-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine lichtemittierende Vorrichtung
und ein Verfahren zur Bereitstellung einer lichtemittierenden Vorrichtung
mit vordefinierten optischen Eigenschaften des emittierten Lichts.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine lichtemittierende
Vorrichtung und ein Verfahren zur Bereitstellung einer lichtemittierenden
Vorrichtung mit verbesserter Farbreproduktion.
-
Prinzipiell
gibt es zwei verschiedene Typen von Quellen für weißes
Licht unter Verwendung von mindestens einer lichtemittierenden Diode
LED. Bei der ersten Art der Quellen für weißes
Licht wird das weiße Licht durch direkte Emission von verschieden farbigen
LEDs erzeugt, zum Beispiel durch eine Kombination aus einer roten
LED, einer grünen LED und einer blauen LED.
-
Bei
dem zweiten Typ der Quellen für weißes Licht erzeugt
mindestens eine LED einen Strahl in einem engen Wellenlängenbereich,
der auf ein lumineszentes Material auftrifft, das wiederum sichtbares Licht,
das heißt weißes Licht, emittiert. Ein Beispiel für
eine solche Quelle für weißes Licht vom zweiten Typ
ist eine Quelle, die eine blaue LED anwendet, die einen Leuchtstoff
beleuchtet, der die blaue Wellenlänge sowohl in die rote
als auch in die grüne Wellenlänge umwandelt und
wobei ein Teil des blauen Anregungslichts nicht durch den Leuchtstoff
absorbiert wird und das übrige blaue Anregungslicht mit
dem roten und grünen Licht, das vom Leuchtstoff emittiert wird,
kombiniert wird.
-
Bei
diesem zweiten Typ der Quellen für weißes Licht
gibt es das allgemeine Problem der Farbreproduktion unter den einzelnen
Quellen für weißes Licht. Aufgrund von Herstellungsunterschieden
bei den gebrauchten LEDs und den gebrauchten Farbumwandlungselementen – die
ebenfalls Wellenlängenumwandlungselement genannt werden – variieren
die verschiedenen Quellen für weißes Licht, die eine
Kombination aus einer LED und einem Farbumwandlungselement umfassen,
hinsichtlich ihrer Farbreproduktion.
-
Die
US 7,256,057 B2 schlägt
ein Verfahren vor, wobei das LED-Anregungslicht gemessen wird und
die optischen Eigenschaften des Leuchtstofffilmgegenstands bestimmt
werden. Die LED und das Farbumwandlungselement werden dann klassifiziert, und
die Farbumwandlungselemente aus einer spezifischen Klasse werden
an einer LED-Klasse mit der besten Compliance befestigt.
-
Um
allerdings die Farbreproduktion zu verbessern, ist es notwendig,
alle einzelnen Komponenten zu messen und die Zuordnung zu vielen
einzelnen Klassen mit nur kleinen Abweichungen innerhalb einer Klasse
ist notwendig, wenn die Farbreproduktion tatsächlich verbessert
werden sollte. Dieses Verfahren ist sehr zeitaufwendig. Weiterhin,
selbst für eine sehr feine Klassifikation der einzelnen
Komponenten, sind kleine Änderungen der Farbtemperatur zwischen
den einzelnen LEDs unvermeidbar.
-
Die
US 2006/0258028 A1 schlägt
vor, die Menge des Wellenlängen umwandelnden Materials zu ändern,
um das gewünschte Wellenlängenspektrum herzustellen.
Hierzu wird eine spezifische Menge der Wellenlängen umwandelnden
Materialien zunächst auf der LED abgeschieden, die Farbtemperatur
wird gemessen und dann wird die Menge des Wellenlängen
umwandelnden Materials vermindert, bis die gewünschte Farbtemperatur
erreicht ist.
-
Der
Vorteil bei dieser Sache besteht darin, dass die Verringerung der
Menge des Wellenlängen umwandelnden Materials technologisch
kompliziert und zeitaufwendig ist (z. B. Laserablation) oder die Materialien
der Wellenlängenumwandlungselemente schädigen
kann, was beispielsweise bei den Ätztechniken vorkommen
kann.
-
Die
US 7,250,715 B2 schlägt
ein Wellenlängenumwandlungselement vor, das eine Mischung aus
ersten und zweiten Wellenlängen umwandelnden Materialien
und weiterhin ein Material, das die Wellenlängen nicht
umwandelt, umfasst. Um das Wellenlängenumwandlungselement
auf verschiedene Anwendungen anzuwenden und die optischen Eigenschaften
des emittierten Lichts zu steuern, sind verschiedene Materialien
und Mischungen vorgeschlagen worden.
-
Der
Nachteil bei diesem Wellenlängenumwandlungselement besteht
darin, dass für jede Anwendung eine unterschiedliche Mischung
und ein unterschiedliches Wellenlängenumwandlungselement hergestellt
werden müssen, was technologisch kompliziert und zeitaufwendig
ist.
-
Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine lichtemittierende
Vorrichtung und ein entsprechendes Verfahren mit vereinfachter Feinabstimmung
der optischen Eigenschaften, z. B. die Emissionsfarben der lichtemittierenden
Vorrichtung, zur Verfügung zu stellen, um somit weiterhin
die Farbreproduktion unter den einzelnen lichtemittierenden Vorrichtungen
zu verbessern.
-
Diese
Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprühe gelöst.
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine lichtemittierende Vorrichtung,
die eine inhomogene Lichtquelle, die mindestens eine monochromatische
lichtemittierende Diode LED umfasst und ein Wellenlängenumwandlungselement,
das in Richtung des Lichts, das von der inhomogenen Lichtquelle
emittiert wird, angeordnet ist, aufweist, wobei das Wellenlängenumwandlungselement
eine inhomogene Verteilung von mindestens einem lumineszierenden
Material umfasst, wobei die inhomogene Lichtquelle und das Wellenlängenumwandlungselement
in Beziehung zueinander in der Weise positioniert sind, dass vordefinierte
optische Eigenschaften des Lichts, das von der lichtemittierenden
Vorrichtung emittiert wird, erreicht werden.
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Bereitstellung
einer lichtemittierenden Vorrichtung mit vordefinierten optischen
Eigenschaften des emittierten Lichts, wobei die lichtemittierende
Vorrichtung eine inhomogene Lichtquelle, die mindestens eine monochromatische
lichtemittierende Diode LED umfasst und ein Wellenlängenumwandlungselement,
das in Richtung des Lichts, das von der inhomogenen Lichtquelle
emittiert wird, angeordnet ist, aufweist, wobei das Wellenlängenumwandlungselement
eine inhomogene Verteilung von mindestens einem lumineszenten Material
umfasst, wobei das Verfahren die Stufen des Bestimmens der optimalen Position
der inhomogenen Lichtquelle und des Wellenlängenumwandlungselements
in Bezug zueinander, so dass vordefinierte optische Eigenschaften
des Lichts, das von der lichtemittierenden Vorrichtung emittiert
wird, erreicht werden und des Befestigens der inhomogenen Lichtquelle
und des Wellenlängenumwandlungselements in dieser optimalen
Position in Beziehung zueinander umfasst.
-
Vorteilhafte
Merkmale und Ausführungsformen sind Gegenstände
der Unteransprüche.
-
Die
vorliegende Erfindung wird nun im Einzelnen in der folgenden Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform im Zusammenhang mit den
anliegenden Zeichnungen erklärt, worin
-
1 die
allgemeine Struktur einer erfindungsgemäßen lichtemittierenden
Vorrichtung zeigt;
-
2 ein
Gerät zur Texturierung einer Schicht einer LED zeigt,
-
3, 4a und 4b verschiedene
Bilder von Rillen innerhalb einer Schicht einer LED zeigen,
-
5 Diagramme
mit den Höhenprofilen für die Rillenlinien, die
mit verschiedenen Laserstärken geschrieben worden sind,
zeigt,
-
6 zeigt
ein Diagramm des Verstärkungsfaktors für die Lichtextraktion
in Abhängigkeit von der Laserstärke, zeigt,
-
7 eine
Ausführungsform für eine texturierte Schicht einer
LED zeigt,
-
8 die
optischen Querschnitte der Lichtintensitätsverteilung einer
LED nach 7 zeigt,
-
9 einen
Algorithmus für die Bereitstellung eines willkürlichen
Musters auf einer LED-Oberfläche zeigt,
-
10 eine
weitere Ausführungsform für die texturierte Schicht
einer LED zeigt,
-
11 eine
weitere Ausführungsform für eine texturierte Schicht
einer LED zeigt,
-
12 eine
erste Ausführungsform für ein erfindungsgemäßes
Wellenlängenumwandlungselement zeigt,
-
13 eine
weitere Ausführungsform für eine texturierte Schicht
einer LED zeigt,
-
14 ein
Wellenlängenumwandlungselement und die inhomogene Lichtquelle
in einer ersten Position zeigt,
-
15 das
Wellenlängenumwandlungselement und die inhomogene Lichtquelle
in einer zweiten Position zeigt,
-
16 eine
erste Ausführungsform für eine Anordnung von LEDs
zeigt,
-
17 eine
lichtemittierende Vorrichtung, die eine Anordnung von LEDs umfasst,
zeigt,
-
18 eine
weitere Ausführungsform für ein erfindungsgemäßes
Wellenlängenumwandlungselement zeigt,
-
19 eine
zweite Ausführungsform für eine Anordnung von
LEDs zeigt,
-
20 eine
weitere Ausführungsform für ein erfindungsgemäßes
Wellenlängenumwandlungselement zeigt,
-
21a und 21b weitere
Ausführungsformen für ein erfindungsgemäßes
Wellenlängenumwandlungselement zeigen,
-
22 eine
erfindungsgemäße lichtemittierende Vorrichtung
zeigt,
-
23 eine
erfindungsgemäße lichtemittierende Vorrichtung
mit einem befestigten Wellenlängenumwandlungselement zeigt
und
-
24 ein
Flussdiagramm mit den Stufen gemäß dem erfindungsgemäßen
Verfahrens zeigt.
-
Mit
Bezug auf die 1 wird nun die allgemeine Idee
der vorliegenden Erfindung beschrieben. 1 zeigt
eine lichtemittierende Vorrichtung 1, die eine inhomogene
Lichtquelle 2 und ein Wellenlängenumwandlungselement 3,
das in Richtung des Lichts, das von der inhomogenen Lichtquelle 2 emittiert
wird, angeordnet ist, aufweist.
-
Die
erfindungsgemäße lichtemittierende Vorrichtung 1 entspricht
hier den weißen Lichtquellen vom zweiten Typ, die zuvor
erklärt worden sind. Hier wird im Allgemeinen eine Lichtquelle
mit einem engen Emissionswellenlängenbereich zur Verfügung gestellt,
das Licht, das von der Lichtquelle emittiert wird, trifft auf das
Wellenlängenumwandlungselement, das mindestes ein lumineszentes
Material umfasst, auf, so dass mit der gesamten lichtemittierenden
Vorrichtung 1 eine weiße Lichtquelle zur Verfügung
gestellt ist.
-
Nach
der Idee der vorliegenden Erfindung weist die inhomogene Lichtquelle 2 eine
Lichtintensitätsverteilung, die entlang der Oberfläche,
der aktiven Schicht oder verschiedener Teile der Lichtquelle unterschiedlich
ist, die das Licht emittiert, auf. Die inhomogene Lichtquelle 2 kann
jeweils eine einzelne LED mit spezifischen Eigenschaften sein, so
dass die Lichtintensitätsverteilung entlang der aktiven
Schicht, entlang der Oberfläche oder allgemein gesprochen, entlang
jeder Schicht, die die Lichtemissionsintensitäten beeinflusst,
variiert. Nach einer anderen Ausführungsform kann eine
Anordnung von einigen LEDs zur Verfügung gestellt sein,
wobei mindestens zwei LEDs unterschiedliche Lichtintensitätsemissionseigenschaften
aufweisen.
-
Zur
Klarstellung, der Ausdruck „inhomogen”, wenn dieser
zur Beschreibung der Lichtquelle verwendet wird, soll die unterschiedliche
Lichtintensitätsverteilung wiedergeben.
-
Weiterhin
ist erfindungsgemäß ein Wellenlängenumwandlungselement 3 vorgesehen,
das eine inhomogene Verteilung von mindestens einem lumineszenten
Material umfasst. Wie später beschrieben werden wird, können
verschiedene Ausführungsformen und Möglichkeiten
angewendet werden, um eine inhomogene Verteilung von mindestens
einem lumineszenten Material zu erreichen. Aufgrund der inhomogenen
Verteilung unterscheidet sich das Wellenlängenumwandlungselement 3 entlang
seiner Längenausdehnung hinsichtlich seiner lumineszenten
Eigenschaften, das heißt, es ist unterschiedlich im Hinblick
auf seine Transmissionseigenschaften, die emittierte Wellenlänge
oder dergleichen.
-
Bei
der Verwendung einer inhomogenen Lichtquelle 2 und eines
Wellenlängenumwandlungselements 3 mit einer inhomogenen
Verteilung von mindestens einem lumineszenten Material, ergeben sich
verschiedene Positionen für die inhomogene Lichtquelle 2 und
das Wellenlängenumwandlungselement 3 in Beziehung
zueinander im Hinblick auf verschiedene optische Eigenschaften des
emittierten Lichts, insbesondere hinsichtlich der verschiedenen Farbtemperaturen
und Emissionsspektren. Deswegen schlägt die vorliegende
Erfindung weiterhin vor, die inhomogene Lichtquelle 2 und
das Wellenlängenumwandlungselement 3 in Beziehung
zueinander in der Weise zu positionieren, dass vordefinierte optische
Eigenschaften des Lichts, das von der lichtemittierenden Vorrichtung 1 emittiert
wird, erreicht werden.
-
Insbesondere
können dadurch die Farbtemperatur und die Farbreproduktion
verbessert werden. Mit der korrekten Einstellung des Wellenlängenumwandlungselements 3 auf
der inhomogenen Lichtquelle 2 ist eine weitere Verbesserung
der Farbreproduktion im Vergleich zu vorherigen Versuchen möglich.
-
Die
inhomogene Lichtquelle kann eine einzelne LED oder eine Anordnung
von einigen LEDs sein. Hierzu können in der vorliegenden
Erfindung verschiedene Typen von LEDs verwendet werden, z. B. eine
dünne GaN-Oberfläche emittierende LED oder eine
Flip-Chip-LED des Typs TG 1 mm2 High power
LED oder die TG 600 μm Mid Power LED, bei der ein Saphirsubstrat
angewendet wird (oder ein ähnliches transparentes Material
mit im Wesentlichen gleichen Brechungsindex) und die ihre Emissionsschicht
(GaN oder ähnliches) am Boden der LED aufweist. Es wird
hier festgestellt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die
oben erwähnten LED-Typen beschränkt ist, sie kann
vielmehr auf jeden LED-Typ angewendet werden.
-
Die
zuvor beschriebenen Nachteile können mit einer erfindungsgemäßen
lichtemittierenden Vorrichtung 1 überwunden werden.
Zunächst richtet sich die Erfindung auf eine Feinabstimmungsprozedur, die
es ermöglicht, das Ausmaß der Farbänderung zwischen
den einzelnen lichtemittierenden Vorrichtungen 1 durch
eine geeignete Einstellung des Wellenlängenumwandlungselements 3 in
Beziehung zur inhomogenen Lichtquelle 2 weiterhin zu reduzieren. Zweitens,
es werden Ausführungsformen gegeben mit denen mit Hilfe
einer inhomogenen Verteilung von mindestens einem lumineszenten
Material und des Wellenlängenwandlungselements eine Farbreproduktion erreicht
werden kann, ohne dass zeitaufwendige Nachbehandlungsprozesse hinsichtlich
der Menge des Farbumwandlungsmaterials nötig sind. Ebenfalls
ist es mit der vorliegenden Erfindung möglich, Unzulänglichkeiten
bei der Herstellung der Wellenlängenumwandlungselemente
oder Unterschiede in der Emissionswellenlänge der Lichtquellen
auszugleichen, weil die Einstellung einer spezifischen Farbtemperatur
durch eine geeignete Einstellung der Position des Wellenlängenumwandlungselements 3 in
Beziehung zur inhomogenen Lichtquelle 2 durchgeführt
wird.
-
Zurückkommend
auf 1, kann die inhomogene Lichtquelle 2 in
einem Gehäuse 4 angeordnet sein. Das Wellenlängenumwandlungselement 3 ist
in diesem Fall auf dem Gehäuse 4 angeordnet. Damit
können das Gehäuse 4 und das Wellenlängenumwandlungselement 3 alle
möglichen Gestalten oder Formen einnehmen. Beispielsweise
kann das Gehäuse eine flache Gestalt aufweisen, und das Wellenlängenumwandlungselement 3 kann
die Form einer Tasse aufweisen, die über der inhomogenen Lichtquelle 2 angeordnet
ist. Andernfalls kann das Gehäuse 4 Wände
aufweisen, die die inhomogene Lichtquelle 2 umgeben, und
das Wellenlängenumwandlungselement 3 kann eine
flache Gestalt aufweisen, das auf dem Gehäuse 4 angeordnet
ist. In ähnlicher Weise sind ebenfalls Mischungen aus den oben
erwähnten Gestalten des Gehäuses 4 und
des Wellenlängenumwandlungselements 3 möglich.
-
Gemäß einer
anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden
die blauen LEDs zusätzlich zunächst klassifiziert,
was dazu hilfreich sein kann, um die anfänglichen Veränderungen
der Farbtemperaturen zu reduzieren, was schließlich durch die
vorliegende Erfindung verbessert werden kann.
-
In
einer anderen Ausführungsform können, neben den
LEDs, ebenfalls die Wellenlängenumwandlungselemente klassifiziert
sein. Dieses reduziert weiterhin die anfänglichen Abweichungen;
allerdings ist es Ziel der vorliegenden Erfindung, die Farbtoleranzen
durch eine zusätzliche Feinabstimmung, wie dieses durch
die vorliegende Erfindung beschrieben ist, weiterhin zu verbessern.
-
Im
Folgenden werden verschiedene Möglichkeiten zur Bereitstellung
der inhomogenen Lichtquelle 2 beschrieben. Nach einer ersten
Ausführungsform besteht die inhomogene Lichtquelle aus einer
oder einer kleinen Anzahl von LEDs, wobei die LED eine mindestens
teilweise texturierte Schicht aufweist. Hier soll der Ausdruck „Schicht” jede Schicht
innerhalb der LED bedeuten, die die Lichtemissionsintensitäten,
z. B. die aktive Schicht oder die Boden- oder Kopfoberfläche
der LED, beeinflussen kann. Die Schicht des LED ist texturiert oder
in der Weise strukturiert, dass Unterschiede in der Menge der Lichtextraktion
aus einzelnen Flächen der LED erreicht werden.
-
Die
Strukturierung von LED-Bodenschichten, insbesondere im Fall von
Flip-Chip-LEDs, die Strukturierung des Substrats, auf dem man die
aktive Halbleiterschicht wachsen lässt oder die Aufrauhung der
aktiven Halbleiterschicht als auch die Einführung von Licht
auskuppelnden Schichten, um die Lichtextraktion von der LED-Diode
zumindest teilweise zu erhöhen, sind bereits im Stand der
Technik beschrieben und diskutiert worden, wobei viele verschiedene Strukturen
und Strukturierungen als auch Aufrauhungstechniken beschrieben sind.
-
Auf
jeden Fall haben sich alle Studien auf die gesamte Verstärkung
der Lichtextraktion der LED-Farbstoffe gerichtet. Es ist das Ziel
der vorliegenden Erfindung, innovative Konzepte anzugeben, wobei
die LED-Farbstoffe selektiv strukturiert oder texturiert sind und
wobei die Unterschiede der Menge der Lichtextraktion aus einzelnen
Flächen der Chipoberfläche zielbewusst angewendet
werden.
-
Mit
Bezug auf die 2 wird nun im Folgenden ein
mögliches Gerät zur Texturierung einer Schicht
einer LED beschrieben. In der folgenden Beschreibung wird hier als
beispielhafte Technik eine Laserablation angewendet. Als eine Möglichkeit
für eine partielle Strukturierung einer Schicht wird im
Folgenden die Strukturierung einer Bodenoberfläche einer
Flip-Chip-LED erklärt.
-
2 zeigt
eine Skizze für ein Gerät, das angewendet wurde,
um Rillenlinien als exemplarische Objekte für die Oberflächenstrukturen
in die Rückseitenoberfläche eines Saphirsubstrats
einzuschreiben.
-
Das
Gerät 5 verwendet einen HeNe-Laserstrahl 6 und
einen fs-Laserstrahl 7. Das Gerät 5 besteht
aus einem kommerziellen 1 kHz fs-TI: ein Saphir-Laserverstärker,
der bei einer Wellenlänge von 800 nm und einer Lieferimpulsbreite
von ca. 150 fs als Kernelement arbeitet. Um die Laserstärke
einzustellen, ist ein elektro-optischer Modulator 9 in
dem optischen Pfad des fs-Laserstrahls integriert. Um eine Gausssche Intensitätsverteilung
zu erreichen, wird der Laserstrahl durch ein spezielles Filter 9,
das aus zwei Bikonvexlinsen mit einer Brennpunktlänge von
800 mm und einem Pinhole mit einem Durchmesser von 20 μm
besteht, gerichtet. Der fs-Laserstrahl 7 ist über
zwei Spiegel 12 zu einem Periskop 13 gerichtet.
Der He-Ne-Laserstrahl 6 wird durch eine 50-50-Strahlschnitteinrichtung 11 aufgespaltet,
und ein Teil des Laserstrahls 6 wird ebenfalls auf das
Periskop 13 gerichtet und der andere Teil wird auf eine Nachweiseinrichtung 10 gerichtet.
-
Nach
der Einstellung des Strahlprofils durch den Raumlichtfilter 9 wird
der Laserstrahl durch ein Periskop 13 in eine Fokussierungsoptik
geleitet, die im Fall der vorliegenden Erfindung aus einem 60x Mikroskopobjekt 16 mit
einer numerischen Apertur von 0,85 besteht.
-
Ein
xyz-Objekttisch hoher Präzision 14 mit der LED 17,
die auf einer xy-Plattform 15 befestigt ist und das Mikroskopobjektiv 16,
das auf einem vertikalen z-Objekttisch montiert ist, werden zur
Positionssteuerung des Strukturierungsprozesses verwendet. Die Rillenlinien 18 wurden
durch eine Bestrahlung der Rückseitenoberflächen
der Flip-Chip-LEDs 17 mit fs-Laserim-pulsen verschiedener
Laserstärken und eine gleichzeitige Bewegung des xy-Translationsobjekttisches 15,
auf dem die LED 17 befestigt war, mit einer spezifischen
Abtastgeschwindigkeit hergestellt. Auf diese Weise wurden Rillenlinien 18 aufgrund
einer teilweisen Überlappung der individuellen Strukturen,
die durch eine einzelne Impulsbestrahlung erzeugt wurden, gebildet.
-
Um
den Einfluss einzelner Laserstärken auf die Rillenlinienbildung
zu studieren und die Formen dieser Rillen mit der Änderung
der Lichtextraktion zu korrelieren, wurden Serien von einzelnen
LEDs hergestellt. Für jedes dieser LEDs, wurde die ganze Rückseitenoberfläche
des Saphirsubstrats strukturiert, und der Abstand zwischen zwei
aufeinanderfolgenden Rillenlinien wurde auf 3 μm für
jede der LEDs eingestellt.
-
Eine
Abtastgeschwindigkeit von 10 mm Min.–1 für
den Transla-tionsobjekttisch 15 bei einer Wiederholungsrate
von 1 kHz für den Laser wurde beobachtet, wobei man kontinuierliche
Rillenlinien 18 erhielt, während für
höhere Geschwindigkeiten Linien, die aus individuellen
Löchern und weniger aus einer kontinuierlichen Rille bestehen,
gebildet worden sind (insbesondere im Fall von geringeren Laserstärken).
-
Die
Profile der eingeschriebenen Rillen 18 wurden mit der Abstoßungskraftmikroskopie
AFM studiert. Als ein Beispiel ist in 3 ein AFM-Bild
der Rillen, die mit einer Laserstärke von 70 μW
eingeschrieben wurden, gezeigt. In 4a ist
ein 3D-AFM-Bild dieser Rillen, die mit einer Laserstärke von
70 μW erreicht wurden, gezeigt, während in 4b die
Rillen 18, die mit einer Laserstärke von 100 μW
erhalten wurden, gezeigt sind. Wie aus diesen Figuren zu ersehen
ist, erhöht sich die Tiefe, ausgehend von 70 μW
bis 100 μW, in großem Ausmaß. Dieses
Verhalten wird insbesondere aus 5 deutlich,
wo die Höhenprofile für die Rillenlinien 18,
die durch verschiedene Laserstärken eingeschrieben wurden,
aufgezeigt sind. Das Diagramm A zeigt eine Laserstärke
von 70 μW, das Diagramm B eine Laserstärke von
80 μW, das Diagramm C eine Laserstärke von 90 μW
und das Diagramm D eine Laserstärke von 100 μW.
Wie aus dem obigen Diagramm zu erkennen ist, erhöht sich
die Höhe oder Tiefe der eingeschriebenen Rillen 18 mit
der Laserstärke.
-
Um
die einzelnen Strukturen mit der erreichten Verbesserung der Lichtextraktion
in Verbindung zu bringen, wurden die Lichtausgangsstärken
von den Bodenseitenoberflächen der LEDs vor und nach der
fs-Strukturierung gemessen. Die
6 zeigt
den Verstärkungsfaktor F für die Lichtextraktion,
die durch
definiert werden kann, worin
I
B die optische Ausgangsstärke
zuvor und I
A die optische Ausgangsstärke
nach der Laserstrukturierung bedeuten. Der Verstärkungsfaktor
kann daher als eine Funktion der Laserstärken, mit denen
die Rillenlinien
18 geschrieben wurden, gemessen bei einem
Strom von 500 mA, definiert werden. Wie hier gesehen werden kann,
erhöht sich die Verstärkung der Lichtextraktion
fast linear mit der entsprechenden Laserstärke, was mit
den AFM-Messungen, die eine gleichzeitige Erhöhung der
Rillentiefe offenbarten, in Übereinstimmung ist.
-
Zur
Bereitstellung einer inhomogenen Lichtquelle 2 kann die
obige Möglichkeit des Einschreibens von Rillenlinien auf
verschiedene Weisen erfolgen. Beispielsweise kann ein Teil der LED-Oberfläche
texturiert werden, und der andere Teil kann niuntexturiert bleiben.
Andernfalls können verschiedene Teile der Oberflächen
mit verschiedenen Laserstärken texturiert werden. Die Texturierung
kann dabei periodische Formen, nicht periodische Formen aufweisen
oder sie kann irgendein mögliches Muster, was im Folgenden
gezeigt werden wird, umfassen.
-
Um
die Fähigkeit der Laserstrukturierung für die
Verstärkung der Lichtextraktion aus der Saphirrückseitenoberfläche
direkt hervorzuheben, zeigt 8 optische
Querschnitte auf der Lichtintensitätsverteilung eines teilweise
strukturierten LED-Chips, der in 7 gezeigt
ist. Für diesen Zweck wurde der LED-Chip in vier Bereiche
aufgeteilt, wie dieses schematisch in 7 erläutert
ist. Die Flächen A und B dieser Figur wurden mit den Laserstärken
80 μW bzw. 100 μW, (10 mm Min.–1,
Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Rillenlinien 3 μm)
strukturiert, während die Viertel C und D nicht strukturiert
blieben. Es wird bemerkt, dass für diese LED die Rillenlinien parallel
zur Y-Richtung geschrieben wurden, und die optischen Querschnitte
auf den Lichtintensitätsverteilungen wurden in X-Richtung
aufgezeichnet (entlang der weißen Linien der Viertel A–C
und B–D, die in 7 dargestellt sind). Gemäß dieser
Prozedur zeigt eine Hälfte der Bilder (der linke Teil in
jedem Fall) von 8 die Lichtintensitätsverteilung
von einer strukturierten Fläche, während der rechte
Teil von jedem der Bilder einen direkten Vergleich mit einer nicht
strukturierten Fläche darstellt.
-
Die
Werte für die Lichtintensität werden auf einer
linearen Farbspektrumskala für jedes Bild normalisiert
(wobei die rote Farbe die höchsten und die blaue Farbe
die niedrigsten Werte, bestimmt durch die Photodiode) darstellen.
Es wird bemerkt, dass die Position 0 in der Z-Richtung der Saphiroberfläche entspricht.
-
Wie
ersichtlich ist, erhöht die Schichtstrukturierung oder
die Strukturierung der LED (x-Bereich des optischen Bereichs von
0 bis 0,5 mm) die Lichtextraktion im großen Ausmaß im
Vergleich mit einer nicht strukturierten LED (0,5 bis 1,0 mm). Darüber
hinaus ist die aufgezeichnete Lichtintensität ebenfalls höher
für die Struktur, die mit einer Laserstärke von 100 μW
(siehe linker Teil von 8b) eingeschrieben ist,
im Vergleich mit der Struktur, die mit einer Laserstärke
von 80 μW eingeschrieben ist (siehe linker Teil der 8a). Diese Ergebnisse zeigen ebenfalls, dass
Strukturen, die mit einer höheren Laserstärke (größere
Rillen) geschrieben sind, die Lichtextraktion verstärken
und im Einklang mit den Ergebnissen sind, die man durch direktes
Messen der optischen Ausgangsleistungen der LEDs vor und nach der
Laserstrukturierung erhält.
-
Es
ist aus der obigen Beschreibung erkennbar, dass der Einfluss der
Lichtemissionsintensitäten durch die Strukturierung oder
Texturierung einer Schicht auf einigen verschiedenen Wegen zustande kommen
kann. Teile der Schicht können unter Anwendung unterschiedlicher
Laserstärken texturiert werden und/oder indem man Teile
der Schicht untexturiert lässt.
-
Die 9 und 10 zeigen
einen anderen Algorithmus für die lokale Verstärkung
der Lichtextraktion von den LED-Chips, wobei ein Muster 21,
das aus einer zweidimensionalen (2D) Anordnung von einzelnen Punkten
mit einer Periodizität von 2 μm sowohl in der
x- und y-Richtung, die ein „Dioden”-Symbol 19 bilden,
besteht, in das Saphirsubstrat 20 eingeschrieben wurde.
-
Das
Logo wurde mit Hilfe eines Graphikprogramms hergestellt, wobei das
Logo entworfen wurde und danach als Bitmap-Datei exportiert wurde.
Die weißen und schwarzen Bits der Datei wurden in die Werte „1” und „0” konvertiert,
was dem Laser- „an” bzw. Laser „aus” entspricht.
Somit wurde der CNC-Code für das direkte Laserschreiben
des Logos auf dem Saphirsubstrat des LED-Chips erzeugt, siehe 10.
Die Belichtungszeit des Laserstrahls, um einen der individuellen
Punkte herzustellen, wurde auf 5 ms eingestellt, was 5 Impulsen
entspricht.
-
Im
Hinblick auf die oben angegebenen Beispiele ist es möglich,
die Lichtextraktion von den LED-Chips lokal zu modifizieren. Diese
lokalen Abweichungen der Lichtextraktion können vorteilhafter Weise
dafür eingesetzt werden, um beispielsweise die Reproduktion
der Farbtemperatur unter individuellen LEDs zu verbessern.
-
Die
oben beschriebene Texturierung oder Strukturierung einer Schicht
ist eine erste Ausführungsform zur Änderung der
Lichtextraktion aus einer LED.
-
In
einer anderen Ausführungsform ist die Schicht oder eine
Oberfläche nicht texturiert, allerdings ist ein Material
für die Verstärkung oder Verringerung der Lichtextraktion
auf der LED angeordnet, was ein Flip-Chip oder Chip, das von seiner
Oberflächenseite emittiert, sein.
-
Weiterhin
ist dieses Material strukturiert. Dieses kann beispielsweise durch
Prägen einer Struktur erfolgen. Dieses Material kann nur
teilweise strukturiert sein, und in einer bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung sind einzelne Flächen des Materials
unterschiedlich strukturiert, um verschiedene Lichtextraktionseffizienzen
zwischen diesen Flächen zu induzieren. In einer anderen
bevorzugten Ausführungsform ist die gesamte Lichtextraktionsschicht
strukturiert, allerdings gibt es mindestens zwei einzelne Flächen
mit Strukturen, die in der Weise ausgestaltet sind, dass die Menge
der Lichtextraktion aus diesen Flächen unterschiedlich
ist.
-
Allerdings,
da es Inhalt der vorliegenden Erfindung ist, Flächen mit
individuellen Lichtintensitäten einzuführen, können
diese Veränderungen andererseits ebenfalls hergestellt
werden, indem die Lichtintensitäten in individuellen Flächen
des LED-Chips verringert werden. Dieses kann beispielsweise durch lokale
Abscheidung von Materialien auf dem LED-Chip, die teilweise das
Licht, das von der LED emittiert wird, absorbiert, geschehen. Beispielsweise kann
ein solches Material auf die LED mit Hilfe einer Maske aufgedampft
werden, so dass das Material beispielsweise nur in Viertel B von 7 abgeschieden
wird. In einer nächsten Stufe wird eine Maske mit einer
größeren Öffnung angewendet, so dass
das Material sowohl auf den Vierteln A als auch B abgeschieden wird.
Dieses bedeutet, dass die Lichtintensität in der Fläche
des Viertels B niedriger als diejenige von Viertel A sein wird,
die wieder niedriger als diejenige der Viertel C und D ist.
-
In 11 ist
eine Ausführungsform des Wellenlängenumwandlungselements
gezeigt, das eine ansteigende Menge oder Konzentration eines lumineszenten
Materials von der einen Seite des Wellenlängenumwandlungselements
zur anderen Seite aufweist, was in der 11 durch
Dichtelinien 22 gezeigt ist.
-
In
einer weiteren Ausführungsform für die inhomogene
Lichtquelle 2 wird, anstelle eines einzelnen LED, eine
Anordnung mit einer Vielzahl von LEDs verwendet, wobei mindestens
zwei Gruppen von LEDs mit verschiedenen Lichtemissionseigenschaften
gebildet sind. Das bedeutet, dass ein Teil der LEDs eine Lichtextraktionseffizienz
aufweist, die höher als die Lichtextraktionseffizienz der
anderen LEDs innerhalb der Anordnung ist. Die LEDs der Anordnung
sind hier bevorzugt vom gleichen Typ, allerdings haben sie eine
unterschiedliche Lichtextraktionseffizienz, was auf die Strukturierung,
eine Lichtextraktionsschicht, eine spezifische Optik oder dergleichen
zurückzuführen ist.
-
Eine
andere Möglichkeit besteht darin, verschiedene Typen von
LEDs mit verschiedenen Wellenlängenemissionsbereichen,
z. B. UV-LEDs, in Kombination mit blauen LEDs zur Verfügung
zu stellen.
-
Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Möglichkeiten
der Bereitstellung einer inhomogenen Lichtquelle 2 beschränkt,
sondern sie umfasst jede andere Möglichkeit des Bereitstellens einer
inhomogenen Lichtquelle, das heißt, eine Lichtquelle mit
variierenden Lichtemissionseigenschaften entlang seiner Ausdehnung,
das heißt, variierende Wellenlängenbereiche und/oder
variierende Intensitäten. Zusätzlich können
die oben erwähnten Ausführungsformen ebenfalls
nach Eignung kombiniert werden, beispielsweise kann als eine inhomogene
Lichtquelle 2 eine Anordnung von LEDs verwendet werden,
wobei die LEDs strukturierte Schichten aufweisen, so dass die Lichtemissionsintensität
innerhalb der verschiedenen LEDs unterschiedlich ist. Weiterhin
ist die vorliegende Erfindung nicht auf einen Flip-Chip oder die
Oberflächenstrukturierung beschränkt, sondern
auf alle Methoden, die eine lokale und selektive Modifikation der
Lichtextraktionseffizienzen von LED-Chips ermöglichen.
-
Weiterhin
sind die oben erwähnten Ausführungsformen und
Möglichkeiten der Bereitstellung einer inhomogenen Lichtquelle
nicht auf die Verwendung innerhalb einer erfindungsgemäßen
lichtemittierenden Vorrichtung beschränkt, sondern können separat
oder in irgendeiner anderen Anwendung eingesetzt werden.
-
Nun
werden im Folgenden verschiedene Ausführungsformen des
Wellenlängenumwandlungselements im Einzelnen beschrieben.
Im Allgemeinen umfasst das Wellenlängenumwandlungselement 3 eine
inhomogene Verteilung von mindestens einem lumineszenten Material.
Die Verteilung kann durch Ändern der Konzentration des
lumineszenten Materials innerhalb eines anderen Materials, durch Ändern
der Menge des lumineszenten Materials oder dergleichen variiert
werden. In jedem Fall muss die Verteilung inhomogen sein, das heißt,
das Wellenlängenumwandlungselement 3 weist innerhalb
unterschiedlicher Teile unterschiedliche Lumineszenz oder Wellenlängenumwandlungseigenschaften
auf.
-
Eine
erste Möglichkeit besteht darin, ein Wellenlängenumwandlungselement 3,
das ein einzelnes lumineszentes Material umfasst, zur Verfügung
zu stellen. Hier besteht das Wellenlängenumwandlungselement 3 aus
einem lumineszenten Material, das in einem mindestens teilweise
transparenten Matrixmaterial eingebettet ist. Das Wellenlängenumwandlungselement 3 ist
in der Weise hergestellt, dass die Konzentration des lumineszenten
Materials in dem Wellenlängenumwandlungselement nicht homogen
ist.
-
In
einer Ausführungsform kann das Wellenlängenumwandlungselement 3 aus
zwei Bereichen mit unterschiedlichen Konzentrationen des gleichen lumineszenten
Materials in dem Matrixmaterial bestehen. Der Ausdruck „Bereich” bedeutet
hier verschiedene Teile des Wellenlängenumwandlungselements 3,
wobei diese Bereiche jede Form aufweisen und zueinander angrenzend
angeordnet sind, wobei sich die Bereiche in Richtung des emittierten
Lichts nicht überlappen.
-
Ein
Beispiel für dieses Wellenlängenumwandlungselement 3 ist
in 12 gezeigt. Das Wellenlängenumwandlungselement 3 besteht
in diesem Beispiel aus zwei Bereichen 3a und 3b,
wobei die Konzentration des lumineszenten Materials im ersten Bereich 3a niedriger
oder höher als die Konzentration des lumineszenten Materials
im zweiten Bereich 3b ist. Diese Wellenlängenumwandlungselemente 3 können
beispielsweise hergestellt werden, indem der erste Bereich 3a mit
der ersten Konzentration geformt wird und der zweite Bereich 3b mit
einer anderen Konzentration in einem zweiten Formschritt hinzugefügt
wird. In einer anderen Ausführungsform erhöht
sich die Konzentration des lumineszenten Materials allmählich
von einer Seite des Wellenlängenumwandlungselements 3 zu
der anderen. In einer weiteren Ausführungsform kann die
Konzentration des lumineszenten Materials innerhalb des Wellenlängenumwandlungselements 3 konstant
sein, allerdings kann die Menge, das heißt die Dicke des
Wellenlängenumwandlungselements 3, variieren,
so dass ebenfalls die Menge des lumineszenten Materials variiert.
-
Wieder
zurückkommend auf die 12, ist das
Wellenlängenumwandlungselement 3 mit den zwei
Bereichen 3a, 3b mit den unterschiedlichen Konzentrationen
des lumineszenten Materials oben auf einer inhomogenen Lichtquelle 2 angeordnet,
wie dieses bereits mit Bezug auf 11 erklärt
wurde. Aufgrund der inhomogenen Lichtemissionseigenschaften der
inhomogenen Lichtquelle 2 und der inhomogenen Wellenlängenumwandlungseigenschaften
des Wellenlängenumwandlungselements 3, variieren
die optischen Eigenschaften des Lichts, das von der gesamten Anordnung
emittiert wird, in Abhängigkeit der Position, in der das
Wellenlängenumwandlungselement 3 in Beziehung
zur inhomogenen Lichtquelle 2 angeordnet ist. Somit können
durch Änderung der Position des Wellenlängenumwandlungselements 3 in
Beziehung zur inhomogenen Lichtquelle 2 die optischen Eigenschaften
des Lichts, das von der gesamten Anordnung emittiert wird, ebenfalls
variiert werden. Die Einzelheiten der Positionierung werden nachfolgend
beschrieben.
-
Nach
einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
umfasst das Wellenlängenumwandlungselement 3 nicht
nur ein einzelnes lumineszentes Material, sondern es umfasst mindestens zwei
lumineszente Materialien. Diese verschiedenen lumineszenten Materialien
weisen mindestens einen kleinen Unterschied hinsichtlich ihrer Emissionswellenlänge
auf.
-
In
einer Ausführungsform besteht das Wellenlängenumwandlungselement 3 ebenfalls
aus den in 12 gezeigten zwei Bereichen 3a, 3b,
wobei jeder der Bereiche 3a und 3b ein unterschiedliches
lumineszentes Material umfasst. Eine andere Möglichkeit
besteht darin, zwei Bereiche mit verschiedenen Mischungen aus zwei
oder mehreren unterschiedlichen lumineszenten Materialien zur Verfügung
zu stellen.
-
Zusammengefasst,
für das Wellenlängenumwandlungselement 3 könne
zwei oder sogar mehr Bereiche zusammen geformt werden, wobei jeder Bereich
ein oder mehrere lumineszente Materialien umfasst, so dass mindestens
zwei Bereiche unterschiedliche Wellenlängenumwandlungseigenschaften
aufweisen. Hierzu können die Mischung und/oder die Konzentration
des einen oder mehrerer lumineszenter Materialien verändert
sein. Weiterhin können im Fall, dass verschiedene Bereiche
innerhalb des Wellenlängenumwandlungselements vorgesehen sind,
dann diese Bereiche die gleiche Größe aufweisen
oder sie können hinsichtlich der Größe
unterschiedlich sein.
-
Als
lumineszentes Material können entweder organische Materialien
oder anorganische Leuchtstoffe verwendet werden. Das lumineszente
Material kann die Form von Nanokristallen aufweisen. Im Fall von
organischen Leuchtstoffen kann das lumineszente Material ein Material
aus einer der Klassen Leuchtstoffe vom YAP-Typ, Leuchtstoffe vom
BOSE-Typ oder Leuchtstoffe vom Nitrid-Typ mit einer spezifischen
stöchiometrischen Zusammensetzung sein, oder das lumineszente
Material ist eine Kombination aus mindestens zwei Materialien der
Klassen Leuchtstoffe vom YAP-Typ, Leuchtstoffe vom BOSE-Typ oder
Leuchtstoffe vom Nitrid-Typ.
-
Es
ist festzustellen, dass das erfindungsgemäße Wellenlängenumwandlungselement 3 nicht
auf die Anwendung innerhalb einer erfindungsgemäßen lichtemittierenden
Vorrichtung beschränkt ist, sondern es kann separat oder
innerhalb jeder anderen Anwendung verwendet werden.
-
Im
Folgenden werden nun verschiedene Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung im Einzelnen erklärt. Hierzu werden
verschiedene Typen von inhomogenen Lichtquellen 2, verschiedene Typen
von Wellenlängenumwandlungselementen 3 und verschiedene
Positionierungen in Beziehung zueinander im Einzelnen beschrieben.
-
Um
eine lichtemittierende Vorrichtung mit vordefinierten optischen
Eigenschaften des emittierten Lichts, insbesondere mit einer verbesserten
Farbreproduktion herzustellen, wird das Wellenlängenumwandlungselement 3 in
einer ersten Position in Beziehung zur inhomogenen Lichtquelle angeordnet, und
die optischen Eigenschaften des emittierten Lichts werden gemessen.
Danach gibt es verschiedene Methoden, um die beste Position des
Wellenlängenumwandlungselements 3 in Beziehung
zur inhomogenen Lichtquelle 2 herauszufinden. Hierzu können
die verschiedenen Positionen eine Drehung des Wellenlängenelements 3 um
eine Achse, die senkrecht zur inhomogenen Lichtquelle 2 ist und/oder
die Verschiebung des Wellenlängenelements 3 entlang
einer Ebene, die parallel zur inhomogenen Lichtquelle 2 ist,
umfassen. Hierbei ist die oben erwähnte Achse, wie bereits
erklärt wurde, senkrecht zur inhomogenen Lichtquelle 2,
das heißt, sie erstreckt sich in die Richtung des Lichts,
die von der inhomogenen Lichtquelle emittiert wird. Weiterhin ist
die oben erwähnte Ebene, wie bereits erklärt wurde,
parallel zur inhomogenen Lichtquelle 2, das heißt, sie
erstreckt sich in eine Richtung, die senkrecht zum Licht ist, die
von der inhomogenen Lichtquelle 2 emittiert wird.
-
Als
ein exemplarisches Beispiel wird dieses nun im Einzelnen mit Bezug
auf die 12 erklärt. Das Wellenlängenumwandlungselement 3 wird
zunächst auf der inhomogenen Lichtquelle 2 in
einer Weise angeordnet, dass beispielsweise der erste Bereich 3a mit
der Seite der inhomogenen Lichtquelle 2 überlappt,
die die niedrigere Lichtextraktionseffizienz aufweist, während
der zweite Bereich 3b mit der Seite der inhomogenen Lichtquelle 2 überlappt,
die die höhere Lichtextraktionseffizienz aufweist. Die
optische Eigenschaft des Lichts, das von der auf diese Weise konstruierten
lichtemittierenden Vorrichtung emittiert wird, insbesondere das
Gesamtemissionsspektrum, wird mit einer Messeinheit 23 gemessen. Nun
wird eine bevorzugte Ausführungsform erklärt, um
die beste Position des Wellenlängenelements 3 und
der inhomogenen Lichtquelle 2 in Beziehung zueinander herauszufinden.
-
Nach
dieser ersten Ausführungsform wird in der nächsten
Stufe das Wellenlängenumwandlungselement wieder aufgenommen,
und entweder das Wellenlängenumwandlungselement 3 oder
die inhomogene Lichtquelle 2 werden um 180° gedreht,
und das Wellenlängenumwandlungselement 3 wird
wieder auf der inhomogenen Lichtquelle 2 angeordnet. In
diesem Beispiel einer Drehung von 180° überlappt nun
der erste Bereich 3a mit der Seite mit einer höheren
Lichtextraktionseffizienz und umgekehrt überlappt nun der
zweite Bereich 3b mit der Seite, die die niedrigere Lichtextraktionseffizienz
aufweist. Demzufolge wird es einen geringen Unterschied im Gesamtemissionsspektrum
geben, das heißt, in den optischen Eigenschaften des emittierten
Lichts für die zwei möglichen Positionen des Wellenlängenumwandlungselements 3 in
Beziehung zur inhomogenen Lichtquelle 2.
-
In
der bevorzugten Ausführungsform werden alle möglichen
Kombinationen der Anordnung des Wellenlängenumwandlungselements 3 in
Beziehung zur inhomogenen Lichtquelle 2 ausprobiert, und
die optischen Eigenschaften werden gemessen und dann wird bestimmt,
welche der Positionen die optimale Position ist, das heißt,
welche Position ergibt eine Farbtemperatur, die näher an
der gewünschten ist, das heißt, welche ist die
Anordnung, in der das Wellenumwandlungselement schließlich
montiert werden sollte.
-
In
einer anderen Ausführungsform wird das Wellenlängenumwandlungselement 3 nur
in einer ersten Position in Beziehung zur inhomogenen Lichtquelle 2 angeordnet,
und die optischen Eigenschaften werden mit einer Messeinheit 23 gemessen.
Danach erkennt und berechnet ein Computeralgorithmus aus diesen
gemessenen optischen Eigenschaften, ob eine Änderung der
Position ein besseres Spektrum und bessere optische Eigenschaften
ergeben würde oder nicht, und entsprechend wird das Wellenlängenumwandlungselement 3 entweder
in der ersten oder in einer anderen errechneten Position montiert.
Es ist deutlich aus der vorangegangenen Beschreibung, dass in Abhängigkeit
des Typs, der inhomogenen Lichtquelle 2 und in Abhängigkeit
des Typs des Wellenlängenumwandlungselements 3 zwei
oder mehr Positionen möglich sind. Nach den oben beschriebenen
Methoden können entweder alle oder mindestens einige der
möglichen Positionen ausprobiert und gemessen werden, oder
nur eine oder wenige Positionen können ausprobiert und
gemessen werden, und die anderen Positionen werden mit einem Computer
errechnet, so dass in jedem Fall die optimale Position mit den vorbestimmten
optischen Eigenschaften des emittierten Lichts bestimmt werden kann.
-
Mit
Bezug auf die 13, 14 und 15 wird
im Folgenden eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
lichtemittierenden Vorrichtung 1 erklärt. Die 13 zeigt
eine inhomogene Lichtquelle 2 mit vier verschiedenen Flächen
A, B, C und D. Mindestens zwei dieser Flächen haben verschiedene
Lichtextraktionseffizienzen, entweder durch die Anordnung einer
strukturierten Schicht der LED oder durch Anordnen eines Materials
mit Flächen mit verschiedenen Lichttransmissionseigenschaften
auf der LED, was bereits zuvor beschrieben wurde. In jedem Fall
weisen mindestens zwei der Flächen unterschiedliche Lichtextraktionseffizienzen auf.
In der vorliegenden Ausführungsform sind beispielsweise
die Fläche A und die Fläche B texturiert, während
die Flächen C und D untexturiert bleiben. Die Flächen
A und B sind in einer Weise texturiert, dass die Lichtextraktionseffizienz
für diese zwei Flächen unterschiedlich ist. In
einer anderen Ausführungsform können alle vier
Flächen strukturiert sein, und die Art der Textur wird
in einer Weise gewählt, dass die Lichtextraktionseffizienz
aus den Flächen C und D gleich sind, allerdings kleiner
als diejenige von beispielsweise Fläche B, die wieder kleiner
als diejenige der Fläche A ist.
-
Wie
bereits mit Bezug auf die 12 erklärt und
in 14 gezeigt worden ist, ist das Wellenlängenumwandlungselement 3 auf
der inhomogenen Lichtquelle 2 in einer Weise angeordnet,
dass beispielsweise der erste Bereich 3a mit den Flächen
A und B überlappt und der zweite Bereich 3b mit
den Flächen C und D überlappt. Dadurch wird das
lumineszente Material des ersten Bereichs 3a des Wellenlängenumwandlungselements 3 einen
höheren Beitrag zum Gesamtemissionsspektrum ergeben, weil
die Lichtintensität in den Flächen A und B höher als
diejenige der Flächen C und D ist. Die gesamten optischen
Eigenschaften, insbesondere das Gesamtemissionsspektrum, wird mit
der Messeinheit 23 gemessen.
-
Als
nächstes wird das Wellenlängenumwandlungselement
wieder aufgenommen, und es wird entweder das Wellenlängenumwandlungselement 3 oder
die inhomogene Lichtquelle 2 um 90° gedreht, und
das Wellenlängenumwandlungselement 3 wird wieder,
wie in 15 gezeigt ist, auf der inhomogenen
Lichtquelle 2 angeordnet. Im Fall der exemplarischen Drehung
um eine Achse, die senkrecht zur inhomogenen Lichtquelle 2 ist, überlappt
nun der erste Bereich des Wellenlängenumwandlungselements 3 mit
den Flächen A und C, während der zweite Bereich 3b mit
den Flächen B und D überlappt, was ein kaum unterschiedliches
Emissionsspektrum und kaum unterschiedliche optische Eigenschaften
ergeben wird. Auf diese Weise sind vier Kombinationen von Positionen
möglich und für jede davon werden die optischen
Eigenschaften des emittierten Lichts etwas unterschiedlich sein,
weil für alle der vier Positionen die zwei Bereiche 3a und 3b mit
verschiedenen Lichtextraktionseffizienzen von der inhomogenen Lichtquelle 2 belichtet
werden.
-
In
einer Ausführungsform kann das Emissionsspektrum für
alle vier möglichen Kombinationen gemessen werden, und
die Einstellung, die optische Eigenschaften ergibt, die den gewünschten
optischen Eigenschaften am nächsten sind, das heißt, die
am nächsten zur gewünschten korrelierten Farbtemperatur
sind, ist diejenige, in der das Wellenlängenumwandlungselement 3 schließlich
montiert wird.
-
In
einer anderen Ausführungsform, wie bereits erklärt
wurde, wird das Wellenlängenumwandlungselement 3 angeordnet,
das Spektrum wird gemessen und der Computer berechnet, welche der vier
Positionen die beste sein wird, und das Wellenlängenumwandlungselement 3 wird
in dieser Position in einer Befestigungs- oder Montierstufe montiert.
-
Wie
bereits erklärt worden ist, kann ebenfalls eine Anordnung
aus einigen LEDs als homogene Lichtquelle 2 verwendet werden.
Diese inhomogene Lichtquelle, die aus zwei Typen von LEDs besteht,
ist in 16 gezeigt. In dieser Ausführungsform
ein erster LED-Typ 24 und ein zweiter LED-Typ 25 bereitgestellt.
Die LEDs können beispielsweise, wie in 16 gezeigt
ist, in quadratischer oder kreisförmiger Form angeordnet
sein. In diesem Beispiel besteht eine Hälfte der LED-Anordnung
aus einem ersten Typ von LEDs 24, der eine erste Lichtextraktionseffizienz
aufweist, die höher als die Lichtextraktionseffizienz der zweiten
LED-Typen 25 ist, die in der zweiten Hälfte der
LED-Anordnung vorhanden sind. Das bedeutet, dass in diesem Beispiel
alle LEDs der Anordnung vom gleichen Typ sind, allerdings weisen
die ersten LED-Typen 24 eine höhere Lichtextraktionseffizienz als
die zweiten LED-Typen wegen der Strukturierung, einer Lichtextraktionsschicht,
einer spezifischen Optik oder dergleichen auf.
-
Die
in 17 gezeigte inhomogene Lichtquelle 2 kann
in einem Gehäuse 4 untergebracht sein. Das Wellenlängenumwandlungselement 3 ist auf
dem Gehäuse angeordnet. In dem vorliegenden Beispiel umfasst
das in 18 gezeigte Wellenlängenumwandlungselement 3 zwei
Bereiche 3a und 3b auf, die unterschiedliche Wellenlängenumwandlungseigenschaften
aufweisen.
-
In
einer ersten Stufe wird das Wellenlängenumwandlungselement 3 wieder
auf der inhomogenen Lichtquelle 2 in einer Weise angeordnet,
dass der erste Bereich 3a mit den LEDs vom ersten Typ 24 überlappt
und der zweite Bereich 3b mit den LEDs vom zweiten Typ 25 überlappt.
Wie bereits zuvor erklärt wurde, können verschiedene
Positionen des Wellenlängenumwandlungselements 3 in
Beziehung zur inhomogenen Lichtquelle 2 ausprobiert und
gemessen werden, oder ein Computeralgorithmus kann die beste Position
berechnen.
-
Das
Wellenlängenumwandlungselement 3 kann hiermit
in diskreten unterschiedlichen Positionen in Beziehung zur inhomogenen
Lichtquelle 2 positioniert sein, oder das Wellenlängenumwandlungselement 3 kann
kontinuierlich entweder in die Richtung T1 oder
in die Richtung T2 gedreht werden, während
die entsprechenden optischen Eigenschaften des emittierten Lichts
gemessen werden. Somit können ebenfalls geringe Änderungen
der optischen Eigenschaften gemessen werden, so dass ein sehr präzises
Feintuning erreicht werden kann.
-
Es
wird ebenfalls festgestellt, dass das erfindungsgemäße
Wellenlängenumwandlungselement verschiedene Formen aufweisen
kann. Das Wellenlängenumwandlungselement kann eine flache
Form aufweisen oder es kann die Form einer, wie in 12 gezeigt,
Tasse aufweisen. Im Falle einer Tasse können die Wände
der Tasse orthogonal zum Boden der Tasse sein oder können
jede andere Orientierung in Beziehung zum Boden aufweisen. Weiterhin
kann das Wellenlängenumwandlungselement 3 eine
quadratische, eine kreisförmige Form oder jede andere Form
in Abhängigkeit der Anforderungen der zu konstruierenden
lichtemittierenden Vorrichtung aufweisen.
-
Wie
bereits erwähnt, ist das Wellenlängenumwandlungselement 3 nicht
auf zwei Bereiche eingeschränkt, sondern es kann, wie in 20 gezeigt, drei
oder mehr Bereiche aufweisen. 20 zeigt
das Beispiel eines kreisförmigen Wellenlängenumwandlungselements 3,
worin verschiedene Verteilungen von mindestens einem lumineszenten
Material verschiedene Wellenlängeneigenschaften der verschiedenen
Bereiche 3a, 3b, 3c des Wellenlängenumwandlungselements 3 ergeben.
Dieses Wellenlängenumwandlungselement 3 kann in
vorteilhafter Weise mit einer inhomogenen Lichtquelle 2,
die eine Anordnung unterschiedlicher LEDs ist, wie in 19 gezeigt
ist, verwendet werden. Hiermit sind 1/3 der LEDs LEDs vom ersten
Typ 24 und der Rest sind LEDs vom zweiten Typ 25.
-
In
einer vorteilhaften Ausführungsform sind die LEDs vom ersten
Typ 25 UV-LEDs und die LEDs vom zweiten Typ 25 sind
blaue LEDs. In diesem Fall umfassen die drei unterschiedlichen Bereiche
des Wellenlängenumwandlungselements 3 verschiedene lumineszente
Materialien, z. B. ein Blau emittierendes, ein Grün emittierendes
und ein Rot emittierendes. Wieder, wie bereits zuvor beschrieben
wurde, wird das Wellenlängenumwandlungselement 3 in verschiedenen
Positionen auf der inhomogenen Lichtquelle 2 angeordnet
oder unterschiedliche mögliche Positionen werden. mit einem
Computer berechnet, bis die optimale Position bestimmt werden kann.
Da die UV-LEDs alle drei Typen der lumineszenten Materialien anregen
können, während die Blau emittierenden LEDs vornehmlich
die Grün und Rot emittierenden lumineszenten Materialien
anregen können, kann mit dieser Prozedur wieder eine große
Vielfalt von individuellen Farbtemperaturen eingestellt werden.
In einer anderen Ausführungsform, wobei der Farbwiedergabeindex
nicht so wichtig ist, kann die Anordnung ebenfalls auf zwei lumineszente
Materialien, beispielsweise ein Blau und ein Gelb emittierendes,
beschränkt sein.
-
Mit
Bezug auf 21 wird nun eine weitere Ausführungsform
für ein erfindungsgemäßes Wellenlängenumwandlungselement 3 erklärt.
Anstelle der Bereitstellung verschiedener Bereiche oder einer allmählich
ansteigenden Konzentration oder Mischung, können verschiedene
Schichten mit unterschiedlichen lumineszenten Materialien oder unterschiedlichen
Mischungen aus lumineszenten Materialien zur Verfügung
gestellt werden. Hiermit ändert sich das Verhältnis
der Schichtdicken entlang des Wellenlängenumwandlungselements 3,
so dass der Anteil zwischen den zwei lumineszenten Materialien unterschiedlich
ist.
-
Diese
Ausführungsform ist in 21a und 21b gezeigt. In beiden Fällen
ist eine erste Schicht 31 vorgesehen, die ein erstes lumineszentes Material
oder eine erste Mischung aus lumineszenten Materialien umfasst,
und es ist eine zweite Schicht 30, die ein zweites lumineszentes
Material oder eine zweite Mischung aus lumineszenten Materialien
umfasst, vorgesehen. Hier ändern sich die Dicken der Schichten,
und damit ändert sich der Anteil der lumineszenten Materialien
entlang des Wellenlängenumwandlungselements 3.
Es ist wichtig, dass sich die spezifische Emissionswellenlänge
des einen oder von mehreren lumineszenten Materialien, die innerhalb
einer Schicht enthalten sind, von der spezifischen Emission von
diesem einen oder mehreren lumineszenten Materialien, die in der
anderen Schicht enthalten sind, unterscheiden.
-
Dieses
Wellenlängenumwandlungselement 3 kann beispielsweise
durch Formen der Geometrie der ersten Schicht 31 und Abscheiden
der zweiten Schicht 30 darauf, beispielsweise durch einen
zweiten Formschritt oder nach einer Rakel-Platten-Technik hergestellt
werden. Auf diese Weise können größere
Platten aus dem Wellenlängenumwandlungselement, die schließlich
würfelartig zerteilt werden, hergestellt werden. Auf jeden
Fall ist jede andere Methode zur Herstellung des Wellenlängenumwandlungselements 3 mit
verschiednen Anteilen des lumineszenten Materials an den beiden
Kanten in Lateralrichtung möglich. Die Schnittstelle 32 zwischen
den beiden Schichten 30 und 31 kann jede Form
aufweisen, das heißt, sie kann flach oder strukturiert
sein. In einer anderen Ausführungsform sind die beiden
lumineszenten Materialien mit dem Anteil zwischen den beiden lumineszenten
Materialien, der von einer Kante zur anderen in Lateralrichtung
ansteigt oder geringer wird, homogen gemischt.
-
Wie
zuvor beschrieben worden ist, kann die optimale Position zwischen
dem Wellenlängenumwandlungselement 3 und der inhomogenen
Lichtquelle 2 durch Drehen des Wellenlängenumwandlungselements 3 um
eine Achse, die senkrecht zur homogenen Lichtquelle 2 ist,
bestimmt werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Wellenlängenumwandlungselement
ebenfalls in eine Richtung, die parallel zur inhomogenen Lichtquelle 2 ist,
verschoben sein, um die Position fein abzustimmen.
-
Diese
Verschiebung wird nun mit Bezug auf die 22 und 23 erklärt,
wobei als Beispiel ein Wellenlängenumwandlungselement 3 mit
zwei Schichten 30, 31 verwendet wird, allerdings
kann die erklärte Verschiebungspositionierung auf jeden
Typ eines Wellenlängenumwandlungselements 3 und
jeden Typ einer inhomogenen Lichtquelle 2 angewendet werden.
-
Hierzu
ist das Wellenlängenumwandlungselement 3 auf dem
Gehäuse einer inhomogenen Lichtquelle 2 angeordnet,
die in vorteilhafter Weise Wände 4a in Form eines
Reflektors aufweist. Eine Ausnehmung 27 ist vorgesehen,
in der das Wellenlängenumwandlungselement 3 angeordnet
ist. Die Ausnehmung 27 weist hiermit eine größere
Breite als das Wellenlängenumwandlungselement 3 selbst
auf. Somit wird nur ein Teil des Wellenlängenumwandlungselements 3 mit
der inhomogenen Lichtquelle 2 beleuchtet.
-
Nun
kann das Wellenlängenumwandlungselement 3 näher
an einer der Ausnehmungen 27 angeordnet werden, und die
optischen Eigenschaften des emittierten Lichts werden gemessen.
Wenn der entsprechende Wert nicht mit dem gewünschten übereinstimmt,
wird das Wellenlängenumwandlungselement 3 etwas
gegen die andere Ausnehmung verschoben, und die Farbtemperatur und
die optischen Eigenschaften werden noch einmal gemessen. Eine Möglichkeit
zur Verschiebung des Wellenumwandlungselements 3 ist z.
B. eine Nadel, die durch ein kleines Loch in der Seite des Reflektors
gestochen wird. Diese Prozedur wird wiederholt, bis die gewünschten
optischen Eigenschaften des emittierten Lichts erreicht sind. In
einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
wird das Wellenlängenumwandlungselement 3 aufgenommen
und ein bisschen näher zu der anderen Ausnehmung nach und
nach angeordnet, bis die gewünschten optischen Eigenschaften
des emittierten Lichts erreicht sind. In einer anderen Ausführungsform
wird das Wellenlängenumwandlungselement 3 in den
optischen Weg des Lichts, das von der inhomogenen Lichtquelle 2 emittiert
wird, eingesetzt, jedoch noch nicht auf der inhomogenen Lichtquelle
angeordnet. Durch Computersteuerung wird das Wellenlängenumwandlungselement 3 entsprechend
ausgerichtet und schließlich auf der Ausnehmung 27 des
Reflektors 4a angeordnet. Auf diese Weise wird das Wellenlängenumwandlungselement 3 nur
einmal angeordnet. In dieser endgültigen optimalen Position
wird das Wellenlängenumwandlungselement 3 an dem
Gehäuse 4 befestigt. Dieses kann entweder durch
Verkleben, oder, wie in 23 gezeigt,
mit einem Montiergerät 26 geschehen, das weiterhin
sicherstellt, dass nur Licht aus dem gewünschten Teil des
Wellenlängenumwandlungselements in Lateralrichtung von
der lichtemittierenden Vorrichtung 1 emittiert wird.
-
Die
Ausführungsform ermöglicht sowohl die Erhöhung
als auch die Verringerung der Farbtemperatur in Beziehung zu den
ersten gemessenen optischen Eigenschaften, ohne die Änderung
der Menge des Wellenlängenumwandlungsmaterials. Es ist
nur der Anteil der mindestens zwei verschiedenen lichtemittierenden
verschiedenen Materialien, die vom Licht einer inhomogenen Lichtquelle
belichtet werden, der verändert wird. Auf diese Weise,
wie im Fall der in dieser Erfindung angegebenen Ausführungsformen,
ist keine Nachbehandlung der Wellenlängenumwandlungszusammensetzung
nötig.
-
Beispielsweise
kann man unter Anwendung der Nadeltechnik mit einem höheren
Anteil des ersten lumineszenten Materials beginnen, das beispielsweise
eine höhere Emissionswellenlänge aufweist und
die Menge dieses lumineszenten Materials in Beziehung zum zweiten
lumineszenten Material verringern, das eine niedrigere Emissionswellenlänge
aufweist, oder umgekehrt durch Verschieben des Wellenlängenumwandlungselements.
In diesem Fall kann die Farbtemperatur des von der LED emittierten Lichts
nach und nach verringert oder erhöht werden, bis die gewünschte
Farbtemperatur erreicht ist.
-
Es
wird hier festgestellt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf
die oben beschriebenen Ausführungsformen eingeschränkt
ist, sondern jede lichtemittierende Vorrichtung umfasst, die auf
der allgemeinen Idee basiert, eine inhomogene Lichtquelle und ein
Wellenlängenumwandlungselement mit einer inhomogenen Verteilung
von mindestens einem lumineszenten Material zur Verfügung
zu stellen.
-
Nach
dem Zusammenbau der lichtemittierenden Vorrichtung 1 kann
man das weiße Licht zusätzlich unter Verwendung
von Diffuserteilchen, die in das Wellenlängenumwandlungselement 3 gegeben
worden wird, oder Diffuserplatten, die in Richtung des von der lichtemittierenden
Vorrichtung emittierten Lichts angeordnet sind, homogenisieren.
In einer anderen Ausführungsform ist das Wellenlängenumwandlungselement
nicht auf einem Reflektor 4a befestigt, sondern auf einer
anderen Form eines Gehäuses, das die in homogene Lichtquelle
umgibt, beispielsweise ein Rahmen.
-
Das
Wellenlängenumwandlungselement 3 kann direkt an
der inhomogenen Lichtquelle 2 befestigt sein oder an einem
Gehäuse 4, das die inhomogene Lichtquelle 2 umgibt,
oder es kann in einiger Entfernung von der inhomogenen Lichtquelle 2 in Richtung
des von der inhomogenen Lichtquelle 2 emittierten Lichts
angeordnet sein. In einer Ausführungsform können
zusätzliche Schichten, die weiterhin die Lichtintensitätsänderungen
zwischen den strukturierten und den nicht strukturierten Flächen
erhöhen, zwischen der inhomogenen Lichtquelle 2 und dem
Wellenlängenumwandlungselement 3 angeordnet sein.
Andernfalls kann eine kleine Luftlücke zwischen dem Wellenlängenumwandlungselement 3 und
der inhomogenen Lichtquelle 2 vorgesehen sein.
-
Mit
Bezug auf die 24 wird im Folgenden das Verfahren
zur Bereitstellung einer lichtemittierenden Vorrichtung 1 mit
vordefinierten optischen Eigenschaften des emittierten Lichts erklärt.
-
Das
Verfahren beginnt in Stufe S0. In Stufe S1 wird die inhomogene Lichtquelle 2 sowie
das Wellenlängenumwandlungselement 3, das eine
inhomogene Verteilung von mindestens einem lumineszenten Material
umfasst, bereitgestellt. In der nächsten Stufe S2 werden
die inhomogene Lichtquelle 2 und das Wellenlängenumwandlungselement 3 in
Beziehung zueinander in einer ersten Position positioniert. In der
nächsten Stufe S3 werden die optischen Eigenschaften des
von der lichtemittierenden Vorrichtung 1 emittierten Lichts
in der vorliegenden Position gemessen.
-
Wie
bereits erklärt worden ist, gibt es zur Bestimmung der
optimalen Position der inhomogenen Lichtquelle 2 und des
Wellenlängenumwandlungselements 3 in Beziehung
zueinander zwei Möglichkeiten. Die erste Möglichkeit
ist in Stufe S4 gezeigt, wo die optimale Position, beispielsweise
gestützt durch einen Computer, auf der Basis der in Stufe
S3 durchgeführten Messung berechnet wird.
-
Gemäß einer
anderen Möglichkeit wird die Position des Wellenlängenumwandlungselements 3 in
Beziehung zur inhomogenen Lichtquelle 2 in Stufe S5 verändert,
und in der nächsten Stufe S6 werden die optischen Eigenschaften
in der geänderten Position wieder gemessen. In Stufe S7
wird bestimmt, ob genug Positionen gemessen worden sind. Wenn dieses
nicht der Fall ist, geht das Verfahren zurück zur Stufe
S5, wo wieder die Position verändert wird. Andernfalls
wird in Stufe S8 aus allen Positionen und entsprechenden Messungen
die optimale Position auf der Basis der Messungen nachgewiesen.
In jedem Fall fährt dann das Verfahren mit Stufe S9 fort, wo
die inhomogene Lichtquelle 2 und das Wellenlängenumwandlungselement
in dieser optimalen Position befestigt werden. Das Verfahren endet
in Stufe S10.
-
In
der vorliegenden Erfindung sind eine Vielzahl von Ausführungsformen
beschrieben worden. Es wird festgestellt, dass die vorliegende Erfindung nicht
auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt
ist, sondern dass alle Merkmale, Komponenten, Eigenschaften oder
Funktionen von einer oder mehreren Ausführungsformen ebenfalls
innerhalb einer anderen Ausführungsform, falls geeignet, angewendet
werden können.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - US 7256057
B2 [0005]
- - US 2006/0258028 A1 [0007]
- - US 7250715 B2 [0009]