DE69937544T2

DE69937544T2 - Led-modul und leuchte

Info

Publication number: DE69937544T2
Application number: DE69937544T
Authority: DE
Inventors: Matthijs H. Keuper; Michael D. Pashley
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV; Philips LumiLeds Holding BV
Current assignee: Koninklijke Philips NV; Philips LumiLeds Holding BV
Priority date: 1998-10-21
Filing date: 1999-09-24
Publication date: 2008-09-25
Anticipated expiration: 2019-09-25
Also published as: JP2002528861A; EP1048085A1; EP1048085B1; DE69937544D1; WO2000024062A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein LED-Modul mit einer LED (Licht emittierenden Diode) und einer rotationssymmetrischen, schalenförmigen Kollimatorlinse, welche mit einer Vertiefung versehen ist, in der sich die LED befindet, und welche ebenfalls mit einer ebenen Oberfläche versehen ist, aus der von der LED erzeugtes Licht austritt, wobei sich die Senkrechte zu der Oberfläche im Wesentlichen parallel zu der Symmetrieachse der Linse erstreckt. Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf eine mit mehreren LED-Modulen versehene Leuchte.
DE 195 07 234 offenbart ein LED-Modul gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und bezieht sich auf ein Signallicht für ein Fahrzeug mit mehreren LEDs und inneren und äußeren optischen Strukturen. Die innere optische Struktur ist so vorgesehen, dass sie Licht fokussiert, während die andere, äußere Struktur die Strahlung des fokussierten Lichts nach außen definiert. Die inneren und die äußeren optischen Strukturen der LEDs sind in eine einzelne, gemeinsame, optische Komponente integriert. Vorzugsweise ist jeder LED ein Rasterteil der optischen Komponente zugeordnet, wobei beide optische Strukturen jeweils an der optischen Achse der LED ausgerichtet sind. Typischerweise befindet sich der Lichtpunkt jeder Diode in den Brennpunkten auf den zugeordneten Rasterteilen der jeweiligen Strukturen.
Die Internationale Patentanmeldung WO 98/33007 offenbart eine Leuchte, welche ein Gehäuse mit einem Lichtemissionsfenster umfasst, wobei mindestens ein Beleuchtungsmodul in dem Gehäuse zur Beleuchtung eines Objekts untergebracht ist. Das Beleuchtungsmodul umfasst eine Lichtquelle, optische Mittel, eine Reihe Beleuchtungseinheiten, welche jeweils mindestens einen LED-Chip und ein mit diesem verbundenes, optisches System aufweisen, wobei die LED-Chips und das optische System jeweils die Lichtquellen und die optischen Mittel bilden. Das von der Lichtquelle erzeugte Licht wird auf verhältnismäßig effiziente Weise in der Leuchte gemäß der Erfindung genutzt.
In der Europäischen Patentanmeldung EP 0 798 788 wird ein Displayschild mit mehreren elektrooptischen Einrichtungen offenbart, wobei jede elektrooptische Einrichtung ein auf dieser aufgebrachtes, optisches Element aufweist, wobei das optische Element Oberflächen besitzt, an denen ein von der elektrooptischen Einrichtung emittiertes Streulicht reflektiert wird. Des Weiteren sind mehrere gewinkelte Oberflächen (Flächen) vorgesehen, von denen ein Lichtstrahl emittiert wird, wobei jede Fläche gewinkelt ist, um das von dieser emittierte Licht in eine andere Richtung zu leiten, um den Lichtstrahl zu formen und die Strahlintensität in einer vorgegebenen Richtung zu erhöhen.
Eine LED für eine Lichtquelle ist aus der Japanischen Patentanmeldung 60-055590 bekannt. Die Japanische Patentanmeldung offenbart eine LED und eine Totalreflexionslinse, wobei diese eine nahezu parabolförmig gekrümmte Oberfläche bilden.
Ein LED-Modul der eingangs erwähnten Art ist an sich bekannt. Zum Beispiel enthält die englischsprachige Zusammenfassung der Japanischen Patentanmeldung JP 61-147.585 eine Beschreibung eines solchen LED-Moduls. Dieses LED-Modul umfasst eine LED, welche auf einem Substrat befestigt und in der Vertiefung einer schalenförmigen Kollimatorlinse positioniert ist. Die Linse ist in ihrer Form rotationssymmetrisch und weist eine zugeordnete Symmetrieachse auf. Die Position der LED und die Form der Linse sind so aufeinander abgestimmt, dass ein großer Teil des von der LED erzeugten Lichts durch Brechung und Reflexion in einen parallelen Lichtstrahl umgewandelt wird, welcher die Linse über eine ebene Oberfläche verlässt. Die Linse und das Substrat sind in einem Metallgehäuse befestigt.
Das bekannte Modul weist einen wichtigen Nachteil auf. Das austretende Licht verlässt die Linse in einer Richtung, welche sich im Wesentlichen parallel zu der Symmetrieachse der Linse befindet. Unter bestimmten Umständen ist es wünschenswert, dass der parallele Strahl, relativ zu der Symmetrieachse betrachtet, in einem bestimmten Winkel aus der Linse austritt. Dieser Winkel muss mindestens 20° betragen.
Der Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil zu vermeiden. Im Besonderen liegt der Erfindung als Aufgabe zugrunde, ein LED-Modul der oben erwähnten Art vorzusehen, bei welchem das Licht in einem bestimmten Winkel relativ zu der Symmetrieachse der Linse austritt. Das vorgeschlagene LED-Modul sollte zudem kompakt sein. Außerdem muss das LED-Modul eine einfache Struktur aufweisen, und seine Herstellung muss kostengünstig sein.
Diese und weitere Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein LED-Modul mit einer LED (Licht emittierenden Diode) und einer rotationssymmetrischen, schalenförmigen Kollimatorlinse, die mit einer Vertiefung versehen ist, in welcher sich die LED befindet, und die ebenfalls mit einer ebenen Oberfläche versehen ist, aus der von der LED erzeugtes Licht austritt, gelöst, wobei sich die Senkrechte zu der Oberfläche im Wesentlichen parallel zu der Symmetrieachse der Linse erstreckt, und wobei die Oberfläche mit einer sägezahnartigen Struktur zur Ablenkung des austretenden Lichts versehen ist.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass eine solche sägezahnartige Struktur eine gute Lösung für die Ablenkung des aus der Linse austretenden, parallelen Strahls bietet. Da die maximalen Ausmaße der Zähne sehr gering (unter 1 mm) sind, kann eine solche sägezahnartige Struktur in einer relativ dünnen Schicht (Dicke unter 1 mm) vorgesehen werden. Aufgrund dessen bleiben auch die maximalen Ausmaße des LED-Moduls begrenzt. Im Vergleich zu alternativen Lösungen, bei denen vor der Austrittsfläche der Linse ein gesondertes Prisma angeordnet oder die Linse abgeschrägt ist, bietet die vorliegende Erfindung kompakte, kostengünstige LED-Module, welche leicht hergestellt werden können. Dieses trifft insbesondere dann zu, wenn Ablenkungswinkel von 20° und mehr erreicht werden müssen.
Das LED-Modul gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die sägezahnartige Struktur in einer separaten Folie vorgesehen ist, die an der Oberfläche der Kollimatorlinse befestigt ist. Solche Folien sind, zum Beispiel von 3M, im Handel erhältlich. Die Dicke dieser Folien liegt unter 1 mm. Die Folien können, vorzugsweise mit Hilfe eines Klebemittels, leicht an der ebenen Oberfläche der Linse befestigt werden.
Ein nicht erfindungsgemäßes LED-Modul ist dadurch gekennzeichnet, dass die sägezahnartige Struktur in die Oberfläche der Kollimatorlinse gepresst wird. In der Praxis wird eine Schablone, deren Pressfläche mit dem Negativ dieser Struktur versehen ist, eingesetzt, um eine solche sägezahnartige Struktur einzupressen. Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, zu diesem Zweck Kollimatorlinsen aus pressbarem Glas zu verwenden. In der Praxis ist es jedoch praktischer, eine solche Struktur in Kollimatorlinsen aus einem thermoplastischen Kunstharz vorzusehen, während sie Wärme unterworfen werden. Diese Linsen können durch Spritzgießen vorgesehen werden. Sehr gute Ergebnisse können bei Verwendung von Linsen aus Polycarbonat erzielt werden.
Ein weiteres nicht erfindungsgemäßes LED-Modul ist dadurch gekennzeichnet, dass die sägezahnartige Struktur in der Oberfläche der Kollimatorlinse mit Hilfe eines Abdruckverfahrens erhalten wird. Bei dieser Technik wird eine Lösung aus thermisch härtbarem Material auf der ebenen Oberfläche der bekannten Linse vorgesehen. Anschließend wird eine Schablone, deren aktive Oberfläche mit dem Negativ der beabsichtigten, sägezahnartigen Struktur versehen ist, in diese Flüssigkeit eingepresst und die Flüssigkeit da nach gehärtet, indem diese Wärme oder UV-Strahlung ausgesetzt wird. Anschließend wird die Schablone entfernt. Durch dieses Verfahren kann die gesamte Linse ebenfalls in einem einzigen Verfahrensschritt hergestellt werden. Es hat sich gezeigt, dass insbesondere (Methyl) Methacrylat-Verbindungen zur Herstellung der beabsichtigten Kollimatorlinsen sehr geeignet sind.
Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auch eine Leuchte mit einem kastenartigen Gehäuse, welches mehrere LED-Module aufnimmt, wobei jedes Modul eine LED und eine Kollimatorlinse umfasst, wobei die Linse mit einer ebenen Oberfläche versehen ist, aus der von der LED erzeugtes Licht austritt. Diese Leuchte ist dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche mit einer sägezahnartigen Struktur zur Ablenkung des austretenden Lichts versehen ist. Solche Leuchten sind kompakt und können leicht und kostengünstig hergestellt werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
1 – eine schematische Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines bekannten LED-Moduls;
2 – eine schematische Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels des LED-Moduls gemäß der Erfindung:
3 – eine schematische Schnittansicht eines nicht erfindungsgemäßen LED-Moduls;
4 – eine schematische Schnittansicht einer Leuchte gemäß der Erfindung.
Es sei erwähnt, dass gleiche Teile in den Figuren durch gleiche Bezugsziffern gekennzeichnet sind. Ebenfalls sei erwähnt, dass die Zeichnung nicht maßstabsgerecht ist.
1 zeigt eine schematische Schnittansicht der essentiellen Teile eines LED-Moduls nach dem Stand der Technik. Dieses Modul umfasst eine LED (1) (durch einen Punkt gekennzeichnet), welche in einer Vertiefung (2) einer rotationssymmetrischen, schalenförmigen Kollimatorlinse (3) positioniert ist. Die Rotationsachse der Linse (3) ist durch eine unterbrochene Linie (4) gekennzeichnet. Die Form der zylindrisch gewölbten Außenseiten (5) und (6) der Linse kommt der Form der Außenseite des Rotationskörpers eines Parabolspiegels bis zu einem gewissen Grade nahe. Die LED ist in dem Fokus dieses approximativen Parabolspiegels positioniert. Die Oberflächen (7) und (8) sind jeweils vor wiegend zylindrisch und plan. Der Klarheit halber sind die, die Linse und die LED relativ zueinander befestigt haltenden Teile des LED-Moduls nicht dargestellt.
1 zeigt ebenfalls schematisch (mit Hilfe von Pfeilen) den optischen Weg eines wesentlichen Teils des von der LED (1) erzeugten Lichts. Dieses wird von der Linse (3), entweder über Ablenkung auf die Linsenoberfläche (6) oder über Ablenkung auf die Linsenoberfläche (7) und Totalreflexion an der Linsenoberfläche (5), in einen parallelen Strahl umgewandelt. Der austretende, parallele Lichtstrahl erstreckt sich im Wesentlichen parallel zu der Symmetrieachse (4) der Linse.
2 zeigt eine schematische Schnittansicht eines LED-Moduls gemäß der Erfindung. Dieses LED-Modul umfasst die wesentlichen Teile des in 1 dargestellten LED-Moduls. Die Kollimatorlinse (3) des Moduls weist zusätzlich eine sägezahnartige Struktur (9) auf, die in Form einer separaten Folie (eines so genannten „Image Directing Film", Marke 3M) auf die Oberfläche (8) der Kollimatorlinse mittels Dymax 625 (Marke Dymax) aufgeklebt wird. Es hat sich gezeigt, dass mit Hilfe dieses LED-Moduls eine 30°-Ablenkung des Lichtstrahls relativ zu der Senkrechten zu der Oberfläche (8) erreicht werden kann. Im vorliegenden Fall wurde die Linse aus Polymethylmethacrylat (PMMA) hergestellt.
3 zeigt ein nicht erfindungsgemäßes LED-Modul. Dieses Modul weist ebenfalls die wesentlichen Teile des in 1 dargestellten Moduls auf. Die Kollimatorlinse des Moduls umfasst zusätzlich eine sägezahnartige Struktur, welche mit Hilfe einer Abdrucktechnik vorgesehen wird. Im vorliegenden Fall besteht die Linse aus Polymethylmethacrylat. Diese Linse ermöglicht eine zu erreichende 40°-Ablenkung des Lichtstrahls relativ zu der Symmetrieachse (4).
4 zeigt schematisch eine Leuchte gemäß der Erfindung. 4 ist eine Draufsicht der Leuchte. 4-b ist ein Querriss entlang den Linien IV-IV. Die Leuchte weist ein kastenartiges Gehäuse (11) auf, welches 25 LED-Module (12) aufnimmt. Diese Module umfassen jeweils eine LED (13) und eine Kollimatorlinse (14). Jede dieser Linsen besitzt eine Symmetrieachse (15), welche sich in parallel zueinander verlaufenden Richtungen erstrecken.
Die Austrittsfläche jeder Linse ist mit einer sägezahnartigen Struktur (16) versehen, um das von der relevanten LED (13) erzeugte, austretende Licht abzulenken. Im vorliegenden Fall besteht diese Struktur (16) aus einer mit Klebemittel befestigten Folie (s. oben), in welcher eine sägezahnartige Struktur vorgesehen ist.
Die einzelnen Folien jeder der Kollimatorlinsen der Leuchte können so ausgerichtet sein, dass die abgelenkten Strahlen parallel zueinander gerichtet sind. Es ist jedoch alternativ möglich, die einzelnen Folien so auszurichten, dass ein weiteres wünschenswertes Beleuchtungsmuster erzeugt wird. Wie in 4 schematisch dargestellt, besteht ebenfalls die Möglichkeit, sägezahnartige Strukturen mit verschiedenen Ablenkungswinkeln für die verschiedenen LED-Module zu verwenden. Auch ist es möglich, verschiedene LED-Arten einzusetzen, so dass ein gewünschtes Farb- und/oder Intensitätsmuster vorgesehen werden kann.

Claims

LED-Modul mit einer LED (1) und einer rotationssymmetrischen, schalenförmigen Kollimatorlinse (3), die mit einer Vertiefung (2) versehen ist, in welcher sich die LED (1) befindet, und die ebenfalls mit einer ebenen Oberfläche (8) versehen ist, aus der von der LED (1) erzeugtes Licht austritt, wobei sich die Senkrechte zu der Oberfläche (8) im Wesentlichen parallel zu der Symmetrieachse (4) der Linse (3) erstreckt, wobei die Oberfläche (8) mit einer sägezahnartigen Struktur (9) zur Ablenkung des austretenden Lichts versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die sägezahnartige Struktur (9) in einer separaten Folie vorgesehen ist, welche an der Oberfläche (8) der Kollimatorlinse (3) befestigt ist.
Leuchte mit einem kastenartigen Gehäuse, welches mehrere LED-Module nach Anspruch 1 aufnimmt.