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JP5399252B2 - 照明システムおよびディスプレイ装置 - Google Patents

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Description

(技術分野)
本発明は、発光ダイオード、光出射ウィンドウおよびルミネッセント層を含む照明システム関する。
本発明は、照明器具およびディスプレイ装置にも関する。
(発明の背景)
該照明システムそれ自体は知られている。これらは、特に、一般的な照明用の照明器具として使用され、たとえば、オフィス照明または店舗照明用に、たとえば、ショーウィンドウ照明または(透明または半−透明)ガラス板または(透明)ガラス板または(透明)合成樹脂の照明用に使用し、それらの上に商品、たとえば宝飾品類を陳列する。さらに、該照明システムは、たとえば、看板、輪郭照明、および広告塔中に、大面積直視型光放出パネル用などとして適用される、一般的な照明用途のために使用される。
該知られた照明システムは、(画像)ディスプレイ装置中のバックライト放出パネルとしても使用される。このような照明システムは、たとえば、テレビジョン受信機、(コンピュータ)モニタ、(コードレス)電話機および携帯情報端末に使用されているLCDパネルとしても参照される液晶ディスプレイ装置などの非放射ディスプレイ中の照明源として使用するのに特に好適となることができる。照明システムは、画像を投影するまたはテレビ番組、フィルム、ビデオ番組またはDVD等を表示するための、たとえば、デジタルプロジェクター、またはいわゆる(パソコンと接続可能な)プロジェクター等の投影システムにも使用されることができる。
このような照明システムは、たとえば、欧州特許出願公開第1521235号明細書に開示されている。発光ダイオード(以後、LEDとも称する)の二次元アレイを含む照明システムは、照明システムのリアパネルに設置される。引用文献中の照明システムの実施形態の1つでは、LEDは全て実質的に同一の色の光を放出し、たとえば、それは原色の青色である。照明システムは、照明システムのカバープレート上に配置された色変換蛍光体層をさらに含み、いわゆるリモート蛍光体形態となる。蛍光体層は均一な層であり、たとえば、原色の青色の光を原色の黄色の光に変換する蛍光体イットリウムアルミニウムガーネット(以降、YAG:Ceとも示す)を含有する。層は均一な密度の粒子を有するフィルムまたはフィルム中にルミネッセント色素が分散されていてもよい。LEDによって放出される原色の青色の一部の光は、蛍光体層によって媒介されて、黄色および青色成分の両方がディスプレイ装置を照明するためにディスプレイ装置に届く。青色LEDを含む照明システムは、異なるタイプのカラーフィルターを用いることで、広範な異なるディスプレイで使用することができる。蛍光体層の厚さおよび/または蛍光体層中の蛍光体の濃度を変化させることで、照明システムによって放出される光を特定のLCDに適合するように最適化することができる。
知られている照明システムの欠点は、ディスプレイ装置から放出される光の色温度が非常に低いということである。
(発明の概要)
本発明の目的は改良された色温度を有する照明システムを提供することである。
本発明の第1の態様によれば、目的は以下の構成:
第1の原色の光を放出する発光ダイオードと、
照明システムから光を放出するための光出射ウィンドウと、
発光ダイオードおよび光出射ウィンドウ間に配置され、発光ダイオードによって放出される光の少なくとも一部を第2の原色の光へ変換するためのルミネッセント層を含む照明システムであって、該ルミネッセント層は、少なくともルテチウム、セリウム、シリコンおよび窒素を含有するガーネットルミネッセント材料、または、少なくともルテチウムおよびセリウムを含有するガーネットルミネッセント材料と、少なくともセリウム並びにイットリウムおよびガドリニウムを含有する群の少なくとも一つの成分を含有するガーネットルミネッセント材料との組み合わせを含む、照明システムによって達成される。
本発明による手段による効果は、少なくともルテチウム、セリウム、シリコンおよび窒素を含有するガーネットルミネッセント材料、または少なくともルテチウムおよびセリウムを含有するガーネットルミネッセント材料並びに少なくともセリウム並びにイットリウムおよびガドリニウムを含有する群の少なくとも一つの成分を含有するガーネットルミネッセント材料との組み合わせを含むガーネットルミネッセント材料で、イットリウムアルミニウムガーネットルミネッセント材料を置換することで、YAG:Ceとしても参照される、セリウムで活性化されたイットリウムアルミニウムガーネットだけを含有するルミネッセント層によって放出される原色の黄色と比較して、ルミネッセント層によって放出される原色の黄色の中心の波長がより短い波長にシフトすることである。この原色の黄色の中心の波長のシフトのために、照明システムによって放出される光の原色の黄色および原色の青色の寄与によるカラーポイントも、より短い波長にシフトし、照明システムによって放出される光の色温度が増加する。
少なくともルテチウム、セリウム、シリコンおよび窒素を含有するガーネットルミネッセント材料、または少なくともルテチウムおよびセリウムを含有するガーネットルミネッセント材料と、少なくともセリウム並びにイットリウムおよびガドリニウムを含有する群の少なくとも一つの成分を含有するガーネットルミネッセント材料の組み合わせを含有するガーネットルミネッセント材料を使用する場合の他の利点は、ルミネッセント層によって放出される原色の黄色のスペクトル成分が増加し、照明システムを含むディスプレイ装置の色域が比較的大きくなることである。照明システムのスペクトル成分は、照明システムによって放出される光の色の範囲を決定する。これらのルミネッセント材料を使用する場合には、原色の黄色の放出スペクトルは知られたルミネッセント材料YAG:Ceに対して広がり、これは照明システムによって放出される光の色の範囲を増加させることになり、照明システムのスペクトル成分の改良となる。シリコン窒化物を含有するルミネッセント材料を含む照明システムの実施形態では、シリコン窒化物を添加すると、シリコン窒化物を含まない放出スペクトルと比較して、放出スペクトルが広がる。少なくともルテチウムおよびセリウムを含有するガーネットルミネッセント材料の一例は、たとえば、LuAG:Ceとも称するセリウムで活性化されたルテチウムアルミニウムガーネットである。少なくともセリウム並びにイットリウムおよびガドリニウムを含有する群の少なくとも一つの成分を含有するガーネットルミネッセント材料の一例は、たとえば、YAG:Ceとも称するセリウムで活性化されたイットリウムアルミニウムガーネットである。LuAG:CeおよびYAG:Ceの組み合わせを含む照明システムの実施形態では、原色の黄色の放出スペクトルはLuAG:Ceの放出スペクトルおよびYAG:Ceの放出スペクトルの組み合わせによって広がる。LuAG:CeおよびYAG:Ceのルミネッセント材料の両方は、黄色または緑−黄色として認識される光(以降は黄色として参照される)を放出する。放出スペクトルのスペクトル的に加重した中心波長である、ルミネッセント材料LuAG:Ceによって放出される光の中心波長(一般におよそ560ナノメートル)は、ルミネッセント材料YAG:Ceによって放出される光の中心波長(一般におよそ590ナノメートル)と比較してより短い波長にシフトする。二つの放出スペクトルの組み合わせによって、中心波長が例えば約580nmとなる、光の放出スペクトルが広げられて放出される原色の黄色となる。原色の黄色のより広い放出スペクトルは、照明システムおよびディスプレイ装置のカラーフィルターによって放出される光の重なりを増加させるので、照明システムによって放出される原色の黄色のより広い放出スペクトルも、一般に、照明システムを含むディスプレイ装置の色域を増加させることになる。
本発明による照明システムの色域は、LEDによって放出される原色の青色の選択によって一部分は定義される。照明システムの色温度は、LEDによって放出される原色の青色の中心波長をより長い波長の青色にシフトさせることで、増加させてもよい。しかしながら、LEDによって放出される光の中心波長のシフトは、特に紫色の領域で、標準EBU(European Broadcasting Union)色領域と重なる色領域を減少させ、またはNTSC(National Television Syatem Committee)の色領域と重なる色領域を減少させことにもなる。あるいは、YAG:Ceを、シリコン窒化物を含有するセリウムで活性化されたルテチウムアルミニウムガーネット(LuAGSN:Ceとしても参照される)で置換することにより、あるいは、たとえば、LuAG:CeをYAG:Ceに添加することによって、ルミネッセント層によって放出される光の中心波長は緑色方向にシフトし、ディスプレイ装置の比較的広い色域を維持しながら照明システムの色温度を増加させる。
少なくともルテチウム、セリウム、シリコンおよび窒素を含有するガーネットルミネッセント材料を使用する場合の付加的な利点は、照明システムの色温度を増加させるために、単一のルミネッセント材料でルミネッセント層によって放出される原色の黄色の中心波長のシフトを可能にすることであり、これはルミネッセント層の製造を単純化する。
少なくともルテチウムおよびセリウムを含有するガーネットルミネッセント材料と、少なくともセリウム並びにイットリウムおよびガドリニウムを含有する群の少なくとも一つの成分を含有するガーネットルミネッセント材料との組み合わせを使用する付加的な利点は、組み合わせた個々のルミネッセント材料の濃度または総量を調節でき、照明システムによって放出される光のカラーポイントの調節が可能になることである。この調節は、たとえば、LEDによって放出される原色の青色の変動を修正するために使用されてもよい。照明システムから放出される光が照明システムの所定のカラーポイントに実質的に常に対応することを確かにするために、個々のルミネッセント材料の濃度を適合させて、照明システムから放出される光のカラーポイントを調節することができる。この調節を、たとえば、照明システムとディスプレイ装置を組み合わせる場合に、ディスプレイ装置のカラーフィルターのばらつきを修正するために使用してもよい。さらに、照明システム中の個々のルミネッセント材料の濃度の調節は、たとえば、ディスプレイ装置の色温度を要求レベルにするために使用することもできる。特定のディスプレイ装置に使用されるカラーフィルターが分かる場合には、ディスプレイ装置によって放出される光の色温度を所定のディスプレイ色温度に対応するように濃度を選択することができる。
照明システムの実施形態の1つでは、少なくともルテチウム、セリウム、シリコンおよび窒素を含有するガーネットルミネッセント材料、または少なくともルテチウムおよびセリウムを含むガーネットルミネッセント材料は、さらにガドリニウムを含有する。この実施形態の利点はガドリニウムの添加によって、ガドリニウムを含まないルミネッセント材料と比較して、ルミネッセント材料の中心波長の光放出ピークがより長い波長にシフトすることである。ガドリニウムの添加によって、照明システムのカラーポイントを調節できる範囲が広がり、従って、ディスプレイ装置の色温度を調節できる範囲が広がる。
照明システムの実施形態の1つでは、少なくともルテチウム、セリウム、シリコンおよび窒素を含有するガーネットルミネッセント材料は、(Y3-x-yLuxGdy)(Al5-zSiz)(O12-zz):Ce(式中、0<x≦3、0≦y≦2.7、0<x+y≦3および0<z≦2)によって表され、少なくともルテチウムおよびセリウムを含有するガーネットルミネッセント材料は、(Y3-x-yLuxGdy)(Al5-zSiz)(O12-zz):Ce、(式中、0<x≦3、0≦y≦2.7、0<x+y≦3および0≦z≦2)によって表され、少なくともセリウムを含み、並びにイットリウムおよびガドリニウムを含有する群の少なくとも一つの成分を含有するガーネットルミネッセント材料は、(Y3-x-yLuxGdy)(Al5-zSiz)(O12-zz):Ce、(式中、0≦x<3、0≦y≦2.7、0≦x+y≦3および0≦z≦2)によって表される。この実施形態では、異なるルミネッセント材料のそれぞれは、添え字x、yおよびzに対する要求が異なる単一の式によって表すことができる。
二つのルミネッセント材料の組み合わせを含む照明システムの実施形態の1つでは、ルミネッセント層(120)中の二つのルミネッセント材料の第1のモル濃度は、二つのルミネッセント材料の第2のモル濃度よりも1〜3倍大きい。ここで、モル濃度は、ルミネッセント層の単位面積ごとのモル濃度を示す。たとえば、LuAG:CeおよびYAG:CeまたはLuAG:Ceおよびセリウムで活性化されたイットリウムガドリニウムアルミニウムガーネット(YGdAG:Ceとしても参照される)を含有する実施形態の1つでは、ルミネッセント層中のYAG:CeまたはYGdAG:Ceの濃度は、LuAG:Ceの濃度よりも1〜3倍大きい。この実施形態の利点は、このルミネッセント材料とLEDによって放出される光の組み合わせが、照明システムおよび知られたカラーフィルターの組み合わせであるディスプレイ装置の色温度を、およそ6000ケルビンからおよそ12000ケルビンまで調節可能とすることである。
二つのルミネッセント材料の組み合わせを含む照明システムの実施形態の1つでは、発光ダイオードによって放出される中心の波長の変動は、ルミネッセント層中の二つのルミネッセント材料のいずれか一つのモル濃度を変化させることで相殺される。ルミネッセント層が、たとえば、LuAG:CeおよびYAG:Ceを含有する場合、発光ダイオードによって放出される中心の波長のシフトは、ルミネッセント層中のLuAG:Ceのモル濃度の変化によって、またはルミネッセント層中のYAG:Ceのモル濃度の変化によって、または両方のモル濃度の変化によって相殺される。この実施形態の利点は、発光ダイオードによって放出される中心の波長、または照明システ中の様々な発光ダイオードの中心の波長の平均が変わった場合でさえも、LuAG:CeまたはYAG:Ceの濃度を変化させることで、照明システムによって放出される光を実質的に、所定のバックライトのカラーポイントに確実に対応させることができることである。
二つのルミネッセント材料の組み合わせを含む照明システムの実施形態の1つでは、ルミネッセント層は、二つのルミネッセント材料の第1を有する層を含み、および、二つのルミネッセント材料の第2を含有する他の層を含む。たとえば、照明システムがLuAG:CeおよびYAG:Ceを含む場合は、ルミネッセント層はLuAG:Ceを含有する層およびYAG:Ceを含有する層を含有する。この実施形態の利点は、たとえば、それぞれのルミネッセント材料に適用される個々の層の厚さの変化によって、または、たとえば、個々の適用される層中の個々のルミネッセント材料のモル濃度の変化によって、LuAG:CeおよびYAG:Ceを含有する個々に適用される層は、それぞれ、ルミネッセント層中の個々のルミネッセント材料のモル濃度を比較的簡単に変えることができることである。LuAG:Ceを含有するおよびYAG:Ceを含有する個々の層は、お互いの上で適用してもよく、あるいは、たとえば拡散要素の異なる表面上で適用されてもよく、または、異なる基板上、たとえば、バルクディフューザープレートおよびシートディフューザー、またはディフューザーエレメントおよび輝度上昇エレメントで適用されてもよい。
照明システムの実施形態の1つでは、該照明システムは少なくともルテチウム、セリウム、シリコンおよび窒素を含有するガーネットルミネッセント材料を含み、さらにルミネッセント層は、少なくともセリウム、シリコンおよび窒素並びにイットリウムおよびガドリニウムを含有する群の少なくとも一つの成分を含有するガーネットルミネッセント材料を含有する。少なくともセリウム、シリコンおよび窒素並びにイットリウムおよびガドリニウムを含有する群の少なくとも一つの成分を含有するガーネットルミネッセント材料は、たとえば、シリコン窒化物を含有するセリウムで活性化されたイットリウムアルミニウムガーネット(以下、YAGSN:Ceとも称する)を含み、たとえば、シリコン窒化物を含有するセリウムで活性化されたイットリウムガドリニウムアルミニウムガーネット(以下、YGDAGSN:Ceとも称する)を含有する。この実施形態の利点は、YAGSN:CeまたはYGDAGSN:Ceの添加によって、ルミネッセント層中の個々のルミネッセント材料LuAGSN:CeおよびYAGSN:Ceの濃度を変化させることで、ルミネッセント層によって放出される原色の黄色の中心の波長を調節できることである。さらに、シリコン窒化物をYAG:Ceに添加させることで、YAG:Ceの放出スペクトルと比較して、放出スペクトルを広くし、この場合もまた、本発明による照明システムおよび本発明による照明システムを含むディスプレイ装置の色域を広くする。
照明システムの実施形態の1つでは、ルミネッセント層は、発光ダイオードから少し離れて配置されるルミネッセント層であるリモート蛍光体層として配置される。リモート蛍光体層としてルミネッセント層を適用する利点は、本発明による照明システムに使用されるルミネッセント材料を比較的広い範囲にできることである。通常、ルミネッセント材料は発光ダイオードに直接適用される。しかしながら、このルミネッセント材料は、動作中に、発光ダイオードの比較的高い温度に耐えることができなければならず、同時に、動作中に、発光ダイオードによって放出される比較的高い光エネルギー束に耐えることができなければならないので、発光ダイオードに直接適用できるルミネッセント材料の選択は制限される。高温および高光エネルギー束によって、通常、ルミネッセント材料は徐々に劣化することになり、従って、照明システムの効率が徐々に減少することになる。本発明による照明システムでは、ルミネッセント材料は発光ダイオードから見て外側に向くように適用される。発光ダイオードからの距離が離れると、ルミネッセント材料の温度は低くなり、発光ダイオードに直接適用したルミネッセント材料の温度と比較して、摂氏温度で表すと、少なくとも20%減少し、ルミネッセント材料に入射する第1の原色の光エネルギー束密度は、少なくとも90%減少することになる。ルミネッセント材料のこの配置のために、高温および高光エネルギー束に耐える能力に関してルミネッセント材料に対する要求が低くなり、さらに、ルミネッセント材料の経時劣化が少なくなる。
照明システムの実施形態の1つでは、照明システムは、発光ダイオードとルミネッセント層との間に配置される光混合エレメントを含む。光混合エレメントは、たとえば、光を混合し再利用するために、鏡面的にまたは拡散的に反射する表面を有するハウジングであってもよい。あるいは光混合エレメントは、LEDによって放出される光を、たとえば、全反射を使用して混合する光導波路であってもよい。光混合エレメントはまたディフューザーエレメントであってもよい。
照明システムの実施形態の1つでは、照明システムは、ルミネッセント層と光出射ウィンドウ間に反射偏光子フィルムおよび/またはコリメータフィルムを含む。反射偏光子フィルムの一例は、たとえば、DBEFフィルムである。DBEF(デューアル輝度上昇フィルム)は、照明システムに戻ってきた残りの光を再利用するために反射しながら、実質的に所定の偏向方向を有する光のみを透過するので、偏向フィルムとして機能する。コリメータフィルムの一例は、たとえば、BEFフィルムである。BEF(輝度上昇フィルム)は、照明システムに戻ってきた残りの光を再利用するために反射しながら所定の範囲の入射角でBEFに影響を与える光だけを透過するので、光をコリメートする。所定の範囲の入射角にない、または実質的に所定の偏向方向にない光が再利用され、少なくとも部分的に再使用されるので、BEFおよび/またはDBEFの使用は照明システムの効率を上げることになる。BEFおよび/またはDBEFを使用した場合の付加的な利点は、光の混合を促進させるように光を再利用するために、ルミネッセント層の厚さを減らすことができることである。LEDによって放出される原色の青色の光が再利用され、ルミネッセント層に影響を与えると、再利用される光の一部は原色の黄色の光に変換されるであろうし、照明システムによって放出される光の原色の黄色の寄与を増し、照明システムによって放出される光の原色の青色の寄与を減少させる。再利用による原色の黄色の寄与の増加を相殺し、照明システムによって放出される光に対応する所定のカラーポイントを確保するためには、本発明による照明システム中のルミネッセント層の厚さを減少させてもよい。
照明システムの実施形態の1つでは、照明システムは、少なくとも二つの発光ダイオードを含み、二つの発光ダイオードのそれぞれの放出スペクトルは、二つの発光ダイオードの一つの中心波長が二つの発光ダイオードの他の一つの中心波長から少なくとも5ナノメートルシフトした中心波長を有する。この実施形態の利点は、ルミネッセント層中のルミネッセント材料の特定の濃度を選択することで、照明システムによって放出される光のカラーポイントが所定のカラーポイントに実質的に等しいかぎり、原色のより広いばらつきを許容できることである。この許容可能なより広いばらつきのために、本発明による照明システムは、異なる区分(bins)からなるLEDを含んでもよく、これは照明システムの製造コストを削減する。
照明システムの実施形態の1つでは、照明システムは少なくとも二つの発光ダイオードを含み、その発光ダイオードは、それぞれ調光可能である。波長ビニング(binning)に加えて、照明システムに使用されているLEDもLEDから放出される光束にしたがってビン分割(binned)される。複数のLEDがそれぞれ調光可能であることを保証することで、それぞれのLEDの寄与を調節することができる。個々に調光させることで、光照明システムから放出される光の均一性を増すことでできる。あるいは、個々のLEDの光の中心波長が異なる場合には、個々の調光は、照明システムから放出される光のカラーポイントを微細に調節するために使用することができる。
照明システムの実施形態の1つでは、照明システムは、複数の発光ダイオードを含み、その複数の発光ダイオードは、動作中は、走査動作モードで動作する。これはガーネットルミネッセント材料の減衰時間は比較的短いために可能としている。照明システムは、LEDが、たとえば、動きアーチファクトを減少させるために実質的に同一の振幅で順番に駆動することができる一次元のクラスターに配置され、または、たとえば、一次元調光をするために動画コンテンツに依存する駆動電流で、同時にまたは順番に(時間的な重複が有る可能性がある)駆動することができるルミネッセント層を含む。この動作モードは電力消費を減らし、ディスプレイ装置のダイナミックレンジおよびコントラスト比を増加させるという利点がある。したがって、意図した画像を生成することに応じたLCDピクセル透過量値を採用する。単一原色だけが、ルミネッセント材料を照明するために使用されるので、この照明システムは、例えば、異なる原色の光を放出するLEDを含む照明システムよりも均一な色である。すべてのLEDが公称電力で動作する場合には、青色光は十分によく混合され、または均質化されるべきである。画像中の視認可能なアーチファクトを防ぐためには、クラスターは、リモート蛍光体層を採用するこの種のシステム中のクラスターの自然な特徴となる、その配光が十分に空間で重なってなめらかな輪郭を有しているべきである。
本発明は照明器具および本発明による照明システムを含むディスプレイ装置にも関する。
(図面の簡単な説明)
本発明のこれらのおよび他の態様は、以下に記載された実施形態を参照して説明され、明らかとなる。
図1Aは、本発明による照明システムの簡易化した断面図を示す。 図1Bは、本発明によるディスプレイ装置の簡易化した断面図を示す。 図2Aは、セリウムで活性化されたルテチウムアルミニウムガーネットおよびセリウムで活性化されたイットリウムアルミニウムガーネットの組み合わせのCIE1976u’v’図を示す。 図2Bは、セリウムで活性化されたルテチウムアルミニウムガーネットおよびセリウムで活性化されたイットリウムアルミニウムガーネットの組み合わせの光パワー密度スペクトルを示す。 図3Aは、シリコン窒化物を含有するセリウムで活性化されたルテチウムアルミニウムガーネットのCIE1976u’v’図を示す。 図3Bは、シリコン窒化物を含有するセリウムで活性化されたルテチウムアルミニウムガーネットの光パワー密度スペクトルを示す。 図4Aは、シリコン窒化物を含有するセリウムで活性化されたルテチウムアルミニウムガーネットおよびシリコン窒化物を含有するセリウムで活性化されたイットリウムアルミニウムガーネットとの組み合わせのCIE1976u’v’図を示す。 図4Bは、シリコン窒化物を含有するセリウムで活性化されたルテチウムアルミニウムガーネットおよびシリコン窒化物を含有するセリウムで活性化されたイットリウムアルミニウムガーネットとの組み合わせの第1の光パワー密度スペクトルを示す。 図4Cは、シリコン窒化物を含有するセリウムで活性化されたルテチウムアルミニウムガーネットおよびシリコン窒化物を含有するセリウムで活性化されたイットリウムアルミニウムガーネットとの組み合わせの第2の光パワー密度スペクトルを示す。
図は純粋に図表として描かれ、一定の縮尺では描かれてはいない。特に明確にするために、いくつかの寸法は非常に強調されている。図中の類似の要素は、可能な限り同一の参照数字で示した。
(実施形態の詳細な説明)
図1Aは、本発明による照明システム100の簡易化した断面図を示す。本発明による照明システム100は、照明システム100の光混合チャンバー104の反射面102上に配置されたLED D1、D2を含む。LED D1、D2は第1の原色の色を放出する、たとえば、ルミネッセント層120に影響を与える原色の青色72、75(図2A、図3A、図4A参照)である。ルミネッセント層120は、少なくともルテチウム、セリウム、シリコンおよび窒素を含有するガーネットルミネッセント材料73を含有する、または、少なくともルテチウムおよびセリウムを含有するガーネットルミネッセント材料70と、少なくともセリウム並びにイットリウムおよびガドリニウム含有する群の少なくとも一つの成分を含有するガーネットルミネッセント材料との組み合わせを含有するガーネットルミネッセント材料を含む。これらの異なるルミネッセント材料の例は(Y3-x-yLuxGdy)(Al5-zSiz)(O12-zz):Ceによって表され、たとえば、LuAG:Ce70、LuAGSN:Ce73、YAG:Ce71、YGdAG:Ce、YAGSN:Ce74、YGdAGSN:Ceが含まれる。図1Aに示された実施形態中、ルミネッセント層120は、第1のルミネッセント層122および第2のルミネッセント層124から構成され、第1のおよび第2のルミネッセント層122、124のぞれぞれは、たとえば、キャリアプレート126の反対側上に配置される。第1および第2のルミネッセント層122、124は、たとえば、異なるルミネッセント材料を含む。あるいは、第1のルミネッセント層122および第2のルミネッセント層124は、キャリアプレート126の同じ側に適用されてもく(図示せず)、キャリアプレート126は、たとえば、透明または散乱性であってもよい。ルミネッセント層120は、あるいは、一層として適用してもよく(参照図1B)、または、あるいは、LED D1、D2に直接適用してもよい。ルミネッセント層120中の異なるルミネッセント材料70、73、71、74の濃度、または、第1のルミネッセント層122および第2のルミネッセント層124の厚さは、LED D1、D2から放出される原色の青色72、75うちのどのぐらいの光が原色の黄色を有する光に変換されるかを決定し、したがって、本発明による光照明システム100によって放出される光のカラーポイント76、77、78(図2A、3A、4A参照)を決定する。照明システム100によって生成される光は、光出射ウィンドウ105を介して放出される。
図1Bは、本発明による照明システム101を含むディスプレイ装置200の簡易化した断面図を示す。図1Bに示された本発明による照明システム101の実施形態もまた、照明システム101の光混合チャンバー104の反射面102上に配置されたLED D1、D2を含む。図1Bに示された照明システム101の実施形態では、LED D1、D2によって放出される光は、第1の光混合エレメント110、たとえば、均等拡散(Lambertian)ディフューザーエレメント110を使用して混合される。LED D1、D2によって放出される光が拡散された後に、その光はルミネッセント層120に影響を与える。図1Bに示されたルミネッセント層120は、たとえば、異なるルミネッセント材料の混合物、たとえば、LuAG:Ce、LuAGSN:Ce、YAG:Ce、YGdAG:CeおよびYAGSN:Ceを含有する群から選択される混合物を含有する。あるいは、ルミネッセント層120は、単一のルミネッセント材料、たとえば、LuAGSN:Ceから構成されてもよい。ルミネッセント層120中のルミネッセント材料のモル濃度または異なるルミネッセント材料のモル濃度は、LED D1、D2から放出される光のどれぐらいが原色の黄色を有する光に変換されるかを決定し、したがって、本発明による光照明システム101によって放出される光のカラーポイント76、77、78(図2A、3A、4A参照)を決定する。図1Bに示された照明システム101は、さらに、たとえば、他の均等拡散ディフューザーエレメント130等の第2の光混合エレメント130を含む。続いて、照明システム101は、所定の範囲内の入射角でBEF140に影響を与える光だけを実質的に透過し、残りの光を再利用するために照明システム101へ反射するBEF140を含む。さらに、照明システム101は、たとえば、所定の偏向方向を有する光のみを実質的に透過し、残りの光を再利用するために照明システム101へ反射するDBEF160を含む。DBEF160は、画像生成層150用の偏向子として使用してもよい。画像生成層150は、ディスプレイ装置200に画像を生成するために、たとえば、一組のカラーフィルター170、液晶セル配列180および検光子190を含む。あるいは、画像生成層150は、偏向子および検光子(両方とも光を吸収する)の両方を含み、DBEFはプリ偏向子として機能する。
図2Aは、原色の青色72を放出する発光ダイオードD1、D2(図1A参照)とともに、セリウムで活性化されたルテチウムアルミニウムガーネット70およびセリウムで活性化されたイットリウムアルミニウムガーネット71の組み合わせのCIE1976u’v’の色度図を示す。CIE1976u’v’図(さらにu’v’−図とも称する)は、u’v’色空間中の色度図である。図2Aに示されたu’v’−図は、ヒトの眼によって認識できるスペクトル色を示すスペクトル色知覚ライン10を示す。また図2Aに示されたu’v’−図中において、EBU色標準20は、三角形を形成する破線で示される。EBU色標準20は、ヨーロッパ放送連合(EBU)によって決定された色域であって、テレビ放送システムに一般に使用されている蛍光体に関する。u’v’−図中において、EBU−標準20の左上隅は緑色を表し、EBU−標準20の右上隅は赤色を表し、EBU−標準の下隅は青色を表す。さらに図2Aには、黒体の異なる温度に対応する黒体の色度ポイントを表す色空間(この場合はu’v’色空間)中の経路である黒体軌跡30(プランク軌跡とも呼ばれる)と呼ばれる線が示されている。
図2Aに示されたu’v’−図には、座標u’70=0.169およびv’70=0.563を有するLuAG:Ce70のカラーポイント、座標u’71=0.216およびv’71=0.564を有するYAG:Ce71のカラーポイント、および座標u’72=0.200およびv’72=0.086を有する発光ダイオードD1、D2から放出される光のカラーポイント72が含まれる。LuAG:Ce70並びにYAG:Ce71のカラーポイントおよび発光ダイオードD1、D2のカラーポイント72によって定義される斜線を付けた三角形50は、照明システム100、101(図1Aおよび1Bを参照)によって放出される光の色の範囲であって、個々のルミネッセント材料LuAG:Ce70およびYAG:Ce71の濃度を変化させることによって変えることができる範囲を表す。個々のルミネッセント材料LuAG:Ce70およびYAG:Ce71の特定の濃度比は、ルミネッセント材料LuAG:Ce70およびYAG:Ce71によって変換されず、かつ、ルミネッセント材料LuAG:Ce70およびYAG:Ce71の総量によって決定される発光ダイオードD1、D2によって放出される光の残りとともに、照明システム100、101(図1Aおよび1Bを参照)によって放出される光の色を表すカラーポイント76となる。カラーポイント76を有する照明システム100、101と典型的な一組のカラーフィルター170の透過スペクトルとの組み合わせは、たとえば、ディスプレイ装置200(図1B参照)に使用されているが、ディスプレイ装置200の色域40となる。照明システム100、101と典型的な一組のカラーフィルター170との組み合わせのために、色照明システム100、101によって放出される色を表すカラーポイント76は、ディスプレイ装置100によって放出される光の色温度CT1を持つカラーポイントに変化する。
LuAG:Ce70をYAG:Ce71に添加することで、照明システム100、101のカラーポイントは、YAG:Ceのみを含有するルミネッセント層と比較してより短い波長にシフトし、照明システム100、101の色温度76が増加することになる。本発明による照明システム100、101へ典型的な一組のカラーフィルター170を追加すると、照明システム100、101のカラーポイント76は、通常、バックライトシステムによって放出される光の実際のスペクトルに依存するフィルタ−特有の長さおよびフィルタ−特有の配向を有するベクトルVに沿ってシフトする。照明システム100、101のカラーポイントのより短い波長へのシフトは、知られたルミネッセント材料YAG:Ceのみを含む照明システムと比較して、ディスプレイ装置200の色温度をもより短い波長へシフトさせることになり、ディスプレイ装置200によって放出される光の色温度CT1を増加させることになる。
さらに、個々のルミネッセント材料LuAG:Ce70およびYAG:Ce71の濃度の比を制御することで、および、ルミネッセント材料LuAG:Ce70およびYAG:CE71の濃度または総量を調節することによってミネッセント材料LuAG:Ce70およびYAG:Ce71によって変換されない光の量を制御することで、照明システム100、101によって放出される光の色温度76を、斜線を付けた三角形50で示される範囲内で制御することができる。照明システム100、101によって放出される光の色温度76の変化は、その後、照明システム100、101を含むディスプレイ装置200の色温度CT1の変化につながる。
図2Bは、原色の青色72を放出する発光ダイオードD1、D2とともに、セリウムで活性化されたルテチウムアルミニウムガーネット70およびセリウムで活性化されたイットリウムアルミニウムガーネット71を組合せた光照明システム100、101によって放出される光の光パワー密度スペクトルを示す。照明システム100、101によって放出される光の光パワー密度スペクトル76は、原色の青色72のスペクトルを放出するLED D1、D2によって放出される光のスペクトル並びにルミネッセント材料LuAG:Ce70およびYAG:Ce71によって、原色の黄色のスペクトル放出するともに放出される光のスペクトルの寄与によって構成される。個々のルミネッセント材料LuAG:Ce70およびYAG:Ce71の濃度変化は、個々のルミネッセント材料LuAG:Ce70およびYAG:Ce71の寄与の差異となり、本発明による照明システム100、101の光パワー密度スペクトル76に対するLED D1、D2によって放出される光の寄与の差異となる。個々のルミネッセント材料LuAG:Ce70およびYAG:Ce71の濃度のこの変化によって、u’v’−図に示されるカラーポイント76は図2Aに示される斜線を付けた三角形50の範囲内で移動することができる。
図3Aは、原色の青色72を放出する発光ダイオードD1、D2とともに、シリコン窒化物を含有するセリウムで活性化されたルテチウムアルミニウムガーネット73のCIE1976u’v’図を示す。LuAGSN:Ce73のカラーポイントは、座標u’73=0.209およびv’73=0.560を有する。LuAGSN:Ce73のカラーポイントおよびLED D1、D2によって放出される光のカラーポイント72を接続するライン52は、照明システム100、101(図1Aおよび1B参照)によって放出される光の色がルミネッセント材料LuAGSN:Ce73の濃度変化で変えることができる範囲を表す。
原色の青色72を放出するLED D1、D2とともに、ルミネッセント層120中のルミネッセント材料LuAGSN:Ceの特定の濃度を使用することで生じる照明システム100、101のカラーポイント77は、ルミネッセント材料YAG:Ceのみを含む照明システムに対して、より短い波長にシフトする。LuAGSN:Ceを含む照明システム100、101と、ディスプレイ装置200の典型的な一組のカラーフィルター170とを組み合わせると、ディスプレイ装置200によって放出される光は、照明システム100、101によって放出される光のカラーポイント77に対して、ベクトルVに沿ってシフトするカラーポイントCT2を含む。
図3Bは、原色の青色72を放出する発光ダイオードD1、D2の光とともに、シリコン窒化物を含有する、セリウムで活性化されたルテチウムアルミニウムガーネット73を含む照明システム100、101(図1Aおよび1B参照)によって放出される光の光パワー密度スペクトルを示す。照明システム100、101によって放出される光の光パワー密度スペクトル77は、原色の青色72のスペクトルを放出するLED D1、D2によって放出される光スペクトルおよび原色の黄色を放出するルミネッセント材料LuAGSN:Ce73によって放出される光のスペクトルの寄与によって構成される。ルミネッセント層120中のルミネッセント材料LuAGSN:Ce73の濃度が変化すると、LED D1、D2によって放出される原色の青色72に対するLuAGSN:Ce73によって放出される原色の黄色の寄与が変化し、本発明による照明システム100、101の光パワー密度スペクトル77を変化させるので、照明システム100、101によって放出される光のカラーポイント77は変化する。
図4Aは、原色の青色72を放出する発光ダイオードD1、D2とともに、シリコン窒化物を含有する、セリウムで活性化されたルテチウムアルミニウムガーネット73およびシリコン窒化物を含有する、セリウムで活性化されたイットリウムアルミニウムガーネット74のCIE1976u’v’図を示す。あるいは図4Aのu’v’−図は、原色の青色72に対してシフトした他の原色の青色75を放出する発光ダイオードD1、D2とともに、LuAGSN:Ce73およびYAGSN:Ce74の組み合わせを示す。原色の青色のシフトは、たとえば、LED D1、D2の製造プロセスの差異に起因するかもしれない。LuAGSN:Ce73のカラーポイントの座標はu’73=0.209およびv’73=0.560であり、YAGSN:Ce74のカラーポイントの座標はu’74=0.230およびv’74=0.562であり、原色の青色72のカラーポイントはu’72=0.200およびv’72=0.086であり、他の原色の青色75のカラーポイントは、たとえば、u’75=0.171およびv’75=0.130である。LuAGSN:Ce73およびYAGSN:Ce74のカラーポイントおよび発光ダイオードD1、D2のカラーポイント72によって定義される第1の斜線を付けた三角形54は、個々のルミネッセント材料LuAGSN:Ce73およびYAGSN:Ce74の濃度を変化させることで変化させることができる、照明システム100、101によって放出される光の色の範囲を表す。LuAGSN:Ce73およびYAGSN:Ce74のカラーポイントおよび発光ダイオードD1、D2の他のカラーポイント75によって定義される第2の斜線を付けた三角形56は、個々のルミネッセント材料LuAGSN:Ce73およびYAGSN:Ce74の濃度を変化させることで変化させることができる、照明システム100、101によって放出される光の色の範囲を表す。個々のルミネッセント材料LuAGSN:Ce73およびYAGSN:Ce74の特定の濃度は、ルミネッセント材料LuAGSN:Ce73およびYAGSN:Ce74によって変換されない、発光ダイオードD1、D2によって放出される原色の青色72の光の残りとともに、照明システム100、101によって放出される光の色を表すカラーポイント78となる。あるいは、個々のルミネッセント材料LuAGSN:Ce73およびYAGSN:Ce74の他の濃度は、ルミネッセント材料LuAGSN:Ce73およびYAGSN:Ce74によって変換されない、発光ダイオードD1、D2によって放出される他の原色の青色75の光の残りとともに、カラーポイント78ともなる。従って、LED D1、D2によって放出される光の中心の波長の変化は、ルミネッセント層120中の個々のルミネッセント材料LuAGSN:Ce73およびYAGSN:Ceの濃度の変化によって補うことができることが分かる。その次に、カラーポイント78を有する照明システム100、101と典型的な一組のカラーフィルター170の透過スペクトルとの組み合わせは、たとえば、ディスプレイ装置200に使用されると、ディスプレイ装置200の色域40となる。照明システム100、101と典型的な一組のカラーフィルター170との組み合わせのために、照明システム100、101によって放出される色を表すカラーポイント78は、ディスプレイ装置100によって放出される光の色温度CT3に変化する。
図4Bは、原色の青色72を放出する発光ダイオードD1、D2とともに、シリコン窒化物を含有するセリウムで活性化されたルテチウムアルミニウムガーネット73およびシリコン窒化物を含有するセリウムで活性化されたイットリウムアルミニウムガーネット74を含む照明システム100、101によって放出される光の光パワー密度スペクトルを示す。照明システム100、101によって放出される光の光パワー密度スペクトル78aは、原色の青色72のスペクトルを放出するLED D1、D2によって放出される光のスペクトルおよびルミネッセント材料LuAGSN:Ce73およびYAGSN:Ce74によって、原色の黄色を放出するとともに放出される光のスペクトルの寄与から構成される。光パワー密度スペクトル78aは、図4Aのu’v’−図にプロットされた場合には、カラーポイント78となる。ルミネッセント層120中の個々のルミネッセント材料LuAGSN:Ce73およびYAGSN:Ce74の濃度を変化させると、LuAGSN:Ce73およびYAGSN:Ce74によって放出される原色の黄色の寄与は、LED D1、D2によって放出される原色の青色72に対して変化し、本発明による照明システム100、101の光パワー密度スペクトル78aを変化させるので、照明システム100、101によって放出される光のカラーポイント78を変化させる。
図4Cは、他の原色の青色75を放出する発光ダイオードD1、D2とともに、シリコン窒化物を含有するセリウムで活性化されたルテチウムアルミニウムガーネット73およびシリコン窒化物を含有するセリウムで活性化されたイットリウムアルミニウムガーネット74を含む照明システム100、101によって放出される光の光パワー密度スペクトルを示す。照明システム100、101によって放出される光の光パワー密度スペクトル78bは、他の原色の青色75のスペクトルを放出するLED D1、D2によって放出される光のスペクトルおよびルミネッセント材料LuAGSN:Ce73およびYAGSN:Ce74によって原色の黄色を放出するとともに放出される光のスペクトルの寄与から構成される。原色の青色72に対する他の原色の青色75の中心の波長のシフト(矢印60で示される)は、ルミネッセント材料YAGSN:Ce74の濃度の変化で補われ、ルミネッセント材料YAGSN:Ce74の光パワー密度スペクトルの強度を増加させる(矢印62で示される)ことになる。従って、光パワー密度スペクトル78bも、図4Aのu’v’−図にプロットされた場合には、カラーポイント78となる。この場合もやはり、ルミネッセント層120中の個々のルミネッセント材料LuAGSN:Ce73およびYAGSN:Ce74の濃度を変化させると、LuAGSN:Ce73およびYAGSN:Ce74によって放出される原色の黄色の寄与はLED D1、D2によって放出される他の原色の青色75に対して変化し、本発明による照明システム100、101の光パワー密度スペクトル78bを変化させるので、照明システム100、101によって放出される光のカラーポイント78を変化させる。
上述した実施形態は本発明を制限するものではなく、説明するためのものであり、当業者であれば添付の特許請求の範囲から逸脱することなく多くの他の実施形態を設計可能であることに留意されたい。
たとえば、ルミネッセント材料の層は必ずしも連続的な平面層である必要はなく、たとえば、それぞれのLEDを覆うルミネッセント材料のパッチから構成されていてもよい。
特許請求の範囲では、括弧内のいずれの引用符号も特許請求の範囲を限定するものと解釈するべきではない。動詞“含む(comprise)”およびその活用形の使用は、特許請求の範囲に記載されるエレメントまたはステップ以外のエレメントまたはステップの存在を排除するものではない。エレメントに先行する冠詞“a”または“an”は、複数の該エレメントの存在を除外するものではない。本発明は、幾つかの個別のエレメントを含むハードウェアによって実装されてもよい。幾つかの手段を列挙する装置の請求項では、これらの手段の幾つかを一つおよびハードウェアの同一のアイテムで実現してもよい。幾つかの手段が相互に異なる従属請求項中に列挙されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが利益を得るために使用できないことを示すものではない。

Claims (12)

  1. 照明システムであって、
    第1の原色の青色の光を放出する発光ダイオードと、
    前記照明システムからの光を放出するための光出射ウィンドウと、
    前記発光ダイオードによって放出される光の少なくとも一部を第2の原色の光に変換するために、前記発光ダイオードと前記光出射ウィンドウとの間に配置されるルミネッセント層であって、前記ルミネッセント層は、少なくともルテチウムおよびセリウムを含有するガーネットルミネッセント材料と、少なくともセリウム並びにイットリウムおよびガドリニウムを含有する群の少なくとも一つの成分を含有するガーネットルミネッセント材料との組み合わせを含有し、少なくともルテチウムおよびセリウムを含有する前記ガーネットルミネッセント材料は、(Y3-x-yLuxGdy)(Al5-zSiz)(O12-zz):Ce(式中、0<x≦3、0≦y≦2.7、0<x+y≦3および0≦z≦2)で表され、少なくともルテチウムおよびセリウムを含有する前記ガーネットルミネッセント材料は、さらにガドリニウムを含有し、少なくともセリウム並びにイットリウムおよびガドリニウムを含有する群の少なくとも一つの成分を含有する前記ガーネットルミネッセント材料は、(Y3-x-yLuxGdy)(Al5-zSiz)(O12-zz):Ce(式中、0≦x<3、0≦y≦2.7、0≦x+y≦3および0≦z≦2)で表される、照明システム。
  2. 請求項1に記載の照明システムであって、前記照明システムは二つのルミネッセント材料の組み合わせを含有し、前記ルミネッセント層中の二つのルミネッセント材料の第1のモル濃度は二つのルミネッセント材料の第2のモル濃度よりも1〜3倍大きい照明システム。
  3. 請求項1に記載の照明システムであって、前記照明システムは二つのルミネッセント材料の組み合わせを含有し、前記発光ダイオードによって放出される中心の波長の変動は、ルミネッセント層中の前記二つのルミネッセント材料の一方または両方のモル濃度を変化させることで相殺される照明システム。
  4. 請求項1に記載の照明システムであって、前記照明システムは二つのルミネッセント材料の組み合わせを含有し、前記ルミネッセント層は、前記二つのルミネッセント材料の第1を含有する層および前記二つのルミネッセント材料の第2を含有する他の層を含む照明システム。
  5. 請求項1に記載の照明システムであって、前記発光ダイオードから離れて配置されるルミネッセント層であるリモート蛍光体層として前記ルミネッセント層が配置される照明システム。
  6. 請求項1に記載の照明システムであって、前記照明システムは、前記発光ダイオードおよび前記ルミネッセント層間に配置される光混合エレメントを含む照明システム。
  7. 請求項1に記載の照明システムであって、前記照明システムは、前記ルミネッセント層および前記光出射ウィンドウ間に反射偏光子フィルムおよび/またはコリメータフィルムを含む照明システム。
  8. 請求項1に記載の照明システムであって、前記照明システムは少なくとも二つの発光ダイオードを含み、前記二つの発光ダイオードのそれぞれの放出スペクトルには、前記二つの発光ダイオードの一つの中心波長が、前記二つの発光ダイオードの他の中心波長から少なくとも5ナノメートルシフトする中心波長を有する照明システム。
  9. 請求項1に記載の照明システムであって、前記照明システムは少なくとも二つの発光ダイオードを含み、前記発光ダイオードは個別に調光可能である照明システム。
  10. 請求項1に記載の照明システムであって、前記照明システムは複数の発光ダイオードを含み、前記複数の発光ダイオードは、動作中は、走査動作モードで動作する照明システム。
  11. 請求項1に記載の照明システムを含む照明器具。
  12. 請求項1に記載の照明システムを含むディスプレイ装置。
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