(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
動作時に第１のスペクトル分布を持つ光を放射する複数の光源と、
光出口表面及び少なくとも３つの光入力側面を備える光ガイドであって、前記光出口表面及び少なくとも３つの前記光入力側面が、互いに対して０°以外の角度で延びる光ガイドと、
を備える発光デバイスであって、
前記光ガイドは、前記複数の光源からの前記第１のスペクトル分布を持つ光を少なくとも３つの前記光入力側面のそれぞれで受光し、光を前記光出口表面まで案内し、前記第１のスペクトル分布を持つ光の少なくとも一部分を第２のスペクトル分布を持つ光に変換し、前記第２のスペクトル分布を持つ光の少なくとも一部分を前記光出口表面から外部に導出し、
前記光出口表面は、面積Ａ及び周囲長Ｃを持ち、
少なくとも３つの前記光入力側面は、前記光出口表面が延びる平面に対して０°以外の角度で伸びる高さＨｉを持ち、
前記光出口表面の前記周囲長Ｃは、少なくとも３つの前記光入力側面の前記高さＨｉの４倍超であり、少なくとも３つの前記光入力側面の総面積は、前記光出口表面の前記面積Ａの４倍未満であり、
前記光出口表面の前記面積Ａは、１００ｍｍ２未満且つ０．２５ｍｍ２超である、発光デバイス。
【請求項２】
前記光ガイドは、長さＬ、幅Ｗ及び高さＨを持ち、前記光ガイドの前記長さＬ及び前記幅Ｗは、前記光出口表面が延びる平面内で互いに直交して延び、前記光ガイドの高さＨは、少なくとも３つの前記光入力側面の高さＨｉに等しく、前記光ガイドの前記高さＨは、前記光ガイドの前記長さＬ及び前記幅Ｗのそれぞれより小さい、請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項３】
前記光ガイドは、４つ以上の前記光入力側面を備え、４つ以上の前記光入力側面の総面積は、前記光出口表面の前記面積Ａの４倍未満である、請求項１又は２に記載の発光デバイス。
【請求項４】
前記発光デバイスは、動作時に前記第１のスペクトル分布を持つ光を放射する少なくとも１つの追加の光源をさらに備え、
前記光ガイドは、前記光出口表面と平行に延びる光入力底面をさらに備え、
前記光ガイドは、前記少なくとも１つの追加の光源からの前記第１のスペクトル分布を持つ光を少なくとも１つの前記光入力底面で受光し、前記第１のスペクトル分布を持つ光を前記光出口表面まで案内し、前記第１のスペクトル分布を持つ光の少なくとも一部分を前記第２のスペクトル分布を持つ光に変換し、前記第２のスペクトル分布を持つ光の少なくとも一部分を前記光出口表面から外部に導出する、請求項１乃至３の何れか一項に記載の発光デバイス。
【請求項５】
少なくとも３つの前記光入力側面の高さＨｉは、１０ｍｍ未満且つ０．５ｍｍ超である、請求項１乃至４の何れか一項に記載の発光デバイス。
【請求項６】
前記光ガイドの長さＬ及び幅Ｗのうち少なくとも一方は、２５ｍｍ未満且つ２ｍｍ超である、請求項２乃至５の何れか一項に記載の発光デバイス。
【請求項７】
少なくとも３つの前記光入力側面と前記光出口表面とは、互いに直交して延びる、請求項１乃至６の何れか一項に記載の発光デバイス。
【請求項８】
前記光ガイドは、ガーネットを含む、請求項１乃至７の何れか一項に記載の発光デバイス。
【請求項９】
前記光ガイドに隣接するヒートシンクをさらに備える、請求項１乃至８の何れか一項に記載の発光デバイス。
【請求項１０】
前記光ガイドは、前記光出口表面に導出構造を備える、請求項１乃至９の何れか一項に記載の発光デバイス。
【請求項１１】
前記光入力側面のそれぞれには、２つ以上の光源が配置される、請求項１乃至１０の何れか一項に記載の発光デバイス。
【請求項１２】
前記光ガイドは、三角形、長方形、正方形、台形、多角形及びそれらの組合せからなるグループから選択される断面形状を持つ、請求項１乃至１１の何れか一項に記載の発光デバイス。
【請求項１３】
前記光源から放射される前記第１のスペクトル分布を持つ光の当該第１のスペクトル分布は、２００ｎｍから５００ｎｍの範囲に含まれる、請求項１乃至１２の何れか一項に記載の発光デバイス。
【請求項１４】
請求項１乃至１３の何れか一項に記載の発光デバイスを備えるランプ、照明器具、自動車用照明デバイス、又はデジタル投影デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、動作時に第１のスペクトル分布を有する光を放射するように構成された光源と、第１のスペクトル分布を有する光を第２のスペクトル分布を有する光に変換するように構成された光ガイドとを備える発光デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
高輝度光源、特に白色高輝度光源は、スポットライト、ヘッドランプ、舞台照明、及びデジタル光投影など様々な応用分野で関心が持たれている。このような用途では、短波長の光が透明度の高いルミネセンス材料中で長波長に変換される、いわゆるルミネセンス集光器を利用することができる。このような透明なルミネセンス材料をＬＥＤで照明すると、ルミネセンス材料内で長い波長を生じる。ルミネセンス材料内を導波される変換光を表面から抽出すると、強度利得、換言すれば輝度の上昇が得られる。
【０００３】
文献ＷＯ２０１２／０５６３８２号には、導波路とその導波路の表面に配置された２つの光源とを備える、このような目的のための照明デバイスが記載されている。導波路は、その上又は中に配置されたルミネセンス材料を備えることができ、光源からの光をルミネセンス材料放射に変換するように構成することができる。光は、光源が配置されている表面に対向してこれと平行に延びる表面を通して導波路から放射される。
【０００４】
ただし、このような構成では、全ての光が導波モードのままで光ガイドの光出口表面から放射される訳ではなく、少なくとも部分的には光ガイドの他の表面から逃げることになり、これにより、発光デバイスの効率が大幅に低下する。さらに、従来技術の構成では、光リサイクルを実現して、例えばシステムから偏光又は平行光を得ることができない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、この問題を克服すること、及び効率が改善された光のリサイクルを可能にする発光デバイスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の態様によれば、上記その他の目的は、動作時に第１のスペクトル分布を有する光を放射する複数の光源と、光出口表面及び少なくとも３つの光入力側面を備える光ガイドであり、これら光出口表面及び少なくとも３つの光入力側面が、互いに対して０°以外の角度で延びる光ガイドとを備える発光デバイスであって、光ガイドが、複数の光源からの第１のスペクトル分布を有する光を少なくとも３つの光入力側面で受光し、この光を光出口表面まで案内し、第１のスペクトル分布を有する光の少なくとも一部分を第２のスペクトル分布を有する光に変換し、第２のスペクトル分布を有する光の少なくとも一部分を光出口表面から外部に導出し、光出口表面が、面積Ａ及び周囲長Ｃを有し、少なくとも３つの光入力側面が、光出口表面が延びる平面に対して０°以外の角度で伸びる高さＨｉを有し、光出口表面の周囲長Ｃが、入力側面の高さＨｉの４倍超であり、少なくとも３つの光入力側面の面積が、光出口表面の面積Ａの４倍未満である、発光デバイスによって達成される。
【０００７】
本明細書で使用する「周囲」という用語は、一般には特定の領域又は幾何学的図形の境界を指すものであるが、光ガイドの光出口表面の境界を指すことを意図している。
【０００８】
導入光の少なくとも一部分を異なるスペクトル分布を有する変換光に変換する光ガイドを備える発光デバイスを提供することにより、特に大量の変換光が光ガイド内に留まり、それをその後で表面のうちの１つから抽出することができ、それにより特に高い強度利得が得られる光ガイドが得られる。
【０００９】
ルミネセンス導波路が、複数の光源から光を受光する少なくとも３つの光入力側面であり、例えばそれぞれに少なくとも１つの光源が配置される少なくとも３つの光入力側面と、少なくとも３つの光入力側面の高さの４倍超の周囲長を有する光出口表面であり、少なくとも３つの光入力側面の面積が光出口表面の面積の４倍未満となる光出口表面とを有する、発光デバイスを提供することにより、普通なら光ガイドの光出口表面以外の表面から逃げてしまう光を、部分的に光ガイド内に反射し、それによりリサイクルして、最終的に光出口表面から放射することができる。これにより、出射表面から出る光の量が増加し、大幅な輝度の向上が得られる。光をデバイス内に反射し、この光が出射表面から出ることにより、効率が高くなる。
【００１０】
一実施形態では、光ガイドは、長さＬ、幅Ｗ及び高さＨを有し、光ガイドの長さＬ及び幅Ｗは、光出口表面が延びる平面内で互いに直交して延び、光ガイドの高さＨは、少なくとも３つの光入力側面の高さＨｉに等しく、光ガイドの高さＨは、光ガイドの長さＬ及び幅Ｗのそれぞれより小さい。
【００１１】
光ガイドの高さ、ひいては光入力側面の高さを光ガイドの幅及び長さより小さく保つことにより、光出口表面以外の表面から損失する光の量が減少し、したがってシステムの効率が高くなる。
【００１２】
一実施形態では、光ガイドは、４つ以上の光入力側面を備え、これら４つ以上の光入力側面の総面積は、光出口表面の面積Ａの４倍未満である。
【００１３】
光入力側面の面積と光出口表面の面積との間の関係に関する上述の利点に加えて、このような実施形態では、さらに多数の光源で光ガイドに光を供給することができ、それにより、光出力の利得が増大し、したがって強度の利得が増大し、ひいては特に高い輝度の光が発光デバイスから放射される。例えば、一実施形態では、光ガイドは、プレート状であり、４つ全ての側面のそれぞれに、少なくとも１つの光源が配置される。
【００１４】
一実施形態では、発光デバイスは、動作時に第１のスペクトル分布を有する光を放射する少なくとも１つの追加の光源をさらに備え、光ガイドは、光出口表面と平行に延びる光入力底面をさらに備え、光ガイドは、少なくとも１つの追加の光源からの第１のスペクトル分布を有する光を少なくとも１つの光入力底面で受光し、この光を光出口表面まで案内し、第１のスペクトル分布を有する光の少なくとも一部分を第２のスペクトル分布を有する光に変換し、第２のスペクトル分布を有する光の少なくとも一部分を光出口表面から外部に導出する。
【００１５】
これにより、そのために利用可能な領域が拡大するので、より多くの光源を光ガイド上に設けて、それらによって光ガイドに光を供給することができる。出射表面に収まるはずの数より多数の光源で透明なルミネセンス光ガイドに光を供給することにより、光入力が増加し、したがって出射表面から出る変換光の量が増大し、したがって発光デバイスが放射する光の高い輝度が得られ、光出力の量が増加することになる。
【００１６】
光ガイドは、側面の面積が出射表面の面積の４倍を超えない平行六面体であってもよく、この平行六面体は、箱形又は立方体とすることができる。
【００１７】
一実施形態では、少なくとも３つの光入力側面の高さＨｉは、１０ｍｍ未満、０．５ｍｍ超である。
【００１８】
一実施形態では、出射表面の面積は、１００ｍｍ２未満、０．２５ｍｍ２超である。
【００１９】
一実施形態では、光ガイドの長さＬ及び幅Ｗのうち少なくとも一方は、２５ｍｍ未満、２ｍｍ超である。
【００２０】
上述の寸法のうちの任意の１つ又は複数を有する透明なルミネセンス光ガイドを備える発光デバイスを提供することにより、普通なら光ガイドの光出口表面以外の表面から逃げてしまう光のうちの特に多くの量の光を、少なくとも部分的に光ガイド内に反射し、それによりリサイクルして、最終的に光出口表面から放射することができる光ガイドが得られる。これにより、光出力が増大し、ひいては強度利得が増大する。
【００２１】
一実施形態では、少なくとも３つの光入力側面と光出口表面とは、互いに直交して延びる。これにより、特に単純な幾何学的形状を有すると共に、非常に簡単かつ迅速に作製することができ、非常に簡単かつ迅速に光源と適切に位置合わせすることができる発光デバイスが得られる。
【００２２】
一実施形態では、ルミネセンス光ガイドは、ガーネットである。ガーネットは、高い光化学的安定性を示し、したがって特に耐久性の高い発光デバイスを提供するので、好ましい。
【００２３】
一実施形態では、発光デバイスは、光ガイドに隣接するヒートシンクをさらに備える。
【００２４】
光ガイドに隣接するヒートシンク要素を設けることにより、光ガイドからの熱の放散の大幅な改善が得られ、これにより、発光デバイスの得られる最大出力光強度が大幅に高くなる。さらに、例えば温度消光による光学的性能への悪影響がかなり低減される、又は解消され、これにより、改善された光学的性能を有する大幅に信頼性の高められた発光デバイスが得られる。例えば、ヒートシンクを１つの側面に配置し、残りの少なくとも３つの側面のそれぞれに、少なくとも１つの光源を配置するようにすることもできる。
【００２５】
一実施形態では、光ガイドは、光出口表面に導出構造を備える。このような導出構造を設けることにより、光源から放射された光を、特に効率的に、かつ特に低い導出損失で、又は場合によっては導出損失なしで、光ガイドの外部に導出することができる発光デバイスが得られる。
【００２６】
一実施形態では、導出構造は、ヒートシンクと熱接触して配置される。これにより、さらに改善された光ガイドからの熱放散を実現し、したがって発光デバイスの得られる最大出力光強度をさらに高める構成を有する発光デバイスが得られる。
【００２７】
一実施形態では、光ガイドは、三角形、長方形、正方形、台形、多角形及びそれらの組合せからなる群から選択される断面形状を有する。この実施形態では、発光デバイス及び／又は発光デバイスから放射される光ビームのサイズと形状の様々な幾何学的構成を得るために使用することができるパラメータが得られる。
【００２８】
一実施形態では、光源から放射される光の第１のスペクトル分布は、２００ｎｍから５００ｎｍの範囲に含まれる。これにより、高い品質及び強度を有する白色光出力を提供するのに特に適した発光デバイスが得られる。
【００２９】
本発明は、さらに、本発明による発光デバイスを備えるランプ、照明器具、自動車用照明デバイス又はデジタル投影デバイスにも関する。
【００３０】
本発明は、特許請求の範囲に記載される特徴の全ての可能な組合せに関することに留意されたい。
【００３１】
以下、本発明の上記その他の態様について、本発明の１つ又は複数の実施形態を示す添付の図面を参照して、より詳細に述べる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】出射表面に光学素子を備える光ガイドを示す側面図である。
【図２】フィルタ及びダイクロイック光学素子を備える、光ガイド及び追加の光源を備える照明システムを示す側面図である。
【図３Ａ】光ガイドの表面に隣接して配置されるヒートシンク要素を備える光ガイドを示す図である。
【図３Ｂ】光ガイドの表面に隣接して配置されるヒートシンク要素を備える光ガイドを示す図である。
【図４】本発明による発光デバイスの第１の実施形態を示す斜視図である。
【図５】図４の発光デバイスを示す上面図である。
【図６】図４の発光デバイスの線ＸＩ−ＸＩに沿ってとった断面図である。
【図７】図４の発光デバイスの線ＸＩＩ−ＸＩＩに沿ってとった断面図である。
【図８】本発明による発光デバイスの一実施形態を示す側面図である。
【図９】本発明による発光デバイスの一実施形態を示す側面図である。
【図１０】実際の実験で使用された本発明による発光デバイスの一実施形態を示す上面図である。
【図１１】光出力の利得を本発明による発光デバイスに設けられるＬＥＤの数の関数として示すグラフである。
【００３３】
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１０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】
【００３４】
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。
【００３５】
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１０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１１〜図１９を参照しながら詳細に説明される。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
別の例は、４８０ｎｍから８００ｎｍの間の波長範囲の光を放射し、この光をルミネセンスロッド又は導波路に結合する第１の赤色光源と、青色光、ＵＶ光又は紫色光、すなわち４８０ｎｍ未満の波長を有する光を放射し、その放射光をやはりルミネセンス導波路又はロッドに結合する第２の光源との組合せである。第２の光源の光は、ルミネセンス導波路又はロッドによって４８０ｎｍから８００ｎｍの間の波長範囲に変換され、ルミネセンス導波路又はロッドに結合される第１の光源の光は、変換されない。換言すれば、第２の光源は、ＵＶ光、紫色光又は青色光を放射し、その光が、その後、ルミネセンス導波路又はロッドによって緑色／黄色／橙色／赤色スペクトル領域の光に変換される。別の実施形態では、第１の光源は、５００ｎｍから６００ｎｍの間の波長範囲内で放射し、第２の光源の光は、ルミネセンス導波路又はロッドによって５００ｎｍから６００ｎｍの間の波長範囲に変換される。別の実施形態では、第１の光源は、６００ｎｍから７５０ｎｍの間の波長範囲で放射し、第２の光源の光は、ルミネセンス導波路又はロッドによって６００ｎｍから７５０ｎｍの間の波長範囲に変換される。一実施形態では、第１の光源の光は、第２の光源の光がルミネセンス導波路又はロッドに結合される表面とは別の表面、例えば光の出射表面とは反対側の表面で、ルミネセンス導波路又はロッドに結合される。これらの実施形態は、輝度が高められた赤色広範囲で放射するルミネセンス導波路又はロッドを提供する。
【００４０】
透明な光ガイドは、いくつかの実施形態において、例えばＬＥＤなど複数の光源をエピタキシャル成長させる透明基板を備えることがある。この基板は、いくつかの実施形態では、例えばサファイヤ基板など、単結晶基板である。光源の透明成長基板は、それらの実施形態では、集光光ガイドである。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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）。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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の表１に示す。
【表１】
0006501370.tif 000002
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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、導入構造又は導入媒体が提供されてもよい。導入構造は、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。導入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、導入構造は回折構造であってもよく、回折導入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導入媒体について、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。導入媒体は、例えば、空気又は任意の他の適切な材料であり得る。
【００５２】
一実施形態では、発光デバイスは、回転可能な蛍光体ホイールを備え、さらに、本発明の実施形態に従って以下で述べる光ガイドと蛍光体ホイールとの間に配置された導入要素を備える。回転軸の周りで回転方向に回転する蛍光体ホイールは、光ガイドから出射する光を、赤色光及び／又は緑色光など別のスペクトル分布を有する光に変換するために使用される。原理的には、光ガイドから出射する光と蛍光体ホイールによって変換される光の色の組合せは、任意の組合せが可能であることに留意されたい。
【００５３】
いくつかの実施形態では、蛍光体ホイールは、透明モードで使用される。すなわち、入射光は、１つの側面から蛍光体ホイールに進入し、蛍光体ホイール内を透過し、光出口表面を形成する反対側の側面から放射される。或いは、蛍光体ホイールは、反射モードで使用して、光が蛍光体ホイールに進入したのと同じ表面から放射されるようにすることもできる。
【００５４】
蛍光体ホイールは、全体を通じて１種類の蛍光体しか含まないこともある。或いは、蛍光体ホイールは、いかなる蛍光体も含まない区画も含んで、光の一部分が変換されずに透過できるようにすることもできる。このようにして、他の色を順次生成することができる。別の代替形態では、蛍光体ホイールは、例えば黄色光、緑色光及び赤色光をそれぞれ放射する蛍光体セグメントなど複数の蛍光体セグメントを含んで、多色光出力を生じることもできる。さらに別の代替形態では、発光デバイスは、蛍光体ホイール上で画素化された蛍光反射体パターンを利用することによって白色光を生成するようにすることもできる。
【００５５】
一実施形態では、導入要素は、蛍光体ホイールに入射する光をコリメートするのに適した光学素子であるが、例えば上述の導入媒体又は導入構造などの導入媒体又は導入構造であってもよい。発光デバイスは、追加のレンズ及び／又はコリメータをさらに含むこともできる。
【００５６】
図３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。
【００５７】
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、極めて単純なやり方で、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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
図３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。
【００６１】
図２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。
【００６２】
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からの光とを導出して共通の光出力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。図２に示されるフィルタ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。
【００６３】
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。
【００６４】
図２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。
【００６５】
図３Ａは、光ガイド４０９０Ａの表面のうち光入力表面とは異なる１つの表面において、いくつかの実施形態ではそこから約３０μｍ以下の距離のところに配置されたヒートシンク要素７０００Ａを備える光ガイド４０９０Ａを示す側面図、図３Ｂは、光ガイド４０９０Ｂの表面のうち光入力表面とは異なる１つの表面において、いくつかの実施形態ではそこから約３０μｍ以下の距離のところに配置されたヒートシンク要素７０００Ｂを備える光ガイド４０９０Ｂを示す側面図である。実施形態に関係なく、ヒートシンク要素７０００Ａ、７０００Ｂは、熱放散を改善するためのフィン７１００、７２００、７３００を備えるが、これらのフィンは任意選択の要素である。実施形態に関係なく、ヒートシンク要素７０００Ａ、７０００Ｂは、光ガイドの表面形状に沿うようになっており、したがって、光ガイドとの接触領域全体にわたって等角熱接触を実現するようになっている。これにより、熱接触面積の増大と、光ガイドの冷却の改善とが得られ、ヒートシンク要素の位置決めに関する既存の許容限界がそれほど重要ではなくなる。
【００６６】
図３Ａ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４つのヒートシンク部分７００１、７００２、７００３及び７００４を備え、そのうちの１つ又は複数、ここでは４つ全てが、フィンを備えることができることを示している。ヒートシンク要素７０００Ａが備えるヒートシンク部分が増えるほど、より精密にヒートシンク要素７０００Ａを光ガイドの表面に沿わせることができる。各ヒートシンク部分７００１、７００２、７００３及び７００４は、光ガイドとの接触領域全体にわたって等角熱接触を実現するようになっている。これらのヒートシンク部分は、光ガイドの表面から互いに異なる距離のところに配置することができる。さらに、ヒートシンク要素７０００Ａは、ヒートシンク部分７００１、７００２、７００３及び７００４がそれぞれ取付け要素７０１０、７０２０、７０３０及び７０４０によって個々に取り付けられる共通担体７０５０を備える。或いは、各ヒートシンク部分に、それ自体の担体を割り当てることもできる。これらの要素は、任意選択であることに留意されたい。
【００６７】
図３Ｂは、ヒートシンク要素７０００Ｂが、それが配置されることになる光ガイド４０９０Ｂの表面の形状に沿うことができるように構成された底部７０６０を備えることを示している。底部７０６０は、可撓性であり、例えば銅層など、熱伝導性金属層とすることができる。ヒートシンク要素７０００Ｂは、ヒートシンク要素７０００Ｂの可撓性及び形状順応性を改善するために底部要素７０６０とヒートシンク要素７０００Ｂの残りの部分との間に配置された熱伝導性層７０７０をさらに備える。熱伝導性層７０７０は、例えば、熱伝導性流体又はペーストとすることができる。熱伝導性層７０７０は、一実施形態では、反射性が高く、かつ／又は反射性の高いコーティングを備える。ヒートシンク要素７０００Ｂは、熱放散を改善するための流体流を生成するためのヒートシンク要素７０００Ｂの内部に配置された流体溜め７０８０をさらに備える。代替形態では、流体溜め７０８０は、ヒートシンク要素７０００Ｂの外側に、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びるように配置することもできる。流体流は、ポンプによって増強することもできる。熱伝導性層７０７０及び流体溜め７０８０は任意選択の要素であることに留意されたい。
【００６８】
実施形態に関係なく、ヒートシンク要素７０００Ａ、７０００Ｂは、銅、アルミニウム、銀、金、炭化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、アルミニウムケイ素炭化物、酸化ベリリウム、シリコン／炭化ケイ素、アルミニウムケイ素炭化物、銅タングステン合金、銅モリブデン炭化物、炭素、ダイヤモンド、グラファイト、及びそれらの２つ以上の組合せから選択した材料で構成することができる。さらに、上述の実施形態の特徴を併せ持つヒートシンク要素も可能である。また、上記の実施形態のいずれかによるヒートシンク要素を、光ガイド４０９０Ａ又は４０９０Ｂの複数の表面に配置することも可能である。
【００６９】
最後に、ヒートシンク要素を上述のように設けることは、赤波長範囲で放射する、かつ／又は例えばＩＲ発光蛍光体を備えることによって赤外波長範囲で光を放射するようになされている光源を利用する発光デバイスで特に有利であることに留意されたい。
【００７０】
図４は、本発明の第１の一般的な実施形態による発光デバイス１を示す斜視図である。図５は、図４の発光デバイス１を示す上面図である。発光デバイス１は、一般に、少なくとも１つのＬＥＤ又はレーザダイオードなどの固体状態光源をそれぞれ備える複数の光源２１１、２１２、２２１、２２２、２３１、２３２、２４１及び２４２と、少なくとも１つの光入力側面４１及び光出力表面４２を有する光ガイド４とを備える。適当なタイプのＬＥＤ又はレーザダイオードについては、上述した。
【００７１】
光ガイド４は、４つの光入力側面、すなわち第１、第２、第３及び第４の光入力表面４１、４３、４４及び４５と、光ガイド４の上面となるように、４つの光入力側面４１、４３、４４及び４５のそれぞれに対して０°以外の角度をなして延びる光出口表面４２とを有する正方形プレートとして概ね成形されるものとして示してある。光ガイド４は、光出口表面４２と対向してこれと平行に延びる底面４６をさらに備える。
【００７２】
光入力側面４１と光出口表面４２との間の角度が９０°未満である実施形態も、９０°に等しい実施形態も、９０°より大きい実施形態も、全て可能であることに留意されたい。
【００７３】
この実施形態では、４つの光入力側面４１、４３、４４及び４５はそれぞれ２つの光源と関連付けられ、第１の光入力側面４１が光源２１１及び２１２と関連付けられ、第２の光入力側面４３が光源２３１及び２３２と関連付けられ、第３の光入力側面４４が光源２２１及び２２２と関連付けられ、第４の光力側面４５が光源２４１及び２４２と関連付けられている。各光源は、光ガイド４の関連する光入力側面に隣接して、光学接触するように配置される。
【００７４】
代替の実施形態では、各光入力表面は、原理的には、任意のその他の数の光源と、又は光源のアレイとも、関連付けることができる。また、各光入力表面は、必ずしも同数の光源と関連付ける必要があるわけではなく、１つ又は複数の異なる数の光源と関連付けることができる。
【００７５】
代替の実施形態では、光ガイドの幾何学的形状に応じて、光ガイド４は、４つ以外の数の光入力側面、例えば３つ、５つ、又はそれよりさらに多くの光入力側面を備えることができる。
【００７６】
いかなる光源とも関連付けられず、したがって光入力表面として使用されない、光出口表面４２以外の光ガイド４の表面は、例えば普通ならそれらの表面を通して発生する可能性がある光損失を解消するように反射層を備え、かつ／又はヒートシンクを備えることができる。
【００７７】
光ガイド４は、バー又はロッド形状にすることもでき、或いは長方形プレートの形状にすることもできる。さらに、光ガイド４は、原理的には、これらに限定されるわけではないが、三角形、長方形、正方形、台形、多角形及びそれらの組合せなど、任意の実現可能な断面形状を有することができる。
【００７８】
光出口表面４２と表面４６とが互いに対向する側面であり、光入力側面４１が上面又は底面であるような本発明による発光デバイスの代替の構成も、可能である。
【００７９】
さらに、光ガイド４は、透明材料、ルミネセンス材料、ガーネット、集光材料又はそれらの組合せを含み、適当な材料及びガーネットについては上述した。例えば、光ガイドは、少なくとも５０％、少なくとも６０％及び少なくとも７０％のうちのいずれか１つの透明度を有する材料を含むことがある。ただし、好ましくは、あるスペクトル分布を有する光を別のスペクトル分布を有する光に変換するように構成された材料を含む透明な光ガイドである。あるスペクトル分布を有する光を別のスペクトル分布を有する光に変換するように構成された材料は、光ガイド４の表面に配置してもよいし、或いは光ガイド４に埋め込む、又は内蔵してもよい。
【００８０】
光源２１１、２１２、２２１、２２２、２３１、２３２、２４１、２４２は、例えば光学接着剤によって、それぞれ第１、第２、第３及び第４の光入力側面４１、４３、４４、４５上に直接配置される。他の実施形態（例えば図１０参照）では、光源は、基材又は基板１５１、１５２、１５３、１５４上に配置されることがある。基材又は基板１５１、１５２、１５３、１５４は、好ましくは銅、鉄又はアルミニウムなどの金属で構成されたヒートシンクの形態で設けることができる。ヒートシンクは、熱放散を改善するためのフィン（図示せず）を備えることができる。他の実施形態では、基材又は基板は、ヒートシンクでなくてもよいことに留意されたい。また、基材又は基板は不可欠なものではないので、さらに他の実施形態では省略されることもある。
【００８１】
次に図６及び図７を参照すると、図４に示す互いに直交する２つの方向ＸＩ−ＸＩ及びＸＩＩ−ＸＩＩから見た、図４の発光デバイスの断面図が示してある。
【００８２】
図６及び図７の両図で分かるように、４つの追加の光源２５１、２５２、２５３及び２５４が、底面４６上に配置され、これと光学接続している。底面と関連付けられた４つの追加の光源２５１、２５２、２５３及び２５４のうち３つ、すなわち追加の光源２５１、２５２及び２５３は、これらの図面で見えている。したがって、底面４６は、この図示の実施形態では、光出口表面４２と平行に延びる光入力表面である。
【００８３】
光出口表面４２は、さらに、面積Ａ及び周囲長Ｃを有し、光入力側面は、光出口表面４２が延びる平面に対して０°以外の角度で、特に直交するように延びる高さＨｉを有する。光出口表面４２の周囲長Ｃは、高さＨｉの４倍超になるような大きさにされる。
【００８４】
一般に、光入力側面の面積は、光出口表面の面積Ａの４倍未満になるような大きさにされる。光ガイド４が４つの光入力側面４１、４２、４３、４４を備える図示の実施形態では、第１、第２、第３及び第４の光入力側面４１、４２、４３及び４４の面積の和、換言すれば総面積が、光出口表面４２の面積Ａの４倍未満になるような大きさにされる。特に、光ガイド４は、光出口表面の面積Ａが１００ｍｍ２未満かつ０．２５ｍｍ２超となるように、かつ高さＨｉが１０ｍｍ未満かつ０．５ｍｍ超となるような寸法とされる。
【００８５】
光ガイド４は、さらに、長さＬ、幅Ｗ及び高さＨを有する。さらに詳細には、光ガイド４は、長さＬと幅Ｗとが、光出口表面４２の平面である共通の平面内で互いに直交して延び、高さＨが、光入力側面の高さＨｉと同じ高さ、換言すれば等しい高さであり、かつ光ガイド４の幅Ｗ及び長さＬの両方に対して概ね０°以外の角度で延びる、図４〜図７に示す実施形態ではそれらに直交して延びるように、構成される。
【００８６】
図６及び図７から明らかなように、光ガイド４は、高さＨが長さＬ及び幅Ｗの両方より小さくなるように構成される。好ましくは、光ガイド４は、高さＨが０．５ｍｍから１０ｍｍの範囲に含まれ、長さＬが２ｍｍから２５ｍｍの範囲に含まれ、かつ／又は幅Ｗが２ｍｍから２５ｍｍの範囲に含まれるように構成される。いくつかの実施形態では、長さＬ、幅Ｗ及び高さＨは全て、それぞれ上述の範囲に収まる寸法を有する。
【００８７】
図示の実施形態では、４つの光入力側面４１、４３、４４、４５は全て、各光入力側面の長手方向に一定の同じ高さを有する。代替の実施形態では、光入力側面４１、４３、４４、４５は、２種類以上の互いに異なる高さを有することがあるが、好ましくは、その全てが０．５ｍｍから１０ｍｍの範囲に収まる寸法であり、各光入力側面の高さは、やはり各光入力側面の長手方向に一定である。光入力側面４１、４３、４４、４５が２種類以上の互いに異なる高さを有する代替の実施形態では、光ガイドは、光入力側面のうちの少なくとも１つの高さ、好ましくは光入力側面のうちのそれ以上又は全ての高さが、長さＬ及び幅Ｗより小さくなるように構成される。さらに他の代替の、又は追加の実施形態では、光入力側面のうちの１つ又は複数の高さは、各光入力側面の長手方向に変化することがあるが、それでも常に０．５ｍｍから１０ｍｍの範囲内に収まることが好ましい。
【００８８】
図６を参照すると、本発明による発光デバイスは、概略的には以下のように動作する。第１のスペクトル分布を有する光１３が、少なくとも１つの光源２１１、２１２、２２１、２２２、２３１、２３２、２４１及び２４２のそれぞれと、追加の光源２５１、２５２、２５３及び２５４のそれぞれとによって放射される。２１１で示される光源から放射される光によって例示されるように、第１のスペクトル分布を有する光１３は、次いで、第１の光入力側面４１で光ガイド４に導入される。第１のスペクトル分布を有する光１３の少なくとも一部分は、光ガイド４によって、第２のスペクトル分布を有する光１４に変換される。第２のスペクトル分布を有する光１４は、次いで、光出口表面４２で光ガイド４の外部に導出され、したがって発光デバイス１から放射される。
【００８９】
好ましくは、実施形態に関係なく、第１のスペクトル分布、すなわち光源から放射される光のスペクトル分布は、２００ｎｍから５００ｎｍの範囲に含まれ、第２のスペクトル分布は、４００ｎｍから８００ｎｍの範囲に含まれる。これにより、高品質及び高強度の白色光出力を提供するのに特に適した発光デバイスが提供される。
【００９０】
図示の実施形態では、全ての光源が、実質的に同じスペクトル分布を有する光を放射する。ただし、代替の実施形態では、これらの光源が２種類以上の異なるスペクトル分布を有する光を放射することも可能である。
【００９１】
実施形態に関係なく、第１のスペクトル分布を有する光１３と第２のスペクトル分布を有する光１４とが、同じスペクトル分布、又は実質的に完全に重複するスペクトル分布を有することができる。或いは、やはり実施形態に関係なく、第１のスペクトル分布を有する光１３と第２のスペクトル分布を有する光１４とが、異なるスペクトル分布、例えば部分的にしか重複しない、又は実質的に重複しないスペクトル分布を有することもある。
【００９２】
いくつかの実施形態（図示せず）では、発光デバイスは、例えば光ガイドの側面上に配置された好ましくは銅、鉄又はアルミニウムなどの金属で構成されたヒートシンクをさらに備える。ヒートシンクは、熱放散を改善するためのフィンを備える。光源が載置される基材又は基板を備える他の実施形態（例えば図１０参照）では、基材又は基板がヒートシンクとして機能していることもあることに留意されたい。ヒートシンクを設けることによって、光源によって生成される熱を、光ガイドから効率的に放散させることができる。これにより、発光デバイスの得られる最大出力光強度の上昇、並びに光ガイド中の過剰な熱によって引き起こされる発光デバイスの光学的性能への悪影響の低減又は解消が得られる。ただし、ヒートシンクは不可欠な要素ではなく、したがって、さらに他の実施形態では省略されることもある。
【００９３】
図８は、図６及び図７の発光デバイスと同様の本発明による発光デバイス１０２の第３の実施形態を示す側面図である。この実施形態では、光ガイド４の光入力底面４６は、４つの光源２５１〜２５４と関連付けられる。光ガイド４は、光出口表面４２に配置された反射偏光子９１の形態の、光ガイド４から外部に光を導出する導出構造９をさらに備える。したがって、この実施形態では、発光デバイスは、偏光を放射するようになされている。
【００９４】
図９は、図８の発光デバイスと同様の本発明による発光デバイス１０３の第４の実施形態を示す側面図である。この実施形態では、光ガイド４の光入力底面４６は、４つの光源２５１〜２５４と関連付けられる。光ガイド４は、光出口表面４２に配置された輝度向上フィルム（ＢＥＦ）構造９２の形態の、光ガイド４から外部に光を導出する導出構造９をさらに備える。この実施形態では、ＢＥＦ構造により、平行光を放射するように構成された発光デバイス１が得られる。
【００９５】
代替の実施形態では、光ガイド４から外部に光を導出する導出構造９は、格子又はフォトニック結晶とすることができ、かつ／或いは光出口表面４２内に成形する、又は埋め込むことができる。光ガイド４から外部に光を導出する導出構造９及びヒートシンクの両方を備えるさらに他の実施形態では、導出構造とヒートシンクとが互いに熱接触して配置されることもある。
【００９６】
以下、図１０及び図１１を参照して、本発明を例示する実施例について述べる。
【００９７】
実施例１
実験において、図１０に示す本発明の第５の実施形態による発光デバイス１０４を調査した。この実施形態では、発光デバイス１０４は、光ガイド４と、それぞれ基材１５１、１５２、１５３及び１５４上に配置された４つの光源２１、２２、２３及び２４とを備える。ここで行った実験では、光ガイド４の（垂直）側面には光源を配置せず、その代わりにこのような実施形態は、以下でさらに述べる計算の対象とした。
【００９８】
光源２１、２２、２３及び２４は、１．４×１．４ｍｍ２のサイズを有し、波長４５０ｎｍの光を放射する、高出力のＬＵＭＩＬＥＤＳ（ＬＵＭＩＬＥＤ）社製ＤＯＳＣ  ＬＥＤである。光ガイド４は、青色光を緑色光に変換するように構成された３×４ｍｍ２（長さＬ×幅Ｗ）の光出口表面積を有する蛍光体ドープＹＡＧ：Ｃｅプレートの形態で設けられる。光ガイド４は、透明シリコーン接着剤によって、光源２１、２２、２３及び２４の上部に接着される。
【００９９】
光出力は、１Ａ、１．４Ａ及び２Ａの連続電流で測定した。その結果を、表２に示す。使用したＤＯＳＣ  ＬＥＤは、１Ａで動作するように指定されているが、自動車の応用分野では、これらのＬＥＤは、１．４Ａで動作する。１．４Ａでは、ルーメン光出力は、光ガイド４の上面から抽出された光について１１６５Ｌｍと測定された。
【０１００】
薄い高濃度蛍光体ドープＹＡＧ：Ｃｅプレートでは、ルーメン光出力は、原理的には、上面及び（垂直）側面の両方から光を抽出したときに、１６６５Ｌｍと高くなる可能性もあることに留意されたい。ただし、以下の表から明らかであるように、ルーメン光出力は、本発明で提示しているように側面を光入力表面として使用することにより、さらに高くなることもある。
【表２】
0006501370.tif 000003
【０１０１】
様々な数の光源についての予想ルーメン光出力を計算するために、図１０に示す実施形態の発光デバイス１０４に基づいて、解析用光リサイクルモデルを作成した。光ガイド４の底面に４つの光源２１、２２、２３及び２４だけが光学的に接着されている場合には、光ガイド４の厚さは、ゼロに近い。この場合には、ルーメン光出力は、上記で示したように、１６６５Ｌｍに近い。解析モデルで使用する際には、この値を１に正規化した。
【０１０２】
光源の数と光出力の利得との間の関係を、図１１に示す。この関係は、図示のように、対数関数である。計算のために、２つの光源（図示せず）を、光ガイド４の各（垂直）側面に追加する。光ガイド４の高さＨは、単一の光源の長さ及び幅と同じ、すなわち１．４ｍｍであり、高さＨが、光ガイド４の上面の長さＬ（３ｍｍ）及び幅Ｗ（４ｍｍ）の両方より小さくなるようになっている。この場合には、発光デバイス１０４は、合計で４＋４×２＝１２個の光源を備える。解析用光リサイクルモデルを用いて、光ガイドの上面からの正規化ルーメン光出力は、図１１のグラフに示すように２となるものと計算される。これは、２倍の光出力である３３３０Ｌｍに相当する。
【０１０３】
底部に４個、４つの側面に４×４個で、合計２０個の光源を備える実施形態では、正規化光出力は２．５であり、これは４１６３Ｌｍのルーメン光出力に相当する。これは、例えばデジタル投影では、依然として実際的かつ興味深い解決策である。
【０１０４】
底部に９個、４つの側面に４×９個で、合計４５個の光源を備える実施形態であれば、ルーメン光出力は、９３６７Ｌｍとなる。
【０１０５】
底部に４個、４つの側面に４×６個で、合計２８個の光源を備える実施形態では、正規化光出力は２．７５であり、これは４５７９Ｌｍのルーメン光出力に相当する。
【０１０６】
したがって、余分の光源の良い効果は、最初は非常に大きいが、その後次々に小さくなり、光源を追加する際の投資に対して得られる利得は小さくなる。全体的な効率は、多数の光源を適用したときには小さくなる。相対的に大きくなる光源によって生成される熱を冷却しなければならないからである。
【０１０７】
当業者なら、本発明が上述の好ましい実施形態に限定されないことを理解するであろう。限定されるどころか、添付の特許請求の範囲内で、多数の修正及び変形が可能である。
【０１０８】
さらに、図面、開示及び添付の特許請求の範囲を検討することにより、当業者なら、請求する発明を実施する際に、開示した実施形態の変形を理解し、実施することができる。特許請求の範囲において、「備える」という言葉は、その他の要素又はステップを排除するものではなく、不定冠詞「ａ」及び「ａｎ」は、複数を排除するものではない。特定の手段が互いに異なる従属請求項に記載されていても、その事実のみを以て、それらの手段を組み合わせて有利に使用することができないということにはならない。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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