DE19913454A1

DE19913454A1 - Lichtquelle

Info

Publication number: DE19913454A1
Application number: DE19913454A
Authority: DE
Inventors: Stephen C Arnold
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 1998-03-30
Filing date: 1999-03-25
Publication date: 1999-10-07
Also published as: US6170963B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein LED Modul (1), das ein Gehäuse (2) mit einem ersten Verbindungselement einer vorbestimmten Form und einem zweiten Verbindungselement einer komplementären Form aufweist, derart, daß wenn das LED Modul (1) an einem anderen gleichartigen Modul befestigt wird, das erste Verbindungselement des LED Moduls mit einem zweiten Verbindungselement des anderen Moduls derart in Eingriff gelangt, daß eine Relativbewegung zwischen den Modulen verhindert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Lichtquellen und insbesondere Lichtquellen, die Module mit Leuchtdioden einsetzen.

Lichtquellen mit Leuchtdioden sind dem Stand der Technik nach bekannt. Meh rere Leuchtdioden (LEDs) haben gemeinsam die Form von LED-Anordnungen. Derartige LED-Anordnungen umfassen LEDs, die Licht mit gleicher Wellenlänge abgeben. Wenn jedoch eine einzelne LED-Anordnung LEDs mit unterschiedlichen Wellenlängen umfassen muß, muß eine individuelle LED-Anordnung zusammen gestellt werden. Dieses Zusammenstellen individueller LED-Anordnungen beginnt mit Halbleiter-Wafern, die eine Vielzahl von LEDs gleicher Wellenlänge umfassen. Die Wafer werden geschnitten, wobei die LEDs voneinander getrennt werden. Diese LED-Einheiten werden als Halbleiterplättchen bezeichnet. Ein einzelnes Halbleiterplättchen kann eine oder mehrere LEDs (der gleichen Wellenlänge) und eine zugehörige Schaltung umfassen. Halbleiterplättchen von verschiedenen Wafern können LEDs verschiedener Wellenlänge umfassen. Halbleiterplättchen mit LEDs verschiedener Wellenlänge werden in einer LED-Anordnung zusam mengestellt, um eine LED-Anordnung mit individuellen Spektraleigenschaften zu schaffen.

Die Halbleiterplättchen werden mit einer hochgenauen Positionier- und Verbinde einrichtung auf einem leitfähigen Träger aufgebracht. Die Einrichtung ermöglicht es, äußerst kleine Halbleiterplättchen (500 µm breit) sehr genau auf einen Träger aufzubringen und mit diesem zu verbinden. Die Lagegenauigkeit liegt in der Grö ßenordnung von plus/minus einigen Zehn µm. Jedes Halbleiterplättchen wird normalerweise zur Herstellung einer elektrischen Schaltung mit einem Bonddraht versehen. Dieses Montageverfahren ist wegen der Kosten der erforderlichen Prä zisionseinrichtungen, und weil mehrere Operationen (z. B. das Anbringen der Bonddrähte) nacheinander durchgeführt werden, teuer. Die Reihenfolge der von der Einrichtung durchgeführten Operationen hängt zudem von der Art der mon tierten LED-Anordnung ab. Wenn eine Konfiguration einer LED-Anordnung geän dert wird, entstehen neue Kosten, weil die Einrichtung neu eingestellt und neu programmiert werden muß. Dieses Montageverfahren ist daher schwierig durch zuführen, es sei denn, es sind hochspezialisierte Fertigungseinrichtungen für hohe Stückzahlen vorhanden.

Ein alternatives Verfahren zur Montage individueller LED-Anordnungen erfordert die Verwendung einzelner LED-Pakete mit verschiedenen Wellenlängen. Diese LED-Pakete liegen in langen Streifen (sogenannten Bändern) vor. Die einzelnen LED-Pakete werden von den Streifen abgezogen und auf einer Leiterplatte in einer bestimmten Reihenfolge angeordnet und mit dieser verbunden, um die gewünschte spektrale Mischung und spektrale Gleichmäßigkeit zu erhalten. Bei dem Positionier- und Verbindeprozeß kann es sich bisweilen um einen manuellen Prozeß handeln, der daher hinsichtlich der Anordnung und Reihenfolge der LED- Pakete Fehlern unterworfen ist. Häufiger erfordert dieser Prozeß den Einsatz teu rer Positionier- und Montageeinrichtungen. Dieses Positionier- und Verbindever fahren ist wegen der Kosten der Einrichtung teuer. Unabhängig davon, ob eine manuelle Montage oder eine Montage mit teuren Präzisionseinrichtungen ver wendet wird, wird zum Verbinden der LED-Pakete mit einer Leiterplatte das Löt verfahren bevorzugt. Während des Lötverfahrens neigen die einzelnen LED- Pakete dazu, sich geringfügig zu verschieben, entweder aufgrund des mechani schen Drucks des Lötinstruments oder aufgrund der Oberflächenspannung des geschmolzenen Lötmittels. Nach Aushärten des Lötmittels sind die einzelnen LED-Pakete häufig geringfügig zueinander verschoben. Wegen dieser Verschie bungen entstehen LED-Anordnungen mit uneinheitlicher Spektralbeleuchtung.

Einzelne LED-Pakete und LED-Anordnungen können benutzt werden, um einen Integralraum zu beleuchten. Die US-A-5,548,120 beschreibt außerdem, daß ein zelne LEDs derart modulierbar sind, daß eine adäquat gleichmäßige Helligkeit an einer Ausgangsöffnung des Integralraums sichergestellt wird. Die Plazierung von LED-Anordnungen in einem Integralraum hat vor allem den Nachteil, daß jede Integralraumkonfiguration einzeln bestimmt werden muß, um eine bestimmte LED- Anordnung in dem Integralraum effizient anordnen zu können. Dies muß derart erfolgen, daß die LED-Anordnung kein Licht absorbiert, weil Lichtabsorption die Effizienz und gleichmäßige Helligkeit des Integralraums verringert. Die Probleme werden noch gravierender, wenn LED-Pakete verschiedener Wellenlänge erfor derlich sind, um eine bestimmte Farbbalance zu erzielen. Verschiedenfarbige LED-Pakete sind oft unterschiedlich konfiguriert, so daß sie eine unterschiedliche Montage von LED-Paketen mit unterschiedlicher Farbe erfordern. Dies macht die optimale Anordnung dieser Vorrichtungen in dem Integralraum sehr schwierig und teuer.

Erfindungsgemäß umfaßt ein LED-Modul ein Gehäuse mit einem ersten Verbin dungselement einer vorbestimmten Form und einem zweiten Verbindungselement mit einer komplementären Form, derart, daß, wenn das LED-Modul an einem anderen gleichartigen Modul befestigt wird, das erste Verbindungselement des LED-Moduls mit einem zweiten Verbindungselement des anderen Moduls derart in Eingriff gelangt, daß eine Relativbewegung zwischen den Modulen verhindert wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand in der Zeichnung dargestellter Ausfüh rungsbeispiele näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1A eine Seitenansicht eines LED-Moduls mit Schnapp-Verbindungen;

Fig. 1B eine schematische Darstellung eines Schnitts des LED-Moduls auf Fig. 1A;

Fig. 2 eine Vorderansicht von zwei benachbarten LED-Modulen aus Fig. 1A mit einer Vielzahl passender, aufeinander ausgerichteter Verbindungs elemente

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht der beiden LED-Module aus Fig. 2;

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht drei benachbarter LED-Module, die derart angeordnet sind, daß eine zweidimensionale LED-Anordnung unter Verwendung flacher LED-Module entsteht;

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht einer LED-Anordnung mit einer Vielzahl von LED-Modulen aus Fig. 1. Diese Figur zeigt zudem ein Distanzmodul mit halber Breite und ein Distanzmodul mit voller Breite;

Fig. 6 eine alternative Form eines LED-Moduls mit einem vorstehenden Stift und einer Leiterplatte mit einem komplementären Sockel zur Aufnahme des Stifts;

Fig. 7A eine Draufsicht eines Ausführungsbeispiels eines Integralraums;

Fig. 7B einen Schnitt (entlang Linie 7-7) des Integralraums aus Fig. 7A;

Fig. 7C einen Seitenansicht des Integralraums aus Fig. 7A;

Fig. 8 eine Schnittansicht eines Integralraums aus LED-Modulen aus Fig. 1A;

Fig. 9 eine Schnittansicht eines weiteren Integralraums;

Fig. 10 eine Schnittansicht eines weiteren, eine Leiterplatte enthaltenden Inte gralraums;

Fig. 11 eine perspektivische Ansicht des Integralraums aus Fig. 10 ohne die Leiterplatte und ohne Abschlußplatten;

Fig. 12 einen Integralraum aus Fig. 10 ohne die Leiterplatte, jedoch mit den Abschlußplatten;

Fig. 13 eine Bodenansicht eines Integralraums mit einer rechteckigen Aus gangsöffnung;

Fig. 14 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Integralraums;

Fig. 15 eine Schnittansicht eines LED-Moduls mit repräsentativen Maßen;

Fig. 16 eine Kurve der Effizienz des Integralraums in bezug zu dem Verhältnis der Fläche der Ausgangsöffnung zur gesamten Innenfläche des Inte gralraums;

Fig. 17 eine Kurve der Helligkeit an einer Ausgangsöffnung im Verhältnis zur Breite der Ausgangsöffnung für einen Integralraum aus Fig. 10;

Fig. 18 eine Kurve der Intensität über die Länge der Ausgangsöffnung des Integralraums aus Fig. 10;

Fig. 19 eine Kurve der Intensität über die Breite der Ausgangsöffnung des Integralraums aus Fig. 10;

Ein LED-Modul umfaßt eine LED, mindestens zwei, an der LED befestigte, elektri sche Verbinder, ein Gehäuse mit einem ersten Verbindungselement einer vorbe stimmten Form und einem zweiten Verbindungselement einer komplementären Form, derart, daß, wenn zwei LED-Module miteinander verbunden werden, das erste Verbindungselement des LED-Moduls mit einem zweiten Verbindungs element des anderen Moduls derart in Eingriff gelangt, daß eine Relativbewegung des einen LED-Moduls zu dem anderen LED-Modul verhindert wird. In einer LED- Anordnung sind eine Vielzahl von Modulen montierbar. Die LED-Anordnung ist dann über die elektrischen Verbindungselemente mit einer Leiterplatte verbindbar. Ein einzelnes LED-Modul ist ebenfalls über die elektrischen Verbindungselemente mit einer Leiterplatte verbindbar.

Fig. 1A zeigt eine Seitenansicht eines LED-Moduls 1 des ersten Ausführungsbei spiels der vorliegenden Erfindung. Das LED-Modul 1 umfaßt ein Gehäuse 2 mit einer Vielzahl von Verbindungselementen in Form männlicher Schnapp-Verbinder 4 und weiblicher Schnapp-Verbinder 6 sowie einem optionalen Schlitz 8. Die Funktion des Schlitzes 8 wird im Abschnitt "Integralraum" der vorliegenden Schrift beschrieben.

Das Gehäuse 2 besteht aus einem beliebigen elektrisch isolierenden Material. Vorzugsweise ist das Gehäuse 2 in den relevanten Wellenlängen diffus reflektie rend. Vorzugsweise ist das Material spritzgießbar mit einer ausreichenden Genauigkeit zur Anfertigung von Verbindungselementen, wie die Schnapp-Ver binder 4 und 6. Obwohl die (in Fig. 1A und 1B) gezeigten Schnapp-Verbinder einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, sind Schnapp-Verbinder mit anderen Querschnittformen ebenfalls verwendbar. Die Größe der Schnapp-Verbinder 4 und 6 liegt im Bereich von einem (1) Millimeter, könnte jedoch auch größer oder kleiner sein. Größere Schnapp-Verbinder sind normalerweise robuster. Die Größe des Gehäuses 2 begrenzt jedoch die maximale Größe der Schnapp-Verbinder. Ein größeres Gehäuse hat daher wahrscheinlich größere Schnapp-Verbinder. Die Schnapp-Verbinder 4, 6 benachbarter LED-Module 1 greifen unter Ausrichtung und Befestigung jedes LED-Moduls 1 mit einem benachbarten LED-Modul 1 (Fig. 2) derart ineinander, daß eine LED-Anordnung gebildet wird. Die weiblichen Schnapp-Verbinder 6 des LED-Moduls nehmen die männlichen Schnapp-Verbin der 4 des benachbarten LED-Moduls auf, wenn diese LED-Module ausgerichtet sind. Die Befestigung erfolgt über eine Verriegelungstätigkeit der Schnapp-Ver binder 4 und 6. Die Schnapp-Verbinder 4, 6 ermöglichen ein schnelles Montieren der LED-Module miteinander. Andere Arten von Verbindungselementen sind ebenfalls verwendbar. Ein derartiges Element wird in einem zweiten Ausführungs beispiel eines LED-Moduls beschrieben. Die Verbindungselemente der LED- Module ermöglichen eine Kombination dieser LED-Module miteinander (wie in Fig. 2, 3 und 4 gezeigt) derart, daß vorteilhafterweise einfache, kostengünstige, indivi duelle LED-Anordnungen (Fig. 5) entstehen. LED-Module, die unterschiedliche Wellenlängen abstrahlen, werden miteinander einfach verbunden und bieten eine individuelle Farbbalance.

Mindestens ein LED-Plättchen 10 ist auf der Fläche 12 des Gehäuses 2 des LED- Moduls 1 angeordnet (Fig. 1a, 3 und 4). In diesem Ausführungsbeispiel ist eine einzelne LED 10A in dem LED-Plättchen 10 ausgebildet. Ein LED-Plättchen 10 kann jedoch auch eine Vielzahl von LEDs umfassen. Ein LED-Modul 1 kann zudem mehr als ein LED-Plättchen 10 enthalten. Vorzugsweise ist zwischen dem LED-Plättchen 10 und der Fläche 12 des Gehäuses 2 eine Reflexionsfläche 11 (siehe Fig. 1A) angeordnet. Diese Reflexionsfläche 11 leuchtet das (von der LED zur Fläche 12 des Gehäuses 2 abgestrahlte) Licht aus dem LED-Modul 1 um und maximiert den Anteil des von der LED erzeugten nutzbaren Lichtes. Wenn die LED sichtbares Licht erzeugt, ist eine dünne Silberschicht (Ag) als Reflexions fläche 11 verwendbar, da Silber im sichtbaren Spektrum gute Reflexionseigen schaften aufweist. Ein Bonddraht 13 (vorzugsweise Gold) ist mit dem LED-Plätt chen 10 verbunden (Fig. 1A).

Ein erster Leitrahmen 14, der sich von der Basis des LED-Plättchens 10 erstreckt (oder von der Reflexionsschicht 11, falls diese Schicht elektrisch leitend ist) kann entlang der Leitrahmenfläche 16 des Gehäuses 2 (Fig. 1A) angeordnet sein. Ein weiterer Leitrahmen 14 ist neben dem ersten Leitrahmen angeordnet und mit dem Bonddraht 13 verbunden. Dieser andere Leitrahmen kann ebenfalls an der Leit rahmenfläche 16 des Gehäuses 2 angeordnet sein. Die Leitrahmen 14 bestehen aus einem leitenden, nachgiebigen Material (z. B. Kupfer), damit sie elektrische Ladung übertragen können und um die Fläche des Gehäuses 2 ohne zu brechen biegbar sind. Die Tatsache, daß die Leitrahmen 14 der Luft ausgesetzt sind, hat den Vorteil, daß die beim Betrieb der LED-Plättchen 10 erzeugte Wärme schnell durch die Leitrahmen 14 ableitbar und durch Luftumwälzung abführbar ist. Die LED-Module können zudem einen (nicht gezeigten) optionalen Aperturschnapper 18 umfassen. Die Funktion des Aperturschnappers 18 wird im Abschnitt "Integralraum" des vorliegenden Dokuments beschrieben.

Die Fläche 20 des Gehäuses 2 des LED-Moduls 1 sieht die Aufnahme von zwei elektrischen Verbindern 22 vor. Diese elektrischen Verbinder können beispiels weise Lötpunkte 22A, (nicht gezeigte) Clips, (nicht gezeigte) Kontaktstifte oder (nicht gezeigte) Kugelgitteranordnungen (BGA/Ball Grid Arrays) sein. Darüber hinaus sind weitere elektrische Verbinder verwendbar. Die elektrischen Verbinder werden benutzt, um die LED-Module 1 mit einer Leiterplatte derart zu verbinden, daß die elektrische Verbindung mit der Leiterplatte hergestellt ist.

Fläche 24 des Gehäuses 2, auch Grundfläche genannt, befindet sich gegenüber der Fläche für die elektrischen Verbinder 22. Eine Möglichkeit zur Nutzung der Fläche 24 wird im Abschnitt "Integralraum" des vorliegenden Dokuments beschrieben.

Ein zweites Ausführungsbeispiel eines LED-Moduls 1 umfaßt ein in Fig. 6 gezeigtes Gehäuse 2. Dieses LED-Modul 1 beinhaltet ein erstes Verbindungsele ment in Form mindestens eines Stiftes 4A, der aus der Fläche 20 des LED-Moduls herausragt. Eine komplementäre Buchse 6A ist derart in einer Leiterplatte ausge bildet, daß, wenn das LED-Modul 1 auf die Leiterplatte aufgesetzt wird, der Stift 4A in die komplementäre Buchse 6A der Leiterplatte eingreift und dadurch das LED-Modul auf der Leiterplatte mit einer für diese Anwendung ausreichenden Genauigkeit fixiert. An den Seiten des Gehäuses 2 des LED-Moduls sind zusätz liche (optionale) Stifte 4A plazierbar, und ein komplementäres Verbindungsele ment in Form einer Buchse 6A ist ebenfalls in diesem Gehäuse ausbildbar. Die Buchsen 6A und die Stifte 4A der benachbarten LED-Module können ineinander eingreifen (nicht gezeigt) und somit eine LED-Anordnung bilden, die auf einer Leiterplatte plazierbar ist. Auf diese Weise sind die LED-Module genau in bezug zur Leiterplatte und in bezug zueinander ausrichtbar. Die Verbindung eines LED- Moduls mit einem anderen LED-Modul erfolgt in diesem Beispiel über Reibung. Es kann erforderlich sein, daß zwischen den LED-Modulen keine Lücken verbleiben. Wenn die LED-Module nicht miteinander befestigt werden, bevor sie auf einer Leiterplatte angeordnet werden, sollte die Leiterplatte vorzugsweise derart kon struiert sein, daß die komplementären Buchsen in einem Abstand beabstandet sind, der gleich der LED-Modulbreite ist. Bei dem Stift 4A kann es sich um einen Kunststoffstift handeln, der durch Spritzgießen mit dem LED-Gehäuse hergestellt ist. Die Buchsen 6A können präzisionsgebohrte Löcher in der Leiterplatte sein. Wenn nur ein Stift und eine Buchse pro LED-Modul verwendet werden, und wenn Stift und Buchse einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, kann das LED-Modul um die Stiftachse drehbar sein. Um die Drehausrichtung des LED-Moduls zu fixie ren, werden vorzugsweise zwei Stifte und zwei Buchsen (mit kreisförmigem Quer schnitt) pro LED-Modul verwendet.

Neben den LED-Modulen 1 sind passive Distanzmodule 1' (d. h. Module ohne aktive LEDs) verwendbar, um LED-Module bei der Bildung individueller LED- Anordnungen 50 einstellbar zu beabstanden. Die Breite dieser Distanzmodule 1' kann größer, gleich oder kleiner (beispielsweise 1/2 oder 1/4) der Breite des LED- Moduls 1 sein. Die Distanzmodule 1 werden in Fig. 5 gezeigt.

Vorzugsweise umfaßt das Montieren der LED-Anordnungen folgende Schritte:

1.) Beschaffen einer Vielzahl von LED-Modulen 1 und/oder Distanzmodule 1' mit Verbindungselementen, und
2.) Verbinden der LED-Module mit den Distanzmodulen (falls erforderlich) in einer vorbestimmten Weise dadurch, daß die Verbindungselemente der benach barten LED- und/oder Distanzmodule zur Bildung einer LED-Anordnung 50 in Ein griff gelangen. Diese LED-Anordnung 50 kann an einer Leiterplatte befestigt oder mit dieser verklebt werden.

Integralraum

Ein Integralraum 100 (siehe Fig. 7A-7C) beinhaltet ein Integralraumgehäuse 112, das eine röhrenförmige Seitenwand 114 umfaßt, die sich zwischen zwei Abschlußkappen 116 erstreckt. Die Seitenwand 114 kann auch einen nicht kreis förmigen Innen- und Außenumfang aufweisen. Das Integralraumgehäuse 112 besitzt Innenflächen, die mit einer Gesamtreflexion p von 90% bis 99,99% und vorzugsweise mit einer Gesamtreflexion p von 95% bis 99,99% diffus reflektieren. Die Innenflächen des Gehäuses 112 ergeben die integrierende Eigenschaft des Integralraums 100. Ein schmaler Lichtaustrittsschlitz (in der röhrenförmigen Sei tenwand 114) bildet eine Austrittsöffnung 118 des Integralraums. (Die Austrittsöff nung 118 kann allerdings auch eine andere Form aufweisen, beispielsweise rechteckig, wie nachfolgend detailliert beschrieben wird. Die Länge und Breite der Austrittsöffnung 118 hängt von der jeweiligen Anwendung ab. Die Austrittsöffnung 118 bildet den einzigen Austritt des in dem Integralraum eingeschlossenen Lichts.

Wie zuvor erläutert, sind die zuvor beschriebenen LED-Module 1 verwendbar, um eine oder mehrere LED-Anordnungen 50 zu bilden. Die LED-Anordnungen 50 bil den in Verbindung mit einem Reflexionsblatt 120 eine rohrförmige Außenwand 114 des in Fig. 7A, 7B und 8-14 gezeigten Integralraums 100. Die Höhe h eines Integralraums 100 entspricht ungefähr der Höhe h' der LED-Module 1, die diese LED-Anordnungen bilden (siehe Fig. 9, 10 und 11). Da die physische Größe der LED-Module sehr klein sein kann, führt die Verwendung einer LED-Anordnung zum Aufbau einer Seitenwand 114 eines Integralraumgehäuses zu einem Integral raum, der kompakter als herkömmliche Integralräume ist. Die resultierenden Inte gralräume 100 sind sehr effizient und ergeben an der Austrittsöffnung 118 eine gleichmäßige Helligkeit. In jedem LED-Modul 1 der LED-Anordnung 50 ist der optionale Schlitz 8 (siehe Fig. 1) ausbildbar, der ein dünnes Reflexionsblatt 120 aufnimmt, das den Integralraum 100 umschließt (Fig. 8-14). Fig. 9 und 10 zeigen, daß durch Verändern der Breite L des Reflexionsblatts 120 der Abstand zwischen den beiden LED-Anordnungen 50 veränderbar ist, und daß dadurch die Größe des Integralraums 100 veränderbar ist. Wenn die Konfiguration des Integralraums der in Fig. 10 gezeigten entspricht, wird durch Verändern der Breite L des Refle xionsblatts 120 auch die Breite der Austrittsöffnung 118 verändert. Das Refle xionsblatt 120A weist eine Reflexion von 95% bis 99,99% auf. Die höheren Refle xionswerte werden bevorzugt, weil sie die Effizienz des Integralraums verbessern.

Fig. 8-10 zeigen, daß die LED-Anordnungen Seitenwände 114 bilden, die an einer Leiterplatte 121 befestigt sind. Die Leiterplatte 121 wird benutzt, um die LEDs elektrisch anzusteuern. Fig. 11, 12 und 14 zeigen LED-Integralräume vor Anschließen der LED-Anordnungen an ihre jeweiligen Leiterplatten. Die LED- Anordnungen, die die röhrenförmigen Seitenwände 114 bilden, weisen eine Viel zahl von LEDs auf, die an den Innenflächen angeordnet sind und ihr Licht auf die Innenflächen des Integralraums werfen. In den folgenden Absätzen wird eine bevorzugte Befestigungsanordnung für die LEDs beschrieben.

Wie zuvor angesprochen, sind die Flächen 12 der LED-Module 1 LED-Befesti gungsflächen. Diese Flächen 12 können zu den Rahmenoberflächen 16 der LED- Module parallel ausgerichtet sein. Die LED-Module müssen jedoch derart konfi guriert sein, daß das von den LEDs abgestrahlte Licht nicht ohne mehrfache Reflexion von den (diffus reflektierenden) Innenflächen des Integralraums 100 austreten kann. Die LEDs müssen daher von der Austrittsöffnung 118 weg wei sen, so daß das von den LEDs abgestrahlte Licht nicht direkt aus dem Integral raum austritt. Wenn zwei LED-Anordnungen 50 einander zugewandt sind (wie in Fig. 8-10 gezeigt), trifft vorzugsweise das von der LED-Anordnung abgestrahlte Licht nicht direkt auf die LED-Plättchen 10 der anderen LED-Anordnung. Daher sind die Flächen 12 vorzugsweise nach oben geneigt, also zum Reflexionsblatt 120. (Dies wird in Fig. 8-11 und 14 gezeigt.) Vorzugsweise sind die Flächen eben, weil es einfacher ist, LED-Plättchen auf einer ebenen Fläche zu befestigen. Vor zugsweise sind die Flächen 12 zudem diffus reflektierende Flächen mit einer Reflexion von 90% bis 99,99% und besser mit einer Reflexion von 95% bis 99,99%. Dies ist dadurch begründet, daß die Flächen 12 der verbundenen LED- Module einen größeren Teil der Innenfläche des Integralraums 100 bilden, und niedrige Reflexionswerte zu einer Absorption des Lichtes durch die Innenflächen führen, wodurch sich die Effizienz des Integralraums verringert. Dies wird detail lierter im Abschnitt "Leistungsanalyse" des vorliegenden Dokuments erläutert.

Durch Anordnen von (i) LED-Plättchen an den Innenflächen des Integralraums und von (ii) Reflexionsflächen 11 zwischen dem LED-Plättchen und der Fläche 12 des Moduls wird die Effizienz des Integralraums verbessert, weil das gesamte von den LEDs bereitgestellte Licht das Innere des Integralraums erreicht. Das zusätz liche Ziel einer einwandfreien Farbbalance für eine gegebene Anwendung eines Integralraums ist durch Mischen von LED-Modulen mit geeignetem Spektralgehalt erzielbar. Zu diesem Zweck sind LED-Plättchen mit verschiedenem Spektralinhalt lieferbar, beispielsweise von Siemens in München. Zu achten ist auf: 1.) eine rich tige Plazierung der verschiedenfarbigen LED-Module während der Bildung der LED-Anordnung, und/oder 2.) eine richtige Lage der LED-Anordnung(en) inner halb des Integralraums, so daß eine annehmbare Mischung und spektrale Gleichmäßigkeit erzielt wird. Die optimale LED-Konfiguration ist entweder durch Softwaremodellierung oder durch Bau verschiedener Integralraumkonfigurationen und anschließender Leistungsbewertung erzielbar.

Wie zuvor erwähnt, kann in dem Gehäuse 2 der LED-Module 1 und/oder der Distanzmodule 1' (Fig. 8 u. 9) ein Aperturschnapper 18 ausgebildet sein. Die Aperturschnapper 18 (der die LED-Anordnungen bildenden LED-Module) nehmen einen optionalen, passenden Aperturschnapper 18A eines Aperturrahmens 122 auf, der die Austrittsöffnung 118 bildet. Dieser Aperturrahmen 122 kann Aper turblenden 124 umfassen, wie in Fig. 8 gezeigt. Diese Aperturblenden 124 sind optional und so konfiguriert, daß keine direkte Strahlung von den LEDs durch die Austrittsöffnung 118 tritt. Zum Abwandeln der Eigenschaft des abgestrahlten Lichts sind auch Transmissionsfilter 126, etwa Diffuser oder Spektraltrimmfilter, optional verwendbar (siehe Fig. 8 und 9).

Alternativ hierzu kann ein Teil des Integralraumgehäuses 112 einen Aperturrah men bilden. Dieser Teil des Integralraumgehäuses kann mit den Grundflächen 24 des LED-Moduls 1 verschweißt oder sonstwie daran befestigt sein. Die Grundflä chen 24 der einzelnen LED-Module können zudem einen Aperturrahmen (und somit eine Austrittsöffnung) bilden, wie in Fig. 10 gezeigt. Jeder der in Fig. 7B und 8 bis 14 gezeigten Integralräume weist eine Austrittsöffnung 118 auf, die durch den Aperturrahmen 122, die Grundflächen 24 oder eine äquivalente Struktur gebildet wird.

Die Abschlußkappen 116 sind an den röhrenförmigen Seitenwänden 114 (Fig. 7A und 12) befestigt und können optionale Verbindungselemente umfassen, z. B. die Schnapp-Verbinder 4 und 6. Diese Verbindungselemente verbinden die Abschlußkappen 116 mit der/den LED-Anordnung(en) 50 durch Eingreifen in ent sprechende Verbindungselemente der LED-Module und/oder Distanzmodule, die an den Rändern der LED-Anordnung(en) angeordnet sind. Andere Möglichkeiten zum Verbinden der Abschlußkappen 116 der LED-Anordnungen sind ebenfalls möglich. Hierzu gehört, ohne darauf beschränkt zu sein, das Verkleben oder Ver schrauben der Abschlußkappen 116 mit der röhrenförmigen Seitenwand 114. Die Abschlußkappen 116 weisen eine diffus reflektierende Fläche auf, die zur Innen seite des Integralraums gewandt ist, und bilden einen Teil des Integralraumge häuses 112.

Eckmodule 1'' mit Schnapp-Verbindern 4 und 6 sowie mit optionalem Apertur schnapper 18 und Schlitz 8 (oder einem ähnlichen Merkmal) sind ebenfalls zur Herstellung eines Integralraums (siehe Fig. 13) mit hellerer und/oder breiterer Austrittsöffnung 118 verwendbar. Insbesondere ist Fig. 13 eine Bodenansicht durch eine Austrittsöffnung 118 eines anderen Integralraums, der vier LED- Anordnungen und vier Eckmodule 1'' umfaßt. Die Anzahl der diese LED-Anord nungen bildenden LED-Module läßt sich erhöhen oder verringern, wodurch sich die Größe und die Form dieses Integralraums verändert. Die Größe der Austritts öffnung 118 läßt sich verkleinern, indem ein Aperturrahmen mit einer kleineren Austrittsöffnung (etwa der zuvor beschriebene Aperturrahmen 122) an den vier LED-Anordnungen und den vier Eckmodulen befestigt wird.

Herkömmlich ausgebildete LED-Anordnungen (mit LED-Paketen ohne Schnapp- Verbinder) sind ebenfalls für das Integralraumgehäuse 112 eines Integralraums verwendbar. Die Verwendung der modularen LED-Anordnungen (d. h. LED- Anordnungen aus LED-Modulen) zur Bildung von Integralräumen ermöglicht das schnelle und kostengünstige Kombinieren verschiedenfarbiger LEDs in beliebiger Reihenfolge, so wie es die Anforderungen einer bestimmten Anwendung an die Spektralbeleuchtung erfordern. Das Verwenden von LED-Anordnungen mit einem Schlitz ermöglicht zudem ein einfaches Positionieren einer LED-Anordnung relativ zu einer anderen LED-Anordnung, oder einer LED-Anordnung relativ zu dem Rest des Integralraums. Das Reflexionsblatt 120 dient somit als Distanzelement und bietet zusammen mit den modularen LED-Anordnungen 50 eine einfache und kostengünstige Möglichkeit zur Konstruktion eines Integralraums. Der Integral raum kann problemlos zerlegt werden, wobei seine Größe durch Einsetzen eines kleineren oder größeren Reflexionsblatts 120 in den Schlitz 8 veränderbar ist.

Vorzugsweise umfaßt das Montieren eines Integralraums mindestens folgende Schritte:

1.) Beschaffen einer Vielzahl von LED-Modulen mit Schnapp-Verbindern;
2.) Zusammenfügen der LED-Module mit den Distanzmodulen (falls erfor derlich) in einer vorbestimmten Reihenfolge durch Eingreifen der kom plementären Schnapp-Verbinder der benachbarten LED- und/oder Distanzmodule zur Bildung einer LED-Anordnung;
3.) Einschieben eines Reflexionsblatts vorbestimmter Maße in den Schlitz 8;
4.) Befestigen von Abschlußkappen an der/den LED-Anordnung/en;
5.) Befestigen oder Verkleben der LED-Anordnung(en) an der Leiterplatte.

Leistungsanalyse

Fig.15 zeigt eine Schnittansicht eines beispielhaften LED-Moduls 1 (dessen Abmessungen in mm angegeben sind). Derartige Module wurden bei der Kon struktion von zwei LED-Anordnungen 50 verwendet, die einen Teil einer röhren förmigen Seitenwand 112 des zur nachfolgend beschriebenen Leistungsanalyse herangezogenen Integralraums 100 bilden. Die LED-Module aus Fig. 15 sind der art angeordnet, daß sie einen Integralraum bilden, etwa einen derartigen, wie in Fig. 10 gezeigt, und eine Austrittsöffnung 118 von 1 mm × 24 mm beleuchten. Jede der beiden LED-Anordnungen 50 benutzt zwölf LED-Module, deren LED- Mittelpunkte 2 mm voneinander beabstandet sind. Die Länge des Integralraums (ohne Berücksichtigung der Dicke der Abschlußkappen) beträgt 24 mm. Für diese Analyse liefern alle LEDs dieselbe Lichtmenge derselben Wellenlänge (λ=550 nm).

Die Leistung des Integralraums ist durch den Wirkungsgrad E, die Helligkeit B und die Helligkeitsgleichmäßigkeit an der Austrittsöffnung gekennzeichnet. Der Wir kungsgrad E eines Integralraums und die Helligkeit B an der Austrittsöffnung des Integralraums werden durch das Verhältnis von vier Schlüsselparametern bestimmt: dem Reflexionsgrad der Innenflächen des Integralraums (d. h. dem Reflexionsgrad der Innenwandungen 128), der Eintrittsöffnungsfläche, der Aus trittsöffnungsfläche und der gesamten Innenfläche des Integralraums. Der Wir kungsgrad E ist das Verhältnis der Lichtmenge, die aus dem Integralraum austritt, zur Lichtmenge, die in den Integralraum eintritt. Wenn das Verhältnis der Eintritts öffnungsfläche zur Austrittsöffnungsfläche klein ist (d. h. A_in/A_out = 1/10 oder klei ner), dann läßt sich die Beziehung des Wirkungsgrads E des Integralraums zu den vier zuvor genannten Schlüsselparametern folgendermaßen ausdrücken:

wobei p der Reflexionsgrad der Innenflächen des Integralraums ist und sich oft als Funktion der Wellenlänge ändert; A_out ist die gesamte Austrittsöffnungsfläche; A_in ist die gesamte Eintrittsöffnungsfläche; A_cav ist die gesamte Innenfläche des Inte gralraums (incl. der Eintritts- und Austrittsöffnungsflächen A_in und A_out); A_ratio ist das Verhältnis der gesamten Öffnungsflächen (A_in und A_out) zu der gesamten Innenflä che des Integralraums A_cav. Das Modell (d. h. der Integralraum aus Fig. 10) hat ein Verhältnis von (A_in und A_out) zu A_cav von ca. 8%. Wenn der Reflexionsgrad ρ 95% beträgt, resultiert aus dieser Konfiguration ein Wirkungsgrad E von ca. 63%. (Dieser Wirkungsgrad ist ca. doppelt so groß wie der von Integralräumen nach dem Stand der Technik.) Der Reflexionsgrad ρ = 95% ist mit spritzgießbaren Mate rialien erzielbar, beispielsweise mit GE Valox™ von General Electric.

Wie in Fig. 10 gezeigt, sind die LED-Plättchen 10 innen im Integralraum angeord net. Deren Fläche (Eintrittsöffnungsfläche A_in) umfaßt nur 0,5% der gesamten Innenfläche des Integralraums A_cav, was zu dem hohen Wirkungsgrad E beiträgt. Die LED-Plättchen 10 sind kommerziell beispielsweise von Siemens in München lieferbar. Andere LED-Plättchen sind ebenfalls verwendbar.

Das Verändern des Wertes A_ratio (d. h. des Verhältnisses der gesamten Öffnungs fläche (A_in und A_out) zur gesamten Innenfläche (A_cav)) führt zu einer Veränderung der Wirkungsgrade E, wie in Fig. 16 gezeigt. Um diese Kurve zu erzeugen, wurde die Eintrittsöffnungsfläche A_in konstant gehalten, und die Breite der Austrittsöff nung wurde durch Auseinanderbewegen der beiden LED-Anordnungen geändert. Dadurch vergrößerte sich auch der Integralraum mit entsprechend größerem Wert A_cav. Fig. 16 zeigt, daß eine gesamte Öffnungsfläche (A_in und A_out) wünschenswert ist, die in Bezug zu der gesamten Innenfläche (A_cav) groß ist. Für eine gegebene gesamte Öffnungsfläche wird der kleinstmögliche Integralraum bevorzugt. Da A_in viel kleiner als A_out ist, und da der Wert von A_out stieg, impliziert Fig. 16, daß fol gendes wünschenswert ist:

1.) eine Austrittsöffnungsfläche A_out, die relativ groß ist, und
2.) eine Austrittsöffnungsfläche A_cav, die relativ klein ist.

Vorzugsweise ist das Verhältnis von A_out zu A_cav größer als 0,04. Vorzugsweise ist dieses Verhältnis ungefähr 0,5 oder größer. Vorzugsweise sollte für dieses Ver hältnis folgende Ungleichung erfüllt sein:

Der Integralraum aus Fig. 10 hat eine wesentlich kleinere gesamte Innenfläche A_cav als die Integralräume nach dem Stand der Technik. Die kleine Größe dieses Integralraums ermöglicht ein großes Verhältnis der gesamten Öffnungsfläche gegenüber der gesamten Innenfläche und somit (für einen Integralraum mit sehr kleinem Wert A_in) ein großes Verhältnis der Austrittsöffnungsfläche zur gesamten Innenfläche (ca. 0,08). Wie zuvor erwähnt, hat dieser Integralraum einen hohen Wirkungsgrad von 63%. Wenn die in Fig. 14 gezeigte Integralraumkonfiguration verwendet wird, ist der resultierende Wirkungsgrad sogar noch höher, weil die gesamte Innenfläche des Integralraums kleiner als die des Integralraums aus Fig. 10 ist.

Der Wirkungsgrad E des Integralraums steht in Beziehung zu der relativen Hellig keit B der Austrittsöffnung. Die relative Helligkeit B beträgt:

B = E/A_out (2).

Fig. 17 zeigt die relative Helligkeit der Integralräume des in Fig. 10 gezeigten Typs. Der Abstand L zwischen den LED-Anordnungen (Fig. 9) wurde verändert, was zu einer Änderung der Austrittsöffnungsbreite L' und somit der Austrittsöff nungsfläche A_out führt. Zudem wurden drei Werte für ρ verwendet, nämlich ρ=99,9%, 97% und 95%. Die resultierende Kurve (Fig. 17) trägt die Helligkeit B gegen die Austrittsöffnungsbreite für diese drei Reflexionswerte ρ ab. Die Kurz strichlinie entspricht dem Wert ρ=99,9%, die Langstrichlinie entspricht dem Wert ρ=97% und die durchgehende Linie dem Wert ρ=95%. Wie in Fig. 17 gezeigt, konnte für eine Austrittsöffnungsbreite von 1 mm und einem Reflexionswert von ρ=97% eine relative Helligkeit von über 75% der theoretischen maximalen Hellig keit erzielt werden. Die Helligkeitsgleichung (d. h. Gleichung (2)) zeigt, daß die Größe der Austrittsöffnung invers proportional zur Helligkeit ist. Um einen Integral raum mit einem hohen Wirkungsgrad und einer sehr hellen Austrittsöffnung zu erzielen, sollte der Reflexionswert ρ vorzugsweise größer als 95% sein, und fol gende Ungleichung erfüllt sein:

Vorzugsweise sollte der Reflexionswert ρ größer als 97% sein und folgende Ungleichung erfüllt werden:

sein. Am besten sollte der Reflexionswert ρ größer als 99% sein und

sein.

Die Gleichmäßigkeit der Strahlung innerhalb der Austrittsöffnung wurde mit der Software Light Tools™ zur Strahlenverfolgung und Energieauswertung nach dem Monte-Carlo-Verfahren modelliert. Dieses Programm ist kommerziell von der Firma Optical Research A Associates aus Pasadena, Kalifornien, USA, lieferbar. Für diese Art der Analyse sind auch andere Programme verwendbar. Die Ergeb nisse der Analyse (für den zuvor bewerteten Integralraum) werden in den Fig. 18 und 19 gezeigt. Die Analyse zeigt, daß für viele Anwendungen eine angemessene Helligkeit erzielt wird. Fig. 18 zeigt, daß die Helligkeit (innerhalb von 2%) über den größten Teil der Austrittsöffnungslänge gleichmäßig ist und an den Rändern der Austrittsöffnung abfällt. Wenn über die Länge der Austrittsöffnung eine größere Gleichmäßigkeit erforderlich ist, sind die LEDs derart modulierbar, wie in US-A- 5,548,120 beschrieben, so daß die restliche Ungleichmäßigkeit kompensiert wird.

Fig. 18 zeigt, daß, weil die Helligkeit an den Rändern der Austrittsöffnung 118 abfällt, die Austrittsöffnung länger als die Länge der zu beleuchtenden Fläche sein sollte. In diesem Ausführungsbeispiel ergab eine Austrittsöffnung von 24 mm Länge einen gleichmäßig beleuchteten Streifen von ca. 17 mm Länge. Wenn ein Streifen von 24 mm gleichmäßig beleuchtet werden muß, ist ein Integralraum mit einer Austrittsöffnung von ca. 31 mm Länge konstruierbar, indem einfach 3 oder 4 LED-Module zu jeder LED-Anordnung hinzugefügt werden. Fig. 19 zeigt, daß die Helligkeit über die gesamte Breite der Austrittsöffnung gleichmäßig ist und hinter den Rändern der Austrittsöffnung abzufallen beginnt.

Die zahlreichen Merkmale und Vorteile der Erfindung sind aus der detaillierten Beschreibung ersichtlich, wobei die anhängenden Ansprüche alle diese Merkmale und Vorteile der Erfindung abdecken, die in den Schutzumfang der Erfindung fal len. Obwohl einige erfindungsgemäße Ausführungsbeispiels aufgezeigt und beschrieben wurden, ist die Erfindung natürlich nicht auf diese beschränkt, son dern kann zahlreichen, Fachleuten bekannten Änderungen und Abwandlungen unterzogen werden.

Bezugszeichenliste

1

LED-Modul

1

' Distanzmodule

1

'' Eckmodule

2

Gehäuse des LED-Moduls

4

,

6

männliche und weibliche Schnapp-Verbinder

4

A Stift

6

A Buchse

8

Schlitz

10

A LED

10

LED-Plättchen

11

Reflexionsfläche

12

LED-Befestigungsfläche

13

Bonddraht

14

Leitrahmen

16

Leitrahmenfläche

18

Aperturschnapper

18

A passender Aperturschnapper des Aperturrahmens

20

Fläche des Gehäuses zur Aufnahme elektrischer Verbinder

22

elektrische Verbinder

22

A Lötpunkte

24

Grundfläche

50

LED-Anordnung

100

Integralraum

112

Integralraumgehäuse

114

röhrenförmige Seitenwand

116

Abschlußkappen

118

Austrittsöffnung

120

Reflexionsblatt

120

A Reflexionsfläche

121

gedruckte Leiterplatte

122

Aperturrahmen

124

Aperturblende

126

Transmissionsfilter

128

Innenwände eines Integralraums

Claims

1. LED-Modul, das zur Befestigung an ein anderes, gleichartiges LED-Modul angepaßt ist, wobei das LED-Modul folgendes umfaßt:
ein Gehäuse mit einem ersten Verbindungselement einer vorbestimmten Form und einem zweiten Verbindungselement einer komplementären Form, derart, daß wenn das LED-Modul an einem anderen Modul befestigt wird, das erste Verbindungselement des LED-Moduls mit einem zweiten Verbindungs element des anderen Moduls derart in Eingriff gelangt, daß eine Relativbewe gung zwischen den Modulen verhindert wird.

2. LED-Modul nach Anspruch 1 mit:
mindestens einem LED-Plättchen auf dem Gehäuse sowie elektrischen Ver bindungselementen auf dem Gehäuse.

3. LED-Modul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Verbindungselemente Lötpunkte sind und daß das Gehäuse diffus reflektiert.

4. LED-Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das LED-Modul auch einen Schlitz in dem Gehäuse umfaßt.

5. LED-Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das LED-Modul auch einen Aperturschnapper umfaßt.

6. LED-Modul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das LED-Modul auch einen Aperturschnapper umfaßt.

7. LED-Modul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das LED-Plätt chen auf einer geneigten Fläche in bezug zu den elektrischen Verbindungs elementen angeordnet ist.

8. LED-Modul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das LED-Plätt chen auf einer geneigten Fläche in bezug zu den elektrischen Verbindungs elementen angeordnet ist.

9. Lichtquelle gekennzeichnet durch eine Vielzahl von LED-Modulen die zur Befestigung an ein anderes, gleich artiges LED-Modul angepaßt sind, wobei jedes der LED-Module ein Gehäuse mit einer Vielzahl von ersten Verbindungselementen einer vorbestimmten Form umfaßt und eine Vielzahl von zweiten Verbindungselementen einer komplementären Form, sowie mindestens eine auf dem Gehäuse angeord nete LED und auf dem Gehäuse angeordnete elektrische Verbindungsele mente, wobei die Vielzahl der LED-Module an anderen, gleichartigen Modulen befestigt werden und zueinander ausgerichtet werden, indem die ersten Ver bindungselemente der Vielzahl von LED-Modulen mit den zweiten Verbin dungselementen der benachbarten Module in Eingriff gelangen.

10. Lichtquelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die LED-Module derart ausgelegt sind, daß sie in Kombination Licht verschiedener Wellenlän gen abgeben.

11. Lichtquelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einige der LED-Module auch einen Aperturschnapper umfassen.

12. Lichtquelle gekennzeichnet durch eine Vielzahl von LED-Modulen von denen jedes LED-Modul ein Gehäuse mit einer Vielzahl von in dem Gehäuse integrierten Verbindungselementen umfaßt, mindestens eine auf dem Gehäuse angeordnete LED und auf dem Gehäuse angeordnete Lötpunkte, wobei die Vielzahl der LED-Module durch die genannten Verbindungselemente aneinander befestigt und zueinander ausgerichtet werden, und daß jedes der LED-Module auch einen Schlitz in dem Gehäuse umfaßt, wobei jeder der Schlitze benachbart zu einem Schlitz eines benachbarten LED-Moduls angeordnet und dazu ausgerichtet ist.

13. Lichtquelle nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die LED-Module derart ausgelegt sind, daß sie in Kombination Licht verschiedener Wellenlän gen abgeben.

14. Verfahren zur Herstellung einer LED-Anordnung mit:

(i) Bereitstellen einer Vielzahl von LED-Modulen, die eine Vielzahl von Ver bindungselementen aufweisen, und
(ii) Befestigen der LED-Module miteinander derart, daß die Verbindungsele mente eines der LED-Module mit Verbindungselementen eines anderen LED-Moduls in Eingriff gelangen.

15. Verfahren nach Anspruch 14 mit dem zusätzlichen Schritt, der das Verbinden der LED-Module mit einer Leiterplatte umfaßt.

16. LED-Anordnung, die nach einem Verfahren nach Anspruch 14 hergestellt ist.

17. Verfahren gekennzeichnet durch folgende Schritte:

(i) Bereitstellen einer Vielzahl von LED-Modulen, wobei jedes LED-Modul ein Gehäuse umfaßt, das mindestens einen in dem Gehäuse integrierten Stift aufweist, und
(ii) Bereitstellen einer Leiterplatte mit einer Vielzahl von Buchsen, die zur Aufnahme der Stifte bemessen sind, und
(ii) Eingreifen der Stifte in die Buchsen derart, daß jedes der LED-Module an der Leiterplatte an vorbestimmten Orten befestigt wird und daß die LED- Module zueinander ausgerichtet werden.