JP2009543321A - 照明装置パッケージ - Google Patents

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Abstract

本発明は、照明装置パッケージであって、基板に動作可能に結合される１つ以上の発光要素と、前記１つ以上の発光要素によって放射される光と相互作用するように配置される複合レンズであって、当該複合レンズが少なくとも内部レンズ要素及び外部レンズ要素を含み、前記内部レンズ要素が第１屈折率を有し、前記外部レンズ要素が第２屈折率を有し、前記第１屈折率が第２屈折率より大きく、当該複合レンズ、前記１つ以上の発光要素及び前記基板がこれらの間に閉じられた空間を規定する、複合レンズと、前記空間の少なくとも一部分を充填する封入材料であって、前記第１屈折率と等しい又はより大きい第３屈折率を有する封入材料と、を有する照明装置パッケージを提供する。

Description

本発明は、発光装置に関し、特に、照明装置パッケージの光学的コンポーネントの設計に関する。
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、ＬＥＤパッケージが動作状況においてＬＥＤパッケージ内部で生成される光を効率的に抽出するように適切に設計される場合、より効率的であり得る。装置設計者の観点から、効果的な光抽出は、ＬＥＤダイからの光がＬＥＤパッケージ内部における不必要な反射を経る必要なくＬＥＤパッケージを離れることが可能である機会を向上させることの課題であり得る。複数の設計事項は、光学的界面の向き及び位置などの光学的経路、並びに、例えば光学的界面のいずれかの側における材料の種類などのＬＥＤパッケージの関連するコンポーネントの光学的特性、に影響を与え得る。更に、ＬＥＤパッケージ内部の光の伝播は、その波長、その強度、ＬＥＤダイのサイズ及び発光効率、駆動電流、ＬＥＤパッケージの光学的要素の不透明性、ＬＥＤパッケージ内部の温度条件、ＬＥＤパッケージコンポーネントの材料及び環境媒体内部の屈折率、並びに例えば、関連する材料の屈折率の温度依存性、などにも依存し得る。従来技術のＬＥＤパッケージは、少なくともＬＥＤダイ及び封入体レンズを有している。特定のＬＥＤパッケージにおいて、レンズ及び封入材料は、別個である又は別の材料から作製される。結果的に、ＬＥＤパッケージは、ダイ−封入材料光学的界面、封入材料−レンズ光学的界面、及びレンズ−空気光学的界面、を有し得る。
ＬＥＤダイによって放射される光の伝播の方向を変更することに加えて、光学的界面は、光の波長、光学的界面における入射角、及び光学的界面のいずれかの側における２つの媒体の屈折率に依存して光の可変部分を反射及び透過させ得る。ＬＥＤパッケージの光学的界面における部分的な反射及び透過は、繰り返し反射及び透過された光線の縦列を引き起こさせ得る。結果として、特定の反射は、ＬＥＤパッケージ内部の望ましくない光吸収に関する可能性を増加させ得る光学的経路を引き延ばし得る。更に、光は、特定の入射角において屈折率比率に依存して生じ得る全内部反射（ＴＩＲ）を経験し得る。この効果は、光が、第１屈折率を有する媒体内を伝播し、第１屈折率より小さい第２屈折率を有する別の媒体の十分に厚い層を有する光学的界面に当たる場合に、生じ得る。全内部反射は、光学的界面にわたる及び遠く超える光の透過を実質的に完全に抑制する。より更に、屈折要素の不適切な設計は、ＬＥＤが、単色又は有色収差による光放射パターンにおける色不規則性又は輝度を含み得る潜在的に実用的でない空間的光放射特性を有する光を放射させるようにさせ得る。
例えば、スペクトルの可視部分においても、ＬＥＤダイの屈折率は、大きく変化し得る。現在使用されている大抵のダイは、約1.6より高い可視スペクトルにおける屈折率を有する。加えて、例えば、特定の青色及び緑色ＬＥＤダイは、約2.6ないし2.7の屈折率を有する。たとえば、環境媒体が約1.0の屈折率を有する空気である場合、及びダイの屈折率が1.6である場合、全内部反射に関する最大臨界角は、光学的界面に対して約39度であり得る。しかし、他の波長に関して、臨界角は、相当小さくあり得る。光学的界面により大きい角度で当たるいかなる光も全部内部的に反射され得る。
望ましくない反射を低減させる既知の対処法は、ＬＥＤダイをダイ及び空気の屈折率の間の屈折率を有する材料を用いて覆うこと、又はより一般的には、光学的界面において低い屈折率比率を生じさせる材料を使用することである。例えば、１つ以上のＬＥＤダイは、半球型レンズの中心に配置され得、ダイ及びレンズの間の空間は、透明封入材料で充填され得る。封入材料に関する材料及びレンズは、他の要件の中でもとりわけ、例えば1.5である共通の屈折率が、例えば2.65であるダイの屈折率を段階的に1.0である環境媒体の屈折率に一致させるように、選択される。しかし、この設計は、２つ以上のＬＥＤダイが１つのレンズの下に一緒にグループ化される場合に、比較的大きいレンズのサイズを必要とする。しかし、より良好な色混合に関して、同一のパッケージ内に複数のＬＥＤダイを有することが望ましくあり得る。
これらの原理のいくつかは、複数の出版物において認識されていた。たとえば、米国特許第6,610,598号は、コンポーネントが表面に平面を通常有するような発光ダイオードの表面実装装置（ＳＭＤ・ＬＥＤ）を記載している。スネルの法則の計算によると、光の大部分は、エポキシ樹脂及び環境の屈折率における差異が原因で、コンポーネントから直接放射されることが可能でない（環境における光の屈折率は１であり、エポキシ樹脂の屈折率は1.5である）。発光ダイオードの表面実装装置は、ＳＭＤ・ＬＥＤの平面表面においていくつかの小さいレンズ又は回折レンズを含み、臨界角を拡大するレンズは、発光チップからの直接発光の機会を増加させ得、そしてＬＥＤの輝度を増加させる。
米国特許第6,590,235号及び6,204,523号は、緑から近紫外線波長領域における光放射を有するＬＥＤコンポーネントを提供する。発光半導体ダイは、硬質外部シェル、内部ゲル若しくは弾力性層、又は両方を含む１つ以上のシリコーン合成材を用いて封入される。シリコーン材料は、温度及び湿度範囲に対して、且つ環境紫外線放射への露出に対して、安定している。結果として、ＬＥＤコンポーネントは、有利に長寿命を有し、緑から近紫外線の光出力を低減し得る「黄化」減衰を有さない。
米国特許第6,639,360号は、高出力放射器装置及び電子コンポーネントに関する熱放散パッケージを提供する。電子コンポーネントパッケージは、密閉されたチャンバ、この密閉されたチャンバに含まれる液体又はゲル、この液体又はゲルと物理的及び熱的接触にある密閉されたチャンバにおいて配置される少なくとも１つの電子コンポーネント、並びにこの電子コンポーネントに電気的に結合され且つ前記密閉されたチャンバの外部に延在する少なくとも１つの電気伝導体、を含む。電子コンポーネントは、放射器、熱的又は光学的センサ、抵抗器、及びマイクロプロセッサ又は他の半導体コンポーネントの１つ以上の組み合わせを含み得る。
米国特許第6,867,929号は、人間の目に対して安全であり、切り替えが高速度で実施される光源装置を記載する。光源装置は、単色又は多色光ビームを放射する１つ以上のレーザ光源、レーザ光源から直接又は光学的焦点合わせシステムを介して受け取られる光ビームを拡散するための、透過的、反射的、若しくはこれらの混合であり得る拡散器、及びこの拡散器から放射される拡散された光の束を視準合わせする光学的コリメータ、を含む。
米国特許第7,015,516号は、第１伝導性タイプの第１領域、第２伝導性タイプの第２領域、及び第１領域と第２領域との間の発光p-nジャンクションを有する発光ダイオードを含む発光マイクロ電子パッケージを記載している。発光ダイオードは、より低い接触表面及びこの低い接触表面から上方へ突出するメサを規定する。第１伝導性タイプの第１領域は、メサにおいて配置され、メサの上部表面を規定し、第２伝導性タイプの第２領域は、メサを実質的に囲むより低い接触表面を規定する。メサは、メサの上部表面とより低い接触表面との間に延在する少なくとも１つの側壁を含み、この側壁は、パッケージからの光抽出を最適化する荒くされた表面を有する。
米国特許第7,023,022号は、第１表面及びレンズを含む第２表面を有する実質的に透明な基板を含む発光パッケージを記載している。パッケージは、所定の波長を有する光を放射するように適合される発光ダイオード（ＬＥＤ）をも含み、ＬＥＤは、実質的に透明な基板の第１表面において固締される。基板の第２表面は、パッケージの主要な発光表面を規定する。第２表面におけるレンズは、パッケージによって放射される光の発光形状を制御するために、ＬＥＤから放射される光の所定の波長を一致させる格子パターンを有する。格子パターンは、同心円型の一連の円を含む放射状の構成を有する。
米国特許第6,921,929号は、アモルファスフッ素重合体封入材料及びレンズを有する発光ダイオード（ＬＥＤ）を記載している。レンズ及び封入材料は、紫外線ＬＥＤなどのＬＥＤ又はダイオードレーザに関するアモルファスフッ素重合体から作製される。半導体ダイオードダイは、サファイアなどの基板層にダイオードを成長させることによって形成される。ダイオードダイは反転され、これにより、層の面を介して光を放射させるようにされる。アモルファスフッ素重合体封入材料は、ダイオードダイの放射面を封入し、一体型封入材料／レンズを形成するためにレンズとして形成され得る。又は、アモルファスフッ素重合体のレンズは、封入材料へ接続され得る。追加的に接続された、又は個別のレンズも、使用され得る。封入材料／レンズは、紫外線光及び赤外線光に対して透過的である。封入方法も提供される。
米国特許第7,026,657号は、高輝度ＬＥＤチップ及びこれを作製する方法を記載している。発光ダイオードチップは、放射活性領域及びウィンドウ層を含む。発光効率を増加させるために、放射活性領域の断面領域は、光を分離するために利用可能なウィンドウ層の断面領域よりも小さい。本発明は、発光コンポーネントの表面においてレンズ構造を製造する方法にも更に関する。
米国特許第6,903,380号は、ＬＥＤパッケージに関する方法及びシステムを記載している。ＬＥＤパッケージは、環状接触部及びベース接触部を有するリードフレームを含み得る。ＬＥＤダイは、Ｐ型材料部分が環状接触部に電気的に接続され、Ｎ型材料部分がベース接触部へ電気的に接続されるように、環状及びベース接触部へ結合され得る。代替的に、Ｎ型材料部分は、環状接触部へ電気的に接続され得、Ｐ型材料部分がベース接触部へ電気的に接続されるようにされ得る。レンズは、リードフレームへ結合され得、光学的材料は、レンズ、ベース接触部及び環状接触部によって規定される空洞において位置され得る。光学的材料は、ゲル、グリース、弾性材料、非弾性材料、硬質材料、液体材料、又は非液体材料であり得る。当該方法及びシステムは、更に、装着装置を含み得、ＬＥＤパッケージは装着装置へソケット、差し込み具(bayonet)、又はネジ形状で機械的に結合される。当該方法及びシステムは、更に、ＬＥＤパッケージのアレイを形成するように活用される環状接触部のアレイを含むストリップと、ＬＥＤパッケージのアレイを受ける受取装置を含む担体ストリップと、を含み得る。レンズの部分は、光励起可能材料で被膜され得る若しくは光励起可能材料を含む、又は光学的材料は、システムが白色光を放射するように、光励起可能材料を含み得る。
米国特許第6,480,389号は、金属基板に装着された少なくとも１つのＬＥＤチップが内部に配設される密封筐体において熱放散流体冷却材を満たすことを特徴とする熱放散構造を含む発光ダイオード（ＬＥＤ）を記載している。熱放散構造は、正しい位置に密封筐体の透明キャップを保持するのに使用される金属基板から直立される金属壁を用いて構成される。更に、直立された壁は、少なくとも１つのＬＥＤチップと近接して取り囲み、これにより、そこから発生されるジュール熱は、素早く熱放散流体冷却材を介して直立壁へ広げられ得、壁に沿って熱を排出するより大きい外部ヒートシンクに接続する金属基板へ拡散され、したがって、少なくとも１つのＬＥＤが過熱するのを防ぐようにされる。この発明の他の特徴は、密閉筐体の透明キャップが透明材料で作製され、熱放散流体冷却材と接触される凸状部分が透明キャップの内部表面に形成されることにある。したがって、不十分な充填が原因で筐体内部に気泡が存在する場合、浮力により視線の領域において存在しない。したがって、泡の存在によりＬＥＤ光を散乱させる可能性は、防がれる。
米国特許第5,077,587号は、反射防止層最適化を含む発光ダイオードを記載する。ＬＥＤなどからの向上された光出力は、発光領域を形成する窓の周辺において透過的拡散マスク層及び反射防止被膜層の合成された厚さ寸法を修正することによって得られる。
米国特許出願公報第2006/0083000号は、nの屈折率を有する材料を用いて形成される発光ダイオードに関するレンズを記載しており、このレンズは、ベース部と、ベース部から延在する第１曲線状外周表面と、第１曲線状外周表面から延在する曲線状中央縁部表面と、曲線状中央縁部表面から延在する曲線状最中央部表面と、を含む。ベース部は、発光チップを受ける溝部を含む。レンズにおいて、ベース部の中央部から曲線状中央縁部表面の点への距離は、曲線状中央縁部表面の点に関する曲率の半径よりも常に小さい。曲線状最中央部表面は、ベース部に対して凹形状を有する。加えて、レンズの主軸及び曲線状最中央部表面の点の接線の間に形成される鈍角がA1であり、曲線状最中央部表面の点へのベース部の中心を結ぶ直線とレンズの主軸との間に形成され鋭角がA2である場合、レンズは、式：A1＋A2＜90＋1/since(1/n)を満たす。
米国特許出願公報第2005/0221519号は、発光変換要素を含む半導体発光装置と、当該装置をパッケージングする方法を記載している。半導体発光装置をパッケージングする方法は、第１分量の封入材料を発光装置を含む空洞へ分配するステップを含む。空洞における第１分量の封入材料は、選択される形状を有する硬化上部表面を形成するように処理される。発光変換要素は、封入材料の処理される第１分量の上部表面において設けられる。発光変換要素は、波長変換材料を含み、空洞の中部領域において空洞の側壁に隣接する部分より大きい厚さを有する。
米国特許出願公報第2004/0079957号は、高出力表面実装発光ダイパッケージを記載している。ダイパッケージは、基板、反射器プレート、及びレンズを含む。基板は、熱伝導性であるが電気絶縁材料から、又は熱及び電気の両方の伝導性である材料から作製され得る。基板が電気伝導性材料から作製される実施例において、基板は、更に、電気伝導性材料において形成される電気絶縁・熱伝導性材料を含む。基板は、装着パッドにおいて発光ダイオード（ＬＥＤ）に接続するトレースを有する。反射器プレートは、基板に接続され、装着パッドを実質的に取り囲む。レンズは、装着パッドを実質的に覆う。動作時においてＬＥＤによって発生される熱は、ＬＥＤから（底部ヒートシンクとして作用する）基板及び（上部ヒートシンクとして作用する）反射器プレートの両方によって引き出される。反射器プレートは、望ましい方向にＬＥＤからの光を方向付けるための反射表面を含む。
米国特許出願公報第2004/0041222号は、高出力表面実装発光ダイパッケージを記載している。ダイパッケージは、基板、反射器プレート、及びレンズを含む。基板は、熱伝導性であるが電気絶縁材料から作製され得る。基板は、外部電気電源を装着パッドにおいて発光ダイオード（ＬＥＤ）に接続するトレースを有する。反射器プレートは、基板に接続され、装着パッドを実質的に取り囲む。レンズは、反射器プレートに対して自由に動き、レンズを濡らし接着する封入材料によって持ち上げられ又は下げられることが可能であり、ＬＥＤチップから最適な距離に配置される。レンズは、装置の性能に影響を与える光学化学材料を含む光学系を用いて覆われ得る。動作時においてＬＥＤによって発生される熱は、ＬＥＤから（底部ヒートシンクとして作用する）基板及び（上部ヒートシンクとして作用する）反射器プレートの両方によって引き出される。反射器プレートは、望ましい方向にＬＥＤからの光を方向付けるための反射表面を含む。
国際特許出願公報第2006/021837号は、電気接触部、装着規定、及び光学的結合と協同して配置される半導体ダイオードを含み、光学的結合が少なくともフラネルレンズを含む、発光ダイオードシステムを記載している。フラネルレンズは、更に、凹面すなわち「負性」レンズなどの追加的な光学的要素へ、及び更に全内部反射の原理により動作する反射器へ結合される。凹面レンズ及び反射器の両方は、好ましい形態で非球状である。単一片プラスチックのカバー要素は、装着処理において形成され、これらの光学的要素すなわちフラネルレンズ、負性レンズ及び反射器の３つの全ては、単一のプラスチック片に形成される。更に、プラスチック片は、配列インデックス及び固定手段並びに掛け合い周辺構成などの補助システムも含むように構成され得る。
国際特許出願公報第2005/107420号は、光を放射する光源、放射された光を受け且つ放射された光を伝達される光及び後方伝達光ヘ変換するダウンコンバージョン材料、及び、後方伝達光を受け且つ後方伝達光を光学装置の外部へ移送するように構成される光学装置、を含む発光装置を記載している。光源は、発光ダイオード、レーザダイオード又は共振空洞発光ダイオードを含み得る半導体発光ダイオードである。ダウンコンバージョン材料は、あるスペクトル領域において光を吸収し別のスペクトル領域で光を放射する蛍光体又は他の材料のうちの１つを含む。光学装置、又はレンズは、光透過材料を含む。
しかし、照明装置パッケージにおける望ましくない内部反射がどのようにして低減されるかについては開示されていない。したがって、既知の設計の欠点のいくつかを克服する新しいパッケージ設計に関する必要性が存在する。
この背景情報は、本発明に対して関連し得ると本出願人によって信じられている情報を公開するために提供されている。上述の情報のいかなるものも本発明に対して先行技術を構成するということの何の承認も必ずしも意図されておらず、且つそう解釈されるべきでない。
本発明の目的は、照明装置パッケージを提供することである。
本発明のある態様に従うと、照明装置パッケージであって、基板に動作可能に結合される１つ以上の発光要素と、前記１つ以上の発光要素に面する表面を有する複合レンズであって、当該複合レンズが少なくとも内部レンズ要素及び外部レンズ要素を含み、前記内部レンズ要素が第１屈折率を有し、前記外部レンズ要素が第２屈折率を有し、前記第１屈折率が第２屈折率より大きく、当該複合レンズ、前記１つ以上の発光要素及び前記基板がこれらの間に閉じられた空間を規定する、複合レンズと、前記空間の少なくとも一部分を充填する封入材料であって、前記第１屈折率と等しい又はより大きい第３屈折率を有する封入材料と、を有する照明装置パッケージが提供される。
本発明の別の態様に従うと、照明装置パッケージであって、基板に動作可能に結合される１つ以上の発光要素と、前記１つ以上の発光要素によって放射される光と相互作用するように配置される複合レンズであって、当該複合レンズが少なくとも内部レンズ要素及び外部レンズ要素を含み、前記内部レンズ要素が第１屈折率を有し、前記外部レンズ要素が第２屈折率を有し、前記第１屈折率が第２屈折率より大きく、当該複合レンズ、前記１つ以上の発光要素及び前記基板がこれらの間に閉じられた空間を規定する、複合レンズと、前記空間の少なくとも一部分を充填する封入材料であって、前記第１屈折率と等しい又はより大きい第３屈折率を有する封入材料と、を有する照明装置パッケージが提供される。
定義
「発光要素」（ＬＥＥ）という用語は、両端に電位差を印加する又は電流を通すことなどによって活性化される場合に、例えば可視光領域、赤外線及び／又は紫外線領域などの電気磁気的スペクトルの領域又は領域の組み合わせにおいて放射物を発する装置である。したがって、発光要素は、単色、疑似単色、多色、又は広帯域スペクトル放射の特性を有し得る。発光要素の例は、当業者によって直ちに理解され得るように、半導体、有機若しくはポリマ／重合体発光ダイオード、光学的励起蛍光体被膜の発光ダイオード、光学的励起ナノ結晶発光ダイオード、又は他の類似の装置を含む。更に、発光要素という用語は、例えばＬＥＤダイなどの放射物を発する特定の装置を規定するように使用される。
本文書で使用されるように、「おおよそ(about)」という用語は、定格値から+/-10%の変動を参照する。このような変動は、具体的に参照されるか否かに関わらず、本文書において提供されるいかなる値にも常に含まれることを理解されるべきである。
別段規定されない場合、本文書で使用される全ての技術的及び科学的用語は、本発明が属する技術分野において一般的に理解されるのと同じ意味を有する。
本発明は、照明装置パッケージであって、基板に動作可能に結合される１つ以上の発光要素と、例えば前記１つ以上の発光要素に面するレンズの表面などを介して直接的に、又は例えば反射器、拡散器及びウィンドウなどの１つ以上の光学的要素などを介して間接的に、前記１つ以上の発光要素によって放射される光と相互作用するように配置される複合レンズと、を含む照明装置パッケージを提供する。
一般的に、複合レンズは、１つ以上のレンズ要素から形成され得、例えば、各要素は、均一な又は不均一な厚さを有する適切な厚さのレンズ層であり得る。複合レンズの最外部レンズ要素の屈折率は、通常、最内部レンズ要素すなわち、発光要素に最も近いレンズ要素の屈折率より小さい。封入材料は、複合レンズ、基板及び１つ以上の発光要素の間の閉じられた空間を充填する。封入材料は、複合レンズの最内部レンズ要素と等しい又はより大きいが、発光要素の屈折率より小さい屈折率を有するように選択される。一般的に、屈折率は、発光要素パッケージ内の発光要素によって放射される光の（全）内部反射に関する機会を低減させるために、発光要素からのそれぞれのコンポーネントの距離とともに減少する。
本発明は、既存のパッケージ設計技術と比較されると、低減された全内部反射（ＴＩＲ）を有する照明装置パッケージを提供し得る。小さい全内部反射を促進させるために、照明装置パッケージは、適切な屈折率を提供する材料からなるある数の光学的コンポーネントを有する。光学的コンポーネントは、概して照明装置パッケージ内部の光の伝播を制御し、具体的には、発光要素によって放射される光の伝播を制御するように形成及び配置され得る。発光要素パッケージは、動作条件の下に光を放射する、ＬＥＤダイ等の１つ以上の発光要素を有し得る。発光要素は、様々な種類であり得、そして色及び輝度において見た目上異なり得る光を放射し得る。本発明に従うと、照明装置パッケージの構成は、１つ以上の発光要素から生じる光がいかに発光要素パッケージの外部へ導かれるかを決定する。
例えばＬＥＤダイなどの多くの発光要素は、高屈折率を有し得る合成材料から作製され得る。ある実施例において、発光要素から発光要素パッケージの外側の環境媒体へ光を効率的にガイドする１つの手法は、一連の材料であって、この材料の屈折率間において相対的に小さい不連続性を有する一連の材料を介して連続的に光を伝播させることである。光学的界面における隣接する材料の屈折率が近いほど、全内部反射がこの界面において生じ得る立体角は小さくなる。
照明装置パッケージにおける光伝播は、例えば、ＬＥＤダイがいかに基板へ機械的及び電気的に接続されるかなどによる、発光要素の種類によっても影響を受け得る。発光要素は、技術分野において知られる複数の様々な技術を用いて配置及び動作可能に接続され得ることを特記される。例えば、発光要素は、基板の上部からワイヤボンドされる、又はフリップチップに関するボールグリッドを使用して表面実装され得る。また、例えば１つの発光要素内に１つ以上のＬＥＤダイが存在し得る。
上述されるように、各光学的界面における全内部反射は、例えば複合レンズの要素にわたる屈折率プロファイルが小さい不連続性又は小さい傾きを特徴とする場合、低減され得る。同一の検討が、１つ以上の発光要素から環境媒体への光学的経路全体に沿った屈折率プロファイルへ適用される。複合レンズは、複数の要素を有し、各要素は異なる屈折率を有し、この場合、屈折率は、環境媒体の屈折率に達するように、発光要素からの距離とともに変化する。多くの実施例に関して、環境媒体は、例えば空気が有するような、1.0に近い低い屈折率を有する。環境媒体の屈折率が発光要素の屈折率より低い場合、複合レンズの要素は、発光要素から距離が増加するに連れて減少する屈折率を有するように設計され得る。
複合レンズ
複合レンズは、複合レンズが、１つ以上の発光要素によって放射される光と効果的に光学的相互作用し得るように、基板に対して配置される。ある実施例において、複合レンズは、放射された光と直接的に、すなわち１つ以上の発光要素に面するレンズの表面を介して、相互作用するように配置され得る。本発明のある実施例において、複合レンズは、放射された光と間接的に、すなわち１つ以上の反射器、拡散器、ウィンドウ及び他のこのような要素を介して、相互作用するように配置され得る。本発明のある実施例において、複合レンズは、放射された光と直接的に及び間接的に相互作用するように配置され得る。
複合レンズは、異なる屈折率を有する材料の２つ以上の要素から形成され得る。複合レンズの最外部要素の屈折率は、１つ以上の内部要素の材料の屈折率より通常小さい。
本発明に従うある実施例において、複合レンズは、固体、ゲル、液体材料、若しくは封入材料などのうちの１つ又はこれらの組み合わせを含む。
本発明のある実施例において、発光要素パッケージの外部表面は、半球体形状を有し、複合レンズによって規定され得る。同様なサイズ及び形状であるが均一な組成物又は均一な光学的特性であるモノリシック構造光学的要素と比較して、このような複合レンズは、２つ以上の発光要素を有する照明装置パッケージに関して、又は例えばＬＥＤダイ等の大面積発光要素に関して、より優れた光抽出を提供し得る。結果として、向上された光抽出は、より高い発光要素密度を有する照明装置パッケージを可能にし得る。
本発明のある実施例において、半球体レンズが、ランバート放射パターンを有する光を放射し得る照明装置パッケージを製造するのに使用され得る。照明装置パッケージがランバート放射パターン以外を有する光を放射し得ることが望ましい場合、複合レンズの光学的コンポーネントは適切に形成される、又は、光学的コンポーネント間の厚さ又は相対的距離は、球形状とは異なる光学的界面を提供するために、適切に寸法決めされる。
本発明のある実施例において、複合レンズの内部要素の内部表面に当たる光に関して近似的な法線入射角を得るために、レンズ空洞の内部半径は、１つ以上の発光要素を配置する円状領域のサイズのおおよそ３倍以上であり得る。本発明のある実施例において、半球体レンズは、発光要素が、内部半球体レンズ空洞の球体中心に近くあるように位置されるように、基板に対して配置され得る。
適切な屈折率を有する通常のレンズ及び封入材料は、通常可視光をほとんど吸収せず、特定の紫外線（ＵＶ）光のみを吸収する、例えば、ＰＭＭＡ，ポリカーボネート、ナイロン、ＣＯＣ、ＢＫ７ガラス、及びシリコーンなどを含み得る。これらの種類の材料のいくつかは、ＵＶ光への長期の露出の下での変色への耐性、及び適切な屈折率の範囲を提供し得る。
複合レンズは、例えば、ショット形成又は、当業者にとって知られ得る他の適切な製造工程によるなどの、複数の異なる手法で製造され得る。
本発明のある実施例において、２つ、３つ、又はそれ以上の要素レンズが、多段ショット形成工程を用いて製造され得る。例えば、２段ショット形成が、追加的な機械的掛合要素を提供するコンポーネントを製造するのに使用され得る。掛合要素は、モールド形成工程において形成され得、互いに対して複合レンズの２つのコンポーネントを係止することによって後の機械的安定性を提供する。掛け合いの種類は、掛合要素の形状、用いられる材料の性質及びモールド形成工程の性質に依存して、破壊的又は非破壊的に解放可能な接合の何れかであり得る。
一般的に、ショット形成されたコンポーネントは、形成されると、コンポーネントの部品又は副コンポーネントの形状複雑性を増加させる。広く知られているように、例えば、モールド材料間の異なる熱膨張率係数などが原因で、製造における剥離又は他の望ましくない応力誘発効果などの要因は、別の製造の結果を決定し得る。望ましい屈折率を有する個々の部品を提供するために、複合レンズは、例えば、特定のシリコーンなどの同一の種類の材料の等級を変化させることから製造され得る。
知られるように、複合光学的コンポーネントの製造は、複合要素内及び要素間の界面における望ましくない種類及び分量の包含の制御を必要とする。
他の種類のモールド形成工程も、例えば、複合コンポーネントに組み立てられる、又は光学的にクリアな接着剤などを使用して互いに接着され得る個別部品を製造するのに使用され得ることを特記される。接着剤は、特定の屈折率を提供するように選択され得る。接着剤の屈折率は、例えば、直接隣接する部分の屈折率の間にあり得る。
照明装置パッケージに関して適切な通常の複合レンズ材料は、おおよそ1.4又はそれ以上の屈折率を有し得るが、他の屈折率を有する材料も使用され得る。
封入材料（Encapsulation Material）
封入材料は、１つ以上の発光要素及び複合レンズ間の空間の全て又は一部を充填する。本発明に従うと、封入材料は、複合レンズの最内部レンズ要素の屈折率と等しい又はより大きいが、発光要素の屈折率より小さい屈折率を有するように選択される。通常、封入材料は、おおよそ1.55の屈折率を有し得る。
全内部反射は、例えば、界面において又は封入材料内において何の望ましくないボイドも含まれない場合に、低減され得る。ある実施例において、封入材料は、発光要素のうちの１つと同様な屈折率を有し得る。発光要素の屈折率よりわずかに低い適切な屈折率を有する封入材料は、発光要素及び封入材料の間の光学的界面において光が全内部反射を経る機会低減させ得る。
本発明のある実施例において、封入材料は、異なる熱膨張率係数及び変動する熱動作条件の望ましくない効果を移動させるために、光学的界面における又は近くにおける熱的誘発応力の制御を支援し得る、例えば流体又は高弾性材料などから作製され得る。流体封入材料は、対流により熱拡散を追加的に提供する。
本発明のある実施例において、柔軟な又は流体の封入材料又は光学的シリコーンは、例えば、複合レンズなどの隣接する固体光学的コンポーネントと基板などの他の要素との間において密閉され得る。封入材料は、１つ以上の発光要素と直接的に熱接触してもよいし、していなくてもよいことを特記され得る。
通常の封入材料は、例えば、Cl、K、Naなどの低イオン化不純物を含む特定のシリコーン及びエラストマ又はゲルを含む。複数の封入材料は当業分野においてよく知られており、Dow Corning、Nye、又はNusilなどのブランド名の下に入手可能である。
基板
１つ以上の発光要素は、基板に動作可能に結合される。基板は、例えばAlN、金属被膜ＰＣ基板、金属セラミックにおけるＬＴＣＣ、モールドされたリードフレームＬＥＤを挿入する装着パッド、及び当業者に知られ得る同様なものなどの、セラミック板であり得る。空洞に面する基板の表面、又はその特定の領域は、例えば拡散的、又は鏡面反射的であり得る。反射特性は、例えば、アルミニウム又は銀被膜、及び例えば反射フィルムなどの塗布から生じ得る。
屈折率の評価
本発明のある実施例において、一連の材料Ａ、Ｂ及びＣの屈折率nA、nB、及びnCは、光が２つの隣接する平面並行光学的界面ＡＢ及びＢＣを横断し進む場合に、全内部反射に関する可能性を低減させるために、
Figure 2009543321
に従い選択され得る。全内部反射を低減させる屈折率の組み合わせは、非平面及び非並行光学的界面に関する異なる式によって支配され得る。例えば、理想的な平面並行光学的界面に関して、Ａ及びＣの屈折率に基づき媒体Ｂに関して得られる屈折率は、非平面又は非並行界面に関しても媒体Ｂの屈折率に関して合理的な推定を提供し得る。
複合レンズ及び発光要素から、周囲の材料の屈折率に基づき封入材料の屈折率を決定する他の論理的又は経験的方法は、直ちに当業者によって理解され得る。照明装置パッケージのコンポーネントの屈折率及び他のパラメータは、例えば、スペクトル及び空間的放射分布を含み得る１つ以上の光学的特性を最適化するように選択され得ることも理解され得る。
被膜
本発明のある実施例において、照明装置パッケージ内部の反射は、照明装置パッケージの特定のコンポーネントの特定の表面において薄い反射防止被膜を用いることによって更に低減され得る。このような被膜は、異なる光学的特性を有する多層又はフィルムを含み得る。各追加的な被膜は、別の光学的界面を提供し、この界面における及び照明装置パッケージ全体の光学的伝達特性を向上させるために調整され得る。通常、望ましくない反射を抑制し得る被膜は、均一な厚さを特徴とする。厚さは、より小さいが、使用光の波長のオーダであり得る。それぞれのフィルムは、適切な屈折率を有し得る。たとえば、複合レンズの外部表面は、最外部層を形成する材料の屈折率より小さいが、環境の空気の屈折率より高い屈折率を有する材料の薄い層を用いて被膜され得る。被膜材料は、通常、高い透過性、変色に対する耐久性、及び被膜されたコンポーネントへの適切な接着性を必要とする。
本発明のある実施例において、例えばＬＥＤダイ等の発光要素は、被膜を取り囲む媒体の屈折率と発光要素の屈折率との間の屈折率を有する、例えば、反射防止的な共形被膜（conformal coating）などを用いて被膜され得る。同様に、被膜材料は、可視光に関して特に良好な透過性、変色に対する耐久性、及び発光要素への適切な接着性を有する。
反射防止被膜は、異なる材料の１つ以上の層を含み得る、又は広く知られるように微視的にパターン化され得る。更に、多くの被膜が、特定の波長又は偏光の光に関する、及び例えば特定の入射角に関する最適活用を提供するように設計され得る。しかし、適切に設計された多層フィルムが、広い範囲の入射角で高い透過性を提供し得ることを特記される。
本発明は、以下に、特定の例を参照して説明される。以下の例は、本発明の実施例を説明するように意図されており、いずれのようにも本発明を制限するように意図されていないことを理解される。
例
例１：
図１は、本発明の一つの実施例に従うＬＥＤパッケージ１００の断面図を概略的に例示する。ＬＥＤパッケージは空洞１２０を規定する２層レンズ１１０を有し、この２層レンズ１１０は、半球体の内部及び外部表面、並びに２つの層１３２・１３４の間における半球体界面を有する。内部及び外部表面、並びに２層界面は、他の形状を有し得、内部及び外部表面の形状は、異なる実施例に関して異なり得ることを理解される。
ＬＥＤダイ１９０及び１９１は、基板１４０において配置され、空洞に面している。異なる数のＬＥＤダイがパッケージ内部に配置され得ることを特記される。空洞１２０は、封入材料を用いて充填され得る。基板１４０は、例えばAlN、ＦＲ４、又は他の印刷回路（ＰＣ）基板、金属被膜ＰＣ基板、金属セラミックにおけるＬＴＣＣ、及びモールドされたリードフレームＬＥＤを挿入する装着パッドなどの、セラミック板であり得る。空洞に面する基板１４０の表面、又はダイ１９０及び１９１に隣接する基板の特定の領域は、例えば拡散的、又は鏡面反射的であり得る。反射特性は、例えば、アルミニウム又は銀被膜などから生じ得る。
レンズ１１０は、異なる屈折率を提供する材料の２つの層を含む。例えば、レンズの外部層１３４は、内部層１３２より小さい屈折率を有するように作製され得る。内部層１３２は、内部半球体レンズ空洞を形成する。レンズは、例えば、層ごとにおおよそ0.2mm及びおおよそ1mm厚さの間などの、パッケージの全体サイズに関して適切な壁厚さを有し得る。レンズの内部表面に当たる光に関して近似的な法線入射角を得るのを支援するために、半球体レンズ空洞の内部半径は、ＬＥＤダイを配置する円状領域のサイズのおおよそ３倍以上であり得、ＬＥＤダイは、内部半球体レンズ空洞の球体中心に近くあるように位置されるべきである。上述されるように、一連の材料Ａ、Ｂ及びＣの屈折率nA、nB、及びnCは、光が２つの隣接する平面並行光学的界面ＡＢ及びＢＣを横断し進む場合における全内部反射に関する可能性を低減させるために、
Figure 2009543321
に従い選択され得る。例えば、レンズ層１３４の屈折率が1.40であり、封入材料１２０の屈折率がおおよそ1.55である場合、レンズ層１３２に関する材料は、おおよそ1.47（＝1.40及び1.55の平方根）を提供するべきである。
２層レンズは、多段ショット形成工程で製造され得る。例えば２段ショット形成は、２層複合レンズを加工するのに使用され得る。２段ショット形成は、追加的な掛合要素を提供するコンポーネントを製造するのに使用され得る。図１は、掛合要素１５０を有する２層レンズの例を例示する。掛合要素は、モールド形成工程において形成され得、互いに対して２つのコンポーネントを係止することによって後の機械的安定性を提供する。掛け合いの種類は、掛合要素の形状、用いられる材料の性質及びモールド形成工程の性質に依存して、破壊的又は非破壊的に解放可能な接合の何れかであり得る。一般的に、ショット形成されたコンポーネントは、形成されると、コンポーネントの部品又は副コンポーネントの形状複雑性を増加させる。例えば、レンズ層１３２を形成し、その後第２形成ショットにおいてレンズ層１３４を配設することがより容易であり得る。
例２：
図２は、本発明の別の実施例に従うＬＥＤパッケージ２００の断面図を概略的に例示する。この実施例は、図１に例示される実施例と類似するが、外部レンズ層２３４によって覆われる固体半球体内部レンズ要素２３２を有する複合レンズ２１０を有している。外部レンズ層２３４は、掛合要素２５０によって固体半球体内部レンズ要素２３２へ装着される。
ＬＥＤダイ２９０及び２９１を複合レンズの下に収容するために、これらは、基板２４０における陥凹部２２０に配置される。陥凹部は、複合レンズ２１０及び基板２４０の間の空洞を規定する。ＬＥＤダイの近傍の固体半球体内部レンズ要素の表面は、本質的に平坦であるが、空洞からレンズ要素への光貫通性を向上させるために表面加工又は構造化され得る。空洞は、適切な屈折率を有する封入材料を用いて充填され得る。
この実施例において、封入材料・レンズ界面の異なる形状及び配置が原因により、上述の実施例と比較して、屈折率に関して異なる考慮が適用される。例えば、封入材料は、おおよそ1.55の屈折率を有し得、固体半球体内部レンズ要素は、おおよそ1.55の屈折率を有し得る。ＬＥＤダイの放射特性に依存して、ＬＥＤパッケージ２００の固体半球体内部レンズ要素及び封入材料の屈折率間の不適切な選択は、望ましくない全内部反射になり得る。ＬＥＤパッケージ２００の全体光抽出効率は、例えば、封入材料及び固体半球体内部レンズ要素が、等しい屈折率を提供する場合に、向上され得る。
ある実施例において、例えば、バットウィング（batwing）放射パターンなどの望ましい放射パターンの形成は、１つ以上のＬＥＤダイを（図示されない）適切に形成された反射器要素に隣接させて配置することによって、促進され得る。例えば、図２における陥凹部又は図１における空洞に面する基板の表面は、反射器要素を形成するために高反射材料を用いて被膜され得る、又は追加的な反射要素が空洞へ配置され得る。ある数の反射器要素として作用し得る上述のコンポーネント又は他の追加的なコンポーネントは、ＬＥＤパッケージにおいて使用され得る。反射器要素は、例えば、金属ヒート拡散器における、基板における、又はリードフレームにおける空洞などの、適切に被膜される又は形成されるコンポーネントの外側へ形成され得る。代替的に、反射器要素は、光の大部分の量の全内部反射を生じさせ得るような屈折率を提供する材料を用いて達成もされ得る。
本発明の上述の実施例は多くの手法で変更され得ることは明らかである。このような現在の又は将来の変更態様は、本発明の精神及び範囲から逸脱するものとしては見なされるべきでなく、当業者にとって明らかである全てのこのような修正態様は、添付の請求項の範囲に含まれるように意図される。
図１は、本発明の実施例に従う照明装置パッケージの断面図を概略的に例示する。 図２は、本発明の別の実施例に従う照明装置パッケージの断面図を概略的に例示する。

Claims (21)

  1. 照明装置パッケージであって、
    ａ）基板に動作可能に結合される１つ以上の発光要素と、
    ｂ）前記１つ以上の発光要素に面する表面を有する複合レンズであって、当該複合レンズが少なくとも内部レンズ要素及び外部レンズ要素を含み、前記内部レンズ要素が第１屈折率を有し、前記外部レンズ要素が第２屈折率を有し、前記第１屈折率が第２屈折率より大きく、当該複合レンズ、前記１つ以上の発光要素及び前記基板がこれらの間に閉じられた空間を規定する、複合レンズと、
    ｃ）前記空間の少なくとも一部分を充填する封入材料であって、前記第１屈折率と等しい又はより大きい第３屈折率を有する封入材料と、
    を有する照明装置パッケージ。
  2. 請求項１に記載の照明装置パッケージであって、前記発光要素が、前記第３屈折率より大きい屈折率を有する、照明装置パッケージ。
  3. 請求項１に記載の照明装置パッケージであって、前記内部レンズ要素が、前記外部レンズ要素を係合する掛合要素を含む、照明装置パッケージ。
  4. 請求項１に記載の照明装置パッケージであって、前記外部レンズ要素が、前記内部レンズ要素を係合する掛合要素を含む、照明装置パッケージ。
  5. 請求項１に記載の照明装置パッケージであって、前記基板が、反射的である表面を、前記発光要素の側において少なくとも前記発光要素に近接して有する、照明装置パッケージ。
  6. 請求項５に記載の照明装置パッケージであって、前記基板が、前記発光要素の側において少なくとも前記発光要素へ近接して配置される反射被膜を有する、照明装置パッケージ。
  7. 請求項１に記載の照明装置パッケージであって、前記複合レンズが少なくとも部分的に球形状である、照明装置パッケージ。
  8. 請求項１に記載の照明装置パッケージであって、前記複合レンズが、前記発光要素から距離が増加するに連れて減少する屈折率を有する複数の要素を含む、照明装置パッケージ。
  9. 請求項８に記載の照明装置パッケージであって、前記複数の要素が、不連続的に減少する屈折率を有する、照明装置パッケージ。
  10. 請求項８に記載の照明装置パッケージであって、前記複数の要素が、連続的に減少する屈折率を有する、照明装置パッケージ。
  11. 請求項１に記載の照明装置パッケージであって、前記複合レンズが、ショット形成によって製造される、照明装置パッケージ。
  12. 請求項１に記載の照明装置パッケージであって、前記複合レンズが、多段ショット形成によって製造される、照明装置パッケージ。
  13. 請求項１に記載の照明装置パッケージであって、前記内部レンズ要素の表面が、前記発光要素を有する前記基板の側と同一平面上にある、照明装置パッケージ。
  14. 請求項１に記載の照明装置パッケージであって、前記外部レンズ要素の表面が、前記発光要素を有する前記基板の側と同一平面上にある、照明装置パッケージ。
  15. 請求項１に記載の照明装置パッケージであって、前記複合レンズ要素の表面が、前記発光要素を有する前記基板の側と同一平面上にある、照明装置パッケージ。
  16. 請求項１に記載の照明装置パッケージであって、前記発光要素が、前記基板の陥凹部に配置される、照明装置パッケージ。
  17. 請求項１に記載の照明装置パッケージであって、前記封入材料と前記内部レンズ要素との間の界面が実質的に平坦であり、前記第３屈折率が前記第１屈折率にほぼ等しい、照明装置パッケージ。
  18. 請求項１に記載の照明装置パッケージであって、前記第３屈折率が、前記第１屈折率より大きい、照明装置パッケージ。
  19. 照明装置パッケージであって、
    ａ）基板に動作可能に結合される１つ以上の発光要素と、
    ｂ）前記１つ以上の発光要素によって放射される光と相互作用するように配置される複合レンズであって、当該複合レンズが少なくとも内部レンズ要素及び外部レンズ要素を含み、前記内部レンズ要素が第１屈折率を有し、前記外部レンズ要素が第２屈折率を有し、前記第１屈折率が第２屈折率より大きく、当該複合レンズ、前記１つ以上の発光要素及び前記基板がこれらの間に閉じられた空間を規定する、複合レンズと、
    ｃ）前記空間の少なくとも一部分を充填する封入材料であって、前記第１屈折率と等しい又はより大きい第３屈折率を有する封入材料と、
    を有する照明装置パッケージ。
  20. 請求項１９に記載の照明装置パッケージであって、前記複合レンズが、前記１つ以上の発光要素に面する表面を有し、これにより、前記複合レンズと前記発光要素によって放射される光との間の直接相互作用を提供する、照明装置パッケージ。
  21. 請求項１９に記載の照明装置パッケージであって、前記複合レンズが、前記発光要素によって放射される光と１つ以上の光学的要素を介して間接的に相互作用するように配置される、照明装置パッケージ。
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