JP7042830B2 - 透明な構造体を含む照明装置 - Google Patents

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Description

発光ダイオード(LED)、共振空洞発光ダイオード(RCLED)、垂直空洞レーザダイオード(VCSEL)、およびエッジ発光レーザ、を含む半導体発光デバイスは、現在利用可能な光源のうち最も効率的なものである。可視スペクトルにわたり動作することができる高輝度発光デバイスの製造において現在関心のある材料系は、III-V族半導体、特には、ガリウム、アルミニウム、インジウム、および窒素の二元、三元、および四元合金を含むものであり、III族窒化物材料としても参照されている。典型的に、III族窒化物発光デバイスは、有機金属気相成長法（MOCVD）、分子線エピタクシー法(MBE)、または他のエピタキシャル技術によって、サファイア、炭化ケイ素(silicon carbide)、III族窒化物、または他の適切な基板上に、異なる組成およびドーパント濃度の半導体層の積層体（stack）をエピタキシャル成長させることによって製造される。積層体は、しばしば、例えば、基板上に形成された、例えば、ケイ素(Si)を用いてドープされた１つまたはそれ以上のn型層、n型層の上に形成された活性領域における１つまたはそれ以上の発光層、および、活性領域の上に形成された、例えば、マグネシウム(Mg)を用いてドープされた１つまたはそれ以上のp型層を含む。電気接点が、n型およびp型領域に形成されている。
LEDは、非常に広い角度範囲の光を放射する。MR16コンパチブル電球（compatible bulb）またはGU10コンパチブル電球といった、スポットランプにおける使用のためには、狭い角度拡がり（angular spread）を有するビームが望ましい。LEDの上に配置された全内部反射（TIR）コリメータは、LEDからの光をタイトなビーム（tight beam）へとリダイレクトするための一般的なソリューションである。
図1および図2は、TIRコリメーション光学系（collimation optic）16およびLED発光デバイス（light emission device）18を有する従来技術の照明器具15を示している。図1および図2の構造は、米国特許第8038319号においてより詳細に説明されている。LED発光デバイス18は、プリント配線板（PWB）22の上にマウントされたLEDエミッタアレイ（emitter array）20を含んでいる。LEDエミッタアレイ20およびPWB 22は、協働して放射光（emitted light）を生成する。蛍光体変換キャビティ（phosphor conversion cavity）24は、例えば、白色の混合光を形成するために、放射光の波長を青色から黄色に変えることによって、放射光を、より望ましい演色性（color rendering index）を有する蛍光体放射光（phosphor-emitted light）へ変換する。
蛍光体放射光は、次に、典型的には環状オレフィン共重合体（cyclic olefin copolymer、COC）またはガラスから作られている光抽出レンズ（light extraction lens）26を通過する。光抽出レンズ26は、蛍光体放射光の使用可能な割合を増加させる。光抽出レンズ26によって抽出された光は、光コリメーションデバイス30の内部多項式曲面（inner polynomial surface）28を通過する。低仰角（low elevation angle）で内部多項式曲面28を通過する光は、外側TIRミラー32の内面から反射する。内部多項式曲面28と外側TIRミラー32との間のスペース36は、固体光学ポリマー（solid optical polymer）で充填されている。外側TIRミラー32は、コリメート光（collimated light）を生成するように機能する。光コリメーションデバイス30にはボイド（void）34が設けられており、光学成形のための均一な厚さの規則に違反したときにしばしば経験されるシンク（sink）(すなわち、望ましくないクボミ（depressions）)を減少させる。
コリメートされた光は、TIRコリメーション光学系16の出射面上にウィスプ（wisp）レンズアレイ40を有するレンズ38を通過する。TIRコリメーション光学系16の例示的な出射面の上面図が、図3に示されている。ウィスプレンズアレイ40は、表面44上に形成されたウィスプレンズのアレイを形成する複数のウィスプレンズ42を含んでいる。個々のウィスプレンズの量、配置、および配向は変動し得る。
図１は、従来技術の照明器具の側面図である。 図２は、図1の照明器具の上面図である。 図３は、LED上に配置された固体光学系を含む透明な構造体の断面図である 図４は、複数の屈折レンズ、TIR表面、および、異なるテクスチャーリング（texturing）を伴う領域を有する出射面を含む、コリメート光学系を示している。 図５は、LEDの上に配置された側面反射器および透明カバーを含む透明な構造体の断面図である。
図1および図2の装置といった、TIRコリメータを含む装置においては、しばしば、光がコリメートされ過ぎ、TIRコリメータからのビームが狭すぎることを意味している。狭すぎるビームは、例えば、図2に示されるように、コリメータレンズの上面にテクスチャーを追加することによって修正され得る。
図2に示されるように、小型レンズ（lenslets）は均一なアレイ（array）で形成されている。しかしながら、図1の光抽出レンズ26が、不十分にコリメートされたビームを生成し得る、一方で、TIR表面32は、良好にコリメートされたビームを生成し得る。従って、図2に示される小型レンズの均一なアレイは、これらのコリメートされたビームそれぞれに適用される場合、不十分にコリメートされたビームに対して過剰な拡散を生成し得るし、そして、良好にコリメートされたビームに対しては過少な拡散を生成し得る。結果として、そうしたレンズの光学性能が制限されることがある。
本発明の実施形態では、コリメート光学系（collimating optics）といった透明な構造体の上部の、出射面は、コリメート構造体から出射する光の拡散または散乱を引き起こす構造を含んでいる。出射面の異なる領域は、異なる量の拡散または散乱を引き起こすように、テクスチャー化（textured）またはパターン化（patterned）されてよい。例えば、屈折レンズの上の領域は、TIR表面の上の領域よりも少ない散乱を生じさせ得る。いくつかの実施形態において、出射面は、小型レンズを用いてパターン化されている。小型レンズの光パワーは、出射面上の位置の関数として変化し得る。球形の小型レンズの場合、光パワーは、小型レンズの曲率半径によって推定され得る。例えば、光パワーは、特徴（feature）の「勾配（”steepness”）」によって決定される。並みの勾配(ほぼ平坦、より大きな曲率半径)を有するレンズは、低い光パワーを有する。険しい勾配(より高い、より小さい曲率半径)を有するレンズは、光をより大きく曲げさせる。そして、そうしたレンズは、より強い光パワーを有している。
以下の実施例を通じて、半導体発光デバイスは、青色又は紫外線（UV）光を放射するIII族窒化物LEDであり、レーザダイオードといったLED、および、他のIII-V族材料、III族リン化物、III族ヒ素、II-VI族材料、ZnO、または、Si系材料といった他の材料系から作られた半導体発光デバイス以外の半導体発光デバイスが使用され得る。青色または紫外線（UV）発光デバイスは、しばしば、１つまたはそれ以上の波長変換材料と組み合わされて、発光デバイスと波長変換材料からの組み合わされた光が白色に見えるように、異なる色の光を加える。
図3は、いくつかの実施形態に従った透明な構造体を示している。透明な構造体50は、例えば、PMMA、ポリカーボネート、シリコーン（silicone）、ガラス、または他の任意の適切な材料といった、固体の透明な材料から形成されるコリメート光学系であってよい。凸部を形成する表面である屈折レンズ54が、構造体50の中心付近に配置されている。１つまたはそれ以上のLEDまたは他の適切な光源が、構造体50の外側で、屈折レンズ54の下の領域52に配置されている。領域52の底部から上方に延びる面は、全内部反射を引き起こす１つまたはそれ以上の湾曲、平坦、または他の表面56である。図3に示される構造体50は、これは必要とされないが、回転対称であってよい。
光の大部分は、上面58を通じて構造体50を出て行く。上面58は、上面を通じて出射する光の拡散または散乱を引き起こすように、テクスチャー化されている。上面の異なる領域は、異なるレベルの拡散または散乱を引き起こすように、パターン化またはテクスチャー化されている。いくつかの実施形態において、上面58は、小型レンズ61を用いてパターン化されている。
中央の屈折レンズ54からの光は、たいてい、強くコリメートされない。従って、いくつかの実施形態において、屈折レンズ54より上の、領域60における小型レンズ61の光パワーは小さくてよい。TIR表面56のリム（rim）において、光は、たいてい、良好にコリメートされる。従って、いくつかの実施形態において、レンズの中心から遠く離れたTIR表面の外縁（outer edge）の上の、領域62における小型レンズ61の光パワーは、大きくてよい。
いくつかの実施形態においては、領域62において、上面は、第１角度範囲にわたり光を拡散するように(例えば、小型レンズまたは他の任意の適切な構造を用いて)テクスチャー化され、そして、領域60において、上面は、第１角度範囲よりも広い／幅広い第２角度範囲にわたり光を拡散するようにテクスチャー化されている。
いくつかの実施形態において、小型レンズ61の形状は、谷によって隔てられた丘、または、上面の平坦な領域によって隔てられ、または、囲まれた丘とみなされてよい。いくつかの実施形態において、より多くの光パワーを必要とする上面58の領域62において、より低い光パワーを必要とする領域60の小型レンズと比較して、小型レンズ61の高さ(すなわち、丘の高さ)は、より大きくてよく、かつ/あるいは、隣接する小型レンズ61間(すなわち、隣接する丘の間）の距離は、より少ない光パワーを必要とする領域60における小型レンズと比べて、より小さくてよい。いくつかの実施形態において、より多くの光パワーを必要とする上面58の領域62において、小型レンズ61の曲率半径は、より少ない光パワーを必要とする領域60における小型レンズの曲率半径よりも小さくてよい。
いくつかの実施形態において、表面58全体は、六角形または概ね六角形のアレイにおいて配置された小型レンズ、または、同様な構成に配置されたディンプルによってカバーされている。いくつかの実施形態において、表面58上の小型レンズの間隔及び配置は、上面58の全体にわたり一貫しており、一方、小型レンズ61の高さは、領域62および60において異なっている。いくつかの実施形態において、小型レンズの間隔および配置は、上面にわたり、例えば、領域62と領域60との間で、変化する。上面58における小型レンズのカバー率は、しばしば、光学的理由ため、１００％である。いくつかの実施形態において、小型レンズは、上面58の１００％未満を占めている。
例えば、領域62における小型レンズ61の高さ(すなわち、丘の高さ、または、丘の上から谷までの高さ)は、いくつかの実施形態において、少なくとも２０μｍであり、そして、いくつかの実施形態においては、１ｍｍ以下であってよい。一方、領域60における小型レンズ61の高さは、いくつかの実施形態において、少なくとも０μｍであり、そして、いくつかの実施形態においては、０．８μｍ以下であってよい。領域60における小型レンズ61の高さは、いくつかの実施形態においては、領域62における小型レンズ61の高さの、少なくとも０％であってよく、そして、いくつかの実施形態においては、８０％以下であってよい。
例えば、隣接する小型レンズ間のピッチ（pitch）は、いくつかの実施形態において、少なくとも５０μｍであり、そして、いくつかの実施形態においては、２ｍｍ以下である。アスペクト比(AR)は、小型レンズのピークと谷間との間の高さの差を隣接する小型レンズ間の距離で除算したものとして定義される。領域62におけるARは、いくつかの実施形態において、領域60におけるARよりも大きくてよい。領域62におけるARは、いくつかの実施形態において、少なくとも２０％であってよく、そして、いくつかの実施形態においては、１００％以下であってよい。領域60におけるARは、いくつかの実施形態において、少なくとも０％であってよく、そして、いくつかの実施形態においては、５０％以下であってよい。領域60におけるARは、いくつかの実施形態において、領域62におけるARの少なくとも８０％又はそれより小さくてよい。小型レンズ61による表面58のカバー率は、いくつかの実施形態において、領域62で少なくとも５０％であってよく、そして、いくつかの実施形態においては、領域60で少なくとも０％であってよい。
小型レンズは、楕円形または任意の他の形状といった、回転対称または非回転対称であってよい。
いくつかの実施形態においては、出射面58の所与の領域内で、小型レンズは、規則的なアレイに配列されており、そして、実質的に同一なサイズと形状である。しかしながら、出射面の異なる領域間では、小型レンズの配置、及び／又は、サイズと形状が変化する。例えば、領域60および62それぞれの中では、小型レンズが、規則的なアレイに配列されてよく、そして、実質的に同一なサイズと形状であってよい。しかしながら、領域60内の小型レンズのアレイ、サイズ、及び／又は、形状が、領域62とは異なってよい。
いくつかの実施形態において、出射面58の全体または一部分にわたり、間隔、サイズ、及び／又は、形状が、連続的に変化し得る。例えば、いくつかの実施形態において、曲率半径、高さ、または、他の任意の特徴といった、小型レンズ61の特徴は、領域60、領域62、および、領域60と領域62との間の領域を含む、上面58の一部分にわたり連続的に変化している。
いくつかの実施形態において、小型レンズの異なる領域60および62は、平滑、実質的に平坦、かつ／あるいは、粗面化 (すなわち、ランダムにテクスチャー化)された領域も含む、出射面上に実装され得る。
図4は、２×２アレイに配列された、４つの屈折レンズを含む光学系70を示している。１つのLEDまたはLEDのグループが、それぞれの屈折レンズの下に配置され得る。図4の視野において、３つの領域52A、52B、および52C、並びに、３つのTIR表面56A、56B、および56Cが見える。光学系70の上面58上では、より少ない光パワーを生成するテクスチャーリング（texturing）を含む４つの領域60、60A、60B、および60Cが、より多くの光パワーを生成するテクスチャーリングを含む領域62によって囲まれている。光学系の上面は、例えば、上述の実施例または実施形態のいずれかに従って、テクスチャー化されている。例えば、小型レンズが、光学系70の上面全体にわたり形成され得る。領域62において、小型レンズは、領域60、60A、60B、および60Cにおける小型レンズよりも、背が高く、曲率半径が小さく、かつ／あるいは、より大きい光パワーを有している。
図3および図4に示されるデバイスにおいては、固体の透明な光学系が、光源の上に配置されている。図5に示されるデバイスにおいては、中空の、反射光学系が使用されている。図5において、透明な構造体は、LED 100といった光源の上に配置された反射性側壁70を含んでいる。図3および図4に示されるTIR表面とは異なり、反射性側壁70は、例えば、反射性金属、反射性プラスチックもしくは樹脂（resin）、または任意の他の適切な反射性材料といった反射性材料から形成されてよい。もしくは、反射性金属、反射性プラスチックといった反射性材料、または、反射性塗料が、例えば、プラスチック、金属、または、任意の他の適切な材料といった非反射性構造体の表面上に形成されてよい。反射性側壁70間の領域72は、空気、雰囲気ガス、真空、液体材料、ゲル材料、固体材料、または、任意の他の適切な材料で充填されてよい。
透明板または他の構造体74が、反射性側壁70および領域72の上に配置されている。透明板74は、カバーとして動作することができ、そして、上述の実施例および実施形態において説明された固体光学系（solid optics）のための材料を含む、任意の適切な材料から形成され得る。光は、底面78を通って透明な構造体74に進入し、そして、上面76を通って出て行く。上面76は、例えば、上述の実施例または実施形態のいずれかに従って、テクスチャー化されている。図5に示される実施例においては、複数の小型レンズ61が上面76の上に形成されている。上述のように、小型レンズの光パワーは、上面の異なる領域において異なってよい。LED 100の上の領域60において、小型レンズは、高さがより小さくてよく、より少ない光パワーを有してよく、そして、反射性側壁70の上の領域62における小型レンズより大きい曲率半径を有してよい。いくつかの実施形態において、底面78は、例えば、上述のように、上面76の代わりに、または、これに加えて、テクスチャー化されてよい。
上述の実施例は、一般的な照明、バックライト、または任意の他の適切な照明アプリケーションといった用途に適するだろう。いくつかの実施形態において、上述の実施例は、例えば、エジソン電球、多面リフレクタ(multifaceted reflector、MR)電球、放物面アルミめっきリフレクタ(parabolic aluminized reflector、PAR)電球、バルジリフレクタ(bulged reflector、BR)電球、調光可能（dimmable）電球、または、他の任意の適切なパッケージといった、任意の適切な電球の中に組み込まれてよい。
本発明を詳細に説明してきたが、当業者であれば、本開示が与えられれば、ここにおいて説明される発明概念の精神から逸脱することなく、本発明に対する修正を成し得ることを理解するであろう。特に、異なる機能、および、ここにおいて説明されたものと異なるデバイスのコンポーネントが、任意の他のデバイスに使用されてよく、または、機能およびコンポーネントが、任意のデバイスから除外されてよい。一つの形態のコンテキストで説明される構造の特徴は、任意の実施形態に適用可能である。従って、本発明の範囲は、例示および説明される特定の実施形態に限定されることを意図しない。

Claims (17)

  1. 照明システムであって、
    複数の光源であり、それぞれに基板上に配置されており、かつ、光を生成するように構成されている、複数の光源と、
    前記複数の光源からの光を収集し、かつ、拡散するように構成された透明な構造体と、
    を含み、
    前記透明な構造体は、前記複数の光源に対向する下面、および、前記下面と反対側の上面を含み、
    前記下面は、互いに離間された複数の下面突出部を含むように成形されており、
    各下面突出部は、対応する光源からの光を前記透明な構造体の中へ、かつ、前記上面に向けて方向付けるように成形されており、
    前記上面は、前記複数の光源からの光を拡散し、かつ、前記複数の光源からの光を前記透明な構造体の外へ導くようにテクスチャー化されており、
    前記上面は、対応する下面突出部の反対側に配置された複数の第１拡散領域を含み、前記第１拡散領域は、第１アレイに配置された複数の第１小型レンズを用いて、第１角度範囲内に光を拡散するようにテクスチャー化されており、かつ、
    前記上面は、前記複数の第１拡散領域の第１拡散領域間に位置する第２拡散領域を含み、前記第２拡散領域は、第２アレイに配置された複数の第２小型レンズを用いて、第１角度範囲よりも広い第２角度範囲内に光を拡散するようにテクスチャー化されており、
    前記第１拡散領域と前記第２拡散領域との間の領域で、小型レンズの特徴が連続的に変化している、
    照明システム。
  2. 前記第２拡散領域は、前記第１拡散領域を取り囲んでいる、
    請求項１に記載の照明システム。
  3. 前記第２拡散領域は、前記上面の周囲に延在している、
    請求項１に記載の照明システム。
  4. 小型レンズのアレイのアスペクト比は、小型レンズの高さを隣接する小型レンズ間の距離で除算したものによって定義され、
    前記第１小型レンズは、第１アスペクト比を有し、かつ、
    前記第２小型レンズは、前記第１アスペクト比よりも大きい第２アスペクト比を有する、
    請求項１に記載の照明システム。
  5. 前記第２小型レンズは、前記第１小型レンズよりも背が高い、
    請求項４に記載の照明システム。
  6. 前記第２小型レンズは、前記第１小型レンズよりも曲率半径が小さい、
    請求項４に記載の照明システム。
  7. 前記複数の下面突出部の突出は、
    対応する光源からの光を内部光として前記透明な構造体の中へ方向付けるように構成された中央部と、
    前記内部光を前記上面に向けて反射するように構成された周辺部と、
    を含む、請求項１に記載の照明システム。
  8. 前記複数の光源の各光源は、少なくとも１つの発光ダイオードを含む、
    請求項１に記載の照明システム。
  9. 前記複数の光源の各光源は、単一の発光ダイオードを含む、
    請求項１に記載の照明システム。
  10. 方法であって、
    複数の光源を用いて生成するステップであり、前記複数の光源は、それぞれに基板上に配置されている、ステップと、
    前記複数の光源から生成された光を、透明な構造体の下面における対応する複数の突出部を介して、透明な構造体の中へ方向付けるステップであり、前記透明な構造体の中で内部光を形成する、ステップと、
    前記下面からの前記内部光を前記下面の反対側の上面に対して伝搬させるステップであり、前記上面は、テクスチャー化されている、ステップと、
    前記上面を用いて前記内部光を拡散させるステップであり、前記透明な構造体を退出する拡散光を形成するステップ、と
    を含み、
    前記上面は、対応する下面突出部の反対側に配置された複数の第１拡散領域を含み、前記第１拡散領域は、第１アレイに配置された複数の第１小型レンズを用いて、第１角度範囲内に光を拡散するようにテクスチャー化されており、かつ、
    前記上面は、前記複数の第１拡散領域の第１拡散領域間に位置する第２拡散領域を含み、前記第２拡散領域は、第２アレイに配置された複数の第２小型レンズを用いて、第１角度範囲よりも広い第２角度範囲内に光を拡散するようにテクスチャー化されており、
    前記第１拡散領域と前記第２拡散領域との間の領域で、小型レンズの特徴が連続的に変化している、
    方法。
  11. 小型レンズのアレイのアスペクト比は、小型レンズの高さを隣接する小型レンズ間の距離で除算したものによって定義され、
    前記第１小型レンズは、第１アスペクト比を有し、かつ、
    前記第２小型レンズは、前記第１アスペクト比よりも大きい第２アスペクト比を有する、
    請求項１０に記載の方法。
  12. 前記第２小型レンズは、前記第１小型レンズよりも背が高い、
    請求項１１に記載の方法。
  13. 前記第２小型レンズは、前記第１小型レンズよりも曲率半径が小さい、
    請求項１１に記載の方法。
  14. 前記方法は、さらに、
    前記複数の光源の光源から生成された光の少なくとも一部を、内部光として前記透明な構造体の中へ進入するように、対応する突出部の中央部の上へ方向付けるステップと、
    前記内部光の少なくとも一部を、前記対応する突出部の周辺部の上へ方向付けるステップと、
    反射光を形成するように、前記周辺部からの前記内部光の少なくとも一部を反射するステップと、
    前記反射光を前記上面に向けて方向付けるステップと、
    を含む、請求項１０に記載の方法。
  15. 照明システムであって、
    複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）であり、それぞれに基板上に配置されており、かつ、光を生成するように構成されている、複数のＬＥＤと、
    前記複数のＬＥＤからの光を収集し、かつ、拡散するように構成された透明な構造体と、
    を含み、
    前記透明な構造体は、前記複数のＬＥＤに対向する下面、および、前記下面と反対側の上面を含み、
    前記下面は、前記複数のＬＥＤに対応し、かつ、互いに離間された複数の下面突出部を含むように成形されており、
    各下面突出部は、対応するＬＥＤからの光を、内部光として、前記透明な構造体の中へ、かつ、前記上面に向けて方向付けるように成形されており、
    前記上面は、前記内部光を拡散し、かつ、前記内部光を前記透明な構造体の外へ導くようにテクスチャー化されており、
    前記上面は、前記複数の下面突出部に対応する複数の第１拡散領域を含み、
    前記第１拡散領域は、対応する前記下面突出部の反対側に配置されており、
    前記第１拡散領域は、第１角度範囲内に光を拡散するようにテクスチャー化されており、
    前記上面は、前記第１拡散領域を取り囲み、かつ、前記第１角度範囲よりも広い第２角度範囲内に光を拡散するようにテクスチャー化されている、第２拡散領域を含んでおり、
    前記第１拡散領域は、第１アレイに配置された複数の第１小型レンズを用いてテクスチャー化されており、
    前記第２拡散領域は、第２アレイに配置された複数の第２小型レンズを用いてテクスチャー化されており、
    前記第１拡散領域と前記第２拡散領域との間の領域で、小型レンズの特徴が連続的に変化している、
    照明システム。
  16. 前記第２拡散領域は、前記上面の周囲に延在している、
    請求項１５に記載の照明システム。
  17. 小型レンズのアレイのアスペクト比は、小型レンズの高さを隣接する小型レンズ間の距離で除算したものによって定義され、
    前記第１小型レンズは、第１アスペクト比を有し、かつ、
    前記第２小型レンズは、前記第１アスペクト比よりも大きい第２アスペクト比を有する、
    請求項１５に記載の照明システム。
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