JP2011523225A - Ｌｅｄモジュール - Google Patents
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Abstract
本発明は、ＬＥＤモジュールであって、ＬＥＤチップ１２０からのポンプ光を、前記ＬＥＤモジュールから発される他の波長における光に変換する前記ＬＥＤモジュールに関する。この変換は、発光性材料１２４の一部において生じる。前記ＬＥＤモジュールの色彩純度は、吸収体との組み合わせにおいてリフレクタを使用しているポンプ光の如何なる漏出も減少することによって向上される。一実施例において、前記吸収体は、多層反射フィルタ１２６の層間の１つ又は幾つかの薄い吸収層として組み込まれ、前記ＬＥＤモジュールからのポンプ光のより高い減少をもたらすことができる。
Description
本発明は、第１の波長範囲における励起光を発するＬＥＤチップと、励起光を第２の波長範囲における変換光に変換する波長変換器と、変換光を透過すると共に励起光を前記波長変換器に反射するリフレクタとを有する光源に関する。
米国特許第７、２４５、０７２Ｂ２号は、ＬＥＤ、蛍光体材料の層、及び複屈折ポリマ多層反射フィルタを有するＬＥＤモジュールを開示している。前記蛍光体材料は、この反射フィルタと前記ＬＥＤとの間に位置されており、前記ＬＥＤによる紫外（ＵＶ）励起光によって照明された場合に、可視光を発し、このフィルタは、前記ＬＥＤモジュールの光学出力から、残存している変換されていないＵＶ光を取り除く働きをする。複屈折ポリマを前記リフレクタ層内に使用することにより、前記フィルタへの傾斜した入射角を有するＵＶ光のより良好なフィルタリングが、報告されている。
しかしながら、前記リフレクタ内の複数の複屈折層の使用は、複雑な装置及び／又は製作方法をもたらす。
本発明の目的は、ＬＥＤモジュールの光出力から励起光を取り除くためのより複雑でない技術を提供することにある。
この目的のために、第１の波長範囲における励起光を発するＬＥＤチップと、励起光を第２の波長範囲における変換光に変換する波長変換器と、変換光を透過すると共に励起光を前記波長変換器上に反射するリフレクタと、変換されていない励起光を吸収する吸収層とを有する光源が、提供される。前記吸収層は、発される励起光の量を減少させるのを助ける。
好ましくは、前記リフレクタは、少なくとも２つの異なる屈折率を有する少なくとも２つの異なる材料の複数の交互層を有する多層リフレクタである。このようなリフレクタは、光のほぼ垂直な入射角における高い波長選択性を与えられていても良い。
好ましくは、前記吸収層は、前記リフレクタの層間に位置されている。この配置は、反射フィルタの表面の法線から逸脱している入射角において前記リフレクタに当たる透過された励起光の量をより更に減少することもでき、及び／又は効率的なフィルタの作製における工程のステップの必要数を減らすこともできる。更に好ましくは、リフレクタ層の総数の少なくとも四分の１は、当該吸収体の両側に位置されている。
好ましくは、前記波長変換器は、この配置が変換効率の観点から有益であるので、前記リフレクタと前記ＬＥＤチップとの間に位置されている。好ましくは、前記リフレクタ、前記吸収層、前記波長変換器及び前記ＬＥＤチップは、単一の装置を形成するように接続されている。これは、製作するのに高価ではない非常に小型の効率的な構造である。好ましくは、前記多層リフレクタ及び前記吸収体は、２０００ｎｍ未満の全体厚さを有する。
本発明のこの見地及び他の見地は、本発明の現在好適な実施例を示している添付図面を参照して、以下で、更に詳細に記載される。
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、様々な用途において使用されている。しばしば、発光変換器は、元々前記ＬＥＤから発される光とは異なる色の光を生成するように前記ＬＥＤモジュール内に組み込まれている。
発光変換を使用してＬＥＤモジュールから発される前記光の純粋な色を得るために、如何なる励起光も、前記ＬＥＤモジュールから出射することができないようにされていることが、重要である。このことは、必要な色温度が、規格及び規則によって指定されている用途において、特に重要である。この目的のために、フィルタは、時々、前記ＬＥＤモジュール出力からの何らかの残存している励起光をフィルタリングするために、前記ＬＥＤモジュール内に配されている。
図１は、ＬＥＤ１２を有するＬＥＤモジュール１０の例示的な実施例を模式的に示している。このＬＥＤ１２は、端子１４、１６を介して電流を供給され、ＬＥＤ１２の出力光は、本質的に半球状のレンズ１８を介してＬＥＤモジュール１０から結合導出される。前記ＬＥＤは、紫外（ＵＶ）光を発し、蛍光体層２４は、前記ＵＶ光を白色光に、即ち赤色、緑色及び青色光の混合に変換する。前記ＵＶ光の全体的な変換は、前記蛍光体層が、とても厚くなければならないので、達成されず、赤色、緑色及び青色光の高い再吸収をもたらす。従って、モジュール１０からのＵＶ光の放出を減少するために、レンズ１８は、ＵＶ光を反射すると共に可視光を透過するリフレクタ２６を有している。前記レンズの表面における波長選択吸収層２８は、紫外線光の如何なる漏出も著しく減少させる。吸収層２８の波長選択性は、吸収が、可視波長範囲におけるものよりも前記ＵＶ波長の範囲において高いような波長選択性である。本明細書を通して、吸収層は、励起波長範囲における吸光係数（extinction coefficient）ｋ＞０．００５を有する（複数の）材料からなる層として定義される。吸収層は、前記ＬＥＤチップ及び／又は前記発光変換器の発光表面から前記ＬＥＤモジュールの光出力表面までの光経路内に位置されるものと意図されており、電気的配線又は不透明なＬＥＤチップサブマウント等のような構造は、この意味において、吸収体層とは考えられていない。
図２は、図１のＬＥＤ１２及び蛍光体層２４を更に詳細に示している。ＬＥＤチップ２０は、サブマウント２２上に位置されている。電流は、ワイヤ３０を介してＬＥＤチップ２０の上部電極に供給される。
図３は、ＬＥＤ１１２を有するＬＥＤモジュール１１０の例示的な実施例を模式的に示している。
図４は、図３のＬＥＤ１１２を更に詳細に示している。ＬＥＤチップ１２０は、サブマウント１２２上に取り付けられているフリップチップである。電流は、バイアホール内の導体１３０を介してＬＥＤチップ１２０の上部電極に供給される。このＬＥＤチップ１２０は、約４５０ｎｍのピーク波長を有する、波長範囲４００―４７０ｎｍの青色励起光を発する。この励起光は、ＬＥＤチップ１２０上に取り付けられている又は堆積されている発光蛍光体材料層１２４によって約６００ｎｍにおける琥珀光に変換され、この特定の例においては、この蛍光体材料は、（ＢａＳｒ）２Ｓｉ５Ｎ８：Ｅｕを有するＬＵＭＩＲＡＭＩＣ（登録商標）であり、即ちユウロピウムをドープされたバリウムストロンチウム窒化ケイ素である。この放出波長特性は、バリウムとストロンチウムとの間の比を変化させることによって変化されることができ、この場合、８５％のＢａ及び１５％のＳｒが、使用される。ＬＵＭＩＲＡＭＩＣ（登録商標）層１２４上には、吸収層を組み込んでいる多層リフレクタコーティング１２６が設けられている。前記リフレクタをＬＵＭＩＲＡＭＩＣ（登録商標）層上に直接的に位置させることは、変換されていない励起光の大部分をＬＵＭＩＲＡＭＩＣ（登録商標）層上に反射して戻し、従って変換効率を増大させるという利点を有する。
多層リフレクタは、異なる屈折率を有する幾つかの交互の層から成る一種の干渉フィルタであり、この波長応答は、比較的自由に設計されることができ、これらは、当該励起光のより高い抑制を与えるように設計されることができる。従って、多層リフレクタは、ＬＥＤモジュール出力から励起光を取り除くのに非常に適している。
しかしながら、典型的な干渉フィルタコーティングの透過性は、干渉フィルタコーティングに当たる光の入射角によって変化するので、一部の励起光は、ＬＥＤ及び波長変換器が、典型的にはコリメートされている出力を生成しないという事実により、このフィルタを介して漏出する。
表１は、内部吸収体層を設けられていない多層リフレクタの構造の例を与えており、前記リフレクタの表面の法線に対する入射角の関数としての対応する透過性は、図５に与えられている。このフィルタは、約１．４６の屈折率を有しているＳｉＯ２と、約２．３９の屈折率を有しているＮｂ２Ｏ５との交互の層から作られている。層番号１は、ＬＵＭＩＲＡＭＩＣ（登録商標）変換器に隣接しており、層番号４１は、約１．５の屈折率を有するレンズに隣接しており、ｄは、ナノメートルにおいて各層の厚さを示している。
表２は、図２―３を参照して上述のＬＥＤモジュールの多層リフレクタ１２６の構造の例を与えており、このフィルタは、Ｆｅ２Ｏ３の集積吸収体層を組み込んでいる。入射角の関数としてのこのフィルタの透過率は、図６に示されている。層番号１は、ＬＵＭＩＲＡＭＩＣ（登録商標）変換器１２４に隣接されており、層番号１７は、ＳｉＯ２から成るレンズ１８に隣接している。反射フィルタの厚さが、表１の反射フィルタの厚さの約三分の１であることに留意されたい。更に、前記吸収体層は、前記リフレクタの一体部分であり、Ｆｅ２Ｏ３が３．１１の屈折率を有する場合、隣接するＮｂ２Ｏ５層の屈折率とは著しく異なるので、当該装置の反射特性に寄与している。他方では、薄い吸収Ｆｅ２Ｏ３層を囲んでいるこの反射フィルタ多層構造は、この薄いＦｅ２Ｏ３層の吸収性を向上させる。
図５―６におけるグラフの２つのフィルタの角度依存性間の著しい違いは、印象的である。吸収体の薄い層のみを前記フィルタ内に組み込むことによって、前記フィルタが、幾つかの工程のステップを使用して薄くされ作製されることができるだけでなく、青色光の透過率の角度依存性は、著しく減少され、低い角度における高次の透過のスパイクは、取り除かれる。
図７は、ＬＥＤ２１２及び別個の蛍光体／リフレクタ／吸収体部２２４／２２６を有するＬＥＤモジュール２１０の例示的な実施例を模式的に説明している。ＬＥＤ２１２及び蛍光体／リフレクタ／吸収体部のこの構成は、図８において更に詳細に示されており、当該図８は、蛍光体２２４の層上に堆積されている、透明な、交互のリフレクタ層及び複数の集積吸収体層を有する多層リフレクタ２２６を示している。
図９及び１０は、ＬＥＤモジュールの代替的な幾何学的配置を示しており、ＬＥＤチップ３２０及び発光変換器３２４は、サブマウント３２２上に並んで取り付けられている。ＬＥＤチップからの励起光は、吸収体層も組み込んでいるほぼ放物線状の多層リフレクタ３２６によって、発光変換器３２４上に反射される。リフレクタ３２６は、前記発光変換器からの変換光を透過するように配されており、前記吸収体層は、実質的に傾斜した角度においてリフレクタ３２６に当たる如何なる励起光についてもリフレクタの３２６の透過率を低下させる。
ＬＥＤチップ３２０及び発光変換器３２４のこの幾何学的な分離は、前記発光変換器の周りの別個の半球状の吸収体（図示略）を位置させる及び拡張するのも可能にし、この結果、前記発光変換器からの変換光は、通常の入射角において前記別個の吸収体を通過し、前記リフレクタを通って漏出する励起光は、傾斜した角度において前記別個の吸収体を通過する。このことは、前記吸収体を通る経路を、変換光に対する場合よりも、励起光に対して長くする。
図１１及び１２は、前記発光変換器からのＬＥＤチップの幾何学的な分離が、どうのように、それぞれ励起光及び変換光の異なる吸収レベルを可能にし、これにより、ＬＥＤモジュールの色温度の改善に寄与するかを説明している実施例を示している。波長選択リフレクタ４２６は、ＬＥＤチップ４２０からの光を発光変換器４２４上に反射する。前記発光変換器からの変換光は、前記リフレクタを通過し、次いで、通常の入射角において吸収体４２８を通過する。波長選択リフレクタ４２６を通って漏出することができるＬＥＤチップ４２０からの如何なる励起光も、傾斜した角度において吸収体４２８を通過する。このことは、吸収体４２８を通る経路を、前記変換光に対する場合よりも、前記励起光に対して長くする。
要約すると、本発明は、ＬＥＤモジュールであって、ＬＥＤチップからのポンプ光を、前記ＬＥＤモジュールから発光される他の波長における光に変換する前記ＬＥＤモジュールに関する。この変換は、発光性材料の一部において生じる。前記ＬＥＤモジュールの色の純度は、吸収体と組み合わされたリフレクタを使用しているポンプ光の如何なる漏出も減少することによって、改善される。一実施例において、前記吸収体は、多層干渉フィルタの層間の１つ又は幾つかの薄い吸収体層として集積され、このことは、前記ＬＥＤモジュールからのポンプ光の漏出のより高い減少をもたらすことができる。
当業者であれば、本発明が、上述の好ましい実施例に限定されるものではないことを理解するであろう。対照的に、多くの変形及び変化が、添付請求項の範囲内で可能である。例えば、本発明は、Ｆｅ２Ｏ３の吸収層に限定されるものではなく、例えば、これらに限定されるものではないが、亜鉛酸化鉄、チタン酸化鉄、酸化バナジウム、ビスマス酸化物、酸化銅、ビスマスバナジウム酸塩、ジルコニウムプラセオジウムケイ酸塩又はこれらの何らかの混合物のような、励起波長範囲内における吸収を特徴としている他の材料も、使用されることができる。
本発明は、ＬＵＭＩＲＡＭＩＣ（登録商標）又は他の発光材料の発光層に限定されるものではなく、少なくとも入射電磁放射の一部を特徴的なシグネチャを備える電磁放射に変換する何らかの原子若しくは分子種又はソリッドステート化合物が使用されることができる（例えば、蛍光色素又は発光性量子ドット）。
上述の例において、多層リフレクタは、Ｎｂ２Ｏ５及びＳｉＯ２の交互の層を有している。異なる屈折率を有する２つ以上の異なる材料の他の組み合わせも使用されることができ、添付請求項によって覆われている。更に、当該リフレクタは、多層リフレクタに限定されるものではなく、励起波長を反射することができると同時に変換された波長を透過することができる如何なる種類の波長選択リフレクタも、使用されることができる。この吸収体は前記リフレクタ内に組み込まれている１つ又は幾つかの吸収層から成ることができ、又はそれは前記ＬＥＤモジュールの他の部分に位置する別個の吸収体であっても良い。前記ＬＥＤモジュール全体が、好ましくは、単一のハウジング内に含まれているとしても、前記ＬＥＤモジュールは、別個のハウジング間に分割されても良い。当該装置の異なる部分は、異なるモジュール間に分離されることができ、前記異なるモジュールは、協働する場合、添付請求項に記載のものと同一の機能を得る。更に、上述の例において、青色又は紫外線光は、琥珀色又は白色光を生成するように使用されることができ、他の組み合わせも、添付請求項によって覆われている。本発明は、可視光を発しているＬＥＤチップ又は発光変換器に限定されるものではなく、赤外線及び紫外線領域において発光するものであっても良い。本発明は、広い光学スペクトルにおいて励起光を発するＬＥＤに限定されるものでもない。ダイオードレーザのような、何らかの種類の光学フィードバック及び誘導放出を組み込んでいる狭帯域ＬＥＤも、添付請求項の範囲内にある。上述の別個の実施例において開示されているフィーチャは、有利に組み合わせられることもできる。
本明細書における単数形の表記の使用は、複数形を排除しているものではない。添付請求項における如何なる符号も、添付請求項の範囲を制限するものとみなされてはならない。
Claims (5)
- 第１の波長範囲における励起光を発するＬＥＤチップと、励起光を第２の波長範囲における変換光に変換する波長変換器と、変換光を透過させると共に、励起光を前記波長変換器上に反射するリフレクタとを有する光源であって、変換されていない励起光を吸収する吸収層を有することを特徴とする光源。
- 前記リフレクタが、少なくとも２つの異なる屈折率を有する少なくとも２つの異なる材料の複数の交互の層を有する多層リフレクタである、請求項１に記載の光源。
- 前記吸収層が、前記リフレクタの層間に位置されている、請求項２に記載の光源。
- 前記波長変換器が、前記リフレクタと前記ＬＥＤチップとの間に位置されている、請求項１乃至３の何れか一項に記載の光源。
- 前記リフレクタ、前記吸収層、前記波長変換器及び前記ＬＥＤチップは、単一のスタックを形成するように接続されている、請求項４に記載の光源。
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