(57)【要約】【課題】発光装置、特に高発光光学システムを提供する。【解決手段】発光装置は、発光素子と、複合放物線集光器のような光学集光器と、発光素子と光学集光器の間の二色フィルタと、蛍光体のような波長変換材料とを含む。光学集光器は、二色フィルタを通じて発光素子から光を受光し、入口面より小さい出口面から光を放出する。光学集光器は、サファイアのような高い屈折率を有する材料から製造することができる。波長変換材料は、例えば、出口面の上に配置される。波長変換材料の放射輝度は、高屈折率材料を通じて波長変換材料を注入し、変換された光を空気のような低屈折率媒体内に出力することによって増大される。【選択図】図１
2007110142.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光素子と、
前記発光素子に光学的に結合した入口面、及び出口面を有し、該入口面で受光した光を該入口面よりも小さい該出口面に集束させる光学集光器と、
前記光学集光器の前記出口面上に取り付けられて、前記発光素子によって放出された前記光の少なくとも一部分を１つ又はそれよりも多くの波長に変換する波長変換材料と、
前記発光素子と前記波長変換素子の間に配置されて、前記１つ又はそれよりも多くの波長を有する該波長変換素子によって放出された光を反射する二色フィルタと、
を含むことを特徴とする機器。
【請求項２】
前記二色フィルタは、前記発光素子から放出された光が前記光学集光器の前記入口面に到達する前に該二色フィルタを通過するように、該発光素子と該光学集光器の間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の機器。
【請求項３】
前記発光素子は、少なくとも１つの発光ダイオードであることを特徴とする請求項１に記載の機器。
【請求項４】
前記発光素子は、発光ダイオードのアレイであることを特徴とする請求項３に記載の機器。
【請求項５】
前記発光素子は、プラズマ光源であることを特徴とする請求項３に記載の機器。
【請求項６】
前記光学集光器は、約１．４又はそれよりも高い屈折率を有し、前記波長変換材料は、約１．０の屈折率を有する媒体内に光を発生することを特徴とする請求項１に記載の機器。
【請求項７】
層が、前記波長変換材料と該波長変換材料が光をその中に発生する前記媒体との間に配置されていることを特徴とする請求項６に記載の機器。
【請求項８】
前記波長変換素子は、前記１つ又はそれよりも多くの波長を有する変換光、及び未変換光を放出し、
前記波長変換材料の後に置かれて、該波長変換材料によって放出された前記光の円錐角を低減する集光光学要素と、
前記集光光学要素がフィルタと前記波長変換材料の間にあるように該集光光学要素に結合されて、前記変換光及び前記未変換光の少なくとも一方の少なくとも一部分を透過し、該変換光及び該未変換光の少なくとも一方の少なくとも一部分を反射する第２の二色フィルタと、
を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の機器。
【請求項９】
前記層は、保護層、回折光学素子、ホログラム素子、二色フィルタ、及び反射偏光器のうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項７に記載の機器。
【請求項１０】
前記光学集光器は、１つ又はそれよりも多くの屈折レンズを含むことを特徴とする請求項１に記載の機器。
【請求項１１】
前記光学集光器は、光が該光学集光器を出る時に通る前記出口面を形成する反射面を含み、
前記光学集光器はまた、該光学集光器の前記入口面を通して受光した光が前記出口面の方向に向けられるような形状にされている、
ことを特徴とする請求項１に記載の機器。
【請求項１２】
前記光学集光器の前記反射面は、該光学集光器の一部分の上に重なる反射材料から形成されることを特徴とする請求項１１に記載の機器。
【請求項１３】
前記光学集光器の少なくとも一部分は、ＢＫ７ガラス、Ｂ２７０ガラス、ＳＦ１０ガラス、ＳＦ５７ガラス、Ｆ２ガラス、「Ｚｅｏｎｅｘ」プラスチック、「Ｕｌｔｅｍ」プラスチック、及びサファイアのうちの１つであることを特徴とする請求項１１に記載の機器。
【請求項１４】
前記光学集光器は、複合放物線集光器であることを特徴とする請求項１に記載の機器。
【請求項１５】
前記光学集光器は、
壁が反射性の中実体内の空洞から形成されて、素子の第１の端部が前記光学集光器の前記入口面を形成し、該空洞の第２の端部が素子の出口面を形成する第１の素子と、
反射性側壁を有する中実透明体から形成されて、素子の第１の端部が前記第１の素子の前記出口面に結合した素子の入口面を形成し、素子の第２の端部が前記光学集光器の前記出口面を形成する第２の素子と、
を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の機器。
【請求項１６】
前記第２の素子は、前記中実透明体上に該中実透明体よりも高い屈折率を有する材料の少なくとも１つの付加的な層を更に含むことを特徴とする請求項１５に記載の機器。
【請求項１７】
前記発光素子から放出された前記光の円錐角を該光が前記光学集光器に到達する前に低減する集光光学要素を該発光素子と該光学集光器の間に更に含むことを特徴とする請求項１に記載の機器。
【請求項１８】
前記集光光学要素は、矩形角度変換器、集光レンズ、フレネルレンズ、及び全反射面（ＴＩＲ）レンズのうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項１７に記載の機器。
【請求項１９】
入口面と、前記波長変換材料によって発生された光を受光するように光学的に結合した出口面とを有し、該波長変換材料からの該光を該入口面よりも小さい該出口面に集束させる第２の光学集光器と、
前記発光素子から発生した光が前記第２の光学集光器の前記入口面に到達する前にフィルタを通過するように、前記波長変換材料と該光学集光器の間に配置された第２の二色フィルタと、
前記第２の光学集光器の前記出口面に結合されて、前記波長変換材料によって発生した前記光の少なくとも一部分を前記第２の二色フィルタによって反射される光の１つ又はそれよりも多くの波長に変換する第２の波長変換材料と、
前記波長変換材料と前記第２の光学集光器の間にあり、該波長変換材料によって発生した前記光の円錐角を該光が該第２の光学集光器に到達する前に低減する第２の集光光学要素と、
を更に含むことを特徴とする請求項１７に記載の機器。
【請求項２０】
前記第２の波長変換材料の後に位置して、該第２の波長変換材料によって発生した前記光の円錐角を大体において低減する第３の集光光学要素、
を更に含むことを特徴とする請求項１９に記載の機器。
【請求項２１】
前記発光素子は、第１の発光素子であり、
前記第１の発光素子によって放出された前記光と異なる波長を有する光を放出する第２の発光素子と、
前記第１の発光素子によって放出された前記光を前記光学集光器に向けて透過するように配置され、かつ前記第２の発光素子によって放出された前記光を該光学集光器に向けて反射するように配置された二色ビームスプリッタと、
を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の機器。
【請求項２２】
前記第１の発光素子と前記二色ビームスプリッタの間の第１のレンズと、
前記第２の発光素子と前記二色ビームスプリッタの間の第２のレンズと、
前記二色ビームスプリッタと前記光学集光器の間の第３のレンズと、
を更に含むことを特徴とする請求項２１に記載の機器。
【請求項２３】
前記波長変換材料は、前記出口面上に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の機器。
【請求項２４】
前記波長変換材料は、蛍光体であることを特徴とする請求項１に記載の機器。
【請求項２５】
前記波長変換素子の出口面のエテンデュは、前記発光素子のエテンデュよりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の機器。
【請求項２６】
第１の波長範囲を有する光を発生させる段階と、
前記光を二色フィルタを通して伝達する段階と、
前記光を集束させる段階と、
前記集束させた光の少なくとも一部分を第２の波長範囲を有する変換光に変換する段階と、
を含み、
前記二色フィルタは、前記第１の波長範囲を有する光を透過して前記第２の波長範囲を有する光を反射する、
ことを特徴とする方法。
【請求項２７】
光を発生させる段階は、１つ又はそれよりも多くの発光ダイオードから光を放出する段階を含むことを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
二色フィルタを通して前記光を伝達する前に反射的又は屈折的に該光を平行化する段階を更に含むことを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】
前記光を集束させる段階は、該光を屈折させることによって行われることを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項３０】
前記光を集束させる段階は、該光を反射することによって行われることを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項３１】
前記光を集束させる段階は、複合放物線集光器において行われることを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項３２】
前記光を集束させる段階は、約１．４又はそれよりも高い屈折率を有する媒体において行われ、前記変換光は、約１．０の屈折率を有する媒体内に放出されることを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項３３】
前記光を集束させる段階は、ＢＫ７ガラス、Ｂ２７０ガラス、ＳＦ１０ガラス、ＳＦ５７ガラス、Ｆ２ガラス、「Ｚｅｏｎｅｘ」プラスチック、「Ｕｌｔｅｍ」プラスチック、及びサファイア素子のうちの１つにおいて行われることを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項３４】
前記変換光を第２の二色フィルタを通して伝達する段階と、
前記変換光を集束させる段階と、
前記集束光の少なくとも一部分を第３の波長範囲を有する２回変換光に変換する段階と、
を更に含み、
前記第２の二色フィルタは、前記第２の波長範囲を有する光を透過して前記第３の波長範囲を有する光を反射する、
ことを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項３５】
前記２回変換光を反射的又は屈折的に平行化する段階を更に含むことを特徴とする請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
第３の波長範囲を有する光を発生させる段階と、
前記第３の波長範囲を有する前記光を前記第１の波長範囲を有する前記光に結合する段階と、
を更に含み、
前記光を二色フィルタを通して伝達する段階は、前記結合光を伝達し、前記光を集束させる段階は、該結合光を集束させ、前記集束光の少なくとも一部分を変換する段階は、該集束結合光の少なくとも一部分を集束させる、
ことを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に発光装置、及び特に高発光光学システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
投射システム及び自動車前照灯のようなある一定の光学システムでは、高発光又は高輝度を有する光源が必要である。近年まで、従来の発光ダイオード（ＬＥＤ）の輝度は、このような用途の必要性を満たすには不適切であった。しかし、現在の高性能ＬＥＤでさえも、一部の光学システムの放射輝度要件は、満たすのは容易ではない。更に、高強度放電灯と比較すると、ＬＥＤの輝度は、一般的に低すぎる。これは、白色光を生成するためにＬＥＤから放出された光を例えば蛍光体を使用して他の波長に変換するためのシステムにおいて特に当て嵌まる。このような変換は、一般的に放射輝度の損失をもたらし、このようなシステムを高輝度用途に対して満足できないものにする。
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願出願番号第１０／８０４，８１０号
【特許文献２】米国特許第６，１３３，５８９号
【特許文献３】米国特許第６，２７４，３９９号
【特許文献４】米国特許第６，２７４，９２４号
【特許文献５】米国特許第６，２９１，８３９号
【特許文献６】米国特許第６，５２５，３３５号
【特許文献７】米国特許第６，５７６，４８８号
【特許文献８】米国特許第６，６４９，４４０号
【特許文献９】米国特許第６，８８５，０３５号
【特許文献１０】米国特許第６，９２２，０２１号
【特許文献１１】米国特許第６，７３７，８０９号
【特許文献１２】米国特許公開第２００５／０２１２４５６号
【特許文献１３】米国特許公開第２００５／００９９１３０号
【特許文献１４】米国特許第４，２４０，６９２号
【特許文献１５】米国特許出願第１０／８０４，３１４号
【非特許文献１】Ｈ．Ｄｅ．Ｎｅｖｅ他著「平面微小空洞発光ダイオードにおける導波モード発光の再利用」、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７０（７）、１９９７年、７９９から８０１頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
すなわち、必要とされるものは、改良型高発光光学システムである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の実施形態によれば、発光装置は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、ＬＥＤアレイ、又はプラズマ光源のような発光素子と、複合放物線集光器のような光学集光器と、発光素子と光学集光器の間の二色フィルタと、蛍光体のような波長変換材料とを含む。光学集光器は、二色フィルタを通じて発光素子から光を受光し、入口面より小さい出口面から光を放出する。光学集光器は、Ｆ２、Ｂ２７０、ＳＦ１０、ＳＦ５７、又はＢＫ７ガラス、サファイア、又は「Ｚｅｏｎｅｘ」又は「Ｕｌｔｅｍ」のようなプラスチックなどの高い屈折率を有する材料から製造することができる。波長変換材料は、出口面上に取り付けられ、変換された光を比較的低い屈折率を有する媒体内に直接又は間接的に放出する。波長変換材料の放射輝度は、高屈折率材料を通じて波長変換材料を注入し、変換された光を空気のような低屈折率媒体内に出力することによって増大される。一例として、光学集光器がサファイアで形成されて、波長変換材料が光を空気中に放出する場合、約３ｘの利得を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明の実施形態によれば、光学システムの輝度又は放射輝度は、高い屈折率を有する光学集光器を通じて蛍光体のような波長変換素子を注入し、空気のような低屈折率媒体を通じて発生された（変換された）光を生成することによって改善される。
【０００７】
図１は、本発明の実施形態による光学システム１００を示している。光学システム１００は、基板上の発光ダイオード（ＬＥＤ）又はＬＥＤアレイとして示す発光装置１０２と集光光学要素１０４とを含む。集光光学要素１０４は、発光装置１０２からの放出パターンの円錐角を低減するものである。一例として、集光光学要素１０４は、発光装置１０２からの±９０°放出円錐を±３０°の角度放出パターンに低減することができる。集光光学要素１０４は、例えば、矩形角度変換器、複合放物線集光器（ＣＰＣ）、集光レンズ、フレネルレンズ、全反射面（ＴＩＲ）の断面を使用するレンズ、又はあらゆる他の適切な装置とすることができる。一部の実施形態では、以下で説明するように、集光光学要素１０４を削除することができる。光学集光器１０８は、二色フィルタ１０６を通じて集光光学要素１０４からの光を受光する。一実施形態では、光学集光器１０８は、中実複合放物線集光器（ＣＰＣ）であるが、光学集光器は、他の形態も同様に取ることができる。波長変換素子１１０は、出力ポートで光学集光器１０８と光学接触している。波長変換素子１１０は、例えば、光学集光器１０８と屈折率整合した蛍光体プレートレットとすることができる。
【０００８】
発光装置１０２から放出された光は、波長変換素子１１０を注入するのに使用される紫外線又は青色光とすることができる。発光装置１０２は、例えば、本明細書において引用により組み込まれている、本開示と同じ出願人を有する２００４年３月１９日出願のＪｏｎａｔｈａｎ  Ｊ．Ｗｉｅｒｅｒ、Ｊｒ．、Ｍｉｃｈａｅｌ  Ｒ．Ｋｒａｍｅｓ、及びＪｏｈｎ  Ｅ．Ｅｐｌｅｒによる「光子結晶発光装置」という名称の米国特許出願出願番号第１０／８０４，８１０号に説明されているもののような高発光ＬＥＤで形成することができる。更に、一次元光子結晶装置である共振空洞ＬＥＤは、本明細書において引用により組み込まれている、Ｈ．Ｄｅ．Ｎｅｖｅ他著「平面微小空洞発光ダイオードにおける導波モード発光の再利用」、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７０（７）、１９９７年、７９９から８０１頁に説明されている。ＬＥＤを形成する例は、米国特許第６，１３３，５８９号、第６，２７４，３９９号、第６，２７４，９２４号、第６，２９１，８３９号、第６，５２５，３３５号、第６，５７６，４８８号、第６，６４９，４４０号、及び第６，８８５，０３５号に説明されており、その全ては、本明細書において引用により組み込まれている。しかし、あらゆる適切な発光ダイオード又は他の発光装置を本発明と共に使用することができることを理解すべきである。一例として、発光装置１０２は、本明細書において引用により組み込まれている、米国特許第６，９２２，０２１号及び第６，７３７，８０９号、及び米国特許公開第２００５／０２１２４５６号及び第２００５／００９９１３０号に開示されているもののようなプラズマ光源とすることができる。
【０００９】
発光装置１０２から放出された光は、放出パターンの角度を低減する集光光学要素１０４の入力ポート１０４inで受光され、その光は、二色フィルタ１０６を通じて伝達される。二色フィルタ１０６は、発光装置１０２によって生成された波長を有する光を伝達し、波長変換素子１１０によって発生された波長を有する光を反射する。従って、例えば、波長変換素子１１０が緑色光を発生する場合、二色フィルタ１０６は、発光装置１０２によって生成された全ての青色光又は紫外線を伝達し、緑色光を反射することになる。二色フィルタ１０６は、光学集光器１０８の大きな入力ポート１０８inに光学的に結合されている。
【００１０】
光学集光器１０８は、望ましい形状を有する光学透明材料を生成することによって形成することができる。一実施形態では、高い屈折率を有し、発光装置１０２からの注入光及び波長変換素子１１０からの変換光の両方に対して高い透過率を有し、並びにＵＶのような光及び熱に露出された時にその透明度を維持する材料で光学集光器１０８が形成される。更に、材料は、成形工程のような大量生産技術に適することが望ましい。一実施形態では、光学集光器１０８は、１．４から１．８又はそれよりも高いような高い屈折率を有するプラスチック及びガラスのような材料又は他の適切な材料によって形成される。一例として、ＢＫ７、Ｂ２７０、ＳＦ１０、ＳＦ５７、又はＦ２ガラスを使用することができる。また、サファイア、又は「Ｚｅｏｎｅｘ」又は「Ｕｌｔｅｍ」のような透明セラミック又はプラスチックのような他の材料を使用することもできる。サファイア及び透明セラミックの優れた耐熱性は、波長変換素子１１０からの熱伝達を可能にする上で有利である。勿論、より低い又はより高い屈折率を有する材料を必要に応じて使用することができる。光学集光器１０８の外面は、出力ポート１０８outを形成する開口を取り囲む反射層で覆うことができる。一実施形態では、反射層は、例えば、９０％を超える反射率を有する金属とすることができる。適切な金属の例は、銀、アルミニウム、ロジウム、及び金である。反射性金属は、金属が堆積されることになる材料、又は金属が反射する光の波長に基づいて選択することができる。例えば、金は、赤色又は赤外線波長範囲の光の反射率が高い。更に、光学的損失を低減するために、適切に屈折率が低い材料のような誘電体層又は層のスタックを反射層と光学集光器１０８の間に位置決めすることができる。別の実施形態では、光学集光器１０８は、透明材料の表面の上に重なる反射材料を使用せずに形成される。例えば、透明材料の側壁は、全反射がある時には光学集光器１０８の反射面として機能することができる。全反射を伴う透明部材の使用は、本明細書において引用により組み込まれている、Ｗｉｎｓｔｏｎに付与された１９８０年１２月２３日出願の米国特許第４，２４０，６９２号に説明されている。
【００１１】
光学集光器１０８は、二色フィルタ１０６を通過する光を受光して、光を出力ポート１０８out上の波長変換素子１１０上に集束させる。一実施形態では、出力ポート１０８outのエテンデュは、集光光学要素１０４の入力ポート１０４inのエテンデュと適合することになる。当業技術で公知のように、エテンデュは、放出面の面積及び光ビームが含む立体角の関数である。図１に示す実施形態では、集光光学要素１０４内に放出された光は、空気中に入力される。代替的に、集光光学要素１０４は、中実とすることができ、光は、発光装置１０２から空気中に放出されて、その後、集光光学要素１０４に入る。複合放物線集光器（ＣＰＣ）を用いると、入力注入ビームは、空気を通じて大きな側面からＣＰＣに入り、光の照度利得（エネルギ／ｍｍ2）が波長変換素子１１０に入り、それによって波長変換された輝度が大きくなる。理論的には（ｎ1／ｎ2）2の輝度利得を達成することができ、ここで、ｎ1及びｎ2は、それぞれ波長変換素子１１０の注入側及び抽出側の屈折率である。一般的に、光学集光器１０８は、約１．４又はそれよりも高い屈折率を有し、波長変換材料は、空気のような約１．０の屈折率を有する媒体内に直接又は間接的に光を発生することが望ましい。実際は、光学集光器１０８と波長変換素子１１０の間の結合材料及び保護層のような波長変換素子１１０を覆う層がある場合があることを理解すべきである。結合材料及び保護層は、波長変換素子１１０のいずれの側の材料の望ましい屈折率にも影響を及ぼすと考えられる。
【００１２】
空気に対してｎ＝１の屈折率を仮定すると、入力ポート１０４inのエテンデュは、下記によって得られる。
Ｅin＝π・Ａin・ｓｉｎ2θin          式１
【００１３】
ここで、Ａinは、集光光学要素１０４の入力ポート１０４inの面積であり、θinは、光がその中に放出される立体角である。光学集光器１０８の出力ポート１０８outのエテンデュは、下記によって得られる。
Ｅout＝π・ｎ2・Ａout・ｓｉｎ2θout          式２
【００１４】
ここで、ｎは、光学集光器１０８の屈折率であり、Ａoutは、光学集光器１０８の出力ポート１０８outの面積（並びに、波長変換素子１１０の面積）であり、θoutは、光がその中に放出される立体角である。
【００１５】
集光角度θin及び集束角度θoutが９０°の場合は、出力ポート１０８outの面積は、入力ポート１０４inの面積よりもｎ2小さい。従って、入力ポート１０４in及び出力ポート１０８outのエテンデュが適合した時（その場合、高い結合効率を得ることができる）、波長変換素子１１０での注入ビームのパワー密度のｎ2の増加を得ることができる。空気／サファイア構成に対しては、これは、約３ｘの理論利得をもたらすであろう。光を直接又は間接的に空気（ｎ＝１）中に放出する波長変換素子１１０の外面１１０outのエテンデュは、下記によって得られる。
Ｅ110＝π・Ａout・ｓｉｎ2θ110          式３
【００１６】
ここで、θ110は、光がｓの中に放出される立体角である。この結果、エテンデュは低減され、これは、例えば小さなパネルシステムに有用な高い輝度をもたらす。一実施形態では、光を直接又は間接的に空気中に放出する波長変換素子１１０後の外面１１０outでのエテンデュは、集光光学要素１０４の入力ポート１０４inのエテンデュ、又は集光光学要素１０４が使用されない場合又は入力ポート１０４inの面積Ａinが発光装置１０２の面積とほぼ同じである場合の発光装置１０２のエテンデュよりも小さい。
【００１７】
波長変換素子１１０は、例えば蛍光体を使用して形成することができる。適切な蛍光体としては、以下に限定されるものではないが、Ｙ３Ａ１５Ｏ１２：Ｃｅ、（Ｙ、Ｇｄ）３（Ａｌ、Ｇａ）５Ｏ１２：Ｃｅ、（Ｌｕ、Ｙ）３Ａ１５Ｏ１２：Ｃｅ、ＳｒＳ：Ｅｕ、ＳｒＧａ２Ｓ４：Ｅｕ、（Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ）（Ａｌ、Ｇａ）２Ｓ４：Ｅｕ、（Ｃａ、Ｓｒ）Ｓ：Ｅｕ、（Ｃａ、Ｓｒ）Ｓ：Ｅｕ、Ｍｎ、（Ｃａ、Ｓｒ）Ｓ：Ｃｅ、（Ｓｒ、Ｂａ、Ｃａ）２Ｓｉ５Ｎ８：Ｅｕ、（Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ、及び（Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ）Ｓｉ２Ｏ２Ｎ２：Ｅｕが含まれる。一般的に、このような蛍光体は、粉体の形態で得られ、シリコーン又はエポキシのような結合媒体内に組み込み、次に、その結合材を固めるために硬化させる前にスクリ−ン印刷又は分配法のような方法によって付加することにより、光学集光器１０８の透明媒体上に堆積させることができる。代替的に、蛍光体粒子を最初に例えば電気泳動によって堆積させ、次に、選択した結合材と共に注入して戻し、その後硬化させることができる。蛍光体を別の部材上にそれを光学集光器１０８の透明媒体に取り付ける前に堆積させることが有利であろう。蛍光体はまた、中実の形態、例えば結合材なしの薄膜蛍光体で用いることができる。中実蛍光体層を別の部材（例えば、薄膜）上に堆積してもよく、又は別々に処理して厚い中実蛍光体膜の場合は光学集光器１０８の透明媒体に直接に取り付けてもよい。本発明の実施形態によれば、蛍光体に加えて、有機発光変換材料及び半導体層及び／又は「量子ドット」とも称される半導体ナノ粒子のような他の発光材料を使用することができる。
【００１８】
一般的に、蛍光体を使用すると、波長変換素子１１０は、全ての角度で光を吸収することができる。発光装置１０２の注入光が波長変換素子１１０を注入すると、より低いエネルギを有する光が生成される。波長変換素子１１０は、広い立体角で光を放出する。注入光の一部を波長変換素子１１０によって伝達して、波長変換素子１１０によって放出されたより低いエネルギを有する光と結合させると、望ましい波長範囲を有する光を形成することができる。代替的に、二色フィルタを波長変換素子１１０を覆うように使用すると、第２の通過が得られるように、伝達された注入光を波長変換素子１１０に反射することができる。波長変換素子１１０によって放出された光の大部分は、二色フィルタ１０６に方向付けられることを理解すべきである。しかし、二色フィルタ１０６は、上述のように、波長変換素子１１０によって生成された光の波長を反射するように構成される。従って、折り返し放出される光は、二色フィルタ１０６によって波長変換素子１１０に向けて反射される。蛍光体が低い吸光力を有するために、本方法は、数回繰返し行われると高い輝度及び抽出効率を達成することができる。一実施形態では、波長変換素子１１０は、粗面化することができるか、又は抽出効率を高める構造体を波長変換素子１１０自体に又は保護層内に含むことができる。
【００１９】
図２は、光学集光器１０８の出力ポート１０８out及び波長変換素子１１０の拡大図を示している。図２に示すように、波長変換素子１１０は、光学集光器１０８に付着される透明膜１１４に組み込まれた蛍光体粒１１２を含む。図２に示すように、例えば、青色光又は紫外線である注入光は、波長変換素子１１０に集束される。光学集光器１０８と波長変換素子１１０の間の境界面での反射損失を回避するために、光学集光器１０８及び透明膜１１４及び結合材料の屈折率は、類似のものであるべきである。一実施形態では、波長変換素子１１０の屈折率は、光が確実に波長変換素子１１０ようにするために、光学集光器及びあらゆる結合材よりも高いものとすることができる。注入光（破線で図示）が透明膜１１４内の蛍光体に注入されると、光は、蛍光体によってあらゆる方向に発散し、かつ散乱される（実線で図示）。図２に示すように、光の一部は、発光装置１０２に向けて戻り、そこで、再利用のために二色フィルタによって反射される。変換された光の別の一部は、波長変換素子１１０によって直接に空気（又は望ましい媒体）中に放出され、そこで、波長変換素子１１０を通過する注入光と結合される。別の実施形態では、図２に点線で示すように、波長変換素子１１０を覆うように層１２２を配置することができる。層１２２は、例えば、保護層、回折光学素子、ホログラム素子、二色フィルタ、又は反射偏光器とすることができる。従って、波長変換素子１１０は、層１２２を通じて間接的に空気（又は望ましい媒体）中に放出される光を生成することができる。
【００２０】
図３Ａ及び図３Ｂは、本発明と共に使用することができる光学集光器の別の実施形態を示している。図３Ａに示すように、光学集光器１５０は、２つの段を含み、第１の段１５４は、反射（開放）ＣＰＣであり、第２の段は、図１及び図２を参照して上述したように、波長変換素子１１０上に取り付けられる中実ＣＰＣである。光学集光器１５０の第１の段である反射ＣＰＣは、中空シェル、例えば中実体内の空洞として形成することができる。シェルの内面は、一部の実施形態では、上述したもののような反射材料で被覆することができる。第１の段１５２は、ガラス、プラスチック、又は金属の射出成形又は圧縮成形によって製造することができ、内面は、適切な反射性を有する材料で被覆される。第１の段１５２の空洞には、空気又は望ましい屈折率を有する気体を充填することができる。２段光学集光器１５０を使用する１つの利点は、サファイア、又はＢＫ７、Ｂ２７０、ＳＦ１０、ＳＦ５７、又はＦ２ガラス、又は「Ｚｅｏｎｅｘ」又は「Ｕｌｔｅｍ」のようなプラスチックのような高い屈折率を有する材料製の中実の第２の段１５４が、光学集光器全体が中実体である場合よりも小さいものになるということである。従って、製造費が軽減される。更に、第２の段は、点線で図３Ａに示すように、屈折率が高い材料の多重の層を含むことができる。例えば、第２の段１５４は、屈折率が適度に高いガラスの層１５６、サファイアの薄い層１５８、次に、ダイヤモンド（２．４１７）又はＧａＰ（３．４）のような屈折率が非常に高い材料の別の層１６０を含むことができる。
【００２１】
図３Ｂは、屈折レンズを使用し、かつ２つの段を含む別の光学集光器２００を示している。光学集光器２００の第１の段は、メニスカスレンズ２０２であり、第２の段は、ドームレンズ２０４であり、これに、波長変換素子１１０が取り付けられる。ドームレンズ２０４は、例えば、ＢＫ７、Ｂ２７０、ＳＦ１０、ＳＦ５７、又はＦ２ガラス、又は「Ｚｅｏｎｅｘ」又は「Ｕｌｔｅｍ」のようなプラスチック、又は適切な屈折率を有する他の材料で製造することができる。メニスカスレンズ２０２は、例えば、ＢＫ７、Ｂ２７０、ＳＦ１０、ＳＦ５７、又はＦ２ガラス、サファイア、アクリル、シリコーン、エポキシ、又は可能なあらゆる他の材料で製造することができる。代替的に、第１の段は、フレネルレンズ又は全反射（ＴＩＲ）レンズのような別の形式のレンズ素子とすることができる。一実施形態では、二色フィルタ２０６は、メニスカスレンズ２０２とドームレンズ２０４の間に位置する。従って、二色フィルタは、光学集光器の前以外の場所に位置することができ、一般的に、発光装置と波長変換素子の間に位置することを理解すべきである。
【００２２】
図４Ａ及び図４Ｂは、本発明と共に使用することができる光源の代替的な実施形態を示している。図４Ａは、発光装置１０２が集光光学要素なしに使用される実施形態を示している。図４Ａの実施形態は、本明細書においてその全内容が組み込まれている、本出願と同じ出願人を有する２００４年３月１９日出願のＭａｔｔｈｉｊｓ  Ｈ．Ｋｅｕｐｅｒ他による「発光ダイオード用光学システム」という名称の米国特許出願第１０／８０４，３１４号に開示されている構成と類似のものである。図４Ａに示す実施形態では、放出された光の一部のみが、光学集光器１０８によって集光される。しかし、光学集光器１０８が限定された角度受容に対して設計される場合、発光装置１０２の放射輝度は、依然として維持することができる。この場合、集束パワー、すなわち、入力面積に比較した出力面積は、より大きくなるであろう。図４Ａに示す実施形態の利点は、装置が相対的に設計しやすく、かつ製造しやすいということである。しかし、集光効率の損失を埋め合わせるために、比較的発光装置１０２の大型化、すなわち、ＬＥＤのアレイの大型化が必要である。代替的に、角度的光分布を調整する光子結晶、ＤＢＲ（分散ブラッグ反射体）、又は共振空洞ＬＥＤを有するＬＥＤアレイを使用することができる。
【００２３】
図４Ｂは、更に別のレンズ２５０及び２５０が発光装置１０２と光学集光器１０８の間に配置される実施形態を示している。更に別のレンズ２５０、２５２は、発光装置の画像を伴う光学集光器１０８を照らすのに使用される。図４Ｂでは２つのレンズを示すが、レンズを１つだけ又は更に別のレンズを使用することができることを理解すべきである。
【００２４】
図５Ａ及び図５Ｂは、複数の注入光源がある実施形態を示している。図５Ａは、例えば、付随の集光光学要素３０４を有する第１の発光装置３０２と、付随の集光光学要素３０５を有する第２の発光装置３０３とを示している。第１の発光装置３０２は、第１の波長範囲（例えば、紫外線）を有する光を生成することができ、第２の発光装置３０３は、第２の波長範囲（緑色光）を有する光を生成することができる。二色フィルタ３０８は、発光装置３０２からの光を通して発光装置３０３からの光を反射する。結合注入光は、二色フィルタ１０６を通じて光学集光器１０８によって受光される。上述のように、二色フィルタ１０６は、注入光を通し、波長変換素子１１０によって放出された光を反射する。２つの発光装置３０２、３０３を使用すると、注入光の量が有利に倍加される。
【００２５】
図５Ｂは、レンズ３２６及び３２７が、それぞれ発光装置３０２及び３０３によって生成された光を集光し、第３のレンズ３３０が、二色フィルタ１０６を通じて結合注入光を光学集光器１０８上に集光する点を除き、図５Ａに示すものと類似のものである実施形態を示している。
【００２６】
図６は、集光光学要素と光学集光器を含む光学システム４００を示している。図示のように、光学システム４００は、発光装置１０２と、集光光学要素１０４と、二色フィルタ１０６と、光学集光器１０８と、波長変換素子１１０とを有する第１の断面４０２を含む。発光装置１０２は、例えば、紫外注入光を生成し、波長変換素子１１０は、青色光を生成する。第２の断面４０４は、波長変換素子１１０を光源として使用し、第２の集光光学要素４０６と、第２の二色フィルタ４０８と、第２の光学集光器４１０と、第２の波長変換素子４１２とを含む。一実施形態では、第２の二色フィルタ４０８は、第２の通過が得られるように光が反射されて波長変換素子１１０に戻るように、波長変換素子１１０によって変換又は伝達された光、例えば、紫外線の波長の少なくとも一部を反射することができる。波長変換素子１１０を通過する光の円錐角を低減するために第２の集光光学要素４０６を使用すると、第２の二色フィルタ４０８の性能が改善される。また、第２の二色フィルタ４０８は、第２の波長変換素子４１２から放出された光、例えば、緑色光又は赤色光を反射することができる。一実施形態では、第２の波長変換素子４１２からの光の円錐角を低減するために第３の集光光学要素４１４を含めることができる。
【００２７】
本発明を例証のために特定的な実施形態に関連して示したが、本発明は、これらに限定されない。本発明の範囲から逸脱することなく様々な適応及び修正を行うことができる。更に、例えば、ＢＫ７、Ｂ２７０、ＳＦ１０、ＳＦ５７、又はＦ２ガラス、サファイア、及び「Ｚｅｏｎｅｘ」又は「Ｕｌｔｅｍ」のような透明プラスチックのような特定の形式の材料が指定されているが、必要に応じて、他のガラス、プラスチック、又はセラミックを含む他の材料を使用することができる。更に、「結合した」という用語は、本明細書では、接続される品目間の直接的な接続か又は１つ又はそれよりも多くの受動又は能動的な中間装置を通しての間接的な接続を意味するのに使用されているが、「接続した」という用語は、一切の中間装置なしに接続される品目間の直接的な接続を意味するのに使用されていることを理解すべきである。従って、特許請求の範囲の精神及び範囲は、先の説明に限定されるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施形態による光学システムを示す図である。
【図２】光学集光器の出力ポート及び波長変換素子の拡大図である。
【図３Ａ】本発明と共に使用することができる光学集光器の代替的な実施形態を示す図である。
【図３Ｂ】本発明と共に使用することができる光学集光器の代替的な実施形態を示す図である。
【図４Ａ】本発明と共に使用することができる光源の代替的な実施形態を示す図である。
【図４Ｂ】本発明と共に使用することができる光源の代替的な実施形態を示す図である。
【図５Ａ】複数の注入光源が使用される実施形態を示す図である。
【図５Ｂ】複数の注入光源が使用される実施形態を示す図である。
【図６】一連の集光光学要素及び光学集光器を含む光学システムを示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
１００  光学システム
１０２  発光装置
１０４  集光光学要素
１０６  二色フィルタ
１０８  光学集光器
１１０  波長変換素子
【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４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【外国語明細書】
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