DE102008011866A1

DE102008011866A1 - Halbleiterlichtquelle und Lichtquellenanordnung mit einer solchen

Info

Publication number: DE102008011866A1
Application number: DE102008011866A
Authority: DE
Inventors: Stefan GRÖTSCH; Kirstin Dr. Petersen; Ulrich Dr. Streppel
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2008-02-29
Filing date: 2008-02-29
Publication date: 2009-09-10
Anticipated expiration: 2028-03-01
Also published as: DE102008011866B4

Abstract

Eine Halbleiterlichtquelle umfasst eine Primärstrahlungsquelle mit einer Schichtenfolge, die im Betrieb eine erste elektromagnetische Primärstrahlung entlang einer ersten Hauptstrahlrichtung emittiert und ein von der Primärstrahlungsquelle beabstandetes Lumineszenzkonversionselement. Dieses weist einen Kühlkörper und ein daran angeordnetes Lumineszenzmaterial auf, welches zumindest einen Teil der eingekoppelten Primärstrahlung mittels mindestens eines Leuchtstoffs in eine Sekundärstrahlung entlang einer zweiten Hauptstrahlrichtung wellenlängenkonvertiert. Ein Reflektorelement ist im Strahlengang der Primärstrahlungsquelle angeordnet und ausgeführt, die Primärstrahlung auf das Lumineszenzmaterial des Lumineszenzkonversionselements zu lenken.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleiterlichtquelle sowie eine Lichtquellenanordnung mit einer derartigen Halbleiterlichtquelle.
Halbleiterlichtquellen werden häufig für Lichtanwendungen eingesetzt die eine hohe Leuchtkraft benötigen, beispielsweise für Projektoren. Mit Halbleiterlichtquellen unterschiedlicher Wellenlänge kann wiederum ein weißes Licht erzeugt werden.
In einigen Realisierungen umfasst eine Halbleiterlichtquelle eine Primärstrahlungsquelle sowie ein Lumineszenzkonversionselement, um ein Licht mit einer anderen Wellenlänge als das der Primärstrahlungsquelle zu erzeugen. Eine derartige Halbleiterlichtquelle ist beispielsweise aus der Druckschrift US 6,066,861 bekannt. Diese zeigt eine Lichtquelle eingebettet in einem Lumineszenzkonversionselement. Im Betrieb erzeugt die Lichtquelle, auch als Primärstrahlungsquelle bezeichnet, elektromagnetische Strahlung einer ersten Wellenlänge, die von einem Lumineszenzmaterial in elektromagnetische Strahlung einer zweiten Wellenlänge konvertiert wird.
Derartige Halbleiterlichtquellen könnten jedoch eine nicht zufrieden stellende Abfuhr von Verlustwärme aus dem Lumineszenzkonversionselement aufweisen. Insbesondere kann eine Bestrahlung des Lumineszenzkonversionselements durch eine Primärstrahlungsquelle mit einer hohen Energiedichte zu einer relativ starken Temperaturerhöhung des Lumineszenzkonversion selements und insbesondere des Lumineszenzmaterials führen. Dadurch wird die Effizienz einer Wellenlängenkonversion durch das Lumineszenzmaterial negativ beeinträchtigt.
In der EP 1 734 302 A1 ist eine Halbleiterlichtquelle gezeigt, bei der ein Lumineszenzkonversionselement mit einem Wärmeleitelement versehen ist.
Dennoch bleibt das Bedürfnis, eine Halbleiterlichtquelle anzugeben, bei der eine Wellenlängenkonversion auch bei hohen Energiedichten einer elektromagnetischen Primärstrahlung besonders effizient ist. Weiterhin soll eine Lichtquellenanordnung angegeben werden, die zur Erzeugung von Licht unterschiedlicher Wellenlänger mit besonders hoher Lichtausbeute geeignet ist.
Diese Aufgaben werden durch die Halbleiterlichtquelle sowie die Lichtquellenanordnung mit einer derartigen Halbleiterlichtquelle gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
In einer Ausgestaltung umfasst eine Halbleiterlichtquelle eine Primärstrahlungsquelle mit einer Schichtenfolge, die im Betrieb eine elektromagnetische Primärstrahlung entlang einer ersten Hauptabstrahlrichtung emittiert. Weiterhin ist ein von der Primärstrahlungsquelle beabstandetes Lumineszenzkonversionselement vorgesehen, das einen Kühlkörper und ein daran bzw. darauf angeordnetes Lumineszenzmaterial aufweist. Das Lumineszenzmaterial ist ausgeführt, zumindest einen Teil einer eingekoppelten Primärstrahlung in eine Sekundärstrahlung entlang einer zweiten Hauptstrahlrichtung hinsichtlich der Wellenlänge zu konvertieren. Somit dient das Lumineszenzmate rial dazu, eine Umwandlung eingekoppelter Primärstrahlung einer ersten Wellenlänge in eine Sekundärstrahlung einer zweiten Wellenlänge vorzunehmen. Die Halbleiterlichtquelle umfasst weiterhin ein Reflektorelement, welches zumindest im Strahlengang der Primärstrahlungsquelle angeordnet ist. Das Reflektorelement ist ausgeführt, die Primärstrahlung auf das Lumineszenzmaterial des Lumineszenzkonversionselements zu lenken oder von dem Lumineszenzmaterial in Richtung der Primärstrahlungsquelle abgegebene Sekundärstrahlung umzulenken.
Die Halbleiterlichtquelle erzeugt somit im Betrieb eine wellenlängenkonvertierte Sekundärstrahlung, beispielsweise eine Lumineszenzstrahlung. Durch die beabstandete Anordnung des Lumineszenzkonversionselements von der Primärstrahlungsquelle wird eine Erwärmung des Lumineszenzkonversionselements und des darin enthaltenen Materials durch die Primärstrahlungsquelle vermieden. Vielmehr kann durch den Kühlkörper des Lumineszenzkonversionsmaterials eine effiziente Kühlung des Lumineszenzmaterials erreicht werden, sodass die Konversions- bzw. Umwandlungseffizienz erhöht ist.
Durch das Reflektorelement wird in der ersten Ausgestaltung erreicht, dass das von der Primärstrahlungsquelle entlang der ersten Hauptabstrahlrichtung abgestrahlte Licht im Wesentlichen vollständig auf das Lumineszenzmaterial des Lumineszenzkonversionselements gelenkt wird. Dadurch wird es möglich, die Primärstrahlungsquelle und das Lumineszenzkonversionselement räumlich getrennt voneinander, insbesondere auf unterschiedlichen Kühlkörpern, anzuordnen. Beispielsweise kann die erste Hauptrichtung der Primärstrahlungsquelle im Wesentlichen senkrecht zur zweiten Hauptstrahlrichtung liegen. Entsprechend kann auch die Primärstrahlungsquelle im Wesentlichen in einem rechten Winkel zu dem Lumineszenzkonversionse lement angeordnet sein. Das Reflektorelement reflektiert die von der Primärstrahlungsquelle abgegebene Primärstrahlung auf das Lumineszenzmaterial des Lumineszenzkonversionselements.
In der zweiten Ausgestaltung wird eine Rückstrahlung der von dem Lumineszenzmaterial abgegebenen Sekundärstrahlung auf die Primärstrahlungsquelle durch das die Sekundärstrahlung umlenkende Reflektorelement vermieden. Die Primärstrahlungsquelle und das Lumineszenzelement können in dieser Ausgestaltung gegenüberliegend angeordnet sein.
In einer Weiterbildung kann das Reflektorelement sowohl im Strahlengang der Primärstrahlung als auch der Sekundärstrahlung angeordnet sein. Zudem kann es in der ersten oben genannten Ausgestaltung für die Sekundärstrahlung im Wesentlichen transparent sein. In diesem Fall reflektiert das Reflektorelement die Primärstrahlung und lenkt sie auf das Lumineszenzmaterial, während es transparent für die konvertierte Sekundärstrahlung ist. In der zweiten Ausgestaltung, bei der die Primärstrahlungsquelle und das Lumineszenzelement gegenüberliegend angeordnet sind, kann das Reflektorelement für die Primärstrahlung transparent sein und hinsichtlich der Sekundärstrahlung eine hohe Reflexion aufweisen.
In einer Ausgestaltung weist das Reflektorelement einen dichroitischen Spiegel auf, der ein Reflexionsverhalten in einem ersten Wellenlängenbereich besitzt und ein entsprechendes Transmissionsverhalten in einem zweiten Wellenlängenbereich. Dabei kann der erste Wellenlängenbereich ein Bereich der Primärstrahlung oder der Sekundärstrahlung sein und der zweite Wellenlängenbereich entsprechend ein Bereich der Sekundärstrahlung bzw. der Primärstrahlung.
In einer weiteren Ausführung kann das Reflektorelement zwei im Wesentlichen senkrecht zueinander angeordnete Reflektorflächen aufweisen. Beispielsweise kann das Reflektorelement ein Prisma sein mit einer teilweise verspiegelten Fläche. Die Ausgestaltung mit zwei im Wesentlichen senkrecht zueinander angeordneten Reflektorflächen erlaubt es, die erste und die zweite Hauptabstrahlrichtung im Wesentlichen parallel zueinander auszugestalten. Dadurch kann sowohl die Primärstrahlungsquelle als auch das davon beabstandete Lumineszenzkonversionsmaterial auf einem gemeinsamen Halteelement befestigt sein.
Für die Schichtenfolge der Primärstrahlungsquelle eignet sich ein Material, vorzugsweise ein Halbleitermaterial, welches elektromagnetische Strahlung im ultravioletten Bereich erzeugt. Beispielsweise kann die Schichtenfolge Indiumgalliumnitrid In_xGa_1-xN bzw. Galliumnitrid in unterschiedlichen Mengenverhältnissen umfassen. Das Lumineszenzmaterial kann ausgestaltet sein, eine Sekundärstrahlung im grünen Bereich des sichtbaren Lichts durch eine Umwandlung von Strahlung kürzerer Wellenlänge, insbesondere von ultravioletter elektromagnetischer Strahlung zu erzeugen. Dadurch kann besonders effizient grünes Licht mit einer hohen Energiedichte erzeugt werden. Dies erlaubt die Herstellung von Projektoren oder Leuchtmitteln, die weißes Licht erzeugen.
In einer Ausgestaltung ist das Lumineszenzkonversionsmaterial auf einer Seite mit einem verspiegelten Material versehen. Dadurch wird sowohl eine eingekoppelte Primärstrahlung zurückgespiegelt, als auch von dem Lumineszenzmaterial erzeugte Sekundärstrahlung. Diese reflektierende Schicht ist so angeordnet, dass sie Primär- und Sekundärstrahlung im Wesentlichen parallel zur zweiten Hauptstrahlrichtung reflektiert.
Durch die Reflexion der Primärstrahlung wird zudem die Effizienz erhöht, da die reflektierte Primärstrahlung nun nochmals das Lumineszenzkonversionsmaterial durchquert. Das Lumineszenzmaterial kann in Form eines Einkristalls oder mit einem keramischen Material ausgebildet sein. Ebenso ist eine Einbettung des Lumineszenzmaterials in einen Kunststoff oder ein Silikat möglich.
Zur Verbesserung der Einkopplung der Primärstrahlung in das Lumineszenzkonversionselement bzw. in das Lumineszenzmaterial kann die Oberfläche des Materials eine Aufrauung oder eine Strukturierung aufweisen.
In einer anderen Ausgestaltung ist zwischen der Primärstrahlungsquelle und dem Reflektorelement ein erstes Linsensystem angeordnet. Alternativ bzw. zusätzlich kann auch zwischen dem Reflektorelement und dem Lumineszenzkonversionselement ein Linsensystem angeordnet sein. Das Linsensystem kann eine Sammellinse und/oder eine Zerstreuungslinse umfassen. Dadurch wird erreicht, dass von der Primärstrahlungsquelle abgestrahltes Licht parallel gerichtet wird. Die parallelen Lichtstrahlen werden von dem Reflektorelement auf das Konversionselement geleitet. Durch ein zweites Linsensystem zwischen dem Reflektorelement und dem Lumineszenzkonversionselement kann die parallele Primärstrahlung wieder gebündelt und konzentriert auf das Lumineszenzmaterial gerichtet werden.
Alternativ ist es möglich, über Zerstreuungslinsen die Strahlungsdichte auf dem Reflektor zu verringern und so diesen vor einer zusätzlichen Erwärmung zu schützen. Durch eine entsprechende Sammellinse wird das Licht wieder gebündelt und auf das Lumineszenzkonversionselement gelenkt.
Die Halbleiterlichtquelle eignet sich dazu, in eine Lichtquellenanordnung eingebaut zu werden, um mit weiteren Strahlungsquellen beispielsweise eine weiße Lichtquelle zu bilden.
Hierzu umfasst eine Lichtquellenanordnung neben der Halbleiterlichtquelle eine zweite Strahlungsquelle zur Erzeugung einer dritten elektromagnetischen Strahlung sowie eine dritte Strahlungsquelle zur Erzeugung einer vierten elektromagnetischen Strahlung. Die dritte und vierte elektromagnetische Strahlung können jeweils unterschiedliche Wellenlängen aufweisen und darüber hinaus Wellenlängen unterschiedlich zu den Wellenlängen der Primärstrahlung und der Sekundärstrahlung besitzen.
Beispielsweise können die zweite Strahlungsquelle zur Erzeugung von Licht im blauen Bereich und die dritte Strahlungsquelle zur Erzeugung von Licht im roten Bereich ausgestaltet sein. Mit dem Lumineszenzkonversionselement der Halbleiterlichtquelle, welches zur Konvertierung von ultraviolettem Licht in grünes Licht ausgestaltet ist, lässt sich so weißes Licht mit einer hohen Intensität und Leuchtkraft erzeugen. Zusätzlich umfasst die Lichtquellenanordnung eine Reflektoranordnung, die in einem Strahlengang der Sekundärstrahlung, der dritten sowie der vierten Strahlung angeordnet und derart ausgestaltet ist, die Sekundärstrahlung, die dritte und die vierte Strahlung im Wesentlichen parallel zueinander auszurichten.
Durch die gemeinsame Überlagerung der Sekundärstrahlung, der dritten sowie der vierten Strahlung wird ein kombinierter Farbton erzeugt.
Die verschiedenen Reflektoranordnungen der Lichtquellenanordnung und der Halbleiterlichtquelle erlauben es, unterschiedliche geometrische Ausgestaltungen bezüglich der Anordnung der verschiedenen Strahlungsquellen zu treffen. Beispielsweise können die Primärstrahlungsquelle, die zweite und die dritte Strahlungsquelle parallel nebeneinander angeordnet sein. In einem Winkel hierzu, beispielsweise einem rechten Winkel, ist das Lumineszenzkonversionselement ausgeführt. Die zusätzliche Reflektoranordnung in dem Strahlengang kann ein oder mehrere dichroitische Spiegel umfassen, die jeweils ein Transmissions- bzw. Reflexionsverhalten für die entsprechende dritte bzw. vierte elektromagnetische Strahlung aufweisen.
Darüber hinaus kann im Strahlengang der dritten und vierten Strahlungsquelle sowie im Strahlengang der Sekundärstrahlung ein lumineszierender Bildschirm, beispielsweise ein LCD-Bildschirm, vorgesehen werden. Dies erlaubt es, farbige Bilder nach einer gemeinsamen Überlagerung der verschiedenen elektromagnetischen Strahlungen zu erhalten.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Draufsicht auf eine Lichtquellenanordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
2 eine schematische Draufsicht auf eine Lichtquellenanordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
2A eine Darstellung des Reflexionsverhaltens gegenüber der Wellenlänge bei verwendeten Reflektorsflächen gemäß dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel,
3 eine schematische Draufsicht auf eine Lichtquellenanordnung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
4 eine schematische Draufsicht auf eine Lichtquellenanordnung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel,
5 einen schematischen Querschnitt einer Linsenanordnung nach einem der vorangegangenen Ausführungsbeispiele,
6 eine schematische Draufsicht auf eine Lichtquellenanordnung nach einem fünften Ausführungsbeispiel,
7 einen schematischen Querschnitt einer Leuchtdiode, die als Primärstrahlungsquelle einsetzbar ist,
8 einen schematischen Querschnitt eines Lumineszenzkonversionselements gemäß einem der vorangegangenen Ausführungsbeispiele.
In den Ausführungsbeispielen und den Figuren tragen gleiche oder gleich wirkende Bestandteile die gleichen Bezugszeichen. Die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht zwingend als maßstabsgetreu zu betrachten. Beispielsweise können die einzelnen Elemente zur besseren Darstellbarkeit oder zum besseren Verständnis übertrieben groß und/oder dick dargestellt sein.
1 zeigt eine Ausführungsform einer Lichtquellenanordnung mit einer Halbleiterlichtquelle nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Die Halbleiterlichtquelle umfasst eine Primärstrahlungsquelle 110 sowie ein hiervon beabstandetes und im We sentlichen senkrecht dazu angeordnetes Lumineszenzkonversionselement 120. Die Primärstrahlungsquelle 110 sowie das Lumineszenzkonversionselement 120 weisen jeweils einen Kühlkörper 111 bzw. 121 auf, der als Wärmesenke ausgebildet ist. Die in einem Betrieb der Halbleiterlichtquelle erzeugte Wärme kann somit über die beiden Kühlelemente effektiv abgeführt werden. Dadurch wird insbesondere die Effizienz des Lumineszenzkonversionselements erhöht.
Die Primärstrahlungsquelle umfasst neben dem Kühlkörper eine mit einer Halbleitertechnologie realisierte Leuchtdiode oder ein Licht emittierendes Bauelement. Die Leuchtdiode 112 strahlt in ihrer Hauptstrahlrichtung elektromagnetische Strahlung im ultravioletten Bereich ab. Wie hier dargestellt, ist die Hauptstrahlrichtung senkrecht zu dem Kühlelement 111, der Leuchtdiode 112 und damit in Richtung des Reflektors 160, der weiter unten beschrieben wird. Die Abstrahlung erfolgt kegelförmig, was hier durch die gekrümmten Lichtstrahlen angedeutet ist.
Die Leuchtdiode kann beispielsweise als Dünnfilm-Leuchtdiodenchip ausgebildet und auf einem Trägersubstrat angeordnet sein. Dieses Trägersubstrat ist wiederum mit dem Kühlkörper 111 verbunden. Alternativ kann das Trägersubstrat auch selbst einen Teil des Kühlkörpers 111 bilden.
Ein Dünnfilm-Leuchtdiodenchip zeichnet sich durch mindestens eines der folgenden Merkmale aus:

– an einer zu einem Trägersubstrat hingewandten Hauptfläche der strahlungserzeugenden Halbleiterschichtenfolge, bei der es sich insbesondere um eine strahlungserzeugende Epitaxie-Schichtenfolge handelt, ist eine reflektierende Schicht aufgebracht oder ausgebildet, die zumindest einen Teil der in der Halbleiterschichtenfolge erzeugten elektromagnetischen Strahlung in diese zurückreflektiert;
– der Dünnfilm-Leuchtdiodenchip weist ein Hilfsträgerelement auf, bei dem es sich nicht um das Wachstumssubstrat handelt, auf dem die Halbleiterschichtenfolge epitaktisch gewachsen wurde sondern um ein separates Trägerelement, welches nachträglich an der gewachsenen Halbleiterschichtenfolge befestigt wird;
– die Halbleiterschichtenfolge weist eine Dicke im Bereich von zwanzig Mikrometer oder weniger, insbesondere im Bereich von zehn Mikrometer auf;
– die Halbleiterschichtenfolge ist frei von einem Aufwachssubstrat. Hierbei bedeutet ”frei von einem Aufwachssubstrat” das ein gegebenenfalls zum Aufwachsen benutztes Aufwachssubstrat von der Halbleiterschichtenfolge entfernt oder zumindest stark gedünnt ist. Insbesondere ist es derart gedünnt, dass es für sich oder zusammen mit der epitaktisch gewachsenen Schichtenfolge alleine nicht freitragend ist. Der verbleibende Rest des stark gedünnten Aufwachssubstrats ist insbesondere als solches für die Funktion eines Aufwachssubstrats ungeeignet; und
– die epitaktisch gewachsene Schichtenfolge enthält mindestens eine Halbleiterschicht mit zumindest einer Fläche, die eine Durchmischungsstruktur aufweist, welche im Idealfall zu einer annähernd ergodischen Verteilung des Lichts in der Halbleiterschichtenfolge führt. Sie weist damit ein möglichst ergodisch stöchiastisches Streuverhalten auf.

Ein Grundprinzip eines Dünnfilm-Leuchtdiodenchips ist beispielsweise in der Druckschrift I. Schnitzer et al. Appl. Phys. Lett. 63 (16), 18. Oktober 1993, Seiten 2174 bis 2176 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird. Weitere Beispiele für Dünnfilm- Leuchtdiodenchips finden sich in den Druckschriften EP 0 905 797 und WO 02/13281 , deren entsprechenden diesbezüglichen Offenbarungsgehalt hiermit ebenfalls durch Rückbezug aufgenommen wird.
Ein Dünnfilm-Leuchtdiodenchip ist in guter Näherung ein Lambertscher Oberflächenstrahler und ist demzufolge gut für Anwendungen in Lichtquellen geeignet, die eine hohe Leuchtkraft benötigen. Auch andere Leuchtanwendungen sind mit einem derartigen Strahler sehr gut realisierbar.
Zur Lichterzeugung im ultravioletten Bereich eignen sich Halbleiterschichten aus einem III/V-Verbindungshalbleitermaterial, beispielsweise Indiumgalliumnitrid/Galliumnitrid. Dabei kann über eine stöchiometrische Verteilung In_xGa_1-xN des Verhältnisses x von Indium und Gallium die Wellenlänge der abgegebenen elektromagnetischen Strahlung eingestellt werden. Die Wellenlänge kann dabei vom blau-grünen über den blauen Bereich bis in das nahe Ultraviolett eingestellt werden. Für die gezeigte Lichtquelle eignet sich daher auch eine Primärstrahlungsquelle, die Licht im blauen sichtbaren Bereich erzeugt.
In einer Ausgestaltung einer eine Leuchtdiode bildende Schichtenfolge weist diese auf einer der Hauptabstrahlfläche gegenüberliegenden Fläche eine zumindest teilweise verspiegelte Schicht auf. Ein Brechungsindex dieser Spiegelschicht weist von dem Brechungsindex einer Schicht der epitaktisch gewachsenen Schichtenfolge ab, die der Spiegelschicht in Richtung zur Hauptabstrahlfläche nachfolgt und insbesondere an diese angrenzt. Als nicht einschränkendes Beispiel kann der Brechungsindex um den Wert 1 oder mehr abweichen. Die Spiegelschicht kann beispielsweise ein Metall enthalten aber auch ein Dielektrikum wie beispielsweise SiO₂.
In einer Ausgestaltung kann die Spiegelschicht halbleitend oder elektrisch isolierend sein und einen verteilten Bragg-Reflektor (DBR, Distributed Bragg Reflector) enthalten. Dieser kann mindestens ein Schichtenpaar mit alternierend hohem oder niedrigem Brechungsindex aufweisen.
In einer weiteren Ausgestaltung kann es zweckmäßig sein, Kontaktelemente für die Schichtenfolge ebenfalls mit gespiegelten Flächen auszuführen. Zwischen den Kontaktelementen können isoliert ebenfalls verspiegelte Flächen vorgesehen sein, so dass die der Hauptabstrahlfläche gegenüberliegende Fläche einen verspiegelten Teilbereich von mehr als 50% der gesamten Fläche aufweist. In einer Variante kann die der Hauptabstrahlfläche gegenüberliegenden Fläche im Wesentlichen vollständig verspiegelt sein, wobei eine Mehrzahl von isolierten Öffnungen vorgesehen sein können, welche die Kontaktelemente zum Anschluss an die aktive Schicht bilden.
Im konkreten Ausführungsfall der 1 weist die Leuchtdiode 112 auf der der Hauptabstrahlseite gegenüberliegenden Fläche eine verspiegelte Schicht zur Verbesserung der Abstrahlcharakteristik auf.
Das Lumineszenzkonversionselement 120 enthält neben dem Kühlkörper 121 auch ein daran angeordnetes und befestigtes Lumineszenzmaterial 122. Das Lumineszenzmaterial 122 ist auf der Oberfläche des Kühlkörpers aufgebracht. Dies kann entweder direkt bzw. mit zusätzlichen Stoffen erfolgen, die eine Halterung sowie eine bessere Befestigung ermöglichen.
Darüber hinaus kann zwischen dem Lumineszenzmaterial und dem Kühlkörper eine zusätzliche Spiegelschicht vorgesehen sein, die einerseits durch das Lumineszenzmaterial erzeugte Strahlung reflektiert und andererseits auch eingekoppelte Strahlung zurück in das Lumineszenzmaterial wirft. Dadurch wird eine Konversion einer eingekoppelten Strahlung verbessert und die Lichtausbeute der Sekundärstrahlung erhöht.
Das Lumineszenzmaterial kann einen anorganischen Leuchtstoff besitzen, welcher Primärstrahlung aus einem ersten Wellenlängenbereich in eine elektromagnetische Sekundärstrahlung in einem zweiten Wellenlängenbereich konvertiert. Dabei ist der zweite Wellenlängenbereich von dem ersten Wellenlängenbereich verschieden. Beispielsweise wird eine derartige Konversion durch eine Anregung der Primärstrahlung zur Fluoreszenz bzw. Phosphoreszenz des Leuchtstoffs erzeugt.
Ein für eine Konversion geeigneter Leuchtstoff umfasst ein Material aus der Gruppe, die Granatleuchtstoffe wie mit einem seltenen Erdmetall dotiertes Ytrium-Aluminium-Granat (YAG) enthält. Zur Umwandlung von ultravioletter oder blauer Strahlung in eine elektromagnetische Strahlung im grünen Wellenlängenbereich eignet sich beispielsweise SrAl₂O₄:Eu²⁺. Grün bis grüngelb emittierende Leuchtstoffe sind beispielsweise Chlorosilikate der Formel Ca₈Mg(SiO₄)₄Cl₂:Eu²⁺, Mn²⁺, die mit Europium oder Mangan dotiert sind. Tiogalate der allgemeinen Formel AGa₂S₄:Eu² ⁺, Ce²⁺ eignen sich hierzu ebenso, wobei ”A” insbesondere aus der Gruppe: Kalzium, Strontium, Barium, Zink oder Magnesium ausgewählt ist.
Weitere geeignete Lumineszenz-Konversionsmaterialien, wie etwa ein YAG:Ce Pulver, sind z. B. in der WO 98/12757 beschrieben, deren Inhalt insofern hiermit durch Rückbezug aufgenom men wird. Diese Lumineszenzmaterialen erzeugen Licht der zweiten Wellenlänge aus Strahlung einer ersten Wellenlänge, die kürzer als die zweite Wellenlänge ist. Wird beispielsweise blaues oder ultraviolettes Licht auf das Konversionsmaterial gestrahlt, so adsorbiert der Leuchtstoff die Strahlung und regt dadurch einen Teil seiner Elektronen an, die bei der Relaxation Licht in einem niederenergetischen Bereich, beispielsweise im grünen Bereich abstrahlen.
Das Lumineszenzmaterial liegt in Form eines Pulvers vor, welches in eine Fixierungsschicht, beispielsweise eine Siliziumoxid-Schicht oder eine temperaturresistente Silikatschicht, eingebracht ist. Dieses schützt das Lumineszenzmaterial vor mechanischer Beschädigung und erlaubt es, eine gleichmäßige Verteilung über eine vordefinierte Fläche zu erhalten.
Um die Wärmeleitfähigkeit des Lumineszenzmaterials zu erhöhen, kann es zudem auch als pulverförmiger Leuchtstoff eingebracht in ein keramisches Material oder als Einkristall vorliegen. Beispielsweise ist das Lumineszenzmaterial auf eine keramische Oberfläche gesintert, wobei die keramische Oberfläche eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit an den Kühlkörper aufweist.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel gemäß 1 sind die Strahlrichtungen der Primärstrahlung und die der Sekundärstrahlung unterschiedlich. Die Halbleiterlichtquelle umfasst daher weiterhin einen Reflektor 160. Dieser ist im Strahlengang der Primär- sowie der Sekundärstrahlung angeordnet, sodass er die von der Leuchtdiode 112 abgegebene Primärstrahlung auf das Lumineszenzkonversionselement 120 lenkt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Reflektor 160 im 45° Winkel zu der Hauptabstrahlrichtung der Primärstrahlung angeordnet.
Der vorliegende Reflektor 160 zeigt ein wellenlängenselektives Reflexions- und Transmissionsverhalten. In Bezug auf die Primär- und Sekundärstrahlung. So besitzt er einen hohen Reflexionskoeffizienten in dem Wellenlängenbereich der Primärstrahlung, sodass im Betrieb der Lichtquelle die von der Leuchtdiode 112 erzeugte ultraviolette Strahlung auf das Lumineszenzkonversionselement 120 reflektiert wird. Dies wird durch die eingezeigten Lichtstrahlen angedeutet, die gleichzeitig den Strahlengang verdeutlichen.
Des Weiteren besitzt der Reflektor 160 einen besonders großen Transmissionskoeffizienten für die von dem Lumineszenzkonversionselement abgegebene Sekundärstrahlung, sodass diese im Wesentlichen ungedämpft durch den Reflektor 160 hindurch tritt. Mit anderen Worten kann der Reflektor als halbtransparenter Spiegel bezeichnet werden, wobei der Begriff halbtransparent auf sein wellenlängenabhängiges Reflexions- und Transmissionsverhalten bezogen ist.
Ein derartiger Reflektor 160 kann beispielsweise mit einem dichroitischen Spiegel realisiert werden. Selbiger ist ein Spiegel, der einen Teil des Lichtspektrums reflektiert und den Rest im Wesentlichen ungedämpft durchlässt. Er ähnelt von seinem Verhalten her einer optischen Bandsperre, wobei er im Gegensatz zu dieser den Teil des Spektrums nicht absorbiert, wie bei der Sperre, sondern reflektiert.
Dichroitische Spiegel beruhen auf der Interferenz der Lichtwellen, die von einer Abfolge mehrerer dünner dielektrischer Schichten auf der Oberfläche reflektiert werden. Dadurch in terferieren die an den Grenzflächen der Schichten reflektierten und transmittierten Strahlanteile, sodass es zu einer Auslöschung im Falle der destruktiven Interferenz bzw. zu einer Verstärkung von Strahlen bestimmter Wellenlänge kommt. Durch eine Variation der Dicke, der Anzahl der Schichten sowie des verwendeten Materials kann das Reflexions- als auch das Transmissionsverhalten eines dichroitischen Spiegels genau gewählt werden.
Dadurch erfolgt im Vergleich zu konventionellen Filtern bzw. Spiegeln keine Absorption von elektromagnetischer Strahlung innerhalb des Spiegelmaterials, sodass die thermische Belastung dichroitischer Spiegel nur sehr gering ist. Sie können so mit Vorteil vor allem bei einer hohen Strahlungsdichte verwendet werden.
Die Primärstrahlungsquelle mit der Leuchtdiode 112 als auch das Lumineszenzkonversionselement 120 mit dem Lumineszenzmaterial 122 weist eine kegelförmige Abstrahlcharakteristik jeweils in ihre Hauptabstrahlrichtung auf.
Zur Verbesserung der Effizienz einer Konversion sind weiterhin Maßnahmen vorgesehen, sowohl die Primärstrahlung als auch die Sekundärstrahlung parallel zu richten und auf die Reflektorfläche 160 zu lenken. Zu diesem Zweck ist vor der Primärstrahlungsquelle 110 ein Linsensystem aus zwei Linsen 113 und 114 angeordnet. Diese beiden dienen dazu, die hier gezeigten von der Leuchtdiode 112 ausgehenden Lichtstrahlen zu parallelisieren. Die parallelisierte Primärstrahlung trifft nach der Reflexion an der Reflektorfläche 160 auf das Linsensystem aus den Linsen 123 und 124, die vor dem Lumineszenzkonversionselement 120 angeordnet sind. Diese wirken als Sammellinsen und fokussieren die parallele Primärstrahlung auf das Lumines zenzkonversionsmaterial, sodass die Konversionseffizienz gesteigert wird.
Die durch das Lumineszenzmaterial 122 des Konversionselements 120 erzeugte Sekundärstrahlung ist wiederum kegelförmig und wird durch das im Strahlengang der Sekundärstrahlung angeordnete Linsensystem 123, 124 parallel gerichtet. Dadurch kann eine im Strahlengang der Sekundärstrahlung gelegene Fläche gleichmäßig mit hoher Leuchtkraft ausgeleuchtet werden.
Die Halbleiterlichtquelle im vorgeschlagenen Prinzip ermöglicht es, aus einer Primärstrahlung mit einer ersten Wellenlänge durch Konversion eine Sekundärstrahlung mit einer zweiten Wellenlänge mit hoher Leuchtkraft und großer gleichmäßiger Leuchtverteilung zu erzeugen. Durch die räumlich getrennte Anordnung des Lumineszenzkonversionsmaterials auf der einen Seite und der Primärstrahlungsquelle auf der anderen Seite kann eine gleichmäßig gute Kühlung der beiden Elemente erreicht werden. Dadurch wird einerseits die Konversionseffizienz gesteigert und andererseits eine flexible Anordnung und Ausgestaltung in verschiedenen Anwendungen erreicht.
1 zeigt eine dieser Anwendungen, bei der die Halbleiterlichtquelle als Teil einer Lichtquellenanordnung dazu genutzt wird, weißes zusammengesetztes Licht zu erzeugen. Zu diesem Zweck enthält die Lichtquellenanordnung neben der bereits beschriebenen Halbleiterlichtquelle zwei weitere Strahlungsquellen 130 und 140.
Dabei ist eine weitere Strahlungsquelle 130 mit einer Leuchtdiode 132 ausgebildet, die Licht im blauen Bereich des sichtbaren Spektrums erzeugt. Eine derartige Leuchtdiode kann e benso wie die Leuchtdiode der Primärstrahlungsquelle mit einer Dünnfilmtechnologie realisiert werden.
Als Materialien eignen sich beispielsweise Siliziumkarbid oder auch Indiumgalliumnitrid/Galliumnitrid in verschiedenen stöchiometrischen Relationen. Das von der Leuchtdiode 132 abgegebene Licht wird ebenfalls durch den Reflektor 160 reflektiert und vorliegend parallel zu dem Strahlengang der Sekundärstrahlung ausgerichtet. Zu diesem Zweck ist, wie hier dargestellt, die Strahlungsquelle 130 gegenüber der Primärstrahlungsquelle 110 angeordnet.
Eine weitere vierte Strahlungsquelle 140 enthält eine Leuchtdiode 142, angeordnet auf einem Kühlkörper 141. Die Leuchtdiode 142 ist ausgebildet, Licht im roten Bereich des sichtbaren Spektrums zu erzeugen. Hierzu eignen sich neben organischen Leuchtdioden auch anorganische Halbleiterverbindungen, beispielsweise Aluminium-Galliumarsenid/Galliumarsenid (AlGaAs/GaAS), Galliumarsenidphosphit-Verbindungen (GaAsP) und Aluminiumindiumgalliumphosphit-Verbindungen (AlInGaP).
In dieser Ausgestaltung ist die vierte Strahlungsquelle parallel zur dritten Strahlungsquelle ausgerichtet, wodurch die Hauptabstrahlrichtung im Wesentlichen senkrecht zur Strahlrichtung der Sekundärstrahlung verläuft. Zur Umlenkung des von der Leuchtdiode 142 erzeugten roten Lichts ist hierzu ein weiterer Reflektor 150 vorgesehen. Dieser besitzt ebenfalls ein wellenlängenselektives Transmissions- und Reflexionsverhalten. Im Besonderen reflektiert er Strahlung im roten Bereich des sichtbaren Spektrums, während er elektromagnetische Strahlung im blauen bzw. grünen Bereich des elektromagnetischen Spektrums ungedämpft durchlässt.
Der Reflektor 150 ist parallel zu dem ersten Reflektor 160 angeordnet und kann ebenfalls einen dichroitischen Spiegel umfassen. Sie steht somit mit anderen Worten im 45° Winkel zur Hauptabstrahlrichtung der vierten Strahlungsquelle, wodurch das von der Leuchtdiode 142 der vierten Strahlungsquelle 140 erzeugte Licht parallel zu der Hauptabstrahlrichtung der Sekundärstrahlung reflektiert wird. Damit ergibt sich im Bereich 90 ein Lichtspektrum, welches sich aus den Lichtanteilen der Sekundärstrahlung sowie der reflektierten blauen und roten Strahlung zusammensetzt. Bei einer geeigneten Wahl der verschiedenen Lichtspektren sowie einer entsprechenden Anpassung der Leuchtstärke kann somit im Ausgangsbereich 90 weißes, aus den verschiedenen Farben zusammengesetztes Licht erzeugt werden.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Lichtquellenanordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip einer Konversion einer Primärstrahlung in eine Sekundärstrahlung im grünen Bereich des sichtbaren Spektrums.
In dieser Ausgestaltungsform sind die Primärstrahlungsquelle zusammen mit einer dritten und vierten Strahlungsquelle an einem gemeinsamen Kühlkörper 211 befestigt. Der Kühlkörper 211 besitzt eine Vielzahl hier nicht dargestellter Kühlrippen, um die Oberfläche zu vergrößern und so eine effektive Wärmeabfuhr zu ermöglichen. Weiterhin enthält der Kühlkörper 211 Befestigungen für die Zuführung der notwendigen elektrischen Kontaktleitungen an die einzelnen Leuchtdioden 212, 223 und 242. Die Oberseite 211a des gemeinsamen Kühlkörpers 211 ist im Bereich, in dem die einzelnen Dioden der Strahlungsquellen angeordnet sind, verspiegelt ausgeführt. Dadurch wird das in den Leuchtdioden erzeugte Licht in die Hauptabstrahlrichtung zurückreflektiert.
Weiterhin ist vor jeder Leuchtdiode 212, 232 und 242 ein Linsensystem aus entsprechenden Sammel- und Zerstreuungslinsen angeordnet. Im Einzelnen umfasst jedes Linsensystem eine erste Sammellinse 213, 233, 243 sowie eine zweite Linse 214, 234, 244, mit der der Strahlungskegel der einzelnen Leuchtdioden parallel gerichtet wird. Dadurch wird eine gleichmäßige Ausleuchtung einer Fläche im Ausgangsbereich 90 der Lichtquellenanordnung erreicht.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Lumineszenzkonversionselement 220 im Wesentlichen senkrecht zu dem Kühlkörper 211 und den Primärstrahlungsquellen 200 angeordnet. Das Lumineszenzkonversionselement umfasst ebenfalls einen Kühlkörper 221 und darauf eine befestigte Vorrichtung mit dem Lumineszenzkonversionsmaterial 222. Vor dem Lumineszenzkonversionsmaterial ist wiederum ein Linsensystem aus den zwei Linsen 223 und 224 vorgesehen. Diese fokussieren einerseits die von der Diode 212 erzeugte und an dem Reflektor 270 reflektierte Strahlung auf das Lumineszenzkonversionsmaterial. Andererseits dienen sie zudem, den Strahlungskegel der Sekundärstrahlung zu sammeln, sodass der Strahlengang der Sekundärstrahlung parallel in Richtung auf den Ausgangsbereich 90 verläuft. Dies ist angedeutet durch die parallel verlaufenden Lichtstrahlen nach der Linsenanordnung aus den Linsen 223 und 224.
In diesem Ausführungsbeispiel ist der Reflektor 270 im Wesentlichen senkrecht zu dem zweiten Reflektor 280 für die dritte Strahlungsquelle und der Reflektor 250 zur Reflexion der vierten Strahlung angeordnet. Auch hier sind die einzelnen Reflektorflächen beispielsweise durch dichroitische Spiegel mit unterschiedlichem Transmissions- und Reflexionsver halten realisiert. So zeigt beispielsweise der Reflektor 270 ein reflektierendes Verhalten für die Wellenlänge der von der Leuchtdiode 212 abgegebenen Primärstrahlung.
Das durch das Lumineszenzmaterial 222 konvertierte Licht wird hingegen durch die drei Reflektoren 270, 280 und 250 annähernd ungedämpft durchgelassen. Entsprechend reflektiert die der Reflektor 280 das von der Leuchtdiode 232 erzeugte Licht und der Reflektor 250 das von der Leuchtdiode 242 erzeugte Licht auf den Ausgangsbereich 90 der Lichtquellenanordnung hin. Die entsprechend von links einfallende Sekundärstrahlung wird von dem Reflektor 280 durchgelassen. Entsprechend transmittiert auch der Reflektor 250 sowohl die Sekundärstrahlung als auch die von der Leuchtdiode 232 erzeugte Strahlung.
Zur Erzeugung von weißem Licht kann beispielsweise der Reflektor 250 ein reflektierendes Verhalten im roten Bereich aufweisen. Die Leuchtdiode 242 emittiert dann entsprechend rotes Licht. Der Reflektor 280 zeigt eine starke Reflexion im blauen Bereich und eine entsprechend hohe Transmission für grünes Licht.
Zur Erzeugung von grünem Licht bietet es sich nun an, einerseits Strahlung im ultravioletten Bereich als auch Strahlung im blauen sichtbaren Bereich des Spektrums zu verwenden. Entsprechend erzeugt die Leuchtdiode 212 entweder blaues Licht oder auch Licht im nahen ultravioletten Bereich. Im ersten Fall kann der Reflektor 270 aus dem gleichen Material wie der Reflektor 280 bestehen. Beispielsweise kann so ein Prisma mit den beiden reflektierenden Flächen gebildet werden.
2A zeigt das Reflexionsverhalten der Reflektoren 250, 270 und 280 in Abhängigkeit der Wellenlänge des eingestrahlten Lichts.
In der Kurve L270 ist die Reflexion in Abhängigkeit der Wellenlänge für den Reflektor 270 gemäß dem Ausführungsbeispiel in 2 dargestellt. Hier wird vor allem Licht im Bereich des ultravioletten Spektrums in Richtung auf das Lumineszenzkonversionselement 220 reflektiert. Der Reflektor 270 zeigt demgegenüber nur eine geringe Reflexion von Licht im grünen Bereich des sichtbaren Spektrums, d. h. bei ca. 550 nm. Gleiches gilt für das Reflexionsverhalten des Reflektors 280, gezeigt in der Kurve L280, das im blauen Bereich des sichtbaren Spektrums bei ca. 450 nm ihren größten Wert aufweist. Auch hier wird Licht im grünen Bereich des elektromagnetischen Spektrums durchgelassen. Die Reflexion des Reflektors 250 ist wiederum im roten Bereich am höchsten und fällt zum grünen und blauen Bereich des sichtbaren Spektrums stark ab. Die drei Reflektorflächen mit einem wellenlängenselektiven Transmissions- und Reflexionsverhalten erlauben somit selektiv unterschiedliche Farben zu reflektieren und so im Ausgangsbereich 90 der Lichtquellenanordnung ein gemischtes Licht zu erzeugen. Durch eine Stromflussänderung durch die einzelnen Leuchtdioden können zudem einzelne spektrale Anteile verstärkt werden.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Lichtquellenanordnung, bei der die drei Primärstrahlungsquellen 310, 330 und 340 sowie das Lumineszenzkonversionselement 420 parallel nebeneinander angeordnet sind. Die Primärstrahlungsquellen enthalten jeweils ein Array 312, 332, 342 nebeneinander angeordneter Leuchtdioden. Einzelne Leuchtdioden des Ar rays können so unterschiedlich angesteuert werden, um beispielsweise eine unterschiedliche Lichtstärke zu erzeugen.
In diesem Ausführungsbeispiel sind vier Reflektorflächen 350, 370, 380 und 390 vorgesehen, um die von den Leuchtdioden der Primärstrahlungsquellen bzw. dem Lumineszenzmaterial des Konversionselements erzeugte Strahlung im Ausgangsbereich 90 der Lichtquellenanordnung zu bündeln. Die Reflektorflächen 350, 370 und 380 sind mit dichroitischen Spiegeln ausgebildet. Die Reflektorfläche 390 kann aus Kostengründen als normaler Spiegel ausgebildet sein, wenn eine ausreichende Wärmeabfuhr gewährleistet ist.
Auch in diesem Ausführungsbeispiel ist vor jeder Primärstrahlungsquelle sowie dem Lumineszenzkonversionselement 320 ein Linsensystem aus zwei Linsen 313 bis 343 sowie 314 bis 344 angeordnet. Das Linsensystem für das Konversionselement 320 dient dazu, einerseits die von der Diode 312 erzeugte und durch das Linsensystem 313, 314 parallel gerichtete Primärstrahlung zu fokussieren. Gleichzeitig wird die von dem Konversionsmaterial 323 abgestrahlte Sekundärstrahlung durch das Linsensystem gesammelt und parallel auf die Reflektorfläche 390 gebündelt. Es wirkt somit als kombinierte Sammellinse. Die Reflektorfläche 390 reflektiert sowohl die Primärstrahlung der Quelle 310 als auch die Sekundärstrahlung des Lumineszenzkonversionselements 320,
Die einzelnen Kühlelemente 311 bis 341 der Primärstrahlungsquellen 310, 33, 340 sowie des Lumineszenzkonversionselements 320 sind in diesem Ausführungsbeispiel getrennt dargestellt. Jedes einzelne Kühlelement stellt eine Wärmesenkung zur Kühlung der entsprechenden Primärstrahlungsquelle bzw. des Lumineszenzkonversionsmaterials dar. Die Kühlelemente können bei spielsweise mehrere parallel verlaufende Kühlrippen aufweisen, um eine Wärmeabfuhr an die Umgebung zu verbessern.
Auf ihrer Oberfläche können die Kühlelemente mit den entsprechenden Leuchtdiodenarrays 312, 332 und 342 bzw. mit dem Lumineszenzkonversionsmaterial 322 verbunden sein. Die Schichtenfolge der Leuchtdiodenarrays ist wiederum auf einem Substratwafer aufgebracht und bildet somit das Array. Der Substratwafer kann auch ein Teil des Kühlelements bilden. Alternativ kann das Kühlelement auch eine V- oder U-förmige Struktur aufweisen, beispielsweise in Form einer Aussparung. In diesem können das Lumineszenzkonversionsmaterial bzw. auch einzelne Leuchtdioden oder das ganze Leuchtdiodenarray angeordnet sein. Dadurch wird eine Kühlung nicht nur von der Rückseite, sondern auch von der Seitenfläche ermöglicht, wodurch sich die Effizienz weiter steigern lässt. Zudem lässt sich eine besonders kompakte Bauweise der Lichtquellenanordnung realisieren.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Dabei ist das Lumineszenzkonversionselement 420 rechtwinklig zu den Primärstrahlungsquellen 410, 430 und 440 angeordnet. Im Strahlengang der zweiten und dritten Primärstrahlungsquelle 430 und 440 und dem Lumineszenzkonversionselement 420 ist zudem eine so genannte ”Color Cube” 490 vorgesehen. Diese umfasst wie angedeutet mehrere Reflektorelemente 490a, 490b, die zueinander rechtwinklig stehen. Sie sind gegenüber den Strahlungsgängen der beiden Primärstrahlungsquellen 430, 440 sowie dem Lumineszenzkonversionselement 420 jeweils um einen Winkel von 45° versetzt.
Zwischen dem ”Color Cube” 490 und den entsprechenden Linsensystemen 433, 434 der zweiten Primärstrahlungsquelle 430 so wie dem Linsensystem 443, 444 der dritten Primärstrahlungsquelle 440 sind jeweils Flüssigkristallbildschirme (LCD-Schirme) für einzelnen Teilbilder angeordnet. In gleicher Weise ist auch zwischen dem Strahlengang des Lumineszenzkonversionselements 420 und der ”Color Cube” 490 ein Flüssigkristallbildschirm 494 vorgesehen. Die Flüssigkristallbildschirme oder auch Flüssigkristallanzeigen stellen Bildschirme oder Anzeigen dar, deren Funktion darauf beruht, dass Flüssigkristalle die Polarisationsrichtung von Licht im Fall einer angelegten Spannung beeinflussen können. Abhängig von der Ausrichtung der Flüssigkristalle durchdringt das Licht den Bildschirm oder nicht. Somit entsteht in der einfachsten Form auf der anderen Seite ein ”Hell-Dunkel” Bild.
Durch eine Aufteilung in einzelne Bildelemente kann so für jeden Teilbereich eines Flüssigkristallbildschirms, Pixel genannt, eine unterschiedliche Helligkeit durch entsprechende Ausrichtung der Flüssigkristalle erreicht werden. In der nach geschalteten ”Color Cube” 490 werden die von den einzelnen Flüssigkristallbildschirmen 492, 493 und 494 erzeugten roten, blauen und grünen Teilbilder zusammengesetzt und im Ausgangsbereich 90 der Lichtquellenanordnung dargestellt.
5 zeigt eine vergrößerte Darstellung des Linsensystems mit einer Reflektorfläche gemäß dem Ausführungsbeispiel der 4. Entsprechend kann dieses Linsensystem auch in den anderen Ausführungsbeispielen der Lichtquellenanordnung eingesetzt werden. In der Ausführung umfasst das Linsensystem jeweils zwei hintereinander angeordnete und symmetrisch um eine optische Achse gelagerte Linsen. Weiterhin angedeutet sind die Oberflächen 412a der Leuchtdiode sowie 422a des Lumineszenzmaterials.
Der zur Umlenkung notwendige Reflektor 470 mit seiner planaren Oberfläche L3 ist ebenfalls schematisch dargestellt. Die beiden Linsensysteme 423, 424 sowie 413 und 414 sind ähnlich aufgebaut. Der Radius L1 der ersten Linsen 413 und 423 ist größer als der Radius L2 der beiden Linsen, wodurch sich eine konvex-konkave Zerstreuungslinse ergibt. Von der Oberfläche 422a bzw. 412a abgestrahltes Licht wird somit zerstreut. Durch die im Strahlengang angeordneten bikonvexen Sammellinsen 424 bzw. 414 wird das abgestrahlte Licht parallel gerichtet und auf die Reflektorfläche 470 gelenkt. Zu diesem Zweck ist der Krümmungsradius L2.1 größer als der der Reflektorfläche zugewandte Krümmungsradius L2.2.
Die von der Oberfläche 412a abgegebene und von dem Linsensystem 413, 414 parallel gerichtete Strahlung wird durch die Reflektorfläche 470 in Richtung auf das Linsensystem 424, 423 gelenkt. Die parallele Strahlung wird in der ersten Linse 424 fokussiert und durch die zweite Linse 423 leicht zerstreut, sodass sie möglichst vollständig auf das vorhandene Konversionsmaterial an der Oberfläche 422a trifft. Dort wird sie in die Sekundärstrahlung gewandelt und wieder abgestrahlt. Die abgestrahlte Sekundärstrahlung wird durch das Linsensystem 423 und 424 erneut gesammelt und parallel entlang der optischen Achse abgegeben.
7 zeigt eine Ausführungsform einer Leuchtdiode, die beispielsweise als Primärstrahlungsquelle, aber auch als zweite oder dritte Strahlungsquelle einsetzbar ist. Ebenso kann sie Teil eines Diodenarrays sein, welches wiederum eine Strahlungsquelle bildet. Die Leuchtdiode ist mit einer Dünnfilm-Schichttechnologie ausgebildet und auf einem Substratträger 614 angeordnet. Der Substratträger 614 ist aus einem elektrisch leitenden Material ausgebildet und umfasst auf seiner der Hauptabstrahlrichtung A gegenüberliegenden Seite einen elektrischen Kontakt 612. Dieser dient dazu, eine Elektrode der Leuchtdiode elektrisch zu kontaktieren. Auf der Oberfläche des Substratträgers 614 ist eine Licht emittierende Schichtenfolge mit verschiedenen Halbleitermaterialien realisiert.
In der Ausführungsform ist eine erste elektrisch leitende und gleichzeitig reflektierende Schicht 623 auf der Oberfläche des Substratträgers 614 aufgebracht. Auf dieser ist ein erstes dotiertes Halbleitermaterial 622 angeordnet. Ein hierzu unterschiedlich dotiertes zweites Halbleitermaterial ist darüber aufgebracht, wodurch sich an der Grenzfläche ein pn-Übergang 620 ausbildet. In diesem rekombinieren in einem Betrieb der Diode extern injizierte Löcher und Elektronen unter Lichterzeugung.
Auf der zweiten Halbleiterschicht 621 ist eine transparente Elektrode 624 aufgebracht und diese über einen elektrischen Kontakt mit einer Zuleitung 616 versehen. Die transparente elektrisch leitfähige Schicht 622 ermöglicht eine großflächige Einkopplung von Ladungsträgern in das darunter liegende Halbleitermaterial 621.
Transparente leitende Oxide (transparent conductive oxides, kurz „TCO”) sind transparente, leitende Materialien, in der Regel Metalloxide, wie beispielsweise Zinkoxid, Zinnoxid, Cadmiumoxid, Titanoxid, Indiumoxid oder Indiumzinnoxid (ITO). Neben binären Metallsauerstoffverbindungen, wie beispielsweise ZnO, SnO₂ oder In₂O₃ gehören auch ternäre Metallsauerstoffverbindungen, wie beispielsweise Zn₂SnO₄, CdSnO₃, ZnSnO₃, MgIn₂O₄, GaInO₃, Zn₂In₂O₅ oder In₄Sn₃O₁₂ oder Mischungen unterschiedlicher transparenter leitender Oxide zu der Gruppe der TCOs. Weiterhin entsprechen die TCOs nicht zwingend einer stöchiometrischen Zusammensetzung und können auch p- oder n-dotiert sein.
Eine Zuführung der Ladungsträger erfolgt über die an einer Seite angeordnete Zuleitung 616. Diese führt außerhalb der Schichtenfolge über eine Isolierung 615 an einen an der Unterseite des Substratträgers 614 angeordneten zweiten Kontakt 613. Die Isolierung 615 verhindert einen Kurzschluss zwischen dem elektrisch leitfähigen Substratträger 614 und der Kontaktierung 616.
Darüber hinaus ist die Schichtenfolge mit einem transparenten dielektrischen Material 618 zum Schutz gegen mechanische oder chemische Beschädigung umgeben. Beispielsweise kann dieses transparente Material Siliziumdioxid oder einen transparenten Kunststoff umfassen.
Zudem kann auf der dielektrischen Schicht 618, insbesondere auf den Seitenwänden der dielektrischen Schicht, eine weitere Spiegelschicht angeordnet sein. Dadurch wird seitlich abgestrahltes Licht zurückreflektiert und gegebenenfalls entlang der Hauptabstrahlrichtung A abgestrahlt.
8 zeigt eine Ausgestaltung eines Lumineszenzkonversionselements 820. Das Element 820 ist auf einem Kühlkörper 821 angeordnet, der eine gute thermische Wärmesenke darstellt. Das Lumineszenzmaterial 822 ist wiederum auf einer Spiegelschicht 822b als planare Schicht aufgebracht. Beispielsweise ist das Lumineszenzmaterial in einem keramischen Träger eingebettet und fixiert. Zur Verbesserung der Konversionseffizienz sind zudem an den Seitenwänden des Lumineszenzkonversionselements 820 zusätzliche Spiegel 822a angeordnet. Dadurch wird konvertiertes Licht, das in Richtung der Seitenwände bzw. in Richtung des Kühlelements 821 abgestrahlt wird, von den Spiegeln reflektiert und in der Hauptabstrahlrichtung transmittiert.
Gleichzeitig wird eingekoppelte Primärstrahlung, die nicht im Konversionsmaterial wellenlängenkonvertiert wird, durch die zusätzliche Spiegelschicht 822b zurück in das Konversionsmaterial reflektiert. Dadurch vergrößert sich die Konversionswahrscheinlichkeit und die Effizienz des Konversionselements wird weiter verbessert.
Die vorgeschlagene Erfindung ist durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele nicht auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst sie jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen der einzelnen Ausführungsbeispiele, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination in den Ausführungsbeispielen und/oder Ansprüchen nicht explizit angegeben ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 6066861 [0003]
- EP 1734302 A1 [0005]
- EP 0905797 [0042]
- WO 02/13281 [0042]
- WO 98/12757 [0053]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Druckschrift I. Schnitzer et al. Appl. Phys. Lett. 63 (16), 18. Oktober 1993, Seiten 2174 bis 2176 [0042]

Claims

Halbleiterlichtquelle, umfassend: – eine Primärstrahlungsquelle mit einer Schichtenfolge, die im Betrieb eine erste elektromagnetische Primärstrahlung entlang einer ersten Hauptstrahlrichtung emittiert; – ein von der Primärstrahlungsquelle beabstandetes Lumineszenzkonversionselement, das einen Kühlkörper und ein daran angeordnetes Lumineszenzmaterial aufweist, welches zumindest einen Teil der eingekoppelten Primärstrahlung mittels mindestens eines Leuchtstoffs in eine Sekundärstrahlung entlang einer zweiten Hauptstrahlrichtung wellenlängenkonvertiert; – ein Reflektorelement, das im Strahlengang der Primärstrahlungsquelle angeordnet und ausgeführt ist, die Primärstrahlung auf das Lumineszenzmaterial des Lumineszenzkonversionselements zu lenken oder von dem Lumineszenzmaterial in Richtung der Primärstrahlungsquelle abgegebene Sekundärstrahlung umzulenken.
Die Halbleiterlichtquelle nach Anspruch 1, bei der die zweite Hauptstrahlrichtung nicht parallel zu der ersten Hauptstrahlrichtung verläuft.
Die Halbleiterlichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 2, bei der das Reflektorelement im Strahlengang der Sekundärstrahlung angeordnet und für diese im Wesentlichen transparent ist.
Die Halbleiterlichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der das Reflektorelement einen dichroitischer Spiegel aufweist, der ein Reflexionsverhalten im Wellenlängen bereich einer Strahlung aus der ersten Primärstrahlung und der Sekundärstrahlung und ein Transmissionsverhalten im Wellenlängenbereich der anderen Strahlung zeigt.
Die Halbleiterlichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der das Reflektorelement zwei im Wesentlichen senkrecht zueinander angeordnete Reflektorflächen aufweist.
Die Halbleiterlichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Schichtenfolge der Primärstrahlungsquelle Indium-Galliumnitrid und Galliumnitrid umfasst.
Die Halbleiterlichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Schichtenfolge der Primärstrahlungsquelle eine Primärstrahlung im ultravioletten Bereich erzeugt.
Die Halbleiterlichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der das Lumineszenzmaterial eine Sekundärstrahlung im grünen Bereich des sichtbaren Lichts durch eine Umwandlung von Strahlung kürzerer Wellenlänge erzeugt.
Die Halbleiterlichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der das Lumineszenzkonversionselement der Primärstrahlungsquelle gegenüberliegend angeordnet ist.
Die Halbleiterlichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der das Lumineszenzkonversionselement eine reflektierende Schicht umfasst, welche Primär- und/oder Sekundärstrahlung im Wesentlichen parallel zur zweiten Hauptstrahlrichtung reflektiert.
Die Halbleiterlichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der das Lumineszenzkonversionselement das Lumines zenzmaterial in Form eines Einkristalls oder in Form eines keramischen Materials aufweist.
Die Halbleiterlichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 11, beider die Primärstrahlungsquelle und das Lumineszenzkonversionselement mit verschiedenen, voneinander thermisch im Wesentlichen getrennten Kühlkörper ausgebildet sind.
Die Halbleiterlichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der das Lumineszenzkonversionselement die Form einer im Wesentlichen ebenen Schicht oder einer Platte hat, deren Oberfläche im wesentlichen senkrecht zu einer Einstrahlrichtung der Primärstrahlung und/oder der Sekundärstrahlung liegt.
Die Halbleiterlichtquelle nach Anspruch 13, bei der eine reflektierende Schicht auf einer der Oberfläche gegenüberliegenden Fläche angeordnet ist.
Die Halbleiterlichtquelle nach einem der Ansprüche 13 bis 14, bei der die Oberfläche eine Aufrauung und/oder Strukturierung aufweist.
Die Halbleiterlichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei der zwischen der Primärstrahlungsquelle und dem Reflektorelement ein erstes Linsensystem angeordnet ist.
Die Halbleiterlichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei der zwischen dem Reflektorelement und dem Lumineszenzkonversionselement ein zweites Linsensystem angeordnet ist.
Die Halbleiterlichtquelle nach einem der Ansprüche 16 bis 17, bei der das Linsensystem zumindest eine Sammellinse und/oder eine Zerstreuungslinse umfasst.
Die Halbleiterlichtquelle nach einem der Ansprüche 16 bis 18, bei der das erste und/oder zweite Linsensystem zu einer Parallelisierung der Primär- und/oder Sekundärstrahlung ausgeführt ist.
Lichtquellenanordnung mit einer Halbleiterlichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 19 und weiter umfassend: – eine zweite Strahlungsquelle zur Erzeugung einer dritten elektromagnetischen Strahlung mit einer Wellenlänge unterschiedlich zu der Wellenlänge der Sekundärstrahlung; – eine dritte Strahlungsquelle zur Erzeugung einer vierten elektromagnetischen Strahlung mit einer Wellenlänge unterschiedlich zu Wellenlängen der Primärstrahlung, der Sekundärstrahlung und der dritten elektromagnetischen Strahlung; – eine Reflektoranordnung, die in einem Strahlengang der Sekundärstrahlung sowie der dritten und vierten Strahlung angeordnet und derart ausgestaltet ist, Sekundärstrahlung, dritte und vierte Strahlung im Wesentlichen parallel zueinander auszurichten.
Die Lichtquellenanordnung nach Anspruch 20, bei der zumindest zwei der Primärstrahlungsquelle und der dritten und vierten Strahlungsquelle auf einem gemeinsamen Kühlkörper angeordnet sind.
Die Lichtquellenanordnung nach einem der Ansprüche 20 bis 21, bei welcher der Kühlkörper des Lumineszenzkonversionselements und mindest eine der Strahlungsquellen auf einem gemeinsamen Kühlkörper angeordnet sind.
Die Lichtquellenanordnung nach einem der Ansprüche 20 bis 22, bei der zwischen der dritte Strahlungsquelle und der Reflektoranordnung ein Linsensystem angeordnet ist.
Die Lichtquellenanordnung nach einem der Ansprüche 20 bis 23, bei der die zweite Strahlungsquelle der Primärstrahlungsquelle gegenüberliegend angeordnet ist, wobei das Reflektorelement zur Umlenkung der dritten elektromagnetischen Strahlung ausgebildet ist.
Die Lichtquellenanordnung nach einem der Ansprüche 20 bis 24, bei der die Primärstrahlung und die dritte elektromagnetische Strahlung im Wesentlichen das gleiche elektromagnetische Spektrum aufweisen.
Die Lichtquellenanordnung nach einem der Ansprüche 20 bis 25, bei der die Reflektoranordnung LCD-Bildschirme in Strahlengängen der Sekundärstrahlung und der dritten und vierten elektromagnetischen Strahlung aufweist.