JP2016015524A - 制御された角度の非一様性を備えるｌｅｄ - Google Patents

Abstract

【課題】 所望の非一様性をもたらすためのＬＥＤの角度依存性の制御を提供する。
【解決手段】 波長変換素子と共に発光ダイオードを用いる光源が、非一様な角度色分布をもたらすよう構成され、前記光源は、前記角度色分布を一様な色分布に変換する特定の光をベースにした装置と共に用いられ得る。前記波長変換素子の高さと幅との比は、所望の前記非一様な角度色分布をもたらすよう選択される。前記光源における制御された角度色非一様性の使用、及び前記非一様性を一様な色分布に変換するアプリケーションにおけるそれの使用は、角度的に一様な発光ダイオードが用いられる従来のシステムと比べて、システムの効率を高める。
【選択図】 図１

Description

本発明は、波長変換を備える発光ダイオード（ＬＥＤ）に関し、とりわけ、所望の非一様性をもたらすためのＬＥＤの角度依存性の制御に関する。

多くの照明用途において、発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いる照明装置が、ますます一般的になってきている。一般に、ＬＥＤは、白色光を生成するために一次放射の蛍光体変換を用いるが、蛍光体は、赤色、緑色及び黄色のようなより飽和した色を作成するためにも用いられ得る。

蛍光体変換ＬＥＤにおいて見出される従来の問題は、生成される光の色の非一様性及び制御されていない角度依存性である。一般に、蛍光体層の上部から放射される光、即ち、上部放射光は、より直接的であり、蛍光体によって変換される機会が少ないので、蛍光体層の側部から放射される光、又は蛍光体層からより高い角度の光は、より長い波長を持ち、即ち、より多くの光が変換される。その結果として、放射される光の色は、角度に依存する。

色の非一様性に対処するための現在の方策は、角度依存性の低減を含む。例えば、或る方策は、蛍光体材料の側部をコーティングして、光の側部放射を防止するものである。別の方策は、側部放射光と、上部放射光とが、ほぼ同じ色を持つように、蛍光体材料に散乱粒子を加えて、変換光と無変換光とを混合させるものである。しかしながら、角度依存性に対するこのような解決策は、装置の効率を低下させ、製造コストを高める。従って、角度依存性に対処するための他の解決策が望まれている。

光源は、所望の非一様な角度色分布、例えば、０°から９０°までの角度分布内でΔu’v’＞0.015の一様性をもたらすための選択された比率の高さ及び幅を持つ波長変換素子を備えるＬＥＤを含む。前記光源は、前記光源からの前記非一様な角度色分布を、例えばΔu’v’＜0.01の一様性を備える一様な色分布に変換するアプリケーションで用いられる。従って、システムの効率は、一様な角度色分布をもたらすよう構成されるＬＥＤを中核として設計される従来のシステムに対して高められる。

制御された非一様な角度色分布を持つ波長変換素子を備えるＬＥＤを含む光源の側面図を図示する。 図１の光源の角度色非一様性を示すために、角度にわたってのΔu’v’シフトを図示する。 図１の光源の角度色非一様性を示すために、角度にわたってのΔu’v’シフトを図示する。 フラッシュタイプのアプリケーションで用いられる光源の例を図示する。 フラッシュタイプのアプリケーションで用いられる光源の例を図示する。 セミサイドエミッタ構成における光源の側面図を図示する。 制御された非一様な角度色依存性を備える光を放射する光源の別の実施例を図示する。 一例として、バックライトタイプのアプリケーションで用いられる複数の光源の平面図を図示する。 図６Ａの一部の側断面図を図示する。 一般に、バックライトアプリケーションにおける導波路として用いられるＰＭＭＡアクリル樹脂の1mm当たりの吸収曲線を図示するグラフである。 導波路のスペクトル吸収の影響を図示するグラフである。 一様な角度及び空間入力を持つ従来の光源の場合の、ＰＭＭＡ導波路の（青色）吸収による色ずれを、距離に関して図示するグラフである。 一例として、角度にわたって0.01より大きいΔu’v’シフトを持つ、制御された角度色非一様性を持つ光源を用いている以外は図９に示されているものと同様の、理論上のＰＭＭＡ導波路の吸収による色ずれを、距離に関して図示するグラフである。

図１は、制御された非一様な角度色分布を持つ波長変換素子１１０を備える発光ダイオード（ＬＥＤ）１０１を含む光源１００の側面図を図示している。図１は、光源１００からの光を装置１２０へ反射するためのレンズ１２２の配置を備える光源１００と共に用いられる装置１２０も図示している。装置１２０は、フラッシュタイプのアプリケーション又はバックライト若しくは他の適切なアプリケーションなどのアプリケーションであり得る。角度色非一様性の光源１００は、光をベースにした装置１２０と共に、全体的なシステム、即ち、光源１００及び装置１２０が、一様な角度のＬＥＤを備える従来の光源を含むシステムより効率的になるように、用いられるよう構成される。

ＬＥＤ１０１は、ＬＥＤ１０１の底面に配置される結合パッド１０２を備えるフリップチップ装置として図示されている。結合パッド１０２は、例えばセラミック又はケイ素であり得る基板１０６上の接点素子１０４に結合される。基板１０６は、必要に応じて、ヒートシンク１０８上に取り付けられ得る。必要に応じて、基板１０６以外の支持構造物及びヒートシンク１０８が用いられ得る。

或る実施例においては、ＬＥＤ１０１は、本開示と譲受人が同じであり、参照により本願明細書に盛り込まれる、２００３年８月２９日に出願されたFrank Wall他による「Package for a Semiconductor Light Emitting Device」という題名のU.S. Serial No. 10/652、Pub. No. 2005/0045901に記載されているタイプのような高放射輝度装置であってもよく、青色又は紫外線（ＵＶ）ＬＥＤであってもよい。ＬＥＤ１０１の角度放射パターンは、（図１に図示されているような）ランバーシアン(lambertian)であってもよく、又は格子構造のようなフォトニック結晶を用いて制御されてもよい。

ＬＥＤ１０１に取り付けられているのは、波長変換素子１１０であり、波長変換素子１１０は、例えば、例えばシリコーンに埋め込まれ、ＬＥＤ１０１の上に成形される接着材料中の、又は本願明細書では時として「発光セラミック」と呼ばれる堅いセラミックスラブ中の、蛍光体であり得る。セラミックスラブは、一般に自己支持層であり、特定の波長に対して透光性又は透明であり得る。これは、共形層のような不透明な波長変換層と関連する散乱損失を減らし得る。発光セラミック層は、薄膜又は共形蛍光体層より堅牢であり得る。

ＬＥＤ１０１の上に成形される接着剤中で用いられ得る、又は発光セラミック中で用いられ得る蛍光体の例は、黄色−緑色領域内の光を放射するLu₃Al₅O₁₂:Ce³⁺及びY₃Al₅O₁₂:Ce³⁺などの一般式(Lu_1-x-y-a-bY_xGd_y)₃(Al_1-zGa_z)₅O₁₂:Ce_aPr_bを持ち、ここで、0＜x＜1、0＜y＜1、0＜z≦0.1、0＜a≦0.2且つ0＜b≦0.1であるアルミニウムガーネット蛍光体、及び赤色領域内の光を放射するSr₂Si₅N₈:Eu²⁺などの一般式(Sr_1-x-yBa_xCa_y)_2-zSi_5-aAl_aN_8-aO_a:Eu_z ²⁺を持ち、ここで、0≦a＜5、0＜x≦1、0≦y≦1且つ0＜z≦1であるアルミニウムガーネット蛍光体を含む。適切なY₃Al₅O₁₂:Ce³⁺セラミックスラブは、ノースカロライナ州、シャーロットのBaikowski International Corporationから購入され得る。例えばSrSi₂N₂O₂:Eu²⁺を含む(Sr_1-a-bCa_bBa_c)Si_xN_yO_z:Eu_a ²⁺ (a＝0.002乃至0.2、b＝0.0乃至0.25、c＝0.0乃至0.25、x＝1.5乃至2.5、y＝1.5乃至2.5、z＝1.5乃至2.5)と、例えばSrGa₂S₄:Eu²⁺を含む(Sr_1-u-v-xMg_uCa_vBa_x)(Ga_2-y-zAl_yIn_zS₄):Eu²⁺と、Sr_1-xBa_xSiO₄:Eu²⁺と、例えばCaS:Eu²⁺及びSrS:Eu²⁺を含み、0＜x≦1である(Ca_1-xSr_x)S:Eu²⁺とを含む、他の緑色、黄色及び赤色放射蛍光体も適切であり得る。各々の矢印１１４及び１１５によって図示されているように、光源１００は、光の上部放射と側部放射との両方を持ち、ここで、上部放射光１１４は、青みがかった白色であり、側部放射光１１５は、黄色っぽい。光の角度依存性は、波長変換素子１１０の高さHを制御することによって、より具体的には、高さ／幅（H/W）比を制御することによって、装置１２０にとって適切である望ましい量の青みがかった白色光１１４及び黄色っぽい光１１５を生成するよう制御され得る。一例として、生成する青色光をより少なくするためには、高さHがより高い波長変換素子１１０が用いられ、生成する青色光をより多くするためには、高さHがより低い波長変換素子１１０が用いられる。

図２Ａは、光源１００の角度色非一様性の或る実施例を示す、角度にわたってのΔu’v’シフトを図示している。角度にわたってのΔu’v’シフトは、基準点に対する色ずれを測定したものである。図２Ａを見ても分かるように、光源１００は、０°と９０°との間で、０°基準点に対して、0.015より大きいΔu’v’シフトをもたらす。これは、角度範囲内で測定されるような、角度変化にわたっての最大の色である。図２Ｂは、角度にわたってΔu’v’＞0.05をもたらすよう構成された青色ＬＥＤ及び赤色／緑色蛍光体を備える別の光源１００のΔu’v’の例を示している。例えばH/W比を変えることによって、角度値にわたって異なる最大Δu’v’がもたらされ得る。例えば、所望のアプリケーション、例えば装置１２０であって、前記装置１２０と共に光源１００が用いられる装置１２０に依存して、角度にわたっての最大Δu’v’は、0.015、0.03、0.045又は0.06より大きくなり得る。その場合、或る実施例に従う光源１００を用いる装置１２０は、Δu’v’が0.015未満、例えば0.01又は0.005未満の空間的な色一様性をもたらす。

従って、光の角度色依存性を取り除こうとするのではなく、光源１００が、特定の装置１２０であって、前記特定の装置１２０と共に光源１００が用いられる特定の装置１２０ために最適化されている制御された角度色非一様性をもたらすよう設計される。このようして、例えば上に記載されているように、光源１００は、角度にわたって0.015より大きいΔu’v’シフトを持つ制御された角度色非一様性をもたらすよう構成されるが、装置１２０と共に用いられる場合、装置１２０は、Δu’v’＜0.015の空間的な色一様性をもたらす。アプリケーション要件に依存して、Δu’v’＜0.05乃至Δu’v’＜0.015のような異なる空間的な色一様性が可能である。例えば、色の非常に正確な表示を必要とする医療用モニタ又は他のアプリケーションは、Δu’v’＜0.05を持つ或る実施例に従うバックライトを用いて製造され得るが、民生用モニタは、Δu’v’＜0.01を持つバックライトを用いて製造されてもよく、カメラのフラッシュのようなアプリケーションは、Δu’v’＜0.015を持っていてもよい。制御された角度色一様性を用いれば、光源１００から放射されている光を遮る必要性がないので、光源１００の効率は高められ得る。従って、装置１２０及び光源１００を含むシステムの全体的な性能は、一様な角度のＬＥＤが用いられるシステムと比べて、改善される。

図３Ａ及び３Ｂは、例えばカメラのためのフラッシュタイプの装置１２０と共に用いられ得る光源１００の例を図示している。図２Ｂは、波長変換素子１１０の上に横たわるダイクロイックフィルタなどの付加的な制御素子１１２を備える光源１１０を図示している。ダイクロイックフィルタ１１２は、角度の関数として異なるように光を伝送し、これは、角度依存性の制御の更なる手助けをする。他の例においては、角度依存性を適切に減らす又は制御するために、散乱素子が用いられ得る。図２Ｂに図示されているように、光源１００は、反射器１２２によって反射され、イメージングターゲット１２４において混合される青みがかった白色光１１４及び黄色っぽい光１１５を生成する。

光源１００は、必要に応じて、上部放射がほとんどなく、かなりの側部放射があるサイド（又はセミサイド）エミッタであり得る。図４は、波長変換素子１１０の上面１１０_ｔｏｐ上の上部反射器が必要ないセミサイドエミッタ構成の光源１００を図示している。図４に図示されているように、光源１００の側部１１０_ｓｉｄｅからの角度放射パターンは、ランバーシアンである。上部反射器を、（この実施例においてはＬＥＤ１０１の幅と同じである）波長変換素子１１０の幅Wに対する波長変換素子１１０の高さHの増大に置き換えることによって、ＬＥＤ１０１への光の反射の数が減らされる。ＬＥＤ１０１への反射は、非効率的であり、それ故、ＬＥＤ１０１への反射を減らすことによって、システムの損失は減らされる。更に、高さHを高くすることによって、波長変換素子１１０の側部１１０_ｓｉｄｅは、より大きな面積を持ち、これは、波長変換素子１１０の側部１１０_ｓｉｄｅからの光抽出の増大を供給する。波長変換素子１１０の高さHを幅Wに対して増大させることによって、光源１００は、光収集とは対照的な光抽出を必要とするアプリケーションに最適化される。例えばフラッシュ光学設計のようなアプリケーションにおいては、1メートル離れた1.05×0.8メートルのターゲットに光を向け、光の大部分を集めながら、光学部品が小さく保たれ得るように、小さく設計される供給源が望ましい。波長変換素子１１０の高さを高くすることによって、抽出される光は増大される。波長変換素子内のCe密度は、特定のアプリケーションにとって望ましい色点を生成するよう構成され得る。更に、空気中への光抽出の手助けをするために、波長変換素子に散乱粒子が付加され得る。

図５は、制御された角度色依存性を持つ光を放射する光源１００の別の実施例を図示している。光源１００は、例えば、ダイクロイック層、散乱層又は赤色蛍光体層であり得る波長変換素子１１０の上面に光学的に結合される薄いラミネート素子１１６を含む。必要に応じて、とりわけ、素子１１６が赤色蛍光体層であり、波長変換素子１１０がＬＵＡＧのような緑がかった蛍光体板であり、ＬＥＤが青色ＬＥＤである場合、素子１１６は、波長変換素子１１０とＬＥＤ１０１との間に配置され得る。更に、光源１００は、オーバーモールドしたドームレンズ１１８を含み得る。前記ドームレンズ１１８は、ケイ素、エポキシ又は他の適切な材料であり得る。これも、角度色非一様性の制御の手助けをし得る。望む場合、オーバーモールドしたドームレンズ１１８は用いられる必要はない。矢印１１４によって図示されている上部放射光は、青みがかった白色であり、ランバーシアン放射特性を持つ。矢印１１５によって図示されている側部放射光は、黄色っぽく、波長変換素子の高さH及び散乱によって構成される等方性放射特性を持つ。光源１００の角度依存放射は、バックライトなどの所望のアプリケーションにおける一様な空間的な色分布に変換され得る。

図６Ａ及び６Ｂは、一例として、バックライトタイプの装置１２０で用いられる複数の光源１００の平面図及びその一部の側断面図を図示している。バックライト１２０は、バックライト内の様々な位置にある単一光源１００から色、例えば青色対緑色／赤色を抽出する。従って、多数の光源１００を使用し、放射される光の角度色分布を制御することによって、バックライトアプリケーション内で、色の一様な空間分布がもたらされ得る。

図７は、一般にバックライトアプリケーションにおける導波路として用いられるＰＭＭＡアクリル樹脂の1mm当たりの吸収曲線を図示するグラフである。X軸は、波長を表しており、Y軸は、吸収率を表している。図８は、７２’’（インチ）サイズのＰＭＭＡ導波路の（曲線２０２によって図示されている）縁端部及び（曲線２０４によって図示されている）中央からのスペクトルの変化を図示している導波路のスペクトル吸収の影響を図示しているグラフである。X軸は、波長を表しており、Y軸は、相対スペクトル分布を表している。図８を見ても分かるように、導波路の中央におけるスペクトルの中央２０４は、導波路の縁端部２０２より含んでいる青色光が少ない。図９は、一様な角度及び空間入力を持つ従来の光源の場合の、距離にわたる、両サイドエッジ型バックライトのＰＭＭＡ導波路の（青色）吸収による理論上の色ずれを図示しているグラフである。X軸は、バックライトの対角サイズをインチ単位で表しており、Y軸は、中央から縁端部までのΔu’v’の変化を表している。図示されているように、従来の一様な角度の光源を用いる従来の導波路は、0.01より大きく、実際には0.02までであるΔu’v’を持つ。

従って、図７、８及び９のグラフを見ても分かるように、ＰＭＭＡ導波路によって、距離にわたって、より多くの青色光が吸収され、その結果、このような導波路は、導波路の中央において、導波路の縁端部より少ない青色光を持つ。更に、図９に図示されているように、Δu’v’シフトは、距離にわたってほぼ線形な変化を持つ。制御された非一様な角度色分布の光源１００を用いることで、ＰＭＭＡ材料における青色吸収を補償して、バックライトアプリケーションにおいてより一様な色分布をもたらすよう、より多くの青色光が、直接、導波路の中央の方へ放射され得る。図１０は、一例として、角度にわたって0.01より大きいΔu’v’シフトを持つ、制御された角度色非一様性を持つ光源を用いている以外は図９に示されているものと同様の、理論上のＰＭＭＡ導波路の吸収を図示している。図１０に図示されているように、結果として生じる空間的な色一様性は、0.01未満のΔu’v’を持つ。

教示目的のために、本発明を、特定の実施例に関連して説明しているが、本発明は、これらの特定の実施例に限定されない。本発明の範囲から逸脱せずに、様々な変更及び修正がなされ得る。それ故、添付の請求項の精神及び範囲は、上記の記載に限定されてはならない。

Claims (1)

1. 光源であり、
   青色光を発する発光ダイオードと、
   前記発光ダイオードの上に配置され、青色光をより長い波長を持つ光に変換する波長変換素子であって、高さ及び幅を持つ波長変換素子と、
   を有し、前記高さと前記幅との比が、０°から９０°までの角度分布内でΔu’v’＞0.015の非一様な角度色分布を持つ光を生成するよう選択されている、
   光源と、
   前記発光ダイオード及び前記波長変換素子から放射される光を受けるように結合された光デバイスであって、当該光デバイスは、前記発光ダイオード及び前記波長変換素子によって放射される前記非一様な角度色分布よりも一様な角度色分布を当該光デバイスの出力において作り出すよう、前記発光ダイオード及び前記波長変換素子によって放射される前記非一様な角度色分布を少なくとも部分的に補償する非一様な色放射特性を有する、光デバイスと、
   を有する装置。

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