(57)【要約】  少なくとも１つの放射面を有するＬＥＤダイを利用する光源が開示される。光学素子が、放射光の角度分布を制御することによって、ＬＥＤダイから光を効率的に抽出するために設けられる。光学素子は、ＬＥＤダイの放射面に光学的に結合されるが、ＬＥＤダイの放射面から機械的に分離される。光学素子は、放射面に光学的に結合される入力面と、入力面より表面積の大きい出力面と、少なくとも１つの中間面と、を有する。
2008518473.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの放射面を有するＬＥＤダイと、
前記少なくとも１つの放射面に光学的に結合され、かつ前記少なくとも１つの放射面と機械的に分離される入力面と、前記入力面より大きい出力面と、少なくとも１つの中間面と、を含む光学素子と、
を備える光源。
【請求項２】
前記光学素子は、光コリメータである請求項１に記載の光源。
【請求項３】
前記光学素子は、先細に形成される請求項１に記載の光源。
【請求項４】
前記光学素子は、バットウィング形に形成される請求項１に記載の光源。
【請求項５】
前記光学素子の前記入力面は、前記ＬＥＤダイの前記放射面と接触する請求項１に記載の光源。
【請求項６】
前記光学素子の屈折率は、前記放射面の屈折率の２５％以内である請求項１に記載の光源。
【請求項７】
前記光学素子の屈折率は、少なくとも１．８である請求項１に記載の光源。
【請求項８】
前記光学素子の屈折率は、少なくとも２．０である請求項１に記載の光源。
【請求項９】
前記少なくとも１つの中間面は、反射性が高い請求項１に記載の光源。
【請求項１０】
前記光学素子は、前記少なくとも１つの中間面の上に反射性の金属コーティングを備える請求項９に記載の光源。
【請求項１１】
前記光学素子は、前記少なくとも１つの中間面の上に低屈折率コーティングを備える請求項９に記載の光源。
【請求項１２】
前記入力面と前記放射面との間に配置される光伝導薄層をさらに備える請求項１に記載の光源。
【請求項１３】
前記光伝導薄層は、液体を含む請求項１２に記載の光源。
【請求項１４】
前記光伝導薄層は、熱伝導性でもある請求項１２に記載の光源。
【請求項１５】
前記光学素子の前記少なくとも１つの中間面に熱的に結合されるヒートシンクをさらに備える請求項１４に記載の光源。
【請求項１６】
主放射面を有するＬＥＤダイと、
接合することなく前記主放射面に近い位置に光学的に結合される入力面と、前記入力面より大きい出力面と、前記入力面と前記出力面との間に配置される少なくとも１つの側面と、を含む透明な光学素子と、
を備える光源。
【請求項１７】
前記光学素子は、光コリメータである請求項１６に記載の光源。
【請求項１８】
前記光学素子は、先細として形成される請求項１６に記載の光源。
【請求項１９】
前記光学素子の前記入力面は、前記ＬＥＤダイの前記放射面と接触する請求項１６に記載の光源。
【請求項２０】
前記光学素子の屈折率は、前記放射面の屈折率の２５％以内である請求項１６に記載の光源。
【請求項２１】
前記光学素子の屈折率は、少なくとも１．８である請求項１６に記載の光源。
【請求項２２】
前記光学素子の屈折率は、少なくとも２．０である請求項１６に記載の光源。
【請求項２３】
前記少なくとも１つの側面は、反射性が高い請求項１６に記載の光源。
【請求項２４】
前記光学素子は、前記少なくとも１つの側面の上に反射性の金属コーティングを備える請求項２３に記載の光源。
【請求項２５】
前記光学素子は、前記少なくとも１つの側面の上に低屈折率コーティングを備える請求項２３に記載の光源。
【請求項２６】
前記入力面と前記放射面との間に配置される光伝導薄層をさらに備える請求項１６に記載の光源。
【請求項２７】
前記光伝導薄層は、液体を含む請求項２６に記載の光源。
【請求項２８】
前記光伝導薄層は、熱伝導性でもある請求項２７に記載の光源。
【請求項２９】
前記透明な光学素子の前記少なくとも１つの側面に熱的に結合されるヒートシンクをさらに備える請求項２８に記載の光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源に関する。さらに詳細には、本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）からの放射光が光学素子を用いて抽出される光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬＥＤは、従来の光源に匹敵するであろう輝度、出力および動作寿命を提供するために、固有の電位を有する。残念なことに、ＬＥＤは、高い屈折率を有する半導体材料中で光を生成するため、輝度の実質的な減少またはＬＥＤの見掛けの発光領域の増大を生じることなく、ＬＥＤから光を効率的に抽出することが困難である。半導体と空気との間の屈折率不整合が大きいために、半導体と空気との間の界面に関するエスケープコーンの角度が比較的小さい。半導体において生成される光の大部分は、内部全反射され、半導体から逃れることはできないため、輝度が減少する。
【０００３】
ＬＥＤダイから光を抽出するこれまでの手法は、種々の形状、たとえば、ＬＥＤダイの上またはＬＥＤダイの周囲に形成される反射体カップの内部に形成されるドーム状の構造にエポキシ封入剤またはシリコン封入剤を用いていた。封入剤は一般に、空気より屈折率が高く、半導体と封入剤との界面における内部全反射を減少させるため、抽出効率を向上する。しかし、封入剤を用いる場合であっても、半導体ダイ（一般的な屈折率ｎは２．５以上）とエポキシ封入剤（一般的な屈折率ｎは１．５）との間には、屈折率不整合が依然としてある。
【０００４】
図１は、向上した光抽出効率を有するＬＥＤを提供するための別の手法（米国特許出願第２００２／００３０１９４  Ａ１号明細書）（カムラス（Ｃａｍｒａｓ）ら）を示している。この手法は、ＬＥＤダイ４に接合された約１．８より大きい屈折率を有する透明な光学素子２を用いる。この手法の欠点は、光学素子２がＬＥＤダイ４に接合される場合、接合されたシステムが動作中に加熱するため、膨張する各素子から応力を受けることである。
【０００５】
ＬＥＤは、低い接合温度、一般に１２５〜１５０℃以下で動作する必要がある。これは、最大の電流の流れおよびそれに対応するものとしてＬＥＤの出力を制限する。貧弱な熱管理はまた、ＬＥＤダイを所与の電流で所望より高温で作動させることによって、ＬＥＤ寿命に悪影響を及ぼす可能性がある。ＬＥＤダイからの熱除去の強化により、駆動電流を増大させることができ、したがってより高い光強度およびより長い寿命を提供することができる。ＬＥＤダイからの熱の除去または放散に関する周知の方法は、ＬＥＤダイのベース（一般に、主放射面に対向する側）によって熱を除去することを含む。他の方法としては、たとえば米国特許第６，４８０，３８９号明細書（シエ（Ｓｈｉｅ）ら）に記載されているように、ＬＥＤパッケージに放熱流体冷却剤を加えることが挙げられる。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
進歩してきているが、ＬＥＤは依然として、さらに明るくなる見込みがある。光をＬＥＤダイから効率的に抽出し、高い輝度および高い発光出力を維持することができるＬＥＤパッケージを有することが好都合であろう。本願は、少なくとも１つの放射面を有するＬＥＤダイと、ＬＥＤダイの放射面から機械的に分離される光学素子と、を用いる光源を開示している。光学素子は、放射面に光学的に結合される入力面、入力面より表面積の大きい出力面および少なくとも１つの中間面を有する。
【０００７】
本発明の上記の概要は、本発明のそれぞれ開示された実施形態またはすべての実装例について記載することを意図しているわけではない。図および以下の詳細な説明は、例示の実施形態をさらに詳細には具体化する。
【０００８】
本発明は、添付図面と共に、本発明の種々の実施形態に関する以下の詳細な説明を検討すれば、より完全に理解されるであろう。類似の参照符号は、類似の素子を表す。添付図面は説明に役立つ実例を意図しており、限定するものを意図しているわけではない。図面における種々の素子のサイズは、概算であり、一定の比率で拡大縮小されているわけではない。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下にさらに詳細に記載するように、本システムは、ＬＥＤダイによって放射される光の角度分布を調整することによって、ＬＥＤダイから光を効率的に抽出するための光学素子を備えた光源を提供する。光学素子は、光を効率的に抽出するために、ＬＥＤダイの放射面に光学的に結合される。
【００１０】
一部の実施形態において、光学素子はまた、ＬＥＤダイから熱を除去することができるようにするために、ＬＥＤダイに熱的に結合される。光学素子から熱をさらに除去するために、熱的に結合されたヒートシンククランプが加えられる。
【００１１】
他の実施形態において、ＬＥＤダイは、ＬＥＤダイと光学素子との間に任意の接着剤または他の結合剤を用いることなく、光学素子に光学的に結合される。これにより、光学素子およびＬＥＤダイは動作中に加熱されるとそれぞれが膨張するため、独立に移動することができる。接合がないことまたは機械的な分離により、接着剤または他の結合剤によって接合されたシステムに存在しうる光学素子およびＬＥＤダイにおける応力を排除する。
【００１２】
図２は、本システムの一実施形態における光学素子２０およびＬＥＤダイ１０の構成を示す概略側面図である。光学素子２０は、透明であり、比較的高い屈折率を有することが好ましい。光学素子の場合の適切な材料としては、高屈折率ガラス（たとえば、ニューヨーク州エルムスフォード（Ｅｌｍｓｆｏｒｄ，ＮＹ）のショット・ノース・アメリカ・インコーポレイテッド（Ｓｃｈｏｔｔ  Ｎｏｒｔｈ  Ａｍｅｒｉｃａ，Ｉｎｃ．）から商標名「ＬＡＳＦ３５」で入手可能なショット（Ｓｃｈｏｔｔ）ガラスタイプＬＡＳＦ３５）およびセラミックス（たとえば、サファイア、酸化亜鉛、ジルコニア、ダイヤモンドおよび炭化ケイ素）が無制限に挙げられる。サファイア、酸化亜鉛、ダイヤモンドおよび炭化ケイ素はまた、比較的高い熱伝導率（０．２〜５．０Ｗ／ｃｍＫ）を有するため、特に有用である。
【００１３】
一実施形態において、光学素子２０は、図２に示されているような先細の形で形成される。先細になった光学素子２０は、図３ａ、図３ｂおよび図３ｃに示されているような形を無制限に含む多数の形を有することができる。光学素子は、図４ａ〜図４ｅに示される形などの他の形状の形のほか、示されていない他の形状の形であってもよい。図２に示される先細になった光学素子２０は、光学素子の特に好都合な形状である。図２において、先細になった光学素子２０は、入力面１２０より大きい出力面１３０を有する。図３ａに示される逆角錐台（ＴＩＰ）、図３ｂに示される円錐台、図３ｃに示されるような放物面状の側壁を有する形状およびその組合せをはじめとする先細の形状は、光を平行化するという別の利点を提供し、本願明細書では「光コリメータ」と呼ばれる。ＬＥＤダイから光を抽出するために光コリメータを用いることは、放射光の角度分布に関する制御を提供するため、特に好都合である。光コリメータに関する別の形状は、当業者には明白であろう。たとえば、図３ａに示されるＴＩＰ形状は、図３ｃに示される形状に類似の湾曲した側壁を有するように調整することができる。他の変形も考えられる。さらに、以下に記載されるように、光コリメータはまた、放射光の方向が光学素子２０によって変更されるように形成されてもよい。上述した材料などの高屈折率材料から構成する場合には、そのような光学素子は、高い屈折率のためにＬＥＤダイからの光の抽出を増大し、その形状のために光を平行化することから、光の角度放射を調整する。平行化があまり重要ではないか、所望でない場合には、光学素子２０の他の形状を用いてもよいことを、当業者は理解されよう。
【００１４】
簡単にするため、ＬＥＤダイ１０は一般的に示されているが、当業界は周知であるように、従来の設計の特徴を含むことができる。たとえば、ＬＥＤダイ１０は、識別可能なｐドープ型半導体層およびｎドープ型半導体層、緩衝層、基板層およびスーパストレート層を含むことができる。簡単な矩形のＬＥＤダイ配置が示されているが、他の周知の構成、たとえば、逆角錐台ＬＥＤダイ形状を形成する角度を成す側面もまた、考えられる。ＬＥＤダイ１０に対する電気接点もまた、簡単にするために示されていないが、周知であるようなダイの面のいずれかに設けられることができる。具体的な実施形態において、ＬＥＤダイは２つの接点を有し、図５ｃに示されているように、両方とも下面に配置される。このＬＥＤダイ設計は、「フリップチップ」として知られている。本開示は、光学素子の形状またはＬＥＤダイの形状を制限することを意図しているわけではなく、説明に役立つ実例を提供しているに過ぎない。
【００１５】
図２に示される光学素子２０は、入力面１２０、出力面１３０および入力面１２０と出力面１３０との間に配置される少なくとも１つの中間側面１４０を有する。光学素子が、図３ａに示されているように、ＴＩＰの形で形成されている場合には、そのような光学素子２０３ａは、４つの中間側面１４０ａを持つ。光学素子が回転対称である場合には、１つの側面を有することになる。たとえば、光学素子２０が、図３ｂに示されているように、逆円錐として形成される場合または図３ｃに示されているように、放物面状の側壁を有するように形成される場合には、そのような光学素子２０３ｂまたは２０３ｃはそれぞれ、１つの側面１４０ｂまたは１４０ｃをそれぞれ有する。他の形状の変形を用いることができる。図３ａ〜図３ｃに示される各光学素子はそれぞれ、入力面１２０ａ〜１２０ｃおよび出力面１３０ａ〜１３０ｃを持つ。入力面および出力面の形状および断面は、変化してもよい。具体的な形状は、入力面１２０ａ〜１２０ｃおよび出力面１３０ａ〜１３０ｃとして示されている。図３ａの出力面は正方形の断面を示し、図３ｂ〜図３ｃの出力面は円形の断面を示している。たとえば、正方形の入力面および矩形の出力面を有する光学素子などの他の断面形状もまた、考えられる。図３ａ〜図３ｃに示される例では、出力面は平坦であり、入力面に対して平行であるように示されている。たとえば、入力面に対して角度を成している出力面などの他の配置もまた、考えられる。図４ａ〜図４ｃは別の実施形態を示しており、出力面の形状が放射光の角度を制御するために湾曲されている。
【００１６】
図４ａに示される一実施形態において、湾曲した出力面１８０ａを有する光学素子２０４ａが示されている。光学素子２０４ａは、たとえば、材料の１つのブロックから切断された単一の構造から構成される。
【００１７】
図４ｂに示される別の実施形態において、湾曲した出力面１８０ｂを有する光学素子２０４ｂが示されている。光学素子２０４ｂは、平坦な出力面１８２を有する先細の素子２２を平坦な入力面１８４および湾曲した出力面１８０ｂを有するレンズ素子２４に接合することによって構成される。先細の素子２２およびレンズ素子２４は、設計の検討事項に応じて、同一材料または２つ以上の異なる材料のいずれかから構成されることができ、２つ以上の異なる材料は、類似の光学特性、一部の実施形態では類似の熱特性を有する。入力面１８４は、従来の手段を用いて、出力面１８２に接着されるか、または他の方法で接合される。図４ｂは、先細の素子２２の出力面１８２と同一の断面サイズのレンズ素子２４を示している。
【００１８】
図４ｃは、光学素子２０４ｃの別の例を示しており、先細の素子２２より断面の大きいレンズ素子２４を含んでいる。たとえば、レンズ素子２４の直径は、先細の素子２２の出力面１８２の直径の２倍であってもよい。図４ｃにおいて、仮想線は、先細の素子２２がレンズ素子２４と接合される部分を示している。出力面１８２の断面領域の外側にある入力面１８４の部分は、面１８０ｄとして図４ｃに示される。図３ａ〜図３ｃおよび図４ａ〜図４ｃに示される形状は具体例であり、これらの形状の他の変形もまた用いることができることは理解されよう。先細の素子２２は、レンズ素子２４に等しいか、またはレンズ素子２４より高い屈折率を有することが好ましい。合成光学素子に関するさらなる説明は、「ＨＩＧＨ  ＢＲＩＧＨＴＮＥＳＳ  ＬＥＤ  ＰＡＣＫＡＧＥ  ＷＩＴＨ  ＣＯＭＰＯＵＮＤ  ＯＰＴＩＣＡＬ  ＥＬＥＭＥＮＴ（Ｓ）」という名称の本発明と同一日に出願され、本発明の譲受人に譲渡された米国特許出願第１０／９７７２２５号明細書（代理人整理番号第６０２１８ＵＳ００２）に見ることができる。
【００１９】
図４ｄ〜図４ｅは、本システムの別の実施形態を示す。図４ｄにおいて、光学素子２０４ｄは、入力面１２０ｄに対して垂直に位置決めされる出力面１８０ｄを有する楔形形状である。２つの中間面１９０ｄが示されており、第１の中間面は出力面１８０ｄに平行であり、第２の中間面は、第１の中間面１９０ｄおよび出力面１８０ｄの対向する縁を接合するために角度を成した平面を規定する。この実施形態において、主放射面１００でＬＥＤダイ１０によって放射された光が、光線２１０によって図示されているように、第２の中間面１９０ｄで光学素子２０４ｄによって約９０°再指向される。楔形形状の出力素子の上面図は、矩形、台形、パイ形状、半円またはそれらの任意の組合せであってもよい。
【００２０】
図４ｅに示される他の実施形態において、光学素子２０４ｅは、「バットウィング」構造であり、「Ｖ」字形状に形成される対向する出力面１８０ｅおよび中間面１９０ｅを有する。バットウィング構造は、正方形、矩形または円形の断面を無制限に含む種々の断面形状を有することができる。そのようなバットウィング構造の一例は、図４ｅに示されるバットウィング形状を形成するために、法線２００を中心として回転される図４ｄの楔形形状として考えることができる。断面が円形である場合には、出力面１８０ｅは、円筒形状を形成する。法線２００を中心に置かれる不規則なパターンで放射面１００によって放射される光は、法線２００から出力面１８０ｅによって画定される円筒の周囲に形成される環に９０°再指向される。そのようなバットウィング構造は、その入力面でランベルト配光をとり、それを調整して法線を中心に置かれるドーナツ形配光にする。上述のバットウィングなどの形状において、中間面１９０ｅと呼ばれる面は、これまでの実施形態の一部のように横部分ではなく、光学素子の上部部分に物理的に配置されることができることを留意されたい。これまでの実施形態に記載したように、出力素子は、１つの材料またはたとえば図４ｅに示される仮想線１９２で接合されると示されているような複数の材料から構成されることができる。これらの実施形態は、輝度の均一性が重要である可能性がある場合、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）パネルにおけるバックライトとして用いるのに特に適している。１つの材料または仮想線１９２で接合される複数の材料のいずれから構成されるかに関係なく、入力面１２０ｅと線１９２によって画定される面との距離のほか、ファセット面１９０ｅの角度を特定の用途向けに最適化することができる。
【００２１】
一部の実施形態において、光学素子およびＬＥＤダイは、さらなる光学材料を用いることなく光結合を可能にするために、共に近接して位置決めされる。図２は、ＬＥＤダイ１０の放射面１００と光学素子２０の入力面１２０との間の間隙１５０を示している。一般に、間隙１５０は、空隙であり、減衰内部全反射を促進するために一般にはきわめて小さい。間隙１５０の厚さは、空気中における光の波長未満であることが好ましい。光の複数の波長が用いられるＬＥＤにおいて、間隙１５０は、最大でも最長の波長の値であることが好ましい。間隙１５０に関する適切な厚さの一例は、２００オングストローム未満である。間隙１５０に関する適切な厚さの別の例は、５０オングストローム未満である。さらに、間隙１５０が放射面１００と入力面１２０との間の接触領域にわたって実質的に均一であり、放射面１００および入力面１２０が２０ｎｍ未満、好ましくは５ｎｍ未満の粗さを有することが好ましい。そのような構成において、エスケープコーンの外側またはＬＥＤダイと空気との間の界面で一般に内部全反射されるであろう角度で、ＬＥＤダイ１０から放射される光線は、代わりに光学素子２０に伝搬される。光結合を促進するために、入力面１２０の面は、放射面１００に適合するように形成されることができる。たとえば、図２に示されているように、ＬＥＤダイ１０の放射面１００が平坦である場合には、光学素子２０の入力面１２０もまた、平坦であってもよい。入力面１２０のサイズは、ＬＥＤダイの放射面１００より小さくてもよく、等しくてもよく、または大きくてもよい。入力面１２０は、断面形状がＬＥＤダイ１０と等しくてもよく、異なっていてもよい。たとえば、ＬＥＤダイは正方形の放射面を有し、光学素子は円形の入力面を有することができる。他の変形も当業者には明白であろう。
【００２２】
本システムの一部の実施形態において、光学素子は、接合することなく、ＬＥＤダイに光学的に結合される。これにより、ＬＥＤダイおよび光学素子を機械的に分離することができるため、ＬＥＤダイおよび光学素子のそれぞれを独立に移動することができる。たとえば、光学素子は、ＬＥＤダイ１０に対して横方向に移動することができる。別の例において、光学素子およびＬＥＤダイはいずれも、それぞれの構成要素が動作中に加熱されると、自由に膨張するようになっている。そのような機械的に分離されたシステムにおいて、膨張によって生成される応力の大部分は剪断応力または法線応力のいずれかであり、１つの構成要素から別の構成要素に伝搬されることはない。言い換えれば、１つの構成要素の移動は、他の構成要素に機械的に影響しない。この構成は、発光材料が脆弱である場合、ＬＥＤダイと光学素子との間の膨張係数に不整合がある場合およびＬＥＤが繰返し点滅している場合には、特に望ましい。
【００２３】
機械的に分離された光学素子を有するＬＥＤパッケージの一例は、図２に示されているように、光学素子２０が間隙１５０を介してＬＥＤダイ１０と光学的に接触しているシステムである。そのような例において、間隙１５０は、上述したように、減衰内部全反射を促進するのに十分なほど小さい空隙であってもよい。
【００２４】
機械的に分離された光学素子または非接合式光学素子を有するＬＥＤパッケージの別の例は、図２ａに示されているように、光学素子２０が光伝導薄層６０を介してＬＥＤダイ１０に光学的に結合されるシステムである。図２ａは、図２に示される概略側面図の一部の拡大図であるが、間隙１５０の中に光伝導薄層６０が配置されている。光伝導層６０に適した材料の例としては、屈折率整合油および類似の光学特性を有する他の液体またはゲルが挙げられる。任意に、光伝導層６０はまた、熱伝導性でもある。光学素子２０への光抽出を向上させるために、屈折率整合油または他の類似の液体またはゲルの薄層を用いることができる。液体またはゲルは、ＬＥＤダイ１０の屈折率より大きいが、光学素子２０の屈折率より小さい屈折率を有することが好ましい。そのような光伝導薄層の厚さは、空隙のサイズより大きくてもよい。この実施形態において、光伝導層６０は、ＬＥＤダイ１０を光学素子２０に光学的に結合するように作用するため、ＬＥＤダイ１０は光学素子２０に光学的に近い必要はない。光伝導層６０のサイズは、用いられる材料の屈折率によって決定される。光伝導薄層６０は、ＬＥＤダイと光伝導薄層との境界で減衰内部全反射を促進し、したがって、ＬＥＤダイから光学素子により多くの光を抽出するために最適なサイズおよび材料から構成されることが好ましい。光伝導層６０の厚さは、その材料における光の波長程度であることが好ましい。
【００２５】
屈折率整合油または類似の液体またはゲルは、より高い熱伝導率というさらなる利点を有し、熱の除去のほか、ＬＥＤダイ１０から光学素子２０への光の抽出を助ける。一部の実施形態において、光伝導薄層６０はまた、熱伝導性でもある。
【００２６】
図５〜図７は、本システムの別の実施形態を示している。図５〜図７に示される具体的な実施形態において、光学素子は、図３ａにさらに詳細に示されるＴＩＰ形状を有する。図５ａは、光学素子２０の概略断面側面図を示している。低屈折率コーティング７０は、内部全反射を促進するために、各側面１４０に塗布される。低屈折率コーティング７０は、ＬＥＤダイ１０の屈折率および光学素子２０の屈折率の両方より実質的に低い屈折率を有する。低屈折率コーティングの屈折率は、約１．５未満であることが好ましく、１．４未満であればさらに好ましい。任意に、従来の方法を用いて、金属層などの反射材料または干渉反射体またはその組合せによって光学素子２０をコーティングすることができる。
【００２７】
図５ｂは、図２に示されるシステムに設けられてもよいクランプ取付具３０の概略側面図を示している。図７に示されているような組立時には、クランプ取付具３０は、光学素子２０を所定の位置に保持し、ＬＥＤダイ１０の真上に位置決めし、ＬＥＤダイ１０と整列するように機能する。クランプ取付具３０は、プラスチック、金属または他の適切な材料から構成されることができる。図５ａに関して、クランプ３０は、光学素子２０を収容するように形成された中空の開口部３４を有する。中空の開口部３４は側面１４２によって画定され、側面１４２は光学素子２０の側面１４０の形状に一致するように形成される。クランプ３０は、さらに切り取られた部分３６を有し、さらに切り取られた部分３６は、面１４４によって画定され、ＬＥＤダイ１０を収容し、任意に、ＬＥＤダイ１０の任意の面またはすべての面に余分な空間を許容するように形成される。図５ｂはまた、基準点３２を示している。基準点３２は、図５ｃに示される回路基板４０上の基準点４２とクランプ取付具３０を一列に並べるために機能することから、光学素子２０がＬＥＤダイ１０の真上に位置決めされる。図５ｃは、回路基板４０およびＬＥＤダイ１０の具体的な構成の断面側面図を示している。この例において、ＬＥＤダイ１０は、フリップチップであり、接触導線１２が上部放射面１００に対向して配置されている。ＬＥＤダイ１０の側面もまた、光を発してもよいことを理解すべきである。ＬＥＤダイ１０の側面におけるＴＩＲを促進するために、切り取られた部分３６の任意の別の空間に空気を充填することができるため、光は、循環することができ、ＬＥＤダイ１０から光学素子２０に逃す別の機会を得ることができる。
【００２８】
図５ａ、図５ｂおよび図５ｃに示される素子は、以下に述べるように、共に組立てられ、図７に示されるシステムを形成する。光学素子２０は、図５ａに示されているように、低屈折率コーティング７０でコーティングされる。一部の実施形態において、クランプ取付具３０は、金属であり、固体金属ブロックを図５ｂに示される形状に機械加工することによって準備される。光学素子２０は、中空の開口部３４でクランプ３０に挿入される。開口部３４を形成する側面１４２は、好ましくは低融点ハンダを用いて、光学素子２０の側面１４０にハンダ付けされる。次に、クランプ３０および光学素子２０は、基準点３２および４２が適合するように、図５ｃに示される回路基板４０の上に位置決めされることから、光学素子２０をＬＥＤダイ１０の真上の中心に配置することができる。続いて、ハンダ接点３８および４８で、部品は共にハンダ付けされる。図５ａ、図５ｂおよび図５ｃの素子を組み合わせて組立てられたシステムが、図７に示される。クランプ３０および光学素子２０の上面図はそれぞれ、図６ａおよび図６ｂに示されている。
【００２９】
別の実施形態において、クランプ取付具３０はまた、ヒートシンクとして機能する。この実施形態において、クランプ取付具３０は、熱伝導率および熱拡散率の高い材料（たとえば、銅）から構成されることができ、光学的に透明である必要はない。この実施形態におけるクランプ３０は、光学素子２０から熱をさらに除去し、より高い駆動電流でＬＥＤを動作させることが可能であることから、より高い輝度を生成する。光学素子２０に用いられる材料に関する一般的な熱拡散率の値は、フリントガラスが０．００４ｃｍ2／ｓであり、サファイアが０．１１ｃｍ2／ｓであり、炭化ケイ素が１．６ｃｍ2／ｓを超える。銅の場合の一般的な熱拡散率は、１．２ｃｍ2／ｓである。
【００３０】
任意に、図７に示されているように、別のヒートシンク５０を加えることができる。ヒートシンク５０は、ＬＥＤダイのベース（一般には、主放射面に対向する側）を介してＬＥＤダイ１０から熱を除去する。
【００３１】
ヒートシンクとしてクランプ取付具３０を用いる実施形態において、光学素子２０は、ＬＥＤダイ１０に光学的に近い位置である必要なく、接合されていてもよく、または非接合であってもよい。たとえば、無機薄膜、可溶性ガラスフリットまたは他の結合剤を用いて、光学素子２０をＬＥＤダイ１０に接合することができる。高い熱伝導率および類似の屈折率を有する結合剤を用いて、熱伝達および光透過性を最大化することが好ましい。あるいは、クランプ３０を用いてＬＥＤダイ１０の上の所定の位置に光学素子２０を保持することができると同時に、光学素子２０とＬＥＤダイ１０との間の光結合および熱結合が熱伝導性層、たとえば、上述したように、相当の熱伝導率を有する屈折率整合流体、ゲルまたは接着剤を用いて達成される。適切な屈折率整合油に関する一般的な熱伝導率は、約０．０１Ｗ／ｃｍＫである。
【００３２】
クランプ取付具３０がヒートシンクとして機能しない実施形態において、光学素子２０は、クランプ３０を用いてＬＥＤダイ１０の上の所定の位置に保持されると同時に、光結合が間隙１５０または光伝導層６０を介して達成される。
【００３３】
本願明細書に開示される光学素子は、従来の手段または「ＰＲＯＣＥＳＳ  ＦＯＲ  ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＩＮＧ  ＯＰＴＩＣＡＬ  ＡＮＤ  ＳＥＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲ  ＥＬＥＭＥＮＴＳ」という名称の本発明と同一日に出願され、本発明の譲受人に譲渡された米国特許出願第１０／９７７２３９号明細書（代理人整理番号第６０２０３ＵＳ００２）および「ＰＲＯＣＥＳＳ  ＦＯＲ  ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＩＮＧ  Ａ  ＬＩＧＨＴ  ＥＭＩＴＴＩＮＧ  ＡＲＲＡＹ」という名称の米国特許出願第１０／９７７２４０号明細書（代理人整理番号第６０２０４ＵＳ００２）に開示された高精度研磨技術を用いることによって製作されることができる。
【００３４】
本発明は種々の変更および代替の形態に適用可能であるが、その詳細が図に一例として示され、詳細に説明される。しかし、記載された特定の実施形態に本発明を限定することを意図しているわけではないことを理解すべきである。逆に言えば、添付の特許請求の範囲によって定義されるように、本発明の趣旨および範囲に包含される変更、等価物および代替例を包含することを意図している。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】先行技術のシステムの発光ダイオードに接合される光コリメータの概略図である。
【図２】一実施形態における光学素子およびＬＥＤダイの構成を示す概略側面図である。
【図２ａ】図２に示される概略側面図の一部の拡大図である。
【図３ａ】光学素子の具体的な形状の概略図である。
【図３ｂ】光学素子の具体的な形状の概略図である。
【図３ｃ】光学素子の具体的な形状の概略図である。
【図４ａ】光学素子の別の具体的な形状の概略側面図である。
【図４ｂ】光学素子の別の具体的な形状の概略側面図である。
【図４ｃ】光学素子の別の具体的な形状の概略側面図である。
【図４ｄ】光学素子の別の具体的な形状の概略側面図である。
【図４ｅ】光学素子の別の具体的な形状の概略側面図である。
【図５ａ】一部の実施形態において用いられる光学素子の概略断面図である。
【図５ｂ】一部の実施形態において用いられるクランプ取付具の断面側面図である。
【図５ｃ】一部の実施形態において用いられる回路基板に実装されるＬＥＤダイの断面側面図である。
【図６ａ】図５ａに示される光学素子の上面図である。
【図６ｂ】図５ｂに示されるクランプ取付具の上面図である。
【図７】一部の実施形態による組立てられたＬＥＤパッケージの断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図２ａ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図４ｄ】
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【図４ｅ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図５ｃ】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図７】
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【国際調査報告】
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