JP2018525794A - 光源 - Google Patents

Abstract

集積化光源は、第１のスペクトルを有する放出性放射源と、放出性放射源からの放出を方向付けるように位置付けられた光学要素と、放出性放射源から方向付けられた放出を、第１のスペクトルとは異なる第２のスペクトルを有する放出に変換するように位置付けられたボリューメトリックスペクトル変換器と、変換器の周りに位置付けられた光反射器と、出力フィルタであって、反射器は、変換器の放出を出力フィルタに向かって反射するように位置付けられる、出力フィルタと、放出性放射源、光学要素、変換器、反射器、およびフィルタを含んだ内部空洞を有するパッケージ本体であって、所望の光が空洞からフィルタを通って放射する、パッケージ本体とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は固体発光デバイスに関し、具体的には、指定された光経路および波長出力を有するものに関する。

従来の固体照明デバイスは通常、初期の放出された放射の一部分を使用可能なスペクトルに変換する１つまたは複数の遠隔の燐光体と組み合わされた遠隔燐光体システムの一部として、発光ダイオード（ＬＥＤ）、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）、またはレーザダイオード（ＬＤ）を用いる。遠隔燐光体システムは、その表面に燐光性粉末が堆積されたプラスチック、アクリル、ガラスなどの、反射性または透明な基板の組み合わせである。次いでこの基板は、初期の放出された光、通常は青色または青紫色コヒーレント光を、広スペクトルの非コヒーレント光に変換することができ、これは最も一般的には白色光である。

これらのデバイスは、より長い寿命、省エネルギー、およびより明るい光出力を含む利点のために、すでに白熱および蛍光光源より性能が優れている。しかし、上述されたものと同様なシステムは、ここしばらくの間使用されてきたが、依然として技術を妨げる問題を有する。これらの問題には、レーザ光の変換効率の低さ、レーザ光の一部または大部分が変換されないこと、危険なコヒーレント光の放出、ならびに放出される変換された光の方向および光経路を制御することの難しさが含まれる。

これらの理由により、現存の設計の総合的効率は、ＬＤベースのデバイス（最も効率的な設計）が分析されたときでも比較的低いままである。さらにＬＤを用いて一次光入力をもたらす従来の設計は、遠隔の燐光体要素を完全に飽和させる。この過飽和は、コヒーレントレーザ光の不注意な放出に繋がる可能性があり、これは敏感な電子回路、材料、眼、および皮膚に損傷を引き起こし得る。

したがって、当技術分野において、極めて高い動作および変換効率を有し、複数の環境での使用のために安全な、改善された固体光源の必要性がある。

集積化光源は、第１のスペクトルを有する放出性放射源と、放出性放射源からの放出を方向付けるように位置付けられた光学要素と、放出性放射源から方向付けられた放出を、第１のスペクトルとは異なる第２のスペクトルを有する放出に変換するように位置付けられたボリューメトリックスペクトル変換器と、変換器の周りに位置付けられた光反射器と、出力フィルタであって、反射器は、変換器の放出を出力フィルタに向かって反射するように位置付けられる、出力フィルタと、放出性放射源、光学要素、変換器、反射器、およびフィルタを含んだ内部空洞を有するパッケージ本体であって、所望の光が空洞からフィルタを通って放射する、パッケージ本体とを含む。

次に図面を参照する。図面中、類似の参照番号は全体にわたって対応する部分を表す。

本発明による基本の固体光源システムの概略図である。 本発明の一実施形態による、光源の効率および安全性を強化するために複数の部分を利用する、他の集積化光源の概略図である。 本発明の実施形態による、システム内の光に対する可能なビーム経路を示す、図２の集積化光源を利用した概略図である。 従来技術の燐光体被覆変換器の動作の概略図である。 本発明の態様による例示のボリューメトリックスペクトル変換器の動作の概略図である。

上述の制限を克服するために、および本明細書を読み理解すれば明らかになるであろう他の制限を克服するために、燐光体がボリューメトリック的に配置された媒体に供給する固体発光デバイスを使用した光源が開示される。発光デバイスは光のビームを発生し、これは燐光体上に方向付けられ、その後、所望の波長の広または狭スペクトル光に変換される。ボリューメトリック的に配置された燐光体を利用することによって、より高い割合の入射光が変換されることができ、したがってシステムの効率および安全性を向上させる。次いで、この変換された光は、最終光出力を正確に制御するように、所望の光経路を通して送られることができる。

概観
これらの問題に対処するために、基板内に燐光性材料をボリューメトリック的に配置する方法が発明された。薄い被覆を用いる現在のシステムと比べた、ボリューメトリック的に配置された基板の利点は数多くあり、本明細書で述べられる。利点の１つは、非コヒーレント光へのレーザ光の変換が増大することであり、これは光変換のために使用可能な燐光体の量から生じる。現在の薄い燐光体の表面被覆は、変換前の光ですぐに飽和され、一度に少ない量の光しか変換することができず、システム効率を非常に減少させる。現在の技術を用いて光変換燐光体の量を増加させることを試みることは極めて困難となり、なぜなら、コヒーレント光は一方向にのみ進み、したがって、燐光体の層の厚さを増加させることを必要とする（これは透過およびしたがって有効性を妨げる）か、または燐光体の層を極端に大きな領域にわたって分散させることを必要とするからである。ボリューメトリック堆積方法を用いることは、コヒーレント光のより大きな放出ビームの必要性を生じることなく、コヒーレント光の変換において、より大きな量の燐光体が利用されることを可能にする。変換のために利用される燐光体の量における増加は、同じ入力を用いて、より多くの非コヒーレント光が発生されることを意味し、したがってシステムはより効率的となる。さらに、より多くのコヒーレント光が非コヒーレント光に変換されるので、最終の光源システムから発散する危険なコヒーレントレーザ光が存在する可能性が低下する。

本発明の有利な実施形態は、システムの総合的効率を増加し、有害なコヒーレント光放出の可能性を低減するように、特定の配置に置かれた１つまたは複数の光学要素を含むことができる。これらの要素は、フィルタ、レンズ、幾何学的光反射器、およびハウジングを含むが、それらに限定されない。上述の光学要素の１つまたは複数を含めることで、特定の事例および使用ケースに対する固体照明システムの変更および専用化を可能にする。

詳細な説明
図１を参照すると、固体光源１００が示される。光源１００は、標準の電子構成部品パッケージの内側に配置された半導体レーザの形態であるレーザダイオード１０１を含む。レーザダイオード１０１は、パッケージから出る電源ピン１０２を有する。レーザダイオード１０１は、例えば４００〜４８０ｎｍ、好ましくは４３０〜４７０ｎｍの範囲内のコヒーレント光をもたらす。ビーム１０３は、レーザダイオード１０１が発生するレーザ光のコヒーレントビームである。ビーム１０３は、ボリューメトリックスペクトル変換器１０４（例えばＰＭＭＡであり、これには燐光体の粒子がボリューメトリック的に配置される）に突き当たり、相互作用する。変換器１０４はしたがって、入射コヒーレントレーザビーム１０３を出射広スペクトル光１０５に変換する。光１０５は、非限定的に白色などの任意の指定の色とすることができ、媒体１０４内に配置された燐光体の化学組成によって決まる。

図２を参照すると、集積化光源２００の可能な設計が示される。光源２００は、例えば標準の電子構成部品パッケージの内側に配置された半導体レーザダイオードの形態である、第１の出力スペクトルを有する放出性放射源２０２を含む。レーザダイオードは、パッケージから出る電源ピン２０３を有する。放出性放射源２０２の放出側の正面に位置するのは、レーザダイオード２０２から放出されたコヒーレントレーザ光を、特定の領域上に方向付ける、例えばレンズまたはレンズのシステムから構成された光学要素２０４である。光学要素２０４は例えば、ボリューメトリックスペクトル変換器２０５による変換のために、放出性放射源２０２の放出を平行化する、収束的に焦点を合わせる、または発散的に焦点を合わせることができる。ボリューメトリックスペクトル変換器２０５は、放出性放射源２０２からの放出を、第１のスペクトルとは異なる第２のスペクトルを有する放出に変換する。ボリューメトリックスペクトル変換器２０５は、この実施形態では非限定的に、変換器２０５によって変換された光を、このケースでは前方へ出力フィルタ２０７に向かう、指定の方向に向かって方向付ける放物線状立体である、幾何学的光反射器２０６の内側に配置される。光が光反射器２０６によって前方へ方向付けられた後、光はフィルタ２０７と相互作用し、これにより、変換媒体２０５によって非コヒーレント光に変換されなかったコヒーレント光を取り除く。この後、フィルタされた非コヒーレント光のみが光源２００から出ることができ、放出される光を、複数の環境で使用するのに安全にする。光源２００を参照すると、すべての上述の構成部品は、例えば非限定的にアルミニウム、鋼、または銅などの１つの中実な材料とすることができるパッケージ本体２０１から切除された、内部空洞２０８内に位置する。

図３を参照すると、図２に見られる光源を利用した可能な光路が示される。図２の光源２００と同等な光源３００は、図２のパッケージ本体２０１と同等なパッケージ本体３０１を含む。光源３００内に、標準の電子構成部品パッケージの内側に配置された半導体レーザの形態であるレーザダイオード３０２が位置する。レーザダイオード３０２はコヒーレント光のビーム３０７を放出し、これは進行して光学要素３０３と相互作用する。光学要素３０３はコヒーレントビーム３０７の方向をより正確な経路３０８へと変え、これはコヒーレントビーム３０７がボリューメトリックスペクトル変換器３０４と、より効率的に相互作用することを可能にする。変換器３０４は、コヒーレント光３０７と、変換器３０４内にあるボリューメトリック的に配置された燐光体との間の内部物理的相互作用を通じて、コヒーレント光３０７を非コヒーレント光３０９に変換する。その後、非コヒーレント光３０９は、変換器３０４から複数の方向に放出される。非コヒーレント光３０９は、次いで幾何学的光反射器３０５と相互作用する。この光反射器３０５は、非コヒーレントの多方向性の光３０９を反射し、前方３１０に方向を変える。方向を変えられた光３１０の大部分はフィルタ３０６を通過し、光源３００を出る（３１１）。方向を変えられた光３１０の一部は、フィルタ３０６と相互作用し、設計および安全性仕様などの理由により、デバイスから出ることが防止される（３１２）。

図４は燐光体被覆変換器を示す。部分４０１は、基板４００上の薄く堆積された燐光体被覆である。薄い燐光体被覆４０１は、被覆内に配置された燐光体の粒子４０２を有する。粒子４０２は、右側４０３から入射する光を、異なる波長の光４０４に変換する。被覆層４０１は薄いので、入射光４０３を変換することができる限られた量の燐光体粒子４０２が存在する。したがって、入射光４０３の多くの部分は変換されず、影響を受けずに基板を出る４０５。

図５は、図４での被覆とは対照的なボリューメトリックスペクトル変換器を示す。このケースにおいて燐光体５０１は、基板５００内にボリューメトリック的に配置される。これは入射光５０３と相互作用することができ、したがって光変換に関与する、より多くの燐光体の粒子５０２をもたらす。このように、所望の波長５０４に変換されるはるかに大きな量の入射光５０３が存在する。ボリューメトリックスペクトル変換器の使用は、従来技術の燐光体被覆変換器より性能が優れている。

これは分かりやすくするための簡略化であることが留意されるべきである。放出された光は、必ずしも一緒に前面から出ない。光は一般に全方向に散乱され、光源の反射放物面（例えば２０６、３０５）が、光を同じ方向に進ませる。

光反射器は例えば、ＰＭＭＡ、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリエステル、共重合体、または上述の材料の組み合わせのブレンドなどの、成形、機械加工、３Ｄ印刷、または他の方法で製作された１つの光学材料とすることができる。光反射器は全方向性の光の方向を、所望の光経路へと変えるように設計される。例えば中実な幾何学形状、中空な幾何学形状、または幾何学面の他の組み合わせとすることができる。また、光の方向を変える能力を強化する反射性材料の層を含むことが有利となり得る。この層は、例えば外面、内面、または表面の組み合わせとすることができる。

変換器（例えば２０５、３０４）は、放出性放射源からの放出（例えば青色、または紫色光）を、他の波長の放射、例えば狭または広スペクトル、非コヒーレント放射に変換するように選択されることができる。これは、例えば燐光性材料、蛍光性材料、他の放射変換材料、またはこれらの材料の組み合わせを含み得る変換材料を用いて作製されることができる。変換材料は、例えばＰＭＭＡ、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリエステル、共重合体、または有効に一様な複合材を作成するための上述の材料の組み合わせのブレンドを含み得る基板内に、ボリューメトリック的に配置される。このプロセスは、例えば押し出し、被覆、積層、ブレンディング、混合、または懸濁を含むことができる。

変換器を作製する特定の例は、ブレンドされたおよび／または多層固体複合材として、変換材料によって基板を押し出すことである。具体的には固体複合材は、２〜５００，０００個の間の層によって作製されることができ、これは指定された最終用途の性能指標を得るために調整されることができる。変換器は、例えば１ミクロンより大きい、ボイド、閉じ込められた気体、気泡、意図的に要求される材料以外のいずれの材料の不純物粒子、気相または液相のいずれの種類の閉じ込められた液体などの欠陥を有しないことが望ましい。

変換器は、基板に対して変換材料または複数の材料の組み合わせをある比で有することができ、これは指定された最終用途の性能指標を得るために調整されることができる。

好ましい実施形態において変換材料は、特定の粒子サイズを有する単一の燐光体、または安定なおよび／または可変の波長の放射の放出をもたらす同様なもしくは異なる粒子サイズを有する燐光体粉末の混合とすることができる。放出される放射は、例えば白色光とすることができる。

他の好ましい実施形態において、変換器は、基板に対して５％と１５％の間の比の変換材料を有する。

また変換器の厚さおよび直径を変化させることによって、変換器を指定された最終用途の性能指標を得るために調整することが可能である。例えば好ましい実施形態は、０．５ｍｍと５ｍｍの間の厚さ、および０．５ｍｍと５ｍｍの間の半径を有する変換器を含む。

出力フィルタ（例えば２０７、３０６）は、例えば光学的に透明なウィンドウとすることができるが、好ましい実施形態では、これは、変換器によって変換されなかった放出性放射源からの放出された放射を除去する。これはまた例えば、放出された光をさらに状態調節するために、放射の波長をさらに通過させるまたは遮断するように、広帯域、狭帯域、帯域通過、または帯域阻止フィルタとすることができる。

デバイスからの放出された放射スペクトルの放出幾何形状は、適切な光構成部品を含めることによりさらに状態調節され、方向付けされ、焦点合わせされ、平行化され、反射され、屈折され、回折され、または他のやり方で変更され得ることがさらに留意されるべきである。

以下は、集積化光源の例示的実施形態である。

実施形態１ 集積化光源であって、
第１のスペクトルを有する放出性放射源と、
放出性放射源からの放出を方向付けるように位置付けられた光学要素と、
ボリューメトリックスペクトル変換器であって、放出性放射源から方向付けられた放出を、第１のスペクトルとは異なる第２のスペクトルを有する放出に変換するように位置付けられた、ボリューメトリックスペクトル変換器と、
変換器の周りに位置付けられた光反射器と、
出力フィルタであって、反射器は、変換器の放出を出力フィルタに向かって反射するように位置付けられる、出力フィルタと、
内部空洞を有するパッケージ本体であって、空洞は、放出性放射源、光学要素、変換器、反射器、およびフィルタを含み、所望の光が空洞からフィルタを通って放射する、パッケージ本体と
を備えた集積化光源。

実施形態２ 放射源は、４００ｎｍから４８０ｎｍの範囲で動作する、実施形態１による光源。

実施形態３ 放射源は、４３０ｎｍから４７０ｎｍの範囲で動作する、実施形態１または２による光源。

実施形態４ 光学要素は、放出性放射源の放出を変換器上に、平行化する、収束的に焦点を合わせる、または発散的に焦点を合わせることができる、実施形態１から３のいずれかによる光源。

実施形態５ 光反射器は、全方向性の光の方向を所望の光経路へと変える、実施形態１から４のいずれかによる光源。

実施形態６ 光反射器は、光の方向を変える光反射器の能力を強化する反射性材料の層を含む、実施形態１から５のいずれかによる光源。

実施形態７ 変換器は、放出性放射源からの放出を、異なる波長の、より狭いスペクトルの、またはより広いスペクトルの非コヒーレント放射の放出に変換する、実施形態１から６のいずれかによる光源。

実施形態８ 変換器は、一様な複合材を形成するように、非変換材料の基板内にボリューメトリック的に配置された変換材料から構成される、実施形態１から７のいずれかによる光源。

実施形態９ 変換器は、押し出し、被覆、積層、ブレンディング、混合、または懸濁の少なくとも１つを含むプロセスを用いて作成される、実施形態１から８のいずれかによる光源。

実施形態１０ 変換器を作成するプロセスは、ブレンドされたまたは多層の固体複合材として変換材料を用いた基板の押し出しである、実施形態１から９のいずれかによる光源。

実施形態１１ 固体複合材は、２〜５００，０００の間の数の層を有する、実施形態９による光源。

実施形態１２ 変換器は、１ミクロンより大きい、ボイド、閉じ込められた気体、気泡、意図的に要求される材料以外のいずれの材料の不純物粒子、気相または液相のいずれの種類の閉じ込められた液体を含むいずれの欠陥も有しない、実施形態１から１１のいずれかによる光源。

実施形態１３ 変換器は１つまたは複数の燐光体を含み、燐光体はそれぞれ、安定した波長または可変の波長の放射の放出をもたらす特定の粒子サイズを有する、実施形態１から１２のいずれかによる光源。

実施形態１４ 変換器は、指定された最終用途の性能指標を得るために調整されることができる１つまたは複数の変換材料を、基板に対してある比で有する、実施形態１から１３のいずれかによる光源。

実施形態１５ 変換器は、基板に対して体積で５％と１５％の間の比の変換材料を有する、実施形態１から１４のいずれかによる光源。

実施形態１６ 変換器は、指定された最終用途の性能指標を得るために調整されることができる、厚さおよび直径が変化することのできる寸法を有する、実施形態１から１５のいずれかによる光源。

実施形態１７ 変換器は、０．５ｍｍと５ｍｍの間の厚さ、および０．５ｍｍと５ｍｍの間の半径を有する、実施形態１から１６のいずれかによる光源。

実施形態１８ フィルタは、変換器によって変換されなかった放出性放射源からのいずれの放出も除去すると共に、任意選択で、放出された光をさらに状態調節する、実施形態１から１７のいずれかによる光源。

実施形態１９ デバイスからの放出された放射スペクトルの放出幾何形状は、適切な光構成部品を含めることにより、さらに状態調節され、方向付けされ、焦点合わせされ、平行化され、反射され、屈折され、回折され、または他のやり方で変更されることができる、実施形態１から１８のいずれかによる光源。

本開示は例示であり、本開示に含まれる教示の公正な範囲から逸脱せずに追加する、修正する、または詳細を除去することによって、様々な変更がなされ得ることが明白であるべきである。したがって本発明は、添付の特許請求の範囲が必然的にそのように限定される範囲を除いて、本開示の特定の詳細に限定されない。

Claims (19)

1. 集積化光源であって、
   第１のスペクトルを有する放出性放射源と、
   前記放出性放射源からの放出を方向付けるように位置付けられた光学要素と、
   ボリューメトリックスペクトル変換器であって、前記放出性放射源から方向付けられた放出を、前記第１のスペクトルとは異なる第２のスペクトルを有する放出に変換するように位置付けられた、ボリューメトリックスペクトル変換器と、
   前記変換器の周りに位置付けられた光反射器と、
   出力フィルタであって、前記反射器は、前記変換器の放出を前記出力フィルタに向かって反射するように位置付けられる、出力フィルタと、
   内部空洞を有するパッケージ本体であって、前記空洞は、前記放出性放射源、光学要素、変換器、反射器、およびフィルタを含み、所望の光が前記空洞から前記フィルタを通って放射する、パッケージ本体と
   を備えた集積化光源。
2. 前記放射源は、４００ｎｍから４８０ｎｍの範囲で動作する、請求項１に記載の光源。
3. 前記放射源は、４３０ｎｍから４７０ｎｍの範囲で動作する、請求項２に記載の光源。
4. 前記光学要素は、前記放出性放射源の放出を前記変換器上に、平行化する、収束的に焦点を合わせる、または発散的に焦点を合わせることができる、請求項１に記載の光源。
5. 前記光反射器は、全方向性の光の方向を所望の光経路へと変える、請求項１に記載の光源。
6. 前記光反射器は、光の方向を変える前記光反射器の能力を強化する反射性材料の層を含む、請求項５に記載の光源。
7. 前記変換器は、前記放出性放射源からの前記放出を、異なる波長の、より狭いスペクトルの、またはより広いスペクトルの非コヒーレント放射の放出に変換する、請求項１に記載の光源。
8. 前記変換器は、一様な複合材を形成するように、非変換材料の基板内にボリューメトリック的に配置された変換材料から構成される、請求項７に記載の光源。
9. 前記変換器は、押し出し、被覆、積層、ブレンディング、混合、または懸濁の少なくとも１つを含むプロセスを用いて作成される、請求項８に記載の光源。
10. 前記変換器を作成する前記プロセスは、ブレンドされたまたは多層の固体複合材として前記変換材料を用いた前記基板の押し出しである、請求項９に記載の光源。
11. 前記固体複合材は、２〜５００，０００の間の数の層を有する、請求項９に記載の光源。
12. 前記変換器は、１ミクロンより大きい、ボイド、閉じ込められた気体、気泡、意図的に要求される材料以外のいずれの材料の不純物粒子、気相または液相のいずれの種類の閉じ込められた液体を含むいずれの欠陥も有しない、請求項８に記載の光源。
13. 前記変換器は１つまたは複数の燐光体を含み、前記燐光体はそれぞれ、安定した波長または可変の波長の放射の放出をもたらす特定の粒子サイズを有する、請求項８に記載の光源。
14. 前記変換器は、指定された最終用途の性能指標を得るために調整されることができる１つまたは複数の変換材料を、前記基板に対してある比で有する、請求項８に記載の光源。
15. 前記変換器は、前記基板に対して体積で５％と１５％の間の比の変換材料を有する、請求項１４に記載の光源。
16. 前記変換器は、指定された最終用途の性能指標を得るために調整されることができる、厚さおよび直径が変化することのできる寸法を有する、請求項８に記載の光源。
17. 前記変換器は、０．５ｍｍと５ｍｍの間の厚さ、および０．５ｍｍと５ｍｍの間の半径を有する、請求項１６に記載の光源。
18. 前記フィルタは、前記変換器によって変換されなかった前記放出性放射源からのいずれの放出も除去すると共に、任意選択で、前記放出された光をさらに状態調節する、請求項１に記載の光源。
19. 前記デバイスからの前記放出された放射スペクトルの放出幾何形状は、適切な光構成部品を含めることにより、さらに状態調節され、方向付けされ、焦点合わせされ、平行化され、反射され、屈折され、回折され、または他のやり方で変更されることができる、請求項１に記載の光源。

Images