JP2011511447A - オプトエレクトロニクスモジュールおよびオプトエレクトロニクスモジュールを備えたプロジェクション装置 - Google Patents

Abstract

可視波長領域の単色放射を放出するオプトエレクトロニクスモジュール（１１）を提供する。このモジュール（１１）は、紫外線放射を生成する複数の発光ダイオードチップ（１）を備えている。紫外線放射が波長変換層（２）によって可視領域の光（例えば緑色光）に変換される。選択的に反射および透過させる２つのフィルタ（３，４）を使用することによって、モジュール（１１）の光取り出しが最適化される。このモジュール（１１）は、プロジェクション装置（１２）における光源として使用することができる。
【選択図】図９Ａ

Description

プロジェクション装置には、高い光出力を有する光源が要求される。プロジェクション装置用の従来の光源は、高い動作電流で動作し、かなりの量の無駄な熱を発生させる。これらの不利な影響は、発光ダイオードチップを光源として使用することによって回避することができる。しかしながら現在のところ、多くのプロジェクション用途において発光ダイオードチップの光出力は小さすぎる。

オプトエレクトロニクス部品は、特許文献１および特許文献２に開示されている。

国際公開第２００７／０３６２１４号パンフレット 米国特許出願第２００６／００５７７５３号明細書

本発明の１つの目的は、高い光出力を有するオプトエレクトロニクス部品を開示することである。

発明者は、発光ダイオードチップの放射効率が、生成される放射の波長が高くなるにつれて大きく低下することを見いだした。一例として、紫外線放射を発生させる発光ダイオードチップの放射効率は、緑色の波長範囲の放射を発生させる発光ダイオードチップの放射効率よりも大幅に高い。以下では、これらの発光ダイオードチップのそれぞれを、略して紫外線ＬＥＤおよび緑色ＬＥＤと称する。

たとえ低い動作電流Ｉ（例えばＩ＝２０ｍＡ）においても、紫外線ＬＥＤの発光出力は、緑色ＬＥＤの発光出力よりも大きい。その一方で、動作電流が増大するとき、出力の飽和は、ＵＥ ＬＥＤの場合よりも緑色ＬＥＤの場合の方が急激に達する。この場合、線形係数Ｌ_{８０／２０}は、発光ダイオードの高電流効率（high-current efficiency）の測度である。Ｌ_{８０／２０}は、動作電流Ｉ＝８０ｍＡおよびＩ＝２０ｍＡにおいて放出される光の出力の指数から導かれる。理想的な場合、この係数は２つの動作電流の比に一致し、値は４である。この理想的な値は、紫外線ＬＥＤの場合にはほぼ達成されるのに対して、緑色ＬＥＤの場合には大幅に下回る。

紫外線ＬＥＤおよび波長変換層を備えているオプトエレクトロニクス部品を開示する。生成される紫外線放射は、ＬＥＤの前面によって放出され、波長変換層に入射する。波長変換層は、紫外線放射の少なくとも一部分を可視光に変換する。

この配置構造では、可視範囲の単色放射を高い効率で放出することが可能である。この場合、放射の波長が狭い範囲にある場合に、その放射を単色放射と称する。放出される放射のスペクトル半値全幅Δλは、１０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲にあることが好ましい。

紫外線放射（すなわち波長λ≦４２０ｎｍを有する放射）を放出する発光ダイオードチップは、例えばインジウムガリウム窒化物（ＩｎＧａＮ）をベースとしている。この発光ダイオードチップは、薄膜発光ダイオードチップとして具体化することができる。

波長変換層は、紫外線放射を、４９０ｎｍ〜５４５ｎｍの範囲の主波長λ_Ｐｅａｋを有する緑色光に変換することが好ましい。この場合、主波長とは、放射される光の強度が最大である波長である。

波長変換層の別の実施形態においては、４２０ｎｍ〜４９０ｎｍの波長範囲の青色光、または５７５ｎｍ〜７５０ｎｍの波長範囲の赤色光または黄色光を生成することも可能である。

波長変換層は、波長変換物質の粒子が中に存在しているマトリックス材料を含んでいることが好ましい。マトリックス材料としては、透明な材料（例えば、ガラス、石英、サファイア、炭化ケイ素）、透明なセラミック（例えば、Ａｌ_２Ｏ_３）、ダイヤモンド、シリコーン、アクリレート、ポリイミド、ポリカーボネート、エポキシ樹脂、あるいはこれらの材料の混合物が適している。マトリックス材料は、高い熱伝導率を有することが好ましく、結果として、発生する無駄な熱を良好に放散させることができる。極めて高い熱伝導率を有する材料は、例えば、炭化ケイ素あるいはダイヤモンドである。

波長変換物質の粒子は、マトリックス材料の中にできる限り一様に分散していることが好ましい。

適切な波長変換物質としては、希土類元素の群の金属によってドープされた材料が挙げられ、例えば、ガーネット、アルカリ土類金属硫化物、チオガレート、アルミン酸塩、オルトケイ酸塩、クロロシリケート、アルカリ土類金属窒化ケイ素、オキシナイトライド、アルミニウム酸窒化物、酸窒化ケイ素である。一例として、セリウムによってドープされたガーネット蛍光体であるＹＡＧ：Ｃｅが使用される。

一実施形態においては、マトリックス材料は変換材料によって同時に形成されており、一例として、ＹＡＧセラミックを使用することができる。言い換えれば、波長変換層は、例えばセラミック変換薄層として具体化されている。この場合、セラミック波長変換物質を焼結してセラミック層を形成するが、セラミック材料の密度と、セラミック材料における含有空気の間隙サイズ（pore size of air inclusions）とによって、通過する放射の散乱を設定することが可能である。

さらに、セラミック層は、波長変換物質がマトリックス材料（例えばシリコーン）の中に組み入れられた波長変換層よりも高い熱伝導率を有する。このようにすることで、熱を波長変換層によって特に効率的に放散させることができる。

セラミック層は、自己支持性（self-supporting）とすることができる。その場合、セラミック層が、波長変換層と、波長変換層のキャリアとを同時に形成している。しかしながら、セラミック層を、熱伝導性の透明なキャリア（例えばサファイヤあるいは炭化ケイ素）の上に、熱間静水圧プレスあるいはパルスレーザ蒸着法などの方法によって固定または堆積させることも可能である。

本オプトエレクトロニクス部品の好ましい一実施形態においては、２つの放射タイプの一方に対する高い透過率と、他方の放射タイプに対する高い反射率とを有する少なくとも１つのフィルタが、ビーム経路に配置されている。

光学素子（例えばフィルタ）の「高い透過率」という表現は、本文書においては、その素子に入射する放射の少なくとも５０％が素子を通過することを意味する。好ましくは、その素子に入射する放射の少なくとも７５％、特に好ましくは少なくとも９０％が、素子を通過する。

光学素子（例えばフィルタ）の「高い反射率」という表現は、本文書においては、その素子に入射する放射の少なくとも５０％が素子によって反射されることを意味する。好ましくは、その素子に入射する放射の少なくとも７５％、特に好ましくは少なくとも９０％が、素子によって反射される。

このフィルタが紫外線放射に対して選択的に透過性であり、可視波長範囲の放射を反射するならば、それを紫外線フィルタと称する。フィルタが可視範囲の光に対して選択的に透過性であり、紫外線放射を反射するならば、一般的には可視フィルタと称する。この可視フィルタが、より狭い波長範囲の放射を透過させるように設けられているならば、その波長範囲に応じて、緑色フィルタ、青色フィルタ、黄色フィルタ、または赤色フィルタという用語によって、より正確に指定される。

好ましい一実施形態においては、紫外線放射に対する高い透過率と、可視波長範囲の放射に対する高い反射率とを有する紫外線フィルタが、紫外線ＬＥＤと波長変換層との間に配置されている。

波長変換層からの変換後の光がこの紫外線フィルタに入射すると、光は反射されて、波長変換層の方向、特に、本オプトエレクトロニクス部品の放射取り出し構造部の方向に戻される。結果として、本部品の取り出し効率が増大する。紫外線フィルタが存在しない場合、紫外線ＬＥＤ、キャリア、またはハウジングにおいて可視光が吸収されうる。

さらなる実施形態においては、可視波長範囲の放射に対する高い透過率と、紫外線放射に対する高い反射率とを有する可視フィルタが、波長変換層と本部品の放射取り出し構造部との間に配置されている。

この可視フィルタを使用することで、第一に、放出される光の波長およびその半値全幅を設定することができる。一例として、この可視フィルタは、４９０ｎｍ〜５４５ｎｍの間の波長範囲の緑色光に対してのみ透過性である。したがって、この可視フィルタは、人間の目に有害な紫外線放射が外側に貫通することも防止することが好ましい。第二に、放出させる所望の波長範囲内ではない放射が反射されることによって、本部品の変換効率、したがって、放出される出力が増大する。特に、変換されていない紫外線放射が反射されて波長変換層に戻り、そこで可視光に変換することができる。

特に有利な一実施形態においては、本オプトエレクトロニクス部品は、紫外線フィルタと可視フィルタの両方を有する。

一例として、これらのフィルタの一方または両方は、ブラッグミラーとして具体化されている。ブラッグミラーは、交互に配置された、高い屈折率の誘電体層および低い屈折率の誘電体層から成る。誘電体層は、一例として、二酸化チタン（ＴｉＯ_２）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化ケイ素（ＳｉＮ）、五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）、または酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）を含んでいることができる。

一実施形態においては、これらフィルタの一方または両方は、キャリア上に配置されている。

フィルタが最適に機能できるようにする目的で、キャリアの表面はできる限り平面状であるべきである。

キャリアは、高い熱伝導率を有することが好ましく、したがって、紫外線ＬＥＤおよび変換層において発生する熱を放散することができる。一例として、キャリアは、約２００Ｗ／ｍＫの伝導率を有する炭化ケイ素を含んでいる。このタイプのキャリアは紫外線フィルタ用に特に有利であり、なぜなら、紫外線フィルタは紫外線ＬＥＤの近傍に位置しているためである。キャリアは、波長変換層のマトリックス材料として適している１つまたは複数の材料を同様に含んでいることもできる。

好ましい一実施形態においては、これらキャリアの一方または両方は、波長変換層にモノリシックに集積化されている。言い換えれば、キャリアと波長変換層は、互いに固定状態に機械的に結合されている。この結合は、破壊しない限りは解放することができない。したがって、キャリアおよび波長変換層は一体に形成されている。特に、波長変換層が同時にフィルタのキャリアも構成していることができる。これによって、フィルタおよび波長変換層の特に省スペース的な配置構造が可能となる。さらに、波長変換層をフィルタのキャリアとしても同時に利用する場合、その配置構造は特に高い費用効果で製造される。

特に、紫外線フィルタは紫外線ＬＥＤに固定状態で結合されている。

一実施形態においては、紫外線フィルタは、紫外線ＬＥＤの前側放射放出面に結合材料によって固定されている。適切な結合材料は、透明な材料（例えばシリコーン接着剤あるいはポッティング材料）である。

別の実施形態においては、紫外線フィルタは、紫外線ＬＥＤの前側放射放出面にモノリシックに集積化されている。この目的のため、半導体ボディの製造にも使用される方法、またはそのような方法と容易に両立する方法によって、紫外線フィルタを製造することができる。このような方法は、例えば、スパッタリングまたはエピタキシャル成長である。したがって、フィルタの製造工程が技術的に単純化される。

さらには、上述した要素から成り、少なくとも２つの紫外線ＬＥＤを含んでいるオプトエレクトロニクスモジュールを開示する。少なくとも１つの波長変換層が、生成される紫外線放射のビーム経路に配置されている。本オプトエレクトロニクス部品の好ましい一実施形態においては、２つの放射タイプの一方に対する高い透過率と、他方の放射タイプに対する高い反射率とを有する少なくとも１つのフィルタが、ビーム経路に配置されている。

少なくとも２つの紫外線ＬＥＤは、一平面内に配置されており、同じ主放出方向を有することが好ましい。一例として、これらの紫外線ＬＥＤは、規則的な格子として配置されている。波長変換層は、主放出方向において紫外線ＬＥＤの下流に配置されている平面状の層として具体化されて、紫外線ＬＥＤを覆っていることが好ましい。

好ましくは、１つまたは複数の紫外線フィルタが、紫外線ＬＥＤと波長変換層との間に配置されており、少なくとも１つの可視フィルタが、波長変換層と、オプトエレクトロニクスモジュールの取り出し領域との間に配置されている。

光源の明るさは、複数の紫外線ＬＥＤを組み合わせることによって増大する。この場合、本モジュールの製造およびハウジングへの（例えばプロジェクタのハウジングへの）組み込みを、技術的に単純かつ高い費用効果で達成することができる。

好ましい一実施形態においては、すべての紫外線ＬＥＤが、共通の波長変換層および共通の紫外線フィルタに放射する。変換された光は、共通の可視フィルタを通過することが好ましい。この場合、これらの要素は、例えば、互いに直接隣接させて互いに固定状態に結合することができる。特に、フィルタを波長変換層にモノリシックに集積化することができる。共通の紫外線フィルタは、結合材料（例えばシリコーン接着剤あるいはポッティング材料）によって紫外線ＬＥＤに固定することができる。

好ましい一実施形態においては、共通の紫外線フィルタおよび共通の可視フィルタのそれぞれが、平面状の層として具体化されている。この場合、紫外線フィルタは、主放出方向において紫外線ＬＥＤの下流に配置されており、紫外線ＬＥＤをできる限り完全に覆っている。可視フィルタは、紫外線ＬＥＤの主放出方向において波長変換層の下流に配置されており、同様に波長変換層をできる限り完全に覆っている。

このような共通の要素は、個別の要素よりも技術的に単純かつ高い費用効果で製造することができる。さらには、大きな共通の要素は、機械的安定性が高い。このような要素は、技術的に単純かつ高い費用効果でハウジングに取り付けることができる。

好ましい一実施形態においては、共通の可視フィルタが波長変換層から隔置されている。この隙間には、空隙またはポッティング材料を配置することができる。このような隙間によって、紫外線ＬＥＤにおいて発生する熱をより良好に放散させることができる。

別の実施形態においては、複数の紫外線ＬＥＤのそれぞれが、個別の紫外線フィルタと、個別の波長変換層と、個別の可視フィルタとを有する。この配置構造の利点として、発光ダイオードチップを、より高い柔軟性で（例えば、たとえ湾曲した面の上にも）取り付けることができる。要素の間には、空気またはポッティング材料によって満たされている隙間が配置されていることが好ましく、この隙間によって良好な熱放散が可能になる。

オプトエレクトロニクスモジュールのさらなる実施形態は、複数の紫外線ＬＥＤに共通である要素と、いくつかの紫外線ＬＥＤに対して個別に存在する要素との組合せを有する。一例として、複数の紫外線ＬＥＤが紫外線フィルタを共有することができ、それ以外の紫外線ＬＥＤが個別の紫外線フィルタを有することができる。

一例として、一実施形態においては、紫外線フィルタおよび波長変換層を個別に具体化することができ、可視フィルタを共通のフィルタとして具体化することができる。この場合、紫外線フィルタを紫外線ＬＥＤにモノリシックに集積化することができる。さらには、紫外線ＬＥＤとは反対側の紫外線フィルタの面において、紫外線フィルタを波長変換層に直接隣接させることができ、特に、波長変換層にモノリシックに集積化することができる。別の実施形態においては、紫外線フィルタが波長変換層から隔置されている。可視フィルタは、同様に波長変換層に隣接させる、特に、波長変換層にモノリシックに集積化することができ、あるいは、波長変換層から隔置することができる。存在する隙間は、空気またはポッティング材料によって満たすことができる。

さまざまな実施形態として記載したオプトエレクトロニクスモジュールは、例えば、プロジェクション装置における光源として使用することができる。このようなオプトエレクトロニクスモジュールは、十分に多数の紫外線ＬＥＤを使用することによって、大きな光放出領域を有することができる。このモジュールは、単一の紫外線ＬＥＤを有するオプトエレクトロニクス部品の場合と同様に、良好な高電流効率において高い光束を発生させる。最適な熱放散のため、空気またはポッティング材料によって満たされた隙間をモジュールに導入することができる。さらには、モジュールをフレームに組み込むことができ、これによって同様に熱放散を改善することができる。

オプトエレクトロニクスモジュールの少なくとも一実施形態によると、モジュールは、４９０ｎｍ〜５７５ｎｍの波長範囲の緑色の単色放射を放出する。

オプトエレクトロニクスモジュールの少なくとも一実施形態によると、モジュールは、４２０ｎｍ〜４９０ｎｍの波長範囲の青色の単色放射を放出する。

オプトエレクトロニクスモジュールの少なくとも一実施形態によると、モジュールは、５７５ｎｍ〜７５０ｎｍの波長範囲の黄色または赤色の単色放射を放出する。

オプトエレクトロニクスモジュールの少なくとも一実施形態によると、少なくとも１つの発光ダイオードチップが個別の波長変換層を有する。

オプトエレクトロニクスモジュールの少なくとも一実施形態によると、少なくとも２つ、特にすべての発光ダイオードチップが共通の紫外線フィルタを有する。

オプトエレクトロニクスモジュールの少なくとも一実施形態によると、少なくとも１つの発光ダイオードチップが個別の紫外線フィルタを有する。

オプトエレクトロニクスモジュールの少なくとも一実施形態によると、少なくとも２つ、特にすべての発光ダイオードチップが共通の可視フィルタを有する。

オプトエレクトロニクスモジュールの少なくとも一実施形態によると、少なくとも１つの発光ダイオードチップが個別の可視フィルタを有する。

以下では、開示する半導体チップおよびその有利な形状構造について、概略的な図面を参照しながら説明する。図面は、正しい縮尺では描かれていない。

さまざまなＬＥＤの線形係数Ｌ_{８０／２０}を、放出される光の主波長λ_Ｐｅａｋの関数として示している。 紫外線ＬＥＤおよび緑色ＬＥＤの場合における、放出される光の出力Ｐを動作電流Ｉの関数として示している。 波長変換層を有する紫外線ＬＥＤおよび緑色ＬＥＤの場合における、光束φを動作電流Ｉの関数として示している。 波長変換層を有する紫外線ＬＥＤおよび緑色ＬＥＤの場合における、主波長λ_Ｐｅａｋを動作電流Ｉの関数として示している。 紫外線フィルタ、波長変換層、および緑色フィルタの配置構造を、断面図として示している。 キャリアを有する紫外線フィルタ、波長変換層、およびキャリアを有する緑色フィルタの配置構造を、断面図として示している。 複数の異なる入射角度αの場合について、異なる波長λを有する光に対する紫外線フィルタの透過率および反射率を線図として示している。 共通の変換層と、共通の紫外線フィルタと、共通の緑色フィルタとを備えているオプトエレクトロニクスモジュールを断面図として示している。 図６Ａによるオプトエレクトロニクスモジュールの平面図を示している。 個別の波長変換層と、個別の紫外線フィルタと、個別の緑色フィルタとを備えているオプトエレクトロニクスモジュールを、断面図として示している。 図７Ａによるオプトエレクトロニクスモジュールの平面図を示している。 共通の波長変換層と、紫外線フィルタと、変換層から隔置されている共通の緑色フィルタとを備えているオプトエレクトロニクスモジュールを、断面図として示している。 個別の波長変換層と、個別の紫外線フィルタと、変換層から隔置されている共通の緑色フィルタとを備えているオプトエレクトロニクスモジュールを、断面図として示している。 共通の波長変換層と、紫外線ＬＥＤにモノリシックに集積化されている個別の紫外線フィルタと、共通の緑色フィルタとを備えているオプトエレクトロニクスモジュールを、断面図として示している。 フィルタのそれぞれが放出方向に波長変換層から隔置されている、図９Ａによるオプトエレクトロニクスモジュールを、断面図として示している。 フィルタを備えていないオプトエレクトロニクス部品を断面図として示している。 緑色フィルタを備えているオプトエレクトロニクス部品を断面図として示している。 紫外フィルタを備えているオプトエレクトロニクス部品を断面図として示している。 図１０Ａ、図１０Ｂ、および図１０Ｃによる部品の放射効率Ｅを、蛍光体の濃度Ｃの関数として線図によって示している。 本オプトエレクトロニクスモジュールを光源として備えているプロジェクション装置の斜視図を示している。

示した図において、波長変換層２と、紫外線フィルタ３と、可視フィルタ４は、複数の異なる実施形態に存在している。複数の発光ダイオードチップ１が共通の波長変換層２ａまたは共通のフィルタ３ａ，４ａを共有している場合、それぞれ参照数字の後ろに文字ａを付記してある。発光ダイオードチップ１が個別の波長変換層２ｂまたは個別のフィルタ３ｂ，４ｂを有する場合、それぞれ参照数字の後ろに文字ｂを付記してある。

以下の図に記載されている例示的な実施形態においては、標準的な設計の緑色ＩｎＧａＮ ＬＥＤおよび紫外ＩｎＧａＮ ＬＥＤが存在している。さらに、緑色フィルタが使用されている。しかしながら、この構造は、ＩｎＧａＮ ＬＥＤを使用して緑色光を発生させることへの限定を意図するものではない。そうではなく、別の半導体積層体および別の設計を有するＬＥＤを、類似する方法において使用することができる。さらに、放出される放射は、異なる波長（例えば、青色、赤色、または黄色の波長範囲の放射）を有することができる。

図１には、標準的な設計のさまざまなＩｎＧａＮ ＬＥＤそれぞれの場合の、放出される光の主波長λ_Ｐｅａｋに対する線形係数Ｌ_{８０／２０}をプロットしてある。個々のＬＥＤの測定結果値に対して、近似曲線１０１を描いてある。

線形係数Ｌ_{８０／２０}は、ＬＥＤの高電流効率の測度であり、動作電流Ｉ＝８０ｍＡおよびＩ＝２０ｍＡにおける放出される出力の比として定義される。この係数は、理想的には２つの動作電流の比に一致し、したがって値４に近いべきである。

この場合、測定対象のＬＥＤは、４００ｎｍ〜５２５ｎｍの範囲の主波長λ_Ｐｅａｋを有する光を生成する。図１において理解できるように、高電流効率は、波長が高くなる方向に明らかに低下している。一例として、４００ｎｍの領域の波長では（すなわち紫色の放射の場合）、Ｌ_{８０／２０}は３．４〜３．８の範囲である。４２０ｎｍの波長では（すなわち青色の放射の場合）、Ｌ_{８０／２０}は２．９〜３．３の範囲の値まで下がっている。５２０ｎｍの領域の波長では（すなわち緑色放射の場合）、Ｌ_{８０／２０}は値２．４未満である。

図２には、λ_Ｐｅａｋ＝５２５ｎｍを有する緑色ＩｎＧａＮ ＬＥＤ １０２と、λ_Ｐｅａｋ＝４００ｎｍを有する紫外ＩｎＧａＮ ＬＥＤ １０３の場合における、０ｍＡ≦Ｉ≦８０ｍＡの動作電流Ｉに対する、放出される光出力（単位：ｍＷ）をプロットしてある。

図２から明らかな点として、第一に、紫外線ＬＥＤ １０３の内部効率の方が良好である。動作電流の範囲全体において、紫外線ＬＥＤ １０３の光出力が緑色ＬＥＤ １０２の光出力よりも上にある。一例として、動作電流Ｉ＝８０ｍＡでは、紫外線ＬＥＤ １０３の光出力は緑色ＬＥＤ １０２の光出力の３倍の大きさである。さらに、図２は、紫外線ＬＥＤ １０３の高電流効率の方が明らかに良好であることを示している。Ｉ＝２０ｍＡからＩ＝８０ｍＡになったとき、緑色ＬＥＤ １０２では光出力が２倍強であるのに対して、紫外線ＬＥＤ １０３の光出力は３倍である。

図３Ａには、波長変換層を有する紫外線ＬＥＤ １０４（以下では変換層ＬＥＤと称する）と、緑色ＬＥＤ １０５とにおける、動作電流Ｉ（単位：ｍＡ）に対する光束φ（単位：ルーメン）をプロットしてある。光束φは、視感度によって重み付けられた光源の明るさの測度である。φを計算するには、特定のスペクトル範囲におけるＬＥＤの出力に、そのスペクトル範囲における視感度を乗じ、スペクトル空間全体について積分する。

変換層ＬＥＤ １０４は、主波長λ_Ｐｅａｋ＝５２７ｎｍを有する光を放出する。測定対象の電流範囲である２０ｍＡ≦Ｉ≦３５０ｍＡ全体において、変換層ＬＥＤ １０４によって生成される光束φは、緑色ＬＥＤ １０５によって生成される光束φよりも大きい。動作電流Ｉ＝５０ｍＡにおいては、２つのＬＥＤの光束φは同程度の値であるが、動作電流Ｉ＝３５０ｍＡにおいては、曲線１０４と曲線１０５との間の距離が大幅に大きい。図３Ａにおいて、これらの領域は、わかりやすいように円で囲んである。動作電流Ｉ＝３５０ｍＡにおいて、変換層ＬＥＤ １０４の光束φは、緑色ＬＥＤ １０５の光束φよりも８５％大きい。さらに、線形係数Ｌ_{８０／２０}についても、Ｌ_{８０／２０}＝３．３５の変換層ＬＥＤ １０４の方が、Ｌ_{８０／２０}＝２．２５の緑色ＬＥＤ １０５よりも大幅に好ましい。

図３Ｂには、図３ＡによるＬＥＤ １０４およびＬＥＤ １０５における、動作電流Ｉ（単位：ｍＡ）に対する主波長λ_Ｐｅａｋをプロットしてある。

ＬＥＤ １０４およびＬＥＤ １０５のいずれも、Ｉ＝２０ｍＡにおいて放出される光は、主波長λ_Ｐｅａｋ≒５２８ｎｍを有する。緑色ＬＥＤ １０５の場合、動作電流が増大すると主波長は短い波長の方向にシフトする。しかしながら、変換層ＬＥＤ １０４の場合には、２０ｍＡ〜３５０ｍＡの間において主波長はわずかに下がるのみである。Ｉ＝３５０ｍＡにおいて、主波長λ_Ｐｅａｋ≒５２６ｎｍである。

したがって、図３Ａおよび図３Ｂからは、高電流効率および波長のシフトの両方に関して、変換層ＬＥＤ １０４の方が緑色ＬＥＤ １０５と比較して好ましい特性を有することが示される。

図４Ａは、波長変換層２と、紫外線フィルタ３と、緑色フィルタ４の、１つの可能な配置構造を示している。波長変換層２は、２つのフィルタ３，４の間に配置されている。変換層ＬＥＤにおいてこの配置構造を使用する場合、紫外線ＬＥＤは、紫外線フィルタ３の面のうち波長変換層２とは反対側に配置される。

図４Ｂは、波長変換層２と、紫外線フィルタ３と、緑色フィルタ４の、図４Ａに示した配置構造に対応する配置構造を示している。しかしながら、この場合には、フィルタ３，４の両方がキャリア５１，５２の上に配置されている。この代替形態として、フィルタ３，４の一方のみをキャリア５１，５２の上に配置することも可能である。この図に示した配置構造とは異なる形態としては、フィルタ３，４を、キャリア５１，５２の面のうち波長変換層２とは反対側の面に配置することもできる。キャリアの材料は高い熱伝導率を有することが好ましく、結果として、発生する熱を良好に放散させることができる。特に、紫外線ＬＥＤにおいて発生する熱を放散させる目的で、少なくとも紫外線フィルタ３をキャリア５１の上に配置することが有利である。

図５には、紫外線フィルタの透過率Ｔおよび反射率Ｒを、紫外線フィルタに入射する放射の波長λの関数としてプロットしてある。これらの値は、放射が紫外線フィルタに入射するときの入射角度に大きく依存するため、６つの異なる入射角度の場合における６本の曲線としてＴおよびＲを示してある。この場合、曲線１１、１１２、１１３、１１４、１１５、１１６は、入射角度０゜、１５゜、３０゜、４５゜、６０゜、７０゜に対応する。３８０ｎｍ≦λ≦４２０ｎｍの範囲においては、すべての入射角度の場合に透過率Ｔ≒９０％である。それ以外のすべての波長範囲においては、いくつかの入射角度の場合の透過率がこの値よりも明らかに小さい。

反射率Ｒは、フィルタの現在の吸収率Ａの場合、透過率Ｔから、Ｒ＝１００％−Ｔ−Ａとして導かれる。この場合、測定対象のフィルタの吸収率は無視できるため、反射率Ｒは、Ｒ＝１００％−Ｔとして直接導かれ、このことは図５からも明らかである。５２５ｎｍ〜５７０ｎｍの間の範囲の波長においては、ほぼすべての入射角度の場合に、入射する光のうち少なくとも４５％が反射される。

したがって、このフィルタは、緑色光（例えばλ＝５２５ｎｍ）に対して選択的に高い反射率を有し、紫外線放射（例えばλ＝４００ｎｍ）に対して選択的に高い透過率を有し、したがって、紫外線フィルタと称される。

図６Ａ、図６Ｂ、図７Ａ、図７Ｂ、図８Ａ、図８Ｂ、図９Ａ、および図９Ｂは、オプトエレクトロニクスモジュールのさまざまな例示的な実施形態を概略的に示している。図示した部品は、いずれも６個の紫外線ＬＥＤ １を有する。１つまたは複数の波長変換層２ａ，２ｂは、紫外線放射を、より高い波長を有する放射（この場合には緑色光）に変換する。

各発光ダイオードチップ１と各波長変換層２ａ，２ｂとの間には、紫外線放射に対して透過性であり緑色放射を反射する少なくとも１つの紫外線フィルタ３ａ，３ｂが配置されている。好ましい一実施形態においては、このフィルタは、図５による透過率および反射率を有する。異なる波長を有する可視光を放出させることを目的とする場合、異なる反射挙動を有するフィルタを使用することができる。発光ダイオードチップ１とは反対側の波長変換層２ａ，２ｂの面には、緑色光に対して透過性であり紫外線放射を反射する少なくとも１つの緑色フィルタ４ａ，４ｂが配置されている。さらなる実施形態においては、オプトエレクトロニクスモジュールは、一方のタイプのフィルタのみを備えていることができる。

図６Ａは、オプトエレクトロニクスモジュール１１を断面図として示しており、すべての紫外線ＬＥＤ １が、共通の紫外線フィルタ３ａおよび共通の緑色フィルタ４ａのみならず、共通の波長変換層２ａを共有している。この場合、要素３ａ、要素４ａ、および要素２ａは、互いに直接隣接している平面状の層として具体化されている。紫外線フィルタ３ａは、紫外線ＬＥＤ １の前側放射放出面１０に結合材料７によって固定されており、結合材料７は、例えばシリコーン接着剤あるいはポッティング材料とすることができる。

図６Ｂは、このモジュール１１の平面図を示している。この図では、６個の紫外線ＬＥＤ １と、これら紫外線ＬＥＤ １をほぼ完全に覆っている共通の緑色フィルタ４ａとを識別することができる。

図７Ａは、モジュール１１の例示的な実施形態を断面図として示しており、紫外線ＬＥＤ １のそれぞれが、個別の紫外線フィルタ３ｂと、個別の緑色フィルタ４ｂと、個別の波長変換層２ｂとを有する。これらの要素は、図６Ａと同様に、平面状の層として具体化されており、互いに直接隣接している。この場合も、個別の紫外線フィルタ３ｂは、結合材料７によって紫外線ＬＥＤ １に固定されている。

図７Ｂは、図７Ａによるモジュール１１の平面図を示しており、コンタクト領域を除いて紫外線ＬＥＤ １を覆っている個別の緑色フィルタ４ｂを識別することができる。

図８Ａは、モジュール１１の例示的な実施形態を示しており、すべての紫外線ＬＥＤ １が、共通の波長変換層２ａと、共通の紫外線フィルタ３ａと、共通の緑色フィルタ４ａとを共有している。紫外線フィルタ３ａは、紫外線ＬＥＤ １に結合材料７によって固定されている。緑色フィルタ４ａは、波長変換層２ａから隔置されている。存在する隙間６は、一例として、空隙である、またはポッティング材料によって満たされている。

図８Ｂは、モジュール１１のさらなる例示的な実施形態を示しており、図８Ａと同様に、すべての紫外線ＬＥＤ １が、波長変換層２ｂから隔置されている共通の緑色フィルタ４ａを共有している。しかしながら図８Ａとは異なり、紫外線ＬＥＤ １は個別の紫外線フィルタ３ｂおよび個別の波長変換層２ｂを有する。

図９Ａは、モジュール１１の例示的な実施形態を示しており、共通の波長変換層２ａと、共通の緑色フィルタ４ａと、個別の紫外線フィルタ３ｂとを備えている。個別の紫外線フィルタ３ｂおよび共通の緑色フィルタ４ａは、それぞれ波長変換層２ａに直接隣接している。ここまでに示した例示的な実施形態のいずれとも異なり、個別の紫外線フィルタ３ｂは紫外線ＬＥＤ １にモノリシックに集積化されている。

図９Ｂは、モジュール１１のさらなる例示的な実施形態を示しており、図９Ａに示した配置構造とは異なり、紫外線フィルタ３ｂと波長変換層２ａとの間と、緑色フィルタ４ａと波長変換層２ａとの間に、さらなる隙間６が存在する。これらの隙間６は、空気またはポッティング材料を含んでいることができる。

図１０Ａ、図１０Ｂ、および図１０Ｃは、複数の異なるオプトエレクトロニクス部品を断面図として示しており、図１０Ｄには、これらの部品の放射効率Ｅを計算してプロットしてある。

図１０Ａにおいては、波長変換層２を有する紫外線ＬＥＤ １が、例えばはんだ結合層９によって補助キャリア１８の上に貼り付けられている。図示したオプトエレクトロニクス部品はフィルタを備えていない。図１０Ｂにおいては、紫外線ＬＥＤ １とは反対側の波長変換層の面に緑色フィルタ４がさらに配置されている。図１０Ｃにおいては、代わりに紫外線フィルタ３が波長変換層２と紫外線ＬＥＤ １との間に配置されている。

これらの配置構造の放射効率Ｅを、それぞれの波長変換層２における蛍光体濃度Ｃの関数として計算した。

図１０Ｄには、蛍光体濃度Ｃ（最大濃度に対する割合：％）に対する、緑色光の計算上の放射効率（最大放射効率に対する割合：％）２２，２３，２４をプロットしてある。さらに、図１０Ａによる配置構造の場合における、変換されない紫外線放射の放射効率２１をプロットしてある。

図１０Ａに示した配置構造の場合、蛍光体濃度Ｃが０のときには緑色光が放出されず、放射効率２２は０％であると予測される。その一方で、紫外線ＬＥＤ １において生成される紫外線放射２１の約４５％が取り出される。紫外線放射２１の放射効率Ｅは、蛍光体濃度が増大するにつれて低下し、Ｃ＝９０％においてほぼ０％である。これとは対照的に、緑色光２２のＥは、蛍光体濃度が増大するにつれて最初に上昇し、Ｃ＝５０％においてその最大値Ｅ≒３１％に達し、さらにＣが増大するにつれてゆっくりと低下する。放射効率２２が低下するのは、波長変換層およびＬＥＤチップにおいて吸収されるためである。Ｃ＝９０％では、放射効率２２はＥ≒２０％である。

緑色光の放射効率２４は、図１０Ｂによる緑色フィルタ４を使用する結果として増大している。この増大は、紫外線放射の一部分が緑色フィルタによって反射され波長変換層２に再び戻ることに基づく。この場合、戻った紫外線放射を再び緑色光に変換することができる。

図１０Ｄには、図１０Ｃによる紫外線フィルタ３が存在する場合の緑色光の放射効率２３も示してある。放射効率２３は、緑色フィルタが存在するときの放射効率２４よりも大幅に高い。考慮対象の１０％≦Ｃ≦７０％の範囲では、濃度Ｃが増大するにつれて放射効率２３は連続的に上昇し、Ｃ＝７０％においてＥの値は５５％である。これは、緑色光が紫外線フィルタによって反射されて戻され、したがって紫外線ＬＥＤにおける吸収が減少するためである。

要約すると、図１０Ｄから明らかであるように、緑色フィルタ４の使用および紫外線フィルタ３の使用のいずれによっても、緑色光の放射効率２４，２３が明らかに増大する。フィルタを備えていない配置構造の場合、放射効率２２の最大値はＥ≒３０％程度であるが、緑色フィルタ４の場合にはＥ≒３５％の最大値が達成され、紫外線フィルタ３の場合には５０％を超える最大値が達成される。緑色フィルタ４および紫外線フィルタ３を同時に使用する場合にも、放射効率が上昇するものと予測できる。

図１１は、光を生成する目的でオプトエレクトロニクスモジュール１１が使用されているプロジェクション装置１２を示している。このオプトエレクトロニクスモジュール１１は、６個の紫外線ＬＥＤ １と、図６Ａ、図６Ｂ、図７Ａ、図７Ｂ、図８Ａ、図８Ｂ、図９Ａ、または図９Ｂによる実施形態の１つにおける要素である紫外線フィルタ３、波長変換層２、および緑色フィルタ４を有する。オプトエレクトロニクスモジュール１１はフレーム１７によって囲まれており、フレーム１７は、発生する熱を良好に放散させることができる。このフレームは補助キャリア１８の上に配置されており、補助キャリア１８はキャリア１３の上に配置されている。キャリア１３の上にはプリント基板１４が形成されており、このプリント基板１４には、オプトエレクトロニクスモジュール１１との電気接続を形成するための導体トラック１５が導入されている。導体トラック１５は、電気的に接続できるプラグ１６に結合されている。

ここまで、本発明について例示的な実施形態に基づいて説明してきたが、本発明はこれらの例示的な実施形態に限定されない。本発明は、任意の新規の特徴および特徴の任意の組合せを包含する。特に、特許請求項における特徴の任意の組合せを含んでおり、これらの特徴またはその組合せは、それ自体が特許請求項または例示的な実施形態に明示的に記載されていない場合でも本発明に含まれる。

本特許出願は、独国特許出願第１０２００８００６９７４．４号および独国特許出願第１０２００８０１７０７１．２号の優先権を主張し、これらの文書の開示内容は参照によって本出願に組み込まれている。

Claims (14)

1. オプトエレクトロニクスモジュールであって、
   − 紫外線放射を生成する複数の発光ダイオードチップ（１）と、
   − 少なくとも１つの波長変換層（２）であって、放出方向において前記発光ダイオードチップ（１）の下流に配置されており、前記紫外線放射の少なくとも一部分を可視波長範囲の放射に変換する、前記少なくとも１つの波長変換層（２）と、
   − ２つの放射タイプの一方に対する高い透過率と、他方の放射タイプに対する高い反射率とを有する少なくとも１つのフィルタ（３，４）と、を備えている、
   オプトエレクトロニクスモジュール。
2. 前記長変換層（２）と前記発光ダイオードチップ（１）との間に配置されている紫外線フィルタ（３）であって、前記紫外線放射に対する高い透過率と、可視波長範囲の前記放射に対する高い反射率とを有する、前記紫外線フィルタ（３）、
   を備えている、請求項１に記載のオプトエレクトロニクスモジュール。
3. 前記放出方向において前記波長変換層（２）の下流に配置されており、可視波長範囲の前記放射に対する高い透過率と前記紫外線放射に対する高い反射率とを有する可視フィルタ（４）、
   を備えている、請求項１または請求項２に記載のオプトエレクトロニクスモジュール。
4. 少なくとも１つのフィルタ（３，４）が、放射透過性の、特に、透明な、高い熱伝導率を有するキャリア（５１，５２）、の上に配置されている、
   請求項１から請求項３のいずれかに記載のオプトエレクトロニクスモジュール。
5. 前記波長変換層（２）が、前記放射透過性の透明なキャリア（５１，５２）に含まれている、
   請求項４に記載のオプトエレクトロニクスモジュール。
6. 少なくとも２つの、特にすべての発光ダイオードチップ（１）が、共通の波長変換層（２ａ）を有する、
   請求項１から請求項５のいずれかに記載のオプトエレクトロニクスモジュール。
7. 前記フィルタ（３，４）が、前記放出方向において前記波長変換層（２）から隔置されている、
   請求項１から請求項６のいずれかに記載のオプトエレクトロニクスモジュール。
8. 前記フィルタ（３，４）と前記波長変換層（２）との間に空気またはポッティング化合物が配置されている、
   請求項１から請求項７のいずれかに記載のオプトエレクトロニクスモジュール。
9. 前記紫外線フィルタ（３）が前記発光ダイオードチップ（１）にモノリシックに集積化されている、
   請求項１から請求項８のいずれかに記載のオプトエレクトロニクスモジュール。
10. 前記紫外線フィルタ（３）が、前記放出方向において前記発光ダイオードチップ（１）から隔置されている、
    請求項１から請求項９のいずれかに記載のオプトエレクトロニクスモジュール。
11. 前記紫外線フィルタ（３）と前記発光ダイオードチップ（１）との間にシリコーン接着剤またはポッティング化合物が配置されている、
    請求項１から請求項１０のいずれかに記載のオプトエレクトロニクスモジュール。
12. 少なくとも３つの発光ダイオードチップ（１）を備えており、
    − 紫外線放射を透過させる前記紫外線フィルタ（３）が一対一に割り当てられて前記発光ダイオードチップ（１）それぞれのすぐ下流に配置されており、前記発光ダイオードチップ（１）のそれぞれが自身の前記紫外線フィルタ（３）にモノリシックに集積化されており、
    − ただ１つの波長変換層（２）が、前記発光ダイオードチップ（１）と前記紫外線フィルタ（３）とから成る構造部の下流に配置されており、
    − ただ１つの可視フィルタ（４）が前記波長変換層（２）の下流に配置されている、
    請求項１から請求項１１のいずれかに記載のオプトエレクトロニクスモジュール。
13. 請求項１から請求項１２のいずれかに記載のオプトエレクトロニクスモジュールが光源として設けられている、
    プロジェクション装置。
14. 前記オプトエレクトロニクスモジュールが熱伝導性のフレーム（１７）によって囲まれている、
    請求項１３に記載のプロジェクション装置。

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