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Title:
OPTICAL ELEMENT FOR A LIGHT SOURCE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2015/089535
Kind Code:
A1
Abstract:
An optical element (1) in particular for influencing the light emission of an LED or OLED light source comprises a body (10) which consists of a silicone material and which has structures (20), in particular microstructures, that are produced by treating the silicone material using a laser (50).

Inventors:
SIEGEL, Martin (Bettnau 24, Bodolz, 88131, DE)
Application Number:
AT2014/000228
Publication Date:
June 25, 2015
Filing Date:
December 19, 2014
Export Citation:
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Assignee:
ZUMTOBEL LIGHTING GMBH (Schweizer Straße 30, Dornbirn, A-6850, AT)
International Classes:
G02B19/00; H01L33/50; H01L33/58
Domestic Patent References:
WO2012131532A12012-10-04
WO2007023439A22007-03-01
WO2007121486A22007-10-25
Foreign References:
US20120086028A12012-04-12
US20080048200A12008-02-28
Other References:
MANGIRDAS MALINAUSKAS ET AL: "Femtosecond laser polymerization of hybrid/integrated micro-optical elements and their characterization;Femtosecond laser polymerization of hybrid/integrated micro-optical elements and their characterization", JOURNAL OF OPTICS, INSTITUTE OF PHYSICS PUBLISHING, BRISTOL GB, vol. 12, no. 12, 11 November 2010 (2010-11-11), pages 124010, XP020202244, ISSN: 2040-8986, DOI: 10.1088/2040-8978/12/12/124010
LI DING ET AL: "Large refractive index change in silicone-based and non-silicone-based hydrogel polymers induced by femtosecond laser micro-machining", OPTICS EXPRESS, vol. 14, no. 24, 27 November 2006 (2006-11-27), pages 11901, XP055182597, ISSN: 1094-4087, DOI: 10.1364/OE.14.011901
ANNICK BAY ET AL: "Optimal overlayer inspired by Photuris firefly improves light-extraction efficiency of existing light-emitting diodes", OPTICS EXPRESS, vol. 21, no. S1, 14 January 2013 (2013-01-14), pages A179 - A189, XP055182301
AMMER T ET AL: "CHIP-LEVEL INTEGRATED DIFFRACTIVE OPTICAL MICROLENSES FOR MULTIMODE VERTICAL-CAVITY SURFACE-EMITTING LASER TO FIBER COUPLING", OPTICAL ENGINEERING, SOC. OF PHOTO-OPTICAL INSTRUMENTATION ENGINEERS, BELLINGHAM, vol. 41, no. 12, 1 December 2002 (2002-12-01), pages 3141 - 3150, XP008035707, ISSN: 0091-3286, DOI: 10.1117/1.1518994
ALEKSANDR OVSIANIKOV ET AL: "Ultra-Low Shrinkage Hybrid Photosensitive Material for Two-Photon Polymerization Microfabrication", ACS NANO, vol. 2, no. 11, 25 November 2008 (2008-11-25), pages 2257 - 2262, XP055182536, ISSN: 1936-0851, DOI: 10.1021/nn800451w
None
Attorney, Agent or Firm:
JÄGER, Andreas (Zumtobel Lighting GmbH, Höchsterstrasse 6, Dornbirn, A-6850, AT)
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Claims:
Ansprüche

1. Optisches Element (!) insbesondere zur Beeinflussung der Liehtabgabe einer LED- oder OLED-Lichtque.iie,

wobei das optische Element (I) einen aus. einem Silikonmaterial bestehenden Körper {'lö) aufweist, der durch Bearbeitung des Silikonmateriai s mittels Laser (50) erstellte Strukturen (20), insbesondere Mikrostrukturen aufweist 2, Optisches Element nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet,,

dass sich die Strukturen (20) an einer der Lichtquelle abgewandten Oberfläche des optischen Elements (1) befinden. 3, Optisches Element nach Anspruch 1 ,

dadurch gekeniizetehset

dass die Strukturen (20) in den aus Silikonmateriai bestehenden Körper (10) eingebettet sind, derart, dass sie von Silikonmateriai mit anderen optischen

Eigenschaften, insbesondere mit einem anderen Brechungsindex umgeben sind.

4. Optisches Element: nach Anspruch 3,

dadurch geke nz ichnet,

dass es sich bei dem Silikonmateriai mit den anderen optischen Eigenschaften um Material des Körpers (10) handelt, welches nicht durch den Laser bearbeitet wurde.

5. Optisches Element nach einem der vorherigen Ansprüche,

dadurch gekeuBzekMiet,

dass die Strukturen (20) linsenartige Strukturen (28) und/oder prismenartige Strukturen umfassen.

6. Optisches Element nach einem de vorherigen Ansprüche,

dadu c gekennzeichnet,

dass die Strukture (20) lichtstreuende Strukturen umfassen. 7. Optisches Element nach einem der vorherigen Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet.

dass die Strukturen (20) Gitter- oder Rasterstrukturen (.25) umfassen.

8. Optisches Element nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch. gekennsseiclMefc,

dass das Silikonniaterial Phosphore zur Farhkonversion des Lichts beinhaltet.

9. Optisches Element nach ei em der vorherigen Ansprüche.

dadurch gekenaxeichuei,

dass der Silikonkörper (10) auf einem Trägerelement. (1 ÖÖ) angeordnet ist, welches vorzugsweise lichtdurchlässig ist, insbesondere aus Glas besteht.

10. Optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 8,

dadurch gekesastdehnet,

dass dieses eine Primäroptik für mindestens eine LED-Lichtquelle bildet.

1 1. Anordnung bestehend aus einer LED-Lichtquelle und einem der LED-Lichtquelle zugeordnetem optischen Element. (1) nach einem der vorherigen: Ansprüche.

12» Anordnung nach Anspruch 1 1 ,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Strukturen (20) lediglich einen Teilbereich der LED- Lichtquelle überdecken, 13. Anordnung nach. Ansprach 12,

dadurch gekennzeichnet,

dass die LED-Lichtquelle zumindest zwei verschiedenfarbige LED-Chips umfasst, wobei das optische Element (1) beide LED-Chips überdeckt, die Strukturen allerdings lediglieh im Bereich eines der Chips ausgebildet, sind oder in den den verschiedenen LED-Chips zugeordneten Bereichen unterschiedlich ausgebildet sind.

14. 'Verfahren zum Bilden -eines optischen Elements nach einem der Ansprüche 1 bis 10,

dadurch gekennx ch t,

dass ein Silikonkoper auf ein Trägersuhstrat (100) aufgebracht, und anschließend mittels Laserstrahlung bearbeitet wird.

Description:
Optisches Elemen : für mm Lichtquelle

Die vorliegende- Erfindung ' heirifft ein optisches Element für eine Lichtquelle, wobei mit Hilfe des optischen Elements insbesondere die Liebtabgabe einer LED oder einer ÖLED - also einer sogenannten organischen LED - beeinfiusst werden soll.

Lichtquellen auf LED-Basis finden zwischenzeitlich auf allen Gebieten der

Beleuchtungstechnoiogie Verwendung, insbesondere auch in der Raumbeleuchtung bzw. bei der Beleuchtung von größeren Gebäuden oder Gebäudekomplexen. Da der lichteinitiierende Halbleiterehip einer LED in der Regel das Liebt in einen sehr großen Winkelbereich abstrahlt, kommen unterschiedlichste Optiken zum Einsatz, mit deren Hilfe das Licht dann in gewünschter Weise gebündelt bzw. in gewünschter Weise .ausgerichtet wird. Oftmals wird die Lichtabgabe sogar durch mehrere optische Elemente beeinfiusst, einerseits einer sog, Primäroptik, die unmittelbar auf dem LED- Chip ausgebildet oder diesem zugeordnet ist, sowie andererseits einer in

Lichtabstrahlrichtung nachgeordneten sekundären Optik, welche dann

die eigentliche Liehtabgabe einer Leuchte festlegt.

Die unmittelbar dem LED-Chip zugeordnete Primäroptik erfüllt üblicherweise gleichzeitig auch eine Schutzfunktion, da durch sie das lichtemitSieren.de

Halhleitereiement vor äußeren Einflüssen abgeschirmt wird. Femer können innerhalb der Primäroptik auch Farbkonversionspartil el bzw. Phosphore enthalten sein, mit deren ' Hilfe zumindest ein Teil des von dem LED-Chip abgegebenen Lichts in Licht einer anderen Wellenlänge umgesetzt wird, so dass letztendiich ei Lsehlieht geeigneter Farbe oder mit geeigneter Farbtemperatur erzeugt wird. Dies stellt beispielsweise eine verhältnismäßig einfache Möglichkeit dar, mit Hilfe einer LED- Lichtquelle Welßiicht zu erzeugen.

Oftmals bestehen die unmittelbar auf den LED-Chip aufgebrachten Primaroptiken aus Silikonmaterial. Derartige Optiken werden dann entweder im. Spritzgussverfahren oder im Falle einfacherer Optiken auch durch einfache Dispensermethoden hergestellt.

Derartige Verfahren sind zwar verhältnismäßig kostengünstig durchführbar, sie erlauben allerdings allenfalls das H erstellen makroskopischer Optiken, mit deren Hilfe die Lichtabgäbe nur zu einem geringen Grad beeinfiusst werden kann. Für eine präzisere Beeinfl ussung der Lichtabgabe wären Mikrostrukturen, also Strukturen im

Bereich weniger Mikrometer erforderlich, die oben genannten Verfahren bieten hierfür allerdings keine ausreichende Genauigkeit. Alternative Materialien wie beispielsweise Glas ödet Kunststoff könnten zwar im Vergleich zu. Silikon entsprechend fein bearbeitet werden, allerdings weisen sie andere Nachteile auf, welche einen sinnvollen Einsatz als Primäroptiken für LEDs verhindern. Beispielsweise ist Glas für den Einsatz direkt auf einem LED-Chip sowohl aus optischen Gründen wie auch aus material technischen Gründen - Glas ist zu hart und könnte dementsprechend leicht beschädigt werden - nicht verwendbar.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabenstellung zugrunde, -eine neuartige Lösung zum Hersteller: optischer Elemente zur Verfügung zu stellen, weiche es erlaubt, ggf. auch Strukturen im Mikrometerbereich mit ausreichender Genauigkeit realisieren zu können.

Die Aufgabe wird durch ein optisches Element mit den Merkmalen des Anspruch« 1 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 14 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen de Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die erfindungsgemäße Lösung beruht auf dem Gedanken, das angestrebte optische Element aus einem Silikonmaterial zu bilden. Dieses Silikonmaterial weist dabei zumindest teilweise Strukturen auf, welche durch Bearbeiten des Silikonmaterials mittels eines Lasers erstellt wurden.

Erfindungsgernaß wird also ein optisches Element zur Beeinflussung der Lichtabgabe insbesondere einer LED- oder OLED-LiehtquelSe vorgeschlagen, wobei das optische Element einen aus ' einem Silikonmaterial bestehenden Körper aufweist, der durch Bearbeitung des Silikonmaterials mittels Laser erstellte Strukturen, insbesondere Mikrostrukturen aufweist.

Die erfinduttgsgemäße Lösung beruht auf einer aus dem Stand der Technik bekannten Technologie, bei der mit Hilfe von Laserstrahlung in gewissen Silikonmaterialien ein Polymerisafiomprozess gezielt gesteuert werden kann. Dieses Verfahren wurde insbesondere im medizinischen Bereich entwickelt und kommt hier in einer Reihe von unterschiedlichen Anwendungen zum Einsatz. Mit der vorliegenden Erfindung wird nunmehr vorgeschlagen, dieses Verfahren gezielt zum Herstellen von Siükon-basierten Strukturen im Bereich der Beleuchtungstechnologie einzusetzen. Dies eröffnet die Möglichkeit der Herstellung von neuen optischen Elementen, die von den vorteilhaften Materialeingenschaften von Silikon, nämlich dessen ermischer Stabilität sowie dessen optischer Transparenz profitieren können. Femer können mit Hilfe des

Verfahrens Strukturen mit Genauigkeiten von wenigen Mikrometern erstellt werden. wa den oben genannten Anforderungen zur gezielten Beeinflussung der Lichtabgabe genügt.

Erfindungsgemäß können sich die mittels der Laserbearbeitung erstellten Strukturen an einer der Lichtquelle abgewandten Oberfläche des optischen Elements befinden. Dies muss allerdings nicht zwingend der Fall sein. Stattdessen könnten die Strukturen auch in das optische Element eingebettet sein, derart, dass sie von einem Siükonmaterial mit anderen optischen Eigenschaften, insbesondere mit einem anderen Breehungsindex umgeben sind. Diese Konfiguration wird in einfacher Weise dadurch erreicht, dass mit Hilfe der Laserstrahiung bestimmt Bereiche des ufsprüngliehen Silikonmaterials derart beeinflusst - genau genommen polymeristert - werden, dass sie im Vergleich zu den nicht mit der Laserstrahlung bearbeiteten Bereichen einen anderen Brechungsindex aufweisen. Auf diesem Wege können in den Silikonkörper nahezu beliebige dreidimensionale Strukturen eingebracht werden. Wird anschließend daran das nicht polymerisiere Material - ggf. teilweise - entfernt, ergibt sieh ein optisches Element, welches ausschließlich aus dem mit Hilfe der Laserstrahlung bearbeiteten Material besteht bzw. die optischen Strukturen wie oben besehrieben an seiner Oberfläche aufweist. Die erfindungsgen äßen Mikrostrukturen können beispielsweise linsenartige

Strukturen umfassen« Es kann sieh allerdings auch um lichtstreuende Strukturen handein, die beispielsweise auf Gitter- oder Rasterstrukturen basieren. Ferner könnte m t Hilfe der erfindimgsgemäßen Vorgehensweise die Oberfläche des optischen Elements auch mit einer Anti-Refiex-Strukiur versehen werden, wobei durchaus auch denkbar wäre, diese verschiedenen Gedanken in einem optischen Element gemeinsam zu realisieren.

Wie bereits erwähnt besieht, ei Vorteil der erfindungsgemäßen Losung darin, dass auf die bereits in der Vergangenheit vielfach genutzten Silikonmaterialien zurückgegriffen werden kann. Dementsprechend kann auch vorgesehen sein, dass das Silikonmaterial des erfindungsgemäßen optischen Elements zusätzlich Phospliore oder andere

Farbkonversionsmittel aufweist, .mit dere Hilfe das von der Lichtquelle emittierte Licht zumindest teilweise in Licht anderer Wellenlänge umgesetzt wird. Das etrindungsgemäße optische Element bzw. dessen Silikonkörper kann unmittelbar auf der LED-Lichtquelle angeordnet sein und dann dementsprechend eine Primäroptik bilden. Alternati v hierzu könnte der Silikonkörper allerdings auch auf einem separaten Trägerelement angeordnet sein, welches dann vorzugsweise lichtdurchlässig ist, also beispielsweise aus Glas besteht. Nachfolgend soll die Erfindung an and der beiliegenden Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen: Fig. 1 eine schematisehe Darstellung zur Verdeutlichung der erfindungsgeniäßen Vorgehensweis zum Erstellen mikroopüscher Strukturen.

Fig, 2 ein erstes Ausföhrangsbeispiei einer erfindungsgemäßen Optik in Aufsicht; Fig. 3 ein zweites Ausruhrungsbeispiel einer erfmdungsge äßen Optik in

Selinittdärsielinng und

Fig. 4 eine Variante der Optik von Figur 3, Fig, 1 zeigt ein erstes Aus ohrungsbeispiel einer er.tlnäungsgemäüen Primäroptik zum Beeinflussen des Lichts einer LED-Lichtquelle;, wobei gleichzeitig auch die

Vorgehensweise zum Erstellen der Makrostrukturen verdeutlicht werden soll

Gezeigt ist eine Prr aroptik für einen LED-Chip 100, wobei die Optik, welche allgemein mit dem Bezugszeichen 1 versehen ist, einen Silikonkörper 10 aufweist, der an der zur Liehtabstrahhmg vorgesehenen Oberfläche des LED-Chips 100 angeordnet ist. Der Silikonkörper 0. könnte beispielsweise durch ein entsprechend einfaches Dispenserverlaliren auf die Oberfläche 101 des LED-Chips 100 aufgebracht werden. Im. darauf folgenden Schritt, also nach dem Aufbringen des Silikonmateriais auf den LED-Chip 100, soll die in Fig, 1 lediglieh schematisch angedeutete Mikrostruktur 20 erstellt werde»; Dies erfolgt durch eine Bearbeitung des Silikonkörpers 10 mit Hilfe eines Laserstrahls 50, wobei der Laserstrahl 50 auf einen bestimmten Bereich des Silikonkörpers 10 fokussiert werden kann. Der Laserstrahl. 50 erlaubt es nunmehr, gezielt eine Polymerisation des Silikonmateriais 1 in dem Bereich 51 hervorzurufen, Voraussetzung hierfür ist selbstverständlich, dass ein geeignetes Silikonmaierial gewählt wird, wobei hierfür beispielsweise PDMS (Polydimethylsiloxan). ggf. unter Beimischung geeigneter Photokatalysatoren genutzt werden könnte. Die Polymerisation des Silikonmateriais hat zur Folge, dass das pol merisierte

Material im Vergleich zum umgebenden Silikonmaterial, welches nicht polymerisiert wurde, einen anderen Breehungsindex aufweist. Hierdurch entstehen Strukturen 20, welche Lichtstrahlen durch Brechung oder Streuung entsprechend beeinflussen, können. Da mit dem beschriebenen Verfahren der Polvinerisationsprozess des Silikomnater ais sehr exakt gesteuert werden kann, besteht die Möglichkeit, die Strukturen 20 mi Genauigkeiten im Mikrometerbereich zu erstellen.

Mit Hilfe des sehem at seben in Fig. 1 dargestellten Verfahrens könnten also Strukturen 20 in den Silikondom 10 eingebracht werden, wie sie in Fig. 2 beispielhaft gezeigt sind. In diesem Fall wurde mit Hilfe des Laserstrahls 50 eine Giü.erstruktur 25 in das Silikonmaterial 10 eingebracht, durch welche das von dem LED-Chip 100 abgegebene Lieht in entsprechender Weise beeinflusst werden soll Die Abstände d zwischen den einzelnen Giiteriinien 26 sowie deren Breite können dabei in nahezu beliebiger Weise gewählt werden, da das Verfahren diesbezüglich eine sehr höbe Flexibilität aufweist.

Eine andere Möglichkeit zum Realisieren einer Mikrooptik . gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt, in diesem. Fall ist wiederum der Einsatz als

Primäroptik vorgesehen, das heißt, das Silikonmaterial 10 ist unmittelbar auf der Oberfläche des LED-Chips 100 angeordnet In gleicher Weise wäre allerdings auch denkbar, dass als Trägersubstrat für das Silikonmaterial 10 ein Glaspiätichen oder dergleichen verwendet wird, wobei in diesem Fall dan das optische Element nicht mehr zwingend als Primäroptik genutzt wird sondern dann beispielsweise auch in einem gewissen Abstand von der Licht uelle angeordnet wird. im dargestellten Ausfuhmngsbeispiel gemäß Fig. 3 wird nunmehr mit Hilfe des Laserstrahls eine Linsenstruktur 28 In das Silikonmaterial eingebracht. Auch eine derartige Struktur 20 erlaubt es, dass von der LED 100 abgegebene Licht hinsichtlich des Winkelhereichs, in den das Lieht abgestrahlt wird, zu beeinflussen, wobei nunmehr die Beeinflussung deutlich stärker ist als bei den bislang zum Einsatz kommenden, aus dem Stand der Technik bekannten Primäroptiken. Da wiederum hinsichtlich der Ausgestaltung der Linseastrukturen 28 keine Beschränkungen bestehen, kann die lichtbeeinflussende Eigenschaft des erfindungsgemäßen optischen Elements 1 nahezu beliebig verändert werden. Anstelle der Linsen 28 wäre beispielsweise auch die Realisierung von Prismenstrukturen beispielsweise in Form pyramiden- oder p ramidenstumpfrbrmiger Strukturen denkbar. Diese können hierbei länglich ausgebildet oder auch mairixartig angeordnet sein.

Die letztendlich erhaltenen Strukturen 20 können dabei innerhalb des nie - ausgehärteten Silikons 10 verbleiben, so dass sie also durch dieses geschützt werden. Denkbar wäre es allerdings auch, nach Abschluss der Laserbearbeitung das nicht- ausgehärtete Silikon zumindest teilweise zu entfernen. In diesem Fall würde ausschließlich die ausgehärtete Struktur 20 verbleiben. Dies gilt sowohl für die dargestellten Unsen- oder Prismenstrukturen als auch für die Gitterstruktur bei dem Ausfxihrungsbeispiel gemäß Figur 2.

Das Ausfuhrungsbeispiel gemäß Fig. 4 unterscheidet sich von dem

Aissföhrungshei spiel gemäß Fig. 3 darin, dass zwischen dem Trägersubstrat 100, also entweder dem LED-Chip oder beispielsweise einer Glasplatte, und dem.

Silikonmatena! 10 zusätzlich noch eine Phosphorschicht 1 10 eingebracht wurde. Mit Hilfe dieser Phosphorschicht 1 10 werden auftretende Lichtstrahlen zumindest teilweise in Lieht einer anderen Wellenlänge umgesetzt, sodass in Kombinatton mit dem nicht durch das Phosphormalerial beeinilussten Licht ein Mischlicht, erzeugt wird, welches über das erfindußgsgemäße optische Element 1 abgegeben wird. Alternativ hierzu könnte allerdings auch das Silikonmaterial 10, welches in der

erfindungsgemäßen ' Weise bearbeitet wird, selbst die Phosphorpartikel beinhalten.

Insbesondere im Falle der Nutzung als Primäroptik nruss die .mit Hilfe der

erfindungsgemäßen Vorgehensweise erstellte. Makrostruktur nicht zwingend den gesamten Kchtemittlerendert Bereich des LED-Chips überdecken. Denkbar wäre beispielsweise, das die Mikrostruktur nur einen Teilbereich des Chips überdeckt und in anderen Bereichen keine Mikrostruktur Vorgesehen ist bzw. die Struktur hier anders ausgebildet ist. Dies kann insbesondere dann sinnvoll sein, wenn das optische Element als Primäroptik für ein LED-Cluster bestehend aus mehreren LEDs, die Licht i verschiedenen Farben emittieren, genutzt wird. In diesem Fall wäre es durchaus denkbar, dass mit Hilfe der Optik, das Licht einzelner Farben, gezielt heemflusst wird, um beispielsweise das Durchmischen der verschiedenen LED-Farben zu optimieren oder eine spezielle Licl ahstxahlung des LED- Lichts zu erzielen.

Die Mikrostrukturen müssen dabei auch nicht zwingend der Beeinflussung der Lichtabgabe dienen sondern können auch dazu verwendet werden, andere

Eigenschaften des optischen Elements zu beeinflussen. Denkbar wäre beispielsweise, Anti-Reflexstrukturen, die unter der Bezeichnung Moth-Eye-Strukturen bekannt sind, an der Oberfläche des optischen Elements auszubilden, durch welche das

Erscheinungsbild der lichtabgebenden Anordnung insgesamt optimiert wird,

Anzumerken ist darüber hinaus auch, dass die erfindungsgemäßen optischen Elemente nicht -zwingend für LEDs genutzt werden müssen sondern beispielsweise auch bei anderen Lichtquellen, z.B. bei sogenannten organischen LEDs (OLEDs) zum Einsatz kommen können.. Generell wird sich allerdings der Aufwand zum Erstellen der Makrostrukturen erhöhen, je größer die leuchtende Fläche der zugeordneten

Lichtquelle ist. Dementsprechend stellen auf " Halb! eitere! erneuten, basierende LED- Lichtquellen durchaus das optimale Anwendungsgebiet -für .die vorliegende Erfindung dar.