(57)【要約】  独立して動作可能な複数の単一エミッタ（１２）を有する平面状の半導体光源（１０）を備える光源（１）を特定し、ここで、単一エミッタの各々は、動作中に、それぞれの単一発光面（１０６）を介して光を放射する。さらに、光源は、単一エミッタの直接下流に配置される共通の光学素子（２０）を備え、この共通の光学素子は、異なる単一エミッタからの光を異なる立体角領域に向けるように具現化され、意図されており、前記単一エミッタは、前記光学素子に対してデフォーカスされて配置され、前記単一発光面は、前記光学素子によってぼやけた態様で結像される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
独立して動作可能な複数の単一エミッタ（１２）を有する平面状の半導体光源（１０）であって、前記単一エミッタの各々は、動作中に、それぞれの単一発光面（１０６）を介して光を放射する、半導体光源（１０）と、
前記単一エミッタの直接下流に配置される共通の光学素子（２０）と、を備え、前記共通の光学素子は、異なる単一エミッタからの光を異なる立体角領域に向けるように具現化され、意図されており、前記単一エミッタは、前記光学素子に対してデフォーカスされて配置され、前記単一発光面は、前記光学素子によってぼやけた態様で結像される、光源（１）。
【請求項２】
前記半導体光源は、独立して動作可能な複数の発光セグメントを有する発光半導体チップ（１００）を備え、各単一エミッタは、発光セグメントによって形成される、
請求項１に記載の光源。
【請求項３】
前記半導体光源は、互いに独立して動作可能な複数の発光半導体チップ（１００）を備え、各単一エミッタは半導体チップによって形成される、
請求項１に記載の光源。
【請求項４】
各単一の発光体は、２ｍｍ２以下の単一発光面を備える、
請求項１〜３のいずれか一項に記載の光源。
【請求項５】
前記単一エミッタの各々は、実質的にランバート放射特性を有する、
請求項１〜４のいずれか一項に記載の光源。
【請求項６】
少なくとも２つ以上の単一エミッタが互いに異なる単一発光面を有する、
請求項１〜５のいずれか一項に記載の光源。
【請求項７】
前記単一エミッタの全体が、中心点を有する全発光面（１１）を形成し、前記中心点からの第１の距離を有する少なくとも１つの第１の単一エミッタと、前記中心点からの異なる第２の距離を有する少なくとも１つの第２の単一エミッタとが存在し、前記第１の単一エミッタ及び第２の単一エミッタは、異なる大きさの単一発光面を有する、
請求項１〜６のいずれか一項に記載の光源。
【請求項８】
前記第１の距離は前記第２の距離よりも小さく、前記第１の単一エミッタは前記第２の単一エミッタよりも大きな単一発光面を有する、
請求項７に記載の光源。
【請求項９】
複数の第１の単一エミッタを有する第１のグループと、複数の第２の単一エミッタを有する第２のグループとが存在する、
請求項６〜８のいずれか一項に記載の光源。
【請求項１０】
前記単一エミッタは、直交マトリクス状または六角マトリクス状に配列されている、
請求項１〜９のいずれか一項に記載の光源。
【請求項１１】
前記光学素子は、各単一エミッタの光を対応する立体角に結像し、すべての立体角は、実質的に等しい大きさを有する、
請求項１〜１０のいずれか一項に記載の光源。
【請求項１２】
前記光学素子は、少なくとも部分的に広角光学的及び／または魚眼光学的の結像パターンを有する、
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の光源。
【請求項１３】
前記単一エミッタのアセンブリは、正方形、長方形、または多角形の全発光面を有する、
請求項１〜１２のいずれか一項に記載の光源。
【請求項１４】
前記光学素子は、全発光面を、６０°以上１６０°以下の全開口角を有する光円錐に放射する、
請求項１〜１３のいずれか一項に記載の光源。
【請求項１５】
前記光学素子は、前記単一エミッタの前記単一発光面のそれぞれから０．１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の距離を有する光インカップリング面を有する、
請求項１〜１４のいずれか一項に記載の光源。
【請求項１６】
前記光学素子は、６０°以上の受光角を有する、
請求項１〜１５のいずれか一項に記載の光源。
【請求項１７】
前記光学素子は、複数のレンズを備える、
請求項１〜１６のいずれか一項に記載の光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
光源が指定される。
【０００２】
この特許出願は、ドイツ特許出願１０  ２０１７  １３０  ５７８．５の優先権を主張しており、その開示内容は本明細書において参照により含められる。
【背景技術】
【０００３】
「スマート照明」としても知られるユーザの希望やニーズに柔軟に適応できる光源は、産業部門だけでなく一般照明においてもますます多くの応用が見出されている。例えば、放射光強度または光色が、周囲の明るさまたは一日の時間のような外部パラメータに応じて調整することができる照明装置が知られている。道路の進路に応じてまたは対向車に応じて照射領域を変更できるヘッドランプは、自動車分野で知られている。
【０００４】
一般照明用の照明装置の場合、自動車用とは対照的に、はっきりした照明限界は望まれない。その代わり、照明領域と照明されていない領域の間にスムーズな遷移を生成する必要がある。さらに、一般的な照明において照らされる対象物までの距離は、通常、自動車の用途におけるよりもはるかに小さい。従って、部屋の異なる領域を照らすのに使用することができる一般的な照明で使用される照明装置は、通常、個々に割り当てられたレンズ及び反射器を有する多数の単一スポットを使用して提供され、これにより、コンパクトな設計がより困難になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】独国特許出願第１０  ２０１７  １３０  ５７８．５号明細書
【発明の概要】
【０００６】
特定の実施形態の少なくとも１つの目的は、光源を提供することである。
【０００７】
この目的は、独立請求項による主題によって達成される。主題の優れた実施形態及び展開は、従属請求項において特徴付けられ、以下の説明及び図面によっても開示される。
【０００８】
１つの実施形態によれば、光源は、動作中に光を発生することが意図されかつ具現化される半導体光源を備える。例えば、半導体光源は、光を発生するための少なくとも１つの活性領域を有する半導体層シーケンスを有していてもよい。
【０００９】
さらなる実施形態によれば、半導体光源は、互いに独立して動作可能な複数の単一エミッタを有し、単一エミッタの各々は、発光のために他の単一エミッタとは独立して動作可能であり、動作中にそれぞれの単一発光面にわたって発光する。特に、単一エミッタはコヒーレント・コンパウンドを形成し、その結果、単一エミッタを含む半導体光源はコヒーレント・コンポーネントを形成する。
【００１０】
さらなる実施形態によれば、半導体光源は、平面に具現化される。これは、特に、単一発光面が同一平面内にあるか、少なくとも本質的に同一平面内にあることを意味し得る。後者は、単一発光面が、例えば、製造公差のために、前記平面から突出することがあることを意味する。半導体光源のこのような平面的で、従って平坦な実施形態は、単純でコンパクトな構造を達成することができ、その結果、コストを低くすることができる。
【００１１】
さらなる実施形態によれば、光源は、光学素子を有する。光学素子は、特に、動作中に半導体光源によって放射された光を照明領域に向けるために意図され、具現化される。言い換えれば、光学素子は、光源の空間放射特性を形成する役割を果たす。特に、光源全体は、ビーム整形を意図した正確に１つの光学素子を備え、これは、単一エミッタの全体の下流に配置される。従って、光源は、光学素子に加えて、コリメート光学系、反射器、ミラー及びレンズシステムのようなさらなる光学素子を含まないことができる。特に、光学素子は、半導体光源の下流、ひいては複数の単一エミッタの共通の下流に配置することができ、従って、共通の光学素子、特に好ましくは、単一エミッタの直接下流に配置される、光源の唯一の光学素子とすることができる。さらに、光源は、単一エミッタに個別に割り当てられる１つ以上の光学素子を対応して含まないことができる。光発生及び光制御の機能に関して、光源は、よって、半導体光源と光学素子とからなることができる。さらに、光源は、機械的、電気的及び電子的構成及び要素を備えることができる。
【００１２】
さらなる実施形態によれば、光学素子は、異なる単一エミッタからの光を異なる立体角領域に向けることが意図され、かつ具現化される。従って、好ましくは、光源のすべての単一エミッタの下流に配置される光源の光学素子のみを用いて、異なる部屋領域を単一光源の特定の選択によって照らすことができる。単一の光源の時間可変な選択により、時間可変な方式で室内の異なる領域に光をもたらすことができる。このように、光源は、室内の異なる領域を経時的に異なる明るさで照らすことができる適応光源を形成することができる。
【００１３】
さらなる実施形態によれば、単一エミッタは、光学素子に対してデフォーカスされるように配置される。このように、単一エミッタ及び光学素子は、光学素子が半導体光源の鮮明な像を生成しないように互いに位置合わせされる。むしろ、単一エミッタ及び光学素子は、単一発光面が鋭く結像されないように互いに配置される。これにより、ソフトな輝度遷移を生成することができ、必要に応じて、単一の光源によって放射される光の色及び／または輝度変動を補償することができる。
【００１４】
横方向、すなわち単一エミッタの単一発光面の主延長面に平行に、単一エミッタが並んで配置される。すべての単一エミッタを同時にアクティブにすることで、照明領域全体を照らすことができる。隣接する単一エミッタで照らされる照明領域の一部は、特にぼやけたエッジで部分的に重なり合うことがある。
【００１５】
少なくとも１つの実施形態によれば、光源は制御装置を備える。制御装置は、特に単一エミッタを動作させるために意図され、具現化される。半導体光源に少なくとも部分的に一体化することができる制御装置によって、単一エミッタを互いに独立して、特に異なる電流及び／または異なる電圧でも同時に作動させることができる。例えば、制御デバイスは、少なくとも２つの単一エミッタ、特にすべての単一エミッタを同時に駆動することができる少なくとも１つのアクティブマトリクス回路を有する。例えば、半導体光源の各単一エミッタには、トランジスタなどの制御装置のスイッチが割り当てられる。
【００１６】
さらなる実施形態によれば、単一エミッタは、マトリクス状に配列される。特に、マトリクス配列の個々の要素は、互いに独立して制御することができる。用語「マトリクス配列」という用語は、一般に、例えば、正方形、長方形、または六角形のグリッドにおける多数の単一エミッタの二次元配列を指す。従って、単一エミッタは、特に好ましくは、直交マトリクスまたは六角マトリクスに配置することができる。ここで、単一エミッタは、好ましくは正方形、長方形または六角形の形状を有する単一発光面を有することができる。
【００１７】
さらなる実施形態によれば、単一エミッタのそれぞれは、２ｍｍ２以下または好ましくは１ｍｍ２以下、または特に好ましくは０．６ｍｍ２以下の単一発光面を含む。単一エミッタの各々は、本質的にランバート（Ｌａｍｂｅｒｔｉａｎ）放射特性を有することができる。従って、半導体光源は、単一発光面の全体により形成される全発光面を有し、マトリクス状に配置されるのが好ましい。特に好ましくは、全発光面は、すべての横方向において２ｃｍ以下で延びており；従って、全発光面は、２ｃｍ×２ｃｍ以下であることが特に好ましい。全発光面は、正方形、長方形、六角形、または他の多角形の形状を有することが好ましい。
【００１８】
さらなる実施形態によれば、半導体光源は、独立して動作可能な複数の発光セグメントを有する発光半導体チップを備えるか、またはそれによって形成される。ここで、各単一エミッタは、好ましくは、このようなセグメント化された半導体チップの発光セグメントによって形成されることができる。あるいは、半導体光源が、複数の発光半導体チップを備えるか、またはそれで形成されることも可能であり、ここで、半導体チップは、互いに独立して動作可能であり、各単一エミッタは、半導体チップによって形成される。特に、複数の半導体チップは、プリント回路基板のような共通の接続キャリア上に実装され、電気的に接続され得る。さらに、複数の半導体チップを、共通の成型体、特に成型プロセスによって製造することができるプラスチック本体によって横方向に取り囲むことができ、成型体は、半導体チップ上に成型され、半導体チップが配置されたプレート型複合キャリアを形成する。
【００１９】
窒化物、リン化物またはヒ化物化合物半導体材料に基づく半導体材料は、１つ以上の半導体チップについて可視スペクトル範囲の光を発生するのに適している。長波の場合、赤の照射の赤外線には、例えばＩｎｘＧＡｙＡｌ１−ｘ−ｙＡｓに基づく半導体材料が好適であり、赤から緑の照射には、例えばＩｎｘＧＡｙＡｌ１−ｘ−ｙＰに基づく半導体材料が好適であり、より短波の可視照射、すなわち特に緑から青の照射には、及び／または、ＵＶ照射には、例えばＩｎｘＧＡｙＡｌ１−ｘ−ｙNに基づく半導体材料が好適であり、それぞれ０≦x≦１及び０≦y≦１が適用される。
【００２０】
白色光の生成に関しては、単一エミッタが、それぞれの単一発光面上に配置された波長変換素子を含む場合にも有利であり得る。波長変換素子は、単一発光面、単一発光面のグループ、またはすべての単一発光面の下流に配置することができる。単一エミッタが、単一発光面の直接上に、それぞれ個々の、または共通の波長変換素子を備える場合に、特に有利であり得る。各々の単一エミッタの波長変換素子は、動作中に単一エミッタによって放射された光を異なる波長の光に少なくとも部分的に変換するのに適した、少なくとも１つ以上の波長変換材料を含むことができ、その結果、単一エミッタは、それぞれ、主に半導体材料によって放射される光と変換された二次光との混合光、または、完全な変換の場合には、基本的に変換された光を放射することができる。例えば、１つ以上の波長変換材料は、次のうちの１つ以上を含むことができる：希土類及びアルカリ土類金属、窒化物、窒化ケイ酸塩、サイオン（ｓｉｏｎｓ）、サイアロン、アルミネート、酸化物、ハロリン酸塩、オルトケイ酸塩、硫化物、バナジン酸塩及びクロロケイ酸塩。さらに、波長変換材料は、ペリレン、ベンゾピレン、クマリン、ローダミン及びアゾ染料を含む群から選択できる有機材料を追加的または代替的に含むことができる。さらに、量子ドットベースの蛍光体も可能であり、有利である。これらは、例えば、ＣｄＳｅ、ＣｄＳ、ＣｄＴｅ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、Ｃｌ（Ｚｎ）Ｓ、ＡｌＳ、Ｚｎ３Ｎ２、Ｓｉ、ＺｎＳｅ、ＺｎＯ、ＧａＮまたはこれらの組み合わせに基づいて、数ナノメートルの大きさの粒子から形成することができる。例えば、波長変換材料（複数を含む）は、シリコーン、ガラス、セラミック材料またはそれらの組合せなどのプラスチックによって形成することができる透明マトリクス材料に含有させることができる。これにより、いわゆる蛍光体プレートレットを形成することができる。さらに、波長変換材料（複数を含む）は、ガラスまたはセラミック基板のような透明基板上に堆積させることができる。さらに、セラミック波長変換材料が自立型のセラミック部品を形成することも可能である。波長変換素子は、例えば、接着層のような適切な結合層によって単一エミッタの単一発光面に取り付けることができ、または単一発光面に直接塗布することができる。波長変換素子（複数を含む）は、単一エミッタがすべて、動作中に同じ色の光を放射するように具現化されることが特に好ましい。
【００２１】
さらなる実施形態によれば、すべての単一発光面は、同一であり、特に同一サイズであるように具現化される。あるいは、少なくとも２つ以上の単一エミッタは、異なる単一発光面を有することができる。特に、少なくとも２つ以上の単一エミッタは、異なるサイズの単一発光面を有することができる。例えば、単一エミッタの全体が、中心点を有する全発光面を形成することができ、ここで、少なくとも１つの第１の単一エミッタは、中心点から第１の距離を置いて配置され、少なくとも１つの第２の単一エミッタは、中心点から第２の距離を置いて配置され、第１及び第２の単一エミッタは、異なるサイズの単一発光面を有する。ここで、第１の距離は、第２の距離よりも小さくすることができ、その結果、第１の単一エミッタは、第２の単一エミッタよりも大きな単一発光面を有することができる。逆の配置も可能である。さらに、上記が適用される、複数の第１の単一エミッタを有する第１のグループと、複数の第２の単一エミッタを有する第２のグループとが存在することができる。
【００２２】
さらなる実施形態によれば、光学素子は、１つ以上のレンズを含み、すべてのレンズの総体は、上述の光指向特性が達成されるような方法で具現化される。特に、光学素子は、その光学特性に関して、１つ以上のレンズから成る屈折光学素子であり得る。換言すれば、好ましくは、１つ以上のレンズに加えて他の光学構成要素が存在しないので、光学素子の光学特性は、１つ以上のレンズだけによって決定される。１つまたは２つの光学面を有するレンズから１つ以上のレンズを選択することができ、これらのレンズは、球面及び非球面と同様に凹面及び凸面から選択される。さらに、１つ以上のレンズは、例えばＺｅｏｎｅｘのブランド名で入手可能な、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）またはシクロオレフィンポリマーのようなガラス及び／またはプラスチックで構成することができる。光学素子が複数のレンズを有する場合、いくつかのレンズは、例えば、異なる形状及び／または材料を含むことができる。
【００２３】
光学素子は、各単一エミッタの光が対応する立体角領域に向けられ、単一エミッタに割り当てられた立体角がすべて対において、少なくとも部分的に異なるように、具現化することができる。換言すれば、各単一エミッタの光は、特別に割り当てられた立体角領域内に向けられ、各立体角領域は、他の立体角領域のそれぞれと最大でも部分的に重なり合う。光源を使用して表面、例えば平坦な表面を照らす場合、各単一エミッタを使用して、表面の異なる領域を照らすことができる。特に、光学素子は、この目的のために、少なくとも部分的に広角光学系及び／または魚眼光学系を有することができる。特に好ましくは、すべての立体角領域は、実質的に等しいサイズを有する。これは、特に、立体角領域の大きさ、すなわち立体角が、互いに２０％未満または１０％未満または５％未満異なることを意味し得る。議論されている照らされた表面に関して、これは、単一エミッタの各々が、表面上の関連する面積領域を照らすることができ、面積領域が実質的に同じサイズを有することを意味する。
【００２４】
さらなる実施形態によれば、光学素子は、６０°以上１６０°以下の全開口角を有する光円錐において、半導体光源の全発光面、すなわち、すべての、協働して作動する単一光源の光を放射する。上述した開口角及び立体角のサイズは、特に各場合において、放射光強度の半値幅全体によって、与えられる。９０°以上の開口角が特に好ましい。さらに、開口角は、天井照明器具のグレア限界に対応する１２０°以下であることが好ましい。
【００２５】
光学素子にインカップリングする最も効率的な光を達成するために、光学素子は、好ましくは、単一エミッタの単一発光面に対して、０．１ｍｍ以上、または１ｍｍ以上、または２ｍｍ以上、及び、１０ｍｍ以下、または４ｍｍ以下の距離を有することができる光インカップリング面を有する。さらに、光学素子、すなわち、特に光インカップリング面は、６０°以上の受光角を有することができる。
【００２６】
さらなる実施形態によれば、光学素子は、全発光面を照明領域に向け、ここで、全発光面と照明領域は、同じ形状を有する。換言すれば、全発光面及び照明領域は、例えば、正方形、長方形、六角形または他の多角形の形状を各々有することができる。単一エミッタは、好ましくは、光学素子に対して比較的焦点をぼかして配置され、単一発光面は、それに対応して、好ましくはぼかされるので、同一の形状は、照射領域の形状が、好ましくは、全発光面と比較してぼかされることをも意味し得る。あるいは、全発光面及び照明領域は、異なる形状を有することができる。この目的のために、光学素子は、例えば、円柱レンズ状の結像パターンを有する１つ以上の円柱レンズまたはレンズを有することができ、その結果、例えば、正方形の全発光面からの光は、楕円形またはむしろ長方形の照明領域に向けられる。
【００２７】
ここで説明した光源は、例えば、オフィス、レストラン、美術館、読書用ライト、ショップ窓及びショップライティングの照明目的のために、空間的に可変な照明アクセントを設定する照明目的のために使用することができる。
【００２８】
さらなる利点、有利な実施形態、及びさらなる展開は、以下に説明する実施形態によって、図に関連して明らかにされる:
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】一実施形態による光源の概略図を示す。
【図２Ａ】さらなる実施形態による単一エミッタ及び半導体光源の概略図を示す。
【図２Ｂ】さらなる実施形態による単一エミッタ及び半導体光源の概略図を示す。
【図２Ｃ】さらなる実施形態による単一エミッタ及び半導体光源の概略図を示す。
【図２Ｄ】さらなる実施形態による単一エミッタ及び半導体光源の概略図を示す。
【図３Ａ】さらなる実施形態による単一エミッタ及び半導体光源の概略図を示す。
【図３Ｂ】さらなる実施形態による単一エミッタ及び半導体光源の概略図を示す。
【図３Ｃ】さらなる実施形態による単一エミッタ及び半導体光源の概略図を示す。
【図４Ａ】シミュレーション及び測定に関連するさらなる実施形態による光源の概略図を示す。
【図４Ｂ】シミュレーション及び測定に関連するさらなる実施形態による光源の概略図を示す。
【図４Ｃ】シミュレーション及び測定に関連するさらなる実施形態による光源の概略図を示す。
【図４Ｄ】シミュレーション及び測定に関連するさらなる実施形態による光源の概略図を示す。
【図５Ａ】さらなる実施形態による光源の概略図を示す。
【図５Ｂ】さらなる実施形態による光源の概略図を示す。
【図６】さらなる実施形態による光源の概略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
実施形態及び図において、同一、類似、または同一に作用する要素は、それぞれの場合に同じ参照番号で提供される。示されている要素及びそれらのサイズ比は、縮尺どおりではなく、層、部品、デバイス、及び領域など個々の要素は、それらをより良好に説明するため、及び／または理解を助けるために、誇張して大きくされている場合がある。
【００３１】
図中に同じ符号を付した複数の同一要素が示されている場合には、明瞭化のため、これらの同一要素の全てに符号が付されているわけではないことが考えられる。
【００３２】
図１は、半導体光源１０と光学素子２０とを備える光源１の一実施形態を示す。
【００３３】
発光のための全発光面１１を有する半導体光源１０は、互いに独立して動作させることができる複数の単一エミッタ１２を備え、単一エミッタ１２の各々は、発光のために他の単一エミッタ１２とは独立して動作させることができ、動作時には、それぞれの単一発光面１０６にわたって発光する。特に、単一エミッタ１２はコヒーレント・コンパウンドを形成し、その結果、単一エミッタ１２を含む半導体光源１０はコヒーレント・コンポーネントを形成する。全発光面１１は、互いに横方向に隣り合って配置された単一発光面１０６の全体によって形成される。単一の発光体１２を互いに独立して動作させることができるので、半導体光源１０は、全発光面１１の異なる領域から可変的に発光させることができる。特に、半導体光源１０は、平坦、すなわち全体的に発光面１１が平坦であるように具現化される。これは、単一発光面１０６が、同一平面内にあるか、または、少なくとも実質的に同一平面内にあり、すなわち、製造公差のために最大でも、前記平面から突出する、ということにより達成される。
【００３４】
単一エミッタ１２は、制御装置１１０により動作させることができ、制御装置１１０は図１に示すように、単一エミッタ１２ためのキャリアを同時に形成することができる。あるいは、制御装置は別個のコンポーネントを形成することもでき、一方、単一エミッタ１２は、例えば、適切な接続キャリア上に配置される。さらなる図に関連して、半導体光源１０に関するさらなる実施形態及び特徴が記載されている。
【００３５】
制御装置１１０によって、単一エミッタ１２は、特定的に選択された電流及び/または電圧で互いに独立して動作され、その結果、特定の時点において、例えば、所望の部屋の照明を達成するために、個々の単一エミッタ１２及び/または単一エミッタ１２のグループ、または単一エミッタ１２のすべてでさえも、光発生のために特別に動作させることができる。例えば、制御装置１１０は、単一エミッタ１２を互いに独立して制御することができる少なくとも１つのアクティブマトリクス回路を有する。
【００３６】
光学素子２０は、動作中に半導体光源１０によって放射された光を、点線の矢印で示されるように照明領域に向けることを意図し、具現化される。特に、光源１全体は、すべての単一エミッタ１２の全体の下流に配置された、正確に１つの光学素子２０を有する。したがって、光源１は、さらなる光学素子を含まない。単一エミッタ１２はまた、ビーム整形素子のような光学素子を含まないので、単一エミッタ１２は、各々、ランバート放射特性を有するか、または本質的にランバート放射特性を有する光を放射することができる。
【００３７】
光学素子２０は、特に、異なる単一エミッタ１２からの光を異なる立体角領域に向けるように意図され、具現化される。従って、光学素子２０は、単一エミッタ１２の特定の選択によって異なる部屋領域を照らすために使用することができる。単一エミッタ１２の時間可変な選択によって、光を異なる方向に、よって照らされる部屋の異なる領域に向けることができる。従って、光源１は、室内の異なる領域を経時的に異なる明るさで照らすことができる適応光源である。
【００３８】
単一エミッタ１２は、光学素子２０にデフォーカスされて配置され、その結果、光学素子２０は、半導体光源１０の鮮明な像を生成しない。その代わりに、単一エミッタ１２及び光学素子２０は、単一発光面１０６がぼやけた方法で結像されるように、互いに関連して配置される。このようなわずかなデフォーカスによって、指向された「スポット」が、広い範囲の空間方向に生成され得る。さらに、ソフトな輝度遷移を生成することができ、必要に応じて、単一の光源によって放射される光の色及び/または輝度変動を補償することができる。
【００３９】
さらなる特徴が以下の図に関連して記載される光学素子２０もまた、半導体光源１０の全発光面１１、すなわち協働して作動するすべての単一エミッタ１２の光が、好ましくは６０°以上１６０°以下の全開口角を有する光円錐内で放射され得るように、具現化される。９０°以上の開口角が特に好ましい。さらに、開口角は、天井照明器具のグレア限界に対応する１２０°以下が好ましい。
【００４０】
以下の図に関連して、さらなる実施形態を用いて、光源１のさらなる特徴が示される。図２Ａ〜図２Ｄは、半導体光源１０及び単一エミッタ１２の実施形態を示す。
【００４１】
図２Ａ及び図２Ｂに示すように、半導体光源１０は、独立して動作可能な複数の発光半導体チップ１００を備えることができ、各単一エミッタ１２は、半導体チップ１００によって形成される。複数の半導体チップ１００は、図示のようにプリント回路基板のような接続キャリア２００上に実装され、電気的に接続され得る。また、接続キャリア２００は、前述の制御装置またはその部品を有することができる。さらに、複数の半導体チップ１００は、共通の成型体、特に成型プロセスによって製造されるプラスチック本体によって横方向に取り囲まれることができ、この成型体は、半導体チップ１００上に成型され、発光半導体チップ１００が取り付けられた板状の複合キャリアを形成する。
【００４２】
単一エミッタ１２は、それぞれ、２ｍｍ２以下、または好ましくは１ｍｍ２以下、特に好ましくは０．６ｍｍ２以下である単一発光面を有することが好ましい。単一エミッタ１２の各々は、上述したように、実質的にランバート放射特性を有することができる。
【００４３】
単一エミッタ１２は、マトリクス配置、すなわち複数の単一エミッタ１２の二次元配置で配置されることが好ましく、ここで単一エミッタ１２は、好ましくは正方形、長方形または六角形の形状を有する、単一発光面を含むことができる。これに応じて半導体光源１０は、単一発光面の配列形態によって形成される全発光面を有する。特に、全発光面は、すべての横方向において２ｃｍ以下で延びており、その結果、全発光面は、特に２ｃｍ×２ｃｍ以下であることが特に好ましい。図２Ａに示すように、マトリクス配置、すなわち全発光面１１の形状は、例えば正方形とすることができる。さらに、長方形または六角形の形状も考えられる。他のマトリクス配列も可能であり、そのうちの１つは、一例として図２Ｂに示されている。この配置は、全発光面１１を円形または楕円形の配置に近似させる。
【００４４】
図２Ｃ及び図２Ｄは、発光半導体チップ１００の２つの実施形態を示す。図２Ｃに示すように、発光半導体チップ１００は、基板１０１上に堆積された半導体層シーケンス１０２を有する発光ダイオードチップとすることができる。純粋に一例として、２つの半導体層１２１、１２２が示され、その間に活性層１２３が位置し、これは、発光半導体チップ１００の動作中に光を生成することが具現化され意図される。所望の発光波長に応じて、半導体層シーケンス１０２は、一般的な部分で上述した半導体材料のうちの１つ以上を含み得るか、またはそれから製造され得る。動作中に発生した光は、単一発光面１０６を介して放射される。
【００４５】
半導体層シーケンス１０２は、成長基板上にエピタキシャルに堆積させることができ、エピタキシャル成長後に、図示の基板１０１のようなキャリア基板に転写させることができる。これにより、基板１０１は、半導体材料、例えば、一般的な部分で言及されている化合物半導体材料、または別の適切な材料を含み得るか、またはそれから製造され得る。特に、成長基板及び/または基板１０１は、例えば、サファイア、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＮ、ＩｎＰ、ＳｉＣ、Ｓｉ及び／またはＧｅを含み得るか、またはそれから製造され得る。
【００４６】
半導体層シーケンス１０２は、活性層１２３として、例えば、従来のｐｎ接合、二重ヘテロ構造、単一量子井戸構造（ＳＱＷ構造）または多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）を有することができる。活性層１２３に加えて、半導体層シーケンス１０２は、ｐまたはｎドープ電荷キャリア輸送層、アンドープまたはｐもしくはｎドープ閉じ込め、クラッド層または導波路層、ならびに障壁層、平坦化層、バッファ層及び/または保護層、ならびにそれらの組み合わせなど、層１２１、１２２によって示されるさらなる機能層及び機能領域を含むことができる。さらに、図２Ｃに示すように、基板１０１と半導体層シーケンス１０２との間にミラー層１０３を配置することができる。さらに、例えば半導体層シーケンス１０２の周囲、つまり、例えば半導体層シーケンス１０２の横方向表面上に、バッファ層、障壁層及び/または保護層のような追加の層を、半導体層シーケンス１０２の成長方向に対して垂直に配置することもできる。さらに、半導体チップ１００をプラスチック材料によって形成される成型材料によって横方向に囲むことも可能であり、これによって半導体チップ１００の安定性を与えることができる。
【００４７】
半導体層シーケンス１０２の電気的接触のために、従って活性層１２３に電流を注入するために、電極層または電極構造の形態の電気接点１０４、１０５が設けられ、その位置が半導体層シーケンス１０２上及び半導体層シーケンス１０２とは反対側に面している基板１０１の面上に示されていることは、純粋に例として理解されるべきである。
【００４８】
図２Ｃに示される発光半導体チップ１００は、いわゆる薄膜発光ダイオードチップの基本構造を表しており、半導体層シーケンス１０２は、成長後、成長基板から適切なキャリア基板に転写され、その後、成長基板が除去されるか、または少なくとも薄層化される。あるいは、半導体チップ１００は、基板１０１として成長基板を有することもでき、その場合には、ミラー層１０３は省略することができる。成長基板と共にキャリア上に実装される、このような発光半導体チップは、いわゆるボリュームエミッタとして称することもできる。
【００４９】
図２Ｄは、いわゆるフリップチップとして具現化された発光半導体チップ１００を示す。フリップチップは、電気接点１０４、１０５を有するキャリア上に実装され、その結果、動作中に発生した光が、成長基板であり得る基板１０１を通して放射される。さもなければ、図２Ｄに示される半導体チップ１００は、図２Ｃに関連して説明されるような特徴を有することができる。
【００５０】
白色光の生成のために、図２Ｃ及び図２Ｄに示されるように、単一エミッタ１２が、それぞれの単一発光面１０６上に配置され、かつそれぞれの単一エミッタ１２の一部である波長変換素子１１１を含む場合も、有利であり得る。ここで、示されているように、波長変換素子１１１を個々の単一発光面１０６に適用することができる。あるいは、波長変換素子が単一発光面のグループに、または一緒に、半導体光源のすべての単一発光面に適用されることも可能である。単一エミッタ１２が、単一の照明表面１０６上に直接示されるように、個々のまたは共通の波長変換素子を含む場合に特に有利である。
【００５１】
図３Ａ〜図３Ｃは、半導体光源１０及び単一エミッタ１２のためのさらなる実施形態を示す。前述の実施形態と比較して、これらの実施形態における半導体光源１０は、複数の単一エミッタ１２を形成する、独立して動作可能な複数の光セグメントを有する発光半導体チップ１００を備える。それぞれのセグメント化された発光半導体チップ１００は、セグメント化された発光ダイオードとして形成され、半導体層シーケンス１０２の少なくとも一部のセグメント化された構成を有する。言い換えれば、成長またはキャリア基板であり得る基板１０１上の半導体層シーケンス１０２は、個々に動作可能な複数の単一エミッタ１２を形成する個々に動作可能な発光セグメントに分割される。一般に、図３Ａ〜３Ｃに示される半導体チップ１００は、前述の図に関連して説明されたような特徴を有することができる。分かりやすくするために、電気接点は図示されていない。光セグメントによって形成される単一エミッタ１２は、オンとオフを切り替えることができ、半導体チップによって形成される単一エミッタの場合と同様に、互いに独立して調光可能であることができる。単一エミッタ１２の単一制御のために、基板１０１は、図３Ａの点線で示された、例えば、適切なドライバ回路またはその少なくとも一部を含むドライバ回路キャリアによって形成された制御装置１１０上に任意に取り付けることができる。制御装置１１０は、例えば、シリコーン技術に基づくことができる。セグメント発光ダイオードは、例えば、米国特許出願公開公報第２０１５／０３２５５９８号明細書及び米国特許出願公開公報第２０１５／０３３３０４７号明細書に記載されており、そのそれぞれの開示内容は、ここに参考として完全に組み込まれている。
【００５２】
図３Ｂ及び３Ｃに見られるように、単一エミッタ１２を形成する半導体チップ１００の発光セグメントは、例えば、正方形または六角形の形状を有する単一発光面を有することができる。光学素子の焦点がずれた配置のために、単一発光面の六角形の形状は、単一エミッタ１２のほぼ円形の像を生成することができる。さらに、他の形状も可能である。
【００５３】
記載される実施形態に示されるように、単一エミッタ１２は、横方向に、すなわち単一エミッタ１２の単一発光面の主延長面に平行に、互いに隣接して配置される。すべての単一エミッタを同時にアクティブにすることで、光源によって照らされる照明領域全体を照らすことができる。隣接する単一エミッタ１２によって照らされる照明領域の部分領域は、特にぼやけたエッジで部分的に重なり合うことができる。
【００５４】
図４Ａ〜図４Ｄに関連して、光源１のさらなる実施形態が、光学素子２０の効果のシミュレーション及び測定と併せて示される。光源１は、純粋に例示的に、図３Ａ及び３Ｂに関連して説明したように、分割発光半導体チップの形態の半導体光源１０を含み、半導体光源１０は、３２×３２の正方形マトリクスの単一エミッタと、４ｍｍ×４ｍｍの全発光面とを有する。図示の実施形態では、発光半導体チップは、半導体光源１０が白色光を発光するように、波長変換素子によって部分的に黄色光に変換される青色光を発光する。
【００５５】
図示の実施形態では、光学素子２０は、いくつかのレンズ２１、・・・、２５を有し、レンズの全体は、前述の光指向特性が達成されるような方法で具現化される。したがって、光学素子２０は、屈折光学素子であり、その光学特性に関しては、レンズから構成されるため、示されるレンズに加えて、さらなる光学部品は存在せず、光学素子２０の光学特性は、レンズだけによって与えられる。図示の実施形態では、光学素子２０は、回転対称レンズと、長さ約１２０ｍｍ、直径５０ｍｍの全体寸法とを有する。
【００５６】
入力レンズを形成するレンズ２１は、半導体光源１０に対向する面が光学素子２０の光インカップリング面を形成するものであり、放射線方向において、凹面及び凸面の球面を備え、ガラスからなることが好ましい。光インカップリング面の受光角は６０°以上である。光学素子２０にインカップリングする最も効率的な光を達成するために、光学素子２０の光インカップリング面と単一エミッタの単一発光面との間の距離は、０．１ｍｍ以上１０ｍｍ以下である。計算では、受光角が６０°以上で、そのような距離の光インカップリング面が７５％以上の総合効率をもたらすことが示されている。レンズ２１の下流には、サイクロオレフィンポリマーでできていて、また凹面及び凸面を有する非球面レンズ２２がある。レンズ２１、２２の放射方向の下流に、凸面及び凹面を有する非球面レンズ２３、両凸非球面レンズ２４、及び両凹非球面レンズ２５が続き、半導体光源１０から離れたそれらの面が光学素子２０の光アウトカップリング面を形成する。同時に、光学素子２０の光アウトカップリング面は、光源１の光アウトカップリング面とすることができる。レンズ２３、２４及び２５は、好ましくは、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、またはシクロオレフィンポリマーのようなプラスチックで作られる。光学素子２０に加えて、光源１は、レンズまたはミラーまたはアパーチャのような他の光学部品を必要としない。代替の実施形態によれば、すべてのレンズは、球形であってもよく、ガラスで作られてもよい。
【００５７】
光学素子２０は、半導体光源１０の各単一エミッタの光が、対応する立体角領域に向けられ、単一エミッタに割り当てられた立体角がすべて少なくとも部分的に異なる対になるように具現化される。したがって、各単一エミッタの光は、特別に割り当てられた立体角領域に向けられ、各立体角領域は、最大でも部分的に、他の立体角領域のそれぞれと重なり合い、それによって、表面の異なる領域は、各単一エミッタで照射され得る。光学素子２０は、少なくとも部分的に像の広角光学的モード及び／または魚眼光学的モードを含む。特に好ましくは、すべての立体角領域は、実質的に同じサイズを有し、その結果、単一エミッタの各々は、表面上の関連する領域を照らすることができ、領域の面積は、実質的に同じサイズを有する。
【００５８】
図４Ａ及び図４Ｂは、光学素子の光アウトカップリング面の直後（図４Ａ）及び約１ｍの距離までの（図４Ｂ）、４つの選択された単一エミッタからの光の光線追跡を示す。記載されている、個々の単一エミッタからの光の割り当てられた立体角領域への偏向は、明確に見ることができる。
【００５９】
図４Ｃ及び図４Ｄは、１ｍの距離における放射光の強度分布を示し、ここで、図４Ｃの場合には、半導体光源のすべての単一エミッタが動作されるわけではなく、図４Ｄの場合には、半導体光源の全発光面がすべての単一エミッタの動作によって完全に照らされる。強度図は、垂直の二つのセクターを通る水平及び垂直のセクションに対応している。半導体光源１０の全発光面、すなわち、すべての、協働して作動する単一光源の光は、図１に関連して記載されているように、６０°以上、好ましくは９０°以上１６０°以下、及び、好ましくは１２０°以下の全開口角を有する光円錐において、放射される。
【００６０】
回転対称のレンズを使用することによって、光学素子は、全発光面をほぼ同一の形状を有する照明領域に向けることを達成することができる。これに対応して、全発光面及び照明領域は、例えば、各々が図示のような正方形の形状を有するか、または代替的に、長方形、六角形または他の多角形またはほぼ丸い形状のような別の形状を有することができる。単一エミッタは、光学素子にデフォーカスされて配置され、単一発光面は、それに対応してぼかされるので、照明領域の形状は、全発光面と比較して、いくぶんぼかすことができる。あるいは、全発光面及び照明領域も異なる形状を有することができる。この目的のために、光学素子は、例えば、円柱レンズ状の結像パターンを有する１つ以上の円柱レンズまたはレンズを有することができ、その結果、例えば、正方形の全発光面からの光は、楕円形またはむしろ長方形の照明領域に向けられる。これは、例えば、長方形の部屋の照明に有利であり得る。
【００６１】
単一エミッタは全て同一サイズの単一発光面を有する、これまでに示された実施形態の代替として、単一発光面は、特に異なるサイズで、異なって具現化することもできる。図５Ａは、単一発光体１２の全部が十字によって示された中心点１９１を有する全発光面１１を形成する実施形態による半導体光源１０を示し、中心点から第１の距離を有する第１の単一エミッタのグループと、中心点から第２の距離を有する第２の単一エミッタのグループとが存在し、第１の単一エミッタ及び第２の単一エミッタは、互いに異なる大きさの単一発光面を有する。ここで、第１の距離は第２の距離よりも小さいため、より大きな単一発光面を有する第１の単一エミッタは、第２の単一エミッタよりも中心に近い位置に配置される。図５Ｂに示されるように、光学素子２０は、単一発光面の像がわずかに歪むように具現化されることができ、その結果、単一発光面の投影は、それらが全発光面の中心からさらに離れるほど大きくなる。図５Ｂは、投影された第１の単一発光面の第１のグループ１３と、投影された第２の単一発光面の第２のグループ１４とを示す。図から分かるように、この効果は、全発光面の中心からさらに離れたより小さな第２の単一発光面を用いることによって、少なくとも部分的に補償することができる。
【００６２】
単一発光面の逆サイズ分布を達成することも可能であり、特に、より外側に位置するそれらの単一発光面をより小さく結像するネガティブ歪光学素子と共に使用される場合に可能である。このような組み合わせによって、同様のまたは等しい強度と、類似のまたは等しい撮像円錐とを達成することができる。
【００６３】
さらに、光学素子の歪みが、全発光面の中央の近傍または中央にある単一発光面が、さらに外側に向かって投影され、したがって、もはやそれほど大きくは現れないように、光学素子はまた具現化され得る。このようにして、すべての単一発光面がほぼ類似した立体角に結像されることが達成可能であり、その結果、部屋は、古典的な光源を用いるような光源で照らされることが可能である。
【００６４】
さらに、全発光面の中央の近傍または中央にある単一発光面が、さらにかなり外側に向かって投影されるように、光学素子はまた具現化することができる。このようにして、単一発光面の画像は、図６に示すように、大きな角度においてより小さくなるようにすることができる。それに対応して、より外側に位置する単一発光面は、より小さな立体角に投影することが可能であり、これにより、部屋の壁面上でより微細な粒状度の照明をもたらすことができ、またより大きな部屋の場合には、より大きな距離で、同じ粒状度をもたらすことができる。
【００６５】
図に関連して記載された特徴及び実施形態はまた、そのような組み合わせのすべてが明示的に記載されていなくても、さらなる実施形態に従って互いに組み合わせることができる。さらに、図に関連して記載された実施形態は、代替的または追加的に、一般的な部分の説明に従ってさらなる特徴を有することができる。
【００６６】
本発明は、実施形態に基づく説明によって、これらの実施形態に限定されるものではない。むしろ、本発明は、この特徴またはこの組み合わせ自体が特許請求の範囲または実施形態で明確に説明されていない場合でも、特許請求の範囲の特徴の各組み合わせを特に含む各新しい特徴及び特徴の各組み合わせを含む。
【符号の説明】
【００６７】
１              光源
１０            半導体光源
１１            全発光面
１２            単一エミッタ
１３、１４      グループ
２０            光学素子
２１、２２、２３、２４、２５  レンズ
１００          発光半導体チップ
１０１          基板
１０２          半導体層シーケンス
１０３          ミラー層
１０４、１０５  電気接点
１０６          単一発光面
１１０          制御装置
１１１          波長変換素子
１２１、１２２  半導体層
１２３          活性層
１９１          中心点
２００          接続キャリア
【図１】
2021507460.tif 000003
【図２Ａ】
2021507460.tif 000004
【図２Ｂ】
2021507460.tif 000005
【図２Ｃ】
2021507460.tif 000006
【図２Ｄ】
2021507460.tif 000007
【図３Ａ】
2021507460.tif 000008
【図３Ｂ】
2021507460.tif 000009
【図３Ｃ】
2021507460.tif 000010
【図４Ａ】
2021507460.tif 000011
【図４Ｂ】
2021507460.tif 000012
【図４Ｃ】
2021507460.tif 000013
【図４Ｄ】
2021507460.tif 000014
【図５Ａ】
2021507460.tif 000015
【図５Ｂ】
2021507460.tif 000016
【図６】
2021507460.tif 000017
【手続補正書】
【提出日】令和2年6月25日(2020.6.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
独立して動作可能な複数の単一エミッタ（１２）を有する平面状の半導体光源（１０）であって、前記単一エミッタの各々は、動作中に、それぞれの単一発光面（１０６）を介して光を放射する、半導体光源（１０）と、
前記単一エミッタの直接下流に配置される共通の光学素子（２０）と、を備え、前記共通の光学素子は、異なる単一エミッタからの光を異なる立体角領域に向けるように具現化され、意図されており、前記単一エミッタは、前記光学素子に対してデフォーカスされて配置され、前記単一発光面は、前記光学素子によってぼやけた態様で結像される、光源（１）。
【請求項２】
前記半導体光源は、独立して動作可能な複数の発光セグメントを有する発光半導体チップ（１００）を備え、各単一エミッタは、発光セグメントによって形成される、
請求項１に記載の光源。
【請求項３】
前記半導体光源は、互いに独立して動作可能な複数の発光半導体チップ（１００）を備え、各単一エミッタは半導体チップによって形成される、
請求項１に記載の光源。
【請求項４】
前記複数の半導体チップは、共通の成型体によって横方向に取り囲まれ、プレート型複合キャリアが、前記半導体チップが配置された部分に形成される、
請求項３に記載の光源。
【請求項５】
各単一の発光体は、２ｍｍ２以下の単一発光面を備える、
請求項１〜４のいずれか一項に記載の光源。
【請求項６】
前記単一エミッタの各々は、実質的にランバート放射特性を有する、
請求項１〜５のいずれか一項に記載の光源。
【請求項７】
少なくとも２つ以上の単一エミッタが互いに異なる単一発光面を有する、
請求項１〜６のいずれか一項に記載の光源。
【請求項８】
前記単一エミッタの全体が、中心点を有する全発光面（１１）を形成し、前記中心点からの第１の距離を有する少なくとも１つの第１の単一エミッタと、前記中心点からの異なる第２の距離を有する少なくとも１つの第２の単一エミッタとが存在し、前記第１の単一エミッタ及び第２の単一エミッタは、異なる大きさの単一発光面を有する、
請求項１〜７のいずれか一項に記載の光源。
【請求項９】
前記第１の距離は前記第２の距離よりも小さく、前記第１の単一エミッタは前記第２の単一エミッタよりも大きな単一発光面を有する、
請求項８に記載の光源。
【請求項１０】
複数の第１の単一エミッタを有する第１のグループと、複数の第２の単一エミッタを有する第２のグループとが存在する、
請求項７〜９のいずれか一項に記載の光源。
【請求項１１】
前記単一エミッタは、直交マトリクス状または六角マトリクス状に配列されている、
請求項１〜１０のいずれか一項に記載の光源。
【請求項１２】
前記光学素子は、各単一エミッタの光を対応する立体角に結像し、すべての立体角は、実質的に等しい大きさを有する、
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の光源。
【請求項１３】
各単一エミッタの光は、特別に割り当てられた立体角領域内に向けられ、各立体角領域は、他の立体角領域のそれぞれと最大でも部分的に重なり合う、
請求項１２に記載の光源。
【請求項１４】
前記光学素子は、少なくとも部分的に広角光学的及び／または魚眼光学的の結像パターンを有する、
請求項１〜１３のいずれか一項に記載の光源。
【請求項１５】
前記単一エミッタのアセンブリは、正方形、長方形、または多角形の全発光面を有する、
請求項１〜１４のいずれか一項に記載の光源。
【請求項１６】
前記光学素子は、全発光面を、６０°以上１６０°以下の全開口角を有する光円錐に放射する、
請求項１〜１５のいずれか一項に記載の光源。
【請求項１７】
前記光学素子は、前記単一エミッタの前記単一発光面のそれぞれから０．１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の距離を有する光インカップリング面を有する、
請求項１〜１６のいずれか一項に記載の光源。
【請求項１８】
前記光学素子は、６０°以上の受光角を有する、
請求項１〜１７のいずれか一項に記載の光源。
【請求項１９】
前記光学素子は、複数のレンズを備える、
請求項１〜１８のいずれか一項に記載の光源。
【請求項２０】
前記光源は、すべての単一エミッタ（１２）の全体の下流に配置された、正確に１つの光学素子（２０）を備え、前記光源（１）は、さらなる光学素子を含まない、
請求項１〜１９のいずれか一項に記載の光源。
【国際調査報告】
2021507460.tif 000018
2021507460.tif 000019
2021507460.tif 000020
2021507460.tif 000021
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