(57)【要約】本発明は、複数の投光素子を備え、各投光素子がそれぞれ、電磁放射を放射する少なくとも１つの半導体チップと、光入力端を通して入射する光の発散を減少させる一次光学素子と、投光装置光の一部を投光素子から放射する少なくとも１つの投光素子出力端とを含む投光装置に関する。  少なくとも数個の投光素子出力端が少なくとも２つのグループに分割され、少なくとも１つのグループの投光素子出力端の配置、及び／又は複数のグループの投光素子出力端の少なくとも１つの全配置は、投光装置の所望の放射特性にほぼ対応し、かつ所望の投光装置円錐の断面形状にほぼ相当する形状を生じ、１つのグループの投光素子出力端に属する半導体チップはそれぞれに他の半導体チップとは無関係に作動される。  本発明はそのような投光装置に適した投光素子にも関する。
2006521667.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の投光素子を備え、投光素子がそれぞれ、
電磁放射を出射させるチップ出射面を備え、電磁放射を放出する少なくとも１つの半導体チップと、
光入力端及び光出力端を備え、光入力端を通して入射し電磁放射の少なくとも一部及び／又は電磁放射から生成された二次放射の少なくとも一部である光の発散を減少させる一次光学素子と、
投光装置光の一部を投光素子から放射する少なくとも１つの投光素子出力端と
を含んでいる投光装置において、
少なくとも数個の投光素子出力端が少なくとも２つのグループに分割され、
・少なくとも１つのグループの投光素子出力端の配置、及び／又は
・複数のグループの投光素子出力端の少なくとも１つの全配置は、
投光装置の所望の放射特性にほぼ対応し、特に所望の投光装置円錐の断面形状にほぼ相当する形状を生じ、１つのグループの投光素子出力端に属する半導体チップはそれぞれ他の半導体チップとは無関係に作動される
ことを特徴とする投光装置。
【請求項２】
一次光学素子の光出力端から放出された光円錐の開口角は０°〜６０°の間、好ましくは０°〜４０°の間、特に好ましくは０°〜２０°の間の大きさであり、それぞれ限界値が含まれることを特徴とする請求項１記載の投光装置。
【請求項３】
少なくとも１つのグループの投光素子出力端の少なくとも一部は密封され、好ましくは隙間なしに配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載の投光装置。
【請求項４】
半導体チップ及び／又は投光素子出力端は少なくとも部分的に又は少なくとも一部のグループ内で、マトリクス状に配置されていることを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の投光装置。
【請求項５】
投光装置は自動車ヘッドライトとして使用され、少なくとも１つの第１グループの投光素子出力端の配置及び／又は複数の第１グループの投光素子出力端の配置は、すれ違いビームの放射特性にほぼ対応し、特にすれ違いビームの光円錐の断面形状にほぼ相当し、少なくとも１つの第２グループの投光素子出力端及び／又は複数の第２グループの投光素子出力端の配置は、１つの第１グループ又は複数の第１グループの配置と一緒でもしくは単独で走行ビームの放射特性にほぼ対応し、特に走行ビームの光円錐の断面形状にほぼ相当するように行なわれていることを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載の投光装置。
【請求項６】
投光装置は複数の第１グループ及び複数の第２グループを有し、第１グループ及び／又は第２グループの投光素子の使用時に、投光装置から放射された光円錐が自動車走行方向に少なくとも部分的に追従するように、自動車のハンドル位置に応じてそれぞれ複数のグループのうちの唯一つのグループの半導体チップのみが作動させられることを特徴とする請求項５に記載の投光装置。
【請求項７】
対応する一次光学素子の光出力端がそれぞれ投光素子出力端であることを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載の投光装置。
【請求項８】
各一次光学素子の後には一次光学素子の放射方向に、光入力面及び光出力面を有する光導波路、好ましくは１つのグラスファイバー又は複数のグラスファイバーの束が配置され、光導波路の中に、各一次光学素子の光出力端から放射された光の少なくとも大部分が光入力面を通って進入することを特徴とする請求項１乃至７の１つに記載の投光装置。
【請求項９】
光導波路の光出力面がそれぞれ投光素子出力端であることを特徴とする請求項１乃至６の１つを引用した請求項８に記載の投光装置。
【請求項１０】
光導波路はそれぞれ光入力面が対応する一次光学素子の光出力端に直接結合されていることを特徴とする請求項８又は９に記載の投光装置。
【請求項１１】
光導波路はそれぞれ接続コネクタによって対応する一次光学素子に結合され、及び／又は、光導波路はそれぞれ光入力面が接着剤によって対応する一次光学素子の光出力端に取付けられて一次光学素子に結合されていることを特徴とする請求項８乃至１０の１つに記載の投光装置。
【請求項１２】
光導波路はそれぞれ接続コネクタによって対応する一次光学素子に結合され、多数の接続コネクタが互いに結合され、又は一体に形成されていることを特徴とする請求項８乃至１１の１つに記載の投光装置。
【請求項１３】
光導波路はそれぞれ接続コネクタによって対応する一次光学素子に結合され、接続コネクタが一次光学素子と一体に形成されていることを特徴とする請求項８乃至１２の１つに記載の投光装置。
【請求項１４】
光導波路は対応する一次光学素子と一体に形成されていることを特徴とする請求項８乃至１３の１つに記載の投光装置。
【請求項１５】
光入力端が光入力面又は光入力口を備え、その光入力面又は光入力口の大きさはチップ出射面の２倍以下、好ましくはチップ出射面の１．５倍以下であることを特徴とする請求項１乃至１４の１つに記載の投光装置。
【請求項１６】
一次光学素子はそれぞれ集光器であり、光入力端が本来の集光器出力端であり、光は光を集束させるための集光器の通常の使用と比較して逆方向にこの集光器を通って進み、それにより集光されるのではなく、集光器から少ない発散で光出力端を通って出力されることを特徴とする請求項１乃至１５の１つに記載の投光装置。
【請求項１７】
一次光学素子は複合放物面集光器（ＣＰＣ）形、複合楕円面集光器（ＣＥＣ）形又は複合双曲面集光器（ＣＨＣ）形の集光器であることを特徴とする請求項１６に記載の投光装置。
【請求項１８】
集光器は光入力端を光出力端に結合する側壁を有し、この側壁は、光入力端と光出力端との間でその側壁上を延びる直接接続線がほぼ直線状に延びるように形成されていることを特徴とする請求項１６に記載の投光装置。
【請求項１９】
集光器は光入力端側の領域内に正多角形の断面、好ましくは正四角形の断面を有し、集光器は光出力端側の領域内にも正多角形、好ましくは正三角形、正四角形、正六角形、又は正八角形の断面を有していることを特徴とする請求項１６乃至１８の１つに記載の投光装置。
【請求項２０】
集光器は中空空間を規定する基体を有し、その基体の内壁は半導体チップから放出された光を反射し、及び／又はその基体の内壁は、半導体チップから放出された光を反射するほぼ１つの層又は複数の層、好ましくは１つの金属層を備えていることを特徴とする請求項１６又は１９に記載の投光装置。
【請求項２１】
集光器は誘電体集光器であり、その基体は適当な屈折率を有する誘電体材料からなる中実体であり、それにより光入力端を介して入射した光がそこで光入力端を光出力端に接続する中実体の外部大気に対する側方境界面での全反射によって反射させられることを特徴とする請求項１６乃至１９の１つに記載の方法。
【請求項２２】
光出力端は中実体のレンズ状に湾曲した境界面であることを特徴とする請求項２１に記載の投光装置。
【請求項２３】
光出力端は非球面レンズの形状に湾曲していることを特徴とする請求項２２に記載の投光装置。
【請求項２４】
誘電体集光器は少なくとも部分的に、各半導体チップから放出された光を反射する１つの層又は複数の層、好ましくは１つの金属層を備えていることを特徴とする請求項１６乃至２３の１つに記載の投光装置。
【請求項２５】
集光器は半導体チップの後にその主放射方向に配置され、チップ出射面と集光器の光入力端との間に空隙が存在することを特徴とする請求項１６乃至２４の１つに記載の投光装置。
【請求項２６】
空隙には広範囲に固形材料又は粘性材料が存在しないことを特徴とする請求項２５記載の投光装置。
【請求項２７】
投光素子が１つ又は複数の反射素子を有し、その反射素子は、半導体チップから集光器内に直接達しない光線の一部が集光器で複数回反射され、半導体チップの主放射方向に対してわずかな角度をもって集光器の光入力端に向けられるように配置され及び／又は形状をしていることを特徴とする請求項２５又は２６記載の投光装置。
【請求項２８】
集光器の基体が透明ガラス、透明結晶、又は透明プラスチックからなり、好ましくはトランスファ成形法及び／又は射出成形法で作られていることを特徴とする請求項１９ないし２７の１つに記載の投光装置。
【請求項２９】
半導体チップは電磁放射を放出するダイオード、好ましくは少なくとも近似的にランベルト放射特性を有し電磁放射を放出するダイオード、特に好ましくは薄膜発光ダイオードであることを特徴とする請求項１乃至２８の１つに記載の投光装置。
【請求項３０】
ダイオードの後には放射方向に、ダイオードから放出された電磁放射の少なくとも一部を波長変換するルミネセンス変換材料が配置されていることを特徴とする請求項２９記載の投光装置。
【請求項３１】
投光素子の後にはその主放射方向に、投光素子から放出された光の発散をさらに低減させ及び／又はその光を混合する二次光学系が配置されていることを特徴とする請求項１乃至３０の１つに記載の投光装置。
【請求項３２】
二次光学系が集光レンズであることを特徴とする請求項３１記載の投光装置。
【請求項３３】
複数の投光素子の一次光学素子が互いに一体に形成されていることを特徴とする請求項１乃至３２の１つに記載の投光装置。
【請求項３４】
半導体チップがそれぞれ１つの支持体上に配置されてその支持体上でそれぞれ枠体によって取囲まれ、枠体に又は枠体内に一次光学素子が取付けられて枠体によって保持され、及び／又は、一次光学素子が枠体によってチップ出射面に対し相対的に調整されることを特徴とする請求項１乃至３３の１つに記載の投光装置。
【請求項３５】
少なくとも数個の支持体及び／又は各支持体と、枠体とが一体に形成されていることを特徴とする請求項３４記載の投光装置。
【請求項３６】
複数の半導体ダイオードの支持体が少なくとも一列に列状に並置されていることを特徴とする請求項３４又は３５記載の投光装置。
【請求項３７】
枠体の内面、及び／又は投光装置の放射方向側の支持体表面の自由面は、
・各半導体チップから放出された光を反射し、及び／又は
・各半導体チップから放出された光を反射する１つの層又は複数の層、好ましくは１つの金属層を少なくとも部分的に備えている
ことを特徴とする請求項３４ないし３６の１つに記載の投光装置。
【請求項３８】
電磁放射を出射させるチップ出射面を備え、電磁放射を放出する少なくとも１つの半導体チップと、
光入力端及び光出力端を備え、光入力端を通って入射し電磁放射の少なくとも一部及び／又は電磁放射から生成された二次放射の少なくとも一部である光の発散を減少させる一次光学素子と、
投光素子光の一部を投光素子から放射する少なくとも１つの投光素子出力端と
を備えた投光素子において、
一次光学素子はそれぞれ複合放物面集光器（ＣＰＣ）形、複合楕円面集光器（ＣＥＣ）形又は複合双曲面集光器（ＣＨＣ）形の集光器であり、光入力端は本来の集光器出力端であり、光は光を集束させるための集光器の通常の使用と比較して逆方向に集光器を通って進み、それゆえ集光されるのではなく、集光器から少ない発散で光出力端を通って出力する
ことを特徴とする投光素子。
【請求項３９】
集光器は光入力端側の領域内に正多角形の断面、好ましくは正四角形の断面を備え、集光器は光出力端側の領域内にも正多角形、好ましくは正三角形、正四角形、正六角形、又は正八角形の断面を有していることを特徴とする請求項３８記載の投光素子。
【請求項４０】
集光器は中空空間を規定する基体を有し、その基体の内壁は半導体チップから放出された光を反射し、及び／又はその基体の内壁は半導体チップから放出された光を反射するほぼ１つの層又は複数の層、好ましくは１つの金属層を備えていることを特徴とする請求項３８又は３９記載の投光素子。
【請求項４１】
集光器は誘電体集光器であり、その基体は適当な屈折率を有する誘電体材料からなる中実体であり、光入力端を介して入射した光がここで光入力端を光出力端に接続する中実体の外部大気に対する側方境界面での全反射によって反射されることを特徴とする請求項３８又は３９に記載の投光素子。
【請求項４２】
誘電体集光器は少なくとも部分的に、各半導体チップから放出された光を反射する１つの層又は複数の層、好ましくは１つの金属層を備えていることを特徴とする請求項４１記載の投光素子。
【請求項４３】
集光器は半導体チップの後にその主放射方向に配置され、チップ出射面と集光器の光入力端との間に空隙が存在することを特徴とする請求項３８乃至４２の１つに記載の投光素子。
【請求項４４】
空隙には広範囲に固形材料又は粘性材料が存在しないことを特徴とする請求項４３記載の投光素子。
【請求項４５】
投光素子が１つ又は複数の反射素子を有し、その反射素子は、半導体チップから集光器内に直接達しない光線の一部が集光器で多数回反射され、半導体チップの主放射方向に対してわずかな角度をもって集光器の光入力端に向けられるように配置され及び／又は形状をしていることを特徴とする請求項４３又は４４記載の投光素子。
【請求項４６】
集光器の基体が透明ガラス、透明結晶、又は透明プラスチックからなり、好ましくはトランスファ成形法及び／又は射出成形法で作られることを特徴とする請求項３８乃至４５の１つに記載の投光素子。
【請求項４７】
集光器の光出力端が投光素子出力端であることを特徴とする請求項３８乃至４６の１つに記載の投光素子。
【請求項４８】
一次光学素子の放射方向に見て集光器の出力側に、光入力面及び光出力面を有する光導波路、好ましくは１つのグラスファイバー又は複数のグラスファイバーの束が配置され、光導波路の中に、集光器の光出力端から放射された光の少なくとも大部分が光入力面を通って進入することを特徴とする請求項３８乃至４７の１つに記載の投光素子。
【請求項４９】
光導波路の光出力面が投光素子出力端であることを特徴とする請求項３８乃至４６の１つを引用した請求項４８に記載の投光素子。
【請求項５０】
光導波路が対応する集光器と一体に形成されていることを特徴とする請求項４８又は４９記載の投光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前文に記載の投光装置及び請求項３８の前文に記載の投光素子に関する。
【０００２】
本願は独国特許出願第１０３１４５２４．９号の優先権主張であり、その開示事項はここに引用することによって取込まれたものとする。
【０００３】
複数の投光素子からなる投光装置は例えば米国特許第６５２７４１１号明細書に記載されている。そこでは、投光素子の光出力端又は投光素子自体が環状に配置され、中央の投光素子が他の多数の投光素子によって取囲まれている。このような投光装置においては特に発光ダイオード（ＬＥＤ）が用いられており、発光ダイオードは例えば寿命が長い、応答が速い、電気効率が高いという利点を持っている。このことは保守コストを低減し、エネルギー消費量を低減する。
【０００４】
しかし、米国特許第６５２７４１１号明細書による投光装置は、その環状形状のため、投光装置に特定の放射特性を必要とする多くの用途に対しては全く適用できないか又は適用できても適用に制限がある。そのような例は自動車ヘッドライトである。自動車ヘッドライトは一般的な規格（例えば、ドイツ国のＥＣＥ（Ｅｃｏｎｏｍｉｃ  Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ  ｆｏｒ  Ｅｕｒｏｐｅ））では光円錐のよく規定された幾何学的形状、及び迅速な明−暗移行を有する放射特性が指定されている。さらに、ヘッドライトの可変の放射特性が必要になったり又は好ましいことであったりする用途も存在する。
【０００５】
本発明の課題は、多数の異なる放射特性並びに可変の放射特性を単純な構成で可能とする投光装置を提供することである。さらに本発明の課題は、そのような投光装置に特に適した投光素子を提供することである。
【０００６】
この課題は、請求項１に記載の特徴を有する投光装置、及び請求項３８に記載の特徴を有する投光素子によって解決される。
【０００７】
本発明によれば、少なくとも数個の投光素子出力端が少なくとも２つのグループに分割され、少なくとも１つのグループの投光素子出力端の配置、及び／又は複数のグループの投光素子出力端の少なくとも１つの全配置は、投光装置の所望の放射特性にほぼ対応し、特に所望の投光装置円錐の断面形状にほぼ相当する形状を生じる。さらに、この投光装置は、１つのグループの投光素子出力端に属する半導体チップがそれぞれ他の半導体チップとは無関係に作動されるように構成される。
【０００８】
ここで並びに以下において、投光装置円錐は、投光装置の光によって照射され任意に形成された空間を意味する。なお、投光装置までの距離が等しい場合、明るさが最高の明るさより２桁以上少ない領域は除外される。放射特性は、投光装置円錐の１つ又は複数の特性、例えば異なる空間角度における光強度、明−暗移行、断面形状等と理解される。断面形状は、投光装置の主放射方向に直角な１つの平面における投光装置円錐の断面の形状である。
【０００９】
このような投光装置において投光素子出力端の幾何学的配置によってのみ多数の異なる放射特性を達成することができる。さらに異なるグループの投光素子出力端に属する半導体チップのオンまたはオフによって放射特性を変えることができる投光装置が容易に実現される。
【００１０】
本発明による投光素子において一次光学素子はそれぞれ集光器である。光入力端は本来の集光器出力端であり、光は光を集束するための集光器の通常の使用に比べて逆方向にこの集光器を通って進み、それゆえ集光されるのではなく、集光器から少ない発散で光出力端を通って出力される。
【００１１】
特に好ましい実施態様において、一次光学素子はＣＰＣ形、ＣＥＣ形又はＣＨＣ形の集光器である。そのため、ここで並びに以下において、集光器は、その反射側壁が少なくとも部分的に及び／又は少なくとも広範囲に、複合放物面集光器（Ｃｏｍｐｏｕｎｄ  Ｐａｒａｂｏｌｉｃ  Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ；ＣＰＣ）、複合楕円面集光器（Ｃｏｍｐｏｕｎｄ  Ｅｌｌｉｐｔｉｃ  Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ；ＣＥＣ）、及び／又は複合双曲面集光器（Ｃｏｍｐｏｕｎｄ  Ｈｙｐｅｒｂｏｌｉｃ  Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ；ＣＨＣ）の形状を持つ集光器を意味する。
【００１２】
ＣＰＣ形、ＣＥＣ形、ＣＨＣ形の集光器に対する代替として、集光器は好ましくは光入力端を光出力端に接続する側壁を有し、その側壁に沿って光入力端と光出力端との間の直接接続線がほぼ直線状に延びる。この側壁は、放物面状、楕円面状又は双曲面状に曲げられた側壁の代わりに、ほぼ直線状に延びる側壁を有し、それゆえ一次光学素子は例えば角錐台又は円錐台の基本形状を有する。
【００１３】
このように構成された一次光学素子つまり投光素子は光の発散の効率的な低減を可能とし、それにより十分な明るさとよく規定された放射特性とを有する投光装置を作ることが可能になる。
【００１４】
一次光学素子の上述した及び以下に述べる実施形態及び利点は該当する限り本発明による投光装置にも本発明による投光素子にも関係する。
【００１５】
特に有利には、一次光学素子の光出力端から放出された光円錐の開口角は０°〜６０°の間、好ましくは０°〜４０°の間、特に好ましくは０°〜２０°の間の大きさであり、それぞれ限界値が含まれる。投光装置と同様に、ここでも以下の記載においても、光円錐は、一次光学素子の光出力端から放出された光が進行し任意に形成された空間を意味する。なお、光出力端までの距離が等しい場合、明るさが最高の明るさより２桁以上少ない領域は除外される。この意味での光円錐は数学的な意味での円錐の形状には関係せず、従って２つ以上の開口角を有することができる。２つ以上の開口角を有する場合、上記のことは最大開口角に関係する。
【００１６】
光の発散が一次光学素子によってそれぞれそのような大きさで制限されることによって、各投光素子ごとに高い輝度を達成することができる。そうすることによって、さらに、投光素子出力端の配置によって達成できる、投光装置の放射特性のより多くの可能性が生ずる。なぜなら、投光素子から放射された光円錐が同一配置においてわずかにオーバーラップし、例えば投光装置の合成光円錐の幾何学形状に関する良好な解決策が達成されるからである。
【００１７】
一次光学素子から放出された光円錐のそのようにわずかな開口角を実現するために、好ましくは一次光学素子の光出力端は光入力面又は光入力口を有し、その光入力面又は光入力口の大きさはチップ出射面の２倍以下である。特に好ましくは、光入力面又は光入力口の大きさはチップ出射面の最大１．５倍、特に最大１．１倍又は１．０５倍である。
【００１８】
光入力面又は光入力口の大きさは好ましくはチップ出射面より大きいか又は著しく小さくない。
【００１９】
一次光学素子のこのように構成された光入力端は光円錐の発散の強い低減に対してのみならず、一次光学素子の著しい小型化をも可能とし、従って高い光放射密度を有する小型の投光装置の製造を可能とする。
【００２０】
好ましくは、少なくとも１つのグループの投光素子出力端の少なくとも一部は密封され、特に好ましくは隙間なしに配置される。そうすることによって、高い輝度を可能とし、投光装置円錐の良好な均質性を達成することができる。
【００２１】
好ましくは、半導体チップ及び／又は投光素子出力端は少なくとも部分的に、又は少なくとも一部のグループ内で、マトリクス状にすなわち行と列に規則的に配置される。
【００２２】
特に好ましい実施態様において、投光装置は自動車ヘッドライト（自動車前照灯）として使用される。その場合、少なくとも１つの第１グループの投光素子出力端の配置及び／又は纏めた複数の第１グループの投光素子出力端の配置は、すれ違いビームの放射特性にほぼ対応し、特にすれ違いビームの光円錐の断面形状にほぼ相当する。少なくとも１つの第２グループ及び／又は纏めた複数の第２グループの配置は、１つの第１グループ又は纏めた複数の第１グループの配置と一緒でもしくは単独で走行ビームの放射特性にほぼ対応し、特に走行ビームの光円錐の断面形状にほぼ相当するように行なわれる。
【００２３】
このような自動車ヘッドライトはそれぞれ必要な規格（例えばドイツ国のＥＣＥ）に適合することができ、さらに半導体チップのオンまたはオフによってすれ違いビーム及び／又は走行ビームのための可変の光円錐を生成する可能性を提供する。
【００２４】
後者は、特に好ましい他の実施態様において、「ハンドルと連動する」ヘッドライトを構成するために利用される。その場合、ヘッドライトは複数の第１グループ及び第２グループを有し、第１及び／又は第２グループの投光素子（ヘッドライト素子）の使用時に、ヘッドライトから放射された光円錐が自動車の走行方向に少なくとも部分的に追従するように、自動車のハンドル位置に応じてそれぞれ数個のグループの半導体チップのみが作動させられる。
【００２５】
好ましくは、対応する一次光学素子の光出力端は一実施態様においてそれぞれ投光素子出力端である。
【００２６】
好ましくは、一次光学素子の放射方向に見て、各一次光学素子の後には光入力面及び光出力面を有する光導波路、好ましくは１つのグラスファイバー又は複数のグラスファイバーの束が配置され、光導波路の中に、各一次光学素子の光出力端から放射された光の少なくとも大部分が光入力面を通って進入する。
【００２７】
特に好ましくは、光導波路の光出力面はそれぞれ投光素子出力端である。こうすることによって、投光素子出力端を半導体チップ及び／又は一次光学素子の配置に関係なく容易に配置することができ、そのことは投光装置の構成時にさらなるフレキシビリティをもたらすことができる。例えば、半導体チップの動作時に発生する熱を半導体チップからより良好に排出するために、半導体チップを互いにより広い間隔をもって配置することができる。その場合、投光素子出力端は密封パッケージの中に配置することができる。
【００２８】
好ましくは、光導波路はそれぞれ光入力面が対応する一次光学素子の光出力端に直接結合される。
【００２９】
光導波路はそれぞれ接続コネクタによって対応する一次光学素子に結合され、及び／又は、光導波路はそれぞれ光入力面が接着剤によって対応する一次光学素子の光出力端に取付けられると共に一次光学素子に結合される。それにより、一次光学素子と光導波路とが互いに固定され、できるだけ多くの光が光出力端から光導波路内に進入することが保証される。
【００３０】
好ましくは、光導波路はそれぞれ接続コネクタによって対応する一次光学素子に結合され、多数の接続コネクタが互いに結合され、又は一体に形成される。
【００３１】
同様に好ましくは、光導波路はそれぞれ接続コネクタによって対応する一次光学素子に結合され、接続コネクタが一次光学素子と一体に形成される。これにより、それらを共通に作ることができ、もはや互いに結合したり別々に組み立てたりする必要がなくなる。
【００３２】
好ましくは、光導波路は対応する一次光学素子と一体に形成される。そうすることによっても、簡単化された製造及び／又は簡単化された組立を達成することができる。加えて、そうすることによって、一次光学素子から光導波路へのさらに最適化された光伝送を達成することができる。
【００３３】
投光装置の好ましい実施態様において、一次光学素子はそれぞれＣＰＣ形、ＣＥＣ形、又はＣＨＣ形の集光器である。その場合、光入力端は本来の集光器出力端であり、光は集光器の通常の使用と比較して逆方向にこの集光器を通って進み、それにより集光されるのではなく、集光器から少ない発散で光出力端を通って出力される。
【００３４】
集光器は光入力端側の領域内に好ましくは正多角形の断面、特に正四角形の断面を有する。さらに集光器は光出力端側の領域内にも正多角形、好ましくは正三角形、正四角形、正六角形、又は正八角形の断面を有する。これら両領域の間では断面が一方の形状から他方の形状へ移行する。従って集光器の光入力端は半導体チップの通常の形状に整合し、光出力端は例えば複数の一次光学素子の光出力端が規則的に隙間なしに配置できるように構成することができる。このことは光出力端が投光素子出力端である場合に特に有利である。
【００３５】
好ましい実施態様において、集光器は中空空間を規定する基体を有し、その基体の内壁は半導体チップから放出された光を反射し、及び／又はその内壁は半導体チップから放出された光を反射するほぼ１つの層又は複数の層、好ましくは１つの金属層を有する。
【００３６】
代替的に、好ましくは集光器は誘電体集光器であり、その基体は適当な屈折率を有する誘電体材料からなる中実体であり、それゆえ光入力端を介して入射した光はそこで光入力端を光出力端に接続する中実体の外部大気に対する側方境界面での全反射によって反射させられる。これは、集光器内での反射のためには実質的に光損失を皆無にするという利点を呈する。
【００３７】
好ましくは、誘電体集光器は光出力端としてレンズ状に湾曲した境界面、例えば球面状又は非球面状に湾曲した境界面を有する。そうすることによって、光円錐の発散のさらなる低減を達成することができる。光出力端は好ましくは非球面レンズの形状に湾曲される。それにより、チップ出射面のほぼ全部を利用することが可能になる。球面レンズは点光源用として最適であり、非点光源の場合光円錐の発散の低減に関して著しく劣悪な特性を呈することがある。
【００３８】
他の実施態様において、誘電体集光器は好ましくは少なくとも部分的に、各半導体チップから放出された光を反射する１つの層又は複数の層、好ましくは１つの金属層を有する。これは、始めに全反射の条件を満たさない放射が集光器から側方に出射されるのを回避するために、例えば半導体チップが集光器の構成材料内に封入さる場合に有利である。
【００３９】
好ましくは、集光器は半導体チップの後にその主放射方向に配置され、チップ出射面と集光器の光入力端との間に空隙が存在する。その空隙には固形材料又は粘性材料が広範囲に存在しない。
【００４０】
こうすることによって、特に半導体チップの主放射方向に対して特に大きな角度で放出されかつ光出力端での光円錐を過度に拡げられた放射を、光入力端に入射させることなくその光入力端側方を通って進ませることができる。誘電体集光器の場合、この空隙によって、光入力端の境界面で反射される放射の部分が多い程、放射の入射角は大きくなる。それゆえ集光器内に達する光の高発散成分が減衰される。
【００４１】
これに関して、特に好ましくは、投光素子が１つ又は複数の反射素子を有し、その反射素子は、半導体チップから集光器内に直接達しない光線の一部が集光器で複数回反射され、半導体チップの主放射方向に対してわずかな角度をもって集光器の光入力端に向けられるように配置され及び／又は形状をしている。これにより、集光器内に達する光の強度が高められる。
【００４２】
好ましくは、集光器の基体は透明ガラス、透明結晶、又は透明プラスチックからなり、好ましくはトランスファ成形法及び／又は射出成形法で作られる。
【００４３】
特に好ましくは、基体の材料は、半導体チップから放出された放射、特に青色又は紫外線スペクトル領域からなる電磁放射に対して抵抗力があるとよい。そのための材料は例えばシリコーンを含み、又はシリコーンで作られる。
【００４４】
好ましい実施態様において、半導体チップは電磁放射を放出するダイオード、好ましくは少なくとも近似的にランベルト放射特性を有し電磁放射を放出するダイオード、特に好ましくは薄膜発光ダイオードチップである。
【００４５】
薄膜発光ダイオードチップは特に次のような特性ないしは特徴を持っている。
放射を発生するエピタキシャル層列の、支持素子側の第１主面に、エピタキシャル層列に発生された電磁放射の少なくとも一部を反射する反射層が被着されるか又は形成され、
エピタキシャル層列は２０μｍ以下の範囲の厚さ、特に１０μｍ以下の範囲の厚さを有し、
エピタキシャル層列は、理想的にはエピタキシャル層列内に光の近似的なエルゴード分布を生じる、すなわちできるだけエルゴード推計による散乱挙動を呈する混合構造を有する少なくとも１つの面を備えた少なくとも１つの半導体層を含んでいる。
【００４６】
薄膜発光ダイオードチップの基本原理は例えば、I. Schnitzerほか、Appl. Phys. Lett. ６３（１６），１９９３年１０月１８日、２１７４〜２１７６ページに記載されており、その開示事項はここに引用することによって取込まれたものとする。
【００４７】
薄膜発光ダイオードチップは、良好な近似ではランベルト表面放射体であり、従って投光装置への適用に特に良く適している。
【００４８】
投光装置の好ましい実施態様において、ダイオードの後には放射方向に、薄膜発光ダイオードから放出された電磁放射の少なくとも一部を波長変換する、すなわち、その放射を吸収し、それに基づいて他の波長の放射を放出するルミネセンス変換材料が配置される。合成放射は波長変換された放射とダイオードから放出された放射との混合によって生じ、それにより投光装置の多くの用途において必要とされる特に白色光を発生させることもできる。
【００４９】
薄膜発光ダイオードチップから放出された放射は、例えば非可視放射を可視光に変換するために、ルミネセンス変換材料によってほぼ完全に波長変換させることもできる。そのようにして少なくとも２つの異なる発光材料を用いれば、特に白色光を発生させることができる。そのような有機物又は無機物の発光材料粒子が例えば国際公開第９８／１２７５７号パンフレットに記載されており、その内容はここに引用することによって取込まれたものとする。
【００５０】
好ましくは投光素子の後にはその主放射方向に、投光素子から放出された光の発散をさらに低減させ及び／又はその光を混合する二次光学系が配置される。この二次光学系は他の好ましい実施態様においては集光レンズとして構成される。
【００５１】
好ましくは、複数の投光素子の一次光学素子は互いに一体に形成される。これは、一次光学素子の製造もその投光装置への組立も著しく簡略化し、それは例えば製造コストを低減させる。
【００５２】
投光装置の好ましい実施態様において、半導体チップはそれぞれ支持体上に配置されると共にその支持体上でそれぞれ枠体によって取囲まれ、枠体に又は枠体内に一次光学素子が取付けられると共に枠体によって保持され、及び／又は、一次光学素子が枠体によってチップ出射面に対して相対的に調整される。
【００５３】
少なくとも数個の支持体及び／又は各支持体と、枠体とは好ましくは互いに一体に形成される。
【００５４】
好ましくは、複数の半導体ダイオードの支持体は少なくとも一列に列状に並置される。そうすることによって、半導体チップの動作時に生成する熱を半導体チッから良好に排出することができる。
【００５５】
投光装置の好ましい実施態様において、枠体の内面、及び／又は投光装置の放射方向側の支持体表面の自由面は、各半導体チップから放出された光を反射する。それに加えて又は代替的に、枠体の内面及び／又はその自由面は、各半導体チップから放出された光を反射する１つの層又は複数の層、好ましくは１つの金属層を少なくとも部分的に備えることができる。
【００５６】
投光装置及び投光素子の他の利点、好ましい実施態様、及びさらなる構成は、次に図１乃至図７に関連して説明する実施例から明らかになる。
図１は投光素子の一実施例の概略断面図、
図２は投光素子の第２実施例の斜視図、
図３Ａは投光素子の第３実施例の斜視図、
図３Ｂは図３Ａの投光素子の概略斜視図、
図４は投光装置の一実施例の概略平面図、
図５は投光装置の第２実施例の概略平面図、
図６は一次光学素子の一実施例の斜視図、
図７は互いに一体に形成された複数の一次光学素子の一実施例の斜視図を示す。
【００５７】
各実施例ないしは図面において、同一構成部分又は同一作用を有する構成部分にはそれぞれ同一参照符号が付されている。
【００５８】
図１に示されている投光素子２は、支持体１２上に取付けられた半導体チップ３を有している。支持体１２は、半導体チップ３からその動作時に発生された熱に対するヒートシンクとして役立つ第２支持体１５上に取付けられている。
【００５９】
半導体チップは、一般的な部品として記載され調達できる例えば薄膜発光ダイオードチップである。さらにエピタキシャル層列はＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ又はＩｎxＧａyＡｌ1-x-yＰ（但し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）の系列の少なくとも１つの材料をベースとすることができる。このチップ３は一次光学素子５の光入力端１７に直接に接続されるチップ出射面４を有している。
【００６０】
チップ出射面４上に、ＹＡＧ：Ｃｅをベースとする例えば１種類または複数種類の発光物質粒子を有する例えばルミネセンス変換材料が設けられる。このルミネセンス変換材料によって、半導体チップの一次放射の十分に完全な変換により、又は的確な部分変換および一次放射と変換された放射との混合により、ＣＩＥ（国際照明委員会）色度図上に所望の色場所を持つ可視光、特に白色光が生成される。
【００６１】
一次光学素子５は三次元構造のＣＰＣ形集光器であり、その光入力端１７及び光出力端１８は円形状である。光出力端１８は同時に投光素子出力端を形成する。光は半導体チップ３から一次光学素子５内に光入力端１７を通して可視電磁放射の形で入射する。この放射は、光入力端１７を光出力端１８に結合する内壁で、光の発散が明らかに減少される（直線１６によって示されている）ように反射する。光出力端１８から放射された光円錐は例えば３０°以下の開口角、例えば約９°の開口角を持っている。それに対して半導体チップは近似的にランベルトの放射特性を有している。
【００６２】
一次光学素子５の基体は中空体のように機能し、その内壁は半導体チップから放出された光を反射する材料、例えばほぼＡｌからなる金属層を備えている。その場合、光は部分的に又は完全に波長変換される。主として基体を作る材料は例えばポリカーボネートのようなプラスチックでありうる。例えば基体はそのような材料から射出成形法によって作ることができる。
【００６３】
図２に示されているように、半導体チップ３を枠体１３によって付加的に取囲むことができる。枠体１３によって一次光学素子５を保持し及び／又は半導体チップ３に対して相対的に調整することができる。枠体は例えば部分的に、１種類または複数種類の発光物質と混合されるモールド材料を満たされる。
【００６４】
図２に示されている実施例において、投光素子２は、図１を参照して説明した実施例とは異なり、主放射方向に対して直角な断面が正四角形状を持つＣＰＣ形集光器の形状の一次光学素子５を有し、それゆえ特にその光入力端（図示せず）及び光出力端１８も正四角形状である。従って、一次光学素子５の形状は半導体チップ３のチップ出射面の形状に整合している。これは、光出力端つまり複数のそのような投光素子２の投光素子光出力端を任意の大きさの面内に隙間なしに配置することができるという利点を持つ。
【００６５】
投光素子の他の実施例が図３Ａ及び３Ｂに示されている。この実施例において、一次光学素子５は誘電体ＣＰＣ形集光器であり、その基体は例えば透明プラスチックからなっている。
【００６６】
光入力端１７は正四角形状を持っており、他方、光出力端１８は正八角形状を持っている（図３Ａの投光素子２の右側にそれぞれ平面図で示されている）。両端の間では、一次光学素子５の断面形状が一方の形状から他方の形状へと移行している。光出力端の形状は光出力端１８に直接結合している１つの光導波路１０の光入力面２０に整合している。光導波路１０は例えばグラスファイバーであるが、図３Ａ及び３Ｂに示されている例の代わりに、複数の細いグラスファイバーを有することも可能である。ここでは、光導波路１０の光出力面は投光素子出力端（図示せず）を形成する。
【００６７】
光導波路１０は一次光学素子５の光出力端１８に例えば適当な接着剤によって結合される。その代替として又はそれに加えて、光導波路１０及び一次光学素子５を接続コネクタによって互いに結合することもできる。その場合、一次光学素子５は接続コネクタと一体に形成することもでき、例えば透明プラスチックを用いて射出成形によって作ることができる。
【００６８】
半導体チップ３のチップ出射面４と光入力端１７との間には空隙１９が存在する。それによって、この明細書の一般的な部分に述べられているように、一次光学素子５内に進入する光の高発散成分が減衰される。
【００６９】
図３Ｂには、投光素子の枠体１３が付加的に示されている。枠体１３の内壁２０及び支持体１５は反射材料で作られ、それゆえ一次光学素子内に直接には達しない光線の一部は、その光線が半導体チップ３の主放射方向に対してわずかな角度をもって一次光学素子の光入力端１７に向けられるように、一次光学素子で複数回反射される。枠体１３は支持体１２と一体に形成することができる。
【００７０】
代替的に、半導体チップ３は一次光学素子５の材料内に埋設することもでき、又はそのチップ出射面を光入力端１７に直接結合することもできる。
【００７１】
光入力端１７を光出力端１８に接続する、一次光学素子５の基体の側面の少なくとも一部は、光入力端１７内に入射され側面での全反射の条件を満たさない光線が側面でなお反射されるように、反射層（例えば、Ａｌ）を備えることができる。これは特に光入力端１７に隣接する側面部分において有効である。
【００７２】
図６に示されている一次光学素子５は図１乃至３Ｂに示されている一次光学素子とは異なり、光入力端１７から光出力端１８へ直線状に延びる側壁を有している。一次光学素子５は円錐台状の基本形状を有する誘電体集光器であり、光出力端１８は平坦ではなく、非球面レンズのように外方へ向かって湾曲している。球面湾曲と比較して、一次光学素子によって発散を減少させるべき光円錐が点状光源ではなく一定の広がりを有する光源であるということを考慮に入れるために、この湾曲は例えば一次光学素子の光学軸からの距離が増大するにつれて減少している。
【００７３】
図６に示されているような一次光学素子は、図１乃至３Ｂに示されている一次光学素子５と比較して、光円錐の発散の比較可能な減少が一次光学素子５の構造高さの顕著な減少のもとに同時に達成されるという利点を持っている。図６に示されている一次光学素子の他の利点は、一次光学素子がその直線状の側面に基づいて例えば射出成形法又はトランスファ成形法のような射出法によって容易に製造できることである。
【００７４】
光入力端は例えば一次光学素子と共に用いるべき半導体チップのチップ出射面とほぼ同じ大きさの光入力面を有している。そうすることによって発散を減少させる一次光学素子の特性の特に良好な利用を達成することができる。特に好ましくは、光入力面はチップ出射面の大きさの最大１．５倍の大きさである。
【００７５】
一次光学素子は例えば光入力面より大きいチップ出射面を有する半導体チップと共に用いることも可能である。しかしそれは放出された光強度及び光密度に関して若干の効果低減を来すことがある。シミュレーションは一例において、若干大きなチップ出射面の場合、１５°の空間角において光入力面より若干小さいチップ出射面の場合よりも光強度が約１０％低下して放射されることを明らかにした。
【００７６】
特に射出法によって、複数の一次光学素子を図７に例示されているように互いに一体に形成することが可能である。一次光学素子５は、この実施例では支持板５０によって互いに結合されている。支持板５０は光出力端１８の近くに配置されている。それゆえ支持板５０の一側から一次光学素子５０の角錐台状部分（ピラミッドの先端を切断した形状）が突出し、他方の側にレンズ状素子が形成され、その外表面がそれぞれ一次光学素子５０の光出力端１８を形成している。
【００７７】
図６及び７を参照して説明した一次光学素子５の実施例の代替として、一次光学素子５はピラミッド状の基本形状の代わりに例えば円錐台状の基本形状又は正四角形断面の基本形状を有することができる。同様に、図６及び７において光出力端１８に向かっている一次光学素子の正四角形断面が、図３Ａ及び３Ｂを参照して述べた実施例と同様に、４より多くの角を有する断面形状に移行させることも考えられる。
【００７８】
さらに一次光学素子は、その主放射方向に平行に延びる異なる平面における電磁放射の発散が異なる強度で減少されるように構成することも可能である。例えば一平面内において放出された光円錐の開口角は約７°であり、その平面に直交する平面（主放射方向に沿う断面）において約１０°の大きさである。
【００７９】
同様に、光円錐の発散のさらなる減少のために、ＣＰＣ形，ＣＥＣ形又はＣＨＣ形の誘電体集光器がレンズ状に湾曲した光出力端を有することも可能である。誘電体集光器に対する代替として、反射内壁を備えた中空体から集光器を構成し、その光出力端の後には集光器の放射方向にレンズが配置される。レンズは例えば光出力端に装着される。
【００８０】
図４は自動車ヘッドライト１の形の投光装置の一実施例の平面図を示す。このヘッドライト１は多数の投光素子（ヘッドライト素子）２からなり、その投光素子出力端２５はグループでマトリクス状にかつ出来る限り隙間なしに配置されている。投光素子２は例えば図１乃至３Ｂを参照して説明した１つ又は複数の実施例と同様に構成することができる。特に投光素子出力端は、一次光学素子の光出力端又は光導波路の光放射面として構成することができる。
【００８１】
図４の投光素子出力端２５は正四角形状を持っているが、任意の形状、特に三角形、六角形又は八角形、さらには丸形に形成することもできる。
【００８２】
投光素子（ヘッドライト素子）が光導波路を有する場合、各半導体チップは投光素子出力端とは異なり、例えば一列に並べて配置することができる。光導波路が接続コネクタによって一次光学素子に結合される場合、全ての接続コネクタを一緒に、又はそれらの一部をそれぞれ一体に形成することができる。
【００８３】
複数の投光素子出力端２５は２つのグループ７，８に分割されている。その分割線は図４に２本の直線２３，２４によって示されている。ここで、下側グループ７はすれ違いビームのヘッドライト出力端を形成し、上側グループ８は下側グループ７と共に走行ビーム出力端を形成する。下側グループ７に属する投光素子２の半導体チップは他方の半導体チップとは無関係に作動される。走行ビームの放射特性を有するヘッドライト円錐を得るために、上側グループ８に属する投光素子の半導体チップは下側グループ７の投光素子に付加して作動される。
【００８４】
両グループ７，８はそれぞれ２つのサブグループ７１，７２及び８１，８２を有しており、各サブグループはそれぞれ直線２３，２４に沿って配置されている。ここで第１直線２４は第２直線２３に対して１５°だけ回転されている。これは、ほぼドイツ標準規格ＥＣＥに対応するすれ違いビーム（グループ７１，７２）用ヘッドライト円錐を生じる。ドイツ標準規格ＥＣＥに従い、このヘッドライト円錐は対向車の運転者がまぶしくないようにヘッドライトの放射方向右側（グループ７１に相当）に水平に延びる上限を有していなければならない。
【００８５】
それに対してヘッドライト円錐の左側（グループ７２に相当）は、走行方向に見て左側に位置する街路部分又は路肩部分が右側部分よりも良好に、つまり走行方向に見てヘッドライトによって広く照らされるように、水平に対して１５°だけ傾斜した平面に位置する上限を有する。
【００８６】
走行ビームが投入されると、高位置にある投光素子出力端に属する半導体チップが投入され、それゆえ合成ヘッドライト円錐が全体として走行路の特に走行方向に見て左側部分を広く照らす。
【００８７】
グループ及びサブグループの配置は種々の国の法的規制にも容易に適合されうる。
【００８８】
投光素子出力端の後には、ヘッドライト光の発散をさらに低減させるために、集光レンズを配置することができる（図示されていない）。
【００８９】
図５は投光装置の他の実施例を示す。この実施例の投光装置も又ＥＣＥ標準規格に対応させて投光素子出力端が配置されている自動車ヘッドライト１を示す。
【００９０】
図４を参照して説明した実施例とは異なり、図５に示されているヘッドライト１は投光素子出力端７１１，８１１，７２１，８２１からなる周辺グループを有している。これらの周辺グループの相応の半導体チップはそれぞれ自動車のハンドル位置に応じて、ヘッドライトから放射された光円錐が自動車の走行方向に少なくとも部分的に追従するようにオンまたはオフされる。
【００９１】
中央グループ７１０，７２０，８１０，８２０は、ハンドル位置とは無関係に、すれ違いビーム又は走行ビームが投入されているかどうかに応じて、例えば運転者により手動でオンまたはオフされる。
【００９２】
ハンドル位置が直進方向でありすれ違いビームが投入されている際、例えば中央グループ７１０，７２０の半導体チップ並びにそれらに隣接する周辺グループ７１１，７２１の一方の半導体チップを投入することができる。ハンドル位置が走行方向に見て右側の周辺グループ７１１の方向に変えられると、周辺グループ７１１により例えばさらなる投入が行われ、そのため、それまで投入されていた左側の周辺グループ７２１が少なくとも部分的にオフされる。
【００９３】
実施例を参照して行った本発明の上述の説明は勿論本発明をこの実施例に限定すると解釈されるべきではない。本発明は自動車ヘッドライトに限定されず、考えられる全ての形式の投光装置を包含する。本発明は特にプロジェクタ光源にも適している。その場合、例えば順次投写のために作動される半導体チップとは互いに無関係に、異なるプロジェクタ映像及び／又は異なる色を用いることができる。
【００９４】
さらに投光装置は投光素子ごとに複数の半導体チップを有し、及び／又は異なる放射色、例えば赤色、緑色、青色の半導体チップを有することもできる。異なる色を放射する半導体チップに対応する投光素子出力端は、例えば異なる投光素子出力端の光が混合されて効果的に白色光を生ずるように、互いに混合して配置することができる。
【００９５】
種々の実施例を参照して説明した特徴は、実施例とは関係なく互いに任意に組み合わせることができる。たとえ新たな各特徴又はその組合せ自体が特許請求の範囲又は実施例に明示されていなくても、本発明は新しい各特徴並びにそれらの各組合せを含み、それは特に特許請求の範囲における特徴の各組合せを含む。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】投光素子の第１実施例の縦断面図
【図２】投光素子の第２実施例の斜視図
【図３Ａ】投光素子の第３実施例の斜視図
【図３Ｂ】図３Ａの投光素子の縦断面を示す斜視図
【図４】自動車ヘッドライトの形の投光装置の第１実施例の平面図
【図５】自動車ヘッドライトの形の投光装置の第２実施例の平面図
【図６】一次光学素子の一実施例の斜視図
【図７】互いに一体に形成された複数の一次光学素子の一実施例の斜視図
【符号の説明】
【００９７】
１  自動車ヘッドライト
２  投光素子
３  半導体チップ
４  チップ出射面
５  一次光学素子
７  グループ
８  グループ
１０  光導波路
１２  支持体
１３  枠体
１５  支持体
１７  光入力端
１８  光出力端
１９  空隙
２０  枠体１３の内壁
２３  直線
２４  直線
２５  投光素子出力端
５０  支持板
７１  サブグループ
７２  サブグループ
８１  サブグループ
８２  サブグループ
７１０  中央グループ
７１１  周辺グループ
７２０  中央グループ
７２１  周辺グループ
８１０  中央グループ
８１１  周辺グループ
８２０  中央グループ
８２１  周辺グループ
【図１】
2006521667.tif 000003
【図２】
2006521667.tif 000004
2006521667.tif 000005
【図４】
2006521667.tif 000006
【図５】
2006521667.tif 000007
【図６】
2006521667.tif 000008
【図７】
2006521667.tif 000009
【国際調査報告】
2006521667.tif 000010
2006521667.tif 000011
2006521667.tif 000012
2006521667.tif 000013