СИД С УПРАВЛЯЕМОЙ УГЛОВОЙ НЕРАВНОМЕРНОСТЬЮ Российский патент 2014 года по МПК H01L33/50 

Область изобретения

Настоящее изобретение относится к светоиспускающим диодам (СИД) с преобразованием длины волны и, в частности, к управлению угловой зависимостью СИД для получения желаемой неравномерности.

Предпосылки

Во многих применениях в осветительной технике все большее распространение получают осветительные устройства, в которых используют светоиспускающие диоды (СИД). Как правило, в СИД используют преобразование первичной эмиссии посредством люминофора для создания белого света, но люминофоры также можно использовать для создания более насыщенных цветов, таких как красный, зеленый и желтый.

Стандартной выявленной в СИД проблемой, связанной с преобразованием в люминофоре, является неуправляемая угловая зависимость и неравномерность цвета получаемого света. Как правило, длина волны света, испускаемого со стороны слоя люминофора, или света с более высокими значениями углов, выходящего из слоев люминофора, имеет более высокое значение, т.е. происходит преобразование большего количества света, по сравнению со светом, испускаемым верхней частью слоя люминофора, поскольку свет, испускаемый верхней частью, является более перпендикулярным и имеет меньше возможностей для преобразования посредством люминофора. В результате цвет испускаемого света имеет угловую зависимость.

Современные подходы к проблеме неравномерного цвета включают уменьшение угловой зависимости. В качестве примера, один подход состоит в нанесении покрытия по бокам материала люминофора для предотвращения бокового испускания света. Другой подход состоит в добавлении рассеивающих частиц в материал люминофора, чтобы смешивать преобразованный и не преобразованный свет так, чтобы цвет света, испускаемого в сторону, и света, испускаемого вверх, был приблизительно одинаковым. Однако такие решения проблемы угловой зависимости снижают эффективность устройств, а также увеличивают стоимость производства. Таким образом, желательно создать другие способы решения проблемы угловой зависимости.

Краткое изложение

Источник света содержит СИД с элементом, преобразующим длину волны, с выбранным соотношением высоты и ширины для получения желаемого неравномерного углового распределения цвета, например, с равномерностью Δu'v'>0,015 в пределах углового распределения от 0° до 90°. Источник света используют в применениях, которые трансформируют неравномерное угловое распределение цвета источника света в равномерное распределение цвета, например, с равномерностью Δu'v'<0,01. Таким образом, увеличивают эффективность системы по отношению к стандартным системам, сконструированным с использованием СИД, которые выполнены с возможностью получения равномерного углового распределения цвета.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлен вид сбоку источника света, который содержит СИД с элементом, преобразующим длину волны, который обладает управляемым неравномерным угловым распределением цвета.

На фиг.2 представлен сдвиг Δu'v' в зависимости от угла для демонстрации угловой неравномерности цвета источника света на фиг.1.

На фиг.3A и 3B представлен пример источника света, который используют в применении во вспышках.

На фиг.4 представлен вид сбоку источника света с полубоковой конфигурацией эмиттера.

На фиг.5 представлен другой вариант осуществления источника света, который испускает свет с управляемой неравномерной угловой зависимостью цвета.

На фиг.6A и 6B в качестве примера представлен вид сверху и вид сбоку нескольких источников света, которые используют в применении в задней подсветке.

На фиг.7 представлен график кривой поглощения на 1 мм для полимера ПММА, который обычно используют в качестве волновода в применении в задней подсветке.

На фиг.8 представлен график, который иллюстрирует эффект спектрального поглощения волновода.

На фиг.9 представлен график, который иллюстрирует цветовой сдвиг вследствие поглощения ПММА волновода (синий) в зависимости от расстояния.

Подробное описание

На фиг.1 представлен вид сбоку источника света 100, который содержит светоиспускающий диод (СИД) 101 с элементом, преобразующим длину волны 110, который обладает контролируемым неравномерным угловым распределением цвета. Также на фиг.1 представлено устройство 120, используемое с источником света 100, с линзой 122, расположенной для отражения света от источника света 100 в сторону устройства 120. Устройство 120 может представлять собой применение, такое как применение во вспышках или задней подсветке или другие подходящие применения. Угловая неравномерность цвета источника света 100 выполнена с возможностью использования с оптическим устройством 120 так, чтобы комплексная система, т.е. источник света 100 и устройство 120, была более эффективна, чем система, которая содержит стандартный источник света 100 с равномерным угловым СИД.

СИД 101 изображен в виде устройства с перевернутым кристаллом с контактными площадками 102, расположенными на нижней поверхности СИД 101. Контактные площадки 102 соединены с контактными элементами 104 на подложке 106, которую можно выполнить, например, из керамики или кремния. При желании, подложку 106 можно установить на теплоотвод 108. При желании, можно использовать несущие конструкции, отличающиеся от подложки 106 и теплоотвода 108.

В одном из вариантов осуществления СИД 101 может представлять собой синий или ультрафиолетовый (UV) СИД и может представлять собой устройство с высокой энергетической яркостью, например, того типа, который описан в заявке на патент США с серийным № 10/652348, которая озаглавлена «Package for a Semiconductor Light Emitting Device» авторов Frank Wall et al., которая подана 29 августа 2003 года, публикация № 2005/0045901, имеет того же патентообладателя, что и настоящее раскрытие и включена в настоящий документ в качестве ссылки. Диаграмма углового испускания СИД 101 может относиться к ламбертовскому типу (как показано на фиг.1) или к управляемому типу с использованием фотонных кристаллов, таких как решетчатые структуры.

На СИД 101 установлен элемент, преобразующий длину волны 110, который может представлять собой, например, люминофор в связующем материале, встроенный, например, в силикон, и отформованный поверх СИД 101 или в жесткую керамическую пластину, которая иногда упоминается в настоящем документе как «люминесцентная керамика». Как правило, керамические пластины представляют собой самостоятельные слои и могут обладать полупрозрачностью или прозрачностью для конкретных длин волн, которые могут снижать потери от рассеяния, связанные с непрозрачными слоями, преобразующими длину волны, такими как однородные слои. Люминесцентные керамические слои могут быть прочнее, чем тонкая пленка или однородные слои люминофора.

Примеры люминофоров, которые можно использовать в связующем материале, отформованном поверх СИД 101 или в люминесцентной керамике, включают алюминиевые темно-красные люминофоры с общей формулой (Lu_1-x-y-a-b Y_xGd_y)₃(Al_1-zGa_z)₅O₁₂:Ce_aPr_b, где 0<x<1, 0<y<1, 0<z≤0,1, 0<a≤0,2 и 0<b≤0,1, такие как Lu₃Al₅O₁₂:Ce³⁺ и Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺, которые испускают свет в желто-зеленом диапазоне; и (Sr_1-x-yBa_xCa_y)_2-zSi_5-aAl_aN_8-aO_a:Eu_z ²⁺, где 0<a<5, 0<x≤1, 0<y<1 и 0<z<1, такие как Sr₂Si₅N₈:Eu²⁺, который излучает свет в красном диапазоне. Подходящие керамические пластины, содержащие Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺, можно приобрести в компании Baikowski International Corporation of Charlotte, N.C. Также можно использовать другие зеленые, желтые и красные испускающие люминофоры, включая (Sr_1-a+bCa_bBa_c)Si_xN_yO_z:Eu_a ²⁺ (a=0,002-0,2, b=0,0-0,25, c=0,0-0,25, x=1,5-2,5, y=1,5-2,5, z=1,5-2,5), включая, например, SrSi₂N₂O₂:Eu²⁺; (Sr_1-u-v-xMg_uCa_vBa_x)(Ga_2-y-zAl_yIn_zS₄):Eu²⁺, включая, например, SrGa₂S₄:Eu²⁺; Sr_1-xBa_xSiO₄:Eu²⁺; и (Ca_1-xSr_x)S:Eu²⁺, где 0<x<1, включая, например, CaS:Eu²⁺ и SrS:Eu²⁺. Соответствующими стрелками 114 и 115 показан источник света 100, который испускает свет как вверх, так и в сторону, где испускаемый вверх свет 114 имеет синевато-белый цвет, а испускаемый в сторону свет 115 имеет желтоватый цвет. Управляя высотой H элемента, преобразующего длину волны, 110 или, более конкретно, соотношением высота/ширина (H/W), можно управлять угловой зависимостью света для получения желаемого количества синевато-белого света 114 и желтоватого света 115, которое подходит для устройства 120. В качестве примера, для получения не столь синего цвета используют элемент, преобразующий длину волны, 110 с увеличенным значением высоты H, тогда как для получения более синего света используют элемент, преобразующий длину волны, 110 с меньшим значением высоты H.

На фиг.2A представлен сдвиг Δu'v' в зависимости от угла, который показывает один из вариантов осуществления угловой неравномерности цвета источника света 100. Сдвиг Δu'v' в зависимости от угла представляет собой меру цветового сдвига относительно исходной точки. Как можно видеть на фиг.2A, источник света 100 создает сдвиг Δu'v'>0,015 между 0° и 90° относительно исходной точки 0°. Это является максимальным изменением цвета в зависимости от угла в пределах данного углового диапазона. На фиг.2B представлен пример Δu'v' для другого источника света 100 с синим СИД и красным/зеленым люминофорами, который выполнен с возможностью получения Δu'v'>0,05 в зависимости от угла. Меняя, например, соотношение H/W, можно получить различные максимальные значения Δu'v' в зависимости от угла, например, максимальное значение Δu'v' в зависимости от угла может быть более 0,015, 0,03, 0,045 или 0,06 в зависимости от желаемого применения, например, устройства 120, в котором используют источник света 100. Затем устройство 120, в котором используют источник света 100, в соответствии с одним из вариантов осуществления создает пространственную равномерность цвета Δu'v' менее 0,015, например, менее чем 0,01 или 0,005.

Таким образом, вместо того, чтобы пытаться устранить угловую зависимость цвета света, источник света 100 сконструирован для получения управляемой угловой неравномерности цвета, которую оптимизируют для конкретного устройства 120, в котором используют источник света 100. Таким образом, как описано выше, например, источник света 100 выполнен с возможностью получения управляемой угловой неравномерности цвета со сдвигом Δu'v'>0,015 в зависимости от угла, но при использовании в устройстве 120, устройство 120 создает пространственную равномерность цвета Δu'v'<0,015. В зависимости от требований применения возможны различные пространственные равномерности цвета, такие как от Δu'v'<0,05 до Δu'v'<0,015. Например, медицинские мониторы или другие применения, которые требуют высокоточного представления цвета, можно создавать с задней подсветкой в соответствии с одним из вариантов осуществления, который имеет Δu'v'<0,05, тогда как потребительские мониторы можно создавать с подсветкой, которая имеет Δu'v'<0,01, а такие применения, как вспышка камеры, могут иметь Δu'v'<0,015. При управляемой угловой неравномерности цвета можно увеличить эффективность источника света 100, поскольку отсутствует необходимость блокировать испускание света из источника света 100. Таким образом, суммарные рабочие характеристики системы, содержащей устройство 120 и источник света 100, улучшены по сравнению с системами, в которых используют равномерные угловые СИД.

На фиг.3A и 3B представлен пример источника света 100, который можно использовать в устройстве 120 типа вспышки, например, для камеры. На фиг.3B представлен источник света 100 с дополнительным управляющим элементом 112, таким как дихроичный фильтр, расположенный поверх элемента, преобразующего длину волны 110. Дихроичный фильтр 112 по-разному пропускает свет в зависимости от угла, что дополнительно содействует управлению угловой зависимостью. Альтернативно, рассеивающий элемент можно использовать для соответствующего снижения или управления угловой зависимостью. Как показано на фиг.2B, источник света 100 создает синевато-белый свет 114 и желтоватый свет 115, который отражается отражателем 122 и смешивается на изображаемой мишени 124.

При желании, источник света 100 может представлять собой эмиттер в боковой (или полубоковой) конфигурации, в котором происходит небольшая эмиссия вверх и значительная эмиссия в стороны. На фиг.4 представлен источник света 100 в полубоковой конфигурации эмиттера, в котором отсутствует необходимость в верхнем отражателе на верхней поверхности 110_top элемента, преобразующего длину волны, 110. Как показано на фиг.4, диаграмма углового испускания по сторонам 110_side источника света 100 относится к ламбертовскому типу. При замене верхнего отражателя на увеличенную высоту H элемента, преобразующего длину волны, 110 по отношению к ширине W элемента, преобразующего длину волны, 110 (которая в этом варианте осуществления равна ширине СИД 101), уменьшается число отражений света в сторону СИД 101. Отражения в сторону СИД 101 являются не эффективными и, следовательно, снижая отражения в сторону СИД 101, снижают потери в системе. Кроме того, увеличивая высоту H, увеличивают площадь сторон 110_side элемента, преобразующего длину волны, 110, что обеспечивает увеличенное извлечение света сторонами 110_side элемента, преобразующего длину волны 110. Увеличивая высоту H элемента, преобразующего длину волны, 110 по отношению к ширине W, источник света 100 оптимизируют для применений, которые требуют извлечения света, в противоположность накоплению света. Например, в таких применениях, как оптическая конструкция вспышки, желательно использовать маленький спроектированный источник с тем, чтобы можно было сохранить малые размеры оптики, при этом накапливая наибольшее количество света и направляя свет в сторону мишени 1,05×0,8 метра на расстоянии в 1 метр. Увеличивая высоту элемента, преобразующего длину волны 110, увеличивают количество извлеченного света. Концентрацию Cc в элементе, преобразующем длину волны, можно задать, чтобы получить желаемую цветовую точку для конкретного применения. Дополнительно, в элемент, преобразующий длину волны, можно добавить рассеивающие частицы, чтобы содействовать извлечению света в воздух.

На фиг.5 представлен другой вариант осуществления источника света 100, который испускает свет с управляемой угловой зависимостью цвета. Источник света 100 содержит тонкий слоистый элемент 116, находящийся в оптическом соединении с верхней поверхностью элемента, преобразующего длину волны, 110, который может представлять собой, например, дихроический слой, рассеивающий слой или слой красного люминофора. При желании, элемент 116 можно разместить между элементом, преобразующим длину волны, 110 и СИД 101, в частности, когда элемент 116 представляет собой слой красного люминофора, элемент, преобразующий длину волны, 110 представляет собой зеленоватую люминофорную пластину, такую как LUAG, а СИД 101 представляет собой синий СИД. Дополнительно источник света 100 может содержать переформованную куполообразную линзу 118, которая может представлять собой оксид кремния, эпоксидную смолу или другой подходящий материал, который также может способствовать управлению угловой неравномерностью цвета. При желании, не обязательно использовать переформованную куполообразную линзу 118. Испускаемый вверх свет, обозначенный стрелкой 114, имеет синевато-белый цвет и ламбертовский профиль испускания. Испускаемый в сторону свет, обозначенный стрелкой 115, имеет желтоватый цвет и изотропный профиль испускания, обусловленный высотой H элемента, преобразующего длину волны, а также рассеиванием. Испускание источника света 100 с угловой зависимостью можно трансформировать в равномерное пространственное цветовое распределение в желаемом применении, таком как задняя подсветка.

На фиг.6A и 6B в качестве примера представлены вид сверху и вид сбоку нескольких источников света 100, которые использованы в устройстве задней подсветки 120. Задняя подсветка 120 извлекает цвет, например, синий против зеленого/красного, из одного источника света 100 в различных местах внутри задней подсветки. Таким образом, используя несколько источников света 100 и управляя угловым распределением цвета испускаемого света, можно получить равномерное пространственное распределение цвет в применении в задней подсветке.

На фиг.7 представлен график кривой поглощения на 1 мм полимера ПММА, который обычно используют в качестве волновода в применении в задней подсветке. По оси X отложена длина волны, тогда как по оси Y отложен процент поглощения. На фиг.8 представлен график, который иллюстрирует эффект спектрального поглощения волновода, иллюстрирующий изменение спектра от края (показано кривой 202) и центра (показано кривой 204) 72” волновода из ПММА. ПО оси X отложена длина волны, тогда как по оси Y отложено относительное спектральное распределение. Как видно на фиг.8, центр 204 спектра в центре волновода содержит не столь синий свет, как край 202 волновода. На фиг.9 представлен график, иллюстрирующий теоретический цветовой сдвиг вследствие поглощения волновода из ПММА (синий) в двусторонней задней подсветке в зависимости от расстояния для стандартного источника света, который обладает равномерным угловым и пространственным вводом. По оси X отложено положение на диагонали задней подсветки в дюймах, тогда как на оси Y отложено изменение в Δu'v' от центра к краю. Как показано, стандартный волновод при использовании стандартного равномерного углового источника света имеет Δu'v' больше 0,01 и в действительности доходит до 0,02.

Таким образом, как можно видеть из графиков фиг.7, 8 и 9, более синий свет поглощается в зависимости от расстояния волноводом из ПММА, в результате чего такой волновод имеет не столь синий свет в центре волновода, как по краям волновода. Кроме того, как показано на фиг.9, сдвиг Δu'v' изменяется приблизительно линейно в зависимости от расстояния. Используя контролируемое неравномерное угловое распределение цвета источника света 100, более синий свет можно испускать непосредственно в направлении центра волновода, чтобы компенсировать синее поглощение материала ПММА для получения более равномерного распределения цвета в применении в задней подсветке. В качестве примера, на фиг.10 представлено теоретическое поглощение волновода из ПММА, похожее на представленное на фиг.9, но с использованием источника света, обладающего управляемой угловой неравномерностью цвета со сдвигом Δu'v'>0,01 в зависимости от угла. Как показано на фиг.10, полученная пространственная равномерность цвета имеет Δu'v' менее 0,01.

Несмотря на то, что настоящее изобретение с целью разъяснения проиллюстрировано в связи с конкретными вариантами осуществления, настоящее изобретение не ограничено ими. Различные доработки и модификации можно выполнить, не отклоняясь от объема изобретения. Следовательно, сущность и объем прилагаемой формулы изобретения не ограничены предыдущим описанием.

Источник света, в котором используют светоиспускающий диод с элементом, преобразующим длину волны, выполнен с возможностью получения неравномерного углового распределения цвета, которое можно использовать с конкретным оптическим устройством, которое трансформирует угловое распределение цвета в равномерное распределение цвета. Соотношение высоты и ширины элемента, преобразующего длину волны, выбирают для получения желаемого неравномерного углового распределения цвета. Использование управляемой угловой неравномерности цвета в источнике света и его использование в применениях, которые трансформируют неравномерность в равномерное распределение цвета, увеличивает эффективность системы по сравнению со стандартными системами, в которых используют равномерный угловой светоиспускающий диод. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Источник света, который содержит:
светоиспускающий диод;
элемент, преобразующий длину волны, расположенный поверх светоиспускающего диода, элемент, преобразующий длину волны, который имеет высоту и ширину, где соотношение высоты и ширины выбирают для получения света с желаемым неравномерным угловым распределением цвета Δu'v'>0,015 в пределах углового распределения от 0 до 90°.

2. Устройство по п.1, которое дополнительно содержит отражатель для отражения испускаемого вверх света и испускаемого в сторону света от элемента, преобразующего длину волны, где испускаемый вверх свет и испускаемый в сторону свет обладают желаемым неравномерным угловым распределением цвета.

3. Устройство по п.2, в котором отражатель фокусирует испускаемый вверх свет и испускаемый в сторону свет с желаемым неравномерным угловым распределением цвета на мишени, где испускаемый вверх свет и испускаемый в сторону свет смешиваются для получения равномерного пространственного распределения цвета на мишени с равномерностью Δu'v'<0,015.

4. Устройство по п.3, в котором источник света используют в качестве вспышки.

5. Устройство по п.1, которое дополнительно содержит оптическое устройство, соединенное для приема света, испускаемого элементом, преобразующим длину волны, при этом желаемое неравномерное угловое распределение цвета трансформируют в равномерное распределение цвета в оптическом устройстве с равномерностью Δu'v'<0,01.

6. Устройство по п.5, в котором оптическое устройство представляет собой заднюю подсветку с использованием волновода и где устройство дополнительно содержит несколько источников света.

7. Устройство по п.1, которое дополнительно содержит слоистый элемент, соединенный с элементом, преобразующим длину волны.

8. Устройство по п.1, в котором элемент, преобразующий длину волны, содержит люминофор.

9. Способ освещения, который содержит:
предоставление светоиспускающего диода;
предоставление элемента, преобразующего длину волны, с соотношением высоты и ширины, которое выбирают для получения желаемого неравномерного углового распределения цвета в свете, испускаемом из элемента, преобразующего длину волны, с равномерностью Δu'v'>0,015 в пределах углового распределения от 0 до 90°; и соединение элемента, преобразующего длину волны, со светоиспускающим диодом для получения источника света с желаемым неравномерным угловым распределением цвета.

10. Способ по п.9, который дополнительно содержит трансформацию желаемого неравномерного углового распределения цвета из источника света в равномерное пространственное распределение цвета в оптическом применении с равномерностью Δu'v'<0,015.

11. Способ по п.10, в котором оптическим применением является применение в задней подсветке.

12. Способ по п.10, в котором оптическим применением является применение во вспышках.