WO2021204511A1 - Strahlungsemittierende vorrichtung und projektor damit - Google Patents

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WO2021204511A1
WO2021204511A1 PCT/EP2021/056952 EP2021056952W WO2021204511A1 WO 2021204511 A1 WO2021204511 A1 WO 2021204511A1 EP 2021056952 W EP2021056952 W EP 2021056952W WO 2021204511 A1 WO2021204511 A1 WO 2021204511A1
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radiation
conversion element
emitting device
mirror
component
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PCT/EP2021/056952
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Laura KREINER
Britta GÖÖTZ
Original Assignee
Osram Opto Semiconductors Gmbh
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    • H01L33/50—Wavelength conversion elements
    • H01L33/507—Wavelength conversion elements the elements being in intimate contact with parts other than the semiconductor body or integrated with parts other than the semiconductor body

Definitions

  • a radiation-emitting device is specified.
  • a projector is also specified.
  • One problem to be solved consists in specifying a radiation-emitting device with a high luminance.
  • a further object to be solved consists in specifying a projector with such a radiation-emitting device.
  • the radiation-emitting device comprises an optoelectronic component for emitting a first electromagnetic radiation.
  • the component comprises, in particular, a semiconductor body with an active region.
  • the first radiation is primary radiation generated in the active area and / or secondary radiation generated by conversion of the primary radiation in the component.
  • the semiconductor body of the component is based, for example, on a III-V compound semiconductor material.
  • the semiconductor material is, for example, a nitride compound semiconductor material, such as Al n In ] __ nm Ga m N, or a phosphide compound semiconductor material, such as Al n In ] __ nm Ga m P, or an arsenide
  • Compound semiconductor material such as Al n In ] __ nm Ga m As or Al n In ] __ nm Ga m AsP, where 0 ⁇ n ⁇ 1, 0 ⁇ m ⁇ 1 and m + n ⁇ 1 in each case.
  • the semiconductor body can have dopants and additional components. For the sake of simplicity, however, only the essential constituents of the crystal lattice of the semiconductor body, that is to say Al, As, Ga, In, N or P, are given, even if these can be partially replaced and / or supplemented by small amounts of further substances.
  • the semiconductor body is preferably based on AlInGaN.
  • the active area of the semiconductor body contains in particular at least one pn junction and / or at least one quantum well structure in the form of a single quantum well, SQW for short, or in the form of a multi-quantum well structure, MQW for short.
  • the active area in normal operation, the active area generates electromagnetic primary radiation in the blue, green or red spectral range or in the UV range or in the IR range.
  • the optoelectronic component is, for example, a semiconductor chip or a so-called chip-size package component.
  • its lateral dimensions measured parallel to a main plane of extent of the semiconductor body, essentially correspond to the lateral dimensions of the semiconductor body.
  • the lateral dimensions of the component are then at most 20% or at most 10% or at most 5% greater than those of the semiconductor body.
  • Side surfaces of the component running transversely to the main extension plane can show traces of a separation process, which result from a separation from a wafer assembly.
  • the side surfaces are made of a potting material such as epoxy.
  • the first radiation generated and emitted by the component during operation is, in particular, incoherent radiation.
  • the component is in particular a light-emitting diode (LED) or a light-emitting diode chip (LED chip).
  • the component can be free of the growth substrate on which the semiconductor body has grown.
  • the component is then in particular a thin-film chip or a component with a thin-film chip.
  • the component can be pixelated in such a way that the semiconductor body comprises a plurality of individually and independently controllable emission regions (pixels).
  • the semiconductor body is subdivided into at least four or at least ten or at least 50 emission regions.
  • the radiation-emitting device comprises a conversion element with an entry surface and an exit surface.
  • the entry surface and the exit surface are preferably opposite one another and run essentially parallel to one another.
  • the conversion element can in particular be designed in the shape of a plate, the entry surface and the exit surface then forming the main sides of the plate.
  • a thickness of the conversion element, measured as the distance between the entry surface and the exit surface, is, for example, at least 10 ⁇ m and / or at most 1 mm.
  • the conversion element comprises or consists of one or more conversion materials.
  • the conversion element is a ceramic conversion element.
  • the conversion element can also comprise a matrix material, for example made of silicone or polysiloxane, in which particles made of one or more conversion materials are distributed and embedded.
  • the conversion material can be, for example, a garnet or a nitride or an oxide or an oxynitride.
  • the radiation-emitting device comprises a dielectric mirror on the exit surface.
  • the dielectric mirror is, for example, a periodic structure, that is to say a Bragg mirror, or a non-periodic structure.
  • the dielectric mirror can be arranged directly on the exit surface or be fastened indirectly on the exit surface.
  • a distance between the dielectric mirror and the exit surface is preferably less than the thickness of the conversion element.
  • the dielectric mirror preferably comprises a plurality, for example at least two or at least four or at least ten or at least 50 or at least 100, dielectric layers which are stacked on top of one another with respect to the exit surface.
  • the dielectric layers of the dielectric mirror are, for example, alternately high refractive and low refractive.
  • the refractive index of a high-index layer differs from that of a low-index layer by at least 0.1 or at least 0.3 or at least 0.5 or at least 1.0.
  • the low refractive index layers have a refractive index of at most 2.
  • the high-index layers have, for example, a refractive index of at least 2.3.
  • the dielectric layers alternate in the dielectric mirror in such a way that a low-refractive layer is located between each two high-index layers, and vice versa.
  • the thicknesses of all dielectric layers are the same within the manufacturing tolerance.
  • the thicknesses of the dielectric layers vary.
  • the low refractive index layers comprise or consist, for example, of at least one of the following materials: SiOg, SiN, SiON, MgFg.
  • the high-index layers comprise or consist, for example, of at least one of the following materials: NbgOg, TiOg, ZrOg, HfOg, AlgO, TagOg,
  • the thicknesses of the dielectric layers are, for example, in each case between 10 nm and 300 nm inclusive.
  • the dielectric mirror When viewed in a top view, the dielectric mirror largely covers the exit surface of the conversion element, for example at least 80%, or completely.
  • the device is set up in such a way that first radiation emitted by the component during operation enters the conversion element via the entry surface.
  • the device is set up so that a large part, for example at least 75% or at least 90%, of the first radiation emitted by the component hits the entry surface. The first radiation then reaches the interior of the conversion element via the entry surface.
  • the conversion element is set up to convert the first radiation into a second electromagnetic radiation.
  • the second radiation then emerges from the conversion element via the exit surface.
  • the second radiation is shifted red with respect to the first radiation.
  • the wavelength at which the second radiation has a global intensity maximum is shifted red by at least 50 nm or at least 100 nm with respect to the wavelength at which the first radiation has a global intensity maximum.
  • the second radiation is preferably also radiation in the visible spectral range.
  • the first radiation is blue light and the second radiation is green light.
  • the conversion element can be set up for partial or complete conversion of the first radiation that has occurred. After the conversion, at least a large part, for example at least 75% or at least 90%, of the second radiation generated emerges from the conversion element via the exit surface.
  • the dielectric mirror is transparent to second radiation, which strikes the dielectric mirror with angles of incidence in a predetermined first angular range, and is transparent to second radiation, which is incident at angles of incidence in a predetermined range second angular range hits the dielectric mirror, reflective.
  • the dielectric mirror can be reflective or transparent to the first radiation at all angles of incidence.
  • the first angular range and the second angular range preferably do not overlap.
  • Angles of incidence are measured here as an angle to a normal to the dielectric mirror.
  • a normal to a dielectric mirror is to be understood as a normal to the main extension plane of the dielectric mirror.
  • Transparent is understood here and below to mean that an element transmits or lets through at least 75%, preferably at least 90%, particularly preferably at least 99%.
  • Reflective is understood to mean that an element preferably more than 75% at least 90%, particularly preferably at least 99% of a radiation is reflected.
  • predetermined first angular range and “predetermined second angular range” refer to the fact that, when designing a dielectric mirror, the angular range in which it is transparent and the angular range in which it is reflective is determined by the selection of the materials of the dielectric layers and the thickness of the dielectric layers can be adjusted precisely and as desired. In this respect, the angular ranges for transmission and reflection can be specified or selected or determined.
  • a dielectric mirror is usually optimized for radiation of one wavelength or a narrow range around this wavelength, here and in Information given below with regard to the reflection and the transmission of a mirror for a radiation, in particular at the wavelength at which the radiation has a global intensity maximum.
  • the radiation-emitting device comprises an optoelectronic component for emitting a first electromagnetic radiation, a conversion element with an entry surface and an exit surface and a dielectric mirror on the exit surface.
  • the device is set up in such a way that, during operation, the first radiation emitted by the component enters the conversion element via the entry surface.
  • the conversion element is set up to convert the first radiation into a second electromagnetic radiation, which then exits the conversion element via the exit surface.
  • the dielectric mirror is transparent to second radiation which strikes at angles of incidence in a predetermined first angular range and is reflective for second radiation which strikes at angles of incidence in a predetermined second angular range.
  • the present invention is based, inter alia, on the knowledge that the highest possible luminance is required in the application for projection applications. Only radiation in a limited angular cone can be used, which is primarily defined by the optical system following the conversion element. A radiation source with the narrowest possible radiation pattern, as it is due to the present combination of component,
  • Conversion element and dielectric mirror is realized, can deliver a higher luminance in the application. There in In this case, even if little radiation is emitted in solid angles that cannot be used in the application or even interfere, a better image quality can be achieved with less scattered light. As a result, the device as a whole, and in particular the optical system downstream of the conversion element, is heated to a lesser extent by the absorption of radiation which cannot be used in the application.
  • green light is typically generated for full conversion of blue light in a conversion element. Improvements in the emission characteristics that are achieved upstream of the conversion element, for example at component level, can therefore not be fully exploited for green light. With the present invention, the radiation characteristic is improved after the radiation conversion, whereby the device is particularly suitable for the generation of green light in projection applications.
  • the first angular range comprises all angles of incidence between 0 ° and ex, measured to a normal to the dielectric mirror.
  • the first angular range thus forms a cone with the normal as the axis of rotation and an opening angle of 2 ⁇ .
  • the value is for example at least 5 ° or at least 10 °.
  • the second angular range comprises all angles of incidence of at least ⁇ , measured to the normal to the dielectric mirror, where ß> applies.
  • ⁇ is at least 1 ° or at least 5 ° or at least 10 ° greater than a.
  • ß is at most 10 ° or at most 5 ° greater than a.
  • the second angular range preferably includes all angles of incidence between ⁇ and 90 °, inclusive.
  • the dielectric mirror has a transmittance of at least 75% or at least 90% or at least 99% for second radiation incident with angles of incidence in the first angular range and a degree of reflection of at least 75% or at least 90% or at least 99% for with angles of incidence in the second radiation impinging on the second angular range.
  • the specified values of the degree of transmission and the degree of reflection for the second radiation apply particularly preferably to all angles of incidence in the respective angular range.
  • Conversion element set up for full conversion of the first radiation into the second radiation.
  • at least 95% or at least 99% of the radiation emerging from the conversion element via the exit surface during normal operation of the device is then second radiation and at most 5% or at most 1% first radiation.
  • the radiation-emitting device further comprises an optical element which is arranged downstream of the conversion element and the dielectric mirror and is set up to deflect the second radiation.
  • the optical element can be a lens or a lens system or a prism or a prism system or a beam splitter or a (semitransparent) mirror or a combination of two or more of these elements.
  • the optical element is set up to direct the second radiation exiting the conversion element via the exit surface and passing through the dielectric mirror onto a projection surface, for example onto a screen.
  • the conversion element has scattering centers for redistributing the radiation reflected back from the dielectric mirror into the conversion element.
  • the scattering centers can be scattering particles that are distributed in the conversion element.
  • the scattering particles are particles made of an oxide or a nitride or a phosphide, for example made of TiOg or SiN or AlgO.
  • scattering centers can be implemented by zone boundaries in the conversion element. These can be generated in a targeted manner when the conversion element is sintered by means of foreign phases or pores. This is achieved, for example, through variants in the slip mixture and through a selected process management.
  • the exit surface and / or the entry surface of the conversion element can also be structured.
  • An average roughness of the entry surface and / or exit surface is then, for example, at least 200 nm or at least 500 nm or at least 1000 nm.
  • a planarization layer can be applied in each case, which is planar and / or smooth on a side facing away from the conversion element.
  • the planarization layer can be applied directly to the exit area and / or entry area.
  • the planarization layer preferably comprises a material that is transparent to the first and / or second radiation, such as silicon dioxide (SiOg) ⁇ Die
  • Planarization layer simplifies and improves the application of dielectric mirrors.
  • a second mirror is arranged on the entry surface of the conversion element.
  • the second mirror can be arranged directly on the entry surface or attached indirectly to the entry surface. For example, a distance between the second mirror and the entry surface is at most the thickness of the conversion element.
  • the second mirror is arranged in particular in such a way that the first radiation from the component passes through the second mirror before it reaches the conversion element.
  • the second mirror can be a dielectric mirror and, like the dielectric mirror described above, can then have a plurality of dielectric layers. All features disclosed in connection with the dielectric mirror with regard to its structure are also disclosed for the second mirror. When viewed in a plan view of the entry area, the second mirror preferably covers a large part, for example at least 80% of the entry area, or the entire entry area.
  • the previously described dielectric mirror on the exit surface can also be referred to below as the first dielectric mirror.
  • the second mirror is reflective for the second radiation and transmissive for the first radiation. This preferably applies to all angles of incidence. This prevents the second radiation generated in the conversion element from leaving the conversion element via the entry surface.
  • a third mirror is arranged on the exit surface.
  • the third mirror is preferably arranged between the (first) dielectric mirror and the exit surface.
  • the third mirror can also be arranged on the side of the (first) dielectric mirror facing away from the conversion element.
  • the third mirror can be arranged directly on the exit surface or attached indirectly to the exit surface.
  • the third mirror preferably covers a large part of the exit area, for example at least 80% of the exit area, or the entire exit area.
  • the third mirror can be a dielectric mirror and, like the dielectric mirror described above, can then have a plurality of dielectric layers. All the features disclosed in connection with the dielectric mirror with regard to its structure are also disclosed for the third mirror.
  • the third mirror is reflective for the first radiation. This is preferably the case for all angles of incidence. Such a third mirror prevents unconverted first radiation from leaving the conversion element via the exit surface.
  • the third mirror is also transparent to the second radiation, preferably for all angles of incidence or only for angles of incidence in the first angular range.
  • the dielectric mirror is reflective for the first radiation. This then preferably applies to all angles of incidence.
  • the conversion element is arranged at a distance from the component.
  • the first radiation that comes from the component then first travels a distance through air or a light guide, for example, before it strikes the conversion element.
  • the conversion element is what is known as a remote conversion element.
  • the conversion element is arranged directly or indirectly on the component.
  • the conversion element covers a large part, for example at least 80% or 100%, of an emission surface of the component via which a large part of the first radiation is coupled out of the component during operation.
  • a distance between the conversion element and the semiconductor body of the component is then, for example, at most as great as the thickness of the conversion element.
  • the radiation-emitting device comprises a second optoelectronic component for emitting a third electromagnetic radiation.
  • the second component like the component described above, in the following also partially referred to as the first component, can be a semiconductor chip, in particular an LED chip, or a chip-size package component, for example a light-emitting diode.
  • the second component also comprises a semiconductor body with an active region in which a primary radiation is generated during operation, which then, possibly after conversion in the component, forms the third radiation. All of the features disclosed in connection with the optoelectronic component are also disclosed for the second optoelectronic component.
  • the third radiation emitted by the second component can largely overlap the first radiation or be essentially identical to the first radiation.
  • the third radiation is preferably light of the same color as the first radiation.
  • the semiconductor body of the second component can be based on the same material system and / or be constructed essentially identically to that
  • the semiconductor body of the first component preferably each emit blue light.
  • the device is set up in such a way that, during operation, third radiation emitted by the second component penetrates into the conversion element via the exit surface of the conversion element. This means that the conversion element is illuminated on both sides.
  • the conversion element is set up to convert the third radiation.
  • the third radiation is preferably converted into the second radiation.
  • the conversion element can be set up for full conversion of the third radiation. Overall, the luminance can thus be improved and more second radiation can be generated.
  • the dielectric mirror is permeable to the third radiation.
  • the dielectric mirror is preferably transparent to the third radiation at all angles of incidence.
  • no elements are then arranged on the exit surface that are reflective for the third radiation, so that the third radiation can penetrate into the conversion element as unimpeded as possible.
  • an anti-reflective coating for the third radiation is applied to the exit surface.
  • the anti-reflective coating is preferably set up in such a way that at most 10% or at most 5% of the third radiation is reflected by the anti-reflective coating and at least 90% or at least 95% pass through the anti-reflective coating.
  • a projector is also specified.
  • the projector includes, in particular, a radiation-emitting device described here.
  • the radiation-emitting device is then preferably set up in such a way that it emits green light. That is, the second radiation is preferably green light.
  • the projector can also include one or more optoelectronic components that generate additional colors, for example red light and blue light, during operation.
  • the projector additionally comprises an optoelectronic component for generating red light and an optoelectronic component for generating blue light. These two optoelectronic components can generate the respective light intrinsically in the semiconductor body without using conversion elements.
  • the red and blue light from the two further optoelectronic components and the green light that comes from the conversion element can be projected onto a projection surface, in particular a screen, via a common optical element or different optical elements.
  • the optical element or elements include, for example, image-generating elements such as a so-called digital mirror device, DMD for short, and / or a lens system and / or a mirror system.
  • Figure 7 shows an embodiment of a projector.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of the radiation-emitting device 100.
  • the device 100 comprises an optoelectronic component 1, in the present case a light-emitting diode (LED), which emits first radiation in the form of blue light during operation.
  • LED light-emitting diode
  • a platelet-shaped conversion element 2 which comprises an entry surface 20 and an exit surface 21, is arranged downstream of the component 1 in the beam direction.
  • the conversion element 2 is, for example, a ceramic conversion element made of sintered conversion material.
  • the first radiation from the component 1 enters the conversion element 2 via the entry surface 20 and is partially or completely converted there into second radiation, for example green light.
  • the second radiation can then exit the conversion element 2 via the exit surface 21.
  • a dielectric mirror 3 which comprises a plurality of dielectric layers with different refractive indices, is arranged on the exit surface 21.
  • the dielectric mirror 3 is set up in such a way that it is transparent to second radiation, which strikes with angles of incidence in a first angle range between 0 ° and inclusive, and for second radiation, which strikes with angles of incidence in a second angle range outside the first angle range (from ⁇ to 90 °) is reflective.
  • the value for ß is, for example, 35 °.
  • the dielectric mirror 3 can be reflective for the first radiation, regardless of the angle of incidence.
  • An optical element 4 is arranged downstream of the conversion element 2 in the beam direction.
  • the optical element 4 is a mirror with which the radiation that has passed through the dielectric mirror 3 is deflected.
  • the second radiation is directed onto a projection surface, such as a screen.
  • the device 100 shown can be used in a projector.
  • the angle-selective dielectric mirror 3 emits the second radiation (green light) in a small angular range, as a result of which the device 100 described is particularly well suited for projection applications.
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of the radiation-emitting device 100.
  • the conversion element 2 comprises scattering centers in the form of scattering particles.
  • the scattering particles can be evenly distributed in the conversion element 2.
  • the scattering particles are, for example, scattering pores in a ceramic converter.
  • the entry surface 20 and / or the exit surface 21 can also be used be structured, whereby a redistribution of the reflected radiation is achieved.
  • FIG. 3 shows a third exemplary embodiment of the radiation-emitting device 100.
  • a second dielectric mirror 5 is arranged here on the entry surface 20 of the conversion element 2.
  • the second dielectric mirror 5 also comprises a plurality of dielectric layers.
  • the second dielectric mirror 5 is reflective for the second radiation and transparent for the first radiation. This preferably applies to all angles of incidence. This prevents the second radiation from leaving the conversion element 2 again via the entry surface 20.
  • FIG. 4 shows a fourth exemplary embodiment of the radiation-emitting device 100.
  • a third dielectric mirror 6 is arranged on the exit surface 21, between the dielectric mirror 3 and the exit surface 21.
  • the third dielectric mirror 6 is reflective for the first radiation and transmissive for the second radiation, preferably independent of the angle of incidence. This prevents the first radiation from leaving the conversion element 2 via the exit surface 21.
  • FIG. 1 A fifth exemplary embodiment of the radiation-emitting device 100 is shown in FIG.
  • the conversion element 2 is not arranged at a distance from the optoelectronic component 1. Rather, here the conversion element 2 is arranged and fastened indirectly on the component 1.
  • FIG. 6 shows a sixth exemplary embodiment of the radiation-emitting device 100.
  • the device 100 comprises a second optoelectronic component 11 that emits a third radiation.
  • the third radiation is also blue light.
  • the device 100 is set up in such a way that the third radiation emitted by the second component 11 penetrates into the conversion element 2 via the exit surface 21 of the conversion element 2.
  • the third radiation passes the optical element 4, which in the present case is formed by a semitransparent mirror.
  • the dielectric mirror 3 is in the present case permeable to the third radiation, preferably at all angles of incidence.
  • an anti-reflective coating 7 for the third radiation is applied to the side of the dielectric mirror 3 facing away from the conversion element 2.
  • FIG. 7 shows an exemplary embodiment of a projector which incorporates the radiation-emitting device 100 of FIG includes.
  • the radiation-emitting device 100 generates green light by conversion.
  • the projector comprises a third optoelectronic component 12, in the present case in the form of a light-emitting diode, which intrinsically generates blue light, and a fourth optoelectronic component 13, likewise in the form of a light-emitting diode, which intrinsically generates red light.
  • Each of the components 1, 12, 13 is assigned a mirror 4 for deflecting the respective light.
  • the mirrors 4 are each transparent to the radiation from the preceding component.
  • the mirror 4 assigned to the green-emitting component 1 is transparent to blue light and reflective to green light.
  • the mirror 4 assigned to the red-emitting component 13 is preferably transparent to blue and green light and reflective to red light.
  • the projector further comprises a lens 40 with the aid of which the light is projected onto a screen 8.

Abstract

In mindestens einer Ausführungsform der strahlungsemittierende Vorrichtung (100) umfasst diese ein optoelektronisches Bauelement (1) zur Emission einer ersten elektromagnetischen Strahlung, ein Konversionselement (2) mit einer Eintrittsfläche (20) und einer Austrittsfläche (21) und einen dielektrischen Spiegel (3)auf der Austrittsfläche. Die Vorrichtung ist so eingerichtet, dass im Betrieb vom Bauelement emittierte erste Strahlung über die Eintrittsfläche in das Konversionselement eintritt. Das Konversionselement ist zur Konversion der ersten Strahlung in eine zweite elektromagnetische Strahlung eingerichtet, die anschließend über die Austrittsfläche aus dem Konversionselement austritt. Der dielektrische Spiegel ist für zweite Strahlung, die mit Einfallswinkeln in einem vorgegebenen ersten Winkelbereich auftrifft, durchlässig und für zweite Strahlung, die mit Einfallswinkel in einem vorgegebenen zweiten Winkelbereich auftrifft, reflektierend.

Description

Beschreibung
STRAHLUNGSEMITTIERENDE VORRICHTUNG UND PROJEKTOR DAMIT
Es wird eine strahlungsemittierende Vorrichtung angegeben. Darüber hinaus wird ein Projektor angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine strahlungsemittierende Vorrichtung mit einer hohen Leuchtdichte anzugeben. Eine weitere zu lösende Aufgabe besteht darin, einen Projektor mit einer solchen strahlungsemittierenden Vorrichtung anzugeben.
Diese Aufgaben werden unter anderem durch die Gegenstände des unabhängigen Patentanspruchs 1 und des Patentanspruchs 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der weiteren abhängigen Patentansprüche und gehen weiterhin aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die strahlungsemittierende Vorrichtung ein optoelektronisches Bauelement zur Emission einer ersten elektromagnetischen Strahlung. Dazu umfasst das Bauelement insbesondere einen Halbleiterkörper mit einem aktiven Bereich. Bei der ersten Strahlung handelt es sich um eine im aktiven Bereich erzeugte Primärstrahlung und/oder um eine durch Konversion der Primärstrahlung im Bauelement erzeugte Sekundärstrahlung.
Der Halbleiterkörper des Bauelements basiert zum Beispiel auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial. Bei dem Halbleitermaterial handelt es sich zum Beispiel um ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial, wie AlnIn]__n-mGamN, oder um ein Phosphid-Verbindungshalbleitermaterial, wie AlnIn]__n-mGamP, oder um ein Arsenid-
Verbindungshalbleitermaterial , wie AlnIn]__n-mGamAs oder AlnIn]__n-mGamAsP, wobei jeweils 0 < n < 1, 0 < m < 1 und m + n < 1 ist. Dabei kann der Halbleiterkörper Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber sind jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters des Halbleiterkörpers, also Al, As, Ga, In, N oder P, angegeben, auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können. Bevorzugt basiert der Halbleiterkörper auf AlInGaN.
Der aktive Bereich des Halbleiterkörpers beinhaltet insbesondere wenigstens einen pn-Übergang und/oder mindestens eine QuantentopfStruktur in Form eines einzelnen Quantentopfs, kurz SQW, oder in Form einer Multi- QuantentopfStruktur, kurz MQW. Zum Beispiel erzeugt der aktive Bereich im bestimmungsgemäßen Betrieb elektromagnetische Primärstrahlung im blauen oder grünen oder roten Spektralbereich oder im UV-Bereich oder im IR-Bereich.
Bei dem optoelektronischen Bauelement handelt es sich zum Beispiel um einen Halbleiterchip oder um ein sogenanntes Chip-Size-Package-Bauelement . Sowohl bei einem Halbleiterchip als auch bei einem Chip-Size-Package-Bauelement entsprechen dessen laterale Abmessungen, gemessen parallel zu einer Haupterstreckungsebene des Halbleiterkörpers, im Wesentlichen den lateralen Abmessungen des Halbleiterkörpers. Insbesondere sind die lateralen Abmessungen des Bauelements dann um höchstens 20 % oder höchstens 10 % oder höchstens 5 % größer als die des Halbleiterkörpers. Quer zur Haupterstreckungsebene verlaufende Seitenflächen des Bauelements können Spuren eines Vereinzelungsprozesses, welche aus einer Vereinzelung aus einem Waferverbund resultieren, aufweisen. Bei einem Chip-Size-Package- Bauelement sind die Seitenflächen aus einem Vergussmaterial, wie Epoxid.
Bei der im Betrieb vom Bauelement erzeugten und emittierten ersten Strahlung handelt es sich insbesondere um inkohärente Strahlung. Das Bauelement ist insbesondere eine Leuchtdiode (LED) oder ein Leuchtdiodenchip (LED-Chip).
Das Bauelement kann frei von dem Aufwachssubstrat sein, auf dem der Halbleiterkörper gewachsen ist. Dann handelt es sich bei dem Bauelement insbesondere um einen Dünnfilmchip beziehungsweise um ein Bauelement mit einem Dünnfilmchip.
Das Bauelement kann pixeliert sein, derart dass der Halbleiterkörper mehrere einzeln und unabhängig ansteuerbare Emissionsbereiche (Pixel) umfasst. Beispielsweise ist der Halbleiterkörper in zumindest vier oder zumindest zehn oder zumindest 50 Emissionsbereiche unterteilt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die strahlungsemittierende Vorrichtung ein Konversionselement mit einer Eintrittsfläche und eine Austrittsfläche. Die Eintrittsfläche und die Austrittsfläche liegen bevorzugt einander gegenüber und verlaufen im Wesentlichen parallel zueinander. Das Konversionselement kann insbesondere plättchenförmig ausgebildet sein, wobei die Eintrittsfläche und die Austrittsfläche dann die Hauptseiten des Plättchens bilden. Eine Dicke des Konversionselements, gemessen als Abstand zwischen der Eintrittsfläche und der Austrittsfläche, beträgt beispielsweise zumindest 10 pm und/oder höchstens 1 mm. Das Konversionselement umfasst oder besteht aus einem oder mehreren Konversionsmaterialien. Beispielsweise handelt es sich bei dem Konversionselement um ein keramisches Konversionselement. Alternativ kann das Konversionselement aber auch ein Matrixmaterial, zum Beispiel aus Silikon oder Polysiloxan, umfassen, in der Partikel aus einem oder mehreren Konversionsmaterialien verteilt und eingebettet sind. Das Konversionsmaterial kann beispielsweise ein Granat oder ein Nitrid oder ein Oxid oder ein Oxynitrid sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die strahlungsemittierende Vorrichtung einen dielektrischen Spiegel auf der Austrittsfläche. Bei dem dielektrischen Spiegel handelt es sich zum Beispiel um eine periodische Struktur, also einen Bragg-Spiegel, oder um eine nicht periodische Struktur.
Der dielektrische Spiegel kann unmittelbar auf der Austrittsfläche angeordnet sein oder mittelbar auf der Austrittsfläche befestigt sein. Ein Abstand zwischen dem dielektrischen Spiegel und der Austrittsfläche ist bevorzugt geringer als die Dicke des Konversionselements.
Der dielektrische Spiegel umfasst bevorzugt mehrere, zum Beispiel zumindest zwei oder zumindest vier oder zumindest zehn oder zumindest 50 oder zumindest 100, dielektrische Schichten, die bezüglich der Austrittsfläche übereinander gestapelt sind. Die dielektrischen Schichten des dielektrischen Spiegels sind beispielsweise abwechselnd hochbrechend und niedrigbrechend. Dabei unterscheidet sich der Brechungsindex einer hochbrechenden Schicht von dem einer niedrigbrechenden Schicht um zumindest 0,1 oder zumindest 0,3 oder zumindest 0,5 oder zumindest 1,0. Beispielsweise weisen die niedrigbrechenden Schichten einen Brechungsindex von höchstens 2 auf. Die hochbrechenden Schichten weisen beispielsweise einen Brechungsindex von zumindest 2,3 auf.
Die Werte für den Brechungsindex sind hier für die erste Strahlung angegeben.
Beispielsweise wechseln sich in dem dielektrischen Spiegel die dielektrischen Schichten derart ab, dass zwischen je zwei hochbrechenden Schichten eine niedrigbrechende Schicht liegt und umgekehrt. Bei einer periodischen Struktur sind die Dicken aller dielektrischen Schichten im Rahmen der Herstellungstoleranz gleich. Bei einer nicht-periodischen Struktur variieren die Dicken der dielektrischen Schichten.
Die niedrigbrechenden Schichten umfassen oder bestehen beispielsweise aus zumindest einem der folgenden Materialien: SiOg, SiN, SiON, MgFg. Die hochbrechenden Schichten umfassen oder bestehen beispielsweise aus zumindest einem der folgenden Materialien: NbgOg, TiOg, ZrOg, HfOg, AlgO , TagOg,
ZnO. Die Dicken der dielektrischen Schichten betragen beispielsweise jeweils zwischen einschließlich 10 nm und 300 nm.
In einer Draufsicht betrachtet überdeckt der dielektrische Spiegel die Austrittsfläche des Konversionselements größtenteils, zum Beispiel zu zumindest 80 %, oder vollständig.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Vorrichtung so eingerichtet, dass im Betrieb vom Bauelement emittierte erste Strahlung über die Eintrittsfläche in das Konversionselement eintritt. Beispielsweise ist die Vorrichtung so eingerichtet, dass ein Großteil, zum Beispiel zumindest 75 % oder zumindest 90 %, der von Bauelement emittierten ersten Strahlung auf die Eintrittsfläche trifft. Über die Eintrittsfläche gelangt die erste Strahlung dann ins Innere des Konversionselements.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Konversionselement zur Konversion der ersten Strahlung in eine zweite elektromagnetische Strahlung eingerichtet. Anschließend tritt die zweite Strahlung über die Austrittsfläche aus dem Konversionselement aus.
Die zweite Strahlung ist bezüglich der ersten Strahlung rot verschoben. Beispielsweise ist die Wellenlänge, bei der die zweite Strahlung ein globales Intensitätsmaximum aufweist, bezüglich der Wellenlänge, bei der die erste Strahlung ein globales Intensitätsmaximum aufweist, um zumindest 50 nm oder zumindest 100 nm rot verschoben. Die zweite Strahlung ist bevorzugt ebenfalls Strahlung im sichtbaren Spektralbereich. Beispielsweise handelt es sich bei der ersten Strahlung um blaues Licht und bei der zweite Strahlung um grünes Licht.
Das Konversionselement kann zur teilweisen oder vollständigen Konversion der eingetretenen ersten Strahlung eingerichtet sein. Nach der Konversion tritt zumindest ein Großteil, beispielsweise zumindest 75 % oder zumindest 90 %, der erzeugten zweiten Strahlung über die Austrittsfläche aus dem Konversionselement aus.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der dielektrische Spiegel für zweite Strahlung, die mit Einfallswinkeln in einem vorgegebenen ersten Winkelbereich auf den dielektrischen Spiegel trifft, durchlässig und für zweite Strahlung, die mit Einfallswinkeln in einem vorgegebenen zweiten Winkelbereich auf den dielektrischen Spiegel trifft, reflektierend. Der dielektrische Spiegel kann bei allen Einfallswinkeln für die erste Strahlung reflektierend oder durchlässig sein. Der erste Winkelbereich und der zweite Winkelbereich überlappen bevorzugt nicht.
Einfallswinkel werden hier als Winkel zu einer Normalen auf den dielektrischen Spiegel gemessen. Unter einer Normalen auf einen dielektrischen Spiegel ist eine Normale auf die Haupterstreckungsebene des dielektrischen Spiegels zu verstehen.
Unter „durchlässig" wird hier und im Folgenden verstanden, dass ein Element mindestens 75 %, bevorzugt mindestens 90 %, besonders bevorzugt mindestens 99 % einer Strahlung transmittiert oder durchlässt. Unter „reflektierend" wird verstanden, dass ein Element mehr als 75 %, bevorzugt mindestens 90 %, besonders bevorzugt mindestens 99 % einer Strahlung reflektiert.
Die Begriffe „vorgegebener erster Winkelbereich" und „vorgegebener zweiter Winkelbereich" beziehen sich darauf, dass beim Design eines dielektrischen Spiegels der Winkelbereich, in dem dieser durchlässig ist, und der Winkelbereich, in dem dieser reflektierend ist, durch Auswahl der Materialien der dielektrischen Schichten und der Dicke der dielektrischen Schichten präzise und wunschgemäß eingestellt werden kann. Insofern können die Winkelbereiche für Transmission und Reflexion vorgegeben oder gewählt oder bestimmt werden.
Da ein dielektrischer Spiegel üblicherweise für Strahlung einer Wellenlänge beziehungsweise eines engen Bereichs um diese Wellenlänge optimiert ist, beziehen sich hier und im Folgenden gemachten Angaben bezüglich der Reflexion und der Transmission eines Spiegels für eine Strahlung insbesondere auf diejenige Wellenlänge, bei der die Strahlung ein globales Intensitätsmaximum aufweist.
In mindestens einer Ausführungsform der strahlungsemittierenden Vorrichtung umfasst diese ein optoelektronisches Bauelement zur Emission einer ersten elektromagnetischen Strahlung, ein Konversionselement mit einer Eintrittsfläche und einer Austrittsfläche und einen dielektrischen Spiegel auf der Austrittsfläche. Die Vorrichtung ist so eingerichtet, dass im Betrieb vom Bauelement emittierte erste Strahlung über die Eintrittsfläche in das Konversionselement eintritt. Das Konversionselement ist zur Konversion der ersten Strahlung in eine zweite elektromagnetische Strahlung eingerichtet, die anschließend über die Austrittsfläche aus dem Konversionselement austritt. Der dielektrische Spiegel ist für zweite Strahlung, die mit Einfallswinkeln in einem vorgegebenen ersten Winkelbereich auftrifft, durchlässig und für zweite Strahlung, die mit Einfallswinkel in einem vorgegebenen zweiten Winkelbereich auftrifft, reflektierend.
Der vorliegenden Erfindung liegt unter anderem die Erkenntnis zu Grunde, dass für Projektionsanwendungen eine möglichst hohe Leuchtdichte in der Anwendung benötigt wird. Dabei kann nur Strahlung in einem begrenzten Winkelkegel genutzt werden, der vor allem über das dem Konversionselement nachfolgende optische System definiert wird. Eine Strahlungsquelle mit möglichst engwinkliger Abstrahlcharakteristik, wie sie durch die vorliegende Kombination aus Bauelement,
Konversionselement und dielektrischem Spiegel realisiert ist, kann in der Anwendung eine höhere Leuchtdichte liefern. Da in diesem Fall auch wenig Strahlung in Raumwinkel emittiert wird, die in der Anwendung nicht genutzt werden können oder sogar stören, kann eine bessere Abbildungsqualität mit weniger Streulicht erzielt werden. Dadurch werden die Vorrichtung insgesamt und insbesondere das dem Konversionselement nachgeordnete optische Systeme weniger stark durch die Absorption von Strahlung, die in der Anwendung nicht genutzt werden kann, erhitzt.
Insbesondere für Projektionslösungen mit LEDs wird typischerweise grünes Licht zur Vollkonversion von blauem Licht in einem Konversionselement erzeugt. Verbesserungen der Abstrahlcharakteristik, die vor dem Konversionselement, beispielsweise auf Bauelementebene erzielt werden, können deshalb für grünes Licht nicht voll ausgenutzt werden. Mit der vorliegenden Erfindung wird die Abstrahlcharakteristik nach der Strahlungskonversion verbessert, wodurch sich die Vorrichtung insbesondere für die Erzeugung von grünem Licht bei Projektionsanwendungen eignet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der erste Winkelbereich alle Einfallswinkel zwischen einschließlich 0° und ex, gemessen zu einer Normalen auf den dielektrischen Spiegel. Der erste Winkelbereich bildet also einen Kegel mit der Normalen als Rotationsachse und einem Öffnungswinkel von 2· . hat beispielsweise einen Wert von höchstens 75° oder höchstens 60° oder höchstens 45° oder höchstens 30° oder höchstens 20° oder höchstens 10°. Alternativ oder zusätzlich beträgt der Wert für beispielsweise zumindest 5° oder zumindest 10°.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der zweite Winkelbereich alle Einfallswinkel von mindestens ß, gemessen zur Normalen auf den dielektrischen Spiegel, wobei ß > gilt. Bevorzugt ist ß zumindest 1° oder zumindest 5° oder zumindest 10° größer als a. Alternativ oder zusätzlich ist ß höchstens 10° oder höchstens 5° größer als a. Bevorzugt umfasst der zweite Winkelbereich alle Einfallswinkel zwischen einschließlich ß und 90°.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der dielektrische Spiegel einen Transmissionsgrad von zumindest 75 % oder zumindest 90 % oder zumindest 99 % für mit Einfallswinkeln im ersten Winkelbereich auftreffende zweite Strahlung und einen Reflexionsgrad von zumindest 75 % oder zumindest 90 % oder zumindest 99 % für mit Einfallswinkeln im zweiten Winkelbereich auftreffende zweite Strahlung auf. Die angegebenen Werte des Transmissionsgrads und des Reflexionsgrads für die zweite Strahlung gelten besonders bevorzugt für alle Einfallswinkel in dem jeweiligen Winkelbereich .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das
Konversionselement zur Vollkonversion der ersten Strahlung in die zweite Strahlung eingerichtet. Insbesondere ist dann zumindest 95 % oder zumindest 99 % der im bestimmungsgemäßen Betrieb der Vorrichtung über die Austrittsfläche aus dem Konversionselement austretenden Strahlung zweite Strahlung und höchstens 5 % oder höchstens 1 % erste Strahlung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die strahlungsemittierende Vorrichtung weiter ein optisches Element, das dem Konversionselement und dem dielektrischen Spiegel nachgeordnet ist und zur Umlenkung der zweiten Strahlung eingerichtet ist. Bei dem optischen Element kann es sich um eine Linse oder ein Linsensystem oder ein Prisma oder ein Prismensystem oder einen Strahlteiler oder einen (halbdurchlässigen) Spiegel oder eine Kombination aus zwei oder mehreren dieser Elemente handeln. Insbesondere ist das optische Element dazu eingerichtet, die über die Austrittsfläche aus dem Konversionselement austretende und durch den dielektrischen Spiegel gelangende zweite Strahlung auf eine Projektionsfläche, beispielsweise auf eine Leinwand, zu richten.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Konversionselement Streuzentren zur Umverteilung der vom dielektrischen Spiegel in das Konversionselement zurückreflektierten Strahlung auf.
Bei den Streuzentren kann es sich um Streupartikel handeln, die in dem Konversionselement verteilt sind. Beispielsweise handelt es sich bei den Streupartikeln um Partikel aus einem Oxid oder einem Nitrid oder einem Phosphid, zum Beispiel aus TiOg oder SiN oder AlgO . Alternativ oder zusätzlich können Streuzentren durch Zonengrenzen im Konversionselement realisiert sein. Diese können beim Sintern des Konversionselements durch Fremdphasen oder Poren gezielt erzeugt werden. Dies wird zum Beispiel durch Varianten in der Schlickermischung und durch eine ausgewählte Prozessführung erreicht .
Alternativ oder zusätzlich zu Streuzentren im Inneren des Konversionselements können aber auch die Austrittsfläche und/oder die Eintrittsfläche des Konversionselements strukturiert sein. Eine mittlere Rauheit der Eintrittsfläche und/oder Austrittsfläche beträgt dann beispielsweise zumindest 200 nm oder zumindest500 nm oder zumindest 1000 nm. Auf die strukturierte Austrittsfläche und/oder Eintrittsfläche kann jeweils eine Planarisierungsschicht aufgebracht sein, die an einer dem Konversionselement abgewandten Seite planar und/oder glatt ist. Die Planarisierungsschicht kann dabei direkt auf die Austrittsfläche und/oder Eintrittsfläche aufgebracht sein. Die Planarisierungsschicht umfasst bevorzugt ein für die erste und/oder zweite Strahlung transparentes Material, wie zum Beispiel Siliziumdioxid (SiOg)· Die
Planarisierungsschicht vereinfacht und verbessert die Aufbringung von dielektrischen Spiegeln.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist auf der Eintrittsfläche des Konversionselements ein zweiter Spiegel angeordnet. Der zweite Spiegel kann unmittelbar auf der Eintrittsfläche angeordnet oder mittelbar auf der Eintrittsfläche befestigt sein. Zum Beispiel ist ein Abstand zwischen dem zweiten Spiegel und der Eintrittsfläche höchstens die Dicke des Konversionselements. Der zweite Spiegel ist insbesondere so angeordnet, dass die erste Strahlung aus dem Bauelement den zweiten Spiegel durchquert bevor sie ins Konversionselement gelangt.
Der zweite Spiegel kann ein dielektrischer Spiegel sein und kann dann wie der zuvor beschriebene dielektrische Spiegel mehrere dielektrische Schichten aufweisen. Alle im Zusammenhang mit dem dielektrischen Spiegel offenbarten Merkmale bezüglich dessen Aufbau sind auch für den zweiten Spiegel offenbart. In einer Draufsicht auf die Eintrittsfläche betrachtet überdeckt der zweite Spiegel bevorzugt einen Großteil, beispielsweise zumindest 80 % der Eintrittsfläche, oder die gesamte Eintrittsfläche. Der zuvor beschriebene dielektrische Spiegel auf der Austrittsfläche kann im Folgenden auch als erster dielektrischer Spiegel bezeichnet sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der zweite Spiegel reflektierend für die zweite Strahlung und durchlässig für die erste Strahlung. Dies gilt bevorzugt für alle Einfallswinkel. Auf diese Weise wird verhindert, dass in dem Konversionselement erzeugte zweite Strahlung das Konversionselement über die Eintrittsfläche verlässt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist auf der Austrittsfläche ein dritter Spiegel angeordnet. Der dritte Spiegel ist bevorzugt zwischen dem (ersten) dielektrischen Spiegel und der Austrittsfläche angeordnet. Alternativ kann der dritte Spiegel auch auf der vom Konversionselement abgewandten Seite des (ersten) dielektrischen Spiegels angeordnet sein.
Der dritte Spiegel kann unmittelbar auf der Austrittsfläche angeordnet oder mittelbar auf der Austrittsfläche befestigt sein. In Draufsicht betrachtet überdeckt der dritte Spiegel bevorzugt einen Großteil der Austrittsfläche, beispielsweise zumindest 80 % der Austrittsfläche, oder die gesamte Austrittsfläche .
Der dritte Spiegel kann ein dielektrischer Spiegel sein und kann dann wie der zuvor beschriebene dielektrische Spiegel mehrere dielektrische Schichten aufweisen. Alle im Zusammenhang mit dem dielektrischen Spiegel bezüglich dessen Aufbau offenbarten Merkmale sind auch für den dritten Spiegel offenbart .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der dritte Spiegel reflektierend für die erste Strahlung. Bevorzugt gilt dies für alle Einfallswinkel. Durch einen solchen dritten Spiegel wird verhindert, dass nicht konvertierte erste Strahlung das Konversionselement über die Austrittsfläche verlässt. Der dritte Spiegel ist zudem durchlässige für die zweite Strahlung, bevorzugt für alle Einfallswinkel oder nur für Einfallswinkel im ersten Winkelbereich.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der dielektrische Spiegel reflektierend für die erste Strahlung. Dies gilt dann bevorzugt bei allen Einfallswinkeln.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Konversionselement beabstandet zu dem Bauelement angeordnet. Im Betrieb der Vorrichtung legt die erste Strahlung, die von dem Bauelement kommt, dann zum Beispiel zunächst eine Strecke durch Luft oder einen Lichtleiter zurück bevor Sie auf das Konversionselement trifft. Mit anderen Worten handelt es sich bei dem Konversionselement um ein so genanntes Remote- Konversionselement .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Konversionselement mittelbar oder unmittelbar auf dem Bauelement angeordnet. Zum Beispiel überdeckt in Draufsicht betrachtet das Konversionselement einen Großteil, beispielsweise zumindest 80 % oder 100 %, einer Emissionsfläche des Bauelements, über die im Betrieb ein Großteil der ersten Strahlung aus dem Bauelement ausgekoppelt wird. Ein Abstand zwischen dem Konversionselement und dem Halbleiterkörper des Bauelements ist dann beispielsweise höchstens so groß wie die Dicke des Konversionselements.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die strahlungsemittierende Vorrichtung ein zweites optoelektronisches Bauelement zur Emission einer dritten elektromagnetischen Strahlung. Das zweite Bauelement kann wie das zuvor beschriebene Bauelement, im Folgenden auch teilweise als erstes Bauelement bezeichnet, ein Halbleiterchip, insbesondere ein LED-Chip, oder ein Chip- Size-Package-Bauelement , beispielsweise eine Leuchtdiode, sein. Insbesondere umfasst auch das zweite Bauelement einen Halbleiterkörper mit einem aktiven Bereich, in dem im Betrieb eine Primärstrahlung erzeugt wird, die dann, eventuell nach einer Konversion im Bauelement, die dritte Strahlung bildet. Alle im Zusammenhang mit dem optoelektronischen Bauelement offenbarten Merkmale sind auch für das zweite optoelektronische Bauelement offenbart.
Die vom zweiten Bauelement emittierte dritte Strahlung kann mit der ersten Strahlung größtenteils überlappen oder im Wesentlichen identisch zur ersten Strahlung sein.
Insbesondere handelt es sich bei der dritten Strahlung bevorzugt um Licht derselben Farbe wie bei der ersten Strahlung. Der Halbleiterkörper des zweiten Bauelements kann auf demselben Materialsystem basieren und/oder im Wesentlichen identisch aufgebaut sein wie der
Halbleiterkörper des ersten Bauelements. Bevorzugt emittieren das erste Bauelement und das zweite Bauelement jeweils blaues Licht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Vorrichtung so eingerichtet, dass im Betrieb vom zweiten Bauelement emittierte dritte Strahlung über die Austrittsfläche des Konversionselements in das Konversionselement eindringt. Das heißt, das Konversionselement wird beidseitig beleuchtet. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Konversionselement zur Konversion der dritten Strahlung eingerichtet. Bevorzugt wird die dritte Strahlung in die zweite Strahlung konvertiert. Das Konversionselement kann zur Vollkonversion der dritten Strahlung eingerichtet sein. Insgesamt kann so die Leuchtdichte verbessert werden und es kann mehr zweite Strahlung erzeugt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der dielektrische Spiegel für die dritte Strahlung durchlässig. Bevorzugt ist der dielektrische Spiegel für die dritte Strahlung bei allen Einfallswinkel durchlässig. Insbesondere sind dann auf der Austrittsfläche keine Elemente angeordnet, die für die dritte Strahlung reflektieren sind, so dass die dritte Strahlung möglichst ungehindert in das Konversionselement eindringen kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist auf der Austrittsfläche eine Antireflexbeschichtung für die dritte Strahlung aufgebracht. Die Antireflexbeschichtung ist bevorzugt so eingerichtet, dass höchstens 10 % oder höchstens 5 % der dritten Strahlung von der Antireflexbeschichtung reflektiert werden und mindestens 90 % oder mindestens 95 % durch die Antireflexbeschichtung durchtreten.
Darüber hinaus wird ein Projektor angegeben. Der Projektor umfasst insbesondere eine hier beschriebene strahlungsemittierende Vorrichtung. Bevorzugt ist die strahlungsemittierende Vorrichtung dann so eingerichtet, dass sie grünes Licht emittiert. Das heißt, bei der zweiten Strahlung handelt es sich bevorzugt um grünes Licht. Der Projektor kann darüber hinaus ein oder mehrere optoelektronische Bauelemente umfassen, die im Betrieb weitere Farben, beispielsweise rotes Licht und blaues Licht erzeugen. Insbesondere umfasst der Projektor zusätzlich ein optoelektronisches Bauelement zur Erzeugung von rotem Licht und ein optoelektronisches Bauelement zu Erzeugung von blauem Licht. Diese beiden optoelektronischen Bauelemente können das jeweilige Licht intrinsisch im Halbleiterkörper erzeugen, ohne dass von Konversionselementen Gebrauch gemacht wird.
Das rote und blaue Licht von den beiden weiteren optoelektronischen Bauelementen und das grüne Licht, das aus dem Konversionselement kommt, kann über ein gemeinsames optisches Element oder verschiedene optische Elemente auf eine Projektionsfläche, insbesondere eine Leinwand, projiziert werden. Das oder die optischen Elemente umfassen zum Beispiel bilderzeugende Elemente, wie eine sogenannte Digital Mirror Device, kurz DMD, und/oder ein Linsensystem und/oder ein Spiegelsystem.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der strahlungsemittierenden Vorrichtung ergeben sich aus den folgenden im Zusammenhang mit den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen. Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente, insbesondere Schichtdicken, zur besseren Darstellbarkeit und/oder für eine bessere Verständlichkeit übertrieben groß dargestellt sein.
Es zeigen: Figuren 1 bis 6 verschiedene Ausführungsbeispiele der strahlungsemittierenden Vorrichtung,
Figur 7 ein Ausführungsbeispiel eines Projektors.
Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der strahlungsemittierenden Vorrichtung 100. Die Vorrichtung 100 umfasst ein optoelektronisches Bauelement 1, vorliegend eine Leuchtdiode (LED), die im Betrieb erste Strahlung in Form von blauem Licht emittiert.
Dem Bauelement 1 ist in Strahlrichtung ein plättchenförmiges Konversionselement 2 nachgeordnet, das eine Eintrittsfläche 20 und einer Austrittsfläche 21 umfasst. Bei dem Konversionselement 2 handelt es sich beispielsweise um ein keramisches Konversionselement aus gesintertem Konversionsmaterial. Die erste Strahlung aus dem Bauelement 1 tritt über die Eintrittsfläche 20 in das Konversionselement 2 ein und wird dort teilweise oder vollständig in zweite Strahlung, beispielsweise grünes Licht, konvertiert. Die zweite Strahlung kann dann über die Austrittsfläche 21 aus dem Konversionselement 2 austreten.
Auf der Austrittsfläche 21 ist ein dielektrischer Spiegel 3 angeordnet, der eine Mehrzahl von dielektrischen Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes umfasst. Der dielektrische Spiegel 3 ist so eingerichtet, dass er für zweite Strahlung, die mit Einfallswinkeln in einem ersten Winkelbereich zwischen einschließlich 0° und auftrifft, durchlässig ist und für zweite Strahlung, die mit Einfallswinkeln in einem zweiten Winkelbereich außerhalb des ersten Winkelbereichs (von ß bis 90°) auftrifft, reflektierend ist. Vorliegend beträgt der Wert für beispielsweise 30°. Der Wert für ß beträgt beispielsweis 35°. Der dielektrische Spiegel 3 kann für die erste Strahlung, unabhängig vom Einfallswinkel, reflektierend sein.
In Strahlrichtung ist dem Konversionselement 2 ein optisches Element 4 nachgeordnet. Bei dem optischen Element 4 handelt es sich vorliegend um einen Spiegel, mit dem die durch den dielektrischen Spiegel 3 gelangte Strahlung umgelenkt wird. Beispielsweise wird die zweite Strahlung auf eine Projektionsfläche, wie etwa eine Leinwand, gelenkt. Die gezeigte Vorrichtung 100 kann in einem Projektor verwendet werden. Durch den winkelselektiven dielektrischen Spiegel 3 wird die zweite Strahlung (grünes Licht) in einem kleinen Winkelbereich emittiert, wodurch sich die beschriebene Vorrichtung 100 besonders gut für Projektionsanwendungen eignet.
Figur 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der strahlungsemittierenden Vorrichtung 100. Diese unterscheidet sich von der aus Figur 1 dadurch, dass das Konversionselement 2 Streuzentren in Form von Streupartikeln umfasst. Durch diese wird die von dem dielektrischen Spiegel 3 zurückreflektierte Strahlung gestreut und umverteilt, sodass sie beim nächsten Auftreffen auf den dielektrischen Spiegel 3 gegebenenfalls im ersten Winkelbereich auf den dielektrischen Spiegel 3 trifft. Die Streupartikeln können im Konversionselement 2 gleichmäßig verteilt sein. Bei den Streupartikeln handelt es sich beispielsweise um streuende Poren in einem Keramikkonverter.
Statt oder zusätzlich zu Streuzentren in Form von Streupartikeln innerhalb des Konversionselements können die Eintrittsfläche 20 und/oder die Austrittsfläche 21 auch strukturiert sein, wodurch eine Umverteilung der zurückreflektierten Strahlung erreicht wird.
Figur 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der strahlungsemittierenden Vorrichtung 100. Hier ist im Vergleich zu dem Ausführungsbeispiel der Figur 2 auf der Eintrittsfläche 20 des Konversionselements 2 ein zweiter dielektrischer Spiegel 5 angeordnet. Auch der zweite dielektrische Spiegel 5 umfasst mehrere dielektrische Schichten. Der zweite dielektrische Spiegel 5 ist reflektierend für die zweite Strahlung und durchlässig für die erste Strahlung. Dies trifft bevorzugt auf alle Einfallswinkel zu. Auf diese Weise wird verhindert, dass die zweite Strahlung das Konversionselement 2 über die Eintrittsfläche 20 wieder verlässt.
Figur 4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der strahlungsemittierenden Vorrichtung 100. Hier ist zusätzlich zu dem Ausführungsbeispiel der Figur 3 auf der Austrittsfläche 21, zwischen dem dielektrischen Spiegel 3 und der Austrittsfläche 21, ein dritter dielektrische Spiegel 6 angeordnet. Der dritte dielektrische Spiegel 6 ist reflektierend für die erste Strahlung und durchlässig für die zweite Strahlung, bevorzugt unabhängig vom Einfallswinkel. Dadurch wird verhindert, dass die erste Strahlung das Konversionselement 2 über die Austrittsfläche 21 verlässt.
Statt eines zweiten 5 und dritten 6 dielektrischen Spiegels mit mehreren dielektrischen Schichten können auch ein anderer zweiter Spiegel 5 und dritter Spiegel 6 mit den gewünschten Eigenschaften verwendet werden. Beispielsweise umfassen ein solcher zweiter Spiegel 5 und ein solcher dritter Spiegel 6 jeweils mehrere dielektrische Schichten. In der Figur 5 ist ein fünftes Ausführungsbeispiel der strahlungsemittierenden Vorrichtung 100 gezeigt. Hier ist anders als in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen das Konversionselement 2 nicht beabstandet zu dem optoelektronischen Bauelement 1 angeordnet. Vielmehr ist hier das Konversionselement 2 mittelbar auf dem Bauelement 1 angeordnet und befestigt.
Figur 6 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel der strahlungsemittierenden Vorrichtung 100. Hier umfasst die Vorrichtung 100 neben dem ersten optoelektronischen Bauelement 1 ein zweites optoelektronisches Bauelement 11, dass eine dritte Strahlung emittiert. Vorliegend handelt es sich bei der dritten Strahlung ebenfalls um blaues Licht. Die Vorrichtung 100 ist so eingerichtet, dass die vom zweiten Bauelement 11 emittierte dritte Strahlung über die Austrittsfläche 21 des Konversionselements 2 in das Konversionselement 2 eindringt. Zuvor passiert die dritte Strahlung das optische Element 4, welches vorliegend durch einen halbdurchlässigen Spiegel gebildet ist. Um in das Konversionselement 2 eindringen zu können, ist der dielektrische Spiegel 3 vorliegend durchlässig für die dritte Strahlung, bevorzugt bei allen Einfallswinkeln.
Um eine Reflexion der dritten Strahlung am dielektrischen Spiegel 3 zu reduzieren, ist auf der vom Konversionselement 2 abgewandten Seite des dielektrischen Spiegels 3 eine Antireflexbeschichtung 7 für die dritte Strahlung aufgebracht .
Figur 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Projektors, der die strahlungsemittierende Vorrichtung 100 der Figur 1 umfasst. Die strahlungsemittierende Vorrichtung 100 erzeugt durch Konversion grünes Licht. Ferner umfasst der Projektor ein drittes optoelektronisches Bauelement 12, vorliegend in Form einer Leuchtdiode, das intrinsisch blaues Licht erzeugt, und ein viertes optoelektronisches Bauelement 13, ebenfalls in Form einer Leuchtdiode, das intrinsisch rotes Licht erzeugt. Jedem der Bauelemente 1, 12, 13 ist ein Spiegel 4 zur Umlenkung des jeweiligen Lichts zugeordnet. Die Spiegel 4 sind insbesondere jeweils für die Strahlung des vorhergehenden Bauelements durchlässig. So ist beispielsweise der dem grünemittierenden Bauelement 1 zugeordnete Spiegel 4 durchlässig für blaues Licht und reflektierend für grünes Licht. Der dem rotemittierenden Bauelement 13 zugeordnete Spiegel 4 ist bevorzugt durchlässig für blaues und grünes Licht und reflektierend für rotes Licht. Der Projektor umfasst ferner eine Linse 40, mithilfe der das Licht auf eine Leinwand 8 projiziert wird.
Es wird die Priorität der deutschen Patentanmeldung 102020204540.2 beansprucht, die hiermit per Rückbezug aufgenommen ist.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von
Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn diese Merkmale oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist. Bezugszeichenliste :
1 (erstes) optoelektronisches Bauelement
2 Konversionselement
3 (erster) dielektrischer Spiegel
4 optisches Element
5 zweiter dielektrischer Spiegel
6 dritter dielektrischer Spiegel
7 Antireflexbeschichtung
8 Leinwand
11 zweites optoelektronisches Bauelement
12 drittes optoelektronisches Bauelement
13 viertes Optoelektronisches Bauelement
20 Eintrittsfläche
21 Austrittsfläche
40 Linse
100 strahlungsemittierende Vorrichtung
Winkel ß Winkel

Claims

Patentansprüche
1. Strahlungsemittierende Vorrichtung (100), umfassend ein optoelektronisches Bauelement (1) zur Emission einer ersten elektromagnetischen Strahlung, ein Konversionselement (2) mit einer Eintrittsfläche (20) und einer Austrittsfläche (20), einen dielektrischen Spiegel (3) auf der Austrittsfläche (21), wobei die Vorrichtung so eingerichtet ist, dass im Betrieb vom Bauelement (1) emittierte erste Strahlung über die Eintrittsfläche (20) in das Konversionselement (2) eintritt, das Konversionselement (2) zur Konversion der ersten Strahlung in eine zweite elektromagnetische Strahlung eingerichtet ist, die anschließend über die Austrittsfläche (21) aus dem Konversionselement (2) austritt,
- der dielektrische Spiegel (3) für zweite Strahlung, die mit Einfallswinkeln in einem vorgegebenen ersten Winkelbereich auftrifft, durchlässig ist und für zweite Strahlung, die mit Einfallswinkeln in einem vorgegebenen zweiten Winkelbereich auftrifft, reflektierend ist.
2. Strahlungsemittierende Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei der erste Winkelbereich alle Einfallswinkel zwischen einschließlich 0° und , gemessen zu einer Normalen auf den dielektrischen Spiegel (3), umfasst, der zweite Winkelbereich alle Einfallswinkel von mindestens ß, gemessen zur Normalen auf den dielektrischen Spiegel (3) umfasst, wobei ß h ocgilt.
3. Strahlungsemittierende Vorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Konversionselement (2) zur Vollkonversion der ersten Strahlung in die zweite Strahlung eingerichtet ist.
4. Strahlungsemittierende Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend ein optisches Element (4), das dem Konversionselement (2) und dem dielektrischen Spiegel (3) nachgeordnet ist und zur Umlenkung der zweiten Strahlung eingerichtet ist.
5. Strahlungsemittierende Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Konversionselement (2) Streuzentren zur Umverteilung der vom dielektrischen Spiegel (3) in das Konversionselement (2) zurückreflektierten Strahlung aufweist.
6. Strahlungsemittierende Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
- auf der Eintrittsfläche (20) des Konversionselements (2) ein zweiter Spiegel (5) angeordnet ist,
- der zweite Spiegel (5) reflektierend für die zweite Strahlung und durchlässig für die erste Strahlung ist.
7. Strahlungsemittierende Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
- auf der Austrittsfläche (21) ein dritter Spiegel (6) angeordnet ist,
- der dritte Spiegel (6) reflektierend für die erste Strahlung ist.
8. Strahlungsemittierende Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der dielektrische Spiegel (3) reflektierend für die erste Strahlung ist.
9. Strahlungsemittierende Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Konversionselement (2) beabstandet zu dem Bauelement (1) angeordnet ist, sodass im Betrieb erste Strahlung aus dem Bauelement (1) zunächst eine Strecke durch Luft zurücklegt bevor sie auf das Konversionselement (2) trifft.
10. Strahlungsemittierende Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Konversionselement (2) mittelbar oder unmittelbar auf dem Bauelement (1) angeordnet ist.
11. Strahlungsemittierende Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend
- ein zweites optoelektronisches Bauelement (11) zur Emission einer dritten elektromagnetischen Strahlung, wobei
- die Vorrichtung (100) so eingerichtet ist, dass im Betrieb vom zweiten Bauelement (11) emittierte dritte Strahlung über die Austrittsfläche (21) des Konversionselements (2) in das Konversionselement (2) eindringt,
- das Konversionselement (2) zur Konversion der dritten Strahlung eingerichtet ist,
- der dielektrische Spiegel (3) für die dritte Strahlung durchlässig ist.
12. Strahlungsemittierende Vorrichtung (100) nach Anspruch 11, wobei auf der Austrittsfläche (21) eine Antireflex-Beschichtung (7) für die dritte Strahlung aufgebracht ist.
13. Projektor umfassend eine strahlungsemittierende Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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