Seitlich emittierendes Strahlungserzeugendes Bauelement und Linse für ein solches Bauelement

Diese Patentanmeldung beansprucht die Prioritäten der deut¬ schen Patentanmeldung DE 102004043516.2 vom 8. September 2004 und der US-Patentanmeldung US 60/607,904 vom 8. Septem¬ ber 2004, deren Offenbarungsgehalt hiermit explizit durch Rückbezug in die vorliegende Patentanmeldung aufgenommen wird.

Die Erfindung betrifft ein seitlich emittierendes strahlungs- erzeugendes Bauelement mit einer Strahlungsquelle, deren op¬ tische Achse senkrecht zu einer Montagefläche des Bauelements verläuft, und mit einer der Strahlungsquelle nachgeordneten optischen Einrichtung, die eine in diese eingekoppelte elekt¬ romagnetische Strahlung der Strahlungsquelle zur Seite hin umlenkt. Sie betrifft weiterhin eine separat gefertige Linse für ein solches Bauelement .

Montagefläche ist vorliegend diejenige äußere Oberfläche des Bauelements, die im auf einem Träger, beispielsweise auf ei¬ ner elektrischen Leiterplatte montierten Zustand des Bauele¬ ments, dem Träger zugewandt ist.

Derartige Bauelemente und entsprechend geartete Linsen sind beispielsweise aus den Druckschriften US 6,679,621 B2, US 6,607,286 B2 und US 6,598,998 B2 bekannt. Die darin beschrie¬ benen Bauelemente und Linsen weisen zum einen eine ver¬ gleichsweise große Bauhöhe auf und sind zum anderen nur mit technisch aufwändigen Mitteln herstellbar. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Bauele¬ ment der eingangs genannten Art bereitzustellen, das eine möglichst geringe Bauhöhe aufweist und das mit geringerem technischen Aufwand herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird durch ein Bauelement mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und durch eine Linse mit den Merkmalen des Patentanspruches 4 gelöst .

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen des Bau¬ elements und der Linse sind in den Unteransprüchen angegeben.

Diese Aufgabe wird insbesondere durch ein Bauelement der ein¬ gangs genannten Art gelöst, bei dem die optische Einrichtung eine im Querschnitt V-artig, im rotationssymmetrischen Fall trichterartig geformte reflektierende Oberfläche und eine die reflektierende Oberfläche umschließende und von außerhalb ge¬ sehen konvex geformte refraktive Oberfläche aufweist, wobei die refraktive Oberfläche zwischen der reflektierenden Ober¬ fläche und einer der Strahlungsquelle zugewandten Bodenfläche angeordnet ist. Die Bodenfläche ist dabei derart angeordnet und ausgebildet, dass durch sie elektromagnetische Strahlung der Strahlungsquelle in die optische Einrichtung einkoppelt, und die reflektierende Oberfläche ist derart angeordnet und ausgebildet, dass ein zentraler erster Teil eines eingekop¬ pelten Strahlungskegels von dieser zur refraktiven Oberfläche hin umgelenkt wird. Die refraktive Oberfläche ist schließlich derart angeordnet und ausgebildet, dass sowohl eine von der reflektierenden Oberfläche her kommende Strahlung als auch eine direkt von der Strahlungsquelle her kommende Strahlung durch diese unter gleichzeitiger Strahlbündelung mit mög¬ lichst großem Winkel schräg zur optischen Achse der Strah¬ lungsquelle ausgekoppelt wird. Erfindungsgemäß „verarbeitet" die konvex gekrümmte refraktive Oberfläche beide Lichtbündel, das heißt sowohl dasjenige, welches von der reflektierenden Oberfläche stammt, als auch dasjenige, welches direkt, das heißt ohne dazwischen liegende gezielte Umlenkung an einer Oberfläche der optischen Einrich¬ tung, von der Strahlungsquelle stammt. Die Auftreffbereiche der beiden Lichtbündel auf der konvexen refraktiven Oberflä¬ che sind schwerpunktmäßig voneinander getrennt. Das von der reflektierenden Oberfläche umgelenkte Lichtbündel trifft auf einem der Bodenfläche benachbarten Bereich der refraktiven Oberfläche auf und wird von diesem gebrochen und gebündelt . Das direkt von der Strahlungsquelle stammende Lichtbündel trifft auf einem der reflektierenden Oberfläche benachbarten Bereich der refraktiven Oberfläche auf und wird von diesem gebrochen und gebündelt .

Der der Bodenfläche benachbarte Bereich und der der reflek¬ tierenden Oberfläche benachbarte Bereich der konvexen refrak¬ tiven Oberfläche haben im Schnitt jeweils eine Krümmung mit einem vergleichsweise großen Krümmungsradius und der Über¬ gangsbereich zwischen diesen beiden Bereichen weist einen im Vergleich dazu geringen Krümmungsradius auf.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Bauelements bzw. der Linse befindet sich im Übergangsbereich zwischen der re¬ flektierenden Oberfläche und der refraktiven Oberfläche ein gegenüber der Strahlungsquelle abgeschatteter Oberflächenbe¬ reich der optischen Einrichtung bzw. Linse. Besonders bevor¬ zugt ist der abgeschattete Bereich im wesentlichen ein Be¬ reich der reflektierenden Oberfläche im Übergangsbereich zur refraktiven Oberfläche. Der abgeschattete Bereich kann als separate, von den benachbarten Oberflächen (reflektierende Oberfläche und refraktive Oberfläche) abgekantete Fläche oder mit fliessendem Übergang als Bestandteil einer der beiden be¬ nachbarten Oberflächen ausgeführt sein. Durch die Abschattung können vorteilhafterweise Rückreflexionen reduziert werden.

Die erfindungsgemäße optische Einrichtung/Linse ist in ihrer Form näherungsweise eine in einem Winkel > 0° zur optischen Achse der Strahlungsquelle nach außen gekippte refraktive Konvexlinse mit einer reflektierenden Rückseite, die Strah¬ lung der Strahlungsquelle, die nach Eintritt durch die Boden¬ fläche nicht unmittelbar auf die refraktive Oberfläche der Linse gerichtet ist, zur Seite auf die refraktive Oberfläche hin umlenkt und dort unter gleichzeitiger Bündelung ausgekop¬ pelt. Hierfür ist ein erster refraktiver Linsenbereich vorge¬ sehen.

Eine direkt von der Strahlungsquelle auf einen vom ersten ge¬ trennten zweiten refraktiven Linsenbereich treffende Strah¬ lung wird von letzterem unter gleichzeitiger Bündelung unmit¬ telbar zur Seite des Bauelements hin umgelenkt. Die refrakti¬ ve Oberfläche kann symmetrisch oder unsymmetrisch ausgebildet sein. Sie kann als Freiformlinse ausgebildet sein.

Zur Herstellung der Linse mittels Spritzgießen oder Spritz¬ pressen kann vorteilhafterweise ein technisch einfaches Werk¬ zeug verwendet werden, das insbesondere keinen technisch auf¬ wändigen Schieber benötigt .

Die Linse kann separat hergestellt und als Aufsatzoptik auf ein Bauelementgehäuse aufgesetzt werden, mit oder ohne Bre¬ chungsindex-Anpassung. Sie kann aber auch direkt beispiels¬ weise an einen Leuchtdiodenchip angegossen werden. Die Boden- fläche ist dann keine reale Oberfläche sondern nur eine ge¬ dachte Fläche.

Das erfindungsgemäße Bauelement kann mit Vorteil eingesetzt werden zum seitlichen Abstrahlen von Strahlung eines Top- Emitters, zum seitlichen Einkoppeln von Strahlung eines Top- Emitters in einen Lichtleiter, zum großflächigen Hinterleuch¬ ten von Anzeigen und Symbolen und von LCD-Displays, für Sig¬ nalleuchten, zum homogenen Ausleuchten von Reflektoren und zur Ambientbeleuchtung. Die erfindungsgemäße optische Ein¬ richtung kann in angepasster Form auch in Lichtleiter integ¬ riert werden.

Weitere Vorteile, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbil¬ dungen des Bauelements und der Linse ergeben sich aus dem im Folgenden in Verbindung mit der Figur näher erläuterten Aus¬ führungsbeispiel .

Die Figur zeigt eine schematische Schnittansicht durch ein Ausführungsbeispiel einer Linse für ein Bauelement gemäß der Erfindung.

Die Linse 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel hat eine rotations- symmetrische Form mit einer von der Vorderseite der Linse in diese trichterartig geformten reflektierenden Oberfläche 2 und einer von außerhalb gesehen konvex geformten refraktiven Oberfläche 3, die zwischen der reflektierenden Oberfläche 2 und einer Bodenfläche 4 der Linse verläuft und diese mitein¬ ander verbindet . Die Bodenfläche 4 ist derart angeordnet und ausgebildet, dass durch sie elektromagnetische Strahlung ei¬ ner vom Linseninneren gesehen hinter der Bodenfläche 4 ange¬ ordnete Strahlungsquelle 5, beispielsweise ein LED- Bauelement, in die Linse 1 einkoppelt. Die reflektierende Oberfläche 2 ist derart angeordnet und ausgebildet, dass ein zentraler erster Teil der eingekoppel¬ ten Strahlung von dieser zu einem der Bodenfläche 4 benach¬ barten ersten Linsenbereich 32 der refraktiven Oberfläche 3 hin umgelenkt wird. Die refraktive Oberfläche 3 ist derart angeordnet und konvex ausgebildet, dass sowohl eine von der reflektierenden Oberfläche 2 her kommende Strahlung als auch eine direkt von der Strahlungsquelle 5 her kommende und auf einen der reflektierenden Oberfläche 2 benachbarten zweiten Linsenbereich 33 der refraktiven Oberfläche 3 treffende Strahlung durch diese unter gleichzeitiger Strahlbündelung seitlich zur optischen Achse 6 der Strahlungsquelle 5 ausge¬ koppelt wird. Der erste 32 und der zweite Linsenbereich 33 sind in Schnittansicht vergleichsweise schwach gekrümmt, der diese beiden Linsenbereiche 32,33 verbindende Übergangsbe¬ reich ist demgegenüber stark gekrümmt.

Die V-artig geformte reflektierende Oberfläche 2 ist derart S-artig gekrümmt, dass ein der optischen Achse 6 benachbarter erster Teilbereich 21 von außerhalb gesehen konvex gekrümmt und ein der refraktiven Oberfläche 3 benachbarter zweiter Teilbereich 22 von außerhalb gesehen derart konkav gekrümmt ist, dass ein vorderseitiger Randbereich 31 der refraktiven Oberfläche 3 gegen direkte Strahlung der Strahlungsquelle 5 abgeschattet ist. Der konvexe Teil der reflektierenden Ober¬ fläche 2 bewirkt schon eine erste Bündelung einer auf ihn treffenden Strahlung der Strahlungsquelle.

Eine solche Linse gemäß dem Ausführungsbeispiel kann separat gefertigt und beispielsweise auf ein separat gefertigtes oberflächenmontierbares Toplooker-LED-Bauelement aufgesetzt werden. Dies kann beispielsweise mittels eines Klebstoffes erfolgen, dessen Brechungsindex vorzugsweise zwischen dem Brechungsindex eines Chip-Umhüllungsmaterials und dem des Linsenmaterials liegt. Weiterhin können an der Linse und am Bauelement-Gehäuse Justierelemente zum justierten Aufsetzen der Linse vorgesehen sein.

Ein geeignetes Ausführungsbeispiel für ein Toplooker-LED- Bauelement, auf den die Linse gemäß dem Ausführungsbeispiel aufgesetzt werden kann, ist beispielsweise in der WO 02/84749 A2 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt hiermit insofern durch Rückbezug aufgenommen wird.

Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfin¬ dung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Pa¬ tentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder die¬ se Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist .