JP2017533590A - 指向性発光装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

鮮鋭に画成されたビームプロファイルを持つ光の指向性投射を生成する発光装置を提案する。反射側面コーティング（３４）を持つ頂面発光ソリッドステート光源（１２）からの光が、補助コリメートじょうご（１８）を伝播される前に、ビーム整形光学系（１６）により予備コリメートされ、なおも過大なエスケープ角度を持つ光線が捕捉される。薄膜の側面コーティング及び普通よりも小さい蛍光体層の使用によって、チップスケールパッケージ寸法が達成され得る。基板レベルプロセスフローが更に、複数のデバイスの並行処理を可能にする。

Description

本発明は、指向性光ビームを作り出すように適応された発光装置に関する。

多様な照明用途及び信号伝達用途で、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）などのソリッドステート光源がますます使用されるようになっている。例えば白熱灯又は蛍光灯などの伝統的な光源に対するＬＥＤの利点は、長い寿命、高いルーメン（光束強度）効率、低い動作電圧、及び高速なルーメン出力の変調を含む。汎用の照明用途では、ランバーシアン配光を放つＬＥＤが一般的に使用されている。

しかしながら、例えば自動車前方照明などの多くの用途では、指向性のある光源が好ましい。典型的に、そのような指向性は、単一方向にのみ光が漏れ出ることを可能にするように適応されたＬＥＤである‘頂面発光’ＬＥＤの使用によって達成されている。

指向性に加えて、しばしば、高度に投射的でビーム状の放射も望ましく、高コントラストを実現することができる構成を必要とする。例えば、‘ロービーム’自動車前方照明は、対向する交通に対する眩しさを回避するように特定の臨界角度よりも下方にのみ光を投射するものであり、放射において水平方向の鮮鋭なカットオフ（遮断）を必要とする。同様の要件が、ロービーム及びハイビームの機能を持つ将来のマトリクス型ヘッドライトにも必要とされる。加えて、横方向の鮮鋭なコントラストも望ましく、その場合、各ＬＥＤが、ビームの高さにおいてだけでなく幅においてもはっきりしたカットオフを作り出すことができ、それ故に、水平線のうちの特定のセグメントのみにわたって投射する。

高コントラスト放射は典型的に、１つ以上の頂面発光ＬＥＤから放射された光の、より高レベルの光学系を用いた更なるコリメーションによって達成されている。特に、主の光学素子（典型的にコリメータ又はリフレクタ）と補助の光学系（典型的にレンズ）とが頻繁に使用されている。

しかしながら、このような構成においては、典型的に、コリメーション角度及び所望のカットオフに関する要件が、下方のＬＥＤの横方向寸法をかなり上回る横方向寸法を持つ光学素子を必要とし、それにより、パッケージによって課される全体的なフットプリントを拡大させてしまう。例えば、サイズ１．０ｍｍ×１．０ｍｍの入力ＬＥＤダイを用いて、法線の上及び下に４０度のコリメーション角度を達成するには、全反射レンズ及び該レンズと光源との間の空隙を持つ典型的なコリメータは、およそ２．７×１．６×１．６ｍｍ^３の寸法を持つことになる。空隙のない構成では、この寸法はおよそ３．５×２．３×２．３ｍｍ^３になる。同様に、全反射に基づくのではなくリフレクタに基づくオープンなコリメータでも、典型的な寸法は１．５×１．６×１．６ｍｍ^３になり得る。故に、理解され得るように、ＬＥＤダイサイズと比較してフットプリントがかなり大きくなってしまう。

故に、経度方向及び緯度方向の鮮鋭なカットオフを持つが、光学素子がＬＥＤパッケージのフットプリントへのかなりの拡大を招かないようにして、高度に指向性のある光放射を達成することができる構成が望まれる。これは、アプリケーション内でのいっそう高いＬＥＤモジュール密度、モジュールのアレイの単純化された組立て、及びパッケージの高められた全体的適応性を可能にするであろう。

本発明は請求項によって定められる。

本発明の一態様によれば、指向性光ビームを作り出すように適応された発光装置が提供され、当該発光装置は、
発光頂面及び横方向の１つ以上の側面を持つソリッドステート光源と、
上記１つ以上の側面を覆う反射構造と、
光源より光学的下流に位置付けられた微細構造化ビーム整形構成と、
指向性光ビームの角度広がりを制限するために、反射構造の上に位置付けられた不透明な光学体であり、該光学体は、ソリッドステート光源からの光を受けるための、該光学体の底面にある第１の開口と、該光学体の頂面にある上記第１の開口よりも大きい第２の開口まで通じた、光源の発光頂面に対して垂直な軸を取り囲むテーパー状じょうご構造と、を有する光学体と、
を有する。

本発明は、光源の装置を光学素子及び構造とともに有し、これらが組み合わさって、鮮鋭な角度カットオフを持つコリメートされた光投射を生成する。これは、光源から放たれた光を‘予備コリメート’する第１のビーム整形光学素子を、なおも過大なエスケープ角度を持つ光線を捕捉する第２の光学体とともに有する。光源それ自体が、その側面で反射構造によって取り囲まれることで、光が上向き表面を通してのみ脱出することを確保し、さらに、横向き表面を通しての潜在的な光リークを阻止することによって、光源の輝度を向上するように作用する。側方に向けられた光は、光源の方に反射され返され、又は上向き表面を通るよう上方に反射される。好ましくは、ビーム整形構成は、それを出て行く光線の大部分が既に補助光学体の角度カットオフに従っているものとなるよう、十分に強くコリメートする。しかしながら、ビーム整形光学系の受け入れ可能角度の外側となり、従って所望の角度にコリメートされない光は、この補助的な不透明光学体によって捕捉される。

この構成は、有意に縮小された寸法を持つが、高度に方向付けられた放射と、カットオフ角での高いコントラストとを可能にする。コリメート用の光学系が、反射性被覆された光源の側面と組み合わさって、高い度合いの指向性を確実にするとともに、補助光学体が、異常な向きの光線を捕捉することによって、高い輝度コントラストを確実にする。

ソリッドステート光源は、如何なるタイプのＬＥＤを有していてもよく、又は、より具体的に、パターンドサファイア基板を有していてもよく、そして好ましくは、チップスケールパッケージＬＥＤとし得る。

微細構造化によって意味されることは、単一のレンズ又はプリズムではなく、（１次元又は２次元）アレイ状のビーム整形コンポーネントがビーム整形デバイスの面積全体内に存在するということである。これは、構造それ自体、及びビーム整形デバイスと光源との間の空間、の双方の高さが低減され得ることを意味する。

反射構造は、反射薄膜コーティングと支持ベース層とを有し得る。この構成においては、薄膜コーティングが、光源の横向き表面を覆って、光の漏れ出しを禁止する反射カバーを提供し、そして更に、隣接する支持ベース層が、装置のための構造を提供するとともに、上の補助的な不透明光学体のための支持も提供する。

薄膜構成は、装置全体のフットプリントが有意に縮小されることを可能にし、支持ベース層はもはや、面積において、ソリッドステート光源の発光頂面よりも大きくない。これは、光源の側面を薄膜のみに囲ませ、支持ベース層は光源の頂面のエッジ周りに置かれるようにすることによって達成される。斯くして、光源が頂面発光にされ、補助光学体が構造的に支持されるが、装置全体の寸法は、ソリッドステート光源それ自体の寸法を超えて延在していない。

発光装置は更に、ソリッドステート光源の発光頂面の面積よりも小さい面積を持った、光源より光学的下流且つビーム整形構成より光学的上流に位置付けられた蛍光体層、を有し得る。この種のアンダーサイズにされた蛍光体層は、装置全体のフットプリントの寸法を更に縮小し、さらに、光源の見掛け上の放射サイズを縮小することによって輝度を向上させる。蛍光体は、ルミラミック（登録商標）タイプの蛍光体を有し得る。アンダーサイズにされた蛍光体を、薄膜構成（及び縮小されたサイズの支持ベース層）と組み合わせて使用することは、真のチップスケール寸法での低背の指向性ライトの実現を可能にする。

発光装置は、光源より光学的下流且つビーム整形構成より光学的上流の空隙を有し得る。ビーム整形光学系と光源との間の空隙は、小さくされたコリメーション角度及びいっそう狭いビーム幅（所与の伝播距離に関して）を生成する。故に、空隙は、補助コリメート光学体の寸法を増大させることなく、より狭いコリメーション角度を可能にし得る。

不透明な光学体は、非反射性表面を持つ黒体、又は反射性表面を持つ物の何れかを有し得る。非反射性（すなわち、完全に吸収性）の物を用いることは、二次的な反射光線が実質的に生成されず、結果として、パッケージの全体高さが有意に低減され得るという利点を持つ。これは、例えば全反射に基づくコリメータ（二次光線が生成され、それがその後に、所望の限界内である伝播角度を得るために、コリメータの表面で何回か反射しなければならないものである）とは対照的である。

各光源を取り囲む黒い非反射表面はまた、放射ビームのコントラストを増強するように作用する。じょうご表面、光学ビーム整形器、又は光学的下流のその他の表面の何れかによって、光源の方に反射され返す光は、ソリッドステート光源の通常の反射性の周囲によって反射され返すのではなく、吸収され捕捉される。斯くして、光源パッケージの輝度が光源それ自体にいっそう集中され、その周囲からの迷光は無視することができる。実際には、理想的に光源はこの装置内の唯一の輝度源であり、放射される光線は、この一箇所のみから生じる。

ビーム整形構成はフレネルプレートを有し得る。

一実施形態において、より広い照明ユニットを形成するよう、複数の発光装置が組み合わされ得る。例えば、ＬＥＤ自動車照明においては、要求される全体的な明度を生成するために、各ヘッドライトユニット内で２つ以上のＬＥＤパッケージが使用される。また、様々な結果的ビームプロファイルを生成するために、発光装置の様々な形状の構成が使用され得る。

本発明の他の一態様によれば、複数の発光素子を製造する方法が提供され、当該方法は、
各ソリッドステート光源ユニットが発光頂面及び１つ以上の横側面を持った、複数のソリッドステート光源ユニットを用意し、
プロダクトキャリア板を用意し、
プロダクトキャリア板上に上記複数のソリッドステート光源ユニットを分布させ、
光源ユニットの上記１つ以上の横側面を覆う反射ベース構造を提供するよう、分布されたソリッドステート光源ユニット間の隙間を反射材料で充填し、
反射ベース構造の上に微細構造化ビーム整形構成を設け、
各々がその底面に第１の開口を持つ複数のじょうご構造、を有した不透明な光学体を用意し、
第１の開口が、対応するソリッドステート光源ユニットの上にあり、且つ各じょうご構造が、対応する光源ユニットの発光頂面に対して垂直な軸を取り囲むように、反射ベース構造の頂面上に不透明な光学体を位置付け、且つ
この構成を個片発光エレメントへと分離する、
ことを有する。

この方法は、基板レベルでのプロセスフローを有し、例えばラミネーション技術及び成形技術の使用を通じて、複数の発光素子の並行処理を可能にする。

ソリッドステート光源ユニットは、例えばパターンドサファイア基板ＬＥＤなどのソリッドステート光源を有し得る。

この方法は更に、光源ユニットの１つ以上の横側面を覆う反射薄膜コーティングを設けることを有し得る。これは、例えば、分布された光源ユニット間の隙間を反射材料で充填することの前に供され得る。横向き表面を薄膜で覆うことにより、反射ベース構造は、ソリッドステート光源の発光頂面の外側まで延在する必要がない。何故なら、光源の横向き表面は、薄膜によって既に覆われているからである。斯くして、各個片発光エレメントの反射ベース構造は、面積において、ソリッドステート光源の発光頂面よりも大きくないとし得る。

この方法は更に、対応するソリッドステート光源ユニットに対して空隙が存在するようにビーム整形構成を設けることを有し得る。

以下、以下の図を含む添付図面を参照して、本発明の例を詳細に説明する。
本発明に従った発光装置の第１の例を示している。 本発明に従った発光装置の上面図を示している。 本発明に従った発光装置の第２の例を示している。 光源とビーム整形構成との間に空隙を持った、発光装置の第３の例を示している。 薄膜側面コーティングを持った、本発明に従った発光装置の第４の例を示している。 薄膜側面コーティング及び空隙を持った、本発明に従った発光装置の第５の例を示している。 複数の発光素子を製造するための本発明の一例に従った方法についてのプロセスフローを示している。 複数の発光素子を製造するための本発明の一例に従った方法についてのプロセスフローを示している。 複数の発光素子を製造するための本発明の一例に従った方法についてのプロセスフローを示している。 複数の発光素子を製造するための本発明の一例に従った方法についてのプロセスフローを示している。 複数の発光素子を製造するための本発明の一例に従った方法についてのプロセスフローを示している。 本発明に従った個片ダイエレメント（ＳＤＥ）の例を示している。 本発明に従った個片ダイエレメント（ＳＤＥ）の例を示している。 本発明に従った個片ダイエレメント（ＳＤＥ）の例を示している。

本発明は、鮮鋭に画成されたビームプロファイルを持つ光の指向性投射を生成する発光装置を提供する。反射側面コーティングを持つ頂面発光ソリッドステート光源からの光が、補助コリメートじょうごを伝播される前に、ビーム整形光学系により予備コリメートされて、なおも過大なエスケープ角度を持つ光線が捕捉される。薄膜の側面コーティング及びアンダーサイズにされた蛍光体層の使用によって、チップスケールパッケージ寸法が達成され得る。基板レベルプロセスフローが更に、複数のデバイスの並行処理を可能にする。

この装置は、チップスケール寸法であるが、高いコントラストを持つ指向性のある光放射を達成するように設計される。チップスケール寸法によって意味されることは、パッケージとして考えた発光装置の寸法が、装置をチップスケールパッケージの状態にすると標準的に理解されるものの範囲に入るということである。高コントラスト放射によって意味されることは、生成されたビームが鮮鋭に画成された境界を持つ程度で、ビームエッジにおいて高コントラストであることである。

本発明の一部の例の中で使用されるビーム整形構成は、ビーム整形（ビームシェイピング）機能を果たす。この機能は、例えば、光が所望の視野を照らすように制御された出射角度範囲で出て行くという意味で、少なくとも部分的なコリメーション機能に近いものとし得る。以下の例では、説明の容易さのために、この光学機能を“コリメーション”として参照することとするが、理解されるように、これは限定するものとして見なされるべきでない。本発明は、様々な実施形態において、例えば或る範囲の異なる幅といった、或る範囲の異なるビーム形状を生成し得る。非常に幅広のビームプロファイルを生成する実施形態は、例えば、その機能が（表面法線とまっすぐ平行な出射角を持つ光線のみに放射を制限するという意味での）真のコリメーションの機能から非常にかけ離れたものであるビーム整形構成を含み得る。

図１に、本発明に従った発光装置の第１の例を示す。ソリッドステート光源１２は、反射構造１４によって取り囲まれた横向きの表面を有し、反射構造１４は該表面を覆うことで、光源１２の上向き表面を通してのみ光が脱出することができるようにされている。オプションで、ルミネセント蛍光体層２０も設けられてよく、この中に、光源１２の上向き表面を通して放たれた光が伝播される。この場合、反射構造は更に、光源１２に加えて、蛍光体層の横向き表面を覆い、その上向き表面のみを通して光が放たれることを確保する。

光源１２（又は設けられる場合の蛍光体層２０）の頂面にわたって、光源の（又は蛍光体層の）頂面を通して放たれた光に対してビーム整形機能を果たす光学体であるビーム整形構成１６が位置付けられている。特に、ビーム整形構成は、それを通り抜ける光をコリメート又は部分的にコリメートするように作用し得る。

じょうご状の構造を持つ補助的な（不透明）光学体１８が反射構造の頂部の上に位置付けられており、その主表面が、光源１２の発光頂面に対して垂直な軸を取り囲んでいる。このじょうご構造は、補助的なコリメート機能を果たし、ビーム整形構成１６の頂面を通じて出て行く光は、近位の開口からじょうご構造に入り、そして、その先端の遠位開口に向かって、じょうご構造の縦軸に沿って伝播する。過度に広い伝播角度でビーム整形構成を出て行く光線は、コリメートじょうごの表面上に入射し、表面によって吸収されるか、じょうごの近位端の方に反射され返すかの何れかである。斯くして、じょうごの境界によって定められる角度の範囲内に入る伝播角度を持つ光線のみが、遠位端を通して脱出することを許される。一好適例において、じょうごの中心の縦軸の基線に対する、じょうごの境界によって定められる角度は、４０度以下である。じょうごは円形とすることができ、その場合、この４０度以下の角度が構造の至る所で当てはまる。しかしながら、これは円形でなくてもよい。その場合、じょうごの中心縦軸の基線とじょうごの上端における任意の点との間の最大の角度が４０度以下であるとし得る。

図２は、図１の例の上面図を示しており、装置の上面にわたって不透明光学体１８及びビーム整形構成１６である２つの光学素子の延在部全体が示されている。

ビーム整形構成１６の光学特性は、具体的な所望のビームプロファイルに従って、より大きい又は小さい程度のコリメーションを提供するように選定され得る。好適な一実施形態において、最終的に出力される光のビームプロファイルを実質的に決定するのはビーム整形構成であり、補助コリメートじょうご１８は、ビーム整形構成を通じて放たれた光全体のうちの小さい割合のみを捕捉する。

一実施形態によれば、ビーム整形構成１６は、フレネル（Fresnel）プレート又はフレネルフォイルで構成される。フレネルフォイルは、フレネルレンズの原理に基づくコリメーション又は部分的コリメーションの光学特性によって特徴付けられる。プレートは、例えば、光源の方を向いた、又は光源に背を向けた、角柱溝又は角柱／角錐構造の対称的又は非対称的なアレイを有し得る。角柱素子又は角錐素子は、プレートにわたる様々な箇所で様々な程度だけ入射光を屈折させるよう、それらの形状又は他の光学特性において、プレートの表面にわたって様々であるとし得る。要求される特定の程度のコリメーションを生成するよう、形状又は他の光学特性における全体分布が選定され得る。

フレネルレンズは、有意に低減された質量及び厚さで大きい口径及び短い焦点距離が達成可能であるという点で、従来レンズに対する有意な利点を持つ。フレネル構造は、従来レンズの対応する部分と比較して有意に薄く製造されることができ、フレネルフォイル又はフレネルプレートの場合、平坦なシートの形態をとり得る。短い焦点距離は、それらを、小型化された照明用途に特に適したものとし、最小化された厚さは、照明パッケージの全体高さの低減を可能にする。

フレネル構造はまた、従来レンズより大きく傾いた角度の光を捕捉することができ、より効率的なコリメーション動作を可能にし、すなわち、さもなければ従来レンズの受け入れ可能角度の外側となり得たであろう光源１２を出射する斜め光線が、それにもかかわらずに、フレネルフォイルによって捕捉されてコリメートされる。これは、補助コリメートじょうご１８によって犠牲とされなければならない光が少ないので、照明パッケージのいっそう高い全体効率を可能にする。

一例によれば、ビーム整形構成は、円形にではなく直線的に配列された一組の平行な角錐状リッジを持つ１つ以上の光学シートを有することによって特徴付けられる増強又は適応されたフレネルフォイルを有する。特に、この構成は、構造化された層を各シートが有した２つの微細構造シートを有することができ、これらの構造化層は、光源に背を向けた細長い局所的に平行なリッジのアレイを有するとともに、各リッジの先端に頂角を有し、一方のシートのリッジ群が、局所的な交角が３０度と１５０度との間であるように、他方のシートのリッジ群と交差され得る。これら交差されたリッジ群が、複数の特定の角度で入射する光を反射するとともに、その他の角度で入射する光を屈折及び透過させる。この変形例は、特定の臨界角のコーン（円錐）内でこの構造に入射する光が蛍光体又は光源の方に反射され返す一方で、この角度のコーンの外側の光が屈折及び透過されるという特定の利点を持つ。反射され返す光は、蛍光体（これが設けられる場合）の中で散乱され、その後、フレネルフォイルを通して脱出する二度目のチャンスを持つ。

この光リサイクリング特性は、屈折及び透過に関する臨界受け入れ角度の範囲外となる光線が、犠牲とされずに、反射を介して向け直されるので、強度の損失なしで、ビーム整形構成を蛍光体及び／又は光源の近くに位置付けることを可能にする。反射された光はなおも、向け直しの後にパッケージ内で何度か跳ね返って、ユニットを出て行くことになり、結果として、光源によって生成された光線の殆ど全てが、最終的に、所望のコリメーション角度範囲内でパッケージを出て行く。

コリメートじょうご１８の光学的な性質には、少なくとも２つの例が存在する。

第１の例によれば、コリメートじょうご１８は、非反射性表面を持つ黒体である。非反射性（すなわち、完全に吸収性）のボディを用いることは、二次的な反射光線が実質的に生成されず、結果として、コリメータの高さを有意に低減し得るという利点を持つ。これは、例えば全反射に基づくコリメータ（二次光線が生成され、それがその後に、所望の限界内である伝播角度を得るために、コリメータの表面で何回か反射しなければならないものである）とは対照的である。

吸収性の表面は、所望の角度限界の外側となる光が、反射されて向け直されるのでなく、犠牲にされることを意味するが、フレネルフォイルの使用は、光源によって生成された光全体のうちのほんの小さい割合のみがこのようにして失われることを確保する。従って、出力効率における有意な損失なしで、吸収性の補助コリメート体の寸法的な利点を達成し得る。

各光源を取り囲む黒い非反射表面はまた、放射ビームのコントラストを増強するように作用する。じょうご表面、光学ビーム整形器１６、又は光学的下流のその他の表面の何れかによって、光源１２の方に反射され返す光は、ソリッドステート光源の通常の反射性の周囲によって反射され返すのではなく、吸収され捕捉される。斯くして、光源パッケージの輝度が光源それ自体にいっそう集中され、その周囲からの迷光は無視することができる。

さらに、コントラストはまた、直に光源の周囲の反射構造材料を通じての潜在的なリークを阻止して吸収するように、黒い非反射性の光学体の材料を延在させることによっても向上され得る。反射構造それ自体は典型的に、体積散乱材料を構成する。このような材料は、厚さに応じて高度に反射性であるが、そうとはいえ、入射光のうちの幾らかの部分をなおも透過させ得る。単に不透明な構造又は層を頂部上に配置することによって、この材料を覆うことは、この潜在的なリークを阻止することの助けとなる。

第２の例によれば、コリメートじょうご１８は、反射性表面を持つボディである。この場合、過度に大きいエスケープ角度を持つ光は、吸収されて犠牲にされるのではなく反射される。この光は、例えば、ビーム整形光学系１６の方に反射され返すことができ、あるいは、コリメートじょうごの（１つ以上の）表面から更に反射されることができる。反射表面は、光が失われないこと、そして故に、効率が最大化されることを確保する。しかしながら、光線のうちの小さい割合がじょうご表面からの反射を介してじょうごの遠位端から漏れることがあり、これらは、じょうご形状によって定められる限界内の伝播方向を持たないので、コントラストが或る程度損なわれる。結果として、生成されるビームエッジは、大きめの不明瞭さを示し得る。しかしながら、黒体の場合と同様に、光線のうちの大部分は既に所望の角度限界に従っているので、フレネル光学系の使用がこの影響の程度を有意に制限し得る。

特定の一実施形態によれば、ソリッドステート光源は半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）である。

しかしながら、他の例においては、例えば、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）、ポリマー発光ダイオード（ＰＬＥＤ）、又はレーザ光源といった、その他のソリッドステート光源が使用される。ソリッドステート光源は、例えば白熱照明源又は蛍光照明源などとは対照的に、それらの小さい質量及び寸法、並びにそれらの低い発熱及び低減された寄生エネルギー消散のおかげで、本発明に特に適用可能である。

他の一実施形態によれば、本発明によって使用されるＬＥＤは、特に、パターンドサファイア基板（patterned sapphire substrate；ＰＳＳ）チップスケールパッケージ（chip scale package；ＣＳＰ）ＬＥＤである。パターンドサファイア基板ＬＥＤは、より従来の基板組成のＬＥＤと比較して輝度が高められるという利点を持つ。サファイア基板の表面上でのパターン加工は、基板境界に到達してＬＥＤ内に反射され返す光の量を低減し、ひいては、素子の全体的な輝度を向上させる。

一好適例において、青色ＰＳＳ ＣＳＰ ＬＥＤが使用される。この場合、生成された青色を、フォトルミネセンスを用いて（略）白色光に‘変換’することで、白色光放射を達成し得る。

図１の例は、光源１２とビーム整形構成１６との間に位置した、装置によって出力される光のスペクトルを変更するように機能するものである専用の蛍光体層２０を示している。理解されるべきことには、このような蛍光体層を有する装置は、最も広い意味での本発明ではなく、本発明のうちの限られた例である。最も単純な実施形態においては、既に所望のスペクトルを持つ光を放つソリッドステート光源が選択され、故に、ルミネセント蛍光体は必要とされない。

光源が、上述のような青色ＰＳＳ ＣＳＰである場合、例えばＹＡＧ（Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２）からなる蛍光体層２０が使用され得る。これは、セリウム（ＩＩＩ）ドープされたＹＡＧ（Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋）であってもよいし、そうでなくてもよい。このような層は、青色ＬＥＤからの光を吸収し、出力の大部分を黄色として緑色から赤色までの広域で発光するように作用する。結果として得られる放射は、白色光出力に近いものである。

青色ＬＥＤ用の蛍光体のその他の例は、紫外光及び可視光を吸収して強烈な広帯域可視放射を放つものであるの一部のフォトルミネセント希土類ドープされたサイアロンセラミック、例えばユウロピウム（ＩＩ）ドープされたβ−ＳｉＡｌＯＮなど、を含む。白色放射の場合、青色ＬＥＤが緑色及び黄色のＳｉＡｌＯＮ蛍光体とともに使用され得る。

図１及び図４−８に示される特定の例では、その下の光源１２と比較して‘小型（アンダーサイズ）にされた’蛍光体層２０が設けられている。この場合、反射構造１４は、蛍光体の横向き表面を更に覆うために、内側に光源の横向き表面の境界を超えて、その上向き表面を部分的に覆って延在する。

しかしながら、蛍光体層は一般に、このようにアンダーサイズにされるのでなくてもよく、光源の頂面全体を覆うように延在してもよい。図３は、そのような構成の一例を示している。ここでは、蛍光体の横向き表面が光源のそれと揃っているので、理解され得るように、反射構造１４は、蛍光体の側面を覆うために光源の横向き表面の境界を超えて延在する必要はない。さらに、図３の特定の例では、補助コリメートじょうごが、その底面において、下の光源の幅に対して幅広にされている。斯くして、開口の全体的なサイズが縮小され、それにより、アンダーサイズにされた蛍光体の使用によって達成されるのと同等の放射面積が提供される。より小さい放射面積は、光源のいっそう高い見掛け上の明るさをもたらす。

また、上に重ねられるじょうご構造の底面が反射性にされてもよく、それにより、入射光子をリサイクルして下の蛍光体又は光源に戻すことが可能にされる。

さらに、図３の例では、ビーム整形構成が、不透明ボディ１８の内側境界同士の間のみに広がる横方向広がりを有している。実際には、この変形例は更に、先述又は後述の例の何れにも適用され得る。この構成の利点は、不透明じょうご１８を層１４及び２０の中に更に‘沈める’（図３には示されず）能力を含み、それにより、この構造を下の構成に‘閉じ込める’とともに、層１４及び／又は１６及び／又は２０の側面からの光線の漏れ出しを阻止する更なる支援となる。

ビーム整形構成１６の光学特性を改変することに加えて、放射される光のプロファイルはまた、光源１２の頂面とビーム整形構成の入射面との間に低屈折率媒体の層を含めることによっても変化され得る。

従って、その一例が図４に示される一実施形態において、光源１２とビーム整形プレートとの間に（又は、蛍光体層２０とビーム整形プレートとの間に）、放射される光がそれを横切って進めなければならない空隙２４が設けられる。このような空隙を含んだパッケージでは、生成されるビームは、空隙を含まないパッケージによって生成されるものよりも幾分狭いプロファイルを持つ。あるいは、等価的に、同じコリメーション効果の発生のために、空隙を有しない構成は、空隙を有する構成が必要とするものよりも大きい寸法の光学素子（すなわち、ビーム整形光学系及び不透明光学体）を必要とする。

空隙を含めることは、このギャップの空気から、もっと密なビーム整形光学系の材料へと通る光の屈折効果が、光線を法線の方に内側に曲げるので、光学部品の寸法を限られたものとする。この屈折は、実効的な追加のコリメーション効果として作用し、光線の伝播角度の範囲を狭め、ひいては、より小さいコリメートじょうご及び／又はビーム整形層を可能にする。

一典型例において、空隙は、ほんの数ミクロンの縦方向の広がりを有し得る。実際には、空隙は理想的には可能な限り小さい。所望の屈折効果は、空気層を横切るビームによって見られる進行距離には依存せず、故に、最小限の空気層が、対応する最小限の照明パッケージの全体寸法を可能にする。

理想的な一実施形態においては、パッケージ全体のフットプリントは、光源自体のそれを超えない。光源がＬＥＤである場合、これは、個片ダイエレメント（singular die element；ＳＤＥ）自体のフットプリントよりも大きくないフットプリントを持つ照明装置パッケージを意味することになる。ここで、個片ダイエレメントによって意味されるのは、蛍光体の有無にかかわらず単一のＬＥＤパッケージである。ＳＤＥの一例が図８ａに示されている。

これを実現するには、反射構造１４が光源１２の最大の横広がりを横方向に超えて延在しないことが要求される。しかしながら、このような制限は、本発明の中での反射構造の機能のうちの１つ、すなわち、光源に反射側面コーティングを設け、それにより光源を頂面発光のみにするという機能、を損ねてしまう。この難しさは、しかしながら、光源への追加の側面コーティング（パッケージ全体の横方向寸法に最小限のみを追加するもの）で反射構造を補完することによって解消され得る。

従って、図５に、光源１２、及び設けられる場合に蛍光体層２０、の横向き表面を覆うように反射薄膜側面コーティング３４が設けられる本発明の一実施形態を示す。この薄膜側面コーティングは、例えばスパッタリング堆積などの物理気相堆積（ＰＶＤ）プロセスによって、光源及び蛍光体層に設けられ得る。この層の材料は、例えば銀又はアルミニウムなどの１つ以上の反射金属の合金又はその他を有し得る。

薄膜コーティング３４が、横向きの光線を光源１２の方に反射し返す役割を果たすので、反射構造１４は結果として、光源１２の上向き表面のエッジの外側まで延在しないように、その横方向寸法において制限されることができる。この構造は、このような縮小された寸法であっても、本発明の中での自身のその他の機能、すなわち、それ及びビーム整形構成１６の頂部上に位置付けられる不透明光学体１８に対する構造的支持を提供するという機能、を果たすことができるままである。斯くして、パッケージ全体が、真のチップスケール寸法を有し得る。

図５の例にて供されるようなアンダーサイズにされた蛍光体層２０は、それを取り囲む外周表面を、その上に反射構造１４が置かれて支持を見出すことが可能なものとして残し、代わってこの反射構造が、上の不透明光学体１８のための支持を提供する。しかしながら、これに代わる一例においては、図３の例においてのように、光源の頂面全体にわたって延在する通常サイズの蛍光体が使用されてもよく、これらの層の側面に薄膜コーティングが設けられる。この場合、反射構造１４は完全に排除されてもよく、不透明光学体は完全に蛍光体層２０によって構造的に支持される。

この薄膜は、上述の実施形態の何れにおいても、それらをチップスケール寸法のものにするために設けられ得る。例えば、図６には、反射構造が縮小され且つ薄膜側面コーティングが施された、図４に示したものと同様の、空隙を有する構成の一例が示されている。

多くの用途において、複数の発光装置が必要とされ、より広い照明ユニットを形成するように組み合わされる。例えば、ＬＥＤ自動車照明においては、要求される明度を生成するために、各ヘッドライトユニット内で２つ以上のＬＥＤパッケージが使用される。また、様々な結果的ビームプロファイルを生成するために、本発明に従った発光装置の様々な形状の構成が使用され得る。例えば、円形のビームプロファイルを生成するために、円形構成の照明パッケージが使用され得る。

チップスケール寸法の照明装置は、基板レベルでのプロセスフローを持つ製造方法を可能にし、すなわち、基板レベルからビルドアップする方法を用いて、本発明に従った複数の照明装置が同時に製造され得る。

従って、本発明に従った複数の発光素子を製造する方法の一例のプロセスフローにおけるステップを、図７ａ−７ｅに示す。図７ａに示すように、先ず、プロダクトキャリア４０の上に、必要とされるピッチで、複数の光源ユニット２６が再配列される。図７ａの光源ユニット２６の１つの例を、図８ａに更に詳細に示す。このユニットは、プロダクトキャリア板４０との接続をなすための２つのインターコネクト３８の上にマウントされたソリッドステート光源１２で構成されている。

図８ａ及び図７ａ−７ｅに示す例において、光源ユニットは更に、アンダーサイズにされた蛍光体層２０を有している。図１−６の例の場合と同様に、蛍光体層は、本発明のこの態様の必須要素と見なされるべきでない。例えば、ソリッドステート光源が青色ＬＥＤである場合、白色放射を生成するためには、蛍光体を備えた光源ユニットが望ましいとし得る。しかしながら、他の一例においては、固有の白色発光を持つ光源が使用され、故に、蛍光体層は必要とされない。

光源ユニット２６を分布させることに続き、図７ｂに示すように、これらの光源ユニット間の隙間が反射材料４２で充填される。この反射材料は、光源ユニットの１つ以上の横側面を覆う反射ベース構造を提供する。この充填プロセスは、ディスペンスプロセスを有することができ、例えば、シリンジ又はその他の付与ツールの使用によって、光源ユニット間に反射材料４２を付与することを有し得る。他の一例において、このプロセスは成形を有していてもよい。

形成される反射ベース構造の材料は、例えば、反射性である酸化チタンを有するシリコーン組成物を有し得る。

図７ｃに示すように、その後、反射ベース構造４２の上にビーム整形構成４４が設けられる。ビーム整形構成は、例えばフレネルフォイルを有することができ、あるいは代わりに、ビーム整形機能を提供する異なる光学構成を有し得る。一部の例において、ビーム整形構成４４は、前もって作製済みであって、その後に、例えばラミネーションにより、反射ベース構造４２に貼り付けられてもよい。しかしながら、他の例において、ビーム整形構成は、例えば印刷プロセス又はスピン塗布プロセスにより、その場で形成されて設けられてもよい。

何れの例でも、構成４４は、単一の完全なる構造として形成されて設けられてもよいし、あるいは代わりに、複数段階で形成され且つ／或いは設けられてもよい。この構造が事前に作製される場合、１つのピースとして形成されるが、その後に切断されて多数段に設けられてもよい。この構造がその場形成される場合、１つのプロセスステップとして、照明ユニットのアレイ全体にわたって形成されてもよいし、例えば各照明パッケージの上に個別にこの構成のピースを印刷して、複数のサブステップを介して形成されてもよい。

最後の一例として、ビーム整形構成４４は、単一の連続構造として形成され且つ／或いは設けられ、そして、複数の特定部分が例えば機械的切除プロセス又はレーザ切除プロセスによって除去される後続プロセスに掛けられてもよい。例えば図３の実施形態例において、ビーム整形構成は、不透明じょうご１８の内側境界間にのみ延在している。このような構成は、上述のような切除プロセスによって実現されてもよく、すなわち、設けられた後に、じょうご１８のフットプリントと一致する構成１６の区画が除去される。他の例では、これらの区画は、前段落に記載されたプロセス例のうちの１つによって、構成４４を設ける前に排除されてもよい。

ビーム整形構成４４が設けられると、続いて、図７ｄに示すように、反射ベース構造の頂部上に、複数のじょうご構造を持つ不透明光学体４６が位置付けられる。複数のじょうごの各々が、その底面に第１の開口を有し、この構造は、各々の第１の開口が対応するソリッドステート光源ユニット２６の上にあるように位置付けられる。ボディ４６を設けることは、例えばオーバーモールド処理によって実行されることができ、又は他の一例において、ボディ４６は、事前に作製され、その後に、適切な位置で反射ベース構造に固定され得る。

図７ｄに示した例では、不透明光学体４６は層４２の頂面より上に位置付けられている。しかしながら、これに代わる例では、このボディは、層４２の中に埋め込まれ又は沈められてもよく、それにより、これが適所に係止されるとともに、このボディが蛍光体層の横向き表面から漏れる光を阻止する機能を果たすことが更に可能になる。

最後に、図７ｅに示すように、図７ｄの構造が、個々の個片ダイエレメント（ＳＤＥ）へと分離される。このプロセスによって製造されるＳＤＥの一例を、図８ｃに示す。

図７に示した例において、反射材料４２は、個片ダイエレメント（ＳＤＥ）（その一例を更に詳細に図８ｂに示す）がビーム整形構成１６の直下に空隙２４を組み入れるように、照明ユニット２６の頂面の高さ位置よりも高い高さ位置に設けられている。図４の実施形態の場合と同様に、空隙を含めることは、ＳＤＥによって生成されるビームのプロファイルを変化させ、特に、空隙は、作り出されるビームを狭くすることになる。

空隙が組み入れられる場合、これは例えば、図７ａの構成を、図７ｂに示した高さまで反射材料で充填し、その後、各照明ユニットの真上の該材料の部分を除去することによって達成され得る。他の例では、照明ユニット間の隙間を反射材料４２で充填すること（図７ｂにおいてのように）の前に蛍光体（又は光源）の上に追加で犠牲層が設けられてもよい。この場合、反射材料４２が設けられた後に単純に犠牲層を除去することによって、空隙が達成される（これは、犠牲層の頂面の高さまで隙間を充填することを有する）。

空隙を含むＳＤＥを製造し得る方法には、その他３つの変形例が存在する。第１の例では、埋め込まれた空洞と、空気を充たされた頂部層を備えたＹＡＧ（Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２）の積層体と、を含む層状蛍光体が使用される。この場合、故に、蛍光体層２０は実効的に、図８ｂ及び８ｃのＳＤＥの例において蛍光体層及び空隙２４によって占有される空間全体を充たすように延在する。しかしながら、蛍光体層それ自体が更なる層状構造を有し、その最も上の層が空気で充たされる。

第２の例では、隙間を反射材料４２で充填することの前に、（蛍光体を有する又は有しない）光源ユニット２６の上に、空気封入を組み込んだシート材料層が貼り付けられる。このシート材料は、空隙の役割を果たすとともに、さもなければ反射材料４２によって占有される高さまで延在し得る。

第３の例では、反射ベース構造４２の上に不透明光学体４６を設けることの前に、（蛍光体を有する又は有しない）光源ユニット２６の上に、一時的な充填材料（例えば、レジスト）が設けられる。光学体の固定に続き、光源ユニット２６の真上の空間から、一時的な充填材料が除去され、これらの空間が、上の光学体によって覆われずに残される。充填材料は、例えば溶剤の使用によって、容易に除去されることができ、これの一般的な適用は、各光源ユニットの真上の覆われていない空間のみに侵入し、その上の光学体を構造的に支持する充填材料には触れないままである。

空隙を有する又は有しない複数のソリッドステート照明装置を製造する方法の他の一例においては、図７ａ−７ｅの方法が、光源ユニット２６の１つ以上の横側面を覆う反射薄膜コーティングを設ける追加のステップによって補われる。側面コーティングは、反射材料４２を設けることの前に光源ユニット２６に適用されなければならない。例えば、側面コーティングは、準備のステップとして、後にキャリア板４０の上に光源ユニットを分布させること（図７ａに示したように）の前に、各光源ユニットに個別に設けられ得る。側面コーティング層は、例えば、銀又はアルミニウムとし得る。

薄膜コーティングが設けられる場合、光源ユニットは、プロダクトキャリア板４０上で、互いにもっと近くに配置され得る。何故なら、反射材料４２によって作り出される反射構造は、ビーム整形構成４４及び不透明光学体４６の構造的支持を提供することのみを必要とし、照明ユニット２６の横側面への反射カバーを提供する必要はないからである。この場合、図７ｅの分離ステップによって製造されるＳＤＥは、図５又は６に示した装置の形態を有し得る。

開示した実施形態へのその他の変形が、図面、本開示及び添付の請求項の検討から、請求項に係る発明を実施する当業者によって理解されて実現され得る。請求項において、用語“有する”はその他の要素又はステップを排除するものではなく、不定冠詞“ａ”又は“ａｎ”は複数であることを排除するものではない。複数の特定の手段が互いに異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、それらの手段の組み合わせが有利に使用され得ないということを指し示すものではない。請求項中の如何なる参照符号も、範囲を限定するものとして解されるべきでない。

Claims (15)

1. 指向性光ビームを作り出すように適応された発光装置であって、
   発光頂面及び１つ以上の横側面を持つソリッドステート光源と、
   前記１つ以上の横側面を覆う反射構造と
   を有し、
   前記反射構造は、反射薄膜コーティングと支持ベース層とを有し、
   前記支持ベース層は、面積において、前記ソリッドステート光源の前記発光頂面よりも大きくない、
   発光装置。
2. 前記ソリッドステート光源はＬＥＤである、請求項１に記載の発光装置。
3. 前記ソリッドステート光源は、パターンドサファイア基板チップスケールパッケージＬＥＤである、請求項２に記載の発光装置。
4. 前記光源より光学的下流に位置付けられた微細構造化ビーム整形構成、を有する請求項１の何れかに記載の発光装置。
5. 当該発光装置は、前記指向性光ビームの角度広がりを制限するために、前記反射構造の上に位置付けられた不透明な光学体を有し、該光学体は、前記ソリッドステート光源からの光を受けるための、該光学体の底面にある第１の開口と、該光学体の頂面にある前記第１の開口よりも大きい第２の開口まで通じた、前記光源の前記発光頂面に対して垂直な軸を取り囲むテーパー状じょうご構造とを有する、請求項１乃至４の何れかに記載の発光装置。
6. 前記ソリッドステート光源の前記発光頂面の面積よりも小さい面積を持った、前記光源より光学的下流且つ前記ビーム整形構成より光学的上流に位置付けられた蛍光体層、を有する請求項４の何れかに記載の発光装置。
7. 前記光源より光学的下流且つ前記ビーム整形構成より光学的上流の空隙、を有する請求項４乃至６の何れかに記載の発光装置。
8. 前記不透明な光学体は、非反射性表面を持つ黒体、又は反射性表面を持つ物である、請求項５乃至７の何れかに記載の発光装置。
9. 前記ビーム整形構成はフレネルプレートである、請求項４乃至８の何れか一項に記載の発光装置。
10. 請求項１乃至９の何れかに記載の発光装置を複数有する照明ユニット。
11. 複数の発光素子を製造する方法であって、
    各ソリッドステート光源ユニットが発光頂面及び１つ以上の横側面を持った、複数のソリッドステート光源ユニットを用意し、
    プロダクトキャリア板を用意し、
    前記プロダクトキャリア板上に前記複数のソリッドステート光源ユニットを分布させ、
    前記光源ユニットの前記１つ以上の横側面を覆う反射ベース構造を提供するよう、前記分布されたソリッドステート光源ユニット間の隙間を反射材料で充填し、
    前記光源ユニットの前記１つ以上の横側面を覆う反射薄膜コーティングを設け、各個片発光エレメントの前記反射ベース構造は、面積において、前記ソリッドステート光源の前記発光頂面よりも大きくなく、且つ
    この構成を個片発光エレメントへと分離する、
    ことを有する方法。
12. 前記ソリッドステート光源ユニットは、パターンドサファイア基板チップスケールパッケージＬＥＤを有する、請求項１１に記載の方法。
13. 前記反射ベース構造の上に、微細構造にされたビーム整形構成を設ける、ことを有する請求項１１又は１２に記載の方法。
14. 前記ビーム整形構成を、対応するソリッドステート光源ユニットに対して空隙が存在するように設ける、ことを有する請求項１３の何れかに記載の方法。
15. 各々がその底面に第１の開口を持つ複数のじょうご構造、を有した不透明な光学体を用意し、
    前記第１の開口が、対応するソリッドステート光源ユニットの上にあり、且つ各じょうご構造が、対応する光源ユニットの前記発光頂面に対して垂直な軸を取り囲むように、前記反射ベース構造の頂面上に前記不透明な光学体を位置付ける、
    ことを有する請求項１１に記載の方法。

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