JP2009535851A - 発光ダイオード用の光分散及び光の所定波長の優先的散乱の方法並びにこれにより構成される電球 - Google Patents

Abstract

ＬＥＤ又はＬＥＤ電球における、光の所定波長の優先的散乱と光の分散の双方又は一方の方法に関する。本方法は、少なくとも１つのＬＥＤダイから光を放射すること、少なくとも１つのＬＥＤダイからの光の少なくとも１つの支配的波長の分数の大きさを有する複数の粒子をＬＥＤ殻中、ＬＥＤ電球中又はＬＥＤ電球殻中に分散させることにより、少なくとも１つのＬＥＤダイからの光を散乱させることを含む。代替的に、本方法は、少なくとも１つのＬＥＤダイから光を放射すること、ＬＥＤからの光の支配的波長の１ないし数倍の大きさを有する複数の粒子をＬＥＤ電球の殻又は本体中に分配することにより、少なくとも１つのＬＥＤダイからの光を分散させることを含む。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２００６年５月２日に出願されたアメリカ合衆国仮特許出願第６０／７９７１１８号の優先権を主張するものであり、これをこの参照によって全体的にここに組み込む。

発明の分野
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）に関し、また照明用電球のＬＥＤ電球による置換に関する。特に、ＬＥＤを白熱電球の色により厳密に一致させるためにＬＥＤにより発生される光の所定波長を優先的に散乱すること及び光を分散すること、又は置換される電球の光の色と空間的パターンに一致させるために置換用電球に使用するＬＥＤの光の所定波長を優先的に散乱すること及び光を分散することに関する。

発明の背景
ＬＥＤは、半導体接合から成り、この接合を流れる電流により発光する。一見すると、ＬＥＤは伝統的なタングステンフィラメント白熱電球を置き換えるのに好適であるように見える。それは同電力では白熱電球よりも遙かに多くの光出力を発生し、同じことであるが、それは同等の光に対して使用電力がかなり少なく、また、その運用年数は桁違いに大きく、すなわち、１０００〜２０００時間に対して１万〜１０万時間である。

しかしながら、ＬＥＤとこれにより構成される電球には、色の問題がある。「白色」ＬＥＤは、電球に使用される典型的なものであるが、今日、２つの方法のいずれかで作成されている。より一般的な方法は、青色ＬＥＤをキャップで覆うことであり、これは、他の可能な光学的特性に加えて、青色光を吸収して他の波長の光を再放射する蛍光体で覆われている。ＬＥＤ製造者側の主な研究努力は、より良い蛍光体の設計に向けられているが、これは、現在知られている蛍光体の色表現がかなり貧弱なためである。加えて、この蛍光体は、余りにも多くの光で過駆動されると飽和し、青色を通過させ、過駆動の白色ＬＥＤに特徴的な青色を呈する。

蛍光体による方法の更なる問題は、吸収と再放射の量子効率が１より小さく、ＬＥＤの光出力の一部が熱として失われ、ＬＥＤの発光効率を減少させ、熱散逸を増加することである。

「白色」ＬＥＤを作成する他の方法は、３個（又は４個以上）のＬＥＤ、典型的には赤色、青色及び緑色（ＲＧＢ）を使用することであり、これらは、任意の所望色の単一光源を近似するように相互に十分近接して配置される。この方法の問題は、異なる色のＬＥＤが異なる速度で経年変化し、生成される実際の色が年と共に変わることである。「白色ＬＥＤ」を得る１つの付加的な方法は、ＪＫＬランプ（商標）により作成されたもののように、青色又は他の色のＬＥＤに着色カバーを用いることである。しかし、これは光の重大な損失を伴う。

ＬＥＤ電球は、使用するＬＥＤと同じ問題を有しており、更にＬＥＤが点光源であるという事実に基づく問題を抱えている。電球の色調整の試みは、更なる光強度の損失という結果となる。

更に、ＬＥＤ電球は、ある程度白熱電球と同様に、その表面にほぼ一様に光が出射するよう、その光出力を拡散するべきである。過去、ＬＥＤは、このＬＥＤからの光を広げるために殻や本体に付加的な拡散器を有していた。他の方法は、ＬＥＤパッケージの表面を粗面化することであった。このどちらの方法もＬＥＤ電球の光分配の一様化を達成しておらず、発光効率を低下させる可能性がある。角度的な一様性を近似的に達成する方法は、部分的に吸収過程をも伴い、更に発光効率を低下させる。加えて、ＲＧＢ（赤、緑、青）システムは、全角度で光を適切に混合する上での問題を抱えている。

本発明は、光強度の損失を少なく又は皆無にしつつ、現在利用可能なものよりも白熱灯の色に近いＬＥＤとＬＥＤ電球の光を生成するための手段を開発するという目的を有する。

発明の概要
本発明の１つの実施形態では、ＬＥＤダイからの青色光を「白色」光に変換する蛍光体の保持に通常用いられる少なくとも１つの殻（shell）は、ＬＥＤ光の支配的波長の分数の大きさを持つ粒子を含み、この粒子は光をレイリー散乱させ、赤色の優先的散乱を生じる。本発明の他の実施形態では、少なくとも１つの殻は、蛍光体とレイリー散乱体の双方を持つ。

本発明の更なる目的は、光強度損失を少なく又は皆無にしつつ、現在利用可能な方法の使用で可能なものより白熱灯の色に近いＬＥＤ電球光を発生する手段を開発することである。本発明の１つの実施形態では、電球は、ＬＥＤ光の支配的波長の分数の大きさの粒子を含み、この粒子は光をレイリー散乱させ、赤色の優先的散乱を生じる。本発明の他の実施形態では、電球の少なくとも１つの殻だけがレイリー散乱体を持つ。

本発明のまた更なる目的は、光強度損失を少なく又は皆無にしつつ、ＬＥＤ電球表面にほぼ一様に光を分散する手段を開発することである。本発明の１つの実施形態では、電球は、ＬＥＤ光の支配的波長又は混色システムの多数ＬＥＤの波長の１ないし数倍の大きさの粒子を含み、この粒子は光をミー散乱させ、電球表面にほぼ一様に光を分散する。本発明の他の実施形態では、電球の少なくとも１つの殻だけがミー散乱体を持つ。

他の実施形態によれば、この方法は、少なくとも１つのＬＥＤを発光させること及び少なくとも１つのＬＥＤからの光の支配的波長又は混色システムの多数ＬＥＤの波長の１ないし数倍の大きさの複数粒子をＬＥＤ電球の少なくとも１つの殻に分配することにより、少なくとも１つのＬＥＤからの光を分散させることから成る。

本発明の更なる実施形態によれば、現在利用可能な方法の使用で可能なものより白熱灯の色に近いＬＥＤ電球光を発生する方法であるこの方法は、少なくとも１つのＬＥＤを発光させること及び少なくとも１つのＬＥＤからの光の支配的波長又は混色システムの多数ＬＥＤの波長の分数の大きさの複数粒子をＬＥＤ電球の殻に分配することにより、少なくとも１つのＬＥＤからの赤色光を優先的に散乱させることから成る。

本発明の他の実施形態によれば、ＬＥＤ電球における光を分散させる方法であるこの方法は、少なくとも１つのＬＥＤを発光させること及び少なくとも１つのＬＥＤからの光の支配的波長又は混色システムの多数ＬＥＤの波長の１ないし数倍の大きさを有する複数の粒子をＬＥＤ電球に分配することにより、少なくとも１つのＬＥＤからの光を散乱させることから成る。

本発明の更なる実施形態によれば、ＬＥＤ電球における光を優先的に散乱させる方法であるこの方法は、少なくとも１つのＬＥＤを発光させること及び少なくとも１つのＬＥＤからの光の支配的波長又は混色システムの多数ＬＥＤの波長の１ないし数倍の大きさを有する複数の粒子をＬＥＤ電球に分配することにより、少なくとも１つのＬＥＤからの光を散乱させることから成る。

本発明の他の実施形態によれば、ＬＥＤは、ＬＥＤダイ、前記ダイを封入又は部分的に封入し、複数の粒子を内部に分散し、この複数の粒子はＬＥＤから放射される光の分散と波長の優先的散乱の双方又は一方を行う大きさである、殻から成る。

本発明の更なる実施形態によれば、ＬＥＤ電球は、複数の粒子が内部又は電球内に分散された少なくとも１つの殻を持つ電球、前記電球の内部又は前記電球に光学的に結合された少なくとも１つのＬＥＤ、及び前記複数の粒子が少なくとも１つのＬＥＤから放射される光の分散と波長の優先的散乱の双方又は一方を行う大きさであることから成る。

図面の簡単な記述
添付図面は、本発明を更に理解するためのものであり、本明細書に組み込まれ、その一部を構成する。図面は、本発明の実施形態を例示しており、その説明と共に、本発明の原理を明白にするために役立つ。図面において、
図１は、亜波長（sub-wavelength）粒子によるレイリー散乱を行うＬＥＤ放射光の断面図であり、
図２は、超波長（supra-wavelength）粒子によるミー散乱を行うＬＥＤ放射光の断面図であり、
図３は、電球内に組み込まれたＬＥＤを示すＬＥＤ電球の断面図であり、この電球とその殻はレイリー散乱体とミー散乱体の双方を含んでおり、
図４は、プラスチックに組み込まれたＬＥＤダイを示すＬＥＤの断面図であり、このプラスチックとその殻はレイリー散乱体とミー散乱体の双方を含んでいる。

詳細な記述
ここで、本発明の好適な実施形態の詳細な参照を行うが、その例は添付図面に図示されている。同一又は類似の部分の参照については、可能なら常に、同一の参照番号を図面及び説明中で使用する。設計の特徴に従い、各々の好適な実施形態の詳細な説明を以下で行う。

図１は、第１実施形態に従うものであり、亜波長（sub-wavelength）粒子２０でレイリー散乱されたＬＥＤ放射光の断面図を示す。図１に示されているように、典型的には、入射光１０は複数の波長成分を含み、ＬＥＤ（不図示）内に用いられている発光材料に基く波長５０を含んでいる。例えば、典型的なＬＥＤ放射スペクトルでは、ＬＥＤから放射される青色対応の波長５０は、約４３０ｎｍとなる。図１に示されているように、入射光１０は、実効径６０を有する複数の分散粒子２０の組にぶつかる。実効径６０は、好ましくは支配的波長５０の分数であり、入射光１０のレイリー散乱の条件を創出する。例えば、分散粒子２０の組は、８０ｎｍの酸化アルミニウムの粒子である。当然のことながら、発光源又はＬＥＤの波長５０の分数でレイリー散乱を生ずる実効径６０を持つその他の粒子を使用することができる。当然のことながら、粒子は、球状である必要はなく、ほぼ球状である必要さえなく、円板状又は棒状の粒子のような他の形状を用いることができる。図１に示されているように、短波長成分３０は、粒子２０で散乱されるが、長波長成分を有する透過光４０は、実質的に影響を受けない。このように、透過光４０は、光強度に重大な影響を及ぼさず、入射光１０に比して赤色が強められる。

図２は、他の実施形態によるものであり、複数の超波長（supra-wavelength）粒子７０でミー散乱され、波長８０の各々が等しく散乱されたＬＥＤ放射光の断面図を示す。典型的には、入射光１０は複数の波長成分を含み、ＬＥＤ（不図示）内に用いられている発光材料に基く波長５０を含んでいる。例えば、典型的なＬＥＤ放射スペクトルでは、ＬＥＤから放射される青色対応の波長５０は、約４３０ｎｍとなる。図２に示されているように、入射光１０は、実効径９０を有する複数の分散粒子７０の組にぶつかるが、この実効径９０は、ＬＥＤから放射される光の支配的波長５０より大きい。分散粒子７０の実効径９０は、好ましくは発光源の支配的波長の１ないし数倍の大きさである。例えば、青色を発生するＬＥＤに対しては、分散粒子７０の組は、約１．１μｍの径を有するアルミナ三水和物とし得る。当然のことながら、発光源又はＬＥＤの支配的波長５０より大きくミー散乱を生ずる実効径９０を有する任意の適当な粒子を使用することができる。当然のことながら、粒子は、球状である必要はなく、ほぼ球状である必要さえなく、円板状又は棒状の粒子のような他の形状を用いることができる。これは、入射光１０のミー散乱の条件を創出するが、各々の入射波長５０は、出射波長８０として散乱される。このように、透過光又は出射波長８０は、光強度に重大な影響を及ぼさず、入射光に関連する方向に分散される。

図３は、１つの実施形態によるものであり、ＬＥＤ電球１１０とこの電球１１０に組み込まれたＬＥＤ１２０を有するレイリー散乱・ミー散乱システム１００の断面図を示す。電球１００は、電球１１０の内部１３０に組み込まれたＬＥＤ１２０から成り、外面又は殻１４０を有する。ＬＥＤ電球１００は、発光する少なくとも１つのＬＥＤ１２０をその内部に含む。図３に示されるように、電球１１０の内部１３０及び殻１４０は、レイリー散乱とミー散乱の双方に従ってＬＥＤ１２０から発生される光の散乱を生ずるために、分散粒子２０、７０の組を含む。ＬＥＤ１２０から放射される光は、幾つかの波長を含み得るが、現在のＬＥＤ技術の制約により青が望ましくない程度に強められている。ＬＥＤ１２０から放射される光を優先的に散乱させるために、電球殻１４０と電球１１０の本体又は内部１３０は、レイリー散乱２０とミー散乱７０の双方に対応する波長を有する分散粒子２０、７０の組の双方を含む。青色光を発生するＬＥＤ１２０の場合、分散粒子２０、７０の組は、ＬＥＤ１２０から放射される光より白熱灯的であると共に、他のＬＥＤ１２０で可能な光放射角度より更に分散される光を発生する。当然のことながら、電球１１０は、２以上の殻１４０を有することが可能であり、１以上の殻１４０又は内部１３０は、レイリー散乱とミー散乱の双方又は一方を生じる分散粒子２０、７０を含むことが可能である。

図４は、他の実施形態によるものであり、ＬＥＤ２００の断面図を示し、プラスチック材料２３０に組み込まれたＬＥＤダイ２２０を示している。ＬＥＤダイ２２０は、プラスチック材料２３０又は内部２３２に組み込まれ、殻２４０を含む。プラスチック材料２３０及び殻２４０は、各々複数の分散粒子２０、７０を内部に含む。複数の分散粒子２０、７０は、ＬＥＤ２００で発生された光がレイリー散乱とミー散乱をそれぞれ生じるための実効径を有する。図４に示されるように、ＬＥＤ２００は、所定波長組の光の放射源であるＬＥＤダイ２２０を少なくとも１つ内部に含む。典型的には、ＬＥＤダイ２００及び対応する光源は多くの波長を含み、現在の技術の制約のため、好ましからざる程度に青や紫が強められている。典型的には、ＬＥＤ殻２４０は、光の一部を低い周波数に変換する蛍光体で被覆されており、光の色を白熱灯に近づけるが、なお好ましからざる程度に青が強められている。ＬＥＤ２００では、殻２４０とＬＥＤ本体２３０は、分散粒子２０、７０の双方を含み、この各々は光源の光のレイリー散乱とミー散乱を生じるための実効径６０、９０を持っている。結果的に、ＬＥＤ２００から放射される光は、ＬＥＤダイ２２０から放射される光よりも青みが少ないと共により白熱灯的であり、同時に、他のＬＥＤダイ２２０で可能な光放射角度より更に分散されている。分散粒子２０、７０の追加は、ＬＥＤ２００に通常加えられる蛍光体及び光学素子への追加とすることができる。

当業者にとって明らかなことであるが、本発明の範囲又は精神を逸脱することなく本発明の構成に種々の修正や変更を加えることが可能である。上記記載に照らし、意図されていることは、本発明が、添付の特許請求の範囲及びその均等物の範囲に入るものであれば本発明の修正や変更を含むことである。

亜波長（sub-wavelength）粒子によるレイリー散乱を行うＬＥＤ放射光の断面図である。 超波長（supra-wavelength）粒子によるミー散乱を行うＬＥＤ放射光の断面図である。 電球内に組み込まれたＬＥＤを示すＬＥＤ電球の断面図であり、この電球とその殻はレイリー散乱体とミー散乱体の双方を含んでいる。 プラスチックに組み込まれたＬＥＤダイを示すＬＥＤの断面図であり、このプラスチックとその殻はレイリー散乱体とミー散乱体の双方を含んでいる。

Claims (16)

1. ＬＥＤにおける光の所定波長を優先的に散乱させる方法であって、
   ＬＥＤダイから光を放射させること、及び
   ＬＥＤからの光の少なくとも１つの支配的波長の分数の大きさを有する複数の粒子をＬＥＤの少なくとも１つの殻又は本体に分散させることにより、ＬＥＤダイからの光を散乱させること
   から成る方法。
2. 前記散乱がレイリー散乱である、請求項１の方法。
3. ＬＥＤ電球における光の所定波長を優先的に散乱させる方法であって、
   少なくとも１つのＬＥＤから光を放射させること、及び
   少なくとも１つのＬＥＤからの光の少なくとも１つの支配的波長の分数の大きさを有する複数の粒子をＬＥＤ電球の少なくとも１つの殻に分散させることにより、ＬＥＤからの光を散乱させること
   から成る方法。
4. 前記散乱がレイリー散乱である、請求項３の方法。
5. ＬＥＤ電球における光の所定波長を優先的に散乱させる方法であって、
   少なくとも１つのＬＥＤから光を放射させること、及び
   少なくとも１つのＬＥＤからの光の少なくとも１つの支配的波長の分数の大きさを有する複数の粒子をＬＥＤ電球に分散させることにより、ＬＥＤからの光を散乱させること
   から成る方法。
6. 前記散乱がレイリー散乱である、請求項５の方法。
7. ＬＥＤ電球における光を分散させる方法であって、
   少なくとも１つのＬＥＤから光を放射させること、及び
   少なくとも１つのＬＥＤからの光の支配的波長の１ないし数倍の大きさを有する複数の粒子をＬＥＤ電球に分配することにより、少なくとも１つのＬＥＤからの光を散乱させること
   から成る方法。
8. 前記散乱がミー散乱である、請求項７の方法。
9. ＬＥＤ電球における光を分散させる方法であって、
   少なくとも１つのＬＥＤから光を放射させること、及び
   少なくとも１つのＬＥＤからの光の支配的波長の１ないし数倍の大きさを有する複数の粒子をＬＥＤ電球の少なくとも１つの殻中に分配することにより、少なくとも１つのＬＥＤからの光を散乱させること
   から成る方法。
10. 前記散乱がミー散乱である、請求項９の方法。
11. ＬＥＤダイ、
    前記ダイを封入又は部分的に封入し、複数の粒子を内部に分散し、この複数の粒子はＬＥＤから放射される光の分散と所定波長の優先的散乱の双方又は一方を行う大きさである、少なくとも１つの殻
    から成るＬＥＤ。
12. 前記複数の粒子がレイリー散乱により前記ＬＥＤから放射される赤色光を優先的に散乱する大きさの粒子を含む、請求項１１のＬＥＤ。
13. 前記複数の粒子がミー散乱により前記ＬＥＤから放射される光を分散する大きさの粒子を含む、請求項１１のＬＥＤ。
14. 複数の粒子が内部に分散された少なくとも１つの殻を持つ電球、
    前記電球の内部又は前記電球に光学的に結合された少なくとも１つのＬＥＤ、及び
    前記複数の粒子が少なくとも１つのＬＥＤから放射される光の分散と所定波長の優先的散乱の双方又は一方を行う大きさであること
    から成るＬＥＤ電球。
15. 前記複数の粒子がレイリー散乱により少なくとも１つのＬＥＤから放射される光の所定波長を優先的に散乱する大きさの粒子を含む、請求項１４のＬＥＤ電球。
16. 前記複数の粒子がミー散乱により少なくとも１つのＬＥＤから放射される光を分散する大きさの粒子を含む、請求項１４のＬＥＤ電球。

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