JP2014515863A - 発光モジュール、ランプ、照明器具、及び表示装置 - Google Patents

Abstract

発光モジュール150は、光出口窓104を介して光を発し、基底110、固体発光素子154、156、及び部分的に拡散性の反射層102を含む。光出口窓104の方に向く、基底110の光反射面112は、光反射面によって反射される光量と光反射面に当たる光量との間の比によって定められる基底反射係数Ｒbaseを有する。固体発光素子154、156は、第１の色範囲の光114を発し、固体発光素子154、156によって反射される光量と、固体発光素子154、156の上面152、158に当たる光量との間の比によって定められる固体発光素子反射係数Ｒ_SSLを有する。光出口窓104は部分的に拡散性の反射層102の少なくとも一部を含む。固体発光素子面積比ρ_ＳＳＬは少なくとも１つの固体発光素子の上面の面積と基底の光反射面の面積との比率として定められる。Ｒbase＞Ｒ_SSL＋ｃ＊（１−Ｒ_SSL）であり、因子ｃが０＜ρ_ＳＳＬ＜０．１で０．２≦ｃ≦１の場合、０．１≦ρ_ＳＳＬ≦０．２５で０．３≦ｃ≦１の場合、及びρ_ＳＳＬ＞０．２５で０．４≦ｃ≦１の場合、効率的な発光モジュールが得られる。

Description

本発明は、発光層及び固体発光素子を含む発光モジュールに関する。本発明は、さらに、発光モジュールを含むランプ、照明器具、及び表示装置に関する。

米国特許出願公開第２００９／０３２２２０８Ａ１号は発光装置 を開示する。凹んだハウジングによって形成される円錐空洞の中に発光ダイオード（ＬＥＤ）が設けられる。凹んだハウジングの手前側において、円錐空洞が透明な熱導体層で覆われ、透明な熱導体層の上には耐熱性の発光層が設けられる。凹んだハウジングの背面にはヒートシンクが設けられ、凹んだハウジングの側壁は金属のフレームで覆われる。円錐空洞はシリコンなどの材料で満たされ得る。

ＬＥＤは、第１の色の光を発光層に向けて発する。放出光の一部が、発光層により空洞内に反射され又は後方散乱され得る。放出光の別の部分が、発光層により第２の色の光に変換される。発光層が第２の色の光を発するとき、その光はあらゆる方向に発せられ、従って、この別の色の光の一部が空洞内に発せられる。空洞内に反射して戻ってくる光又は空洞内に発せられる第２の色の光は、空洞の基底（base）に部分的に当たり、空洞の壁に部分的に当たり、ＬＥＤに部分的に当たる。ＬＥＤの表面及び空洞の表面において、光が部分的に反射され、部分的に吸収される。とりわけ光の吸収は、発光装置の非効率をもたらす。

いくつかの光モジュール製造業者は、基底を有する空洞を含む発光モジュールを提供する。これらのモジュールは、例えばＬＥＤなど、基底上に設けられる複数の発光体（light emitters）をしばしば有する。これらの発光モジュールの特定の実施形態では、発光層が例えば接合層を介して発光体の真上に設けられ、他の実施形態では発光層が所謂遠隔発光層であり、つまり発光体と発光層との間には約数センチの比較的長い距離があることを意味している。

発光層が真上にある発光体を有する発光モジュールの問題点は、ＬＥＤ内の後方反射体（back reflectors）が限定された反射率を有することにより、発光層からＬＥＤに戻ってくる光が不十分な再利用効率に見舞われることである（典型的には後方ミラーは銀色であり、９０％の反射水準を有する）。発光体の材料、典型的にはＧａＮ／ＩｎＧａＮ又はＡｌＩｎＧａＮは高い屈折率を有し、光を発光体内に閉じ込め、その結果金属反射率をさらに制限するので実際には実反射率はさらに低い。一般的なＬＥＤの反射係数は７０％近くである（可視スペクトル域にわたって平均され、直入射において測定される）。これらの発光モジュールのもう１つの問題点は、ホットスポットが形成されることであり、ＬＥＤ上部の領域に光のほとんどが集中され、そのためモジュールの光出力が極めて不均一になり、光出力及び熱分布の両方でホットスポットを引き起こす。さらに、ＬＥＤダイ上部の蛍光体層が比較的熱くなることがあり、高磁束密度で励磁され、最適でない蛍光体の変換効率をもたらし、それにより発光性能を制限する。

遠隔発光層を有する発光モジュールは、空洞内での光の再利用がより効率的なので、発光層を真上に有する発光体を備える発光モジュールよりも概して効率的である。また、これらのモジュールの光出力は概してより均一であり、ホットスポットを減らしている。しかし、遠隔発光層を有する発光モジュールは、発光層を真上に有する発光体を備える発光モジュールに比べサイズが大きい。この比較的嵩張る遠隔発光層の解決策は、スポットランプ用途、例えばハロゲン交換ランプや放物面反射鏡ランプなどのサイズに制約がある応用例では使用できない。

遠隔発光層を有する発光モジュールのもう１つの不都合は、比較的広い面積の発光層が比較的高い材料費水準を招くことである。さらに、蛍光体層内の熱伝導率は発光体の側壁に向かって横に向けられるだけであり、発光体のかさばる構成が原因で、その熱を遠隔蛍光体プレートから逃す能力が限られる。

本発明の目的は、比較的効率的な発光モジュールを提供することである。

本発明の第１の態様は、請求項１に記載の発光モジュールを提供する。本発明の第２の態様は、請求項２３に記載のランプを提供する。本発明の第３の態様は、請求項２４に記載の照明器具を提供する。本発明の第４の態様は、請求項２５に記載の表示装置を提供する。有利な実施形態が従属請求項内に規定される。

本発明の第１の態様による発光モジュールは、光出口窓（light exit window）を介して光を放出する。この発光モジュールは、基底と、少なくとも１つの固体発光素子と、拡散反射特性を有する層である部分的に拡散性の反射層とを含み、入射光の少なくとも一部が拡散的に反射され、入射光の少なくとも一部がこの層を介して透過される。基底は表面を有し、基底の表面の少なくとも一部が、基底の表面に当たる光を反射する。以下、光を反射する基底の表面の部分を基底の光反射面と名付ける。光反射面は、基底の光反射面によって反射される光量と、基底の光反射面に当たる光量との間の比率によって定められる基底反射係数を有する。少なくとも１つの固体発光素子は、第１の色の範囲の光を発するように構成され、上面、及び少なくとも１つの固体発光素子によって反射される光量と、少なくとも１つの固体発光素子の上面に当たる光量との間の比率によって定められる固体発光素子反射係数を有する。光出口窓は、部分的に拡散性の反射層の少なくとも一部を構成する。基底反射係数の値は、１と固体発光素子反射係数との差に因子ｃを掛けた値に固体発光素子反射係数を加えた値よりも大きい。因子ｃの値は、少なくとも１つの固体発光素子の上面の面積と、基底の光反射面の面積との間の比率として定められる固体発光素子面積比の値によって決まる。固体発光素子面積比が比較的小さい、即ち０．１未満の値である場合、因子ｃが０．２以上の場合に比較的効率的な発光モジュールが提供される。固体発光素子面積比が中間範囲、即ち０．１以上の最小値及び０．２５以下の最大値を有する範囲内にある場合、因子ｃが０．３以上の場合に比較的効率的な発光モジュールが提供される。固体発光素子面積比が比較的大きい、即ち０．２５を上回る値を有する場合、因子ｃが０．４以上の場合に比較的効率的な発光モジュールが提供される。反射係数値は１を上回ることができないので、因子ｃは１の最大値を有する。実際は、固体発光素子面積比の値は０から１の間に広がる。

部分的に拡散性の反射層に当たる第１の色の範囲の光は散乱され、部分的に拡散性の反射層の表面による反射、内部反射、及び部分的に拡散性の反射層内の後方散乱により、少なくとも１つの固体発光素子及び基底に向けて部分的に反射され、さらに部分的に拡散性の反射層を介して部分的に透過される。

少なくとも１つの固体発光素子は、その構造が原因で限られた固体発光素子反射係数を有し、これは少なくとも１つの固体発光素子に当たる光のかなりの部分が少なくとも１つの固体発光素子によって吸収されることを意味する。少なくとも１つの固体発光素子の上面は、上面に当たる光の比較的少ない部分を反射し、その光の比較的大きい部分は固体発光素子のコア内に透過される。固体発光素子内の裏面及び半導体領域が光のかなりの部分を吸収し、その結果、固体発光素子のコア内に入る限られた光量しか固体発光素子の周囲に再び発せられない。固体発光素子チップに「ダイ」という語がしばしば使われ、どちらの用語も内部で光が生成される半導体装置を指す。半導体装置は、実際に光を生成する半導体材料を含み、さらに電極、セグメンテーション、ビア、バックサイドミラー、及び例えば保護層を含む。一部の応用例では、固体発光素子が光透過基板、例えばサファイア上で成長させられることを指摘しておく。製造後、その基板は引き続き固体発光素子ダイ上にあってもよく、固体発光素子内で生成される光は成長基板を介して発せられる。「上面」という用語は、成長基板の表面を指すのではなく、光のほとんどを発する固体発光素子ダイの表面を指す。一部の実施形態では、上面による光の放出が主に光出口窓の方向に向いている。

基底反射係数の値は、固体発光素子反射係数の値よりも少なくとも大きく、その結果、基底は固体発光素子よりも少ない光を吸収する。より多くの光が基底によって反射され、従って、より多くの光が光出口窓を介して発光モジュールの周囲に放出され得るのでこのことは有利である。このことは、その後吸収される代わりに再利用される、より多くの光が基底によって反射されることを事実上意味する。本発明による発光モジュールの光損失が最小限に抑えられるので、発光モジュールの効率が全体として改善される。固体発光素子の真上に発光層がある発光モジュールに比べ、固体発光素子の光吸収により、より少ない光が失われる。部分的に拡散性の反射層として働く遠隔発光層を有する発光モジュールに比べ、部分的に拡散性の反射層によってモジュール内に反射され、後方散乱され、且つ／又は再び発せられる光は、光出口窓を出る前にモジュール内でより少ない相互作用（反射）を有するのでより効率的に再利用される。結果として、本発明の第１の態様による発光モジュールは比較的効率的である。

基底反射係数が固体発光素子反射係数よりも十分に高い場合、発光モジュールの効率が全体として大幅に改善されることは認識されていた。さらに、固体発光素子面積比に依存する反射係数の一定の差を上回る著しい改善が認識されていた。従って、本発明によれば、基底反射係数は１と固体発光素子反射係数の値との差に因子ｃを掛けた値に固体発光素子反射係数の値を加えた値よりも少なくとも大きい。Ｒｂａｓｅが基底反射係数、Ｒ＿ＳＳＬが固体発光素子反射係数とみなされる場合、この基準はＲｂａｓｅ＞Ｒ＿ＳＳＬ＋ｃ・（１−Ｒ＿ＳＳＬ）という公式によって表される。したがって、基底の反射面が固体発光素子の上面の面積に対して比較的広い面積を有することを意味する、固体発光素子面積比が比較的小さい、即ち０．１未満の場合、ｃ≧０．２が成立する場合、比較的効率的な照明モジュールが提供される。一例として、この事例でＲ＿ＳＳＬ＝０．７の場合、比較的効率的な発光モジュールを実現するために基底の反射面の反射係数は０．７６以上であるべきである。基底の反射面の面積が固体発光素子の上面の面積に匹敵することを意味する、固体発光素子面積比が中間範囲、即ち０．１以上の最小値及び０．２５以下の最大値を有する範囲内にある場合、ｃ≧０．３の場合、比較的効率的な照明モジュールが提供される。一例として、この事例でＲ＿ＳＳＬ＝０．７の場合、比較的効率的な発光モジュールを実現するために基底の反射面の反射係数は０．７９以上であるべきである。基底の反射面が固体発光素子の上面の面積に対して比較的狭い面積を有することを意味する、固体発光素子面積比が比較的大きい、即ち０．２５を上回る場合、比較的効率的な発光モジュールを実現するために因子ｃは０．４以上であるべきである。一例として、この事例でＲ＿ＳＳＬ＝０．７の場合、比較的効率的な発光モジュールを可能にするために基底の反射面の反射係数は０．８２以上であるべきである。

反射係数は、その係数が関係する全表面にわたる平均数であることに留意すべきである。基底上で異なる材料及び／又は異なる反射層の厚さを使用することなどにより、基底の光反射面は例えば他の領域よりも低反射の領域を含むことができる。さらに、異なる波長の光の反射は異なり得るが、好ましくは、反射係数は少なくとも第１の色の範囲の光を含むスペクトル範囲にわたる、及び入射角の分布にわたる加重平均である。

一部の事例では、少なくとも１つの固体発光素子が基板、例えばセラミック基板に取り付けられ、基板と少なくとも１つの固体発光素子との組合せが別の担体層（carrier layer）に取り付けられる。この担体層は、例えば絶縁金属基板（ＩＭＳ）とも呼ばれるメタルコアプリント回路基板（ＭＣＰＣＢ）、ＦＲ４などの従来のＰＣＢ、又はアルミナや窒化アルミニウムなどの別のセラミック担体とすることができる。そのような状況では、発光モジュールの基底は、別の担体層と、少なくとも１つの固体発光素子が取り付けられる基板との組合せである。即ち、基底は、その上に固体発光素子が設けられる材料及び／又は層の組合せである。その結果、この特定の事例では、基底反射係数は、基板及び担体層の反射係数の加重平均である。誤解を避けるために、計算の際、基底の反射面の面積は少なくとも１つの固体発光素子によって覆われる面積を含まない。

固体発光素子面積比が比較的小さい、即ち０．１未満の場合、０．４≦ｃ≦１の場合により効率的な発光モジュールが得られる。この事例では、０．６≦ｃ≦１で一層効率的な発光モジュールが得られる。固体発光素子面積比が中間範囲、即ち０．１以上の最小値及び０．２５以下の最大値を有する範囲内にある場合、０．６≦ｃ≦１の場合、より効率的な発光モジュールが得られる。この事例では、０．８４≦ｃ≦１でなおさらに効率的な発光モジュールが得られる。固体発光素子面積比が比較的大きい、即ち０．２５を上回る場合、０．８≦ｃ≦１の場合、より効率的な発光モジュールが得られる。

一実施形態では、部分的に拡散性の反射層が、第１の色の範囲の光の少なくとも一部を第２の色の範囲の光に変換するための発光材料を含む。第２の色の範囲の光は、発光材料によってあらゆる方向に発せられ、この光の一部はさらに少なくとも１つの固体発光素子に向けて又は基底の光反射面に向けて発せられる。

一実施形態では、少なくとも１つの固体発光素子の上面が光出口窓の方に向く。一実施形態では、固体発光素子の１つが所謂側面発光素子（side emitter）である。一実施形態では、少なくとも１つの固体発光素子が光出口窓の少なくとも一部分に向けて光を発する。

一実施形態では、少なくとも１つの固体発光素子が基底の光反射面上に設けられる。誤解を避けるために、計算の際、基底の反射面の面積は少なくとも１つの固体発光素子によって覆われる面積を含まない。しかしながら、他の実施形態では、少なくとも１つの固体発光素子が、基底と光出口窓との間に設けられる配線回路上に配置されてもよい。そのような実施形態では、配線が固体発光素子を支え、固体発光素子に給電する。配線はメタルコア及び保護プラスチッククラッドを含むことができ、基板又は発光素子の担体への接点においてのみ、例えばはんだ接合によって電気的に取り付けられ得る。

一実施形態では、発光モジュールが複数の固体発光素子を含む。固体発光素子のそれぞれは、特定の色の範囲で発光するように構成される。別の実施形態では、複数の固体発光素子が基底と光出口窓との間の仮想平面上に設けられる。さらなる実施形態では、複数の固体発光素子の少なくとも１つが光出口窓の少なくとも特定の部分に向けて光を発する。さらに、又はあるいは、複数の固体発光素子の少なくとも１つが光出口窓の方に向いている上面を有する。固体発光素子反射係数は、複数の固体発光素子の反射係数の平均値として定められる。さらなる実施形態では、少なくとも１つの固体発光素子の上面が光出口窓に面し、別の固体発光素子の上面は光出口窓に面さない。

特定の実施形態では、発光素子は、発光面が１つの平面内で互いに非常に近く配置される複数の固体発光素子の組合せであり得る。非常に近いとは、個々の固体発光素子間の距離が数十マイクロメートル程度だが、０．２ｍｍ以下であることを意味する。そのような近くに配置される固体発光素子は、マルチダイＬＥＤとも呼ばれる単一発光素子として本発明との関連で見られる。上面は、非常に近く配置される固体発光素子の個々の固体発光素子の上面の組合せである。非常に近い配置は、固体発光素子のパッケージの非常に近い配置ではなく、固体発光素子のダイに関係することを指摘しておく。

発光モジュールは、複数の固体発光素子が設けられる場合、より多くの光を発することができる。絶対値で見られるより多くの光は発光モジュール内で反射され、その結果、固体発光素子及び基底の光反射面に向けて再び発せられる。したがって、基底の光反射面が固体発光素子よりも優れた反射率を有する場合、反射面により光を部分的に拡散性の反射層に（及び光出口窓を介して）反射させることにより、絶対値で見られるより多くの光が再利用され得る。さらに、複数の固体発光素子を有する発光モジュールは、単一の固体発光素子を有する発光モジュールと同じ利点を有する。２つ以上の固体発光素子の事例では、固体発光素子面積比の計算において固体発光素子の上面の総計面積が使用される。

さらなる実施形態では、少なくとも１つの固体発光素子の上面と部分的に拡散性の反射層との間に隔たりがある。隔たりは、広範に解釈される必要がある。その意味は、部分的に拡散性の反射層が少なくとも１つの固体発光素子の上面と直接接触しておらず、少なくとも１つの固体発光素子と部分的に拡散性の反射層との間に一定の距離があることである。この隔たりは空気で満たされてもよいが、十分に光を通す材料が隔たり内にあってもよい。

部分的に拡散性の反射層が固体発光素子の上面と直接接触していない場合、比較的大量の光が反射され、光反射面に向けて発せられる。本発明によれば、光反射面が少なくとも１つの固体発光素子よりも高い反射率を有する場合、より多くの光が部分的に拡散性の反射層に反射され、その結果より高い光出力が得られる。

本発明者らは、比較的高い反射率の光学的効果が光出力をさらに高める可能性があることを実験的に見出した。固体発光素子と部分的に拡散性の反射層との間に隔たりがある場合、固体発光素子は、部分的に拡散性の反射層が固体発光素子の上に又はその間近に配置される場合ほど温かくならない。このことは固体発光素子の効率をさらに改善し、固体発光素子又は固体発光素子のはんだ接合において臨界温度に達しないうちに、より高い電流通電を可能にし得る。従って、より高い絶対光出力が実現される。また、部分的に拡散性の反射層が固体発光素子に熱的に直接結合されない場合、部分的に拡散性の反射層は固体発光素子からの熱を受けない。部分的に拡散性の反射層がどれ位よく冷却され得るかは、基底に対する熱界面の質及びモジュールが接続されるあり得るヒートシンク次第である。第１のスペクトル範囲から第２のスペクトル範囲への光変換は、部分的に拡散性の反射層が発光層である場合、光エネルギを部分的に熱に変換し、典型的には「ストークスシフト」損失として示される。さらに、実際には発光材料の量子効率（ＱＥ）は、例えば０．９に限られており、以下では発光層と呼ばれる、発光材料を含む部分的に拡散性の反射層のさらなる加熱を引き起こす。発光層の効率的な冷却に達することは本発明の一部である。発光材料の温度が許容限度の範囲内に保たれる場合、発光材料の効率はより高い。これは、例えば固体発光素子と発光層との間に特定の距離を与えることにより光が広がることを可能にし、それにより発光層上の束密度を低下させることにより、発光材料上の光束ローディング（light flux loading）、即ち束密度分布を限定することによって達成され得る。しかしながら、より好ましくは、低い熱抵抗を実現するために、発光層と基底との間及び発光層とヒートシンクとの間の熱抵抗が最適化される。この最適化は、発光層を出口窓の周縁の熱伝導壁に結合すること、発光素子、基底、及び発光材料の間に熱伝導性ガラス又はセラミックなどの熱伝導性材料を適用すること、熱伝導特性を有する発光層が取り付けられる担体基板など、発光層上に熱拡散層又は熱拡散構造を適用することなど、様々な手段によって達成され得る。従って、かかる手段により、固体発光素子と発光層との間の隔たりがより効率的な発光層の光熱効果をもたらす。

さらに、少なくとも１つの固体発光素子と部分的に拡散性の反射層との間の隔たりは、部分的に拡散性の反射層の非常に限定された領域内の比較的高光束ではなく、部分的に拡散性の反射層を通るより均一な光束分布をもたらす。また、部分的に拡散性の反射層が発光材料を含む場合、このようにして熱ホットスポット及び温度勾配の低減が達成される。発光材料は光飽和による影響が出やすい傾向があり、つまり一定の光束を上回ると、発光材料はより低い効率で光を変換する。したがって、固体発光素子と発光材料を含む部分的に拡散性の反射層との間に隔たりを有することにより、発光材料の光飽和が防がれ効率が改善される。

従って、隔たりがあることにより、基底反射係数の特定の組合せが固体発光素子反射係数よりも高いことは、基底の光反射面によるより多くの反射の光学的効果だけに基づいて予期するよりも高い光出力に至る。

一実施形態では、少なくとも１つの固体発光素子の上面と部分的に拡散性の反射層との間の距離は、固体発光素子面積比の比較的小さい値、即ち０．１未満では、上面の最大直線寸法に０．３を掛けた値以上の最小値、及び上面の最大直線寸法に５を掛けた値以下の最大値を有する範囲内にある。固体発光素子面積比の中間値、即ち０．１以上の最小値及び０．２５以下の最大値を有する範囲内では、この距離は、上面の最大直線寸法に０．１５を掛けた値以上の最小値、及び上面の最大直線寸法に３を掛けた値以下の最大値を有する範囲内にある。固体発光素子面積比の比較的大きい値、即ち０．２５超では、この距離は、上面の最大直線寸法に０．１を掛けた値以上の最小値、及び上面の最大直線寸法に２を掛けた値以下の最大値を有する範囲内にある。

固体発光素子の上面と部分的に拡散性の反射層との間の距離は、固体発光素子の上面と、固体発光素子に対面する部分的に拡散性の反射層の表面との間の最短直線経路の長さとして定められる。発光モジュールが複数の固体発光素子を含む場合、固体発光素子の上面と部分的に拡散性の反射層との間の距離は、固体発光素子の複数の上面と部分的に拡散性の反射層との間の距離の平均である。

固体発光素子の上面の最大直線寸法は、固体発光素子の上面のある点から、固体発光素子の上面の別の点までの直線に沿った最長距離として定められる。発光モジュールが複数の固体発光素子を含む場合、上面の最大直線寸法の平均値が使われる。上面は任意の形、例えば正方形、長方形、円、又は楕円とすることができる。正方形又は長方形では、最長直線距離は正方形又は長方形の対角線の長さである。円では、最長直線寸法は円の直径の長さである。

本発明者らは、固体発光素子と部分的に拡散性の反射層との間の距離は、それを上回ると発光モジュールの比較的大きい光出力が得られ、固体発光素子面積比に依存する最小値を有するべきだと実験で見出した。この最小値未満では、発光モジュールはより低効率で動作し、部分的に拡散性の反射層により、多すぎる光が少なくとも１つの固体発光素子に反射され、後方散乱され、且つ／又は再放出される。さらに、少なくとも１つの固体発光素子と部分的に拡散性の反射層との間の距離が大きくなり過ぎるとき、固体発光素子面積比の値にも依存して光出力が減少し始め、従って、有利ではないことを本発明者らは見出した。この減少は、光がより多く吸収される結果であり、その理由は光が発光モジュールを通るより長い移動経路を有し、そのためより多くの吸収事象を被る可能性があるからである。

本発明者らは、先に指定した基準、及び固体発光素子の上面と発光層との間の距離が特定の範囲内にある基準により、基底反射係数の特定の組合せが固体発光素子反射係数よりも高いことが比較的高い光出力、従って、比較的効率的な発光モジュールをもたらすことを実験的に見出した。

一実施形態では、発光モジュールが基底と光出口窓との間に介在する壁を含む。基底、壁、及び光出口窓が空洞を囲む。壁は、空洞の方を向く光反射壁面を含み、光反射壁面は、光反射壁面によって反射される光量と光反射壁面に当たる光量との間の比率によって定められる壁反射係数を有する。この実施形態では、実効反射係数が、例えばそれぞれの表面積の広さに応じて重み付けされる、基底及び壁の反射係数の加重平均として定められる。実効反射係数は、１と固体発光素子反射係数との差に因子ｃを掛けた値に、固体発光素子反射係数を加えた値よりも少なくとも大きい。従って、基底及び壁の組合せが特定の実効反射係数を有する場合、その発光モジュールは比較的効率的である。因子ｃの基準は、壁なしの実施形態に関しても同様であり、唯一の違いは全反射面（total reflective surface）が今度は壁の反射面及び基底の反射面を含むことである。従って、固体発光素子の被覆比（coverage ratio）は、今度は少なくとも１つの固体発光素子の上面の面積と、基底の反射面の面積及び反射壁面の面積の和との間の比率として定められる。基底及び固体発光素子の反射係数と合致して、壁反射係数は、予め定義された光スペクトルの光の反射の加重平均であることを指摘しておく。壁は、この例では発光材料を含む、部分的に拡散性の反射層からの熱を基底に伝えることなど、さらなる機能を有してもよいことを指摘しておく。基底は多くの場合ヒートシンクに結合され、第１の色の範囲の光が第２の色の範囲の光に変換される場合の発熱の結果として発光層は比較的熱くなる場合がある。壁の反射面は、比較的効率的な発光モジュールを実現するのを助ける。

一実施形態では、壁反射係数、即ち壁の反射係数が少なくとも９５％未満であり、固体発光素子の上面と部分的に拡散性の反射層との間の距離は、固体発光素子面積比の比較的小さい値、即ち０．１未満では、上面の最大直線寸法（又は上面の最大直線寸法の平均値）に０．３を掛けた最小値、及び上面の最大直線寸法（又は上面の最大直線寸法の平均値）に０．７５を掛けた値未満の最大値を有する範囲内にある。固体発光素子面積比の中間値、即ち０．１以上の最小値及び０．２５以下の最大値を有する範囲内では、この場合の距離は、上面の最大直線寸法（又は上面の最大直線寸法の平均値）に０．１５を掛けた最小値、及び上面の最大直線寸法（又は上面の最大直線寸法の平均値）に０．３を掛けた値未満の最大値を有する範囲内にある。固体発光素子面積比の比較的大きい値、即ち０．２５超では、この場合の距離は、上面の最大直線寸法（又は上面の最大直線寸法の平均値）に０．１を掛けた最小値、及び上面の最大直線寸法（又は上面の最大直線寸法の平均値）に０．２を掛けた値未満の最大値を有する範囲内にある。本発明者らは、これらの基準で比較的効率的な発光モジュールが得られることを見出した。

一実施形態では、壁反射係数が９５％以上であり、固体発光素子面積比の比較的小さい値、即ち０．１未満では、固体発光素子の上面と部分的に拡散性の反射層との間の距離が、上面の最大直線寸法（又は上面の最大直線寸法の平均値）に０．７５を掛けた最小値、及び上面の最大直線寸法（又は上面の最大直線寸法の平均値）に２を掛けた最大値を有する範囲内にある場合、比較的効率的な発光モジュールが得られる。固体発光素子面積比の中間値、即ち０．１以上の最小値及び０．２５以下の最大値を有する範囲内では、この場合の距離は、上面の最大直線寸法（又は上面の最大直線寸法の平均値）に０．３を掛けた最小値、及び上面の最大直線寸法（又は上面の最大直線寸法の平均値）に０．７を掛けた最大値を有する範囲内にある。固体発光素子面積比の比較的大きい値、即ち０．２５超では、この場合の距離は、上面の最大直線寸法（又は上面の最大直線寸法の平均値）に０．２を掛けた最小値、及び上面の最大直線寸法（又は上面の最大直線寸法の平均値）に０．５を掛けた最大値を有する範囲内にある。

本発明の一実施形態では、反射基底面の少なくとも一部が、固体発光素子の上面よりも部分的に拡散性の反射層に近い。この実施形態では、上面と部分的に拡散性の反射層との間の距離が、０．１未満の固体発光素子面積比では０．４＊ｄ_ＳＳＬ＋Δｈ／２の最小値及び５＊ｄ_ＳＳＬ＋Δｈ／２の最大値を有する範囲内にある場合、０．１以上の最小値及び０．２５以下の最大値を有する範囲内にある固体発光素子面積比では、０．１５＊ｄ_ＳＳＬ＋Δｈ／２の最小値及び３＊ｄ_ＳＳＬ＋Δｈ／２の最大値を有する範囲内にある場合、又は０．２５を上回る固体発光素子面積比では０．１＊ｄ_ＳＳＬ＋Δｈ／２の最小値及び２＊ｄ_ＳＳＬ＋Δｈ／２の最大値を有する範囲内にある場合、効率的な発光モジュールが得られる。パラメータｄ_ＳＳＬは、少なくとも１つの固体発光素子の上面の最大直線寸法であり、パラメータΔｈは、少なくとも１つの固体発光素子の上面と部分的に拡散性の反射層との間の距離と、反射基底面と部分的に拡散性の反射層との間の距離又は平均距離との差の絶対値である。複数の固体発光素子の事例では、平均値が使われる。この実施形態では、基底は、例えば固体発光素子が配置される１つ又は複数の凹みを有する。

一実施形態では、壁が、アルミニウム、銅、アルミナなどのセラミック、ポリアミドやスペクトラロン（Spectralon）などの熱伝導ポリマー材料のうちの少なくとも１つを含む。

別の実施形態では、基底の光反射面及び／又は光反射壁面の少なくとも１つが、光反射被膜、光反射モールディング、光反射セラミック、又は光反射ホイルを含む。光反射被膜は、それぞれの光反射面の反射率を高め、それにより発光モジュールの効率を改善するために使用され得る。好ましい実施形態では、白色被膜によって得られ得る基底及び／又は壁の光反射面が、光を拡散的に散乱させる。拡散的に散乱させる表面は、発光モジュールの光再利用効率をさらに改善する。別の実施形態では、金属鏡（例えば保護銀又はアルミニウム）によって得られてもよい基底及び／又は壁の光反射面が、鏡面的に反射し得る。さらなる実施形態では、基底及び／又は壁の光反射面が、拡散的に散乱させる材料と鏡面的に反射する材料との組合せとすることができる。

さらなる実施形態では、光出口窓の方への光の反射を増やすために、光反射壁面が基底の垂直軸に対して傾けられる。別のさらなる実施形態では、光出口窓の方への光の反射を増やすために光反射壁面が湾曲される。そのような傾斜壁面又は湾曲壁面は、空洞の内部から見て凸状の空洞をもたらす。さらに、傾けること又は湾曲させることは、基底に接触する光反射壁面の端部が、部分的に拡散性の反射層に接触する光反射壁面の端部よりも互いに近いものにする。そのように傾けられ又は湾曲された光反射壁面を有する凸状空洞は、光反射壁面に当たる光を部分的に拡散性の反射層（したがって光出口窓）に向けてよりよく反射する。別の反射点又は固体発光素子によるさらなる吸収を招く、光反射壁面によって光が空洞内に反射されることが少なくとも部分的に防がれる。その結果、発光モジュールの効率が高まる。このことは、固体発光素子面積比の比較的高い値においてとりわけ有利である。

一実施形態では、部分的に拡散性の反射層が光出口窓を形成する。部分的に拡散性の反射層は端部を有し、部分的に拡散性の反射層の端部は基底に接触する。本実施形態による構成は、部分的に拡散性の反射層と基底との間に壁を用いることを回避し、これは特定の応用例で有利な場合がある。この実施形態では、空洞が、光出口窓及び基底によって形成される。さらにこの実施形態は、より広角の光出力分配をもたらし得る。

別の実施形態では、発光モジュールが、１つ又は複数の固体発光素子と発光層との間に配置される実質的に透明な材料を含み、その透明材は１つ又は複数の固体発光素子に光学的に結合される。実質的に透明な材料は、固体発光素子からの光の外部結合を助ける。固体発光素子の材料は概して比較的高い屈折率を有し、そのため、かなりの光量が全反射（ＴＩＲ）のために固体発光素子内に捉えられる。実質的に透明な材料は、例えば空気の屈折率よりも固体発光素子の屈折率に近い屈折率を有し、その結果、より多くの光が透明材の中に、従って、最終的に発光モジュールの外に発せられる。透明材は、固体発光素子の屈折率に近い屈折率を有してもよい。固体発光素子がＩｎＧａＮ材料の種類のものである場合、発光素子の屈折率は２．４に近く、発光素子の表面に取り付けられる高屈折率のガラス又はセラミックがチップからほとんどの光を抽出する。透明材は、様々な層に又は混合物として施される様々な材料を含むことができる。例えば、高屈折率のセラミック基板が、高指数ガラス又は高指数樹脂を使って少なくとも１つの固体発光素子に接合されてもよい。実質的に透明な材料は、例えば少なくとも１つの固体発光素子上に配置されるドーム状の又は平らなカプセル材料（encapsulant）とすることができる。一実施形態では、透明材の屈折率が１．４を上回る。別の実施形態では、透明材の屈折率が１．７を上回る。

さらなる実施形態では、実質的に透明な材料が、発光層に光学的且つ熱的に結合される。例えば、基底と部分的に拡散性の反射層との間の全空間が透明材で満たされ、従って、透明材も部分的に拡散性の反射層に光学的に結合され、部分的に拡散性の反射層と空洞との間の界面においてより少ない反射をもたらす。その結果、より多くの光が発光モジュールの周囲に発せられる。さらに、透明材が部分的に拡散性の反射層と接触する場合、透明材は部分的に拡散性の反射層に熱的にも結合され、部分的に拡散性の反射層から例えば基底への熱伝導を支援する。これは、より温かくない部分的に拡散性の反射層をもたらし、かかる反射層は、概してより効率的であり、より長い寿命を有する。例えば、部分的に拡散性の反射層が発光層である場合、透明材は、空隙に比べて発光材料と基底との間の熱的接触の強化をもたらす。空気は約０．０２５Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有するので、約０．３Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有するシリコン樹脂はより優れた熱界面をもたらし、一方で約１．０Ｗ／ｍＫの熱伝導率のソーダ石灰ガラスなどのガラス基板はさらによく、一方で約１．３Ｗ／ｍＫのホウケイ酸ガラス又は溶融石英ガラス、約３０Ｗ／ｍＫの透光性の多結晶アルミナ基板、及び４２Ｗ／ｍＫのサファイア基板ははるかによい。任意選択的に、実質的透明な材料は、透光性の焼結多結晶アルミナとすることができ、非常に優れた熱性能とともに比較的高い透光性を可能にするために、粒子サイズは好ましくは４４μｍよりも大きく又は好ましくは１μｍよりも小さい。

別の実施形態では、実質的に透明な材料が、透明樹脂、透明ゲル、透明液体、透明ガラス、透明ポリマー、及び透明セラミックのうちの少なくとも１つを含む。透明とは、第１の波長範囲及び第２の波長範囲のスペクトル領域において実質的な光吸収がないことを指す。透明層内では一定の限られた水準の散乱が、とりわけその散乱が前方散乱タイプのものである場合、許されてもよい。従って、例えば若干霞のかかった材料の透光層を使用することにより、発光材料と基底との間の実質的に透明な材料内に一定の散乱中心が許可され得る。

さらなる実施形態では、発光材料が、無機蛍光体、有機蛍光体、セラミック蛍光体及び量子ドット、又は別の蛍光物質、若しくはこれらのものの混合物のうちの少なくとも１つを含む。発光層が、担体層、例えばガラス基板及び発光材料の層を含んでもよいこと、発光層が担体層の中に無作為に分布した発光材料の粒子を含むこと、又はセラミック蛍光体の場合、実質的に全発光層が発光材料であることを指摘しておく。発光層が、積み重ねられ又は狭い間隔で配置される様々な別個の発光層からなってもよいことも指摘しておく。異なる層の中で異なる発光材料が使われてもよい。しかしながら、発光材料は同じ層の中で混合されてもよい。無機発光材料の例は、これだけに限定されないが、ＣｅドープされたＹＡＧ（Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２）又はＬｕＡＧ（Ｌｕ_３Ａｌ_５Ｏ_１２）を含むことができる。ＣｅドープされたＹＡＧは黄色の光を発し、ＣｅドープされたＬｕＡＧは黄緑色の光を発する。赤色光を発する他の無機発光材料の例は、これだけに限定されないが、ＥＣＡＳ（０＜ｘ≦１、とりわけｘ≦０．２でＣａ_１−ｘＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕ_ｘであるＥＣＡＳ）、及びＢＳＳＮ（ＢＳＳＮＥ、０≦ｘ≦１、とりわけｘ≦０．２、０≦ｙ≦４、０．０００５≦ｚ≦０．０５で、Ｂａ_{２−ｘ−ｚ}Ｍ_ｘＳｉ_５−ｙＡｌｙＮ_８−ｙＯ_ｙ：Ｅｕ_ｚ（Ｍ＝Ｓｒ、Ｃａ；）を含むことができる。

一実施形態では、光出口窓はさらに、拡散光放出を得るための、空間的に、色及び角度に対する色（color over-Angle）が均一な光放出を得るための、及び混色光放出を得るための拡散層を含む。光出口窓は、角度に対する色の変化又は光均一性を補正するためのダイクロイック（dichroic）層も含み得る。発光層による光放出特性に影響を及ぼすことに加え、光出口窓を介して発光モジュールの周囲に発せられる光の特性に影響を及ぼすために、例えば所望の光ビーム形状を提供するための光学素子のような他の光学層が使用されてもよい。

一実施形態では、拡散光放出を得るための、空間的に、色及び角度に対する色が均一な光放出を得るための、及び混色光放出を得るための拡散層が、少なくとも１つの固体発光素子から見て外方に向く部分的に拡散性の反射層の面から所定距離を置いて設けられる。

一実施形態では、偏光素子が、少なくとも１つの固体発光素子から見て外方に向く部分的に拡散性の反射層の面に配置される。

本発明の第２の態様によれば、本発明による発光モジュールを含むランプが提供される。このランプは複数の発光モジュールを含むことができる。このランプは、後付白熱電球、後付パラボラアルミニウム反射器（ＰＡＲ：parabolic aluminized reflector）ランプ、スポットランプ、ダウンライトランプ、後付ハロゲンランプ、又は後付照明管を含むことができる。

本発明の第３の態様によれば、本発明による発光モジュールを含む、又は本発明によるランプを含む照明器具が提供される。この照明器具は、複数の発光モジュールを含むことができる。

本発明の第４の態様によれば、本発明による発光モジュールを含む表示装置が提供される。使用中、発光モジュールはＬＣＤ表示装置用のバックライティングユニットとしての役を担うことができる。発光モジュールが比較的効率的な（偏光）を発生させるので、表示装置のコストレベルが低下される。

本発明の第２の態様、第３の態様、及び第４の態様のそれぞれによるランプ、照明器具、及び表示装置は、本発明の第１の態様による発光モジュールと同じ利点をもたらし、発光モジュールの対応する実施形態と同様の効果を伴う類似の実施形態を有する。

この文脈では、ある色の範囲の光は、典型的には既定のスペクトルを有する光を含む。既定のスペクトルは、例えば予め定められた波長あたりの特定の帯域幅を有する原色を含むことができ、又は例えば複数の原色を含むことができる。予め定められた波長とは、放射パワースペクトル分布の平均波長である。この文脈では、既定の色の光は紫外線などの目に見えない光も含む。原色の光は、例えば赤色光、緑色光、青色光、黄色光、及び琥珀色（Amber）光を含む。既定の色の光は、青色と琥珀色や、青色と黄色と赤色など、原色の混合も含み得る。第１の色の範囲は、紫外線や赤外線がそうであるように人の目に見えない光も含み得ることを指摘しておく。「青紫色光」又は「青紫色発光」という用語は、とりわけ約３８０〜４４０ｎｍの範囲内にある波長を有する光に関する。「青色光」又は「青色発光」という用語は、とりわけ約４４０〜４９０ｎｍの範囲内にある波長を有する光に関する（一部の青紫及びシアン色相を含む）。「緑色光」又は「緑色発光」という用語は、とりわけ約４９０〜５６０ｎｍの範囲内にある波長を有する光に関する。「黄色光」又は「黄色発光」という用語は、とりわけ約５６０〜５９０ｎｍの範囲内にある波長を有する光に関する。「橙色光」又は「橙色発光」という用語は、とりわけ約５９０〜６２０ｎｍの範囲内にある波長を有する光に関する。「赤色光」又は「赤色発光」という用語は、とりわけ約６２０〜７５０ｎｍの範囲内にある波長を有する光に関する。「琥珀色光」又は「琥珀色発光」という用語は、とりわけ約５７５〜６０５ｎｍの範囲内にある波長を有する光に関する。「可視」光又は「可視発光」という用語は、とりわけ約３８０〜７５０ｎｍの範囲内にある波長を有する光を指す。

本発明のこれらの及び他の態様が、以下に記載の実施形態から明らかであり、かかる実施形態に関連して明らかにされる。

上述の本発明の実施形態、実装形態、及び／又は態様の２つ以上が、有用とみなされる任意の方法で組み合わせられてもよいことが当業者によって理解される。

さらに、本明細書及び特許請求の範囲における第１の、第２の、第３の等の用語は、同様の要素を区別するために使われており、必ずしも順番又は時系列順を表すために使われるのではない。そのように使用される用語は適切な状況下で置き替え可能であり、本明細書に記載する本発明の実施形態は、本明細書で説明し又は図示する以外の順序で実施できることを理解されたい。

発光モジュールについての記載の修正形態及び改変形態に対応する、発光モジュール、ランプ、照明器具、及び／又は表示装置の修正形態及び改変形態が、この説明に基づいて当業者によって実行され得る。

異なる図面内で同じ参照番号によって示される項目は、同じ構造上の特徴及び同じ機能を有し、又は同じ信号であることに留意すべきである。かかる項目の機能及び／又は構造が説明されている場合、詳細な説明の中でその項目を繰り返し説明する必要はない。

これらの図面は全く概略的であり、縮尺通りに描かれていない。とりわけ明瞭にするために、一部の寸法が強く強調されている。

本発明による発光モジュールの一実施形態の断面を概略的に示す。 本発明による発光モジュールの一実施形態の断面を概略的に示す。 本発明による発光モジュールの一実施形態の平面図を概略的に示す。 本発明による発光モジュールの一実施形態の平面図を概略的に示す。 本発明による、空洞を含む発光モジュールの一実施形態を概略的に示す。 本発明による、管状形を有する発光モジュールの一実施形態を概略的に示す。 本発明による、空洞を含む発光モジュールの一実施形態の断面の実施形態を概略的に示す。 本発明による、空洞を含む発光モジュールの一実施形態の断面の実施形態を概略的に示す。 本発明による発光モジュールの実施形態の複数の断面を概略的に示す。 本発明による発光モジュールの実施形態の複数の断面を概略的に示す。 発光層が光出口窓を形成し、発光層の端部が基底に接触している、本発明による発光モジュールの実施形態の複数の断面を概略的に示す。 本発明による一実施形態の、柔軟な発光モジュールの断面を概略的に示す。 本発明による一実施形態の、柔軟な発光モジュールの断面を概略的に示す。 本発明による発光モジュールの一実施形態の断面を概略的に示す。 本発明による発光モジュールの一実施形態の断面を概略的に示す。 本発明による発光モジュールの一実施形態の断面を概略的に示す。 本発明による発光モジュールの一実施形態の測定結果を有するグラフを示す。 第１の基準発光モジュールの概略的な断面を示す。 第２の基準発光モジュールの概略的な断面を示す。 本発明による発光モジュールの概略的な断面を示す。 本発明による発光モジュールの一実施形態のシミュレーション結果を有するグラフを示す。 本発明による発光モジュールの一実施形態のシミュレーション結果を有するグラフを示す。 本発明による発光モジュールの一実施形態のシミュレーション結果を有するグラフを示す。 本発明による発光モジュールの一実施形態のシミュレーション結果を有するグラフを示す。 本発明による発光モジュールの一実施形態のシミュレーション結果を有するグラフを示す。 本発明による発光モジュールの一実施形態の断面を概略的に示す。 本発明による発光モジュールの一実施形態の断面を概略的に示す。 図１６ａ及び１６ｂによる発光モジュールの実施形態のシミュレーション結果を有するグラフを示す。 本発明による発光モジュールの一実施形態の平面図を概略的に示す。 図１７ａによる発光モジュールの実施形態のシミュレーション結果を有するグラフを示す。 図１７ａによる発光モジュールの実施形態のシミュレーション結果を有するグラフを示す。 図１７ａによる発光モジュールの実施形態のシミュレーション結果を有するグラフを示す。 本発明による発光モジュールのシミュレーション結果を有する別のグラフを示す。 本発明の一態様によるランプの実施形態を示す。 本発明の一態様によるランプの実施形態を示す。 本発明の一態様による照明器具の一実施形態を示す。 本発明による発光モジュールの一実施形態の断面の実施形態を概略的に示す。 本発明の一態様による表示装置の一実施形態を示す。

第１の実施形態が図１ａに示され、図１ａは、本発明の第１の態様による発光モジュール１００の断面を示す。発光モジュール１００は、光出口窓１０４を有する。この実施形態の光出口窓１０４は、発光材料を含む発光層１０２によって形成される。発光材料は、発光材料に当たる第１の色の範囲の光１１４の少なくとも一部を第２の色の範囲の光１１６に変換する。発光モジュール１００の反対側では、光出口窓１０４と向かい合う光反射面１１２を有する基底１１０が設けられる。基底１１０には、使用時に、第１の色の範囲の光１１４を光出口窓１０４の一部に向けて発する固体発光素子１０８が設けられる。基底には、典型的には固体発光素子１０８のダイ又は複数のダイを接触させて電力をもたらすための電極構造が備えられる。電極構造は図面に示していない。固体発光素子１０８によって覆われる基底１１０の表面は、基底１１０の光反射面１１２には含まれない。

光反射面１１２は、光反射面１１２によって反射される光量と、光反射面１１２に当たる光量との間の比率によって定められる基底反射係数Ｒｂａｓｅを有する。固体発光素子１０８は、固体発光素子１０８によって反射される光量と、固体発光素子１０８に当たる光量との間の比率によって定められる固体発光素子反射係数Ｒ＿ＳＳＬを有する。どちらの反射係数も、様々な波長の光に関係する反射係数の平均、例えば第１の色の範囲の光１１４及び第２の色の範囲の光１１６の（加重）平均であることを指摘しておく。

発光層１０２は、固体発光素子１０８の上面１０６に直に配置されるのではなく、固体発光素子１０８から距離ｈの所に配置される。固体発光素子１０８が第１の色の範囲の光１１４を発する場合、第１の色の範囲の光１１４の少なくとも一部が、基底１１０及び固体発光素子１０８に向かって発光層１０２によって反射される。第１の色の範囲の光１１４の一部は、光が当たる表面における反射が原因で、又は内部反射若しくは後方散乱が原因で発光層１０２によって反射される。反射して戻る光は、固体発光素子１０８に部分的に当たり、基底１１０の光反射面１１２に部分的に当たる。

第１の色の範囲の光１１４の別の一部は、発光層１０２を介して発光モジュール１００の周囲に透過されてもよい。第１の色の範囲の光１１４のさらなる部分は、発光材料によって第２の色の範囲の光１１６に変換される。発光材料は第２の色の範囲の光１１６を複数の方向に発し、その結果、第２の色の範囲の光１１６の一部が発光モジュール１００の周囲に発せられ、第２の色の範囲の光１１６の別の部分が基底１１０及び固体発光素子１０８に向けて発せられる。

固体発光素子１０８の上面１０６に当たる光は部分的に反射され、固体発光素子１０８の半導体材料内に部分的に透過される。固体発光素子１０８内で、光の一部が吸収され、光の他の一部が上面１０６に向けて跳ね返され、光出口窓１０４に向けて再び発せられる。固体発光素子反射係数Ｒ＿ＳＳＬの値は、当たっている光のどの部分が反射して戻ってくるのかを定め、値（１−Ｒ＿ＳＳＬ）は、当たっている光のどれ位が固体発光素子１０８によって吸収されるのかを定める。実際には、固体発光素子１０８は比較的低い値、概ね０．７程度の固体発光素子反射係数Ｒ＿ＳＳＬを有する。

発光層によって基底１１０に向けて反射され、散乱され、即ち拡散反射され、又は発せられ、固体発光素子１０８に当たらない光は、大体において基底１１０の光反射面１１２によって反射される。しかしながら、少量の光が依然として表面において又は基礎をなす層の中に吸収される場合がある。基底反射係数Ｒｂａｓｅは、当たっている光のどの部分が光反射面１１２によって反射して戻ってくるのかを定め、値（１−Ｒｂａｓｅ）は、当たっている光のどれ位が光反射面１１２によって吸収されるのかを定める。

基底反射係数Ｒｂａｓｅ及び固体発光素子反射係数Ｒ＿ＳＳＬの値は、常に０と１の間の値である。固体発光素子反射係数Ｒ＿ＳＳＬを決定するとき、固体発光素子１０８によって生成される光量は考慮に入れないことを指摘しておく。反射される光の一部は、固体発光素子１０８に当たる光量の一部である。

本発明によれば、基底反射係数Ｒｂａｓｅの値は、固体発光素子反射係数Ｒ＿ＳＳＬの値よりも少なくとも大きい。好ましくは、基底反射係数Ｒｂａｓｅの値は、１と固体発光素子反射係数Ｒ＿ＳＳＬとの差に因子ｃを掛けた値に固体発光素子反射係数Ｒ＿ＳＳＬを加えた値よりも少なくとも大きい。従って、Ｒｂａｓｅ＞Ｒ＿ＳＳＬ＋ｃ・（１−Ｒ＿ＳＳＬ）が成立する。従って、光反射面１１２は、少なくともｃの値に、完全反射固体発光素子、即ち１００％の反射率と使用される固体発光素子１０８の実際の反射率との差を掛けた値により、固体発光素子１０８よりも平均して光を反射する。因子ｃは、基底１１０の総反射面積に対する固体発光素子１０８の総面積によって決まり、これを以下、固体発光素子面積比ρ_ＳＳＬ：ρ_ＳＳＬ＝（Ａ＿ＳＳＬ／Ａｂａｓｅ）と呼び、Ａ＿ＳＳＬは固体発光素子１０８の上面１０６の総面積に相当し、Ａｂａｓｅは基底１１０の反射面１１２の総面積に相当する。実際には、固体発光素子面積比ρ_ＳＳＬは１．０の最大値を有する。固体発光素子面積比ρ_ＳＳＬの値が、固体発光素子１０８の上面１０６の面積に対する基底１１０の比較的広い反射面積を表す０．１を下回る場合、即ちρ_ＳＳＬ＜０．１が成立する場合、比較的効率的な発光モジュールを有するために、因子ｃは基準ｃ≧０．２を満たすべきである。固体発光素子１０８の上面１０６の面積に匹敵する基底１１０の反射面積を表す０．１≦ρ_ＳＳＬ≦０．２５が成立する場合、比較的効率的な発光モジュールを有するために、因子ｃは基準ｃ≧０．３を満たすべきである。固体発光素子１０８の上面１０６の面積に対し、基底１１０の比較的狭い反射面積を表すρ_ＳＳＬ＞０．２５が成立する場合、比較的効率的な発光モジュールを有するために、因子ｃは基準ｃ≧０．４を満たすべきである。全ての事例における因子ｃの値は実際には１．０未満である。

発光層１０２から離れて基底１１０に向かう方向にかなりの光量が発光層１０２によって反射され、散乱され、又は発せられるので、発光モジュール１００の効率を改善するために、その光を光出口窓１０４に反射させることによってその光を再利用することが有利である。固体発光素子反射係数Ｒ＿ＳＳＬは、発光モジュール１００内で使用される必要がある特定の固体発光素子１０８の決まった特性なので多くの場合選ぶことができない。従って、発光モジュール１００の効率を改善するために、当たっている光を固体発光素子１０８よりもよく反射する基底１１０の光反射面１１２を有することが有利である。さらに、Ｒｂａｓｅ＞Ｒ＿ＳＳＬ＋ｃ・（１−Ｒ＿ＳＳＬ）が成立する場合、著しい効率改善が得られる可能性があることが見出されている。

本発明者らは、０．０＜ρ_ＳＳＬ＜０．１でｃ≧０．４、０．１≦ρ_ＳＳＬ≦０．２５でｃ≧０．６、及びρ_ＳＳＬ＞０．２５でｃ≧０．８が成立する場合、一層効率的な発光モジュールが実現されることをさらに見出した。０．０＜ρ_ＳＳＬ＜０．１でｃ≧０．６、及び０．１≦ρ_ＳＳＬ≦０．２５でｃ≧０．８４が成立する場合、なおさらに効率的な発光モジュールが実現される。

部分的に拡散性の反射光の特性は、本発明による効率的な発光モジュールを実現するために重要であり、従って、本発明によれば、発光層は、部分的に拡散性の反射特性を有する別の層によって置換されてもよく、その層では入射光が拡散して部分的に反射し、部分的に透過される。

応用例にもよるが、そのルーメン出力並びに発光モジュール及び固体発光素子の発光領域の大きさに関し、発光モジュールには様々な要件がある。光強度の一定の角分布が必要とされる応用例では、通常、ビーム成形光学素子が利用される。通常はランベルト発光素子プロファイルに近い、固体発光素子の光ビームのビームプロファイルを平行ビームに変換するには、最初の発光サイズを比較的小さく保つことが必要である。この場合、発光モジュールの輝度は比較的高いはずであり、輝度はルーメン出力によって決まり、固体発光素子１０８の発光面１０６の総面積に関係し、例えばこの面積は複数の固体発光素子１０８を用いることによっても増やすことができる。これらの応用例では、比較的高い固体発光素子面積比ρ_ＳＳＬが必要とされる。一例は、後付ハロゲンランプ用のモジュールである。

発光モジュールの輝度、特定のビーム形状、又は固体発光素子１０８の総発光面積に対する厳格な要件がない応用例では、より効率的な光の再利用及びより高い効率を可能にするために、固体発光素子１０８の部分的吸収面１０６に対して比較的大きい反射基底面１１２を有することが好ましい。これらの応用例では、比較的低い固体発光素子面積比ρ_ＳＳＬが好ましい。一例は、発光モジュールの形状寸法に対して限られた制約しか課さない後付電球用途で実現される高ルーメンパッケージである。

反射係数は、その係数が関係する全表面にわたる平均数であることに留意すべきである。基底の光反射面は、例えば他の領域よりも低反射の領域を含むことができる。さらに、異なる波長の光の反射及び異なる入射角における反射は異なり得る。好ましくは、反射係数がスペクトル範囲にわたり及び入射角の分布にわたり、例えば日光のスペクトル範囲にわたり又は一定量の第１の色の範囲及び第２の色の範囲を含むスペクトル範囲にわたって平均化される。反射係数の測定は、スペクトル範囲の平行光ビームをその反射率が測定されなければならない物体に向け、反射光の量を測定することによってしばしば行われる。これは、典型的には１つ又は複数の入射角で行われ、入射角が異なる場合、反射係数は得られた反射係数の加重平均であり、重み因子は発光モジュール内の物体に様々な入射角で当たる光量によって決まる。

いくつかの事例では、固体発光素子が基板、例えばセラミック又はシリコンの基板に取り付けられ、基板と固体発光素子との組合せが別の担体層に取り付けられる。この担体層は、例えば絶縁金属基板（ＩＭＳ）とも呼ばれるメタルコアプリント回路基板（ＭＣＰＣＢ）、ＦＲ４などの従来のＰＣＢ、又はアルミナ、窒化アルミニウム、シリコン基板などの別のセラミック担体とすることができる。そのような状況では、発光モジュールの基底は、別の担体層と、固体発光素子が取り付けられる基板との組合せである。言い換えれば、基底は、その上に固体発光素子が設けられる材料及び／又は層の組合せである。その結果、この特定の事例では、基底反射係数は、基板及び担体層の反射係数の加重平均である。固体発光素子が取り付けられる基板又は担体基板が完全に平らである必要はない。典型的には、発光素子に電力を供給するために、物理的な高さを有する導電性銅電路（tracks）などの金属電極が基板上にある。また、熱拡散層が表面上に施される場合もある。担体の基板の一部を局所的に厚くし、例えばモジュールをクランプし、モジュールにコリメータを取り付け、又は縁を画定するための追加の支持構造を実現し、例えば光学機能を電気的機能から切り離すことができる。コンデンサ、ＮＴＣのような温度センサ、抵抗、ＥＳＤ保護ダイオード、ツェナーダイオード、バリスタ、フォトダイオードなどの光センサ、集積回路（ＩＣ）など、基板又は担体上には他の電気部品があってもよい。これらの部品は光学出口窓の周縁の外部に配置される可能性が高いが、原則的に、光学出口窓の周縁の内部に配置されてもよい。後者の場合、それらの部品は基底の平均反射率に寄与する。光損失を最小限にするために、これらの部品は反射層で覆われてもよい。

図１ｂは、本発明の第１の態様による発光モジュール１５０の別の実施形態を示す。発光モジュール１５０は、発光モジュール１００と同様の構造を有するが、第１の色の範囲の光１１４を発光層１０２に向けて発する複数の固体発光素子１５４、１５６が設けられる。発光モジュール１５０に関して、固体発光素子光反射係数Ｒ＿ＳＳＬは、複数の固体発光素子１５４、１５６の光反射係数の平均として定められる。

図１ｂに見られるように、発光モジュール１５０の固体発光素子面積比ρ_ＳＳＬは、発光モジュール１００のかかる比率よりも大きく、ρ_ＳＳＬを計算するには、固体発光素子の上面１５２、１５８の総計面積がＡ＿ＳＳＬに代入されるべきである。従って、発光モジュール１５０では比較的多い光量が固体発光素子１５４、１５６に当たり、そのため発光モジュール１００よりも、比較的多い光量が固体発光素子１５４、１５６によって吸収される。発光モジュール１５０は、面積比ρ_ＳＳＬが０．２５を上回る発光モジュールの一例であり、比較的効率的な発光モジュールを有するために、因子ｃの値は０．４以上であるべきである。

他の実施形態では、異なる固体発光素子１５４、１５６が異なる色の範囲を発することを指摘しておく。さらに、発光層１０２は、それぞれが異なる変換特性を有する異なる発光材料を含むことができ、そのため光出口窓１０４を介して透過される光は、単に第１の色の範囲１１４及び第２の色の範囲１１６だけよりも多く含む。

図１ａ及び図１ｂでは、固体発光素子１０８、１５４、１５６のそれぞれが、光出口窓１０４及び発光層１０２に向いている上面１０６、１５２、１５８を有する。上面１０６、１５２、１５８は、それにより第１の色の範囲の光１１４が発光層の方向に顕著に発せられる面である。固体発光素子１０８、１５４、１５６の上面１０６、１５２、１５８と、上面１０６、１５２、１５８に対面する発光層１０２の表面との間の距離は、固体発光素子１０８、１５４、１５６の上面１０６、１５２、１５８と、上面１０６、１５２、１５８に対面する発光層１０２の表面との間の最短直線経路の長さとして定められる距離ｈである。

本発明者らは、光反射面によるより多くの反射の光学的効果が、より高い光出力に寄与する唯一の要因ではないことを実験的に見出した。固体発光素子１０８、１５４、１５６と発光層１０２との間の隔たり及び距離ｈも発光モジュールの効率及び光出力に寄与する。上面１０６、１５２、１５８のそれぞれは、上面１０６、１５２、１５８上の線に沿った最大直線距離として定められる最大直線寸法ｄ_ＳＳＬを有する。上面が円形の場合、最大直線寸法ｄ_ＳＳＬはその円の直径の長さである。上面が正方形又は長方形の形を有する場合、最大直線寸法ｄ_ＳＳＬはその正方形又は長方形の対角線の長さである。本発明者らは、距離ｈが短すぎる場合、過度の光が固体発光素子１０８、１５４、１５６に再び当たり、その結果、過度の光が固体発光素子１０８、１５４、１５６によって吸収されることに気付いた。本発明者らは、距離ｈが特定の値を上回る場合、光反射面に再び発せられる光量に比べ、固体発光素子１０８、１５４、１５６に再び発せられる光量は、距離ｈがさらに増やされても著しい効率改善が得られないものであり得ることにさらに気付いた。さらに本発明者らは、比較的効率的な発光モジュールをもたらす距離ｈの値の範囲が、固体発光素子面積比ρ_ＳＳＬに依存することを見出した。上面１０６、１５２、１５８と発光層１０２との間の距離ｈは、ρ_ＳＳＬ＜０．１では、好ましくは上面１０６、１５２、１５８の最大直線寸法ｄ_ＳＳＬに０．３を掛けた最小値、及び上面１０６、１５２、１５８の最大直線寸法ｄ_ＳＳＬに５を掛けた最大値を有する範囲内にある。０．１≦ρ_ＳＳＬ≦０．２５では、上面１０６、１５２、１５８と発光層１０２との間の距離ｈは、好ましくは上面１０６、１５２、１５８の最大直線寸法ｄ_ＳＳＬに０．１５を掛けた最小値、及び上面１０６、１５２、１５８の最大直線寸法ｄ_ＳＳＬに３を掛けた最大値を有する範囲内にある。ρ_ＳＳＬ＞０．２５では、上面１０６、１５２、１５８と発光層１０２との間の距離ｈは、好ましくは上面１０６、１５２、１５８の最大直線寸法ｄ_ＳＳＬに０．１を掛けた最小値、及び上面１０６、１５２、１５８の最大直線寸法ｄ_ＳＳＬに２を掛けた最大値を有する範囲内にある。

発光モジュール１００及び１５０は、上記に提示した公式及び基準において、因子ｃが上述の値よりも大きい場合一層効率的であり得る。上面に発光層を直に有する固体発光素子に関して、４０％程度の効率アップを得ることができる。

発光モジュール１５０内には複数の発光素子１５４、１５６が設けられ、複数の発光素子１５４、１５６のそれぞれは、発光層１０２までの異なる距離を有してもよい。距離が異なる場合、それらの距離の平均が上記で定めた範囲のうちの１つの中にあるべきである。固体発光素子１５４、１５６が、その上面１５２、１５８の異なる形状及び／又は大きさをそれぞれ有する場合、最大直線寸法ｄ_ＳＳＬは、複数の固体発光素子１５４、１５６の上面の最大直線寸法ｄ_ＳＳＬの平均として定められる。

固体発光素子１０８、１５４、１５６と発光層１０２との間の隔たり及び距離ｈがある場合、固体発光素子１０８、１５４、１５６は、発光層１０２が固体発光素子１０８、１５４、１５６の上に又はその間近に配置される場合ほど温かくならない。この場合、発光層１０２は固体発光素子１０８、１５４、１５６に熱的に直接結合されておらず、固体発光素子１０８、１５４、１５６の熱をより少ない程度に与え又は受ける。発光材料の温度が許容限度の範囲内に保たれる場合、発光材料の効率はより高い。さらに、固体発光素子１０８、１５４、１５６の温度が許容限度の範囲内に保たれる場合、固体発光素子１０８、１５４、１５６の効率はより高い。従って、固体発光素子１０８、１５４、１５６と発光層１０２との間の距離ｈは、より効率的な発光層１０２の光熱効果をもたらす。また、固体発光素子１０８、１５４、１５６と発光層１０２との間の距離ｈは、発光層１０２の非常に限定された領域内の比較的高光束ではなく、発光層１０２を通るより均一な光束分布をもたらす。発光材料は光飽和による影響が出やすい傾向があり、つまり一定の光束値を上回ると、発光材料はより低い効率で光を変換する。また、有機蛍光体や有機バインダなど、これらの材料の一部の発光材料又はバインダは光劣化による影響が出やすい傾向があり、つまり一定の光束値を上回ると発光材料又はバインダが劣化し始め、典型的には効率の低下を引き起こす。従って、固体発光素子１０８、１５４、１５６と発光層１０２との間に距離ｈを確保することにより、発光材料の光飽和及び光劣化の効果が防がれる。また、この距離ｈは、出口窓におけるより均一な光出力分布の実現を助け、第１のスペクトル範囲と第２のスペクトル範囲との間の色分布の混合も助ける。そのため、空間的な色の均一性及び角度的な色の均一性の両方が改善される。これは、固体発光素子上の又は光出口窓内の拡散体若しくはダイクロイック層によりさらに増強され得る。

固体発光素子１０８、１５４、１５６は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）、又は例えばレーザダイオード、例えば面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）とすることができる。

図２ａ及び図２ｂは、本発明の第１の態様による発光モジュール２００、２５０の平面図を示す。図示の平面図は、その上に固体発光素子が設けられる発光モジュール２００、２５０の基底面に光出口窓を介して向いたときに見られる。図２ａ及び図２ｂには、発光層は示されていないことを指摘しておく。

図２ａには、基底の光反射面２０４及び固体発光素子の上面２０６が描かれている。矢印２０２は、固体発光素子の上面２０６の最大直線寸法ｄ_ＳＳＬを示す。固体発光素子の上面２０６の面積はＬ_ｗＬ_ｈである。基底の光反射面２０４の面積は、（Ｂ_ｗＢ_ｈ−Ｌ_ｗＬ_ｈ）であり、これは基底の総面積から固体発光素子によって占有されている面積を引いたものである。したがって、基底の光反射面２０４の面積は、固体発光素子によって覆われる基底の面積を含まない。

図２ｂは、光反射面２５４、第１の固体発光素子の第１の上面２５６、及び第２の固体発光素子の第２の上面２５８を示す。長方形の第１の固体発光素子の最大直線距離が矢印２５２によって示されている。第１の固体発光素子の第１の上面２５６の面積はＬ１_ｗＬ１_ｈである。第２の固体発光素子の第２の上面２５８は円形であり、その直径が矢印２６０で示されている。第２の固体発光素子の第２の上面２５８の面積は、１／４π（Ｌ２_ｄ）^２である。基底の光反射面２５４の面積は、この場合、（Ｂ_ｗＢ_ｈ−Ｌ１_ｗＬ１_ｈ−１／４π（Ｌ２_ｄ）^２）である。

図３ａは、空洞３１６を含む発光モジュール３００の一実施形態を示す。発光モジュール３００は、空洞３１６内に光反射面３０６を有する基底３０９を含む。光反射面３０６には、第１の色の範囲内の光を光出口窓に向けて発する固体発光素子３１２が設けられる。光出口窓は発光層３０８によって形成される。基底３０９と発光層３０８との間には壁３１４、この事例では４つの壁３１４が設けられる。壁３１４の内面３０４は光を反射し、壁反射係数Ｒｗａｌｌを有する。壁反射係数は、壁３１４の光反射面３０４によって反射される光量と、壁３１４の光反射面３０４に当たる光量との間の比率である。固体発光素子３１２は、固体発光素子反射係数Ｒ＿ＳＳＬを有する。基底３０９の光反射面３０６は、基底反射係数Ｒｂａｓｅを有する。基底反射係数及び固体発光素子反射係数の定義は、図１ａ及び図１ｂの説明の中で与えている。

壁３１４は、様々な材料からなることができる。壁材料は、反射性アルミナ、ジルコニアや他のセラミックなどの散乱セラミック、散乱ガラス、白いポリアミドなどの散乱着色ポリマー、又はスペクトラロンや散乱シリコン樹脂のような散乱フルオロポリマーを使用する場合などに高い反射率を提供することができる。壁３１４は、アルミニウムや銀などの金属材料からなってもよい。金属は、Ａｌａｎｏｄの商品名を有する高反射の商用金属鏡など、金属のホイル又はフィルムとすることができる。

壁材料は、低反射性のもので、反射層によって覆われていてもよい。この場合、壁は、炭素入りプラスチック、例えばポリアミドなどの熱伝導ポリマー、又は銅、ニッケル、ステンレス鋼のような金属材料、窒化アルミニウム（ＡＩＮ）などのセラミック材料のような別の材料を含むことができる。これらの材料は、有益である高い熱伝導率、例えば銅＝約４００Ｗ／ｍＫ、ＡＩＮ＝約１４０Ｗ／ｍＫを概して有する。反射層は、被膜、フィルム、又は薄層とすることができる。反射層は、例えば白いシリコン又は白いゾルゲルの鋳造された、浸漬された、調合された、又は吹き付けられた層、例えばＴｉＯ２やＺｒＯ２などの散乱粒子で着色されたアルキルシリケートベース材料とすることができる。又は反射層は、例えば壁材料に蒸着され、又は付着されてもよい保護された銀やアルミニウムなどの薄い金属被膜とすることができる。壁３１４は、例えば輪などの円形、円筒形、四角形、又は三角形など、様々な形のものとすることができる。冷却を促進するために、壁はフィンなどの表面構造を含むことができる。

壁材料は、反射被膜やフィルム単体など、薄いフィルム層からなってもよい。この場合、壁の反射面は、ガラス又はセラミック基板の周縁など、基底と発光材料との間にある固体材料の端部を覆うことができる。

壁は、拡散反射体又は鏡面反射体とすることができる。一部の実施形態では鏡面反射壁が拡散反射壁よりも優れた性能を示し、他の実施形態では拡散反射壁が鏡面反射壁よりも優れた性能を示す。

さらに、基底３０６及び壁３１４は熱伝導材料を含むことができる。発光層３０８は、好ましくは発光層３０８の端部において壁３１４に熱的に接続される。例えば、発光層３０８を壁３１４に接続するために、熱伝導ペースト又は熱伝導接着剤が使用されてもよい。基底３０６には、ヒートシンク（不図示）への接合面が設けられてもよい。基底３０６はヒートシンクの一部とすることができ、又は基底３０６はヒートシンクを構成することができる。固体発光素子３１２は、空洞３１６内に設けられ、光反射面３０６に付けられる。固体発光素子３１２と光反射基底３０６との間の接触は、固体発光素子３１２が基底３０６に熱的に結合されるものである。固体発光素子３１２は、光反射基底３０６にはんだ付けされ、又は熱伝導接着剤、例えば金属粒子入り接着剤を使って接着されてもよい。空洞３１６及び／又は壁３１４の基底３０６は、熱伝達をさらに改善するためにサーマルビアを含むことができる。例えば基底３０６は、銅で金属被覆される貫通孔を含む酸化アルミニウムセラミックで作られてもよい。銅は、酸化アルミニウム（２０〜３０Ｗ／ｍＫ）に比べ、より高い熱伝導率（約４００Ｗ／ｍＫ）を有する。固体発光素子３１２は、空洞３１６の基底３０６を通る電気ビアにより電源に接続されてもよい。電気ビアも熱を伝えることができる。

発光層は、第１の色の範囲内の光を第２の色の範囲の光に変換するための蛍光体を含むことができる。第２の色の範囲は、好ましくは第１の色の範囲と異なるが、これらの範囲は部分的に重複してもよい。発光体は、ＹＡＧ：Ｃｅ、ＬｕＡＧ：Ｃｅ、ＬｕＹＡＧ：Ｃｅなど、合成された実質的に白色の発光が得られるように、固体発光素子によって生成される青色光を黄色光に部分的に変換するための黄色発光体とすることができる。別の実施形態では、発光体は、ＢＳＳＮＥ：ＥｕやＥＣＡＳ：Ｅｕなど、青色光を琥珀色光又は赤色光のそれぞれに完全に変換するための完全変換発光体とすることができる。発光層は、より温白色の発光を得るために発光体の組合せ、例えばＹＡＧ：ＣｅとＥＣＡＳ：Ｅｕを含むことができる。

第２の色の範囲の光への第１の色の範囲の光の変換は高い効率を有するが、一部の光は吸収され熱に変換される。とりわけ高出力の固体発光素子では、吸収されるエネルギ量が比較的高い可能性がある。発光層３０８が熱くなり過ぎる、例えば２００℃を超える場合、発光層の効率は低下し得る。さらに発光層は、高温で劣化し、その結果その発光特性も劣化する材料を含む場合がある。発光モジュール内では、発生した熱が壁及び基底を介してヒートシンクに向けて伝えられる。そのため発光層は熱くなり過ぎない。

発光層は、発光体の粉末粒子の焼結により溶融された巨視的物体に製造され、又は反応焼結過程において蛍光体を形成する原料粉から製造されるセラミック蛍光体とすることができる。かかるセラミック蛍光体はプレート単位で製造され、それらのプレートは光出口窓に一致する適切なサイズを与えるために機械的にさいの目状に切られる。セラミック蛍光体のシートなどの発光材料の単一のシートは、複数の隣接する空洞を覆うことができることに留意されたい。

セラミック蛍光体は、比較的優れた熱導体である。熱伝導率は、セラミック蛍光体の種類及び残留気孔率によって決まる。一例として、セラミックＣｅドープされたＹＡＧ蛍光体の典型的な熱伝導率は室温で９〜１３Ｗ／ｍＫである。シリコンや有機ポリマーなどのバインダ樹脂内の粉末蛍光体層の典型的な熱伝導率は、約０．１５〜０．３Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有するバインダに左右される。セラミック蛍光層は、厚さ約１０〜３００ミクロン、典型的には約１００ミクロンとすることができ、従って、硬く、自らを支え（self-supporting）、よって発光層に追加の支持基板は必要ない。

発光層は、蛍光体粒子を含む透光性樹脂の層がその上に堆積されるガラスの基板でもよい。例えば、バインダ、典型的にはシリコン樹脂内に分散される蛍光体粒子を有する粉末。しかし好ましくは、バインダは、約１Ｗ／ｍＫの典型的な熱伝導率を有するガラスやゾルゲル法によるシリケート又はアルキルシリケートなどのより優れた熱伝導材料である。発光層は他の２つの層の間に挟まれてもよく、例えばガラス層の上に発光層が施され、その発光層の上にガラス層が施され、こうすることは熱の拡散を改善する。層の他の組合せの例は、セラミック層−発光層−ガラス層、及びセラミック層−発光層−セラミック層である。

一実施形態では、発光モジュール３００が、改善された角度色均一性で複数の出力方向に発光するよう、拡散体として働く追加の層が発光層の上に配置される。発光層は、発光層を多かれ少なかれ垂直に通る光を、法線に対して大角度で移動する光よりも少なく変換する。部分的に変換される発光層が使用される場合、このことは、大角度よりも法線角度付近でより多くの（典型的には青色）光が発せられることを引き起こす。これは、角度に伴う許容できない色の変化をもたらす。角度に対する色の不均一性を改善するために、周囲に向けた放出の前に拡散体が光を撹乱する。拡散体は、好ましくは顕著に前方散乱する。

あるいは、発光層を介して発せられる光における角度に対する色の誤りを補正するために、ダイクロイック層又は干渉層が発光層の上にあってもよい。ダイクロイック層は、光が干渉する代替的なより高い、及びより低い屈折率を有する多数の薄層からなる。ダイクロイック層の光学的特性は、青色光が法線付近ではより多く反射され、より大きい角度では段階的様式でより少なく反射され又は反射されないものである。蛍光体を通る法線付近の青色固体発光素子の超過量は、ダイクロイック層によるより高い後方反射によって補償される。後方反射された青色光は部分的に蛍光体を励起し、色が変換され、空洞内で部分的に再利用される。ダイクロイック層は、ガラスなどの担体基板上の薄いフィルムとして存在し、蛍光体に接続されてもよい。接続は接着剤を使って行われてもよい。

あるいは蛍光体は、ダイクロイック層と同じ基板上の反対側の被膜として存在してもよい。ダイクロイック層の担体基板は、セラミックなどの熱伝導透明基板とすることができる。

発光層によって反射され又は散乱され、発光層によって発せられる光は壁３１４に向かっても反射され、壁３１４の光反射面３０４によって反射される。そのため、光出口窓を通って周囲に直ちに透過されない光は、壁３１４の光反射面３０４及び／又は基底３０９の光反射面３０６によって反射される。従って、周囲に直ちに透過されない光がより効率的に再利用され、効率的な発光モジュールに寄与する。この場合、実効反射係数Ｒｅｆｆは、基底及び壁の反射係数の加重平均として定められ、即ち実効反射率は、基底及び壁の反射係数の加重平均である。実効反射係数Ｒｅｆｆは、

として定められてもよく、基底反射係数Ｒｂａｓｅは、基底３０９の光反射面３０６の反射係数であり、壁反射係数Ｒｗａｌｌは、壁３１４の光反射面３０４の反射係数であり、Ａｂａｓｅは基底３０９の反射面３０６の総面積であり、Ａｗａｌｌは壁３１４の反射面３０４の総面積である。

この実施形態では、実効反射係数Ｒｅｆｆの値は、固体発光素子反射係数Ｒ＿ＳＳＬの値よりも少なくとも大きいものとする。好ましくは、実効反射係数Ｒｅｆｆの値は、１と固体発光素子反射係数Ｒ＿ＳＳＬとの差に因子ｃを掛けた値に、固体発光素子反射係数Ｒ＿ＳＳＬを加えた値よりも少なくとも大きいものとする。従って、次式、Ｒｅｆｆ＞Ｒ＿ＳＳＬ＋ｃ（１−Ｒ＿ＳＳＬ）が成立する。図１ａ及び図１ｂの中で説明した実施形態と同様に、因子ｃは、この場合、

として定められる固体発光素子面積比ρ_ＳＳＬに依存する。従って、図１ａ及び図１ｂの実施形態に比べ、この場合、壁３１４の反射面３０４の面積も考慮に入れられ、即ち今度は総反射面積が基底及び壁の反射面積を含む。固体発光素子３１２の上面の面積に対し、基底３０９及び壁３１４の比較的広い反射面積を示すρ_ＳＳＬ＜０．１の場合、比較的効率的な発光モジュールを有するために、因子ｃの値は０．２以上であるべきである。固体発光素子３１２の上面の面積に匹敵する基底３０９及び壁３１４の反射面積を示す０．１≦ρ_ＳＳＬ≦０．２５の場合、比較的効率的な発光モジュールを有するために、因子ｃの値は０．３以上であるべきである。固体発光素子３１２の上面の面積に対し、基底３０９及び壁３１４の比較的狭い反射面積を示すρ_ＳＳＬ＞０．２５の場合、比較的効率的な発光モジュールを有するために、因子ｃの値は０．４以上であるべきである。いずれの場合も、因子ｃの値は実際には１．０未満である。

図３ｂは、本発明の第１の態様による発光モジュール３５０の別の実施形態を示す。発光モジュール３５０は、図３ａの発光モジュール３００と似ている。しかし、いくつかの小さな違いがある。発光モジュール３５０は、空洞の方を向いている光反射面３５４を有する円形の基底３５８を有する。空洞は、基底３５８、円筒壁３６２、及び発光層３５２によって囲まれている。空洞の方を向く円筒壁３６２の表面は、光反射壁面３５６である。基底３５８の光反射面３５４上には、空洞の光出口窓に向けて第１の色の範囲の光を発する複数の固体発光素子が設けられる。空洞の光出口窓は、第１の色の範囲の光の一部を第２の色の範囲の光に変換するための発光材料を含む、発光層３５２によって形成される。

また、この実施形態では、ρ_ＳＳＬは、固体発光素子３６０の上面の総計面積と基底３５８の反射面３５４の面積との比率として定められる。図３ａに関して説明されるのと同じ基準及び範囲が適用される。

図３ａの発光モジュール３００のＡ−Ａ’線に沿った断面が図４ａに示されている。光出口窓は４０２で示されている。発光層３０８の一部が、一定の厚さを有する壁４０４、３１４の上に配置されるので、光出口窓４０２は発光層３０８の一部である。或いは、発光層３０８の支持部として、発光層３０８がはめ込まれ得る凹みが壁の端部にあってもよい。発光層３０８を壁の上部に又は壁の凹みに取り付けるために、接着剤が使われてもよい。発光層３０８を取り付けるために凹みが使われる場合、壁に対する発光層３０８の側面の熱的接触を実現するさらなる利点がある。

かように、実効反射係数Ｒｅｆｆの値は、固体発光素子反射係数Ｒ＿ＳＳＬの値よりも少なくとも大きいものとする。好ましくは、実効反射係数Ｒｅｆｆの値は、１と固体発光素子反射係数Ｒ＿ＳＳＬとの差に因子ｃを掛けた値に、固体発光素子反射係数Ｒ＿ＳＳＬを加えた値よりも少なくとも大きいものとする。図１ａ及び図１ｂに関して説明した実施形態と同様に、因子ｃは、この実施形態では壁３６２の反射面３５６の面積も含む固体発光素子面積比ρ_ＳＳＬに依存する。固体発光素子３１２の上面の面積に対し、基底３０９及び壁４０４、３１４の比較的広い反射面積を示すρ_ＳＳＬ＜０．１の場合、比較的効率的な発光モジュールを有するために、因子ｃの値は０．２以上であるべきである。固体発光素子３１２の上面の面積に匹敵する基底３０９及び壁４０４、３１４の反射面積を示す０．１≦ρ_ＳＳＬ≦０．２５の場合、比較的効率的な発光モジュールを有するために、因子ｃの値は０．３以上であるべきである。固体発光素子３１２の上面の面積に対し、基底３０９及び壁４０４、３１４の比較的狭い反射面積を示すρ_ＳＳＬ＞０．２５の場合、比較的効率的な発光モジュールを有するために、因子ｃの値は０．４以上であるべきである。いずれの場合も因子ｃの値は実際には１．０未満である。

さらに本発明者らは、０．１未満の固体発光素子面積比ρ_ＳＳＬの値では、固体発光素子３１２の上面４１２と発光層３０８との間の距離ｈが、好ましくは上面４１２の最大直線寸法ｄ_ＳＳＬに０．３を掛けた最小値、及び上面３０８の最大直線寸法ｄ_ＳＳＬに５を掛けた最大値を有する範囲内にあることを見出した。０．１≦ρ_ＳＳＬ≦０．２５では、上面３０８と発光層１０２との間の距離ｈは、好ましくは上面３０８の最大直線寸法ｄ_ＳＳＬに０．１５を掛けた最小値、及び上面３０８の最大直線寸法ｄ_ＳＳＬに３を掛けた最大値を有する範囲内にある。ρ_ＳＳＬ＞０．２５では、上面３０８と発光層１０２との間の距離ｈは、好ましくは上面３０８の最大直線寸法ｄ_ＳＳＬに０．１を掛けた最小値、及び上面３０８の最大直線寸法ｄ_ＳＳＬに２を掛けた最大値を有する範囲内にある。

固体発光素子３１２が上記の基準を満たす場合、発光モジュール３００は比較的効率的な発光モジュールであることを指摘しておく。最大限の光出力を得るために他の全ての距離、サイズ、及び反射係数が最適化されているとはいえ、固体発光素子による吸収は非効率に著しく寄与する。発光モジュール３００は、上記の公式の中で因子ｃが上述の値よりも大きい場合一層効率的であり得る。固体発光素子の上面に発光層が直にある状態で、４０％程度の効率アップを得ることができる。

発光層３０８は、壁４０４、３１４の上端に配置され、そのため発光層３０８は壁４０４、３１４に熱的に結合される。発光材料が第１の色の範囲の光を第２の色の範囲の光に変換する間の発光材料によるエネルギ吸収が原因で、発光層３０８は温かくなる。発光層３０８と壁４０４、３１４との間の熱的結合は、基底３０９をヒートシンクに結合するための接合面を含んでもよい基底３０９に、壁４０４、３１４が発光層の熱を伝えることを可能にする。この機構は、発光モジュール３００の効果的な熱管理を可能にし、発光層３０８が温かくなり過ぎることを防ぎ、発光材料の効率及び寿命を高める。さらに、空洞３１６は光学的に実質的に透明な材料で埋めてもよい。空洞全体が透明材で埋められる場合、透明材も発光層３０８に熱的に結合され、空隙が用いられる場合よりもはるかに効率的な方法で、発光層から壁４０４、３１４及び基底３０９に熱を伝えることができる。図５ａに関して説明するように、透明材は、固体発光素子４１２からの光の出力結合の増加などのさらなる利点を有する。

実質的に透明な材料は、典型的には０．２から０．３Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する固化シリコンや硬化シリコンなどの固体材料である。硬質シリコン樹脂から軟質シリコン樹脂、軟性シリコン樹脂又はゲル型樹脂に及ぶ、多くの種類のそのような材料が存在する。他の材料は、エポキシ樹脂、当業者なら知っている多くの種類の光学的に透明なポリマーを含み得る。他の実施形態では、約１．０Ｗ／ｍＫの熱伝導率のソーダ石灰ガラスや、約１．３Ｗ／ｍＫのホウケイ酸ガラス又は溶融石英ガラスなど、多岐にわたるガラスタイプの材料が使用されてもよい。また、約３０Ｗ／ｍＫの透光性の多結晶アルミナ基板、４２Ｗ／ｍＫのサファイア基板、９．５Ｗ／ｍＫのＡｌＯＮ、１５Ｗ／ｍＫの尖晶石、７Ｗ／ｍＫの熱伝導率のＹＡＧなど、セラミック材料が使用されてもよい。そのような材料の組合せが使用されてもよい。例えば、固体ガラス又はセラミック基板が、発光素子及び／又は基底に接合されてもよい。また、実質的に透明な材料として透光性の焼結多結晶アルミナが使用されてもよく、比較的高い前方光透過率を得るために、粒子サイズは好ましくは４４μｍよりも大きく又は好ましくは１μｍよりも小さい。光の合計前方透過率は、１ｍｍ厚の材料及び１μｍよりも小さい粒子サイズで８４％超である。光の合計前方透過率は、１ｍｍ厚の材料及び４４μｍよりも大きい粒子サイズで８２％超である。多結晶アルミナは、例えばＡｌ_２Ｏ_３粉末が例えば粉末プレス、スリップ鋳造、射出成形、並びに事前焼結及び終了焼結（end-sintered）によって成形される、セラミック粉末処理技術を用いて作られてもよい。比較的大きい、即ち４４μｍを上回る粒子サイズは、比較的大きい粒子サイズを有するアルミナ粉末を適用することにより、より長い焼結時間及び／又はより高い焼結温度を適用することにより、より少ない粒成長抑制ＭｇＯドーピング（＜３００ｐｐｍ）を使用すること、及び／又は粒成長促進ドープを適用すること、又は上記の方法の１つ若しくは複数の組合せによって実現され得る。多結晶アルミナの微小亀裂を防ぐために、粒子サイズは好ましくは１２０μｍより小さい。このようにして、熱伝導率が約３０Ｗ／ｍＫという理由で優れているこの材料の熱特性が、比較的高い透光性と組み合わせられる。

任意選択的に、発光素子からより多くの光を抽出するように発光素子の表面との光学的及び熱的接触が実現され、固体材料と基底との間には空隙が依然としてある。これは、固体材料内で導光して光の均一性を高めることにより、光をより効果的に広げることを助け得る。最適な熱接触を得るために、例えば接着剤を使って固体基板が基底に取り付けられてもよい。固体基板は、発光層にも結合される場合、熱拡散層及び熱界面材料の機能を果たす。発光素子ダイがその上に形成された成長基板であり得るサファイア片や炭化ケイ素ＳｉＣなど、発光素子上に固体材料があってもよい。さらに、典型的には最大直線寸法より少なくとも２倍大きいサイズの、例えばガラス材料のシリコン樹脂に由来し得るドーム形又はレンズ形の光学体がダイ上にあってもよい。ドーム形又はレンズ形のボディは、別の透明材で覆われてもよい。

実質的に透明な材料は、発光素子ダイと光学的に接触する場合、好ましくは比較的高い屈折率を有する。ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、又はＡｌＩｎＧａＮのような典型的な固体発光素子が約２．４の高屈折率を有するので、ダイに対する高屈折率の接触は、固体発光素子チップ内の全反射を減らすことによってより多くの光をダイから抽出する。最も透明な材料は、１．４から１．６に及ぶ、典型的には１．５の屈折率を有する。発光素子に取り付けるのに適した高屈折率材料の一部の例は、ＬａＳＦＮ９などの高屈折率ガラス、又はサファイア（ｎ約１．７７）、アルミナ（ｎ約１．７７）、ＹＡＧ（ｎ約１．８６）、ジルコニア（ｎ約２．２）、炭化ケイ素（ＳｉＣ、ｎ約２．６）などのセラミック材料である。高指数ガラスや高指数樹脂など、基板を取り付けるために高屈折率の光学的接着が用いられてもよい。高指数樹脂は、直径１００ｎｍ未満のナノＴｉＯ_２粒子、ＺｒＯ２などの他の高指数ナノ粒子、又はＢａＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３などのチタネートで満たされたシリコン樹脂など、高屈折率のナノ粒子で満たされた低指数バインダからなることができる。一部の種類の発光素子ダイでは、サファイアや炭化ケイ素などの典型的な成長基板が引き続きダイ上にあってもよい。好ましくはこの場合、これらのダイは、上記に記載したような高屈折率材料で覆われる。

或いは、シリコン油（ｎ約１．４）、鉱油（ｎ約１．５）、脂肪族炭化水素や芳香族炭化水素などの多岐にわたる液体、又は当業者に知られている高屈折率の液体など、液体材料が使用されてもよい。液体が使用される場合、発光モジュールからの漏れを防ぐために、出口窓の縁の周りを密閉することが好ましい。液体は、対流により及び／又は周りに送り込まれることにより、発光層を冷却する目的に適う可能性がある。

図４ｂは、図３ａの発光モジュールの別の実施形態の断面を示す。発光モジュール４５０は、ハウジング４５５、空洞４６０、発光層４６５、ヒートシンク４８０への接合面４７０、及び光出口窓４７２を含む。この場合のハウジング４５５は、光反射基底面４６２及び光反射壁面４６６、４６８を有する、基底及び壁の両方を含む。２本のワイヤ４９２によって電力出力に接続されている特定の種類の固体発光素子４８２が図示されている。ＬＥＤは、固体発光素子４８２の上面４８３において固体発光素子４８２に接続されるボンドワイヤ４９２をしばしば有する。上面４８３とは、発光層４６５に最も近く、空洞４６０内に光が発せられる固体発光素子４８２の面である。一部の実施形態では、上面４８３に２つの電線接点があり、他の実施形態では上面４８３に１つの電線接点があり、基底に対して固体発光素子４８２の底面に１つの電気接点がある。

図４ｂに見られるように、発光モジュール４５０の裏面にはヒートシンク４８０への接合面４７０が設けられる。裏面は、発光層４６５がある実質的に反対側であり、裏面を形成するハウジングの一部は空洞４６０の基底も形成することを指摘しておく。図４ｂに見られるように、固体発光素子４８２が、空洞４６０の光反射基底４６２に付けられる。固体発光素子４８２とハウジング４５５との間の接触は、固体発光素子４８２とハウジング４５５との間で、したがって、固体発光素子４８２とヒートシンク４８０との間で良好な熱的結合が得られるものである。

或いは、固体発光素子４８２は、空洞４６０内に光が発せられるように、及び固体発光素子４８２がハウジング４５５と良好な熱的接触を有するように、光反射基底の貫通孔に取り付けられてもよい。

ワイヤボンド上部接続４９２は、通常金属被覆されるＬＥＤ４８２の上面４８３の電気接触領域に電気的に接続されるワイヤであり、このワイヤはＬＥＤ４８２に電気エネルギを提供する。ＬＥＤ４８２の上面４８３は、ＬＥＤ４８２の発光面でもあることが多い。ＬＥＤ４８２の発光面は、ＬＥＤ４８２によって生成される光が空洞４６０内に発せられる、ＬＥＤ４８２の非妨害放出面領域として定められる。この実施形態では、ＬＥＤ４８２の上面４８３は、発光層４６５と向かい合う面である。

セラミック蛍光体として実装され又は例えばガラス基板上に堆積される蛍光体層として実装される発光層４６５を、ワイヤボンド上部接続４９２を有するＬＥＤ４８２と組み合わせて使用することは困難であることが分かっている。ワイヤ４９２が、そのようなセラミック蛍光体層を発光面の上に直接設けることを妨げる。解決策は、比較的費用のかかる処理である、ワイヤがそこを通って導かれる高精度穴をセラミック蛍光体内にあけることでもよい。しかしながら、高精度穴を介しワイヤに沿って光が漏れるのを防ぐことは困難である。これは色彩管理の低下を引き起こす。とりわけ発光層４６５が第１の色の範囲の光のほとんどを変換しなければならない場合、光漏れは、許容できない色飽和の低下を引き起こす。さらに、穴は典型的にはレーザアブレーションであけられ、このことは、あけられる穴の付近で蛍光体を損傷することによりアブレーションの副産物が光を吸収し、蛍光体の一部が働かなくなるリスクを伴う。

ＹＡＧ：Ｃｅや琥珀色のバリウムストロンチウム窒化ケイ素（ＢＳＳＮＥ：Ｅｕ）などの典型的なセラミック蛍光体は、それぞれ約１．８６及び２の屈折率を有する。したがって、１．４を上回る屈折率を有する透明樹脂は、これらの特定のＬＥＤと論じた特定のセラミック蛍光体との間に比較的良い光学的結合を与えることができる。散乱粒子などの追加の散乱中心が、好ましくは前方散乱特性とともに取り入れられてもよい。

本実施形態は、１つ又は複数のワイヤボンド上部接続４９２を有するＬＥＤ４８２の光を別の色に変換するための効果的且つ効率的な解決策を提供する。空洞４６０がワイヤ４９２のための空間を与え、空洞内の光の反射により、光出口窓４７２においてワイヤ４９２の影は見えない。本実施形態の空洞４６０は、発光モジュール４５０のサイズに対して比較的広く、そのため、空洞が比較的狭い既知の発光モジュールに比べ、得られるワイヤの影はより少ない可能性があることを指摘しておく。

ＬＥＤ４８２と発光層４６５との間に配置される透明樹脂４９８とともにワイヤボンド上部接続４９２を使用することは有利である。ＬＥＤ４８２をハウジング４５５に取り付けた後、空洞４６０内に透明樹脂４９８が注入されてもよい。注入する間、透明樹脂４９８は液体状態にあり、空洞のそれぞれの角に流れ得る。ワイヤ４９２は、注入される透明樹脂の妨げにならず、そのため透明樹脂４９８とＬＥＤ４８２の全上面４８３との間に良い接触が作り出され得る。従って、透明樹脂４９８はＬＥＤ４８２からの光の外部結合を高める。さらに、透明樹脂４９８が硬化される場合、ワイヤバウンド上部接続４９２が樹脂４９８によって固定され、例えば自動車用途のように発光モジュール４５０が例えば振動を受ける場合、損傷を受けにくい。

図５ａは、本発明の第１の態様による発光モジュールのいくつかの代替的実施形態を示す。図５ａ（ｉ）に示す発光モジュール５００は、基底５１８、基板５１６上に設けられる複数のＬＥＤ５１４、壁５１０、壁の端部に設けられ、光出口窓を形成する第１の発光層５０６及び第２の発光層５０４を含む。ＬＥＤ５１４は第１の色の範囲の光を発し、全てのＬＥＤ５１４が最大直線寸法ｄの同じサイズを有する。第１の発光層５０６は、第１の色の範囲の光を第２の色の範囲の光に変換するための発光材料を含む。第２の発光層５０４は、第１の色の範囲の光を第３の色の範囲の光に変換するための、又は第２の色の範囲の光を第３の色の範囲の光に変換するための別の発光材料を含む。壁５１０、基底５１８、及び第１の発光層５０６が、透明材５０２で満たされる空洞を囲む。したがって、透明材はＬＥＤ５１４と第１の発光層５０６との間に挿入される。透明材は、ＬＥＤ５１４に光学的に結合され、第１の発光層５０６に光学的且つ熱的に結合される。発光素子と第１の発光層５０６との間の距離がｈで示されている。空洞に面する壁５１０の表面は、光反射被膜５０８を備える。ＬＥＤ５１４と光透過材料５０２との間の空間は光反射材５１２で満たされ、それにより基底５１８及び基板５１６を覆う。光反射面は、ＬＥＤ５１４の間に挿入される光反射材５１２の表面によって形成される。光反射材は、基底反射係数Ｒｂａｓｅを有する。ＬＥＤダイは、反射係数Ｒ＿ＳＳＬを有する。光反射被膜５０８は、壁反射係数Ｒｗａｌｌを有する。発光モジュール５００のパラメータは、図１ａ、１ｂ、３ａ、３ｂ、及び４ａに関して前の実施形態の中で説明したのと同じ基準により互いに関係し、固体発光素子の上面の面積Ａ＿ＳＳＬは、この実施形態では複数のＬＥＤ５１４の上面の総計領域として計算される。

光反射被膜の代わりに、基底及び／又は壁に取り付けることができ又は移すことができる、光反射ホイル又はフィルムが用いられてもよい。感圧接着剤など、取り付けのために接着剤が使われてもよい。反射被膜層は、金属担体又は表面電極を仕切るために典型的にはＭＣＰＣＢ担体若しくはＰＣＢ担体で使用されるはんだマスクから表面電極を隔離するために、典型的にはＭＣＰＣＢ担体で使用される誘電体層であり得る。基板５１６は反射層で覆われ、よって光学的に仕切られているので、基板５１６は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などの低反射率の材料からなってもよい。ＡｌＮには、約１４０Ｗ／ｍＫの非常に高い熱伝導率を有する利点がある。従って、反射被膜又はホイルを使用することにより、光学機能を熱機能から仕切ることができ、有利である両方の機能の個々の最適化を可能にする。

光反射被膜又はフィルムは、ある散乱色素又は様々な散乱色素で満たされたバインダからなる白い被膜など、拡散反射材料からなることができる。適切なバインダは、シリコン材料、シリケート材料、アルキルシリケート材料、エポキシ材料、ポリイミド材料、フルオロポリマー、ポリアミド、又はポリウレタンや他のポリマー材料である。被膜は、高反射の硫酸バリウム（ＢａＳＯ４）ベース材料からなってもよい。散乱色素の例は、ＴｉＯ２色素、ＺｒＯ２色素、Ａｌ２Ｏ３色素だが、当業者に知られている他の多くの散乱粒子又は孔が使われてもよい。反射被膜又はフィルムは、アルミニウムや銀などの金属層からなってもよい。金属は、Ａｌａｎｏｄの商品名を有する高反射の商用金属鏡など、金属のホイル又はフィルムとすることができる。薄い金属層は、壁材料に蒸着され、又は付着されてもよい。金属ホイルは、基底に取り付けられ／接着され／はんだ付けされる挿入物として使用されてもよい。金属層は、白い被膜層、例えば着色されたメチルシリケートなどの白いシリコンや白いアルキルシリケート層で覆われてもよい。基底又は壁にはセラミック反射体層、例えば典型的には多孔性の散乱アルミナ層、又は他の反射性のセラミック材料が使われてもよい。

図５ａ（ｉｉ）に示されている発光モジュール５２０は、発光モジュール５００と似ているが、壁５２２自体が光反射材料からなり、そのため壁５２２に追加の被膜が施されない。さらに、１つの発光層５０６しか利用されない。ＬＥＤ５１４がその上に設けられる基板５２４も光反射材料からなり、そのため、基板５２４間の空所だけが光反射粒子５１２で満たされる。

図５ａ（ｉｉｉ）に示されている発光モジュール５３０は、所謂ドーム形ＬＥＤ５１４が使用される別の改変形態である。ＬＥＤ５１４が基板５１６上に設けられ、光透過材料５０２のドームがＬＥＤの上に配置される。光透過材料５０２のドームは、ＬＥＤのダイに光学的に結合される。さらに、空洞がさらなる光透過材料５３２で満たされる。さらなる光透過材料５３２は、光透過材料５０２のドームに光学的に結合され、第１の発光層５０６に光学的に結合される。このことは、発光層で発生した熱の基底及び基底が一般に取り付けられるヒートシンクへの熱移動を促進する。

図５ａ（ｉｖ）に示されている発光モジュール５４０は、発光モジュール５００と似ているが、壁５４２が基底５１８に対する垂直軸に対して傾いている。壁５４２は、傾斜壁５４２に当たる光が、基底５１８への方向ではなく第１の発光層５０６に向けて反射されるような方法で傾けられる。傾斜壁５４２は、壁５４２に反射された光を発光層５０６に導き、壁５４２と基底との間で光線が何度も反射されることを防ぎ、このことは不要な光の吸収を防ぎ、即ち全ての反射は完全ではなく、全ての反射において少量の光が吸収される。

図５ａ（ｖ）に示されている発光モジュール５５０は、発光モジュール５４０の改変形態である。発光モジュール５５０の壁５５２は、曲線状の壁５５２に当たるより多くの光が第１の発光層５０６に向けて、従って、光出口窓に向けて反射されるような方法で曲げられる。さらに、基板面５１６は被膜されないが、基板間の空所５１２が反射材料で被膜される。基板５１６は、散乱孔及び／又はジルコニア粒子などの散乱粒子を含むアルミナといった散乱セラミックなどの反射材料からなることができる。したがって、基底５１８の光反射面の反射率は、面積に関して重み付けされた基板５１６及び空所５１２の反射率の平均である。

図５ａ（ｖｉ）に示されている発光モジュール５６０は、第２の発光層５０４を含まない別の改変形態である。空洞は実質的に透明な材料５６２で満たされ、発光モジュールの光出口側に曲面を有する。透明材５６２の上に第１の発光層５０６が設けられる。図示のように、ＬＥＤ５１４と第１の発光層５０６との間の距離は異なる。第１の発光層５０６から距離ｈ１の所に２個のＬＥＤが配置され、第１の発光層５０６から距離ｈ２の所に２個のＬＥＤが配置される。この実施形態では、ＬＥＤ５１４の上面との間の距離ｈの値は、平均距離：ｈ＝（ｈ１＋ｈ２）／２として計算されるべきである。発光モジュール内で３つ以上のＬＥＤが利用される事例では、この平均距離の公式がしかるべく適合される。

不図示のさらに別の実施形態では、固体発光素子ダイが追加の中間基板なしに担体板に直接接合される。これは、ダイと板との間、及びダイと板が一般に取り付けられるヒートシンクとの間の熱抵抗をさらに低下させる。ＬＥＤダイの上部を電気的に接触させるために、ワイヤボンドがあってもよい。

図５ｂは、４つの代替的な発光モジュール５７０、５８０、５９０、５９５を示す。図５ｂ（ｉ）に示されている発光モジュール５７０は、発光モジュール５２０と似ており、追加の発光層５７２を空洞内に有する。従って、例えば第１の発光層５０６内に利用される発光材料とは異なる、別の種類の発光材料の層が光反射壁５２２及び基底５１８の光反射面に施されてもよい。この別の発光材料は、第１の色の範囲の光を第３の色の範囲の光に変換する。或いは、第１の発光層で使用されるのと同じ発光材料が、光反射壁５２２及び基底５１８の光反射面に施されてもよい。追加の発光層５２７に当たる全ての光が変換されるわけではなく、一部の光は光反射壁５２２及び基底５１８の光反射面に向けて発せられ、その後空洞の方に、したがって光出口窓の方に反射される。例えば、白い発光に追加の赤色光を加えて温白色の発光を達成するために、このことが利用されてもよい。

図５ｂ（ｉｉ）に示されている発光モジュール５８０は、発光モジュール５００と似ている。第１の違いは、光出口窓に単一の発光層５０６しか設けられていないことである。製造中、発光層５０６が、例えばガラスである透明基板５８２に付けられる。発光層５０６を有する基板５８２は例えば鋸を使って切り分けられ、又はドリルで穴をあけられ、発光層５０６を有する基板５８２の一片が発光モジュール５８０の壁５１０に施される。

図５ｂ（ｉｉｉ）に示されている発光モジュール５９０は、発光モジュール５８０と似ているが、空洞が実質的に透明な材料で満たされておらず、発光層５０６を有する一切れの透明基板５８２で満たされている。この一切れは、光反射壁面及び基底５１８の光反射面に例えば透明樹脂５９２を使って接合される。透明基板５８２は例えば２ｍｍ厚で、そのためＬＥＤ５１４の上面と発光層５０６との間に約２ｍｍの高差を与える。装置の上部で、ＬＥＤ５１４によって発せられる（例えば青色）光の直接光の漏れを防ぐために、白いシリコンの縁（不図示）が発光層５０６の周縁に施されてもよい。

図５ｂ（ｉｖ）に示されている発光モジュール５９５は、発光モジュール５２０と似ている。しかし、他の種類のＬＥＤが使われている。基底５９８は、金属コアＰＣＢ（ＭＣＰＣＢ）である。比較的大きい基板なしのＬＥＤがＭＣＰＣＢ上に直接装着されてもよい。そのような応用例に適したＬＥＤは、所謂ＣＳＰ又はＣＯＢ技術で製造されるＬＥＤである。ＣＯＢとはチップオンボードを指し、ＬＥＤチップがＭＣＰＣＢ上に直接はんだ付けされる。ＣＳＰとはチップスケールパッケージを指し、ＬＥＤがその上に製造されるウェーハに担体が提供され、ＣＳＰ ＬＥＤを得るためにそのウェーハがさいの目に切られる。そのようなＣＳＰ ＬＥＤが発光モジュール５９５内に提示されている。ＣＳＰ ＬＥＤでは、担体５９７がＬＥＤチップ５９６と同じ大きさを有する。追加の（厚い）基底反射体層が必要とされなくてもよいように、ＣＳＰの側面は反射性とすることができ、ＰＣＢの表面も反射性とすることができる。

図６には、発光モジュール６００、６２０、６３０、６４０、６５０、６６０の実施形態の概略的に描かれた他の断面が示されている。発光モジュール６００、６２０、６３０、６４０、６５０、６６０は、発光層６０４、６２２、６３２、６４２、６５２、６６２と基底との間に壁を有さないが、その縁が光反射面又は基底６１０、６６４に接触する発光層６０４、６２２、６３２、６４２、６５２、６６２を有する。発光層６０４、６２２、６３２、６４２、６５２、６６２は全体として、発光モジュール６００、６２０、６３０、６４０、６５０、６６０の全光出口窓を形成する。発光モジュール６００、６２０、６３０、６４０、６５０、６６０は、基底６１０、６６４に対する垂直軸に実質的に平行な方向に光を発するだけでなく、基底の垂直軸に対して様々な発光角度でも光を発する。発光モジュール６２０の概略的な断面、図６（ｉｉ）では、発光層６２２の端部６２４が示されている。見て取れるように、端部６２４は基底６１０の光反射面に接触し、発光層６２２は基底の表面上に延びてもよい。

図６（ｉ）に示されている発光モジュール６００は、ＬＥＤ６０６を有する基板６０８がその上に設けられる基底６１０を含む。基板６０８及びＬＥＤ６０６は、光反射面を形成する光反射材料６１２によって囲まれる。ＬＥＤ６０６の発光上面は、発光層６０４とも接触する透明材６０２と光学的に結合される。発光モジュール６２０、６３０、６４０は、別の形状の発光層６２２、６３２、６４２を有し、図６（ｉｉ）、図６（ｉｉｉ）、及び図６（ｉｖ）にそれぞれ示されている。

図６（ｖ）に示されている発光モジュール６５０は、単一のチップスケールパッケージＬＥＤ６５６がその上に設けられる基底６１０を有する。多くの場合、チップスケールパッケージＬＥＤ６５６には省略形ＣＳＰ−ＬＥＤが用いられ、かかるチップスケールパッケージＬＥＤ６５６は、先の実施形態で図示したような余計な基板を含まない。ＬＥＤ６５６の周りには、発光層６５２の方に向いた光反射面を作り出す光反射材料６１２が施される。発光層６５２がその上に配置される透明材のドーム６５４が、ＬＥＤ６５６及び光反射材料６１２の上に配置される。半径ｒは、ＬＥＤ６５６と発光層６５２との間の距離である。距離ｈの定義は、この場合、半径ｒに置き換えられる。

図６（ｖｉ）に示されている発光モジュール６６０は、透明材のドームを含まないが箱形の透明材６６３を含む。さらに、基底６６４は光反射材料でできており、そのため、発光層６６２の方に向いた光反射材料の追加の層が基底６６４の表面上に設けられることはない。他の形状及び組合せも考えることができる。

概略的に図示されている発光モジュール５００、５２０、５３０、５４０、５５０、５６０、６００、６２０、６３０、６４０、６５０、６６０は、（円）対称とすることができるが、示されている断面の平面から外れて非対称とすることもできる。例えばモジュールは、細長い、チューブ、ロッド、又は円筒のような形状を形成するために、紙面に対して深度方向に細長くてもよい。複数の発光素子が、深度方向に発光素子アレイを形成することができる。かかる形状は、例えばＬＥＤ街灯やＬＥＤ後付ＴＬランプで使用され得る。数十個から数百個のＬＥＤからなるＬＥＤ発光素子アレイが原則的に使用され得る。関連する用途で要求される光出力に対応するように、様々な量の発光素子があってもよい。

図７ａには、柔軟な基底ホイル７１２上に製造された発光モジュール７００が示されている。電極接続パッド（不図示）を備える小さな基板７０８上に設けられる固体発光素子７０６が、柔軟な基底ホイル７１２上に設けられ、基板７０８間の領域が光反射材料７１０で満たされる。発光素子７０６は、柔軟な透明材７０４の層に光学的に結合される。柔軟な光透過材料７０４の上に、少なくとも１つの発光材料を含む発光層７０２が設けられる。柔軟な光透過材料７０４の全面が発光層７０２によって覆われる必要はなく、例えば表面の一部が上部反射体（top reflector）で遮られてもよい。図７ａに見られるように、発光モジュール７００は複数の固体発光素子７０６を含む。一実施形態では、比較的大きい光出口窓を得るために、比較的大きい固体発光素子の二次元アレイが設けられる。先の実施形態に合致して、固体発光素子７０６と発光層７０２との間の距離は、固体発光素子７０６の上面の最大直線寸法に依存する範囲内にあるべきであり、基板７０８と光反射材料７１０との組合せによって形成される基底７１２の光反射面の平均反射率は、固体発光素子７０６の反射率よりも実質的にかなり大きなものとなるべきである。さらに、固体発光素子は、光反射材料７１０及び基板７０８によって形成される光反射面の比較的狭い部分だけを覆うべきである。光反射面の反射係数Ｒｂａｓｅは、全光反射面の平均反射率として定められることを指摘しておく。従って、反射係数Ｒｂａｓｅは、基板の反射係数と光反射材料の反射係数との間の加重平均であり、好ましくは、重みは特定の材料によって覆われる総面積の部分によって形成される。

図７ｂには、柔軟な発光モジュール７５０の別の実施形態が示されている。発光モジュール７５０は、発光モジュール７００と似ているが、基底が、透明材７０４の一面に施される光反射ホイル７５４だけからなる。光反射ホイル７５４が施される面と反対側の、柔軟な透明材７０４の反対側には発光層７０２が配置される。固体発光素子７０６がその上に設けられる基板７０８を支えるワイヤ、バー、又はロッド７５２が透明材の中に設けられる。ワイヤ、バー、又はロッド７５２は、固体発光素子７０６に電力を供給する。固体発光素子の上面から発光層７０２までの距離が、ｈで示されている。距離ｈは、固体発光素子面積比ρ_ＳＳＬが０．１未満の場合、好ましくは固体発光素子７０６の上面の最大直線寸法ｄ_ＳＳＬに０．３を掛けた値以上であり、固体発光素子７０６の上面の最大直線寸法ｄ_ＳＳＬに５を掛けた値以下である。０．１以上の最小値及び０．２５以下の最大値を有する範囲内にある固体発光素子面積比ρ_ＳＳＬの値では、距離ｈは、好ましくは固体発光素子７０６の上面の最大直線寸法ｄ_ＳＳＬに０．１５を掛けた値以上であり、固体発光素子７０６の上面の最大直線寸法ｄ_ＳＳＬに３を掛けた値以下である。０．２５を上回る固体発光素子面積比ρ_ＳＳＬの値では、距離ｈは、好ましくは固体発光素子７０６の上面の最大直線寸法ｄ_ＳＳＬに０．１を掛けた値以上であり、固体発光素子７０６の上面の最大直線寸法ｄ_ＳＳＬに２を掛けた値以下である。この基準は、発光モジュール７００にも当てはまることを指摘しておく。さらに、先に論じた実施形態に合致して、光反射ホイル７５４の基底反射係数Ｒｂａｓｅは、固体発光素子７０６の固体発光素子反射係数Ｒ＿ＳＳＬよりも大きく、好ましくは、光反射ホイル７５４の基底反射係数Ｒｂａｓｅは、Ｒｂａｓｅ＞Ｒ＿ＳＳＬ＋ｃ（１−Ｒ＿ＳＳＬ）に従って固体発光素子７０６の固体発光素子反射係数Ｒ＿ＳＳＬに関係し、さらにこの場合、因子ｃの値は、先の実施形態の一部の中で説明したように、この場合基底の反射面積だけを含む固体発光素子面積比ρ_ＳＳＬに依存する。

図８ａ−８ｃは、本発明による発光モジュールの実施形態の概略的断面図を示す。図８ａは、例えばアルミナや窒化アルミニウムを含む基板担体２０２０上のＬＥＤダイ２０３０を含む、発光モジュール２０００の概略的断面を示す。基板担体２０２０は、電気接点２０１５、例えばはんだ接点を介してプリント回路基板２０１０の接点パッドに電気的に接続される。プリント回路基板２０１０は、誘電体絶縁層によって覆われるアルミニウム基底（不図示）を含むメタルコアプリント回路基板とすることができる。誘電体層上に導電性電極及び接点パッドが設けられ、電極ははんだマスク保護層（不図示）によって保護される。ＬＥＤダイ２０３０は、透明保護層２０３５、例えば透明なシリコン層で覆われる。ＬＥＤダイ２０３０、基板担体２０２０、及び透明保護層２０３５を含むＬＥＤパッケージ又は装置の間に、反射層２０４０、例えば白いＴｉＯ２着色シリコンが設けられる。プリント回路基板２０１０、壁２０５０、及び発光層２０６０によって空洞が画定される。壁２０５０は、例えばシリコンで調合されるＴｉＯ２を含み、発光層２０６０は、例えば蛍光体材料を含む。透明保護層２０３５及び反射層２０４０上に、透明保護層２０３５と充填層２０５５との間の光学的結合を可能にする、例えばシリコンを含む光学的接合層２０４５が設けられ、充填層２０５５は例えばガラスを含み、光学的接合層２０４５、発光層２０６０、及び壁２０５０の間の空洞を実質的に満たす。

図８ｂは、例えばアルミナや窒化アルミニウムを含む基板担体２１２０上のＬＥＤダイ２１３０を含む、発光モジュール２１００の概略的断面を示す。基板担体２１２０は、電気接点２１１５、例えばはんだ接点を介してプリント回路基板２１１０の接点パッドに電気的に接続される。プリント回路基板２１１０は、図８ａに示されている発光モジュール２０００に関して説明したメタルコアプリント回路基板とすることができる。ＬＥＤダイ２１３０は、透明保護層２１３５、例えば透明なシリコン層で覆われる。ＬＥＤダイ２１３０それぞれの透明保護層２１３５上に、例えばシリコンを含む光学的接合層２１４５が設けられる。光学的接合層２１４５を含むＬＥＤパッケージ又は装置であって、ＬＥＤダイ２１３０、基板担体２１２０、及び透明保護層２１３５を含む、ＬＥＤパッケージ又は装置の間に、反射層２１４０、例えば白いＴｉＯ２着色シリコンが設けられる。プリント回路基板２１１０、壁２１５０、及び発光層２１６０によって空洞が画定される。壁２１５０は、例えばシリコンで調合されるＴｉＯ２を含み、発光層２１６０は、例えば蛍光体材料を含む。例えばガラスを含む充填層２１５５が、光学的接合層２１４５、反射層２１４０、発光層２１６０、及び壁２１５０の間の空洞を実質的に満たす。光学的接合層２１４５は、透明保護層２１３５と充填層２１５５との間の光学的結合を可能にする。例えば光学的接合層２１４５を介してＬＥＤパッケージ又は装置を充填層２１５５に接合した後のアンダーフィル又はオーバーモールドにより、反射層２１４０がＬＥＤパッケージ又は装置の間に設けられる。

図８ｃは、例えばアルミナや窒化アルミニウムを含む基板担体２３２０上のＬＥＤダイ２３３０を含む、発光モジュール２３００の概略的断面を示す。基板担体２３２０は、電気接点２３１５、例えばはんだ接点を介してプリント回路基板２３１０の接点パッドに電気的に接続される。プリント回路基板２３１０は、図８ａに示されている発光モジュール２０００に関して説明したメタルコアプリント回路基板とすることができる。ＬＥＤダイ２３３０及び基板担体２３２０を含むＬＥＤパッケージ又は装置の間に、反射層２３４０、例えば白いＴｉＯ２着色シリコンが設けられる。プリント回路基板２３１０、壁２３５０、及び発光層２３６０によって空洞が画定される。壁２３５０は、例えばシリコンで調合されるＴｉＯ２を含み、発光層２３６０は、例えば蛍光体材料を含む。反射層２３４０及びＬＥＤ装置又はパッケージ上に、ＬＥＤパッケージ又は装置と充填層２３５５との間の光学的結合を可能にする、例えばシリコンを含む光学的接合層２３４５が設けられ、充填層２３５５は例えばガラスを含み、光学的接合層２３４５、発光層２３６０、及び壁２３５０の間の空洞を実質的に満たす。この発光モジュール２３００は、ＬＥＤダイ２３３０が透明保護層で覆われず、光学的接合層２３４５で覆われる点で図８ａに示されている発光モジュール２０００と異なる。

本発明に従い、いくつかの実施形態が製造された。第１の試みでは、１８００ルーメンの光束を有するダイの直上に蛍光体がある、１６個のＬＥＤを含むＰｈｉｌｉｐｓ Ｆｏｒｔｉｍｏ ＳＬＭ発光モジュールが基準として使われた。本発明の一実施形態による発光モジュールは、Ｌｕｍｉｒａｍｉｃ（商標）蛍光体層がＬＥＤから２．１ｍｍの距離にあり、空洞径が２２ｍｍある状態で、高反射混合室内に１６個の青色発光ＬＥＤを含んだ。６４０ｍＡでは、因子が３０％から５０％の間で変動しながら、電力変換効率（ＷＰＥ：Wall Plug Efficiency）が改善された。電力変換効率とは、電力が（ワット単位の）光パワーに変換されるエネルギ変換効率であり、入力電力に対する放射束（即ち放射パワーとも呼ばれる、単位時間当たりの放射エネルギ）の比率としても定められる。図９は、１６個のＬＥＤを有する本発明の一実施形態による発光モジュールの１つに対し、変化する電流水準で実行された測定の結果を示す。水平なｘ軸は電流水準を表し、垂直なｙ軸は、ＬＥＤの真上に蛍光体を有する１６個のＬＥＤを備える基準発光モジュールの放射束に対する、１６個のＬＥＤを有する本発明の一実施形態による発光モジュールの１つの放射束のゲイン又は改善を表す。図９は、電流が増加するとき、基準発光モジュールに対する放射束の改善が高まることを示し、このことは基準に対する蛍光体層の改善された光熱性能によるものであり得る。

別の試みでは、それぞれがＬＥＤから２．１ｍｍの距離にＬｕｍｉｒａｍｉｃ（商標）蛍光体層を有する、１ｍｍ^２の上面積をそれぞれ有する９個のＬＥＤ、及び２ｍｍ^２の上面積をそれぞれ有する４個のＬＥＤを含む発光モジュールが本発明の一実施形態に従って製作された。放射束の測定値は、真上に蛍光体を有する１６個のＬＥＤを備える基準発光モジュールに対し、２０％から４０％の間で変動する放射束の改善を示した。

図１０ａ−ｃは、別の比較上の試みの概略的断面を示す。図１０ａは、基底基板８５１上に配置される、発光層８５３が直上にある４個のＬＥＤ８５２（１個のＬＥＤは不図示）を含む第１の基準発光モジュール８５０の概略的断面を示す。各ＬＥＤは、ドーム形の光学素子８５４で覆われている。図１０ｂは、基底基板８５１上でＬＥＤ間に施される反射層８５５のために第１の基準発光モジュールと異なる、第２の基準発光モジュール８６０の概略的断面を示す。図１０ｃは、反射層８７５で覆われる基底基板８７１上の４個のＬＥＤ８７２（１個のＬＥＤは不図示）を含む、本発明の一実施形態による発光モジュール８７０の概略的断面を示す。ＬＥＤは、ＬＥＤ８７２の上面から２．１ｍｍの距離にある発光層８７３で覆われる空洞８７４内に配置される。放射束の測定値は、第１の基準発光モジュール８５０の放射束に対する、第２の基準発光モジュール８６０の放射束の約４％の改善（７００ｍＡで測定）を示し、この改善は、第２の基準発光モジュール８６０における追加の反射層８５５に主に起因する。第１の基準発光モジュール８５０の放射束に対する、本発明の一実施形態による発光モジュール８７０の測定された放射束の改善は約２５％である（７００ｍＡで測定）。

図１１、１２、１３、及び１４は、本発明による発光モジュールのシミュレーション結果を有するグラフを示す。光線トレーシングソフトウェアパッケージを使い、本発明による発光モジュールの光学モデルが構築された。このモデルは、１×１ｍｍ^２の上面をそれぞれ有するダイを備える７個の青色発光ＬＥＤを含む。従って、これらのＬＥＤの上面の最大直線寸法ｄ_ＳＳＬは約１．４ｍｍである。ＬＥＤダイは、約７０％の第１のスペクトル範囲及び第２のスペクトル範囲にわたる加重平均による拡散反射率を有し、これは典型的な粗面処理されたＧａＮタイプのＬＥＤダイに一致する。空洞は、変化する直径を有する円形である。ＬＥＤは高反射基板上に均一に分散され、空洞を形成する光反射壁で囲まれる。空洞の光出口窓は、セラミック蛍光体を含む発光層及びシリコン内に別の蛍光体の粒子を有する追加の被膜層によって覆われる。光出口窓を介して発光モジュールによって発せられる光は、温白色点を有する。

これらの光学的シミュレーションは、拡散反射し、鏡面反射し、又はその組合せの壁及び／又は基底が、発光モジュールの性能に対して数パーセント程度の軽微な影響しかないことを示す。この影響は、とりわけ空洞の面積比及び形状寸法に依存する。

図１１は、固体発光素子面積比のいくつかの値に関する光学効率に対する因子ｃの影響を示す。図１１において、垂直のｙ軸が、混合空洞を出る白色光の光束Ｗｗｈｉｔｅ（単位：ワット）と、第１のスペクトル範囲内、通常は青色スペクトル範囲内で固体発光素子によって発せられる青色全光束Ｗｂｌｕｅ（単位：ワット）との比率によって表される、光学性能の効率の最適値を表す。光学効率の最適値は、固体発光素子の上面と発光層との間の距離ｈを変えることによって求められる。水平のｘ軸は、公式Ｒｅｆｆ＞Ｒ＿ＳＳＬ＋ｃ＊（１−Ｒ＿ＳＳＬ）に由来する因子ｃを表す。曲線８０１は、この場合では、０．０１から０．０２の間で変化する固体発光素子面積比ρ_ＳＳＬの比較的低い値の範囲を示し、曲線８０２は、この場合では、０．１９から０．２８の間で変化する固体発光素子面積比ρ_ＳＳＬの中間の値の範囲を示し、曲線８０３は、この場合では、０．３９から０．６８の間で変化する固体発光素子面積比ρ_ＳＳＬの比較的高い値を有する範囲を示す。ＬＥＤの真上に発光層を有する基準発光モジュールは約０．５の光学効率を示し、従って、この場合では、基準発光モジュールに優る効率改善は、０．５を上回る光学効率の値で達成される。図１１は、固体発光素子面積比ρ_ＳＳＬの比較的低い値の範囲内で０．５を上回る光学効率を有するには、因子ｃが約０．２を上回るべきことを示し、固体発光素子面積比ρ_ＳＳＬの中間の値の範囲内で０．５を上回る光学効率を有するには、約０．３を上回るべきことを示し、固体発光素子面積比ρ_ＳＳＬの比較的高い値の範囲内で０．５を上回る光学効率を有するには、約０．４を上回るべきことを示す。固体発光素子面積比ρ_ＳＳＬのそれぞれの範囲内のより大きい因子ｃの値では、光学効率の一層優れた値が到達され得る。

図１２は、グラフ内でＨｏｐｔとして示される最適距離ｈの、空洞壁の反射係数Ｒｗａｌｌに対する依存性を示す。最適距離Ｈｏｐｔとは、発光モジュールの光学効率が最適である、例えば極大を有する、固体発光素子の上面と発光層との間の距離ｈである。図１２では、垂直のｙ軸が最適距離ＨｏｐｔとＬＥＤの最大直線寸法ｄ_ＳＳＬとの商（quotient）を示し、水平のｘ軸が空洞壁の反射係数Ｒｗａｌｌを％単位で示す。この場合では、基底及び壁に対するＬＥＤ面積比ρ_ＳＳＬが曲線ごとに異なり、なぜなら、曲線８１１、８１２、８１３のそれぞれがＬＥＤの上面と発光層との間の可変距離ｈ、従って、壁の可変高を表し、よって、壁及び基底の総反射面積に対するＬＥＤ面積比ρ_ＳＳＬが変化するからである。曲線８１１では、総ＬＥＤ面積比ρ_ＳＳＬが０．０１から０．０２の間で変化し、曲線８１２では、総ＬＥＤ面積比ρ_ＳＳＬが０．１６から０．２２の間で変化し、曲線８１３では、総ＬＥＤ面積比ρ_ＳＳＬが０．２８から０．４１の間で変化する。基底の反射係数Ｒｂａｓｅは、この事例場合では、８５％から９５％の範囲内にある。発光層とＬＥＤとの間の最適距離Ｈｏｐｔは、ＬＥＤ及び空洞壁における光吸収損失のバランスによって決められる。ＬＥＤの上面と発光層との間の比較的低い距離ｈの値では、ＬＥＤによって発せられる光はＬＥＤ、ＬＥＤ基板、及びＬＥＤ内の基底反射体の表面と最も有力に相互作用する。ＬＥＤの上面と発光層との間の比較的大きい距離ｈの値では、壁の面積が大勢を占めるようになり、吸収損失は壁に左右される。発光層とＬＥＤとの間の最適距離Ｈｏｐｔは、壁の表面の反射係数Ｒｗａｌｌ及びＬＥＤ面積比パラメータρ_ＳＳＬに主に依存する。平均すると、比較的低いＬＥＤ面積比ρ_ＳＳＬ及び壁反射係数Ｒｗａｌｌの典型的な値、例えば８０％から９０％の範囲内では、最適距離ＨｏｐｔはＬＥＤの最大直線寸法ｄ_ＳＳＬの半分程度である。壁反射係数Ｒｗａｌｌの値を例えば９５％超まで高めることは、ＬＥＤと発光層との間の最適距離Ｈｏｐｔの増加をもたらす。ＬＥＤ面積比ρ_ＳＳＬを高めることは、最適距離Ｈｏｐｔの低下をもたらす。Ｒｗａｌｌ＜９５％、並びに０＜ρ_ＳＳＬ＜０．１で０．３＊ｄ_ＳＳＬ≦ｈ≦０．７５＊ｄ_ＳＳＬが成立する場合、０．１≦ρ_ＳＳＬ≦０．２５で０．１５＊ｄ_ＳＳＬ≦ｈ≦０．３＊ｄ_ＳＳＬが成立する場合、及びρ_ＳＳＬ＞０．２５で０．１＊ｄ_ＳＳＬ≦ｈ≦０．２＊ｄ_ＳＳＬが成立する場合、比較的効率的な発光モジュールが提供されることが分かった。さらに、Ｒｗａｌｌ≧９５％の場合、発光モジュールが以下の基準を満たす場合、即ち０＜ρ_ＳＳＬ＜０．１で０．７５＊ｄ_ＳＳＬ≦ｈ≦２＊ｄ_ＳＳＬが成立する場合、０．１≦ρ_ＳＳＬ≦０．２５で０．３＊ｄ_ＳＳＬ≦ｈ≦０．７＊ｄ_ＳＳＬが成立する場合、及びρ_ＳＳＬ＞０．２５で０．２＊ｄ_ＳＳＬ≦ｈ≦０．５＊ｄ_ＳＳＬが成立する場合、比較的効率的な発光モジュールが提供されることが分かった。図１２の結果は、基底に対して直角な壁を有する空洞及び均一のＬＥＤ配置だけを考慮する。傾斜壁及び／又は不均一のＬＥＤ配置では、ＬＥＤと発光層との間の最適距離が高まる場合がある。

図１３は、基底反射係数と壁反射係数とのいくつかの組合せでの、光学効率に対する総固体発光素子面積比ρ_ＳＳＬの影響を示す。図１３では、垂直のｙ軸が、混合空洞を出る白色光の光束Ｗｗｈｉｔｅ（単位：ワット）と、第１のスペクトル範囲内、通常は青色スペクトル範囲内で固体発光素子によって発せられる青色全光束Ｗｂｌｕｅ（単位：ワット）との比率によって表される、光学性能の効率の最適値を表す。光学効率の最適値は、固体発光素子の上面と発光層との間の距離ｈを変えることによって求められる。水平のｘ軸は、基底面積及び壁面積に対する固体発光素子面積比ρ_ＳＳＬを表す。基底反射係数Ｒｂａｓｅの２つの異なる値、及び空洞壁の反射係数Ｒｗａｌｌの３つの異なる値について合計６本の曲線８２１、８２２、８２３、８２４、８２５、８２６が図示されている。曲線８２１はＲｂａｓｅ＝８０％及びＲｗａｌｌ＝９０％を表し、曲線８２２はＲｂａｓｅ＝８０％及びＲｗａｌｌ＝９８％を表し、曲線８２３はＲｂａｓｅ＝９０％及びＲｗａｌｌ＝９０％を表し、曲線８２４はＲｂａｓｅ＝９０％及びＲｗａｌｌ＝９８％を表し、曲線８２５はＲｂａｓｅ＝９８％及びＲｗａｌｌ＝９０％を表し、曲線８２６はＲｂａｓｅ＝９８％及びＲｗａｌｌ＝９８％を表す。図１３は、光混合空洞の光学効率の最適値と固体発光素子面積比ρ_ＳＳＬとの間に逆相関があることを示す。図１３は、固体発光素子面積比ρ_ＳＳＬの値の３つの範囲が区別され得ることをさらに示し、その３つの範囲とはつまり、固体発光素子面積比ρ_ＳＳＬの比較的低い値の範囲、中間の値の範囲、及び比較的高い値の範囲である。ρ_ＳＳＬの比較的低い値、例えばρ_ＳＳＬ＜０．１では、光学効率の値に対する壁の反射係数Ｒｗａｌｌの値の影響は、基底の反射係数Ｒｂａｓｅの値の影響に比べほとんど無視できるほどで、即ちこの固体発光素子面積比ρ_ＳＳＬの比較的低い値の範囲では、基底反射係数Ｒｂａｓｅの値を変えることは発光モジュールの光学効率に対して影響を及ぼし、壁反射係数Ｒｗａｌｌの値を変えることは、光学効率に無視できるほどの影響を及ぼす。ρ_ＳＳＬの比較的高い値では、例えばρ_ＳＳＬ＞０．２５の場合、光学効率の値に対する壁の反射係数Ｒｗａｌｌの値の影響は、基底の反射係数Ｒｂａｓｅの影響に匹敵し、即ちこの固体発光素子面積比ρ_ＳＳＬの高い値の範囲では、基底反射係数Ｒｂａｓｅの値を変えることは、発光モジュールの光学効率に対して壁反射係数Ｒｗａｌｌの値を変えることに匹敵する影響を及ぼす。ρ_ＳＳＬの中間の値、例えば０．１≦ρ_ＳＳＬ≦０．２５では、光学効率の値に対する基底の反射係数Ｒｂａｓｅの影響は、壁の反射係数Ｒｗａｌｌの値の影響よりも大きく、この範囲内では無視できるほどであい、即ちこの固体発光素子面積比ρ_ＳＳＬの中間の値の範囲では、基底反射係数Ｒｂａｓｅの値を変えることは発光モジュールの光学効率に対して影響を及ぼし、壁反射係数Ｒｗａｌｌの値を変えることも光学効率に影響を及ぼすが、影響の程度はより小さい。

図１４は、本発明の一態様による、基底及び壁の実効反射係数Ｒｅｆｆに応じて光学効率のゲインが実現される、最大可能固体発光素子面積比（maximum possible solid state light emitter area ratio）の依存関係を示す。図１４の垂直のｙ軸は、発光層が固体発光素子の真上に配置される発光モジュールに関して光学効率の改善が達成される、ρ_{ＳＳＬ，ＭＡＸ}として示される最大可能固体発光素子面積比を表す。水平のｘ軸は、空洞の基底及び壁面の実効反射係数Ｒｅｆｆを表す。１組のデータ点８３１は、固体発光素子の最大直線寸法ｄ_ＳＳＬに０．３５を掛けた値である固体発光素子の表面と発光層との間の距離ｈを表し、１組のデータ点８３２は、固体発光素子の最大直線寸法ｄ_ＳＳＬに１．０４を掛けた距離ｈを表し、１組のデータ点８３３は、固体発光素子の最大直線寸法ｄ_ＳＳＬに１．７３を掛けた距離ｈを表す。これらの結果は、発光層が固体発光素子の真上に配置される同数の固体発光素子に比べ、比較的大きい光再利用効率及び比較的優れた性能を依然として可能にする、一定の距離ｈにおける最大可能固体発光素子面積比ρ_{ＳＳＬ，ＭＡＸ}を予測できるようにする。図１４から、実効反射係数Ｒｅｆｆのより大きい値は、発光層が固体発光素子の真上に配置される基準状況に関して光学効率の改善を依然として実現しながら、（固体発光素子の上面と発光層との間の距離ｈに応じた）固体発光素子面積比のより大きい値ρ_{ＳＳＬ，ＭＡＸ}を可能にすることが結論付けられ得る。固体発光素子と発光層との間の距離ｈを増やすことは、発光層が固体発光素子の真上に配置される基準状況に関して光学効率の改善を依然として可能にする実効反射係数Ｒｅｆｆの同様の値で、最大許容固体発光素子面積比（maximum allowed solid state light emitter area ratio）ρ_{ＳＳＬ，ＭＡＸ}を低下させる。

図１５は、基底に対して直角な壁及び傾斜壁を伴う空洞を有する、本発明による発光モジュールの光学モデリング結果の比較を示す。これらの結果は、それぞれが２ｍｍ^２のダイ面積を有する４個のＬＥＤを用いた光学シミュレーションモデリングから得られた。発光層の直径は６．５ｍｍであり、基底面積だけに対するＬＥＤ面積比ρ_ＳＳＬは、直角壁及び傾斜壁のそれぞれについて０．２４１及び０．２９８である。また、この場合、基底及び壁に対するＬＥＤ面積比ρ_ＳＳＬは、ＬＥＤと発光層との間の距離ｈに応じて変わる。傾斜壁の反射面と基底の反射面との間の角度は、この場合５度から３３度の範囲内にある。図１５では、垂直のｙ軸は、混合空洞を出る白色光の光束Ｗｗｈｉｔｅ（単位：ワット）と、青色スペクトル範囲内で固体発光素子によって発せられる青色全光束Ｗｂｌｕｅ（単位：ワット）との比率として表される光学性能の効率を表し、水平のｘ軸は、ＬＥＤの上面と発光層との間の距離ｈをミリメートル単位で表す。曲線８４１は直角壁を有する発光モジュールを表し、曲線８４０は勾配のついた又は傾斜した壁を有する発光モジュールを表す。ＬＥＤ面積比ρ_ＳＳＬが中間の値の範囲内にあるこの実施形態では、壁の傾斜により比較的高い光学効率が実現され得ることが明らかである。この場合の光学効率の最適値は、傾斜壁及び直角壁のそれぞれについて約１．１ｍｍ及び０．７５ｍｍであるＬＥＤの上面と発光層との間の距離ｈにおいて実現され、この距離では、基底及び壁に対するＬＥＤ面積比ρ_ＳＳＬは、真っ直ぐな壁を有する発光モジュールでは０．１８であり、勾配のついた又は傾斜した壁を有する発光モジュールでは０．２１である。中間のＬＥＤ面積比ρ_ＳＳＬを有する発光モジュールでは、壁から反射されるかなりの光量が低反射のＬＥＤ面積上に当たり得る。壁を傾斜させることは、発光層を含む出口窓の方に光の向きをより効率的に変えることによりこの状況を改善し、結果として比較的大きいＷｗｈｉｔｅ／Ｗｂｌｕｅの値をもたらし、従って、光学効率の改善をもたらす。ＬＥＤ面積比ρ_ＳＳＬの比較的大きい値では、この効果がよりはっきりと分かるようになる。ＬＥＤ面積比ρ_ＳＳＬの比較的小さい値では、壁がＬＥＤからさらに離れており、壁を傾斜させることは光学効率に対して比較的小さい効果を有する。

製造の観点から、ＬＥＤパッケージ間の空所を白い反射材量で埋めることなしに、ＬＥＤダイが高反射ＰＣＢ板上に配置され得る。この場合、基底の反射面は、ＬＥＤダイの表面よりも著しく低い水平面上に配置されてもよい。発光層の最適位置に対する、ＬＥＤの上面と発光層との間の距離ｈ及び反射基底面と発光層との間のｈ２として示される距離の影響が、１個のＬＥＤを有する本発明による発光モジュールの光線トレースモデリングによって調査された。図１６ａは、基底９０６、固体発光素子９０８、例えばＬＥＤ、及びＬＥＤ９０８の上面９０３よりも発光層９０２からさらに離れた、即ちｈ２＞ｈが成立する反射基底面９０１を有する第１の発光モジュール９００の断面を示す。図１６ｂは、反射基底面９０１がＬＥＤの上面９０３よりも発光層９０２に近い、即ちｈ２＜ｈが成立する第２の発光モジュール９１０、例えばＬＥＤの断面を示す。後者の場合、反射基底の中心に例えば角度が４５度の円錐形の孔又は凹みがある。

図１６ｃはシミュレーションの結果を示し、図中、垂直のｙ軸は、混合空洞を出る白色光の光束Ｗｗｈｉｔｅ（単位：ワット）と、第１の青色スペクトル範囲内で固体発光素子９０８によって発せられる青色全光束Ｗｂｌｕｅ（単位：ワット）との比率として表される光学性能の効率を表し、水平のｘ軸は、発光層９０２と固体発光素子９０８の上面９０３との間の距離ｈを表す。図１６ｃは、反射基底面９０１と発光層９０２との間の距離ｈ２と、ＬＥＤの上面９０３と発光層９０２との間の距離ｈとの差についての異なる値をそれぞれが表す、７本の曲線９５１、９５２、９５３、９５４、９５５、９５６、９５７を示す。曲線９５１、９５２、及び９５３は、反射基底面９０１がＬＥＤの上面９０３よりも発光層９０２から離れている、即ちｈ２＞ｈが成立する第１の発光モジュール９００のバリエーションを示し、曲線９５１はｈ２＝ｈ＋１．５ｍｍを表し、曲線９５２はｈ２＝ｈ＋１．０ｍｍを表し、曲線９５３はｈ２＝ｈ＋０．５ｍｍを表す。曲線９５４は、反射基底面９０１と発光層９０２との間の距離ｈ２が、ＬＥＤの上面９０３と発光層９０２との間の距離ｈに等しい、即ちｈ２＝ｈが成立する状況を表す。曲線９５５、９５６、及び９５７は、反射基底面９０１がＬＥＤの上面９０３よりも発光層９０２に近い、即ちｈ２＜ｈが成立する第２の発光モジュール９１０のバリエーションを示し、曲線９５５はｈ２＝ｈ−０．５ｍｍを表し、曲線９５６はｈ２＝ｈ−１．０ｍｍを表し、曲線９５７はｈ２＝ｈ−１．５ｍｍを表す。図１６ｃの曲線から、反射基底面９０１がＬＥＤの上面９０３よりも発光層９０２に近い、即ちｈ２＜ｈが成立するＬＥＤ装置９１０では、光学効率が最適条件、例えば極大を有する距離ｈの値である、ＬＥＤの上面９０３と発光層９０２との間の距離ｈの最適値は、反射基底面９０１と発光層９０２との間の距離ｈ２にほとんど関係ないことが結論付けられ得る。したがって、上記で定められた固体発光素子の上面と発光層との間の距離ｈのための基準は、この第１の発光モジュール９００にも適用され得る。反射基底面９０１がＬＥＤの上面９０３よりも発光層９０２に近い場合、例えばＬＥＤが反射基底内の凹みの中に配置される、即ちｈ＞ｈ２が成立する場合、効率が最適条件を有する距離ｈは、反射基底面９０１とＬＥＤ面９０３が発光層９０２までの等しい距離を有する状況と比較してより大きい。反射基底面９０１がＬＥＤの上面９０３よりも発光層９０２に近い、即ちｈ２＜ｈが成立する第２の発光モジュール９１０では、距離に関する基準が、ρ_ＳＳＬ＜０．１では０．４＊ｄ＋Δｈ／２＜ｈ＜５＊ｄ＋Δｈ／２、０．１≦ρ_ＳＳＬ≦０．２５では０．１５＊ｄ＋Δｈ／２＜ｈ＜３＊ｄ＋Δｈ／２、及びρ_ＳＳＬ＞０．２５では０．１＊ｄ＋Δｈ／２＜ｈ＜２＊ｄ＋Δｈ／２に変わり、Δｈは、反射基底面９０１とＬＥＤの上面９０３との間の距離の絶対値であり、即ちΔｈ＝｜ｈ２−ｈ｜が成立する。

基底上への複数の固体発光素子の相対的な位置付け又は配置は、別の設計パラメータである。空洞内の固体発光素子の配置は、発光層を含む空洞の出口窓における光束の分布及び均一性に影響し得る。熱ホットスポットを引き起こす場合がある光学ホットスポットを回避することが望ましい。これは、例えば比較的長い距離が原因で及び／又は一部の実施形態では空洞壁の比較的高い熱伝導率と比較し、空洞を満たす光学材料の比較的低い熱伝導率により、発光層内の熱負荷がＰＣＢ板及びヒートシンクにより移りにくい空洞の中心でとりわけ重要である。

効率及びＬＥＤと発光層との間の最適距離に対する空洞内の様々なＬＥＤ分布の影響が、本発明による発光モジュールの光線トレースモデリングによって調査される。図１７ａは、基底９８２の中心に１個のＬＥＤ９８４が配置され、配置半径ｒ_ｐｌを有する仮想円上に他の６個のＬＥＤ９８３が中心から及び互いから等距離に配置される、壁９８１及び基底面９８２を有する発光モジュール９８０の概略的な平面図を示す。この場合の発光モジュール９８０は、それぞれが１×１ｍｍ^２の面積を有する７個のＬＥＤを含む。計算は３つの異なる値、基底半径ｒ_ｂａｓｅ７．４６ｍｍ、３．０５ｍｍ、及び２．３６ｍｍのそれぞれについて行われる。ＬＥＤの上面と発光層との間の距離は変えられており、異なる壁の高さの値、従って、異なる壁の面積をもたらしている。従って、基底及び壁に対する固体発光素子面積比ρ_ＳＳＬの値は、ｒ_ｂａｓｅが７．４６ｍｍの場合は０．０２から０．０４の間に及び、ｒ_ｂａｓｅが３．０５ｍｍの場合は０．０９から０．２２の間に及び、ｒ_ｂａｓｅが２．３６ｍｍの場合は０．１３から０．３９の間に及ぶ。図１７ｂ、１７ｃ、及び１７ｄは、光線トレーシングシミュレーションの結果を示し、図中、垂直のｙ軸は、混合空洞を出る白色光の光束Ｗｗｈｉｔｅ（単位：ワット）と、青色スペクトル範囲内で固体発光素子によって発せられる青色全光束Ｗｂｌｕｅ（単位：ワット）との比率として表される光学性能の効率を表し、水平のｘ軸は、発光層とＬＥＤの上面との間の距離ｈをミリメートル単位で表す。図１７ｂ、１７ｃ、及び１７ｄ内の異なる曲線は、配置半径ｒ_ｐｌの異なる値を表す。図１７ｂでは、７．４６ｍｍの基底半径ｒ_ｂａｓｅにおける結果を示し、曲線１１０１はｒ_ｐｌ＝１．２ｍｍを表し、曲線１１０２はｒ_ｐｌ＝１．５ｍｍを表し、曲線１１０３はｒ_ｐｌ＝２．５ｍｍを表し、曲線１１０４はｒ_ｐｌ＝３．５ｍｍを表し、曲線１１０５はｒ_ｐｌ＝４．５ｍｍを表し、曲線１１０６はｒ_ｐｌ＝５．５ｍｍを表し、曲線１１０７はｒ_ｐｌ＝６．５ｍｍを表す。図１７ｃでは、３．０５ｍｍの基底半径ｒ_ｂａｓｅにおける結果を示し、曲線１１１１はｒ_ｐｌ＝１．２ｍｍを表し、曲線１１１２はｒ_ｐｌ＝１．４ｍｍを表し、曲線１１１３はｒ_ｐｌ＝１．８ｍｍを表し、曲線１１１４はｒ_ｐｌ＝２．２ｍｍを表す。図１７ｄでは、２．３６ｍｍの基底半径ｒ_ｂａｓｅにおける結果を示し、曲線１１２１はｒ_ｐｌ＝１．２ｍｍを表し、曲線１１２２はｒ_ｐｌ＝１．４ｍｍを表し、曲線１１２３はｒ_ｐｌ＝１．６ｍｍを表す。

図１７ｂの曲線を図１７ｃ及び図１７ｄの曲線と比べることは、光学効率に対する異なるＬＥＤ配置の影響、及び効率が最適条件を有するＬＥＤの上面から発光層までの最適距離が、比較的低いＬＥＤ面積比ρ_ＳＳＬを有する空洞についてより顕著になることを示し、その結果は図１７ｂに示されている。図１７ｂは、外側のＬＥＤが、配置半径ｒ_ｐｌの最低値及び曲線１１０１に対応する中心の比較的近くに配置され、又は配置半径ｒ_ｐｌの最大値及び曲線１１０７に対応する壁の比較的近くに配置される、ＬＥＤ配置の２つの極端な事例をさらに示す。どちらの極端な事例も、比較的低い光学効率の値をもたらす。

ＬＥＤ間の空所がＬＥＤの大きさに匹敵するようにＬＥＤがお互い比較的近くに配置される場合、ＬＥＤそれぞれの周りの基底面の反射率が著しく低下し、その状況は１つの大きいＬＥＤダイのモデル（マルチダイＬＥＤ）で近似され得る。このマルチダイＬＥＤの状況では、効率的な光の再利用を実現するためにＬＥＤの上面と発光層との間の最適距離が増加され、このことは、比較的低いＬＥＤ面積比ρ_ＳＳＬを有する発光モジュールについて明確に視認できる（図１７ｂ参照）。中位から高いＬＥＤ面積比ρ_ＳＳＬを有する発光モジュールでは、この効果はあまりはっきりしない（図１７ｃ及び１７ｄ）。これらの後者の発光モジュールでは、光学効率に対するＬＥＤ配置の影響はより少なく、即ちＬＥＤをより中心に近く又はより空洞壁に近く配置することは、比較的低いＬＥＤ面積比ρ_ＳＳＬの値を有する発光モジュールよりも光学効率に対してより少ない影響を有する。

光学的効率上の理由から、固体発光素子を互いから等距離に、及び壁から等距離に配置することが好ましい。固体発光素子を不均一に配置することは、ホットスポットを引き起こし、固体発光素子内の光吸収損失も高める。固体発光素子面積比ρ_ＳＳＬの比較的高い値は、固体発光素子の配置に対する光学効率Ｗｗｈｉｔｅ／Ｗｂｌｕｅの感度を低下させ、それはこの場合、ＬＥＤの位置を変えるための物理的空間が発光モジュール上でより少ないからでもある。最も高い光学効率をもたらす距離に一致する固体発光素子の上面と発光層との間の最適距離の値は、固体発光素子面積比ρ_ＳＳＬの比較的大きい値では、一般に、より低い。

空洞の高効率値を実現するために、空洞内の全ての面が、装置の全スペクトル範囲にわたって高反射であることが好ましい。このために、壁面だけでなくＬＥＤパッケージ間の空所及びＬＥＤ基板自体が、例えば白い反射被膜、例えばＴｉＯ_２入りシリコンでさらに被膜される。実際上の理由で、ＬＥＤパッケージ上に反射被膜を施すステップは困難である。したがって、ＬＥＤの隣の基底面以外の表面の反射係数は実際には比較的低い。

図１８は、光線トレーシングシミュレーションの結果を示し、垂直のｙ軸は、混合空洞を出る白色光の光束Ｗｗｈｉｔｅ（単位：ワット）と、青色スペクトル範囲内で固体発光素子によって発せられる青色全光束Ｗｂｌｕｅ（単位：ワット）との比率として表される光学性能の効率を表し、水平のｘ軸は、発光層とＬＥＤの上面との間の距離ｈをミリメートル単位で表す。このシミュレーションは、それぞれが２ｍｍ^２のダイ面積を有する４個のＬＥＤを含み、発光層の直径は６．５ｍｍである。曲線１１５２は、被膜されていないＬＥＤパッケージを表し、曲線１１５１は反射層で被膜されたＬＥＤパッケージを表す。図１８は、被膜されていないＬＥＤパッケージが、反射被膜を有するＬＥＤパッケージに対してある程度低い光学効率を有することを示すが、ＬＥＤ面から発光層までの最適距離ｈの著しい違いは観察されなかった。これらのシミュレーション結果は、被膜されていないＬＥＤパッケージと被膜されたＬＥＤパッケージとを用いた実験によって検証され、その実験は、被膜されていないＬＥＤパッケージに対して反射被膜を有するＬＥＤパッケージについて約７％の光学効率の上昇を示した。

図１９ａは、本発明の第２の態様によるランプ１０００の一実施形態を示す。ランプ１０００は、ヒートシンク、駆動体、及び電気的接続を含むランプ基部１００６に接続される後付（retrofit）白熱電球１００２を含む。ランプ基部１００６上には、本発明の第１の態様による発光モジュール１００４が設けられる。ランプの実施形態は、従来の白熱電球のサイズを有するランプに限定されないことを指摘しておく。チューブのような他の形状も可能である。スポットランプやダウンライトなどの代替的なランプの種類も使用され得る。ランプは、複数の発光モジュールを含んでもよい。

図１９ｂは、ランプ１０２０の別の実施形態を示す。ランプ１０２０は、発光モジュール１００４によって発せられる光を平行にするための反射体１０２２を含むスポットランプである。発光モジュール１００４は、発光モジュール１００４から熱を奪い、その熱をランプ１０２０の周囲に与えるためのヒートシンク１０２４に熱的に結合される。ヒートシンク１０２４は、受動的に又は能動的に冷却され得る。

図１９ｃは、本発明の第３の態様による照明器具１０５０の一実施形態を示す。照明器具１０５０は、本発明の第１の態様による発光モジュール１０５２を含む。他の実施形態では、照明器具１０５０は、本発明の第２の態様によるランプを含む。

本発明の第２の態様によるランプ及び本発明の第３の態様による照明器具は、図１〜１８に関して説明した本発明の第１の態様の発光モジュールと同様の効果を伴う類似の実施形態を有する。

図２０は、本発明による発光モジュールの別の実施形態を示す。発光モジュール１３００は、発光モジュール５２０と同様に、基底５１８、基板５２４上に設けられた複数の発光ダイオード５１４、発光層５０６、反射壁５２２、透明材５０２、及び光反射粒子が満たされた層５１２を含む。ただし、発光ダイオード５１４から見て外側の面に、気層１３０１及び偏光素子１３０２が発光層５０６上に配置される。使用中、発光モジュール１３００は、とりわけ街路照明、オフィス照明、及び小売店照明に使用され得る偏光を発生させ、これらの用途において眩しさの量を減らすことができる。或いは、発光モジュール１３００は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）のバックライティング用途で使用されてもよく、別個の偏光子がもはや必要ないのでコストレベルを低下させる。発光層５０６を出て偏光素子１３０２に当たる適正な偏光を有する光は偏光素子を介して透過されるのに対し、適性でない偏光を有する光は発光層５０６、及び発光モジュール１３００の空洞内に戻される。この光は、発光層５０６内での散乱により、並びに／又は反射壁５２２及び／若しくは光反射粒子が満たされた層５１２による空洞内での拡散反射により、無作為に偏光され又は解消され、偏光素子１３０２の方向に再び反射され、適正な偏光を有する光が偏光素子１３０２を介して透過される。透過されない光は、発光層５０６及び空洞内に再び戻され、そこでこの過程が繰り返される。空洞の比較的高い光再利用効率により、発光モジュール１３００は比較的効率的な偏光源である。発光層５０６内で発生する熱の理由から、偏光素子１３０２の熱安定性を改善するために、偏光素子１３０２は、気層（layer of air）１３０１によって発光層５０６と隔てられる。代替的実施形態では、偏光素子１３０２が、例えば発光材料を含むセラミック層上で発光層５０６と直接接触する。偏光素子１３０２は、反射偏光子又は散乱偏光子とすることができる。偏光素子１３０２は、反射偏光ホイル、例えば3Mから市販されているＶｉｋｕｉｔｙ ＤＢＥＦホイルでもよい。或いは、偏光素子１３０２は高反射性の狭い金属線を含み、例えばＭｏｘｔｅｋから市販されている。金属線の幅及び／又は金属線間のピッチを変えることにより、光透過に対する偏光量が最適化され得る。

図２１は、本発明の第４の態様による表示装置１４００の一実施形態を示す。この表示装置は、図１から１８及び図２０に関して説明した本発明による発光モジュールを含む。使用中、発光モジュールはＬＣＤ表示装置用のバックライティングユニットとして、又はバックライトシステムの光導体層内に偏光を投入するための光源ユニットとしての役を担うことができる。発光モジュールが比較的効率的な（偏光）を発生させるので、表示装置１４００のコストレベルが低下される。

あてはまる全ての実施形態で、少なくとも１つの横方向に光を発する固体発光素子が空洞内に設けられてもよい。この横方向の放出は、典型的には汎用固体発光素子の上に、透明材の層であり、光反射材料の層である２つの追加の層を設けることによって得られる。固体発光素子であるＬＥＤは、透明なサファイアの基板上にしばしば製造される。多くの場合、製造後にサファイアの層が除去される。しかしながら、サファイアが除去されない場合、又は部分的にしか除去されない場合、ＬＥＤと実質的に反対側のサファイア層の表面に光反射被膜を加えることは、横方向に放出する固体発光素子の製造をもたらす。或いは、一切れのガラス又はサファイアをＬＥＤに付着させてもよい。

別の実施形態では、１つ又は複数の追加の固体発光素子が発光モジュールの壁に設けられてもよい。その場合、壁面の反射面積は、発光モジュールの壁に設けられる固体発光素子の面積によって補正されるべきである。

一実施形態では、発光モジュールが、光出口窓から見て外方に向く部分的に拡散性の反射層の面上にあり得る、ドーム形又はレンズ形の光学体をさらに含む。あるいは、又は加えて、拡散光放出を得るための、空間的に、色及び角度に対する色が均一な光放出を得るための、及び混色光放出を得るための拡散層が、少なくとも１つの固体発光素子から見て外方に向く部分的に拡散性の反射層の面から所定距離を置いて設けられる。

あてはまる全ての実施形態で、壁及び基底は同一材料から作られ、接着されてもよい。別の実施形態では、壁及び基底が異なる材料である。例えば複数の隣接する発光モジュールによって１つの基底が共用される場合、例えば基底が熱伝導プリント回路基板である場合、図示のように基底は壁を超えて延びてもよいことを指摘しておく。

本発明は、典型的にはモジュールレベルで、例えば少なくとも１つの、典型的には複数のＬＥＤパッケージを含むＰＣＢ板で適用され得る。しかし本発明は、１つ又は複数のＬＥＤダイ若しくはチップを含むＬＥＤパッケージで使用されてもよい。また、ＬＥＤダイ又はチップは、ＬＥＤダイが中間ＬＥＤパッケージなしに（ＰＣＢ）板に直接取り付けられる、所謂チップオンボードタイプを含むことができる。さらに、ＬＥＤダイから板へのワイヤボンド接続が使用されてもよい。

上述の実施形態は本発明を限定するのではなく例示し、当業者は添付の特許請求の範囲から逸脱することなく多くの代替的実施形態を設計できることに留意すべきである。

特許請求の範囲では、括弧の間に配置されるどんな参照符号も、請求項を限定するものとして解釈すべきでない。動詞「含む」及びその活用形を使用することは、請求項の中で述べるもの以外の要素又はステップの存在を排除しない。要素の前にくる冠詞「ａ」又は「ａｎ」は、その要素が複数存在することを排除しない。本発明は、いくつかの別個の要素を含むハードウェアによって、及び適切にプログラムされたコンピュータによって実施されてもよい。いくつかの手段を列挙する装置の請求項では、それらの手段のいくつかが、ハードウェアの同一アイテムによって具体化され得る。ある手段が、互いに異なる従属項の中で引用されるという単なる事実は、それらの手段の組合せを有利に使用できないことを示すものではない。

Claims (26)

1. 発光モジュールの光出口窓を介して光を発するための前記発光モジュールであって、
   基底の光反射面によって反射される光量と、前記基底の該光反射面に当たる光量との間の比率によって定められる基底反射係数を有する、前記光反射面を含む前記基底と、
   上面を含み、少なくとも１つの固体発光素子によって反射される光量と、前記少なくとも１つの固体発光素子の前記上面に当たる光量との間の比率によって定められる固体発光素子反射係数を有し、該少なくとも１つの固体発光素子の前記上面の面積と前記基底の前記光反射面の面積との間の比率として固体発光素子面積比が定められる、第１の色の範囲の光を発する前記少なくとも１つの固体発光素子と、
   部分的に拡散性の反射層であって、光出口窓が前記部分的に拡散性の反射層の少なくとも一部を含む、前記部分的に拡散性の反射層と
   を含み、
   前記基底反射係数の値は、１と前記固体発光素子反射係数の値との差に因子ｃを掛けた値に、前記固体発光素子反射係数を加えた値よりも大きく、ここで、ｃは、０＜ρ_ＳＳＬ＜０．１では０．２≦ｃ≦１、０．１≦ρ_ＳＳＬ≦０．２５では０．３≦ｃ≦１、及びρ_ＳＳＬ＞０．２５では０．４≦ｃ≦１である、
   発光モジュール。
2. 前記部分的に拡散性の反射層が、前記第１の色の範囲の前記光の少なくとも一部を第２の色の範囲の光に変換するための発光材料を含む、請求項１に記載の発光モジュール。
3. 前記少なくとも１つの固体発光素子の前記上面が前記光出口窓の方に向く、請求項１又は２に記載の発光モジュール。
4. 前記少なくとも１つの固体発光素子が、前記光出口窓の少なくとも一部に向けて光を発する、請求項３に記載の発光モジュール。
5. 複数の固体発光素子を含み、前記固体発光素子のそれぞれが特定の色の範囲で光を発し、前記固体発光素子のそれぞれが上面を有し、前記固体発光素子反射係数が、前記複数の固体発光素子の前記反射係数の平均値として定められる、請求項１、２、３又は４に記載の発光モジュール。
6. 前記少なくとも１つの固体発光素子の前記上面と前記部分的に拡散性の反射層との間に隔たりがある、請求項１から５のいずれか一項に記載の発光モジュール。
7. 前記少なくとも１つの固体発光素子の前記上面と前記部分的に拡散性の反射層との間の距離は、０＜ρ_ＳＳＬ＜０．１では、前記少なくとも１つの固体発光素子の前記上面の最大直線寸法に０．３を掛けた最小値、及び前記少なくとも１つの固体発光素子の前記上面の前記最大直線寸法に５を掛けた最大値を有する範囲内の値であり、前記少なくとも１つの固体発光素子の前記上面と前記部分的に拡散性の反射層との間の前記距離は、０．１≦ρ_ＳＳＬ≦０．２５では、前記少なくとも１つの固体発光素子の前記上面の前記最大直線寸法に０．１５を掛けた最小値、及び前記少なくとも１つの固体発光素子の前記上面の前記最大直線寸法に３を掛けた最大値を有する範囲内の値であり、前記少なくとも１つの固体発光素子の前記上面と前記部分的に拡散性の反射層との間の前記距離は、ρ_ＳＳＬ＞０．２５では、前記少なくとも１つの固体発光素子の前記上面の前記最大直線寸法に０．１を掛けた最小値、及び前記少なくとも１つの固体発光素子の前記上面の前記最大直線寸法に２を掛けた最大値を有する範囲内の値であり、
   前記少なくとも１つの固体発光素子の前記上面の前記最大直線寸法は、前記少なくとも１つの固体発光素子の前記上面のある点から、前記少なくとも１つの固体発光素子の前記上面の別の点までの直線に沿った最長距離として定められる、
   請求項６に記載の発光モジュール。
8. 前記基底と前記光出口窓との間に入れられる壁をさらに含み、前記基底、前記壁、及び前記光出口窓が空洞を囲み、前記壁が前記空洞の方を向く光反射壁面を含み、前記光反射壁面が、前記光反射壁面によって反射される光量と前記光反射壁面に当たる光量との間の比率によって定められる壁反射係数を有し、
   前記固体発光素子面積比が、前記少なくとも１つの固体発光素子の前記上面の前記面積と、前記基底の反射面の前記面積及び前記壁の前記反射面の前記面積の和との間の比率として定められ、
   実効反射係数の値は、１と前記固体発光素子反射係数との差に因子ｃを掛けた値に、前記固体発光素子反射係数を加えた値よりも大きく、０＜ρ_ＳＳＬ＜０．１では０．２≦ｃ≦１、０．１≦ρ_ＳＳＬ≦０．２５では０．３≦ｃ≦１、及びρ_ＳＳＬ＞０．２５では０．４≦ｃ≦１であり、前記実効反射係数が、前記基底反射係数及び前記壁反射係数の加重平均である、
   請求項１から７のいずれか一項に記載の発光モジュール。
9. 前記壁反射係数が９５％未満であり、前記少なくとも１つの固体発光素子の前記上面と前記部分的に拡散性の反射層との間の前記距離は、０＜ρ_ＳＳＬ＜０．１では、前記少なくとも１つの固体発光素子の前記上面の前記最大直線寸法に０．３を掛けた最小値、及び前記少なくとも１つの固体発光素子の前記上面の前記最大直線寸法に０．７５を掛けた値未満の最大値を有する範囲内の値であり、前記少なくとも１つの固体発光素子の前記上面と前記部分的に拡散性の反射層との間の前記距離は、０．１≦ρ_ＳＳＬ≦０．２５では、前記少なくとも１つの固体発光素子の前記上面の前記最大直線寸法に０．１５を掛けた最小値、及び前記少なくとも１つの固体発光素子の前記上面の前記最大直線寸法に０．３を掛けた値未満の最大値を有する範囲内の値であり、又は前記少なくとも１つの固体発光素子の前記上面と前記部分的に拡散性の反射層との間の前記距離は、ρ_ＳＳＬ＞０．２５では、前記少なくとも１つの固体発光素子の前記上面の前記最大直線寸法に０．１を掛けた最小値、及び前記少なくとも１つの固体発光素子の前記上面の前記最大直線寸法に０．２を掛けた値未満の最大値を有する範囲内の値である、請求項７に従属する請求項８に記載の発光モジュール。
10. 前記壁反射係数が９５％以上であり、前記少なくとも１つの固体発光素子の前記上面と前記部分的に拡散性の反射層との間の前記距離は、０＜ρ_ＳＳＬ＜０．１では、前記少なくとも１つの固体発光素子の前記上面の前記最大直線寸法に０．７５を掛けた最小値、及び前記少なくとも１つの固体発光素子の前記上面の前記最大直線寸法に２を掛けた最大値を有する範囲内の値であり、前記少なくとも１つの固体発光素子の前記上面と前記部分的に拡散性の反射層との間の前記距離は、０．１≦ρ_ＳＳＬ≦０．２５では、前記少なくとも１つの固体発光素子の前記上面の前記最大直線寸法に０．３を掛けた最小値、及び前記少なくとも１つの固体発光素子の前記上面の前記最大直線寸法に０．７を掛けた最大値を有する範囲内の値であり、又は前記少なくとも１つの固体発光素子の前記上面と前記部分的に拡散性の反射層との間の前記距離は、ρ_ＳＳＬ＞０．２５では、前記少なくとも１つの固体発光素子の前記上面の前記最大直線寸法に０．２を掛けた最小値、及び前記少なくとも１つの固体発光素子の前記上面の前記最大直線寸法に０．５を掛けた最大値を有する範囲内の値である、請求項７に従属する請求項８に記載の発光モジュール。
11. 前記基底の前記反射面の少なくとも一部が、前記少なくとも１つの固体発光素子の前記上面よりも前記部分的に拡散性の反射層に近く、
    前記上面と前記部分的に拡散性の反射層との間の距離は、０＜ρ_ＳＳＬ＜０．１では、０．４＊ｄ_ＳＳＬ＋Δｈ／２の最小値及び５＊ｄ_ＳＳＬ＋Δｈ／２の最大値を有する範囲内の値であり、
    前記上面と前記部分的に拡散性の反射層との間の前記距離は、０．１≦ρ_ＳＳＬ≦０．２５では、０．１５＊ｄ_ＳＳＬ＋Δｈ／２の最小値及び３＊ｄ_ＳＳＬ＋Δｈ／２の最大値を有する範囲内の値であり、
    前記上面と前記部分的に拡散性の反射層との間の前記距離は、ρ_ＳＳＬ＞０．２５では、０．１＊ｄ_ＳＳＬ＋Δｈ／２の最小値及び２＊ｄ_ＳＳＬ＋Δｈ／２の最大値を有する範囲内の値であり、
    Δｈは、前記少なくとも１つの固体発光素子の前記上面と前記部分的に拡散性の反射層との間の前記距離と、前記反射基底面と前記部分的に拡散性の反射層との間の最短距離との差の絶対値である、
    請求項８に記載の発光モジュール。
12. 請求項１を参照するとき、前記基底の前記光反射面が光反射被膜、光反射モールディング、又は光反射ホイルを含み、請求項８を参照するとき、前記基底の前記光反射面及び前記光反射壁面の少なくとも１つが光反射被膜、光反射セラミック、又は光反射ホイルを含む、請求項１又は８に記載の発光モジュール。
13. 前記光出口窓の方への光の前記反射を増やすために、前記光反射壁面が前記基底の垂直軸に対して傾けられ、又は前記光出口窓の方への光の前記反射を増やすために前記光反射壁面が湾曲される、請求項８に記載の発光モジュール。
14. 前記部分的に拡散性の反射層が前記光出口窓を形成し、前記部分的に拡散性の反射層が端部を有し、前記部分的に拡散性の反射層の前記端部が前記基底に接触する、請求項１に記載の発光モジュール。
15. 前記少なくとも１つの固体発光素子と前記部分的に拡散性の反射層との間に配置される実質的に透明な材料を含み、前記透明材は前記少なくとも１つの固体発光素子に光学的に結合される、請求項１から１４のいずれか一項に記載の発光モジュール。
16. 前記実質的に透明な材料が、前記部分的に拡散性の反射層に光学的且つ熱的にさらに結合される、請求項１５に記載の発光モジュール。
17. 前記実質的に透明な材料が、４４μｍよりも大きい又は１μｍよりも小さい粒子サイズを有する透光性の焼結多結晶アルミナである、請求項１５又は１６に記載の発光モジュール。
18. 前記発光材料が、無機蛍光体、有機蛍光体、セラミック蛍光体及び量子ドット、又はこれらのものの混合物のうちの少なくとも１つを含む、請求項２に記載の発光モジュール。
19. 前記光出口窓が、
    拡散光放出を得るための、空間的に、色及び角度に対する色が均一な光放出を得るための、及び混色光放出を得るための拡散層、
    角度に対する色の変化又は光均一性を補正するためのダイクロイック層、及び
    所望の光ビーム形状をもたらすための光学素子
    のうちの少なくとも１つをさらに含む、請求項１から１８のいずれか一項に記載の発光モジュール。
20. 拡散光放出を得るための、空間的に、色及び角度に対する色が均一な光放出を得るための、及び混色光放出を得るための拡散層が、前記少なくとも１つの固体発光素子から見て外方に向く前記部分的に拡散性の反射層の面から所定距離を置いて設けられる、請求項１から１９のいずれか一項に記載の発光モジュール。
21. 前記少なくとも１つの固体発光素子から見て外方に向く前記部分的に拡散性の反射層の面に配置される偏光素子をさらに含む、請求項１から２０のいずれか一項に記載の発光モジュール。
22. ０．０＜ρ_ＳＳＬ＜０．１では０．４≦ｃ≦１、０．１≦ρ_ＳＳＬ≦０．２５では０．６≦ｃ≦１、及びρ_ＳＳＬ＞０．２５では０．８≦ｃ≦１が成立する、請求項１から２１のいずれか一項に記載の発光モジュール。
23. ０．０＜ρ_ＳＳＬ＜０．１では０．６≦ｃ≦１、及び０．１≦ρ_ＳＳＬ≦０．２５では０．８４≦ｃ≦１が成立する、請求項１から２１のいずれか一項に記載の発光モジュール。
24. 請求項１から２３のいずれか一項に記載の発光モジュールを含む、ランプ。
25. 請求項１から２３のいずれか一項に記載の発光モジュール、又は請求項２４に記載のランプを含む、照明器具。
26. 請求項１から２３のいずれか一項に記載の発光モジュールを含む、表示装置。