(57)【要約】  散乱光子抽出照明器具は、第１表面を有する光学素子と、短波長放射を発するための光源であって、光学素子の第１表面に対向して、接線方向に又は垂直方向に配置された光源と、発光素子によって発せられた短波長放射の少なくともいくらかを受容して下方変換し且つ受容されて下方変換された放射の一部を伝送するために光学素子の第１表面上に配置された波長変換材料と、波長変換材料に対向して位置決めされた１つ以上のリフレクタとを含む。散乱光子抽出照明システムは複数の発光器具を含む。本発明の実施態様における１つ以上の波長変換材料は、光源から離隔して配置されており、且つ、１つのスペクトル領域内の放射を吸収して別のスペクトル領域内の放射を発するために使用される。短波長放射と下方変換放射とを捕捉することによって、照明効率が改善される。
2013522826.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
散乱光子抽出照明器具であって、
第１表面と、該第１表面から延びる少なくとも１つのほぼ透明な側壁とを有している光学素子と、
短波長放射を発するための光源であって、前記光学素子の第１表面に対向する、前記少なくとも１つのほぼ透明な側壁の端部に配置された光源と、
前記光源によって発せられた前記短波長放射のうちの少なくともいくらかを受容して下方変換し且つ該受容されて下方変換された放射の一部を後方伝送するために前記光学素子の第１表面上に配置された波長変換材料と、
１つ以上のリフレクタであって、前記少なくとも１つのほぼ透明な側壁を通して前記光学素子から抽出された前記放射の少なくともいくらかを反射させるために、前記光源が前記波長変換材料と該リフレクタとの間に位置決めされるように、前記波長変換材料に対向して位置決めされた１つ以上のリフレクタと
を備え、
前記少なくとも１つのほぼ透明な側壁が、前記波長変換材料を含有する前記第１表面に１つの端部で結合され且つ前記光源に別の端部で結合されており、且つ、前記波長変換材料から後方伝送された放射を前記発光装置の外側に出すように構成されている、散乱光子抽出照明器具。
【請求項２】
さらに、前記少なくとも１つの透明な側壁上に配置された波長変換材料を含む、請求項１に記載の照明器具。
【請求項３】
さらに、前記光源に取り付けられ又は該光源に隣接するヒートシンクを含む、請求項１に記載の照明器具。
【請求項４】
前記ヒートシンクは１つの側で前記少なくとも１つのほぼ透明な側壁に取り付けられ且つ別の側で１つ以上のリフレクタに取り付けられている、請求項３に記載の照明器具。
【請求項５】
当該器具が押し出し型発光器具又は回転型発光器具である、請求項１に記載の照明器具。
【請求項６】
さらに、１つ以上の吊り下げ機構を含む、請求項１に記載の照明器具。
【請求項７】
押し出し型散乱光子抽出照明器具であって、
短波長放射を発するための光源であって、１つ以上の発光素子を含む光源と、
少なくとも１つのほぼ透明な表面を有する細長い管状光学素子と、
前記光源によって発せられた前記短波長放射の少なくともいくらかを受容して下方変換し且つ該受容されて下方変換された放射の一部を後方伝送するために、前記光学素子の少なくとも１つの表面上に配置され又は該表面と一体化され且つ前記光源から離隔された波長変換材料と、
１つ以上のリフレクタであって、前記受容されて下方変換された放射の後方伝送部分の少なくともいくらかを反射させるために、前記光源が前記波長変換材料と該リフレクタとの間に位置決めされるように、前記波長変換材料に対向して位置決めされた１つ以上のリフレクタと
を備え、
当該照明器具は、いくらかの放射が無変換光放射として前記光源へ向かって後方反射され、いくらかの光が変換されることなく前記波長変換材料を通って伝送され、且ついくつかの放射が前記波長変換材料によって変換されて前方伝送又は後方伝送されうるように構成されており、
当該照明器具は、前記光源、光学素子、及びリフレクタの配置によって、前記前方伝送変換光及び前記後方伝送変換光のほぼ全てを捕捉するように構成されている、押し出し型散乱光子抽出照明器具。
【請求項８】
さらに、前記光源に取り付けられ又は該光源に隣接するヒートシンクを含む、請求項７に記載の照明器具。
【請求項９】
前記ヒートシンクは１つの側で前記少なくとも１つのほぼ透明な側壁に取り付けられ且つ別の側で１つ以上のリフレクタに取り付けられている、請求項７に記載の照明器具。
【請求項１０】
当該照明器具は壁掛け式又は頭上吊り下げ式であってよい、請求項７に記載の照明器具。
【請求項１１】
前記光源が少なくとも１つの半導体発光ダイオードを含んでいる、請求項１又は７に記載の照明器具。
【請求項１２】
前記光源が、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザーダイオード（ＬＤ）、又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、請求項１又は７に記載の照明器具。
【請求項１３】
前記光源が２つ以上の発光ダイオード（ＬＥＤ）のアレイである、請求項１又は７に記載の照明器具。
【請求項１４】
前記波長変換材料は、燐光体、量子ドット、量子ドット結晶、及び量子ドット・ナノ粒子から成る群から選択される、請求項１又は７に記載の照明器具。
【請求項１５】
前記光学素子は、球形、パラボラ形、円錐形、及び楕円形から成る群からの三次元形状、及び／又は三角形、六角形、台形、半円形、及び半楕円形から成る群からの断面形状を有している、請求項１又は７に記載の照明器具。
【請求項１６】
前記光学素子は、空気、ガラス、及びアクリルから成る群からのほぼ透明な光透過性の媒質であってよい、請求項１又は７に記載の照明器具。
【請求項１７】
前記１つ以上のリフレクタは、球形、パラボラ形、円錐形、及び楕円形から成る群から選択された幾何学的形状を有している、請求項１又は７に記載の照明器具。
【請求項１８】
散乱光子抽出照明器具であって、
短波長放射を発するための光源であって、第１光学素子に取り付けられた１つ以上の発光素子を含む光源と、
前記光源によって発せられた前記短波長放射の少なくともいくらかを受容して下方変換し且つ該受容されて下方変換された放射の一部を後方伝送するために、第２光学素子上に配置され又は該第２光学素子と一体化された波長変換材料と、
前記受容されて下方変換された放射の後方伝送部分の少なくともいくらかを反射させるために、前記第２光学素子と前記波長変換材料とを中に含有する反射エンクロージャを形成するように前記第１光学素子に１つの側で取り付けられた反射面と
を備え、
前記第２光学素子及び波長変換材料は前記反射面内で吊り下げられ且つ前記光源から離隔されている、散乱光子抽出照明器具。
【請求項１９】
さらに、前記光源に取り付けられ又は該光源に隣接し且つ前記反射エンクロージャの少なくとも部分的に外部にあるヒートシンクを含む、請求項１８に記載の散乱光子抽出照明器具。
【請求項２０】
前記反射エンクロージャは、三角形、六角形、台形、半円形、及び半楕円形から成る群からの断面形状を有している、請求項１８に記載の散乱光子抽出照明器具。
【請求項２１】
前記反射エンクロージャは、２つ以上の幾何学的形状を有する複合反射面である、請求項１８に記載の散乱光子抽出照明器具。
【請求項２２】
複数の発光器具を含む散乱光子抽出照明システムであって、
複数の発光器具の各々が、
第１表面と、該第１表面から延びる少なくとも１つのほぼ透明な側壁とを有している光学素子と、
短波長放射を発するための光源であって、前記光学素子の第１表面に対向する、前記少なくとも１つのほぼ透明な側壁の端部に配置された光源と、
前記光源によって発せられた前記短波長放射のうちの少なくともいくらかを受容して下方変換し且つ該受容されて下方変換された放射の一部を後方伝送するために前記光学素子の第１表面上に配置された波長変換材料と、
１つ以上のリフレクタであって、前記少なくとも１つのほぼ透明な側壁を通して前記光学素子から抽出された前記放射の少なくともいくらかを反射させるために、前記光源が前記波長変換材料と該リフレクタとの間に位置決めされるように、前記波長変換材料に対向して位置決めされた１つ以上のリフレクタと
を備え、
前記少なくとも１つのほぼ透明な側壁が、前記波長変換材料を含有する前記第１表面に１つの端部で結合され且つ前記光源に別の端部で結合されており、且つ、前記波長変換材料から後方伝送された放射を前記発光器具の外側に出すように構成されている、散乱光子抽出照明システム。
【請求項２３】
１つ以上のリフレクタであって、前記光源が前記波長変換材料と該リフレクタとの間に又は該リフレクタ上に位置決めされるように、前記波長変換材料のそれぞれに対向して位置決めされた１つ以上のリフレクタを更に含む、請求項２２に記載の照明システム。
【請求項２４】
さらに、前記光源に取り付けられ又は該光源に隣接するヒートシンクを含む、請求項２２に記載の照明システム。
【請求項２５】
前記ヒートシンクは１つの側で前記少なくとも１つのほぼ透明な側壁に取り付けられ且つ別の側で１つ以上のリフレクタに取り付けられている、請求項２２に記載の照明システム。
【請求項２６】
前記１つ以上のリフレクタが前記２つ以上の発光器具を一緒に結合している、請求項２５に記載の照明システム。
【請求項２７】
前記２つ以上の発光器具が同じ又は異なるものである、請求項２２に記載の照明システム。
【請求項２８】
散乱光子抽出照明器具であって、
２つの対向縁部を備えた第１表面と１つ以上の第２表面とを有している光学素子であって、前記１つ以上の第２表面は前記第１表面のそれぞれの縁部で接線方向又は垂直方向に結合されている、光学素子と、
短波長放射を発するための１つ以上の発光素子であって、前記光学素子の前記１つ以上の第２表面上に配置された１つ以上の発光素子と、
前記発光素子によって発せられた前記短波長放射の少なくともいくらかを受容して下方変換し且つ前記受容されて下方変換された放射の一部を前方伝送するために前記光学素子の第１表面上に配置された波長変換材料と、
１つ以上のリフレクタであって、前記前方伝送された放射の少なくともいくらかを前記光学素子を通して反射させるために、前記波長変換材料が前記１つ以上の発光素子と該リフレクタとの間に位置決めされるように、前記１つ以上の発光素子に対向して位置決めされた１つ以上のリフレクタと
を備え、
前記１つ以上の第２表面は、それぞれ、前記波長変換材料を含有する前記第１表面に１つの端部で結合され且つ前記１つ以上のリフレクタに別の端部で結合されており、且つ、前記波長変換材料から後方伝送された放射を前記発光器具の外側に出すように構成されている、散乱光子抽出照明器具。
【請求項２９】
さらに、前記１つ以上の発光素子に取り付けられ又は該発光素子に隣接するヒートシンクを含む、請求項２８に記載の照明器具。
【請求項３０】
当該器具が押し出し型発光器具又は回転型発光器具である、請求項２８に記載の照明器具。
【請求項３１】
さらに、１つ以上の吊り下げ機構を含む、請求項２８に記載の照明器具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、2010年11月17日付けで出願された米国特許出願シリアル番号１２／９４７，８９９の継続出願である。米国特許出願シリアル番号１２／９４７，８９９は2006年12月20日付けで出願された米国特許出願シリアル番号１１／６４２，０８９の継続出願であり、米国特許出願シリアル番号１１／６４２，０８９は“High Efficiency Light Source Using Solid-State Emitter And Down-Conversion Material”と題する2007年4月23日付けで出願された米国特許出願シリアル番号１０／５８３，１０５（現在米国特許第７，８１９，５４９号）の部分継続出願であり、米国特許出願シリアル番号１０／５８３，１０５は2005年5月5日付けで出願された国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ２００５／０１５７３６号の371国際段階であり、国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ２００５／０１５７３６号は、2004年5月5日付けで出願された米国仮特許出願シリアル番号６０／５６８，３７３及び2004年12月15日付けで出願された米国仮特許出願シリアル番頭６０／６３６，１２３号の優先権を主張する。本出願はまた、2010年3月11日付けで出願された米国仮特許出願第６1／３３９，９５８号の優先権を主張する。これらの出願の全ての開示内容は参照によって本明細書の一部を構成する。
【０００２】
本発明は大まかに言えば固体照明に関する。具体的には、本発明は、固体光（ＳＳＬ）源、光学素子、ヒートシンク、及び離隔された波長変換材料を使用する高効率照明器具に関する。
【背景技術】
【０００３】
発光ダイオード（ＬＥＤ）を有する固体照明器具を含む固体光（ＳＳＬ）発光装置は、極めて有用である。なぜならば、これらは、コンベンショナルな照明器具、例えば白熱灯及び蛍光灯を利用する照明器具を凌ぐより低廉な製造コスト及び長時間耐久性の便益を潜在的に提供するからである。固体発光装置は、その長い動作（燃焼）時間及び低い電力消費量に基づき、たとえ初期コストがコンベンショナルなランプよりも高いとしても、しばしば機能的な費用便益を提供する。大規模な半導体製造技術を用い得るので、多くの固体照明器具を極めて低コストで製造することができる。
【０００４】
家庭用及び民生用電化製品上のインジケータ光、音響映像機器、電気通信機器、及び自動車計器マーキングのような用途に加えて、ＬＥＤは屋内及び屋外の情報表示において少なからぬ用途を見いだしている。例えば、ＬＥＤはオーバーヘッド式又は壁掛け式照明器具内に組み込まれていてよく且つ審美的な魅力のために設計されることができる。
【０００５】
青色光又は紫外（ＵＶ）線を発する効率的なＬＥＤの開発に伴って、ＬＥＤの一次発光の一部をより長い波長に波長変換することによって白色光を生成するＬＥＤを製造することが可能になってきている。ＬＥＤの一次発光をより長い波長に変換することは一般に、一次発光の下方変換（ダウンコンバージョン）と呼ばれる。一次発光の無変換部分と、より長い波長の光とを結合することによって白色光を製造するこのシステムは当業者によく知られている。白色光をＬＥＤで形成する他の選択肢は、２つ以上の有色ＬＥＤを異なる比率で混合することを含む。例えば、赤色、緑色、及び青色（ＲＧＢ）ＬＥＤの混合によって白色光が生成されることがよく知られている。同様に、ＲＢＧ及び琥珀色（ＲＧＢＡ）ＬＥＤの混合、又はＲＧＢ及び白色（ＲＧＢＷ）ＬＥＤの混合によっても、白色光が生成されることが知られている。
【０００６】
ＬＥＤから生成された熱が、発光量及び電球耐久性全体を低下させることが最近の研究から判っている。より具体的には、ＬＥＤ装置は１００℃を上回る温度に加熱されると、効率が低くなり、その結果、可視スペクトルにおけるリターンが減少する。長時間の動作、そしてその結果としての高熱に対する曝露はＬＥＤの有効寿命を短くする。加えて、いくつかの下方変換燐光体の固有波長変換効率も、温度がほぼ９０℃の閾値よりも高くなるにつれて急激に低下する。
【０００７】
特定の環境内へ導かれる発光量は、反射面を使用することによって増大させることができる。このことも当該技術分野において公知である。ＬＥＤから波長変換材料へ光を導き、且つ／又は、波長変換材料から生成された下方変換光を反射させるために、反射面が使用されている。これらの改善をもってしても、ＬＥＤ技術の現状は可視スペクトルにおいて非効率である。単一のＬＥＤの光出力は、伝統的な照明器具、例えば、可視スペクトルにおける効率がほぼ１０パーセントである白熱灯を利用する照明器具よりも低い。白熱灯を利用する現行の照明器具技術に匹敵する光出力パワー密度を達成するために、ＬＥＤ装置は、しばしばより大型のＬＥＤ又は複数のＬＥＤを有する設計を必要とする。しかし、より大型のＬＥＤ又は複数のＬＥＤを組み込んだ設計は、それ自体の問題、例えば熱発生及びエネルギー利用の問題を招くことが判っている。
【発明の概要】
【０００８】
このような必要性、そして他の必要性を満たすために、更にその目的に照らして、本発明は、散乱光子抽出照明器具であって、第１表面と、第１表面から延びる少なくとも１つのほぼ透明な側壁とを有している光学素子と、短波長放射を発するための光源であって、光学素子の第１表面に対向する、少なくとも１つのほぼ透明な側壁の端部に配置された光源と、前記光源によって発せられた短波長放射のうちの少なくともいくらかを受容して下方変換し且つ受容されて下方変換された放射の一部を後方伝送するために、光学素子の第１表面上に配置された波長変換材料と、１つ以上のリフレクタであって、少なくとも１つのほぼ透明な側壁を通して光学素子から抽出された放射の少なくともいくらかを反射させるために、光源が波長変換材料とリフレクタとの間に位置決めされるように、波長変換材料に対向して位置決めされた１つ以上のリフレクタとを備え、少なくとも１つのほぼ透明な側壁が、波長変換材料を含有する第１表面に１つの端部で結合され且つ光源に別の端部で結合されており、且つ、波長変換材料から後方伝送された放射を発光装置の外側に出すように構成されている、散乱光子抽出照明器具を提供する。
【０００９】
照明器具はさらに、光学素子の少なくとも１つ以上の他の壁、例えば１つ以上の透明な側壁上に配置された波長変換材料を含んでいてよい。同様に、照明器具はさらに、光源に取り付けられ又は光源に隣接するヒートシンクを含んでいてよい。いくつかの実施態様の場合、ヒートシンクは１つの側で少なくとも１つのほぼ透明な側壁に取り付けられ且つ別の側で１つ以上のリフレクタに取り付けられていてよい。本発明の照明器具は例えば押し出し型発光器具又は回転型発光器具であってよい。照明器具は、例えば壁掛け式照明器具の場合のように壁に設置するための、又は吊り下げ式照明器具の場合のように天井に設置するための１つ以上の吊り下げ機構を含んでいてもよい。光源は、少なくとも１つの半導体発光ダイオード、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザーダイオード（ＬＤ）、又は共振空洞発光ダイオード（ＲＣＬＥＤ）であってよい。これに加えて又はこれの代わりに、光源は２つ以上の発光素子のアレイ、例えばＬＥＤのアレイであってよい。数多くの種々異なるタイプのＬＥＤを光源として採用してよい。例えばアレイが光源として使用される場合、アレイは、同じ又は異なるタイプの１つ以上のＬＥＤを含んでいてよい。光源は、エネルギー効率を改善するため、又は発せられた光の色質を制御するため、又は美感のような数多くの他の理由から選択されることができる。波長変換材料は、１種以上の材料、例えば燐光体、量子ドット、量子ドット結晶、及び量子ドット・ナノ粒子、及びこれらの混合物を含んでよい。
【００１０】
別の実施態様では、本発明は、押し出し型散乱光子抽出照明器具であって、短波長放射を発するための光源であって、１つ以上の発光素子を含む光源と、少なくとも１つのほぼ透明な表面を有する細長い管状光学素子と、光源によって発せられた短波長放射の少なくともいくらかを受容して下方変換し且つ受容されて下方変換された放射の一部を後方伝送するために、光学素子の少なくとも１つの表面上に配置され又は表面と一体化され且つ光源から離隔された波長変換材料と、１つ以上のリフレクタであって、受容されて下方変換された放射の後方伝送部分の少なくともいくらかを反射させるために、光源が波長変換材料とリフレクタとの間に位置決めされるように、波長変換材料に対向して位置決めされた１つ以上のリフレクタとを備え、照明器具は、いくらかの放射が無変換光放射として光源へ向かって後方反射され、いくらかの光が変換されることなく波長変換材料を通って伝送され、且ついくつかの放射が波長変換材料によって変換されて前方伝送又は後方伝送されうるように構成されており、照明器具は、光源、光学素子、及びリフレクタの配置によって、前方伝送変換光及び後方伝送変換光のほぼ全てを捕捉するように構成されている、押し出し型散乱光子抽出照明器具を提供する。
【００１１】
さらに別の実施態様では、本発明は、散乱光子抽出照明器具であって、短波長放射を発するための光源であって、第１光学素子に取り付けられた１つ以上の発光素子を含む光源と、光源によって発せられた短波長放射の少なくともいくらかを受容して下方変換し且つ受容されて下方変換された放射の一部を後方伝送するために、第２光学素子上に配置され又は第２光学素子と一体化された波長変換材料と、受容されて下方変換された放射の後方伝送部分の少なくともいくらかを反射させるために、第２光学素子と波長変換材料とを中に含有する反射エンクロージャを形成するように、第１光学素子に１つの側で取り付けられた反射面とを備え、第２光学素子及び波長変換材料は反射面内で吊り下げられ且つ光源から離隔されている、散乱光子抽出照明器具を提供する。
【００１２】
さらに別の実施態様では、本発明は、複数の発光器具を含む散乱光子抽出照明システムを提供する。複数の発光器具の各々は、第１表面と、第１表面から延びる少なくとも１つのほぼ透明な側壁とを有している光学素子と、短波長放射を発するための光源であって、光学素子の第１表面に対向する、少なくとも１つのほぼ透明な側壁の端部に配置された光源と、光源によって発せられた短波長放射のうちの少なくともいくらかを受容して下方変換し且つ受容されて下方変換された放射の一部を後方伝送するために光学素子の第１表面上に配置された波長変換材料と、１つ以上のリフレクタであって、少なくとも１つのほぼ透明な側壁を通して光学素子から抽出された放射の少なくともいくらかを反射させるために、光源が波長変換材料とリフレクタとの間に位置決めされるように、波長変換材料に対向して位置決めされた１つ以上のリフレクタとを備え、少なくとも１つのほぼ透明な側壁が、波長変換材料を含有する第１表面に１つの端部で結合され且つ光源に別の端部で結合されており、且つ波長変換材料から後方伝送された放射を発光器具の外側に出すように構成されている。
【００１３】
さらなる実施態様では、本発明は、散乱光子抽出照明器具であって、２つの対向縁部を備えた第１表面と１つ以上の第２表面とを有している光学素子であって、１つ以上の第２表面は第１表面のそれぞれの縁部で接線方向又は垂直方向に結合されている、光学素子と、短波長放射を発するための１つ以上の発光素子であって、光学素子の１つ以上の第２表面上に配置された１つ以上の発光素子と、発光素子によって発せられた短波長放射の少なくともいくらかを受容して下方変換し且つ受容されて下方変換された放射の一部を前方伝送するために光学素子の第１表面上に配置された波長変換材料と、１つ以上のリフレクタであって、前方伝送された放射の少なくともいくらかを光学素子を通して反射させるために、波長変換材料が１つ以上の発光素子とリフレクタとの間に位置決めされるように、１つ以上の発光素子に対向して位置決めされた１つ以上のリフレクタとを備え、１つ以上の第２表面は、それぞれ、波長変換材料を含有する第１表面に１つの端部で結合され且つ１つ以上のリフレクタに別の端部で結合されており、且つ、波長変換材料から後方伝送された放射を発光器具の外側に出すように構成されている、散乱光子抽出照明器具を提供する。
【００１４】
本発明の実施態様における波長変換材料は、光源から離隔されて、すなわち光源から離れて配置されている。１つのスペクトル領域内の放射を吸収して別のスペクトル領域内の放射を発するために１種以上の波長変換材料が使用され、また波長変換材料は下方変換材料又は上方変換材料であることが可能である。多様な波長変換材料が、光源から発せられた波長を、同じ又は異なるスペクトル領域へ変換することができる。波長変換材料は一緒に混合されるか又は個別の層として採用されてよい。下方変換光の前方伝送部分及び後方伝送部分の両方を捕捉することによって、システム効率を改善することができる。同様に、１つ以上のリフレクタを利用するとき、下方変換材料及びリフレクタの位置を調節することにより、光源からの光が下方変換材料に均一に衝突して均一な白色光を生成し、光のより多くが装置から出るのを可能にすることを保証することができる。光源の熱を低減し且つ／又は再分配するために、ヒートシンクを利用してよい。同時に、下方変換材料を光源から離隔して位置決めすると、光の光源内へのフィードバックが防止される。結果として、光源の熱はさらに最小化され、これにより光出力及び寿命が改善される。これらの構造的なパラメータ及び特徴の全ては、周知の技術と比較した、光生成量の増大、照明効率の向上、及びエネルギー利用率の改善を可能にする。
【００１５】
下記詳細な説明を添付の図面とともに読めば、本発明を最良に理解することができる。慣例に従って、図面の種々の特徴は原寸に比例したものではない。それどころか種々の特徴の寸法は、便宜上任意に拡張又は縮小されている。図面には以下の図が含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明の模範的実施態様による、固体発光ダイオード（ＬＥＤ）及び波長変換材料を使用して可視光を生成する方法を示す図である。
【図２ａ】図２（ａ）は、本発明の１実施態様に基づく固体光源照明器具を示す図である。
【図２ｂ】図２（ｂ）は、図２に示された固体光源照明器具を示す断面図である。
【図２ｃ】図２（ｃ）は、ヒートシンク及び固体発光ダイオード（ＬＥＤ）を示す、図２（ｂ）の拡大図である。
【図３】図３は、本発明の別の実施態様に基づく、固体光源照明器具を示す図である。
【図４ａ】図４（ａ）は、１つ又は２つ以上の光源、波長変換材料、ヒートシンク、及び光学素子を含む本発明の他の実施態様を示す断面図である。
【図４ｂ】図４（ｂ）は、１つ又は２つ以上の光源、波長変換材料、ヒートシンク、及び光学素子を含む本発明の他の実施態様を示す断面図である。
【図４ｃ】図４（ｃ）は、１つ又は２つ以上の光源、波長変換材料、ヒートシンク、及び光学素子を含む本発明の他の実施態様を示す断面図である。
【図４ｄ】図４（ｄ）は、１つ又は２つ以上の光源、波長変換材料、ヒートシンク、及び光学素子を含む本発明の他の実施態様を示す断面図である。
【図４ｅ】図４（ｅ）は、１つ又は２つ以上の光源、波長変換材料、ヒートシンク、及び光学素子を含む本発明の他の実施態様を示す断面図である。
【図４ｆ】図４（ｆ）は、１つ又は２つ以上の光源、波長変換材料、ヒートシンク、及び光学素子を含む本発明の他の実施態様を示す断面図である。
【図５ａ】図５（ａ）は、本発明の他の実施態様に基づく、１つ又は２つ以上の光源、波長変換材料、ヒートシンク、及び光学素子の他の実施態様を示す断面図である。
【図５ｂ】図５（ｂ）は、本発明の他の実施態様に基づく、１つ又は２つ以上の光源、波長変換材料、ヒートシンク、及び光学素子の他の実施態様を示す断面図である。
【図５ｃ】図５（ｃ）は、本発明の他の実施態様に基づく、１つ又は２つ以上の光源、波長変換材料、ヒートシンク、及び光学素子の他の実施態様を示す断面図である。
【図５ｄ】図５（ｄ）は、本発明の他の実施態様に基づく、１つ又は２つ以上の光源、波長変換材料、ヒートシンク、及び光学素子の他の実施態様を示す断面図である。
【図６ａ】図６（ａ）は、本発明の他の実施態様に基づく、１つ又は２つ以上の光源、波長変換材料、ヒートシンク、及び光学素子を、リフレクタと組み合わせた状態で示す断面図である。
【図６ｂ】図６（ｂ）は、本発明の他の実施態様に基づく、１つ又は２つ以上の光源、波長変換材料、ヒートシンク、及び光学素子を、リフレクタと組み合わせた状態で示す断面図である。
【図６ｃ】図６（ｃ）は、本発明の他の実施態様に基づく、１つ又は２つ以上の光源、波長変換材料、ヒートシンク、及び光学素子を、リフレクタと組み合わせた状態で示す断面図である。
【図７ａ】図７（ａ）は、本発明の実施態様に基づく壁掛け式照明器具を示す図である。
【図７ｂ】図７（ｂ）は本発明の別の実施態様に基づいて、図７（ａ）の照明器具を、天井から吊り下げたものとして形成した状態で示す図である。
【図７ｃ】図７（ｃ）は、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示された照明器具を示す断面図である。
【図７ｄ】図７（ｄ）は、ヒートシンク、光学素子、及び固体発光ダイオード（ＬＥＤ）を示す、図７（ｃ）の拡大図である。
【図８ａ】図８（ａ）は、本発明の別の実施態様に基づく照明器具を示す図である。
【図８ｂ】図８（ｂ）は、本発明の実施態様に基づく、図８（ａ）に示された照明器具を示す断面図である。
【図８ｃ】図８（ｃ）は、本発明の別の実施態様に基づく、複合リフレクタを採用した、図８（ａ）に示された照明器具の変更形を示す図である。
【図９ａ】図９（ａ）は、複数の照明器具を採用する、本発明の別の実施態様に基づく照明システムを示す図である。
【図９ｂ】図９（ｂ）は、複数の照明器具を採用する、本発明の別の実施態様に基づく照明システムを示す図である。
【図１０ａ】図１０（ａ）は、図２（ａ）に示されたものとは似ているがリフレクタを有していない照明器具を示す図である。
【図１０ｂ】図１０（ｂ）は、図１０（ａ）に示された照明器具の光出力を示す光線追跡コンピュータ・シミュレーションの結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明を具体的な実施態様を参照しながらここに例示し且つ説明するが、本発明は、示された詳細に限定されるものではない。むしろ、本発明から逸脱することなしに、請求項の等価範囲内の詳細において種々の変更を加えてよい。
【００１８】
米国特許第７，７５０，３５９号明細書において、本発明の発明者は、波長変換材料を使用することにより、所望の色度値及び発光効率を有する広帯域幅の光を生成する一方、出力光の演色評価数（ＣＲＩ）を高め、相関色温度（ＣＣＴ）を低くし、そして装置の効率を高めることを以前に見いだした。国際公開第２０１０／１４４５７２号において、本発明の発明者は、波長変換材料を光源から離隔するように、すなわち光源から離れるように移動することによって得られる利点を見いだし開示した。波長変換材料を光源から離れるように移動することによって、変換光のより多くを抽出することができ、照明装置の効率を改善することができる。光源に隣接する且つ／又は光源と一体化されたヒートシンクを利用して、更なる利点が見いだされた。この光生成方法は、散乱フォトン抽出（ＳＰＥ）技術として記述された。ＳＰＥ技術は、光生成量を高め、熱放散を改善し、その結果、照明装置の耐久性を高めて寿命を長くするために見いだされた。白熱灯の代替電球としてのＳＳＬ系電球においてＳＰＥ技術を利用するこれらの参考文献は、参照によってこれらの全体が本明細書の一部を構成する。
【００１９】
発明者は今や、ＳＰＥ技術を利用して、高効率照明器具及び照明システムを製造できることを見いだした。一般照明用途の発光ダイオード（ＬＥＤ）チップを利用する既存の器具は、伝統的な光源と比較して発光出力が低いことが判っている。この欠点を克服するために、既存のＬＥＤ系器具はＬＥＤアレイを利用することにより、ターゲット面に対する所要の光レベルを達成している。従って既存の方法は結果として、数ある欠点の中でも、コストを増大させ、エネルギー消費量を高め、そして付加的な熱管理問題を招く。ＳＰＥ技術及び採用随意の構造化光学素子を利用する本発明の照明器具は、ＬＥＤの使用数を減らし、使用電気エネルギーを少なくした状態で、発光量を増大させることができる。また、本発明の照明器具は製造コスト及び作業コストを削減することができる。
【００２０】
本発明は、光源を波長変換材料から離れた地点に位置決めするＳＰＥ技術を利用することによってこれらの問題に対処する。１つ又は２つ以上の光学素子は、光源と波長変換材料との間に位置決めされることができる。加えて、ヒートシンク及びリフレクタを種々の形態で利用することができる。光源は、少なくとも１つの半導体発光ダイオード、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザーダイオード（ＬＤ）、又は共振空洞ＬＥＤ（ＲＣＬＥＤ）であってよい。本発明の実施態様は、単一のＳＳＬ源、例えば単一ＬＥＤを利用してよく、又は複数のＳＳＬ源（すなわち１つのアレイ内の複数のＬＥＤ）を光源として含んでいてよい。当業者に知られているように、数多くの種々異なるタイプのＬＥＤを光源として採用してよい。例えば光源としてアレイを使用する場合、アレイは同じ又は異なるタイプの１つ又は２つ以上のＬＥＤを含んでいてよい。光源は、エネルギー効率を改善するために、又は発せられた光の色質を制御するために、又は美感のような数多くの理由から選択することができる。光源はヒートシンクにカップリングされていてよく、この場合、ヒートシンクの少なくとも一部が環境に対して開いていることにより、熱放散を促進する。ヒートシンクは光源のための熱放散エレメントとして機能し、熱が光源から引き出されるのを可能にする。ヒートシンクは光源に機械的支持を提供してもよい。例えば、ヒートシンクは光学素子に実質的に取り付けられ、光学素子内部に位置する光源にカップリングされていてよい。このカップリングは光源を光学素子内部に効果的に保持する。ヒートシンクは加えて、１つ又は２つ以上のリフレクタに実質的に取り付けられていてもよい。本発明のこれらの構造的特徴は、ＳＳＬ系照明器具が極めて高い発光効率を有し、伝統的な照明器具、例えば白熱灯及び蛍光灯照明器具と同様の、又はこれよりも高いレベルの光を生成するのを可能にする。本発明の形態及びＳＰＥ技術の利用はＳＳＬ系光源の耐用寿命を長くする。
【００２１】
波長変換材料の使用は、伝統的な照明器具、例えば白熱Ａランプを利用する照明器具によって生成されるものと外見的には同様の光を生成するのを助ける。上述のように、本発明の波長変換材料は、１つのスペクトル領域内の放射を吸収し、別のスペクトル領域内の放射を発するように適合された１種又は２種以上の材料から成っていてよく、そして材料は下方変換材料又は上方変換材料であってよい。このようなものとして、本発明の実施態様は、下方変換用、上方変換用、又はこれら両方の波長変換材料を組み込んでいてよい。言うまでもなく、「下方変換」、「下方変換用」、及び「下方変換された」という用語は、１つのスペクトル領域内の放射を吸収し、別のスペクトル領域内の放射を発するように適合された材料を意味する。従って「下方変換材料」は、これらの組成物を通して１つのスペクトル領域内の放射を吸収し、別のスペクトル領域内の放射を発することができる材料として定義される。
【００２２】
光源から発せられた光が波長変換材料に達するのに伴って、波長変換材料は波長光を吸収し、そして変換された光を発する。例えば、波長変換材料が下方変換材料を含むときには、下方変換材料は短波長光を吸収し、そして下方変換された光を発する。発せられた下方変換光は全ての方向に移動することができ（ランバートのエミッタとして知られる）、ひいては下方変換光の一部は上方に向かって移動する一方、別の部分は下方に向かって移動する。下方変換材料から上方（又は下方）に向かって進む光は、光の前方伝送部分であり、そして光源に向かって下方に向かって進む光は、後方伝送部分である。これは図１を参照して下で説明する。
【００２３】
本発明の器具は、ＳＰＥ技術と関連する離隔波長変換という概念を実行する。離隔した下方変換材料を採用するシステムにおいて、光源からの短波長放射エネルギーが下方変換材料に向かって発せられる。下方変換材料は、光源から離れた状態で位置決めされている。下方変換材料に衝突する放射エネルギーの少なくとも一部が、より長い波長放射に下方変換され、そして両方の放射が混ざると、結果として、伝統的な照明器具によって生成された光と同様の白色光が生じる。波長変換材料は、１つのスペクトル領域内の放射を吸収し、別のスペクトル領域内の放射を発するように適合された１つ又は２つ以上の下方変換材料から成っていてよい。波長変換材料は一緒に混合され又は個別の層として採用されうる。複数の波長変換材料が、光源から発せられた波長を同じ又は異なるスペクトル領域に変換することができる。従って、波長変換材料は、１種又は２種以上の下方変換材料、上方変換材料、又はその両方を含んでよい。これらを、所望の光出力特性及び演色特性を生成するように選択することができる。
【００２４】
図１は、本発明の具体的な実施態様に係る、固体発光ダイオード（ＬＥＤ）１０２と波長変換材料１０４とを使用した可視光生成方法を示している。図示のように、ＬＥＤ１０２から発せられた光放射１００が波長変換材料１０４に衝突する。ＬＥＤ１０２から発せられた光放射１００のいくらかは、後方伝送無変換放射１０６として波長変換材料１０４によって反射させられる。ＬＥＤ１０２から発せられた光放射１００の別の部分は、波長変換材料１０４によって反射させられ、そして後方伝送変換放射１１８として後方に向かって発せられる。ＬＥＤ１０２から発せられた光放射１００のいくらかは、前方伝送無変換放射１０８として波長変換材料１０４を貫通させられるのに対して、いくらかは前方伝送変換放射１１４として貫通させられる。さらに、波長変換材料１０４は前方散乱変換放射１１６と、後方散乱変換放射１２０とを発することができる。後方散乱変換放射１２０と後方伝送変換放射１１８とはまとめて後方伝送波長変換放射１１２と考えられるのに対して、前方散乱変換放射１１６と前方伝送変換放射１１４とはまとめて前方伝送波長変換放射１１０と考えられる。波長変換材料から離隔して光源を位置決めするＳＰＥ技術を用いると、反射無変換光子１０６と伝送無変換光子１０８、反射変換光子１１８と伝送変換光子１１４、及び波長変換材料１０４によって変換された前方散乱変換放射１１６と後方散乱変換放射１２０との改善された抽出が可能になる。
【００２５】
光学素子が、ＬＥＤと波長変換材料とを分離する空間を占めていてよい。いくつかの実施態様の場合、光学素子が１つの端部でＬＥＤ光源に取り付けられ、そして別の端部で波長変換材料に取り付けられていてよい。光学素子は、任意の三次元幾何学的形状、例えば球形、パラボラ形、円錐形、及び楕円形を成していてよい。光学素子は、とりわけ、円形、三角形、六角形、台形、半円形、及び楕円形から成る群から選択された断面形状を有するものとして記述されてもよい。光学素子はほぼ透明で光透過性の媒質、例えば空気、ガラス、又はアクリルであってよい。光源によって発せられて下方変換材料によって下方変換された光（伝送光）を受容して反射させるために、１つ又は２つ以上のリフレクタを利用してよい。リフレクタは、例えば任意の幾何学的形状、例えば球形、パラボラ形、円錐形、及び楕円形を成していてよく、当業者に知られた種々様々な反射面から成っていてよい。加えて、リフレクタは単一のユニットであってよく、或いは、それぞれがそれ自体の幾何学的形状、透過度、及び材料組成を有する複数の反射面を含む複合ユニットであってもよい。例えばリフレクタはアルミニウム、蒸発アルミニウム反射層を備えたプラスチック、又は任意のその他の種類の反射面であってよい。リフレクタは、下方変換光を反射させるように位置決めされており、そして下方変換材料から分離しているか又は下方変換材料に隣接していてよい。いくつかの実施態様では、２つ以上のリフレクタを別々に、或いは、複数の幾何学的形態を有する複合リフレクタの部分として利用してもよい。
【００２６】
本発明のいくつかの実施態様の場合、リフレクタはガラスのような光学素子であって、光学素子に反射特性を与えるように処理されているものであってよい。例えば、リフレクタは、薄膜がその上に堆積されるか又は他の形で被着されている光学素子であってよい。このようなリフレクタは、ダイクロイック・フィルタ、薄膜フィルタ、又は干渉フィルタとして当業者に知られており、そして小さな色範囲の光を選択的に通す一方で他の色を反射させるためにしばしば使用される。比較すれば、ダイクロイック・ミラーは、これらが通す色ではなく、これらが反射させる光の色によって特徴付けられる傾向がある。便宜上、こうして処理されたリフレクタをまとめて本明細書中では「ダイクロイック・リフレクタ」と呼ぶ。それというのも、これらは選択的且つ同時にいくつかの光を通すのを許す一方で他の光を反射させ得るからである。このようなダイクロイック・リフレクタは例えば特定の波長、熱、光に対して、又は当業者に知られているような、光源によって発せられた放射の他の特性に対して選択的であってよい。本発明のリフレクタ及び光学素子は、種々様々な透過度を有することができ、すなわち、任意の範囲の放射を通し又は反射させるように選択することができる。例えば、光学素子は完全に半透明であって、全ての光放射が通過するのを許してよい。しかし当業者には知られているように、完全に半透明な光学素子であっても、光学素子に固有のものと考えられる僅かな反射特性（例えば透明ガラスは光放射の約４％を反射させることが判っている）を有することがある。或いは、光学素子は完全に反射性であり、いかなる光放射も通過するのを許さないこともあり得る。加えて、本発明の光学素子及びリフレクタは、これらが特定の透過度を有するいくらかの部分と、異なる量の光放射を通し又は反射させる他の部分とを有するように調製されてよい。従って、それぞれの光学素子又はリフレクタは、同じ透過レベルを一貫して有し又は多様な透過レベルを有する種々異なる部分を有していてもよい。当業者に知られている数多くの手段によって、光学素子のいかなる範囲の透過度も可能になる。
【００２７】
本発明の少なくとも１つの実施態様において、波長変換材料は、当業者に知られたコンベンショナルな技術を用いて、光学素子又はリフレクタに被着されるか、またはその上に含まれる。別の実施態様において、波長変換材料、例えば下方変換材料は光学素子又はリフレクタ内に一体化される。例えば、アクリル製造工程において、燐光体のような下方変換材料を組み込むアクリル光学素子を製造することができ、これにより、一体化された下方変換光学素子が製造される。
【００２８】
図１に関して上に詳述したように、波長変換材料は光放射を透過し、変換し、又は反射させることができる。いくらかの光放射が、無変換光放射として光源に向かって後方反射させられてよい。変換された光は前方伝送又は後方伝送させられてよい。加えて、いくらかの光は、波長変換材料を通って、変換されることなしに伝送されてよい（すなわち無変換透過放射）。下方変換光の前方伝送部分と後方伝送部分との両方を捕捉することによって、システム効率が改善される。同様に、下方変換材料の位置、及び１つ又は２つ以上のリフレクタを利用する場合にはリフレクタの位置を調節することにより、光源からの光が下方変換材料に均一に衝突して均一な白色光を生成し、光のより多くが装置から出るのを可能にすることを保証することができる。同時に、下方変換材料を光源から離隔して位置決めすると、光の光源内へのフィードバックが防止される。結果として、光源の熱はさらに最小化され、これにより光出力及び寿命が改善される。これらの構造的なパラメータ及び特徴の全ては、周知の技術と比較して光生成量を高め、照明効率を増強し、及びエネルギー利用率を改善するのを可能にする。
【００２９】
本発明の固体発光装置はさらに、当業者に知られた他の構成部分を含んでいてよい。例えばＳＳＬ装置はさらに電子ドライバを含んでいてよい。大抵のＳＳＬ源は低電圧直流（ＤＣ）源である。従って、ＳＳＬ系照明器具において使用する際に、電圧及び電流をコンディショニングするために、電子ドライバが必要となる。或いは、いくつかの交流（ＡＣ）ＳＳＬ源、例えば大韓民国ソウルのSeoul Semiconductor, Inc.によって“Acriche”の商品名で販売されているＡＣ−ＬＥＤがある。これらの場合、ＳＳＬ源（例えばＬＥＤ又はＬＥＤアレイ）は、配電網から利用可能なＡＣ電源に直接接続されることができる。従って、本発明の実施態様は採用随意に電子ドライバを含んでよい。電子ドライバの少なくとも一部は、ＳＳＬ系照明器具内で採用されるＳＳＬ源のタイプに応じて、照明器具のベース内部にある。本発明はさらに、少なくとも１つの電子伝導体、例えば接続ワイヤを含んでいてよい。電子伝導体は、照明器具ベースと光源との間で電流をカップリングするために、光学素子内部に配置されていてよい。
【００３０】
本発明の照明器具はいかなる配置においても利用されることができる。例えば、本発明の少なくとも１つの実施態様は、吊り下げ式又はオーバーヘッド式照明器具である。このような実施態様の場合、照明器具は、１つ又は２つ以上の吊り下げ機構、例えば吊り下げロッド、ケーブル、又はフランジを有していてよい。本発明の別の実施態様の場合、照明器具は壁掛け式照明器具である。このような実施態様の場合、照明器具は、水平方向、鉛直方向、又は所望の美感及び光出力を達成するのに必要な任意の形式で取り付けられてよい。さらなる実施態様では、本発明は、１つ又は２つ以上の照明器具を含むシステムである。このような実施態様の場合、光システムは数多くの同様の照明器具又は異なる照明器具を含んでいてよい。本発明の１つ又は２つ以上の実施態様は、吊り下げ式、壁掛け式、又はその両方であるように形成されてよい。例えば、本発明のいくつかの実施態様は、頭上吊り下げ式照明器具として又は壁掛け式照明器具として働くように形成されていてよく、この場合吊り下げ機構及びその他の構成部分がいずれの形態にも対応することができる。加えて、照明区域において望まれる照射量に応じて、また他の要因、例えば美感に応じて、本発明の実施態様では、光学素子又はリフレクタが照明区域に向き又は照明区域から離反するように設置されてよい。これらの実施態様は、下で説明する図面に照らしてよりよく理解することができる。
【００３１】
図２（ａ）は、本発明の１実施態様による、吊り下げ式又はオーバーヘッド式固体光源照明器具を示している。図２（ａ）に示された吊り下げ式照明器具は、押し出し型照明器具形態であると考えられる。なぜならば、照明器具の断面プロフィールはその水平方向軸線に沿ってほぼ均一であるからである。「押し出し型」という用語は、本発明のこの実施態様を特定の製造法、例えば押し出し法、又はその結果に限定しようとするものではない。むしろ、本発明の押し出し型ＳＰＥ照明器具及びその個々の構成部分は、数多くの既知の方法によって製造されることができる。「押し出し型」という用語はここではむしろ、固定的な断面プロフィール、しかも細長い辺を有するＳＰＥ照明器具の形態に言及するために使用される。もちろん、他の実施態様が、水平方向軸線に沿った断面プロフィールにおいて変動を示してもよい。図示のように、照明器具の光源はＬＥＤアレイ２１２において複数の発光素子を含んでいる。ＬＥＤアレイ２１２は、光源から離隔された凹面を有する三角形断面の光学素子２０６の所定の角度内に位置決めされている。ＬＥＤアレイは光放射を光学素子の凹面に向かって下向きに発する。この凹面上には波長変換材料２０４が堆積されている。照明器具はさらに２つのパラボラ状のリフレクタ２０８を含んでいる。これらのリフレクタは、光学素子２０６及びＬＥＤアレイ２１２の上方に位置決めされていてよい。リフレクタは、ＬＥＤによって発せられて下方変換され且つリフレクタに向かって後方伝送された光を、所望環境、すなわち照明区域に反射させる。この実施態様をさらに図２（ｂ）において詳述する。この図２（ｂ）は、図２（ａ）に示された固体光源照明器具の断面を示している。図示のように、ＬＥＤアレイ（この図には１つのＬＥＤ発光素子２０２として示されている）は、光放射を、下方変換材料を含む波長変換材料２０４に向かって下向きに発する。波長変換材料２０４は、三角形断面の光学素子２０６の凹面上に堆積されている。特定の照明器具形態、光効率、及び出力のために必要であるならば、波長変換材料層が光学素子の他の壁上に被覆されていてもよい。発せられた光放射２１４のいくらかが下方変換され、そして光学素子２０６の凹面を通って前方伝送光２２０として前方伝送される。発せられた光放射２１４のいくらかが、下方変換され、そして光学素子２０６の側壁を通ってリフレクタ２０８に向かって、後方伝送光２２２として後方伝送される。リフレクタでは、変換光放射が反射させられる。図示の実施態様の場合、符号２１４，２２０及び２２２は光ビームを示すのであって、物理的なエレメントを示してはおらず、本発明の主張される構成部分ではない。
【００３２】
リフレクタ上に衝突した光線の方向は、下方変換層を透過された光線と同じ方向であることが望ましい。従って、器具の総光出力は、下方変換材料を透過された光と、後方伝送光線との組み合わせとなりうる。しかし、リフレクタのサイズ、幾何学的形状、及び光学素子からの距離に応じて、波長変換材料からのいくらかの後方伝送光線はリフレクタに当たることなしに、天井又は壁に衝突してよい。このような上向きの光線は、間接−直接タイプの照明器具に有用である。このような照明器具は部屋の上側空間の照射量を増大させることになる。
【００３３】
この実施態様における、光学素子の凹面上に堆積される波長変換材料を、光学素子によって取り囲むことによって、時間とともに器具の全光出力を低減するおそれのある有害なダスト蓄積を防止することができる。上述のように、波長変換材料は、１つのスペクトル領域の放射を吸収し、別のスペクトル領域の放射を発する材料である。模範実施態様において、波長変換材料は単一の波長変換材料を含んでよい。別の実施態様の場合、波長変換材料は２種以上の波長変換材料を含んでよい。複数の波長変換材料は、発光素子から発せられた波長を同じ又は異なるスペクトル領域に変換することができる。模範実施態様又は代替実施態様において、波長変換材料は１種又は２種以上の燐光体、例えばとりわけ、セリウムでドープされたイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ：Ｃｅ）、ユーロピウムでドープされた硫化ストロンチウム（ＳｒＳ：Ｅｕ）、ユーロピウムでドープされたＹＡＧ：Ｃｅ燐光体、セレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）が添加されたＹＡＧ：Ｃｅ燐光体、又は、鉛（Ｐｂ）及びケイ素（Ｓｉ）を含む他の材料から形成されたその他のタイプの量子ドットを含んでいてよい。別の実施態様では、燐光体層は他の燐光体、量子ドット、量子ドット結晶、量子ドット・ナノ結晶、又は他の下方変換材料を含んでよい。波長変換材料は、結合媒質と混合された粉末材料の代わりに下方変換結晶であってよい。波長変換材料層は、付加的な散乱粒子、例えばミクロスフィアを含むことにより、異なる波長の光の混合を改善することができる。別の実施態様では、波長変換材料は、それぞれが異なる波長変換材料を含有する複数の連続又は不連続のサブ層から成っていてよい。波長変換材料は、例えばマウント、塗布、堆積、ステンシル、スクリーン印刷、及び任意の他の好適な技術によって形成されてよい。波長変換材料は光学素子の１つの壁に部分的に形成されていてよい。本出願に開示された実施態様の全ては、ここに記載された燐光体のうちのいずれかを使用してよい。
【００３４】
ヒートシンクを使用することによって更なる利点を達成することができる。図２（ａ）〜２（ｃ）に示された実施態様は、吊り下げ式又はオーバーヘッド式照明器具である。この照明器具は、１つ又は２つ以上の吊り下げ機構によって表面に取り付けられている。例えば吊り下げワイヤ又はロッド（中空又は中実）を使用して、照明器具を吊るすことができる。吊り下げ機構は電源コード、制御ワイヤ、又は照明器具内に必然的に含まれる他の構成要件を含んでいてよい。照明器具のための電源ワイヤ及び制御ワイヤは、吊り下げワイヤと並んで、又はロッド内部で接続されてよい。
【００３５】
図２（ｃ）は、ヒートシンク２１０とＬＥＤ発光素子２０２とを示す、図２（ｂ）の拡大図である。ヒートシンク２１０がＬＥＤ発光素子２０２の底部に取り付けられている状態で示されている。このことは、この実施態様が吊り下げ式又はオーバーヘッド式照明器具として示されているため、実際にはヒートシンク２１０がＬＥＤ発光素子２０２の周り且つ上方に位置することを意味している。ヒートシンク２１０の少なくとも一部は、光学素子２０６によって形成されたエンクロージャの外部にある。ヒートシンクは一連のフィンを含んでいてよい。ヒートシンクはその代わりに又はこれに加えてメッシュを含むこともできる。メッシュはヒートシンク２１０から延びて、ＬＥＤ発光素子２０２と光学素子の凹面との間の、光学素子２０６の外面の少なくとも一部を取り囲んでいる。ヒートシンク２１０は、当業者に知られている種々の熱放散材料、例えばアルミニウム、銅、及び炭素繊維から製造されていてよい。ヒートシンクは所定の色に塗装される、例えば白色に塗装することによって、材料の熱放散能力を向上又は変化させることができる。ヒートシンク２１０の少なくとも一部は光学素子２０６の外部にあるが、ヒートシンク２１０は内部ＬＥＤ発光素子２０２にカップリングされている。このことは例えば、光学素子の凹面にほぼ対向する端部で光学素子に設けられた貫通部で達成することができる。このカップリングはＬＥＤ発光素子２０２を実質的に光学素子２０６内部に効果的に保持する一方で、光学素子２０６を閉じた状態でシーリングする。組み立てられたときには、光学素子２０６の内側は、中実又は真空であってもよく、空気又は不活性ガスで充填されていてもよい。
【００３６】
図３は、本発明の別の実施態様に基づく固体光源照明器具を示している。このような照明器具はペンダント式照明器具と考えてよい。それというのもこれはただ１つの吊り下げ機構によって吊り下げられているからである。図３に示されたペンダント式照明器具は、回転型照明器具形態とも考えられる。それというのは、照明器具の断面プロフィールが、その鉛直方向軸線を中心として周方向に回転させられたときにほぼ均一であるからである。もちろん、他の実施態様では、照明器具がその鉛直方向軸線を中心として回転させられたときの断面プロフィールにおいて変動を示してもよい。図３に示された実施態様の場合、ＬＥＤアレイ３１２が、離隔された波長変換材料３０４に向かって光放射を下向きに発するように位置決めされている。波長変換材料３０４は円錐形の透過性光学素子３０６上に堆積されている。ＬＥＤアレイ３１２及び光学素子３０６の上に円錐形のリフレクタ３０８を逆さまに取り付けることにより、完成した照明器具３００に砂時計状の外観を与える。リフレクタ３０８と光学素子３０６との間のＬＥＤアレイ３１２には、ヒートシンク３１０が隣接しているか又は取り付けられている。この実施態様の場合、ペンダント様式の照明器具３００は、単一の吊り下げ機構３３０によって照明場所内に吊り下げられている。ヒートシンク３１０は、放射発光光源、この実施態様ではＬＥＤアレイ３１２を機械的に支持するために使用することができ、そして熱放散目的で利用されることができる。
【００３７】
図４（ａ）〜４（ｆ）は、本発明の他の実施態様に基づく、１つ又は２つ以上の光源、波長変換材料、ヒートシンク、光学素子、及びリフレクタを特徴とする種々の照明器具形態を示す断面図である。図示のように、光源は、リフレクタと光学素子との間に位置決めされた１つの発光素子であってよい。図４（ａ）に示す実施態様の場合、三角形の光学素子上に堆積され又は光学素子と一体化された波長変換材料に向かって光を導くために１つの発光素子が使用される。図４（ａ）〜４（ｆ）に示された本発明の実施態様において、波長変換材料は光学素子の１つ又は２つ以上の表面上に堆積され又は表面と一体化されていてよい。上述のように、そして図４（ａ）〜４（ｆ）に示すように、光学素子は多くの他の形状を成していてよい。図４（ａ）〜４（ｆ）に示された照明器具の実施態様のそれぞれにおいて、光源によって発せられたいくらかの光放射は、無変換光放射として光源に向かって後方反射させられてよい。変換された光は、前方伝送又は後方伝送させられてよい。加えて、いくらかの光は波長変換材料を通って、変換されることなしに伝送されてよい（すなわち無変換透過放射）。下方変換光の前方伝送部分と後方伝送部分との両方を捕捉することによって、システム効率を改善することができる。同様に、下方変換材料の位置、及び１つ又は２つ以上のリフレクタを利用する場合にはリフレクタの位置を調節することにより、光源からの光が下方変換材料に均一に衝突して均一な白色光を生成し、光のより多くが装置から出るのを可能にすることを保証することができる。同時に、下方変換材料を光源から離隔して位置決めすると、光の光源内へのフィードバックが防止される。結果として、光源の熱はさらに最小化され、これにより光出力及び寿命が改善される。光学素子及びリフレクタの形状、並びに発光素子の位置及び数は、周知の技術と比較して、光生成量の増大、照明効率の向上、及びエネルギー利用率の改善を達成するように任意に形成されることができる。
【００３８】
図５（ａ）〜５（ｃ）は、本発明の他の実施態様に基づく、１つ又は２つ以上の光源、波長変換材料、ヒートシンク、光学素子、及びリフレクタを特徴とする種々の照明器具形態を示す断面図である。図示のように、複数の光源を使用してよい。例えば、図５（ａ）〜５（ｃ）は、それぞれ複数の発光素子５０２を有する実施態様を示している。図５（ａ）に示された実施態様において、五角形の光学素子上に堆積され又は光学素子と一体化された波長変換材料に向かって光を導くために２つの発光素子５０２が使用される。発光素子５０２はヒートシンク５１０に取り付けられている。発光素子５０２は、光学素子５０６の１つ又は２つ以上の表面上に位置決めされている。これらの表面は、波長変換材料５０４が堆積された光学素子の表面にほぼ対向している。この形態では、発光素子５０２は、波長変換材料５０４とリフレクタ５０８との間に位置決めされている。発光素子５０２は波長変換材料５０４に向かって光放射を発する。波長変換材料５０４では、少なくともいくらかの光放射が変換されて発光素子の方向に後方伝送される。リフレクタ５０８は、後方伝送変換光放射の少なくとも一部を所望環境、すなわち照明区域に反射するように位置決めされる。図５（ａ）に示された形態の場合、リフレクタによって反射させられるのは後方伝送変換光放射であり、この放射は、所望区域を照射するために、前方伝送変換光放射に加えて使用される。
【００３９】
図５（ａ）に示された五角形の光学素子は図５（ｂ）では逆さまに形成されている。図５（ｃ）及び図５（ｄ）は、本発明の少なくとも１つの実施態様に基づく、照明器具の更なる形態を示している。図５（ｃ）及び図５（ｄ）に示された光学素子は、五角形の光学素子と考えることもできるが、しかし、外方に向いた三角形プロフィールの代わりに内方に向かって押し込まれた三角形プロフィールを有している。図５（ａ）〜図５（ｄ）に示された照明器具の実施態様のそれぞれにおいて、複数の発光素子５０２が使用されている。これらの発光素子５０２はそれぞれヒートシンク５１０に取り付けられている。図５（ｂ）に示された実施態様では、波長変換材料５０４は光学素子５０６の１つの表面上に堆積され又は１つの表面と一体化されているのに対して、図５（ｃ）に示された実施態様では、波長変換材料５０４は光学素子５０６の複数の表面上に堆積され又は複数の表面と一体化されている。図５（ｄ）に示された実施態様では、波長変換材料５０４は、光学素子５０６の単一の表面上に堆積されており、この表面は、発光素子５０２を有する表面に対して垂直である。図５（ａ）〜図５（ｄ）に示された実施態様の場合、発光素子５０２によって発せられたいくらかの光放射は、無変換光放射として光源に向かって後方反射させられてよい。変換された光は前方伝送又は後方伝送させられてよい。加えて、いくらかの光は、波長変換材料を通って、変換されることなしに伝送されてよい（すなわち無変換透過放射）。図５（ｂ）及び図５（ｃ）に示された実施態様の場合、波長変換材料は、光源とリフレクタとの間に位置する光学素子の１つ又は２つ以上の表面上に堆積されている。このような実施態様の場合、リフレクタは、下方変換光放射の前方伝送部分を捕捉して反射させる。下方変換光放射の後方伝送部分は、光学素子の透過性表面を通過することが許される。下方変換光の前方伝送部分と後方伝送部分との両方を捕捉することによって、システム効率を改善することができる。上記のように、光学素子及びリフレクタの形状、並びに発光素子の位置及び数は、周知の技術と比較して、光生成量の増大、照明効率の向上、及びエネルギー利用率の改善を達成するように任意に形成されることができる。
【００４０】
本発明の照明器具は、無数の形状及びサイズを有する１つ又は２つ以上のリフレクタを組み込むことができる。図６（ａ）〜６（ｃ）は、本発明の他の実施態様に基づく、種々異なる形状のリフレクタを有する種々の照明器具を示す断面図である。このようなリフレクタは、例えば図２（ａ）及び図６（ａ）〜６（ｃ）に示されているような押し出し型照明器具、そして図３に示されているような回転型照明器具の両方と一緒に使用してよい。押し出し型又は回転型の器具に加えて、本発明のＳＰＥ照明器具の光学素子は、所定の数の辺を有していてよい。例えば光学素子は、数ある構造的形状の中でも、正方形、長方形、台形、五角形、六角形、又は八角形の形状を有していてよい。これらの構造的形状のいずれかを有する光学素子を、本発明の実施態様のいずれかに組み込むことができる。
【００４１】
図７（ａ）及び７（ｂ）は、発光素子アレイ７１２を特徴とするＳＰＥ技術を用いた本発明の別の模範的実施態様を示している。図７（ａ）と図７（ｂ）とは、壁付け燭台（wall sconce)として使用されたときの実施形態と、吊り下げ型ペンダント器具として使用されたときの実施態様とをそれぞれ示している。ここでは、照明器具が取り付けられる壁又は天井がリフレクタとして機能することができる。図７（ｃ）は両実施態様の断面図を示している。図示のように、ＳＰＥ照明器具は、波長変換材料７０４の層で堆積された光学素子７０６を含んでいる。高い透過度を有するリフレクタ７０８（すなわち低反射コーティング）、例えば半透明カバーを使用することにより、照明器具の出力スペクトルを制御し、また所望の美感を提供することができる。図７（ｄ）は、ヒートシンク、光学素子、及び固体発光ダイオード（ＬＥＤ）を示す図７（ｃ）の拡大図である。ヒートシンク上にはＬＥＤ又はＬＥＤアレイを装着してよい。機械的部材又は吊り下げ機構を用いることにより、ヒートシンクを支持し、そして照明器具を壁又は天井に取り付けることができる。
【００４２】
図８（ａ）は、ＳＰＥ技術を用いた本発明のさらに別の模範的実施態様を示している。この図は固体発光素子と、離隔された波長変換材料とを使用する別の高効率照明器具を示している。図８（ｂ）は、図８（ａ）における器具の断面図である。図示のように、器具は、光放射発光素子８０２から離隔された波長変換材料８０４を含んでいる。発光素子８０２及び波長変換材料８０４の両方は、光学素子８０６に取り付けられ又は光学素子８０６と一体化されている。波長変換材料８０４は燐光体であってよい。リフレクタ８０８を使用することによって、出力ビーム分配を制御し、そしてビームの色均一性を改善することができる。上述のように、発光素子８０２の装着及び熱放散のために、ヒートシンク８１０を使用してよい。吊り下げ機構８３０を使用して、光学素子８０６によって形成されたエンクロージャ内部の発光素子８０２の上方に波長変換材料８０４を吊り下げる。吊り下げ機構８３０は、ＳＰＥ照明器具を壁又は天井に装着するために使用されてもよい。ビーム制御、光効率、及び美感の改善を含む数多くの理由から、複数のリフレクタを別々に又は複合反射面として一緒に使用してよい。図８（ｃ）は、複合リフレクタ８０８を組み込んだ実施態様を示す断面図である。図８（ａ）〜８（ｃ）に示されたＳＰＥ照明器具のための典型的な用途は、埋め込み型、ペンダント型、及びトラックダウン型（track down）照明器具である。
【００４３】
図９（ａ）及び９（ｂ）は、所定の数のＳＰＥ照明器具をＳＰＥ照明システム又はアセンブリとして含む本発明の更なる実施態様を示している。ＳＰＥ照明システムは、図２〜８に示されているような１つ又は２つ以上のＳＰＥ照明器具から成っていてよい。このＳＰＥ照明システム内部のＳＰＥ照明器具は同じ又は異なったものであってよい。個々のＳＰＥ照明器具は、光学素子、リフレクタ、ヒートシンク、吊り下げ機構を介して、又は当業者には明らかなような他の周知の構成部分を介して、接続されていてよい。
【００４４】
ＬＥＤ光源及びその他の必要な電子素子から照明器具内に進む熱の量は、信頼性高い性能とともに使用できるＬＥＤの総能力を制限し、ひいては生成される光の量を制限する。本発明の実施態様は、ＬＥＤによって生成された熱のより多くを環境内に放散するように、ＬＥＤ源及びヒートシンクを配置する。このような配置は、ＬＥＤ及び電子素子のための適正な動作温度が維持されることを保証しつつ、より多量の光が生成されるのを可能にする。この配置は、完全に閉鎖された照明器具において達成される便益と比較して、開放型照明器具においてＳＰＥ照明器具が使用される用途にとってさらに有益であり得る。
【００４５】
前述のように、下方変換材料に衝突する放射エネルギーは、より高い波長放射に変換されることになり、そして混合されると、伝統的な照明器具によって生成される光と同様の白色光を提供することになる。最終的な光出力のスペクトルは、波長変換材料に依存する。総光抽出量は、波長変換層に到達する光の量、波長変換層の厚さ、及び光学素子及びリフレクタの材料及び設計に依存する。これらの構成部分は、ＳＰＥ照明器具の性能及び美感の目標を達成するために考えられる任意の方法で、形状及び寸法を設定されることができる。下記の例及び表において、本発明のＳＰＥ照明器具によって可能になる効率及び光放射の改善を詳述する。
【００４６】
例
本発明の少なくとも１つの実施態様において、ＳＰＥ技術によるＬＥＤパッケージが実施される。下方変換燐光体が光源又はダイの周りに広がっている典型的なコンベンショナルな白色ＬＥＤパッケージとは異なり、本発明のＳＰＥパッケージの場合、燐光体層がダイから離されており、ダイと燐光体との間に透明な媒質を残す。このようなパッケージのための効率的な幾何学的形状を、光線追跡分析を介して割り出すことができる。注目に値するのは、ＳＰＥパッケージが、コンベンショナルな白色ＬＥＤパッケージと類似する色度座標を有する白色光を生成するために、異なる燐光体密度を必要とすることである。この差異は、ＳＰＥパッケージが非類似のスペクトルを有する透過光と後方反射光とを混合するのに対して、コンベンショナルなパッケージが主として透過光を使用する結果である。
【００４７】
本発明の実施態様に基づくＳＰＥ照明器具を使用した光出力改善を割り出すために、コンピュータ・シミュレーションを実施した。図１０（ａ）に示された照明器具モデルを光線追跡ソフトウェアで設定した。図１０（ａ）に示された照明器具モデルは、図２（ａ）に示されたものと同様であり、ここでは１つ又は２つのリフレクタを有していない。便宜上、分析される照明器具の形態を、図２（ａ）を参照しながら詳述することにする。青色ＬＥＤアレイ２１２を透明光学素子２０６によって包囲した。光学素子２０６の底部の凹面上に、燐光体波長変換材料２０４を装着又は堆積した。１９３１ＣＩＥダイヤグラムの黒体軌跡において６５００ケルビンの相関色温度（ＣＣＴ）を達成するように、燐光体密度を選択した。
【００４８】
図１６は、モデルのいくつかの追跡光線を示している。青色ＬＥＤを同数の白色ＬＥＤに代えることにより、別の照明器具をモデル化した。燐光体層を同じ寸法のディフューザに代えた。白色ＬＥＤは、青色ＬＥＤダイと、青色ＬＥＤダイの周りに広がる燐光体とから成っている。放射エネルギー及び発光ビーム角度は、白色ＬＥＤの青色ＬＥＤダイからのものと、及びＳＰＥ照明器具で使用される青色ＬＥＤからのものとにおいて同じである。ＣＣＴ値及び色度座標は、白色ＬＥＤとＳＰＥ照明器具とにおいて同じである。下記表１はこの比較分析の結果を示す。
【表１】
2013522826.tif 000003
【００４９】
上記表１に示されているように、シミュレーションは、ＣＣＴ及び色度座標が両形態において同じであるときに、ＳＰＥ照明器具が白色ＬＥＤを使用した器具よりも約３０％多い光量を有していることを実証した。
【００５０】
従って本発明は、固体放射発光素子（例えばＬＥＤ）と、波長変換材料（例えば燐光体）と、リフレクタとを含む高効率ＳＰＥ系照明器具に関する。波長変換材料はＬＥＤから離して配置されている。波長変換材料からの後方伝送光子は、器具の効率全体を高めるために抽出されることができる。従って、器具は、所要ＬＥＤがより少なく、又は所要電気エネルギーがより小さく、そして製造コストを低くすることができる。
【００５１】
言うまでもなく、本発明のＳＰＥ照明器具の幾何学的形状は、図示された、又は上述の、又は例に示した特定の形状に限定されることはない。他の設計上の懸念事項、例えば光の色及び光源の寿命に対処しつつ、特定の性能又は美感を達成するために、代わりの形状を用いてもよい。本発明を模範的実施態様を参照しながら説明してきたが、本発明はこれらに限定されない。むしろ添付の請求項は、本発明の真の思想及び範囲を逸脱することなしに当業者によって形成され得る本発明の他の変更形及び実施態様を含むものと解釈されるべきである。
【図１】
2013522826.tif 000004
【図２（ａ）】
2013522826.tif 000005
【図２（ｂ）】
2013522826.tif 000006
【図２（ｃ）】
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【図３】
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【図４（ａ）】
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【図４（ｂ）】
2013522826.tif 000010
【図４（ｃ）】
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【図４（ｄ）】
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【図４（ｅ）】
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【図４（ｆ）】
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【図５（ａ）】
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【図５（ｂ）】
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【図５（ｃ）】
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【図５（ｄ）】
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【図６（ａ）】
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【図６（ｂ）】
2013522826.tif 000020
【図６（ｃ）】
2013522826.tif 000021
【図７（ａ）−７（ｂ）】
2013522826.tif 000022
【図７（ｃ）】
2013522826.tif 000023
【図７（ｄ）】
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【図８（ａ）】
2013522826.tif 000025
【図８（ｂ）】
2013522826.tif 000026
【図８（ｃ）】
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【図９（ａ）】
2013522826.tif 000028
【図９（ｂ）】
2013522826.tif 000029
【図１０（ａ）】
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【図１０（ｂ）】
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【国際調査報告】
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