JP2008505504A - 発光ダイオード装置 - Google Patents
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Abstract
本発明は少なくとも１つの発光ダイオードチップ（１）と、ケーシング（５）と、反射光学系（６）とを有し、前記発光ダイオードチップ（１）は、ビーム出力結合面（２）を備え、該ビーム出力結合面（２）を介して発光ダイオードチップ（１）内で生成された電磁ビーム（１３）の大半がメイン照射方向に出射され、前記ケーシング（５）は、発光ダイオードチップ（１）を側方から取り囲み、前記反射光学系（６）は、メイン照射方向でビーム出力結合面（２）よりも後方に配置されている、発光ダイオード装置に関している。この発光ダイオード装置は特にハンディカメラ、デジタルカメラ、ビデオカメラなどの機器への適用に適している。
Description
本発明は発光ダイオード装置に関している。
背景技術
米国特許出願 US 6,657,375 B2 明細書には少なくとも１つの発光ダイオードを有し、該発光ダイオードは発光ダイオードの側方と表面から出射する光を発する発光ダイオード装置が記載されている。その場合に発光される光は、発光ダイオードの一次ビームを放つ発光物質によって部分的に若しくは完全に長波なビームに変換される。この発光ダイオードチップはケーシングの切欠部に配置されている。ケーシングの壁部は反射的に構成されており、切欠部は発光ダイオードチップを完全に取り囲む鋳込み材で充填される。発光ダイオードチップから放射される光の変換のための発光物質はこの鋳込み材に混合される。
米国特許出願 US 6,657,375 B2 明細書には少なくとも１つの発光ダイオードを有し、該発光ダイオードは発光ダイオードの側方と表面から出射する光を発する発光ダイオード装置が記載されている。その場合に発光される光は、発光ダイオードの一次ビームを放つ発光物質によって部分的に若しくは完全に長波なビームに変換される。この発光ダイオードチップはケーシングの切欠部に配置されている。ケーシングの壁部は反射的に構成されており、切欠部は発光ダイオードチップを完全に取り囲む鋳込み材で充填される。発光ダイオードチップから放射される光の変換のための発光物質はこの鋳込み材に混合される。
発明が解決しようとする課題
本発明の課題は、特に高い光ビーム出力を備えた発光ダイオード装置を提供することである。
本発明の課題は、特に高い光ビーム出力を備えた発光ダイオード装置を提供することである。
課題を解決するための手段
この課題は、請求項１に記載された本発明による発光ダイオード装置によって解決される。
この課題は、請求項１に記載された本発明による発光ダイオード装置によって解決される。
発明を実施するための最良の形態
本発明の有利な構成例は従属請求項に記載されている。
本発明の有利な構成例は従属請求項に記載されている。
発光ダイオード装置の少なくとも１つの実施形態によれば、有利には少なくとも１つの発光ダイオードチップを有している発光ダイオード装置が得られる。この発光ダイオードチップは有利にはビーム出力結合面を有しており、このビーム出力結合面を介して、発光ダイオードチップから生成された電磁ビームの大半が出射される。
有利には前記ビームはメイン照射方向に出射される。その場合にビーム出力結合面は有利には発光ダイオードチップの主平面の１つによって与えられる。この主平面を横切る方向に延在している発光ダイオードチップの側面は有利にはビーム非透過性に構成されている。このチップ面は例えばビーム反射性に構成されるか若しくはビーム吸収性に構成され得る。
本発明による発光ダイオード装置はさらに有利にはケーシングを有しており、該ケーシングは発光ダイオードチップを側方から囲繞している。つまり発光ダイオードチップの側面がケーシングによって取り囲まれている。それらの側面は有利には当該発光ダイオードチップのビーム出力結合面に対して垂直に若しくは実質的に垂直に延在している。
本発明による発光ダイオード装置はさらに有利には反射性の光学系を有している。この反射光学系は、有利にはメイン照射方向でみてビーム出力結合面よりも後方に配置されている。すなわち発光ダイオードチップから発せられたビームの少なくとも一部が反射光学系に入射し、当該光学系によって反射される。
有利には前記発光ダイオード装置は、ビーム出力結合面を備えた発光ダイオードチップを有しており、前記ビーム出力結合面を介して発光ダイオードチップで生成された電磁ビームの大半がメイン照射方向に出射する。また前記発光ダイオード装置はさらにケーシングを有しており、このケーシングは発光ダイオードチップを側方から取り囲んでいる。さらに当該発光ダイオード装置は反射光学系を有しており、この反射光学系はメイン照射方向においてビーム出力結合面の後方に配置されている。
有利には前記発光ダイオードチップはエピタキシャル成長された層スタックを含んでいる。この層スタックは、例えばエピタキシャル成長される層の連続である。有利には前記層スタックは電磁ビームの生成に適している少なくとも１つの活性ゾーンを含む。有利にはこの活性ゾーンは青色若しくは紫色のスペクトル領域の電磁ビームを生成するのに適している。
それに対して活性ゾーンは例えばｐｎ接合部、ダブルヘテロ構造部、単一量子井戸又は特に有利には多重量子井戸（ＭＱＷ）を有し得る。そのような構造部は、当業者にとっては周知な事項であるので、ここでの詳細な説明は省く。例えば多重量子井戸に関しては国際公開第０１／３９２８２号パンフレット、国際公開第９８／３１０５５号パンフレット、米国特許出願 US 5,831,277 明細書、欧州特許出願 EP 1 017 113 明細書、米国特許出願 US 5,684,309 明細書に記載があり、それらの開示内容はここでの多重量子井戸の構造に関する参照となりえる。
層スタックは特に有利にはエピタキシャル成長された層の連続であり、それらのうち成長基板がエピタキシャル成長の終了後に除去される。特に有利には元の成長基板に対向している層スタック表面に支持体が被着される。エピタキシャル成長された層列からの成長基板の除去のもとで生成される構造部分はしばしば薄膜層構造部分の上位概念によっても特徴付けられる。
薄膜層構造部分の基本原理については例えば"I.Schnitzer"らによる刊行物"Appl. Phys.Lett.63(16), 18. October 1993"の２１７４頁〜２１７６頁に記載があり、ここでの薄膜層構造部の基本原理に関する開示内容が参照される。
薄膜発光ダイオードチップは良好な近似においては均等拡散面（ランバート面）型の発光器であり、それ故に特に有利には例えば投光器への使用に適している。
特に有利には（成長基板にたとえられる）支持体が相対的に自由に選択され得る。それによりこの支持体は、例えば構成部材に対する導電性や安定性のようないくつかの特性に関しては、高価なエピタキシャル成長層列の製造に対するきつい制限下でしか得られない成長基板よりも良好に適するものとなり得る。そのため高価なエピタキシャル成長層を得るためには、エピタキシャル分離材料が、例えば成長基板に対して格子整合されなければならない。
有利には層スタック上に被着された支持体は層スタックに整合する熱的膨張係数によって傑出する。例えば支持体はゲルマニウム、ヒ化ガリウム、窒化ガリウム、炭化ケイ素のような半導体材料を含んでいてもよいし、サファイヤ、モリブデン、金属のような他の材料を含んでいてもよい。
その他にも支持体は有利には特に良好な熱伝導性の点で優れている。そのため電磁ビームの生成の際に活性ゾーン内で発生する熱が少なくとも部分的に支持体を介して周囲に放出され得る。
発光ダイオードチップの有利な構成例によれば、被着された支持体と層スタックの間にミラー層が設けられる。このミラー層は例えばブラッグミラーあるいは金属を含んだミラー層を含んでいてもよい。この金属を含んだミラー層（これは例えばゴールド、ゴールドゲルマニウム、シルバー、アルミニウム、プラチナを含み得る）は、ブラッグミラーに比べて、例えば反射性の方向依存性が少ない点で優れている。また金属を含んだミラーを用いてブラッグミラーよりも高い反射性を達成させてもよい。
発光ダイオード装置の少なくとも１つの実施形態においては、発光ダイオードチップが特に短い光パルスを生成するのに適している。例えば発光ダイオードチップは、最大２００ｍｓの照明持続時間を有する閃光を生成するのに適している。有利にはこの照明持続時間は最大１２０ｍｓ、特に有利には最大１００ｍｓである。
発光ダイオード装置の少なくとも１つの実施形態においては、発光ダイオードチップが継続的作動モードにおいて電磁ビームを生成するのに適している。有利にはこの発光ダイオードチップは、少なくとも５分間の間ほぼ一定に維持される強度の光を放つのに適している。このほぼ一定に維持される強度とは当該関係においては、例えば給電の変動や熱的作用に起因する光強度の僅かな変動は生じ得ることを意味している。但しそれはあくまでも人の目に知覚されることのない僅かなものであることを意味する。
発光ダイオード装置の少なくとも１つの実施形態においては、発光ダイオードチップが最大２００ｍｓ、特に有利には最大１００ｍｓの照明持続時間を有する閃光を生成するのに適し、少なくとも５分間の継続動作においてほぼ一定に維持される強度で電磁ビームを放出するのに適している。
発光ダイオード装置の相応する少なくとも１つの実施形態においては、反射光学系が光入口開口部を有し、この光入口開口部を通って発光ダイオードチップ内で生成される電磁ビームの大半が反射光学系に入射される。この反射光学系の光入口開口部は、この場合有利にはメイン照射方向において発光ダイオードチップのビーム出力結合面の後方に配置されている。有利にはこの光入口開口部は、発光ダイオードチップのビーム出力結合面の２倍の大きさの面積、特に有利には最大１．０５倍〜１．２０倍の大きさの面積を有している。そのような反射光学系の小さな光入口開口部は特に有利なことが証明されている。なぜならそのような光入口開口部は当該発光ダイオード装置の著しい小型化に寄与し得るからである。
発光ダイオード装置が、１つ以上の発光ダイオードチップ（これらのダイオードチップには反射光学系が後置接続される）を有するならば、光入口開口部は有利には発光ダイオードチップのビーム出力結合面全体の２倍の大きさの面積、特に有利には最大１．０５倍〜１．２０倍の大きさの面積を有する。
発光ダイオード装置の少なくとも１つの実施形態においては、反射光学系が光出口開口部を有する。光入口開口部を通って反射光学系へ入射した電磁ビームは有利にはこの光出口開口部を通って放たれる。有利にはこの光出口開口部は、発光ダイオードチップから生成される電磁ビームのメイン照射方向において光入口開口部の後方に配置される。
特に有利には反射光学系は光入口開口部と光出口開口部の間に反射性の側壁を有する。この反射性の側壁は有利には次のように構成されている。すなわちそれが、光入口開口部を通って入射する電磁ビームの少なくとも一部を光出口開口部の方へ反射させるように構成されている。
本発明による発光ダイオード装置の少なくとも１つの実施形態によれば、反射光学系が次のような側壁を有している。すなわち半導体チップから放出された光に対して反射的である層若しくは層列、有利には金属性の層を備えた側壁を有している。
本発明による発光ダイオード装置の少なくとも１つの実施形態においては、反射光学系が、発光ダイオードチップを側方から取り囲むケーシング内に集積されている。このことは、反射光学系の側壁が例えば発光ダイオードチップに向いた側のケーシング内壁によって取り囲まれることを意味する。このことは例えば次のことによって達成される。すなわち内方のケーシング壁が反射性コーティングを施されることによって達成される。このケーシング内壁のコーティングはこの場合も有利には金属性の層または層列からなる。
代替的に反射光学系の基体は有利には適切な屈折率を有する誘電材料から形成される。このようにすれば、光入口開口部を介して入力結合される光が光入口開口部と光出口開口部を結ぶケーシング壁部での全反射によって反射される。このことは次のような利点となる。すなわち反射光学系において反射に起因する光損失が実質的に生じないことにつながる。このような発光ダイオード装置の実施形態によれば、さらに有利には次のような可能性も得られる。すなわちケーシングが反射光学系の基体によって形成される可能性である。このようにすれば、発光ダイオード装置が特に低コストで製造できるようになる。
発光ダイオード装置の少なくとも１つの実施形態においては、反射光学系が次のように形成される。すなわち発光ダイオードチップから放出されるビームの発散が低減されるように形成される。このことは、光入口開口部を通って反射光学系に入射する電磁ビームが光入射の際には、反射光学系の光出口開口部を通った光出射の際よりも大きな発散を有していることを意味する。有利には反射光学系は非結像光学系である。
少なくとも１つの実施形態によれば、反射光学系は光学的なコンセントレータであり、この場合反射光学系の光入口開口部はコンセントレータ本来の光出口開口部である。特に有利には、反射光学系は非結像系の光学的コンセントレータである。収束のために光学的コンセントレータの通常の適用と比較すれば、光は光学的コンセントレータによって反対方向に伝播され、それによって集中されるのではなく、光出口開口部を通って僅かな発散でコンセントレータを逸脱する。
発光ダイオード装置の少なくとも１つの実施形態においては、反射性光学系が少なくとも部分的に合成二次曲面集光器（Compound Parabolic Concentrator, CPC) 、合成楕円型集光器（Compound Elliptic Concentrator, CEC）、合成双曲線型（Compound Hyperbolic Concentrator, CHC）、内方全反射光学系（ＴＩＲ）の形式に従って形成されている。すなわち、反射光学系の反射性側壁は少なくとも部分的にＣＰＣ，ＣＥＣ，ＣＨＣ，ＴＩＲの形態で形成される。さらに有利には、反射光学系をこれらの光学素子の組み合わせとして形成することも可能であります。
このように構成された反射光学系は有利には、発光ダイオードチップから生成された電磁ビームの分散の効率的な低減が可能となり、それと共に発光ダイオード装置の定められた照射特性も可能となる。
発光ダイオード装置の少なくとも１つの実施形態においては、反射光学系が光出口開口部を有し、この光出口開口部を通って発光ダイオードチップ内で生成された電磁ビームの大半が反射光学系から出射する。反射光学系のこの光出口開口部にはこの場合メイン照射方向においてカバー体が後置接続されている。有利にはこのカバー体は電磁ビームに対して少なくとも部分的に透過性である。またこのカバー体は有利には反射光学系並びに発光ダイオードチップのほこりや汚染粒子からの保護と機械的な作用からの保護として用いられる。特に有利には前記カバー体が当該発光ダイオード装置のケーシングカバーとして構成されている。その場合のカバー体は有利には発光ダイオード装置をシステムケーシング内へ組み付ける際のガイド若しくはストッパとして用いられる。それにより発光ダイオード装置のシステムケーシング内への簡単でかつ機械的に安定した組み付けが可能となる。特に有利にはカバー体はガイド及びストッパとして用いられる。
すなわちこのことは発光ダイオード装置が例えば次のような目的で設けられ得ることを意味する。すなわちシステムケーシングの切欠き内への埋め込みのために設けられ得ることを意味する。従って前記カバー体と切欠きは次のように相互に適合化される。すなわち当該カバー体が発光ダイオード装置組み付けの際のガイド及び／又はストッパとして機能するように適合化される。
本発明による発光ダイオード装置の少なくとも１つの実施形態においては、前記カバー体が光学素子を含んでいる。このことは有利にはカバー体において、次のような光学系、すなわち反射光学系の光出口開口部から出射する電磁ビームの湾曲、屈折、波長変換のために用いられる光学系が集積されることを意味する。特に有利にはこの光学素子が少なくとも２つの課題を満たしている。この光学素子は有利には非結像系である。
少なくとも１つの実施形態においては、前記光学素子が例えば球面的若しくは非球面的に湾曲可能な光出口面を有する。それにより発光ダイオード装置から出射する電磁ビームの分散のさらなる低減が達成され得る。
有利には前記光出口面は非球面レンズの形式で湾曲される。このことはすなわち光出口開口部が発生した光速の屈折に用いられる光学面であり、それは円形でも平らでもない。特に有利にはこのように形成された光学素子が複数の形態パラメータを有し、それによって光発光ダイオードチップのビーム出力結合面及び／又は反射光学系の光出口開口部の大きさが考慮され得る。それとは反対に球面レンズは点状の光源のために最適であり、非点状の光源のもとでは、出射する光束の分散の低減に関して顕著に悪化した特性を有する。
本発明による発光ダイオード装置の少なくとも１つの実施形態においては、前記光学素子がフレネルレンズの形式で形成されている。このフレネルレンズは、出射されるビームの分散を低減するのに適している。特に有利にはこのフレネルレンズは特に低コストな製造方法によって抜きん出ている。
発光ダイオード装置の少なくとも１つの実施形態においては、光ダイオードチップにメイン照射方向において発光性変換材料が後置接続されており、この発光性変換材料は、発光ダイオードチップから放出された電磁ビームの少なくとも一部を波長変換している。この発光性変換材料は、有利には発光体粒子の少なくとも１つの形式を含んでいる。それに対しては例えば希土類、ドーピングされたガーネット（例えばＹＡＧ；Ｃｅ）などの無機発光物質、またはペリレン発光体などの有機発光物質が適している。さらに適した発光物質は例えば刊行物国際公開第９８／１２７５７号パンフレットに記載されており、それらの発光物質に関する内容がここでは参照される。
発光性変換材料を用いることによって発光ダイオードチップの十分に完全な一次放射の変換又は所期の部分的な変換と一次ビーム及び変換されたビームの所期の混合によってＣＩＥ色度図上の所望の色位置の可視光、特に白色光が生成され得る。
本発明による発光ダイオード装置の少なくとも１つの実施形態によれば、発光正変換材料が薄膜として発光ダイオードチップのビーム出力結合面に被着される。特に有利にはその層厚さが最大５０μｍとなる。発光性変換材料の最小厚さは約５μｍである。この場合発光正変換材料は有利には発行正変換材料混合マトリックスを含み得る。このマトリックスは例えばデュロプラスチックポリマーやシリコンから形成される。発光性変換材料における価値は有利には高い。
発光ダイオード装置の前記実施形態で特に有利には、発光ダイオードチップから生成される電磁ビームの大半がビーム出力結合面を通って出射する。発光変換層はビーム出力結合面の上に直接被着されるので、この配置構成は特に出射ビームの効率が高くて所定の変換を可能にするものである。すなわち発光ダイオードチップから出射された電磁ビームの大部分の成分を予め定められた色調の光に波長変換する。
本発明による発光ダイオード装置の少なくとも１つの実施形態においては、メイン照射方向でみて発光ダイオードチップのビーム出力結合面の後方に小板が後続配置される。この小板は発光性の変換材料を含んでいる。小板の厚さは有利には最大２００μｍである。小板の最小厚さは有利には約１０μｍである。この小板は例えばその中で発光性変換材料が添加されるプラスチック材料を含んでいてもよい。またこの小板を発光性変換材料の層でコーティングしてもよい。この小板は例えばガラスから形成される。特に有利にはそのような小板を伴う発光ダイオード装置が特に簡単に低コストで製造できる。その他にも小板の交換によって発光ダイオード装置から放射する光の色位置の変更が特に簡単な形式で可能になる。
本発明による発光ダイオード装置の少なくとも１つの実施形態においては、光学素子が発光性変換材料を含んでいる。つまりこの光学素子は出射するビームの分散を低減すると同時に当該ビームの波長変換にも寄与している。発光ダイオード装置のこの実施形態は有利には特に低コストな発光ダイオード装置の製造を可能にする。光学素子がプラスチックを含むならば、発光変換材料が有利にはこのプラスチックに添加されてもよい。しかしながら光学素子を発光性変換材料でコーティングすることも可能である。特に有利には光学素子がガラスから形成される。
発光ダイオード装置の少なくとも１つの実施形態によれば、反射光学系が発光変換材料を含んでいる。つまり反射光学系が、出射された光の分散を低減すると同時に発光ダイオードチップから放射される電磁ビームの波長変換にも寄与している。この場合発光ダイオード装置から発せられる光に対する要求に応じて、反射光学系における発光性変換材料の集中性に係わる様々な配置構成が可能である。それに対しては発光性変換材料の特に高い集中性が例えば反射光学系の発光ダイオードに向いた側の領域に存在していてもよい。しかしながら発光性変換材料の集中性は反射光学系のビーム出射領域の中央において特に高くなっていてもよい。総体的に発光性変換材料の集中性の変化実施例によって出射するビームの所定の変換が可能となる。
発光ダイオード装置の少なくとも１つの実施形態によれば、発光ダイオード装置の光出力側、例えば光学素子の光出口面から出射する光円錐の開度は最大３５度である。特に有利にはこの開度は２５°〜３５°の範囲である。光円錐とはこの関係においては、発光ダイオード装置の光出口から発せられる光によって照らされる体積空間（ボリューム）である。この場合次のような領域は除外される。すなわちその領域内で輝度が出力側までの間隔が同じところの最大輝度よりも、１オーダー分以上少ない領域である。この趣旨から光円錐は数学的趣旨における円錐の形態に係わるのではない。従って１つ以上の開度を有し得る。この条件が満たされたる場合には前述した開度のデータは最大開度に関係する。特に有利には発光ダイオード装置がこの場合約３メータ間隔で存在する約５から６平方メートルの大きさの面を数十ルクスで照射するのに適している。その場合発光ダイオード装置内で１つ又は複数の発光ダイオードチップが約１平方ミリメートルの総合ビーム出力結合面を用いて実現されている。
発光ダイオード装置の少なくとも１つの実施形態によれば、発光ダイオード装置から照射される面が矩形形状を有しており、特に有利には矩形状の面の側方が相互に４：３の比の関係にある。
本発明による発光ダイオード装置の少なくとも１つの実施形態によれば、発光ダイオードチップのビーム出力結合面に対向する表面が冷却体に被着されている。この冷却体は例えば次のような材料を含み得る。すなわちセラミックや半導体材料、金属などである。有利にはこの冷却体は高い熱伝導性を有し、その熱膨張係数において発光ダイオードチップの材料に適合するものである。発光ダイオードチップは有利にはこの冷却体に蝋付け若しくは接着される。この接着結合は有利には高い熱伝導性の点で優れている。有利には発光ダイオードチップから離れた側の冷却体表面に電気的なコンタクト面が相互に絶縁されて設けられている。これらの電気的なコンタクト面は有利にはそれぞれの端子でもって発光ダイオードチップと接続されている。これらの電気的なコンタクト面を介して発光ダイオードチップは電気的にコンタクトし得る。
発光ダイオード装置の少なくとも１つの実施形態によれば、冷却体が発光ダイオードチップから離れた側で支持体上に被着されている。特に有利にはこの支持体と冷却体の間にコンタクトバネが被着されており、このコンタクトバネのコンタクト面が発光ダイオードチップとは反対側の冷却体表面に接続されている。
前記コンタクトバネは有利には鋭角に支持体を取り囲んでいる。コンタクトバネの湾曲形態は有利には次のように形成される。すなわち曲げの応力が冷却体と支持体の間の組み付け接続に負担をかけないように形成される。有利にはこれらのバネは冷却体と支持体に蝋付けされる。
発光ダイオード装置の少なくとも１つの実施形態によれば、その外寸が少なくとも１つの空間方向において最大で４ｍｍである。特に有利には発光ダイオード装置の外寸が３つの全ての空間方向において最大で４ｍｍである。このことは有利には比較的小型の機器への発光ダイオード装置の適用を可能にする。
特に有利には本発明による発光ダイオード装置が携帯機器やビデオカメラ、写真機などに適用される。これらの機器では発光ダイオード装置がフラッシュライトとしてあるいはフィルム撮影シーンの継続照明としても用いられる。この場合特に有利には本発明による発光ダイオード装置が発光ダイオードチップの効率の高い冷却を可能にすることがわかっている。それによりこの発光ダイオードチップは高出力で作動が可能である。このことは発光ダイオード装置の過熱を生じさせることなく長い時間に亘って高い光強度で照明を続けることを可能にする。
図面
以下の明細書ではこれまで説明してきた発光ダイオード装置を複数の実施例とそれに関連する図面に基づいてさらに詳細に説明する。この場合、
図１は、当該明細書で説明してきた発光ダイオード装置の第１実施例の概略的な立体断面図であり、
図２は、当該明細書で説明してきた発光ダイオード装置の第２実施例の概略的な立体断面図であり、
図３は、当該明細書で説明してきた発光ダイオード装置の第３実施例の概略的な立体断面図であり、
図４は、当該明細書で説明してきた発光ダイオード装置の第４実施例の概略的な断面図であり、
図５は、当該明細書で説明してきた発光ダイオード装置のさらなる実施例の概略的な断面図である。
以下の明細書ではこれまで説明してきた発光ダイオード装置を複数の実施例とそれに関連する図面に基づいてさらに詳細に説明する。この場合、
図１は、当該明細書で説明してきた発光ダイオード装置の第１実施例の概略的な立体断面図であり、
図２は、当該明細書で説明してきた発光ダイオード装置の第２実施例の概略的な立体断面図であり、
図３は、当該明細書で説明してきた発光ダイオード装置の第３実施例の概略的な立体断面図であり、
図４は、当該明細書で説明してきた発光ダイオード装置の第４実施例の概略的な断面図であり、
図５は、当該明細書で説明してきた発光ダイオード装置のさらなる実施例の概略的な断面図である。
これらの実施例並びに図面では同じ構成部材若しくは作用の同じ構成部材にはそれぞれ同じ符号が付されている。また図示されている構成要素とこれらの構成要素相互の寸法比は必ずしも縮尺通りのものではない。それどころか図中のいくつかの詳細部では理解を深めるために拡大して示されている。
実施例
図１には、この明細書で説明してきた発光ダイオード装置の第１実施例の概略的な立体断面図が示されている。
図１には、この明細書で説明してきた発光ダイオード装置の第１実施例の概略的な立体断面図が示されている。
この発光ダイオード装置の発光ダイオードチップ１は当該明細書の従来技術の部分で説明してきたような薄膜構造形式の発光ダイオードチップ１である。この発光ダイオードチップ１は、とりわけ有利に小さいエテンデュの点で優れている。
発光ダイオードチップ１の活性ゾーンから生成された電磁ビームの大半はビーム出力結合面から出射する。このビーム出力結合面のサイズは約１ｍｍ2である。
ビーム出力結合面２は発光ダイオードチップ１のメイン照射方向において後続配置されており、例えばビーム出力結合面２上に被着されている（図示せず）発光性変換材料からなる層である。この発光性変換材料層によってビーム出力結合面２から出射する光が少なくとも部分的に波長変換される。有利にはこの場合発光ダイオードチップから発せられた一次ビームとビームの波長変換された部分との光混合から白色光が生じる。
発光性変換材料層は有利には発行正変換材料混合マトリックスを含み得る。このマトリックスは例えばエポキシ材料やシリコン材料のようなデュロプラスチックポリマーから形成される。発光性変換材料の価値は有利には高い。特に有利にはこのマトリックスでは３０〜５０体積％の発光体材料が混合され得る。
例えばビーム出力結合面２の側方からボンディングパット３が被着され、このボンディングパッドを介してチップが電気的にコンタクト可能である。
そのビーム出力結合面２に対向している主平面でもって発光ダイオードチップ１は冷却体４上に被着されている。この冷却体４は有利にはヒートシンクとして用いられる。このヒートシンクは例えばＡｌＮのようなセラミック材料や、例えばケイ素や金属接合部のような半導体材料を含んでいる。有利には冷却体４はこれらの材料の組み合わせも含み得る。発光ダイオードチップ１は冷却体４上に有利には蝋付けされるか若しくは高い熱的伝導性を保って接着される。
冷却体４は発光ダイオードチップ１から作動中に発生した熱を収容して放出するのに用いられる。有利にはこの冷却体４は発光ダイオードチップ１の電気的コンタクトのために貫通コンタクト（Ｖｉａｓ）を含んでいる。
冷却体４にはケーシング５が被着されており、このケーシングは発光ダイオードチップ１を側方から取り囲んでいる。有利にはこのケーシングは発光ダイオードチップ１をこの場合側方から完全に取り囲んでいる。ケーシング５はこの場合次の材料のうちの少なくとも１つの材料を含んでいる。すなわちＡｌ2Ｏ3、ＡｌＮ，ＺＯ、ＦｅＮｉ、Ｋｏｖａｒ、Ｃｕ、モリブデン、ＬＣＰ、ＰＰＡ，ＰＥＥＫ。
ケーシング５の内壁には、ケーシング５の内壁に被着されるかケーシング内壁によって形成されている反射光学系６が集積されており、この反射光学系は発光ダイオードチップから送出され場合によっては波長変換される光を反射し、その際に出射されるビームの分散を低減するのに適している。有利には反射光学系６はこの場合ＣＰＣ，ＣＥＣ，ＣＨＣ，ＴＩＲ（total internal reflection）方式の光学系若しくはこれらの光学素子の組み合わせによって形成されている。有利には反射光学系は非結像系である。
ケーシングにはカバー体７が後続配置されており、この中に光学素子８が集積されている。この光学素子８は非結像系の光学系によって形成されている。この光学素子も発光ダイオード装置から出射されたビームの分散を低減させるのに適している。
発光ダイオードチップ１とは反対側の冷却体４表面には支持体９とコンタクトバネ１０が被着されている。この支持体９も作動中に発光ダイオードチップから発生した熱の放出のために用いられ、高い熱伝導性の点で優れている。有利には発光ダイオードチップ１は０．５〜１．０アンペアの電流で作動され得る。効率的な冷却効果に基づいて発光ダイオードチップは当該装置の過熱を引き起こすことなく比較的長い時間に亘って高い強度の電磁ビームを放射する。それに対して有利には支持体９が電気的に絶縁された材料を含み、あるいはそのような材料からなっている。特に有利には支持体は例えばプラスチック若しくは炭素ファイバを含んだプラスチックを含み得る。
コンタクトバネ１０は例えばＣｕＦｅ2Ｐ、ＣｕＢｅを含み、例えば発光ダイオードチップ１から作動中に発生した熱の放出のための熱伝導要素として用いられる。その他にも発光ダイオードチップ１がコンタクトバネ１０を用いて電気的にコンタクトされ得る。支持体９とバネ１０は発光ダイオード装置をシステムケーシング内に組み付ける際の高い補償機能も可能にしている。すなわち例えば支持体９の厚さの適合化によって、及び／又は当該バネ１０を支持体９の周りで角度をつけて湾曲させること及び／又はバネの長さによって発光ダイオード装置をシステムケーシングの切欠きの深さに適合化させられる。
図２には前述した実施例とは次の点で異なっている発光ダイオード装置が示されている。すなわち発光ダイオードチップ１のビーム出力結合面２上の変換層の代わりに小板１１がビーム出力結合面２に後置接続されている発光ダイオード装置が示されている。この小板１１は例えば発光正変換材料が添加されているプラスチック材料か若しくはガラス板からなる材料が含まれており、その２つの主平面はビーム出力結合面２に平行に延在し、発光性変換材料でコーティングされている。この小板は発光ダイオードチップ２から送出された電磁ビームの少なくとも一部の波長変換のために用いられる。
図３には４つの全ての側壁で閉じられた発光ダイオード装置が示されている。この発光ダイオード装置の寸法は有利には約４×４×４ｍｍである。この小さな寸法に基づいてこの発光ダイオード装置は有利には例えば比較的小さな電子機器、例えば携帯機器やデジタルカメラなどにも用いることが可能である。
図４は発光ダイオード装置の１つの実施例の側面図である。ビーム出力結合面２から発光ダイオードチップ１内で生成された電磁ビーム１３が反射光学系６へ入射し、この反射光学系６はここではＣＰＣ形式の光学集光器として形成されている。このＣＰＣ形式の光学集光器はその放物線状に成形された側面によって優れている。この光学集光器は反対方向への発光ダイオードチップ１から発せられたビーム１３の分散低減のために用いられる。すなわち反射光学系６の光入口開口部１２は当該光学集光器の本来の光出口開口部である。それに対して反射光学系６の光出口開口部１４は、当該光学集光器の本来の光入口開口部である。ここではこの反射光学系６は例えば反射性コーティングによって形成されており、それは１つの層若しくは層列、例えば銀から成る金属層から形成されている。
図５には発光ダイオード装置のさらなる実施例の側面図が示されている。
ここでは反射光学系６は、当該光学素子６の光入口開口部１２から当該光学素子６のヒカ出口開口部１４まで延在している側壁を有している。
この光学素子の側壁は、例えば反射性にヒーティングされている。この波高ダイオード装置の実施例においては反射光学系６の側壁がピラミッド状に若しくは円錐台状に形成されている。この場合の光学素子６の側壁は例えば反射性コーティングを施されていてもよい。
さらに付加的に反射光学系６の光出口開口部１４には第２の光学素子８が後続配置されている。この第２の光学素子８は球面レンズ又は非球面レンズの形式で外方に向けて湾曲され、さらに出射する電磁ビームの分散を低減するのに適している。
反射性コーティングされる側壁に対して代替的に反射光学系６が誘電材料を含んだ完全体であってもよい。この完全対の材料は例えば屈折率を有しており、それにより光入口開口部１２を介して入力結合された電磁ビームが当該完全体の側方境界面における全反射によって囲繞すべき媒体に対して反射する。その場合には特に第２の光学素子８が外方に向けて湾曲した完全体の境界面によって形成されていてもよい。この実施例では特に発光ダイオードチップ１が誘電材料で取り囲まれていてもよい。
当該特許出願は独国特許出願第１０２００４０３１６８６.４号及び１０２００４０４５９４７.９−３３号明細書の優先権を主張するものであり、それらの開示内容がここでは参照される。
本発明は前述の実施例に基づく説明によって制限されるものではない。それどころか本発明は特に請求の範囲に記載されている特徴部分の各組み合わせを含んでおり、またこれらの特徴やその組み合わせ自体が請求の範囲や実施例において明示的に示されていない場合であっても、そのつどの新たな特徴やこれらの特徴のあらゆる組み合わせを含むものであることを述べておく。
Claims (28)
- 少なくとも１つの発光ダイオードチップ（１）と、
ケーシング（５）と、
反射光学系（６）とを有しており、
前記発光ダイオードチップ（１）は、ビーム出力結合面（２）を備え、該ビーム出力結合面（２）を介して発光ダイオードチップ（１）内で生成された電磁ビーム（１３）の大半がメイン照射方向に出射され、
前記ケーシング（５）は、発光ダイオードチップ（１）を側方から取り囲んでおり、
前記反射光学系（６）は、メイン照射方向でビーム出力結合面（２）よりも後方に配置されて射ることを特徴とする、発光ダイオード装置。 - 前記発光ダイオードチップ（１）は薄膜発光ダイオードチップである、請求項１記載の発光ダイオード装置。
- 前記発光ダイオードチップ（１）は２００ｍｓの最大照明持続時間を有する閃光を生成するのに適している、請求項１または２記載の発光ダイオード装置。
- 前記発光ダイオードチップ（１）は少なくとも５分間の継続動作にて照明するのに適している、請求項１から３いずれか１項記載の発光ダイオード装置。
- 前記反射光学系（６）は光入口開口部（１２）を有しており、該光入口開口部（１２）を通って発光ダイオードチップ（１）内で生成された電磁ビーム（１３）の大半が入射し、前記光入口開口部（１２）は最大で発光ダイオードチップ（１）のビーム出力結合面（２）の２倍の大きさの平面を有している、請求項１から４いずれか１項記載の発光ダイオード装置。
- 前記反射光学系（６）は発光ダイオードチップ（１）から放射された電磁ビーム（１３）の発散を低減するのに適している、請求項１から５いずれか１項記載の発光ダイオード装置。
- 前記反射光学系（６）は非結像系の光学系である、請求項１から６いずれか１項記載の発光ダイオード装置。
- 前記反射光学系（６）は光学的なコンセントレータであり、この場合光入口開口部（１２）はコンセントレータ本来の光出口開口部である、請求項１から７いずれか１項記載の発光ダイオード装置。
- 前記反射光学系（６）は少なくとも部分的にＣＰＣ，ＣＥＣ，ＣＨＣ，ＴＩＲの光学素子の少なくとも１つの形式に従って形成されている、請求項８記載の発光ダイオード装置。
- 前記反射光学系（６）は光出口開口部（１４）を有しており、該光出口開口部（１４）を通って発光ダイオードチップ（１）内で生成された電磁ビーム（１３）の大半が反射光学系（６）から出射し、メイン照射方向で前記光出口開口部（１４）後方にカバー体（７）が配設されている、請求項１から９いずれか１項記載の発光ダイオード装置。
- 前記カバー体（７）は光学素子（８）を含んでいる、請求項１０記載の発光ダイオード装置。
- 前記光学素子（８）は光出口面を有しており、該光出口面は非球面レンズの形式で湾曲している、請求項１１記載の発光ダイオード装置。
- 前記光学素子（８）はフレネルレンズの形式で形成されている、請求項１１記載の発光ダイオード装置。
- 前記カバー体（７）は発光ダイオード装置をシステムケーシング内へ組み付ける際にガイドとして及び／又はストッパとして用いられる、請求項１０から１３いずれか１項記載の発光ダイオード装置。
- メイン照射方向で発光ダイオードチップ（１）後方に発光性変換材料が配設されており、該発光性変換材料は発光ダイオードチップ（１）から発せられた電磁ビームの少なくとも一部を波長変換する、請求項１から１４いずれか１項記載の発光ダイオード装置。
- 前記発光性変換材料は層としてビーム出力結合面（２）上に被着され、この場合の層厚さは最大で５０μｍである、請求項１５記載の発光ダイオード装置。
- 発光性変換材料を含んでいる小板（１１）がビーム出力結合面（２）後方に配設されており、前記小板（１１）の厚さはサイダで２００μｍである、請求項１５記載の発光ダイオード装置。
- 前記光学素子（８）は発光性変換材料を含んでいる、請求項１５記載の発光ダイオード装置。
- 当該発光ダイオード装置から出射する光円錐の開口角度は最大３５°である、請求項１から１８いずれか１項記載の発光ダイオード装置。
- 前記発光ダイオードチップ（１）のビーム出力結合面（２）とは反対側の表面が冷却体（４）に被着されている、請求項１から１９いずれか１項記載の発光ダイオード装置。
- 前記冷却体（４）は貫通コンタクトを有している、請求項２０記載の発光ダイオード装置。
- 前記冷却体（４）の発光ダイオードチップ（１）から離れた側の表面はコンタクト面を有している、請求項２０または２１記載の発光ダイオード装置。
- 前記冷却体（４）の発光ダイオードチップ（１）から離れた側の表面が支持体（９）に被着されている、請求項２０から２２いずれか１項記載の発光ダイオード装置。
- 前記支持体（９）にコンタクトバネ（１０）が固定されており、該コンタクトバネは、ＣｕＦｅＰ、ＣｕＢｅのうちの少なくとも１つの材料を含んでいる、請求項２０から２３いずれか１項記載の発光ダイオード装置。
- 前記コンタクトバネ（１０）の少なくとも一部が冷却体（４）と支持体（９）の間に配設されており、さらに前記コンタクトバネ（１０）は支持体（９）の周りで鋭角に曲げられている、請求項２０から２４いずれか１項記載の発光ダイオード装置。
- 前記ケーシング（５）は冷却体（４）に固定されている、請求項１から２５いずれか１項記載の発光ダイオード装置。
- 当該発光ダイオード装置の外側寸法は最大で４×４×４ｍｍである、請求項１から２６いずれか１項記載の発光ダイオード装置。
- 請求項１から２７いずれか１項記載の発光ダイオード装置をハンディ機器、ビデオカメラ、写真機のうちの１つに用いることを特徴とする発光ダイオード装置の適用。
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