JP2012529769A - 収集、伝導、蛍光体配向および出力手段を有する発光ダイオードに関する光学システム - Google Patents

Abstract

ＬＥＤ光源を備える光学システムは、光を蛍光体層へ導くために逆の円錐形状を有するベースを利用する。蛍光体層は、上下の両方の表面から光を発する。システムの出力が一般の照明アプリケーションに適している全方向性光であるために、ベースおよび実質的にミラー・イメージ・キャップ要素は光学システムから蛍光体生成の光を効果的な引き出すことを容易にする。ＬＥＤによって発生するほとんど全ての光が蛍光体層に伝達されるという点で、システムは非常に効率的であり、蛍光体層から発されるほとんど全ての光はシステムから出る出力である。

Description

本発明は、一般に発光ダイオード（ＬＥＤ）からの光の抽出および制御に関し、特に蛍光体によって発生する光のシステムから、ＬＥＤ、蛍光体ソースに対する光の方向および全方向性抽出から光を引き出すことを改善する光学システムである。光学システムは、従来の白熱電球のそれと類似しているパターンの出力光を導く。

多数の製品は、全方向性である白色光の効果的なソースを必要とする。多くの用途において、所望の出力は、トマス・エディソンの画期的な発明であり1880年1月27日に発行された米国特許第223,898号である従来の電球の出力と類似している。製品のホストは、この歴史的な発明によって教示される出力の周辺で設計された。最近、蛍光ベースの電球は、エジソン球の出力を模倣するために開発された。多くの発明者は、ＬＥＤ技術に基づく類似した出力を有する電球を開発しようとしている。現在まで開発された装置には多くの欠点がある。

一般の照明のためのＬＥＤの使用法の点で固有の課題のうちの１つは、ＬＥＤによって発生する光のぎりぎりの波長からの白色光の生成である。ＬＥＤ照明装置の初期の実施形態は、白色光をつくるために多くの異なる着色したＬＥＤの組合せに依存した。より最近の実施形態では、黄光の幅広いスペクトルが放射されるために、青いＬＥＤから出る出力は蛍光体を放射線にさらすのに用いられた。蛍光体によって吸収されないいくつかの青い照明を有する黄色の光の組合せは、合理的な白い光源をつくる。従来技術ＬＥＤシステムでは、青い光の全てが蛍光体に通過するために、蛍光体は青いＬＥＤの近い近くに概して配置された。しかし、2002年2月26日に発行されたEric Tarsaによる米国特許第6,350,041号「High Output Radial Dispersing Lamp」、2006年7月25日に発行されたMatthijs Keuperによる米国特許第7,080,932号「LED with an Optical System 」、および、2008年6月3日に発行されたJulio Chavesによる米国特許第7,080,932号「Optical Manifold for Light Emitting Diodes」のような、より新規な発明の全ては、ＬＥＤから離れた蛍光体の位置を教示する。本発明の全ては、ＬＥＤライトを蛍光体に連結する一般に効率的な方法を有する。

いくつかの従来技術装置は、より精巧でしたがって、他より高価である。従来技術発明のいずれも、能率的に照明を蛍光体から抽出する方法を教示しない。更に、従来技術発明のいずれも、オリジナルのエジソンの発明の出力と類似している全方向性の光出力を生成する光源を教示しない。

したがって、蛍光体ソースによって発生する光の高いパーセンテージを引き出す光学システムを提供することは、本発明の目的である。

ＬＥＤから照射を受けた蛍光体から作り出される光に効果的に青い光を連結することは、更に、本発明の別の目的である。

エネルギー効率的なＬＥＤの大規模な配備を可能にするコストで、エジソン・ランプの望ましい光学特性の全てを作成することは、更に、本発明の別の目的である。

本発明は、従来の電球と機械的に類似しているパッケージから、白色光を生成するために用いる光学システムである。システムは、ＬＥＤから実質的な距離にある蛍光体層の方へＬＥＤから青い光を能率的に導く。システムもまた、大部分の生成された光が、蛍光体によってまたはＬＥＤによって吸収されないシステムからの出力であるのを許容する。

本発明の光学システムの効果は、それが出力を従来の電球の出力にかなり等しくするということである。

本発明の光学システムの他の効果は、光がＬＥＤから蛍光体層へ伝達される通路の効率的で、費用効果的な構築を提供するということである。

光学システムのさらにもう一つの効果は、それが実質的にシステムによって発生する光の全てがシステムから出る出力であるということである。

図面にて例示したように、そして、本願明細書において記載されているように、これらの、そしてまた他の目的および本発明の効果は、発明を実施するベストモードの周知の方法であることは当業者にとって明らかである。

図１は、本発明の光学システムの斜視図である。 図２は、光学システムの側面の断面図である。 図３は、ＬＥＤから蛍光体層まで進む光線を示す光学システムの側面の断面図である。 図４は、蛍光体層の上部側から放射している光線を示している光学システムの側面の断面図である。 図５は、蛍光体層の底面から放射している光線を示している光学システムの側面の断面図である。 図６は、システムから効率的にTIR反射して送信される光線を示す光学システムの側面の断面図である。

最初に図１および２を参照すると、本発明の光学システム１は、ベース6から作られる主本体部と上部円錐キャップ8とを備える。光学システム１の主本体部は、丸いポイントエンドを備える概略的にダイヤモンド形状である。ベース6は、一般に逆コーンの形状を有する。キャップ８はまた、通常、円錐であるが、丸いベースを備える。キャップ8の上端9およびベース6の下端は、半径ターミナルエリアで両方とも示される。半径チップは、パフォーマンス要因に関して含まれないが、ユーザを負傷させ得る鋭いポイントを除去するようにむしろ含まれる。丸い領域は安全性のためにあり、パフォーマンスのためではない。

光源（ＬＥＤ 3）は、PCB 2に載置する。PCB 2は、単にＬＥＤ 3に取り付けて、パワーを供給する便利な方法として選ばれる。公知であるＬＥＤ 3に、パワーを供給するのに用いることができる他の材料および方法は、当業者にある。システムに電力を供給するために用いる特定の電子回路は、本発明の範囲内であるとみなされない。システムは電力を供給されることができ、電力を供給する多くの現在の周知の方法によって制御されることができ、制御ＬＥＤはシステムの基礎を形成した。

ベース6の反射器媒体4の領域は、PCB 2の上部側に集中する。ＬＥＤ 3は、反射器媒体4によって適用されるベース6の領域の中にある。反射器媒体4は、概してポリマーから形成される。反射器媒体4はまた、高い屈折率を有するオイルまたは他の材料であってよい。反射器媒体4は、一般に湾曲形状を有する。ＬＥＤ 3および反射器媒体4のジオメトリが、反射器媒体４の領域でTIRを保証しない場合では、アルミニウムまたは銀または他の反射材料のような反射コーティング5は、反射器媒体4に適用される。

ベース6の直径が、反射器媒体4より非常に大きい領域で、光学システム１の主本体部の中心付近に、細い蛍光体層7がある。主本体部の先端が丸いので、ちょうど蛍光体層7より上のキャップ8の下側エッジは、取扱いおよび安全性理由の容易さのために丸くされる。

次いで図３を参照すると、光線10は、反射器媒体4の範囲内に含まれるＬＥＤ３で生成される。ＬＥＤ３からの光線10は、反射器媒体4およびベース6の透明な材料を通って進む。反射器媒体4およびベース6は、好ましくは高い伝達材料から作られる。反射器媒体4およびベース6は、材料の1つの連続部分または異なる光学特性を有する2つの異なる材料として構築されることができる。反射器媒体4のために使用される材料は、時々ホットＬＥＤと接触するとき、反射器媒体4が透明なままでなければならないことを心に留めて選択されなければならない。理想的には、反射器媒体4のために使用される材料の屈折率は、できるだけ高い。ＬＥＤ３と接触して高い屈折率材料を有することは、ＬＥＤ３から光を抽出することを改善する。ベース6はまた、高い屈折率材料から作られなければならない。キャップ８は、ＬＥＤと接触しておらず、したがって高温を実現しない。高い屈折率を有して、低温だけで作動する多くの異なる材料が利用できる。しかし、厳密に必要性はないが、これらの二つのコンポーネントは、ポリマーであるのが好ましい。ＬＥＤ光線10は、ＬＥＤ３から蛍光体層7までダイレクトパスで移動する。

ＬＥＤ３によって生成する第２のグループの光線11は、蛍光体層7に直接進まない。光線11をベース6の外面に最初にぶつからせる角度で、第２の光線11は、ＬＥＤ３から放射する。ベース６およびＬＥＤ３のジオメトリは、光線11がベース6の表面にぶつかる角度が、ベース6の表面に対して垂直から約40度よりも小さいようなものである。入射角が40度未満の場合、光はベース6の表面の中で、離れて反射する。この種の反射は全反射（TIR）であり、事実上、光線11の100%が反映される。TIRを許容するために必要とされる最大40度の角度は、ベース6の屈折率および円錐ベース6を囲む媒体の機能である。

図面に示される場合では、ベース6を取り囲む材料は空気であり、1の屈折率を備える。円錐ベース6の屈折率は、1.55である。TIR角度を決定する方程式は、以下の通りである：
表面に対する垂直からの角度= arcsin（空気の屈折率／ベース材料の屈折率）
蛍光体層7を最終的に打つように、全反射された光線12がリダイレクトされ、光線10を直接的に進ませる。ＬＥＤ３からのいくつかの光線は、反射する媒体4の表面にぶつかる。反射媒体4を打つ光線は、TIRから、若しくは、システムのジオメトリが、光が反射媒体４の表面を打つ角度がTIRレンジでないようなとき、反射媒体５のいずれかから反射される。したがって、本質的に、ＬＥＤ 3からの全ての光は、蛍光体層7の方向を目指す。

要約すると、ＬＥＤ３によって生成される光が、蛍光体層７に着くためにすることができ、（ダイレクトパス、ベース6の表面を離れたTIR、および、反射媒体4を離れた反射）の３つの経路がある。本発明のキー特徴は、ＬＥＤ３からの光のほぼ全てが蛍光体層7へ行く道を見つけるということである。生成された光の非常に少ない量だけが、反射する媒体4およびベース6のポリマーからの吸収にルーズである。ごくわずかな光の他の損失要因は、光が反射被膜5に当たるときに、起こる吸収の少ない量である。

ＬＥＤ３によって発生する光は、青または紫外線波長であるのが好ましい。光が蛍光体層7を打つとき、蛍光体層7の蛍光体がＬＥＤ３からの青または紫外線を吸収し、一般に黄色の範囲のより長い波長を備える光を放射する。ＬＥＤ３からの大部分の光が吸収されるため、蛍光体層7は十分に濃密でなければならない点に留意する必要があるが、光が蛍光体層7の底面だけから発されるほど濃密ではない。むしろ、蛍光体層7の構造は、光が蛍光体層7の一番上で底の表面から発されるようなものでなければならない。蛍光体層7の実際の濃度および厚みは、システム1のＬＥＤ３および所望のスペクトル出力から放射する光の特定の波長に基づいて各々の特定のアプリケーションのために設計される。

図４は、蛍光体層7の上側表面から発される光線の経路を示す。（それらが蛍光体層7を接触させる前に、ＬＥＤ３から放射した光線は、説明の明快さのための図４において示されない。）蛍光体で生成された光線の２つのクラス、すなわち、第1の光線20および第２の光線22は、蛍光体層7の上側表面から上方に放射する。第1の蛍光体光線20は、キャップ8の表面に、ほとんど垂直な角度でキャップ8の表面にぶつかる。出ている光線21がキャップ8の比較的高い屈折率材料から、低い屈折率媒体空気まで進むとき、第1の光線20は屈折しない。

蛍光体層７の上側表面から放射している第２の光線22は、垂直からより顕著な角度でキャップ8の表面にぶつかる。衝突のより大きな角度で、それらが高い屈折率から低い屈折率材料（空気に対するキャップ8のポリマー）まで進行するにつれて、第２の出射光線２３は僅かに屈折する。TIR角度より小さくキャップ8の表面にぶつかる全ての光線は、キャップ8を通過する。

図５は、蛍光体層7の下面によって発生する光の移動経路を例示する。（図４のように、それらが蛍光体層7と接触する前にＬＥＤ３から放射される光線は、説明の明快さのために図５において示されない。）蛍光体生成の光線の２つのクラス、第1の光線20’および第２の光線22’は、蛍光体層7の下面から下方へ放射する。第１の光線20’は、ベース6の表面に対してほとんど垂直な角度でベース6の表面にぶつかる。出る光線21’が、ベース6の比較的高い屈折率材料から低い屈折率媒体空気まで進行するとき、第１の光線20’は、屈折されない。

蛍光体層7の下面から放射している第２の光線22’は、垂直からより顕著な角度でベース6の表面にぶつかる。より大きな角度で、キャップ8の第２の出る光線23と同様に、それらが高い屈折率から低い屈折率材料（空気に対するベース６のポリマー）まで進行するにつれて、第２の出る光線23’は僅かに屈折される。TIR角度より小さくベース6の表面にぶつかる全ての光線は、ベース6を通過する。

図６は、蛍光体層7の上側表面から放射する蛍光体から生成された光線21”の第三のクラスを示す。光線２１”がキャップ８の表面を打つ角度は、垂直に対して十分浅く、光線２４がキャップ８の表面から離れて全反射する。図6において例示されるシステム1の特定の形態に関して、40度未満の角度は、TIR反射を引き起こす。光線21”の第三のクラスの角度は、垂直から60度である。TIR反射された光線24は、TIR角度より少ない角度で、キャップ8の反対側にぶつかる。特定の角度は、キャップ8の円錐角度（87度）と第1のTIR反射角度（60度）との間の差、すなわち27度のである。27度は、40度のTIR角度より非常に少ない。したがって、第３のTIR反射された光線24は、再びTIRをせず、キャップ8を逃れ、第3の屈折した光線25として屈折する。TIR反射された光線がTIR表面に対して全体的に直交する表面をヒットするジオメトリを有するように光学システム１を構築することにより、光を逃がすことができ、さもなければ、高い屈折率ポリマーを免れない。

上記例は、キャップ８に関する大部分が記載されたにもかかわらず、ベース６によって光が同様の方法で逃げることができる点に留意する必要がある。光が蛍光体層7の上側表面から発されるときに生じるように、光がＬＥＤ３の方へ蛍光体層7の下面を出るとき、同じタイプの反射が生じる。

逃れる光のパーセンテージ多くとして、光学システムが許さない実施形態は、ベースおよびキャップの円錐角度が105度である。その場合、TIR光線24は、45度の角度で表面を打つ。45度は、TIR範囲の中であり、したがって、光が逃げるのを許さない。TIR照明は、結局蛍光体層の方へ後ろに反射することになる。

蛍光体生成された光線26の第四のクラスは、ＬＥＤ3へ反射する。これは、ベースおよびキャップのポリマーによって吸収される光、および、反射面５によって吸収される光を除いて、唯一の光であり、システム1を出ない蛍光体層7から発される。光のあまり少ない量が半径先端９でシステムのその出口を見つけないかもしれないことはまた、強調されなければならない。吸収された光は、システム１によって生成される全体的な光の非常に少ないパーセンテージである。要約すると、ＬＥＤ３からの光のほぼ全ては、蛍光体層7によって吸収され、蛍光体層7によって発される光のほぼ全てはシステム１を出る。

上記の開示は、限定することを企図しない。当業者は直ちにその多数の変更態様を観察し、本発明の教示を保持しながら、装置の変更がなされ得る。したがって、添付の請求の範囲の限定だけによって制限されるように、上記の開示は解釈されなければならない。

Claims (15)

1. 全方向性出力を備えた光学システムであって、
   光源として役立つＬＥＤと、
   逆コーンの形状を備えたベースと、
   蛍光体層と、
   コーン形状キャップと
   を有し、
   前記ＬＥＤによって生成された光は、前記ベースでＴＩＲを介してと直接との両方で、前記蛍光体層に伝達され、それにより、光が前記蛍光体層から放射されるように前記蛍光体層を照らし、
   前記蛍光体層からの放射された前記光は、ＴＩＲおよび直接の両方で前記キャップと前記ベースを介して前記光学システムから抽出されることを特徴とする光学システム。
2. 前記ＬＥＤから光が、前記蛍光体層に接触するとき、光が、前記蛍光体層の頂部側と底部側の両方から放射されることを特徴とする請求項１に記載の光学システム。
3. 前記蛍光体層が、前記ベース及び前記キャップを有する主本体部の中央領域付近に配置され、前記蛍光体層の領域が、前記ＬＥＤの領域よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の光学システム。
4. 前記ＬＥＤ付近の前記ベースの領域は、反射媒体からなることを特徴とする請求項１に記載の光学システム。
5. 前記ベースの角度がＴＩＲの十分な量をサポートしない前記システムの構造において、前記反射媒体の少なくとも一部が、反射コーティングで被覆されることを特徴とする請求項４に記載の光学システム。
6. 前記反射媒体が、高い屈折率を備えた油からなることを特徴とする請求項４に記載の光学システム。
7. 全方向性出力を備えた光学システムであって、
   光源として役立つＬＥＤと、
   逆コーンの形状を備えたベースと、
   蛍光体層と、
   コーン形状キャップと
   を有し、
   前記ＬＥＤによって生成された光は、前記ベースでＴＩＲを介してと直接との両方で、前記蛍光体層に伝達され、それにより、光が前記蛍光体層の頂部側および底部側の両方から放射されるように前記蛍光体層を照らし、
   前記蛍光体層からの放射された前記光は、ＴＩＲおよび直接の両方で前記キャップと前記ベースを介して前記光学システムから抽出されることを特徴とする光学システム。
8. 前記蛍光体層が、前記ベース及び前記キャップを有する主本体部の中央領域付近に配置され、前記蛍光体層の領域が、前記ＬＥＤの領域よりも大きいことを特徴とする請求項７に記載の光学システム。
9. 前記ＬＥＤ付近の前記ベースの領域は、反射媒体からなることを特徴とする請求項７に記載の光学システム。
10. 前記ベースの角度がＴＩＲの十分な量をサポートしない前記システムの構造において、前記反射媒体の少なくとも一部が、反射コーティングで被覆されることを特徴とする請求項９に記載の光学システム。
11. 前記反射媒体が、高い屈折率を備えた油からなることを特徴とする請求項９に記載の光学システム。
12. 全方向性出力を備えた光学システムであって、
    光源として役立つＬＥＤと、
    逆コーンの形状を備えたベースであって、前記ＬＥＤ付近の前記ベースの領域が、反射媒体からなることを特徴とするベースと、
    蛍光体層と、
    コーン形状キャップと
    を有し、
    前記ＬＥＤによって生成された光は、前記ベースでＴＩＲを介してと直接との両方で、前記蛍光体層に伝達され、それにより、光が前記蛍光体層の頂部側および底部側の両方から放射されるように前記蛍光体層を照らし、
    前記蛍光体層からの放射された前記光は、ＴＩＲおよび直接の両方で前記キャップと前記ベースを介して前記光学システムから抽出されることを特徴とする光学システム。
13. 前記蛍光体層が、前記ベース及び前記キャップを有する主本体部の中央領域付近に配置され、前記蛍光体層の領域が、前記ＬＥＤの領域よりも大きいことを特徴とする請求項１２に記載の光学システム。
14. 前記ベースの角度がＴＩＲの十分な量をサポートしない前記システムの構造において、前記反射媒体の少なくとも一部が、反射コーティングで被覆されることを特徴とする請求項１２に記載の光学システム。
15. 前記反射媒体が、高い屈折率を備えた油からなることを特徴とする請求項１４に記載の光学システム。

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