(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
混色原理を利用するＬＥＤベースの面状光源であって、
面状に配置された紫外線を放射するダイオード（５）のビームが、紫外線を吸収する少なくとも１つの蛍光材料による変換によって、より波長の長い光ビームに変換され、
該光ビームが青色成分と混合される形式の、ＬＥＤベースの面状光源において、
前記の紫外線ダイオード（５）のビームは、少なくとも１つの蛍光材料（７）によって吸収され、
これに対して前記の青色成分は、青色を放射する少なくとも１つのＬＥＤ（８）によって供給されることを特徴とする、
ＬＥＤベースの面状光源。
【請求項２】
赤色および緑色を放射する蛍光材料（７）によって前記の紫外線ダイオード（５）のビームを吸収し、これによりＲＧＢ原理を利用して白色を放射する光源を提供する、
請求項１に記載の面状光源。
【請求項３】
黄色を放射する蛍光材料（７）によって前記の紫外線ダイオード（５）のビームを吸収し、これにより青色−黄色−混合原理を利用して白色を放射する光源を提供する、
請求項１に記載の面状光源。
【請求項４】
１つまたは複数の色を放射する蛍光材料（７）によって前記の紫外線ダイオード（５）のビームを吸収し、これによって色−混合原理を利用して単色を放射する光源を提供する、
請求項１に記載の面状光源。
【請求項５】
前記の紫外線を吸収する蛍光材料（７）は、前記の紫外線ダイオード（５）から離隔して取り付けられた光導波体または透明のプレート（６）に載置されている、
請求項１に記載の面状光源。
【請求項６】
青色を放射するＬＥＤの個数は、高々前記紫外線ダイオードの個数に等しい、
請求項１に記載の面状光源。
【請求項７】
前記の青色を放射するＬＥＤは面状に配置されている、
請求項１に記載の面状光源。
【請求項８】
前記の青色を放射するＬＥＤはライン状に配置されている、
請求項１に記載の面状光源。
【請求項９】
青色を放射するＬＥＤのライン（９）は、紫外線ダイオードのフィールドと並んで配置されている、
請求項８に記載の面状光源。
【請求項１０】
青色を放射するＬＥＤの少なくとも２つのラインは、紫外線ダイオードの面の周縁部と並んで配置されている、
請求項８に記載の面状光源。
【請求項１１】
紫外線ダイオードとして、ＳiＣ基板上のＧaＮベースのＬＥＤが使用される、
請求項１に記載の面状光源。
【請求項１２】
１次の紫外線放射のピーク波長が３００〜４００ｎｍであり、
青色放射のピーク放射が４３０〜４９０ｎｍであり、
緑色および赤色の蛍光材料の２次放射が、５１０〜５６０ｎｍないしは５９０〜６８０ｎｍのピーク波長を有する、
請求項１に記載の面状光源。
【請求項１３】
ビームの青色成分の混合は、紫外線ビームの変換の後はじめて行われる、
請求項１に記載の面状光源。
【請求項１４】
少なくとも赤色の蛍光材料の吸収スペクトルは、少なくとも部分的に青色ＬＥＤの放射スペクトルと重なる、
請求項１に記載の面状光源。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、混色原理を利用する、ＬＥＤベースの面状光源に関し、ここでは面状に配置された紫外線を放射するダイオードのビームが、紫外線を吸収する少なくとも１つの蛍光材料による変換によって、より波長の長い光ビームに変換され、この光ビームが青色成分と混合される。この面状光源は、例えば、ＬＣＤバックライト用の面状光源であり、または例えばフルカラーで利用でき、高い輝度を有する別の適用に対する面状光源である。
【０００２】
【従来の技術】
ＪＰ−Ａ  ７−１７６７９４からすでにＬＥＤベースの面状光源が公知であり、ここでは青色ＬＥＤによって、黄色−橙色の蛍光材料による部分的な変換により、平らに面に白色光が形成される。しかしながらこのような単純な補色混合によっては良好な色再現を得ることはできない。
【０００３】
より良好な色再現を有する比較的煩雑なコンセプトは３色混合である。ここでは混合によって白色を形成するために赤色−緑色−青色（ＲＧＢ）の基本色が使用される。この場合、赤色と緑色を放射する２つの蛍光材料の部分的な変換のために青色ＬＥＤを使用可能であるか（ＷＯ００／３３３９０）、または紫外線を放射するＬＥＤが使用され、このＬＥＤにより、赤色、緑色および青色においてそれぞれ放射を有する３つの蛍光材料が励起される。これについてはＷＯ９７／４８１３８を参照されたい。例えばライン放射器（Linienemitter）はＹＯＢ：Ｃe，Ｔb（緑色）およびＹＯＳ：Ｅu（赤色）である。しかしながらここでは高い量子効率（Quantenausbeute）を達成できるようにするために比較的波長の短い放射（紫外線領域＜３７０ｎｍ）が必要である。このために紫外線−ＬＥＤに対して、極めて高価なサファイア基板を使用しなければならないことになる。これに対して安価なＳｉＣ基板のベースの紫外線−ＬＥＤを使用する場合、３８０〜４２０ｎｍの領域の放射で満足しなければならず、これにより緑色および赤色においてライン放射器を使用することが困難ないしは不可能になってしまう。青色の蛍光材料ではこれにより吸収の問題が発生してしまう。
【０００４】
さらにここでの特有の問題は、青色ビームの付加的な吸収損失であり、これは赤色および緑色を放射する蛍光材料の吸収性が広帯域であることによるものである。これらがすべて合わさって、光の色ないしは光の収量を調整する際に大きな制限が発生してしまうのである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、請求項１の上位概念に記載されたフルカラーで利用可能な面状光源を提供して、この面状光源によって高い光の収量を達成すると共にこの面状光源が経済的であるようにすることである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、本発明により、混色原理を利用する、ＬＥＤベースの面状光源であって、面状に配置された紫外線を放射するダイオードのビームが、紫外線を吸収する少なくとも１つの蛍光材料による変換によって、より長い波長の光ビームに変換され、この光ビームが青色成分と混合される形式の、ＬＥＤベースの面状光源において、上記の紫外線ダイオードのビームは、少なくとも１つの蛍光材料によって吸収され、これに対して前記の青色成分は、青色を放射する少なくとも１つのＬＥＤによって供給されることを特徴とする、ＬＥＤベースの面状光源を構成することによって解決される。
【０００７】
殊に有利な実施形態は従属請求項に記載されている。
【０００８】
【発明の実施の形態】
例えば基本的にＵＳ−Ａ  ５６１９３５１において記載されている面状光源は、ＬＣＤのバックライトに使用されることが多い。ここでは従来、光源としてもっぱらコンパクトな蛍光灯が使用される。これは高い給電電圧を必要とし、また電磁場適合性に問題を生じさせる。このためにこのランプをＬＥＤに置き換えることが目標にされるのである。
【０００９】
本発明ではＲＧＢ原理を使用した、フルカラーで利用可能な面状光源が提案され、ここでは面状に配置された多数の紫外線ダイオードのビームが、蛍光材料による変換によって、より波長の長い光に変換される。ここで紫外線とは３００〜４２０ｎｍの領域のことであるとする。紫外線ダイオードのビームは、緑色（有利にはピーク放射波長が５１０〜５６０ｎｍである、例えばＳrＡl２Ｏ４:Ｅu２＋またはＥu２＋ベースのチオガレート（Thiogallate））と、赤色を放射する蛍光材料（有利にはピーク放射波長が５９０ｎｍ以上６９０ｎｍｍ以下である、例えばＳrＳi５Ｎ８:Ｅu２＋）だけにより吸収され、これに対して青色成分は（有利にはピーク放射波長が４３０〜４９０ｎｍである）青色を放射するＬＥＤによって供給される。この原理はそれ自体で驚きに値する。それはこれが一見すると公知の解決手段より格段にコストが高くなるからである。その理由は、より多くのＬＥＤを使用しなければならず、また少なくとも２つのグループ（紫外線−ＬＥＤおよび青色ＬＥＤ）に分けて駆動制御しなければならないからである。
【００１０】
しかしながらここで考慮しなければならないのは、青色ＬＥＤの価格が紫外線−ＬＥＤの価格よりも有利であることと、またいくつかの紫外線−ＬＥＤを節約できることとである。さらに青色ＬＥＤと、赤色および緑色の蛍光材料とを空間的に離すことによって巧妙なことにも、これらのＲＧ蛍光材料による、ＬＥＤの青色ビームの部分的な吸収を回避することができる。したがってより少ないコストで効率のよい光源を得ることができる。これは最終的に殊につぎのような利点に結びつく。すなわち紫外線−ＬＥＤとして、３８０ｎｍ以下の放射ピークを有するサファイア基板上の高価な紫外線−ＬＥＤの代わりに、３８０〜４２０ｎｍの放射ピークを有するＳiＣ基板上の安価なＧaＮベースのＬＥＤ（有利にはＩnおよび／またはＡlがドーピングされている）を使用することができるという利点に結びつくのである。それは紫外線−ＬＥＤの放射スペクトルと、場合によって使用される青色を放射する蛍光材料の吸収スペクトルとのわずかな重なり合いは、紫外線を青色（＞３８０ｎｍ）に変換する際に悪い結果をもたらすのであるが、この重なり合いは本発明のコンセプトでは何の影響も及ぼさないからである。これに対して場合によっては両方とも同じ活性化剤、例えばＥuが使用される赤色ないしは緑色を放射する蛍光材料に関しては、蛍光材料の吸収曲線と励起源との間のこのエネルギー間隔（重なり）はもはや大きな影響を及ぼさない。一般的に示されるのは、広帯域で放射される蛍光材料では、例えば約４９０ｎｍのピーク放射からは吸収の問題はもはや影響を及ぼさないことである。したがって本発明のコンセプトは、ＲＧＢ混合においてだけ適用できるのではなく、付加的な蛍光材料の適用も共に含んでいるのである。最後の別の適用は、白色を放射する従来技術の第１のＬＥＤに相応して、青色−黄色−混合の簡単な原理に基づき、白色光源を形成することである。ここでは青色成分は、複数の青色ＬＥＤの１次放射によって、また黄色成分は、複数の紫外線−ＬＥＤが励起されて有利な蛍光材料により黄色が放射されることによって供給される。別の適用はさらに特有の色を有する面状光源を提供することであり、ここでこの特有の色は、青色成分と別の成分とを混合することによって形成することができる。ここでも同様に青色成分は、複数の青色ＬＥＤの１次放射によって、また別の成分は、複数の紫外線−ＬＥＤが励起されて有利な（１つまたは複数の別の）蛍光材料が放射することによって供給される。ここでは所望の色は、これらの放射の混合によって得られる。このような蛍光材料の具体的な例では、青色−緑色（例えばＳr６ＢP５Ｏ２０:Ｅu２＋，Ｓr４Ａl１４Ｏ２５:Ｅu２＋）または緑色−黄色または黄色（例えばＳr２Ｓi５Ｎ８:Ｃe３＋，(Ｓr,Ｂa)ＳiＯ４:Ｅu２＋）または黄色−橙色（例えばＣa２Ｓi５Ｎ８:Ｅu２＋，Ｃa１．５Ａl３Ｓi９Ｎ１６:Ｅu２＋）においてピーク放射がある。
【００１１】
原理的にはＲＧ蛍光材料を個々の紫外線−ＬＥＤに直接配置することが可能である。有利には赤色および緑色を放射する蛍光材料は、紫外線ダイオードから離隔して取り付けられた光導波路または光導波路作用を有する透明なプレートに載置されるかまたそれに実装される。それはこの間隔によって、面状の放射のより良好な均一性が得られるからである。青色を放射するＬＥＤの、構成ユニット当たりの個数は、高々紫外線ダイオードの個数に等しい。青色を放射するＬＥＤが面状に配置される場合、これは紫外線ダイオードの個数にほぼ相応する（相応して５０〜１００％である）。
【００１２】
青色を放射するＬＥＤの個数を大幅に低減（通例１０〜４０％）できるのは、青色を放射するこのＬＥＤがライン状に、紫外線−ＬＥＤの取り付けられた面の周縁部に配置される場合である。この場合にこれらは、それ自体公知の有利な技術によって、前面を向いた面の放射に入力結合される。最も簡単なケースでは、ただ１つのラインを、外枠の側方において紫外線ダイオードのフィールドに並べて配置する。この場合、典型的には入力結合は、くさび状（または平らでもよい）の板によって行われ、ここでこれは個々の点において異なった深さのエッチング部を有しており、これにより全体としてこの面の均一な輝度が得られるようにする。
【００１３】
しかしながらこの技術を変更して、ライン状に配置されたＬＥＤが複数の外枠に取り付けられるようにすることも可能である。すなわち最も簡単なケースでは、紫外線ダイオードの面の周縁部と並んで側方に２つのラインが配置される。直角の面を前提にすると、２つのラインは互い直角をなすか、またはこれらを向き合う周縁部に互いに平行に配置することができる。
【００１４】
【実施例】
以下では本発明を複数の実施例に基づいて詳しく説明する。
【００１５】
図１には、ＬＣＤディスプレイ３のバックライト用の面状光源２を有するＬＣＤ表示装置１が示されている。付加的に設けられる矩形のケーシングは、分かりやすくするために省略されており、また通例の付加的なコンポーネント、例えば偏光およびカラーフィルタならびに制御ユニット（例えばＴＦＴ）も同様に省略されている。面状光源２は基体４からなり、これには紫外線ダイオード５のアレイがラスタ状に均一な間隔で配置されている。基体４の前方にはくさび状とすることの可能な（くさび形は示されていない）光導波プレート６が、基体４に離隔されかつ平行に載置されている。プレート６は、側方から入射する光を上方に均一に放射する出力結合のための手段を有している。くさび状のプレートではこれらの結合センタ（Koppelzentrum）をこのプレートの表面に均一に分散させることができる。平坦な平行のプレートでは、このセンタの配置は不均一である。それはこのようにしなければ、プレートの表面にわたって均一に分散される青色光の放射を発生させることはできないからである。プレート６は、紫外線−ＬＥＤの方を向いた側に、層７を有しており、これは緑色および赤色の放射を有する２つの蛍光材料の混合物からなる。ダイオード５の紫外線−ビーム（３９０ｎｍのピーク放射波長を有するＩnＧaＮ）は、ここではほぼ完全に赤色および緑色の光に変換される。
【００１６】
（ガラス、プラスチック、ＰＥＴまたは類似のものからなる）透明のプレート６の周縁部では側方に、青色を放射するＬＥＤ８のラインが取り付けられており、その光はプレート６に放射され、プレート６の表面の結合センタ１０（例えばプレートの表側におけるエッチング部またはマイクロプリズムまたは類似のもの）を通して前方に出力結合される。青色の光は、層７からの緑色および赤色の光と混ざって白色になる。
【００１７】
ＬＥＤの２つのタイプ５，８は、別個に駆動制御（図示しない）され、これにより所望の色位置（Farbort）に調整ないしは追従制御することができる。
【００１８】
動作および利点のよりよい理解のために図２では、有利に使用される緑色を放射する蛍光材料ＳrＡl２Ｏ４:Ｅu２＋の放射スペクトルおよび反射スペクトルが示されており、これは５２４ｎｍに放射ピーク波長を有している。この反射スペクトルでは、既知の関係Ｒ（％）＝１００％−Ａ（％）（ここでＲ＝反射およびＡ＝吸収である）に起因する吸収特性も同時に示されている。さらにこの反射スペクトルには、従来技術において典型的に使用される、青色を放射する蛍光材料（ＢＡＭとして知られているＢaＭgＡl１０Ｏ１７:Ｅu）の放射スペクトルも書き込まれている。ここで明らかに識別できるのは、ＢＡＭの青色のビームが緑色の蛍光材料によってかなりの程度で吸収されていることである。この問題は本発明のコンセプトによって完全に回避される。
【００１９】
同様に図３では、有利に使用される赤色を放射する蛍光材料Ｓr２Ｓi５Ｎ８：Ｅu２＋の放射スペクトルと反射スペクトルが示されており、これは６２３ｎｍに放射ピーク波長を有する。ここでもこの反射スペクトルに、従来技術において典型的に使用される、青色を放射する蛍光材料（ＢＡＭ）の放射スペクトルが書き込まれている。この場合にも青色のビームの部分的な吸収が赤色の蛍光材料によって発生している。
【００２０】
図４には紫外線ダイオードアレイを有する本発明の面状光源の放射スペクトルが示されており、ここでは比較のため、上に示したＲＧＢ蛍光材料からなる既知の蛍光材料混合物による紫外線ビームの変換が示されている（１）。本発明では、青色を放射するＬＥＤのラインが、青色の蛍光材料の代わりに使用される（２）。この装置では、（元々５０個の）紫外線−ＬＥＤの数が１０％省略され、効率が３０％向上する（吸収性のメカニズムがなくなるため）。その代わりに（１０個）青色ダイオードの１ラインが使用される。
【００２１】
図５には紫外線ダイオードアレイを有する本発明の面状光源の放射スペクトル（ピーク波長４０５ｎｍ）が示されており、ここでは比較のため、上に示したＲＧＢ蛍光材料からなる既知の蛍光材料混合物による紫外線ビームの変換が示されている（１）。本発明では、青色を放射するＬＥＤ（ピーク波長４６０ｎｍ）のラインが入力結合される（２）。この装置は、結果的に得られるスペクトルが白色の点の近くにあるように調整される。このためには青色ビームの成分を、緑色および赤色の成分に比べて格段に多くしなければならない。それは人間の眼の、青色における低い感受性を考慮に入れるためである。
【００２２】
この新しい混合原理を殊に有利に使用するためには、青色の１次ビーム（ＬＥＤ）の少なくとも一部をそれぞれ吸収する赤色の蛍光材料および緑色の蛍光材料を完全に意識的に選択する。有利には蛍光材料の少なくとも１つが、青色の１次ビームをできるかぎり完全に吸収する。ビーム路における青色ビームの混合を変換の後はじめて行うことによって、たしかに青色ビームの吸収は回避される。しかしながら前方に偏向される青色ビームの一部は、境界面において逆方向に散乱し、したがって蛍光材料を横断し、そこで少なくとも一部が変換され、また一部が再び前方に放射される。これにより実質的に損失される青色ビームのこの部分は、有効なビームに追加されるが、これは赤色の蛍光材料によって、またわずかには緑色の蛍光材料にもよって吸収されることなしに利用し得ることはなく、またより早期に光源の不所望の加熱を生じさせるものである。
【００２３】
当然のことながら同じコンセプトは黄色の蛍光材料においても実現可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】面状光源の部分断面を示す斜視図である。
【図２】緑色を放射する蛍光材料の放射および反射スペクトルを示す線図である。
【図３】赤色を放射する蛍光材料の放射および反射スペクトルを示す線図である。
【図４】本発明の照明ユニットの放射スペクトルを、従来の照明ユニットと比較して示す線図である。
【図５】固有の青色成分を有する場合と、有しない場合とについて本発明の照明ユニットの放射スペクトルを示す線図である。
【符号の説明】
１  ＬＣＤ表示装置
２  面状光源
３  ＬＣＤディスプレイ
４  基体
５  紫外線ダイオード
６  光導波プレート
７  層
８  青色を放射するＬＥＤ
９  青色ＬＥＤからなるライン
１０  結合センタ
【図１】
0004035394.tif 000002
【図２】
0004035394.tif 000003
【図３】
0004035394.tif 000004
【図４】
0004035394.tif 000005
【図５】
0004035394.tif 000006