DE10034886A1 - Optisches Mehrfachbauteil, insbesondere zur Verwendung mit Leuchtdioden - Google Patents

Optisches Mehrfachbauteil, insbesondere zur Verwendung mit Leuchtdioden

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Abstract

Es ist ein optisches Mehrfachbauteil (1), insbesondere zur Verwendung mit Leuchtdioden (23) angegeben, welches mehrere optische Einzelbauelemente (2) aufweist, welche strahlungsdurchlässig oder reflektiv sind, welche miteinander zur Bildung des optischen Mehrfachbauteils, vorzugsweise über Sollbruchstellen (3) verbunden sind, und welche voneinander trennbar sind unter Bildung von ein oder mehrere optische Einzelbauelemente (2) umfassende optischen Bauteilen (11). Das optische Mehrfachbauteil (1) ist für die Massenherstellung geeignet und ermöglicht aufgrund seines modularen Prinzips eine flexible Anpassung an Form und Größe der gewünschten Beleuchtungseinrichtung, beispielsweise Lichtwerbung oder Sicherheitsbeleuchtung.

Description

Die vorliegenden Erfindung betrifft ein optisches Mehrfach­ bauteil, insbesondere zur Verwendung mit Leuchtdioden.
Es ist bekannt, auf Leiterplatten montierte Arrays von Licht­ emissionsdioden (Light Emitting Diode, LED) für Beleuchtungs­ zwecke anzuwenden. Beispielsweise bei Lichtwerbung, wie Buch­ stabenhinterleuchtung, Kunststoffhinterleuchtung et cetera, bei Sicherheitsbeleuchtungen, wie Rettungswege-Beleuchtung, Orientierungsbeleuchtung, Markierungsbeleuchtungen, sowie bei Beleuchtungen für Kraftfahrzeuge ist es bekannt, anstelle konventioneller Glühlampen oder Gasentladungslampen LEDs zu verwenden, welche eine längere Lebensdauer, einen besseren Wirkungsgrad bei der Umwandlung elektrischer Energie in Strahlungsenergie im sichtbaren Spektralbereich, damit ver­ bunden eine geringere Abgabe von Verlustleistung sowie einen geringeren Platzbedarf aufweisen. Insbesondere bei der Licht­ werbung kommt der hohen Flexibilität bezüglich geometrischer Formgebung und Farbenvielfalt, welche LEDs bieten, eine große Bedeutung zu.
In dem Gebrauchsmuster DE 298 18 609 U1 ist eine Anordnung von Platinen zur beliebigen Erstellung von Leuchtdioden-Be­ leuchtungseinheiten angegeben, bei der eine Vielzahl von flä­ chig zusammenhängenden, leuchtdiodentragenden Platinen vorge­ sehen ist, welche vieleckig ausgebildet und untereinander durch Stege verbunden sind. Aus dieser matrixförmigen Anord­ nung von Platinen kann eine beliebige Anzahl beziehungsweise Teilmenge der leuchtdiodentragenden Platinen herausgebrochen werden, so daß sich Teilmengen mit vielfältigen Gestaltungs­ möglichkeiten bezüglich der geometrischen Abmessungen erge­ ben.
Leuchtdioden haben normalerweise eine im wesentlichen punkt­ förmige Lichtquelle, welche beispielsweise eine kegelförmige Abstrahlung mit einem Öffnungswinkel von 120° aufweist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Optik anzuge­ ben, welche in einfacher Weise in einem Massenherstellungs­ verfahren erzeugbar ist und welche eine flexible Anpassung an geometrische Vorgaben ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem optischen Mehr­ fachbauteil, insbesondere zur Verwendung mit Leuchtdioden, gelöst, aufweisend mehrere optische Einzelbauelemente,
  • - welche strahlungsdurchlässig oder reflektiv sind,
  • - welche miteinander zur Bildung des optischen Mehrfachbau­ teils verbunden sind, wobei zwischen den Einzelbauelementen Sollbruchstellen vorgesehen sind, und
  • - welche voneinander trennbar sind zur Bildung von ein oder mehrere optische Einzelbauelemente umfassenden optischen Bau­ teilen.
Der Erfindung liegt das Prinzip zugrunde, ein modular aufge­ bautes optisches Mehrfachbauteil anzugeben, welches eine Vielzahl von fest miteinander verbundenen optischen Einzel­ bauelementen aufweist, wobei das optische Mehrfachbauteil in optische Bauteile zerteilbar ist, welche mehrere optische Einzelbauelemente umfassen können. Hierdurch ist eine große Flexibilität bei der Formgebung der optischen Bauteile, wel­ che mit dem optischen Mehrfachbauteil herstellbar sind, gege­ ben, da eine Anpassung an geometrische Formvorgaben in einfa­ cher Weise möglich ist.
Zwischen den Einzelbauelementen sind Sollbruchstellen vorge­ sehen. Die Sollbruchstellen können dabei entlang einer ge­ schlossenen Linie dem Umfang der Einzelbauelemente entlang vorgesehen sein. Hierdurch kann vom Anwender ohne Werkzeug, beispielsweise entlang einer Kante, das optische Mehrfachbauteil in ein oder mehrere optische Einzelbauelemente umfas­ sende optische Bauteile zerteilt werden.
Obwohl das optische Mehrfachbauteil in einem Massenherstel­ lungsverfahren erzeugbar ist, können Anwendungen für Einzel­ stücke oder Kleinserien ermöglicht werden, die sonst eine spezielle Entwicklung, beispielsweise eine Herstellung von speziellen Spritzguß-Formen, erfordern würden.
Besonders vorteilhaft ist das optische Mehrfachbauteil in Verbindung mit einer Mehrfachanordnung von mit LEDs bestück­ ten Leiterplatten, welche ebenfalls in Untermengen von fest miteinander verbundenen Leiterplatten mit einer beliebig wählbaren Anzahl von Leuchtdioden und einer nahezu beliebigen Formgebung ermöglichen.
Die geometrische Formgebung der Einzelbauelemente kann dabei an die Formgebung der einzelnen, die Mehrfachanordnung bil­ denden Leiterplatten mit LEDs angepaßt sein.
Das optische Mehrfachbauteil kann in einfacher Weise, bei­ spielsweise in einem Spritzguß-Verfahren, hergestellt werden. Bei Anwendungen, welche große zu beleuchtende oder hinter­ leuchtende Flächen haben, können mehrere optische Mehrfach­ bauteile aneinandergefügt werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Er­ findung weist das optische Mehrfachbauteil in einer zweidi­ mensionalen Matrixstruktur angeordnete optische Einzelbauele­ mente auf. Ein derartiges optische Mehrfachbauteil ist beson­ ders einfach herstellbar und flexibel anwendbar.
In einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform der vorlie­ genden Erfindung weisen die Einzelbauelemente eine quadrati­ sche Grundfläche auf. Dabei stellt jedes Einzelbauelement eine Zelle der Matrixstruktur, welche in Spalten und Zeilen gegliedert ist, dar.
In einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform der vorlie­ genden Erfindung sind zur Bildung der Sollbruchstellen Ge­ biete mit verringerter Materialstärke vorgesehen. Wenn die Sollbruchstellen durch Gebiete mit verringerter Material­ stärke gebildet sind, so kann das optische Mehrfachbauteil eine glatte, ununterbrochene Oberfläche haben, welche einfach zu reinigen ist. Zudem sind Spritzguß-Formen, welche Gebiete mit verringerter Materialstärke haben, in einfacher Weise und mit geringem Aufwand herstellbar.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das optische Mehrfachbauteil eine glatte Oberfläche auf. Hierdurch kann auch bei mehreren optischen Einzelbauele­ menten umfassenden optischen Bauteilen, bei denen jedem opti­ schen Einzelbauelement jeweils eine Leuchtdiode zugeordnet ist, eine homogene Leuchtdichte ohne sichtbaren Übergang zwi­ schen den optischen Einzelbauelementen erreicht werden. Diese homogene Leuchtdichte beziehungsweise gleichmäßige Hellig­ keitsverteilung ist dabei unabhängig von der Größe und der geometrischen Formgebung der gewünschten Anwendung und damit des optischen Bauteils.
In einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform der vorlie­ genden Erfindung sind zur Bildung der Sollbruchstellen Stege zwischen den Einzelbauelementen vorgesehen. Durch Stege ge­ bildete Sollbruchstellen sind besonders einfach herstellbar und vom Anwender manuell oder maschinell leicht trennbar.
In einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform der vorlie­ genden Erfindung weisen die Einzeloptiken jeweils Mittel zur Erzeugung einer homogenen Leuchtdichte an der Oberfläche bei einfallender Lichtstrahlung auf. Hierdurch sind beispiels­ weise gleichmäßig hell beleuchtete Firmenlogos, Leuchtschrif­ ten et cetera realisierbar.
In einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform der vorlie­ genden Erfindung besteht das optische Mehrfachbauteil aus dem Material PMMA (Polymethylmetacrylat). PMMA ist weit verbrei­ tet, ermöglicht eine einfache Handhabung bei der Herstellung, hat ausgezeichnete optische Eigenschaften und ist in einfa­ cher Weise einfärbbar, was besonders bei Lichtwerbung und Si­ cherheitsbeleuchtung, beispielsweise Rettungswege-Beleuch­ tung, von Bedeutung ist.
In einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform der vorlie­ genden Erfindung weisen die optischen Einzelbauelemente un­ tereinander gleiche geometrische Form auf. Hierdurch ist ein hoher Modularitätsgrad sowie eine einfache Formherstellung, beispielsweise für ein Spritzgußverfahren sowie eine gute Ho­ mogenität der Lichtverteilung möglich.
Die optischen Einzelbauelemente und damit das optische Mehr­ fachbauteil können je nach Anwendungsfall reflektive, streu­ ende oder bündelnde Optiken aufweisen.
Das vorliegende Prinzip vermeidet das Erfordernis des Entwic­ kelns spezieller LED-Optiken und deren Herstellung für Einzelanwendungen, beispielsweise Firmenlogos, Leuchtreklamen et cetera.
Weitere Einzelheiten der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1a ein optisches Mehrfachbauteil mit quadratischen Einzelbauelementen in einer Draufsicht,
Fig. 1b das optische Mehrfachbauteil aus Fig. 1a in einer Seitenansicht,
Fig. 2 das optische Mehrfachbauteil gemäß Fig. 1a, bei dem ein mehrere optische Einzelbauelemente umfas­ sendes optisches Bauteil herausgetrennt ist,
Fig. 3a eine Mehrfachanordnung von mit LEDs bestückten Lei­ terplatten in einer Draufsicht,
Fig. 3b die Mehrfachanordnung von Fig. 3a in einer Seiten­ ansicht,
Fig. 4a die Mehrfachanordnung von Fig. 3a mit einem opti­ schen Bauteil gemäß Fig. 2 in einer Draufsicht, und
Fig. 4b die Mehrfachanordnung mit optischem Bauteil gemäß Fig. 4a in einer Seitenansicht.
Fig. 1a zeigt ein optisches Mehrfachbauteil 1 mit einer Vielzahl von in einer matrixförmigen Struktur angeordneten, optischen Einzelbauelementen 2 mit quadratischer Grundfläche. Zwischen den optischen Einzelbauelementen 2 sind entlang der Kanten der optischen Einzelbauelemente 2 Sollbruchstellen 3 vorgesehen. Die Sollbruchstellen 3 sind dabei in zwei zuein­ ander orthogonalen Richtungen angeordnet. Die Sollbruchstel­ len 3 sind derart realisiert, daß entlang der Sollbruchstel­ len 3 die Materialstärke des optischen Mehrfachbauteils 1 so gering ist, daß ein einfaches, maschinelles oder manuelles Auseinanderteilen des optischen Mehrfachbauteils 1 in ein oder mehrere optische Einzelbauelemente 2 umfassende optische Bauteile möglich ist. Beispielsweise kann das Zerteilen des optischen Mehrfachbauteils 1 in ein oder mehrere optische Einzelbauelemente 2 umfassende optische Bauteile ohne Werk­ zeug manuell entlang einer Brechkante erfolgen.
Jedes optische Einzelbauelement 2 weist eine Optik auf, wel­ che jeweils einer Leuchtdiode oder Laserdiode zugeordnet ist. Die Optik eines optischen Einzelbauelements 2 wandelt einfallendes Licht, welches von einer punktförmigen Leuchtdiode ke­ gelförmig ausgestrahlt wird, in einen parallelen Strahlengang bei homogener Leuchtdichte. Hierfür kann beispielsweise eine Fresnel-Optik vorgesehen sein.
Die Anordnung gemäß Fig. 1a weist den Vorteil auf, daß das optische Mehrfachbauteil in einfacher Weise in einem Massen­ herstellungsverfahren, beispielsweise durch Spritzguß, her­ stellbar ist. Aufgrund des matrixförmigen Aufbaus des opti­ schen Mehrfachbauteils mit einer Vielzahl von in einem Array angeordneten optischen Einzelbauelementen 2, welche sich un­ tereinander in ihren geometrischen Abmessungen gleichen, ist eine einfache, flexible Anpassung der Größe der gewünschten optischen Anordnung und somit des optischen Bauteils bei be­ liebiger Anzahl zusammenhängender optischer Einzelbauelemente möglich. Die Sollbruchstellen 3 mit verringerter Material­ stärke des PMMA (Polymethylmetacrylat)-Materials gestatten aufgrund der erzielbaren, homogenen Leuchtdichte über mehrere optische Einzelbauelemente hinweg gemeinsam mit entsprechend gestalteten Leuchtdioden die Realisierung von Sicherheitsbe­ leuchtungseinrichtungen, Effektbeleuchtungen und Lichtwer­ bung.
Abweichend von der Realisierung gemäß Fig. 1a kann je nach Anwendungsfall die Optik der optischen Einzelbauelemente auch reflektiv, streuend oder bündelnd realisiert sein. Falls die Anzahl der optischen Einzelbauelemente in einem optischen Mehrfachbauteil oder die Abmessungen des optischen Mehrfach­ bauteils für den Anwendungsfall nicht ausreichen, können meh­ rere optische Mehrfachbauteile (Nutzen) beispielsweise durch Kleben aneinandergefügt werden, um eine beliebig große Fläche zu erzielen.
Fig. 1b zeigt einen Querschnitt durch das optische Mehrfach­ bauteil 1 von Fig. 1a. Deutlich sind dabei die Sollbruch­ stellen 3 zwischen den optischen Einzelbauelementen 2 mit ei­ ner geringen Materialstärke erkennbar. Die Vorderseite 4 des optischen Mehrfachbauteils beziehungsweise der optischen Ein­ zelbauelemente 2 weist eine glatte Oberfläche auf, so daß Verschmutzungen beispielsweise bei Anwendung im Außenbereich gering bleiben und eine Reinigung in einfacher Weise möglich ist. Die Rückseite 5 jedes optischen Einzelbauelements 2 weist eine Stecköffnung für ein Leuchtmittel, beispielsweise für eine Leuchtdiode oder eine Laserdiode, auf.
Fig. 2 zeigt ein optisches Mehrfachbauteil 1, bei dem ein acht optische Einzelbauelemente 2 umfassendes optisches Bau­ teil 11 entlang von Sollbruchstellen 3 zwischen den optischen Einzelbauelementen 2 herausgetrennt ist. Selbstverständlich können sowohl das verbleibende optische Mehrfachbauteil 1* als auch das optische Bauteil 11 entlang von weiteren Soll­ bruchstellen 3 unter Bildung weiterer optischer Einzelbauele­ mente zerteilt werden.
Fig. 3a zeigt eine Mehrfachanordnung 20 von mit LEDs be­ stückten Leiterplatten, wobei die Mehrfachanordnung 20 meh­ rere LED-Chips 24 aufweist, welche mit großflächigen Kontak­ ten 21 auf der Leiterplatte 20 angeordnet sind. Der LED-Chip 24 weist jeweils die eigentliche LED-Lichtquelle 23 sowie ei­ nen Reflektor 22 auf. Auch hier ist eine modulare Struktur der Leuchtdioden gegeben, so daß ebenfalls beliebige Anzahlen von Leuchtdioden, welche untereinander fest zusammenhängend sind, erzeugbar sind.
Fig. 3b zeigt einen Querschnitt durch die Mehrfachanordnung von mit LEDs bestückten Leiterplatten 20 mit LED-Chips 24 ge­ mäß Fig. 3a. Letztere sind so ausgeformt, daß gemeinsam mit der eine Stecköffnung aufweisenden Rückseite 5 der optischen Einzelbauelemente 2 eine Steckverbindung herstellbar ist.
Fig. 4a zeigt das optische Bauteil 11 von Fig. 2, aufge­ steckt auf die Mehrfachanordnung von mit LEDs bestückten Lei­ terplatten 20. Dabei ist zu erkennen, daß die Mittelpunkte der optischen Einzelbauelemente 2 des optischen Bauteils 11 jeweils so angeordnet sind, daß sie mit den LED-Lichtquellen 23 übereinstimmen. Somit ist jeweils ein optisches Einzelbau­ element 2 einem LED-Chip 24 zugeordnet.
Fig. 4b zeigt einen Querschnitt durch die Verbindung von op­ tischem Bauteil 11 und Mehrfachanordnung von mit LEDs be­ stückten Leiterplatten 20 gemäß Fig. 4a. Die optischen Ein­ zelbauelemente 2 sind mit ihrer Rückseite 5 jeweils auf den LED-Chip 24 der Mehrfachanordnung von mit LEDs bestückten Leiterplatten 20 aufgesteckt. Man erkennt, daß die optischen Einzelbauelemente 2 und insgesamt das optische Bauteil 11 eine ebene, glatte Oberfläche aufweist.
Neben der beschriebenen quadratischen Form der optischen Ein­ zelbauelemente 2 können diese auch andere Formen, wie Waben­ form, Dreieckform, Rechteckform etc. aufweisen.

Claims (10)

1. Optisches Mehrfachbauteil (1), insbesondere zur Verwendung mit Leuchtdioden (23), aufweisend mehrere optische Einzelbau­ elemente (2),
welche strahlungsdurchlässig oder reflektiv sind,
welche miteinander zur Bildung des optischen Mehrfachbau­ teils (1) verbunden sind, wobei zwischen den Einzelbauelemen­ ten (2) Sollbruchstellen vorgesehen sind, und
welche voneinander trennbar sind zur Bildung von ein oder mehrere optische Einzelbauelemente (2) umfassenden optischen Bauteilen (11).
2. Optisches Mehrfachbauteil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Mehrfachbauteil (1) in einer zweidimensionalen Matrixstruktur angeordnete optische Einzelbauelemente (2) aufweist.
3. Optisches Mehrfachbauteil (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelbauelemente (2) eine quadratische Grundfläche auf­ weisen und jeweils eine durch Zeilen und Spalten der Matrix­ struktur bestimmte Zelle der Matrixstruktur realisieren.
4. Optisches Mehrfachbauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Sollbruchstellen (3) Gebiete mit verringerter Materialstärke vorgesehen sind.
5. Optisches Mehrfachbauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Sollbruchstellen (3) Stege zwischen den Ein­ zelbauelementen (2) vorgesehen sind.
6. Optisches Mehrfachbauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Mehrfachbauteil (1) eine glatte Oberfläche (4) aufweist.
7. Optisches Mehrfachbauteil (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzeloptiken der Einzelbauelemente (2) Mittel zur Erzeu­ gung einer homogenen Leuchtdichte an der Oberfläche (4) bei einfallender Strahlung aufweisen.
8. Optisches Mehrfachbauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Mehrfachbauteil (1) aus dem Material PMMA be­ steht.
9. Optisches Mehrfachbauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzeloptiken (2) untereinander eine gleiche geometrische Form aufweisen.
10. Optisches Mehrfachbauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Einzelbauelement (2) an dessen Rückseite (5) eine Stecköffnung zur Aufnahme von Leuchtdioden (23) auf­ weist.
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