JP2014502787A - 光源と、放射線変換素子と、フィルタとを備える照明システム - Google Patents

Abstract

本発明は、照明システムであって、１）一次放射線を発するよう構成される光源と、２）前記一次放射線の少なくとも一部を二次放射線に変換するよう構成される放射線変換素子と、３）前記照明システムにおいて生成される、或るカットオフ波長より短い波長を持つ放射線をブロックするよう構成されるフィルタとを有する照明システムに関する。本発明によれば、前記フィルタが、前記放射線変換素子の発光スペクトル中に、前記フィルタの前記カットオフ波長を配設することによって、前記二次放射線の一部をブロックするよう設計される。この設計に従う照明装置は、小さい帯域幅を持つ発光スペクトルを示す。

Description

本発明は、照明システムであって、一次放射線を発するよう構成される光源と、前記一次放射線の少なくとも一部を二次放射線に変換するよう構成される放射線変換素子と、前記照明システムにおいて生成される、或るカットオフ波長より短い波長を持つ放射線をブロックするよう構成されるフィルタとを有する照明システムに関する。

冒頭の段落に記載されているタイプの照明システムは、それ自体は既知である。より具体的には、このようなシステムは、特許を受けているUS 7.402.840 B2に開示されている。この文献は、半導体発光装置（ＬＥＤ）と、波長変換材料と、フィルタ材料とを持つ照明システムを教示している。発光装置は、波長変換材料によって吸収される、第１ピーク波長を持つ第１光を発することができる。この材料（ほとんどの場合、無機蛍光体などの発光体）は、吸収した第１光を、第２ピーク波長を持つ第２光として発することができる。既知の照明システムは、第２光を透過することができるが、第１光の一部を反射又は吸収するフィルタを更に含む。既知のシステムでは、高い色純度を持つ光を生成することが可能である。フィルタの使用は、特に、ＬＥＤによって生成された第１（又は一次）光がシステムから漏れることを防止する。従って、システムによって発せられる唯一の光は、波長変換材料によって発せられている高い色純度の第２（又は二次）光である。

上記の設計の照明システムは、多くの場合、前記照明システムの発光スペクトルの帯域幅が相対的に大きいという不利な点を示す。相対的に狭いスペクトル帯の放射線を発する蛍光体ベースＬＥＤを１つ以上有する照明システムの一般的なニーズがある。特に、電磁スペクトルの赤色領域内の、好ましくは、600乃至630nmあたりの範囲内の光を発するシステムの場合に、このことは成り立つ。

本発明の目的は、既知の照明システムの不利な点を弱める又は少なくとも減らすことである。より詳しくは、本発明は、電磁スペクトルの或る領域において、特に、前記スペクトルの赤色部分（約600乃至630nm）において、狭い発光帯を示す蛍光体ベースＬＥＤを備える照明システムを提供することを目指している。

これら及び／又は他の目的は、本発明によれば、照明システムであり、１）一次放射線を発するよう構成される光源と、２）前記一次放射線の少なくとも一部を二次放射線に変換するよう構成される放射線変換素子と、３）前記照明システムにおいて生成される、或るカットオフ波長より短い波長を持つ放射線をブロックするよう構成されるフィルタとを有する照明システムであって、前記フィルタが、前記放射線変換素子の発光スペクトル中に、前記フィルタの前記カットオフ波長を配設することによって、前記二次放射線の一部をブロックするよう設計される照明システムで達成される。

本発明は、とりわけ、前記フィルタの適切に選択されたカットオフ波長を用いることによって、同時に２つの効果が達成され得るという、本発明者の認識に基づいている。第１に、上述の特許文献US 7.402.840-B2に記載されているように、前記システムからの一次光の漏れが防止され得る。第２に、前記フィルタの前記カットオフ波長を、前記放射線変換素子の発光スペクトル波長範囲内に選択することによって、その発光スペクトルが、望ましいように、より小さく又はより狭くされ得る。この複合効果に達するのに付加的なパーツは必要ない。それ故、前記照明システムのコストは、本発明による方策によっては、基本的に増えない。好ましい照明システムは、前記フィルタの前記カットオフ波長が、前記波長変換素子の発光スペクトルの高エネルギ部と実質的に一致する照明システムである。

発明した照明システムにおいては、波長変換素子として様々な最先端の蛍光体システムが用いられ得る。蛍光体又は蛍光体の混合物などの発光体の選択は、とりわけ、望ましい発光帯波長上限に依存するだろう。当業者は、既知の蛍光体システムの詳細に基づいて、それらが、粉末形態で利用されるのか、又は樹脂材料中に混合されるのか、又はセラミック層内の焼結粉末として利用されるのかに関係なく、正しい選択をなすことができる。

波長変換素子の発光スペクトルの帯域幅を減らす他の手法は、成功していなかった、又は部分的にしか成功していなかったことに注意されたい。第１の手法において用いられている、相対的に狭い発光帯を備える線発光蛍光体は、一般に、遅延時間が長すぎ、且つ吸収が弱すぎ、このことは、それらを実際的な使用から除外する。更に、第２の手法において用いられている、多くのEu²⁺含有蛍光体は、かなり広い発光帯を持ち、又は（湿った）空気中で不安定であり、このこことは、同様に、それらの実際的な使用を制限する。

本発明による照明システムの興味深い実施例は、前記フィルタが、ブロックした放射線を、前記放射線変換素子内へ後方反射する干渉フィルタであるという特徴を持つ。この方策は、前記照明システムの照明システムの効率を高める。吸収フィルタを用いる場合には、前記光源によって発せられ、ブロックされた放射線（実質的に全ての発光スペクトルの一次放射線）、又は前記放射線変換素子によって発せられ、ブロックされた放射線（前記カットオフ波長より短い波長を持つ二次放射線）が、前記フィルタにおける前記放射線の吸収により熱として失われる。干渉フィルタを用いることには、ブロックされた一次及び二次放射線が前記放射線変換素子内へ後方反射されるという利点がある。ここで、反射された前記放射線は、（再）吸収され、より長い波長の放射線に変換され、前記干渉フィルタに送り返され、前記干渉フィルタを通過することができる。送り返された前記放射線のうちの、前記干渉フィルタの前記カットオフ波長より長い波長を持つ一部は、このフィルタを通過することができる。それ故、前記反射された放射線の（再）吸収及び送り返しは、前記照明システムのより高い出力効率をもたらす。

本発明による照明システムの別の興味深い実施例は、前記干渉フィルタがバンドパス反射フィルタであるという特徴を持つ。このようなフィルタは、２つのカットオフ波長の間の光線を反射する。低エネルギカットオフ波長は、好ましくは、前記放射線変換素子の発光スペクトル内に配設されるべきである。高エネルギカットオフ波長は、好ましくは、前記放射線変換素子の発光スペクトルと、前記一次光源の発光スペクトルとの間に配設されるべきである。このようなフィルタを持つ照明システムは、前記一次放射線（の一部）が、前記二次放射線と混合され、混合放射線が、前記照明システムから発せられることを可能にする。

発明した照明システムの他の興味深い実施例は、前記放射線変換素子の吸収スペクトル及び発光スペクトルが、実質的に、部分的に重なることを特徴とする。「実質的な部分的な重なり」は、重なり合う範囲が、正規化発光スペクトル及び正規化吸収スペクトルの両方によってカバーされる全範囲の少なくとも5%である場合に存在することに注意されたい。この方策は、発明したシステムの効率を更に高めることができる。これは、前記干渉フィルタによって反射された発光の、同じ蛍光体材料による再吸収、それに続くこの発光体による発光から、前記効率の向上がもたらされるという事実による。このプロセスは、スペクトルが部分的に重なる場合にしか生じない。この方法においては、フォトン損失は最小限に抑えられる。

本発明による照明システムの別の有利な実施例は、前記フィルタの前記カットオフ波長が、前記放射線変換素子の前記（正規化）吸収スペクトル及び前記（正規化）発光スペクトルが交差する波長と実質的に一致することを特徴とする。実際には、これは、前記カットオフ波長と、前記変換素子の前記吸収スペクトル及び前記発光スペクトルが交差する波長との差が、10nm未満であることを意味する。前記カットオフ波長をこの実施例に従って選択することによって、前記光出力効率のより一層の向上が達成され得る。この条件は、相対的に短い波長を持つ光の再吸収を更に最適化し、結果として生じる発光の帯域幅を更に減らす。

発明した照明システムの他の有利な実施例は、前記放射線変換素子のストークスシフトが0.20eVより小さいという特徴を持つ。これらの状況下では、正規化発光スペクトル及び正規化吸収スペクトルのかなりの重なりが得られる。前記放射線変換素子のストークスシフトは、好ましくは、0.15eVより小さく、より好ましくは、0.07eVと0.12eVとの間である。ストークスシフトが小さい（特に、0.07eVより小さい）場合には、前記帯域幅が既にかなり小さく、このことは、本発明の有用性を低くする。

前記放射線変換素子の発光スペクトルが、585乃至625nmの範囲内にピーク発光波長を持つ、本発明による照明システムの実施例も、興味深い。前記干渉フィルタの前記カットオフ波長の、600nmあたりの適切な選択によって、小さい帯域幅の発光スペクトルを持つ効率的な照明システムが得られ得る。このタイプの照明システムは特に有利である。なぜなら、高い演色を持つＬＥＤの効率は、赤色発光帯の幅に極めて依存するからである。眼の感度は、波長が630nmを上回ると、急速に低下する。他方、600nm未満の電磁スペクトル領域においてかなりの強度を持つ赤色発光は、演色に悪影響を及ぼす。それ故、必要とされる照明システムは、小さい発光帯域幅と、585nmと625nmとの間の範囲内の、好ましくは、595nmと620nmとの間の範囲内の、より好ましくは、605nmと615nmとの間の範囲内の、ピーク波長とを持つ。

下記の実施例を参照して、本発明のこれら及び他の態様を説明し、明らかにする。

本発明による照明システムの実施例を断面図で示す。 図１に従う照明システムにおいて用いられる蛍光体（ストークスシフト 0.1eV、ＦＷＨＭ 28nm）の吸収スペクトル及び発光スペクトルの一部を示す。 図１に従う照明システムにおいて用いられる別の蛍光体（ストークスシフト 0.15eV、ＦＷＨＭ 41nm）の吸収スペクトル及び発光スペクトルの一部を示す。 図１に従う照明システムにおいて用いられる更に他の蛍光体（ストークスシフト 0.2eV、ＦＷＨＭ 53nm）の吸収スペクトル及び発光スペクトルの一部を示す。

図面は、概略的なものであり、縮尺通りではないことを強調しておく。異なる図において、同じ要素は、同じ参照符号で示されている。

図１は、本発明による照明システム１の実施例を断面図で示している。前記システム１は、発光ダイオード（ＬＥＤ）として実施される多数の光源２を有する。様々なタイプのＬＥＤが用いられ得るが、550nm以下の波長を持つ一次放射線を発することができるＬＥＤを利用するのが好ましい。本装置においては、370乃至470nmの波長を持つ光を発することができるGaInNタイプのＬＥＤが用いられる。

ＬＥＤ２は、ハウジング３の底部表面に取り付けられる。前記ハウジング３の内壁部には、アルミニウム製の鏡のような反射手段４が設けられている。照明システムの起動中、導線を介して、ＬＥＤの電気的接続部に電圧が印加される。簡単にするために、導線も電気的接続部も示されていない。起動の結果として、ＬＥＤ２は放射線を発する。この放射線は、ハウジングのキャビティ５内のＬＥＤ２から離れる方を指している小さな矢印によって示されている。

ハウジング３の上部には、最先端の発光体の層６が設けられる。上記の実施例においては、前記発光体は、蛍光体材料（Lumiramic（登録商標））を含む焼結粒子の板として形成される。粉末層も考えられ得ることを強調しておく。セラミック層６は、一次放射線の一部又は全てを二次放射線に変換するよう構成される放射線変換素子の役割を果たす。層６の、光源２から離れる方を向いている面の上に、照明システムにおいて生成される、或るカットオフ波長より短い波長を持つ放射線を反射することができる放射線ブロックフィルタ７が配設される。好ましくは、前記フィルタ７は、層６にじかに取り付けられる。本実施例においては、前記フィルタ７は、光学的に透明な基板であって、前記光学的に透明な基板上に、例えば、必要とされる層厚プロファイル及びSiO₂/TiO₂配列を備えるSiO₂/TiO₂の多層が設けられる光学的に透明な基板を有する反射フィルタである。

ＬＥＤ２によって発せられる一次放射線は、ここでは蛍光体材料のセラミック層６として実施される波長変換素子に向けられる。吸収は、より高い励起状態においても行われ得る。層６によって（直接的又は間接的に）吸収される一次放射線は、より長い波長を持つ二次放射線に変換される。反射フィルタ７のカットオフ波長に依存して、この二次放射線の全て又は一部は、フィルタ７を通過することができ、即ち、前記放射線の前記一部は、前記カットオフ波長より長い波長を持つ。基本的に、フィルタの急峻さに依存して、フィルタ７のカットオフ波長より短い波長を持つほとんどの又は全ての一次放射線及び二次放射線は、それが再吸収される放射線変換素子６内へ後方反射されるだろう。前記再吸収される放射線は、大部分が、外界の方へフィルタ７を通過することができるより長い波長の放射線に変換される。反射手段４は、最終的には全ての（一次及び二次）放射線が蛍光体層６及びフィルタ７へ後方反射されることをもたらし、故に、ハウジング内での吸収による放射線損失は最小限になる。

発明した照明システムの上記の実施例に基づいて多くの測定及び計算が実施された。それらにおいては、様々なタイプの蛍光体材料が適用された。これらのタイプの蛍光体は、蛍光体種MgS:Eu又はCaSe:Euをベースにしている。３つの実施例のシミュレーションスペクトルが図２乃至４に示されている。より具体的には、図２は、0.1eVのストークスシフト及び28nmの半値全幅（ＦＷＨＭ）を持つ蛍光体の吸収スペクトル及び発光スペクトルを示している。図３は、0.15eVのストークスシフト及び41nmのＦＷＨＭを持つ別の蛍光体の吸収スペクトル及び発光スペクトルを示しており、図４は、0.2eVのストークスシフト及び53nmのＦＷＨＭを持つ他の蛍光体の吸収スペクトル及び発光スペクトルを示している。図４においては、反射フィルタのスペクトルが破線で示されている。フィルタのカットオフ波長は、放射線変換素子の吸収スペクトル及び発光スペクトルが交差する波長（約570nm）と実質的に一致する。

これらのスペクトルは、所謂高温及び強結合極限において決定される。この極限において、幅がフォノン周波数に影響されない発光帯のガウス線形が得られる。実際に、これは、実験結果とかなりよく一致する。しかしながら、本発明は、このような蛍光体に限定されないことを強調しておく。全ての算出スペクトルが、600nmにおいてそれらの発光上限を持つ。シミュレーションにおいては、ストークスシフトが変更されている。上記の極限においては、ストークスシフトが、発光帯の帯域幅及び吸収帯の低エネルギ側のスペクトル形状を決定し、このため、スペクトルは部分的に重なる。

放射線変換素子において再吸収される光の最大限の割合は、スペクトルの重なりから推定され得る。計算した３つのケースについて、これらの推定値を表１において示す。

表１から、ストークスシフトが約0.20eV（スペクトル領域において約53nm）より小さい場合は、大きなスペクトルの重なりが得られるという結論が下され得る。ストークスシフトがより大きい場合には、帯域幅を減らすための干渉フィルタの適用は、有益な効果をもたらさない。なぜなら、吸収帯と発光帯との間のスペクトルの重なりが小さすぎるこれらの条件下では、再吸収がほとんど生じないからである。この状況においては、反射された光はかなり失われる。これらのグラフの調査は、カットオフ波長が、算出吸収スペクトルと算出発光スペクトルとが交差する波長と等しいような干渉フィルタが配置されるべきであることを示している。より大きい又はより小さい波長へのシフトは、再吸収確率をかなり低下させる。

本発明を、図面において図示し、上記の説明において詳細に説明しているが、このような図及び説明は、説明的なもの又は例示的なものとみなされるべきであって、限定するものとみなされるべきではない。本発明は、開示されている実施例に限定されない。従って、焼結層６として形成される波長変換素子は、蛍光体粉末が混合されている有機樹脂材料に置き換えられ得る。この状況においては、ハウジングのキャビティ５は、前記蛍光体含有樹脂材料で満たされる。当業者により、請求項記載の発明の実施において、図面、明細書及び添付の請求項の研究から、開示されている実施例に対するこの及び他の変形は、理解され、なされることができる。

請求項において、「有する」という用語は、他の要素又はステップを除外せず、単数形表記は、複数の存在を除外しない。単に、特定の手段が、相互に異なる従属請求項において引用されているという事実は、これらの手段の組み合わせが有利になるように用いられることができないことを示すものではない。請求項におけるいかなる参照符号も、範囲を限定するものとして解釈されてはならない。

Claims (7)

1. 照明システムであり、
   一次放射線を発するよう構成される光源と、
   前記一次放射線の少なくとも一部を二次放射線に変換するよう構成される放射線変換素子と、
   前記照明システムにおいて生成される、或るカットオフ波長より短い波長を持つ放射線をブロックするよう構成されるフィルタとを有する照明システムであって、前記フィルタが、前記放射線変換素子の発光スペクトル中に、前記フィルタの前記カットオフ波長を配設することによって、前記二次放射線の一部をブロックするよう設計される照明システム。
2. 前記フィルタが、ブロックした放射線を、前記放射線変換素子内へ後方反射する干渉フィルタである請求項１に記載の照明システム。
3. 前記干渉フィルタが、バンドパス反射フィルタである請求項２に記載の照明システム。
4. 前記放射線変換素子の吸収スペクトル及び発光スペクトルが、実質的に、部分的に重なる請求項２又は３に記載の照明システム。
5. 前記フィルタの前記カットオフ波長が、前記放射線変換素子の前記吸収スペクトル及び前記発光スペクトルが交差する波長と実質的に一致する請求項４に記載の照明システム。
6. 前記放射線変換素子のストークスシフトが0.20eVより小さい請求項１乃至５のいずれか一項に記載の照明システム。
7. 前記放射線変換素子の発光スペクトルが、585乃至625nmの範囲内にピーク発光波長を持つ請求項１乃至６のいずれか一項に記載の照明システム。

Images