JP6272927B2 - フルスペクトル半導体白色光源、製造方法および応用 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１０年７月１９日に出願された米国仮出願第６１／３９９，８９０号の優先権の利益を主張し、その仮出願の開示は、全体がそのまま参照により本明細書に組み込まれる。

本発明の分野
本発明は、一般に、ダウンコンバージョン照明システムに関する。特に、本発明は、ダウンコンバージョン基板、およびその基板を含むダウンコンバージョン照明システムを製造する方法、ならびにダウンコンバートされた二次発光を生成する方法に関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）を有する半導体照明器具などの半導体発光（ＳＳＬ）装置は、白熱灯や蛍光灯を利用するものなどの従来の照明器具に対して、長期間の耐久性という利点が潜在的にあるため、極めて有用である。稼動（燃焼）時間が長く電力消費が少ないために、半導体発光装置は、初期コストが従来の電灯より大きいときでも、往々にして機能的なコストメリットがある。急速に発展する大規模な半導体製造技法により、半導体照明器具を極めて低価格で生産することが可能になるだろう。

家電製品や、音響映像機器、電気通信装置、自動車計器表示の表示灯などの用途に加えて、ＬＥＤは、屋内外の情報表示に多数の用途が見出されている。例えば、ＬＥＤは、頭上のまたは壁に取り付けられた照明器具に組み込むことができ、審美的な魅力があるように設計することができる。

青色または紫外線（ＵＶ）の光を放出する効率的なＬＥＤの開発とともに、ＬＥＤの一部の一次発光をより長波長に波長変換することで白色光を発生させるＬＥＤを生産することが可能になった。この変換は、よく「ストークスシフト」と記述される。ＬＥＤの一次発光をより長波長に変換することは、一般に、一次発光のダウンコンバージョンと呼ばれる。条件等色のため、全く異なるスペクトルが、混ぜ合わされたときに白色を呈することが可能である。一次発光の変換されていない部分をより長波長の光と組み合わせることにより白色光を生成するこのシステムは、当技術分野でよく知られている。ＬＥＤで白色光を作る他の選択肢には、２つ以上の着色ＬＥＤを異なる比率で混ぜ合わせることが含まれる。例えば、赤色、緑色および青色（ＲＧＢ）のＬＥＤを混ぜ合わせると白色光が生成されることが、当技術分野でよく知られている。同様に、ＲＢＧと琥珀色（ＲＧＢＡ）のＬＥＤか、またはＲＧＢと白色（ＲＧＢＷ）のＬＥＤを混ぜ合わせると、白色光が生成されることが知られている。

一次発光をダウンコンバートすることが可能な蛍光体のＬＥＤを製造するための色々な方法が、当技術分野で試され、利用されてきた。これらの方法は、一般に、蛍光体粉末の合成に注目している。蛍光体粉末を混合するのは、たいていの場合、蛍光体のＬＥＤを製造するのにコスト効率がよい方法である。しかしながら、これらの伝統的な方法は、混合された蛍光体の変換特性を制御することが困難であるため、一般に、多数の個々の波長を放出することが可能なＬＥＤを製造するためには効果的でない。特定の光の変換特性を有する蛍光体を生成するように特定の材料と随意でドーパントを選択することができるが、結果として得られる粉末ベースの蛍光体は、一般に、均一な変換された光を生成するのに利用できるに過ぎず、多数の個々の放出波長を生成することができない。また、粉末ベースの蛍光体は、一般に、有機樹脂またはエポキシなどのバインダ材料が必要であり、それらはたいていの場合、蛍光体粒子とは屈折率が異なる。このため、蛍光体は光学的に透明または半透明にはならず、光取出効率が低下し、したがって、蛍光体のＬＥＤのエネルギー効率が低下する。

つい最近、多数の個々の波長を放出することが可能な基板を生産するための、いくつかのエピタキシャル技術が開発された。エピタキシャル技術に基づく直接放出のＬＥＤは、何年もの熾烈な開発が必要だが、一般にコストが法外に高い。特に所望の光変換特性を実現するためには、エピタキシ基板により生成されるそれぞれの放出波長は、いくつかある因子の中で特に、素子の構造や、製造体系、層組成の最適化、ドーパントレベルの細かい調整が必要である。そうした製造方法のために必要な設備も、高価であり、大量生産のために合理化されたやり方で利用することは難しい。

同様に、最近の技術では、発光性のセラミック蛍光体を製造し利用することを探求している。発光性のセラミック蛍光体は、蛍光体粒子の表面が柔らかくなり始め、液体の表面層が形成されるまで、粉末蛍光体を高温で加熱することにより、形成することができる。焼結中の粒子間相互作用と粒子の収縮により、粒子の堅い固まりが生成される。残留する内部の小孔が少ない多結晶のセラミック層を形成するためには、一般に、焼結され予め高密度化されたセラミックをさらに処理する必要がある。光学的な不連続性がない単一の大きな蛍光体粒子として光学的に振舞う薄膜とは異なり、発光性のセラミックは、異なる蛍光体粒子間の界面での光学的な不連続性が小さくなるようにきつく詰められた個々の蛍光体粒子として振舞う。したがって、粉末ベースの蛍光体とは異なり、発光性のセラミックスは、光学的にほとんど同質であり、発光性のセラミックを形成する蛍光体材料と屈折率が同じである。この方法を用いて、多数の個々の波長を放出することが可能な基板を生産することができる。発光性のセラミック蛍光体は、粉末ベースの蛍光体のように、一般には、偏光を放出するかまたは伝搬させるために利用することはできない。

さて、本発明の発明者は、多数の個々の波長を放出し、フルスペクトルの広範な波長の白色光源を生成することが可能なダウンコンバート基板を製造するための新規な方法を発見した。その新規な方法により生産されるダウンコンバート基板は、光学的に透明または半透明とすることも可能である。本発明の方法および基板により、照明システムに組み込まれたときに、高効率で、高流量で、スペクトル幅が狭いかまたは広く、大面積で、低価格でありピーク放出波長が４００〜７５０ｎｍの可視波長の範囲内にあるＬＥＤが可能になる。また、その基板および照明システムは、粉末ベースの蛍光体のＬＥＤまたは発光性のセラミック蛍光体のＬＥＤとは異なり、偏光を放出するかまたは伝搬させることが可能である。本発明の方法により、高演色評価数、高色域かつ高効力の光源を設計し製造することも可能である。

この要求および他の要求を満たすために、そしてその目的に照らして、本発明により、照明システム用のダウンコンバージョン基板を製造する方法であって、１つまたは複数の蛍光体材料を含む第１の結晶層を形成し、随意で、少なくとも１つの活性体を結晶層に加え、結晶層を高温で加熱して結晶層における結晶成長を促進し、結晶層を引き出し、結晶層を冷却可能にして、ダウンコンバージョン基板を形成することを含む方法が提供される。粉末ベースの蛍光体とは異なり、本発明の蛍光体基板は、単一の結晶相の多結晶および単結晶のインゴットまたは厚膜としての溶融物から、結晶として成長される。適当な結晶相および純度を用いることにより、本発明では、スペクトル幅を尖鋭化し、最大限の量子効率および光学的な透明性をもつことができるダウンコンバート基板を生産することも可能である。

いくつかの実施形態では、１つまたは複数の蛍光体材料を含む１つまたは複数の付加結晶層を、第１の結晶層の上に堆積させてもよい。第１の層および１つまたは複数の付加層の蛍光体材料は、イットリウムアルミニウムガーネット、珪酸塩ガーネット（ｓｉｌｉｃａｔｅ ｇａｒｎｅｔ）、バナジン酸塩ガーネット（ｖａｎａｄａｔｅ ｇａｒｎｅｔ）、混合酸化物、アルカリ土類金属珪酸塩、アルカリ土類金属硫酸塩およびセレン化物、アルカリ土類金属チオガリウム酸塩、金属窒化物、金属オキソ窒化物（ｍｅｔａｌ ｏｘｏ−ｎｉｔｒｉｄｅ）、混合タングステン−モリブデン族、混合ガラス蛍光体、ならびにそれらの混合物からなる群より、結晶層を作るように選択してもよい。溶融した化合物に蛍光体材料を徐々に加えるか、気相層堆積（ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｌａｙｅｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によって蛍光体材料を堆積させるか、有機前駆体を用いて堆積させるか、または原子層堆積によって蛍光体材料を堆積させることにより、結晶層を形成してもよい。基板は、段階的な（ｇｒａｄｅｄ）基板または均一な基板でもよい。それぞれの層には、随意でドーパントなどの活性体を使用してもよく、それぞれの層には、同じまたは異なる活性体を使用してもよい。特定のドーパント活性体には、サマリウム（Ｓｍ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ユーロピウム（Ｅｕ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、テルビウム（Ｔｂ）、ホルミウム（Ｈｏ）、ネオジム（Ｎｄ）、エルビウム（Ｅｒ）などや、それらの混合物が含まれる。

別の実施形態では、本発明により、短波長の一次発光を放出するための励起源と、励起源からの少なくともいくらかの一次発光の経路に配置されて、少なくとも一部の一次発光をより長波長の二次発光に変換するダウンコンバージョン基板とを備え、基板が１つまたは複数の結晶層を含み、それぞれの結晶層が１つまたは複数の蛍光体材料を含み、随意で少なくとも１つの活性体を含む、照明システムが提供される。励起源は、基板に隣接して配置するか、基板から離すか、または基板内に埋め込んでもよい。照明システムは、放出された光の特性を修正するのに用いられる他の既知の特徴をさらに含んでもよい。例えば、励起源が基板の第１の平面側に配置されたときに、照明システムは、励起源に向かい合う基板の第２の平面側に配置された少なくとも１つの回折格子も含んでもよい。励起源が基板の長軸の第１の端部に配置されたときに、照明システムは、励起源に向かい合う基板の長軸の第２の端部に配置された集積レンズおよび／または鏡を含んでもよい。各結晶層からのより長波長の放出を組み合わせて着色光またはフルスペクトルの白色光を生成してもよい。それぞれの結晶層は、励起されたときに結晶層に沿って所望のより長波長の放出で発光するように構成してもよい。

さらに別の実施形態では、本発明により、励起源と、励起源を封入する第１のダウンコンバージョン基板と、第１のダウンコンバージョン基板を封入する第２のダウンコンバージョン基板とを備える照明システムが提供される。一般に、蛍光体基板または蛍光体基板の個々の層は、空間的には、積分球の内側に、白色光スペクトルを作るための一次励起源（球のすぐ内側または外側）とともに設置することができる。色混合のためのこの配置により、一般に、励起源の分極特性は保存されない。さらに別の実施形態では、その配置は、多数の反射により白色光を作るための鏡または反射板のアレイを用いることになるであろう。この配置では、個々の蛍光体層は、その上に配置された裏面の反射板をそれぞれが有することができる。入射角がブリュースター角と等しいならば、この配置により、励起光源の分極状態を保存することができる。また、移動可能な励起源および／または１つもしくは複数の移動可能な基板層を用いることにより、この実施形態による照明システムを、調整可能な光合成装置として機能させることが可能である。

さらに別の実施形態では、本発明により、励起源用のダウンコンバートされた二次発光を生成する方法であって、励起源からの一次発光を生成し、励起源からの少なくともいくらかの一次発光の経路に配置されたダウンコンバージョン基板に一次発光を通過させて、少なくとも一部の一次発光をダウンコンバートされた二次発光に変換することを含み、基板が１つまたは複数の結晶層を含み、それぞれの結晶層が１つまたは複数の蛍光体材料を含み、随意で少なくとも１つの活性体を含む方法が提供される。

本発明の実施形態では、ダウンコンバージョン材料は、離れて、すなわち（１つまたは複数の）光源から離して配置してもよく、光源に隣接させるか、光源内に埋め込むか、またはいくつかの他の構成で配置してもよい。あるスペクトル領域で放射を吸収し、別のスペクトル領域で放射を出すのに、１つまたは複数のダウンコンバート材料が用いられる。多数のダウンコンバート材料により、光源から放出された波長を同じまたは異なるスペクトル領域に変換することが可能である。ダウンコンバージョン材料は、混ぜ合わせてもよいし、または個々の層として利用してもよい。ダウンコンバートされた光の前方伝達される部分と後方に伝達される部分の両方を取り込むことにより、システム効率を改善してもよい。例えば、反射板や、回折格子、光導波路などの追加の構成要素を利用して、本発明の照明システムの指向性の光出力、美観または光質を高めてもよい。同様に、これらの構成要素の位置を調整して、所望の光出力および視覚的な効果を確保してもよい。ヒートシンクを利用して、（１つまたは複数の）光源で熱を低減させ、かつ／または再分布させてもよい。これらすべての構造パラメタおよび特徴は、本発明の実施形態により考察される。

ダウンコンバージョン材料をＬＥＤパッケージに組み込む本発明の実施形態は、産業界において相当な使用および衝撃をもたらすことになる。例えば、多数の放出波長をもつＬＥＤの可用性により、スマートな照明システムの開発および展開を加速させることになる。加えて、今日気体または半導体レーザを用いる多くの用途を、必要な波長、粉末密度およびスペクトル幅が既存のレーザの輝線に合っているならば、ＬＥＤで置き換えることが可能である。本発明の実施形態により、コスト削減や安全性の改善などの、製造および運用上の相当な利点がもたらされ、無数の照明の要求を満たすことできるシステムが可能になる。

本発明は、添付の図面に関して読むと、以下の詳細な説明から最もよく理解される。

ダウンコンバート基板に一次発光を通すように励起源が配置された本発明の少なくとも１つの実施形態による、ダウンコンバートされた光を生成する方法の説明図である。 ダウンコンバート基板に沿って一次発光を通すように励起源が配置された本発明の別の実施形態による、ダウンコンバートされた光を生成する方法の説明図である。 回折格子をさらに含む、図１に示した実施形態の説明図である。 様々な寸法の１つより多くのダウンコンバージョン層を有するダウンコンバート基板に一次発光を通すように励起源が配置された本発明の別の実施形態による、ダウンコンバートされた光を生成する方法の説明図である。 ダウンコンバート基板に隣接して励起源が配置された本発明の別の実施形態による、ダウンコンバートされた光を生成する方法の説明図である。 ３次元球の形のダウンコンバート基板内に励起源が埋め込まれた本発明の別の実施形態による、ダウンコンバートされた光を生成する方法の説明図である。 円板型またはセル型のダウンコンバート基板内に励起源が埋め込まれた本発明の別の実施形態による、ダウンコンバートされた光を生成する方法の説明図である。 集積レンズをさらに含む、図２に示した実施形態の説明図である。 鏡をさらに含む、図２に示した実施形態の説明図である。 ドーパントを一定に保つとともに、勾配を与えるように蛍光体材料の組成を構成した、少なくとも１つの実施形態の説明図である。 勾配を与えるようにドーパントを構成するとともに、蛍光体材料の組成を均一に保った、少なくとも１つの実施形態の説明図である。 典型的な青色ＬＥＤの励起源からの発光スペクトルのグラフを示す。 本発明の少なくとも１つの実施形態による、段階的な結晶蛍光体基板を通過した典型的な青色ＬＥＤの励起源からの発光スペクトルのグラフを比較的に示す。 照明システムが、フルスペクトルの白色光を生成するのに用いられる調整可能な光合成装置であるさらに別の実施形態の説明図を示す。 第１の基板層板を回転させることにより、異なる望ましいスペクトルの光を合成するように修正された、図１１ａに示した実施形態の説明図を示す。

本明細書では特定の実施形態を参照して本発明を図示し記載するが、本発明は、示される細部に限定されることを意図していない。むしろ、特許請求の範囲およびその均等物の範囲内で、本発明から逸脱することなく細部に色々な修正をすることができる。

ダウンコンバート材料を用いると、低ワットの白熱灯を利用するものなどの伝統的な照明器具により生成される光と見た目の美しさが同等の光を生成するのに役立つ。上記のように、本発明のダウンコンバート材料は、あるスペクトル領域で放射を吸収し、別のスペクトル領域で放射を出すようになされた１つまたは複数の材料で構成してもよい。「ダウンコンバージョン」、「ダウンコンバート」および「ダウンコンバートされた」の用語は、あるスペクトル領域で放射を吸収し、別のスペクトル領域で放射を出すようになされた材料を指すことが理解されよう。したがって、「ダウンコンバージョン材料」の用語は、あるスペクトル領域で放射を吸収し、別のスペクトル領域で放射を出すことができる材料として、その組成により定義される。

光源から放出された光がダウンコンバート材料に到達すると、ダウンコンバート材料は光源に存在する波長をもつフォトンを吸収し、異なる波長でフォトンを放出して、変換された光を形成する。例えば、ダウンコンバート材料は、短波長の光を吸収し、より高波長のダウンコンバートされた光を放出する。当技術分野で知られているように、「短波長」すなわち「一次光」は、例えば、約２００ｎｍ〜約４８０ｎｍの波長（約１０^１６Ｈｚ〜約１０^１５Ｈｚ）にわたる紫外線または青色可視光などの、高周波数の発光を表すことを意図している。同様に、「より高波長」、「高波長」、「ダウンコンバートされた」、「変換された」または「二次光」は、例えば、約４５０ｎｍ〜約７５０ｎｍ（約１０^１５Ｈｚ）にわたる可視光などの、より低周波数の発光を表すことを意図している。放出されダウンコンバートされた光は、あらゆる方向に進むことができ（ランベルト放射体として知られている）、したがって、ダウンコンバートされた光の一部は上向きに進むが、別の一部は下向きに進む。ダウンコンバージョン材料から上向きに（または外向きに）行く光は、前方に伝達される部分の光であり、光源に向けて下向きに来る光は、後方に伝達される部分である。このことは、図面に関してさらに以下で説明する。

本発明は、ダウンコンバージョン材料として単結晶または多結晶の蛍光体を利用するＬＥＤ照明システム、およびそのダウンコンバージョン材料を製造する方法を対象とする。放出波長や、スペクトル幅、大面積にわたる分極などの色々な特性を同時に調整することは、連続的な（すなわち、微視的な不連続性がない）基板として成長させたダウンコンバート材料の単相結晶により可能である。結晶蛍光体基板は、例えば、単一の結晶相の多結晶基板、単結晶インゴットまたは膜として、溶融物から製造される。本発明の実施形態では、基板層の結晶相を、すなわち基板の均一なまたは段階的な組成内で、結果として生じる結晶蛍光体基板の所望の放出特性と効果的に関係付ける。結果として生じるダウンコンバート基板は、多数の個々の波長を放出することができ、追加の処理装置または製造ステップを要することなく、フルスペクトルで広範な波長の白色光源を生産することが可能である。

単結晶蛍光体を用いることにより、効果的な蛍光体の集積が可能になり、散乱に関係した放出損失が最小化され、それによって、ＬＥＤパッケージの効率が改善される。以下でさらに詳細に論じるように、青色または紫外線の発光ＬＥＤなどの１つまたは複数の励起源を、ダウンコンバート基板により埋め込むかまたは封止してもよい。本発明の照明システムを製造するための結晶成長技術の使用は、励起源を製造するための既存の製造手法および技法と両立可能である。例えば、単結晶蛍光体を利用して、成長後、サファイア基板からエピタキシャル膜をリフトオフさせる工程中に、ＡｌＧａＩｎＮ ＬＥＤ用のキャリア基板として作用させることができ、または、ＡｌＧａＩｎＮ ＬＥＤ素子の構造がその上にエピタキシャル成長する基板として作用させることもできる。そうしたさらなる処理を行って所望の審美的および機能的なパラメタを実現する場合には、単結晶基板または板は、実質的に欠陥なしで形成することもでき、エピタキシャル材料または基板に接合させることもできる。したがって、本発明の方法では、多数の個々の波長を放出することができるダウンコンバート基板を生産するのに現在必要な製造ステップが削減されることなどにより、さらなる運用上の利点がもたらされる。

単結晶蛍光体は、周期的な格子または構造の中に１つまたは複数の蛍光体を設けた単結晶蛍光体をもたらすいくつかの技法を用いて形成してもよい。単結晶は、結晶粒界がなく、結晶格子が結晶の縁部まで連続し途切れない結晶性の固体である。単結晶の製造は、典型的には、原子の層ごとに結晶を構築するものである。大きな単結晶を生成する技法には、一般に「溶融物」と呼ばれる供給材料の溶融槽内で回転する「種結晶」をゆっくり引き出すことが含まれる。これらの技法を利用するプロセスは、当技術分野では、チョクラルスキープロセスまたはブリッジマン−ストックバーガー法として知られている。他の既知のプロセスには、グラジエントフリーズ（ｇｒａｄｉｅｎｔ ｆｒｅｅｚｉｎｇ）法や、フロートゾーン（ｆｌｏａｔ ｚｏｎｅ）法、フラックス成長法または溶液成長法、液相エピタキシャル法が含まれる。これらのプロセスを用いて、例えば、当技術分野で知られているもの中でもとりわけ、基板、ブロック、ボウル（ｂｏｕｌｅ）、薄膜または圧縮した／積み重ねた平板を含むいくつかの形態で、結晶蛍光体のダウンコンバート材料を成長させ、生成してもよい。

本発明の一実施形態では、ダウンコンバージョン基板を製造する方法は、１つまたは複数の蛍光体材料を含む第１の結晶層を形成し、随意で、少なくとも１つの活性体を結晶層に加えることを含む。次いで、第１の結晶層は高温で加熱されて、結晶層における結晶成長を促進する。その高温は、典型的には、約８００℃〜約１０００℃の範囲内である。結晶が成長したら、結晶構造をゆっくり引き出すことなどにより、結晶を取り出し、冷却してダウンコンバージョン基板を形成できるようにしてもよい。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の蛍光体材料を含む１つまたは複数の付加結晶層を第１の結晶層の上に堆積させるとともに、随意で、１つまたは複数の付加結晶層のそれぞれに少なくとも１つの活性体を加えてもよい。活性体は、サマリウム（Ｓｍ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ユーロピウム（Ｅｕ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、テルビウム（Ｔｂ）、ホルミウム（Ｈｏ）、ネオジム（Ｎｄ）、エルビウム（Ｅｒ）など、およびそれらの混合物などのドーパントでもよい。

結晶蛍光体のダウンコンバート基板は段階的な蛍光体材料でもよく、その際は、単一の蛍光体組成を維持したまま、基板の異なる領域で密度、結晶の大きさおよび他の結晶パラメタを修正することができる。これは、製造方法における異なる期間で温度、持続時間および形成材料を制御しかつ調整することなどの、いくつかの既知の技法により実現することができる。加えて、または代わりに、いくつかの異なるドーパントを用いて基板内の異なる領域を形成しながら、全体を通して蛍光体材料を一定に保って、均一な基板を形成してもよい。したがって、「段階的な」および「均一な」の用語は、結晶蛍光体のダウンコンバート基板の全体を通して、基板内のある結晶パラメタが異なるか、または同じであることを意味する。

さらに別の方法として、いくつかの異なる蛍光体材料を用いて段階的なまたは均一な基板を形成し、それぞれの蛍光体材料用に１つまたは複数のドーパントを用いてもよい。当業者であれば理解するように、利用される蛍光体材料およびドーパントの個数および種類を調整して、特定の基板パラメタおよび所望の光出力の特性を実現してもよい。例えば、第１の結晶層および１つまたは複数の付加結晶層は、それぞれ同じ蛍光体材料を含み、同じまたは異なる結晶パラメタを有して、均一なまたは段階的な全体の基板組成を効果的に形成してもよい。これらの層には、それぞれ同じまたは異なるドーパントをドープしてもよい。したがって、結果として生じる結晶蛍光体のダウンコンバート基板は、任意の個数の式および組成を有してもよい。これらの実施形態は、添付の図面に関して以下でさらに詳述する。

単結晶蛍光体基板は、励起源から放出された様々な波長の光を吸収し、異なる波長の光を再放出するように企図することができる多くの異なる蛍光体材料を含んでもよい。好ましい実施形態では、単結晶蛍光体基板は、４５０〜４８０ｎｍの範囲内の波長をもつ青色光を吸収し、黄色光を再放出して、青色ＬＥＤからの変換されていない残りの発光と、ダウンコンバートされた黄色の発光が組み合わされたときに、所望の白色光を生成することができる。しかしながら、当業者であれば理解するように、蛍光体材料および活性体を選択して、無数の光の色、質および他の望ましい放出特性を実現することが可能な結晶蛍光体基板を生産することができる。

いくつかの異なる蛍光体材料を用いて結晶蛍光体基板を生産してもよく、その蛍光体材料は、いくつかのよく知られている蛍光体族から選択することができる。例えば、イットリウムアルミニウムガーネット、珪酸塩ガーネット、バナジン酸塩ガーネット、混合酸化物、アルカリ土類金属珪酸塩、アルカリ土類金属硫酸塩およびセレン化物、アルカリ土類金属チオガリウム酸塩、金属窒化物、金属オキソ窒化物、混合タングステン−モリブデン族の蛍光体、ならびに混合ガラス蛍光体を利用して、結晶蛍光体基板を生産してもよい。例示的な蛍光体のより詳細な一覧には、これに限定されないが、以下が含まれる。

１．イットリウムアルミニウムガーネット族：（Ｙ_ｘＧｄ_１−ｘ）_３（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_５Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋，Ｐｒ^３＋，Ｅｕ^２＋

２．珪酸塩ガーネット族：Ｍ_ｘＭ_ｙＬ_２ａＬ_２ｂＱ_ｃＱ_ｄＲ_４ｅＲ_４ｆＯ_１２：Ｃｅ^３＋，Ｅｕ^３＋；ここで、ＭはＩＩＡ族（Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ）からの元素を表し、ＬはＳｃ，Ｙ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，ＹｂおよびＬｕからなる群からの希土類元素を表し、ＱはＩＶＡ族（Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓｎ，Ｐｂ）からの元素であり、ＲはＩＩＩＡ族（Ｂ，Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｔｌ）からの元素である。

３．バナジン酸塩ガーネット族：Ｍ_２ｘＭ_２ｙＱ_ａＱ_ｂＭ_２ｃＭ_２ｄＶ_３Ｏ_１２：Ｅｕ^３＋；ここで、ＭはＩＩＡ族（Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ）からの元素を表し、ＱはＩＡ族（Ｌｉ，Ｎａ，Ｋ，Ｒｂ，Ｃｓ）からの元素を表す。

４．混合酸化物族：（Ｙ_{２−ｘ−ｙ}Ｅｕ_ｘＢｉ_ｙ）Ｏ_３：Ｅｕ^３＋およびＱ_２ａＱ_２ｂＧｄ_２Ｂ_２Ｏ_７：Ｃｅ^３＋，Ｔｂ^３＋；ここで、ＱはＩＡ族（Ｌｉ，Ｎａ，Ｋ，Ｒｂ，Ｃｓ）からの元素を表す。ＹＣａ_３Ｍ_３ｘＭ_３ｙＢ_４Ｏ_１５：Ｅｕ^３＋；ここで、ＭはＩＩＩＡ族（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）からの元素を表す。ＬａＣｅＭ_２ｘＭ_２ｙＲ_ａＲ_ｂＯ_５：Ｃｅ^３＋およびＭ_２ｘＭ_２ｙＲ_２ａＲ_２ｂＯ_４：Ｅｕ^２＋；ここで、ＭはＩＩＡ族（Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ）からの元素を表し、ＲはＩＩＩＡ族（Ｂ，Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）からの元素を表す。

５．アルカリ土類金属珪酸塩族：（Ｂａ_{１−ｘ−ｙ}Ｓｒ_ｘＣａ_ｙ）ＳｉＯ_４：Ｅｕ^２＋；Ｃａ_３ＭｇＳｉ_２Ｏ_８：Ｅｕ^２＋，Ｓｒ_３ＭｇＳｉ_２Ｏ_８：Ｅｕ^２＋，Ｂａ_３ＭｇＳｉ_２Ｏ_８：Ｅｕ^２＋，Ｂａ_２ＭｇＺｎＳｉ_２Ｏ_４：Ｅｕ^２＋，Ｓｒ_３ＳｉＯ_５：Ｅｕ^２＋，Ｌｉ_２ＳｒＳｉＯ_４：Ｅｕ^２＋およびＡ_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ^２＋，Ｄ；ここで、ＡはＩＩ族（Ｓｒ，Ｂａ，Ｃａ，Ｚｎ，Ｃｄ，Ｍｇ）からの元素であり、ＤはＦ，Ｃｌ，Ｂｒ，Ｉ，Ｎ，Ｓ，Ｐなどの元素である。

６．アルカリ土類金属硫酸塩およびセレン化物：ＭＳ：Ｅｕ^２＋およびＭＳｅ：Ｅｕ^２＋；ここで、Ｃａ_１−ｘＳｒ_ｘＳ：Ｅｕ^２＋，Ｃａ_１−ｘＳｒ_ｘＳｅ：Ｅｕ^２＋，Ｃａ_１−ｘＳｒ_ｘＳｅ_１−ｙ：Ｅｕ^２＋など、Ｍは、ＩＩＡ族（Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ）からの１つまたは複数の元素である。

７．アルカリ土類金属チオガリウム酸塩：Ｍ_ｘＭ_ｙＡ_２ａＡ_２ｂＳ_４：Ｅｕ^＋；ＭＡ_２（Ｓ_ｘＳｅ_ｙ）_４：Ｂ；ＭＡ_４（Ｓ_ｘＳｅ_ｙ）_７：Ｂ；Ｍ_２Ａ_４（Ｓ_ｘＳｅ_ｙ）_７：Ｂ；および（Ｍ１）_ｍ（Ｍ２）_ｎＡ_ｐ（Ｓ_ｘＳｅ_ｙ）_ｑ；ここで、Ｍ，Ｍ１およびＭ２はＢｅ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，ＢａおよびＺｎからなる群より選択された１つまたは複数の元素であり、ＡはＡｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｙ，Ｌａ，Ｇｄからの１つまたは複数の元素であり、ＢはＥｕ，Ｃｅ，Ｃｕ，Ａｇ，Ａｌ，Ｔｂ，Ｃｌ，Ｂｒ，Ｆ，Ｉ，Ｍｇ，Ｐｒ，Ｋ，Ｎａ，Ｍｎからの元素であり、ｐは約２または約４であり、ｑは約４または約７である。

８．金属窒化物族：Ｍ_ｘＳｉ_ｙＮ_ｚ：Ｅｕ^２＋，Ｃｅ^３＋；ここで、Ｓｒ_２Ｓｉ_５Ｎ_８：Ｅｕ^２＋，Ｂａ_２Ｓｉ_５Ｎ_８：Ｅｕ^２＋，（Ｓｒ_{１−ｘ−ｙ}Ｂａ_ｘＣａ_ｙ）_２Ｓｉ_５Ｎ_８：Ｅｕ^２＋，ＣａＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕ^２＋，Ｃａ_ｘＡｌ_ｙＳｉ_ｚＮ_３：Ｃｅ^３＋およびＣａＳｉＮ_２：Ｃｅ^３＋など、Ｍは、Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｌｎ，Ｙ，Ｙｂ，Ａｌから選択される１つまたは複数の元素である。

９．金属オキソ窒化物族：ＭＳｉ_２Ｏ_２Ｎ_２：Ｅｕ^２＋；ここで、ＭはＭｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｌｎ，Ｙ，Ｙｂ，Ａｌから選択される１つまたは複数の元素である。（ＳｒＣａ）_ｐ／２Ａｌ_ｐ＋ｑＳｉ_{１２−ｐ−ｑ}Ｏ_ｑＮ_１６−ｑ：Ｅｕ^２＋または（Ｃａ_ｘＭ_ｙ）（Ｓｉ，Ａｌ）_１２（Ｏ，Ｎ）_１６：Ｅｕ^２＋；ここで、ＭはＥｕ，Ｔｂ，Ｙｂ，Ｅｒから選択される１つまたは複数の元素である。Ｌｉ_ｘＭ_ｙＬｎ_ｚＳｉ_{１２−（ｍ＋ｎ）}Ａｌ_{（ｍ＋ｎ）}Ｏ_ｎＮ_１６−ｎ：Ｅｕ^２＋；ここで、ＭはＣａ，Ｍｇ，Ｙから選択される１つまたは複数の元素であり、ＬｎはＥｕ，Ｄｙ，Ｅｒ，Ｔｂ，Ｙｂ，Ｃｅから選択される１つまたは複数の元素である。ＳｒＳｉＡｌ_２Ｏ_３Ｎ_２：Ｅｕ^２＋；ＣａＳｉ_２Ｏ_２Ｎ_２：Ｅｕ^＋；ＣａＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ^２＋またはＬｉＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ^２＋

１０．混合タングステン−モリブデン族：Ａ_ｐＢ_ｑＭｏ_ｘＷ_１−ｘＯ_ｚ：Ｒ；ここで、ＲはＣｅ^３＋，Ｅｕ^３＋，Ｐｒ^３＋，Ｄｙ^３＋，Ｔｂ^３＋Ｓｍ^３＋，Ｈｏ^３＋，Ｙｂ^３＋，Ｍｎ^４＋，Ｂｉ^３＋，Ｓｂ^３＋，Ｆｅ^３＋，Ｓｎ^２＋などの群から選択され、ＡおよびＢは、好ましくはＩＡ族、ＩＢ族、ＩＩＡ族、ＩＩＢ族、ＩＩＩＡ族、ＩＩＩＢ族、ＩＶＡ族、ＩＶＢ族およびＶＢ族からの元素であり、ｚは、好ましくは約４〜約６の範囲内である。

１１．混合ガラス蛍光体：ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ｐ_２Ｏ_５−ＢａＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｎａ_２Ｏ−Ｌｉ_２Ｏ−ＣａＯ−ＳｒＯ，ＭｇＯ−ＴｉＯ_２：Ｒ；ここで、ＲはＣｅ^３＋，Ｅｕ^３＋，Ｐｒ^３＋，Ｄｙ^３＋，Ｔｂ^３＋Ｓｍ^３＋，Ｈｏ^３＋，Ｙｂ^３＋，Ｍｎ^４＋，Ｂｉ^３＋，Ｓｂ^３＋，Ｆｅ^３＋，Ｓｎ^２＋などの群から選択される。

上記の組成式中の添字（例えば、ｘ，ｙ，ｚ）は、上記で特に断りがない限り、０と１の間の値である。組成中で識別子「：」の後に一覧表示されている希土類および遷移元素の活性体ドーパント種は、限定的でない単なる例であり、当業者であれば理解するように、本発明の実施形態により他の既知のドーパントを利用してもよい。ドーパント／活性体は、典型的には、蛍光体の組成に応じて、０．０１〜１０モルパーセントの範囲内である。活性体が過剰になると、（ＬＥＤを連続的に稼動している間に起こるように）高温で、または高光束で、蛍光体の波長変換効率が低下するおそれがある。ある特定の実施形態では、ユーロピウムがドープされたストロンチウム、カルシウム、ガリウム、インジウムおよび硫黄を含む、アルカリ土類金属チオガリウム酸塩族からの単一の蛍光体材料を利用して、（ＳｒＣａ）（ＧａＩｎ）_２Ｓ_４：Ｅｕ^２＋の式で表される段階的な結晶蛍光体基板が形成される。

結晶蛍光体基板では、規則正しく連続的に成長した結晶材料構造の結果として、光散乱が低減される。既存のプロセスにより作られた、粉末ベースで発光性のセラミック蛍光体などの蛍光体基板では、蛍光体粒子は、典型的には１〜２０μｍにわたる一定の粒径分布をもつ粉末状である。ＬＥＤなどの励起源から放出された光は、これらの粒子に邪魔されるため、ランダムまたは多くの異なる方向に散乱され得る。しかしながら、単結晶蛍光体については、ＬＥＤの光は完全な規則正しい単結晶材料に出くわすので、散乱は低減するかまたは本質的になくすことができる。散乱が低減されることにより、結晶蛍光体基板についての光取出効率はより高くなる。同様に、結晶蛍光体基板は、内部の反射に起因して光損失の量を低下させることがわかっている。上記のように、蛍光体基板を製造するための既知のプロセスには、バインダなどの色々な処理添加剤を使用することが含まれ、その添加剤は、典型的には蛍光体材料とは異なる屈折率を有する。この不一致により内部の反射が引き起こされることが知られており、それによって、蛍光体基板および照明システムからの使用可能な光出力に損失が生じる。しかしながら、結晶蛍光体基板は、そうしたバインダまたは処理添加剤を必要としない。バインダが用いられたとしても、結晶蛍光体基板の内部の反射値は、既知のバインダの値に近い。結果として、結晶蛍光体基板を利用する照明システムは、伝統的な蛍光体基板を利用するものよりも内部の反射が低減されることになる。

本明細書では、図面を参照して本発明の色々な実施形態を記載する。当業者であれば容易に理解するように、「ｕｐｏｎ」や「ａｂｏｖｅ」などの相対的な用語が本明細書で用いられ、これは、無数のやり方でのある層または領域と別の層または領域の配置を記載することを意図している。例えば、ある構成要素が別の要素の「上に（ｏｎ）」あると記載したときは、直接他の要素の上にあってもよいし、他の要素に一体化していてもよいし、または処理添加剤などの他の要素が間にあってもよい。同様に、「第１の」や「第２の」などの用語は、以下で記述されるある元素、構成要素、領域または層を区別することを意図しており、そうした項目について用いられるそうしたラベルは、本発明の教示から逸脱することなく交換することができる。これらの用語は、図面に描かれた向きに加えて、異なる向きの基板のおよび照明システムも包含することを意図していることが理解されよう。また、図面に示した構成要素の寸法および構成は、単なる説明のためのものであり、これらのパラメタは、本発明の教示から逸脱することなく変化させることもできる。

図１は、本発明による方法によって製造された照明システムの１つの例示的な実施形態を示す。その照明システムは、結晶蛍光体基板１０を含む。上記の通り、結晶蛍光体基板１０は、段階的なまたは均一な結晶蛍光体基板でもよい。第１の実施形態では、結晶蛍光体基板１０は、段階的な蛍光体材料でもよく、密度、結晶の大きさおよび他の結晶パラメタは、単一の蛍光体組成を維持しながら、基板の異なる領域で修正してもよい。これは、製造方法における異なる期間で温度、持続時間および形成材料を制御しかつ調整することなどの、いくつかの既知の技法により実現することができる。そうした実施形態では、領域１０ａ，１０ｂ，１０ｃおよび１０ｄは、それぞれの領域が異なる結晶特性を有する、同じ蛍光体材料の４つの階調に対応する。別の実施形態では、いくつかの異なるドーパントを用いて基板内の異なる領域を形成しながら、全体を通して蛍光体材料を一定に保って、均一な基板を形成してもよい。本実施形態では、領域１０ａ，１０ｂ，１０ｃおよび１０ｄは、それぞれの区域が異なるドーパントを利用する、同じ蛍光体材料の４つのドーパント区域に対応する。別の実施形態では、それら領域は、異なる階調とドーパントの両方を利用してもよい。さらに別の方法として、いくつかの異なる蛍光体材料を用いて、段階的なまたは均一な基板を形成し、それぞれの蛍光体材料に１つまたは複数のドーパントを用いてもよい。当業者であれば理解するように、利用される蛍光体材料およびドーパントの個数および種類を調整して、特定の基板パラメタおよび所望の光出力の特性を実現してもよい。例えば、第１の結晶層および１つまたは複数の付加結晶層は、それぞれ同じ蛍光体材料を含み、同じまたは異なる結晶パラメタを有して、均一なまたは段階的な全体の基板組成を効果的に形成してもよい。これらの層または領域には、それぞれ同じまたは異なるドーパントをドープしてもよい。したがって、結果として生じる結晶蛍光体のダウンコンバート基板は、任意の個数の式および組成を有してもよい。個々の層または領域は、長さまたは厚さなどの同じパラメタをもつ必要はなく、そうしたパラメタをいくつかのやり方で構成して、所望の光出力の特性を実現してもよい。

上記のように、広範な蛍光体を利用してもよい。また、量子ドット、ナノ粒子、量子井戸およびナノチューブを利用して、結晶蛍光体基板内で組成の変化または「勾配」を与えてもよい。これらの材料は、効果的なダウンコンバート材料であることが知られており、従来の蛍光体材料に対して潜在的な利点があることが知られている。例えば、量子ドットの発光スペクトルは、発光スペクトルの大部分が化学的組成およびドーパント種によって固定される蛍光体とは異なり、粒径分布および／または表面の化学的性質を制御することによって「調整」することができる。また、結晶蛍光体基板は、特に所望の透過特性を実現するように、いくつかの材料で構成してもよい。例えば、結晶蛍光体基板は、光学的に明るい、すなわち、全体的に透過性の、半透明な、反射性の、拡散性の、不透明な、または任意の範囲の透過性があるように構成してもよい。「光学的に明るい」の用語は、９０％より大きい透過性を有する明るいガラスなどの全体的な透明を意味することを意図している。

一次発光が励起源１２から放出される。典型的には、青色または紫外線の励起源が利用される。この目的のために、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード、レーザまたは放電ランプを含む、当技術分野で知られている任意の励起源を利用してもよい。励起源は、例えば、紫外線光源（例えば、波長＞１００ｎｍ）または可視青色光源（例えば、波長が約４００〜約４５０ｎｍ）でもよい。一次発光は結晶蛍光体基板１０に向かう。結晶蛍光体基板１０は、１つまたは複数の基板領域１０ａ，１０ｂ，１０ｃおよび１０ｄを含み、一次発光は、変換された（すなわち、より長波長の）二次発光に、少なくとも部分的にダウンコンバートされる。二次発光は、結晶蛍光体基板の（例えば、基板もしくは基板層の長軸に沿った）側面、端部もしくは縁部から放出された多数の個々の波長（λ_１，λ_２，λ_３，．．．λ_ｎ）、結晶蛍光体基板の（例えば、基板もしくは基板層の平坦な表面を通した）上面、底面もしくは周囲の表面を通した個々の波長の集約（λ_１＋λ_２＋λ_３．．．＋λ_ｎ）により生成されるフルスペクトルの広範な波長の白色光、またはそれらの両方を含んでもよい。結晶蛍光体基板が半透明で拡散性であるように設計されるとき、または基板領域間の界面で処理添加剤が用いられるときなどは、結晶蛍光体基板の組成上の構成に応じて、いくらかの後方に伝達される放出があってもよい。当技術分野で知られているように、一次発光のうちのいくらかは、ダウンコンバートされることなく基板を通過し得る。ダウンコンバートされる一次発光の量は、結晶の大きさおよび基板の密度を含むいくつかの因子により制御することができる。

上記の通り、本発明の結晶蛍光体基板を利用して、機能的な光導波路として、フルスペクトルの白色光源または多数の個々の波長を生成することができる。図２は、主に光導波路として機能する結晶蛍光体基板を照明システムが利用する、本発明の実施形態を示す。励起源１２は、図１に示したような結晶蛍光体基板の底面とは対照的に、結晶蛍光体基板の（例えば、基板または基板層の長軸に沿った）縁部を通して、一次発光を出すように構成される。したがって、結晶蛍光体基板は、１つまたは複数の個々の波長（λ_１，λ_２，λ_３，．．．λ_ｎ）のダウンコンバートされた二次発光を生成する光導波路として機能する。特定の構成および所望の光出力に応じて、いくらかのダウンコンバートされた二次発光は、さらに、結晶蛍光体基板の（例えば、基板または基板層の平坦な表面を通した）上面、底面または周囲の表面を通して、集約した白色光（λ_１＋λ_２＋λ_３．．．＋λ_ｎ）として、結晶蛍光体基板から出て行ってもよい。色の表示および照明の用途のための光源としてのレーザをもつと、図２に示した実施形態は、特に有用であろう。例えば、白色レーザは、個々の光導波路として作用する結晶蛍光体基板の領域により生成される離散的な波長を集約することにより、この実施形態で実現することができる。あるいは、特定の個々の色が要求されることもあり、それもこの実施形態を通して実現することができる。

本発明の実施形態と一緒に追加の構成要素を利用して、特定の光出力、演色または任意の他の望ましい特性を実現することができる。例えば、図３は、照明システムがさらに回折格子１４を利用する、本発明の実施形態を示す。当技術分野で知られているように、回折格子は、周期的な構造をもつ光学素子であり、異なる方向に進むいくつかのビームに光を分割し回折させる。これらのビームの方向は、格子の間隔と光の波長に依存し、したがって、格子は分散要素の働きをする。実用化のためには、一般に、格子はその表面上に、暗線よりもむしろ稜線または罫線を有する。そうした格子は、透過性または反射性になり得る。当技術分野で知られている回折格子と他の同様の素子を利用して、本発明の照明システムにより生成される光の望ましい特性を実現することができる。

図４は、様々な寸法の領域または層を有する結晶蛍光体基板を照明システムが含む、本発明のさらに別の実施形態を示す。この構成により、結晶蛍光体基板の（例えば、基板または基板層の平坦な表面を通した）上面からの、個々の波長（λ_１，λ_２，λ_３，．．．λ_ｎ）をもつ二次発光と集約した白色光（λ_１＋λ_２＋λ_３．．．＋λ_ｎ）の両方を生成することが可能になる。この構成では、励起源１２からの一次発光は、結晶蛍光体基板１０の１つまたは複数の個々の層または領域１０ａ，１０ｂ，１０ｃおよび／または１０ｄを通過して、ある範囲の色で二次発光を生成することができる。例えば、ある一次発光は、基板領域１０ａを通過し、それによりダウンコンバートされ得る。励起源１２からの他の一次発光は、基板領域１０ａと１０ｂを通過し、それによりダウンコンバートされ得る。さらに他の一次発光は、１０ａ，１０ｂおよび１０ｃを通過し得るが、ある一次発光は、図４に示した結晶蛍光体基板１０の４つの全領域を通過し得る。これらの各経路の出力は、個々の領域または層および使用されるドーパントの組成に応じて、異なるパラメタの二次発光を生成することができる。以前の図面に示した実施形態と同様に、個々の波長（λ_１，λ_２，λ_３，．．．λ_ｎ）をもつ二次発光も、必要に応じて、結晶蛍光体基板の（例えば、基板または基板層の長軸に沿った）縁部から生成することができる。

照明システムの構成要素も、無数のやり方で構成することができる。例えば、励起源は、ダウンコンバージョン結晶蛍光体基板から離れて（すなわち、遠隔で）配置してもよい。あるいは、図５に示したように、照明システムのいくつかの実施形態では、励起源を結晶蛍光体基板に隣接して配置してもよい。さらに他の実施形態では、ダウンコンバージョン結晶蛍光体基板内に全体的に埋め込まれるように、励起源を構成してもよい。図６ａはそうした実施形態を示し、そこでは、球状のダウンコンバージョン結晶蛍光体基板１０内に励起源１２が全体的に埋め込まれる。図６ａは、３次元球状の照明システムの破断図を示す。励起源は、円板型またはセル型のダウンコンバージョン結晶蛍光体基板内に埋め込まれるように構成してもよく、その場合、図６ｂに示したように、励起源は基板によって完全には封止されない。本発明の照明システムにより他の構成要素を利用して、特に所望の光出力の特性を実現することができる。例えば、図７ａは、本発明の照明システムの光導波路型の構成を示し、このシステムは、さらに集積レンズ１６を利用して、結晶蛍光体基板の（例えば、基板または基板層の長軸に沿った）縁部からの二次発光として生成された個々の波長（λ_１，λ_２，λ_３，．．．λ_ｎ）を、集約した白色光（λ_１＋λ_２＋λ_３．．．＋λ_ｎ）に組み合わせる。集積レンズは、例えば、ガラスまたはプラスチックなどのいくつかの既知の材料で構成してもよい。そうした構成は、例えば、色の表示および照明の用途のためのレーザベースの照明システムで特に有用となり得る。図７ｂは、本発明の照明システム光導波路型の構成を示し、このシステムは、さらに鏡または反射板１８を利用して、結晶蛍光体基板の縁部からの少なくともいくらかの二次発光を、基板を通して後方に反射させる。例えば、ガラスの鏡または反射性の金属面などの、任意の既知の鏡または反射面を、この目的のために使用することができる。そうした構成を利用して、鏡の反射率に応じて個々の波長および集約した白色光として結晶蛍光体基板から出て行く二次発光の量を制御してもよい。より反射性が高い面を使用して、より多くの二次発光が集約した白色光として出て行くように鏡により促進させてもよく、一方、反射性が低い反射面を用いて、より多くの二次発光が個々の波長として出て行けるようにしてもよい。

図１１ａおよび図１１ｂは、本発明の実施形態によるさらに別の照明システムの構成を示す。図１１ａおよび図１１ｂは両方とも、個々の結晶蛍光体の基板層を用いて設計された調整可能な光合成システムを示す。それぞれの結晶蛍光体の基板層は、基板層の裏側の鏡または金属面などの反射板とともに積み重ねられる。図１１ａは、すべての個々の波長成分が存在するフルスペクトル源を示す。この構成では、励起源１２からの一次発光は、第１の個々の結晶蛍光体の基板層１０ａを通過して、二次発光λ_１を生成し得る。次いで、第１の層１０ａに隣接して配置された反射板１８により、第２の個々の結晶蛍光体基板１０ｂの方向に二次発光を反射し、そこで、λ_１＋λ_２の両方を含む二次発光が放出される。次いで、第２の層１０ｂに隣接して配置された反射板１８は、この組み合わされた二次発光を第３の個々の結晶蛍光体層１０ｃの方向に反射し、組み合わされた二次発光が所望の光スペクトルになるまで、以下同様に続く。この実施形態から生じる二次発光は、図１１ａに示したような、組み合わされたフルスペクトルの白色光源でもよい。あるいは、この実施形態から生じる二次発光は、個々の結晶蛍光体の基板層の選択、位置決めおよびパラメタを調整することにより、ならびに／または励起源を調整することにより、任意の所望の光スペクトルとすることができる。

図１１ｂは、調整可能な光合成システムの例を提供し、このシステムでは、第１の結晶蛍光体の基板層が回転により調整されて、個々の結晶蛍光体の基板層１０ｂおよび１０ｃをバイパスして、二次発光λ_１を第４の結晶蛍光体の基板層１０ｄの方向に放出する。このように、照明システムからの組み合わされた二次発光は、任意の所望の質（λ_１＋．．．λ_ｎ）の着色発光とすることができる。したがって、励起および／または変換された光の経路を調整して、任意の所望の質の発光を生成することができる。これらの各経路の出力は、個々の層および使用されるドーパントの組成に応じて、かつその層を通して光が変換および反射される層の個数によって、異なるパラメタの二次発光を生成することができる。当業者であれば理解するように、励起源および／または個々の結晶蛍光体の基板層を回転させ、傾斜させ、またはいくつかの他の構成に位置決めして、励起および／または変換された発光用の指向性の経路を提供してもよい。図１１ｂは、１つまたは複数の蛍光体板の向きを回転させることにより必要に応じて任意の望ましいスペクトルを合成することができる構成を示す。そうしたシステムは、例えば微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）を用いて、結晶蛍光体の基板層と一体化した小型の形状で製造することができる。

上記の通り、結晶蛍光体基板は、それぞれが同じまたは異なる種類の蛍光体材料、ドーパント、密度、結晶の大きさおよび他の結晶パラメタを有する１つまたは複数の層または領域を含んでもよい。それぞれの層または領域の組成により、青色および／または紫外線の発光スペクトルで励起が示され、望ましいピーク放出が与えられ、かつ効率的な光変換が行われる。例えば、一実施形態では、結晶蛍光体基板の第１の層または領域は、イットリウムアルミニウムガーネット（化学式がＹ_３Ａｌ_５Ｏ_１２のＹＡＧ）を含む。ＹＡＧ層または領域は、機械的にロバストで、物理的に堅く、光学的に等方性の安定な化合物であると知られている。この第１の層を他の化合物と組み合わせて、所望の放出波長を実現することができる。単結晶蛍光体基板が青色光を吸収し、黄色光を再放出する一実施形態では、単結晶蛍光体基板は、ＹＡＧ：Ｃｅを含んでもよい。この実施形態は、青色と黄色の光を組み合わせた白色光を放出するＬＥＤに特に適用可能である。他の実施形態では、異なる波長の光を吸収しダウンコンバージョンさせるために、ＹＡＧ層の上に他の蛍光体化合物を堆積させてもよい。

上述したように、蛍光体材料は、段階的な、例えば、様々な密度、結晶の大きさおよび他の結晶パラメタの領域でもよい。これらのパラメタには、線形、放物線または任意の他の関数もしくは形状の勾配を与えてもよい。当業者であれば容易に理解するように、階調も、いくつかの異なる方向または構成としてよい。蛍光体材料を階調にできることに加えて、活性元素（すなわち、ドーパント）のドーピング濃度を段階的にすることができる。ドーパントは、層もしくは領域の厚さを通して鉛直に、層もしくは領域の幅に沿って側方に、またはそれら両方の組合せで、段階的にすることができる。当業者であれば理解するように、ドーパントの勾配は、線形、放物線または任意の他の関数もしくは形状でもよい。したがって、結晶蛍光体基板は、均一な密度、結晶の大きさおよび他の結晶パラメタを有する１種類の蛍光体材料を含み、１種類のドーパントがドープされるが、ドーパントに勾配があるためいくつかの領域または層をもつことができる。

図８ａおよび図８ｂは、本発明の方法により製造された基板の２つの可能な実施形態を示す。図８ａは、蛍光体組成に勾配がある結晶蛍光体基板を示す。本実施形態で利用される蛍光体材料は式Ｂａ_ｘＳｒ_ｙＣａ_ｚＧａ_ｒＳ_ｑ：（Ｅｕ^２＋）_ｔをもつアルカリ土類金属チオガリウム酸塩であり、ｘは約１〜約０の範囲、ｙは約０〜約１の範囲、ｚは約０〜約１の範囲、ｒは約２〜約０の範囲、ｑは約４〜約１の範囲であり、ｔは約０．０２で一定のままとする。したがって、図８ａに示した結晶蛍光体基板中の蛍光体材料の組成は蛍光体組成に勾配を生成するように変化するが、ドーパントは一定のままとなる。あるいは、図８ｂは、ドーパントに勾配がある結晶蛍光体基板を示す。本実施形態で利用される蛍光体材料は、やはりアルカリ土類金属チオガリウム酸塩である。より詳細には、利用されるアルカリ土類金属チオガリウム酸塩は式Ｂａ_ｘＳｒ_ｙＣａ_ｚＧａ_ｒＳ_ｑ：（Ｃａ^３＋）_ｔ（Ｅｕ^２＋）_ｗ（Ｍｎ^２＋）_ｖをもち、ｘ，ｙおよびｚは約０．３３で一定、ｒは約２で一定、ｑは約４で一定とし、ｔは約０．０３〜約０の範囲、ｗは約０〜約０．０２の範囲、ｖは約０〜約０．０１の範囲である。したがって、図８ａに示した結晶蛍光体基板中の蛍光体材料の組成は一定のままであるが、ドーパントはドーパント勾配を生成するように変化する。上記の通り、他の実施形態では、第１の基板層または領域における１つまたは複数の蛍光体材料と、随意で１つまたは複数の付加蛍光体材料層または領域と、随意で第１の基板層および付加蛍光体材料層のそれぞれにおける１つまたは複数のドーパントとを含んでもよい。

さらに別の実施形態では、本発明により、短波長の一次発光を放出するための励起源と、励起源からの少なくともいくらかの一次発光の経路に配置されて、少なくとも一部の一次発光をより長波長の二次発光に変換するダウンコンバージョン基板とを備え、基板が１つまたは複数の結晶層を含み、それぞれの結晶層が１つまたは複数の蛍光体材料を含み、随意で少なくとも１つの活性体を含む、照明システムが提供される。励起源は、例えば、基板に隣接して配置するか、基板から離すか、または基板内に埋め込んでもよい。当業者であれば理解するように、例えば、鏡や、回折格子、集積レンズ、光導波路などの追加の構成要素を利用して、本発明の照明システムの指向性の光出力、美観または光質を高めてもよい。同様に、これらの構成要素の位置を調整して、所望の光出力および視覚的な効果を確保してもよい。例えば、少なくとも１つの回折格子が、励起源に向かい合う基板の側に配置される。光学素子および／またはヒートシンクを利用して、照明システムで光および／または熱を低減させ、かつ／または再分布させてもよい。これらすべての構造パラメタおよび特徴は、本発明の実施形態により考察される。

照明システムを用いて、様々な発光を生成することができる。例えば、照明システムは、基板の上面、底面または周囲の側面から着色光またはフルスペクトルの白色光を生成するように構成してもよい。加えて、または代わりに、照明システムは、励起されたときに結晶層に沿って所望のより長波長の放出で発光するように構成してもよい。このように、基板の層または複数の層は、特定の波長の放出をダウンコンバートするための光導波路として作用する。また、基板は、例えば、不透明から全体的な透過性にわたる任意の範囲の光学的な透過性をもつように構成してもよい。好ましくは、９０％より大きな光学的透過性を有するように基板を構成してもよい。本発明により、人間の目に感度がある範囲（すなわち、可視光スペクトル）での光源の例が与えられるが、その概念は、赤外線と紫外線のスペクトル領域にも、生化学検知や、植物成長、医学療法用の調整可能な熱源などの関連した用途にも、普遍的に適用可能である。

以下では、限定的でない例を用いて本発明を記載する。いくつかの異なるやり方で、上述した任意の個数の材料や、基板、システムなどを使用または構成してもよく、それらは本発明の教示の範囲内であることが理解されよう。

図９は、典型的な青色ＬＥＤの励起源からの発光スペクトルのグラフを示す。図からわかるように、青色ＬＥＤは、４５０ｎｍ付近の限られた波長範囲の放出を生成する。図１０は、比較的に、本発明の少なくとも１つの実施形態による段階的な結晶蛍光体基板を通過した典型的な青色ＬＥＤの励起源からの発光スペクトルのグラフを示す。試験した結晶蛍光体基板は、典型的には式Ｍ_ｘＭ_ｙＡ_２ａＡ_２ｂＳ_４：Ｅｕ^２＋をもつ段階的な組成のアルカリ土類金属チオガリウム酸塩であり、ＭはＢｅ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，ＢａおよびＺｎからなる群より選択された１つまたは複数の元素であり、ＡはＡｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｙ，Ｌａ，Ｇｄからの１つまたは複数の元素である。特に、利用されるアルカリ土類金属チオガリウム酸塩は、式（ＳｒＣａ）（ＧａＩｎ）_２Ｓ_４：Ｅｕ^２＋をもつ。図からわかるように、段階的な結晶蛍光体基板を通過した後の発光スペクトルは、約４００ｎｍ〜約７００ｎｍ、より詳細には約４５０ｎｍ〜約６５０ｎｍにわたる広範な高い強度の波長を示す。当業者であれば理解するように、図１０は、本発明の実施形態により実現することができるフルスペクトルの白色光を示す。

したがって、本発明の実施形態を利用して、結晶蛍光体基板を用いて製作されるフルスペクトルの広範な波長放出の白色光源を生産することができる。本発明により、高効率で、高流量で、スペクトル幅が狭いかまたは広く、大面積で、低価格でありピーク放出波長が４００〜７５０ｎｍの可視波長の範囲内にあるＬＥＤが可能になる。結晶蛍光体基板は、光学的に明るい、すなわち、全体的に透過性であるか、または任意の所望の透明性または不透明性をもつことができる。本発明は、高品質の結晶材料を与えることが知られている溶融物からの結晶成長プロセスも利用し、単純化されたコスト効率がよい製造プロセスを用いて製作することができる。したがって、本発明により、全体の可視範囲にわたってダウンコンバートし多数の放出波長を出すことが可能なＬＥＤを迅速に開発するための基盤技術および経路が提供される。多数の放出波長をもつそうしたＬＥＤの可用性は、市販の青色または紫外線のＬＥＤにより促進されることになるが、他の光学技術の中で、スマートな照明および表示システムの開発および展開を加速させることになる。基板および照明システムのこれらの望ましい特徴のすべては、放出波長や、スペクトル幅、大面積にわたる分極などの色々な特性を同時に調整することにより、蛍光体材料の単相結晶および結晶相と膜の放出特性との間の関係によって可能になる。

本発明の基板、蛍光体板および照明システムの形態は、図面に示すか、上述するか、または実施例に示した特定の形状に限定されないことが理解されよう。代替の形状を用いて、光の色などの設計上の他の問題に対処しながら、特定の性能または美観を実現してもよい。例示的な実施形態を参照して本発明を記載したが、本発明はそれらの実施形態に限定されない。むしろ、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の精神および範囲から逸脱することなく当業者により行うことができる本発明の他の変形例および実施形態を含むものと解釈すべきである。

Claims (38)

1. 短波長の一次発光を放出するための励起源と、
   前記励起源からの少なくともいくつかの前記一次発光の経路に配置されて、少なくとも一部の前記一次発光をより長波長の二次発光に変換するダウンコンバージョン基板とを備え、
   前記基板が少なくとも１つの結晶層を含み、前記結晶層が異なる結晶特性を有する蛍光体材料の複数の領域を含み、随意で少なくとも１つの活性体を含む、照明システム。
2. 前記基板が、第１の結晶層の上に堆積された１つまたは複数の蛍光体材料を含む１つまたは複数の付加結晶層をさらに含み、随意で、少なくとも１つの活性体をそれぞれの前記１つまたは複数の付加結晶層に加える、請求項１に記載の照明システム。
3. 前記結晶層が段階的な蛍光体材料を含む、請求項１に記載の照明システム。
4. 前記活性体が、サマリウム（Ｓｍ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ユーロピウム（Ｅｕ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、テルビウム（Ｔｂ）、ホルミウム（Ｈｏ）、ネオジム（Ｎｄ）、エルビウム（Ｅｒ）、およびそれらの混合物からなる群より選択されたドーパントである、請求項１に記載の照明システム。
5. 前記第１の結晶層および前記１つまたは複数の付加結晶層が、それぞれ同じ蛍光体材料を含む、請求項２に記載の照明システム。
6. それぞれの活性体が、サマリウム（Ｓｍ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ユーロピウム（Ｅｕ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、テルビウム（Ｔｂ）、ホルミウム（Ｈｏ）、ネオジム（Ｎｄ）、エルビウム（Ｅｒ）、およびそれらの混合物からなる群より選択された異なるドーパントである、請求項５に記載の照明システム。
7. それぞれの結晶層が、前記層の縁部を通して放出されるときに所望の波長放出で発光するように構成され、それぞれの結晶層を通過することにより得られる前記波長放出を組み合わせて所望の強度の白色光を生成することが可能である、請求項１に記載の照明システム。
8. 前記蛍光体材料が、イットリウムアルミニウムガーネット、珪酸塩ガーネット、バナジン酸塩ガーネット、混合酸化物、アルカリ土類金属珪酸塩、アルカリ土類金属硫酸塩およびセレン化物、アルカリ土類金属チオガリウム酸塩、金属窒化物、金属オキソ窒化物、混合タングステン−モリブデン族、混合ガラス蛍光体、ならびにそれらの混合物からなる群より、結晶層を作るように選択される、請求項１に記載の照明システム。
9. 前記励起源が、前記基板に隣接して配置されるか、前記基板から離れているか、または前記基板内に埋め込まれる、請求項１に記載の照明システム。
10. 前記励起源が前記基板の第１の平面側に配置され、前記照明システムが、前記励起源に向かい合う前記基板の第２の平面側に配置された少なくとも１つの回折格子をさらに備える、請求項１に記載の照明システム。
11. 前記励起源が前記基板の長軸の第１の端部に配置され、前記照明システムが、前記励起源に向かい合う前記基板の前記長軸の第２の端部に配置された集積レンズをさらに備える、請求項１に記載の照明システム。
12. 前記励起源が前記基板の長軸の第１の端部に配置され、前記照明システムが、前記励起源に向かい合う前記基板の前記長軸の第２の端部に配置された鏡をさらに備える、請求項１に記載の照明システム。
13. 各結晶層からの前記より長波長の発光を組み合わせて着色光を生成することが可能である、請求項１に記載の照明システム。
14. 各結晶層からの前記より長波長の発光を組み合わせてフルスペクトルの白色光を生成することが可能である、請求項１に記載の照明システム。
15. それぞれの結晶層が、励起されたときに前記結晶層に沿って所望のより長波長の放出で発光するように構成されている、請求項１に記載の照明システム。
16. 前記基板が９０％透過より大きな光学的透過性を有する、請求項１に記載の照明システム。
17. 前記励起源が、１つまたは複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード、レーザもしくは放電ランプ、またはそれらの組合せである、請求項１に記載の照明システム。
18. 励起源を用いてダウンコンバートされた二次発光を生成する方法であって、
    前記励起源から短波長の一次発光を生成し、
    前記励起源からの少なくともいくつかの前記一次発光の経路に配置されたダウンコンバージョン基板に前記一次発光を通過させて、少なくとも一部の前記一次発光をダウンコンバートされた二次発光に変換することを含み、
    前記基板が少なくとも１つの結晶層を含み、前記結晶層が異なる結晶特性を有する蛍光体材料の複数の領域を含み、随意で少なくとも１つの活性体を含む方法。
19. 前記基板が、第１の結晶層の上に堆積された１つまたは複数の蛍光体材料を含む１つまたは複数の付加結晶層をさらに含み、随意で、少なくとも１つの活性体をそれぞれの前記１つまたは複数の付加結晶層に加える、請求項１８に記載の方法。
20. 前記結晶層が段階的な蛍光体材料を含む、請求項１８に記載の方法。
21. 前記活性体が、サマリウム（Ｓｍ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ユーロピウム（Ｅｕ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、テルビウム（Ｔｂ）、ホルミウム（Ｈｏ）、ネオジム（Ｎｄ）、エルビウム（Ｅｒ）、およびそれらの混合物からなる群より選択されたドーパントである、請求項１８に記載の方法。
22. 前記第１の結晶層および前記１つまたは複数の付加結晶層が、それぞれ同じ蛍光体材料を含む、請求項１８に記載の方法。
23. それぞれの活性体が、サマリウム（Ｓｍ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ユーロピウム（Ｅｕ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、テルビウム（Ｔｂ）、ホルミウム（Ｈｏ）、ネオジム（Ｎｄ）、エルビウム（Ｅｒ）、およびそれらの混合物からなる群より選択された異なるドーパントである、請求項２２に記載の方法。
24. それぞれの結晶層が、前記層の縁部を通して放出されるときに所望の波長放出で発光するように構成される、請求項１８に記載の方法。
25. 前記一次発光をそれぞれの結晶層に通過させることにより得られる前記二次発光を組み合わせて所望の強度の白色光を生成することが可能であるように、前記基板が構成される、請求項１８に記載の方法。
26. 前記白色光は、柔らかな白色光、温白色光、複合スペクトルまたはフルスペクトルの白色光とすることが可能である、請求項２５に記載の方法。
27. 前記蛍光体材料が、イットリウムアルミニウムガーネット、珪酸塩ガーネット、バナジン酸塩ガーネット、混合酸化物、アルカリ土類金属珪酸塩、アルカリ土類金属硫酸塩およびセレン化物、アルカリ土類金属チオガリウム酸塩、金属窒化物、金属オキソ窒化物、混合タングステン−モリブデン族、混合ガラス蛍光体、ならびにそれらの混合物からなる群より、結晶層を作るように選択される、請求項１８に記載の方法。
28. 各結晶層からのより長波長の放出を組み合わせて着色光を生成することが可能である、請求項１８に記載の方法。
29. それぞれの結晶層が、励起されたときに前記結晶層に沿って所望のより長波長の放出で発光するように構成されている、請求項１８に記載の方法。
30. 前記基板が９０％透過より大きな光学的透過性を有する、請求項１８に記載の方法。
31. 前記励起源が、１つまたは複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード、レーザもしくは放電ランプ、またはそれらの組合せである、請求項１８に記載の方法。
32. 前記励起源が、前記基板に隣接して配置されるか、前記基板から離れているか、または前記基板内に埋め込まれる、請求項１８に記載の方法。
33. 短波長の一次発光を放出するための励起源と、
    前記励起源からの少なくともいくつかの前記一次発光の経路に配置されて、少なくとも一部の前記一次発光をより長波長の二次発光に変換する第１及び第２のダウンコンバージョン基板と、を備え、
    前記ダウンコンバージョン基板は、少なくとも１つの結晶層を含み、前記結晶層が異なる結晶特性を有する蛍光体材料の複数の領域を含み、随意で少なくとも１つの活性体を含み、
    前記第１のダウンコンバージョン基板は前記励起源を封入し、
    前記第２のダウンコンバージョン基板は前記第１のダウンコンバージョン基板を封入する、
    照明システム。
34. 前記第２のダウンコンバージョン基板を封入する１つまたは複数の後続するダウンコンバージョン基板をさらに備える、請求項３３に記載の照明システム。
35. 短波長の一次発光を放出するための励起源と、
    前記励起源からの少なくともいくつかの前記一次発光の経路に配置されて、少なくとも一部の前記一次発光をより長波長の二次発光に変換する第１のダウンコンバージョン基板と１つまたは複数の後続するダウンコンバージョン基板とを備え、
    前記ダウンコンバージョン基板は、少なくとも１つの結晶層を含み、前記結晶層が異なる結晶特性を有する蛍光体材料の複数の領域を含み、随意で少なくとも１つの活性体を含み、
    前記第１のダウンコンバージョン基板は第１の反射板の上に配置され、
    前記１つまたは複数の後続するダウンコンバージョン基板は１つまたは複数の後続する反射板の上にそれぞれ配置される
    照明システム。
36. 前記第１の反射板および前記１つまたは複数の後続する反射板が、それぞれ鏡、反射面または金属面からなる、請求項３５に記載の照明システム。
37. 前記第１のダウンコンバージョン基板または前記１つまたは複数の後続するダウンコンバージョン基板のいずれか１つに一次発光を調整可能に向けるように、前記励起源が構成される、請求項３５に記載の照明システム。
38. 二次発光を前記１つまたは複数の後続するダウンコンバージョン基板のいずれか１つに向けるように、前記第１のダウンコンバージョン基板および前記第１の反射板が構成される、請求項３５に記載の照明システム。