JP5632826B2 - 改良型白色発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、光源から或る距離をおいて配設される波長変換材料と、散乱素子とを有する発光装置の分野に関する。

今日、例えば、オフィス照明の照明器具、ダウンライト及びレトロフィットランプを含む多種多様の照明用途のために、発光ダイオード（ＬＥＤ）をベースにした発光装置が用いられることが多くなっている。白色光は、青色ＬＥＤと、前記ＬＥＤによって放射される青色光の一部を吸収し、より長い波長の光を再放射する、時として蛍光体と呼ばれる波長変換材料とを用いることによって、ＬＥＤから得られ得る。効率上の理由で、波長変換材料をＬＥＤから或る距離をおいて配設させるのが好ましい。通常、波長変換材料は、例えば、装置の光出射窓のところに配設される基板に付される。しかしながら、波長変換材料の、基板への付着は、多くの場合、照明装置の光学効率を低下させ得る透明なコーティングフィルムの使用を必要とする。

波長変換材料によって放射される光は、全方向に放射されるので、光チャンバ内へ後方放射される光を、前記光が出射窓の方へ向け直されるように、反射するために、後部反射器が一般に用いられる。しかしながら、均一な白色光出力を供給するためには、無変換光、即ち、青色光も、効率的に散乱されなければならない。通常、無変換光の散乱は、出射窓のところに拡散器を配置することによって、及び／又は拡散後部反射器を用いることによって、達成される。しかしながら、全面における反射を備える拡散器などの付加的な光学素子の使用は、照明装置の光出力の低下をもたらすであろう。

国際特許出願公開第WO 2007/130536号は、ＬＥＤなどの固体発光体と、熱伝導素子と、反射素子とを有する照明装置を開示している。照明装置は、随意に、蛍光体などのルミファー（lumiphor）を含み得る。しかしながら、国際特許出願公開第WO 2007/130536号は、上述の、蛍光体の付着の問題に対する解決策を供給していない。

従って、当業界には、ＬＥＤをベースにした照明装置の改良のニーズがある。

本発明の目的は、均一の白色光出力を供給する、改良された、高効率の、ＬＥＤをベースにした発光装置を提供することにある。

或る態様においては、本発明は、発光装置であり、
第１波長帯の光を放射するよう適合される光源と、
反射層を有する反射体であって、前記光源によって放射される光を受け取り、前記光を前記発光装置の光出射窓の方へ反射するよう配設される反射体と、
前記第１波長帯の光を吸収し、第２波長帯の光を放射するよう適合される波長変換材料を有する波長変換層であって、前記波長変換層と、前記光源とが、互いに間隔をおいて配設される波長変換層と、
少なくとも前記第１波長帯の光を散乱させるよう適合される光散乱素子とを有する発光装置であって、
前記光散乱素子の少なくとも一部が、前記光源から前記波長変換層への光路中に配設される発光装置に関する。好ましくは、前記光源は、少なくとも１つの発光ダイオードを有する。

前記光源からの光が、前記光の一部が前記波長変換材料によって変換される前に、散乱されるように、光散乱素子及び前記波長変換層を配設することによって、無変換光を散乱させる前に波長変換する場合と比べて、色の一様性の向上が達成され、明るさの一様性の向上も達成されることが分かった。好ましくは、前記発光装置は、前記光源から前記波長変換層への光路中に配設される拡散層であって、前記光散乱素子の少なくとも一部を有する拡散層を有する。

前記発光装置の光混合特性を更に向上させるために、前記波長変換層は、前記光散乱素子の少なくとも一部を有し得る。前記波長変換層に光散乱素子を組み込むことによって、無変換光の散乱の更なる向上が達成され、均一な白色光のより高い出力をもたらす。更に、前記波長変換層内に散乱素子を入れることによって、前記波長変換層内の前記波長変換材料によって変換されるべきである光の光路長が長くなり、変換をより効率的にする。結果として、或るレベルの波長変換を達成するのに、より少ない波長変換材料が用いられ得る。

更に、前記反射層は、前記光散乱素子の少なくとも一部を有し得る。この方法においては、無変換光の更なる散乱が供給され、随意に、変換光の更なる散乱も供給される。

前記波長変換層は、例えば、前記光出射窓内に位置し得る。

更に、前記反射体は、前記波長変換層を有してもよく、前記波長変換層は、前記光源から前記反射層への光路中に配設される。前記反射体は、随意に、前記拡散層を更に有し得る。このようにして、前記発光装置の内部に配設される前記反射体に、前記波長変換層を組み込み、随意に、前記拡散層を組み込むことによって、前記波長変換層及び／又は前記拡散層を、機械的損傷から保護する必要性は、これらの層が前記出射窓のところに位置する場合と比べて少なくなる。従って、この一体構成は、有利であり得る。なぜなら、波長変換層及び拡散層のボディにおけるかき傷などの機械的損傷は、異なる色に現れ、これは、邪魔するものと知覚されるであろうからである。

好ましくは、前記反射層と、前記波長変換層と、もし前記拡散層が存在すれば前記拡散層とが、多層膜を形成する。

多層膜などにおいて、前記拡散層と前記反射層との間に接近して波長変換層を配設することによって、非常に効果的な拡散反射が得られることが分かった。前記光源によって放射される光は、前記波長変換層に入る前に前記拡散層において散乱され、前記波長変換層によって反射された後も前記拡散層において散乱されることから、反射光（変換光と無変換光との両方）の散乱が非常に効果的になる。とりわけ、前記無変換光の散乱が、前記出射窓のところに配設される別個の拡散器を持つ従来の発光装置と比べて、向上される。

更に、前記拡散層と前記反射層との間に波長変換層を配設することによって、前記波長変換層は、前記拡散層によって保護され、前記発光装置がオフに切り換えられる場合に前記波長変換層が見えなくなることをもたらす。これは、大きな利点である。なぜなら、一般に、色付き蛍光体が見えることは、波長変換層の利用の不利な点と考えられるからである。前記波長変換層の上に拡散層を付すことは、前記拡散層における白色光の散乱を供給し、妨げとなるカラーコントラストを弱める。

更に、波長変換層を２つの他の層の間に配設することは、前記波長変換材料の付着の改善も可能にする。例えば、前記拡散層及び／又は前記反射層は、波長変換材料の粒子の封入物を前記拡散層及び前記反射層内に設けるオープン構造を持っていてもよく、従って、これらの層を組み合わせた後に層間剥離が生じるのを防止する。

本発明は、添付の請求項のあり得る全ての組み合わせに関することに注意されたい。

以下、添付の図面を参照して本発明の実施例について詳細に説明する。

本発明の実施例による発光装置の概略的な断面図である。 本発明の実施例による反射体の概略的な断面図である。 本発明の別の実施例による反射体の概略的な断面図である。

図１は、第１波長帯の光を放射するよう適合される光源２を有する発光装置１を示している。光源は、好ましくは、青色光（約400乃至500nmの波長帯）を放射するよう適合されるが、光源は、他の波長の光、例えば、紫外線、及び／又は緑色、黄色若しくは赤色などの他の色の可視光も放射し得る。好ましくは、光源２は、少なくとも１つの発光ダイオード（ＬＥＤ）を有する。あらゆるタイプの従来のＬＥＤ又は従来のＬＥＤの組み合わせが用いられ得る。発光装置は、随意に、複数の光源を含み得る。

更に、反射体３が、光源２によって放射される光を受け取り、この光を、発光装置の光出射窓４の方へ反射するよう配設される。反射体３は、あらゆる所望の形状をとり得る。例えば、反射体３は、平坦な形状をとり得る。反射体３は、湾曲した又は凹状の形状もとり得る。随意に、反射体３は、部分的に透過型であってもよい。

光は、光出射窓４を通して発光装置１を出て行き得る。光出射窓４は、開口していてもよく、又は図１のように、透光性プレート１３によって少なくとも部分的に覆われてもよい。透光性プレート１３は、少なくとも部分的に透明であり得る。透光性プレート１３は、（例えば、レンズ及び／又はプリズムを備える光学構造を有する）光ビーム成形機能及び／又は拡散機能も持ち得る。

随意に、反射体３が、部分的に光透過型である場合、光は、光出射窓４の反対側に位置する後部領域１２を通しても、発光装置１を出て行き得る。その場合、後部領域１２は、第２光出射窓と呼ばれ得る。第２光出射窓は、光出射窓４について上で説明したように、開口していてもよく、又は透光性プレートによって少なくとも部分的に覆われてもよい。反射体３が非透過型である場合、後部領域１２は、非透光性後壁部であり得る。

図１に示されているように、反射体３は、側壁部１１と、光出射窓４と、後壁部１２とによって規定される空間内に位置する。反射体及び随意に側壁部１１が、光混合チャンバを規定し得る。光は、上記のように、光出射窓４を通して、光混合チャンバを出て行き得る。発光装置が複数の光源を有する場合、光源は、側壁部１１と、光出射窓４と、反射体３とによって規定される空間内の様々な位置に配設され得る。一般に、光源は、側壁部１１の近くに位置し、２つの反対側の光源は、少なくとも、光出射窓の幅で表される距離だけ分離される。従って、反射体３は、異なる方向から光を受け取り得る。

光出射窓１は、第１波長帯の光を吸収し、第２波長帯の光を放射するよう適合される波長変換材料を含む波長変換層を更に有する。波長変換層と、光源２とは、互いに間隔をおいて配設される。

更に、少なくとも前記第１波長の光を散乱させるよう適合される光散乱素子が、前記光源２から波長変換層への光路中に配設される。従って、光散乱素子は、光源２から放射される光、及び／又は反射体３によって反射される光を、前記光が波長変換層に入る前に、散乱させるよう適合される。

本発明の第１実施例においては、波長変換層は、光出射窓４内に配設される。波長変換層は、第１波長帯の光を吸収し、第２波長帯の光を放射するよう適合される波長変換材料を有する。波長変換層は、例えば、透光性プレート１３内に含まれ得る。他の例においては、波長変換層は、透光性プレート上にコーティングされ得る。

第２実施例においては、発光装置１は、前記光散乱素子を含む拡散層を有する。従って、このような拡散層は、存在する場合、光源２から波長変換層への光路中に配設される。例えば、波長変換層が光出射窓４内に配設される場合、拡散層は、光が反射される前及び／又は光が反射された後に、光を散乱させるよう反射体３内に含まれ得る。他の例においては、拡散層は、光源２から波長変換層への光路中の、波長変換層に隣接する光出射窓４のところに、配設され得る。

第３実施例においては、波長変換層は、前記散乱素子の少なくとも一部を含み得る。例えば、波長変換層は、波長変換材料及び散乱粒子を有する押し出しポリマ薄膜として準備され得る。随意に、散乱素子を有する波長変換層は、上記のような、光源から波長変換層への光路中に配設される、散乱素子を有する別個の拡散層と組み合わされ得る。

第４実施例においては、反射体３は、ここに記載されているような波長変換層を有する。一般に、反射体３は、光源２から波長変換層への光路中に配設される少なくとも１つの拡散層も有する。

図４に示されている第５実施例においては、反射体３は、反射層５に配設される波長変換材料９を含む規定領域１４を有する。反射層５は、拡散性であってもよい。

反射体３が部分的に透過型である場合、反射体３は、随意に、付加的な波長変換層及び／又は付加的な拡散層を含み得る。前記付加的な波長変換層及び／又は前記付加的な拡散層は、好ましくは、前記反射体３の、光源２と反対の側に配設される。好ましくは、前記付加的な拡散層は、存在する場合、光源２から前記付加的な波長変換層への光路中に配設される。

図２及び３は、本発明の実施例による反射体を図示している。

図２においては、反射体３は、反射層５に配設される波長変換層６及び拡散層７を有する。反射層５、波長変換層６及び拡散層７は、多層反射膜を形成する。波長変換層６は、光源から反射層５への光路中の、拡散層７と反射層５との間に配設される。従って、拡散層７は、光源から波長変換層６への光路中に配設される。

拡散層７は、光源によって放射される光を、受け取り、散乱させるよう適合される。拡散層７は、光散乱素子、例えば、散乱粒子、又は担体材料中に形成される孔を含み得る。担体材料は、ＰＥＴ、ＰＭＭＡ又はＰＣなどのポリマであり得る。散乱粒子の例は、二酸化チタン、二酸化ジルコニウム及び酸化アルミニウムの粒子を含む。例えば、拡散層７は、1%w/wから75%w/wまでの範囲内の、好ましくは、2%w/wから20%w/wまでの範囲内の密度で、担体材料中に分散された光散乱粒子を含み得る。

随意に、散乱素子の少なくとも一部は、異なる波長の光を、異なるように散乱させるよう適合され得る。例えば、散乱素子は、無変換光（即ち、前記第１波長帯の光）だけを散乱させるよう適合され得る。

拡散層７は、光源からの光の大部分が波長変換層６に到達することを可能にするために、少なくとも部分的に透過型である。好ましくは、拡散層７は、0.5μmから100μmまでの範囲内の、好ましくは、2μmから25μmまでの範囲内の厚さを持つように、非常に薄い。

拡散層７は、波長変換層６を機械的に保護し、波長変換層６を視界から隠すのに役立つことができ、変換光と無変換光との混合の改善もする。

波長変換層６は、一般に蛍光体として知られている材料のような波長変換材料９を有する。波長変換材料９は、第１波長帯の光を吸収し、第２波長帯の光を放射するよう適合される。例えば、波長変換材料は、青色光（約400乃至500nmの波長帯）を吸収し、例えば黄色光の波長帯内の、より長い波長の光を放射し得る。適切な波長変換材料の例は、Y₃Al₅O₁₂:Ce、CaAlSiN₃:Eu及びCaS:Euを含む。その他の適切な波長変換材料は、当業者には既知である。

一般に、光源２によって放射される前記第１波長帯の光の一部は、波長変換材料９によって吸収されずに、波長変換層６を通って伝達される。

波長変換層６は、5μmから2000μmまでの範囲内の、好ましくは、10μmから50μmまでの範囲内の厚さを持ち得る。波長変換層６は、単位面積当たり、5g/m²から200g/m²までの範囲内の、好ましくは、10g/m²から100g/m²までの範囲内の量の波長変換材料を含み得る。

本発明の実施例においては、波長変換層６は、多層膜の一部を形成せず、例えば、押出成形又は射出成形によって形成される基板であり得る。このような実施例においては、拡散層７と反射層５とは、波長変換基板６の反対側にコーティングされ得る。

反射層５は、波長変換層６を通って伝達される光を受け取り、前記光を、波長変換層６内へ後方反射するよう適合され、前記光は、更に、場合により、上記のように変換された後に、拡散層７内へ伝達される。好ましくは、反射層５は、拡散反射器であるが、本発明の実施例においては、反射層５は、鏡面反射器であり得る。反射層５は、好ましくは、ポリマをベースにした白色反射膜、例えば、ＰＥＴをベースにした白色反射膜である。当業界では、幾つかのこのような反射材料が知られている。反射膜５は、5μmから2000μmまでの範囲内の、好ましくは、20μmから800μmまでの範囲内の厚さを持ち得る。

本発明の実施例においては、反射層５は、多層膜の一部を形成せず、例えば、押出成形又は射出成形によって形成される反射性基板であり得る。このような実施例においては、拡散層７及び波長変換層６は、反射性基板にコーティングされ得る。他の例においては、拡散層７は、基板を形成し得る。波長変換層６及び反射層５は、上記のように前記基板にコーティングされる。発光装置が、光の一部を、後部領域（第２光出射窓）を通して、放射するよう適合されるような、本発明の実施例においては、反射層５の、光源と反対の側に、付加的な波長変換層が配設されてもよく、随意に、付加的な拡散層が配設されてもよい。

反射層５は、上記のような散乱素子を含み得る。光の完全な反射を達成することが望ましい場合、反射層５は、好ましくは、散乱粒子を、拡散層７における密度より高い密度で有する。しかしながら、反射体によって受け取られる光の一部が透過されるべきである場合には、反射層５は、拡散層７における密度とほぼ同じである、又は少なくとも同じ範囲内である密度の散乱粒子を持ち得る。

更に、拡散層７、波長変換層６及び反射層５の全体的な厚さは、0.01mmから4mmまでの範囲内の、好ましくは、0.1mmから1mmまでの範囲内であり得る。

反射体３は、反射体３の反射率を向上させるための基板８を更に含み得る。基板８は、反射性であり得る。反射体３の反射率は、反射体の厚さ、とりわけ、反射層５の厚さに影響される。例えば、拡散反射層５が非常に薄い場合には、反射層５により波長変換層６から受け取られる光の一部は、拡散反射されるよりもむしろ、拡散透過される。本発明の実施例においては、少なくとも0.85、好ましくは0.95の反射率を達成することが望ましい。従って、反射層５を基板８に配設することによって、相対的に薄い膜の反射率が向上され得る。

幾つかの用途においては、例えば、上向き照明成分と下向き照明成分との両方を持つ照明器具においては、反射体３を通る或る程度の光透過率を持つことが好ましい場合がある。従って、本発明の幾つかの実施例においては、好ましくは、基板８は、省かれる、又は透光性材料で作成される。

図２の反射体は、異なる波長の光の混合の改善を供給する。この実施例は、とりわけ、無変換光（即ち、第１波長帯の光）の散乱の改善を供給する。波長変換光と、よく散乱された無変換光とを混合したものは、拡散層７を通って、光出射窓の方向に、反射体３を出て行き得る。しかしながら、上記のような、光が、反射層５を通して透過される本発明の実施例は、この方向にも光の優れた混合を供給し、両方向に均一の白色光出力をもたらす。

図２に示されている多層反射膜は、個々の層を準備し、続いて、これらの層を積層により組み合わせて膜にすることによって、製造され得る。例えば、波長変換層及び拡散層７は、後の反射層５上への積層のために、担体膜にコーティングされ得る。他の例においては、波長変換層及び拡散層７は、スプレーコーティング、スライドコーティング、トランスファコーティング、プリンティングなどのような任意の適切な従来のコーティング技術によって、反射層５に直接コーティングされ得る。
波長変換層は、例えば、プレートをもたらす押出成形、真空熱成形、射出成形によっても準備されることができ、この場合には、他の層は、プレート上への積層又はプレートへの直接コーティングによって付され得る。拡散層７及び／又は反射層５は、波長変換層６内の波長変換材料の粒子９の封入物をこれらの層７及び５内に設けるオープン構造を持っていてもよく、従って、これらの層の波長変換層６への付着を改善する。

図３に図示されている実施例においては、反射体３は、波長変換層６と反射層５とを有する多層膜である。波長変換層６は、光源によって放射される光を受け取るよう適合される。波長変換層６は、上記のように、光を吸収し、再放射するよう適合される。更に、波長変換層６は、一般に、上記のように、光源によって放射される光の一部を透過する。

波長変換層６は、波長変換材料９に加えて、光散乱素子１０を有する。従って、波長変換層６は、拡散層としての役割も果たす。光散乱素子１０は、上記のようなものであり得る。従って、本発明の実施例においては、波長変換層は、担体材料中に分散された散乱粒子及び波長変換材料の混合物を有する。例えば、波長変換層６は、光散乱粒子を、1乃至50%w/w、好ましくは、2乃至20%w/wの密度で含み得る。波長変換層は、単位面積当たり、5g/m²から200g/m²までの範囲内の、好ましくは、10g/m²から100g/m²までの範囲内の量の波長変換材料を含み得る。

図３の実施例の波長変換層は、例えば、5μmから2000μmまでの範囲内の、好ましくは、10μmから50μmまでの範囲内の厚さを持ち得る。

反射層５は、上記のようなものであり得る。反射層５は、とりわけ、鏡面反射器であり得る。反射層５が拡散反射層である場合、反射層５は、上記のように光散乱素子を含み得る。

図３の多層膜（即ち、波長変換層６及び反射層５）の全体的な厚さは、0.01mmから4 mmまでの範囲内、好ましくは、0.1mmから1mmまでの範囲内であり得る。

上記の本発明の実施例は、例示的なものであって、本発明の範囲を限定するものではないことに注意されたい。

Claims (3)

1. 発光装置であり、
   第１波長帯の光を放射するよう適合される発光ダイオードと、
   反射層を有する反射体であって、前記発光ダイオードによって放射される光を受け取り、前記光を前記発光装置の光出射窓の方へ反射するよう配設される反射体と、
   前記第１波長帯の光を吸収し、第２波長帯の光を放射するよう適合される波長変換材料を有する波長変換層であって、前記波長変換層と、前記発光ダイオードとが、互いに間隔をおいて配設される波長変換層と、
   少なくとも前記第１波長帯の光を散乱させるよう適合される光散乱素子とを有する発光装置であって、
   前記光散乱素子の少なくとも一部が、前記発光ダイオードから前記波長変換層への光路中に配設され、
   前記反射体が、前記波長変換層を更に有し、前記波長変換層が、前記発光ダイオードから前記反射層への光路中に配設され、
   前記反射体が、前記光散乱素子の少なくとも一部を有する拡散層を更に有し、前記拡散層が、前記発光ダイオードから前記波長変換層への光路中に配設され、
   前記反射層と、前記波長変換層と、前記拡散層とが、多層膜を形成する発光装置。
2. 前記波長変換層が、前記光散乱素子の少なくとも一部を更に有する請求項１に記載の発光装置。
3. 前記反射層が、前記光散乱素子の少なくとも一部を有する請求項１又は２に記載の発光装置。

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