JP2014063614A - 白色ｌｅｄ照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低損失および低発熱であって、コンパクトな白色ＬＥＤ照明装置を提供することである。
【解決手段】実施形態の白色ＬＥＤ照明装置は、紫外光領域または可視光領域の光を発光するＬＥＤ光源(11)と、前記ＬＥＤ光源を覆って設けられ、可視光に透明な軸対称透明部材(12)と、前記ＬＥＤ光源から離間して前記軸対称透明部材の内部に配置された軸対称光散乱部材(13)とを具備する。ＬＥＤ光源と前記軸対称光散乱部材と最近接距離Ｌ₂と、前記ＬＥＤ光源の前記発光面の面積Ｃとは所定の関係を満たし、前記軸対称光散乱部材の長さＬ₁と、前記軸対称光散乱部材の吸収係数μ（１／ｍｍ）とは所定の関係を満たし、前記軸対称光散乱部材の底面の直径ｄ₁と、前記最近接距離Ｌ₂と、前記軸対称透明部材の屈折率ｎとは、所定の関係を満たす。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、白色ＬＥＤ照明装置に関する。

近年、リモートフォスファーによって、戻り光による損失を低減する技術が注目されている。代表的なリモートフォスファーにおいては、鏡面反射板または拡散反射板からなる反射板の上にＬＥＤチップが配置され、それを覆うようにドーム状に蛍光層が形成されている。蛍光層は、ＬＥＤチップから一定の距離で離れて配置されており、これによって、ＬＥＤチップへの戻り光が低減される。

しかしながら、このようにリモートフォスファーによって、戻り光に起因した損失を低減しようとすると、蛍光体層とＬＥＤを含めた照明装置全体が大きくなることが避けられない。例えば、ＬＥＤチップの寸法が１ｍｍの場合には、照明装置全体の大きさは１〜２ｃｍ程度になる。

米国特許出願公開第２０１０／０３０８３５４号明細書

本発明が解決しようとする課題は、リモートフォスファー効果によって、低損失および低発熱であって、コンパクトな白色ＬＥＤ照明装置を提供することにある。

実施形態の白色ＬＥＤ照明装置は、紫外光領域または可視光領域の光を発光するＬＥＤ光源と、前記ＬＥＤ光源の発光面を覆って設けられ、可視光に透明な軸対称透明部材と、前記ＬＥＤ光源から離間して前記軸対称透明部材の内部に配置された軸対称光散乱部材とを具備する白色ＬＥＤ照明装置である。前記ＬＥＤ光源は、面積Ｃの発光面を有し、この発光面に実質的に直交する配光対称軸のまわりに実質的に対称な配光分布をもち、前記軸対称透明部材は、前記ＬＥＤ光源の前記配光対称軸に実質的に一致する第１の対称軸を有し、この第１の対称軸に対して対称である。前記軸対称光散乱部材は、前記ＬＥＤ光源の前記配向対称軸に実質的に一致する第２の対称軸を有し、底面の直径ｄ₁および前記第２の対称軸に沿った長さＬ₁をもって前記第２の対称軸に対して対称であり、前記ＬＥＤ光源と前記軸対称光散乱部材と最近接距離Ｌ₂と、前記ＬＥＤ光源の前記発光面の面積Ｃとは、下記式（１）で表わされる関係を満たす。

前記第２の対称軸に沿った前記軸対称光散乱部材の長さＬ₁と、前記軸対称光散乱部材の吸収係数μ（１／ｍｍ）とは下記式（２）の関係を満たす。

前記軸対称光散乱部材の底面の直径ｄ₁と、前記最近接距離Ｌ₂と、前記軸対称透明部材の屈折率ｎとは、下記式（３）の関係を満たす。

さらに、前記第２の対称軸に直交する前記軸対称光散乱部材の断面は、この断面における前記軸対称透明部材の断面に含まれ、前記第２の対称軸に沿って、前記軸対称透明部材を前記ＬＥＤ光源の発光面を含む平面に射影した面は、前記ＬＥＤ光源の発光面を含むことを特徴とする。

一実施形態にかかる白色ＬＥＤ照明装置を表わす斜視図。 一実施形態にかかる白色ＬＥＤ照明装置の断面を示す概略図。 一実施形態にかかる白色ＬＥＤ照明装置の光追跡結果を表わす模式図。 一実施形態にかかる白色ＬＥＤ照明装置の鉛直配光角と光度との関係を示すグラフ図。 他の実施形態にかかる白色ＬＥＤ照明装置を示す斜視図。 図５に示した白色ＬＥＤ照明装置の断面を示す概略図。 図５に示した白色ＬＥＤ照明装置の動作を説明するための図。 他の実施形態にかかる白色ＬＥＤ照明装置の断面を示す概略図。 他の実施形態にかかる白色ＬＥＤ照明装置の断面を示す概略図。 他の実施形態にかかる白色ＬＥＤ照明装置の断面を示す概略図。 他の実施形態にかかる白色ＬＥＤ照明装置の断面を示す概略図。 他の実施形態にかかる白色ＬＥＤ照明装置を示す斜視図。

以下、実施形態を具体的に説明する。

一実施形態にかかる白色ＬＥＤ照明装置１０は、図１に示されるように、ＬＥＤ光源１１と、このＬＥＤ光源を覆う軸対称透明部材１２とを有し、軸対称透明部材１２の内部には、ＬＥＤ光源１１から離間して軸対称光散乱部材１３が配置されている。

ＬＥＤ光源１１は、平面状の発光面を有し、紫外光領域または可視光領域の光を発する。例えば、ピーク波長が３９０〜４６０ｎｍの単色光を発するＬＥＤチップを用いることができ、より具体的には、ピーク波長が４５０ｎｍの光を発する青色ＬＥＤチップが挙げられる。

本実施形態においては、ＬＥＤチップからの配光分布は、配光対称軸を有するものであって、この配光対称軸に対して対称に近い分布である。配光分布としては、例えばランバーシアンが挙げられるが、これに限定されない。配光対称軸は、例えばＬＥＤチップの発光面内の中心付近を通るものとすることができるが、これに限定されず、ＬＥＤチップの発光面と同一面内のいずれの点を通ってもよい。

ＬＥＤ光源１１は、必要に応じて基板１４上に載置してもよい。基板１４は特に限定されないが、載置面が可視光を拡散反射する材質で構成することができる。この場合には、配光分布を大きくすることができる。あるいは、基板の載置面は、可視光に対して透明な材料で構成されていてもよい。この場合にも、基板を通り抜ける光が増え，配光分布を大きくすることができる。可視光を拡散反射する材質としては、例えば、アルミニウム等の金属、および白色樹脂などが挙げられ、可視光に対して透明な材料としては、例えば透明樹脂が挙げられる。

軸対称透明部材１２は、可視光の吸収が少ない透明材料から構成することができる。透明材は、無機材料および有機材料のいずれでもよい。無機材料としては、例えば、ガラスおよび透明セラミックスが挙げられる。有機材料としては、具体的には、アクリル樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）樹脂、およびポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）樹脂などから選択される透明樹脂が挙げられる。ここで、透明とは可視光を透過するということを意味し、特に断らない限り、以下においてもこのような意味で用いられる。この透明部材の屈折率ｎと、全反射角θcとの間には、下記式（Ａ）で表わされる関係がある。

軸対称透明部材１２の内部に配置される軸対称光散乱部材１３は、ＬＥＤ光源１１からの紫外光または可視光を散乱させる白色粒子を含有することができる。白色粒子としては、例えばテクポリマーが挙げられる。あるいは、光散乱部材１３は、蛍光体粒子を含有してもよい。蛍光体粒子を含有する場合には、光散乱部材は蛍光層と称することができる。蛍光体粒子としては、例えば黄色発光蛍光体が挙げられる。黄色発光蛍光体は、ＬＥＤ光源からの光を一部吸収して、長波長側の可視領域の光を発光する。黄色発光蛍光体粒子を含有する蛍光層に加えて、赤色発光蛍光体粒子含有する蛍光層を、軸対称透明部材１２の内部にも設けてもよい。

白色粒子および蛍光体粒子は、透明樹脂に分散させて軸対称光散乱部材１３の形成に用いることができる。あるいは、粒子のみによって、軸対称光散乱部材１３を構成してもよい。例えば、軸対称透明部材１２内部の所定の領域に空間を設け、その空間に粒子を充填することによって、こうした軸対称光散乱部材を構成することができる。この場合には、容易に作製できるという利点がある。

また、上記軸対称光散乱部材１３の内部に金属匡体を設け、内部に電源回路を設けてもよい。これによって、ＬＥＤおよび電源回路から発せられた熱が金属匡体から軸対称透明部材１２に伝わり、それより外部へと放熱される。その結果，放熱特性が向上する。また、電源回路を金属匡体内部に設けるため、照明装置全体をコンパクトにできる。

粒子を分散して光散乱部材を構成するための透明樹脂としては、上述したようなものに限定されず、可視光に対して透明であって，粒子を内部に保持できる任意の透明樹脂を用いることができる。

一般的には、光散乱部材の吸収係数μ［１／ｍｍ］は、厚さｈ［ｍｍ］の平板状の光散乱部材に対し、平板に直交方向にコリメートされた平行光線を照射した際の透過量を用いて定義することができる。平行光線の入射強度をＩ₀とし、透過強度をＩ_Tとすると、吸収係数μは下記式（Ｂ）で表わされる。

図２には、一実施形態にかかる白色ＬＥＤ照明装置の断面の概略構造を示す。軸対称光散乱部材１３とＬＥＤ光源１１との最近接距離Ｌ₂を明確にするために、図２においては、軸対称透明部材１２は基板１４に接しないように描かれているが、実際には軸対称透明部材は基板１４に接して設けられている。

ＬＥＤ光源１１の配光対称軸は参照符号ａｘで表わされる。軸対称透明部材１２の対称軸は、この配光対称軸ａｘと実質的に一致し、軸対称光散乱部材１３の対称軸もまた、配光対称軸ａｘと実質的に一致する。ＬＥＤ光源１１から発せられた光は、光散乱部材１３を通過してＬＥＤ照明装置の外部に照射されることが求められる。ＬＥＤ光源の配光対称軸の製品ばらつきの範囲内であれば、「対称軸が実質的に一致する」とみなすことができる。なお、配光対称軸ａｘに沿って発光方向側を、正方向あるいは上方向とし、以下においても同様とする。

光散乱部材１３とＬＥＤ光源１１との最近接距離Ｌ₂と、ＬＥＤ光源１１の発光面の面積Ｃとは、下記式（１）で表わされる関係を満たす。

これによって、十分なリモートフォスファー効果が得られることとなる。

また、対称軸に沿った前記軸対称光散乱部材の長さＬ₁（ここでは，前記軸対称光散乱部材が収まる区間の長さで最小のものと定義する）と、前記軸対称光散乱部材の吸収係数μ（１／ｍｍ）との間には、下記式（２）の関係が成立する。

さらに、光散乱部材の底面の直径ｄ₁と、前記最近接距離Ｌ₂と、前記軸対称透明部材の屈折率ｎとの間には、下記式（３）の関係が成立する。

上記式（２）で表わされる関係を満たすことによって、ＬＥＤ光源１１からの直接光が光散乱部材１３を逸れて照明装置外に透過することなく、確実に光散乱部材１３を通過することができる。

また、上記（３）の関係により次のような効果が得られる。すなわち、ＬＥＤ光源１１からの直接光の一部は、光散乱部材１３の底辺で散乱されるのを逸れ、前記軸対称透明部材の対称軸に平行な側面によって全反射し、光散乱部材１３の上方（よりＬＥＤ光源１１から遠いところ）において散乱される。これによって、ＬＥＤ光源１１からの直接光が光散乱部材１３の底辺で全て散乱されるのを免れて、リモートフォスファー効果が高められる。

軸対称光散乱部材１３の対称軸に対して直交する断面は、この断面を含む平面内の軸対称透明部材１２の断面に含まれる。すなわち、対称軸に直交する平面内において、光散乱部材１３の周囲は透明部材１２で確実に覆われている。さらに、軸対称透明部材１２を、対称軸に沿ってＬＥＤ光源１１の発光面へ射影した面は発光面を含むとする。これは、ＬＥＤ光源１１の発光面は、軸対称透明部材１２の対称軸に直交する面に含まれることを意味する。言い換えると、軸対称透明部材１２において直径が最大の面は、ＬＥＤ光源１１の発光面より大きい。

上述したような条件を満たすことによって、低損失および低発熱であるのに加えて、コンパクトな白色ＬＥＤ照明装置が得られる。

一実施形態にかかる白色ＬＥＤ照明装置の光追跡結果は、図３に示すとおりとなる。図３に示す光追跡結果から、ＬＥＤ光源１１からの直接光が光散乱部材１３に当たり散乱されること、およびＬＥＤ光源１１からの直接光が軸対称透明部材１２で全反射され、光散乱部材１３に当たり、散乱されることがわかる．
図４には、一実施形態にかかる白色ＬＥＤ照明装置の配光分布を示す。図４においては、横軸は配光角（ｄｅｇ．）であり，縦軸は光度（ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ）である。この図より，光度が半分になる配光角は約１４５°であり、１／２配光角（光度がピークの半分になる配光角の２倍とする）は２９０°となる。このことから、１／２配光角２９０°が達成されていることがわかる。

図５には、他の実施形態にかかる白色ＬＥＤ照明装置の斜視図を示す。図示する白色ＬＥＤ照明装置１０’は、ＬＥＤ光源を覆う軸対称透明部材１２および軸対称光散乱部材１３が円柱状である以外は、基本的には図１に示した構造と同様である。図５に示した白色ＬＥＤ照明装置１０’の対称軸に沿った断面を、図６に示す。

ここでは、ＬＥＤ光源１１としては、ピーク波長が４５０ｎｍであって、発光面が正方形状の青色ＬＥＤチップを用いる。ＬＥＤチップの１辺の長さは１ｍｍであり、ＬＥＤチップの発光面の厚みは２００μｍである。ＬＥＤチップの発光面の形状および寸法は、適宜選択することができ、この限りではない。

ＬＥＤ光源１１は、アルミニウム製の基板１４上に配置され、軸対称透明部材１２で覆われている。軸対称透明部材１２は、配光対称軸ａｘを対称軸とする円柱状であり、その底面は基板１４に接している。ここでは、ＰＭＭＡ（屈折率ｎ＝約１．５）を用いて透明部材１２を構成する。

軸対称透明部材１２の内部に配置される軸対称光散乱部材１３は、配光対称軸ａｘを対称軸とする円柱状であり、球状の黄色発光蛍光体粒子を含有するシリコーン樹脂層から構成される。黄色発光蛍光体粒子は、シリコーン樹脂層中に一様に分散されている。黄色発光蛍光体粒子は、ＬＥＤ光源１１から照射された青色光を吸収して、例えばピーク波長５５０ｎｍの光を発光する。こうした黄色発光蛍光体粒子を含有する軸対称光散乱部材１３の吸収係数μ［１／ｍｍ］を、０．１とする。

ここで、ＬＥＤ光源１１の発光面の面積Ｃ＝１ｍｍ²であることから、下記式のとおり算出される。

図６に示す例においては、ＬＥＤ光源１１と軸対称光散乱部材１３との最近接距離Ｌ₂は３ｍｍであり、これは、下記式（１）で表わされる関係を満たしている。

また、軸対称光散乱部材１３の吸収係数μ［１／ｍｍ］が０．１であることから、下記式のとおり算出される。

図６に示す例においては、軸対称光散乱部材１３の長さＬ₁は３．０ｍｍであり、これは下記式（２）で表わされる関係を満たしている。

前述の最近接距離Ｌ₂および屈折率ｎ＝約１．５を用いると、下記式のとおり算出される。

図６に示す例においては、軸対称光散乱部材１３の直径ｄ₁は１．４１ｍｍであり、これは、下記式（３）で表わされる関係を満たしている。

図６に示す例においては、軸対称透明部材１２の直径ｄ₀は３ｍｍであり、軸対称光散乱部材１３の直径ｄ₁および最近接距離Ｌ₂の間には、下記式（４）で表わされる関係が成立する。

本実施形態の白色ＬＥＤ照明装置の作用効果は、次のように説明される。

ただし、本作用は軸対称光散乱部材１３として蛍光体を封入した場合について述べる。白色粒子を封入する場合においては、蛍光体による長波長変換が起こらないが、それ以外の作用は同様である。

青色ＬＥＤチップからなるＬＥＤ光源１１から射出された青色光のうち、一部は黄色蛍光体粒子を含有する軸対称光散乱部材１３に直接当たって、散乱・吸収される。ＬＥＤ光源１１からの光の一部は、軸対称透明部材１２において全反射を繰り返した後、光散乱部材１３で散乱・吸収される。また、射出された光の残部は、透明部材１２で全反射されず、この透明部材１２の外に射出される．
一方、光散乱部材１３は、青色光を吸収することによって、それよりも長波長側の光である黄色の光を全方位（等方的）に発光する。

このとき、光散乱部材１３により散乱された青色光、および発光・散乱された黄色光がＬＥＤ光源１１に戻って吸収される。このような戻り光による損失が、従来は４０〜６０％程度であった（例えば、S. C. Allen, “ELiXIR-Solid-State Luminaire With Enhanced Light Extraction by Internal Reflection”, Journal of Display Technology, vol. 3, No. 2, 2007参照）。ＬＥＤ光源１１と光散乱部材１３とを十分に離すことによって、この損失を低減することが可能となる。これは、リモートフォスファーと一般に呼ばれている。

ＬＥＤ光源１１に最近接する光散乱部材１３の底面からの発光光のうち、その一部がＬＥＤ光源１１に戻る。その割合は、光散乱部材１３を中心とする全立体角に対し、ＬＥＤ光源１１を見込む立体角であるとおおよそ概算できる。すなわち、下記式（５）で表わされる。

上記式（５）で表わされる値が小さいほど、光散乱部材１３からＬＥＤ光源１１への戻り光が少なくなる。一方、リモートフォスファーの効果を得るためには、上記式（５）で表わされる値は、少なくとも１よりも小さいことが求められる。したがって、リモートフォスファーの効果を実現するためには、下記式（１）で表わされる関係を満たさなければならない。

本実施形態においては、Ｃ＝１ｍｍであるので上記式（５）で表わされる戻り光の割合は約０．８％となる．
また、このようにＬＥＤ光源１１と光散乱部材１とを離した場合には、光散乱部材１３がＬＥＤ光源に近接する場合と比較して低温になる。これによって、光散乱部材１３に含有される蛍光体の劣化を防ぐことができる（例えば、N. Narendran, “Improved Perfomance White LED”, Fifth International Conference on Solid State Lighting, Proceedings of SPIE 5941, 45-50, 2005参照）。

白色光は、ＬＥＤ光源からの青色光と蛍光体粒子からの黄色光とを適切に混合することによって実現できる。ＬＥＤ光源１１からの直接光が外部に届くと、視認される輝度が高くなりすぎる。これを避けるためには、青色ＬＥＤチップから発せられ、配光対称軸ａｘに沿って射出される光のうち、半分以上は光散乱部材１３で吸収される必要がある。ここで、光散乱部材１３内を配光対称軸ａｘに沿って伝搬する光の強度をＩ［Ｗ／ｍｍ²］と、光散乱部材１３に当たる直前の光の強度をＩ₀［Ｗ／ｍｍ²］との比（Ｉ／Ｉ₀）は、下記式（６）で表わされる。

（ここで、μは吸収係数であり、ｚは伝搬距離である。）
また、半分以上の光が光散乱部材１３で吸収されるという条件は、下記式（７）で表わすことができる。

上記式（７）を変形すると、下記式（８）となる。

光散乱部材１２の長さＬ₁は、上記式（８）を満たす必要があり、こうして式（２）が導かれる。

次に、図７を参照して、ＬＥＤ光源１１からの光線について説明する。図７は、光腺２０が示されている以外は、図６とほぼ同様である。ＬＥＤ光源１１からの光腺２０は、光散乱部材１３の底面のエッジを通って、透明部材１２の側面で全反射された後、光散乱部材１３に到達する。

仮に、光線２０が透明部材１２の、対称軸に平行な側面により全反射されずに透過してしまうと、この方向にはＬＥＤ光源１１からの青色光のみが射出されることになる。光線２０は、黄色蛍光体粒子を含有する光散乱部材１３に当たることによって、ＬＥＤ光源１１からの青色光と蛍光体粒子からの黄色光とが混合されて、白色光になりやすいと考えられる。また、光散乱部材１３によって十分に散乱されることにより、広配光角を達成できる。特に、軸対称光散乱部材１３として白色粒子を封入した場合、この効果が重要である。こうした条件を満たすためには、下記式（９）で表わされる関係を満たすことが必要となる。

これは、前述の式（Ａ）を用いると、下記式（３）で表わされる。

また、光線２０が光散乱部材１３の底面のエッジを通って、透明部材１２の対称軸に平行な側面で全反射して光散乱部材１３に当たるためには、下記式（４）で表わされる関係を満たす必要がある。

上述したような条件を満たすことによって、リモートフォスファーの効果を得ることができる。しかも、青色光と黄色光とが適切に混合されることによって、白色光が生じることとなる。同時に、広拡散による広配光を実現できる。蛍光体が白色粒子の場合は、この効果が重要である。

本実施形態に対し、ＺＥＭＡＸの光線追跡を実行した。なお、ＺＥＭＡＸは、例えば（Radiant Zemax homepage, “http://www.radiantzemax.com/en/rz/”)に記載されている。その結果、本実施形態においてＬＥＤ光源１１に戻る光は約１０％であり、従来の４０〜６０％よりも低損失であることが確認された。これは、同時に、戻り光の吸収によるＬＥＤ光源１１としての青色ＬＥＤチップの発熱を抑えることができる。すなわち、低発熱であることが示された。

一辺が１ｍｍのＬＥＤ光源を用いた場合、本実施形態の白色ＬＥＤ照明装置は、直径３ｍｍで高さ７ｍｍの円柱に収まる。すなわち、図５においてｄ₀＝３ｍｍ、Ｌ₀＝７ｍｍの円柱状とすることができる。同様のサイズのＬＥＤ光源を用いた従来の白色ＬＥＤ照明装置は、１０〜２０ｍｍであるのと比較すると、本実施形態の白色ＬＥＤ照明装置はコンパクトであることがわかる。

以上のように、本実施形態によれば、低損失かつ低発熱であってコンパクトな白色ＬＥＤ照明装置を実現することができる。

図８は、他の実施形態にかかる白色ＬＥＤ照明装置の断面の構成を表わす概略図である。図示する白色ＬＥＤ照明装置１０''は、光散乱部材１３の底面に接して空気層１５を有する以外は、図６に示した構造と同様である。透明部材１２中には、光散乱部材１３から発光されて、ＬＥＤ光源１１に戻ろうとする黄色光が存在する。しかしながら、このように空気層１５を設けることによって、こうした黄色光は全反射により反射され、戻り光を低減することができる．
光散乱部材１２においては、蛍光体粒子の濃度に分布を設けることができる。具体的には、上方に向かうほど蛍光体粒子の濃度を大きくすることによって、より上方において黄色光が発光される。この際には、青色光の散乱も、より上方で多く起こることになる。その結果、リモートフォスファーの効果はよりいっそう高められる。

光散乱部材中における蛍光体粒子の占有断面積を、上方に向かうほど大きくした場合にも、これと同様の効果が得られる。例えば、光散乱部材を次のような形状とすることによって、こうした構造を得ることができる。具体的には、光散乱部材の直径を底面で最小とてし、上方に向けて直径が増加する部分を設けることであり、例えば、図１中に示された光散乱部材１２が該当する。

図９は、他の実施形態にかかる白色ＬＥＤ照明装置の断面の構成を表わす概略図である。図示する白色ＬＥＤ発光装置１０'''は、透明部材１２’の上面および下面の端部が曲面である以外は、図６に示した構造と同様である。

ここで、配光対称軸ａｘにそってｚ軸をとり、上方を正方向とする。原点は、ＬＥＤ光源１１の発光面の中心と配光対称軸ａｘとが交わる点とする。このとき、円柱座標を（ρ_r，ρ_h）とする。すなわち、柱の半径をρ_rとし，高さをρ_hとする．
このとき、上面の端部の曲線は、下記式（１１）で表わされる関係を満たす。

一方、下面の端部の曲線は，Θ（０からπ／２までの区間とする）を媒介変数として、下記式（１２）おおよび式（１３）で表わされる関係を満たす。

上述した関係は、例えば、Ｊｕｌｉｏ Ｃｈａｖｅｓ， “Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏ Ｎｏｎｉｍａｇｉｎｇ Ｏｐｔｉｃｓ”， ＣＲＣ Ｐｒｅｓｓ， ２００８に基づいて導かれる。

本実施形態の白色ＬＥＤ照明装置の作用効果は、次のように説明される。

透明部材１２の上面の端部を曲面とすることによって、ＬＥＤ光源１１からの直接光は全反射され、光散乱部材１３に当たる。一方、光散乱部材１３から散乱された光は全反射されず、本曲面より透過する。すなわち、直接光は光散乱部材１３により、一旦、散乱光に変換され、その散乱光は外部に射出される。一方、透明部材１２の下面の端部を曲面とすることによって、全反射されずにそのまま透過する青色光は減少する。その結果、ＬＥＤ光源１１からの青色光と黄色光とが適切に混合されることになる。

図９に示した白色ＬＥＤ照明装置における軸対称透明部材１２は、屈折率の異なる２種類の透明部材により構成することができる。図１０に示した白色ＬＥＤ照明装置１０''''は、高屈折率透明部材１２ａと、この外側に設けられた低屈折率透明部材１２ｂとを含む透明部材１２を備えている。高屈折率透明部材１２ａには、例えば透明セラミックを用いることができ、低屈折率透明部材１２ｂには、例えばＰＭＭＡを用いることができる。

高屈折率透明部材１２ａの外側に低屈折率透明部材１２ｂが存在することによって、内側と外側との界面で全反射が生じて、ＬＥＤ光源１１からの光は軸対称光散乱部材１３に導かれる。一方、光散乱部材１３から発光および反射された光は、低屈折率透明部材１２ｂが周囲に存在しているので、外部に出やすくなる。

このような構成とすることによって、ＬＥＤ光源１１からの光を光散乱部材１３に導いて、光散乱部材１３からの光をより効率的に外部に取り出すことが可能となる。

図１１は、他の実施形態にかかる白色ＬＥＤ聡明装置の断面の構成を表わす概略図である。図示する白色ＬＥＤ照明装置１０'''''は、透明部材１２’の内部に２種類の軸対称蛍光層を有する以外は、図９に示した構造と同様である。

第１の軸対称蛍光層２１は、ＬＥＤ光源１１から離間して軸対称透明部材１２’中に設けられる。さらに、この第１の軸対称蛍光層２１から離間して、第２の軸対称蛍光層２２が設けられる。第１および第２の軸対称蛍光層は、配光対称軸ａｘと実質的に一致する対称軸を有している。第１の軸対称蛍光層２１は、赤色蛍光体粒子を含有し、青色光を吸収して赤色光を発光する。一方、第２の軸対称蛍光層２２は、黄色蛍光体粒子を含有し、青色光を吸収して黄色光を発光する。

ＬＥＤ光源１１と第１の軸対称蛍光層２１との最近接距離Ｌ₂は、すでに説明したような式（１）で表わされる関係を満たす。

図１１においては、第１の軸対称蛍光層２１の上面の面積Ｓ₁は１．６６ｍｍ²であり、第１の軸対称蛍光層２１と第２の軸対称蛍光層２２との最近接距離Ｌ₄は２ｍｍとすると、下記式（２１）で表わされる関係を満たす。

本実施形態の白色ＬＥＤ照明装置の作用効果は、次のように説明される。

赤色蛍光体粒子を含有する第１の軸対称蛍光層２１は、黄色光も吸収する。一方、黄色蛍光剤粒子を含有する第２の軸対称蛍光層２２は、赤色光を吸収しない。それゆえ、赤色光は、第２の軸対称蛍光層２２には吸収されず、透明部材１２’内で散乱されて上方に抜けてゆく。これによって、黄色光が第１の軸対称蛍光層２１に吸収されるというロス（従来装置のロス）を低減することができる。

また、赤色蛍光体粒子を含有する第１の軸対称蛍光層２１と、黄色蛍光体粒子を含有する第２の軸対称蛍光層２２とを十分に離すことによって、リモートフォスファー効果が高められる。その結果、赤色蛍光体粒子を含む第１の軸対称蛍光層２１に黄色光が吸収されるというロス（従来装置のロス）もまた、低減することができる。

図１２は、他の実施形態にかかる白色ＬＥＤ聡明装置の構成を表わす斜視図である。図示する白色ＬＥＤ照明装置１０''''''は、放熱匡体３１を軸対称散乱体１３’および軸対称透明部材１２''の内部に有し、さらにその内部に電源回路３２および配線３３を有する以外は、図５に示した構造と同様である。ただし、ＬＥＤ光源１１’としては、長方形の発光面を有するＬＥＤを、配光対称軸ａｘを軸として軸対称に複数並べている。配光対称軸からそれぞれのＬＥＤ光源の発光面の中心までは、等距離ＲＲである。

放熱匡体３１は金属製であり、例えばアルミニウムや銅などを用いて構成することができる。この匡体内部に空洞を設け、その空洞に電源回路を配置してもよい。これによって、ＬＥＤおよび電源回路から発せられた熱が、金属匡体から軸対称透明部材１２に伝わり、それより外部へと放熱されるために放熱特性が向上する。また、電源回路を金属匡体内部に設けるため、照明装置全体をコンパクトにすることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行なうことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０，１０’，１０''，１０'''，１０''''，１０'''''…白色ＬＥＤ照明装置
１０''''''…白色ＬＥＤ照明装置； １１，１１’…ＬＥＤ光源
１２，１２’，１２''…軸対称透明部材； １２ａ…高屈折率透明部材
１２ｂ…低屈折率透明部材； １３，１３’…軸対称光散乱部材； １４…基板
１５…空気層； ２０…光線； ２１…第１の軸対称蛍光層
２２…第２の軸対称蛍光層； ａｘ…配光対称軸； ３１…放熱匡体
３２…電源回路； ３３…配線； Ｌ₀…軸対称透明部材の対称軸に沿った長さ
Ｌ₁…軸対称光散乱部材の対称軸に沿った長さ
Ｌ₂…軸対称光散乱部材とＬＥＤ光源との最近接距離； Ｌ₃…ＬＥＤ光源の厚さ
Ｌ₄…第１の軸対称蛍光層と第２の軸対称蛍光層との最近接距離
ｄ₀…軸対称透明部材の直径； ｄ₁…軸対称光散乱部材の直径。

Claims (13)

1. 紫外光領域または可視光領域の光を発光するＬＥＤ光源と、
   前記ＬＥＤ光源の発光面を覆って設けられ、可視光に透明な軸対称透明部材と、
   前記ＬＥＤ光源から離間して前記軸対称透明部材の内部に配置された軸対称光散乱部材とを具備する白色ＬＥＤ照明装置であって、
   前記ＬＥＤ光源は、面積Ｃの発光面を有し、この発光面に実質的に直交する配光対称軸のまわりに実質的に対称な配光分布をもち、
   前記軸対称透明部材は、前記ＬＥＤ光源の前記配光対称軸に実質的に一致する第１の対称軸を有し、この第１の対称軸に対して対称であり、
   前記軸対称光散乱部材は、前記ＬＥＤ光源の前記配向対称軸に実質的に一致する第２の対称軸を有し、底面の直径ｄ₁および前記第２の対称軸に沿った長さＬ₁をもって前記第２の対称軸に対して対称であり、前記ＬＥＤ光源と前記軸対称光散乱部材と最近接距離Ｌ₂と、前記ＬＥＤ光源の前記発光面の面積Ｃとは、下記式（１）で表わされる関係を満たし、
   

   

   前記第２の対称軸に沿った前記軸対称光散乱部材の長さＬ₁と、前記軸対称光散乱部材の吸収係数μ（１／ｍｍ）とは下記式（２）の関係を満たし、
   

   

   前記軸対称光散乱部材の底面の直径ｄ₁と、前記最近接距離Ｌ₂と、前記軸対称透明部材の屈折率ｎとは、下記式（３）の関係を満たし、
   

   

   前記第２の対称軸に直交する前記軸対称光散乱部材の断面は、この断面における前記軸対称透明部材の断面に含まれ、
   前記第２の対称軸に沿って、前記軸対称透明部材を前記ＬＥＤ光源の発光面を含む平面に射影した面は、前記ＬＥＤ光源の発光面を含む
   ことを特徴とする白色ＬＥＤ照明装置。
2. 前記軸対称透明部材は円柱状であることを特徴とする請求項１に記載の白色ＬＥＤ照明装置。
3. 下記式（４）の関係を満たすことを特徴とする請求項２に記載の白色ＬＥＤ照明装置。
   

   

   （上記式中、ｄ₀は前記軸対称透明部材の直径であり、ｄ₁は前記軸対称光散乱部材の底面の直径であり、Ｌ₁は前記第２の対称軸に沿った前記軸対称光散乱部材の長さであり、Ｌ₂は前記ＬＥＤ光源の発光面と前記光散乱部材との最近接距離である。）
4. 前記軸対称光散乱部材は円柱状であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の白色ＬＥＤ照明装置。
5. 前記軸対称光散乱部材の底面に接する軸対称空気層をさらに具備し、
   前記軸対称空気層は、
   前記ＬＥＤ光源の前記配向対称軸に実質的に一致する第３の対称軸を有し、
   前記第３の対称軸に対して対称である，
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の白色ＬＥＤ照明装置。
6. 前記軸対称光散乱部材は、底面の直径が最小であり、前記直径が上方に向けて増加する部分を有することを特徴とする請求項１または２に記載の白色ＬＥＤ照明装置。
7. 前記軸対称透明部材は、上面の直径が最小であり、前記直径が下方に向けて増加する部分を有することを特徴とする請求項１、４乃至６のいずれか１項に記載の白色ＬＥＤ照明装置。
8. 紫外光領域または可視光領域の光を発光するＬＥＤ光源と、
   前記ＬＥＤ光源を覆って設けられた可視光に透明な軸対称透明部材と、
   前記ＬＥＤ光源から離間して前記軸対称透明部材の内部に配置された第１の軸対称蛍光層と、
   前記第１の軸対称蛍光層の上方に離間して前記軸対称透明部材の内部に配置された第２の軸対称蛍光層とを具備する白色ＬＥＤ照明装置であって、
   前記ＬＥＤ光源は、面積Ｃの発光面と、この発光面に実質的に直交する配光対称軸とを有し、この配光対称軸まわりに実質的に対称な配光分布をもち、
   前記軸対称透明部材は、前記ＬＥＤ光源の前記配光対称軸に実質的に一致する第１の対称軸を有し、この第１の対称軸に対して対称の形状であり、
   前記第１の軸対称蛍光層は、前記ＬＥＤ光源からの光を一部吸収して、前記ＬＥＤ光源からの光より長波長側の可視領域の第１の光を発し、前記ＬＥＤ光源の前記配光対称軸に実質的に一致する第２の対称軸を有し、面積Ｓ₁の上面をもって前記第２の対称軸に対して対称であり、前記ＬＥＤ光源と前記第１の軸対称蛍光層との最近接距離Ｌ₂と前記ＬＥＤ光源の前記発光面の面積Ｃとは、下記式（１）で表わされる関係を満たし、
   

   

   前記第２の軸対称蛍光層は、前記ＬＥＤ光源からの光を一部吸収して、前記ＬＥＤ光源からの光より長波長で前記第１の光より短波長の第２の光を発し、前記ＬＥＤ光源の前記配光対称軸に実質的に一致する第３の対称軸を有し、前記第１の軸対称蛍光層と前記第２の軸対称蛍光層との最近接距離Ｌ₄と前記第１の軸対称発光層の上面の面積Ｓ₁とは、下記式（２１）で表わされる関係を満たすことを特徴とする白色ＬＥＤ照明装置。
   

   
9. 前記ＬＥＤ光源は、ピーク波長が３９０〜４６０ｎｍの単色光を照射することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の白色ＬＥＤ照明装置。
10. 前記ＬＥＤ光源が載置され、可視光を拡散反射する載置面を有する基板をさらに具備することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の白色ＬＥＤ照明装置。
11. 前記ＬＥＤ光源が載置され、可視光に対して透明な載置面を有する基板をさらに具備することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の白色ＬＥＤ照明装置。
12. 前記軸対称透明部材は、底面の端部に下記式（１２）および式（１３）で表わされる曲面を有することを特徴とする請求項２乃至１１のいずれか１項に記載の白色ＬＥＤ照明装置。
    

    

    （ここで、
    ρ_rおよびρ_hは、それぞれｚ軸に対称な円柱座標における半径および高さであり、
    ｚ軸は、前記配光対称軸と前記発光面との交点を原点として、上方が正方向であり、
    Ｃは、前記ＬＥＤ光源の前記発光面の面積であり、
    Θは媒介変数（０＜Θ＜π／２）の区間である。）
13. 前記ＬＥＤ光源は、前記基板上に複数載置され、かつ前記配光対称軸からそれぞれのＬＥＤ光源の発光面の中心までは等距離ＲＲであり、
    前記軸対称散乱部材の内部および前記軸対称透明部材の内部を同時に貫通する軸対称な伝熱部材をさらに具備し、
    前記伝熱部材は、前記ＲＲ以下の最大径を有し、前記ＬＥＤ光源または前記基板に熱的に接合されている
    ことを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の白色ＬＥＤ照明装置。

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