WO2009079990A1

WO2009079990A1 - Beleuchtungseinrichtung

Info

Publication number: WO2009079990A1
Application number: PCT/DE2008/002076
Authority: WO
Inventors: Burkard Wiesmann; Herbert Brunner; Jörg Strauss; Julius Muschaweck; Kirstin Petersen
Original assignee: Osram Opto Semiconductors Gmbh
Priority date: 2007-12-21
Filing date: 2008-12-11
Publication date: 2009-07-02
Also published as: TWI385829B; JP2011507287A; US20110049551A1; JP5743548B2; TW200947757A; DE102008015941A1; US8716729B2

Abstract

Eine Beleuchtungseinrichtung (1) umfasst mindestens ein zumindest teilweise sichtbares Licht emittierendes Element (2), sowie mindestens ein Konversionsmittel (3), das zumindest einen Teil der vom Element (2) emittierten Strahlung in eine Strahlung einer anderen Frequenz konvertiert. Außerdem umfasst die Beleuchtungseinrichtung (1) mindestens ein Filtermittel (4), das zumindest einen Teil der Strahlung filtert, und das so ausgestaltet ist, dass sich für zumindest eine vorgegebene Farbsättigung oder einen vorgegebenen Farbton die Menge des einzusetzenden Konversionsmittels (4) reduziert. Das heißt, verglichen mit einer der Beleuchtungseinrichtung (1) bis auf das Filtermittel (4) entsprechenden Lichtquelle wird, um dieselbe Farbsättigung beziehungsweise denselben Farbton zu erzielen, Konversionsmittel (3) eingespart. Durch eine solche Beleuchtungseinrichtung (1) lässt sich Licht einer vorgegebenen Farbsättigung beziehungsweise eines vorgegebenen Farbtons effizient erzeugen und die Beleuchtungseinrichtung (1) ist kostengünstig herzustellen. Auch weist sie im Betrieb hohe Lichtintensitäten und eine große Lebensdauer auf.

Description

Beschreibung

Beleuchtungseinrichtung

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung mit einem sichtbares Licht emittierenden Element, einem Konversionsmittel und einem Filtermittel.

Wichtige Kenngrößen von Lichtquellen sind, neben der Strahlungsintensität, deren Farbton und deren Farbsättigung. Ein genaues Einstellen letzterer beiden Kenngrößen ist in vielen Anwendungen erforderlich, beispielsweise in Lichtquellen, die dem natürlichen Tageslicht möglichst nahe kommen sollen. Abgesehen von diesen Weißlichtquellen wird auch oft Licht in nur einem bestimmten Spektralbereich benötigt, beispielsweise zu Projektionszwecken oder für farbige Anzeigeeinrichtungen wie etwa Reklametafeln.

Typischerweise werden zwei verschiedene Ansätze verfolgt, um Lichtquellen mit dem gewünschten Farbton und der gewünschten Farbsättigung zu erhalten. Im ersten Fall wird eine Lichtquelle verwendet, die bereits Licht mit den gewünschten farblichen Eigenschaften aussendet. Zwar sind insbesondere im Bereich der Halbleiterleuchtdioden viele in verschiedenen Farben emittierende Strahler technisch realisierbar, ein gezieltes Einstellen der Farbgebung ist aber oft nur eingeschränkt möglich und kann zudem sehr aufwändig sein. Im Falle von breitbandig emittierenden Weißlichtquellen wie etwa Glühbirnen, die als Schwarzkörperstrahler betrachtet werden können, ist der zugängliche Parameterbereich für die

Farbgebung über die thermische Belastbarkeit der verwendeten Materialien physikalisch eingeschränkt, die so genannte Farbtemperatur lässt sich nur beschränkt beeinflussen. Im zweiten Fall wird über ein Konversionsmittel, das die ursprüngliche Wellenlänge des von der Quelle ausgesandten Lichts verändert, der gewünschte Spektralbereich erreicht. Konversionsmittel beziehungsweise Leuchtstoffe müssen hohe Anforderungen bezüglich Effizienz beziehungsweise Quantenausbeute, thermischer, Foto- oder chemischer Stabilität erfüllen, müssen im Regelfall kostengünstig herzustellen und außerdem leicht an der Lichtquelle anzubringen sein. Die Erfüllung all dieser Eigenschaften, insbesondere ein gezieltes Abstimmen des vom

Konversionsmittel emittierten Spektrums, ist oft schwierig, aufwändig und kostenintensiv. Der Umsetzbarkeit sind jedoch oft Grenzen gesetzt.

Es finden auch Farbfilter Verwendung, die nur Licht in einem bestimmten Wellenlängenbereich transmittieren und dadurch Farbton und Farbsättigung beeinflussen. Filtermittel beziehungsweise Absorber sind bezüglich ihrer Farbeigenschaften normalerweise erheblich einfacher maßgeschneidert realisierbar als Konversionsmittel. Die Verwendung von Filtern ist allerdings in der Regel mit Einbußen bezüglich der Lichtintensität verbunden. Da der Effizienz einer Lichtquelle allerdings eine große Bedeutung beizumessen ist, werden Filtermittel typischerweise nicht als optimale Lösung betrachtet.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Beleuchtungseinrichtung zur Verfügung zu stellen, die bei einer vorgegebenen Farbsättigung beziehungsweise einem vorgegebenen Farbton effizient Strahlung emittiert und sich kostengünstig herstellen lässt. Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den untergeordneten Patentansprüchen angegeben.

Eine Beleuchtungseinrichtung umfasst mindestens ein zumindest teilweise sichtbares Licht emittierendes Element, sowie mindestens ein Konversionsmittel, das zumindest einen Teil der vom Element emittierten Strahlung in eine Strahlung einer anderen Frequenz konvertiert. Außerdem umfasst die Beleuchtungseinrichtung mindestens ein vom Konversionsmittel verschiedenes Filtermittel, das zumindest einen Teil der vom Element emittierten Strahlung, insbesondere einen langwelligen Teil, filtert, und das so ausgestaltet ist, dass sich für zumindest eine vorgegebene Farbsättigung und/oder einen vorgegebenen Farbton die Menge des einzusetzenden

Konversionsmittels reduziert. Das heißt, verglichen mit einer der Beleuchtungseinrichtung bis auf das Filtermittel entsprechenden Lichtquelle wird, um dieselbe Farbsättigung beziehungsweise denselben Farbton zu erzielen, Konversionsmittel eingespart. Durch eine solche

Beleuchtungseinrichtung lässt sich Licht einer vorgegebenen Farbsättigung beziehungsweise eines vorgegebenen Farbtons effizient erzeugen und die Beleuchtungseinrichtung ist kostengünstig herzustellen. Auch weist sie im Betrieb hohe Lichtintensitäten und eine große Lebensdauer auf.

Dass der Farbton und/oder die Farbsättigung, also insbesondere der Farbort der Strahlung in der CIE- Normfarbtafel vorgegeben ist, bedeutet bevorzugt, dass ein angestrebter Farbort mit einer Toleranz von höchstens 0,03 Einheiten der Normfarbtafel, besonders bevorzugt von höchstens 0,02 Einheiten, insbesondere von höchstens 0,015 Einheiten, erreicht wird. Mit anderen Worten liegt der Farbort der emittierten Strahlung innerhalb eines Kreises beziehungsweise auf einem Kreis mit einem der angegebenen Radien um den angestrebten Farbort. Der angestrebte Farbort ist zum Beispiel durch eine konkrete Anwendung der Beleuchtungseinrichtung vorgegeben.

Konversionsmittel beziehungsweise Leuchtstoffe beruhen in der Regel auf dem Prinzip der Fluoreszenz. Das heißt, das Konversionsmittel absorbiert Licht etwa im blauen oder ultravioletten Spektralbereich. Die Wellenlängen des

Fluoreszenzlichts sind ins Rote zu größeren Wellenlängen hin verschoben, im Vergleich zum absorbierten Licht. Absorptionsspektrum und Fluoreszenzspektrum überlappen sich typischerweise in einem Spektralbereich. Wird eine hohe Konzentration beziehungsweise eine große Menge des

Konversionsmittels eingesetzt, führt dies dazu, dass ein Teil des Fluoreszenzlichts, das in den Spektralbereich fällt, in dem das Konversionsmittel sowohl absorbiert als auch fluoresziert, vom Konversionsmittel wieder reabsorbiert wird. Je nach genauer Form von Absorptions- und Fluoreszenzspektren reduziert diese Reabsorption die Leuchtkraft einer Lichtquelle signifikant. Dieser Effekt tritt insbesondere dann auf, wenn etwa blaues Licht emittierende Leuchtdioden verwendet werden und deren Licht etwa in den grünen oder roten Spektralbereich konvertiert wird. Um das blaue Licht zur Gänze zu absorbieren und damit etwa die gewünschte Farbsättigung zu erreichen, müssen typischerweise derart hohe Konzentrationen beziehungsweise Mengen des Konversionsmittels verwendet werden, dass durch die Reabsorption die Lichtintensität einer derartigen Lichtquelle deutlich nachteilig beeinflusst wird. Durch die beschriebene Verwendung eines zusätzlichen Filtermittels kann dieser Effekt verringert oder umgangen werden. Die Strahlungsintensität einer Beleuchtungseinrichtung ist insbesondere dann hoch, wenn die Strahlungsintensität, die vom Filter absorbiert wird, geringer oder deutlich geringer ist als diejenige Intensität, die durch die eingesparte Menge an Konversionsmittel reabsorbiert würde. „Deutlich" kann beispielsweise einen Unterschied von wenigstens 10 %, insbesondere von wenigstens 15 % bedeuten. Das heißt, trotz der Verwendung eines Filtermittels und obwohl weniger Konversionsmittel eingesetzt wird, ist die emittierte

Strahlungsintensität größer, bei einem gleichen Farbort der emittierten Strahlung.

Ist das Verhältnis zwischen Filtermittel und Konversionsmittel bezüglich der Strahlungsintensität optimiert, so lassen sich besonders hohe Intensitäten erzielen. Zudem reduzieren sich die Kosten für das Konversionsmittel und für den Betrieb der Beleuchtungseinrichtung .

Optimiert bedeutet zum Beispiel, dass durch eine Variation der Menge des Konversionsmittels keine Steigerung der Intensität der von der Beleuchtungseinrichtung emittierten Strahlung erzielbar ist. Farbton und/oder Farbsättigung, also insbesondere der Farbort der Strahlung, ändern sich hierbei nicht, innerhalb einer Toleranz von beispielsweise 0,02 Einheiten oder 0,015 Einheiten in der CIE-Normfarbtafel . Ebenso ist das Filtermittel bezüglich seiner spektralen Eigenschaften sowie das Strahlung emittierende Element keinen Änderungen unterworfen. Mit anderen Worten kann optimiert bedeuten, dass ausschließlich durch eine Variation der Menge beziehungsweise Konzentration des Konversionsmittels die Intensität der emittierten Strahlung nicht weiter steigerbar ist.

Durch die Verwendung einer Leuchtdiode als elektromagnetische Strahlung emittierendes Element kann eine

Beleuchtungseinrichtung mit hohem Wirkungsgrad realisiert werden. Aufgrund der typischerweise vergleichsweise kleinen geometrischen Abmessungen einer Leuchtdiode, die in der Regel auf der Millimeterskala liegen, lassen sich zudem kompakte Lichtquellen realisieren.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung ist die Intensität der von der Beleuchtungseinrichtung emittierten Strahlung größer als bei einer entsprechenden Beleuchtungsvorrichtung, bei der das Filtermittel durch eine erhöhte Menge an Konversionsmittel ersetzt ist. Insbesondere ist diese Intensität der von der Beleuchtungseinrichtung emittierten Strahlung um mindestens 2,5 %, bevorzugt um mindestens 6,5 %, insbesondere um mindestens 12,5 % höher als bei einer wie angegeben modifizierten Beleuchtungsvorrichtung. Mit anderen Worten wird die Strahlungsintensität der Beleuchtungseinrichtung, umfassend das Filtermittel und vergleichsweise wenig Konversionsmittel, mit einer Strahlungsintensität einer Beleuchtungsvorrichtung, kein solches Filtermittel umfassend aber vergleichsweise viel Konversionsmittel beinhaltend, verglichen.

Emittiert das Element im Wesentlichen im ultravioletten oder im blauen Spektralbereich, so lassen sich eine Vielzahl an Leuchtstoffen beziehungsweise Konversionsmitteln einsetzen, und es ist ein großer Spektralbereich zugänglich. Bevorzugt emittiert das Element Strahlung mit einer Wellenlänge von mindestens 440 nm. Beispielsweise weist die vom Element emittierte Strahlung ein Intensitätsmaximum zwischen einschließlich 450 nm und 470 nm auf.

Umfasst die Beleuchtungseinrichtung ein Substrat, an dem das Element angebracht ist, so kann die Beleuchtungseinrichtung einfacher gehandhabt werden. Insbesondere können Substrate verwendet werden, die eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweisen oder etwa mechanisch flexibel ausgeprägt sind.

Umfasst die Beleuchtungseinrichtung eine Gießmasse, in der das Element zumindest teilweise eingebettet ist, so lässt sich das Element auf einfache Art und Weise etwa am Substrat anbringen. Zudem erhöhen sich die Ausgestaltungsmöglichkeiten der Beleuchtungseinrichtung über die Formgebung der Gießmasse erheblich.

Durch ein Filtermittel, das aus einem Polymer- oder Glasfilter ausgestaltet ist, lässt sich das Filtermittel leicht in eine Beleuchtungseinrichtung integrieren. Außerdem existiert eine Vielzahl an solchen Filtern, so dass die Auswahl eines geeigneten Filtermittels einfach bewerkstelligt werden kann. Auch können Materialfilter wie zum Beispiel Titandioxid-Partikel verwendet werden.

Ist das Filtermittel ein Bragg-Filter oder ein dielektrischer Filter, so lässt sich ein Transmissionsbereich des Filtermittels effizient anpassen und genau einstellen. In diesem Fall weist das Filtermittel bevorzugt eine Mehrzahl von Schichten mit abwechselnd hohem und niedrigem

Brechungsindex auf. Insbesondere kann ein solches Filtermittel als Bandpassfilter gestaltet sein. Durch ein Anbringen des Filtermittels teilweise oder vollständig zwischen Element und Konversionsmittel wird das zu filternde Licht bereits vor der Konversionsmittelschicht absorbiert. Die Intensität, dem das Konversionsmittel ausgesetzt ist, wird somit reduziert und dadurch eine

Erhöhung der Lebensdauer des Konversionsmittels erreicht . Bevorzugt ist in diesem Falle das Filtermittel als ein Bandpassfilter ausgestaltet.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der

Beleuchtungseinrichtung befindet sich zwischen dem Element und dem Filtermittel kein Spalt, der evakuiert oder mit einem Gas gefüllt ist. Hierdurch ist eine signifikante Reflexion der Strahlung etwa an einer Grenzfläche Luft-Filtermittel vermeidbar.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der

Beleuchtungseinrichtung beträgt die Farbsättigung der von der Beleuchtungseinrichtung emittierten Strahlung mindestens 80 %, insbesondere mindestens 85 %. Mit anderen Worten ist ein Abstand zwischen dem Farbort der Strahlung und dem Weißpunkt in der CIE-Normfarbtafel mindestens viermal so groß wie ein Abstand zwischen dem Farbort und dem zugehörigen Farbton. Der zugehörige Farbton ist hierbei der dem Farbort nächstgelegene Schnittpunkt einer Geraden, definiert durch den Farbort der

Strahlung und den Weißpunkt, mit der Spektralfarblinie in der CIE-Normfarbtafel .

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung weist der Farbton der von der Beleuchtungseinrichtung emittierten Strahlung eine Wellenlänge zwischen einschließlich 545 nm und 585 nm auf, insbesondere zwischen einschließlich 550 nm und 575 nm. Gerade in diesem Spektralbereich zeigen auf InGaN und auf InGaAlP basierende Halbleiterchips eine vergleichsweise geringe Effizienz auf. Durch den Einsatz eines Konversionsmittels zur Erzeugung einer Strahlung insbesondere in diesem Spektralbereich ist die Effizienz der Beleuchtungseinrichtung steigerbar .

Wird das Filtermittel aus einem dem Substrat und/oder der Gießmasse beigegebenen Farbstoff oder beigegebenen Pigmenten gebildet, so reduziert sich der Fertigungsaufwand für die

Beleuchtungseinrichtung, da ein separater Arbeitsschritt für das Aufbringen des Filtermittels entfällt. Bevorzugt absorbiert das Filtermittel hierbei schmalbandig im Übergangsbereich zwischen Absorption und Fluoreszenz des Konversionsmittels. Der Fertigungsaufwand wird ebenso reduziert, wenn das Konversionsmittel dem Substrat oder Gießmasse beigegeben ist .

Als Gießmasse sowie als Matrixmaterial für Filtermittel und/oder Konversionsmittel eignen sich bevorzugt Silikone,

Epoxide, Silikonhybrid-Materialien, Gläser oder transparente beziehungsweise transluzente Keramiken.

Ist das Konversionsmittel dazu ausgestaltet, blaues oder ultraviolettes Licht zu absorbieren, so können im Blauen emittierende, auf Galliumnitrid basierende Leuchtdioden eingesetzt werden, welche weit verbreitet sind und ein kostengünstiges Halbleiterbauelement darstellen. Außerdem kann über blaues oder ultraviolettes Licht etwa über Fluoreszenz im Wesentlichen jede sichtbare Spektralfarbe erzeugt werden. Durch die Ausbildung des Konversionsmittels aus mindestens einem fluoreszierenden oder phosphoreszierenden Stoff steht eine große Auswahl an bereits existierenden Konversionsmitteln zur Verfügung, so dass die Beleuchtungseinrichtung variabel ausgestaltbar und kostengünstig herstellbar ist.

Ist das Konversionsmittel dazu ausgestaltet, im Wesentlichen Strahlung im grünen und/oder im gelben und/oder im roten Spektralbereich zu emittieren, so lässt sich etwa unter

Hinzunahme einer blauen Leuchtdiode eine weiß abstrahlende Beleuchtungseinrichtung realisieren oder auch ein so genanntes RGB-Modul herstellen.

Beleuchtungseinrichtungen mit besonders hohen Intensitäten lassen sich realisieren, wenn die Intensitätsminderung der bereits konvertierten Strahlung durch Reabsorption des Konversionsmittels weniger als 10 %, besonders bevorzugt weniger als 5 %, ganz besonders bevorzugt weniger als 1 %, beträgt. Der Anteil der Reabsorption lässt sich beispielsweise ermitteln aus einer Multiplikation eines Emissionsspektrums der bereits konvertierten Strahlung mit dem Absorptionsspektrum des Konversionsmittels. Bei dem Absorptionsspektrum sind insbesondere die Absolutwerte der Absorption, in Abhängigkeit von der Wellenlänge, zu berücksichtigen .

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der

Beleuchtungseinrichtung ist das Konversionsmittel durch ein Matrixmaterial und durch darin eingebettete, insbesondere anorganische Leuchtstoffpartikel gebildet. Der Gewichtsanteil der Leuchtstoffpartikel, der durch den Einsatz des Filtermittels reduziert ist, liegt bevorzugt zwischen einschließlich 11 % und 16 %, insbesondere zwischen einschließlich 13 % und 14,5 %.

In mindestens einer Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung umfasst diese mindestens ein zumindest teilweise blaues Licht emittierendes Element. Weiterhin beinhaltet die Beleuchtungseinrichtung mindestens ein Konversionsmittel mit einem Matrixmaterial und darin eingebetteten Leuchtstoffpartikeln. Das Konversionsmittel absorbiert zumindest einen Teil des vom Element emittierten blauen Lichts und konvertiert dieses in eine Strahlung einer anderen, kleineren Frequenz. Zudem weist die

Beleuchtungsvorrichtung mindestens ein, vom Konversionsmittel verschiedenes Filtermittel auf, das als Kantenfilter oder Bandpassfilter gestaltet ist. Ein Gewichtsanteil der

Leuchtstoffpartikel am Konversionsmittel liegt bevorzugt zwischen einschließlich 11 % und 16 %. Das Filtermittel filtert zumindest einen langwelligen Teil der vom Element emittierten Strahlung. Bei einer solchen Beleuchtungsvorrichtung ist die Menge des einzusetzenden

Konversionsmittels aufgrund des Filtermittels reduziert und die Effizienz hierdurch gesteigert.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben.

Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind jedoch dabei keine maßstäblichen Bezüge dargestellt.

Es zeigen: Figur 1 eine schematische Seitenansicht eines

Ausführungsbeispiels einer hier beschriebenen Beleuchtungseinrichtung ,

Figur 2 eine schematische Seitenansicht eines

Ausführungsbeispiels mit einem Substrat und mit einer Gießmasse,

Figur 3 eine schematische Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels, bei dem Filter- und

Konversionsmittel in die Gießmasse integriert sind,

Figur 4 eine schematische Seitenansicht eines

Ausführungsbeispiels mit mehreren Licht emittierenden Elementen,

Figur 5 eine schematische Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels ,

Figur 6 eine schematische Seitenansicht eines

Ausführungsbeispiels, bei dem das Element in einem Substrat eingebettet ist, und

Figur 7 eine Veranschaulichung über einen Ausschnitt aus der Normfarbtafel a) und dazugehörige

Emissionsspektren b) .

In Figur 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer Beleuchtungseinrichtung 1 gezeigt. Das Filtermittel 4 befindet sich in einer Schicht zwischen Licht emittierendem Element 2 und Konversionsmittel 3 und ist als dünner Polymerfilter ausgeformt. Das Licht emittierende Element 2 ist als Galliumnitrid-basierte Leuchtdiode ausgestaltet, die im Wesentlichen im blauen Spektralbereich emittiert. Das Konversionsmittel 3 absorbiert im blauen und emittiert im Wesentlichen im grünen Spektralbereich. Das Filtermittel 4 absorbiert schmalbandig in dem Spektralbereich, in dem sich Absorption und Fluoreszenz des Konversionsmittels 3 überlappen. In diesem Überlappbereich ist die Absorption des Konversionsmittels 3 relativ gering ausgeprägt. Aus diesem Grund können vom Konversionsmittel 3 nicht alle in diesem Spektralbereich vom Element 2 emittierten Photonen konvertiert werden. Eben diese nicht konvertierbaren Photonen werden vom Filtermittel 4 absorbiert.

Abweichend von der Darstellung gemäß Figur 1 ist es möglich, dass die Positionen des Filtermittels 4 und des Konversionsmittels 3 gegeneinander vertauscht sind.

Die Wirkungsweise des Filtermittels 4 ist in Figur 7 illustriert. In Figur 7a ist ein Ausschnitt der Normfarbtafel gezeigt. Es wurden die Resultate dreier Messreihen mit unterschiedlichen Filter- beziehungsweise

Konversionsmittelkonfiguration eingetragen, wobei jeweils baugleiche und gleich betriebene Elemente 2 in einer Anordnung in Analogie zu Figur 2 benützt wurden. Die jeweiligen Messwerte streuen um einen Mittelwert. In Messreihe I wurde eine hohe Konversionsmittelkonzentration gewählt, ein Filtermittel 4 wurde nicht verwendet. Der zugehörige Mittelwert ist durch einen ausgefüllten Kreis symbolisiert, die Streuung durch ein Quadrat. In Messreihe II wurden Beleuchtungseinrichtungen 1 mit einer erniedrigten Konversionsmittelkonzentration vermessen, ohne Filtermittel 4. Daraus resultierend ändert sich im Wesentlichen die Farbsättigung, der zugehörige Messpunkt, symbolisiert durch einen Stern, befindet sich mehr in Richtung Ursprung der Normfarbtafel. Wird, wie in Messreihe III, auf dieser Anordnung mit nieder konzentriertem Konversionsmittel 3 ein Filtermittel 4 aufgebracht, so findet sich der zugehörige Messpunkt, symbolisiert durch eine ausgefüllte Raute, in der Nähe zum Ergebnis von Messreihe I. Messreihe I und III weisen also im Wesentlichen gleiche Farbsättigung und gleichen Farbton auf .

In Figur 7b sind die zu den drei Messreihen gehörigen Emissionsspektren als unterbrochene Linien angedeutet:

- Messreihe I, hohe Konversionsmittelkonzentration ohne Filtermittel, als fett gedruckte Strichlinie,

- Messreihe II, niedrige Konversionsmittelkonzentration ohne Filtermittel 4, als Punktlinie, - Messreihe III, niedrige Konversionsmittelkonzentration mit Filtermittel 4, als normal gedruckte Strichlinie. Das Absorptionsspektrum des Konversionsmittels 3 ist als durchgezogene Linie angedeutet. Das Konversionsmittel 3 absorbiert im kurzwelligen Bereich im Wesentlichen unterhalb von 500 nm. Die willkürlich zueinander skalierten

Emissionsspektren zu den Messreihen zeigen jeweils ein Maximum im Bereich um 550 nm im Grünen. An den kurzwelligen Flanken der Emissionen, im Bereich um 480 nm, treten deutliche Unterschiede zwischen den drei Messreihen auf. Aufgrund der hohen Konversionsmittelkonzentration, die bis zu etwa 500 nm signifikante Absorption verursacht, ist die Emission der Beleuchtungseinrichtung 1 gemäß Messreihe I im Spektralbereich unterhalb etwa 500 nm deutlich reduziert im Vergleich zu den Messreihen II und III. Messreihe II zeigt im Bereich um 475 nm eine deutlich größere Intensität, welche zu dem in Figur 7a gezeigten Schieben in der Normfarbtafel führt. Durch ein geeignetes Filtermittel 4, in Messreihe III ein Kantenfilter, der Licht unterhalb etwa 490 nm filtert, kann die ursprüngliche Position in der Normfarbtafel gemäß Messreihe I wieder hergestellt werden. Durch die niedrigere Konversionsmittelkonzentration in Messreihe III wird die Reabsorption der bereits konvertierten Strahlung durch das Konversionsmittel 4 deutlich reduziert. Dies führt dazu, dass trotz weniger verwendetem Konversionsmittel 3 und trotz verwendetem Filtermittel 4 die Intensität des ausgestrahlten Lichts der Beleuchtungseinrichtung von Messreihe III im Vergleich zu Messreihe I um durchschnittlich über zehn Prozent erhöht ist. Das heißt, die Absorption durch das Filtermittel 4 ist bei Weitem durch die verminderte Reabsorption durch das Konversionsmittel 3 kompensiert. Es werden also signifikant höhere Intensitäten erreicht, und dies bei vorgegebener Farbsättigung und vorgegebenem Farbton.

Dieser Effekt, dass trotz dem Filtermittel 4 und trotz weniger Konversionsmittel 3 eine höhere Intensität der von der Beleuchtungseinrichtung 1 emittierten Strahlung erzielbar ist, lässt sich zum Beispiel wie folgt nachweisen: Zuerst wird die von einer hier beschriebenen Beleuchtungseinrichtung

1 emittierte Strahlungsintensität Iπi_ter und der Farbort der emittierten Strahlung in der CIE-Normfarbtafel gemessen. Anschließend wird das Filtermittel 4 entfernt, so dass sich eine modifizierte Beleuchtungsvorrichtung ergibt. Nachfolgend wird eine Schichtdicke und/oder eine Konzentration des

Konversionsmittels 3 durch Zugabe einer weiteren Menge des Konversionsmittels 3 solange erhöht, bis die von dieser modifizierten Beleuchtungsvorrichtung emittierte Strahlung, mit einer bestimmten Toleranz, denselben Farbort aufweist wie die von der ursprünglichen Beleuchtungseinrichtung 1 emittierte Strahlung. Abschließend wird die von der modifizierten Beleuchtungsvorrichtung emittierte Strahlungsleistung I_mOd gemessen und mit der von der ursprünglichen Beleuchtungseinrichtung 1 emittierten Strahlungsleistung Ipu_ter verglichen. Ist I_Fiiter dann zum Beispiel größer, etwa um mindestens 5 % oder um mindestens 10 %, als I_mOd/ so handelt es sich um eine hier beschriebene Beleuchtungseinrichtung 1.

Die vorgestellte Beleuchtungseinrichtung 1 lässt sich im Wesentlichen für jeden Spektralbereich im Sichtbaren realisieren. Da geeignete Absorber erheblich leichter verfügbar sind als entsprechende Konversionsmittel 4, ist eine breite Anwendung möglich. Die in den verschiedenen Ausführungsbeispielen gezeigten Varianten können selbstverständlich miteinander kombiniert werden.

Die Beleuchtungseinrichtung 1 gemäß Figur 2 umfasst ein Substrat 5 und eine Gießmasse 6. Die elektrische Kontaktierung des Elements 2 erfolgt über auf dem Substrat 5 angebrachte elektrische Leitungen, die in Figur 2 nicht gezeichnet sind, sowie über einen Bonddraht 7, der vom Substrat 5 zur dem Substrat 5 abgewandten Seite des Elements

2 geführt ist. Die wannenartige Struktur, die durch die Gießmasse 6 ausgeformt wird, ist von einem Konversionsmittel

3 ausgefüllt. Das Filtermittel 4 ist als abdeckende Schicht auf der dem Substrat 5 abgewandten Seite des Konversionsmittels 3 aufgebracht.

Beispielsweise ist das Element 2 ein auf InGaN basierender Leuchtdiodenchip, der eine maximale Emission bei einer Wellenlänge von zirka 460 nm aufweist. Bei dem Konversionsmittel 3 handelt es sich um Leuchtstoffpartikel mit einem mittleren Durchmesser von etwa 1 μm bis 10 μm, die Europium-dotiertes Siliziumoxynitrid beinhalten, wobei die Leuchtstoffpartikel in ein Matrixmaterial, das ein Silikon umfasst, eingebettet sind. Ein Gewichtsanteil der Leuchtstoffpartikel am gesamten Konversionsmittel 3, bestehend aus den Leuchtstoffpartikeln und dem Matrixmaterial, beträgt zirka 14 %. Eine Dicke des Konversionsmittels 3, gemessen in einer Richtung parallel zu einer Wachstumsrichtung des beispielsweise epitaktisch hergestellten Elements 2, kann um zirka 500 μm liegen.

Das Filtermittel 4 ist durch einen Glasfilter gebildet, der eine Absorptionskante von zirka 475 nm bis 480 nm aufweist. Im Spektralbereich unterhalb von zirka 475 nm wirkt das Filtermittel 4 absorbierend insbesondere für einen langwelligen Anteil der vom Element 2 emittierten Strahlung. Im sichtbaren Spektralbereich oberhalb von zirka 480 nm ist das Filtermittel 4 transparent oder transluzent. Zum Beispiel handelt es sich bei dem Filtermittel 4 um einen Gelbglasfilter GG475 der Firma ITOS, Deutschland.

Ein Farbton der von der Beleuchtungseinrichtung 1 emittierten Strahlung liegt bei zirka 560 nm und eine Farbsättigung bei zirka 85 %. Diese -hohe Farbsättigung ist ebenfalls durch den Einsatz des Filtermittels 4 realisierbar.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 wurden sowohl Filtermittel 4 als auch Konversionsmittel 3 in die Gießmasse 6 der Beleuchtungseinrichtung 1 integriert. Die Gießmasse 6 ist in Form einer Linse ausgestaltet, die das vom Element 2 emittierte und vom Konversionsmittel 3 konvertierte Licht in bestimmte Raumbereiche lenkt. Das Element 2 ist eine Leuchtdiode. Die elektrische Kontaktierung erfolgt über einen Bonddraht 7 zum Substrat, an dem sich nicht gezeichnete elektrische Kontaktierungen und Leitungen befinden. Alternativ zu der in Figur 3 gezeigten Anordnung lässt sich eine linsenartige Struktur der Gießmasse oder des Konversions- 3 oder Filtermittels 4 auch in den gemäß Figur 1 und 2 gezeigten Beleuchtungseinrichtungen 1 realisieren. Ist die Linsenform aus einer separaten Gießmasse 6 gebildet, die kein Konversionsmittel 3 oder Filtermittel 4 umfasst, so lässt sich eine gleichmäßigere räumliche Abstrahlcharakteristik der Beleuchtungseinrichtung 1 erreichen. Neben einer einfachen Linse können zum Beispiel auch Fresnel-Zonen ausgebildet werden. Optional kann das Konversionsmittel 3 nicht aus einem Fluoreszenzmittel, sondern etwa aus einem photonischen Kristall oder einem Medium mit optisch nichtlinearer Wirkung ausgestaltet sein.

Alternativ zu dem gemäß Figur 3 verwendetem Element 2, dessen elektrische Kontaktierungen an beiden gegenüberliegenden Hauptseiten des Elements 2 ausgestaltet sind, können auch Elemente 2 verwendet werden, deren Kontaktierungen etwa an nur einer Hauptseite oder auch an den Flanken des Elements 2 angebracht sind. Das Element 2 kann ebenso als Dünnfilm- oder substratlose, ein oder doppelseitig emittierende Diode ausgeformt sein. Auch ist es nicht notwendig, dass das Element 2 als Leuchtdiode ausgebildet ist.

Eine Beleuchtungseinrichtung 1, die mehrere Licht emittierende Elemente 2 umfasst, ist in Figur 4 gezeigt. Elektrische Kontaktierungen und Leitungen sind nicht gezeichnet. Die Licht emittierenden Elemente 2 sind auf einer Hauptseite eines flächigen thermisch leitfähigen Substrats 5 angebracht. Auf der dem Substrat 5 abgewandten Seite der

Elemente 2 sind verschiedene Filtermittel 4a, b, c flächig angebracht. In eine Gießmasse 6 sind verschiedene Konversionsmittel 3a, b, c eingebracht, so dass die verschiedenen, die Elemente 2 beinhaltenden Einheiten Ia, b, c, in verschiedenen Farbgebungen abstrahlen können. Filtermittel 4a, b, c und Konversionsmittel 3a, b, c sind jeweils so aufeinander abgestimmt, dass sich ein so genanntes RGB-Modul ergibt. Die Einheiten Ia, b, c können selbstverständlich auch in anderen als der gezeigten Anordnung, etwa auf beiden Hauptseiten des Substrats 5, angebracht sein. Auch die Farbgebung der Einheiten Ia, b, c ist nicht auf rot, grün oder blau beschränkt. Die Anzahl der Einheiten Ia, b, c beziehungsweise der Elemente 2 kann ebenfalls variiert werden.

Gemäß Figur 5 bilden Konversionsmittel 3 und Filtermittel 4 eine kappenartige Abdeckung aus, innerhalb der sich das Element 2 auf einem Substrat 5 befindet. Das tragende

Material der Abdeckung wird mittels des Filtermittels 4 gebildet, das als ein Glasfilter ausgebildet ist. An der Innenseite des Filtermittels 4 befindet sich eine Schicht eines Konversionsmittels 3. Die Abdeckung, die Schutz vor mechanischen Belastungen und vor Umwelteinflüssen wie

Feuchtigkeit bietet, ist mittels eines Klebeverfahrens am Substrat 5 befestigt. Auf dem Substrat 5 ist in dem Bereich, in dem das Element 2 angebracht ist, eine metallische Schicht 8 aufgebracht, die nicht gezeichnete elektrische Kontaktierungen ausbildet und das vom Element 2 in Richtung Substrat 5 emittierte Licht in Richtung Filtermittel 4 reflektiert .

Die Beleuchtungseinrichtung 1 gemäß Figur 6 weist ein Substrat 5 auf, das mit mindestens einer Aussparung versehen ist. Innerhalb dieser Aussparung ist das Licht emittierende Element 2 platziert, das von einer Gießmasse 6, die das Filtermittel 4 umfasst, umgeben ist. Das Substrat 5 ist aus einem transparenten Material wie etwa Glas oder einem Kunststoff ausgestaltet. An den Hauptseiten des Substrats 5 sind Schichten aus einem Konversionsmittel 3 aufgebracht. Auf diese Weise lässt sich eine flächig abstrahlende, auf beide Seiten hin Licht emittierende Beleuchtungseinrichtung 1 verwirklichen. Die nicht gezeichneten elektrischen Kontaktierungen des Elements 2 können etwa aus einem transparenten Material wie Indiumzinnoxid ausgestaltet sein und an den Hauptseiten des Substrats 5 zwischen diesem und den flächig ausgestalteten Schichten des Konversionsmittels 3 verlaufen. In das Substrat 5 können selbstverständlich mehrere Elemente 2 integriert werden. Auch die Verwendung verschiedener Elemente 2, Konversionsmittel 3 und Filtermittel 4 in unterschiedlichen Bereichen des Substrats 5 ist, analog zu dem in Figur 4 gezeigten Ausführungsbeispiel, möglich.

Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von

Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldungen 10 2007 062 048.0 und 10 2008 015 941.7, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.

Claims

Patentansprüche

_1. Beleuchtungseinrichtung (1) mit

- mindestens einem zumindest teilweise sichtbares Licht emittierenden Element (2) ,

- mindestens einem Konversionsmittel (3), das zumindest einen Teil der vom Element emittierten Strahlung in eine Strahlung einer anderen Frequenz konvertiert, und

- mindestens einem Filtermittel (4), das zumindest einen Teil der vom Element (2) emittierten Strahlung filtert und das so ausgestaltet ist, dass für zumindest eine vorgegebene Farbsättigung und/oder einen vorgegebenen Farbton die Menge des einzusetzenden Konversionsmittels (3) reduziert ist.

2. Beleuchtungseinrichtung (1) mit

- mindestens einem zumindest teilweise blaues Licht emittierenden Element (2) ,

- mindestens einem Konversionsmittel (3) mit einem Matrixmaterial und darin eingebetteten

Leuchtstoffpartikeln, das zumindest einen Teil des vom Element emittierten blauen Lichts absorbiert und in eine Strahlung einer anderen, kleineren Frequenz konvertiert, und - mindestens einem vom Konversionsmittel (3) verschiedenen Filtermittel (4), das als Kantenfilter oder als Bandpassfilter gestaltet ist, wobei ein Gewichtsanteil der Leuchtstoffpartikel am Konversionsmittel (3) zwischen einschließlich 11 % und 16 % liegt, und wobei das Filtermittel (3) zumindest einen langwelligen Teil der vom Element (2) emittierten Strahlung filtert.

3. Beleuchtungseinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die vom Filtermittel (4) absorbierte Strahlungsintensität geringer ist als diejenige Intensität, die durch die eingesparte Menge an Konversionsmittel (3) reabsorbiert würde.

4. Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verhältnis zwischen Filtermittel (4) und

Konversionsmittel (3) bezüglich der Strahlungsintensität optimiert ist.

5. Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Element (2) eine teilweise oder vollständig im blauen und/oder im ultravioletten Spektralbereich emittierende Leuchtdiode ist.

6. Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Element Strahlung mit einer Wellelänge von mindestens 440 nm emittiert.

7. Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Strahlungsintensität der von der

Beleuchtungseinrichtung (1) emittierten Strahlung größer ist als bei einer entsprechenden Beleuchtungsvorrichtung, bei der das Filtermittel (4) durch eine erhöhte Menge des Konversionsmittels (3) ersetzt ist .

8. Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche , bei dem die konvertierte Strahlung einen Farbton zwischen einschließlich 545 nm und 585 nra aufzeigt und/oder bei dem eine Farbsättigung mindestens 80 % beträgt .

9. Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche , das eine Gießmasse (6) umfasst, in der das Element (2) zumindest teilweise eingebettet ist.

10. Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Filtermittel (4) aus einem Bragg- , Polymer- und/oder Glasfilter gestaltet ist.

11. Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche , wobei das Filtermittel (4) teilweise oder vollständig zwischen Element (2) und Konversionsmittel (3) angebracht ist.

12. Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Filtermittel (4) aus einem dem Substrat (5) oder der Gießmasse (6) beigegebenem Farbstoff oder beigegebenen Pigmenten gestaltet ist.

13. Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Konversionsmittel (3) dem Substrat (5) und/oder der Gießmasse (6) beigegeben ist.

14. Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Konversionsmittel (3) dazu ausgestaltet ist, die vom Element (2) emittierte Strahlung im

Wesentlichen in grünes und/oder in gelbes und/oder in rotes Licht zu konvertieren.

15. Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Intensität der bereits konvertierten Strahlung durch Reabsorption durch das Konversionsmittel (3) um höchstens 10 % gemindert ist.