JP2014170975A - 高出力白色発光ダイオードおよびその製造方法 - Google Patents

高出力白色発光ダイオードおよびその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】設計および製造で非常に多くの自由度をユーザに与える発光装置を提供する。
【解決手段】発光装置は、短波長光を放出するための光源を有する。ダウンコンバージョン材料は、光源によって放出された短波長光の少なくともいくらかを受光しダウンコンバートし、受光され、ダウンコンバートされた光の一部を逆方向に散乱させる。ダウンコンバージョン材料に近接する光学素子は光源を少なくとも部分的に囲む。光学素子は、逆方向に散乱した光の少なくともいくらかを引き出すように構成される。シーラントは光源と光学素子との間の空間を実質的に密閉する。
【選択図】図3

Description

(関連出願の相互参照)
本願は、2006年11月17日に出願された米国仮特許出願第60/859633号に対する優先権の利益を主張するものであり、その内容は引用することによって本明細書に組み入れられる。
発光ダイオード(LED)および共振空洞発光ダイオード(RCLED)を含む固体照明を有する固体発光素子は非常に有用である。なぜならば、それらは、従来の白熱および蛍光照明を超えて、潜在的により低い製造費用および長期間の耐久性の利益を提供するからである。初期費用が従来の照明の初期費用よりも大きい場合であっても、長使用(点灯)時間および低消費電力のため、固体発光素子は実用的な費用利益をしばしば提供する。大規模な半導体製造技法を使用することができるので、固体照明の多くを非常に低い費用で作製することができる。
家庭の表示灯ならびに、視聴覚機器、電気通信装置および自動車用の計器表示である消費者器具などの用途に加えて、LEDは屋内および屋外の情報表示装置におけるかなりの用途に適している。
短波長(たとえば、青色または紫色(UV))の放射光を放出する効率のよいLEDの開発にともない、LEDの一次放出の一部のより長い波長へのダウンコンバージョン(すなわち、蛍光変換)を通して白色光を生成するLEDを作製することが実現可能となった。LEDの一次放出のより長い波長への変換は、普通、一次放出のダウンコンバージョンと呼ばれる。一次放出の変換されない部分は、より長い波長の光と混ざって白色光を生成する。
LEDの一次放出の一部の蛍光変換は、LED照明の中のLEDを収容する反射鏡カップを満たすために使用されるエポキシ樹脂の中に蛍光体層を配置することによって達成される。蛍光体は、エポキシ樹脂を硬化させる前にエポキシ樹脂の中に混合された粉体の形態である。蛍光体粉を含む未硬化エポキシ樹脂スラリは、その後、LEDに堆積され、そして、続いて硬化される。
硬化されたエポキシ樹脂内の蛍光体粒子は、大体、不規則に配向し、エポキシ樹脂中に散在する。LEDによって放出された一次光の一部は、蛍光体粒子に衝突することなくエポキシ樹脂を通過し、そして、LEDチップによって放出された一次放射光の別の一部は蛍光体粒子と衝突して、より長い波長の放射光を蛍光体粒子に放出させる。一次短波長放射光と蛍光体−放出放射光とが混ざることにより白色光を生成する。
技術蛍光−変換型LED(pc−LED)技法の今日の状態は、可視スペクトルでは効率が悪い。単一pc−白色LEDからの光出力は、可視スペクトルで約10%の効率である典型的な家庭用の白熱照明の光出力よりも低い。典型的な白熱照明の出力密度に匹敵する光出力を有するLED素子は、より大きなLEDチップまたは複数のLEDチップを有する設計を必要とする。さらに、LED素子それ自体の温度上昇を扱うために、直接エネルギーを吸収して冷却する形態を組み入れなければならない。その上とくに、100℃よりも高い温度に加熱された場合、LED素子はより効率が悪くなり、その結果、可視スペクトルにおける戻りが減退する。本来の蛍光変換効率は、いくつかの蛍光体では、温度が約90℃の閾値以上に上がると、劇的に下がる。
従来のLEDチップは、ドームまたはエポキシドームと呼ばれているエポキシ樹脂によって封止される。封止されたLEDからの光は、空気などの伝達媒体を通過する前に、ドームの封止物質を通過する。そのドームの封止物質は、少なくとも2つの機能を果たす。第1は、光線の束の制御を可能にする。すなわち、それは、LEDチップから目標へと通過する一筋の光線の方向を制御するのを助ける。第2は、それは、LEDと空気との間の光伝達の効率を上昇させる。封止媒体の屈折率の値は、LEDチップの屈折率と空気の屈折率との間であるため、ドームの封止物質は、少なくともこれらの2つの機能をある程度果たす。従来のLEDチップでは、ドームの高さを2mm〜10mmの範囲内としてもよい。
国際公開第2005/107420号パンフレット 特開2006−49857号公報
本発明の一態様は、短波長放射光を放出する放射光源を有する発光装置である。ダウンコンバージョン材料は、前記放射光源から放出された前記短波長放射光の少なくともいくらかを受光してダウンコンバートし、そして、受光し、ダウンコンバートされた放射光の一部を逆方向転送する。前記ダウンコンバージョン材料に近接する光学素子は、前記放射光源を少なくとも部分的に囲む。前記光学素子は、逆方向転送された放射光の少なくともいくらかを引き出すために構成される。シーラントは前記放射光源と前記光学素子との間の空間を実質的に密閉する。
本発明の別の態様は、短波長放射光を放出するための複数の放射光源を有する発光装置である。ダウンコンバージョン材料は、前記複数の放射光源の少なくとも1つからの前記短波長放射光の少なくともいくらかを受光してダウンコンバートし、そして、受光し、ダウンコンバートされた放射光の一部を逆方向転送する。前記ダウンコンバージョン材料に近接する光学素子は、前記複数の放射光源を少なくとも部分的に囲み、そして、前記ダウンコンバージョン材料から逆方向転送された放射光の少なくともいくらかを引き出すために構成される。シーラントは前記複数の放射光源と前記光学素子との間の空間を実質的に密閉する。
本発明のさらに別の態様は、短波長放射光を放出するための複数の放射光源を有する発光装置である。複数のダウンコンバージョン材料層は、前記放射光源のそれぞれ1つから放出された前記短波長放射光の少なくともいくらかをそれぞれ受光してダウンコンバートし、そして、それぞれ受光し、ダウンコンバートされた放射光のそれぞれ一部を逆方向転送する。複数の光学素子が存在する。それぞれの光学素子は、それぞれのダウンコンバージョン材料層に近接する。前記光学素子のそれぞれ1つは、前記放射光源のそれぞれ1つを少なくとも部分的に囲む。それぞれの光学素子は、それぞれのダウンコンバージョン材料層から逆方向転送された放射光、またはそれぞれの前記放射光源からの放射光の少なくともいくらかを引き出すためにそれぞれ構成される。複数のシーラントはそれぞれの放射光源とそれぞれの光学素子との間のそれぞれの空間を実質的に密閉する。
本発明の別の態様は、発光装置の製造方法である。ダウンコンバージョン材料は、ダウンコンバージョン材料から逆方向転送された放射光、または短波長放射光源から放出された放射光の少なくとも1つを引き出すように構成された光学素子の第1の部分上に配置される。前記光学素子の第2の部分には開口部が形成される。シーラントは、前記光学素子の前記第2の部分の面上に配置される。前記放射光源は、前記開口部に差し込まれ、内部で前記放射光源の少なくとも1つの面が前記シーラントと接触することになる。前記光学素子は支持体上に配置される。
本発明の別の態様は発光装置の別の製造方法である。ダウンコンバージョン材料は、前記ダウンコンバージョン材料から逆方向転送された放射光、または短波長放射光源から放出された放射光の少なくとも1つを引き出すように構成された光学素子の第1の部分上に配置される。前記光学素子の第2の部分には開口部が形成される。シーラントは、前記開口部の内部にある前記光学素子の前記第2の部分の面上に配置される。前記放射光源は支持体上に配置される。前記光学素子が前記放射光源を少なくとも部分的に囲むために、前記光学素子は前記支持体におよび前記放射光源を覆って配置される。
本発明のさらに別の態様は、短波長放射光を放出するための放射光源を有する発光装置である。ダウンコンバージョン材料は、前記放射光源によって放出された前記短波長放射光の少なくともいくらかを受光してダウンコンバートし、そして、受光し、ダウンコンバートされた放射光の一部を逆方向転送する。前記ダウンコンバージョン材料および前記放射光源に近接する光学素子は、逆方向転送された放射光または前記放射光源からの放射光の少なくとも1つを該光学素子から引き出すように構成される。前記光学素子から引き出された光の少なくともいくらかを反射するために、第1の反射面は、前記光学素子を少なくとも部分的に囲む。前記放射光源によって放出された前記放射光の少なくともいくらかを反射するために、第2の反射面は、前記放射光源を少なくとも部分的に囲む。
本発明のさらに別の態様は、短波長放射光を放出するための複数の放射光源を有する発光装置である。ダウンコンバージョン材料は、前記複数の放射光源の少なくとも1つからの前記短波長放射光の少なくともいくらかを受光してダウンコンバートし、そして、受光し、ダウンコンバートされた放射光の一部を逆方向転送する。前記ダウンコンバージョン材料に近接する光学素子は、前記複数の放射光源を少なくとも部分的に囲み、そして、前記ダウンコンバージョン材料から逆方向転送された放射光の少なくともいくらかを引き出すように構成される。シーラントは、前記複数の放射光源と前記光学素子との間の空間を実質的に密閉する。
本発明の別の態様は、第1の反射鏡カップと第2の反射鏡カップとを有する発光装置の別の製造方法である。ダウンコンバージョン材料は、該ダウンコンバージョン材料から逆方向転送された放射光、または短波長放射光源から放出された放射光放射光の1つを引き出すように構成された光学素子の第1の部分上に配置される。前記放射光源の第1の面は、前記第2の反射鏡カップによって形成された凹部の第1の面に配置される。第1のシーラントは、少なくとも前記放射光源の第2の面と前記凹部の第2の面との間に配置される。第2のシーラントは、少なくとも前記放射光源の第3の面に配置される。前記光学素子は、前記第1の反射鏡カップの内部および前記第2のシーラントと接触して配置される。
図面は一定の縮尺で描かれてなく、ある特徴部分の相対的な大きさは、説明を容易にするために誇張されていると理解されるであろう。
図1は、LEDチップなどの短−波長放射光源からの例示的放射光線がダウンコンバージョン材料の層に衝突する場合に結果として生ずる可能性のある例示的放射光線を説明するダイアグラムである。 図2は、短波長放射光源から離れているダウンコンバージョン材料を利用する光学素子の部分断面図である。 図3は、本発明の例示的態様による発光装置の部分断面図である。 図4は、開口部の例示的態様を有する、図3で説明した光学素子の部分的断面図である。 図5は、開口部のもう1つの態様を有する、図3で説明した光学素子の部分断面図である。 図6は、ダウンコンバージョン材料に近接するレンズの例示的態様を有する本発明の一態様の部分断面である。 図7は、ダウンコンバージョン材料に近接するレンズを有さない本発明のもう1つの態様の部分断面図である。 図8は、ダウンコンバージョン材料に近接するレンズのもう1つの態様を有する本発明の別のもう1つの態様の部分断面図である。 図9は、ダウンコンバージョン材料に近接するレンズのさらに別のもう1つの態様を有する本発明のさらに別のもう1つの態様の部分断面図である。 図10は、複数の短波長放射光源を使用する本発明の別の態様である。 図11は、複数の短波長放射光源を有する本発明の別の態様である。 図12は、複数の短波長放射光源を有する本発明のさらに別の態様である。 図13は、放射光源および光学素子に近接する複数の反射面を有する本発明のさらにいっそう別の態様である。 図14は、図3〜12に関して記載された本発明の態様のいずれかを製造するために使用される方法の例示的態様を説明する。 図15は、図3〜12に関して記載された本発明の態様のいずれかを製造する方法の別の態様を説明する。 図16は、図13に関して記載された本発明の態様を製造するために使用される方法の例示的態様を説明する。 図17は、本発明のさらに別の態様による光学素子の部分断面図である。 図18は、図17で説明した別の態様の部分断面図である。 図19は、本発明のさらに別の態様の部分断面図である。 図20は、図19で説明した本発明の別の部分断面図である。 図21は、図17〜20で説明した態様のいずれかを製造する方法の好例 図22は、図17〜20で説明する態様のいずれかを製造する方法の別の態様を説明する。
図1は、LEDチップ2002などの短−波長放射光源からの例示的放射光線2000がダウンコンバージョン材料2004層に衝突する場合に、結果として生ずる可能性のある例示的放射光線を説明するダイアグラムである。LEDチップ2002などの短−波長放射光源からダウンコンバージョン材料層2004への例示的短−波長放射光2000の衝突は、4つの成分:ダウンコンバージョン材料層2004から反射して逆方向転送された短−波長放射光2006、ダウンコンバージョン材料層2004を通過して順方向転送された短−波長放射光2008、ダウンコンバージョン材料層2004を通過して順方向転送されたダウンコンバート放射光2010、およびダウンコンバージョン材料層2004から反射して逆方向転送されたダウンコンバート放射光2012を生成する。その4つの成分は混ざることができ、白色光を生成する。
4つの成分のうちの2成分2010と2012は、それぞれ2つの副成分を含む。順方向転送されたダウンコンバート放射光の副成分のうちの1つは、放出放射光2014、すなわち、ダウンコンバージョン材料層2004に衝突する短−波長放射光よりも長い波長を有するダウンコンバート放射光であってもよい。短−波長放射光2000が、ダウンコンバージョン材料2004を通過するときにダウンコンバージョン材料2004の粒子と衝突することによって、順方向転送されたダウンコンバート放射光における放出放射光の副成分2014を生成することができる。順方向転送されたダウンコンバート放射光の第2の副成分は、順方向に散乱され放出放射光2016、すなわち、ダウンコンバージョン材料層2004に衝突する短−波長放射光2000よりも長い波長を有する他のダウンコンバート放射光であってもよい。短−波長放射光2000が、ダウンコンバージョン材料2004の粒子と衝突し、さらにダウンコンバージョン材料2004を通過する前にダウンコンバージョン材料2004の粒子の後方および前方へ反射することによって、順方向転送されたダウンコンバート放射光2010における順方向に散乱され放出放射光の副成分2016を生成することができる。
逆方向転送されたダウンコンバート放射光2012の副成分の1つは、放出放射光2020、すなわち、ダウンコンバージョン材料層2004に衝突する短−波長放射光2000よりも長い波長を有するダウンコンバート放射光であってもよい。短−波長放射光2000が、ダウンコンバージョン材料2004から反射するときにダウンコンバージョン材料2004の粒子と衝突することによって、逆方向転送されたダウンコンバート放射光2012の放出放射光の副成分2018を生成することができる。逆方向転送されたダウンコンバート放射光2012の第2の副成分は、逆方向に散乱した放出放射光2020、すなわち、ダウンコンバージョン材料層2004に衝突する短−波長放射光2000よりも長い波長を有する他のダウンコンバート放射光であってもよい。短−波長放射光2000が、ダウンコンバージョン材料2004の粒子と衝突し、さらに、ダウンコンバージョン材料2004を反射する前に、ダウンコンバージョン材料2004の粒子の後方および前方へ反射することによって、逆方向転送されたダウンコンバート放射光2012の逆方向に散乱した放出放射光の副成分2020を生成することができる。
上述した様々な成分の混合によって白色光を生成することができる。順方向転送の方向(すなわち、ダウンコンバージョン材料層を通過する放射光2008,2014,2016,2010の方向)では、順方向転送された短−波長放射光2008と、順方向転送されたダウンコンバート放射光2010の副成分2014,2016のどちらかまたは両方との混合によって白色光を生成することができる。換言すれば、順方向転送の方向では、順方向転送された短−波長光2008と、通過する放出放射光2014および/または通過する順方向に散乱した放出放射光2016との混合によって白色光を生成することができる。
逆方向転送の方向(すなわち、ダウンコンバージョン材料層を反射する放射光2006,2018,2020,2012の方向)では、逆方向転送された短−波長放射光2006と、逆方向転送されたダウンコンバート放射光2012の副成分2018,2020のどちらかまたは両方との混合によって白色光を生成することができる。換言すれば、逆方向転送の方向では、逆方向転送された短−波長光2006と、反射する放出放射光2018および/または反射する逆方向に散乱した放出放射光2020との混合によって白色光を生成することができる。
順方向転送された短−波長放射光2008の波長は、LEDチップ2002などの放射光源によって放出された放射光2000の波長とほとんど同じであってもよい。逆方向転送された短−波長放射光2006の波長は、放射光源2002によって放出された放射光2000の波長とほとんど同じであってもよい。順方向転送された短波長放射光2008の波長は逆方向転送された短−波長放射光2006の波長とほとんど同じであってもよい。例示的態様では、放射光源2002は、550nm未満、より好ましくは約200nmから550nm未満までの範囲内の波長を示す放射光を放出することができる。したがって、順方向転送された短−波長放射光2008の波長および逆方向転送された短−波長放射光2006の波長は、550nm未満、より好ましくは約200nmから550nm未満までの範囲内であってもよい。
順方向転送されたダウンコンバート放射光2010(その副成分2014,2020を有する)の波長および逆方向転送されたダウンコンバート放射光2012(その副成分2018,2020を有する)の波長は、ダウンコンバージョン材料2004の励起スペクトルよりも長いいずれの波長であってもよい。例示的態様では、ダウンコンバージョン材料2004の励起スペクトルは約300nm〜約550nmの範囲内であってもよい。もう1つの態様では、約300nm〜約550nmの範囲以外の励起スペクトルを有する他のダウンコンバージョン材料を使用することができる。ダウンコンバージョン材料2004の励起スペクトルは、短−波長放出放射光源2002によって生成された放射光の波長よりも長い波長を有する放射光を生成する必要がある。例示的態様では、ダウンコンバージョン材料2004は、約490nm〜約750nmの範囲内の放射光を生成することができる。
発明者は、ダウンコンバージョン蛍光体をLEDダイに接近して配置する場合、蛍光変換型LEDの性能が悪いほうに影響を受けることを発見している。劣った性能は、主に、ダイを囲んでいる蛍光体媒体が等方性エミッタのように作用し、そして、ダイに向かって逆方向転送された放射光のいくらかの部分が、蛍光体層、ダイおよび反射鏡カップの間を循環するという事実による。結果として、逆方向転送された放射光は接合部温度を上昇させ、したがって、システム効率を低下させ、そして封入剤の黄色化を促進する。これらの要因の全ては、時間とともに光出力を減少させる。
文献には、蛍光体層における光衝突の60パーセントが逆方向転送であることが示されており、記載されている効果の一因となる(ヤマダ等.,2003年)。8YAG:Ce蛍光体板の実験室の測定は、放射エネルギーのほぼ60%が青色LED源の方向に逆転送されたことを立証した。反射された放射エネルギーの絶対量は、他の要因の中で蛍光体被覆密度に依存する。
上記の効果は、RCLEDにおいてより大きいとを予想される。なぜならば、その光出力をさらにいっそう平行にするからである。その結果、システムの性能を改善するために、転送され、放出され、そして反射される構成要素をパッケージングにより捕捉することが試みられている。さらに、発明者は、蛍光体層をダイから離すことを可能とし、放射光がLEDおよびRCLEDに帰還するのを防止するパッケージングを作り出した。その結果、反射され、蛍光体層によって放出された放射光のより多くを素子から放出させることによって、そのパッケージングにより素子の性能が増加した。同時に、RCLEDからの放射光は蛍光体層に均一に衝突し、均一な白色光源を得る。さらに、LEDおよびRCLEDの寿命が改善される。
蛍光体がダイに近接して配置される場合の従来の蛍光−変換型白色LEDでは、蛍光体によって発生した光の65パーセントを超える光が逆方向転送し、LEDパッケージ内で失われる。この発見に基づいて、Scattered Photon ExtractionTM(SPETM)と呼ばれている技法が開発された。その技法の外観が、継続中の、2005年5月5日に出願され、および2005年11月17日に国際公開第2005/107420(A2)号パンフレットで公開された国際出願PCT/US2005/015736号明細書中に開示されている。
蛍光体−変換型白色LED(pc−LED)からの光出力を増加させるために、およびより高い発光効率を達成するために、ダウンコンバージョン材料(たとえば、蛍光体または量子ドット)は、離れた位置に移され、そして、適切に調整された光学素子が、LEDチップおよびダウン−コンバージョン材料層の間に配置される。その上、逆方向転送された光を、全光出力および効率を増加するために、引き出すことができる。この技法は、蛍光体から放出され、逆方向に散乱され、反射された放射光、ならびに別のやり方では失われてしまう反射された短−波長放射光を引き出すことによって、pc−LEDの全光出力および発光効率を著しく増加させる。この明細書に記載されている本発明は、たとえば、LEDチップアレイを使用して、150lm/Wで1500−ルーメンパッケージに達する。もう1つの態様では、LEDチップアレイは、AlInN−ベースまたは他の短波長エミッタであってもよい。
図2は、SPETM技法を使用している素子を説明する。それは、1つまたは2つ以上の固体エミッタおよびダウンコンバージョン材料を使用することができる高効率光源を説明する。それは、短波長放射光源から離れているダウンコンバージョン材料を使用した光素子を説明する。ダウンコンバージョン材料は、蛍光体または量子ドットであってもよい。図のように、素子200は、短波長放射光を放射するための放射光源202を有する。放射光源202は、実質的に光透過性の実質的に透明な媒体で作られた光学素子250によって蛍光体層204から分離されている。その実質的に透明な媒体は、たとえば、空気、ガラスまたはアクリル樹脂である。光学素子250ならびに本出願において開示されている態様の全ては、円筒形の形状か、または別の曲面、または平面の形状であってもよい。説明のために、光学素子250は、壁252と254を有するものとして示されるが、それは、実質的に透明であり、そして実質的に光透過性の壁である。蛍光体層204を、光学素子250の部分206に近接して、または部分206に配置することができる。
蛍光体または量子ドット層204が、異なる波長の光の混合を改善するために、追加の散乱粒子(微細な球体などの)を有してもよい。また、それぞれ異なるスペクトル領域の異なる色のダウンコンバートされた放射光を生成するために、蛍光体または量子ドット層204は単一蛍光体(もしくは量子ドット)または複数蛍光体(もしくは量子ドット)のものであってもよい。あるいは、色混合を改善するために、散乱粒子を伴った層のみを、ダウンコンバージョン材料層204の上、または下、または上および下に配置することができる。
蛍光体層204を上に堆積した光学素子250の部分206は光学素子250の端であってもよい。光学素子250の別の部分に放射光源202を設けることができる。たとえば、光学素子250の別の端208に放射光源202を設けることができる。光学素子250をベース256に配置することができる。
短波長放射光源202を、壁252と254の間に設けることができる。短波長放射光源202および光学素子250の両方をベース256に置くことができる。
例示的放射光線214は、蛍光体層204を通過する順方向転送の短波長放射光と、蛍光体層204を通過する順方向のダンコンバート放射光とを有する、蛍光体層204を通過する放射光を含む。
例示的放射光線215は、逆方向転送の短波長放射光と、蛍光体層204によって放出された、および/または逆方向に散乱された逆方向転送のダウンコンバート反射放射光とを含むことができる。例示的放射光線216は、蛍光体層204によって逆方向に散乱された放射光を含むことができる。例示的放射光線216は、実質的に透明で実質的に光透過性の壁252と254を通過する放射光線215を含む。例示的矢印215は、側壁252と254の真ん中あたりを通過した逆方向転送の放射光を示すが、逆方向転送の放射光は、側壁252と254に沿って複数位置で側壁252と254を通過することができると理解されるであろう。光学素子250の外への放射光の転送は、光の引き出しと呼ばれている。したがって、放射光線215および放射光線216は両方とも、蛍光体層204から反射した短波長放射光と、蛍光体層204から放出しおよび/または散乱したダウンコンバート反射放射光とを有する。放射光線215および/216のいくらかまたは全てを、可視光として見ることができる。
光学素子250の内部から光学素子250の外部へ放射光を引き出すために、光学素子250を、実質的に透明で、実質的に光透過性の壁252と254で構成し、設計することができるので、側壁252と254を通過する放射光の移動(引き出し)が発生する。さらに、光学素子250の外部に所望の量の放射光を引き出すために、光学素子250幅を様々な幅に変えることができる。変えることのできる幅は、端206の幅と端208の幅とである。同様に、端206と208との間の幅も変えることができる。端206と208との間の幅により、壁252と254が実質的に平面、曲面であってもよく、または平面の部分と曲面の部分とを有してもよい。
以上論じられた光学素子250の特徴部分の寸法は、光学素子が使用される用途に基づいて変更することができる。光線追跡原理および内部全反射(TIR)の原理を使用することによって、光学素子250の特徴部分の寸法を変更し、そして設定することができる。TIRの原理を適用した場合、壁252と254の一方または両方からの放射光の反射率は、99.9%を超えることができる。TIRの原理を、本出願に開示されている態様の全てに適用することができる。
光学素子250の寸法は、光学素子の用途にしたがって設定することができる。たとえば、光学素子250に差し込まれた放射光源202からの放射光の総量を最大にするために光学素子の寸法を設定することができる。あるいは、ダウンコンバージョン材料204に衝突する放射光源202からの放射光の総量を最大にするために光学素子250の寸法を設定することができる。また、その代わりに、ダウンコンバージョン材料204から逆方向転送された放射光の総量を最大にするために光学素子250の寸法を設定することができる。また、その代わりに、壁252と254を通して引き出される放射光の総量を最大にするために光学素子250の寸法を設定することができる。また、その代わりに、それぞれの放射光の以上論じた特徴、光学素子250に進入する放射光の総量、ダウンコンバージョン材料に衝突する放射光の総量、ダウンコンバージョンから逆方向転送された放射光の総量および壁252と254から引き出される放射光の総量を、可能な範囲内で同時に最大にする素子を提供するために、光学素子250の寸法を設定することができる。さらに、以上論じた特徴部分のいずれかまたは全てが最大にならないように光学素子250の寸法を設定することができる。これらの変形例のいずれかを実施するために光線追跡原理およびTIR原理を使用することができる。
変更することができる寸法のいくつかは、光学素子の端206の直径、光学素子の端208の直径、端208に対する壁252および/もしくは254の角度、ならびに壁252および/もしくは254の形状である。たとえば、壁252および/または254は、平面、曲面、また平面と曲面とを組み合わせた面であってもよい。光学素子250の高さ260は30mm未満であってもよい。
光学素子250の屈折率は、約1.4〜約1.7の範囲内であってもよい。放射光源202は、約1.7〜約2.6の範囲内の屈折率を有してもよい。放射光透過性エポキシ樹脂220のような材料で放射光源202を封止することができる。封止材料を、ドーム220と呼ぶことができる。ドーム200の高さは、約2mm〜約10mmであってもよい。光線制御のためにおよび放射光源202がLEDである場合などに放射光源の能力を改善するために、ドーム220を使用することができる。これらの有利な点を提供するために、ドーム220の屈折率は、約1.4〜約1.7の範囲内であってもよい。ドーム220が放射光源202の出力および光学素子250の間の移動を放射光に提供できるようにするために、放射光源の屈折率および光学素子250の屈折率の間になるように、ドーム220の屈折率を選択することができる。
開口部が光学素子250の端208に提供される。封止されている放射光源202と一緒にドーム220を収容するような大きさおよび形状にその開口部を形作ることができる。したがって、ドーム220を完全に収容するために、開口部の高さは約2mm〜約15mmであってもよい。
図3は、本発明の例示的態様による発光装置の部分断面図である。図3は、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)であってもよい短波長放射光源302を示す。放射光放出源302は、ドームによって封止されていない。放射光放出源302を従来のドームなしで製造することもできるし、また、ドームを使用して製造することもでき、ドームを必要に応じて除去することができる。放射光放出源302は短波長放射光を放出することができる。放射光源302から熱を外へ伝達することができるヒートシンク304上に放射光源302の一方の面を置くことができる。ヒートシンク304の内面306は、反射鏡カップを形成するための反射面であってもよい。例示的態様では、反射面306の形状を、図示するためにパラボラ型にすることもできるが、凹面形状、長円形状または平坦な形状などのいかなる幾何学的な形状を取ることができる。例示的態様では、ヒートシンク304の長さ370は約5mmであってもよい。反射面306は、光学素子から引き出した光のいくらかをダウンコンバージョン材料310へ導くことができ、およびダウンコンバージョン310に衝突させないで引き出した光のいくらかをレンズ340へ導くことができる。
光学素子308をヒートシンク304上におよび放射光源302を覆って置くことができる。光学素子308は、放射光源302から離れている光学素子の部分316に配置されたダウンコンバージョン材料310を利用することができる。ダウンコンバージョン材料310は蛍光体または量子ドットであってもよい。実質的に光透過性の実質的に透明な媒体で作ることができる光学素子308によって、蛍光体層310から放射光源302を分離することができる。実質的に透明な媒体は、たとえば、空気、ガラスまたはアクリル樹脂であってもよい。光学素子308は実質的に透明で、実質的に光透過性の壁312と314を有してもよい。
蛍光体または量子ドット層310は、異なる波長の光の混合を改善するために、追加の散乱粒子(微細な球体などの)を有してもよい。また、蛍光体または量子ドット層310は、それぞれ異なるスペクトル領域内にある異なる色のダウンコンバート放射光を提供するために、単一蛍光体(もしくは量子ドット)または複数蛍光体(もしくは量子ドット)であってもよい。あるいは、色の混合を改善するために、散乱粒子をともなった層のみをダウンコンバージョン材料の上方、または下方、または上方および下方に配置することができる。
蛍光体層310を上に堆積することができる光学素子308の部分316は、光学素子308の端であってもよい。光学素子308の別の部分に放射光源302を設けることができる。たとえば、光学素子308の別の端318に放射光源302を設けることができる。図のように、ヒートシンク304であってもよいベース上に光学素子308を配置することができる。
光学素子308の壁312と314の間に短波長放射光源302を設けることができる。短波長放射光源302および光学素子308の両方ともをヒートシンク304上に置くことができる。
放射光源302、光学素子308、およびダウンコンバージョン材料310の作用および相互関係は、図1および2に記載され、および説明されている対応する要素の作用および相互関係と同じであってもよい。放射光源302によって放出された短波長放射光は、蛍光体層310を通過し、蛍光体層310から放出された順方向転送短波長光および蛍光体層310を通過する順方向ダウンコンバート放射光と、逆方向転送短波長光ならびに蛍光体層310によって放出および/もしくは逆方向に散乱することができる逆方向ダウンコンバート反射放射光とを有する放射光になる。逆方向転送放射光を、側壁312と314に沿って複数の位置で側壁312と314を通過するようにできると理解されるであろう。光学素子308の外側への放射光の転送は、光の引き出しと呼ばれる。それゆえ、光学素子308から引き出された放射光線は、蛍光体層310から反射された短波長放射光ならびに蛍光体層310から放出および/もしくは散乱されたダウンコンバート反射放射光を有してもよい。放射光源302の上面および側面から放出されたいくらかの短波長放射光は、ダウンコンバージョン材料310に衝突することなく光学素子308を通り過ぎることができる。いくらかの、または全ての引き出された短波長反射放射光および引き出されたダウンコンバート反射放射光を可視光として見ることができる。
内側の光学素子308から外側の光学素子308へ放射光を引き出すために、光学素子308を、実質的に透明で実質的に光透過性の壁312と314で構成および設計することができるので、側壁312と314を通過する放射光の転送(引き出し)が発生する。さらに、光学素子308の外へ放射光の所望の量を引き出すために、光学素子308の多様な幅を変更することができる。変更できる幅は、端316の幅および端318の幅である。同様に、端316と318との間の幅を変更することもできる。端316と318との間の壁312と314の幅の変更は、壁312と314の形状を変更することによって作り出すことができる。壁312と314は、実質的に平面、曲面または平面と曲面部分との組み合わせであってもよい。
以上論じられた光学素子308の特徴部分の寸法は、光学素子が使用される用途に基づいて変更することができる。光線追跡原理および内部全反射(TIR)の原理を使用することによって、光学素子308の特徴部分の寸法を変更し、そして設定することができる。TIRの原理を適用した場合、壁312と314の一方または両方からの放射光の反射率は、99.9%を超えることができる。TIRの原理を、本出願に開示されている態様の全てに適用することができる。
ダウンコンバージョン材料310のほかに光学素子308の寸法を、光学素子の利用にしたがって設定または調整することができる。たとえば、光学素子308に差し込まれた放射光源302からの放射光の総量を最大にするために光学素子の寸法を設定することができる。あるいは、ダウンコンバージョン材料310に衝突する放射光源302からの放射光の総量を最大にするために光学素子308の寸法を設定することができる。また、その代わりに、壁312と314を通して引き出される放射光の総量を最大にするために光学素子308の寸法を設定することができる。
また、最大にされない放射光特徴部分を生成するために、光学素子308の他の態様の寸法およびダウンコンバージョン材料310を設定または調整することができると理解されるであろう。これらの他の態様では、ダウンコンバージョン材料310に衝突し、ダウンコンバージョン材料310から逆方向転送され、および壁312と314を通して引き出された、光学素子308に入り込む放射光の1つまたは2つ以上の総量は、光学素子の使用に基づいて、それぞれの最大レベルに満たない1つまたは2つ以上のレベルの多様性に合わせて調節される。費用の必要性と、対光学素子の特定の使用のための光引き出しの必要な効率との関係に基づいて光学素子308の寸法を変更することができる。
これらの選択すべきもののいずれかを実行するために、光線追跡原理および内部全反射(TIR)の原理を使用することができる。
変更することのできる寸法のいくつかは、光学素子の端316の直径、光学素子の端318の直径、端318に対する壁312および/または314の角度、壁312および/または314の形状である。たとえば、壁312および/または314を、平面にしたり、曲面にしたり、平面と曲面とを組み合わせたものにしたりすることができる。例示的態様では、光学素子308の高さ360は約3mmであってもよい。
図4は、開口部の例示的態様を有する、図3で説明した光学素子の部分断面図である。すなわち、具体的にいえば、図4は、開口部320の例示的態様を有する光学素子308の部分断面図である。図4は、光学素子308および光学素子308の端316上のダウンコンバージョン材料310を示す。図4は、光学素子308の端318内の開口部320を示す。放射光源302を収容するような大きさおよび形状にその開口部を形作ることができ、その結果、光学素子308は、放射光源302を少なくとも部分的に囲む。なぜならば、放射光源302の実質量が開口部320内になるからである。図3および図4で説明した例示的態様で示すように、放射光源302が開口部320の内部にある場合、実質的に放射光源302の全てを光学素子308で囲むことができる。光学素子308で囲むことのできない放射光源302の唯一の部分は、ヒートシンク304に置かれている部分である。図3および図4に示すように放射光源302が光学素子308の開口部の内部に置いた場合、放射光源302は、光学素子308の内部に完全に埋められていると言えるかもしれない。例示的態様では、放射光源302の寸法を縦約1mm、横約1mm、高さ約0.3mmにすることができ、開口部320の直径は約2mmであってもよい。ドームなしで放射光源を使用することにより、光学素子308の高さ360は、たとえば図2に示す光学素子250の高さ260よりも小さくてもよい。
光学素子の開口部は多様な形状を有してもよいことを理解されるであろう。図4に示すように、たとえば、開口部320が曲面の形状を有してもよい。図5は、開口部のもう1つの態様を有する、図3で説明した光学素子の部分断面図である。図5に示すもう1つの態様では、開口部322は、放射光源308の形状とさらにほぼ同じにした形状であってもよい。たとえば、図5に示すように、光学素子308の開口部322の形状は台形であってもよい。例示的態様では、開口部322の寸法は、放射光源302の直径に等しいかまたはいくぶん大きくてもよい。図5の矢印50が指示するように、台形形状の開口部322を有する光学素子308を放射光源302の上面に配置し、そして、放射光源302を囲むことができる。開口部322などの開口部を使用する場合、および光学素子308を放射光源302の上面に配置する場合、図3は、光学素子308の開口部322の内部の放射光源308を説明することができる。図3および図5に示すように、光学素子308の開口部は、放射光源302の形状にぴったり合うような形状であってもよい。もう1つの態様では、どちらの形状をした開口部を使用したかに関係なく、ヒートシンク304に、またはヒートシンクを使用しない場合他の支持するベースに、置くことができる放射光源302の側面を除いて、光学素子308の内部に放射光源302を完全に埋めることができ、そして、光学素子308によって実質的に囲むことができる。
光学素子308の屈折率は、約1.4〜約1.7の範囲内であってもよい。放射光源302は約1.7〜約2.6の範囲内の屈折率を有してもよい。図4を参照すると、放射光源302と光学素子308の内側との間に、空間324、326と328などの空気の空間を存在させることができる。図4を参照すると、放射光源302の角330と開口部320の内部の光学素子308の近接点との間、ならびに放射光源302の角332と開口部320の内部の光学素子308の近接点との間に、空気の空間(不図示)を存在させることができる。図3および図5を参照すると、放射光源および開口部のそれぞれの形状に関係なく、放射光源302の側面と開口部の内部の光学素子308の内側との間に、空気の空間を存在させることができる。放射光源302から光学素子308へ通過する放射光を転送させるために、シーラントを放射光源302と光学素子308との間の空間を満たすように配置することができる。したがって、シーラントを、光学素子の内部のいかなる形状の放射光源およびいかなる形状の開口部に対する空間に配置することができる。シーラントは、それぞれの放射光源から光学素子へ通過する放射光を転送させることができる。
例示的態様では、放射光源302から光学素子308への放射伝達の効率を最大にするために、それぞれの空間に可能な限りシーラントを満たすことができる。それぞれの空間が完全に満たされていない場合、放射光源302から光学素子308への放射伝達の効率を減少させることができる。また、光学素子308を放射光源302に結合させる結合物質として、シーラントを使用することができる。光学素子308と放射光源302との間の結合をよりよくすると、放射光源302から光学素子308への放射伝達がより効率的になる。
例示的態様では、シーラント材料は、実質的に光を伝えることができ、必要な屈折率を有し、空間を実質的に封止するのに十分柔軟であるシリコンゲル、エポキシ樹脂、重合体またはその他のシーラントであってもよい。シーラント材料は、放射光源302の屈折率と光学素子308の屈折率との間の範囲内の屈折率を有する。たとえば、シーラントの屈折率は、約1.5〜約2.3の範囲内であってもよい。例示的態様では、これらに限定されないが空間320,324と326を有する空間の全てを実質的に満たすことを実現するのに十分なシーラントを使用すべきである。ドームなしで放射光源を使用すること、および放射光源と光学素子との間の界面としてゲルなどのシーラントを使用することにより、ドームで封止された放射光源を使用する光学素子より実質的に短い光学素子を設計することができる。たとえば、図2を参照すると、装置200の高さ260は、約20mmであってもよい。その一方、図3を参照すると、装置300の高さ360は、約3mmであってもよい。ドームの代わりにシーラントを使用することは、それゆえ、SPETM技法の特徴部分を具体化する発光装置の設計および製造で非常に多くの自由度をユーザに与える。たとえば、多かれ少なかれシーラントを使用することによって、約2mm〜約10mmの範囲内の高さを有する発光装置を製造することができる。
戻って図3を参照すると、光学素子308およびダウンコンバージョン材料310の上面および上方にレンズ340を配置することができる。コンバージョン材料310から順方向転送された光および反射器306によって反射された光を集めるために、レンズ340を使用することができる。また、光学素子308上およびダウンコンバージョン材料310上にレンズ340を配置する場合に形成される空間342に含まれる空気の屈折率を補償することができる屈折率をレンズ340は有する。レンズ340は球面レンズにすることができ、または必要に応じて光を向けることができるその他の形状であってもよい。接着材を使用したダウンコンバージョン材料にレンズ340を取り付けることができる。もう1つの態様では、レンズ340をまた、ヒートシンク304に取り付けることができる。さらに別の態様では、レンズ340をダウンコンバージョン材料310および反射鏡カップ306に取り付けることができる。
図6〜9は、図3〜5に示された装置のもう1つの態様を説明する。これらの態様のそれぞれでは、光学素子308、ダウンコンバージョン材料310、放射光源302および開口部(図6〜9では不図示)は、図3〜5のいずれかに関して論じたように、同様である。図6は、光学素子308の上面にマイクロレンズアレイ342およびダウンコンバージョン材料をともなった薄膜を有する装置を説明する。この態様では、ダウンコンバージョン材料のみに、ヒートシンク304のみに、またはダウンコンバージョン材料310およびヒートシンク304の両方に、レンズアレイ342を取り付けることができる。図7は、光学素子308およびダウンコンバージョン材料310の上面にレンズが少しもない装置を説明する。図8は、ダウンコンバージョン材料層310のみに取り付けることができるレンズ344を説明する。この態様のレンズ344は、図3〜5と7に関して説明および記述されたレンズのいずれであってもよい。図9は、この出願で説明および記述されたいずれかのレンズであってもよいレンズ346および反射面350と352をともなったヒートシンク348を説明する。ヒートシンク348の反射面350と352は、パラボラまたは長円形状を有さなくてもよい。その代わり、反射面350と352の一方または両方は平面形状を有するようにしてもよい。
図10は、本発明の別の態様を説明する。この態様は、複数の短波長放射光源を有する。図10は、図5で説明したように、ダウンコンバージョン材料310および開口部322をともなった光学素子308を説明する。これらの態様は、図5で説明した、対応する要素と同様の大きさを有する。しかし、図5に示すような単一短波長放射光源302の代わりに、図10で説明する態様は、ヒートシンク304に置かれた3つの短波長放射光源400,402,404を有してもよい。短波長放射光源400,402,404のいずれもドームで封止しなくてもよい。図10の開口部322の大きさは図5の開口部322と同じ大きさであるので、放射光源400,402,404のうちの1つまたは2つ以上の大きさは、図5に示す放射光源302の大きさよりも小さくてもよい。例示的態様では、放射光源400,402,404のうちの1つまたは2つ以上は、縦0.3mm、横0.3mm、高さ0.3mmであってもよい。図10は、ヒートシンク304に配置されている3つの放射光源を示すが、2つの短波長放射光源を使用できること、または開口部322内に合う限り4つ以上の短波長放射光源を使用できることを理解されるであろう。放射光源の少なくとも1つと開口部322の内面との間に、シーラントを使用することができる。本発明のこの態様のための、およびこの出願において開示されている発明の全ての態様のためのシーラントは、図3〜5に関して論じられた同じシーラントであってもよい。
図11は、複数の短波長放射光源を有する本発明の別の態様を説明する。図11では、3つの短波長放射光源302A,302B,303Cのそれぞれは、図5で説明した短波長放射光源302と同じ大きさであってもよい。放射光源302A,302Bと303Cのいずれもドームで封止しない。これらの3つの放射光源を収容するために、光学素子408の端であってもよい部分416にダウンコンバージョン材料410を有する光学素子408は、図3、5と10で説明した光学素子308のより大きなバージョンのものであってもよい。例示的態様では、図11で説明する開口部422の大きさは約6mmであってもよい。さらに、ヒートシンク412の大きさは、図3、5と10で説明するヒートシンク304のより大きなバージョンのものであってもよい。例示的態様では、ヒートシンク412の長さ470は約10mmであってもよい。図11は、ヒートシンク412に配置された3つの短波長放射光源302A,302B,302Cを示すが、2つの短波長放射光源を使用できること、または4つ以上の短波長放射光源を使用できることを理解されるであろう。放射光源の数が、図11で説明されている態様と異なる場合、それらを収容するために開口部422の大きさおよびヒートシンク412の大きさを変更することができる。本出願の別の態様と同様に、光学素子302A,302B,302Cのそれぞれと、開口部422の内側の光学素子408の面との間の全ての空間(不図示)を密閉するためにシーラントを使用することができる。
図12は、複数の短波長放射光源を有する、本発明のさらに別の態様を説明する。図12では、3つの別個のヒートシンク部分502,504,506を有する単一ヒートシンク500が示されている。それぞれのヒートシンク部分は、反射鏡カップ508,510,512を形成するそれ自身のそれぞれの反射面、および短波長放射光源514,516,518として認められるそれ自身のそれぞれの短波長放射光源を有する。この態様では、それぞれのダウンコンバージョン材料528,530,532およびそれぞれの開口部534,536,538を有するそれぞれの光学素子522,524と526を使用することができる。本出願の中で開示された他の態様の全てと同様に、放射光源514,516,518のいずれもドームを有さない。その代わり、それぞれの放射光源のそれぞれと光学素子522,524,526のそれぞれの開口部534,536,538の内面のそれぞれとの間の空間(不図示)にシーラントを使用することができる。図12は、3つの放射光源および他の匹敵する要素を示すが、2つの放射光源を使用できること、または4つ以上の放射光源を使用できることを理解されるであろう。放射光源の数が図12で説明した態様で示されたものと異なる場合、放射光源の数を合わせるために、光学素子の数もまた異なるようにすることができる。
本出願において説明した全ての態様にとって、レンズの様々な構造および該レンズの様々な取り付けは、図5〜9で説明した態様に関して説明されおよび明らかにされているように、同様であってもよいこともまた理解されるであろう。
図14は、図3〜12に関連して記載された発明の態様のいずれかを製造するために使用することができる方法の例示的態様を説明する。短波長放射光を放出するための放射光源、放射光源によって放出された短波長放射光の少なくともいくらかを受光するダウンコンバージョン材料、ならびにダウンコンバージョン材料から逆方向転送された放射光および/もしくは短波長放射光源から放出された放射光を引き出すために構成された光学素子を有する発光装置を製造するために本方法を使用することができる。ブロック700に示すように、ダウンコンバージョン材料は、光学素子の第1の部分上に配置される。前もって説明したように、光学素子の第1の部分は光学素子の第1の端であってもよい。ブロック702に示すように、装置は光学素子の第2の部分で形成される。光学素子の第2の部分は光学素子の第2の端であってもよい。ブロック702に示す開口部を形成する工程は、ブロック700に示すダウンコンバージョン材料を配置する工程の前で実行することができる。ブロック704は、シーラントが、面が開口部の内側であるところの光学素子の第2の部分の面上に配置されることを示す。シーラントが開口部の内面に配置された後、ブロック706は、開口部の中へ放射光源を配置することができることを示す。放射光源が開口部の中へ配置された場合、放射光源の少なくとも1面をシーラントに接触させることができる。
放射光源が開口部の中へ配置された後、ブロック708および710に示すように、光学素子と放射光源との間の少なくとも第1および第2の空間を密閉することができる。放射光源と開口部の内側との間の空間を密閉した後、開口部の内側に放射光源をともなった光学素子を、ブロック712に指示するように、支持体上に配置することができる。指示部はヒートシンクであってもよい。ブロック708と710に説明されている工程をブロック712に説明されている工程の後に実行できることは理解されるであろう。放射光源と開口部の内側との空間が密閉され、素子が支持体に配置された後、ブロック714に示すように、ダウンコンバージョン材料付近にレンズを配置することができる。
図15は、図3〜12に関連して記述された発明の態様のいずれかを製造する別の方法を説明する。この方法では、ブロック800,802と804に示す工程は、ブロック700,702と704に示す工程と同様である。シーラントが開口部の内側面に配置された後、ブロック806に示すように、ヒートシンクであってもよい支持体に放射光源を配置することができる。ブロック806に示すように、支持体上に放射光源を配置する工程を、ブロック800,802と804に説明された工程の前に実行できることは理解されるであろう。支持体に放射光源を配置した後、ブロック808に示すように、開口部の内部で面上にシーラントをともなった光学素子は、支持体上および放射光源を覆って配置される。この工程を完了したとき、またブロック808に示すように、光学素子は実質的に放射光源を囲むことができる。ブロック810に示すように、この点で、光学素子と放射光源との間の複数の空間を密閉することができる。ブロック812に示すように、その後、レンズをダウンコンバージョン材料に近接して配置することができる。たとえば、上記レンズを使用しないところの図7で示す態様を製造する場合、ブロック812に説明した工程およびブロック714に説明した工程を実行しなくてもよいことを理解されるであろう。
図13は、複数の反射面が放射光源および光学素子に近接している場合のさらに別の本発明の態様を説明する。発光装置600を図13に示す。発光装置600は、光学素子608の端であってもよい光学素子608の部分616のダウンコンバージョン材料610をともなった光学素子608を有する。発光装置600は、また、ヒートシンク604上に置かれた短波長放射光源602を有してもよい。本出願の他の態様の全てと同様に、短波長放射光源602をドームで封止しなくてもよい。ヒートシンク604は、反射面612と614を有する2つの反射鏡カップを形成することができる。第1の反射鏡カップおよび面612を第2の反射鏡カップおよび面614に近接させることができる。反射面612の半径は、反射面614の半径と同じでも異なってもよい。さらに、反射面612は、それぞれ異なる半径を有してもよい複数の面から成るようにできる。反射面612を構成する半径の数は、光学素子608の高さに基づくようにできる。
第1の面612は、光学素子608およびダウンコンバージョン材料610を部分的に囲むことができる。本発明のほかの態様に関して論じたように、反射面612は、光学素子608から引き出した光をダウンコンバージョン材料610の方向およびレンズ640の方向に向けることができる。
反射面614で放射光源602を部分的に囲めるようにするために、ヒートシンク604の底に放射光源602を置くことができる。点613と615によって描かれている点で第1の反射面612を第2の反射面614と連結することができる。ヒートシンク604の底605から点613と615までの距離は、放射光源602の高さと等しい、またはより大きくてもよい。光学素子608の端部分618の半径は、点613と点615との間の距離と実質的に等しくてもよい。
実際には、ヒートシンク604の底605、および反射面614によって形成された反射鏡カップによって形成された凹部内に放射光源を置くことができる。反射面は、放射光源602の側面から放出された放射光を光学素子608内へ向けることができる。反射面614によって反射された放射光のいくらかを、光学素子608内へ転送することができ、そしてダウンコンバージョン材料610に衝突させることができる。
反射面614によって反射された放射光のいくらかを、光学素子608内へ転送することができ、そして、ダウンコンバージョン材料610に衝突することなく壁620,622を通って光学素子608から放出させることができる。ダウンコンバージョン材料610に衝突することなく反射面614によって反射された放射光のいくらかをレンズ640の方に向けることができる。
本発明のこの態様では、光学素子608がその端内に開口部を有さない。光学素子608の端618を、放射光源602の上面603に配置することができる。反射源602と反射面614との間の空間642,644および放射光源602と光学素子608の端618との間の空間646にシーラント(不図示)を配置することができる。シーラントは、本発明のほかの態様に関して記載されているのと同じ特性を有することができ、そして同じ目的で使用することができる。
図13で説明された装置の製造に関する製造方法を今記述する。図16は、図13に関して記述された本発明の態様を製造するために使用できる本発明の方法の例示的態様を説明する。
発光装置を製造するこの方法に関して、短波長放射光を放射するための放射光源、放射光源によって放出された短波長放射光の少なくともいくらかを受光するダウンコンバージョン材料、ダウンコンバージョン材料から逆方向転送された放射光および/または短波長放射光源から放出された放射光を引き出すように構成された光学素子が存在する。また、第1の反射鏡カップおよび第2の反射鏡カップが存在する。第2の反射鏡カップは、第1の反射鏡カップと近接し、凹部を形成する。
ブロック900に示すように、光学素子の第1の部分上にダウンコンバージョン材料を配置する。ブロック902に示すように、放射光源の第1の面を凹部の第1の面に配置することができる。この工程を実行した後に、凹部を形成する反射鏡カップで放射光源を部分的に囲むことができる。ブロック904に示すように、その後、放射光源の少なくとも第2の面と凹部の第2の面との間に第1のシーラントを配置することができる。ブロック906に示すように、その後、放射光源の少なくとも第3の面に第2のシーラントを配置することができる。第1および第2のシーラント材料に関して同じ種類の材料、または異なる種類の材料を使用することができる。ブロック908に示すように、その後、第1の反射鏡カップで光学素子を部分的に囲み、第2のシーラントと接触させるために、第1の反射鏡カップ内に光学素子を配置することができる。ブロック910に示すように、その後、ダウンコンバージョン材料と近接してレンズを配置することができる。
図17および図18に本発明の別の態様を説明する。図17は、放射光源を覆って、反射器に搭載された光学素子のもう1つの態様の部分断面図である。図17は、光学素子1008および光学素子1008の端1016のダウンコンバージョン材料1010を示す。図17は、光学素子1008の端1018内の開口部1020を示す。開口部1020は、曲がった形状を有するものと描かれているが、開口部1020は、放射光源の形状により近く近似する別の形状を有してもよい。たとえば、開口部1020は、台形の形状を有してもよい。図17は、また、反射鏡カップを形成する反射面1036を有するヒートシンク1034に搭載された放射光源1032を説明する。光学素子1008、開口部1020、ダウンコンバージョン材料1010、放射光源1032、ヒートシンク1034および反射鏡カップ1036の寸法および特性は、本発明の他の態様に関して本出願に記載されている寸法および特性と同じであってもよい。放射光源1032は高さ1033を有する。また、本発明の他の態様に関して記述されているのと同じ方法で、放射光源1032を覆って、ヒートシンク上に光学素子を搭載することができる。図18は、放射光源1032を覆って、ヒートシンクに搭載された後の光学素子1008を説明する。
図17および図18を参照して、光学素子1008は、端1016と端1018との間に側壁1040と1042を有してもよい。側壁1040,1042の第1の部分は、実質的に光を伝えることができ、そして、側壁1040,1042の第2の部分は、実質的に光を伝えることができない。反射材料1046Aを壁1040の一部分に塗布することができ、そして、反射材料1046Bを壁1042の一部分に塗布することができる。反射材料1046Aと1046Bは高反射塗料であってもよい。例示的態様では、塗料を硫酸バリウムベースの塗料から作製することができ、約97%の反射率を示すことができる。もう1つの態様では、塗料の代わりに、蒸発したアルミニウムのコーティングまたは波長選択コーティングを使用することができる。
図18で説明するように、放射光源1032の上面1050のみならず、放射光源1032の側面1052と1054からもまた短波長放射光源を放出することができる。矢印1056と1058は、短波長放射光源1032の側面1052と1054からそれぞれ放出された例示的短波長放射光線を指示する。例示的放射光線1056と1058に加えて、側面1052と1054からもまた短波長放射光線を放出できることを理解されるであろう。反射材料1046Aと1046Bのないとき、光学素子1008の壁1040と1042を通して側面1052と1054からの放射光線は引き出され、反射面1036に反射することができる。ダウンコンバージョン材料1010に衝突するように、反射面1036から反射された放射光のいくらかを向けることができる。反射面1036から反射された他の放射光を向けることができない。代わりに、たとえば、ダウンコンバージョン材料1010と反射面1036との間の空間1060と1062へ向かい、そして通過するように、反射された放射光のいくらかを向かわせることができる。反射されて空間1060と1062へ向かい、そして通過した光はいずれも、ダウンコンバージョン材料で白色光に変換されないであろう。
光学素子1008の底部分に反射物質1046を配置した場合、放射光源1032の側面1052と1054から放出された放射光を、反射材料1046によってコンバージョン材料へ向け、それに衝突させることができる。図18は、例示的放射光線1056と1058が反射材料1046Aと1046Bに衝突する場合、反射材料1046Aと1046Bで反射することができる例示的放射光線1070と1072を示す。例示的反射された放射光線1070と1072に加えて、側面1052と1054から短波長放射光を放出することができ、反射材料1046Aと1046Bでダウンコンバージョン材料1010に向けて反射させることができることを理解されるであろう。
説明の目的のために、反射材料1046Aと1046Bの厚みを強調していることを理解されるであろう。例示的態様では、図17および18で説明された他の要素に比べて、反射材料1046A,1046Bの厚みを非常に薄くすることができる。例示的態様では、図17および18で説明したように、壁1040と1042の内面に沿って反射材料1046A,1046Bをそれぞれ配置することができる。もう1つの態様では、壁1040と1042の内部に反射材料1046A,1046Bをそれぞれ埋め込むことができる。別のもう1つの態様では、壁1040と1042の内面に沿って反射材料1046A,1046Bをそれぞれ配置することができる。
図17および18を参照すると、反射材料1046A,1046Bの長さ1047は、それぞれ壁1040と1042の長さの90%までであってもよい。図18に示すように、反射材料1046A,1046Bの例示的態様は、放射光源1032の底1051に近接する点から、放射光源1032の上面1050よりも上で、かつ光学素子1080端1016よりも下である、反射材料1046A,1046Bのそれぞれの終点1049A,1049Bへ延長することができる。もう1つの態様では、反射材料1046の長さ1047は、放射光源1032の高さ1033と等しい、より長い、またはより短い反射材料1046A,1046Bの一方または両方の終点1049A,1049Bをもたらすことができ、その結果、長さ1047に基づいて、側面1052と1054から放出される放射光の異なる総量がダウンコンバージョン材料1010に当たるようにすることができる。すなわち、反射材料1046Aと1046Bの長さは等しくてもよいか、またはそれらは異なってもよく、そして、反射材料1046Aと1046Bのそれぞれの長さは対称か、または非対称であってもよい。
この態様では、反射材料1046Aと1046Bの終点1049A,1049Bと光学素子1008の端1016との間の壁1040,1042の第1の部分は、実質的に光透過性であってもよい。反射材料1046A,1046Bの存在により、放射光源1032の底1051と終点1049A,1049Bとの間の壁1040,1042の第2の部分を実質的に光が伝わらなくてもよい。その代わり、壁1040,1042の第2の部分を実質的に反射するようにしてもよい。
反射材料1046A,1046Bを使用する別の有利な点は、光学素子1008などの光学素子を製造するための費用を削減できる。光学素子1008の壁1040,1042が、長さ全体にわたって実質的に光透過性の場合、TIRの原理を使用するために、壁1040,1042を、その長さ全体に沿ってよく研磨しなくてはならない場合がある。反射材料1046A,1046Bを光学素子の底部に塗布する場合、反射壁1040と1042をその長さ全体に沿ってよく研磨する必要がなくてもよいので、光学素子を製造する費用を削減することができる。その代わり、反射材料1046A,1046Bを本当に有する反射壁1040,1042のそれらの部分のみをよく研磨することが必要である場合がある。図18を参照すると、反射材料1046A,1046Bを反射壁1040と1042上または反射壁1040と1042内に配置する場合、反射材料1046A,1046Bの終点1049A,1049Bから光学素子1008の端1016までのみの反射壁1040と1042をよく研磨する必要がある場合がある。反射材料1046A,1046Bの長さ1047と一致する壁1040と1042のその残り部分は、終点1049A,1049Bと光学素子1008の端1016との間の面よりも粗い面を有してもよい。光学素子1008で行うことができる研磨の総量を減少させることは、光学素子1008の製造の費用を実質的に減少させることができる。
本発明のさらに別の態様を図19および図20に説明する。図19は、本発明のこの態様の部分断面図である。図20は、本態様の他の要素と連結された光学素子を説明するこの態様の別の部分断面図である。図19および20に説明されている態様は、図17および18に説明されている態様と実質的に同じである。
図19および図20に説明されている態様は、ヒートシンク1034のもう1つの態様を有してもよい。図19および20では、開口部1022のもう1つの形態を説明する。本出願の前の方で説明されているように、開口部のもう1つの形状を使用することができる。この態様では、ヒートシンク1034は高くされた部分1035を有する。高くされた部分1035の高さ1085は、ヒートシンク1034の高さ1087の50%までであってもよい。高くされた部分1035の上面に放射光源1032を配置することができる。図20は、放射光源1032の側面から放出され、そして、例示的反射された放射光線1070,1072のように反射材料1046A,1046Bによってダウンコンバージョン材料1010へ向けて反射される例示的放射光線1056,1058を説明する。以前説明したように、より多くのまたはより少ない放射光線を放射光源1032の側面から放出することができ、そして、反射材料1046A,1046Bによりダウンコンバージョン材料1010に向けて反射させることができる。
図20に説明される態様では、開口部は、放射光源1032の全体をそして、ヒートシンク1034の高くされた部分1035の実質的に全体を覆うことができる。さらに、高くされた部分1035の側面1080,1082は、それらの上に反射面を有してもよい。開口部もまた、反射面1080,1082を覆うことができる。すなわち、放射光源1032を開口部内に完全に埋めることができ、そして高くされた部分1035を少なくとも部分的に開口部内に埋めることができる。
図20で説明された態様の有利な点は、放射光源1034に向けて逆方向に反射することができる放射光の総量を減少させることであり、なぜならば、放射光源1034の側面と反射材料1046A,1046Bとの間の空間の体積は、より大きくてもよいからである。
図21および22は、図17〜20に説明された態様を製造するために使用することができる方法の例示的、そしてもう1つの態様を説明する。図21に説明された方法は、ブロック701に示す追加の工程の含有をともなった、図14に説明した同じ方法である。ブロック701に示される工程は、光学素子の1つまたは2つ以上の壁に沿って、またはその中に埋め込んで反射材料を配置することを含む。説明されたように、ブロック700に示される工程の後、ブロック702に示される工程の前で、ブロック701の工程を実行することができる。しかし、ブロック700,701および702に説明された工程をどのような順序でも実行できることは理解されるであろう。
図22に説明された方法は、ブロック801に示す追加の工程の含有をともなった、図15に説明した同じ方法である。ブロック801に示される工程は、光学素子の1つまたは2つ以上の壁に沿って、またはその中に埋め込んで反射材料を配置することを含む。説明されたように、ブロック800に示される工程の後、ブロック802に示される工程の前で、ブロック801の工程を実行することができる。しかし、ブロック800,801および802に説明された工程をどのような順序でも実行できることは理解されるであろう。
本出願に記述された製造方法の全てにおいて、様々な製造方法のそれぞれで使用された短波長放射光源はドームを有さないことを理解されるであろう。ドームのない短波長放射光源を得るために、ユーザはドームのないそれを獲得することができるか、または、ドームをともなったそれを獲得し、その後、製造方法における追加の工法としてそのドームを除去することができる。
特定の態様を参照して、本明細書で本発明を説明し、記述したが、本発明が、示された詳細に限定されることを意図していない。どちらかというと、請求項の範囲および均等物の射程内で、そして本発明から逸脱しないで、詳細において様々な変形例を作ることは可能である。

Claims (10)

  1. 短波長放射光を放出するための放射光源と、
    前記放射光源によって放出された前記短波長放射光の少なくともいくらかを受光し、ダウンコンバートし、そして前記受光され、ダウンコンバートされた放射光の一部を逆方向転送するダウンコンバージョン材料と、
    光学素子であって、該逆方向に転送された放射光または該短波長放射光を該光学素子の外に透過するように構成された第1の部分、ならびに該放射光源によって放出された該放射光の少なくともいくらかを反射するように構成された第2の部分を有する側壁を有する、光学素子、
    とを含んでなる発光装置。
  2. 前記第2の部分が、前記放射光源を取り囲む、請求項1記載の発光装置。
  3. 前記光学素子から間隔を置いた反射面を更に含む、請求項1記載の発光装置。
  4. 前記第2の部分が、前記第1の部分よりも、前記放射光源に近接している、請求項1記載の発光装置。
  5. 前記光学素子が、前記放射光源および前記ダウンコンバージョン材料の間に配置されている、請求項1記載の発光装置。
  6. 前記第2の部分が、前記第1の部分よりも大きい表面粗さを有している、請求項1記載の発光装置。
  7. 前記第2の部分の外側面上に形成された反射材料を更に含む、請求項1記載の発光装置。
  8. 前記ダウンコンバージョン材料が、蛍光体または量子ドットを含む、請求項1記載の発光装置。
  9. 前記光学素子上に形成されたレンズを更に含む、請求項1記載の発光装置。
  10. 前記光学素子が、1.4〜1.7の屈折率を有する、請求項1記載の発光装置。
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