(57)【要約】固体ランプは、少なくとも一つの発光面を有する導光路と、光を導光路に結合するように構成された少なくとも一つの固体光源（ＬＥＤ）とを含む。ランプは、導光路からの発光を促進するために光抽出フィーチャのパターンをさらに含み、光抽出フィーチャのパターンが導光路の少なくとも一つの面上に形成される。
2013546142.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体ランプであって：
少なくとも一つの発光面を有する導光路と；
光を導光路に結合するように構成された少なくとも一つの固体光源と；
導光路からの発光を促進するために少なくとも一つのフォトルミネッセンス材料の光抽出フィーチャのパターンとを含み、フォトルミネッセンス材料のパターンが導光路の少なくとも一つの表面に直接堆積する、固体ランプ。
【請求項２】
フォトルミネッセンス材料フィーチャのすべての面積が、発光面の面積のおよそ２０％未満および発光面の面積のおよそ１０％未満からなる群より選択される、請求項１記載のランプ。
【請求項３】
フォトルミネッセンス材料フィーチャのパターンが、導光路の発光面上に提供される、発光面と反対側の導光路面上に提供される、ならびに発光面および発光面と反対側の導光路面の両方上に提供される、からなる群より選択される、請求項１記載のランプ。
【請求項４】
フォトルミネッセンス材料フィーチャのパターンが、導光路内の光強度分布に少なくとも部分的に応じて構成される、請求項１記載のランプ。
【請求項５】
フォトルミネッセンス材料フィーチャ間の間隔が、少なくとも一つの光源からの距離に応じて狭くなる、請求項１記載のランプ。
【請求項６】
フォトルミネッセンス材料フィーチャの寸法が、少なくとも一つの光源からの距離に少なくとも部分的に応じる、請求項１記載のランプ。
【請求項７】
フォトルミネッセンス材料フィーチャの形状が、少なくとも一つの光源からの距離に少なくとも部分的に応じる、請求項１記載のランプ。
【請求項８】
単位面積当たりのフォトルミネッセンス材料フィーチャの数が、少なくとも一つの光源からの距離に応じて増加する、請求項１記載のランプ。
【請求項９】
フォトルミネッセンス材料フィーチャが：直線；実質的に円形のフィーチャ；実質的に楕円形のフィーチャ；実質的に四角形のフィーチャ；実質的に矩形のフィーチャ；実質的に三角形のフィーチャ；実質的に六角形のフィーチャおよび実質的に多角形形状のフィーチャからなる群より選択される、請求項１記載のランプ。
【請求項１０】
フォトルミネッセンス材料のパターンが、実質的に同一サイズのドットの疑似ランダム配列を含む一次確率パターン、多様なサイズのドットの疑似ランダム配列を含む二次確率パターンおよび多様なサイズのドットの規則的配列を含むハーフトーンパターンからなる群より選択される、請求項１記載のランプ。
【請求項１１】
導光路の反対側の面全体に実質的にわたる光反射面をさらに含む、請求項１記載のランプ。
【請求項１２】
動作中、光が導光路の両方の面から発光されるように、フォトルミネッセンス材料フィーチャのパターンが導光路の両側の面に提供される、請求項１記載のランプ。
【請求項１３】
導光路が、実質的に四角形；実質的に矩形；実質的に三角形；実質的に六角形、多角形；実質的に円形；実質的に円筒形状、実質的に部分円筒形状および実質的に卵形からなる群より選択される、請求項１記載のランプ。
【請求項１４】
フォトルミネッセンス材料が蛍光体材料を含む、請求項１記載のランプ。
【請求項１５】
蛍光体材料に重ね合わされる光拡散材料をさらに含む、請求項１４記載のランプ。
【請求項１６】
拡散材料が、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、硫酸バリウム（ＢａＳＯ４）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）および酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）からなる群より選択される、請求項１５記載のランプ。
【請求項１７】
オフ状態でのランプの白色の外観を改善するために光拡散材料が選択される、請求項１５記載のランプ。
【請求項１８】
その発光軸が導光路の軸または平面と実質的に垂直であるように少なくとも一つの固体光源が構成される、請求項１記載のランプ。
【請求項１９】
少なくとも一つの固体光源によって発光された光を発光軸の方向から他の方向に方向を変えるために、導光路の縁部に付随する反射体をさらに含む、請求項１８記載のランプ。
【請求項２０】
反射体が、導光路の縁部の形状によって少なくとも部分的に画定される、請求項１９記載のランプ。
【請求項２１】
導光路の縁部が、湾曲形状、巻き形状、傾斜形状および勾配付き形状からなる群より選択される形状を含む、請求項２０記載のランプ。
【請求項２２】
固体ランプであって：
少なくとも一つの発光面を有する導光路と；
光を導光路に結合するように構成された少なくとも一つの固体光源と；
導光路の軸または平面と実質的に垂直な発光軸を有する少なくとも一つの固体光源と；
導光路からの発光を促進するための光抽出フィーチャのパターンとを含む、固体ランプ。
【請求項２３】
少なくとも一つの固体光源のうち複数が共通の基材に取り付けられる、請求項２２記載のランプ。
【請求項２４】
少なくとも一つの固体光源によって発光された光を発光軸の方向から他の方向に方向を変えるために、導光路の縁部に付随する反射体をさらに含む、請求項２２記載のランプ。
【請求項２５】
反射体が、導光路の縁部の形状によって少なくとも部分的に画定される、請求項２４記載のランプ。
【請求項２６】
導光路の縁部が、湾曲形状、巻き形状、傾斜形状および勾配付き形状からなる群より選択される形状を含む、請求項２５記載のランプ。
【請求項２７】
光抽出フィーチャのパターンが導光路上に材料を堆積することによって形成される、請求項２２記載のランプ。
【請求項２８】
材料が、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、硫酸バリウム（ＢａＳＯ４）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）および酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）からなる群より選択される、請求項２７記載のランプ。
【請求項２９】
光抽出フィーチャのパターンが導光路に一体に形成される、請求項２２記載のランプ。
【請求項３０】
光抽出フィーチャのパターンが、へこみ、くぼみ、盛り上がった部分、経路、溝、凹領域、孔、隆起部、ドーム、ピラミッド形状または直線状マウンドからなる群より選択される、請求項２９記載のランプ。
【請求項３１】
光抽出フィーチャのパターンが、導光路の表面を改質することによって形成される、請求項２２記載のランプ。
【請求項３２】
表面が、エッチング、研磨、粗加工、スコーリング、アブレーションまたはスクライビングによって構成可能である、請求項３１記載のランプ。
【請求項３３】
光抽出フィーチャがフォトルミネッセンス材料を含む、請求項２２記載のランプ。
【請求項３４】
フォトルミネッセンス材料に重ね合わされる光拡散材料をさらに含む、請求項３３記載のランプ。
【請求項３５】
拡散材料が、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、硫酸バリウム（ＢａＳＯ４）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）および酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）からなる群より選択される、請求項３４記載のランプ。
【請求項３６】
オフ状態でのランプの白色の外観を改善するために光拡散材料が選択される、請求項３４記載のランプ。
【請求項３７】
光抽出フィーチャのパターンが、導光路内の光強度分布に少なくとも部分的に応じて構成される、請求項２２記載のランプ。
【請求項３８】
光抽出フィーチャ間の間隔が、少なくとも一つの光源からの距離に応じて狭くなる、請求項２２記載のランプ。
【請求項３９】
光抽出フィーチャのサイズが、少なくとも一つの光源からの距離に少なくとも部分的に応じる、請求項２２記載のランプ。
【請求項４０】
光抽出フィーチャの形状が、少なくとも一つの光源からの距離に少なくとも部分的に応じる、請求項２２記載のランプ。
【請求項４１】
単位面積当たりのフォトルミネッセンス材料フィーチャの数が、少なくとも一つの光源からの距離に応じて増加する、請求項２２記載のランプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の背景
１．  発明の分野
本発明は、導光路およびフォトルミネッセンス材料を備える固体ランプ(solid-state lamps)に関する。とりわけ、非限定的ではあるが、本発明は、ＬＥＤ（発光ダイオード）系ランプに関連する。
【０００２】
２．  関連技術の説明
白色発光ＬＥＤ（「白色ＬＥＤ」）は公知であり、比較的最近の革新である。電磁スペクトルの青色／紫外部分で発光するＬＥＤが開発されるまで、ＬＥＤ系白色光源の開発は実用的にならなかった。例として、米国特許第５，９９８，９２５号で教示されるように、白色ＬＥＤは、ＬＥＤによって発光される放射の一部を吸収し、異なる色（波長）の光を再発光する一つ以上のフォトルミネッセンス（例えば、蛍光体）材料を包含する。通常、ＬＥＤチップまたはダイは青色光を生成し、蛍光体材料はある割合の青色光を吸収し、黄色光、または緑色光と赤色光との、緑色光と黄色光との、緑色光と橙色光との、もしくは黄色光と赤色光との組み合わせを再発光する。ＬＥＤによって生成された青色光の、蛍光体材料に吸収されない一部と、蛍光体材料によって発光された光とが組み合わされ、白色の色として人の目に見える光を提供する。
【０００３】
長い動作寿命（５０，０００時間超）および高い発光効率（８０ルーメン毎ワット以上）に起因して、高輝度白色ＬＥＤは、従来の蛍光、小型蛍光および白熱光源に取って代わり、ますます使用されるようになっている。
【０００４】
従来、粉末蛍光体材料は、光透過性液体バインダー、通常、シリコーンまたはエポキシと混合され、混合物がＬＥＤダイの発光面に直接塗布され、ＬＥＤダイが蛍光体材料で封止される。高い放射輝度を要する用途、例えば、一般照明、自動車用ヘッドライトなどは、高入力電力、通常、１Ｗ以上のＬＥＤダイの使用を要する。蛍光体で封止されたＬＥＤの場合、ＬＥＤの高い動作温度によって蛍光体が劣化し、結果として光学効率の低減、発光された光の色ずれおよび耐用期間の短縮がもたらされることがある。例として、蛍光体で封止されたＬＥＤが１００℃で動作する場合、蛍光体（フォトルミネッセンス）が生成する光の量は、蛍光体で封止されたＬＥＤが６０℃で動作する場合と比較しておよそ１０％低下することがある。蛍光体の熱劣化の問題を克服するために、ＬＥＤダイから遠隔に、換言すれば、ＬＥＤダイと物理的に分離させて蛍光体を提供することにより、蛍光体への熱移動を防ぐか、少なくとも低減することが公知となっている。本特許明細書では、そのような発光装置およびランプを「遠隔蛍光体」装置と呼ぶ。
【０００５】
米国特許第７，０７０，３００Ｂ２号「Remote wavelength conversion in an illumination device」は、要素を励起するために使用される光源（ＬＥＤ）から波長変換要素、通常、蛍光体層が物理的に分離している、イルミネーション装置を開示している。要素によって発光された変換光が光源に入射することを防ぐために、波長変換要素は、光源と波長変換要素との間に置かれる色分解要素、ダイクロイック要素によって、ＬＥＤから光学的に分離される。
【０００６】
Ｌｉへの米国特許出願第２００８／０２１１８９９２Ａ１号に開示されているように、蛍光体材料は、光学コンポーネント上に層として提供される、またはＬＥＤダイから遠隔に位置する光学コンポーネント内に組み入れられることができる。遠隔蛍光体は、低温度環境に位置し、空隙または他の光学媒体によってＬＥＤダイから分離されることができ、結果として、より高い光学効率、色の安定性およびより長い耐用期間がもたらされる。
【０００７】
本発明者は、ＬＥＤダイからの光によって遠隔蛍光体の表面を均一に照らし、均一な発光強度および色を確保することが遠隔蛍光体装置における課題であると理解してきた。ＬＥＤは点光源と近似しているため、結果として、ＬＥＤの位置に対応するホットスポットをもたらすことがある。この問題を克服するために、発光された光の均一性を増加するディフューザを使用することが公知となっている。ディフューザの使用は、発光の均一性を改善することができるが、装置の全体的な放射輝度および発光効率を低減する。
【０００８】
導光路（導波路）は、高度に局在した（通例、点または線状）光源を均一な輝度の表面に変換するために、使用されてきた。例として、光は、平面状導光路の一つ以上の縁部に結合され、その後、全内部反射によって導光路の容積の至るところに導かれ、導光路の発光面から発光される。そのような配置は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、例えば、携帯電話ディスプレイのバックライトとしての白色ＬＥＤとともに使用されてきた。導光路を使用して、導光路の発光面を覆う遠隔蛍光体シート（層）の均一なイルミネーションを提供することも公知である。そのような装置では、導光路を動作させるために、導光路と蛍光体シートとの間に空隙（または他の低屈折率媒体）を有することが必須である。しかしながら、本発明者は、導光路と蛍光体層との間に空隙を有することが蛍光体材料による青色光の吸収効率を下げ、結果として、より低い全体的な光学効率がもたらされることを発見した。
【０００９】
本発明の目的は、公知の装置の限界を少なくとも部分的に克服する、導光路および遠隔蛍光体を備える固体ランプを提供することにある。
【００１０】
発明の概要
本発明の実施態様は、少なくとも一つの表面上に光抽出フィーチャのパターンを有する導光媒体（導光路）を含む固体ランプに関連する。一部の実施態様では、本発明は、通常、フィーチャのパターンとして導光路面上に直接印刷することによって堆積する少なくとも一つのフォトルミネッセンス（例えば、蛍光体）材料を含む光抽出フィーチャによって特徴付けられる。本特許明細書では、「直接」は、任意の介在層または空隙の存在なしで導光路面と接触することを意味する。導光路から光を抽出するためと、光を異なる波長に変換するための両方のメカニズムを蛍光体フィーチャが提供することにより、追加的な光抽出または散乱フィーチャに対する要求を排除する。蛍光体が導光路面上に直接堆積することにより、さもなければ光が導光路と空気との、および空気と蛍光体との界面を通って進んでしまうことに付随する光学損失を排除し、それにより、ランプの光学効率が増加する。
【００１１】
一部の実施態様によると、固体ランプは：少なくとも一つの発光面を有する導光路と；光を導光路に結合するように構成された少なくとも一つの固体光源と；基材からの発光を促進するために少なくとも一つの蛍光体材料のフィーチャのパターンとを含み、蛍光体材料のパターンが基材の少なくとも一つの面に直接堆積する。蛍光体フィーチャのパターンは、好ましくは、導光路の発光面、その反対側の面または両方の面に印刷することによって提供されることができる。蛍光体材料は、通常、粉末形態であり、光透過性バインダー材料、例えば、アクリル、シリコーン材料または透明インクと混合され、その後、スラリーが導光路面上に堆積する。蛍光体材料フィーチャの位置における光の抽出を最適化するために、光透過性バインダーは、導光路の屈折率と実質的に等しいまたは大きい屈折率を有するように選択される。
【００１２】
通常、すべての蛍光体材料フィーチャの全面積は、発光面の面積のおよそ２０％未満であり、より典型的には、発光面の面積のおよそ１０％未満である。
【００１３】
所望の発光特性を実現するために、蛍光体材料フィーチャのパターンは、計算される、または経験的に導き出すことができる導光路内の光強度分布に少なくとも部分的に応じて構成されることができる。例として、蛍光体材料フィーチャの間隔、サイズ、形状および／または単位面積当たりの数は、少なくとも一つの固体光源からの距離に応じて構成されることができる。実質的に均一な発光特性を要する場合、蛍光体材料フィーチャの間隔は、通常、光源からの距離が増加するにつれて狭くなるが、蛍光体フィーチャのサイズおよび／または数は、光源からの距離が増加するにつれて増加する。
【００１４】
蛍光体材料フィーチャは、直線；実質的に円形のフィーチャ；実質的に楕円形のフィーチャ；実質的に四角形のフィーチャ；実質的に矩形のフィーチャ；実質的に三角形のフィーチャ；実質的に六角形のフィーチャ；実質的に多角形形状のフィーチャ；またはそれらの組み合わせを含むことができる。蛍光体材料フィーチャのパターンは、規則的であるか、または確率パターンを含むことができる。一つの配置では、蛍光体材料のパターンは、実質的に同一サイズのドットの疑似ランダム配列を含む一次確率パターンとして構成される。あるいは、蛍光体材料のパターンは、多様なサイズのドットの疑似ランダム配列を含む二次確率パターンとして構成されることができる。もう一つの配置では、蛍光体材料のパターンは、多様なサイズのドットの規則的配列を含むハーフトーンパターンとして構成されることができる。
【００１５】
単一の面から光を発光するランプを要する用途では、ランプは、好ましくは、導光路の反対側の面全体に実質的に重ね合わされる光反射面をさらに含む。反対側の面上に蛍光体材料フィーチャのパターンを有するランプでは、光反射面は、蛍光体材料のパターンを重ね合わすように構成される。
【００１６】
あるいは、ランプは、動作中、導光路の両側の面から光が発光されるように構成されることができる。そのようなランプでは、蛍光体材料フィーチャのパターンは、導光路の一つの面または両方の面に提供されることができる。
【００１７】
導光路は、実質的に平面状の形態であり、四角形、矩形または円形の形状であることができる。あるいは、用途に応じて、他の形状、例えば、三角形、六角形、多角形、円形または卵形の形態を含むことができる。導光路は、非平面状幾何学形状、例えば、円筒状または棒状の形態であるライトをさらに含むことができる。導光路は、可視光に対して透過性の任意の材料を含むことができ、好ましくは、ポリマー、例えば、ポリカーボネートもしくはアクリルまたはガラスを含む。
【００１８】
本発明の実施態様は、光が媒体に結合され、全内部反射によって媒体の容積の至るところに導かれる、少なくとも一つの発光面を有する導光媒体（導光路または導波路）を含む固体ランプに関連する。導光路は、光が導光路から抽出され、最終発光生成物として発光される少なくとも一つの表面および／または面上に光抽出フィーチャのパターンを包含する。
【００１９】
一部の実施態様では、通常、ＬＥＤを含む固体発光体は、それらの発光軸が導光路の平面と実質的に垂直である配列として構成される。光は、導光路の裏面（すなわち、前面の発光面と反対側の面）に結合することができる。導光路は、ＬＥＤが導光路の縁部の周囲において円周方向に間隔をあけて位置する、平面状構成（例えば、円形または楕円形ディスク形状、矩形平面形状、四角平面形状、三角形または他の多角形形状を有する）を含むことができる。発光の均一性を増加するために、光抽出フィーチャのパターンは、フィーチャパターン間の間隔が導光路の中心に向かって狭くなる、フィーチャの同心パターンを含むことができる。加えて、フィーチャのサイズは、導光路の中心に向かって追加的に増加することができる。フィーチャは、直線；実質的に円形のフィーチャ；実質的に楕円形のフィーチャ；実質的に四角形のフィーチャ；実質的に矩形のフィーチャ；実質的に三角形のフィーチャ；実質的に六角形のフィーチャ、実質的に多角形形状のフィーチャまたはそれらの組み合わせを含むことができる。一つの配置では、フィーチャは、円形ドットを含むことができる。光抽出フィーチャのパターンは、導光路の面全体にわたる発光強度のばらつきを最小限にするように構成されることができる。
【００２０】
複数個のＬＥＤは、ＭＣＰＣＢ（メタルコアプリント基板）上に配列として取り付けられることができる。一部の実施態様では、ＭＣＰＣＢは、通常、アルミニウムのメタルコアベースからなる層状構造、熱伝導性／電気絶縁性の絶縁層および所望の回路構成において電気コンポーネントと電気的に接続するための銅回路層を含み、ＭＣＰＣＢのメタルコアベースが熱伝導性化合物、例えば、例として、酸化ベリリウムまたは窒化アルミニウムを含有する一般的なヒートシンク化合物を含有する接着剤を用いて、ボディのベースと熱連通して取り付けられる。ボディは、平面状上部表面を有するヒートシンクおよび反対側の面上に複数個の放熱フィンを組み入れる、またはそれらとして働くように構築されることができる。
【００２１】
導光路の縁部は、ＬＥＤによって発光された光が導光路を通って内側に方向を変えるように構成されることができる。例として、導光路の縁部は、裏面から前面に湾曲する、または巻かれるように構成されることができ、光反射材料、例えば、クロム、アルミニウムまたは光反射紙もしくはプラスチック材料で覆うことができる。導光路の縁部は、光反射材料、例えば、クロム、アルミニウムまたは光反射紙もしくはプラスチック材料で覆われた勾配付き縁部として裏面から前面に内側に傾斜するように構成されることもできる。導光路の縁部が、面に結合された光を縁部によって導光路の容積内に確実に方向を変えるように他の幾何学形状で構成されることができることが理解される。光反射縁部は、さもなければ導光路を通って直接透過してしまう光が導光路の前面から発光されることを防ぐように構成されることができる。
【００２２】
導光路の外周の周囲にＬＥＤを位置させることは、幾多の効果、例えば、熱管理効果を提供し、光学機器、ヒートシンクおよび電子機器のコンポーネント数を最小限にすることができ、それにより、製造コストを最小限にすることができる。
【００２３】
一部の実施態様は、白色ＬＥＤが光透過性液体バインダー、通常、シリコーンまたはエポキシと混合される粉末蛍光体材料を使用して形成され、ＬＥＤダイが蛍光体材料で封止されるように、混合物がＬＥＤダイの発光面に直接塗布され、白色ＬＥＤを採用した非遠隔蛍光体ランプを使用する配置を提供する。蛍光体材料がＬＥＤと遠隔でないため、この手法は、導光路上に蛍光体材料を堆積して白色光を生成することを要求しない。しかしながら、光抽出フィーチャは、導光路の少なくとも一つの面上になおも提供され、白色ＬＥＤによって生成された白色光を導光路から発光させる。これらの光抽出フィーチャは、導光路それ自体と比較して光抽出フィーチャの屈折特性に差異を生じさせるように構成される。これにより、ＬＥＤから発光される白色光は、適切な発光角度で光抽出フィーチャに向けられた場合、導光路を抜ける。
【００２４】
光抽出フィーチャは、例えば、いくつかの構造を、光がそこから抽出されることができる導光路に成形することにより、導光路材料上に一体に形成されることができる。そのようなフィーチャは、導光路面の表面まで延伸する、または導光路面から突き出ることができ、そのようなフィーチャの例は、半球状もしくはピラミッド状のへこみまたは突起、溝または隆起部を包含することができる。加えて、光抽出フィーチャは、導光路面を規定の位置で処理することにより形成されることができる。例として、導光路面から材料を除去する、導光路材料の特性を改質する、または導光路面に追加的な材料を堆積することにより、導光路面を処理することができる。
【００２５】
ＬＥＤランプのもう一つの実施態様は、二つの円形端部ユニット間に直線状に延伸する部分円筒形状として形成される下部ボディを有する円筒状構造として概して構成される。ボディは、中空または中空でない構造であることができ、任意の好適なシート材料、例えば、シートメタル、鋳物または成形プラスチック材料から作ることができる。導光路も二つの円形端部ユニット間に直線状に延伸する部分円筒形状として形成されることができる。ＬＥＤは、端部ユニットに取り付けられ、各ＬＥＤは、その発光軸が導光路の平面に平行であるように構成される。導光路上の蛍光体パターンは、平行パターン間の間隔が導光路の中心に向かって狭くなる、ドットの平行パターンを含むことができる。加えて、ドットのサイズは、導光路の中心に向かって追加的に増加させることができる。通常、蛍光体パターンは、導光路の面全体にわたる発光強度のばらつきが最小限になるように構成される。
【００２６】
本発明の態様、目的および効果のさらなる詳細を、発明の詳細な説明、図面および特許請求の範囲において以下に記載する。前述の概要および以下の発明の詳細な説明の両方は、例示的かつ説明的であり、本発明の範囲を限定することを意図しない。
【００２７】
本発明をよりよく理解するために、添付図面を参照して、例としてのみ、以降に本発明の実施態様に従った固体ランプを記載するが、同じ部品を示すために同じ符番が使用される。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施態様に従ったＬＥＤランプを組み入れるＬＥＤパネルランプの平面図および断面図である。
【図２】図１のＬＥＤランプの部分的な分解斜視図である。
【図３】図２のＬＥＤランプの平面図および断面図である。
【図４】本発明の実施態様に従ったＬＥＤランプの動作原理を図示する概略図である。
【図５】本発明の実施態様に従ったＬＥＤランプの動作原理を図示する概略図である。
【図６】本発明の実施態様に従ったＬＥＤランプの概略断面図である。
【図７】本発明の実施態様に従ったＬＥＤランプの概略断面図である。
【図８】本発明の実施態様に従ったＬＥＤランプの概略断面図である。
【図９】本発明の実施態様に従ったＬＥＤランプの部分的な分解斜視図である。
【図１０】本発明の実施態様に従ったＬＥＤランプの部分的な分解斜視図である。
【図１１】図１０のＬＥＤランプの直線Ａ−Ａを通る概略断面図である。
【図１２】図１０のＬＥＤランプのランプ動作を図示する概略断面図である。
【図１３】本発明のもう一つの実施態様に従ったＬＥＤランプの部分的な分解斜視図である。
【図１４】図１３のＬＥＤランプの直線Ａ−Ａを通る概略断面図である。
【図１５】図１３のＬＥＤランプのランプ動作を図示する概略断面図である。
【図１６】本発明の実施態様に従ったＬＥＤランプの平面図および断面図である。
【図１７】図１６のＬＥＤランプのランプ動作を図示する概略断面図である。
【図１８ａ】本発明の一部の実施態様によるＬＥＤランプの種々の実施態様の動作を示す断面図である。
【図１８ｂ】本発明の一部の実施態様によるＬＥＤランプの種々の実施態様の動作を示す断面図である。
【図１８ｃ】本発明の一部の実施態様によるＬＥＤランプの種々の実施態様の動作を示す断面図である。
【図１８ｄ】本発明の一部の実施態様によるＬＥＤランプの種々の実施態様の動作を示す断面図である。
【図１９】本発明の実施態様に従ったＬＥＤランプの斜視図および断面図を示す図である。
【図２０ａ】ＡＭ（振幅調節）ハーフトーンスクリーニング系蛍光体パターンである。
【図２０ｂ】一次確率またはＦＭ（頻度調節）スクリーニング系蛍光体パターンである。
【００２９】
発明の詳細な説明
本発明の実施態様は、光が媒体に結合され、内部反射によって媒体の容積の至るところに導かれる、少なくとも一つの発光面を有する導光媒体（導光路または導波路）を含む固体ランプに関連する。導光路は、光が導光路から抽出され、最終発光生成物として発光される少なくとも一つの表面および／または面上に光抽出フィーチャのパターンを包含する。
【００３０】
光抽出フィーチャは、例えば、いくつかの構造を、光がそこから抽出されることができる導光路に成形することにより、導光路材料上に一体に形成されることができる。加えて、光抽出フィーチャは、導光路面を規定の位置で処理することにより形成されることができる。例として、導光路面から材料を除去する、導光路材料の特性を改質する、または導光路面に追加的な材料を堆積することにより、導光路面を処理することができる。
【００３１】
一部の実施態様は、光源が青色光を出すＬＥＤを含み、導光路が光抽出フィーチャとしてフォトルミネッセンス材料のパターンを包含するように構成される、ＬＥＤランプに関連する。フォトルミネッセンス材料は、導光路に一体に形成されることができ、より好ましくは、導光路面上に堆積する。一部の実施態様では、フォトルミネッセンス材料は、蛍光体を含む。実例のみの目的のために、蛍光体材料として具体的に具現化されるフォトルミネッセンス材料を参照して以下の説明をする。しかしながら、本発明は、任意の種類のフォトルミネッセンス材料、例えば、蛍光体材料または量子ドットのどちらにも応用可能である。量子ドットは、その励起子が三次元すべてにおいて拘束され、放射エネルギーによって励起されて特定の波長または波長範囲の光を発光することができる物質（例えば、半導体）の一部である。そのため、本発明は、そのように主張されない限り、蛍光体系波長変換コンポーネントに限定されない。
【００３２】
蛍光体は、通常、フィーチャのパターンとして導光路の少なくとも一つの面上に直接印刷することにより堆積する。本特許明細書では、「直接」は、任意の介在層または空隙の存在なしで接触することを意味する。そのような構成では、光は、蛍光体材料フィーチャの位置において導光路から優先的に発光され、それにより、追加的な光抽出または散乱フィーチャに対する要求を排除する。本発明の実施態様では、蛍光体材料は、フォトルミネッセンス変換プロセスを通じて、導光路から光を抽出するためと、光を異なる波長に変換するための両方のメカニズムとしての機能を果たす。動作中、蛍光体材料フィーチャによって導光路から抽出された励起光は、蛍光体材料によって直接吸収され、異なる色の光に変換される。蛍光体材料が導光路面上に直接堆積する、換言すれば、蛍光体材料と導光路との間に空隙がないことにより、導光路と空気との、および空気と蛍光体との界面を通って進む光に付随する光学損失を排除し、それにより、ランプの光学効率が増加する。
【００３３】
蛍光体材料フィーチャによる光抽出は、確実に導光路からの光を蛍光体材料フィーチャに良好に結合することにより、最適化することができる。これは、蛍光体材料と、導光路の屈折率と厳密に一致する、またはそれよりも大きい屈折率を（硬化状態で）有する光透過性バインダーとを組み合わせることにより実現することができる。
【００３４】
光が蛍光体材料フィーチャの位置において優先的に発光されるため、パターンは、導光路の発光面にわたる発光強度のばらつきを最小限にするように構成されることができ；換言すれば、蛍光体フィーチャのパターンは、導光路の表面全体からの実質的に均一な発光強度および／または色を促進するように構成されることができる。本特許明細書では、「実質的に均一」は、強度のばらつきが、通常、２５％未満であり、好ましくは１０％以下であることを意味する。逆に、蛍光体材料のパターンが選択された不均一な発光プロフィールを作り出す構成も構想される。
【００３５】
導光路は、平面状であることができ、通常、四角形、矩形、円形または楕円形の形態であり、導光路の少なくとも一つの縁部に光を結合する。あるいは、導光路の外周の周囲における、発光面と反対側の導光路面に光を結合することができる。発光面から光が直接発光されることを防ぐために、導光路の縁部は、勾配付けられ、光反射面を包含することができる。そのような配置では、導光路の勾配付き縁部は、励起光を導光路内に反射して励起光が発光面から直接発光されることを防ぐ。他の実施態様では、導光路は、他の幾何学形状、例えば、円筒状、または光が棒の一つもしくは両方の端部に結合する棒状の形態を有することができる。そのような配置では、発光面は、導光路の湾曲した表面の部分または全体を含むことができる。
【００３６】
オフィスおよび商業施設によく見られる照明器具は、蛍光灯照明パネルである。一般的に、そのような照明パネルは、一つ以上の蛍光灯管および前面散光パネルを収容する筐体を含むライトボックスを含む。通常、散光パネルは、均一な発光を促進する規則的な表面パターン形成を持つ半透明プラスチック材料または透明プラスチック材料である。あるいは、ルーバー付き前面カバーを使用して、発光された光を拡散することができる。そのような照明パネルは、多くの場合、吊り（ドロップ）天井に使用することが意図されており、支持部材（Ｔバー）の格子がケーブルによって天井から吊るされ、天井タイルが支持部材の格子によって支持される。天井タイルは、四角形または矩形の形状であることができ、照明パネルモジュールは、そのような開口部内で天井タイルに代わる散光パネルと嵌合するように構成される。
【００３７】
図１に、本発明の実施態様に従ったＬＥＤ系照明パネル１０の平面図および断面図を示す。照明パネル１０は、蛍光灯照明パネルのエネルギー効率の良い代替品として意図され、四角形タイルの形態のボディ１２およびＬＥＤランプ１４を含む。ボディは、中空または中空でない構造であることができ、シート材料、例えば、シートメタル、鋳物または成形プラスチック材料から作ることができる。本質的に、ボディ１２は、装飾的であり、特定の用途に応じて構成されることができる。例として、ボディ１２は、照明パネル１０を吊り天井の四角形開口内に取り付けることが可能なように構成されることができる。そのような用途では、ボディは、通常、１２インチの四角形タイルとして構成される。
【００３８】
ランプの部分的な分解斜視図である図２およびランプの平面図および断面図を示す図３を参照して、ＬＥＤランプ１４を以降に記載する。ランプ１４は、熱伝導体１６、平面状光透過性導光路１８および複数個（この例では１２個）の青色発光ＬＥＤ２０（青色ＬＥＤ）を含む。
【００３９】
ボディ１６は、示されるように、平面状上部表面を有する四角形ヒートシンクおよび反対側の面（下面として示される）上に複数個の放熱フィン２２を含むことができる。ボディ１６は、好ましくは、アルミニウム、アルミニウム合金または高熱伝導性（通常、ｋ≧１５０Wm-1K-1、好ましくは、ｋ≧２００Wm-1K-1）の任意の材料、例えば、例として、銅、マグネシウム合金、金属装荷(metal-loaded)プラスチック材料または熱伝導セラミック、例えば、炭化ケイ素アルミニウム（ＡｌＳｉＣ）から作られる。ランプ１４は、示されるように、ボディ１６の平面状面と熱連通して取り付けられる四つの留め部材を含むことができる、熱伝導フレーム２４をさらに含む。フレームは、ボディと連結して導光路１８およびＬＥＤ２０を収容するように構成される。
【００４０】
導光路１８は、可視光（３８０nm〜４７０nm）に対して透過性（透明）の任意の材料から構築されることができ、通常、シートプラスチック材料、例えば、ポリカーボネート、アクリルまたはガラスを含む。図示する例では、導光路１８は、５mmの厚さである７５mm四角形ポリカーボネート板を含む。
【００４１】
青色ＬＥＤ２０は、波長範囲４００nm〜４８０nm（通常、４５０nm〜４７０nm）にピーク波長λ１を有する青色光を生成するように動作可能であるＧａＮ系（窒化ガリウム系）ＬＥＤを含むことができる。ＬＥＤ２０は、ＭＣＰＣＢ（メタルコアプリント基板）２６のそれぞれの板に直線状配列として三つ１群で取り付けられる。各ＭＣＰＣＢ２６は、導光路のそれぞれの縁部に沿って延びるように構成され、ＬＥＤ２０によって生成された励起光が導光路１８のそれぞれの縁部に結合される。ＬＥＤは、それらの発光軸２８が導光路の平面に平行であるように構成される（図４）。示されるように、ＬＥＤは、通常、導光路１８の各縁部に沿って均等に間隔をあけて位置する。各ＬＥＤに対応する導光路１８の縁部は、光を導光路に結合することを補助するための概して半球状（皿状）のへこみ３０（図２）を包含することができる。青色光が抜けることを防ぐために、導光路の縁部は、光反射（鏡面）コーティング３２（図２）、例えば、例として、金属箔を包含することができる。下面から発光された光が反射して導光路に戻り導光路の上部発光面から発光されることを確実にするために、導光路の下面、換言すれば、発光面と反対側の面を高反射率の白色シート３４（図２の実線で示す）で覆う。各ＭＣＰＣＢ２６の裏面は、ヒートシンク化合物を用いて、熱接触するようにフレーム２４に取り付けられる。
【００４２】
ランプ１４は、選択されたパターンの形態の導光路の発光面（上面）上に直接堆積する少なくとも一つの蛍光体材料３６をさらに含む。図３に最もよく示されるように、蛍光体材料のパターンは、ドットの密度（単位面積当たりのドット数）が導光路縁部から中心へと増加する一連の入れ子式の四角形として構成される、直径０．５mmの円形フィーチャ（ドット）を含む。蛍光体材料ドット３６のパターンは、発光面の表面全体に実質的にわたる発光強度のばらつきを最小限にするように構成され、換言すれば、蛍光体フィーチャのパターンは、導光路の表面全体にわたる光の実質的に均一な抽出を促進する。通常、蛍光体材料によって覆われる導光路面の面積の割合は、５０％未満である。より好ましくは、面積のパーセンテージは、２０％または１０％未満である。図３に図示する実施態様では、印刷された蛍光体材料の全面積は、導光路面の面積のおよそ７％である。本発明のＬＥＤランプ１４に特有の恩典は、蛍光体材料がルミネッセンス表面全体を覆う公知の遠隔蛍光体装置と比較して有意にコストを節約することである。これらの図に示す蛍光体フィーチャのサイズ、数、形状および／または構成が単に本発明の実施態様を説明するための実例に用いるために提供され、必ずしも、実際の縮尺またはフィーチャの厳密なサイズ、数、形状または構成についての正確性に基づいて作成されたものではないことに留意されたい。
【００４３】
粉末形態である蛍光体材料３６は、液体バインダー材料と公知の割合で徹底的に混合されて懸濁液を形成し、結果として生じる蛍光体組成物、「蛍光体インク」を、例えば、スクリーン印刷、インクジェット、凸版、グラビアまたはフレキソ印刷により導光路１８の面上に堆積する。液体バインダー材料は、紫外線または熱硬化性液体ポリマー、例えば、紫外線硬化性アクリル接着剤またはシリコーンを含むことができる。蛍光体フィーチャの位置における効率の良い光の抽出を確実にするために、バインダー材料は、導光路１８の屈折率と厳密に一致する、またはそれよりも大きい屈折率を硬化状態で有するものが選択される。
【００４４】
蛍光体材料は、無機または有機蛍光体、例えば、例として、一般組成物Ａ３Ｓｉ（Ｏ，Ｄ）５またはＡ２Ｓｉ（Ｏ，Ｄ）４のケイ酸塩系蛍光体を含むことができ、Ｓｉがケイ素であり、Ｏが酸素であり、Ａがストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）、マグネシウム（Ｍｇ）またはカルシウム（Ｃａ）を含み、Ｄが塩素（Ｃｌ）、フッ素（Ｆ）、窒素（Ｎ）または硫黄（Ｓ）を含む。ケイ酸塩系蛍光体の例は、米国特許第７，５７５，６９７Ｂ２号「Silicate-based green phosphors」（Intematix Corp.に譲渡）、米国特許第７，６０１，２７６Ｂ２号「Two phase silicate-based yellow phosphors」（Intematix Corp.に譲渡）、米国特許第７，６５５，１５６Ｂ２号「Silicate-based orange phosphors」（Intematix Corp.に譲渡）および米国特許第７，３１１，８５８Ｂ２号「Silicate-based yellow-green phosphors」（Intematix Corp.に譲渡）に開示されている。蛍光体は、例えば、同時係属中の米国特許出願第２００６／０１５８０９０Ａ１号「Novel aluminate-based green phosphors」および米国特許出願第７，３９０，４３７Ｂ２号「Aluminate-based blue phosphors」（Intematix Corp.に譲渡）に教示されているようなアルミネート系材料、同時係属中の米国特許出願第２００８／０１１１４７２Ａ１号「Aluminum-silicate orange-red phosphor」に教示されているようなケイ酸アルミニウム蛍光体または、例えば、同時係属中の米国特許出願第２００９／０２８３７２１Ａ１号「Nitride-based red phosphors」および米国特許出願第２０１０／０７４９６３Ａ１号「Nitride-based red-emitting in RGB (red-green-blue) lighting systems」に教示されているような窒化物系赤色蛍光体材料を含むこともできる。蛍光体材料は、記載する例に限定されず、窒化物および／または硫酸塩蛍光体材料、オキシ窒化物およびオキシ硫酸塩蛍光体またはガーネット材料（ＹＡＧ）を包含する任意の蛍光体材料を含むことができることが理解される。
【００４５】
図４は、ＬＥＤランプ１４の動作原理を図示する概略図である。動作中、第一の波長範囲λ１（この例では青色）である、ＬＥＤ２０によって生成された光３８は、導光路１８の縁部に結合され、全内部反射によって導光路１８の容積全体に導かれる。簡潔にするために、ＬＥＤによって生成された光３８、換言すれば、変換されていない光を「ＬＥＤ光」と呼ぶ。蛍光体材料３６と導光路面との間に空隙がなく、印刷された蛍光体材料フィーチャが導光路と比較して同様またはそれ以上の屈折率を有するため、蛍光体フィーチャ３６に対応する位置で導光路面に衝突するＬＥＤ光３８は、通常、導光路から抽出されてフィーチャに入る。導光路から抽出されたＬＥＤ光３６のうち、ある割合は、蛍光体材料３６によって吸収され、フォトルミネッセンスのプロセスによって、第二のより長い波長範囲λ２の光４０に変換される。そのような蛍光体が生成した光を「蛍光体光」と呼ぶ。最終発光生成物を含む、ランプの発光面から出力された光４０は、ＬＥＤ光３６と蛍光体光３８とを組み合わせたものである。一般的な照明用途では、発光生成物４２は、通常、白色光であり、蛍光体材料３６は、緑色光（５１０nm〜５５０nm）、黄緑色光（５５０nm〜５７０nm）、黄色光（５７０nm〜５９０nm）、橙色光（５９０nm〜６３０nm）もしくは赤色光（６３０nm〜７４０nm）を発光する青色光励起可能蛍光体または蛍光体材料の組み合わせを含むことができる。蛍光体材料フィーチャの厚さおよび単位面積当たりの蛍光体材料の密度（重量負荷）は、青色光のうち、少ない割合のみ（通常、１０％未満）が蛍光体を通過して発光生成物に寄与するように選択される。発光生成物４２の、ケルビンで測定される相関色温度（ＣＣＴ）は、印刷される蛍光体フィーチャの単位面積当たりの分量（密度）、厚さおよび／または組成物により選択することができる。他の配置では、ランプは、蛍光体材料および厚さを適切に選択することにより、着色光を作り出すように構成されることができる。
【００４６】
平均して１００００回に１回程度に少ない、光子と蛍光体材料粒子との相互作用が、結果としてフォトルミネッセンス光の吸収および生成をもたらすと考えられる。光子と蛍光体粒子との相互作用の大部分、およそ９９．９％は、結果として光子の散乱をもたらす。散乱プロセスの等方性に起因して、散乱した光子のうち平均して半分が導光路に向かう方向に戻り、導光路に再び入ることができる。加えて、フォトルミネッセンス光生成の等方性に起因して、蛍光体光４０の約半分が導光路に向かう方向に発光され、導光路に入ることができる。記載するように、導光路に再び入る、ＬＥＤ光および蛍光体光の両方は、導光路の内面または光反射面３４から１回以上反射した後、最終的に発光面から発光される。
【００４７】
四つの蛍光体フィーチャ３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄを図４に示し、これらによってＬＥＤ光および蛍光体光３８、４０が導光路１８の発光面から発光される異なるメカニズムを図示する。図示はしないが、内部反射の臨界角以下の角度で導光路の内面に衝突するＬＥＤ光および蛍光体光３８、４０も、蛍光体フィーチャ間の導光路面を通って発光される。蛍光体フィーチャ３６ａは、導光路に再び入ることなくフィーチャから直接発光される蛍光体生成光４０を図示する。蛍光体フィーチャ３６ｂは、どのようにして、蛍光体材料の粒子によって吸収されずに散乱したＬＥＤ光３８が蛍光体材料によって複数回散乱した後、蛍光体フィーチャから発光されることができるかを図示する。蛍光体フィーチャ３６ｃは、どのようにして、導光路に向かう方向に生成された蛍光体光４０が導光路に再び入り、その後、ｉ）蛍光体フィーチャ（３６ｂと３６ｃとの）間の導光路から、およびｉｉ）もう一つの蛍光体フィーチャ３６ｄによって、発光されるかを示す。
【００４８】
本発明のランプ１４には、遠隔蛍光体、例えば、導光路を持つものおよび分離した遠隔蛍光体または光反射チャンバおよび蛍光体材料を含有する窓を使用した公知のランプと比較して、いくつかの効果がある。本発明に従ったランプでは、導光路と蛍光体材料との間に空隙がないことにより、導光路と空気との、および空気と蛍光体との界面を通過する光に付随する光学損失を排除する。先行技術の遠隔蛍光体ランプのもう一つの問題は、青色光が蛍光体材料によって吸収されてもう一つの色の光に変換されるとき、蛍光体光のおよそ５０％が導光路または光学チャンバに戻るように発光されることである。通常、そのような光は、光反射チャンバによって反射して蛍光体層に向かって戻り、その後、二度目の蛍光体層通過をする必要があり、結果としてさらなる光学損失がもたらされる。また、蛍光体生成光の一部は、ＬＥＤによって吸収され、結果として追加的な光学損失がもたらされることがある。対照的に、本発明のランプでは、導光路に向かって戻るように発光される蛍光体生成光は、導光路の底面上の光反射層３４によって反射してＬＥＤによって吸収されることなく導光路の発光面から発光される。加えて、発光面の面積と比較して蛍光体パターンの全面積が非常に小さい（通常、１０％未満）ため、反射層３４によって反射した光のほとんどは、さらなる時間を費やして蛍光体フィーチャを通過する必要なく、導光路の発光面を通過し、それにより、蛍光体内の光学損失を有意に低減する。前述の結果として、本発明に従ったランプの光学効率は、公知のランプよりも高いと考えられる。
【００４９】
美的考慮のため、および「オフ状態」におけるランプ１４の外観を改善するために、任意で、半透明または不透明白色インク（非蛍光体）４４を各蛍光体フィーチャに刷り重ねることができる（図４）。あるいは、光拡散材料、例えば、光透過性バインダーと光拡散材料、例えば、二酸化チタン（ＴｉＯ２）の粒子との混合物を蛍光体フィーチャに刷り重ねることができる。光拡散材料は、他の材料、例えば、硫酸バリウム（ＢａＳＯ４）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）または酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を含むこともできる。このようにして、オフ状態において、蛍光体材料のパターンの色は、通常、黄緑色、黄色または橙色の色である蛍光体材料の色ではなく、白色の色に見える。光拡散層を導光路の発光面全体に刷り重ねることがさらに構想される。
【００５０】
図５は、本発明のもう一つの実施態様に従ったランプ１４の動作原理を図示する概略図である。この実施態様では、蛍光体材料３６のパターンが発光面と反対側の導光路１６の面（すなわち、非発光面）に直接提供され、蛍光体パターン一面に光反射面３４を塗り重ねる。図５のランプ動作は、図４のそれと非常に類似しており、詳細には記載しない。三つの蛍光体フィーチャ３６ａ、３６ｂ、３６ｃを図５に示し、これらによってＬＥＤ光および蛍光体光が導光路１８の発光面から発光される異なるメカニズムの例を図示する。図示はしないが、内部反射の臨界角以下の角度で導光路の内面に衝突する、ＬＥＤ光および蛍光体光３８、４０の両方も、蛍光体フィーチャを含有しない導光路面を通って発光される。蛍光体フィーチャ３６ａは、どのようにして、導光路に向かう方向に生成された蛍光体光４０が導光路を通って進み発光面を通って発光されるかを図示する。蛍光体フィーチャ３６ａは、どのようにして、導光路から離れる方向に生成された蛍光体光４０が光反射面によって反射して導光路に向かって戻り導光路の中を通るかも示す。蛍光体フィーチャ３６ｂは、どのようにして、光反射面３４によって反射して導光路１８に向かって戻り導光路の中を通る前に、蛍光体フィーチャによって抽出されたＬＥＤ光３８が蛍光体材料の粒子によって散乱するかを示す。蛍光体フィーチャ３６ｂは、どのようにして、蛍光体材料の粒子によって散乱したＬＥＤ光３８が導光路に向かって戻りその中を通るかも示す。蛍光体フィーチャ３６ｃは、導光路から発光される前に、蛍光体フィーチャの縁部から発光された蛍光体光４０が光反射面３４によって反射して導光路に向かって再び入るかを図示する。蛍光体フィーチャにかぶせて、オフ状態におけるランプの外観を改善するために、導光路の発光面は、図５の破線で示されるように、任意で光拡散層４４を包含することができる。
【００５１】
図６は、蛍光体フィーチャ３６のそれぞれのパターンが導光路１８の発光面および非発光面の両方に直接塗布される、本発明のもう一つの実施態様に従ったランプの概略断面図である。本質的に、ランプは、図４および５のランプの光学構成の組み合わせである。
【００５２】
図７は、両方の面から光を発光するように構成される、本発明のなおももう一つの実施態様に従ったランプの概略断面図である。示されている例では、蛍光体フィーチャ３６ａ、３６ｂのそれぞれのパターンは、導光路１８の両側の面に直接塗布される。各面上の蛍光体パターンを同一にして、ランプが各面から同様の発光特性を有するようにすることができる。あるいは、異なるパターンの蛍光体フィーチャを各面上に使用することにより、各面から異なる発光生成物（強度、色）４２ａ、４２ｂを実現することができる。蛍光体フィーチャ３６の構成、つまり、それらのサイズ、間隔および位置は、導光路から抽出される光の量を決定し、面にわたる発光強度プロフィールを概ね決定する。蛍光体フィーチャの組成物、厚さおよび密度負荷は、発光される光の色を概ね決定する。その面から発光される光の色および／または相関色温度（ＣＣＴ）を変化させるために異なる蛍光体材料３６ａ、３６ｂを使用することができるが、反対側の面上の蛍光体材料は、発光生成物にも寄与する。それゆえに、図７に示すように、色および／またはＣＣＴが異なる各面からの発光生成物４２ａ、４２ｂは、ＬＥＤ光（λ１）および蛍光体光（λ２、λ３）からなる。
【００５３】
図８に示すように、他の実施態様では、二つの発光面を有し、一つの面上のみに蛍光体材料のパターンを提供するように導光路１８を構成することがさらに構想される。
【００５４】
図９は、本発明のさらなる実施態様に従ったＬＥＤ系ランプ１４の部分的な分解斜視図である。この実施態様では、導光路１８は、ＬＥＤ２０が導光路の縁部の周囲において円周方向に間隔をあけて位置する、平面状円形ディスクを含む。各ＬＥＤ２０は、その発光軸２８が導光路１８の平面に平行であるように構成される。蛍光体３６のパターンは、円形間の間隔が導光路１８の中心に向かって狭くなる、ドットの同心円形パターンを含むことができる。加えて、示されるように、ドットのサイズは、導光路の中心に向かって追加的に増加することができる。通常、蛍光体パターン３６は、導光路の面全体にわたる発光強度のばらつきを最小限にするように構成される。
【００５５】
ランプ１４は、上部表面から下向きに延伸する壁部２３を含み、ＬＥＤ２０およびボディ１６の両方と熱連通して取り付けられる熱伝導円形フレーム２４をさらに含む。フレーム１６は、ボディ１６と連結してＬＥＤ２０を収容し、ランプ１４によって生成される熱を熱管理するヒートシンクとして機能するように構成される。
【００５６】
図１０は、ＬＥＤ２０が円形配列として構成される、本発明のさらなる実施態様に従った代替的なＬＥＤ系ランプ１４の部分的な分解斜視図である。この実施態様では、各ＬＥＤ２０は、その発光軸２８が導光路１８の平面に垂直であり、光が導光路１８の裏面（すなわち、前面の発光面と反対側の面）に結合されるように構成される。導光路１８は、ＬＥＤ２０が導光路の縁部の周囲において円周方向に間隔をあけて位置する平面状円形ディスクを含み、蛍光体３６のパターンは、円形間の間隔が導光路１８の中心に向かって狭くなる、ドットの同心円形パターンを含むことができる。加えて、ドットのサイズは、導光路の中心に向かって追加的に増加することができる。蛍光体パターン３６は、導光路の面全体にわたる発光強度のばらつきを最小限にするように構成されることができる。
【００５７】
複数個のＬＥＤ２０は、環状形状のＭＣＰＣＢ（メタルコアプリント基板）２６上に環状配列として取り付けられる。公知のように、ＭＣＰＣＢは、通常、アルミニウムのメタルコアベースからなる層状構造、熱伝導性／電気絶縁性の絶縁層および所望の回路構成において電気コンポーネントと電気的に接続するための銅回路層を含む。ＭＣＰＣＢ２６のメタルコアベースは、熱伝導性化合物、例えば、例として、酸化ベリリウムまたは窒化アルミニウムを含有する一般的なヒートシンク化合物を含有する接着剤を用いて、ボディ１６のベースと熱連通して取り付けられる。基板２６は、ボディ１６のベースと実質的に同一に寸法取りされ、円形開口部に対応する中央孔を包含することができる。
【００５８】
ボディ１６は、平面状上部表面を有するヒートシンクおよび反対側の面上に複数個の放熱フィンを組み入れる、またはそれらとして働くように構築されることができる（図示せず）。ボディ１６は、好ましくは、アルミニウム、アルミニウム合金または高熱伝導性（通常、ｋ≧１５０Wm-1K-1、好ましくは、ｋ≧２００Wm-1K-1）の任意の材料、例えば、例として、銅、マグネシウム合金、金属装荷プラスチック材料または熱伝導セラミック、例えば、炭化ケイ素アルミニウム（ＡｌＳｉＣ）から作られる。
【００５９】
単一の基材（ＭＣＰＣＢ）２６上へのＬＥＤ２０の取り付けに関連する種々の実施態様の態様は、幾多の性能および製造効果を提供する。例として、ＬＥＤ２０および導光路１８（ならびに蛍光体パターン３６内の付随する蛍光体材料）から離れるように熱を伝導させる、より有効な熱移動効率を可能にする方式でＬＥＤ２０が取り付けられるため、この手法は、熱管理効果を提供する。加えて、単一のコンポーネント、例えば、ＭＣＰＣＢ２６上に提供されたＬＥＤを有することによる効果があることに留意されたい。なぜならば、この種の設計は、光学機器、ヒートシンクおよび電子機器のコンポーネント数を最小限にし、それにより、コストを最小限にする。したがって、熱挙動に加えて光学効率の増加が組み合わされ、ＬＥＤコンポーネント数、ヒートシンク面積および電源のサイズの低減が可能になる。このすべてにより、結果として、低コストかつより高効率のランプがもたらされる。
【００６０】
この実施態様におけるＬＥＤ２０の発光軸２８が導光路１８の平面に垂直であるため、追加的な措置を取って、ＬＥＤ２０によって生成された光を導光路１８上の蛍光体パターン３６に向けることができる。一部の実施態様では、導光路１８の縁部は、ＬＥＤによって発光された光が導光路を通って内側に方向を変えるように構成される。例として、導光路の縁部は、裏面から前面に湾曲する、または巻かれるように構成されることができ、光反射材料４６、例えば、クロムまたはアルミニウムで覆うことができる。図１１および１２は、本発明のこの実施態様に従ったランプ１４の動作原理を図示する概略図である。この実施態様では、ＬＥＤ２０の発光軸２８は、導光路１８の平面に垂直で、導光路１８の湾曲した縁部の直接の直線上にあり、ＬＥＤ２０によって生成された青色光を湾曲した縁部の反射面に衝突させる。ＬＥＤ２０からの青色光３８の少なくとも一部は、導光路１８の平面とより平行な種々の角度で方向を変えられ、光が導光路１８の縁部から離れて進む。反射材料３４を活用して、導光路１８の平面に沿って光３８を効率的に導くことができる。方向を変えられた光３８は、したがって、導光路１８を通って蛍光体材料３６のパターンに提供され、青色光の少なくとも一部と組み合わされ、フォトルミネッセント光を生成して最終発光生成物４２を形成する。
【００６１】
図１３は、導光路１８の縁部が光反射材料４６、例えば、クロム、アルミニウムまたは光反射紙もしくはプラスチック材料で覆われた勾配付き縁部として裏面から前面に内側に傾斜する、ＬＥＤ系ランプ１４のもう一つの実施態様の部分的な分解斜視図である。この手法は、導光路１８の縁部が湾曲または巻き縁部を有するのではなく、まっすぐな縁部を備え、傾斜／勾配を付けられているという点で図１０〜１２の手法とは異なる。図１４および１５は、本発明のこの実施態様に従ったランプ１４の動作原理を図示する概略図である。この実施態様では、ＬＥＤ２０の発光軸２８は、導光路１８の平面に垂直で、導光路１８の傾斜した縁部の直接の直線上にあり、ＬＥＤ２０によって生成された青色光を傾斜した縁部の反射面４６に衝突させる。ＬＥＤ２０からの光３８は、導光路１８の平面とより平行な種々の角度で方向を変えられ、光が導光路１８の縁部から離れて進む。さもなければ導光路を通って直接透過してしまう光が導光路の前面から発光されることを光反射縁部がさらに防ぐことが理解される。反射材料３４を活用して、導光路１８の平面に沿って光３８を導くことができる。
【００６２】
同様の手法を取って、先に記載した他の実施態様のいずれかのためにＬＥＤの設置を構成することができる。例として、発光軸２８が導光路１８の平面に垂直であり、光が導光路１８の裏面（すなわち、前面の発光面と反対側の面）に結合する各ＬＥＤ２０を構成するようにＬＥＤ２０を設置することにより、図１６に図示するように、図３の矩形ランプを変形させることができる。ＬＥＤ２０は、ボディ１６と熱接触するように構成されたＭＣＰＣＢ２６上に取り付けられる。ボディ１６は、平面状上部表面を有するヒートシンクおよび反対側の面上に複数個の放熱フィン２２を組み入れる、またはそれらとして働くように構築されることができる。
【００６３】
図１６の実施態様では、導光路１８の縁部は、裏面から前面に内側に湾曲して、または巻かれており、光反射材料４６、例えば、クロム、アルミニウムまたは光反射紙もしくはプラスチック材料で覆われる。図１７の実施態様では、導光路１８の縁部は、裏面から前面に内側に傾斜／勾配を付けられており、光反射材料４６、例えば、クロムまたはアルミニウムで覆われる。どちらの実施態様でも、ＬＥＤ２０からの光３８は、導光路１８の平面に垂直の発光軸から、導光路１８の平面により平行の軸に方向を変えられる。
【００６４】
ＬＥＤを導光路の外周の周囲に位置させ、導光路面に発光するように構成することは、それ自体で新規性があるとみなされる。先に述べたように、この種の構成は、熱管理効果を提供し、光学機器、ヒートシンクおよび電子機器のコンポーネント数を最小限にすることもでき、それにより、製造コストを最小限にする。
【００６５】
先の実施態様は遠隔蛍光体ＬＥＤランプに関連して記載しているが、白色ＬＥＤを採用した非遠隔蛍光体ランプを使用して、そのような配置を採用することもできることが理解される。そのような白色ＬＥＤは、光透過性液体バインダー、通常、シリコーンまたはエポキシと混合した粉末蛍光体材料を使用して形成することができ、混合物がＬＥＤダイの発光面に直接塗布され、ＬＥＤダイが蛍光体材料で封止される。
【００６６】
蛍光体材料がＬＥＤと遠隔でないため、この手法は、導光路上に蛍光体材料を堆積して白色光を生成することを要求しない。しかしながら、光抽出フィーチャは、導光路の少なくとも一つの面上になおも提供され、白色ＬＥＤによって生成された白色光を導光路から発光させる。これらの光抽出フィーチャは、導光路それ自体と比較して光抽出フィーチャの屈折特性に差異を生じさせるように構成される。これにより、適切な発光角度で光抽出フィーチャに向けられた場合、ＬＥＤから発光される白色光は導光路を抜ける。
【００６７】
任意の好適な手法を取って、導光路上に光抽出フィーチャを提供することができる。図１８ａは、光抽出フィーチャ３６が刷り重ね物質、例えば、半透明または不透明白色インク（非蛍光体）または光拡散材料、例えば、光透過性バインダーと光拡散材料、例えば、二酸化チタン（ＴｉＯ２）の粒子との混合物を含む、一つの手法例を図示する。光拡散材料は、他の材料、例えば、硫酸バリウム（ＢａＳＯ４）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）または酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を含むこともできる。光抽出フィーチャ３６を形成する刷り重ね物質は、導光路１８と比較したそれぞれの屈折率に十分な差異を生じさせ、ＬＥＤ２０から発光され反射材料４６によって適切な角度で方向を変えられた光４８が導光路１８を抜けて発光生成物４２を形成することができる。
【００６８】
図１８ｂは、導光路の表面を改質して光抽出フィーチャ３６を形成する、もう一つの手法例を図示する。任意の好適な手法を取って、導光路１８の表面を改質することができる。例として、エッチング、研磨、粗加工、スコーリング、アブレーション（例えば、レーザアブレーション）またはスクライビングを使用して導光路の表面特性を変化させて、光抽出フィーチャ３６を形成することができる。導光路の表面は、ＬＥＤ２０から発光され反射材料４６によって光抽出フィーチャ３６に方向を変えられた光４８が導光路１８を抜けて発光生成物４２を形成することを許容するほど十分な改質を要求する。
【００６９】
図１８ｃおよび１８ｄは、光抽出フィーチャ３６が一体に形成された導光路を製造する、なおももう一つの手法を図示する。図１８ｃの手法は、光抽出フィーチャ３６を成形、さもなければ製造されたへこみ、またはくぼみとして導光路１８内に具現化する。光抽出フィーチャ３６を形成するくぼみは、任意の好適な形状として構成されることができる。例として、光抽出フィーチャ３６は、任意の好適なサイズおよび深さの経路、溝、凹領域または孔として形作られた導光路１８に成形することができる。図１８ｄの手法は、光抽出フィーチャ３６を導光路１８上に成形、さもなければ製造された表面上の盛り上がった部分として具現化する。光抽出フィーチャ３６を形成する盛り上がった部分は、任意の好適な形状として構成されることができる。例として、光抽出フィーチャ３６は、任意の好適な高さおよび長さの隆起部、ドーム、ピラミッド形状または直線状マウンドの形状として、導光路１８に成形されることができる。
【００７０】
図１９は、本発明のもう一つの実施態様に従ったＬＥＤランプ１４の平面図および断面図を示す。ＬＥＤランプ１４は、二つの円形端部ユニット４８間を直線状に延伸する部分円筒形状として形成された下部ボディ１６を有する、円筒状構造として概して構造化される。ボディ１６は、中空または中空でない構造であることができ、任意の好適なシート材料、例えば、シートメタル、鋳物または成形プラスチック材料から作ることができる。導光路１８も、二つの円形端部ユニット４８間を直線状に延伸する部分円筒形状として形成される。導光路１８は、可視光に対して透過性であり、通常、シートプラスチック材料、例えば、ポリカーボネート、アクリルまたはガラスを含む任意の材料から構築されることができる。
【００７１】
ＬＥＤ２０は、端部ユニット４８内に取り付けられる。各ＬＥＤ２０は、その発光軸２８が導光路１８の平面に平行であるように構成される。光反射（鏡面）コーティング３２、例えば、例として、金属箔が提供され、ＬＥＤからの青色光を導光路１８に反射する。青色光が抜けることを防ぐために、下部ボディ１６の内面も光反射コーティング３２を包含することができる。
【００７２】
導光路１８上の蛍光体３６のパターンは、平行パターン間の間隔が導光路１８の中心に向かって狭くなるドットの平行パターンを含むことができる。加えて、ドットのサイズは、導光路の中心に向かって追加的に増加することができる。通常、蛍光体パターン３６は、導光路の面全体にわたる発光強度のばらつきを最小限にするように構成される。
【００７３】
ＬＥＤ２０からの青色光３８は、導光路１８の平面に沿って種々の角度で発光され、光が導光路１８の端部から離れるように進む。反射材料３２を活用して、導光路１８の平面に沿って光３８を効率的に導くことができる。光３８は、導光路１８を通って蛍光体材料３６のパターンに提供され、残りの青色光と組み合わされ、フォトルミネッセント光を生成して最終発光生成物４２を形成する。
【００７４】
下部ボディ１６と導光路１８とを組み合わせて、概して円筒状のランプ１４を形成する。下部ボディ１６に対する導光路１８の具体的な割合は、ランプ１４の所望の光量および形状要件を得るために選択される。例として、より大きい発光角度の提供が意図されるランプ１４は、導光路１４から形成されるランプ１４の円筒形状が比較的大きい割合を有するように構成されることができる一方、より集中的な発光角度の提供が意図されるランプは、導光路１４から形成されるランプ１４の円筒形状が比較的小さい割合を有するように構成されることができる。
【００７５】
発光強度プロフィール
記載したように、ランプの発光強度プロフィールは、蛍光体フィーチャの位置、サイズおよび間隔に少なくとも部分的に応じるが、発光生成物の色および／または色温度は、蛍光体フィーチャの組成物、厚さおよび密度負荷に依存する。明細書が参照により本明細書に組み入れられる同時係属中の米国特許出願公開公報第２０１０／００２７２９３号には、面取りされた各コーナーに付随する少なくとも一つの光源を有する多角形形状の導光路と、導光路の面全体にわたる実質的に均一な発光光を促進するように構成された導光路の少なくとも一つの面上の光抽出フィーチャのパターンとを含む発光パネルが教示されている。同様に、実質的に均一な発光強度プロフィールを要する場合、蛍光体フィーチャ３６のパターンは、例えば、導光路の発光面の表面全体に実質的にわたる発光強度のばらつきを低減、好ましくは、最小限にするように構成されることができる。そのようなランプでは、蛍光体フィーチャのパターンは、計算または経験的に導き出すことができる導光路内の光強度分布に少なくとも部分的に応じて構成されることができる。導光路内の光分布が、通常、不均一であり、各ＬＥＤからの距離に応じて変わるため、光の実質的に均一な発光強度を実現するために必須であるフィーチャの位置、間隔、サイズ、形状および／または密度を、導光路にわたって変えることができる。例として、フィーチャの間隔（フィーチャの間隔がより近接するにつれ、その領域における単位面積当たりで抽出される光がより多くなる）は、ＬＥＤからの距離に応じ、通常、ＬＥＤからの距離が増加して強度が低下するにつれ、狭くなる。あるいは、および／またはそれに加えて、蛍光体フィーチャのサイズおよび／または形状は、ＬＥＤからの距離に応じることができる。加えて、蛍光体フィーチャのパターンは、単位面積当たりの蛍光体フィーチャの数がＬＥＤからの距離に応じて増加するように構成されることもできる。用途に応じて、他のパターンの蛍光体フィーチャが当業者によって導き出される。
【００７６】
段階的蛍光体パターン
段階的または徐々に変化するパターンとして蛍光体パターンを印刷することがさらに構想される。図２０ａおよび２０ｂは、それぞれ、ＡＭ（振幅調節）ハーフトーンスクリーニングおよび一次確率またはＦＭ（頻度調節）スクリーニング系の徐々に変化する印刷された蛍光体パターンを示す。図２０ａでは、蛍光体材料は、規則的に間隔をあけた多様なサイズのドットの配列として印刷される。ドットの頻度（間隔）が固定されたままである一方、ドットの振幅（サイズ）が調節される（変わる）ため、そのようなパターン形成をＡＭハーフトーンスクリーニングと呼ぶ。図２０ｂでは、蛍光体インクは、ドットの頻度（密度）が変わる同一サイズの蛍光体ドットの疑似ランダム配列を含む一次確率パターンとして印刷される。ハーフトーンパターン形成と比較して、一次確率パターンは、ドットサイズが固定されているため、より容易に印刷することができ、ドットサイズをスクリーンメッシュサイズに対応させることができるため、スクリーン印刷に好ましい。加えて、そのようなランダムパターン形成は位置合わせの課題からの影響が低いため、印刷パスを複数にすること、または二つ以上の蛍光体材料を含むパターンの印刷を要する場合、確率パターンが好ましいことがある。ドットの頻度および振幅の両方が調節される二次確率スクリーニングを使用して蛍光体インクを印刷することがさらに構想される。
【００７７】
本発明が記載した例示的な実施態様に限定されず、本発明の範囲内で変形態様を作製できることが理解される。例として、蛍光体パターンをドットまたはピクセルのパターンを含むものとして記載したが、他の実施態様では、例として、直線、三角形、四角形、長方形、六角形、長円または不規則な形状のフィーチャを包含する他の形状のフィーチャのパターンを含むことができる。導光路からの光抽出を決定するのがフィーチャの形状ではなく、面積および位置であることが理解される。
【００７８】
加えて、ＬＥＤ系ランプに対して本発明を記載したが、本発明は、固体レーザおよびレーザダイオードを包含する他の固体光源系装置にも適用される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８ａ】
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【図１８ｂ】
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【図１８ｃ】
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【図１８ｄ】
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【図１９】
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【図２０ａ】
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【図２０ｂ】
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【国際調査報告】
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