DE102008048379A1

DE102008048379A1 - LED-Lichtquelle mit Kollimationsoptik

Info

Publication number: DE102008048379A1
Application number: DE102008048379A
Authority: DE
Inventors: Steffen Dr. Reichel; Ralf Dr. Biertümpfel; Helge Vogt
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2008-09-22
Filing date: 2008-09-22
Publication date: 2010-04-15
Anticipated expiration: 2028-09-23
Also published as: JP5313821B2; CN101713517B; JP2010074167A; US20100091490A1; US8531771B2; NL2003523A; CN101713517A; DE102008048379B4; NL2003523C2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine LED-Lichtquelle, welche eine vorzugsweise asphärische Glaslinse mit einem Aspektverhältnis von mehr als 0,1 umfasst.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine LED Lichtquelle mit einer Kollimationsoptik. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Linsen-Array sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Linsen-Arrays.
Hintergrund der Erfindung
Lichtemitierende Halbleiterdioden (LEDs) finden zunehmend für Beleuchtungsaufgaben Verwendung. Derartige Lichtquellen haben den Vorteil einer hohen Effizienz und einer langen Lebensdauer.
Die Licht emittierende Schicht eines Halbleiters, welche beispielsweise als Dünnschicht-LED auf einer Platine angeordnet ist, strahlt in einem breiten Winkel 180° Licht ab. Es ist daher für viele Beleuchtungsaufgaben vorteilhaft, das von der oder den LEDs abgestrahlte Licht zu bündeln. Ein Winkelbereich von etwa +/–30° von der Mittelachse der LED beinhaltet bereits etwa 70% der abgestrahlten Lichtleistung. Es ist aber dennoch wünschenswert, das Licht in einem möglichst breiten Abstrahlwinkel zu erfassen und so die Effizienz zu erhöhen. In der Praxis sind dabei insbesondere Optiken bekannt, welche einen seitlichen Reflektor umfassen, über den das ausgestrahlte Licht ab einem gewissen Winkel reflektiert wird, über eine weitere Reflektion umgeklappt und dann nach vorne gestrahlt wird.
Mit derartigen Optiken lassen sich zwar gute Wirkungsgrade erreichen. Aufgrund der aufwendigen Geometrie ist eine solche Optik aber aufwendig herzustellen. Des Weiteren lassen sich die aufwendigen Geometrien in der Regel nur in Kunststoff bereitstellen. Die meisten Kunststoffe sind für Hochleistungs-LEDs, bei welchen Temperaturen von 120°C und mehr entstehen können, ungeeignet, da sie nicht hinreichend temperaturbeständig sind. Des Weiteren neigen Kunststoffe, insbesondere wenn sie über einen längeren Zeitraum hohen Helligkeiten ausgesetzt sind, zur Eintrübung.
Eine weitere Möglichkeit, das von einer LED abgestrahlte Licht zu kollimieren, ist eine Fresnelsche Zonenplatte. Mit derartigen auf diffraktive Weise arbeitenden Optiken lassen sich gute Wirkungsgrade erzielen. Die dafür notwendigen Mikrostrukturen, insbesondere im Bereich größerer Abstrahlwinkel, in welchen die Abstände der Ringe der Zonenplatte immer dünner werden müssen, lassen sich aber allenfalls sehr aufwendig fertigen. Des Weiteren ist eine Fresnelsche Zonenplatte nur für eine Wellenlänge wirksam. Um eine gute Kollimationswirkung zu erreichen, muss in einem Array von Fresnelschen Zonenplatten für jede LED-Farbe eine andere Zonenplatte zur Verfügung gestellt werden. Bei Weißlicht-LEDs, welche aufgrund eines Konvertermaterials Licht in verschiedenen Wellenlängen emittieren, lässt sich eine Kollimation mit einer Fresnelschen Zonenplatte nur unzureichend bereitstellen.
Bekannte Mikrolinsen-Arrays aus Glas, welche üblicherweise mit Dünnschichtverfahren hergestellt werden, haben in der Regel zumindest im Randbereich des abgestrahlten Lichtes eine unzureichende Kollimationswirkung.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine LED-Lichtquelle bereit zu stellen, bei welcher die genannten Nachteile des Standes der Technik zumindest reduziert sind.
Es ist insbesondere eine Aufgabe der Erfindung, ein hitzebeständiges Linsenarray bereitstellen zu können, welches eine gute Kollimationswirkung hat.
Insbesondere soll die Kollimationswirkung des Linsen-Aarrays für einen breiten Abstrahlwinkelbereich hinreichend vorhanden sein.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung wird bereits durch eine LED-Lichtquelle, durch eine asphärische Kollimationslinse sowie durch ein Verfahren zur Herstellung eines Linsen-Arrays nach einem der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung betrifft zum Einen eine LED-Lichtquelle, wobei unter einer LED-Lichtquelle jegliche eine LED umfassende Anordnung verstanden wird, welche Licht emittiert. Die LED-Lichtquelle muss somit nicht zwangsläufig Beleuchtungszwecken dienen, sondern kann beispielsweise auch als Signalvorrichtung etc. verwendet werden. Vorzugsweise ist die LED-Lichtquelle aber insbesondere als Raum-, Lese- oder Signalbeleuchtung ausgebildet. Weitere bevorzugte Verwendungen liegen im Bereich der Automobiltechnik, insbesondere kann die erfindungsgemäße LED-Lichtquelle als Fahrzeugscheinwerfer oder Rücklicht verwendet werden. Außerdem finden derartige Hochleistungs-LEDs Anwendung in Projektoren für Kino-, Business- und/oder Heimkinoprojektion.
Die LED-Lichtquelle umfasst zumindest eine LED und zumindest eine, vorzugsweise asphärische, Kollimationslinse aus Glas oder Glaskeramik. Unter einer Kollimationslinse wird vorzugsweise eine Konvexlinse verstanden, welche das Licht bündelt, insbesondere derart zur Abstrahlfläche der LED angeordnet ist, dass ein Lichtbündel mit im Wesentlichen parallel zueinander verlaufenden Lichtstrahlen abstrahlt wird.
Da bei einem großen Abstrahlwinkel, insbesondere einem Abstrahlwinkel von mehr als 30° die Beziehung sin α ≈ α nicht mehr gilt, umfasst die Linse bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine Freiformfläche, insbesondere ist die Kollimationslinse asphärisch ausgebildet. So lässt sich durch Auswahl geeigneter Parameter über eine Asphäre auch eine Kollimationswirkung in einembreiten Abstrahlwinkel von bis zu 60° erreichen. Die Asphäre ist bei einer Ausführungsform der Erfindung rotationssymmtrisch ausgebildet
Die Form der Asphäre wird dabei vorzugsweise durch folgende Gleichung bestimmt:
Dabei ist c die Krümmung, r der Radius (= 1/c), k die konische Konstante und an sind die Asphären-Koeffzienten, über die die Asphäre der jeweiligen optischen Anordnung angepasst werden kann.
Alternativ kann die Linse aus spährisch ausgebildet sein. Derartige Linsen lassen sich in der Regel billiger produzieren.
Gemäß der Erfindung beträgt das Aspektverhältnis, also das Verhältnis von Höhe zu Breite der Linse mehr als 0,1. Die Breite der Linse wird in der Regel durch deren Durchmesser bestimmt. Unter Höhe der Linse wird die Scheitelhöhe der Linse verstanden.
Im Unterschied zu durch Dünnschichttechniken aufgebrachten Mikrostrukturen lassen sich durch das gewählte Aspektverhältnis von über 0,1 Linsen, insbesondere in Linsen-Arrays, bereitstellen, welche in einem breiten Abstrahlwinkel eine gute Kollimationswirkung aufweisen. Aufgrund der Ausgestaltung aus Glas oder Glaskeramik ist die Linse beziehungsweise das Linsenarray temperaturstabil und kann dicht vor der LED, insbesondere weniger als 1,5 mm, bevorzugt weniger als 1 mm und besonders bevorzugt weniger als 0,5 mm von der LED beabstandet angeordnet sein. Durch eine möglichste nahe Platzierung vor der LED kann eine besonders kleine Linse bereit gestellt werden, die Licht in einem breiten Abstrahlwinkel erfasst.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt das Aspektverhältnis mehr als 0,2, vorzugsweise mehr als 0,3 und besonders bevorzugt mehr als 0,4. Es sind insbesondere auch Aspektverhältnisse im Bereich von 0,5 oder auch größer möglich. Die Erfinder haben herausgefunden, dass derartige Linsen, insbesondere als Linsen-Arrays auf besonders einfache Weise durch ein Heißpressverfahren hergestellt werden können.
Die LED-Lichtquelle ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass das von der LED in einem Winkel von wenigstens +/–30°, vorzugsweise +/–50° abgestrahlte Licht im Wesentlichen gebündelt nach vorne abgestrahlt wird.
Unter im Wesentlichen gebündelt nach vorne abgestrahlt wird verstanden, dass die Lichtstrahlen einen Winkel von weniger als 10° zur Achse der Kollimationslinse einnehmen.
Die LED-Lichtquelle umfasst vorzugsweise eine Mehrzahl von LEDs und ein Array mit einer Mehrzahl von Kollimationslinsen. Jeder LED ist in dem Array eine Kollimationslinse zugeordnet. Im Unterschied zu Fresnelschen Zonenplatten ist es insbesondere bei einem RGB-LED-Array möglich, für jede Farbe eine gleich ausgebildete Linse zu verwenden. Auch ist ein erfindungsgemäßes LED-Array auch für Weißlicht-LEDs geeignet.
Bei einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung kann das LED-Array zur Erhöhung der Effizienz aber auch zumindest zwei verschiedene an die jeweilige Lichtfarbe angepasste Kollimationslinsen umfassen.
Durch die Erfindung kann eine LED-Lichtquelle bereitgestellt werden, welche derart ausgebildet ist, dass die Aufweitung eines Lichtstrahls, der das von der LED abgestrahlte Licht mit einem Abstrahlwinkel von +/–60° zur Mittelachse umfasst, in einer Entfernung von 25 cm, weniger als 5 cm, vorzugsweise weniger als 2,5 cm beträgt.
Unter Aufweitung wird verstanden, dass der Durchmesser des Lichtbündels sich gegenüber dem Durchmesser der Abstrahlfläche der LED maximal um die genannte Strecke erhöht. Dabei geht nur der Anteil von Licht in die Betrachtung ein, welcher in einem Abstrahlwinkel von +/–60° zur Mittelachse der LED beziehungsweise zur Mittelachse der der LED zugeordneten Linse abgestrahlt wird. Durch eine gute Kollimationswirkung für Licht bis in einen Abstrahlwinkel von 60° wird eine hervorragende Effizienz erreicht, da Anteile, welche in einem Winkel von über 60° abgestrahlt werden, nur einen geringen Teil der von der LED abgestrahlten Energiemenge ausmachen.
Besonders geeignet für die Ausbildung der Kollimationslinse sind Gläser beziehungsweise Glaskeramiken mit einer hohen Brechzahl n_d von mehr als 1,4, vorzugsweise mehr als 1,5 und besonders bevorzugt mehr als 1,7.
Um Farbfehler zu vermeiden und eine Kollimationslinse bereitstellen zu können, welche für verschiedene Lichtfarben geeignet ist, wird vorzugsweise ein Material mit einer Abbezahl ν_d von mehr als 35, bevorzugt mehr als 40 und besonders bevorzugt mehr als 50 verwendet.
Die Erfindung eignet sich besonders für Hochleistungs-LEDs, welche im Betrieb über 100°C erreichen können.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die LED-Lichtquelle, insbesondere zur Ausbildung eines LEDs-Arrays auf einer transparenten Platte angeordnet.
Die Scheitelhöhe der Kollimationslinse beträgt bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mehr als 0,1, vorzugsweise mehr als 0,3 und besonders bevorzugt mehr als 0,5 mm. Der Durchmesser der Kollimationslinse beträgt vorzugsweise zwischen 0,2 und 10 mm, besonders bevorzugt zwischen 1 und 5 mm. Derart kleine Linsen werden auch als Mikrolinsen bezeichnet. Durch die hohe Scheitelhöhe lässt sich ein Aspektverhältnis erreichen, welches auch zur Kollimation von Licht mit einem breiten Abstrahlwinkel geeignet ist.
Die Erfindung betrifft des Weiteren eine aspärische Kollimationslinse aus Glas oder Glaskeramik, welche insbesondere eines der vorstehenden auf die Linse bezogenen Merkmale wie Materialeigenschaften etc. umfasst. Das Aspektverhältnis der Kollimationslinse beträgt mehr als 0,1, vorzugsweise mehr als 0,3 und besonders bevorzugt mehr als 0,4, wobei der Durchmesser der Kollimationslinse weniger als 10, vorzugsweise weniger als 5 mm beträgt.
Durch die Erfindung konnte eine temperaturstabile Kollimationslinse mit guter Kollimationswirkung in einem breiten Winkelbereich bereitgestellt werden.
Vorzugsweise ist die Kollimationslinse Teil eines Linsen-Arrays, welches eine Mehrzahl von Kollimationslinsen umfasst.
Dabei sind die Linsen vorzugsweise auf einer Platte aus Glas oder Glaskeramik angeordnet. Insbesondere ist vorgesehen ein einstückiges Bauteil bereitzustellen, welches als Platte mit Linsen ausgebildet ist. In einer Ausführungsform besteht, vorzugsweise zumindest, die Glas- oder Glaskeramikplatte aus einem Filterglas oder einer Filterglaskeramik oder einem Konverterglas oder einer Konverterglaskeramik. Dadurch kann die abgestrahlte Farbe verändert werden. Der genannte Filter ist zum Beispiel ein Farbfilter zum Einstellen der Lichtfarbe und/oder ein Polarisationsfilter.
Die Platte kann dabei aus einem anderen Material ausgebildet sein, vorzugsweise sind aber die optischen Eigenschaften der Platte ähnlich, insbesondere unterscheidet sich die Brechzahl der Platte von der Brechzahl der Linsen bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weniger als 0,3.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die Platte zumindest zwei Schichten. Es hat sich herausgestellt, dass sich insbesondere in einem Heißpressverfahren auf eine Substratplatte ein Linsen-Array aufpressen lässt. Dabei wird die eine Schicht vom Material, aus welchem die Linsen ausgebildet sind, gebildet, die andere Schicht wird durch die Substratplatte gebildet. Es versteht sich, dass die so definierte Substratplatte und die Linsen auch aus unterschiedlichen Materialien ausgebildet sein können.
Die Grenzfläche zwischen den zumindest zwei Schichten ist vorzugsweise im Wesentlichen eben ausgebildet, so werden optische Störungen durch die Grenzfläche weitestgehend vermieden.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung kann die Platte, insbesondere die Substratplatte, auch eine Strukturierung, insbesondere zur Homogenisierung des Lichtes oder zur Verbesserung des Verbundes zwischen den beiden Schichten umfassen.
Das Linsen-Array ist vorzugsweise derart ausgebildet, das die Linsen randseitig weniger 5, vorzugsweise weniger als 2, und besonders bevorzugt weniger als 1 mm voneinander beabstandet sind. Insbesondere grenzen die Kollimationslinsen randseitig aneinander an.
So können die LEDs auf dem zugeordneten LED-Array dicht aneinander gepackt werden und es kann eine kompakte Lichtquelle mit sehr hoher Helligkeit bereit gestellt werden.
Das Linsenarray ist vorzugsweise einstückig ausgebildet. Unter einstückig im Sinne der Erfindung wird auch eine Anordnung verstanden, bei welcher Komponenten aus verschiedenen Gläsern thermisch miteinander verbunden wurden. Die so ausgeführte einstückige Ausbildung hat im Unterschied zu beispielsweise auf eine Platte geklebten Kunststofflinsen eine hohe mechanische und thermische Festigkeit.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung eines Linsen-Arrays, insbesondere eines vorstehend beschriebenen Linsen-Arrays.
Bei dem Verfahren wird eine Mehrzahl von Rohlingen, insbesondere Glasrohlingen, in eine Pressform eingebracht. Die Pressform weist eine Mehrzahl von Einbuchtungen auf, durch die welche die Kontur der Linsen, insbesondere die Asphäre, vorgegeben wird.
Die Rohlinge werden sodann zu Linsen, insbesondere Kollimationslinsen verpresst, wobei sich die Rohlinge zumindest teilweise miteinander verbinden. Die Rohlinge haben also ein Volumen, welches größer ist als die jeweilige dem Rohling zugeordnete Einbuchtung. Das überschüssige Material wird so randseitig weggedrückt und fließt zusammen. So kann insbesondere die Platte eines Linsen-Arrays auf besonders einfache Weise ausgebildet werden.
Vorzugsweise ist dazu die Form auf einer Seite im Wesentlichen eben ausgebildet.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung werden die Rohlinge beim Pressen auf ein Substrat, insbesondere eine Scheibe gepresst, wobei sich das Material der Rohlinge mit dem Substrat verbindet.
Durch diese Ausführungsform kann ein Linsenarray mit höherer Stabilität bereitgestellt werden, da das Material der Rohlinge sich über eine große Fläche mit dem Substrat verbindet. Das Substrat ist vorzugsweise aus Glas ausgebildet. So kann als Substratglas beispielsweise dasselbe Material wie für die Rohlinge verwendet werden. Es ist aber auch denkbar, dass Substrat aus einem anderen Material auszugestalten.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung hat das Material der Rohlinge beim Pressvorgang eine geringere Viskosität als das Material des Substrates. So kann erreicht werden, dass die Grenzfläche zwischen dem Substratmaterial und dem Material der Rohlinge eben bleibt, sich das Material der Rohlinge also nicht oder nur unwesentlich in das Substratglas eindrückt. Ein Eindrücken des Materials der Rohlinge im Substratglas könnte ansonsten zu optischen Fehlern führen.
Um zu erreichen, dass das Material des Substrats beim Pressen, insbesondere beim Heißpressvorgang härter ist als das Material der Rohlinge, kann ein Material mit einer anderen Schmelz- und/oder Glasübergangstemperatur verwendet werden. Eine weitere Möglichkeit ist, das Material der Rohlinge stärker zu erwärmen als Material des Substrates.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung wird das Substrat nach dem Pressen ausgedünnt, um eine insgesamt dünnere Struktur des Linsen-Arrays bei gleichzeitig hoher Festigkeit zu erreichen.
Die Rohlinge können beispielsweise als Kugeln, Gobs (Singular „Gob”) gelegt werden. Das Einlegen von Fasern ist wesentlich einfacher, wogegen beim Einlegen von Kugeln oder Gobs eine homogenere Verteilung des Materials beim Pressvorgang erreicht werden kann.
Die Rohlinge bestehen vorzugsweise aus Glas und werden mit einer Temperatur von 20°C bis 100°C, vorzugsweise von 50°C bis 60°C über der Glasübergangstemperatur T_g gepresst.
Vorzugsweise werden Glasrohlinge aus optischem Glas mit einer Glasübergangstemperatur T_g zwischen 350 und 650°C verwendet.
Besonders geeignet sind folgende optische Gläser, welche von der Anmelderin unter folgenden Bezeichnungen vertrieben werden: P-PK53, P-SK57, P-SF8, P-LASF47, P-SF67, P-SF68, N-FK51A, N-FK5; N-PK52A, N-PK51, N-LaF33, P-LaF46B.
Da sich das Substratglas nicht verformen muss, kann ein Substrat aus einem anderen Material verwendet werden, insbesondere kann ein Glas mit einer höheren Glasübergangstemperatur T_g verwendet werden. So werden beispielsweise die von der Anmelderin vertriebenen Gläser mit den Bezeichnungen D 263, B270, F2, N-LaF21, N-LaF33, N-LaF34, N-LaF35, N-LaF36 für das Substrat verwendet.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung soll im Folgenden Bezug nehmen auf die Zeichnungen 1 bis 9, welche schematisch dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigen, näher erläutert werden.
Es zeigen:
1 zeigt schematisch eine LED-Lichtquelle
2 zeigt ein schematisch dargestelltes Linsen-Array
3 und 4 zeigen verschiedenen Ausführungsformen einer Kollimationslinse in einer Detailansicht
Bezugnehmend auf 6 soll die Kollimationswirkung einer asphärisch ausgebildeten Linse näher erläutert werden.
5 zeigt schematisch dargestellt den Gang der Lichtstrahlen bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
7 zeigt die wellenlängenabhängige fokale Verschiebung beim Ausführungsbeispiel der Erfindung
Bezugnehmend auf 8 soll ein Verfahren zur Herstellung eines Linsen-Array näher erläutert werden.
9 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen eines Linsen-Arrays.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt, schematisch dargestellt, eine LED-Lichtquelle 1.
Die LED-Lichtquelle 1 umfasst eine vorzugsweise auf einer Platine (nicht dargestellt) angeordnete LED 2, welche vorzugsweise als Hochleistungs-LED ausgebildet ist. Das von der LED 2 abgestrahlte Licht wird von einer asphärisch ausgestalteten Kollimationslinse 3 aus Glas kollimiert, so dass die emittierten Lichtstrahlen 5 im Wesentlichen parallel verlaufen.
Die Kollimationslinse 3 ist auf einer Platte 4 angeordnet und so insbesondere Teil eines Linsen-Arrays.
2 zeigt schematisch dargestellt ein Linsen-Array (6), welches eine Platte 4 mit einer Mehrzahl von Kollimationslinsen 3 umfasst. Die Kollimationslinsen 3 sind in dieser Ausführungsform derart dicht gepackt, dass sie im Wesentlichen aneinander angrenzen.
Aufgrund des gewählten Aspektverhältnisses, in diesem Ausführungsbeispiel über 0,4, lässt sich eine sehr gute Kollimationswirkung erreichen, insbesondere wenn das Array (6) dicht vor der LED (nicht dargestellt) angeordnet ist.
3 zeigt eine Ausführungsform einer Kollimationslinse 3. Die Kollimationslinse (3) ist auch in diesem Ausführungsbeispiel auf einer Platte 4 angeordnet.
Das Aspektverhältnis der Kollimationslinse 3 errechnet sich aus deren Höhe h geteilt durch die Breite beziehungsweise den Durchmesser d. Relevant ist also nur die Höhe h des gekrümmten Linsenkörpers.
Die hier dargestellte Linse hat ein Aspektverhältnis von etwa 0,47.
In 4 ist ein weiteren Ausführungsbeispiel einer asphärischen Kollimationslinse 3 dargestellt. In der hier dargestellten Ausführungsform ist die Platte 4 zweischichtig aufgebaut. Das Aspektverhältnis ist etwas geringer als bei der in 3 dargestellten Kollimationslinse.
5 zeigt schematisch den Verlauf einer Asphäre (8), welche einem sphärischen Verlauf (7) gegenüber gestellt ist. Die x-Achse gibt dabei die Entfernung vom Mittelpunkt der Linse wieder. Auf der y-Achse ist die Höhe der Linse aufgetragen.
Die Asphäre (8) ist dabei derart berechnet, dass über den gesamten Verlauf der Asphärenkurve (8) eine Kollimation möglich ist, bei welcher das Licht parallel zur Mittelachse der Linse nach vorne gestrahlt wird.
Zu erkennen ist, dass die Kurve der Sphäre bereits bei einem Radius von etwas über einem Millimeter aufhört und somit kein Licht mehr ”einfangen” kann. Über eine Asphäre (8) können dagegen auch Lichtstrahlen mit einem weit größeren Abstrahlwinkel kollimiert werden.
In 6 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel dargestellt, in welchem der Strahlengang eingezeichnet ist. Zu erkennen ist, das Licht, welches in einem breiten Abstrahlwinkel von etwa +/–60° von der LED 2 abgestrahlt wird, durch die asphärisch geformte Kollimationslinse 3 derart umgelenkt wird, dass die Lichtstrahlen 5 im Wesentlichen parallel zueinander abgestrahlt werden.
6 zeigt schematisch die wellenlängenabhängige fokale Verschiebung bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die x-Achse gibt die fokale Verschiebung in μm, auf der y-Achse ist die Wellenlänge in μm aufgetragen. Durch geeignete Auswahl des Glases kann eine Linse mit geringer fokaler Verschiebung im gesamten sichtbaren Bereich bereitgestellt werden. Eine derartige Linse lässt sich für LEDs verschiedener Farben verwenden und ist auch für Weißlicht-LEDs geeignet.
Bezugnehmend auf 8 soll schematisch ein Verfahren zur Herstellung eines Linsen-Arrays näher erläutert werden.
In einem ersten Schritt (oben dargestellt) werden Rohlinge (12) aus Glas (Kugeln, Gobs oder Fasern) in eine Pressform eingelegt. Die Pressform umfasst einen oberen Teil (10), welcher Einbuchtungen (13) aufweist, und einen unteren Teil (11) mit einer im Wesentlichen planen oder mikrostrukturierten, wie zum Beispiel Fresnel- oder Lotuseffekt-Strukturen, Oberfläche. Durch die Einbuchtungen (13) wird die Form der asphärischen Linsen vorgegeben.
Die Rohlinge (12) werden mit einem Heißpressverfahren gepresst, bei welchen zumindest der obere Teil (10) der Pressform beheizt ist.
Beim Zusammenpressen (in der Mitte dargestellt) nehmen die Rohlinge zunächst die Form der Einbuchtungen (13) und so mithin eine asphärische Kontur an.
Das Volumen der Rohlinge (12) ist derart ausgewählt, dass es größer ist als das Volumen der Einbuchtungen (13). Das überschüssige Material wird so zur Seite weggedrückt und es bildet sich, wie in 8 unten dargestellt, ein Linsen-Array, welches die Kollimationslinsen 3 sowie eine Platte 4 umfasst. Die Platte 4 ist in diesem Ausführungsbeispiel aus dem gleichen Material wie die Kollimationslinse 3 ausgebildet, da die Platte 4 aus dem Material der Rohlinge 12 gepresst wird.
Bezugnehmend auf 9 soll ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Pressen eines Linsen-Arrays näher erläutert werden.
Im Unterschied zu dem in 8 dargestellten Verfahren wird auf den unteren Teil 11 der Pressform eine Substratplatte 14 aufgelegt. Ansonsten entspricht das Verfahren der 8 dargestellten Ausführungsform, das heißt, insbesondere der obere Teil 10 der Pressform gibt die Form der asphärischen Linsen 3 vor. Auch bei dieser Ausführungsform des Verfahrens bildet sich aus dem Material der Rohlinge eine Platte 4 aus, auf welcher die Linsen 3 angeordnet sind.
Die Platte 4 und die Substratplatte 14 sind über eine große Fläche miteinander verbunden, wodurch die Stabilität des bei diesem Ausführungsbeispiel hergestellten Linsen-Arrays höher ist, als bei dem in 8 dargestellten Ausführungsbeispiel.
Die Grenzfläche zwischen den Platten 14, 4 ist vorzugsweise im Wesentlichen eben ausgebildet.
Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass für die Substratplatte 14 ein Glas mit einer höheren Glasübergangstemperatur T_g verwendet wird, oder dadurch, dass beim Heißpressvorgang die Platte 14 kühler gehalten wird.
Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf eine Kombination vorstehend beschriebener Merkmale beschränkt ist, sondern dass der Fachmann sämtliche Merkmale, soweit dies sinnvoll ist, kombinieren wird.

1: LED-Lichtquelle
2: LED
3: Kollimationslinse
4: Platte
5: Lichtstrahl
6: Linsen-Array
7: Sphäre
8: Asphäre
9: fokale Verschiebung
10: oberer Teil der Pressform
11: unterer Teil der Pressform
12: Rohling
13: Einbuchtung
14: Substratplatte

Claims

LED-Lichtquelle, umfassend zumindest eine LED und zumindest eine Kollimationslinse aus Glas oder Glaskeramik, wobei das Aspektverhältnis der Kollimationslinse mehr als 0,1 beträgt.
LED-Lichtquelle nach vorstehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollimationslinse eine Freiformfläche umfasst, insbesondere dass die Kollimationslinse asphärisch ausgebildet ist.
LED-Lichtquelle nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Kollimationslinse sphärisch ausgebildet ist.
LED-Lichtquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aspektverhältnis mehr als 0,2, vorzugsweise mehr als 0,3 und besonders bevorzugt mehr als 0,4 beträgt.
LED-Lichtquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollimationslinse weniger als 1,5 mm, vorzugsweise weniger als 1,0 mm und besonders bevorzugt weniger als 0,5 mm von der LED beabstandet ist.
LED-Lichtquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die LED-Lichtquelle derart ausgebildet ist, dass das von der LED in einem Winkel von wenigstens ±30°, vorzugsweise ±50°, abgestrahlte Licht im Wesentlichen gebündelt nach vorne abgestrahlt wird.
LED-Lichtquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die LED-Lichtquelle eine Mehrzahl von LEDs und ein Array mit einer Mehrzahl Kollimationslinsen umfasst.
LED-Lichtquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die LED-Lichtquelle derart ausgebildet ist, dass die Aufweitung eines Lichtstrahls, der das von der LED abgestrahlte Licht mit einem Abstrahlwinkel von ±60° zur einer Mittelachse der LED in einer Entfernung von 25 cm weniger als 5 cm, vorzugsweise weniger als 2,5 cm beträgt.
LED-Lichtquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollimationslinse aus einem Material mit einer Brechzahl n_d von mehr als 1,4, vorzugsweise mehr als 1,5, besonders bevorzugt mehr als 1,7 ausgebildet ist.
LED-Lichtquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollimationslinse aus einem Material mit einer Abbezahl ν_d von mehr als 35, vorzugsweise mehr als 40, besonders bevorzugt mehr als 50 ausgebildet ist.
LED-Lichtquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die LED-Lichtquelle zumindest eine Hochleistungs-LED umfasst.
LED-Lichtquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollimationslinse auf einer transparenten Platte angeordnet ist.
LED-Lichtquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheitelhöhe der Kollimationslinse mehr als 0,1, vorzugsweise mehr als 0,3 und besonders bevorzugt mehr als 0,5 mm beträgt.
LED-Lichtquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollimationslinse einen Durchmesser zwischen 0,2 und 10 mm, vorzugsweise zwischen 1 und 5 mm aufweist.
Kollimationslinse als Glas oder Glaskeramik, insbesondere mit einem oder mehreren Merkmalen nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Aspektverhältnis der Kollimationslinse mehr als 0,1, vorzugsweise mehr als 0,3 und besonders bevorzugt mehr als 0,4 beträgt und die Kollimationslinse einen Durchmesser kleiner als 10, vorzugsweise kleiner als 5 mm hat.
Kollimationslinse nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollimationslinse asphärisch ausgebildet ist.
Kollimationslinse nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollimationslinse sphärisch ausgebildet ist.
Linsenarray, umfassend eine Mehrzahl von Kollimationslinsen nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Linsenarray nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsen auf einer Platte aus Glas oder Glaskeramik angeordnet sind.
Linsenarray nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsen auf einer Platte aus Glas oder Glaskeramik angeordnet sind, und die Platte eine Filter- oder Konverterfunktion aufweist.
Linsenarray nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsen auf einer Platte aus Glas oder Glaskeramik angeordnet sind, und die Platte eine optisch wirksame Mikrostruktur auf einer oder auf beiden Seiten besitzt.
Linsenarray nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Brechzahl der Platte von der Brechzahl der Linsen weniger als 0,3 unterscheidet.
Linsenarray nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte zumindest zwei Schichten umfasst.
Linsenarray nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzfläche zwischen den zumindest zwei Schichten im Wesentlichen eben ausgebildet ist.
Linsenarray nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsen randseitig weniger als 5, vorzugsweise weniger als 2, und besonders bevorzugt weniger als 1 mm voneinander beabstandet sind, insbesondere unmittelbar aneinander angrenzen.
Linsenarray nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Linsenarray einstückig ausgebildet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Linsen-Arrays, insbesondere eines Linsen-Arrays nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend die Schritte – Einbringen von Rohlingen, insbesondere Glasrohlingen, in eine Pressform, welche eine Mehrzahl von Einbuchtungen aufweist; – Pressen der Rohlinge zu Linsen, insbesondere Kollimationslinsen, wobei sich die Rohlinge zumindest teilweise miteinander verbinden.
Verfahren zur Herstellung eines Linsen-Arrays nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Form auf einer Seite im Wesentlichen eben ausgebildet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Linsen-Arrays nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Pressen die Rohlinge derart auf ein Substrat gepresst werden, dass sich das Material der Rohlinge mit dem Substrat verbindet.
Verfahren zur Herstellung eines Linsen-Arrays nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein Substratglas oder Substratglaskeramik verwendet wird.
Verfahren zur Herstellung eines Linsen-Arrays nach einem der vorstehenden beiden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest beim Pressen das Material der Rohlinge weicher ist als das Material des Substrates.
Verfahren zur Herstellung eines Linsen-Arrays nach einem der vorstehenden drei Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat nach dem Pressen ausgedünnt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Linsen-Arrays nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohlinge als Kugeln oder Fasern ausgebildet sind.
Verfahren zur Herstellung eines Linsen-Arrays nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Heißpressverfahren verwendet wird.
Verfahren zur Herstellung eines Linsen-Arrays nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohlinge aus Glas bestehen und mit einer Temperatur von 20–100°C, vorzugsweise 50–60°C über der Glasübergangstemperatur T_g gepresst werden.
Verfahren zur Herstellung eines Linsen-Arrays nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Rohlinge aus Glas mit einer Glasübergangstemperatur T_g zwischen 350 und 650°C verwendet werden.
Verfahren zur Herstellung eines Linsen-Arrays nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohlinge auf ein Substrat aus einem anderen Material, insbesondere auf eine Glassubstrat mit einer anderen Glasübergangstemperatur T_g gepresst werden.