DE102005042523A1

DE102005042523A1 - Beleuchtungseinrichtung

Info

Publication number: DE102005042523A1
Application number: DE102005042523A
Authority: DE
Inventors: Franz Schellhorn; Gunnar Klick; Hubert Ott; Georg Bogner; Mario Wanninger
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2005-05-31
Filing date: 2005-09-07
Publication date: 2006-12-07
Also published as: KR101236401B1; US20090201698A1; EP1886173A1; WO2006128422A1; TW200716914A; JP4988721B2; KR20080031874A; JP2008543004A; US7942565B2

Abstract

Es wird eine Beleuchtungseinrichtung angegeben, die eine Lichtquelle (1) aufweist, die geeignet ist, divergente elektromagnetische Strahlung (6) in einen Lichtleiter (2) einzukoppeln, wobei die Führung der elektromagnetischen Strahlung (6) im Lichtleiter (2) aufgrund von Totalreflexion erfolgt, der Lichtleiter (2) geeignet ist, eine Hauptstrahlrichtung (17) der elektromagnetischen Strahlung (6) zu ändern, und der Lichtleiter (2) einstückig ausgebildet ist. Als Lichtquelle (1) finden vorzugsweise Leuchtdioden Verwendung. Die Beleuchtungseinrichtung eignet sich besonders gut zur Hinterleuchtung von Displays.

Description

Es wird eine Beleuchtungseinrichtung angegeben.

Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine Beleuchtungseinrichtung anzugeben, die besonders kostengünstig herstellbar ist.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Beleuchtungseinrichtung eine Lichtquelle auf, die geeignet ist, elektromagnetische Strahlung zu erzeugen. Das heißt, im Betrieb strahlt die Lichtquelle elektromagnetische Strahlung ab. Bevorzugt ist die Lichtquelle geeignet, divergente elektromagnetische Strahlung zu erzeugen, beispielsweise divergentes sichtbares Licht. Vorzugsweise ist die Lichtquelle zu Erzeugung von divergentem weißem Licht geeignet.

Unter divergenter elektromagnetischer Strahlung ist dabei ein Strahlenbündel zu verstehen, das eine Winkelverteilung aufweist. Das heißt, Strahlen des Strahlenbündels schließen Winkel miteinander ein, die größer Null sind.

Die Lichtquelle ist bevorzugt geeignet, zumindest einen Teil der erzeugten divergenten Strahlung in einen Lichtleiter einzukoppeln. Dazu kann die Lichtquelle beispielsweise außerhalb des Lichtleiters angeordnet sein, sodass eine Strahlungseintrittsfläche des Lichtleiters der Lichtquelle nachgeordnet ist. Es ist aber auch möglich, dass die Lichtquelle oder ein Teil der Lichtquelle im Lichtleiter angeordnet sind, sodass die elektromagnetische Strahlung direkt im Lichtleiter abgestrahlt wird.

Unter einem Lichtleiter ist dabei ein optisches Element zu verstehen, das geeignet ist, elektromagnetische Strahlung von einem Ort zu einem anderen Ort zu führen. Insbesondere ist der Lichtleiter kein Strahlung erzeugendes optisches Element, sondern ein passives optisches Element. Die Führung der elektromagnetischen Strahlung erfolgt dabei vorzugsweise durch Reflexionen an den den Lichtleiter begrenzenden Seitenflächen.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung erfolgt die Führung der elektromagnetischen Strahlung im Lichtleiter aufgrund von Totalreflexionen an den den Lichtleiter begrenzenden Seitenflächen. Besonders bevorzugt erfolgt die Führung der elektromagnetischen Strahlung ausschließlich aufgrund von Totalreflexion. Das heißt, falls die auf die Seitenflächen des Lichtleiters fallende elektromagnetische Strahlung die Bedingung für Totalreflexion nicht erfüllt, tritt die Strahlung aus dem Lichtleiter in das den Lichtleiter umgebende, optisch dünnere Medium aus.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung ist der Lichtleiter geeignet, die Hauptstrahlrichtung der elektromagnetischen Strahlung zu ändern. Unter Hauptstrahlrichtung ist dabei eine Vorzugsrichtung der Strahlung zu verstehen. Beispielsweise verläuft diese Vorzugsrichtung parallel zu einer Längsachse des Lichtleiters oder eines Abschnitts des Lichtleiters. Die Hauptstrahlrichtung kann dabei auch senkrecht zu einer Strahlungsaustrittsfläche der Lichtquelle verlaufen. Das heißt, die Hauptstrahlrichtung verläuft entlang der optischen Achse der Lichtquelle.

Der Lichtleiter ist geeignet, beispielsweise durch Reflexion, die Hauptstrahlrichtung zu ändern. Das heißt, die Richtung eines Großteils der elektromagnetischen Strahlung im Lichtleiter wird durch Reflexion, bevorzugt Totalreflexion, geändert. Bevorzugt ist der Lichtleiter geeignet, die Hauptstrahlrichtung in definierter Weise zu ändern. Das bedeutet, die Hauptstrahlrichtung wird beim Durchlaufen des Lichtleiters um einen bestimmten, vorgebbaren Winkelbetrag geändert.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Lichtleiter einstückig ausgebildet. Das heißt, der Lichtleiter ist nicht aus mehreren Teilen zusammengesetzt, sondern aus einem Stück gefertigt. Der Lichtleiter kann dazu zum Beispiel mittels eines Spritzgussverfahrens gefertigt sein.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird eine Beleuchtungseinrichtung angegeben, die eine Lichtquelle aufweist, die geeignet ist, divergente Strahlung in einen Lichtleiter einzukoppeln. Im Lichtleiter erfolgt die Führung der Strahlung aufgrund von Totalreflexion. Der Lichtleiter ist geeignet, die Hauptstrahlrichtung der Strahlung zu ändern. Weiter ist der Lichtleiter einstückig ausgebildet. Das heißt, es wird eine Beleuchtungseinrichtung angegeben, bei der die Lichtquelle divergente Strahlung in einen einteiligen Lichtleiter einkoppelt und die Führung der Strahlung im Lichtleiter bevorzugt allein aufgrund von Totalreflexion erfolgt.

Die Beleuchtungseinrichtung macht sich dabei unter anderem die Idee zunutze, dass bei einem Lichtleiter, bei dem die Führung der elektromagnetischen Strahlung im Lichtleiter allein aufgrund von Totalreflexionen erfolgt, auf eine aufwändige und damit teure reflektierende Beschichtung von Teilen der Oberfläche des Lichtleiters verzichtet werden kann. Weiter ermöglicht die einstückige Herstellung des Lichtleiters ein besonders kostengünstiges Herstellungsverfahren wie z. B. Spritzgießen des Lichtleiters. Eine Anpassung des Lichtleiters an die Führung divergenter elektromagnetischer Strahlung erlaubt die Verwendung besonders kostengünstiger Lichtquellen, wie beispielsweise Leuchtdioden, ohne spezieller Optik zur Verringerung der Divergenz des abgestrahlten Lichts.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Lichtleiter einen ersten Abschnitt auf, der geeignet ist, die Divergenz der durch ihn tretenden elektromagnetischen Strahlung zu verringern. Beispielsweise ist der erste Abschnitt des Lichtleiters einer Strahlungseintrittsfläche oder der Lichtquelle direkt nachgeordnet. Der erste Abschnitt ist vorzugsweise geeignet, die Divergenz der durch ihn tretenden elektromagnetischen Strahlung zu verringern, ohne dabei die Hauptstrahlrichtung der Strahlung nennenswert zu verändern. Die Verringerung der Divergenz kann beispielsweise mittels Reflexion an Seitenflächen des Lichtleiters erfolgen, die den ersten Abschnitt des Lichtleiters begrenzen. Das heißt, der erste Abschnitt des Lichtleiters weist bevorzugt Seitenflächen auf, die zur Reflexion der elektromagnetischen Strahlung, vorzugsweise mittels Totalreflexion, geeignet sind. Besonders divergente Strahlung – beispielsweise Strahlung in den Randbereichen eines divergenten Strahlenbündels, welche die Bedingung für Totalreflexion nicht erfüllt, kann durch die Seitenflächen den Lichtleiter verlassen. Auch auf diese Weise wird die Divergenz der im Lichtleiter verbleibenden Strahlung effektiv reduziert.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung weist der Lichtleiter im ersten Abschnitt zumindest eine ebene Seitenfläche auf. Das heißt, die ebene Seitenfläche weist keine makroskopische Krümmung auf. Die Seitenfläche kann z. B. parallel zur Längsachse des ersten Abschnitts des Lichtleiters verlaufen. Der erste Abschnitt des Lichtleiters kann beispielsweise die Form eines Quaders aufweisen, der durch ebene Seitenwände des Lichtleiters begrenzt ist. Es ist aber auch möglich, dass die Seitenfläche einen Winkel mit der Längsachse einschließt. Vorzugsweise verjüngt sich der Lichtleiter dann in Richtung der Lichtquelle. Der erste Abschnitt kann dann z. B. die Form eines Pyramidenstumpfes aufweisen.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der erste Abschnitt des Lichtleiters wenigstens eine gekrümmte Seitenfläche auf. Der erste Abschnitt kann beispielsweise als Kegelstumpf ausgebildet sein. Es ist aber auch möglich, dass die Seitenfläche in einem Schnitt, beispielsweise in Richtung der Längsachse des ersten Abschnitts des Lichtleiters, eine Krümmung aufweist. Der Lichtleiter kann dann im ersten Abschnitt zumindest stellenweise nach Art wenigstens eines der folgenden optischen Elemente ausgeführt sein:
zusammengesetzter parabolischer Konzentrator (CPC – compound parabolic concentrator), zusammengesetzter elliptischer Konzentrator (CEC – compound elliptic concentrator), zusammengesetzter hyperbolischer Konzentrator (CHC – compound hyperbolic concentrator). Bevorzugt verjüngt sich der erste Abschnitt dabei in Richtung der Lichtquelle, sodass die Divergenz der elektromagnetischen Strahlung bei Durchtritt durch den Lichtleiter aufgrund von Totalreflexionen an den Seitenflächen des Lichtleiters verringert wird.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform führt der erste Abschnitt des Lichtleiters die elektromagnetische Strahlung in einen zweiten Abschnitt des Lichtleiters. Bevorzugt schließt sich der zweite Abschnitt des Lichtleiters direkt an den ersten Abschnitt in Hauptstrahlrichtung an. Erster und zweiter Abschnitt des Lichtleiters sind bevorzugt einstückig ausgebildet.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung weist der Lichtleiter zudem einen zweiten Abschnitt auf, der geeignet ist, die Hauptstrahlrichtung der elektromagnetischen Strahlung im Lichtleiter zu ändern. Das heißt, der zweite Abschnitt ist derart ausgebildet, dass er zum Umlenken zumindest eines Teils der elektromagnetischen Strahlung im Lichtleiter geeignet ist. Bevorzugt erfolgt die Richtungsänderung dabei mittels Reflexion der elektromagnetischen Strahlung an einer den zweiten Abschnitt begrenzenden Seitenfläche des Lichtleiters, besonders bevorzugt durch Totalreflexion.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung weist der Lichtleiter im zweiten Abschnitt eine Umlenkfläche auf. Bevorzugt ist die Umlenkfläche geeignet, zumindest einen Teil der elektromagnetischen Strahlung im Lichtleiter, beispielsweise aus dem ersten Abschnitt kommende elektromagnetische Strahlung, zu reflektieren. Die Umlenkfläche ist bevorzugt durch wenigstens eine den Lichtleiter im zweiten Abschnitt begrenzende Seitenfläche des Lichtleiters gegeben. Bevorzugt erfolgt die Reflexion an der Umlenkfläche mittels Totalreflexion. Das heißt, vorzugsweise kann auf eine reflektierende Beschichtung der Umlenkfläche verzichtet werden.

Der Teil der elektromagnetischen Strahlung, der auf die Umlenkfläche trifft und die Bedingung für Totalreflexion nicht erfüllt, tritt an der Umlenkfläche aus dem Lichtleiter ins optisch dünnere Medium – beispielsweise den Lichtleiter umgebende Luft – aus. Vorzugsweise trifft der überwiegende Teil der elektromagnetischen Strahlung im Lichtleiter beim Durchlaufen des Lichtleiters auf die Umlenkfläche.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung schneidet die Umlenkfläche die Längsachse des ersten Abschnitts des Lichtleiters. Bevorzugt erstreckt sich die Umlenkfläche über die gesamte Breite des ersten Abschnitts des Lichtleiters. Besonders bevorzugt schließt die Umlenkfläche mit der Längsachse einen Winkel von wenigstens 90° ein.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung ist die Umlenkfläche eben ausgebildet. Das heißt, die Umlenkfläche weist keine makroskopische Krümmung auf.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung ist die Umlenkfläche des Lichtleiters zweiteilig ausgebildet. Bei dieser Ausführungsform kann die Umlenkfläche eben ausgebildet sein. Bevorzugt schließt ein erster Abschnitt der Umlenkfläche mit der Längsachse des ersten Abschnitts des Lichtleiters einen ersten Winkel ein. Ein zweiter Abschnitt der Umlenkfläche schließt dann mit der Längsachse des ersten Abschnitts des Lichtleiters einen zweiten Winkel ein. Bevorzugt umfasst die Umlenkfläche dann genau diese beiden Abschnitte, wobei sich der erste Abschnitt der Umlenkfläche von einer Seitenfläche des ersten Abschnitts des Lichtleiters zur Längsachse des ersten Abschnitts erstreckt und der zweite Abschnitt der Umlenkfläche sich von der Längsachse des ersten Abschnitts des Lichtleiters zu einer Seitenfläche eines dritten Abschnitts des Lichtleiters erstreckt. Bevorzugt beträgt der erste Winkel zwischen 150° und 170°, vorzugsweise cirka 160°. Der zweite Winkel beträgt dann bevorzugt zwischen 90° und 110°, vorzugsweise cirka 100°.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung weist die Umlenkfläche eine Krümmung auf, d. h. die Umlenkfläche ist zumindest stellenweise konkav in den Lichtleiter hinein oder konvex aus dem Lichtleiter hinaus gekrümmt. Es ist dabei insbesondere möglich, dass die Umlenkfläche über ihre gesamte Erstreckung eine konvexe oder konkave Krümmung aufweist.

Beispielsweise weist die Umlenkfläche zumindest stellenweise zumindest eine der folgenden Krümmungen auf: parabelartig, ellipsenartig, sphärisch, asphärisch. Das heißt, die Umlenkfläche ist dann im Schnitt zumindest stellenweise nach Art einer Parabel, einer Ellipse, eines Kreises oder asphärisch gekrümmt. Die Krümmung dann dabei konvex aus dem Lichtleiter hinaus oder konkav in den Lichtleiter hinein sein. Weiter ist es möglich, dass die Umlenkfläche zumindest stellenweise nach Art eines Paraboloids, eines Ellipsoids, einer Kugel und/oder einer Rotationsasphäre gekrümmt ist. Darüber hinaus ist es auch möglich, dass die Umlenkfläche durch eine Freiformfläche gegeben ist, die Krümmungen verschiedener, höherer Ordnung aufweisen kann. Besonders bevorzugt ist die Umlenkfläche konvex aus dem Lichtleiter hinausgekrümmt und weist dabei eine nach Art eines Ellipsoids gekrümmte Oberfläche auf.

Die Beleuchtungseinrichtung macht sich dabei unter anderem die Idee zunutze, dass durch die Ausgestaltung der Umlenkfläche eine definierte Umlenkung der elektromagnetischen Strahlung im Lichtleiter erfolgen kann. Das heißt, durch die Ausgestaltung der Umlenkfläche kann zum einen die Richtung eingestellt werden, in die die elektromagnetische Strahlung umgelenkt wird, und zum anderen kann durch Ausgestaltung der Umlenkfläche die Abstrahlcharakteristik des reflektierten Lichts – d. h. beispielsweise die räumliche Intensitätsverteilung des reflektierten Lichts – gezielt eingestellt sein. Die Formgebung der Umlenkfläche kann insbesondere auch an divergente Strahlung im Lichtleiter angepasst sein, so dass ein möglichst großer Anteil der auf die Umlenkfläche treffenden elektromagnetischen Strahlung an dieser totalreflektiert wird. Elektromagnetische Strahlung, die in ungewollten Winkeln auf die Umlenkfläche austritt, wird dort transmittiert und verlässt den Lichtleiter.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung ist der zweite Abschnitt des Lichtleiters geeignet, die Hauptabstrahlrichtung um einen vorgegebenen Winkel zu drehen. Das heißt, elektromagnetische Strahlung wird beispielsweise an der Umlenkfläche des zweiten Abschnitts definiert reflektiert, sodass die Hauptstrahlrichtung der aus dem ersten Abschnitt kommenden elektromagnetischen Strahlung in eine vorgebbare Richtung, also um einen vorgebbaren Winkel, umgelenkt wird.

Beispielsweise kann die Hauptstrahlrichtung um 90° gedreht werden. Die elektromagnetische Strahlung wird vom zweiten Abschnitt z. B. in einen dritten Abschnitt des Lichtleiters geführt.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung weist der Lichtleiter einen dritten Abschnitt auf, der geeignet ist, die elektromagnetische Strahlung im Lichtleiter zu einer Strahlungsaustrittsfläche des Lichtleiters zu führen. Beispielsweise schließt sich der dritte Abschnitt des Lichtleiters dem zweiten Abschnitt direkt an. Zweiter und dritter Abschnitt des Lichtleiters sind dann bevorzugt einstückig ausgebildet.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung ist der dritte Abschnitt zur Verringerung der Divergenz der durch ihn tretenden elektromagnetischen Strahlung geeignet. Der dritte Abschnitt ist vorzugsweise geeignet, die Divergenz der durch ihn tretenden elektromagnetischen Strahlung zu verringern, ohne dabei die Hauptstrahlrichtung der Strahlung nennenswert zu verändern. Die Verringerung der Divergenz kann beispielsweise mittels Reflexion an Seitenflächen des Lichtleiters erfolgen, die den dritten Abschnitt des Lichtleiters begrenzen. Das heißt, der dritte Abschnitt des Lichtleiters weist bevorzugt Seitenflächen auf, die zur Reflexion der elektromagnetischen Strahlung, vorzugsweise mittels Totalreflexion, geeignet sind. Besonders divergente Strahlung, welche die Bedingung für Totalreflexion nicht erfüllt, kann durch die Seitenflächen den Lichtleiter verlassen, sodass auch auf diese Weise die Divergenz der im Lichtleiter verbleibenden Strahlung effektiv reduziert wird.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung weist der Lichtleiter im dritten Abschnitt zumindest eine ebene Seitenfläche auf. Das heißt, die ebene Seitenfläche weist keine makroskopische Krümmung auf. Die Seitenfläche kann z. B. parallel zur Längsachse des dritten Abschnitts des Lichtleiters verlaufen.

Der dritte Abschnitt des Lichtleiters kann beispielsweise die Form eines Quaders aufweisen. Es ist aber auch möglich, dass die Seitenfläche einen Winkel mit der Längsachse des dritten Abschnitts einschließt. Vorzugsweise verbreitert sich der Lichtleiter dann in Richtung der Strahlungsaustrittsfläche des Lichtleiters. Der dritte Abschnitt kann z. B. die Form eines Pyramidenstumpfes aufweisen.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der dritte Abschnitt des Lichtleiters wenigstens eine gekrümmte Seitenfläche auf. Der dritte Abschnitt kann beispielsweise als Kegelstumpf ausgebildet sein, der sich beispielsweise zur Strahlungsaustrittsfläche hin verbreitert.

Es ist aber auch möglich, dass die Seitenfläche in einem Schnitt durch den Lichtleiter, beispielsweise in Richtung der Längsachse des dritten Abschnitts des Lichtleiters, eine Krümmung aufweist. Der Lichtleiter kann dann im dritten Abschnitt zumindest stellenweise nach Art wenigstens eines der folgenden optischen Elemente ausgeführt sein:
zusammengesetzter parabolischer Konzentrator (CPC – compound parabolic concentrator), zusammengesetzter elliptischer Konzentrator (CEC – compound elliptic concentrator), zusammengesetzter hyperbolischer Konzentrator (CHC – compound hyperbolic concentrator). Bevorzugt verjüngt sich der dritte Abschnitt dabei in Richtung des zweiten Abschnitts, sodass die Divergenz der elektromagnetischen Strahlung bei Durchtritt durch den Lichtleiter aufgrund von Totalreflexionen an den Seitenflächen des Lichtleiters verringert wird. Der dritte Abschnitt des Lichtleiters ist dabei bevorzugt solange ausgeführt, dass eine ausreichende Durchmischung der durch ihn tretenden Strahlung gewährleistet ist. Der dritte Abschnitt stellt dadurch sicher, dass die Lichtquelle an der Strahlungsaustrittsfläche des dritten Abschnitts nicht abgebildet wird. Das heißt, es sollen an der Strahlungsaustrittsfläche des dritten Abschnitts keine Hotspots auftreten, sondern die elektromagnetische Strahlung soll möglichst gleichmäßig über die Strahlungsaustrittsfläche verteilt sein.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform führt der dritte Abschnitt des Lichtleiters die elektromagnetische Strahlung zu einer Strahlungsaustrittsfläche des Lichtleiters. Es ist aber auch möglich, dass dem dritten Abschnitt des Lichtleiters ein oder mehrere weitere Abschnitte folgen, die ähnlich zum ersten oder ähnlich zum zweiten Abschnitt des Lichtleiters ausgebildet sein können. Das heißt, die weitern Abschnitte des Lichtleiters können zur Verringerung der Divergenz und/oder Umlenkung der Hauptstrahlrichtung geeignet sein.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung weist der Lichtleiter eine Strahlungsaustrittsfläche auf, durch die zumindest ein Teil der in den Lichtleiter eingekoppelten elektromagnetischen Strahlung aus diesem wieder austritt. Durch die Strahlungsaustrittsfläche austretende elektromagnetische Strahlung verlässt den Lichtleiter an zum Lichtaustritt vorgesehener Stelle. Es ist zwar möglich, dass Strahlung den Lichtleiter auch an anderen Stellen als der Strahlungsaustrittsfläche verlässt, beispielsweise solche Strahlung, die bei Auftreffen auf eine der Seitenflächen des Lichtleiters die Bedingung für Totalreflexion nicht erfüllt, die Strahlungsaustrittsfläche stellt aber die Fläche des Lichtleiters dar, die zum Lichtaustritt vorgesehen ist. Bevorzugt tritt ein Großteil der in den Lichtleiter eingekoppelten elektromagnetischen Strahlung durch die Strahlungsaustrittsfläche aus dem Lichtleiter aus. Vorzugsweise ist der Strahlungsaustrittsfläche die von der Beleuchtungseinrichtung zu beleuchtende Fläche oder das von der Beleuchtungseinrichtung zu beleuchtende Objekt nachgeordnet. Es ist auch möglich, dass die Strahlungsaustrittsfläche an die Strahlungseintrittsfläche beispielsweise eines weiteren Lichtleiters grenzt.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung ist die Strahlungsaustrittsfläche eben ausgebildet. Das heißt, die Strahlungsaustrittsfläche weist keine makroskopischen Unebenheiten oder Krümmungen auf.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Strahlungsaustrittsfläche zumindest stellenweise eine makroskopische Krümmung auf. Die Strahlungsaustrittsfläche kann dabei sowohl konvex aus dem Lichtleiter hinaus oder konkav in den Lichtleiter hinein gekrümmt sein. Beispielsweise kann die Strahlungsaustrittsfläche eine der folgenden Krümmungen aufweisen: sphärisch, asphärisch, elliptisch. Die Strahlungsaustrittsfläche kann auch nach Art einer der folgenden optischen Elemente ausgebildet sein:
Volumenlinse, die zur Lichtstreuung oder Lichtsammlung geeignet ist, Fresnellinse. Die Strahlungsaustrittsfläche ist dabei bevorzugt einstückig mit dem Lichtleiter ausgebildet.

Besonders bevorzugt ist die Strahlungsaustrittsfläche dem dritten Abschnitt des Lichtleiters direkt nachgeordnet, sodass ein Großteil der Strahlung im dritten Abschnitt des Lichtleiters diesen durch die Strahlungsaustrittsfläche verlässt.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung ist die Strahlungsaustrittsfläche diffus streuend ausgebildet, d. h. elektromagnetische Strahlung, die durch die Strahlungsaustrittsfläche tritt, wird beispielsweise durch Lichtbrechung in verschiedene Richtungen abgelenkt. Bevorzugt ist die Strahlungsaustrittsfläche dazu aufgeraut. Auf diese Weise ist auch die Wahrscheinlichkeit für Totalreflexion von Strahlung aus dem Lichtleiter an der Strahlungsaustrittsfläche reduziert. Im Übrigen ist es aber auch möglich, dass die Strahlungsaustrittsfläche diffus streuend beschichtet ist.

Die Beleuchtungseinrichtung macht sich dabei unter anderem die Idee zunutze, dass die Einkoppelung der durch die Strahlungsaustrittsfläche tretenden Strahlung in einen weiteren Lichtleiter, beispielsweise einen flächig ausgestalteten Lichtleiter, dort besonders effizient erfolgt, wenn die austretende Strahlung eine gewisse Divergenz aufweist. Der flächige Lichtleiter kann beispielsweise ein Oberflächenleuchtsystem bilden, dass eine Fläche umfasst, durch die elektromagnetische Strahlung austreten kann. Beispielsweise ist der flächige Lichtleiter zur Hinterleuchtung eines Displays vorgesehen. Beispielsweise die Druckschrift DE 19860697 , deren Offenbarungsgehalt bezüglich eines flachen Lichtleitermoduls hiermit durch Rückbezug aufgenommen ist, beschreibt einen solchen flächigen Lichtleiter.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Lichtleiter der Beleuchtungseinrichtung als Vollkörper ausgebildet, d. h. die den Lichtleiter begrenzenden Seitenflächen sind beispielsweise durch die Oberflächen des Vollkörpers gebildet. Bevorzugt ist der Vollkörper frei von Kavitäten. Das heißt, bevorzugt sind im Vollkörper keine Hohlraume, das heißt, beispielsweise keine Einschlüsse von Gas enthalten.

Besonders bevorzugt ist der Vollkörper aus einem transparenten Material gebildet. Es ist aber auch möglich, dass der Lichtleiter aus einem Licht diffus streuenden Material gebildet ist.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Material, aus dem der Lichtleiter gebildet ist, einen Brechungsindex von wenigstens 1,0, besonders bevorzugt von wenigstens 1,3 auf.

Beispielsweise ist der Lichtleiter aus einem der folgenden transparenten Kunststoffe gebildet oder enthält einen der folgenden Kunststoffe: PMMA, Polykarbonat, PMMI, COC. Bevorzugt ist der Lichtleiter durch einen Spritzgussprozess hergestellt, d. h. der Lichtleiter ist spritzgegossen. Der Lichtleiter kann aber auch aus einem Glas gebildet sein. Dabei kann der Lichtleiter beispielsweise aus einem Glas gegossen werden.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung ist die Lichtquelle im Lichtleiter angeordnet. Bevorzugt ist die Lichtquelle dabei im ersten Abschnitt des Lichtleiters angeordnet. Die Lichtquelle ist vorzugsweise zur Erzeugung divergenter elektromagnetischer Strahlung geeignet. Die Hauptstrahlrichtung der von der Lichtquelle im Betrieb emittierten elektromagnetischen Strahlung verläuft bevorzugt parallel zu einer Längsachse des ersten Abschnitts des Lichtleiters.

Bei der Lichtquelle handelt es sich vorzugsweise um zumindest eine Leuchtdiode oder zumindest einen Leuchtdiodenchip. Beispielsweise umfasst die Lichtquelle eine Mehrzahl von Leuchtdioden oder Leuchtdiodenchips, die entlang einer geraden Linie in einer Ebene angeordnet sind.

Das Material des Lichtleiters kann dabei zumindest einen Teil der Vergussmasse darstellen, mit der der Leuchtdiodenchip vergossen ist. Das bedeutet, der Leuchtdiodenchip ist entweder direkt mit dem Material des Lichtleiters vergossen – d. h. der Lichtleiter bilden den Verguss des Leuchtdiodenchips – oder der Leuchtdiodenchip ist mit einem anderen Vergussmaterial vergossen, das an das Material des Lichtleiters grenzt. In diesen Fällen sind Lichtquelle und Lichtleiter einstückig ausgebildet. Für den Fall, dass die Lichtquelle im Lichtleiter angeordnet ist, können beispielsweise elektrische Anschlussstellen zum elektrischen Kontaktieren der Lichtquelle aus dem Lichtleiter hinausgeführt sein.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung weist der Lichtleiter eine Strahlungseintrittsfläche auf. Die Lichtquelle ist in diesem Fall bevorzugt außerhalb des Lichtleiters angeordnet. Die Strahlungseintrittsfläche ist vorzugsweise in Hauptstrahlrichtung der Lichtquelle nachgeordnet. Dabei kann eine Strahlungsauskoppelfläche der Lichtquelle entweder direkt an die Strahlungseintrittsfläche des Lichtleiters grenzen oder zwischen Lichtquelle und Strahlungseintrittsfläche des Lichtleiters befindet sich ein Spalt, der beispielsweise mit Luft gefüllt ist.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Strahlungseintrittsfläche vorgesehen, zumindest einen Teil der von der Lichtquelle emittierten elektromagnetischen Strahlung beim Eintritt in den Lichtleiter optisch zu brechen. Bevorzugt wird die eintretende Strahlung dabei zumindest zum Teil zur Längsachse des ersten Abschnitts des Lichtleiters hin gebrochen. Die Längsachse ist die Symmetrieachse des ersten Abschnitts des Lichtleiters in Längsrichtung.

Bevorzugt ist die Strahlungseintrittsfläche geeignet, die Divergenz der durch sie tretenden elektromagnetischen Strahlung mittels Brechung zu verringern. Dazu kann die Strahlungseintrittsfläche beispielsweise eben ausgebildet sein.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung weist die Strahlungseintrittsfläche eine Krümmung auf. Das heißt, die Strahlungseintrittsfläche ist makroskopisch gekrümmt. Die Strahlungseintrittsfläche kann dabei konvex aus dem Lichtleiter hinaus oder konkav in den Lichtleiter hinein gekrümmt sein. Weiter ist es möglich, dass die Strahlungseintrittsfläche sowohl konvex als auch konkav gekrümmte Teilbereiche aufweist.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung weist die Strahlungseintrittsfläche zumindest eine der folgenden Krümmungen auf: sphärisch, elliptisch, asphärisch.

Die Strahlungsauntrittsfläche kann zumindest teilweise nach Art eines der folgenden optischen Elemente ausgebildet sein:
sphärisch gekrümmte Volumenlinse, asphärisch gekrümmte Volumenlinse, Fresnellinse. Das optische Element ist dabei bevorzugt aus dem Material des Lichtleiters gebildet und einstückig mit dem Lichtleiter ausgebildet.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Strahlungseintrittsfläche in einem die Längsachse des ersten Abschnitts umgebenden Zentralbereich der Strahlungseintrittsfläche nach Art einer sphärischen oder asphärischen Linse aus dem Lichtleiter hinaus gewölbt.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung ist um den Zentralbereich der Strahlungseintrittsfläche zumindest ein ringförmiger Reflektor angeordnet. Der Reflektorring ist beispielsweise in einem zur Längsachse parallelen Schnitt durch den Lichtleiter sägezahnförmig ausgebildet. Die Strahlungseintrittsfläche weist dann sowohl reflektive als auch refraktive optische Elemente auf.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung umfasst die Lichtquelle zumindest einen. Leuchtdiodenchip. Bevorzugt handelt es sich bei dem Leuchtdiodenchip um einen Leuchtdiodenchip in Dünnfilmbauweise. Besonders bevorzugt umfasst die Lichtquelle eine Mehrzahl von Leuchtdioden, die beispielsweise entlang einer geraden Linie in einer Ebene angeordnet sind.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Lichtquelle eine diffus gerichtete Abstrahlcharakteristik auf. Das heißt, die von der Lichtquelle im Betrieb emittierte Strahlung weist eine Hauptabstrahlrichtung auf, in welcher die emittierte Strahlung die größte Intensität aufweist. In andere Richtungen wird elektromagnetische Strahlung mit geringerer Intensität abgestrahlt.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung weist die Lichtquelle eine näherungsweise lambertsche Abstrahlcharakteristik auf. Die elektromagnetische Strahlung wird von der Lichtquelle bevorzugt in eine die Lichtquelle umgebende Halbkugel abgestrahlt. Die Hauptabstrahlrichtung ist beispielsweise durch das Lot auf die Strahlungsaustrittsfläche des Leuchtdiodenchips gegeben.

Es wird ferner ein Oberflächenleuchtsystem mit einer Beleuchtungseinrichtung nach zumindest einer der oben beschriebenen Ausführungsformen angegeben, die zusätzlich einen flächigen Lichtleiter umfasst. Das Oberflächenleuchtsystem eignet sich besonders gut zur Hinterleuchtung von Displays und als Umgebungslicht.

Es wird weiter die Verwendung der Beleuchtungseinrichtung nach zumindest einer der oben beschriebenen Ausführungsformen zur Hinterleuchtung eines Displays angegeben. Die von der Lichtquelle emittierte Strahlung wird dabei mittels des Lichtleiters beispielsweise in einen weiteren, flächigen Lichtleiter eingekoppelt. Der flächige Lichtleiter stellt ein Oberflächenleuchtsystem dar, das beispielsweise zur Hinterleuchtung von Displays wie Liquid-Crystal-Displays (LCD-Displays) eingesetzt werden kann.

Die Beleuchtungseinrichtung macht sich dabei unter anderem die Idee zunutze, dass eine oberflächenmontierbare, von der Montageebene weg emittierende Leuchtdiode (Top-Emitter) mit einer Hauptstrahlrichtung zum Beispiel senkrecht zur Montageebene als Lichtquelle Verwendung finden kann. Dies erlaubt eine möglichst einfache Bestückung einer Leiterplatte mit Top-Emittern, deren Licht mittels des Lichtleiters in den flächigen Lichtleiter eingekoppelt wird. Die Länge des Lichtleiters, d. h. die Länge der Abschnitte des Lichtleiters, kann der Höhe des flächigen Lichtleiters über der Leiterplatte angepasst sein.

Bevorzugt finden mehrere der beschriebenen Beleuchtungseinrichtungen zur Lichteinkoppelung in den flächigen Lichtleiter und damit zur Display-Hinterleuchtung Verwendung. Insbesondere ist es dabei auch möglich, dass der flächige Lichtleiter und der Lichtleiter der Beleuchtungseinrichtung einstückig ausgebildet sind.

Neben der beschriebenen optischen Lösung, das Licht einer top-emittierenden Leuchtdiode in einen flächigen Lichtleiter einzukoppeln, sind auch mechanische Lösungen möglich. Die Top-Emitter können z. B. auf eine Leiterplatte, wie z. B. einer bedruckten Leiterplatte (PCB) oder einer flexiblen Leiterplatte (Flexboard), gelötet werden. Nach dem Löten kann der Streifen der Leiterplatte, auf dem die Leuchtdioden montiert sind, freigeschnitten und je nach Höhe des flächigen Lichtleiters über der Leiterplatte hochgeklappt und aufgestellt werden. Auf diese Weise strahlen die Leuchtdioden ihr Licht seitlich, d. h. parallel zur Montageebene, ab und sind in ihrer Höhe dem flächigen Lichtleiter angepasst. Um die Position der derart montierten Leuchtdioden auch bei mechanischer Beanspruchung zu gewährleisten, ist der aufgestellte Bereich der Leiterplatte mittels auf die Leiterplatte aufgebrachter Haltevorrichtung, wie beispielsweise Klammern, mit dem flächigen Lichtleiter verbunden.

Im Folgenden wird die hier beschriebene Beleuchtungseinrichtung anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert.
1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der hier beschriebenen Beleuchtungseinrichtung.
2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der hier beschriebenen Beleuchtungseinrichtung.
3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der hier beschriebenen Beleuchtungseinrichtung.
4A zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines vierten Ausführungsbeispiels der hier beschriebenen Beleuchtungseinrichtung.
4B zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Abwandlung des vierten Ausführungsbeispiels der hier beschriebenen Beleuchtungseinrichtung.
5 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines fünften Ausführungsbeispiels der hier beschriebenen Beleuchtungseinrichtung.
6 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines Oberflächenleuchtsystems.
In den Ausführungsbeispielen der Figuren sind gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Elemente sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der hier beschriebenen Beleuchtungseinrichtung. Die Beleuchtungseinrichtung umfasst eine Lichtquelle 1 und einen Lichtleiter 2.
Bei der Lichtquelle 1 handelt es sich beispielsweise um eine oder mehrere Leuchtdioden, die jeweils zumindest einen Leuchtdiodenchip umfassen. Beispielsweise handelt es sich bei der Lichtquelle 1 um eine Mehrzahl von Leuchtdioden, die entlang einer geraden Linie in einer Ebene angeordnet sind (siehe dazu auch 6). Die Strahlungseintrittsfläche 14 des Lichtleiters 2 ist in ihrer Breite der Abmessung der Leuchtdioden angepasst. Die Breite des Lichtleiters 2 beträgt an der Strahlungseintrittsfläche 14 cirka 4 bis 7 mm.
Bevorzugt weist der Leuchtdiodenchip eine Lichtauskoppelfläche auf, durch die ein Großteil der vom Leuchtdiodenchip emittierten elektromagnetischen Strahlung ausgekoppelt wird. Die Lichtauskoppelfläche ist beispielsweise durch einen Teil der Oberfläche des Leuchtdiodenchips gegeben. Bevorzugt ist die Lichtauskoppelfläche durch eine Hauptfläche des Leuchtdiodenchips gegeben, die beispielsweise parallel zu einer Epitaxie-Schichtenfolge des Leuchtdiodenchips angeordnet ist, welche geeignet ist, elektromagnetische Strahlung zu erzeugen.
Dazu kann die Epitaxie-Schichtenfolge beispielsweise einen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, eine Einfachquantentopf- oder besonders bevorzugt eine Mehrfachquantentopfstruktur aufweisen. Die Bezeichnung Quantentopfstruktur umfasst im Rahmen der Anmeldung jegliche Struktur, bei der Ladungsträger durch Einschluss („Confinement") eine Quantisierung ihrer Energiezustände erfahren. Insbesondere beinhaltet die Bezeichnung Quantentopfstruktur keine Angabe über die Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit unter anderem Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen.
Bevorzugt handelt es sich bei dem Leuchtdiodenchip um einen Halbleiterleuchtdiodenchip, bei dem das Aufwachssubstrat zumindest gedünnt oder entfernt ist und auf dessen dem ursprünglichen Aufwachssubstrat abgewandter Oberfläche ein Trägerelement aufgebracht ist.
Das Trägerelement kann verglichen mit einem Aufwachssubstrat relativ frei gewählt werden. Bevorzugt wird ein Trägerelement gewählt, das hinsichtlich seines Temperaturausdehnungskoeffizienten besonders gut an die strahlungserzeugende Epitaxie-Schichtenfolge angepasst ist. Weiter kann das Trägerelement ein Material enthalten, das besonders gut Wärme leitend ist. Auf diese Weise wird die im Betrieb vom Leuchtdiodenchip erzeugte Wärme besonders effizient an das Wärmeleitelement abgeführt.
Solche durch das Entfernen des Aufwachssubstrats hergestellten Leuchtdiodenchips werden auch als Dünnfilmleuchtdiodenchips bezeichnet und zeichnen sich bevorzugt durch die folgenden Merkmale aus:

– An einer zum Trägerelement hingewandten ersten Hauptfläche der strahlungserzeugenden Epitaxie-Schichtenfolge ist eine reflektierende Schicht oder Schichtenfolge aufgebracht oder ausgebildet, die zumindest einen Teil in der Epitaxie-Schichtenfolge erzeugten elektromagnetischen Strahlung in diese zurückreflektiert.
– Die Epitaxie-Schichtenfolge weist bevorzugt eine Dicke von maximal zwanzig Mikrometer, besonders bevorzugt von maximal zehn Mikrometer auf.
– Weiter enthält die Epitaxie-Schichtenfolge bevorzugt mindestens eine Halbleiterschicht mit zumindest einer Fläche, die eine Durchmischungsstruktur aufweist. Im Idealfall führt diese Durchmischungsstruktur zu einer annähernd ergodischen Verteilung des Lichts in der Epitaxie-Schichtenfolge, das heißt sie weist ein möglichst ergodisch, stochastisches Streuverhalten auf.

Ein Grundprinzip eines Dünnfilmleuchtdiodenchips ist beispielsweise in der Druckschrift Schnitzer I. et al., "30% external quantum efficiency from surface textured LEDs", Applied Physics Letters, Okt 1993, Bd. 63, Seiten 2174 – 2176 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt, das Grundprinzip eines Dünnfilmleuchtdiodenchips betreffend, hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Die Lichtquelle 1 weist eine Strahlungsaintrittsfläche 1a auf, durch die ein Großteil der in der Lichtquelle erzeugter elektromagnetischen Strahlung die Lichtquelle verlässt.
Lichtquelle 1 und Lichtleiter 2 sind im Ausführungsbeispiel der 1 beabstandet zueinander angeordnet. Das heißt, zwischen Strahlungsauskoppelfläche 1a der Lichtquelle 1 und der Strahlungseintrittsfläche 14 des Lichtleiters 2 befindet sich ein Spalt, der beispielsweise mit Luft gefüllt sein kann. Es ist aber auch möglich, dass die Strahlungsauntrittsfläche 1a der Lichtquelle 1 direkt an die Strahlungseintrittsfläche 14 des Lichtleiters grenzt. Lichtquelle 1 und Lichtleiter 2 kennen in diesem Fall einstückig ausgebildet sein.
Lichtquelle 1 und Lichtleiter 2 sind beispielsweise zentriert zueinander angeordnet. Das heißt, die Längsachse 15 des ersten Abschnitts 3 des Lichtleiters 2, die eine Symmetrieachse des ersten Abschnitts 3 des Lichtleiters 2 in Längsrichtung darstellt, verläuft durch das geometrische Zentrum 1a der Lichtquelle 1.
Bevorzugt fällt die Lärgsachse 15 mit der optischen Achse der durch die Strahlungseintrittsfläche 14 des Lichtleiters 2 gebildete Linse zusammen. Die Hauptstrahlrichtung 17 der elektromagnetischen Strahlung 6 im Lichtleiter verläuft bevorzugt parallel zur Längsachse 15.
Lichtquelle 1 und Lichtleiter 2 sind beispielsweise jeweils auf einer Platine oder einer Leiterplatte, wie beispielsweise einer Metallkernplatine oder einer bedruckten Leiterplatte (PCB – printed circuit board) mechanisch befestigt und kontaktiert. Es ist aber auch möglich, dass der Lichtleiter 2 an der Lichtquelle 1 befestigt ist. Weiter ist es möglich, dass der Lichtleiter 2 an einem weiteren, beispielsweise flächigen Lichtleiter, befestigt ist (in 1 nicht dargestellt), der seinerseits auf der Platine oder der Leiterplatte befestigt sein kann.
Die Lichtquelle 1 ist zur Erzeugung divergenter elektromagnetischer Strahlung 6 geeignet. Das heißt, die elektromagnetische Strahlung, die die Lichtquelle 1 verlässt, weist eine Winkelverteilung auf. Die Strahlen G verlaufen nicht jeweils parallel zueinander, sondern schließen Winkel zueinander ein. Bei Durchtritt durch die Strahlungseintrittsfläche 14 des Lichtleiters 2 wird die elektromagnetische Strahlung vorzugsweise in Richtung zur Längsachse 15 hin gebrochen.
Im Ausführungsbeispiel der 1 ist die Strahlungseintrittsfläche 14 durch eine ebene Fläche gegeben, die keine makroskopischen Unebenheiten oder Krümmungen aufweist.
Der Lichtleiter 2 ist bevorzugt ein Vollkörper, der aus einem hitzebeständigen dielektrischen Material gebildet ist. Beispielsweise besteht der Lichtleiter 2 aus einem der folgenden Materialien: PMMA, PMMI, Polykarbonat, COC oder Glas, Der Lichtleiter ist für die von der Lichtquelle 1 emittierte elektromagnetische Strahlung 6 vorzugsweise transparent. Bevorzugt handelt es sich bei der Strahlung 6 um Licht im sichtbaren Frequenzbereich. Der Brechungsindex des Materials des Lichtleiters beträgt in diesem Frequenzbereich bevorzugt wenigstens 1,3, besonders bevorzugt zwischen 1,4 und 1,7.
Bevorzugt ist der Lichtleiter 2 kavitätsfrei ausgebildet. Das heißt, der Lichtleiter 2 ist bevorzugt einstückig ausgebildet, ohne dabei Lufteinschlüsse aufzuweisen.
Vorzugsweise ist der Lichtleiter 2 einstückig ausgebildet. Besonders bevorzugt ist der Lichtleiter mittels Spritzguss gefertigt. Lichtleiter 2 und integrierte Einkoppeloptik 14 sind dann bevorzugt gemeinsam als ein einziges Spritzgussteil herstellbar.
Die elektromagnetische Strahlung 6 befindet sich zunächst im ersten Abschnitt 3 des Lichtleiters 2. Der erste Abschnitt 3 ist im Ausführungsbeispiel der 3 durch ebene Seitenflächen 7 begrenzt, die parallel zur Längsachse 15 verlaufen. Der erste Abschnitt 3 des Lichtleiters 2 weist in diesem Ausführungsbeispiel beispielsweise die Form eines Quaders mit der Länge L₁ auf.
Zumindest ein Teil der elektromagnetischen Strahlung 6 im Lichtleiter 2 wird an den Seitenflächen 7 mittels Totalreflexion reflektiert. Strahlen, die die Bedingung für die Totalreflexion nicht erfüllen, verlassen den Lichtleiter 2 durch die Seitenflächen 7.
Vom ersten Abschnitt 3 gelangt die elektromagnetische Strahlung in den zweiten Abschnitt 4 des Lichtleiters, der dem ersten Abschnitt 3 vorzugsweise direkt nachgeordnet ist und mit diesem einstückig ausgebildet ist.
Der zweite Abschnitt 4 des Lichtleiters 2 ist durch eine Umlenkfläche 8 begrenzt, die durch einen Teil der Oberfläche des Lichtleiters 2 im zweiten Abschnitt 4 gebildet ist. Die Umlenkfläche 8 ist im Ausführungsbeispiel der 1 eben ausgebildet. Es ist aber auch möglich, dass die Umlenkfläche 8 eine Krümmung aufweist, wie es beispielsweise im allgemeinen Teil der Beschreibung beschrieben ist.
Die Umlenkfläche 8 erstreckt sich im Ausführungsbeispiel der 1 über die gesamte laterale Ausdehnung des Lichtleiters quer zur Richtung der Längsachse 15. Die Umlenkfläche 8 schließt mit der Längsachse 15 einen Winkel φ von wenigstens 90° ein. Im Ausführungsbeispiel der 1 beträgt der Winkel φ ca. 135°. Bevorzugt beträgt der Winkel φ zwischen 100 und 170°.
Aufgrund der Tatsache, dass sich die Umlenkfläche 8 über die gesamte laterale Ausdehnung des ersten Abschnitts 3 des Lichtleiters erstreckt, trifft ein Großteil der elektromagnetischen Strahlung 6 im Lichtleiter 2 auf die Umlenkfläche 8. Strahlen 9, die die Bedingung für Totalreflexion dort nicht erfüllen, verlassen den Lichtleiter 2 durch die Umlenkfläche 8. Der im Lichtleiter 2 verbleibende Teil der Strahlung 10 wird an der Umlenkfläche 8 in einen dritten Abschnitt 5 des Lichtleiters 2 reflektiert. Ein Teil der elektromagnetischen Strahlung 6 kann aber auch mittels Reflexion an den Seitenflächen 7 des ersten Abschnitts 3 direkt in den dritten Abschnitt 5 des Lichtleiters 2 reflektiert werden.
Der dritte Abschnitt 5 des Lichtleiters 2 weist eine Länge von L₃ auf. Die Länge des dritten Abschnitts des Lichtleiters 2 ist dabei so lange gewählt, dass kein Hotspot an der Strahlungsaustrittsfläche 12 des Lichtleiters 2 auftritt.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel der 1 ist der dritte Abschnitt 5 durch ebene Seitenflächen 11 begrenzt. Der dritte Abschnitt 5 weist dabei beispielsweise die Form eines Quaders auf. Es ist aber auch möglich, dass der dritte Abschnitt 5 die Form eines Pyramiden- oder Kegelstumpfes aufweist, der sich in Richtung einer Strahlungsaustrittsfläche 12 verbreitert. Weiter ist es möglich, dass der dritte Abschnitt 5 des Lichtleiters 2 zumindest stellenweise nach Art eines der folgenden optischen Elemente ausgebildet ist: CPC, CEC, CHC. Auch in diesem Fall verbreitert sich der Lichtleiter bevorzugt in Richtung der Strahlungsaustrittsfläche 12.
Die Hauptstrahlrichtung 17 der elektromagnetischen Strahlung im Lichtleiter 2 wird im zweiten Abschnitt 4 geändert. Nach Durchlaufen des zweiten Abschnitts 4 des Lichtleiters 2 verläuft die Hauptstrahlrichtung 17 nicht mehr parallel zur Längsachse 15, sondern quer, beispielsweise senkrecht, zur Strahlungsaustrittsfläche 12 des Lichtleiters 2 verläuft.
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der hier beschriebenen Beleuchtungseinrichtung.
Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 1 schließen die Seitenflächen 7 des ersten Abschnitts 3 des Lichtleiters 2 in diesem Ausführungsbeispiel einen Winkel mit der Längsachse 15 des Lichtleiters 2 ein. Der Lichtleiter 2 verjüngt sich im ersten Abschnitt 3 zur Lichtquelle 1. Die Seitenflächen können dabei eben ausgebildet sein. Der erste Abschnitt kann dann beispielsweise die Form eines Kegel- oder Pyramidenstumpfes aufweisen. Weiter ist es möglich, dass der erste Abschnitt zumindest stellenweise nach Art zumindest eines der folgenden optischen Elemente gebildet ist: CPC, CHC, CEC. Auch in diesem Fall verjüngt sich der Lichtleiter 2 vorzugsweise in Richtung der Lichtquelle 1.
Die Ausgestaltung des ersten Abschnitts 3 erlaubt vorzugsweise eine effektivere Verringerung der Divergenz der durch den ersten Abschnitt 3 tretenden elektromagnetischen Strahlung, als dies beispielsweise beim Ausführungsbeispiel der 1 der Fall ist. Weiter ist es möglich, dass aufgrund der Ausgestaltung der Seitenflächen 7 die Reflexion der auf die Seitenflächen 7 auftreffenden Strahlung 6 mit solchen Winkeln erfolgt, dass ein größerer Anteil der reflektierten Strahlung an der Umlenkfläche 8 die Bedingung für Totalreflexion erfüllt. Auf diese weise kann die Strahldichte der durch die Strahlungsauntrittsfläche 12 austretenden Strahlung 13 erhöht werden.
3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der hier beschriebenen Beleuchtungseinrichtung. Im Gegensatz zu den Ausführungsbeispielen der 1 und 2 weist der Lichtleiter 2 in diesem Ausführungsbeispiel eine Strahlungseintrittsfläche 14 auf, die konvex zur Lichtquelle 1 hin gekrümmt ist. Die Strahlungseintrittsfläche 14 kann zumindest stellenweise eine sphärische, elliptische oder asphärische Krümmung aufweisen. Beispielsweise ist die Strahlungseintrittsfläche 14 nach Art einer sphärischen, elliptischen oder asphärischen Linse geformt. Aufgrund der Ausgestaltung der Strahlungseintrittsfläche 14 wird im Ausführungsbeispiel der 3 durch die Strahlungseintrittsfläche 14 in den Lichtleiter 2 eintretende elektromagnetische Strahlung besonders effektiv in Richtung Längsachse 15 des ersten Abschnitts 3 des Lichtleiters 2 hin gebrochen. Die optische Achse der durch die Strahlungseintrittsfläche geformten Linse fällt beispielsweise mit der Längsachse 15 zusammen. Die Linse kann radialsymmetrisch, beispielsweise zentriert zur Lichtquelle 1, ausgeführt sein. Die Linse kann extrudiert, mit konzentrierender Wirkung nur in eine Richtung senkrecht zur Extrusionsrichtung, ausgeführt werden. Weiter ist es möglich, dass die Linse neben dem gezeigten kontinuierlichen Kurvenverlauf ihrer Oberfläche auch als Fresnellinse ausgeführt ist.
Die Strahlung 6 wird bei Durchtritt durch die Strahlungseintrittsfläche 14 derart in ihrer Richtung abgelenkt, dass die Bedingung für Totalreflexion für einen besonders großen Teil der Strahlung 6, die auf die Umlenkfläche 8 trifft, erfüllt wird. Besonders divergente Strahlung 16 tritt aufgrund der Ausgestaltung der Strahlungseintrittsfläche 14 nicht in den Lichtleiter 2 ein.
4A zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der hier beschriebenen Beleuchtungseinrichtung.
Die Strahlungseintrittsfläche 14 ist in diesem Ausführungsbeispiel in einen Zentralbereich 18 und Randbereiche 19 unterteilt. Mittig durch den Zentralbereich 18 verläuft die Längsachse 15. Im Zentralbereich 18 ist die Oberfläche nach Art einer Linse sphärisch, elliptisch oder asphärisch geformt. Die im Zentralbereich 18 durch die Strahlungseintrittsfläche 14 tretende elektromagnetische Strahlung 6 wird durch Brechung an der gewölbten Oberfläche abgebildet und in Richtung zur Längsachse 15 hin gebrochen.
Der Zentralbereich 18 ist von einem im Schnitt sägezahnförmigen Reflektorring 19 umgeben. Die hier auftreffende Strahlung wird an der Innenfläche 19a eines jeden Randbereichs 19 gebrochen und an der Außenfläche 19b eines jeden Randbereichs 19 totalreflektiert. Auf diese Weise ist es möglich, dass zum einen ein besonders großer Anteil der von der Lichtquelle 1 emittierten elektromagnetischen Strahlung verlustfrei in den Lichtleiter eingekoppelt werden kann und zum anderen ein besonders großer Anteil der im Lichtleiter 2 befindlichen elektromagnetischen Strahlung 6 an der Umlenkfläche 8 die Bedingung für Totalreflexion erfüllt. Diese Ausgestaltung des Lichtleiters erlaubt damit eine besonders hohe Strahldichte an der Strahlungsaustrittsfläche 12 des Lichtleiters 2. Der Lichtleiter 2 ist zur Führung der divergenten Strahlung 6 der Lichtquelle 1 damit besonders gut geeignet.
Weiter resultiert an der Strahlungsaustrittsfläche 12 austretende elektromagnetische Strahlung mit besonders geringer Divergenz. Für den Fall, dass an der Strahlungsaustrittsfläche 12 Strahlung mit größerer Divergenz benötigt wird, ist es möglich, die Strahlungsaustrittsfläche 12 diffus streuend auszubilden. Dies kann beispielsweise mittels Aufrauen der Strahlungsaustrittsfläche 12 geschehen. In diesem Fall ist auch die Wahrscheinlichkeit für Totalreflexion von Strahlung bei Durchtritt durch die Strahlungsaustrittsfläche 12 vorteilhaft verringert. Alternativ ist es auch möglich, die Strahlungsaustrittsfläche mit einer diffus streuenden Schicht zu beschichten.
4B zeigt einen Ausschnitt des Lichtleiters 2, bei dem die Umlenkfläche 8 zweiteilig ausgebildet ist. Die Umlenkfläche 8 weist dabei einen ersten Abschnitt 8a auf, der einen Winkel φ_a mit der Längsachse 15 einschließt und einen zweiten Abschnitt 8b, der einen Winkel φ_b mit der Längsachse 15 einschließt. Bevorzugt ist φ_a größer φ_a gewählt. Beispielsweise beträgt φ_a zwischen 150° und 170°, bevorzugt cirka 160° und φ_b zwischen 90° und 110°, bevorzugt cirka 100°. Eine solche zweiteilige Ausgestaltung der Umlenkfläche 8 ist insbesondere auch bei den übrigen Ausführungsbeispielen der Beleuchtungseinrichtung möglich. Dabei ist es auch möglich, dass die Grenzlinie zwischen den beiden Abschnitten nicht mit der Längsachse 15 zusammenfällt sonder parallel zur Längsachse 15 rechts oder links von dieser verläuft.
5 zeigt die hier beschriebene Beleuchtungseinrichtung in einem fünften Ausführungsbeispiel.
Im Gegensatz zu den Ausführungsbeispielen der 1 bis 4 ist die Lichtquelle 1 in diesem Ausführungsbeispiel zumindest teilweise im Lichtleiter 2 angeordnet. Das heißt, das Material – beispielsweise der transparente Kunststoff – aus dem der Lichtleiter 2 gebildet ist, umschließt die Lichtquelle 1 zumindest teilweise.
Bei der Lichtquelle 1 kann es sich beispielsweise um zumindest einen Leuchtdiodenchip handeln, wie er weiter oben beschrieben ist. Der Leuchtdiodenchip ist dann entweder direkt mit dem Material des Lichtleiters 2 vergossen oder das Material des Lichtleiters 2 schließt sich einem Verguss des Leuchtdiodenchips direkt an. Weiter ist es in diesem Ausführungsbeispiel möglich, elektrische Anschlussteile (nicht gezeigt) der Lichtquelle 1 aus dem Lichtleiter 2 hinauszuführen.
Zumindest ein Teil der von der Lichtquelle 1 emittierten Strahlung 6 trifft zunächst auf die Seitenwände 7 im ersten Abschnitt des Lichtleiters 2. Die Seitenwände 7 können dabei, wie in 5 gezeigt, zumindest stellenweise nach Art einer CPC-Optik ausgebildet sein, die sich hin zur Lichtquelle 1 verjüngt. Weiter ist es möglich, dass der erste Abschnitt zumindest stellenweise nach Art zumindest eines der folgenden optischen Elemente ausgebildet ist: Kegelstumpfoptik, Pyramidenstumpfoptik, CEC, CHC, CPC. Vorzugsweise verjüngt sich dabei der erste Abschnitt 3 in Richtung der Lichtquelle 1.
Auf diese Weise kann die Divergenz der Strahlung 6 im Lichtleiter besonders effektiv verringert werden. Ein besonders großer Anteil der Strahlung 6 im Lichtleiter 2 erfüllt die Bedingung für Totalreflexion an der Umlenkfläche 8 im zweiten Abschnitt 4 des Lichtleiters 2.
6 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines Oberflächenleuchtsystems mit Lichtquelle 1, Lichtleiter 2 und flächigem Lichtleiter 20. Der flächige Lichtleiter 20 ist an der Strahlungsaustrittsfläche 12 des Lichtleiters 2 angeordnet. Beim Lichtleiter 2 handelt es sich um einen Lichtleiter gemäß der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele. Zwischen Lichtleiter 2 und flächigem Lichtleiter 20 ist wie in 6 dargestellt, ein Spalt angeordnet. Es ist aber auch möglich, dass die beiden Bauelemente einstückig miteinander ausgebildet sind.
Bevorzugt weist der flächige Lichtleiter 20 eine Strahlungsaustrittsfläche 21 auf, die zum Beispiel durch eine Oberseite des flächigen Lichtleiters 20 gegeben ist. Bevorzugt tritt elektromagnetische Strahlung durch die Strahlungsaustrittsfläche 21 besonders gleichmäßig aus. Das Oberflächenleuchtsystem eignet sich dann besonders gut zur Displayhinterleuchtung oder als Umgebungslicht. Lichtleitung findet im flächigen Lichtleiter 20 durch Reflexion an den Innenflächen des Lichtleiters 20 statt, die dazu beispielsweise reflektierend oder diffus reflektierend ausgestaltet sein können. Die Strahlungsaustrittsfläche 21 kann zum Beispiel diffus Licht streuend ausgebildet 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 von Merkmalen selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Beleuchtungseinrichtung, aufweisend – eine Lichtquelle (1), die geeignet ist, divergente elektromagnetische Strahlung (6) in einen Lichtleiter (2) einzukoppeln, wobei – die Führung der elektromagnetischen Strahlung (6) im Lichtleiter (2) aufgrund von Totalreflexion erfolgt, – der Lichtleiter (2) geeignet ist, eine Hauptstrahlrichtung (17) der elektromagnetischen Strahlung (6) zu ändern, und – der Lichtleiter (2) einstückig ausgebildet ist.
Beleuchtungseinrichtung nach dem vorherigen Anspruch, bei der der Lichtleiter (2) einen ersten Abschnitt (3) aufweist, der geeignet ist, die Divergenz der durch ihn tretenden elektromagnetischen Strahlung (6) zu verringern.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der der erste Abschnitt (3) zumindest eine ebene Seitenfläche (7) aufweist.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der der erste Abschnitt (3) zumindest eine gekrümmte Seitenfläche (7) aufweist.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der der erste Abschnitt (3) zumindest stellenweise nach Art eines der folgenden optischen Elemente ausgebildet ist: CPC, CHC, CEC, Kegelstumpfoptik, Pyramidenstumpfoptik.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der der erste Abschnitt (3) die elektromagnetische Strahlung (6) zu einem zweiten Abschnitt (4) des Lichtleiters (2) führt.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der der Lichtleiter (2) einen zweiten Abschnitt (4) aufweist, der geeignet ist, die Hauptstrahlrichtung (17) der elektromagnetischen Strahlung zu ändern.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der der zweite Abschnitt (4) eine Umlenkfläche (8) aufweist, die geeignet ist, zumindest einen Teil der elektromagnetischen Strahlung (6) im Lichtleiter (2) zu reflektieren.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der ein Großteil der aus dem ersten Abschnitt (3) kommenden elektromagnetischen Strahlung (6) auf die Umlenkfläche (8) trifft.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Umlenkfläche (8) die Längsachse (15) des ersten Abschnitts (3) schneidet.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Umlenkfläche (8) eben ausgebildet ist.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der die Umlenkfläche (8) eine Krümmung aufweist.
Beleuchtungseinrichtung nach dem vorherigen Anspruch, bei der die Umlenkfläche (8) zumindest stellenweise konvex aus dem Lichtleiter (2) hinaus gekrümmt ist.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, bei der die Umlenkfläche (8) zumindest stellenweise eine der folgenden Krümmungen aufweist: parabelartig, ellipsenartig, sphärisch, asphärisch.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der der zweite Abschnitt (4) geeignet ist, die Hauptstrahlrichtung (17) um einen vorgebbaren Winkel zu ändern.
Beleuchtungseinrichtung nach dem vorherigen Anspruch, bei der der zweite Abschnitt (4) geeignet ist, die Hauptstrahlrichtung (17) um einen 90-Grad-Winkel zu drehen.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der der zweite Abschnitt (4) die elektromagnetische Strahlung (6) zu einem dritten Abschnitt (5) des Lichtleiters (2) führt.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der der Lichtleiter (2) einen dritten Abschnitt (5) aufweist, der geeignet ist, die elektromagnetische Strahlung (6) zu einer Strahlungsaustrittsfläche (12) des Lichtleiters zu führen.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der der dritte Abschnitt (5) geeignet ist, die Divergenz der durch ihn tretenden Strahlung (6) zu verringern.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der der dritte Abschnitt (5) zumindest eine ebene Seitenfläche (11) aufweist.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der der dritte Abschnitt (5) zumindest eine gekrümmte Seitenfläche (11) aufweist.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der der dritte Abschnitt (5) zumindest stellenweise nach Art eines der folgenden optischen Elemente ausgebildet ist: CPC, CEC, CHC, Kegelstumpfoptik, Pyramidenstumpfoptik.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der der Lichtleiter (2) eine Strahlungsaustrittsfläche (12) aufweist, durch die ein Teil der in den Lichtleiter (2) eingekoppelten Strahlung (6) den Lichtleiter (2) verlässt.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der ein Großteil der in den Lichtleiter (2) eingekoppelten Strahlung (6) den Lichtleiter (2) durch die Strahlungsaustrittsfläche (12) verlässt.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Strahlungsaustrittsfläche (12) des Lichtleiters (2) eben ausgebildet ist.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 24, bei der die Strahlungsaustrittsfläche (12) zumindest stellenweise eine der folgenden Krümmungen aufweist: sphärisch, elliptisch, asphärisch.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Strahlungsaustrittsfläche (12) diffus Licht streuend ausgebildet ist.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Strahlungsaustrittsfläche (12) aufgeraut ist.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der der Lichtleiter (2) als Vollkörper ausgebildet ist.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der der Lichtleiter (2) frei von Kavitäten ist.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der der Lichtleiter (2) aus einem transparenten Material gebildet ist.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der das Material, aus dem der Lichtleiter (2) gebildet ist, einen Brechungsindex von wenigstens 1,3 aufweist.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der der Lichtleiter (2) eines der folgenden Materialien enthält: PMMA, Polykarbonat, PMMI, COC, Glas.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Lichtquelle (1) im ersten Abschnitt (3) des Lichtleiters (2) angeordnet ist.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 33, bei der der Lichtleiter (2) eine Strahlungseintrittsfläche (14) aufweist.
Beleuchtungseinrichtung nach dem vorherigen Anspruch, bei der die Strahlungseintrittsfläche (14) der Lichtquelle (1) in Hauptstrahlrichtung (17) nachgeordnet ist.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 35 oder 36, bei der die Strahlungseintrittsfläche (14) geeignet ist, die durch sie tretende Strahlung (6) zu brechen.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 35 bis 37, bei der die Strahlungseintrittsfläche (14) geeignet ist, die durch sie tretende Strahlung (6) zur Längsachse (15) des ersten Abschnitts (3) des Lichtleiters (2) hin zu brechen.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 35 bis 38, bei der. die Strahlungseintrittsfläche (14) geeignet ist, die Divergenz der durch sie tretenden Strahlung (6) zu verringern.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 35 bis 39, bei der die Strahlungseintrittsfläche (14) eine Krümmung aufweist.
Beleuchtungseinrichtung nach dem vorherigen Anspruch, bei der die Strahlungseintrittsfläche (14) eine der folgenden Krümmungen aufweist: sphärisch, elliptisch, asphärisch.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 35 bis 41, bei der die Strahlungseintrittsfläche (14) zumindest stellenweise konvex aus dem Lichtleiter (2) hinausgekrümmt ist.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Lichtquelle (1) zumindest einen Leachtdiodenchip umfasst.
Oberflächenleuchtsystem mit einer Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das Beleuchtungssystem elektromagnetische Strahlung in einen flächigen Lichtleiter (20) einstrahlt.
Verwendung der Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 43 zur Hinterleuchtung eines Displays, insbesondere eines LCD-Displays.