JP2014511013A - Ledベース照明モジュールの透光性層に設けられた格子状構造体 - Google Patents
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Abstract
【課題】複数の発光ダイオード(LED)を有する照明モジュールを提供する。
【解決手段】本発明の照明モジュールは、複数の発光ダイオード(LED)を有し、該LEDの上側の透光性層(例えば、出力ウィンドウなど)には格子状構造体が設けられ、それが複数の色変換ポケットを形成している。或るポケット群は、第1の種類の波長変換材料で被覆されており、別のポケット群は、別の種類の波長変換材料で被覆されている。
【選択図】図15
【解決手段】本発明の照明モジュールは、複数の発光ダイオード(LED)を有し、該LEDの上側の透光性層(例えば、出力ウィンドウなど)には格子状構造体が設けられ、それが複数の色変換ポケットを形成している。或るポケット群は、第1の種類の波長変換材料で被覆されており、別のポケット群は、別の種類の波長変換材料で被覆されている。
【選択図】図15
Description
(関連出願の相互参照)
本出願は、35 USC 119の下で、2011年3月31日に出願された米国特許仮出願第61/470,389号に基づく優先権を主張する2012年3月27日に出願された米国特許出願第13/431,796号に基づく優先権を主張するものであり、前記両出願はその全体が参照により本明細書に援用されるものとする。
本出願は、35 USC 119の下で、2011年3月31日に出願された米国特許仮出願第61/470,389号に基づく優先権を主張する2012年3月27日に出願された米国特許出願第13/431,796号に基づく優先権を主張するものであり、前記両出願はその全体が参照により本明細書に援用されるものとする。
(技術分野)
本発明は、発光ダイオード(LED)を含む照明モジュールに関する。
本発明は、発光ダイオード(LED)を含む照明モジュールに関する。
照明装置により生成される光の出力レベルまたは光束の限界に起因して、一般照明における発光ダイオードの使用は依然として制約がある。また、LEDを使用する照明装置は一般的に、色点の不安定さによって特徴付けられる色品質の悪さに悩まされている。色点の不安定さは、部品間でばらつきがあるだけでなく、経時的に変化する。色品質の悪さは、出力がほとんどないバンドを有するLED光源により生成されたスペクトルに起因する演色性の悪さによっても特徴付けられる。さらに、LEDを使用する照明装置は一般的に、空間的及び/または角度的な色むらを有している。加えて、LEDを使用する照明装置は高価である。その理由は、とりわけ、光源の色点を維持するために色制御電子装置及び/またはセンサが必要であるため、また、製造済みのLEDから、用途のための色及び/または光束の要件を満たすものだけを小規模に選び出して使用するためである。
したがって、発光ダイオードを光源として使用する照明装置の改良が望まれている。
本発明の照明モジュールは、複数の発光ダイオード(LED)を含む。複数の色変換キャビティが設けられ、各キャビティは、波長変換材料で被覆された側壁を有している。1以上のLEDが、各色変換キャビティ内に配置される。透過性層が、色変換キャビティの上側に設けられ得る。前記透過性層は、さらなる別の波長変換材料を有し得る。前記波長変換材料は、目的色点を有する出力光が生成されるように選択される。また、第2の光混合キャビティを、前記複数の色変換キャビティの上側に設けてもよい。
さらなる詳細及び実施形態及び技術は、以下の詳細な説明で説明する。この要約は、本発明を規定するものではない。本発明は、特許請求の範囲により規定されるものとする。
以下、本発明の背景の例及びいくつかの実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
図1、図2及び図3は、3つの例示的な照明装置150を示す。図1に示す照明装置は、矩形の構成要素を有する照明モジュール100を含む。図2に示す照明装置は、円形の構成要素を有する照明モジュール100を含む。図3に示す照明装置は、レトロフィットランプに組み込まれた照明モジュール100を含む。これらの例は、説明目的のためのものである。略多角形または楕円形の照明モジュールの例も考えられ得る。照明装置150は、照明モジュール100と、リフレクタ125と、固定部材(light fixture)120とを含む。図示のように、固定部材120は、ヒートシンク機能を有する。そのため、固定部材120は、ヒートシンク120と呼ばれることもある。また、固定部材120は、他の構造要素や装飾的要素(図示せず)を含み得る。リフレクタ125は、照明モジュール100から放射された光を平行化したり偏向させたりするために照明モジュール100に取り付けられる。リフレクタ125は、伝熱性材料、例えばアルミニウムや銅などの材料から作製することができ、照明モジュール100に熱的に接続され得る。熱は、照明モジュール100及び伝熱性リフレクタ125を介した熱伝達によって流れる。熱はまた、リフレクタ125上での熱対流によって流れる。リフレクタ125は、高反射性材料から作製されたかまたは高反射性材料で被覆された複合放物面集光器であり得る。ディフューザやリフレクタ125などの光学要素は、例えばねじ、クランプ、ツイストロック機構または他の適切な手段によって照明モジュール100に着脱自在に結合され得る。図3に示すように、リフレクタ125は任意選択で、波長変換材料、拡散材料または他の任意の材料で被覆された側壁126及びウィンドウ127を含み得る。
図1、図2及び図3に示すように、照明モジュール100は、ヒートシンク120に取り付けられる。ヒートシンク120は、伝熱性材料、例えばアルミニウムや銅などの材料から作製することができ、照明モジュール100に熱的に接続され得る。熱は、照明モジュール100及び伝熱性ヒートシンク120を介した熱伝達により流れる。熱はまた、ヒートシンク120上での熱対流によって流れる。照明モジュール100をヒートシンク120に固定するために、照明モジュール100はヒートシンク120にねじによって結合される。照明モジュール100の取り外し及び再取り付けを容易にするために、照明モジュール100は、例えばクランプ機構、ツイストロック機構または他の適切な手段によってヒートシンク120に着脱自在に結合され得る。照明モジュール100は、例えば直接的にあるいはサーマルグリース、サーマルテープ、サーマルパッドまたはサーマルエポキシを用いてヒートシンク120に熱的に接続される少なくとも1つの熱伝達面を有する。LEDを十分に冷却するためには、実装基板上のLEDに供給される電気エネルギー1ワットあたり、少なくとも50平方ミリメートル、好ましくは100平方ミリメートルの面積を有する熱接触領域を用いるべきである。例えば、20個のLEDを使用する場合、1000〜2000平方ミリメートルの面積を有するヒートシンク接触領域を用いるべきである。より大きいヒートシンク120を用いると、LED102をより高い出力で駆動させることが可能になり、また、様々なヒートシンク設計が可能になる。例えば、いくつかの設計は、ヒートシンクの配向に対する依存性が低い冷却能力を示し得る。加えて、照明モジュールから熱を除去するために、ファンまたは強制的に冷却するための他の手段を用いることができる。底部ヒートシンクは、照明モジュール100への電気的接続を可能にするための開口部を有し得る。
図4は、例として図1に示したLEDベース照明モジュール100の構成要素を示す分解図である。本明細書で定義するように、LEDベース照明モジュールは、1つのLEDではなく、LED光源またはLED照明装置、あるいはそれらの構成部品であることを理解されたい。例えば、LEDベース照明モジュールは、図3に示すようなLEDベースの交換用ランプであり得る。LEDベース照明モジュール100は、1若しくは複数のLEDダイまたはパッケージ化されたLEDと、それらが実装される実装基板とを含む。一実施形態では、LED102は、フィリップス・ルミレッズ・ライティング社(Philips Lumileds Lighting)製のルクシオン・レベル(Luxeon Rebel)などのパッケージ化されたLEDである。別の種類のパッケージ化されたLED、例えば、OSRAM社(Ostar package)、ルミナス・デバイセズ社(Luminus Devices;米国)、クリー社(Cree;米国)、日亜工業(日本)、またはトリドニック社(Tridonic;オーストリア)製のパッケージ化されたLEDなどを用いることもできる。本明細書で定義するように、パッケージ化されたLEDは、ワイヤボンド接続部やスタッドバンプなどの電気接続部を含み、場合によっては光学素子並びに熱的、機械的及び電気的インターフェースを含む、1若しくは複数のLEDダイのアセンブリである。LEDチップは一般的に、約1mm×1mm×0.5mmのサイズを有するが、この寸法は変更可能である。いくつかの実施形態では、LED102は複数のLEDチップを含み得る。複数のLEDチップは、同系色または互いに異なる色(例えば、赤色、緑色、青色)の光を放射することができる。実装基板104が取付台101に取り付けられ、実装基板保持リング103によって所定の位置に固定される。LED102を実装した実装基板104と実装基板保持リング103とを互いに組み合わせることにより、光源サブアセンブリ115が構成される。光源サブアセンブリ115は、LED102を使用して、電気エネルギーを光に変換することができる。光源サブアセンブリ115から放射された光は、色混合または色変換のための光変換サブアセンブリ116へ導かれる。光変換サブアセンブリ116は、キャビティ本体部105と出力ポートとを含む。出力ポートは、これに限定しないが、出力ウィンドウ108として図示されている。光変換サブアセンブリ116は、任意選択で、底部リフレクタ挿入体106及び側壁挿入体107の一方または両方を含む。出力ウィンドウ108は、出力ポートとして用いる場合には、キャビティ本体部105の頂部に結合される。いくつかの実施形態では、出力ウィンドウ108は、接着剤によってキャビティ本体部105に結合され得る。出力ウィンドウ108からキャビティ本体部105への熱放散を促進するために、伝熱性接着剤を用いることが望ましい。前記接着剤は、出力ウィンドウ108とキャビティ本体部105との界面に存在する温度に確実に耐えることができるものを用いるべきである。さらに、前記接着剤は、出力ウィンドウ108から放射される光を吸収するのではなく、入射光を可能な限り反射または透過することが好ましい。一例では、ダウ・コーニング社(Dow Corning;米国)製のいくつかの接着剤(例えば、ダウ・コーニング型番SE4420、SE4422、SE4486、1−4173、またはSE9210)のうちの1つの熱耐性、伝熱性及び光学特性が、好適な性能を提供するであろう。なお、他の伝熱性接着剤も考えられ得る。
キャビティ本体部105を光源サブアセンブリ115上に設置したときに、LED102から入射した光及び任意の波長変換光を、出力ポート(例えば、出力ウィンドウ108)から出射されるまでキャビティ160内で反射することができるように、キャビティ本体部105の内部側壁または側壁挿入体107(任意選択でキャビティ本体部105内に配置された場合)は反射性を有する。底部リフレクタ挿入体106は、任意選択で、実装基板104上に配置され得る。底部リフレクタ挿入体106は、各LED102の光放射部分を遮らないように、複数の孔を有する。キャビティ本体部105を光源サブアセンブリ115上に設置したときに、LED102から入射した光を側壁挿入体107の内面によって出力ウィンドウ108へ導くことができるように、側壁挿入体107は任意選択でキャビティ本体部105の内部に配置され得る。図示のように、キャビティ本体部105の内部側壁は、照明モジュール100の上側から見ると矩形であるが、他の形状も考えられる(例えば、クローバ状や多角形など)。加えて、キャビティ本体部105の内部側壁は、図示のように出力ウィンドウ108に対して垂直に配向させるのではなく、実装基板104から出力ウィンドウ108へ外向きにテーパまたは湾曲させてもよい。
底部リフレクタ挿入体106及び側壁挿入体107は、キャビティ160内で下向きに反射された光を概ね出力ポート(例えば、出力ウィンドウ108)の方向に反射して戻すことができるように、高反射性であり得る。加えて、挿入体106及び107は、追加的なヒートスプレッダとしての機能を果たすことができるように、高い伝熱性を有し得る。例えば、挿入体106及び107は、高い反射性及び耐久性を有するように加工されたアルミニウムベース材料などの高伝熱性材料から製造され得る。例えば、ドイツのアラノッド社(Alanod)製のMiro(登録商標)と呼ばれる材料を使用することができる。高反射性は、アルミニウムを研磨するか、または挿入体106及び107の内面を1若しくは複数の反射コーティングで被覆することによって実現することができる。あるいは、挿入体106及び107は、3M社(米国)製のVikuiti(登録商標)ESR、東レ(日本)製のLumirror(商標)E60L、または古河電気工業(日本)製のものなどの微結晶性ポリエチレンテレフタレート(MCPET)などの高反射性の薄い材料から作製してもよい。別の例では、挿入体106及び107は、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)材料から作製され得る。いくつかの実施形態では、挿入体106及び107は、W.L.ゴレ社(W.L. Gore;米国)またはベルクホフ社(Berghof;ドイツ)から販売されている厚さ1〜2mmのPTFE材料から作製され得る。さらに別の実施形態では、挿入体106及び107は、例えば金属層または非金属層(ESR、E60L、またはMCPET)などの薄い反射性層が裏張り(裏側に被覆)されたPTFE材料から作製され得る。側壁挿入体107、底部リフレクタ挿入体106、出力ウィンドウ108、キャビティ本体部105、及び実装基板104に、高拡散反射性コーティングを適用することもできる。そのようなコーティングには、二酸化チタン(TiO2)粒子、酸化亜鉛(ZnO)粒子、硫酸バリウム(BaSO4)粒子、またはこれらの材料の組み合わせが含まれ得る。
図5A及び図5Bは、図1に示したLEDベース照明モジュール100の斜視断面図である。この実施形態では、側壁挿入体107と、出力ウィンドウ108と、実装基板104上に配置された底部リフレクタ挿入体106とにより、LEDベース照明モジュール100内に光混合キャビティ160(図5Aに示す)が画定される。LED102から入射した光の一部は、出力ウィンドウ108から出射されるまで、光混合キャビティ160で反射される。出力ウィンドウ108から出る前の光をキャビティ160内で反射することにより、LEDベース照明モジュール100から放射された光が混合され、光の分布がより均一になるという効果が得られる。加えて、出力ウィンドウ108から出る前の光が光混合キャビティ160内で反射されることにより、所定量の光が、キャビティ160内に含まれる光変換材料との相互作用によって色変換される。
図1〜図5Bに示すように、LEDベース照明モジュール100は単一の色変換キャビティ160を有しているが、他の実施形態も可能である。一態様では、出力ウィンドウ108は、光抽出、色変換及び出力ビームプロファイル成形を促進するための三次元形状のシェル構造体であり得る。別の態様では、複数のポケットを形成するグリッド構造が、LEDベース照明モジュール100のウィンドウに取り付けられる。別個のポケットを、互いに異なる波長変換材料で被覆することにより、LEDベース照明モジュール100から放射される光の色点を調節することができ、それにより、均一性が向上した光線を出力することができる。さらなる別の態様では、LEDベース照明モジュール100は、各々がLEDまたはLED群を取り囲む複数の色変換キャビティ160を含むことができる。別個の色変換キャビティ160の色変換特性を変更することにより、LEDベース照明モジュール100から放射される光の色点を調節することができ、それにより、均一性が向上した光線を出力することができる。加えて、各色変換キャビティから放射された光を集め、該光が照明モジュール100から出る前にさらに混合するための第2の混合キャビティを設けることができる。さらなる別の態様では、色変換キャビティは、色変換キャビティ内での一連の反射によって、光を横方向に、LEDから離れる方向へ送達することにより、LED102から放射された光を広範囲にわたって分散及び色変換するように構成することができる。いくつかの例では、LEDから放射された光は、色変換キャビティ内に埋め込まれた波長変換材料によって色変換される。いくつかの例では、LEDから放射された光は、色変換キャビティの出力口に配置された波長変換材料によって色変換される。
複数のLED102は、直接的な放射または蛍光体変換(例えば、LEDパッケージの一部としてのLEDに対して蛍光体層が適用された場合)によって、互いに異なる色または同一の色の光を放射することができる。したがって、照明モジュール100は、例えば赤色、緑色、青色、アンバー(琥珀色)、シアン(青緑色)などの有色LED102の任意の組み合わせを用いることができる。あるいは、複数のLED102の全てが、同一色の光を生成するようにしてもよい。また、LED102の一部または全てが白色の光を生成するようにしてもよい。加えて、複数のLED102は、偏光または非偏光を放射するようにしてもよく、LEDベース照明モジュール100は、偏光LEDまたは非偏光LEDの任意の組み合わせを用いることができる。いくつかの実施形態では、LED102は、青色光またはUV光の波長範囲では発光効率が高いため、青色光またはUV光を放射する。光混合キャビティ160内に含まれる波長変換材料と組み合わせて使用することにより、照明装置100から放射される光が所望の色を有するようにすることができる。これらの波長変換材料の光変換特性は、キャビティ160内での光混合と協働して、色変換された光の出力をもたらす。また、波長変換材料の化学的性質及び/または物理的性質(例えば、厚さや濃度)、あるいはキャビティ160の内面に形成されるコーティングの幾何学的性質を調節することにより、出力ウィンドウ108から出力される光の特定の色特性、例えば色点、色温度及び演色評価指数(CRI)を設定することができる。
本明細書の目的のために、波長変換材料は、色変換機能(例えば、或るピーク波長を有する光を所定量吸収し、それに応じて、別のピーク波長を有する光を所定量放射する機能)を果たす任意の単一の化合物または互いに異なる複数の化合物の混合物である。
キャビティ160の一部、例えば、底部リフレクタ挿入体106、側壁挿入体107、キャビティ本体部105、出力ウィンドウ108、及びキャビティ内に配置される他の構成要素(図示せず)は、波長変換材料で被覆されるか、または波長変換材料を含んでなる。図5Bは、側壁挿入体107の一部を、波長変換材料で被覆した様子を示す。さらに、キャビティ160の別の構成要素を、同一のまたは別の波長変換材料で被覆してもよい。
例として、蛍光体は、下記の化学式で表される物質群から選択され得る。Y3Al5O12:Ce(YAG:Ceまたは単にYAGとも呼ばれる)、(Y,Gd)3Al5O12:Ce、CaS:Eu、SrS:Eu、SrGa2S4:Eu、Ca3(Sc,Mg)2Si3O12:Ce、Ca3Sc2Si3O12:Ce、Ca3Sc2O4:Ce、Ba3Si6O12N2:Eu、(Sr,Ca)AlSiN3:Eu、CaAlSiN3:Eu、CaAlSi(ON)3:Eu、Ba2SiO4:Eu、Sr2SiO4:Eu、Ca2SiO4:Eu、CaSc2O4:Ce、CaSi2O2N2:Eu、SrSi2O2N2:Eu、BaSi2O2N2:Eu、Ca5(PO4)3Cl:Eu、Ba5(PO4)3Cl:Eu、Cs2CaP2O7、Cs2SrP2O7、Lu3Al5O12:Ce、Ca8Mg(SiO4)4Cl2:Eu、Sr8Mg(SiO4)4Cl2:Eu、La3Si6N11:Ce、Y3Ga5O12:Ce、Gd3Ga5O12:Ce、Tb3Al5O12:Ce、Tb3Ga5O12:Ce、及びLu3Ga5O12:Ce。
一例では、照明デバイスの色点の調節は、同様に1若しくは複数の波長変換材料で被覆されたかまたは該材料を含浸させた側壁挿入体107及び/または出力ウィンドウ108を交換することにより実現することができる。一実施形態では、ユウロピウム活性化アルカリ土類窒化ケイ素(例えば、(Sr,Ca)AlSiN3:Eu)などの赤色蛍光体によって、側壁挿入体107及び、キャビティ160の底部に配置された底部リフレクタ挿入体106の一部を被覆し、YAG蛍光体によって出力ウィンドウ108の一部を被覆する。別の実施形態では、アルカリ土類オキシ窒化ケイ素などの赤色発光蛍光体によって、側壁挿入体107及び、キャビティ160の底部に配置された底部リフレクタ挿入体106の一部を被覆し、赤色発光アルカリ土類オキシ窒化ケイ素と黄色発光YAG蛍光体との混合物によって出力ウィンドウ108の一部を被覆する。
いくつかの実施形態では、前記蛍光体は、適切な溶媒媒体中で結合剤、そして任意選択で界面活性剤及び可塑剤と混合される。その結果得られた混合物は、スプレー塗布、スクリーン印刷、ブレードコーティング、または他の任意の手段のいずれかによって堆積させられる。前記キャビティを画定する側壁の形状及び高さを選択するか、または前記キャビティ内における前記蛍光体で被覆される部分を選択するか、または光混合キャビティ160の表面に形成される蛍光体層の厚さ及び濃度を最適化することにより、照明モジュール100から放射される光の色点を要望通りに調節することができる。
一例では、1種類の波長変換材料が、図5Bに示す側壁挿入体107などの側壁にパターン形成され得る。例えば、赤色蛍光体を側壁挿入体107における互いに異なる領域に所定のパターンで適用し、黄色蛍光体で出力ウィンドウ108を被覆してもよい。前記蛍光体の被覆領域及び/または濃度を変更することにより、様々な色温度を生成することができる。LED102により生成された光が異なる場合に、所望の色温度を生成するためには、赤色蛍光体の被覆領域及び/または赤色蛍光体及び黄色蛍光体の濃度を変更する必要があることを理解されたい。LED102、側壁挿入体107に適用される赤色蛍光体、及び出力ウィンドウ108に適用される黄色蛍光体の各部品の色性能をそれらの組み合わせ前に測定しておき、前記各部品を互いに組み合わせたときに所望の色温度が得られるように、測定された性能に基づいて各部品を選択するとよい。
多くの用途では、3100ケルビン未満の相関色温度(CCT)を有する白色光出力を生成することが望ましい。例えば、多くの用途では、2700ケルビン未満のCCTを有する白色光が望ましい。スペクトルの青またはUV部分で放射するLEDで生成された光を、3100ケルビン未満のCCTを有する白色出力に変換するためには、一般的に、相当量の赤色発光が必要とされる。要求されるCCTを実現するために、黄色蛍光体を、赤色発光蛍光体、例えばCaS:Eu、SrS:Eu、SrGa2S4:Eu、Ba3Si6O12N2:Eu、(Sr,Ca)AlSiN3:Eu、CaAlSiN3:Eu、CaAlSi(ON)3:Eu、Ba2SiO4:Eu、Sr2SiO4:Eu、Ca2SiO4:Eu、CaSi2O2N2:Eu、SrSi2O2N2:Eu、BaSi2O2N2:Eu、Sr8Mg(SiO4)4Cl2:Eu、Li2NbF7:Mn4+、Li3ScF6:Mn4+、La2O2S:Eu3+及びMgO.MgF2.GeO2:Mn4+と混合させる取り組みがなされている。しかし、出力光のCCTの、前記混合物中の赤色発光成分に対する感度に起因して、一般的に、出力光の色一致性は低い。色分布の悪さは、特に照明用途では、複数の蛍光体を混合させた場合により顕著である。出力ウィンドウ108を、赤色発光蛍光体を含まない蛍光体または蛍光体混合物で被覆することにより、色一致性に関する問題を避けることができる。3100ケルビン未満のCCTを有する白色出力を生成するために、赤色発光蛍光体または蛍光体混合物を、LEDベース照明モジュール100の側壁あるいは底部リフレクタに堆積させる。特定の赤色発光蛍光体または蛍光体混合物(例えば、600〜700nmのピーク波長発光を有する)並びに該蛍光体または蛍光体混合物の濃度は、3100ケルビン未満のCCTを有する白色出力を生成するために選択される。このようにして、LEDベース照明モジュールは、赤色発光蛍光体成分を含まない出力ウィンドウにより、3100ケルビン未満のCCTを有する白色光を生成することができる。
LEDベース照明モジュールの場合、LEDから放射された光(例えば、LED102から放射された青色光)の一部を、少なくとも1つの光混合キャビティ160内で、光子の損失を最小限に抑えながら、より長い波長を有する光に変換することが望ましい。高密度に充填された蛍光体薄層が、隣接する蛍光体粒子による再吸収、全反射(TIR)及びフレネル効果に関連する損失を最小限に抑えながら、入射光の大部分を効率的に色変換するのに好適である。
図6は、LED102から放射された光子と色変換キャビティ160の構成要素133との相互作用に注目した、色変換キャビティ160の断面図である。図示のように、色変換キャビティ160は、反射性色変換要素130と、透光性色変換要素133とを含む。透光性色変換要素133は、透過性層134と、該透過性層に結合された透光性色変換層135とを含む。反射性色変換要素130は、反射性層131と、該反射性層に結合された反射性色変換層132とを含む。
透光性色変換要素133は、透光モードにおいて、高効率の色変換を提供する。色変換層135は、低密度充填型の蛍光体薄層を含む。紫外線またはサブ紫外線を照射する照明器具では、紫外線波長に曝される人体に対する健康上のリスクのために、未変換光を透過することは望ましくない。また一方、UVよりも大きい発光波長を有するLEDにより駆動されるLEDベース照明モジュールの場合、未変換光(例えば、LED102から放射された青色光)の大部分が光混合キャビティ160を色変換されることなく通過することが望ましい。このことにより、色変換プロセスに伴う損失を避けることができるので、高効率が促進される。低密度充填型の蛍光体薄層が、入射光の一部を色変換するのに適している。例えば、入射光の少なくとも10%が色変換層135を色変換されることなく透過することができるように構成することが望ましい。
反射性色変換要素130は、反射モードにおいて、高効率の色変換を提供する。反射性色変換層132は、反射性層131上に、所望の厚さで、かつ高密度で堆積させられる。いくつかの実施形態では、蛍光体粒子の平均密度の2倍の厚さ、及び90%よりも大きい充填密度が望ましい。これらの実施形態では、蛍光体粒子の平均密度は、6〜8μmである。
図7は、LED102から放射された光子と透光性色変換要素133との相互作用に注目したLED照明モジュール100の断面図である。透過性層134は、光学的に透明な媒体(例えば、ガラス、サファイア、ポリカーボネート、プラスチック)から作製することができる。透過性層134はまた、半透明材料(例えば、PTFE薄層またはエッチングされた光学的に透明な媒体)から作製することもできる。透光性色変換要素133は、透光性色変換要素133は、照明モジュールの光学性能を高めるための追加的な層(図示せず)を含むことができる。一例では、透光性色変換要素133は、例えばニクロムフィルタなどの光学的フィルム、低指数コーティング、散乱粒子層などの追加的な層、または追加的な蛍光体粒子含有色変換層を含むことができる。いくつかの実施形態では、半透明の色変換層135が、ポリマー結合剤142中に蛍光体粒子141を埋め込むことにより構成される。蛍光体粒子141は、光の一部が、透光性色変換要素133を色変換されることなく透過することができるように配置される。
一実施形態では、半透明の色変換層135が、透過性層134上に、蛍光体粒子の平均径の3倍の厚さである厚さT135で、かつ80%よりも大きい充填密度で堆積させられる。この実施形態では、蛍光体粒子の平均径は、10μmであり得る。
図7に示すように、LED102から放射された青色光子139は、透光性色変換要素133を色変換することなく通過し、青色光子として混合光140に寄与する。また一方、LED102から放射された青色光子138は、色変換層135に埋め込まれた蛍光体粒子によって吸収される。青色光子138により提供された刺激に応答して、蛍光体粒子は、より長い波長の光を等方性放射パターンで放射する。図示した例では、蛍光体粒子は、黄色光を放射する。図7に示すように、黄色光の一部は、透光性色変換要素133を通過して、黄色光子として混合光140に寄与する。黄色光の別の部分は、隣接する蛍光体粒子に吸収され、再放射されるかまたは失われる。黄色光のさらなる別の部分は、散乱して光混合キャビティ160に戻され、透光性色変換要素133に向けて再び反射されるか、または光混合キャビティ160に吸収され失われる。
図8は、LED102から放射された光子と反射性色変換要素130との相互作用に注目した光混合キャビティ160の断面図である。いくつかの実施形態では、反射性色変換層132は、蛍光体粒子141の平均径の5倍未満の厚さである厚さT132を有する。蛍光体粒子141の平均径は1〜25μmであり得る。いくつかの実施形態では、蛍光体粒子141の平均径は5〜10μmであり得る。蛍光体粒子141は、光の入射光子が蛍光体粒子と相互作用して変換光を生成する確率を高めるために、80%よりも大きい充填密度で配置される。例えば、LED102から放射された青色光子137が反射性色変換要素130に入射し、色変換層132の蛍光体粒子によって吸収される。青色光子137により提供された刺激に応答して、蛍光体粒子は、より長い波長の光を等方放射パターンで放射する。図示した例では、蛍光体粒子は、赤色光を放射する。図8に図示するように、赤色光の一部は、光混合キャビティ160に入射する。赤色光の別の部分は、隣接する蛍光体粒子に吸収され、再放射されるかまたは失われる。赤色光のさらなる別の部分は、反射性層131で反射され、色変換層132を透過して光混合キャビティ160へ向かうかまたは隣接する蛍光体粒子によって吸収され、再放射されるかまたは失われる。
図9から図13は、LEDベース照明モジュール100の様々な実施形態の垂直断面図である。図9は、複数の色変換キャビティ160を含むLEDベース照明モジュール100の一態様を示す。各色変換キャビティ(例えば、160a、160b、160c)は、各LED(例えば、102a、102b、102c)から放射された光を、前記キャビティから出射され互いに混合される前に、それぞれ色変換するように構成されている。1以上の色変換キャビティの化学組成物、1以上の色変換キャビティの波長変換コーティングの形状特性、いずれかの色変換キャビティへ光を放射するLEDへ供給する電流、及び1以上の色変換キャビティの形状を変更することにより、LEDベース照明モジュール100から放射される光の色を調節することができ、それにより均一性が向上した光線を出力することができる。
図9に示すように、LED102aは、色変換キャビティ160a内にのみ光を直接的に放射する。同様に、LED102bは、色変換キャビティ160b内にのみ光を直接的に放射し、LED102cは、色変換キャビティ160c内にのみ光を直接的に放射する。各LEDは、反射性側壁によって互いに隔てられている。例えば、図示のように、反射性側壁161は、LED102aをLED102bから隔てている。
反射性側壁161は、例えば、LED102bから放射された光を色変換キャビティ106b内で概して照明モジュール100の出力ウィンドウ108に向けて上側方向へ導くように、高反射性であり得る。加えて、反射性側壁161は、追加的な熱拡散器の機能を果たすように、高い伝熱性を有し得る。一例として、反射性側壁161は、高反射性及び耐久性を有するように加工されたアルミニウムベース材料などの高熱伝導性材料から製造され得る。例えば、ドイツのアラノッド社製のMiro(登録商標)と呼ばれる材料を使用することができる。また、反射性側壁161の高反射性は、アルミニウムを研磨するか、または反射性側壁161の内面を1以上の反射性コーティングで被覆することによって実現することができる。あるいは、反射性側壁161は、高反射性の薄い材料、例えば3M社(米国)製のVikuiti(登録商標)ESR、東レ(日本)製のルミラー(登録商標)E60L、または古河電気工業(日本)製の微結晶性ポリエチレンテレフタレート(MCPET)から作製することができる。別の例では、反射性側壁161は、PTFE材料から作製され得る。いくつかの実施形態では、反射性側壁161は、W.L.ゴレ社(米国)またはベルクホフ社(ドイツ)から販売されている厚さ1〜2mmのPTFE材料から作製され得る。さらに別の実施形態では、反射性側壁161は、例えば金属層または非金属層(例えば、ESR、E60L、またはMCPET)などの薄い反射性層が裏張り(裏側に被覆)されたPTFE材料から作製され得る。また、高拡散反射性コーティングを反射性側壁161に適用することもできる。そのようなコーティングには、二酸化チタン(TiO2)粒子、酸化亜鉛(ZnO)粒子、硫酸バリウム(BaSO4)粒子、またはこれらの材料の組み合わせが含まれ得る。
LEDベース照明モジュール100の一態様は、第1の色変換材料162で被覆された内面領域を有する第1の色変換キャビティ(例えば160a)と、第2の色変換材料164で被覆された内面領域を有する第2の色変換キャビティ(例えば160b)とを含む。いくつかの実施形態では、LEDベース照明モジュール100は、第3の色変換材料165で被覆された内面領域を有する第3の色変換キャビティ(例えば160c)を含む。いくつかの実施形態では、LEDベース照明モジュール100は、さらなる別の色変換材料で被覆された内面領域を有するさらなる別の色変換キャビティを含む。いくつかの実施形態では、複数の色変換キャビティの内面領域が、同一の色変換材料で被覆されている。
図9に示すように、一実施形態では、LEDベース照明モジュール100はまた、色変換キャビティ160の上側に配置された透過性層134を含む。いくつかの実施形態では、透過性層134が、波長変換材料163を含む波長変換層135で被覆されている。一例では、波長変換材料162、164及び165は赤色放射蛍光体材料を含んでなり、波長変換材料163は黄色放射蛍光体材料を含んでなる。透過性層134は、各色変換キャビティから出力された光の混合を促進する。
いくつかの例では、色変換キャビティ160及び色変換層135に含まれる各波長変換材料は、LEDベース照明モジュール100から放射される混合光140の色点が目標色点と一致するように選択される。
いくつかの実施形態では、第2の光混合キャビティ170が、色変換キャビティ160の上側に設けられる。第2の光混合キャビティ170は、LEDベース照明モジュール100から放射される混合光140の色が均一になるように、色変換キャビティ160から出力された光の混合を促進する閉鎖型キャビティである。図9に示すように、第2の光混合キャビティ170は、色変換キャビティ160から出力された光を捕えるべく色変換キャビティ160の周縁部に沿って配置された反射性側壁171を含む。第2の光混合キャビティ170は、反射性側壁171の上側に配置された出力ウィンドウ108を含む。色変換キャビティ160から放射された光は、第2の色変換キャビティ170の内面で反射され、出力ウィンドウ108から混合光140として出射される。
図10に示すように、一実施形態では、LEDベース照明モジュール100は、色変換キャビティ160と、第2の光混合キャビティ170とを含む。図示のように、第2の光混合キャビティ170の出力ウィンドウ108は、波長変換材料163を含む色変換層135で被覆されている。一例では、波長変換材料162、164及び165は赤色放射蛍光体材料を含んでなり、波長変換材料163は黄色放射蛍光体材料を含んでなる。各色変換キャビティから出力された光の混合を促進するために、任意選択で、拡散層143が、色変換キャビティ160の上側に配置されている。いくつかの実施形態では、拡散層143は、色変換機能を果たさない。拡散層143は、半透明材料(例えば、PTFE薄層)または、光拡散性を高めるための処理(例えばエッチング)がなされたかまたは所定の材料(例えばTiO2)で被覆された光学的に透明な媒体(例えば、ガラス、サファイア、ポリカーボネート、プラスチック)から作製することができる。
図9及び図10に示すように、LED102は所定の平面に配置され、反射性側壁161は、LED102の配置面に対して垂直をなして配向された平坦面を有している。垂直方向に配向された前記配置面は、色変換に効果的であり、かつ後方反射を最小限に抑えることが分かっている。しかしながら、他の形状または配向の面も用いることもできる。例えば、図11には、LED102の配置面に対して斜角をなして配向された反射性側壁161が示されている。いくつかの例では、この構造は、色変換キャビティ160からの光抽出を促進する。
図12には、反射性側壁161の別の実施形態が示されている。図示のように、反射性側壁161は、LED102の配置面に対して斜角をなして配向された平坦面を有するテーパ部分を含む。テーパ部分は、LED102の配置面に対して垂直をなして配向された平坦面へ連続している。別の実施形態では、前記テーパ部分は、垂直方向に配向された平坦面へ連続する湾曲面を有する。いくつかの例では、これらの実施形態は、色変換キャビティ160からの光抽出を促進し、かつLED102から放射された光の色変換を効率的に行う。また、図11に示すように、波長変換材料(例えば、波長変換材料162、164、165)は、反射性側壁161の垂直方向に配向された平坦面上に配置される。
上述したように、色変換キャビティ160に含まれる波長変換材料を選択するか、あるいは色変換層135に含まれる波長変換材料を選択することにより、複数の色変換キャビティを含むLEDベース照明モジュール100から放射された光が目標色点と一致するように調節することができる。別の実施形態では、LEDベース照明モジュール100から放射された光の色は、互いに異なるピーク放射波長を有するLED102を選択することにより調節することができる。例えば、LED102aは、480nmのピーク放射波長を有するように選択され得、LED102bは、460nmのピーク放射波長を有するように選択され得る。
図13は、複数の色変換キャビティを含むLEDベース照明モジュール100から放射された光の色を調節することができる別の実施形態を示す。各LED102へ供給する電流を独立的に制御することにより、独立的に制御された各色変換キャビティから放射されるフラックスを決定することができる。このようにして、LEDベース照明モジュール100から放射される光の色が目標色点と一致するように、互いに異なる色変換特性を有する色変換キャビティの出力フラックスを調節することができる。例えば、電源180は、導体183を介してLED102aへ電流184を供給する。LED102aから放射された光は、色変換キャビティ160aへ入射して色変換された後、色変換された光167として放射される。同様に、電源181は、導体185を介してLED102bへ電流186を供給する。LED102bから放射された光は、色変換キャビティ160bへ入射して色変換された後に、色変換された光168として放射される。電流184及び186を調節することにより、色変換された光167及び168の組み合わせ(混合光)が目標色点と一致するように、色変換された光167のフラックス及び色変換された光168のフラックスを調節することができる。同様に、LEDベース照明モジュール100の出力光の色点を調節するために、さらなる別の色変換キャビティを独立的に制御してもよい。図13に示すように、電源182は、導体187を介してLED102cへ電流188を供給する。LED102cから放射された光は、色変換キャビティ160cへ入射して色変換された後に、色変換された光169として放射される。このようにして、電流184、186、188を調節することにより、色変換された光167、168、169の組み合わせ(混合光)を目標色点と一致させることができる。
図14A〜図14Eは、LEDベース照明モジュール100の様々な実施形態の水平断面図を示している。図14Aは、高密度に充填されて配置された六角形の色変換キャビティ160a〜160gを示しており、ここで、各色変換キャビティは、隣接する別の色変換キャビティと側壁を共有している。例えば、色変換キャビティ160gは、別の色変換キャビティ(160a〜160f)と各側壁をそれぞれ共有している。図14Bは、矩形格子状に配置された矩形の色変換キャビティ160a〜160iを示している。この形態では、各色変換キャビティは、隣接する別の色変換キャビティと側壁を共有している。例えば、色変換キャビティ160gは、色変換キャビティ160a〜160f及び160h〜160iと各側壁をそれぞれ共有している。図14Cは、六角格子状に配置された矩形の色変換キャビティ160a〜160fを示している。この形態では、各色変換キャビティは、隣接する複数の色変換キャビティと側壁を共有している。例えば、色変換キャビティ160gは、色変換キャビティ160e及び160fと側壁を共有している。図14Dは、六角格子状に配置された円形色変換キャビティ160a〜160iを示している。図14Eは、高密度に充填されて六角格子状に配置された三角形の色変換キャビティ160a〜160fを示している。この形態では、各色変換キャビティは、隣接する別の色変換キャビティと側壁を共有している。図14A〜図14Eの実施形態は例示的なものであり、これらと異なる形状及び異なるレイアウトの色変換キャビティを考慮することもできる。例えば、色変換キャビティは、楕円形、星形、略多角形などの形をとることができる。加えて、高密度に充填されて配置された形態をもたらす格子パターンを選択することができ。しかし、他の実施形態では、高密度に充填されて配置されていない格子パターンを考慮することもできる。
図15、図16、図17は、透光性層134に格子状構造体196を設けたLEDベース照明モジュール100の様々な実施形態の垂直断面図を示している。いくつかの実施形態では、透光性層134は、LEDベース照明モジュール100の出力ウィンドウ108である。透光性層134に設けられた格子状構造体196は、多くのポケットを形成している。任意の数のポケットを所定量の波長変換材料で少なくとも部分的に被覆することができる。透光性層に設けられたかまたは透光性層の一部をなす格子状構造体は、互いに異なる波長変換材料を含んでなりかつ互いから物理的に隔てられたポケットを有する色制御手段を提供する。互いに異なる波長変換材料で少なくとも部分的に被覆されるポケットの数を変えることによって、出力光の色が制御される。加えて、互いに異なる波長変換材料で少なくとも部分的に被覆したポケットを均等に分布させることによって、出力ビームの均一性が高められる。最後に、LEDから放射される光のかなりの部分が一旦波長変換材料によって吸収され、出力光として再放射されるように、平面上で様々なタイプの波長変換材料をグループ分けすることによって、効率を高めることができる。この構造は、色変換された光が第2の種類の波長変換材料によって再吸収される可能性を最小限に抑える。
図15に示した実施形態では、或るポケット群に赤色発光蛍光体191が充填され、別のポケット群に緑色発光蛍光体材料192が充填され、さらに別のポケット群に黄色発光蛍光体材料190が充填されている。このことにより、各LEDから放射される光が、所定量だけ赤色、緑色及び黄色の光に色変換され、これらの色の光は、LEDベース照明モジュール100によって放射される混合光140の一部になる。いくつかの実施形態では、格子状構造体196はPTFE材料から作製されている。PTFEは、その効率的な拡散反射特性のおかげで、効率的な色変換を促進し、LED102からの光を色変換することなく透光性層134に透過させることができる。
図15及び図16に示した実施形態などのいくつかの実施形態では、ポケットは、厚さ(深さ)D及び幅Wを有することを特徴とする。ポケットの幅及び厚さ寸法並びに波長変換材料の組成を調整することによって、LEDベース照明モジュール100から放射される光を目標色点に一致させることができる。図17は、格子状構造体の厚さが透光性層134からLED102が取り付けられている平面まで及んでいる一実施形態を示している。
図18は、一実施形態におけるLEDベース照明モジュール100の水平断面図を示している。図示したように、各ポケットは、赤色発光蛍光体191または黄色発光蛍光体190のいずれか一方で被覆されている。この実施形態では、赤色発光蛍光体191で被覆されたポケットと、黄色発光蛍光体190のポケットとが、均等に分布されている。他の実施形態では、目標色点に一致するように、いずれか一方の蛍光体で被覆したポケットを他方よりも多くすることができる。いくつかの他の実施形態では、いくつかのポケットに追加の蛍光体を含めることができる。
いくつかの他の実施形態では、目標色点に一致するように、各々が複数の蛍光体の組合せを含んでなる様々な波長変換材料によって、異なるポケットを被覆することができる。例えば、或るポケット群を3000ケルビンのCCTを有する白色光を放射する波長変換材料で被覆し、他のポケット群を4000ケルビンのCCTを有する白色光を放射する蛍光体で被覆することができる。このことにより、3000ケルビンの光を生成するポケットの数と4000ケルビンの光を生成するポケットの数とを相対的に変えることによって、LEDベース照明モジュール100によって出力される混合光140を、3000〜4000ケルビンのCCTを有するように調整することができる。図18に示したように、各ポケットは、一様に正方形の形をしている。しかし、他の実施形態では、各ポケットは任意の形(例えば、略多角形及び略楕円形)をとり得る。LEDベース照明モジュール100から放射される光の色制御及び出力ビーム均一性を高めるように、ポケットを形作ることが望ましいであろう。
図19(及び図16)に示したように、ポケットのパターンは、互いに隣接する格子の中心間の距離である格子間隔距離Gを有することを特徴とすることができ、LEDのパターンは、互いに隣接するLEDの中心間の距離であるLED間隔距離Lを有することを特徴とすることができる。いくつかの実施形態では、格子間隔距離をLED間隔距離よりも小さくすることができる(図19を参照)。いくつかの他の実施形態では、格子間隔距離をLED間隔距離と同じにすることができる(図16を参照)。いくつかの他の実施形態では、格子間隔距離をLED間隔距離よりも大きくすることができる(図示せず)。また、LED102から放射される十分な光を波長変換材料によって確実に色変換させるために、図19に示したように、格子間隔距離はポケット幅Wよりも大きい。いくつかの実施形態では、格子間隔距離は、ポケット幅Wの少なくとも2倍である。
図20は、LEDベース照明モジュール100の別の態様であって、LED102から放射された光を広範囲に分散しかつ色変換するように構成された色変換キャビティ160を含んでなる照明モジュールの断面図を示している。このことにより、薄型構造体において色変換を達成することができかつ出力ビームの均一性を高めることができる。図20に示したように、色変換キャビティ160aは少なくとも1つの反射性側壁161を含んでなり、反射性側壁161は、LED102aから放射された光を、LED102aの上側に配置された透光性層134に向けさせる。反射性側壁161は、LED102が配置されている平面204に対して斜角をなして配向されている。図20に示したように、反射性側壁161は、反射性側壁161に透光性層134が結合する結合点207に至るまで、外向きかつ上向きに延在している。透光性層134は、各LED102の上側に配置された凸球面状リフレクタ205を含んでなる。図示したように、各リフレクタ205は、対応する各LED102の上側で該LED102の中心に位置するように、両者の中心軸を同一線上に揃えて配置される。図示したように、透光性層134は、波長変換材料206で部分的に被覆されている。このことにより、LED102aから放射される光は、色変換キャビティ160aから放射される前に側方に分散されかつ色変換される。例えば、光子208(例えば、青色光子)が、LED102aから放射され、リフレクタ205に反射し、その後反射性側壁161に反射して、波長変換材料206を励起する。波長変換材料206は、光子208を吸収し、色変換された光(例えば、赤色光)を放射する。色変換された光は、透光性層134を通過し、色変換キャビティ160aから出ていく。
図20に示したように、色変換キャビティ160aは、LED102aの中心軸202から結合点207まで側方に距離DWGにわたって広がっている。広範囲にわたる光の分散を促進するために、透光性層134と平面204との間の距離Hは距離DWGの半分よりも小さい。図20に示したように、色変換キャビティ160は、LED102から放射された光を、色変換キャビティ内での一連の反射によってLED102aから側方に伝達し、その後、水平面に設けられた波長変換材料と前記光との相互作用によって色変換することによって、広範囲にわたって分散して色変換するように構成されている。光の横方向の分散をさらに促進するために、色変換の前に光を側方に反射するためのリフレクタがLEDの上側に導入されている。
図21は、別の実施形態における色変換キャビティ160を示している。この実施形態では、透光性層134は半透明層である。例えば、透光性層134は、焼結PTFEの薄層から作製することができる。図示したように、透光性層134には、図20の実施形態に示したようなリフレクタは含まれていない。リフレクタの代わりに、前記半透明層が、各色変換キャビティ内において光の横方向の分散を促進するべく、各LED102から放射された光を部分的に透過させ、部分的に反射させる。
別の実施形態では、各色変換キャビティ160は、空気よりも相当に大きな屈折率を有する透明媒質210(例えば、シリコーン)を含む。いくつかの実施形態では、色変換キャビティに透明媒質210が充填される。いくつかの例では、透明媒質210の屈折率を、パッケージ化されたLED102の一部をなす任意の封入材料の屈折率に一致させている。図の実施形態では、透明媒質210は、各色変換キャビティに部分的に充填されているが、LED102から物理的に離間して配置されている。このことは、色変換キャビティからの光の抽出を促進するために望ましいであろう。図示したように、透光性層134上に波長変換層206が配置されている。いくつかの実施形態では、波長変換層206は、各々が互いに異なる波長変換材料を有する複数の部分を含んでなる。透光性層134が波長変換層206と各LED102との間に位置するように透光性層134に設けられているものとして示されているが、いくつかの実施形態では、波長変換層206を透光性層134と各LED102との間に位置するように透光性層134に設けることもできる。それに加えて、またはその代わりに、波長変換材料を透明媒質210に埋め込んでもよい。
別の態様では、LEDベース照明モジュール100は、図22に示したようにLED102の上側にLED102から間隔をおいて配置された半透明の非平面状ウィンドウ220を含む。いくつかの実施形態では、半透明の非平面状ウィンドウ220は、成形プラスチックまたはガラス材料から作製することができる。他の実施形態では、半透明の非平面状ウィンドウ220は、焼結PTFE材料の薄層から作製するか、または焼結PTFE材料の薄層を含んでなるものであってよい。LEDから物理的に離間して配置されている非平面状ウィンドウは、色変換を行うとともに、光混合及び色の均一性を向上させる。非平面状ウィンドウは、リフレクタに囲まれている。リフレクタによるさらなる光混合によって、均一性が高まり、出力ビーム成形が促進される。非平面状ウィンドウは、リフレクタとともに、色制御及び出力ビームの均一性を実現するように設計されている(特に、狭角の出力ビームデザインの場合)。
半透明の非平面状ウィンドウ220は、LED102から放射された光を所定量色変換する波長変換材料を含む。例えば、図22に示したように、LED102から放射された青色光223は、半透明の非平面状ウィンドウ220に設けられた色変換層135に含まれる波長変換材料によって吸収される。それに応じて、波長変換材料は、より長い波長の光(例えば、黄色光)を放射する。図22に示した実施形態では、色変換層135は、非平面状の出力ウィンドウ220に設けられた波長変換材料を含んでなる。いくつかの他の実施形態では、波長変換材料が半透明の非平面状ウィンドウ220に埋め込まれている。
図22に示したように、LEDベース照明モジュール100は、半透明の非平面状ウィンドウ220と接触している反射性側壁161を含んでなる。このことにより、LED102から放射された光は、LEDベース照明モジュールから出ていく前に、半透明の非平面状ウィンドウ220を通過させられる。いくつかの実施形態では、反射性側壁161は、半透明の非平面状ウィンドウ220に設けられた波長変換材料とは異なる色変換特性を有する波長変換材料で被覆される。例えば、図22に示したように、LED102から放射された青色光は、反射性側壁161に設けられた波長変換材料によって吸収される。それに応じて、波長変換材料は、より長い波長の光(例えば、赤色光)を放射する。
図22に示したように、LEDベース照明モジュール100にリフレクタ125が取り付けられて、照明装置150が形成される。リフレクタ125は、半透明の非平面状ウィンドウ220を覆う内部容積221を有する。このことにより、LED102から放射された光は、リフレクタ125の反射面に到達する前に、半透明の非平面状ウィンドウ220を通過しなければならない。LED102を半透明の非平面状ウィンドウ220で囲むことによって、LED102が環境汚染から守られる。加えて、照明装置150による光の色点は、リフレクタ125と無関係に、LEDベース照明モジュール100の機能によって制御される。さらに、リフレクタ125は、半透明の非平面状ウィンドウ220を覆うことによって、照明装置150によって与えられる出力ビームプロファイルを制御することができる。いくつかの実施形態では、内部容積221には、空気よりも大きな屈折率を有する透明材料(例えば、シリコーン)が充填される。このことにより、LEDベース照明モジュール100からの光抽出が向上される。
いくつかの実施形態では、半透明の非平面状ウィンドウ220は、反射性要素222を含んでなる。反射性要素222を適切に配置することにより、半透明の非平面状ウィンドウ220によって放射される光の出力ビーム均一性を向上させることができる。図22に示したように、半透明の非平面状ウィンドウ220は、半透明の非平面状ウィンドウ220の反射性要素222に設けられた反射性層を含んでなる。いくつかの他の実施形態では、半透明の非平面状ウィンドウ220は、拡散反射材料層(例えば、焼結PTFE)から作製するか、または前記拡散反射材料層を含んでなるものであってよい。これらの実施形態では、十分な光が反射されて半透明の非平面状ウィンドウ220の別の部分に向かうことになるので、反射性要素222を別途設ける必要はないであろう。これらの実施形態において、半透明の非平面状ウィンドウ220は、部分的には波長変換材料を含んでいない。
半透明の非平面状ウィンドウ220は、出力ビームの均一性及びLED102群からの効率的な光抽出を促進するように成形することができる。図23に示した実施形態では、半透明の非平面状ウィンドウ220はドーム形状をなす。いくつかの実施形態では、前記ドーム形状は、LED群102から放射された光を集めて特定の出力ビーム角度で出射させるように構成された放物面形状であり得る。
いくつかの実施形態では、LEDベース照明モジュール100は、複数の色変換キャビティ160の上側に配置された半透明の非平面状ウィンドウ220を含んでなる。図24に示したように、一例として、LEDベース照明モジュール100は、図20に関連して説明したように構成された多くの色変換キャビティ160a〜160dを含んでなる。色変換キャビティの上側には半透明の非平面状ウィンドウ220が設けられており、各色変換キャビティから放射された光は、リフレクタ125と相互作用する前に半透明の非平面状ウィンドウ220を通過する。
いくつかの実施形態では、色変換キャビティ160の構成要素は、PTFE材料から作製するか、またはPTFE材料を含んでなるものであってよい。いくつかの例では、前記構成要素は、研磨された金属層などの反射性層によって裏当て(裏側から支持)されたPTFE層を含み得る。PTFE材料は、焼結されたPTFE粒子から作製され得る。いくつかの実施形態では、色変換キャビティ160の複数の内面のいずれかの一部をPTFE材料から作製することができる。いくつかの実施形態では、PTFE材料を波長変換材料で被覆することができる。他の実施形態では、波長変換材料をPTFE材料と混合させることができる。
他の実施形態では、色変換キャビティ160の構成要素は、反射性セラミック材料(例えば、セラフレックス・インターナショナル社(CerFlex International;オランダ)製のセラミック材料)から作製するか、または前記反射性セラミック材料を含んでなるものであってよい。いくつかの実施形態では、色変換キャビティ160の複数の内面のうちいずれかの内面の一部をセラミック材料から作製することができる。いくつかの実施形態では、セラミック材料を波長変換材料で被覆することもできる。
他の実施形態では、色変換キャビティ160の構成要素は、反射性金属材料(例えば、アルミニウムまたはアラノッド社(ドイツ)製のMiro(登録商標))から作製するか、または前記反射性金属材料を含んでなるものであってよい。いくつかの実施形態では、色変換キャビティ160の複数の内面のいずれかの一部を反射性金属材料から作製することができる。いくつかの実施形態では、反射性金属材料を波長変換材料で被覆することもできる。
他の実施形態では、色変換キャビティ160の構成要素は、反射性プラスチック材料(例えば、3M社(米国)製のビキュイティ(Vikuiti(登録商標))ESR、東レ(日本)製のルミラー(登録商標)E60L、または古河電気工業株式会社(日本)製などの微結晶ポリエチレンテレフタラート(MCPET))から作製するか、または前記反射性プラスチック材料を含んでなるものであってよい。いくつかの実施形態では、色変換キャビティ160の複数の内面のいずれかの一部を反射性プラスチック材料から作製することができる。いくつかの実施形態では、反射性プラスチック材料を波長変換材料で被覆することもできる。
LED102から非固形物質中へ光が放射されるように、キャビティ160に非固形物質、例えば空気や不活性ガスなどを充填することができる。一例として、キャビティを密閉し、キャビティにアルゴンガスを充填してもよい。アルゴンガスの代わりに窒素を用いてもよい。他の実施形態では、キャビティ160に固形封入材料を充填することができる。一例として、キャビティにシリコーンを充填してもよい。
PTFE材料は、色変換キャビティ160の構成要素を作製するために用いられるかまたは含まれ得る他の材料、例えばアラノッド社製のMiro(登録商標)よりも反射率が低い。1つの例では、Miro(登録商標)から作製され、かつ未被覆の側壁挿入体107を備えて構成されたLEDベース照明モジュール100の青色光出力を、ベルクホフ社(ドイツ)製の焼結PTFE材料から作製され、かつ未被覆のPTFE側壁挿入体107を備えて構成された同じ照明モジュールと比較した。PTFE側壁挿入体を使用した場合、照明モジュール100からの青色光出力は7%減少した。同様に、W.L.ゴレ社(米国)製の焼結PTFE材料から作製され、かつ未被覆のPTFE側壁挿入体107を使用した場合、未被覆のMiro(登録商標)製の側壁挿入体107と比較すると、照明モジュール100からの青色光出力は5%減少した。照明モジュール100からの光抽出は、キャビティ160の内部の反射率に直接的に関係する。そのため、他の利用可能な反射性材料と比べて反射率が低いPTFE材料は、キャビティ160内での使用には敬遠されるであろう。それにも関わらず、本願発明者は、PTFE材料を蛍光体で被覆した場合、予期せぬことに、同様の蛍光体コーティングを有する他の反射率がより高い材料(例えばMiro(登録商標))と比較して、PTFE材料の発光出力が増加することを見出した。別の例では、Miro(登録商標)から作製され、かつ蛍光体で被覆された側壁挿入体107を備えて構成され、4000ケルビンの相関色温度(CCT)を目標とする照明モジュール100の白色光出力を、ベルクホフ社(ドイツ)製の焼結PTFE材料から作製され、かつ蛍光体で被覆されたPTFE側壁挿入体107を備えて構成された同様の照明モジュールと比較した。蛍光体で被覆されたPTFE側壁挿入体107を使用した場合、蛍光体で被覆されたMiro(登録商標)製の側壁挿入体107と比較すると、照明モジュール100からの白色光出力は7%増加した。同様に、W.L.ゴレ社(米国)製の焼結PTFE材料から作製されたPTFE側壁挿入体107を使用した場合、蛍光体で被覆されたMiro(登録商標)製の側壁挿入体107と比較すると、照明モジュール100からの白色光出力は14%増加した。別の例では、Miro(登録商標)から作製され、かつ蛍光体で被覆された側壁挿入体107を備えて構成され、3000ケルビンの相関色温度(CCT)を目標とする照明モジュール100の白色光出力を、ベルクホフ社(ドイツ)製の焼結PTFE粒子から作製され、かつ蛍光体で被覆されたPTFE側壁挿入体107を備えて構成された同様の照明モジュールと比較した。蛍光体で被覆されたPTFE側壁挿入体を使用した場合、蛍光体で被覆されたMiro(登録商標)製の側壁挿入体と比較すると、照明モジュール100からの白色光出力は10%増加した。同様に、W.L.ゴレ社(米国)製の焼結PTFE粒子から作製されたPTFE側壁挿入体107を使用した場合、蛍光体で被覆されたMiro(登録商標)製の側壁挿入体107と比較すると、照明モジュール100からの白色光出力は12%増加した。
このように、反射率が低いにもかかわらず、光混合キャビティ160の蛍光体被覆部分をPTFE材料から構成することが望ましいことが見出されている。さらに、本願発明者は、蛍光体で被覆されたPTFE材料が、例えば光混合キャビティ160内でLEDからの熱に曝された場合、同様の蛍光体コーティングを有する他の反射率がより高い材料(例えば、Miro(登録商標))と比較して耐久性が高いことも見出した。
以上、説明目的のためにいくつかの特定の実施形態を説明したが、本明細書の教示内容は一般的な適用性を有しており、上述した特定の実施形態に限定されるものではない。例えば、色変換キャビティ160の任意の構成要素を、蛍光体でパターン形成することができる。パターン自体及び蛍光体組成は、両方とも様々であり得る。一実施形態では、本発明の照明デバイスは、光混合キャビティ160における互いに異なる領域に配置された互いに異なる種類の蛍光体を含んでなるものであってよい。例えば、赤色蛍光体を側壁挿入体107及び底部リフレクタ挿入体106の一方または両方に配し、黄色蛍光体及び緑色蛍光体を出力ウィンドウ108の上面または下面に配するかまたは出力ウィンドウ108内に埋め込むことができる。一実施形態では、側壁挿入体107における互いに異なる領域に、互いに異なる種類の蛍光体(例えば、赤色蛍光体及び緑色蛍光体)を配することもできる。例えば、或る種類の蛍光体を側壁挿入体107の第1の領域に縞、スポットまたは他の模様でパターン形成し、別の種類の蛍光体を側壁挿入体107の第2の領域に配することができる。所望であれば、さらなる蛍光体を用い、それをキャビティ160の別の領域に配することもできる。さらに、所望であれば、1種類の波長変換材料だけを用い、それをキャビティ160(例えば、側壁)にパターン形成してもよい。別の例では、実装基板保持リング103を使用せずに、キャビティ本体部105を使用して、実装基板104を取付台101に対して直接的に固定するようにしてもよい。他の例では、取付台101及び及びヒートシンク120は、1つの部品であってもよい。別の例では、LEDベース照明モジュール100は、図1〜図3に、照明装置150の一部として示されている。図3に示すように、LEDベース照明モジュール100は、交換用ランプまたはレトロフィットランプの一部であり得る。しかし、別の実施形態では、LEDベース照明モジュール100を交換用ランプまたはレトロフィットランプとして形成し、交換用ランプまたはレトロフィットランプと見なすこともできる。したがって、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲から逸脱しない限り、様々な変更、修正、及び上記の実施形態に記載された様々な要素の組合せを実施することができる。
Claims (20)
- 照明装置であって、
複数のLEDと、
前記複数のLEDの上側に配置され、前記複数のLEDから放射された光を所定量通過させる出力ウィンドウと、
前記複数のLED及び前記出力ウィンドウ間に位置するように該出力ウィンドウに取り付けられ、かつ内面領域を有する複数のポケットを形成する格子状構造体と、
前記複数のポケットのうちの第1のポケット群の前記内面領域を少なくとも部分的に覆う第1の波長変換材料と、
前記複数のポケットのうちの第2のポケット群の前記内面領域を少なくとも部分的に覆う第2の波長変換材料とを含むことを特徴とする照明装置。 - 請求項1に記載の照明装置であって、
前記第1のポケット群に前記第1の波長変換材料が充填され、前記第2のポケット群に前記第2の波長変換材料が充填されていることを特徴とする照明装置。 - 請求項1に記載の照明装置であって、
前記複数のポケットが、均一な大きさを有し、かつ互いに対して第1の距離を隔てて配置されており、
前記複数のLEDが、互いに対して少なくとも、前記第1の距離よりも大きい第2の距離を隔てて配置されていることを特徴とする照明装置。 - 請求項1に記載の照明装置であって、
前記複数のポケットが、均一な大きさを有し、かつ互いに対して第1の距離を隔てて配置されており、
前記各ポケットが前記複数のLEDのうちの各LEDにそれぞれ対応するように、前記複数のLEDが、互いに対して前記第1の距離と同じ第2の距離を隔てて配置されていることを特徴とする照明装置。 - 請求項1に記載の照明装置であって、
前記出力ウィンドウが、焼結ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)から作製されていることを特徴とする照明装置。 - 請求項1に記載の照明装置であって、
前記格子状構造体が、焼結ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)から作製されていることを特徴とする照明装置。 - 請求項1に記載の照明装置であって、
前記複数のLEDが同一平面上に配置されており、
前記格子状構造体が、前記出力ウィンドウから前記面まで延在していることを特徴とする照明装置。 - 請求項1に記載の照明装置であって、
前記出力ウィンドウの上側に第2の混合キャビティが配置されていることを特徴とする照明装置。 - 照明装置であって、
第1の面に配置され、各々がLEDダイ領域に対して垂直に延びる中心軸を有する複数の発光ダイオード(LED)と、
前記複数のLEDの各々を取り囲むように配置され、前記第1の面に対して斜角をなして配向され、かつ前記第1の面から、該第1の面の上側に該第1の面から第1の距離を隔てて位置する第2の面まで延在する反射性側壁と、
前記第2の面に設けられ、前記反射性側壁に結合され、かつ格子状構造体が配置されている透光性層とを含み、
前記格子状構造体が、内面領域を有する複数のポケットを形成し、
前記複数のポケットのうちの第1のポケット群の前記内面領域を第1の波長変換材料で少なくとも部分的に覆い、
前記複数のポケットのうちの第2のポケット群の前記内面領域を第2の波長変換材料で少なくとも部分的に覆うように構成したことを特徴とする照明装置。 - 請求項9に記載の照明装置であって、
前記第1の距離が、前記第2の面において測定し前記透光性層及び前記反射性側壁の結合位置と前記LEDの前記中心軸との間の距離の半分よりも小さいことを特徴とする照明装置。 - 請求項9に記載の照明装置であって、
前記透光性層に取り付けられ、前記LEDの上側かつ前記LED及び前記透光性層間に配置された凸球面状リフレクタをさらに含むことを特徴とする照明装置。 - 請求項9に記載の照明装置であって、
前記透光性層の上側に配置されたウィンドウをさらに含み、
前記ウィンドウが、第2の波長変換材料で少なくとも部分的に被覆されていることを特徴とする照明装置。 - 請求項12に記載の照明装置であって、
前記ウィンドウが前記透光性層から離間して配置されていることを特徴とする照明装置。 - 請求項9に記載の照明装置であって、
前記反射性側壁が拡散反射性を有しており、かつ前記反射性側壁が前記第1の波長変換材料で少なくとも部分的に被覆されていることを特徴とする照明装置。 - 請求項9に記載の照明装置であって、
前記LEDと前記反射性側壁との間の空間に固形の透明媒質が充填されていることを特徴とする照明装置。 - 請求項15に記載の照明装置であって、
前記第1の波長変換材料が前記固形の透明媒質に埋め込まれていることを特徴とする照明装置。 - LEDベース照明装置であって、
第1の色変換キャビティの上側に設けられ、かつ格子状構造体が配置されている透光性層を含み、
前記格子状構造体が、内面領域を有する複数のポケットを形成し、
前記複数のポケットのうちの第1のポケット群の前記内面領域を第1の波長変換材料で少なくとも部分的に覆うように構成したことを特徴とするLEDベース照明装置。 - 請求項17に記載のLEDベース照明装置であって、
前記第1の色変換キャビティの前記内面領域の前記部分を構成しかつ第2の波長変換材料で被覆された第1の表面領域を有する側壁と、
前記第1の色変換キャビティに直接的に入射する光を放射する第1のLEDとをさらに含むことを特徴とするLEDベース照明装置。 - 請求項18に記載のLEDベース照明装置であって、
第2の色変換キャビティに直接的に入射するが前記第1の色変換キャビティには直接的に入射しない光を放射する第2のLEDをさらに含み、
前記透光性層が、前記第2の色変換キャビティの上側に設けられており、
前記第2の色変換キャビティの上側に配置された前記複数のポケットのうちの第2のポケット群の前記内面領域を第2の波長変換材料で少なくとも部分的に覆うように構成したことを特徴とするLEDベース照明装置。 - 請求項17に記載のLEDベース照明装置であって、
前記複数のポケットのうちの第2のポケット群の前記内面領域を第2の波長変換材料で少なくとも部分的に覆うように構成したことを特徴とするLEDベース照明装置。
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