CN101641801B - 用于产生混合光的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
所描述的装置和方法涉及至少两个发出电磁辐射的半导体器件，其发出的电磁辐射处于不同的波长范围内。所有半导体器件的这种电磁辐射的叠加在此具有至少一部分在可见波长范围内。在此，所述半导体器件中的至少一个在光路中具有发光转换元件。该半导体器件具有体积填料，其将半导体芯片和发光转换元件联合。有利地，直接利用发光转换层涂覆或覆盖半导体芯片。为使能效最大化，半导体器件具有反射元件。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于利用多个半导体器件产生混合光的装置和方法。
背景技术
在图像再现或投影技术中，用于不同波长的电磁辐射的混合光源、也就是例如白光源之类的源作为光源、尤其作为背景照明使用。作为应用领域，在这里例如提到LCD投影和图像再现技术。在这里，这种混合光用于照亮处于图像再现系统或投影系统内的液晶矩阵。这种矩阵具有大量的单个液晶。这些液晶依赖于所施加的控制电压和光的通过液晶的波长而变得透明。该液晶矩阵通常被称为光调制器。通过利用混合光照亮光调制器，可以看到通过控制产生的图像并获得可感觉到的对比度。
作为光调制器，此外也可以设想使用数字光处理(Digital Light Processing，DLP)技术。在这种情况下，使用涂覆在DMD芯片上的在显微镜下小的反射镜(数字微镜器件(digital micromirror devices，DMD))。这些反射镜可移动并具有两个稳定的终态，在这两个终态之间通过静电场的力作用可以在几微秒之内变换。通过各个微镜在DMD芯片上的倾斜，光要么直接被反射到光学系统，要么被导向吸收器。通过对反射镜的脉冲宽度调制控制，可以产生各个像点的不同亮度级。不同于在LCD技术中，在这里反射镜依赖于波长而工作。为产生彩色图像，将所谓的原色红、绿和蓝顺序接通到DMD芯片上。反射镜的位置决定图像中的颜色成分(Farbanteil)。由于与LCD技术相比更加直接的光路和缺少的光的偏振，达到比在LCD投影机的情况下更高的输出光效率。
迄今，半导体生成的混合光都通过所谓的原色的结合来产生。这些原色为由发射半导体器件、例如LED产生的颜色红色、绿色和蓝色的电磁辐射。通过这三种颜色的叠加形成所谓的混合光。混合光具有大量在可见范围内、例如在380nm-780nm范围内的不同波长。
为产生这些不同的波长，对半导体器件的PN结的有源层例如不同地进行掺杂。能级图的由此形成的不同的能级差(也称为带隙)导致不同波长的光的发射。这种光的波长直接依赖于能级差并可以借助掺杂有条件地被调整。
在此，这样产生的混合光的重要成分具有绿色，因为具有光谱吸收特性的人眼对绿色最敏感。与此相应地，特别是在图像再现系统中需要尽可能这样真实并且稳定地产生绿色。
特别是在投影系统中使用的半导体器件利用高电流密度工作。由此达到高辐射通量密度或高辐射强度。这种高电流密度在传统制造的LED中引起在该技术中作为波长漂移公知的效应。
半导体器件所发射的主波长由于较高的电流密度而改变。特别是传统的发射绿光的InGaN-LED具有所发射的波长对工作电流的高依赖性。在该电流提高的情况下，优选地位于520nm-560nm之间的工作波长向更短的波长移动，这被称为“漂移”。因此，例如发射绿色的InGaN半导体器件在利用高电流密度工作时发出蓝光。
这种效应具有两个主要缺点。一方面对于利用高电流密度工作的混合光源来说所要求的波长发生改变。对于例如所提到的白光源来说，波长漂移造成发蓝光的光源。由于人眼在绿色方面的高依赖性，现在形成主观的色觉。投影系统中光调制器的已经提到的控制如下被改变，即发射绿色和发射蓝色的半导体器件之间的光谱距离被缩小并且在光调制器中两种颜色还通过借助介电波长选择截止或带通滤光器或者镜的分离变得困难并且成本提高。
在波长漂移的情况下另一个重要缺点是明显更差的能效和与此相关的更差的效率。
发明内容
本发明的任务在于，产生一种即使在高电流密度的情况下仍具有非常稳定和恒定的波长光谱的混合光。该任务以在并列权利要求中所说明的措施来解决。
为产生混合光，依据本发明说明具有多个发出电磁辐射的半导体器件作为光源的装置和方法。在这种情况下设有至少一个半导体器件，该半导体器件在光路中具有发光转换元件。在这种情况下有利的是通过稳定辐射强度和波长获得的混合光源，该混合光源现在特征在于明显更高的能效和更加恒定的混合波长。
本发明的其他有利的构成在从属权利要求中予以说明。
为产生确定波长的混合光，描述一种借助半导体器件实现的装置和方法，其中至少一个半导体器件具有发光转换元件并且该半导体器件发出处于不可见短波或可见短波范围内的主波长。在此有利的是以下事实，即在近紫外线以及下面的可见波长范围内可以实现非常稳定地进行发射的半导体器件，这些半导体器件此外具有相对于工作电流密度的大的非依赖性并且具有高的能效。
此外规定，发光转换元件产生处于可见范围内的次波长。在这种情况下决定性的并且有利的是，获得对于人眼可见的和波长稳定的混合光。绿光的波长的稳定性在高电流密度负荷的情况下也产生人的稳定的色觉。
半导体器件转换成绿光例如可以在使用基于氮氧化物和硅酸盐的发光转换元件的情况下进行。作为主辐射器可以使用发射紫外线的半导体器件。通过这种在不可见波长范围内辐射的半导体器件的转换，现在例如变成发射绿色的半导体器件。
例如为使用混合光，提到白光。因为图像再现或投影系统中的照明装置用于真正要显示的图像的照亮和对比度形成，所以按照该权利要求所描述的装置与传统的装置相比具有优点。在高电流密度负荷的情况下，这样设置和描述的半导体器件也产生在波长稳定性方面非常恒定的白光并且不出现不希望的波长漂移。特别是白光向蓝光效果的亮光移动的主观色觉因此得到防止。
通过使用基于氮氧化物和硅酸盐的发光转换元件或者可以通过UV辐射激发的其他发绿光的材料，例如半导体器件可以向绿光转换。由人眼的特性引起的色觉可以借助这种转换方法保持稳定。
在另一种构成中，发光转换元件被引入到半导体器件的光路内。作为应用使用体积填料。这种装置具有成本非常低和有效的制造变型方案。节省成本的提高和制造花费的最小化可以通过体积填料利用转换材料的涂覆或覆盖实现。
通过半导体芯片在半导体芯片材料本身上对所发出的主波长的最小吸收和最大反射，为转换提供的辐射强度被增强并在能量输出方面得到进一步优化。同样有利的是对所获得的次波长最大限度地进行反射的半导体芯片，以便获得进一步的能效提高。为此目的，反射元件以反射层的形式被布置在体积填料上。
附图说明
下面参考附图借助实施例对本发明进行说明，其中附图相同或者作用相同的组成部分分别采用相同的附图标记来标注。所示的元件不应被视为按正确比例的，更确切地说，各个元件能够为了更好地理解而被过分夸大或过分简化地示出。其中：
图1示出投影系统的示意图；
图2示出图像再现系统的照明装置；
图3示出用于产生和转换电磁辐射的发光二极管的实施例；
图4示出用于产生和转换电磁辐射的发光二极管的另一实施例；
图5a示出用于产生和转换电磁辐射的发光二极管的另一实施例；
图5b示出用于产生和转换电磁辐射的发光二极管的另一实施例；
图6示出用于产生和转换电磁辐射的发光二极管的另一实施例；
图7a示出用于产生和转换电磁辐射的LED光源的横截面的示意图；
图7b示出用于产生和转换电磁辐射的LED光源的俯视图的示意图。
具体实施方式
图1示出例如在投影设备、也就是视频投影机(Beamer)中或者在也称为背投电视(projection television(RPTV))的背投设备中使用的投影系统的示意图。
预先给定由具有不同波长的光产生混合光的照明装置1。因为所产生的光用于照明，所以至少一部分处于可见范围内。但是不必要的是，所谓的混合光的全部光均处于可见范围内。照明装置1具有分别辐射混合光的三个混合光辐射器2。所产生的混合光通过光学元件3被偏转到光调制器4上。光调制器4例如是也称为LC矩阵的液晶矩阵。光调制器4的预先给定的面积通过光学元件3以由照明装置1发射的光被均匀照明。
如开头所提到的，同样可以设想DMD芯片作为光调制器4。但是照明装置1于是不产生混合光，而是将原色彼此分开发出。由此能够实现DMD芯片的依赖于波长的必要的顺序控制，以便获得彩色图像。
在图2中示出LCD背景照明的照明装置1。各个混合光辐射器2在这里以明显更高的数量被示出。设有平面装置，在该平面装置中混合光辐射器2以多行设置。具有混合光辐射器2的各行被偏移半个距离，以便保证光学元件3的均匀照明。此外，也可以设想其他设置变型方案。每个混合光辐射器2在这里由三个单独的发光二极管5组成。混合光例如通过原色红、绿和蓝产生，其中每个发光二极管5首先发射原色。发光二极管5r在此基本上发射红色，其中红色为具有615nm-740nm的波长的光的颜色。此外，发光二极管5b基本上发射蓝色，其中蓝色为具有430nm-500nm的波长的光的颜色。最后发光二极管5g发射绿色，其中绿色为具有510nm-565nm的波长的光的颜色。该实施例是利用颜色红、绿和蓝根据传统的RGB模型选择的。如图2中所示的照明装置1也被称为“背光(backlight)”并且例如位于液晶显示设备或者液晶投影机上。混合光在此不一定必须由三个LED产生。虽然各个LED优选地发射红色、绿色或者蓝色，但可以设想设置最多六个原色辐射器。光学元件3在这里用于使所发出的混合光均匀分布到光调制器4的预先给定的面积上。
在另一实施例中，发出原色的发光二极管5被设置在规则的矩阵内并且直接作为投影面被使用。这种装置被称为LED显示墙。发光二极管5在这种情况下被称为子像点，其中发射红色、发射绿色和发射蓝色的发光二极管的组合被定义为像点。通过控制信号控制不同的原色辐射器，使得形成所要投影或者所要显示的图像。
在图3中示出发光二极管5的示意结构。发光二极管在这里具有组件壳体8。通过引入所述壳体的内部的电连接线9输送电流。体积填料13处于组件壳体8内，该体积填料包围半导体芯片6和发光转换元件7。处于体积填料13内的半导体芯片6通过所输送的电流被激发并且首先发射确定波长的电磁辐射。与传统发光二极管的区别在于，在该实施例中，发光转换元件7被引入发出光的半导体芯片6的光路内。通过转换元件7，最初产生的波长被转换成次波长。在这里示例性列举一种装置，其中半导体芯片6和相应的转换材料7在共同的体积填料13内制成。为改善主波长的转换，例如半导体芯片6的材料被构成，使得主波长最大限度地被反射并且最小限度地被吸收。就次波长而言，同样适用于半导体芯片6的材料。体积填料13的材料例如被选择，使得主波长最小限度地被反射并且最小限度地被吸收。而体积填料13内的发光转换元件7的材料例如被选择，使得主波长最小限度地被反射并且最大限度地被吸收。
在波长稳定性和最大可能的光输出的观点下，首先转换的发光二极管在高电流密度的情况下与传统的发光二极管相比显现出明显更小的色移。在颜色叠加时出现的效率损失在不同的原色附加地通过所谓的二向色滤光器投影到光调制器4上时也明显更低。
在图4中示出发光二极管5的另一实施例。该实施例与图3的区别仅在于利用发光转换元件7的体积填料13的涂层10。由此可以以不太复杂且成本更低的方式实施制造或者实现效率提高。在图4中，发光转换元件7与组件壳体8之间的对所发射的主波长进行反射的涂层提高能效。
在图5a中示出本发明的另一实施例。与图4不同，发光转换元件7不是以体积填料13的涂层的形式被引入到半导体芯片6的光路内，而是被置于体积填料13之内组件壳体8的上边缘处。这样的引入可以被称为利用转换元件11的覆盖。通过这种引入可以极大地简化工艺技术的制造步骤。
在图5b中示出本发明的另一实施例。与图5a不同，该实施例附加地还包括滤光器16，其被设置在利用转换元件7的覆盖的下面，这导致由半导体芯片6输出的具有主波长的辐射为到达发光转换元件7首先必须通过滤光器16。滤光器16的材料例如被选择，使得滤光器16对于具有主波长的辐射来说是可穿透的，而转换后的次波长则被反射。如果滤光器16例如直接被设置在利用转换元件11的覆盖下面，那么转换后的次波长可以仅朝反射元件12的方向离开利用转换元件11的覆盖，由此提高效率。
在图6中所示的发光二极管5的另一实施例中，与前面的实施例不同，发光转换元件7直接被置于半导体芯片6的附近。在有利的实施方案中，直接利用发光转换元件7来涂覆半导体芯片6。这种实施方案被称为芯片级转换(ChipLevel Conversion(CLC))。在一种未示出的变型方案中，发光转换元件被平面地置于组件壳体8之内半导体芯片6的上面。由此可以实现用于透镜应用的点光源。在这些实施变型方案中，同样设有反射层形式的反射元件12，以便将光损失降到最低限度。
在图7a和7b中分别示出以芯片阵列形式实现的LED光源。在图7a中示出这种阵列的横截面。共同的基面用作壳体底部和多个半导体芯片6的共同的散热片。这些半导体芯片例如以两行半导体芯片6的形式被置于该散热片14上。如图6中所示，借助CLC技术将发光转换元件7引入半导体芯片6的光路内。工作所需的电流借助电连接线9被引到半导体芯片6。
在图7b中示出这种LED光源的俯视图。在该示例性的装置中，利用两个发射绿色的LED 5g、一个发射红色的LED 5r以及一个发射蓝色的LED 5b实现RGB变型方案。也可以设想例如仅发射绿色的单色光源。为产生绿色，例如发光二极管5g被构成为使得使用基于氮氧化物和硅酸盐的转换材料7。作为主辐射器，使用紫外线发光二极管。紫外线主辐射器以70-90％的色饱和度比传统的发射绿色的和迄今为止所使用的InGaN-LED达到更高的辐射强度。设置在共同的散热片14上所具有的优点是更好的散热并且因此更加恒定的温度，这积极地抵抗波长漂移和效率损失。
所描述的装置和方法涉及至少两个发出电磁辐射的半导体器件，其发出的电磁辐射处于不同的波长范围内。所有半导体器件的这种电磁辐射的叠加在此具有至少一部分在可见波长范围内。在此，所述半导体器件中的至少一个在光路中具有发光转换元件。该半导体器件具有体积填料，其将半导体芯片和发光转换元件联合。有利地，直接利用发光转换层涂覆或覆盖半导体芯片。为使能效最大化，半导体器件具有反射元件。
附图标记列表
1 照明装置
2 混合光辐射器
3 光学元件
4 光调制器
5 半导体器件，发光二极管
5r 半导体器件，颜色成分为红色的发光二极管
5b 半导体器件，颜色成分为蓝色的发光二极管
5g 半导体器件，颜色成分为绿色的发光二极管
6 半导体芯片
7 发光转换元件
8 组件壳体
9 电连接线
10 涂层
11 利用发光转换元件的覆盖
12 反射元件
13 体积填料
14 散热片
15 绝缘
16 滤光器
Claims (18)
1.用于产生混合光(2)的装置，其中，至少两个在不同的波长范围内发出电磁辐射的、分别包括半导体芯片(6)的半导体器件(5)作为光源被使用并且所述半导体器件(5)中的至少一个在光路中具有组件壳体(8)和发光转换元件(7)，其中所述发光转换元件(7)将由所述半导体芯片(6)产生的主波长转换为次波长，其中所述半导体芯片包括材料，其中所述半导体芯片(6)的所述材料最小限度地吸收并且最大限度地反射转换后的次波长，
-其中所述发光转换元件(7)被置于所述半导体器件(5)的所述组件壳体(8)的上边缘处并被置于所述组件壳体(8)内，使得所述发光转换元件(7)与所述组件壳体(8)构成平面，
-其中所述用于产生混合光(2)的装置在光路中具有滤光器，
-其中所述滤光器在光路中直接被设置在所述发光转换元件(7)下面并且被设置在所述半导体器件(5)的所述组件壳体(8)内，
-其中所述滤光器和所述发光转换元件(7)与所述半导体芯片(6)隔开，
-其中所述滤光器包括使主波长通过并且反射转换后的次波长的材料。
2.按权利要求1所述的装置，其中，具有发光转换元件(7)的半导体器件(5)产生处于不可见波长范围内的短波主波长。
3.按权利要求1所述的装置，其中，具有发光转换元件(7)的半导体器件(5)产生处于可见波长范围内的短波主波长。
4.按权利要求2或3所述的装置，其中，所产生的转换后的次波长处于可见波长范围内。
5.按权利要求1-3之一所述的装置，用于产生用于图像再现设备上的照明装置(1)的白光源。
6.按权利要求1所述的装置，其中，所述发光转换元件(7)含有硅酸盐和氮氧化物或者能够通过UV辐射激发的其他发绿光的材料。
7.按权利要求1所述的装置，其中，所述发光转换元件(7)与所述半导体器件(5)的半导体芯片(6)一起被制造在体积填料(13)内。
8.按权利要求7所述的装置，其中，反射元件(12)在所述体积填料上，该反射元件被引入所述半导体芯片(6)的光路内，使得主波长最大限度地被反射。
9.按权利要求7或8所述的装置，其中，所述半导体器件(5)的半导体芯片(6)最小限度地吸收并且最大限度地反射所产生的并且在体积填料(13)上被反射的主波长。
10.按权利要求7或8所述的装置，其中，围绕所述半导体器件(5)的所述体积填料(13)被涂覆(10)转换元件(7)。
11.按权利要求1所述的装置，其中，所述发光转换元件(7)以涂层的形式直接被置于半导体芯片(6)上。
12.按权利要求1所述的装置，其中，所述发光转换元件(7)以所述半导体器件(5)的组件壳体(8)的覆盖(11)的形式被引入。
13.按权利要求1所述的装置，其中，所述半导体器件(5)具有单独的组件壳体(8)。
14.按权利要求1所述的装置，所述装置包括使所述混合光均匀地分布到光调制器的预先给定的面积上的光学元件(3)。
15.用于产生混合光的方法，其中，至少两个在不同的波长范围内发出电磁辐射的半导体器件作为光源被使用并且所述半导体器件中的至少一个在光路中具有组件壳体(8)和发光转换元件，并且其中混合光产生不是同时、而是通过顺序接通和断开进行，其中所述半导体器件包括半导体芯片(6)，其中所述半导体芯片(6)包括材料，其中所述半导体芯片(6)的所述材料最小限度地吸收并且最大限度地反射转换后的次波长，
-其中所述发光转换元件(7)被置于所述半导体器件(5)的所述组件壳体(8)的上边缘处并被置于所述组件壳体(8)内，使得所述发光转换元件(7)与所述组件壳体(8)构成平面，
-其中所述用于产生混合光(2)的装置在光路中具有滤光器，
-其中所述滤光器在光路中直接被设置在所述发光转换元件(7)下面并且被设置在所述半导体器件(5)的所述组件壳体(8)内，
-其中所述滤光器和所述发光转换元件(7)与所述半导体芯片(6)隔开，
-其中所述滤光器包括材料，其中所述滤光器的所述材料使主波长通过并且反射转换后的次波长。
16.按权利要求15所述的方法，其中，具有发光转换元件的半导体器件产生处于不可见波长范围内的短波主波长。
17.按权利要求15所述的方法，其中，具有发光转换元件的半导体器件产生处于可见波长范围内的短波主波长。
18.按权利要求16或17所述的方法，其中，所产生的转换后的次波长处于可见波长范围内。
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