(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
動作中、第１のスペクトル分布の光を発する光源と、
互いに反対側に配置された第１の光入力面及び第１の光出口面、並びに前記第１の光入力面に対して垂直に延びる端面を有する第１の導光体と、
互いに対して垂直に延びる、第２の光入力面及び第２の光出口面を有する第２の導光体とを有し、
前記第１の導光体は、前記第１の光入力面において、前記光源からの前記第１のスペクトル分布の光を受け取り、前記第１のスペクトル分布の光を前記第１の光出口面及び前記端面に誘導し、前記第１のスペクトル分布の光の一部を前記第１の光出口面から出て前記第２の導光体の中に導入し、前記第１のスペクトル分布の光の他の部分を前記端面から導出し、
前記第２の導光体は、前記第２の光入力面において、前記第１の導光体から出た前記第１のスペクトル分布の光を受け取り、当該光を前記第２の光出口面に誘導し、前記第１のスペクトル分布の光の少なくとも一部を第２のスペクトル分布の光に変換し、前記第２のスペクトル分布の光を前記第２の光出口面から導出する、発光素子。
【請求項２】
前記第１の導光体は、透明な導光体である、請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記第１の導光体は、透明な基板であり、前記光源は、前記透明な基板の上に又は中に作製された固体光源である、請求項１又は２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記第１の導光体は、更に、前記第１のスペクトル分布の光の少なくとも一部を第３のスペクトル分布の光に変換し、前記第３のスペクトル分布の光を前記第１の光出口面及び前記端面に誘導し、前記第３のスペクトル分布の光の一部を前記第１の光出口面から出て前記第２の導光体の中に導入し、前記第３のスペクトル分布の光の他の部分を前記端面から導出し、
前記第２の導光体は、前記第２の光入力面において、前記第１の導光体から出た前記第３のスペクトル分布の光の少なくとも一部を受け取り、当該光を前記第２の光出口面に誘導し、前記第３のスペクトル分布の光の少なくとも一部を前記第２のスペクトル分布の光に変換し、前記第２のスペクトル分布の光を前記第２の光出口面から導出する、請求項１に記載の発光素子。
【請求項５】
前記第１の導光体及び前記第２の導光体のうちの１つは、前記第１の導光体及び前記第２の導光体のうちの他方によって少なくとも部分的に包囲される、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項６】
互いに対して垂直に延びる更なる光入力面及び更なる光出口面を有する、前記第２の導光体の上に配置された１つ以上の更なる導光体を更に有し、
前記１つ以上の更なる導光体は、前記更なる光入力面において、前記第２の導光体からの入射光を受け取って内部に導入し、前記入射光を前記更なる光出口面に誘導し、前記入射光の少なくとも一部を、前記入射光のスペクトル分布とは異なるスペクトル分布の変換された光に変換し、前記変換された光を前記更なる光出口面から導出する、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項７】
互いに対して垂直に延びる更なる光入力面及び更なる端面、並びに前記更なる光入力面の反対側の更なる光出口面を有する、前記光源と前記第１の導光体との間に配置された更なる導光体を更に有し、
前記更なる導光体は、前記光源からの入射光を受け取って内部に導入し、前記入射光の少なくとも一部を前記入射光のスペクトル分布とは異なるスペクトル分布の変換された光に変換し、前記入射光及び／又は前記変換された光を前記更なる光出口面及び前記更なる端面に誘導し、前記入射光及び／又は前記変換された光を前記更なる光出口面から出て前記第１の導光体の中に導入し、前記更なる端面から導出する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項８】
前記第１の導光体の前記第１の光入力面は、結合構造を有する、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項９】
前記結合構造は、屈折構造及び回折構造のいずれかである、請求項８に記載の発光素子。
【請求項１０】
前記第１の導光体と前記第２の導光体との間に配置された層を更に有し、前記層は、前記第１の導光体及び前記第２の導光体の屈折率よりも低い屈折率を有する材料から構成される、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項１１】
前記第２の導光体は、発光材料を含む、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項１２】
前記第１の導光体及び前記第２の導光体のうちの１つ以上は、少なくとも１つの散乱要素を含む、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項１３】
前記第１の導光体及び前記第２の導光体のうちの１つ以上は、前記第１の光出口面及び前記第２の光出口面に結合構造を有する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項１４】
前記第１の導光体及び前記第２の導光体は、少なくとも部分的に互いに光学的に及び／又は機械的に接触する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項１５】
請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の発光素子を含む、デジタル投影機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、動作中、第１のスペクトル分布の光を発するよう構成された光源、及び第１のスペクトル分布の光を第２のスペクトル分布の光に変換するよう構成された導光体を含む発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
スポットライト及びデジタル光投射を含む様々なアプリケーションにとって、高強度光源、特に白色高強度光源は関心の対象である。かかる目的のために、透明度が高い発光材料内でより短い波長の光をより長い波長の光に変換するいわゆる集光器を利用することができる。かかる透明な発光材料内でより長い波長を発生させるために、発光材料はＬＥＤによって照射される。変換された光は発光材料内を誘導されて表面から取り出され、強度の上昇をもたらす。
【０００３】
文献ＷＯ２０１２／０５６３８２Ａ１は、一実施形態において、２つ以上の導波路を有し、そのうちの１つ以上が導波路の上に又は中に配置された発光材料を有し、光源からの光を発光材料の発光に変換するよう構成され得る、上記のような目的のための照明デバイスを開示する。
【０００４】
しかし、このような照明デバイスでは、導波路内に導入されない変換光は側面から脱出して失われ、効率性を低下させる。
【０００５】
文献ＷＯ２００６／０５４２０３は、ＬＥＤ、一般的には青色ＬＥＤからの光を吸収し、より長い波長に変換して出口面に誘導する変換構造を有する発光素子を開示する。ほぼ全ての青色光が変換構造内でより長い波長の光に変換される。変換されていない光、すなわち青色のままの光は通過し、光出口面に誘導されず、これにより、光損失及び効率性の低下が生じる。
【０００６】
しかし、白色光源にとって、光出口面からの発光に青色光が含まれることも望ましい。
【０００７】
すなわち、上記の２つの先行技術文献は、過剰な光損失が生じることにより、発光強度が損なわれるデバイスを開示する。更に、両先行技術デバイスについて、発光のスペクトル分布がカバーする波長域が狭すぎ、特に白色光源として使用される場合は不十分である。
【０００８】
ＷＯ２０１２／１４６９６０Ａ１は、長さ方向において一次光を受け取り及び誘導する光ファイバを開示する。光ファイバ内の散乱構造は、一次光を横方向に方向転換させて光ファイバから出射させ、一次光を、一次光とは異なる波長を有する二次光に変換するフォトルミネセンス層に入射させ、結果として、フォトルミネセンス層から白色光が出射する。
【０００９】
ＵＳ２００８／０２３２０８４Ａ１は、光を伝播するロッドレンズの入口面に光が入射するよう青色ＬＥＤ光源から発せられた光を集約する集光レンズを含み、輝度むらを低減する白色光源デバイスを開示する。ロッドレンズの出口面には、白色光をもたらす蛍光材料が配置されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の課題は、上記問題を克服すること、及び、光損失を最小化し、特に発光のスペクトル分布がより広い波長域をカバーし、変換されていない光、特に青色光が発光素子の光出口面に集められ及び誘導される発光素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば、上記及び他の目的は、動作中、第１のスペクトル分布の光を発する光源と、互いに反対側に配置された第１の光入力面及び第１の光出口面、並びに第１の光入力面に対して垂直に延びる端面を有する第１の導光体と、互いに対して垂直に延びる、第２の光入力面及び第２の光出口面を有する第２の導光体とを有し、第１の導光体は、第１の光入力面において、光源からの第１のスペクトル分布の光を受け取り、第１のスペクトル分布の光を第１の光出口面及び端面に誘導し、第１のスペクトル分布の光の一部を第１の光出口面から出て第２の導光体の中に導入し、第１のスペクトル分布の光の他の部分を端面から導出し、第２の導光体は、第２の光入力面において、第１の導光体から導出された第１のスペクトル分布の光を受け取り、当該光を第２の光出口面に誘導し、第１のスペクトル分布の光の少なくとも一部を第２のスペクトル分布の光に変換し、第２のスペクトル分布の光を第２の光出口面から導出する、発光素子によって達成される。
【００１２】
光源と第２の変換導光体との間に配置された第１の導光体を設ける結果、第２の変換導光体は、少なくとも、第１の導光体の第１の光出口面から脱出する光を吸収し、この光を他のスペクトル分布を有する光に変換する二次層として配置される。このようにすることで、さもなければ失われたであろう光を、後に、光入力面に対して垂直な第２の導光体の光出口面から取り出され得る第２の色を生成するために使用することができる。したがって、他の色を有する高強度の集約された光を供給することができる。このようにすることで、効率性が向上されたマルチカラー高強度光源を作成することができる。これにより、光損失が最小化され又は完全に排除さえされた発光素子が提供される。
【００１３】
第１の導光体の設置は、更に、変換されていない光、具体的には青色光を集め、第１の導光体の端面に誘導する要素を提供する。これにより、青色光を含むスペクトル分布の光を発する照明デバイスが提供される。更に、これは、改良されたより広いスペクトル分布を有する光を発し、白色光源としての使用に特に適した発光素子を提供する。
【００１４】
一実施形態では、第１の導光体は透明な導光体である。これにより、第１の導光体内でより少ない光が吸収され又は場合によっては光が全く吸収されないため、変換されていない光、具体的には青色光の回収が一層向上された発光素子が提供される。
【００１５】
上記のコンテキストにおける「透明な導光体」との用語は、少なくとも８５％の透明度、少なくとも９０％の透明度、少なくとも９５％の透明度、又は少なくとも９９％の透明度を有する材料からなる導光体を含むよう意図される。
【００１６】
一実施形態では、第１の導光体は、ＬＥＤ等の固体光源が中に又は上に作製される透明な基板である。固体光源は、例えば化学的若しくは物理的な堆積法によって、又は液相エピタキシー（ＬＰＥ）によって等、当該分野で知られる任意の実施可能な方法で作製され得る。固体発光素子の作製又は成長は、透明基板上で直接行われる。固体光源は、透明基板と直接物理的に及び光学的に接触するよう配置され、好ましくは、例えば固体発光素子の活性層は、透明基板上で直接成長され、透明基板上で直接処理、例えばエッチングされる。言い換えれば、透明基板は固体光源、すなわち固体光源の活性層が作製される基板である。隣り合う又は隣接する固体光源間の分離又はギャップを与えるために、適切な作製技術が適用される。透明基板に特に好ましい材料は、ドープ又はアンドープサファイアである。代わりに、透明基板はドープ又はアンドープガーネットから構成されてもよく、適切なガーネットは上記の通りである。更に、透明基板は発光性、集光性、又はこれらの組み合わせであってもよく、適切な材料は上記の通りである。
【００１７】
一実施形態では、第１の導光体は、第１のスペクトル分布の光の少なくとも一部を第３のスペクトル分布の光に変換し、第３のスペクトル分布の光を第１の光出口面及び端面に誘導し、第３のスペクトル分布の光の一部を第１の光出口面から出て第２の導光体の中に導入し、第３のスペクトル分布の光の他の部分を端面から導出し、第２の導光体は、第２の光入力面において、第１の導光体から導出された第３のスペクトル分布の光の少なくとも一部を受け取り、当該光を第２の光出口面に誘導し、第３のスペクトル分布の光の少なくとも一部を第２のスペクトル分布の光に変換し、第２のスペクトル分布の光を第２の光出口面から導出する。
【００１８】
これにより、追加の光の色が含まれたスペクトル分布の光を発する照明デバイスが提供される。更に、これは、具体的にはより広い、よって改良されたスペクトル分布の出射光を有する発光素子を提供し、したがって白色光源として特に有用である。
【００１９】
一実施形態では、第１の導光体及び第２の導光体のうちの１つは、第１の導光体及び第２の導光体のうちの他方によって少なくとも部分的に包囲される。これにより、変換されていない光、具体的には青色光が、場合に応じて第１の又は第２の導光体の２つ以上の面から特に効率的に集められる発光素子が提供される。
【００２０】
一実施形態では、発光素子は、互いに対して垂直に延びる更なる光入力面及び更なる光出口面を有する、第２の導光体の上に配置された１つ以上の更なる導光体を更に有し、１つ以上の更なる導光体は、更なる光入力面において、第２の導光体からの入射光を受け取って内部に導入し、入射光を更なる光出口面に誘導し、入射光の少なくとも一部を、入射光のスペクトル分布とは異なるスペクトル分布の変換された光に変換し、変換された光を更なる光出口面から導出する。例えば、更なる導光体は、第２の導光体の第２の光出口面以外の面から脱出した光を内部に導入する。これにより、２つ以上の更なる追加の光の色が含まれるよう選択可能なスペクトル分布の光を発する照明デバイスが提供される。更に、これは、出射光のスペクトル分布が改良され、よって高強度の白色光源として又はマルチカラー光源として特に有用な発光素子を提供する。また、本実施形態は、発光素子内で導光体が配置される順番に基づき、異なる色の強度を調整することを可能にする。
【００２１】
一実施形態では、発光素子は、互いに対して垂直に延びる更なる光入力面及び更なる端面、並びに更なる光入力面の反対側の更なる光出口面を有する、光源と第１の導光体との間に配置された更なる導光体を更に有し、更なる導光体は、光源からの光を受け取って内部に導入し、入射光の少なくとも一部を入射光のスペクトル分布とは異なるスペクトル分布の変換された光に変換し、入射光及び／又は変換された光を更なる光出口面及び更なる端面に誘導し、入射光及び／又は変換された光を更なる光出口面から出て第１の導光体の中に導入し、更なる端面から導出する。これにより、発光素子による発光の各色の強度を調整する更なる可能性を備えた発光素子が提供される。
【００２２】
一実施形態では、第１の導光体の第１の光入力面は、より効率的な光の内部導入のための結合構造を有する。一実施形態では、結合構造は、屈折構造及び回折構造のいずれかである。これにより、変換されていない光、具体的には青色光が特に効率的且つ効果的に集められて発光素子の光出口面に誘導され、また、第１の導光体内に導入される光の量を調整可能な発光素子が提供される。
【００２３】
一実施形態では、発光素子は、第１の導光体と第２の導光体との間に配置された層を更に有し、層は、第１の導光体及び第２の導光体の屈折率よりも低い屈折率を有する材料から構成される。これにより、第１の導光体と第２の導光体との間の光結合プロセス／輸送において生じる光損失を更に減らし又は排除さえすることによって、第１の導光体と第２の導光体との間の光結合が特に効率的に達成される発光素子が提供される。
【００２４】
一実施形態では、第２の導光体は、発光材料を含む。これにより、特に良好且つ効率的な光変換特性を有する発光素子が提供される。
【００２５】
一実施形態では、発光素子は、更に、光源と第１の導光体との間に配置された結合媒体を更に含む。これにより、特に効率的に且つ特に低い結合損失で、又は場合によっては結合損失を伴わずに光源によって発せられた光が第１の導光体内に導入可能な発光素子が提供される。
【００２６】
一実施形態では、第１の導光体及び第２の導光体のうちの１つ以上は、少なくとも１つの散乱要素を含む。これにより、光が特に効率的に各導光体から取り出され、観察者によって均一であると知覚される光分布が得られる発光素子が提供される。
【００２７】
一実施形態では、第１の導光体及び第２の導光体のうちの１つ以上は、より効率的な光の外部導出のために、第１の光出口面及び第２の光出口面に結合構造を有する。これにより、特に効率的に且つ特に低い結合損失で、又は場合によっては結合損失を伴わずに導光体から光が取り出され得る発光素子が提供される。
【００２８】
一実施形態では、第１の導光体及び第２の導光体は、少なくとも部分的に互いに光学的に且つ／又は機械的に接触する。これにより、結合プロセスにおいて生じる光損失を更に低減し又は排除さえすることにより、第１の導光体と第２の導光体との間の光結合が特に効率的に達成される発光素子が提供される。
【００２９】
一実施形態では、第１の導光体及び／又は第２の導光体の残りの面は、反射材料によって覆われる。これは、光出力を向上させ、光出口として設計されていない導光体の面から出る光の損失を低減させる。導光体の残りの面は、光入力面又は光出口面として設計された面以外の面である。
【００３０】
また、本発明は、本発明に係る実施形態のいずれかに係る発光素子を含むデジタル投影機に関する。
【００３１】
本発明は、特許請求の範囲に記載される特徴のあらゆる可能な組み合わせに関することに留意されたい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
以下、本発明の実施形態を示す添付図面を参照しながら、本発明の上記及び他の側面をより詳細に説明する。
【００３３】
【図１】図１は、出口蛍光体を有する発光素子の立体斜視図を示す。
【図２】図２は、出口面に光学素子を有する導光体の側面図を示す。
【図３】図３は、成形された光出口面を提供するようその長さ全体に渡って成形された導光体の斜視図を示す。
【図４】図４は、成形された光出口面を提供するようその長さの一部に渡って成形された導光体の側面図を示す。
【図５】図５は、導光体及び追加の光源を有し、フィルタ及びダイクロイック光学素子が設けられた照明システムの側面図を示す。
【図６Ａ−６Ｂ】図６Ａ及び図６Ｂは、導光体の面に隣接して配置されたヒートシンク要素を有する導光体を示す。
【図７Ａ−７Ｄ】図７Ａ〜図７Ｄは、導光体の光出口面に隣接して配置された偏光子を有する導光体を示す。
【図８】図８は、テーパ状の出口面を有する発光素子の斜視図を示す。
【図９】図９は、本発明の第１の実施形態に係る発光素子の斜視図を示す。
【図１０】図１０は、本発明の第２の実施形態に係る発光素子の側面方向の断面図を示す。
【図１１】図１１は、本発明の第３の実施形態に係る発光素子の側面方向の断面図を示す。
【図１２】図１２は、本発明の第４の実施形態に係る発光素子の側面方向の断面図を示す。
【図１３】図１３は、本発明の第５の実施形態に係る発光素子の側面方向の断面図を示す。
【図１４】図１４は、本発明の第６の実施形態に係る発光素子の側面方向の断面図を示す。
【図１５】図１５は、本発明の第７の実施形態に係る発光素子の端面方向の断面図を示す。
【図１６】図１６は、本発明の第８の実施形態に係る発光素子の端面方向の断面図を示す。
【００３４】
図中、層、要素、及び領域のサイズは説明の目的上強調されており、本発明の実施形態の一般的な構造を説明するために提供されている。同様な参照番号は一貫して同様な要素を指し、例えば、本発明に係る発光素子は一般的に１によって表される一方、その具体的な異なる実施形態は、一般的な参照番号に０１、０２、０３．．．を加えて表される。以下に記載される本発明に係る発光素子の実施形態のいずれかに付与され得る様々な特徴及び要素を示す図１〜図８では、通常、これらの図に特有の要素を除く全ての要素に「００」が加えられている。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、本発明の現在好適な実施形態を示す添付の図面を参照しながら、本発明をより詳細に説明する。ただし、本発明は多様な形態で具現化することができ、本明細書に記載される実施形態に限定されると解されるべきではない。これらの実施形態は徹底さ及び完全さのために提供され、本発明の範囲を十分に当業者に伝える。
【００３６】
まず、本発明に係る発光素子の様々な要素及び特徴の用途、適切な光源及び適切な材料についての一般論を記す。このために、以下に詳述される本発明に係る発光素子の実施形態のいずれかに付与され得る様々な特徴及び要素が、図１〜図８を参照しながら説明される。本発明に係る発光素子の具体的な実施形態は、図９〜図１６を参照しながら詳細に説明される。
【００３７】
本発明に係る発光素子は、限定はされないが、ランプ、照明モジュール、照明器具、スポットライト、フラッシュライト、プロジェクター、デジタル投影機、自動車のヘッドライト又はテールランプ等の自動車照明、アリーナ照明、劇場照明、及び建築照明を含む用途に使用することができる。
【００３８】
後述される本発明に係る実施形態を構成する光源は、動作中、第１のスペクトル分布の光を発するよう構成される。この光はその後、導光体又は導波路内に導入される。導光体又は導波路は第１のスペクトル分布の光を別のスペクトル分布に変換し、光を出口面に誘導し得る。原則的に、光源は任意の種類の点光源であり得るが、一実施形態では、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザーダイオード、若しくは有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）、複数のＬＥＤ、レーザーダイオード、若しくはＯＬＥＤ、又はＬＥＤ、レーザーダイオード、若しくはＯＬＥＤのアレイ等の固体光源である。原則的に、ＬＥＤは任意の色のＬＥＤであり得るが、一実施形態では、３８０ｎｍ〜４９５ｎｍの波長範囲と規定される青色域の光源光を生成する青色光源である。他の実施形態では、光源はＵＶ又は紫色光源、すなわち、４２０ｎｍ未満の波長範囲の光を発する光源である。ＬＥＤ、レーザーダイオード、又はＯＬＥＤが複数又はアレイの場合、原則的に、ＬＥＤ、レーザーダイオード、又はＯＬＥＤは、限定はされないが、ＵＶ、青色、緑色、黄色、又は赤色等、２つ以上の異なる色のＬＥＤ、レーザーダイオード、又はＯＬＥＤであり得る。
【００３９】
光源は赤色光源、すなわち、例えば６００ｎｍ〜８００ｎｍの波長範囲の光を発する光源であり得る。このような赤色光源は、例えば、直接赤色光を発し又は光源光を赤色光に変換するのに適した蛍光体を有する上記のいずれかのタイプの光源であり得る。この実施形態は、光源光を赤外（ＩＲ）光、すなわち、約８００ｎｍより高い波長を有する光であって、適切な実施形態では８１０〜８５０ｎｍの範囲内のピーク強度を有する光に変換するよう構成された導光体と組み合わせられると、好適である。一実施形態では、かかる導光体はＩＲ発光蛍光体を含む。これらの特性を備える発光素子は、暗視システムでの使用に特に有利であるが、任意の上記用途に使用され得る。
【００４０】
後述される本発明に係る実施形態の導光体は、一般的に、互いに直交する方向に延びる高さＨ、幅Ｗ、及び長さＬを有する棒状又はバー状の導光体であり、一部の実施形態では、透明、又は透明且つ発光性である。一般的に、光は、長さＬ方向に誘導される。高さＨは、好ましくは１０＜ｍｍ、より好ましくは＜５ｍｍ、最も好ましくは＜２ｍｍである。幅Ｗは、好ましくは＜１０ｍｍ、より好ましくは＜５ｍｍ、最も好ましくは＜２ｍｍである。長さＬは、好ましくは幅Ｗ及び高さＨより大きく、より好ましくは少なくとも幅Ｗの２倍又は高さＨの２倍であり、最も好ましくは少なくとも幅Ｗの３倍又は高さＨの３倍である。高さＨ：幅Ｗの縦横比は、典型的には１：１（例えば、一般的な光源用途の場合）、又は１：２、１：３、若しくは１：４（例えば、ヘッドライト等の特殊な光源用途の場合）、又は４：３、１６：１０、１６：９、若しくは２５６：１３５（例えば、ディスプレイ用途の場合）である。一般的に、導光体は、平行な面内に配置されない光入力面及び光出口面を有し、一部の実施形態では、光入力面は光出口面に対して垂直である。集約された高輝度の光出力を達成するために、光出口面の面積は、光入力面の面積より小さくてもよい。光出口面は任意の形状を有し得るが、一実施形態では、正方形、長方形、円形、楕円形、三角形、五角形、又は六角形である。
【００４１】
一般的に棒状又はバー状の導光体は、任意の断面形状を有し得るが、一部の実施形態では、正方形、長方形、円形、楕円形、三角形、五角形、又は六角形の断面を有する。導光体は一般的に直方体であるが、光入力面がいくらか台形の形状を有する、直方体以外の形状を有してもよい。このようにすることで、光束を更に大きくすることができ、これは、用途によっては有益であり得る。
【００４２】
また、導光体は、円柱状のロッドであってもよい。一部の実施形態では、光源が発した光を効率的に導光体に内部導入するために、円柱状のロッドは、光源が配置され得る１つの平面をロッドの長さ方向沿いに有する。また、平面は、ヒートシンクを配置するために使用されてもよい。更に、円柱状の導光体は、例えば互いに反対側に又は垂直に配置された、２つの平面を有してもよい。一部の実施形態では、平面は、円柱状のロッドの長さ方向の一部にわたって延在する。
【００４３】
また、後述される本発明に係る実施形態の導光体は、導光体が真っ直ぐな線形のバー又はロッドではなく、例えば、９０°若しくは１８０°屈曲による丸みのある若しくは直線的な角部を有し、又は、Ｕ字形、円形若しくは楕円形、環形状若しくは複数の環を有する立体的ならせん形状を有し得るよう、長さ方向において折られ且つ／又は曲げられてもよい。これは、概して光が誘導される全長が比較的長く、比較的高いルーメン出力を与えるとともに、比較的小さいスペースに配置可能なコンパクトな導光体を提供する。例えば、導光体の長さ方向沿いの成形を提供するために、導光体の発光部分は剛性である一方、導光体の透明部分は可撓性であってもよい。光源は、折られ且つ／又は曲げられた導光体の長さ沿いの任意の適切な位置に配置され得る。
【００４４】
本発明の実施形態に係る後述される導光体に適した材料は、ｎ＝１．７の屈折率を有するサファイア、多結晶アルミナ、及び／又はＹＡＧ、ＬｕＡＧ等のアンドープ透明ガーネットである。この材料の（例えば、ガラスに対する）追加の利点は、良好な熱伝導性を有し、局所的な加熱を低減することである。他の適切な材料は、限定はされないが、ガラス、石英、及び透明なポリマーを含む。他の実施形態では、導光体材料は鉛ガラスである。鉛ガラスは、通常のカリガラスのカルシウム分を鉛が置換するガラスの一種であり、これにより、屈折率を高くすることができる。通常のガラスの屈折率はｎ＝１．５であるが、鉛を添加することで、１．７までの屈折率が得られる。
【００４５】
本発明の実施形態に係る後述される導光体は、光を別のスペクトル分布に変換するための適切な発光材料を含み得る。適切な発光材料は、ドープＹＡＧ、ＬｕＡＧ等の無機蛍光体、有機蛍光体、有機蛍光色素、及び、後述される本発明の実施形態の目的に非常に適した量子ドットを含む。
【００４６】
量子ドットは、一般的にわずか数ナノメートルの幅又は直径を有する半導体材料の小さな結晶である。入射光によって励起されると、量子ドットは結晶のサイズ及び材料によって決定される色の光を発する。したがって、ドットのサイズを調整することにより、特定の色を作り出すことができる。可視域で発光する既知の量子ドットのほとんどは、硫化カドミウム（ＣｄＳ）及び硫化亜鉛（ＺｎＳ）等のシェルを有するセレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）をベースとする。リン化インジウム（ＩｎＰ）、硫化銅インジウム（ＣｕＩｎＳ２）、及び／又は硫化銀インジウム（ＡｇＩｎＳ２）等、カドミウムを含まない量子ドットを使用することも可能である。量子ドットは非常に狭い発光帯を呈し、よって飽和色を呈する。更に、量子ドットのサイズを調整することによって、発光色を容易に調節することができる。当該分野で知られる任意の種類の量子ドットが、後述される本発明の実施形態において使用され得る。しかし、環境に関する安全及び懸念の理由から、カドミウムを含まない量子ドット、又は、少なくともカドミウム含有量が非常に少ない量子ドットを使用することが好ましい可能性がある。
【００４７】
有機蛍光色素を使用することもできる。スペクトルピーク位置が適合し得るよう、分子構造が設計することができる。適切な有機蛍光色素材料の例は、ペリレン誘導体をベースとする有機発光材料、例えば、ＢＡＳＦによってＬｕｍｏｇｅｎ（登録商標）という品名で販売されている化合物である。適切な化合物の例は、限定はされないが、Ｌｕｍｏｇｅｎ（登録商標）Ｒｅｄ  Ｆ３０５、Ｌｕｍｏｇｅｎ（登録商標）Ｏｒａｎｇｅ  Ｆ２４０、Ｌｕｍｏｇｅｎ（登録商標）Ｙｅｌｌｏｗ  Ｆ０８３、及びＬｕｍｏｇｅｎ（登録商標）Ｆ１７０を含む。
【００４８】
発光材料は無機蛍光体であってもよい。無機蛍光物質の例は、限定はされないが、セリウム（Ｃｅ）ドープＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）又はＬｕＡＧ（Ｌｕ３Ａｌ５Ｏ１２）を含む。ＣｅドープＹＡＧは黄色がかった光を発し、一方、ＣｅドープＬｕＡＧは黄緑色がかった光を発する。赤色光を発する他の無機蛍光物質の例は、限定はされないが、ＥＣＡＳ及びＢＳＳＮを含み、ここで、ＥＣＡＳはＣａ１−ｘＡｌＳｉＮ３：Ｅｕｘであり（０＜ｘ≦１、好ましくは０＜ｘ≦０．２）、ＢＳＳＮはＢａ２−ｘ−ｚＭｘＳｉ５−ｙＡｌｙＮ８−ｙＯｙ：Ｅｕｚである（Ｍ＝Ｓｒ又はＣａ、０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦４、且つ０．０００５≦ｚ≦０．０５、好ましくは０≦ｘ≦０．２）。
【００４９】
後述される本発明の一部の実施形態では、発光材料は、（Ｍ＜Ｉ＞（１−ｘ−ｙ）Ｍ＜ＩＩ＞ｘＭ＜ＩＩＩ＞ｙ）３（Ｍ＜ＩＶ＞（１−ｚ）Ｍ＜Ｖ＞ｚ）５Ｏ１２（Ｍ＜Ｉ＞はＹ、Ｌｕ、又はこれらの混合を含むグループから選択され、Ｍ＜ＩＩ＞はＧｄ、Ｌａ、Ｙｂ、又はこれらの混合を含むグループから選択され、Ｍ＜ＩＩＩ＞はＴｂ、Ｐｒ、Ｃｅ、Ｅｒ、Ｎｄ、Ｅｕ、又はこれらの混合を含むグループから選択され、Ｍ＜ＩＶ＞はＡｌであり、Ｍ＜Ｖ＞はＧａ、Ｓｃ、又はこれらの混合を含むグループから選択され、０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦０．１、０＜ｚ＜１）、（Ｍ＜Ｉ＞（１−ｘ−ｙ）Ｍ＜ＩＩ＞ｘＭ＜ＩＩＩ＞ｙ）２Ｏ３（Ｍ＜Ｉ＞はＹ、Ｌｕ、又はこれらの混合を含むグループから選択され、Ｍ＜ＩＩ＞はＧｄ、Ｌａ、Ｙｂ、又はこれらの混合を含むグループから選択され、Ｍ＜ＩＩＩ＞はＴｂ、Ｐｒ、Ｃｅ、Ｅｒ、Ｎｄ、Ｅｕ、Ｂｉ、Ｓｂ、又はこれらの混合を含むグループから選択され、０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦０．１）、（Ｍ＜Ｉ＞（１−ｘ−ｙ）Ｍ＜ＩＩ＞ｘＭ＜ＩＩＩ＞ｙ）Ｓ（１−ｚ）Ｓｅ（Ｍ＜Ｉ＞はＣａ、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｂａ、又はこれらの混合を含むグループから選択され、Ｍ＜ＩＩ＞はＣｅ、Ｅｕ、Ｍｎ、Ｔｂ、Ｓｍ、Ｐｒ、Ｓｂ、Ｓｎ、又はこれらの混合を含むグループから選択され、Ｍ＜ＩＩＩ＞はＫ、Ｎａ、Ｌｉ、Ｒｂ、Ｚｎ、又はこれらの混合を含むグループから選択され、０＜ｘ≦０．０１、０＜ｙ≦０．０５、０≦ｚ＜１）、（Ｍ＜Ｉ＞（１−ｘ−ｙ）Ｍ＜ＩＩ＞ｘＭ＜ＩＩＩ＞ｙ）Ｏ（Ｍ＜Ｉ＞はＣａ、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｂａ、又はこれらの混合を含むグループから選択され、Ｍ＜ＩＩ＞はＣｅ、Ｅｕ、Ｍｎ、Ｔｂ、Ｓｍ、Ｐｒ、又はこれらの混合を含むグループから選択され、Ｍ＜ＩＩＩ＞はＫ、Ｎａ、Ｌｉ、Ｒｂ、Ｚｎ、又はこれらの混合を含むグループから選択され、０＜ｘ≦０．１、０＜ｙ≦０．１）、（Ｍ＜Ｉ＞（２−ｘ）Ｍ＜ＩＩ＞ｘＭ＜ＩＩＩ＞２）Ｏ７（Ｍ＜Ｉ＞はＬａ、Ｙ、Ｇｄ、Ｌｕ、Ｂａ、Ｓｒ、又はこれらの混合を含むグループから選択され、Ｍ＜ＩＩ＞はＥｕ、Ｔｂ、Ｐｒ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｔｍ、又はこれらの混合を含むグループから選択され、Ｍ＜ＩＩＩ＞はＨｆ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ、又はこれらの混合を含むグループから選択され、０＜ｘ≦１）、（Ｍ＜Ｉ＞（１−ｘ）Ｍ＜ＩＩ＞ｘＭ＜ＩＩＩ＞（１−ｙ）Ｍ＜ＩＶ＞ｙ）Ｏ３（Ｍ＜Ｉ＞はＢａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｌａ、Ｙ、Ｇｄ、Ｌｕ、又はこれらの混合を含むグループから選択され、Ｍ＜ＩＩ＞はＥｕ、Ｔｂ、Ｐｒ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｔｍ、又はこれらの混合を含むグループから選択され、Ｍ＜ＩＩＩ＞はＨｆ；Ｚｒ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ、又はこれらの混合を含むグループから選択され、Ｍ＜ＩＶ＞はＡｌ、Ｇａ、Ｓｃ、Ｓｉ、又はこれらの混合を含むグループから選択され、０＜ｘ≦０．１、０＜ｙ≦０．１）、又はこれらの混合を含むグループから選択される材料からなる。
【００５０】
他の適切な発光材料は、Ｃｅドープイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）、及びルテニウム・アルミニウム・ガーネット（ＬｕＡＧ）である。発光導光体は、青色域、緑色域、又は赤色域内の中心発光波長を有し得る。青色域は３８０〜４９５ｎｍと定められ、緑色域は４９５〜５９０ｎｍと定められ、赤色域は５９０〜８００ｎｍと定められる。
【００５１】
実施形態において使用され得る蛍光体の選択肢を、最大発光波長と共に下表１に示す。
【表１】
0005985091.tif 000002
【００５２】
本発明の実施形態に係る、後述される導光体は、光を別のスペクトル分布に変換するための適切な発光材料の濃度が異なる領域を含み得る。一実施形態では、透明な導光体は、一方だけが発光材料を有し、他方は透明であり又は発光材料の濃度が比較的低い、互いに隣接する２つの部分を含む。他の実施形態では、導光体は、第２の部分に隣接し、異なる発光材料又は異なる濃度の同じ発光材料を有する、更に別の第３の部分を含む。異なる部分は、一体的に形成され、一片の又は１つの導光体を形成してもよい。一実施形態では、導光体の異なる部分の間、例えば第１の部分と第２の部分との間に、部分的に反射性の要素が配置されてもよい。部分的に反射性の要素は、１つの特定の波長又はスペクトル分布の光を通過させ、異なる別の特定の波長又はスペクトル分布の光を反射するよう構成される。したがって、部分的に反射性の要素は、ダイクロイックミラー等のダイクロイック要素であってもよい。
【００５３】
他の実施形態（図示無し）では、透明な導光体の光入力面において、ＬＥＤ等の複数の光源の上方又は真上に、発光材料を含む複数の波長変換領域が配置される。したがって、光源からの光が発光材料の領域を介して透明な導光体内に導入されるよう、複数の波長変換領域のそれぞれの表面積は、複数の光源のそれぞれの表面積に対応する。変換された光は、その後、導光体の透明部分内に導入され、導光体の光出口面に誘導される。波長変換領域は、光入力面上に配置されてもよく、又は導光体内に形成されてもよい。波長変換領域は、導光体の光入力面の上に又は中に配置された均質層の一部を形成し得る。２つの隣り合う波長変換領域間に延在する均質層の部分は透明であってもよく、また、追加で又は代替的に、波長変換領域と同じ屈折率を有してもよい。異なる波長変換領域は、互いに異なる発光材料を含み得る。光源と発光領域との間の距離は、２ｍｍ未満、１ｍｍ未満、又は０．５ｍｍ未満であり得る。
【００５４】
後述される本発明に係る発光素子の実施形態において、光源が発した光を導光体内に効率的に導入するために、結合構造又は結合媒体が提供されてもよい。結合構造は、例えば、波状の構造を形成する凹凸等の特徴を有する屈折構造であり得る。結合構造の特徴の典型的なサイズは、５μｍ〜５００μｍである。特徴の形状は、例えば、半球状（レンズ）、角柱状、正弦波状、又はランダム（例えば、サンドブラスト）であり得る。適切な形状を選択することによって、導光体内に導入される光の量を調整することができる。屈折構造は、チゼル加工（chiseling）、サンドブラスト等の機械的手段によって作成され得る。あるいは、屈折構造は、例えばポリマー又はゾル−ゲル材料等の適切な材料を用いた複製によって作成され得る。代わりに、結合構造は回折構造であってもよく、回折結合構造の特徴の典型的なサイズは、０．２μｍ〜２μｍである。導光体の内側の回折角θｉｎは、回折格子の式λ／Λ＝ｎｉｎ・ｓｉｎθｉｎ−ｎｏｕｔ・ｓｉｎθｏｕｔによって与えられ、ここで、λはＬＥＤ光の波長であり、Λは格子周期であり、ｎｉｎ及びｎｏｕｔは導光体の内外の屈折率であり、θｉｎ及びθｏｕｔは導光体の内側の回折角及び外側の入射角である。低い屈折率の層及び結合媒体について、同じ屈折率ｎｏｕｔ＝１を仮定すると、全内部反射の条件ｎｉｎｓｉｎθｉｎ＝ｎｏｕｔにより、λ／Λ＝１−ｓｉｎθｏｕｔという条件が求められ、すなわち、垂直入射θｏｕｔ＝０の場合はΛ＝λである。一般的に、全ての他の角度θｏｕｔが導光体内に回折されるわけではない。これは、屈折率ｎｉｎが十分に高い場合にのみ起こる。回折格子の式から、条件ｎｉｎ≧２に対して、Λ＝λの場合、全ての角度が回折される。導光体内に屈折される光をより少なくする、他の周期及び屈折率も使用可能である。更に、一般的に、多くの光が透過される（０次）。回折される光の量は、格子構造の形状及び高さに依存する。適切なパラメータを選択することにより、導光体内に導入される光の量を調整することができる。このような回折構造は、例えば、電子ビームリソグラフィ又はホログラフィによって作成された構造を複製することによって最も容易に作成される。複製は、ソフト・ナノ・インプリント・リソグラフィ等の方法によって行うことができる。結合媒体は、例えば、空気又は任意の他の適切な材料であり得る。
【００５５】
次に、図１を参照して、第１のスペクトル分布の入射光を第２の異なるスペクトル分布の光に変換するよう構成された導光体４０００を含む発光素子１０００の立体斜視図が示されている。図１に示される導光体４０００は、ＵＶから青色波長変換素子の形態の第１の変換部６１１０、及び、第１の変換部６１１０からの青色光入力に基づき白色光１４００を発するよう構成された蛍光体の形態の第２の変換部６１２０を有する波長変換素子構造６０００を含む又はとして構成される。したがって、図１に示される発光素子１０００は、ＵＶから青色波長域の光を発する複数のＬＥＤ２１００、２２００、２３００の形態の光源を含む。ＬＥＤ２１００、２２００、２３００は、ベース又は基板１５００上に配置される。具体的には、第１の変換部６１１０は、一実施形態ではユウロピウム及び／又はテルビウムである希土類イオンによってドーピングされた多結晶立方晶イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）を含み、第２の変換部６１２０は黄色蛍光体を含む。本実施形態は、光出口面の表面積が、直接発光ＬＥＤからなる光源を構築するのに必要な表面積よりも小さいという利点を有する。これにより、エタンデュにおいて利益を得ることができる。
【００５６】
青色又はＵＶ光源を用いて白色光を生成する方法の代替案は、限定はされないが、以下を含む：ＬＥＤが青色光を発し、第１の変換部６１１０内で緑色／青色光に変換され、その後、赤色蛍光体として設けられた第２の変換部によって白色光に変換される、及びＬＥＤが青色光を発し、第１の変換部６１１０内で緑色光に変換され、その後、赤色及び青色光と混合されて白色ＬＥＤ光源を作り出し、ここで、混合は、前方に拡散体が配置された赤色蛍光体の形態の第２の変換部によって達成される。
【００５７】
図２は、導光体４０２０の光出口面４２００と光接続する光入力ファセット８０６０を備えた光学素子８０１０を含む導光体４０２０を示す。光学素子８０１０は、高い屈折率、一実施形態では導光体４０２０の屈折率以上の屈折率を有する材料からなり、四角形の断面並びに２つのテーパ状の側面８０３０及び８０４０を有する。テーパ状の側面８０３０及び８０４０は、導光体４０２０の光出口面４２００から外側に傾き、光学素子８０１０の光出口ファセット８０５０は、光入力ファセット８０６０及び導光体４０２０の光出口面４２００のどちらよりも大きな表面積を有する。あるいは、光学素子８０１０は３つ以上の、特に４つのテーパ状の側面を有してもよい。変形例では、光学素子８０１０は、円形の断面及び１つの円周状のテーパ状の側面を有する。このような構成によれば、光は傾斜面８０３０及び８０４０において反射され、光出口ファセット８０５０は光入力ファセット８０６０よりも大きいため、光が光出口ファセット８０５０に衝突した場合、脱出する可能性が高い。側面８０３０及び８０４０の形状は曲面でもよく、全ての光が光出口ファセット８０５０から出るよう選択され得る。
【００５８】
また、光学素子は、例えば、導光体の一部を、所定の光学素子が導光体の端部のうちの１つに形成されるよう成形することにより、導光体４０２０から一体的に形成され得る。光学素子は、例えばコリメータの形状、又は台形の断面形状を有し、一実施形態では、台形の外面に反射層が設けられる。これにより、より大きなスポットサイズを有するよう受け取られた光を成形すると共に、光出口面以外の面を介する光の損失を最小化することにより、出射光の強度も高めることができる。他の実施形態では、光学素子はレンズアレイ、例えば凸レンズ、凹レンズ、又はこれらの組み合わせの形状を有する。これにより、焦点を合わせられた光、デフォーカスされた光、又はこれらの組み合わせを形成するよう、受け取られた光を成形することができる。レンズアレイの場合、更に、出射光は、アレイの１つ以上のレンズによってそれぞれ形成された２つ以上の別個のビームを有し得る。したがって、より一般的には、導光体は異なるサイズ及び異なる形状を有する部分を含み得る。これにより、極めて単純な方法で、例えば光出口面のサイズ及び／又は形状を変更することによって、光出口面から任意の１つ以上の発光方向に光が成形され、光出口面から出射される光のビームサイズ及びビーム形状を調整可能な導光体が提供される。したがって、導光体の一部は光学素子として機能する。
【００５９】
また、光学素子は、導光体の光出口面に配置された集光素子（図示無し）であってもよい。集光素子は四角形の断面、及び、集光素子の光出口面が導光体の光出口面よりも大きい表面積を有するよう外側に曲がった２つの面を有する。あるいは、集光素子は、３つ以上の、具体的には４つのテーパ状の側面を有してもよい。集光素子は、放物線状の曲面を有する複合パラボラ集光素子（ＣＰＣ）であってもよい。変形例では、集光素子は円形の断面及び１つの円周状のテーパ状の側面を有する。変形例において、集光素子の屈折率が導光体の屈折率よりも低く（しかし、空気の屈折率よりは高く）選択された場合、依然として相当な量の光を取り出すことができる。これは、高い屈折率を有する材料からなるものと比較して、製造が容易且つ安価な集光素子を可能にする。例えば、導光体がｎ＝１．８の屈折率を有し、集光素子がｎ＝１．５（ガラス）の屈折率を有する場合、係数２の光出力のゲインが達成され得る。ｎ＝１．８の屈折率の集光素子の場合、ゲインは更に約１０％高くなる。実際には、光学素子又は集光素子と、一般的には空気である外部媒体との間の界面においてフレネル反射が存在するため、全ての光は取り出されない。これらのフレネル反射は、適切な反射防止コーティング、すなわち１／４λ誘電体多層膜又はモスアイ構造を使用することによって低減され得る。光出口ファセット上の位置に応じた光出力が不均一な場合、例えばコーティングの厚さを変えることによって、反射防止コーティングのカバレッジが変更され得る。
【００６０】
ＣＰＣの興味深い特徴の１つは、光のエタンデュ（＝ｎ２×面積×立体角（ｎは屈折率））が保存されることである。ＣＰＣの光入力ファセットの形状及びサイズは、導光体の光出口面の形状及びサイズに適合させることができ、この逆も成り立つ。ＣＰＣの大きな利点は、入射光の分布が、所与のアプリケーションの許容可能なエタンデュに最適に適合する光分布に変更されることである。ＣＰＣの光出口ファセットの形状は、適宜、例えば長方形又は円形等であり得る。例えば、デジタルプロジェクターの場合、ビームのサイズ（高さ及び幅）及び発散に対して要件が課される。対応するエタンデュがＣＰＣにおいて保存される。この場合、使用されるディスプレイパネルの所望の高さ／幅の比を有する長方形の光入力及び出口ファセットを有するＣＰＣを使用することは有益であろう。スポットライト用途の場合、要件はより緩和される。ＣＰＣの光出口ファセットは円形であってもよいが、特定の形状の領域を照らすために他の形状（例えば長方形）を有してもよく、又はスクリーン、壁、建物、インフラ等に所望のパターンを投射するためにかかるパターンを有してもよい。ＣＰＣは設計に大きな柔軟性を提供するが、その長さは比較的大きい可能性がある。一般的に、同じ性能を有するより短い光学素子を設計することが可能である。このために、表面形状及び／又は出口面は、例えば、光を集約するためにより湾曲した出口面を有するよう適合させられてもよい。１つの追加の利点は、ＣＰＣは、導光体のサイズがＬＥＤの寸法によって制約され、光出口ファセットのサイズが後続の光学部品によって決定される場合に生じ得る縦横比のミスマッチを克服するために使用できることである。更に、例えば中心付近に又は中心に「穴」を有するミラーを使用して、ＣＰＣの光出口ファセットを部分的に覆うミラー（図示無し）を配置することができる。このようにすることで、ＣＰＣの出口面が狭められ、光の一部がＣＰＣ及び導光体内に反射し返され、光の出射エタンデュが低減される。当然ながら、これはＣＰＣ及び導光体から取り出される光の量を減らす。しかし、例えばＡｌａｎｏｄ  ４２００ＡＧのように、このミラーが高い反射率を有する場合、光は実質的にＣＰＣ及び導光体に再投入され、ＴＩＲによって再循環され得る。これは光の角度分布を変えないが、再循環後、光がＣＰＣ出口面に衝突する位置を変え、よって、光束を増加させる。このようにすることで、通常はシステムのエタンデュを下げるために犠牲にされる光の部分を再取得し、例えば均一性を高めるために使用することができる。システムがデジタル投影アプリケーションに使用される場合、これは特に重要である。異なる態様でミラーを選択することにより、大量の光を犠牲にすることなく、異なるパネルサイズ及び縦横比を使用するシステムに対して同じＣＰＣ及び導光体のセットを使用することができる。このようにすることで、単一のシステムを様々なデジタル投影アプリケーションに使用することができる。
【００６１】
図２を参照して説明された上記構造のうちのいずれかを使用することにより、屈折率が高い導光体材料から空気のような屈折率が低い物質に光を取り出すことに関する問題、特に取り出し効率に関する問題が解決される。
【００６２】
図３及び図４を参照して、特定の形状を有する光分布を提供するための異なる可能性について述べる。図３は、成形された光出口面４２００を提供するために長さ全体に渡り成形された導光体４０４０の斜視図を示す。導光体４０４０は透明な導光体、又は第１のスペクトル分布の光を第２のスペクトル分布の光に変換するよう構成された導光体であり得る。導光体４０４０の長さ全体に渡って延びる導光体４０４０の部分４５０１、具体的には、表面４５００に隣接し、光入力面４１００の反対側の部分４５０１が、光出口面４２００における光分布の所望の形状に対応する形状を導光体４０４０に与えるために取り除かれている。当該形状は、光出口面４２００から反対側の面４６００まで、導光体４０４０の長さ全体に渡って延在する。
【００６３】
図４は、成形された光出口面４２００を提供するために導光体４０５０の長さの一部が成形された導光体４０５０の側面図を示す。導光体４０５０は透明な導光体、又は第１のスペクトル分布の光を第２のスペクトル分布の光に変換するよう構成された導光体であり得る。導光体４０５０の長さの一部に渡って延在する導光体４０５０の部分４５０１、具体的には、表面４５００に隣接し、光入力面４１００の反対側の部分４５０１が、光出口面４２００における光分布の所望の形状に対応する形状を導光体４０５０に与えるために取り除かれている。当該形状は、光出口面４２００と隣接する導光体４０５０の長さの一部に渡って延在する。
【００６４】
光出口面の他の形状を提供するために、導光体の他の部分又は２つ以上の部分が取り除かれてもよい。このようにすることで、光出口面の任意の実施可能な形状を得ることができる。また、導光体を部分的に又は全体として異なる形状を有する複数の部分に分割し、より複雑な形状を得ることもできる。導光体から取り除かれる１つ又は複数の部分は、例えば鋸切断又は切削等によって取り除かれた後、１つ又は複数の部分の除去後に露出した面を研磨されてもよい。他の変形例では、光出口面に穴を設けるために、例えばドリル加工によって導光体の中央部が取り除かれてもよい。
【００６５】
他の実施形態では、導光体の光出口面の部分に表面処理、例えば粗面化を施し、一方、光出口面の残りの部分を滑らかなままにすることによって、特定の形状を有する光分布を得ることができる。この実施形態では、導光体の部分を除去する必要はない。同様に、特定の形状を有する光分布を得るために、上記可能性の任意の組み合わせが実施可能である。
【００６６】
図５は、導光体４０７０を有する照明システム、例えばデジタルプロジェクターの側面図を示す。導光体４０７０は、出射光１７００が黄色及び／又は橙色の波長範囲内、すなわち、約５６０ｎｍ〜６００ｎｍの波長範囲内になるよう入射光１３００を変換するよう構成される。導光体４０７０は、例えば、Ｃｅドープ（Ｌｕ，Ｇｄ）３Ａｌ５Ｏ１２、（Ｙ，Ｇｄ）３Ａｌ５Ｏ１２、又は（Ｙ，Ｔｂ）３Ａｌ５Ｏ１２等のセラミック材料からなる透明なガーネットとして提供され得る。Ｃｅ含有量が多い場合、並びに／又は、例えばＣｅによるＧｄ及び／若しくはＴｂの置換度が高い場合、導光体の発光のスペクトル分布はより高い波長にシフトし得る。一実施形態では、導光体４０７０は完全に透明である。
【００６７】
光出口面４２００には光学素子９０９０が設けられる。光学素子９０９０は、導光体４０７０から出射された光１７００をフィルタリングしてフィルタリングされた光１７０１を提供するためのフィルタ９０９１、少なくとも１つの更なる光源９０９３、９０９４、及びフィルタリングされた光１７０１と少なくとも１つの更なる光源９０９３、９０９４からの光とを結合して共通の光出力１４００を供給するよう構成された光学部品９０９２を含む。フィルタ９０９１は吸光フィルタ又は反射フィルタであり、固定又は切り替え可能であり得る。切り替え可能フィルタは、例えば、所望の光出力に応じてローパス、バンドパス、又はハイパスであり得る反射ダイクロイックミラー及び切り替え可能ミラーを設け、切り替え可能ミラーを光の進行方向で見てダイクロイックミラーの上流に配置することによって得ることができる。更に、２つ以上のフィルタ及び／又はミラーを組み合わせて、所望の光出力を選択することも可能である。フィルタ９０９１は、フィルタ９０９１の切り替え状態に応じて、フィルタリングされていない黄色及び／若しくは橙色光、又はフィルタリングされた光、具体的には、図示の実施形態ではフィルタリングされた赤色光を通過させることができる切り替え可能フィルタである。フィルタリングされた光のスペクトル分布は、採用されるフィルタ９０９１の特性に依存する。図示の光学部品９０９２は、Ｘキューブとも知られるクロスダイクロイックプリズムであってもよく、あるいは、個別のダイクロイックフィルタの適切なセットであってもよい。
【００６８】
図示の実施形態では、２つの更なる光源９０９３及び９０９４が設けられ、更なる光源９０９３は青色光源であり、更なる光源９０９４は緑色光源である。他の色の及び／又はより多くの更なる光源も実施可能である。更なる光源のうちの１つ以上は、後述される本発明の実施形態に係る導光体であってもよい。他のオプションは、フィルタ９０９１によって除去された光を更なる光源として使用することである。したがって、共通の光出力１４００は、導光体４０７０によって出射され、フィルタ９０９１によってフィルタリングされた光１７０１と、２つの更なる光源９０９３及び９０９４によってそれぞれ出射された光との組み合わせである。共通の光出力１４００は、好適には白色光であり得る。
【００６９】
図５に示されるソリューションは、スケーラブルであり、費用対効果が高く、本発明の実施形態に係る発光素子の所与のアプリケーションの要件に応じて容易に適合可能であるという点で有利である。
【００７０】
図６Ａ及び図６Ｂは、導光体４０９０Ａ、４０９０Ｂの光入力面とは異なる１つの表面上に、対応する面から好ましくは約３０μｍ以内の距離に設けられたヒートシンク要素７０００Ａ及び７０００Ｂをそれぞれ有する導光体４０９０Ａ及び導光体４０９０Ｂの側面図をそれぞれ示す。実施形態によらず、各ヒートシンク要素７０００Ａ、７０００Ｂは、向上された熱放散のためにフィン７１００、７２００、７３００を有するが、フィンはオプションの要素である。実施形態によらず、各ヒートシンク要素７０００Ａ、７０００Ｂは、導光体の表面形状に適合するよう構成され、よって、導光体との接触領域全体に渡って合致する熱接触を提供するよう構成される。これにより、拡大された熱接触面積、よって導光体の向上された冷却が得られ、ヒートシンク要素の配置に関する既存の許容限界はより致命的でなくなる。
【００７１】
図６Ａは、ヒートシンク要素７０００Ａが複数のヒートシンク部分、ここでは３つのヒートシンク部分７００１、７００２、７００３、及び７００４を含み、そのうちの１つ以上、ここでは４つ全てが、フィンを備え得ることを示す。当然ながら、ヒートシンク要素７０００Ａが有するヒートシンク部分の数が多い程、ヒートシンク要素７０００は正確に導光体の表面と合致することができる。各ヒートシンク部分７００１、７００２、７００３、７００４は、導光体との接触領域全体に渡って合致する熱接触を提供するよう構成される。ヒートシンク部分は、導光体の表面から互いに異なる距離に配置されてもよい。更に、ヒートシンク要素７０００Ａは、ヒートシンク部分７００１、７００２、７００３、及び７００４がそれぞれ取り付け要素７０１０、７０２０、７０３０、及び７０４０によって個別に取り付けられる共通のキャリア７０５０を含む。あるいは、各ヒートシンク部分に各自のキャリアが割り当てられてもよい。これらの要素はオプションであることに留意されたい。
【００７２】
図６Ｂは、ヒートシンク要素７０００Ｂが配置される導光体４０９０Ｂの表面形状に合致するよう構成された底部７０６０をヒートシンク要素７０００Ｂが有することを示す。底部７０６０は柔軟であり、例えば、銅層等の熱伝導性の金属層であり得る。ヒートシンク要素７０００Ｂは、更に、ヒートシンク要素７０００Ｂの向上された柔軟性及び適合性のために、ヒートシンク要素７０００Ｂの底部要素７０６０と残りの部分との間に配置された熱伝導層７０７０を含む。熱伝導層７０７０は、例えば、熱伝導性の流体又はペーストであってもよい。一実施形態では、熱伝導層７０７０は高い反射率を有し及び／又は高い反射率のコーティングを有する。ヒートシンク要素７０００Ｂは、更に、向上された熱放散のために流体フローを生成するために、ヒートシンク要素７０００Ｂ内に配置された流体リザーバ７０８０を含む。変形例では、流体リザーバ７０８０は、ヒートシンク要素７０００Ｂの外部に配置されてもよく、例えば、ヒートシンク要素７０００Ｂの外周の一部又は全体に沿って延在してもよい。流体フローは、ポンプによって強められてもよい。伝導層７０７０及び流体リザーバ７０８０はオプションの要素であることに留意されたい。
【００７３】
実施形態によらず、ヒートシンク要素７０００Ａ、７０００Ｂは、銅、アルミニウム、銀、金、シリコンカーバイド、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、ＡｌＳｉＣ、酸化ベリリウム、シリコン−シリコンカーバイド、ＡｌＳｉＣ、銅タングステン合金、銅モリブデンカーバイド、カーボン、ダイヤモンド、グラファイト、及びこれらの２つ以上の組み合わせから選択される材料から形成され得る。更に、上記実施形態の特徴を兼ね備えたヒートシンク要素も実施可能である。また、上記実施形態のいずれかに係るヒートシンク要素を導光体４０９０Ａ又は４０９０Ｂの２つ以上の表面に配置することも可能である。
【００７４】
最後に、上記ヒートシンク要素の設置は、赤色波長範囲内の光を発し、且つ／又は、例えばＩＲ発光蛍光体を備えることによって赤外線波長範囲内の光を発するよう構成された光源を採用する発光素子に特に適することに留意されたい。
【００７５】
図７Ａ〜図７Ｄは、各導光体４０１０Ａ、４０１０Ｂ、４０１０Ｃ、４０１０Ｄの光出口面４２００に隣接して配置された偏光子９００１と、光出口面４２００の反対側に延在する導光体４０１０Ａ、４０１０Ｂ、４０１０Ｃ、４０１０Ｄの表面４６００に配置された反射要素７４００とを含む、導光体４０１０Ａ、４０１０Ｂ、４０１０Ｃ、及び４０１０Ｄの側面図をそれぞれ示す。これにより、高い輝度及び高い効率性を有する偏光光源を得ることができる。実施形態によらず、偏光子９００１は、反射直線偏光子及び反射円偏光子のいずれであってもよい。反射直線偏光子の例は、ワイヤーグリッド偏光子、複屈折層を含むポリマー層のスタックに基づく反射偏光子である。円偏光子は、いわゆるコレステリック液晶相のポリマーを使用して、１つの偏光及び特定のスペクトル分布の光しか通過させない、いわゆるコレステリック偏光子を作成することによって得ることができる。反射偏光子に代えて又は追加で、偏光ビームスプリッターを使用してもよい。更に、散乱偏光子を使用してもよい。他の実施形態では、例えば、ブルースター角に近い角度で光が入射するガラス等の材料からなるくさび形の偏光子を使用して、反射による偏光が用いられ得る。他の実施形態では、偏光子９００１は、例えばＷＯ２００７／０３６８７７Ａ２に開示されるような、いわゆる偏光バックライトであってもよい。他の実施形態では、偏光子９００１は偏光構造であってもよい。
【００７６】
図９Ａは、偏光子９００１が導光体４０１０Ａの光出口面４２００上に配置された一実施形態を示す。光源２１００、２２００、２３００は、第１のスペクトル分布を有する第１の光１３００を発し、これは、導光体４０１０Ａ内で第２のスペクトル分布を有する第２の光１４００に変換される。偏光子９００１のため、第１の偏光、この場合はｐ偏光１４００ＰＡのみが光出口面４２００を通過して出射され、第２の偏光、この場合はｓ偏光１４００Ｓは反射されて導光体４０１０Ａ内に戻る。反射されたｓ偏光１４００Ｓは、反射要素７４００によって反射される。反射されると、反射されたｓ偏光１４００Ｓの少なくとも一部が、偏光子９００１を通過するｐ偏光１４００ＰＢに変更される。したがって、第１の偏光、この場合はｐ偏光１４００ＰＡ、１４００ＰＢのみを含む光出力が得られる。
【００７７】
更に、この例では、導光体４０１０Ａは、光出口面４２００と表面４６００との間に伸びる表面のいずれかに配置された、図示の実施形態では表面４５００を部分的に覆う１／４λ板９００２を含む。あるいは、１／４λ板は表面４５００を完全に覆ってもよく、又は２つ以上の分離したセグメントを含んでもよい。代替的に又は追加で、１／４λ板は、光出口面４２００と反対側の面４６００との間に延びる１つ以上の他の表面に配置されてもよい。他の実施形態では、１／４λ板９００２は、１／４λ板と導光体との間にギャップが生じるよう、導光体と反射要素７４００との間に配置されてもよい。１／４λ板９００２は、第１の偏光を第２の偏光に変換するために、具体的には、円偏光を直線偏光に変換するために使用され得る。しかし、実施形態によらず、１／４λ板９００２はオプションの要素であり、よって、例えば後述される本発明に係る実施形態において省かれ得ることに留意されたい。
【００７８】
図７Ｂは、偏光子９００１が光出口面４２００に対して角度を付けられて、原則的には任意の角度でよいが、図示されるように光出口面４２００に対して４５°の角度を付けられて配置された一実施形態を示す。更に、重ねられた１／４λ板９００２及び反射要素９００３が光線経路内の偏光子９００１の下流に、偏光子９００１に対して実質的に平行に延在するよう配置されている。これにより、反射された第１の偏光は導光体４０１０Ｂの外部に導出され、偏光子９００１によって第２の偏光に変更される。その後、第２の偏光は反射要素９００３によって方向転換され、１／４λ板９００２によって更に偏光される。
【００７９】
図７Ｃは、図９Ａに示されるものと非常に良く似ているが、代替的な導光体４０１０Ｃが、光出口面４２００の反対側にテーパ状の表面４６００を有する一実施形態を示す。テーパ状の表面４６００は、１／２λ板９００４の形態のインサートによって隔てられた反射要素４７０１、４７０２を有する。
【００８０】
図７Ｄは、２つの導光体４０１０Ｄ及び５０１０が、導光体４０１０Ｄの表面４５００及び導光体５０１０の光入力面５１００が互いに面し、且つ、それらが、導光体４０１０Ｄと５０１０との間に配置され、両者と光接触する更なる偏光子９００５に面するよう重ねられた一実施形態を示す。偏光子９００１は、導光体４０１０Ｄ及び５０１０の光出口面４２００及び５２００上に配置され、反射要素７４００は、光出口面４２００、５２００の反対側の導光体４０１０Ｄ及び５０１０の表面４６００及び５６００上に配置される。更なる偏光子９００５は、偏光子９００１を通過した偏光と直交する偏光を通過させる。１／４λ板９００２は、導光体５０１０の表面５５００の少なくとも一部に設けられ得る。
【００８１】
他の実施形態では、偏光子９００１は、導光体の光出口面４２００に配置された光学素子の一部として提供され得る。ある具体的な実施形態では、その場合、偏光子９００１は、光学素子が取り付けられた状態において光出口面４２００の反対側に位置するよう配置される。一例として、かかる光学素子は、例えば、上記の光学素子、複合パラボラ集光素子（ＣＰＣ）、又は光学素子であってもよい。あるいは、かかる光学素子は、混合室であってもよい。特に、ＣＰＣの場合、１／４λ板は、ＣＰＣの偏光素子９００１の反対側に配置され得る。
【００８２】
図８は、複数のＬＥＤを含む光源２１００と、導光体４０９５とを含む発光素子１０２０を示す。この例では、光源２１００は、好ましくは銅、鉄、又はアルミニウム等の金属からなるヒートシンク７０００の形態のベース又は基板上に配置される。他の実施形態では、ベース又は基板はヒートシンクでなくともよいことに留意されたい。導光体４０９５は、互いに対してゼロではない角度で、この具体例では垂直に延びる光入力面４１００及び光出口面４２００を有するバー又はロッドとして概して成形されるよう図示されており、光出口面４２００は、導光体４０９５の端面である。光入力面４１００及び光出口面４２００は異なるサイズを有し、好ましくは、光入力面４１００が光出口面４２００より大きい。導光体４０９５は、更なる面４６００を更に有し、更なる面４６００は、光出口面４２００の反対側に平行に延在し、よって同様に導光体４０９５の端面である。導光体４０９５は、更に、側面４３００、４４００、４５００を有する。導光体４０９５は、板状の形状を有してもよく、例えば正方形又は長方形の板であってもよい。
【００８３】
発光素子１０２０は、更に、導光体４０９５の更なる面４６００に配置された第１のミラー要素７６００、及び導光体４０９５の光出口面４２００に配置された第２のミラー要素７４００を有する。図示されるように、第１のミラー要素７６００は、光出口面４２００と光接触するよう配置され、第２のミラー要素７６００は、更なる表面４６００と光接触するよう配置される。代わりに、第１及び第２のミラー要素７６００及び７４００と更なる面４６００及び光出口面４２００との間の一方又は両方の間に、ギャップが設けられてもよい。かかるギャップは、例えば空気又は光学接着剤によって充填され得る。
【００８４】
導光体４０９５の光出口面４２００は、更に、４つの内向きテーパ壁、及び更なる面４６００に対して平行に延在する中央平坦部を有する。本明細書で使用される「テーパ壁」とは、光出口面の残りの部分、及び光出口面に隣接して延びる導光体の表面の両方に対してゼロではない角度で配置された光出口面４２００の壁の部分を指す。当該壁は内向きにテーパ状であり、すなわち、導光体の断面は、出口面に近づくにつれ徐々に小さくなる。本実施形態では、第２のミラー要素７４００は、光出口面４２００のテーパ壁に配置され、光出口面４２００のテーパ壁と光接触する。よって、第２のミラー要素は、光出口面４２００の各テーパ壁に対応し、それらを覆う４つの部分７４１０、７４２０、７４３０、及び７４１０を有する。光出口面４２００の中央平坦部に対応する開口部７５２０は、光が通り抜けて発光素子１０２０から外に出射され得る光出口面４２００の透明部分を画定する。
【００８５】
このようにすることで、より多くの光線が光出口面４２００に向けられるよう、第２のミラー要素に衝突した光線が角度方向を変え、また、角度方向の変化により、以前はＴＩＲによって導光体４０９５内に留まっていたであろう光線が、臨界反射角より小さい角度で光出口面４２００に衝突するようになり、よって光出口面４２００の開口部７５２０を介して導光体から出ることができる発光素子が提供される。これにより、発光素子が導光体４０９５の光出口面４２００から出射する光の強度は、更に上昇される。具体的には、導光体が矩形のバーの場合、出口面の第２のミラー要素に垂直に衝突し、２つのミラー要素間で跳ね返り続けるため、バーから出ることができない光線が存在する。１つのミラー要素が内側に傾けられた場合、光線はそのミラー要素において反射された後方向を変え、第２のミラー要素の透明部分を通って導光体から出ることができる。したがって、この構成は、テーパ壁の反射により、光出口面４２００の中央平坦部、よって第２のミラー要素７４００内のスルーホール７５２０への改良された導光を提供する。
【００８６】
他の実施形態では、異なる数のテーパ壁、例えば１つ、２つ、３つ、５つ、又は６つのテーパ壁等、４つより少ない又は多くのテーパ壁が設けられてもよく、また、テーパ壁の全てに第２のミラー要素又は第２のミラー要素の部分が設けられなくてもよい。他の変形例では、テーパ壁のうちの１つ以上は、第２のミラー要素７４００によって覆われなくてもよく、且つ／又は、中央平坦部は、第２のミラー要素７４００によって部分的に若しくは完全に覆われてもよい。
【００８７】
次に、図９は、本発明に係る発光素子１の第１の実施形態を示す。
【００８８】
以下、図９を参照して、本発明に係る発光素子１の全ての実施形態に共通する特徴を説明する。
【００８９】
発光素子１は、光源２、第１の導光体３、及び第２の導光体４を含む。
【００９０】
光源２は、動作中、第１のスペクトル分布の光１３を発するよう構成される。光源の種類の例は、上記の通りである。
【００９１】
第１の導光体３は、概して、互いに反対側に配置された第１の光入力面３１及び第１の光出口面３２、並びに、第１の光入力面３１と第１の光出口面３２との間に延在し、組ごとに互いに反対側に配置された更なる側面３３、３４、３５、３６を有するバー又はロッドとして成形されるよう図示されている。上記したように、第１の導光体３は板状の形状を有してもよく、例えば、正方形又は長方形の板であってもよい。
【００９２】
第１の導光体３は、第１の光入力面３１において光源２からの光１３を受け取り、光１３を第１の光出口面３２に誘導し、光１３を第１の光出口面３２から出て第２の導光体４の中に導入するよう適合させられ又は構成される。
【００９３】
図９に示される第１の導光体３は、透明な導光体である。一部の実施形態では、透明な第１の導光体３は比較的高い屈折率、すなわち、例えば１．５より高い屈折率、特に後述されるオプションの層６の屈折率より高い屈折率、場合によっては第２の導光体４の屈折率より高い屈折率を有する。一部の実施形態では、透明な第１の導光体３は、良好な伝熱特性を更に有する。適切な透明材料は上記の通りである。
【００９４】
一般的に、しかし特に透明な第１の導光体３の場合、一実施形態において、光源２は、ここでは基板の役割を果たす第１の導光体３の上に配置される。光源は、例えば化学的若しくは物理的な堆積方法によって、又は液相エピタキシー（ＬＰＥ）によって等、当該分野で知られる任意の実施可能な方法で透明基板上に直接作製されたＬＥＤ等の固体光源であってもよく、固体光源の作製又は成長は、透明な導光体又は基板３上で直接行われ得る。固体光源は、この実施形態では第１の導光体３の役割を果たす透明基板と物理的に及び光学的に直接接触するよう配置され、好ましくは、例えば、固体発光素子の活性層は透明基板上で直接成長され、透明基板上で直接処理、例えばエッチングされる。言い換えれば、透明基板は固体光源、すなわち固体光源の活性層が作製される基板である。隣り合う又は隣接する固体発光素子間の分離又はギャップを与えるために、適切な作製技術が適用される。透明基板に特に適した材料は、ドープ又はアンドープサファイアである。あるいは、透明基板は、ドープ又はアンドープガーネットによって構成されてもよく、適切なガーネットは上記の通りである。更に、透明基板は、発光性、集光性、又はこれらの組み合わせであってもよく、適切な材料は上記の通りである。後に詳述されるように、光源２は、更に、ベース１５の上に配置されてもよい。
【００９５】
同様に、第２の導光体４は、第２の光入力面４１、第２の導光体４の端面であり、第２の光入力面４１に対して垂直に延びる第２の光出口面４２、及び更なる側面４３、４４、４５、４６を有するバー又はロッドとして概して成形されるよう図示されている。上記したように、第２の導光体４は板状の形状を有してもよく、例えば正方形又は長方形の板であってもよい。
【００９６】
第２の導光体４は、第２の光入力面４１及び第２の光出口面４２を有する。第２の導光体４は、第１の導光体３から外部導出された光１３を第２の光入力面４１において受け取り、第１の光１３を第２のスペクトル分布を有する光１４に変換し、光１３及び変換された光１４を第２の光出口面４２に誘導し、光１３及び変換された光１４を第２の光出口面４２から外部導出するよう適合させられ又は構成される。
【００９７】
一実施形態では、第２の導光体３は、発光材料からなる発光性の導光体である。適切な発光材料は、有機蛍光体、有機蛍光色素、及び、本発明の目的に非常に適する量子ドットを含む。適切な及び他の発光材料の例は上記の通りである。
【００９８】
一実施形態では、第２の導光体４内に導入された第１のスペクトル分布の光１３は、全て第２のスペクトル分布の光１４に変換される。あるいは、第１のスペクトル分布の光１３の一部は変換されずに残り、第２の光出口面４２を介して第２の導光体４から外部導出され得る。
【００９９】
一実施形態では、図９に示されるように、第１の光出口面３２に対する入射角のために出射されない、第１のスペクトル分布の光１３の一部は、第１の導光体３の端面３５を介して出射される。端面３５は、第１の光入力面３１と第１の光出口面３２との間に、両者に対して垂直に延在し、また、図９に示されるように、第２の導光体４の第２の光出口面４２に対して平行に延在する。これにより、本発明に係る発光素子は、異なるスペクトル分布の組み合わせ、すなわち、図９に示される実施形態では第１のスペクトル分布の光１３と第２のスペクトル分布の変換された光１４との組み合わせを含む光を出射し得る。
【０１００】
第１の導光体３の残りの面３３、３４、及び３６は、これらの面から光が出射されないことを保証するよう、金属コーティング又はミラー等の反射材料を与えられ得る。他の実施形態では、全ての光が光出口面３２から出射されることを保証するよう、端面３５も、金属コーティング又はミラー等の反射材料によって覆われ得る。
【０１０１】
第２の導光体４の残りの面４３、４４、４５、及び４６は、全ての光が光出口面４２を介して出射されることを保証するよう、金属コーティング又はミラー等の反射材料を与えられてもよい。
【０１０２】
反射材料は、対応する導光体の表面と直接接触するよう配置されてもよいが、一部の実施形態では、反射材料と対応する導光体の表面との間に空隙が設けられるよう配置される。
【０１０３】
引き続き図９を参照して、図示の発光素子１は、以下に述べる複数のオプションの更なる特徴及び要素を含む。
【０１０４】
光源２から第１の導光体３への光導入は、第１の導光体の光入力面３１上に設けられた適切な結合構造７によって、及び／又は、光源２と第１の導光体との間に配置された結合媒体８によって改良され得る。原則的に、２つ以上の結合構造及び／又は結合媒体を設けることができる。適切な結合構造７及び結合媒体８は上記の通りである。
【０１０５】
第１の導光体３及び第２の導光体４は、比較的低い屈折率、すなわち両導光体の屈折率より低い屈折率を有する層６によって互いに接続される。層６は空気であってもよく、その場合、空隙を維持するためにスペーサーが使用され、又は、例えばシリコーン（ｎ＝１．４〜１．５）若しくはケイ酸塩ベースのゾル−ゲル材料（ｎ＝１．３〜１．６）等の材料から構成されてもよい。
【０１０６】
次に、図１０を参照して、本発明に係る発光素子１０１の第２の実施形態が示されている。本実施形態では、光源は、プリント回路基板（ＰＣＢ）等のベース１５の上にアレイ状に配置された複数のＬＥＤ２１、２２、２３を含む。
【０１０７】
更に、本実施形態では、第１の導光体３は、ＬＥＤ２１、２２、２３によって発せられた第１のスペクトル分布の光を、第１のスペクトル分布及び第２の導光体４によって光が変換される第２のスペクトル分布のいずれとも異なる第３のスペクトル分布の光に変換するよう構成される。
【０１０８】
非限定的な例として、ＬＥＤは青色光を発し、一方、第１及び第２の導光体３、４は、入射光をそれぞれ緑色及び赤色光に変換するよう構成される。したがって、この例では、青色光は第１の導光体３内に導入されて緑色光に変換され、第１の導光体３からの緑色光は、第２の導光体４内に導入されて赤色光に変換される。したがって、端面３５を介して緑色光が出射される一方、第２の光出口面４２を介して赤色光が出射される。一実施形態では、導光体のうちの１つに導入される光は全て変換される。一部の光が変換されずに残る変形例では、例えば上記端面３５及び第２の光出口面から変換されていない光がそれぞれ出射され得る。
【０１０９】
本実施形態では、第１の導光体３及び第２の導光体４は、ともに発光性の導光体である。
【０１１０】
図１１は、本発明に係る発光素子１０２の第３の実施形態を示す。本実施形態では、光源は、ＰＣＢ等のベース１５の上にアレイ状に配置された複数のＬＥＤ２１、２２、２３を含む。
【０１１１】
更に、第１の導光体３は、ＬＥＤ２１、２２、２３によって発せられる第１のスペクトル分布の光を、第１のスペクトル分布及び第２の導光体４によって光が変換される第２のスペクトル分布のいずれとも異なる第３のスペクトル分布の光に変換するよう構成される。
【０１１２】
図１１に示される発光素子１０２は、更に、更なる光入力面５１及び更なる光出口面５２を有する更なる導光体５を含む。更なる導光体５は、更なる光入力面５１において入射光を受け取って内部に導入し、入射光を入射光のスペクトル分布とは異なるスペクトル分布の変換された光に変換し、変換された光及び／又は入射光を更なる光出口面５２に誘導し、変換された光及び／又は入射光を更なる光出口面５２から外部導出するよう構成される。当然ながら、２つ以上の更なる導光体が設けられ得る。
【０１１３】
更なる導光体５は、同様に、更なる光入力面５１、更なる導光体５の端面であり、更なる光入力面５１に対して垂直に延びる更なる光出口面５２、及び４つの更なる面を有するバー又はロッドとして概して成形される。図１０の側面図では、４つの更なる面のうち面５３、５５、及び５６が示されているが、面５３と平行な反対側の面は図１０では見えない。更なる導光体５は、板状の形状を有してもよく、例えば正方形又は長方形の板であってもよい。
【０１１４】
図１１に示される更なる光入力面５１を介して更なる導光体５内に導入される光は、第２の導光体４の面４５を介して出射され又は脱出する光である。
【０１１５】
一実施形態では、更なる導光体５は、入射光を吸収し、一部の実施形態では上記第１、第２、及び第３のスペクトル分布とは異なるスペクトル分布を有する光に変換する、発光性の導光体である。すなわち、第１の導光体３、第２の導光体４、及び更なる導光体５はいずれも異なる発光特性を有し、例えば異なる蛍光体等の異なる発光材料、上記の適切な例から構成される。
【０１１６】
一例では、第１の導光体３は透明な導光体であり、一方、第２の導光体４及び更なる導光体５は、入射光をそれぞれ緑色及び赤色光に変換する発光性の導光体である。あるいは、３つの導光体３、４、及び５の全てが、例えば入射光をそれぞれ黄色、緑色、及び赤色光に変換する、発光性の導光体であってもよい。
【０１１７】
１つ以上の更なる導光体５の残りの面５３、５５、及び５６、並びに面５３の反対側の見えない面は、全ての光が光出口面５２を介して出射されることを保証するよう、金属コーティング又はミラー等の反射材料を有し得る。反射材料は、対応する導光体の面と直接接触するよう配置されてもよいが、一部の実施形態では、反射材料と対応する導光体の面との間に空隙が設けられるよう配置される。
【０１１８】
例えば発光性の導光体である更なる導光体５を２つ以上有する実施形態では、各更なる導光体は、発光素子の他の導光体から出射される光のスペクトル分布、及び光源によって出射される光の第１のスペクトル分布とは異なるスペクトル分布を有する光に入射光を変換する。
【０１１９】
しかし、同じスペクトル分布を有する光を発する２つ以上の導光体を設けることにより、特定のスペクトル分布の出射光の強度を高めることも可能である。
【０１２０】
図１２は、図９に示され及び上記されたものと非常に類似する、本発明に係る発光素子１０３の第４の実施形態を示す。
【０１２１】
図１２に示される発光素子１０３は、第１の導光体３が散乱要素１０を含む点で、本明細書に記載される他の実施形態から異なる。散乱要素１０は、例えば、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、又はＢａＳＯ４等の物質の粒子であり、第１の導光体３からの光の取り出しを向上させるためのものである。このようにして取り出された光は、その後、第２の導光体４によって吸収され、第２のスペクトル範囲の光に変換され得る。
【０１２２】
第２の導光体４、及び、存在する場合は更なる導光体５も、散乱要素１０を含み得る。
【０１２３】
図１３は、図９に示され及び上記されたもの非常に類似する、本発明に係る発光素子１０４の第５の実施形態を示す。
【０１２４】
図１３に示される発光素子１０４は、第１の導光体３が、第１の導光体３から光を外部導出するための格子又はフォトニック結晶等の結合構造９を有する点で、本明細書に記載される他の実施形態から異なる。このようにして取り出された光は、その後、第２の導光体４によって吸収され、第２のスペクトル範囲の光に変換され得る。結合構造は、一実施形態では、第１の導光体３の第１の光出口面３２の上に配置される。あるいは、結合構造９は、第１の光出口面３２に隣接して第１の導光体内に埋め込まれてもよい。
【０１２５】
第２の導光体４、及び、存在する場合は更なる導光体５も、一実施形態では対応する光出口面の上に配置され又は中に埋め込まれた結合構造９を有し得る。
【０１２６】
図１４は、図９に示され及び上記されるものと非常に類似する、本発明に係る発光素子１０５の第６の実施形態を示す。
【０１２７】
図１４に示される発光素子１０５は、第１の導光体３が、第２の導光体４と部分的に光学的に且つ／又は機械的に接触するよう配置される点で、本明細書に記載される他の実施形態から異なる。図１４に示されるように、第１の導光体３は、２つの特定の点１１、１２において、第２の導光体４と光学的に且つ／又は機械的に接触する。これにより、第１の導光体３から第２の導光体４への改良された光導入が得られ、これは、光損失を減らし又は排除さえする。
【０１２８】
変形例では、第１の導光体３は、対応する隣接面のある領域にわたって第２の導光体４と部分的に光学的且つ／又は機械的に接触するよう配置され得る。他の変形例では、第１の導光体３は、対応する隣接面の全領域にわたって光学的に且つ／又は機械的に接触するよう配置される。
【０１２９】
１つ以上の更なる導光体５が設けられる場合、第２の導光体４及び更なる導光体５、並びに／又は隣接する各更なる導光体は、同様に、互いに少なくとも部分的に光学的且つ／又は機械的に接触するよう配置され得る。
【０１３０】
図１５は、図９に示され及び上記されたものと非常に類似する、本発明に係る発光素子１０６の第７の実施形態を示す。
【０１３１】
図１５に示される発光素子１０６は、第１の導光体３が、第２の導光体４によって部分的に包囲される点で、本明細書に記載される他の実施形態から異なる。これにより、第１の導光体３から出射された光を、２つ以上の面、具体的には、図１４に示されるように第１の導光体３の面３１、３３、及び３４から集めて、光損失を更に低減し又は排除さえすることができる。
【０１３２】
他の実施形態では、第１の導光体３は、第２の導光体４によって完全に包囲されてもよい。他の実施形態では、第２の導光体４は、第１の導光体３によって部分的に又は完全に包囲され得る。更に、更なる導光体５を含む実施形態では、相似な実施形態が実現可能であり、例えば、第１の導光体３及び第２の導光体４が、更なる導光体５によって部分的に又は完全に包囲され得る。
【０１３３】
図１６は、図９に示され及び上記されたものと非常に類似する、本発明に係る発光素子１０７の第８の実施形態を示す。
【０１３４】
図１６に示される発光素子１０７は、光源２と第１の導光体３との間に、更なる光入力面５１及び更なる光出口面５４を有する更なる導光体５が設けられる点で、本明細書に記載される他の実施形態から異なる。言い換えれば、第１の導光体３は、更なる導光体５と第２の導光体４との間に挟まれる。
【０１３５】
本実施形態では、更なる導光体５及び第２の導光体４は、例えば同一の導光体であるが、原則的には異なる導光体であってもよい。
【０１３６】
更なる導光体５は、更なる光入力面５１において光源２が発した入射光を受け取って内部導入し、入射光を入射光のスペクトル分布とは異なるスペクトル分布の変換された光に変換し、変換された光及び／又は入射光を更なる光出口面５４に誘導し、変換された光及び／又は入射光を更なる光出口面５４から導出し第１の光入力面３１を介して第１の導光体３の中に導入するよう構成される。当然ながら、光源２と第１の導光体３との間に２つ以上の更なる導光体が設けられてもよい。
【０１３７】
一部の実施形態では、更なる導光体５は、入射光を吸収して、例えば上記第１、第２、及び第３のスペクトル分布とは異なるスペクトル分布を有する光に変換する発光性の導光体である。
【０１３８】
一部の実施形態では、光は、更なる端面５２からも、更なる導光体を出る。１つ以上の更なる導光体５の残りの面は、全ての光が（１つ以上の）光出口面から出射されることを保証するよう、金属コーティング又はミラー等の反射材料を有し得る。
【０１３９】
本発明に係る発光素子の導光体は、図２を参照して上記したような適切な光学素子を備え得る。
【０１４０】
追加で又は代替的に、例えば図６Ａ及び図６Ｂを参照して上記したように、本発明に係る発光素子の導光体に適切なヒートシンク要素が配置されてもよく、これは、発光素子の熱除去を向上させる。
【０１４１】
一部の実施形態では、発光素子は、図７Ａ〜図７Ｄを参照して上記したように、偏光を発するよう構成されてもよく、これは、例えばデジタルプロジェクターにおける利用に有用である。
【０１４２】
出射光の強度を更に高めるために、本発明に係る発光素子の導光体は、図８を参照して上記したようなテーパ状の出口面を有し得る。
【０１４３】
当業者は、本発明が如何ようにも上記実施形態に限定されないことを認識する。反対に、添付の特許請求の範囲の範囲内で、多くの改変形態及び変形形態が実現可能である。
【０１４４】
特に、本明細書に記載される様々な実施形態の様々な要素及び特徴は、自由に組み合わせられ得る。
【０１４５】
更に、図面、開示、及び添付の特許請求の範囲を分析することにより、当業者は、開示の実施形態の変形形態を理解及び実施することができる。請求項中、「含む」等の用語は他の要素又はステップを除外せず、要素は複数を除外しない。単にいくつかの手段が互いに異なる従属請求項に記載されているからといって、これらの手段の組み合わせを好適に使用することができないとは限らない。
【要約】
発光素子１は、動作中、第１のスペクトル分布の光１３を発する光源２と、互いに反対側に配置された第１の光入力面３１及び第１の光出口面３２、並びに第１の光入力面３１に対して垂直に延びる端面３５を有する第１の導光体３と、互いに対して垂直に延びる、第２の光入力面４１及び第２の光出口面４２を有する第２の導光体４とを有する。第１の導光体３は、第１の光入力面３１において、光源２からの第１のスペクトル分布の光を受け取り、第１のスペクトル分布の光を第１の光出口面３２及び端面３５に誘導し、第１のスペクトル分布の光の一部を第１の光出口面３２から出て第２の導光体４の中に導入し、第１のスペクトル分布の光の他の部分を端面３５から導出する。第２の導光体４は、第２の光入力面４１において、第１の導光体３から導出された第１のスペクトル分布の光を受け取り、当該光を第２の光出口面４２に誘導し、第１のスペクトル分布の光１３の少なくとも一部を第２のスペクトル分布の光１４に変換し、第２のスペクトル分布の光を第２の光出口面４２から導出する。【図１】
0005985091.tif 000003
【図２】
0005985091.tif 000004
【図３】
0005985091.tif 000005
【図４】
0005985091.tif 000006
【図５】
0005985091.tif 000007
【図６Ａ】
0005985091.tif 000008
【図６Ｂ】
0005985091.tif 000009
【図７Ａ】
0005985091.tif 000010
【図７Ｂ】
0005985091.tif 000011
【図７Ｃ】
0005985091.tif 000012
【図７Ｄ】
0005985091.tif 000013
【図８】
0005985091.tif 000014
【図９】
0005985091.tif 000015
【図１０】
0005985091.tif 000016
【図１１】
0005985091.tif 000017
【図１２】
0005985091.tif 000018
【図１３】
0005985091.tif 000019
【図１４】
0005985091.tif 000020
【図１５】
0005985091.tif 000021
【図１６】
0005985091.tif 000022