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WO2019121161A1 - Ebene halbleiterlichtquelle mit nachgeordnetem optikelement - Google Patents

Ebene halbleiterlichtquelle mit nachgeordnetem optikelement Download PDF

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WO2019121161A1
WO2019121161A1 PCT/EP2018/084338 EP2018084338W WO2019121161A1 WO 2019121161 A1 WO2019121161 A1 WO 2019121161A1 EP 2018084338 W EP2018084338 W EP 2018084338W WO 2019121161 A1 WO2019121161 A1 WO 2019121161A1
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WO
WIPO (PCT)
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light source
individual
light
optical element
emitters
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2018/084338
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ralph Peter Bertram
Norbert Harendt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ams Osram International GmbH
Original Assignee
Osram Opto Semiconductors GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Osram Opto Semiconductors GmbH filed Critical Osram Opto Semiconductors GmbH
Priority to JP2020532785A priority Critical patent/JP2021507460A/ja
Priority to US16/760,333 priority patent/US11476384B2/en
Priority to KR1020207019936A priority patent/KR102750868B1/ko
Publication of WO2019121161A1 publication Critical patent/WO2019121161A1/de
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Ceased legal-status Critical Current

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    • G02B19/0047—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use for use with a light source
    • G02B19/0071—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use for use with a light source adapted to illuminate a complete hemisphere or a plane extending 360 degrees around the source
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    • F21Y2105/14—Planar light sources comprising a two-dimensional array of point-like light-generating elements characterised by the overall shape of the two-dimensional array
    • F21Y2105/16—Planar light sources comprising a two-dimensional array of point-like light-generating elements characterised by the overall shape of the two-dimensional array square or rectangular, e.g. for light panels
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    • H01L25/04—Assemblies consisting of a plurality of semiconductor or other solid state devices all the devices being of a type provided for in a single subclass of subclasses H10B, H10D, H10F, H10H, H10K or H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers
    • H01L25/075—Assemblies consisting of a plurality of semiconductor or other solid state devices all the devices being of a type provided for in a single subclass of subclasses H10B, H10D, H10F, H10H, H10K or H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H10H20/00
    • H01L25/0753—Assemblies consisting of a plurality of semiconductor or other solid state devices all the devices being of a type provided for in a single subclass of subclasses H10B, H10D, H10F, H10H, H10K or H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H10H20/00 the devices being arranged next to each other

Definitions

  • a light source is indicated.
  • Headlights are known from the automotive sector, the illumination field is variable according to the course of the road or in response to oncoming vehicles.
  • At least one object of certain embodiments is to specify a light source.
  • a light source has a
  • the zoom lens is set up to generate light during operation.
  • Semiconductor light source for example, a
  • Semiconductor layer sequence having at least one active region for generating light.
  • each of the individual emitters can be operated independently of the other individual emitters for generating light and emits light over a respective individual illuminated area in operation.
  • Single emitters in particular form a coherent composite, so that the semiconductor light source, comprising the individual emitters, forms a coherent component.
  • the semiconductor light source comprising the individual emitters
  • Semiconductor light source formed flat This may mean in particular that the individual light surfaces lie in the same plane or at least substantially in the same plane. The latter may mean that the individual light surfaces
  • the light source has an optical element.
  • the optical element is in particular intended and set up in operation by the
  • the optical element serves the design of the spatial
  • collimating optics, reflectors, mirrors and optical system to be additional lens systems.
  • the optical element can thus the
  • Optical element particularly preferably the only optical element of the light source to be. Furthermore, the light source
  • the Light source thus from the semiconductor light source and the
  • the light source may include mechanical, electrical, and electronic components and elements.
  • the optical element is provided and arranged to direct light from different individual emitters into different solid angle ranges.
  • Optical elements of the light source which is common to all individual emitters of the light source together, different spatial areas by a targeted selection of
  • the light source can thus form an adaptive light source, the temporally variable different areas of space differently bright
  • the individual emitters are arranged defocused to the optical element.
  • the individual emitter and the optical element are thus aligned with each other so that the optical element no sharp image of the
  • the single emitters are side by side
  • Single emitter is the entire lighting area
  • Partial areas of the illumination area may partially overlap, in particular at the blurred edges.
  • the light source has a drive device.
  • the drive device is in particular provided and set up for this purpose
  • Control device on at least one active matrix circuit in which at least two single emitter, in particular all single emitter, are simultaneously controlled.
  • each individual emitter of the semiconductor light source is a
  • Switch associated with the drive device such as a
  • the individual emitters are arranged in a matrix arrangement.
  • the individual elements of the matrix arrangement can be controlled independently of one another.
  • matrix arrangement denotes
  • the individual emitters can be special preferably in an orthogonal matrix or in a
  • the individual emitters each have an individual luminous area of less than or equal to 2 mm 2 or preferably less than or equal to 1 mm 2 or particularly preferably less than or equal to 0.6 mm 2 .
  • Each of the single emitters can essentially see Lambert's
  • the semiconductor light source accordingly has a total luminous area, which is arranged in the entirety of the preferably matrix-like
  • the total light-emitting area on an area of less than or equal to 2 cm in all lateral directions, corresponding to the total light-emitting surface can particularly preferably less than or equal to 2 cm c be 2 cm.
  • the total luminous area can be
  • Semiconductor light source is a light-emitting
  • the semiconductor light source may have or to form a plurality of light-emitting semiconductor chips, wherein the semiconductor chips can be operated independently of one another and each individual emitter is formed by a semiconductor chip.
  • the majority of the semiconductor chips can in particular be mounted on a common connection carrier such as a printed circuit board and electrically connected. Furthermore, the majority of
  • Composite carrier forms in which the semiconductor chips are arranged.
  • Compound semiconductor material For a long-wave, infrared to red radiation, for example, a
  • Semiconductor material based on In x Ga y Al xy As suitable for red to green radiation is for example a
  • Semiconductor material based on In x Ga y Ali_ xy P suitable and short-wavelength visible radiation, ie in particular for green to blue radiation, and / or for UV radiation, for example, a semiconductor material based on
  • Wavelength conversion element having on the
  • each individual illuminated area is arranged.
  • a wavelength conversion element in each case a single single illuminated area, each of a group of
  • Wavelength conversion element of each of the individual emitter may comprise at least one or more wavelength conversion substances which are suitable for the individual emitter in the
  • the wavelength conversion substance (s) may, for example, comprise one or more of the following materials:
  • Halophosphates orthosilicates, sulfides, vanadates and
  • Chlorosilicates Furthermore, the or can
  • Wavelength conversion materials additionally or alternatively comprise an organic material selected from a group consisting of:
  • Particles are formed, for example based on CdSe, CdS, CdTe, InP, InAs, Cl (Zn) S, AIS, Zn 3 N 2 , Si, ZnSe, ZnO, GaN or combinations thereof.
  • CdSe CdS
  • CdTe InP
  • InAs InAs
  • Cl (Zn) S AIS
  • Zn 3 N 2 Si
  • Si Si
  • ZnSe ZnO
  • GaN GaN
  • Wavelength conversion materials may be included, for example, in a transparent matrix material that may be formed by a plastic such as silicone, a glass, a ceramic material, or a combination thereof. As a result, a so-called phosphor platelet can be formed.
  • the one or more wavelength conversion substances be applied to a transparent substrate, such as a glass or ceramic substrate.
  • a transparent substrate such as a glass or ceramic substrate.
  • a ceramic wavelength conversion substance it is also possible for it to form a self-supporting ceramic component.
  • Wavelength conversion element can, for example, by means of a suitable connection layer, such as a
  • Adhesive layer on the single plane of a
  • the one or more wavelength conversion elements are formed so that the individual emitter emit during operation all the same color light.
  • Single luminescent surfaces the same, in particular the same size, formed.
  • at least two or more individual emitters may be different from each other
  • Whole emitters form a total luminous area with a center, wherein at least a first
  • Single emitter with a first distance to the center and at least a second single emitter with a second distance to the center are present and the first and second
  • the first distance may be smaller than the second distance, so that the first
  • Single emitter may have a larger single illuminated area than the second single emitter.
  • a reverse arrangement is possible.
  • a first group having a plurality of first individual emitters and a second group having a plurality of second individual emitters are provided, to which the above applies.
  • the optical element has one or more lenses, wherein the entirety of all the lenses is designed such that the previously described light-guiding properties are achieved.
  • the optical element may be a refractive optical element that consists of one or more lenses with regard to its optical properties.
  • the optical element in addition to the one or more lenses preferably no further optical components are present, so that the optical
  • the one or more lenses may be selected from lenses having one or two optical surfaces selected from concave and convex as well as spherical and aspherical
  • the one or more lenses may include or be glass and / or plastic such as polymethyl methacrylate (PMMA) or cyclo-olefin polymers, for example, available under the tradename Zeonex.
  • PMMA polymethyl methacrylate
  • cyclo-olefin polymers for example, available under the tradename Zeonex.
  • the optical element has more than one lens
  • the plurality of lenses may be differently shaped and / or have different materials.
  • the optical element can be particularly preferably designed such that the light of each individual emitter is directed into a respective solid angle range and the solid angles associated with the individual emitters are all at least partially different in pairs.
  • the light of each individual emitter is directed into a dedicated solid angle region and each solid angle region at most partially overlaps with each of the other solid angle regions.
  • Will with the light source is a surface, for example a plane
  • the optical element for this purpose at least partially
  • all solid angle ranges are essentially the same size. This may mean, in particular, that the variables, ie the solid angles, of the solid angle ranges deviate from one another by less than 20% or less than 10% or less than 5%.
  • the said illuminated area this means that each of the individual emitters can illuminate an associated surface area on the area and the areas in the area
  • the optical element radiates the total luminous area of the semiconductor light source, that is to say the light of all jointly operated individual light sources, in a light cone having a full opening angle of greater than or equal to 60 ° and less than or equal to 160 °.
  • solid angles can each be determined by the full
  • the opening angle is greater than or equal to 90 °. Furthermore, the opening angle may preferably be less than or equal to 120 °, which corresponds to the glare limit of ceiling lights.
  • the optical element has a
  • Lichteinkoppel formula which preferably has a distance of greater than or equal to 0.1 mm or greater than or equal to 1 mm or greater or equal to 2 mm and less than or equal to 10 mm or less than or equal to 4 mm to the individual light surfaces of the
  • Single emitter may have. Furthermore, that can
  • Optical element so in particular the light coupling surface, have an acceptance angle of greater than or equal to 60 °.
  • the optical element directs the total luminous area into an illumination area, wherein the total luminous area and the illumination area have the same shapes.
  • Total luminous area and the illumination area for example, each have a square, rectangular, hexagonal or other polygonal shape. Since the individual emitters are preferably arranged defocused with respect to the optical element and the individual illuminated surfaces are preferably imaged in a blurred manner, a similar shape can also mean that the shape of the illumination region is preferably washed out in comparison to the total illuminated surface. Alternatively, the total luminous area and the illumination area may have different shapes. This can be the
  • Optical element for example, have one or more cylindrical lenses or lenses with cylindrical lens-like imaging, so that light, for example, a total square luminous area in an elliptical or rather
  • the light source described here can be used, for example, for lighting purposes in which spatially variably selectable lighting accents are to be set, for example in office, restaurant, museum, reading light, shop window and commercial lighting purposes.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a light source according to an embodiment
  • FIGS. 2A to 3C are schematic representations of
  • Figures 4A to 4D are schematic representations of a
  • Figures 5A to 6 are schematic representations of light sources according to further embodiments.
  • identical, identical or identically acting elements can each be provided with the same reference numerals.
  • the illustrated elements and their proportions with each other are not to be regarded as true to scale, but individual elements, such as layers, components, components and areas, for better presentation and / or better understanding may be exaggerated.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a light source 1, which includes a semiconductor light source 10 and a
  • the semiconductor light source 10 which has a Rescueleuchtflache 11 for light emission, has a plurality of independently operable single emitters 12, each of the single emitter 12 can be operated independently of the other single emitters 12 for light generation and emits light over a respective individual illuminated surface 106 during operation.
  • the individual emitters 12 in particular form a coherent composite, so that the semiconductor light source 10, having the individual emitter 12, forms a coherent component.
  • the total luminous area 11 is formed by the totality of the individual luminous surfaces 106, which are arranged laterally next to one another. Because of that
  • Single emitter 12 are operable independently of each other, the semiconductor light source 10 can be variably from different
  • the semiconductor light source 10 is in particular flat, that is to say with a flat total luminous area 11. This is achieved in that the individual luminous surfaces 106 in FIG.
  • the individual emitters 12 can be operated with a drive device 110 which, as indicated in FIG. 1, can simultaneously form a carrier for the individual emitter 12.
  • the drive device can also form a separate component, while the individual emitter 12, for example, on a suitable connection carrier
  • the individual emitters 12 are operated independently of one another with specifically selected currents and / or voltages, so that, for example, individual single emitters 12 and / or groups of individual emitters 12 or all at a specific time
  • Single emitter 12 can be operated to generate light to achieve a desired room illumination.
  • the drive device 110 has at least one active matrix circuit, by means of which the individual emitters 12 can be controlled independently of one another.
  • the optical element 20 is provided and arranged to direct, in operation, light emitted from the semiconductor light source 10 into an illumination field, such as through the
  • the entire light source 1 has exactly that one optical element 20, which is arranged downstream of the entirety of all individual emitters 12.
  • the light source 1 is free from further
  • the individual emitter 12 are free of optical elements such as beam-forming elements, so that the individual emitter 12 each light with a
  • the optical element 20 is in particular provided and arranged to direct light from different individual emitters 12 into different solid angle ranges. Thus, with the help of the optical element 20 different
  • Single light sources 12 are illuminated. By a time-variable selection of individual light sources 12 thus light can be changed over time in different directions and thus be brought into different areas of a room to be illuminated.
  • the light source 1 thus forms an adaptive light source which can be changed over time
  • the individual emitter 12 are arranged defocused to the optical element 20, so that the optical element 20 selectively generates no sharp image of the semiconductor light source 10. Rather, the individual emitter 12 and the optical element 20 are arranged to each other so that the individual light surfaces 106 out of focus
  • optical element 20 to which further features are described in connection with subsequent figures, is also designed such that the total light area 11 of the
  • Semiconductor light source 10 that is, the light of all jointly operated individual light sources 12, can be emitted in a cone of light having a full opening angle of preferably greater than or equal to 60 ° and less than or equal to 160 °. Particularly preferably, the opening angle is greater than or equal to 90 °. Furthermore, the opening angle is preferably less than or equal to 120 °, which is the glare limit of
  • FIGS. 2A to 2D For example, embodiments of semiconductor light sources 10 and single emitter 12 are shown.
  • Semiconductor light source 10 a plurality of light
  • each single emitter 12 is formed by a semiconductor chip 100.
  • the plurality of semiconductor chips 100 may be mounted on a connection carrier 200, such as a
  • connection carrier 200 can also be a previously described
  • the individual emitters 12 preferably each have one
  • Each of the single emitter 12 can, as previously described in the
  • the individual emitters 12 are preferably arranged in a matrix arrangement, that is to say in a two-dimensional arrangement of a plurality of individual emitters 12
  • Single emitter 12 single luminescent surfaces preferably having a square, rectangular or hexagonal shape.
  • the semiconductor light source 10 has a corresponding Total luminous area based on the arrangement of the
  • the total light-emitting area on an area of less than or equal to 2 cm in all lateral directions, corresponding to the total light-emitting surface can particularly preferably less than or equal to 2 cm c be 2 cm.
  • the matrix arrangement, and thus the shape of the total luminous area 11, may for example be square.
  • Total luminous area 11 to a circular or elliptical arrangement.
  • FIGS. 2C and 2D show two exemplary embodiments of light-emitting semiconductor chips 100. As shown in Figure 2C, a light-emitting
  • Semiconductor chip 100 may be formed as a light-emitting diode chip with a deposited on a substrate 101 semiconductor layer sequence 102.
  • a light-emitting diode chip with a deposited on a substrate 101 semiconductor layer sequence 102.
  • the semiconductor layer sequence 102 may comprise or be one or more of the semiconductor materials described above in the general part.
  • the light generated in operation is emitted via the single illuminated surface 106.
  • the semiconductor layer sequence 102 may be on a
  • the substrate 101 may comprise or be a semiconductor material, for example a compound semiconductor material mentioned in the general part, or another suitable material.
  • a growth substrate and / or the substrate 101 may include, for example, sapphire, GaAs, GaP, GaN, InP, SiC, Si, and / or Ge, or be of such a material.
  • the semiconductor layer sequence 102 can, for example, a conventional pn junction, as an active layer 123
  • the semiconductor layer sequence 102 may be further functional in addition to the active layer 123
  • Layers and functional regions which are indicated by the layers 121, 122, include, for example, p- or n-doped charge carrier transport layers,, undoped or p- or n-doped confinement, cladding or waveguide layers and furthermore also barrier layers,
  • Barrier layers and / or protective layers also perpendicular to the growth direction of the semiconductor layer sequence 102
  • semiconductor layer sequence 102 Furthermore, it may also be possible that the semiconductor chip 100 laterally from one through a Surrounding plastic material formed molding material that can give the semiconductor chip 100 stability.
  • electrical contacts 104, 105 are provided in the form of electrode layers or electrode structures, the ones shown
  • Substrate 101 are to be understood purely by way of example.
  • the light-emitting semiconductor chip 100 shown in FIG. 2C represents the basic structure of a so-called thin-film LED chip in which the semiconductor layer sequence 102 after being grown on a growth substrate is transferred therefrom onto a suitable carrier substrate and the growth substrate is subsequently removed or at least thinned ,
  • the semiconductor chip 100 can also have the growth substrate as the substrate 101, in which case the mirror layer 103 can be dispensed with.
  • Such a light-emitting semiconductor chip, which is mounted on a carrier by means of the growth substrate can also be referred to as volume emitters.
  • FIG. 2D shows a light-emitting semiconductor chip 100 which is designed as a so-called flip-chip.
  • the flip-chip is mounted with the electrical contacts 104, 105 on a carrier, so that light generated in operation is radiated through the substrate 101, which may be the growth substrate.
  • the semiconductor chip 100 shown in FIG. 2D may have features as described in connection with FIG. 2C.
  • the individual emitters 12 have a wavelength conversion element 111 which is arranged on the respective individual luminous surface 106 and which is part of the respective individual emitter 12.
  • a wavelength conversion element 111 can each be applied to a single individual illuminated surface 106.
  • a wavelength conversion element can be applied together in each case on a group of individual illuminated surfaces or also on all individual illuminated surfaces of the semiconductor light source.
  • the individual emitters 12 have the respective or common wavelength conversion element directly on the single illuminated surface 106, as shown.
  • FIGS. 3A to 3C Further exemplary embodiments of semiconductor light sources 10 and single emitter 12 are shown in FIGS. 3A to 3C.
  • the semiconductor light source 10 in these embodiments has a light-emitting semiconductor chip 100 having one
  • Luminous segments which forms the plurality of single emitter 12.
  • a correspondingly segmented light-emitting semiconductor chip 100 is a segmented light-emitting diode
  • the semiconductor layer sequence 102 on the substrate 101 which may be a growth or carrier substrate, is subdivided into individual, individually operable light segments that form the plurality of individually operable single emitters 12.
  • FIGS. 3A to 3C show features such as described in conjunction with the previous figures
  • the individual emitters 12 formed by light segments can, as in the case of individual emitters formed by semiconductor chips, be independently switched on and off and dimmed.
  • the substrate 101 can optionally be formed on a driver circuit carrier formed by a
  • Drive device 110 may be mounted, which is indicated in Figure 3A by the dashed line and includes, for example, a suitable driver circuit or at least a part thereof.
  • the drive device 110 can
  • the light segments forming the individual emitters 12 can be light-emitting
  • the individual emitters 12 are in the lateral direction, ie
  • adjacent individual emitters 12 illuminated subregions of the illumination region may partially overlap, in particular at the blurred edges.
  • FIGS. 4A to 4D A further exemplary embodiment of a light source 1 in conjunction with simulations and measurements of the effect of the optical element 20 is shown in conjunction with FIGS. 4A to 4D.
  • the light source 1 has one as described in connection with FIGS. 3A and 3B
  • Semiconductor light source 10 in the form of a segmented light-emitting semiconductor chip, which has a square matrix of 32 c 32 single emitters and a total luminous area of 4 mm c 4 mm.
  • Semiconductor chip emits in the illustrated embodiment, blue light, which is converted by a wavelength conversion element partly in yellow light, so that the
  • Semiconductor light source 10 emits white light.
  • the optical element 20 has a plurality of lenses 21,..., 25, wherein the entirety of the lenses is designed in such a way that those described above
  • Optical element 20 is a refractive optical element, which consists of the lenses in terms of its optical properties, so that in addition to the lenses shown no further optical components are present and the
  • optical properties of the optical element 20 are given solely by the lenses.
  • the optical element 20 rotationally symmetric lenses and
  • Lichteinkoppel structure of the optical element 20 forms, has a concave and a convex spherical surface in the emission direction and is preferably made of glass.
  • the acceptance angle of the light coupling surface is greater than or equal to 60 °.
  • the distance between the light coupling surface of the optical element 20 and the individual light surfaces of the individual emitters is greater than or equal to 0.1 mm and less than or equal to 10 mm.
  • an aspherical lens 22 made of a cyclo-olefin polymer also with a concave and a
  • an aspherical lens 23 having a convex and a concave surface, a biconvex aspherical lens 24 and a biconcave aspherical lens 25, whose facing away from the semiconductor light source 10 surface
  • the light output surface of the optical element 20 may be the light output surface of the light source 1.
  • Lenses 23, 24 and 25 are each preferably made of plastic such as polymethyl methacrylate (PMMA) or a cyclo-olefin polymer.
  • the light source 1 requires in addition to the optical element 20 neither further optical components such as lenses or mirrors nor diaphragms. According to an alternative embodiment, all lenses may also be spherical and made of glass.
  • the optical element 20 is designed such that the light of each individual emitter of the semiconductor light source 10 is directed into a respective solid angle range and the
  • Single emitters associated solid angle all at least
  • each individual emissary is assigned to a specific one
  • the optical element 20 has at least partially
  • Wide-angle optics-like and / or a fish-eye optic-like imaging mode are all.
  • FIGS. 4A and 4B ray paths of light determined by ray tracing of four selected individual emitters are shown immediately after the light outcoupling surface of the optical element (FIG. 4A) and up to about 1 m away (FIG. 4B). The described steering of light of the individual single emitter in associated solid angle ranges can be clearly seen.
  • FIGS. 4C and 4D show the intensity distributions of emitted light at a distance of 1 m, wherein in the case of FIG. 4C not all the individual emitters of FIG. 4C
  • the intensity diagrams correspond to sections through the Mid-perpendicular in horizontal and vertical direction.
  • the total luminous area of the semiconductor light source 10, that is to say the light of all the individual light sources operated together, is emitted as described in connection with FIG. 1 in a light cone having a full opening angle of greater than or equal to 60 ° and preferably greater than or equal to 90 ° and of smaller or equal to 160 ° and preferably of less than or equal to 120 °.
  • the optical element directs the total illuminated area in a lighting area with an approximately same shape.
  • the overall luminous area and the illumination area may, for example, each have a square shape as shown, but alternatively also a different shape such as, for example, a rectangular, hexagonal or other polygonal or approximately round shape. Since the individual emitters are arranged defocused with respect to the optical element and the individual illuminated areas are correspondingly blurred, the shape of the illumination area can be somewhat
  • Lighting area also have different shapes.
  • the optical element for example, one or more cylindrical lenses or lenses with cylindrical lens-like
  • Illustrate mapping so that light of a square, for example, total area of light is directed into an elliptical or rather rectangular lighting area. This can be advantageous, for example, for the illumination of rectangular spaces.
  • FIG. 5A shows a semiconductor light source 10 according to an embodiment in which the
  • the totality of the individual emitters 12 form an overall luminous area 11 with a center point 191 indicated by the cross, a group of first individual emitters having a first distance to the center and a group of second individual emitters having a second distance to the center, and the first and second individual emitters different sized single light surfaces
  • the first distance is smaller than the second distance, so that the first single emitter with a larger single luminous surface closer to the center than the second
  • the optical element 20 may be formed such that the image of the individual illuminated areas is slightly distorted, so that the projection of individual illuminated areas is greater the farther they are from the center of the total illuminated area
  • FIG. 5B a first group 13 of projected first individual illuminated areas and a second group are shown
  • optical element can also be designed such that the distortion of the optical element is designed so that individual illuminated surfaces near or in the middle of
  • Light source a room as with a classic light source can be illuminated.
  • optical element can also be designed such that individual illuminated surfaces close to or in the middle of the
  • Total illuminated area can be projected much further outward. This can be achieved under large
  • Granulation can occur at longer distances.
  • Embodiments are combined with each other, even if not all combinations are explicitly described.

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Abstract

Es wird eine Lichtquelle (1) angegeben, die eine ebene Halbleiterlichtquelle (10) mit einer Mehrzahl von unabhängig voneinander betreibbaren Einzelemittern (12) aufweist, wobei jeder der Einzelemitter im Betrieb Licht über eine jeweilige Einzelleuchtfläche (106) abstrahlt. Weiterhin weist die Lichtquelle ein den Einzelemittern unmittelbar nachgeordnetes gemeinsames Optikelement (20) auf, das dazu eingerichtet und vorgesehen ist, Licht von unterschiedlichen Einzelemittern in unterschiedliche Raumwinkelbereiche zu lenken, wobei die Einzelemitter defokussiert zum Optikelement angeordnet sind und die Einzelleuchtflächen durch das Optikelement unscharf abgebildet werden.

Description

EBENE HALBLEITERLICHTQUELLE MIT NACHGEORDNETEM OPTIKELEMENT
Es wird eine Lichtquelle angegeben.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2017 130 578.5, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Auf die Wünsche und Bedürfnisse von Benutzern flexibel abstimmbare Lichtquellen, auch als „smart lighting"
bezeichnet, finden immer mehr Einsatzgebiete, nicht nur im industriellen Bereich, sondern auch in der
Allgemeinbeleuchtung. Beispielsweise sind
Beleuchtungseinrichtungen bekannt, deren abgestrahlte
Lichtintensität oder Lichtfarbe abhängig von äußeren
Parametern wie beispielsweise der Umgebungshelligkeit oder der Tageszeit einstellbar sind. Aus dem Automobilbereich sind Scheinwerfer bekannt, deren Beleuchtungsfeld entsprechend des Straßenverlaufs oder in Abhängigkeit von entgegenkommenden Fahrzeugen veränderbar ist.
Im Fall von Beleuchtungseinrichtungen für die
Allgemeinbeleuchtung sind im Gegensatz zu
Automobilanwendungen keine scharfen Beleuchtungsgrenzen erwünscht. Vielmehr ist es hier erforderlich, sanfte
Übergänge zwischen beleuchteten und unbeleuchteten Bereichen zu schaffen. Weiterhin sind die Entfernungen zu den zu beleuchtenden Objekten in der Allgemeinbeleuchtung
üblicherweise deutlich kleiner als im Automobilbereich.
Entsprechend in der Allgemeinbeleuchtung eingesetzte
Beleuchtungseinrichtungen, mit denen variabel unterschiedliche Raumbereiche beleuchtet werden können, werden daher typischerweise mithilfe einer Vielzahl von
Einzelspots mit individuell zugeordneten Linsen und
Reflektoren realisiert, was jedoch eine kompakte Bauform erschwert .
Zumindest eine Aufgabe von bestimmten Ausführungsformen ist es, eine Lichtquelle anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch einen Gegenstand gemäß dem
unabhängigen Patentanspruch gelöst. Vorteilhafte
Ausführungsformen und Weiterbildungen des Gegenstands sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet und gehen weiterhin aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor .
Gemäß einer Ausführungsform weist eine Lichtquelle eine
Halbleiterlichtquelle auf, die dazu vorgesehen und
eingerichtet ist, im Betrieb Licht zu erzeugen. Die
Halbleiterlichtquelle kann beispielsweise eine
Halbleiterschichtenfolge mit zumindest einem aktiven Bereich zur Erzeugung von Licht aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die
Halbleiterlichtquelle eine Mehrzahl von unabhängig
voneinander betreibbaren Einzelemittern auf, wobei jeder der Einzelemitter unabhängig von den übrigen Einzelemittern zur Lichterzeugung betrieben werden kann und im Betrieb Licht über eine jeweilige Einzelleuchtfläche abstrahlt. Die
Einzelemitter bilden insbesondere einen zusammenhängenden Verbund, so dass die Halbleiterlichtquelle, aufweisend die Einzelemitter, ein zusammenhängendes Bauteil bildet. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die
Halbleiterlichtquelle eben ausgebildet. Das kann insbesondere bedeuten, dass die Einzelleuchtflachen in einer selben Ebene oder zumindest im Wesentlichen in derselben Ebene liegen. Letzteres kann bedeuten, dass die Einzelleuchtflachen
beispielsweise aufgrund von Fertigungstoleranzen aus der besagten Ebene herausragen können. Durch einen derartig ebenen und somit flachen Aufbau der Halbleiterlichtquelle kann eine einfache, kompakte Bauweise erreicht werden, was niedrigere Kosten zur Folge haben kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Lichtquelle ein Optikelement auf. Das Optikelement ist insbesondere dafür vorgesehen und eingerichtet, im Betrieb von der
Halbleiterlichtquelle abgestrahltes Licht in ein
Beleuchtungsfeld zu lenken. Mit anderen Worten dient das Optikelement der Gestaltung der räumlichen
Abstrahlcharakteristik der Lichtquelle. Insbesondere weist die gesamte Lichtquelle genau ein zur Strahlformung
vorgesehenes Optikelement auf, das der Gesamtheit aller
Einzelemitter nachgeordnet ist. Entsprechend kann die
Lichtquelle frei von weiteren optischen Elementen wie
beispielsweise Kollimationsoptiken, Reflektoren, Spiegeln und zum Optikelement zusätzlichen Linsensystemen sein.
Insbesondere kann das Optikelement somit der
Halbleiterlichtquelle und damit der Mehrzahl von
Einzelemittern gemeinsam nachgeordnet sein und somit ein den Einzelemittern unmittelbar nachgeordnetes gemeinsames
Optikelement, besonders bevorzugt das einzige Optikelement der Lichtquelle, sein. Weiterhin kann die Lichtquelle
entsprechend frei von einem oder mehreren Einzelemittern individuell zugeordneten optischen Elementen sein. In Bezug auf die Funktionen Lichterzeugung und Lichtlenkung kann die Lichtquelle somit aus der Halbleiterlichtquelle und dem
Optikelement bestehen. Zusätzlich hierzu kann die Lichtquelle mechanische, elektrische und elektronische Komponenten und Elemente aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Optikelement dazu vorgesehen und eingerichtet, Licht von unterschiedlichen Einzelemittern in unterschiedliche Raumwinkelbereiche zu lenken. Somit können mithilfe des bevorzugt einzigen
Optikelements der Lichtquelle, das allen Einzelemittern der Lichtquelle gemeinsam nachgeordnet ist, unterschiedliche Raumbereiche durch eine gezielte Auswahl von
Einzellichtquellen beleuchtet werden. Durch eine zeitlich veränderbare Auswahl von Einzellichtquellen kann somit Licht zeitlich veränderbar in unterschiedliche Bereiche eines Raumes gebracht werden. Die Lichtquelle kann somit eine adaptive Lichtquelle bilden, die zeitlich veränderbar unterschiedliche Raumbereiche unterschiedlich hell
ausleuchten kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Einzelemitter defokussiert zum Optikelement angeordnet. Die Einzelemitter und das Optikelement sind also so zueinander ausgerichtet, dass das Optikelement keine scharfe Abbildung der
Halbleiterlichtquelle erzeugt. Vielmehr sind die
Einzelemitter und das Optikelement so zueinander angeordnet, dass die Einzelleuchtflächen unscharf abgebildet werden.
Dadurch können weiche Helligkeitsübergänge erzeugt und gegebenenfalls Färb- und/oder Helligkeitsschwankungen von Licht, das von den Einzellichtquellen abgestrahlt wird, ausgeglichen werden. In lateraler Richtung, also parallel zu einer
Haupterstreckungsebene der Einzelleuchtflachen der
Einzelemitter, sind die Einzelemitter nebeneinander
angeordnet. Durch gleichzeitige Aktivierung aller
Einzelemitter ist der gesamte Beleuchtungsbereich
beleuchtbar. Von benachbarten Einzelemitter beleuchtete
Teilbereiche des Beleuchtungsbereichs können teilweise, insbesondere an den unscharfen Rändern, überlappen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Lichtquelle eine Ansteuervorrichtung auf. Die Ansteuervorrichtung ist insbesondere dafür vorgesehen und eingerichtet, die
Einzelemitter zu betreiben. Mittels der Ansteuervorrichtung, die zumindest teilweise in die Halbleiterlichtquelle
integriert sein kann, können die Einzelemitter unabhängig voneinander und insbesondere auch gleichzeitig mit
unterschiedlichen Strömen und/oder unterschiedlichen
Spannungen betrieben werden. Beispielsweise weist die
Ansteuervorrichtung zumindest eine Aktiv-Matrix-Schaltung auf, bei der zumindest zwei Einzelemitter, insbesondere alle Einzelemitter, gleichzeitig ansteuerbar sind. Beispielsweise ist jedem Einzelemitter der Halbleiterlichtquelle ein
Schalter der Ansteuervorrichtung zugeordnet, etwa ein
Transistor .
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Einzelemitter in einer Matrixanordnung angeordnet. Insbesondere sind die einzelnen Elemente der Matrixanordnung unabhängig voneinander ansteuerbar. Der Begriff „Matrixanordnung" bezeichnet
insbesondere allgemein eine zweidimensionale Anordnung einer Vielzahl von Einzelemittern, beispielsweise in einem
regelmäßigen quadratischen, rechteckigen oder hexagonalen Gitter. Entsprechend können die Einzelemitter besonders bevorzugt in einer orthogonalen Matrix oder in einer
hexagonalen Matrix angeordnet sein. Hierbei können die
Einzelemitter Einzelleuchtflachen bevorzugt mit einer
quadratischen, rechteckigen oder hexagonalen Form aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die Einzelemitter jeweils eine Einzelleuchtflache von kleiner oder gleich 2 mm2 oder bevorzugt von kleiner oder gleich 1 mm2 oder besonders bevorzugt von kleiner oder gleich 0,6 mm2 auf. Jeder der Einzelemitter kann eine im Wesentlichen Lambert' sehe
Abstrahlcharakteristik aufweisen. Die Halbleiterlichtquelle weist entsprechend eine Gesamtleuchtflache auf, die von der Gesamtheit der bevorzugt matrixartig angeordneten
Einzelleuchtflachen gebildet wird. Besonders bevorzugt weist die Gesamtleuchtflache eine Ausdehnung von kleiner oder gleich 2 cm in allen lateralen Richtungen auf, entsprechend kann die Gesamtleuchtflache besonders bevorzugt kleiner oder gleich 2 cm c 2 cm sein. Die Gesamtleuchtflache kann
bevorzugt eine quadratische, rechteckige, hexagonale oder andere mehreckige Form aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die
Halbleiterlichtquelle einen Licht emittierenden
Halbleiterchip mit einer Mehrzahl von unabhängig voneinander betreibbaren Leuchtsegmenten auf oder wird dadurch gebildet. Hierbei kann bevorzugt jeder Einzelemitter durch ein
Leuchtsegment eines derartig segmentierten Halbleiterchips gebildet werden. Alternativ hierzu kann es auch möglich sein, dass die Halbleiterlichtquelle eine Mehrzahl von Licht emittierenden Halbleiterchips aufweist oder dadurch gebildet, wobei die Halbleiterchips unabhängig voneinander betreibbar sind und jeder Einzelemitter durch einen Halbleiterchip gebildet wird. Die Mehrzahl der Halbleiterchips kann insbesondere auf einem gemeinsamen Anschlussträger wie beispielsweise einer Leiterplatte montiert und elektrisch angeschlossen sein. Weiterhin kann die Mehrzahl der
Halbleiterchips von einem gemeinsamen Formkörper,
insbesondere einem durch ein Formverfahren herstellbaren Kunststoffkörper, lateral umgeben sein, der an die
Halbleiterchips angeformt ist und einen plattenartgien
Verbundträger bildet, in dem die Halbleiterchips angeordnet sind .
Für die Erzeugung von Licht im sichtbaren Spektralbereich eignet sich für den einen oder die Mehrzahl von
Halbleiterchips ein Halbleitermaterial auf der Basis eines Nitrid-, Phosphid- oder Arsenid-
Verbindungshalbleitermaterials . Für eine langwellige, infrarote bis rote Strahlung ist beispielsweise ein
Halbleitermaterial auf Basis von InxGayAli-x-yAs geeignet, für rote bis grüne Strahlung ist beispielsweise ein
Halbleitermaterial auf Basis von InxGayAli_x-yP geeignet und für kurzwelligere sichtbare Strahlung, also insbesondere für grüne bis blaue Strahlung, und/oder für UV-Strahlung ist beispielsweise ein Halbleitermaterial auf Basis von
InxGayAli_x-yN geeignet, wobei jeweils 0 d c < 1 und 0 d y < 1 gilt .
Zur Erzeugung von weißem Licht kann es weiterhin vorteilhaft sein, wenn die Einzelemitter ein
Wellenlängenkonversionselement aufweisen, das auf der
jeweiligen Einzelleuchtfläche angeordnet ist. Hierbei kann ein Wellenlängenkonversionselement jeweils einer einzelnen Einzelleuchtfläche, jeweils einer Gruppe von
Einzelleuchtflächen oder auch allen Einzelleuchtflächen gemeinsam nachgeordnet sein. Insbesondere kann es vorteilhaft sein, wenn die Einzelemitter das jeweilige oder gemeinsame Wellenlängenkonversionselement unmittelbar auf der
Einzelleuchtflache aufweisen. Das
Wellenlängenkonversionselement jedes der Einzelemitter kann zumindest einen oder mehrere Wellenlängenkonversionsstoffe aufweisen, die geeignet sind, das vom Einzelemitter im
Betrieb emittierte Licht zumindest teilweise in Licht mit einer anderen Wellenlänge umzuwandeln, sodass die
Einzelemitter jeweils ein Mischlicht aus dem primär von dem Halbleitermaterial emittierten Licht und dem umgewandelten sekundären Licht oder, bei einem vollständigen Konversion, im Wesentlichen das umgewandelte Licht abstrahlen können. Der oder die Wellenlängenkonversionsstoffe können beispielsweise einen oder mehrere der folgenden Materialien aufweisen:
Granate der Seltenen Erden und der Erdalkalimetalle, Nitride, Nitridosilikate, Sione, Sialone, Aluminate, Oxide,
Halophosphate, Orthosilikate, Sulfide, Vanadate und
Chlorosilikate . Weiterhin können der oder die
Wellenlängenkonversionsstoffe zusätzlich oder alternativ ein organisches Material umfassen, das aus einer Gruppe
ausgewählt sein kann, die Perylene, Benzopyrene, Coumarine, Rhodamine und Azo-Farbstoffe umfasst. Darüber hianus sind auch Quantenpunkt-basierte Leuchtstoffe möglich und
vorteilhaft. Diese können aus wenige Nanometer großen
Partikeln gebildet werden, zum Beispiel auf Basis von CdSe, CdS, CdTe, InP, InAs, Cl(Zn)S, AIS, Zn3N2, Si, ZnSe, ZnO, GaN oder Kombinationen daraus. Der oder die
Wellenlängenkonversionsstoffe können beispielsweise in einem transparenten Matrixmaterial enthalten sein, das durch einen Kunststoff wie etwa Silikon, ein Glas, ein Keramikmaterial oder eine Kombination daraus gebildet sein kann. Hierdurch kann ein sogenanntes Leuchtstoff-Platelet gebildet sein.
Weiterhin können der oder die Wellenlängenkonversionsstoffe auf einem transparenten Substrat aufgebracht sein, etwa einem Glas- oder Keramiksubstrat. Darüber hinaus ist es bei einem keramischen Wellenlängenkonversionsstoff auch möglich, dass dieser ein selbsttragendes Keramikbauteil bildet. Das
Wellenlängenkonversionselement kann beispielsweise mittels einer geeigneten Verbindungsschicht, etwa einer
KlebstoffSchicht, auf der Einzelleuchtfläche eines
Einzelemitters befestigt sein oder auch unmittelbar auf der Einzelleuchtfläche aufgebracht sein. Besonders bevorzugt sind das oder die Wellenlängenkonversionselemente so ausgebildet, dass die Einzelemitter im Betrieb alle gleichfarbiges Licht abstrahlen .
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind alle
Einzelleuchtflächen gleich, insbesondere gleich groß, ausgebildet. Alternativ hierzu können zumindest zwei oder mehr Einzelemitter voneinander unterschiedliche
Einzelleuchtflächen aufweisen. Insbesondere können zumindest zwei oder mehr Einzelemitter unterschiedlich große
Einzelleuchtflächen aufweisen. Beispielsweise kann die
Gesamtheit der Einzelemitter eine Gesamtleuchtfläche mit einem Mittelpunkt bilden, wobei zumindest ein erster
Einzelemitter mit einem ersten Abstand zum Mittelpunkt und zumindest ein zweiter Einzelemitter mit einem zweiten Abstand zum Mittelpunkt vorhanden sind und der erste und zweite
Einzelemitter voneinander unterschiedlich große
Einzelleuchtflächen aufweisen. Hierbei kann der erste Abstand kleiner als der zweite Abstand sein, so dass der erste
Einzelemitter eine größere Einzelleuchtfläche als der zweite Einzelemitter aufweisen kann. Ebenso ist eine umgekehrte Anordnung möglich. Weiterhin kann es möglich sein, dass eine erste Gruppe mit einer Mehrzahl von ersten Einzelemittern und eine zweite Gruppe mit einer Mehrzahl von zweiten Einzelemittern vorhanden sind, für die das Vorgenannte gilt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Optikelement eine oder mehrere Linsen auf, wobei die Gesamtheit aller Linsen derart ausgebildet ist, das die vorab beschriebenen Lichtlenkeigenschaften erreicht werden. Insbesondere kann das Optikelement ein refraktives optisches Element sein, das im Hinblick auf seine optischen Eigenschaften aus einer oder mehreren Linsen besteht. Mit anderen Worten sind zusätzlich zu der einen oder den mehrere Linsen bevorzugt keine weiteren optischen Komponenten vorhanden, so dass die optischen
Eigenschaften des Optikelements allein durch die eine oder die mehreren Linsen gegeben sind. Die eine oder die mehreren Linsen können ausgewählt sein aus Linsen mit einer oder zwei optischen Flächen, die ausgewählt sind aus konkaven und konvexen sowie weiterhin sphärischen und asphärischen
Flächen. Weiterhin können die eine oder mehreren Linsen Glas und/oder Kunststoff wie beispielsweise Polymethylmethacrylat (PMMA) oder Cyclo-Olefin-Polymere, beispielsweise erhältlich unter dem Markennamen Zeonex, aufweisen oder daraus sein. Weist das Optikelement mehr als eine Linse auf, können die mehreren Linsen beispielsweise unterschiedlich geformt und/oder unterschiedliche Materialien aufweisen.
Das Optikelement kann besonders bevorzugt derart ausgebildet sein, dass das Licht jedes Einzelemitters in einen jeweiligen Raumwinkelbereich gelenkt wird und die den Einzelemittern zugeordneten Raumwinkel alle zumindest teilweise paarweise verschieden sind. Mit anderen Worten wird das Licht jedes Einzelemitters in einen eigens zugeordneten Raumwinkelbereich gelenkt und jeder Raumwinkelbereich überlappt höchstens teilweise mit jedem der anderen Raumwinkelbereiche. Wird mit der Lichtquelle eine Fläche, beispielsweise eine ebene
Fläche, beleuchtet, kann so mit jedem Einzelemitter ein anderer Bereich der Fläche beleuchtet werden. Insbesondere kann das Optikelement hierzu zumindest teilweise eine
Weitwinkeloptik-artige und/oder eine Fischaugenoptik-artige Abbildungsweise aufweisen. Besonders bevorzugt sind alle Raumwinkelbereiche im Wesentlichen gleich groß. Das kann insbesondere bedeuten, dass die Größen, also die Raumwinkel, der Raumwinkelbereiche um weniger als 20% oder weniger als 10% oder weniger als 5% voneinander abweichen. Im Hinblick auf die besagte beleuchtete Fläche bedeutet dies, dass jeder der Einzelemitter einen zugehörigen Flächenbereich auf der Fläche beleuchten kann und die Flächenbereiche im
Wesentlichen gleich groß sind.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform strahlt das Optikelement die Gesamtleuchtfläche der Halbleiterlichtquelle, das heißt das Licht aller gemeinsam betriebenen Einzellichtquellen, in einem Lichtkegel ab, der einen vollen Öffnungswinkel von größer oder gleich 60° und kleiner oder gleich 160° aufweist. Die Größe von Öffnungswinkeln und vorab beschriebenen
Raumwinkeln kann insbesondere jeweils durch die volle
Halbwertsbreite der abgestrahlten Lichtintensität gegeben sein. Besonders bevorzugt ist der Öffnungswinkel größer oder gleich 90°. Weiterhin kann der Öffnungswinkel bevorzugt kleiner oder gleich 120° sein, was dem Blendungslimit von Deckenleuchten entspricht.
Um eine möglichst effiziente Lichteinkopplung in das
Optikelement zu erreichen, weist das Optikelement eine
Lichteinkoppelfläche auf, die bevorzugt einen Abstand von größer oder gleich 0,1 mm oder größer oder gleich 1 mm oder größer oder gleich 2 mm und kleiner oder gleich 10 mm oder kleiner oder gleich 4 mm zu den Einzelleuchtflachen der
Einzelemitter aufweisen kann. Weiterhin kann das
Optikelement, also insbesondere die Lichteinkoppelfläche, einen Akzeptanzwinkel von größer oder gleich 60° aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform lenkt das Optikelement die Gesamtleuchtfläche in einen Beleuchtungsbereich, wobei die Gesamtleuchtfläche und der Beleuchtungsbereich gleiche Formen aufweisen. Mit anderen Worten können die
Gesamtleuchtfläche und der Beleuchtungsbereich beispielsweise jeweils eine quadratische, rechteckige, hexagonale oder andere mehreckige Form aufweisen. Da die Einzelemitter bevorzugt defokussiert zum Optikelement angeordnet sind und die Einzelleuchtflächen entsprechend bevorzugt unscharf abgebildet werden, kann eine gleiche Form auch bedeuten, dass die Form des Beleuchtungsbereichs bevorzugt verwaschen im Vergleich zur Gesamtleuchtfläche ist. Alternativ hierzu können die Gesamtleuchtfläche und der Beleuchtungsbereich unterschiedliche Formen aufweisen. Hierzu kann das
Optikelement beispielsweise eine oder mehrere Zylinderlinsen oder Linsen mit Zylinderlinsen-artiger Abbildungsweise aufweisen, so dass Licht beispielsweise einer quadratischen Gesamtleuchtfläche in einen elliptischen oder eher
rechteckigen Beleuchtungsbereich gelenkt wird.
Die hier beschriebene Lichtquelle kann beispielsweise für Beleuchtungszwecke verwendet werden, bei denen räumlich variabel wählbare Beleuchtungsakzente gesetzt werden sollen, beispielsweise bei Büro-, Restaurant-, Museums-, Leselicht-, Schaufenster- und Geschäftsraumbeleuchtungszwecken.
Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausführungsformen und
Weiterbildungen ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen
Ausführungsbeispielen .
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Lichtquelle gemäß einem Ausführungsbeispiel,
Figuren 2A bis 3C schematische Darstellungen von
Einzelemittern und Halbleiterlichtquellen gemäß weiteren Ausführungsbeispielen,
Figuren 4A bis 4D schematische Darstellungen einer
Lichtquelle gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel in Verbindung mit Simulationen und Messungen und
Figuren 5A bis 6 schematische Darstellungen von Lichtquellen gemäß weiteren Ausführungsbeispielen.
In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, wie zum Beispiel Schichten, Bauteile, Bauelemente und Bereiche, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Sind in den Figuren Mehrzahlen von gleichen Elementen mit gleichen Bezugszeichen gezeigt, so kann es sein, dass aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht alle dieser gleichen Elemente mit Bezugszeichen versehen sind.
In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel für eine Lichtquelle 1 gezeigt, die eine Halbleiterlichtquelle 10 und ein
Optikelement 20 aufweist. Die Halbleiterlichtquelle 10, die zur Lichtabstrahlung eine Gesamtleuchtflache 11 aufweist, weist eine Mehrzahl von unabhängig voneinander betreibbaren Einzelemittern 12 auf, wobei jeder der Einzelemitter 12 unabhängig von den übrigen Einzelemittern 12 zur Lichterzeugung betrieben werden kann und im Betrieb Licht über eine jeweilige Einzelleuchtfläche 106 abstrahlt. Die Einzelemitter 12 bilden insbesondere einen zusammenhängenden Verbund, so dass die Halbleiterlichtquelle 10, aufweisend die Einzelemitter 12, ein zusammenhängendes Bauteil bildet. Die Gesamtleuchtfläche 11 wird durch die Gesamtheit der Einzelleuchtflächen 106 gebildet, die lateral nebeneinander angeordnet sind. Dadurch, dass die
Einzelemitter 12 unabhängig voneinander betreibbar sind, kann die Halbleiterlichtquelle 10 variabel von verschiedenen
Bereichen der Gesamtleuchtfläche 11 Licht abstrahlen. Die Halbleiterlichtquelle 10 ist insbesondere eben ausgebildet, also mit einer ebenen Gesamtleuchtfläche 11. Dies wird dadurch erreicht, dass die Einzelleuchtflächen 106 in
derselben Ebene oder zumindest im Wesentlichen in derselben Ebene liegen, also beispielsweise höchstens aufgrund von Fertigungstoleranzen aus der besagten Ebene herausragen.
Die Einzelemitter 12 können mit einer Ansteuervorrichtung 110 betrieben werden, die, wie in Figur 1 angedeutet ist, gleichzeitig einen Träger für die Einzelemitter 12 bilden kann. Alternativ hierzu kann die Ansteuervorrichtung auch ein separates Bauteil bilden, während die Einzelemitter 12 beispielsweise auf einem geeigneten Anschlussträger
angeordnet sind. Weitere Ausführungsbeispiele und Merkmale betreffend die Halbleiterlichtquelle 10 sind in Verbindung mit weiteren Figuren beschrieben. Mittels der Ansteuervorrichtung 100 werden die Einzelemitter 12 unabhängig voneinander mit gezielt gewählten Strömen und/oder Spannungen betrieben, sodass zu einem bestimmten Zeitpunkt gezielt beispielsweise einzelne Einzelemitter 12 und/oder Gruppen von Einzelemittern 12 oder auch alle
Einzelemitter 12 zur Lichterzeugung betrieben werden können, um eine gewünschte Raumausleuchtung zu erreichen.
Beispielsweise weist die Ansteuervorrichtung 110 zumindest eine Aktiv-Matrix-Schaltung auf, durch die die Einzelemitter 12 unabhängig voneinander ansteuerbar sind.
Das Optikelement 20 ist dafür vorgesehen und eingerichtet, im Betrieb von der Halbleiterlichtquelle 10 abgestrahltes Licht in ein Beleuchtungsfeld zu lenken, wie durch die
gestrichelten Pfeile angedeutet ist. Insbesondere weist die gesamte Lichtquelle 1 genau das eine Optikelement 20 auf, das der Gesamtheit aller Einzelemitter 12 nachgeordnet ist.
Entsprechend ist die Lichtquelle 1 frei von weiteren
optischen Elementen. Auch die Einzelemitter 12 sind frei von optischen Elementen wie etwa strahlformenden Elementen, so dass die Einzelemitter 12 jeweils Licht mit einer
Lambert' sehen Abstrahlcharakteristik oder mit einer im
Wesentlichen Lambert' sehen Abstrahlcharakteristik abstrahlen können .
Das Optikelement 20 ist insbesondere dazu vorgesehen und eingerichtet, Licht von unterschiedlichen Einzelemittern 12 in unterschiedliche Raumwinkelbereiche zu lenken. Somit können mithilfe des Optikelements 20 unterschiedliche
Raumbereiche durch eine gezielte Auswahl von
Einzellichtquellen 12 beleuchtet werden. Durch eine zeitlich veränderbare Auswahl von Einzellichtquellen 12 kann somit Licht zeitlich veränderbar in unterschiedliche Richtungen und somit in unterschiedliche Bereiche eines zu beleuchtenden Raumes gebracht werden. Die Lichtquelle 1 bildet somit eine adaptive Lichtquelle, die zeitlich veränderbar
unterschiedliche Raumbereiche unterschiedlich hell
ausleuchten kann.
Die Einzelemitter 12 sind defokussiert zum Optikelement 20 angeordnet, sodass das Optikelement 20 gezielt keine scharfe Abbildung der Halbleiterlichtquelle 10 erzeugt. Vielmehr sind die Einzelemitter 12 und das Optikelement 20 so zueinander angeordnet, dass die Einzelleuchtflachen 106 unscharf
abgebildet werden. Durch eine solche leichte Defokussierung können gerichtete „Spots" in einen großen Bereich von
Raumrichtungen erzeugt werden. Außerdem können dadurch weiche Helligkeitsübergänge erzeugt und gegebenenfalls Farb- und/oder Helligkeitsschwankungen von Licht, das von den
Einzellichtquellen abgestrahlt wird, ausgeglichen werden.
Das Optikelement 20, zu dem in Verbindung mit nachfolgenden Figuren weitere Merkmale beschrieben werden, ist außerdem derart ausgebildet, dass die Gesamtleuchtfläche 11 der
Halbleiterlichtquelle 10, das heißt das Licht aller gemeinsam betriebenen Einzellichtquellen 12, in einem Lichtkegel abgestrahlt werden kann, der einen vollen Öffnungswinkel von bevorzugt größer oder gleich 60° und kleiner oder gleich 160° aufweist. Besonders bevorzugt ist der Öffnungswinkel größer oder gleich 90°. Weiterhin ist der Öffnungswinkel bevorzugt kleiner oder gleich 120°, was dem Blendungslimit von
Deckenleuchten entspricht.
In Verbindung mit den nachfolgenden Figuren sind weitere Merkmale für die Lichtquelle 1 anhand weiterer
Ausführungsbeispiele beschrieben. In den Figuren 2A bis 2D sind Ausführungsbeispiele für Halbleiterlichtquellen 10 und Einzelemitter 12 gezeigt.
Wie in den Figuren 2A und 2B gezeigt ist, kann die
Halbleiterlichtquelle 10 eine Mehrzahl von Licht
emittierenden Halbleiterchips 100 aufweisen, die unabhängig voneinander betreibbar sind, wobei jeder Einzelemitter 12 durch einen Halbleiterchip 100 gebildet wird. Die Mehrzahl der Halbleiterchips 100 kann wie gezeigt beispielsweise auf einem Anschlussträger 200 wie beispielsweise einer
Leiterplatte montiert und elektrisch angeschlossen sein. Der Anschlussträger 200 kann auch eine vorab beschriebene
Ansteuervorrichtung oder Teile davon aufweisen. Weiterhin kann die Mehrzahl der Halbleiterchips 100 von einem
gemeinsamen Formkörper, insbesondere einem durch ein
Formverfahren herstellbaren Kunststoffkörper, lateral umgeben sein, der an die Halbleiterchips 100 angeformt ist und einen plattenartigen Verbundträger mit den darin befestigten Licht emittierenden Halbleiterchips 100 bildet.
Die Einzelemitter 12 weisen bevorzugt jeweils eine
Einzelleuchtfläche von kleiner oder gleich 2 mm2 oder
bevorzugt von kleiner oder gleich 1 mm2 oder besonders bevorzugt von kleiner oder gleich 0,6 mm2 auf. Jeder der Einzelemitter 12 kann wie vorab beschrieben eine im
Wesentlichen Lambert' sehe Abstrahlcharakteristik aufweisen.
Die Einzelemitter 12 sind bevorzugt in einer Matrixanordnung angeordnet, also in einer zweidimensionalen Anordnung einer Vielzahl von Einzelemittern 12. Hierbei können die
Einzelemitter 12 Einzelleuchtflächen bevorzugt mit einer quadratischen, rechteckigen oder hexagonalen Form aufweisen. Die Halbleiterlichtquelle 10 weist entsprechend eine Gesamtleuchtflache auf, die von der Anordnungsform der
Einzelleuchtflachen gebildet wird. Besonders bevorzugt weist die Gesamtleuchtflache eine Ausdehnung von kleiner oder gleich 2 cm in allen lateralen Richtungen auf, entsprechend kann die Gesamtleuchtflache besonders bevorzugt kleiner oder gleich 2 cm c 2 cm sein. Wie in Figur 2A gezeigt ist, kann die Matrixanordnung und somit die Form der Gesamtleuchtflache 11 beispielsweise quadratisch sein. Weiterhin sind
beispielsweise auch rechteckige oder hexagonale Formen denkbar. Darüber hinaus sind auch andere Matrixanordnungen möglich, von denen rein beispielhaft eine in Figur 2B gezeigt ist. Diese Anordnung bildet eine Annäherung der
Gesamtleuchtflache 11 an ein kreisrundes oder elliptisches Arrangement .
In den Figuren 2C und 2D sind zwei Ausführungsbeispiele für Licht emittierende Halbleiterchips 100 gezeigt. Wie in Figur 2C dargestellt ist, kann ein Licht emittierender
Halbleiterchip 100 als Leuchtdiodenchip mit einer auf einem Substrat 101 aufgebrachten Halbleiterschichtenfolge 102 ausgebildet sein. Rein beispielhaft sind zwei
Halbleiterschichten 121, 122 gezeigt, zwischen denen eine aktive Schicht 123 angeordnet ist, die dazu eingerichtet und vorgesehen ist, im Betrieb des Licht emittierenden
Halbleiterchips 100 Licht zu erzeugen. Je nach gewünschter Emissionswellenlänge kann die Halbleiterschichtenfolge 102 eines oder mehrere der oben im allgemeinen Teil beschriebenen Halbleitermaterialien aufweisen oder daraus sein. Das im Betrieb erzeugte Licht wird über die Einzelleuchtfläche 106 abgestrahlt .
Die Halbleiterschichtenfolge 102 kann auf einem
Aufwachssubstrat epitaktisch abgeschieden und nach dem epitaktischen Aufwachsen auf ein Trägersubstrat wie das gezeigte Substrat 101 übertragen werden. Das Substrat 101 kann dabei ein Halbleitermaterial, beispielsweise ein im allgemeinen Teil genanntes Verbindungshalbleitermaterial, oder ein anderes geeignetes Material aufweisen oder daraus sein. Insbesondere kann ein Aufwachssubstrat und/oder das Substrat 101 beispielsweise Saphir, GaAs, GaP, GaN, InP, SiC, Si und/oder Ge umfassen oder aus einem solchen Material sein.
Die Halbleiterschichtenfolge 102 kann als aktive Schicht 123 beispielsweise einen herkömmlichen pn-Übergang, eine
Doppelheterostruktur, eine Einfach-QuantentopfStruktur (SQW- Struktur) oder eine Mehrfach-QuantentopfStruktur (MQW- Struktur) aufweisen. Die Halbleiterschichtenfolge 102 kann zusätzlich zur aktiven Schicht 123 weitere funktionelle
Schichten und funktionelle Bereiche umfassen, die durch die Schichten 121, 122 angedeutet sind, etwa p- oder n-dotierte Ladungsträgertransportschichten, , undotierte oder p- oder n- dotierte Confinement- , Cladding- oder Wellenleiterschichten sowie weiterhin auch Barriereschichten,
Planarisierungsschichten, Pufferschichten und/oder
Schutzschichten sowie Kombinationen daraus. Weiterhin kann beispielsweise zwischen dem Substrat 101 und der
Halbleiterschichtenfolge 102 eine Spiegelschicht 103
angeordnet sein, wie in Figur 2C gezeigt ist. Darüber hinaus können zusätzliche Schichten, etwa Pufferschichten,
Barriereschichten und/oder Schutzschichten, auch senkrecht zur Aufwachsrichtung der Halbleiterschichtenfolge 102
beispielsweise um die Halbleiterschichtenfolge 102 herum angeordnet sein, also etwa auf den Seitenflächen der
Halbleiterschichtenfolge 102. Weiterhin kann es auch möglich sein, dass der Halbleiterchip 100 lateral von einer durch ein Kunststoffmaterial gebildeten Formmasse umgeben ist, die dem Halbleiterchip 100 Stabilität verleihen kann.
Zur elektrischen Kontaktierung der Halbleiterschichtenfolge 102 und damit zur Bestromung der aktiven Schicht 123 sind elektrische Kontakte 104, 105 in Form von Elektrodenschichten oder Elektrodenstrukturen vorgesehen, deren gezeigte
Positionen auf der Halbleiterschichtenfolge 102 und auf der der Halbleiterschichtenfolge 102 abgewandten Seite des
Substrats 101 rein beispielhaft zu verstehen sind.
Der in Figur 2C gezeigte Licht emittierende Halbleiterchip 100 stellt den Grundaufbau eines so genannten Dünnfilm- Leuchtdiodenchips dar, bei dem die Halbleiterschichtenfolge 102 nach dem Aufwachsen auf einem Aufwachssubstrat von diesem auf ein geeignetes Trägersubstrat übertragen wird und bei dem das Aufwachssubstrat anschließend entfernt oder zumindest gedünnt wird. Alternativ hierzu kann der Halbleiterchip 100 als Substrat 101 auch noch das Aufwachssubstrat aufweisen, wobei hierbei die Spiegelschicht 103 entfallen kann. Ein solcher Licht emittierender Halbleiterchip, der mittels des Aufwachssubstrats auf einem Träger montiert wird, kann auch als sogenannte Volumenemitter bezeichnet werden.
In Figur 2D ist ein Licht emittierender Halbleiterchip 100 gezeigt, der als sogenannter Flip-Chip ausgebildet ist. Der Flip-Chip wird mit den elektrischen Kontakten 104, 105 auf einem Träger montiert, so dass im Betrieb erzeugtes Licht durch das Substrat 101, das das Aufwachssubstrat sein kann, abgestrahlt wird. Im Übrigen kann der in Figur 2D gezeigte Halbleiterchip 100 Merkmale wie in Verbindung mit Figur 2C beschrieben aufweisen. Zur Erzeugung von weißem Licht kann es weiterhin vorteilhaft sein, wenn, wie in den Figuren 2C und 2D angedeutet ist, die Einzelemitter 12 ein Wellenlängenkonversionselement 111 aufweisen, das auf der jeweiligen Einzelleuchtflache 106 angeordnet ist und das Teil des jeweiligen Einzelemitters 12 ist. Hierbei kann ein Wellenlängenkonversionselement 111 wie angedeutet jeweils auf einer einzelnen Einzelleuchtfläche 106 aufgebracht sein. Alternativ ist es auch möglich, dass ein Wellenlängenkonversionselement jeweils auf einer Gruppe von Einzelleuchtflächen oder auch auf allen Einzelleuchtflächen der Halbleiterlichtquelle gemeinsam aufgebracht ist.
Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Einzelemitter 12 das jeweilige oder gemeinsame Wellenlängenkonversionselement wie gezeigt unmittelbar auf der Einzelleuchtfläche 106 aufweisen .
In den Figuren 3A bis 3C sind weitere Ausführungsbeispiele für Halbleiterlichtquellen 10 und Einzelemitter 12 gezeigt.
Im Vergleich zu den vorherigen Ausführungsbeispielen weist die Halbleiterlichtquelle 10 bei diesen Ausführungsbeispielen einen Licht emittierenden Halbleiterchip 100 mit einer
Mehrzahl von unabhängig voneinander betreibbaren
Leuchtsegmenten auf, die die Mehrzahl von Einzelemitter 12 bildet. Ein entsprechend segmentierter Licht emittierender Halbleiterchip 100 ist als segmentierte Leuchtdiode
ausgebildet ist und weist eine segmentierte Ausbildung zumindest eines Teils der Halbleiterschichtenfolge 102 auf. Mit anderen Worten ist die Halbleiterschichtenfolge 102 auf dem Substrat 101, das ein Aufwachs- oder Trägersubstrat sein kann, in einzelne, individuell betreibbare Leuchtsegmente unterteilt, die die Mehrzahl von individuell betreibbaren Einzelemittern 12 bilden. Im Übrigen können die in den
Figuren 3A bis 3C gezeigten Halbleiterchips 100 Merkmale wie in Verbindung mit den vorherigen Figuren beschrieben
aufweisen. Der Übersichtlichkeit halber sind elektrische Kontakte nicht gezeigt. Die durch Leuchtsegmente gebildeten Einzelemitter 12 können wie im Fall von durch Halbleiterchips gebildeten Einzelemittern unabhängig voneinander an- und ausschaltbar und dimmbar sein. Zur individuellen Ansteuerung der Einzelemitter 12 kann das Substrat 101 optional auf einer durch einen Treiberschaltungsträger gebildeten
Ansteuervorrichtung 110 montiert sein, der in Figur 3A durch die gestrichelte Linie angedeutet ist und der beispielsweise eine geeignete Treiberschaltung oder zumindest einen Teil davon enthält. Die Ansteuervorrichtung 110 kann
beispielsweise auf einer Siliziumtechnik basieren.
Segmentierte Leuchtdioden sind beispielsweise in den
Druckschriften US 2015/0325598 Al und US 2015/0333047 Al beschrieben, deren jeweiliger Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug vollumfänglich aufgenommen wird.
Wie in den Figuren 3B und 3C zu erkennen ist, können die die Einzelemitter 12 bildenden Leuchtsegmente des Licht
emittierenden Halbleiterchips 100 Einzelleuchtflächen
beispielsweise mit einer quadratischen oder hexagonalen Form aufweisen. Durch eine hexagonale Form der Einzelleuchtflächen kann aufgrund der defokussierten Anordnung des Optikelements eine annähernd kreisförmige Abbildung der Einzelemitter 12 erreicht werden. Darüber hinaus sind auch andere Formen möglich .
Wie in den beschriebenen Ausführungsbeispielen gezeigt ist, sind die Einzelemitter 12 in lateraler Richtung, also
parallel zu einer Haupterstreckungsebene der
Einzelleuchtflächen der Einzelemitter 12, nebeneinander angeordnet. Durch gleichzeitige Aktivierung aller Einzelemitter ist der gesamte von der Lichtquelle zu
beleuchtende Beleuchtungsbereich beleuchtbar. Von
benachbarten Einzelemittern 12 beleuchtete Teilbereiche des Beleuchtungsbereichs können teilweise, insbesondere an den unscharfen Rändern, überlappen.
In Verbindung mit den Figuren 4A bis 4D ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Lichtquelle 1 in Verbindung mit Simulationen und Messungen der Wirkung des Optikelements 20 gezeigt. Die Lichtquelle 1 weist rein beispielhaft eine wie in Verbindung mit den Figuren 3A und 3B beschriebene
Halbleiterlichtquelle 10 in Form eines segmentierten Licht emittierenden Halbleiterchips auf, der eine quadratische Matrix von 32 c 32 Einzelemittern und eine Gesamtleuchtflache von 4 mm c 4 mm aufweist. Der Licht emittierende
Halbleiterchip emittiert im gezeigten Ausführungsbeispiel blaues Licht, das von einem Wellenlängenkonversionselement zum Teil in gelbes Licht umgewandelt wird, so dass die
Halbleiterlichtquelle 10 weißes Licht abstrahlt.
Das Optikelement 20 weist im gezeigten Ausführungsbeispiel mehrere Linsen 21, ..., 25 auf, wobei die Gesamtheit der Linsen derart ausgebildet ist, das die vorab beschriebenen
Lichtlenkeigenschaften erreicht werden. Somit ist das
Optikelement 20 ein refraktives optisches Element, das im Hinblick auf seine optischen Eigenschaften aus den Linsen besteht, so dass zusätzlich zu den gezeigten Linsen keine weiteren optischen Komponenten vorhanden sind und die
optischen Eigenschaften des Optikelements 20 allein durch die Linsen gegeben sind. Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist das Optikelement 20 rotationssymmetrische Linsen und
Gesamtabmessungen von etwa 120 mm in der Länge und 50 mm im Durchmesser auf. Die die Eingangslinse bildende Linse 21, deren der Halbleiterlichtquelle 10 zugewandte Fläche die
Lichteinkoppelfläche des Optikelements 20 bildet, weist in Abstrahlrichtung eine konkave und eine konvexe sphärische Fläche auf und ist bevorzugt aus Glas. Der Akzeptanzwinkel der Lichteinkoppelfläche ist größer oder gleich 60°. Um eine möglichst effiziente Lichteinkopplung in das Optikelement 20 zu erreichen, ist der Abstand der Lichteinkoppelfläche des Optikelements 20 zu den Einzelleuchtflächen der Einzelemitter größer oder gleich 0,1 mm und kleiner oder gleich 10 mm.
Durch Berechnungen hat sich gezeigt, dass eine
Lichteinkoppelfläche mit einem Akzeptanzwinkel von größer oder gleich 60° und ein derartiger Abstand zu einer
Gesamteffizienz von mehr als 75% führt. Der Linse 21
nachgeordnet ist eine asphärische Linse 22 aus einem Cyclo- Olefin-Polymer mit ebenfalls einer konkaven und einer
konvexen Fläche. Den Linsen 21 und 22 folgen in
Abstrahlrichtung eine asphärische Linse 23 mit einer konvexen und einer konkaven Fläche, eine bikonvexe asphärische Linse 24 und eine bikonkave asphärische Linse 25, deren von der Halbleiterlichtquelle 10 abgewandte Fläche die
Lichtauskoppelfläche des Optikelements 20 bildet.
Gleichzeitig kann die Lichtauskoppelfläche des Optikelements 20 die Lichtauskoppelfläche der Lichtquelle 1 sein. Die
Linsen 23, 24 und 25 sind bevorzugt jeweils aus Kunststoff wie beispielsweise Polymethylmethacrylat (PMMA) oder einem Cyclo-Olefin-Polymer . Die Lichtquelle 1 benötigt zusätzlich zum Optikelement 20 weder weitere optische Komponenten wie Linsen oder Spiegel noch Blenden. Gemäß einem alterntiven Ausführungsbeispiel können auch alle Linsen sphärisch und aus Glas sein. Das Optikelement 20 ist derart ausgebildet, dass das Licht jedes Einzelemitters der Halbleiterlichtquelle 10 in einen jeweiligen Raumwinkelbereich gelenkt wird und die den
Einzelemittern zugeordneten Raumwinkel alle zumindest
teilweise paarweise verschieden sind. Entsprechend wird das Licht jedes Einzelemitters in einen eigens zugeordneten
Raumwinkelbereich gelenkt und jeder Raumwinkelbereich
überlappt höchstens teilweise mit jedem der anderen
Raumwinkelbereiche, so dass mit jedem Einzelemitter ein anderer Bereich einer Fläche beleuchtet werden kann. Das Optikelement 20 weist zumindest teilweise eine
Weitwinkeloptik-artige und/oder eine Fischaugenoptik-artige Abbildungsweise auf. Besonders bevorzugt sind alle
Raumwinkelbereiche im Wesentlichen gleich groß, so dass jeder der Einzelemitter einen zugehörigen Flächenbereich auf einer Fläche beleuchten kann und die Flächenbereiche im
Wesentlichen gleich groß sind.
In den Figuren 4A und 4B sind per Ray-Tracing ermittelte Strahlengänge von Licht von vier ausgesuchten Einzelemittern unmittelbar nach der Lichtauskoppelfläche des Optikelements (Figur 4A) sowie bis in etwa 1 m Entfernung (Figur 4B) gezeigt. Die beschriebene Lenkung von Licht der einzelnen Einzelemitter in zugeordnete Raumwinkelbereiche ist klar zu erkennen .
In den Figuren 4C und 4D sind die Intensitätsverteilungen von abgestrahltem Licht in 1 m Entfernung gezeigt, wobei im Falle der Figur 4C nicht alle Einzelemitter der
Halbleiterlichtquelle betrieben wurden und im Falle der Figur 4D durch den Betrieb aller Einzelemitter die
Gesamtleuchtfläche der Halbleiterlichtquelle voll erleuchtet war. Die Intensitätsdiagramme entsprechen Schnitten durch die Mittelsenkrechten in horizontaler und vertikaler Richtung.
Die Gesamtleuchtflache der Halbleiterlichtquelle 10, also das Licht aller gemeinsam betriebenen Einzellichtquellen, wird wie im Zusammenhang mit der Figur 1 beschrieben in einem Lichtkegel abgestrahlt, der einen vollen Öffnungswinkel von größer oder gleich 60° und bevorzugt von größer oder gleich 90° sowie von kleiner oder gleich 160° und bevorzugt von kleiner oder gleich 120° aufweist.
Durch die Verwendung rotationssymmetrischer Linsen kann erreicht werden, dass das Optikelement die Gesamtleuchtflache in einen Beleuchtungsbereich mit einer annähernd gleichen Form lenkt. Entsprechend können die Gesamtleuchtflache und der Beleuchtungsbereich beispielsweise jeweils wie gezeigt eine quadratische Form, alternativ aber auch eine andere Form wie beispielsweise eine rechteckige, hexagonale oder andere mehreckige oder annähernde runde Form, aufweisen. Da die Einzelemitter defokussiert zum Optikelement angeordnet sind und die Einzelleuchtflächen entsprechend unscharf abgebildet werden, kann die Form des Beleuchtungsbereichs etwas
verwaschen im Vergleich zur Gesamtleuchtfläche sein.
Alternativ hierzu können die Gesamtleuchtfläche und der
Beleuchtungsbereich auch unterschiedliche Formen aufweisen. Hierzu kann das Optikelement beispielsweise eine oder mehrere Zylinderlinsen oder Linsen mit Zylinderlinsen-artiger
Abbildungsweise aufweisen, so dass Licht einer beispielsweise quadratischen Gesamtleuchtfläche in einen elliptischen oder eher rechteckigen Beleuchtungsbereich gelenkt wird. Dies kann beispielsweise für die Ausleuchtung rechteckiger Räume vorteilhaft sein.
Alternativ zu den bisher gezeigten Ausführungsbeispielen, bei denen die Einzelemitter alle gleich große Einzelleuchtflächen aufweisen, können die Einzelleuchtflachen auch
unterschiedlich, insbesondere unterschiedlich groß,
ausgebildet sein. In Figur 5A ist eine Halbleiterlichtquelle 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem die
Gesamtheit der Einzelemitter 12 eine Gesamtleuchtflache 11 mit einem Mittelpunkt 191 bilden, der durch das Kreuz angedeutet ist, wobei eine Gruppe erster Einzelemitter mit einem ersten Abstand zum Mittelpunkt und eine Gruppe zweiter Einzelemitter mit einem zweiten Abstand zum Mittelpunkt vorhanden sind und die ersten und zweiten Einzelemitter voneinander unterschiedlich große Einzelleuchtflachen
aufweisen. Hierbei ist der erste Abstand kleiner als der zweite Abstand, so dass die ersten Einzelemitter mit größerer Einzelleuchtflache näher an der Mitte als die zweiten
Einzelemitter angeordnet sind. Wie in Figur 5B angedeutet ist, kann das Optikelement 20 so ausgebildet sein, dass die Abbildung der Einzelleuchtflächen gering verzerrt ist, so dass die Projektion von Einzelleuchtflächen umso größer ist, je weiter diese von der Mitte der Gesamtleuchtfläche
beabstandet sind. In Figur 5B ist eine erste Gruppe 13 von projizierten ersten Einzelleuchtflächen und eine zweite
Gruppe 14 von projizierten zweiten Einzelleuchtflächen angedeutet. Wie zu erkennen ist, kann durch die Verwendung kleinerer zweiter Einzelleuchtflächen weiter vom Mittelpunkt der Gesamtleuchtfläche entfernt dieser Effekt zumindest teilweise kompensiert werden.
Ebenso ist eine umgekehrte Größenverteilung der
Einzelleuchtflächen möglich, insbesondere in Verwendung mit einem negativ verzeichnenden Optikelement, das weiter außen angeordnete Einzelleuchtflächen kleiner abbildet. Durch eine derartige Kombination können eine ähnliche oder gleiche Intensität und ähnliche oder gleiche Abbildungskegel erreicht werden .
Weiterhin kann das Optikelement auch derart ausgebildet sein, dass die Verzeichnung des Optikelements so gestaltet ist, dass Einzelleuchtflächen nahe oder in der Mitte der
Gesamtleuchtfläche weiter nach außen projiziert werden und damit nicht mehr so groß erscheinen. Dadurch lässt sich erreichen, dass alle Einzelleuchtflächen in annähernd gleiche Raumwinkel abgebildet werden, so dass mit einer solchen
Lichtquelle ein Raum wie mit einer klassischen Lichtquelle beleuchtet werden kann.
Weiterhin kann das Optikelement auch derart ausgebildet sein, dass Einzelleuchtflächen nahe oder in der Mitte der
Gesamtleuchtfläche erheblich weiter nach außen projiziert werden. Dadurch kann erreicht werden, dass unter großen
Winkeln die Abbildungen der Einzelleuchtflächen kleiner sind, wie in Figur 6 angedeutet ist. Entsprechend können äußere Einzelleuchtflächen in kleinere Raumwinkel abgebildet werden, wodurch sich eine feiner granulierte Beleuchtung an Wänden eines Raumes oder, bei größeren Räumen, eine gleiche
Granulierung in größeren Entfernungen ergeben können.
Die in den in Verbindung mit den Figuren beschriebenen
Merkmale und Ausführungsbeispiele können gemäß weiteren
Ausführungsbeispielen miteinander kombiniert werden, auch wenn nicht alle Kombinationen explizit beschrieben sind.
Weiterhin können die in Verbindung mit den Figuren
beschriebenen Ausführungsbeispiele alternativ oder zusätzlich weitere Merkmale gemäß der Beschreibung im allgemeinen Teil aufweisen . Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den
Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugs zeichenliste
1 Lichtquelle
10 Halbleiterlichtquelle
11 Gesamtleuchtfläche
12 Einzelemitter
13, 14 Gruppe
20 Optikelement
21, 22, 23, 24, 25 Linse
100 Licht emittierender Halbleiterchip
101 Substrat
102 Halbleiterschichtenfolge
103 SpiegelSchicht
104, 105 elektrischer Kontakt
106 Einzelleuchtfläche
110 Ansteuervorrichtung
111 Wellenlängenkonversionselement
121, 122 Halbleiterschicht
123 aktive Schicht
191 Mittelpunkt
200 Anschlussträger

Claims

Patentansprüche
1. Lichtquelle (1), aufweisend
eine ebene Halbleiterlichtquelle (10) mit einer Mehrzahl von unabhängig voneinander betreibbaren Einzelemittern (12), wobei jeder der Einzelemitter im Betrieb Licht über eine jeweilige Einzelleuchtflache (106) abstrahlt, und ein den Einzelemittern unmittelbar nachgeordnetes gemeinsames Optikelement (20), das dazu eingerichtet und vorgesehen ist, Licht von unterschiedlichen Einzelemittern in unterschiedliche Raumwinkelbereiche zu lenken, wobei die Einzelemitter defokussiert zum Optikelement angeordnet sind und die Einzelleuchtflachen durch das Optikelement unscharf abgebildet werden.
2. Lichtquelle nach Anspruch 1, wobei die
Halbleiterlichtquelle einen Licht emittierenden
Halbleiterchip (100) mit jeweils einer Mehrzahl von unabhängig voneinander betreibbaren Leuchtsegmenten aufweist, wobei jeder Einzelemitter durch ein
Leuchtsegment gebildet wird.
3. Lichtquelle nach Anspruch 1, wobei die
Halbleiterlichtquelle eine Mehrzahl von Licht
emittierenden Halbleiterchips (100) aufweist, die unabhängig voneinander betreibbar sind und jeder
Einzelemitter durch einen Halbleiterchip gebildet wird.
4. Lichtquelle nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Einzelemitter jeweils eine Einzelleuchtfläche von kleiner oder gleich 2 mm2 aufweisen.
5. Lichtquelle nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei jeder der Einzelemitter eine im Wesentlichen
Lambert' sehe Abstrahlcharakteristik aufweist.
6. Lichtquelle nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zumindest zwei oder mehr Einzelemitter voneinander unterschiedliche Einzelleuchtflachen aufweisen.
7. Lichtquelle nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Gesamtheit der Einzelemitter eine Gesamtleuchtflache (11) mit einem Mittelpunkt bildet, zumindest ein erster Einzelemitter mit einem ersten Abstand zum Mittelpunkt und zumindest ein zweiter Einzelemitter mit einem davon verschiedenen zweiten Abstand zum Mittelpunkt vorhanden sind und der erste und zweite Einzelemitter voneinander unterschiedlich große Einzelleuchtflachen aufweisen.
8. Lichtquelle nach dem vorherigen Anspruch, wobei der
erste Abstand kleiner als der zweite Abstand ist und der erste Einzelemitter eine größere Einzelleuchtflache als der zweite Einzelemitter aufweist.
9. Lichtquelle nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei eine erste Gruppe mit einer Mehrzahl von ersten
Einzelemittern und eine zweite Gruppe mit einer Mehrzahl von zweiten Einzelemittern vorhanden sind.
10. Lichtquelle nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Einzelemitter in einer orthogonalen Matrix oder in einer hexagonalen Matrix angeordnet sind.
11. Lichtquelle nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Optikelement das Licht jedes Einzelemitters in einen jeweiligen Raumwinkel abbildet und alle Raumwinkel im Wesentlichen gleich groß sind.
12. Lichtquelle nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Optikelement zumindest teilweise eine
Weitwinkeloptik-artige und/oder eine Fischaugenoptik artige Abbildungsweise aufweist.
13. Lichtquelle nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Gesamtheit der Einzelemitter eine Gesamtleuchtflache mit einer quadratischen, rechteckigen oder mehreckigen Form aufweist.
14. Lichtquelle nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Optikelement die Gesamtleuchtflache in einem
Lichtkegel abstrahlt, der einen vollen Öffnungswinkel von größer oder gleich 60° und kleiner oder gleich 160° aufweist .
15. Lichtquelle nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Optikelement eine Lichteinkoppelfläche aufweist, die einen Abstand von größer oder gleich 0,1 mm und kleiner oder gleich 10 mm zu jeder der Einzelleuchtflachen der Einzelemitter aufweist.
16. Lichtquelle nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Optikelement einen Akzeptanzwinkel von größer oder gleich 60° aufweist.
17. Lichtquelle nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Optikelement eine Mehrzahl von Linsen aufweist.
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