JP6920995B2 - 向上した色均一性を有する光源アッセンブリ - Google Patents

Description

本発明は、固体照明（SSL: solid
state lighting）装置と、ＳＳＬ装置によって放射された光を受け取るように配置され、受け取った光の一部を異なる波長に変換するように構成された波長変換素子とを有する光源アッセンブリに関する。本発明は、このような光源アッセンブリを製造する製造方法にも関する。

白色光を与える一般的な技術は、非白色光源と波長変換器とを組み合わせることであり、その適例は、青色発光ダイオード（LED）に黄色光の波長範囲の放射スペクトルを有する蛍光体の層を用いることである。その発光ダイオードからの青色光の一部は蛍光体に吸収されて黄色光が放射され、この黄色光は残りの青色光と混合されて白色光を形成する。これらのタイプの照明装置によって放射される光は、通常、完全に均一な白色ではなく、色が僅かに変化するものであるが、この色補正のための様々な技術が当該技術分野で知られている。例えば、特許文献１は、蛍光体層を含むＬＥＤからの光の色度を、蛍光体層の上部に適用されたインク層によって調整できることを教示している。これらの技術開発に取り組んできた努力にもかかわらず、この分野での更なる研究の必要性が依然として存在している。

米国特許出願公開第２００９／０２３６９６７号明細書

向上した色均一性を有する光源アッセンブリ、特に白色光を発生させるような光源アッセンブリを提供することが有利である。

この関心事項に対処するために、第１の態様によれば、固体照明装置と；固体照明装置によって放射された光を受け取るように配置され、受け取った光の一部を異なる波長に変換するように構成された波長変換素子と；波長変換素子の発光面に適用された散乱層と；を有する光源アッセンブリが提示される。散乱層は、波長変換素子に光を再び散乱し直すように構成され、散乱層の後方散乱強度は、発光面から放射される光の色の変化を低減させるように、発光面に亘って変化する。

「後方散乱強度」とは、本明細書では、散乱層が、発光面から放射された光を波長変換素子に再び散乱し直す程度を意味する。

ＳＳＬ装置は、例えば半導体ＬＥＤ、有機ＬＥＤ、ポリマーＬＥＤ、又はレーザダイオードであってもよい。

散乱層によって提供される後方散乱は、発光面から放射される光の色の変化が低減されるようなものである。低減した変化によって、遠方の視野の観察者に対して光をより均一に見えるようにする。

近視野及び遠視野における色均一性は、このような散乱層を含まない光源アッセンブリと比較して、上述した散乱層によって改善され得る。散乱層は、様々なタイプの色の変化、例えば、位置による色の変化（color over position）（すなわち、放射される光の色は放射位置に依存する）、角度による色の変化（color over angle）（すなわち、放射される光の色は放射角度に依存する）、及び異なるＬＥＤパッケージのＬＥＤ同士の間の色温度変化等を補正するように構成される。散乱層は、積層造形プロセスによって、標準的な「既製の」ＬＥＤパッケージ、例えば中間出力白色ＬＥＤパッケージに適用することができ、それにより、均一に調光された光を必要とするハイエンド照明用途により適したものとなる。散乱層の適用は、既存のＬＥＤパッケージ製造プロセスと容易に組み合わせることができ、又は異なる製造施設で行われる可能性がある完全に別個のステップであってもよい。この散乱層によって、最終製品の高度なカスタマイズが可能になり、ＬＥＤ「ビンニング（binning）」の必要性を減らすことができる。また、散乱層は、波長変換素子に光を再び散乱し直すことにより、波長変換素子を通過する光の光路長を長くし、その結果、波長変換される光の量を増大させる。こうして、全体的な変換性能を低下させることなく、より薄い波長変換素子を使用することができ、それによって材料コストを低減することができる。

一実施形態によれば、散乱層は密度変化を有しており、後方散乱強度は密度によって決定される。このような散乱層は、標準的な技術によって製造することができ、多くの異なる種類の色の変化を低減させるために使用することができる。

一実施形態によれば、散乱層は発光面に対して垂直方向に変化する厚さを有しており、後方散乱強度は厚さによって決定される。そのような散乱層は、多くの異なる種類の色の変化を低減させるために使用することができ、３Ｄ印刷、インクジェット印刷、レーザアブレーション（例えば、ＣＯ_２レーザアブレーション）等の様々な技術によって生成することができる。これらの技術によって、微調整された厚さを有する散乱層を形成することが可能となる。

一実施形態によれば、散乱層は、気泡、酸化チタン粒子、蛍光体粒子、金属フレーク、ポリマービーズ、及びガラスビーズから構成されるグループから選択される散乱素子を含む。

一実施形態によれば、散乱層は、波長変換粒子を含む。散乱層内に波長変換粒子を含めることによって、色の変化を低減させる効率を増大させ、散乱層の色補正能力を強化することができる。次に、より薄い散乱層を使用することができ、それによって散乱層を生成するために必要な材料の量が低減される。さらに、波長変換粒子は、追加の自由度をもたらし、コスト及び性能の最適化を容易にする。

一実施形態によれば、波長変換層及び散乱層は、同じ種類の波長変換粒子を含む。これは、製造プロセスを合理化することができるので、生産の観点から好ましい。

一実施形態によれば、波長変換粒子は蛍光体粒子である。蛍光体は、効率的な波長変換機能を有しており、従って本発明に特に適している。

一実施形態によれば、発光面から出る光の色は、光が発光面から出る位置に依存する。放射された光の放射位置に関するそのような色依存性は、通常、位置による色の変化（color over
position variation）と呼ばれる。これは、典型的には中間出力発光ダイオードに関連する問題である。

一実施形態によれば、発光面は平坦である。これは、通常、「既製の」ＬＥＤパッケージの場合に当てはまり、そのような層は特に堅牢である。

第２の態様によれば、光源アッセンブリを製造する製造方法が提示される。この製造方法は、固体照明装置及び波長変換素子を提供するステップであって、波長変換素子は、固体照明装置によって放射された光を受け取るように配置され、受け取った光の一部を異なる波長に変換するように構成される、提供するステップと；波長変換素子の発光面から放射された光の色の変化を測定するステップと；発光面に散乱層を適用するステップと；を含む。散乱層は、波長変換素子に光を再び散乱し直すように構成され、散乱層の後方散乱強度は、発光面から放射される光の色の測定された変化を低減するように、発光面に亘って変化するように選択される。

第２の態様の技術的効果及び特徴は、第１の態様の技術的効果及び特徴と大いに類似している。

この製造方法の一実施形態によれば、散乱層は、三次元（３Ｄ）印刷等の積層造形技術によって適用される。これにより、複雑な３次元構造を有する散乱層を形成することが可能となる。

この製造方法の一実施形態によれば、散乱層は、発光面に液滴の形態で塗布される。このような散乱層は、簡素で比較的安価な印刷方法であるインクジェット印刷を用いて塗布することができる。

本発明は、特許請求の範囲に記載された特徴の全ての可能な組合せに関する。

平坦な散乱層を有する光源アッセンブリの一実施形態の概略斜視図である。 図１の光源アッセンブリの概略断面図である。 厚さが変化する散乱層を有する光源アッセンブリの一実施形態の概略断面図である。 液滴の形態の散乱層を有する光源アッセンブリの一実施形態の概略断面図である。 光源アッセンブリの製造方法のいくつかのステップを示すフローチャートである。

本発明のこの態様及び他の態様について、本発明の１つ又は複数の実施形態を示す添付図面を参照して、より詳細に説明する。
図面に示されるように、層及び領域のサイズは、説明目的のために誇張されており、こうして、本発明の実施形態の一般的な構造を示すために提供される。同様の参照符号は、図面全体に亘って同様の要素を指す。

以下、本発明の現在好ましいと考えられる実施形態が示される添付図面を参照して、本発明についてより完全に説明する。しかしながら、本発明は、多くの異なる形態で具体化することができ、本明細書に記載の実施形態に限定されるものと解釈すべきではない。むしろ、これらの実施形態は、完全性及び完備性のために提供され、本発明の範囲を当業者に完全に伝える。

図１及び図２は、例えば照明器具及び改装ランプに使用され得る光源アッセンブリ１を示す。光源アッセンブリ１は、開口部を含む矩形の箱の形状を有する基板２を含む。基板２は、他の実施形態では異なる形状を有してもよい。基板２は、例えば板形状を有することができる。基板の高さｈは、例えば約３００μｍ〜約４００μｍの範囲であり、基板の幅ｗは、例えば約１ｍｍ〜約６ｍｍの範囲であり、基板の長さｌは、例えば約２ｍｍ〜約６ｍｍの範囲であってもよい。基板２は、例えば射出成形された白色反射ポリマーから製造することができる。ＬＥＤの形態の固体照明（SSL）装置３が、基板２上に、より正確には基板２に規定された凹部内に取り付けられる。基板２及びＳＳＬ装置３は、電気的及び熱的に接続される。ＳＳＬ装置３と基板２との間の電気接続は、例えばワイヤであってもよい。ＳＳＬ装置３は、基板２から離れる方向に光を放射するように構成される。ＳＳＬ装置３は、単色光、例えば青色光又は近紫外光を放射するように構成される。

波長変換素子４が、ＳＳＬ装置３によって放射された光を受け取るように配置され、受け取った光の一部を異なる波長に変換するように構成される。この実施形態では、ＳＳＬ装置３は、波長変換素子４に部分的に埋め込まれる。変換された光の波長（すなわち、色）は、変換された光とＳＳＬ装置３からの光とを適切な比率で混合すると、得られる光が観察者に白く見える光である。例えば、ＳＳＬ装置３によって放射された光が青色である場合に、波長変換素子４は、青色光を緑色光又は赤色光に変換するように構成される。波長変換素子４は、ＳＳＬ装置３によって放射された光を波長変換することができる波長変換粒子５を含む。この実施形態では、波長変換素子４は、蛍光体粒子、例えば有機蛍光体粒子又は無機蛍光体を含む。市販されている多くの蛍光体が使用可能である。他の実施形態では、波長変換素子４は、発光色素等の、蛍光体以外の発光材料を含んでもよい。いくつかの実施形態によれば、波長変換素子４は、ＳＳＬ装置３によって放射された光を波長変換することができる量子ドットを含み、量子ドットは、ナノサイズの半導体結晶であり、これは、入射光によって励起されたとき、結晶のサイズ及び材料によって決定される色の光を放射する。

波長変換素子４は、ＳＳＬ装置３により放射された光及び波長変換された光が波長変換素子４から出る発光面６を有する。発光面６及びＳＳＬ装置３は、波長変換素子４の反対側に配置される。波長発光面６は矩形且つ平坦であり、軸ｘ、ｙ及びｚを有するデカルト座標系のｘ及びｙ軸によって規定される平面内に延びる。発光面６の面法線は、ｚ軸に平行である。発光面６から出る光の色は、位置による色の変化（color over
position variation）のために光が発光面６から出る位置に依存する。基板２、ＳＳＬ装置３、及び波長変換素子４は共に、ＬＥＤパッケージ、例えば「Nichia NSSL
157」の名称で市販されているタイプのＬＥＤパッケージを形成する。

散乱層７が、発光面６に適用される。光散乱層７は、発光面６と直接接触する、又は発光面６と間接的に接触してもよい。例えば、散乱層７と発光面６との間に配置され、散乱層７の発光面６への取り付けを改善する層、例えば接着層が存在する。散乱層７は、発光面６のほぼ全体を覆う。散乱層７の光出射面８が、発光面６から離れる方向に向いている。散乱層７は、平坦であり、ｚ方向に実質的に均一な厚さｔを有しており、且つｘ−ｙ平面に平行な平面内に延びる。厚さｔは、例えば約５０μｍ〜約２００μｍの範囲内であり得る。散乱層７は、発光面６を介して波長変換素子４に光を再び散乱し直すように構成される。散乱層７の後方散乱強度は、発光面６に亘って変化する。すなわち、後方散乱強度はｘ方向及びｙ方向で変化する。従って、異なるｘ−ｙ座標における後方散乱強度は、同じであっても、異なっていてもよい。後方散乱強度は、発光面６から放射される光の色の変化が低減されるように変化する。この実施形態では、散乱層７の密度が発光面６（すなわち、ｘ方向及びｙ方向）に亘って変化し、この密度は、ｚ方向から視てＳＳＬ装置３の上で最も高くなっている。後方散乱強度は、散乱層７の密度によって決定され、後方散乱強度は、散乱層７の密度がより高いところでより強くなる。後方散乱強度は、例えば約１０％〜約５０％の範囲にある値の間で変化し、Ｘ％の後方散乱強度は、散乱層７が受け取った光のＸ％が後方散乱されることを意味する。

後方散乱は、典型的には、散乱素子９によって散乱層７内で引き起こされる。散乱層７の密度は、散乱層７の単位体積当たりの散乱素子９の数によって決定される。散乱層７は、典型的には、散乱素子９を支持するシリコーン等のバインダーを含む。散乱素子９は、例えば気泡、酸化チタン粒子、蛍光体粒子、金属フレーク、ポリマービーズ、又はガラスビーズであってもよい。散乱素子９は、バインダーとは異なる屈折率を有するポリマー含有物であってもよい。

散乱層７は、波長変換粒子１０を有するが、他の実施形態では有しても、有さなくてもよい。波長変換粒子１０は、散乱層７全体に分散されており、波長変換粒子１０の密度、すなわち、散乱層７の単位体積当たりの波長変換粒子１０の数は、均一又は不均一である。波長変換粒子１０は、蛍光体粒子、例えば有機蛍光体粒子又は無機蛍光体粒子であってもよい。蛍光体の具体例としては、ルテチウムアルミニウムガーネット、セリウムドープ・イットリウムアルミニウムガーネット等が挙げられる。波長変換粒子１０は、蛍光体以外の発光材料の粒子、例えばLumogen-Redであってもよい。波長変換粒子１０は、量子ドットであってもよい。いくつかの実施形態では、波長変換素子４は、波長変換粒子１０と同じ種類の粒子を含む。

図３は、発光面６に対して垂直方向に測定された場合（すなわち、ｚ軸の方向）に、この光源アッセンブリ１０の散乱層１２の厚さｔが変化することを除いて、図１の光源アッセンブリと同様の光源アッセンブリ１１を示す。厚さｔは発光面７に亘って変化し、すなわち、厚さｔはｘ方向及びｙ方向で変化する。厚さｔは、例えば５０μｍ〜２００μｍの間で変化することができ、散乱層１１の最も厚い部分は、典型的にはｚ方向で視てＳＳＬ装置３の上にある。厚さｔは、発光面６から放射される光の色の変化に応じて変化する。後方散乱強度は、散乱層１２の厚さｔによって決定され、後方散乱強度は、散乱層１２がより厚くなるところでより強くなる。散乱層１２は、複雑な３Ｄ形状を有してもよく、３Ｄ印刷等の積層造形方法によって発光面６に適用してもよい。他の技術も考えられる。例えば、散乱層１２はオーバーモールディングによって製造することができる。レーザアブレーションは、様々な厚さｔの散乱層１２を提供する技術とすることができる。

散乱層１２における波長変換粒子１０の密度は、ほぼ均一である。散乱層１２の波長変換強度は、散乱層１２の厚さｔによって決定され、波長変換強度は、散乱層１２がより厚くなるところでより強くなる。これは、散乱層１２の厚い部分を通過する光が、散乱層１２の薄い部分を通過する光よりも大きく波長変換されることを意味する。また、他の実施形態では、波長変換粒子１０は省略され得ることに留意されたい。

図４は、図３の光源アッセンブリ１１と同様の光源アッセンブリ１３を示す。しかしながら、図４の光源アッセンブリ１３は、液滴の形態の散乱層１４を有する。従って、散乱層１４は、膨らんだ形状を有する。このタイプの散乱層を発光面６に適用するために、インクジェット印刷を使用することができる。散乱層１４の形状は、発光面６の表面張力、従って接触角θを変更することによって調整することができる。これは、例えば、発光面６に薄いコーティング層を塗布することによって、又は発光面６にプラズマ処理を施すことによって行うことができる。接触角θは、例えば約３５°であってもよい。厚さｔは、発光面７に亘って変化し、散乱層１４の最も厚い部分は、典型的には、ｚ方向から視てＳＳＬ装置３の上にある。最も厚い部分の厚さは、例えば５０μｍ〜２００μｍの間であってもよい。

図５は、図１〜図４、及び図５を参照して説明する光源アッセンブリ８，１１，２１を製造する製造方法のいくつかのステップのフローチャートを示す。

ステップＳ１では、ＳＳＬ装置３及び波長変換素子４が提供され、波長変換素子４は、ＳＳＬ装置３によって放射された光を受け取るように配置され、受け取った光の一部を異なる波長に変換するように構成される。ＳＳＬ装置３及び波長変換素子４は、ＬＥＤパッケージ、場合によっては「既製の」ＬＥＤパッケージの一部であってもよい。

ステップＳ２では、波長変換素子４の発光面６から放射された光の色の変化が測定される。色の変化を測定することは、ＬＥＤパッケージの真上の近接場受信器又はソースイメージングゴニオメータ（source
imaging goniometer）を使用することによって行うことができる。眼の応答曲線Ｘ、Ｙ及びＺを模した少なくとも３つのカラーフィルタを備えたデジタルカメラを使用して、放射面の測色マップを測定することができる。次に、輝度Ｌ及び２つの色座標ｘ＿ＣＩＥ及びｙ＿ＣＩＥが、画像の各ピクセルについて、すなわちＬＥＤ発光面の各位置について決定される。測定された色座標及び所望の色座標に応じて、局所補正が、計算され、後方散乱強度に変換される。

ステップＳ３では、散乱層７，１２，１４が、波長変換素子４の発光面６に適用される。散乱層７，１２，１４は、波長変換素子４に光を再び散乱し直すように構成され、散乱層７，１２，１４の後方散乱強度は、発光面６から放射される光の色の測定された変化を低減させるように、発光面６に亘って変化するように選択される。３Ｄ印刷等の積層造形技術によって、散乱層７，１２，１４を発光面６に塗布することができる。インクジェット印刷を使用して、散乱層７，１２，１４を発光面６に塗布することができる。散乱層７，１２，１４は、典型的には、液滴である。

いくつかの実施形態では、ステップＳ３は、レーザアブレーションによって厚さｔが変化する散乱層を提供するステップによって引き継がれてもよい。次に、ステップＳ３において、実質的に均一な厚さを有する散乱層が発光面６に最初に適用され、その後、散乱層の薄い部分がレーザアブレーションによって除去される。

光源装置１，１１，１３が使用されるとき、ＳＳＬ装置３は、波長変換素子４によって受け取られる光を放射し、波長変換素子４は受け取った光の一部を吸収し、その後、ＳＳＬ装置３によって放射された光とは異なる波長の変換された光を再放射する。変換された光と変換されなかった光との混合された光は、発光面６を介して波長変換素子４から出て、散乱層７，１２，１４に入射する。散乱層７，１２，１４に入射した光の一部は、散乱層７，１２，１４を直接通過し、光出射面８から出る。光の他の部分は、別の機会に波長変換されるよう波長変換素子４に再び散乱し直される。後方散乱はまた、光の強度が発光面６に亘ってより均一になるように、ＬＥＤパッケージ全体に光を拡げる。

例えば、ＳＳＬ装置３が青色光を放射すると仮定すると、変換された光が黄色であり、発光面６から放射される混合光が、ＳＳＬ装置３の真上の中央領域から放射されたときに青みを帯びた白色になり且つ発光面６の縁部に近づくにつれて黄色みを帯びた白色になるように、位置による色の変化によって変化する。換言すれば、放射位置が中央部から縁部に移動するにつれ、放射される光の色温度が低下する。このような状況では、散乱層７，１２，１４は、比較的高い割合の光を中心領域から波長変換素子４に再び散乱し直すように構成される。これは、変換の度合を増大させ、中央領域からの黄色成分を増大させ、青みを帯びた白色光を放射する中心領域と縁部に近づくにつれ黄色みを帯びた白色光を放射する領域との間の移行を平滑に行う結果として、発光面６から放射される光の色差が低減される。従って、光出射面８から出る光は、より均一な色となり、散乱層７，１２，１４がなかった場合の発光面６から出る光よりも、より低い色温度平均を有し、その効果は、近視野だけでなく遠視野において観察者に知覚可能である。

当業者であれば、本発明は決して上述した好ましい実施形態に限定されないことを理解する。それどころか、添付の特許請求の範囲の範囲内で多くの修正及び変形が可能である。例えば、発光面６は、ドーム形状又は他の何らかの非平坦な形状を有することができる。さらに、開示された実施形態に対する変形は、図面、明細書の開示、及び添付の特許請求の範囲の検討から、特許請求の範囲に記載された発明を実施する際に当業者によって理解され、達成され得る。特許請求の範囲において、「備える、有する、含む（comprising）」という単語は、他の要素又はステップを除外するものではなく、不定冠詞「１つの（a, an）は複数を排除するものではない。特定の手段が互いに異なる従属請求項に列挙されているという単なる事実は、これらの手段の組合せが有利に使用できないことを示すものではない。

Claims (9)

1. 光源アッセンブリであって、当該光源アッセンブリは、
   固体照明装置と、
   該固体照明装置によって放射された光を受け取るように配置され、該受け取った光の一部を異なる波長に変換するように構成された波長変換素子と、
   該波長変換素子の発光面に置かれた散乱層であって、波長変換粒子を含む散乱層と、を有しており、
   該散乱層は、前記光の一部を前記波長変換素子内に後方散乱するように構成され、前記発光面に直交する前記散乱層の厚さは、前記固体照明装置の中心からの距離に依存して減少し、それによって前記散乱層の後方散乱強度は、前記発光面に亘って変化し、前記発光面から放射される光の色の変化を低減させる、
   光源アッセンブリ。
2. 前記散乱層は、気泡、酸化チタン粒子、及び蛍光体粒子から構成されるグループから選択された散乱素子を含む、請求項１に記載の光源アッセンブリ。
3. 前記波長変換素子及び前記散乱層は、同じ種類の波長変換粒子を含む、請求項１に記載の光源アッセンブリ。
4. 前記波長変換粒子は、蛍光体粒子である、請求項１又は３に記載の光源アッセンブリ。
5. 前記発光面から出る光の色は、前記光が前記発光面から出る位置に依存する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光源アッセンブリ。
6. 前記発光面は平坦である、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光源アッセンブリ。
7. 光源アッセンブリの製造方法であって、当該製造方法は、
   固体照明装置及び波長変換素子を提供するステップであって、前記波長変換素子は、前記固体照明装置によって放射された光を受け取るように配置され、該受け取った光の一部を異なる波長に変換するように構成される、提供するステップと、
   前記波長変換素子の発光面から放射された光の色の変化を測定するステップと、
   前記発光面に散乱層を適用するステップと、を含み、
   前記散乱層は、前記光の一部を前記波長変換素子内に後方散乱するように構成され、前記散乱層の後方散乱強度は、前記発光面から放射される光の色の測定された変化を低減させるように、前記発光面に亘って変化するように選択される、
   製造方法。
8. 前記散乱層は、積層造形技術によって適用される、請求項７に記載の製造方法。
9. 前記散乱層は、前記発光面に液滴の形態で塗布される、請求項７に記載の製造方法。

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