DE102008019084A1 - Linienförmige Beleuchtungseinrichtung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft linien- oder streifenförmige Beleuchtungsquellen. Um bei einer Aneinanderreihung von Leuchtdioden zur Herstellung einer solchen Beleuchtsquelle eine homogene Beleuchtung zu erzielen, ist dazu eine Beleuchtungseinrichtung mit entlang einer Linie in einer oder mehreren Reihen angeordneten Leuchtdioden vorgesehen. In einem Abstand zu den Leuchtdioden ist eine sich entlang der Linie erstreckende und entlang dieser Linie langgestreckte Konvertereinrichtung angeordnet, welche parallel von den Leuchtdioden ausgehenden Lichtstrahlen durch eine Vielzahl von lichtablenkdenden oder fluoreszierenden Elementen zumindest in einer gedachten Ebene, welche sich entlang der Linie und senkrecht zum Träger erstreckt, in Lichtstrahlen konvertiert, deren Winkelverteilung in dieser Ebene durchmischt ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft allgemein das Gebiet von Beleuchtungseinrichtungen. Insbesondere betrifft die Erfindung linienförmige Leuchten, wie sie beispielsweise zur automatischen Prozesskontrolle verwendet werden.
  • Linienlichter sind spezielle Beleuchtungeinrichtungen, welche einen schmalen, langgestrecken Bereich mit hoher Intensität beleuchten. Solche Linienlichter finden Verwendung in der automatischen Prozesskontrolle, wobei ein zu prüfender Gegenstand an einer Meßanordnung vorbeigeführt wird, welche einen linienförmigen Bereich des Gegenstands ausleuchtet und mit einer Zeilenkamera erfasst.
  • Es sind Linienlichter bekannt, welche in Form einer Aneinanderreihung einer Vielzahl von Lichtquellen aufgebaut sind. Wird bei der automatischen Prozesskontrolle von der Zeilenkamera das Streulicht aufgenommen, ist die Ausleuchtung dabei ausreichend homogen. Ein Problem ergibt sich allerdings, wenn der zu prüfende Gegenstand in Reflexion vermessen oder durchleuchtet wird. In diesem Fall kann es zur Abbildung der einzelnen Lichtquellen auf der Sensor-Zeile der Kamera kommen. Wünschenswert wäre daher eine linienförmige Lichtquelle mit absolut gleichmäßiger Helligkeitsverteilung entlang der Längsrichtung. Eine solche gleichmäßige Helligkeitsverteilung kann zwar beispielsweise mit einer Fluoreszenzröhre erzielt werden, allerdings ist die Leuchtdichte von Fluoreszenzröhren nicht sehr hoch. Hohe Leuchtdichten sind wiederum wünschenswert, um gerade auch kleine und geringfügige Fehler im Material oder auf der Oberfläche des zu prüfenden Gegenstands erkennen zu können.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine linienförmige Lichtquelle bereitzustellen, die eine hohe Leuchtdichte mit einer hohen Homogenität der Leuchtdichte entlang der Längsrichtung der Lichtquelle vereint. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Demgemäß sieht die Erfindung eine Beleuchtungseinrichtung mit einer Vielzahl von nebeneinander auf einem ebenen Träger entlang einer Linie in einer oder mehreren Reihen angeordneten Leuchtdioden vor, wobei in einem Abstand zu den Leuchtdioden eine sich entlang der Linie erstreckende und entlang dieser Linie langgestreckte Konvertereinrichtung vorgesehen ist, welche parallel von den Leuchtdioden ausgehenden Lichtstrahlen durch eine Vielzahl von lichtablenkenden oder fluoreszierenden Elementen zumindest in der gedachten Ebene, welche sich entlang der Linie und senkrecht zum Träger erstreckt, in Lichtstrahlen konvertiert, deren Winkelverteilung in dieser Ebene durchmischt ist. Dabei variiert bei lichtablenkenden Elementen die Ablenkung mit dem Auftreffort. Als lichtablenkende Elemente kommen insbesondere streuende, brechende oder diffraktive Elemente in Betracht. Streuende und/oder brechende ablenkende Elemente können insbesondere diffraktiv wirkende Strukturen, sowie über die Konvertereinrichtung verteilte Linsen oder Prismen sein. Auch streuende Partikel können eingesetzt werden. Letztere sind zwar einfach zu realisieren, allerdings kommt es bei Streuung an Partikeln auch zu einer Rückstreuung in Richtung auf die Leuchtdioden, was nachteilig für die Intensität ist.
  • Vorzugsweise ist die Variation der Lichtablenkung in Längsrichtung von der Periode der Leuchtdioden-Anordnung entkoppelt, so daß eine quasi-zufällige Ablenkung in Längsrichtung erzielt wird. Damit wird eine direkte Sichtbarkeit der einzelnen Leuchtdioden bei Betrachtung mit einer Kamera vermieden.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Konvertereinrichtung eine Diffusorfolie oder Diffusorplatte mit Strukturen, welche das Licht in der Ebene, welche sich entlang der Linie und senkrecht zum Träger erstreckt, streut und in der Ebene senkrecht dazu die Winkelverteilung im wesentlichen unverändert lässt. Um eine derartige Wirkung zu erzielen, können insbesondere diffraktiv oder refraktiv wirkende langgestreckte Elemente der Folie vorgesehen werden, die sich senkrecht zur Längsrichtung der Beleuchtungseinrichtung, beziehungsweise senkrecht zur Linie, entlang der die Leuchtdioden aneinandergereiht sind, erstrecken. Die Folie ist vorzugsweise fein- oder mikrostrukturiert, um die Lichtablenkung zu erreichen.
  • Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst die Konvertereinrichtung eine Hologrammfolie als Diffusorfolie. Dies stellt eine besonders einfache, kostengünstige und auch platzsparende Möglichkeit dar, eine Diffusorfolie zu realisieren.
  • Im Falle einer durch Fluoreszenz wirkenden Konvertereinrichtung sieht die Erfindung eine Beleuchtungseinrichtung mit einer Vielzahl von nebeneinander auf einem ebenen Träger entlang einer Linie in einer oder mehreren Reihen angeordneten, blau oder ultraviolett emittierenden Leuchtdioden vor. Es ist ein sich entlang der Linie erstreckender zweiter Träger als Konvertereinrichtung vorgesehen, welcher einen Fluoreszenzfarbstoff, beispielsweise in Form von fluoreszierenden Partikeln und/oder in einer fluoreszierenden Schicht trägt, der unter Einwirkung des Lichts der blau oder ultraviolett emittierenden Leuchtdioden Licht längerer Wellenlängen abgibt, so daß Licht mit einer von der Farbe der Leuchtdioden abweichenden Farbe erzeugt wird, wobei der Fluoreszenzfarbstoff entlang der Längsrichtung des Trägers über die Leuchtdioden hinweg durchgehend homogen verteilt ist. Der Fluoreszenzfarbstoff, beziehungsweise dessen Partikel oder Moleküle, welche die Vielzahl von fluoreszierenden Elementen darstellen, ist in einem Abstand von der Oberfläche der Leuchtdioden angeordnet, so daß insbesondere im Übergangsbereich zwischen zwei Leuchtdioden, vorzugsweise auch mittig über einer Leuchtdiode der Fluoreszenzfarbstoff gleichzeitig durch das Licht wenigstens zweier, vorzugsweise mehrerer Leuchtdioden angeregt wird. Damit wird entlang der Längsrichtung eine im wesentlichen homogene Leuchtdichte des Lichts der Leuchtdioden am Ort des Fluoreszenzfarbstoffes erreicht.
  • Auf diese Weise wird mit diskreten Leuchtdioden, deren Leuchtflächen beabstandet sind, beziehungsweise zwischen denen sich nicht leuchtende Lücken befinden, eine homogen leuchtende linienförmige Lichtquelle geschaffen. Die Linie muss nicht unbedingt geradlinig verlaufen. Je nach Anwendungsfall können auch gekrümmte oder abschnittsweise gerade verlaufende, homogen leuchtende linien- oder streifenförmige Beleuchtungen mit der Erfindung geschaffen werden.
  • Durch diese Ausführungsform der Erfindung ergibt sich ein Intensitätsvorteil gegenüber einer Anordnung mit weissen Leuchtdioden und einer davor angeordneten Streuscheibe. Wird eine Streuscheibe verwendet, so würde etwa der Blauanteil des Primärlichts zweimal gestreut, einmal nämlich am Phosphor und dann zusätzlich an Streuscheibe. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung sind daher auch alle vor den Leuchtflächen der Leuchtdioden angeordneten lichttransmittierenden Elemente bis gegebenenfalls auf den FLuoreszenzfarbstoff klar transparent, so dass außer gegebenenfalls am Fluoreszenzfarbstoff eine zusätzliche Lichtstreuung vermieden wird.
  • In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird mit der Beleuchtungseinrichtung eine Weisslichtquelle geschaffen. Dabei erzeugt der geeignet gewählte und vom Primärlicht der Leuchtdioden angeregte Fluoreszenzfarbstoff zusammen mit dem Licht der Leuchtdioden weisses Licht. Beispielsweise können dazu blaue Leuchtdioden mit gelb emittierenden Fluoreszenzfarbstoffen, wie Cer-dotiertem Yttrium-Aluminium-Granat kombiniert werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der zweite Träger eine Folie, welche den Fluoreszenzfarbstoff trägt oder in welcher der Fluoreszenzfarbstoff eingebettet ist, wobei die Folie in einem Abstand zur Oberfläche der Leuchtdioden angeordnet ist. Durch den Abstand der Folie, beziehungsweise des Fluoreszenzfarbstoffes wird erreicht, daß insbesondere im Bereich der Lücken zwischen den Leuchtflächen der Leuchtdioden eine Anregung des Farbstoffs und damit eine möglichst homogene Leuchdichte erreicht wird.
  • Gemäß noch einer Ausführungsform der Erfindung werden die Leuchtdioden auf dem Träger in einer Kunststoffmasse mit dem Fluoreszenzfarbstoff vergossen. Diese Ausführungsform ist besonders einfach zu realisieren. Insbesondere können die Leuchtdioden mit Silikon vergossen werden, so daß das Silikon den zweiten Träger für den Fluoreszenzfarbstoff bildet.
  • Für viele Anwendungen, insbesondere für Prüfzwecke ist es zweckmäßig, wenn der ausgeleuchtete Bereich auf einem Substrat, wie etwa einem Prüfkörper möglichst schmal ist. Je nach Aufbau der Prüfanordnung ist jedoch ein gewisser Abstand der Beleuchtungseinrichtung zum Prüfkörper erforderlich. Um bei einer beabstandeten Beleuchtungseinrichtung einen schmalen ausgeleuchteten Bereich zu erzielen, kann ein als Kondensor wirkendes zylindrisch fokussierendes Element, beziehungsweise zylindrisch fokussierendes Linsenelement angeordnet werden. Mit einem zylindrisch fokussierenden Element ist insbesondere ein Element bezeichnet, welches in der Richtung senkrecht zur Längsrichtung der linienförmigen Leuchtfläche fokussiert. Um eine gute Fokussierung und Sammeleffizienz zu erzielen, kann dazu vor dem Träger ein zylindrisch fokussierendes Element in einem Abstand von der Konvertereinrichtung, beziehungsweise vom Fluoreszenzfarbstoff oder den ablenkenden, wie etwa streuenden oder brechenden Elementen angeordnet werden. Das Element fokussiert dabei in der Ebene senktrecht zur Linie, entlang welcher die Leuchtdioden angeordnet sind, fokussiert. Wird ein Fluoreszenzfarbstoff in der Konvertereinrichtung eingesetzt, so stellt die Konvertereinrichtung selbst eine Lichtquelle dar. In diesem Fall bietet es sich an, die Breite des zylindrisch fokussierendes Elements senkrecht zur Längsrichtung der linienförmigen Beleuchtungseinrichtung größer zu wählen, als die Breite des in Aufsicht betrachteten Streifens mit Fluoreszenzfarbstoff.
  • Das Linsenelement kann eine refraktiv wirkende Zylinderlinse, eine Fresnellinse oder eine Hologrammfolie umfassen. Eine Fresnellinse und ganz besonders auch eine Hologrammfolie ermöglicht einen sehr flachen und einfachen Aufbau der Anordnung.
  • In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist der Träger eine Platine oder Leiterplatte, wobei die Vielzahl von Leuchtdioden in Chip-on-Board Technologie auf der Leiterplatte montiert sind.
  • Bei der sonst in der Mikroelektronik eingesetzten Chip-on-Board-Technologie („Chip auf der Platte„) werden die ungehäusten Halbleiter-Elemente, erfindungsgemäß also insbesondere ungehäuste Leuchtdioden direkt auf die Leiterplatte geklebt. Der elektrische Anschluss an die Leiterplatte kann vorzugsweise durch Drahtbonden erfolgen. Der Schritt des Bestückens und Klebens solcher Bauteile auf den Träger wird als Chipbonden bezeichnet. Anschließend erfolgt das Drahtbonden. Dabei werden Drähte zwischen den Anschlussstellen der Leuchtdioden und korrespondierenden Anschlussstellen auf dem Träger gelegt und mit den Anschlussstellen verbunden. Zum Verbinden der Drähte kann dabei Thermokompressionsbonden, Thermosonic-Ball-Wedge-Bonden und Ultraschall-Wedge-Wedge-Bonden eingesetzt werden. Beim Thermokompressionsbonden und Thermosonic-Ball-Wedge-Bonden wird üblicherweise Golddraht verwendet. Das Ultraschall-Wedge-Wedge-Bonden wird oft mit Aluminium bzw. Aluminium-Silizium-Draht (AlSi1) durchgeführt.
  • Als Träger für die Chip-on-Board-Technik eignen sich insbesondere Metallsubstrat-Leiterplatten, Keramik-Träger, Flexprint-Träger.
  • Schließlich kann zur Verkapselung ein Chip-Verguss eingesetzt werden. Dabei werden die kontaktierten Chips in eine transparente Kunststoffmasse eingegossen. Hier bietet es sich für den Zweck der Erfindung auch an, eine Kunststoffmasse einzusetzen, in welche der Fluoreszenzfarbstoff eingelagert ist. Besonders ist hierbei auch an das bereits oben erwähnte Silikon als Vergussmasse gedacht.
  • Die Chip-on-Board-Technik ermöglicht neben einer kostengünstigen Fertigung auch eine sehr effektive Kühlung, da die einzelnen Halbleiterelemente direkt mit einem größeren Träger verbunden sind, so dass sich die Wärme schnell auf einer größeren Fläche verteilen kann. Auch sind mit der Chip-on-Board-Technik geringere Übergangswiderstände verbunden, da sich die Anzahl der Kontaktstellen reduziert.
  • Noch ein besonderer Vorteil liegt darin, daß die einzelnen Leuchtdioden sehr dicht aneinandergereiht werden können. Damit können die Zwischenräume zwischen den Leuchtdioden sehr klein gehalten werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden Leuchtdioden in Form von SMD-Bausteinen (SMD = „Surface Mount Device„) nebeneinander in einer oder mehreren Reihen auf einer Leiterplatte als Träger aufgelötet. Auch mit SMD-Bausteinen kann eine sehr dichte Aneinanderreihung der Leuchtdioden erzielt werden.
  • Hinsichtlich des Abstands des Fluoreszenzfarbstoffs zu den Leuchtflächen der Leuchtdioden ist in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass das Konverterelement, insbesondere die lichtablenkenden oder fluoreszierenden Elemente in einem Abstand von der Leuchtfläche der Leuchtdioden angeordnet ist, welcher zumindest halb so groß, vorzugsweise zumindest so groß wie die Breite des Zwischenraum zwischen den Leuchtflächen benachbarter Leuchtdioden ist. Ist der Fluoreszenzfarbstoff räumlich entlang der Abstrahlrichtung senkrecht zu den Leuchtflächen der Leuchtdioden verteilt, so kann in diesem Fall der Schwerpunkt oder Mittelpunkt dieser Verteilung oberhalb der Leuchtfläche mindestens die oben genannten Abstände aufweisen.
  • Weiterhin ist es für die Lichteffizienz und einen kompakten Aufbau aber günstig, wenn der Abstand ablenkenden Elemente kleiner als der sechzehnfache, vorzugsweise kleiner als der achtfache Mittenabstand benachbarter Leuchtdioden ist.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind außerdem sich seitlich entlang der aneinandergereihten Leuchtdioden erstreckende, vorzugsweise unterhalb des Fluoreszenzfarbstoffs angeordnete Reflektorelemente vorgesehen. Diese Reflektorelemente führen nicht nur zu einer verbesserten Effizienz, auch wird durch die Umlenkung von Lichtstrahlen an den Reflektorelementen eine weiter verbesserte Mischung des Lichts erzielt. Werden Reflektorelemente verwendet, so kann der Fluoreszenzfarbstoff weiter entfernt von den Leuchtflächen angeordnet werden, ohne dass sich ein wesentlicher Lichtverlust ergibt. Dann kann der Fluoreszenzfarbstoff oder der Schwerpunkt von dessen räumlicher Verteilung oberhalb der Leuchtflächen auch mindestens um einen Abstand von den Leuchtflächen beabstandet werden, welcher der Breite der Leuchtflächen der Leuchtdioden entlang der Längsrichtung oder sogar zumindest dem Abstand der zueinanderweisenden Kanten von Leuchtflächen übernächster Nachbarn von Leuchtdioden entspricht. Bei solchen Abständen wird selbst bei einem Ausfall einzelner Leuchtdioden die Homogenität der Lichtintensität entlang der Längsrichtung nur wenig beeinflusst.
  • Als Anwendung ist eine Prüfvorrichtung zur optischen Prüfung von Substraten, insbesondere flächigen Substraten vorgesehen, welche eine Zeilenkamera und eine Beleuchtungseinrichtung, wie sie vorstehend beschrieben wurde, vorgesehen. Dabei sind die Beleuchtungseinrichtung und die Sensorzeile der Kamera so in Bezug auf ein gehaltertes oder geführtes Substrat angeordnet, dass von der Oberfläche reflektiertes Licht der Beleuchtungseinrichtung oder durch das Substrat transmittiertes Licht, insbesondere ohne Streuung, auf die Kamerazeile fällt. Im Allgemeinen ist es dabei sinnvoll, wenn die Längsrichtung der Beleuchtungseinrichtung und die Längsrichtung der Zeilenkamera parallel verlaufen, um eine gleichmäßige Ausleuchtung zu erzielen. Dies gilt insbesondere, wenn planparallele Substrate, oder Substrate mit ebener Oberfläche zu prüfen sind.
  • Um zu vermeiden, daß aufgrund des Primärlichts der Leuchtdioden nach wie vor die einzelnen Leuchtdioden sichtbar bleiben und die Messung beeinflussen, kann die Messanordnung der Prüfvorrichtung das Primärlicht der Leuchtdioden auch ausfiltern. Dies kann auf verschiedene Weise geschehen. Eine Möglichkeit ist, bereits eine Kamerazeile einzusetzen, die unempfindlich auf das Primärlicht der Leuchtdioden ist. Dies ist beispielsweise dann gegeben, wenn ultraviolett-emittierende Leuchtdioden eingesetzt werden und die Kamerazeile nur im sichtbaren Spektralbereich empfindlich ist. Auch kann ein Filter eingesetzt werden, welcher das kurzwelligere Primärlicht ausfiltert.
  • Die erfindungsgemäße Prüfvorrichtung ist in Weiterbildung der Erfindung ausgebildet zum Erkennen von Fehlern in oder auf Folien, wie insbesondere Stippen oder Blasen in Folien, in oder auf Beschichtungen, wie insbesondere in Lacken, in oder auf Glasscheiben, wie insbesondere Blasen im Glas oder Kratzer auf der Glasoberfläche.
  • Auch für andere Einsatzzwecke lässt sich eine erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung verwenden. Allgemein ist an Anwendungen im Bereich von Machine-Vision gedacht, unter den auch die vorstehen beschriebene Prüfvorrichtung fällt. Ein weiteres Anwendungsfeld sind Scanner zur digitalen Erfassung der Struktur der Substrate.
  • Ebenfalls kann die Beleuchtungseinrichtung aber auch als Hintergrundbeleuchtung eingesetzt werden. Gedacht ist hierbei insbesondere an Hintergrundbeleuchtungen für Displays, wie etwa Flüssigkristallanzeigen. Da die Leuchtdioden sehr energieeffizient sind, eignet sich die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung besonders auch als Hintergrundbeleuchtung für Displays portabler Vorrichtungen. Solche portablen Vorrichtungen können Laptops, PDAs, Mobiltelefone oder auch GPS-Empfänger sein.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beigeschlossenen Zeichnungen näher erläutert. Dabei verweisen gleiche Bezugszeichen in den Zeichnungen auf gleiche oder entsprechende Teile.
  • Es zeigen:
  • 1 eine Ausführungsform einer linienförmigen Beleuchtungseinrichtung mit einer Folie als Träger eines Fluoreszenzfarbstoffs,
  • 2 eine Ausführungsform einer linienförmigen Beleuchtungseinrichtung mit vergossenen Leuchtdioden, wobei die Vergussmasse den Fluoreszenzfarbstoff enthält,
  • 3 eine Prüfvorrichtung in Auflicht-Konfiguration für das Überprüfen flächiger Substrate auf Fehler,
  • 4 eine Prüfvorrichtung in Reflexions-Konfiguration für das Überprüfen flächiger Substrate auf Fehler,
  • 5 eine Prüfvorrichtung in Durchlicht-Konfiguration für das Überprüfen flächiger Substrate auf Fehler,
  • 6 und 7 Beleuchtungseinrichtungen mit verschiedenen zylindrisch fokussierenden Elementen, und
  • 8 eine Ausführungsform mit einer Hologrammfolie als Konverterelement.
  • 1 zeigt in perspektivischer Ansicht schematisch eine Beleuchtungseinrichtung 1, die eine linienförmige Lichtquelle bereitstellt. Die Beleuchtungseinrichtung 1 umfasst einen Träger in Form einer Leiterplatte 3 auf welcher Leuchtdioden 5 entlang einer Linie befestigt sind. Die Leuchtdioden sind dabei entlang der Längsrichtung 2 aufgereiht angeordnet. Die Leuchtdioden sind entweder blau oder ultraviolett emittierend. Die Leuchtdioden 5 können beispielsweise SMD-Bausteine sein. Ebenso können die Leuchtdioden in Chip-on-Board Technologie ungehäust auf der Leiterplatte 3 aufgeklebt und durch Drahtbonden mit der Leiterplatte 3 kontaktiert werden.
  • Seitlich neben den Leuchtdioden 5 sind bei diesem Ausführungsbeispiel noch Reflektorelemente 9 angeordnet. Der von den Leuchtdioden 5 und den Reflektorelementen 9 begrenzte Zwischenraum oberhalb der Leuchtflächen der Leuchtdioden 5 ist mit einer transparenten Vergussmasse 11 ausgefüllt. Auf die Vergussmasse 11 ist eine Folie 7 aufgelegt und mit der Vergussmasse 11 verbunden. Beispielsweise kann die Folie 7 vor dem Aushärten der Vergussmasse aufgelegt werden, so daß die Folie mit der Vergussmasse 11 verklebt. Alternativ kann auch eine separate Verklebung der Folie vorgesehen werden.
  • Gemäß noch einer Variante des in 1 gezeigten Ausführungsbeispiels kann die Vergussmasse 11 auch entfallen, wobei die Folie 7 dann an den Reflektorelementen 9 befestigt wird, die dann gleichzeitig als Abstandhalter für die Folie 7 zu den Leuchtflächen der Leuchtdioden 5 dienen.
  • Die Folie 7 trägt insbesondere auch einen Fluoreszenzfarbstoff oder Konverterphosphor, welcher das Primärlicht der Leuchtdioden 5 zumindest teilweise in längerwelliges Licht konvertiert. Der Fluoreszenzfarbstoff kann auf die Folie aufgebracht oder in der Folie eingebettet sein.
  • Aufgrund des Abstands der Folie, beziehungsweise des Fluoreszenzfarbstoffs zu den Leuchtflächen der Leuchtdioden 5 ist am Ort des Fluoreszenzfarbstoffs entlang der Längsrichtung 2 der Beleuchtungseinrichtung eine nahezu homogene Intensitätsverteilung gegeben, da auch in Bereichen zwischen den Leuchtflächen der Leuchtdioden 5 Licht von zumindest den beiden benachbarten Leuchtdioden auf den Fluoreszenzfarbstoff gelangt. Durch die aufgrund der Fluoreszenz leuchtende durchgängige Folie wird eine Lichtquelle in Form einer homogen leuchtenden langgestreckten Fläche erzielt.
  • Vorzugsweise wird der Fluoreszenzfarbstoff so gewählt, daß eine weiß leuchtende Lichtquelle geschaffen wird. Geeignet ist unter anderem Cer-dotierter Yttrium-Aluminium-Granat in Verbindung mit blau emittierenden Leuchtdioden 5.
  • In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer linienförmigen Beleuchtungseinrichtung 1 dargestellt. Auch bei diesem Beispiel sind die Leuchtdioden 5 auf einer als Träger dienenden Leiterplatte 3 in einer Reihe entlang der Längsrichtung 2 angeordnet.
  • Im Unterschied zu der in 1 dargestellten Ausführungsform sind hier jedoch die Leuchtdioden mit einer Vergussmasse 11, beispielsweise Silikon verkapselt, in welcher der Fluoreszenzfarbstoff eingebettet ist, so dass keine weiteren Elemente mehr notwendig sind. Diese Ausführungsform ist besonders einfach und eignet sich besonders gut in Verbindung mit Chip-on-Board-Technologie.
  • 3 zeigt eine Prüfvorrichtung 10 für das Überprüfen flächiger Substrate auf Fehler. Solche Fehler können beispielsweise Blasen im Substrat oder Kratzer auf dem Substrat sein. Das flächige Substrat 14 kann beispielsweise eine Glasscheibe oder eine Kunststofffolie sein.
  • Bei der in 3 gezeigten optischen Anordnung handelt es sich um eine Auflicht-Konfiguration. Die Beleuchtungseinrichtung 1 beleuchtet einen streifenförmigen Bereich 16 des Substrats 14. Von der Kamera 20 wird ein mit dem Bereich 16 überlappender streifenförmiger Bereich 17 erfasst. Kamera 20, Beleuchtungseinrichtung 1 und Substratoberfläche 140 sind so zueinander angeordnet, daß von der Substratoberfläche reflektiertes Licht nicht in die Kamera 20 fällt. Bei dieser Auflicht-Anordnung wird daher Streulicht detektiert. Bei dieser Anordnung ist es weniger kritisch, wenn im Licht der Beleuchtungseinrichtung die einzelnen Leuchtdioden sichtbar sind, da sich an der Streuquelle im oder auf dem Substrat 14 ohnehin das Licht mehrerer Leuchtdioden mischt.
  • Wesentlich kritischer ist dies jedoch bei Konfigurationen, wie sie nachfolgend beispielhaft anhand der 4 und 5 beschrieben werden. Für solchen Konfigurationen sind daher erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtungen, die eine homogene linienförmige Lichtquelle bereitstellen, besonders vorteilhaft.
  • In 4 ist eine Prüfvorrichtung 10 dargestellt, bei welcher Kamera 20, Beleuchtungseinrichtung 1 und Substratoberfläche 140 so angeordnet ist, dass das von der Substratoberfläche 140 reflektierte Licht von der Kamera 20 erfasst wird. Dazu sind Kamera 20 und Beleuchtungseinrichtung im Speziellen so angeordnet, daß die Kamera das Spiegelbild der Beleuchtungseinrichtung 1 auf der Substratoberfläche 140 betrachtet.
  • Mit einer solchen Anordnung lassen sich Fehler im oder auf dem Substrat erkennen, welche mit der Auflicht-Konfiguration gemäß 3 nicht oder nur schwer detektierbar sind. Insbesondere können solche Fehler gefunden werden, die den Reflexionskoeffizienten verändern, aber nur schwach oder nicht streuend sind.
  • Ein besonders geeignetes Anwendungsfeld der in 4 gezeigten Konfiguration ist die Erkennung von Verformungen auf der Oberfläche. So können in Reflexion bereits sehr schwach ausgeprägte Wellen in der Substratoberfläche erkannt werden, da diese im reflektierten Licht aufgrund der fokussierenden und defokussierenden Eigenschaften wellenförmiger Verformungen deutliche Helligkeitsvariationen verursachen.
  • 5 zeigt eine Prüfvorrichtung 1 in Durchlicht-Konfiguration. Bei dieser Prüfvorrichtung 1 sind Kamera 20 und Beleuchtungseinrichtung 1 in Gegenüberstellung angeordnet, wobei das Substrat 14 zwischen Kamera 20 und Beleuchtungseinrichtung 1 gehaltert wird, so dass Licht der Beleuchtungseinrichtung 1, welches durch das Substrat 14 hindurch transmittiert wurde, von der Kamera 20 erfasst wird.
  • Anders als bei der in 5 gezeigten Konfiguration können Kamera 20 und Beleuchtungseinrichtung 1 auch gegenüber dem Substrat 14 verdreht angeordnet werden, so dass schräg durch das Substrat 1 transmittiertes Licht erfasst wird.
  • Auch diese Anordnung ist geeignet, um beispielsweise leichte Verformungen auf den Seiten 140, 141 zu erkennen. Zudem kann durch Kombination mit einer Auflicht-Messanordnung bei erkannten Fehlern vielfach festgestellt werden, um was für einen Fehler es sich handelt. Durch Kombination einer Dunkelfeld-Messung, wie sie mit der Anordnung gemäß 3 durchgeführt werden kann, mit einer Hellfeld-Messung können beispielsweise Blasen von opaken Einschlüssen unterschieden werden.
  • Auch die Reflexionsanordnung gemäß 4 ist im übrigen eine Hellfeld-Anordnung. Es kann daher ohne Beschränkung auf die Ausführungsbeispiele verallgemeinert werden, daß eine erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung besonders für Hellfeld-Messanordnungen geeignet sind. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist daher allgemein eine Hellfeld-Messanordnung mit einer Kamera und einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung vorgesehen.
  • Zwar ist bei der Dunkelfeld-Anordnung eine Sichtbarkeit einzelner Leuchtdioden wie gesagt weniger kritisch, allerdings kann mit den oben genannten Vorteilen auch eine Umschaltung zwischen einer Hell- und Dunkelfeldanordnung vorgesehen werden, ohne dass verschiedene Lichtquellen benötigt werden.
  • Die Umschaltung kann insbesondere durch Bewegung zumindest einer der Komponenten Kamera, Beleuchtungseinrichtung, Substrat und/oder durch Einschaltung eines Umlenkelements für das Licht erfolgen. Beispielsweise kann die Kamera 20 ausgehend von der in 3 gezeigten Anordnung verschoben und rotiert werden, um zu der Konfiguration gemäß 4 zu gelangen.
  • Um bei den Prüfvorrichtungen 10, wie sie beispielhaft anhand der 3 bis 5 dargestellt sind, einen ausgeleuchteten Bereich 16 mit möglichst hoher Intensität zu erreichen, ist es günstig, zylindrisch fokussierende Linsenelemente vorzusehen, die in einem Abstand zum Fluoreszenzfarbstoff angeordnet sind. Ein erstes Beispiel ist in 6 gezeigt.
  • Das in 6 gezeigte Ausführungsbeispiel entspricht der in 1 gezeigten Ausführungsform, wobei zusätzlich eine plankonvexe, mit der planen Seite zur Folie 7 weisende Zylinderlinse 21 auf einem Abstandhalter 18 angeordnet ist.
  • Der Zwischenraum zwischen der Folie 7 und der Linse 21 kann auch mit transparenter Vergussmasse ausgefüllt sein.
  • Anstelle der sphärisch oder asphärisch gekrümmten Zylinderlinse 21 kann auch eine Fresnellinse eingesetzt werden, bei welcher die Brechfläche in mehrere nebeneinander entlang der Längsrichtung 2 verlaufenden Prismen aufgeteilt ist.
  • 7 zeigt eine Variante, bei welcher anstelle der refraktiv wirkenden Zylinderlinse 21 eine diffraktiv wirkende, zylindrisch fokussierende Hologrammfolie 22 eingesetzt wird. Ebenso wie bei einer Fresnelline ergibt sich so gegenüber einer Ausführungsform mit gekrümmter Brechfläche gemäß 6 ein flacherer Aufbau.
  • In 8 ist als schematischer Querschnitt eine Beleuchtungseinrichtung 1 dargestellt, welche ebenso wie die in den 6 und 7 gezeigten Ausführungsbeispiele ein zylindrisch fokussierendes Element aufweist. Beispielhaft ist eine Zylinderlinse 21 dargestellt. Anstelle dessen kann aber auch eine zylindrisch fokussierende Fresnel-Linse oder ein diffraktiv-optisches Element wie bei der in 7 gezeigte Hologrammfolie eingesetzt werden.
  • Die Beleuchtungseinrichtung 1 gemäß 8 hat folgende Eigenschaften:
    Als Basis ist ein Kühlkörper 30 mit Kühlrippen 31 zur Kühlung der Leuchtdioden 5 vorgesehen.
  • Die Kühlleistung kann durch zusätzliche Gebläsekörper 31, gesteigert werden. Auf den Kühlkörper ist eine Platine 3 montiert, welche auch als Träger für die Leuchtdioden 5 dient. Die montierte Platine kann gemäß einer bevorzugten Weiterbildung einen Metallkern aufweisen. Damit wird die Wärmeabfuhr verbessert.
  • Die Leuchtdioden 5 können in mehreren Reihen nebeneinander quer zur Längsrichtung angeordnet sein. Aufgrund der Querschnittansicht ist nur eine Reihe in 8 zu sehen.
  • Allgemein kann die Länge der linienförmigen Anordnung der Leuchtdioden ohne Beschränkung auf das in 8 gezeigte Beispiel eine Länge von zumindest 15 Zentimetern, oder sogar zumindest 1 Meter betragen. Längen von mehreren Metern sind ohne weiteres möglich.
  • Wie in den vorhergehend beschriebenen Ausführungsformen können wiederum blaue Leuchtdioden eingesetzt werden. Die Leuchtdioden 5 können mit Metallrähmchen 51 eingehaust sein. Um Weisslicht zu erzeugen, kann der Fluoreszenzfarbstoff wieder in das Vergussmaterial eingebettet sein. Alternativ können aber auch farbige Leuchtdioden, beispielsweise rote, grüne, oder auch blaue Leuchtdioden ohne Fluoreszenzfarbstoff eingesetzt werden.
  • In einem Abstand zu den Leuchtdioden, beziehungsweise zu deren Leuchtflächen ist ein Konverterelement angeordnet. Gemäß einem Beispiel beträgt der Abstand des Konverterelements kleiner als 1 cm und der Mittenabstand zwischen den Leuchtdioden kleiner als 0,5 cm.
  • Dementsprechend ist der Abstand des Konverterelements kleiner als der sechzenfache, insbesondere auch kleiner als der achtfache Mittenabstand der Leuchtdioden. Um eine gute Diffusor-Wirkung zu erreichen, wird der Abstand aber vorzugsweise zumindest halb so groß, vorzugsweise zumindest so groß wie die Breite des Zwischenraums zwischen den Leuchtflächen benachbarter Leuchtdioden gewählt.
  • Bei dem in 8 gezeigten Beispiel wird als Konverterelement eine Hologrammfolie 25 eingesetzt, welche quer zur Längsrichtung verlaufende diffraktiv wirkende lichtablenkende Strukturen aufweist. Damit werden von den Leuchtdioden ausgehende Parallelstrahlen, von denen zwei Strahlen 53, 54 beispielhaft eingezeichnet ist, am Konverterelement in der Ebene senkrecht zum Träger 3 und entlang der Längsrichtung nach Art einer zufälligen Streuung abgelenkt. Dazu kann die Variation der Ablenkung an der Hologrammfolie von der Periode der Leuchtdioden, beziehungsweise von deren Mittenabständen entkoppelt sein. Mit anderen Worten wird der Richtung der Lichtstrahlen damit eine zufällige oder quasi-statistische Komponente entlang der Längsrichtung der Beleuchtungseinrichtung aufgeprägt. Die Hologrammfolie 25 hat also die Eigenschaft, das Licht in Längsrichtung aufzuweiten. Durch die Strukturierung mit diffraktiven Elementen, die quer zur Längsrichtung verlaufen, hat die Folie 25 insbesondere auch noch die Eigenschaft, das Licht in der anderen Richtung kaum zu beinflussen.
  • Die Hologrammfolie 25 ist weiterhin parallel zur Linie der aufgereihten Leuchtdioden angeordnet. Beispielsweise kann die Hologrammfolie 25 in einer Führungsnut eingespannt werden, wobei sich die Führungsnut auf der Innenseite des Außengehäuses 80 der Beleuchtungseinrichtung 1 befindet. Die Folie kann beispielsweise eine Dicke kleiner 1 mm aufweisen.
  • Über der Folie ist die Linse 21 angeordnet. In der Ebene senkrecht zur Längsrichtung der Beleuchtungseinrichtung, also in der Ebene, in welcher die Linse 21 fokussiert, beziehungsweise senkrecht zur Zylinderoberfläche der Linse wird das Licht durch die Hologrammfolie 25 aufgrund der Strukturierung der Hologrammfolie kaum beeinflusst. Dagegen wird das Licht in Längsrichtung durch die Hologrammfolie 25 stark aufgeweitet.
  • Vorzugsweise ist die Linse 21 im Abstand von kleiner 1 cm zur Hologrammfolie 25 angeordnet.
  • Die Linse 21 kann beispielsweise rund oder allgemein bikonvex, halbrund oder allgemein plankonvex, sowie eine Fresnel-Linse sein. Auch kann die Linse eine azylindrische Brechfläche aufweisen.
  • Wie bei dem in 8 gezeigten Beispiel kann die Steuerelektronik 33 für die Ansteuerung der Leuchtdioden im Gehäuse integriert sein.
  • Neben einer Verwendung in Maschine-vision Anwendungen, etwa zur Inspektion von Glassubstraten eignet sich die Beleuchtungseinrichtung auch zum Scannen von Bahnenwaren (Papierfolien, Tapeten, etc.).
  • Durch die kleinen Abstände der LED-Chips und durch Verwendung der Chip-on-Board-Technologie, in Verbindung mit der in Längsrichtung aufweitenden Folie wird erreicht, dass mit der Kamera direkt in die Beleuchtung hineingeschaut werden kann, ohne dass einzelne Leuchtdioden aufgelöst werden.
  • Allgemein kann über den Abstand der Linse 21 zu der Leuchtdioden der optimale Arbeitsabstand eingestellt werden. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung, ohne Beschränkung auf die in 8 dargestellte Ausführungsform kann daher auch eine Höhenverstellung des zylindrisch fokussierenden Elements vorgesehen sein.
  • Es ist dem Fachmann ersichtlich, daß die Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen beispielhaften Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern vielmehr in vielfältiger Weise im Rahmen des Gegenstands der Ansprüche geändert werden kann. Insbesondere können die Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele auch miteinander kombiniert werden. So kann bei dem in 8 gezeigten Beispiel anstelle der Hologrammfolie auch eine Folie mit Fluoreszenzfarbstoff verwendet werden. In diesem Fall kann dann ein in die Vergussmasse 11 eingebetteter Fluoreszenzfarbstoff entfallen.

Claims (20)

  1. Beleuchtungseinrichtung mit einer Vielzahl von nebeneinander auf einem ebenen Träger entlang einer Linie in einer oder mehreren Reihen angeordneten Leuchtdioden, wobei in einem Abstand zu den Leuchtdioden eine sich entlang der Linie erstreckende und entlang dieser Linie langgestreckte Konvertereinrichtung vorgesehen ist, welche parallel von den Leuchtdioden ausgehenden Lichtstrahlen durch eine Vielzahl von lichtablenkenden, insbesondere diffraktiven, streuenden, brechenden, oder fluoreszierenden Elementen zumindest in der gedachten Ebene, welche sich entlang der Linie und senkrecht zum Träger erstreckt, in Lichtstrahlen konvertiert, deren Winkelverteilung in dieser Ebene durchmischt ist.
  2. Beleuchtungseinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Konvertereinrichtung eine Diffusorfolie oder Diffusorplatte mit Strukturen umfasst, welche das Licht in der Ebene, welche sich entlang der Linie und senkrecht zum Träger erstreckt, streut und in der Ebene senkrecht dazu die Winkelverteilung unverändert lässt.
  3. Beleuchtungseinrichtung gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Konvertereinrichtung diffraktiv oder refraktiv wirkende langgestreckte Elemente aufweist, die senkrecht zur Längsrichtung der Beleuchtungseinrichtung verlaufen.
  4. Beleuchtungseinrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Konvertereinrichtung eine Hologrammfolie umfasst.
  5. Beleuchtungseinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtdioden blau oder ultraviolett emittierende Leuchtdioden sind, wobei die Konvertereinrichtung einen sich entlang der Linie erstreckenden zweiten Träger umfasst, welcher einen Fluoreszenzfarbstoff trägt, der unter Einwirkung des Lichts der blau oder ultraviolett emittierenden Leuchtdioden Licht längerer Wellenlängen abgibt, so daß Licht mit einer von der Farbe der Leuchtdioden abweichenden Farbe erzeugt wird, wobei der Fluoreszenzfarbstoff entlang der Längsrichtung des zweiten Trägers über die Leuchtdioden hinweg durchgehend homogen verteilt ist, und wobei der Fluoreszenzfarbstoff in einem Abstand von der Oberfläche der Leuchtdioden angeordnet ist, so daß insbesondere im Übergangsbereich zwischen zwei Leuchtdioden, vorzugsweise auch mittig über einer Leuchtdiode der Fluoreszenzfarbstoff gleichzeitig durch das Licht wenigstens zweier, vorzugsweise mehrerer Leuchtdioden angeregt wird und entlang der Längsrichtung eine im wesentlichen homogene Leuchtdichte des Lichts der Leuchtdioden am Ort des Fluoreszenzfarbstoffes erreicht wird.
  6. Beleuchtungseinrichtung gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluoreszenzfarbstoff in Verbindung mit dem Licht der Leuchtdioden weisses Licht erzeugt.
  7. Beleuchtungseinrichtung gemäß einem der beiden vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Träger eine Folie umfasst, welche den Fluoreszenzfarbstoff trägt oder in welcher der Fluoreszenzfarbstoff eingebettet ist, wobei die Folie in einem Abstand zur Oberfläche der Leuchtdioden angeordnet ist.
  8. Beleuchtungseinrichtung gemäß einem der drei vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtdioden in einer Kunststoffmasse mit dem Fluoreszenzfarbstoff vergossen sind.
  9. Beleuchtungseinrichtung gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtdioden mit Silikon vergossen sind und das Silikon den zweiten Träger für den Fluoreszenzfarbstoff bildet.
  10. Beleuchtungseinrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Träger ein zylindrisch fokussierendes Element in einem Abstand von der Konvertereinrichtungangeordnet ist, wobei das Element in der Ebene senktrecht zur Linie, entlang welcher die Leuchtdioden angeordnet sind, fokussiert.
  11. Beleuchtungseinrichtung gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß das zylindrisch fokussierende Element eine refraktiv wirkende Zylinderlinse, eine Fresnellinse oder eine Hologrammfolie umfasst.
  12. Beleuchtungseinrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Leuchtdioden in Chip-on-Board Technologie auf dem Träger montiert sind, wobei der Träger eine Leiterplatte umfasst, und wobei die Leuchtdioden ungehäust auf die Leiterplatte geklebt sind und der elektrische Anschluss der Leuchtdioden an die Leiterplatte durch Drahtbonds hergestellt ist.
  13. Beleuchtungseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß Leuchtdioden in Form von SMD-Bausteinen nebeneinander auf einer Leiterplatte als Träger aufgelötet sind.
  14. Beleuchtungseinrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtablenkenden oder fluoreszierenden Elemente in einem Abstand von der Leuchtfläche der Leuchtdioden angeordnet ist, welcher zumindest halb so groß, vorzugsweise zumindest so groß wie die Breite des Zwischenraums zwischen den Leuchtflächen benachbarter Leuchtdioden ist, wobei der Abstand der diffraktiv streuenden, brechenden oder fluoreszierenden Elemente bevorzugt kleiner als der sechzehnfache, vorzugsweise kleiner als der achtfache Mittenabstand benachbarter Leuchtdioden ist.
  15. Prüfvorrichtung zur optischen Prüfung von Substraten, insbesondere flächigen Substraten, umfassend eine Zeilenkamera und eine Beleuchtungseinrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Beleuchtungseinrichtung und die Sensorzeile der Kamera so in Bezug auf ein gehaltertes oder geführtes Substrat angeordnet sind, daß von der Oberfläche reflektiertes Licht der Beleuchtungseinrichtung oder durch das Substrat transmittiertes Licht, insbesondere ohne Streuung, auf die Kamerazeile fällt.
  16. Prüfvorrichtung gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Messanordnung der Prüfvorrichtung das Primärlicht der Leuchtdioden ausfiltert.
  17. Prüfvorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, ausgebildet zum Erkennen von Fehlern in oder auf Folien, wie insbesondere Stippen oder Blasen in Folien, in oder auf Beschichtungen, wie insbesondere in Lacken, in oder auf Glasscheiben, wie insbesondere Blasen im Glas oder Kratzer auf der Glasoberfläche.
  18. Prüfvorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Umschalten zwischen einer Hellfeld- und einer Dunkelfeld-Anordnung.
  19. Verwendung einer Beleuchtungseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 als Hintergrundbeleuchtung, insbesondere für Displays, wie insbesondere für Flüssigkristallanzeigen.
  20. Verwendung einer Beleuchtungseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 als Beleuchtung eines Scanners.
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