DE102009018088A1

DE102009018088A1 - Modul zur Homogenisierung von Licht, das von einer Festkörper-Lichtquelle (z.B. einer LED) emittiert wird

Info

Publication number: DE102009018088A1
Application number: DE102009018088A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Oberleitner; Christian Derkits
Original assignee: Ledon Lighting Jennersdorf GmbH
Current assignee: Tridonic GmbH and Co KG
Priority date: 2008-04-30
Filing date: 2009-04-20
Publication date: 2009-12-24

Abstract

Die vorliegende Erfindung schlägt ein Lichtmodul vor, das mindestens eine Festkörper-Lichtquelle, die Licht eines ersten Spektrums emittiert, eine Plattform mit einer Aussparung, worin die Festkörper-Lichtquelle angeordnet ist, eine erste Schicht aus einem optisch transparenten Material, die über der Festkörper-Lichtquelle angeordnet ist und die ein Farbumwandlungsmaterial umfasst, das einen Teil des Lichts, das von der Festkörper-Lichtquelle von einem ersten Spektrum zu einem zweiten Spektrum emittiert wird, umwandelt, eine zweite Schicht aus einem optisch transparenten Material, die über der oberen Oberfläche der ersten Schicht angeordnet ist und kalottenförmig ist, aufweist, wobei die zweite Schicht frei von irgendeinem Farbumwandlungsmaterial ist und wobei eine Mischung des ersten und des zweiten Spektrums vom Lichtmodul emittiert wird.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Modul zur Erhöhung der Gleichmäßigkeit von emittiertem Licht einer LED oder einer anderen Festkörper-Lichtquelle, wie beispielsweise eine Laserdiode. Insbesondere betrifft die Erfindung ein solches Modul, das mindestens zwei Schichten aus einem transparenten Material umfasst, die Farbumwandlungspartikel umfassen und die in der Weise angeordnet sind, dass sie eine LED oder eine Festkörper-Lichtquelle bedecken, um Licht, das von der Lichtquelle emittiert wird, umzuwandeln und seine Farbgleichmäßigkeit zu verbessern. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Verbesserung der Homogenität einer monochromatischen Festkörper-Lichtquelle.
Lichtmodule, die Abdeckungen zur Umwandlung von Licht einer LED oder eine Festkörper-Lichtquelle umfassen, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Im Allgemeinen ist eine Schicht oder eine Beschichtung über der Lichtquelle aufgetragen, die in der Regel so ausgesucht wird, dass sie blaues Licht emittiert. Die Schicht oder Beschichtung der Lichtquelle umfasst Farbumwandlungspartikel, die verwendet werden, um einen Teil des ersten Spektrums, das von der LED emittiert wird, in ein zweites unterschiedliches Spektrum umzuwandeln. Das Lichtmodul emittiert dann eine Mischung aus dem ersten und dem zweiten Spektrum. Diese Mischung kann beispielsweise weißes Licht sein. Daher ist die Farbgleichmäßigkeit über alle emittierenden Winkel ein wichtiges Thema für Lichtmodule, die Farbumwandlungspartikel umfassen.
Allerdings liegen die Probleme, die mit der oben beschriebenen bekannten Struktur verbunden sind, unter anderem, im Halo-Effekt. Aufgrund der gerichteten Lichtemission des LED-Dices (LED-Chip) und der im Wesentlichen isotropischen Emission des Wellenlängen umwandelnden Materials (oftmals „Phosphor” genannt), kann die Mitte des Lichtkegels eine beträchtliche blaue Verschiebung zeigen, während der Randbereich eine gelbe Verschiebung zeigt, was zu einer bläulichen Mitte und einem gelblichen Randbereich führt. Wenn eine sekundäre Optik, wie beispielsweise eine Linse, auf dem LED-Modul montiert ist, ist diese unerwünschte Wirkung weiterhin intensiviert.
Aufgabe und Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, die Farbhomogenität eines LED-Moduls mit Farbumwandlungspartikeln zu verbessern.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche entwickeln weiterhin die zentrale Idee der Erfindung.
In einem ersten Aspekt schlägt die Erfindung ein Lichtmodul vor, das mindestens eine Festkörper-Lichtquelle, die Licht eines ersten Spektrums emittiert, eine Plattform mit einer Aussparung, worin die Festkörper-Lichtquelle angeordnet ist, eine erste Schicht aus einem optisch transparentem Material, die über der Festkörper- Lichtquelle angeordnet ist und ein Farbumwandlungsmaterial umfasst, das einen Teil des Lichts, das von der Festkörper-Lichtquelle emittiert wird, von einem ersten Spektrum in ein zweites, unterschiedliches Spektrum umwandelt, eine zweite Schicht aus einem optisch transparentem Material, die über der oberen Oberfläche der ersten Schicht angeordnet ist und die kalottenförmig ist, aufweist, wobei die zweite Schicht im Wesentlichen kein Farbumwandlungsmaterial aufweist und wobei eine Mischung aus dem ersten und dem zweiten Spektrum vom Lichtmodul emittiert wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Lichtmodul, insbesondere bei der ersten Schicht aus dem optisch transparentem Material, ist es möglich, Licht, das von der Feststofflichtquelle emittiert wird, von einem ersten Spektrum in ein zweites Spektrum teilweise umzuwandeln. Dabei kann das Farbumwandlungsmaterial jeden bekannten Phosphor umfassen. Die Phosphorpartikel sind bevorzugt in der ersten Schicht homogen dispergiert. Darüber hinaus kann das Farbumwandlungsmaterial lumineszente Nanokristalle oder lumineszente organische Materialien umfassen.
Darüber hinaus kann aufgrund der zweiten kalottenförmigen Schicht aus dem optisch transparenten Material, Licht, das von der Oberfläche der ersten Schicht emittiert wird, teilweise gestreut werden. Deswegen kann die zweite Schicht bevorzugt Streupartikel zur Verstärkung des Streueffekts umfassen. Bevorzugt können Streupartikel, die aus anorganischen Oxiden oder Sulfaten, wie beispielsweise Al₂O₃, BaSO₄, TiO₂ und BaTiO₃, hergestellt wird, verwendet werden. Dabei beträgt der durchschnittliche Durchmesser (d₅₀) der Partikel bevorzugt 0,5 μm bis 8 μm. Die Streupartikel sind dabei bevorzugt homogen in der zweiten Schicht dispergiert.
Die zweite Schicht kann ebenfalls ein Wellenlängenumwandlungsmaterial umfassen, dessen Konzentration niedriger als diejenige der ersten Schicht ist.
Die erfindungsgemäße Festkörper-Lichtquelle kann eine Laserdiode oder irgendeine andere monochromatische LED sein. Bevorzugt ist die Festkörper-Lichtquelle eine blaue LED. Die Lichtquelle kann ebenfalls eine oder mehrere ungehäuste Chips („Dice”) (LED-Chips) enthalten, die Licht verschiedener Wellenlängen, wie z. B. blaues, purpurnes, cyanfarbiges, grünes, bernsteinfarbiges und/oder rotes Licht, emittieren. Die Lichtquelle kann innerhalb der Aussparung der Plattform in Face-up- oder Flip-Chip-Position montiert sein.
Nach dem Stand der Technik kann die Farbumwandlung nur durch Umwandlung einer gewissen Wellenlänge von Licht zu einer höheren Wellenlänge durchgeführt werden. Beispielsweise ist es möglich, Licht von Blau nach Grün, Gelb, Orange oder Rot oder beispielsweise von Cyan nach Gelb, Orange oder Rot umzuwandeln. Somit sollte es insbesondere mit Bezug auf einen bernsteinfarbigen und roten Dice zu verstehen sein, dass dieser Dice primär nicht für die Farbumwandlung innerhalb des LED-Moduls gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Allerdings können bernsteinfarbige und rote Dice als. Festkörper-Lichtquelle für das Lichtmodul verwendet werden, um ihre Emissionseigenschaften (z. B. der Colour-Rendering-Index CRI) zu verstärken. Demzufolge kann das Lichtmodul gemäß der vorliegenden Erfindung nicht nur verwendet werden, um die Farbhomogenität zu erhöhen, es kann ebenfalls verwendet werden, um die Emissionseigenschaften monochromatischer LEDs zu erhöhen.
Da die zweite Schicht kalottenförmig ist, ist nur ein kleines Volumen von Streupartikeln auf der ersten Schicht (Farbumwandlungsschicht) angeordnet, und deswegen ist die Lichtleistung weniger stark herabgesetzt im Vergleich zu einer Vorrichtung, worin Streupartikel und Farbumwandlungspartikel zusammen in einer einzigen Schicht vorhanden sind (und nicht in getrennten Schichten vorliegend, wie durch die vorliegende Erfindung vorgeschlagen). Darüber hinaus ist die Lichtmischeffizienz durch die obige Ausführungsform erhöht.
Die kalottenförmige zweite Schicht ist bevorzugt mittig über der Lichtquelle des Moduls positioniert. Demzufolge ist die Dicke der kalottenförmigen zweiten Schicht größer innerhalb der Mitte des emittierten Lichtkegels als an dessen Randbereichen. Deswegen ist der Streueffekt innerhalb des Mittenbereichs der zweiten Schicht verstärkt im Vergleich zu ihrem Randbereich. Somit kann die Emissionseigenschaft des nicht umgewandelten Lichts auf die Emissionseigenschaft des umgewandelten Lichts eingestellt werden, da der Streueffekt die Intensität des nicht umgewandelten Lichts im Mittelteil des Lichtkonus verringert. Demzufolge ist die Emission des nicht umgewandelten Lichts im Randbereich des Lichtkegels durch den Streueffekt verstärkt. Somit erhält man mit dem Lichtmodul gemäß der Erfindung ein homogeneres Licht und der „Halo”-Effekt kann auf effektive Weise verringert werden.
Das von der Oberfläche der ersten Schicht emittierte Licht kann daher selektiv gestreut werden, indem die Form beziehungsweise die Ausmaße der kalottenförmigen zweiten Schicht, wie der Durchmesser und die Höhe (Dicke) davon, eingestellt werden, und das Volumen oder die Menge der in der zweiten Schicht dispergierten Streupartikel angepasst werden.
Weiterhin sollte verstanden werden, dass es ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist, dass die Emissionseigenschaften einer monochromatischen Lichtquelle und diejenigen des umgewandelten Lichts, das von der Farbumwandlungsschicht (erste Schicht) emittiert wird, analog sind. Eine ideale Farbhomogenität des Lichts, das von einem Lichtmodul emittiert wird, erhält man, wenn beide Emissionseigenschaften, das heißt die Lichtintensitäten des monochromatischen und des umgewandelten Lichtemissions-Spektrums als Funktion des Emissionswinkels gleich für jeden Winkel sind.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann man durch Vorsehen von mindestens zwei Schichten aus einem optischen transparenten Material, die bevorzugt nach einem Verteilungsprozess auf das Lichtmodul aufgetragen werden, eine Farbhomogenität erreichen, die nahe der oben beschriebenen idealen Farbhomogenität ist.
Es sollte verstanden werden, dass es keine Luftlücke zwischen der ersten und der zweiten Schicht und zwischen der Quelle im Feststoffzustand und der ersten Schicht gibt. Allerdings kann eine Siliziumschicht oder eine andere feste, optisch transparente Schicht zwischen der ersten und der zweiten Schicht und/oder der Festkörper-Lichtquelle und der ersten Schicht eingefügt sein. In einer bevorzugten Ausführungsform kann beispielsweise ein Silizium-Abstandshalter zwischen der Festkörper-Lichtquelle und der ersten Schicht vorhanden sein. Insbesondere ist dieses der Fall in Vorrichtungen, wo die zweite Schicht vorgefertigt ist und vor dem Anordnen auf der ersten Schicht dieser Vorrichtung gehärtet ist. Beim Anbringen der zweiten Schicht auf der ersten Schicht wird das ungehärtete Silizium in Sandwichform jegliche Luft, die zwischen den beiden Schichten vorhanden ist, verhindern und als Haftvermittler agieren, um die beiden Schichten zusammenzufügen.
In einer bevorzugten Ausführungsform hat die Aussparung der Plattform, in der die Lichtquelle angeordnet ist, eine kreisförmige, quadratische oder rechteckige Form, und sie ist mindestens so tief wie die Höhe der Festkörper-Lichtquelle in der Weise, dass die Lichtquelle vollständig von der ersten Schicht aus dem optisch transparenten Material bedeckt ist. Somit kann das von der Lichtquelle emittierte Licht effektiv von einem ersten Spektrum in ein zweites Spektrum umgewandelt werden.
Bevorzugt umfasst die Aussparung eine flache Bodenoberfläche, auf der die Festkörper-Lichtquelle angeordnet ist. Mehr als eine Lichtquelle können innerhalb der Aussparung angeordnet sein. Die Seitenoberflächen der Aussparung sind bevorzugt gleich geneigt von der Bodenoberfläche der Aussparung bis zur oberen Oberfläche der Plattform. Bevorzugt sind die Boden- und Seitenoberflächen der Aussparung Reflexionsoberflächen, die eine reguläre oder diffuse Reflektion bewirken können. Demzufolge kann die Lichtleistung der Lichtquelle verstärkt werden.
Darüber hinaus können innerhalb der Aussparung der Plattform Mittel, wie leitende Filme oder Drähte, vorhanden sein, um den Dice/Chip mit elektrischem Strom zu versorgen. Die Plattform kann ebenfalls Durchgangsbohrungen/Durchgangskontakte für diesen Zweck aufweisen. Bevorzugt ist die Plattform aus Keramik, Silizium oder einem Polymer hergestellt.
Die Oberfläche der ersten Schicht ist bevorzugt bündig mit der oberen Oberfläche der Plattform. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform kann die Oberfläche der ersten Schicht so gewählt sein, dass sie auf einer höheren oder einer unteren Ebene als die obere Plattformoberfläche liegt.
Darüber hinaus ist die Oberfläche der ersten Schicht bevorzugt eine flache Oberfläche. Allerdings kann die Oberfläche ebenso eine konkave oder konvexe Oberfläche sein.
Die erste und die zweite Schicht können aus einem optisch transparenten härtbaren Silizium, einem Epoxidharz oder einem Polymer hergestellt sein. Somit kann eine optisch transparente Schicht über der Festkörper-Lichtquelle gebildet sein. Zusätzlich können die erste und die zweite Schicht Viskositäts-Modifikatoren zum Einstellen ihrer rheologischen Eigenschaften enthalten. Dieses ist von besonderer Relevanz, weil die erste und die zweite Schicht bevorzugt in der Aussparung während des Herstellungsprozesses verteilt werden. Demzufolge kann eine Einstellung der Viskosität notwendig sein, um (1) zu verhindern, dass die festen Komponenten der ersten und zweiten Schicht (Phosphor, Streupartikel) sedimentieren und (2) eine gewünschte Größe und Form der Tropfen der ersten beziehungsweise der zweiten Schicht, die die entsprechenden Schichten während der Verteilungsstufe in der Herstellung bilden, zu erhalten.
Bevorzugt wird die erste Schicht in die Aussparung der Plattform ausgeteilt und gehärtet. Danach wird die zweite Schicht auf die Oberfläche der ersten Schicht in einer zweiten Stufe während der Herstellung des Lichtmoduls verteilt. Dabei ist die obere Oberfläche der zweiten Schicht bevorzugt konvex, weil die zweite Schicht bevorzugt durch einen einzelnen Tropfen während der Verteilungsstufe in der Herstellung gebildet wird. Allerdings kann in einer bevorzugten Ausführungsform die zweite Schicht ebenso mit einer Vielzahl von Tropfen in Nachbarschaft zueinander gebildet werden. Das kann der Fall sein, wenn eine Vielzahl von Lichtquellen innerhalb einer rechtwinkligen Aussparung der Plattform vorgesehen ist. Demzufolge kann ein einzelner Tropfen über die Mitte jeder Lichtquelle auf der Oberfläche der ersten Schicht verteilt werden. Somit kommen die aufgetragenen Tropfen in Abhängigkeit der rheologischen Eigenschaften des verwendeten härtbaren Harzes zusammen und bilden eine zweite Schicht, die eine modulierte obere Oberfläche aufweist, wobei erfindungsgemäß ein Peak über die Mitte jeder Lichtquelle gebildet wird. Somit kann man eine wellenförmige Oberfläche, wenn in der Schnittseitenansicht betrachtet, erhalten. Es kann ebenfalls möglich sein, die rheologischen Eigenschaften des verwendeten härtbaren Harzes in der Weise einzustellen, dass eine einzelne kalottenförmige zweite Schicht durch Verteilen vieler Tropfen gebildet werden kann. Wie bereits erwähnt wurde, können zur Herstellung einer gewünschten Form des Tropfens Mittel zum Einstellen der rheologischen Eigenschaften der Tropfen im härtbaren Harzes, das die erste und die zweite Schicht bildet, enthalten sein.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die zweite Schicht nicht auf der ersten Schicht verteilt. Stattdessen kann die zweite Schicht auf die erste Schicht als ein inhärent stabiler Teil aufgetragen sein. Somit kann die zweite Schicht beispielsweise durch Formen und anschließendes Aushärten vor dem Auftragen der zweiten Schicht auf der ersten Schicht gebildet werden. Demzufolge kann man eine höhere Genauigkeit im Hinblick auf die Maße der zweiten Schicht erreichen.
Es sollte festgestellt werden, dass in dieser Ausführungsform, das Einschließen von Gas während des Auftragens der zweiten Schicht auf die erste Schicht verhindert werden sollte. Demzufolge kann ein Siliziumtropfen auf die Oberfläche der ersten Schicht aufgetragen werden, bevor die vorgefertigte zweite Schicht darauf aufgetragen wird.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die erste Schicht in der Aussparung der Plattform verteilt. Nachdem die erste Schicht verteilt worden ist, wird die zweite Schicht auf der ersten Schicht verteilt, ohne vorangegangene Härtungsstufe, das heißt, die zweite Schicht wird auf der ersten Schicht, die noch in flüssiger Form liegt, verteilt. Demzufolge wird ein teilweises Vermischen der ersten und der zweiten Schicht aufgrund der Energie, die auf der erste Schicht während des Verteilungsprozesses der zweiten Schicht angewendet wird, auftreten. Hierzu werden die Parameter des Verteilungsprozesses bevorzugt derart eingestellt, dass die Konzentration der Streupartikel innerhalb eines Mittelbereichs der zweiten Schicht zu einem geringen Ausmaß beeinflusst wird. Somit entspricht die Konzentration der Streupartikel innerhalb des Mittelbereichs der zweiten Schicht der vordefinierten Anfangskonzentration der streuenden Partikel vor dem Verteilungsprozess. Demzufolge erhält man eine ausreichende Bereitstellung von Streuteichen an der optischen Achse der Lichtquelle. Außerdem ist die Konzentration des Farbumwandlungsmaterials, das in der Mitte der oberen Oberfläche der ersten Schicht (in Nachbarschaft der optischen Achse der Lichtquelle) vorhanden ist, bevorzugt Null oder nahe Null nach der Teilmischung der ersten und der zweiten Schicht. Dabei kann die Randfläche der ersten und zweiten Schicht aufgrund des mindestens Teilmischens der Schichten unregelmäßig sein. Darüber hinaus ist das Teilmischen bevorzugt auf mindestens eine einzige koaleszente Region beschränkt, in der sowohl das Farbumwandlungsmaterial als auch die Streupartikel vorhanden sind.
Um den Lichtkegel, der von der Oberfläche der ersten Schicht emittiert wird, effektiv zu streuen, kann die zweite Schicht hinsichtlich ihres Durchmessers in Abhängigkeit vom Durchmesser der ersten Schicht variieren. Bevorzugt ist der Durchmesser der unteren Oberfläche der zweiten Schicht kleiner als der Durchmesser der oberen Oberfläche der ersten Schicht. Allerdings kann es ebenso möglich sein, dass der entsprechende Durchmesser der zweiten Schicht größer als der entsprechende Durchmesser der ersten Schicht ist. Erfindungsgemäß liegt der Durchmesser der unteren Oberfläche der oberen Schicht in einem Bereich von 50% bis 120% im Vergleich zum Durchmesser der oberen Oberfläche der unteren Phase.
Um weiterhin das Licht, das von dem Lichtmodul emittiert wird, zu homogenisieren, kann eine Zweistufen-Aussparung verwendet werden, wobei die erste Schicht aus dem optisch transparenten Material bevorzugt bündig ist mit der Oberfläche der ersten (unteren) Stufe der Zweistufen-Aussparung. Dabei umfasst die zweite, (höhere) Stufe der Zweistufen-Aussparung Reflexionsoberflächen, die bevorzugt eine diffuse Reflexion bewirken. Somit kann man unter Verwendung einer Kombination aus einer Doppelschichtstruktur gemäß der Erfindung und einer Zweistufen-Aussparung, die diffuse Reflexionsoberflächen umfasst, eine ausgezeichnete Farbgleichmäßigkeit erreichen.
Die oben beschriebene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind insbesondere für Lichtquellen mit einem zusätzlichen optischen System zum Fokussieren des Lichtstrahls geeignet. Dabei kann das optische System aus Glaslinsen, Kunststofflinsen oder Siliziumlinsen bestehen, die den Lichtstrahl fokussieren, um verschiedene optische Winkel zu erreichen (typischerweise 40° oder 60°, das heißt, die Intensität ist auf die Hälfte ihres Peakwerts in der optischen Achse bei ±20° beziehungsweise ±30° um die optische Achse) reduziert. Je kleiner der Winkel der Linsen ist, umso schwieriger ist es, eine gute Farbgleichmäßigkeit aufgrund einer mehr ausgeprägten Reproduktion des Oberflächenbildes durch die Linse zu erreichen.
Eine weitere Verbesserung der Farbgleichmäßigkeit kann unter Verwendung von Linsen mit einer mikrostrukturierten Oberfläche erreicht werden. Diese Mikrostrukturüberfläche kann man beispielsweise durch Sandstrahlen erreichen. Eine Kombination der oben erwähnten Doppelschichtstruktur mit einer mikrostrukturierten Linse erhöht somit weiterhin die Farbgleichmäßigkeit des fokussierten Lichtstrahls.
Es sollte verstanden werden, dass, um eine ähnliche Farbgleichmäßigkeit bei herkömmlichen Einzelschichtvorrichtungen zu erreichen, eine hohe Konzentration von Streupartikel verwendet werden muss, was zu einer starken Verringerung der Lichtleistung führt und somit der Wirksamkeit der Lichtquelle. Ein konformes Beschichten, das als ein anderer Weg zur Erhöhung der Farbgleichmäßigkeit betrachtet wird, ist mit einem komplexeren und teuren Herstellungsprozess verbunden.
In einem zweiten Aspekt schlägt die Erfindung ein Verfahren zur Verbesserung der Farbhomogenität (wenn in polaren Koordinaten gemessen) des Lichts, das von einem festen Lichtquellenmodul emittiert wird, wobei das Licht, das in der Nähe der Mitte der Lichtquelle um Feststoffzustand und daher in Nachbarschaft der optischen Achse davon emittiert wird, vornehmlich durch eine erste und eine zweite Schicht aus einem optisch transparenten Material, das auf der Festkörper-Lichtquelle angeordnet ist, gestreut wird, wobei die erste Schicht das Farbumwandlungsmaterial umfasst, und wobei die zweite Schicht frei von Farbumwandlungsmaterial ist.
Mit diesem Verfahren ist es möglich, Licht, das von einer monochromatischen Festkörper-Lichtquelle emittiert wird, durch Verringern der Lichtintensität des nicht umgewandelten Lichts in der Mitte des Lichtkegels zu homogenisieren, wobei die Lichtintensität des nicht umgewandelten Lichts im Randbereich des Lichtkegels erhöht ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale, Vorteile und Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Zusammenhang mit den Figuren der anliegenden Zeichnungen ersichtlich werden.
1a zeigt eine erste Ausführungsform des Lichtmoduls gemäß der vorliegenden Erfindung in der Abschnittsseitenseitenansicht.
1b zeigt ein Lichtmodul gemäß 1a, wenn es von oben betrachtet wird.
2a zeigt eine andere bevorzugte Ausführungsform, die ähnlich der ersten Ausführungsform ist, worin eine von oben emittierende Lichtquelle vorgesehen ist.
2b zeigt eine andere bevorzugte Ausführungsform, die ähnlich zur ersten Ausführungsform ist, wobei eine seitlich emittierende Lichtquelle vorgesehen ist.
3 zeigt eine andere bevorzugte Ausführungsform des Lichtmoduls gemäß der vorliegenden Erfindung in der Abschnittsseitenansicht, wobei eine Zweistufen-Aussparung und ein zusätzliches optisches System vorgesehen sind.
4a zeigt eine andere bevorzugte Ausführungsform des Lichtmoduls gemäß der vorliegenden Erfindung in der Abschnittsseitenansicht, wobei eine Vielzahl von Tropfen auf der Oberfläche der ersten Schicht verteilt sind, um eine kalottenförmige zweite Schicht zu bilden, wobei die rheologischen Eigenschaften der Tropfen derart gewählt sind, dass die Form der ursprünglichen einzelnen Tropfen nicht erhalten ist.
4b zeigt eine andere bevorzugte Ausführungsform des Lichtmoduls gemäß der vorliegenden Erfindung in der Abschnittsseitenansicht, wobei viele kalottenförmige Tropfen auf der Oberfläche der ersten Schicht verteilt sind, wobei die rheologischen Eigenschaften der Tropfen derart gewählt sind, dass die Form der ursprünglichen einzelnen Tropfen zu einem vordefinierten Ausmaß erhalten ist.
5 zeigt einen Vergleich der Farbgleichmäßigkeit für Einstufen- und Zweistufen-Verteilungsprozesse mit einer 50° mikrostrukturierten Linse bei einer farbkorrelierten Temperatur bei 4.200 K.
(6 zeigt eine Zusammenfassung des Strahlenmusters für Einstufen- und Zweistufen-Verteilungsprozesse mit einer 50% mikrostrukturierten Linse bei einer farbkorrelierten Farbtemperatur von 4.200 K.)
7a zeigt eine Wafer-Skalierung, die eine Vielzahl von Aussparungen, die mit einer Lichtquelle ausgerüstet sind, umfasst.
7b zeigt eine Wafer-Skalierung gemäß 7a, nachdem die erste Schicht, die das Umwandlungsmaterial umfasst, in die Aussparungen verteilt worden ist.
7c zeigt eine Wafer-Skalierung gemäß den 7a und 7b, nachdem die zweite Schicht auf der ersten Schicht verteilt worden ist, wobei die rheologischen Eigenschaften der zweiten Schicht derart eingestellt sind, dass eine kalottenförmige Tropfenform erhalten wird.
7d zeigt eine Wafer-Skalierung gemäß 7a und 7b, nachdem die zweite Schicht auf die erste Schicht verteilt worden ist, wobei die rheologischen Eigenschaften der zweiten Schicht derart eingestellt sind, dass die einzelnen Tropfen sich verbinden, nachdem sie auf die Oberfläche der ersten Schicht verteilt worden sind.
7e zeigt eine Abschnittsseitenansicht der Ausführungsform des Lichtmoduls gemäß 7d, wobei eine Vielzahl von Aussparungen in der Plattform bereitgestellt ist.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen
1 zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei eine Plattform 2 eine Aussparung 3, die eine Bodenoberfläche 8a und Seitenoberflächen 8b aufweist, umfasst. Die Bodenoberfläche 8a der Aussparung ist wie in der Figur gezeigt bevorzugt flach. Die Seitenoberfläche 8b davon ist bei einem konstanten Winkel α geneigt, wobei α bevorzugt im Bereich von 45° bis 90° liegt. Die Aussparung hat eine Tiefe h2 bezüglich der oberen Oberfläche der Plattform 2. Die Plattform 2 kann beispielsweise aus einem Siliciumwafer hergestellt sein. Dabei weist α bevorzugt einen Wert zwischen 45 und 65° oder 80 und 90° auf. Insbesondere weist α einen Wert von 54,7° oder 90° auf.
An der Bodenoberfläche 8a der Aussparung 3 ist die Festkörper-Lichtquelle 1 angeordnet. Die Festkörper-Lichtquelle 1 kann mit der Bodenoberfläche 8a der Aussparung 3 mittels Kleben, Löten oder dergleichen verbunden sein. Darüber hinaus können Durchgangsbohrungen 11 (siehe 2a, 2b) innerhalb der Plattform vorgesehen sein, um der Lichtquelle elektrischen Strom zu geben. An der Bodenoberfläche 8a der Aussparung 3 können Kontakte 10 (siehe 2a) vorgesehen sein, um der Lichtquelle elektrischen Strom zu geben.
Die Festkörper-Lichtquelle 1 kann in „nach oben-„ oder „nach unten-„ Position innerhalb der Aussparung 3 angeordnet sein.
Der Boden 8a und die Seitenoberflächen 8b sind bevorzugt Reflexionsoberflächen und können metallisiert sein. Dabei können die Oberflächen 8a, 8b eine reguläre oder diffuse Reflexion bewirken.
Die Aussparung 3 ist mit einem optisch transparenten Material, das die erste Schicht 4 bildet, gefüllt. Bevorzugt wird die erste Schicht 4 durch Verteilen eines härtbaren Harzes in der Aussparung 3 gebildet. Dabei besteht das optisch transparente Harz bevorzugt aus Silizium. Natürlich kann jedes andere härtbare Harz verwendet werden. Darüber hinaus sind Phosphorpartikel bevorzugt innerhalb der ersten Schicht 4 suspendiert, um eine Farbumwandlung des Lichts, das von der Festkörper-Lichtquelle 1 von einem ersten Spektrum zu einem zweiten Spektrum emittiert wird, suspendiert. Weiterhin kann die erste Schicht 4 Additive enthalten, um die rheologischen Eigenschaften des Harzes zu modifizieren. Deswegen kann jedes Additiv, das aus dem Stand der Technik bekannt ist und welches die theologischen Eigenschaften des Harzes beeinflusst, verwendet werden.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gemäß 1 ist die Festkörper-Lichtquelle eine blaue LED, die blaue Photonen emittiert, die teilweise durch die in der ersten Schicht 4 vorhandenen Phosphorpartikel umgewandelt werden.
Wie in 1 gezeigt ist, ist die Oberfläche 4a der ersten Schicht 4 bevorzugt flach. Um allerdings die Lichtemission von der oberen Oberfläche 4a zu beeinflussen, kann diese Oberfläche sowohl eine konvexe Form als auch eine konkave Form aufweisen.
Nach dem Verteilen der Schicht 4 der ersten Stufe in der Aussparung 3 der Plattform 2, wird die erste Schicht 4 bevorzugt gehärtet, bevor die zweite Schicht 5 auf der oberen Oberfläche 4a der ersten Schicht 4 aufgetragen wird. Diese zweite Schicht 5 wird bevorzugt ebenfalls durch Verteilen aufgetragen. Demzufolge kann durch Verteilen eines Tropfens auf der ersten Schicht 4 eine kalottenförmige zweite Schicht auf der Oberfläche 4a der ersten Schicht 4 gebildet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die zweite Schicht 5 mittig über der Festkörper-Lichtquelle 1 aufgetragen. Somit stimmt der dickste Teil der zweiten Schicht 5 mit der Mitte der Festkörper-Lichtquelle 1 überein. Dabei ist die zweite Schicht 5 aus einem optisch transparenten härtbaren Material, wie Silizium oder ein Epoxidharz, hergestellt. Die genaue Gestalt der kalottenförmigen zweiten Schicht, wie die Höhe h1, der Durchmesser b1 und der Radius der Krümmung r1 der Oberfläche 5a kann durch das Volumen des Tropfens und die rheologischen Eigenschaften des zu verteilenden Harzes beeinflusst werden. Deswegen kann das Material der zweiten Schicht Additive umfassen, um die rheologischen Eigenschaften davon zu modifizieren.
Die zweite Schicht 5 umfasst bevorzugt Streuteilen, die ein Streuen des Lichts, das durch die zweite Schicht 5 geht, ermöglichen.
Der Durchmesser der unteren Oberfläche der kalottenförmigen zweiten Schicht b1 ist bevorzugt kleiner als der Durchmesser/Breite der oberen Oberfläche der ersten Schicht (b2), wie in 1 gezeigt ist. Allerdings kann der Durchmesser (b1) der zweiten Schicht ebenfalls größer als der Durchmesser oder die Breite der ersten Schicht b2 sein.
Es sollte verstanden werden, dass das Licht, das vom Randbereich der oberen Oberfläche 4a der ersten Schicht 4 emittiert wird, eine beträchtlich niedrigere Farbtemperatur aufweist. Dieses ist erstens auf eine erhöhte durchschnittliche Weglänge der ursprünglichen blauen Photonen von dem LED-Dice auf die Oberfläche 4a der ersten Schicht 4 zurückzuführen. Demzufolge gibt es eine höhere Möglichkeit der Wechselwirkung der emittierten Photonen mit den Phosphorpartikel innerhalb der ersten Schicht. Und zweitens wird der oben erwähnte Effekt aufgrund der isotropen Emission der umgewandelten Photons von den Phosphorpartikel innerhalb der ersten Schicht 4 unterstützt.
Da die zweite Schicht 5 kalottenförmig ist, ist die zweite Schicht 5 über der Mitte der Lichtquelle 1 dicker als am Randbereich der Aussparung 3. Somit wirkt sich die Streuung vornehmlich auf das Licht, dass von der Mitte der Aussparung 3 emittiert wird und weniger auf das Licht, das vom Randbereich davon emittiert wird, aus. Da die vorliegende Ausführungsform der Erfindung, wie oben beschrieben, eine selektive Streuung des (bläulichen) Lichts, das von der Mitte des emittierten Lichtkegels emittiert wird, kann der Halo-Effekt verringert, beseitigt oder sogar umgekehrt werden.
Um eine optimale Effektivität des Streuens in der zweiten Schicht zu erreichen, müssen die folgenden Parameter eingestellt sein:

(a) Streupartikelgröße,
(b) Streupartikelkonzentration,
(c) Tropfenform, (in Abhängigkeit von rheologischen Parametern und Verteilungsparametern) und
(d) Verteilungsvolumen.

Für eine gegebene Streupartikelgröße, Konzentration und Verteilungsparameter gibt es eine optimale Konfiguration, wobei man einen Lichtkegel mit verbesserter Farbgleichmäßigkeit (flache Kurve, wie in 5 gezeigt) erreicht.
Darüber hinaus liegen die Dimensionen des Lichtmoduls gemäß der Erfindung, wie in 1 angegeben, bevorzugt innerhalb der folgenden Bereiche:
Die Höhe der Plattform h2 ist bevorzugt größer als oder gleich der Höhe der Lichtquelle h3 und bevorzugt kleiner als oder gleich 10 × h3, bevorzugt 5 × h3.
Die Höhe h2 der Plattform 2 liegt bevorzugt zwischen 300 bis 600 μm. Die Dicke h2' der Plattform 2 unter der Aussparung 3 liegt bevorzugt zwischen 50 bis 300 μm. Demzufolge kann man eine sehr kompakte und platzsparende Anordnung des Lichtmoduls erreichen.
Darüber hinaus ist die Höhe h1 der kalottenförmigen zweiten Schicht 5 bevorzugt kleiner als h2 der ersten Schicht 4. Das Verhältnis h1/b1 der Höhe der zweiten Schicht h1 und des Durchmessers b1 davon liegt bevorzugt zwischen 0,01 und 0,5 und bevorzugter zwischen 0,05 und 0,3.
Es wird hier angemerkt, dass der bevorzugte Durchmesser der zweiten Schicht b1 davon abhängt, ob die Festkörper-Lichtquelle von der Seite oder von oben emittiert. Dabei bedeutet „von der Seite emittierend” ein Chip, der einen Teil des Lichts von oben und den anderen Teil, typischerweise 40%, von seinen Seiten emittiert. Für einen von oben-Emitter wird im Wesentlichen kein Licht von den Seitenwänden des Chips emittiert.
Wenn die Lichtquelle ein von der Seite emittierender Chip ist, liegt der Durchmesser der zweiten Schicht b1 bevorzugt zwischen dem Durchmesser/Breite der Lichtquelle b4 und der Breite der Plattform b3 wie in 1 angegeben.
Wenn die Lichtquelle ein von oben emittierender Chip ist, kann der Durchmesser der zweiten Schicht b1 nahe dem Durchmesser/Breite der Lichtquelle b4 sein, wenn die Lichtquelle ein von oben emittierender Chip ist.
1b zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung gemäß 1 in der Ansicht von oben. Wie aus dieser Figur zu ersehen ist, ist die Aussparung 3 rechtwinkelig, z. B. im Quadrat.
Allerdings kann eine Aussparung rechtwinkliger Form noch zur Farbvariation aufgrund der Eckbereiche 14 beitragen, die nicht durch die zweite Schicht 5 bedeckt sind. Deswegen, wie in 1b gezeigt ist, kann die Aussparung 3 eine kreisförmige Form, wie durch das Bezugszeichen 3' in 1b angegeben ist, aufweisen. Eine kreisförmige Aussparung erhöht somit weiterhin die Farbgleichmäßigkeit des Lichts, das von dem Lichtmodul gemäß der Erfindung emittiert wird.
Der Durchmesser b1 der zweiten Schicht 5 ist bevorzugt kleiner als oder gleich die Breite/Durchmesser b2 der Aussparung 3. Der Durchmesser b1 ist bevorzugt größer als der Durchmesser/Breite b4 der Festkörper-Lichtquelle 1.
Wie in 1b zu sehen ist, ist die Festkörper-Lichtquelle 1 bevorzugt in der Mitte innerhalb der Aussparung 3 angeordnet. Darüber hinaus ist die zweite Schicht 5 zentrisch über der Festkörper-Lichtquelle 1 angeordnet.
Die 2a und 2b zeigen ähnliche Ausführungsformen.
In 2a wird die Viskosität der zweiten Schicht 5 so gewählt, dass sie höher im Vergleich zur Ausführungsform gemäß den 1a und 1b in der Weise ist, dass der Radius der Krümmung r2 der Oberfläche 5a der kalottenförmigen zweiten Schicht 5 kleiner ist und die Höhe h1 höher als in den vorangegangenen Beispielen ist. Der Durchmesser der zweiten Schicht b1 ist bevorzugt kleiner als der Durchmesser der zweiten Schicht b2. Diese Ausführungsform ist insbesondere bevorzugt für eine von oben emittierende Festkörper-Lichtquelle 1.
In der in 2b gezeigten Ausführungsform ist eine niedrigere Viskosität des härtbaren Harzes gewählt worden, so dass der Durchmesser der zweiten Schicht b1 gleich oder größer als der Durchmesser der ersten Schicht 4 und kleiner als der Durchmesser/Breite der Plattform b3 ist. Darüber hinaus ist die Höhe h1 der zweiten Schicht kleiner im Vergleich zur in 2a gezeigten Ausführungsform. Demzufolge ist der Radius der Krümmung r3 oder Oberfläche der zweiten Schicht 5a größer als in der zuvor beschriebenen Ausführungsform. Diese Ausführungsform ist insbesondere bevorzugt für eine von der Seite emittierende Festkörper-Lichtquelle 1, weil die gesamte Oberfläche der ersten Schicht 4 von der zweiten Schicht 5 bedeckt ist.
Eine zusätzliche Verbesserung der Farbgleichmäßigkeit kann erreicht werden, indem die Einstufen-Aussparung 3 durch eine wie in 3 gezeigte Zweistufen-Aussparung 13 ersetzt. In den zuvor beschriebenen Ausführungsformen kann immer noch etwas Farbvariation aufgrund (1) isotropischer Emission von umgewandeltem Licht durch Phosphorpartikel, die sich nahe der Oberfläche der ersten Schicht 4 befinden und (2) selektiven Streuens des bläulichen Lichts von der Mitte existieren. Ein Zweistufen-Rahmen verursacht eine geringe Reduktion der Lichtleistung, allerdings wird weiterhin die Farbgleichmäßigkeit des vom Lichtmodul emittierten Lichts erhöht.
Dabei können die Reflexionsoberflächen 13a der zweiten Stufe eine reguläre oder diffuse Reflexion bewirken. Bevorzugt wird eine diffuse Reflexion durch die Oberflächen 13a bewirkt, um eine ideale Farbgleichmäßigkeit zu erreichen.
Wie in 3 gezeigt ist, kann ein zusätzliches optisches System 12 zum Fokussieren des Lichtstrahls über der zweiten Schicht 5 vorgesehen sein. Das optische System 12 ist bevorzugt eine Glaslinse, eine Kunststofflinse oder eine Siliziumlinse, die das Licht, das von der Oberfläche 5a der zweiten Schicht 5 emittiert wird, fokussiert.
Der Strahlungswinkel des optischen Systems liegt bevorzugt zwischen 20° und 120°. Die obere Oberfläche 12a des optischen Systems 12 ist bevorzugt mikrostrukturiert.
4a zeigt eine andere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei eine Vielzahl von Festkörper-Lichtquellen 1 innerhalb der Aussparung 3 angeordnet sind. Die gezeigte Aussparung 3 hat eine rechteckige Form. Wie aus der Figur zu ersehen ist, hat die zweite Schicht 5 eine längliche Kalottenform. Während des Herstellungsverfahrens werden viele Tropfen in einer Reihe auf der Oberfläche 4a der ersten Schicht 4 verteilt, um die zweite Schicht 5 gemäß 4a zu erhalten.
4b zeigt eine andere Ausführungsform, die ähnlich der in 4a gezeigten Ausführungsform ist. Allerdings ist in dieser besonderen Ausführungsform die zweite Schicht 5 durch Verteilen vieler Tropfen geringerer Viskosität im Vergleich zur in 4a gezeigten Ausführungsform gebildet. Dabei wird jeder der Tropfen bevorzugt über die Mitte einer oder der Vielzahl von Festkörper-Lichtquellen 1 verteilt. Dieses führt zu einer zweiten Schicht 5, die aus vielen Kalotten besteht, die zusammen verbunden sind, um eine zweite Schicht 5 mit einer modulierten Oberfläche, beispielsweise eine wellenförmige Oberfläche, wie in der Figur gezeigt ist, zu bilden. Dabei ist ein Peak an der Oberfläche 5a der zweiten Schicht 5 bevorzugt über jeder Festkörper-Lichtquelle 1 gebildet.
Wie in den Ausführungsformen gemäß den 4a und 4b gezeigt ist, ist der Durchmesser/Breite der zweiten Schicht 5 kleiner als der Durchmesser/Breite der Aussparung 3. Allerdings kann die zweite Schicht 5 ebenso die Oberfläche der ersten Schicht 4 vollständig bedecken, wie dies bereits mit Bezug auf die vorherigen Ausführungsformen beschrieben wurde.
5 zeigt einen Vergleich der Farbgleichmäßigkeit eines Lichtmoduls mit einer einzelnen Schicht, die in einem Einstufen-Verteilungsverfahren (Kurven 17a, 17b) gemäß dem Stand der Technik verteilt wurde und eines erfindungsgemäßen Lichtmoduls, wobei zwei Schichten in einer gegebenen Aussparung einer Plattform (Kurven 18a, 18b) verteilt sind. Dabei bezieht sich die x-Achse auf den Strahlungswinkel der LED-Module an ihrer oberen Oberfläche.
Die y-Achse bezieht sich auf die Farbkoordinaten (oder Chromatizitätskoordinaten) gemäß CIE XYZ Farbraum, worin die x-Koordinaten durch eine durchgezogene Linie (17b, 18b) gezeigt sind und die y-Koordinaten durch eine gestrichelte Linie (17a, 18a) gezeigt sind.
Insbesondere bezieht sich der Einstufen-Verteilungsprozess auf ein Verfahren, wobei eine Siliziumschicht, die ein Wellenlängenumwandlungsmaterial, allerdings keine Streupartikel, enthält, in der Aussparung der Plattform ausgeteilt wird. Der Zweistufen-Verteilungsprozess bezieht sich auf ein Verfahren, wobei eine erste Siliziumschicht, die ein Wellenlängenumwandlungsmaterial enthält, verteilt wird und in einer ersten Stufe gehärtet wird. In einer zweiten Stufe wird die das Streumaterial enthaltende zweite Schicht auf der ersten Schicht verteilt. Bei beiden Lichtmodulen werden eine 50° mikrostrukturierte Linse und eine LED mit einer korrelierten Farbtemperatur von 4.200 K angewendet.
Wie man aus 5 ersehen kann, weist das emittierte Licht (18a, 18b) des erfindungsgemäßen Lichtmoduls einen Lichtkegel mit verbesserter Gleichmäßigkeit auf.
6 bezieht sich auf das entsprechende Strahlungsmuster für Ein-Stufen-(Kurve 19a) und Zwei-Stufen-Verteilungsprozesse (Kurve 19b) gemäß 5. Wie aus 6 zu ersehen ist, ist das Strahlungsmuster für den Zwei-Stufen-Verteilungsprozess gemäß der vorliegenden Erfindung weiter als das Strahlungsmuster, das man nach der Ein-Stufen-Verteilung erhält. Es sollte bemerkt werden, dass die gleichen Lichtquellen für die gemessenen Werte, die in den Graphen der 5 und 6 beschrieben sind, verwendet worden sind.
Es ist nicht repräsentativ für die erfundenen Merkmale. Ich schlage vor, diese Figur zu streichen.
7a bis 7e zeigen eine andere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei den vorherigen Ausführungsformen müssen sowohl die rheologischen Eigenschaften der Streupaste als auch die Verteilungsparameter sehr eng gesteuert werden, um eine reproduzierbare Größe und Position des Tropfens sicherzustellen.
In den 7a bis 7d sind die Verfahrensstufen des Verteilens gezeigt: Aussparungen 3, die auf einer Waver-Skalierung 15 hergestellt wurden vor dem Verteilen (7a), nach dem Verteilen und Härten der ersten Schicht (7b) und nach dem Verteilen der zweiten Schicht (7c und 7d). In den 7d und 7e werden die Tropfen der zweiten Schicht 5 mit niedriger Viskosität in einem ziemlich hohen Volumen verteilt, so dass nicht nur die Aussparungen 3, sondern ebenfalls die Oberflächen 3a der Plattformen 2 mindestens teilweise mit der zweiten Schicht 5 bedeckt sind, weil die Tropfen 5 von benachbarten Plattformen 2 koaleszieren. Damit koaleszieren benachbarte Tropfen 5 bevorzugt innerhalb eines Bereichs auf der Oberfläche 3a der Plattform 2, wo die Entfernung zwischen den Mitten der Tropfen minimal ist. Die Höhe der zweiten Schicht 5 am Mittelbereich über der Lichtquelle 1 ist durch die Höhe h1 angegeben. Die Höhe der zweiten Schicht 5, an den Flächen, wo die Tropfen koaleszieren, ist mit der Höhe h'1 in 7e angegeben. Die Entfernung zwischen zwei gleichen Ecken von angrenzenden Aussparungen 3 auf dem Wafer 15 ist in der 7e mit der Bezugszahl b3 angegeben.
Die Ecken der Aussparungen 3 können allerdings von der zweiten Schicht 5 unbedeckt bleiben, wie dies durch die Fläche 16 in 7d gezeigt ist. Die unbedeckten Flächen 16 haben bevorzugt eine kreisförmige Form oder sind nahe einer kreisförmigen Form, mit einem Radius b5, der von der Viskosität der Paste, ihrem Volumen und von den Verteilungsparametern (Druck etc.) abhängt. Unter der Annahme, dass die Viskosität der zweiten Schicht 5 nicht zu niedrig ist (das heißt, wenn es nicht der Viskositätsbereich eines typischen reinen Siliziums ist), wird die Höhe h1 der zweiten Schicht 5 höher über der Mitte der Lichtquelle 1 als an den Rändern bleiben, selbst wenn alle benachbarten Tropfen koaleszieren. In jedem Fall können die Ecken unbedeckt, wie oben erklärt, bleiben. Wenn andererseits die Paste eine extrem geringe Viskosität aufweist und/oder ihr Volumen sehr hoch gewählt ist, dann können selbst die Ecken vollständig bedeckt werden. In diesem Fall ist b5 gleich Null, und der Unterschied zwischen h'1 und h1 wird kleiner.
Dabei liegen die Dimensionen der Einheit bevorzugt innerhalb folgender Bereiche:
h3 ≤ h2 ≤ 10h3, bevorzugt h3 ≤ h2 ≤ 5h3 h'1 < h1 < b2/2, bevorzugt 1,1 h'1 < h1 < b2/3 0 ≤ b5 ≤ b3/3.
Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug auf ihre bevorzugten Ausführungsformen beschrieben worden ist, können viele Modifikationen und Änderungen durch den Fachmann mit allgemeinem Fachwissen durchgeführt werden, ohne vom Umfang dieser Erfindung, die in den anhängenden Ansprüchen definiert sind, abzuweichen.
Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung ebenfalls auf multiple Chipvorrichtungen angewendet werden. Beispielsweise ist in RBG- oder RGBA-Vorrichtungen, die einen roten, grünen und blauen Dice oder einen roten, grünen, blauen und bernsteinfarbigen Dice enthalten, das Vermischen der verschiedenen Modalfarben oftmals unzureichend, um einen homogenen Lichtkegel zu erreichen, insbesondere, wenn die Vorrichtung mit einem optischen System, wie eine Glaslinse mit kleinem Strahlungswinkel (z. B. eine 20° Linse), kombiniert wird. Für diese Systeme erhöht eine Doppelschichtstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung die Qualität des Strahlungsmusters. Insbesondere kann die erhaltene Farbhomogenität durch die x- und y-Koordinaten des emittierten Lichts, gemäß dem CIE XYZ Farbraum, als Funktion des Strahlungswinkels des Lichtmoduls erläutert werden.

Claims

Lichtmodul, das aufweist: mindestens eine Festkörper-Lichtquelle (1), die Licht eines ersten Spektrums emittiert, eine Plattform (2), die eine Aussparung (3) aufweist, worin die Festkörper-Lichtquelle (1) angeordnet ist, eine erste Schicht (4) aus einem optisch transparenten Material, die über der Festkörper-Lichtquelle (1) angeordnet ist und die ein Farbumwandlungsmaterial umfasst, das einen Teil des Lichts, das von der Festkörper-Lichtquelle von einem ersten Spektrum zu einem zweiten Spektrum emittiert wird, umwandelt, eine zweite Schicht (5) aus einem optisch transparenten Material, das über der oberen Oberfläche (4a) der ersten Schicht (4) angeordnet ist und kalottenförmig ist, wobei eine Mischung aus dem ersten und dem zweiten Spektrum durch das Lichtmodul emittiert wird und worin die zweite Schicht (5) Streupartikel umfasst.
Lichtmodul nach Anspruch 1, worin das Farbumwandlungsmaterial Phosphorpartikel, lumineszente Nanokristalle oder lumineszente organische Materialien umfasst.
Lichtmodul nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin eine zusätzliche Schicht (6, 7) aus einem festen optischen transparenten Material zwischen der ersten (4) und der zweiten Schicht (5) und/oder zwischen der Festkörper-Lichtquelle (1) und der ersten Schicht (4) eingefügt ist.
Lichtmodul nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin die Aussparung (3) des Lichtmoduls Reflektionsoberflächen (8a, 8b) umfasst.
Lichtmodul nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin die obere Oberfläche (4a) der ersten Schicht flach, konvex oder konkav ist.
Lichtmodul nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin die erste und zweite Schicht (4, 5) aus Silizium, einem Epoxidharz oder einem Polymer hergestellt sind.
Lichtmodul nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin die Oberfläche (4a) der ersten Schicht (4) mit einer niedrigeren oder einer höheren Ebene als die obere Oberfläche (3a) der Plattform (3) bündig ist oder daran angeordnet ist.
Lichtmodul nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin elektrische Kontakte (10) und/oder Durchgangsbohrungen (11) innerhalb der Aussparung (3) der Plattform (2) liegen, um die Festkörper-Lichtquelle (1) mit elektrischem Strom zu versorgen.
Lichtmodul nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin die Plattform (2) aus Keramik, Silizium oder einem Polymer hergestellt ist.
Lichtmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, worin die Streupartikel aus anorganischen Oxiden oder Sulfaten, wie, allerdings ohne Einschränkung darauf, Al₂O₃, BaSO₄, TiO₂, BaTiO₃, gewählt sind.
Lichtmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 10, worin der durchschnittliche Durchmesser d₅₀ der Streupartikel zwischen 0,5–8 μm liegt.
Lichtmodul nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin der Durchmesser (b1) einer unteren Oberfläche der zweiten Schicht (5) im Bereich von 50% bis 120% im Vergleich zum Durchmesser (b2) der oberen Oberfläche (4a) der ersten Schicht (4) liegt.
Lichtmodul nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin die zweite Schicht (5) ein Wellenlängenumwandlungsmaterial umfasst, dessen Konzentration niedriger als diejenige der ersten Schicht (4) ist.
Lichtmodul nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin das optische System (12) auf dem Lichtmodul angeordnet ist, um den Lichtstrahl, der vom Lichtmodul emittiert wird, zu fokussieren.
Lichtmodul nach Anspruch 14, worin der Strahlungswinkel des optischen Systems (12) zwischen 20° bis 120° liegt.
Lichtmodul nach Anspruch 14 oder 15, worin die obere Oberfläche (12a) des optischen Systems (12) eine Mikrostruktur aufweist.
Lichtmodul nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin die Höhe (h3) der Festkörper-Lichtquelle (1) kleiner als die Höhe (h2) der ersten Schicht (4) ist, die bevorzugt kleiner als 5 × h3 ist.
Lichtmodul nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin das Verhältnis der Höhe (h1) der zweiten Schicht und ihres Durchmesser (b1) zwischen 0,01 und 0,5 und bevorzugt zwischen 0,05 und 0,3 liegt.
Verfahren zur Verbesserung der Homogenität eines monochromen Lichts, das von einer Feststofflichtquelle (1) emittiert wird, worin mindestens das Licht, das nahe der Mitte der Festkörper-Lichtquelle (1) emittiert wird und somit in Nachbarschaft ihrer optischen Achse vornehmlich durch eine erste und eine zweite Schicht (4, 5) aus einem optisch-transparenten Material, das auf der Festkörper-Lichtquelle (1) angeordnet ist, gestreut wird, wobei die erste Schicht (4) ein Farbumwandlungsmaterial umfasst und wobei die zweite Schicht (5) frei von einem Farbumwandlungsmaterial ist.
Verfahren nach Anspruch 19, worin die zweite Schicht (5) Streupartikel umfasst.
Verfahren nach Anspruch 19 oder Anspruch 20, worin ein festes optisch transparentes Medium (6, 7) zwischen der Lichtquelle (1) und/oder der ersten und der zweiten Schicht (4, 5) angeordnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, worin die Feststofflichtquelle (1) eine blaue LED ist.