DE102009010213A1

DE102009010213A1 - Optoelektronisches Modul

Info

Publication number: DE102009010213A1
Application number: DE102009010213A
Authority: DE
Inventors: Martin Dr. Möck
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2009-02-23
Filing date: 2009-02-23
Publication date: 2010-08-26
Also published as: CN102428320B; CN102428320A; US20120134147A1; EP2399068A1; US8992044B2; WO2010094617A1

Abstract

Es wird ein optoelektronisches Modul (1) mit einem Reflektor (4), der eine Apertur (40) und eine strukturierte Reflektorfläche (41) aufweist, und mit zumindest zwei Anschlussträgern (3) angegeben, auf denen jeweils zumindest ein Bauelement (2) angeordnet ist, das zur Erzeugung von Strahlung vorgesehen ist. Die Anschlussträger sind im Inneren des Reflektors angeordnet. Zumindest zwei Bauelemente des Moduls weisen im Betrieb des Moduls voneinander verschiedene Abstrahleigenschaften auf, wobei den zwei Bauelementen jeweils eine Hauptabstrahlungsrichtung zugeordnet ist. Die von den Bauelementen entlang ihrer jeweiligen Hauptabstrahlungsrichtung abgestrahlte Strahlung wird zumindest teilweise mittels der strukturierten Reflektorfläche in Richtung der Apertur umgelenkt.

Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft ein optoelektronisches Modul, insbesondere für die Allgemeinbeleuchtung.
LED-Modulen für die Allgemeinbeleuchtung weisen oftmals vergleichsweise starke Inhomogenitäten in der Abstrahlcharakteristik auf, was insbesondere den Farbort und die Leuchtdichte der abgestrahlten Strahlung betreffen kann.
Eine Aufgabe ist es, ein optoelektronisches Modul anzugeben, bei dem eine homogene Abstrahlung des Moduls vereinfacht realisierbar ist.
Diese Aufgabe wird durch ein optoelektronisches Modul gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Gemäß einer Ausführungsform weist ein optoelektronisches Modul einen Reflektor mit einer Apertur und einer strukturierten Reflektorfläche und zumindest zwei Anschlussträger auf, auf denen jeweils zumindest ein Bauelement angeordnet ist, das zur Erzeugung von Strahlung, insbesondere im sichtbaren Spektralbereich, vorgesehen ist. Die Anschlussträger sind zumindest teilweise im Inneren des Reflektors angeordnet. Zumindest zwei Bauelemente des Moduls weisen im Betrieb des Moduls voneinander verschiedene Abstrahleigenschaften auf, insbesondere hinsichtlich der spektralen und/oder räumlichen Abstrahlung und/oder der Leuchtdichte der abgestrahlten Strahlung. Den zumindest zwei Bauelementen ist jeweils eine Hauptabstrahlungsrichtung zugeordnet. Die von den Bauelementen entlang ihrer jeweiligen Hauptabstrahlungsrichtung abgestrahlte Strahlung wird zumindest teilweise mittels der strukturierten Reflektorfläche in Richtung der Apertur umgelenkt.
Die Strahlung tritt überwiegend, insbesondere zu einem Anteil von mindestens 50%, erst nach einer Umlenkung, etwa aufgrund von Reflexion und/oder Beugung, an der strukturierten Reflektorfläche aus dem optoelektronischen Modul aus. So kann die von den Bauelementen abgestrahlte Strahlung mittels der strukturierten Reflektorfläche auf effiziente Weise derart durchmischt werden, dass die aus der Apertur austretende Strahlung, insbesondere im Fernfeld des optoelektronischen Moduls, eine hohe Homogenität aufweist. In der vom optoelektronischen Modul abgestrahlten Strahlung treten die einzelnen Bauelemente umso weniger als einzeln wahrnehmbare Strahlungsquellen hervor, je stärker die Durchmischung der Strahlungsanteile ist.
Die Hauptabstrahlungsrichtung der strahlungsemittierenden Bauelemente verläuft zweckmäßigerweise schräg oder senkrecht zu einer Normalen auf die Apertur des Reflektors. So ist auf einfache Weise gewährleistet, dass die von den Bauelementen erzeugte Strahlung erst nach einem Auftreffen auf der Reflektorfläche aus der Apertur austritt.
Unter dem Fernfeld wird insbesondere die Abstrahlcharakteristik des optoelektronischen Moduls in einem Abstand von der Apertur angesehen, der groß ist gegenüber dem minimalen Abstand der Bauelemente von der Apertur.
Beispielsweise kann das optoelektronische Modul in einem Abstand von etwa 10 cm zur Apertur eine hohe Homogenität aufweisen.
Der Abstand der Bauelemente von der Apertur beträgt vorzugsweise zwischen einschließlich dem zweifachen und einschließlich dem zwanzigfachen, besonders bevorzugt zwischen dem dreifachen und einschließlich dem zehnfachen, beispielsweise etwa dem fünffachen, einer Ausdehnung Strahlungsaustrittsfläche der Bauelemente.
Die Homogenität bezieht sich insbesondere auf eine räumlich gleichmäßige Abstrahlung des Moduls hinsichtlich der Leuchtdichte und/oder des Farborts der abgestrahlten Strahlung.
Unter dem Inneren des Reflektors wird im Zweifel insbesondere das Volumen verstanden, das durch die Reflektorfläche und die Apertur des Reflektors begrenzt wird.
Die Anschlussträger können insbesondere vollständig im Inneren des Reflektors angeordnet sein. Eine Montage der Anschlussträger innerhalb des Reflektors wird so vereinfacht.
Dem Reflektor sind vorzugsweise zumindest zwei Anschlussträger zugeordnet, wobei auf den Anschlussträgern angeordnete Bauelemente Strahlung in Richtung des Reflektors emittieren. Strahlung, die im Betrieb des optoelektronischen Moduls von Bauelementen auf verschiedenen Anschlussträgern abgestrahlt wird, kann also mittels eines gemeinsamen Reflektors durchmischt und durch die Apertur des optoelektronischen Moduls umgelenkt werden. Ein optoelektronisches Modul, insbesondere für die Allgemeinbeleuchtung, aus dem durch die Apertur die von einer Vielzahl von Bauelementen erzeugte, vorzugsweise inkohärente, Strahlung in hoher Homogenität austritt, ist so auf einfache Weise realisiert.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die zumindest zwei Bauelemente mit voneinander verschiedenen Abstrahleigenschaften für die Erzeugung von Strahlung mit Peak-Wellenlängen in unterschiedlichen Spektralbereichen, insbesondere unterschiedlichen Spektralbereichen des sichtbaren Spektralbereichs, vorgesehen. Die Abstrahleigenschaften sind also zumindest in spektraler Hinsicht voneinander verschieden. Vorzugsweise sind die Peak-Wellenlängen der Bauelemente derart gewählt, dass mittels einer Durchmischung der Strahlungsanteile der Bauelemente für das menschliche Auge weiß erscheinende Strahlung erzeugbar ist.
Beispielsweise kann weiß erscheinende Strahlung mittels eines im blauen und eines im gelben Spektralbereich emittierenden Bauelements erzeugt werden. Weiterhin kann weiß erscheinende Strahlung auch mittels drei Bauelementen erzeugt werden, die Strahlung eines geeigneten Farbtripels, beispielsweise Strahlung im roten, grünen und blauen Spektralbereich, emittieren.
Alternativ oder ergänzend zum Unterschied in der Peak-Wellenlänge können die Abstrahleigenschaften der Bauelemente bezüglich der von ihnen abgestrahlten Intensität der Strahlung verschieden sein. Mittels der strukturierten Reflektorfläche kann auch bei einer unterschiedlichen Intensität der abgestrahlten Strahlung eine homogene Abstrahlcharakteristik für das optoelektronische Modul erzielt werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das optoelektronische Modul einen Montagekörper auf. An dem Montagekörper ist vorzugsweise zumindest ein Anschlussträger befestigt, besonders bevorzugt sind mindestens zwei Anschlussträger befestigt.
Der Montagekörper ist insbesondere zur Wärmeabfuhr der in den Bauelementen im Betrieb erzeugten Wärme vorgesehen.
Vorzugsweise ist der zumindest eine Anschlussträger an dem Montagekörper mittels eines wärmeleitenden Verbindungsmittels befestigt. Das Verbindungsmittel kann elektrisch leitend oder elektrisch isolierend ausgebildet sein.
Beispielsweise eignet sich für das Verbindungsmittel ein Wärmeleitkleber, eine Wärmeleitpaste oder eine Wärmeleitfolie, etwa eine Folie, die Graphit enthält oder aus Graphit besteht.
Der Montagekörper weist weiterhin vorzugsweise eine hohe thermische Leitfähigkeit auf. Beispielsweise kann der Montagekörper ein Metall, etwa Aluminium oder Kupfer, enthalten oder aus einem Metall bestehen. Auch eine Keramik, etwa Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid oder Bornitrid, kann für den Montagekörper Verwendung finden.
Der Montagekörper kann als ein massiver Körper ausgeführt sein, der weiterhin im Inneren frei von einer Struktur ausgebildet sein kann. Ein solcher Montagekörper zeichnet sich insbesondere durch eine einfache Herstellbarkeit aus.
Davon abweichend kann in dem Montagekörper auch zumindest ein Hohlraum ausgebildet sein. Insbesondere kann der Montagekörper ein Kühlmedium umschließen.
Mittels eines solchen Montagekörpers kann in den Bauelementen erzeugte Wärme verbessert aus den Bauelementen abgeführt werden. Dies kann eine Erhöhung der Effizienz der Strahlungserzeugung bewirken. Der Montagekörper kann in diesem Fall beispielsweise als ein Wärmerohr (heat pipe) ausgeführt sein.
Weiterhin kann der Montagkörper das Kühlmedium vollständig umschließen, so dass ein geschlossener Kühlkreis entsteht. Alternativ kann der Montagekörper mit zumindest einer Zuleitung und einer Ableitung für das Kühlmedium versehen sein.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sind zumindest zwei Anschlussträger an dem Montagekörper befestigt. Insbesondere kann der Montagekörper zumindest zwei Seitenflächen aufweisen, an denen jeweils einer der Anschlussträger des Moduls befestigt ist. Die Seitenflächen können jeweils eine ebene Montagefläche für den Anschlussträger bilden.
Weiterhin bevorzugt verlaufen zwei Seitenflächen des Montagekörpers schräg oder parallel zueinander. Parallele Seitenflächen können insbesondere auf gegenüberliegenden Seiten des Montagekörpers ausgebildet sein.
So können die Anschlussträger vereinfacht derart orientiert sein, dass die auf diesen Anschlussträgern angeordneten Bauelemente Strahlung in unterschiedliche Richtungen emittieren. Eine Durchmischung der von den Bauelementen abgestrahlten Strahlung mittels der strukturierten Reflektorfläche ist somit vereinfacht erzielbar.
In einer bevorzugten Ausgestaltung zeigt eine Flächennormale von zumindest einer Seitenfläche des Montagekörpers, auf der ein Anschlussträger angeordnet ist, von der Apertur weg. Mit anderen Worten beträgt ein Winkel zwischen der Flächennormale der Seitenfläche und der Aperturfläche vorzugsweise mindestens 90°. Auf diesem Anschlussträger angeordnete Bauelemente, deren Hauptabstrahlungsrichtung senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zu dem Anschlussträger verläuft, strahlen somit derart ab, dass die Strahlung weitgehend vollständig oder zumindest zu einem überwiegenden Anteil erst nach einer Reflexion an der strukturierten Reflektorfläche durch die Apertur aus dem optoelektronischen Modul austritt. Die Homogenität der Abstrahlung des optoelektronischen Moduls wird so weitergehend erhöht.
Der Montagekörper weist vorzugsweise eine Haupterstreckungsachse auf. Die Ausdehnung des Montagekörpers entlang der Haupterstreckungsachse ist vorzugsweise mindestens 1,5 mal so groß wie in eine zur Haupterstreckungsachse senkrechte Richtung. Je größer die Ausdehnung des Montagekörpers entlang der Haupterstreckungsachse ist, desto mehr strahlungsemittierende Bauelemente können in Richtung der Haupterstreckungsachse nebeneinander angeordnet werden. Die insgesamt im optoelektronischen Modul erzeugbare Strahlungsleistung kann somit gesteigert werden.
In einer Ausgestaltungsvariante verläuft die Haupterstreckungsachse des Montagekörpers senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zur Apertur des Reflektors.
In diesem Fall sind also Seitenflächen des Montagekörpers, die parallel zur Haupterstreckungsachse verlaufen, senkrecht beziehungsweise im Wesentlichen senkrecht zur Apertur des Reflektors orientiert. Bei einer Abstrahlung der Bauelemente mit einer Hauptabstrahlungsrichtung senkrecht zur Seitenfläche des Montagekörpers erfolgt die Abstrahlung also parallel zur Apertur des Reflektors, so dass die Strahlung überwiegend nicht direkt, sondern erst nach einer Umlenkung an dem Reflektor aus der Apertur austritt.
In einer bevorzugten Weiterbildung weist das Modul einen weiteren Montagekörper mit einer weiteren Haupterstreckungsachse auf. Die weitere Haupterstreckungsachse des weiteren Montagekörpers verläuft vorzugsweise parallel oder im Wesentlichen parallel zur Haupterstreckungsachse des Montagekörpers. Das Modul kann also eine Mehrzahl von Montagekörpern aufweisen, die in einer parallel zur Apertur verlaufenden Ebene nebeneinander angeordnet sind. Beispielsweise können die Montagekörper zeilenartig nebeneinander in äquidistanten oder im Wesentlichen äquidistanten Abständen angeordnet sein. Auf diese Weise ist vereinfacht ein optoelektronisches Modul herstellbar, das eine längliche Apertur, beispielsweise eine Apertur mit einem Verhältnis von Länge zu Breite von mindestens 2:1, bevorzugt mindestens 4:1, aufweist.
In einer alternativen Ausgestaltungsvariante verläuft die Haupterstreckungsachse des Montagekörpers parallel oder im Wesentlichen parallel zur Apertur des Reflektors. Hierbei ist der Anschlussträger vorzugsweise an einer Seitenfläche des Montagekörpers befestigt, deren Flächennormale von der Apertur des Reflektors weg zeigt.
So ist auf einfache Weise gewährleistet, dass die in den strahlungsemittierenden Bauelementen erzeugte Strahlung überwiegend erst nach einer Reflexion an dem strukturierten Reflektor aus der Apertur des optoelektronischen Moduls austritt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Montagekörper senkrecht zur Haupterstreckungsachse einen Querschnitt mit einer mehreckigen Grundform auf, beispielsweise eine viereckige Grundform mit abgeschrägten oder abgerundeten Kanten. Bei einer Grundform mit n Ecken kann der Montagekörper n, insbesondere ebene, Seitenflächen aufweisen, an denen jeweils ein Anschlussträger vereinfacht befestigbar ist. Insbesondere eignet sich eine ebene Seitenfläche besonders für die Befestigung eines starren Anschlussträgers.
Der Anschlussträger ist vorzugsweise als eine Leiterplatte, insbesondere als eine gedruckte Leiterplatte (printed circuit board) ausgeführt. Beispielsweise eignet sich eine Leiterplatte vom Typ FR2 oder FR4.
Eine Leiterplatte mit einem Metallkern (MCPCB, metal core printed circuit board) eignet sich aufgrund der hohen thermischen Leitfähigkeit besonders als Anschlussträger, insbesondere für die Montage von strahlungsemittierenden Bauelementen mit einer vergleichsweise hohen Leistungsaufnahme im Betrieb, beispielsweise mit einer Leistungsaufnahme von 0,2 W oder mehr.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der Montagekörper segmentiert. Die Segmentierung erfolgt vorzugsweise entlang der Haupterstreckungsachse. Die Segmente des Montagekörpers können jeweils eine gleichartige Grundform aufweisen oder zumindest teilweise voneinander verschieden sein.
Der, insbesondere segmentierte, Montagekörper kann einstückig ausgebildet sein. So können die Segmente aus einem einzelnen Werkstück gefertigt sein. Alternativ kann auch eine mehrstückige Ausgestaltung, bei dem der Montagekörper mittels aneinander gefügter Segmente gebildet ist, vorgesehen sein.
Weiterhin bevorzugt weist ein erstes Segment des Montagekörpers eine Seitenfläche auf, die schräg zu einer Seitenfläche eines zweiten Segments ausgebildet ist.
Die Seitenflächen der Segmente, insbesondere benachbarter Segmente, können verdreht und/oder verkippt zueinander angeordnet sein. Die Hauptabstrahlungsrichtungen der auf diesen Anschlussträgern angeordneten strahlungsemittierenden Bauelemente können somit vereinfacht in unterschiedliche Richtungen zeigen. Eine Durchmischung der von den Bauelementen abgestrahlten Strahlung zu einer homogenen Abstrahlung des optoelektronischen Moduls wird so weitergehend vereinfacht.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist der Montagekörper mittels Segmenten gebildet, die gleichartig ausgeführt sind und die bezüglich der Haupterstreckungsachse zueinander verdreht angeordnet sind. Beispielsweise können die Segmente jeweils einen Querschnitt mit mehreckiger, insbesondere rechteckiger, etwa quadratischer, Grundform aufweisen, wobei benachbarte Segmente bezogen auf die Haupterstreckungsachse gegeneinander verdreht angeordnet sind.
Der Reflektor ist vorzugsweise derart ausgeführt, dass er einen Fokus, etwa in Form eines Brennpunkts oder einer Brennlinie, aufweist. Die Bauelemente sind vorzugsweise derart im optoelektronischen Modul angeordnet, dass sich diese im Bereich des Fokus befinden. Je mehr Bauelemente in der Nähe des Fokus angeordnet sind, desto stärker kann die Abstrahlung des optoelektronischen Moduls durch die Apertur an eine Abstrahlung in Form eines reinen Parallelstrahlenbündels angenähert sein. Beispielsweise kann der Reflektor im Querschnitt zumindest bereichsweise eine kreissegmentartige, elliptische oder parabolische Grundform aufweisen. Weiterhin kann eine gekrümmte Grundform des Reflektors zumindest bereichsweise durch geeignete gerade Teilbereiche angenähert sein.
Die Apertur des Reflektors, also die Strahlungsaustrittsfläche des Reflektors, kann zumindest bereichsweise gekrümmt, beispielsweise kreisförmig oder elliptisch, oder mehreckig, beispielsweise rechteckig, ausgeführt sein.
In einer Ausgestaltungsvariante ist die Struktur des Reflektors mittels Strukturelementen gebildet, die insbesondere gleichartig ausgeführt sein können. Die Strukturelemente können insbesondere gekrümmt, etwa konkav oder konvex gekrümmt, ausgebildet sein. Beispielsweise können die Strukturelemente kugelsegmentartig ausgebildet sein. Davon abweichend können die Strukturelemente jeweils eben oder im wesentlichen eben ausgeführt, wobei die Normalen auf benachbarte Strukturelemente zweckmäßigerweise in voneinander verschiedene Richtungen zeigen.
Mittels einer derartigen Struktur ist eine Durchmischung der von den Bauelementen abgestrahlten Strahlung zu einer homogenen Gesamtabstrahlung des optoelektronischen Moduls auf einfache Weise erzielbar.
Die laterale Ausdehnung der Strukturelemente ist in weiten Bereichen variierbar, wobei die laterale Ausdehnung insbesondere zwischen einschließlich 10 nm und einschließlich 10 cm wählbar ist.
Die Strukturierung kann beispielsweise in Form Mikrostrukturierung, etwa mit einer lateralen Ausdehnung von höchstens 50 μm, oder in Form einer, insbesondere für das menschliche Auge erkennbare, Makrostrukturierung ausgebildet sein.
In einer Weiterbildung liegt die laterale Ausdehnung der Strukturelemente im Bereich der Wellenlänge der vom optoelektronischen Modul erzeugten Strahlung. Insbesondere kann die laterale Ausdehnung zwischen einschließlich 100 nm und einschließlich 1 μm betragen. Bei einer derartigen lateralen Ausdehnung der Strukturelemente können optische Interferenzeffekte gezielt zur Beeinflussung der Abstrahlcharakteristik des optoelektronischen Moduls genutzt werden.
In einer alternativen Ausgestaltungsvariante ist die Struktur des Reflektors unregelmäßig ausgebildet. Beispielsweise kann eine unregelmäßige Struktur mittels Aufrauung des Reflektors erfolgen. Gegenüber einem unstrukturierten Reflektor kann durch eine Strukturierung des Reflektors eine verbesserte Durchmischung an dem Reflektor erfolgen.
Die Bauelemente sind vorzugsweise als oberflächenmontierbare Bauelemente (SMD-Bauelemente, surface-mounted device) ausgeführt, die weiterhin bevorzugt jeweils zumindest einen zur Erzeugung von, vorzugsweise inkohärenter, Strahlung vorgesehenen Halbleiterchip aufweisen. Derartige Bauelemente sind vereinfacht auf der vom Montagekörper abgewandten Seite des Anschlussträgers montierbar und kontaktierbar.
Alternativ können die Bauelemente ungehäuste Halbleiterchips sein, die direkt auf dem Anschlussträger montiert sind. Auf ein vorgefertigtes Gehäuse für den Halbleiterchip kann in diesem Fall verzichtet werden.
Weitere Merkmale, Ausgestaltungen und Zweckmäßigkeiten des optoelektronischen Moduls ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren.
Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel für ein optoelektronisches Modul in schematischer Aufsicht,
2 eine schematische Seitenansicht des optoelektronischen Moduls gemäß dem in 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel,
3 ein zweites Ausführungsbeispiel für ein optoelektronisches Modul in schematischer Seitenansicht,
4 ein drittes Ausführungsbeispiel für ein optoelektronisches Modul in schematischer Aufsicht,
die 5A und 5B ein viertes Ausführungsbeispiel für ein optoelektronisches Modul in schematischer Aufsicht (5A) und zugehöriger Schnittansicht (5B),
die 6A und 6B ein fünftes Ausführungsbeispiel für ein optoelektronisches Modul in schematischer Aufsicht (6A) und zugehöriger Schnittansicht (6B), und
7 ein Ausführungsbeispiel für einen Montagekörper.
Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Die Figuren sind jeweils schematische Darstellungen und daher nicht unbedingt maßstabsgetreu. Vielmehr können vergleichsweise kleine Elemente und insbesondere Schichtdicken zur Verdeutlichung übertrieben groß und/oder nicht mit dem richtigen Verhältnis zueinander dargestellt sein.
Ein erstes Ausführungsbeispiel für ein optoelektronisches Modul ist in 1 anhand einer schematischen Aufsicht und in 2 anhand einer Seitenansicht dargestellt. In 2 ist der Reflektor zur verbesserten Darstellbarkeit der im Reflektor angeordneten Elemente bereichsweise nicht gezeigt.
Das optoelektronische Modul 1 weist einen Reflektor 4 mit einer strukturierten Reflektorfläche 41 auf. Eine Apertur 40 des Reflektors verläuft in 1 parallel zur Zeichenebene.
Weiterhin umfasst das optoelektronische Modul einen Montagekörper 5. Der Montagekörper 5 ist in lateraler Richtung von der Reflektorfläche 41 umgeben.
Eine Haupterstreckungsachse des Montagekörpers 5 verläuft parallel, vorzugsweise kollinear mit einer senkrecht zur Apertur des Reflektors stehenden Reflektorachse.
An dem Montagekörper 5 sind Anschlussträger 3 befestigt. Auf den Anschlussträgern 3 ist jeweils eine Mehrzahl von Bauelementen 2 angeordnet, die zur Erzeugung von Strahlung vorgesehen sind. Die Anzahl der Bauelemente kann je nach der von dem optoelektronischen Modul zu erzeugenden Strahlungsleistung in weiten Grenzen variiert werden. Hierbei muss auf den Anschlussträgern 3 nicht notwendigerweise jeweils die gleiche Anzahl von Bauelementen angeordnet sein.
Die strahlungsemittierenden Bauelemente weisen jeweils eine Hauptabstrahlungsrichtung auf, die senkrecht zu den Anschlussträgern 3 verläuft. Die Bauelemente sind also derart an dem Montagekörper befestigt, dass die von den Bauelementen abgestrahlte Strahlung überwiegend auf die Reflektorfläche 41 des Reflektors 4 trifft und nach mindestens einer Reflexion an dieser Reflektorfläche durch die Apertur des Reflektors austreten kann.
Zumindest zwei Bauelemente des Moduls weisen im Betrieb des Moduls, insbesondere hinsichtlich deren Peak-Wellenlängen, voneinander verschiedene Abstrahleigenschaften auf, wobei die Abstrahleigenschaften der Bauelemente vorzugsweise derart gewählt sind, dass aus dem optoelektronischen Modul mischfarbige Strahlung, vorzugsweise für das menschliche Auge weiß erscheinende Strahlung, austritt. Ein derartiges Modul ist für die Allgemeinbeleuchtung besonders geeignet.
Beispielsweise kann das optoelektronische Modul im grünen Spektralbereich emittierende, im roten Spektralbereich emittierende und im blauen Spektralbereich emittierende Bauelemente aufweisen. Die von den Bauelementen abgestrahlte Strahlung wird mittels der Reflektorfläche 41, insbesondere mittels der Struktur der Reflektorfläche 41, durchmischt und in Richtung der Apertur des optoelektronischen Moduls umgelenkt. Auf diese Weise ist eine Abstrahlcharakteristik des Moduls erzielbar, die für das menschliche Auge einen homogenen mischfarbigen Eindruck, insbesondere einen homogenen Weiß-Eindruck, ergibt. Die einzelnen Bauelemente können jeweils Strahlung in nur einem Spektralbereich erzeugen. Mit anderen Worten ist mittels der strukturierten Reflektorfläche ein, insbesondere im Fernfeld des Moduls, homogener Weiß-Eindruck auch mit Bauelementen erzielbar, die selbst jeweils nur Strahlung in einem Spektralbereich emittieren.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Struktur des Reflektors mittels gleichartigen Strukturelementen gebildet, die konvex gekrümmt, insbesondere kugelkalottenartig oder kugelsegmentartig, ausgebildet sind.
Auch eine andere Struktur, beispielsweise mit einer zumindest bereichsweise konkaven Krümmung der Strukturelemente oder mit jeweils zueinander schräg verlaufenden ebenen Flächen als Strukturelementen, kann Anwendung finden.
Die Strukturelemente können eine laterale Ausdehnung zwischen einschließlich 10 nm und einschließlich 10 mm aufweisen und somit in der Form einer Mikrostruktur oder einer Makrostruktur ausgebildet sein.
Insbesondere kann die laterale Ausdehnung der Strukturelemente im Bereich der Wellenlänge der vom optoelektronischen Modul abgestrahlten Strahlung liegen. Beispielsweise kann die laterale Ausdehnung zwischen einschließlich 100 nm und einschließlich 1 μm betragen. Auf diese Weise können optische Interferenzeffekte gezielt zur Einstellung der Abstrahlung des optoelektronischen Moduls genutzt werden.
Die Bauelemente des optoelektronischen Moduls 1 sind vorzugsweise im Bereich eines Fokus des Reflektors 4 angeordnet. Je größer die Anzahl der Bauelemente ist, die im Fokus oder zumindest in der Nähe des Fokus des Reflektors angeordnet sind, desto stärker gerichtet kann die Abstrahlung des Moduls, insbesondere senkrecht oder zumindest in einem kleinen Winkel zur Apertur des Reflektors, erfolgen. Eine gebündelte Abstrahlung ist so vereinfacht realisiert.
Der Montagekörper 5 des optoelektronischen Moduls kann entlang der Haupterstreckungsachse segmentiert sein. Dies ist in 1 anhand von gestrichelt dargestellten Segmenten 55 angedeutet. Als Beispiel für einen mehreckigen Querschnitt weisen die Segmente 55 jeweils einen quadratischen Querschnitt auf. Die Segmente sind bezogen auf die Haupterstreckungsachse des Montagekörpers zueinander verdreht. Die an den Seitenflächen der gestrichelt dargestellten Segmente 55 angeordneten Anschlussträger mit den zugehörigen Bauelementen sind in 1 zur verbesserten Übersichtlichkeit nicht explizit dargestellt.
Der Montagekörper 5 weist zweckmäßigerweise eine hohe thermische Leitfähigkeit auf. Beispielsweise kann der Montagekörper ein Metall, etwa Aluminium oder Kupfer, enthalten oder aus einem Metall bestehen. Alternativ oder ergänzend kann der Montagekörper eine Keramik, etwa Aluminiumnitrid oder Bornitrid, enthalten oder aus einer Keramik bestehen.
Der Montagekörper kann als ein massiver Körper ausgebildet sein. Davon abweichend kann der Montagekörper auch eine innere Struktur (nicht explizit dargestellt) aufweisen, die beispielsweise ein Kühlmedium umschließen kann. Beispielsweise kann der Montagekörper als ein Wärmerohr ausgeführt sein.
An den Seitenflächen 51 des Montagekörpers 5 sind die Anschlussträger 3 jeweils mittels eines wärmeleitenden Verbindungsmittels 6 befestigt. Das Verbindungsmittel kann beispielsweise mittels einer Wärmeleitpaste oder einer Wärmeleitfolie, beispielsweise eine Graphitfolie, gebildet sein.
Die Anschlussträger sind vorzugsweise jeweils als eine Leiterplatte ausgeführt. Beispielsweise eignet sich eine Leiterplatte vom Typ FR2 oder FR4. Eine Leiterplatte mit einem Metallkern (MC-PCB) ist aufgrund der hohen thermischen Leitfähigkeit besonders geeignet. Die von den Bauelementen im Betrieb erzeugte Wärme kann so besonders effizient durch die Anschlussträger hindurch zum Montagekörper hin abgeführt werden.
Als strahlungsemittierende Bauelemente 2 eignen sich insbesondere LED-Bauelemente.
Vorzugsweise sind die LED-Bauelemente als oberflächenmontierbare Bauelemente ausgeführt. Die Befestigung der Bauelemente und die Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung mit dem jeweiligen Anschlussträger kann so auf der dem Montagekörper abgewandten Seite des Anschlussträgers 3 erfolgen.
Die Seitenflächen 51 des Montagekörpers 5, an denen die Anschlussträger 3 befestigt sind, weisen jeweils eine Flächennormale auf, die parallel zur Apertur verläuft. Auf diese Weise ist vereinfacht gewährleistet, dass auf den jeweiligen Anschlussträgern befestigte Bauelemente Strahlung vorwiegend derart abstrahlen, dass die Strahlung erst nach einer Reflexion an der Reflektorfläche 41 des Reflektors 4 aus der Apertur austritt. Die Durchmischung der von den Bauelementen abgestrahlten Strahlung zu einem homogenen Gesamteindruck in einem großen Abstand zur Apertur wird so weitergehend vereinfacht.
Wie in 2 zu sehen, weist das optoelektronische Modul einen außerhalb des Reflektors 4 angeordneten Kühlkörper 8 auf, an dem der Montagekörper befestigt ist. Der Kühlkörper kann die im Betrieb des Moduls erzeugte Wärme aufnehmen. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel erstreckt sich der Montagekörper 5 durch den Reflektor 4 hindurch. Auf diesen außerhalb des Reflektors 4 angeordneten Kühlkörper kann davon abweichend aber auch verzichtet werden.
Weiterhin kann der Reflektor von dem gezeigten ersten Ausführungsbeispiel abweichend auch andere geometrische Grundformen aufweisen. Beispielsweise kann der Reflektor eine elliptische Grundform besitzen. Auch eine Ausbildung des Reflektors 4 gemäß einem Segment eines Rotationsparaboloiden kann Anwendung finden.
Ein zweites Ausführungsbeispiel für ein optoelektronisches Modul ist in 3 schematisch in einer Schnittansicht dargestellt.
Dieses zweite Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit den 1 und 2 beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied hierzu weist der Reflektor 4 eine gekrümmte Form auf, wobei die Krümmung des Reflektors lokal variiert.
Weiterhin weist der Montagekörper 5 im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel eine dreieckige Grundform auf, wobei an nur zwei Seitenflächen 51 des Montagekörpers jeweils ein Anschlussträger 3 befestigt ist.
Diese beiden Seitenflächen sind diejenigen Seitenflächen, deren Flächennormale zu der Reflektorfläche 41 des Reflektors 4 hin zeigt. Die Seitenfläche des Montagekörpers 5, deren Flächennormale zur Apertur des Reflektors hin zeigt, ist dagegen frei von einem Anschlussträger. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass die auf den Anschlussträgern angeordneten Bauelemente überwiegend derart abstrahlen, dass die Strahlung vor dem Austritt aus der Apertur des Reflektors zunächst an der Reflektorfläche umgelenkt wird und so, insbesondere aufgrund der Struktur der Reflektorfläche, durchmischt wird. Selbstverständlich kann der Montagekörper eine von dem gezeigten Ausführungsbeispiel abweichende Grundform, beispielsweise eine Grundform mit vier oder mehr Ecken, aufweisen.
Ein drittes Ausführungsbeispiel für ein optoelektronisches Modul ist in 4 in schematischer Aufsicht dargestellt. Dieses dritte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem in Zusammenhang mit 1 und 2 beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied hierzu ist die Struktur des Reflektors 4 unregelmäßig ausgebildet. Eine unregelmäßige Strukturierung kann beispielsweise mittels Aufrauung erzielt werden. Beispielsweise kann ein Grundkörper des Reflektors aufgeraut und nachfolgend mit einer hoch reflektierenden Beschichtung, beispielsweise einer metallischen Beschichtung, versehen werden. Alternativ kann der Grundkörper des Reflektors 4 bereits selbst hoch reflektierend ausgeführt sein und mittels einer Aufrauung strukturiert werden.
Eine derartig strukturierte Reflektorfläche ist auf einfache Weise herstellbar.
Ein viertes Ausführungsbeispiel für ein optoelektronisches Modul ist in den 5A und 5B in schematischer Aufsicht (5A) und zugehöriger Schnittansicht entlang der Linie AA' (5B) dargestellt.
Dieses Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit den 1 und 2 beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied hierzu weist der Montagekörper 5 wie im Zusammenhang mit 3 beschrieben eine dreieckige Grundform auf.
Davon abweichend kann selbstverständlich auch eine andere, insbesondere mehreckige, beispielsweise viereckige, Grundform Anwendung finden.
Weiterhin ist die Apertur 40 im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel länglich, insbesondere rechteckförmig ausgebildet.
In der Aufsicht ist zur verbesserten Darstellbarkeit lediglich der Montagekörper 5, nicht jedoch die an dem Montagekörper befestigten Anschlussflächen 3 und die zugehörigen Bauelemente 2, dargestellt.
Eine Haupterstreckungsachse des Montagekörpers 5 verläuft entlang einer Brennlinie des Reflektors 4. Die Brennlinie verläuft parallel zur Apertur 40 des optoelektronischen Moduls, also senkrecht zur Schnittebene der 5B.
Die Haupterstreckungsachse des Montagekörpers verläuft also parallel zur Apertur des Reflektors.
Die Anschlussträger 3 sind jeweils wiederum derart relativ zum Reflektor 4, insbesondere zur Apertur 40 orientiert, dass die auf den Anschlussträgern 3 angeordneten Bauelemente 2 jeweils eine Hauptabstrahlungsachse aufweisen, die zur Apertur des Reflektors einen Winkel von mindestens 90° aufweisen.
So ist gewährleistet, dass die abgestrahlte Strahlung überwiegend zunächst auf die Reflektorfläche 41 trifft und erst nach einer Durchmischung an der Reflektorfläche aus der Apertur 40 austritt. Auf diese Weise ist ein optoelektronisches Modul herstellbar, bei dem die durch eine längliche Apertur austretende Strahlung im Fernfeld eine hohe Homogenität aufweist.
Ein fünftes Ausführungsbeispiel für ein optoelektronisches Modul ist anhand der 6A und 6B in schematischer Aufsicht (6A) und zugehöriger Schnittansicht entlang der Linie AA' (6B) dargestellt.
Dieses fünfte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit den 1 und 2 beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel, wobei die Apertur des optoelektronischen Moduls, wie im Zusammenhang mit den 5A und 5B beschrieben, länglich ausgebildet ist.
Im Unterschied zu dem im Zusammenhang mit 5A und 5B beschriebenen vierten Ausführungsbeispiel weist das optoelektronische Modul 1 zusätzlich zu dem Montagekörper 5 zwei weitere Montagekörper 50 auf. Die Montagekörper 5, 50 weisen jeweils eine Haupterstreckungsachse auf, die senkrecht zur Apertur des optoelektronischen Moduls und weiterhin parallel zueinander verlaufen. An den Montagekörpern 5 sind jeweils an zwei gegenüberliegenden Montageflächen 51 Anschlussträger 3 mit darauf befestigten Bauelementen 2 angeordnet.
Die Normalen der Seitenflächen verlaufen jeweils parallel zur Apertur des Reflektors 4.
Die Montagekörper 5, 50 sind hierbei entlang einer Brennlinie des Reflektors 4 nebeneinander angeordnet. Auf diese Weise ist vereinfacht eine Abstrahlcharakteristik erzielbar, bei der die Strahlung nach Reflexion an der strukturierten Reflektorfläche 41 überwiegend in einem vergleichsweise kleinen Winkel zu einer Normalen auf die Apertur 40 des Reflektors 4 aus dem optoelektronischen Modul austritt.
Ein Ausführungsbeispiel für einen Montagekörper ist in 7 in perspektivischer schematischer Darstellung gezeigt.
Der Montagekörper 5 weist eine Mehrzahl von Segmenten 55 auf, die entlang einer Haupterstreckungsachse des Montagekörpers aneinander angrenzen. Die Segmente 55 sind jeweils gleichartig ausgebildet und weisen in dem gezeigten Ausführungsbeispiel im Querschnitt jeweils eine quadratische Grundform auf, wobei die so entstehenden Quader der Segmente 55 jeweils abgeschrägte Kanten aufweisen.
Der Montagekörper 5 ist vorzugsweise einstückig ausgeführt. Davon abweichend kann der Montagekörper auch mehrstückig ausgebildet sein.
Bezogen auf die Haupterstreckungsachse sind zwei benachbarte Segmente, beispielsweise ein erstes Segment 551 und ein zweites Segment 552, jeweils gegeneinander verdreht angeordnet. Eine Seitenfläche 553 des ersten Segments 551 steht somit schräg zu einer Seitenfläche 554 des zweiten Segments 552. Von dem gezeigten Ausführungsbeispiel abweichend können die Seitenflächen 51 der Segmente auch alternativ oder ergänzend gegeneinander verkippt sein.
Die Seitenflächen 51 der Segmente 55 sind vorzugsweise jeweils eben ausgeführt. Eine Befestigung von, insbesondere starren, Anschlussträgern wird dadurch vereinfacht. Selbstverständlich können die Segmente im Querschnitt auch in einer anderen Grundform, insbesondere einer mehreckigen Grundform mit einer von vier abweichenden Anzahl von Ecken, beispielsweise mit drei, fünf oder sechs Ecken, ausgeführt sein.
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 den Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Optoelektronisches Modul (1) mit einem Reflektor (4), der eine Apertur (40) und eine strukturierte Reflektorfläche (41) aufweist, und mit zumindest zwei Anschlussträgern (3), auf denen jeweils zumindest ein zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenes Bauelement (2) angeordnet ist, wobei – die Anschlussträger (3) zumindest teilweise im Inneren des Reflektors angeordnet sind; – zumindest zwei Bauelemente des Moduls im Betrieb des Moduls voneinander verschiedene Abstrahleigenschaften aufweisen, wobei den zwei Bauelementen jeweils eine Hauptabstrahlungsrichtung zugeordnet ist; und – die von den Bauelementen entlang ihrer jeweiligen Hauptabstrahlungsrichtung abgestrahlte Strahlung zumindest teilweise mittels der strukturierten Reflektorfläche in Richtung der Apertur umgelenkt wird.
Optoelektronisches Modul nach Anspruch 1, bei dem die zwei Bauelemente für die Erzeugung von Strahlung mit Peak-Wellenlängen in unterschiedlichen Spektralbereichen vorgesehen sind.
Optoelektronisches Modul nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Modul einen Montagekörper (5) aufweist, an dem zumindest einer der Anschlussträger befestigt ist.
Optoelektronisches Modul nach Anspruch 3, bei dem der Montagekörper ein Kühlmedium umschließt.
Optelektronisches Modul nach Anspruch 3 oder 4, bei dem der Montagekörper zumindest zwei Seitenflächen (51) aufweist, an denen jeweils einer der Anschlussträger des Moduls befestigt ist.
Optoelektronisches Modul nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem eine Flächennormale von zumindest einer Seitenfläche des Montagekörpers, auf der ein Bauelement angeordnet ist, von der Apertur weg zeigt.
Optoelektronisches Modul nach einem der Ansprüche 3 bis 6, bei dem der Montagekörper eine Haupterstreckungsachse aufweist, die senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zur Apertur des Reflektors verläuft.
Optoelektronisches Modul nach Anspruch 7, bei dem das Modul einen weiteren Montagekörper (50) mit einer weiteren Haupterstreckungsachse aufweist, die parallel oder im Wesentlichen parallel zur Haupterstreckungsachse des Montagekörpers verläuft.
Optoelektronisches Modul nach einem der Ansprüche 3 bis 6, bei dem der Montagekörper eine Haupterstreckungsachse aufweist, die parallel oder im Wesentlichen parallel zur Apertur des Reflektors verläuft.
Optoelektronisches Modul nach einem der Ansprüche 3 bis 9, wobei der Montagekörper senkrecht zur Haupterstreckungsachse einen mehreckigen Querschnitt aufweist.
Optoelektronisches Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 10, bei dem der Montagekörper entlang der Haupterstreckungsachse segmentiert ist, wobei ein erstes Segment (551) zumindest eine Seitenfläche (553) aufweist, die schräg zu einer Seitenfläche (554) eines zweiten Segments (552) ausgebildet ist.
Optoelektronisches Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der Reflektor einen Fokus aufweist und die Bauelemente im Bereich des Fokus angeordnet sind.
Optoelektronisches Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Struktur des Reflektors mittels gleichartigen Strukturelementen gebildet ist.
Optoelektronisches Modul nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Strukturelemente kugelsegmentartig ausgeführt sind und eine laterale Ausdehnung zwischen einschließlich 100 nm und einschließlich 1 μm aufweisen.
Optoelektronisches Modul nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Struktur des Reflektors unregelmäßig ausgebildet ist.