JP2017501580A - 均一な蛍光照明を伴うｌｅｄモジュール - Google Patents

Abstract

一般的なランバートＬＥＤダイ放射がＬＥＤダイの上に形成された光学的構造体によって変更され、垂直軸に沿って発光を低減して垂直軸に関して角度の付いた発光を強めて、所定の発光プロフィールを生成する。反射性光混合チャンバーといった、光学的構造体の上に重なって蛍光体レイヤが備えられる。発光プロフィールは、蛍光体の表面上に衝突しているＬＥＤダイからのより均一なフラックスを結果として生じる。いくらかのＬＥＤ光は蛍光体を通過し、いくらかの光は異なる波長の光に変換される。発光プロフィールは、蛍光体にわたりより均一な色と温度を結果として生じる。発光プロフィールは、レンズ、ＬＥＤダイの上のパターン化されたレイヤ、ＬＥＤダイの上の半反射性レイヤ、光学シート、または他の技術によって生成されてよい。

Description

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）と蛍光体を使用した照明装置に関する。特定的には、ＬＥＤの上に重なる蛍光体レイヤ（または他の変換材料）にわたり、色とフラックスの均一性を改善するための技術に関する。

図１は、ＬＥＤダイ（ｄｉｅ）１２から離れており、しかしＬＥＤダイ１２に接近して、その上に重なっている蛍光体レイヤ１４を有する従来のＬＥＤダイ１２を示している。ＬＥＤダイ１２は、ｎ型レイヤ１５、光を発する活性レイヤ１６、およびｐ型レイヤ１７を含んでいる。光は、ＬＥＤダイ１２の上面と側面を通じて出て行く。ＬＥＤダイ１２は、青色光を発し、そして、蛍光体１４は、黄緑色（ｙｅｌｌｏｗ−ｇｒｅｅｎ）光を発するＹＡＧ蛍光体であってよい。蛍光体１４を通じて漏れている青色光と蛍光体発光の組み合わせが、白色光を生成する。蛍光体１４は、ＬＥＤダイ１２に対して非常に近傍における透明サポートによって指示されてよい。

図２は、むき出しの（ｂａｒｅ）ＬＥＤダイ１２の一般的なランバート（Ｌａｍｂｅｒｔｉａｎ）発光パターン１８を示している。光が、ＬＥＤダイ１２の上の蛍光体１４の平坦なレイヤ上に衝突するとき、蛍光体１４の上に衝突しているフラックス（ｆｌｕｘ）は、ＬＥＤダイ１２の中心に直接的に上の垂直軸に沿って最大である。フラックスは、ＬＥＤダイ１２上の中心点からの距離と伴に低下する。別の言葉で言えば、光線の角度が垂直から外れるにつれて、蛍光体１４の上に衝突しているフラックスは減少する。結果として、蛍光体１４の表面を出て行く光は、ＬＥＤダイ１２の中心からさらに遠い光と比べて、ＬＥＤダイ１２の直接的に上では、より青い。

加えて、同じ理由により、蛍光体１４の温度は、より高いフラックスのせいで、ＬＥＤダイ１２の直接的に上では、より高い。いくつかの蛍光体と量子ドット（ｑｕａｎｔｕｍ ｄｏｔ）は、温度に対して非常に敏感であり、そして、温度に伴い光学的特性を変化させる。従って、蛍光体１４にわたる温度勾配は、色の不均一性に貢献する。より高い温度の場所においては、蛍光体の量子効率（ｑｕａｎｔｕｍ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）も、また、低減される、長期の材料安定性も同様である。

加えて、ＬＥＤダイ１２の直接的に上の蛍光体は、高いフラックスからの他の不利な効果を受ける。ＬＥＤダイ１２の直接的に上の色に影響するものである。

従って、色は、蛍光体１４の表面にわたり均一ではない。いくつかのアプリケーションにおいては、蛍光体変換された（ｐｈｏｓｐｈｏｒ−ｃｏｖｅｒｔｅｄ）ＬＥＤダイ１２の画像がプロジェクタ、ヘッドライト、または、スポットアプリケーションのための他の２次的な（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ）光学系における放物面鏡（ｐａｒａｂｏｌｉｃ ｍｉｒｒｏｒ）によって拡大されるといった場合に、色の不均一性は特に目立つものである。

これらの問題は、また、ＬＥＤダイのアレイが共通のサブストレート上に設置されて蛍光体のレイヤを用いてカバーされているＬＥＤモジュールにおいても存在する。上記のＬＥＤダイそれぞれは、光学的および温度的なホットスポット（ｈｏｔ ｓｐｏｔ）であり、光は、より青く（青色ＬＥＤダイの使用を仮定している）、そして、蛍光体は、温度と他の要因によって不利に影響される。結果として、色と温度は、蛍光体にわたり均一ではない。

必要とされるものは、一つまたはそれ以上のＬＥＤダイからの光によって励起される蛍光体表面にわたり、光の色の均一性を改善するための技術である。

ＬＥＤダイの垂直軸に沿って発光を低減し、そして、垂直軸を外れた発光を強める種々の技術が説明される。そこでは、結果として生じる光が、蛍光体のレイヤ、または、ＬＥＤダイの非常に近傍における量子ドットを励起するために使用される。ＬＥＤダイの放射プロフィールを、ランバートタイプから、垂直から外れたピーク強度を伴う放射プロフィールへ変更することによって、ＬＥＤダイからの変更された発光は、蛍光体レイヤの上に重なる、より均一な照射を提供する。結果として、蛍光体表面にわたる、より均一な色の分布、および、蛍光体にわたる、より均一なフラックス密度と温度を生じている。

一つの実施例においては、所望の強度分布プロフィールを生成するために、レンズがＬＥＤダイの上に貼り付け、または、モールドされる。別の実施例においては、ＬＥＤダイの上面にわたり部分的な反射性レイヤが形成され、中心領域よりもエッジ近くでより多くの光が漏れ出すことができる。別の実施例においては、ＬＥＤダイの上面にわたりパターン化された透明レイヤが形成され、所望の放射パターンを生成するように光を反射し、かつ、屈折させる。別の実施例においては、所望の放射パターンを生成するように、ＬＥＤダイから離れて光学的レイヤが置かれる。

蛍光体レイヤ（または量子ドットレイヤ）が、次に、ＬＥＤダイまたはＬＥＤダイのアレイの上に備えられる。蛍光体レイヤは、光混合ボックスにおけるＬＥＤダイのアレイの上の透明プレートによって支持されてよく、もしくは、自立できてよい。ＬＥＤダイの最適な強度分布プロフィールは、ＬＥＤダイのピッチ及びＬＥＤダイと蛍光体レイヤとの間の距離を含む要因に依存している。

他の実施例が説明される。

図１は、ＬＥＤダイの上に重なっている蛍光体レイヤを有する従来のＬＥＤダイの断面図である。 図２は、図１のＬＥＤダイの一般的なランバート発光パターン、および、異なる色温度の表示を伴って、結果として生じている蛍光体の表面にわたる蛍光体変換（ｐｈｏｓｐｈｏｒ−ｃｏｎｖｅｒｔｅｄ）放射を示している。 図３は、ＬＥＤダイを含む反射光混合（ｌｉｇｈｔ−ｍｉｘｉｎｇ）ボックスの断面図であり、ＬＥＤダイの上に蛍光体レイヤが備えられている。そして、ＬＥＤダイは、垂直軸に沿って各ダイのフラックスを低減し、かつ、角度の付いたフラックスを強めるための光学的構造体を含んでいる。 図４は、レンズの断面図である。ＬＥＤダイの上に取り付けられており、垂直軸に沿ったフラックスを低減し、かつ、角度の付いたフラックスを強めるものである。 図５は、典型的な寸法が示された図４のレンズの断面図である。 図６は、典型的な寸法が示された図４のレンズの上面図である。 図７は、図４の構造体を抜け出す光の角度強度分布プロフィール（放射プロフィール）を示しており、ＬＥＤダイの垂直軸から７０度あたりに放射ピークを伴っている。 図８は、垂直軸に沿ってダイのフラックスを低減し、角度の付いたフラックスを強める、円錐形の刻み目を有する上面の反射性レイヤを伴うＬＥＤダイの断面図である。 図９は、垂直軸に沿ってダイのフラックスを低減し、角度の付いたフラックスを強める、半反射性（ｓｅｍｉ−ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ）レイヤを伴うＬＥＤダイの断面図である。 図１０は、図３と類似しているが、光混合ボックスの中で蛍光体がＬＥＤダイをカプセル化している。 図１１は、側面放射（ｓｉｄｅ ｅｍｉｓｓｉｏｎ）を増加する上面反射性レイヤを伴うＬＥＤダイの断面図である。 図１２は、光抽出を増すために透明ドームを用いてカプセル化された図１１のＬＥＤダイを示している。 図１３Ａは、透明サブストレートの異なる厚み及び反射性レイヤの異なる反射性について、図１１の側面放射ＬＥＤに対してシミュレーションされた強度分布プロフィールである。 図１３Ｂは、透明サブストレートの異なる厚み及び反射性レイヤの異なる反射性について、図１１の側面放射ＬＥＤに対してシミュレーションされた強度分布プロフィールである。 図１３Ｃは、透明サブストレートの異なる厚み及び反射性レイヤの異なる反射性について、図１１の側面放射ＬＥＤに対してシミュレーションされた強度分布プロフィールである。 図１４は、ＬＥＤダイを含んでいる光混合ボックスの断面図であり、ＬＥＤダイと蛍光体レイヤとの間に置かれた、光学シートは、垂直軸に沿ってダイのフラックスを低減し、角度の付いたフラックスを強める機能を有している。

同一または類似のエレメントは、同じ数字を用いてラベル付けされている。

図３は、光混合ボックス３６の反射性ベース３４上に設置されたＬＥＤダイ３０Ａ、３０Ｂ、および３０Ｃ（まとめてＬＥＤダイ３０）を示している。光混合ボックス３６の形状は、長方形、円形、または、あらゆる他の形状であってよい。光混合ボックス３６の側壁３８も、また、反射性であり、そして、拡散反射（ｄｉｆｆｕｓｅ ｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇ）または鏡面反射（ｓｐｅｃｕｌａｒ ｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇ）であってよく、もしくは、部分的に拡散的かつ鏡面的な反射性の特性を有してよい。ベース３４は、また、拡散的に反射性であってもよい。拡散反射のために、壁３８とベース３４は、高い多孔性を有するアルミナ（ａｌｕｍｉｎａ）セラミック材料で形成されてよく、または、金属酸化物パーティクル（例えば、酸化チタン、酸化ジルコニウム、または酸化アルミニウム）といった散乱パーティクル（ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｐａｒｔｉｃｌｅ）を含んでいるレイヤを用いてコーティングされてよい。

別の実施例において、側壁３８は、反射性ではないが、透過性または拡散的に透過性である。蛍光体は、光が壁３８およびボックス３６の上面を通じて抜け出すように、壁３８を等角に（ｃｏｎｆｏｒｍａｌｌｙ）カバーしてよい。

ベース３４の上に形成された金属パッド（図示なし）は、ＬＥＤダイ３０にエネルギを与えるために、ＬＥＤダイ３０のそれぞれアノードとカソード電極に対して電気的に接続されている。ＬＥＤダイ３０は、直列に、並列に、または、直列と並列のあらゆる適正な組み合わせ、もしくはネットワーク、において接続されてよい。光混合ボックス３６は、要求される明るさ（ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ）に対して必要とされるＬＥＤダイの数量に応じて、あらゆるサイズであってよい。光混合ボックス３６の領域（フットプリント）は、アプリケーションに応じて、５ｍｍ^２から１ｍ^２、または、より大きくてよい。ボックス３６の高さは、ＬＥＤダイ３０の上面と射出窓（ｅｘｉｔ ｗｉｎｄｏｗ）との間のギャップをコントロールするために調整され得る。このギャップ３９は、０．１ｍｍほどの大きさであってよく、所望の光混合を達成するために選択され得る。典型的なガイドラインは、側面３８またはギャップ３９の高さを、ＬＥＤダイの最大寸法に比例して配置することである。高さ又はギャップ３９に対する一つの典型的な比率は、ＬＥＤダイの最大の側面寸法の０．１倍からＬＥＤダイの最大の側面寸法の５倍までの範囲であり得る。高さ又はギャップ３９は、また、ＬＥＤダイ３０のピッチに応じたものでもよい。目標である色の均一性（ｃｏｌｏｒ ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ）を達成するための最適な高さ又はギャップは、シミュレーションもしくは実験によって決定されてよい。光混合ボックスの中には一つのＬＥＤダイが存在してよく、もしくは、線形、２次元、または回路アレイにおいて配置された複数のＬＥＤダイが存在してよい。

ＬＥＤダイ３０の直接的に上には、一つまたはそれ以上のＬＥＤ３０によって発せられた光の波長に対して透明または半透明なサポートプレート４０が存在する。サポートプレート４０は、蛍光体４２のレイヤを支持し得る。サポートプレート４０は、ガラス、または、半透明なアルミナまたはサファイアといった、セラミック材料を含んでよい。サポートプレート４０は、実質的に平面（ｆｌａｔ）、または、凸面（ｃｏｎｖｅｘ）といった、曲面であってよく、望ましくは、一定の厚みである。別の実施例において、蛍光体４２レイヤ自体は、サポートプレート４０なしで自立できるように、十分な機械的強度を有してよい。一つの実施例においては、サポートプレート４０が取り除かれてよい。一つの実施例において、蛍光体４２は、特定のアプリケーションのための光射出窓にわたり要求される色の不均一性、および他の要因に応じて、ＬＥＤダイ３０の上０．１ｍｍからＬＥＤダイ３０の上１ｃｍまでのどこかに浮かせられる。ＬＥＤダイ３０とプレート４０との間のギャップは、空気（または他のガス）を含んでよく、もしくは、シリコンまたは良好な熱伝導性をもった別の透明な材料といった、透明材料を用いて満たされてよい。

一つの実施例においては、青色ＬＥＤ３０、および、照らされたとき又は青色光を用いて「ポンプ（”ｐｕｍｐ”）」されたときに黄色光を発する蛍光体４２、を使用することによって白色が生成される。いくつかの青色光は、蛍光体レイヤ４２を通じて「リーク（”ｌｅａｋ”）」して、黄色光と結合して、白色光を生成する。他の実施例において、蛍光体４２は、青色光を用いて「ポンプ」されたときに赤色光を発する赤色蛍光体を含んでよい。さらに他の実施例において、蛍光体４２は、ＬＥＤ３０からの青色光と結合する赤色および緑色光を発してよい。

別の実施例において、蛍光体４２がサポートプレート４０の底面に存在し、そして、サポートプレート４０は蛍光体４２を保護するように動作する。この構成において、サポートプレート４０は、一つまたはそれ以上のＬＥＤ３０から発せられた光、及び/又は、蛍光体４２から発せられた光の波長に対して、透明または半透明である。

それぞれのＬＥＤダイ３０に対する角度強度分布プロフィール４４（極座標におけるもの）によって示されるように、それぞれのＬＥＤダイ３０は、ＬＥＤダイの垂直軸の方向におけるＬＥＤダイの放射（フラックス）を低減し、かつ、垂直軸から外れた放射を強める光学的構造体（他の図面において示されている）を含んでいる。光学的構造体なしでは、各ＬＥＤ３０Ａ−３０Ｃに対する強度分布は、図２の強度分布と似ているだろう。強度分布プロフィールは、蛍光体４２の上に衝突しているＬＥＤダイ３０からの光が、蛍光体４２の広い領域にわたり概ね均一な照度（ｉｌｌｕｍｉｎａｎｃｅ）を結果として生じるように、特定のアプリケーションに対して選択される。隣接するＬＥＤダイ３０からの光と光混合ボックス３６の表面から反射された光との結合は、蛍光体４２の全ての表面にわたり実質的に均一で、蛍光体４２の上に衝突している結合光（ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｌｉｇｈｔ）を作成する。

従って、図３のデザインを使用することによって、蛍光体４２を抜け出る光は、色と輝度（ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ）において蛍光体４２にわたり実質的に均一であり、かつ、蛍光体４２にわたる温度は実質的に均一である。加えて、光混合ボックス３６における光の混合は、さらに、色、輝度、および温度の均一性を改善する。

対照的に、ＬＥＤダイ３０における光学的構造体なしでは、蛍光体４２の上面を抜け出す光は、それぞれのＬＥＤダイ３０の垂直軸に沿って、より青く（青色ＬＥＤとＹＡＧ蛍光体を仮定している）、そして、蛍光体４２の温度は、ＬＥＤダイ３０の垂直軸に沿って、他の領域におけるよりも熱いであろう。これらの局所的により熱い領域は、ホットスポット（ｈｏｔｓｐｏｔ）として参照される。

標準のＬＥＤダイ（ランバート放射パターンを有するもの）を用いた光混合ボックスの射出窓にわたる照度分布の均一性を増加することは、また、光混合の量を増加するように光混合ボックスの高さを増加することによっても可能である。そのアプローチの不利な点は、光混合ボックスがあまりに大きくなり、そして、複数の反射が光出力を低減させることである。本発明を使用することによって、光混合ボックス３６は、色の均一性におけるあらゆる低減なしに、より浅くすることができる。シミュレーションにおいて、出願人は、本発明を使用することにより、１６個のＬＥＤダイを含んでいる３ｍｍ高さの円形光混合ボックスに対する色の均一性は、従来技術を使用している５ｍｍ高さの光混合ボックスによって達成される色の均一性と等しいと判断した。

図４は、図３における強度分布プロフィール４４といった、適切な強度分布プロフィールを生成することができるモールドレンズ（ｍｏｌｄｅｄ ｌｅｎｓ）４８の一つのタイプを示している。図５は、レンズ４８のいくつかの典型的な寸法をミリメートルで特定している。ＬＥＤダイに関するこれらの寸法に係る大きさを変更できる（ｓｃａｌａｂｌｅ）バージョン（ｖｅｒｓｉｏｎ）は、同様な結果を生成する。図６は、レンズ４８の上面図であり、レンズ４８の種々のエッジ５０、５１、５１、および５３と、そして、ミリメートルでの種々の典型的な寸法とを示している。エッジ５０は、丸みを帯びた外縁（ｏｕｔｅｒ ｅｄｇｅ）である。エッジ５１は、レンズのベースの円形縁（ｃｉｒｕｌａｒ ｅｄｇｅ）である。エッジ５２は、レンズの円形上部縁（ｃｉｒｕｌａｒ ｕｐｐｅｒ ｅｄｇｅ）である。そして、エッジ５３は、レンズのインナーキャビティ（ｉｎｎｅｒ ｃａｖｉｔｙ）の縁（ｅｄｇｅ）である。レンズ４８は、シリコンモールドによって作成されてよい。レンズ４８は、ＬＥＤダイ３０の上に貼り付けられている。レンズ４８の底面は、光ボックス３６の反射性ベース３４に対して貼り付けられるか、または、ＬＥＤダイ３０が設置されているサブマウント表面に対して貼り付けられてよい。

レンズ４８の種々のインターフェイスにおける屈折率の相違が、光の屈折を生じる。図７は、図４の構造体の２つのサンプルを抜け出す光の強度分布プロフィールを示しており、垂直軸から７０度あたりに放射ピークを伴っている。ピーク強度の光学的角度は、ＬＥＤダイのピッチとレンズ４８の上面からの蛍光体４２の距離とに依存する。光学的角度は、シミュレーションまたは実験によって決定され得る。

いくつかのアプリケーションにおいて、レンズ４８（ＬＥＤダイのサイズに応じて、６ｍｍを超え得る高さを有するもの）の使用は、あまりに深いか、もしくは、あまりに大きな光混合ボックスを必要とし得る。より浅い光混合ボックスの使用を可能にするいくつかの他の光学的技術が、以下に説明される。

図８は、ＬＥＤ半導体レイヤ６０から望ましい強度分布を生成する別のタイプの光学的構造体を示している。図８において、ＬＥＤダイ５６は、フリップチップ（ｆｌｉｐ ｃｈｉｐ）である。透明な成長サブストレート５８（例えば、サファイア）が、ＬＥＤ半導体レイヤ６０の上に残されており、かつ、アノードとカソード電極６２と６４が、サブマウントまたは反射性ベース３４の上の対応する金属パッドに対して接合されている。透明レイヤ６６は、サブストレート５８の上面に備えられ、円錐形状（ｃｏｎｅ ｓｈａｐｅｄ）の刻み目６８を有し、強度分布プロフィール４４によって示されるように、垂直軸に沿って発光を低減し、かつ、角度が付いた発光を強める。レイヤ６６は、シリコン接着剤によってサブストレート５８の上面に貼り付けられるか、または、サブストレート５８の上に直接的にモールドされてよい。代替的に、刻み目６８は、サブストレート５８の中に直接的に包含されてもよい。追加レイヤ６６が必要とされないようにである。

別の実施例において、サブストレート５８は、ガラスレイヤまたはＬＥＤ半導体レイヤ６０に対して貼り付けられた他の透明レイヤによって置き換えられる。サブストレート５８またはガラスレイヤは、望ましくは。ＬＥＤ半導体レイヤ６０に係る最大の長さ寸法のオーダー（ｏｒｄｅｒ）の厚みを有している。ＬＥＤ半導体レイヤ６０の中に戻る反射を最小化するためである。

図９は、ＬＥＤダイ７０の上面において形成された半反射性（ｓｅｍｉ−ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ）レイヤ７２を有するＬＥＤダイ７０を示している。レイヤ７２は、ＬＥＤ半導体レイヤにわたりサブストレートレイヤに対して貼り付けられてよい。レイヤ７２は、小さいドットのパターン、またはチェックのパターンにおいてデポジット（ｄｅｐｏｓｉｔ）された不透明な半反射性材料で形成されてよい。そこには、より多くの光が中心領域においてＬＥＤダイ７０の中に反射して戻るために、中心領域において反射性ドットがより高い密度で存在している。ＬＥＤダイ７０の中へ反射して戻された光は、最終的にはリサイクルされ、そして、他の方向においてＬＥＤダイ７０の外へ反射される。結果として生じる強度分布プロフィール４４が示されている。レイヤ７２は、また、２色性（ｄｉｃｈｒｏｉｃ）のフィルタレイヤ、または、多くの薄い誘電体レイヤで形成されたブラッグ反射器（Ｂｒａｇｇ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）であってよく、ＬＥＤダイ表面に対して垂直に発せられた光に対して、角度の付いた光よりも、大きな反射が存在する。このことは、強度分布プロフィール４４を結果として生じる。

別の実施例において、レイヤ７２は、ボリューム散乱レイヤ（ｖｏｌｕｍｅ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｌａｙｅｒ）といった拡散レイヤであってよい。表面から発せられた光の量を低減し、かつ、構造体の側面から発せられた光の量を増加するために、入射光を後方および側方に散乱するものである。

図８と図９においては、ＬＥＤダイの上面における光学的構造体は、垂直軸に沿って光の量をさらに低減するために、ＬＥＤ半導体レイヤのエッジの上に広がってよい。

代替的な実施例において、望ましい強度分布プロフィール４４は、垂直軸から概ね２５−４５度の間にピーク強度を有している。ピーク強度の最適な光学的角度は、ＬＥＤダイのピッチおよびＬＥＤダイの上面からの蛍光体の距離に依存する。ピーク強度のそうした角度は、浅い光混合ボックス３６について適切である。ＬＥＤダイの上面から２−５ｍｍの間といったものである。

図１０は、光ボックス３６における、図３のＬＥＤダイ３０Ａ、３０Ｂ、および３０Ｃを示しており、ここにおいて説明されるあらゆる光学的構造体（強度プロフィール４４を生成するもの）を有している。しかし、蛍光体７６（ハッチングされて示されているもの）が、一つまたはそれ以上のＬＥＤダイ３０をカプセル化している。蛍光体７６は、望ましい発光色、透明バインダ（ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ ｂｉｎｄｅｒ）における蛍光体パーティクル、および他の要因に応じて、あらゆるレベルまで光混合ボックス３６を満たしてよい。図４のシリコンレンズ４８が使用される場合に、望ましくは、レンズが光を望ましい方向に屈折させることができるように、望ましくは、蛍光体バインダ材料の屈折率（典型的には約１．４）が、シリコンレンズの屈折率（典型的には１．５３）よりも低い。いくつかのＬＥＤダイは、蛍光体レイヤを通じて赤色光スペクトルの狭い部分を発する赤色ＬＥＤエミッタ（ｅｍｉｔｔｅｒ）であってよい。一方で、他のＬＥＤダイは、蛍光体レイヤを励起するための青色または紫外線（ＵＶ）発光であってよい。別の代替案においては、上述のように、蛍光体は、青色光で照らされたときに赤色光を発してよい。

ＬＥＤダイ３０は、ここにおいて説明されたあらゆる光学的構造体を含む。光混合ボックス３６から出る発光は、光混合ボックス３６の光射出領域にわたり実質的に均一であろう。

別の実施例において、光混合ボックス３６の中に設置された一つまたはそれ以上のＬＥＤダイ３０Ａ、３０Ｂ、および３０Ｃからの光は、蛍光体変換ではなく、一般的にランバート発光である。例えば、ＬＥＤダイ３０Ａは一般的にランバート発光を有している従来の赤色発光ＬＥＤダイであってよく、ＬＥＤダイ３０Ｂは緑色蛍光体に被われた青色発光ＬＥＤダイであってよく、そして、ＬＥＤダイ３０Ｃは蛍光体に被われていない従来の青色発光ＬＥＤダイであってよい。赤色、緑色、および青色光の組み合わせは、白色光を生成する。光混合ボックス３６は、光を混合する。光混合ボックス３６を満たしている蛍光体７６は、次に、取り除かれてよく、そして、ボックス３６の光射出窓の上にディフューザ（ｄｉｆｆｕｓｅｒ）が配置されてよい。

別の実施例において、ＬＥＤダイ３０Ａは、一般的にランバート発光を有している従来の赤色発光ＬＥＤダイであってよく、ＬＥＤダイ３０ＢはＹＡＧ蛍光体で覆われた青色発光ＬＥＤダイであってよく、そして、ＬＥＤダイ３０ＣはＹＡＧ蛍光体で覆われた別の青色発光ＬＥＤダイであってよい。蛍光体７６は、取り除かれてよい。赤色光は、改善された色表現を伴って「より温かい（”ｗａｒｍｅｒ”）白色光を生成する。

図１１は、ＬＥＤ半導体レイヤ６０、透明成長サブストレート５８、および、銀（ｓｉｌｖｅｒ）レイヤといった、反射性レイヤ８０を含んでいる、ＬＥＤダイ７８を示している。反射性レイヤ８０は、半導体レイヤ６０によって発せられた光を反射、または、部分的に反射する。サブストレート５８をより厚く作成することによって、強度分布プロフィール８１が、図３における強度分布プロフィール４４のプロフィールに近づくように、側面放射の角度範囲を変動することが可能である。分布プロフィール８１は、底面のＬＥＤ電極とベース３４がいくらかの光を反射するので、一般的に上向き、そして、側面向きである。サブストレート５８（または、他の透明レイヤ）の厚さは、所望の強度分布プロフィールを達成するために、０．１から２ｍｍの間であってよい。一つの実施例においては、放射角度の範囲を増やすために、サブストレート５８の上面は、エッチング液（または、他の粗化（ｒｏｕｇｈｎｉｎｇ）技術）を使用して、パターン化されている。反射性レイヤ８０が十分に薄く作成されている場合、強度分布プロフィール４４へより近くアプローチするように、光のいくらかの部分が反射性レイヤ８０を通過する。

別の実施例において、反射性レイヤ８０は、ボリューム散乱レイヤといった拡散レイヤであってよく、表面から発せられた光の量を低減し、かつ、サブストレート５８の側面から発せられた光の量を増加するために、入射光を後方および側方に散乱するものである。

図１２は、光抽出を増すために透明ドーム８２の中にカプセル化された図１１のＬＥＤ構造体を示している。複数の図１２のＬＥＤ構造体は、上に重なっている蛍光体レイヤと伴に、ここにおいて説明される光混合ボックス３６の中に設置されてよい。蛍光体レイヤにわたり、より均一な色の放射を達成するためである。

図１３Ａ、１３Ｂ、および１３Ｃは、透明サブストレート５８の異なる厚み及び反射性レイヤ８０の異なる反射性について、図１１の側面放射ＬＥＤ７８に対してシミュレーションされた強度分布プロフィールである。見てわかるように、反射率を低減し（図１３Ｂ）、そして、より多くの光が反射性レイヤ８０を通過できるようにすることが、垂直軸に沿った強度を増加させる。サブストレート５８の厚みを低減すること（図１３Ｃ）も、また、垂直軸に沿って相対的な強度を増加させる。

図１４は、従来のＬＥＤダイ８４Ａ、８４Ｂ、および８４Ｃを示しており、光抽出を改善するために、それぞれがドーム８６の中にカプセル化されている。ここでは、所望の強度分布プロフィール４４を生成するための光学的構造体は、通常のランバート発光を強度分布プロフィール４４へと変換するパターンを伴う光学的構造体９０を有している離れた光学シート８８である。パターンは、プリズム、ピラミッド、円錐形（ｃｏｎｅ）、フレネルレンズ、または、一つまたはそれ以上の方向におけるＶ溝を含んでよく、シート８８において凹部か、凸部いずれかである。パターンにおける特徴は、典型的には光を側方に曲げるように下側に面している。ＬＥＤダイの放射は、加えて、光混合ボックスの反射性表面によって混合される。透明サポートプレート９４の上に支持されている蛍光体９２は、混合されたＬＥＤダイの放射の一部を別のスペクトル範囲へと波長変換（ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ−ｃｏｎｖｅｒｔ）する。その結果は、蛍光体９２の上面にわたる実質的に均一な照度と色の分布である。特に溝構造（ｇｒｏｏｖｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）が使用される場合には、光学シート８８の代わりに光学的レイヤのスタックも、また、存在し得る。例えば、第１光学的レイヤは、第１方向において延びている溝を有しており、そして、第２光学的レイヤは、第１方向に対して垂直といった、第２方向において延びている溝を有している。望ましくは、両方の光学シートの間には、空気ギャップといった、低屈折材料が存在する。

種々の実施例においては、所望の色を達成するために、複数の蛍光体レイヤが使用されてよい。例えば、ＬＥＤダイの上に一つの蛍光体がコーティングされ、一方で、異なる蛍光体がＬＥＤダイから離れて置かれてよい。もしくは、図３の事例においては、サポートプレート４０の片側に一つの蛍光体が形成され、そして、サポートプレート４０の他方の側に別の蛍光体が形成されてよい。異なる蛍光体は、また、オーバーレイ（ｏｖｅｒｌｙｉｎｇ）レイヤとして形成されてもよい。

ＬＥＤダイがレーザーＬＥＤである場合に、それらの垂直軸の放射の指向性（ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｉｔｙ）は、従来のＬＥＤダイよりもかなり大きい。（回折のための）表面格子、ブラッグ（Ｂｒａｇｇ）格子、ホログラム、および、強度分布プロフィール４４を生成するためのレーザーの上面にわたるホログラフィックディフューザ（ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ ｄｉｆｆｕｓｅｒ）といった光学的構造体を備えることによって、オーバーヘッド「近傍（”ｖｉｃｉｎｉｔｙ”）」蛍光体の照明は、より均一であり、そして、上述の利点を等しく適用する。

ここにおいて示される全ての蛍光体レイヤは、量子ドットレイヤ、有機または無機蛍光体、または、波長変換の組み合わせを用いて、置き換えられ、または、増強される。

離れて置かれた波長変換レイヤと組み合わせて光学的構造体を使用する結果としては、色およびフラックスの均一性が改善されるだけでなく、レイヤ上の「ホットスポット」の低減のおかげで、より高い量子効率（ｑｕａｎｔｕｍ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）が達成されることでもあり、結果として、変換レイヤのより低い局所的および全体温度を結果として生じている。さらに、局所的な束密度（ｆｌｕｘ ｄｅｎｓｉｔｙ）の低減されたピークのおかげで変換レイヤのより少ない劣化が存在し、結果として強化されたルーメン（ｌｕｍｅｎ）出力、および、ルーメン持続（安定性と信頼性）を生じる。

本発明に係る特定な実施例が示され、そして、説明されてきたが、当業者であれば、より広い態様において、この発明から逸脱することなく、変形および変更が成され得ることが明らかであろう。そして、従って、添付の請求項は、全てのそうした変形および変更を、この発明の真の精神及び範囲内にあるものとして、発明の範囲の中に包含するものである。

Claims (20)

1. 発光デバイスであって、
   第１発光ダイオード（ＬＥＤ）半導体レイヤであり、上部発光面を有し、かつ、第１ピーク波長を有する光を生成する、第１ＬＥＤ半導体レイヤと、
   第１波長変換レイヤであり、前記第１ＬＥＤ半導体レイヤの前記上部発光面から離れて、かつ、その上に重なっている、第１波長変換レイヤと、
   第１ギャップにより前記波長変換レイヤから離された、前記第１ＬＥＤ半導体レイヤと前記波長変換レイヤとの間の第１光学的構造体であり、前記第１ＬＥＤ半導体レイヤの発光を前記上部発光面に関する垂直軸に沿って低減し、かつ、前記垂直軸に関して角度の付いた前記発光を強めて、第１発光プロフィールを生成する、第１光学的構造体と、
   を含み、
   前記第１ＬＥＤ半導体レイヤと前記第１光学的構造体との組み合わせによって生成された光は、前記第１発光プロフィールを有し、前記第１波長変換レイヤの上に衝突し、かつ、
   前記光のうちいくらかは、前記第１波長変換レイヤを通過し、そして、前記第１ピーク波長とは異なる波長の光へ変換される、
   デバイス。
2. 前記第１光学的構造体は、前記第１ＬＥＤ半導体レイヤの上に配置されたレンズを含む、
   請求項１に記載のデバイス。
3. 前記第１光学的構造体は、前記第１ＬＥＤ半導体レイヤの上に形成された半反射性レイヤを含む、
   請求項１に記載のデバイス。
4. 前記半反射性レイヤは、パターン化された反射性レイヤである、
   請求項３に記載のデバイス。
5. 前記第１光学的構造体は、前記第１ＬＥＤ半導体レイヤの上に形成された透明レイヤを含み、
   前記透明レイヤは、前記第１発光プロフィールを作成するように、前記第１ＬＥＤ半導体レイヤからの光を反射し、かつ、屈折させる機能を含む、
   請求項１に記載のデバイス。
6. 前記透明レイヤは、前記ＬＥＤ半導体レイヤの中心領域の上に円錐形の刻み目を有する、
   請求項５に記載のデバイス。
7. 前記第１光学的構造体は、光学的レイヤを含み、前記第１ＬＥＤ半導体レイヤから第２ギャップにより離されて、パターンを伴う光学的構造体を有している、
   請求項１に記載のデバイス。
8. 前記デバイスは、さらに、
   前記第１ＬＥＤ半導体レイヤと前記第１光学的構造体との間に固形の透明レイヤを含む、
   請求項１に記載のデバイス。
9. 前記デバイスは、さらに、
   第１ＬＥＤ半導体レイヤ、第１光学的構造体、および、第１波長変換レイヤ、を有する反射性光混合チャンバー、を含み、
   前記光混合チャンバーは、反射性ベースと少なくとも一つの反射性側壁を有する、
   請求項１に記載のデバイス。
10. 前記第１波長変換レイヤは、実質的に平坦なレイヤである、
    請求項１に記載のデバイス。
11. 前記第１波長変換レイヤは、蛍光体レイヤを含む、
    請求項１に記載のデバイス。
12. 前記デバイスは、さらに、
    少なくとも第２ＬＥＤ半導体レイヤと、
    前記第２ＬＥＤ半導体レイヤの上に重なっている第２光学的構造体と、
    第１ＬＥＤ半導体レイヤ、第１光学的構造体、第１波長変換レイヤ、第２ＬＥＤ半導体レイヤ、および、第２光学的構造体、を有する反射性光混合チャンバーと、
    を含み、
    前記光混合チャンバーは、反射性ベースと少なくとも一つの反射性側壁を有し、
    前記第１ＬＥＤ半導体レイヤと前記第２ＬＥＤ半導体レイヤからの光を混合し、前記第２光学的構造体は、前記第１波長変換レイヤの上に衝突している光の均一性を改善する、
    請求項１に記載のデバイス。
13. 前記第１波長変換レイヤは、前記第１ＬＥＤ半導体レイヤと前記第２ＬＥＤ半導体レイヤの両方の上に重なっている、
    請求項１２に記載のデバイス。
14. 前記第２ＬＥＤ半導体レイヤは、前記第１ピーク波長とは異なる第２波長ピークを有する光を生成する、
    請求項１２に記載のデバイス。
15. 前記第１光学的構造体と前記第２光学的構造体は、一つのシートの領域である、
    請求項１２に記載のデバイス。
16. 前記第２光学的構造体は、実質的に前記第１光学的構造体と同一であり、
    前記第２ＬＥＤ半導体レイヤは、前記第２光学的構造体と組み合わされて、前記第１発光プロフィールと実質的に同一な第２発光プロフィールを生成し、
    前記第１発光プロフィールを有する光と前記第２発光プロフィールを有する光が、前記チャンバーにおいて混合される、
    請求項１２に記載のデバイス。
17. 前記第２光学的構造体は、前記第２ＬＥＤ半導体レイヤの上に配置されたレンズを含む、
    請求項１６に記載のデバイス。
18. 前記第２光学的構造体は、前記第２ＬＥＤ半導体レイヤの上に形成された半反射性レイヤを含む、
    請求項１６に記載のデバイス。
19. 前記半反射性レイヤは、パターン化された反射性レイヤである、
    請求項１８に記載のデバイス。
20. 前記第２光学的構造体は、前記第２ＬＥＤ半導体レイヤの上に形成された透明レイヤを含み、
    前記透明レイヤは、前記第２発光プロフィールを作成するように、前記第２ＬＥＤ半導体レイヤからの光を反射し、かつ、屈折させる機能を含む、
    請求項１６に記載のデバイス。

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