DE102011087543A1

DE102011087543A1 - Optoelektronische anordnung

Info

Publication number: DE102011087543A1
Application number: DE102011087543A
Authority: DE
Inventors: Dr. Gärtner Christian; Ales Markytan; Christian Neugirg
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2011-12-01
Filing date: 2011-12-01
Publication date: 2013-06-06
Also published as: WO2013079684A1

Abstract

Eine optoelektronische Anordnung (100, 200, 300, 400) weist einen flächigen Lichtleiter (102), einen seitlichen Lichtleiter (104) und ein teilreflektierendes Schichtsystem (106, 106a, 106b, 106c, 106d) auf. Der seitliche Lichtleiter (104) umschließt den flächigen Lichtleiter (102) an dessen Seitenflächen zumindest bereichsweise. Das teilreflektierende Schichtsystem (106, 106a, 106b, 106c, 106d) ist zwischen den Seitenflächen des flächigen Lichtleiters (102) und dem seitlichen Lichtleiter (104) angeordnet. Eine Lichtquelle (108, 108a, 108b, 108c, 108d, 108e, 108f) koppelt Licht in den seitlichen Lichtleiter (104) ein.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optoelektronische Anordnung.
Optoelektronische Anordnungen können als Flächenleuchten ausgebildet sein. Flächenleuchten können einen flächigen Lichtleiter aufweisen, in den eine Vielzahl von seitlich am flächigen Lichtleiter angeordnete Licht emittierende Dioden (LEDs) Licht einkoppeln. Hierbei kann die Leuchtdichte in nachteilhafter Weise über die Ausdehnung des flächigen Lichtleiters inhomogen verteilt sein.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine optoelektronische Anordnung anzugeben, bei der der flächige Lichtleiter über seine gesamte Fläche, insbesondere auch in den Randbereichen, homogen ausgeleuchtet wird.
Diese Aufgabe wird durch eine optoelektronische Anordnung gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst.
Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der optoelektronischen Anordnung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Beispielhafte Ausführungsformen
Die vorliegende Erfindung betrifft eine optoelektronische Anordnung mit einem flächigen Lichtleiter und einem seitlichen Lichtleiter. Der seitliche Lichtleiter umschließt den flächigen Lichtleiter an dessen Seitenflächen zumindest bereichsweise. Zwischen den Seitenflächen des flächigen Lichtleiters und dem seitlichen Lichtleiter ist ein teilreflektierendes Schichtsystem angeordnet. Eine Lichtquelle koppelt Licht in den seitlichen Lichtleiter ein. Durch den Einsatz des seitlichen Lichtleiters und des teilreflektierenden Schichtsystems wird der flächige Lichtleiter über seine gesamte Fläche, insbesondere auch in den Randbereichen, homogen ausgeleuchtet.
Das teilreflektierende Schichtsystem hat die Aufgabe einen Teil des Lichtes im seitlichen Lichtleiter, das auf das teilreflektierende Schichtsystem trifft, wieder in den seitlichen Lichtleiter zurückzustreuen. Dieses zurück gestreute Licht kann wiederverwertet werden und an anderen Positionen aus dem seitlichen Lichtleiter ausgekoppelt und in den flächigen Lichtleiter eingekoppelt werden.
Der Einsatz eines seitlichen Lichtleiters zur Einkopplung von Licht in den flächigen Lichtleiter ist gegenüber bekannten Ausführungsformen, die auf einen seitlichen Lichtleiter verzichten, vorteilhaft, da die Dicke der Umrahmung des flächigen Lichtleiters minimiert ist und die Kosten pro Lichtstrom reduziert sind.
Bei bekannten Ausführungsformen sind LEDs als Lichtquellen in einem umlaufenden Rahmen angeordnet. Die LEDs müssen einen Mindestabstand zum Rand des flächigen Lichtleiters haben, damit auch am Rand des flächigen Lichtleiters die Leuchtdichte homogen verteilt ist. Hintergrund ist der, dass sich das Licht, das von der Vielzahl der LEDs ausgeht, im flächigen Lichtleiter erst ab einem bestimmten Abstand der LEDs vom Rand des flächigen Lichtleiter ausreichend mischt. Bei der Verwendung von LEDs mit großem Lichtstrom, typischerweise größer als 70 Lumen, können die LEDs in großem Abstand zueinander angeordnet werden. Zur Erzielung einer homogenen Ausleuchtung des flächigen Lichtleiters, insbesondere auch in den Randbereichen, müssen die LEDs mit hohem Lichtstrom jedoch in einem großen Abstand vom flächigen Lichtleiter angeordnet werden. Dies führt zu einer Vergrößerung der Flächenleuchte, insbesondere einer ungewünschten Verbreiterung des Rahmens der Flächenleuchte. Bei der Verwendung von LEDs mit kleinem Lichtstrom, typischerweise kleiner als 30 Lumen, können die LEDs in geringem Abstand zueinander und zum Rand des flächigen Lichtleiters angeordnet werden. Die Flächenleuchte weist folglich eine schmale Umrahmung auf. Die Vielzahl der LEDs mit kleinem Lichtstrom führt jedoch zu hohen Kosten pro Lichtstrom.
Alternativ können in bekannten Ausführungsformen von Flächenleuchten LEDs ohne oder mit geringem Abstand zum Rand des flächigen Lichtleiters angeordnet sein. In diesem Fall kann der Rand des flächigen Lichtleiters durch einen Rahmen überdeckt sein. Durch den Rahmen kann der Bereich des flächigen Lichtleiters abgedeckt werden, der eine zu geringe Farbdichte und/oder eine zu geringe Leuchtdichte und/oder eine zu geringe Homogenität der Leuchtdichte aufweist. Durch den Einsatz eines Rahmens zur Abdeckung wird jedoch in nachteiliger Weise die Größe der Flächenleuchte vergrößert.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das teilreflektierende Schichtsystem einen Reflexionsgrad zwischen 30% und 95% auf. Je länger der seitliche Lichtleiter ist, desto größer muss der Reflexionsgrad des teilreflektierenden Schichtsystems sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Lichtquelle mindestens ein optoelektronisches Bauelement auf. Das optoelektronische Bauelement kann eine LED oder eine Laserdiode aufweisen. LEDs und Laserdioden weisen einen optoelektronischen Halbleiterchip auf. Optoelektronische Halbleiterchips weisen mindestens eine aktive Zone auf, die elektromagnetische Strahlung emittiert. Die aktiven Zonen können pn-Übergänge, Doppelheterostruktur, Mehrfach-Quantentopfstruktur (MQW), Einfach-Quantentopfstruktur (SQW) sein. Quantentopfstruktur bedeutet: Quantentöpfe (3-dim), Quantendrähte (2-dim) und Quantenpunkte (1-dim).
Es können sowohl LEDs einer Klasse als auch LEDs verschiedener Klassen verwendet werden. Die LED-Klassen unterscheiden sich in Farbe, Durchlassspannung und/oder Lichtstrom. Die LEDs einer Klasse können sich produktionsbedingt u. A. in obigen Parametern unterscheiden. Die LEDs unterschiedlicher Klassen sind bevorzugt periodisch alternierend angeordnet.
In einer bevorzugten Ausführungsform basiert der optoelektronische Halbleiterchip auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial. Der Halbleiterchip kann Indium Galliumnitrid (InGaN) aufweisen. Diese Halbleiterchips können elektromagnetische Primärstrahlung vom UV Bereich bis zum grünen Bereich emittieren. Der optoelektronische Halbleiterchip ist Bestandteil einer farbigen LED.
Auf dem InGaN-Halbleiterchip kann ein Konversionselement angeordnet sein. In das Konversionselement sind Leuchtstoffpartikel eingebracht. Die Leuchtstoffpartikel weisen wenigstens eines der folgenden Materialien auf:

– Lanthan dotiertes Yttriumoxid (Y₂O₃-La₂O₃),
– Yttrium Aluminium Granat (Y₃Al₅O₁₂),
– Dysprosiumoxid (Dy₂O₃),
– Aluminium Oxynitrid (Al₂₃O₂₇N₅) oder
– Aluminium Nitrid (AlN).

Die Leuchtstoffpartikel konvertieren kurzwellige Primärstrahlung in länger wellige Sekundärstrahlung. Die Mischung aus blauer Primärstrahlung und gelber Sekundärstrahlung kann weißes Mischlicht ergeben. Die Kombination von blau emittierendem Halbleiterchip und von Konversionselement kann eine weiße LED ergeben.
In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform kann der Halbleiterchip Indium Gallium Aluminium Phosphid (InGaAlP) aufweisen. Diese Halbleiterchips können elektromagnetische Strahlung vom roten Bereich bis zum gelben Bereich emittieren. Der optoelektronische Halbleiterchip ist Bestandteil einer farbigen LED.
In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die LEDs jeweils einen Lichtstrom von mindestens 70 Lumen auf. Der Einsatz weniger LEDs mit solch hohem Lichtstrom reduziert die Kosten pro Lichtstrom.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Halbleiterchip als Oberflächenemitter, insbesondere als sogenannter Dünnfilmchip, ausgebildet sein. Der Dünnfilmchip ist beispielsweise aus der Offenlegungsschrift WO2005081319A1 bekannt.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Halbleiterchip als ein Volumenemitter ausgebildet sein. Ein Saphir-Volumen-Emitter ist beispielsweise aus der Patentschrift DE 10 2006 015 788 A1 bekannt.
Der flächige Lichtleiter ist eine planare Struktur aus einer transparenten Matrix, in die Streupartikel eingebracht sein können. Der Brechungsindex der transparenten Matrix muss größer 1 sein, damit an der Grenzfläche zur Luft Totalreflexion stattfindet. Der Brechungsindex der transparenten Matrix liegt zwischen 1,2 und 1,8. Die Streupartikel haben einen größeren Brechungsindex als die die transparente Matrix. Durch den Brechungsindexunterschied wird die streuende Wirkung erzeugt. Die transparente Matrix kann Polymethylmethacrylat (PMMA) mit einem Brechungsindex von n = 1,49 oder Polycarbonat (PC) mit einem Brechungsindex von n = 1,52 aufweisen. Die transparente Matrix kann als Kern aus PMMA oder PC ausgebildet sein. Auf einer Seite oder auf beiden Seiten des Kerns ist eine transparente Mantelschicht aufgebracht. Die Mantelschicht kann eine dünne Folie sein. Der Brechungsindex des Kerns muss größer sein als der Brechungsindex der Mantelschicht. Dieses Schichtsystem ist vorteilhaft, da bei Berührung oder Verschmutzung des beschichteten flächigen Lichtleiters das Licht nicht auskoppelt, da die Lichtleitung weiterhin durch den Brechungsindexunterschied zwischen der Mantelschicht und dem Kern gewährleistet wird. Der flächige Lichtleiter weist eine Dicke zwischen 1 mm und 15 mm, vorzugsweise 8 mm auf. Die bevorzugte Dichte der Streupartikel sinkt mit steigender Größe des flächigen Lichtleiters. Die Dichte der Streupartikel legt fest, welcher Anteil des Lichts aus dem flächigen Lichtleiter ausgekoppelt werden kann. Bei einer geringen Dichte der Streupartikel wird wenig Licht ausgekoppelt, bei einer hohen Dichte der Streupartikel wird viel Licht ausgekoppelt. Streupartikel können eine diffuse Reflektivität (Einfallswinkel ist meist ungleich zu Ausfallswinkel) und/oder eine spekulare Reflektivität (Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel) aufweisen. Diffus reflektierende Partikel können wenigstens eines der folgenden Materialien aufweisen, die inert und/oder preiswert sind:

– TiO₂,
– Al₂O₃,
– BaF.

Spekular reflektierende Partikel können wenigstens eines der folgenden Materialien aufweisen:

– Ag,
– Al,
– Quanten-Dots.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist der flächige Lichtleiter eine abschnittsweise differenzierbare Grundform auf. Der Umfang des flächigen Lichtleiters besteht aus mindestens einem Abschnitt, der differenzierbar ist.
Insbesondere weist der flächige Lichtleiter eine polygone Grundform auf. Als polygone Grundform kann eine rechteckige Form, eine Trapezform, eine sechseckige Form oder eine dreieckige Form gewählt werden. Im Falle einer rechteckigen Form kann der flächige Lichtleiter Abmessungen von etwa 30 cm mal 30 cm aufweisen.
Insbesondere kann in einer alternativen Bauform der flächige Lichtleiter eine runde Grundform aufweisen.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der flächige Lichtleiter eine mittlere Eindringtiefe für Licht zwischen dem 0,1-fachen und dem 20-fachen seiner größten geometrischen Abmessung auf. Die mittlere Eindringtiefe ist die Strecke, innerhalb derer die Intensität des Lichtes auf 1/e mit e ~ 2,71 abgefallen ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist auch der seitliche Lichtleiter PMMA oder PC auf. Die Verweildauer des von der Lichtquelle in den seitlichen Lichtleiter eingekoppelten Lichts soll hoch genug sein, um über die gesamte Erstreckung des seitlichen Lichtleiters eine homogene Einkopplung von Licht in den flächigen Lichtleiter zu ermöglichen.
Der seitliche Lichtleiter kann einen Durchmesser von etwa 2 mm bis etwa 30 mm aufweisen.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der seitliche Lichtleiter eine mittlere Eindringtiefe für Licht zwischen dem 0,1-Fachen und dem 5-Fachen seiner Länge auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform nimmt der Reflexionsgrad des teilreflektierenden Schichtsystems mit zunehmendem Abstand von der Lichtquelle ab, so dass das Produkt aus dem Lichtstrom im seitlichen Lichtleiter und aus dem Transmissionsgrad des teilreflektierenden Schichtsystems über alle Orte im seitlichen Lichtleiter näherungsweise konstant ist. Das bedeutet, dass der Transmissionsgrad des teilreflektierenden Schichtsystems am Punkt der Einkopplung des Lichtes in den seitlichen Lichtleiter niedrig ist. Bei maximaler Entfernung zum Punkt der Lichteinkopplung wird ein maximaler Transmissionsgrad gewählt. Dies ist vorteilhaft, da dadurch der flächige Lichtleiter homogen ausgeleuchtet werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Brechungsindex des seitlichen Lichtleiters größer als der Brechungsindex des flächigen Lichtleiters. Zwischen dem flächigen Lichtleiter und dem seitlichen Lichtleiter kann das teilreflektierende Schichtsystem in Form einer Grenzschicht vorgesehen sein. Ein Teil des Lichts im seitlichen Lichtleiter wird an der Grenzschicht total reflektiert. Dadurch kann das Licht aus dem seitlichen Lichtleiter über die gesamte Strecke des seitlichen Lichtleiters homogen in den flächigen Lichtleiter eingekoppelt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Brechungsindex des seitlichen Lichtleiters kleiner oder gleich dem Brechungsindex des flächigen Lichtleiters. Zwischen dem flächigen Lichtleiter und dem seitlichen Lichtleiter ist das teilreflektierende Schichtsystem in Form einer Auskoppelstruktur ausgebildet. Es tritt keine Totalreflektion auf. Das Licht aus dem seitlichen Lichtleiter wird homogen in den flächigen Lichtleiter eingekoppelt. Durch die Auskoppelstruktur wird Licht im seitlichen Lichtleiter teilweise wieder in den seitlichen Lichtleiter zurückgeworfen. Die Auskoppelstruktur kann als Strukturierung der Oberfläche des seitlichen Lichtleiters realisiert werden. In der Nähe der Lichtquelle wird eine flachere Struktur, mit steigendem Abstand von der Lichtquelle wird eine tiefere Struktur gewählt, die in die Oberfläche des seitlichen Lichtleiters eindringt. Mit der Strukturierung verschlechtert man gezielt die Güte des Lichtleiters vom Rand zum Zentrum hin. Die ersten ca. 8 mm des seitlichen Lichtleiters, gemessen vom Rand, wo die Lichtquelle angeordnet ist, müssen ohne Auskoppelstruktur verbleiben. Damit wird erreicht, dass am Anfang des seitlichen Lichtleiters nicht ungewollt zuviel Licht auskoppelt.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das teilreflektierende Schichtsystem eine Reflexionsschicht auf, in die Streupartikel eingebracht sind. Ein synonymer Begriff zur Reflexionsschicht mit Streupartikel ist diffuse Schicht. Die Streupartikel können die oben genannten diffus reflektierenden Partikel und/oder die oben genannten spekular reflektierenden Partikel aufweisen. Die Reflexionsschicht kann auf den seitlichen Lichtleiter aufgedampft sein. Die Reflexionsschicht kann als Matrixmaterial PMMA, PC oder Glas aufweisen. Die Konzentration an Streupartikel muss in der Reflexionsschicht höher sein als im flächigen Lichtleiter.
Die Konzentration der Streupartikel in der Reflexionsschicht kann über die Erstreckung des seitlichen Lichtleiters homogen sein. Vorzugsweise soll jedoch ein Gradient der Konzentration von Streupartikel in der Reflexionsschicht eingestellt werden. Am Ort der Lichteinkopplung soll eine hohe Konzentration in der Mitte eine geringe Konzentration eingestellt werden. Dies ist vorteilhaft, da durch den Gradienten Licht mit einer homogenen Leuchtdichte über die gesamte Erstreckung des seitlichen Lichtleiter einstellbar ist.
Der Reflexionsgrad der Reflexionsschicht ist abhängig von der Konzentration der Streupartikel, von der Größe der Streupartikel, von der Dicke der Reflexionsschicht und von den Brechungsindices der Reflexionsschicht, des flächigen Wellenleiters und des seitlichen Wellenleiters. Der Brechungsindex der diffus reflektierenden Streuartikel ist größer als der Brechungsindex der Matrix des seitlichen Lichtleiters. Die Streupartikel absorbieren möglichst wenig Licht im spektralen Bereich des von der Lichtquelle emittierten Lichtes. Die Streupartikelgröße kann zwischen 300 nm und 10 μm variieren. Im Falle von Al₂O₃ als Streupartikel liegt die optimale Partikelgröße bei etwa 500 nm, also im Bereich der Wellenlänge des zu streuenden Lichtes. Die Dicke der Reflexionsschicht kann zwischen 0,05 mm und 5 mm variieren. Die Konzentration der Streupartikel in der Reflexionsschicht kann zwischen 1 und 0,001 Gewichtsprozent variieren.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das teilreflektierende Schichtsystem einen Luftspalt auf, an dem Totalreflexion auftritt, wobei der Brechungsindex des seitlichen Lichtleiters größer ist als der Brechungsindex von Luft. Der Luftspalt zwischen dem seitlichen Lichtleiter und dem flächigen Lichtleiter weist eine Breite zwischen 100 μm und 300 μm auf. Die minimal erreichbare Breite wird durch die Justiertoleranzen bestimmt. Der Luftspalt kann ohne zusätzliche Reflexionsschicht eingesetzt werden. Durch den Luftspalt wird die Güte des seitlichen Lichtleiters erhöht.
Alternativ oder zusätzlich kann das Licht durch Auskoppelstrukturen auf oder in dem seitlichen Lichtleiter aus dem seitlichen Lichtleiter ausgekoppelt werden. Als Auskoppelstruktur können Streuzentren auf die Oberfläche des seitlichen Lichtleiters aufgebracht werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Reflexionsschicht als ein dritter Lichtleiter ausgebildet, in den Streupartikel eingebracht sind. Die möglichen Matrix-Materialien für den dritten Lichtleiter können identisch sein mit den Matrix-Materialien des flächigen Lichtleiters und/oder des seitlichen Lichtleiters. Die möglichen Materialien der Streupartikel im dritten Lichtleiter können identisch sein mit den Materialien der Streupartikel im flächigen Lichtleiter und/oder im seitlichen Lichtleiter.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der seitliche Lichtleiter an den Flächen, die nicht zum flächigen Lichtleiter weisen, von einer möglichst hoch reflektierenden Spiegelschicht bedeckt. Als Spiegelschicht kann aufgedampftes Aluminium oder eine Reflektorfolie (mit der bis zu 96% Reflektivität erreichbar ist) dienen. Die Spiegelschicht kann eine gekantete, elliptische oder runde Form aufweisen. Die elliptische Form ist besonders vorteilhaft, da dadurch das Licht im seitlichen Lichtleiter besonders effizient nach vorne in Richtung des flächigen Lichtleiters reflektiert werden kann. Die Spiegelschicht muss zur Grenzfläche mit dem teilreflektierenden Schichtsystem optisch durchlässig oder zumindest teildurchlässig sein. Dies kann erreicht werden, indem der Bereich des seitlichen Lichtleiters, der an das teilreflektierende Schichtsystem angrenzt, nicht mit der Spiegelschicht versehen wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der seitliche Lichtleiter einstückig ausgebildet. Das Licht einer Lichtquelle kann an einem Ende oder an beiden Enden des seitlichen Lichtleiters eingekoppelt werden. Dies ist vorteilhaft, da als Lichtquelle einige wenige LEDs mit hohem Lichtstrom ausreichend sind. Im Grenzfall ist sogar eine einzige LED mit hohem Lichtstrom als Lichtquelle ausreichend. Die Kosten pro Lichtstrom sind dadurch minimiert.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der seitliche Lichtleiter eine Mehrzahl optisch voneinander getrennter Abschnitte auf, die jeweils eine differenzierbare Seite des flächigen Lichtleiters bedecken. Dies ist vorteilhaft, da eine homogene Ausleuchtung des flächigen Lichtleiters besonders einfach erreichbar ist. Die differenzierbaren Seiten des flächigen Lichtleiters können die geraden Seiten eines Polygons sein oder eine abgerundete Form aufweisen.
Bei nicht geraden Seiten des flächigen Lichtleiters muss der seitliche Lichtleiter flexibel sein. Mit anderen Worten muss der seitliche Lichtleiter ein Elastizitätsmodul aufweisen, das es ihm erlaubt über seine gesamte Erstreckung in Kontakt mit den Seitenflächen des flächigen Lichtleiters zu sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform koppelt an einem einzigen Ende jedes Abschnitts jeweils eine Lichtquelle Licht in den seitlichen Lichtleiter ein. Dies ist vorteilhaft, da dadurch die Kosten pro Lichtstrom minimiert sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform koppelt an beiden Enden jedes Abschnitts eine Lichtquelle Licht in den seitlichen Lichtleiter ein. Dies ist vorteilhaft, da eine homogene Ausleuchtung des flächigen Lichtleiters besonders einfach erreichbar ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein. Rahmen vorgesehen, der den seitlichen Lichtleiter umschließt. Der Rahmen kann zur Fixierung des seitlichen Lichtleiters am flächigen Lichtleiter dienen.
Der Einsatz von LEDs mit einem hohen Lichtstrom, insbesondere höher als 70 Lumen, in Verbindung mit einem seitlichen Lichtleiter ist aus folgendem Grund vorteilhaft. Üblicherweise wird ein Lichtfluss vorgegeben, der den flächigen Lichtleiter ausleuchten soll. Es ist preiswerter wenige LEDs mit einem hohen Lichtstrom pro LED einzusetzen, als viele LEDs mit einem geringen Lichtstrom pro LED. Insbesondere ist die Zahl der Lötkontakte reduziert beim Einsatz weniger LEDs mit einem hohen Lichtstrom.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Verschiedene Ausführungsbeispiele werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und zum besseren Verständnis übertrieben groß oder verkleinert dargestellt sein.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen optoelektronische Anordnung in Draufsicht;
1a, 1b, 1c, 1d zeigen Ausschnitte des ersten Ausführungsbeispiels in Schnittansicht entlang einer Schnittlinie 120 aus 1;
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen optoelektronische Anordnung in Draufsicht;
3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen optoelektronische Anordnung in Draufsicht;
4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen optoelektronische Anordnung in Draufsicht;
5a, 5b, 5c, 5d zeigen Ausschnitte des ersten Ausführungsbeispiels in Schnittansicht entlang einer Schnittlinie 130 aus 1;
6a, 6b, 6c zeigen Ausschnitte des ersten Ausführungsbeispiels in Schnittansicht entlang einer Schnittlinie 130 aus 1;
7 zeigt einen Ausschnitt des ersten Ausführungsbeispiels aus 1 in Draufsicht.
AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen optoelektronischen Anordnung 100 in Draufsicht. Ein flächiger Lichtleiter 102 ist bereichsweise von einem seitlichen Lichtleiter 104 umschlossen. Ein teilreflektierendes Schichtsystem 106 ist zwischen den Seitenflächen des flächigen Lichtleiters 102 und den seitlichen Lichtleitern 104 angeordnet. Lichtquellen 108 koppeln Licht in den seitlichen Lichtleiter 104 ein.
Der flächige Lichtleiter 102 weist eine polygone Grundform, insbesondere eine rechteckige Form, auf. Der flächige Lichtleiter kann aber auch jede andere Grundform aufweisen, die zumindest abschnittsweise differenzierbar ist.
Der flächige Lichtleiter 102 weist eine mittlere Eindringtiefe für Licht zwischen dem 0,1-fachen und dem 20-fachen seiner größten geometrischen Abmessung auf.
Der seitliche Lichtleiter 104 weist vier optisch voneinander getrennte Abschnitte auf, die jeweils eine Seite des flächigen Lichtleiters 102 bedecken.
An beiden Enden jedes Abschnitts des seitlichen Lichtleiters 104 koppeln Lichtquellen 108 Licht in den seitlichen Lichtleiter 104 ein.
Der seitliche Lichtleiter 104 weist eine mittlere Eindringtiefe für Licht zwischen dem 0,1-Fachen und dem 5-Fachen seiner Länge auf.
Der Reflexionsgrad des teilreflektierenden Schichtsystems 106 nimmt mit zunehmendem Abstand von der Lichtquelle 108 ab, so dass das Produkt aus dem Lichtstrom im seitlichen Lichtleiter 104 und aus dem Transmissionsgrad des teilreflektierenden Schichtsystems 106 über alle Orte im seitlichen Lichtleiter 104 näherungsweise konstant ist.
Je nach Abstand von der Lichtquelle 108 weist das teilreflektierende Schichtsystem 106 einen Reflexionsgrad zwischen 30% und 95% auf.
Durch die vier separaten Abschnitte des seitlichen Lichtleiters 104 und die Lichtquellen 108 zu beiden Seiten jedes Abschnittes ist ein hoher, homogener Lichtstrom im seitlichen Lichtleiter 104 besonders einfach erreichbar.
In einem nichtgezeigten Ausführungsbeispiel weist der flächige Lichtleiter eine gebogene, insbesondere eine runde Grundform auf. Auch bei einer solchen runden Grundform können mehrere separate Abschnitte des seitlichen Lichtleiters an den flächigen Lichtleiter angeformt sein und Licht in den flächigen Lichtleiter einkoppeln. Lichtquellen können jeweils an beiden Seiten der gebogenen Abschnitte des seitlichen Lichtleiters Licht in den seitlichen Lichtleiter einkoppeln. Alternativ können Lichtquellen jeweils an einer Seite der gebogenen Abschnitte des seitlichen Lichtleiters Licht in den seitlichen Lichtleiter einkoppeln.
1a zeigt einen Ausschnitt des ersten Ausführungsbeispiels in Draufsicht entlang der Schnittlinie 120. Der Ausschnitt zeigt im Detail die Lichtquelle 108, die mit dem Ende des seitlichen Lichtleiters 104 in optischem Kontakt ist. Die Lichtquelle 108 kann über eine Schicht aus Silikonkleber mit dem seitlichen Lichtleiter 104 verbunden sein. Der Übersichtlichkeit halber ist diese Schicht aus Silikonkleber in der 1a nicht dargestellt. Als Lichtquelle 108 ist eine einzige, weiße LED 108a, vorgesehen, die weißes Licht in den seitlichen Lichtleiter 104 einkoppelt. Die weiße LED 108a weist einen Lichtstrom von mindestens 70 Lumen auf, weshalb eine einzige weiße LED 108a pro Ende jedes Abschnitts des seitlichen Lichtleiters 104 ausreichend sein kann.
1b zeigt einen Ausschnitt des ersten Ausführungsbeispiels in Draufsicht entlang der Schnittlinie 120. Als Lichtquelle 108 sind zwei weiße LEDs 108a vorgesehen, die weißes Licht in den seitlichen Lichtleiter 104 einkoppeln. Auch hier können weiße LEDs 108a mit einem Lichtstrom von mindestens 70 Lumen vorgesehen sein.
1c zeigt einen Ausschnitt des ersten Ausführungsbeispiels in Draufsicht entlang der Schnittlinie 120. Als Lichtquelle 108 sind zwei farbige LEDs, insbesondere eine mint-farbige LED 108b und eine amber-farbige LED 108c vorgesehen. Die mint-farbige LED 108b emittiert grünlich-weißes oder bläulich-weißes Licht, wobei der zugehörige c_y-Wert im CIE-Farbdiagramm größer als 0,24 ist. Die amberfarbige LED 108c emittiert Licht mit einer Dominantwellenlänge zwischen 600 nm und 660 nm. Das verschiedenfarbige Licht wird in dem seitlichen Lichtleiter 104 durchmischt. Das Mischlicht kann in einen (nicht gezeigten) flächigen Lichtleiter eingekoppelt werden.
1d zeigt einen Ausschnitt des ersten Ausführungsbeispiels in Draufsicht entlang der Schnittlinie 120. Als Lichtquelle 108 sind drei farbige LEDs, nämlich eine rote LED 108d, eine grüne LED 108e und eine blaue LED 108f vorgesehen. Das verschiedenfarbige Licht wird in dem seitlichen Lichtleiter 104 durchmischt. Es ergibt sich weißes Mischlicht, das in einen (nicht gezeigten) flächigen Lichtleiter eingekoppelt werden kann.
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen optoelektronischen Anordnung 200 in Draufsicht. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel in 1 ist nur an einer einzigen Seite jedes der vier getrennten Abschnitte des seitlichen Lichtleiters 104 eine Lichtquelle 108 angeordnet. Dies ist vorteilhaft, da weniger LEDs notwendig sind und dadurch eine höhere Designfreiheit möglich ist. Das Ziel einen hohen, homogenen Lichtstrom zur Einkopplung in den flächigen Lichtleiter 102 zu erzeugen ist ähnlich einfach zu erreichen wie im Ausführungsbeispiel von 1.
3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen optoelektronischen Anordnung 300 in Draufsicht. Im Unterschied zu den Ausführungsbeispielen in 1 und 2 ist der seitliche Lichtleiter 104 einstückig ausgebildet. Der seitliche Lichtleiter 104 umläuft den flächigen Lichtleiter 102 vollständig. An jedem der beiden Enden des seitlichen Lichtleiters 104 ist eine Lichtquelle 108 vorgesehen. Vorzugsweise ist der Krümmungswinkel des seitlichen Lichtleiters 104 in den Kurven nicht kleiner als der Winkel der Totalreflexion. Alternativ oder zusätzlich kann der seitliche Lichtleiter 104 in den Kurven verspiegelt sein. Die Verspiegelung ist im Ausführungsbeispiel von 3 nicht dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel ist vorteilhaft, da nur zwei Lichtquellen 108 notwendig sind.
In einem nichtgezeigten Ausführungsbeispiel weist der flächige Lichtleiter eine gebogene, insbesondere eine runde Grundform auf. Auch bei einer solchen runden Grundform kann der einstückig ausgebildete, umlaufende, seitliche Lichtleiter an den flächigen Lichtleiter angeformt sein und Licht in den flächigen Lichtleiter einkoppeln. Jeweils eine Lichtquelle zu jedem Ende des einstückigen, seitlichen Lichtleiters koppelt Licht in den seitlichen Lichtleiter ein.
4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen optoelektronischen Anordnung 400 in Draufsicht. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel in 3 ist nur eine einzige Lichtquelle 108 vorgesehen, die den seitlichen Lichtleiter 104 in seiner gesamten Länge ausleuchtet. Ein hoher, homogener Lichtstrom zur Einkopplung in den flächigen Lichtleiter 102 ist schwerer erreichbar, als bei den vorigen Ausführungsbeispielen. Jedoch sind die Kosten pro Lichtstrom minimal.
In einem nichtgezeigten Ausführungsbeispiel weist der flächige Lichtleiter eine gebogene, insbesondere eine runde Grundform auf. Auch bei einer solchen runden Grundform kann der einstückig ausgebildete, umlaufende, seitliche Lichtleiter an den flächigen Lichtleiter angeformt sein und Licht in den flächigen Lichtleiter einkoppeln. Eine einzige Lichtquelle an nur einem der beiden Enden des einstückigen, seitlichen Lichtleiters koppelt Licht in den seitlichen Lichtleiter ein.
Die 5a, 5b, 5c und 5d zeigen Ausschnitte des ersten Ausführungsbeispiels in Schnittansicht entlang einer Schnittlinie 130 aus 1.
5a zeigt einen Ausschnitt der optoelektronischen Anordnung bei dem das teilreflektierende Schichtsystem 106 eine Grenzschicht 106a aufweist an der ein Teil des auf die Grenzschicht 106a auftreffenden Lichtes total reflektiert wird. Hierzu muss der Brechungsindex des flächigen Lichtleiters 102 kleiner gewählt werden als der Brechungsindex des seitlichen Lichtleiters 104.
5b zeigt einen Ausschnitt der optoelektronischen Anordnung bei dem das teilreflektierende Schichtsystem 106 eine lichtdurchlässige Klebstoffschicht 107 aufweist. Die Klebstoffschicht 107 kann Silikon, vorzugsweise weiches Silikon, aufweisen. Diese Schicht 107 befestigt den seitlichen Lichtleiter 104 am flächigen Lichtleiter 102 und vermittelt den optischen Kontakt zwischen flächigem Lichtleiter 102 und seitlichem Lichtleiter 104.
5c zeigt einen Ausschnitt der optoelektronischen Anordnung bei dem das teilreflektierende Schichtsystem 106 einen Luftspalt 106b aufweist an dem Totalreflexion auftritt. Hierzu muss der Brechungsindex des seitlichen Lichtleiters 104 größer gewählt werden als der Brechungsindex von Luft. Der seitliche Lichtleiter 104 kann über eine nicht gezeigte Klammer an dem flächigen Lichtleiter 102 befestigt sein.
5d zeigt einen Ausschnitt der optoelektronischen Anordnung bei dem das teilreflektierende Schichtsystem 106 eine Reflexionsschicht 106c aufweist, in die Streupartikel 110 eingebracht sind. Die Streupartikel 110 können diffus reflektierende Partikel und/oder spekular reflektierende Partikel sein. Die Reflexionsschicht 106c kann auf den seitlichen Lichtleiter 104 aufgedampft sein.
Alternativ kann die Reflektionsschicht 106c ein dritter Lichtleiter sein, in den Streupartikel 110 eingebracht sind.
In allen Ausführungsbeispielen abgesehen vom Ausführungsbeispiel in 5c kann der seitliche Lichtleiter 104 durch eine lichtdurchlässige Klebstoffschicht 107 mittelbar oder unmittelbar mit dem flächigen Lichtleiter 102 verbunden sein. Der Übersichtlichkeit halber wird diese Klebstoffschicht 107 jedoch nur in dem Ausführungsbeispiel von 5b dargestellt.
Die 6a, 6b und 6c zeigen Ausschnitte des ersten Ausführungsbeispiels in Schnittansicht entlang der Schnittlinie 130 aus 1. Die 6a, 6b und 6c entsprechen den 5a, 5c und 5d, mit dem Unterschied, dass der seitliche Lichtleiter 104 zumindest teilweise verspiegelt ist.
In 6a bedeckt die Spiegelschicht 112 alle Seitenflächen des seitlichen Lichtleiters 104 außer dem teilreflektierenden Schichtsystem 106. Die Spiegelschicht 112 überdeckt hierbei auch die Grenzschicht 106a. Das Licht kann über die Grenzfläche 106a in den flächigen Lichtleiter 102 einkoppeln.
In 6b bedeckt die Spiegelschicht 112 alle Seitenflächen des seitlichen Lichtleiters 104 außer dem teilreflektierende Schichtsystem 106. Die Spiegelschicht 112 überdeckt hierbei auch den Luftspalt 106b. Das Licht kann über den Luftspalt 106b in den flächigen Lichtleiter 102 einkoppeln.
In 6c bedeckt die Spiegelschicht 112 alle Seitenflächen des seitlichen Lichtleiters 104 außer dem teilreflektierende Schichtsystem 106. Die Spiegelschicht 112 überdeckt hierbei auch die Reflexionsschicht 106c. Das Licht kann über die Reflexionsschicht 106c in den flächigen Lichtleiter 102 einkoppeln.
7 zeigt einen Ausschnitt des ersten Ausführungsbeispiels in Draufsicht. Das teilreflektierende Schichtsystem 106 weist eine Strukturierung 106d der Oberfläche des seitlichen Lichtleiters 104 auf. In der Nähe der Lichtquelle 108 weist der seitliche Lichtleiter 104 über eine Länge von etwa 8 mm keine Struktur auf. Grund ist der, dass in diesem Bereich möglichst wenig Licht aus dem seitlichen Lichtleiter 104 ausgekoppelt werden soll. An diesen Bereich schließt sich die Strukturierung 106d an, wobei die Tiefe der Strukturierung 106d mit steigendem Abstand von der Lichtquelle 108 zunimmt. Je tiefer die Strukturierung 106d desto mehr Licht kann aus dem seitlichen Lichtleiter 104 aus- und in den flächigen Lichtleiter 102 ein- gekoppelt werden. Durch die Strukturierung kann über die Erstreckung des seitlichen Lichtleiters 104 eine homogene Leuchtdichte erreicht werden.
In nicht gezeigten Ausführungsbeispielen können die oben dargestellten verschiedenen Ausprägungen der teilreflektierenden Schichtsysteme 106a, 106b, 106c, und 106d beliebig miteinander kombiniert werden.
Die optoelektronische Anordnung wurde zur Veranschaulichung des zugrundeliegenden Gedankens anhand einiger Ausführungsbeispiele beschrieben. Die Ausführungsbeispiele sind dabei nicht auf bestimmte Merkmalskombinationen beschränkt. Auch wenn einige Merkmale und Ausgestaltungen nur im Zusammenhang mit einem besonderen Ausführungsbeispiel oder einzelnen Ausführungsbeispielen beschrieben wurden, können sie jeweils mit anderen Merkmalen aus anderen Ausführungsbeispielen kombiniert werden. Es ist ebenso möglich, in Ausführungsbeispielen einzelne dargestellte Merkmale oder besondere Ausgestaltungen wegzulassen oder hinzuzufügen, soweit die allgemeine technische Lehre realisiert bleibt.
Bezugszeichenliste

100, 200, 300, 400: optoelektronische Anordnung
102: flächiger Lichtleiter
104: seitlicher Lichtleiter
106: teilreflektierendes Schichtsystem
106a: Grenzschicht
106b: Luftspalt
106c: Reflexionsschicht
106d: Strukturierung
107: lichtdurchlässige Klebstoffschicht
108: Lichtquelle
108a: weiße LED
108b: mint-farbige LED,
108c: amber-farbige LED
108d: rote LED
108e: grüne LED
108f: blaue LED
110: Streupartikel
112: Spiegelschicht
120: erste Schnittlinie in 1
130: zweite Schnittlinie in 1

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2005018319 A1 [0019]
DE 102006015788 A1 [0020]

Claims

Optoelektronische Anordnung (100, 200, 300, 400) mit: – einem flächigen Lichtleiter (102), – einem seitlichen Lichtleiter (104), wobei der seitliche Lichtleiter (104) den flächigen Lichtleiter (102) an dessen Seitenflächen zumindest bereichsweise umschließt, – einem teilreflektierenden Schichtsystem (106, 106a, 106b, 106c, 106d), das zwischen den Seitenflächen des flächigen Lichtleiters (102) und dem seitlichen Lichtleiter (104) angeordnet ist und – einer Lichtquelle (108, 108a, 108b, 108c, 108d, 108e, 108f), die Licht in den seitlichen Lichtleiter (104) einkoppelt.
Optoelektronische Anordnung gemäß Anspruch 1, wobei das teilreflektierende Schichtsystem (106, 106a, 106b, 106c, 106d) einen Reflexionsgrad zwischen 30% und 95% aufweist.
Optoelektronische Anordnung gemäß Anspruch 2, wobei der Reflexionsgrad des teilreflektierenden Schichtsystems (106, 106a, 106b, 106c, 106d) mit zunehmendem Abstand von der Lichtquelle (108, 108a, 108b, 108c, 108d, 108e, 108f) abnimmt, so dass das Produkt aus dem Lichtstrom im seitlichen Lichtleiter (104) und aus dem Transmissionsgrad des teilreflektierenden Schichtsystems (106, 106a, 106b, 106c, 106d) über alle Orte im seitlichen Lichtleiter (104) näherungsweise konstant ist.
Optoelektronische Anordnung gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei das teilreflektierende Schichtsystem (106) eine Grenzschicht (106a) aufweist an der Totalreflexion auftritt, wobei der Brechungsindex des flächigen Lichtleiters (102) kleiner ist als der Brechungsindex des seitlichen Lichtleiters (104).
Optoelektronische Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das teilreflektierende Schichtsystem (106) einen Luftspalt (106b) aufweist an dem Totalreflexion auftritt, wobei der Brechungsindex des seitlichen Lichtleiters (104) größer ist als der Brechungsindex von Luft.
Optoelektronische Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 5, wobei das teilreflektierende Schichtsystem (106) eine Reflexionsschicht (106c) aufweist in die Streupartikel (110) eingebracht sind.
Optoelektronische Anordnung gemäß Anspruch 6, wobei die Streupartikel (110) diffus reflektierende Partikel und/oder spekular reflektierende Partikel sind.
Optoelektronische Anordnung gemäß Anspruch 6, wobei die Reflexionsschicht (106c) auf den seitlichen Lichtleiter (104) aufgedampft ist.
Optoelektronische Anordnung gemäß Anspruch 6, wobei die Reflektionsschicht (106c) ein dritter Lichtleiter ist, in den Streupartikel (110) eingebracht sind.
Optoelektronische Anordnung gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei das teilreflektierende Schichtsystem (106) eine Strukturierung (106d) der Oberfläche des seitlichen Lichtleiters (104) aufweist.
Optoelektronische Anordnung gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei der seitliche Lichtleiter (104) an den Flächen, die nicht zum flächigen Lichtleiter (102) weisen, von einer Spiegelschicht (112) bedeckt ist.
Optoelektronische Anordnung gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei der flächige Lichtleiter (102) eine abschnittsweise differenzierbare Grundform, insbesondere eine polygone oder eine runde Grundform, aufweist.
Optoelektronische Anordnung gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei der seitliche Lichtleiter (104) einstückig ausgebildet ist.
Optoelektronische Anordnung gemäß Anspruch 13, wobei an einem Ende oder an beiden Enden des einstückigen, seitlichen Lichtleiters (104) Licht von einer Lichtquelle (108, 108a, 108b, 108c, 108d, 108e, 108f) eingekoppelt wird.
Optoelektronische Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der seitliche Lichtleiter (104) eine Vielzahl optisch voneinander getrennte Abschnitte aufweist, die jeweils eine Seite des flächigen Lichtleiters (102) bedecken.
Optoelektronische Anordnung gemäß Anspruch 15, wobei an einem einzigen Ende jedes Abschnitts jeweils eine Lichtquelle (108, 108a, 108b, 108c, 108d, 108e, 108f) Licht in den seitlichen Lichtleiter (104) einkoppelt.
Optoelektronische Anordnung gemäß Anspruch 15, wobei an beiden Enden jedes Abschnitts eine Lichtquelle (108, 108a, 108b, 108c, 108d, 108e, 108f) Licht in den seitlichen Lichtleiter (104) einkoppelt.
Optoelektronische Anordnung gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei der flächige Lichtleiter (102) eine mittlere Eindringtiefe für Licht zwischen dem 0,1-fachen und dem 20-fachen seiner größten geometrischen Abmessung aufweist.
Optoelektronische Anordnung gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei der seitliche Lichtleiter (104) eine mittlere Eindringtiefe für Licht zwischen dem 0,1-Fachen und dem 5-Fachen seiner Länge aufweist.
Optoelektronische Anordnung gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei die Lichtquelle (108, 108a, 108b, 108c, 108d, 108e, 108f) mindestens ein optoelektronisches Bauelement, insbesondere eine LED oder eine Laserdiode, aufweist.
Optoelektronische Anordnung gemäß Anspruch 20, wobei das optoelektronische Bauelement einen Lichtstrom von mindestens 70 Lumen erzeugt.