WO2013135470A1 - Flächenlichtquelle - Google Patents

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WO2013135470A1
WO2013135470A1 PCT/EP2013/053356 EP2013053356W WO2013135470A1 WO 2013135470 A1 WO2013135470 A1 WO 2013135470A1 EP 2013053356 W EP2013053356 W EP 2013053356W WO 2013135470 A1 WO2013135470 A1 WO 2013135470A1
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WO
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scattering body
light source
radiation
scattering
main
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PCT/EP2013/053356
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English (en)
French (fr)
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Stefan Illek
Matthias Sabathil
Alexander Linkov
Thomas Bleicher
Norwin Von Malm
Wolfgang Mönch
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Osram Opto Semiconductors Gmbh
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    • H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00
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    • H01L2933/0091—Scattering means in or on the semiconductor body or semiconductor body package

Definitions

  • Description area light source A surface light source is specified.
  • One problem to be solved is one
  • Specify surface light source which has a high efficiency at comparatively small geometric dimensions.
  • This task is among others by a
  • Area light source one or more optoelectronic
  • the semiconductor chips may be LEDs, short LEDs.
  • the semiconductor chips are set up to generate a primary radiation.
  • the semiconductor chips have a main radiation side.
  • Radiation main side is preferably perpendicular to one
  • the area light source comprises a plurality of semiconductor chips
  • all the semiconductor chips can be identical in construction and can be designed to generate radiation of the same wavelength. It is also possible that differently designed
  • Semiconductor chips for example, for generating radiation of different wavelengths, are present.
  • a surface light source here is a light source with an extended luminous surface. In contrast to point light sources have only a very small luminous surface. Frequent applications of area light sources are in general lighting, for example at
  • Area light source one or more scattering bodies.
  • the at least one scattering body is a scattering of
  • Main emission of the at least one semiconductor chip is arranged downstream of the scattering body of the main radiation side.
  • the scattering body is located above the main radiation side of the semiconductor chip. It is possible that between the main radiation side and the
  • the scattering body preferably completely covers the semiconductor chip, as seen in plan view.
  • the diffuser can be flush with the
  • the scattering body has one or more main emission directions.
  • the main emission direction is that direction in which the scattering body emits a maximum radiation power per solid angle.
  • each main side of the scattering body is assigned a main emission direction.
  • the scattering body has exactly two main emission directions and exactly two main emission sides.
  • Main emission directions available they can by be formed local maxima of the angle-dependent radiation intensity.
  • Main emission direction of the scattering body is at least one of the main emission directions or are all
  • Main emission directions oriented obliquely to the main emission direction of the semiconductor chip. For example, an angle between the main emission direction and the
  • Main direction of radiation at least 45 ° or at least 60 ° or at least 70 ° or at least 75 °.
  • this angle shall not exceed 92 ° or not more than 90 ° or not more than 85 ° or not more than 80 °. In at least one embodiment, the
  • Area light source one or more optoelectronic
  • Semiconductor chips having a main radiation side for generating a primary radiation.
  • a scattering body of the area light source is arranged downstream of the main radiation side along a main emission direction of the semiconductor chips.
  • the scattering body is set up for a scattering of the primary radiation.
  • the main emission direction of the scatterer is oblique to
  • the scattering body thus has a different radiation characteristic than the
  • the light has a preferential polarization.
  • system efficiency in use as backlight of liquid crystal displays can be increased.
  • the term height is here meant a dimension in the direction perpendicular to the extended, luminous surface.
  • Area light source seen in plan view, an average lateral dimension of at least 50 mm or at least 100 mm or at least 150 mm.
  • Area light source can therefore mean that a
  • Homogeneous may mean that a local radiant power deviates by at most 40% from an average of the radiant power, averaged over the entire radiant side.
  • the color locus of a locally emitted radiation preferably deviates from a color site averaged over the emission side by at most 0.02 units or by at most 0.01 units in the CIE standard color chart.
  • the scattering body has the shape of a rotation body.
  • the scattering body is then shaped as a cylinder or as a cone or as a truncated cone.
  • the scattering body has a polyhedral shape. It is the scattering body then shaped, for example, as a prism or as a pyramid or as a truncated pyramid.
  • the scattering body has a cross-sectional area with a triangular basic shape.
  • Basic form here means that an outer contour of the
  • Scatter body seen in cross section, has the shape of a triangle. It is possible that in determining the
  • Main emission of the semiconductor chip and preferably also perpendicular to a main extension direction, such as a
  • Scattering body has a trapezoidal basic shape.
  • the scattering body has a cross-sectional area with a round shape.
  • Example is the scattering body in cross section a triangle, a rectangle or a trapezoid with rounded corners.
  • the scattering body seen in cross-section, may be oval in shape or have the shape of a semicircle or a semi-ellipse.
  • a width of the scattering body decreases along the main emission direction. In other words, then the scattering body in a direction perpendicular to the radiation main side and away from the
  • the decrease in the width of the scattering body along the main emission direction is preferably monotonous or strictly monotonic.
  • the scattering body along the main emission and / or along a
  • the scattering body has a radiation-permeable matrix material.
  • Matrix material may be PMMA, a glass, a silicone, an epoxy and / or a silicone-epoxy hybrid material
  • Thermoplastic plastics such as polycarbonate can also be used as matrix material for the scattering body.
  • matrix material scattering particles are embedded.
  • the scattering particles preferably have one of the
  • the scattering particles may be titania particles or alumina particles.
  • particles of the conversion agent can be embedded in the matrix material. It is possible that in the scattering body, the scattering particles homogeneous or targeted inhomogeneous, approximately at a higher concentration near the semiconductor chips, are distributed.
  • the scattering body extends continuously and integrally over a plurality of the semiconductor chips. There are then a plurality of the semiconductor chips, which can be configured identical or can be set up to emit radiation of different wavelengths, under the scattering body and are jointly covered by the scattering body.
  • Semiconductor chips which are located under the diffuser, combined to form a multicolor emitting group, in particular an RGB group.
  • a multicolor emitting group in particular an RGB group.
  • at least one red light, at least one green light and / or at least one blue light-emitting semiconductor chip is located below the scattering body.
  • the semiconductor chips are preferably arranged in close proximity. This may mean that an average distance between adjacent semiconductor chips is at most 50% or 25% or 10% of the height of the scattering body.
  • the scattering body is rotationally symmetrical. For example, one has
  • Lateral surface of the scattering body then the shape of a cone, a truncated cone or a stump of a
  • Rotational ellipsoids In accordance with at least one embodiment, at least a part of the semiconductor chips, which are arranged under a common scattering body, are widely spaced from one another. This may mean that a gap between these semiconductor chips at least 100% or 200% or 300% of the amount of
  • the scattering body is free of local minima with respect to a height profile across the semiconductor chips.
  • the scattering body then has no modulation of the height that correlates with the semiconductor chips.
  • the scattering body extends over all the semiconductor chips with a constant height.
  • the term constant height may mean that the height of the scattering body remains the same with a tolerance of at most 200% or 100% of a thickness of the semiconductor chips.
  • the scattering body has one or more local minima with respect to a height profile over the semiconductor chips.
  • the scattering body can then in particular have a modulation of the height that correlates with the semiconductor chips.
  • a main extension direction of the scattering body is preferably oriented parallel to this straight arrangement line of the semiconductor chips and may, viewed in plan view, be located above this arrangement line of the semiconductor chips. According to at least one embodiment, the
  • the scattering bodies are preferably arranged at a distance from one another on a common carrier.
  • Semiconductor chips are preferably oriented perpendicular to a main side of the carrier.
  • the scattering bodies or at least part of the scattering bodies are parallel
  • all scattering bodies can be aligned parallel to one another. Also the
  • Main emission directions of the scattering bodies or at least part of the scattering bodies can be parallel to each other
  • At least a part of the scattering bodies or all scattering bodies are arranged transversely to one another or in the shape of a cross.
  • arranged transversely to each other means that an angle between the
  • Cross-shaped can mean that the scattering bodies, similar to a ribbed vault, interpenetrate and partially overlap. It is possible that in particular such scattering bodies are arranged transversely to each other, which at one edge or at corners of the
  • Scattering bodies are located.
  • the scattering body seen in plan view, is reticulated.
  • the semiconductor chips are then preferably arranged in a regular grid and the scattering body can cover all semiconductor chips or at least a part of the semiconductor chips.
  • the scattering body is mounted directly on the main radiation side.
  • Scatter body touches the radiation main side.
  • side faces of the semiconductor chip are free of the scattering body. In a direction perpendicular to the side surfaces of the semiconductor chip and thus in particular in a direction parallel to
  • the semiconductor chip is not covered by the scattering body.
  • the scattering body For example, the
  • the side surfaces of the semiconductor chip are partially or completely removed from the semiconductor chip
  • the side surfaces may touch the diffuser.
  • a quotient of a light emission surface of the surface light source and the surface of the radiation main side of the semiconductor chip is at least 100 or at least 250 or at least 1000 or at least 2500.
  • Area light source one or more reflectors.
  • Reflectors are adapted to irradiate the primary radiation scattered by the scattering body in a direction towards the
  • the reflector seen in cross section, has the shape of a symmetrical or asymmetrical quadrilateral. It is possible that the
  • Reflector seen in plan view, round, circular, oval, rectangular or rectangular with rounded corners is designed.
  • the reflector has a trapezoidal basic shape, in a cross section, in particular perpendicular to the main radiation side of the
  • Reflector has a triangular basic shape in cross section.
  • the reflector is then shaped, for example, as the lateral surface of a pyramid, a truncated pyramid, a cone or a truncated cone.
  • the basic form can be one
  • the reflector does not have along a straight line extending side surfaces, but for example paraboloidally curved side surfaces.
  • the reflector has an average lateral extent that has an average edge length of the main radiation side of the semiconductor chip by at least a factor 10 or at least a factor 50 or exceeds at least a factor of 100. In other words, the reflector is then, seen in plan view, significantly larger than the semiconductor chip. According to at least one embodiment, the
  • Area light source one or more heatsink.
  • Heatsink or at least one of the heat sink includes a heat sink top. It is the at least one
  • Heatsink top and / or on a side facing away from the heat sink upper side heatsink has.
  • Structures can be formed cooling fins.
  • the heat sink is set up to reflect the primary radiation. It is possible that the heat sink top parallel to the
  • Radiation main side of the semiconductor chip is oriented or that the upper side of the heat sink is inclined thereto.
  • the upper side of the heat sink may be flat or in a triangular or trapezoidal shape, as seen in cross-section.
  • Heatsink top has a median lateral extent, which is the mean edge length of the main radiation side of the
  • the light source comprises one or more radiation-transmissive light distributors.
  • the at least one light distributor is shaped as a solid.
  • the light distributor may be a light guide.
  • the light distributor and / or the reflector is rotationally symmetrical. An axis of symmetry is in this case preferably parallel to the
  • the reflector and / or the light distributor is then formed, for example, frustoconical.
  • the scattering body is mounted completely or predominantly or at least partially in a recess of the light distributor. It is possible that the recess in the light distributor,
  • both the recess and the scattering body has a
  • trapezoidal basic shape or a triangular basic shape That is, in cross-section in particular perpendicular to
  • an outer shape of the light distributor or an outline of the light distributor may be in the shape of a triangle or a trapezoid.
  • the light distributor has curved side surfaces, for example shaped like the part of a parabola, an ellipse or a hyperbola, in the
  • Light distributor seen in plan view, a mean lateral extent, the mean edge length of
  • Radiation main side of the semiconductor chip by at least a factor of 10 or by at least a factor of 50 or in order
  • separating gap between the light distributor and the scattering body.
  • the separating gap is preferably evacuated or filled with a gas.
  • An average width of the separating gap is, for example, at least 1 ⁇ m or at least 0.1 mm or
  • the average width of the separating gap is at most 1.0 mm or at most 0.5 mm.
  • the light distributor and the scattering body do not touch each other. It is also possible that the light distributor and the diffuser are not directly connected to each other optically. Immediately visually interconnected can mean that between the scattering body and the light distributor along the
  • Main emission direction is a jump in the optical refractive index for a wavelength of the primary radiation, which does not exceed 0.1 or 0.2.
  • the refractive index of the light distributor is not smaller than that of the scattering body.
  • an angle between the emission main side and the light entry side is at least in places at least 15 ° or at least 20 ° or at least 25 °. Alternatively or additionally, this angle is at most 60 ° or at most 55 °.
  • Diffuser body and the light entry side of the light distributor can be a polarization-selective reflection on the
  • Be achieved light entry side that is, preferably different reflection coefficients for perpendicular and parallel polarized radiation from each other.
  • polarization-dependent reflective coating or with a polarization-dependent reflective structuring which is for example prismatic or pyramidal provided. This is achievable that in the
  • Light entrance side reflected radiation reaches back to the scattering body and is scattered at the scattering body.
  • Light entrance side is then an entry of this radiation in the light distributor possible.
  • a rear side of the surface light source is connected to the reflector and / or to a reflector
  • Quarter wavelength plate provided.
  • the quarter-wave plate is arranged to have a polarization direction of incident on this plate and on the reflector To change radiation, in particular to turn about 90 °.
  • the polarization direction is rotated only approximately and with a certain width of the angular distribution by 90 °.
  • the surface light source is located at a front side, the front side lying opposite a rear side and the front side facing the rear side
  • the surface light source can represent a polarization-selective mirror.
  • polarization-selective mirror can be achieved that only radiation of a certain polarization direction the
  • the scattering body is set up for polarization-independent scattering of the primary radiation.
  • a gap between the emission main side of the scattering body and the light exit side of the area light source is free from transmission to a lateral light pipe provided light guide body.
  • Radiation passes through no solid in a direction parallel to the main radiation side.
  • the radiation emitted from the scattering body passes through further optical components perpendicular or substantially perpendicular to the main radiation side of the semiconductor chip and / or to a main extension direction of the surface light source.
  • Semiconductor chips at least 45 ° or at least 60 ° or at least 70 ° or at least 75 °. Alternatively or
  • this flank angle is at most 88 ° or at most 85 ° or at most 82 °. In other words, then the emission main sides of the scattering body are almost
  • this flank angle is at most 45 ° or at most 25 ° or at most 20 ° or at most 15 °.
  • the side surfaces of the light distributor can thus almost parallel to the main radiation side of the Be aligned semiconductor chips and / or to the main extension direction of the surface light source.
  • a thickness of the surface light source is at least 0.4 mm or at least 3 mm or at least 5 mm or at least 8 mm.
  • the thickness is at most 50 mm or at most 35 mm or at most 25 mm or at most 15 mm.
  • a module may include a plurality of the surface light sources, which may be laterally adjacent to each other tiled arranged.
  • the surface light sources can be oriented parallel or transversely to one another.
  • the area light sources may be mounted on a common carrier.
  • Area light source free of a light distributor which is adapted to a lateral light pipe and which is formed of a solid, such as a plastic or a glass.
  • a lateral light distribution then takes place only or substantially only over the at least one
  • Forming a light distribution serving cover plate is downstream, but which is not a light guide and essentially only perpendicular to
  • the scattering body is made mechanically flexible. This may mean that the scattering body is non-destructively bendable with a bending radius of 10 cm or less or 20 cm or less. As a result, an assembly of the scatterer is facilitated.
  • FIGS 1 to 9 and 12 to 14 are schematic representations of
  • Figures 10 and 11 are schematic representations of
  • FIG. 1 shows a sectional view of an exemplary embodiment of a surface light source 1 is shown schematically.
  • a heat sink top side 90 of a heat sink 9 On a heat sink top side 90 of a heat sink 9, at least one optoelectronic semiconductor chip 2, preferably a light emitting diode, is mounted.
  • the semiconductor chip 2 has a main radiation side 20, which faces away from the heat sink 9 is.
  • the main radiation side 20 may, in the context of
  • Primary radiation P The course of the primary radiation P is indicated in the figures by an arrow line. It is
  • the heat sink top 90 is designed as a reflector for the primary radiation P.
  • Main emission direction x of the semiconductor chip 2 is aligned perpendicular to the radiation main side 20.
  • the scattering body 3 has a
  • the scattering body 3 in the form of a
  • the scattering body 3 may touch the semiconductor chip 2 or, unlike the one shown, be spaced apart from the semiconductor chip 2.
  • a width B of the scattering body 3 is at least 1 mm and at most 4 mm, in particular approximately 2 mm.
  • a height H of the scattering body 3 is for example at least 3 mm and / or at most 10 mm, in particular about 6 mm.
  • Heatsink top 90 and / or the main radiation side 20 is approximately 80 °.
  • the scattering body 3 scatters the primary radiation P.
  • the scattering resulting main emission y of the Diffusers 3 are substantially perpendicular to the
  • emission main sides 35 are oriented and run approximately parallel to the main radiation side 20.
  • the emission main sides 35 of the scattering body 3 can, due to the scattering properties of the scattering body 3 for the
  • the surface light source 1 comprises a
  • a material of the light distributor 4 is, for example, PMMA, polymethyl methacrylate.
  • the light distributor 4 has a triangular recess 43, in one
  • the scattering body 3 is located
  • Light entry sides 40 of the light distributor 4 at the recess 43 may be aligned parallel to the emission main sides 35 of the scattering body 3.
  • a separation gap 6, which is filled with air, for example.
  • the light distributor 4 has, seen in cross section, a trapezoidal basic shape. Side surfaces 48 of the
  • Light distributor 4 can, seen in cross-section, be designed as straight lines or, unlike the drawing, run curved.
  • heat sink top 90 is about 12.5 °.
  • the side surfaces 48 preferably reflect by means of total internal reflection.
  • a thickness D of the area light source 1 is about 10 mm, for example.
  • Area light source 1 lies, for example, between including 2 cm and 20 cm or between 10 cm and 15 cm inclusive.
  • a front side 14 of the surface light source which also represents an emission side of the surface light source 1, is formed by a light exit side 45 of the light distributor 4.
  • the light exit side 45 is substantially planar and planar.
  • Conversion agent which is not shown, to be added to the conversion of the primary radiation P in another radiation.
  • a conversion agent can also be located on or in the scattering body 3 or on or in the light distributor 4.
  • the semiconductor chip 2 can be located in a recess of the heat sink 9.
  • the scattering body 3 is then preferably with a clear adhesive, such as silicone-based, on the
  • the side surfaces 48 of the light manifold 4 are provided with a reflector 8.
  • the prismatic scattering body 3 is arranged downstream of three different semiconductor chips 2. For example, one of the semiconductor chips 2 emits green light, a second one
  • the separation gap 6 is filled with a medium to a jump in the optical
  • the separation gap 6 is evacuated or filled with a gas.
  • the separating gap 6 preferably enables an effective coupling of light radiation from the scattering body 3 into guided radiation in the light distributor 4, in particular in so-called optical waveguide modes.
  • Area light source 1 according to FIG. 4 the recess 43 and the scattering body 3 have a triangular basic shape. However, the light entrance sides 40 and the
  • Emission main sides 35 are not parallel to each other, but have an angle ⁇ relative to each other.
  • the angle ⁇ is, for example, about 30 °.
  • Shape of the recess 43 can be reached that at the light entrance side 40 emitted from the diffuser 3
  • the surface light source 1 according to FIG. 5 has a plurality of scattering bodies 3, which are designed as elongated prisms having a triangular cross-section. The single ones
  • Diffusers 3 are arranged parallel to each other on a support 5, which can also be configured as a reflector 8 and / or as a heat sink 9. Each of the scattering body 3 is mounted over a plurality of semiconductor chips, not shown in FIG.
  • FIG. 6 shows plan views of further exemplary embodiments of the surface light source 1.
  • the scattering bodies 3a are oriented substantially perpendicular to the scattering bodies 3b.
  • the diffusers 3a, 3b overlap
  • the scattering bodies 3b are at one edge
  • the scattering bodies 3a, 3b are mounted obliquely to one another, for example at an angle of approximately 45 °, not shown in FIG. 6B.
  • the scattering bodies 3a, 3b can also have different lengths from each other. According to Figure 6B are boundary surfaces of
  • Scattering body 3a, 3b oriented on short sides obliquely to an upper side of the carrier 5.
  • Cover 7 free of a light distributor.
  • the gap 13 is evacuated or, preferably, with a Gas filled like air.
  • the cover 7 may optionally have structurings for a directed radiation.
  • Main emission x guided by the cover 7 and thus in the cover 7 preferably only one
  • the cover 7 is preferably not a light guide along the main emission direction y.
  • the front side 14, which represents the emission side of the surface light source 1, is formed in particular by the cover 7.
  • Such a surface light source 1 represents a so-called light box, with a direct LED backlighting.
  • the cover 7 is an optically functional plate, preferably a light-shaping plate, and can for example serve to glare.
  • Diffuser 3 is, for example, prism-shaped
  • the area light source 1 is free from a light guide to a lateral light pipe.
  • Diffuser 3 and the reflector 8 is a homogeneous
  • Illumination especially the front 14 ensures.
  • the surface light source 1 according to FIG. 7 can also be used in flame-critical applications, for example in aircraft.
  • the surface light source 1 according to Figure 7 corresponds to the structure of a light box, so includes a housing with
  • the light sources are formed by the semiconductor chips 2 in combination with the diffuser 3 and have a pronounced sideways radiation characteristic.
  • a height of the light box in comparison to systems with fluorescent tubes or with light emitting diodes, which have a Lambert 'see radiation characteristic with a maximum perpendicular to the front side 14 can be reduced.
  • color mixing can already take place in the scattering body due to the scattering body. Due to the shape of the side walls, so in particular of the reflector 8, and by the sideways radiation of the diffuser 3, the light in the
  • the cover 7 as an optically functional plate on the front side of the
  • Light box be placed. Such light boxes are often synonymous for displays or billboards to be illuminated
  • the cover 7 may be realized by a frosted glass. In the illumination of more distant surfaces, so of surfaces which are spaced from the surface light source 1, can also
  • Covers with wider optical functions such as lens systems such as microlenses or with prismatic lenses
  • Diffuser 3 fixed to the light box, ie in particular with the reflector 8 are connected or are used modularly in the reflector. Due to a modular structure is the
  • Reflectors 8 are avoidable or reducible.
  • the reflector 8 preferably has a high reflectivity and can reflect specularly or diffusely, as in all other embodiments.
  • the reflector can, as in all other embodiments, curved
  • the shape of the reflector 8 can support a light intensity distribution of the surface light source 1.
  • the heat sink 9 can be omitted if a cooling of the
  • the cover 7 is molded, for example, from a plastic such as PMMA or PC, polycarbonate.
  • the cover 7 is preferably provided with refractive structures to glare and / or to a shaping of the light intensity distribution. Unlike illustrated, the cover 7 can also be curved.
  • Cover 7 can be optically functional layers like
  • Be applied filter layers or reflective layers For example, through structuring different
  • the surface light source 1 according to FIG. 8 has a planar reflector 8 on a rear side 15. On the reflector 8, a coating 85 is attached to a polarization change of radiation impinging thereon. Prefers
  • Reflecting mirror can also be a diffusely scattering
  • Reflector 8 find use.
  • the cover 7 is designed as a polarization-selective mirror.
  • a coating 75 may be applied, are adjustable over the optical properties or on the
  • Electrodes such as for a liquid crystal display, are feasible.
  • functional layers 75 it is possible, for example, to use optical coupling-out structures or structured, transparent conductive oxides.
  • the course of the primary radiation P is illustrated by arrow lines, a polarization direction is symbolized by arrows as well as points on the illustrated course of the primary radiation P.
  • the diffuser 3 emits unpolarized radiation, for example with a Lambertian radiation characteristic, symbolized by the circular stars on the emission main sides 35.
  • Light distributor 4 it is optionally possible, a
  • Preferential polarization of the radiation entering the light distributor 4 to achieve.
  • polarization selective reflective and transmissive cover 7 meets is decoupled from the surface light source 1. Differentially polarized light is reflected toward the quarter wavelength plate 85, there in the
  • Polarization rotated and subsequently emitted.
  • Diffuser body 3 and / or the recess 43 may be optimized in view of a preferential polarization of light in the light distributor 4, see Figure 4.
  • Components preferably have the widest possible spectral broadband characteristic.
  • FIG. 9 shows further exemplary embodiments of the surface light source 1 in schematic sectional representations.
  • the semiconductor chip 2 is on the carrier 5
  • the semiconductor chip 2 may be provided with a conversion element.
  • the main emission x is the
  • the scattering body 3 it is optional and different than shown possible for the scattering body 3 to have a recess for the optical body on an underside facing the semiconductor chip 2.
  • a conversion agent can also be added to the scattering body 3 or mounted on the scattering body 3, as optional in all other embodiments.
  • the surface light source 1 has a lower potting laterally next to the semiconductor chip 2 and a potting along the
  • the separate scattering body 3 is mounted on this plan Verguss, which projects beyond the semiconductor chip 2 in a direction away from the carrier 5.
  • the semiconductor chip 2 in a Cavity of the carrier 5 may be attached. Electrical lines of the carrier 5 are each only indicated in the figures.
  • the scattering body 3 is a primary optic of the semiconductor chip 2, which follows the semiconductor chip 2 optically immediately. According to FIG. 9C, there are thus no other optically active components between the semiconductor chip 2 and the scattering body 3.
  • the semiconductor chip 2 is around the reflective one
  • the scattering body is third
  • the component is free of a scattering body.
  • the optic body 77 has a central minimum and a rampart around it. Such an optical body 77 has an im
  • Optic body 77 can not be achieved because the optical body 77 has no or substantially no light-scattering properties.
  • Figure IIA is a
  • Backlight device shown in which a light source is mounted locally on an edge of a light guide.
  • a structuring 95 on a lower side serves for a light extraction.
  • the light sources 2 are attached to a bottom of a light box.
  • the light box has a
  • FIG. 12 shows a further exemplary embodiment of the invention
  • the scattered body 3 spaced apart cover each three closely arranged
  • Semiconductor chips 2 completely. Each of the semiconductor chips 2 emits light in a different spectral range.
  • each of the semiconductor chips 2 emits red, green and blue light.
  • the scattering bodies 3 are conical
  • the width B of the scattering body 3 is at least twice, three times or four times and / or at most twenty times, ten times or five times a mean edge length of the semiconductor chips 2.
  • Downstream of the light distributor and the scattering bodies 3 is preferably an air gap and the recesses in the light distributor then have in particular the same basic shape as the scattering body.
  • the scattering bodies 3 are trapezoidal in cross-section.
  • the diffusers 3 can be rotationally symmetrical, see
  • Figure 12 or have an elongated shape, see Figures 3 and 6.
  • the scattering body 3 are in one
  • the surface light source 1 may also comprise only one scattering body 3, just as is possible in connection with FIG. 12.
  • the median lateral extent is then, for example, less than 12 cm.
  • the light distributor 4 of the embodiment according to FIG. 14 has curved side surfaces 48 when viewed in cross-section. Such a light distributor 4 can also be used in all other embodiments.

Abstract

In mindestens einer Ausführungsform umfasst die Flächenlichtquelle (1) einen oder mehrere optoelektronische Halbleiterchips (2) mit einer Strahlungshauptseite (20) zur Erzeugung einer Primärstrahlung (P). Ein Streukörper (3) ist entlang einer Hauptabstrahlrichtung (x) der Halbleiterchips (3) der Strahlungshauptseite (20) nachgeordnet. Der Streukörper (3) ist zu einer Streuung der Primärstrahlung (P) eingerichtet. Eine Hauptemissionsrichtung (y) des Streukörpers (3) ist schräg zur Hauptabstrahlrichtung (x) des Halbleiterchips (2) orientiert.

Description

Beschreibung Flächenlichtquelle Es wird eine Flächenlichtquelle angegeben. Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine
Flächenlichtquelle anzugeben, die bei vergleichsweise kleinen geometrischen Abmessungen eine hohe Effizienz aufweist.
Diese Aufgabe wird unter anderem durch eine
Flächenlichtquelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Flächenlichtquelle sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die
Flächenlichtquelle einen oder mehrere optoelektronische
Halbleiterchips. Bei den Halbleiterchips kann es sich um Leuchtdioden, kurz LEDs, handeln. Die Halbleiterchips sind zur Erzeugung einer Primärstrahlung eingerichtet. Es weisen die Halbleiterchips eine Strahlungshauptseite auf. Die
Strahlungshauptseite ist bevorzugt senkrecht zu einer
Wachstumsrichtung einer epitaktisch erzeugten
Halbleiterschichtenfolge der Halbleiterchips orientiert.
Umfasst die Flächenlichtquelle mehrere Halbleiterchips, so können alle Halbleiterchips baugleich sein und zur Erzeugung von Strahlung derselben Wellenlänge eingerichtet sein. Ebenso ist es möglich, dass verschieden voneinander gestaltete
Halbleiterchips, beispielsweise zur Erzeugung von Strahlung verschiedener Wellenlängen, vorhanden sind.
Eine Flächenlichtquelle ist hierbei eine Lichtquelle mit einer ausgedehnten leuchtenden Fläche. Im Gegensatz dazu weisen Punktlichtquellen nur eine sehr kleine leuchtende Fläche auf. Häufige Anwendungen von Flächenlichtquellen liegen in der Allgemeinbeleuchtung, zum Beispiel bei
Deckeneinbauleuchten, und in der Hinterleuchtung von
Flüssigkristall-Displays.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die
Flächenlichtquelle einen oder mehrere Streukörper. Der mindestens eine Streukörper ist zu einer Streuung der
Primärstrahlung eingerichtet. Entlang einer
Hauptabstrahlrichtung des mindestens einen Halbleiterchips ist der Streukörper der Strahlungshauptseite nachgeordnet. Mit anderen Worten befindet sich der Streukörper über der Strahlungshauptseite des Halbleiterchips. Es ist möglich, dass sich zwischen der Strahlungshauptseite und dem
Streukörper keine weiteren, optisch wirksamen Komponenten wie Linsen, Filter und/oder Konversionsmittel zu einer
Wellenlängenkonversion befinden. Bevorzugt überdeckt der Streukörper den Halbleiterchip, in Draufsicht gesehen, vollständig. Der Streukörper kann bündig mit dem
Halbleiterchip abschließen, in Draufsicht gesehen, oder den Halbleiterchip seitlich überragen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Streukörper eine oder mehrere Hauptemissionsrichtungen auf. Die
Hauptemissionsrichtung ist diejenige Richtung, in der der Streukörper eine maximale Strahlungsleistung pro Raumwinkel emittiert. Insbesondere ist jeder Hauptseite des Streukörpers eine Hauptemissionsrichtung zugeordnet. Bevorzugt weist der Streukörper genau zwei Hauptemissionsrichtungen und genau zwei Hauptemissionsseiten auf. Sind mehrere
Hauptemissionsrichtungen vorhanden, so können diese durch lokale Maxima der winkelabhängigen Strahlungsintensität gebildet sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die
Hauptemissionsrichtung des Streukörpers oder ist mindestens eine der Hauptemissionsrichtungen oder sind alle
Hauptemissionsrichtungen schräg zu der Hauptabstrahlrichtung des Halbleiterchips orientiert. Beispielsweise beträgt ein Winkel zwischen der Hauptemissionsrichtung und der
Hauptabstrahlrichtung mindestens 45° oder mindestens 60° oder mindestens 70° oder mindestens 75°. Alternativ oder
zusätzlich beträgt dieser Winkel höchstens 92° oder höchstens 90° oder höchstens 85° oder höchstens 80°. In mindestens einer Ausführungsform umfasst die
Flächenlichtquelle einen oder mehrere optoelektronische
Halbleiterchips mit einer Strahlungshauptseite zur Erzeugung einer Primärstrahlung. Ein Streukörper der Flächenlichtquelle ist entlang einer Hauptabstrahlrichtung der Halbleiterchips der Strahlungshauptseite nachgeordnet. Der Streukörper ist zu einer Streuung der Primärstrahlung eingerichtet. Eine
Hauptemissionsrichtung des Streukörpers ist schräg zur
Hauptabstrahlrichtung des Halbleiterchips orientiert. Bei einer solchen Flächenlichtquelle wird durch den
Streukörper die Hauptabstrahlrichtung des Halbleiterchips, die insbesondere senkrecht zu der Strahlungshauptseite orientiert ist, in eine hiervon verschiedene
Hauptemissionsrichtung umgelenkt. Der Streukörper weist also eine andere Abstrahlcharakteristik auf als der
Halbleiterchip. Durch einen solchen Streukörper, der eine hohe optische Effizienz aufweist, ist insbesondere bei der Verwendung von mehreren Halbleiterchips mit unterschiedlichen Emissionswellenlängen eine kompakte und gleichmäßig Strahlung emittierende Flächenlichtquelle realisierbar.
Durch eine solche Flächenlichtquelle sind auch eine
vergleichsweise kleine Bauhöhe und eine hohe Effizienz sowie eine ausreichende Farbmischung realisierbar, um eine
Arbeitsebene homogen zu beleuchten. Ebenso kann eine
hocheffiziente Flächenlichtquelle realisiert werden, deren Licht eine Vorzugspolarisation aufweist. Mit einer solchen Lichtquelle kann eine Systemeffizienz bei der Anwendung als Hinterleuchtung von Flüssigkristall-Displays gesteigert werden. Mit dem Begriff Bauhöhe ist hierbei eine Abmessung in Richtung senkrecht zu der ausgedehnten, leuchtenden Fläche gemeint .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die
Flächenlichtquelle, in Draufsicht gesehen, eine mittlere laterale Abmessung von mindestens 50 mm oder von mindestens 100 mm oder von mindestens 150 mm auf. Der Begriff
Flächenlichtquelle kann also bedeuten, dass eine
Abstrahlseite der Flächenlichtquelle eine Fläche von
mindestens 0,01 qm aufweist. Bevorzugt emittiert die
Flächenlichtquelle an der Lichtaustrittsseite homogen.
Homogen kann bedeuten, dass eine lokale Strahlungsleistung um höchstens 40 % von einem Mittelwert der Strahlungsleistung, gemittelt über die gesamte Abstrahlseite, abweicht. Ein
Farbort einer lokal emittierten Strahlung weicht von einem über die Abstrahlseite gemittelten Farbort bevorzugt um höchstens 0,02 Einheiten oder um höchstens 0,01 Einheiten in der CIE-Norm-Farbtafel ab.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Flächenlichtquelle weist der Streukörper die Form eines Rotationskörpers auf. Beispielsweise ist der Streukörper dann als Zylinder oder als Kegel oder als Kegelstumpf geformt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Flächenlichtquelle weist der Streukörper eine polyedrische Form auf. Es ist der Streukörper dann beispielsweise als Prisma oder als Pyramide oder als Pyramidenstumpf geformt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Streukörper eine Querschnittsfläche mit einer dreieckigen Grundform auf. Grundform bedeutet hierbei, dass ein äußerer Umriss des
Streukörpers, im Querschnitt gesehen, die Form eines Dreiecks aufweist. Es ist möglich, dass bei der Bestimmung der
Grundform verhältnismäßig kleine Ausnehmungen oder
Einkerbungen an einer Seite, insbesondere an einer dem
Halbleiterchip zugewandten Unterseite des Streukörpers, nicht berücksichtigt werden. Die Querschnittsfläche wird
insbesondere in einer Schnittebene parallel zur
Hauptabstrahlrichtung des Halbleiterchips und bevorzugt auch senkrecht zu einer Haupterstreckungsrichtung, etwa einer
Längsachse, des Streukörpers bestimmt. Alternativ zu einer dreieckigen Grundform ist es auch möglich, dass der
Streukörper eine trapezförmige Grundform aufweist. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Streukörper eine Querschnittsfläche mit einer runden Form auf. Zum
Beispiel ist der Streukörper im Querschnitt ein Dreieck, ein Rechteck oder ein Trapez mit abgerundeten Ecken. Alternativ kann der Streukörper, im Querschnitt gesehen, oval geformt sein oder die Form eines Halbkreises oder eine Halbellipse haben . Gemäß zumindest einer Ausführungsform nimmt eine Breite des Streukörpers entlang der Hauptabstrahlrichtung ab. Mit anderen Worten wird dann der Streukörper in eine Richtung senkrecht zur Strahlungshauptseite und weg von der
Strahlungshauptseite schmäler. Die Abnahme der Breite des Streukörpers entlang der Hauptabstrahlrichtung erfolgt bevorzugt monoton oder streng monoton.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Streukörper, entlang der Hauptabstrahlrichtung und/oder entlang einer
Richtung senkrecht zur Strahlungshauptseite, eine Höhe auf, die größer ist als eine maximale Breite der
Querschnittsfläche des Streukörpers mit der dreieckigen
Grundform. Es ist der Streukörper dann also höher als breit, im Querschnitt insbesondere senkrecht zu einer
Haupterstreckungsrichtung des Streukörpers und senkrecht zur Strahlungshauptseite des Halbleiterchips gesehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Streukörper ein strahlungsdurchlässiges Matrixmaterial auf. Bei dem
Matrixmaterial kann es sich um PMMA, ein Glas, ein Silikon, ein Epoxid und/oder ein Silikon-Epoxid-Hybridmaterial
handeln. Auch thermoplastische Kunststoffe wie Polycarbonat können als Matrixmaterial für den Streukörper Verwendung finden. In das Matrixmaterial sind Streupartikel eingebettet. Die Streupartikel weisen bevorzugt einen von dem
Matrixmaterial verschiedenen Brechungsindex auf. Bei den Streupartikeln kann es sich um Titandioxidpartikel oder um Aluminiumoxidpartikel handeln. Alternativ oder zusätzlich zu den Streupartikeln können Partikel des Konversionsmittels in dem Matrixmaterial eingebettet sein. Es ist möglich, dass in dem Streukörper die Streupartikel homogen oder gezielt inhomogen, etwa mit einer höheren Konzentration nahe den Halbleiterchips, verteilt sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Flächenlichtquelle erstreckt sich der Streukörper zusammenhängend und einstückig über mehrere der Halbleiterchips. Es befinden sich dann also mehrere der Halbleiterchips, die baugleich oder zur Emission von Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen eingerichtet sein können, unter dem Streukörper und sind gemeinsam von dem Streukörper überdeckt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die
Halbleiterchips, die sich unter dem Streukörper befinden, zu einer mehrfarbig emittierenden Gruppe, insbesondere einer RGB-Gruppe, zusammengefasst . Mit anderen Worten befindet sich unter dem Streukörper dann mindestens ein rotes Licht, mindestens ein grünes Licht und/oder mindestens ein blaues Licht emittierender Halbleiterchip. Die Halbleiterchips sind bevorzugt eng benachbart angeordnet. Dies kann bedeuten, dass ein mittlerer Abstand zwischen benachbarten Halbleiterchips höchstens 50 % oder 25 % oder 10 % der Höhe des Streukörpers beträgt .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Streukörper rotationssymmetrisch geformt. Zum Beispiel hat eine
Mantelfläche des Streukörpers dann die Form eines Kegels, eines Kegelstumpfes oder eines Stumpfes eines
Rotationsellipsoids . Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist zumindest ein Teil der Halbleiterchips, die unter einem gemeinsamen Streukörper angeordnet sind, weit voneinander beabstandet. Dies kann bedeuten, dass ein Abstand zwischen diesen Halbleiterchips mindestens 100 % oder 200 % oder 300 % der Höhe des
Streukörpers beträgt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Streukörper, bezogen auf einen Höhenverlauf über die Halbleiterchips hinweg, frei von lokalen Minima. Es weist der Streukörper dann insbesondere keine mit den Halbleiterchips korrelierende Modulation der Höhe auf. Insbesondere erstreckt sich der Streukörper über alle Halbleiterchips hinweg mit einer konstanten Höhe. Alternativ oder zusätzlich kann der Begriff konstante Höhe bedeuten, dass die Höhe des Streukörpers mit einer Toleranz von höchstens 200 % oder 100 % einer Dicke der Halbleiterchips gleich bleibt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Streukörper, bezogen auf einen Höhenverlauf über die Halbleiterchips hinweg, eines oder mehrere lokale Minima auf. Es kann der Streukörper dann insbesondere eine mit den Halbleiterchips korrelierende Modulation der Höhe aufweisen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die
Halbleiterchips, über die sich der Streukörper erstreckt, entlang mindestens einer oder genau einer geraden Linie angeordnet. Eine Haupterstreckungsrichtung des Streukörpers ist bevorzugt parallel zu dieser geraden Anordnungslinie der Halbleiterchips orientiert und kann sich, in Draufsicht gesehen, über dieser Anordnungslinie der Halbleiterchips befinden . Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die
Hauptemissionsrichtung oder sind die Hauptemissionsrichtungen des Streukörpers, in Draufsicht auf die Flächenlichtquelle gesehen, senkrecht zur Anordnungslinie der Halbleiterchips orientiert, bevorzugt mit einer Toleranz von höchstens 15° oder von höchstens 10° oder von höchstens 5°.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die
Flächenlichtquelle mehrere der Streukörper. Die Streukörper sind bevorzugt beabstandet voneinander auf einem gemeinsamen Träger angeordnet. Die Hauptabstrahlrichtung der
Halbleiterchips ist bevorzugt senkrecht zu einer Hauptseite des Trägers orientiert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Streukörper oder ist mindestens ein Teil der Streukörper parallel
zueinander angeordnet. Insbesondere können alle Streukörper parallel zueinander ausgerichtet sein. Auch die
Hauptemissionsrichtungen der Streukörper oder von mindestens einem Teil der Streukörper können parallel zueinander
ausgerichtet sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist mindestens ein Teil der Streukörper oder sind alle Streukörper quer zueinander oder kreuzförmig angeordnet. Quer zueinander angeordnet bedeutet insbesondere, dass ein Winkel zwischen den
Streukörpern sowie der Haupterstreckungsrichtungen der
Streukörper zwischen einschließlich 30° und 90°, insbesondere ungefähr 90°, beträgt. Kreuzförmig kann bedeuten, dass sich die Streukörper ähnlich einem Kreuzrippengewölbe gegenseitig durchdringen und teilweise überlappen. Es ist möglich, dass insbesondere solche Streukörper quer zueinander angeordnet sind, die sich an einem Rand oder an Ecken der
Flächenlichtquelle und/oder eines Anordnungsrasters der
Streukörper befinden. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Streukörper, in Draufsicht gesehen, netzförmig. Die Halbleiterchips sind dann bevorzugt in einem regelmäßigen Gitter angeordnet und der Streukörper kann alle Halbleiterchips oder mindestens einen Teil der Halbleiterchips überdecken.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Streukörper unmittelbar auf der Strahlungshauptseite angebracht.
Unmittelbar kann bedeuten, dass sich zwischen dem Streukörper und der Strahlungshauptseite nur ein Verbindungsmittel wie ein Kleber befindet. Ebenso ist es möglich, dass der
Streukörper die Strahlungshauptseite berührt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind Seitenflächen des Halbleiterchips frei von dem Streukörper. In eine Richtung senkrecht zu den Seitenflächen des Halbleiterchips und somit insbesondere in eine Richtung parallel zur
Strahlungshauptseite ist dann der Halbleiterchip nicht von dem Streukörper überdeckt. Beispielsweise sind die
Seitenflächen des Halbleiterchips von einem reflektierenden Verguss oder einem Kleber zum Befestigen des Streukörpers umgeben und/oder bedeckt. In senkrechter Projektion auf die Seitenflächen befinden sich dann bevorzugt keine
Streupartikel über den Seitenflächen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Seitenflächen des Halbleiterchips teilweise oder vollständig von dem
Streukörper bedeckt. Die Seitenflächen können den Streukörper berühren .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform beträgt ein Quotient aus einer Lichtabstrahlfläche der Flächenlichtquelle und der Fläche der Strahlungshauptseite des Halbleiterchips mindestens 100 oder mindestens 250 oder mindestens 1000 oder mindestens 2500.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die
Flächenlichtquelle einen oder mehrere Reflektoren. Die
Reflektoren sind dazu eingerichtet, die von dem Streukörper gestreute Primärstrahlung in eine Richtung hin zu der
Abstrahlseite der Flächenlichtquelle umzulenken. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Reflektor, im Querschnitt gesehen, die Form eines symmetrischen oder asymmetrischen Vierecks auf. Es ist möglich, dass der
Reflektor, in Draufsicht gesehen, rund, kreisförmig, oval, rechteckig oder rechteckig mit abgerundeten Ecken gestaltet ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Reflektor eine trapezförmige Grundform auf, in einem Querschnitt insbesondere senkrecht zur Strahlungshauptseite des
Halbleiterchips gesehen. Ebenso ist es möglich, dass der
Reflektor im Querschnitt eine dreieckige Grundform aufweist. Der Reflektor ist dann zum Beispiel wie die Mantelfläche einer Pyramide, eines Pyramidenstumpfes, eines Kegels oder eines Kegelstumpfes geformt. Die Grundform kann eine
Spiegelsymmetrie aufweisen. Abweichend hiervon ist es auch möglich, dass der Reflektor nicht entlang einer geraden Linie verlaufende Seitenflächen, sondern zum Beispiel paraboloid gekrümmte Seitenflächen aufweist. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Reflektor eine mittlere laterale Ausdehnung auf, die eine mittlere Kantenlänge der Strahlungshauptseite des Halbleiterchips um mindestens einen Faktor 10 oder mindestens einen Faktor 50 oder mindestens einen Faktor 100 übersteigt. Mit anderen Worten ist der Reflektor dann, in Draufsicht gesehen, deutlich größer als der Halbleiterchip. Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die
Flächenlichtquelle einen oder mehrere Kühlkörper. Der
Kühlkörper oder mindestens einer der Kühlkörper umfasst eine Kühlkörperoberseite. Es ist der mindestens eine
Halbleiterchip an der Kühlkörperoberseite angebracht. Es ist möglich, dass der Kühlkörper Strukturierungen an der
Kühlkörperoberseite und/oder an einer der Kühlkörperoberseite abgewandten Kühlkörperunterseite aufweist. Durch solche
Strukturierungen können Kühlrippen gebildet sein. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Kühlkörper zur Reflexion der Primärstrahlung eingerichtet. Es ist möglich, dass die Kühlkörperoberseite parallel zu der
Strahlungshauptseite des Halbleiterchips orientiert ist oder dass die Kühlkörperoberseite schräg hierzu verläuft. Die Kühlkörperoberseite kann eben sein oder in Dreieckform oder in Trapezform verlaufen, im Querschnitt gesehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die
Kühlkörperoberseite eine mittlere laterale Ausdehnung auf, die die mittlere Kantenlänge der Strahlungshauptseite des
Halbleiterchips um mindestens einen Faktor 10 oder mindestens einen Faktor 50 oder mindestens einen Faktor 100 übersteigt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Lichtquelle einen oder mehrere strahlungsdurchlässige Lichtverteiler. Der mindestens eine Lichtverteiler ist als Festkörper geformt. Bei dem Lichtverteiler kann es sich um einen Lichtleiter handeln . Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Lichtverteiler und/oder der Reflektor rotationssymmetrisch geformt. Eine Symmetrieachse ist hierbei bevorzugt parallel zu der
Hauptabstrahlrichtung des mindestens einen Halbleiterchips orientiert. Der Reflektor und/oder der Lichtverteiler ist dann zum Beispiel kegelstumpfförmig ausgebildet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Streukörper vollständig oder überwiegend oder mindestens zum Teil in einer Ausnehmung des Lichtverteilers angebracht. Es ist möglich, dass die Ausnehmung in dem Lichtverteiler,
insbesondere in einem Querschnitt gesehen, die gleiche
Grundform aufweist wie der Streukörper. Beispielsweise weist sowohl die Ausnehmung als auch der Streukörper eine
dreieckige Grundform auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der
Lichtverteiler, in einem Querschnitt gesehen, eine
trapezförmige Grundform oder eine dreieckige Grundform auf. Das heißt, im Querschnitt insbesondere senkrecht zur
Strahlungshauptseite gesehen, kann eine äußere Form des Lichtverteilers oder eine Umrisslinie des Lichtverteilers die Form eines Dreiecks oder eines Trapezes aufzeigen.
Ebenso ist es möglich, dass der Lichtverteiler gekrümmte Seitenflächen aufweist, beispielsweise geformt wie der Teil einer Parabel, einer Ellipse oder einer Hyperbel, im
Querschnitt gesehen. Es ist möglich, dass die Seitenflächen nicht ringsum dieselbe Form aufweisen. Hierdurch kann entlang verschiedener Raumrichtungen ein unterschiedliches
Lichtleitverhalten und/oder Abstrahlungsverhalten realisiert werden . Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der
Lichtverteiler, in Draufsicht gesehen, eine mittlere laterale Ausdehnung auf, die die mittlere Kantenlänge der
Strahlungshauptseite des Halbleiterchips um mindestens einen Faktor 10 oder um mindestens einen Faktor 50 oder um
mindestens einen Faktor 100 übersteigt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich zwischen dem Lichtverteiler und dem Streukörper ein Trennspalt. Der Trennspalt ist bevorzugt evakuiert oder mit einem Gas gefüllt. Eine mittlere Breite des Trennspalts beträgt zum Beispiel mindestens 1 ym oder mindestens 0,1 mm oder
mindestens 0,25 mm. Insbesondere beträgt die mittlere Breite des Trennspalts höchstens 1,0 mm oder höchstens 0,5 mm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform berühren sich der Lichtverteiler und der Streukörper nicht. Ebenso ist es möglich, dass der Lichtverteiler und der Streukörper nicht unmittelbar optisch miteinander verbunden sind. Unmittelbar optisch miteinander verbunden kann bedeuten, dass zwischen dem Streukörper und dem Lichtverteiler entlang der
Hauptemissionsrichtung ein Sprung im optischen Brechungsindex für eine Wellenlänge der Primärstrahlung vorliegt, der 0,1 oder 0,2 nicht übersteigt. Bevorzugt ist der Brechungsindex des Lichtverteilers nicht kleiner als der des Streukörpers.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind eine
Emissionshauptseite des Streukörpers und eine
Lichteintrittsseite des Lichtverteilers, die dem Streukörper zugewandt ist, stellenweise oder ganzflächig parallel zueinander orientiert. Mit anderen Worten weist dann der Trennspalt eine konstante, gleichmäßige Breite auf. Gemäß zumindest einer Ausführungsform beträgt ein Winkel zwischen der Emissionshauptseite und der Lichteintrittsseite wenigstens stellenweise mindestens 15° oder mindestens 20° oder mindestens 25°. Alternativ oder zusätzlich beträgt dieser Winkel höchstens 60° oder höchstens 55°. Durch einen solchen Winkel zwischen der Emissionshauptseite des
Streukörpers und der Lichteintrittsseite des Lichtverteilers kann eine polarisationsselektive Reflexion an der
Lichteintrittsseite erreicht werden, das heißt, dass sich bevorzugt Reflexionskoeffizienten für senkrecht und parallel polarisierte Strahlung voneinander unterscheiden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die
Lichteintrittsseite des Lichtverteilers mit einer
polarisationsabhängig reflektierenden Beschichtung oder mit einer polarisationsabhängig reflektierenden Strukturierung, die beispielsweise prismenförmig oder pyramidenförmig ist, versehen. Hierdurch ist erreichbar, dass in den
Lichtverteiler hauptsächlich Strahlung mit einer
Vorzugspolarisationsrichtung eintritt. An der
Lichteintrittsseite reflektierte Strahlung gelangt zurück zu dem Streukörper und wird an dem Streukörper gestreut.
Aufgrund dieser Streuung kann sich eine Polarisationsrichtung ändern und bei einem nachfolgenden Auftreffen auf die
Lichteintrittsseite ist dann ein Eintritt dieser Strahlung in den Lichtverteiler möglich.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist eine Rückseite der Flächenlichtquelle mit dem Reflektor und/oder mit einer
Viertelwellenlängen-Platte versehen. Die Viertelwellenlängen- Platte ist dazu eingerichtet, eine Polarisationsrichtung von auf diese Platte und auf den Reflektor auftreffender Strahlung zu ändern, insbesondere um ungefähr 90° zu drehen. Für polychromatische Strahlung und/oder einen breiten
Einfallswinkelbereich wird die Polarisationsrichtung nur annähernd und mit einer gewissen Breite der Winkelverteilung um 90° gedreht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich an einer Vorderseite der Flächenlichtquelle, wobei die Vorderseite einer Rückseite gegenüberliegt und die Vorderseite die
Abstrahlseite der Flächenlichtquelle darstellen kann, ein polarisationsselektiver Spiegel. Über den
polarisationsselektiven Spiegel ist erzielbar, dass nur Strahlung einer bestimmten Polarisationsrichtung die
Flächenlichtquelle verlässt. In Kombination mit der
Viertelwellenlängen-Platte an der Rückseite ist ein so genanntes Photonen-Recycling und eine effiziente Abstrahlung einer Strahlung mit einer bestimmten Vorzugspolarisation erzielbar . Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Streukörper zu einer polarisationsunabhängigen Streuung der Primärstrahlung eingerichtet. Mit anderen Worten ist dann ein
Streuquerschnitt des Streukörpers unabhängig oder im
Wesentlichen unabhängig von der Polarisationsrichtung der auftreffenden Strahlung. Durch Streuung wird im allgemeinen die Polarisationsrichtung der Strahlung geändert. Hierdurch ist durch die Streuung eine Polarisationsrichtung der auftreffenden Strahlung änderbar. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist ein Zwischenraum zwischen der Emissionshauptseite des Streukörpers und der Lichtaustrittsseite der Flächenlichtquelle frei von einem zu einer lateralen Lichtleitung mittels Transmission vorgesehenen Lichtleitkörper. Insbesondere weist die
Flächenlichtquelle dann keinen Lichtverteiler auf. Es ist also möglich, dass die aus dem Streukörper ausgetretene
Strahlung keinen Festkörper in eine Richtung parallel zur Strahlungshauptseite durchläuft. Insbesondere durchläuft die aus dem Streukörper ausgetretene Strahlung weitere optische Komponenten senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zur Strahlungshauptseite des Halbleiterchips und/oder zu einer Haupterstreckungsrichtung der Flächenlichtquelle.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform beträgt ein
Flankenwinkel insbesondere der Emissionshauptseite des
Streukörpers relativ zur Strahlungshauptseite des
Halbleiterchips mindestens 45° oder mindestens 60° oder mindestens 70° oder mindestens 75°. Alternativ oder
zusätzlich beträgt dieser Flankenwinkel höchstens 88° oder höchstens 85° oder höchstens 82°. Mit anderen Worten sind dann die Emissionshauptseiten des Streukörpers nahezu
senkrecht zur Strahlungshauptseite des Halbleiterchips und/oder zu der Haupterstreckungsrichtung der
Flächenlichtquelle orientiert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt ein Flankenwinkel des Lichtverteilers und/oder des Reflektors, insbesondere von Seitenflächen des Lichtverteilers, die dem Streukörper abgewandt sind, und der Strahlungshauptseite des
Halbleiterchips bei größer 0° oder bei mindestens 2° oder bei mindestens 5° oder mindestens 10° oder mindestens 12°.
Alternativ oder zusätzlich beträgt dieser Flankenwinkel höchstens 45° oder höchstens 25° oder höchstens 20° oder höchstens 15°. Die Seitenflächen des Lichtverteilers können also nahezu parallel zur Strahlungshauptseite des Halbleiterchips und/oder zur Haupterstreckungsrichtung der Flächenlichtquelle ausgerichtet sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt eine Dicke der Flächenlichtquelle bei mindestens 0,4 mm oder bei mindestens 3 mm oder bei mindestens 5 mm oder bei mindestens 8 mm.
Alternativ oder zusätzlich liegt die Dicke bei höchstens 50 mm oder bei höchstens 35 mm oder bei höchstens 25 mm oder bei höchstens 15 mm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform gilt für einen
Quotienten L/D aus einer mittleren lateralen Ausdehnung L des Reflektors und/oder des Lichtverteilers sowie der Dicke D der Flächenlichtquelle einer oder mehrerer der folgenden
Zusammenhänge: 2 < L/D oder 5 ^ L/D oder L/D < 25 oder L/D < 100.
Ein Modul kann mehrere der Flächenlichtquellen aufweisen, die lateral benachbart nebeneinander kachelartig angeordnet sein können. Es können die Flächenlichtquellen parallel oder quer zueinander orientiert sein. Die Flächenlichtquellen können auf einem gemeinsamen Träger angebracht sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die
Flächenlichtquelle frei von einem Lichtverteiler, der zu einer lateralen Lichtleitung eingerichtet ist und der aus einem Feststoff, wie einem Kunststoff oder einem Glas, gebildet ist. Eine laterale Lichtverteilung erfolgt dann nur oder im Wesentlichen nur über den mindestens einen
Streukörper, der in einem reflektierenden Lichtkasten
angeordnet sein kann. Dies schließt nicht aus, dass dem einen oder den mehreren Streukörpern gemeinsam eine etwa zur
Formung einer Lichtverteilung dienende Abdeckplatte nachgeordnet ist, die jedoch kein Lichtleiter ist und im Wesentlichen lediglich senkrecht zu
Haupterstreckungsrichtungen durchstrahlt wird. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Streukörper mechanisch flexibel gestaltet. Dies kann bedeuten, dass der Streukörper zerstörungsfrei biegbar ist mit einem Biegeradius von 10 cm oder weniger oder von 20 cm oder weniger. Hierdurch ist eine Montage des Streukörpers erleichtert.
Nachfolgend wird eine hier beschriebene Flächenlichtquelle unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von
Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Es zeigen:
Figuren 1 bis 9 und 12 bis 14 schematische Darstellungen von
Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen
Flächenlichtquellen, und Figuren 10 und 11 schematische Darstellungen von
Abwandlungen von Flächenlichtquellen.
In Figur 1 ist in einer Schnittdarstellung schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Flächenlichtquelle 1 dargestellt. Auf einer Kühlkörperoberseite 90 eines Kühlkörpers 9 ist mindestens ein optoelektronischer Halbleiterchip 2, bevorzugt eine Leuchtdiode, angebracht. Der Halbleiterchip 2 weist eine Strahlungshauptseite 20 auf, die dem Kühlkörper 9 abgewandt ist. Die Strahlungshauptseite 20 kann, im Rahmen der
Herstellungstoleranzen, parallel zur Kühlkörperoberseite 90 orientiert sein. Der Halbleiterchip 2 emittiert im
Wesentlichen an der Strahlungshauptseite 20 eine
Primärstrahlung P. Der Verlauf der Primärstrahlung P ist in den Figuren durch eine Pfeil-Linie angedeutet. Es ist
möglich, dass die Kühlkörperoberseite 90 als Reflektor für die Primärstrahlung P gestaltet ist. Eine
Hauptabstrahlrichtung x des Halbleiterchips 2 ist senkrecht zur Strahlungshauptseite 20 ausgerichtet.
Entlang der Hauptabstrahlrichtung x folgt dem Halbleiterchip 2 ein Streukörper 3 nach. Der Streukörper 3 weist ein
Matrixmaterial und darin eingebettete Streupartikel auf. Im Querschnitt gesehen ist der Streukörper 3 in Form eines
Dreiecks gestaltet, bezüglich einer äußeren Umrissform. Der Streukörper 3 kann den Halbleiterchip 2 sowohl an der
Strahlungshauptseite 20 als auch an Seitenflächen 25 umgeben. Es kann der Streukörper 3 den Halbleiterchip 2 berühren oder, anders als dargestellt, vom Halbleiterchip 2 beabstandet sein .
Beispielsweise beträgt eine Breite B des Streukörpers 3 mindestens 1 mm und höchstens 4 mm, insbesondere ungefähr 2 mm. Eine Höhe H des Streukörpers 3 liegt beispielsweise bei mindestens 3 mm und/oder bei höchstens 10 mm, insbesondere bei ungefähr 6 mm. Ein Flankenwinkel zwischen
Emissionshauptseiten 35 des Streukörpers 3 und der
Kühlkörperoberseite 90 und/oder der Strahlungshauptseite 20 liegt bei ungefähr 80°.
Der Streukörper 3 streut die Primärstrahlung P. Durch die Streuung resultierende Hauptemissionsrichtungen y des Streukörpers 3 sind im Wesentlichen senkrecht zu den
Emissionshauptseiten 35 orientiert und verlaufen daher näherungsweise parallel zu der Strahlungshauptseite 20. Die Emissionshauptseiten 35 des Streukörpers 3 können aufgrund der streuenden Eigenschaften des Streukörpers 3 für die
Primärstrahlung P Lambert 'sehe Strahler darstellen, wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen.
Optional umfasst die Flächenlichtquelle 1 einen
Lichtverteiler 4. Ein Material des Lichtverteilers 4 ist zum Beispiel PMMA, Polymethylmetacrylat . Der Lichtverteiler 4 weist eine dreieckförmige Ausnehmung 43 auf, in einem
Querschnitt gesehen. Der Streukörper 3 befindet sich
vollständig in der Ausnehmung 43. Lichteintrittsseiten 40 des Lichtverteilers 4 an der Ausnehmung 43 können parallel zu den Emissionshauptseiten 35 des Streukörpers 3 ausgerichtet sein. Bevorzugt befindet sich zwischen dem Lichtverteiler 4 und dem Streukörper 3 ein Trennspalt 6, der zum Beispiel mit Luft gefüllt ist.
Der Lichtverteiler 4 weist, im Querschnitt gesehen, eine trapezförmige Grundform auf. Seitenflächen 48 des
Lichtverteilers 4 können, im Querschnitt gesehen, als gerade Linien gestaltet sein oder, abweichend von der Zeichnung, gekrümmt verlaufen. Ein Flankenwinkel ß zwischen den
Seitenflächen 48 des Lichtverteilers 4 und der
Kühlkörperoberseite 90 liegt zum Beispiel bei ungefähr 12,5°. Die Seitenflächen 48 reflektieren bevorzugt mittels interner Totalreflexion. Eine Dicke D der Flächenlichtquelle 1 beträgt beispielsweise ungefähr 10 mm. Eine mittlere laterale
Ausdehnung L des Lichtverteilers 4 und/oder eines Reflektors sowie entlang einer Haupterstreckungsrichtung der
Flächenlichtquelle 1 liegt beispielsweise zwischen einschließlich 2 cm und 20 cm oder zwischen einschließlich 10 cm und 15 cm.
Eine Vorderseite 14 der Flächenlichtquelle, die auch eine Abstrahlseite der Flächenlichtquelle 1 darstellt, ist durch eine Lichtaustrittsseite 45 des Lichtverteilers 4 gebildet. Die Lichtaustrittsseite 45 verläuft im Wesentlichen planar und eben. Optional sind die Lichtaustrittsseite und/oder die Lichteintrittsseite und/oder die Emissionshauptseiten 35 sowie die Strahlungshauptseite 20 mit Aufrauungen oder
Strukturierungen zu einer verbesserten Strahlungseinkopplung und/oder zu einer verbesserten Strahlungsauskopplung
versehen. Weiterhin optional kann dem Streukörper 3 ein
Konversionsmittel, das nicht gezeichnet ist, zur Umwandlung der Primärstrahlung P in eine andere Strahlung beigegeben sein. Ein solches Konversionsmittel kann sich auch an oder in dem Streukörper 3 oder an oder in dem Lichtverteiler 4 befinden . Wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen ist es abweichend von der Darstellung in Figur 1 möglich, dass sich der Halbleiterchip 2 in einer Ausnehmung des Kühlkörpers 9 befindet. Der Streukörper 3 ist dann bevorzugt mit einem klarsichtigen Kleber, etwa auf Silikonbasis, an dem
Kühlkörper 9 und an dem Halbleiterchip 2 befestigt. Hierdurch kann der Streukörper 3 effizient montiert werden, ohne dass der Kleber signifikant verläuft.
Bei dem weiteren Ausführungsbeispiel, wie in Figur 2 in einer Schnittdarstellung gezeigt, sind die Seitenflächen 48 des Lichtverteilers 4 mit einem Reflektor 8 versehen. In der schematischen perspektivischen Darstellung gemäß Figur 3 ist der prismenförmige Streukörper 3 drei verschiedenen Halbleiterchips 2 nachgeordnet. Beispielsweise emittiert einer der Halbleiterchips 2 grünes Licht, ein zweiter
Halbleiterchip rotes Licht und ein dritter Halbleiterchip blaues Licht. Durch den Streukörper 3 erfolgt, innerhalb des Streukörpers 3, eine Farbmischung der von den drei
Halbleiterchips 2 emittierten Strahlung. Eine optische
Effizienz einer solchen Flächenlichtquelle 1 liegt zum
Beispiel zwischen einschließlich 92 % und 96 %.
Optional ist es, wie auch in allen anderen
Ausführungsbeispielen, möglich, dass der Trennspalt 6 mit einem Medium gefüllt ist, um einen Sprung im optischen
Brechungsindex zwischen dem Streukörper 3 und dem
Lichtverteiler 4 zu vermeiden oder zu reduzieren. Bevorzugt jedoch ist der Trennspalt 6 evakuiert oder mit einem Gas gefüllt. Der Trennspalt 6 ermöglicht bevorzugt eine effektive Überkopplung von Lichtstrahlung aus dem Streukörper 3 in geführte Strahlung im Lichtverteiler 4, insbesondere in sogenannte Lichtwellenleitermoden .
In der Schnittdarstellung des Ausführungsbeispiels der
Flächenlichtquelle 1 gemäß Figur 4 weisen die Ausnehmung 43 sowie der Streukörper 3 eine dreieckige Grundform auf. Jedoch verlaufen die Lichteintrittsseiten 40 und die
Emissionshauptseiten 35 nicht parallel zueinander, sondern weisen einen Winkel γ relativ zueinander auf. Der Winkel γ liegt zum Beispiel bei ungefähr 30°. Über eine solche
Formgebung der Ausnehmung 43 ist erreichbar, dass an der Lichteintrittsseite 40 die vom Streukörper 3 emittierte
Strahlung zu einem bestimmten Anteil polarisationsselektiv in den Lichtverteiler 4 eingekoppelt wird. Die Flächenlichtquelle 1 gemäß Figur 5 weist mehrere der Streukörper 3 auf, die als langgestreckte Prismen mit einem dreieckigen Querschnitt gestaltet sind. Die einzelnen
Streukörper 3 sind parallel zueinander auf einem Träger 5, der auch als Reflektor 8 und/oder als Kühlkörper 9 gestaltet sein kann, angeordnet. Jeder der Streukörper 3 ist über einer Vielzahl von in Figur 5 nicht dargestellten Halbleiterchips angebracht .
In Figur 6 sind Draufsichten auf weitere Ausführungsbeispiele der Flächenlichtquelle 1 dargestellt. In Figur 6A sind die Streukörper 3a im Wesentlichen senkrecht zu den Streukörpern 3b orientiert. Die Streukörper 3a, 3b überlappen sich
teilweise und durchdringen sich gegenseitig nach Art eines Kreuzrippengewölbes .
Gemäß Figur 6B sind die Streukörper 3b an einem Rand
senkrecht zu den Streukörpern 3a in einem Zentralbereich orientiert. Optional ist es möglich, dass insbesondere in Eckbereichen die Streukörper 3a, 3b schräg zueinander, zum Beispiel in einem Winkel von ungefähr 45°, angebracht sind, in Figur 6B nicht gezeichnet. Anders als dargestellt können die Streukörper 3a, 3b auch voneinander verschiedene Längen aufweisen. Gemäß Figur 6B sind Begrenzungsflächen der
Streukörper 3a, 3b an kurzen Seiten schräg zu einer Oberseite des Trägers 5 orientiert.
In der Schnittdarstellung der Flächenlichtquelle 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel, wie in Figur 7 gezeigt, ist ein
Zwischenraum 13 zwischen dem Streukörper 3 und einer
Abdeckung 7 frei von einem Lichtverteiler. Mit anderen Worten ist der Zwischenraum 13 evakuiert oder, bevorzugt, mit einem Gas wie Luft gefüllt. Die Abdeckung 7 kann optional Strukturierungen zu einer gerichteten Abstrahlung aufweisen.
Es kann sich bei der Abdeckung 7 also um eine
Lichtformungsplatte handeln, wie auch in allen anderen
Ausführungsbeispielen. Im Wesentlichen wird die vom
Halbleiterchip 2 erzeugte Strahlung entlang der
Hauptabstrahlrichtung x durch die Abdeckung 7 geführt und somit in der Abdeckung 7 bevorzugt nur zu einem
unwesentlichen Teil entlang der Hauptemissionsrichtung y, so dass es sich bei der Abdeckung 7 bevorzugt nicht um einen Lichtleiter entlang der Hauptemissionsrichtung y handelt. Die Vorderseite 14, die die Abstrahlseite der Flächenlichtquelle 1 darstellt, ist insbesondere durch die Abdeckung 7 gebildet.
Eine solche Flächenlichtquelle 1 stellt einen so genannten Lichtkasten, englisch Lightbox, mit einer LED- Direkthinterleuchtung dar. Die Abdeckung 7 ist eine optisch funktionale Platte, bevorzugt eine Lichtformungsplatte, und kann zum Beispiel zu einer Entblendung dienen. Der
Streukörper 3 ist beispielsweise prismenförmig,
zylinderförmig, kegelförmig oder quaderförmig gestaltet. Die Flächenlichtquelle 1 ist frei von einem Lichtleiter zu einer lateralen Lichtleitung. Durch die Kombination aus dem
Streukörper 3 und dem Reflektor 8 wird eine homogene
Ausleuchtung insbesondere der Vorderseite 14 gewährleistet.
Da auf einen Lichtleiter, der in der Regel aus PMMA gefertigt ist, verzichtet wird, kann die Flächenlichtquelle 1 gemäß Figur 7 auch in flammkritischen Anwendungen, beispielsweise in Flugzeugen, eingesetzt werden. Die Flächenlichtquelle 1 entspricht gemäß Figur 7 dem Aufbau eines Lichtkastens, umfasst also ein Gehäuse mit
reflektierenden Innenwänden und darin eingebauten
Lichtquellen. Die Lichtquellen sind durch die Halbleiterchips 2 in Kombination mit dem Streukörper 3 gebildet und weisen eine ausgeprägte Seitwärts-Abstrahlcharakteristik auf.
Hierdurch ist eine Bauhöhe des Lichtkastens im Vergleich zu Systemen mit Leuchtstoffröhren oder mit Leuchtdioden, die eine Lambert 'sehe Abstrahlcharakteristik mit einem Maximum senkrecht zur Vorderseite 14 aufweisen, verringerbar. Im Gegensatz zu Leuchtdioden, denen klarsichtige Optiken mit einer seitlichen Abstrahlcharakteristik nachgeordnet sind, kann durch den Streukörper eine Farbmischung bereits in dem Streukörper erfolgen. Durch die Formgebung der Seitenwände, also insbesondere des Reflektors 8, und durch die Seitwärts- Abstrahlung des Streukörpers 3 wird das Licht in dem
Lichtkasten lateral breit verteilt.
Zur Einhaltung von Normen bezüglich einer Blendung und zur Formung einer Lichtstärkeverteilungskurve kann die Abdeckung 7 als optisch funktionale Platte vorderseitig auf den
Lichtkasten aufgesetzt sein. Solche Lichtkästen werden häufig auch für Displays oder zu beleuchtende Plakatwände
eingesetzt. In diesem Fall kann die Abdeckung 7 durch eine Milchglasscheibe realisiert sein. Bei der Ausleuchtung von entfernter liegenden Flächen, also von Flächen, die von der Flächenlichtquelle 1 beabstandet sind, können auch
Abdeckungen mit weitergehenden optischen Funktionen, etwa mit Linsensystemen wie Mikrolinsen oder mit prismatischen
Mikrostrukturen, verwendet werden.
Es ist möglich, dass die Halbleiterchips 2 mit dem
Streukörper 3 fest mit dem Lichtkasten, also insbesondere mit dem Reflektor 8, verbunden sind oder modular in den Reflektor eingesetzt sind. Durch einen modularen Aufbau ist die
Fertigung des Reflektors 8 von einer Fertigung der
Leuchtdioden 2 und der Streukörper 3 trennbar und
Verunreinigung des Reflektors 8 oder Beschädigungen des
Reflektors 8 sind vermeidbar oder reduzierbar.
Der Reflektor 8 weist bevorzugt eine hohe Reflektivität auf und kann spiegelnd oder diffus reflektieren, wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen. Der Reflektor kann, wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen, gekrümmte
Spiegelflächen aufweisen. Die Formgebung des Reflektors 8 kann eine Lichtstärkenverteilung der Flächenlichtquelle 1 unterstützen .
Der Kühlkörper 9 kann entfallen, wenn eine Kühlung der
Halbleiterchips 2 durch den Reflektor 8 gewährleistet ist. Ebenso ist es möglich, dass ein separater Kühlkörper auf einer Rückseite einer Leiterplatte angebracht ist, in Figur 7 nicht gezeigt.
Die Abdeckung 7 ist zum Beispiel aus einem Kunststoff wie PMMA oder PC, Polycarbonat , geformt. Die Abdeckung 7 ist bevorzugt mit refraktiven Strukturen zu einer Entblendung und/oder zu einer Formung der Lichtstärkeverteilung versehen. Anders als dargestellt kann die Abdeckung 7 auch gekrümmt ausgeführt sein. Auf mindestens einer Hauptseite der
Abdeckung 7 können optisch funktionale Schichten wie
Filterschichten oder Reflexionsschichten aufgebracht sein. Etwa durch Strukturierungen können verschiedene
Abstrahlcharakteristiken entlang verschiedener Raumrichtungen erzielt werden. Auch eine Fresnel-linsenartige Strukturierung der Abdeckung 7 ist möglich. Die Flächenlichtquelle 1 gemäß Figur 8 weist einen ebenen Reflektor 8 an einer Rückseite 15 auf. Auf dem Reflektor 8 ist eine Beschichtung 85 zu einer Polarisationsänderung von hierauf auftreffender Strahlung angebracht. Bevorzugt
entspricht eine Polarisationsänderung durch die Beschichtung 85 über einen weiten Bereich eines Einfallswinkels und/oder einer Wellenlänge der einer Viertelwellenlängenplatte, zumindest näherungsweise. Anstelle der Kombination aus einer Viertelwellenlängenplatte 85 und einem gerichtet
reflektierenden Spiegel kann auch ein diffus streuender
Reflektor 8 Verwendung finden. Die Abdeckung 7 ist als polarisationsselektiver Spiegel gestaltet. Auf der Abdeckung 7 kann eine Beschichtung 75 aufgebracht sein, über die optische Eigenschaften einstellbar sind oder über die
Elektroden, etwa für ein Flüssigkristalldisplay, realisierbar sind. Als funktionale Schichten 75 können beispielsweise optische Auskoppelstrukturen oder strukturierte, transparente leitfähige Oxide Verwendung finden.
Der Verlauf der Primärstrahlung P ist durch Pfeil-Linien illustriert, eine Polarisationsrichtung ist durch Pfeile sowie Punkte an dem illustrierten Verlauf der Primärstrahlung P symbolisiert. Der Streukörper 3 emittiert beispielsweise mit einer Lambert ' sehen Abstrahlcharakteristik unpolarisiert Strahlung, symbolisiert durch die kreisartigen Sterne an den Emissionshauptseiten 35. Durch eine Beschichtung und/oder eine Strukturierung der Lichteintrittsseite 40 des
Lichtverteilers 4 ist es optional möglich, eine
Vorzugspolarisation der in den Lichtverteiler 4 eintretenden Strahlung zu erzielen. Licht, das in einer bestimmten Polarisation auf die
polarisationsselektiv reflektierende und transmittierende Abdeckung 7 trifft, wird aus der Flächenlichtquelle 1 ausgekoppelt. Anders polarisiertes Licht wird hin zu der Viertelwellenlängenplatte 85 reflektiert, dort in der
Polarisation gedreht und nachfolgend emittiert.
Wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen ist es möglich, dass mehrere der Streukörper 3 mit den zugehörigen Halbleiterchips 2 parallel zueinander angeordnet sind, um eine flächige und homogene Ausleuchtung zu erreichen, vergleiche insbesondere Figur 5. Eine Keilform des
Streukörpers 3 und/oder der Ausnehmung 43 kann im Hinblick auf eine Vorzugspolarisation von Licht in dem Lichtverteiler 4 optimiert sein, vergleiche Figur 4. Bevorzugt wird dann an dem Streukörper 3 Licht, das an der Lichteintrittsseite 40 reflektiert wird, in der Polarisation geändert und
nachfolgend in den Lichtverteiler 4 eingekoppelt. Die verwendeten polarisierenden und/oder reflektierenden
Komponenten weisen bevorzugt eine möglichst spektral breitbandige Charakteristik auf.
Durch eine solche Flächenlichtquelle mit einer derartig polarisationsselektiv reflektierenden Abdeckung 7 sowie etwa einer Viertelwellenlängenplatte 85 ist ein so genanntes Polarisationslichtrecycling möglich .
Bei einer Flächenlichtquelle 1, die ähnlich wie in Figur 8 dargestellt aufgebaut ist, die jedoch keine
polarisationsselektiv reflektierende Abdeckung und keine Viertelwellenlängenplatte aufweist, dafür jedoch eine
Abdeckung, wie in Verbindung mit Figur 7 gezeigt, ist ein Polarisationsverhältnis von ungefähr 0,25 erzielbar. Das Polarisationsverhältnis ist der Quotient aus der Intensität von Licht einer Polarisation und Intensität von Licht einer hierzu senkrechten Polarisation. In Figur 9 sind in schematischen Schnittdarstellungen weitere Ausführungsbeispiele der Flächenlichtquelle 1 gezeigt. Gemäß Figur 9A ist auf dem Träger 5 der Halbleiterchip 2
angebracht. Wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen kann der Halbleiterchip 2 mit einem Konversionselement versehen sein. Entlang der Hauptabstrahlrichtung x ist dem
Halbleiterchip 2 ein optisches Element 77 in Form einer Linse nachgeordnet. Beabstandet von dem optischen Element 77 ist der separate Streukörper 3 angebracht. Eine
Befestigungsvorrichtung des Streukörpers 9 an dem Träger 5 ist in Figur 9A nicht gezeichnet.
Wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen ist es in Figur 9A optional und anders als dargestellt möglich, dass der Streukörper 3 an einer dem Halbleiterchip 2 zugewandten Unterseite eine Ausnehmung für den Optikkörper aufweist. Ein Konversionsmittel kann auch dem Streukörper 3 beigegeben oder auf dem Streukörper 3 angebracht sein, wie optional auch in allen anderen Ausführungsbeispielen. Im Ausführungsbeispiel, wie in Figur 9B gezeigt, weist die Flächenlichtquelle 1 einen Unterverguss lateral neben dem Halbleiterchip 2 und einen Planverguss entlang der
Hauptstrahlrichtung x über dem Halbleiterchip 2 auf. Der separate Streukörper 3 ist auf diesem Planverguss, der den Halbleiterchip 2 in eine Richtung weg von dem Träger 5 überragt, angebracht. Wie auch in allen anderen
Ausführungsbeispielen kann der Halbleiterchip 2 in einer Kavität des Trägers 5 angebracht sein. Elektrische Leitungen des Trägers 5 sind in den Figuren jeweils nur angedeutet.
Gemäß Figur 9C handelt es sich bei dem Streukörper 3 um eine Primäroptik des Halbleiterchips 2, die dem Halbleiterchip 2 optisch unmittelbar nachfolgt. Gemäß Figur 9C befinden sich also zwischen dem Halbleiterchip 2 und dem Streukörper 3 keine anderen, optisch wirksamen Komponenten. Optional ist der Halbleiterchip 2 ringsrum von dem reflektierenden
Unterverguss umgeben, vergleiche Figur 9B .
In Figur 10 sind Abwandlungen der Flächenlichtquelle
dargestellt. Gemäß Figur 10A ist der Streukörper 3
linsenförmig ausgebildet und von dem Optikkörper 77, der ebenfalls linsenförmig ausgebildet ist und zu einer
Strahlformung dient, nachgefolgt.
Bei der Abwandlung, wie in Figur 10B gezeigt, ist dem
Halbleiterchip 2 der Optikkörper 77 unmittelbar nachgeordnet. Das Bauteil ist frei von einem Streukörper. Der Optikkörper 77 weist ein zentrales Minimum und einen ringsum laufenden Wall auf. Ein solcher Optikkörper 77 weist eine im
Wesentlichen seitliche Abstrahlung auf und nur ein
vergleichsweise geringer Strahlungsanteil wird parallel zu der Abstrahlrichtung x des Halbleiterchips 2 emittiert. Bei solchen Optikkörpern 77, wie in Figur 10B gezeigt, ist allerdings eine Justage relativ zu dem Halbleiterchip 2 wichtig und vergleichsweise aufwendig. Auch ist eine Mischung verschiedener Wellenlängen von Strahlung innerhalb des
Optikkörpers 77 nicht erzielbar, da der Optikkörper 77 keine oder im Wesentlichen keine lichtstreuenden Eigenschaften aufweist . In der Abwandlung gemäß Figur IIA ist eine
Hinterleuchtungseinrichtung gezeigt, bei der eine Lichtquelle lokal an einer Kante eines Lichtleiters angebracht ist.
Hieraus können Einkoppelverluste resultieren. Auch kann eine Absorption von Strahlung in dem Lichtleiter auftreten und aufgrund der lokalen Anbringung der Lichtquelle 2 sind
Vorkehrungen zu einer Entwärmung nötig, in Figur IIA nicht gezeigt. Zu einer Lichtauskopplung dient insbesondere eine Strukturierung 95 an einer Unterseite.
In der Abwandlung gemäß Figur IIB sind die Lichtquellen 2 an einem Boden eines Lichtkastens angebracht. Um die Abdeckung 7 gleichmäßig auszustrahlen, muss der Lichtkasten eine
vergleichsweise große Höhe aufweisen, die ungefähr dem
Abstand benachbarter Halbleiterchips entspricht. Somit weist das Bauteil gemäß Figur IIB eine vergleichsweise große
Bauhöhe im Bereich mehrerer Zentimeter auf.
In Figur 12 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der
Flächenlichtquelle 1 gezeigt, siehe die Draufsicht in Figur
12A und die schematischen Schnittdarstellungen in den Figuren 12B und 12C. Mehrere Streukörper 3 sind matrixartig
angeordnet. Die voneinander beabstandeten Streukörper 3 überdecken jeweils drei eng benachbart angeordnete
Halbleiterchips 2 vollständig. Jeder der Halbleiterchips 2 emittiert Licht in einem anderen Spektralbereich.
Insbesondere emittiert je einer der Halbleiterchips 2 rotes, grünes und blaues Licht.
Gemäß Figur 12B sind die Streukörper 3 kegelförmig
ausgebildet. Gemäß Figur 12C weisen die
rotationssymmetrischen Streukörper 3, im Querschnitt gesehen, gekrümmte Begrenzungsflächen und eine abgerundete Spitze auf. Wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen ist es möglich, dass die Breite B der Streukörper 3 mindestens das Doppelte, das Dreifache oder das Vierfache und/oder höchstens das Zwanzigfache, das Zehnfache oder das Fünffache einer mittleren Kantenlänge der Halbleiterchips 2 beträgt.
Anders als dargestellt kann den Streukörpern 3 ein
Lichtverteiler nachgeordnet sein, etwa analog zu Figur 1. Zwischen dem Lichtverteiler und den Streukörpern 3 befindet sich bevorzugt ein Luftspalt und die Ausnehmungen in dem Lichtverteiler weisen dann insbesondere dieselbe Grundform auf wie die Streukörper 3.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 13 sind die Streukörper 3 im Querschnitt gesehen trapezförmig gestaltet. Es können die Streukörper 3 rotationssymmetrisch geformt sein, siehe
Figur 12, oder eine langgestreckte Form aufweisen, siehe die Figuren 3 und 6. Die Streukörper 3 sind in einem
reflektierenden Lichtkasten untergebracht, der den Träger 5 bildet .
Abweichend von der Darstellung kann die Flächenlichtquelle 1 auch nur genau einen Streukörper 3 umfassen, ebenso wie dies im Zusammenhang mit Figur 12 möglich ist. Die mittlere laterale Ausdehnung ist dann zum Beispiel kleiner als 12 cm.
Der Lichtverteiler 4 des Ausführungsbeispiels gemäß Figur 14 weist, im Querschnitt gesehen, gekrümmte Seitenflächen 48 auf. Ein solcher Lichtverteiler 4 kann auch in allen anderen Ausführungsbeispielen verwendet werden.
Die hier beschriebene Erfindung ist nicht durch die
Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele 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 Patentanmeldung 10 2012 102 119.8, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.

Claims

Patentansprüche
1. Flächenlichtquelle (1) mit
- mindestens einem optoelektronischen Halbleiterchip (2) zur Erzeugung einer Primärstrahlung und mit einer Strahlungshauptseite (20),
- mindestens einem Streukörper (3) , der entlang einer Hauptabstrahlrichtung (x) des Halbleiterchips (2) der Strahlungshauptseite (20) nachgeordnet ist und der zu einer Streuung der Primärstrahlung eingerichtet ist, wobei
- der Streukörper (3) mindestens eine
Hauptemissionsrichtung (y) aufweist, die schräg zu der Hauptabstrahlrichtung (x) des Halbleiterchips (2) orientiert ist.
2. Flächenlichtquelle (1) nach dem vorhergehenden
Anspruch, wobei
- der Streukörper (3) ein Polyeder ist,
- der Streukörper (3) eine Querschnittsfläche mit einer dreieckigen Grundform aufweist,
- entlang der Hauptabstrahlrichtung (x) eine Breite des Streukörper (3) abnimmt,
- eine Höhe (H) des Streukörpers (3) entlang der
Hauptabstrahlrichtung (x) größer ist als eine maximale Breite (B) der Querschnittsfläche mit der dreieckigen Grundform,
- der Streukörper (3) ein strahlungsdurchlässiges
Matrixmaterial und darin eingebettete Streupartikel und/oder Partikel eines Konversionsmittels umfasst,
- ein Quotient aus einer Lichtabstrahlfläche der
Flächenlichtquelle (1) und einer Fläche der
Strahlungshauptseite (20) des Halbleiterchips (1), in Draufsicht gesehen, mindestens 1000 beträgt,
- der Streukörper (2) den Halbleiterchip (2), in
Draufsicht gesehen, vollständig überdeckt, und
- die Hauptemissionsrichtung (y) des Streukörpers (3) und die Hauptabstrahlrichtung (x) des Halbleiterchips (2), im Querschnitt gesehen, in einem Winkel zwischen einschließlich 70° und 90° zueinander orientiert sind.
Flächenlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei der sich der Streukörper (3) zusammenhängend und einstückig über mehrere der Halbleiterchips (2)
erstreckt,
wobei der Streukörper (3) eine konstante Höhe aufweist, mit einer Toleranz von höchstens 200 % einer Dicke des Halbleiterchips (2) .
Flächenlichtquelle (1) nach dem vorhergehenden
Anspruch,
bei der die Halbeiterchips (2), über die sich der
Streukörper (3) erstreckt, entlang einer geraden Linie angeordnet sind und die Hauptemissionsrichtung (y) des Streukörpers (3) senkrecht zu dieser Linie orientiert ist, mit einer Toleranz von höchstens 15° und in
Draufsicht gesehen.
Flächenlichtquelle (1) nach Anspruch 3 oder 4,
bei der mehrere der Streukörper (3) beabstandet
voneinander auf einem Träger (5) angeordnet sind, wobei die Streukörper (3) mindestens teilweise parallel zueinander und/oder mindestens teilweise quer
zueinander oder kreuzförmig angeordnet sind. Flächenlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei der der Streukörper (3) unmittelbar auf der
Strahlungshauptseite (20) aufgebracht ist,
wobei Seitenflächen (25) des Halbleiterchips (2) frei von dem Streukörper (3) sind.
Flächenlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
die mindestens einen Reflektor (8) umfasst,
wobei der Reflektor (8), in einem Querschnitt gesehen, eine trapezförmige Grundform aufweist und eine mittlere laterale Ausdehnung (L) des Reflektors (8) eine
mittlere Kantenlänge der Strahlungshauptseite (20) des Halbleiterchips (2) um mindestens einen Faktor 100 übersteigt .
Flächenlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
die mindestens einen Kühlkörper (9) mit einer
Kühlkörperoberseite (90) umfasst,
wobei der Halbleiterchip (2) an der Kühlkörperoberseite (90) angebracht ist und die Kühlkörperoberseite (90) zur Reflexion der Primärstrahlung eingerichtet ist, wobei eine mittlere laterale Ausdehnung (L) der
Kühlkörperoberseite (90) eine mittlere Kantenlänge der Strahlungshauptseite (20) des Halbleiterchips (2) um mindestens einen Faktor 100 übersteigt.
Flächenlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
die mindestens einen strahlungsdurchlässigen und als
Festkörper geformten Lichtverteiler (4) umfasst, wobei sich der Streukörper (3) in einer Ausnehmung (43) des Lichtverteilers (4) befindet und die Ausnehmung (43) die gleiche Grundform aufweist wie der Streukörper
(3) ,
wobei der Lichtverteiler (4), in einem Querschnitt gesehen, eine trapezförmige Grundform aufweist und eine mittlere laterale Ausdehnung (L) des Lichtverteilers
(4) eine mittlere Kantenlänge der Strahlungshauptseite (20) des Halbleiterchips (2) um mindestens einen Faktor 20 übersteigt.
Flächenlichtquelle (1) nach dem vorhergehenden
Anspruch,
bei der sich zwischen dem Lichtverteiler (4) und dem Streukörper (3) ein evakuierter oder mit einem Gas gefüllter Trennspalt (6) befindet und der
Lichtverteiler (4) den Streukörper (3) nicht berührt, wobei eine mittlere Breite des Trennspalts (6)
mindestens 0,1 mm beträgt.
Flächenlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei der ein Winkel (γ) zwischen einer
Emissionshauptseite (35) des Streukörpers (3) und einer dieser zugewandten Lichteintrittsseite (40) des
Lichtverteilers (4) mindestens stellenweise zwischen einschließlich 15° und 60° liegt, und/oder
bei der die Lichteintrittsseite (40) mit einer
polarisationsabhängig reflektierenden Beschichtung oder Strukturierung versehen ist.
Flächenlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei der eine Rückseite (15) mit dem Reflektor (8) und mit einer Viertelwellenlängenplatte (85) versehen ist und an einer Vorderseite (14), die der Rückseite (15) gegenüberliegt und die eine Lichtaustrittsseite der Flächenlichtquelle (1) darstellt, ein
polarisationsselektiver Spiegel (7) angebracht ist, wobei der Streukörper (3) zu einer
polarisationsunabhängigen Streuung der Primärstrahlung eingerichtet ist.
Flächenlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei der ein Zwischenraum (13) zwischen der
Emissionshauptseite (35) des Streukörpers (3) und der Lichtaustrittsseite der Flächenlichtquelle (1) frei ist von einem zu einer lateralen Lichtleitung mittels
Transmission vorgesehenen Lichtleitkörper.
Flächenlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
- ein Flankenwinkel ( a ) des Streukörpers (3) zwischen einschließlich 70° und 85° liegt,
- ein Flankenwinkel ( ß ) des Lichtverteilers (4)
zwischen einschließlich 5° und 20° liegt,
- die Flankenwinkel ( a , ß ) auf eine
Strahlungshauptseite (20) des Halbleiterchips (2) bezogen sind,
- eine Dicke (D) der Flächenlichtquelle (1) zwischen einschließlich 5 mm und 50 mm liegt, und
- für einen Quotient L/D aus einer mittleren lateralen Ausdehnung L des Reflektors (8) und/oder des
Lichtverteilers (4) und der Dicke D gilt: 5 -S L/D < 25.
15. Flächenlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
- die mehreren Streukörper (3) rotationssymmetrisch geformt sind,
- jeder der Streukörper (3) mindestens zwei
verschiedenfarbig emittierende Halbleiterchips (2) überdeckt,
- ein mittlerer Abstand zwischen diesen Halbleiterchips (2) höchstens 25 % der Höhe (H) der Streukörper (3) beträgt, und
- die Streukörper (3) beabstandet voneinander
angeordnet sind.
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