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WO2008138159A1 - Leuchtaufbau - Google Patents

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Publication number
WO2008138159A1
WO2008138159A1 PCT/CH2008/000214 CH2008000214W WO2008138159A1 WO 2008138159 A1 WO2008138159 A1 WO 2008138159A1 CH 2008000214 W CH2008000214 W CH 2008000214W WO 2008138159 A1 WO2008138159 A1 WO 2008138159A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
light
plate
led
side led
backlight device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/CH2008/000214
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Gerhard Staufert
Ernst Ottiger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
M & M Public Design AG
Original Assignee
M & M Public Design AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by M & M Public Design AG filed Critical M & M Public Design AG
Priority to EP08733835A priority Critical patent/EP2147424A1/de
Publication of WO2008138159A1 publication Critical patent/WO2008138159A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09F—DISPLAYING; ADVERTISING; SIGNS; LABELS OR NAME-PLATES; SEALS
    • G09F13/00—Illuminated signs; Luminous advertising
    • G09F13/04—Signs, boards or panels, illuminated from behind the insignia
    • G09F13/0409—Arrangements for homogeneous illumination of the display surface, e.g. using a layer having a non-uniform transparency

Definitions

  • the invention relates to the backlighting of light emitting surfaces with LED.
  • the present invention ensures that the front scatter plate of a theoretically arbitrarily large lighting structure, as used for example for advertising or information signs, is so backlit with LED (light emitting diodes) that at a total depth of the lighting structure down to 2 cm the entire front, for example, information mediating or decoratively luminous, scattering plate radiates to its outermost edge towards homogeneous and bright light.
  • the scattering plate is preferably held so that it appears as a structure in appearance, which has no dark, non-luminous frame.
  • a corresponding lighting structure includes 3 plates arranged in parallel: an average 10 to 15 mm thick acrylic light guide plate, a back light diffusely reflecting example white acrylic plate, for example, 3 mm thickness and a front transparent, the desired inscriptions wearing acrylic plate, for example, 5 mm thickness , Between the plates, a minimum air gap must be ensured in each case for perfect functioning of the light guide plate.
  • Such Aulbauten have the disadvantage that they are complicated and the very thick light guide plate because of very heavy and therefore not only expensive but also difficult to handle and can be mounted only with great effort. Above all, however, the achievable homogeneity is obviously dependent on the optical path length, ie, for example, on the width of the structure.
  • the LED in the sense of the beam path additional, for example, lens and / or mirror-like structures downstream of the beam deflection in order to come as close as possible to an ideal radiation characteristics.
  • LEDs whose light is mainly symmetrical, for example 70 ° to 80 ° inclined to the main radiation direction of the LED lamp used. - A -
  • Lumileds “side-emitting LED Luxeon III”, whose spatial radiation characteristics are relatively close to what is needed but are far from sufficient to be used directly in a flat design, ie. without further measures, to produce a sufficient homogeneity.
  • a backlighting device for a scattering plate of a luminous structure has at least one side LED emitting at least 50% of its light in a solid angle range of 50 ° to 100 ° to the perpendicular to its mounting surface.
  • light-damping structures are now present in the beam path from the side LED to the diffusion plate. These have the effect of homogenizing the light emitted by the diffusion plate.
  • Light attenuating structures are structures that affect at least part of the light so that it can not be emitted further ("in the forward direction").
  • the light-attenuating structures are partially absorbent or possibly partially completely absorbent.
  • the absorption rate can become - what like will be discussed in more detail below, may be preferred - change in function of the position.
  • the mounting surface of a side LED is generally defined as the area of the LED intended for application to a carrier; the carrier generally has a planar structure provided for this purpose.
  • the mounting surface may optionally also form (at least) one electrical contact.
  • side LED which emit their light mainly at an angle, for example, approximately perpendicular to the normal of their mounting surface
  • LED such as the Luxeon HI LED understood, which are constructed by the manufacturer for a radiation in which at least 50% of the light, for example, is radiated symmetrically to the normal to the mounting surface of the LED in a solid angle range of 50 ° to 100 ° C.
  • this also includes LEDs which are constructed by the manufacturer such that they have at least 50%. their light in a solid angle range of ⁇ 60 ° to the normal on their mounting surface and are provided with an additional optics for angled, for example, substantially rectangular deflection of the light.
  • a power-side LED is used with a nominal power consumption of 0.5 to 5 watts or more.
  • a forward-emitting (ie, at least 50% of its light in a symmetric solid angle range of up to ⁇ 60 ° radiating) power LED having a nominal power consumption of 0.5 to 5 watts or more with a suitable deflection optics as a side LED can be used.
  • the spatial light distribution generated by such side LEDs must be modified on their way to the information panel carrying the front panel of the lighting structure so that the desired homogeneity of the radiation of the diffusion plate is formed.
  • side LEDs are used whose emission characteristic is symmetrical to the normal.
  • Such have the advantage, together with the measure according to the invention, of causing a homogenized emission characteristic when they are applied to a carrier in an approximately regular grid. But it is also not symmetrical Abstrahl characterizingen conceivable, for example. In function of the azimuth angle elliptical emission characteristics. The anisotropy caused by these can be compensated for by suitable arrangements and / or orientations of the side LEDs.
  • the entire lighting structure By means of the procedure according to the invention, it is made possible for the entire lighting structure to be designed in such a way that it essentially appears as a structure that shines homogeneously to the brim without dark, no light-emitting frame.
  • the spreading plate can extend to the edge;
  • the hood-like structure can be obtained that no other structures are visible to the edge.
  • the substantially homogeneous light distribution is obtained by the inventive method.
  • the attenuating structures can be mounted directly on the side LED as described in more detail below.
  • a carrier element at a distance from the side LED surface, ie in the space between the side LED and the scatter plate, ie the light-attenuating structures can be in the vertical direction (perpendicular to the scatter plate and carrier plate plane) spaced from both the side LED and the diffusion plate.
  • a corresponding carrier element can be any component which holds one or more such damping structures at a defined distance from a carrier of the side LED or to the scatter plate.
  • a support member may be formed as a rod or hood or body which holds a disc acting as a damping structure.
  • the support element should be substantially transparent to light arriving laterally (with respect to the direction perpendicular to the mounting surface).
  • Particularly preferred is the formation of the carrier element as a carrier hat with or without hat brim, which will be discussed in more detail below.
  • a cavity is preferably formed into which the described damping structures protrude with carrier elements and the side LEDs and their function supporting means. That is, preferably, the light from the side LEDs to the scattering plate and possibly also to the light-attenuating structures through the cavity (ie through the air) passed.
  • the scattering plate is preferably substantially plate-shaped with a substantially horizontally-flat top and bottom, so that the underside of the scattering plate is spaced in the vertical direction from the top of the side LEDs and the light-attenuating structures.
  • the distance between side LED and damping structures is significantly smaller than the distance and between damping structures and the underside of the diffusion plate, so that it is ensured that the light-attenuating structures of adjacent LEDs light does not noticeably hinder its spread to the diffusion plate can.
  • a lighting arrangement according to the invention in addition to the backlighting device, also has the scattering plate and, if necessary, means for fixing the same relative to the backlighting device.
  • the scattering plate as a whole may be part of a hood-like, possibly even one-piece structure, whose side walls may be transparent, diffuse scattering or even mirrored.
  • the scattering plate is preferably at least 50%, more preferably at least 60%, possibly even at least 65% translucent. Particularly preferred is a
  • panel-type lighting assemblies according to the prior art in each case have scattering plates (which can be constructed as already described above from an absorbing plate and a light-scattering plate) with a light transmittance of at most approx.
  • FIG. 1 a curve 2
  • the spatial emission characteristic of the Luxeon III LED specified by the manufacturer Lumileds is also shown. It is easy to see that the real LED emits too much light at small solid angles to achieve a homogeneous illumination.
  • FIG. 1b in which the calculated local illuminance parallel to the mounting surface
  • the Luxeon III LED is shown in the distance h arranged plate in function of the distance from the LED.
  • Figure Ib it is apparent that the local intensity peaks map in annular lighter and darker zones on the plate. The described theoretical relationships can be confirmed with simple measurements.
  • the approach with the light emitting mainly to the side LED is useful in connection with the inventive approach.
  • Scatter plate must not be completely homogeneous in order to obtain a perceived by the viewer as homogeneous radiation of light from this scattering plate out.
  • Inhomogeneity of the illumination may be greater, the stronger the diffusion plate the
  • the term "diffusion plate” which is also used in the following refers to a plate which transmits the light with which it is illuminated by the LED used, for example to 25% to 75%, preferably 40% to 75%, diffusely scattered and then radiates with sufficient homogeneity, while the rest of the light is either absorbed or emitted uselessly against the back.
  • this scattering plate may normally also be a carrier of information to be provided by the lighting structure, that is to say, for example, a colored film with lettering and the like.
  • the present invention makes it possible to backlight the front scattering plate theoretically arbitrarily large, light-emitting lighting structures, such as advertising or signs, with their light mainly approximately perpendicular to the normal of their mounting surface emitting LED (light emitting diodes) that at a total depth of the lighting structure down to 2 cm, the entire front, for example, information mediating or decoratively luminous, scattering plate radiates to its outermost edge towards homogeneous and bright light.
  • the scattering plate is preferably held by the lighting structure so that it appears as a structure in appearance, which has no dark, non-luminous frame.
  • the present invention makes it possible to solve the required homogeneous and bright radiation of light with the smallest possible number of LEDs, ie preferably so-called power LEDs, with a nominal power consumption of, for example, 0.5 watts to 5 watts or more, are used.
  • a lighting structure of 1 m 2 in size and, for example, a total depth of less than 5 cm, so, depending on the desired luminosity, for example, with 10 to 50 such LED operable.
  • the present invention makes it possible to ensure that the heat generated by the LED is dissipated to the environment in a very flat construction with the lowest possible thermal resistance.
  • a thermal resistance between the mounting surface of the LED and the surface which dissipates the heat to the environment of less than 20 ° C / watt or better less than 10 ° C / watt feasible.
  • the present invention in conjunction with a particularly preferred structure, makes it possible to ensure in the simplest possible way that at least the electricity-conducting and light-generating parts of the structure are protected from water and dust.
  • the present invention makes it possible to modify the spatial light distribution generated by the outlined side LED on their way to, for example, the information-carrying front panel of the lighting structure so that a sufficiently good homogeneity of the light emission of the scattering plate arises.
  • the homogeneity is sufficiently good when the differences in brightness which occur in the human eye, which occur as far as the outermost edge of the scattering plate, no longer or only very poorly. This is the case, for example, when the decrease in brightness between close, i. For example, in 5 cm distance adjacent faces not greater than at most 30%, better 20%. Between far apart, so for example, at least a few 10 cm apart faces may take place a continuous, not violating the first requirement, decrease in brightness by at most 50%, better by 40%.
  • optical attenuation structures according to the invention represent a modification of the light emission in the desired sense.
  • curve 2 is considered in FIG. 1 as an example of the emission characteristic of a side LED, it can be seen that the major part, namely about 75% of the emitted light lies in a solid angle range of about 60 ° to 100 ° emission angle. This means that those lying in the solid angle range of 0 to 60 ° radiation angle, the, from Figure Ib apparent, disturbing brightness rings on the illuminated plate-generating light components may be attenuated without significant loss of luminous efficiency so far that the disturbing light rings disappear.
  • a first very simple approach to realizing this optical attenuation, just above (i.e., in the direction normal to the mounting surface away from the substrate), of the side LED used is a small, light-opaque, non-light-reflecting, i. for example, a dull blackened metal cover b2w.
  • a small, light-opaque, non-light-reflecting i. for example, a dull blackened metal cover b2w.
  • the Luxeon III Side LED for example, such a cover must have a diameter of approx. 10 to 20 mm in order to absorb the light emitted in the solid angle range of 0 ° to approx. 60 °.
  • a significant improvement is achieved by a uniformly dark gray to black cover with defined light transmission of, for example, 1% to 20% is used.
  • the thus achieved homogeneity of the radiation from the scattered plate illuminated according to the boundary conditions described in the previous section is sufficient in many practical cases.
  • Optimal is a light-damping cover, which is the ring-like
  • the course of the damping characteristic is such that a uniform brightness results as a function of the emission angle of the side LED.
  • a light-attenuating cover which passes in a circular zone in the center with a diameter of, for example, 5 mm, for example, 10% of the light.
  • the permeability for example, from 1% to the largest diameter increases continuously to, for example, 25%.
  • the values given here are for illustration purposes only and vary from side-LED type to side-LED type.
  • cover plates according to the invention can be effected in a surprisingly simple manner, for example by printing corresponding shades of gray on paper or a suitable plastic film by means of a simple ink-jet printing or laser printer.
  • This disorder can be remedied so that, according to a preferred
  • the carrier in this text due to its generally plate-like shape also called "carrier plate” is also covered with corresponding - second - structures for attenuating the light.
  • the carrier in this text due to its generally plate-like shape also called "carrier plate”
  • the carrier plate is also covered with corresponding - second - structures for attenuating the light.
  • you can such structures have a Lichtdämfungsverlauf, which combines a strong light attenuation in the immediate vicinity of the side LEDs with an increasingly weaker towards the outside light attenuation - in the immediate vicinity of the side LED, the support plate is blackened, in increasing distance it is dark gray, light gray, possibly white.
  • the course of this attenuation can also be adapted to the characteristics of side LEDs used, the dimensioning of the lighting structure and the arrangement of the side LEDs.
  • a damping characteristic by the brim of one of the aforementioned hat-like structure is chosen large enough - eg. With a diameter of at least 5 cm, preferably even at least 7 cm or up to the brim of each adjacent hat - and accordingly (partially) blackened.
  • Such a backlit according to the invention up to its outermost edge homogeneously radiating light scattering plate can be integrated into a lighting structure so that it appears as a structure in appearance, which has no dark, non-luminous frame.
  • the diffusion plate is the front part of a hood-like structure which has transparent side walls which, for example, are mirrored on the outer side, or provided with a diffusely light-reflecting layer.
  • the height of said side walls corresponds to the desired distance between the diffusion plate and mounting surface of the LED or the above-mentioned support plate.
  • the support plate with the LED and the light homogenizing cover plates together with the described hood-like structure is, for example, inserted in a frame-like structure with cross-sectionally L-shaped profiles floating on the edge and fixed, for example by means of a single screw so that the entire structure holds together.
  • the height of the outside of the haubeartige structure around reaching legs of the L-shaped profiles is chosen so that it is significantly smaller than the height of the side walls of the hood-like structure. This enters the frame-like Entities completely in the background and the entire structure appears essentially frameless.
  • the present invention makes it possible to solve the required homogeneous and bright illumination with as small a number of LEDs as possible, ie preferably to use so-called power LEDs, with a nominal power consumption of, for example, 0.5 watts to 5 watts or more are. It is desirable that a luminous structure of 1 m 2 in size and, for example, a total depth of less than 5 cm depending on the desired luminous intensity, for example, with 10 to 50 such LED is operable.
  • the LED used can be operated with sufficient heat dissipation with up to 3 watts and then emit at least twice as much light, there is enough reserve for even better brightness values or a reduction in the number of LEDs available.
  • the distance of the scattering plate to be illuminated must be increased to, for example, at least 4 to 5 cm in order to obtain a sufficiently homogeneous light emission from the scattering plate.
  • the distance of the scattering plate to be illuminated can be reduced to, for example, at least 2 cm in order to obtain a sufficiently homogeneous light emission from the scattering plate.
  • the present invention makes it possible to ensure that the heat generated by the LED is dissipated in a very flat design with the lowest possible thermal resistance to the environment.
  • the aim is, for example, a thermal resistance of the mounting surface of the LED to the surface which dissipates the heat to the environment of less than 20 ° C / watt or better less than 10 ° / watt.
  • the structure has the disadvantage that the relatively thick "metal-core-print" and the electrical leads leading to it disturb the light directed against the carrier plate so much that a correction by means of the described light-damping structures no longer succeeds properly , A significant improvement is possible if the side LEDs are applied to a more suitable carrier print.
  • An outstanding solution results from the use of a so-called, at least 10x10 mm flexprints with a layer sequence of approx. 20 ⁇ m copper + approx. 25 ⁇ m polyimide + approx. 20 ⁇ m copper, which is structured in such a way that the necessary electrical connection surfaces on the Top of the print are located. There is also a connection surface for the large heat-dissipating area at the bottom of the LED.
  • This thermal contact surface is connected to the copper layer on the back of the print by means of numerous so-called plated-through good thermal conductivity. If now such a, with the LED equipped by soldering Flexprint with a thin, ie about 50 micron thick adhesive layer glued to a metal support plate, this results in a thermal resistance in the region of about 5 ° C / watt. Measurements have shown that at 21 LEDs, which are fixed in this way at regular intervals on a plate of the large 0.5 m 2 and are operated with a power of about 2 watts, at an ambient temperature of about 25 ° C, the hottest spot measurable immediately at the LED, not warmer than a maximum of 35 ° C. This result is very good and promises a long life of the LED.
  • Such sheathless strands can also for
  • the present invention makes it possible to ensure in the simplest possible way that at least the electricity-carrying and light-generating parts of the structure are protected from water and dust.
  • One of the first ways to fix the dampening cover plates above the side LED is to apply the cover plates to a transparent intermediate plate. If this intermediate plate has the same lateral dimensions as a metal support plate carrying the LED and if the intermediate plate and the support plate are connected at their edges by means of a flexible, preferably transparent, plastic film, the desired waterproof and dustproof, the LED and their electrical connections containing, inner space emerged.
  • a solution which almost completely avoids the described disadvantage is the use of a carrier element of the abovementioned type which is hat-like and transparent in a lateral surface.
  • a carrier element is referred to below as a "carrier hat.”
  • Such a carrier hat which is particularly preferred for the realization of the invention has a substantially cylindrical, closed-up protuberance made of, for example, a thermoforming or injection molding, for example, a circular or rectangular base plate
  • the diameter of the cylindrical protuberance is, for example, one third to the entire diameter of the light-attenuating cover to be mounted above the LED, for example, by gluing on the upper
  • the height of the protuberance is, for example, 0.1 to 1 mm more than the height of the side mounted on the flexprint side LED, ie also that the light-attenuating structure significantly closer to the surface the Side LED is angeorndet as the scattering plate,
  • the carrier hat does not have to be cylindrical.
  • the peripheral surface surrounding the side LED can have any shape as a function of the distance from the carrier, and can be, for example, bulged or tapered or have a different shape.
  • Also in function of the azimuth angle are diverse, even non-circular courses conceivable, for example. An elliptical, curved or otherwise regular or irregular shape.
  • the course as a function of the azimuth angle is preferably free of corners and edges (ie the mathematical derivation according to the azimuth angle is continuous), so that no disturbing optical effects arise.
  • the Thickness of the lateral surface and also other surfaces of the carrier hat does not have to be constant.
  • transition between the (transparent) lateral surface and the (the damping structures supporting) top surface need not be defined exactly and by an edge but can rather be continuous, in the manner of a melon.
  • such a carrier hat with attached cover plate (the upper structure having the damping structure) around each individual side LED - or, less preferably, groups of side LEDs with a defined common radiation characteristic - with its entire lower hat surface on the support plate glued from metal and forms so per LED a waterproof and dustproof shell.
  • the lower hat area is covered with the sketched lower light attenuating structures for visual enhancement.
  • the entire base surface with applied side LED and electrical connections covering layer of waterproof material are applied, which at the points of the LED openings with at least the largest diameter the side LED or the protuberances of the carrier hats has.
  • the light emitted by the LED light hits in such a structure either on the light-attenuating structures and behaves as intended, or it hits at a very steep angle to the approximately vertical walls of the protuberance and passes almost without loss through them.
  • a carrier hat a water and dustproof construction available, which can be made not only very inexpensive, but also holds the light-attenuating structures at exactly the desired positions.
  • FIG. 1a shows the ideal spatial light distribution and the spatial light distribution of a real side LED
  • FIG. 2 shows a perspective exploded view of the basic structure of a luminous structure 20 according to the invention.
  • the entire structure is supported by a support plate 21, as shown in FIG.
  • This support plate 21 may in principle be made of any rigid material.
  • the carrier plate is a metal plate such as a steel plate. Even better, this is a plate of a good heat conductive material such as copper or aluminum.
  • the support plate 21 is made of aluminum, its thickness is at least 1 mm for a small size of, for example, up to 20 ⁇ 20 cm; for larger plate dimensions, its thickness is, for example, 2 to 3 mm. It is advantageous if the Träge ⁇ latte 21 is protected against corrosion.
  • aluminum an anodized plate is therefore advantageous.
  • the use of anodized aluminum has the further advantage that the plate surface does not conduct electricity and thus contributes to the electrical safety of the entire structure.
  • a power LED which radiates the main portion, ie, for example, at least 60% of its light symmetrically in an angular range of ⁇ 60 ° with respect to the vertical of the printed circuit boards 23 or the carrier plate 21 and which combines with an optical device is, which diverts the main portion of the light in the angular range of for example 60 ° to 100 °.
  • circuit board 23 It could also be a circuit board 23 come to use, which 2, 3 or 4, or more, preferably independently of each other carries electrically controllable side LED 22 carries. This can always be useful if, for example, differently colored light with possibly changing color shading is to be generated.
  • the circuit board 23 may in principle consist of any printed circuit board material. However, it preferably consists of a composite material with metal core, so it is a good heat conductive so-called "metal core print".
  • the printed circuit board 23 is made on the basis of Flexprint material.
  • a Flexprint material consists for example, and for the present invention preferably, of a composite of about 20 microns copper + about 25 microns polyimides + about 20 microns copper.
  • the flexprint should be totally 50 ⁇ m to 150 ⁇ m thick and have a 15 ⁇ m to 50 ⁇ m thick insulation layer.
  • the upper copper layer of the flexprint 23 is structured such that there are two electrical connections 23a, 23b for the side LED 22 and against the outside.
  • a thermal pad 23c for the so-called "thermal slug" i. the area for heat dissipation of the side LED 22 is present.
  • numerous through-holes filled with as much copper as possible to the lower side of the printed circuit board 23 can be present to improve the thermal conductivity.
  • the lower side of the circuit board 23 is completely covered with copper. All copper surfaces at the top and at the bottom are covered with an additional copper layer of at least 20 ⁇ m thickness after the process of filling the plated-through holes, which improves the heat conduction in the lateral direction.
  • the one or a plurality of side LEDs 22 may be fixed and electrically contacted by means of a bond with an electrically conductive adhesive on the printed circuit board 23.
  • this is done by means of a soldering, insbesondre is to pay attention to a good soldering the surfaces required for thermal conduction.
  • the size of the printed circuit board 23 is at least 10 ⁇ 10 mm, but preferably up to 20 ⁇ 20 mm, and is fastened to the carrier plate 21 with a very thin but very reliable adhesive layer.
  • transfer adhesive layers of about 50 microns thickness are available, which have a very high adhesive strength, are resistant to chemicals and water and at continuous temperatures between -40 ° C to 120 ° C can be used.
  • the required thermal resistance of less than 10 ° C / watt not only reached, but significantly undercut.
  • the mounted on the support plate 21 printed circuit boards 23 are connected in a suitable manner by means of electrical conductors 24 with each other and against the outside.
  • electrical conductors 24 are such that 3 groups of 3 electrically serially connected side LEDs are connected in parallel with one another.
  • completely different serial-parallel or pure serial or pure parallel interconnections are possible.
  • the electrical conductors 24 do not cause any optical interference, they must be as flat as possible or thin. This can be ensured, for example, that they are designed as, at most self-adhesive, copper strips whose thickness is for example 20 to 200 .mu.m, preferably 50 to 100 .mu.m and the for example, 5 to 20 mm wide.
  • the electrical conductors can also be designed as so-called enameled wire strands, which are available, for example, for the production of windings of small electric motors in a wide variety on the market.
  • Such a strand consists of a multiplicity of thin copper wires coated with a temperature and abrasion resistant plastic, such as PA6.6, which wrap around each other.
  • the diameter of a single copper wire is for example 40 to 100 .mu.m and, for example, 20 to 50 such copper wires per strand are used.
  • a strand with 25 enameled wires each 71 microns in diameter an electrical resistance of only about 0.18 ohms / m and has a total diameter of about 500 .mu.m and can by slight pressure on a structure with an oval cross section of maximum height of 200 to 300 microns are formed.
  • optically damping structures 25a and 25b are present.
  • the corresponding film-like elements 25a and 25b are applied to hat-shaped, transparent carrier elements, referred to hereinafter as carrier hats 25.
  • carrier hats 25 hat-shaped, transparent carrier elements
  • ring-like, possibly additionally continuously extending greyscale structures are shown both on the upper hat surface 25a and on the lower hat brim 25b, which, for example, leave 1% to 20% of the light impinging on them in the direction of the scatter plate 26, depending on location, and Keep the remainder away from it by absorption or reflection.
  • gray to black light-damping elements 25a, 25b can be used.
  • the distance between the individual circuit boards 23 with soldered side LED 22 and slipped-over carrier hats 25 is theoretically arbitrary. The meaningful distance depends on the distance between the support plate 21 and illuminated scatter plate 26, the desired luminous intensity of this illuminated diffusion plate 26 and the desired homogeneity of the light emitted by this light.
  • a distance of 3 cm between the support plate 21 and the diffusion plate 26 is assumed. If in this case a brightness is required which at least equal to that of a conventional, for example, backlit with fluorescent tubes scattering plate, so are about 6x6 side LED 22 with corresponding attenuation structures 25a and 25b per m 2 necessary to a sufficiently bright and homogeneous radiation of To ensure light from the diffusion plate 26. This results in a distance of about 16 cm between the individual
  • mirrored acrylic glass walls present, which must have the height of 3 cm in the example discussed.
  • damping structures 25a, 25b carrying carrier hut 25 with the hat brim for example by means of bonding to the support plate 21st are applied.
  • a passpartout-like film 27 for example by gluing, can be applied before or after gluing the carrier hats in the area of the side LED
  • the passpartout-like film 27 may not be applied over the entire surface, but may be divided into individual, possibly overlapping a few millimeters zones.
  • the second light-attenuating structures (the structures on the carrier plate) to be formed instead of the hat brims also formed as directly applied to the conductor / carrier plate dyeings, in which case the hat brims are at least partially transparent, or of a paspartoutähnlichen film are formed.

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Abstract

Die vorliegenden Erfindung ermöglicht es, die vordere Streuplatte (26) eines theoretisch beliebig grossen Leuchtaufbaus (20) mit wenigen LED (22) so zu hinterleuchten, dass bei einer totalen Bautiefe des Leuchtaufbaus bis hinunter zu 2 cm die gesamte vordere, beispielsweise Information vermittelnde, Streuplatte homogen und hell Licht abstrahlt. Dies ist dadurch sichergestellt, dass Power-Side- LED (22), mit einer Leistungsaufnahme von 0,5 bis 5 Watt oder mehr und einer symmetrischen Abstrahlung von mindestens 50% ihres Lichtes in einem Raumwinkelbereich von 50° bis 100°, mit das Licht der LED (22) bei kleinen Raumwinkeln in gewünschtem Masse dämpfenden Strukturen (23a, 23b) kombiniert sind.

Description

LEUCHTAUFBAU
Die Erfindung betrifft die Hinterleuchtung von Licht abstrahlenden Flächen mit LED.
Die vorliegenden Erfindung stellt sicher, dass die vordere Streuplatte eines theoretisch beliebig grossen Leuchtaufbaus, wie er beispielsweise für Reklame- oder Hinweisschilder zur Verwendung kommt, so mit LED (Licht emittierenden Dioden) hinterleuchtet ist, dass bei einer totalen Bautiefe des Leuchtaufbaus bis hinunter zu 2 cm die gesamte vordere, beispielsweise Information vermittelnde oder dekorativ leuchtende, Streuplatte bis zu ihrem äussersten Rand hin homogen und hell Licht abstrahlt. Dabei ist die Streuplatte vorzugsweise so gehalten, dass sie als Aufbau in Erscheinung tritt, der keinen dunklen, nicht leuchtenden Rahmen besitzt.
Aus der Praxis und der Patentliteratur sind zahlreiche Aufbauten bekannt, bei denen mehr oder weniger viele LED, die ihr Licht innerhalb eines Raumwinkels der halben Intensität von beispielsweise ± 50° bis ± 70° oder ähnlich abgeben, so bezüglich einer Streuplatte, oder auch mehrerer hintereinander angeordneter Streuplatten, abgeben, dass die Hauptemissionsachse der LED senkrecht oder auch geneigt zu der Streuplatte steht. Beispiele hierfür sind die beiden Schriften US2006087866A1 und WO2006100127A2. Ähnliche Aufbauten lassen sich auch mit heute marktüblichen LED-Systemen (beispielsweise das System "Backlight" der Firma OSRAM) realisieren, bei denen einzelne oder kleine Gruppen von LED auf kleinen Trägerplatten befestigt und kontaktiert und die Leiterplatten untereinander mit Litzen definierter Länge verbunden sind.
Derartige Lösungen haben den erheblichen Nachteil, dass die Zonen der Streuplatte, die den LED am nächsten liegen erheblich mehr Licht erhalten als weiter entfernte Zonen. Die daraus resultierende viel zu grosse Inhomogenität des von der Streuplatte abgestrahlten Lichtes lässt sich nur verbessern, indem eine relativ grosse Menge LED in relativ grossem Abstand von der Streuplatte eingesetzt wird und/oder indem sehr stark streuende und damit sehr viel, d.h. beispielsweise 60% bis 80%, Licht vernichtende Streuplatten eingesetzt werden.
Aus der Praxis sind andere Lösungen bekannt, bei welchen das Licht zahlreicher LED von der Seite her in lichtleitende transparente Lichtleiterplatten eingekoppelt wird, wobei diese Platten mit feinsten, von blossem Auge nicht sichtbaren Streupartikeln dotiert sind und damit gewisse Prozentsätze Licht pro Lichtweglänge aus den grossen Flächen der Platte auskoppeln. Entsprechende Aufbauten sind in aller Ausführlichkeit in am Internet verfügbaren Firmenschriften beispielsweise der Firma Quinn (Quinn Cast lumina) oder der Firma Röhm (Plexiglas GS 1002) beschrieben. Ein entsprechender Leuchtaufbau beinhaltet 3 parallel angeordnete Platten: eine mittlere 10 bis 15 mm dicke Acryl-Lichtleiterplatte, eine hintere Licht diffus reflektierende beispielsweise weisse Acrylplatte von beispielsweise 3 mm Dicke und eine vordere transparente, die gewünschten Aufschriften tragende Acryl- Platte von beispielsweise 5 mm Dicke. Zwischen den Platten muss zur einwandfreien Funktion der Lichtleiterplatte jeweils ein minimaler Luftspalt sichergestellt sein. Derartige Aulbauten haben den Nachteil, dass sie aufwendig und der sehr dicken Lichtleiterplatte wegen auch sehr schwer und deshalb nicht nur teuer sondern auch schwer handhabbar und nur mit grossem Aufwand montierbar sind. Vor Allem aber ist die erreichbare Homogenität offensichtlich abhängig von der Lichtweglänge, d.h. beispielsweise von der Breite des Aufbaus. Es hat sich erwiesen, dass die so erzielbare Homogenität für einen Leuchtaufbau mit der Breite 400 mm bei einseitiger Lichteinkoppelung gerade noch knapp ausreichend ist, d.h. auf diese Länge bereits eine Abnahme der Helligkeit um mindestens 50% stattfindet. Für breitere Aufbauten bis ca. höchsten 700 mm Breite ist mit doppelseitiger, den Aufbau sehr verteuernder, Einkoppelung eine noch knapp genügende Homogenität des abgestrahlten Lichtes erreichbar. Für noch breitere Aufbauten ist der geschilderte Ansatz unbefriedigend.
Eine häufig verfolgte Einfachlösung zur Verbesserung der Homogenität ist, bei einem Abstand von mindestens 5 bis 10 cm zwischen LED und Front-Streuplatte, eine zweite stark Licht streuende, 60% bis 80% des Lichtes absorbierenden Platte, zwischen LED und Front-Streuplatte zu setzen. Oftmals führt dies zwar zu einer befriedigenden Homogenität, jedoch ist sowohl die Zielsetzung einer flachen Bauweise als auch ein Energie effizienter Aufbau klar verfehlt.
Eine weitere Möglichkeit zur Erreichung einer genügend guten Homogenität ist, der LED im Sinne des Strahlenganges zusätzliche, beispielsweise linsen- und/oder spiegelartige, Strukturen zur Strahlumlenkung nachzuschalten um damit möglichst nahe an eine ideale Abstrahlcharakteristik zu kommen. Obwohl ein derartiger Ansatz theoretisch eine sehr hohe Lichteffizienz bringt, erweist er sich als unrealisierbar oder mindestens als derartig aufwändig, dass er hier nicht weiter verfolgt wird.
Vom Markt bekannt sind auch LED, die ihr Licht hauptsächlich symmetrisch beispielsweise 70° bis 80° geneigt zur Hauptabstrahlrichtung des verwendeten LED- - A -
Chips bzw. zur Normalen ihrer Montagefläche abgeben. Ein Beispiel hierfür ist die "side-emitting LED Luxeon III" der Firma Lumileds, deren räumliche Abstrahlcharakteristik zwar relativ nahe an das herankommt, was benötigt wird aber bei Weitem noch nicht genügt, um bei flacher Bauweise direkt, d.h. ohne weitere Massnahmen, eine genügende Homogenität zu erzeugen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Leuchtaufbau und eine Hinterleuchtungseinrichtung zur Verfügung zu stellen, welche Nachteile gemäss dem Stand der Technik überwinden und welche insbesondere auch bei flacher Bauweise eine homogene Ausleuchtung einer Streuplatte ermöglichen, ohne dass der Aufbau sehr kompliziert würde oder zu zu grossen Lichtverlusten führen würde.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen definiert ist.
Eine Hinterleuchtungseinrichtung für eine Streuplatte eines Leuchtaufbaus weist mindestens eine, mindestens 50% ihres Lichtes in Raumwinkelbereich von 50° bis 100° zur Senkrechten auf ihre Montagefläche abstrahlende Side-LED auf. Erfϊndungsgemäss sind nun im Strahlengang von der Side-LED zur Streuplatte Licht dämpfende Strukturen vorhanden. Diese haben die Wirkung, dass sie das von der Streuplatte abgestrahlte Licht homogenisieren.
„Licht dämpfende Strukturen" sind Strukturen, die mindestens einen Teil des Lichtes so beeinflussen, dass es nicht weiter („in Vorwärtsrichtung") abgestrahlt werden kann. Bevorzugt sind die Licht dämpfenden Strukturen teilabsorbierend oder eventuell bereichsweise ganz absorbierend. Die Absorptionsrate kann sich - was wie nachstehend eingehender erörtert wird, bevorzugt sein kann - in Funktion der Position ändern.
Die Montagefläche einer Side-LED ist im Allgemeinen definiert als Fläche der LED, die zum Aufbringen auf einen Träger gedacht ist; der Träger weist im Allgemeinen eine dafür vorgesehene flächige Struktur auf. Die Montagefläche kann optional auch (mindestens) einen elektrischen Kontakt bilden.
Unter dem Begriff „Side-LED", die ihr Licht hauptsächlich in einem Winkel, bspw. annähernd rechtwinklig zur Normalen ihrer Montagefläche abgeben, werden einerseits LED wie beispielsweise die Luxeon HI LED verstanden, die vom Hersteller für eine Abstrahlung aufgebaut sind, bei welcher mindestens 50% des Lichtes bspw. symmetrisch zur Normalen auf die Montagefläche der LED in einem Raumwinkelbereich von 50° bis 100° abgestrahlt wird. Anderseits werden im Sinne der vorliegenden Erfindung darunter auch LED verstanden, die vom Hersteller so aufgebaut sind, dass sie mindestens 50% ihres Lichtes in einem Raumwinkelbereich von ±60° zur Normalen auf ihre Montagefläche abgeben und mit einer zusätzlichen Optik zur winkligen, bspw. im Wesentlichen rechtwinkligen Ablenkung des Lichtes versehen sind.
Als Side-LED wird gemäss einer bevorzugten Ausführungsform eine Power-Side- LED mit einer nominellen Leistungsaufnahme von 0,5 bis 5 Watt oder mehr verwendet. Als Alternative dazu kann auch eine vorwärts abstrahlende (d.h. eine mindestens 50% ihres Lichtes in einem symmetrischen Raumwinkelbereich von bis zu ±60° abstrahlende) Power-LED mit einer nominellen Leistungsaufnahme von 0.5 bis 5 Watt oder mehr mit einer geeigneten Umlenk-Optik als Side-LED verwendet werden. Die von derartigen Side-LED erzeugte räumliche Lichtverteilung muss auf ihrem Weg zu der die Informationen tragenden Frontplatte des Leuchtaufbaus hin, so modifiziert sein, dass die gewünschte Homogenität der Abstrahlung der Streuplatte entsteht.
Bevorzugt kommen Side-LEDs zum Einsatz, deren Abstrahlcharakteristik symmetrisch zur Normalen ist. Solche haben den Vorteil zusammen mit der erfindungsgemässen Massnahme eine homogenisierte Abstrahlcharakteristik zu bewirken, wenn sie in einem annähernd regelmässigen Raster auf einem Träger aufgebracht sind. Es sind aber auch nicht symmetrische Abstrahlcharakteristiken denkbar, bspw. in Funktion des Azimutwinkels ellipitische Abstrahlcharakteristiken. Die von diesen bewirkte Anisotropie kann durch geeignete Anordnungen und/Orientierungen der Side-LEDs kompensiert werden.
In der Regel ist eine Anordnung einer Mehrzahl (mindestens vier, vorzugsweise mindestens 9 oder mehr) Side-SLEDs vorhanden. Diese sind vorzugsweise regelmässig-rasterartig auf einem ein- oder mehrteiligen Träger angeordnet. In Spezialfällen kann aber auch nur eine bis vier Side-LED vorhanden sein.
Durch das erfindungsgemässe Vorgehen wird ermöglicht, dass der gesamte Leuchtaufbau so gestaltbar ist, dass er im Wesentlichen als bis zum Rande homogen leuchtender Aufbau ohne dunklen, kein Licht abstrahlender Rahmen in Erscheinung tritt. Zu diesem Zweck kann bspw. die Streuplatte bis zum Rand hin verlaufen; insbesondere im Zusammenhang mit dem haubenartigen Aufbau kann erwirkt werden, dass bis zum Rand hin keine anderen Strukturen sichtbar sind. Die im Wesentlichen homogene Lichtverteilung wird durch das erfindungsgemässe Vorgehen erwirkt. Die dämpfenden Strukturen können wie nachfolgend noch eingehender beschrieben direkt auf der Side-LED angebracht sein. Alternativ dazu können sie auch durch ein Trägerelement gehalten in einem Abstand zur Side-LED-Oberfläche vorhanden sein, also im Raum zwischen der Side-LED und der Streuplatte, d.h. die Licht dämpfenden Strukturen können in vertikaler Richtung (senkrecht zur Streuplatten- und Trägerplattenebene) sowohl von der Side-LED als auch von der Streuplatte beabstandet sein. Ein entsprechendes Trägerelement kann irgend ein Bauteil sein, das eine oder mehrere solcher dämpfenden Strukturen in einem definierten Abstand zu einem Träger der Side-LED oder zur Streuplatte halten. Beispielsweise kann ein solches Trägerelement als Gestänge oder Haube oder Körper ausgebildet sein, welche eine als dämpfende Struktur wirkende Scheibe hält. Um den optischen Eindruck nicht zu stören sollte das Trägerelement für seitlich (in Bezug auf die Richtung senkrecht zur Montagefläche) eintreffendes Licht im Wesentlichen transparent sein. Besonders bevorzugt ist die Ausbildung des Trägerelements als Trägerhut mit oder ohne Hutkrempe, was nachfolgend noch eingehender erörtert wird.
Zwischen der Trägerplatte und der Streuplatte ist vorzugsweise ein Hohlraum ausgebildet, in den die beschriebenen dämpfenden Strukturen mit Trägerelementen sowie den Side-LEDs und deren Funktion unterstützenden Mittel hineinragen. Das heisst vorzugsweise wird das Licht von den Side-LEDs zu der Streuplatte und unter Umständen auch zu den Licht dämpfenden Strukturen durch den Hohlraum (also durch die Luft) geleitet. Die Streuplatte ist vorzugsweise im Wesentlichen plattenförmig mit einer im Wesentlichen horizontal-ebenen Ober- und Unterseite, so dass die Unterseite der Streuplatte in vertikaler Richtung von der Oberseite der Side- LEDs und von den Licht dämpfenden Strukturen beabstandet ist.
Diese Anordnung zusammen mit dem Vorsehen des Hohlraums heisst auch, dass in der bevorzugten Ausführungsform im Unterschied zum Stand der Technik die horizontale Lichtverteilung nicht durch einen Lichtwellenleiter hindurch erfolgt, sondern durch normale Lichtpropagation im Hohlraum.
Vorzugsweise ist der Abstand zwischen Side-LED und dämpfenden Strukturen markant kleiner als der Abstand und zwischen dämpfenden Strukturen und der Unterseite der Streuplatte, so dass sichergestellt ist, dass die Licht dämpfenden Strukturen von benachbarten LEDs kommendes Licht nicht spürbar an seiner Ausbreitung zur Streuplatte hin hindern können.
Ein erfindungsgemässer Leuchtaufbau weist nebst der Hinterleuchtungseinrichtung auch noch die Streuplatte sowie wenn nötig Mittel zur Fixierung derselben relativ zur Hinterleuchtungseinrichtung auf. Wie das nachstehend noch eingehender diskutiert wird, kann die Streuplatte als Ganze Teil eines haubenartigen, unter Umständen sogar einstückigen Gebildes sein, dessen Seitenwände transparent, diffus streuend oder auch verspiegelt sein können.
Unabhängig von der Fixierung relativ zur Hinterleuchtungseinrichtung und unabhängig von der möglichen haubenartigen Ausgestaltung ist die Streuplatte bevorzugt zu mindestens 50%, besonders bevorzugt zu mindestens 60%, eventuell sogar zu mindestens 65% lichtdurchlässig. Besonders bevorzugt ist eine
Lichtdurchlässigkeit von zwischen 60% und 80%. Dadurch unterscheidet sich die
Streuplatte markant vom Stand der Technik. Paneelartige Leuchtaufbauten gemäss dem Stand der Technik weisen nämlich jeweils Streuplatten (diese können wie vorstehend bereits beschrieben aus einer absorbierenden Platte und einer Licht streuenden Platte aufgebaut sein) mit einer Lichtdurchlässigkeit von höchstens ca.
40% auf, damit die Lichtquellen - traditionell sind es Leuchtstoffröhren, es können aber auch LEDs sein - für den Betrachter nicht deutlich sichtbar sind. Es hat sich nun jedoch gezeigt, dass im Zusammenhang mit der eingangs beschriebenen Hinterleuchtungseinrichtung die Verwendung von Streuplatten mit einer Transparenz von mindestens 50% und höchstens 90% besonders günstig ist. Dadurch ergibt sich ein erheblicher Vorteil im Wirkungsgrad; dieser wirkt sich seinerseits vorteilhaft auf die Problematik des Energieverbrauchs und der Wärmeabfuhr aus.
Nachfolgend wird die Wirkungsweise des erfϊndungsgemässen Vorgehens noch etwas eingehender erläutert.
Um zu verstehen, welche räumliche Abstrahlcharakteristik einer LED theoretisch notwendig ist, um eine Platte, die parallel zur Montagefläche der LED angeordnet ist, völlig homogen auszuleuchten, muss man sich vor Augen führen, dass die von einem bestimmten Raumwinkelsegment da der LED beleuchtete, ringförmige Fläche dA mit flacher werdendem Anfangsraumwinkel α des Raumwinkelsegmentes immer grösser wird. Bei einem Abstand h der Platte von der LED ist der entsprechende mathematische Zusammenhang: dA = 2*π*h2*(tg(α+dα) - tgα)2 (Gleichung 1).
Für die homogene Ausleuchtung der parallel zur Montagefläche der LED angeordneten Platte müsste die normierte räumliche Abstrahlcharakteristik der LED exakt einer mit dem Wert bei einem bestimmten Winkel, d.h. beispielsweise bei 80° normierten Kurve gemäss Gleichung 1 entsprechen, d.h. I(α)son, norm = dAnOrm sein. Dieser Zusammenhang ist in Figur Ia, Kurve 1 dargestellt.
Zum Vergleich ist in Figur Ia, Kurve 2 auch die vom Hersteller Lumileds angegebene räumliche Abstrahlcharakteristik der Luxeon III LED dargestellt. Man erkennt unschwer, dass die reale LED bei kleinen Raumwinkeln zur Erzielung einer homogenen Ausleuchtung zu viel Licht abgibt. Dies bestätigt auch Figur Ib, in welcher die berechnete örtliche Beleuchtungsstärke der parallel zur Montagefläche der Luxeon III LED im Abstand h angeordneten Platte in Funktion der Entfernung von der LED dargestellt ist. In Figur Ib ist offensichtlich, dass sich die lokalen Intensitätsspitzen in ringförmigen helleren und dunkleren Zonen auf der Platte abbilden. Die geschilderten theoretischen Zusammenhänge lassen sich mit einfachen Messungen bestätigen.
Trotz der geschilderten Unzulänglichkeiten ist der Ansatz mit das Licht hauptsächlich zur Seite hin abstrahlenden LED im Zusammenhang mit dem erfindungsgemässen Vorgehen sinnvoll.
In diesem Zusammenhang ist festzuhalten, dass bei Verwendung einer angestrahlten, prinzipiell transparenten aber das Licht streuenden Streuplatte, die Beleuchtung der
Streuplatte nicht völlig homogen sein muss, um eine vom Betrachter als homogen empfundene Abstrahlung von Licht aus dieser Streuplatte heraus zu erhalten. Die
Inhomogenität der Beleuchtung darf umso grösser sein, je stärker die Streuplatte das
Licht streut. Da stärkere Streuung des Lichtes aber stets auch mit stärkeren Lichtverlusten einhergeht, ist hier ein Optimum zu suchen.
Unter dem weiterhin verwendeten Begriff "Streuplatte" wird in diesem Sinne im Folgenden eine Platte verstanden, welche das Licht mit dem sie von den verwendeten LED angestrahlt wird, beispielsweise zu 25% bis 75%, vorzugsweise 40% bis 75% diffus gestreut durchlässt und dann mit genügender Homogenität abstrahlt, während der Rest des Lichtes entweder absorbiert oder nutzlos gegen hinten abgestrahlt wird.
Diese Streuplatte kann im Übrigen normalerweise auch Träger von vom Leuchtaufbau zu vermittelnden Informationen, also beispielsweise einer farbigen Folie mit Schriftzug und dergleichen sein. Die Vorteile der vorliegenden Erfindung lassen sich damit wie folgt beschreiben.
Als Erstes ermöglicht die vorliegenden Erfindung es, die vordere Streuplatte theoretisch beliebig grosser, Licht abstrahlender Leuchtaufbauten, wie beispielsweise Reklame- oder Hinweisschilder, so mit, ihr Licht hauptsächlich annähernd rechtwinklig zur Normalen ihrer Befestigungsfläche abgebenden LED (Licht emittierenden Dioden) zu hinterleuchten, dass bei einer totalen Bautiefe des Leuchtaufbaus bis hinunter zu 2 cm, die gesamte vordere, beispielsweise Information vermittelnde oder dekorativ leuchtende, Streuplatte bis zu ihrem äussersten Rand hin homogen und hell Licht abstrahlt. Dabei ist die Streuplatte vorzugsweise so von dem Leuchtaufbau gehalten, dass sie als Aufbau in Erscheinung tritt, der keinen dunklen, nicht leuchtenden Rahmen besitzt.
Als Zweites ermöglicht die vorliegenden Erfindung es, die verlangte homogene und helle Abstrahlung von Licht mit einer möglichst geringen Anzahl von LED zu lösen, d.h. dass vorzugsweise sogenannte Power-LED, mit einer nominellen Leistungsaufnahme von beispielsweise 0,5 Watt bis 5 Watt oder mehr, verwendet sind. Ein Leuchtaufbau von 1 m2 Grosse und beispielsweise einer totalen Bautiefe von weniger als 5 cm, ist so, je nach gewünschter Leuchtstärke, beispielsweise mit 10 bis 50 derartigen LED betreibbar.
Als Drittes ermöglicht die vorliegenden Erfindung im Zusammenhang mit einem bevorzugten Aufbau, sicherzustellen, dass die von den LED erzeugte Wärme bei sehr flacher Bauweise mit einem möglichst geringen Wärmewiderstand an die Umgebung abgeführt wird. Beispielsweise ist ein Wärmewiderstand zwischen der Montagefläche der LED und der Fläche welche die Wärme an die Umgebung abgibt, von weniger als 20°C/Watt oder besser kleiner 10°C/Watt realisierbar. AIs Viertes ermöglicht die vorliegenden Erfindung es im Zusammenhang mit einem besonders bevorzugten Aufbau, auf möglichst einfache Weise sicherzustellen, dass zumindest die Elektrizität führenden und Licht erzeugenden Teile des Aufbaus vor Wasser und Staub geschützt sind.
Als Erstes ermöglicht die vorliegende Erfindung es, die von den skizzierten Side- LED erzeugte räumliche Lichtverteilung auf ihrem Weg zu der beispielsweise die Informationen tragenden Frontplatte des Leuchtaufbaus hin so zu modifizieren, dass eine genügend gute Homogenität der Lichtabstrahlung der Streuplatte entsteht.
Genügend gut ist die Homogenität dann, wenn das menschliche Auge auftretende Helligkeitsunterschiede, welche bis zum äussersten Rand der Streuplatte hin auftreten, gar nicht mehr oder nur noch sehr schwach wahrnimmt. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn die Helligkeitsabnahme zwischen nahe, d.h. beispielsweise in 5 cm Distanz beieinander liegenden Teilflächen nicht grösser als höchstens 30%, besser 20% ist. Zwischen weit auseinander, also beispielsweise mindestens einige 10 cm auseinander liegenden Teilflächen darf eine kontinuierliche, die erste Forderung nicht verletzende, Abnahme der Helligkeit um höchstens 50%, besser um 40% stattfinden.
Die erfϊndungsgemässen optischen Dämpfungsstrukturen stellen eine Modifikation der Lichtabstrahlung im gewünschten Sinne dar.
Betrachtet man in Figur 1 die Kurve 2 als Beispiel der Abstrahlcharakteristik einer Side-LED so ist erkenntlich, dass der Grossteil, nämlich ca. 75% des abgestrahlten Lichtes in einem Raumwinkelbereich von ca. 60° bis 100° Abstrahlwinkel liegt. Dies bedeutet, dass die im Raumwinkelbereich von 0 bis 60° Abstrahlwinkel liegenden, die, aus Figur Ib ersichtlichen, störenden Helligkeitsringe auf der beleuchteten Platte erzeugenden Lichtanteile ohne entscheidenden Verlust an Lichtausbeute soweit abgedämpft werden dürfen, dass die störenden Lichtringe verschwinden.
Ein erster sehr einfacher Ansatz zur Realisierung dieser optischen Dämpfung ist, unmittelbar oberhalb (d.h. in Richtung senkrecht zur Montagefläche weg vom Träger) der verwendeten Side-LED eine kleine Licht undurchlässige nicht Licht reflektierende, d.h. beispielsweise eine matt geschwärzte Metall-Abdeckscheibe b2w. Abdeckfolie beispielsweise direkt auf den oberen ringförmigen Rand der verwendeten Side-LED aufzukleben. Für die Luxeon III Side-LED beispielsweise muss eine solche Abdeckscheibe den Durchmesser von ca. 10 bis 20 mm haben um das im Raumwinkelbereich von 0° bis ca. 60° abgestrahlte Licht zu absorbieren. Kombiniert man mehrere derartige Side-LED-Abdeckscheiben Kombinationen in Abständen von beispielsweise 10 bis 20 cm, so ergibt sich, bei einem Abstand zwischen Side-LED und beleuchteter Platte von ca. 3 cm, eine Homogenität der Abstrahlung aus der beleuchteten Streuplatte, die deutlich dunklere Kreisflächen oberhalb der Side-LED aufweist und den Anforderungen in der Regel nicht genügt.
Eine deutliche Verbesserung ist erreicht, indem eine gleichmässig dunkelgraue bis schwarze Abdeckscheibe mit definierter Lichtdurchlässigkeit von beispielsweise 1% bis 20% zur Anwendung kommt. Die so erreichte Homogenität der Abstrahlung aus der, gemäss den im vorigen Abschnitt beschriebenen Randbedingungen beleuchteten Streuplatte, reicht in vielen praktischen Fällen aus.
Optimal ist eine Licht dämpfende Abdeckscheibe, welche die ringartige
Abstrahlcharakteristik der Side-LED in umgekehrtem Sinne aufnimmt, d.h. der
Verlauf der Dämpfungscharakteristik ist so, dass in Funktion des Abstrahlwinkels der Side-LED eine gleichmässige Helligkeit resultiert. Dies bedeutet beispielsweise, dass man eine das Licht dämpfende Abdeckscheibe einsetzt, welche in einer kreisförmigen Zone in der Mitte mit Durchmesser beispielsweise von 5 mm beispielsweise 10% des Lichtes durchlässt. Danach folgt eine Zone bei welcher die Durchlässigkeit beispielsweise von 1 % bis zum grössten Durchmesser kontinuierlich auf beispielsweise 25% ansteigt. Natürlich dienen die hier angegebenen Werte nur der Illustration und variieren von Side-LED Typ zu Side-LED Typ.
Die Herstellung derartiger erfindungsgemässer Abdeckscheiben kann auf verblüffend einfache Weise beispielsweise dadurch geschehen, dass mittels eines einfachen Tintenstrahldruckes oder Laserdruckers entsprechende Grauschattierungen auf Papier oder eine geeignete Kunststoff-Folie gedruckt werden.
Zu beachten ist, dass ein beträchtlicher Teil des auf eine solche Abdeckscheibe auftreffenden und nicht durch dieselbe hindurch gehenden Lichtes nicht einfach absorbiert, sondern diffus reflektiert wird. In Kombination mit den beträchtlichen Lichtanteilen, welche von der Side-LED zwischen 100° und 120° abgestrahlt werden, trifft so eine nicht vernachlässigbare Menge Lichtes auf die, die Side-LED tragende, in der Regel ebene, im Weiteren Trägerplatte genannte, Fläche auf und wird in Richtung der zu beleuchtenden Streuplatte reflektiert. Da die Lichtverteilung des auf die Trägerplatte auftreffenden Lichtes ebenfalls ringförmige Helligkeitsunterschiede aufweist, können von der geschilderten Reflexion zusätzliche störende helle und dunkle Zonen auf der zu beleuchtenden Platte erzeugt werden.
Diese Störung kann so behoben werden, dass, gemäss einer bevorzugten
Ausführungsform, der Träger (in diesem Text aufgrund seiner im Allgemeinen plattenartigen Form auch „Trägerplatte genannt) ebenfalls mit entsprechenden - zweiten - Strukturen zur Dämpfung des Lichtes bedeckt ist. Beispielsweise können solche Strukturen einen Lichtdämfungsverlauf aufweisen, der eine starke Lichtdämpfung in unmittelbarer Nähe der Side-LEDs mit einer gegen aussen immer schwächeren Lichtdämpfung kombininiert - in unmittelbarer Nähe zur Side-LED ist die Trägerplatte geschwärzt, in zunehmendem Anbstand wird sie dunkelgrau, hellgrau, eventuell weiss. Der Verlauf dieser Dämpfung kann ebenfalls den Charakteristiken von verwendeten Side-LEDs, der Dimensionierung des Leuchtaufbaus und der Anordnung der Side-LEDs angepasst werden. Besonders einfach ist eine solche Dämpfungscharakteristik zu erwirken, indem die Krempe eines der bereits erwähnten hutartigen Gebilde genügend gross gewählt wird - bspw. mit einem Durchmesser von mindestens 5 cm, vorzugsweise gar mindestens 7 cm oder bis hin zur Krempe des jeweils benachbarten Huts - und entsprechend (teilweise) eingeschwärzt wird.
Eine derart erfindungsgemäss hinterleuchtete, bis zu ihren äussersten Rand homogen Licht abstrahlende Streuplatte, kann so in einen Leuchtaufbau integriert werden, dass sie als Aufbau in Erscheinung tritt, der keinen dunklen, nicht leuchtenden Rahmen besitzt. Dies ist beispielsweise auf verblüffend einfache Weise realisierbar, indem die Streuplatte vorderer Teil eines haubenartigen Gebildes ist, das transparente Seitenwände aufweist, welche auf der äusseren Seite beispielsweise verspiegelt, oder mit einer diffus Licht reflektierenden Schicht versehen sind. Die Höhe der genannten Seitenwände entspricht dabei dem gewünschten Abstand zwischen Streuplatte und Montagefläche der LED bzw. der oben genannten Trägerplatte. Die Trägerplatte mit den LED und den das Licht homogenisierenden Abdeckscheiben zusammen mit dem geschilderten haubenartigen Gebilde ist beispielsweise in ein rahmenartiges Gebilde mit im Querschnitt L-förmigen Profilen am Rande schwimmend eingelegt und beispielsweise mittels einer einzigen Schraube so fixiert dass das gesamte Gebilde zusammenhält. Die Höhe der aussen um das haubeartige Gebilde herumreichenden Schenkel der L-förmigen Profile ist so gewählt, dass sie deutlich kleiner ist als die Höhe der Seitenwände des haubenartigen Gebildes. Damit tritt das rahmenartige Gebilde völlig in den Hintergrund und der gesamte Aufbau erscheint im Wesentlichen rahmenlos.
Als Zweites ermöglicht die vorliegenden Erfindung es, die verlangte homogene und helle Ausleuchtung mit einer möglicht geringen Anzahl von LED zu lösen, d.h. dass vorzugsweise sogenannte Power-LED, mit einer nominellen Leistungsaufnahme von beispielsweise 0,5 Watt bis 5 Watt oder mehr, zu verwenden sind. Anzustreben ist, dass ein Leuchtaufbau von 1 m2 Grosse und beispielsweise einer totalen Bautiefe von weniger als 5 cm je nach gewünschter Leuchtstärke beispielsweise mit 10 bis 50 derartigen LED betreibbar ist.
Dies ist unter Verwendung beispielsweise der Power-Side-LED Luxeon III in Kombination mit den entsprechenden, oben beschriebenen dämpfenden Strukturen leicht erreichbar. Dies wird nachstehend am Beispiel Power-Side-LED Luxeon III erläutert: Für eine Homogenität, welche den härtesten oben beschriebenen Anforderungen genügt, sind ca. 40, in Abständen von ca. 15 cm angeordnete, derartige Side-LED mit Dämpfungsstrukturen vorteilhaft, welche eine ca. 50% des auffallenden Lichtes durchlassende, 1 m2 grosse Streuplatte durchleuchten, die sich beispielsweise im Abstand von mindestens 3 cm von der Montagefläche der LED befindet. Die von der Streuplatte abgestrahlte Lichtstärke ist dabei ebenso hoch, wie diejenige von vergleichbaren konventionellen Leuchtaufbauten mit Leuchtstoffröhren. Da dies bereits bei einer elektrischen Leistung von ca. 1 Watt pro LED der Fall ist, die verwendeten LED aber bei genügender Wärmeabfuhr mit bis zu 3 Watt betrieben werden dürfen und dann mindestens doppelt so viel Licht abgeben, ist genügend Reserve für noch bessere Helligkeitswerte oder eine Reduktion der Anzahl LED vorhanden. Bei einer Reduktion der Anzahl LED auf beispielsweise ca. 20 muss allerdings der Abstand der zu beleuchtenden Streuplatte auf beispielsweise mindestens 4 bis 5 cm erhöht werden um eine weiterhin genügend homogene Lichtabstrahlung aus der Streuplatte zu erhalten. Bei einer Erhöhung der Anzahl LED auf beispielsweise ca. 49 bis 64, kann der Abstand der zu beleuchtenden Streuplatte auf beispielsweise mindestens 2 cm verkleinert werden, um eine weiterhin genügend homogene Lichtabstrahlung aus der Streuplatte zu erhalten.
Weiter ermöglicht die vorliegenden Erfindung es, sicherzustellen, dass die von den LED erzeugte Wärme bei sehr flacher Bauweise mit einem möglichst geringen Wärmewiderstand an die Umgebung abgeführt wird. Anzustreben ist beispielsweise ein Wärmewiderstand von der Montagefläche des LED bis zur Fläche welche die Wärme an die Umgebung abgibt von kleiner als 20°C/Watt oder besser kleiner 10°/Watt.
Dies ist theoretisch sehr einfach erfüllbar, indem beispielsweise die immer wieder erwähnten Luxeon III Side-LED in einer von Lumileds angebotenen höher integrierten Form als sogenannte Star-LED eingesetzt werden. In dieser Form sind die einfachen Side-LED auf einen sogenannten "metal-core print" von knapp 2 mm Dicke und ca. 20 mm Durchmesser aufgebracht, welcher seinerseits beispielsweise auf eine Trägerplatte aus Metall aufgeschraubt werden kann. Ist die Rückseite einer solchen Trägerplatte direkt an Luft, so ist mit Abständen von 10 bis 20 cm zwischen einzelnen LED die Forderung eines Wärmewiderstandes von 20 °C/Watt gerade noch erfüllbar.
Der Aufbau hat jedoch den Nachteil, dass der relativ dicke "metal-core-print" und die auf diesen zu führenden elektrischen Anschlussleitungen das gegen die Trägerplatte hin gerichtet Licht so stark stören, dass eine Korrektur mittels den geschilderten Licht dämpfenden Strukturen nicht mehr einwandfrei gelingt. Eine deutliche Verbesserung ist möglich, wenn die Side-LED auf einen besser geeigneten Träger-Print aufgebracht sind. Eine hervorragende Lösung ergibt sich unter Verwendung eines sogenannten, mindestens 10x10 mm grossen Flexprints mit einer Schichtfolge von ca. 20 μm Kupfer + ca. 25 μm Polyimide + ca. 20 μm Kupfer, welcher so strukturiert ist, dass sich die notwendigen elektrische Anschlussflächen auf der Oberseite des Prints befinden. Dort befindet sich auch eine Anschlussfläche für die grosse wärmeableitende Fläche unten an der LED. Diese thermische Anschlussfläche ist mit der Kupferschicht auf der Rückseite des Prints mittels zahlreicher sogenannter Durchkontaktierung gut wärmeleitend verbunden. Wird nun ein solcher, mit der LED mittels Verlötung bestückter Flexprint mit einer dünnen, d.h. ca. 50 μm dicken Klebstoffschicht auf eine Trägerplatte aus Metall geklebt, so ergibt sich ein Wärmewiderstand in der Gegend von ca. 5°C/Watt. Messungen haben ergeben, dass sich bei 21 LED, die auf diese Weise in regelmässigen Abständen auf einer Platte der Grosse 0,5 m2 befestigt sind und mit einer Leistung von jeweils ca. 2 Watt betrieben werden, bei einer Umgebungstemperatur von ca. 25°C, die heisseste unmittelbar an der LED messbare Stelle, nicht wärmer als maximal 35°C wird. Dieses Resultat ist sehr gut und verspricht eine hohe Lebensdauer der LED.
Ein zusätzlicher grosser Vorteil des geschilderten erfindungsgemässen Aufbaus mit Flexprint ist die Tatsache, dass die Dicke des Prints vernachlässigbar ist. Wird die elektrische Kontaktierung entweder mit dünnen, beispielsweise 20 bis 200 μm, bevorzugt 50 bis 100 μm dicken und beispielsweise 5 bis 20 mm breiten, allenfalls selbst klebenden Kupferbändern oder mit hüllenlosen Litzen aus sogenannten
Lackdrähten mit einem Durchmesser von beispielsweise bis 500 μm bewerkstelligt, lassen sich die geschilderten optischen Störung problemlos mit den erwähnten Licht dämpfenden Strukturen beheben. Solche hüllenlosen Litzen können auch zur
Kontaktierung gegen aussen verwendet werden. AIs noch ein Vorteil ermöglicht die vorliegenden Erfindung es, auf möglichst einfache Weise sicherzustellen, dass zumindest die Elektrizität führenden und Licht erzeugenden Teile des Aufbaus vor Wasser und Staub geschützt sind.
Dies ist lösbar indem die ohnehin benötigten Licht dämpfenden Strukturen auf geeignete Weise in den Leuchtaufbau eingebaut sind.
Eine erste Möglichkeit, die dämpfenden Abdeckscheiben oberhalb der Side-LED zu befestigen, ist, die Abdeckscheiben auf eine transparente Zwischenplatte aufzubringen. Wenn diese Zwischenplatte dieselben lateralen Dimensionen aufweist wie eine die LED tragende Trägerplatte aus Metall und wenn die Zwischenplatte und die Trägerplatte an ihren Rändern mittels einer flexiblen, vorzugsweise transparenten, Kunststofffolie miteinander verbunden sind, ist der gewünschte wasserdichte und staubdichte, die LED und deren elektrische Anschlüsse beinhaltende, innere Raum entstanden.
Obwohl der beschriebene Aufbau so realisierbar ist, hat dieser skizzierte Aufbau mit transparenter Zwischenplatte auch einen Nachteil. Bekanntlich geht gemäss dem Gesetz von Fresnel nicht alles Licht, das auf eine transparente Platte auftrifft, durch diese Platte hindurch, sondern mit flacher werdendem Auftreffwinkel wird ein immer grosserer Anteil des Lichtes reflektiert. In sehr grober Näherung gehen bei 60° Auftreffwinkel noch ca. 60% des Lichtes, bei 70° noch 50%, bei 80° noch 30%, bei 85° noch 20% und bei 87,5° nur noch 10% des auftreffendes Lichtes durch die transparente Platte hindurch. Dies bedeutet, dass in dem Winkelbereich von 60° bis 100°, in dem die Side-LED hauptsächlich Licht abstrahlen, weit über 50% des Lichtes reflektiert wird und damit sehr viel Licht verloren geht. Eine den geschilderten Nachteil annähernd vollständig vermeidende Lösung ist, die Verwendung eines Trägerelements der vorstehend genannten Art, das hutartig und in einer Mantelfläche transparent ist. Ein solches Trägerelement wird im Weiteren „Trägerhut" genannt. Ein solcher für die Realisierung der Erfindung besonders bevorzugter Trägerhut besitzt eine, beispielsweise mittels Thermoformung oder Spritzguss hergestellte, im Wesentlichen zylindrische, oben geschlossene Ausstülpung aus einer beispielsweise kreisrunden oder rechteckigen Grundplatte. Der gesamte Trägerhut besteht beispielsweise aus transparentem, in nicht umgeformten Zustand beispielsweise 100 bis 500 μm dicken PE, PET oder dergleichen. Der Durchmesser der zylindrischen Ausstülpung beträgt beispielsweise ein Drittel bis den gesamten Durchmesser der oberhalb der LED anzubringenden, Licht dämpfenden Abdeckscheibe, die beispielsweise mittels Verklebung auf der oberen Deckschicht der Ausstülpung befestigt ist. Die Höhe der Ausstülpung beträgt beispielsweis 0,1 bis 1 mm mehr als die Höhe des auf dem Flexprint befestigten Side-LED, d.h. auch dass die Licht dämpfende Struktur markant näher bei der Oberfläche des Side-LED angeorndet ist als bei der Streuplatte, wodurch von anderen Side-LED von der Seite her kommendes Licht auf dem Weg zur Streuplatte nicht behindert wird. Der Durchmesser bzw. die Seitenlänge der unteren Hutfläche beträgt beispielsweise des 1,1 -fache des Durchmessers der Ausstülpung bis maximal hin zum Abstand zwischen zwei Side-LED.
Der Trägerhut muss nicht zylindrisch sein. Die um die Side-LED umlaufende Mantelfläche kann in Funktion des Abstandes vom Träger irgendeinen Verlauf haben, und bspw. bauchig oder konisch zulaufend sein oder eine andere Form haben. Auch in Funktion vom Azimutwinkel sind diverse, auch nicht kreisrunde Verläufe denkbar, bspw. eine elliptische, geschwungene oder sonstwie regelmässige oder unregelmässige Form. Vorzugsweise ist der Verlauf in Funktion vom Azimutwinkel frei von Ecken und Kanten (d.h. die mathematische Ableitung nach dem Azimutwinkel ist stetig), damit keine störenden optischen Effekte entstehen. Die Dicke der Mantelfläche und auch anderer Flächen des Trägerhuts muss nicht konstant sein.
Der Übergang zwischen (transparenter) Mantelfläche und (die dämpfenden Strukturen tragenden) Deckfläche muss nicht genau und durch eine Kante definiert sein sondern kann vielmehr kontinuierlich sein, in der Art einer Melone.
Prinzipiell wird nun ein solcher Trägerhut mit befestigter Abdeckscheibe (die die dämpfende Struktur tragende obere Hutfläche) um jedes einzelne Side-LED - oder, weniger bevorzugt, um Gruppen von Side-LEDs mit definierter gemeinsamer Abstrahlcharakteristik - herum mit seiner gesamten unteren Hutfläche auf die Trägerplatte aus Metall aufgeklebt und bildet so pro LED eine wasserdichte und staubdichte Hülle. Zusätzlich wird zur optischen Verbesserung die untere Hutfläche mit den skizzierten unteren Licht dämpfenden Strukturen überzogen.
Als weitere Massnahme kann, vor oder nach der Befestigung der die Licht dämpfenden Strukturen tragenden Trägerhüte, eine die gesamte Grundfläche mit aufgebrachten Side-LED und elektrischen Verbindungen überdeckende Schicht aus wasserdichtem Material aufgebracht werden, die an der Stellen der LED Öffnungen mit mindestens dem grössten Durchmesser der Side-LED bzw. der Ausstülpungen der Trägerhüte aufweist.
Das von den LED abgestrahlte Licht trifft bei einem derartigen Aufbau entweder auf die Licht dämpfenden Strukturen und verhält sich dort wie gewollt, oder es trifft in sehr steilem Winkel auf die annähernd senkrechten Wände der Ausstülpung und geht annähernd ohne Verluste durch diese hindurch. Gesamthaft ist erfindungsgemäss durch einen solchen Trägerhut ein wasser- und staubdichter Aufbau vorhanden, der nicht nur sehr kostengünstig hergestellt werden kann, sondern auch die Licht dämpfenden Strukturen an exakt den gewünschten Positionen hält.
Im Folgenden wird die erfϊndungsgemässe LED-Lichtquelle anhand einer beispielhaften Ausführungsform erläutert.
Figur Ia zeigt die ideale räumliche Lichtverteilung und die räumliche Lichtverteilung einer realen Side-LED
- Figur Ib zeigt die örtliche Intensität des von einer Side-LED abgestrahlten Lichts auf einer Ebene.
Figur 2 zeigt eine perspektivische Explosionsskizze des prinzipiellen Aufbaus eines erfmdungsgemässen Leuchtaufbaus 20.
Der gesamte Aufbau wird, wie in Figur 2 gezeigt, von einer Trägerplatte 21 getragen. Diese Trägerplatte 21 kann prinzipiell aus einem beliebigen starren Material gemacht sein. Vorzugsweise ist die Trägerplatte jedoch eine Metallplatte wie beispielsweise eine Stahlplatte. Noch besser ist dies eine Platte aus einem gut Wärme leitenden Material wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium. Ist die Trägerplatte 21 aus Aluminium, beträgt ihre Dicke bei kleiner Grosse von beispielsweise bis 20 x 20 cm mindestens 1 mm, bei grosseren Plattendimensionen beträgt ihre Dicke beispielsweise 2 bis 3 mm. Von Vorteil ist, wenn die Trägeφlatte 21 gegen Korrosion geschützt ist. Bei Verwendung von beispielsweise Aluminium ist deshalb eine eloxierte Platte vorteilhaft. Die Verwendung von eloxiertem Aluminium hat den weiteren Vorteil, dass die Plattenoberfläche nicht elektrisch leitet und so zur elektrischen Sicherheit des gesamten Aufbaus beiträgt.
Auf der Trägerplatte 21 sind an den gewünschten Orten Leiterplatten 23 befestigt welche ihrerseits je mindestens eine Side-LED 22 tragen. Im Beispiel der Figur 2 ist beispielsweise je eine weisses Licht abstrahlende Side-LED 22 skizziert, die in ihren Formen und Dimensionen ungefähr der Power-Side-LED Luxeon III der Firma Lumileds entspricht.
Selbstverständlich könnten auch Side-LED anderer Ausführung zum Einsatz kommen. Insbesondere könnte auch eine Power-LED zum Einsatz kommen, die den Hauptanteil, also beispielsweise mindestens 60% ihres Lichtes beispielsweise symmetrisch in einem Winkelbereich von ±60° bezüglich der Senkrechten der Leiterplatten 23 bzw. der Trägerplatte 21 abstrahlt und welches mit einer optischen Vorrichtung kombiniert ist, die den Hauptanteil des Lichtes in den Winkelbereich von beispielsweise 60° bis 100° umlenkt.
Es könnte auch eine Leiterplatte 23 zur Verwendung kommen, welche 2, 3 oder 4, oder mehr vorzugsweise unabhängig von einander elektrisch ansteuerbare Side-LED 22 trägt. Dies kann immer dann sinnvoll sein, wenn zum Beispiel unterschiedlich farbiges Licht mit allenfalls wechselnder Farbschattierung erzeugt werden soll. Die Leiterplatte 23 kann prinzipiell aus jedem beliebigen Leiterplattenmaterial bestehen. Vorzugsweise besteht sie jedoch aus einem Materialverbund mit Metallkern, ist also ein gut Wärme leitender sogenannter "metal core print".
Noch besser ist es, wenn die Leiterplatte 23 auf der Basis von Flexprint Material hergestellt ist. Ein solches Flexprint Material besteht beispielsweise, und für die vorliegende Erfindung vorzugsweise, aus einem Verbund von ca. 20 μm Kupfer + ca. 25 μm Polyimide + ca. 20 μm Kupfer. Generell sollte der Flexprint total 50 μm bis 150 μm dick sein und eine 15 μm bis 50 μm dicke Isolationsschicht besitzen.
Die obere Kupferschicht des Flexprints 23 ist so strukturiert, dass zwei elektrische Anschlüsse 23a, 23b für die Side-LED 22 und gegen aussen vorhanden sind. Zusätzlich ist eine thermische Anschlussfläche 23c für den sogenannten "thermal slug", d.h. die Fläche zur Wärmeableitung der Side-LED 22 vorhanden. Im Bereich dieser thermischen Anschlussfläche 23c können zur Verbesserung der thermischen Leitfähigkeit zahlreiche, mit möglichst viel Kupfer gefüllte Durchkontaktierungen zur unteren Seite der Leiterplatte 23 vorhanden sein. Die untere Seite der Leiterplatte 23 ist vollständig mit Kupfer bedeckt. Alle Kupferflächen oben und unten sind nach dem Prozess des Füllens der Durchkontaktierungen mit einer zusätzlichen Kupferschicht von mindestens 20 μm Dicke überzogen, was die Wärmeleitung in lateraler Richtung verbessert.
Die Eine oder eine Vielzahl von Side-LED 22 können mittels einer Verklebung mit einem elektrisch leitenden Klebstoff auf der Leiterplatte 23 befestigt und elektrisch kontaktiert sein. Vorzugsweise geschieht dies jedoch mittels einer Verlötung, wobei insbesondre auf eine gute Verlötung der zur thermischen Leitung benötigten Flächen zu achten ist. Die Grösse der Leiterplatte 23 beträgt mindestens 10x10 mm vorzugsweise jedoch bis 20x20 mm und wird mit einer möglichst dünnen aber sehr zuverlässigen Klebstoffschicht auf die Trägerplatte 21 befestigt. Am Markt (3M, Colano) sind beispielsweise sogenannte Transferklebstoff-Schichten von ca. 50 μm Dicke erhältlich, die eine sehr hohe Klebekraft aufweisen, resistent sind gegen Chemikalien und Wasser und bei Dauertemperaturen zwischen -40°C bis 120°C einsetzbar sind.
Auf die geschilderte Weise ist der geforderte thermische Widerstand von weniger als 10°C/Watt nicht nur erreicht, sondern deutlich unterschritten.
Die auf der Trägerplatte 21 befestigten Leiterplatten 23 sind auf geeignete Weise mittels elektrischen Leitern 24 untereinander und gegen aussen verbunden. Im Beispiel von Figur 2 sind diese Verbindungen derart, dass 3 Gruppen von 3 elektrisch seriell geschalteten Side-LED, parallel miteinander verbunden sind. Selbstverständlich sind völlig andere seriell-parallel oder reine serielle oder reine parallele Verschaltungen möglich.
Insbesondere ist es auch möglich Gruppen von Side-LED 22 unabhängig voneinander zu verschalten. Dies ermöglicht einerseits die unabhängige Beleuchtung einzelner Sektionen des Leuchtaufbaus und anderseits, bei entsprechend durchmischten Gruppen mit beispielsweise unterschiedliche Farben abstrahlenden Side-LED 22, die Erzeugung beliebiger Farbmischungen.
Damit die elektrischen Leiter 24 keine optischen Störungen hervorrufen, müssen sie möglichst flach bzw. dünn sein. Dies kann beispielsweise dadurch gewährleistet sein, dass sie als, allenfalls selbstklebende, Kupferbänder ausgeführt sind, deren Dicke beispielsweise 20 bis 200 μm, bevorzugt 50 bis 100 μm beträgt und die beispielsweise 5 bis 20 mm breit sind. Die elektrischen Leiter können aber auch als sogenannte Lackdrahtlitzen ausgeführt sein, welche beispielsweise zur Herstellung von Wicklungen kleiner Elektromotoren in grosser Vielfalt am Markt zur Verfügung stehen. Eine solche Litze besteht aus einer Vielzahl von mit einem temperatur- und abriebfesten Kunststoff, wie beispielsweise PA6.6, lackierten dünnen Kupferdrähten, die sich gegenseitig umwinden. Der Durchmesser eines einzelnen Kupferdrahtes beträgt beispielsweise 40 bis 100 μm und es werden beispielsweise 20 bis 50 solche Kupferdrähte pro Litze verwendet. Beispielsweise weist eine solche Litze mit 25 Lackdrähten mit je 71 μm Durchmesser einen elektrischen Widerstand von nur ca. 0,18 Ohm/m auf und besitzt eine Durchmesser von total ca. 500 μm und kann aber durch leichte Pressung auf ein Gebilde mit ovalem Querschnitt der maximalen Höhe von 200 bis 300 μm umgeformt werden.
Zur Erzielung einer homogenen Ausleuchtung der zu beleuchtenden Streuplatte 26 sind optisch dämpfende Strukturen 25a und 25b vorhanden. Die entsprechenden beispielsweise folienartigen Elemente 25a und 25b sind auf hutförmige, transparente Trägerelemente, im Folgenden Trägerhüte 25 genannt, aufgebracht. Im Beispiel der Figur 2 sind sowohl auf der oberen Hutfläche 25a als auch auf der unteren Hutkrempe 25b ringartige, allenfalls zusätzlich kontinuierlich verlaufende Graustufenstrukturen gezeigt, die beispielsweise ortsabhängig 1% bis 20% des auf sie auftreffenden Lichtes in Richtung der Streuplatte 26 hindurch lassen und den Rest mittels Absorption oder Reflektion von dieser fernhalten. Statt der skizzierten ringförmigen, das Licht teilweise vernichtenden Strukturen können auch gleichmässig graue bis schwarze Licht dämpfende Elemente 25a, 25b verwendet sein.
Der Abstand zwischen den einzelnen Leiterplatten 23 mit aufgelöteten Side-LED 22 und übergestülpten Trägerhüten 25 ist theoretisch beliebig wählbar. Der jeweils sinnvolle Abstand ist abhängig von der Distanz zwischen Trägerplatte 21 und beleuchteter Streuplatte 26, von der gewünschten Leuchtstärke dieser beleuchteten Streuplatte 26 und von der gewünschten Homogenität des von dieser abgestrahlten Lichtes.
Als ein Beispiel wird eine Distanz von 3 cm zwischen der Trägerplatte 21 und der Streuplatte 26 angenommen. Wenn in diesem Falle eine Leuchtstärke verlangt ist, die derjenigen einer konventionellen, beispielsweise mit Leuchtstoffröhren hinterleuchteten Streuplatte mindestens gleichkommt, so sind ca. 6x6 Side-LED 22 mit entsprechenden Dämpfungsstrukturen 25a und 25b pro m2 notwendig, um eine genügend helle und homogene Abstrahlung von Licht aus der Streuplatte 26 zu gewährleisten. Daraus ergibt sich ein Abstand von ca. 16 cm zwischen den einzelnen
LED und ein Randabstand von ca. 10 cm.
Vorteilhafterweise sind am Rand eines solche Leuchtaufbaus 20, in Figur 2 nicht dargestellte, spiegelnde Abschlüsse, beispielsweise in Form von am Markt erhältlichen, verspiegelten Acrylglaswänden vorhanden, welche im diskutierten Beispiel die Höhe von 3 cm aufweisen müssen.
Zur Gewährleistung einer wasser- und staubdichten Umhüllung der auf den Leiterplatten 23 aufgelöteten und mittels der elektrischen Leiter 24 kontaktierten Side-LED 22 genügt es, dass die, die Dämpfungsstrukturen 25a, 25b tragenden Trägerhütte 25 mit der Hutkrempe, beispielsweise mittels Verklebung auf die Trägerplatte 21 aufgebracht sind.
Für eine zusätzliche verbesserten Wasser- und Staubdichtigkeit des Aufbaus kann vor oder nach dem Aufkleben der Trägerhüte ein Passpartout-ähnliche Folie 27, beispielsweise durch Verkleben, aufgebracht werden, die im Bereich der Side-LED 22 Öffnungen aufweist, deren Durchmesser mindestens einige Millimeter kleiner ist als der Durchmesser der Krempe der Trägerhüte 25. Selbstverständlich muss die Passpartout-ähnliche Folie 27 nicht ganzflächig aufgetragen sein, sondern kann in einzelne, sich allenfalls um einige Millimeter überlagernde Zonen aufgeteilt sein.
Es ist auch möglich, die zweiten Licht dämpfenden Strukturen (die Strukturen auf der Trägerplatte) anstatt von den Hutkrempen gebildet zu werden auch als direkt auf die Leiter- /Trägerplatte aufgebrachte Färbungen ausgebildet sind, wobei dann die Hutkrempen mindestens teilweise transparent sind, oder von einer passepartoutähnlichen Folie gebildet werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
Hinterleuchtungseinrichtung für eine Streuplatte (26) eines Leuchtaufbaus (20) aufweisend mindestens eine, mindestens 50% ihres Lichtes in Raumwinkelbereich von 50° bis 100° zur Senkrechten auf eine Montagefläche abstrahlende Side-LED (22), dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang von der Side-LED (22) zur Streuplatte (26) Licht dämpfende Strukturen (25a, 25b) vorhanden sind.
2. Hinterleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Side-LED (22) eine zur Senkrechten auf ihre
Montagefläche symmetrische Abstrahlcharakteristik aufweist.
3. Hinterleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das von der Streuplatte (26) abgestrahlte Licht bis zum äussersten Rand der Streuplatte (26) homogenisiert ist.
4. Hinterleuchtungseinrichtung nach einem der vorgängigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Licht dämpfende Strukturen (25a, 25b) das in Vorwärtsrichtung von der Side-LED (22) zur Streuplatte (26) gelangende Licht soweit dämpfen, dass die örtliche Leuchtstärke des von der Streuplatte abgestrahlten Lichtes in benachbarten Zonen nicht stärker als höchstens 30%, besser höchstens 20% und über die ganze Fläche der Streuplatte nicht stärker als höchstens 50% und besser höchstens 40% variiert.
5. Hiiiterleuchtungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Licht dämpfenden Strukturen (25a, 25b) eine von Null verschiedene Lichtdurchlässigkeit aufweisen und bspw. so ausgebildet sind, dass sie eine räumlich inhomogene Dämpfungscharakteiϊstik aufweisen und eine Abstrahlcharakteristik der Side-LED im umgekehrten Sinn aufnehmen.
6. Hinterleuchtungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Side-LED eine Power-Side-LED oder die Kombination einer geeigneten Umlenk-Optik und einer Power-LED ist, die mindestens 50% ihres Lichtes in einem symmetrischen Raumwinkelbereich von bis zu ±60° abstrahlt und eine nominelle Leistungsaufnahme von 0,5 bis 5 Watt oder mehr hat.
7. Hinterleuchtungseinrichtung nach einem der vorgängigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Licht dämpfenden Strukturen (25a, 25b) von einem transparenten, der Side-LED (22) übergestülpten Trägerhut (25) getragen sind.
Hinterleuchtungseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerhut (25) eine Krempe aufweist, .
9. Hinterleuchtungseinrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der der Side-LED (22) übergestülpte Trägerhut (25) eine Krempe aufweist und dass die Krempe wasser- und staubdicht mit einer die
Side-LED (22) tragenden Trägerplatte (21) verbunden ist.
10. Hinterleuchtungseinrichtung nach einem der vorgängigen Ansprüche, aufweisend eine Trägerplatte (21), auf dem die mindestens eine Side-LED aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur verbesserten Wasser- und Staubdichtigkeit eine - allenfalls in, sich allenfalls um einige Millimeter überlagernde, Teilstücke aufgeteilte - zusätzlich Folie mit der Trägerplatte (21) und gegebenenfalls den Krempen der Trägerhüte (25) verbunden ist.
11. Hinterleuchtungseinrichtung nach einem der vorgängigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Side-LED (22) zunächst auf einer bspw. mindestens 10x10 mm grossen flexprintartigen Leiterplatte (23) mit einer oberen und unteren Kupferschicht aufgebracht ist, wobei die Leiterplatte
(23) vorzugsweise total 50 μm bis 150 μm dick ist und eine 15 μm bis 50 μm dicke Isolationsschicht besitzt.
12. Hinterleuchtungseinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass alle elektrischen Anschlusszonen (23a, 23b) der flexprintartigen Leiterplatte (23) auf einer der Side-LED zugewandten ersten Seite der
Leiterplatte liegen und dass dort zusätzlich eine thermische Anschlussfläche
(23c) vorhanden ist, welche mit mehreren, allenfalls vollständig mit Kupfer gefüllten, Durchkontaktierungen mit einer die der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite der Leiterplatte (23) mindestens annähernd vollständig bedeckenden Kupferschicht thermisch verbunden ist.
13. Hinterleuchtungseinrichtung nach einem der vorgängigen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Trägerplatte (21), die eine Mehrzahl von Side-
LEDs (22) und sie kontaktierende Strukturen trägt, wobei die Trägerplatte beispielsweise metallisch ist, insbesondere aus, allenfalls eloxiertem, Aluminium.
14. Hinterleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12 und
Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die flexprintartige Leiterplatte
(23), zusammen mit der auf sie aufgebrachten Side-LED 22, mit ihrer
Rückseite mittels eines 20 μm bis 100 μm dicken Klebstofffilms auf die Trägerplatte (21) aufgebracht ist.
15. Hinterleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatte in einer Umgebung der Side-LEDs mit zweiten Licht dämpfenden Strukturen versehen ist, wobei die zweiten Licht dämpfenden Strukturen ggf. von den Krempen der Trägerhüte (25) gebildet sind.
16. Leuchtaufbau (20), aufweisend eine Hinterleuchtungseinrichtung nach einem der vorgängigen Ansprüche mit einer Trägerplatte (21) sowie eine Streuplatte (26), die relativ zur Trägerplatte so angeordnet ist, dass von der Hinterleuchtungseinrichtung ausgesandtes Licht auf sie trifft.
17. Leuchtaufbau nach Anspruch 16 bezogen auf einen der Ansprüche 13-15, dadurch gekennzeichnet, dass die Streuplatte (26) Teil eines haubenartigen Gebildes ist, dessen Rand mit der Trägerplatte den Leuchtaufbau gegen die Umgebung abschliesst.
18. Leuchtaufbau nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Licht dämpfenden Strukturen direkt auf der Side-LED(22) oder in einem Raum zwischen der Side-LED und der Streuplatte vorhanden sind.
19. Leuchtaufbau nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Licht dämpfenden Strukturen näher bei einer Oberfläche der Side-LED als bei einer äusseren Oberfläche der Streuplatte angeordnet sind.
20. Leuchtaufbau nach einem der Ansprüche 16-19, dadurch gekennzeichnet, dass die Streuplatte eine Lichtdurchlässigkeit von mindestens 50% aufweist.
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