JP2014078518A - 波長変換要素側面保持放熱板を有する照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体発光装置を含む高輝度光源によって生成される光の波長変換に関する技術を提供する。
【解決手段】照明装置は、アレイの状態の１つ又はそれよりも多くの発光ダイオードのような第１の波長範囲を有する光を生成する光源を含む。光源によって放射された光を受光するために、別の波長変換要素が装着される。波長変換要素は、ビーム経路に沿って光源から物理的に分離されている。また、波長変換要素は、第１の波長範囲を有する光を第２の波長範囲を有する光に変換する。一実施形態では、色分離要素が、波長変換要素に直接連結される。色分離要素も光源から物理的に分離されている。別の実施形態では、波長変換要素は、側面で放熱板によって保持されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、照明装置に関し、特に、半導体発光装置を含む高輝度光源によって生成される光の波長変換に関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）を使用する照明装置は、多くの照明用途において益々一般的になっている。一般的に、ＬＥＤは、白色光を発生させるために１次放射の蛍光体変換を使用するが、蛍光体はまた、赤色、緑色、及び黄色のようなより高い飽和度の色をもたらすために使用することができる。

米国特許出願出願番号第１０／６５２，３４８号 米国特許公開番号第２００５／０２６９５８２号 米国特許公開番号第２００５／０２７０７７５号 米国特許出願出願番号第１１／２４８，９４５号 米国特許出願出願番号第１１／１０４，２２０号

蛍光体がＬＥＤと物理的に接触して置かれる従来の装置は、限定された接着温度範囲のような欠点を有する。更に、接着材料の選択は、コストへの影響、並びに例えば熱誘起機械的応力によって引き起こされる信頼性への影響を与える可能性がある。従って、改良が望ましい。

本発明の１つの態様によれば、照明装置は、波長変換要素に直接連結された色分離要素を含み、その両方は、光路に沿って光源から分離されている。光源は、例えば、第１の波長範囲を有する光を生成するアレイの状態の１つ又はそれよりも多くの発光ダイオードとすることができる。波長変換要素は、光源によって放射される光を受光するように装着され、光源から物理的に分離されている。波長変換要素は、第１の波長範囲を有する光を第２の波長範囲を有する光に部分的又は完全に変換する。本発明の別の態様では、波長変換要素は、１次光及び２次光のいずれもが放熱板を透過しないように、少なくとも１つの側面で放熱板によって保持されている。

本発明の一実施形態による照明装置を示す図である。 発光セラミックの調製を概略的に示す流れ図である。 様々な入射角に対する波長の関数としてダイクロイックフィルタコーティングの１つの適切な実施形態の透過特性を示す図である。 ランバート光源に対する波長の関数としての青色ポンプ光の透過に関するダイクロイックフィルタコーティングの１つの適切な実施形態の性能を示す図である。 波長変換光の反射に関するダイクロイックフィルタコーティングの１つの適切な実施形態の性能を示す図である。 波長変換要素のようなｎ＝２．５の媒体内での５５０ｎｍから６６０ｎｍの波長について角度に対する平均反射率を示す図である。 遠隔波長変換要素を使用する照明装置を示す図である。 様々な入射角の平均として波長の関数としての第２のダイクロイックフィルタコーティングの１つの適切な実施形態の透過特性を示す図である。 傾斜側面を有する波長変換要素の実施形態を示す図である。 傾斜側面を有する波長変換要素の実施形態を示す図である。 粗面を有する波長変換要素の実施形態を示す図である。 側面で波長変換要素を保持する放熱板の異なる可能な実施形態の１つを示す図である。 側面で波長変換要素を保持する放熱板の異なる可能な実施形態の１つを示す図である。 波長変換要素を保持する放熱板の別の可能な実施形態の斜視図である。 波長変換要素の熱伝達のグラフを示す図である。 本発明の実施形態による別の照明装置を示す図である。 波長変換要素の詳細図である。 エテンデュ制限出射開口の上面図である。 遠隔波長変換要素及び開口（エテンデュ）再循環光を使用する照明装置を示す図である。 図１７の照明装置の矩形出射開口の上面図である。

本発明の実施形態によれば、波長変換要素は、光源から物理的に分離され、色分離コーティングで直接被覆される。この実施形態では、別の色分離要素は必要とされず、従って、後方に放射された波長変換光を再循環させることによって抽出効率が顕著に改善し、付加的要素による損失がないので、外部偏光及び開口再循環もまた増大する。別の実施形態では、効率的なエッジ冷却システムが、波長変換要素を保持するために使用される。

図１は、本発明の一実施形態による照明装置１００を示している。図１は、光源１０２を含み、これは、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）又はＬＥＤのアレイ１０４のような半導体発光装置、又はキセノンランプ又は水銀ランプのような短波長光を発生することができる他の種類の光源とすることができる。一例として、ＬＥＤ１０４は、青色又は紫外（ＵＶ）ＬＥＤであり、本発明の開示と同じ譲受人を有し、参照によって本明細書に組み込まれている、２００３年８月２９日出願の公開番号第２００５／００４５９０１号を有するＦｒａｎｋ Ｗａｌｌ他による「半導体発光装置のためのパッケージ」という名称の米国特許出願出願番号第１０／６５２，３４８号に説明した種類のような高輝度装置とすることができる。ＬＥＤ１０４の角度放射パターンは、ランバート型とすることができ、又は格子構造のようなフォトニック結晶を用いて制御することができる。発光ダイオード１０４は、放熱板１０６上に装着されるように示されている。一部の実施形態では、発光ダイオード１０４は、放熱板１０６に装着されたサブマウント１０５上に装着することができる。

照明装置１００は、光路（一般的に矢印１０３で示す）に沿って光源１０５から物理的に分離された波長変換要素１１０を含み、すなわち、波長変換要素１１０の入力側面１１１は、光源１０２に直接接触しない。光源１０２と波長変換要素１１０は、空気、ガス、シリコーン、又は真空のような媒体１１４によって分離することができる。従って、光源１０２によって放射された光は、光が波長変換要素１１０の入力側面で受光される前に媒体１１４を透過すべきである。光源１０２と波長変換要素１１０の間の物理的分離の長さは変えることができるが、一実施形態では、５０μｍ−２５０μｍの範囲内である。一実施形態では、光源１０２と波長変換要素１１０の間の分離は、光源１０２による波長変換要素１１０の実質的な伝導性加熱を防止するのに十分である。別の実施形態では、波長変換要素１１０から光源１０２を分離させるために、充填材又は接着材料を使用することができる。

波長変換要素１１０は、本明細書で「発光セラミック」とも称されるセラミックスラブで形成することができる。セラミックスラブは、一般的に自己支持型の層であり、かつ特定の波長に対して半透明又は透明とすることができ、それは、共形層のような非透過性の波長変換要素に伴う散乱損失を低減することができる。発光セラミック層は、薄膜又は共形蛍光体層よりも頑強とすることができる。一部の実施形態では、結合剤材料内の蛍光体のような発光セラミック以外の材料を波長変換要素１１０として使用することができる。

発光セラミックに形成することができる蛍光体の例としては、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｚ≦０．１、０＜ａ≦０．２、及び０＜ｂ≦０．１として、黄色−緑色範囲の光を放射するＬｕ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂：Ｃｅ³⁺及びＹ₃Ａ_ｌ5Ｏ₁₂：Ｃｅ³⁺のような一般式（Ｌｕ_1-x-y-a-bＹ_xＧｄ_y）₃（Ａｌ_1-zＧａ_z）₅Ｏ₁₂：Ｃｅ_aＰｒ_bを有するアルミニウムガーネット蛍光体、及び０≦ａ＜５、０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、及び０＜ｚ≦１として、赤色範囲の光を放射するＳｒ₂Ｓｉ₅Ｎ₈：Ｅｕ²⁺のような（Ｓｒ_1-x-yＢａ_xＣａ_y）_2-zＳｉ_5-aＡｌ_aＮ_8-aＯ_a：Ｅｕ²⁺が挙げられる。適切なＹ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂：Ｃｅ³⁺セラミックスラブは、ノースカロライナ州シャルロット所在の「Ｂａｉｋｏｗｓｋｉ ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ」から購入することができる。他の緑色、黄色、及び赤色放射蛍光体もまた適切とすることができ、それらには、例えばＳｒＳｉ₂Ｎ₂Ｏ₂：Ｅｕ²⁺を含む（Ｓｒ_1-a-bＣａ_bＢａ_c）Ｓｉ_xＮ_yＯ₂：Ｅｕ_a ²⁺（ａ＝０．００２−０．２、ｂ＝０．０−０．２５、ｃ＝０．０−０．２５、ｘ＝１．５−２．５、ｙ＝１．５−２．５、ｚ＝１．５−２．５）；例えばＳｒＧａ₂Ｓ₄：Ｅｕ²⁺を含む（Ｓｒ_1-u-v-x、Ｍｇ_uＣａ_uＢａ_x）（Ｇａ_2-y-zＡｌ_yＩｎ_zＳ₄）：Ｅｕ²⁺；Ｓｒ_1-xＢａ_xＳｉＯ₄：Ｅｕ²⁺；並びに０＜ｘ≦１として、例えばＣａＳ：Ｅｕ²⁺及びＳｒＳ：Ｅｕ²⁺を含む（Ｃａ_1-xＳｒ_x）Ｓ：Ｅｕ²⁺が含まれる。

発光セラミックは、蛍光体粒子の表面が共に焼結を開始し、粒子の硬質な凝集体が形成されるまで粉末蛍光体を高圧で加熱することによって形成することができる。光学的不連続性なしで単一の大きい蛍光体粒子として挙動する薄膜とは違って、発光セラミックは、密に充填された個別粒子として作用し、そのために異なる蛍光体粒子の間の境界面での僅かな不連続性が存在する。従って、発光セラミックは、光学的に殆ど均質であり、発光セラミックを形成する蛍光材料と同じ屈折率を有する。共形蛍光体層、又は樹脂のような透明材料内に配置された蛍光体層とは違って、発光セラミックは、蛍光体それ自体以外には結合剤材料（有機樹脂又はエポキシのような）を一般的に必要とせず、そのために個別蛍光体粒子の間の空隙又は異なる屈折率の材料は非常に僅かである。その結果、発光セラミックは、共形蛍光体層とは違って、透明又は半透明である。本発明で使用することができる発光セラミックに関する更に別の情報については、参照によって本明細書に組み込まれている米国特許公開番号第２００５／０２６９５８２号を参照されたい。

一実施形態では、発光セラミックは、ｅＣＡＳであり、これは、５．４３６ｇのＣａ₃Ｎ₂（＞９８％純度）、４．０９９ｇのＡｌＮ（９９％）、４．７３２ｇのＳｉ₃Ｎ₄（＞９８％純度）、及び０．１７６ｇのＥｕ₂Ｏ₃（９９．９９％純度）から合成されたＣａ_0.99ＡｌＳｉＮ₃：Ｅｕ_0.01である。粉末は、遊星ボールミル粉砕によって混合され、Ｈ₂／Ｎ₂（５／９５％）雰囲気内で１５００℃で４時間焼成される。顆粒状粉末は、５ｋＮでの一軸プレスでペレットとされ、３２００バールで冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）処理される。ペレットは、Ｈ₂／Ｎ₂（５／９５％）雰囲気内で１６００℃で４時間焼結される。得られたペレットは、閉鎖気孔性を呈し、引き続き２０００バール及び１７００℃で熱間静水圧プレスされて理論密度の＞９８％を有する緻密なセラミックが得られる。

一実施形態では、発光セラミックは、ＢＳＳＮＥであり、これは、Ｂａ_2-x-zＭ_xＳｉ_5-yＡｌ_yＮ_8-yＯ_y：Ｅｕ_z（Ｍ＝Ｓｒ、Ｃａ；０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦４、０．０００５≦ｚ≦０．０５）である。図２に描かれた流れ図は、Ｂａ_2-x-zＭ_xＳｉ_5-yＡｌ_yＮ_8-yＯ_y：Ｅｕ_ｚ（Ｍ＝Ｓｒ、Ｃａ；０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦４、０．０００５≦ｚ≦０．０５）が調製される方法を概略的に示している。最初に、Ｂａ_2-x-zＭ_xＳｉ_5-yＡｌ_yＮ_8-yＯ_y：Ｅｕ_ｚ（Ｍ＝Ｓｒ、Ｃａ；０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦４、０．０００５≦ｚ≦０．０５）が粉末の形態で調製される。この目的のために、いくつかの方法を適用することができる。図２は、カーボサーマル還元による調製の例を示し、これは、６０ｇのＢａＣＯ₃、１１．２２１ｇのＳｒＣＯ₃、及び１．６７２ｇのＥｕ₂Ｏ₃（全て９９．９９％純度）の分散媒体としての２−プロパノールを使用する遊星ボールミル粉砕（ブロック１８２）を含む。乾燥の後、混合物は、フォーミングガス雰囲気内で１０００℃で４時間焼成され（ブロック１８４）、このようにして得られたＢａ_0.8Ｓｒ_0.2Ｏ：Ｅｕ（２％）のうちの１０ｇは、５．８４６ｇのＳｉ₃Ｎ₄（＞９８％純度）、０．０５６ｇのＡｌＮ（９９％純度）、及び１．０６０ｇのグラファイト（微結晶等級）と混合される（ブロック１８４）。粉末は、２０分間の遊星ボールミル粉砕によって完全に混合されてフォーミングガス雰囲気内で１４５０℃で４時間焼成され（ブロック１８８）、Ｂａ_2-x-zＭ_xＳｉ_5-yＡｌ_yＮ_8-yＯ_y：Ｅｕ_z（Ｍ＝Ｓｒ、Ｃａ；０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦４、０．０００５≦ｚ≦０．０５）の前駆体粉末が得られる（ブロック１９０）。粉末は、ＨＣｌで洗浄され再び粉砕される（ブロック１９２）。得られた前駆体粉末は、１５５０℃及び８０ＭＰａで熱間プレスされ、緻密なセラミック体が生成される（ブロック１９４）。これらは、スライス加工され、研磨加工され、かつダイスカットされて、望ましい形状及び光学的表面特性が得られる。必要に応じて、欠陥を除去するために、窒素内での１３００℃での焼き鈍しを適用することができる（ブロック１９８）。

一実施形態では、発光セラミックは、ＳＳＯＮＥであり、これは、８０．３６ｇのＳｒＣＯ₃（９９．９９％純度）、２０．０ｇのＳｉＮ_4/3（＞９８％純度）、及び２．２８ｇのＥｕ₂Ｏ₃（９９．９９％）を混合し、Ｎ₂／Ｈ₂（９３／７）雰囲気内で１２００℃で４時間焼成することによって製造される。洗浄の後、前駆体粉末は、１０ｋＮで一軸プレスされ、引き続き３２００バールで冷間静水圧プレスされる。焼結は、Ｈ₂／Ｎ₂（５／９５）又は純窒素雰囲気の下で１５５０℃と１５８０℃の間の温度で通常行われる。

図１に戻れば、一実施形態では、波長変換要素１１０の入力側面１１１は、色分離要素１１６で直接被覆される。色分離要素１１６は、青色ポンプ光を透過させ波長変換要素１１０によって変換された光の範囲の波長を反射する。色分離要素１１６は、波長変換要素１１０の入力側面１１１に直接付加される高角度受容性コーティングとすることができ、これは、光源１０２に対向する。換言すれば、色分離要素１１６は、光源１０２と波長変換要素１１０の間にある。図１に示すように、色分離要素１１６は、どこでも光源１０２に直接接触せず、すなわち、色分離要素１１６と波長変換要素１１０の両方は、光源１０２から物理的に分離されている。

色分離要素１１６は、例えば、高角度受容性を有する直接付加ダイクロイックコーティングとすることができる。必要に応じて、特に、光源１０２の角度放射がフォトニック結晶を有するＬＥＤからのように低減している時に、コレステロール膜、回折又はホログラフィックフィルタを使用することができる。図３は、色分離要素１１０として使用することができる直接付加ダイクロイックコーティングの１つの適切な実施形態について、様々な入射角での波長の関数としての透過特性を示している。高角度受容性を有するフィルタは、この目的のために具体的に設計することができる。例えば、ダイクロイックコーティングは、より高い屈折率及びより低い屈折率材料の多重層のスタックを用いて波長変換要素１１０上に形成することができる。より高い屈折率及び最適厚みを有する様々なコーティング材料を適切に選択することによる高角度受容性を有するフィルタが通常望ましい。こうした設計及び製造は、十分に当業者の能力の範囲内である。色分離要素１１６のための高角度受容性ダイクロイックコーティングの使用は、そのことが色分離要素１１６の前に光を平行化する付加的な光学要素の使用を排除し、それによって装置のコスト及び寸法を低減するので有利である。

図３で理解することができるように、色分離要素１１６は、例えば、４１５ｎｍから４６５ｎｍである青色ポンプ光波長の高い透過率を有する。従って、光源１０２によって放射された光は、色分離要素１１６を通過して波長変換要素１１０に送られることになる。波長変換要素１１０は、光を内で等方的に放射する。前方に放射された光、すなわち、波長変換要素１１０の出力側面１１２に向って放射された光は、直接脱出する機会を有する。しかし、波長変換要素１１０によって放射された光の大部分は、後方放射、すなわち、入力側面１１１の方向に放射されるか又は前方に放射されるが、例えば、ｎ＝１．７−２．６である波長変換要素１１０の屈折率と、光がその中に放射される媒体の例えばｎ＝１である屈折率との間の大きい差のため波長変換要素１１０の出力側面１１２で後方に反射されることになる。図３で理解することができるように、色分離要素１１６は、例えば、５００ｎｍよりも長波長である変換光の波長で低透過率、すなわち、高反射率を有する。従って、色分離要素１１６は、後方放射光又は後方反射光が波長変換要素１１０から光源１０２に向って脱出しないようにする。

上述のように、照明装置１００の性能のための２つの重要な判断基準としては、例えば、４１５ｎｍから４６５ｎｍのあらゆる波長での青色ポンプ波長の透過率及び例えば橙色、緑色、又は赤色変換光である波長変換光の反射率が挙げられる。図４は、ランバート光源について波長の関数として青色ポンプ光の透過率に関する色分離要素１１６の１つの適切な実施形態の性能を示している。参照目的のために、図４は、６０°ランバートと全半球（±９０°）ランバートの両方のそれぞれに関する透過率曲線１５２及び１５４を示している。比較のために、露出発光セラミックの透過率が曲線１５６として示され、一方、青色ポンプ光のスペクトルは、曲線１５８ように示されている。例えば、フォトニック格子構造がより小さい円錐角でより多くの光を放射する場合のような６０°よりも小さい円錐が関連する可能性があるが、図４は、±９０°でも依然としてその透過性能が被覆されない発光セラミックよりも顕著に良好とすることができることを示している。図４で理解することができるように、色分離要素１１６によって効率的に透過する波長は、青色ポンプ波長の範囲が対応することができるような広い範囲に及ばなくてはならず、それは、特に波長変換要素１１０の吸収スペクトルが同様に広い時に、波長によって発光ダイオード１０４を選別又は区分けする必要性を低減する。

図５は波長変換光の反射率に関する色分離要素１１６の１つの適切な実施形態の性能を示している。図５は、曲線１６２として、色分離要素１１６で被覆した媒体の内での等方的反射率を示し、かつ曲線１６４として、ランバートを有する外側空気媒体曲線を示し、すなわち、曲線１６４は、５５０−６６０にわたって平均した±９０°円錐に関する平均外側ランバート反射率を示している。図５はまた、曲線１６６としてＣａＡｌＳｉＮ蛍光体からの飽和赤色放射を示し、曲線１６８として、「ＣＩＥ＿Ｙ」アイ・フォトピック感度で重み付けした赤色スペクトル放射を示している。曲線１６６及び１６８は、どの波長帯域が大部分の用途について最も重要であるかを示すために提供されている。主要な設計意図は、波長変換要素１１０の内で正確なカラーポイントと最大の光束を提供する着色光を反射させることである。

図６は、波長変換要素１１０のようなｎ＝２．５の媒体内での５５０ｎｍから６６０ｎｍの波長について角度に対する平均反射率を示している。波長変換要素１１０の内部で放射された光は、等方的な角度分布を有する。図６に示すように、より高角度の光は、全反射（ＴＩＲ）することになり、通常の脱出円錐内では、反射光は、高角度受容性の色分離要素１１６によって制御されることになる。こうした特性を有する照明装置１００は、波長変換要素１１０の入力側面での各底部反射で波長変換要素１１０からの後方放射光の９８％よりも多くを反射することになり、それによって光が波長変換要素１１０の出力側面から放射されると考えられる別の機会が提供される。

比較のために、図７は、照明装置８００を示し、これは、本出願と同じ譲受人を有し、その全体が本明細書に参照によって組み込まれている、Ｇｅｒａｒｄ Ｈａｒｂｅｒｓ他による「照明装置内での遠隔波長変換」という名称の米国特許公開番号第２００５／０２７０７７５号により詳細に説明されている。照明装置は、青色／ＵＶのＬＥＤ光源８０２を含み、これは、コリメータ８０８によって平行化され、ダイクロイックミラー８１０によって反射され、別のコリメータ８１４によって蛍光体要素８１２に向けて集光される光を発生する。蛍光体要素８１２は、反射性基板８１５及び放熱板８１６上に装着される。輝度増強構造体８２２（及び／又は偏光回復構成要素）が、蛍光体要素８１２の上に装着されるように示されている。蛍光体変換光は、コリメータ８１４によって平行化され、ダイクロイックミラー８１０を透過する。非変換光は、反射性基板８１５及びダイクロイックミラー８１０で反射され、ＬＥＤ８０２によって再循環される。別の実施形態では、ダイクロイックミラー８１０は、図１７に示すように、青色／ＵＶポンプ光を透過して蛍光体変換光を反射するダイクロイックフィルタと置換される。蛍光体要素は、前方放射光をシステムの外に放出し、後方放射光は、再び平行化され、ダイクロイックフィルタによって反射される。そのような実施形態は、本出願と同じ譲受人を有し、その全体が本明細書に参照によって組み込まれている、２００５年１０月１１日出願のＳｅｒｇｅ Ｊ．Ｂｉｅｒｈｕｚｅｎ他による「光集束器及び波長変換要素を用いる照明システム」という名称の米国特許出願出願番号第１１／２４８，９４５号により詳細に説明されている。両方の実施形態では、平行化／集光光学器械が、ダイクロイックミラー／フィルタによる波長フィルタリングの前及び後に使用される。その結果、そのような照明装置の効率は、光平行化及び集光構成要素の効率に大きく依存する。

照明装置８００と比較すれば、本発明の実施形態による照明装置１００は、コスト及び寸法が削減され、一方、後方放射光又は循環される前方放射光の再利用が改善する。更に、照明装置１００内の色フィルタ要素の前に光が平行化されることを要しない。更に、照明装置１００は、光源に蛍光体が接合されるのを回避し、それは、図７に示す装置と比較して、ＣＴＥ不一致に起因する熱誘起応力のような悪影響を低減する。

図１に戻れば、波長変換要素１１０内の波長変換材料の厚み及び濃度に応じて、青色ポンプ光が全て変換することができるとは限らないことを理解すべきである。非変換青色ポンプ光は、波長変換要素１１０の出力側面１１２を通過して脱出することができる可能性がある。しかし、一実施形態では、第２の色分離要素１１８は、非変換青色ポンプ光を反射して波長変換要素内に戻すために使用される。図１に示すように、波長変換要素１１０の出力側面１１２は、第２の色分離要素１１８として機能するダイクロイックフィルタで直接被覆することができる。第２の色分離要素１１８として機能するダイクロイックコーティングの１つの適切な実施形態について様々な入射角の平均として波長の関数としての透過特性を示している。図８に示すように、第２の色分離要素１１８は、この例においては、青色光の大部分を反射し、橙色／赤色変換光を透過させるように構成される。上述のように、望ましい透過特性を生成する適切な色分離要素１１８の形成は、十分に当業者の知識の範囲内である。しかし、必要に応じて、第２の色分離要素１１８は使用しなくてもよい。

更に、必要に応じて、波長変換要素１１０の側面１２０は、抽出効率の改善のために側面１２０に達するあらゆる光を反射して波長変換要素１１０内に戻すように、銀又はアルミニウムのような保護反射コーティングで被覆することができる。側面１２０は、反射光を散乱させるために粗面化することができる。別の実施形態では、波長変換要素１１０内の光は、波長変換要素１１０内でのＭＩＥ散乱をもたらす波長変換要素１１０内の意図的な孔又は微小空隙のような内部散乱領域によって散乱させることができる。一部の実施形態では、波長変換要素１１０内の側面１２０は傾斜させることができ、それによって波長変換要素１１０の入力側面１１１と出力側面１１２が異なる面積を有する。図９Ａ及び図９Ｂは、それぞれ、斜面を有する波長変換要素１１０ａ及び１１０ｂの実施形態を示している。図９Ａに示すように、側面１２０ａは外向きに傾斜し、そのために波長変換要素１１０ａの入力側面１１１ａは、出力側面１１２ａよりも小さい面積を有する。逆に、図９Ｂに示すように、側面１２０ｂは、内向きに傾斜し、そのために波長変換要素１１０ｂの入力側面１１１ｂは、出力側面１１２ｂよりも大きい面積を有する。傾斜角は、放射表面積を増加又は低減することができ、それによって光源の輝度が増加又は低減されるので、側面の最適傾斜角（内向き又は外向きのいずれも）は用途に依存する。

別の実施形態では、波長変換要素１１０の出力側面１１２は、波長変換要素の出力側面での光抽出を高めるために粗面を有することができる。図１０は、波長変換要素１１０’の入力側面１１１上に色分離要素１１６を有し、出力側面１１２’が粗面である波長変換要素１１０’の実施形態を一例として示している。波長変換要素１１０’の出力側面１１２の表面の粗面化は、湿式化学エッチング、乾式化学エッチング、及び関連技術のような公知の加工方法を用いて実施することができる。

図１に示すように、波長変換要素１１０は、放熱板１３０に熱的に連結され、かつ１つ又はそれよりも多くの側面１２０で放熱板１３０によって保持され、コンパクトかつ廉価な冷却が提供される。波長変換要素１１０の出力側面１１２又は入力側面１１１のいずれか（又は両方）の一部分、すなわち、約３０％未満もまた、例えば、安定性のために放熱板１３０に接触させることができる。従って、波長変換要素１１０の入力区域、すなわち、光源１０２から光を受光する入力側面１１１の区域と、波長変換要素１１０の出力区域、すなわち、そこから光が波長変換要素１１０から外部に放射される出力側面１１２の区域とは、放熱板１３０によって担持されていない。一部の実施形態では、放熱板１３０で被覆される出力側面１１２（又は入力側面１１１）の一部分に、反射コーティング１２２を堆積させることができ、再循環が助けられる。代替的に、反射コーティング１２２は、放熱板１３０上に堆積されるか、又は例えば放熱板１３０が反射性材料で製造される場合のように放熱板１３０それ自体の一部とすることができる。波長変換要素１１０の出力側面１１２上の放熱板１３０及び／又は反射コーティング１２２は、出力面積かつ従ってシステムのエテンデュを制御するために使用することができる。波長変換要素１１０として機能することができる発光セラミックスラブは、側面１２０によって容易に支持することができる。更に、発光セラミックは、約１０Ｗ／（ｍＫ）を超える良好な熱伝導率を有する。少なくとも１つの側面１２０（及び出力側面１１２及び／又は入力側面１１１のできるだけ小さい部分）によってのみ保持される放熱板１３０の使用は、そのことが出力側面又は入力側面にわたって波長変換要素を担持する従来型の放熱板によって引き起こされる光損失を低減するので有利である。更に、波長変換要素に使用される従来型の放熱板は、サファイア又は他の類似材料で製造されているので、放熱板１３０を用いればコストが低減される。

更に、放熱板１３０は、光源１０２の近くに波長変換要素１１０を機械的に位置決めする機能を提供し、同時に波長変換要素１１０の温度を制御して、波長変換要素１１０の効率を改善する。図１に示すように、放熱板１３０は、光源１０２の放熱板１０６に連結することができる。代替的に、放熱板１３０及び放熱板１０６は、単一の放熱板とすることができる。代替的に、放熱板１３０は、放熱板１０６から分離することができる。更に、放熱板１３０は、フィン１３１のような冷却要素を含むことができる。ヒートパイプのような他の冷却又は熱伝達要素を必要に応じて使用することができる。

放熱板１３０は、例えば、銅又はアルミニウム又はグラファイトのような他の伝導性材料を用いて製造することができる。一例として、銅は、約３９０Ｗ／（ｍＫ）の高い熱伝導度を有する。底面内のグラファイトの熱伝導度（＞１０００Ｗ／（ｍＫ））は、底面にわたるグラファイトの熱伝導度（＜１００Ｗ／（ｍＫ））よりも非常に高い。従って、グラファイトを用いて製作された放熱板１３０は、波長変換要素１１０から離れて向けられた底面の方向に置かれるべきである。図１１Ａ及び図１１Ｂは、波長変換要素１１０を側面で保持する異なる可能な実施形態の放熱板１３２及び１３４の側面図をそれぞれ示している。放熱板１３２及び１３４がグラファイトで製作される時の底面を矢印１３３及び１３５で示している。図１２は、波長変換要素１１０を側面で保持する別の可能な実施形態の放熱板１３６の斜視図を示している。

図１３は、２０ｍｍ×２０ｍｍで１４Ｗ／（ｍＫ）の熱伝導度を有する１ｍｍ厚の発光セラミックであり、図１２に示されているものに類似した銅で製作された放熱板によって取り囲まれている波長変換要素１１０の熱伝達を示すグラフである。グラフ内の中心矩形は、熱源の位置、すなわち、波長変換要素に対して中心にあり、７ｍｍ×４ｍｍの寸法を有し、かつ７Ｗの熱を発生する光源１０２によって加熱される波長変換要素１１０の区域を示している。図１３で理解することができるように、発光セラミック波長変換要素１１０は、吸収したエネルギを効率的に側面に伝達させ、そこで熱は、放熱板１３０によって引き出される。

図１で示すように、照明装置１００は、光を平行化及び／又は再循環するのに使用することができる反射光学器械１４０を含むことができる。反射光学器械１４０は、本発明の開示と同じ譲受人を有し、その全体が本明細書に参照によって組み込まれている、２００５年４月１１日出願のＧｅｒａｒｄ Ｈａｒｂｅｒｓ他による「再循環及び色混合を伴う反射光学器械を使用する照明器」という名称の米国特許出願出願番号第１１／１０４，２２０号に説明のものと同様である。反射光学器械１４０は、反射光学器械１４０の入口を通過する光源１０２によって放射された光を平行化するための例えば放物面反射鏡を形成する側面部分１４２を含み、これは、波長変換要素１１０の出力側面１１２に光学的に連結される。側面部分１４２は、必要に応じて放物面以外の形状とすることができる。反射器は、円形又は矩形の断面を通常有する。放物面反射器の側面部分１４２は、アルミニウム、銀、又は３Ｍ製ＥＳＲ反射フィルム、又はあらゆる他の適切な反射性材料で製造されるか又は被覆される。代替的に、反射光学器械１４０は、プラスチック又はガラスのような中実透明材料とすることができ、光を平行化するため材料及び空気の屈折率の間の差によってもたらされる全反射（ＴＩＲ）を使用し、光を反射させ平行化する。

反射光学器械１４０は、反射開口もまた含むことができ、これは、開口１４６の形態での出口を定める反射性ディスク１４４で形成される。反射性ディスク１４４は、反射光学器械１４０と一体化することができ、又は反射光学器械１４０に連結された分離部分とすることができる。開口１４６は、円形、正方形、又はあらゆる他の望ましい形状とすることができる。開口１４６を通過するように向かわないあらゆる光は、反射光学器械１４０内に反射して戻される。次に、反射光は、最終的に開口１４６に向って再反射され、集光されて平行化された光ビームが生成される。開口１４６は、ある一定の偏光状態を有する光のみが透過し、一方で他の偏光状態を有する光が反射光学器械内に反射して戻されるように偏光ミラーを含むことができる。

図１４は、本発明の実施形態による別の照明装置２００を示している。照明装置２００は、照明装置１００と同様に、例えば、放熱板２０６上に装着された１つ又はそれよりも多くのＵＶのＬＥＤ２０４とすることができる光源２０２を含む。一部の実施形態では、発光装置２０４は、サブマウント（図示せず）上に装着することができ、これは、放熱板２０６に装着される。ＬＥＤ２０４の角度放射パターンは、ランバート型とすることができ、又は例えばフォトニック格子構造を用いて制御することができる。集束器要素２１０は、集束器要素２１０の入口又は入力側面２１２が光源２０２に接近して保持され、かつ全角度分布の大部分を捕捉するように位置決めされる。高角度受容性色分離要素２１４が、集束器要素２１０の入力側面２１２に直接又は間接的に付加される。色分離要素２１４は、上述の色分離要素１１６と同様とすることができる。

集束器要素２１０は、アルミニウム、銀、又は３Ｍ製ＥＳＲ反射フィルム、又はあらゆる他の適切な反射性材料のような反射性材料で製造されるか又は被覆された側面２１６を有して形成することができる。代替的に、集束器要素２１０は、プラスチック又はガラスのような中実透明材料とすることができ、光を平行化するために材料及び空気の屈折率の間の差によってもたらされる全反射（ＴＩＲ）を使用し、光を反射させて平行化する。集束器要素２１０は、集束器要素２１０の出口又は出力側面２１８に配置された波長変換要素２２０上に光を反射させて集束し、それによって波長変換要素２２０に入射する光の放射輝度（Ｗ／ｍｍ2）を増大させる。波長変換要素２２０は、図１に関して説明した波長変換要素１１０と同様とすることができる。

図１５は、波長変換要素２２０の詳細図を示している。図１５で理解することができるように、波長変換要素２２０の側面は、銀又はアルミニウムのような反射コーティング２２２で被覆され、開口（エテンデュ）再循環が提供される。反射コーティング２２２は、図１５の矢印で示すように、再循環のために光を反射させて波長変換要素２２０及び集束器要素２１０内に戻す。放熱板２３０は、波長変換要素２２０を側面で保持する。更に、放熱板２３０及び反射コーティング２２２は、波長変換要素２２０の出力側面の上に拡張され、反射開口として機能する。更に、波長変換要素の出力側面の上の放熱板２３０の拡張は、能動的冷却面積を増加させ、それは、波長変換要素２２０でのエネルギ密度の増大のために有利である。図１６は、集束器要素２１０、波長変換要素２２０、及び放熱板２３０によって形成された矩形出口開口の上面図を示し、これは、システムの放射面積及びエテンデュをシステム受容性及び以後の光学器械と密接に適合させるように制限する。

波長変換要素２２０内の波長変換素材料の厚み及び濃度によっては、必ずしも全ての光が変換されない可能性がある。第２の色分離要素２２４は、波長変換要素２２０の出力側面上に直接被覆することができ、又は代替的に波長変換要素２２０の出力側面の表面を粗面化することができる。別の実施形態では、第２の色分離要素２２４は、波長変換要素２２０上の近くに配置されるが直接には被覆されない。第２の色分離要素２２４として使用することができる直接付加ダイクロイックコーティングの１つの適切な実施形態について、様々な入射角での波長の関数としての透過特性を図８に示している。

比較のために、図１７は、両方とも本発明の開示と同じ譲受人を有し、各々の全体が本明細書に参照によって組み込まれている、２００５年１０月１１日出願のＳｅｒｇｅ Ｊ．Ｂｉｅｒｈｕｉｚｅｎ他による「光集束器及び波長変換要素を有する照明システム」という名称の米国特許出願出願番号第１１／２４８，９４５号、及び２００５年４月１１日出願のＧｅｒａｒｄ Ｈａｒｂｅｒｓ他による「再循環及び色混合を伴う反射光学器械を使用する照明器」という名称の米国特許出願出願番号第１１／１０４，２２０号により詳細に説明の照明装置８５０を示している。照明装置８５０は、青色／ＵＶのＬＥＤ光源８５２を含み、これは光を発生させ、その光は、コリメータ８５４で平行化されてダイクロイックフィルタを透過し、中実集束器８５８により、傾斜した銀／アルミニウムコーティングのサファイアディスク８６０上に装着された蛍光体要素８６２に向けて集束され、サファイアディスクは、蛍光体要素８６２を冷却するために使用される。蛍光体での変換光は、ダイクロイックフィルタ８５６によってシステムの外に送られるか又は再循環される。システムの外に送られた変換光は、システム受容性に対するエテンデュを制限する矩形開口を形成する反射開口８６６を有するコリメータ８６４で部分的に再循環される。図１８は、反射開口８６６及び再循環コリメータ８６４によって形成された矩形開口の上面図である。

照明装置８５０と比較すれば、本発明の実施形態による図１４の照明装置２００は、コスト及び寸法が削減され、一方、後方放射光又は循環される前方放射光の再利用が改善する。更に、開口（エテンデュ）再循環光は、照明装置８５０の場合のように最初に平行化され次に外側開口で反射されるのではなく、波長変換要素２２０の境界面で直接再循環されるので、照明装置２００の効率が高められる。更に、波長変換要素２２０を主として側面で保持する放熱板２３０により、蛍光体要素８６２を入力表面の上で担持するサファイアディスク８６０が削除され、それによってコスト及び効率が改良される。

その結果、照明装置２００は、不必要な損失をもたらすコリメータ８６４を用いる２次再循環の使用に代わる波長変換要素２２０上での直接的な開口（エテンデュ）再循環により輝度を高め、寸法及びコストを低下させる。波長変換要素２２０上の直接開口再循環はまた、冷却表面積の実効増大により銀被覆サファイアディスク８６０を必要としない改良された廉価な熱的設計を可能にする。

本発明を説明目的のために特定的な実施形態に関して示したが、本発明は、これに限定されない。様々な適応及び修正を本発明の範囲を逸脱することなく行うことができる。従って、特許請求の範囲の精神及び範囲は、以上の説明に限定されるべきではない。

１００ 照明装置
１０２ 光源
１０３ 光路
１０４ ＬＥＤ
１１０ 波長変換要素

Claims (32)

1. 第１の波長範囲を有する光を放射する光源と、
   前記光源からの前記放射光を受光し、第１の波長範囲を有する該放射光を第２の波長範囲を有する光に少なくとも部分的に変換する波長変換要素と、
   前記波長変換要素を該波長変換要素が前記光源と直接に接触しないように熱的に保持する放熱板と、
   を含み、
   前記放熱板は、前記波長変換要素の少なくとも１つの側面で該波長変換要素を保持し、それにより前記光源からの前記放射光を受光する該波長変換要素の入力区域及び第２の波長範囲を有する前記光が該波長変換要素によって放射される該波長変換要素の出力区域のいずれも該放熱板によって支持されていない、
   ことを特徴とする照明装置。
2. 前記放熱板は、前記波長変換要素の前記出力区域を形成するために該波長変換要素の出力側面の一部分を覆っていることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記放熱板によって覆われた前記出力側面の前記部分は、約３０％又はそれ未満であることを特徴とする請求項２に記載の照明装置。
4. 前記光源は、少なくとも１つの発光ダイオードを含むことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
5. 前記波長変換要素に直接連結された色分離要素を更に含み、
   前記放熱板は、前記波長変換要素及び前記色分離要素のいずれも前記光源と直接に接触しないように該波長変換要素及び該色分離要素を保持することを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
6. 前記色分離要素は、前記波長変換要素に付加されたコーティングであることを特徴とする請求項５に記載の照明装置。
7. 前記色分離要素は、前記光源と前記波長変換要素の間に位置決めされることを特徴とする請求項５に記載の照明装置。
8. 第２の色分離要素を更に含み、前記色分離要素及び該第２の色分離要素は、前記波長変換要素の両側にあることを特徴とする請求項５に記載の照明装置。
9. 入口及び出口を有する光学要素を更に含み、該入口は、前記波長変換要素から第２の範囲の波長を有する前記光を受光するために該波長変換要素と光学的に連結されていることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
10. 入口面及び出口面を有する光学要素を更に含み、該入口面は、前記光源から第１の範囲の波長を有する前記光を受光するために該光源と光学的に連結されており、該出口面では、前記放熱板が前記波長変換要素を保持していることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
11. 前記光学要素の前記入口面に連結された色分離要素を更に含むことを特徴とする請求項１０に記載の照明装置。
12. 前記光源は、前記放熱板と熱的に連結されていることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
13. 前記放熱板と前記波長変換要素の間に反射コーティングを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
14. 前記反射コーティングは、銀及びアルミニウムのうちの一方であることを特徴とする請求項１３に記載の照明装置。
15. 前記反射コーティングによって覆われた前記波長変換要素の表面は、粗面化されることを特徴とする請求項１３に記載の照明装置。
16. 前記波長変換要素は、前記光源から第１の波長範囲を有する前記光を受光する入力側面及び第２の波長範囲を有する前記光が放射される出力側面と、該入力側面及び出力側面が異なる面積を有するような該入力側面及び出力側面の間の傾斜側面とを有することを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
17. 光路に沿って第１の波長範囲を有する光を放射する光源と、
    第１の波長範囲を有する前記放射光を受光するように前記光路に装着され、第１の波長範囲を有する該光を第２の波長範囲を有する光に変換する波長変換要素と、
    前記波長変換要素に直接に連結された色分離要素と、
    を含み、
    前記波長変換要素及び前記色分離要素は、前記光路に沿って前記光源と直接に接触しない、
    ことを特徴とする照明装置。
18. 前記色分離要素は、前記波長変換要素に付加されたコーティングであることを特徴とする請求項１７に記載の照明装置。
19. 前記色分離要素は、前記波長変換要素と前記光源の間に位置決めされることを特徴とする請求項１７に記載の照明装置。
20. 前記波長変換要素は、前記光源から第１の波長範囲を有する前記光を受光する入力側面と第２の波長範囲を有する前記光が放射される出力側面とを有し、
    第２の色分離要素を更に含み、前記色分離要素は、前記入力側面と直接に連結され、該第２の色分離要素は、前記出力側面に連結されている、
    ことを特徴とする請求項１７に記載の照明装置。
21. 前記波長変換要素と熱的に連結し、かつそれを保持する放熱板を更に含み、
    前記放熱板は、前記光源から第１の波長範囲を有する前記光を受光する前記波長変換要素の入力区域と、第２の波長範囲を有する前記光が放射される該波長変換要素の出力区域とが該放熱板によって支持されないように該波長変換要素を保持するように構成されている、
    ことを特徴とする請求項１７に記載の照明装置。
22. 前記放熱板は、前記波長変換要素を少なくとも１つの側面で保持することを特徴とする請求項２１に記載の照明装置。
23. 前記放熱板は、前記波長変換要素の出力側面に連結され、該波長変換要素の前記出力区域を形成することを特徴とする請求項２１に記載の照明装置。
24. 前記光源は、前記放熱板と熱的に連結していることを特徴とする請求項２１に記載の照明装置。
25. 前記光源は、少なくとも１つの発光ダイオードを含むことを特徴とする請求項１７に記載の照明装置。
26. 前記波長変換要素は、前記光源から第１の波長範囲の前記光を受光する入力側面及び第２の波長範囲を有する前記光が放射される出力側面と、該入力側面及び出力側面の間の側面とを有し、
    前記波長変換要素の少なくとも１つの側面上の反射コーティング、
    を更に含むことを特徴とする請求項１７に記載の照明装置。
27. 前記反射コーティングは、銀及びアルミニウムのうちの一方であることを特徴とする請求項２６に記載の照明装置。
28. 前記波長変換要素の前記側面は、粗面化されることを特徴とする請求項２６に記載の照明装置。
29. 前記側面は、前記入力側面及び出力側面が異なる面積を有するように傾斜していることを特徴とする請求項２６に記載の照明装置。
30. 前記波長変換要素は、前記光源から第１の波長範囲を有する前記光を受光する入力側面と、第２の波長範囲を有する前記光が放射される粗面化された出力側面とを有することを特徴とする請求項１７に記載の照射装置。
31. 入口及び出口を有する光コリメータを更に含み、該入口は、前記波長変換要素から第２の波長範囲を有する前記光を受光するために該波長変換要素と光学的に連結され、該光コリメータは、該入口で受光した該波長変換要素からの該光をほぼ平行化することを特徴とする請求項１７に記載の照射装置。
32. 前記光源から第１の波長範囲を有する前記光を受光するために該光源と光学的に連結された入口面と、前記波長変換要素が装着された出口面とを有し、該入口面で受光した該光を該入口面よりも小さい該出口面まで集束させる光集束器と、
    前記光集束器の前記入口面に連結された第２の色分離要素と、
    を更に含むことを特徴とする請求項１７に記載の照明装置。