JP2008186819A - 発光装置及び全方向性反射器 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来の欠点を克服することができる全方向性反射器及びそれを備えた発光装置を提供する。
【解決手段】 発光装置は、第１の波長範囲の１次光を発生する光発生ユニット５１と、光発生ユニット５１に結合され、１次光の一部を第２の波長範囲の２次光に変換する波長変換部材４と、波長変換部材４に結合された全方向性フォトニック結晶からなり、２次光及び１次光のうち波長変換部材４によって変換されなかった残部を受ける少なくとも１個の全方向性反射器６と、を含む。全方向性反射器６は、１次光の残部を、いかなる入射角度及び偏光であっても、実質的に全反射して波長変換部材４に戻す反射性を具える。
【選択図】 図２

Description

本発明は、全方向性１次元フォトニック結晶並びにそれから形成された発光装置及び全方向性反射器に関する。

米国特許第５８１３７５３号には、反射サイドウォールを備えた凹部内に位置する紫外線／青色ＬＥＤと、ＬＥＤを囲み凹部を埋め込む光伝達材と、光伝達材内に広がった形状の燐蛍光体材と、光伝達材の表面側に形成された長波域（ＬＷＰ）フィルタと、を有する光発生装置が開示されている。

図１に、米国特許第６１５５６９９号に開示されている従来の発光装置１０を示す。この発光装置１０は、凹部１２を区画する容器１１と、凹部１２内に置かれた発光ダイオード１３と、発光ダイオード１３を被包するドーム形状の被包層１４と、被包層１４を囲む分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）鏡１５と、ＤＢＲ鏡１５を囲む波長変換部材１６と、波長変換部材１６を被包するレンズ１７と、を有している。ＤＢＲ鏡１５は、この技術分野では、空間的に周期的に誘電率が変化し、周波的フォトニックバンドギャップ性を示す多層誘電体構造であると知られている。周波的フォトニックバンドギャップ性は、誘電体構造内である周波数帯域内の光の伝播を妨げ、光全体を反射する性質である。波長変換部材１６は、通常、燐蛍光体材料から形成されており、このような燐蛍光体材料としては、この技術分野では、短波長の１次光（例えば、不可視光や紫外／青色光）を吸収し、長波長の２次光（例えば、可視光や白色光）に変換するものが知られている。ＤＢＲ鏡１５は、波長変換部材１６に向かう１次光の大部分を透過させる透過性と、波長変換部材１６により生成された２次光が被包層１４に入射しないようにする反射性とを具えている。一般に、発光ダイオード１３は、被包層１４及びＤＢＲ鏡１５を透過し、後に波長変換部材１６に含まれる燐蛍光体材料によって２次光に変換される１次光を出射する。２次光の一部は、レンズ１７を介して発光装置１０から放出される。この一方で、２次光の残りは、ＤＢＲ鏡１５に衝突し、被包層１４に入射しないように、反射により波長変換部材１６側に戻される。この結果、発光装置１０の効率が高められる。

２次光に変換される１次光の量は、波長変換部材１６内の燐蛍光体材料の濃度及び量子効率に依存しているため、多くの１次光は、変換されずに波長変換部材１６及びレンズ１７を透過して外部に抜けてしまう。この結果、発光装置１０の効率及び２次光の質（色温度、色純度等）が低下すると共に、１次光が紫外線の場合には環境に害ともなり得る。そこで、発光装置１０の効率を向上させるべく、１次光の２次光への変換効率を向上させる必要性がある。

前述のＤＢＲ鏡及びＬＷＰフィルタは、高屈折率層及び低屈折率層の組み合わせからなる誘電体構造を有する。従来のＤＢＲ鏡及びＬＷＰフィルタは、それらの表面の法線からの広い傾斜角度の入射光に対しては、良好に反射させたり透過させたりすることができていないことが知られている。

米国特許第６１３０７８０号明細書（特許文献１）には、全方向性のフォトニックバンドギャップを有する全方向性の１次元フォトニック結晶からなり、入射光の周波数（波長）が当該フォトニックバンドギャップ内に入れば、いかなる入射角度及び偏光であっても全反射することができる全方向性反射器が開示されている。この開示された反射器は、高屈折率層及び低屈折率層の組み合わせから構成されている。ここで、２つの誘電体材料の間の屈折率の差異は、全方向性のフォトニックバンドギャップが得られる程度に大きくなければならない。

米国特許第６１３０７８０号明細書 米国特許第６１５５６９９号明細書 米国特許第５８１３７５３号明細書

本発明の目的は、上述の従来の欠点を克服することができる全方向性反射器及びそれを備えた発光装置を提供することにある。

上記目的を達成するため本発明の一つの実施例に係る発光装置は、第１の波長範囲の１次光を発生する光発生ユニットと、前記光発生ユニットに結合され、前記１次光の一部を第２の波長範囲の２次光に変換する波長変換部材と、前記波長変換部材の一側に結合された少なくとも１個の全方向性反射器と、前記波長変換部材の他側に配置された光を反射する反射器とを備え、前記全方向性反射器は、全方向性フォトニック結晶からなり、前記２次光を透過するが前記１次光のうち前記波長変換部材によって変換されなかった残部を反射するように構成されている。ここで、全方向性反射器は、例えば、空間的に周期的に誘電率が変化する全方向性結晶の誘電体構造を有し、互いに屈折率及び厚さが異なる複数の誘電体層を備えた誘電体ユニットを少なくとも１個含み、全方性反射器は、２次光を透過させる透過性と、１次光の残部を、いかなる入射角度及び偏光であっても、実質的に全反射して波長変換部材に戻す反射性とを有する。

本願の第２の発明に係る全方向性反射器は、空間的に周期的に誘電率が変化する全方向性結晶の誘電体構造を有する。前記誘電体構造は、互いに屈折率及び厚さが異なる少なくとも３層の誘電体層を備えた誘電体ユニットを少なくとも１個含み、全方向性反射器は、第１の波長範囲の１次光を実質的に全反射する反射性及び前記第１の波長範囲外の第２の波長範囲の２次光を透過させる透過性を示す散乱性を有する。

本発明によれば、高い効率で所望の光を発生させることができる。

本発明の最良の形態を具体化するいくつかの実施例を述べるが、簡潔のために、説明を通して同様の要素には同一の符号が付されている。

図２及び図３は、本発明の第１の実施例に係る発光装置を示す図である。この発光装置は、少なくとも１個の光発生素子５１を備え第１の波長範囲の１次光を発生する光発生ユニット５１、この光発生ユニット５１に結合され１次光の一部を第２の波長範囲の２次光に変換する波長変換部材４、この波長変換部材４を間に挟む第１及び第２のガラス基板３１及び３２、並びに、第１及び第２のガラス基板３１及び３２を間に挟み、２次光及び波長変換部材４によって変換されなかった１次光の残部を受ける第１及び第２の全方向性反射器６を有している。第１及び第２の全方向性反射器６は、いずれも、全方向性１次元フォトニック結晶から形成されており、２次光を透過させる透過性と、１次光の残部を、いかなる入射角度及び偏光であっても、実質的に全反射して波長変換部材４に戻す反射性とを具えている。また、第１及び第２の全方向性反射器６は、いずれも、空間的に周期的に誘電率が変化する誘電体構造であり、また、互いに屈折率及び膜厚が異なる第１、第２及び第３の誘電体層６１１、６１２、６１３を少なくとも含む誘電体ユニット６１を少なくとも１個有している。第２の誘電体層６１２は、第１及び第３の誘電体層６１１及び６１３に挟まれており、その屈折率は第１及び第３の誘電体層６１１及び６１３のものよりも低い。第３の誘電体層６１３の屈折率は、第１の誘電体層６１１のものよりも低い。なお、誘電体構造中の光の伝播は、主に誘電体構造中の各誘電体層の屈折率及び厚さに影響を受ける。このように、第１及び第３の誘電体層６１１及び６１３に挟まれている第２の誘電体層６１２の屈折率は、第１及び第３の誘電体層６１１及び６１３のものよりも必ずしも低い必要はない。

波長変換部材４は、対向する上面４１及び下面４２を備えている。光発生ユニット５１の光発生素子５１１は、波長変換部材４の下面４２にはめ込まれている。第２のガラス基板３２は、波長変換部材４の下面４２に貼り付けられており、光発生ユニット５１を覆っている。第１のガラス基板３１は、波長変換部材４の上面４１に貼り付けられている。第１及び第２の全方向性反射器６は、夫々第１及び第２のガラス基板３１、３２に貼り付けられている。

例えば、光発生ユニット５１として紫外線ＬＥＤチップを用い、波長変換部材４として燐蛍光体を用いることで、本発明の発光装置は、白色光を発生させることができる。

第１の実施例では、第１の誘電体層６１１はＴｉＯ₂から形成され、第３の誘電体層６１３はＴａ₂Ｏ₅から形成され、第２の誘電体層６１２はＳｉＯ₂から形成されている。
本発明における反射器６に用いることができる他の誘電体材料は、例えば、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯ、ＺｒＯ₂、ＭｇＦ₂、ＢａＦ₂及びＣａＦ₂である。図１０は、第１、第２及び第３の誘電体層６１１、６１２及び６１３から形成された全方向性１次元フォトニック結晶のフォトニックバンド構造（周波数対波ベクトルｋ_y）を示すグラフである。このフォトニック結晶は、結晶間隔が１１０．０ｎｍのとき、周波数０．２９８（ｃ／ａ）及び０．２９５（ｃ／ａ）（つまり、図１０中の点２０１及び２０２に相当する周波数）の間で、３６９ｎｍから３７３ｎｍの範囲の波長の入射光に対して全方向性フォトニックバンドギャップを備えている。波ベクトル（ｋ_y）並びに波偏光ＴＥ及びＴＭの定義は、米国特許第６１３０７８０号明細書に記載されている。

第１の実施例では、第１及び第２の全方向性反射器６は、いずれも、図１０に示すバンド構造を備えた誘電体ユニット６１を１４個有しており、１４個の誘電体ユニット６１は周期的に積層されている。

図１１は、入射波が空気中から来たときの全ての入射角度及び偏光を考慮したときの波長に対する全方向性反射器６の平均反射率及び平均透過率を示すグラフである。波長３６６ｎｍから３７８ｎｍでの反射率は９９％にも及んでおり、図１０に示す全方向性フォトニックバンドギャップの予測と一致している。

全方向性反射器の動作の最適化に関し、図４は、入射光が波長変換部材４から来たときの波長に対する平均反射率及び平均透過率を示すグラフである。図４には、ＴｉＯ₂／ＳｉＯ₂／Ｔａ₂Ｏ₅（three-some）からなる全方向性反射器６における関係と、ＴｉＯ₂／ＳｉＯ₂（pair）からなる全方向性反射器における関係とを比較して示している。ＴｉＯ₂／ＳｉＯ₂／Ｔａ₂Ｏ₅の全方向性反射器６の波長ピークは、ＴｉＯ₂／ＳｉＯ₂の全方向性反射器のそれよりも狭く、ＴｉＯ₂／ＳｉＯ₂／Ｔａ₂Ｏ₅の全方向性反射器６は、紫外領域内の光等の１次光を波長変換部材４に戻す反射率を低下させることなく、可視領域の２次光を透過させる効率が高い。

光発生素子５１１は、有機発光ダイオード又は高分子発光ダイオードのような３５０ｎｍ〜４７０ｎｍの波長範囲の１次光を出射する発光ダイオードの形をとっている。波長変換部材４は、その中に燐蛍光体の粒子のような蛍光材料が分散した透明樹脂母材を有する。第１の実施例では、波長変換部材４は、１：２０の比率で混ぜ合わされた蛍光体及びシリコーンの混合物である。蛍光体は３原色（赤、緑及び青）からなり、１次光を４００ｎｍ〜７００ｎｍの波長範囲内の２次光に変換することができる。

従来、１次光及び２次光を反射して波長変換部材に戻すために発光ユニットの底部には反射金属層が設けられている。しかしながら、１次光が紫外領域内のものであると、反射金属層が１次光の一部を吸収してしまい、逆に発光装置の効率が低下してしまう。再度、図２を参照すると、本実施例では、１次光は、反射金属層に吸収される代わりに、第２の全方向性反射器６により全反射される。更に、反射金属層７１が、２次光を反射して波長変換部材４に戻すために、第２の全方向性反射器６の下面に貼り付けられている。従って、反射金属層７１と結合した第２の全方向性反射器６は発光装置の効率を更に高めることができる。なお、第２の全方向性反射器６の主な機能は、１次光を全反射して波長変換部材４に戻すことである。このように、第２の全方向性反射器６は、２つの材料のみ（例えばＴｉＯ₂／ＳｉＯ₂）からなる全方向性１次元フォトニック結晶から形成することができる。

図５は、本発明の第２の実施例に係る発光装置を示す断面図である。この第２の実施例は、波長変換部材４及び第１の全方向性反射器６の形状が概してドーム形状となっていることを除いて、第１の実施形態と同様である。波長変換部材４及び第１の全方向性反射器６がこのような形状となっていることにより、２次光の透過率が向上し、発光装置の効率がさらに高められる。

図６及び図７は、本発明の第３の実施例に係る発光装置を示す断面図である。この第３の実施例は、波長変換部材４が対向する上面４１及び下面４２並びに対向する左側面及び右側面４３を備えている点で第１の実施例と相違している。光発生ユニット５１は、波長変換部材４の左側面４３にはめ込まれた複数の光発生素子５１１の左列と、波長変換部材４の右側面４３にはめ込まれた複数の光発生素子５１１の右列とを有する。第２のガラス基板３２は波長変換部材４の下面４２に貼り付けられている。第１のガラス基板３１は波長変換部材４の上面４１に貼り付けられている。第１及び第２の全方向性反射器６は、夫々第１及び第２のガラス基板３１、３２に貼り付けられている。左反射金属層及び右反射金属層７２が波長変換部材４の左側面及び右側面４３に貼り付けられており、夫々光発生素子５１１の左列及び右列を覆っている。

図８は、本発明の第４の実施例に係る発光装置を示す断面図である。この第４の実施例は、下記の点を除き第１の実施例と同様である。先ず、光発生素子５１１及び第２の全方向性反射器６が、全方向性反射器６の上面６０１が各光発生素子５１１の下面５０１に貼り付けられるようにして、波長変換部材４の下面４２にはめ込まれ、第２の全方向性反射器６の上面６０１に対向する第２の全方向性反射器６の下面６０２が、波長変換部材４の下面４２と同一面とされている。また、反射金属層７２が波長変換部材４の下面４２に貼り付けられ、反射器６の下面６０２を覆っている。第２のガラス基板３２は、反射金属層７１に貼り付けられると共に、反射金属層７１を覆っている。

図９は、本発明の第５の実施例に係る発光装置を示す断面図である。この第５の実施例は、下記の点を除き第４の実施例と同様である。先ず、第２のガラス基板３２が波長変換部材４の下面４２に貼り付けられ、全方向性反射器６の下面６０２を覆っている。また、反射金属層７１が第２のガラス基板３２に貼り付けられると共に、第２のガラス基板３２を覆っている。

本発明に係る発光装置に設けられた全方向性反射器６の構造は、光発生ユニット５１から発せられた１次光のいかなる入射角度及び偏光に対しても、波長変換部材４へ戻す全反射を可能とするため、前述の従来の技術で生じていたような欠点が排除される。

３層構造の全方向性１次元フォトニック結晶、つまり、屈折率及び膜厚が相違する第１、第２及び第３の誘電体層６１１、６１２及び６１３によって、これを備えた全方向性反射器は、２層構造の全方向性反射器よりも、波長に対する反射率の関係（図４参照）において狭い波長ピークを得ることができる。

なお、本発明のいくつかの実施例が述べられてきたが、本発明の思想を逸脱しない範囲でこれら実施例に種々の改良や変形がなされ得ることは明らかである。

従来の発光装置を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る発光装置を示す模式的断片的断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る発光装置の全方向性反射器の構造を示す模式的断片的断面図である。 第１の実施形態に係る発光装置に設けられる２つの異なる全方向性反射器において全ての入射角度及び偏光を考慮したときの波長（Wavelength）に対する平均反射率（Reflectance）及び平均透過率（Transmittance）を比較して示すグラフである。 本発明の第２の実施形態に係る発光装置を示す模式的断片的断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る発光装置を示す模式的側面図である。 本発明の第３の実施形態に係る発光装置を示す模式的断片的断面図であり、発光装置の他の方向から見たときに得られる図である。 本発明の第４の実施形態に係る発光装置を示す模式図である。 本発明の第５の実施形態に係る発光装置を示す模式図である。 本発明の第１の実施形態における全方向性１次元フォトニック結晶のフォトニックバンド構造を示すグラフである。 入射波が空気中から来るときの全ての入射角度及び偏光を考慮したときの波長（Wavelength）に対する平均反射率（Reflectance）及び平均透過率（Transmittance）を示すグラフである。

符号の説明

１０：発光装置
１１：容器
１２：凹部
１３：発光ダイオード
１４：被包層
１５：ＤＢＲ鏡
１６：波長変換部材
１７：レンズ
３１：第１のガラス基板
３２：第２のガラス基板
４：波長変換部材
４１：上面
４２：下面
４３：側面（左側面、右側面）
５１：光発生ユニット
５０１：下面
５１１：光発生素子
６：全方向性反射器
６１：誘電体ユニット
６０１：上面
６０２：下面
６１１：第１の誘電体層
６１２：第２の誘電体層
６１３：第３の誘電体層
７１：反射金属層
７２：反射金属層（左反射金属層、右反射金属層）

Claims (20)

1. 第１の波長範囲の１次光を発生する光発生ユニットと、
   前記光発生ユニットに結合され、前記１次光の一部を第２の波長範囲の２次光に変換する波長変換部材と、
   前記波長変換部材の一側に結合された少なくとも１個の全方向性反射器と、
   前記波長変換部材の他側に配置された光を反射する反射器とを備え、
   前記全方向性反射器は、全方向性フォトニック結晶からなり、前記２次光を透過するが前記１次光のうち前記波長変換部材によって変換されなかった残部を反射するように構成されていることを特徴とする発光装置。
2. 前記反射器は、全方向性フォトニック結晶からなり、前記２次光を透過するが前記１次光のうち前記波長変換部材によって変換されなかった残部を反射するように構成された全方向性反射器であることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
3. 前記反射器は、前記２次光および前記１次光を反射するように構成された反射金属層であることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
4. 前記全方向性反射器は、互いに屈折率及び厚さが異なる複数の誘電体層を備えていることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
5. 前記複数の誘電体層は、第１、第２及び第３の誘電体層を含み、
   前記第２の誘電体層は、前記第１及び第３の誘電体層に挟まれており、前記第１及び第３の誘電体層よりも低い屈折率を有し、
   前記第３の誘電体層は、前記第１の誘電体層よりも低い屈折率を有することを特徴とする請求項４に記載の発光装置。
6. 前記光発生ユニットは、前記波長変換部材の１面にはめ込まれており、
   前記全方向性反射器は、前記波長変換部材の前記１面とは反対側の前記波長変換部材の面に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
7. 前記波長変換部材の一側に結合された第１の全方向性反射器と、
   前記波長変換部材の他側に配置された第２の全方向性反射器と、
   前記光発生ユニット及び前記波長変換部材をそれらの間に挟む第１及び第２のガラス基板と、を備え、
   前記波長変換部材は、互いに対向する上面及び下面を備え、
   前記光発生ユニットは、前記波長変換部材の前記下面にはめ込まれた複数の光発生素子の１次元又は２次元の配列を含み、
   前記第２のガラス基板は、前記波長変換部材の前記下面上に形成されると共に、前記光発生ユニットを覆い、
   前記第１のガラス基板は、前記波長変換部材の前記上面上に形成され、
   前記第１及び第２の全方向性反射器は、夫々前記第１及び第２のガラス基板上に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
8. 前記第２の全方向性反射器は、互いに屈折率及び厚さが異なる少なくとも２層の誘電体層を備えた誘電体ユニットを少なくとも１個含むことを特徴とする請求項７に記載の発光装置。
9. 前記第１の誘電体層は、ＴｉＯ₂から形成され、
   前記第２の誘電体層は、ＳｉＯ₂から形成され、
   前記第３の誘電体層は、Ｔａ₂Ｏ₅から形成されていることを特徴とする請求項５に記載の発光装置。
10. 前記各光発生素子は、３５０ｎｍ乃至４７０ｎｍの波長の前記１次光を発生させる発光ダイオードの形式を有することを特徴とする請求項７に記載の発光装置。
11. 前記波長変換部材は、前記１次光を４００ｎｍ乃至７００ｎｍの波長の前記２次光に変換するように、蛍光材料がその中に分散した透明樹脂母材を含むことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
12. 前記第２の全方向性反射器上に形成された反射金属層を有することを特徴とする請求項７に記載の発光装置。
13. 前記波長変換部材の一側に結合された第１の全方向性反射器と、
    前記波長変換部材の他側に配置された第２の全方向性反射器と、
    前記波長変換部材をそれらの間に挟む第１及び第２のガラス基板と、を備え、
    前記波長変換部材は、互いに対向する上面及び下面並びに互いに対向する左側面及び右側面を有し、
    前記光発生ユニットは、前記波長変換部材の前記左側面にはめ込まれた複数の光発生素子の左列と、前記波長変換部材の前記右側面にはめ込まれた複数の光発生素子の右列と、を含み、
    前記第２のガラス基板は、前記波長変換部材の前記下面上に形成され、
    前記第１のガラス基板は、前記波長変換部材の前記上面上に形成され、
    前記第１及び第２の全方向性反射器は、夫々前記第１及び第２のガラス基板上に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
14. 前記第２の全方向性反射器は、互いに屈折率及び厚さが異なる少なくとも２層の誘電体層を備えた誘電体ユニットを少なくとも１個含むことを特徴とする請求項１３に記載の発光装置。
15. 前記波長変換部材の前記左側面及び右側面上に形成され、夫々前記光発生素子の前記左列及び右列を覆う左反射金属層及び右反射金属層を有することを特徴とする請求項１３に記載の発光装置。
16. 第２の全方向性反射器上に配置された反射金属層をさらに備え、
    前記光発生素子は、下面を備え、
    前記第２の全方向性反射器は、前記波長変換部材の前記下面に埋め込まれ、前記光発生素子の前記下面上に形成された上面と、前記上面と反対側の下面と、を備え、
    前記反射金属層は、前記波長変換部材の前記下面上に形成されると共に、前記第２の全方向性反射器の前記下面を覆うことを特徴とする請求項１３に記載の発光装置。
17. 前記反射金属層上に形成された第２のガラス基板を有することを特徴とする請求項１６に記載の発光装置。
18. 空間的に周期的に誘電率が変化するようにした全方向性結晶の誘電体構造を有し、
    前記誘電体構造は、互いに屈折率及び厚さが異なる少なくとも３層の誘電体層を備えた誘電体ユニットを少なくとも１個含み、
    第１の波長範囲の１次光を実質的に全反射する反射性及び前記第１の波長範囲外の第２の波長範囲の２次光を透過させる透過性を示す散乱性を有することを特徴とする全方向性反射器。
19. 前記複数の誘電体層は、第１、第２及び第３の誘電体層を含み、
    前記第２の誘電体層は、前記第１及び第３の誘電体層に挟まれており、前記第１及び第３の誘電体層よりも低い屈折率を具え、
    前記第３の誘電体層は、前記第１の誘電体層よりも低い屈折率を有することを特徴とする請求項１８に記載の全方向性反射器。
20. 前記第１の誘電体層は、ＴｉＯ₂から形成され、
    前記第２の誘電体層は、ＳｉＯ₂から形成され、
    前記第３の誘電体層は、Ｔａ₂Ｏ₅から形成されていることを特徴とする請求項１９に記載の全方向性反射器。

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