Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10319274.3, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.

Die meisten bekannten Lichtquellen weisen Glühlampen, Bogen- lampen oder Hochdrucklampen auf. Bei deren Betrieb wird ein relativ großer Anteil von elektrischer Energie in Wärme umge- wandelt, was für umgebende Bauteile oder Bauelemente proble- matisch sein kann. Zur Erzeugung von Licht eines bestimmten Farbortes auf der CIE-Farbtafel werden hierbei in der Regel optische Filter verwendet, um unerwünschte Farbanteile wei- testgehend zu beseitigen. Hierdurch wird jedoch die Effizienz der jeweiligen Lichtquelle reduziert.

Alternativ gibt es Lichtquellen, bei denen Leuchtdioden (LEDs) verwendet werden, die beispielsweise den Vorteil einer langen Lebensdauer, eines schnellen Ansprechens sowie eines relativ hohen elektrischen Wirkungsgrades haben. Zudem lässt sich durch Kombination von LEDs unterschiedlicher Farben mischfarbiges Licht eines bestimmten Farbortes erzeugen.

Farbfilter sind hierbei nicht unbedingt erforderlich.

Eine Lichtquelle zur Hinterleuchtung eines LCD-Displays, die LEDs unterschiedlicher Emissionsspektren aufweist, ist bei- spielsweise in der US 6,540, 377 beschrieben. Bei dieser sind rot-, grün-sowie blauemittierende LEDs miteinander durch- mischt auf einer gemeinsamen Ebene angeordnet. Die elektro- magnetische Strahlung der LEDs wird bei Betrieb der Licht- quelle in einem gemeinsamen Lichtkegel abgestrahlt und mit- tels Diffusormaterial durchmischt.

Ein Nachteil einer derartigen Lichtquelle ist, dass die von ihr pro Raumwinkel abgestrahlte Lichtintensität durch die ma- ximale Emissionsintensität der LEDs begrenzt ist, wodurch ih- re Anwendbarkeit beschränkt ist. Zudem muss für eine ausrei- chende Durchmischung der von unterschiedlichen LEDs emittier- ten elektromagnetischen Strahlung gesorgt werden, wenn homo- genes Licht erwünscht ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist insbesondere, eine Lichtquelle auf der Basis von sichtbare elektromagnetische Strahlung emittierenden Halbleiterchips zu entwickeln, die eine hohe pro Raumwinkel abgestrahlte Lichtintensität auf- weist, welche nicht durch die maximale Emissionsintensität der Halbleiterchips begrenzt ist. Die Aufgabe der Erfindung umfasst auch, dass bei der Lichtquelle elektromagnetische Strahlung von Halbleiterchips mit unterschiedlichen Emissi- onsspektren einfach und effektiv miteinander durchmischt wer- den kann.

Diese Aufgaben werden durch eine Lichtquelle mit den Merkma- len des Patentanspruches 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausführungsformen und bevorzugte Weiterbildungen der Lichtquelle sind in den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 35 angegeben.

Erfindungsgemäß sind bei einer Lichtquelle der eingangs ge- nannten Art die Halbleiterchips mit den Primäroptikelementen in mindestens zwei örtlich voneinander getrennten Gruppen an- geordnet, so dass die Gruppen bei Betrieb der Halbleiterchips separate Lichtkegel aussenden. Die separaten Lichtkegel der Gruppen werden mittels einer Sekundäroptik zu einem einzigen gemeinsamen Lichtkegel überlagert.

Mit Lichtkegel ist hierbei sowie im Folgenden jeweils ein be- liebig geformtes Volumen gemeint, das durch Licht der Licht- quelle durchleuchtet ist, wobei Bereiche ausgeschlossen sind, in denen die. Helligkeit mehr als eine Größenordnung geringer ist als die maximale Helligkeit bei gleichem Abstand zur Lichtquelle.

Durch die Überlagerung separater Lichtkegel verschiedener Gruppen von Halbleiterchips erreicht man eine additive Durch- mischung von Strahlung unterschiedlicher Halbleiterchips. Da- durch kann eine verbesserte Mischung der Strahlung von Halb- leiterchips mit unterschiedlichen Emissionsspektren technisch einfach erreicht werden. Desweiteren kann die pro Raumwinkel abgestrahlte Lichtintensität durch die Überlagerung separater Lichtkegel unabhängig von der maximalen Lichtintensität ein- zelner Halbleiterchips deutlich erhöht werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform werden die separaten Lichtkegel der Gruppen mittels der Sekundäroptik zu einem ge- meinsamen Lichtkegel mit einem weitestgehend einheitlichen Farbort überlagert. Mit besonderem Vorteil liegt dabei der Farbort des gemeinsamen Lichtkegels im Weißbereich der CIE- Farbtafel.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist mindes- tens eine der Gruppen Halbleiterchips von nur einer Chipsorte auf.

Zusätzlich oder alternativ sind die Halbleiterchips einer Chipsorte jeweils nur in einer der Gruppen enthalten. Dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn die Abstrahlung von wei- testgehend homogenem Licht mit einem einheitlichen Farbort erwünscht ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vielzahl von Halbleiterchips eine erste, eine zweite und eine dritte Chip- sorte auf, deren Emissionsspektren derart ausgewählt sind, dass sich durch Überlagerung der von Halbleiterchips unter- schiedlicher Chipsorten emittierten Strahlung weißes Licht erzeugen lässt.

Besonders bevorzugt emittiert hierbei die erste Chipsorte grüne Strahlung, die zweite Chipsorte rote Strahlung und die dritte Chipsorte blaue Strahlung, d. h. das jeweilige Emissi- onsspektrum von Halbleiterchips einer Chipsorte weist Strah- lung auf, deren Wellenlängen in erster Linie im grünen, roten beziehungsweise blauen Bereich liegt.

Mit Vorteil sind die Halbleiterchips der ersten Chipsorte in einer ersten Gruppe und die Halbleiterchips der zweiten und dritten Chipsorte in einer zweiten Gruppe angeordnet, wobei die Halbleiterchips unterschiedlicher Chipsorten der zweiten Gruppe gleichmäßig durchmischt angeordnet sind.

Alternativ sind die Halbleiterchips einer Chipsorte vorteil- hafterweise jeweils in einer eigenen Gruppe und die Gruppen örtlich voneinander getrennt, das heißt nicht überlappend, angeordnet.

Die Sekundäroptik, mittels der die separaten Lichtkegel über- lagert werden, weist bevorzugt mindestens eine selektiv re- flektierende Einheit auf. Diese ist für die Strahlung mindes- tens eines separaten Lichtkegels durchlässig und für die Strahlung eines weiteren separaten Lichtkegels reflektierend.

Mittels der selektiv reflektierenden Einheit werden mindes- tens zwei separate Lichtkegel überlagert.

Besonders bevorzugt enthält die selektiv reflektierende Ein- heit ein dichroitisches Schichtsystem.

In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Sekundärop- tik mindestens einen Zusammenblendwürfel auf, der auf mindes- tens einer selektiv reflektierenden Einheit basiert. Der Zu- sammenblendwürfel weist mindestens zwei Lichteingänge auf, in die jeweils ein Lichtkegel einfällt. Die in den Zusammen- blendwürfel eingestrahlten Lichtkegel werden im Inneren von diesem mittels der selektiv reflektierenden Einheit überla- gert und gemeinsam aus einem Lichtausgang des Zusammenblend- würfels emittiert. Der einfallende Lichtkegel kann jeweils ein ursprünglicher unmittelbar von einer Gruppe von Halblei- terchips stammender separater Lichtkegel oder ein Lichtkegel sein, in dem bereits mehrere solche separaten Lichtkegel ü- berlagert sind.

Mit besonderem Vorteil ist der Öffnungswinkel eines separaten Lichtkegels zwischen 0 und 60°, bevorzugt zwischen 0 und 40°, besonders bevorzugt zwischen 0 und 20° groß, wobei die Gren- zen jeweils einbezogen sind. Wie oben dargelegt bezieht sich der Ausdruck Lichtkegel in diesem Zusammenhang nicht auf die Form eines Kegels im mathematischen Sinne und kann demnach mehr als einen Öffnungswinkel aufweisen. Ist das der Fall, so bezieht sich die obige Aussage auf den maximalen Öffnungswin- kel.

Dadurch, dass die Divergenz der separaten Lichtkegel durch die Primäroptikelemente auf ein derartiges Maß begrenzt ist, lässt sich eine höhere Leuchtdichte bzw. pro Raumwinkel abge- strahlte Lichtintensität der Lichtquelle erreichen.

Insbesondere um einen derart geringen Öffnungswinkel eines vom Primäroptikelement emittierten Lichtkegels zu realisie- ren, weist der Lichtausgang des Primäroptikelements mit be- sonderem Vorteil eine Lichteingangsfläche oder eine Lichtein- gangsöffnung auf, deren Größe kleiner als oder gleich der zweifachen Chipauskoppelfläche ist. Besonders bevorzugt ist die Größe der Lichteingangsfläche oder der Lichteingangsöff- nung maximal 1,5 mal so groß, insbesondere maximal 1,1 mal oder 1,05 mal so groß wie die Chipauskoppelfläche.

Die Größe der Lichteingangsfläche oder der Lichteingangsöff- nung ist bevorzugt größer oder nicht wesentlich kleiner als die Chipauskoppelfläche.

Der so beschaffene Lichteingang des Primäroptikelements eig- net sich nicht nur für eine starke Verringerung der Divergenz eines Lichtkegels, sondern ermöglicht auch eine signifikante Miniaturisierung des Primäroptikelements und somit eine Her- stellung einer kompakten Lichtquelle mit einer hohen emit- tierten Lichtdichte.

Bevorzugt sind die Primäroptikelemente mindestens einer Grup- pe zumindest teilweise derart angeordnet, dass ihre Lichtaus- gänge dicht gepackt sind. Bevorzugt schließen sie lückenlos aneinander an. Dadurch lässt sich eine höhere Leuchtdichte und eine bessere Homogenität eines separaten Lichtkegels und somit auch des gemeinsamen Lichtkegels erreichen.

In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Halbleiter- chips sämtlicher Gruppen im wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene angeordnet. Dies kann eine Montage der Halbleiterchips vorteilhafterweise signifikant vereinfachen.

Mit Vorteil sind die Halbleiterchips mit den Primäroptikele- menten zumindest teilweise oder zumindest in Teilgruppen mat- rixartig, d. h. regelmäßig in Zeilen und Spalten angeordnet.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Lichtquelle ist das Primäroptikelement jeweils ein optischer Konzentrator, der zur Lichtquelle derart angeordnet ist, dass sein eigentlicher Konzentratorausgang nunmehr der Lichteingang ist. Verglichen mit der üblichen Anwendung eines Konzentrators (auf die sich der oben verwendete Begriff"eingentlicher"Konzentratoraus- gang bezieht) läuft vorliegend Licht der Halbleiterchips in umgekehrter Richtung durch den Konzentrator. Somit wird die- ses Licht nicht konzentriert, sondern verläßt den Konzentra- tor mit verringerter Divergenz durch den nunmehr als Licht- ausgang verwendeten eigentlichen Lichteingang. Das"eigent- lich"bezieht sich wiederum auf die tatsächliche Nutzung als Konzentrator.

Besonders bevorzugt ist der Konzentrator ein CPC-, CEC-oder CHC-artiger Konzentrator, womit hierbei sowie im Folgenden ein Konzentrator gemeint ist, dessen reflektierende Seiten- wände zumindest teilweise und/oder zumindest weitestgehend die Form eines zusammengesetzten parabolischen Konzentrators (compound parabolic concentrator, CPC), eines zusammengesetz- ten elliptischen Konzentrators (compound elliptic concentra- tor, CEC) und/oder eines zusammengesetzten hyperbolischen Konzentrators (compound hyperbolic concentrator, CHC) aufwei- sen. Derart gestaltete Primäroptikelemente ermöglichen eine effiziente Verringerung der Divergenz von Licht, wodurch sich die pro Raumwinkel abgestrahlte Lichtintensität vergrößern lässt.

Als Alternative zu dem CPC-, CEC-oder CHC-artigen Konzentra- tor weist der Konzentrator bevorzugt den Lichteingang mit dem Lichtausgang verbindende Seitenwände auf, entlang denen di- rekte Verbindungslinien zwischen dem Lichteingang und dem Lichtausgang im wesentlichen gerade verlaufen. Die Seitenwän- de weisen mit Vorteil statt paraboloid-, ellipsoid-oder hy- perboloid-artig gekrümmten Seitenwänden im wesentlichen gera- de verlaufende Seitenwände auf, so dass das Primäroptikele- ment beispielsweise eine Grundform eines Pyramidenstumpfes oder eines Kegelstumpfes aufweist.

Der Konzentrator weist in einem Bereich auf der Seite des Lichteingangs bevorzugt eine Querschnittsfläche in Form eines regelmäßigen Vielecks, besonders bevorzugt eine quadratische Querschnittsfläche auf. In einem Bereich auf der Seite des Lichtausgangs weist er bevorzugt ebenfalls eine Querschnitts- fläche in Form eines regelmäßigen Vielecks, besonders bevor- zugt eine drei-, vier-, sechs-oder achteckige Querschnitts- fläche auf. Zwischen diesen Bereichen geht die Querschnitts- fläche von der einen in die andere Form über. Der Lichtein- gang des Konzentrators lässt sich somit an die übliche Form von Halbleiterchips anpassen und der Lichtausgang lässt sich beispielsweise derart gestalten, dass sich die Lichtausgänge mehrerer Primäroptikelemente regelmäßig zueinander und lü- ckenlos anordnen lassen. Die Verwendung derartiger Primärop- tikelelemente ermöglicht es, die Halbleiterchips mit relativ großem Abstand voneinander anzuordnen, ohne dass der von die- ser Anordnung abgestrahlte Lichtkegel lückenhaft ausgeleuch- tet erscheint. Durch den Anbstand zwischen den Halbleiter- chips lässt sich die von ihnen erzeugte Wärme besser abfüh- ren.

In einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Konzentrator einen einen Hohlraum definierenden Grundkörper auf, dessen Innenwand für ein von dem zugeordneten Halbleiterchip ausge- sandtes Licht reflektierend ist und/oder dessen Innenwand im Wesentlichen mit einer Schicht oder Schichtenfolge, bevorzugt mit einer metallischen Schicht versehen ist, die für ein von dem zugeordneten Halbleiterchip ausgesandtes Licht reflektie- rend ist.

Alternativ ist der Konzentrator mit Vorteil ein dielektri- scher Konzentrator, dessen Grundkörper ein aus einem die- lektrischen Material mit geeignetem Brechungsindex bestehen- der Vollkörper ist, so dass über den Lichteingang eingekop- peltes Licht in diesem durch Totalreflexion an der den Licht- eingang mit dem Lichtausgang verbindenden seitlichen Grenz- fläche des Vollkörpers zum umgebenden Medium reflektiert wird. Dies hat den Vorteil, dass es aufgrund von Reflexionen im Konzentrator weitestgehend keine Lichtverluste gibt.

Mit besonderem Vorteil weist der dielektrische Konzentrator als Lichtausgang eine linsenartig gewölbte Grenzfläche auf, die z. B. sphärisch oder asphärisch gewölbt sein kann. Dadurch kann eine weitere Verringerung der Divergenz eines Lichtke- gels erzielt werden. Der Lichtausgang ist bevorzugt in der Art einer asphärischen Linse gewölbt, wodurch etwa der Größe der Chipauskoppelfläche Rechnung getragen werden kann. Sphä- rische Linsen sind für punktförmige Lichtquellen optimal und können bei nichtpunktförmigen Lichtquellen signifikant schlechtere Eigenschaften hinsichtlich einer Verringerung der Divergenz eines Lichtkegels aufweisen.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist der dielektrische Kon- zentrator mit Vorteil zumindest teilweise mit einer Schicht oder Schichtenfolge, bevorzugt mit einer metallischen Schicht versehen, die für von dem jeweiligen Halbleiterchip ausge- sandtes Licht reflektierend ist. Dies kann z. B. vorteilhaft sein, wenn der Halbleiterchip in dem Material des Konzentra- tors eingebunden ist, um zu verhindern, dass die Strahlung, die in einem ersten Teil des Konzentrators die Bedingung der Totalreflexion nicht erfüllt, seitlich aus dem Konzentrator ausgekoppelt wird.

Bevorzugt ist der Konzentrator dem Halbleiterchip in dessen Hauptabstrahlrichtung nachgeordnet und besteht zwischen der Chipauskoppelfläche und dem Lichteingang des Konzentrators ein Spalt. Dieser ist mit Vorteil weitestgehend frei von fes- ter oder viskoser Materie.

Dadurch wird erreicht, dass insbesondere Strahlen, die in be- sonders großem Winkel gegenüber der Hauptabstrahlrichtung ei- nes Halbleiterchips emittiert werden und die einen separaten Lichtkegel zu stark aufweiten würden, nicht auf den Lichtein- gang treffen, sondern seitlich an diesem vorbeilaufen und erst gar nicht in den Konzentrator eingekoppelt werden. Im Falle eines dielektrischen Konzentrators führt der Spalt da- zu, dass von den Strahlen ein umso größerer Anteil an der Grenzfläche des Lichteingangs reflektiert wird, je größer de- ren Einfallswinkel auf den Lichteingang ist. Somit wird je- weils der hochdivergente Anteil des in den Konzentrator ge- langenden Lichts abgeschwächt.

Insbesondere in diesem Zusmmenhang ist es besonders vorteil- haft, wenn dem Primäroptikelement ein oder mehrere Reflek- torelemente zugeordnet sind, die derart angeordnet und/oder von solcher Form sind, dass ein Teil der Lichtstrahlen, die nicht direkt vom Halbleiterchip in den Konzentrator gelangen, an diesen mehrfach reflektiert werden und mit einem geringe- ren Winkel zur Hauptabstrahlrichtung des Halbleiterchips auf den Lichteingang des Konzentrators gelenkt werden. Dies führt zur Erhöhung der Intensität des in den Konzentrator gelangen- den Lichts.

Zweckmäßigerweise besteht der Grundkörper des Konzentrators aus einem transparenten Glas, einem transparenten Kristall oder einem transparenten Kunststoff. In letzterem Fall ist der Konzentrator bevorzugt in einem Spritzpress-und/oder ei- nem Spritzgußverfahren gefertigt.

Besonders bevorzugt ist das Material des Grundkörpers gegen- über einer von dem Halbleiterchip ausgesandten Strahlung, insbesondere gegenüber einer elektromagnetischen Strahlung aus dem blauen oder UV Spektralbereich resistent. Das Materi- al weist hierfür z. B. Silikon auf oder besteht aus diesem.

Der Halbleiterchip ist in einer vorteilhaften Ausführungsform eine elektromagnetische Strahlung emittierende Diode, bevor- zugt eine elektromagnetische Strahlung emittierende Diode mit zumindest näherungsweise lambertscher Abstrahlcharakteristik, besonders bevorzugt ein Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip.

Ein Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip zeichnet sich insbesondere durch folgende charakteristische Merkmale aus : - an einer zu einem Trägerelement hin gewandten ersten Hauptfläche einer strahlungserzeugenden Epitaxieschichtenfol- ge ist eine reflektierende Schicht aufgebracht oder ausgebil- det, die zumindest einen Teil der in der Epitaxieschichten- folge erzeugten elektromagnetischen Strahlung in diese zu- rückreflektiert ; - die Epitaxieschichtenfolge weist eine Dicke im Bereich von 20ym oder weniger, insbesondere im Bereich von 10 Am auf ; und - die Epitaxieschichtenfolge enthält mindestens eine Halb- leiterschicht mit zumindest einer Fläche, die eine Durchmi- schungsstruktur aufweist, die im Idealfall zu einer annähernd ergodischen Verteilung des Lichtes in der epitaktischen Epi- taxieschichtenfolge führt, d. h. sie weist ein möglichst ergo- disch stochastisches Streuverhalten auf.

Ein Grundprinzip eines Dünnschicht-Leuchtdiodenchips ist bei- spielsweise in I. Schnitzer et al., Appl. Phys. Lett. 63 (16), 18. Oktober 1993,2174-2176 beschrieben, deren Offen- barungsgehalt insofern hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.

Ein Dünnfilm-Leuchtdiodenchip ist in guter Näherung ein Lam- bert'scher Oberflächenstrahler und eignet sich von daher be- sonders gut für die Anwendung in einer gerichteten Lichtquel- le.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Lichtquelle sind die Halbleiterchips auf je einem Träger angeordnet, auf dem sie jeweils von einem Rahmen umgeben sind. An oder in dem Rahmen ist das Primäroptikelement angebracht. Es wird von diesem gehalten und/oder ist durch diesen relativ zur Chip- auskoppelfläche justiert.

Zumindest Teile bzw. ein Teil der Träger und/oder jeweils der Träger und der Rahmen sind vorteilhafterweise miteinander einteilig ausgebildet.

In einer weiteren Ausführungsform der Lichtquelle ist bzw. sind die Innenfläche des Rahmens und/oder freie Flächen der zur Abstrahlrichtung des Halbleiterchips gewandten Oberfläche des Trägers für von der jeweiligen Halbleiterchip ausgesand- ten Strahlung reflektierend. Zusätzlich oder alternativ ist bzw. sind diese zumindest teilweise mit einer Schicht oder Schichtenfolge, bevorzugt mit einer metallischen Schicht ver- sehen, die für von dem jeweiligen Halbleiterchip ausgesandte Strahlung reflektierend ist.

Mit besonderem Vorteil sind mehrere Primäroptikelemente ein- teilig miteinander ausgebildet. Dies kann sowohl eine Her- stellung der Primäroptikelemente als auch eine Montage von diesen in einer Lichtquelle signifikant vereinfachen, was beispielsweise zu geringeren Herstellungskosten führen kann.

Weitere Vorteile, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbil- dungen der Lichtquelle ergeben sich aus den im folgenden in Verbindung mit den Figuren 1 bis 7 erläuterten Ausführungs- beispielen. Es zeigen : Figur 1 eine schematische Darstellung eines Schnittes durch einen Halbleiterchip mit Primäroptikelement einer Lichtquelle gemäß der Erfindung, Figur 2 eine schematische perspektivische Darstellung einer Anordnung mit Halbleiterchip und Primäroptikelement einer weiteren Lichtquelle gemäß der Erfindung, Figur 3a eine schematische perspektivische Darstellung einer Anordnung mit Halbleiterchip und Primäroptikelement einer nochmals weiteren Lichtquelle gemäß der Erfindung, Figur 3b eine schematische perspektivische Darstellung eines Schnittes durch die Anordnung mit Halbleiterchip und Primär- optikelement aus Figur 3a, der zusätzlich ein Rahmen zugeord- net ist, Figuren 4a bis 4c schematische Darstellungen von Draufsich- ten eines ersten, zweiten und dritten Ausführungsbeispiels einer Lichtquelle, Figuren 5a und 5b schematische Darstellungen von Draufsich- ten eines vierten und fünften Ausführungsbeispiels einer Lichtquelle, Figur 6 eine schematische dreidimensionale Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Primäroptikelementes, und Figur 7 eine schematische dreidimensionale Ansicht eines Ausführungsbeispiels von einteilig miteinander ausgebildeten Primäroptikelementen.

In den Ausführungsbeispielen und Figuren sind gleiche oder gleichwirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugs- zeichen versehen.

Bei der in Figur 1 gezeigten Anordnung mit Halbleiterchip 3 und Primäroptikelement 5, im Folgenden kurz Chip-Primäroptik- Element 2 genannt, ist ein Halbleiterchip 3 auf einem ersten Träger 12 aufgebracht. Das Primäroptikelement 5 ist dem Halb- leiterchip 3 in dessen Hauptabstrahlrichtung nachgeordnet.

Der erste Träger 12 ist wiederum auf einem zweiten Träger 15 aufgebracht, der als eine Wärmesenke für die vom Halbleiter- chip 3 bei dessen Betrieb erzeugte Wärme dient.

Der erste Träger 12 ist beispielsweise eine Leiterplatte (PCB), deren möglicher Aufbau und mögliche Materialien dem Fachmann bekannt sind und deshalb an dieser Stelle nicht nä- her erläutert werden. Der zweite Träger 15 besteht beispiels- weise aus Kupfer.

Der Halbleiterchip 3 ist z. B. ein Dünnfilm-Leuchtdiodenchip, der wie im allgemeinen Teil beschrieben beschaffen sein kann.

Darüber hinaus kann die Epitaxieschichtenfolge auf mindestens einem Material des Systems InxAlyGal-x-yN oder InGayAli-x-yP mit 0 < x < 1, 0 < y < 1 und x+y < 1 basieren. Er weist eine Chipauskoppelfläche 4 auf, die direkt an den Lichteingang 17 des Primäroptikelements 5 anschließt.

Das Primäroptikelement 5 ist ein dreidimensionaler, CPC- artiger Konzentrator, dessen Lichteingang 17 und Lichtausgang 18 kreisförmig sind. Durch den Lichteingang 17 tritt Licht, in Form von sichtbarer elektromagnetischer Strahlung vom Halbleiterchip 3 aus in das Primäroptikelement 5 ein. Die Strahlung wird an den den Lichteingang 17 mit dem Lichtaus- gang 18 verbindenden Wänden derart reflektiert, dass die Di- vergenz des Lichts deutlich verringert wird (angedeutet durch die Linien 16). Der aus dem Lichtausgang 18 abgestrahlte Lichtkegel hat beispielsweise einen Öffnungswinkel von unter 20°, z. B. etwa 9°, wohingegen der Halbleiterchip näherungs- weise eine lambert'sche Abstrahlcharakteristik aufweist.

Der Grundkörper des Primäroptikelements 5 fungiert wie ein Hohlkörper, dessen Innenwand mit einem für ein von dem Halb- leiterchip ausgesandtes Licht reflektierenden Material verse- hen ist. Dies kann beispielsweise eine metallische Schicht sein, die etwa aus Al besteht. Das Material, aus dem der Grundkörper im Wesentlichen gefertigt ist, kann ein Kunst- stoff wie etwa Polycarbonat sein, beispielsweise kann der Grundkörper mittels Spritzgießen aus einem solchen herge- stellt sein.

Wie in Figur 2 gezeigt, kann der Halbleiterchip 3 zusätzlich von einem Rahmen 13 umgeben sein, durch den das Primäroptik- element 5 gehalten und/oder relativ zu dem Halbleiterchip 3 justiert sein kann. Der Rahmen ist z. B. teilweise mit einer Vergußmasse gefüllt.

Bei der in Figur 2 gezeigten Anordnung mit Halbleiterchip 3 und Primäroptikelement 5 weist der CPC-artige Konzentrator im Unterschied zu dem anhand Figur 1 erläuterten Beispiel senk- recht zu dessen Hauptabstrahlrichtung einen Querschnitt mit einer quadratische Form auf, so dass insbesondere auch dessen Lichteingang (nicht gezeigt) und Lichtausgang 18 quadratisch sind. Somit ist die Form des Primäroptikelements 5 an die Form der Chipauskoppelfläche des Halbleiterchips 3 angepasst.

Dies hat zudem insbesondere den Vorteil, dass sich die Licht- ausgänge mehrerer derartiger Elemente 2 lückenlos in einer beliebig großen Fläche anordnen lassen.

Bei der Anordnung gemäß den Figuren 3a und 3b ist das Primär- optikelement 5 ein dielektrischer CPC-artiger Konzentrator, dessen Grundkörper beispielsweise aus einem transparenten Kunststoff, beispielsweise Polycarbonat besteht.

Der Lichteingang 17 weist eine quadratische Form auf, während der Lichtausgang 18 die Form eines regelmäßigen Achtecks auf- weist (rechts neben dem Primäroptikelement 5 jeweils in Draufsicht gezeigt). Dazwischen geht die Querschnittsform des Primäroptikelements 5 von der quadratischen in die achteckige Form über.

Zwischen der Chipauskoppelfläche 4 des Halbleiterchips 3 und dem Lichteingang 17 besteht ein Luftspalt 19. Dadurch wird gemäß der weiter oben im allgemeinen Teil der Beschreibung bereits dargelegten Wirkungsweise der hochdivergente Anteil des in das Primäroptikelement 5 gelangenden Lichts ge- schwächt.

In Figur 3b ist ergänzend zu Figur 3a ein Rahmen 13 des Chip- Primäroptik-Elements 2 gezeigt. Die Innenwand 20 dieses Rah- mens 13 sowie die Vorderseite des ersten Trägers 12 sind re- flektierend ausgebildet, so dass zumindest ein Teil der Strahlung, die nicht direkt in das Primäroptikelement 5 ge- langt, an diesen derart mehrfach reflektiert wird, dass sie dann mit einem geringeren Winkel zur Achse des Primäroptik- elements 5 auf dessen Lichteingang 17 gelenkt wird. Der Rah- men 13 kann hierbei einteilig mit dem ersten Träger 12 ausge- bildet sein, was natürlich eine mehrteilige Ausführung even- tuell mit Bestandteilen aus unterschiedlichen Materialien nicht ausschließt.

Alternativ kann der Halbleiterchip 3 auch in dem Material des Primäroptikelements 5 eingebettet sein oder kann dessen Chip- auskoppelfläche mit dem Lichteingang 17 physikalischen Kon- takt haben.

Zumindest ein Teil der den Lichteingang 17 mit dem Lichtaus- gang 18 verbindenden Seitenfläche des Grundkörpers des Pri- märoptikelements 5 kann mit einer reflektierenden Schicht (z. B. Al) versehen sein, derart, dass in den Lichteingang 17 eingekoppelte Lichtstrahlen, welche die Bedingung der Total- reflexion an der Seitenfläche nicht erfüllen, dennoch an die- ser weitestgehend reflektiert werden. Insbesondere bei dem an den Lichteingang 17 angrenzenden und damit dem Halbleiter- chips 3 nächstliegenden Teil der Seitenfläche kann dies zweckmäßig sein.

Das in Figur 6 dargestellte Primäroptikelement 5 weist im Un- terschied zu den in den Figuren 1 bis 3b dargestellten Pri- märoptikelementen Seitenwände auf, die in geraden Linien von dem Lichteingang 17 zum Lichtausgang 18 verlaufen. Das Pri- märoptikelement 5 ist ein dielektrischer Konzentrator mit ei- ner kegelstumpfartigen Grundform, wobei der Lichtausgang 18 nicht eben, sondern in der Art einer asphärischen Linse nach außen gewölbt ist. Verglichen mit einer sphärischen Wölbung nimmt die Wölbung beispielsweise mit zunehmendem Abstand von der optischen Achse des Primäroptikelementes ab, um dem Um- stand Rechnung zu tragen, dass der Lichtkegel, dessen Diver- genz durch das Primäroptikelement zu verringern ist, keine punktförmige Lichtquelle sondern eine Lichtquelle mit einer gewissen Ausdehnung ist.

Ein Primäroptikelement wie das in Figur 6 dargestellte hat verglichen mit den in den Figuren 1 bis 3b dargestellten Pri- märoptikelementen 5 den Vorteil, dass mit ihm eine vergleich- bare Verringerung der Divergenz eines Lichtkegels bei gleich- zeitig signifikanter Verringerung der Bauhöhe des Primärop- tikelements 5 erzielt werden kann. Ein weiterer Vorteil des in Figur 6 dargestellten Primäroptikelementes ist, dass die- ses aufgrund seiner geraden Seitenflächen einfacher mittels einem Spritzverfahren wie beispielsweise Spritzgießen oder Spritzpressen, hergestellt werden kann.

Der Lichteingang weist z. B. eine Lichteingangsfläche auf, die etwa so groß ist wie eine Chipauskoppelfläche eines mit dem Primäroptikelement zu verwendenden Halbleiterchips. Dadurch kann eine besonders gute Ausnutzung der Divergenz verringern- den Eigenschaften des Primäroptikelementes erreicht werden.

Besonders bevorzugt ist die Lichteingangsfläche maximal 1,5 mal so groß wie die Chipsauskoppelfläche.

Es ist auch möglich, das Primäroptikelement z. B. mit einem Halbleiterchip zu verwenden, dessen Chipauskoppelfläche grö- ßer ist als die Lichteingangsfläche, was jedoch zu einer et- was geringeren Effektivität hinsichtlich emittierter Licht- stärke und Lichtdichte führen kann. Simulationen haben in ei- nem Beispiel ergeben, dass für den Fall einer etwas größeren Chipauskoppelfläche etwa 10 % weniger Lichtintensität in ei- nen Raumwinkel von 15° abgestrahlt werden kann, als bei einer Chipauskoppelfläche, die etwas kleiner ist als die Lichtein- gangsfläche.

Insbesondere mittels einem Spritzverfahren ist es möglich, mehrere Primäroptikelemente einteilig miteinander auszubil- den, wie als Beispiel in Figur 7 dargestellt. Die Primärop- tikelemente 5 sind in diesem Ausführungsbeispiel durch eine Trägerplatte 50 miteinander verbunden, wobei die Trägerplatte nahe dem Lichtausgang 18 angeordnet ist, so dass von der ei- nen Seite der Trägerplatte 50 her pyramidenstumpfartige Teile der Primäroptikelemente 5 ausgehen und auf der anderen Seite linsenartige Elemente ausgebildet sind, deren Außenfläche je- weils den Lichtausgang 18 der Primäroptikelemente 5 bildet.

Alternativ zu den anhand der Figuren 6 und 7 erläuterten Aus- führungsbeispiele für Primäroptikelemente 5 können diese statt einer pyramidenartigen Grundform beispielsweise auch eine kegelstumpfartige Grundform oder eine Grundform mit ei- nem rechteckigen Querschnitt aufweisen. Es ist ebenso denk- bar, dass der quadratische Querschnitt der Primäroptikelemen- te in den Figuren 6 und 7 zum Lichtausgang 18 hin in eine Querschnittsform übergeht, die mehr als 4 Ecken aufweist, a- nalog zu dem Ausführungsbeispiel, das vorhergehend anhand der Figuren 3a und 3b beschrieben wurde.

Weiterhin ist es möglich, dass das Primäroptikelement derart gestaltet ist, dass eine Divergenz von elektromagnetischer Strahlung in unterschiedlichen, parallel zu einer Hauptab- strahlrichtung des Primäroptikelementes verlaufenden Ebenen unterschiedlich stark verringert wird. Beispielsweise ist der Öffnungswinkel eines emittierten Lichtkegels in einer Ebene etwa 7° und in einer zu dieser Ebene senkrechten Ebene (Schnittfläche entlang einer Hauptabstrahllinie) etwa 10° groß.

Ebenso ist es möglich, dass CPC-, CEC-oder CHC-artige die- lektrische Konzentratoren zur weiteren Verringerung der Di- vergenz eines Lichtkegels ebenfalls einen linsenartig gewölb- ten Lichtausgang aufweisen. Als Alternative zu einem die- lektrischen Konzentrator kann der Konzentrator auch aus einem Hohlkörper mit reflektierenden Innenwänden bestehen, dessen Lichtausgang in Abstrahlrichtung des Konzentrators eine Linse nachgeordnet ist. Beispielsweise ist die Linse auf den Licht- ausgang aufgesetzt.

Bei dem in Figur 4a gezeigten Ausführungsbeispiel einer Lichtquelle ist eine Vielzahl von Chip-Primäroptik-Elementen 2 in drei örtlich voneinander getrennten Gruppen 101,102, 103 angeordnet.

Die Chip-Primäroptik-Elemente 2 können beispielsweise gemäß einem oder mehrerer der oben in Verbindung mit den Figuren 1 bis 3b beschriebenen Beispiele beschaffen sein.

Sie sind in jeder Gruppe 101,102, 103 matrixartig angeordnet und die Lichtausgänge der Primäroptikelemente 5 schließen weitestgehend lückenlos aneinander an. Auf diese Weise kann ein weitestgehend homogener Lichtkegel emittiert werden, ob- wohl zwischen den Halbleiterchips relativ große Abstände mög- lich sind, was bezüglich der Abfuhr der von den Halbleiter- chips bei deren Betrieb erzeugten Wärme vorteilhaft ist.

Jede der Gruppen 101, 102', 103 weist jeweils Halbleiterchips von nur einer Chipsorte auf. Die erste Gruppe 101 emittiert grünes Licht, die zweite Gruppe 102 rotes Licht und die drit- te Gruppe 103 blaues Licht, wie jeweils durch die Buchstaben G, R oder B symbolisiert ist. Von jeder der Gruppen 101,102, 103 wird jeweils ein separater Lichtkegel emittiert, wie durch Pfeile 201,202, 203 jeweils angedeutet ist.

Mittels zweier selektiv reflektierender Einheiten 31,32 wer- den die separaten Lichtkegel 201,202, 203 zu einem gemeinsa- men Lichtkegel 211 überlagert. Dabei wird zunächst mittels der ersten selektiv reflektierenden Einheit 31 der zweite se- parate Lichtkegel 202 in den Strahlgang des ersten separaten Lichtkegels 201 gebracht. Die erste selektiv reflektierende Einheit 31 ist für das grüne Licht des ersten separaten Lichtkegels 201 durchlässig und für das rote Licht des zwei- ten separaren Lichtkegels 202 reflektierend, so dass beide separaten Lichtkegel zu einem Zwischen-Lichtkegel 210 überla- gert werden.

Analog wird mittels der zweiten selektiv reflektierende Ein- heit 32 der dritte separate Lichtkegel 203 mit dem Zwischen- Lichtkegel 210 zu einem gemeinsamen Lichtkegel 211 überla- gert. Dabei kann die zweite selektiv reflektierende Einheit 32 entweder für das Licht des Zwischen-Lichtkegels 210 durch- lässig und für das Licht des dritten separaten Lichtkegels 103 reflektierend sein oder umgekehrt, so dass für die Licht- quelle 1 zwei verschiedene Lichtausgänge möglich sind.

In dem gemeinsamen Lichtkegel 211 wird weitestgehend homoge- nes Licht mit einem weitestgehend einheitlichen Farbort in der CIE-Farbtafel abgestrahlt. Dabei ist der Farbort durch die von den Gruppen jeweils emittierte Lichtintensität, d. h. durch die Größe der an den Halbleiterchips verschiedener Gruppen 101,102, 103 angelegte Betriebsspannung steuerbar.

Insbesondere lässt sich so weißes Licht erzeugen, genauso je- doch auch jede beliebige andere Mischfarbe aus den Farben des Lichts der drei separaten Lichtkegel 201,202, 203.

Die selektiv reflektierenden Einheiten 31,32 sind z. B. dich- roitische Schichtsysteme, d. h. selektiv reflektierende Ein- heiten, die einen Teil des Spektrums im wesentlichen reflek- tieren und im übrigen Spektralbereich weitestgehend transmit- tierend sind. Sie weisen mehrere Lagen unterschiedlich hoch- und niedrigbrechender Materialien auf, die z. B. mittels Sput- tern auf Foliensubstrate aufgebracht werden können.

Integriert sind die selektiv reflektierenden Einheiten je- weils in einem Zusammenblendwürfel 61,62 wobei der Lichtaus- gang des ersten Zusammenblendwürfels 61 direkt an einen Lichteingang des zweiten Zusammenblendwürfels 62 anschließt.

Neben den selektiv reflektierenden Einheiten kann der Zusam- menblendwürfel aus einem geeigneten, lichtdurchlässigen Mate- rial, z. B. einem transparenten Kunststoff wie Polycarbonat bestehen. Alternativ kann der Zusammenblendwürfel auch wegge- lassen werden, so dass die Sekundäroptik im Wesentlichen aus den selektiv reflektierenden Einheiten und ggf. zugehörigen Trägersystemen besteht.

Im Unterschied zu dem anhand Figur 4a beschriebenen Ausfüh- rungsbeispiel weist die in Figur 4b gezeigte Lichtquelle ei- nen Zusammenblendwürfel mit drei Lichteingängen und einem Lichtausgang auf, in den zwei selektiv reflektierende Einhei- ten 31,32 integriert sind. Die separaten Lichtkegel 201, 202,203 werden nach dem gleichen technischen Prinzip wie o- ben dargelegt mittels der selektiv reflektierenden Einheiten 31,32 überlagert.

Bei der in Figur 4c veranschaulichten Lichtquelle sind im Un- terschied zu den vorgenannten Ausführungsbeispielen alle Chip-Primäroptik-Elemente 2 in einer gemeinsamen Ebene ange- ordnet, beispielsweise auf einem gemeinsamen Träger (nicht gezeigt). Dadurch kann deren Montage signifikant vereinfacht werden. Der erste separate Lichtkegel 201 wird hierbei mit- tels eines Spiegel, z. B. eines metallischen Spiegels, in den gewünschten Strahlengang gebracht. Die erste selektiv reflek- tierende Einheit 31 ist für grünes Licht der Gruppe 101 durchlässig und reflektiert rotes Licht der Gruppe 102. Die zweite selektiv reflektierende Einheit 32 ist für grünes und rotes Licht der Gruppe 101 bzw. 102 durchlässig und für blau- es Licht der Gruppe 102 reflektierend.

In den Figuren 5a und 5b sind Lichtquellen gezeigt, bei denen die Chips-Primäroptik-Elemente 2 in insgesamt zwei örtlich voneinander getrennten Gruppen 101,102 angeordnet sind. Dabei weist die erste Gruppe 101 nur Halbleiterchips einer Chipsor- te auf, die grünes Licht emittiert, symbolisiert durch den Buchstaben G. Die zweite Gruppe 102 weist dagegen Halbleiter- chips einer zweiten und einer dritten Chipsorte auf, wobei die zweite Chipsorte rotes Licht und die dritte blaues Licht emittiert, symbolisisert durch die Buchstabenkombination R/B.

Die Halbleiterchips unterschiedlicher Chipsorten der zweiten Gruppe 102 sind gleichmäßig miteinander durchmischt angeord- net, so daß deren Strahlung in deren separaten Lichtkegel 102 zumindest teilweise bereits durchmischt ist.

Wenn aus gesättigtem grünen, roten und blauen Licht weißes Licht erzeugt werden soll, so benötigt man von der gesamten Lichtintensität etwa 65 % an grünem Licht, etwa 28 % an rotem Licht und. etwa 7 % an blauem Licht. Berücksichtigt man zudem typische Werte der Lichtintensität entsprechender verschie- denfarbiger Leuchtdiodenchips, so benötigt man mehr als 50 % grün-emittierende Halbleiterchips.

Dieser Verteilung entspricht die Anzahl von Halbleiterchips unterschiedlicher Chipsorten in den in Figuren 5a und 5b ge- zeigten Lichtquellen. Demnach kann mit diesen Lichtquellen weißes Licht erzeugt werden, wenn beispielweise die Halblei- terchips alle ungefähr mit ihrer maximalen Leistung betrieben werden. Dies kann auch bei den anhand den Figuren 4a bis 4c erläuterten Ausführungsbeispielen der Fall sein, wenn man die Anzahl von Halbleiterchips der jeweiligen Chipsorte entspre- chend anpasst.

Die Lichtquelle ist insbesondere für Projektionssysteme, bei- spielsweise zum Projezieren von veränderlichen Bildern, ge- eignet, da mit ihr beispielsweise die Ecken eines typischer- weise rechteckigen oder quadratischen Querschnitts besser ausgeleuchtet werden können als mit herkömmlichen Lichtquel- len, bei denen zudem in der Regel die Verwendung zusätzlicher Blenden erforderlich ist.

Die obige Erläuterung der Erfindung anhand der Ausführungs- beispiele ist nicht als eine Beschränkung der Erfindung auf diese zu verstehen. So entspricht es etwa auch dem Wesen der Erfindung, wenn einem Primäroptikelement mehrere Halbleiter- chips zugeordnet sind. Die Erfindung umfasst auch die Mög- lichkeit, dass die Lichtquelle mindestens eine Kondensorlinse aufweist, mittels der die Divergenz des gemeinsamen Lichtke- gels oder eines oder mehrerer separater Lichtkegel verringert wird. Ebenso umfasst sie, dass jedem Halbleiterchip in Ab- strahlrichtung neben dem Primärotptikelement ein weiteres Op- tikelement nachgeordnet ist, beispielsweise zur Verringerung der Divergenz einer vom Halbleiterchip emittierten Strahlung.

Es sei angemerkt, dass ein wesentlicher Aspekt der Erfindung auf der Verwendung eines Konzentrators in umgekehrter Rich- tung beruht, um die Divergenz der Strahlung von Leuchtdioden- chips zu verringern.

Die Lichtquelle eignet sich, wie oben erwähnt, vorzugsweise für die Verwendung von sichtbares Licht aussendenen Halblei- terchips. Denkbar ist grundsätzlich jedoch auch die Verwen- dung von Infrarot-oder UV-emittierenden Halbleiterchips. In diesen Fällen wird mittels Leuchtstoffen sichtbare Strahlung erzeugt, die dann mittels selektiv reflektierender Einheiten zu den gewünschten Lichtkegeln überlagert wird.

Alternativ zu den selektiv reflektierenden Einheiten können auch andere Einrichtungen, wie etwa Prismen, zur Überlagerung der separaten Lichtkegel verwendet werden.

Zudem umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal und jede Kom- bination von Merkmalen der Ausführungsbeispiele und der An- sprüche, auch wenn solche Kombinationen nicht explizit in den Ansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben sind.