DE102008029318A1

DE102008029318A1 - Lichtemittierende Vorrichtungsgehäuse, die Lichtstreupartikel unterschiedlicher Grösse verwenden

Info

Publication number: DE102008029318A1
Application number: DE102008029318A
Authority: DE
Inventors: Arpan Goleta Chakraborty
Original assignee: Cree Inc
Current assignee: Wolfspeed Inc
Priority date: 2007-08-24
Filing date: 2008-06-20
Publication date: 2009-02-26
Also published as: JP2009054995A; JP2012129568A; US20090050911A1; JP5091023B2; US11114594B2

Abstract

Strahlungsemittierende Vorrichtung mit Lichtstreupartikeln verschiedener Größe, die einen Emitter zumindest teilweise umgeben und die räumliche Farbmischung und Farbgleichmäßigkeit der Vorrichtung verbessern. Mehrere Größen von Lichtstreupartikeln sind in einem Medium verteilt, so dass sie ein polychromatisches Emittergehäuse mit einem oder mehreren Chips zumindest teilweise umgeben. Die unterschiedlichen Größen der Lichtstreupartikel wirken mit entsprechenden Wellenlängenbereichen der emittierten Strahlung zusammen. Somit kann Strahlung, die über mehrere Wellenlängenbereiche oder Wellenlängenteilbereiche emittiert wird, wirksam gestreut werden, um räumlich ungleichmäßige Farbmuster im ausgegebenen Strahlenbündel zu beseitigen (oder absichtlich zu bilden).

Description

Diese Erfindung wurde unter der Vertragsnr. USAF 05-2-5507 mit Unterstützung der US-Regierung realisiert. Die US-Regierung besitzt bestimmte Rechte an dieser Erfindung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft lichtemittierende Vorrichtungen und insbesondere weißes Licht emittierende Dioden und mehrfarbiges Licht emittierende Dioden in Gehäusen mit einem oder mehreren Chips.
Beschreibung des verwandten Fachgebiets
Leuchtdioden (LED oder LEDs) sind Festkörperbauelemente, die elektrische Energie in Licht umwandeln und im Allgemeinen eine oder mehrere aktive Schichten eines zwischen gegensätzlich dotierten Schichten angeordneten Halbleitermaterials umfassen. Üblicherweise werden Drahtverbindungen verwendet, um eine Vorspannung über die dotierten Schichten anzulegen, wobei Löcher und Elektronen in die aktive Schicht injiziert werden, wo sie sich wiederverbinden, um Licht zu erzeugen. Licht wird von der aktiven Schicht und von allen Oberflächen der LED emittiert. Eine typische hocheffiziente LED umfasst einen LED-Chip, der auf einem LED-Gehäuse angebracht ist und von einem transparenten Medium eingekapselt ist. Die effiziente Auskopplung von Licht aus LEDs ist ein Hauptanliegen bei der Herstellung hocheffizienter LEDs.
LEDs können hergestellt werden, um Licht in verschiedenen Farben zu emittieren. Herkömmliche LEDs können jedoch kein weißes Licht aus ihren aktiven Schichten erzeugen. Licht von einer blau ausstrahlenden LED wurde in weißes Licht umgewandelt, indem die LED mit einem gelben Leuchtstoff, Polymer oder Farbstoff umschlossen wurde, wobei mit Cerium-dotiertes Yttrium- Aluminium-Granat (Ce:YAG) ein typischer Leuchtstoff ist. (Siehe Nichia Corp. weiße LED, Teilenr. NSPW300BS, NSPW312BS, usw.; s. auch US-Patent Nr. 5,959,316 von Lowrey, „Multiple Encapsulation of Phosphor-LED Devices"). Das umgebende Leuchtstoffmaterial "wandelt" die Energie eines Teils des blauen Lichts der LED "abwärts um", wodurch die Wellenlänge des Lichts erhöht und ihre Farbe auf Gelb geändert wird. Ein Teil des blauen Lichts wird unverändert durch den Leuchtstoff geleitet, während ein Teil des Lichts auf Gelb abwärts umgewandelt wird. Die LED emittiert sowohl blaues als auch gelbes Licht, das sich vereinigt, um weißes Licht bereitzustellen. Bei einem weiteren Ansatz wurde Licht von einer violett oder ultraviolett emittierenden LED zu weißem Licht umgewandelt, indem die LED mit mehrfarbigen Leuchtstoffen oder Farbstoffen umgeben wurde.
Es wird angemerkt, dass in der gesamten Anmeldung auf zwei unterschiedliche interessierende Winkel Bezug genommen wird. Der erste Winkel ist der Betrachtungswinkel, der in 1a beispielhaft als θ_v gezeigt ist. Der Betrachtungswinkel wird von der optischen Achse aus gemessen, die in diesem Fall durch die Mitte der halbkugelförmigen Einkapselung und senkrecht zum flachen Rand der Einkapselung verläuft. Ein Betrachtungswinkel von null Grad (0°) gibt an, dass das aus der Einkapselung ausgegebene Licht von einem Punkt außerhalb der Einkapselung, der der Quelle direkt gegenüberliegt, d. h. axial betrachtet (oder gemessen) wird. Der Betrachtungswinkel wird größer, wenn die Vorrichtung bezüglich des Betrachters geneigt wird. Ein Betrachtungswinkel von neunzig Grad (90°) gibt an, dass das ausgehende Licht von einem Winkel, der senkrecht zur optischen Achse ist und auf gleicher Höhe mit dem flachen Rand der Einkapselung verläuft, d. h. direkt von der Seite gemessen wird.
Der zweite Winkel, auf den verwiesen wird, ist der Emissionswinkel, der in 1a als Winkel θ_e gezeigt ist. Der Emissionswinkel hat die gleiche optische Achse wie der Betrachtungswinkel. Er misst von der optischen Achse aus den Winkel, mit dem sich ein Lichtstrahl zunächst in der Einkapselung ausbreitet, nachdem er von der Quelle ausgestrahlt wurde. Ein Lichtstrahl, der sich zunächst von der Quelle entlang der optischen Achse ausbreitet (z. B. Strahl R₁), hat einen Emissionswinkel von 0°. Wie gezeigt, hat der Strahl θ_e einen Winkel von etwa vierzig Grad (40°). Der Emissionswinkel wird größer, wenn die Richtung der anfänglichen Ausbreitung von der optischen Achse abweicht. Ein wichtiger Unterschied zwischen den beiden Winkeln liegt darin, dass das ausgegebene Profil bei einem gegebenen Betrachtungswinkel von den Streuvorgängen innerhalb der Einkapselung beeinflusst wird, während der Emissionswinkel die Richtung des Lichts beschreibt, wie es zunächst von der Quelle emittiert wird, bevor es mit Materialien in der Einkapselung zusammenwirken kann.
Es sind verschiedene Verfahren zur Beschichtung von LEDs in Betracht gezogen worden, zu denen die Rotationsbeschichtung, die Sprühbeschichtung, die elektrostatische Abscheidung (ESD) und die elektrophoretische Abscheidung (EPD) gehören. Verfahren wie die Rotationsbeschichtung oder die Sprühbeschichtung verwenden üblicherweise ein Bindematerial bei der Leuchtstoffabscheidung, während andere Verfahren zur Stabilisierung der Leuchstoffpartikel/des Leuchtstoffpulvers das Hinzufügen eines Bindemittels unmittelbar nach deren Abscheidung erfordern.
Eine typische Art der LED-Einkapselung, bei der ein Leuchtstoff auf eine LED aufgebracht wird, ist als „glob-in-a-cup"-Verfahren („Klumpen-in-einer-Schale"-Verfahren) bekannt. Ein LED-Chip befindet sich am Boden einer schalenartigen Vertiefung, und ein einen Leuchtstoff enthaltendes Material (beispielsweise Leuchtstoffpartikel, die in einer Einkapselung, wie etwa Silikon oder Epoxidharz, verteilt sind) wird in die Schale eingespritzt und füllt sie, wobei es die LED umgibt und einkapselt. Das Einkapselungsmaterial wird dann getrocknet, damit es sich um die LED herum verhärtet. Diese Einkapselung kann jedoch zu einem LED-Gehäuse führen, das bei unterschiedlichen Betrachtungswinkeln bezüglich des Gehäuses eine starke Schwankung hinsichtlich der Farbtemperatur des emittierten Lichts hat. Diese Farbschwankung kann auf viele Faktoren zurückgeführt werden, zu denen die unterschiedlichen Weglängen gehören, die das Licht durch das Umwandlungsmaterial zurücklegen kann. Dieses Problem kann sich bei Gehäusen verstärken, bei denen sich das Matrixmaterial, das einen Leuchtstoff enthält, über den „Rand" der Schale, in der sich die LED befindet, hinaus erstreckt, was dazu führt, dass umgewandeltes Licht, das seitlich in große Betrachtungswinkel (beispielsweise mit Winkeln von 90° bezüglich der optischen Achse) emittiert wird, überwiegt. Das Ergebnis ist, dass das von dem LED-Gehäuse emittierte weiße Licht ungleichmäßig wird und Lichtstreifen oder -ausschnitte mit unterschiedlichen Farben oder Intensitäten haben kann.
Ein weiteres Verfahren zur Einkapselung oder Beschichtung von LEDs umfasst die direkte Verbindung von Leuchtstoffpartikeln auf den LED-Oberflächen unter Verwendung von Verfahren wie etwa der elektrophoretischen Abscheidung. Dieses Verfahren verwendet die elektrostatische Ladung, um Leuchtstoffpartikel auf die Oberfläche des LED-Chips, die geladen ist, anzuziehen. Dieses Verfahren kann zu einer Verbesserung der Farbgleichmäßigkeit in Abhängigkeit von dem Blickwinkel führen, wobei ein Grund für diese Verbesserung darin liegt, dass die Quelle des umgewandelten Lichts und die des nicht umgewandelten Lichts räumlich nah beieinander liegen. Eine blau emittierende LED, die mit einem gelben Umwandlungsmaterial bedeckt ist, kann beispielsweise eine Quelle für im Wesentlichen gleichmäßiges weißes Licht bereitstellen, da das Umwandlungsmaterial und die LED räumlich nah beieinander liegen. Dieses Verfahren kann aufgrund von Schwierigkeiten bei der Steuerung der elektrostatischen Ladungen über viele LEDs im Umfeld einer Massenfertigung unbeständig sein.
Ein bekannter Ansatz, der sich mit diesen Unbeständigkeiten befasst, um die räumliche Farbtemperaturgleichmäßigkeit des emittierten Lichts zu verbessern, besteht darin, den Weg von ausgehenden Lichtstrahlen unter Verwendung von Lichtstreupartikeln willkürlich zu gestalten. Die 1a und 1b veranschaulichen eine lichtemittierende Vorrichtung 100, die diesen Lösungsansatz anwendet. 1a stellt einen Querschnitt der bekannten Vorrichtung entlang der Schnittlinie 1a (in 1b zu sehen) dar. Eine Lichtquelle 102 ist auf einem Substrat 104 angeordnet. Eine Schicht abwärtsumwandelndes Material 106 bedeckt die Lichtquelle 102. Ein Reflektor 108 ist um die Lichtquelle 102 herum auf dem Substrat 104 so angeordnet, dass die Lichtquelle 102 in einem Hohlraum untergebracht ist, der von dem Reflektor 108 und dem Substrat 104 begrenzt ist. Eine halbkugelförmige Einkapselung 110 ist über der Lichtquelle 102 angeordnet. Die Einkapselung 110 kann beispielsweise unter Verwendung eines Epoxydharz-Klebers über der Lichtquelle 102 angebracht werden, obwohl auch andere Befestigungsverfahren verwendet werden können. Lichtstreupartikel 112 sind in der gesamten Einkapselung 110 verteilt.
Die Lichtstrahlen R1–R4 bilden die Wege beispielhafter Photonen, die von der Quelle 102 emittiert werden. Wie gezeigt, wird R1 emittiert und durchläuft über eine Länge (l₁) das abwärts umwandelnde Material 106, wo die Wahrscheinlichkeit besteht, dass das Licht eine Wellenlängenumwandlung erfährt. Es wird angemerkt, dass die Wahrscheinlichkeit, dass ein Photon abwärts umgewandelt wird (d. h. absorbiert und erneut ausgestrahlt wird) mit der Strecke zunimmt, die das Photon durch das abwärts umwandelnde Material 106 zurücklegt. R2, der eine größere Strecke (l₂) durch das abwärts umwandelnde Material 106 zurücklegt, wird somit mit einer größeren Wahrscheinlichkeit abwärts umgewandelt. Daraus ergibt sich, dass in Abhängigkeit von der Form der abwärts umwandelnden Schicht der Anteil des Lichts, das beim Durchtritt durch die abwärts umwandelnde Schicht 106 abwärts umgewandelt wird, eine Funktion des Emissionswinkels der Quelle 102 ist. Ohne Lichtstreupartikel würde das Emissionsspektrum ein ausgeprägtes Muster aufweisen und einen Lichtpunkt mit Schwankungen hinsichtlich der Farbtemperatur und der Farbintensität erzeugen, die für das menschliche Auge häufig wahrnehmbar sind. Derartige Ungleichmäßigkeiten können dazu führen, dass eine lichtemittierende Vorrichtung für bestimmte Anwendungen nicht wünschenswert ist.
Nach dem Durchtritt durch das abwärts umwandelnde Material 106 tritt das Licht in die Einkapselung 110 ein. Die in der gesamten Einkapselung 110 verteilten Lichtstreupartikel 112 sind dazu vorgesehen, die einzelnen Photonen umzuleiten, bevor sie emittiert werden, damit die Stelle, an der die Photonen aus der Einkapselung 110 treten, zu einer willkürlichen Stelle gemacht wird. Dies führt zu einer Verbesserung der räumlichen Farbtemperaturgleichmäßigkeit. R1 stößt beispielsweise mit einem Lichtstreupartikel zusammen, ändert die Richtung und wird auf die gezeigte Weise emittiert. R1 tritt an einer Stelle aus der Einkapselung 110 aus, die eine andere ist als diejenige, an der er ohne Lichtstreupartikel ausgetreten wäre. R3 erfährt mehrere Streuvorgänge. R2 und R4 treten ungehindert durch die Einkapselung hindurch. Die Lichtstreupartikel führen somit (in einem gewissen Umfang) zu einer Zufallsanordnung der Stelle, an der emittierte Photonen aus der Einkapselung 110 treten, indem sie die Photonen von ihrem ursprünglichen Emissionswinkel trennen.
Um Licht mit einem spezifischen spektralen Inhalt zu emittieren, ist bekannt, LED-Gehäuse mit mehreren Chips zu verwenden. Häufig werden mehrere Chips mit unterschiedlichen Farben in ein- und demselben Gehäuse verwendet. Ein roter Chip, ein grüner Chip und ein blauer Chip können beispielsweise in Kombination verwendet werden, um ein weißes Licht ausstrahlendes Gehäuse (Festkörper-RGB) zu bilden. Weitere Multichipkombinationen sind auch üblich, wie etwa der Festkörper-RGGB, der einen roten Chip, einen blauen Chip und zwei grüne Chips pro Einheit aufweist. Es können Leuchtstoffumwandlungsschichten zusammen mit diesen Multichipvorrichtungen verwendet werden, beispielsweise das mit einem Leuchtstoff umgewandelte RGB, das für Anwendungen mit hohem Farbwiedergabeindex angewendet wird. Eine weitere bekannte Vorrichtung besteht aus einer mit einem Leuchtstoff umgewandelten weißen LED und einem roten Festkörperchip. Weitere Kombinationen aus mit einem Leuchtstoff umgewandelten, farbigen Chips und Festkörperchips sind auch bei einem LED-Gehäuse mit mehreren Chips bekannt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Ausführungsform einer emittierenden Vorrichtung weist mindestens einen Emitter auf, der ein Strahlungsspektrum emittiert. Eine erste Vielzahl von Streupartikeln einer ersten Größe umgeben zumindest teilweise den mindestens einen Emitter, und eine zweite Vielzahl von Streupartikeln einer zweiten Größe umgeben zumindest teilweise den mindestens einen Emitter. Entsprechende Teile der von dem Emitter emittierten Strahlung wirken mit der ersten und der zweiten Vielzahl von Streupartikeln zusammen.
Eine Ausführung einer lichtemittierenden Vorrichtung weist mindestens einen Lichtemitter auf. Eine Einkapselung ist so ausgelegt, dass im Wesentlichen das gesamte von dem Lichtemitter emittierte Licht durch die Einkapselung hindurchtritt. Eine Vielzahl von Streupartikeln ist in der gesamten Einkapselung angeordnet. Diese Vielzahl von Streupartikeln hat mindestens zwei verschiedene Partikelgrößen.
Eine Ausführungsform einer Einkapselung umfasst ein erstes Material, das die Form der Einkapselung definiert, wobei das erste Material einen ersten Brechungsindex hat. Ein zweites Material mit Teilchencharakter ist im ersten Material verteilt, wobei das zweite Material einen zweiten Brechungsindex hat. Ein drittes Material mit Teilchencharakter ist im ersten Material verteilt, wobei das dritte Material einen dritten Brechungsindex hat.
Eine weitere Ausführungsform einer Einkapselung umfasst ein erstes Material, dass die Form der Einkapselung definiert. Ein zweites Material mit Teilchencharakter ist im ersten Material verteilt, wobei das zweite Material Partikel mit einer durchschnittlichen Größe aufweist. Ein drittes Material mit Teilchencharakter ist im ersten Material verteilt, wobei das dritte Material Partikel einer durchschnittlichen Größe aufweist, welche sich von derjenigen der Partikel im zweiten Material unterscheidet.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1a ist eine Querschnittansicht einer emittierenden Vorrichtung aus dem Stand der Technik.
1b ist eine Draufsicht der bekannten emittierenden Vorrichtung aus 1a.
2 ist eine Querschnittansicht einer emittierenden Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine Querschnittansicht einer emittierenden Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine Querschnittansicht einer emittierenden Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 ist eine Querschnittansicht einer Einkapselung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6 ist eine Querschnittansicht einer emittierenden Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
7 ist eine Querschnittansicht einer emittierenden Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8 ist eine Draufsicht eines Emittergehäuses mit mehreren Chips.
9 ist eine Querschnittansicht einer Einkapselung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
10 ist eine Querschnittansicht eines Emittergehäuses mit mehreren Chips gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
11 ist ein Graph, der die Versuchsergebnisse verschiedener Lichtstreupartikelkombinationen zeigt, die mit einem LED mit weißem Chip verwendet wurden.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine verbesserte strahlungsemittierende Vorrichtung und insbesondere eine lichtemittierende Vorrichtung dar, die eine hervorragende Farbgleichmäßigkeit und eine verbesserte räumliche Farbmischung in mehrfarbigen Gehäusen aufweist. Die Ausführungsformen eignen sich besonders gut für die Verwendung mit weißes Licht emittierenden Dioden (LEDs) und mit verschiedenen mehrfarbigen LED-Gehäusen bei Anwendungen mit einem oder mehreren Chips. Ähnlich wie bei anderen LED-Vorrichtungen wird eine Vorspannung über die Vorrichtung angelegt und als Ergebnis einer strahlenden Rekombination im aktiven Bereich der Vorrichtung Licht emittiert. Es ist häufig wünschenswert, das von einer LED ausgestrahlte Licht, manchmal als Lichtpunkt bezeichnet, zu manipulieren. Einige Anwendungen erfordern einen Lichtpunkt mit einem hohen Grad an Farbtemperaturgleichmäßigkeit und, bei mehrfarbigen Gehäusen, eine gute räumliche Farbmischung. Vorrichtungen können auch dazu vorgesehen sein, einen Lichtpunkt mit einem speziell angepassten Muster auszugeben. Obwohl die meisten der hier erläuterten Vorrichtungen dazu vorgesehen sind, Strahlung im sichtbaren Spektrum zu emittieren, können einige Vorrichtungen Strahlung im infraroten, ultravioletten oder in anderen Bereichen emittieren. Der Begriff „Licht" wird aus praktischen Gründen verwendet und sollte, sofern nicht explizit anders angegeben, nicht so zu verstehen sein, dass die Ausstrahlung in Bereichen oder Teilbereichen außerhalb des sichtbaren Spektrums ausgeschlossen ist.
Eine Ausführungsform verbessert die Farbtemperaturgleichmäßigkeit und die räumliche Farbmischung unter Verwendung von Lichtstreupartikeln (LSPs) mit unterschiedlichen Größen und/oder unterschiedlichen Brechungsindizes. Üblicherweise variieren sowohl die Partikelgröße als auch der Brechungsindex bei unterschiedlichen Materialien. Die LSPs umgeben zumindest teilweise den/die Emitter, um im Wesentlichen das gesamte emittierte Licht zu streuen. Die LSPs können an vielen Stellen angeordnet sein, wie unten ausführlich erläutert.
Die Art und Weise, in der Partikel in einem gegebenen Wellenlängenbereich mit Licht zusammenwirken, ist ein Produkt der Partikelgröße und der Brechungsqualität des Materials (durch den Brechungsindex angegeben). Durch die Verwendung von Partikeln unterschiedlicher Größe kann mehr als ein Teilbereich des Lichts gestreut werden, was bei Vorrichtungen besonders nützlich ist, die über mehr als einen klar definierten Wellenlängenbereich emittieren. Die Funktion der LSPs besteht darin, das emittierte Licht zu randomisieren, indem es dazu gebracht wird, vom Weg abzuweichen, über den es ursprünglich von der Quelle emittiert wurde, wodurch eine verbesserte Farbtemperaturgleichmäßigkeit und eine verbesserte Farbmischung über den gesamten Betrachtungswinkelbereich bereitgestellt wird. In einer ähnlichen Weise können die LSPs so angeordnet werden, dass sie absichtlich ein ungleichmäßiges Farbtemperaturprofil für spezifische Anwendungen bilden. In diesem Zusammenhang gibt es im Allgemeinen drei Methoden zur Streuung des Lichts mit den LSPs: die Reflexion, die Brechung und die Diffraktion.
Reflexion ist die Richtungsänderung des Lichts an einer Schnittstelle zwischen Medien mit unterschiedlichen Brechungsindizes, so dass das Licht wieder in das Medium geleitet wird, von dem es erzeugt wurde. Wenn sich das in einem Medium bewegende Licht zu einer Schnittstelle mit einem anderen Material mit einem anderen Brechungsindex gelangt, wird das Licht zurück in das Medium umgelenkt. Bei den LSPs kann das Licht zurück in die Richtung umgelenkt werden, aus der es kommt, oder seitlich mit einem Winkel, in Abhängigkeit davon, wo das Licht gegen den Partikel stößt. Um Licht zu streuen, das möglicherweise emittiert wird, wird eine seitliche Streuung bevorzugt, so dass die Menge des Lichts, das zu absorbierenden Materialien zurückreflektiert (rückgestreut) wird, verringert ist.
Licht kann auch durch Brechung gestreut werden. Brechung ist die Richtungsänderung des Lichts aufgrund einer Änderung der Phasengeschwindigkeit (d. h. der Geschwindigkeit, mit der sich eine Welle in einem Medium ausbreitet). In diesem Zusammenhang findet eine Brechung statt, wenn sich Licht von einem Medium zu einem anderem Medium mit einem anderen Brechungsindex bewegt. Bei einer Ausführungsform wird Licht in ein Einkapselungsmedium emittiert, in dem es mit LSPs zusammenwirkt, die im gesamten Medium verteilt sind. Wenn das Licht in die LSPs dringt, ändert es seine Geschwindigkeit, was zu einer Richtungsänderung, also einer Streuung führt.
Licht kann auch durch Diffraktion gestreut werden. Diffraktion ist die Beugung von Licht um ein Objekt oder eine Öffnung herum aufgrund der wellenähnlichen Eigenschaften des Lichts. Wenn Licht nahe einem Objekt geleitet wird, beispielsweise nahe einem LSP, beugt sich das Licht um das Objekt und weicht von seinem ursprünglichen Weg ab, als es sich dem Objekt näherte. Bei großen Objekten ist der Beugungseffekt kaum bemerkbar. Wenn sich jedoch die Größe des Objekts der Wellenlänge des einfallenden Lichts nähert, wird das Phänomen deutlich. In diesem Zusammenhang kann das Licht, wenn die Größe der LSPs sich der halben Wellenlänge des einfallenden Lichts nähert, etwa fünf Mal so viel Licht beugen wie tatsächlich auf das Objekt trifft. Mit einem LSP mit geeigneter Größe kann somit der Diffraktionsbereich um den Partikel herum auf etwa das Fünffache des Partikeldurchmessers vergrößert werden. Um den vergrößerten Diffraktionsdurchmesser zu nutzen, muss die Größe des LSP für Licht mit einem besonderen Wellenlängenbereich oder Wellenlängenteilbereich sorgfältig ausgewählt werden.
Es ist zu verstehen, dass wenn ein Element wie eine Schicht, ein Bereich oder ein Substrat als „auf" einem anderen Element angeordnet beschrieben wird, dieses Element direkt auf dem anderen Element liegen kann oder auch dazwischenliegenden Elemente vorhanden sein können. Relative Begriffe wie „innere(r, s)", „äußere(r, s)", „obere(r, s)", „über", „untere(r, s)", „unter" und „unterhalb" und ähnliche Begriffe können zudem hier dazu verwendet werden, eine Beziehung einer Schicht oder eines anderen Bereichs zu beschreiben. Es ist zu verstehen, dass diese Begriffe zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Ausrichtung andere Ausrichtungen der Vorrichtung umfassen sollen.
Obwohl die Begriffe erste(r, s), zweite(r, s) usw. hier dazu verwendet werden können, verschiedene Elemente, Bauteile, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte zu beschreiben, sollten diese Elemente, Bauteile, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte durch diese Begriffe nicht eingeschränkt werden. Diese Begriffe werden lediglich dazu verwendet, ein Element, ein Bauteil, einen Bereich, eine Schicht, einen Abschnitt oder ein Merkmal von einem anderen Element, einem anderen Bauteil, einem anderen Bereich, einer anderen Schicht, einem anderen Abschnitt oder einem anderen Merkmal zu unterscheiden. Somit kann ein erstes Element, ein erstes Bauteil, ein erster Bereich, eine erste Schicht, einer erster Abschnitt oder ein erstes Merkmal, der/die/das unten beschrieben ist, als zweites Element, zweites Bauteil, zweiter Bereich, zweite Schicht, zweiter Abschnitt oder zweites Merkmal bezeichnet werden, ohne von den Lehren der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Es ist anzumerken, dass die Begriffe „Schicht" und „Schichten" in der gesamten Anmeldung so verwendet werden, dass sie ausgetauscht werden können. Der Durchschnittsfachmann wird verstehen, dass eine einzige „Materialschicht" tatsächlich mehrere einzelne Materialschichten umfassen kann. Ebenso können mehrere „Materialschichten" funktional als eine einzige Schicht betrachtet werden. Mit anderen Worten bezeichnet der Begriff „Schicht" keine homogene Materialschicht. Eine einzelne „Schicht" kann verschiedene Streumaterialkonzentrationen und -zusammensetzungen enthalten, die sich in Unterschichten befinden. Diese Unterschichten können in einem einzigen Gestaltungsschritt oder in mehreren Schritten gebildet werden. Sofern nicht ausdrücklich anders angegeben, ist nicht beabsichtigt, den Umfang der Erfindung, wie er in den Ansprüchen dargestellt ist, durch die Beschreibung eines Elements als Element mit einer „Materialschicht" oder mit „Materialschichten" zu beschränken.
Ausführungsformen der Erfindung sind hier mit Bezug auf Abbildungen in Querschnittansicht beschrieben, die schematische Abbildungen von idealisierten Ausführungsformen der Erfindung sind. Somit werden Abweichungen von den Formen der Abbildungen beispielsweise aufgrund von Herstellungstechniken und/oder Herstellungstoleranzen erwartet. Ausführungsformen der Erfindung sollten nicht als auf die hier veranschaulichten besonderen Formen der Bereiche oder Partikel beschränkt zu verstehen sein, sondern sollen Formabweichungen umfassen, die sich beispielsweise bei der Herstellung ergeben. Beispielsweise hat ein Bereich, der als rechteckig veranschaulicht oder beschrieben ist, aufgrund der normalen Herstellungstoleranzen üblicherweise abgerundete oder gebogene Merkmale. Somit sind die in den Figuren veranschaulichten Bereiche schematischer Art, wobei ihre Form nicht die genaue Form eines Bereichs oder Partikels veranschaulichen und nicht den Umfang der Erfindung einschränken soll.
2 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen emittierenden Vorrichtung 200. Der Emitter 202 ist auf einer Fläche 204, beispielsweise auf einem Substrat oder einer Leiterplatte angeordnet. Der Emitter 202 kann eine LED, ein oberflächenemittierender Laser mit Vertikalresonator (Vertical Cavity Surface-Emitting-Laser [VCSEL]) oder ein anderer emittierender Vorrichtungstyp sein. Der Emitter 202 emittiert ein Lichtspektrum, das einen einzigen Wellenlängenbereich oder mehrere Wellenlängenteilbereiche umfassen kann. Bei dieser besonderen Ausführungsform sind LSPs 206, 208 einer ersten und einer zweiten Größe in einer ganzen Einkapselung 210 verteilt und umgeben zumindest teilweise den Emitter 202. Die LSPs können auch in anderen Medien um den Emitter herum liegen, wie unten ausführlich beschrieben ist.
Der Emitter 202 emittiert ein Lichtspektrum. Die Lichtstrahlen L1–L3 stellen dar, wie ein Teil des Lichts mit den LSPs 206, 208 zusammenwirken könnte. Ein erster Teil des Spektrums wird hauptsächlich von der ersten Größe der Partikel 206 beeinflusst, wie mit dem Lichtstrahl 13 gezeigt ist. Ein zweiter Teil des Spektrums wird hauptsächlich von der zweiten Größe der Partikel 208 beeinflusst, wie mit dem Lichtstrahl L2 gezeigt ist. Ein Teil des emittierten Lichts wird von beiden Größen der Partikel 206, 208 beeinflusst, wie mit dem Lichtstrahl L1 gezeigt ist. Die LSP-Materialien sollten entsprechend den Eigenschaften des Spektrums des Emitters 202 und der gewünschten Ausstrahlung aus der Vorrichtung 200 ausgewählt werden.
Bei dieser Ausführungsform umfasst die Einkapselung 210 mindestens drei verschiedene Materialien. Ein Medium 212 verleiht der Einkapselung 210 die Form. Eine bevorzugte Form für die Einkapselung 210 ist eine Halbkugel mit einer gebogenen und einer flachen Fläche. Es können jedoch auch viele andere Einkapselungsformen verwendet werden, beispielsweise eine flache oder plankonvexe Form. Das Medium 212 umfasst thermisch oder optisch härtbare Materialien, wie etwa transparentes Epoxidharz, transparentes Silikon, transparentes Glas, transparenten Kunststoff oder jegliches andere transparente Medium. Die LSPs 206, 208 sind im gesamten Medium 212 verteilt.
Die Streupartikel 206, 208 können viele verschiedene Materialien umfassen. Dazu gehören:
Kieselgel;
Zinkoxid (ZnO);
Yttriumoxid (Y₂O₃);
Titandioxid (TiO₂);
Bariumsulfat (BaSO₄);
Aluminiumoxid (Al₂O₃);
Quarzglas (SiO₂);
Quarzstaub (SiO₂);
Aluminiumnitrid;
Glaskugeln;
Zirconiumdioxid (ZrO₂);
Siliciumcarbid (SiC);
Tantaloxid (TaO₅);
Siliciumnitrid (Si₃N₄);
Nioboxid (Nb₂O₅);
Bornitrid (BN); oder
Phosphorpartikel (z. B. YAG:Ce, BOSE)
Weitere Materialien, die nicht aufgeführt sind, können auch verwendet werden. Verschiedene Materialkombinationen oder Kombinationen aus verschiedenen Formen des gleichen Materials können verwendet werden, um einen besonderen Streueffekt zu erzielen. Bei einer Ausführungsform kann beispielsweise eine erste Vielzahl von LSPs Aluminiumoxid und eine zweite Vielzahl von LSPs Titandioxid umfassen. Bei einer weiteren beispielhaften Ausführungsform kann die erste Vielzahl von LSPs Rutil-Titandioxid umfassen, währen die zweite Vielzahl von LSPs kristallines Titandioxid umfasst. Obwohl die emittierende Vorrichtung 200 lediglich zwei verschiedene LSP-Größen umfasst, können mehr Größen verwendet werden, um eine gewünschte Ausstrahlung zu erhalten.
Diese LSPs 206, 208 sollten in Bezug auf das umgebende Medium 212 einen hohen Brechungsindex haben, wodurch eine hohe Brechungsindexdifferenz zwischen den Materialien erzeugt wird. Da die Indexdifferenz zu einer Brechung führt, wäre es auch möglich, ein LSP-Material mit einem geringen Brechungsindex in Bezug auf das umgebende Medium 212 zu verwenden. Die LSPs 206, 208 erzeugen lokalisierte Ungleichmäßigkeiten im Medium 212, die das Licht dazu zwingen, von einem geraden Weg abzuweichen.
Wenn das Licht auf einen oder mehrere der Streupartikel 206, 208 auftrifft, führt die Brechungsindexdifferenz zwischen dem Medium 212 und den Partikeln 206, 208 dazu, dass das Licht bricht und sich in eine andere Richtung bewegt. Eine hohe Brechungsindexdifferenz erzeugt eine drastischere Richtungsänderung für ein einfallendes Photon. Aus diesem Grund haben Materialien mit einem hohen Brechungsindex in Medien wie Silikon oder Epoxidharz eine gute Wirkung. Ein weiterer Gesichtspunkt bei der Auswahl eines Lichtstreuungsmaterials ist die Lichtabsorption des Materials. Große Partikel streuen einen größeren Teil des Lichts zurück in das Gehäuse, bevor es aus der Einkapselung 200 austreten kann, wodurch die gesamte Lichtausstrahlung der Vorrichtung verringert wird. Somit haben bevorzugte Streupartikelmaterialien einen hohen Brechungsindex in Bezug auf das Medium und eine Partikelgröße, die mit der Wellenlänge des Lichts, das sich in der Einkapselung 210 ausbreitet, vergleichbar ist. Eine ideale Kombination der LSPs gewährleistet für ein gegebenes Spektrum einen maximalen Streueffekt nach vorne oder zur Seite und minimiert dabei den Lichtverlust aufgrund einer Rückstreuung und einer Absorption.
Je nach Vorgabe durch die Anwendung können verschiedene Anteile bei der Zusammensetzung der LSPs 206, 208 verwendet werden. In Abhängigkeit von den verwendeten Materialien liegen die LSPs 206, 208 üblicherweise in einer Konzentration von 0,01 bis 0,2 Vol.-% vor. Es können andere Konzentrationen verwendet werden. Der Verlust durch Absorption steigt jedoch mit der Konzentration der Streupartikel. Somit sollten die Konzentrationen der LSPs so gewählt sein, dass ein akzeptabler Verlustwert beibehalten wird.
3 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen lichtemittierenden Vorrichtung 300. Ein Emitter 302 ist auf einer Fläche 304 angeordnet. Eine Schicht 306 eines Wellenlängenumwand lungsmaterials, beispielsweise eine Leuchtstoffschicht, liegt auch auf der Fläche 304 und umgibt teilweise den Emitter 302. Diese Umwandlungsschicht 306 wirkt mit Licht zusammen, das von dem Emitter 302 ausgestrahlt wird, und wandelt einen Teil des Licht abwärts um, um ein ausgehendes Spektrum zu erzeugen, das sich von demjenigen des Emitters 302 unterscheidet. Es gibt viele auf dem Fachgebiet bekannte Umwandlungsverfahren. Bei dieser Ausführungsform sind zwei verschiedene Größen der LSPs 208, 210 in der gesamten Wellenlängenumwandlungsschicht 306 verteilt. Obwohl dies in dieser Figur nicht gezeigt ist, kann die Vorrichtung 300 auch teilweise von einer Einkapselung oder einem Linsenelement umgeben sein. Diese Elemente können zusätzliche LSPs umfassen oder nicht, die in diesen Elementen eingebettet sind.
Die in 3 gezeigte Vorrichtung 300 emittiert zwei diskrete Spektren. Das erste Spektrum wird direkt vom Emitter 302 ausgestrahlt. Ein zweites Spektrum wird als Ergebnis des Abwärtsumwandlungsvorgangs von der Vorrichtung 300 emittiert. Bei einer bekannten Emitterausgestaltung wird ein Emitter verwendet, der Licht im blauen Bereich ausstrahlt. Wenn sich das blaue Licht im Umwandlungsmaterial ausbreitet, wird ein Teil davon abwärts in gelbes Licht umgewandelt. Die beiden Teilspektren vereinigen sich, was zur Ausstrahlung von weißem Licht führt. Bei dieser besonderen Ausführungsform gibt es zwei verschiedene LSP-Größen, den dem blauen und dem gelben Teilspektrum entsprechen. Die LSPs können so ausgewählt sein, dass sie einen deutlichen Streueffekt über beide Wellenlängenbereiche erzeugen, um eine bessere räumliche Farbmischung über das gesamte ausgegebene Profil zu bewirken.
4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen emittierenden Vorrichtung 400. Ein Emitter 402 ist auf einer Fläche 404 angeordnet. Ein Linsenelement 406 ist über dem Emitter 402 so positioniert, dass ein Teil des Lichts aus dem Emitter 402 mit dem Linsenelement 406 zusammenwirkt und geformt oder in sonstiger Weise verändert wird. Das Licht kann beispielsweise zu einem parallel ausgerichteten Strahlenbündel geformt oder auf eine besondere Stelle außerhalb der Vorrichtung 400 fokussiert sein. Bei dieser Ausführungsform besitzt das Linsenelement eine plankonvexe Struktur. Diese Ausgestaltung ist lediglich beispielhaft, da der Lichtstrahl durch die Verwendung unterschiedlicher Strukturen und Materialien als Linsenelemente auf viele Weisen verändert werden kann.
Bei der Vorrichtung 400 gibt es zwei verschiedene Größen der LSPs 408, 410, die im gesamten Linsenelement 406 verteilt sind. Ähnlich wie oben erläutert, wirken die LSPs 408, 410 mit verschiedenen Teilspektren des Emitters 402 zusammen, um das Licht zu streuen und die Gleichmäßigkeit der ausgegebenen Farbe über den gesamten Betrachtungswinkelbereich zu verbessern.
5 veranschaulicht eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einkapselung 500. Die Einkapselung 500 kann zusammen mit einem Emitter, ähnlich der Vorrichtung 200 aus 2, verwendet werden. Es werden drei verschiedene Größen von LSPs 502, 504, 506 im gesamten Einkapselungsmedium 508 gestreut. Die Einkapselung 500 kann mit Emittergehäusen mit einem oder mehreren Chips verwendet werden, um Licht über mindestens drei verschiedene Teilspektren zu streuen, wodurch eine bessere räumliche Farbmischung geschaffen wird. Zusätzliche LSPs unterschiedlicher Größen können hinzugefügt werden, um über zusätzliche Wellenlängenbereiche zu streuen.
6 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen emittierenden Vorrichtung 600. Ein Emitter 602 ist zumindest teilweise von einer Wellenlängenumwandlungsschicht 604, wie etwa einer Leuchtstoffschicht, bedeckt. Licht mit einem ersten Wellenlängenbereich wird von dem Emitter 602 emittiert und dringt durch die Umwandlungsschicht 604, wobei ein Teil dieses Lichts in Licht mit einem zweiten Wellenlängenbereich umgewandelt wird.
Es sind zwei Lichtstrahlen P1, P2 gezeigt, um zwei beispielhafte Wege darzustellen, über die sich Licht in der Vorrichtung 600 bewegen kann. Der Lichtstrahl P1 hat eine Wellenlänge im ersten Bereich, und die Wellenlänge von P2 liegt im zweiten Bereich. Der Lichtstrahl P1 wird von dem Emitter 602 emittiert und dringt durch die Umwandlungsschicht 604, ohne umgewandelt zu werden. Der Lichtstrahl P1 wird dann in die Einkapselung 606 geleitet, wo eine Wahrscheinlichkeit besteht, dass er mit den LSPs 608, 610 zusammenwirkt, die im gesamten Einkapselungsmedium 612 verteilt sind. Der Lichtstrahl P1 wirkt mit einem LSP 608 zusammen und weicht von seinem ursprünglichen Weg ab. Der Lichtstrahl P2 wird emittiert und in der Umwandlungsschicht 604 abwärts umgewandelt. Der Strahl P2 tritt dann in die Einkapselung 606 ein, wo er mit einem LSP 610 zusammenwirkt und von seinem ursprünglichen Weg abgelenkt wird. Das Vorhandensein von zwei verschiedenen Größen der LSPs 608, 610 verstärkt die Randomisierung der Wege des Lichts aus beiden Wellenlängenteilbereichen.
7 veranschaulicht eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen emittierenden Vorrichtung 700. Die Vorrichtung 700 weist mehrere Emitter 702, 704 auf, die beide auf einer gemeinsamen Fläche 706 angeordnet sind. Die Emitter 702, 704 können die gleiche Farbe oder unterschiedliche Farben haben. Eine mögliche Anordnung umfasst einen grünen Emitter und einen blauen Emitter. Die Wellenlängenbereiche dieser Emitter können kombiniert werden, um weißes Licht abzugeben, wenn eine gute Farbmischung erhalten wird. Eine weitere Anordnung kann einen roten und einen weißen Emitter umfassen. Eine derartige Kombination kann dazu verwendet werden, „warmes" weißes Licht zu emittieren, das eine leichte rötliche oder orangefarbene Färbung hat. Es können weitere Kombinationen wie ein rot-grün-blaues Gehäuse (RGB) oder ein rot-grün-grün-blaues Gehäuse (RGGB) verwendet werden. Zahlreiche weitere Kombinationen farbiger Emitter sind möglich. Bei einigen Anwendungen ist es wünschenswert, eine Farbkombination zu wählen, die dazu verwendet werden kann, eine Vorrichtung mit einem hervorragenden Farbwiedergabeindex („R_a") zu schaffen. Lichtquellen mit einem hervorragenden R_a sind zur Beleuchtung von Motiven nützlich, in denen die genauen Farben im Motiv von Bedeutung sind.
Eine Einkapselung 708 ist über den Emittern 702, 704 angeordnet und umgibt diese zumindest teilweise. Mehrere Größen von LSPs 710, 712 sind in einem ganzen Einkapselungsmedium 714 verteilt. Da die Emitter 702, 704 an verschiedenen Stellen und bezüglich der Einkapselung 708 außermittig angeordnet sind, ist es bei mehrfarbigen Ausführungsformen wichtig, das von den beiden Quellen emittierte Licht wirksam zu streuen, so dass keine Farbmuster im Lichtpunkt erscheinen. Aufgrund der Geometrie der meisten Einkapselungen oder Linsenelemente benötigt ein außermittig angeordneter Emitter eine stärkere Streuung, um eine gute räumliche Farbmischung zu erzielen. Bei dieser Ausführungsform emittieren die Emitter 702, 704 zwei verschiedene Lichtfarben. Die von dem Emitter 702 austretenden Lichtstrahlen wirken effizienter mit den kleineren LSPs 712 zusammen, während die Strahlen aus dem Emitter 704, wie gezeigt, mit den größeren LSPs 710 stärker gestreut werden. Die LSPs 710, 712 können, wie in 7 gezeigt, homogen im gesamten Medium 714 verteilt sein, oder sie können inhomogen im gesamten Medium 714 verteilt sein, wie nachfolgend mit Bezug auf 9 erläutert ist.
8 zeigt eine Ausführungsform eines Emitterchipgehäuses 800 mit drei weißen Emittern (W) und drei roten Emittern (R), die in einem Muster auf einer Fläche 802 angeordnet sind. Obwohl jeder der Emitter in alle Richtungen weg von der Fläche 802 emittieren kann, würde die Position der Emitter ein sichtbares Farbmuster im ausgegebenen Lichtpunkt erzeugen, wenn kein Randomisierungsmechanismus, wie etwa ein Streuelement, vorhanden wäre. Um die resultierende ungleichmäßige Verteilung der Farbe im ausgegeben Licht zu kompensieren, können (nicht gezeigte) LSPs inhomogen in einem Medium verteilt sein, das die Emitter zumindest teilweise umgibt. LSPs einer bestimmten Größe können in Bereichen konzentriert sein, in denen eine höhere Wahrscheinlichkeit besteht, dass sich Licht mit einer besonderen Wellenlänge ausbreitet.
9 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einkapselung 900. Die Einkapselung 900 kann mit einem Emittergehäuse mit einem oder mehreren Chips verwendet werden. Bei einigen Ausgestaltungen kann es vorteilhaft sein, LSPs einer bestimmten Größe in einem Bereich zu bündeln, um die Streuung einer Lichtfarbe zu verstärken, die möglicherweise aufgrund der Anordnung eines entsprechenden Emitters in diesem Bereich konzentriert ist. Eine inhomogene Mischung kann mehrere unterschiedliche Größen von LSP umfassen, die nicht gleichmäßig im gesamten Medium verteilt sind. Die inhomogene Mischung der LSPs 902, 904 unterschiedlicher Größe kann für eine Korrektur verwendet werden, um besondere Farbmuster im ausgegebenen Lichtpunkt zu erhalten. Die in der Einkapselung 900 gezeigte Ausgestaltung ist lediglich beispielhaft und zeigt eine mögliche inhomogene Mischung von LSPs. Sie muss nicht zwangsläufig einer besonderen Emitteranordnung entsprechen. Einige Ausgestaltungen von inhomogenen Mischungen können dazu dienen, die räumliche Farbmischung zu verbessern. Andere können dazu dienen, ein speziell angepasstes Ausgangsmuster im Lichtpunkt zu erzeugen.
10 veranschaulicht eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen polychromatischen Emittergehäuse 1000 mit mehreren Chips. Mehrere Emitterchips 1002, 1004, 1006 sind auf einer gemeinsamen Fläche 1008 angeordnet, wie etwa auf einem Substrat oder einer Leiterplatte. Das Gehäuse 1000 weist Chips mit mindestens zwei verschiedenen Farben auf. In 10 emittiert beispielsweise jeder Chip ein anderes Spektrum. Die Chips 1002, 1004, 1006 sind, wie gezeigt, einzeln eingekapselt. Jede der Einkapselungen 1010, 1012, 1014 umfasst LSPs 1016, die im gesamten Einkapselungsmedium verteilt sind. Die LSPs 1016 unterschiedlicher Größe werden dazu verwendet, die verschiedenen, von jedem Chip emittierten Spektren wirksam zu streuen.
Die LSPs 1016 in jeder Einkapselung werden auf Grundlage ihrer Eigenschaften ausgewählt, um eine wirksame Streuung für den Chip, den sie umgeben, zu erzielen. Der Emitter 1002 ist beispielsweise von einer Einkapselung 1010 umgeben, die relativ große LSPs 1016 aufweist. Die Einkapselung 1012, die den Emitter 1004 umgibt, weist relativ kleine LSPs 1016 auf. Der Emitter 1006 entspricht der Einkapselung 1014, die zwei verschiedene Größen der LSPs 1016 umfasst. Die in 10 gezeigte Ausgestaltung ist lediglich beispielhaft. Es sind viele verschiedene Kombinationen möglich.
Durch die separate Gruppierung der LSPs 1016 um die verschiedenen Emitter 1002, 1004, 1006 können die einzelnen Emitterspektren speziell angepasst werden. Diese Teilspektren können dann kombiniert werden, um ein maßgeschneidertes Spektrum mit guter räumlicher Farbmischung zu emittieren. Diese LSPs 1016 mit unterschiedlichen Größen können auch in anderen Strukturen als Einkapselungen um die Emitter herum gruppiert sein. Wie oben erläutert, können die LSPs beispielsweise in einer ganzen Umwandlungsschicht und in einem ganzen Linsenelement verteilt sein.
11 ist ein Graph der Versuchsergebnisse von drei verschiedenen Auswahlmöglichkeiten der LSPs für die gleiche Nennfarbe des Lichts. Die Quelle emittiert in diesem Fall Licht mit einer korrelierten Farbtemperatur (CCT) von 6450 K (d. h. im kalten weißen Bereich). Der Graph zeigt die korrelierte Farbtemperatur in Kelvin in Abhängigkeit vom Betrachtungswinkel Theta in Grad von –90° bis 90°.
Eine Auswahl von LSPs umfasst Aluminiumoxidpartikel (0,1 Vol.-%) mit einem Durchmesser im Submikrometerbereich. Die korrelierte Farbtemperatur liegt im Bereich von etwa 5100 K bis 6400 K, wobei die höchsten korrelierten Farbtemperaturen nahe der Mittelachse der Einkapselung (d. h. bei 0°) erscheinen. Somit ist die ausgegebene korrelierte Farbtemperatur über etwa 1300 K verteilt.
Eine weitere Auswahl von LSPs umfasst Aluminiumoxidpartikel (0,075 Vol.-%) mit Durchmesser im Bereich von 1 bis 2 μm. Die ausgegebene korrelierte Farbtemperatur liegt im Bereich zwischen etwa 5600 K bis 6200 K bei einem Differenzbereich von etwa 600 K. Zwei große Buckel erscheinen bei größeren Betrachtungswinkeln, was darauf hindeutet, dass das Licht, das bei den größeren Betrachtungswinkeln emittiert wird, eine bläulichere Färbung hat als das Licht, das bei Winkeln im mittleren Bereich emittiert wird. Eine korrelierte Farbtemperatur im Bereich von 600 K ist zwar relativ gut, die Verteilung über den gesamten Betrachtungswinkelbereich ist jedoch nicht gleichmäßig.
Eine weitere Auswahlmöglichkeit von LSPs umfasst eine Mischung von Partikeln mit zwei verschiedenen Größen. Die Kombination umfasst sowohl Aluminiumoxidpartikel im Submikrometerbereich (Submikron-Aluminiumoxidpartikel) (0,14 Vol.-%) als auch Aluminiumoxidpartikel im Bereich von 1 bis 2 μm (0,08 Vol.-%). Die ausgegebene korrelierte Farbtemperatur liegt in einem Bereich von 5700 K bis 6100 K bei einem Differenzbereich von etwa 400 K. Es ist auch anzumerken, dass die Verteilung der korrelierten Farbtemperatur relativ gleichmäßig über den gesamten Betrachtungswinkelbereich verteilt ist, mit lediglich kleinen Buckeln bei den größeren Winkeln. Durch die Verwendung von LSPs mit mehr als einer Größe wird somit eine gleichmäßigere Verteilung der Farbtemperatur erhalten, die auf eine gute Farbmischung in der Einkapselung hindeutet.
Die vorliegende Erfindung wurde zwar anhand bestimmter bevorzugter Ausführungsformen dieser Erfindung ausführlich beschrieben, es sind jedoch andere Varianten möglich. Somit sollten der Gedanke und der Umfang der Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Varianten beschränkt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 05-2-5507 [0001]
- US 5959316 [0004]

Claims

Emittierende Vorrichtung mit: mindestens einem Emitter, der ein Strahlungsspektrum emittiert; einer ersten Vielzahl von Streupartikeln einer ersten Größe, die zumindest teilweise den mindestens einen Emitter umgeben; und einer zweiten Vielzahl von Streupartikeln einer zweiten Größe, die zumindest teilweise den mindestens einen Emitter umgeben; wobei entsprechende Teile der von dem Emitter emittierten Strahlung mit der ersten und der zweiten Vielzahl von Streupartikeln zusammenwirken.
Emittierende Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das emittierte Spektrum sichtbares Licht umfasst.
Emittierende Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner zusätzliche Vielzahlen von Streupartikeln aufweist, so dass die emittierende Vorrichtung Streupartikel mit mindestens drei verschiedenen Größen aufweist.
Emittierende Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die erste Vielzahl von Lichtstreupartikeln mit Strahlung zusammenwirkt, die innerhalb eines ersten Wellenlängenbereichs emittiert wird, und die zweite Vielzahl von Lichtstreupartikeln mit Strahlung zusammenwirkt, die innerhalb eines zweiten Wellenlängenbereichs emittiert wird.
Emittierende Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner mehrere Emitter aufweist, wobei jeder der Emitter ein entsprechendes Strahlungsspektrum emittiert.
Emittierende Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die erste und die zweite Vielzahl von Lichtstreupartikeln in einer Einkapselung angeordnet sind, die so ausgelegt ist, dass im Wesentlichen die gesamte emittierte Strahlung durch die Einkapselung durchtritt.
Emittierende Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die erste und die zweite Vielzahl von Lichtstreupartikeln in einer Wellenlängenumwandlungsschicht liegen, die den mindestens einen Emitter zumindest teilweise umgibt.
Emittierende Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die erste und die zweite Vielzahl von Lichtstreupartikeln in einem Linsenelement liegen, das mit der emittierten Strahlung zusammenwirkt.
Emittierende Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die erste Vielzahl von Lichtstreupartikeln Aluminiumoxid (Al₂O₃) umfasst.
Emittierende Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die erste und die zweite Vielzahl von Lichtstreupartikeln homogen vermischt sind.
Emittierende Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die erste Streupartikelgröße so ausgewählt ist, dass die Summe der bei allen Wellenlängen gestreuten Strahlung in einem ersten Teilspektrum im Wesentlichen maximiert ist.
Emittierende Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die zweite Streupartikelgröße so ausgewählt ist, dass die Summe der bei allen Wellenlängen gestreuten Strahlung in einem zweiten Teilspektrum im Wesentlichen maximiert ist.
Emittierende Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die erste Vielzahl von Streupartikeln den Emitter gemäß einer ersten Partikeldichte zumindest teilweise umgibt.
Emittierende Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die zweite Vielzahl von Streupartikeln den Emitter gemäß einer zweiten Partikeldichte zumindest teilweise umgibt.
Emittierende Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Dichte der ersten Vielzahl von Partikeln und die Dichte der zweiten Vielzahl von Partikeln gemäß einem Dichteverhältnis in Beziehung stehen.
Emittierende Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die erste Vielzahl von Streupartikeln Aluminiumoxidpartikel aufweist, wobei die Aluminiumoxidpartikel Durchmesser in einem Bereich von etwa 1 bis 2 Mikrometer haben und mit etwa 0,08 Vol.-% in einem Medium verteilt sind, das den mindestens einen Emitter umgibt.
Emittierende Vorrichtung nach Anspruch 16, bei der die zweite Vielzahl von Streupartikeln Aluminiumoxidpartikel im Submikrometerbereich aufweist, wobei die Submikron-Aluminiumoxidpartikel Durchmesser von weniger als etwa 1 Mikrometer haben und mit etwa 0,14 Vol.-% in dem Medium verteilt sind.
Lichtemittierende Vorrichtung mit: mindestens einem Lichtemitter; einer Einkapselung, die so ausgelegt ist, dass im Wesentlichen das gesamte von dem Lichtemitter emittierte Licht durch die Einkapselung hindurchtritt; und einer Vielzahl von Streupartikeln, die in der gesamten Einkapselung angeordnet sind, wobei die Vielzahl von Streupartikeln mindestens zwei verschiedene Partikelgrößen haben.
Lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei der mindestens eine Lichtemitter mehrere Lichtemitter aufweist, die mindestens zwei verschiedene Farben ausstrahlen.
Lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 18, bei der die verschiedenen Streupartikel unterschiedlicher Größe in der Einkapselung homogen vermischt sind.
Lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 18, bei der die verschiedenen Streupartikel unterschiedlicher Größe in der Einkapselung inhomogen vermischt sind.
Lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei der mindestens eine Emitter mindestens einen rotes Licht ausstrahlenden Emitter und mindestens einen weißes Licht ausstrahlenden Emitter aufweist.
Lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 18, bei der die Einkapselung Strahlformungseigenschaften hat.
Lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei die Vielzahl von Streupartikeln Aluminiumoxid (Al₂O₃) umfasst.
Lichtemittierende Vorrichtung nach Anspruch 18, bei der die verschiedenen Streupartikelgrößen gemäß einer entsprechenden Partikeldichte in der Einkapselung liegen, wobei jede Streupartikelgröße einer jeweiligen Partikeldichte entspricht.
Emittierende Vorrichtung nach Anspruch 18, bei der die Vielzahl von Streupartikeln eine erste und eine zweite Größe von Aluminiumoxidpartikeln umfasst, wobei die erste Größe Durchmesser im Bereich von etwa 1 bis 2 Mikrometer hat und mit etwa 0,08 Vol.-% in der Einkapselung verteilt ist und die zweite Größe Durchmesser von weniger als etwa 1 Mikrometer hat und mit etwa 0,14 Vol.-% in der Einkapselung verteilt ist.
Einkapselung mit: einem ersten Material, das die Form der Einkapselung definiert, wobei das erste Material einen ersten Brechungsindex hat; einem zweiten Material mit Teilchencharakter, das im ersten Material verteilt ist, wobei das zweite Material einen zweiten Brechungsindex hat; und einem dritten Material mit Teilchencharakter, das im ersten Material verteilt ist, wobei das dritte Material einen dritten Brechungsindex hat.
Einkapselung nach Anspruch 27, die ferner zusätzliche Materialien mit Teilchencharakter umfasst, so dass die Einkapselung Streupartikel mit mindestens drei verschiedenen Brechungsindizes aufweist.
Einkapselung nach Anspruch 27, bei der das zweite und das dritte Material im gesamten ersten Material homogen vermischt sind.
Einkapselung nach Anspruch 27, bei der das zweite und das dritte Material im gesamten ersten Material inhomogen vermischt sind.
Einkapselung nach Anspruch 27, bei der das zweite Material gemäß einer entsprechenden Partikeldichte im gesamten ersten Material angeordnet ist.
Einkapselung nach Anspruch 27, bei der das dritte Material gemäß einer entsprechenden Partikeldichte im gesamten ersten Material angeordnet ist.
Einkapselung nach Anspruch 27, bei der die Partikeldichte des zweiten Materials gemäß einem Verhältnis mit der Partikeldichte des dritten Materials in Beziehung steht.
Einkapselung mit: einem ersten Material, das die Form der Einkapselung definiert; einem zweiten Material mit Teilchencharakter, das im ersten Material verteilt ist, wobei das zweite Material Partikel mit einer durchschnittlichen Größe aufweist; und einem dritten Material mit Teilchencharakter, das im ersten Material verteilt ist, wobei das dritte Material Partikel mit einer durchschnittlichen Größe aufweist, welche sich von derjenigen der Partikel im zweiten Material unterscheidet.
Einkapselung nach Anspruch 34, die ferner zusätzliche Materialien mit Teilchencharakter umfasst, so dass die Einkapselung Materialien mit mindestens drei verschiedenen Partikelgrößen aufweist.
Einkapselung nach Anspruch 34, bei der das zweite und das dritte Material im gesamten ersten Material homogen vermischt sind.
Einkapselung nach Anspruch 34, bei der das zweite und das dritte Material im gesamten ersten Material inhomogen vermischt sind.
Einkapselung nach Anspruch 34, bei der das zweite Material gemäß einer entsprechenden Partikeldichte im gesamten ersten Material angeordnet ist.
Einkapselung nach Anspruch 34, bei der das dritte Material gemäß einer entsprechenden Partikeldichte im gesamten ersten Material angeordnet ist.
Einkapselung nach Anspruch 34, bei der die Partikeldichte des zweiten Materials gemäß einem Verhältnis mit der Partikeldichte des dritten Materials in Beziehung steht.
Emittierende Vorrichtung nach Anspruch 34, bei der das zweite Material Aluminiumoxidpartikel aufweist, wobei die Aluminiumoxidpartikel Durchmesser im Bereich von etwa 1 bis 2 Mikrometer haben und mit etwa 0,08 Vol.-% im ersten Material verteilt sind.
Emittierende Vorrichtung nach Anspruch 34, bei der das dritte Material Aluminiumoxidpartikel im Submikrometerbereich aufweist, wobei die Submikron-Aluminiumoxidpartikel Durchmesser von weniger als etwa 1 Mikrometer haben und mit etwa 0,14 Vol.-% im ersten Material verteilt sind.