(57)【要約】  本発明は、照明システム10,12、照明システムにおいて使用するコリメータ30,32、及び照明システムを含むスポットライトにも関する。照明システムは、発光ダイオード20、コリメータ及び発光層40を含む。発光ダイオードが当該照明システムから遠ざかる方向へ発光層及びコリメータを介して光を発する。コリメータが、発光ダイオードから光を受ける光入力窓34を有するとともに光のビームを発する光出力窓36を有する。光は、実質的に全内部反射によりコリメータを介して進行する。発光層は、発光ダイオードによって発される光の少なくとも一部を所定の色へ変換する発光材料を含む。発光層は、コリメータの光入力窓へ貼り付けられる。本発明に従う対策の効果は、コリメータの光入力窓における発光層の貼り付けが色均一性の改善を生じさせ、そして、リモートフォスファ構成を可能にする一方で、コリメートされたビームを維持することである。
2010529612.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光ダイオード、コリメータ及び発光層を含む照明システムであって、
前記発光ダイオードが当該照明システムから遠ざかる方向へ前記発光層及び前記コリメータを介して光を発し、
前記コリメータが、光のビームを生成するために前記発光ダイオードによって発される前記光をコリメートするように構成され、前記コリメータが、前記発光ダイオードから光を受ける光入力窓を有するとともに前記光のビームを発する光出力窓を有し、前記光は、実質的に全内部反射によりコリメータを介して進行し、
前記発光層は、前記発光ダイオードによって発される前記光の少なくとも一部を所定の色へ変換するように構成される発光材料を含み、前記発光層は、前記コリメータの前記光入力窓へ貼り付けられる、
照明システム。
【請求項２】
請求項１に記載の照明システムであって、前記コリメータが、当該照明システムへ交換可能に接続されている、照明システム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の照明システムであって、前記コリメータが、前記光入力窓を前記光出力窓と接続する縁部壁を含み、前記縁部壁の少なくとも一部が、前記コリメータの長手方向軸に沿った仮想交差表面と当該照明システムを交差させることによって生成される断面図で見られる場合に、実質的に放物線形状を有し、前記長手方向軸は、前記光のビームの方向へ延在する、照明システム。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか一項に記載の照明システムであって、前記発光層は、発光材料の混合物を含む、照明システム。
【請求項５】
請求項１乃至３の何れか一項に記載の照明システムであって、前記発光層は、発光材料の複数の層を含む、照明システム。
【請求項６】
請求項５に記載の照明システムであって、前記複数の層の個々の層における発光材料が異なる、照明システム。
【請求項７】
請求項１乃至６の何れか一項に記載の照明システムであって、前記発光ダイオードによって発される前記光の中央波長は、400nmと490nmとの間の範囲内にある、照明システム。
【請求項８】
請求項１乃至７の何れか一項に記載の照明システムにおいて使用するコリメータであって、当該コリメータが、光のビームを生成するために発光ダイオードによって発される光をコリメートするように構成され、当該コリメータが、前記発光ダイオードから光を受ける光入力窓を有するとともに前記光のビームを発する光出力窓を有し、前記光は、実質的に全内部反射により当該コリメータを介して進行し、
当該コリメータの前記光入力窓は、前記発光ダイオードによって発される前記光の少なくとも一部を所定の色へ変換するように構成される発光材料を含む発光層を有する、コリメータ。
【請求項９】
請求項１乃至７の何れか一項に記載の照明システムを含むスポットライト。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード、コリメータ及び発光層を含む照明システムに関する。
【０００２】
本発明は、照明システムにおいて使用するコリメータ、及び照明システムを含むスポットライトにも関する。
【背景技術】
【０００３】
このような照明システムはそれ自体知られている。これらの照明システムは、スポットライトにおいて、本質的に使用される。スポットライトは、制限された領域を照らすためのコリメートされた光のビームを生成するランプである。スポットライトは、例えば、オフィス照明に関して、店舗照明に関して、家庭用一般照明目的に関して、又は、ステージの一部を照らす劇場照明に関してなど、一般照明目的に関して使用される。
【０００４】
発光ダイオードは、一般照明目的に関する照明システムにおいて益々使用されている。その理由は、発光ダイオードの効率及び寿命が相対的に高い一方で、発光ダイオードのコストが相対的に低いということである。更に、発光ダイオードの使用は、照明システムの小型化を可能にする。一般的に、発光ダイオードは、相対的に狭いスペクトルを有する光を生成する。しかし、一般的に、例えば、照明システムによって生成される光が相対的に高い演色指数を有するようにされるなど、相対的に広いスペクトルを有する白色光を発する照明応用例が好ましい。発光ダイオードによって発される大幅に狭いスペクトルを大幅に広いスペクトルへ変換するために、発光ダイオードによって発される光を吸収し、この吸収光を異なる色の光へ変換する発光材料が一般的に使用される。発光材料は、一般的に、発光ダイオードのダイへ直接適用される。発光材料を含むこのような発光ダイオードは、蛍光体強化発光ダイオードとしても知られている。
【０００５】
知られている照明システムにおける蛍光体強化発光ダイオードを用いる場合の欠点は、知られている照明システムによって発される光の色均一性が最適でないことである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、放射光の色均一性を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様に従うと、上記目的は、請求項１に記載の照明システムによって達成される。本発明の第２の態様に従うと、上記目的は、請求項８に記載のコリメータによって達成される。本発明の第３の態様に従うと、上記目的は、請求項９に記載のスポットライトによって達成される。
【０００８】
本発明に従う照明システムは、光源、コリメータ及び発光層を含み、
前記光源が当該照明システムから遠ざかる方向へ前記発光層及び前記コリメータを介して光を発し、
前記コリメータが、光のビームを生成するために前記光源によって発される前記光をコリメートするように構成され、前記コリメータが、前記光源から光を受ける光入力窓を有するとともに前記光のビームを発する光出力窓を有し、前記光は、実質的に全内部反射によりコリメータを介して進行し、
前記発光層は、前記光源によって発される前記光の少なくとも一部を所定の色へ変換するように構成され、前記発光層は、前記コリメータの前記光入力窓へ貼り付けられる。
【０００９】
本発明に従う対策の効果は、コリメータの光入力窓への発光層の貼り付けが発光材料のより均一な層の貼り付けを可能にし、このことが、照明システムからの光のより色均一な放射を生じさせることである。知られている蛍光体強化発光ダイオードにおいて、発光層は、ダイに直接適用されている。一般的に、発光材料は、例えば、加熱により又は溶媒を用いるなどして、液化される。その後、発光材料の液滴は、発光ダイオードのダイへ塗布される。発光材料の液滴の固化の後で、発光ダイオードのダイにおいて層が形成される。固体化前の液化発光材料における表面張力により、例えば、溶媒などの内部における発光材料の分布は均一でなく、これにより、既知の照明システムの発光層における発光材料の不均一の分布を生じさせ、したがって、既知の照明システムによって発される光の非最適色均一性を引き起こす。本発明に従う照明システムにおいて、発光材料の層は、コリメータの光入力表面へ適用される。一般的に、光入力窓は、発光ダイオードのダイよりもかなり大きく、したがって、このことは、発光層の適用が簡素化させ、これにより、発光層内の発光材料より均一な分布が得られるようにされる。発光層は、例えば、入り口窓へのスプレーコートなどのコーティング又は印刷などの既知の方法のいずれかを用いて、コリメータの入り口窓へ適用され得る。発光層内の発光材料の向上された部分により、本発明に従う照明システムによって発される光の色均一性は、改善される。更に、発光ダイオードによって発されそして発光層によって透過される光は、概して、発光層によって拡散的に散乱され、これにより、発光ダイオードによって発されそして発光層によって透過される光と所定の色の光の混合を生じさせる。このことは、更に、本発明に従う照明システムによって発される光の不一性を改善させる。
【００１０】
コリメータの光入力窓に発光層を適用する場合の更なる有益な点は、発光層が発光ダイオードのダイから離れて適用され得る一方で、コリメートされるビームを維持することである。米国特許第7,049,740号において、レンズを有する発光ダイオードが示される。発光ダイオードのダイに面するレンズの表面は、蛍光材料を含む。このようなレンズは、ダイによって発される光を屈折によりコリメートするのに使用され得る。しかし、ダイに面するレンズの表面への蛍光材料の適用は、レンズのコリメート特性の大幅な損失を生じさせる。蛍光材料の層によって変換される及び／又は散乱される発光ダイオードによって発される光は、ほとんどコリメートされ得ない。本発明に従う照明システムにおいて、コリメータを通ずる光は、実質的に全内部反射によりコリメータを進む。また、発光層によって変換される、又は発光層から散乱される光は、コリメータを実質的に全内部反射により進み、コリメータによってその後コリメートされる。結果として、本発明に従う照明システムから発される光は、発光層が発光ダイオードのダイから離れて適用されているとしても、コリメートされたビームで発される。
【００１１】
発光層のこの離れた配置は、リモートフォスファ(remote  phosphor)構成とも呼ばれる。リモートフォスファ構成を使用する場合の有益な点は、発光材料の変換効率及び寿命が改善され、選択されるべき発光材料の範囲が改善されることである。
【００１２】
この文脈において、所定の色の光は、通常、所定のスペクトルを含む光を有する。所定の色の光は、例えば、所定の波長の前後の特定のスペクトル帯域幅を有する主要色(primary  color)の光を含む。主要色の光は、例えば、赤色光、緑色光、青色光、シアン色光及び黄色光などである。
【００１３】
照明システムのある実施例において、前記コリメータは、当該照明システムへ交換可能に接続されている。この実施例の有益な点は、コリメータの交換可能性が、例えば、照明システムによって発されるビームの形状、及び／又は、例えば、照明システムによって発される光の色、の相対的に容易な変更を可能にすることである。本発明に従う照明システムによって発される光の形状は、コリメータによって決定される。交換可能なコリメータを有することは、例えば、ユーザが、照明システムによって発される光のビームの異なる形状を生成することを可能にするコリメータを交換することなどを可能にする。代替的に、コリメータは、異なる発光層を有するコリメータと交換され得、これにより、照明システムによって発される光の色が変更される照明システムを生じさせる。結果として、異なるコリメータによるコリメータの簡単な交換は、本発明に従う照明システムの異なる放射特性をもたらす。米国特許第7,108,386号は、高輝度ＬＥＤ蛍光体結合装置を開示する。装置は、封止された半導体光源を含む。この装置において、蛍光体領域は、非結像コリメータ二次光学系へ接続される。しかし、米国特許第7,108,386号における蛍光体の結合は、本発明に従う照明システムにおいておこなわれるようなコリメータの光入力窓への発光層の機械的適用よりむしろ、光学的結合である。蛍光体領域は、半導体光源の封止部において一体化され、したがって、コリメータからは分離している。半導体光源の封止部における蛍光体材料のこの一体化が原因により、この既知の装置によって発される光の色及び／又はビーム形状は、容易に変更され得ない。本発明に従う照明システムにおいて、発光層は、交換可能なコリメータの光入力窓へ適用される。本発明に従う照明システムにおけるコリメータの交換は、照明システムによって発される光の色及び／又はビーム形状の相対的に容易な変更をもたらす。
【００１４】
本発明に従う照明システムのより更なる有益な点は、本発明に従う照明システムを構成するコンポーネントの数が相対的に少ないことである。照明システムは、光入力窓へ適用される発光層を含むコリメータ及び発光ダイオードのみを含む。結果として、本発明に従う照明システムは、相対的に低い費用で作製され得る。
【００１５】
照明システムのある実施例において、前記コリメータが、前記光入力窓を前記光出力窓と接続する縁部壁を含み、前記縁部壁の少なくとも一部が、前記コリメータの長手方向軸にそって仮想交差表面と当該照明システムを交差させることによって生成される断面図で見られる場合に、実質的に放物線形状を有し、前記長手方向軸は、前記光のビームの方向へ延在する。コリメータへ発される光が実質的にランバート分布を有する場合に特に、放物線形状縁部壁は、実質的に全内部反射によるコリメータを通じての光の進行を可能にする。
【００１６】
照明システムのある実施例において、前記発光層は、発光材料の混合物を含む。例えば、紫外線光を発する発光ダイオードを使用する場合、発光材料の混合は、紫外線光が照明システムによって発される実質的な白色光へ変換されるように、選択され得る。
【００１７】
照明システムのある実施例において、前記発光層は、発光材料の複数の層を含む。複数の発光材料の層の適用は、本発明に従う照明システムによって発される光の色の相対的に容易な変更を可能にする。例えば、コリメータを作製する時に、発光材料の適用される層の数は、発光ダイオードによって発される光の、所定な色の光への変換を決定し、このことは、照明システムによって発される光の色を決定する。
【００１８】
照明システムのある実施例において、前記複数の層の個々の層における発光材料は、異なる。異なる発光材料を含む層の特定の組合せを選択することは、照明システムによって発される光の色の特定の選択を可能にする。
【００１９】
照明システムのある実施例において、前記発光ダイオードによって発される前記光の中央波長は、400nmと490nmとの間の範囲内にある。400ないし490ナノメートルの範囲における中央波長を有する光は、青色光としても知られる。青色光を第一の所定の色の光として使用することの有益な点は、光が、人間に対して可視的であり、したがって、変換することなしに、色調整照明システムの出力へ直接混合され得ることである。１つの色から別の色へ光を変換する発光材料を使用する変換は、変換において含まれるストークスシフトが原因で、ある程度のエネルギ損失を導入する。青色光を第１の所定の色の光として使用することによって、色調整照明システムによって発される光の特定部分は、変換される必要はなく、これにより、システムの効率を増加させる。
【００２０】
本発明のこれらの及び他の態様は、以下に記載の実施例から明らかであり、これらを参照にして説明される。
【００２１】
図面は、純粋に概略的であり、縮尺通りに描かれていない。特に明瞭性のために、特定の寸法は、大きく誇張されている。図面における同様なコンポーネントは、可能な限り同一の参照符号によって記載されている。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、本発明に従う照明システムの概略的断面図を示す。
【図２】図２は、本発明に従う照明システムの更なる実施例の概略的断面図を示す。
【図３】図３は、本発明に従うスポットライトを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図１は、本発明に従う照明システム１０の概略的断面図を示す。図１に示される断面図は、照明システム１０を、長手方向軸１５に並行に配置される（図示されない）仮想平面と交差することによって生成される。本発明に従う照明システム１０は、発光ダイオード２０、コリメータ３０及び発光層４０を含む。発光ダイオード２０は、光Ｂを、照明システム１０から離れる方向へ発光層４０及びコリメータ３０を通じて発するダイ２２を含む。発光層４０は、発光ダイオード２０によって発される光の少なくとも一部を所定の色の光Ｙへ変換する発光材料を含む。コリメータ３０は、発光ダイオード２０によって発される光Ｂ及び光Ｙをコリメートして、照明システム１０から実質的に発される光のビーム５０を生成するように構成される。コリメータは、発光ダイオード２０からの光を受ける光入力窓３４を含む。コリメータ３０は、更に、光のビーム５０を発する光出口窓３６を含む。光は、実質的に全内部反射により、コリメータ３０を通じて進む。
【００２４】
図１に示される実施例において、発光ダイオード２０のダイ２２によって発される光Ｂは、例えば、図１において破線矢印によって示される主要色・青色の光Ｂなどである。主要色・青色の光Ｂが発光層４０へ入射する場合、入射する主要色・青色の光Ｂの一部は、例えば、所定の色Ｙの光へ変換され得る。この実施例において、所定の色の光Ｙは、図１において点線矢印で示される主要色・黄色の光Ｙである。発光ダイオード２０によって発される主要色・青色の光Ｂの更なる一部は、発光層４０によって透過され、所定の色の光Ｙと混合され、そして、照明システム１０によって発される光のビーム５０の色を生成する。発光ダイオード２０によって発され、照明システム１０によって発される光のビーム５０の色に寄与する主要色・青色の光Ｂの量は、例えば、発光層４０の厚さなどによって、又は、発光層４０における発光材料の濃度によって、決定される。主要色・青色の光Ｂ及び主要色・黄色の光Ｙの間の特定の比率を選択することによって、ほぼ白色の光Ｗが、本発明に従う照明システム１０によって発される光のビーム５０の色として生成され得る。このことは、図１において破線・点線矢印で示される。光は、実質的に全内部反射によりコリメータを介して進むので、発光層４０によって変換される光も、コリメータ３０によってコリメートされ、そして、光の放射ビーム５０へ寄与する。
【００２５】
一般的に、発光ダイオード２０によって発されそして発光層４０によって透過される主要色・青色の光Ｂの一部は、発光層４０によって部分的に拡散される。主要色・青色の光Ｂの拡散は、コリメータ３０内での、主要色・青色の光Ｂと、発光層４０によって発される主要色・黄色の光Ｙとの混合を改善させ、このことは、光のビーム５０の色均一性を改善させる。更に、全内部反射によるコリメータ３０を通ずる光の進行が理由により、コリメータ３０の光入力窓３４における発光層４０の適用は、リモートフォスファ構成を可能にする一方で、コリメートされるビーム５０を維持する。
【００２６】
発光層４０は、発光材料又は発光材料の混合物を含む。発光層４０は、発光材料の（図示されない）個別の層を含み得る。個別の層が実質的に同一の発光材料又は発光材料の同一の混合物を含む照明システム１０の実施例において、光のビーム５０の色は、コリメータ３０の光入力窓３４へ適用される個別の層の数によって実質的に決定される。代替的に、個別の層が、異なる発光材料又は発光材料の異なる混合物を含み得る。このような実施例において、異なる発光材料を含む又は発光材料の異なる混合物を含む層の特定の組合せは、光のビーム５０の色を決定する。共通に使用される発光材料は、例えば、Y3Al5O12:Ce3+(更にはYAG:Ceと呼ばれる)であり、これは、主要色・青色の光Ｂを、主要色・黄色の光Ｙの光へ変換する。青色発光ダイオード２０をYAG:Ceと組み合わせることは、例えば、実質的に白色の光が照明システム１０から発されることをもたらし得る。照明システム１０によって発される光の正確な色は、例えば、発光層４０における発光材料の濃度に依存する、又は、例えば、発行層４０の厚さに依存する。発光材料の他の共通して使用される混合物は、例えば、青色発光ダイオード２０とともに用いる、(Ba,Sr)2Si5N8:Eu2+(更には、青色光をアンバ光へ変換するBSSN:Euとも呼ばれる)及びYAG:Ce、又は、青色発光ダイオード２０とともに用いる、Lu3Al5O12:Ce3+(更に、青色光を緑色光へ変換するLuAG:Ceとも呼ばれる)及びCaS:Eu2+(青色光を赤色光へ変換する)、等を含む。青色光を赤色光へ変換する他の蛍光体、例えば(Ba,Sr,Ca)2Si5N8:Eu2+、(Sr,Ca)S:Eu2+及び(Ca,Sr)AlSiN3:Eu2+も、例えば、CaS:Euの代わりに使用され得る。青色光を緑色光へ変換する他の蛍光体、例えば、Sr2Si2N2O2:Eu2+及びSrGa2S4:Eu2+なども、例えば、LuAG:Ceの代わりに使用され得る。紫外線光を発する発光ダイオード２０を使用する場合、発光層４０は、例えば、BaMgAl10O17:Eu2+(紫外線光を青色光へ変換する)、Ca8Mg(SiO4)4Cl2:Eu2+,Mn2+(紫外線光を緑色光へ変換する)、及びY2O3:Eu3+,Bi3+(紫外線光を赤色光へ変換する)の混合物を含む。発光層４０における発光材料の特定の比率を選択することは、実質的に白色の光Ｗ（図２を参照）の生成をもたらし得る。
【００２７】
コリメータ３０は、本発明に従う照明システム１０に交換可能に接続され得る。例えば、第１の発光層４０を有するコリメータ３０が第１の発光層４０とは異なる第２の発光層（図示されない）を有する第２のコリメータ（図示されない）と交換される場合、照明システム１０によって発される光のビーム５０の色は変化する。代替的に、コリメータ３０は、コリメータ３０によって生成される光のビーム５０と比較されて異なる形状及び／又は寸法を有する（図示されない）光のビームを生成する（図示されない）第２のコリメータと交換され得る。コリメータ３０は、例えば（図示されない）ねじにより、若しくは例えば、（図示されない）クランプ接続により、又はいずれかの他の解放可能接続手段により、交換可能に接続され得る。このような実施例は、コリメータの相対的に容易な変更、並びに照明システムによって発される光のビームの色及び／又はビーム形状の相対的に容易な変更を可能にする。
【００２８】
図１に示される断面図は、コリメータ３０の長手方向軸１５に沿った（図示されない）仮想交差表面と照明システム１０との交差によって生成される。長手方向軸１５は、光のビーム５０の方向へ延在する。
【００２９】
図２は、本発明に従う照明システム１２の更なる実施例の概略的断面図を示す。同様に、照明システム１２は、発光ダイオード１２、コリメータ３２及びコリメータ３２の光入力窓３４に配置される発光層４０を含む。図１に示される実施例との差異は、長手方向軸１５のまわりに配置される中央部分が照明システム１２によって生成される光のビーム５２の中央領域のコリメートを修正するレンズ形状を構成することである。したがって、本発明に従う照明システム１２のこの更なる実施例によって生成される光のビーム５２の形状は、図１に示される実施例１０とは異なる。
【００３０】
図２に示される実施例において、レンズ形状の一部分を形成する光入力窓３４への発光層４０の適用により、コリメータ３２におけるレンズ形状のコリメート効果は、所定の色に関する光に関して、及び、光源２０によって発され且つ発光層４０において散乱される光に関して、大幅に失われる。しかし、実質的な全内部反射による光の進行により、発光層４０によって変換される光は、光のビーム５２へコリメータ３２を介してコリメートされる。
【００３１】
図２に示される実施例において、発光ダイオード２０のダイ２２によって発される光ＵＶは、例えば、図２において破線矢印で示される、紫外線光ＵＶなどである。紫外線光ＵＶは、発光層４０へ入射する場合、入射する紫外線光の一部は、例えば、所定の色Ｗの光へ変換され得る。この実施例において、所定の色の光Ｗは、図２において点線矢印で示される主要色・白色の光Ｗである。通常、発光層４０は、照明システム１２によって紫外線光ＵＶが発されることを防ぐために、実質的に全ての入射光を変換し得る。更に、主要光・白色の光Ｗを生成する発光層４０は、一般的に、異なる発光材料の混合物、例えば、BaMgAl10O17:Eu2+、Ca8Mg(SiO4)4Cl2:Eu2+、Mn2+及びY2O3:Eu3+、Bi3+など、からなる。図２に示される照明システム１２によって発される光の色は、コリメータ３２の光入力窓３４へ適用される発光層４０における発光材料の混合物によって決定される。
【００３２】
図３は、本発明に従うスポットライト１００を示す。スポットライト１００は、本発明に従う照明システム１０及び１２を含む。
【００３３】
上述の実施例は、本発明を制限するものよりもむしろ例証するものであり、当業者が、添付の請求の範囲から逸脱することなく、多数の代わりの実施例を設計することが可能であることを注意しなければならない。
【００３４】
請求項における如何なる参照符号も請求項を制限するように解釈されてはならない。「有する」という動詞及びその活用形の使用は、請求項に記載される以外の異なる他の要素又はステップの存在を排除しないことは明らかである。単数形の構成要素は、複数個の斯様な構成要素の存在を排除しない。本発明は、いくつかの個別の構成要素を有するハードウェアを用いて、及び適切にプログラムされた計算機を用いて実施され得る。いくつかの手段を列挙している装置請求項において、これらの手段のいくつかは１つの同じハードウェアの項目によって、実施化することが可能である。特定の手段が、相互に異なる従属請求項において引用されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利になるように使用されていることができないと示すものではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
2010529612.tif 000005
【国際調査報告】
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2010529612.tif 000007
2010529612.tif 000008