(57)【要約】本発明は、多数の半導体チップおよび異なっている放出スペクトルを有する電磁放射を放出する少なくとも２つの、有利には３つの種類のチップを備え、それぞれの半導体チップは放射を出力結合するチップ出力結合面を有している光源、殊に投写系に対する投写用光源に関する。更にこの光源は多数の１次光学エレメントを備え、その際それぞれの半導体チップに１つの１次光学エレメントが配属されており、該１次光学エレメントはそれぞれ１つの光入口および１つの光出口を有しておりかつ該１次光学エレメントにより、半導体チップからその作動時に放出される放射の少なくとも一部の発散が低減される。半導体チップは１次光学エレメントと一緒に少なくとも２つの空間的に相互に分離された群において配置されていて、該群が半導体チップの作動時に別個の光円錐を出すようになっている。群の別個の光円錐は２次光学系を用いて１つの共通の光円錐に重畳される。
2006524909.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多数の半導体チップおよび異なっている放出スペクトルを有する電磁放射を放出する少なくとも２つの、有利には３つの種類のチップを備え、それぞれの半導体チップは放射を出力結合するチップ出力結合面を有しており、かつ
多数の１次光学エレメントを備え、それぞれの半導体チップに１つの１次光学エレメントが配属されており、該１次光学エレメントはそれぞれ１つの光入口および１つの光出口を有しておりかつ該１次光学エレメントにより、半導体チップからその作動時に放出される放射の少なくとも一部の発散が低減される
という光源において、
半導体チップは１次光学エレメントと一緒に少なくとも２つの空間的に相互に分離された群において配置されていて、該群が半導体チップの作動時に別個の光円錐を出すようになっておりかつ
群の別個の光円錐が２次光学系を用いて１つの共通の光円錐に重畳される
ことを特徴とする光源。
【請求項２】
群の別個の光円錐が２次光学系を用いて１つの共通の色位置を有する１つの共通の光円錐に重畳される
請求項１記載の光源。
【請求項３】
共通の光円錐の色位置はＣＩＥ色度図の白領域にある
請求項２記載の光源。
【請求項４】
群の少なくとも１つは１種類だけのチップの半導体チップを有している
請求項１から３までのいずれか１項記載の光源。
【請求項５】
１種類のチップの半導体チップはそれぞれ、群の１つにおいてだけ含まれている
請求項１から４までのいずれか１項記載の光源。
【請求項６】
多数の半導体チップは第１、第２および第３の種類のチップを有しており、該チップの放出スペクトルは、該異なっている種類のチップの半導体チップから放出される放射の重畳によって白色光が生成されるようなものである
請求項１から５までのいずれか１項記載の光源。
【請求項７】
第１の種類のチップは緑色光を放出し、第２の種類のチップは赤色光を放出しかつ第３の種類のチップは青色光を放出する
請求項６記載の光源。
【請求項８】
第１の種類のチップの半導体チップは第１の群において配置されておりかつ第２および第３の種類のチップの半導体チップは第２の群において配置されており、ここで第２の群の異なった種類のチップの半導体チップは相互に混合されて配置されている
請求項６または７記載の光源。
【請求項９】
１つの種類のチップの半導体チップはそれぞれ、それ固有の群において配置されている
請求項１から８までのいずれか１項記載の光源。
【請求項１０】
２次光学系は少なくとも１つの選択反射ユニットを有しており、該選択反射ユニットは少なくとも１つの別個の光円錐の放射に対して透過でありかつ別の別個の光円錐の放射に対して反射性でありかつ該選択反射ユニットを用いて少なくとも２つの別個の光円錐が重畳される
請求項１から９までのいずれか１項記載の光源。
【請求項１１】
選択反射ユニットはダイクロイック層系を含んでいる
請求項１０記載の光源。
【請求項１２】
２次光学系は少なくとも１つの遮光性合体立方体を有しており、該合体立方体は少なくとも１つの選択反射ユニットに基づいている
請求項１０または１１記載の光源。
【請求項１３】
別個の光円錐の開度角は０および６０°の間、有利には０および４０°の間、特別有利には０および２０°の間の大きさであり、ここで限界値もそれぞれ含んでいる
請求項１から１２までのいずれか１項記載の光源。
【請求項１４】
少なくとも１つの群の１次光学エレメントは少なくとも部分的に、これらの光出口が密に詰められている、有利には相互に隙間なくつながっているように配置されている
請求項１から１３までのいずれか１項記載の光源。
【請求項１５】
半導体チップは１次光学エレメントと一緒に実質的に１つの共通の平面に配置されている
請求項１から１４までのいずれか１項記載の光源。
【請求項１６】
半導体チップは１次光学エレメントと一緒に少なくとも部分的にまたは部分群においてマトリクス形式に配置されている
請求項１から１５までのいずれか１項記載の光源。
【請求項１７】
光入口は光入射面または光入射開口を有しており、該入射面および入射開口の大きさはチップ出力結合面の２倍より小さいまたは２倍に等しい、有利にはチップ出力結合面の１．５倍より小さいまたは１．５倍に等しい
請求項１から１６までのいずれか１項記載の光源。
【請求項１８】
１次光学エレメントはそれぞれ光学的な集光器であり、ここで光入口は本来は集光器出口であるので、光は反対方向に集束するための集光器の普通の使用の場合に比べて集光器を通り抜け、従って集中化されずに、低減された発散度を以て集光器を光出口を通って離れる
請求項１から１７までのいずれか１項記載の光源。
【請求項１９】
光学的な集光器はＣＰＣ、ＣＥＣまたはＣＨＣ形式の集光器である
請求項１から１８までのいずれか１項記載の光源。
【請求項２０】
集光器は光入口を光出口につなげる側壁を有しており、該側壁は、側壁上で延在する、光入口と光出口との間の直接的な接続ラインが実質的に直線的に延在するように実現されている
請求項１８記載の光源。
【請求項２１】
集光器は光入口の側の領域において規則的な多角形、有利には正方形の横断面の形状をした横断面を有しておりかつ集光器は光出口の側の領域において同様に規則的な多角形、有利には三角形、四角形、六角形または八角形の横断面の形状をした横断面を有している
請求項１８から２０までのいずれか１項記載の光源。
【請求項２２】
集光器は中空空間を形成する基体を有しており、該基体の内壁は半導体チップから出た光に対して反射性でありおよび／または該基体の内壁は実質的に１つの層または層列を、有利には半導体チップから出た光に対して反射性である金属層を備えている
請求項１８から２１までのいずれか１項記載の光源。
【請求項２３】
集光器は誘電体集光器であり、該集光器の基体は適当な屈折率を有する誘電体材料から成る中実体であるので、光入口を介して入力結合された光はここにおいて光入口を光出口につなげる、中実体の側方の境界面における全反射によって周囲の媒体に向かって反射される
請求項１８から２１までのいずれか１項記載の光源。
【請求項２４】
光出口は中実体のレンズ形式に湾曲された境界面である
請求項２３記載の光源。
【請求項２５】
光出口は非球面レンズの形式に湾曲されている
請求項２４記載の光源。
【請求項２６】
誘電体集光器は少なくとも部分的に１つの層または層系を、有利には半導体チップから出た光に対して反射性である金属層を備えている
請求項２３から２５までのいずれか１項記載の光源。
【請求項２７】
集光器は半導体チップに該半導体チップの主放射方向において後設されておりかつチップ出力結合面と集光器の光入口との間にギャップが存在している
請求項１８から２６までのいずれか１項記載の光源。
【請求項２８】
ギャップには実質的に、堅いまたは粘性の材料が存在していない
請求項２７記載の光源。
【請求項２９】
それぞれの半導体チップに１つまたは複数のリフレクタエレメントが配属されており、該リフレクタエレメントは半導体チップから集光器に直接達しない光線部分が該リフレクタエレメントで多重反射されかつ半導体チップの主放射方向に対して比較的僅かな角度で集光器の光入口に偏向されるように配置されているおよび／または半導体チップから集光器に直接達しない光線部分が該リフレクタエレメントで多重反射されかつ半導体チップの主放射方向に対して比較的僅かな角度で集光器の光入口に偏向されるような形状になっている
請求項２７または２８記載の光源。
【請求項３０】
集光器の基体は透明なガラス、透明な水晶または透明な合成樹脂から成っておりかつ該基体は有利には射出プレスおよび／または射出成型法において作製されている
請求項１９から２９までのいずれか１項記載の光源。
【請求項３１】
半導体チップは電磁放射を放出するダイオード、有利には少なくとも近似的にランベルトの放射特性を有する電磁放射を放出するダイオード、特別有利には薄膜発光ダイオードである
請求項１から３０までのいずれか１項記載の光源。
【請求項３２】
半導体チップはそれぞれ１つの支持体に配置されており、該支持体上で半導体チップはそれぞれフレームによって取り囲まれており、該フレームに当接してまたはフレーム内に１次光学エレメントが取り付けられておりかつフレームによって該１次光学エレメントが保持されるおよび／またはフレームを通して該１次光学エレメントはチップ出力結合面に対して相対的に位置調整されている
請求項１から３１までのいずれか１項記載の光源。
【請求項３３】
支持体の少なくともいくつかおよび／またはそれぞれの支持体およびフレームは一体に構成されている
請求項３２記載の光源。
【請求項３４】
フレームの内面および／または半導体チップの放射方向を向いている、支持体の表面の自由な面は
−  それぞれの半導体チップから出た光に対して反射性であるおよび／または
−  少なくとも部分的に１つの層または層列を備えており、有利にはそれぞれの半導体チップから出た光に対して反射性である金属層を備えている
請求項３２または３３記載の光源。
【請求項３５】
複数の１次光学エレメントが相互に一体に構成されている
請求項１から３４までのいずれか１項記載の光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は請求項１の上位概念に記載の光源、すなわち多数の半導体チップおよび異なっている放出スペクトルを有する電磁放射を放出する少なくとも２つの、有利には３つの種類のチップを備え、それぞれの半導体チップは放射を出力結合するチップ出力結合面を有しており、かつ多数の１次光学エレメントを備え、それぞれの半導体チップに１つの１次光学エレメントが配属されており、該１次光学エレメントはそれぞれ１つの光入口および１つの光出口を有しておりかつ該１次光学エレメントにより、半導体チップからその作動時に放出される放射の少なくとも一部の発散が低減されるという光源に関する。本発明は殊に、半導体チップが可視の電磁放射を放出するような形式の光源に関する。
【０００２】
この特許出願はドイツ連邦共和国特許出願１０３１９２７４．３号の優先権を主張し、その開示内容はこれを以てここに参照として取り込まれる。
【０００３】
大抵の公知の光源はグローランプ、アークランプまたは高圧ランプを有している。これらの作動の際に比較的大きな成分の電気エネルギーが熱に変換され、このために周りを取り囲む部品または素子にとって問題になる可能性がある。ＣＩＥ色度図における所定の色位置の光を生成するために、この場合通例は光フィルタが使用されて、不都合な色成分が大幅に除去されるようにしている。しかしこれによりそれぞれの光源の効率が低減される。
【０００４】
択一的に、例えば寿命が長いという利点、応答時間が速いという利点並びに電気的な効率が比較的高いという利点を有している発光ダイオード（ＬＥＤ）が使用される光源がある。更に異なっている色のＬＥＤの組み合わせによって所定の色位置の多色光が生成される。この場合にはフィルタは必ずしも必要ではない。
【０００５】
異なっている放出スペクトルのＬＥＤを有しているＬＣＤディスプレイのバックライト光源は例えばＵＳ６５４０３７７に記載されている。ここでは赤、緑並びに青色発光ＬＥＤが相互に混合されて共通のレベルに配置される。ＬＥＤの電磁放射は光源の作動の際に共通の光円錐において放射されかつ拡散材料を用いて混合される。
【０００６】
この形式の光源の欠点は、光源から空間角度毎に放射される光強度がＬＥＤの最大の放出強度によって制限されており、これにより使用能力が制限されているということにある。更に、均一な光が所望されるとき、種々異なっているＬＥＤから放出される電磁放射の十分な混合が考慮されなければならない。
【０００７】
本発明の課題は殊に、可視の電磁放射を放出する半導体チップのベース上の光源を、空間角度当たり放射される高い光強度を有しており、つまりこの光強度が半導体チップの最大の放出強度によって制限されることがないように改良することである。
【０００８】
本発明の課題は、光源において異なっている放出スペクトルを有する半導体チップの電磁放射が簡単かつ効果的に相互に混合できるようにすることも含んでいる。
【０００９】
これらの課題は請求項１の特徴部分に記載の構成によって解決される。
【００１０】
光源の有利な実施形態および有利な発展形態は従属請求項２ないし３５に記載されている。
【００１１】
本発明によれば冒頭に述べた形式の光源において半導体チップは１次光学エレメントと一緒に少なくとも２つの空間的に相互に分離された群において配置されていて、該群が半導体チップの作動時に別個の光円錐を出すようになっている。群の別個の光円錐は２次光学系を用いて１つの共通の光円錐に重畳される。
【００１２】
ここで並びに以下において、光円錐によってその都度、光源の光が照射されている任意の形状のボリュームのことを言い、その際光源までの距離を同じとした場合の最大輝度より１オーダ以上僅かである領域は排除されている。
【００１３】
半導体チップの種々異なっている群の別個の光円錐の重畳によって、種々の半導体チップの放射の加算的な混合が実現される。これにより、異なった放出スペクトルを有する半導体チップの放射の改善された混合を技術的に簡単に実現することができる。更に、空間角度当たりに放射される光強度を、別個の光円錐の重畳によって個々の半導体チップの最大の光強度に無関係に著しく高めることができる。
【００１４】
有利な実施形態において群の別個の光円錐は２次光学系を用いて大体において均一の色位置を有する１つの共通の色位置を有する１つの共通の光円錐に重畳される。その際特別有利にもこの共通の光円錐の色位置はＣＩＥ色度図の白領域にある。
【００１５】
別の有利な実施形態において、群の少なくとも１つは１種類だけのチップの半導体チップを有している。
【００１６】
付加的にまたは択一的に、１種類のチップの半導体チップはそれぞれ、群の１つにおいてだけ含まれている。このことは、均一な色位置を有する大幅に均質な光の放射が所望されるとき特別有利である。
【００１７】
有利な実施形態において、多数の半導体チップは第１、第２および第３の種類のチップを有しており、該チップの放出スペクトルは、該異なっている種類のチップの半導体チップから放出される放射の重畳によって白色光が生成されるように選択されている。
【００１８】
この場合特別有利には、第１の種類のチップは緑色光を放出し、第２の種類のチップは赤色光を放出しかつ第３の種類のチップは青色光を放出する、すなわち１つの種類のチップの半導体チップのそれぞれの放出スペクトルが波長が何よりも緑、赤もしくは青の領域にある放射を有している。
【００１９】
有利には、第１の種類のチップの半導体チップは第１の群において配置されておりかつ第２および第３の種類のチップの半導体チップは第２の群において配置されており、ここで第２の群の異なった種類のチップの半導体チップは相互に混合されて配置されている。
【００２０】
択一的に、１つの種類のチップの半導体チップはそれぞれ、それ固有の群においてかつ群は空間的に相互に分離されて、すなわち重畳されずに配置されている。
【００２１】
別個の光円錐を重畳する２次光学系は有利には少なくとも１つの選択反射ユニットを有している。これは少なくとも１つの別個の光円錐の放射に対して透過でありかつ別の別個の光円錐の放射に対して反射性である。選択反射ユニットを用いて少なくとも２つの別個の光円錐が重畳される。
【００２２】
特別有利には、選択反射ユニットはダイクロイック層系を含んでいる。
【００２３】
有利な実施形態において２次光学系は少なくとも１つの遮光性合体立方体を有しており、該合体立方体は少なくとも１つの選択反射ユニットに基づいている。合体立方体は少なくとも２つの光入口を有しており、該光入口にそれぞれ１つの光円錐が入射する。合体立方体に入射される光円錐は該立方体の内部において選択反射ユニットを用いて重畳されかつ合体立方体の光出口から共通に放出される。入射する光円錐はそれぞれ、１つの群の半導体チップから直接発する本来の、別個の光円錐であってよいが、既に複数のこの種の別個の光円錐が重畳されている１つの光円錐であってもよい。
【００２４】
特別有利には、別個の光円錐の開度角は０および６０°の間、有利には０および４０°の間、特別有利には０および２０°の間の大きさであり、ここで限界値もそれぞれ含んでいる。上に述べたように、光円錐という表現はこの関係において数学的な意味での円錐の形に関しておらず、従って１より多くの開度角を有していてもよい。その場合、上で言ったことは最大の開度角を関連している。
【００２５】
別個の光円錐の発散が１次光学エレメントによりこのような程度にまで制限されていることによって、一層高い輝度もしくは空間角度当たりに放射される、光源の一層高い光強度が実現される。
【００２６】
殊に、１次光学エレメントから放出された光円錐のこのように僅かな開度角を実現するために、１次光学エレメントに光出口は特別有利には、チップ出力結合面の２倍よりは小さいかまたは２倍に等しい大きさを持った光入口面または光入口開口を有している。特別有利には、光入口面または光入口開口の大きさは最大でチップ出力結合面の１．５倍の大きさ、殊に最大で１．１または１．０５倍の大きさである。
【００２７】
光入口面または光入口開口の大きさは有利にはチップ出力結合面より大きいまたはチップ出力結合面より著しく小さくない。
【００２８】
１次光学エレメントのこのように実現された光入口は光円錐の発散の強力な低減に適しているのみならず、１次光学エレメントの著しい小型化、ひいては高い放出光密度を有するコンパクトな光源の作製をも可能にする。
【００２９】
有利には、少なくとも１つの群の１次光学エレメントは少なくとも部分的に、これらの光出口が密に詰められているように配置されている。有利にはこれらは相互に隙間なくつながっている。これにより別個の光円錐、ひいては共通の光円錐の一層高い輝度およびより良好な均質性が実現される。
【００３０】
有利な実施形態において、全部の群の半導体チップは実質的に１つの共通の平面に配置されている。これにより半導体チップのマウントを有利にも著しく簡単にすることができる。
【００３１】
有利には半導体チップは１次光学エレメントと一緒に少なくとも部分的にまたは少なくとも部分群においてマトリクス形式に、すなわち規則的に行および列において配置されている。
【００３２】
光源の有利な実施形態において、１次光学エレメントはそれぞれ光学的な集光器であり、集光器は光源に対して、本来の集光器出口が今や光入口となるように配置されている。集光器の通例の使用と比べて（通例の使用とは上で使った概念「本来の」集光器出口に関している）、ここでは半導体チップの光は反対向きに集光器を走行する。従ってこの光は集中化されずに、低減された発散度を以て集光器を今や光出口として使用される本来の光出口を通って離れる：「本来の」はここでも集光器としての実際の利用に関している。
【００３３】
特別有利には、集光器はＣＰＣ、ＣＥＣまたはＣＨＣ形式の集光器であり、ここで並びに以下に、反射する側壁が少なくとも部分的におよび／または少なくとも大幅に、組み立てられた放物線型集光器（compound parabolic concentrator＝ＣＰＣ）、組み立てられた楕円型集光器（compound elliptic concentrator＝ＣＥＣ）および／または組み立てられた双曲線型集光器（compound hyperbolic concentrator＝ＣＨＣ）の形状を有している集光器のことを言う。このように実現された１次光学エレメントにより、光の発散の効果的な低減が可能になり、これにより空間角度当たりに放射される光強度が拡大される。
【００３４】
ＣＰＣ、ＣＥＣまたはＣＨＣ形式の集光器に対して択一的に、集光器は有利には、光入口を光出口につなげる側壁を有しており、該側壁に沿って光入口と光出口との間の直接的な接続ラインが実質的に直線的に延在している。側壁は有利には、放物面、楕円面または双曲面形式に湾曲された側壁に代わって実質的に真っ直ぐに延在している側壁を有しており、その結果１次光学エレメントは例えばピラミッドまたは円錐を切り取ったような基本形を有している。
【００３５】
集光器は光入口の側の領域において有利には、規則的な多角形、特別有利には正方形の横断面の形状をした横断面を有している。集光器は光出口の側の領域において有利には同様に規則的な多角形、特別有利には三角形、四角形、六角形または八角形の横断面の形状をした横断面を有している。これらの領域の間で横断面は１つの形状から別の形状に移行する。従って集光器の光入口は半導体チップの通常の形状に整合されかつ光出口は例えば、複数の１次光学エレメントの光出口が規則的に相互にかつ隙間なく配置されるように実現される。この形式の１次光学エレメントの使用により、半導体チップを相互に比較的大きな間隔を以て配置することができ、しかもその場合にこの配置構成から放射される光円錐に隙間が存在するように照射されることはない。半導体チップ間の間隔によって、これらから生成される熱は良好に冷却される。
【００３６】
有利な実施形態において集光器は中空空間を形成する基体を有しており、該基体の内壁は半導体チップから出た光に対して反射性でありおよび／または該基体の内壁は実質的に１つの層または層列を、有利には半導体チップから出た光に対して反射性である金属層を備えている。
【００３７】
択一的に集光器は有利には誘電体集光器であり、該集光器の基体は適当な屈折率を有する誘電体材料から成る中実体であるので、光入口を介して入力結合された光はここにおいて光入口を光出口につなげる、中実体の側方の境界面における全反射によって周囲の媒体に向かって反射される。このことは、反射に基づいて集光器にほぼ光損失がないという利点を有している。
【００３８】
特別有利には、誘電体集光器は光出口としてレンズ形式に湾曲された境界面を有している。これは例えば球面または非球面に湾曲されていてよい。これにより光円錐の発散の一層の低減を実現することができる。光出口は有利には非球面レンズの形式に湾曲されており、これによりチップ出力結合面の大きさをほぼ考慮することができる。球面レンズは点形状の光源に対して最適でありかつ非点形状の光源の場合、光円錐の発散の低減に関して非常に劣悪な特性を有する可能性がある。
【００３９】
別の実施形態において誘電体集光器は有利には、少なくとも部分的に１つの層または層系を、有利には半導体チップから出た光に対して反射性である金属層を備えている。このことは例えば、半導体チップが集光器の材料に結合されていて、集光器の第１の部分において全反射の条件を満たす放射が集光器から側方に出力結合されるときに有利といえる。
【００４０】
有利には集光器は半導体チップに該半導体チップの主放射方向において後設されておりかつチップ出力結合面と集光器の光入口との間にギャップが存在している。ギャップには有利には実質的に、堅いまたは粘性の材料が存在していない。
【００４１】
これにより殊に、半導体チップの主放射方向に対して特別大きな角度において放出されかつ別個の光円錐を著しく強く拡幅することになる放射が光入口には当たらずに、これを側方にて通過しかつ集光器には全く入力結合されないことが実現される。誘電体集光器の場合ギャップの存在で、放射の、光入口への入射角が大きくなればなるほど、光入口の境界面でますます沢山の放射成分が反射されるということになる。かくして、集光器に達する光の光発散成分はその都度減衰される。
【００４２】
殊にこの関係において、１次光学エレメントに１つまたは複数のリフレクタエレメントが配属されており、該リフレクタエレメントは半導体チップから集光器に直接達しない光線部分が該リフレクタエレメントで多重反射されかつ半導体チップの主放射方向に対して比較的僅かな角度で集光器の光入口に偏向されるように配置されているおよび／または半導体チップから集光器に直接達しない光線部分が該リフレクタエレメントで多重反射されかつ半導体チップの主放射方向に対して比較的僅かな角度で集光器の光入口に偏向されるような形状になっていると、特別有利である。こうすることで、集光器に達する光の強度が高められる。
【００４３】
有利には集光器の基体は透明なガラス、透明な水晶または透明な合成樹脂から成っている。後者の場合集光器は有利には射出プレスおよび／または射出成型法において作製されている。
【００４４】
特別有利には、基体の材料は半導体チップから出た放射に対して、殊に青色またはＵＶスペクトル領域の電磁放射に対して耐性である。材料はこのために、例えばシリコーンを有しまたはシリコーンから成っている。
【００４５】
半導体チップは有利な実施形態において、電磁放射を放出するダイオード、有利には少なくとも近似的にランベルトの放射特性を有する電磁放射を放出するダイオード、特別有利には薄膜発光ダイオードである。
【００４６】
薄膜発光ダイオードチップは殊に次の特徴事項によって特徴付けられている：
−  支持体エレメントの方を向いている、放射を生成するエピタキシー層列の第１の主表面に反射層が被着されているかまたは反射層が実現されており、この反射層はエピタキシー層列において生成された電磁放射の少なくとも部分をこの層列に再反射する；
−  エピタキシー層列は２０μｍまたはそれ以下の領域にある、殊に１０μｍの領域にある厚さを有している；かつ
−  エピタキシー層列は混合ストラクチャを有している少なくとも１つの面を持った少なくとも１つの半導体層を含んでおり、ここで混合ストラクチャは理想の場合にはエピタキシャルなエピタキシー層列において光の近似的なエルゴー分布を招来する、すなわちこのストラクチャはできるだけエルゴード確率的な分散特性を有している。
【００４７】
薄膜発光ダイオードチップの基本原理は例えば、I. Schnitzer et al., Appl. Phys. Lett. 63 (16), 18. Oktober 1993, 2174 - 2176 に記載されており、その開示内容はこれを以てここに参照として取り込む。
【００４８】
薄膜発光ダイオードチップはランベルトの面発光器に非常に近似しており、指向性光源に使用するのに特別申し分なく適している。
【００４９】
光源の有利な実施例において、半導体チップはそれぞれ１つの支持体に配置されており、該支持体上で半導体チップはそれぞれフレームによって取り囲まれている。フレームに当接してまたはフレーム内に１次光学エレメントが取り付けられている。１次光学エレメントはフレームによって保持されるおよび／またはフレームを通してチップ出力結合面に対して相対的に位置調整されている。
【００５０】
支持体の少なくともいくつかおよび／または一部分および／またはそれぞれの支持体およびフレームは有利には相互に一体に構成されている。
【００５１】
光源の別の実施形態において、フレームの単数もしくは複数の内面および／または半導体チップの放射方向を向いている、支持体の表面の自由な面はそれぞれの半導体チップから出た光に対して反射性である。付加的にまたは択一的に、これらの面は少なくとも部分的に１つの層または層列を、有利にはそれぞれの半導体チップから出た光に対して反射性である金属層を備えている。
【００５２】
特別有利には、複数の１次光学エレメントが相互に一体に構成されている。このことで１次光学エレメントの作製も１次光学エレメントの、光源へのマウントも著しく簡単にすることができるようになり、例えば製造コストを低減できることになる。
【００５３】
本発明の光源の別の利点、有利な実施例および発展形態は、次に図１ないし図７において説明される実施例から明らかである。その際：
図１は、本発明の光源の１次光学エレメントを備えている半導体チップの断面を略示し、
図２は、本発明の別の光源の半導体チップおよび１次光学エレメントを備えている装置を斜視図にて略示し、
図３ａは、本発明の更に別の光源の半導体チップおよび１次光学エレメントを備えている装置を斜視図にて略示し、
図３ｂは、付加的にフレームが配属されている、図３ａの半導体チップおよび１次光学エレメントを備えている装置の断面を斜視図にて略示し、
図４ａないし４ｃは、光源の第１、第２および第３の実施例の平面を略示し、
図５ａおよび５ｂは、光源の第４および第５の実施例の平面を略示し、
図６は、１次光学エレメントの別の実施例を３次元的に示し、
図７は、相互に一体構成されている１次光学エレメントを３次元的に示している。
【００５４】
実施例および各図において、同じまたは同じ作用をする構成部分にはそれぞれ同じ参照番号が付されている。
【００５５】
以下にチップ−１次光学エレメント２と簡単に呼び表す半導体チップ３および１次光学エレメント５を備えている図１に図示された装置において半導体チップ２は第１の支持体１２に被着されている。１次光学エレメント５は半導体チップ３にその主放射方向において後置されている。第１の支持体１２は第２の支持体１５に被着されている。第２の支持体は作動時に半導体チップ３によって生成される熱に対するヒートシンクとして用いられる。
【００５６】
第１の支持体１２は例えばプリント基板（ＰＣＢ）である。その考えられる構成および考えられる材料は当業者には公知であるので、ここでは詳しく説明しない。第２の支持体１５は例えば銅から成っている。
【００５７】
半導体チップ３は例えば、一般的な部分において記載されているように実現されているものであってよい薄膜発光ダイオードチップである。更に、エピタキシー層列は系ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮまたはＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＰ，ただし０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１およびｘ＋ｙ≦１の少なくとも１つの材料をベースとするものであってよい。それはチップ出力結合面４を有しており、この結合面は１次光学エレメント５の光入口１７に直に続いている。
【００５８】
１次光学エレメント５は３次元の、ＣＰＣ形式の集光器であり、その光入口１７および光出口１８は円形である。光入口１７を通って光は可視の、電磁放射の形で半導体チップ３から１次光学エレメント５に入射する。放射は光入口１７を光出口１８につないでいる壁に反射して、光の発散が著しく低減される（レンズ１６によって示されている）ようになっている。光出口１８から放射される光円錐は例えば２０°、例えば約９°以下の開口角度もしくは開度角を有し、一方半導体チップは近似的にランベルトの放射特性を有している。
【００５９】
１次光学エレメント５の基体は、内壁が半導体チップから放出される光を反射する材料を備えている中空体のように機能する。これは例えば、例えばＡｌから成る金属層であってよい。基体を実質的に形成している材料は例えばポリカーボネートのような合成樹脂であってよく、例えば基体はこの種のものから成る射出成型を用いて製造することができる。
【００６０】
図２に示されているように、半導体チップ３は付加的にフレーム１３によって取り囲まれていてよい。この場合フレームを通して１次光学エレメント５が保持されるようにできおよび／または半導体チップ３に対して相対的に位置調整されるようにすることができる。フレームは例えば部分的に射出成型材によって充填されている。
【００６１】
図２に図示の、半導体チップ３および１次光学エレメント５を備えている装置では、ＣＰＣ形式の集光器は図１に基づいて説明した例とは異なって主放射方向に対して垂直に方形形状の横断面を有しているので、殊にその光入口（図示されていない）および光出口１８は方形である。従って１次光学エレメント５の形状は半導体チップ３のチップ出力結合面の形状に整合されている。このことは更に殊に、この形式のエレメント２の光出口を任意の大きさの平面に隙間なく配置できるという利点を有している。
【００６２】
図３ａおよび３ｂの装置では１次光学エレメント５は誘電体のＣＰＣ形式の集光器であって、その基体は例えば透明な合成樹脂、例えばポリカーボネートから成っている。
【００６３】
光入口１７は方形の形を有しており、一方光出口１８は規則的な８角形を有している（１次光学エレメント５の右隣にそれぞれ平面にて示されている）。その間で１次光学エレメント５の横断面形状は方形形状から８角形形状に移行していく。
【００６４】
半導体チップ３のチップ出力結合面４と光入口１７との間に空隙１９がある。これにより、冒頭で説明の一般的な箇所で既に説明した作用効果により、１次光学エレメント５に達する光の高発散成分が弱められる。
【００６５】
図３ｂにおいて図３ａに対して補充的にチップ−１次光学エレメント２のフレーム１３が示されている。このフレーム１３の内壁２０並びに第１の支持体１２の前面は反射性に実現されているので、１次光学エレメント５に直接達しない放射の少なくとも一部はここで複数回反射されて、それから１次光学エレメント５の軸線に対して比較的僅かな角度でその光入口１７に偏向されるようになっている。この場合フレーム１３は第１の支持体１２と一体に実現されてよいが、異なる材料から成る構成部分を備えている多部分構成のものを勿論排除するものではない。
【００６６】
択一的に、半導体チップ３は１次光学エレメント５の材料に埋め込まれていてよいし、または該チップのチップ出力結合面は光入口１７に対して物理的なコンタクトを有していることができる。
【００６７】
１次光学エレメント５の基体の、光入口１７を光出口１８に結合する側面の少なくとも一部は反射性の層（例えばＡｌ）を備えていて、光入口１７に入力結合される、側面での全反射の条件を満たさない光線がにも拘わらずここでほぼ反射されるようになっている。光入口１７に接しており、従って半導体チップ３の最も近くにある、側面の部分において殊にこのことは合目的である。
【００６８】
図６に図示の１次光学エレメント５は図１ないし３ｂに図示の１次光学エレメントとは異なって、光入口１７から光出口１８に向けて直線に延びている側壁を有している。１次光学エレメント５は円錐台形式の基本形を有している誘電体集光器であり、その際光出口１８は平らではなく、非球面レンズの形式で外方向に湾曲している。球面の湾曲と比べて、この湾曲は例えば１次光学エレメントの光軸からの距離が増加するに従って減って、発散度を１次光学エレメントによって低減されるべきである光円錐が点形状の光源ではなく、ある程度の拡がりを有する光源であるという状況に対応するようになっている。
【００６９】
図６に示されているような１次光学エレメントは図１ないし３ｂに図示されている１次光学エレメント５に比べて、該エレメントによって１次光学エレメント５の構造高さを同時に著しく低くしても光円錐の発散の匹敵する低減を実現することができるという利点を有している。図６に図示の１次光学エレメントの別の利点は、該エレメントがその直線的な側面に基づいて例えば射出成型または射出プレスのような射出法を用いて比較的に簡単に製造することができるということである。
【００７０】
光入口は例えば、該１次光学エレメントによって使用することができる半導体チップのチップ出力結合面とほぼ同じ大きさである光入射面を有している。これにより、１次光学エレメントの、発散を低減する特性の特別有効な利用を実現することができる。特別有利には光入射面は最大で、チップ出力結合面の１．５倍の大きさである。
【００７１】
例えばチップ出力結合面が光入射面より大きい半導体チップを有する１次光学エレメントを使用することも可能であるが、この場合には放出される光強度および光密度に関する効率が多少下がることになる。例を用いたシミュレーションの結果わかったことは、チップ出力結合面が光入射面より多少小さい場合よりも、チップ出力結合面が多少大きい場合には１５°の空間角において約１０％低い光強度しか放出できないことである。
【００７２】
射出法を用いて殊に、図７に実施例として示されているように複数の１次光学エレメントを相互に一体に実現することができる。１次光学エレメント５はこの実施例において支持体プレート５０によって相互に連結されており、その際支持体プレートは光出口１８の近傍に配置されているので、支持体プレート５０の一方の側から１次光学エレメント５のピラミッド形状に切断された部分が出ておりかつ他方の側においてレンズ形式のエレメントが実現されており、その外面はそれぞれ１次光学エレメント５の光出口１８を形成している。
【００７３】
図６および７に基づいて説明された、１次光学エレメント５に対する実施例に対して択一的に、これがピラミッド形式の基本形ではなくて例えば円錐台系の基本形または矩形の横断面を有する基本形を有していることもできる。図６および７の１次光学エレメントの方形の横断面が光出口１８に向かって、図３ａおよび図３ｂに基づいて上に説明した実施例に類似して、４角より多くの角を有する横断面形状に移行していくことも考えられる。
【００７４】
更に、電磁放射の発散が１次光学エレメントの主放射方向に対して平行に延在する種々異なっている平面において種々異なった強さで低減されるように１次光学エレメントが構成されていることも可能である。例えば放出される光円錐の開口角度もしくは開度角はある平面では約７°でありかつこの平面に対して垂直である平面において（主放射ラインに沿った切断面）約１０°の大きさである。
【００７５】
光円錐の発散を一段と低減するためにＣＰＣ、ＣＥＣまたはＣＨＣ形式の誘電体集光器がレンズ形式に湾曲された光出口を有しているようにすることも可能である。誘電体集光器に対する択一例として集光器は反射性の内壁を有する中空体から成っていてもよく、この場合中空体の光出口に集光器の放射方向においてレンズが後設されている。例えばレンズは光出口に載着されている。
【００７６】
図４ａに図示されている、光源の実施例において多数のチップ−１次光学エレメント２が３つの空間的に相互に分離されている群１０１，１０２，１０３において配置されている。
【００７７】
チップ−１次光学エレメント２は例えば図１ないし３ａとの関連において既に説明した例の１つまたは複数に従って作製されたものであってよい。
【００７８】
それぞれの群１０１，１０２，１０３においてこれらはマトリクス形式に配置されておりかつ１次光学エレメント５の光出口はほぼ隙間なくお互いにつながっている。このようにして、半導体チップ間で比較的大きな間隔が生じてもほぼ均質な光円錐を放出することができ、このことは半導体チップによって、その作動時に生成される熱の放出に関して有利である。
【００７９】
それぞれの群１０１，１０２，１０３はそれぞれ、１種類のチップだけの半導体チップを有している。それぞれアルファベットＧ，ＲまたはＢによってシンボル表示されているように、第１の群１０１は緑色光を放出し、第２の群１０２は赤色光を放出しかつ第３の群１０３は青色光を放出する。群１０１，１０２，１０３のそれぞれからその都度、矢印２０１，２０２，２０３によって示されているように、別個の光円錐が放出される。
【００８０】
２つの選択反射するユニット３１，３２を用いて、別個の光円錐２０１，２０２，２０３が１つの共通の光円錐２１１に重畳される。その際まず、第１の選択反射するユニット３１を用いて第２の別個の光円錐２０２が第１の別個の光円錐２０１の光路に持って来られる。第１の選択反射するユニット３１は第１の別個の光円錐２０１の緑色光に対して透過でありかつ第２の別個の光円錐２０２に対しては反射性であるので、２つの別個の光円錐は重畳されて中間光円錐２１０になる。
【００８１】
類似に、第２の選択反射するユニット３２を用いて第３の別個の光円錐２０３が中間光円錐２１０と重畳されて共通の光円錐２１１になる。その際第２の選択反射するユニット３２は中間光円錐２１０の光を透過させかつ第３の別個の光円錐１０３の光に対して反射性であるものとすることができるが、これと逆であってもよく、いずれもこうして光源１に対して２つの異なった光出口が可能である。
【００８２】
共通の光円錐２１１において、ＣＩＥ色度図におけるほぼ統一された色位置を有するほぼ均質な光が放射される。その際に色位置は群によってそれぞれ放出される光強度によって、すなわち種々の群１０１，１０２，１０３の半導体チップに加わる作動電圧の大きさによって制御可能である。殊に、こうして白色光が生成されるが、それぞれ任意の別の混合色のいずれも３つの別個の光円錐２０１，２０２，２０３の光の色から生成される。
【００８３】
選択反射するユニット３１，３２はダイクロイック層系、すなわちスペクトルの一部を実質的に反射しかつ残りのスペクトル領域においてはほぼ透過する選択反射するユニット３１である。これらは異なった高屈折率の材料および低屈折率の材料の複数の層を有しており、これらの材料は例えばスパッタリングを用いてフィルム基板に被着されていてよい。
【００８４】
選択反射するユニットはそれぞれ遮光性合体立方体６１，６２に統合されており、その際第１の合体立方体６１の光出口は第２の合体立方体６２の光入口に直接続いている。選択反射するユニットの他に、合体立方体は適当な、透光性の材料、例えばポリカーボネートのような透明な合成樹脂から成っていることができる。択一的に、合体立方体は設けなくてもよく、その場合には２次光学系は実質的に、選択反射するユニットおよび場合によって必要な所属の支持体系から成っている。
【００８５】
図４ａに基づいて説明した実施例とは異なって図４ｂに図示の光源は３つの光入口と１つの光出口とを有する１つの合体立方体を有している。ここには２つの選択反射するユニット３１，３２が統合されている。別個の光円錐２０１，２０２，２０３は上で説明したのと同じ技術的な原理で選択反射するユニット３１，３２を用いて重畳される。
【００８６】
図４ｃに図示された光源では上に述べた実施例とは異なってすべてのチップ−１次光学エレメント２は１つの共通の平面に、例えば１つの共通の支持体（図示されていない）に配置されている。これによりこれらのマウントを著しく簡単化することができる。第１の別個の光円錐２０１はこの場合ミラーを用いて、例えば金属ミラーを用いて所望の光路にもっていかれる。第１の選択反射するユニット３１は群１０１の緑色光に対して透過でありかつ群１０２の赤色光を反射する。第２の選択反射するユニット３２は群１０１もしくは１０２の緑色光および赤色光に対して透過でありかつ群１０３の青色光に対して反射性である。
【００８７】
図５ａおよび５ｂには、チップ−１次光学エレメント２が全体として２つの空間的に相互に分離されている群１０１，１０２に配置されている光源が示されている。その際第１の群１０１はアルファベットＧで示されているように緑色光を放出する種類のチップの半導体チップしか有していない。これに反してだい２の群１０２は第２および第３の種類のチップの半導体チップを有しており、その際第２の種類のチップは赤色光を放出し、第３のものは青色光を放出する。これらはアルファベットＲ／Ｂによって示されている。
【００８８】
第２の群１０２の異なっている種類のチップの半導体チップは均一の相互に混合されて配置されているので、これらチップの放射はその別個の光円錐２０２において相互に部分的に既に混合されている。
【００８９】
飽和された緑、赤および青の光から白色光を生成すべきであれば、全体の光強度のうち約６５％の緑色光、約２８％の赤色光および約７％の青色光が必要である。更に相応の異なった形式の発光ダイオードチップの光強度の典型的な値を考慮すれば、５０％以上の緑放出半導体チップが必要である。
【００９０】
この分配は図５ａおよび５ｂに図示の光源における種々異なっている種類のチップの半導体チップの数に相応している。これによれば、例えば半導体チップすべてが最大の電力で大体作動されるとき、これらの光源によって白色を生成することができる。このことは、それぞれの種類のチップの半導体チップの数を相応に整合させれば、図４ａないし４ｃに基づいて説明した実施例の場合にも当てはまることである。
【００９１】
光源は殊に投写システムに、例えば変化する画像の投写のために適している。というのは、これにより例えば典型的には方形または正方形の隅を従来の光源によるより良好に照射することができるからである。従来のものは更に、付加的な絞りの使用が必要である。
【００９２】
実施例に基づいている本発明のこれまでの説明は本発明をこれらに制限するものではない。例えば、１次光学エレメントに複数の半導体チップが配属されているようにすることも、本発明の本質をなすものである。本発明は、光源が少なくとも１つのコンデンサレンズを有しており、これを用いて共通の光円錐または１つまたは複数の別個の光円錐の発散が低減されるようにするという形態も含むものである。同様に本発明は、それぞれの半導体チップに、放射方向に１次光学エレメントの隣に別の光学エレメントが後設されていて、例えば半導体チップから放出される放射の発散が低減されるようにすることも含んでいる。本発明の１つの重要な観点は発光ダイオードの放射の発散を低減するために、反対方向に集光器を使用することにある、ことを述べておく。
【００９３】
光源は上に述べたように有利には、可視光を放出する半導体チップの使用に適している。しかし基本的には、赤外線または紫外線放出半導体チップの使用も考えられる。これらの場合蛍光材料を用いて可視光線が生成され、これはそれから選択反射するユニットを用いて所望の光円錐に重畳される。
【００９４】
選択反射するユニットに対して択一的に、例えばプリズムのような別の装置を使用して別個の光円錐が重畳されるようにすることもできる。
【００９５】
更に本発明は、いずれもの新しい特徴および実施例および請求項の特徴のいずれもの組み合わせを、たとえこの種の組み合わせが請求項または実施例に明示的に記載されていなくとも含むものである。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】本発明の光源の１次光学エレメントを備えている半導体チップの断面略図
【図２】本発明の別の光源の半導体チップおよび１次光学エレメントを備えている装置の斜視図
【図３ａ】本発明の更に別の光源の半導体チップおよび１次光学エレメントを備えている装置の斜視図
【図３ｂ】付加的にフレームが配属されている、図３ａの半導体チップおよび１次光学エレメントを備えている装置の断面の斜視図
【図４ａ】光源の第１実施例の平面略図
【図４ｂ】光源の第２実施例の平面略図
【図４ｃ】光源の第３実施例の平面略図
【図５ａ】光源の第４実施例の平面略図
【図５ｂ】光源の第４実施例の平面略図
【図６】１次光学エレメントの別の実施例を３次元的に示す図
【図７】相互に一体構成されている１次光学エレメントを３次元的に示す図
【図１】
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【図２】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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