WO2012052063A1 - Led-lichtquelle und zugehörige baueinheit - Google Patents

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WO2012052063A1
WO2012052063A1 PCT/EP2010/065945 EP2010065945W WO2012052063A1 WO 2012052063 A1 WO2012052063 A1 WO 2012052063A1 EP 2010065945 W EP2010065945 W EP 2010065945W WO 2012052063 A1 WO2012052063 A1 WO 2012052063A1
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WO
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light source
dome
led light
phosphor
pole
Prior art date
Application number
PCT/EP2010/065945
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan Hadrath
Julius Muschaweck
Frank Baumann
Henrike Trompeter
Original Assignee
Osram Ag
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Filing date
Publication date
Application filed by Osram Ag filed Critical Osram Ag
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Priority to US13/880,745 priority patent/US20130235557A1/en
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21K—NON-ELECTRIC LIGHT SOURCES USING LUMINESCENCE; LIGHT SOURCES USING ELECTROCHEMILUMINESCENCE; LIGHT SOURCES USING CHARGES OF COMBUSTIBLE MATERIAL; LIGHT SOURCES USING SEMICONDUCTOR DEVICES AS LIGHT-GENERATING ELEMENTS; LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21K9/00—Light sources using semiconductor devices as light-generating elements, e.g. using light-emitting diodes [LED] or lasers
    • F21K9/20—Light sources comprising attachment means
    • F21K9/23—Retrofit light sources for lighting devices with a single fitting for each light source, e.g. for substitution of incandescent lamps with bayonet or threaded fittings
    • F21K9/232—Retrofit light sources for lighting devices with a single fitting for each light source, e.g. for substitution of incandescent lamps with bayonet or threaded fittings specially adapted for generating an essentially omnidirectional light distribution, e.g. with a glass bulb
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21K—NON-ELECTRIC LIGHT SOURCES USING LUMINESCENCE; LIGHT SOURCES USING ELECTROCHEMILUMINESCENCE; LIGHT SOURCES USING CHARGES OF COMBUSTIBLE MATERIAL; LIGHT SOURCES USING SEMICONDUCTOR DEVICES AS LIGHT-GENERATING ELEMENTS; LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21K9/00—Light sources using semiconductor devices as light-generating elements, e.g. using light-emitting diodes [LED] or lasers
    • F21K9/60—Optical arrangements integrated in the light source, e.g. for improving the colour rendering index or the light extraction
    • F21K9/64—Optical arrangements integrated in the light source, e.g. for improving the colour rendering index or the light extraction using wavelength conversion means distinct or spaced from the light-generating element, e.g. a remote phosphor layer
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V3/00—Globes; Bowls; Cover glasses
    • F21V3/04—Globes; Bowls; Cover glasses characterised by materials, surface treatments or coatings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21Y—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO THE FORM OR THE KIND OF THE LIGHT SOURCES OR OF THE COLOUR OF THE LIGHT EMITTED
    • F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources
    • F21Y2115/10—Light-emitting diodes [LED]

Definitions

  • the invention relates to an LED light source according to the preamble of claim 1. It also relates to an associated assembly, a module or luminaire, with such an LED light source.
  • WO 2010/089397 shows an LED light source with a dome shaped as a sphere section with a solid angle greater than 2n.
  • An object of the present invention is to provide an improved concept for an LED light source legizustel ⁇ len. Another object is to provide an LED light source, in particular an LED-based light source such.
  • LED light sources in particular LED retrofit lamps, are today implemented as standard with an LED array, a specific number of white LEDs mounted on a printed circuit board.
  • a common embodiment is that the necessary for generating white light wavelength conversion of a blue-emitting LED chip on InGaN-based in the LED and thus takes place close to the chip.
  • the conversion element containing the phosphor (s) is applied directly to the chip.
  • the so-called "remote phosphor" concept the phosphor is spatially distinctly separated from the blue LEDs; depending on the embodiment, the distance is typically 0.5 to 10 cm, in particular 1.5 to 5 cm.
  • the state of the art here is an embodiment with a dome-shaped conversion element in a simple geometry, for example a spherical segment with a constant shell thickness, within an outer, diffuse lamp bulb as well
  • Embodiments in which the phosphor is applied directly to the outer, transparent piston Embodiments in which the phosphor is applied directly to the outer, transparent piston.
  • a larger sphere segment is used, that is to say a sphere segment with the total height h, which is greater than the radius r of the sphere, that is, h> r.
  • H is approximately 1.2 to 1.8 times r.
  • the hollow body is preferably a section of an ellipsoid or other elliptical body, in particular a wafer in the English sense of the word, ie a hollow body which is flattened at its poles. It can also have a free-form surface, in particular a mushroom-shaped surface.
  • the LED light source including the remote phosphor dome is in particular set or connectable to a socket or other electrical and thermal connection element.
  • the layer thickness of the conversion element is variably designed to improve the color homogeneity over the emission angle.
  • Another advantage results in an increase in the optical efficiency, due on the one hand by the larger radius of the phosphor dome in comparison to a ball and on the other hand by the change of shape to a wafer body.
  • Another advantage is the increase in the maximum radiation angle through the use of a wafer body and a larger dome section.
  • an improvement of the color-over-angle distribution is achieved by different layer thicknesses of the phosphor in the region of the dome.
  • the dome there are two regions of different optical thicknesses of the dome, ie the wafer body. It is particularly preferable to more to use as two areas of different layer thicknesses.
  • the change of the layer thickness can be stepped or continuous.
  • the wafer body is rotationally symmetric. It is connected upstream of a LED array.
  • the height h of the wafer body is at least 1.1 times a, that is h ⁇ 1,1a. Preference is given to 1,1a ⁇ h ⁇ 1,8a.
  • the wafer body may also be a free-form body or a mushroom body similar to that shown in Figure 7 of US 7,758,223 (but with a completely different function, because there the dome is only the outer shell with reflective lower and permeable upper part, with no conversion from blue to white).
  • the base diameter of the wafer body is larger than the actual LED array.
  • the wafer body has a pole that goes through the symmetry axis of the wafer body, and an equator.
  • the wafer body of silicone, polycarbonate, glass or translucent ceramic or plastic such as Plexiglas.
  • One or more phosphors is either dissolved in the wafer body or applied as a layer on the wall of the wafer body, preferably inside.
  • the layer thickness of the phosphor layer of the wafer body is not constant, but varies.
  • a typical value is that the layer thickness or Kon ⁇ concentration of the phosphor from the pole to the outside decreases by 10 to 20%.
  • ⁇ particular can, for example, the thickness of the phosphor layer or the thickness of the wall, in which a phosphor is dispersed to change.
  • a frontal, the pole an exclusionary, first portion of the dome is disposed in particular a layer thickness that is to Wenig ⁇ least 5% higher than the layer thickness in a dorsal spaced from the pole, the second region.
  • Steady transitions are possible, but easier to produce are stepped transitions.
  • the difference in the opti ⁇ rule thickness depends in part on the phosphor mixture, the geometry, the blue LEDs used, etc. from.
  • the frontal region is the complete half-shell with solid angle 2n, which includes the pole, while the dorsal region is the remaining region of the wafer body. However, it can also be pre-geous when the frontal area of another solid angle, be it spans a significantly larger or smaller solid angle, depending on the Geometry ⁇ rie of the hollow body.
  • the phosphor used is preferably a yellow-emitting phosphor such as YAG: Ce, other garnets, sialones or orthosilicates, which mix together with a blue-emitting LED to white.
  • YAG: Ce other garnets, sialones or orthosilicates
  • RGB solutions with red and green emitting phosphors and blue LEDs are also possible.
  • embodiments with a UV LED, in particular with blue-yellow conversion or with red, green and blue emitting phosphors are also possible.
  • the LED array is preferably arranged such that the LEDs are arranged in a circle about a central point forming the optical axis. Possibly. may be disposed an LED in centra ⁇ len point itself.
  • the primary light source is a semiconductor chip, reali ⁇ Siert possibly also as LED or laser diode or chip-on-board, which preferably emits UV or blue, preferably in a range of 300 to 500 nm peak emission.
  • LED light source with a primary light source in particular ⁇ special at least one blue or UV-emitting semiconductor chip whose radiation is converted by a spaced-mounted conversion element, which is connected upstream as a dome of the primary light source, partially or completely in longer-wave radiation konver ⁇ advantage , characterized in that the dome is a portion of a wafer body having a
  • Equator Equator and a pole, wherein the pole in Rich ⁇ tion of the optical axis, wherein the wafer body is flattened toward the pole opposite to the direction to the equator, and wherein the wafer body is equipped with a converting phosphor layer.
  • LED light source characterized in that the wafer body a portion of an El lipsoids is pointing, with a small semi-axis a in Rich ⁇ tion to the pole.
  • LED light source according to claim 1 characterized in that the wafer body spans a solid angle greater than 2n, in particular 2.5 n to 3.5 n ..
  • LED light source characterized in that the wafer body is divided into at least two Berei ⁇ che, wherein a frontal area which encloses the pole, a higher optical thickness than a dorsal region, which is towards it higher
  • Beam angle connects has.
  • LED light source characterized in that the frontal region has a maximum radiation angle, calculated from the pole, from 70 ° to 110 °.
  • LED light source according to claim 1 characterized in that the dorsal region has a maximum radiation angle, calculated from the pole, from 130 ° to 160 °. 7. LED light source according to claim 1, characterized in that the LED light source has a connection element with a pedestal and a reflective base plate and thus forms an assembly whose Basisflä ⁇ che is greater than the base surface of the dome. 8.
  • the optical thickness of the phosphor is varied by either the layer thickness of a on the Wall of the dome applied phosphor layer is chosen un ⁇ different, or by the phosphor is dispersed in the dome, either the Kon ⁇ centering of the phosphor in the wall of the dome is constant and thereby the wall thickness is different in at least two areas of the dome or that the phosphor is dispersed in the dome, wherein the concentration of the phosphor in the wall of the dome is different in at least two areas of the dome and the wall thickness of the dome is constant.
  • LED light source according to claim 8 characterized in that one or more phosphors are used, with the same change in the optical thickness.
  • Figure 1 shows an LED light source, firstariessbei ⁇ game
  • Figure 2 shows an LED light source, secondariessbei ⁇ game
  • FIG. 3 shows different LED light sources according to FIGS. 3a to 3f in comparison;
  • FIG. 4 shows the color temperature and the color rendering index of the embodiments according to FIG. 3;
  • FIG. 6 shows the beam intensity as a function of the emission angle for the embodiments according to FIG. 3;
  • FIG. 7 shows different embodiments for a different optical thickness
  • FIGS. 7a to 7c shows the color coordinates of the embodiments according to FIG. 8
  • Figure 9 shows an embodiment of an LED module
  • FIG 10 shows a detailed representation of the LED module
  • FIG. 12 shows the optical thickness / concentration of the luminous substance as a function of the emission angle for a further exemplary embodiment.
  • FIG. 13 shows the scattering behavior of an LED light source
  • Figure 14 shows another embodiment of an LED light source
  • FIG. 15 further exemplary embodiments of LED
  • FIG. 16 shows a further embodiment of an LED light source
  • FIG. 17 shows the radiant intensity of the exemplary embodiment
  • FIG. 1 An exemplary embodiment of an LED light source is shown in FIG . It is a structural unit 1 with an LED array 2, which has a set of blue LEDs 3 ⁇ . On the LED array, a wafer body 4 is placed directly, which spans like a dome over the LED array. A phosphor, here a mixture of yellow-green emitting Lu-containing garnet and a red-emitting nitridosilicate, is uniformly dispersed in the wall of the wafer body.
  • the wafer body is an ellipsoid. It has a small semi-axis a, which is perpendicular to the LED array and a large semi-axis b, which is spanned rotationally symmetrical to the semi-axis a.
  • the layer thickness of the phosphor and thus the wall thickness is 0.5 mm.
  • the base diameter BD of the dome then defined by the quantities a, b and clearly h a ⁇ sis phase Ba.
  • FIG. 2 shows a particularly preferredWhensbei ⁇ game whose geometry corresponds in essential parts to that of FIG. 1
  • an electrical connection ⁇ part 5 which has a reflective surface
  • a reflective base plate 6 (realized here as a PCB) attached to the LED array 3 at the back.
  • the wafer body 14 is divided into two regions of different wall thickness.
  • the frontal area 15 has a wall thickness Wl of 0.5 mm
  • the dorsal area 16 has a wall thickness W2 of 0.43 mm.
  • the frontal area extends from the pole 17 to the equator 18 of the wafer body.
  • the solid angle of the frontal area here is 2n and the transition from the frontal to the dorsal area is step-shaped.
  • the reflective base plate 6 and connector 5 improve the efficiency of the assembly.
  • Figure 3 shows an overview of various forms of a dome, which is equipped with phosphor.
  • the color temperature is indicated in Figure 4 with about 3200 K.
  • the right ordinate indicates the Ra or CRI.
  • the efficiency according to FIG. 5 is very low and the emission angle (right ordinate / dashed curve) is very small.
  • FIG. 3d shows a dome with an oblate body according to the invention.
  • the efficiency is even higher due to the even larger solid angle of the dome as in Figure 3c and the beam angle is again significantly increased.
  • FIG. 3e shows a dome with oblate body according to the invention.
  • the LED light source is mounted on a pedestal and with a reflective basic body.
  • the efficiency is even higher due to the reflective base and pedestal than in Figure 3e and the beam angle is again slightly higher.
  • Figure 3f refers to the same arrangement as Fig 3e, but with the difference that the coupling into two sections of different wall thickness Wl and W2 geglie ⁇ is changed, in which the optical thickness of the phosphor is un- differently.
  • the efficiency and the maximum radiation angle remain approximately the same compared to the embodiment according to FIG. 3e.
  • FIG. 4 shows the color temperature and the CRI, which show different implementations, including the two embodiments of FIG. 1 or 2.
  • Figure 5 shows the optical efficiency of itself in comparison. It is significantly higher in the structure according to FIG.
  • Figure 6 shows the radiant intensity in mW / sr for the various ⁇ which embodiments of Figure 3 as a function of radiation angle (the pole is as angle 0 ° with expected). A very uniform illumination over a large ⁇ SEN angle can only be achieved with the invention shown SEN embodiments.
  • FIG. 7 shows various embodiments of the realization of different regions of the dome with different phosphor concentration or optical thickness.
  • FIG. 7 a shows a detail of a wafer body 24, in which two regions of different thickness with the same concentration of the phosphor as dispersion in the material of the wafer body. The transition is stepped.
  • FIG. 7b shows a detail of a wafer body 24 in which two regions of different thickness with the same concentration of the phosphor exist as a dispersion in the material of the wafer body.
  • the transition is fluid or continuous between the frontal region 19 and the dorsal region 20.
  • the transitional distance s is here about as long as the wall thickness W of the frontal region, it can be in particular in the range 0.5 to 3 Wl.
  • Figure 7c shows a detail of wafers body 24 in which two areas of different concentration of the phosphor are present as a dispersion in the material of Oblatenkör ⁇ pers.
  • the concentration in the frontal area is about 15% higher than in the dorsal area.
  • FIGS. 8a and 8b show the color coordinates x and y (in the CIE system of 1931) as a function of the emission angle for the exemplary embodiments according to FIGS. 3e and 3f.
  • the color Homo ⁇ geneity, in the structure shown in FIG 3f significantly better than in the structure shown in Figure 3e.
  • Figure 9 shows an LED module, with an LED light source as described above, this is followed by a pedestal 25, and a circuit board as the base plate 26.
  • a pedestal 25 On the base ⁇ plate heat sink are mounted as slats 27 attached (see also WO 2010/089397).
  • slats 27 On the base ⁇ plate heat sink are mounted as slats 27 attached (see also WO 2010/089397).
  • a milky dome 17 is placed as a diffuser.
  • FIG. 10 shows the same arrangement (without heat sink) with a definition of the emission angle.
  • the concentration of the phosphor particles should as a function of radiation angle än ⁇ countries, namely such that at a small emission angle from ⁇ (starting from 0 °), the concentration is higher than at a high angle. This is calculated from the center S of the wafer body, where the semiaxes intersect.
  • FIG. 11 shows the basic concept of a change in the concentration of the phosphor particles as a function of the emission angle ⁇ up to the maximum angle c max .
  • the simplest embodiment is a step in ⁇ ei ⁇ nem range of the radiation angle should be from 70 to 100 °, two variants are as curve 1 and 2 is indicative ⁇ net. Shown is also another embodiment with continuous linear transition over a beam angle of 10 °, curve 3, centered at 90 °.
  • Figure 12 shows an embodiment of an optimized nonlinear transition of the concentration of the phosphor that is curved. For most applications, however, a step-shaped transition is sufficient, because the light is already scattered with diffuse scattering and the human eye can not resolve the step.
  • FIG 13 shows the basic problem for such LED light sources.
  • the LED 3 emits blue light (arrows 1) as primary radiation. Part of the blue light passes through the dome 35, where it is scattered. A small part of the blue light is absorbed by the phosphorus pel 35 backscattered. A third portion of the blue light is converted by the phosphor to longer-wavelength light, here yellow. This yellow light (arrows 2) is emitted evenly in all directions. The converted yellow and the transmitted blue light he ⁇ gives in total white light.
  • YAG: Ce is used for the generation of the yellow light.
  • this white light does not have exactly the same color at all angles.
  • the reason for this is that the blue light is more intense in the forward direction than to the side; It therefore has a higher light intensity in the forward direction.
  • This effect is attenuated by the scattering at the phosphor, but not canceled. Since the converted yellow light is undirected, in the sum in the middle the ratio between blue and yellow light is greater than to the side. Thus, the light to the side gelbli ⁇ cher. This effect should be compensated.
  • the dome divided into two (as specifically indicated herein), or also in several, in particular three to four divided areas that are un ⁇ differently thick, or having different Konzentra ⁇ tion of the phosphor to the strength the conversion and thus adjust the ratio of blue to yellow light.
  • the position of the transitions between the areas should be adjusted according to the selected geometry of the dome.
  • the Untertei ⁇ ⁇ development is toward reaching in a front half shell plus dorsal rest.
  • the concentration of the phosphor or opti ⁇ cal thickness) changes in each case by 5 to 10% S ⁇ ⁇ decreases in the direction from the front to the dorsal direction.
  • the frontal area F may include the pole 17 up to a beam angle of 50 °, followed by a lateral area L with a beam angle of 50 to 100 °, followed by a dorsal area D with a beam angle of more than 100 °.
  • concentration of the phosphor or optical thickness changes thereby depending ⁇ wells by 10 to 20%, it decreases to posterior in the direction of the front.
  • FIG. 15 shows domes which are designed as wafer bodies with different thickness of the wall.
  • FIG. 15 a shows a continuously decreasing wall thickness of the dome 38, calculated from the pole.
  • the smallest wall thickness ⁇ is achieved on the base body 6.
  • FIG. 15b shows an abruptly reduced wall of the dorsal region 42 of the dome 39, wherein the frontal region 41 ends at an emission angle of approximately 80 °.
  • Figure 15c shows an embodiment, in which the wall thickness of the posterior portion 43 continuously decreases ⁇ .
  • the dorsal area begins at an angle of about 85 °.
  • FIG. 16 shows another embodiment of an LED light source 50 in which no pedestal is used.
  • the dome 51 is continued here extremely far in the dorsal region, ie the maximum radiation angle is particularly large.
  • a 15mm
  • b 22mm
  • h 27mm
  • the wall thickness is 0.5 and 0.43mm, respectively. It is the Design similar as in Fig. 3d, with differing ⁇ cher wall thickness.
  • Figure 17 shows the beam intensity and the Farbkoordina ⁇ th x and y are two different embodiments.
  • Curve 1 shows the behavior of an LED light source in which the wall thickness of the dome is constant 0.5 mm and the phosphor dispersed therein has constant Concentration ⁇ on.
  • Curve 2 shows the behavior of the LED light source from FIG. 16, in which the wall thickness of the dorsal area is 0.43 mm and is therefore smaller than the wall thickness of the frontal area of 0.5 mm.
  • the Su ⁇ alteration of the wall thickness leads to better Gleichmä ⁇ LIQUID color coordinates.
  • the base diameter BD is adapted to the values for a, b and h.
  • constellations can be used as the chip, possibly LED or LED array, for the LED light source:
  • Blue emitting chips as a primary light source, wherein a partial conversion by means of a phosphor layer takes place at the dome, in which at least one yellow emitting or at least one green and red emit ⁇ animal phosphor is used, wherein at least ei ⁇ ner of the phosphors at the dome is localized; this creates a white emitting light source,
  • UV LEDs as a primary light source, wherein at least a partial, preferably complete conversion takes place by ei ⁇ ner phosphor layer at the dome, in which at least one yellow and one blue emitting or at least one green and one red and one blue emitting phosphor is used at least one of the Phosphors located at the dome; this creates a white emitting light source,
  • LED arrays as the primary light source, in which various ⁇ like chips are used, at least partially use phosphors in the dome for conversion;
  • LED arrays as a primary light source, in which a first group of chips and a second group of chips verwen ⁇ det, wherein at least one group uses a phosphor in the dome for conversion; For example, a blue-emitting chip whose light is partly converted into green light by a phosphor located at the dome, so that this system together produces greenish-white or mint-colored light, together with a red-emitting, in particular amber color emitting chip whose light is not converted by the dome;
  • Mood lighting in which different types of white are produced by suitable matching of different chips and phosphors for example warm white over neutral white to daylight-like white.
  • the phosphors used in each case can be partially or completely localized at the dome, ie applied there as a layer or incorporated in the wall of the dome.
  • Specific embodiments are: An LED lamp with light color warm white, in which the LED array blue LEDs, in particular with peak emission in Be ⁇ rich 430 to 460 nm, are used. Two Leuchtstof ⁇ fe that emit red and green are mixed in the dome homo ⁇ gen.
  • An LED lamp in which neutral white or cool white is realized by an array of UV LEDs, wherein the dome is coated with a layer of phosphor in which a blue and a yellow emitting phosphor such as BAM and YAG: Ce are mixed.

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Abstract

Eine LED-Lichtquelle ist mit einer primären Lichtquelle ausgestattet, insbesondere einer blau emittierenden LED, deren Strahlung durch ein beabstandet angebrachtes Konversionselement, das als Kuppel der primären Lichtquelle vorgeschaltet ist, teilweise oder vollständig in längerwellige Strahlung konvertiert wird. Die Kuppel ist ein Abschnitt eines Oblatenkörpers, der einen Äquator und einen Pol aufweist, wobei der Pol in Richtung der optischen Achse weist, wobei der Oblatenkörper in Richtung zum Pol abgeflacht ist gegenüber der Richtung zum Äquator, und wobei der Oblatenkörper mit einer konvertierenden Leuchtstoffschicht ausgestattet ist.

Description

LED-Lichtquelle und zugehörige Baueinheit
Technisches Gebiet
Die Erfindung geht aus von einer LED-Lichtquelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft weiterhin auch eine zugehörige Baueinheit, ein Modul oder Leuchte, mit einer derartigen LED-Lichtquelle.
Stand der Technik Aus der US 7 758 223 ist eine LED-Lichtquelle vorbekannt, bei der eine Kuppel, die Leuchtstoff beinhaltet, über ei¬ nem LED-Array aufgespannt ist.
Die WO 2010/089397 zeigt ein LED-Lichtquelle mit einer Kuppel, die als Kugelabschnitt geformt ist mit einem Raumwinkel, der größer als 2n ist.
Darstellung der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Konzept für eine LED-Lichtquelle bereitzustel¬ len. Eine weitere Aufgabe ist es, eine LED-Lichtquelle, insbesondere ein LED-basiertes Leuchtmittel wie z. B. ei- ne LED-Retrofit-Lampe bereitzustellen, bei der ein besonders hoher optischer Wirkungsgrad (gemessen in Lumen pro elektrischem Watt) bei gleichzeitig großem Abstrahlwinkel sowie geringer Farbvariation über den Abstrahlwinkel, durch eine geometrisch besonders vorteilhafte Anordnung des Leuchtstoffs erreicht wird.
Diese Aufgaben werden gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
LED-Lichtquellen, insbesondere LED-Retrofit-Lampen, werden heute standardmäßig mit einem LED-Array, einer bestimmten Anzahl weißer LED, montiert auf einer Leiterplatte, realisiert. Eine übliche Ausführungsform ist, dass die zur Erzeugung weißen Lichts notwendige Wellenlängenkonversion eines blau emittierenden LED-Chips auf InGaN-Basis in der LED und damit chipnah erfolgt. Typischerweise ist das den oder die Leuchtstoffe enthaltende Konversionselement direkt auf dem Chip aufgebracht. Bei einer anderen Ausführungsform, dem sog. "Remote Phosphor"-Konzept ist der Leuchtstoff dagegen räumlich deutlich von den blauen LEDs getrennt, der Abstand liegt je nach Ausführungsform typisch bei 0,5 bis 10 cm, insbesondere bei 1,5 bis 5 cm. Stand der Technik ist hier eine Ausführungsfom mit einem kuppeiförmigen Konversionselement in einfacher Geometrie, beispielsweise ein Kugelsegment mit konstanter Schalendicke, innerhalb eines äußeren, diffusen Lampenkolbens sowie
Ausführungsformen, bei denen der Leuchtstoff direkt auf dem äußeren, transparenten Kolben aufgebracht ist.
Erfindungsgemäß wird eine neuartige geometrische Ausgestaltung des in Remote-Phosphor-Konfiguration ausgestalteten Konversionselements vorgestellt. Dabei sind folgende Punkte wichtig:
Am Ausführungsbeispiel einer Kugel wird statt einer Halbkugel ein größerer Kugelabschnitt verwendet, also ein Kugelabschnitt mit gesamter Höhe h, die größer als der Radius r der Kugel ist, also h > r. Dabei beträgt h etwa das 1.2 bis 1.8-fache von r. Diese Relation gilt auch für nachfolgend beschriebene, besonders bevorzugte
Hohlkörper .
Der Hohlkörper ist bevorzugt ein Abschnitt eines Ellipsoids oder anderen elliptischen Körper, insbesondere eine Oblate im englischen Sinn des Wortes, also ein Hohlkörper, der an seinen Polen abgeflacht ist. Er kann auch eine Freiformfläche, insbesondere eine pilzartig geformte Oberfläche aufweisen. Die LED-Lichtquelle samt Remote-Phosphor-Kuppel ist insbesondere auf einen Sockel oder sonstiges elektrisches und thermisches Anschlusselement gesetzt oder damit verbindbar .
Die Schichtdicke des Konversionselements ist variabel ausgestaltet, um die Farbhomogenität über den Abstrahlwinkel zu verbessern.
Als Vorteil ergibt sich eine Erhöhung der optischen Effizienz, bedingt einerseits durch den größeren Radius der Leuchtstoff-Kuppel im Vergleich zu einer Kugel und andererseits durch die Änderung der Form zu einem Oblatenkörper. Ein weiterer Vorteil ist die Vergrößerung des maximalen Abstrahlwinkels durch die Verwendung eines Oblatenkörpers und eines größeren Kuppelabschnittes.
Vorteilhaft wird eine Verbesserung der Farbe-über-Winkel- Verteilung durch unterschiedliche Schichtdicken des Leuchtstoffs im Bereich der Kuppel erreicht.
In einer bevorzugten Ausführungsform gibt es zwei Bereiche unterschiedlicher optischer Dicken der Kuppel, also des Oblatenkörpers. Besonders bevorzugt ist es, mehr als zwei Bereiche unterschiedlicher Schichtdicken zu verwenden. Die Änderung der Schichtdicke kann stufenförmig oder kontinuierlich erfolgen.
Damit ergibt sich eine typische Verbesserung der optischen Effizienz von etwa 10 bis 20%.
Gegenüber Ausführungsformen mit Leuchtstoff auf dem äußeren Kolben wird bei einem bevorzugten Aufbau mit Außenhülle, also einer inneren Kuppel als
Konversionselement und einer Außenhülle als Diffusor, ein gefälligeres Erscheinungsbild der Lichtquelle im ausgeschalteten Zustand erreicht. Insbesondere erscheint ein Lampenkolben einer LED-Lampe im ausgeschalteten Zustand nicht gelb. Die Verwendung einer Außenhülle als Diffusorschale ist jedoch technisch nicht notwendig. Insbesondere sind folgende Bedingungen vorteilhaft:
Der Oblatenkörper ist rotationssymmetrisch. Er ist einem LED-Array vorgeschaltet. Der Oblatenkörper ist insbesondere ein Ellispoid mit einer kleinen Halbachse a und zwei großen Halbachsen b=c. Die Höhe h des Oblatenkörpers ist mindestens das 1,1-fache von a, also h ^ 1,1a. Bevorzugt ist 1,1a ^ h < 1,8a. Alternativ kann der Oblatenkörper auch ein Freiformkörper sein oder ein Pilzkörper, ähnlich wie in Figur 7 von US 7 758 223 (dort allerdings mit völlig anderer Funktion, denn dort ist die Kuppel nur die äußere Schale mit reflektierendem unteren und durchlässigem oberen Teil, wobei keine Konversion von blau zu weiß erfolgt) .
Dabei ist der Basis-Durchmesser des Oblatenkörpers größer als das eigentliche LED-Array. Der Oblatenkörper hat einen Pol, der durch die Symmetrieachse des Oblatenkörpers geht, und einen Äquator.
Bevorzugt ist der Oblatenkörper aus Silikon, Polycarbonat , Glas oder transluzenter Keramik oder auch Kunststoff wie Plexiglas. Dabei ist ein oder mehrere Leuchtstoffe entweder im Oblatenkörper gelöst oder als Schicht auf die Wand des Oblatenkörpers aufgetragen, bevorzugt innen.
Vorteilhaft ist die Schichtdicke der LeuchtstoffSchicht des Oblatenkörpers nicht konstant, sondern sie variiert. Ein typischer Wert ist, dass die Schichtdicke bzw. Kon¬ zentration des Leuchtstoffs vom Pol nach außen hin um 10 bis 20% abnimmt.
Im einfachsten Ausführungsbeispiel gibt es zwei Bereiche mit unterschiedlicher optischer Dicke k, realisiert durch unterschiedliche Konzentration c und/oder unterschiedli¬ che Schichtdicke d, mit k = cd. Dabei kann sich insbeson¬ dere beispielsweise die Dicke der LeuchtstoffSchicht oder die Dicke der Wand, in der ein Leuchtstoff dispergiert ist, ändern.
Ein frontaler, den Pol einbeziehender, erster Bereich der Kuppel hat insbesondere eine Schichtdicke, die um wenigs¬ tens 5% höher ist als die Schichtdicke in einem dorsalen beabstandet vom Pol angeordneten, zweiten Bereich. Steti- ge Übergänge sind möglich, aber einfacher herzustellen sind stufenförmige Übergänge. Die Differenz in der opti¬ schen Dicke hängt u.a. von der Phosphormischung, der Geometrie, den verwendeten blauen LEDs etc. ab. Im einfachsten Fall ist der frontale Bereich die vollständige Halbschale mit Raumwinkel 2n, die den Pol mit beinhaltet, während der dorsale Bereich der restliche Bereich des Oblatenkörper ist. Es kann jedoch auch vor- teilhaft sein, wenn der frontale Bereich einen anderen Raumwinkel, sei es einen merklich größeren oder auch kleineren Raumwinkel aufspannt, abhängig von der Geomet¬ rie des Hohlkörpers.
Bevorzugt wird als Leuchtstoff ein gelb emittierender Leuchtstoff wie YAG:Ce, andere Granate, Sialone oder Orthosilikate verwendet, die zusammen mit einer blau emittierenden LED sich zu weiß mischen. Es sind aber auch RGB-Lösungen mit rot und grün emittierenden Leuchtstoffen und blauer LED möglich. Überdies sind auch Ausführungsformen mit einer UV-LED, insbesondere mit blau-gelb-Konversion oder mit rot, grün und blau emittierenden Leuchtstoffen, möglich.
Die Realisierung der Änderung der optischen Dicke, insbesondere der Konzentration des Leuchtstoffs, kann grund- sätzlich auf drei Weisen erfolgen:
- separate Schicht aus Leuchtstoff, mit zwei Bereichen unterschiedlicher Dicke;
- Dispersion des Leuchtstoffs im Oblatenkörper bei gleicher Konzentration des Leuchtstoff im Oblatenkörper, jedoch unterschiedlicher Wandstärke in mindestens zwei
Bereichen;
- Dispersion des Leuchtstoff im Oblatenkörper bei unterschiedlicher Konzentration des Leuchtstoffs im Oblatenkörper in mindestens zwei Bereichen des Oblatenkör- pers, jedoch bei konstanter Wandstärke des Oblatenkörpers .
Das LED-Array ist bevorzugt so arrangiert, dass die LEDs kreisförmig um einen zentralen Punkt, der die optische Achse bildet, angeordnet sind. Ggf. kann auch im zentra¬ len Punkt selbst eine LED angeordnet sein.
Die primäre Lichtquelle ist ein Halbleiter-Chip, reali¬ siert ggf. auch als LED oder Laserdiode oder Chip-on- board, der bevorzugt UV oder blau emittiert, bevorzugt in einem Bereich von 300 bis 500 nm Peakemission .
Wesentliche Merkmale der Erfindung in Form einer nume¬ rierten Aufzählung sind:
1. LED-Lichtquelle mit einer primären Lichtquelle, insbe¬ sondere mindestens einem blau oder UV emittierenden Halbleiter-Chip, dessen Strahlung durch ein beabstandet angebrachtes Konversionselement, das als Kuppel der primären Lichtquelle vorgeschaltet ist, teilweise oder vollständig in längerwellige Strahlung konver¬ tiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Kuppel ein Abschnitt eines Oblatenkörpers ist, der einen
Äquator und einen Pol aufweist, wobei der Pol in Rich¬ tung der optischen Achse weist, wobei der Oblatenkörper in Richtung zum Pol abgeflacht ist gegenüber der Richtung zum Äquator, und wobei der Oblatenkörper mit einer konvertierenden LeuchtstoffSchicht ausgestattet ist .
2. LED-Lichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Oblatenkörper ein Abschnitt eines El- lipsoids ist, mit einer kleinen Halbachse a in Rich¬ tung zum Pol zeigend.
3. LED-Lichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Oblatenkörper einen Raumwinkel größer 2n aufspannt, insbesondere 2,5 n bis 3,5 n ..
4. LED-Lichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Oblatenkörper in mindestens zwei Berei¬ che gegliedert ist, wobei ein frontaler Bereich, der den Pol umschließt, eine höhere optische Dicke als ein dorsaler Bereich, der sich daran in Richtung höherer
Abstrahlwinkel anschließt, aufweist.
5. LED-Lichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der frontale Bereich einen maximalen Abstrahlwinkel, vom Pol aus gerechnet, von 70° bis 110° aufweist.
6. LED-Lichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der dorsale Bereich einen maximalen Abstrahlwinkel, vom Pol aus gerechnet, von 130° bis 160° aufweist . 7. LED-Lichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die LED-Lichtquelle ein Anschlusselement mit einem Podest und einer reflektierenden Grundplatte aufweist und so eine Baugruppe bildet, deren Basisflä¬ che größer als die Basisfläche der Kuppel ist. 8. LED-Lichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Dicke des Leuchtstoffs variiert ist, indem entweder die Schichtdicke einer auf der Wand der Kuppel aufgebrachten Leuchtstoff-Schicht un¬ terschiedlich gewählt ist, oder indem der Leuchtstoff in der Kuppel dispergiert ist, wobei entweder die Kon¬ zentration des Leuchtstoffs in der Wand der Kuppel konstant ist und dabei die Wandstärke in mindestens zwei Bereichen der Kuppel unterschiedlich ist, oder dass der Leuchtstoff in der Kuppel dispergiert ist, wobei die Konzentration des Leuchtstoffs in der Wand der Kuppel in mindestens zwei Bereichen der Kuppel un- terschiedlich ist und dabei die Wandstärke der Kuppel konstant ist.
9. LED-Lichtquelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass einer oder mehrere Leuchtstoffe verwendet werden, mit gleicher Änderung der optischen Dicke. 10. Baueinheit mit einer LED-Lichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Baueinheit eine Leuchte oder ein LED-Modul ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:
Figur 1 eine LED-Lichtquelle, erstes Ausführungsbei¬ spiel;
Figur 2 eine LED-Lichtquelle, zweites Ausführungsbei¬ spiel;
Figur 3 verschiedene LED-Lichtquellen gemäß Figur 3a bis 3f im Vergleich; Figur 4 die Farbtemperatur und der Farbwiedergabeindex der Ausführungsformen gemäß Figur 3;
Figur 5 die optische Effizienz und der maximale Ab¬ strahlwinkel der Ausführungsformen gemäß Figur 3;
Figur 6 die Strahlstärke als Funktion des Abstrahlwinkels für die Ausführungsformen gemäß Figur 3;
Figur 7 verschiedene Realsierungen für eine unterschiedliche optische Dicke, Figur 7a bis 7c; Figur 8 die Farbkoordinaten der Ausführungsformen gemäß
Figur 3e und 3f;
Figur 9 ein Ausführungsbeispiel eines LED-Moduls;
Figur 10 eine Detaildarstellung des LED-Moduls mit
Schwerpunkt des Lichts und Definition des Ab- Strahlwinkels;
Figur 11 die optische Dicke/Konzentration des Leuchtstoffs als Funktion des Abstrahlwinkels für ei¬ nige Ausführungsbeispiele;
Figur 12 die optische Dicke/Konzentration des Leucht- Stoffs als Funktion des Abstrahlwinkels für ein weiteres Ausführungsbeispiel.
Figur 13 das Streuverhalten einer LED-Lichtquelle;
Figur 14 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer LED- Lichtquelle;
Figur 15 weitere Ausführungsbeispiele von LED-
Lichtquellen;
Figur 16 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer LED- Lichtquelle;
Figur 17 die Strahlstärke des Ausführungsbeispiels aus
Figur 16 verglichen mit einem Ausführungsbei¬ spiel mit konstanter Wandstärke der Kuppel. Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Ein Ausführungsbeispiel einer LED-Lichtquelle ist in Fi¬ gur 1 gezeigt. Dabei handelt es sich um eine Baueinheit 1 mit einem LED-Array 2, das einen Satz blauer LEDs 3 auf¬ weist. Auf das LED-Array ist direkt ein Oblatenkörper 4 aufgesetzt, der sich kuppelartig über das LED-Array spannt. Ein Leuchtstoff, hier eine Mischung aus gelb-grün emittierendem Lu-haltigen Granat und einem rot emittierenden Nitridosilikat , ist in der Wand des Oblatenkörpers gleichmäßig dispergiert.
Der Oblatenkörper ist ein Ellipsoid. Es hat eine kleine Halbachse a, die senkrecht auf dem LED-Array steht und eine große Halbachse b, die rotationssymmetrisch zur Halbachse a aufgespannt ist.
In einem konkreten Ausführungsbeispiel ist die Schichtdi- cke des Leuchtstoffs und damit die Wandstärke 0,5 mm. Der Oblatenkörper hat die Abmessungen a = 15 mm, b = 22 mm und h = 27 mm. Der Basis-Durchmesser BD der Kuppel definiert dann durch die Größen a, b und h eindeutig eine Ba¬ sisfläche .
Figur 2 zeigt ein besonders bevorzugtes Ausführungsbei¬ spiel, dessen Geometrie in wesentlichen Teilen der von Figur 1 entspricht. Dabei ist ein elektrisches Anschluss¬ teil 5, das eine reflektierende Oberfläche aufweist, und eine reflektierende Grundplatte 6 (hier realisiert als PCB) an das LED-Array 3 hinten angesetzt. Der Oblatenkörper 14 ist in zwei Bereiche unterschiedlicher Wandstärke gegliedert. Der frontale Bereich 15 hat eine Wandstärke Wl von 0,5 mm, der dorsale Bereich 16 hat eine Wandstärke W2 von 0,43 mm. Der frontale Bereich reicht dabei vom Pol 17 zum Äquator 18 des Oblatenkörpers. Der Raumwinkel des frontalen Bereich ist hier 2n und der Übergang vom frontalen zum dorsalen Bereich stufenförmig. Die reflektierende Grundplatte 6 und Anschlussteil 5 verbessern die Effizienz der Baueinheit.
Figur 3 zeigt eine Übersicht verschiedener Formen einer Kuppel, die mit Leuchtstoff ausgestattet ist.
Figur 3a zeigt eine Kuppel als halber Kugelabschnitt mit Radius r=10,5 mm. Die Farbtemperatur ist in Figur 4 mit etwa 3200 K angegeben. Als rechte Ordinate (gestrichelte Kurve) ist der Ra bzw. CRI angegeben. Die Effizienz gemäß Figur 5 ist allerdings sehr niedrig und der Abstrahlwinkel (rechte Ordinate/gestrichelte Kurve) sehr klein.
Figur 3b zeigt eine Kuppel als halber Kugelabschnitt mit Radius r=17 mm. Die Effizienz ist hier wegen des größeren Durchmessers der Basis der Kuppel höher.
Figur 3c zeigt eine Kuppel als Kugelabschnitt mit r = 17 mm, aber vergrößertem Raumwinkel von etwa 3n. Die Effizienz ist hier wegen des größeren Raumwinkels der Kuppel nochmals höher als in Figur 3b.
Figur 3d zeigt eine Kuppel mit erfindungsgemäßem Oblatenkörper. Hier ist die Effizienz wegen des nochmals größeren Raumwinkels der Kuppel nochmals höher als in Figur 3c und der Abstrahlwinkel ist nochmals deutlich erhöht.
Figur 3e zeigt eine Kuppel mit erfindungsgemäßem Oblaten- körper; dabei ist die LED-Lichtquelle auf einem Podest und mit reflektierendem Grundkörper montiert. Hier ist die Effizienz wegen des reflektierenden Grundkörpers und Podest nochmals höher als in Figur 3e und der Abstrahlwinkel ist nochmals etwas höher. Figur 3f bezieht sich auf die gleiche Anordnung wie Figur 3e, jedoch mit dem Unterschied, daß die Kuppel in zwei Bereiche unterschiedlicher Wandstärke Wl und W2 geglie¬ dert ist, in der die optische Dicke des Leuchtstoffs un- terschiedlich ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel bleibt die Effizienz und der maximale Abstrahlwinkel in etwa gleich, verglichen mit Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3e .
Der Unterschied zwischen dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3e und Figur 3f kommt jedoch in den nächsten Figuren zum Ausdruck.
Figur 4 zeigt die Farbtemperatur und den CRI, die verschiedene Realisierungen zeigen, inklusive der beiden Ausführungsformen der Figur 1 oder 2.
Figur 5 zeigt die optische Effizienz der Ausführungsbei¬ spiele im Vergleich. Sie ist beim Aufbau gemäß Figur 2 deutlich höher.
Figur 6 zeigt die Strahlstärke in mW/sr für die verschie¬ denen Ausführungsformen der Figur 3 als Funktion des Ab- Strahlwinkels (der Pol ist als Winkel mit 0° gerechnet) . Eine möglichst gleichmäßige Ausleuchtung über einen gro¬ ßen Abstrahlwinkel lässt sich nur mit den erfindungsgemä¬ ßen Ausführungsformen erzielen.
Figur 7 zeigt verschiedene Ausführungsbeispiele der Rea- lisierung unterschiedlicher Bereiche der Kuppel mit unterschiedlicher Leuchtstoff-Konzentration oder optischer Dicke .
Figur 7a zeigt ein Detail eines Oblatenkörpers 24, bei dem zwei Bereiche unterschiedlicher Dicke bei gleicher Konzentration des Leuchtstoffs als Dispersion im Material des Oblatenkörpers vorliegen. Der Übergang ist stufenförmig .
Figur 7b zeigt ein Detail eines Oblatenkörpers 24, bei dem zwei Bereiche unterschiedlicher Dicke bei gleicher Konzentration des Leuchtstoffs als Dispersion im Material des Oblatenkörpers vorliegen. Der Übergang ist fließend oder stetig zwischen dem frontalen Bereich 19 und dem dorsalen Bereich 20. Die Übergangsstrecke s ist hier etwa so lang wie die Wandstärke W des frontalen Bereichs, sie kann insbesondere im Bereich 0,5 bis 3 Wl liegen.
Figur 7c zeigt ein Detail eines Oblatenkörpers 24, bei dem zwei Bereiche unterschiedlicher Konzentration des Leuchtstoffs als Dispersion im Material des Oblatenkör¬ pers vorliegen. Die Konzentration im frontalen Bereich ist etwa 15% höher als im dorsalen Bereich.
Figur 8a und 8b zeigt die Farbkoordinate x und y (im CIE System von 1931) als Funktion des Abstrahlwinkels für die Ausführungsbeispiele gemäß Figur 3e und 3f. Die Farbhomo¬ genität ist bei dem Aufbau gemäß Figur 3f deutlich besser als bei dem Aufbau gemäß Figur 3e.
Figur 9 zeigt eine LED-Modul, mit einer LED-Lichtquelle wie oben beschrieben, daran schließt sich ein Podest 25 an, sowie eine Platine als Grundplatte 26. An der Grund¬ platte sind rückwärtig Kühlkörper als Lamellen 27 ange- bracht (siehe auch WO 2010/089397) . Um die LED- Lichtquelle ist außerdem außen eine milchige Kuppel 17 als Diffusor gelegt.
Figur 10 zeigt dieselbe Anordnung (ohne Kühlkörper) mit einer Definition des Abstrahlwinkels. Allgemein gesprochen soll sich die Konzentration der Leuchtstoff-Partikel als Funktion des Abstrahlwinkels än¬ dern, und zwar dergestalt, dass bei einem kleinen Ab¬ strahlwinkel (ausgehend von 0°) die Konzentration höher ist als bei einem hohen Abstrahlwinkel. Dieser ist vom Mittelpunkt S des Oblatenkörpers aus gerechnet, wo sich die Halbachsen schneiden. Die Konzentration kann als eigene LeuchtstoffSchicht auf einer Kuppel mit konstanter Wandstärke oder als Dispersion in der Wand des Oblaten- körpers realisiert sein. Hier gilt: die Teilhöhe hx = h- a .
Figur 11 zeigt das grundsätzliche Konzept einer Änderung der Konzentration der Leuchtstoff-Partikel als Funktion des Abstrahlwinkels ω bis hin zum maximalen Winkel cmax. Die einfachste Ausführungsform ist eine Stufe, die in ei¬ nem Bereich des Abstrahlwinkels ω von 70 bis 100° liegen sollte, zwei Varianten sind als Kurve 1 und 2 eingezeich¬ net. Gezeigt ist auch ein weiteres Ausführungsbeispiel mit stetigem linearen Übergang über einen Abstrahlwinkel von 10°, Kurve 3, zentriert auf 90°.
Figur 12 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines optimierten nichtlinearen Übergangs der Konzentration des Leuchtstoffs, die geschwungen ist. Für die meisten Anwendungen genügt jedoch eine stufenförmiger Übergang, weil das Licht sowie schon diffus gestreut abgestrahlt wird und das menschliche Auge die Stufe nicht auflösen kann.
Figur 13 zeigt das Grundproblem für derartige LED- Lichtquellen. Die LED 3 emittiert blaues Licht (Pfeile 1) als primäre Strahlung. Ein Teil des blauen Lichtes tritt durch die Kuppel 35 hindurch, wobei es gestreut wird. Ein kleiner Teil des blauen Lichtes wird von der Phosphorkup- pel 35 zurückgestreut. Ein dritter Anteil des blauen Lichts wird vom Leuchtstoff zu langwelligerem Licht, hier gelb angenommen, konvertiert. Dieses gelbe Licht (Pfeile 2) wird gleichmäßig in alle Richtungen abgestrahlt. Das konvertierte gelbe und das transmittierte blaue Licht er¬ gibt in der Summe weißes Licht. Für die Erzeugung des gelben Lichts wird beispielsweise YAG:Ce verwendet.
Jedoch hat dieses weiße Licht nicht unter allen Winkeln exakt die gleiche Farbe. Die Ursache dafür ist, dass das blaue Licht in Vorwärtsrichtung intensiver ist als zur Seite; es hat also in Vorwärtsrichtung eine höhere Licht¬ stärke. Dieser Effekt wird durch die Streuung am Phosphor abgeschwächt, aber nicht aufgehoben. Da das konvertierte gelbe Licht ungerichtet ist, ist in der Summe in der Mit- te das Verhältnis zwischen blauem und gelben Licht größer als zur Seite. Somit wirkt das Licht zur Seite gelbli¬ cher. Dieser Effekt soll ausgeglichen werden.
Um dies zu kompensieren, wird bevorzugt die Kuppel in zwei (wie hier konkret angegeben) oder auch in mehrere, insbesondere drei bis vier, Bereiche unterteilt, die un¬ terschiedlich dick sind, bzw. unterschiedliche Konzentra¬ tion an Leuchtstoff aufweisen, um die Stärke der Konvertierung und somit das Verhältnis von blauem zu gelbem Licht anzupassen. Die Position der Übergänge zwischen den Bereichen ist entsprechend der gewählten Geometrie der Kuppel anzupassen. Im einfachsten Fall ist die Untertei¬ lung in eine frontale Halbschale plus dorsaler Rest hin¬ reichend. Die Konzentration des Leuchtstoffs (bzw. opti¬ sche Dicke) ändert sich dabei jeweils um 5 bis 10 % Sϊ Θ nimmt in Richtung von frontal nach dorsal ab. Figur 14 zeigt als LED-Lichtquelle eine LED-Retrofit- Lampe 36 mit eigentlicher Lichtquelle, Kuppel, Diffusor, Anschlusselement und Sockel. Im einfachsten Fall ist die Unterteilung in eine frontale Halbschale plus dorsaler Rest hinreichend. Bei den hier gezeigten drei Bereichen kann der frontale Bereich F den Pol 17 bis zu einem Abstrahlwinkel von 50° umfassen, daran schließt sich ein lateraler Bereich L mit Abstrahlwinkel 50 bis 100° an, daran schließt sich ein dorsaler Bereich D mit Abstrahl- winkel von mehr als 100° an. Die Konzentration des Leuchtstoffs (bzw. optische Dicke) ändert sich dabei je¬ weils um 10 bis 20%, sie nimmt in Richtung von frontal nach dorsal ab.
Figur 15 zeigt Kuppeln, die als Oblatenkörper mit unter- schiedlicher Dicke der Wand konzipiert sind.
Figur 15a zeigt eine kontinuierlich abnehmende Wandstärke der Kuppel 38, vom Pol aus gerechnet. Die kleinste Wand¬ stärke wird am Grundkörper 6 erreicht.
Figur 15b zeigt eine sprunghaft verkleinerte Wand des dorsalen Bereichs 42 der Kuppel 39, wobei der frontale Bereich 41 bei etwa 80° Abstrahlwinkel endet.
Figur 15c zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Wandstärke des dorsalen Bereichs 43 kontinuierlich ab¬ nimmt. Der dorsale Bereich beginnt bei etwa 85° Abstrahl- winkel.
Figur 16 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer LED-Lichtquelle 50, bei der kein Podest verwendet ist. Die Kuppel 51 ist hier außerordentlich weit im dorsalen Bereich weitergeführt, d.h. der maximale Abstrahlwinkel ist besonders groß. Hier ist a = 15mm, b= 22 mm, h = 27 mm und die Wandstärke ist 0,5 bzw. 0,43 mm. Es ist die Ausführung ähnlich wie in Abb. 3d, nur mit unterschiedli¬ cher Wandstärke.
Figur 17 zeigt die Strahlintensität und die Farbkoordina¬ ten x und y für zwei verschiedene Ausführungsbeispiele. Kurve 1 zeigt das Verhalten einer LED-Lichtquelle, bei der die Wandstärke der Kuppel konstant 0,5 mm beträgt und der darin dispergierte Leuchtstoff konstante Konzentrati¬ on aufweist. Kurve 2 zeigt das Verhalten der LED- Lichtquelle aus Figur 16, bei der die Wandstärke des dor- salen Bereichs 0,43 mm beträgt und damit kleiner als die Wandstärke des frontalen Bereichs mit 0,5 mm ist. Die Än¬ derung der Wandstärke führt zu einer besseren Gleichmä¬ ßigkeit der Farbkoordinaten. Der Basis-Durchmesser BD ist den Werten für a, b und h angepasst.
Generell kann als Chip, ggf. LED oder LED-Array, für die LED-Lichtquelle insbesondere folgende Konstellationen verwendet werden:
Blau emittierende Chips als primäre Lichtquelle, wobei eine teilweise Konversion mittels einer Leuchtstoff- schicht an der Kuppel stattfindet, bei der zumindest ein gelb emittierender oder zumindest ein grün und rot emit¬ tierender Leuchtstoff verwendet wird, wobei zumindest ei¬ ner der Leuchtstoffe an der Kuppel lokalisiert ist; damit wird eine weiß emittierende Lichtquelle geschaffen,
UV-LEDs als primäre Lichtquelle, wobei zumindest eine teilweise, bevorzugt vollständige Konversion mittels ei¬ ner Leuchtstoffschicht an der Kuppel stattfindet, bei der zumindest ein gelb und ein blau emittierender oder zumindest ein grün und ein rot und ein blau emittierender Leuchtstoff verwendet wird, wobei zumindest einer der Leuchtstoffe an der Kuppel lokalisiert ist; damit wird eine weiß emittierende Lichtquelle geschaffen,
LED-Arrays als primäre Lichtquelle, bei denen verschie¬ denartige Chips genutzt werden, die zumindest teilweise Leuchtstoffe im Bereich der Kuppel zur Konversion nutzen;
LED-Arrays als primäre Lichtquelle, bei denen eine erste Gruppe von Chips und eine zweite Gruppe von Chips verwen¬ det wird, wobei zumindest eine Gruppe einen Leuchtstoff im Bereich der Kuppel zur Konversion nutzt; beispielswei- se ein blau emittierender Chip, dessen Licht teilweise von einem Leuchtstoff, der an der Kuppel lokalisiert ist, in grünes Licht konvertiert wird, so dass dieses System zusammen grünlich-weißes oder mintfarbenes Licht erzeugt, zusammen mit einem rot emittierenden, insbesondere amber- färben emittierenden Chip, dessen Licht nicht von der Kuppel konvertiert wird;
Farbige LEDs aller Art als primäre Lichtquelle, bei denen beispielsweise Vollkonversion genutzt wird, beispielswei¬ se eine blaue LED, deren Licht vollständig mittels eines Sion- oder Sialon-Leuchtstoffs in grün umgewandelt wird;
Mood-Beleuchtung, bei der unterschiedliche Arten von weiß durch geeignete Abstimmung verschiedener Chips und Leuchtstoffe erzeugt wird, beispielsweise warmweiß über neutralweiß hin zu tageslichtähnlichem weiß.
Die jeweils verwendeten Leuchtstoffe können teilweise oder vollständig an der Kuppel lokalisiert sein, also dort als Schicht aufgetragen oder in der Wand der Kuppel eingebracht sein.
Konkrete Ausführungsbeispiele sind: Eine LED-Lampe mit Lichtfarbe warmweiß, bei der als LED- Array blaue LEDs, insbesondere mit Peakemission im Be¬ reich 430 bis 460 nm, verwendet werden. Zwei Leuchtstof¬ fe, die rot und grün emittieren, sind in der Kuppel homo¬ gen gemischt.
Eine LED-Lampe, bei der warmweiß durch eine erste Gruppe von blauen LEDs und einer zweiten Gruppe von roten LEDs realisiert ist, wobei in der Kuppel zur Erzeugung von grüner Emission ein Granat A3B5012:Ce, insbesondere als Komponente A Yttrium enthaltender und/oder Lutetium enthaltender Granat eingebracht ist, der für die Komponente B Anteile an Aluminium und Gallium gleichzeitig enthält.
Eine LED-Lampe, bei der neutralweiß oder kaltweiß durch ein Array von UV-LEDs realisiert ist, wobei an der Kuppel eine Schicht Leuchtstoff aufgetragen ist, in der ein blau und ein gelb emittierender Leuchtstoff wie BAM und YAG:Ce gemischt sind.

Claims

Ansprüche
1. LED-Lichtquelle mit einer primären Lichtquelle, insbe¬ sondere mindestens einem blau oder UV emittierenden Halbleiter-Chip, dessen Strahlung durch ein beabstandet angebrachtes Konversionselement, das als Kuppel der primären Lichtquelle vorgeschaltet ist, teilweise oder vollständig in längerwellige Strahlung konver¬ tiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Kuppel ein Abschnitt eines Oblatenkörpers ist, der einen Äquator und einen Pol aufweist, wobei der Pol in Rich- tung der optischen Achse weist, wobei der Oblatenkörper in Richtung zum Pol abgeflacht ist gegenüber der Richtung zum Äquator, und wobei der Oblatenkörper mit einer konvertierenden LeuchtstoffSchicht ausgestattet ist .
2. LED-Lichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Oblatenkörper ein Abschnitt eines El- lipsoids ist, mit einer kleinen Halbachse a in Rich¬ tung zum Pol zeigend.
3. LED-Lichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich- net, dass der Oblatenkörper einen Raumwinkel größer 2n aufspannt, insbesondere 2,5 n bis 3,5 n ..
4. LED-Lichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Oblatenkörper in mindestens zwei Berei¬ che gegliedert ist, wobei ein frontaler Bereich, der den Pol umschließt, eine höhere optische Dicke als ein dorsaler Bereich, der sich daran in Richtung höherer Abstrahlwinkel anschließt, aufweist.
5. LED-Lichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der frontale Bereich einen maximalen Abstrahlwinkel, vom Pol aus gerechnet, von 70° bis 110° aufweist .
6. LED-Lichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der dorsale Bereich einen maximalen Abstrahlwinkel, vom Pol aus gerechnet, von 130° bis 160° aufweist .
7. LED-Lichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich- net, dass die LED-Lichtquelle ein Anschlusselement mit einem Podest und einer reflektierenden Grundplatte aufweist und so eine Baugruppe bildet, deren Basisflä¬ che größer als die Basisfläche der Kuppel ist.
LED-Lichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Dicke des Leuchtstoffs variiert ist, indem entweder die Schichtdicke einer auf der Wand der Kuppel aufgebrachten Leuchtstoff-Schicht un¬ terschiedlich gewählt ist, oder indem der Leuchtstoff in der Kuppel dispergiert ist, wobei entweder die Kon¬ zentration des Leuchtstoffs in der Wand der Kuppel konstant ist und dabei die Wandstärke in mindestens zwei Bereichen der Kuppel unterschiedlich ist, oder dass der Leuchtstoff in der Kuppel dispergiert ist, wobei die Konzentration des Leuchtstoffs in der Wand der Kuppel in mindestens zwei Bereichen der Kuppel un¬ terschiedlich ist und dabei die Wandstärke der Kuppel konstant ist.
9. LED-Lichtquelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass einer oder mehrere Leuchtstoffe verwendet werden, mit gleicher Änderung der optischen Dicke.
10. Baueinheit mit einer LED-Lichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Baueinheit eine
Leuchte oder ein LED-Modul ist.
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