ausnehmung 62 ist die Stirnseite 60 der Sammeloptik 44 als
Ringfläche
ausgebildet, welche sich senkrecht zur Rotationsachse 46 erstreckt.
Fluchtend mit dieser Ringfläche 60 trägt die Sammeloptik
einen umlaufenden Kragen 66, dessen Außendurchmesser demjenigen des
Gehäuses 12 entspricht
(vgl. 1).
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Zwischen
dem Kragen 66 und dem kreiszylindrischen Abschnitt 48 auf
der anderen Seite der Sammeloptik 44 verläuft somit
ein ellipsoider Abschnitt 68, dessen Mantelfläche einem
Mantelflächenabschnitt
des der Außenkontur
der Sammeloptik 44 zu Grunde liegenden Rotationsellipsoids
entspricht.
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Das
zwischen der Ausnehmung 52 und der Ausnehmung 62 verbleibende
Epoxidharz-Material entspricht einer im Inneren der Sammeloptik 44 angeordneten
asphärischen
plankonvexen Linse 70 mit zylindrischer Umfangswand, planer
oberer Fläche 64 und
konvexer unterer Fläche 54.
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Die
konvexe Fläche 54 ist
asphärisch.
Sie entspricht der Endkappe eines zweiten prolaten Rotationsellipsoids,
wobei die Kappe rotationssymmetrisch zur Rotationsachse 46 ist,
welche auch der Längsachse
des zweiten Rotationsellipsoids entspricht. Das Verhältnis der
Länge seiner
Längsachse zu
der Länge
seiner Nebenachse ist bei dem zweiten Rotationsellipsoid etwa 11:5.
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Die
Längsachsen
der beiden als Schablone für
die Mantelfläche
des ellipsoiden Abschnitts 68 bzw. für die konvexe Fläche 54 der
Sammeloptik 44 dienenden Rotationsellipsoiden sind im wesentlichen gleich
lang.
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Bei
einer Abwandlung hat die brechende Fläche 54 anstelle des
ellipsoiden einen hyperboloiden Verlauf. Bei einer weiteren Abwandlung
kann die brechende Fläche 54 auch
einer durch Rotation einer Parabel um die Rotationsachse 46 erzeugten
Fläche entsprechen.
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Wie
in 1 zu erkennen ist, liegt die Sammeloptik 44 mit
ihrem Kragen 66 auf der Ringfläche 18 des Gehäuses 12 auf,
wobei zwischen dem Kragen 66 und der Ringfläche 18 ein
Klebstoff vorgesehen sein kann.
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Wird
der Halbleiterkristall 36 über die Anschlußstifte 34 und 42 des
Leuchtmittels 10 mit Spannung beaufschlagt, wozu die Anschlußstifte 34, 42 unter
Betriebsbedingungen mit den Klemmen einer Spannungsquelle verbunden
sind, so emittiert dieser elektromagnetische Strahlung. Diese wird
in im wesentlichen alle Raumrichtungen und somit sowohl in Abstrahlrichtung 58 als
auch entgegengesetzt nach hinten in Richtung auf die Stirnwand 16 des
Gehäuses 12 emittiert.
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Das
nach hinten emittierte Licht wird von der aus Aluminium bestehenden
Platine 20 nach vorne reflektiert. Auf diese Weise ist
die Lichtausbeute des Leuchtmittels 10 erhöht.
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Die
Sammeloptik 44 dient dazu, einen möglichst großen Teil der von dem Halbleiterkristall 36 emittierten
Strahlung derart umzulenken, daß diese einen
Strahlungskegel 72 des Leuchtmittels 10 bildet.
Der Außenmantel
des Strahlungskegels 72 ist schematisch mit gestrichelten
Linien dargestellt.
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Der
Begriff Abstrahlrichtung soll hier alle Richtungen umfassen, welche
in den Strahlungskegel 72 fallen, also auch in einem Winkel
zur Rotationsachse 46 stehende Richtungen. Der Strahlungskegel 72 seinerseits
schließt
keinen scharf begrenzten Bereich ab, vielmehr nimmt die Strahlungsintensität des Leuchtmittels
an der Mantelfläche
des Strahlungskegels 72 graduell ab.
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Zur
Umlenkung der vom Halbleiterelement 36 in verschiedene
Raumrichtungen emittierten Strahlungen weist die Sammeloptik 44 zwei
unterschiedlich wirkende optisch aktive Grenzflächen auf: zum einen wirkt die
Mantelfläche
des ellipsoiden Abschnitts 68 der Sammeloptik 44 als
Reflexionsfläche 74 für Strahlung,
welche die Sammeloptik 44 durchlaufen hat und zur Reflexionsfläche 74 als
Grenzfläche
zwischen der Sammeloptik 44 und dem umgebenden Medium gelangt.
Zum anderen ist die konvexe Fläche 54 der
Ausnehmung 52 eine brechende Fläche für auf sie treffende Strahlung.
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Wie
in den Figuren zu erkennen ist, verläuft die Reflexionsfläche 74 radial
weiter außen
als die brechende Fläche 54 und
ist in vom Halbleiterkristall 36 wegweisende Richtung konvex.
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In 4 ist
ein Teil der von dem Halbleiterkristall 36 emittierten
Strahlung in Form von Pfeilen angedeutet. Der Übersichtlichkeit halber wurden
in 4 Komponenten, welche für die nachstehenden Erläuterung
nur eine untergeordnete Rolle spielen, nicht mit Bezugszeichen versehen.
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Mit
durchgezogenen Linien dargestellte Pfeile 76 stehen für Strahlung,
welche von einem gemeinsamen auf der optischen Achse 46 der
Sammeloptik 44 liegenden Punkt 78 des Halbleiterkristalls 36 in
verschiedene Raumrichtungen emittiert werden.
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Wie
in 4 zu erkennen ist, ist der Verlauf der brechenden
Fläche 54 derart,
daß die
vom Punkt 78 emittierte Strahlung 76 in eine Richtung
parallel zur optischen Achse 46 der Sammeloptik 44 umgelenkt
wird.
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Die
Sammeloptik 44 ist folglich so dimensioniert und angeordnet,
daß der
Brennpunkt der zwischen den Ausnehmungen 52 und 62 ausgebildeten plankonvexe
Linse 70 mit dem Punkt 78 (vgl. 4) auf
dem Halbleiterkristall 36 zusammenfällt.
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Ein
Teil der Strahlung 76, welche vom Punkt 78 emittiert
wird und nicht auf die brechende Fläche 54 trifft, tritt
an der Wand der Ausnehmung 52 in den ellipsoiden Abschnitt 68 der
Sammeloptik 44 ein, wobei sie zunächst gebrochen wird. Dies ist
in 4 anhand der Pfeile 76a und 76b gezeigt.
Der Verlauf der Reflexionsfläche 74 ist
derart, daß solche
Strahlung nach Durchlaufen des ellipsoiden Abschnitts 68 an ihr
auf Grund von Totalreflexion in eine Richtung parallel zur optischen
Achse 46 der Sammeloptik 44 umgelenkt wird.
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Neben
der vom Punkt 78 stammenden Strahlung 76 wird
von dem Halbleiterkristall 36 auch Strahlung von radial
von der optischen Achse 46 der Sammeloptik 44 beabstandet
liegendenden Punkten emittiert. Exemplarisch ist dies in 4 durch
für entsprechende
Strahlung stehende gestrichelte Pfeile 80 und gepunktete
Pfeile 82 angedeutet, welche ihren Ursprung in radial außen liegenden
Punkten 84 bzw. 86 auf dem Halbleiterkristall 36 haben.
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Anteile
der Strahlungen 80 und 82, welche auf die brechende
Fläche 54 treffen,
werden doppelt gebrochen: zum einen beim Eintritt in die Sammeloptik 44 an
der brechenden Fläche 54,
zum anderen beim Austritt aus der Sammeloptik 44. Insgesamt verläßt diese
Strahlung die Sammeloptik 44 in einer Richtung, welche
nicht parallel zu deren optischer Achse 46 verläuft. Diese
Strahlung trägt
aber immer noch zum Strahlungskegel 72 des Leuchtmittels 10 und
damit zu dessen Gesamt-Lichtausbeute bei.
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Ein
anderer Teil der Strahlung 80, 82 tritt an der
Wand der Ausnehmung 52 in den ellipsoiden Abschnitt 68 der
Sammeloptik 44 ein, wobei sie zunächst an der Wand der Ausnehmung 52 gebrochen wird
(vgl. Pfeile 80a, 80b und 82a, 82b).
Diese Strahlung wird nach Durchlaufen des ellipsoiden Abschnitts 68 an
dessen Reflexionsfläche 74 auf
Grund von Totalreflexion in eine Richtung parallel zur optischen
Achse 46 der Sammeloptik 44 umgelenkt.
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Es
trägt also
auch Strahlung zur Lichtausbeute des Leuchtmittels 10 bei,
welche in einem so großen
Winkel bezogen auf die optische Achse 46 oder von einem
so weit radial außen
liegenden Bereich des Halbleiterkristalls 36 emittiert
wird, daß sie von
einer herkömmlichen
Sammeloptik nicht mehr erfaßt
werden könnte.
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Insgesamt
sind die brechende Fläche 54 und die
Reflexionsfläche 74 derart
zueinander angeordnet und haben einen Verlauf, daß ein großer Teil
der vom Halbleiterkristall 36 emittierten Strahlung zum Strahlungskegel 72 und
zur Lichtausbeute des Leuchtmittels 10 beiträgt.