(57)【要約】  発光素子１は、動作中、第１のスペクトル分布の第１の光１３を発する少なくとも１つの光源２と、発光材料から構成される導光体４を含み、導光体は、互いに対してゼロではない角度で延在する光入射面４１及び光出口面４２、並びに光出口面に対して平行かつ反対側に延在する第１の他の面４６を含み、さらに、導光体は、光入射面において第１のスペクトル分布の第１の光１３を受け取り、第１のスペクトル分布の第１の光の少なくとも一部を第２のスペクトル分布の第２の光１４に変換し、第２のスペクトル分布の第２の光を光出口面に誘導し、第２のスペクトル分布の第２の光を光出口面から出射する。発光素子は、さらに、第１の他の面と隣接するよう配置された蛍光体要素７７と、第１の他の面４６の反対側で蛍光体要素と隣接するよう配置された反射要素７６とを含む。蛍光体要素は、導光体から入射する光を第３のスペクトル分布の第３の光１７に変換し、導光体４０は、さらに、第１の他の面４６において第３のスペクトル分布の第３の光１７を受け取り、第３のスペクトル分布の第３の光４６を光出口面４２に誘導し、第３のスペクトル分布の第３の光を光出口面から出射する。
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【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第１の光を発する少なくとも１つの光源と、
発光材料から構成される導光体であって、前記導光体は、互いに対してゼロではない角度で延在する光入射面及び光出口面、並びに前記光出口面に対して平行かつ反対側に延在する第１の他の面を含み、前記導光体は、前記光入射面において前記第１のスペクトル分布の前記第１の光を受け取り、前記第１のスペクトル分布の前記第１の光の少なくとも一部を第２のスペクトル分布の第２の光に変換し、前記第２のスペクトル分布の前記第２の光を前記光出口面に誘導し、前記第２のスペクトル分布の前記第２の光を前記光出口面から出射する、導光体と、
前記第１の他の面と隣接する蛍光体要素と、前記第１の他の面の反対側で前記蛍光体要素と隣接する反射要素とを含み、前記蛍光体要素は、前記導光体から入射する光を第３のスペクトル分布の第３の光に変換し、
前記導光体は、さらに、前記第１の他の面において前記第３のスペクトル分布の前記第３の光を受け取り、前記第３のスペクトル分布の前記第３の光を前記光出口面に誘導し、前記第３のスペクトル分布の前記第３の光を前記光出口面から出射する、発光素子。
【請求項２】
前記光出口面に配置された光学素子をさらに含む、請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記蛍光体要素は、０．１ｍｍ〜１ｃｍの厚さを有する、請求項１又は２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記蛍光体要素は前記第１の他の面上に、前記反射要素は前記蛍光体要素上にそれぞれ配置される、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項５】
前記発光素子は、前記第１の反射要素と前記第１の他の面との間に配置された少なくとも２つの蛍光体要素を含む、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６】
前記蛍光体要素及び前記導光体は、ギャップによって隔てられる、請求項１乃至３及び５のいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項７】
前記蛍光体要素と反対側に前記第１の反射要素に隣接して第１のヒートシンク要素が設けられる、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項８】
前記第１のヒートシンク要素は、受動的冷却ヒートシンク要素、液冷ヒートシンク要素、１つ又は複数のフィンを有するヒートシンク要素、及び前記発光素子の外壁を形成するヒートシンク要素のうちの１つ又は複数である、請求項７に記載の発光素子。
【請求項９】
前記第１のヒートシンク要素は、前記第１の反射要素と直接接触するか、前記第１の反射要素に接着されるか、又は前記第１のヒートシンク要素と前記第１の反射要素との間にギャップが設けられる、請求項７又は８に記載の発光素子。
【請求項１０】
前記光学素子の上に第２のヒートシンク要素が設けられる、請求項２乃至９のいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項１１】
前記第２のヒートシンク要素は、受動的冷却ヒートシンク要素、液冷ヒートシンク要素、１つ又は複数のフィンを有するヒートシンク要素、及び光反射層又はコーティングを有するヒートシンク要素のうちの１つ又は複数である、請求項１０に記載の発光素子。
【請求項１２】
前記第３のスペクトル分布は、５９０ｎｍ〜８５０ｎｍの波長範囲内である、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項１３】
前記第２のスペクトル分布は、４９５ｎｍ〜５９０ｎｍの波長範囲内である、請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項１４】
前記第１のスペクトル分布は、３５０ｎｍ〜５５０ｎｍの波長範囲内である、請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項１５】
デジタル投影、自動車照明、ステージライト、店舗用照明、家庭用照明、アクセント照明、スポットライト、劇場照明、光ファイバ照明、表示システム、警告灯システム、医療用照明アプリケーション、装飾照明アプリケーションのうちの１つ又は複数の用途に使用される、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ランプ、照明器具、又は照明システム。
【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と、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とを含む発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
スポットライト、ヘッドライト、ステージライト、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短い波長の光を長い波長の光に変換するいわゆる発光性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、強度ゲイン及び輝度ゲインをもたらす。
【０００３】
かかる高強度光源を例えばビーマーにおいてＲＧＢ光を生成するために使用する場合、近年の発展は、例えば蛍光体に基づく変換による、青色ＬＥＤ光から緑色光への、又は緑色光を介して赤色光への段階的光変換を採用する発光素子を提案する。これは、非常に小さいエタンデュ、非常に高い輝度、及び高い効率性を要求し、結果として、１０〜６０Ｗ以上の入力電力を有する非常に小型の光源設計となる。かかる条件下では、大量の熱が生成され、特にエタンデュ及び効率性に悪影響を及ぼす。
【０００４】
このような発光素子は、光の進行方向で見て、構成要素が青色ＬＥＤ、緑色ルミネッセントロッド、赤色蛍光体、及び光学レンズの順に配置されるよう構成され得る。赤色蛍光体は、緑色ルミネッセントロッドと光学レンズとの間に接着等の手段によって取り付けられる。
【０００５】
文献ＵＳ２０１３／００３９０２９Ａ１は、同様な構造を有するライトエンジンを開示し、これは、発光素子内の光の進行方向で見て、構成要素が光源、導光体、光学素子、及びルミネッセント要素の順に配置されるよう構成される。また、光源と導光体の間にも光学素子が配置される。
【０００６】
上記従来デバイスの両方において、透光性かつ非散乱性であるべき赤色蛍光体の光学的品質、及び、高い温度勾配条件下でいくつかの要素を保持可能であるべき使用接着剤の機械的信頼性は、極めて重要である。したがって、高品質の赤色蛍光体材料、及び高品質の熱的に安定な接着剤が要求され、これはコストを増大させ、システムの信頼性を制限する。
【０００７】
ＵＳ２００８／００７９９１０Ａ１は、第１の波長範囲の光によって照射されると第２の波長範囲の光を発する蛍光材料を有するボディを含む照明システムを開示する。システムは、さらに、第１及び第２の波長範囲のうちの少なくとも１つに含まれる光を吸収し、第３の波長範囲内の光を発する第２の蛍光材料を少なくとも含む。ボディは取り出し領域を有し、第２又は第３の波長範囲内の光の少なくとも一部がボディ内で内部反射され、取り出し領域に向かう。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の一課題は、この問題を克服し、向上された信頼性及び耐久性を有し、より安価に製造可能な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】
【０００９】
本発明の第１の側面によれば、上記及び他の課題は、動作中、第１のスペクトル分布の第１の光を発する少なくとも１つの光源と、発光材料から構成される導光体であって、導光体は、互いに対してゼロではない角度で延在する光入射面及び光出口面、並びに光出口面に対して平行かつ反対側に延在する第１の他の面を含み、さらに、導光体は、光入射面において第１のスペクトル分布の第１の光を受け取り、第１のスペクトル分布の第１の光の少なくとも一部を第２のスペクトル分布の第２の光に変換し、第２のスペクトル分布の第２の光を光出口面に誘導し、第２のスペクトル分布の第２の光を光出口面から出射する、導光体と、第１の他の面と隣接するよう配置された蛍光体要素と、第１の他の面の反対側で蛍光体要素と隣接するよう配置された反射要素とを含み、蛍光体要素は、導光体から入射する光を第３のスペクトル分布の第３の光に変換し、導光体は、さらに、第１の他の面において第３のスペクトル分布の第３の光を受け取り、第３のスペクトル分布の第３の光を光出口面に誘導し、第３のスペクトル分布の第３の光を光出口面から出射する、発光素子によって達成される。
【００１０】
入射光の少なくとも一部を異なるスペクトル分布の変換光に変換するよう構成された導光体を発光素子に設けることにより、特に多量の変換光が導光体内に留まり、その後１つの面から取り出され得る導光体が提供され、これは、特に高い強度ゲインをもたらす。
【００１１】
互いに対してゼロではない角度で延在する光入射面及び光出口面を設けることにより、特に単純な幾何学的形状を有し、製造、及び光源との適切な位置合わせが非常に単純かつ迅速な発光素子が提供される。一実施形態では、光入射面及び光出口面は、互いに対して垂直に延在する。
【００１２】
一部の実施形態では、導光体はガーネットから構成される。ガーネットは、高い光化学的安定性を示し、よって、特に耐久性の高い発光素子を提供する。
【００１３】
入射光を第３のスペクトル分布の第３の光に変換する蛍光体要素を導光体の第１の他の面と隣接するよう配置し、導光体の第１の他の面の反対側に蛍光体要素と隣接するよう反射要素を配置することにより、入射光は蛍光体要素を２回、すなわち反射要素において反射される前に１回、反射された後に１回、通過する。したがって、蛍光体要素は、上記従来技術のデバイスと比較して顕著に薄くすることができ、具体的には約２倍薄くすることができる。これにより、蛍光体要素の光変換効果の品質を損なうことなく、蛍光体要素の許容可能な最低光学的品質が下がる。また、蛍光体要素が薄くなるほど、蛍光体要素内部の温度勾配が低くなり、これは、蛍光体要素と導光体との間の遷移層、及び／又は、蛍光体要素と導光体とを結合する層における機械的ストレスを低減する。
【００１４】
導光体を、第１の他の面において第３のスペクトル分布の第３の光を受け取り、第３のスペクトル分布の第３の光を光出口面に誘導し、第３のスペクトル分布の第３の光を光出口面から出射するよう構成することにより、光の輝度を損なうことなく、より広いスペクトル分布、すなわち、少なくとも第２及び第３のスペクトル分布を有する光を発し得る発光素子が得られる。このようにすることで、比較的高いパワー及び高い集光度、並びに低いエタンデュを有する光を出射するＲＧＢ光源又は白色光源が提供される。
【００１５】
さらに、この構成は、より広いスペクトル分布を有する光を発する発光素子を可能にし、これは、質が改良された白色光の提供を可能にする。
【００１６】
また、反射要素を設けることにより、光出口面以外の面を介して導光体から出る光の量を減らすことによって、光出力の効率性及び強度が向上される。一実施形態によれば、反射要素は、ミラープレート、ミラーフォイル、及びミラーコーティングのうちの１つ又は複数である。
【００１７】
一実施形態では、蛍光体要素と導光体との間にギャップが設けられる。他の実施形態では、蛍光体要素と導光体との間に光学素子が設けられる。一部の実施形態では、光学素子は、ギャップによって蛍光体要素から隔てられ、かつ／又は、ギャップによって導光体から隔てられる。一部の実施形態では、蛍光体要素は反射性ヒートシンク要素の上に配置される。他の実施形態では、反射要素がヒートシンク要素の上に配置され、蛍光体要素が反射要素の上に配置される。
【００１８】
蛍光体要素を導光体からギャップによって隔てることにより、蛍光体要素から導光体への、及びその逆の熱伝達が低減され、これにより、発光素子の熱管理が改善され、導光体及び／又は蛍光体要素内で生成される熱が減少される。
【００１９】
一実施形態では、発光素子は、さらに、光出口面に配置された光学素子を含む。
【００２０】
白色光を提供するよう構成された本発明に係る発光素子の実施形態では、光学素子は、凸レンズ、凹レンズ等のレンズ、又はレンズアレイである。あるいは、光学素子は、例えば格子、フィルタ、又は表面構造等であってもよい。光学素子は、所定のスペクトル分布又は波長範囲を選択的に反射する光学素子、例えば、導光体の光出口面に設けられたダイクロイックフィルタ、又はＣＰＣ（compound parabolic concentrator）等の他の光学素子の光出口面に設けられたダイクロイックフィルタを含み得る。このようにすることで、蛍光体要素によってより多くの光が第３の光に変換されるよう、蛍光体要素によって第３のスペクトル分布の第３の光に変換されていない所定のスペクトル分布又は波長範囲を選択的に反射することにより、蛍光体要素によるより効率的な波長変換が提供される。ダイクロイックフィルタによって反射された光は、導光体を介して蛍光体要素に誘導され、第３のスペクトル分布の第３の光に変換され得るからである。例えば、赤色蛍光体要素の場合、緑色及び／又は黄色光が選択的反射光学素子によって反射され、導光体を介して赤色蛍光体要素に誘導され、少なくとも部分的に赤色光に変換されることにより、より効率的な赤色光への変換が提供され得る。
【００２１】
これにより、導光体の光出口面から出射される光が成形及び／又は混合され、一層高い品質を有し、特定の用途に適合可能な光出力を供給する発光素子が提供される。また、少なくとも一部の実施形態では、光学素子は、光出口面からの光取り出しを改良し、光出力の強度を向上させる。特に、光学素子がレンズ又はレンズアレイを含む場合、異なるスペクトル分布を有する光出力の成分又はビームの向上された重畳が得られ、よって、より質が高い光出力が供給され得る。
【００２２】
一実施形態では、蛍光体要素は、０．１ｍｍ〜１ｃｍの厚さを有する。蛍光体要素の厚さとは、ここでは、第１の他の面と隣接する蛍光体要素の面と、反射要素と隣接する蛍光体要素の面との間の最短の垂直距離として定義される。かかる蛍光体要素は、蛍光体要素の光変換効果の高い質への要求と、可能な限り蛍光体要素における温度勾配を低くすることへの要求との間の特に良好な平衡を提供する厚さを有することが認められる。
【００２３】
一実施形態では、蛍光体要素は第１の他の面上に、反射要素は蛍光体要素上にそれぞれ接着され、コーティングされ、又は蒸着される。一般的には最も単純かつ安価で、よって好ましい結合方法又は材料である接着剤の場合、本発明に係る発光素子によって可能にされた薄い蛍光体要素は、蛍光体要素内での低い内部温度勾配を提供し、これは、接着層におけるより低い機械的ストレスをもたらす。また、薄い蛍光体要素の場合、接着剤又は他の結合材料が支持しなければならない重量が小さくなる。これにより、より長い寿命を有し、よってより高い耐久性を有する発光素子が提供される。
【００２４】
コーティング又は蒸着による結合の場合、反射要素、蛍光体要素、及び導光体の間の各遷移層に関して同じ効果が得られる。
【００２５】
一実施形態では、発光素子は、第１の反射要素と第１の他の面との間に配置された少なくとも２つの蛍光体要素を含む。これにより、より多くの異なるスペクトル分布の光成分を含む光出力を提供することを可能にする発光素子が得られる。
【００２６】
一実施形態では、蛍光体要素と反対側に第１の反射要素と隣接して第１のヒートシンク要素が設けられる。これにより、導光体からの熱放散、特に、蛍光体要素及び反射要素からの熱放散が顕著に改善される。これは、寿命を短くすることなくより高い最大光パワーで動作することを可能にし、また、蛍光体要素の変換効率を向上させ、これにより、発光素子の最大取得可能出力光強度が大幅に上昇する。さらに、例えば熱消光等に起因する光学性能への悪影響が顕著に低減され又は排除さえされ、これは、改良された光学性能、特に改良されたエタンデュ及び効率性を有する、信頼性が顕著に高い発光素子を提供する。
【００２７】
一実施形態では、第１のヒートシンク要素は、受動的冷却ヒートシンク要素、液冷ヒートシンク要素、１つ又は複数のフィンを有するヒートシンク要素、及び発光素子の外壁を形成するヒートシンク要素のうちの１つ又は複数である。
【００２８】
上記実施形態の全てが、一層向上された冷却効果を提供し、よって特に蛍光体要素及び反射要素を顕著に効率的に冷却するヒートシンク要素を有する発光素子を提供する。
【００２９】
第１のヒートシンク要素は、反射要素と直接接触するよう配置され、反射要素に接着され、又は第１のヒートシンク要素と反射要素との間にギャップが設けられるよう配置され得る。
【００３０】
一実施形態では、光学素子の上に第２のヒートシンク要素が設けられる。第１のヒートシンク要素に関して上記したものと同様な効果に加えて、光学素子の上にヒートシンク要素を設けることは、光学素子の直接的な冷却を提供し、よって、光学素子のより高い効率性を提供する。
【００３１】
一実施形態では、第２のヒートシンク要素は、受動的冷却ヒートシンク要素、液冷ヒートシンク要素、１つ又は複数のフィンを有するヒートシンク要素、及び光反射層又はコーティングを有するヒートシンク要素のうちの１つ又は複数である。
【００３２】
上記実施形態の全てが、向上された冷却効果を提供し、よって特に光学素子を顕著に効率的に冷却するヒートシンク要素を有する発光素子を提供する。
【００３３】
一実施形態では、蛍光体要素は、入射光を５９０ｎｍ〜８５０ｎｍの波長範囲内の第３のスペクトル分布の第３の光に変換する。
【００３４】
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第１の光の少なくとも一部を、４９５ｎｍ〜５９０ｎｍの波長範囲内の第２のスペクトル分布の第２の光に変換する。
【００３５】
一実施形態では、少なくとも１つの光源はＬＥＤ、レーザーダイオード、又はＯＬＥＤであり、３５０ｎｍ〜５５０ｎｍの波長範囲内の第１のスペクトル分布の光を発する。
【００３６】
上記発光素子の実施形態のいずれによっても、高品質かつ高い強度の白色光出力を提供するのに特に適した発光素子が提供される。これら３つの実施形態の２つ又は３つ全てを組み合わせることにより、特に高品質かつ高い強度の白色光出力が得られ得る。
【００３７】
本発明は、さらに、デジタル投影、自動車照明、ステージライト、店舗用照明、家庭用照明、アクセント照明、スポットライト、劇場照明、光ファイバ照明、表示システム、警告灯システム、医療用照明アプリケーション、装飾照明アプリケーションのうちの１つ又は複数の用途に使用される、本発明に係る発光素子を含むランプ、照明器具、又は照明システムに関する。
【００３８】
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連することに留意されたい。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
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。
【００４０】
【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、蛍光体ホイールを有する発光素子の断面図を示す。
【図３】図３は、出口面に光学素子を有する導光体の側面図を示す。
【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全体に渡って成形された導光体の斜視図を示す。
【図５】図５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６】図６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７】図７は、第１の光入力面とは異なる導光体の面に配置された第２の光源を有する導光体を示す。
【図８Ａ−８Ｂ】図８Ａ及び図８Ｂ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９】図９は、本発明に係る発光素子の第１の実施形態の斜視図を示す。
【図１０】図１０は、図９に係る発光素子の側面図を示す。
【図１１】図１１は、ａ）図９及び図１０に係る発光素子、ｂ）光出口面に蛍光体要素が配置された発光素子、及びｃ）２つの蛍光体要素を含む本発明に係る発光素子の光出力のスペクトル分布を表すグラフを示す。
【図１２】図１２は、本発明に係る発光素子の第２の実施形態の側面図を示す。
【図１３】図１３は、本発明に係る発光素子の第３の実施形態の側面図を示す。
【図１４】図１４は、本発明に係る発光素子の第４の実施形態の側面図を示す。
【図１５】図１５は、本発明に係る発光素子の第５の実施形態の側面図を示す。
【図１６】図１６は、図１５に係る３つの異なる発光素子、及び光学素子としての３つの異なるレンズに関する、ヒートシンク要素の冷却係数の関数としての蛍光体要素の温度低下として冷却効果を表すグラフを示す。
【図１７】図１７は、本発明に係る発光素子の他の実施形態の側面図を示す。
【００４１】
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。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、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】
【００４２】
以下、本発明の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。
【００４３】
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１７を参照しながら詳細に説明される。
【００４４】
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。
【００４５】
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、又はこれらの任意の組み合わせ等の固体光源である。原則的に、ＬＥＤは任意の色のＬＥＤ又はその組み合わせであり得るが、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。
【００４６】
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。
【００４７】
他の例は、４８０ｎｍ〜８００ｎｍの波長範囲内の光を発し、当該光をルミネッセンスロッド又は導光体に入射させる第１の赤色光源と、青色、ＵＶ、又は紫色光、すなわち４８０ｎｍ未満の波長の光を発し、同様に出射光をルミネッセンス導光体又はロッドに入射させる第２の光源との組み合わせである。第２の光源の光は、ルミネッセンス導光体又はロッドによって４８０ｎｍ〜８００ｎｍの波長範囲に変換され、ルミネッセンス導光体又はロッドに入射した第１の光源の光は変換されない。言い換えれば、第２の光源はＵＶ、紫色、又は青色光を発し、後にルミネッセンス集光器によって緑色−黄色−橙色−赤色スペクトル領域内の光に変換される。他の実施形態では、第１の光源は、５００ｎｍ〜６００ｎｍの波長範囲内の光を発し、第２の光源の光は、ルミネッセンス導光体又はロッドによって５００ｎｍ〜６００ｎｍの波長範囲に変換される。他の実施形態では、第１の光源は、６００ｎｍ〜７５０ｎｍの波長範囲内の光を発し、第２の光源の光は、ルミネッセンス導光体又はロッドによって６００ｎｍ〜７５０ｎｍ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ッセンス導光体又はロッドに入射する面とは異なる面、例えば、光出口面と対向する面を介してルミネッセンス導光体又はロッドに入射する。これらの実施形態は、上昇された輝度で赤色光範囲内の光を発するルミネッセンス導光体又はロッドを提供する。
【００４８】
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。光は概して長さＬの方向に誘導される。高さＨは、１０＜ｍｍ、＜５ｍｍ、＜２ｍｍであり得る。幅Ｗは、＜１０ｍｍ、＜５ｍｍ、＜２ｍｍであり得る。長さＬは、幅Ｗ及び高さＨより大きく、少なくとも幅Ｗの２倍又は高さＨの２倍であり、少なくとも幅Ｗの３倍又は高さＨの３倍であり得る。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、互いに平行で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。
【００４９】
一部の実施形態では、透明導光体は、その上にＬＥＤ等の複数の光源がエピタキシャル成長させられる透明基板を含み得る。一部の実施形態では、基板は、例えばサファイア基板等の単結晶基板である。これらの実施形態では、光源の透明成長基板は集光導光体である。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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角部、Ｕ字形、円形若しくは楕円形、環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、曲げられ、且つ／又は成形されてもよい。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、曲げられ、且つ／又は成形された導光体の長さ沿いの任意の位置に配置され得る。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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、分子構造を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。
【００５７】
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、他の実施形態では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、他の実施形態では０≦ｘ≦０．２）。
【００５８】
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、Ｔｂ、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（Ｍ＜ＩＩ＞がＴｂでない場合）、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、例えば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Ｃｅドープ・ルテチウム・アルミニウム・ガーネット（ＬｕＡＧ）等；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。
【００５９】
発光性導光体は、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。
【００６０】
上記蛍光体に代えて又は加えて、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】
2017506820.tif 000003
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
青色又はＵＶ光源を用いて白色光を生成するための代替案は、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。
【００６６】
図２は、後述される本発明の実施形態に係る導光体４０１５を含む発光素子１００１を示す。図２に示される発光素子１００１は、回転可能な蛍光体ホイール１６００を含み、また導光体４０１５と蛍光体ホイール１６００との間に配置された結合素子７７００を更に含む。
【００６７】
発光素子１００１は、更に、ベース又は基板１５００上に配置された複数のＬＥＤ２１００、２２００、２３００の形態の光源を含む。複数のＬＥＤ２１００、２２００、２３００は、導光体４０１５の変換部６１１０をポンピングして、緑色又は青色光等の第３のスペクトル分布を有する光１７００を生成するために使用される。回転軸１６２０まわりに回転方向１６１０に回転している蛍光体ホイール１６００は、第３のスペクトル分布を有する光１７００を赤色及び／又は緑色光等の第２のスペクトル分布を有する光１４００に変換するために使用される。原則的に、光１７００及び光１４００の任意の色の組み合わせが実施可能であることに留意されたい。
【００６８】
蛍光体ホイール１６００の側面方向の断面図を示す図２に示されるように、蛍光体ホイール１６００は透明モードで使用され、すなわち、片側において入射光１７００が蛍光体ホイール１６００に入射し、蛍光体ホイール１６００を通過して、光出口面４２００を形成する反対側から出射される。代わりに、光が蛍光体ホイール１６００に入射する面と同じ面から光が出射されるよう、蛍光体ホイール１６００が反射モード（図示無し）で使用されてもよい。
【００６９】
蛍光体ホイール１６００は、全体に渡り単一の蛍光体を含んでもよい。あるいは、蛍光体ホイール１６００は、光１７００の一部が変換されることなく通過し得るよう、蛍光体を一切含まないセグメントを含んでもよい。このようにすることで、順次他の色を生成することができる。他の変形例では、蛍光体ホイール１６００は、多色光出力を作成するために、例えば黄色、緑色、及び赤色光を発する蛍光体のセグメント等、複数の蛍光体セグメントを含んでもよい。他の変形例では、発光素子１００１は、蛍光体ホイール１６００上にピクセル化された蛍光体−反射体パターンを用いることによって白色光を生成するよう構成されてもよい。
【００７０】
一実施形態では、結合素子７７００は、蛍光体ホイール１６００に入射する光１７００をコリメートするのに適した光学素子であるが、例えば上記の結合媒体又は結合構造７７００等の結合媒体又は結合構造であってもよい。発光素子１００１は、更に、追加のレンズ及び／又はコリメータを含み得る。例えば、光源２１００、２２００、２３００によって発せられた光、及び／又は、発光素子１００１によって発せられた光１４００をコリメートするよう、追加の光学素子が配置されてもよい。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
図４及び図５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４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。
【００７７】
図５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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
図６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。
【００８１】
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。図６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。
【００８２】
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。
【００８３】
図６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。
【００８４】
図７は、導光体４０８０の光入力面４１００に隣接して配置された、第１のスペクトル分布の光を発する第１の光源２１００、２２００、２３００を含む導光体４０８０の側面図を示す。導光体４０８０は、更に、光入力面４１００と平行な導光体４０８０の反対側の面４５００に隣接して配置された、第１のスペクトル分布とは異なる第２のスペクトル分布の光を発する少なくとも１つの第２の光源２４００を更に含む。導光体４０８０は、第１のスペクトル分布の光の少なくとも一部を、第１のスペクトル分布とは異なる第３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変換することなく誘導するよう構成される。このようにすることで、導光体４０８０によって光出口面４２００から出射された光１７００は、少なくとも第２のスペクトル分布の光及び第３のスペクトル分布の光、また、一部は変換されずに残り得るため、場合によっては並びに第１のスペクトル分布の光の組み合わせを含む。非限定的な例として、第１のスペクトル分布は４００ｎｍ未満の波長範囲内であり、第２のスペクトル分布は赤色波長範囲、すなわち５００〜８００ｎｍ内であり、第３のスペクトル分布は４００〜５００ｎｍの波長範囲内であり得る。他の非限定的な例として、第１のスペクトル分布は緑色波長範囲、すなわち４００〜５００ｎｍ内であり、第２のスペクトル分布は赤色波長範囲、すなわち５００〜８００ｎｍ内であり、第３のスペクトル分布は４４０〜６００ｎｍの波長範囲内であり得る。他の非限定的な例として、第１の光源２１００、２２００、２３００は４４０〜４８０ｎｍの波長範囲内の光を発し、導光体４０８０は第１の光源によって発せられた光を４８０〜６００ｎｍの範囲内の波長の光に変換し、第２の光源２４００は６００〜８００ｎｍの波長範囲内の光を発し得る。原則的に、第１、第２、及び第３のスペクトル分布のあらゆる実施可能な組み合わせが使用可能であることに留意されたい。これにより、白色光を生成する単純且つ効率的な方法が得られる。
【００８５】
図７に示されるように、導光体４０８０は、第２の光源２４００からの光を導光体４０８０内に導入するよう構成された結合素子７７１０を更に含む。結合素子７７１０は、上記したような結合構造又は結合媒体であり得る。結合素子はオプションの要素であり、よって省かれてもよく、その場合、第２の光源は導光体と直接光接触するよう配置され得る。
【００８６】
２つ以上の第２の光源が設けられてもよい。これらの実施形態では、更に、異なるスペクトル分布の光を発する第２の光源を設け、異なる面に配置された第２の光源が異なるスペクトル分布の光を発することも可能である。更に、第２の光源は、代替的に又は追加で、光入力面４１００とは異なる導光体４０８０の２つ以上の面、例えば２つの異なる面に配置され得る。例えば、少なくとも１つの第２の光源２４００は、導光体４０８０の光出口面４２００の反対側の面に配置され得る。
【００８７】
図８Ａ及び図８Ｂは、導光体４０９０Ａ、４０９０Ｂの光入力面とは異なる１つの表面上に、対応する面から約３０μｍ以内の距離に設けられ得るヒートシンク要素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。
【００８８】
図８Ａ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。
【００８９】
図８Ｂ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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
図９は、本発明の第１の一般的実施形態に係る発光素子１の斜視図を示す。図１０は、図９に係る発光素子１の側面図を示す。発光素子１は、一般的に、それぞれが少なくとも１つのＬＥＤ又はレーザーダイオード等の固体光源を含む複数の光源２１、２２、２３と、光入射面４１及び光出口面４２を有する導光体４とを含む。適切なＬＥＤ又はレーザーダイオードの種類は上記の通りである。
【００９３】
導光体４は、概して、光入射面４１、及び光入射面４１に対してゼロではない角度で延在する導光体４の端面である光出口面４２を有する正方形のプレートの形状を有するものとして図示されている。導光体４は、さらに、光出口面４２に対して平行かつ反対側に延在する第１の他の面４６、並びに第２、第３、及び第４の他の面４３、４４、及び４５を有する。導光体４は、例えばバー状又はロッド状の形状を有してもよい。
【００９４】
光入射面４１と光出口面４２との間の角度が９０°未満、９０°、及び９０より高い実施形態は全て実施可能であり、本発明の範囲に含まれることに留意されたい。
【００９５】
導光体４は発光材料からなり、適切な発光材料は上記の通りである。また、一実施形態では、導光体４は透光性、発光性、集光性、又はこれらの組み合わせであり、適切な材料は上記の通りである。
【００９６】
発光素子１は、さらに、導光体４の第１の他の面４６に隣接し、実施形態によっては光接触するよう配置された蛍光体要素７７をさらに含む。蛍光体要素７７は、入射光を第３のスペクトル分布の第３の光１７に変換するよう構成される。本実施形態では、導光体４の第１の他の面４６は、導光体４の光出口面４２と反対側に位置する。
【００９７】
発光素子１は、さらに、導光体４の第１の他の面４６の反対側の、言い換えれば第１の他の面４６に背を向ける蛍光体要素７７の表面７７１に隣接して又はその上に配置された反射要素７６を含む。したがって、蛍光体要素７７は、導光体４の第１の他の面４６と反射要素７６との間に配置される。一実施形態では、蛍光体要素７７及び反射要素７６は互いに光接触するよう配置される。
【００９８】
図示されるように、本実施形態では、反射要素７６は蛍光体要素７７と直接接触するよう構成されており、蛍光体要素７７は第１の他の面４６と直接接触するよう構成されている。代わりに、反射要素７６と蛍光体要素７７との間、及び蛍光体要素７７と第１の他の面４６との間の一方又は両方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。
【００９９】
反射要素７６は、例えば、蛍光体要素７７上に光学接着剤によって接着され、コーティングされ、又は蒸着されたミラープレート、ミラーフォイル、又はミラーコーティング等であり得る。適切な蒸着方法は、限定はされないが、薄膜蒸着、化学蒸着、及び物理蒸着を含む。
【０１００】
図９ではミラープレートとして図示されている反射要素７６は、実質的に蛍光体要素７７の全表面積を覆う。
【０１０１】
本実施形態では、発光素子は、さらに、導光体４の光出口面４２に配置された、光出口面４２と光接触する光学素子８０を含む。一実施形態では、光学素子８０は、凹レンズ、凸レンズ等のレンズ、又はレンズアレイである。
【０１０２】
図１０を参照して、発光素子１は概して以下のように機能する。光源２１、２２、２３によって第１のスペクトル分布の第１の光１３が発せられる。第１のスペクトル分布の第１の光１３は、その後、光入射面４１において導光体４に入射する。第１のスペクトル分布の第１の光１３の少なくとも一部は、導光体４によって第２のスペクトル分布の第２の光１４に変換される。少なくとも第１のスペクトル分布の第１の光１３の一部、及び／又は第２のスペクトル分布の第２の光１４の一部は、蛍光体要素７７を通過し、反射要素７６によって反射され、蛍光体要素７７を逆行する。蛍光体要素７７を通過する光の少なくとも一部は、第３のスペクトル分布の第３の光１７に変換される。第３のスペクトル分布の第３の光１７は、実質的に変換されることなく導光体を通過し得る。最後に、第２のスペクトル分布の第２の光１４、第３のスペクトル分布の第３の光１７、及び残りの未変換の第１のスペクトル分布の第１の光１３が光出口面４２において導光体４から取り出され、よって、発光素子１によって出射される。
【０１０３】
第２のスペクトル分布の第２の光１４、第３のスペクトル分布の第３の光１７、及び第１のスペクトル分布の残りの未変換の第１の光１３を導光体４の１つの面４２からのみ取り出すことにより、強度ゲインが達成され、広いスペクトル分布の光出力を確保するとともに、光を集中させることができる。本実施形態では、光学素子８０は光を成形する役割を果たし、特にレンズの場合は焦点を合わせることによってこれを果たし、これにより、例えば所望の用途に応じた成形、例えばさらなる集光をもたらす。
【０１０４】
このようにすることで、高出力、高い集光度、及び低いエタンデュの光を有するＲＧＢ光源又は白色光源が提供される。
【０１０５】
一部の実施形態では、第１のスペクトル分布、第２のスペクトル分布、及び第３のスペクトル分布は、互いに異なるスペクトル分布である。したがって、一実施形態では、光源２１、２２、２３は青色光を発し、導光体は青色光を緑色光に変換し、蛍光体要素７７は青色及び／又は緑色光を赤色光に変換する。
【０１０６】
（図示されていない）一実施形態では、光学素子は、所定のスペクトル分布又は波長範囲を選択的に反射する選択的反射光学素子を含む。例えば、光学素子は、複合パラボラ集光器（compound parabolic concentrator；ＣＰＣ）であり得る光学素子８０の光出口面におけるダイクロイックフィルタ又はダイクロイックフィルタを含む。このようにして、蛍光体要素７７によってより多くの光が第３の光に変換されるよう、（蛍光体要素によって第３のスペクトル分布の第３の光に変換されていない）所定のスペクトル分布の光を選択的に反射することにより、蛍光体要素７７によるより効率的な波長変換が達成される。ダイクロイックフィルタによって反射された光は少なくとも部分的に蛍光体要素７７に送られて受光され、よってより多くの光が第３の光に変換されるからである。例えば、選択的反射光学素子は、第１及び第２の光を反射し、その後これらの光は導光体を介して、これらの光を（少なくとも部分的に）第３の光に変換する蛍光体要素７７に誘導され、これにより、導光体から出射される第３の光の量が増加する。例えば、赤色蛍光体要素の場合、選択的反射光学素子によって緑色及び／又は黄色光が反射され、導光体を介して赤色蛍光体要素に誘導され、（少なくとも部分的に）赤色光に変換されることにより、より効率的な赤色光への変換が提供される。
【０１０７】
他の実施形態では、光入射面４１、光出口面４２、及び第１の他の面４６以外の導光体４の１つ又は複数の面、すなわち、第２、第３、及び第４の他の面４３、４４、及び４５が、ミラー要素又は反射層を有してもよい。
【０１０８】
図１１は、３つの異なる発光素子の光出力のスペクトル分布を示すグラフを示す。曲線ａ）は、図９及び図１０に示される本発明に係る発光素子の光出力のスペクトル分布を示し、曲線ｂ）は、導入部で述べた種類の発光素子の光出力のスペクトル分布を示し、曲線ｃ）は、２つの蛍光体要素を含む本発明に係る発光素子の光出力のスペクトル分布を示す（ｃｆ．例えば図１４及び１５）。各曲線は、対応する発光素子の光出力の光パワーを波長の関数として示す。
【０１０９】
図１１から、本発明に係る発光素子、ｃｆ．曲線ａ）は、従来技術のデバイス、ｃｆ．曲線ｂ）と比較して、相当に幅広い波長範囲にわたって高い光パワー、すなわち高い強度を有するスペクトル分布の光出力を提供することがわかる。
【０１１０】
また、２つの蛍光体要素を含む本発明に係る発光素子、ｃｆ．曲線ｃ）に関して、従来技術と比較して、ピーク光パワーが上昇し、より長い波長にシフトしていることが理解され得る。
【０１１１】
次に、図１２を参照して、本発明に係る発光素子１０１の第２の実施形態の側面図が示されている。発光素子１０１は、図９及び１０を参照して上記されたものと比較して、第１のヒートシンク要素７０をさらに含むという点で異なる。第１のヒートシンク要素７０は、概して、蛍光体要素７７と反対側を向き、よって導光体４の第１の他の面４６と反対側を向く反射要素７６の面７６２の上に又は付近に配置される。本実施形態では、第１のヒートシンク要素７０は、蛍光体要素７７の反対側に、反射要素７６に隣接するよう配置される。
【０１１２】
本実施形態では、第１のヒートシンク要素７０は不透明であり、向上された熱分散のために１つ又は複数のフィン７１、７２、７３を有する。しかし、フィン７１、７２、７３は原則的に省かれ得ることに留意されたい。
【０１１３】
一実施形態では、第１のヒートシンク要素７０は銅、鉄、又はアルミニウム等の金属からなる。また、第１のヒートシンク要素７０は、アルミナ又は窒化ホウ素等の反射セラミックから形成されてもよい。一般的に、かかる不透明な第１のヒートシンク要素７０に適した材料は、例えば１Ｗ／（ｍ＊Ｋ）より大きく、実施形態によっては１０Ｗ／（ｍ＊Ｋ）より大きく、場合によっては２０Ｗ／（Ｋ＊ｍ）より大きい高い熱伝導率を有する材料である。
【０１１４】
本明細書に示される実施形態では、第１のヒートシンク要素７０のフィン７１、７２、７３は、ヒートシンク要素の横断方向に延在し、言い換えれば、ヒートシンク要素が取り付けられた状態において、導光体４の光出口面４２及び第１の他の面４６の両方に対して実質的に垂直な方向に延在する。ヒートシンク要素のフィンが他の方向、例えば、ヒートシンク要素の長さ方向、言い換えれば、導光体４の光出口面４２に対して平行な方向に延在する他の実施形態も可能である。
【０１１５】
本明細書に示される実施形態では、第１のヒートシンク要素７０は、蛍光体要素７７と反対側の反射要素７６の面７６２の全面積にわたり延在する。しかし、第１のヒートシンク要素７０が蛍光体要素７７と反対側の反射要素７６の面７６２の一部の領域しか覆わない他の実施形態も可能である。さらに、蛍光体要素の反対側を向く反射要素７６の面７６２と、蛍光体要素７７と隣接して延在する反射要素７６の面７６１との間に延在する反射要素７６の４つのさらなる面（うち３つは７６３、７６４、及び７６５によって示され、４つ目は図１２では見えない）の一部又は全てにヒートシンクがさらに延在する追加の又は代替的な実施形態も可能である。
【０１１６】
次に、図１３を参照して、本発明に係る発光素子１０２の第３の実施形態の側面図が図示されている。発光素子１０２は、発光素子１０２の少なくとも部分的な外周壁の一部を形成するという点で図１２に示される第１のヒートシンク要素７０と異なる第１のヒートシンク要素７０１の他の実施形態を含む。より具体的には、第１のヒートシンク要素７０１は、それぞれが発光素子１０２の少なくとも部分的な外周壁の一部を形成する３つの部分７１０、７１１、７１２を含む。あるいは、第１のヒートシンク要素７０１は、発光素子１０２の少なくとも部分的な外周壁の１つ、２つ、又は４つの部分を含み得る。
【０１１７】
第１のヒートシンク要素７０又は７０１は、さらに、受動的冷却及び／又は液冷式のヒートシンク要素であってもよい。受動的冷却は、図１２に示されるフィン７１、７２、７３等のフィンによって、及び／又は、ファン等の追加の送風機によって提供され得る。液冷は、例えば、第１のヒートシンク要素７０又は７０１に冷却液が通過する流路を設けることによって提供され得る。
【０１１８】
次に、図１４を参照して、本発明に係る発光素子１０３の第４の実施形態の側面図が示されている。発光素子１０３は、第２のヒートシンク要素７８、７９、及び２つの蛍光体要素７７１、７７２を含む点で、上記実施形態と異なる。
【０１１９】
第２のヒートシンク要素７８、７９は、概して、導光体４の光出口面４２と反対側を向き、光出口面４２と隣接するよう延在する光学素子８０の面８１２、８１３の上に又は付近に配置される。一実施形態では、第２のヒートシンク要素７８、７９は、光学素子８０と直接（光）接触せず、第２のヒートシンク要素と光学素子との間に約１μｍより大きなギャップが設けられる。良好な熱接触を確保するため、ギャップは約１０μｍ以下であるべきである。
【０１２０】
図１４に示されるように、光学素子８０は、導光体４の光出口面４２と反対側を向き、光出口面４２に隣接して延在し、さらに導光体４の光出口面４２に隣接して平行に延在する面８１０と、面８１０に対して平行かつ反対側に延在する面８１１との間に延在する２つの面８１２、８１３を含む（ｃｆ．図９）。したがって、発光素子１０３は、さらに、２つの第２のヒートシンク要素７８及び７９を有する。
【０１２１】
本明細書に示される実施形態では、第２のヒートシンク要素７８、７９は、導光体４の光出口面４２と反対側を向き、光出口面４２に隣接して延在する光学素子８０の面８１２、８１３の全面積にわたって延在する。しかし、導光体４の光出口面４２と反対側を向き、光出口面４２に隣接して延在する光学素子８０の面８１２、８１３の面積の一部のみにわたって第２のヒートシンク要素７８、７９が延在する他の実施形態も可能である。
【０１２２】
第２のヒートシンク要素７８、７９は、反射材料から形成されてもよい。また、面８１２と面８１３との間に延在する光学素子８０の面の少なくとも一部の上に追加のヒートシンク要素が設けられ、又はかかる面にかけても延在する第２のヒートシンク要素が設けられてもよい。
【０１２３】
２つの蛍光体要素７７１、７７２は、導光体４の第１の他の面４６と反射要素７６との間に配置される。２つの蛍光体要素７７１、７７２は、一部の実施形態では、異なる蛍光体として、すなわち、互いに異なるスペクトル分布の光を発する蛍光体として設けられる。これにより、一層広いスペクトル分布を有する光出力を有する発光素子１０３が提供され得る。
【０１２４】
次に、図１５を参照して、本発明に係る発光素子１０４の第５の実施形態の側面図が示されている。ここでは、光学素子８０は、互いに反対側に位置する面８１０と面８１１との間に１つの周面８１２が存在し、結果的に周面８１２の少なくとも一部にかけて１つの周状の第２のヒートシンク要素７８が延在するよう構成される。
【０１２５】
実施形態によらず、第２のヒートシンク要素７８は、さらに、受動的冷却及び／又は液冷ヒートシンク要素であってもよい。受動的冷却は、フィンによって、及び／又は、ファン等の追加の送風機によって提供され得る。液冷は、例えば、第２のヒートシンク要素７８に冷却液が通過する流路を設けることによって提供され得る。
【０１２６】
一部の実施形態では、第２のヒートシンク要素７８、７９は不透明である。一部の実施形態では、第２のヒートシンク要素７８、７９は光に対して反射性であるが熱放射に対しては反射性でなく、かつ／又は、光学素子８０に面する表面上に光反射コーティングを有する。
【０１２７】
一部の実施形態では、第２のヒートシンク要素７８、７９は、銅、鉄、又はアルミニウム等の金属からなる。実施形態によらず、第２のヒートシンク要素７８、７９は、アルミナ又は窒化ホウ素等の反射セラミックから形成されてもよい。一般的に、かかる不透明な第２のヒートシンク要素７８、７９に適した材料は、例えば１Ｗ／（ｍ＊Ｋ）より大きく、実施形態によっては１０Ｗ／（ｍ＊Ｋ）より大きく、場合によっては２０Ｗ／（Ｋ＊ｍ）より大きい高い熱伝導率を有する材料である。
【０１２８】
図１５に示される発光素子１０４は、さらに、導光体４の光出口面４２と光学素子８０との間に配置された第２の蛍光体要素９０を含む。蛍光体要素７７及び９０は、一部の実施形態では、異なる蛍光体として、すなわち、互いに異なるスペクトル分布の光を出射する蛍光体として設けられる。これにより、一層広いスペクトル分布を有する光出力を有する発光素子１０４が提供され得る。他の実施形態によれば、蛍光体要素７７、９０は同一の蛍光体として、すなわち、同一のスペクトル分布の光を出射する蛍光体として設けられる。
【０１２９】
最後に、図１６はＣＰＣの形態の光学素子の外部における熱伝達係数hcpc_coolingの対数関数としての第２の蛍光体要素９０の温度低下によって冷却効果を表すグラフを示す。hcpc_coolingは、図１５に係る３つの異なる発光素子、及び光学素子としての４つの異なるレンズについて、第２のヒートシンク要素７８のW/m2Kを単位として測定された。
【０１３０】
一例として、図１６において三角形で示される上から２つ目の曲線は、1.4 W/mKの熱伝導度又はｋ値を有するガラスからなるレンズの形態の光学素子８０、及びhcpc_cooling = 10 W/m2K ~ hcpc_cooling = 10,000 W/m2K弱のhcpc_cooling値を有する異なる第２のヒートシンク要素７８、７９を有する本発明に係る発光素子に対して実行された測定の結果を示す。グラフから分かるように、かかるレンズ及び例えばhcpc_cooling = 100 W/m2Kを有する第２のヒートシンク要素７８を有する発光素子は、第２の蛍光体要素９０の温度を２８０℃から２４０℃まで４０°下げる。
【０１３１】
上から見て、丸及び菱形によって示された残りの２つの曲線は、それぞれ、0.25 W/mK及び8 W/mKの熱伝導率又はｋ値を有するガラスレンズの形態の光学素子８０を有する本発明に係る発光素子について行われた同様な測定の結果を示す。
【０１３２】
次に、図１７を参照して、本発明に係る発光素子１０５の他の実施形態の側面図が示されている。発光素子１０５は、蛍光体要素７７が設けられた第１のヒートシンク要素７０をさらに含むという点で、図９及び１０に関して上記されたものと異なる。また、本実施形態では、導光体４と蛍光体要素７７との間に光学素子８１が設けられている。しかし、この光学素子は必須ではなく、他の実施形態では、光学素子は設けられない。第１のヒートシンク要素７０は、概して、蛍光体要素７７と反対側を向き、よって導光体４の第１の他の面４６に対しても反対側を向く反射要素７６の表面の上に又は付近に配置される。本実施形態では、第１のヒートシンク要素７０は、蛍光体要素７７の反対側に反射要素７６と隣接して配置される。他の実施形態では、蛍光体要素７７は、その表面が反射性であり、別個の反射要素を有さない第１のヒートシンク要素７０の表面上に配置される。
【０１３３】
本実施形態では、第１のヒートシンク要素７０は不透明であり、この場合、改良された熱放散のために１つ又は複数のフィンを有する。しかし、原則的にフィンは省かれ得ることに留意されたい。図１２を参照して、第１のヒートシンク要素７０のさらなる実施形態が記載されている。
【０１３４】
また、本実施形態では、蛍光体要素７７と光学素子８１との間にギャップが設けられており、光学素子８１と導光体４の第１の他の面４６との間に別のギャップが設けられている。第１の他の面４６を介して導光体４から出る光は、光学素子８１を介して蛍光体要素７７に向けて投射され、その後、蛍光体要素７７によって少なくとも部分的に別の波長に変換され、反射要素７６において反射されて光学素子８１に戻り、最終的に、少なくとも部分的に変換された光は第１の他の面４６を通って光学素子８１を介して導光体４に入射する。したがって、光は蛍光体要素７７及び光学素子１８を２回通過し、蛍光体要素７７によって少なくとも部分的に変換された後、導光体４に入る。蛍光体要素７７と導光体４とをギャップによって隔てることは、導光体４の熱管理を改善する。蛍光体要素７７によって生成された熱が導光体４に輸送されず又は輸送される量が少なくなり、導光体４の温度上昇がより低くなるからである。また、蛍光体要素７７と導光体４との間の熱抵抗が著しく上昇するため、導光体４の中で生成された熱は蛍光体要素に伝達されず、又は伝達される量が少なくなる。
【０１３５】
一部の実施形態では、蛍光体要素７７はピクセル化された蛍光体層等の異なる蛍光材料の領域を含み、例えば、黄色蛍光体及びＵＶ／紫色光を青色光に変換する蛍光体を含む。一実施形態では、蛍光体要素は、蛍光体要素から出射される光出力を強化するために、蛍光材料を含む領域と、反射材料を含む領域とを含む。
【０１３６】
（図示されていない）他の実施形態では、光学素子は設けられず、蛍光体要素７７は導光体４の第１の他の面４６と対向する。言い換えれば、この場合、蛍光体要素７７と導光体４との間にギャップが設けられる。
【０１３７】
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。
【０１３８】
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。
【０１３９】
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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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