DE102011079697A1

DE102011079697A1 - Beleuchtungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102011079697A1
Application number: DE102011079697A
Authority: DE
Inventors: Krister Bergenek
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2011-07-25
Filing date: 2011-07-25
Publication date: 2013-01-31
Also published as: WO2013013931A1

Abstract

Es wird eine Beleuchtungsvorrichtung zur Erzeugung von weißem Licht angegeben, mit – zumindest einer Leuchtdiode einer ersten Art (1), die im Betrieb rotes Licht abstrahlt, und – zumindest einer Leuchtdioden einer zweiten Art (2), die im Betrieb rotes Licht abstrahlt, wobei – die Leuchtdiode erster Art (1) einen Leuchtdiodenchip umfasst, der im Betrieb rotes Licht abstrahlt, und – die Leuchtdiode zweiter Art (2) einen Leuchtdiodenchip (21), der im Betrieb UV-Strahlung und/oder blaues Licht abstrahlt, und ein Konversionselement (22), das zumindest einen Großteil der UV-Strahlung und/oder des blauen Lichts zu rotem Licht konvertiert, umfasst.

Description

Es wird eine Beleuchtungsvorrichtung angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine Beleuchtungsvorrichtung anzugeben, mit der weißes Licht mit hoher Lichtqualität sowie guter Temperaturstabilität bei hoher Effizienz erzeugt werden kann.
Es wird eine Beleuchtungsvorrichtung angegeben. Die Beleuchtungsvorrichtung ist zur Erzeugung von weißem Licht geeignet. Das heißt, im Betrieb der Beleuchtungsvorrichtung kann diese weißes Licht abstrahlen. Insbesondere ist die Beleuchtungsvorrichtung zur Erzeugung und Abstrahlung von warmweißem Licht geeignet. Die Farbtemperatur des von der Beleuchtungsvorrichtung im Betrieb abgestrahlten Lichts kann beispielsweise zwischen 2700 K und 3500 K liegen.
Die Beleuchtungsvorrichtung umfasst zumindest eine Leuchtdiode erster Art, die im Betrieb rotes Licht abstrahlt, und zumindest eine Leuchtdiode zweiter Art, die im Betrieb ebenfalls rotes Licht abstrahlt. Die dominanten Wellenlängen des von den Leuchtdioden erster Art und von den Leuchtdioden zweiter Art erzeugten roten Lichts können sich dabei voneinander unterscheiden. Insbesondere sind die Leuchtdioden erster Art und die Leuchtdioden zweiter Art der Beleuchtungsvorrichtung unterschiedlich aufgebaut. Dabei ist es möglich, dass die Beleuchtungsvorrichtung zwei oder mehr Leuchtdioden erster Art sowie zwei oder mehr Leuchtdioden zweiter Art umfasst.
Alle Leuchtdioden erster Art sind gleichartig aufgebaut, das heißt sie weisen im Rahmen der Herstellungstoleranz den gleichen Aufbau auf und emittieren Licht mit dem gleichen Spektrum. Ebenso sind alle Leuchtdioden zweiter Art gleichartig aufgebaut, sodass sie im Rahmen der Herstellungstoleranz gleich aufgebaut sind und Licht mit dem gleichen Spektrum emittieren.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung umfasst die Leuchtdiode erster Art einen Leuchtdiodenchip, der im Betrieb rotes Licht abstrahlt. Das heißt, das rote Licht der Leuchtdiode erster Art wird von einem Leuchtdiodenchip der Leuchtdiode erster Art direkt erzeugt. Das Licht wird dabei beispielsweise durch Rekombination von Ladungsträgern in einem Halbleiterkörper des Leuchtdiodenchips der Leuchtdiode erster Art erzeugt. Insbesondere ist es möglich, dass die Leuchtdiode erster Art aus dem Leuchtdiodenchip besteht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung umfasst die Leuchtdiode zweiter Art einen Leuchtdiodenchip, der im Betrieb UV-Strahlung und/oder blaues Licht abstrahlt und ein Konversionselement, das zumindest einen Großteil der UV-Strahlung und/oder des blauen Lichts, das im Betrieb vom Leuchtdiodenchip erzeugt wird, zu rotem Licht konvertiert. Beispielsweise konvertiert das Konversionselement wenigstens 95 % der vom Leuchtdiodenchip erzeugten primären Strahlung in rotes Licht. Mit anderen Worten wird bei der Leuchtdiode zweiter Art das rote Licht nicht direkt vom Leuchtdiodenchip erzeugt, sondern das vom Leuchtdiodenchip erzeugte Licht der Primärstrahlung wird vom Konversionselement absorbiert und Licht mit größeren Wellenlängen wird reemittiert. Die Leuchtdiode zweiter Art kann dabei beispielsweise aus dem Verbund von Leuchtdiodenchip und Konversionselement bestehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung zur Erzeugung von weißem Licht umfasst die Beleuchtungsvorrichtung zumindest eine Leuchtdiode einer ersten Art, die im Betrieb rotes Licht abstrahlt und zumindest eine Leuchtdiode einer zweiten Art, die im Betrieb ebenfalls rotes Licht abstrahlt. Die Leuchtdiode erster Art umfasst einen Leuchtdiodenchip, der im Betrieb rotes Licht abstrahlt und die Leuchtdiode zweiter Art umfasst einen Leuchtdiodenchip, der im Betrieb UV-Strahlung und/oder blaues Licht abstrahlt sowie ein Konversionselement, das zumindest einen Großteil der UV-Strahlung und/oder des blauen Lichts zu rotem Licht konvertiert.
Mit anderen Worten wird bei einer hier beschriebenen Beleuchtungsvorrichtung ein Rotlichtanteil eines zu erzeugenden weißen Lichts auf zwei verschiedene Arten erzeugt. Zum einen umfasst die Beleuchtungsvorrichtung wenigstens eine Leuchtdiode erster Art, bei der das rote Licht direkt von einem Leuchtdiodenchip erzeugt wird. Dieses rote Licht zeichnet sich insbesondere durch einen relativ schmalbandigen Peak der maximalen Intensität auf, dessen Halbwärtsbreite beispielsweise 40 nm oder weniger beträgt.
Zumindest eine Leuchtdiode zweiter Art der Beleuchtungsvorrichtung erzeugt rotes Licht mittels so genannter Vollkonversion von UV-Strahlung und/oder blauem Licht, bei der bevorzugt wenigstens 95 % der Primärstrahlung in rotes Licht konvertiert werden. Dieses rote Licht weist einen Peak der maximalen Intensität auf, der relativ breit ist, zum Beispiel eine Halbwärtsbreite von größer 70 nm aufweisen kann.
Durch die Leuchtdiode zweiter Art kann rotes Licht mit relativ guter Temperaturstabilität erzeugt werden. Das heißt, für den Betrachter ist eine Farbänderung mit sich ändernder Temperatur der Beleuchtungsvorrichtung beim roten Licht der Leuchtdioden zweiter Art kaum oder nur in geringem Umfang beobachtbar.
Die zumindest eine Leuchtdiode erster Art, bei der rotes Licht direkt erzeugt wird, sorgt hingegen für eine Verbesserung der Lichtqualität und trägt insbesondere zur Erhöhung des Farbwiedergabeindex des von der Beleuchtungsvorrichtung im Betrieb erzeugten Lichts bei.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung strahlt die Leuchtdiode erster Art im Betrieb rotes Licht mit einer dominanten Wellenlänge ab, die größer ist als die dominante Wellenlänge des Lichts, das von der Leuchtdiode zweiter Art im Betrieb abgestrahlt wird. Beispielsweise strahlt die Leuchtdiode erster Art im Betrieb Licht mit einer dominanten Wellenlänge zwischen wenigstens 625 nm und höchstens 640 nm ab, die Leuchtdiode zweiter Art strahlt rotes Licht mit einer dominanten Wellenlänge zwischen wenigstens 590 nm und höchstens 620 nm, insbesondere circa 600 nm, ab. Beispielsweise beträgt der Unterschied zwischen den dominanten Wellenlängen der Leuchtdiode erster Art und der Leuchtdiode zweiter Art wenigstens 5 nm, insbesondere wenigstens 10 nm, bevorzugt wenigstens 12 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung umfasst die Leuchtdiode erster Art einen Leuchtdiodenchip, der auf einem Phosphid-Verbindungshalbleitermaterial basiert. "Auf Phosphid-Verbindungshalbleitermaterial basierend" bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die epitaktisch gewachsene Halbleiterschichtenfolge des Leuchtdiodenchips oder zumindest ein Teil davon, besonders bevorzugt zumindest eine aktive Zone und/oder ein Aufwachssubstratwafer, vorzugsweise Al_nGa_mIn_1-n-mP oder As_nGa_mIn_1-n-mP umfasst, wobei 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al beziehungsweise As, Ga, In, P), auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung umfasst die Leuchtdiode zweiter Art einen Leuchtdiodenchip, der auf einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial basiert. Auf "Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial basierend" bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass die epitaktisch gewachsene Halbleiterschichtenfolge des Leuchtdiodenchips oder zumindest ein Teil davon, besonders bevorzugt zumindest eine zur Strahlungserzeugung vorgesehene aktive Zone und/oder der Aufwachssubstratwafer für das epitaktische Wachstum, ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial, vorzugsweise Al_nGa_mIn_1-n-mN aufweist oder aus diesem besteht, wobei 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es beispielsweise ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, In, N), auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung umfasst die Leuchtdiode erster Art einen Leuchtdiodenchip, der auf einem Phosphid-Verbindungshalbleitermaterial basiert, und die Leuchtdiode zweiter Art umfasst einen Leuchtdiodenchip, der auf einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial basiert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung basieren die beiden rotes Licht erzeugenden Leuchtdioden auf unterschiedlichen Halbleitersystemen, die insbesondere ein unterschiedliches Temperaturverhalten aufweisen.
Eine negative Auswirkung dieses unterschiedlichen Temperaturverhaltens kann insbesondere dadurch kompensiert werden, dass die Beleuchtungsvorrichtung nach zumindest einer Ausführungsform mindestens doppelt so viele Leuchtdioden zweiter Art wie Leuchtdioden erster Art aufweist. Insbesondere kann die Beleuchtungsvorrichtung wenigstens drei Mal, wenigstens vier Mal oder wenigstens fünf Mal so viele Leuchtdioden zweiter Art wie Leuchtdioden erster Art aufweisen. Die Leuchtdioden erster Art erzeugen dann lediglich einen relativ geringen Anteil an der Gesamtintensität des von der Beleuchtungsvorrichtung im Betrieb abgestrahlten Lichts. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die Leuchtdioden erster Art aufgrund der großen dominanten Wellenlänge des von ihnen erzeugten Lichts sowie aufgrund der Schmalbandigkeit des von ihnen erzeugten Lichts trotz ihrer geringen Anzahl im Vergleich zu den Leuchtdioden zweiter Art zu einer Verbesserung der Lichtqualität des von der Beleuchtungsvorrichtung im Betrieb abgestrahlten weißen Lichts beitragen können.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung ist das Konversionselement ein keramisches Konversionselement. Das heißt, das Konversionselement ist mit einem keramischen Material gebildet. Zum Beispiel kann dazu ein keramischer Leuchtstoff in ein keramisches Matrixmaterial eingebracht sein. Ferner ist es möglich, dass das keramische Konversionselement aus dem keramischen Leuchtstoff besteht. Insbesondere kann das Konversionselement zumindest eines der folgenden Materialien enthalten oder aus zumindest einem der folgenden Materialien bestehen: (Ca, Sr, Ba)₂Si₅N₈:Eu²⁺, (Sr, Ca)AlSiN₃:Eu²⁺.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung umfasst die Beleuchtungsvorrichtung zusätzlich zu den Leuchtdioden erster und zweiter Art zumindest eine Leuchtdiode dritter Art, die im Betrieb grünliches Licht abstrahlt und zumindest eine Leuchtdiode vierter Art, die im Betrieb blaues Licht abstrahlt, wobei sich das Licht der Leuchtdioden erster Art, zweiter Art, dritter Art und vierter Art zu weißem Licht mischt. Dabei ist es möglich, dass die Beleuchtungsvorrichtung lediglich die genannten Arten von Leuchtdioden aufweist und keine weiteren Arten. Das von den Leuchtdioden dritter Art erzeugte grünliche Licht liegt dabei beispielsweise in folgendem Farbraum im CIE-Normalfarbsystem: X ≥ 0,26, insbesondere ≥ 0,28 und X ≤ 0,43, Y ≥ 0,26, insbesondere ≥ 0,29 und Y ≤ 0,53.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung beträgt das Verhältnis der Anzahl von Leuchtdioden erster Art zu Leuchtdioden zweiter Art zu Leuchtdioden dritter Art zu Leuchtdioden vierter Art in etwa gleich oder gleich 1:5:3:1. "In etwa gleich" heißt dabei, dass die Anzahl der Leuchtdioden jeder Art um +/–20 %, insbesondere um +/–10 % vom angegebenen Verhältnis abweichen kann. Die Beleuchtungsvorrichtung umfasst jedoch in jedem Fall mehr Leuchtdioden zweiter und dritter Art als sie Leuchtdioden erster oder vierter Art umfasst.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung ist eine Leuchtdiode vierter Art zentral angeordnet und die verbleibenden Leuchtdioden sind um die zentral angeordnete Leuchtdiode vierter Art herum angeordnet, wobei alle Leuchtdioden auf einem gemeinsamen Träger aufgebracht sind. Beispielsweise sind die verbleibenden Leuchtdioden entlang eines Kreises um die zentral angeordnete Leuchtdiode vierter Art angeordnet, die sich dann beispielsweise im Mittelpunkt des Kreises befinden kann. Die Leuchtdioden können dabei auf einen Träger, bei dem es sich beispielsweise um einen Anschlussträger wie eine Leiterplatte handelt, geklebt oder gelötet sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung umfasst die Leuchtdiode vierter Art einen Leuchtdiodenchip, der auf einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial basiert. Die Leuchtdiode vierter Art kann dabei insbesondere aus diesem Leuchtdiodenchip bestehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung umfasst die Leuchtdiode dritter Art einen Leuchtdiodenchip, der auf einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial basiert, wobei dem Leuchtdiodenchip ein weiteres Konversionselement nachgeordnet ist. Das weitere Konversionselement konvertiert beispielsweise zirka die Hälfte des vom Leuchtdiodenchip erzeugten insbesondere blauen Lichts in gelbes und/oder grünes Licht, sodass die Leuchtdiode dritter Art grünliches Licht abstrahlt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung ist das weitere Konversionselement ein keramisches Konversionselement. Das heißt, das weitere Konversionselement ist mit einem keramischen Material gebildet. Zum Beispiel kann dazu ein keramischer Leuchtstoff in ein keramisches Matrixmaterial eingebracht sein. Ferner ist es möglich, dass das keramische Konversionselement aus dem keramischen Leuchtstoff besteht. Insbesondere kann das weitere Konversionselement zumindest eines der folgenden Materialien enthalten oder aus zumindest einem der folgenden Materialien bestehen: LuAg:Ce³⁺, YAG:Ce³⁺, (Ba, Sr)-SiON:Eu²⁺.
Es ist möglich, dass die Beleuchtungsvorrichtung mehrere Leuchtdioden dritter Art aufweist, die gleichartig aufgebaut sind sowie mehrere Leuchtdioden vierter Art, die ebenfalls gleichartig aufgebaut sind.
Aufgrund der hohen Lichtqualität sowie der guten Temperaturstabilität des von einer hier beschriebenen Beleuchtungsvorrichtung im Betrieb erzeugten Lichts, eignet sich die Beleuchtungsvorrichtung besonders gut zum Einsatz in der Allgemeinbeleuchtung, beispielsweise in so genannten Retrofits, die als Ersatz für herkömmliche Glühlampen, Entladungslampen oder ähnliches dienen können.
Im Folgenden wird die hier beschriebene Beleuchtungsvorrichtung anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert.
Die 1 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer hier beschriebenen Beleuchtungsvorrichtung.
Die 2, 3 und 4 zeigen grafische Auftragungen, anhand derer hier beschriebene Beleuchtungsvorrichtungen näher erläutert sind.
Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder für eine bessere Verständlichkeit übertrieben groß dargestellt sein.
Die 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer hier beschriebenen Beleuchtungsvorrichtung in einer schematischen Draufsicht. Die Beleuchtungsvorrichtung umfasst einen Träger 10. Bei dem Träger 10 kann es sich um einen Anschlussträger wie beispielsweise eine Leiterplatte handeln. Bei der Leiterplatte kann es sich um eine bedruckte Leiterplatte, eine Metallkernplatine oder eine Leiterplatte mit einem keramischen Grundkörper handeln. Auf oder in dem Träger sind Leiterbahnen 11 strukturiert, mit denen die Komponenten der Beleuchtungsvorrichtung elektrisch kontaktiert werden können. Eine mechanische Befestigung des Trägers 10 am Bestimmungsort kann beispielsweise an den in Ecken des Trägers 10 angeordneten Befestigungsöffnungen 12 erfolgen, durch die beispielsweise Schrauben zur Befestigung des Trägers 10 geführt werden können.
Auf den Träger 10 sind Leuchtdioden 1, 2, 3, 4 aufgebracht und elektrisch angeschlossen. Beispielsweise sind die Leuchtdioden 1, 2, 3, 4 auf den Träger 10 aufgelötet oder aufgeklebt.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst die Beleuchtungsvorrichtung eine einzige Leuchtdiode erster Art 1. Bei der Leuchtdiode erster Art 1 handelt es sich um eine Leuchtdiode, die auf einem Phosphid-Verbindungshalbleitermaterial basiert. Beispielsweise basiert die Leuchtdiode erster Art 1 auf AlGaInP. Die Leuchtdiode erster Art erzeugt beispielsweise rotes Licht mit einer dominanten Wellenlänge zwischen wenigstens 625 nm und höchstens 640 nm. Beispielsweise liegt die dominante Wellenlänge bei 635 nm.
Die Beleuchtungsvorrichtung gemäß der 1 umfasst weiter fünf Leuchtdioden zweiter Art. Die Leuchtdioden zweiter Art 2 umfassen jeweils einen Leuchtdiodenchip 21 sowie ein Konversionselement 22, das dem Leuchtdiodenchip 21 nachgeordnet ist. Vorliegend basiert der Leuchtdiodenchip 21 auf einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial wie beispielsweise InGaN. Der Leuchtdiodenchip 21 erzeugt im Betrieb beispielsweise blaues Licht, das vom Konversionselement 22 größtenteils zu rotem Licht konvertiert wird. Das Konversionselement 22 enthält oder besteht beispielsweise aus einem keramischen Material wie (Ca, Sr, Ba)₂Si₅N₈:Eu²⁺ und/oder (Sr, Ca)AlSiN:Eu²⁺. Die Leuchtdioden zweiter Art 2 erzeugen im Betrieb rotes Licht, insbesondere in einem Wellenlängenbereich der dominanten Wellenlänge zwischen wenigstens 590 nm und höchstens 620 nm. Insbesondere kann die dominante Wellenlänge des von den Leuchtdioden zweiter Art 2 im Betrieb erzeugten roten Lichts beispielsweise bei 600 nm liegen, dies entspricht einem Peak bei circa 615 nm.
Das von den Leuchtdioden zweiter Art 2 erzeugte rote Licht weist ein besonders breites Intensitätsmaximum auf, das beispielsweise eine Halbwärtsbreite von größer 70 nm aufweisen kann. Die Lichtqualität kann daher, wenn nur Leuchtdiodenchips zweiter Art 2 und keine Leuchtdiodenchips erster Art 1 zum Einsatz kommen, geringer sein als wenn Leuchtdioden beider Arten zum Einsatz kommen. Die Leuchtdiodenchips erster Art 1 zeichnen sich nämlich durch einen schmaleren Peak der maximalen Intensität aus, der beispielsweise eine Halbwärtsbreite von 40 nm oder weniger aufweisen kann.
Die Beleuchtungsvorrichtung umfasst im vorliegenden Ausführungsbeispiel weiter drei Leuchtdioden dritter Art, die im Betrieb grünliches Licht erzeugen. Die Leuchtdioden dritter Art umfassen jeweils einen Leuchtdiodenchip 31, der auf einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial basiert sowie ein weiteres Konversionselement 32, das zirka die Hälfte des vom Leuchtdiodenchip 31 im Betrieb erzeugten Lichts zu gelbem beziehungsweise gelb-grünem Licht konvertieren. Das weitere Konversionselement 32 umfasst oder besteht aus einem keramischen Material wie beispielsweise LuAg:Ce³⁺, YAG:Ce³⁺, wobei die Leuchtstoffe jeweils Beimischungen von Ga, Sc, Tb, und Gd enthalten können, um ihre Emissionseigenschaften anzupassen. Ferner ist für das weitere Konversionselement 32 die Verwendung von (Ba, Sr)-SiON:Eu²⁺ möglich.
Die Beleuchtungsvorrichtung gemäß dem in Verbindung mit der 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel umfasst weiter eine einzige Leuchtdiode vierter Art 4, die vorliegend aus einem Leuchtdiodenchip besteht, der auf einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial basiert und im Betrieb blaues Licht abstrahlt. Die Leuchtdiode vierter Art 4 erzeugt im Betrieb beispielsweise blaues Licht mit einer dominanten Wellenlänge von 450 nm.
Die verbleibenden Leuchtdioden sind um die Leuchtdiode vierter Art 4 herum kreisförmig angeordnet. Die Beleuchtungsvorrichtung kann weiter ein nicht gezeigtes optisches Element umfassen, das zur Strahlformung und/oder Durchmischung des von den Leuchtdioden 1, 2, 3, 4 im Betrieb abgestrahlten Lichts sorgen kann.
Die grafische Auftragung der 2 zeigt ein Spektrum des von der Beleuchtungsvorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1 im Betrieb erzeugten weißen Mischlicht.
Das Spektrum zeichnet sich insbesondere durch den Peak 5 aus, der auf das rote Licht der Leuchtdiode erster Art 1 zurückgeht. Dieser schmale Peak bei einer relativ hohen Wellenlänge sorgt für eine Verbesserung der vom Betrachter wahrgenommenen Lichtqualität. Das weiße Licht weist dabei die folgenden Farbkoordinaten auf: cx = 0,4327, cy = 0,3953.
Die korrelierte Farbtemperatur beträgt vorliegend 2999 K. Ferner ergeben sich folgende Werte für die Farbwiedergabeindizes:
RA = 95
R1 = 98
R2 = 99
R3 = 99
R4 = 94
R5 = 97
R6 = 95
R7 = 92
R8 = 86
R9 = 69
R10 = 98
R11 = 89
R12 = 95
R13 = 98
R14 = 99
R15 = 0
R16 = 0
Insgesamt zeichnet sich das von der Beleuchtungsvorrichtung im Betrieb erzeugte weiße Licht durch eine hohe Temperaturstabilität und einen sehr hohen Farbwiedergabeindex RA aus, der durch die Kombination der Leuchtdioden erster und zweiter Art möglich wird.
Die 3 zeigt ein Spektrum für eine alternative Beleuchtungsvorrichtung, bei der auf eine Leuchtdiode erster Art verzichtet wird. Die Farbkoordinaten sind wie folgt: cx = 0,44, cy = 0,4.
Die korrelierte Farbtemperatur beträgt 3003 K. Die Farbwiedergabeindizes sind wie folgt:
RA = 86
R1 = 85
R2 = 94
R3 = 94
R4 = 88
R5 = 88
R6 = 96
R7 = 83
R8 = 61
R9 = 13
R10 = 89
R11 = 93
R12 = 90
R13 = 88
R14 = 97
R15 = 0
R16 = 0
Insbesondere der Farbwiedergabeindex RA ist also deutlich verringert. Die dem Spektrum der 3 zugrundeliegende Beleuchtungsvorrichtung weist lediglich Leuchtdioden zweiter, dritter und vierter Art auf. Dies hat den Vorteil, dass die Beleuchtungsvorrichtung weißes Licht mit hoher Effizienz und sehr hoher Farbstabilität erzeugt. Der Farbwiedergabeindex kann durch Auswahl von geeigneten Konversionselementen erhöht werden, wobei die Effizienz der Lichterzeugung jedoch sinkt. Da das Spektrum des von den Leuchtdioden zweiter Art im Betrieb erzeugten roten Lichts recht breit ist und eine Halbwärtsbreite von mehr als 70 nm aufweisen kann, erscheint die Lichtqualität des erzeugten weißen Lichts jedoch relativ schlecht im Vergleich zum weißen Licht, das von der Beleuchtungsvorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1 erzeugt wird. Zur Verbesserung der Lichtqualität können Konversionselemente 22 zum Einsatz kommen, die keramische Leuchtstoffe wie M₂Si₅N₈:Eu²⁺ oder (Sr, Ca)AlSiN:Eu²⁺ umfassen. Diese Leuchtstoffe sind jedoch schwer herstellbar und relativ teuer.
Als weitere Alternative zu einer hier beschriebenen Beleuchtungsvorrichtung wäre es auch möglich, auf die Leuchtdioden zweiter Art 2 zu verzichten und lediglich Leuchtdioden erster Art 1, Leuchtdioden dritter Art 3 und Leuchtdioden vierter Art 4 einzusetzen. Damit kann Licht relativ guter Qualität bei einem hohen Farbwiedergabeindex zwischen 85 und 90 erzeugt werden. Dies ist auf dem relativ engen Intensitätspeak des von der Leuchtdiode erster Art 1 im Betrieb erzeugten roten Lichts zurückzuführen. Eine solche Beleuchtungsvorrichtung weist jedoch gegenüber der in Verbindung mit der 1 beschriebenen Beleuchtungsvorrichtung eine stark reduzierte Effizienz auf und zeigt weiter ein relativ schlechtes Temperaturverhalten, da sich die Farbkoordinaten des erzeugten weißen Mischlichts mit steigender Temperatur der Beleuchtungsvorrichtung stark ändern.
Zur Verbesserung der Effizienz und des Farbwiedergabeindex kann bei einer solchen Beleuchtungsvorrichtung auch eine Leuchtdiode zum Einsatz kommen, die auf AlGaInP basiert und eine dominante Wellenlänge zwischen 612 und 620 nm aufweist. In diesem Wellenlängenbereich befindet man sich jedoch in einem besonders empfindlichen Bereich des menschlichen Auges (vergleiche die 4, die die Ableitung 7 der Augenempfindlichkeitskurve zeigt, dort den Peak 6).
Temperaturbedingte Veränderungen in der Wellenlänge des erzeugten roten Lichts werden daher in diesem Wellenlängenbereich besonders stark wahrgenommen. Für die in der Beleuchtungsvorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1 eingesetzten Leuchtdioden erster Art ist dies nicht der Fall, vergleiche Peak 5 in der 4.
Insgesamt zeichnet sich eine hier beschriebene Beleuchtungsvorrichtung durch einen oder mehrere der folgenden Vorteile aus:

1. Da ein Großteil des Lichts der Beleuchtungsvorrichtung durch Leuchtdioden zweiter und dritter Art erzeugt wird, bei denen jeweils eine Voll-Konversion stattfindet, findet Lichterzeugung mit hoher Effizienz statt.
2. Hohe Farbwiedergabeindizes von CRI > 95 sind möglich.
3. Das Spektrum des von der Beleuchtungsvorrichtung erzeugten weißen Lichts umfasst einen engen Peak des Lichts der Leuchtdiode erster Art 1, der das subjektive Empfinden der Farbqualität verbessert. Die relative hohe Wellenlänge dieses Lichts kann die Farbqualität für manche beleuchtete Objekte zwar verschlechtern, erweist sich jedoch als vorteilhaft, da Änderungen der Wellenlänge in diesem Wellenlängenbereich weniger stark wahrgenommen werden.
4. Die Temperaturstabilität ist sowohl hinsichtlich der Effizienz als auch des Farbortes sehr gut, da relativ wenig Licht von den Leuchtdioden erster Art 1 stammt, bei den verwendeten langen Wellenlängen des Lichts der Leuchtdioden erster Art 1 der Effizienzrückgang bei höheren Temperaturen kleiner ist als bei kürzeren Wellenlängen und die Ableitung der Augenempfindlichkeitskurve 7 im Bereich der verwendeten Wellenlängen kleiner ist als bei kürzeren Wellenlängen.
5. Die Verwendung von Leuchtdioden erster Art 1, die einen relativ engen Peak der maximalen Intensität bei relativ hoher Wellenlänge aufweisen, ermöglicht es, auf eine aktive Ansteuerung der Leuchtdioden der Beleuchtungsvorrichtung zu verzichten. Das heißt, es muss zum Erhalt von weißem Licht mit guter Lichtqualität bei hoher Temperaturstabilität keine Nachregelung des Stroms, mit dem die Leuchtdioden betrieben werden, in Abhängigkeit von der Temperatur erfolgen. Das erzeugte Licht weist an sich schon eine hohe Temperaturstabilität auf, sodass geeignete Klasseneinteilung der Leuchtdiodenchips vor dem Verbauen ("binning") und/oder die Verwendung von Vorwiderständen für die Leuchtdioden der Beleuchtungsvorrichtung zur Einstellung eines gewünschten Farbortes ausreichend ist.

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.

Claims

Beleuchtungsvorrichtung zur Erzeugung von weißem Licht mit – zumindest einer Leuchtdiode einer ersten Art (1), die im Betrieb rotes Licht abstrahlt, und – zumindest einer Leuchtdiode einer zweiten Art (2), die im Betrieb rotes Licht abstrahlt, wobei – die Leuchtdiode erster Art (1) einen Leuchtdiodenchip umfasst, der im Betrieb rotes Licht abstrahlt, und – die Leuchtdiode zweiter Art (2) einen Leuchtdiodenchip (21), der im Betrieb UV-Strahlung und/oder blaues Licht abstrahlt, und ein Konversionselement (22), das zumindest einen Großteil der UV-Strahlung und/oder des blauen Lichts zu rotem Licht konvertiert, umfasst.
Beleuchtungsvorrichtung nach dem vorherigen Anspruch, bei der die Leuchtdiode erster Art (1) im Betrieb rotes Licht mit einer dominanten Wellenlänge abstrahlt, die größer ist, als die dominante Wellenlänge des Lichts, das von der Leuchtdiode zweiter Art (2) im Betrieb abgestrahlt wird.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Leuchtdiode erster Art (1) einen Leuchtdiodenchip umfasst, der auf einem Phosphid-Verbindungshalbleitermaterial basiert, und die Leuchtdiode (2) zweiter Art einen Leuchtdiodenchip (21) umfasst, der auf einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial basiert.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche mit mindestens doppelt so vielen Leuchtdioden zweiter Art (2) wie Leuchtdioden erster Art (1).
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der das Konversionselement (22) ein keramisches Konversionselement ist und insbesondere zumindest eines der folgenden Materialien enthält oder insbesondere aus zumindest einem der folgenden Materialien besteht: (Ca, Sr, Ba)₂Si₅N₈:Eu²⁺, (Sr, Ca)AlSiN₃:Eu²⁺.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche mit zumindest einer Leuchtdiode dritter Art (3), die im Betrieb grünliches Licht abstrahlt und zumindest einer Leuchtdiode vierter Art (4), die im Betrieb blaues Licht abstrahlt, wobei sich das Licht der Leuchtdioden erster Art (1), zweiter Art (2), dritter Art (3) und vierter Art (4) zu weißem Licht mischt.
Beleuchtungsvorrichtung nach dem vorherigen Anspruch, bei der das Verhältnis der Anzahl von Leuchtdioden erster Art (1) zu Leuchtdioden zweiter Art (2) zu Leuchtdioden dritter Art (3) zu Leuchtdioden vierter Art (4) in etwa gleich oder gleich 1:5:3:1 ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, bei der eine Leuchtdiode vierter Art (4) zentral angeordnet ist und die verbleibenden Leuchtdioden um die zentral angeordnete Leuchtdiode vierter Art (4) herum angeordnet sind, wobei alle Leuchtdioden auf einem gemeinsamen Träger (10) aufgebracht sind.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei der die Leuchtdiode vierter Art (4) einen Leuchtdiodenchip umfasst, der auf einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial basiert.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei der die Leuchtdiode dritter Art (3) einen Leuchtdiodenchip (31) umfasst, der auf einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial basiert, wobei dem Leuchtdiodenchip ein weiteres Konversionselement (32) nachgeordnet ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, bei der das weitere Konversionselement (32) ein keramisches Konversionselement ist und insbesondere zumindest eines der folgenden Materialien enthält oder insbesondere aus zumindest einem der folgenden Materialien besteht: LuAg:Ce³⁺, YAG:Ce³⁺, (Ba, Sr)-SiON:Eu²⁺.