JP2011249348A - 固体ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】室内照明や他の用途に有用な光を発する新規な固体ランプ（１０）を提供する。
【解決手段】固体ランプ（１０）は、セパレータ（１４）を介して光をディスパーサ（１６）に伝える固体光源（１２）を備え、ディスパーサ（１６）は、光を所望のパターンに分散させ、および／または、光の色を変化させる。一実施形態において、光源（１２）は、室内照明に十分な高い電流で動作する青色ＬＥＤであり、セパレータ（１４）は、光パイプまたは光ファイバデバイスであり、ディスパーサ（１６）は、光を放射状に分散させると共に白色の混合光を生成すべく青色光の一部を黄色光に変換する。セパレータ（１４）は、室内照明に必要な高い電流が光源（１２）に流されている際に光源（１２）からの熱がディスパーサ（１６）に伝わらないようにディスパーサ（１６）から光源を十分な距離だけ離間させる。
【選択図】図１

Description

本発明はランプに関し、より詳細には、光源として固体素子を用いたランプに関する。

本出願は、Ｔａｒｓａらに対する１９９９年１２月３日に出願された仮出願第６０／１６８，８１８号の利益を主張するものである。

従来のタングステンをベースとしたランプおよび表示ライトは、フィラメントに電流を加えることにより電流を光に変換してフィラメントを輝かせるものである。通常、フィラメントは、２本の剛体電流リード線の間においてガラスバルブの中央付近に吊下げられ、室内照明に特に有用である光の放射状分布を可能にする。また、光を更に散乱させるために、バルブ表面に、つや消し処理が施されることもある。フィラメントをベースとしたランプの寿命は比較的短く、通常、フィラメントの寿命またはガラスバルブの寿命によって制限される。更に、フィラメントは、通常、フィラメントからの熱がバルブを非常に高温にするようにバルブ表面に十分に近接して吊下げられ、そのため、バルブに触れることは苦痛となり、また、バルブと接触する対象を燃焼させる危険性が生じる。

発光ダイオード（ＬＥＤ）は、重要な部類の固体素子であり、同様に電気エネルギを光に変換するものである。発光ダイオードは、互いに反対にドープされた２つの層の間に挟まれた半導体材料の活性層を備える。ドープ層の両端にバイアスが加えられると、正孔および電子が活性層に注入され、再結合して光を発生する。光は、活性層およびＬＥＤの表面全体から全方向に発せられる。

従来のＬＥＤの大部分は、電流を光に変換する効率においてフィラメント光源よりも劣っていたが、近年の窒化物をベースとしたＬＥＤの進歩により、青色および緑色光源の効率が高まっている。これらのＬＥＤの効率は、既にフィラメントをベースとした光源の効率に勝っており、その入力電力に対して同等もしくはそれ以上の輝度を提供している。

照明用途に用られる従来のＬＥＤの欠点の１つは、ＬＥＤが活性層から白色光を発生し得ないことである。従来のＬＥＤから白色光を生成する方法の１つは、異なるＬＥＤからの異なる色を組み合わせることである。例えば、赤色、緑色および青色のＬＥＤからの光、または、青色および黄色のＬＥＤからの光を組み合わせることによって白色光を生成することができる。この手法の欠点の１つは、単色光を生成するために複数のＬＥＤを使用する必要が生じ、そのために全体にコストが増加すると共に複雑になることである。更に、異なる色の光は、往々にして異なる形式のＬＥＤから生成されるものであり、形式の異なるＬＥＤを１つのデバイス上で組み合わせるためには複雑な製造技術が必要とされよう。また、形式の異なるダイオードは異なる制御電圧を要求するであろうことから、結果として得られるデバイスには複雑な制御電子技術が要求されるであろう。更に、長期間の波長および安定性は、異なるＬＥＤの異なる経年変化の挙動に影響され、多重ＬＥＤの小形化が制限されてしまう。

ごく近年、黄色の燐光体、重合体または染料によってＬＥＤを包囲することにより、単一の青色ＬＥＤからの光が白色光に変換された。（日亜社、白色ＬＥＤ、部品番号ＮＳＰＷ３００ＢＳ，ＮＳＰＷ３１２ＢＳ等、ならびに、Ｈａｙｄｅｎに付与された米国特許第５，９５９，３１６号「Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｈｏｓｐｈｏｒ−ＬＥＤ Ｄｅｖｉｃｅｓ」参照）。包囲材は、ＬＥＤ光の少なくとも一部の波長を「ダウンコンバート」し、その色を変化させている。例えば、窒化物をベースとした青色ＬＥＤが黄色燐光体によって包囲されると、青色光の一部は変化することなく燐光体を通過する一方、残りの光は黄色にダウンコンバートされるであろう。ＬＥＤは、青色および黄色の双方の光を発し、それらは組み合わさって白色光を提供するであろう。

しかしながら、従来の青色ＬＥＤは、現状ではフィラメントをベースとしたランプまたは表示器を用いる多くの照明用途には暗すぎるものであり、白色光を生成するのに用いられる場合、発せられる光の一部がダウンコンバート物質によって吸収されてしまう。室内照明に十分な出力光束を青色ＬＥＤに発生させるためには、ＬＥＤに加えられる電流を増加させなければならない。通常、ＬＥＤは２０〜６０ミリアンペアの電流で動作するが、ＬＥＤにより室内を照らすためには、電流を１アンペア以上に増加させなければならない。この電流レベルでは、ＬＥＤは非常に高温になり、他の物体を損傷させ、また、火災または毀損の危険性をもたらすであろう。更に、その熱はＬＥＤチップそれ自体を損傷させ、また、燐光体、蛍光重合体または蛍光染料のような近隣のダウンコンバート媒体を劣化させるであろう。これにより、ＬＥＤのダウンコンバート能力は低下し、その有効寿命も短縮化されてしまう。

従来のＬＥＤの大部分がもつ他の欠点は、それらが、典型的には、「金属カップ」内に設置されると共に、カップ底のｎ型層と上に向けられたｐ型表面とを備え、デバイス全体が透明エポキシ内に封入されているということにある。白色光を生成するために青色ＬＥＤが用いられる場合、透明エポキシに封入される前に、青色発光ＬＥＤはダウンコンバート物質によって包囲される。カップは、ｐ型およびｎ型表面上の接点間に、ＬＥＤに光を放出させるバイアスを加えるための２本の導電経路を有している。また、カップは、ＬＥＤ底部のｎ型表面または側面から発せられる光を反射してｐ型の上面に向けて戻し、反射光はＬＥＤから放出される光に加わることになる。しかしながら、この反射は、光源の指向性をも強め、その結果、ＬＥＤの発光面の真上から見た際に最も明るくなる。更に、この従来のＬＥＤは、異なる角度から見た際に、異なる色に見える光を発するものである。これは、異なる色の光線の不完全な混合および不完全なランダム化に起因する。このタイプの光は、室内照明や、分散光源を必要とする他の用途、または、一様な色の照明には有用ではない。

このような制限を克服すべく、放射型光源を提供するように配列された多方向性ＬＥＤを用いた様々なＬＥＤランプが開発されている（Ａｂｏｌｆａｚｌらに付与された米国特許第５，６８８，０４２号、Ｂｙｒｎｅに付与された米国特許第５，５６１，３４６号、Ｋａｎｂａｒに付与された米国特許第５，８５０，１２６号、ならびに、Ｕｃｈｉｄａに付与された米国特許第４，７２７，２８９号参照）。しかしながら、これらのランプは多数のＬＥＤに依拠していることから、それらのコストおよび複雑性が増加してしまう。また、それらのＬＥＤは、光を分散させるための１つのパターンを提供し得るだけのものである。Ｙａｍｕｒａに付与された米国特許第５，９３１，５７０号は、エポキシ製バルブ状本体の一端にＬＥＤが埋め込まれており、バルブ端から延びるＬＥＤリード線を備えた発光ダイオードランプを開示している。本体は、ＬＥＤからの光を分散させるべく、つや消し処理された凸状頂部を更に有している。このＬＥＤランプの欠点の１つは、異なる色の追加ＬＥＤと組み合わせなければ、白色光を生成し得ないことである。また、室内照明のためにＬＥＤに電流が供給されると、当該ＬＥＤは危険なまでに高温になり、損傷させられることもある。更に、このランプは、光をせいぜい半球状の１つのパターンに拡散させ得るだけのものである。このランプをその後ろ側から見た場合、光はほとんど見えない。

固体半導体レーザは、ＬＥＤとほぼ同様の方法によって電気エネルギを光に変換するものである。固体半導体レーザは、ＬＥＤと構造的に類似しているが、２つの対向する表面にミラーを含んでおり、そのうちの一方は部分的に透過性を有している。この場合、すなわち、端面放射型レーザの場合、ミラーは側面に設けられており、これらのミラーは誘導放出が生じるように光帰還を提供する。この誘導放出は、高度に視準された／干渉性の光源を提供する。垂直共振型レーザは、端面放射型レーザとほぼ同様に動作するが、頂部および底部にミラーがある。垂直共振型レーザは、その頂面から同様に視準された出力を提供する。

固体レーザは、ＬＥＤよりも効率よく電流を光に変換可能であるが、狭い領域しか照らすことができないため、その干渉性光出力は、ランプ用には有効ではない。また、固体レーザは、緑色光または青色光を効率よく生成することができず、比較的小さいそれらのビーム面積は、多数の異なる色のレーザ出力を組み合わせる上で実用的ではない。

本発明は、光を多くのパターンに分散させることができる新規な固体ランプを提供するものであり、特に、室内照明に有用な白色光の放射状分散に好適である。新規なランプは、一端に光源を備えると共に他端に光分散／周波数変換要素（「ディスパーサ」）を備えたセパレータ／光伝送媒体（「セパレータ」）から構成される。また、新規なランプは、３つの主要な構成要素を保護し、および／または、更なる分散あるいは変換能力を提供するエンクロージャを有していてもよい。

光源は、光の一部またはすべてがセパレータに導かれる固体ＬＥＤあるいは固体半導体レーザ等の少なくとも１つの固体発光デバイスから構成される。１つ以上のＬＥＤまたはレーザを用いる場合、デバイスは、意図された用途に応じて、同じ波長または異なる波長の光を発生するとよい。例えば、白色光を発生させるためには、青色ＬＥＤおよび黄色ＬＥＤが共に使用され得る。光源は、温度管理および電子パワー管理を補助するための追加的要素を組み入れているとよく、光反射要素または集束要素を含んでいてもよい。光源は、熱および／またはパワーを外部環境に伝えるために、一般的なタングステンバルブのスクリュソケット端等のようなエンクロージャ内に含まれていてもよい。

セパレータは、光源とディスパーサとを物理的に分離させ、かつ、光源からディスパーサへと光を指向させる。望まれる場合、セパレータは、光を能動的に成形し、視準化し、分散させ、および／または、能動的に光源からディスパーサへと指向させるものであってもよい。セパレータは、光の一部またはすべての波長を変換するか、あるいは、光を特定のパターンに散乱または集束させる物質を含み得る。セパレータに固体、液体または気体を含ませ、光と更に相互作用させることも可能である。

ディスパーサは、セパレータによって光源から離間されており、主として光源からの光を分散させる役割を果たす。また、ディスパーサに、入射光の一部またはすべてを吸収して異なる波長の光を再放出する１つまたはそれ以上の変換物質を含ませることにより、光源からの光の波長を変更可能となる。一実施形態において、ディスパーサは、光を散乱させるために表面をざらつかせたセパレータの半球状端部である。また、異なるディスパーサを使用可能とするために、ディスパーサは、取り外し可能であるとよく、レンズ、反射器、グラニュール、ホログラフィック要素またはミクロスフェア等の光を成形するための様々な光部品を含んでいてもよい。マスクまたは反射器は、より指向性をもつか、あるいは、制御された光分布や、会社のロゴまたは標識のようなパターン化された照明を提供するために使用され得る。

光源とディスパーサとを分離させることは、新規なランプに多くの利点をもたらすと共に、光源からの光を室内照明に有用なものに変換する上での柔軟性を与える。ディスパーサは、一様な放射状分布のような異なる光分散パターンを提供するために、多くの異なる形態をとることができる。高い電流レベルで動作する場合、光源によって発せられる熱の大部分は、ディスパーサに達する前に放散されるであろう。これにより、ディスパーサが危険なまでに高温になることや、ディスパーサが含んでいるであろう変換物質を損傷させることが防止される。この分離は、光分布に干渉することなく、ヒートシンクまたはヒートフィン等の大型の熱要素および電子部品を光源の近傍に配置したり、光源に直接取り付けたりすることを可能にする。従って、この分離は、高い電流レベルで動作する固体光源が室内照明に有用な光を安全かつ効率よく効果的に提供することを可能にする。

フィラメントをベースとしたランプと比較すると、新規なランプは、より頑丈かつ長寿命であり、故障や損傷の際、ランプの一部を交換することが可能であって、ランプ全体を交換する必要がない。例えば、蛍光染料、燐光体または重合体等のダウンコンバート物質を含んでいるディスパーサの寿命は、一般に光源の寿命よりも短く、ディスパーサのみを交換できるということは、コストの大幅な削減を可能にする。

本発明のこれらおよびその他の特徴ならびに利点は、添付の図面に照らした以下の詳細な説明より当業者に明らかになるであろう。

ランプエンクロージャを備えた本発明による新規な固体ランプを示す斜視図である。 図１における２−２線についての新規な固体ランプの横断面図である。 新規な固体ランプと共に使用可能な異なる光源の断面図である。 新規な固体ランプと共に使用可能な異なる光源の断面図である。 新規な固体ランプと共に使用可能な異なる光源の断面図である。 新規な固体ランプと共に使用可能な異なる光源の断面図である。 新規な固体ランプと共に使用可能な異なる光源の断面図である。 新規な固体ランプと共に使用可能な異なる光源の断面図である。 新規な固体ランプと共に使用可能な異なる光源の断面図である。 ロッドによって光源とディスパーサとが分離されている新規なランプの他の実施形態を示す断面図である。 新規なランプと共に使用可能なディスパーサの異なる実施形態を示す断面図である。 新規なランプと共に使用可能なディスパーサの異なる実施形態を示す断面図である。 新規なランプと共に使用可能なディスパーサの異なる実施形態を示す断面図である。 新規なランプと共に使用可能なディスパーサの異なる実施形態を示す断面図である。 新規なランプと共に使用可能なディスパーサの異なる実施形態を示す断面図である。 ランプエンクロージャを備えた新規なランプの断面図である。 ランプエンクロージャを備えた新規なランプの断面図である。

図１は、本発明によって構成された固体ランプの一実施形態を示すものである。ランプ１０は、光源１２、セパレータ１４、ディスパーサ１６から構成され、ランプエンクロージャ１８を有していてもよい。光源１２は、その光の少なくとも一部がセパレータ１４に沿ってディスパーサ１６に指向されるようにセパレータ１４の一端に取り付けられている。新規なランプ１０は、ＬＥＤまたは固体半導体レーザなどの固体光源を備えると特に有用となるが、有機発光エレメント、蛍光重合体、蛍光染料および燐光体といった他の光源が用いられてもよい。セパレータ１４は細長く、主として光源１２とディスパーサ１６とを分離する役割を果たす。セパレータ１４は、光をディスパーサ１６へと指向させる光伝送媒体としての役割を果たす光パイプ、光ファイバ、レンズ（単一要素、多重要素または屈折率分布型）または自由空間とされ得る。ディスパーサ１６は、光を予め定められたパターン（例えば、放射状に一様なパターン）に成形または分布させることが可能であり、入射光の少なくとも一部の波長を変化させるために燐光体、蛍光重合体および／または染料等の要素を含んでいてもよい。セパレータも、光散乱要素または波長変換要素を含んでいるとよい。光がディスパーサに達する前にその光の少なくとも一部を変換するために、セパレータは、例えば、燐光体、蛍光重合体または蛍光染料により被覆された光パイプであるとよい。指向性光出力を提供するために、ランプエンクロージャ１８は、ディスパーサからの光を反射する反射性内面を有することができる。代わりに、エンクロージャは、透明または半透明であってもよく、ランプ要素を保護するように完全に取り囲んでいてもよい。また、ランプエンクロージャの内面には、ディスパーサからの光をダウンコンバートまたは散乱させるために、燐光体あるいは蛍光重合体等の分散物質またはダウンコンバート物質のコーティングが含まれてもよい。

図２は、光源としてＬＥＤ２２を用いた新規なランプ１０（エンクロージャ無し）の一実施形態の横断面図である。ＬＥＤは、その光の少なくとも一部がセパレータ２３の他端側のディスパーサ２６に指向されるように、セパレータ２３の一端に取り付けられている。ＬＥＤの活性層を励起して光を発生させる電流を供給するために、ＬＥＤには２本のリード線２４ａおよび２４ｂが接続されている。セパレータ２３は、ＬＥＤからディスパーサ２６へと光を指向させる光パイプまたは光導波路の何れかを備えている。ディスパーサ２６に達する光は、直接に、または、セパレータの表面で反射され、セパレータに向けて進行する。ディスパーサ２６は、球状または半球状の形状を有すると好ましく、セパレータと一体に形成されていてもよく、また、セパレータの一端に取り付けられる別体の部品として形成されていてもよい。特定のパターン、例えば室内照明に有用な放射状パターンに光を分布させるために、ディスパーサの表面をざらつかせたり、つや消し処理したりしてもよい。また、ディスパーサの表面は、光の少なくとも一部の波長が変換されて光の色が変化するように、１つまたはそれ以上の波長変換媒体を含んでいてもよい。

図３ａから図３ｆは、本発明によって構成された光源の様々な実施形態を示すものであるが、他の光源が使用されてもよい。図３ａにおいて、光源は、透明基板３２上で成長させたＬＥＤ３１であり、その一例は、サファイヤ基板または炭化ケイ素基板上で成長させた窒化物をベースとしたｐ−ｎ接合ＬＥＤ（または、半導体レーザ）である。ＬＥＤのｐ型層（またはｎ型導電層）３３は基板３２から離間され、ＬＥＤのｎ型層（またはｐ型導電層）３４は基板に近接しており、活性層３５はｐ型層とｎ型層との間に挟まれている。通常、ＬＥＤの「底部」と見なされる基板３２は、セパレータ２３の端部に直に接合されている。活性層３５から発せられる光の一部は、セパレータ２３に向けて基板３２を直接通過するであろう。基板は、透明であることから、通過光を吸収することはない。この実施形態は、基板を直接セパレータに取り付けることによって単純な製造を可能にすると共に、ｐ型層およびｎ型層の電気接点が露出された際に双方の接点への直接的なアクセスを可能にする。ｐ型表面および側面から放出される光を反射させてセパレータ２３に戻すために、ｐ型層３３の表面の近くに金属カップ３７が含まれるとよい。代わりに、光を反射させてセパレータ２３に戻すためには、ｐ型表面上に金属層、すなわち、反射層が直に形成されていてもよい。

ＬＥＤ３１は、使用されるセパレータの形式に応じて、多くの異なる方法によりセパレータに接合され得る。セパレータが固体光パイプ若しくは光ファイバである場合、屈折率、熱伝導率、電気抵抗率等の特性が他の構成要素に適合するエポキシを用いてＬＥＤ３１を接合することができる。エポキシは、ＬＥＤ３１とセパレータ２３との間の領域に限定されてもよく、ＬＥＤ３１がセパレータ２３の端部にそれを保持するエポキシ内に封入されてもよい。機械的な取り付けには、ＬＥＤからの光をセパレータにより良好に結合させるために、または、ＬＥＤ３１から熱を移動させるための熱伝導性化合物を提供するために、液体あるいは固体が含まれるとよい。使用される取り付け方法は、ＬＥＤへの電力接触を可能にするものでなければならない。ＬＥＤの電気的接触および熱吸収は、ヒートシンクにデバイスをフリップチップ接合することにより達成され得る。製造を容易にするためには、ＬＥＤの電気的および熱的接触がなされた後にセパレータが取り付けられるとよい。

図３ｂにおいて、セパレータ２３の端部から発せられるすべての光が反射されて戻るように、ＬＥＤ３１（または半導体レーザ）が、セパレータ２３の端部に隣接する金属カップ３７によってセパレータ２３の端部内に封入されている。基板３２は底部層として図示されているが、ランプは、図３ａに関して上述された基板を上にして取り付けたデバイスと共に動作し得る。基板を上にして取り付けた場合、金属カップ３７は、他のＬＥＤ層から放出される光を反射してセパレータ２３に向けて戻す。ＬＥＤ３１が基板を下にしてセパレータ２３に取り付けられた場合、ＬＥＤ側面の基板を通して漏出するすべての光が、金属カップ３７によって反射されてセパレータ２３に向けて戻るであろう。代わりに、ＬＥＤ３１は、どちらが下になっているかに応じて、ｐ型層または基板表面上に直に配置された反射コーティング面を有していてもよい。

図３ｃは、ＬＥＤとセパレータ２３との間にＬＥＤの光をセパレータ２３に向けて集束させ、または、指向させるためのレンズ３８が位置決めされているＬＥＤ３１を示すものであり、簡単のために、ＬＥＤおよびレンズの取付機構は省略されている。光を集束させることにより、より多くの光をセパレータ２３に向けて導くことが可能となり、ＬＥＤとセパレータ２３との間における光の損失がより少なくなるであろう。また、セパレータ２３への光の結合を増強させるために、ＬＥＤとセパレータとの間に屈折率整合層が設けられてもよい。更に、光がセパレータ２３に入る前にＬＥＤによって発せられる光を異なる波長に変換すべく、ＬＥＤとセパレータ２３との間に、波長変更物質またはフィルタ材が含まれてもよい。

光源としては、同様の波長または異なる波長を有する複数の発光デバイスが使用され得る。図３ｄにおいて、光源は、セパレータ２３の端部に取り付けられた２体のＬＥＤ３１ａおよび３１ｂを備えており、ＬＥＤの光の少なくとも一部がセパレータ２３に向けて導かれる。２体のＬＥＤからの光は、セパレータを通過する間に混ざり合い、ディスパーサから放出される。青色および黄色ＬＥＤが使用されてもよく、これらは組み合わさって、ディスパーサから放出される際に白色光を生成するであろう。３つの異なるデバイスの場合、赤色、緑色および青色ＬＥＤが使用されるとよく、これらもまた、組み合わさって白色光を生成するであろう。

図３ｅおよび図３ｆは、熱管理用のヒートシンクを備えたＬＥＤ３１およびセパレータ２３を示すものである。上述のように、室内照明に有用である出力光束を発するＬＥＤまたは固体レーザには、大きな熱を生じさせる高い電流を流さなければならない。図３ｅおよび図３ｆに示されるヒートシンクは、金属等の熱伝導物質により形成された「ヒートフィン」３９を備えているが、他の熱伝導物質が用いられてもよい。ヒートフィンは、ＬＥＤ３１およびセパレータ２３から熱を引き離し、表面積を増大化させて放射冷却または対流冷却を向上させる。これにより、より安全な高電流動作が可能となり、かつ、ＬＥＤおよびランプの寿命を延長することができる。図３ｅに示されるヒートシンクは、ＬＥＤのみを包囲しており、図３ｆでは、ヒートシンクのフィン３９がセパレータ２３の一部等、新規なランプの他の部位をも包囲している。これは、特にＬＥＤ３１がセパレータに、または、セパレータに近接して取り付けられる用途において、ＬＥＤ３１からセパレータ２３へと広がるであろう熱を放散させるのに役立つ。また、ヒートシンクは、単独で、あるいは、フィン３９と共にＬＥＤ３１からの熱移動を促進させる金属または他の熱伝導層４０を含んでいるとよい。例えば、光源およびセパレータから熱を遠ざけるために、光源の下方に、厚い銅またはアルミニウムのブロックが配置されてもよい。また、光源にヒートパイプを取り付けることにより、光源から熱を引き離すことも可能となる。更に、ヒートシンクの放射表面積を増加させるその他の何れかの付加物が使用され得る。

好ましい実施形態では、ディスパーサ内のＬＥＤから比較的離れた位置に分散物質または波長変換物質が配置される。これにより、ＬＥＤの熱から波長変換物質を保護すると共に、他の構成要素を光源に近接して配置することが可能となる。例えば、電子パワー管理（例えば、交流／直流変換、パルス操作または出力変換）のための電気回路や部品を光源の内部に含めることができるであろう。また、光源は、新規なランプを電源に結合させるためのソケットあるいはエンクロージャの内部、および／または、上述のような温度管理要素の内部に収納されてもよい。

また、単一の多重要素ランプまたはバルブ内において２つ以上の個別のランプが並列に使用されてもよく、これは、発せられる光のパターンおよび色に柔軟性を付加する。図３ｇは、黄色発光ランプ４３に並列する青色発光ランプ４２を備えた多重要素ランプ４１を示している。黄色光は、紫外光源４４からのほぼすべての光をディスパーサ４５内の燐光体、重合体または染料を用いて黄色に変換することによって生成される（以下でより詳細に説明される）。ランプ４２および４３からの黄色光および青色光は混ざり合ってランプ４１からの白色光を生成する。この実施形態は、黄色光に対する青色光の比率に柔軟性を与え、白色照明のレンジをより広げる。また、この実施形態は、それぞれのディスパーサを光が通過する際に、赤色光、緑色光または青色光に変換される紫外光源をそれぞれ備えた３つの個別のランプを有していてもよい。更に、赤色および緑色の個別のランプが多重要素ランプまたはバルブ内において組み合わされて使用されれば、個別のランプそれぞれへの入力電力を調整することによって、光の色および色相を操作することができる。例えば、赤色ランプへの電力を増加させてその発光強度を高めることによって、「より暖みのある」白色光を発生させることができる。これは、ランプまたバルブを構成している個々のランプへの入力電力を制御することにより、１体のランプまたはバルブから全範囲の色を実現するように拡張され得る。また、この手法は、光が単一のセパレータからディスパーサに向けられる１つまたはそれ以上の（異なる波長の光を発生する）光源に同様の手法で適用することができる。色は、異なる光源への電力の入力を操作することによって変化され得る。

セパレータ２３は、主として光源をディスパーサ２６から分離する役割を果たす。セパレータ２３は、任意の細長い中空または透明の要素であってもよく、光が進行し得る様々な形状寸法の管であってもよい。セパレータ２３は受動的なものであり、光が光源からディスパーサへと進行する際に、光に影響を及ぼすことはない。受動的なセパレータには、限定されるものではないが、物理的な分離のみを提供する役割を果たす中空管またはオフセットロッドが含まれる。

代わりに、セパレータは、光源とディスパーサとの間で光の一部あるいはすべてを能動的に成形し、視準化し、波長変換し、分散させ、散乱させ、方向転換させ、および／または、ガイドすることができる光パイプあるいは光ファイバであってもよい。ＬＥＤ光源を用いる能動的なセパレータの一実施形態において、セパレータは、光の少なくとも一部の波長を変換可能であり、その変換量は、セパレータの長さに応じて増加する。また、セパレータは、ミラー、ファセット、あるいは、光を集束させ、成形し、散乱させ、または、方向転換させる異なる屈折率をもったセクション等の光要素であってもよい。

セパレータの長さは、数μｍから１ｍを超える範囲に及び、室内照明に好適な長さは、５〜１０ｃｍの範囲にある。セパレータの幅は、１μｍから１ｃｍを超える範囲に及ぶとよい。

図４は、多くの光源と共に使用可能であり、特に固体半導体レーザ４７等の干渉性／視準化光源に適用し得る他の実施形態に係る新規なランプ４６を示すものである。レーザからの光は干渉性を有しているため、単純な光要素を用いて、光源の端部において光を視準化することが可能となり、セパレータは、光源とディスパーサとを物理的に分離しさえすればよい。この分離は、一端に取り付けられたレーザ４７と他端に取り付けられたディスパーサ４９とを有する１本またはそれ以上の平行なオフセットロッド４８ａおよび４８ｂによって提供される。ロッド４８ａおよび４８ｂは、光源からディスパーサへと光が通過する際にその光に干渉しないようにオフセットされている。レーザ４７は、ロッドに直に取り付けられてもよく、透明なリテーナ５０に取り付けられてから、そのリテーナ５０がロッドに取り付けられてもよい。また、一端にレーザが取り付けられると共に他端にディスパーサが取り付けられている中空管が使用されてもよい。レンズ化と高数値セパレータとの双方を実現するために、屈折率分布型のロッドまたは光パイプがセパレータとして用いられてもよい。

動作時に、コヒーレント光は、レーザ４７から、所望の色およびパターンに分布されるディスパーサ４９へと大気中を進行する。レーザによっては、有効に分散させるには光が過度に視準されることから、ディスパーサに達する前に光を拡げるべく、セパレータが光学系または格子を含んでいてもよい。このようなビーム拡散系の例は、二重レンズビームエキスパンダである。

新規なランプ４６の利点の１つは、光源からの光の色を変化させると共に、異なる色の光を発する１つまたはそれ以上のレーザあるいは他の光源からの光を混合させ得るということである。例えば、それらの視準されたビームがディスパーサに導かれる赤色レーザ、緑色レーザおよび青色レーザがオフセットロッド（または他のセパレータ）の一端に取り付けられてもよく、光は混ざり合ってディスパーサから白色光として発せられる。代わりに、紫外レーザが用いられてもよく、ディスパーサには、紫外光の一部を青色、赤色に、一部を緑色（または黄色）に変換する赤色、青色および緑色（または黄色）の燐光体、重合体あるいは染料が設けられる。代わりに、青色レーザを使用し、ディスパーサ上またはディスパーサ内に黄色の燐光体、重合体あるいは染料を散在させると共に、燐光体間に青色光を通過させるための透明領域を含めることにより、青色光および黄色光の最適な部分を得ることができると共に白色光出力に組み合わすことができる。また、異なるセパレータを用いることにより、ＬＥＤも同様の手法によって白色光を生成するために使用され得る。

更に、新規なランプ４６は、特に交通信号に好適である。新規な交通信号は、それぞれが個々にセパレータおよびディスパーサを有する３体の紫外レーザを備えるであろう。各ディスパーサは、紫外光を異なる波長にダウンコンバートする異なったダウンコンバート物質を含み、そのうちの１つは紫外光を緑色光に、１つは紫外光を黄色光に、そして、１つは紫外光を赤色光にダウンコンバートする。また、ディスパーサは、標準的な交通信号と同様に光が分散するように、それぞれのレーザからの視準された光を散乱させるであろう。代わりに、ディスパーサは、主として適切な交通レーンから光が見えるように、光を集束させ、指向させるものであってもよい。新規な交通信号のための光源は、タングステンをベースとしたランプや複雑なＬＥＤアレイとは対照的な、３つの紫外レーザを備えたより頑丈で信頼性が高く寿命の長い光源とされるであろう。

図５ａから図５ｅは、ディスパーサの様々な実施形態を示すものであるが、他の設計が使用されてもよい。図５ａは、セパレータ５２の端部に一体化されたディスパーサ５１を示すものである。この実施形態において、セパレータは、固体光ファイバまたは光パイプからなり、ディスパーサ５１は、研削または研磨されたセパレータ５２の端部として形成されている。また、ディスパーサを通過する光を更に散乱させるために、ディスパーサ５１をざらつかせたり、つや消し処理したりしてもよい。柔軟性をさらに高めるために、ディスパーサは、光をビームまたは他の所望のパターンに集束させるものであってもよい。標準的なタングステンをベースとした白熱電球と同様の放射状のほぼ球状である光分布を提供するためには、ディスパーサをつや消し処理またはざらつかせた半球状にしてもよい。代わりに、ディスパーサ５１は、セパレータ５２の端部に取り付けられる別体の光部品であってもよい。別体の光部品は取り外し可能であり、同一のランプに対して異なるディスパーサの使用を可能にし、ランプの他の部分に先立って故障した際に、ディスパーサの交換を可能にする。

ディスパーサは、蛍光燐光体、鉱物、重合体、染料、結晶または薄膜といったような入射光の一部あるいはすべてを異なる波長に変換する物質を含んでいるとよい。また、ディスパーサは、固体または液体の形でダウンコンバート物質を含んでいる水晶、ガラスといった透明材あるいは半透明材の中空シェルから構成され得る。代わりに、ディスパーサは、溶液または懸濁液中にダウンコンバート物質を含んだ固形の本体から構成されていてもよい。例えば、ディスパーサは、固化前に燐光体粒子が全体に均一に分散された成形エポキシ、または、その内部に蛍光染料を溶解させた成形エポキシであるとよい。他の代替として、ディスパーサは、外面または内面がダウンコンバート物質によってコートされた固定の本体から構成されてもよい。

図５ｂにおいて、光源は、波長４２０〜５００ｎｍの青色光を生成し、セパレータ５２は、青色光の大部分をディスパーサ５３に伝える光ファイバまたは光パイプとされている。ディスパーサ５３には、青色入射光の一部を通過させる一方、他の光を吸収してその波長をダウンコンバートすると共に中心波長５６０〜５８０ｎｍの黄色光として発する黄色燐光体のような１つまたはそれ以上の波長変換物質が含まれている。青色光および黄色光は、ディスパーサから発する際に組み合わさって白色光を生成する。白色光は、ディスパーサ５３の詳細（形状、光要素等）に応じて、球状、ほぼ球状、半球状、または、他の特定の分布パターンで発するであろう。同様に、ディスパーサ５３は、紫外ＬＥＤまたは紫外レーザが赤色、緑色および青色を発する燐光体、重合体または染料と組み合わせて用いられる場合に、光源から入射する大部分またはすべての光が複数色に変換されると共に一様に発せられるように設計されてもよい。

図５ｃのディスパーサ５４は、光の一部を所望の形状またはパターンに散乱させる下部５５を含んでいる。代わりに、ディスパーサ５４は、レンズ、ファセット、フレネルレンズ、ホログラフィック要素、反射器、部分反射器、マスク、および、グラニュールといったような光を特定のパターンに成形する他の光要素を含んでいてもよい。

また、マスクあるいは反射器は、会社のロゴまたは標識のような予め定められたパターンの照明用に、より指向性をもつか、あるいは、制御された光分布を提供し得る。場合によっては、異なる角度から見た場合に、ランプが異なった色を発して見えるように、光の分布を意図的に不均一にすることが望まれるであろう。これは、新たな照明のために、すなわち、特定パターンの照明および色を面や周囲環境に投影するために使用され得る。

図５ｄは、光を球面状またはほぼ球面状の予め定められたパターンに分散させる円錐状ディスパーサ５６を示すものである。円錐形であれば、半球状ディスパーサと比較して、より多量の散乱物質またはダウンコンバート物質を光の経路内に配置可能となる。

図５ｅは、図５ｂのディスパーサに類似したディスパーサ５７を示しており、ディスパーサ５７の周りには、ディスパーサから発せられる光の一部を反射して方向転換させる反射器５８が設けられている。この実施形態は、標識光およびフラッシュライト等の指向性をもった光を必要とする用途に適用され得る。ディスパーサ５７から横方向に、または、光源に向けて後方に放出される光は、反射器によって反射される。これにより、光源から波長変換物質を離間させ、変換物質の熱損傷を防止しつつ、指向性ビームが可能となる。

新規なランプ全体または一部を包囲するランプエンクロージャが含まれていてもよい。エンクロージャは、透明または半透明であるとよく、透過する光の強度、分布あるいは波長を変更するための追加要素を組み込んでいてもよい。また、エンクロージャは、ランプとの電気的接触および／または熱的接触のための要素（例えば従来の光バルブソケット）、および、ランプアセンブリからの熱放散を向上させるための要素を含んでいてもよい。

図６ａおよび図６ｂは、ランプエンクロージャの２つの実施形態を示すものである。図６ａのエンクロージャ６０には、図５ｅにおいて説明されたものに類似する内側反射面６１があり、反射面に当たるディスパーサ６２からの光は、指向性ビームとして導かれる。また、ランプエンクロージャ６０は、様々なランプエレメントをある程度保護する。図６ｂに示されるランプエンクロージャ６３は、新規なランプの要素を取り囲んで保護し、また、光の通過を可能にするために透明または半透明とされている。エンクロージャは、ガラスまたはプラスチック等の多くの異なる物質によって形成可能であり、光を修正またはダウンコンバートするための物質を含んでいるとよい。例えば、ランプが青色光を発生し、エンクロージャ６０が青色光の一部を黄色光に変換すると共に青色光の一部を通過させる黄色燐光体を含んでいるとよく、２つの色は組み合わさって白色になる。また、エンクロージャは、ディスパーサから光が発せられた後に光の波長または特性を変化させる液体、気体あるいは固体によって満たされていてもよい。

以上、特定の好ましい構成に関連させながら、本発明が詳細に説明されたが、他のバージョンも可能である。従って、特許請求の範囲および本発明の趣旨は、ここに含まれるそれらの好ましいバージョンに限定されることはない。

Claims (48)

1. 光源（１２）と、
   それを通過する光を散乱させ、集束させ、または、指向させるディスパーサ（１６）と、
   前記光源（１２）と前記ディスパーサ（１６）とを離間させるセパレータ（１４）とを備え、前記光源（１２）からの光の少なくとも一部が、前記セパレータ（１４）に沿って前記ディスパーサ（１６）を通るように指向されることを特徴とするランプ。
2. 前記ディスパーサ（１６）は、光を予め定められたパターンに散乱させることを特徴とする請求項１に記載のランプ。
3. 前記ディスパーサ（１６）は、光を球状のパターンに散乱させることを特徴とする請求項１に記載のランプ。
4. 前記ディスパーサ（１６）は、それを通過する光の少なくとも一部の波長を変化させる物質を含んでいることを特徴とする請求項１に記載のランプ。
5. 前記光源（１２）は、少なくとも１つの発光ダイオードまたは少なくとも１つのレーザ（３１）であることを特徴とする請求項１に記載のランプ。
6. 前記セパレータ（１４）は、前記光源（１２）から前記ディスパーサ（１６）への実質的な熱移動を防止するのに十分な距離だけ前記光源（１２）と前記ディスパーサ（１６）とを離間させていることを特徴とする請求項１に記載のランプ。
7. 前記光源（１２）は、照明に十分な出力光束を発することを特徴とする請求項１に記載のランプ。
8. 前記光源（１２）、前記セパレータ（１４）および前記ディスパーサ（１６）を包囲する少なくとも部分的に透明なエンクロージャ（６３）を更に備えることを特徴とする請求項１に記載のランプ。
9. 前記エンクロージャ（６３）は、前記光源（１２）からの光の少なくとも一部の波長を変化させることを特徴とする請求項８に記載のランプ。
10. 前記エンクロージャ（６３）は、前記光源（１２）からの光を分散させることを特徴とする請求項８に記載のランプ。
11. 反射性ランプエンクロージャ（６１）を更に備え、前記ディスパーサ（６２）からの光の少なくとも一部が前記ランプエンクロージャ（６１）で指向性ビームとして反射するように、前記ディスパーサ（６２）が前記ランプエンクロージャ（６１）に位置決めされていることを特徴とする請求項１に記載のランプ。
12. 前記セパレータ（１４）は、前記光源（１２）からの前記光の少なくとも一部を散乱させ、分散させ、方向転換させ、または、波長変換することを特徴とする請求項１に記載のランプ。
13. 前記光源（１２）は、青色光を発するＬＥＤまたはレーザであり、前記ディスパーサ（５３）は、前記青色光の一部の波長を黄色光に変換し、それにより、前記ディスパーサ（５３）は青色と黄色とを組み合わせた白色光を発することを特徴とする請求項４に記載のランプ。
14. 前記ディスパーサ（５３）は、前記波長変換を生じさせるために、黄色発光燐光体、蛍光染料または蛍光重合体のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１３に記載のランプ。
15. 前記光源（１２）は、一波長の光を発するＬＥＤまたはレーザ（３１）であり、前記ディスパーサ（１６）は、実質的にすべての光を１つまたはそれ以上の異なる波長に変換することを特徴とする請求項４に記載のランプ。
16. 前記光源（１２）は紫外光を発生し、前記ディスパーサ（１６）は、実質的にすべての紫外光を、組み合わさって白色光を生成する色に変換することを特徴とする請求項４に記載のランプ。
17. 前記光源（１２）の周囲に、前記光源（１２）により発生される熱を引き離すためのヒートシンク（３９）を更に備えることを特徴とする請求項１に記載のランプ。
18. 前記ディスパーサ（５４）は、それ通過する光を成形するための少なくとも１つの光要素（５５）を更に備えることを特徴とする請求項１に記載のランプ。
19. 前記ディスパーサ（５６）は、前記ディスパーサから発せられる光を成形するための少なくとも１つのマスクまたは他のパターン化された表面を更に備えることを特徴とする請求項１に記載のランプ。
20. 前記ディスパーサ（５２）は、それを通過する光の少なくとも一部を散乱させる物質を更に備えることを特徴とする請求項１に記載のランプ。
21. 光源（１２）と、
    それを通過する光を混合すると共に分散させるディスパーサ（１６）と、
    前記光源（１２）とディスパーサ（１６）とを前記光源（１２）から前記ディスパーサ（１６）への実質的な熱移動を防止するのに十分な距離だけ離間させるセパレータ（１４）とを備え、前記光源（１２）からの光の少なくとも一部が、前記セパレータ（１４）に沿って前記ディスパーサ（１６）を通るように指向されることを特徴とするランプ。
22. 前記光源（３１）は、少なくとも１つの発光ダイオードを備えることを特徴とする請求項２１に記載のランプ。
23. 前記光源（３１）は、少なくとも１つのレーザを備えることを特徴とする請求項２１に記載のランプ。
24. 前記光源（３１ａ，３１ｂ）は、少なくとも２つの発光ダイオードを備え、前記ダイオード（３１ａ，３１ｂ）からの光が前記セパレータ（２３）およびディスパーサ（１６）内で混ざり合い、前記ランプが前記ＬＥＤからの光を組み合わせて発することを特徴とする請求項２１に記載のランプ。
25. 前記ＬＥＤ（３１ａ，３１ｂ）には、光を放出させるためにそれぞれ電流が加えられ、前記ランプから発せられる光の組合せを制御するために前記それぞれの電流が操作されることを特徴とする請求項２４に記載のランプ。
26. 前記光源（３１ａ，３１ｂ）は、青色光および黄色光を発し、前記ディスパーサ（１６）は、青色と黄色とを組み合わせた白色光を発することを特徴とする請求項２１に記載のランプ。
27. 前記光源（１２）は、赤色光、緑色光および青色光を発し、前記ディスパーサ（１６）が、赤色、緑色および青色を組み合わせた白色光を発することを特徴とする請求項２１に記載のランプ。
28. 前記光源（１２）、セパレータ（１４）およびディスパーサ（１６）を包囲する少なくとも部分的に透明なエンクロージャ（６３）を更に備えることを特徴とする請求項２１に記載のランプ。
29. 前記エンクロージャ（６３）は、前記光源（１２）からの光を散乱させることを特徴とする請求項２１に記載のランプ。
30. 前記エンクロージャ（６３）は、前記光源（１２）からの光の少なくとも一部の波長を変化させることを特徴とする請求項２１に記載のランプ。
31. 反射性ランプエンクロージャ（６１）を更に備え、前記ディスパーサ（６２）からの光の少なくとも一部が前記ランプエンクロージャ（６１）で指向性ビームとして反射するように、前記ディスパーサ（６２）が前記ランプエンクロージャ（６１）内に位置決めされていることを特徴とする請求項２１に記載のランプ。
32. 前記光源（１２）の周囲に、前記光源により発生される熱を引き離すためのヒートシンク（３９）を更に備えることを特徴とする請求項２１に記載のランプ。
33. 前記ディスパーサ（５４）は、該ディスパーサ（５４）から発する光を成形するための光要素（５５）を含んでいることを特徴とする請求項２１に記載のランプ。
34. 前記ディスパーサは、該ディスパーサから発せられる光を成形するための少なくとも１つのマスク（５６）を含んでいることを特徴とする請求項２１に記載のランプ。
35. 少なくとも１つの固体レーザを備える光源（４７）と、
    それを通過する光を混合させると共に分散させるディスパーサ（４９）と、
    セパレータ（４８ａ，４８ｂ）とを備え、前記光源（４７）およびディスパーサ（４９）が前記セパレータ（４８ａ，４８ｂ）に取り付けられると共に前記セパレータ（４８ａ、４８ｂ）によって離間されており、前記光源（４７）からの光の少なくとも一部が、前記ディスパーサ（４９）を通るように指向されることを特徴とするランプ。
36. 前記セパレータ（４８ａ，４８ｂ）は、１つまたはそれ以上のオフセットロッドから構成されていることを特徴とする請求項３５に記載のランプ。
37. 前記セパレータ（４８ａ，４８ｂ）は、中空管から構成されていることを特徴とする請求項３５に記載のランプ。
38. 前記固体レーザ（４７）は、室内照明に十分な出力光束を発することを特徴とする請求項３５に記載のランプ。
39. 少なくとも１つの発光ダイオードを備え、室内照明に十分な出力光束を発する光源（１２）と、
    それを通過する光を分散させるディスパーサ（１６）と、
    前記光源（１２）から前記ディスパーサ（１６）への実質的な熱移動を防止するのに十分な距離だけ前記光源（１２）とディスパーサ（１６）とを離間させるセパレータ（１４）であって、前記光源（１２）からの光の少なくとも一部が、前記セパレータ（１４）に沿って前記ディスパーサ（１６）を通るように指向されるセパレータ（１４）と、
    少なくとも部分的に透明であり、それを通過する光の少なくとも一部の波長を変化させる物質を含むランプエンクロージャ（６３）であって、前記ディスパーサ（１６）によって分散される光が前記エンクロージャ（６３）を通過するように、前記光源（１２）、セパレータ（１４）、およびディスパーサ（１６）を取り囲むエンクロージャ（６３）とを備えることを特徴とするランプ。
40. 前記光源（１２）は、青色発光ダイオードまたはレーザであり、前記ランプエンクロージャ（６３）は、前記青色光の一部を黄色光に変化させる波長変換物質を含んでおり、それにより、前記ディスパーサ（１６）は青色と黄色とを組み合わせた白色光を発することを特徴とする請求項３９に記載のランプ。
41. 前記エンクロージャ（６３）、ディスパーサ（１６）またはセパレータ（１４）は、前記波長変換を生じさせるための黄色燐光体を含んでいることを特徴とする請求項３９に記載のランプ。
42. 前記エンクロージャ（６３）、ディスパーサ（１６）またはセパレータ（１４）は、前記波長変換を生じさせるための蛍光染料または重合体を含んでいることを特徴とする請求項３９に記載のランプ。
43. 前記光源（１２）は、紫外発光ダイオードまたはレーザであり、前記ランプエンクロージャ（６３）、ディスパーサ（１６）またはセパレータ（１４）は、実質的にすべての紫外光を、着色光または白色光を生成するために組み合わさる色に変換する波長変換物質を含んでいることを特徴とする請求項３９に記載のランプ。
44. 多重要素ランプであって、
    それらの光が混ざり合って前記多重要素ランプから光を発生させる少なくとも２つの個別のランプ（４２，４３）を備え、前記の個別ランプの各々が、
    光源（１２）と、
    それを通過する光を散乱させ、集束させ、または、指向させるディスパーサ（１６）と、
    前記光源（１２）と前記ディスパーサ（１６）とを離間させる細長いセパレータ（１４）とを備え、前記光源（１２）からの光の少なくとも一部が、前記セパレータ（１４）に沿って前記ディスパーサ（１６）を通るように指向されることを特徴とするランプ。
45. 前記個別のランプ（４２，４３）を２つ有し、前記多重要素ランプが白色光を発するように、一方の前記個別のランプ（４２）が青色光を発し、他方の前記個別のランプ（４３）が黄色光を発することを特徴とする請求項４４に記載のランプ。
46. 赤色光、緑色光および青色光を発する３つの個別のランプを有し、前記多重要素ランプが、赤色、緑色および青色を組み合わせた白色光を発することを特徴とする請求項４４に記載のランプ。
47. 前記個別のランプ（４２，４３）には、光を放出させるためにそれぞれに電流が加えられ、前記多重要素ランプから発せられる光の色を制御するために前記個別ランプ（４２，４３）に加えられる電流が操作されることを特徴とする請求項４４に記載のランプ。
48. 分散光を生成するための方法であって、
    第１の位置（１２）で光を発生させるステップと、
    前記第１の位置との実質的な熱移動のやり取りがない他の位置（１６）に前記光の少なくとも一部（１４）を伝えるステップと、
    前記他の位置（１６）で前記光の一部の波長を散乱または変換し、すべての光を分散させるステップとを含むことを特徴とする方法。

Images