JP5301613B2 - 固体発光体およびダウンコンバージョン材料を用いる高効率光源 - Google Patents

Description

（関連出願）
本出願は、米国仮出願第６０／５６８，３７３号（２００４年５月５日出願）および米国仮出願第６０／６３６，１２３号（２００４年１２月１５日出願）に対する優先権を主張するものであり、それぞれの出願の内容は、本明細書に参考として、援用される。

（本発明の背景）
固体発光デバイスは、発光ダイオード（ＬＥＤ）および共振空洞ＬＥＤ（ＲＣＬＥＤ）を有する固体ランプを含め、非常に有用である。なぜなら、これらデバイスは、従来の白熱灯や蛍光灯に比べ、安価な製造コストおよび長期間にわたる耐久性のメリットを提供する可能性があるからである。固体発光デバイスの初期コストが、従来のランプの初期コストに比べ、高い場合であっても、その動作（燃焼）時間が長く、消費電力も少ないために、しばしば、機能面でコストメリットを提供する。大規模な半導体製造技術が用いられ得るので、多くの固体ランプは、非常に低コストで製造され得る。

家庭および消費者向け家電製品、視聴覚機器、通信機器および車載機器表示における表示ランプなどの用途に加え、ＬＥＤは、屋内外での情報表示において、かなりの用途が見出されてきた。

青色光または紫外（ＵＶ）光を発する効率的なＬＥＤの開発とともに、ＬＥＤの一次発光の一部をより長い波長に変換する蛍光体変換を介して、白色光を生成するＬＥＤを製造することも実現可能となってきた。ＬＥＤの一次発光を長い波長に変換することは、一次発光のダウンコンバージョンとして、一般に称される。一次発光の変換されなかった部分は、より長い波長の光と結合して、白色光を生成する。

ＬＥＤの一次発光の一部を蛍光体変換することは、エポキシ内に蛍光体層を配置することによって達成される。このエポキシは、ＬＥＤランプ内にＬＥＤを収納する反射板カップを満たすために使用される。蛍光体は粉末の形態であり、その粉末はエポキシを硬化する前に、エポキシ内に混合される。蛍光体粉末を含んだ硬化されていないエポキシスラリは、次いで、ＬＥＤ上に堆積され、次いで、硬化される。

硬化したエポキシ内の蛍光体粒子は、一般に、ランダムな方向を向いており、エポキシ全体に分散されている。ＬＥＤによって発光した一次光の一部は、蛍光体粒子に衝突することなく、エポキシ内を通過し、ＬＥＤによって発した一次光の他の一部は、蛍光体粒子に衝突して、その結果、蛍光体粒子が補色光を発する。一次青色光と蛍光体発光との組み合わせで、白色光が生成する。

現在のＬＥＤの最先端技術は、可視スペクトルには、効率的ではない。単一のＬＥＤにおける光の出力は、既知の白熱灯の光の出力より低く、可視スペクトルにおいては、約１０％の効率である。ＬＥＤデバイスで、光の出力密度を匹敵するものにするためには、大きなＬＥＤまたは多数のＬＥＤを有する設計が必要となる。さらに、ＬＥＤデバイス自体の温度上昇に対処するために、直接エネルギー吸収冷却の形式を組み込むことが必須である。より特定的には、ＬＥＤデバイスは、温度が１００℃を超えて熱せられたとき、効率が悪くなる。その結果、可視スペクトル内に戻ってくるのが少なくなる。固有の蛍光体変換効率は、一部の蛍光体において、約９０℃の閾値を超えて温度が上昇するにつれ、劇的に落ちる。

Ｗｏｊｎａｒｏｗｓｋｉらに付与された特許（特許文献１）は、照明用の製品に使用する高出力のＬＥＤランプまたは多数のＬＥＤランプからなる設計、および、そこからの熱源の除去を対象とする。これは、多次元のアレイ内に配置されたＬＥＤのダイを有する。各ＬＥＤのダイは、白色光を生成するために、半導体層および蛍光体材料を有する。反射板は、ダイそれぞれからの光を集め、集中させ、それを高出力ＬＥＤランプに近いものとする。特許文献１の図１２は、マルチサイドのアレイを示し、角度の付いた光線追跡経路（ａｎｇｌｅｄ ｒａｙ ｔｒａｃｅ ｐａｔｈ）で、発光する。特許文献１の図１９は、角度が付いたＬＥＤランプヘッドを示す。

Ｂａｒｅｔｚらに付与された特許（特許文献２）およびＢａｒｅｔｚらによる特許出願（特許文献３）は、白色光を生成する固体発光デバイスを対象とする。特許文献３は、特許文献２の係属出願である。固体発光デバイスは、短波長放射を生成する。この放射は、ダウンコンバージョンするための発光団媒体（ｌｕｍｉｎｏｐｈｏｒｉｃ ｍｅｄｉｕｍ）に透過され、白色光を生成する。特許文献２の図２および図６において、ＬＥＤと発光団媒体との間にスペースを空けた関係がある。例えば、図６において、光は、短波長（好ましくは、青色から紫外線の間の波長）放射の固体デバイス８２から発せられる。発光団媒体９０が、当該短波長と衝突するとき、波長範囲内の可視光スペクトルの波長を有する放射を応答して放つように励起され、白色として認識される光を生成する。

Ｍｕｅｌｌｅｒ−Ｍａｃｈらに付与された特許（特許文献４）は、蛍光体変換基板を備えるＬＥＤデバイスを対象とする。この基板は、ＬＥＤの発光構造によって発した一次光の一部を、変換されなかった一次光と結合して白色光を生成１つ以上の波長の光に変換する。特許文献４の図１に示すように、ＬＥＤ２は、蛍光体である基板１０上に配置される。特許文献４の図２に示すように、反射電極２１は、ＬＥＤの表面上に配置される。ＬＥＤによって発する一部の一次光は、反射電極２１に衝突する。その電極２１は、一次光を反射し、ＬＥＤを介して、そして、基板を介して、一次光を戻す。基板中に拡がる一次光の一部は、黄色光に変換され、また、一部は変換されない。これら２種類の光は、基板によって発せられるとき、これら光は結合して、白色光を生成する。反射電極を用いると、基板に入射する一次光の量を確実に最大化されるので、ＬＥＤデバイスの効率は改善される。

Ｍｕｌｌｅｒ−Ｍａｃｈらによる特許出願（特許文献５）は、Ｍｕｅｌｌｅｒ−Ｍａｃｈらに付与された特許（特許文献６）であり、薄膜蛍光体変換されたＬＥＤ構造を対象とする。特許文献５の図２は、ＬＥＤ構造２と、ＬＥＤ２の表面上の蛍光体薄膜２１とを示す。ＬＥＤは、蛍光体薄膜２１に衝突する青色光を生成する。一部の光は蛍光体２１を通過し、一部の光は吸収され、蛍光体２１から発せられる黄色光に変換される。青色光と黄色光は、結合して、白色光を形成する。特許文献５の図３において、反射パッド２５は、ＬＥＤ２の表面上にある。ＬＥＤ２からの光は、反射パッド２５によって反射され、ＬＥＤ２を介して戻り、蛍光体２１の中に進む。次いで、特許文献６の図２に示すように、光は結合される。特許文献６の図４は、基板１３によってＬＥＤから分離される２つの蛍光体膜３１、３３を使用する。膜３１は、赤色光を発する。膜３３は、緑色光を発する。ＬＥＤ２によって発した青色光は、膜３１、３３を通過し、赤色光および緑色光と結合して、白色光を生成する。特許文献５の図５の実施形態において、ＬＥＤデバイス５０は、複数の蛍光体薄膜３７および３８を含む。誘電ミラー３６は、薄膜３７と基板１３との間に配置される。誘電ミラー３６は、発光構造２の一次発光に対し完全に透明であるが、蛍光体薄膜３７および３８の発光の波長で、非常によく反射する。

Ｏｋａｚａｋｉによる特許出願（特許文献７）は、紫外線発光素子および蛍光体を備えた白色半導体発光デバイスを対象とする。蛍光体層は、青色発光蛍光体および黄色発光蛍光体を有し、混合して拡散されている。発光デバイス３は、反射ケース５の内部にある。特許文献７の図２、図４および図８において、蛍光体層６は、発光素子３から離れて形成される。特許文献７の図２は、半透明樹脂から形成される遮蔽部材（ｓｅａｌｉｎｇ ｍｅｍｂｅｒ）７の中に形成される蛍光体層６を示す。特許文献７の図４および図８において、蛍光体層は、遮蔽部材７の表面上に形成される。

Ｂｒｕｋｉｌａｃｃｈｉｏによる特許出願（特許文献８）は、ＬＥＤ白色光の光学システムを対象とする。特許文献８の図１に示すように、光学システム１００は、ＬＥＤ光源１１０、光学フィルタ１２０、反射板１３０、蛍光体層１３５、集光器（ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ）１４０、第一の発光領域１５０、第二の発光領域１７０、および、放熱器１９０を含む。光学フィルタ１２０は、反射ＣＣＴ範囲および透過ＣＣＴ範囲を含む。反射ＣＣＴ範囲内にある光学エネルギーは、光学フィルタ１２０を通過することを禁止されている（例えば、反射によって）。光学フィルタ１２０の反射範囲の中にある蛍光体層裏面１３７から、光学フィルタ前面１２１に入る光学エネルギーは、蛍光体層１３５の中に反射されて戻る。光学フィルタ１２０の透過ＣＣＴ範囲内にある光学エネルギーは、フィルタ１２０を介して透過され、反射板１３０と相互作用する。

反射板１３０は、ＬＥＤ光源の裏面１１２から発した光学エネルギーを反射し、ＬＥＤ光源１１０内に戻すために置かれた反射光学素子である。光学エネルギーは、光学材料と相互作用し、光学エネルギーの一部は、ＬＥＤ表面１１１を出て、光学フィルタ１２０と相互作用する。光学エネルギーは、次いで、蛍光体層の中に続いて入り、こうして、蛍光体層裏面１３７から発する光学エネルギー用の繰り返しテレスコーピングサーキュラー（ｔｅｌｅｓｃｏｐｉｎｇ ｃｉｒｃｕｌａｒ）プロセスを提供する。この繰り返しプロセスは、このプロセスを用いなければ失われる光学エネルギーを捕らえる。集光器１４０は、蛍光体層の表面１３６から外に発する光学エネルギーを捕らえる。

Ｍｕｅｌｌｅｒ−Ｍａｃｈらによる特許出願（特許文献９）は、Ｍｕｅｌｌｅｒ−Ｍａｃｈらに特許（特許文献１０）として付与されたが、これは、ＬＥＤデバイスの発光構造によって発した一次放射の実質上全てに、蛍光体変換を行い、白色光を生成するデバイスを対象とする。ＬＥＤデバイスは、発光構造によって発する一次光の実質上全てを受け、吸収するように位置された少なくとも１つの蛍光体変換素子を含む。蛍光体変換素子は、第二の波長および第三の波長で二次光を発し、この第二の波長および第三の波長は結合して白色光を生成する。一部の実施形態は、発光構造の表面上の反射電極を使用するが、一部の実施形態では使用しない。反射電極２１を使用する実施形態（特許文献９の図２、図３、図６、図７）において、基板は、発光構造を蛍光体層から分離する。すなわち、発光構造は、基板の一方の面の上にあり、蛍光体層は、基板の他方の面の上にある。反射電極を使用しない実施形態（特許文献９の図４、図５）において、蛍光体層は、発光構造の表面に配置される。

Ｍｕｅｌｌｅｒらに付与された特許（特許文献１１）は、白色光を生成する三色ランプを対象とする。このランプは、白色光を生成するために、青色ＬＥＤと、緑と赤の蛍光体混合物を用いている。図３に示すように、ランプ２０は、反射板カップ２８内に置かれたＬＥＤ２２を含む。ＬＥＤ２２は、線２６によって示されるパターン内に光を発し、蛍光体混合物２４はパターン内に置かれる。ＬＥＤ２２によって発した一部の吸収されなかった光は、反射板カップ２８の壁から反射して、蛍光体混合物２４に戻るように理解される。光が当初の光パターンによって以前覆われなかった空間の中に反射されると、反射カップ２８は、光パターン２６を変化し得る。反射板カップの壁は、放物線であり得る。

Ｓｏｕｌｅｓらに付与された特許（特許文献１２および１３）は、いずれも蛍光体でコーティングされたＬＥＤまたはレーザーダイオードを対象とする。特許文献１３は、特許文献１２の分割である。より特定的には、これら特許は、蛍光体含有被膜で覆われた青色発光ＬＥＤを開示している。蛍光体含有被膜は、緑色発光蛍光体および赤色発光蛍光体を含む。緑色蛍光体および赤色蛍光体は、青色発光ＬＥＤによって、励起可能である。

Ｍａｒｓｈａｌｌらに付与された特許（特許文献１４および１５）およびＭａｒｓｈａｌｌらによる特許出願（特許文献１６）は、ＬＥＤ／蛍光体／ＬＥＤハイブリッド照明システムを対象とする。特許文献１５は、特許文献１４の継続である。特許文献１６の出願は、特許文献１５が特許として発行されたものである。図１Ａに示すように、ＬＥＤ１０は、透明エポキシ１３で満たされた反射金属皿または反射板１２の中に実装されたＬＥＤチップを含む。図１Ｂは、典型的な蛍光体ＬＥＤ１４を模式的に示す。これは、図１ＡのＬＥＤと実質的に同一の構成であるが、反射板１６を満たすエポキシ１８が、１種類以上の発光性蛍光体材料のグレイン１９がその中で均質に混合されて含まれる点で異なる。蛍光体グレイン１９は、ＬＥＤチップ１５によって発した光の一部を異なるスペクトル波長の光に変換する。このシステムによって、異なる照明システム性能パラメータに対処し、重要とみなされるパラメータを最適化することが可能となる。これは、ＬＥＤおよび／または蛍光体ＬＥＤの蛍光体の色および数を変化させることによってである。

Ｍｕｅｌｌｅｒ−Ｍａｃｈらに付与された特許（特許文献１７）は、一次青緑色光を蛍光体変換された赤みかかった色の光と結合して、白色光を生成する発光ダイオードデバイスを対象とする。ＬＥＤは反射板カップ内に実装され、このカップは蛍光体変換樹脂で満たされる。ＬＥＤによって発した一次放射は、蛍光体変換樹脂に衝突する。樹脂に衝突する一次放射の一部が、赤みがかった光に変換される。一次放射で変換されなかった部分は、樹脂を通過し、赤みがかった光と結合し、白色光を生成する。

Ｓｒｉｖａｓｔａｖａらに付与された特許（特許文献１８）は、ユウロピウムイオンおよびマンガンイオンで共活性化されたハロ燐酸ルミネセント材料を対象とする。特許文献１８の図３は、ＬＥＤに近接する反射表面１４０を有するカップ１２０内に実装されたＬＥＤを開示している。この実施形態は、透明なケース１６０を含み、このケースの中に、蛍光体粒子２００が、分散される。代替的に、バインダとともに混合された蛍光体は、ＬＥＤ表面にわたるコーティングとして付与され得る。ＬＥＤによって発した青色光の一部で、蛍光体によって吸収されなかった光と、蛍光体によって発光された広域スペクトル光とは、結合されて白色光源を提供する。

Ｓｈｉｍａｚｕらに付与された特許（特許文献１９、２０および２１）は、蛍光体を備え、発光コンポーネントによる発光の波長を変換し、光を発する発光デバイスを対象とする。また、これら特許は、マトリックス内に配置された多数の発光デバイスを用いた表示デバイスも開示している。これら特許は、同じ特許出願に由来するので、関連している。

Ｉｓｈｉｉらに付与された特許（特許文献２２）は、カラー液晶表示デバイス用バックライト、カラー液晶表示デバイス、および、カラー液晶表示デバイス用エレクトロルミネセント素子を対象とする。

Ｓｃｈｌｅｒｅｔｈらによる特許出願（特許文献２３）は、Ｓｃｈｌｅｒｅｔｈらに特許（特許文献２４）として付与されたが、これは、ＧａＮベースまたはＩｎＧａＮベースの半導体ＬＥＤを有するＬＥＤ白色光源を対象とする。この半導体ＬＥＤは、透明な材料で作成されたカプセル容器に少なくとも部分的に取り囲まれている。この透明な材料は、ＬＥＤによる発光を少なくとも一部は波長変換する変換物質を含む。ＬＥＤは、複数の発光帯を有し、これによって、比較的広帯域の発光スペクトルは、エネルギー的に、変換物質の発光スペクトルより上で生成される。

非特許文献１は、ＬＥＤおよび蛍光体からなる光源からの高出力を得る効率的な方法として、蛍光体からの反射光を使うことを開示している。

米国特許第６，４５２，２１７号明細書 米国特許第６，６００，１７５号明細書 米国特許出願公開第２００４／００１６９３８号明細書 米国特許第６，６３０，６９１号明細書 米国特許出願公開第２００２／００３０４４４号明細書 米国特許第６，６９６，７０３号明細書 米国特許出願公開第２００２／００３００６０号明細書 米国特許出願公開第２００２／０２１８８８０号明細書 米国特許出願公開第２００２／０００３２３３号明細書 米国特許第６，５０１，１０２号明細書 米国特許第６，６８６，６９１号明細書 米国特許第６，２５２，２５４号明細書 米国特許第６，５８０，０９７号明細書 米国特許第６，５１３，９４９号明細書 米国特許第６，６９２，１３６号明細書 米国特許出願公開第２００２／００６７７７３号明細書 米国特許第６，６０３，２５８号明細書 米国特許第６，６１６，８６２号明細書 米国特許第６，０６９，４４０号明細書 米国特許第６，６１４，１７９号明細書 米国特許第６，６０８，３３２号明細書 米国特許第６，５８０，２２４号明細書 米国特許出願公開第２００２／０１６７０１４号明細書 米国特許第６，７３４，４６７号明細書

Ｙａｍａｄａ Ｋ．、Ｙ．ＩｍａｉおよびＫ．Ｉｓｈｉｉ、「Ｏｐｔｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｌｉｇｈｔ ｓｏｕｒｃｅ ｄｅｖｉｃｅｓ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ｂｌｕｅ ＬＥＤｓ ａｎｄ ＹＡＧ ｐｈｏｓｐｈｏｒ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔ ａｎｄ Ｖｉｓｕａｌ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ、２７巻（２）、２００３年、ｐ７０−７４

（発明の概要）
このニーズおよび他のニーズに対応するため、また、この目的を考慮して、本発明は、発光装置を提供する。この発光装置は、発光用の光源と、発光を受け、その発光を透過光（すなわち順方向透過光）および反射光（すなわち逆方向透過光）に変換するダウンコンバージョン材料と、（ａ）ダウンコンバージョン材料の上に発光を収集し、移送するように、かつ、（ｂ）反射光を受け、その反射光を光学デバイスの外側に移送するように構成された光学デバイスとを備える。

本発明の一局面に従うと、光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザーダイオード（ＬＤ）または共振空洞発光ダイオード（ＲＣＬＥＤ）のうちの１つを含む半導体発光ダイオードである。

本発明の別の局面に従うと、ダウンコンバージョン材料は、１つのスペクトル領域内で光を吸収し、別のスペクトル領域内で発光する蛍光体または他の材料のうちの１つを含む。

本発明のさらなる局面に従うと、光学デバイスは、光透過特性を有するレンズまたは光ガイドのうちの少なくとも１つを含む。

本発明のさらにまた別の局面に従うと、光源は、光学デバイスの第一の端に近接して配置される。

本発明のさらに別の局面に従うと、ダウンコンバージョン材料は、光学デバイスの第二の端に隣接して配置される。この第二の端は第一の端と向かい合う側である。

本発明のさらにまた別の局面に従うと、光源は、複数の半導体発光体を含み得る。

本発明のさらに別の局面に従うと、収集デバイスは、光学デバイスから外へ移送される反射光を収集する収集デバイスを含み得る。この収集デバイスは、反射板であり得る。

本発明の別の例示的な実施形態は、円筒光学素子を有する別の発光装置を含む。この発光装置は、光透過材料と、円筒光学素子内に配置された光放射源と、円筒光学素子の中間部分でその内部に配置され、光放射源によって伝送された光の透過または反射のうちの少なくとも一方のためのダウンコンバージョン材料とを含む。

本発明の一局面に従うと、光放射源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザーダイオード（ＬＤ）または共振空洞発光ダイオード（ＲＣＬＥＤ）のうちの１つを含む半導体発光ダイオードである。

本発明の別の局面に従うと、光放射源は、円筒光学素子の一つの側面端に隣接して配置される。

本発明のさらに別の局面に従うと、光放射源は、互いに間隔を空けた第一の放射源と第二の放射源とを含み得、その双方は、円筒光学素子の一つの側面端に双方とも近接して配置され得る。

本発明のさらにまた別の局面に従うと、ダウンコンバージョン材料は、１つのスペクトル領域内で光を吸収し、別のスペクトル領域で発光する蛍光体または他の材料のうちの１つを含む。

本発明のさらなる局面に従うと、ダウンコンバージョン材料は、円筒光学素子の縦軸に実質的に平行に配置される。
例えば、本発明は以下の項目を提供する。
（項目１）
発光用の光源と、
該発光を受け、該発光を透過光および逆方向透過光に変換するダウンコンバージョン材料と、
光学デバイスであって、該逆方向透過光を受け、該逆方向透過光を該光学デバイスの外側に移送するように構成された光学デバイスと
を備える、発光装置。
（項目２）
前記光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザーダイオード（ＬＤ）または共振空洞発光ダイオード（ＲＣＬＥＤ）のうちの１つを含む半導体発光ダイオードである、項目１に記載の発光装置。
（項目３）
前記ダウンコンバージョン材料は、１つのスペクトル領域内で光を吸収し、別のスペクトル領域内で発光する蛍光体または他の材料のうちの１つを含む、項目１に記載の発光装置。
（項目４）
前記光学デバイスは、光透過材料を含む、項目１に記載の発光装置。
（項目５）
前記光学デバイスは、光透過特性を有するレンズまたは光ガイドのうちの少なくとも１つを含む、項目１に記載の発光装置。
（項目６）
前記光学デバイスは、前記光源から前記ダウンコンバージョン材料の方向に前記発光を向けるように、さらに構成される、項目１に記載の発光装置。
（項目７）
前記光学デバイスは、前記光源から前記ダウンコンバージョン材料の方向に前記発光の実質上全てを向けるための、レンズまたは光ガイドのうちの１つを含む、項目１に記載の発光装置。
（項目８）
前記光源は、前記光学デバイスの第一の端に隣接して配置される、項目１に記載の発光装置。
（項目９）
前記ダウンコンバージョン材料は、前記光学デバイスの第二の端に隣接して配置され、該第二の端は前記第一の端と向かい合う側である、項目８に記載の発光装置。
（項目１０）
前記光学デバイスは、前記光学デバイスからの反射光を透過するように幾何学的に構成される、項目１に記載の発光装置。
（項目１１）
前記光源は、複数の半導体発光体を含む、項目１に記載の発光装置。
（項目１２）
前記ダウンコンバージョン材料は、前記光学デバイスの前記第二の端の一部の上に堆積される、項目９に記載の発光装置。
（項目１３）
前記ダウンコンバージョン材料は、前記光学デバイスの前記第二の端を実質的に覆うよう堆積される、項目１２に記載の発光装置。
（項目１４）
前記光学デバイスから外へ移送される前記反射光を収集する収集デバイスを含む、項目１に記載の発光装置。
（項目１５）
前記収集デバイスは、前記反射光を該収集デバイスから離れるように向ける反射板を含む、項目１４に記載の発光装置。
（項目１６）
（ａ）前記光源は、前記光学デバイスの第一の端に隣接して配置され、
（ｂ）前記ダウンコンバージョン材料は、該光学デバイスの第二の端に隣接して配置され、
（ｃ）該光学デバイスの該第一の端は、前記反射板の第一の端に隣接して配置される、項目１５に記載の発光装置。
（項目１７）
前記光学デバイスの幾何学的形状は、円錐、球、双曲線、放物線、楕円、角錐または箱型形状のうちの１つを含む、項目１に記載の発光装置。
（項目１８）
前記光学デバイスの少なくとも一部を取り囲む反射板と、該反射板の少なくとも一部の上部に配置された光ディフューザとをさらに備える、項目１に記載の発光装置。
（項目１９）
前記ダウンコンバージョン材料は、前記光源と前記反射板との間に配置され、該ダウンコンバージョン材料は、湾曲形状を有する、項目１８に記載の発光装置。
（項目２０）
光透過材料を含む円筒光学素子と、
該円筒光学素子内に配置された光放射源と、
該円筒光学素子の中間部分でその内部に配置され、該光放射源によって伝送された光の透過または反射のうちの少なくとも一方のためのダウンコンバージョン材料と
を備える、発光装置。
（項目２１）
前記光放射源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザーダイオード（ＬＤ）または共振空洞発光ダイオード（ＲＣＬＥＤ）のうちの１つを含む半導体発光体である、項目２０に記載の発光装置。
（項目２２）
前記光放射源は、前記円筒光学素子の一つの側面端に隣接して配置される、項目２０に記載の発光装置。
（項目２３）
前記光放射源は、互いに間隔を空けた第一の放射源と第二の放射源とを含み、その双方は、前記円筒光学素子の一つの側面端に近接して配置される、項目２０に記載の発光装置。
（項目２４）
前記ダウンコンバージョン材料は、１つのスペクトル領域内で光を吸収し、別のスペクトル領域で発光する蛍光体または他の材料のうちの１つを含む、項目２０に記載の発光装置。
（項目２５）
前記ダウンコンバージョン材料は、前記円筒光学素子の縦軸に実質的に平行に配置される、項目２０に記載の発光装置。
（項目２６）
前記光放射源は、前記ダウンコンバージョン材料の各面に少なくとも１つの光源を含む、項目２０に記載の発光装置。
（項目２７）
前記光源は、少なくとも１つの基板上に実装される、項目２６に記載の発光装置。

図１は、１タイプの蛍光体（ＹＡＧ：Ｃｅ）に対し、光の反射スペクトルおよび透過スペクトル分布を示す相対出力対波長のグラフである。 図２は、本発明の例示的な実施形態に従い、固体発光体およびダウンコンバージョン材料を使用する高効率光源である。 図３は、図２に示す高効率光源の底部の断面図を示す。 図４は、本発明の別の例示的な実施形態に従い、多数の固体発光体およびダウンコンバージョン材料を使用する高効率光源を示す。 図５Ａは、本発明の別の例示的な実施形態に従い、固体発光体およびダウンコンバージョン材料を使用する高効率光源のさらに別の実施形態である。図５Ｂは、図５Ａの高効率光源の断面図である。 図６は、本発明の例示的な実施形態に従い、固体発光体およびダウンコンバージョン材料を使用するまた別の高効率光源の図である。 図７は、図６に示す高効率光源を取り囲む反射板を示し、この反射板は、光源から発する光線を方向変換するためのものである。 図８Ａ〜図８Ｅは、本発明の異なる例示的な実施形態に従い、例示的な発光源の直上に配置された光学素子または光学レンズに対する様々な幾何学的形状を示す。 図９Ａは、本発明の例示的な実施形態に従い、光源から光線を方向変換する光管上に置かれた固体発光体およびダウンコンバージョン材料を使用する多数の高効率光源を有するデバイスを示す。図９Ｂは、図９Ａに示すデバイスの断面図である。 図１０Ａは、本発明の例示的な実施形態に従い、光源から光線を方向変換する光管のエッジ周辺に配置された固体発光体およびダウンコンバージョン材料を使用する多数の高効率光源を有する別のデバイスを示す。図１０Ｂは、図１０Ａに示すデバイスの断面図である。 図１１は、本発明の例示的な実施形態に従い、反射板と高効率マイクロレンズディフューザによって取り囲まれるように配置されたまた別の高効率光源の図を示す。 図１２は、光変換材料および反射板の方向に光を向けるさらに別の高効率光源の図であり、ここでは、本発明の例示的な実施形態に従い、光変換材料が、高効率光源と反射板との間に配置されている。 図１３は、本発明の例示的な実施形態に従い、光学素子によって光変換材料に向けて光を放射する高出力発光体を示す模式図である。

本発明は、添付図面と関連付けながら、以下の詳細の記述を読むことで、最も良く理解される。慣例に従い、図面の様々な特徴は、縮尺どおりではないことを強調しておく。逆に、様々な特徴の寸法は、分かりやすくするために、任意に拡大または縮小している。添付図面には、以下の図面が含まれる。

本発明は、特定の実施形態を参照しながら、本明細書に例示され、記載されるが、本発明は、示される詳細に限定されることを意図していない。むしろ、様々な変更も、請求項の均等物の範囲および枠内で、本発明から逸脱することなく、細部にわたって行われ得る。

発明者らは、ダウンコンバージョン蛍光体をＬＥＤダイの近傍に設置すると、蛍光体変換ＬＥＤの性能に悪影響を与えることを発見してきた。その性能が悪くなる理由は、主として、ダイを取り囲む蛍光体媒体が等方性放射体のように振舞い、ダイに向かって反射して戻る光の一部が、蛍光体層、ダイおよび反射カップの間を回るという事実による。その結果、デバイスの中に戻って結合された光は、接合部温度を上げ、こうして、システム効率は低下し、カプセル材料の黄変が増える。これら因子の全ては、時間とともに光出力を低下する。

文献によれば、蛍光体層に衝突する光の６０％は、反射して戻り、上記の影響に寄与することが示されている（Ｙａｍａｄａら、２００３年）。８つのＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体板の実験室測定により、６０％近くの放射エネルギーが青色ＬＥＤ源の方向に反射されて戻ることを証明した。反射された放射エネルギーの絶対量は、他の要因の中でも、とりわけ、蛍光体コーティング密度に依存する。図１は、ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体板を備えた青色ＬＥＤで測定された反射スペクトルの出力分布２を示す。また、図１は、同じ配置で測定された透過スペクトルの出力分布４も示す。示されるように、光の大部分は反射して戻り、順方向に透過されない。

「透過光および反射光」という用語は、本出願全体を通して使用されることは、理解されるべきである。しかしながら、より正確には、これらの用語は、「順方向透過光および逆方向透過光」である。蛍光体粒子は、短い波長の光を吸収し、ダウンコンバージョン光を発するので、その発光は、全ての方向に（ランバート発光体）行くので、光の一部分は、上に行き、光の他の部分は、下に行く。上に（または外に）行く光は、光の透過部分であり、ＬＥＤダイに向かって下に行く光は、反射部分である。

このような効果は、ＲＣＬＥＤにおいてより高いことが期待される。なぜなら、その光の出力は、より一層平行にされるからである。その結果、システム効率を改善するために、パッケージングは、透過成分および反射成分を捕らえる試みをする。さらに、発明者らは、蛍光体層がダイから遠ざかることを可能にすることで、ＬＥＤおよびＲＣＬＥＤの中に光がフィードバックされないようになるパッケージングを作成してきた。その結果、ＬＥＤおよびＲＣＬＥＤの寿命が改善した。同時に、ＲＣＬＥＤからの光が、均一な白色光源を得るために、蛍光体層に均一に衝突する。さらに、パッケージングは、蛍光体層を外れた反射光の多くが、デバイスから出ることを可能にして、デバイス効率を向上する。

図２は、円筒形状を有する分配光学素子、光透過包囲光学素子（ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ ｏｐｔｉｃ）１０を有する本発明の第一の例示的な実施形態を示す。示されるように、包囲光学素子１０は、分配光学素子の中央部分に埋め込まれた蛍光体層１２を含む。この構成は、分配光学素子を実質的に２つの等しい小片または部分に分ける。つまり、蛍光体層は、円筒光学素子１０の縦軸に実質的に平行なストリップであり得る。

例示的な一実施形態によると、蛍光体層１２は、ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体層であり得る。代替的な例示的実施形態において、蛍光体層は、他の蛍光体、量子ドット、量子ドット結晶、量子ドットナノ結晶または他のダウンコンバージョン材料を備え得る。本発明の他の実施形態は、蛍光体層１２と類似の蛍光体層を含み得ることは、理解されるべきである。しかしながら、図２に示すような埋め込んだ蛍光体層とは異なり、他の実施形態は、埋め込まれていない蛍光体層を有し得る。さらに、蛍光体層は、より均一なカラー出力を形成するために、均一な厚さである必要はなく、むしろ、異なる厚さ、または、異なる蛍光体混合であり得る。

１つ以上のＬＥＤまたはＲＣＬＥＤは、１４で表わされているような底部で、円筒光学素子の内部に置かれ得る。代替的な実施形態において、１つ以上のＬＥＤ／ＲＣＬＥＤは、円筒光学素子の底部以外の位置に置かれ得る。

短波長光１６は、ＬＥＤ／ＲＣＬＥＤから発光される。短波長光は、２５０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲内である。蛍光体層１２は、円筒光学素子の実質的に中央にあるので、ＬＥＤ／ＲＣＬＥＤからの短波長光は、蛍光体層１２に円筒光学素子の両側から衝突する。短波長光の蛍光体層への衝突によって、４つの成分が生成する。これらは、蛍光体層から反射された短波長光１８、蛍光体層を介して透過した短波長光２０、蛍光体層から反射されたダウンコンバージョン光２２、蛍光体層を介して透過したダウンコンバージョン光２４である。これら４つの成分は、蛍光体層の両側で生成され、結合して、白色光２６を生成する。このプロセスは、蛍光体層の両側で起こるので、全光抽出量は増加する。

光（短波長およびダウンコンバージョン光）は、他の状態では、円筒光学素子の中に反射して戻る（蛍光体層が円筒光学素子またはダイに埋め込まれていない場合）が、円筒光学素子の光透過特性を介して、円筒光学素子の外部（ｅｘｔｅｒｉｏｒ）または外側（ｏｕｔｓｉｄｅ）に有利に透過される。

一例として、Ｏｐｔｏ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙによる高フラックスブルー（４７０ｎｍ）発光体ＬＥＤ（Ｓｈａｒｋシリーズ）が使用され得る。蛍光体層１２の密度は、４〜８ｍｇ／ｃｍ^２（他の密度もまた考慮される）の範囲であり得、円筒光学素子１０の長さは、２〜４インチの範囲であり得、そして、円筒光学素子の直径は、約０．５インチであり得る。別の例として、異なるパッケージ効率および均一性が、蛍光体層密度、ならびに、円筒光学素子の長さおよび直径を変化することで達成され得る。円筒光学素子の周囲に沿った光の効率および均一性をより良好にするには、円筒光学素子が２．２５インチの長さのとき、達成され得る。

図２に示される実施形態は、完全に円形のアクリル系ロッドから切断され、研磨された半円形のアクリル系ロッドセグメントから形成され得る。蛍光体は、光学的に透明なエポキシとともに混合され得、次いで、各ロッドセグメントの平らな表面上に均一に塗布される。ロッドセグメントは、次いで、まとめて付着され得、エポキシを硬化させるために炉内に置かれ得る。

２．２５インチの光学素子（円筒光学素子）に対する全体の発光損失は、約１６％であることが分かった。この損失は、ＬＥＤに反射して戻った光６％、フレネル損失７％、ハードウェア実装による回復不能な損失３％を含む。

損失の約半分は、異なる屈折率を有する媒体間の境界で生じるフレネル損失に起因し得る。フレネル損失は、ＬＥＤ／ＲＣＬＥＤと円筒光学素子との間の結合メカニズムを用いて、減少され得る。さらに、ＬＥＤ／ＲＣＬＥＤ上に、反射防止コーティングを用いると、損失は回復され得る。これは、光がＬＥＤ／ＲＣＬＥＤに反射して戻るのを防止するためである。

図３は、１４で示される底部の円筒光学素子の断面図である。図示されるように、円筒光学素子１０は、２つの半円形のアクリル系ロッドセグメント１４ａおよび１４ｂを含む。蛍光体層１２は、アクリル系ロッドセグメント１４ａおよびアクリル系ロッドセグメント１４ｂとの間に挟まれている。各アクリル系ロッドセグメントは、発光源１７および１９を含む。発光源１７および１９は、それぞれ発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザーダイオード（ＬＤ）または共振空洞ＬＥＤ（ＲＣＬＥＤ）のような半導体発光ダイオードであり得る。底部１４に３つ以上の発光源が含まれ得ることも理解されるべきである。このように、多数の発光体からなるアレイがアクリル系ロッドセグメント１４ａ内に配置され得、また、多数の発光体からなる別のアレイがアクリル系ロッドセグメント１４ｂ内に配置され得る。これらアレイは、光源１７および１９と同様の方法で、お互いに対称的に配置され得、図３の蛍光体層１２に関して対称的に配置されるのが示される。

図４は、本発明の別の例示的な実施形態を示す。この実施形態は、一般的な周辺照明に必要とされる内部空間に使用され得る。図示されるように、このデバイスは、蛍光体板５０（例えば、ＹＡＧ：Ｃｅ、または、上記に列挙した他の蛍光体）を含み得る。また、このデバイスは、ＬＥＤ／ＲＣＬＥＤアレイ５２のようなアレイを形成する多数の半導体発光ダイオード５６も含む。このアレイ５２は、アルミ材料から作成され得る基板５４上に実装され得る。例示的な実施形態において、基板５４は円形であり得る。図４に示す例示的な構成において、ＬＥＤ／ＲＣＬＥＤは、互いに間隔を空けて配置され、円形基板の周囲に置かれる。

発光ダイオードのアレイは、ダイオードの発光表面が蛍光体層板５０に向くように、基板上に置かれる。このようにして、ダイオード５６は、蛍光体板５０に向かって、短波長光を発する。短波長光が、蛍光体層板に衝突すると、その結果、光の４つの成分が生じる。それらは、短波長光およびダウンコンバージョン光６０、ならびに、透過短波長光および透過ダウンコンバージョン光６４である。短波長光およびダウンコンバージョン光６０は、反射され、図に示すように、デバイス内に、白色光６２を生成する。透過短波長光および透過ダウンコンバージョン光６４は、デバイスの外側に伝送され、白色光６６を生成する。

図５Ａおよび図５Ｂは、本発明の別の例示的な実施形態を示す。図示されるように、デバイス５００は、カップ５０２と、カップ５０２内で、カップ５０２のベースに配置された１つ以上の発光体５０１とを含む。また、蛍光体層５０３および５０４も含まれる。蛍光体層５０３は、発光体５０１のベースから反対側の端で、カップ５０２の壁から実質的に中心に配置される。蛍光体層５０３は、カップ５０２の壁の内側に配置される。図５Ａおよび図５Ｂに示す実施形態は、一般的な周辺照明が必要とされる内部空間の中で使用され得る。

デバイス５００は、アレイ内に配置された１つのＬＥＤ／ＲＣＬＥＤまたは多数のＬＥＤ／ＲＣＬＥＤを有する透明なカップであり得るカップ５０２を含む。カップは、カップ５０２の透明な壁の内側に接合された１つの蛍光体層５０３を含む。他の蛍光体層が、カップの中心領域にのみ接合され得る。したがって、反射された短波長光およびダウンコンバージョン光の大部分は、前面表面の透明な部分から直接出て行き得る。ＬＥＤ／ＲＣＬＥＤから発光の細いビームが、この実施形態において好ましい。それは、ＬＥＤ／ＲＣＬＥＤから短波長光が、蛍光体層に衝突せずに前面表面の透明な部分を直接出て行くのを最小に抑えるためである。カップは、ガラスまたはアクリルから作成され得る。

カップ５０２の内側部分は、ガラスまたはアクリル材料で満たされ得る。こうして、カップ５０２と、カップ５０２内に含まれる内側部分との間に蛍光体層５０３は挟まれる。蛍光体層５０４は、ガラスまたはアクリル材料の外部表面上に接合され得る。代替的な実施形態において、蛍光体層５０４は、ガラスまたはアクリル系材料内に置かれ得る。これは、図２および図３に示される２つの半円形のアクリル系ロッドの間に挟まれる蛍光体層に対して記載されたのと同様の方法である。

図６は、本発明のまた別の例示的な実施形態を示す。図示されるように、デバイス６００は、透明な媒体から作成され得る光学素子６０６によって、蛍光体層６０４から分離された発光体６０２を含む。例示的な実施形態において、透明な媒体は大気であり得る。代替的な実施形態において、透明な媒体は、ガラスまたはアクリルであり得る。蛍光体層６０４は、透明な壁６１０および６１２を有する光学素子６０６上に実装または配置され得る。（壁６１０および６１２は、光学素子６０６が円形の断面を有する場合、連続的な壁であり得る）。

図７は、本発明のさらにまた別の実施形態を示す。図示されるように、デバイス７００は、反射板７０２内に配置されたデバイス６００を含む。反射板７０２は、放物線の幾何学的形状を有する。本発明は、この反射板７０２に限られず、円錐、球、双曲線、放物線、楕円、角錐のような他の幾何学的形状であり得るし、あるいは、例えば、箱型であり得る。デバイス７００の利点は、ビーム出力分布のより良い制御と、より均一なカラー出力とを含む。

基板６０３は、図６および図７に示すように、発光源６０２、光学素子６０６の一端、および、反射板７０２の一端を実装するために、使用され得る。

本発明の他の実施形態と同様に、発光源６０２は、ＬＥＤ、ＬＤまたはＲＣＬＥＤのような１つまたは多数の半導体発光ダイオードであり得る。発光ダイオードは、ダイオードのアレイ内に実装され得る。これは、図４のアレイ５２として示した光源のアレイと同様である。さらに、蛍光体層６０４は、図４に示す蛍光体層５０と同様であり得る。

図８Ａ〜図８Ｅは、光学素子の異なる幾何学的形状を示す。光学素子８０１は、円錐の形状である。光学素子８０２は、球の形状である。光学素子８０３は、双曲線の形状である。光学素子８０４は、角錐の形状である。光学素子８０５は、箱型形状である。他の幾何学的形状は、放物線形状、または、楕円形状を含み得る。さらに、各光学素子の広い側の表面の上面は、平坦であり得るし、あるいは、別の幾何学的形状を有し得る。

他の実施形態と同様に、光学素子８０１〜８０５は、透明な材料から作成され得るので、光学レンズ（図６の光学素子６０６と同様）のように機能する。あるいは、光学素子８０１〜８０５は、透明な材料から作成される壁によって形成される中空空洞であり得る（図６の壁６１０および６１２と同様）。

図示されていないが、反射板（図７に示す反射板７０２と同様）は、各光学素子８０１〜８０５を取り囲むように配置され得る。さらに、各光学素子８０１〜８０５は、蛍光体層（図６に示す蛍光体層６０４と同様）を含み得る。この蛍光体層（図示せず）は、各光学素子の広い平坦な表面の上面で、そのそれぞれの発光源と向かい合う側に堆積され得る。代替的に、この蛍光体層（図示せず）は、各光学素子の広い平坦な表面の近くで、そのそれぞれの発光源と向かい合う側で、各光学素子内に挟まれ得る。

図９Ａおよび図９Ｂを参照すると、全体を９００として指定される二次元アレイのレンズが示される。図９Ａに示されるように、Ｎ×Ｍ個の高効率光源デバイスのアレイが、光管９１２の上に配置されている。光源デバイスのうちの３つが、９１０、９２０および９３０として指定される。Ｎ×Ｍ個からなるアレイ内の残りの光源デバイスは、光源デバイス９１０、９２０または９３０の任意の１つと、全く同一である。次いで、これら光源デバイスのうちの任意の１つは、図７のデバイス７００と同様であり得る。

図９Ｂで最もよく示されるように、光源デバイス９１０、９２０および９３０のそれぞれは、発光体９０２、レンズ９０４、および、図６の蛍光体層６０４と同様であり得る蛍光体層（図示せず）を含む。また、反射板９０６も含まれ、これは発光体９０２から長方形の光管９１２へと透過光および反射光を方向変換させる。

図示されるように、光管９１２は、光源デバイス９１０、９２０および９３０に隣接する面９１４、光源デバイスからさらに遠く離れる他の対向面９１６を含む。対向面９１６の上に、蛍光体堆積層９１８と、マイクロレンズ層９２０とがある。マイクロレンズ層は、蛍光体堆積層に接合され得る。

図１０Ａおよび図１０Ｂは、全体を１０３０と指定される高効率光源の他の例示的な実施形態である。ここで、光源デバイス（図７の光源デバイス７００と同様）は、光管のエッジ周辺で隔を空けている。図１０Ａに示されるように、光源デバイス１０２０、１０２２、１０２４、１０２６などの幾つかの光源デバイスが、光管１０００のエッジ周辺に置かれる。

高効率光源１０３０の断面が、図１０Ｂに示される。図示されるように、光源デバイス１０１８は、光管１０００の中に光を向けるように構成される。光源デバイス１０１８は、発光体１０２０、光学レンズ１０２２、および、発光体１０２０と向かい合うと関係にある蛍光体層（図示せず）を含む。また、反射板１０２４も含まれ、これは、蛍光体１０２０から光管１０００のエッジへと、またその中への方向に透過光および反射光を向ける。

光管１０００は、エッジ１００４、上面１００６、および、底面１００８を含む。上面１００６に、蛍光体層１０１０の堆積物およびマイクロレンズディフューザ１０１２の層がある。同様に、底面１００８に、蛍光体層の堆積物１０１４およびマイクロレンズディフューザ１０１６の層がある。マイクロレンズディフューザの層は、そのそれぞれの蛍光体層と接合され得る。

図１１は、本発明のさらに別の例示的な実施形態を示す。図示されるように、デバイス１１１０は、光源１１００、レンズ１１０２および蛍光体層１１０４を含む。蛍光体層は、レンズ１１０２の上に堆積される。これは、図６に示されるのと同様の方法で、蛍光体層がＬＥＤから遠ざかるようにである。光源／レンズ／蛍光体の構成は、高反射率を有する反射板１１０６によって取り囲まれている。例示的な実施形態において、測定された反射率は、９０％〜９７％の範囲であり得る。さらに、高効率マイクロレンズディフューザ１１０８は、反射板１１０６の上面にわたって置かれる。例示的な実施形態において、このマイクロレンズディフューザは、９５％を超える効率を示し得る。

図１２は、本発明のさらにまた別の例示的な実施形態である。図示されるように、デバイス１２１０は、蛍光体層１２０２と向かい合う光源１２００、および反射板１２０６を含む。透明な媒体１２０４は、光源１２００と蛍光体層１２０２との間のスペースを満たし得る。例示的な実施形態において、以前に列挙した幾何学的形状の１つと同様に、放物線形状または他の湾曲形状からなり得る。反射板１２０６は、蛍光体層および光源から離れて置かれ得る。透明な媒体１２０８は、蛍光体層と反射板との間のスペースを満たすために使用され得る。図示されるように、蛍光体層１２０２は、光源１２００と反射板１２０６との間に配置される。

白色発光ダイオード（ＬＥＤ）に使用される蛍光体は、発光の半分よりも多くを後方散乱することは、周知であるが、今日まで、この光を光子として回復させて、白色光源の全体効率を向上し得ることを示した者はいない。発明者らは、本発明の様々な実施形態によって提供される散乱光子抽出（ＳＰＥ）方法を実験的に検証してきた。これは、白色光源の全体効率を著しく向上する。低電流において、ＳＰＥパッケージは、黒体軌跡に非常に近い色値である８０ｌｍ／Ｗを超える白色光を示した。

白色光生成に利用可能な他の異なる方法の中で、蛍光体変換発光法が最も一般的である。第一の蛍光体変換白色ＬＥＤは、セリウムをドーピングしたイットリウム・アルミ・ガーネット（ＹＡＧ：Ｃｅ）蛍光体が、青色ＬＥＤベースのガリウム窒化物（ＧａＮ）と組み合わせて使用される。典型的な白色ＬＥＤパッケージにおいて、蛍光体は、ＬＥＤダイを取り囲むエポキシ樹脂の内側に埋め込まれる。ＧａＮ系ＬＥＤによって発する短波長放射の一部は、蛍光体によってダウンコンバージョンされ、結合された光は、人間の目に白色として認識される。これら製品は、白色ＬＥＤのコンセプトを示したが、特定のニッチな照明用途に使用されてきた。これらが一般的な照明用途に適していないのは、全体の照明出力が低く、効率が悪いからである。

より高い照明効率を白色ＬＥＤで達成するためには、数段階の改善が必要とされる。それら段階は、内部量子効率、抽出効率、および、蛍光体変換効率である。一部の研究者は、内部量子効率を改善するために、半導体の材料および成長の局面の研究に挑戦してきた。他の研究者は、光抽出効率を改善するために、成形チップ、光結晶、マイクロメートルオーダーのＬＥＤ、および他の新たな方法を探索している。さらに他の研究者は、より高いダウンコンバージョン効率およびより優れた光学的特性を有する新たな蛍光体を探索している。

本発明者らの知識が今日及ぶ限りでは、過去の文献は、光の大部分が蛍光体によって後方散乱され、吸収のためにＬＥＤ内で失われることを認めているが、今日まで誰も、後方散乱された光子を抽出し、散乱光子抽出（ＳＰＥ）方法によって、性能を改善しようと試みてこなかった。この方法は、本発明の実施形態によって提供され、蛍光体変換白色ＬＥＤの全体の光出力と発光効率を散乱光子の回復によって著しく向上する。

一次短波長光と蛍光体との間の相互作用をより良く理解し、前方散乱光および後方散乱光の量を定量化するために、直径５ｃｍの幾つかの円形ガラス板が、２ｍｇ／ｃｍ^２〜８ｍｇ／ｃｍ^２の範囲で異なる密度のＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体で発明者らによって、コーティングされた。これら蛍光体板は、右球に面する蛍光体コーティングと一緒に、２つの隣り合う積分球の間に配置された。蛍光体材料は、ガラス板から２．５ｃｍ離れて右球の内側にある５ｍｍの青色ＬＥＤから放射によって励起された。分光計は、各球から各測定ポートを介して出力された光を測定した。左球および右球から測定された光の出力は、蛍光体層を介した通過光の量と、蛍光体を離れた反射光の量とをそれぞれ示した。分光計データを解析して、ＬＥＤによって発した放射エネルギーに対応する青色領域内のフラックス量と、ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体からの変換エネルギーに対応する黄色領域内のフラックス量とを決定した。実験結果によって、透過放射と反射放射に対するスペクトル強度分布は、特に、青色の量対黄色の量の比率によって異なることが示された。透過放射および反射放射の量は、蛍光体密度に依存し、密度が低いと、透過放射線の割合が高くなる。典型的には、透過青色光および透過黄色光が、適切な色度の白色光を生成するのに正しい比率であるように、蛍光体密度は制御され得る。この色度は、それを黒体軌跡の上または近傍に置く。収集されたデータから、バランスの取れた白色光を生成するとき、約４０％の光が透過され、残りの６０％が反射されることが推定された。Ｙａｍａｄａらは、同様の結果を見出しており、それは、Ｋ．Ｙａｍａｄａ、Ｙ．Ｉｍａｉ、Ｋ．Ｉｓｈｉｉによって、Ｊ．Ｌｉｇｈｔ．＆Ｖｉｓ．Ｅｎｖ．２７（２）、７０（２００３）に報告されている。従来の白色ＬＥＤにおいて、この反射光の大部分は、ダイを取り囲むコンポーネントによって吸収されてきた。これが、照明効率が低い原因の一つであった。

反射光のほとんどが回復され得る方法が、図１３に示される。これは、散乱光子抽出（ＳＰＥ）を実装した、ＬＥＤパッケージを模式的に示す。蛍光体がダイの周りに広がっている典型的な従来の白色ＬＥＤパッケージと異なり、本発明のＳＰＥパッケージでは、蛍光体層は、ダイから取り去られ、ダイと蛍光体との間に透明な媒体が残る。パッケージ用の効率的な幾何学的形状は、光線追跡解析によって決定され得る。パッケージの形状は重要な役割を果たし、図１３に示される形状は、ＧａＮダイから出る光を蛍光体層へと効率的に移送し、蛍光体層からの後方散乱光のほとんどを光学素子へと逃がすことを可能にする。典型的な従来パッケージに比べ、より多くの光子は、ＳＰＥパッケージによって回復される。ここで、再び、蛍光体密度が、最終的な白色光の色度を決定する。

従来の白色ＬＥＤパッケージと同様な色度座標で白色光を生成するためには、ＳＰＥパッケージが異なる蛍光体密度を要することには、十分注意する価値がある。この差は、ＳＰＥパッケージが異なるスペクトルを有するＳＰＥパッケージ透過光および逆方向反射光を混合する結果である。これに対し、従来のパッケージは、主として、透過光を使用している。

図１３に示すＳＰＥパッケージが、より高い光出力および照明効率を提供することを検証するために、同じメーカーから入手した１２個の従来の高光束ＬＥＤ、６個の３Ｗの青色ＬＥＤおよび６個の３Ｗの白色ＬＥＤを用いて、実験が行われた。ＳＰＥパッケージのプロファイル要求に見合う市販の光学素子が見出され、幾つかの光学素子は、ＬＥＤとの実験のために入手された。この光学素子は、図１３に示すような、後方散乱光のほとんどを抽出するために望まれる形状を有しなかったが、この仮説を検証するためには十分であった。この実験の二次光学素子の上面の平坦部分は、所定の量のＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体でコーティングされた。必要とされる蛍光体密度は、蛍光体密度の量を体系的に変化させ、異なる実験を行い、結果として得られた色度を解析し、実験で使用される市販の白色ＬＥＤの色度に近い色度を生成する密度を選択して決定された。２つのパッケージコンセプトの性能を比較するために、白色ＬＥＤには、コーティングされていない二次光学素子が取り付けられた。市販の白色ＬＥＤの光出力およびスペクトルは、積分球内で測定され、ＬＥＤに電源供給するのに必要とされる電流および電圧も、また測定された。同じ測定が、図１３に示されるように、蛍光体コーティングされた二次光学素子が取り付けられた青色ＬＥＤを含むＳＰＥパッケージに対しても繰り返された。

ＳＰＥのＬＥＤパッケージに対し、平均光束およびそれに対応する平均効率は、それぞれ、９０．７ｌｍおよび３６．３ｌｍ／Ｗであることが分かった。典型的な白色ＬＥＤパッケージに対し、平均光束およびそれに対応する平均効率は、それぞれ、５６．５ｌｍおよび２２．６ｌｍ／Ｗであった。それゆえ、ＳＰＥのＬＥＤパッケージは、平均で、６１％多い光出力と、６１％高い発光効率とを有した。同様のＬＥＤ間における光束および対応する効率の変動は、標準偏差は４％未満と小さかった。ＳＰＥパッケージは、典型的な従来の白色ＬＥＤパッケージに比べ、一貫して、高い光出力と高い発光効率を有した。

光出力および効率のインパクトも、また、１つの典型的な白色ＬＥＤと、１つのＳＰＥパッケージとの２つのＬＥＤパッケージで測定された。これら２つのＬＥＤは、同じ光出力測定手順で行われたが、その入力電流は、７００ｍＡから５０ｍＡへと何回かのステップで減少され、その対応する光度計および電気データが収集された。非常に低い電流で、ＳＰＥパッケージは、８０ｌｍ／Ｗを超えた。これと比較して、従来のパッケージは、５４ｌｍ／Ｗであった。

ＳＰＥパッケージで、後方散乱光子は、ＬＥＤ内のコンポーネントによって吸収される前に抽出された。蛍光体層が、ダイからさらに離れて置かれること、および、後方散乱光子が、パッケージ内での多数の反射を体験する前に抽出されることは重要である。蛍光体をダイから遠ざけるように動かすことは、追加のメリットを有する。これによって、以前の論文（Ｎａｒｅｎｄｒａｎ，Ｎ．、Ｙ．Ｇｕ、Ｊ．Ｐ．Ｆｒｅｙｓｓｉｎｉｅｒ、Ｈ．Ｙｕ，およびＬ．Ｄｅｎｇ、２００４年、「Ｓｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅ ｌｉｇｈｔｉｎｇ： Ｆａｉｌｕｒｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｗｈｉｔｅ ＬＥＤｓ」（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ、２６８（３−４）：ｐ４４９−４５６）に示されているように、白色ＬＥＤの寿命が、また改善されるからである。

後方散乱光の一部を回復する本発明の代替的な方法は、図５Ａおよび図５Ｂに示されるように、二次光学素子の両面を反射性材料でコーティングすることである。効率は、従来の白色ＬＥＤパッケージに比べ改善され得るが、ゲインはそれほどでもない。なぜなら、後方散乱光は、蛍光体層と反射板との間を行き来して跳ね返るから、この光のかなりの部分が吸収され、熱として失われるからである。この方法の不利な点は、周囲のエポキシ材料を介して移動する短波長光の経路長が増えることによって、エポキシが早く劣化し、こうして、白色ＬＥＤの有効寿命を短くすることである。

図１３に示されるＳＰＥパッケージの形状がこの特定の形状に限定されないことは、理解されるべきである。代替的な形状は、カラーや寿命のような他の設計上の懸念事項に対処しながら、後方散乱光子をより効率的に回復するために使用され得る。一例として、図１３の構成において、上表面の直径の好ましい寸法は、約２０ｍｍであり、高さに対する好ましい寸法は、約１１ｍｍであることを、発明者らは発見した。

要約すれば、本発明は、蛍光体層からの後方散乱光を回復する。さらに、白色ＬＥＤの全体の光出力および対応する発光効率は、従来の白色ＬＥＤに比べ、著しく向上され得る。低電流において、ＳＰＥの方法は、黒色軌跡に非常に近い色度で、８０ｌｍ／Ｗを超える白色光を示す。

本発明は、例示的実施形態を参照しながら記載されてきたが、本発明は、本明細書に記載されたことに限定されない。むしろ、添付の請求項が、本発明の真の精神および範囲から逸脱することなく当業者によってなされ得る本発明の他の変種および実施形態を含むものと解釈されるべきである。

Claims (17)

1. 発光装置であって、
   前記発光装置は、
   少なくとも２つの別個のセグメントを含む光透過円筒光学素子であって、前記別個のセグメントの各々は、互いに隣接した平坦な表面を有する、円筒光学素子と、
   前記円筒光学素子の前記少なくとも２つのセグメントの各々の端に隣接して配置された少なくとも１つの光放射源であって、前記少なくとも１つの光放射源は、光を前記少なくとも２つの別個のセグメントのそれぞれのセグメント内に伝送する、少なくとも１つの光放射源と、
   前記円筒光学素子内の中央縦軸に沿って配置されたダウンコンバージョン材料であって、前記光放射源によって前記少なくとも２つの別個のセグメント内に伝送された光の透過または反射のうちの少なくとも一方のためのダウンコンバージョン材料と
   を備え、前記ダウンコンバージョン材料は、前記円筒光学素子の１つのセグメントから別のセグメントへの光の通過を可能とするように適合される、発光装置。
2. 前記光放射源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザーダイオード（ＬＤ）または共振空洞発光ダイオード（ＲＣＬＥＤ）のうちの１つを含む半導体発光体である、請求項１に記載の発光装置。
3. 前記光放射源は、前記円筒光学素子の一つの側面端に隣接して配置される、請求項１に記載の発光装置。
4. 前記光放射源は、互いに間隔を空けた第一の放射源と第二の放射源とを含み、前記第一の放射源および前記第二の放射源は、前記円筒光学素子の一つの側面端に近接して配置される、請求項１に記載の発光装置。
5. 前記ダウンコンバージョン材料は、１つのスペクトル領域内で光を吸収し、別のスペクトル領域で発光する蛍光体または他の材料のうちの１つを含む、請求項１に記載の発光装置。
6. 前記ダウンコンバージョン材料は、前記円筒光学素子の縦軸に実質的に平行に配置される、請求項１に記載の発光装置。
7. 前記光放射源は、前記ダウンコンバージョン材料の各面に少なくとも１つの光源を含む、請求項１に記載の発光装置。
8. 前記光源は、少なくとも１つの基板上に実装される、請求項７に記載の発光装置。
9. 前記円筒光学素子は、前記ダウンコンバージョン材料により反射された光を受け、前記反射された光を前記円筒光学素子の外側に移送する、請求項１に記載の発光装置。
10. 前記円筒光学素子の前記少なくとも２つの別個のセグメントの各セグメントは、固体材料から構成される、請求項１に記載の発光装置。
11. 前記少なくとも２つの別個のセグメントは、各々、相互に実質的に類似する、請求項１に記載の発光装置。
12. 前記ダウンコンバージョン材料は、平坦な形状である、請求項１に記載の発光装置。
13. 前記ダウンコンバージョン材料は、光の透過および光の反射のための少なくとも第一の面を有する、請求項１に記載の発光装置。
14. 前記ダウンコンバージョン材料は、光の透過および光の反射のための少なくとも第二の面を有する、請求項１３に記載の発光装置。
15. 発光装置であって、
    前記発光装置は、
    少なくとも２つの別個のセグメントを含む光透過円筒光学素子であって、前記別個のセグメントの各々は、互いに隣接した平坦な表面を有する、円筒光学素子と、
    前記円筒光学素子の端に隣接して配置された少なくとも１つの光放射源であって、前記少なくとも１つの光放射源は、光を前記少なくとも２つの別個のセグメントのそれぞれのセグメント内に伝送する、少なくとも１つの光放射源と、
    前記円筒光学素子内の中央縦軸に沿って配置されたダウンコンバージョン材料であって、前記光放射源によって前記少なくとも２つの別個のセグメント内に伝送された光の透過または反射のうちの少なくとも一方のためのダウンコンバージョン材料と
    を備え、前記円筒光学素子の前記少なくとも２つの別個のセグメントのうちの第一のセグメントは、第一の表面を有し、前記円筒光学素子の前記少なくとも２つの別個のセグメントのうちの第二のセグメントは、第二の表面を有し、前記ダウンコンバージョン材料は、前記第一の表面と前記第二の表面との間に配置されている、発光装置。
16. 前記第一の表面は、第一の平坦な表面であり、前記第二の表面は、第二の平坦な表面である、請求項１５に記載の発光装置。
17. 発光装置であって、
    前記発光装置は、
    少なくとも２つの別個のセグメントを含む光透過円筒光学素子と、
    前記円筒光学素子の端に隣接して配置された少なくとも１つの光放射源であって、前記少なくとも１つの光放射源は、光を前記少なくとも２つの別個のセグメントのそれぞれのセグメント内に伝送する、少なくとも１つの光放射源と、
    前記円筒光学素子内の縦軸に沿って、かつ、前記少なくとも２つの別個のセグメントの間に配置されたダウンコンバージョン材料であって、前記光放射源によって前記少なくとも２つの別個のセグメント内に伝送された光の透過または反射のうちの少なくとも一方のためのダウンコンバージョン材料と
    を備える、発光装置。

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