(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反射底面と、
少なくとも反射部分を有する上面と、
前記上面と前記反射底面との間に配置された複数の半導体層であって、一次光が生成される活性領域を少なくとも含む複数の半導体層と、
前記上面と前記半導体層との間に配置された波長変換層であって、前記一次光の少なくともある部分を二次光に変換する波長変換層と、
を含み、
前記上面と前記反射底面とが、前記一次及び二次光の少なくとも一部分の方向を前記活性領域の中央平面に実質的に直交する方向から離れた方向に変える
ことを特徴とする発光デバイス。
【請求項２】
前記活性領域、前記反射底面、及び前記上面の相対位置が、実質的に、前記一次光を前記１つ又はそれ以上の半径方向に透過するように調整されることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項３】
前記半導体層及び前記上面を保護する光学的に透明なオーバーモールドをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項４】
前記一次光の少なくとも他の部分を透過する前記上面に結合され、前記一次光の前記他の部分の方向を、実質的に、前記活性領域の前記中央平面に対して実質的に平行な１つ又はそれ以上の半径方向に変える光学コンセントレータをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項５】
前記光学コンセントレータが、前記発光デバイスの中心軸に対して対称であることを特徴とする請求項４に記載の発光デバイス。
【請求項６】
前記光学コンセントレータの少なくとも１つの表面が反射表面を含むことを特徴とする請求項４に記載の発光デバイス。
【請求項７】
前記少なくとも１つの半導体層に光学的に結合された波長変換層をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項８】
前記波長変換層が蛍光体層を含むことを特徴とする請求項７に記載の発光デバイス。
【請求項９】
１つ又はそれ以上の発光デバイスと、
前記１つ又はそれ以上の発光デバイスに光学的に結合された光透過ゾーンと、
を含み、
前記１つ又はそれ以上の発光デバイスの各々は、
反射底面と、
少なくとも１つの反射領域を有する上面と、
前記上面と前記反射底面との間に配置された複数の半導体層であって、一次光が生成される活性領域を少なくとも含む複数の半導体層と、
前記上面と前記半導体層との間に配置された波長変換層であって、前記一次光の少なくともある部分を二次光に変換する波長変換層と、
を含み、
前記上面と前記反射底面とが、前記一次及び二次光の少なくとも一部分の方向を前記活性領域の中央平面に実質的に直交する方向から離れた方向に変える
ことを特徴とする照明システム。
【請求項１０】
前記活性領域、前記反射底面、及び前記上面の相対位置が、実質的に、前記一次光を前記活性領域の前記中央平面に対して実質的に平行な前記１つ又はそれ以上の半径方向に透過するように調整されることを特徴とする請求項９に記載の照明システム。
【請求項１１】
前記１つ又はそれ以上の発光デバイスの各々が、前記半導体層及び前記上面を保護する光学的に透明なオーバーモールドをさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の照明システム。
【請求項１２】
前記１つ又はそれ以上の発光デバイスの各々が、前記一次光の少なくとも他の部分を透過する前記上面に結合され、前記一次光の前記他の部分の方向を、実質的に、前記活性領域の前記中央平面に対して実質的に平行な１つ又はそれ以上の半径方向に変える光学コンセントレータをさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の照明システム。
【請求項１３】
前記光透過ゾーンが先細の導波管を含むことを特徴とする請求項９に記載の照明システム。
【請求項１４】
前記光透過ゾーンが少なくとも１つの反射表面をさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の照明システム。
【請求項１５】
少なくとも１つの半導体層を励起させることにより生成される一次光を生成するステップ、
を含み、前記少なくとも１つの半導体層が活性領域を含み、前記少なくとも１つの半導体層が反射底面上に堆積されており、
前記一次光の少なくとも一部を波長変換して二次光を生成するステップと、
前記一次及び二次光の少なくとも一部を反射するステップと、
を含み、前記反射が、前記反射底面と、前記少なくとも１つの半導体層に結合された上面とにより実行され、前記反射は前記一次及び二次光の方向を前記活性領域の前記中心平面に実質的に直交する方向から離れた方向に変えることを可能にする
ことを特徴とする方法。
【請求項１６】
前記活性領域、前記反射底面、及び前記上面の相対位置を調整して、実質的に、前記一次光を前記活性領域の前記中央平面に対して実質的に平行な１つ又はそれ以上の半径方向に透過させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
光透過ゾーンを使用して前記一次光を透過させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、照明システムの分野に関し、より具体的には、半径方向において一様な側面放射をもつ発光デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
発光デバイスは、ラップトップ、携帯情報端末（ＰＤＡ）、携帯電話などのようなディスプレイ装置の背面照明に広く使用される。これらの発光デバイスは、単独で使用してもよいし、又は、一様な光透過のために、光導波管に結合してもよい。発光デバイスの一例は、発光ダイオード（ＬＥＤ）を含むことができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
既存の発光デバイスは、空間的に広域な光の放射を提供しない。放射パターンは、既存の発光デバイスに結合された光導波管に暗い角部を生成する原因となる。そのため、一様な照明は、既存の発光デバイスを使用しては実現できないことがある。例えば、ディスプレイ上に光を一様に分布させるためには、付加的な発光デバイスが必要とされる。このことが、既存の発光デバイスを含む照明システムの費用を増加させる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の目的は、実質的に薄い発光デバイスを提供することである。
【０００５】
本発明の別の目的は、半径方向において一様な光の側面放射を提供し、かつ一様な照明を生成するように、効率的に光導波管に結合することができる発光デバイスを提供することである。
【０００６】
本発明の様々な実施形態は、発光デバイス及び照明の方法を提供する。発光デバイスは、１つ又はそれ以上の半導体層と、反射底面と、半導体層に結合された上面とを含む。半導体層は、一次光が生成される活性領域を含む。本発明の実施形態によれば、上面、反射底面、及び活性領域の相対位置を調整して、一次光を発光デバイスの側面を通して、実質的に透過させることができる。
【０００７】
本発明の様々な実施形態によれば、側面放射パターンは、発光デバイスと光導波管を効率的に統合して、実質的に薄い照明システムを生成することを可能にする。照明システムは、一様な照明を生成し、例えば、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）を照明するために使用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の様々な実施形態は、以下で、本発明を限定するのではなく示すものとして与えられ、同じ指示が同じ要素を示す添付図面と共に説明される。
本発明の様々な実施形態は、発光デバイス及び照明の方法を提供する。発光デバイスは、半径方向において一様な側面放射を提供する。発光デバイスは、また、一様な照明を提供する実質的に薄い照明システムを生成するために、光導波管と共に使用することができる。
【０００９】
図１は、本発明の実施形態による発光デバイス１００の断面図である。この断面は、（図１に示すように）ｘ−ｙ平面に対して平行な平面に沿って取られている。発光デバイス１００は、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）とすることができる。発光デバイス１００は、１つ又はそれ以上の半導体層１０２と、反射底面１０４と、上面１０６と、基板１０８とを含む。半導体層１０２は、中心平面１１２と共に、活性領域１１０のような１つ又はそれ以上の活性領域を含む。発光デバイス１００は、サブマウント１１４上に取り付けられる。本発明の様々な実施形態によれば、反射底面１０４、半導体層１０２、及び上面１０６は、スタックを形成する。本発明の実施形態によれば、発光デバイス１００は、例えば、伝動経路を、発光デバイス１００における接合部に及び接合部から伝導経路にたいして制御するためのフリップチップ構成を含んでいる。
【００１０】
一次光は、例えば、活性領域１１０上に電流を通すことにより、半導体層１０２を励起させることによって生成することができる。一次光は、例えば、赤色光、緑色光、青色光、紫外線（ＵＶ）光、近紫外光、及び同様なものとすることができる。
【００１１】
本発明の実施形態によれば、上面１０６は、上面１０６に入射する一次光の少なくとも一部を、中心平面１１２に対してほぼ垂直方向に反射する。上面１０６により反射された一次光の一部は、以下で一次光の第１部分といい、上面１０６により透過された一次光の一部は、以下で一次光の第２部分という。反射底面１０４もまた、反射底面１０４に入射する一次光を、中心平面１１２に対してほぼ垂直方向に反射するように構成される。そのため、ファブリー・ペローキャビティのようなキャビティは、活性領域１１０、反射底面１０４及び上面１０６の相対位置に応じて、活性領域１１０、反射底面１０４及び上面１０６の少なくとも２つの間に生成されることができる。本発明の実施形態によれば、キャビティは、活性領域１１０と反射底面１０４との間に生成される。活性領域１１０からの一次光の波と活性領域１１０の鏡像１１６からの波は相互作用する。ここでは、鏡像１１６は、反射底面１０４における活性領域１１０の像である。本発明の実施形態によれば、活性領域１１０と反射底面１０４の相対位置は、一次光の建設的又は相殺的干渉を生じさせるように調整することができる。従って、発光デバイス１００において生成された一次光の強度は高めることができる。また、反射底面１０４、上面１０６、及び活性領域１１０の相対位置は、キャビティ効果、次いで発光デバイス１００の放射パターンを変更するように調整することができる。例えば、距離ｘ（図１に示す）の所定の値は、１つ又はそれ以上の半径方向における一次光の放射を実質的に増加させることができる。ここでは、半径方向は、中心平面１１２に対してほぼ平行な方向を含む。本発明の実施形態によれば、所定の値ｘは、一次光の波長のオーダーとすることができ、発光デバイス１００の大きさに応じて決まるとすることができる。
【００１２】
本発明の実施形態によれば、上面１０６は、基板１０８の表面を完全に覆うことができる（図１に示す）。本発明の別の実施形態によれば、上面１０６は、基板１０８の表面の一部を覆うことができる（図３に示す）。さらに、上面１０６は、部分リフレクタ又は完全リフレクタを含むことができる。本発明の様々な実施形態によれば、上面１０６及び反射底面１０４は、金属層、鏡面、及び同様のものを含むことができる。
【００１３】
本発明の実施形態によれば、基板１０８は、サファイヤのような透明物質の層を含むことができる。サブマウント１１４は、反射物質から作ることができ、又は、半径方向に放射された一次光を反射するコーティング又はメッキを有することができる。コーティングは、冷却コーティング、例えば、赤色、銀、アルミニウム、強化アルミニウムコーティングでもよいし、又は高度反射性フィルムでもよい。具体的には、コーティングは、反射鏡仕上げを有することができる。さらに、サブマウントがそれほど大きくない場合には、コーティングは白色拡散物質でもよい。本発明の実施形態によれば、白色拡散物質は、さらに、発光デバイス１００のフリップチップ構成において充填物として使用されることもできる。
【００１４】
本発明の実施形態によれば、発光デバイス１００は異なる幾何学的形状を有することができ、先端が切断された反転されたピラミッド型、立方体、直方体、半球体、及び同様のものを含むがこれらに限定されるものではない。さらに、発光デバイス１００は、１つ又はそれ以上の中間層（図１に示さず）を含む。中間層の例は、発光デバイス１００の効率を向上させるために用いることができる、１つ又はそれ以上の単一量子井戸又は多量子井戸を含むことができる。
【００１５】
本発明の実施形態によれば、発光デバイス１００は、例えば、テレビ、携帯電話、携帯情報端末（ＰＤＡ）及び同様なもののディスプレイの直接背面照明において使用することができる。
【００１６】
図２は、図１による発光デバイス１００の断面図である。ここでは、発光デバイス１００は、さらに、発光デバイス１００を保護するために、オーバーモールド２０２を含む。また、上面１０６は、基板１０８の表面を完全に覆い（図２に示す）、上面１０６の上に入射する一次光を実質的に反射する。
【００１７】
本発明の実施形態によれば、オーバーモールド２０２は、合成樹脂、ガラス、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、光学的に澄んだシリコーンなどのような光学的に透明な物質で作ることができる。半径方向に対してほぼ垂直なオーバーモールド２０２の１つ又はそれ以上の表面は、さらに、発光デバイス１００からの一次光を効率的に結合するために、のこぎり歯又は他の変形を含んでもよい。
【００１８】
図３は、図１による発光デバイス１００の断面図である。ここでは、発光デバイス１００は、さらに、上面１０６に結合された光学コンセントレータ３０２を含む。上面１０６は、基板１０８の表面の一部を覆う。本発明の実施形態によれば、上面１０６は、基板１０８表面の中央において、円形又は正方形ドットである。具体的には、上面１０６は、中心軸３０４の周りから逃れる一次光の方向を変える。
【００１９】
光学コンセントレータ３０２を用いて、一次光の第２部分の方向を半径方向に変えて、コリメートされた側面放射を生成することができる。本発明の実施形態によれば、方向を変えることは、全反射（ＴＩＲ）を用いて行うことができる。
【００２０】
本発明の様々な実施形態によれば、光学コンセントレータ３０２は異なる幾何学的形状を有することができる。具体的には、光学コンセントレータ３０２は、発光デバイス１００の中心軸３０４に対して左右対称であってもよい。例えば、光学コンセントレータ３０２は、中心軸３０４に対して左右対称な放物線状又は楕円形のコンセントレータを含むことができる。本発明の実施形態によれば、光学コンセントレータは、オーバーモード２０２のようなオーバーモールドと関連させて実施することができる。このことは、半径方向においてコリメートされた側面放射を提供し、また発光デバイス１００を保護することになる。
【００２１】
本発明の様々な実施形態によれば、光学コンセントレータ３０２は、例えば、環状オレフィン共重合体（ＣＯＣ）、ＰＭＭＡ、ＰＣ、ＰＣ／ＰＭＭＡ共重合体、シリコーン、フッ化炭素ポリマー、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）などのような１つ又はそれ以上の層を含むことができる。
【００２２】
図４は、本発明の実施形態による発光デバイス１００の断面図である。発光デバイス１００は、さらに、波長変換器４０２を含む。波長変換器４０２は、一次光の少なくとも一部分を二次光に変換する。本発明の実施形態によれば、波長変換器４０２は蛍光体層であってもよい。二次光は、例えば、黄色光でもよい。波長変換器４０２は、基板１０８と光学的に接触して（図４に示す）、又は活性領域１１０と直接的に接触して（図４に示さず）配置することができる。例えば、波長変換器４０２は、ガラス接着剤又はシリコンを用いて基板１０８に結合することができる剛性蛍光板を含むことができる。本発明の実施形態によれば、波長変換器４０２の１つ又はそれ以上の層を発光デバイス１００の側部に沿って堆積して、層が半径方向に対してほぼ平行になるようにすることができる（図４に示さず）。このことは、一次光の二次光への変換を可能にする。
【００２３】
本発明の実施形態によれば、波長変換器４０２は、基材及び蛍光物質を含むことができる。蛍光物質は、例えば、粒子形態で基材に散在させられる。蛍光物質は、青色光のような一次光を、黄色光のような二次光に変換する。本発明の実施形態によれば、二次光を一次光の一部と混合して、実質的に白色光を生成することができる。
【００２４】
基材の実施例は、光学的に澄んだシリコーン、アクリル、ポリカーボネート、及び同様なものを含むことができる。蛍光物質は、二次光の望ましい空間スペクトル分布により選択される。蛍光物質の例は、イットナトリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）粒子を含むことができる。本発明の様々な実施形態によれば、波長変換器４０２は、スピンコーティング、電気泳動、スクリーン印刷、オーバーモルディングなどのようなプロセスを使用して堆積することができる。波長変換器４０２における蛍光物質の濃度は、例えば、二次光又は実質的に白色光の望ましい空間スペクトル分布により変更することができる。本発明の実施形態によれば、波長変換器４０２は蛍光物質のみを含む。
【００２５】
本発明の別の実施形態によれば、異なる蛍光物質は、波長変換器４０２のような単一波長変換器に含むことができる。波長変換器４０２はまた、波長変換器４０２のカラーレンダリングといった特性を向上させるために、希土類金属のような添加剤を含むことができる。
【００２６】
本発明の様々な実施形態によれば、波長変換器４０２は、例えば、波長変換器４０２をオーバーモールド２０２の１つ又はそれ以上の表面の上に堆積することにより、オーバーモールド２０２と併せて実施することができる。具体的には、オーバーモールド２０２の内面は、波長変換器４０２の層を含むことができる（図４に示さず）。
【００２７】
図５は、本発明の実施形態による照明システム５００の断面図である。この断面は、（図５に示すように）ｘ−ｚ平面に対して平行な平面に沿って取られている。照明システム５００は、発光デバイス１００のような１つ又はそれ以上の発光デバイスと、光透過ゾーン５０２とを含む。光透過ゾーン５０２は、発光デバイス１００に光学的に結合される。本発明の実施形態によれば、発光デバイス１００は、光透過ゾーン５０２の１つ又はそれ以上の穴の中に配置することができる（図５に示す）。
【００２８】
発光デバイス１００は、光透過ゾーン５０２に放射される一次光を生成する。光透過ゾーン５０２は、一次光を、ｙ軸に対して平行な方向に透過する。光透過ゾーン５０２は一次光を透過して、一次光がディスプレイを一様に照明するように用いることができる。本発明の実施形態によれば、発光デバイス１００によって生成された一次光は、光透過ゾーン５０２に放射される前に、二次光に変換されることができる。
【００２９】
本発明の実施形態によれば、光透過ゾーン５０２は、透過表面５０４のような１つ又はそれ以上の透過表面と、１つ又はそれ以上の非透過表面とを含むことができる。一次光は、透過表面を通って透過されることができる。さらに、透過表面及び非透過表面は互いに閉鎖された構造体を形成する。
【００３０】
本発明の実施形態によれば、光透過ゾーン５０２は、例えば、光導波管、中空光ガイド、及び同様なものとすることができる。光透過ゾーン５０２は、例えば、合成樹脂、アクリル、ポリカーボネート、ＰＭＭＡ、ガラス、及び同様なもので作ることができる。本発明の様々な実施形態によれば、光透過ゾーン５０２は、一定の厚さであってもよいし、又は、例えばｘ軸或いはｚ軸に沿って先細になっていてもよい。具体的には、光透過ゾーン５０２の断面ｘ−ｙは、くさび型の形状、又は長方形の形状などを有することができる。本発明の実施形態によれば、照明システム５００の厚さは、ｙ軸に沿って測定された場合に、０．４ｍｍから１０ｍｍまでの範囲にあるとすることができる。
【００３１】
本発明の実施形態によれば、一次光は、光透過ゾーン５０２において、ＴＩＲを受けることができる。光透過ゾーン５０２のくさび型形状は、例えば、透過表面５０４を通る一時光のＴＩＲ及びその後の透過 の障害にする可能性がある。光透過ゾーン５０２の非透過表面は、透過表面を通る一次光の透過を可能にし、光透過ゾーン５０２における一次光の一様な分布を助けるように反射性をもって作ることができる。
【００３２】
本発明の実施形態によれば、非透過表面の少なくとも１つは、複数の結合部材を含むことができる。結合部材は、例えば、透過表面５０４を通る光透過ゾーン５０２からの一次光を、一様にかつ効率的に結合するために提供することができる。本発明の様々な実施形態によれば、結合部材は、くさび状、リッジ状、スクリーン印刷ドットなどのような表面変形を含むことができる。ここでは、結合部材は、異なる形状及び密度を含むことができ、印刷、プレッシング、エッチング、スクライビング、サンドブラスティングなどのようなプロセスを使用して提供することができる。
【００３３】
本発明の実施形態によれば、発光デバイス１００のような発光デバイスを、光透過ゾーン５０２内に配置して、各々の発光デバイスの中心軸が他のものとほぼ平行になるようにする。１つ又はそれ以上の中間層は、発光デバイス１００と光透過ゾーン５０２との間に存在することができる。中間層の実施例は、シリコーン層、エポキシ層、光透過ゾーン５０２への一次光の結合を強化することができるコーティング及び同様なものを含むことができる。
【００３４】
本発明の様々な実施形態によれば、穴は、例えば発光デバイス１００からの一次光を光透過ゾーン５０２に効率的に結合するために、異なる形状及び大きさであることができる。さらに、光透過ゾーン５０２内に配置される発光デバイスの数は、照明システム５００から必要とされる照明によって決定することができる。
【００３５】
本発明の様々な実施形態によれば、図１から図４までに関連して説明された発光デバイス１００は、照明システム５００における光透過ゾーン５０２と併せて使用することができる。
【００３６】
図６は、本発明の実施形態による照明方法６００のフローチャートである。ステップ６０２において、一次光が発光デバイス１００のような発光デバイスの活性領域において生成される。一次光の生成は、電流を、半導体層１０２のような１つ又はそれ以上の半導体層に通すことを含む。ステップ６０４において、一次光の少なくとも一部が、上面１０６のような上面によって反射され、反射底面１０４のような反射底面によって反射される。反射された一次光波は、互いに又は活性領域からの一次光と相互作用して、発光デバイスにおいて生成された一次光の強度の増加又は減少を引き起すことができる。
【００３７】
ステップ６０６において、活性領域、反射底面及び上面の相対位置を調整して、１つ又はそれ以上の半径方向における一次光の放射を増加させる。具体的には、活性領域と反射底面との間の距離を調整することができる。ここでは、半径方向とは、活性領域の中心平面に対してほぼ平行な方向である。本発明の実施形態によれば、方法６００は、さらに、例えば、光透過ゾーン５０２のような光透過ゾーンを使用して、一次光を透過させることを含む。また、一次光は、透過前に二次光に変換することができる。
【００３８】
本発明の様々な実施形態は、半径方向において一様な側面放射をもつ発光デバイスを提供する。放射パターンは、発光デバイスの中心軸に対して左右対称である。発光デバイスは、一様に光導波管を照明する。このことは、別個の拡散層の必要をなくす。さらに、これにより、光導波管を照明するために必要な発光デバイスの数が減少される。従って、照明システムの費用及び厚さが減少される。
【００３９】
本発明の様々な実施形態が図示され説明されたが、本発明はこれらの実施形態にのみ限られるものではないことが明らかである。特許請求の範囲に述べられる本発明の精神及び範囲から離れることなく、幾多の修正、変更、変形、代替、及び均等物が、当業者には明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施形態による発光デバイスの断面図である。
【図２】図１による発光デバイスの断面図である。
【図３】図１による発光デバイスの断面図である。
【図４】本発明の実施形態による発光デバイスの断面図である。
【図５】本発明の実施形態による照明システムの断面図である。
【図６】本発明の実施形態による照明方法のフローチャートである。
【符号の説明】
【００４１】
１００：発光デバイス
１０２：半導体層
１０４：反射底面
１０６：上面
１０８：基板
１１０：活性領域
１１２：中心平面
１１４：サブマウント
１１６：鏡像
２０２：オーバーモールド
３０２：光学コンセントレータ
３０４：中心軸
４０２：波長変換器
５００：照明システム
５０２：光透過ゾーン
５０４：透過表面
【図１】
0005216212.tif 000002
【図２】
0005216212.tif 000003
【図３】
0005216212.tif 000004
【図４】
0005216212.tif 000005
【図５】
0005216212.tif 000006
【図６】
0005216212.tif 000007