(57)【要約】  光源は、複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）（１０２、２０６、３０６、６２６）を用いて形成される。ＬＥＤによって発せられた光に対して透過性である材料の第１の層（２２０、３２０）は、複数のＬＥＤの上に配置される。光は、材料の第１の層を通って、ＬＥＤから第１の層の他方の側の上に配置される蛍光体層（２１８、３１８）に伝搬する。光は、広帯域の白色光を生成するために、蛍光体で変換される。材料の第１の層（２２０、３２０）は、変換された光の波長で反射してもよく、ＬＥＤ（１０６、２０６、３０６、６２６）に向かって戻るように伝搬する変換光は前方方向に反射される。蛍光体材料は、第１の層（２２０、３２０）上のパッチとして形成されてもよい。反射結合器などの結合器（２１０、３１０、６０４）のアレイは、各ＬＥＤ（１０２、２０６、３０６、６２６）によって生成された波長変換光をそれぞれの光ファイバ（１０６）に結合するために用いられてもよい。
2007513381.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＬＥＤ光を発することができる発光ダイオード（ＬＥＤ）ダイと、
それぞれのＬＥＤダイからの光を結合するための光結合器と、
前記ＬＥＤダイと前記光結合器との間に配置され、それぞれのＬＥＤダイから前記光結合器に伝搬する前記ＬＥＤ光の少なくとも一部を変換する蛍光体パッチと、
前記ＬＥＤダイと前記蛍光体パッチとの間に配置された中間層であって、前記ＬＥＤ光を透過し、前記蛍光体パッチで変換される光を反射し、前記ＬＥＤダイに面する第１の側および前記結合器に面する第２の側を有する中間層と、を含んで成る、前記蛍光体パッチは前記中間層の前記第２の側の上に配置された光源。
【請求項２】
前記ＬＥＤダイが規則的なアレイで配置された、請求項１に記載の光源。
【請求項３】
前記ＬＥＤダイが封入されている、請求項１に記載の光源。
【請求項４】
前記ＬＥＤダイが基板の上に配置されている、請求項１に記載の光源。
【請求項５】
前記中間層と前記基板との間に配置された少なくとも１つのスタンドオフをさらに含む、請求項４に記載の光源。
【請求項６】
前記結合器は、結合器シートを通るアパーチャによって形成された反射性結合器であり、前記アパーチャは反射性側壁を有する、請求項１に記載の光源。
【請求項７】
前記蛍光体パッチは、それぞれのアパーチャと位置合わせされている、請求項６に記載の光源。
【請求項８】
前記蛍光体パッチは、前記中間層から前記アパーチャまで延在する、請求項６に記載の光源。
【請求項９】
前記蛍光体層を通過したＬＥＤ光を前記蛍光体層に戻るように反射させるために配置された反射層をさらに含む、請求項１に記載の光源。
【請求項１０】
それぞれの結合器からの光を受容するように配置された一組の光ファイバをさらに含む、請求項１に記載の光源。
【請求項１１】
前記複数のＬＥＤダイに電流を供給するために接続された電源をさらに含む、請求項１に記載の光源。
【請求項１２】
ＬＥＤ光を生成するための２つ以上の発光ダイオード（ＬＥＤ）ダイと、
前記ＬＥＤダイからの光を結合するための２つ以上のそれぞれの結合器と、
前記ＬＥＤダイと前記結合器との間に配置され、ＬＥＤ光に対して実質的に透明である中間層と、
前記中間層と前記結合器との間で、前記中間層の上に配置され、前記ＬＥＤ光の少なくとも一部を変換波長の光に変換するための蛍光体層と、を含んで成る光源。
【請求項１３】
前記ＬＥＤダイが規則的なアレイで配置された、請求項１２に記載の光源。
【請求項１４】
前記ＬＥＤダイが封入されている、請求項１２に記載の光源。
【請求項１５】
前記ＬＥＤダイが基板の上に配置されている、請求項１２に記載の光源。
【請求項１６】
前記中間層と前記基板との間に配置された少なくとも１つのスタンドオフをさらに含む、請求項１５に記載の光源。
【請求項１７】
前記結合器は、アパーチャシートを通るアパーチャによって形成された反射性結合器であり、前記アパーチャは反射性側壁を有する、請求項１２に記載の光源。
【請求項１８】
前記蛍光体層が前記中間層上に分配された蛍光体含有材料からなるパッチとして設けられ、前記パッチが前記ＬＥＤダイによって照明される前記中間層の領域に対応する位置に配置された、請求項１２に記載の光源。
【請求項１９】
前記結合器はアパーチャシートを通るアパーチャ内に形成され、前記パッチは前記アパーチャと位置合わせされる、請求項１８に記載の光源。
【請求項２０】
蛍光体含有材料からなる前記パッチが前記中間層から前記アパーチャまで延在する、請求項１９に記載の光源。
【請求項２１】
前記中間層が前記変換波長の光を反射する、請求項１９に記載の光源。
【請求項２２】
前記蛍光体層を通過したＬＥＤ光を前記蛍光体層に戻るように反射させるために配置された反射層をさらに含む、請求項１９に記載の光源。
【請求項２３】
前記中間層が前記変換光を反射する、請求項１２に記載の光源。
【請求項２４】
それぞれの光結合器からの光を受容するように配置された一組の光ファイバをさらに含む、請求項１２に記載の光源。
【請求項２５】
前記ＬＥＤダイに電流を供給するために接続される電源をさらに含む、請求項１２に記載の光源。
【請求項２６】
ＬＥＤ光を発することができる複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）ダイと、
前記ＬＥＤダイの上方に配置され、ＬＥＤ光に対して実質的に透明である第１の層であって、前記ＬＥＤ光が前記第１の層の中を前記第１の層の第１の側から前記第１の層の第２の側に伝搬する第１の層と、
前記第１の層の前記第２の側の上に配置された蛍光体層と、を含んで成る光源。
【請求項２７】
前記ＬＥＤダイが規則的なアレイに配置された、請求項２６に記載の光源。
【請求項２８】
前記蛍光体層が前記第１の層上に分配された蛍光体含有材料からなるパッチとして設けられ、前記パッチが前記ＬＥＤダイによって照明される前記第１の層の領域に対応する位置に配置された、請求項２６に記載の光源。
【請求項２９】
前記第１の層が、前記ＬＥＤ光の前記波長より長い波長に前記蛍光体層によって変換された光を反射する、請求項２６に記載の光源。
【請求項３０】
前記蛍光体層を通過したＬＥＤ光を前記蛍光体層に戻るように反射させるために配置された反射層をさらに含む、請求項２６に記載の光源。
【請求項３１】
前記ＬＥＤダイが基板の上に配置された、請求項２６に記載の光源。
【請求項３２】
前記基板と前記第１の層との間に少なくとも１つのスタンドオフをさらに含む、請求項３１に記載の光源。
【請求項３３】
ＬＥＤ光を発することができる複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）ダイを提供するステップと、
第１の層の上に蛍光体の層を配置するステップであって、前記第１の層はＬＥＤ光に対して実質的に透明であるステップと、
前記ＬＥＤダイの上に前記第１の層および前記蛍光体の層を位置決めし、ＬＥＤ光が前記第１の層の中を前記ＬＥＤダイから前記蛍光体の層に向かって通過するようにするステップと、を含む光源の組み立て方法。
【請求項３４】
前記第１の層の上に前記蛍光体の層を配置するステップが、前記第１の層の面の上にパッチとして前記蛍光体の層を配置するステップを含み、前記第１の層の前記パッチの前記位置が、光が前記ＬＥＤダイから前記第１の層を通過する領域に対応する、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記複数のＬＥＤダイを提供するステップが、規則的なアレイパターンに前記ＬＥＤダイを配置するステップを含む、請求項３３に記載の方法。
【請求項３６】
前記複数のＬＥＤダイを提供するステップが、ＬＥＤサブアセンブリに前記複数のＬＥＤダイを提供するステップを含み、前記ＬＥＤサブアセンブリを前記第１の層に装着するステップをさらに含む、請求項３３に記載の方法。
【請求項３７】
前記ＬＥＤサブアセンブリおよび前記第１の層の一方が複数のスタンドオフを含み、前記ＬＥＤサブアセンブリを前記第１の層に装着するステップが前記ＬＥＤサブアセンブリおよび前記第１の層の他方に前記スタンドオフを装着するステップを含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記中間層を提供するステップが、前記ＬＥＤ光を透過し、前記蛍光体層で波長変換される光を反射する中間層を提供するステップを含む、請求項３３に記載の方法。
【請求項３９】
前記蛍光体層を通過したＬＥＤ光を前記蛍光体層に戻るように反射させるために、反射体層を提供するステップをさらに含む、請求項３３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学系に関し、さらに詳細には複数の光源の利用に基づく照射システムに適用可能である。
【背景技術】
【０００２】
照射システムは、種々の用途に用いられる。住宅、医療、歯科および産業用途では、光を利用することが必要な場合が多い。同様に、航空機、船舶および自動車の用途では、高強度の照射ビームを必要とすることが多い。従来の照明システムは、電気によって出力されるフィラメントまたはアーク灯を用いてきた。これらの照明システムは、生成された照射光をビームとして向けるために、合焦レンズおよび／または反射面を備えることがよくある。しかし、スイミングプールの照明などの一定の用途において、最終的な光出力を電気的接触が望ましくない環境に配置する必要がある場合がある。自動車の前照灯などの他の用途では、光源を露出された損傷を受けやすい位置からより安全な位置に移動するという要望がある。また、さらに別の用途では、物理的空間の制限、接近可能性または設計などの考慮事項から、最終的な照射が必要される場所とは異なる位置に光源を配置することが必要となる場合がある。
【０００３】
これらの必要性の一部に対して、光導波路を用いて光源からの光を所望の照射点まで案内する照射システムが開発されている。１つの現行の手法は、１つの明るい光源または共に集められて１つの照射源を形成する一連の光源のいずれかを用いることである。そのような光源によって発せられた光は、合焦光学素子を用いて、１つまたは複数の光源から離れた位置に光を伝送する大口径プラスチックファイバなどの１つの光導波路に向けられる。さらに別の手法では、単一ファイバを個別の光ファイバの束に置き換えてもよい。
【０００４】
現行の方法は、場合によっては生成された光の約７０％が失われるため、非効率的である。多重ファイバシステムでは、これらの損失は、束になったファイバ間の暗い間隙空間およびファイバ束に光を向ける非効率性に起因する恐れがある。単一のファイバシステムでは、明るい照明用途に必要な光の量を捕捉するほど十分に大きな直径を有する単一ファイバは重くなりすぎ、経路指定および小さな半径に曲げることに対する自由度が失われる。
【０００５】
一部の光生成システムは、光源としてレーザを用い、可干渉の光出力を活かしている。しかし、レーザ光源は通常は単一の出力色を生成するのに対し、照射システムは通常は、より広帯域の白色光源を必要とする。さらに、レーザダイオードは一般に、非対称のビーム形状を有する光を生成するため、光ファイバへの効率的な結合を達成するために、光学ビーム整形素子を多数使用することが必要である。さらに、一部のレーザダイオードは、動作中に生成する熱のために、厳密な温度制御を必要とすることから（たとえば、熱電冷却器などを用いる必要がある）、利用にはコストが嵩む。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、効率的かつ廉価で光を生成し、遠隔照射に用いることができる光源に関する継続的需要が依然としてある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の１つの特定の実施形態は、ＬＥＤ光を発することができる発光ダイオード（ＬＥＤ）ダイおよびそれぞれのＬＥＤダイからの光を結合するための光結合器を備える光源に関する。蛍光体パッチは、ＬＥＤダイと光結合器との間に配置され、それぞれのＬＥＤダイから光結合器に伝搬するＬＥＤ光の少なくとも一部を変換する。中間層が、ＬＥＤダイと蛍光体パッチとの間に配置される。中間層は、ＬＥＤ光を透過し、蛍光体パッチで変換される光を反射する。中間層は、ＬＥＤダイに面する第１の側および結合器に面する第２の側を有する。蛍光体パッチは、中間層の第２の側に配置される。ＬＥＤ光は、青色光または紫外光であってもよい。
【０００８】
本発明の別の実施形態は、ＬＥＤ光を生成するための２つ以上の発光ダイオード（ＬＥＤ）ダイと、ＬＥＤダイからの光を結合するための２つ以上のそれぞれの結合器と、を含んで成る光源に関する。中間層が、ＬＥＤダイと結合器との間に配置される。中間層は、ＬＥＤ光に対して実質的に透明である。蛍光体層が、中間層と結合器との間で、中間層の上に配置され、ＬＥＤ光の少なくとも一部を変換された波長の光に変換する。
【０００９】
本発明の別の実施形態は、ＬＥＤ光を発することができる複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）ダイと、ＬＥＤダイの上方に配置された第１の層と、を含んで成る光源に関する。第１の層は、ＬＥＤ光に対して実質的に透明である。ＬＥＤ光は、第１の層の中を第１の層の第１の側から第１の層の第２の側まで伝搬する。蛍光体層は、第１の層の第２の側の上に配置される。
【００１０】
本発明の別の実施形態は、光源を組み立てる方法に関する。この方法は、ＬＥＤ光を発することができる複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）ダイを提供するステップを含む。蛍光体の層は第１の層の上に配置され、第１の層はＬＥＤ光に対して実質的に透明である。第１の層および蛍光体の層はＬＥＤダイの上方に位置決めされ、ＬＥＤ光は第１の層を通ってＬＥＤダイから蛍光体の層に伝搬する。
【００１１】
本発明の上記の概要は、本発明のそれぞれの示された実施形態またはすべての実装例を説明することを目的としていない。図面および以下の詳細な説明は、これらの実施形態をさらに詳細に具体化している。
【００１２】
本発明は、添付図面と共に、本発明の種々の実施形態に関する以下の詳細な説明を検討すれば、より完全に理解されるであろう。
【００１３】
本発明は種々の変更および代替形態に適用可能であるが、その詳細が図に一例として示され、詳細に説明される。しかし、記載された特定の実施形態に本発明を限定するわけではないことを理解すべきである。逆に言えば、添付の特許請求の範囲によって規定されるように、本発明の精神および範囲に包含されるすべての変更、代替および変形を包含するものとする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明は、光学系に適用可能であり、さらに詳細には、１つ以上の発光ダイオード（ＬＥＤ）の使用に基づく照射システムおよびそのようなシステムの製造方法に適用可能である。
【００１５】
より高い出力パワーを有するＬＥＤがさらに容易に利用可能となりつつあり、白色光によるＬＥＤ照射用の新たな用途を開拓している。高パワーＬＥＤを用いて対応しうる用途の中には、投影およびディスプレイシステムにおける光源、マシンビジョンシステムおよびカメラ／ビデオ用途およびさらに自動車の前照灯など遠距離照明システムにおける照射源としての使用が挙げられる。ＬＥＤを用いて白色光を生成するために、異なる手法を用いてもよい。１つの手法は、異なる波長で光を発するＬＥＤの組み合わせを用いることである。別の手法は、短波長、たとえばスペクトルの青色または近紫外（ＵＶ）部分で光を生成するＬＥＤを用い、短波長光を可視スペクトルにおける他の波長に変換することである。結果として生じる光は、可視スペクトルの大部分に及び、本願明細書では広帯域光と呼ばれる。スペクトルの青色またはＵＶ部分で光を発するＬＥＤは、窒化ガリウム、炭化ケイ素または青色光またはＵＶ光の生成に適したバンドギャップを有する他の半導体材料に基づいていてもよい。
【００１６】
白色光は、人間の目における赤色センサ、緑色センサおよび青色センサを刺激する光であり、通常の観察者が「白色」とみなす外観を生じる。そのような白色光は、赤色（「温白色光」と一般に呼ばれる）に偏っているか、青色（「冷白色光」と一般に呼ばれる）に偏っていてもよい。そのような光は、１００までの演色指数を有することができる。
【００１７】
より短い波長の光をより長い波長の光に変換するために用いられる材料は、本願明細書では「蛍光体」と呼ばれる。蛍光体は、より長い波長の光を生成するための異なる機構、たとえば、蛍光または燐光を用いてもよい。蛍光体は、無機、有機またはその両方の組み合わせであってもよい。無機蛍光体の例としては、ガーネット、ケイ酸塩および他のセラミックスが挙げられる。ガーネット蛍光体の具体的な例は、ガドリニウムをドープしたセリウム活性化イットリウムアルミニウムガーネット（Ｃｅ：ＹＡＧ）である。他の蛍光種、たとえば、サマリウム、プラセオジムなどの希土類ドーパントを用いてもよい。有機蛍光体の例としては、有機蛍光材料、たとえば有機染料、顔料などが挙げられる。
【００１８】
蛍光体材料は一般に、約３００ｎｍ〜約４５０ｎｍの範囲の励起波長および可視波長範囲の発光波長を有する。狭い発光波長帯を有する蛍光体材料の場合には、蛍光体材料の混合物、たとえば、赤色発光蛍光体、緑色発光蛍光体および青色発光蛍光体からなる混合物を用いて配合し、視認者が視認した場合に、所望のカラーバランスを達成できる。より広い発光帯を有する蛍光体材料は、より高い演色指数を有する蛍光体混合物に適している。蛍光体は、高速放射遅延速度を有するものであることが望ましい。
【００１９】
蛍光体配合物は、所望の面に適用することができるエポキシ、接着剤またはポリマーマトリックスなどの結合剤に分散される約１ミクロン〜約２５ミクロンの範囲のサイズを有する蛍光体粒子を含んでもよい。約３００ｎｍ〜約４５０ｎｍの範囲の光をより長い波長に変換する蛍光体は、たとえば、英国エセックス（Ｅｓｓｅｘ，Ｅｎｇｌａｎｄ）のホスファー・テクノロジー・リミティッド（Ｐｈｏｓｐｈｏｒ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｌｔｄ．）から入手可能である。３００〜４７０ｎｍの放射線の下で高い安定性を有する材料が好ましく、特に無機蛍光体が好ましい。
【００２０】
蛍光体は、青色光を緑色光、黄色光および／または赤色光に変換するために用いられてもよいため、青色ＬＥＤは、青色光を蛍光体で生成される光に加えることによって、広帯域光または「白色」光を生成するために用いられることができることを十分に認識されよう。また、ＵＶ  ＬＥＤは、蛍光体が青色光、緑色光、黄色光および／または赤色光に変換する光を生成することができるため、ＵＶ  ＬＥＤを用いて広帯域光を生成することができる。
【００２１】
ＬＥＤは一般に、広範囲の角度にわたって光を発することから、光学設計者にとっての課題の一つは、ＬＥＤから発せられた光を集光し、可能な限り効率的により長い波長に変換することを確実にすることである。一部の用途では、広帯域光が光ファイバなどの光導波路に向けられることから、広帯域光を遠隔照射に用いてもよい。光学設計者にとって他の課題は、結果として生じる広帯域光が対象物、たとえば光ファイバの入力面に効率的に向けられることを確実にすることである。
【００２２】
複数のＬＥＤを備えた光源を用いる光照射システム１００の実施例は、図１に示される分解立体図に概略的に示される。システム１００は、整合アレイ中のそれぞれの反射結合器１０４によってそれぞれの光ファイバ１０６に光学的に結合された複数のＬＥＤ１０２を備える。ファイバ１０６は集めて、光を１つ以上の照射装置１１０に搬送する１つ以上の束１０８にまとめられてもよい。ファイバ１０６は、多モード光ファイバであってもよい。ＬＥＤ１０２および反射結合器１０４はハウジング１１２に収容されてもよく、ファイバ１０６はファイバ実装板１１４を用いてそれぞれの結合器１０４およびＬＥＤ１０２に近い空間アレイに保持されてもよい。システム１００は、ＬＥＤ１０２に電力を供給するために結合された電源１１６を備えていてもよい。
【００２３】
複数のＬＥＤ光源２００の一部の実施形態の断面が、図２に概略的に示されている。光源２００は、ヒートシンクとして用いられてもよい基部２０２を備える。熱伝導層２０４を用いて、ＬＥＤ２０６のアレイと基部２０２との間の熱結合を形成してもよい。ＬＥＤ２０６は、チップ（「ダイ」とも呼ばれる）として設けられてもよい。結合器シート２０８は、ＬＥＤ２０６からそれぞれの光ファイバ２１４のアレイに光２１２を結合するたとえば反射結合器などの結合器２１０のアレイを収容する。ＬＥＤ２０６は、それぞれの結合器２１０によってそれぞれのファイバ２１４に光学的に結合される。
【００２４】
ファイバ２１４は、ファイバ板２１６によって反射結合器２１０のアレイに対して、所定の位置に保持されてもよい。ファイバ２１４の出力端をまとめて、照射用の光源として用いてもよい。結合器シート２０８は、反射結合器２１０を形成するために、中を通るアパーチャを備えるように成形されてもよい。反射結合器の反射面は、異なる手法を用いて、たとえば、金属被覆または誘電薄膜塗装によって形成されてもよい。ＬＥＤから光ファイバに光を結合するための反射結合器の使用については、「ＲＥＦＬＥＣＴＩＶＥ  ＬＩＧＨＴ  ＣＯＵＰＬＥＲ」という名称の米国特許出願第１０／７２６，２４４号明細書、「ＩＬＬＵＭＩＮＡＴＩＯＮ  ＳＹＳＴＥＭ  ＵＳＩＮＧ  Ａ  ＰＬＵＲＡＬＩＴＹ  ＯＦ  ＬＩＧＨＴ  ＳＯＵＲＣＥＳ」という名称の米国特許出願第１０／７２６，２２２号明細書（米国特許出願公開第２００４−０１４９９９８−Ａ１号明細書）および２００２年１２月２日に出願された米国特許仮出願第６０／４３０，２３０号明細書にさらに詳細に説明されている。
【００２５】
ＬＥＤ２０６によって生成される光２１２の少なくとも一部の色は、可視スペクトルのより広帯域に及ぶように、１つ以上の異なる色に変換されてもよい。たとえば、ＬＥＤ２０６が青色光またはＵＶ光を生成する場合には、蛍光体を用いて、スペクトルの可視領域の他の色帯、たとえば緑色、黄色および／または赤色の光を生成してもよい。蛍光体は、ＬＥＤ２０６の上部に含まれてもよく、ファイバへの入口に設けられてもよく、または他の場所に設けられてもよい。示された実施形態において、蛍光体のパッチ２１８は、ＬＥＤ２０６と結合器シート２０８との間にある中間層２２０の上に配置される。一部の実施形態において、中間層２２０は、結合器シート２０８の入力側に当接していてもよいため、蛍光体パッチ２１８は反射結合器２１０のアパーチャに適合する。
【００２６】
反射結合器２１０は、空気で満たされてもよく、または光学エポキシなどの空気より屈折率の高い光透過性材料を含んでもよい。光透過性材料の使用により、蛍光体パッチ２１８の面におけるフレネル反射損失を低減し、したがって、多くの波長に変換された光を蛍光体パッチ２１８からファイバ２１４に結合することを可能にしてもよい。
【００２７】
蛍光体パッチに結合するＬＥＤの拡大図が、図３に概略的に示される。ＬＥＤ３０６は、封入剤３３０、たとえばポリマーコーティングの中に埋設されるダイであってもよい。反射体３３２は、ＬＥＤ３０６の少なくとも部品の周囲に配置され、光を反射結合器３１０に向かって反射してもよい。反射体３３２は、たとえば、金属反射体、多層誘電反射体または多層光学ポリマーフィルム反射体であってもよい。導体３３４は、ＬＥＤダイ３０６に電流を印加するために、ＬＥＤダイ３０６の上部と接触していてもよい。一般に、電流経路は、ＬＥＤダイの底面から他の導体へと通過する。
【００２８】
ＬＥＤダイ３０６からの光３１２は、中間層３２０を通って蛍光体パッチ３１８に至る。蛍光体パッチ３１８は、入射光３１２の一部を入射光３１２より長い波長の光３１３に変換する。この図および次の図では、ＬＥＤによって直接発せられる光３１２は実線を用い、入射光３１２から蛍光体３１８の中で生成される波長変換光３１３は破線を用いて示される。
【００２９】
１つ以上の異なる反射層は、蛍光体パッチ３１８による効率波長変換を向上するために用いられてもよい。たとえば、中間層３２０は、ＬＥＤダイ３０６によって発せられる光３１２を透過してもよいが、蛍光体パッチ３１８の中で生成されるより長い波長の光３１３を反射してもよい。そのような中間層は、本願明細書では「半透過中間層３２０」と呼ばれる。半透過中間層３２０の使用は、図４Ａを参照して記載される。図４Ａは、蛍光体／反射体積層４１０が半透過中間層３２０の上方に蛍光体の層３１８を備える。半透過中間層３２０は、ＬＥＤによって発せられる光を透過するが、より長い波長の光を反射する。ＬＥＤからの光４１２ａの一部は、波長変換されることなく、蛍光体層３１８を透過してもよい。ＬＥＤからの光４１２ｂの一部は、蛍光体層３１８の中で波長変換を受け、蛍光体層３１８から透過される波長変換光４１３ｂを生成する。ＬＥＤからの光４１２ｃの一部は、蛍光体層３１８の中で波長変換を受け、ＬＥＤに向かって略戻る方向に内部伝搬する波長変換光４１３ｃを生成する。半透過中間層３２０は波長変換光４１３ｃを反射するため、波長変換光４１３ｃは前方方向に反射される。したがって、波長変換光を反射する半透過中間層３２０は、所望の前方方向に伝搬する波長変換光を生成する効率を増大するために用いられてもよい。
【００３０】
半透過中間層３２０は、波長変換光を反射するために、異なるタイプの反射体を用いてもよい。たとえば、層３２０は、光透過性基板および誘電反射体積層を含んでいてもよい。別の実施例において、層３２０は、屈折率が交互となる値を有するポリマー層の積層から形成される多層光学ポリマーフィルム（ＭＯＦ）反射体を含んでいてもよい。そのような反射体については、たとえば、米国特許第５，８８２，７７４号明細書および第５，８０８，７９４号明細書、それぞれ２００３年１月２７日に出願された米国特許仮出願第６０／４４３，２３５号明細書、第６０／４４３，２７４号明細書および第６０／４４３，２３２号明細書および２００３年１２月２日に出願された以下の特許、「Ｐｈｏｓｐｈｏｒ  Ｂａｓｅｄ  Ｌｉｇｈｔ  Ｓｏｕｒｃｅｓ  Ｈａｖｉｎｇ  ａ  Ｐｏｌｙｍｅｒｉｃ  Ｌｏｎｇ  Ｐａｓｓ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ」という名称の米国特許出願第１０／７２６，９９７号明細書（米国特許出願公開第２００４−０１４５９１３−Ａ１号明細書）および「Ｐｈｏｓｐｈｏｒ  Ｂａｓｅｄ  Ｌｉｇｈｔ  Ｓｏｕｒｃｅｓ  Ｈａｖｉｎｇ  ａ  Ｎｏｎ−Ｐｌａｎａｒ  Ｌｏｎｇ  Ｐａｓｓ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ」という名称の米国特許出願第１０／７２７，０７２号明細書（米国特許出願公開第２００４−０１４４９８７−Ａ１号明細書）にさらに記載されている。
【００３１】
図５は、半透過中間層としてのＭＯＦ反射体を有する蛍光体（曲線５０２）と、非反射性中間層を有する同蛍光体（曲線５０４）とをＬＥＤ照射することによって生成された光のスペクトルを比較するグラフを示す。青色光を発するＬＥＤは、約４５０ｎｍでピークとなった。蛍光体は、ジョージア州リチアスプリングス（Ｌｉｔｈｉａ  Ｓｐｒｉｎｇｓ，Ｇｅｏｒｇｉａ）のホスファー・テクノロジー・コーポレーション（Ｐｈｏｓｐｈｏｒ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｃｏｒｐ．）から入手可能なタイプＡ蛍光体材料であり、約５２５ｎｍ〜約６２５ｎｍの範囲にわたる広帯域光を生成した。ＭＯＦ半透過中間層の使用は、５００ｎｍより大きな波長の変換光の量を著しく増大する。
【００３２】
波長変換効率をさらに増大するために、第２の反射体層３２２を蛍光体パッチ３１８の上方に任意に配置してもよい。第２の反射体３２２層は一般に、ＬＥＤ波長の光を反射し、変換された波長の光を透過する。これについて、ここで図４Ｂを参照して説明される。反射体／蛍光体積層４２０は、半透過中間層３２０と第２の反射体３２２との間に配置される蛍光体層３１８を含む。ＬＥＤから入射する光４２２ａの一部は、反射体／蛍光体積層４２０を透過してもよい。ＬＥＤからの他の光４２２ｂは、蛍光体層３１８の中で前方方向に第２の反射体３２２を通過する変換光４２３ｂに変換される。ＬＥＤからの一部の光４２２ｃは、蛍光体層３１８を通過し、第２の反射体層３２２によって蛍光体層３１８に戻るように反射される。反射光４２２ｃは、前方方向に第２の反射体層３２２を通過する変換光４２３ｃに変換される。
【００３３】
一部の光は、反射層３２０および３２２の両方を利用する。たとえば、ＬＥＤからの光４２２ｄは、半透過中間層３２０および蛍光体層３１８を通過し、第２の反射体層３２２によって蛍光体層３１８に戻るように反射される。反射光４２２ｄは、蛍光体層３１８で変換光４２３ｄを生成する。変換光は、半透過中間層３２０から反射され、前方方向に第２の反射体３２２を抜け出るように向けられる。したがって、広帯域光がＬＥＤから生成される効率を増大するために、蛍光体層３１８の上および下にある波長選択反射体を用いてもよい。
【００３４】
積層体４１０および４２０の異なる特性、たとえば中間層および第２の反射体の反射率および蛍光体密度および厚さを調整して前方方向に透過される光の色における所望のバランスを生成してもよい。たとえば、青色光が積層体４１０に入射した場合には、積層体を直接通過する青色光の量は、どれだけの青色光が蛍光体層３１８の中でより長い波長に変換されるかに部分的に左右される。言い換えれば、これは蛍光体層３１８の蛍光体密度および厚さに左右される。また、前方方向に透過される変換光の量は、どれだけの変換光が蛍光体層３１８で生成されるか、およびどれだけの変換光が半透過中間層３２０によって反射されるかに左右される。したがって、積層体に存在する蛍光体および／または半透過中間層の反射率の調整により、設計者は、変換光および青色光の相対的な量を調整することができ、したがって所望のカラーバランスを達成することができる。第２の反射体層３２２の使用は、どれだけの青色光が積層体４２０を透過し、どれだけの光が蛍光体変換によって生成されるかを調整するために選択されうる別の変数を提供する。
【００３５】
本発明は、複数のＬＥＤを用いる光源に関する。ＬＥＤは、規則的なアレイに設けられてもよい。２×２アレイについて以下の説明では記載されるが、本発明は他の数のＬＥＤおよび他のサイズのアレイを包含することを意図としていることは十分に認識されよう。図６は、複数のＬＥＤ光源６００の分解立体図を示す概略図を示す。図７Ａおよび図７Ｂにさらに詳細に示したような反射結合器シート６０２は、シート６０２を通過するアパーチャで形成される反射結合器６０４のアレイを備える。下面６０６における反射結合器６０４の入力は、ＬＥＤおよび蛍光体パッチの幾何構成に適合して整形されてもよく、上面６０８における反射結合器６０４の出力は、光ファイバへの入力に適合して整形されてもよい。反射結合器シート６０２は、反射結合器が形成されるアパーチャを備えた一個部品として成形されてもよい。次に、アパーチャの側壁に、反射性コーティング、たとえばアルミニウムコーティングを設けて反射結合器６０４を形成してもよい。
【００３６】
中間層６１２を含む中間構成部材が、図８にさらに詳細に示されている。中間層６１２は、一方の側に複数の蛍光体パッチ６１４を備える。蛍光体パッチ６１４は、所望の形状および厚さで中間層６１２に配置されてもよく、反射結合器シートの反射結合器６０４のパターンと類似のパターンを形成してもよい。中間層６１２は、半透過性であってもよく、半透過性でなくてもよい。
【００３７】
蛍光体パッチ６１４は、異なる方法で構成されてもよい。たとえば、パッチ６１４は中間層６１２の面に硬化または設置される結合剤の中に配置される蛍光体粒子を収容してもよい。蛍光体粒子は、上述のように、任意の適切なタイプの蛍光体材料、たとえば無機蛍光体または有機蛍光体から形成されてもよい。適切な結合剤材料としては、ニュージャージー州のノーランド・プロダクツ・インコーポレィテッド（Ｎｏｒｌａｎｄ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ  Ｉｎｃ．，Ｎｅｗ  Ｊｅｒｓｅｙ）の「ノア８１（ＮＯＡ８１）」などの光透過性光学接着剤などが挙げられる。
【００３８】
蛍光体パッチ６１４は、異なる方法を用いて中間層６１２の上に配置されてもよい。たとえば、蛍光体パッチ６１４は、シルクスクリーン法などのスクリーン印刷法を用いて、中間層６１２の上に印刷されてもよい。中間層６１２の上に蛍光体パッチ６１４を配置するために用いてもよい他の手法としては、リソグラフィー法、成形法、噴射法などが挙げられる。リソグラフィー法の一実施例は、フォトリソグラフィー法である。成形法の一例は、パッチの位置に対応する凹部を有する圧盤を設けることである。凹部は蛍光体含有材料で充填され、次に圧盤が中間層の面に対して押圧される。噴射法の実施例は、インクジェット印刷である。蛍光体パッチ６１４は、必要に応じて、印刷後に中間層６１２の上で硬化されてもよい。
【００３９】
ＬＥＤサブアセンブリ６２２は、その表面に実装されるＬＥＤ６２６と電流のやりとりを行う導体を保持するためのフレキシブル回路を用いて形成される基板６２４を備えうる。たとえば、フレキシブル回路は、関連出願である２００３年１２月２日に出願された「ＩＬＬＵＭＩＮＡＴＩＯＮ  ＡＳＳＥＭＢＬＹ」という名称の米国特許出願第１０／７２７，２２０号明細書および米国特許第５，２２７，００８号明細書にさらに記載されるような回路である。
【００４０】
ＬＥＤ６２６は裸のダイとして設けられてもよく、またはダイは封入されていてもよい。ＬＥＤサブアセンブリ６２２はまた、基板６２４と中間層６１２との間にＬＥＤ６２６用の空間を設けるために、スタンドオフ６２８を設けてもよい。スタンドオフは、少なくともＬＥＤ６２６と同じ高さであってもよく、ＬＥＤ６２６より高くてもよい。ＬＥＤ６２６が上部ワイヤボンドを有する場合には、スタンドオフはＬＥＤ６２６の上部にあるワイヤボンド用の余地も提供してもよい。ワイヤボンドは、基板６２４の上面の導体に接続されてもよい。スタンドオフの異なる形状および構造を用いてもよい。たとえば、スタンドオフ６２８は、図示されているように先細りであってもよく、または平行な側面であってもよい。スタンドオフ６２８は、円形断面であってもよく、または異なる形状をとってもよい。また、スタンドオフ６２８は、示されているものとは異なるパターンで、基板６２４の上に位置決めされてもよい。あるいは、スタンドオフは、蛍光体パッチ６１４に対向する側でフィルム６１２の上に位置決めされてもよい。スタンドオフは、蛍光体パッチおよび／または結合器に対するＬＥＤの横方向の配置を支援するために、対向する面の凹部と嵌合してもよい。
【００４１】
複数のＬＥＤ光源の製造方法は、以下の通りである。一旦、反射結合器シート６０２が完成して、中間層６１２に蛍光体パッチ６１４が設けられると、シート６０２および中間層６１２は共に接合される。蛍光体パッチ６１４は、それぞれの反射結合器６０４のアパーチャに対して位置合わせを行い、実際にはたとえば図２および図３に示されているように、反射結合器６０４のアパーチャまで延在してもよい。中間層６１２および結合器シート６０２は、任意の適切な技術を用いて接合されてもよい。たとえば、中間層６１２および結合器シート６０２は、エポキシを用いて共に接合されてもよい。図９に示された反射結合器シート６０２および中間層６１２を備え、接合されたサブアセンブリ９０２は、比較的剛性であってもよいため、次の組み立てステップにおけるサブアセンブリ９０２の処理を容易にする。
【００４２】
サブアセンブリ９０２は、次にＬＥＤサブアセンブリ６２２に接合されてもよい。種々の異なる方法を用いて、これを行うことができる。たとえば、エポキシの領域をスタンドオフ６２８に塗布し、サブアセンブリをスタンドオフ６２８の上のエポキシに装着してもよい。別の手法において、エポキシなどの過剰な封入剤をＬＥＤ６２６の上に加えてもよい。
【００４３】
異なる技術を用いて、蛍光体パッチ６１４および反射結合器６０４に対するＬＥＤ６２６の横方向の配置を達成してもよい。１つの手法は、ＬＥＤ６２６を照射し、結合器シート６０２を透過する光を監視することである。結合器シート６０２を透過する光の量が最大となるとき、ＬＥＤ６２６とサブアセンブリとの間の好ましい配置が達成される。
【００４４】
図１０に概略的に示されているように、シール１００４、たとえばエポキシのビードが、組み立てられた光源１００２の周囲に設けられ、層６１２と層６２２との間の空間に埃、塵などが入らないようにしてもよい。シール１００４はまた、層６１２と層６２２との間の空間を完全に満たしてもよい。
【００４５】
組み立てられた光源１００２は、青色ＬＥＤまたはＵＶ  ＬＥＤのアレイを用いて指向性の白色光を生成する。光ファイバは、反射結合器シート６０２にあるそれぞれの開口部に結合されるため、照射用の所望の位置に光を誘導することが可能である。
【００４６】
光源１００２は、短波長ＬＥＤから効率的に向けられる白色または広帯域の光源のコスト効率のよい組み立てを可能にする。複数のＬＥＤを覆う大きなシートにおける中間層の使用により、ＬＥＤ自体に蛍光体材料を直接印刷する複雑な工程を回避し、シートを蛍光体パッチに適合する小さな領域に切断する必要性を回避する。さらに、中間層に反射特性を与えて、波長変換効率を増大させてもよい。また、隣接するＬＥＤ間の中間層の過剰な材料のコストを低減することから、中間層の添加が光源に用いられる材料のコストを実質的に増大させることにはならない。したがって、中間層は、低コストを維持し、光源の組み立てを簡素化する。さらに、接合ステップおよび配置ステップは、ＬＥＤの上部にワイヤボンドなどの関連領域にあまり応力を与えることなく、剛性かつ封入されるアセンブリを生じることになる。
【００４７】
本発明は、上述の特定の実施例に限定されるものと考えるべきではなく、添付の特許請求の範囲に完全に記載されているように、本発明のすべての態様を包含するものと考えるべきである。本発明を適用可能であると考えられる種々の変更、等価な方法、ならびに種々の構造は、本願明細書を検討すれば、本発明に関係する当業者には容易に明白となるであろう。特許請求の範囲は、そのような変更および装置を包含することを意図している。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の原理による複数の光源を用いる照射システムの実施形態を概略的に示す。
【図２】本発明の原理による図１に示された照射システムを組み立てたものの断面を概略的に示す。
【図３】本発明の原理による別の照射システムの実施形態の断面を概略的に示す。
【図４Ａ】本発明の原理による反射体／蛍光体積層体における光の波長変換を概略的に示す。
【図４Ｂ】本発明の原理による反射体／蛍光体積層体における光の波長変換を概略的に示す。
【図５】波長変換光のために、反射体を用いる場合および反射体を用いない場合のＬＥＤのスペクトルおよび波長変換光を示すグラフを示す。
【図６】本発明の原理による複数のＬＥＤを用いる光源の概略分解立体図を示す。
【図７Ａ】本発明の原理による図６の光源において用いられる結合器シートの実施形態の拡大概略図を示す。
【図７Ｂ】本発明の原理による図６の光源において用いられる結合器シートの実施形態の拡大概略図を示す。
【図８】本発明の原理による図６の光源において用いられる中間層の実施形態の拡大概略図を示す。
【図９】本発明の原理による部分的に組み立てられた光源の実施形態を概略的に示す。
【図１０】本発明の原理による組み立てられた光源の実施形態を概略的に示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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