DE10359741A1 - Lichtemittierende Halbleiterdiode mit lichtundurchlässigem Körper - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine lichtemittierende Halbleiterdiode sowie eine Ausleuchteinheit, die als Lichtquelle mindestens eine lichtemittierende Halbleiterdiode umfasst. Dazu umfassen sie mindestens einen lichtundurchlässigen Körper, der zumindest bereichsweise parallel und/oder nicht-parallel zur Hauptabstrahlrichtung der lichtemittierenden Halbleiterdiode in der Ausbreitungsrichtung der lichtemittierenden Halbleiterdiode liegt. DOLLAR A Mit der vorliegenden Erfindung wird ein lichtabstrahlendes Element entwickelt, das einfach zu montieren ist und das einen scharfen Kontrast zwischen einem mit dem lichtabstrahlenden Element beleuchteten Bereich und einem unbeleuchteten Bereich erzeugt.

Description

• Die Erfindung betrifft eine lichtemittierende Halbleiterdiode sowie eine Ausleuchteinheit, die als Lichtquelle mindestens eine lichtemittierende Halbleiterdiode umfasst.
• Eine lichtemittierende Halbleiterdiode ist beispielsweise eine Leuchtdiode oder eine Laserdiode. Beides sind Lumineszensdioden mit integrierten optischen Lichtleit- und -verteileinrichtungen. Sie umfassen als elektrische Teile einen Sockel mit elektrischen Anschlüssen sowie einen lichtemittierenden Chip. Zum Schutz der elektrischen Teile sind diese von einem transparenten Elektronikschutzkörper umgossen oder umspritzt.
• Ausleuchteinheiten sind Leuchteinheiten, mit denen z.B. die Fahrbahn vor einem Fahrzeug angestrahlt und ausgeleuchtet wird. Zu den Ausleuchteinheiten zählen beispielsweise Scheinwerfer, Leseleuchten, Straßenleuchten etc. Im Gegensatz hierzu sind z.B. Anzeigeleuchteinheiten Leuchteinheiten, die beispielsweise der Signalisation dienen. Dies sind z.B. Fahrzeugrückleuchten, Bremsleuchten, Ampeln, etc.
• Heute bilden Freiformreflektoren, die z.B. in Ausleuchteinheiten angeordnet sind, Bilder der Lichtquelle auf der Strasse bzw. auf einer Projektionsfläche ab. Dabei werden die einzelnen Lichtquellenbilder durch jedes Reflektorsegment so angeordnet, dass alle Bilder unterhalb der Hell-Dunkel-Grenze er scheinen und möglichst kein Licht nach oben gelangt. Entscheidend für eine scharfe Hell-Dunkel-Grenze ist dabei, dass die Lichtquelle einen möglichst scharfen Kontrast zwischen leuchtendem Anteil und unbeleuchtetem Bereich aufweist. Dies ist bei Glühwendellichtquellen konstruktiv meist gegeben. Bei Gasentladungsscheinwerfern wird der hohe Kontrast durch einen schwarzen Streifen auf dem Entladungsgefäß erzeugt, der Teile des mitleuchtenden "Salzsees" abdeckt und so an der Grenzfläche einen scharfen Kontrast erzeugt. Bei Leuchtdioden haben beispielsweise weiße Leuchtdioden diesen hohen Kontrast nicht, da z.B. der Phosphor nicht so gezielt aufgebracht werden kann und die Chip-Position häufig leicht verdreht auf dem Submount ist.
• Aus der DE 101 47 289 A1 ist ein Fahrzeugscheinwerfer mit Leuchtdioden bekannt. Zur Begrenzung der seitlichen Strahlung der Leuchtdioden sind zwischen den einzelnen Leuchtdioden stegförmige Bleche angeordnet. Diese müssen aufwendig montiert werden und erschweren den Austausch der Leuchtdioden. Der von dem Scheinwerfer ausgeleuchtete Bereich hat einen breiten Übergangsbereich zu dem Bereich, der nicht ausgeleuchtet wird.
• Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Problemstellung zugrunde, ein lichtabstrahlendes Element zu entwickeln, das einfach zu montieren ist und das einen scharfen Kontrast zwischen einem mit dem lichtabstrahlenden Element beleuchteten Bereich und einem unbeleuchteten Bereich erzeugt.
• Diese Problemstellung wird mit den Merkmalen des Hauptanspruches gelöst. Dazu umfasst die lichtemittierende Halbleiterdi ode mindestens einen lichtundurchlässigen Körper, der zumindest bereichsweise parallel und/oder nichtparallel zur Hauptabstrahlrichtung der lichtemittierenden Halbleiterdiode in der Ausbreitungsrichtung der lichtemittierenden Halbleiterdiode liegt.
• Die Hauptabstrahlrichtung einer lichtemittierenden Halbleiterdiode liegt zumindest annähernd parallel zur geometrischen Mittellinie der in Richtung des Lichtaustrittseite orientierten Oberfläche der lichtemittierenden Halbleiterdiode oder fällt mit dieser zusammen. Die Hauptabstrahlrichtung ist vom lichtemittierenden Chip aus in Richtung der Umgebung der lichtemittierenden Halbleiterdiode orientiert. Die vom lichtemittierenden Chip emittierten Lichtstrahlen breiten sich in der Hauptabstrahlrichtung und um diese herum in Form eines z.B. einen halbraumförmigen Lichtkegels aus. Die Ausbreitungsrichtung der lichtemittierenden Halbleiterdiode wird durch diesen Lichtkegel begrenzt. Die Deckfläche des Lichtkegels ist hierbei der lichtemittierende Chip.
• Der lichtundurchlässige Körper ragt in den Lichtkegel der lichtemittierenden Halbleiterdiode hinein und schneidet gedanklich aus diesem ein Segment aus. In der von der lichtemittierenden Halbleiterdiode ausgeleuchteten Fläche, z.B. einer Fahrbahn, wird die Kontur des lichtundurchlässigen Körpers als Schatten abgebildet. Die ausgeleuchtete Fläche hat eine beispielsweise zur Schattengrenze hin zunehmende Helligkeit und ist zur Schattenprojektion des lichtundurchlässigen Körpers scharf begrenzt.
• Durch den scharfen Kontrast zwischen dem hellen und dunklen Bereich wird beispielsweise eine Blendung des Gegenverkehrs verhindert. Auch kann z.B. bei einer Halbleiterdiode mit einer zusätzlichen Farbstoffschicht eine Ungleichmäßigkeit der Leuchtdichtenverteilung im Randbereich eliminiert werden.
• Zur Montage der lichtemittierenden Halbleiterdiode wird diese beispielsweise auf eine Planfläche montiert und elektrisch angeschlossen. Zur Erzeugung des scharfen Kontrasts zwischen einer ausgeleuchteten und einer unbeleuchteten Fläche sind keine zusätzlichen Lichtleit- und -führungselemente erforderlich.
• Die lichtemittierende Halbleiterdiode kann einen Reflektor umfassen, ihr kann auch ein Reflektor im Strahlengang optisch nachgeschaltet sein.
• In einer Ausleuchteinheit mit einer lichtemittierenden Halbleiterdiode ist der lichtundurchlässige Körper in der Ausbreitungsrichtung dem lichtemittierenden Chip optisch nachgeschaltet. Er kann Teil der lichtemittierenden Halbleiterdiode sein, er kann aber beispielsweise auch auf einer optisch nachgeschalteten optischen Linse, einer Schutzscheibe etc. angeordnet sein.
• Die lichtemittierende Halbleiterdiode kann in der Ausleuchteinheit in bezug auf die Fahrtrichtung eine beliebige Lage haben. So kann die Hauptabstrahlrichtung der lichtemittierenden Halbleiterdiode beispielsweise in bezug auf die Fahrtrichtung nach oben, nach unten, nach hinten, nach vorne etc. gerichtet sein.
• Die Erfindung betrifft also eine Modifikation einer Leuchtdiode bzw. einer Ausleuchteinheit mit einer Leuchtdiode, um einen scharfen Kontrast z.B. auch bei einer weißen Leuchtdiode zu erzielen. Um den Kontrast zu erhöhen, kann der lichtundurchlässige Körper als Abdeckung z.B. des Phosphorcoatings etwa auf Höhe des Randes des lichtemittierenden Chips ange bracht werden. Diese Abdeckung kann in verschiedenen Ausführungen erfolgen. Es kann ein lichtundurchlässiger Film oder eine Beschichtung auf die Leuchtdiode aufgebracht werden. Auch eine Art Abdeckkappe könnte verwendet werden, die auf die Leuchtdiode oder dem lichtemittierenden Chip aufgesetzt wird. Alternativ kann auch eine Vorsatzlinse verwendet werden, die diese lichtundurchlässige Abdeckung am Rand aufweist. Dadurch haben Verdrehungen des lichtemittierenden Chips nur Auswirkungen auf die Lichtstärke z.B. des Scheinwerfers, aber nicht auf die Schärfe der Hell-Dunkel-Grenze.
• Bei der Bestimmung der geeigneten Gestalt der Randabdeckung ist es sinnvoll, ggf. die Abbildung der Lichtquelle durch einen Reflektor, z.B. einen Freiformreflektor, zu berücksichtigen.
• Anstatt einer absorbierenden Abdeckung kann auch eine reflektierende Abdeckung verwendet werden. Hierdurch kann die Lichtausbeute erhöht werden.
• Eine derartige Leuchtdiode oder eine mit dieser Leuchtdiode versehene Ausleuchteinheit kann überall dort eingesetzt werden, wo ein hoher Hell-Dunkel-Kontrast wichtig ist. Dies ist z.B. im Automobilbeleuchtungsbereich bei Abblendlicht- und Nebelscheinwerfern der Fall. Aber auch bei anderen Transportmitteln wie Flugzeugen, Zügen, Motorschlitten, Motorrädern etc. könnte dies zum Einsatz kommen. Auch der Einsatz in Arbeitsscheinwerfern für Baufahrzeuge, Leseleuchten, etc. ist denkbar.
• Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung einer schematisch dargestellten Ausführungsform.
• 1: Scheinwerfer mit Leuchtdiode.
• Die 1 zeigt eine Ausleuchteinheit (2), z.B. den Scheinwerfer (2) eines Kraftfahrzeuges. Der Scheinwerfer (2) umfasst hier eine z.B. in Fahrtrichtung angeordnete Lichtquelle (20), die beispielsweise in einem Gehäuse (10) befestigt ist. In dem Gehäuse (10) sind, der Lichtquelle (20) im Strahlengang nachgeschaltet, außerdem z.B. eine optische Linse (40) und eine klare Schutzscheibe (50) angeordnet. Durch die Schutzscheibe (50), sie ist beispielsweise bündig mit der Außenkontur der Fahrzeugkarosserie, treten die Lichtstrahlen aus der Ausleuchteinheit (2) in die Umgebung (1) aus.
• Die optische Achse (5) des Scheinwerfers (2) ist in diesem Ausführungsbeispiel zumindest annährend parallel mit der geometrischen Mittellinie der Lichtquelle (20) und der geometrischen Mittellinie der optischen Linse (40).
• Das Gehäuse (10) ist beispielsweise topfartig aufgebaut. Seine Länge entspricht etwa seinem maximalen Durchmesser. Der Gehäuseboden (11) ist ringförmig, wobei der Bohrungsdurchmesser etwa die Hälfte des Bodendurchmessers beträgt. Der Gehäusemantel (12) hat die Gestalt eines Hohlkegelstumpfes, dessen Durchmesser vom Gehäuseboden (11) aus bis zum maximalen Durchmesser hin anwächst. Der Durchmesser des Gehäusebodens (11) beträgt etwa die Hälfte des maximalen Durchmessers des Gehäuses (10). Die Innenseite (14) des Gehäusemantels (12) kann beispielsweise mit einer reflektierenden Schicht beschichtet sein oder als Reflektor ausgebildet sein.
• Die Lichtquelle (20) ist z.B. eine einzelne Leuchtdiode (20), die am Gehäuseboden (11) befestigt ist. Die Leuchtdiode (20) umfasst elektrische Teile (22, 23), einen Elektronikschutzkörper (26) und mindestens einen lichtundurchlässigen Körper (33). Die elektrischen Teile (22, 23) sind z.B. elektrische Anschlüsse (22), die aus dem Gehäuseboden (11) herausragen und ein lichtemittierender Chip (23). Der hier vereinfacht dargestellte lichtemittierende Chip (23) hat beispielsweise eine quadratische Stirnfläche (24). Auf dem lichtemittierenden Chip (23), der beim Betrieb der Leuchtdiode (20) z.B. blaues Licht emittiert, ist beispielsweise bereichsweise eine Farbstoffschicht (25), z.B. eine Phosphorschicht (25) aufgebracht. Diese Phosphorschicht (25) ist hier stark vereinfacht als ein den lichtemittierenden Chip (23) vollständig überdeckender Körper dargestellt. Beim Betrieb der Leuchtdiode (20) trifft beispielsweise ein Teil der vom lichtemittierenden Chip (23) emittierten blauen Lichtstrahlen auf die Phosphorschicht (25). Die Phosphorschicht (25) wird zur Strahlung angeregt und emittiert gelbes Licht. Die gelben und blauen Lichtstrahlen mischen sich additiv und ergeben weißes Licht, das von der Leuchtdiode (20) in die Umgebung (1) abgestrahlt wird.
• Der beschichtete lichtemittierende Chip (23) ist umgeben vom Elektronikschutzkörper (26). Der Elektronikschutzkörper (26) ist beispielsweise ein hochtransparenter Kunststoffkörper, z.B. aus PMMA. Er umfasst beispielsweise einen zylindrischen Abschnitt (27) und einen halbkugelförmigen Abschnitt (28). Die Mittelachse des zylindrischen Abschnitts (27) und die Mittelachse des halbkugelförmigen Abschnitts (28) liegen normal zur Stirnfläche (24) des lichtemittierenden Chips (23). Der Radius des zylindrischen Abschnitts (27) ist gleich dem Radius des halbkugelförmigen Abschnitts (28). Er entspricht etwa der Kantenlänge der Stirnfläche (24) des lichtemittierenden Chips (23). Die Länge des zylindrischen Abschnitts (27) entspricht etwa seinem Radius. Die Mantelfläche (29) des halbkugelförmigen Abschnitts (28) ist in Richtung der Lichtaustrittsseite der Leuchtdiode (20) orientiert. Ihre geometrische Mittellinie fällt mit der Mittelachse des halbkugelförmigen Abschnitts (28) zusammen. Die Hauptabstrahlrichtung (32) der Leuchtdiode ist somit in diesem Ausführungsbeispiel normal zur Stirnfläche (24) des lichtemittierenden Chips (23) orientiert.
• Auf der Mantelfläche (29) des halbkugelförmigen Abschnitts (28) und auf der Mantelfläche (31) des zylindrischen Abschnitts (27) ist ein lichtundurchlässiger Körper (33), beispielsweise eine Folie, ein Film, eine Kappe, etc., aufgebracht. Der lichtundurchlässige Körper (33) deckt z.B. in einem Sektor von 90 Grad ein Segment der Mantelflächen (29, 31) ab. In diesem Sektor werden beim Betrieb der Leuchtdiode (20) diejenigen Lichtstrahlen abgedeckt, die mit der Hauptstrahlrichtung (32) einen Winkel einschließen, der z.B. größer ist als 30 Grad.
• Der lichtundurchlässige Körper (33) kann auch eine Beschichtung der Mantelflächen (29, 31) sein. Er kann direkt auf den lichtemittierenden Chip (23) oder auf einer hierauf angeordneten Farbstoffschicht (25) liegen. Auch kann er in den Elektronikschutzkörper (26) eingeformt sein. Die dem lichtemittierenden Chip (23) zugewandte Oberfläche des lichtundurchlässigen Körpers (33) kann reflektierend sein.
• Die entgegen der Hauptstrahlrichtung (32) auf die Ebene der Stirnfläche (24) projizierte Fläche des lichtundurchlässigen Körpers (33) kann ein Streifen, ein Segment, eine Blende, eine durch stetige oder unstetige Kurven begrenzte Fläche etc. sein. Hierbei umfasst die projizierte Fläche z.B. einen Bereich der Stirnfläche (24) des lichtemittierenden Chips (23).
• Die optische Linse (40) ist beispielsweise eine Sammellinse, deren Brennpunkt z.B. außerhalb der Leuchtdiode (20) liegt. Die optische Linse (40) kann auch die Gestalt einer Fresnellinse haben oder eine Streulinse sein. Sie kann auch in den Elektronikschutzkörper (26) integriert sein.
• Der lichtundurchlässige Körper (33) kann auch ein Teil der optischen Linse (40) sein.
• Beim Betrieb des Scheinwerfers emittiert die Leuchtdiode (20) z.B. weißes Licht. Das Licht wird innerhalb eines angenommenen Lichtkegelstumpfes vom beschichteten lichtemittierenden Chip (23) abgestrahlt. Die Kopffläche des Kegelstumpfes ist die Stirnfläche (24) des lichtemittierenden Chips (23). Der Steigungswinkel des Kegelmantels beträgt z.B. bis zu 90 Grad. Ein Teil des weißen, vom beschichteten lichtemittierenden Chip (23) ausgesandten Lichts trifft den lichtundurchlässigen Körper (33), der in den Lichtkegel hineinragt. Hierbei wird auch das vom lichtemittierenden Chip (23) in der Hauptstrahlrichtung (32) emittierte Licht geschnitten.
• Am lichtundurchlässigen Körper (33) wird das Licht absorbiert oder reflektiert. Das restliche Licht verlässt den Elektronikschutzkörper (26) und trifft z.B. auf die Fahrbahn, die es ausleuchtet. Der lichtundurchlässige Körper (33) wird auf der Fahrbahn als Schatten mit z.B. scharfen Kanten abgebildet.
• Der lichtundurchlässige Körper (33) ist so angeordnet, dass er ein Segment des Lichtaustritts abschattet. So kann z.B. eine Blendung des Gegenverkehrs oder die Abstrahlung nach oben verhindert werden. Auch kann der Scheinwerfer (2) beispielsweise das Zentrum der Lichtquelle (20) auf die Fahrbahn abbilden. Der lichtundurchlässige Körper (33), z.B. eine Lochblende, deckt dann den Randbereich des lichtemittierenden Chips (23) ab. Der Randbereich des beschichteten lichtemittierenden Chips (23), an dem z.B. Farb- und/oder Helligkeitsschwankungen auftreten können, wird dabei nicht auf die Fahrbahn projiziert. Die Abbildung der Lichtquelle (20) auf die Fahrbahn ist dann beispielsweise eine gleichmäßige helle Fläche mit einer scharfen Begrenzung zum unbeleuchteten Bereich.
• Bei einer derartigen Anordnung des lichtundurchlässigen Körpers (33) kann der normal zur Hauptabstrahlrichtung (32) angeordnete lichtemittierende Chip (23) in dieser Normalenebene eine nahezu beliebige Winkellage haben. Die ausgeleuchtete Fläche der Fahrbahn und deren Begrenzung zur Schattenprojektion des lichtundurchlässigen Körpers (33) wird nicht beeinflusst.
• Eine Einstellung des ausgeleuchteten Bereichs ist beispielsweise mittels einer Einstellung des Scheinwerfers (2) oder einer Verdrehung, Verschwenkung, Verkippung etc. der Lichtquelle (20) möglich.
• Die Ausleuchteinheit (2) kann auch ohne Gehäuse (10) ausgeführt sein. Auch eine Ausführung ohne die optische Linse (40) und ohne die Schutzscheibe (50) ist denkbar.
• Die Ausleuchteinheit (2) kann mehrere Leuchtdioden (20) oder Laserdioden umfassen. Diese sind dann z.B. so ausgerichtet, dass sie das gleiche Feld auf der Fahrbahn ausleuchten.

1

Umgebung

2

Ausleuchteinheit, Scheinwerfer

5

optische Achse

10

Gehäuse

11

Gehäuseboden

12

Gehäusemantel

14

Innenseite von (12)

20

lichtemittierende Halbleiterdiode, Lichtquelle,

Leuchtdiode

22

elektrische Anschlüsse

23

lichtemittierender Chip

24

Stirnfläche von (23)

25

Farbstoffschicht, Phosphorschicht

26

Elektronikschutzkörper

27

Zylindrischer Abschnitt

28

Halbkugelförmiger Abschnitt

29

Mantelfläche von (28)

31

Mantelfläche von (27)

32

Hauptabstrahlrichtung

33

lichtundurchlässiger Körper, Abdeckung

40

optische Linse

50

Schutzscheibe

Claims (16)

1. Lichtemittierende Halbleiterdiode, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens einen lichtundurchlässigen Körper (33) umfasst, der zumindest bereichsweise parallel und/oder nichtparallel zur Hauptabstrahlrichtung (32) der lichtemittierenden Halbleiterdiode (20) in der Ausbreitungsrichtung der lichtemittierenden Halbleiterdiode (20) liegt.
2. Lichtemittierende Halbleiterdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine optische Linse (40) umfasst.
3. Lichtemittierende Halbleiterdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der lichtundurchlässige Körper (33) auf dem lichtemittierenden Chip (23) angeordnet ist.
4. Lichtemittierende Halbleiterdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der lichtundurchlässige Körper (33) auf dem Elektronikschutzkörper (26) der lichtemittierenden Halbleiterdiode (20) angeordnet ist.
5. Lichtemittierende Halbleiterdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der lichtundurchlässige Körper (33) eine Beschichtung oder eine Folie ist.
6. Lichtemittierende Halbleiterdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Reflektor umfasst.
7. Ausleuchteinheit, die als Lichtquelle mindestens eine lichtemittierende Halbleiterdiode umfasst, dadurch gekennzeichnet, – dass sie mindestens einen lichtundurchlässigen Körper (33) umfasst, der zumindest bereichsweise nichtparallel zur Hauptabstrahlrichtung (32) der lichtemittierenden Halbleiterdiode (20) in der Ausbreitungsrichtung der lichtemittierenden Halbleiterdiode (20) liegt.
8. Ausleuchteinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung der optischen Achse (5) der Ausleuchteinheit (2) zumindest annähernd parallel zur Hauptabstrahlrichtung (32) der lichtemittierende Halbleiterdiode (20) ist oder mit dieser zusammenfällt.
9. Ausleuchteinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der lichtundurchlässige Körper (33) Teil der lichtemittierenden Halbleiterdiode (20) ist.
10. Ausleuchteinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtemittierende Halbleiterdiode (20) eine Weißlicht-Leuchtdiode ist.
11. Ausleuchteinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Fahrzeugscheinwerfer (2) ist.
12. Ausleuchteinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der lichtundurchlässige Körper (33) zumindest auf seiner dem lichtemittierenden Chip (23) der lichtemittierenden Halbleiterdiode (20) zugewandten Fläche eine reflektierende Oberfläche aufweist.
13. Ausleuchteinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der lichtundurchlässige Körper (33) auf der Mantelfläche (29) des Elektronikschutzkörpers (26) der lichtemittierenden Halbleiterdiode (20) angeordnet ist.
14. Ausleuchteinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der lichtundurchlässige Körper (33) auf dem lichtemittierenden Chip (23) der lichtemittierenden Halbleiterdiode (20) angeordnet ist.
15. Ausleuchteinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Reflektor umfasst.
16. Ausleuchteinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der lichtemittierenden Halbleiterdiode (20) im Strahlengang eine optische Linse (40) nachgeschaltet ist.