JP5539575B2 - 固体素子照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、全般照明の分野に関し、より詳細には、光源として例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）または半導体レーザを使用する照明装置に関する。

固体素子光源は、作動温度、演色性、色むら、及び発光効率において制約があるため、全般照明としては未だにあまり使用されていない。例えば、１０Ｗないし４０Ｗの入力電力を有する固体素子光源は、作動温度が高いため、比較的大型の熱拡散体及び冷却構造体の使用を必要とする。さらに、ＬＥＤのスペクトル帯域は狭く、現在発見されている高効率な蛍光体の種類は限られているため、ＬＥＤの演色性は限定されている。さらに、ＬＥＤの近傍での蛍光体の使用は、温度及び化学的不適合性のために、蛍光体の選択を限定する。波長変換材料の塗布過程の製作公差及び波長変換材料自体の変性に起因して、色むらに関しても問題がある。そして、従来の固体素子光源の冷却効率は従来のガス放電ランプよりも低いため、大型の冷却構造体が必要となる。

固体素子照明の光源（例えばＬＥＤ及びレーザ）は、例えば白熱電球のフィラメント、ガス放電ベースの蛍光灯のカソードまたは高輝度放電ランプのプラズマなどの他のタイプの光源よりも低い温度（６０度ないし２００度）で作動する。白熱電球等の作動温度が高い従来の光源は、ランプで生成された熱の大部分の空気中への放射及び広範囲への拡散を生じさせる。ＬＥＤは作動温度がより低いため空気中へ放射する熱は従来の他のタイプの光源よりも少ないが、ＬＥＤはより高性能の冷却構造体を必要とするため、ＬＥＤランプを従来の光源と同じ入力電力で現存の照明器具に使用することは困難である。幸いなことに、大抵の場合、ＬＥＤシステムの入力電力は、従来の光源に使用される入力電力よりも低い。しかし、最新ＬＥＤが白熱電球よりも効率（生成された光出力の入力電力に対する効率）が高くなり、そして、ガス放電ベースの従来のランプよりも効率が高くなったとしても、冷却効率についての問題は、固体素子光源を採用する上での問題として依然として残る。

固体素子光源を利用するために前記問題を克服するのに必要とされる技術及び設備投資は、固体素子照明装置の設置コストを従来の他の光源方式よりも高くする。そのため、効率的で環境に安全な固体素子照明技術の導入が遅れている。したがって、前述した欠点の多くに対する解決策を有し、既存のインフラ構造体に使用及び取り付けることができる照明装置が求められている。

本発明のある実施形態による固体素子照明装置は、基部上に載置され、少なくとも１つの側壁で囲われた半導体発光素子を含む。前記基部は、前記半導体発光素子のための電気接続手段と、前記半導体発光素子に熱的に接続される熱拡散体とを含む。前記少なくとも１つの側壁に反射性の頂部が取り付けられ、前記基部、前記頂部及び前記少なくとも１つの側壁によりチャンバが画定される。前記チャンバから放射された光線の少なくとも７０％が、前記チャンバの前記側壁から放射される。

別の実施形態では、固体素子照明装置は、基部上に載置され、少なくとも１つの側壁で囲われた半導体発光素子を含む。前記少なくとも１つの側壁に頂部が取り付けられ、前記基部、前記頂部及び前記少なくとも１つの側壁によりチャンバが画定される。前記チャンバの光学特性（例えば光出力の色または光強度など）を変更するために、前記半導体発光素子から発光された光線に曝される前記チャンバ内の表面領域を調節するように構成された調節可能な波長変換要素が、前記チャンバに取り付けられる。ある実施形態では、前記頂部及び基部の一方は、前記調節可能な波長変換要素を前記チャンバ内に調節可能に挿入するための開口部を有する。前記調節可能な波長変換要素は、波長変換材料を含むロッドであり得る。ある実施形態では、前記ロッドは、例えば長さまたは直径を拡張または収縮させるべく拡張及び収縮する拡張可能部分を含む。

別の実施形態では、本発明のある実施形態による固体素子照明装置は、基部上に載置され、少なくとも１つの側壁で囲われた半導体発光素子を含む。前記基部は、前記半導体発光素子のための電気接続手段と、前記半導体発光素子に熱的に接続される熱拡散体とを含む。前記基部及び少なくとも１つの側壁は、高さ対直径の比（Ｈ／Ｄ比）が２以上のチャンバを画定する。

本発明のある実施形態による、半導体発光素子を有する固体素子照明装置を示す。 照明装置の分解図である。 照明装置の組み立てた状態を示す。 照明装置の頂部要素の波長変換材料を示す。 照明装置の頂部要素の波長変換材料を示す。 照明装置の頂部要素の波長変換材料を示す。 本発明の別の実施形態による、半導体発光素子を有する固体素子照明装置を示す。 照明装置を単純化した図である。 固体素子照明装置の性能と高さ／直径比を関数とした効率のシミュレーション結果を示す。 固体素子照明装置の性能と高さ／直径比を関数とした効率のシミュレーション結果を示す。 固体素子照明装置の別の実施形態を示す。 固体素子照明装置の別の実施形態を示す。 個別の頂部要素を有していない本発明の別の実施形態による固体素子照明装置を示す断面図である。 個別の頂部要素を有していない本発明の別の実施形態による固体素子照明装置を示す断面図である。 照明装置の側壁の別の形状を示す。 照明装置の側壁の別の形状を示す。 別の実施形態による固体素子照明装置を分解した状態を示す側面図である。 別の実施形態による固体素子照明装置を組み立てた状態を示す側面図である。 調節可能な波長変換要素を示す。 本発明の別の実施形態による固体素子照明装置内での調節可能な波長変換要素の使用状態を示す。 本発明の別の実施形態による固体素子照明装置内での調節可能な波長変換要素の使用状態を示す。 手動で調節できる調節可能な波長変換要素の例である。 手動で調節できる調節可能な波長変換要素の例である。 アクチュエータで駆動される調節可能な波長変換要素の例である。 アクチュエータで駆動される調節可能な波長変換要素の例である。 調節可能な波長変換要素の別の実施形態を示す。 調節可能な波長変換要素の別の実施形態を示す。 調節可能な波長変換要素の別の実施形態を示す。 調節可能な波長変換要素の別の実施形態を示す。 調節可能な波長変換要素の別の実施形態を示す。 調節可能な波長変換要素の別の実施形態を示す。 調節可能な波長変換要素の別の実施形態を示す。 調節可能な波長変換要素の別の実施形態を示す。 調節可能な波長変換要素の別の実施形態を示す。 頂部要素が調節可能な波長変換要素である別の実施形態を示す。 頂部要素が調節可能な波長変換要素である別の実施形態を示す。 リフレクターランプを構成するために、リフレクター要素と共に使用される固体素子照明装置の実施形態を示す。 図１７Ａに示したリフレクターランプの光強度プロファイルを示す。 調節可能な波長変換要素が使用されたリフレクターランプを構成するために、リフレクター要素と共に使用される固体素子照明装置のさらなる実施形態を示す。 調節可能な波長変換要素が使用されたリフレクターランプを構成するために、リフレクター要素と共に使用される固体素子照明装置のさらなる実施形態を示す。 固体素子照明装置をバックライトとして使用した状態を示す。 固体素子照明装置をバックライトとして使用した状態を示す。 固体素子照明装置をバックライトとして使用した状態を示す。 固体素子照明装置の用途の例を示す。 波長変換要素を、図１９Ｂに示したような照明装置と共に使用した状態を示す。 固体素子照明装置を使用したろうそく型のランプ電球を示す。 固体素子照明装置と共に使用することができる様々な形状の球形電球と、その電球を照明装置に載置した状態を示す。 固体素子照明装置と共に使用することができる様々な形状の球形電球と、その電球を照明装置に載置した状態を示す。 固体素子照明装置と共に使用することができる様々な形状の球形電球と、その電球を照明装置に載置した状態を示す。 固体素子照明装置と共に使用することができる様々な形状の球形電球と、その電球を照明装置に載置した状態を示す。 固体素子照明装置と共に使用することができる様々な形状の球形電球と、その電球を照明装置に載置した状態を示す。 固体素子照明装置と共に使用される電球のねじ取り付け部を示す拡大図である。

図１は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）などの少なくとも１つの半導体発光素子１０２を使用した固体素子照明装置１００の側面図である。本明細書中では、半導体発光素子１０２は、発光ダイオード１０２またはＬＥＤ１０２と互換的に使用される。ある実施形態では、ＬＥＤ１０２はレンズ１０４を備えており、そのようなＬＥＤとしては、例えばフィリップスルミレッズライティング（Philips Lumileds Lighting LLC）社製のルクシオンレベル（Luxeon Rebel）またはルクシオンＫ２（Luxeon K2）が用いられる。所望に応じて、例えば日亜化学工業社（日本）、クリー（Cree）社（米国）、オスラム（Osram）社（ドイツ国）及び豊田合成社（日本）の各社の製品などの、他の市販の半導体発光素子を用いることもできる。これらの様々な製造業者により製造された半導体発光素子は、形態、サイズ及び取り付け方法がそれぞれ異なるが、それらの半導体発光素子は全て、図１の照明装置内に適合させることができる。

さらに、図１ではレンズ１０４を備えた半導体発光素子１０２が図示されているが、例えばフィリップスルミレッズライティング社製のルクシオンフラッシュＬＥＤ（Luxeon Flash LED）やオスラム社製のオスターＬＥＤ（Ostar LED）などのレンズを備えていない半導体発光素子も使用することもできる。オスターＬＥＤは、パッケージ内に複数のダイを有するＬＥＤの一例である。ＬＥＤ１０２は、必ずしもではないが典型的には、ＬＥＤダイまたはＬＥＤチップ１０６と呼ばれる発光素子と、サブマウント１０８と呼ばれるチップ支持体とから構成される。所望に応じて、複数の半導体発光素子を使用することができる。

図１に示すように、ＬＥＤ１０２は、この実施形態では印刷回路基板１１４と熱拡散器１１２とから構成される基部１１０上に載置される。ある実施形態では、例えばシーレ・ブリー（CIRE, Bree Industry）社製の金属コア印刷回路基板（ＭＣ−ＰＣＢ）が使用され得る。あるＬＥＤ（例えばルクシオンＫ２）では、（接着またははんだ付けにより、あるいは、サーマルペーストまたはサーマルテープを使用して）ＬＥＤ１０２を熱拡散器１１２上に直接的に載置し、ＬＥＤリード線を標準ＰＣＢ（例えばＦＲ４材料製）上の接続パッドに接続するか、またはＬＥＤリード線に電線を直接的にはんだ付けすることも可能である。熱拡散器１１２は、例えば、米国のアアビッドサマロイ（Aavid Thermalloy）社製またはサマルフロ（ThermalFlo Inc.）社製のものが使用される。典型的にはヒートシンクは押出アルミニウムであり、例えば放射状押し出し部材（Radial Extrusion）と呼ばれる、中央コア及び放射状に配置されたフィンから構成された部材であり得る。ヒートシンク１１２は低い熱抵抗を有すべきであり、ＬＥＤ出力が最大５Ｗの場合は１０Ｋ／Ｗ未満、ＬＥＤ総入力電力が最大１０Ｗの場合は５Ｋ／Ｗ未満、ＬＥＤ総入力電力が最大２５Ｗの場合は２Ｋ／Ｗ未満であることが好ましい。ヒートシンク１１２は、複数の部品から構成され得、各部品は異なる形状及びサイズであり得る。ヒートシンク１１２はまた、照明器具のハウジングと一体化させ得るか、または照明器具のハウジングを形成し得る。ＬＥＤに加えて、基部１１０は、例えば温度センサ（例えばＮＴＣサーミスタ）またはＲＧＢ光学センサ（例えば浜松ホトニクス社（日本）の部品番号Ｓ１０１７０）などの、その他の電子部品（図示せず）を備え得る。さらに、基部１１０は、例えば米国のマキシム（Maxim）社製のＭＡＸ１６８０３またはＭＡＸ１６８１９などのＬＥＤドライバ、及び、それらのドライバとの組み合わせるのに必要な部品を備え得る。さらに、基部１１０は、照明装置１００を電源またはコンセントへ電気的に接続するための電気接続手段１１６を備える。

照明装置１００は、少なくとも１つの側壁１２０を備える。側壁１２０は、上から見たときに円形、楕円形、三角形、四角形または多角形の形状を有し得、光学的に透明または半透明の材料、ガラス、プラスチック及び／またはＡ１Ｏ２で作製され得る。Ａ１Ｏ２は熱伝導率及び光透過性が高いので、側壁１２０を作製するための材料として使用することは好適である。Ａ１Ｏ２はプラスチックに混合して使用することができるが、セラミック形態（アルミナ）または結晶形態（サファイア）などの純粋な形態で使用することもできる。例えば、側壁１２０が、円形または楕円形の形状を有する場合、単一の連続的な側壁が使用され得る。三角形、四角形またはその他の同様な不連続形の形状が用いられる場合、別個の側壁部分が使用され得る。そのような場合でも、本開示では説明を簡単にするために、側壁１２０と称する。ある実施形態では、「Ｄ」字状を有する構造体を形成するために、側壁１２０のある部分は連続しており他の部分は連続していない。ある実施形態では、側壁１２０は、散乱性をより高めるために、金属酸化物粒子（例えばＭｇＯ２またはＡｌＯ２）と混合可能なプラスチック（例えばＰＣ（ポリカーボネート）、ＰＭＭＡ（アクリル）またはＺｅｏｎｅｘ（日本のゼオン社製））から作製することができる。前記プラスチック及び金属酸化物粒子は、射出成形または押出成形することができる。側壁１２０の厚さ１２０ｔは、例えば０．１ｍｍないし３ｍｍである。側壁１２０の直径１２０ｄは、ＬＥＤ１０２のサイズまたは使用されるＬＥＤ１０２の個数に応じて異なるが、３ｍｍないし１３ｍｍであり得る。

照明装置１００は、頂部要素１２２を備え得る。頂部要素１２２は、例えば、高い反射率（好ましくは少なくとも８０％の反射率）を有する光学材料で作製され、拡散反射性（例えば日本の古河電工社製のＭＣ−ＰＥＴで作製された材料から得られる）、または鏡面反射特性（ドイツ国のアラノッド（Alanod）社製の材料（商品名ミロ（Miro））から得られる）、あるいは鏡面反射性と拡散反射性との組み合わせを有する。アラノッド社製のいくつかの材料は、拡散反射性と鏡面反射性との組み合わせを有する。あるいは、鏡面上に様々なサイズの白色ドットを様々な密度でスクリーン印刷することにより、鏡面反射材料上に拡散効果を生じさせることができる。白色ドットのスクリーン印刷を、高い発光効率または色均一性を得るために使用することができる。頂部要素１２２は、発光効率または色均一性を制御するために、微細構造を有し得る。さらに、頂部要素１２２は、例えば色センサ１２２ｃｓ（例えば浜松ホトニクス社（日本）の部品番号Ｓ１０１７０）または温度センサ１２２ｔｓ（ＮＴＣサーミスタ）などの電子部品も備え得る。これらの電子部品は、頂部要素１２２、側壁１２０及び基部１１０により画定されるチャンバ１３０のほぼ中央を通る細い電線（図示せず）によって基部１１０に接続され得、好ましくは、高反射性の白色コーティングまたは蛍光体などの波長変換材料で被覆され得る。

照明装置１００は、反射部材１２４ａ及び／または１２４ｂを備え得る。反射部材１２４ａ及び／または１２４ｂは、頂部要素１２２と同様に、高光反射性及び低光吸収性を有し得、鏡面反射性及び／または拡散性を有し得、反射光の配光を制御する微細構造を有し得る。ＬＥＤ１０２からの光が反射部材１２４ａ及び１２４ｂの縁部によって遮られるのを防ぐために、反射部材１２４ａ及び１２４ｂは、厚さが薄くあり得、ＬＥＤ１０２の発光領域の周囲に密接に適合し得る。一例として、反射部材１２４ａ及び１２４ｂは、米国の３Ｍ社製の、ビキュイティ高鏡面反射（Vikuiti Enhanced Specular Reflector：ＥＳＲ）フィルムであり得る。ビキュイティＥＳＲフィルムは、高反射率、約６５μｍの厚さ及び柔軟性を有し、ＬＥＤまたはＬＥＤレンズに損傷を与えることなくＬＥＤの周囲への密接な適合を実現するのに有用である。薄い拡散反射材料の例は、日本の東レ社製のＥ６０Ｌである。

ある実施形態では、照明装置１００は、例えば赤色、緑色及び青色のＬＥＤ１０２を使用し、頂部要素１２２上に載置されたフィードバックセンサ１２２ｃｓ及び／または１２２ｔｓと組み合わせることにより、バックライトとして使用することができる。

図２Ａ及び２Ｂは、図１に示した照明装置１００と類似する、別の実施形態の固体素子照明装置１５０の側面図である（各図面中の同一の符号は同様の要素を示す）。図２Ａは、照明装置１５０の分解図であり、図２Ｂは、照明装置１５０の組み立てた状態を示す。

この実施形態の反射部材１２４は、ＬＥＤ１０２が載置される基部１１０上に適合するように設計された載置板１７２を使用して、側壁１７０に取り付けられている。この実施形態の反射部材１２４は薄くて柔軟な材料で作製され得、例えば３Ｍ社製のビキュイティ高鏡面反射（ＥＳＲ）フィルム（高反射率を有する、厚さは６５μｍ）または日本の東レ社製のＥ６０Ｌ（高拡散性白色反射フィルム、厚さは１８８μｍ）などから作製され得る。反射部材１２４のために薄くて柔軟な材料を使用することにより、載置した反射部材によってＬＥＤ１０２が損傷することを避けることができる。さらに、非常に薄い材料を使用することにより、ＬＥＤ１０２からの光（支持構造体１１０と平行に放射される光）が反射部材１２４の縁部によって遮断されることがほとんどなくなる。

この実施形態の頂部要素１８０は、側壁構造体１７０に適合する縁部１８２を有する。縁部１８２は、圧入、接着、クリック嵌合またはねじ止めにより、側壁構造体１７０に固定される。所望に応じて、頂部要素１８０は、頂部反射体１８６の内側面（ＬＥＤ側面）に波長変換層１８４を有し得る。反射変換層１８４は、結合剤に波長変換材料を混合した混合物から形成された均一層であり得るか、または、図３Ａ、図３Ｂ及び図３Ｃに示すように頂部要素１８６上に形成されたドットから構成され得る。ドットは、例えばスクリーン印刷によって形成され得る。波長変換層１８４は、１つ以上の蛍光体材料を含み得る。そのような蛍光体材料としては、例えば、琥珀色または赤色の光を発光する蛍光体材料、琥珀色と赤色との組み合わせを発光する蛍光体材料、黄色または緑色の光を発光する蛍光体材料、あるいはそれらの組み合わせなどがある。

波長変換層１８４を有する頂部要素１８０の作製の一方法は、大きな板状の波長変換材にスクリーン印刷し、頂部要素を所望の形状で打ち抜くことである。図３Ａ及び３Ｂに示すように、波長変換層１８４は、様々な数（及び／またはサイズ）の波長変換材料ドット１８５から成り、頂部反射体１８６（または頂部反射体１８６上に積層された別の材料）の表面上に形成される。図３Ｃに示すように、異なる波長変換材料を使用して、互いに異なるドット１８５ａ及び１８５ｂを形成することができる。あるいは、波長変換材料の混合物を使用して各ドットを形成することにより、より連続的で平らなスペクトルを生成することができる。このことにより、色調度の高度な同調性を提供し、いわゆる演色評価指数を向上させることができる。ドット１８５は、例えばスクリーン印刷やインクジェット印刷などにより、頂部反射体１８６に塗布することができる。図３Ａないし図３Ｃでは比較的少数のドットが図示されているが、実際には、頂部要素１８０からの均一な反射を得るのに役立つこれらの技術に、多数のドットを使用することができることを理解すべきである。

側壁１７０は、載置板１７２に取り付けられた透明な内壁１７２と、内壁１７２の外面に形成された波長変換層１７１とを有する。波長変換層１７１は、結合剤に波長変換材料を混合した混合物から形成された均一層であり得るか、または、内壁１７２の外面に形成された複数のドットから構成され得る。所望に応じて、波長変換層１７１は、内壁１７２の内面に形成され得る。側壁は、（着色された飲用ストローを作成するときのように）プラスチック材料に蛍光体を混合した混合物を押出成形して作製した単一の部材であり得るか、または、蛍光体が、透明若しくは半透明の円筒状キャリアの内面または外面に塗布され得る。蛍光体が「キャリアチューブ」に塗布される場合、蛍光体の層が損傷することを避けるために、蛍光体は前記チューブの内側に塗布されることが好ましい。キャリアチューブの外側は、（エッチング、サンディングまたはグラインディングによって）粗面化するか、または微細構造を有することが好ましい。

この実施形態の重要な側面は、様々な頂部、側部及び底部を、様々な色の固体発光素子デバイスと組み合わせることができる能力、並びに、側部１３及び頂部要素１２において、様々な波長変換の組み合わせ、波長変換層の厚さ、波長変換密度及び／または被覆率を組み合わせることができる能力である。主発光体１１の所与の特性及び用途の要求に応じて、ユーザの要望に可能な限り近い色調度、演色評価指数及び空間光出力を有する照明装置が作製されるように、頂部要素１２と同様に、既知の特性を有する適切な側壁１３が選択される。様々な固体発光体に合わせて様々な底部を使用することができ、照明装置の使用目的に応じて、様々な発光体、側部要素及び頂部要素を慎重に選択して組み合わせることにより、波長、出力光、及び／または順方向電圧を変更することができる。このことにより、製品の仕様を変更することなく、または、特定の製造メーカで製造された主発光デバイスを大量に使用することなく、主発光デバイス１１の入手可能性に応じて供給者を変更することが可能である。このことは、例えば、前記照明装置のコンピュータモデルを使用し、入手可能部品のデーターベースにアクセスすることにより達成することができる。

図４は、照明装置１５０と類似する、別の実施形態による照明装置２００の側面図である（各図面中の同一の符号は同様の要素を示す）。照明装置２００は、サブマウント２０６に載置された複数のＬＥＤ２０２（ＬＥＤチップ２０４Ａ及び２０４Ｂ）と、チップ２０４を取り囲むようにしてサブマウント２０６に取り付けられた反射部材２０８と、チップ２０４及び反射部材２０８の周囲に配置されかつサブマウント２０６に取り付けられた側壁部２１０とを備える。所望に応じて、より多いまたはより少ない数のＬＥＤを使用し得る。頂部要素１８０は、図２Ａに示した頂部要素と同様に構成され得る。照明装置２００は、サブマウント２０６と側壁部分２１０とで画定されるチャンバ２１３内に、透明光学材料２１４を備える。透明光学材料２１４は、シリコン材料であり得、例えばダウコーニング（Dow Corning）社製の商品番号ＪＣＲ６１０９またはＪＣＲ６１１０Ａ／Ｂなどの比較的柔軟なまたは適合するシリコン材料であり得る。あるいは、シリコン材料の代わりに、エポキシまたは任意のその他の透明材料を使用することもできる。柔軟なシリコン材料２１４を使用することの利点は、シリコン材料２１４によって、ＬＥＤチップ２０４を保護できること、及び、ＬＥＤチップ２０４や該チップに接続されるワイヤボンドに損傷を与え得る熱的応力または機械的応力の発生を避けることである。サブマウント２０６と側壁２１０とで画定されたチャンバ２１３内に透明光学材料２１４を入れた後、頂部要素１８０を側壁２１０に取り付け、そして、シリコンを熱硬化、ＵＶ硬化または他の適切な方法により硬化させる。図４に示すように、頂部材料１８０は、チャンバ２１３内のシリコンの膨張を可能にするための空洞１８１を有し得る。この構造は、シリコン２１４によりＬＥＤチップ２０４を保護できると共に、屈折率マッチングが良好になることによりチップ２０４からの抽出効率を向上させるという利点を有する。さらに、照明装置２００は、コンパクトな構造を有し得る。

図５は、図１の照明装置１００の単純化側面図である。図５は、照明装置１００の光学特性を示すものであり、照明装置の全ての構成要素は示していない。図から読み取れるように、主光源であるＬＥＤ１０２は、ＬＥＤチップ１０４から側壁１２０方向（光線１３２）及び頂部要素１２２方向（光線１３４）の両方向に光線を放射する。光線１３２は側壁１２０に当たり、光線の一部は所望の標的１４０（図１）に向かって伝達され、光線の他の一部は側壁１２０の光学特性に応じて側壁で反射される。側壁１２０のある部分で反射された光線は、頂部要素１２２、側壁１２０の別の部分、または底部（反射部材１２４ａとＬＥＤ１０２とから構成される）のいずれかと当たる。最終的には、デバイス１００から放射された光線の少なくとも７０％が、側壁１２０から外部へ放射される。

この照明装置内の光線経路の別の例が、光線１３４により示されている。この場合は、ＬＥＤ１０２からの光線は、頂部要素１２２に直接当たる。頂部要素１２２は、高反射性を有するように設計されているので、光線の大部分は頂部要素１２２で反射される。頂部要素１２２で反射された光線は、側壁１２０、反射部材１２４ａまたはＬＥＤ１０２のいずれかと当たる。

図５に示す照明装置１００の構造は、照明用途において、特に発光ダイオードと共に使用することにおいて、多くの利点を有する。第１に、光線の大部分が側壁を通過して装置の外部へ出ることができる。そして、図１７Ａ、図１８及び図２２Ｅに示すようなリフレクターランプの場合は、リフレクターでより光線を容易に捕らえることができる。また、例えば図１９及び図２０に示すようなバックライト形態の場合は、光線を拡散させることができる。第２に、頂部要素１２２、側壁１２０及び底部（反射部材１２４ａとＬＥＤ１０２とから構成される）で画定されたチャンバ１３０内で、１つ以上の主発光体からの光線を混合させることができる。製作公差に起因してＬＥＤの色及び色強度にはばらつきがあるので、チャンバ１３０内で光を混合させることは有利である。さらに、異なる色を発光する様々なＬＥＤをパッケージ内に設置することができ、個々のＬＥＤの駆動電流を調節することにより照明装置から放射される光線の色を変更することができる。第３に、照明装置１００の光強度プロファイル（角度による光強度の差異）は白熱ハロゲン球内の線形フィラメントの放射パターンと類似しているので、照明装置１００に基づいた取付器具の開発に既存の光学デザイン及び製造技術を用いることができる。第４に、側壁１２０及び／または頂部要素１２２が波長変換材料を含む実施形態では、照明装置１００のこの構造は、様々な蛍光体または様々な蛍光体変換要素を有する様々な頂部要素１２２及び／または側壁１２０の使用を可能にし、そのため、側部及び頂部要素を交換することにより様々な色調度を得ることができる。第５に、このキャビティ（チャンバ）は、好ましくは、（非常に）低い吸収率を有する材料で作成されるので、特にＬＥＤチップ上に波長変換層を形成した場合（光線の一部がチップ内に直接的に戻り、部分的に吸収される）と比較すると、この構造は効率を高くすることができる。第６に、側壁１２０及び／または頂部要素１２２が波長変換材料を含み、ＬＥＤ１０２が青色またはＵＶポンプ光を生成する実施形態では、照明装置１００から出力される光線の色または白色の色調は、ＬＥＤ１０２の波長及び光出力を測定した後に（または既知の場合）、組立過程の後ろの工程で追加される例えば側壁１２０及び頂部要素１２２などの構成要素によって決定される。したがって、所望の光出力を得るために、波長変換材料及び材料密度、及び／または側部要素１２２及び頂部要素１２０の厚さを、測定されたまたは既知のＬＥＤ１０２の波長及び光線出力に基づいて選択することができる。

照明装置１００の出力全体についての（すなわち側壁１２０に沿った）輝度分布は、主発光体（すなわちＬＥＤ１０２）の光強度プロファイルと、頂部要素１２２、側壁１２０及び反射部材１２４ａの光学特性及び幾何学的特性とに応じて決定され、また、使用されるＬＥＤチップの個数及び空洞チャンバ内のチップの位置に応じても決定される。側壁１２０の高さＨ及び側壁１２０の直径Ｄは、光学デザインにおける、輝度分布に影響を与えるパラメータである。ある実施形態では、Ｈ／Ｄの比率は、０．５ないし２．０であり得る。

図６Ａは、様々なＨ／Ｄ比の場合の照明装置の放射率を、側壁の高さ方向の位置を関数として示す。図６Ａに示したシミュレーションでは、側壁１２０が、４８％の伝達効率、４８％の反射効率、及び、アクリル製拡散体の特性と類似するランバート散漫散乱特性を有するとする。このシミュレーションでは、直径１２ｍｍの円筒形の側壁が使用される。頂部要素の反射係数は９８％とし、これは、日本の古河電工社製のＭＣ−ＰＥＴ材料を使用することにより達成される。頂部要素が拡散反射材料であるとしてシミュレーションを行う。

頂部要素は、側壁と同様に、１２ｍｍの直径を有する。反射性の底部部材は、光源の発光領域の外側の領域における反射効率が９８％であるとする。また、光源の発光領域の反射係数は０％であるとする。実際は、光源は、若干の反射性を有するが、それは低い値であり得、異なる発光体を選択することにより変更することができる。この場合、光源の放射領域は、ルクシオンレベル（Luxeon Rebel）ＬＥＤのレンズの直径にほぼ相当する、直径３ｍｍの円形であるとする。

円筒形側壁の長さに対する位置を関数とした放射率の結果は、図６Ａの円筒形キャビティの高さ対直径の比（Ｈ／Ｄ比）の関数として与えられる。円筒形キャビティの実際の長さ（直径）が１２ｍｍの場合における、６ｍｍ、１０ｍｍ、１４ｍｍ、１８ｍｍ及び２４ｍｍの高さに対応する、０．５、０．８３、１．１７、１．５０及び２．０のＨ／Ｄ比をそれぞれ有する５つの曲線が示されている。Ｈ／Ｄ比が低い場合は放射率の均一性は比較的高いが、Ｈ／Ｄ比が高くなるに従って放射率の均一性は低下する。

図６Ｂは、図６Ａでシミュレーションした照明装置と同一の光学パラメータを用いた場合の、Ｈ／Ｄ比を関数とする発光効率を示す。効率は、側壁から標的に向かって放射される光線を、チップで生成された光線で割った値である。通常、光線は、ルーメンを単位として測定される。波長変換体を使用する場合、効率を規定するために放射電力を使用する必要がある。しかしその場合、簡単に言えば波長変換された光子と（よりエネルギーの高い）青またはＵＶ光子との間のエネルギーの差異であるいわゆるストークスシフトに起因して、効率はグラフに示された値よりも低くなる。蛍光体変換の場合、グラフに示した効率はさらに１５〜２５％低下する。Ｈ／Ｄ比が低い場合、散乱して底部に戻る光線の量に起因して、発光効率は比較的低くなる（光線が光源に吸収されるので、底部の反射効率は低いと考えられる）。Ｈ／Ｄ比が高い場合、効率は約９０％の値に達し、Ｈ／Ｄ係数が１．２５の場合に８５％の値に達する。実際には、出力領域全体における許容可能な色均一性及び（合計の）発光効率は、Ｈ／Ｄ比の適切な選択によって得られる。好適なＨ／Ｄ比は、０．５ないし２の範囲であり、特に０．８ないし１．６の範囲である。

図７Ａ及び図７Ｂは、固体素子照明装置２５０Ａ及び２５０Ｂ（本明細書中では両者をまとめて照明装置２５０と呼ぶこともある）の２つの実施形態をそれぞれ示す。照明装置２５０は、図１及び図５に示した照明装置１００と類似しており、各図面中の同一の参照符号は同様の要素を示す。さらに、図７Ａ及び図７Ｂでは、照明装置２５０の一部のみが示されている。照明装置２５０は、発光効率及び色均一性をさらに向上させるのに使用することができる機構を備えている。図７Ａでは、頂部要素２５２Ａは凹状に形成されており、ＬＥＤ１０２に向かって内側に湾曲している。凹形状の頂部要素２５２Ａは、頂部要素で反射された光線を側壁１２０の方へ向けることにより主光源に戻る光線が少なくなるという効果を有し、それ故に、光源に吸収される光線は少なくなる。頂部要素２５２Ａの形状は、発光効率及び色均一性が高くなるように必要に応じて変更することができ、非球面形または円錐形を含み得る。所望に応じて、頂部要素２５２Ａは、凹状形状の代わりに、凸状形状を有し得る。特定の幾何学構造のための最適な形状は、ブリュートリサーチオーガナイゼイション（Breault Research organization）社製のＡＳＡＰやオプティカルリサーチアソーシエイト（Optical Research Associates）社製のLightToolsなどの市販の光線追跡プログラムを使用して容易に決定することができる。

図７Ｂは、凸形状の頂部要素２５２Ｂと、楕円形または放物形の形状を有する反射部材２５４とを備えた照明装置２５０Ｂを示す。所望に応じて、凹形状の頂部要素２５２Ａを、照明装置２５０Ｂに使用することもできる。湾曲した反射部材２５２Ａは、主発光体１０２からの光線を頂部要素２５２Ｂへより多く導き、側壁へはあまり光線を導かないという効果を有する。頂部要素２５２Ｂが側壁１２０とは異なる色波長変換手段を備える場合、頂部要素２５２Ｂへより多くの光線を導くことは、照明装置２５０Ｂの出力光の色を制御するのに有用であり得る。ある実施形態では、頂部要素２５２Ｂは、赤色発光蛍光体層を有し、側壁は緑色発光蛍光体層を有する。平面形状の反射部材１２４ａの代わりに楕円形状の反射部材２５４を使用することにより、主発光体１０２からの光線を頂部要素２５２Ｂへより多く導き、より多くの光線を赤色光線に変換することができ、その結果、出力光はより低い相関色温度を有することとなる。また、楕円形状の反射部材２５４を使用することにより、大角度で発光された光線を側壁１２０の上側部分に向かって導くことにより、側壁からの発光の均一性を向上させることもできる。

図８Ａ及び図８Ｂは、照明装置３００Ａ及び３００Ｂ（本明細書中では両者をまとめて照明装置３００と呼ぶこともある）の断面図をそれぞれ示す。照明装置３００は図１及び図５に示した照明デバイス１００と類似しているが、照明装置３００は別個の頂部要素は備えていない（各図面中の同一の参照符号は同様の要素を示す）。照明装置３００は、例えば図８Ａに図示するようなＨ／Ｄ比が大きい場合に、特に有用である。主発光体１０２からの光線の大部分は、側壁１２０に直接入射し（光線１３２で示すように）、光線の一部のみが装置の頂部に向かって逃げる（光線１３４で示すように）。ある実施形態では、照明装置３００は、２．０以上の、好ましくは３．０以上のＨ／Ｄ比を有する。図８Ｂは、側壁３０２同士を結合させて頂部要素３０４を形成した照明装置３００Ｂの構成を示す。照明装置３００Ｂは、比較的安価な押出法を用いて側壁３０２を形成することができるので有利である。締め付け、接着、熱的形成、またはその他の適切な技術によって側壁３０２を閉じることにより、頂部３０４が形成される。

図９Ａ及び図９Ｂは、照明装置３５０Ａ及び３５０Ｂ（本明細書中では両者をまとめて照明装置３５０と呼ぶこともある）の断面図をそれぞれ示す。照明装置３５０は図１及び図５に示した照明デバイス１００と類似しているが、照明装置３００は異なる形状の側壁を備えている（各図面中の同一の参照符号は同様の要素を示す）。図９Ａに示すように、頂部要素３５２及び側壁３５４は両方とも湾曲しており、このことにより、より多くの光線が上向きに放射される（すなわち、基部１１０から装置外部へ側壁３５４を通じて放射される）。このことは、照明装置３５０Ａを比較的低い位置に配置し、光線をより高い位置で受け取るようにした照明アプリケーションの場合に有益である。図９Ｂの装置は図９Ａの装置と同様の効果が得られるが、図９Ｂの装置では直線的な側壁３５６を使用している。

図９Ａ及び図９Ｂにおける側壁３５４及び３５６の両方の形状は、好ましくは、射出成形により製造され、波長変換手段がスプレー印刷により堆積させられるか、または、蛍光体がプラスチック材料に混合される。スプレー印刷の場合、結合剤としてラッカーが使用され得、５μｍないし５０μｍの範囲の全層厚さとなるように側壁部分に塗布される。側壁の射出成形に適切なプラスチック材料の例としては、ＰＭＭＡまたはＺｅｏｎｅｘがある。

図１０Ａ及び１０Ｂは、別の実施形態による照明装置４００の分解状態及び組立状態の断面図をそれぞれ示す。照明装置４００は、図１に示した照明デバイス１００と類似している（各図面中の同一の参照符号は同様の要素を示す）。照明装置４００は底部１１０を備えており、底部１１０は外側の側壁４０２に取り付けられている。頂部要素４０６が、内側の第２の側壁４０４に取り付けられている。反射部材４０８が、内側の側壁４０４に取り付けられている。図示したように、照明装置４００は、外側の側壁４０２に内側の側壁４０４を挿入することにより組み立てられる。この構造の利点は、様々な波長変換手段または波長変換効率を有する頂部要素を使用することにより、高い色均一性、及び、様々な色または白色調度が得られることである。この実施形態の代わりとして、反射部材４０８を底部１１０に取り付けることも可能である。また、外側の側壁４０２を頂部要素４０６に取り付け、内側の側壁４０６を底部１１０に取り付けることも可能である。所望に応じて、例えばこの照明装置をリフレクターランプに使用する場合、または、光線の外側が光線の中央とは異なる色若しくは光強度を有する照明パターンが所望される場合は、内側の側壁４０４を、外側の側壁４０２で完全に囲まないようにすることもできる（またはその逆も可能である）。

図１１Ａ、図１１Ｂ及び図１１Ｃは、調節可能な波長変換要素４５２、及び別の実施形態による照明装置４５０における調節可能な波長変換要素４５２の使用状態を示す。照明装置４５０は、図１に示した照明デバイス１００と類似している（各図面中の同一の参照符号は同様の要素を示す）。図１１Ａに示す調節可能な波長変換要素４５２は、金属製またはプラスチック製のロッドまたはワイヤなどの部材４５４であり、波長変換材料または染料の層４５６で被覆されている。調節可能な波長変換要素４５２は、固形である必要はなく中空チューブでもあり得る。前記中空チューブは、波長変換材料または染料で被覆される代わりに、波長変換材料または染料を少なくとも部分的に含み得る。この実施形態の一実施態様では、光源１０２は、フィリップスルミレッズライティング（Philips Lumileds Lighting）社製のルクシオンＫ２（Luxeon K2）などのクールホワイト（５０００Ｋよりも高い相関色温度を有する白色）の高出力ＬＥＤであり、波長変換要素は、赤色または琥珀色を発光する蛍光体で被覆された金属ワイヤで作られている。この場合、側壁１２０は、半透明材料から構成される。図１１Ｂ及び図１１Ｃに示すように、調節可能な波長変換要素４５２は、頂部要素４６０に形成された開口部４５８を通って照明装置４５０に挿入され、調節範囲Δの間の様々な位置で保持される。所望に応じて、照明装置の光線出力を色調度メーターでモニタしながら、ＬＥＤは所要の駆動電流で作動される。調節可能な波長変換要素４５２を照明装置４５０の内部にさらに深く挿入すると、相関色温度は低下する。調節可能な波長変換要素４５２は所望の色調度が得られるまで照明装置４５０の内部にさらに深く挿入され、その後、例えば接着、はんだ付けまたはレーザ溶接、あるいは２つの部品を結合させるためのその他の機械的方法により、頂部要素４６０に固定される。調節可能な波長変換要素４５２における照明装置４５０内に突出した部分は、その後、例えば切断などにより除去される。

別の例では、側壁１２０は、ＹＡＧ蛍光体を含み得、青色ＬＥＤ１０２が、赤色または琥珀色を発光する蛍光体層４５６を含む調節可能な波長変換要素４５２と共に使用され得る。この実施形態の利点は、ＹＡＧ蛍光体が波長変換手段及び拡散手段の両機能を兼ね備えるため、より高い効率を得ることができることである。ＹＡＧ蛍光体によって生成された光線は、蛍光体で生成された光線を部分的に吸収する青色発光から懸け離れているため、蛍光体を発光体に接近させた場合、ＬＥＤで吸収される光線が少なくなる。

図１２Ａ及び図１２Ｂは、別な実施形態による照明装置５００を示す。この実施形態では、調節可能な波長変換要素５０２が、照明装置５００の頂部から内部に挿入されている。調節可能な波長変換要素５０２は、例えば赤色または琥珀色を発光する蛍光体で被覆されたねじから形成されている。一例として、前記被覆は、ＵＶ硬化性ラッカーに蛍光体を混合させ、そのラッカー液中に（金属製の）標準的なねじを浸漬させた後、前記ねじを水平方向に回転させながら前記ラッカーをＵＶランプで硬化させることにより作成され得る。調節可能な波長変換要素をねじ構造体と共に使用することは、光線が照明装置の側壁を通じて良好に拡散するので有利である。図１２Ａでは、調節可能な波長変換要素５０２が照明装置５００内に完全に挿入された状態が示されており、この状態では、ねじ状の光変換材料の効果は最大となる。一方、図１２Ｂは、調節可能な波長変換要素５０２が最も高い位置にある状態を示し、この状態では、位置調節可能な要素５０２に関連する光変換材料の照明装置５００の出力光に対する効果は最小となる。ねじ型の波長変換要素の１つの利点は、照明装置のユーザが色調度を変更することができ、かつ、色調度の精密な調節が可能であることである。照明装置５００は、その底部１１０上に載置された複数の主発光体５０４ａ及び５０４ｂを使用している。頂部要素５０８は、反射性を有する弓形構造体であり、調節可能な波長変換要素５０２が挿入されるねじ開口部５１０を有している。反射性を有する弓形構造体を頂部要素５０８に使用することは、特に複数の光源を使用した場合に、照明装置５００の側壁を通じて光線をより良好に拡散させること、及びより多くの光線を調節要素５０２に導くことを提供する。所望に応じて、平面形状の頂部反射体、または凹形状または凸形状の頂部要素を使用することもできる。図１２Ａ及び図１２Ｂに示した調節可能な波長変換要素５０２は、ねじの挿入深さをユーザが手動で調節できるように、比較的大きな頭部５０３を有している。他の実施形態では、調節可能な波長変換要素５０２は、ねじの挿入深さを調節するためのねじ回しを必要とし得、これは、調節可能な波長変換要素５０２が高温のときに好適であり得る。

図１３Ａ及び１３Ｂは、別の実施形態による照明装置５２０の側面図及び上面図である。照明装置５２０は、モータ５２６の駆動によって照明装置５３０のチャンバ５２４に出入りする調節可能な波長変換要素５２２を使用する。調節可能な波長変換要素５２２は、ねじ構造を有し、例えば赤色または琥珀色を発光する蛍光体で被覆されている。調節可能な波長変換要素５２２は、底部５２８を通ってチャンバ５２４内に挿入される。底部５２８は、この実施形態では、ルクシオンレベル（Luxeon Rebel）型であり得る３つの発光体５３０Ａ、５３０Ｂ及び５３０Ｃを備えている。調節可能な波長変換要素５２２は、ギアシステム５２７によってモータ５２６に接続されている。もちろん、例えばステップモータなどの様々な種類のモータが使用可能である。

図１３Ｂは、３つの発光体５３０Ａ、５３０Ｂ及び５３０Ｃを備える底部５２８の上面図である。この３つのＬＥＤは、隣接するＬＥＤ同士が１２０度の角度をなすように円形に配置されている。このような構造には、ルクシオンレベル（Luxeon Rebel）型のＬＥＤを使用することが好ましい。調節可能な波長変換要素５２２は、３つのＬＥＤの中央部分がギアシステムを介してモータに接続されており、モータの駆動によってチャンバ内に挿入される。

図１４Ａないし図１４Ｅは、照明装置５５０と共に使用され得る、さらなる実施形態による調節可能な波長変換要素を示す。照明装置５５０は、図１１Ｂ及び図１１Ｃに示した照明装置４５０と類似しているが、底部５５４上に載置された複数の主発光体５５２Ａ及び５５２Ｂを有している。図１４Ａ、１４Ｂ及び図１４Ｃは、波長変換材料によって被覆されたか、または波長変換材料が埋め込まれた柔軟性チューブ５６２から作成された調節可能な波長変換要素５６０を示す。柔軟性チューブ５６２は、その長さ方向に沿って複数のスリット５６４を有する。スリット５６４は、柔軟性チューブ５６２における、照明装置５５０のチャンバ５５１のほぼ中央に位置する部分５６６に形成されている。

チューブ５６２は、例えば接着または締め付けによって、照明装置の底部１１０に固定される。スリット５６４を有する部分５６６は、チューブ５６２を上側から押したときに横方向に広がるように構成されている。図１４Ａは、部分５６６が横方向に広がった状態を示しており、図１４Ｂは部分５６６が収縮した状態を示している。図１４Ｃは、その縦方向に（すなわち、部分５６６の長さ方向に沿って）スリット５６４を有する部分５６６の詳細を示す。チューブ５６２は、屈曲を容易にするために、部分５６６の上部、中央及び下部に予成形部分５６８を有する。部分５６６が横方向に広がった場合、光源５２２Ａ及び５２２Ｂからの光線に曝されるチューブ５６２の面積は、収縮時よりも広くなる。したがって、部分５６６を横に広げる度合いにより、照明装置５５０の光線出力を変更することができる。一例として、チューブ５００が赤色または琥珀色の光線を発光する蛍光体を有し、側壁部分が黄色または緑色を発光する蛍光体を有する場合、高い演色評価指数を維持しながら、部分５６６の収縮状態（図１４Ａ）のときに高い相関色温度が得られ、屈曲部分５６６の拡張状態の（図１４Ｂ）ときに低い相関色温度が得られる。

別の実施形態では、調節可能な波長変換要素５６０は、照明装置５５０の底部１１０及び前記頂部の調節棒に取り付けられた、例えば円筒形状のシリコンから作成することができる。調節棒を下向きに押し下げることにより、前記シリコンを円筒形状からより楕円形の形状に変形させることができ、上述したのと同じ効果が得られる。シリコン製の調節可能な波長変換要素５６０は、例えば蛍光体などのスペクトラル変形材料を含み得る。

他の実施形態では、図１４Ｄ及び図１４Ｅに示すように、調節可能な波長変換要素５７０は、染料または蛍光体を含む蛇管から作成される。そのような蛇腹部分は、例えば、飲み物用のストローに使用され、ストローの上部を曲げるのに使用される部分と同様の構成を有する。この実施形態では、調節可能な波長変換要素５７０を縦方向に広げることにより、チューブを非常に短い長さ（図１４Ｄ）から長い長さ（図１４Ｅ）まで伸張させることができる。制御棒５７２は調節可能な波長変換要素５７０の伸張量を制御するために、蛇管の底部に結合され蛇管から延在している。

図１５Ａ及び図１５Ｂは、照明装置６００と共に使用され得る、別の実施形態による調節可能な波長変換要素６０２を示す。照明装置６００は、図１４Ａに示した照明装置５５０と類似している（各図面中の同一の参照符号は同様の要素を示す）。図１５Ａ及び図１５Ｂでは、調節可能な波長変換要素６０２は、例えば蛍光体などの波長変換材料で被覆された、または前記波長変換材料が埋め込まれたチューブである。チューブ６０２の端部は、或る長さ（例えば、照明装置６００のチャンバ６０１の高さ）に渡って、２以上の端部６０６に分かれている。端部６０６は、頂部要素６１０に形成された個々の孔６０８に挿入される。孔６０８は、例えば、チューブ６０２を中心として、調節可能な波長変換要素６０２の直径よりも大きい直径で円状に配置されている。調節可能な波長変換要素６０２が照明装置６００の内部にさらに深く挿入されたとき、図１５Ｂに示すように、端部６０６は横方向に広がる。その結果、図１５Ａに示したように照明装置６００にあまり挿入していない場合と比べると、調節可能な波長変換要素６０２はＬＥＤ６１２の光線により多く曝されることとなる。ある実施形態では、高い相関色温度（例えば６５００Ｋ）を有する白色ＬＥＤが使用される。ある実施形態では、照明装置から出射される光線の光強度プロファイルを制御するために、多数の（例えば、３、６、９、１２または１５個の）ＣＣＴ白色ＬＥＤが光学微細構造６１６を有する側壁６１４と共に使用され得る。微細構造６１６は、例えば、３Ｍ社製のＢＥＦ膜であり得る。側壁６１４を通じての配光がより均一になるように、主発光体６１２のレンズ形状を最適化することができる。

図１５Ｃ及び図１５Ｄは、調節可能な波長変換要素６０２´を備えた別の実施形態の照明装置６００´を示す。調節可能な波長変換要素６０２´は、照明装置６００´内に挿入して主発光体６１８に接近させることができる端部６０６´を有する。端部６０６´は、波長変換要素６０２´を照明装置６００´内の低い位置まで挿入したときに割れて、主発光体６１８のレンズ６２０を覆う。所望に応じて、調節可能な波長変換要素６０２´は、レンズ６２０の直径よりも大きな直径を有し得。この場合、中空の調節可能な波長変換要素６０２´は割れる必要はない。例えば、調節可能な波長変換要素６０２´は、染料または蛍光体を含むチューブであり得、単一の（円筒状）端部を有し、最も低い位置でレンズ６２０を覆う。

図１６Ａ及び図１６Ｂは、別の実施形態による照明装置６５０を示す。この照明装置６５０は、ゴムやシリコンなどの柔軟性材料製の頂部要素６６０により作成された調節可能な波長変換要素を有する。この場合、柔軟性材料は、その表面に塗布されたまたは該材料内に埋め込まれた染料または波長変換材料を含む。アーム６６２が、頂部要素６６０に（例えば頂部要素６６０の中央に）結合されている。アーム６６２を引くことまたは押すことにより、頂部要素６６０の形状は変化し、例えば、凹状の屋根型形状（図１６Ｂにおいて線６６０ａで示す）から、その逆の凸状の屋根型形状（線６６０ｂで示す）へ、あるいはそれらの中間の形状（線６６０ｃで示す）に変化する。頂部要素６６０の形状を変化させることにより、側壁を通じて放射される光線の光学特性を変更することができ、このような変形は光学特性を所望通りに調節するのに使用される。

図１７Ａは、上述した照明装置（例えば、図１に示した照明装置１００）のいずれかと共に使用することができるリフレクターランプ７００の側断面図である。一例として、照明装置１００の直径及び高さは共に１２ｍｍであり得、照明装置１００のＨ／Ｄ比は１．００であり得る。照明装置１００はＬＥＤ形態の単一の主発光体を使用し、該主発光体の入力電力は２Ｗ、発光効率は５０Ｉｍ／Ｗである。リフレクターランプ７００はパラボラ形状の反射体７０２を使用し、反射体７０２の焦点距離は１０ｍｍ、直径は約９５ｍｍ、深さ（パラボラの頂点から出射口までの距離）は約５６ｍｍである。これらの寸法は単に一例であって、所望に応じて別の寸法も使用され得る。図１７Ａに光線の例を示しているが、図１７Ａではリフレクターランプ７００のキャビティ内側で反射された光線は示していない。その結果得られる光強度プロファイルを、図１７Ｂに示す。上述した使用状態での光線追跡シミュレーションは、軸上強度が約４５０ｃｄであり、半値全幅の角度が１４°であることを示す。この例において４個のＬＥＤチップを含むＬＥＤを使用した場合、入力電力は４倍に増加し（８Ｗとなる）、８Ｗの入力電力での光強度は１８００ｃｄになる。当然のことながら、他の個数のＬＥＤチップも使用することができる。照明装置１００の側壁の固定寸法及び光学特性に起因して、照明装置１００内のＬＥＤチップの個数を増やした場合でも、リフレクターランプ７００の光学デザインを変更する必要はない。このことにより、製造を簡素化することができ、必要な部品を減らすことができるという利点がある。図１７Ａに示すように、ランプ７００は、ねじ型コネクタ７０６を有する基部７０４を備え得る。

図１８Ａは、照明装置７６０と共に使用され得る、別の実施形態によるリフレクターランプ７５０を示す。図１８Ａに示すように、照明装置７６０の頂部要素７６２は、照明装置７６０の発光領域の高さを調節するために、例えばアーム７６４によって距離Δだけ上昇または下降させることができる。照明装置７６０の発光領域の高さを変更することにより、反射体７５２の形状を変更することなく、リフレクターランプ７５０の光線幅を変更することができる。ランプ７５０は、プラグ７５６を有する基部７５４を含む。

図１８Ｂは、蛇腹型の側壁７６６を含む照明装置７６０´と共に使用され得る、別の実施形態によるリフレクターランプ７５０を示す。蛇腹型の側壁７６６は、照明装置７６０の発光領域の高さを調節するために、例えばアーム７６４によって伸張または収縮させられる。

図１９Ａ、図１９Ｂ及び図１９Ｃは、例えば図１に示した照明装置１００などの固体発光素子を使用した、商業用の電光掲示板または液晶ディスプレイのバックライトの側断面図を示す。図１９Ａは、後面８０２、側面８０４及び前面板８０６で画定されたキャビティ８０１を含むバックライト８００を示す。１つ以上の固体素子照明装置１００が、バックライト８００の後面８０２上に載置されている。後面８０２は例えばアルミニウムなどの熱伝導材料で作成され得、各照明装置１００の底部は、後面８０２との間の熱接触を良好にするように載置される。後面８０２は、ドイツ国のアラノッド（Alanod）社製のミロ（Miro）材料などの高反射性材料で作成されるか、あるいは、別個の高反射性の板または膜８０８をバックライト８００の底部に設置し、照明装置１００からバックライト８００の側面または前面へ放射された光線の大部分を高反射性の板または膜８０８で反射するようにする。バックライト８００の前側板８０６は光拡散特性を有し、光拡散特性は、例えば、前側板の表面上に光拡散層８０７または膜８０７を追加することにより、あるいは、前側板の製造に使用されるプラスチックまたはガラス内に光散乱粒子を混合させることにより得られる。そのようなタイプの前側板は、例えば、フュージョンオプティックス（Fuxion Optix）社製のものを使用し得る。ある実施形態では、前記光散乱材料に、波長変換材料が追加される（例えば、前面板８０６の膜８０７）。例えば米国の３Ｍ社製の輝度向上材料（ＢＥＦ）または３Ｍ社製の反射偏光子（ＤＢＥＦ）などの、液晶ディスプレイ用のバックライトに一般的に使用される追加的な光学膜が、バックライト８００の前面板８０６に追加され得る。バックライト８００は、有利なことに、照明装置１００上にホットスポットを直接的に形成することなく、均一かつ一定な放射プロファイルを作成する。

図１９Ｂは、バックライト８１０のサイズ及び所望する輝度に応じた複数のＬＥＤチップを有し得る、単一の照明装置１００を含むバックライト８１０を示す。例えば、バックライト８１０のサイズが４５．７２ｃｍ（１８インチ）ないし５３．３４ｃｍ（２１インチ）の場合、照明装置１００は、１ｍｍ×１ｍｍの大きさのＬＥＤチップを６個ないし９個有し得る。使用されるＬＥＤチップは全て青色であり得、例えば、黄色または緑色を発光する蛍光体を側壁としてのシリンダに有し、赤色を発光する蛍光体を頂部要素に有し得る。あるいは、有色ＬＥＤが使用され得、例えば、赤色発光ＬＥＤ（ＡｌＩｎＧａＰ）、緑色発光ＬＥＤ（ＩｎＧａＮ）及び青色発光ＬＥＤ（ＩｎＧａＮ）の組み合わせなどが使用され得る。当然のことながら、緑色または黄色を発光する蛍光体を照明装置１００の側壁に使用し、青色または赤色を発光するチップを照明装置１００の底部に使用する、ハイブリッド方式も使用可能である。この構造では、チップオンボード方式と呼ばれる方式を使用して、前記チップを互いに近接してパックすることが最適である。また、赤色直接発光ＡｌＩｎＧａＰ・ＬＥＤを使用する場合は、高い屈折率を有する材料から作成された特定の赤色チップからの光抽出を最大化するために、図４に示したように照明装置をカプセル化することも有益である。緑色直接発光チップ及び赤色直接発光チップの代わりに、緑色及び／または赤色を発光する蛍光体層、蛍光体膜または蛍光体板で覆われた青色チップを使用することもできる。

固体素子照明装置１００に加えて、光拡散構造体８１２をバックライト８１０の中央に設けることもできる。光拡散構造体８１２は、長方形、楕円形または正方形の導光体から構成され、その中央部は照明装置の高さと略等しい厚さ（典型的には３ｍｍないし９ｍｍ）を有し、その両側部はテーパ状に形成されており、約０．１ｍｍないし２ｍｍの厚さを有する。この光拡散構造体は、例えばＰＭＭＡから作成された導光体であり、一体に作成することができるが、小さなピースから組み立てることもできる。これらのタイプの導光体は好ましいことに射出成形から作成され、射出成形はサイズに対する制限容量を有するので、大きなバックライトに多数のピースを使用する必要がある場合は特に有益である。前記導光体は、その中央に、典型的には直径３ｍｍないし１３ｍｍの穴部を有し、その穴部に本発明の照明装置が設置される。照明装置１００の側壁と導光体８１２との間の隙間はできるだけ小さくすることが好ましいが、典型的には、０．０５ｍｍないし０．５ｍｍの範囲である。

照明装置１００からの光線は、導光体８１２内へ入射し、導光体８１２のテーパ形状に起因してバックライト８１０の全域から放射される。導光体８１２は、所望に応じて、バックライト全体により均一な輝度分布を作成するために、スクリーン印刷により形成された白ドット、または射出成形若しくはトランスファー成形により導光体に転写された微細構造の形態の抽出特性を有し得る。

バックライト８１０の後面８０２は、例えば、ドイツ国のアラノッド（Alanod）社製のミロ（Ｍｉｒｏ）材料や、日本の古河電工社製のＭＣ−ＰＥＴなどの高反射性材料から構成される。例えばミロ（Ｍｉｒｏ）材料などの高熱伝導性板が後面８０２として使用される場合、照明装置１００の背部とバックライト８１０の後面８０２との間の熱接触を良好にすることが好ましい。非導電材料を使用する場合、別個の熱拡散器を使用することができる。

バックライト８１０の前面に設けられる光拡散体に加えて、導光体８１０の上部に中間光拡散体８１４を設けることもできる。さらに、例えば米国の３Ｍ社製の方向変更膜（redirection film）などの微細構造を有する光学板８１６を、導光体８１０の上部に設置することもできる。導光体８１２は、バックライト８１０の後部に配置される。均一性を向上させるために、導光体８１２と前面８０６との間、及び、中間光拡散体８１４とバックライト８１０の光学板８１６との間に、隙間を設けることもできる。この場合、バックライト８１０の全厚は、６ｍｍないし２５ｍｍであり、導光体８１２及び光拡散体８１４と方向変更膜８１６及び前面との間の隙間は、最大で２０ｍｍである。所望に応じて、外観が薄くなるように、バックライト８１０の後面８０２の形状は、両縁部に向かうに従って狭くなるテーパ形状にすることもできる。

例えば電光掲示板（サイン）やＬＣＤ−ＴＶなどに使用される大型のバックライトの場合、図１９Ｃに示した構造を有するバックライト８３０を使用することができる。バックライト８３０は、図１９Ｂの実施形態と類似した形状及び寸法を有する複数のテーパ形状の導光体８３２から構成され、バックライト８３０の全域から光線が放射される。例えば、バックライトの消費電力を減少させる場合（ＬＣＤ上に表示された画像が均一なバックライトを必要としないとき）またはＬＣＤ上に表示された画像のコントラストを向上させる場合、バックライト８３０全体の輝度分布を変更するために、要素８３２ａ及び８３２ｂを互いに独立的に制御することができる。一例として、画像が明るい部分と暗い部分を有する場合（例えば、上側部分が明るく（空）、下側部分が比較的暗い（森またはビル）画像の場合）、暗さレベルを減少させるために下側部分の光レベルを低くし、そのことによってコントラストを増加させる。

図２０Ａは、アンダーキャビネット照明として設置された図１９Ｂのバックライト８１０を示す。バックライト８１０は、キャビネット８５０（一部のみが示されている）の下部に図１９Ｂに示した状態とは上下逆にして取り付けられており、バックライト８１０の光線出力８５２は棚８５４などの作業領域を照らすのに使用される。

図２０Ｂは、図２０Ａに示したようなアンダーキャビネット照明の用途において、上述したバックライト８１０と類似するバックライト８６０と共に調節可能な波長変換要素８６２を使用する様子を示す。調節可能な波長変換要素８６２は、染料または蛍光体を含み得、図１２Ａに示した調節可能な波長変換要素５０２または本明細書中に開示された他の調節可能な波長変換要素のいずれかと同様であり得る。調節可能な波長変換要素８６２を照明装置１００に挿入することにより、アンダーキャビネット照明の光線出力を変更することができ、例えば、クールホワイトからウォームホワイトへ色温度を変更することができる。図２０Ｂに示すように、電源８６４は、バックライト８６０の内部に、例えば導光体８１２の背後に配置され得る。

図２１（ａ）及び図２１（ｂ）は、ろうそく型ランプ用の形態の、別の実施形態による照明装置９００の側面図である。照明装置９００は、ろうそく型ランプ形状の電球９０２を含む。電球９０２は、プラスチックまたはガラスから作成され得、半透明であり得る。所望に応じて、電球９０２は、他の形状を有し得る。上記した照明装置と同様に、照明装置９００はチャンバ９１０及びＬＥＤ９１２を含み、チャンバ９１０及びＬＥＤ９１２は基部９４０上に載置される。基部９０４は、伝熱による熱交換を向上させるために、好ましくは熱伝導性材料から作成される。また、基部９０４には、例えばＥ２６型基部などの、ねじ型の基部９０６が結合される。電球９０２は、空気の流れを向上させるために、その頂部及び底部に孔を有し得る（図示せず）。電球９０２は、ねじ型の基部９０６に取り付けられたチューブ９０８内で摺動可能である。チューブ９０８はまた、ＬＥＤ基部９０４の壁部を横切る空気の流れを向上させるための孔を有し得る。ＬＥＤ基部９０４は、装置用の電源と制御電子回路とを有し得る。

ランプ電球９０２をチューブ９０８内で上下に摺動させることにより、調節可能な波長変換要素９１４をチャンバ９１０へ出し入れすることができる。図２１（ａ）では、ランプ電球９０２は、最も高い位置にあり、赤色またはオレンジ色の光線を発光する蛍光体が調節可能な波長変換要素９１４に使用される場合は、光線出力は高い相関色温度を有する。図２１（ｂ）では、ランプ電球９０２は、図２１（ａ）におけるランプ電球９０２の位置よりも低い位置にあり（図２１（ａ）と図２１（ｂ）の間の差をΔで示す）、光線出力は低い相関色温度を有する。この実施形態では、所望の照明効果を得るためにランプの色温度を調節するために、色温度は、ランプの設置中に設定されるか、あるいは、ユーザが照明装置９００に容易に近づくことができる場合はランプの通常の作動中に設定される。

図２２Ａ、図２２Ｂ及び図２２Ｃは、照明装置９００と共に使用され得る、異なる形状の要素９０２ａ、９０２ｂ及び９０２ｃをそれぞれ示す。図２２Ａには、半透明性を有する球体型の電球が示されている。図２２Ｂは、リフレクター型の筐体９０２ｂを示す。図２２Ｃには、図２１（ａ）に示した電球と類似している、別のろうそく型電球９０２ｃを示す。ある実施形態では、異なるリフレクター／電球要素９０２が、そのねじ基部９２０を使用して、ねじ型の基部９０６に取り付けられる。図２２Ｄは、チャンバ９１０及びＬＥＤ９１２、並びに、ねじ型基部９０６及びねじ型コネクタ９２２を示す側面図である。ねじ型コネクタ９２２は、電球９０２ａ、９０２ｂ及び９０２ｃのねじ型基部９２０を受容するために、図２１（ａ）に示したチューブ９０８の代わりに使用される。リフレクター／電球要素９０２のねじ型基部９２０を、図２２Ｄに示したねじ型コネクタ内で回転させて上下に移動させることによって、調節可能な波長変換要素９１４をチャンバ９１０内へ出し入れすることができる。図２２Ｅは、調節可能な波長変換要素９１４を有するリフレクター９０２ｂが、ねじ型コネクタ９２２に結合された状態を示す。調節可能な波長変換要素９１４は蛍光体を含むチューブであり得、リフレクター９０２ｂの頂部に取り付けられている。所望に応じて、照明装置９００は、上記した別の調節可能な波長変換要素を備え得る。さらに、リフレクター／電球９０２を操作して色調度を調節する代わりに、調節可能な波長変換要素９１４のチャンバ９１０内への挿入を調節するために該波長変換要素９１４に機械的に取り付けられた例えばリングやノブなどの別の要素によって、調節可能な波長変換要素９１４を調節することもできる。

図２３は、図２２Ａに示した電球９０２ａのねじ取り付け部を、ねじ型基部９０６に結合されたねじ型コネクタ９２２と共に示す拡大図である。図２３に示すように、電球９０２ａは、電球９０２ａのねじ型基部９２０をねじ型コネクタ９２２から回転させて取り外す場合に電球９０２ａが基部９０６から脱離しないようにするためのクリップ９２６を有し得る。このようにして、電球９０２ａは、交換する必要がないときは、回転させて取り外すことができる。電球９０２ａは、コネクタ９２２内に押し入れて回転させることにより、基部９０６及びコネクタ９２２に最初から取り付けておくことができる。

以上、本発明の様々な実施形態を説明したが、これらの実施形態は例示的なものであり、本発明を限定するものではない。本発明の精神と範囲から逸脱しない限り、様々な変更及び修正をすることができる。従って、添付された特許請求の範囲の精神及び範囲は、上述した説明に限定すべきではない。

Claims (20)

1. 照明装置であって、
   少なくとも１つの半導体発光素子と、
   前記少なくとも１つの半導体発光素子がその上に載置される基部と、
   前記基部に取り付けられ、前記少なくとも１つの半導体発光素子を取り囲み、第１の波長変換材料を含む少なくとも１つの湾曲した側壁と、
   前記少なくとも１つの湾曲した側壁に取り付けられる湾曲した頂部要素とを含み、
   前記基部、前記少なくとも１つの湾曲した側壁及び前記少なくとも１つの湾曲した頂部要素が、前記少なくとも１つの半導体発光素子をその内部に収容するチャンバを画定し、
   前記少なくとも１つの湾曲した頂部要素が、前記第１の波長変換材料とは異なる第２の波長変換材料を含むことを特徴とする照明装置。
2. 請求項１に記載の照明装置であって、
   前記基部が、前記少なくとも１つの半導体発光素子に接続された印刷回路基板と、前記印刷回路基板に接続された熱拡散器とを有することを特徴とする照明装置。
3. 請求項１に記載の照明装置であって、
   前記少なくとも１つの半導体発光素子と前記少なくとも１つの湾曲した側壁との間、及び前記少なくとも１つの半導体発光素子の光線照射領域と前記基部との間に、反射要素をさらに含むことを特徴とする照明装置。
4. 請求項１に記載の照明装置であって、
   前記少なくとも１つの湾曲した側壁は、上から見たときに円形、楕円形、三角形、または四角形から選択された形状を有することを特徴とする照明装置。
5. 請求項１に記載の照明装置であって、
   前記チャンバを満たす透明光学材料をさらに含むことを特徴とする照明装置。
6. 請求項１に記載の照明装置であって、
   前記湾曲した頂部要素は、前記少なくとも１つの半導体発光素子に近づくように没入した凹形状、または前記少なくとも１つの半導体発光素子から遠ざかるように突出した凸形状であることを特徴とする照明装置。
7. 請求項１に記載の照明装置であって、
   前記少なくとも１つの湾曲した側壁は、前記湾曲した頂部要素と結合する位置では第１の直径を有し、前記基部と結合する位置では前記第１の直径よりも大きい第２の直径を有することを特徴とする照明装置。
8. 照明器具と該照明器具を取り囲むリフレクターとを備えた装置であって、
   前記照明器具は、
   少なくとも１つの半導体発光素子と、
   前記少なくとも１つの半導体発光素子がその上に載置される基部と、
   前記基部に取り付けられ、前記少なくとも１つの半導体発光素子を取り囲み、第１の波長変換材料を含む少なくとも１つの側壁と、
   前記少なくとも１つの側壁に取り付けられ、前記第１の波長変換材料とは異なる第２の波長変換材料を備える少なくとも１つの頂部要素とを含み、
   前記基部、前記少なくとも１つの側壁及び前記少なくとも１つの頂部要素が、前記少なくとも１つの半導体発光素子をその内部に収容するチャンバを画定し、
   前記リフレクターは、前記照明器具の高さよりも大きい深さを有することを特徴とする装置。
9. 請求項８に記載の装置であって、
   前記頂部要素は反射性を有し、前記少なくとも１つの半導体発光素子で生成された光線が前記少なくとも１つの側壁を通過して放射されるようにしたことを特徴とする装置。
10. 請求項８に記載の装置であって、
    前記少なくとも１つの側壁に光学的に結合され、前記少なくとも１つの側壁を通過して放射された光線を、前記少なくとも１つの側壁を通過したときの該光線の方向に対して概ね直交する前方方向に反射するように構成された反射要素をさらに含むことを特徴とする装置。
11. 請求項８に記載の装置であって、
    前記基部が、前記少なくとも１つの半導体発光素子に接続された印刷回路基板と、前記印刷回路基板に接続された熱拡散器とを有することを特徴とする装置。
12. 請求項８に記載の装置であって、
    前記チャンバを満たす透明光学材料をさらに含むことを特徴とする装置。
13. 請求項８に記載の装置であって、
    前記頂部要素は、前記少なくとも１つの半導体発光素子に近づくように没入した凹形状、または前記少なくとも１つの半導体発光素子から遠ざかるように突出した凸形状であることを特徴とする装置。
14. 請求項８に記載の装置であって、
    前記少なくとも１つの側壁は、前記頂部要素と結合する位置では第１の直径を有し、前記基部と結合する位置では前記第１の直径よりも大きい第２の直径を有することを特徴とする装置。
15. 照明器具と、該照明器具が配置される穴を中央に有する光拡散構造体とを備えた装置であって、
    前記照明器具は、
    光線を放射できる少なくとも１つの半導体発光素子と、
    基部要素、少なくとも１つの側壁要素及び頂部要素により画定され、前記少なくとも１つの半導体発光素子から放射された光線を受け取ることが出来るチャンバと、
    前記少なくとも１つの半導体発光素子から物理的に離間した前記チャンバの第１の部分を覆い、第１の色変換特性を有する第１の波長変換材料と、
    前記少なくとも１つの半導体発光素子から物理的に離間した、前記第１の部分とは異なる前記チャンバの第２の部分を覆い、前記第１の色変換特性とは異なる第２の色変換特性を有する第２の波長変換材料とを含むことを特徴とする装置。
16. 請求項１５に記載の装置であって、
    前記第１の波長変換材料及び前記第２の波長変換材料が、互いに異なる蛍光体を含むことを特徴とする装置。
17. 請求項１５に記載の装置であって、
    前記チャンバの前記第１の部分が、前記少なくとも１つの側壁要素を含み、
    前記チャンバの前記第２の部分が、前記頂部要素を含むことを特徴とする装置。
18. 請求項１５に記載の装置であって、
    前記光拡散構造体は、第１の導光体と第２の導光体とを含み、前記照明器具は、前記第１の導光体と前記第２の導光体との間にあることを特徴とする装置。
19. 請求項１８に記載の装置であって、
    前記第１の導光体及び第２の導光体に光学的に結合される光拡散前側板をさらに含み、前方方向へ反射された光線が前記光拡散前側板によって拡散させられることを特徴とする装置。
20. 請求項１５に記載の装置であって、
    前記チャンバの前記第１の部分は、第１の交換可能な部材であり、前記チャンバの前記第２の部分は、第２の交換可能な部材であることを特徴とする装置。

Images