DE112021005453T5

DE112021005453T5 - LED-Optiksystem

Info

Publication number: DE112021005453T5
Application number: DE112021005453.8T
Authority: DE
Inventors: Edward Bailey
Original assignee: Autosystems a Division of Magna Exteriors Inc
Current assignee: Autosystems a Division of Magna Exteriors Inc
Priority date: 2020-10-16
Filing date: 2021-10-18
Publication date: 2023-07-27
Also published as: US11598504B2; US20220120400A1; WO2022082117A1

Abstract

Eine Beleuchtungsanordnung auf LED-Basis verwendet einen minimalen Abstand zwischen einer LED-Quelle und einem Diffusor zum Reduzieren einer Formfaktorgröße, und konvexe Optik, elliptische Diffusion und laterale Wiedergewinnung zum Erzeugen einer gleichmäßigen geometrischen Form für eine Leuchtpixelanzeige für Information mit hoher Auflösung von Mini- oder Mikrochip-LEDs. Ein Verhältnis von weniger als eins zu eins (1:1) zwischen dem LED-Chipabstand und dem vertikalen Abstand zwischen Chip und Diffusor wird mit einer gewünschten Gleichmäßigkeit von Leuchtpixelanzeigen erzielt. Ein verminderter Abstand zwischen Diffusor und LEDs und eine verbesserte Optik ermöglichen eine dichtere und dennoch kompakte Konfiguration von LEDs in leuchtenden Komponenten oder Kühlergrills von Automobilen und Emblemen und anderen beleuchteten Branding- oder Sicherheitseinrichtungen in kommerziellen und Wohngebäudeanwendungen.

Description

Die vorliegende nicht-vorläufige Anmeldung beansprucht die Vorteile der am 16. Oktober 2020 eingereichten, nicht-vorläufigen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 63/092 62S , deren gesamter Inhalt hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist.
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leuchtdiode („LED“) und ein Verfahren zu ihrer Herstellung in einer Beleuchtungsanordnung auf LED-Basis, und insbesondere eine Beleuchtungsanordnung auf LED-Basis mit einem kleinen Formfaktor mit verbesserter Leistungsfähigkeit bei gleichzeitiger Verminderung des Energieverbrauchs und von Wärmeproblemen.
Hintergrund
Es besteht ein Problem hinsichtlich der Herstellung von LED-Arrays und Treibern mit kleinen Formfaktoren unter Beibehaltung der Leistungsfähigkeit, Effizienz und bei Minimierung des Energieverbrauchs.
Beispielsweise ist es im Fall von Kühlergrills und Emblemen bei Automobilen wünschenswert, diese Komponenten bei schlechten Lichtverhältnissen und Bedingungen ohne Licht für verschiedene Zwecke zu beleuchten, z.B. zur Sicherheit und für Branding. Um diese Komponenten zu beleuchten, muss eine Lichtquelle verwendet werden, die in der Lage ist, eine ausreichende Beleuchtung bereitzustellen und hinter den Komponenten installierbar ist, ohne den Motorraum zu beeinträchtigen. Außerdem müssen diese Komponenten dazu geeignet sein, in dieser Position elektronisch angesteuert oder gesteuert sowie mit Strom versorgt zu werden.
Allerdings treten bei der Herstellung von Mikro-LED-Komponenten mit kleinem Formfaktor Designprobleme auf.
Um Mikro- und Minichip-LEDs mit Strom zu versorgen, besteht eine Einschränkung der Größe des Pixels darin, wie klein der Kontaktabstand in der Leiterplatte mit Kupfer (Cu) ist, um die am LED-Chip befestigten Kontakte mit Strom zu versorgen. Diese Kontakte auf dem LED-Chip werden verwendet, um eine Spannung an den PN-Übergang anzulegen und Licht zu erzeugen. In einer herkömmlichen beispielhaften Konfiguration hat der verwendete LED-Chip eine Größe von 300×150 Mikrometer (µm) und kann in einem Pitch von nur 0,5 Millimetern (mm) Chip-zu-Chip platziert werden.
Der Abstand zwischen LED-Chips wird üblicherweise als „Pitch“ bezeichnet. Beispielsweise ist der Abstand zwischen den LED-Chips in der langen Richtung der Pitch in „x-Richtung“ und der Abstand zwischen den LED-Chips in der anderen Richtung der Pitch in „y-Richtung“.
Das vom LED-Chip erzeugte Licht hat ein lambertsches Verteilungsmuster von etwa 120 Grad Vollwinkelverteilung bei halber Spitzenintensität und 140 - 165 Grad Feldwinkelverteilung bei 10% der Spitzenintensität. Die 120-Grad-Verteilung des Lichts erfordert einen Diffusor, der in einem minimalen Abstand von der LED-Lichtquelle angeordnet ist, um zu ermöglichen, dass Lücken von austretendem Licht durch Licht gefüllt werden. Dieser Abstand wird üblicherweise als der vertikale Abstand oder „z-Abstand“ bezeichnet.
Betrachtet man einen Längsschnitt einer Lichtquelle, bei der die Intensität von Chip zu Chip geplottet wird, dann wäre die Intensität direkt senkrecht vom LED-Chip am höchsten und in der Mitte zwischen den LEDs am geringsten.
In typischen Konfigurationen funktionieren Diffusoren beispielsweise am besten, wenn sie in einem Abstand angeordnet sind, der dem Pitch der LED-Lichtquelle entspricht.
Beispielsweise ergibt ein Verhältnis von 1:1 zwischen dem Pitch in y-Richtung und dem vertikalen Abstand eine akzeptable gleichmäßige Leistungsfähigkeit, gemessen als max/min-Variation < 15%, so dass eine Gleichmäßigkeit von 85% erhalten wird. Es ist wünschenswert, die Gesamtdicke der Diffusionslösung zu vermindern, so dass der Diffusor näher an der LED platziert werden kann, ohne die Gleichmäßigkeit negativ zu beeinflussen. Um die Dicke des Diffusors zu minimieren, werden Methoden zur Rückstreureflexion eingesetzt, um Licht aufzufüllen.
Mit zunehmender Pitch-Dichte wird der Schattenabstand zwischen den LED-Chips für das bloße Auge nicht mehr wahrnehmbar und die erforderliche sekundäre optische Streuung wird reduziert, was zu einer höheren Übertragungseffizienz führt. Mit zunehmender Anzahl von LED-Chips steigen jedoch auch die Kosten.
Um ein einheitlicheres Erscheinungsbild zu erreichen, ist es vorteilhaft, geometrische Elemente wie Quadrate und Rechtecke zu erzeugen, die bei Verwendung kleinerer LED-Chips den Eindruck größerer Pixel erwecken können. Mit einer solchen geometrischen Beleuchtungskonfiguration wird die Herstellung von Informationsanzeigen in Verbindung mit einer für Sicherheit, z.B. in Kraftfahrzeug- und anderen Mobilitätsanwendungen, verwendeten Beleuchtung möglich.
Die geringere Komplexität der Sekundärdiffusion kann auch die zum Ansteuern der LEDs benötigte Leistung reduzieren, da Licht, das eher übertragen statt absorbiert wird, die nachteiligen thermischen Effekte vermindert, die ein Problem für die Zuverlässigkeit darstellen können.
Wenn Beleuchtungsvorrichtungen größere LED-Gehäuse verwenden (z.B. 3x3 mm und 3×5 mm), sind weniger LEDs erforderlich, um die erforderliche Lichtintensität zu erzeugen, durch Anwendung optischer Umwandlungseinrichtungen, wie holografische Musterdiffusoren und volumetrische Streuung, wird aber die Erzeugung von Informationsanzeigen (z.B. Text, Grafiken und Steuermuster) verwischt.
Es ist auch vorteilhaft, Vorrichtungen mit großem Pitch und hoher thermischer Dichte zu einer Reihe von Lichtquellen zu reduzieren, um ein homogeneres Erscheinungsbild zu erzeugen, während gleichzeitig die Adressierbarkeit jedes LED-Pixels nicht verloren geht, um in einem kombinierten Muster zu arbeiten und eine Informationsanzeige zu erzeugen.
Daher ist es wünschenswert, den Pitch und den vertikalen Abstand zu minimieren, um dadurch die Abmessungen der gesamten Beleuchtungsvorrichtung zu vermindern.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung lösen diese Probleme durch Implementieren einer verbesserten LED mit einem kleinen Formfaktor bei verbesserter Leistungsfähigkeit und gleichzeitiger Minimierung des Energieverbrauchs.
Um einen dünneren Formfaktor zu erhalten, nutzen das vorliegende Design und die technische Lösung zum Beispiel seitliche Wiedergewinnung, konvexe oder konkave Optik und elliptische Diffusion mit einem hohen Elliptizitätsverhältnis, um aus Minichip-LEDs eine gleichmäßige geometrische Form für jedes Leuchtpixel zu erzeugen, was eine Anzeige von Information mit höherer Auflösung als in herkömmlichen Methoden ermöglicht, bei denen großgehäusige LEDs verwendet wurden. Der Gesamtstromverbrauch wird dadurch reduziert, dass die optische Effizienz des Beleuchtungssystems erhöht wird. Darüber hinaus führen dieses Design und die technische Lösung zu einer kompakteren Struktur, die etwa 60% Tiefe in z-Richtung einspart.
Herkömmlich bestimmt das Gehäuse, das zum Unterbingen des LED-Chips verwendet wird, die Grenzen, wie weit der Pitch in y-Richtung vermindert werden kann, um die optische Übertragungseffizienz durch ein dünnes optisches Fenster zu verbessern. Die LED-Chip-on-Board- („COB“) Konfiguration ermöglicht eine dreimal (d.h. 3x) dichtere Chipplatzierung in der y-Richtung. In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden die Grenzen, die durch ein zum Aufnehmen eines 250 µm - 500 µm Chips verwendetes 3×3 mm-Gehäuse auferlegt werden, durch eine Hochgeschwindigkeits-Hochpräzisions-Chip-on-Board-Bestückungstechnologie auf die Größe der Chip-Lichtquelle selbst vermindert. Beispielsweise ist die Chip-Lichtquelle in den beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung derart designt, dass sie z.B. 100 - 350 µm (z.B. Minichips) und 2 - 100 µm (z.B. Mikrochips) beansprucht. Außerdem können Konfigurationen von Mikro-LED-Chips mit einer Merkmalsgröße < 50 µm, in denen das Saphir- oder Si-Substrat entweder durch UV-Excimer oder durch Schleifen, Ätzen oder Polieren entfernt wird, als Lichtquellen verwendet werden. Dieser Ersatz (d.h., Eliminieren des Standard-3030- oder 3,0×3,0mm-Gehäuses aus dem Design) führt zu einer Platzersparnis, was zu einer Vorrichtung führt, die weniger als 1 % der ursprünglichen Größe hat (z.B. 0,06 mm² oder (350×170µm-Chip)/9mm² = < 1%). Anders ausgedrückt beträgt die Platzersparnis über 99%.
In derx-Richtung (lange Richtung) eines Beleuchtungssystems können die LED-Chips Ende-an-Ende angeordnet werden, um gleichmäßige Lichtlinien zu erzeugen, oder mit größeren Lücken, um besser definierte Pixel zu erzeugen, die blinken oder in ihrer Intensität variiert werden können, um wellenartige Beleuchtungseffekte zu erzeugen.
Es kann auch mehr Licht durch eine Abdeckplatte (die z.B. zum Abdichten und zum Schützen der Lichtquellen vor der Umgebung verwendet werden) übertragen werden, wenn die Diffusionsflächen näher an der Lichtquelle (d.h. in z-Richtung) angeordnet sind.
Wenn die LED-Chips in der x-Richtung näher beieinander angeordnet sind, erhöht sich die Gleichmäßigkeit von Pixel zu Pixel, ohne dass die Informationsanzeige beeinträchtigt wird (z.B. die Fähigkeit der Beleuchtungsschaltung zum Darstellen von Figuren, Grafiken und Text mit guter Auflösung). Umgekehrt sinken mit zunehmendem Pitch in x-Richtung die Herstellungskosten, nimmt aber auch die Leistungsfähigkeit der Informationsanzeige ab.
In der y-Richtung ergibt der engste Pitch von 0,5 mm die beste optische Übertragungseffizienz, während unerwünschte Linien oder Lücken auftreten können, wenn der Pitch in y-Richtung vergrößert wird.
Wenn beispielsweise der Pitch in y-Richtung vergrößert wird, wird eine verstärkte Pixelbildung im Erscheinungsbild zu einem Problem. Dieses Problem könnte mit einem elliptischen Diffusor nicht gelöst werden (z.B. wäre es nicht möglich, das Bild zu glätten und zu homogenisieren). Stattdessen kann z.B. ein symmetrischer Diffusor von 30, 60 oder 80 Grad verwendet werden, um ein gleichmäßiges Erscheinungsbild zu erzeugen, dies würde jedoch die bildliche Geometrie animierter Merkmale verwaschen und die Auflösung dynamischer Bewegungen in einem gewünschten Beleuchtungsdesign oder -muster vermindern.
Das Steuern der Diffusion sowohl in x- als auch in y-Richtung ist für das beleuchtete Erscheinungsbild des Gesamtsystems von Vorteil, um die Gleichmäßigkeit der Beleuchtung geometrischer oder bildhafter Darstellungen zu maximieren und gleichzeitig das Erscheinungsbild der Lücken zwischen den Leuchtchips zu beseitigen. Streuung kann z.B. durch Einstellen des Abstands zwischen den LEDs und dem Diffusor (d.h. des Abstands in z-Richtung) und/oder durch Einstellen der Dicke und der Materialeigenschaften des Diffusors gesteuert werden. Indem nur dort Streuung auftritt, wo es erforderlich ist, kann die Beleuchtungsvorrichtung z.B. die Auflösung von Buchstaben und Schriftkanteneigenschaften beibehalten und ansprechendere geometrische Muster erzeugen.
Um große Lichtabfälle zu reduzieren, die zwischen den Hot Spots oder Bereichen mit hoher Beleuchtungsstärke über dem LED-Chip entstehen, ist eine ausreichende Lichtausbreitung in z-Richtung erforderlich, bevor das Licht auf die Diffusionsflächen auftrifft (d.h. der Abstand in z-Richtung). Typischerweise sind die Diffusionsflächen nicht in der Lage, Licht in ausreichendem Maße zu streuen, wenn sie direkt auf dem Chip angeordnet sind, sondern erfordern einen gewissen Luftspalt für die Lichtausbreitung.
Wenn der Abstand in z-Richtung zwischen Lichtquelle und Diffusor verringert werden kann, vermindert sich die Gleichmäßigkeit erheblich bei der Verwendung von eingehäusten LEDs, aber mit Die-Chip-Quellen und Wiedergewinnung kann die 1:1-Regel durch Vermindern der Dicke des Diffusors um über 60% verbessert werden
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform weist eine Beleuchtungsanordnung auf LED- (Leuchtdiode) Basis eine Lichtquelle mit einer Vielzahl von LED-Chips auf, die aus Minichip-LEDs und Mikrochip-LEDs ausgewählt sind, wobei eine x-Richtung einer Länge eines LED-Chips entspricht, eine y-Richtung einer Breite eines LED-Chips entspricht, eine z-Richtung einem vertikalen Abstand von einem LED-Chip entspricht und ein Pitch einem Chip-zu-Chip-Abstand zwischen zwei LED-Chips in ihrer x-Richtung oder ihrer y-Richtung entspricht. Die Vielzahl von LED-Chips sind in einem ausgewählten Pitch angeordnet, um eine bestimmte Lichtwirkung zu erzielen. Die Beleuchtungsanordnung auf LED-Basis weist ferner einen Diffusor mit einer Diffusoreingangsfläche zum Empfangen von Licht von der Lichtquelle und einer Diffusorausgangsfläche zum Umwandeln von empfangenem Licht auf. Die Diffusoreingangsfläche ist in einem ausgewählten Abstand in der z-Richtung von den Lichtaustrittsflächen der Vielzahl von LED-Chips angeordnet, wobei ein Verhältnis von weniger als eins zu eins (1:1) zwischen dem ausgewählten Pitch und dem ausgewählten Abstand besteht. Die Beleuchtungsanordnung auf LED-Basis weist außerdem ein optisches System auf, das dazu eingerichtet ist, Licht von der Diffusorausgangsfläche zu empfangen, und weist ein optisches Element mit einer konvexen oder konkaven Form und ein Reflektorelement auf, das dazu eingerichtet ist, empfangenes Licht zu reflektieren und wiederzugewinnen.
Gemäß einem Aspekt einer beispielhaften Ausführungsform durchläuft das von der Lichtquelle ausgegebene Licht einen Luftspalt, bevor es auf die Diffusoreingangsfläche auftrifft.
Gemäß einem Aspekt einer beispielhaften Ausführungsform weist das optische Element eine konvex geformte Linseneintrittsfläche und eine konvex geformte Linsenaustrittsfläche auf.
Gemäß einem Aspekt einer beispielhaften Ausführungsform ist der Diffusor ein elliptischer Diffusor.
Gemäß einem Aspekt einer beispielhaften Ausführungsform weist die Diffusorausgangsfläche eine Vielzahl von mikro-elliptischen Elementen mit unterschiedlichen Aspektverhältnissen auf.
Gemäß einem Aspekt einer beispielhaften Ausführungsform weist die Diffusorausgangsfläche eine Vielzahl von Lensletmerkmalen mit unterschiedlichen Höhen auf.
Gemäß einem Aspekt einer beispielhaften Ausführungsform weist die Diffusorausgangsfläche Mikrostrukturen mit unterschiedlichen, auf einem Silikonmaterial vorgesehenen Merkmalen auf.
Gemäß einem Aspekt einer beispielhaften Ausführungsform weist die Lichtquelle eine mit den LED-Chips verbundene Leiterplatte, die die LEDs mit Strom versorgt und steuert, und eine Silikonbeschichtung auf mindestens den Lichtaustrittsflächen der LED-Chips auf.
Gemäß einem Aspekt einer beispielhaften Ausführungsform sind die Lichtquelle, der Diffusor und das optische System flexibel und gekrümmt.
Gemäß einem Aspekt einer beispielhaften Ausführungsform ist das optische Element relativ zu einer ebenen Fläche erhöht und weist das optische System eine Wand auf, die eine optische Eingangsfläche des optischen Elements umschließt, und ist das Reflektorelement benachbart zur Wand angeordnet, um das vom Diffusor abgegebene Licht in Richtung zur optischen Eingangsfläche umzulenken.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform weist ein Verfahren zum Herstellen einer Beleuchtungsanordnung auf LED- (Leuchtdiode) Basis das Anordnen einer Lichtquelle auf, die eine Vielzahl von LED-Chips aufweist, die aus Minichip-LEDs und Mikrochip-LEDs ausgewählt sind, um ein ausgewähltes Muster von den LED-Chips zu erzeugen, wobei eine x-Richtung einer Länge eines LED-Chips entspricht, eine y-Richtung einer Breite eines LED-Chips entspricht, eine z-Richtung einem vertikalen Abstand von einem LED-Chip entspricht und Pitch einem Chip-zu-Chip-Abstand zwischen zwei LED-Chips in ihrer x-Richtung oder ihrer y-Richtung entspricht, und wobei die Vielzahl von LED-Chips in einem ausgewählten Pitch für eine bestimmte Lichtwirkung aus dem ausgewählten Muster angeordnet sind. Das Verfahren weist ferner das steuerbare Versorgen der Lichtquelle mit Strom unter Verwendung einer Leiterplatte, die mit den LED-Chips verbunden ist, um die LEDs mit Strom zu versorgen und zu steuern, und das Anordnen eines Diffusors in einem ausgewählten Abstand relativ zur Lichtquelle auf, wobei der Diffusor eine Diffusoreingangsfläche zum Empfangen von Licht von der Lichtquelle und eine Diffusorausgangsfläche zum Umwandeln von empfangenem Licht aufweist, wobei die Diffusoreingangsfläche in dem ausgewählten Abstand in der z-Richtung von Lichtaustrittsflächen der Vielzahl von LED-Chips angeordnet ist, und wobei ein Verhältnis von weniger als eins zu eins (1:1) zwischen dem gewählten Pitch und dem gewählten Abstand besteht. Das Verfahren weist auch das Anordnen eines optischen Systems relativ zur Diffusorausgangsfläche auf, um Licht vom Diffusor zu empfangen, wobei das optische System ein optisches Element mit konvexer Form und ein Reflektorelement aufweist, um empfangenes Licht vom Diffusor in Richtung zu einer optischen Eingangsfläche des optischen Elements zu reflektieren und wiederzugewinnen.
Gemäß einem Aspekt einer beispielhaften Ausführungsform weist das Verfahren zum Herstellen der Beleuchtungsanordnung auf LED-Basis ferner das Bereitstellen einer Silikonbeschichtung auf mindestens den Lichtaustrittsflächen der LED-Chips auf.
Gemäß einem Aspekt einer beispielhaften Ausführungsform weist das Verfahren zum Herstellen der Beleuchtungsanordnung auf LED-Basis ferner das Bereitstellen von Mikrostrukturen mit unterschiedlichen Merkmalen auf der Diffusorausgangsfläche auf.
Gemäß einem Aspekt einer beispielhaften Ausführungsform sind die Lichtquelle, der Diffusor und das optische System flexibel, und weist das ausgewählte Muster eine Krümmung auf, und ist ferner vorgesehen, die Beleuchtungsanordnung auf LED-Basis in dem gekrümmten ausgewählten Muster anzuordnen.
Gemäß einem Aspekt einer beispielhaften Ausführungsform sind die Lichtquelle, der Diffusor und das optische System flexibel, und ist ferner vorgesehen, die Beleuchtungsanordnung auf LED-Basis in einer konturierten Form anzuordnen, die eine ausgewählte Montagestruktur aufnimmt.
Es versteht sich, dass beliebige der vorstehenden Aspekte gemäß den beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in verschiedenen Kombinationen miteinander kombinierbar sind.
Es versteht sich ferner, dass die vorstehende allgemeine Beschreibung und die folgende ausführliche Beschreibung sowohl zur Erläuterung dienen als auch dazu dienen, den beanspruchten Gegenstand näher zu erläutern.
Figurenliste
Die beigefügten Zeichnungen sind Teil der vorliegenden Patentschrift und zeigen Ausführungsformen, die zusammen mit der Beschreibung den Gegenstand erläutern.

1 zeigt ein Beispiel eines herkömmlichen Beleuchtungssystems mit einem Chip-on-Board- („COB“) LED-System;
2A, 2B, 2C und 2D zeigen ein Beispiel eines LED-Layouts eines herkömmlichen Beleuchtungssystems mit einem COB-LED-System.
3A und 3B zeigen ein Beispiel eines Layouts eines herkömmlichen Beleuchtungssystems mit einem COB-LED-System;
4 und 5 zeigen beispielhafte Leistungsfähigkeiten einer LED-Vorrichtung, wenn der Pitch in y-Richtung vermindert ist;
6 und 7 zeigen beispielhafte Leistungsfähigkeiten einer LED-Vorrichtung, wenn der Abstand in z-Richtung vermindert ist;
8, 9A und 9B zeigen Beispiele der Beleuchtungsstärke für verschiedene Diffusorwinkel;
10, 11A, 11B, 12A und 12B zeigen beispielhafte Leistungsfähigkeiten einer LED-Vorrichtung, wenn der x-Pitch vermindert ist;
13 zeigt ein beispielhaftes Layout einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
14 zeigt einen beispielhaften Strahlengang von Elementen des Beleuchtungssystems und Lichtpfade, die durch LED-Minichip-Quellen in einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erzeugt werden;
15 zeigt eine beispielhafte installierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
16 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines elliptischen Diffusors, der mit einem Luftspalt von 0,5 mm über einem LED-Chipquellenarray angeordnet ist;
17 zeigt einen beispielhaften Strahlengang eines optischen Minichip-LED-Systems, das gemäß einer beispielhaften Ausführungsform konstruiert ist; und
18 und 19 zeigen jeweils beispielhafte installierte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.

Ausführliche Beschreibung
Die folgende ausführliche Beschreibung wird unter Bezug auf die Figuren bereitgestellt. Beispielhafte Ausführungsformen werden beschrieben, um die Erfindung zu veranschaulichen, nicht um ihren Umfang einzuschränken, der durch die Ansprüche definiert ist. Für Fachleute sind innerhalb des Umfangs der Erfindung gleichwertige Variationen in der folgenden Beschreibung offensichtlich.
Die 1 bis 3 zeigen ein Beispiel eines herkömmlichen Beleuchtungssystems mit einem Chip-on-Board- („COB“) LED-System, das durch eine unbefriedigende Leistungsfähigkeit gekennzeichnet ist, die durch einen oder mehrere Aspekte der in Verbindung mit den 13 bis 18 beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen der technischen Lösung der vorliegenden Erfindung verbessert werden kann. Die in den 1 bis 3 dargestellten Abmessungen sind beispielsweise in Millimetern (mm) angegeben. Die 4 bis 12B zeigen Auswirkungen auf die Leistungsfähigkeit des herkömmlichen beispielhaften Beleuchtungssystems der 1 bis 3 durch Ändern des Pitchs von LED-Chips und des Diffusors.
Wie in 1 dargestellt ist, weist das System einen Wärmeverteiler 100 (z.B. eine Wärmeableitplatte, einen Kühlkörper usw.) auf. Der Wärmeverteiler 100 weist ein Material (z.B. hochwertige thermische Grenzflächenmaterialien mit glatter Oberfläche) mit einer hohen Wärmeableitungseffizienz auf, das dazu bestimmt ist, die durch die LED erzeugte Wärme abzuleiten.
Das System weist auch eine oder mehrere eingehäuste LEDs 102 auf, die auf einer Leiterplatte („PCB“) 101 montiert sind. Die LEDs 102 können handelsübliche LED-Gehäuse sein, wie z.B. eine eingehäuste 3030-LED. Die Leiterplatte 101 kann eine Standardleiterplatte aus FR4, IMS, Glas oder anderen ähnlichen Komponenten sein. 1 zeigt drei der LEDs 102, die in einem 3×20-Array von LEDs angeordnet sind, wie in 2A dargestellt ist. Die 3A und 3B zeigen die Linse 106 und den Diffusor 104, die in Verbindung mit dem 3×20-Array von LEDs verwendet werden, wie in 2A dargestellt ist, wobei jedoch die Leiterplatte 101 und die LEDs 102 zur Verdeutlichung weggelassen sind.
Vertikale Reflektoren 103 sind allgemein senkrecht zur Leiterplatte 101 ausgerichtet und dafür konfiguriert, das von den LEDs 102 emittierte Licht derart zu reflektieren, dass (i) verhindert wird, dass Licht in einer horizontalen Richtung entweicht, und (ii) ermöglicht wird, dass Licht nach oben und weg von den LEDs 102 gerichtet wird.
Der Lichtdiffusor 104 ist allgemein parallel zur Leiterplatte 101 und oberhalb der LEDs 102 angeordnet und so gestaltet, dass er das von den LEDs 102 emittierte Licht streut. Wie bereits diskutiert wurde, muss das von einer LED emittierte Licht gestreut werden, damit die Vorrichtung gleichmäßiges Licht emittiert. In einer typischen Vorrichtung ist der Lichtdiffusor 104 etwa 10 mm von der LED-Quelle 1 beabstandet, was den Formfaktor für viele Beleuchtungsanwendungen unerwünscht erhöht.
Typischerweise weist die Geometrie von Lichtdiffusoren 104 symmetrische Mikrotäler und -erhebungen von 20 - 250 µm auf, wobei der Querschnitt einer einzelnen Lenslet-Mikrostruktur um die Schwerpunktsachse gedreht werden könnte. Die Höhe und Breite der Lenslet-Mikrostruktur-Primitiven kann randomisiert werden, um z.B. die Bildung von Kaustik zu vermeiden.
Wenn Lichtdiffusoren 104 weiter von der LED-Lichtquelle 102 weg gezogen werden, beginnt die geometrische Auflösung zu verwaschen, da sich Lichtwinkel zu vermischen beginnen und schräge Strahlen ineinander greifen. Beispielsweise vereinigt sich Licht, das von einer Pixelgruppe austritt, mit Licht, das von einer benachbarten Pixelgruppe austritt, was dazu führen kann, dass die geometrische und bildliche Definition im Wesentlichen unkenntlich wird.
Das dekorative Gehäuse 105 ist ein dekoratives Gehäuse für die Vorrichtung. So kann z.B. bei der Anwendung für einen Kühlergrill für Kraftfahrzeuge das beleuchtete Kühlergrillteil lichtdurchlässig, verchromt oder schwarz glänzend sein.
Die optische Linse 106 ist eine konkave optische Linse, die dafür konfiguriert ist, das einfallende Licht in eine allgemeine Richtung zu streuen. In Abhängigkeit vom Design kann die Gesamtdicke der optischen Linse 106 an bestimmten Stellen (28 mm) überschreiten.
Bei typischen Layouts verwendet das System eine LED-Lichtquelle mit einem 5-seitigen konformen Phosphorchip mit Spezifikationen wie 1,5 - 20 Im/LED, 3,5mA, 10 mW, 5500K, mit einem Pitch in x-Richtung von 5,25 mm, einem Pitch in y-Richtung von +/-5,0 mm, einem z-Abstand zwischen dem Diffusor 104 und der Lichtquelle 102 von 10 mm und drei Reihen mit 20 Spalten von LEDs 102, wie in 2A dargestellt ist. Der große Abstand in z-Richtung (in 1 dargestellt) und der größere Pitch in y-Richtung führen zu einer schlechten Effizienz und Spitzenintensität. Die 2A bis 2D zeigen jeweils eine Beispielansicht mit den angegebenen Abmessungen in x- und y-Richtung, eine Draufsicht, eine Seitenansicht und eine perspektivische Seitenansicht einer Anordnung von LED-Chips, die sowohl einen sperrigen Formfaktor haben als auch mit einer schlechten Leistungsfähigkeit arbeiten können.
Um die Probleme des typischen Systems zu überwinden, beschreibt die vorliegende Erfindung eine verbesserte Beleuchtungsanordnung auf LED-Basis gemäß den in den 13 - 18 dargestellten Ausführungsformen, die so konfiguriert ist, dass eine optische Effizienz durch Vermindern des Pitchs in x-Richtung, des Pitchs in y-Richtung und des Abstands in z-Richtung erreicht wird, wodurch der minimal erforderliche Formfaktor reduziert wird, während die optimale Leistungsfähigkeit und Effizienz beibehalten werden.
Beispiele dafür, wie sich ein verminderter Pitch in x- oder y-Richtung und/oder ein verminderter Abstand in z-Richtung auf die Leistungsfähigkeit auswirken können, werden nun unter Bezug auf die 4 bis 12B beschrieben. Im Hinblick auf den Pitch in y-Richtung verbessert sich, wie in Tabelle 1 (4) unten und in 5 dargestellt ist, die optische Effizienz, wenn der Pitch in y-Richtung bezüglich der in dem typischen beispielhaften System der 1 bis 3 dargestellten Abmessung +/-5,0 mm vermindert wird. Insbesondere werden die Strahlverteilung und die Spitzenintensität verbessert. Nachstehend wird die optische Effizienz des Systems als Funktion des Pitchs in y-Richtung (mm) bei 0,5 mm (Abstand in z-Richtung) von einer konformen Beschichtung der LED mit einer 5-Grad-Diffusorstruktur (z.B. Vorderkante zur LED hin gewandt) dargestellt. Tabelle 1

y-Pitch +/(mm) Übertragene Lumen T% Spitzenintensität (cd) Strahlverteilung X/Y

5 43,5 48 25,4 70/92

2,5 45,6 51 29 64/92

1 47,2 52 29,2 64/90
Die übertragenen Lumen stellen das Licht dar, das von der Lichtquelle 102 nach Durchgang durch den Diffusor 104, die Wiedergewinnungswände 103 und die äußere konkave Linse 106 erfolgreich emittiert worden ist. In diesem Beispiel werden an der Lichtquelle 102 als Teil eines kleinen Abschnitts der Vorrichtung (z.B. eine Anwendung für einen beleuchteten Kühlergrill) 90 Im erzeugt.
T% stellt das Licht dar, das die Sekundäroptik einschließlich des elliptischen Diffusors 104, der Linsenreflektor-Wiedergewinnungswände 103 und der äußeren konkaven Linse 106 erfolgreich durchlaufen hat. Bei einem Pitch in y-Richtung von +/- 2,5 mm ist T% beispielsweise ein Verhältnis zwischen den durchgelassenen Lumen (45,6 Im) und den an der LED-Lichtquelle erzeugten Lumen (90,0 Im), also 45,6/90 oder 51%. Die Effizienz des durchgelassenen Lichts nimmt zu, wenn der Pitch in y-Richtung abnimmt.
Die Strahlverteilung X/Y stellt die Halbwertsbreite der Verteilung des Lichts in x-Richtung und y-Richtung dar, wobei die x-Richtung sich entlang der längeren L-Dimension des Lichtbalkens erstreckt und die y-Richtung sich quer zur längeren Dimension erstreckt. Das austretende Licht kann so verändert werden, dass es in Abhängigkeit von der elliptischen Ausrichtung und der Stärke des verwendeten Diffusors in der einen Richtung stärker ist als in der anderen.
In Abhängigkeit von der gewünschten Leistungsfähigkeit des Systems können verschiedene y-Pitches verwendet werden. Wenn beispielsweise einzelne oder mehrere Lichtpunkte mit höherer Intensität erwünscht sind, kann das System auf +/- 1 mm ausgelegt sein. Wenn dagegen mehr steuerbare Lichtpunkte erwünscht sind, z.B. zum Darstellen von Nachrichten oder komplexeren Designs, kann ein Pitch in y-Richtung von +/- 2,5 mm verwendet werden.
Ähnlicherweise nimmt die optische Effizienz des Systems mit abnehmendem Abstand in z-Richtung (d.h. dem Abstand zwischen der LED 102 und dem Diffusor 104) zu. Wie in Tabelle 2 (6) dargestellt ist, führte beispielsweise ein konstanter Pitch in y-Richtung von +/- 2,5 mm zu den folgenden Ergebnissen in Abhängigkeit von der Einstellung des Abstands in z- Richtung. Umgekehrt nehmen, wie in 7 dargestellt ist, mit zunehmendem Abstand in z-Richtung die Gleichmäßigkeit und die Spitzenintensität ab. Tabelle 2

z-Abstand (mm) Lumen T T%

0,5 45,6 51%

2,5 38 42%

4,5 35,6 40%

6,5 31,9 35%

8,5 29 32%
Dadurch verbessert sich die Gleichmäßigkeit des Beleuchtungserscheinungsbildes auf Kosten einer geringeren optischen Effizienz des Systems bei erhöhter Streuung.
Darüber hinaus werden durch den verminderten Pitch in x-Richtung Lichtsäulen aufrechterhalten. Wie in den 10 und 11A und 11 B dargestellt ist, führt die Verminderung des Pitchs in x-Richtung in einer Bank von 12 LEDS (jede Ein/Aus) mit einem Pitch in y-Richtung von +/- 2,5 mm, einem Abstand in z-Richtung von 0,5 mm und einem Diffusor (x/y) mit einer Lichtstreuung von 1×60 Grad zu aufrechterhaltenen Lichtsäulen.
Wie in 12A dargestellt ist, hat ein reduzierter Pitch in x-Richtung die folgenden Vorteile: (1) Lichtsäulen bleiben erhalten, und (2) können mit zonalem Dimmen verwendet werden, um den Effekt von sequentiellen Balken zu erzeugen. Wie in 12A mit einer Zone von 3 LEDs dargestellt ist (jede 50% Ein/Aus), betragen der Pitch in y-Richtung +/- 2,5mm, der Abstand in z-Richtung 0,5mm, und erzeugt der Diffuser eine Lichtstreuung (x/y) von 1×60 Grad.
Umgekehrt wäscht, wie in 12B dargestellt ist, ein starker Pitch in x-Richtung die Lichtsäulen aus und vermindert die Effizienz um etwa 20%. 13 zeigt eine Zone mit 3 LEDs (jeweils 50% Ein/Aus), mit einem Pitch in y-Richtung von +/- 2,5 mm, einem Abstand in z-Richtung von 0,5 mm und einem Diffuser mit einer Lichtstreuung (x/y) von 1×60 Grad.
13 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die LED-Leiterplatte 1300 ist die LED-Leiterplatte, die zum Versorgen der allgemein mit 1301 bezeichneten LED-Chips mit Strom verwendet wird. Gemäß einem Aspekt der beispielhaften Ausführungsform sind die LED-Chips LED-Minichips 1301, die in 3 Reihen bei 0,0 (x,y) und +/- 2,5 mm beabstandet sind.
Die Silikonbeschichtung 1302 ist eine konforme Silikonbeschichtung, die dazu beiträgt, Licht von den LED-Chips 1301 zu extrahieren und die konforme Beschichtung und die Chips vor der Außenumgebung zu schützen.
Der Diffusor 1303 ist ein elliptischer Diffusor, der z.B. in einem Abstand von 0,5 mm in z-Richtung von den LED-Minichips 1301 angeordnet ist.
Die Oberfläche 1304 ist eine Darstellung der planaren Außenflächen der optischen Linse 1308 und absorbiert Licht.
Die Einfallsfläche 1305 ist die Einfallsfläche des konkaven Abschnitts des Linsensystems 1308. Reflektoren 1306 sind Reflektoren, die direkt an den Außenwänden der optischen Linse 1308 befestigt sind, um einfallendes Licht wiederzugewinnen und die Gleichmäßigkeit zu verbessern. Die Reflektoren 1306 können direkt an den äußeren Seitenflächen der optischen Linse 1308 oder an der Innenfläche des dekorativen Gehäuses (nicht dargestellt) angebracht werden. Ein direktes Anbringen an der optischen Linse 1308 ohne Luftspalt ist für die höchste Wiedergewinnungseffizienz bevorzugt. Die Außenfläche 1307 ist die Außenfläche der konkaven Optik und hat eine Mikrostruktur, die zur Homogenisierung des Lichts beiträgt.
Die Platzersparnis in z-Richtung gemäß 13 beträgt 5,7 mm gegenüber 28 mm in 1 oder 56%.
14 zeigt einen Strahlengang von Elementen des Beleuchtungssystems von 13 und zeigt die wichtigen Lichtpfade, die von den LED-Minichip-Quellen 1301 durch das in 13 dargestellte System erzeugt werden. Die in 13 dargestellten Elemente, die auch in den 14, 16 und 17 dargestellt sind, sind unter Verwendung einer ähnlichen Nomenklatur nummeriert (z.B. ist das Element 1301 in 13 das Element 1401 in 14, das Element 1601 in 16 und das Element 1701 in 17 usw.). Die in 14 dargestellten Elemente sind eine LED-Leiterplatte 1400, die die Minichip-Lichtquellen 1401 mit Strom versorgt. Es ist eine Silikonbeschichtung 1402 vorgesehen, durch die das Licht zunächst zum elliptischen Diffusor 1403 gelangt. Lichtstrahlen 1409 stellen die Lichtstrahlen dar, die von den ebenen Flächen 1404 der optischen Linse 1408 reflektiert oder absorbiert werden. Die Strahlenbündel 1410 stellen das in die optische Linse 1408 eintretende Licht dar. Das von den Lichtquellen 1401 einfallende Licht kann wiedergewonnen werden, und das umgelenkte Licht 1411 stellt die durch die Seitenwandspiegel 1406 umgelenkten Strahlen dar, die durch Umlenken über das optische Element 1408 nach außen gelangen können. Die aus der konkaven Optik 1407 austretenden Strahlen werden durch die Mikrostruktur auf der Außenseite 1407 der optischen Linse 1408 gestreut.
Zum Berücksichtigen des minimierten x-Pitchs, y-Pitchs und z-Abstands wird in der vorliegenden Erfindung ein verbesserter elliptischer Diffusor 1600 verwendet.
16 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines verbesserten elliptischen Diffusors 1603, der oberhalb des LED-Chip-Quellenarrays 1001 angeordnet ist, das mit einer flexiblen Leiterplatte 1602 verbunden und vom Diffusor 1603 durch einen Luftspalt von 0,5 mm beabstandet ist. Die Mikrostruktur, die von der Diffusoroberfläche 1603 nach außen weist, kann aus mikro-elliptischen Elementen 1603b und 1603c mit unterschiedlichem Aspektverhältnis im Mikrometermerkmalbereich von ungefähr 2 - 50 µm und mit einem variierenden Aspektverhältnis von ungefähr 1:2 - 1:10 bestehen.
Die Mikrostruktur 1603b repräsentiert ein Mikrodiffuser-Linsenmerkmal von 60×10 Grad, und die Mikrostruktur 1603c repräsentiert ein aggressiveres Aspektverhältnis der Mikrostruktur, das eine Elliptizität von 80×1 Grad erzeugen kann. Die weiche Diffusionsrichtung der Mikrostruktur 1603b streut den Strahl nur um 1 - 20 Grad. Die aggressiveren Lenslets der Mikrostruktur 1603c streuen in der Querrichtung 30 - 80 Grad.
Um sich möglicherweise ergebende Abbildungskaustiken zu vermeiden, kann die elliptische Mikro-Lensletstruktur des Diffusors 1603 mit symmetrisch streuenden, aber zufällig variierenden Lenslet-Höhenmerkmalen durchsetzt sein. Diese Merkmale können durch einen 355 nm Femtosekunden-Laserpuls holografisch auf einen Dorn oder ein Formwerkzeug geätzt werden, oder, unter Verwendung von Prägelithographie kann ein Klonwerkzeug verwendet werden, um die Mikrostrukturen auf eine dünne Silikonschicht mit einer Dicke von etwa 10 - 125 µm aufzudrucken oder zu prägen.
Der Diffusorwinkel bezieht sich darauf, wie der Diffusor 603 auf die einfallenden Lichtfelder einwirkt. Der Nettoeffekt auf das Licht ist eine Faltung der einfallenden Lichtverteilung mit der durch den Diffusor 603 bereitgestellten zusätzlichen Streufunktion. Der Diffusor (Grad) und die resultierende Beleuchtungsstärke (Lux) sind in der nachstehenden Tabelle 3 (8) und in 9 dargestellt.
Trifft beispielsweise ein kollimierter Strahl mit einem Divergenzwinkel von < 1 Grad auf einen 5-Grad-Diffusor 1603, so wäre die Nettostrahlverteilung in diesem Fall ungefähr die Wurzel aus der Summe der Quadrate der Verteilung des einfallenden Strahls und des Diffusorstreuwinkels von ~ 5 Grad. Bei breiteren Strahlenverteilungen > 60 Grad ist die Wirkung der Streuung ungefähr additiv. Wenn beispielsweise die Verteilung des einfallenden Strahls 120 Grad wäre und ein 30-Grad-Diffusor 1603 mit einer von der Lichtquelle abgewandten Mikrodiffusionsstruktur angewendet würde, würde der Nettoverteilungswinkel nach Streuung etwa 150 Grad betragen. Tabelle 3

Diffuser (Grad) Beleuchtungsstärke (lux)

5 50909

30 45479

80 41387
17 zeigt ein Beispiel eines Strahlengangs eines optischen Minichip-LED-Systems, in dem Mikro- oder Minichip-LEDs 1701 durch Versorgen mit Strom und Wärmeableitung über die Leiterplatte 1700 Festkörperlicht erzeugen.
Das aus der LED 1701 austretende Licht durchläuft einen Luftspalt 1710, bevor es durch einen Diffusor 1703 gestreut wird, der elliptische mikrooptische Elemente aufweisen kann (z.B. 1603b und 1603c, wie in 16 dargestellt ist). Flache Segmente 1703 des optischen Elements können Licht reflektieren oder absorbieren, wodurch die Definition des durch das optische Element 1705 abgestrahlten Lichts aufrechterhalten wird. Obwohl das optische Element 1703 mit einer konvexen Form dargestellt ist, kann die Form auch konkav, geriffelt, oder frei geformt sein.
Wie mit der konvexen Lichtformung dargestellt ist, werden die einfallenden Lichtstrahlen fokussiert und durch das zweite konvexe Formelement 1707 (das beispielsweise aus dem optischen Steuerelement austritt) stärker kollimiert als zuvor. Stärker kollimiertes Licht 1709 erzeugt eine höhere Lichtintensität und eine höhere Lichtausbeute.
Die Lichtausbeute bezieht sich auf Licht, das in einem Abstand von 30 m eine höhere Beleuchtungsstärke erzeugen kann als Licht mit einem breiteren Verteilungswinkel.
Das austrittseitige optische Steuerelement 1707 kann z.B. Prismenelemente aufweisen, um Licht mit einer nichtlinearen Lichtverteilung zu streuen. Das aus den seitlichen LEDs 1701 austretende Licht kann mittels des Reflektorelements 1706, das sowohl auf der rechten als auch auf der linken Seite der Sekundäroptik 1707 angeordnet sein kann, reflektiert und wiedergewonnen werden.
15 zeigt ein Beispiel für eine installierte Ausführungsform der Erfindung. In diesem Beispiel weist ein Elektro-Lkw-Fahrzeug 1501 ein optisches System für einen beleuchteten Kühlergrill 1500 mit einer erhöhten optischen Effizienz und vermindertem Gewicht auf.
18 zeigt, dass die Beleuchtungsanordnung auf LED-Basis der beispielhaften Ausführungsformen nicht auf Produkte für einen beleuchteten Kühlergrill beschränkt ist und auf ein Fahrzeug 1800 angewendet werden kann, bei dem die Rückleuchte oder die hintere Kombileuchte (RCL) 1801 ein optisches System mit dünnem Profil aufweist, das gemäß einem Aspekt der beispielhaften Ausführungsformen konstruiert ist und Teile enthält, die in den vorstehend beschriebenen 13 - 17 beschrieben sind. Der Vorteil der Verwendung des optischen Systems 1802 mit dünnem Profil und einer erhöhten Effizienz von > 40% besteht darin, dass sowohl die Gleichmäßigkeit > 80% als auch eine Animation erzielt werden können. Diese Einschränkungen wirken typischerweise gegensätzlich. Ein System mit hoher Effizienz weist normalerweise eine schlechte Gleichmäßigkeit auf, wenn LEDs mit großem Gehäuse verwendet werden, wie in Verbindung mit den 1 - 3 beschrieben ist, da z.B. der Stromfluss durch jedes Element hoch ist und die lichtemittierenden Elemente 10 - 25 mm voneinander beabstandet sind. In anderen Fällen injiziert eine Hochleistungs-LED > 10 W Licht in ein Freiform-Lichtleiterelement mit prismatischen Linsen, um das Licht gleichmäßig zu verteilen. Der Nachteil der Lichtleiterlösungen ist, dass keine Animation möglich ist, sondern nur eine Dimmfunktion für das Licht oder eine Blinkfunktion für den Fahrtrichtungsanzeiger. Wie in 18 dargestellt ist, kann das optische Element (z.B. eine Fahrzeuglampe 1801) jedoch sehr dünn (z.B. in der Größenordnung von < 20 mm, und sogar 2 mm ist möglich) mit roten und gelben Minichips in der Größenordnung von 100 µm gebaut werden. Mikro-LED-Chips in der Größenordnung von 50 und 25 µm sind ebenfalls mit geeigneten PCB-Elementen möglich, die eine Belastung der Lötverbindungen und Kupferleiterbahnen zur Stromversorgung der LED-Chips vermindern.
19 zeigt die Anwendung des vorstehend dargestellten optischen Systems auf Tagfahrlichtlampen (DRL) 1901 der vorderen Beleuchtung eines Fahrzeugs 1900, die normalerweise in den Ecken in der Nähe der nach vorne gerichteten Scheinwerfer angeordnet sind. Heutzutage werden bei der Beleuchtung von Kraftfahrzeugen typischerweise die Farben Gelb oder Weiß verwendet. Das optische System 1902 mit Elementen, die eine flexible Leiterplatte PCB und optische Elemente aus Silikon aufweisen, die gemäß einem Aspekt beispielhafter Ausführungsformen konstruiert sind, kann ein Verbiegen oder Biegen des Systems 1902 um Kurven des Fahrzeugs in einer oder zwei Richtungen ermöglichen. Der Vorteil gegenüber LED-Lösungen mit großem Gehäuse ist, dass sowohl eine hohe Gleichmäßigkeit als auch Animationseffekte durch die beispielhaften Ausführungsformen ermöglicht werden, die eine Minichip-Lösung z.B. mit phosphor-umgewandelten LEDs mit einer Größe von bis herab zu 100 µm verwenden. Durch Anordnen vieler LEDs (z.B. 1301, 1601, 1701) in eindimensionalen (1-D) oder zweidimensionalen (2-D) Mustern oder in 2-D-Piktogrammen mit Animation werden gemäß den beispielhaften Ausführungsformen Beleuchtungsfunktionen sowohl für Sicherheits- als auch für Informations- oder Kommunikationszwecke erzielt. Jede LED kann eine oder zwei Farben aufweisen. Das Tagfahrlicht kann beispielsweise sowohl am Tag als auch in der Nacht kontinuierlich in Betrieb sein und bei Anwendung einer Fahrtrichtungsanzeigefunktion unter Verwendung des gleichen optischen Systems 902, das gemäß den beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung konstruiert ist, ausgeschaltet werden.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in zahlreichen Anwendungen und Industriezweigen zum Einsatz kommen. Beispielsweise könnte, wie vorstehend erwähnt, die vorliegende Erfindung in Kühlergrills von Kraftfahrzeugen oder Emblemen verwendet werden. Dies wäre auch in anderen Transportindustrien wie unbemannten Fahrzeugen, Drohnen, Hoverboards, Mopeds, Fahrrädern, Motorrädern oder anderen mobilen Vorrichtungen vorteilhaft. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwenden Mikro- und Minichip-LEDs (z.B. 1301, 1601) in großer Menge, die mit mikroskopischer Genauigkeit auf jede beliebige Oberfläche aufgebracht werden können, wobei derartige Oberflächen z.B. gekrümmt sein können. Der Diffusor (z.B. 1303, 1603) und die Optik (1308, 1608) können in Abhängigkeit von der Anwendung in ähnlicher Weise gekrümmt sein, so dass sich ein vorteilhafter Anwendungsbereich für Au-ßen- und Innenbeleuchtung ergibt. Beispielsweise können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung als Teil von vorderen und/oder hinteren Fahrzeugbeleuchtungsmodulen bereitgestellt und für verschiedene Funktionen gesteuert werden, die ausgewählt sind aus Bremslichtern, Fahrtrichtungsanzeigern, Tagfahrlicht, Scheinwerfern, Rücklichtern, vorderen und hinteren Nebellampen und anderen über vordere und/oder hintere Fahrzeugbeleuchtungsmodule bereitgestellten Lampen, ohne darauf beschränkt zu sein. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können auch für Innenbeleuchtungsanwendungen wie Instrumententafelanzeigen, Innenbeleuchtungen (z.B. Lichtkuppel und Türbeleuchtungen) und dekorative, stilisierte Beleuchtungen entlang der Konturen von Fahrzeugsitzen, Türverkleidungen, Konsolen und anderen Fahrzeuginnenflächen verwendet werden.
Ähnlicherweise wäre die vorliegende Erfindung vorteilhaft für jede Vorrichtung, die beleuchtetes Branding oder Sicherheitsmitteilungen, Protokolle oder Messaging erfordert. Beispielsweise können Ladenfronten, Häuser, Werbetafeln oder jegliche Marketingoberflächen eine verbesserte Beleuchtungsanordnung auf LED-Basis gemäß den durch die beispielhaften Ausführungsformen bereitgestellten technischen Lösungen aufweisen.
Die beispielhaften Ausführungsformen sind so dargestellt, dass die vorliegende Offenbarung ausführlich ist und Fachleuten den Umfang vollständig vermittelt. Es werden zahlreiche spezifische Details dargelegt, wie Beispiele spezifischer Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren, um ein umfassendes Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bereitzustellen. Für Fachleute ist offensichtlich, dass spezifische Details nicht verwendet werden müssen, dass beispielhafte Ausführungsformen in vielen verschiedenen Formen realisierbar sind, und dass der Umfang der vorliegenden Erfindung in keinerlei Hinsicht eingeschränkt werden soll. In einigen beispielhaften Ausführungsformen werden bekannte Prozesse, bekannte Vorrichtungsstrukturen und bekannte Technologien nicht im Detail beschrieben, da sie für den Fachmann hinsichtlich der vorliegenden Offenbarung offensichtlich sind.
Die vorstehende Beschreibung der Ausführungsformen dient der Veranschaulichung und Beschreibung. Sie erhebt weder Anspruch auf Vollständigkeit noch soll sie die Erfindung einschränken. Einzelne Elemente, Baugruppen/Unterbaugruppen oder Merkmale einer bestimmten Ausführungsform sind im Allgemeinen nicht auf diese bestimmte Ausführungsform beschränkt, sondern sind gegebenenfalls austauschbar und können in einer ausgewählten Ausführungsform verwendet werden, auch wenn dies nicht spezifisch dargestellt oder beschrieben ist. Sie können auch auf vielerlei Weisen variiert werden. Solche Variationen sind nicht als Abweichung von der Offenbarung zu betrachten, und alle derartigen Modifikationen sollen innerhalb des Umfangs der Erfindung enthalten sein.
Die hierin verwendete Terminologie dient nur zur Beschreibung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen und ist nicht im einschränkenden Sinne zu verstehen. Die hierin verwendeten Singularformen wie „ein“, „eine“ und „der“, „die“, „das“ schließen auch die Pluralformen ein, sofern aus dem Kontext nicht eindeutig etwas anderes hervorgeht. Begriffe wie „aufweisen“, „aufweisend“, „enthaltend“ und „haben“ sind einschließend und spezifizieren daher das Vorhandensein angegebener Merkmale, ganzer Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Komponenten, schließen aber nicht das Vorhandensein oder Hinzufügen eines oder mehrerer anderer Merkmale, ganzer Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente, Komponenten und/oder Gruppen davon aus. Die hierin beschriebenen Verfahrensschritte, Prozesse und Operationen sollen nicht so ausgelegt werden, dass sie zwangsläufig in der spezifischen diskutierten oder dargestellten Folge ausgeführt werden müssen, es sei denn, die Ausführungsfolge ist ausdrücklich angegeben. Es versteht sich auch, dass zusätzliche oder alternative Schritte verwendet werden können.
Wenn ein Element oder eine Schicht als „auf”, „in Eingriff mit“, „verbunden mit“ oder „gekoppelt mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht bezeichnet wird, kann es/sie direkt auf einem anderen Element oder einer anderen Schicht angeordnet sein, damit in Eingriff stehen oder verbunden oder gekoppelt sein, oder es können dazwischenliegende Elemente oder Schichten vorhanden sein. Wenn ein Element dagegen als „direkt auf”, „direkt in Eingriff mit“, „direkt verbunden mit“ oder „direkt gekoppelt mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht bezeichnet wird, sind keine dazwischenliegenden Elemente oder Schichten vorhanden. Andere Wörter, die zum Beschreiben der Beziehung zwischen Elementen verwendet werden, sind in gleicher Weise zu interpretieren (z.B. „zwischen“ im Gegensatz zu „direkt zwischen“, „benachbart zu“ im Gegensatz zu „direkt benachbart zu“ usw.). Wie hierin verwendet, schließt der Begriff „und/oder“ beliebige und alle Kombinationen aus einem oder mehreren der aufgeführten Elemente ein.
Obwohl hierin die Begriffe „erste“, „zweite“, „dritte“ usw. verwendet werden können, um verschiedenartige Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte zu beschreiben, sollten diese Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte durch diese Begriffe nicht eingeschränkt werden. Diese Begriffe sollen nur verwendet werden, um ein Element, eine Komponente, einen Bereich, eine Schicht oder einen Abschnitt von einem anderen Bereich, einer anderen Schicht oder einem anderen Abschnitt zu unterscheiden. Begriffe wie „erster, zweiter“ und andere numerische Begriffe implizieren, wenn sie hierin verwendet werden, keine Sequenz oder Folge, es sei denn, dies geht aus dem Kontext eindeutig hervor. Daher könnte ein erstes Element, eine erste Komponente, ein erster Bereich, eine erste Schicht oder ein erster Abschnitt, der nachstehend diskutiert wird, innerhalb der Lehren der beispielhaften Ausführungsformen als ein zweites Element, eine zweite Komponente, ein zweiter Bereich, eine zweite Schicht oder ein zweiter Abschnitt bezeichnet werden.
Räumlich relative Ausdrücke wie „innen, außen“, „unter“, „unterhalb“, „tiefer“ „darüber“, „oberhalb“, „oben“, „unten“ und dergleichen können hierin zur Vereinfachung der Beschreibung verwendet werden, um die Beziehung eines Elements oder Merkmals zu einem anderen Element (anderen Elementen) oder einem anderen Merkmal (anderen Merkmalen) zu beschreiben, wie in den Figuren dargestellt ist. Räumlich relative Begriffe können dazu dienen, verschiedene Ausrichtungen der Vorrichtung im Gebrauch oder Betrieb zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Ausrichtung mit zu umfassen. Wird die Vorrichtung in den Figuren beispielsweise umgedreht, so würden Elemente, die als „unter“ oder „unterhalb“ anderen Elementen oder Merkmalen beschrieben werden, dann „über“ den anderen Elementen oder Merkmalen ausgerichtet sein. Daher kann der beispielhafte Ausdruck „unterhalb“ sowohl eine Ausrichtung „oberhalb“ als auch „unterhalb“ umfassen. Die Vorrichtung kann auch anders ausgerichtet sein (um einen Winkel gedreht oder in anderen Ausrichtungen), so dass die hierin verwendeten räumlichen relativen Beschreibungen entsprechend zu interpretieren sind.
Die vorstehende Beschreibung der dargestellten Ausführungsformen soll jegliche Fachleute in die Lage versetzen, den vorliegenden Gegenstand der Erfindung zu implementieren oder zu verwenden. Für Fachleute sind verschiedene Modifikationen dieser Ausführungsformen ersichtlich, und die hierin definierten allgemeinen Prinzipien können innerhalb des Umfangs der Erfindung auf andere Ausführungsformen angewandt werden. Daher soll die vorliegende Erfindung nicht auf die hierin dargestellten Ausführungsformen beschränkt sein, sondern es soll ihm der größtmögliche Anwendungsbereich eingeräumt werden, der mit den folgenden Ansprüchen und den hierin dargestellten Prinzipien und neuartigen Merkmalen vereinbar ist.
Obgleich verschiedenartige Aspekte und Ausführungsformen dargestellt worden sind, sind andere Aspekte und Ausführungsformen denkbar. Die verschiedenartigen dargestellten Aspekte und Ausführungsformen dienen der Veranschaulichung und sind nicht im einschränkenden Sinne zu verstehen, wobei der tatsächliche Umfang durch die folgenden Ansprüche definiert ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 63/09262 S [0001]

Claims

Beleuchtungsanordnung auf LED- (Leuchtdiode) Basis, mit: einer Lichtquelle, die eine Vielzahl von LED-Chips aufweist, die aus Minichip-LEDs und Mikrochip-LEDs ausgewählt sind, wobei eine x-Richtung einer Länge eines LED-Chips entspricht, eine y-Richtung einer Breite eines LED-Chips entspricht und eine z-Richtung einem vertikalen Abstand von einem LED-Chip entspricht, wobei ein Pitch einem Chip-zu-Chip-Abstand zwischen zwei LED-Chips in ihrer x-Richtung oder ihrer y-Richtung entspricht, und wobei die Vielzahl von LED-Chips in einem ausgewählten Pitch für einen bestimmten Beleuchtungseffekt angeordnet sind; einem Diffusor mit einer Diffusoreingangsfläche zum Empfangen von Licht von der Lichtquelle, und einer Diffusorausgangsfläche zum Umwandeln des empfangenen Lichts, wobei die Diffusoreingangsfläche in einem ausgewählten Abstand in der z-Richtung von Lichtaustrittsflächen der Vielzahl von LED-Chips angeordnet ist, wobei ein Verhältnis von weniger als eins zu eins (1:1) zwischen dem ausgewählten Pitch und dem ausgewählten z-Abstand besteht; und einem optischen System, das dazu eingerichtet ist, Licht von der Diffusorausgangsfläche zu empfangen, und das ein optisches Element mit konvexer oder konkaver Form und ein Reflektorelement aufweist, das dazu eingerichtet ist, empfangenes Licht zu reflektieren und wiederzugewinnen.
Beleuchtungsanordnung auf LED-Basis nach Anspruch 1, wobei das von der Lichtquelle ausgegebene Licht einen Luftspalt durchläuft, bevor es auf die Diffusoreingangsfläche auftrifft.
Beleuchtungsanordnung auf LED-Basis nach Anspruch 1, wobei das optische Element eine konvex geformte Linseneintrittsfläche und eine konvex geformte Linsenaustrittsfläche aufweist.
Beleuchtungsanordnung auf LED-Basis nach Anspruch 1, wobei der Diffusor ein elliptischer Diffusor ist.
Beleuchtungsanordnung auf LED-Basis nach Anspruch 4, wobei die Diffusorausgangsfläche eine Vielzahl mikroelliptischer Elemente mit unterschiedlichen Aspektverhältnissen aufweist.
Beleuchtungsanordnung auf LED-Basis nach Anspruch 4, wobei die Diffusorausgangsfläche eine Vielzahl von Lensletmerkmalen mit unterschiedlichen Höhen aufweist.
Beleuchtungsanordnung auf LED-Basis nach Anspruch 4, wobei die Diffusorausgangsfläche Mikrostrukturen mit unterschiedlichen Merkmalen aufweist, die auf einem Siliziummaterial bereitgestellt sind.
Beleuchtungsanordnung auf LED-Basis nach Anspruch 1, wobei die Lichtquelle eine Leiterplatte, die mit den LED-Chips verbunden ist, um die LEDs mit Strom zu versorgen und zu steuern, und eine Silikonbeschichtung auf mindestens den Lichtaustrittsflächen der LED-Chips aufweist.
Beleuchtungsanordnung auf LED-Basis nach Anspruch 1, wobei die Lichtquelle, der Diffusor und das optische System flexibel und gekrümmt sind.
Beleuchtungsanordnung auf LED-Basis nach Anspruch 1, wobei das optische Element relativ zu einer ebenen Fläche erhöht ist und das optische System eine Wand aufweist, die eine optische Eingangsfläche des optischen Elements umschließt, und das Reflektorelement benachbart zur Wand angeordnet ist, um das vom Diffusor ausgegebene Licht in Richtung zur optischen Eingangsfläche umzulenken.
Verfahren zum Herstellen einer Beleuchtungsanordnung auf LED- (Leuchtdioden) Basis, mit den Schritten: Anordnen einer Lichtquelle, die eine Vielzahl von LED-Chips aufweist, die ausgewählt sind aus Minichip-LEDs und Mikrochip-LEDs zum Erzeugen eines ausgewählten Musters von den LED-Chips, wobei eine x-Richtung einer Länge eines LED-Chips entspricht, eine y-Richtung einer Breite eines LED-Chips entspricht und eine z-Richtung einem vertikalen Abstand von einem LED-Chip entspricht, wobei Pitch einem Chip-zu-Chip-Abstand zwischen zwei LED-Chips in ihrer x-Richtung oder ihrer y-Richtung entspricht, und wobei die Vielzahl von LED-Chips für einen bestimmten Lichteffekt in einem ausgewählten Pitch von dem ausgewählten Muster angeordnet sind; steuerbares Versorgen der Lichtquelle unter Verwendung einer Leiterplatte, die mit den LED-Chips verbunden ist, mit Strom, um die LEDs mit Strom zu versorgen und zu steuern; Anordnen eines Diffusors in einem ausgewählten Abstand relativ zu der Lichtquelle, wobei der Diffusor eine Diffusoreingangsfläche zum Empfangen von Licht von der Lichtquelle und eine Diffusorausgangsfläche zum Emittieren von empfangenem Licht aufweist, wobei die Diffusoreingangsfläche in dem ausgewählten Abstand in der z-Richtung von den Lichtaustrittsflächen der Vielzahl von LED-Chips angeordnet ist, und wobei ein Verhältnis von weniger als eins zu eins (1:1) zwischen dem ausgewählten Pitch und dem ausgewählten Abstand besteht; Anordnen eines optischen Systems relativ zur Diffusorausgangsfläche zum Empfangen von Licht vom Diffusor, wobei das optische System ein optisches Element mit konvexer Form und ein Reflektorelement aufweist, um empfangenes Licht vom Diffusor in Richtung zu einer optischen Eingangsfläche des optischen Elements zu reflektieren und wiederzugewinnen.
Verfahren zum Herstellen der Beleuchtungsanordnung auf LED-Basis nach Anspruch 11, ferner mit dem Bereitstellen einer Silikonbeschichtung auf mindestens den Lichtaustrittsflächen der LED-Chips.
Verfahren zum Herstellen der Beleuchtungsanordnung auf LED-Basis nach Anspruch 11, ferner mit dem Bereitstellen von Mikrostrukturen mit unterschiedlichen Merkmalen auf der Diffusorausgangsfläche.
Verfahren zum Herstellen einer Beleuchtungsanordnung auf LED-Basis nach Anspruch 11, wobei die Lichtquelle, der Diffusor und das optische System flexibei sind und das ausgewählte Muster eine Krümmung aufweist, und ferner mit dem Anordnen der Beleuchtungsanordnung auf LED-Basis in dem gekrümmten ausgewählten Muster.
Verfahren zum Herstellen der Beleuchtungsanordnung auf LED-Basis nach Anspruch 11, wobei die Lichtquelle, der Diffusor und das optische System flexibel sind, und wobei das Verfahren ferner das Anordnen der Beleuchtungsanordnung auf LED-Basis in einer konturierten Form aufweist, die eine ausgewählte Montagestruktur aufnimmt.