JP2010514209A - 多色発光源と散乱素子を使用する照明システム - Google Patents

Abstract

本願の発光装置は、多色光を放射する光源を有する。散光物質は、上記光源によって発光された多色光の少なくとも一部を受光し、上記多色光を前方移動光および後方移動光に変換する。光学素子は、上記散光物質に結合しており、上記後方移動光を受光し、上記後方移動光の少なくとも一部を、上記光学素子から取り出すのに適用される。
【選択図】図７Ａ

Description

本願は、２００６年１２月２０日に出願した米国特許出願番号１１/６４２,０８９の優先権を主張する出願である。上記出願の内容は、本明細書によって完全に取り込まれている。

固体の発光源装置は、発光ダイオード（ＬＥＤ）および共振空洞ＬＥＤ（ＲＣＬＥＤ：resonant cavity ＬＥＤ）を有する固体のランプを含み、非常に実用的である。何故なら、固体の発光源装置は、潜在的により低い製作費用を提供し、従来の白熱ランプおよび蛍光灯ランプ以上の長期間の耐用期間の利益を提供してくれる。固体の発光源装置は、たとえ初期コストが従来タイプのランプよりも大きいときであっても、長い動作（点灯）時間および低い電力損失のおかげで、しばしば有効なコスト利益を提供してくれる。大規模な半導体製造技術を使用することができるので、多量の固体ランプが、非常に低コストで製作することが可能である。

ＬＥＤは、家庭や一般消費者用の表示灯、オーディオ・ビジュアル設備、通信装置、自動車用計器標識における応用に加えて、室内および室外の情報表示用においてもかなりの応用が見つかりつつある。

短波長の放射線（例えば、青色または紫外線（ＵＶ））を発光する効率の良いＬＥＤ技術の発展と共に、ＬＥＤの初期発光の一部を一層長い波長に変換する下方変換（例えば、蛍光体による変換）を介して、白色光を発生させるＬＥＤを製作することが実現可能となっている。ＬＥＤの初期発光の一部をより長い波長に変換することは、初期発光の下方変換と通常呼ばれている。初期発光の変換されない部分は、白色光を生成するために、より長い波長の光と組み合わされる。

ＬＥＤチップの初期発光の一部を変換する蛍光体変換は、反射用カップを満たすのに使用されるエポキシ樹脂内に蛍光体層を置くことにより達成される。また、この反射用カップは、ＬＥＤランプ内にＬＥＤチップを収納する。上記蛍光体は、エポキシ樹脂が硬化する以前にはエポキシ樹脂内に混合される粉の形で存在する。蛍光体粉末を含む、硬化していないエポキシ樹脂のスラリー（slurry）部分は、ＬＥＤチップの中に置かれ、その後硬化していく。

硬化したエポキシ樹脂内の蛍光体粒子は、エポキシ樹脂全体において不規則な方向に置かれ、かつ散在している。ＬＥＤチップが発光する初期放射の一部は、蛍光体粒子に衝突することなくエポキシ樹脂を介して通過し、またＬＥＤチップが発光する初期放射の残りの部分は、蛍光体粒子に衝突し、蛍光体粒子に対して、より長い波長の放射を発光させる。そして、初期の短い波長の放射と蛍光体から放出される放射との組み合わせが、白色光を生成する。

蛍光体変換白色ＬＥＤ（ｐｃ-ＬＥＤ）技術の現状は、可視スペクトルにおいて不充分である。単一のｐｃ白色ＬＥＤの光出力は、一般な家庭用白熱灯の光出力より以下である。家庭用白熱灯は、可視スペクトルにおいて約１０パーセント効率が良い。一般な白熱灯の出力密度に相当する光出力を有するＬＥＤ装置は、一層大きなＬＥＤチップ製品または複数のＬＥＤチップを有するデザイン製品にする必要がある。更に、ＬＥＤ装置自体の温度上昇を処理するために、直接エネルギーを吸収する冷却形式を含む必要がある。特に、ＬＥＤ装置は、温度が１００℃以上に加熱されると、可視スペクトル内での帰還が減少することになり、一層効率が悪くなる。蛍光体が備えている交換効率は、数種類の蛍光体において、温度が９０℃近辺の閾値を超えて増加するのに従って急激に低下していく。

Wojnarowski他が取得した米国特許番号6452217号の内容は、照明製品に使用される高出力のＬＥＤランプのデザインまたは複数のＬＥＤランプのデザイン、およびそれらのランプからの熱の除去源に向けられたものである。上記発明は、多次元のアレイの中に配列されたＬＥＤダイ（die）を有し、各ＬＥＤダイは、半導体層と白色光を生成するための蛍光体物質とを含む。反射器を、高出力のＬＥＤランプに近づけ、各ダイからの光を集光し、そして焦光する。上記特許の図１２は、複数の側面のアレイを説明しており、当該アレイは、角度をもった光線の追跡経路に光を発光する。上記特許の図１９は、角度をもったＬＥＤランプを説明している。

Baretz他が取得した米国特許番号6600175号、およびBaretz他が提出した米国特許出願公開番号2004/0016938号の内容は、白色光を発生させる固体の発光装置に向けられたものである。上記出願公開番号2004/0016938号の内容は、特許番号6600175号の継続出願である。上記固体の発光装置は、白色光を生じさせる下方変換用の発光団の媒体（luminophoric medium）に向けて伝達される一層短い波長の放射を発生させる。上記特許の図２および図６において、ＬＥＤと発光団の媒体との間に、空間的関係が存在する。例えば、図６において、光が、一層短い波長を放射させる固体の発光装置８２から発光されるが、好ましいことに青色から紫外線の波長領域で発光される。発光団の媒体９０が、上記一層短い波長の放射に衝突すると、この媒体は、衝突に対応して白色として認識される光を発生するために、波長範囲として可視光のスペクトル内の波長を含む放射を励起させる。

Mueller-Mach他が取得した米国特許番号6630691号の内容は、白色光を発生するために、ＬＥＤの光発光担体によって発光された初期光の一部を、変換されていない初期光と結合させるための１つ以上の波長の光に変換する、蛍光体変換基材を含むＬＥＤ装置に向けられたものである。上記特許の図１に示すように、ＬＥＤ２は、蛍光体である基材１０の上に配置される。上記特許の図２に示すように、反射電極２１は、ＬＥＤの表面上に置かれる。ＬＥＤによって発光された初期光のいくつかは、反射電極２１上に衝突する。この反射電極は、初期光をＬＥＤおよび基材を介して反射させる。基材の中に伝播した初期光のいくつかは、黄色の光に変換され、いくつかは、変換されない。基材によって２つのタイプの光が発光されると、これらの光は、組み合わされて白色光を発生させる。反射電極を利用することは、基材に侵入した初期光の量を最大にすることを確実にすることにより、ＬＥＤ装置の効率を向上させることになる。

Mueller-Mach他が提出した米国特許出願公開番号2002/0030444号、すなわち、Mueller-Mach他が取得した米国特許番号6696703号の内容は、薄膜の蛍光体変換ＬＥＤ構造に向けられたものである。上記出願の図２は、ＬＥＤ構造２およびＬＥＤ２の表面上の蛍光体薄膜２１を示している。上記ＬＥＤは、蛍光体薄膜２１に衝突する青色の光を発生させる。いくつかの光は、蛍光体薄膜２１を介して通過し、いくつかの光は、吸収され、蛍光体薄膜２１から発光される黄色の光に変換される。青色の光と黄色の光とが、組み合わされて白色光を形成する。上記出願の図３において、反射パッド２５が、ＬＥＤ２の表面上に置かれる。ＬＥＤ２からの光は、ＬＥＤ２を介して反射パッド２５によって反射され、蛍光体２１に反射される。上記特許の図２に示すように、光は組み合わせされる。上記特許の図４は、２つの蛍光体フィルム３１、３３を使用し、これらの蛍光体フィルムは、基材１３によってＬＥＤ２から分離される。上記フィルム３１は、赤色を発光する。上記フィルム３３は、緑色を発光する。ＬＥＤ２によって発光された青色は、上記フィルム３１、３３を通過し、上記フィルム３１、３３は、赤色および緑色と組み合わせて、白色光を生成する。上記出願の図５の実施例において、ＬＥＤ装置５０は、複数の蛍光体フィルム３７、３８を含む。誘電性のミラー３６が、薄膜フィルム３７および基材１３の間に置かれる。誘電性のミラー３６は、発光構造２の一次放出まで充分に透過させられるが、上記蛍光体の薄膜フィルム３７、３８の放出の波長で、高度に反射される。

岡崎が提出した米国特許出願公開番号2002/0030060号の内容は、紫外線の発光素子と蛍光体とを備える半導体の白色用発光装置である。蛍光体の層は、青色の発光用蛍光体および黄色の発光用蛍光体を有し、混合させて散乱させる。発光装置３は、反射ケース５の内側に存在する。上記出願の図２、図４、および図８において、蛍光体の層６は、発光素子３からは離れて形成される。上記出願の図２において、蛍光体の層６が、密閉部材７の内側に形成されることが示される。この密閉部材は、半透明な樹脂から形成される。上記出願の図４および図８において、蛍光体の層が、密閉部材７の表面上に形成される。

Brukilacchioが提出した米国特許出願公開番号2002/0218880号の内容は、ＬＥＤ白色用光学システムに向けられたものである。上記出願の図１に示すように、光学システム１００は、ＬＥＤ光源１１０、光フィルター１２０、反射器１３０、蛍光体層１３５、集光器１４０、第１の照明領域１５０、第２の照明領域１７０、および温度放熱器１９０を含む。光フィルター１２０は、反射ＣＣＴ領域および透過ＣＣＴ領域を含む。反射ＣＣＴ領域内の光学的エネルギーは、光フィルター１２０を通過することを禁止されている（例えば、反射の手段による）。光フィルター１２０の反射範囲内である蛍光体層の背面１３７から光フィルターの前面１２１に入力される光学的エネルギーは、蛍光体層１３５に後方反射される。光フィルター１２０の透過ＣＣＴ領域内の光学的エネルギーは、光フィルター１２０を透過し、反射器１３０と相互作用する。

反射器１３０は、光学的反射要素からなり、この光学的反射要素は、ＬＥＤ光源の背面１１２から発光された光学的エネルギーをＬＥＤ光源１１０に反射させて戻すように置かれる。光学的エネルギーは、光学的材質と相互作用し、光学的エネルギーの一部は、ＬＥＤ前面１１１から放出され、光学的フィルター１２０と相互作用する。光学的エネルギーは、蛍光体層まで継続するので、この結果、蛍光体層の背面１３７から発光される光学的エネルギーの循環プロセスに入り込む繰り返しを提供するようになる。この繰り返しプロセスが、一方で消失した光学的エネルギーを獲得する。集光器１４０は、蛍光体層の前面１３６から発光される光学的エネルギーを獲得する。

Mueller-Mach他が提出した米国特許出願公開番号2002/0003233号、すなわち、Mueller-Mach他が取得した米国特許番号6501102号の内容は、ＬＥＤ装置に向けられており、この装置は、白色光を生成するために、ＬＥＤ装置の光発生構造によって発光される初期放射の全てを、実質的に蛍光体の変換を果たすようにする。ＬＥＤ装置は、光発生構造によって発光される初期放射の全てを、受光しかつ吸収するように置かれた、少なくとも１つの蛍光体変換素子を含む。蛍光体変換素子は、白色光を生成するように組み合わされる第２波長および第３波長で、二次の光を発光する。いくつかの実施例は、光発生構造の表面上の反射電極を利用し、別の実施例では、それを使用していない。反射電極２１を利用する実施例（上記出願の図２，３、６、および７）において、基板は、光発生構造を蛍光体層から分離させる。すなわち、蛍光体層は、基板の一方の側に置かれ、蛍光体層は、基板の別の側に置かれる。反射電極を利用しない実施例（出願の図４および５）において、蛍光体層は、光発生構造の表面上に置かれる。

Mueller-Mach他が取得した米国特許番号6686691号の内容は、白色光を生成するための３色のランプに向けられている。このランプは、白色光を生成するために、青色のＬＥＤおよび赤色と緑色との蛍光体の混合を採用する。図３に示すように、ランプ２０は、反射用カップ２８内に置かれるＬＥＤ２２を含む。ＬＥＤ２２は、ライン２６によって示されたパターン内に光を発光し、蛍光体混合器２４は、そのパターン内に置かれる。ＬＥＤ２２によって発光されて吸収されない、いくつかの光は、反射用カップ２８の壁から反射され、蛍光体混合器２４に戻ることを見ることができる。反射用カップ２８は、光が、初期の光のパターンによって事前にカバーされない空間に反射されるとき、光のパターン２６を修正することができる。反射用カップ２８の壁は、放物線の形状にすることができる。

Soules他が取得した両方の米国特許番号6252254号および米国特許番号6580097号の内容は、蛍光体で被覆したＬＥＤダイオードおよびレーザーダイオードに向けられたものである。上記特許番号6580097号の内容は、上記特許番号6252254号の内容を分割したものである。より具体的には、両方の特許は、蛍光体を含む被覆でカバーした青色発光のＬＥＤを開示するものである。蛍光体を含む被覆は、緑色発光の蛍光体と赤色発光の蛍光体とを含む。緑色および赤色の蛍光体は、青色発光のＬＥＤによって励起される。

Marshall他が取得した米国特許番号6513949号、Marshall他が取得した米国特許番号6692136号、およびMarshall他が提出した米国特許出願公開番号2002/0067773号の内容は、ＬＥＤ/蛍光体/ＬＥＤのハイブイリッド発光システムに向けられたものである。上記特許番号6692136号の特許は、上記特許番号6513949号の特許に継続するものである。上記出願公開番号2002/0067773号は、上記特許番号6692136号として特許登録されている。図１Ａに示すように、ＬＥＤ１０は、反射用金属プレートすなわち透過性樹脂１３で満たされた反射器１２内に搭載されたＬＥＤチップを含む。図１Ｂは、典型的な蛍光体ＬＥＤ１４を図解的に描いており、当該ＬＥＤは、反射器１６を満たす樹脂１８が内部に均一に混合された発光蛍光体物質の１つ以上のタイプの粒子１９を含むことを除いて、実質的に図１Ａの構造と同一である。蛍光体粒子１９は、ＬＥＤチップ１５によって発光された光の一部を異なるスペクトル波長の光に変換する。このシステムは、ＬＥＤ及び/又は蛍光体ＬＥＤの蛍光体の色および数を変えることで、重要と見なされる照明システムの種々の実行パラメータを指定し最適化することが可能となる。

Mueller-Mach他が取得した米国特許番号6603258号の内容は、初期光の帯青緑色光と蛍光体変換の赤味帯びた光とを組み合わせることで白色光を生成する、発光ダイオード装置に向けたものである。ＬＥＤは、蛍光体変換樹脂で満たされた反射用カップ内に搭載される。ＬＥＤによって発光される初期放射は、蛍光体変換樹脂に衝突する。樹脂に衝突する初期放射の部分は、赤味帯びた光に変換される。初期放射の変換されない部分は、樹脂を通過し、白色光を生成するために赤味帯びた光と組み合わされる。

Srivastava他が取得した米国特許番号6616862号の内容は、ユウロビウムイオンおよびマンガンイオンと共同で活性化するハロ燐酸塩（halophosphate）の発光物質に向けられている。上記特許の図３は、ＬＥＤに隣り合う反射表面１４０を有するカップ１２０内に搭載されたＬＥＤを公開している。実施例は、蛍光体粒子２００が内部で分散している透明なケース１６０を含む。代替として、結合材と混在する蛍光体が、ＬＥＤ表面を塗装するものとして適用することができる。ＬＥＤによって発光された、蛍光体に吸収されない青色の部分と、蛍光体によって発光された広域のスペクトル光とが組み合わされて、白色の光源を生成する。

清水他が取得した米国特許番号6069440号、6614179号、および6608332号の内容は、発光コンポーネントが発光した光の波長を変換し、そして光を発光する蛍光体を含む、発光装置に向けられている。これらの特許は、マトリックスに配置した複数の発光装置を使用した表示装置を開示している。これらの特許は、同一特許の応用から源を発しているので、関連している。

石井他が取得した米国特許番号6580224号の内容は、カラー液晶表示装置用のバックライト、カラー液晶表示装置、およびカラー液晶表示装置用のバックライトのためのエレクトロルミネセンスに向けられている。

Schlereth他が提出した米国特許出願公開番号2002/0167014号、すなわち、Schlereth他が取得した米国特許番号6734467号の内容は、ＬＥＤ白色光源に向けられたものであり、この光源は、透明な物質から製作されたカプセル封入によって少なくとも部分的に囲まれた、窒化ガリウム（GaN）、または窒化インジウムガリウム（InGaN）をベースとした半導体ＬＥＤを有する。透明な物質は、ＬＥＤが発光した光を少なくとも部分的に波長変換するための変換材料を含む。ＬＥＤは、複数の発光領域を有し、この領域によって、比較的広域の発光スペクトルが、変換材料の発光スペクトルにおいて活発に生成される。

Ｋ.山田、Ｙ.今井、およびＫ.石井 著による題名「青色のＬＥＤおよびＹＡＧ蛍光体から成る光源装置の光学的シミュレーション」（照明学会誌・英文誌、2003年(Vol.27, No.2)発刊、70頁〜74頁）の刊行物は、ＬＥＤおよび蛍光体から成る光源からの高出力を得る効果的な方法として、蛍光体から反射された光を使用することを開示している。

発光装置は、多色の放射を発光させるための放射源を含む。散乱用物質は、上記放射源から発光された上記多色放射の少なくとも一部を受光し、上記多色放射を、前方移動および後方移動に変換させる。光学素子は、上記散乱物質に結合しており、上記後方移動放射を受光し、かつ上記後方移動放射の少なくとも一部を上記光学素子から取り出すのに適用される。

本願発明は、添付図面との関連において、以下の詳細な記述から、最も理解することができる。共通の実施により、図面の種々の外観は、スケールに限定されていない。反して、種々の外観の寸法は、明確にするために、任意に拡大または縮小がなされる。添付図面には、以下の図面が含まれる。
蛍光体（ＹＡＧ：Ｃｅ）の１タイプにおける光の反射および伝達のスペクトル分散を表す波長に対する相対出力を示す図である。 本願発明の典型的実施例による固定発光器と下方変換物質とを使用する高効率光源を示す図である。 多色光発光源と下方変換物質とを使用する高効率光源の代替実施例を示す図である。 図２Ａに示す高効率光源の底面部分の断面図である。 図２に示す高効率光源の底面部分の断面図である。 本願発明の別の典型的実施例による固定発光器と下方変換物質とを使用する高効率光源を説明する図である。 本願発明の別の典型的実施例において固定発光器と下方変換物質とを使用する高効率光源の更なる別の実施例の図である。 図５Ａに示す高効率光源の断面図である。 本願発明の典型的実施例において固定発光器と下方変換物質とを使用する別の高効率光源の説明図である。 光源から発光された光線を反射させるように図６に示す高効率光源を囲む反射器を表す図である。 多色光発光源を使用する本願発明の他の典型的実施例を説明する図である。 本願発明の典型的実施例において下方変換物質の層に分散された下方変換物質を説明する図である。 本願発明の代替の典型的実施例において下方変換物質の層に分散された下方変換物質を説明する図である。 本願発明の他の典型的実施例において下方変換物質の層に分散された下方変換物質を説明する図である。 本願発明の種々の典型的実施例における典型的発光源の真上に置かれた光学素子すなわち光学レンズの種々の幾何学的形状を説明する図である。 本願発明の種々の典型的実施例における典型的発光源の真上に置かれた光学素子すなわち光学レンズの種々の幾何学的形状を説明する図である。 本願発明の種々の典型的実施例における典型的発光源の真上に置かれた光学素子すなわち光学レンズの種々の幾何学的形状を説明する図である。 本願発明の種々の典型的実施例における典型的発光源の真上に置かれた光学素子すなわち光学レンズの種々の幾何学的形状を説明する図である。 本願発明の種々の典型的実施例における典型的発光源の真上に置かれた光学素子すなわち光学レンズの種々の幾何学的形状を説明する図である。 反射器および光学素子の他の実施例を説明する図である。 反射器および光学素子の他の実施例を説明する図である。 本願発明の典型的実施例において固定発光器を使用する多色光発光源および上記発光源からの光線を反射させるために光パイプ上に置かれた下方変換物質を有する装置を示す図である。 図９Ａに示す装置の断面図である。 多色光発光源を含むことが可能な図９Ａに示す装置の他の代替の実施例における断面を説明する図である。 本願発明の典型的実施例において光源からの光線を方向変換するために、固定発光器および光パイプの端部周辺に配置された下方変換物質を使用する複数の高効率光源を有する別の装置を説明する図である。 図１０Ａに示す装置の断面図である。 本願発明の典型的実施例において反射器および高効率光源マイクロレンズ散乱器に囲まれるように配置される更に別の高効率光源を説明する図である。 多色光発光源を含むことが可能な図１１で説明された実施例の代替となる実施例を説明する図である。 本願発明の典型的な一実施例において下方変換物質を高効率光源と反射器との間に配置したときに下方変換物質および反射器に放射を向ける更に別の高効率光源を説明する図である。 多色光発光源を含むことが可能な図１２で説明された実施例の代替となる実施例を説明する図である。 本願発明の典型的な一実施例において光学素子によって下方変換物質に向けて光を放射させる高出力の発光器を表す概略図である。 短波長のＬＥＤチップからの典型的な放射が下方変換物質に衝突したときに生じる典型的な放射線を説明する図である。

本願発明を、特定の実施例に関連して明細書において説明および記載するが、本願発明は、示された具体的な内容に限定されるものではない。むしろ、種々の修正事項が、請求項の内容と等価な範囲および領域において本願発明から逸脱すること無く、詳細になされることが可能である。

図１４は、短波長のＬＥＤチップ２００２からの典型的な放射２０００が、蛍光体層にすることができる下方変換物質２００４に衝突したときに生じる典型的な放射線を説明する図である。例えばＬＥＤチップ２００２の短波長源から下方変換物質層２００４へのような典型的な短波長放射２０００の実施は、４つのコンポーネントに関する放射を生成する。そのコンポーネントとは、下方変換物質層２００４から反射される後方移動の短波長放射２００６、下方変換物質層２００４を通過する前方移動の短波長放射２００８、下方変換物質層２００４を通過する前方移動の下方変換放射２０１０、および下方変換物質層２００４から反射される後方移動の下方変換放射２０１２である。この４つのコンポーネントは、白色光を生成するように組み合わせることができる。

４つのコンポーネントの内の２つ、すなわち２０１０および２０１２は、２つのサブ・コンポーネントから構成することができる。前方移動の下方変換放射のサブ・コンポーネントの１つは、発光放射２０１４にすることができ、すなわち下方変換物質層２００４に衝突した短波長放射よりも長い波長を有する下方変換放射にすることができる。前方移動の下方変換放射となる発光放射のサブ・コンポーネント２０１４は、短波長放射２０００が下方変換物質層２００４を通過するときに下方変換物質層２００４の粒子に衝突する短波長放射２０００によって生成することができる。前方移動の下方変換放射の第２のサブ・コンポーネントは、前方散乱の発光放射２０１６にすることができ、すなわち下方変換物質層２００４に衝突した短波長放射２０００よりも長い波長を有する別の下方変換放射にすることができる。前方移動の下方変換放射２０１０の前方散乱となる発光放射のサブ・コンポーネント２０１６は、短波長放射２０００が下方変換物質層２００４を通過する前に下方変換物質層２００４の粒子の上を往復して下方変換物質層２００４の粒子に衝突する短波長放射２０００によって生成することができる。

後方移動の下方変換放射２０１２のサブ・コンポーネントの１つは、発光放射２０２０にすることができ、すなわち下方変換物質層２００４に衝突した短波長放射よりも長い波長を有する下方変換放射にすることができる。後方移動の下方変換放射２０１２の発光放射のサブ・コンポーネント２０１８は、短波長放射２０００が下方変換物質層２００４から反射されるときに下方変換物質層２００４の粒子に衝突する短波長放射２０００によって生成することができる。後方移動の下方変換放射２０１２の第２のサブ・コンポーネントは、後方散乱の発光放射２０２０にすることができ、すなわち下方変換物質層２００４に衝突する短波長放射２０００よりも長い波長を有する別の下方変換放射にすることができる。後方移動の下方変換放射２０１２の後方散乱となる発光放射のサブ・コンポーネント２０２０は、短波長放射２０００が下方変換物質層２００４から反射する前に下方変換物質層２００４の粒子の上を往復して下方変換物質層２００４の粒子に衝突する短波長放射２０００によって生成することができる。

白色光は、上記の種々のコンポーネントを組み合わせることで生成することができる。前方移動の方向（すなわち、下方変換物質層を通過する放射の2008、2014、2016、2010）において、白色光は、前方移動の短波長放射２００８を、前方移動の下方変換放射２０１０のサブ・コンポーネント２０１４、２０１６の一方または両方と組み合わせることで生成することができる。すなわち、白色光は、前方移動の短波長放射２００８を、通過する発光放射２０１４及び/又は通過する前方散乱の発光放射２０１６と組み合わせることで、前方移動の方向において生成することができる。

後方移動の方向（すなわち、下方変換物質層から反射される放射の2006、2018、2020、2012）において、白色光は、後方移動の短波長放射２００６を、後方移動の下方変換放射２０１２のサブ・コンポーネント２０１８、２０２０の一方または両方と組み合わせることで生成することができる。すなわち、白色光は、後方移動の短波長放射２００６を、反射する発光放射２０１８及び/又は反射する後方散乱の発光放射２０２０と組み合わせることで、後方移動の方向において生成することができる。

前方移動の短波長放射２００８の波長は、ＬＥＤチップ２００２のような放射源で発光される放射２０００の波長とほぼ同一となる可能性がある。後方移動の短波長放射２００６の波長は、放射源２００２で発光される放射２０００の波長とほぼ同一となる可能性がある。前方移動の短波長放射２００８の波長は、後方移動の短波長放射２００６の波長とほぼ同一となる可能性がある。典型的な実施例において、放射源２００２は、550ｎｍ未満の波長を示す放射で発光することが可能であり、より詳しくは約200ｎｍから550ｎｍ未満の範囲内で発光することが可能である。従って、前方移動の短波長放射２００８の波長および後方移動の短波長放射２００６の波長は、550ｎｍ未満であることが可能であり、より詳しくは約200ｎｍから550ｎｍ未満の範囲内であることが可能である。

前方移動の下方変換放射２０１０（サブ・コンポーネント2014、2016を含む）の波長および後方移動の下方変換放射２０１２（サブ・コンポーネント2018、2020を含む）の波長は、下方変換物質２００４の励起スペクトルよりも長い波長になる可能性がある。典型的な実施例において、下方変換物質２００４の励起スペクトルは、約300ｎｍから約550ｎｍの範囲内にある可能性がある。代替の実施例において、別の下方変換物質２００４は、約300ｎｍから約550ｎｍの範囲内以外の励起スペクトルを有するものを使用することが可能である。下方変換物質２００４の励起スペクトルは、短波長発光放射源２００２で生成される放射波長よりも長い波長を有する放射を生成するべきである。典型的な実施例において、下方変換物質２００４は、約490ｎｍから750ｎｍまでの範囲内の放射を生成することができる。

しかしながら、ＬＥＤチップ２００２が短波長放射を発光できないとき、またはＬＥＤチップで発光される放射波長が下方変換物質の励起スペクトルよりも大きいとき、下方変換物質層２００４は、散乱要素のように動作する。従って、２つのコンポーネントのみが、下方変換物質層２００４によって生成され、すなわち、２つとは、下方変換物質２００４を通過する前方移動の放射２００８、および下方変換物質２００４から反射される後方移動の放射２００６である。

発明者は、下方変換蛍光体をＬＥＤダイに近づけて置くと、蛍光体変換ＬＥＤの性能が、低下するように影響を受けることを発見した。性能が低下することは、ダイを囲む蛍光体媒体が等方性の発光器のように振舞うこと、並びにダイからの後方移動放射の相当部分が、蛍光体層、ダイ、および反射用カップの間を循環することに主に起因する。結果として、後方移動放射は、ジャンクション温度を上昇させ、このためシステム効果を低減させ、カプセル材料の黄変化を増加させることになる。上記要素のすべてが、時間の経過と共に光出力を低減させることになる。

ある文献は、蛍光体層に衝突した光の６０％が、後方移動し、記載した効果に貢献したことを明らかにしている（山田他、2003年）。８個のＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体プレートの実験測定は、放射エネルギーのほぼ６０％が、青色ＬＥＤ源の方向に戻ってくることを立証した。反射する放射エネルギーの絶対量は、種々の要素の中で蛍光体の塗装密度に依存している。図１は、ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体プレートを伴う青色ＬＥＤで測定した、反射されるスペクトルパワー分布２を示す。図１は、また同一配置で測定した、伝達されるスペクトルパワー分布４を示す。図１からも、光の大部分は反射され、前方に伝達されていないことが判る。

上記効果は、ＲＣＬＥＤ内においてより高い出力規模になることが期待される。何故なら、ＲＣＬＥＤの光出力は、一層コリメートになるからである。結論として、パッケージ化は、システム効率を向上させるために、伝達、発光、および反射の各コンポーネントを捕獲することを計画させる。更に、発明者は、ＬＥＤおよびＲＣＬＥＤにフィードバックする放射を防ぐように、蛍光体層をダイから移動させることを可能にするパッケージを創作した。結果として、このパッケージ化は、装置から退出する放射を、蛍光体層で反射および発光させることで一層多い放射にすることを可能にして、装置の効率を向上させる。同時に、ＲＣＬＥＤからの放射を、均一に蛍光体層に衝突させて、均一な白色光を得るようにする。更に、ＬＥＤおよびＲＣＬＥＤの寿命が伸びるようになる。

蛍光体がダイに隣接して配置された、従来の蛍光体・変換の白色ＬＥＤにおいて、蛍光体によって生成された光の６５％以上は、後方散乱され、ＬＥＤパッケージ内で消失されていた。上記発見に基づき、散乱型光子励起「ＳＰＥ（登録商標）」と呼ばれる技術が、発展してきた。この技術の１つの特徴は、2005年５月５日に出願された係属中の国際出願番号PCT/US2005/015736で、2005年11月17日に公開されたWO2005/107420A2の中に開示されている。

蛍光体・変換の白色ＬＥＤ（ｐｃ−ＬＥＤ）からの出力光を増加させるために、かつより高い発光効率を達成させるために、下方変換物質（例えば、蛍光体または量子ドット）を遠隔位置に移動させ、かつ適切に調整した光学素子をＬＥＤチップおよび下方変換物質層の間に設置する。そして、後方移動する光を、光の全体出力および効率を増加させるために励起させる。この技術は、蛍光体からの発光、後方散乱の反射放射、およびそうしなければ消失するであろう反射する短波長の放射を引き出すことで、光の全体出力およびｐｃ−白色ＬＥＤの発光効率を著しく増加させる。

図２および図３は、ＳＰＥ（登録商標）概念を使用する発明の第１の典型的な実施例を示す。図２は、本願発明の典型的な実施例による固定発光器と下方変換物質とを使用する高効率光源を示す。

この実施例は、光を分配し、光を伝達し、光を囲い込む光学素子１０を有しており、この光学素子は円筒形状をしている。図示するように、光学素子１０は、光を分配する中央部分に埋め込まれた蛍光体層１２を含む。この構成は、分配用の光学素子を、実質的に２つの等しい断面すなわち２つの部分に効果的に分割する。すなわち、蛍光体層を、円筒形状の光学素子１０の縦軸に実質的に並行となる細長い一片にすることができる。

１つの典型的な実施例において、蛍光体層１２は、ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体層にすることができる。代替の典型的な実施例において、蛍光体層は、別種の蛍光体、量子ドット、量子ドット結晶、量子ドットナノ結晶、または別の下方変換物質を含むことができる。本願発明の別の実施例が蛍光体層１２に類似した蛍光体層を含むことが可能であることを理解することになるであろう。しかしながら、図２に示した埋め込まれた蛍光体層と異なり、別の実施例は、埋め込まれない蛍光体層を含むことも可能である。更に、蛍光体層は、均一の厚さにする必要は無く、むしろ、異なった厚さであっても可能であり、または、より均一の色の出力を生成するために異なった蛍光体の混合も可能である。

１つ以上のＬＥＤまたはＲＣＬＥＤを、円筒形状の光学素子の内側に置くことは可能であり、例えば「１４」と表す底部分に置くことで可能である。代替の実施例において、１つ以上のＬＥＤ/ＲＣＬＥＤを、円筒形状の光学素子の底部分以外の場所に置くことも可能である。

短波長放射１６は、ＬＥＤ/ＲＣＬＥＤから発光される。短波長放射は、250ｎｍから500ｎｍの範囲内にある。蛍光体層１２は、実質的に円筒形状の光学素子の中央にあるので、ＬＥＤ/ＲＣＬＥＤからの短波長放射は、円筒形状の光学素子の片側から蛍光体層１２に衝突するように短波長放射を生じさせることになる。短波長放射の蛍光体層１２への衝突は、４つのコンポーネントと共に放射を生成することが可能である。そのコンポーネントとは、短波長放射１８、蛍光体層１２からの後方移動；短波長放射２０、蛍光体層１２を通過する前方移動；下方変換放射２２、蛍光体層１２からの後方移動；および下方変換放射２４、蛍光体層１２を通過する前方移動である。これら４つのコンポーネントは、蛍光体層１２の両側で生成され、組み合わされて白色光２６を生成する。円筒形状の光学素子１０の光伝達部分を使用することで、蛍光体層１２からの後方移動の短波長放射および蛍光体層１２からの後方移動の下方変換放射を取り出すことができる。従って、蛍光体変換白色ＬＥＤの光の全体出力および効率を著しく増加させる。

一例として、オプト・テクノロジー（Opto Technology）社の高流量の青色（470ｎｍ）ＬＥＤ照明器用発光器（シャーク・シリーズ）を使用することができる。蛍光体層１２の密度は、４−８ｍｇ/ｃｍ²の範囲内にすることができる（他の密度は検討中）、円筒形状の光学素子１０の長さは、２インチ（5.1ｃｍ）から４インチ（10.2ｃｍ）の範囲内で、円筒形状の光学素子の直径は、約０.５インチ（1.3ｃｍ）にすることが可能である。別の例として、異なるパッケージでの効率および均一性は、蛍光体層の密度、並びに円筒形状の光学素子の長さおよび直径を変更することで、達成することが可能である。円筒形状の光学素子の現状の円周において、一層良い効率および均一性は、円筒形状の光学素子の長さを２.２５インチ（5.7ｃｍ）にするときに達成可能である。

図２に示す実施例は、アクリルの磨いた全円のロッドから切り取ったアクリルの半円のロッド断片から形成することができる。蛍光体は、光学的に透明なエポキシ樹脂と混在させて、各ロッド断片の平らな表面上に均一に広げることができる。そして、両方のロッド断片は、一緒に取り付け、炉にいれてエポキシ樹脂を硬化させることができる。

２.２５インチ（5.7ｃｍ）の光学素子（円筒形状の光学素子）における全体の発光損失は、おおよそ１６％であることが判った。損失の内訳は、ＬＥＤに戻った光６％、フレネル損失７％、取り付け用ハードウェアに起因する回収不能の損失３％であった。

損失の約半分は、フレネル損失によるものであり、この損失は、異なる屈折率を有する媒体の間の境界面で生じる。フレネル損失は、ＬＥＤ/ＲＣＬＥＤおよび円筒形状の光学素子の間での結合メカニズムを適用することで低減可能である。更に、上記損失は、ＬＥＤ/ＲＣＬＥＤに戻る光を防ぐために、ＬＥＤ/ＲＣＬＥＤ上に反射防止のコーティングを使用することで償うことが可能である。

図３は、円筒形状の光学素子における「１４」として示す底辺部の断面図である。図に示すように、円筒形状の光学素子１０は、２つのアクリルの半円のロッド断片１４ａおよび１４ｂを含む。蛍光体層１２は、アクリルのロッド断片１４ａおよびアクリルの１４ｂの間に挟まれている。アクリルのロッド断片は、各々が短波長の発光放射源１７および１９を含む。短波長の発光放射源１７および１９は、半導体の短波長の発光放射ダイオードであり、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザーダイオード（ＬＤ）、または共振空洞発光ダイオード（ＲＣＬＥＤ）である。１つまたは２つ以上の発光源を底辺部分１４に含めることができることは理解されるであろう。そして、アクリルのロッド断片１４ａ内に配置される複数の発光源、およびアクリルのロッド断片１４ｂ内に配置される別の複数の発光源を存在させることも可能である。これらの配置は、図３の蛍光体層１２周辺で対称になるように発光放射源１７および１９を類似させることで、互いに対称になるよう配置することは可能である。

図２Ａおよび図２Ｂは、分配用光学素子の光伝達筐体１０を有する本願発明の別の実施例を示す。図２Ａは、多色発光源と下方変換物質とを使用する高効率光源の代替実施例である。図２Ｂは、図２Ａに示す高効率光源の底辺部分の断面図である。

１つの典型的実施例において、下方変換物質１２は、２つの散乱層２０および２２の間に挟むことができる。図２Ａおよび図２Ｂに示す実施例においてもＳＰＥ（登録商標）技術を使用する。この実施例において、また明細書で開示する全ての実施例において、下方変換物質１２は、１つ以上の蛍光体を含むことができ、蛍光体は、例えばＹＡＧ：Ｃｅ、ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体＋Ｅｕ蛍光体、ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体＋セレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）、または鉛（Ｐｂ）およびシリコン（Ｓｉ）を含む他の物質から製造される量子ドットの別のタイプ、および2006年６月２０日に提出した同時係属のＰＣＴ出願（代理人登録 RPI-143WO）内で特定した他の蛍光体が該当する。他の代替実施例において、蛍光体層は、別種の蛍光体、量子ドット、量子ドット結晶、量子ドットナノ結晶、または別の下方変換物質を含むことができる。どの実施例または他の実施例においても、下方変換領域は、結合媒体に混ぜる粉末物質の代わりに下方変換結晶にすることができる。

散乱層２０、２２の１つまたは両方は、前方移動放射および後方移動放射のために光線を制御する特性を有するポリマーまたは他の物質内に拡散された、マイクロレンズ層またはマイクロ若しくはナノの散乱粒子にすることができる。蛍光体層１２並びに散乱層２０および２２は、分配用光学素子１０を実質的に２つの等しい部分として分割するように分配用光学素子１０の中央部分内に埋め込むことができる。すなわち、蛍光体層１２および散乱層２０、２２は、分配用光学素子１０の縦軸に実質的に並行にすることができる。代替実施例において、蛍光体層１２および散乱層２０、２２のいずれも、埋め込む必要はない。典型的実施例において、蛍光体層１２は、散乱層２０、２２に結合することができる。代替実施例において、蛍光体層１２は、散乱層２０、２２に結合する必要はない。

蛍光体層１２および散乱層２０、２２は、図２Ａおよび図２Ｂに示すような長方形を有する必要はない。代替実施例において、散乱層２０、２２は、曲線、円形、四角、三角形、または別の形状にすることができる。加えて、上記形状は、分配用光学素子１０の縦軸に沿って変化させることもできる。更に、蛍光体層１２および散乱層２０、２２の各サイズ（各々の長さまたは幅）は、同一にする必要はない。例えば、蛍光体層１２の長さまたは幅は、散乱層２０、２２の１つまたは両方と異なるものにすることができる。

他の代替実施例において、１つの散乱層を、２つの蛍光体層の間に配置することもできる。更に、他の代替実施例において、散乱層を、蛍光体層無しで分配用光学素子内に配置することもできる。

放射源２４は、多色放射を発光できる複数の発光源を含むことができる。すなわち、複数の発光源の各々は、他の発光源の少なくとも１つのスペクトルとは異なるスペクトルを示すことができる。発光源２４の各々は、１つ以上のＬＥＤ、または１つ以上のＬＤ（レーザーダイオード）、または１つ以上のＲＣＬＥＤにすることができる。ここに記載する実施例のいずれにも、上記タイプのダイオードの１つ以上を含むことができる。複数の多色光発光源２４は、分配用光学素子１０が基板１４の上に搭載されるときにＬＥＤ２４が分配用光学素子１０の境界内に配置されるように、基板または基材の上に搭載することができる。すなわち、多色用ＬＥＤ２４は、基板１４の上に置くことができるので、分配用光学素子１０の底部が基板１４の上に搭載されるとき、上記ＬＥＤは分配用光学素子１０の内側に存在することになる。

この典型的な実施例、および本出願で開示される全ての実施例において、ＬＥＤ２４の各々は、赤色、緑色、および青色の１つ以上を表示することができる。例えば、実施例において３つのＬＥＤが使用されるとき、１つのＬＥＤは赤色を表示し、２番目のＬＥＤは緑色を表示し、および３番目のＬＥＤは青色を表示することができる。すなわち、ＬＥＤ（時々、チップと呼ぶ）の各々は、狭帯域の個別の放射を生成することができ、または狭帯域および広帯域の両方の放射を生成することができる。代替実施例において、１つ以上のＬＥＤは、赤色、緑色、または青色以外の色を表示することができる。図２Ａおよび図２Ｂは、３つのＬＥＤを表示しているが、代替実施例では、より少ないＬＥＤまたはより多いＬＥＤを使用することができる。更に、蛍光体層１２の各側面に置かれたＬＥＤの数は、同一の数または異なる数にもできる。実施例の全ての装置は、均一の照明および均一の色を伴いながら全体の照明効率を低減させずに、白色を生成するまたは色の種々の濃さを生成するために、複数のスペクトルを混ぜ合わることができる。

どの実施例においてもＬＥＤによって表示できる色は、装置が置かれた使用方法に影響される可能性がある。いくつかの実施例において、多色を使用することができる。別の実施例において、２色だけが使用されることがある。いくつかの実施例において、１つ以上のＬＥＤが、特定の色を発光することがある。多色光発光源２４が、複数の色を発光することができるときであっても、色の全てを、全ての実施例において発光させる必要があるわけではない。代わりに、特定の実施例において、いくつかの色だけを発光させることもあるし、または、特定の色の色相を当業者に知られている方法で変化させることもある。種々の色を発光するＬＥＤの使用、および１つ以上の色の色相を変化させる技術の使用は、使用者のニーズに基づいて、ダイナミックに発光色を変化させることを可能にする。

図２Ｂに示したように、多色光発光源２４のいくつかは、蛍光体層１２の第１の側面１２Ａに隣接して置くことが可能であり、および多色光発光源２４の別のものは、蛍光体層１２の第２の側面１２Ｂに隣接して置くことが可能である。多色光発光源２４の各々は、蛍光体層１２から１つ以上の所定距離に置くことが可能である。

図２Ａおよび図２Ｂの代替実施例において、多色光発光源２４は、基板１４以外の場所に置くことも可能であり、分配用光学素子１０の底辺以外の場所に置くことも可能である。他の代替実施例において、多色光ＬＥＤは、分配用光学素子１０の両端部１５、１６に隣接して置くことが可能である。更に、他の代替実施例において、蛍光体層１２は、1つ以上の散乱層２０，２２無しで使用することが可能であり、または、１つ以上の散乱層２０，２２は蛍光体層１２無しで使用することが可能である。

図４は、ＳＰＥ（登録商標）技術を使用した、本願発明の別の典型的な実施例を示す図である。図４は、複数の固体発光器および下方変換物質が使用可能な、別の高効率光源を示している。この実施例は、一般的な周囲照明が要求される室内空間で使用することが可能である。図に示すように、装置は、蛍光体プレート５０（例えば、ＹＡＧ：Ｃｅまたは既に列記したような他の蛍光体）を含む。また、装置は、配列を形成する複数の半導体の短波長放射用発光ダイオード５６を含み、例えばＬＥＤ/ＲＣＬＥＤの配列５２を形成するダイオードを含む。この配列５２は、アルミニウム材から製作できる基材５４の上に搭載される。図４に示す典型的な実施例において、ＬＥＤ/ＲＣＬＥＤは、互いに隔離された状態で円形基材の周囲に配置される。

短波長放射用発光ダイオードの配列は、基材の上に置かれ、ダイオードの放射用発光表面は、蛍光体層プレート５０の方向に向けられる。この方法で、ダイオード５６は、蛍光体層プレート５０の方向に短波長放射を発光する。短波長放射が、蛍光体層プレートに衝突すると、既に説明した４つのコンポーネントが生成される。そのコンポーネントとは、短波長後方移動放射および後方移動下方変換放射６０、並びに短波長前方移動放射および前方移動下方変換放射６４である。短波長後方移動放射および後方移動下方変換放射６０が、白色光６２を生成する。前方移動短波長放射および前方移動下方変換放射６４が、白色光６６を生成する。

図５Ａおよび図５Ｂは、ＳＰＥ（登録商標）技術を使用した、本願発明の別の典型的な実施例を示す図である。これは、固体発光器および下方変換物質を使用する高効率光源の別の実施例である。図５Ｂは、図５Ａに示す高効率光源の断面図である。図に示すように、装置５００は、カップ５０２と、カップ５０２の底部においてカップ５０２内に配置された１つ以上の発光器５０１と、を含む。また、蛍光体層５０３および５０４も、装置内に含まれる。蛍光体層５０４は、発光器５０１の底辺部に対向する端部であって、かつカップ５０２の壁から離れた実質的な中央部分に配置される。蛍光体層５０３は、カップ５０２の壁の内部に配置される。図５Ａおよび図５Ｂに示す実施例は、一般的な周囲照明が要求される室内空間で使用することができる。

装置５００は、カップ５０２を含み、このカップは、配列された短波長放射で発光する１つのＬＥＤ/ＲＣＬＥＤまたは複数のＬＥＤ/ＲＣＬＥＤを有する透明なカップである。カップは、カップ５０２の透明な壁の内部と結合している１つの蛍光体層５０３を含む。別の蛍光体層５０４は、カップの中央領域でのみ結合可能である。従って、後方移動短波長放射および後方移動下方変換放射は、正面表面の透明な部分から直接的に抜け出ることが可能である。ＬＥＤ/ＲＣＬＥＤからの短波長放射から発光された細い光線が、蛍光体層と衝突すること無く正面表面の透明な部分を直接的に励起するＬＥＤ/ＲＣＬＥＤからの短波長放射を最小化するので、この実施例においては好まれる。カップは、ガラスまたはアクリルから製作可能である。

カップ５０２の内部は、ガラスまたはアクリルで満たすことが可能であり、従って蛍光体層５０３は、カップ５０２およびカップ５０２内に含まれる内側部分の間に挟まれることになる。また、蛍光体層５０４は、ガラス材またはアクリル材の外部表面と結合することは可能である。代替実施例において、蛍光体層５０４は、図２および図３で示した、２つの半円のアクリル・ロッドの間に蛍光体層を挟みこむことを記載した方法と類似の方法で、ガラス材またはアクリル材の内側に置くことは可能である。

図６は、ＳＰＥ（登録商標）技術を使用した、本願発明の更なる別の典型的な実施例を示す図である。これは、固体発光器および下方変換物質を使用する高効率光源の別の実施例である。上記図は、短波長放射発光器から離れた下方変換物質を使用する光学素子を示している。下方変換物質は、蛍光体にすることができる。図に示すように、装置６００は、光学素子６０６によって蛍光体層６０４から分離される短波長放射発光器６０２を含み、光学素子６０６は、実質的に光伝達可能な実質的に透明な媒体から製作することができる。実施例において、実質的に透明な媒体は、空気にすることが可能である。代替実施例において、実質的に透明な媒体は、ガラスまたはアクリルにすることは可能である。蛍光体（または量子化ドット）層６０４は、光学素子６０６の部分に搭載または置くことは可能であり、光学素子６０６は、実質的に透明で実質的に光伝達可能な壁６１０および６１２を有する。蛍光体（または量子化ドット）層６０４は、追加の散乱粒子（微小球）を含むことができ、種々の波長の光混合を高めることができる。また、蛍光体（または量子化ドット）層６０４は、１つの蛍光体（または量子化ドット）または複数の蛍光体（または量子化ドット）にすることができ、種々の異なるスペクトル領域に存在できる異なる色の下方変換放射を生成することができる。代替として、散乱粒子だけの層を、下方変換物質層の上方、または下方、または上方と下方に置くことができ、色の混合を高めることができる。

典型的な実施例において、蛍光体層６０４を上に置くことができる光学素子６０６の部分は、光学素子６０６の端部６１８にも存在することができる。放射発光器６０２は、光学素子６０６の別の部分に置くことができる。典型的な実施例において、放射発光器６０２は、光学素子６０６の別の端部６２０に置くことができる。光学素子６０６の壁６１０および６１２の各々は、光学素子６０６が円形の断面を有するとき、連続的な壁にすることができる。

短波長放射発光器６０２は、壁６１０および６１２の間に置くことができる。短波長放射発光器６０２および光学素子６０６の両方が、底辺部６０３の上に置くことができる。放射線６１４は、蛍光体層６０４を通過する放射を含むことができ、この蛍光体層６０４を通過する放射は、蛍光体層６０４を通過する前方移動短波長放射、および蛍光体層６０４を通過する前方下方変換放射を含む。

典型的な放射線６１５は、後方移動短波長放射、および蛍光体層６０４によって発光及び/又は後方散乱される後方移動下方変換反射放射を含むことができる。放射線６１６は、蛍光体層６０４によって後方散乱される放射を含むことができる。放射線６１６は、実質的に透明で実質的に光伝達可能な壁６１０および６１２を介して伝達可能な放射線６１５を含むことができる。典型的な矢印６１５は、側壁６１０および６１２の中央部分から伝達される後方移動放射を示しているが、後方移動放射は、側壁６１０および６１２に沿って複数の場所から側壁６１０および６１２を介して伝達されることを理解するべきである。光学素子６０６の外側での放射伝達は、光の取り出しと呼ばれることがある。従って、放射線６１５および放射線６１６の両方は、蛍光体層６０４から反射される短波長放射、および蛍光体層６０４から発光及び/又は散乱される下方変換反射放射を含むことができる。また、放射線６１６は、放射発光器６０２からの放射を含むことができる。典型的な実施例において、放射線６１５及び/又は６１６の多少または全部が、可視光として見ることが可能である。

側壁６１０および６１２を介して光学素子６０６の外側に放射を伝達する（引き出す）ことは、光学素子６０６が実質的に透明で実質的に光伝達可能な壁６１０および６１２と共に、光学素子６０６の内側から光学素子６０６の外側に放射を引き出すように配置および設計することができるので、発生させることができる。加えて、光学素子６０６の種々の幅は、光学素子６０６の外側に必要な放射量を引き出すために変更することができる。変化させることができる幅は、端部６１８での幅および端部６２０での幅である。同様に、端部６１８と端部６２０との間の光学素子の幅も変化させることができる。端部６１８と端部６２０との間の光学素子６０６の幅の変化は、壁６１０および６１２が実質的に直線、曲線、または直線および曲線の点の両方をもっているかによって影響を受けることになる。

上記の光学素子６０６の形状の寸法は、光学素子６０６が適用される応用事例によって変化させることができる。光学素子６０６の形状の寸法は、光線追跡の原理および内部での全体内部反射（ＴＩＲ）の原理を使用することで、変化させ設定することができる。ＴＩＲの原理が適用されると、壁６１０および６１２の１つまたは両方の放射の反射は、９９．９％を超えることができる。ＴＩＲの原理が、本願で開示される全部の実施例に適用することができる。

光学素子６０６の１つの実施例において、例えば光学素子６０６の寸法を、放射源６０２から光学素子６０６に入る放射の量を最大にするために設定することができる。別の実施例において、光学素子６０６の寸法を、放射源６０２から下方変換物質６０４に衝突する放射の量を最大にするために設定することができる。更に別の実施例において、光学素子６０６の寸法を、下方変換物質６０４から後方伝達される放射の量を最大にするために設定することができる。また別の実施例において、光学素子６０６の寸法を、壁６１０および６１２を介して引き出される放射の量を最大にするために設定することができる。別の実施例において、光学素子６０６の寸法は、上記で述べた放射の各々の特性を、すなわち光学素子６０６に入る放射の量、下方変換物質６０４に衝突する放射の量、下方変換物質６０４から後方移動される放射の量、および壁６１０および６１２を介して引き出される放射の量について、可能な限り同時に最大に取出す装置を提供するように設定することができる。更に、別の実施例において、光学素子６０６の寸法は、上記で述べた各々の特性のいくつか又は全てを最大にしないように設定することもできる。光線追跡の原理およびＴＩＲの原理は、上記した実施例のいずれにも実施するために使用することができる。

図６内で説明した実施例に関連して述べた原理は、明細書に記載し説明する全ての実施例に適用することができる。

上記に示したように、放射源６０２は、ＬＥＤ、ＲＣＬＥＤ、またはレザーダイオード（ＬＤ）である可能性がある。放射源６０２として、ＬＤが使用されるとき、ＬＤからの全放射は、下方変換物質６０４の方向に向けられ、衝突させることになる。従って、ＬＤが使用されるとき、光学素子６０６の形状は、円筒状の形状にすることができる。何故なら、後方移動放射は、実質的にＬＤに向かって跳ね返ることはなく、実質的に後方移動放射の全てが、円筒の側面を介して取り出される可能性があるからである。

図７は、ＳＰＥ（登録商標）技術を使用した、本願発明の更なる別の典型的な実施例を示す図である。図７は、光源から発光された光線を方向変換させるために、図６に示した高効率光源を少なくとも囲むようにする反射器を記載している。図に示すように、装置７００は、反射器７０２内に配置された装置６００を含む。反射器７０２は、説明のために放物線の幾何学的形状を有する。本願発明は、放物線の幾何学的形状を有する反射器７０２に限定されることはなく、他の形状を有することも可能である。例えば、反射器は、円錐、球形、双曲線、楕円、角錐、および箱形の形状も可能である。装置７００の有利な点は、光線の出力分散を良く制御すること、および色出力の均一性を良くすることを含むことができることである。反射器が、明細書内で開示する実施例のいずれかで説明されるとき、反射器の形状は、上記形状のいずれでも可能である。

基材６０３は、図６および図７に示すように、短波長放射発光源（６０２）、光学素子６０６の１つの端部、および反射器７０２の１つの端部を、搭載させるのに使用することができる。

光線６１６は、反射器７０２に衝突することができ、反射器７０２は、該光線を光線７１４として前方に方向変換させることができる。便利なことに、光線７１４の方向は、一般的に蛍光体層を通過できる放射光線と望ましいことに同一方向になる。結論として、装置７００の総光出力は、蛍光体層を介して通過する放射と光線７１４とを組み合わせることができる。図６に示す実施例の説明において示したように、またＴＩＲの原理が、図７に示した実施例に適用することができる。光学素子６０６から抜け出した光は、反射器７０２によって捕獲される。反射器７０２によって捕獲された光のいくつかは、反射器７０２によって、一般的に矢印７１４方向で示される方向に方向変換させられ、また上記捕獲された光のいくつかは、光学素子６０６の方向に方向変換される。ここで説明する効果は、すなわちＴＩＲの原理と反射器の使用とを組み合わせる効果は、反射器を使用する応用で説明する全部の実施例において適用することができる。

本願発明の他の実施例に類似して、短波長発光放射源６０２は、１つまたは複数の半導体短波長発光放射ダイオードであることが可能であり、例えばＬＥＤ、ＬＤ、またはＲＣＬＥＤであることが可能である。短波長発光放射ダイオードは、図４に配列５２として掲載した光源の配列に類似させて、ダイオードの配列内に搭載することができる。更に、蛍光体層６０４は、図４に示した蛍光体層５０に類似させることができる。

図７Ａは、ＳＰＥ（登録商標）技術を使用した、別の典型的な実施例を示す図である。図７Ａに示す典型的な実施例は、多色放射発光源を使用する。図に示すように、装置７１０は、反射器７０２内に置かれた光学素子７０４を含む。光学素子７０４は、実質的に透明な壁７０７および７０８を有することができる。下方変換物質層７０６および散乱層７０５は、光学素子７０４の一部の上に搭載または配置することができ、この光学素子７０４の一部とは、光学素子７０４の端部７１４にすることができる。反射器７０２は、装置７１０の出力光線の分配を制御するのに使用することができ、また装置７１０からの均一な色出力を達成するのにも使用することができる。光学素子７０４および反射器７０２は、共に基材７０３の上に搭載することができる。基材７０３は、光源のために電気的接続及び/又は熱発散を提供することができる。代替実施例において、光学素子７０４は、反射器７０２無しで使用することができる。

図７Ａに示す実施例は、多色放射発光源７０１を有することができる。多色放射発光源７０１の性質は、本願発明の他の実施例に関して記載したいずれのものとも同一にすることができる。多色放射発光源７０１は、光学素子７０４の端部７１２にすることができる光学素子７０４の一部に置くことができる。既に記述したように、下方変換物質層７０６および散乱層７０５は、光学素子７０４の端部の別の端部７１４に置くことができる。下方変換物質層７０６の特徴、散乱層７０５の特徴、並びに下方変換物質層７０６および散乱層７０５を含む層の数は、本願発明の他の実施例に関して記載したいずれのものとも同一にすることができる。本願の他の箇所で記載したように、例えば下方変換物質層７０６は、蛍光体層にすることができる。光学素子７０４は、実質的に透明な媒体にすることができ、または本願発明の他の実施例に関する応用例で記載した別の媒体にもすることができる。例えば、光学素子７０４は、ガラス、またはアクリル、またはポリマー、またはシリコンまたは実質的に光伝達可能な他のいずれかの物質からも製作することができる。

当業者は、散乱層が光に均一性を与えることで光に影響すると同一の方法で、また蛍光体層７０６が光に影響を与えることが可能であることを理解されるであろう。すなわち、蛍光体層７０６は、また散乱器として機能することも可能である。従って、追加の散乱層７０５は、蛍光体層７０６が単独で使用されるときの光よりも、より均一性が良い光にすることができる。他の実施例において、蛍光体層７０６の位置と散乱層７０５の位置とは、交換可能である。すなわち、蛍光体層７０６は、光学素子７０４の頂点に置くことができ、散乱層７０５は、蛍光体層７０６の頂点に置くことができる。別の実施例において、蛍光体層７０６は、散乱層７０５無しで使用することができる。更なる別の実施例において、散乱層７０５は、蛍光体層７０６無しで使用することができる。蛍光体の単独使用、散乱器の単独使用、または蛍光体と散乱器との同時使用のいずれとも無関係に、両者を単独または同時に使用する目的は、放射発光源７０１が発光できる光およびどのような色にも均一性を与えることができるようにすることである。

図７Ｂ〜図７Ｄは、図７Ａに示した実施例および本願で説明する他の実施例で使用される下方変換物質７０６を分散させる種々の方法を説明する図である。図７Ｂに示すように、蛍光体のような下方変換物質は、下方変換物質層７０６の内側に均一に散乱させることができる。

図７Ｃに示すように、下方変換物質層７０６は、複数の下方変換物質を含むことができる。複数の下方変換物質の各々は、下方変換物質の中心から距離に依存して下方変換物質の異なった密度を有することができる。例えば、下方変換物質層７０６は４つの区分を有することができ、区分の各々が異なる密度を有する。下方変換物質の第１の密度を有する下方変換物質の第１の区分７０６Ａは、下方変換物質層７０６の中心部に存在することができる。下方変換物質の第２の密度を有する下方変換物質の第２の区分７０６Ｂは、下方変換物質の第１の区分７０６Ａを囲むことができる。下方変換物質の第３の密度を有する下方変換物質の第３の区分７０６Ｃは、下方変換物質の第２の区分７０６Ｂを囲むことができる。下方変換物質の第４の密度を有する下方変換物質の第４の区分７０６Ｄは、下方変換物質の第３の区分７０６Ｃを囲むことができる。下方変換物質の上記区分の各々は、図示するような円形を有しているが、区分の各々は、各々が異なった形状を有することも可能である。例えば、各々が、四角形、三角形、または別の多角形、または多角形以外の何らかの形状にすることができる。加えて、下方変換物質の区分を多くまたは少なくして使用することも可能である。

下方変換物質を分散させる異なる方法を図７Ｄに示す。図７Ｄに示すように、下方変換物質のスペック、すなわち“ゴマ状の点（すなわち、小さな断片）”を第２の光学素子の周辺に分散させることができる。例えば、下方変換物質のスペックは、第２の光学素子７０８の頂点に置くことができ、または第２の光学素子７０４の端部７１４の上面内に埋め込むこともできる。下方変換物質のスペックは、不規則に分散させることができ、または所定のパターン内に分散させることもできる。

図７Ｂ〜図７Ｄで開示した蛍光体の実施例は、本願の色々な箇所で説明した他の実施例と共に、要求される色および色相を得る目的で、蛍光体の密度を調整するために使用することができる。この調整は、本願の実施例が白色光または特定色を生成することを意図しているかに拘らず、本願が開示した実施例のいずれでも実現することができる。例えば、ある実施例は、青色の蛍光体および黄色の蛍光体の混合を使用することができる。代替の実施例は、複数の種類の蛍光体の混合を使用することができ、例えば量子ドット、量子ドット水晶、量子ドットナノ水晶の混合を使用することができる。更なる別の実施例は、白色光の異なった色調を得るために、１つの蛍光体と一緒に青色のＬＥＤを使用するか、または複数の蛍光体と一緒に青色のＬＥＤを使用することができる。更なる別の実施例は、散乱器と一緒に多色用ＬＥＤを使用することができる。追加の実施例では、上記特徴の組み合わせのいずれをも使用することができる。

本願の色々な箇所で示したように、放射発光源７０１の各々は、どのような組み合わせにおいても、青色光、緑色光、または赤色光を発光させることができる。また、各色の異なる色相も使用することができる。放射発光源７０１の１つ以上が青色の光を発光させ、かつ層７０６が蛍光体であるとき、上記青色光は、本願の色々な箇所に記載したように下方変換され、本願の色々な箇所に記載したように放射の４つのコンポーネントを生じさせる。放射発光源７０１の１つ以上が青色光を発光させ、かつ層７０６が蛍光体でなく散乱物質の異なった種類のとき、上記青色光は、下方変換される可能性がない層７０６に衝突することになる。放射発光源７０１の１つ以上が赤色光または緑色光を発光させるとき、すなわち青色以外の何か別の色を発光させるとき、このような色は、層７０６が蛍光体または他の散乱物質であることに拘らず、下方変換されることはない。蛍光体が使用され、青色光、緑色光、および赤色光の全てが、層７０６に衝突するとき、白色光が、蛍光体の密度に依存して生じる。

放射発光源７０１によって発光される色が、各々何色であるかに無関係に、および蛍光体または他の散乱物質が使用されるかとは無関係に、放射発光源７０１からの光が、蛍光体または他の散乱物質に衝突するとき、前方移動放射および後方移動放射が生じる。青色光が、蛍光体層に衝突する場合、放射で生じるコンポーネントは、図１４に関連して説明することができる。別の光が、蛍光体層に衝突する場合、前方移動の光および後方移動の光が、衝突する光と同一の色になる可能性がある。例えば、赤色光が蛍光体層７０６に衝突するとき、前方移動の光および後方移動の光は、また赤色光になる可能性ある。同一の結果が、緑色光または青色光に加えて他のどんな色でも得られることがある。同一の結果が、蛍光体以外の散乱器が使用されるときに得られる可能性がある。

図８Ａ〜図８Ｅは、本願に記載したＳＰＥ（登録商標）技術の実施例を使用することができる光学素子の種々の断面形状を描いている。図８Ａに示す光学素子８０１は、上面８０１２を有する円錐形状からなる。図８Ｂに示す代替の光学素子８０２は、上面８０２２を有する球形の形状からなる。図８Ｃに示す代替の光学素子８０３は、上面８０３２を有する双曲線の形状からなる。図８Ｄに示す代替の光学素子８０４は、円錐の壁および窪んだ上面８０４２を有することができる。図８Ｅに示す代替の光学素子８０５は、円錐の壁および出っ張った上面８０５２を有することができる。他の幾何学的形状は、放物線または楕円の形状を含むことができる。加えて、各光学素子の広い頂点は、平らにする、または他の幾何学的形状にすることができる。

他の実施例と同様に、光学素子８０１〜８０５は、実質的に透明な物質から製作することができ、従って、光学レンズ（図６の光学素子６０６と同様）のような機能をもたすこともできる。

図８Ａ〜図８Ｅには示していないが、反射器（図７に示す光学素子７０２と類似なもの）を、各光学素子８０１〜８０５を囲むように配置することができる。更に、各光学素子８０１〜８０５は、下方変換物質層および散乱器（図７Ａに示す蛍光体層７０６と散乱層７０５と同様なもの）を含むことができる。蛍光体層および散乱層（図８Ａ〜図８Ｅには未表示）は、各発光源に対向している、各光学素子の各上面８０１２、８０２２、８０３２、８０４２、８０５２の上面に配置することができる。代替として、蛍光体層および散乱層（図８Ａ〜図８Ｅには未表示）は、各発光源に対向させながら、各光学素子の各上面８０１２、８０２２、８０３２、８０４２、８０５２の近くに、各光学素子の内側に挟むことができる。他の実施例において、図７Ａに関連して説明したように、蛍光体層および散乱層（図８Ａ〜図８Ｅには未表示）は、交換することができる。すなわち、蛍光体層７０６を、各光学素子の各上面８０１２、８０２２、８０３２、８０４２、８０５２の頂点に置き、散乱層（図８Ａ〜図８Ｅには未表示）は、蛍光体層７０６の頂点に置くことができる。更なる別の実施例において、蛍光体層７０６は、散乱層無しで使用することができる。また、更なる別の実施例において、散乱層（図８Ａ〜図８Ｅには未表示）は、蛍光体層７０６無しで使用することができる。

図８Ｆおよび図８Ｇは、ＳＰＥ（登録商標）技術を使用した発明の実施例を示しており、このＳＰＥ技術は、各放射源、各反射器、および図８Ａ〜図８Ｅに示す形状８０１〜８０５の断面図の１つを示す光学素子を含む。図８Ｆにおいて、反射器８０６および第２の光学素子８１０は、共通の中心軸（未表示）おいて、一緒に回転する物体である。図８Ｇにおいて、反射器８１２および光学素子８１４は、各々の長軸に沿って同時に押し出される物体である。反射器８０６および反射器８１２の断面観は、放物線の形状、または円錐、球形、双曲線、楕円、三角錐のような他の幾何学的形状を有することができ、更には例えば箱形のような形状を有することもできる。

次に、図９Ａおよび図９Ｂに関連して、一般的には９００として指定するような、レンズの２次元の線形的な配置が存在する。図９Ａに示すように、Ｎ×Ｍ配列の高効率な光源装置が、光パイプ（light pipe）９１２の上部に配置される。光パイプ９１２は、長方形を有するものとして図９Ａに表示されているが、長方形以外の形状を有することも可能であることは理解されるであろう。典型的な光源装置の３つが９１０、９２０、および９３０として指定されている。Ｎ×Ｍ配列内の残りの光源装置は、光源装置９１０、９２０、および９３０のいずれかと同一にすることができる。代替実施例において、光パイプ９１２は、円形の形状または別の形状を有することができる。また、代替実施例において、レンズの配列は、放射線状の配置または別のパターンにもすることができる。

図９Ｂに最も良く示されているように、光源装置９１０、９２０、９３０の各々は、放射発光器９０２、光学素子６０６のようなレンズ９０４、および図６の蛍光体層６０４に類似させることができる蛍光体層（未表示）を含むことができる。また、光源装置の各々は、反射器９０６を含むことができ、この反射器９０６は、放射発光器９０２からの伝達光および反射光を光パイプ９１２の方向に方向変換させることができる。

図示のように、光パイプ９１２は、光源装置９１０、９２０、および９３０に隣接する側面９１４、並びに上記各光源装置から更に離れて対向する別の側面９１６を含むことができる。マイクロレンズ層９１８は、対向する側面９１６の上部に存在することができる。マイクロレンズ層は、蒸着された蛍光体層に結合することができる。

図９Ｃに最も良く示されているように、典型的な光源装置９１０、９２０、および９３０の１つ以上は、図７Ａの装置７１０に類似させることができ、図７Ａの装置は、多色発光源、光学素子７０４のようなレンズ、層７０６のような下方変換物質層、および層７０５のような散乱層を含む。例えば、これの代替実施例において、光源装置９１０は、多色発光源９０２、光学素子７０４のようなレンズ９０４、図７Ａの下方変換物質層７０６に類似させることができる下方変換物質層（未表示）、および図７Ａの散乱層７０５に類似させることができる散乱層（未表示）を含むことができる。また、光源装置９１０は、反射器９０６を含むことができ、この反射器は、図７Ａの反射器７０２に類似させることができる。更に、別の光源装置の各々も、多色発光源、図７Ａに関連して開示された光学素子のようなレンズ、下方変換物質層および光源装置９１０内に含まれていた素子類と類似する散乱層を含むことができる。更に別の実施例において、光学素子９０４は、該光学素子上に置かれる下方変換物質層を有することはない。

光パイプ９１２は、図９Ｃに示すように、典型的な光源装置９１０、９２０、および９３０に隣接する側面９１４、並びに上記典型的な光源装置から更に離れて対向する側面９１６を含む。マイクロレンズ層９４０が、対向する側面９１６の上部に存在することができる。

図１０Ａおよび図１０Ｂは、一般的に１０４０として指定される高効率な光源の別の典型的な実施例を示す。この光源には、個別の光源装置が光パイプ１０４２の端部周辺に配置される。図１０Ａ内に示すように、典型的な光源装置１０４６，１０４８，１０５０、および１９５２等のような数個の光源装置を、光パイプ１０４２の端部周辺に置くことができる。

典型的な高効率な光源１０４０の断面が、図１０Ｂに示されている。図１０Ｂに示すように、典型的な光源装置１０４６は、光パイプ１０４２の方に光を向けるように配置されている。光パイプ１０４２は、光パイプ１０４２の第１の側面１０６２および第２の側面１０６４を含めることができる。マイクロレンズ層１０６６は、光パイプ１０４２の第１の側面１０６２に隣接して置くことができ、別のマイクロレンズ層１０６８は、光パイプ１０４２の第２の側面１０６４に隣接して置くことができる。光パイプ１０４２は、多角形の形状を有するように示されているが、光パイプは、円形の形状または他の形状でも有することができる。

図１０Ａおよび図１０Ｂに示す実施例の１つの実施例において、典型的な光源装置１０４６，１０４８，１０５０、および１０５２の各々は、図７の装置７００に類似させることができ、装置７００は、短波長放射発光器、明細書内で光学素子と記載するレンズ、および下方変換物質層を含む。例えば、典型的な光源装置１０４６は、光パイプ１０４２の端部１０６０の上に搭載することができる。典型的な光源装置１０４６は、短波長放射発光器１０５４、光学素子６０６のようなレンズ１０５６、および下方変換物質層（未表示）を含むことができ、この下方変換物質層は、図６の下方変換物質層６０４、または図７Ａの下方変換物質層７０６に類似させることができる。また、典型的な光源装置１０４６は、反射器１０５８を含むことができ、この反射器は、レンズ１０５６からの後方移動放射および前方移動放射を、光パイプ１０４２の端部１０６０および光パイプ１０４２の方に向けて方向変換させることができる。反射器１０５８は、図７の反射器７０２に類似させることができる。追加の光源装置は、端部１０６０に沿って、および端部１０７０に沿って置くことができる。さらに光源装置は、光パイプ１０４２の別の２つの端部に沿って、すなわち図１０Ａおよび図１０Ｂにおいて見えない側の端部に沿って置くことができる。また、光源装置１０４６以外の光源装置の全てが、類似の短波長放射発光器、レンズ、および光源装置１０４６内に含まれている要素に類似する下方変換物質層を有することができる。図１０Ａが、端部１０６０および１０７０の各々に沿って５つの光源装置を示しているが、より少なくまたはより多くの光源装置が、端部１０６０および１０７０の各々に沿って、および図１０Ａにおいて見えない端部に沿って使用することができることを理解するであろう。

別の代替実施例において、典型的な光源装置１０４６，１０４８，１０５０、および１０５２の１つ以上は、図７Ａの装置７１０に類似させることができ、多色光発光装置、光学素子のようなレンズ、下方変換物質層、および散乱層を含む。この代替実施例において、典型的な光源装置１０４６は、多色光発光源１０５４、光学素子７０４のようなレンズ１０５６、下方変換物質層（未表示）、および散乱層（未表示）を含むことができる。上記下方変換物質層は、図７Ａの下方変換物質層７０６に類似させることができ、かつ上記散乱層は、図７Ａの散乱層７０５に類似させることができる。また、図１０Ａに示す典型的な光源装置の各々は、典型的な反射器１０５８のような反射器を有することができ、この反射器は７Ａの反射器７０２に類似させることができる。反射器は、多色光発光源からの光並びに各下方変換物質層または散乱層からの後方移動光を、光パイプ１０４２の端部１０６０および光パイプ１０４２の中へと方向転換させることができる。また、他の光源装置の各々は、多色光発光源、レンズ、光源装置１０４６内に含まれている要素と類似の下方変換物質層および散乱層を有することができる。この要素は、光パイプ１０４２の各端部を介して光パイプ１０４２の中へ各々の光を伝達することができる。別の実施例において、光学素子１０５６は、散乱層を有することはない。更なる別の実施例において、光学素子１０５６は、素子に蒸着させる下方変換物質層を有することはない。

図１０Ｂに示すように、光パイプ１０４２の端部１０６２および１０６４の上部に、マイクロレンズ層１０６６および１０６８を蒸着させることができる。

図１１は、更に別の本願発明の典型的実施例を示す。図示されているように、装置１１１０は、短波長放射源１１００、レンズ１１０２、および蛍光体層１１０４を含み、レンズは、本願に記載した光学素子のいずれかである。蛍光体層は、レンズ１１０２の上部に蒸着することができ、例えば図６，７、および７Ａに示した方法と類似の方法によって、蛍光体層を短波長放射源１１００から離れるようにして蒸着することができる。光源/レンズ/蛍光体の配置は、高反射率を有する反射器１１０６によって少なくとも部分的に囲むことができる。典型的な実施例において、反射器１１０６の測定した反射率は、９０％〜９７％の範囲内である。加えて、高効率のマイクロレンズの拡散器１１０８は、反射器１１０６の上部全域を覆うように置かれる。典型的な実施例において、マイクロレンズの拡散器１１０８は、９５％を越える効率を示す可能性がある。本願に記載する他の反射器の反射率は、反射器１１０６の反射率と同一にすることができる。本願に記載する他の拡散器の効率は、拡散器１１０８の効率と同一にすることができる。

図１１Ａは、別の本願発明の典型的実施例を示す。図１１Ａは、多色放射発光源１１２２、光学素子１１２４、および下方変換物質層１１２６を含むことができる装置１１２０を示す。光学素子１１２４は、多色放射発光源１１２２に隣接して搭載することができる。下方変換物質層１１２６は、下方変換物質層１１２６を多色放射発光源１１２２から離すように、光学素子１１２４の１つの端部１１２９の上または一部に搭載または蒸着することができる。図１１Ａは、３つの多色放射発光源１１２２を示しているが、本願で示す他の実施例に関連して説明する根拠において、より多いまたはより少ない多色放射発光源１１２２を使用することができることは、理解されるであろう。多色放射発光源１１２２の配列、光学素子１１２４、および下方変換物質層１１２６を含むパッケージは、高反射率を有する反射器によって、少なくとも部分的に囲むことができる。この代替実施例の典型的な実施例において、反射器１１２８の測定した反射率は、９０％〜９７％の範囲内である。高効率のマイクロレンズの拡散器１１３０は、反射器１１２８の端部１１３２の全域を覆うように置くことができる。上記拡散器が上記反射器の端部全域を覆わないとき、端部１１３２を開放にすることができる。典型的な実施例において、マイクロレンズの拡散器１１３０は、９５％を越える効率を示す可能性がある。図１１Ａに示す実施例の代替の実施例において、拡散器は、下方変換物質層１１２６の代わりに使用することができ、そして拡散層１１３０を除去することができる。他の実施例において、光学素子１１２４の側壁は、色混合を向上させるために、白色に塗ることができる。

図１２は、更に本願発明の別の典型的な実施例を示す。図に示すように、装置１２１０は、蛍光体層１２０２および反射器１２０６に対面する短波長放射源１２００を含む。実質的に透明な媒体１２０４が、短波長放射源１２００と蛍光体層１２０２との間の空間を満たすことができる。典型的な実施例において、蛍光体層１２０２は、放物線の形状または他の曲線すなわち既に列挙してきた幾何学的形状の１つにすることができる。反射器１２０６は、蛍光体層１２０２および短波長放射源１２００から離れて間隔をあけることができる。実質的に透明な媒体１２０８は、蛍光体層１２０２と反射器１２０６との間の空間を満たすのに使用することができる。図示のように、蛍光体層１２０２は、放射源１２００と反射器１２０６との間に配置することができる。

図１２Ａは、更なる本願発明の別の典型的な実施例を示す。図示のように、図１２Ａ内の装置１２２０は、蛍光体層１２０２および反射器１２０６のような下方変換物質層に対面する多色放射発光源１２２２を含む放射源を有する。蛍光体層１２０２は、発光源１２２２から離れて配置される。実質的に透明な媒体１２０４は、多色放射発光源１２２２と下方変換物質層１２０２との間に配置することができる。典型的な実施例において、下方変換物質層１２０２は、放物線または他の曲線の形状にすることができる。反射器１２０６は、下方変換物質層１２０２および多色用ＬＥＤ配列１２２２から離れて間隔をあけることができる。実質的に透明な媒体１２０８は、下方変換物質層１２０２と反射器１２０６との間に存在することができる。この実施例において、下方変換物質層１２０２は、発光源１２２２と反射器１２０６との間に配置される。代替実施例において、散乱層は、反射器１２０６の端部１２２４の全域を覆うように置かれる。上記拡散器が上記反射器の端部全域を覆わないとき、端部１２２４を開放にすることができる。他の代替実施例において、拡散層は、下方変換物質層１２０２の代わりに使用することができる。拡散層が下方変換物質層１２０２の代わりに使用されるとき、拡散層１１３０は、端部１２２４の全域を覆うように置かれることはない。

白色発光ダイオード（ＬＥＤ）で使用される蛍光体は、発光された光の半分以上を後方散乱することは良く知られている一方で、この光が、白色源の全体効率を増加させるように光子として回復できることを、未だ誰も示していない。我々は、本願の種々の実施例で提供してきた散乱型光子励起（ＳＰＥ（登録商標））方法が、白色源の全体効率を著しく増加させることを、実験的に検証してきた。低電流において、ＳＰＥパッケージは、黒体軌跡に非常に近い色度値を有する白色光を８０ｌｍ/Ｗ以上で見せた。

白色光を生成することを可能にする種々の方法の中で、蛍光変換発光方法は、最も一般的な方法である。第１の蛍光体・変換白ＬＥＤは、青色ＬＥＤをベースとした窒化ガリウム（ＧａＮ）と組み合わせて、イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ：Ｃｅ）蛍光体にドーピングされたセリウムを使用する。典型的な白色ＬＥＤパッケージにおいて、蛍光体は、ＬＥＤダイを囲むエポキシ樹脂の内側に埋め込まれる。ＧａＮのＬＥＤで発光される短波長放射のいくつかの部分は、蛍光体によって下方変換され、組み合わされた光は、人間の目によって白色として認識される。これら製品は、白色ＬＥＤの概念を証明し、ある狭い照明応用分野において使用されてきたが、これら製品は、低い全体の光出力および低い効率のために、一般的な照明分野には適していなかった。

白色ＬＥＤで一層効率良い照明を達成するために、いくつかの段階で発展が必要であった。その段階とは、内部の量子効率、取り出し効率、および蛍光体・変換効率である。ある研究者は、内部の量子効率を向上させるために、半導体の物質および増殖の面の研究に挑戦し続けている。別の研究者は、光を取り出す効率を向上させるために、チップ形状、蛍光体水晶、ミクロン・スケールのＬＥＤ、および他の新規な方法について調査をしている。また、別の研究者は、一層効率の良い下方変換と一層優れた光学特性を有する、新規の蛍光体を研究している。

光のかなりの部分が蛍光体によって後方散乱されＬＥＤ内に吸収により消失することは、過去の文献知識であるが、我々の知る限りでは、後方散乱の光子を取り出す方法すなわち本願発明の実施例で提供されたＳＰＥ（登録商標）方法で性能を向上させることを、誰も計画をしていなかった。上記方法は、散乱した光子を回復させることで、全体の光出力および蛍光体・変換白色ＬＥＤの照明効率を著しく増加させる。

初期の短波長光と蛍光体との間の相互作用を良く理解するため、また前方移動および後方移動する散乱光の量を定量化するために、直径５ｃｍの円形のガラス・プレートの数枚を、ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体の種々の密度で、具体的には２ｃｍ/ｃｍ²から８ｃｍ/ｃｍ²の範囲で塗装した。これらの蛍光体塗装のプレートを、蛍光体塗装面が積分球の右側に面するようにして、２つの隣り合う積分球の間に置いた。蛍光体物質は、カラスのプレートから２.５ｃｍ離れた右球体の内側に置かれた５ｍｍの青色ＬＥＤからの放射によって励起された。分光計は、測定用ポートを介して各球形からの光出力を測定した。右球形および左球形からの測定された光出力は、各々において蛍光体層を通過した光および反射した光の量を示している。分光計のデータは、ＬＥＤによって発光された放射エネルギーおよびＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体からの変換エネルギーに対応する、青色と黄色との領域での光束量を決定するように分析された。実験結果は、伝達放射および反射放射のスペクトルパワー分布が異なること、特に青色と黄色との比の量において異なることを示した。伝達放射および反射放射の量は、蛍光体密度に依存し、低い密度のときに伝達放射のパーセンテージが高くなる結果を得た。一般的に、蛍光体密度は、適切な色相の白色光が生成できるように、伝達される青色と黄色とを的確な比率になるように制御される。ここで、適切な色相の白色光とは、一般的に当該色が黒体軌跡上にあるか、または黒体軌跡に近いことを意味する。収集データから、均衡した白色光を生成したときは、光の約４０％が伝達されたもので、残りの６０％は反射されたものと推定された。山田他は、類似の結果を見つけ、Ｋ.山田、Ｙ.今井、およびＫ.石井 著による照明学会誌・英文誌（2003年(Vol.27, No.2)発刊）で報告している。従来の白色ＬＥＤにおいて、この反射光の重要な部分が、ダイ周辺のコンポーネント類によって吸収され、低い照明効率の理由の１つとなっていた。

反射光の大部分を回復することができる方法は、図１３に示されており、図１３は、ＳＰＥ（登録商標）を実装したＬＥＤパッケージを概略的に表示している。蛍光体がダイ周辺に広げられている一般的な従来のＬＥＤパッケージと異なり、本願発明のＳＰＥ（登録商標）パッケージ内において、蛍光体は、ダイから離れており、かつダイと蛍光体との間を透明媒体で間隔をあけている。パッケージにとって効率の良い幾何学的形状は、光線追跡解析によって決定することができる。パッケージの幾何学的形状は、重要な役割を果たし、図１３に示す形状は、ＧａＮダイから放出される光を蛍光体層に効率良く伝達し、かつ蛍光体層からの後方散乱光の大部分を光学素子に逃がすことを可能にする。一般的な従来のパッケージと比較して、より多くの光子が、ＳＰＥ（登録商標）パッケージで回復される。繰り返すが、蛍光体密度は、最終の白色光の色度を決定することになる。

ＳＰＥ（登録商標）パッケージが、従来の白色ＬＥＤパッケージと類似する色度座標で白色光を生成するために、異なる蛍光体密度を必要とすることは、特記するようなことではない。この相違は、従来パッケージが圧倒的に伝達光を使用していたのに対して、ＳＰＥ（登録商標）パッケージが、伝達光と非類似のスペクトルをもつ後方散乱光とを混合させることによる結果から生じるものである。

図１３に示すＳＰＥ（登録商標）パッケージが、より高い光出力および照明効率を提供することを検証するために、実験を、１２個の従来型の高流量ＬＥＤ、すなわち同一製造元から入手した６個の３Ｗ青色ＬＥＤと６個の３Ｗ白色ＬＥＤで行った。ＳＰＥ（登録商標）パッケージの要求プロファイルに適合する市販の光学素子が見つかり、そして、すべてのものが、ＬＥＤの実験のために得られた。この光学素子は、後方散乱光の大部分を取り出すような図１３に示す要求の形状を有していなかったが、仮説を検証するには充分であった。実験用の第２の光学素子の平らな上面部は、ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体の所定量で塗装した。要求された蛍光体密度は、別の実験の中で、蛍光体密度を体系的に変え、得られた色度を解析し、そして実験で使用した市販の白色ＬＥＤの色度に近い色度を生成した蛍光体密度を選択するようにして決定した。２つのパッケージ概念の性能を比較するために、白色ＬＥＤは、塗装していない第２の光学素子に取り付けた。市販の白色ＬＥＤの光出力とスペクトルを積分球内で測定し、そしてＬＥＤに給電するのに必要な電流および電圧も測定した。同一の測定を、図１３に示すような、蛍光体を塗装した第２の光学素子に取り付けられた青色ＬＥＤを含むＳＰＥ（登録商標）パッケージに対して繰り返した。

ＳＰＥ（登録商標）ＬＥＤパッケージの平均光束および対応する平均効率は、各々９０.７ｌｍと３６.３ｌｍ/Ｗであることが判った。一般的な白色ＬＥＤパッケージの平均光束および対応する平均効率は、各々５６.５ｌｍと２２.６ｌｍ/Ｗであることが判った。従って、ＳＰＥ（登録商標）ＬＥＤパッケージは、平均において、光出力は６１％大きく、照明効率は６１％高くなる。類似するＬＥＤ間の光束および対応する効率の変動は、小さく、４％以下の標準偏差であった。ＳＰＥ（登録商標）パッケージは、従来の白色ＬＥＤパッケージに比較して、常により高い照明出力とより高い効率を有していた。

また、光出力および効率に関連する電流への影響を、２つのＬＥＤパッケージ、すなわち１つの一般的な白色ＬＥＤパッケージおよび１つのＳＰＥ（登録商標）パッケージにおいても測定した。これら２つのＬＥＤパッケージは、同一の光出力測定手順に従ったが、これらへの入力電流は、各段階において、７００ｍＡから５０ｍＡへと減少した。また、対応する光度計および電気データも収集した。非常に低い電流において、ＳＰＥ（登録商標）パッケージは、従来パッケージの５４ｌｍ/Ｗに比較して、８０ｌｍ/Ｗを超えた。

ＳＰＥ（登録商標）パッケージによって、後方散乱光子は、ＬＥＤ内のコンポーネントに吸収される前に取り出される。蛍光体層がダイから遠く離れて置かれること、および後方散乱光子がパッケージ内の多数の反射に会う前に後方散乱光子を取り出すことは、本質的なことである。蛍光体をダイから離すように動かすことは、更なる利得をもっている。例えば、白色ＬＥＤの寿命がまた向上し、このことは既刊の刊行物（Narendran, N., Y. Gu, J.P. Freyssinier, H. Yu, and L.Deng. 2004. Solid-state Lighting: Failure analysis of white LEDs. Journal of Crystal Growth 268(3-4): 449-456）に記載されている。

後方移動放射の一部を回復させる本願発明の代替方法は、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、反射物質で第２の光学素子の側面を塗装することである。この方法は、従来の白色ＬＥＤパッケージに比較して効率は向上するかもしれないが、利得が大きくならない。何故なら、後方移動放射が、蛍光体層と反射器との間を往復し、この放射の大部分が吸収され熱として消失するためである。この方法の欠点は、周囲のエポキシ物質を介して移動する短波長放射の経路長を増加させることで、エポキシが早く劣化し、白色ＬＥＤの使用寿命を短くすることである。

図１３に示すＳＰＥ（登録商標）パッケージの形状は、この形状に限定されないことは理解されるであろう。代替の形状が、例えば色および寿命に関する他のデザイン事項に対処することで、後方移動放射をより効率的に回復させるのに使用できるようになる。１つの例として、図１３の配置において、上面の表面の直径の好ましいサイズを約２０ｍｍにし、高さの好ましいサイズを約１１ｍｍとすることである。

要約すると、本願発明は、下方変換物質層または散乱層からの後方移動放射を回復させることである。加えて、ＬＥＤシステムの光出力全体と対応する照明効果を、従来パッケージに比較して、著しく増加させることである。同時に、光学素子は、複数のスペクトルを混合して、均一の照明および均一の色によって白色および他の色の濃度を生成することができる。本願発明の実施例の応用は、一般的な照明および背面照明を含む。

本願発明は、典型的な実施例に関連して記載してきたが、その実施例に限定されるものではない。むしろ、添付の請求項の内容は、本願発明の真の精神および範囲から逸脱することなく、当業者によって実施される本発明の他の変形例および他の実施例も含むように解釈するべきである。

Claims (27)

1. 多色放射を発光させる放射源と、
   前記放射源で発光された前記多色放射の少なくとも一部を受光し、前記多色放射を、前方移動放射および後方移動放射に変換させる散乱物質と、
   前記散乱物質に結合する光学素子であって、前記後方移動の放射を受光し、かつ前記後方移動の放射の少なくとも一部を該光学素子から取り出すのに適用される光学素子と、を含む発光装置。
2. 前記放射源は、複数の発光源を含み、複数の発光源の各々は、他の発光源の少なくとも１つの発光源のスペクトルとは異なるスペクトルを示す請求項１の発光装置。
3. 前記複数の発光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザーダイオード（ＬＤ）、および共振空洞発光ダイオード（ＲＣＬＥＤ）の中の少なくとも１つのダイオードを含む請求項２に記載の発光装置。
4. 複数の発光源の第１は、前記散乱物質の第１の側に隣接して配置され、複数の発光源の第２は、前記散乱物質の第２の側に隣接して配置される請求項２に記載の発光装置。
5. 前記複数の発光源は、前記散乱物質からの所定距離に配置される請求項２に記載の発光装置。
6. 前記複数の発光源は、前記光学素子の第１の部分に隣接して配置される請求項２に記載の発光装置。
7. 前記散乱物質は、前記光学素子の第２の部分に隣接して配置される請求項６に記載の発光装置。
8. 前記散乱物質は、前記光学素子の第２の端部の一部分の上に配置されるか、又は前記光学素子の第２の端部の実質的な全部分の上に配置される請求項７に記載の発光装置。
9. 光パイプを更に含み、前記複数の発光源は、前記光を前記光パイプに向けるために、前記光パイプ周囲の少なくとも一部に配置される請求項２に記載の発光装置。
10. 前記光パイプの側面上に配置されるマイクロレンズ層を、更に含む請求項９に記載の発光装置。
11. 前記多色放射を受光する前記散乱物質は、散光器、下方変換物質、及びマイクロレンズの少なくとも１つである請求項１に記載の発光装置。
12. 前記下方変換物質は、スペクトル領域内の第１の波長の放射を吸収し、かつ前記スペクトル領域内の第１の波長よりも長い第２の波長の放射を発光させるための少なくとも１つの物質を含む、請求項１１に記載の発光装置。
13. 前記下方変換物質は、実質的に均一に分散された物質を有する層、複数の物質が各々の密度を示すような複数の物質を有する層、または前記光学素子内に分散された物質の１つを含む、請求項１１に記載の発光装置。
14. 前記散乱物質は、前記散光器に隣接する前記下方変換物質の少なくとも１つの層を含む請求項１１に記載の発光装置。
15. 前記散乱物質は、前記散光器から離れて配置される下方変換物質の少なくとも１つの層を含む、請求項１１に記載の発光装置。
16. 前記多色放射を受光するための前記散乱物質は、スペクトル領域内の第１の波長の放射を吸収し、かつ前記スペクトル領域内で前記第１の波長よりも長い第２の波長を少なくとも放射させるために発光する複数の下方変換物質を含む、請求項１に記載の発光装置。
17. 前記多色放射を受光するための前記散乱物質は、ｉ）複数の散乱層と、ii）複数の下方変換物質層と、を含む、請求項１に記載の発光装置。
18. 前記光学素子から離れていく前記後方移動放射の少なくとも一部を収集するための収集装置を更に含む、請求項１に記載の発光装置。
19. 前記収集装置は、前記光学素子の少なくとも一部に周辺配置される反射器を含む請求項１８に記載の発光装置。
20. 前記反射器の形状は、円錐、球形、双曲線、放物線、楕円、角錐、および箱形の１つである請求項１９に記載の発光装置。
21. 前記光学素子は、前記収集装置の上または前記収集装置から離れた距離の１つに配置される請求項１８に記載の発光装置。
22. 前記収集装置は、前記光学素子の少なくとも両側に隣接して配置される請求項２１に記載の発光装置。
23. 前記光源は、前記収集装置と前記散乱物質との間に配置される請求項１８に記載の発光装置。
24. 前記散乱物質は、前記光学素子内に分散される請求項１に記載の発光装置。
25. 前記放射源に結合する熱発散装置を更に含む請求項１に記載の発光装置。
26. 多色放射を発光させるための放射源と、
    前記放射源で発光された放射を受光するように配置された光学素子と、
    前記光学素子の一部の上に配置される散乱物質であって、前記光学素子によって受光された前記多色放射の少なくとも一部を受光し、前記多色放射の少なくとも一部を前方移動光および後方移動光に変換する散乱物質と、を含み、
    ここで、前記光学素子は、前記後方移動する光の一部を取り出すように配置される、発光装置。
27. 前記放射源は複数の発光源を含み、複数の発光源の各々は、他の発光源の少なくとも１つのスペクトルと異なるスペクトルを示す、請求項２６に記載の発光装置。

Images