JP2005019987A

JP2005019987A - 一体化された回折素子を有する光源

Info

Publication number: JP2005019987A
Application number: JP2004179370A
Authority: JP
Inventors: Yee Loong Chin; チン・イー・ルーン; Kee Siang Goh; ゴー・キー・シアン; Boon Kheng Lee; リー・ブーン・ケン; Siang Leong Foo; フー・シアン・レオン; Cheng Why Tan; タン・チェン・ワイ
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2003-06-23
Filing date: 2004-06-17
Publication date: 2005-01-20
Also published as: US20040256628A1

Abstract

【課題】様々な光パターンを形成することが可能な光源を提供する。
【解決手段】光源は、光放射体と、この光放射体を覆う封入部材を有する。回折素子は、封入部材に一体化され、封入部材は、光放射体からの光信号を回折素子に向けて通過させる。
【選択図】図４Ａ

Description

本発明は、光源に関し、より詳しくは、光源からの光の光パターンを形成することに関する。

ＬＥＤ（ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ：発光ダイオード）を使用する既存の光源では、屈折又は反射構造を使用して放射光をパターン化している。即ち、図１Ａの光源に示されているように、一般的な屈折構造は、ＬＥＤを包むドーム形プロファイルのカプセル容器（または封入剤または封入部材。以下同じ）１を含んでいる。放射光のパターンは、この屈折構造の形状によって左右され、通常、屈折構造を球面、非球面、又は楕円にすることによって制御される。別の一般的な光源（図１Ｂに示されているもの）には、空隙装置を形成する上部が平らなカプセル容器２が含まれている。このような上部が平らなカプセル容器２の場合には、その形状により、光源に対してより優れた梱包及び組立を実施可能ではあるが、このような形状によって提供されるＬＥＤの放射光に対する屈折作用は限定的であって、この結果生成されるパターン化もわずかなものでしかない。

又、光源には、ＬＥＤの放射光をパターン化するための反射光学構造も含まれている。例えば、ＬＥＤは、通常、図２に示されているように、パラボラ（放射線）状の反射器カップ３内に配置される。代替的には、Richard A. Rubに付与された米国特許第５，５９２，５７８号に教示されているように、全反射に基づいた光学素子（図示されてはいない）をＬＥＤの光学経路内に配置し、放射光をパターン化することも可能である。

米国特許第５，５９２，５７８号明細書「Introduction to Fourier Optics」（議会図書館カタログ番号：６８−１７１８４）６２〜７４頁,J.W.Goodman著（McGras-Hill, Inc）「Vector-based Synthesis Of Finite Aperiodic Subwavelength Diffractive Optical Elements」,Journal of the Optical Society of America（1998年６月，第１５巻、第６号）,Prather他

本発明の１つの目的は、さまざまな光パターンを形成することが可能な光源を提供することである。

本発明の実施形態による光源は、光放射体と、カプセル容器と一体になった回折素子とを有している。本発明の代替実施形態は、光放射パターンを生成する方法に関するものである。

入射光の波長レベルの物理寸法を有する回折格子、スリット、及びその他の障害物による光の回折については周知である。図３は、回折格子６を照射する入射光信号５を示している。この例における回折格子６は、均一に離隔して交互配置された透過セグメント８と不透過セグメント９を有している。この回折格子６における透過セグメント８は、スリット又はアパーチャのアレイを形成している。この回折格子６による入射光信号５の回折は、次の格子方程式によって特徴付けられる。

ｄ（ｎ_２ｓｉｎα−ｎ_１ｓｉｎθ）＝ｍλ

ここで、ｄは、回折格子６の隣接する透過セグメント８（即ち、スリット）間の距離であり、ｎ_１は、入射光信号を収容する媒体の屈折率であり、ｎ_２は、回折ビーム７を収容する媒体の屈折率であり、αは、入射光信号５の入射角度であり、θは、対応する回折ビーム７の回折角度を表し、ｍは、対応する回折ビーム７の回折次数（回折オーダー）であり、λは、入射光信号５と回折ビーム７の動作波長である。

この格子方程式は、屈折又は反射構造においては実現するのが現実的ではない光放射パターンを、入射光信号５を回折させることにより、容易に実現可能であることを示している。尚、様々な形状を有するアパーチャ及び格子による光信号５の回折の結果生成された回折ビーム７によって形成される光放射パターンの例については、マグローヒル社（ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ，Ｉｎｃ．）から発行されているＪ．Ｗ．Ｇｏｏｄｍａｎによる「ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｔｏＦｏｕｒｉｅｒＯｐｔｉｃｓ」（議会図書館カタログ番号：６８−１７１８４）（非特許文献１）の６２〜７４頁に記載されている。

図４Ａ〜図４Ｂに示されている本発明の実施形態によれば、光源１０、２０、３０、４０は、光放射体（optical emitter）１４からの光信号１３によって照射される回折素子１２を含んでいる。これらの回折素子１２は、光信号１３を回折させて光放射パターン３７を形成する。光源１０、２０，３０、４０のそれぞれにおける回折素子１２は、光放射体１４を覆っているカプセル容器１８と一体になっている。通常、このカプセル容器１８は、放射、圧力、又は熱処理によって硬化処理されたエポキシ又はその他の透明なポリマー（または高分子）である。しかしながら、カプセル容器１８は、この代わりに、光放射体１４を包みこむその他の光学的に好適な任意のカプセル材料であってもよい。

光源１０、２０、３０、４０内に含まれている光放射体１４は、通常、ＬＥＤ、レーザーダイオード、または、ＬＥＤ及び／又はレーザーダイオードのアレイである。この光放射体１４によって供給される光信号１３は、カプセル容器１８内を回折素子１２に向かって通過する。回折素子１２は、通常、カプセル容器１８の外部表面１６上に注型成形（cast molding）又は移送成形（トランスファー成形）され、この結果、回折素子１２はカプセル容器１８に一体化している。

図４Ａの光源１０においては、光源１０は、導電性リード１９の導電性の取り付けサイト（または搭載部分）１７に配置された光放射体１４を含んでいる。図４Ｂの光源２０は、図４Ａの光源１０とは異なっており、導電性リード１９の導電性の取り付けサイト１７が、反射性のカップ又は井戸（窪み部）を有しており、その内部に光放射体１４が搭載されている。

図４Ｃの光源３０においては、光放射体１４は、導電性ヒートシンク３２上に位置する取り付けサイト１７を有しており、このため、この光源３０に、表面実装技術及びプロセスを適用可能になっている。又、この光源３０には、導電性ヒートシンク３２を導電性の接点３６から絶縁（または分離）する絶縁基板（または分離基板）３４も含まれている。図４Ｄの光源４０は、図４Ｃの光源３０とは異なり、導電性ヒートシンク３２の取り付けサイト１７が、反射性カップ又は井戸を含んでおり、その内部に光放射体１４が実装されている。

光源１０、２０、３０、４０によって生成される光放射パターン３７は、光放射体１４と、回折素子１２の属性とによって提供される光信号１３の特性によって決定される。この光放射体１４が供給する光信号１３の特性は、アレイ内の１つ又は複数の光放射体１４の物理的な配列により（即ち、光放射体１４と回折素子１２間の光信号１３の経路内に、１つ又は複数のレンズ、合焦用素子、反射素子、又は屈折素子を含めることにより）調節することができる。又、この光信号１３の特性は、光信号１３の経路内の蛍光染料、蛍光体、又はその他の二次的な発光体（二次エミッタ。すなわち、副次的な発光体）によって調節することも可能である。光源１０、２０、３０、４０内に内蔵する場合には、この二次的な発光体は、光放射体１４上、又は、カプセル容器１８内に形成又は一体化される。

回折素子１２の属性は、回折素子１２の格子プロファイルに基づいて調節することができる。図５Ａ〜図５Ｅは、回折素子１２用の例示的な格子プロファイルを示している。図５Ａは、バイナリ格子（binary grating）プロファイルを有する回折素子１２を示しており、光放射体１４によって供給される光信号１３は、この格子プロファイル内の交互に配置された階段状部に従って回折される。図５Ｂにおいては、回折素子１２は、ブレーズ回折格子（blazed grating）プロファイル、または、鋸歯状の格子プロファイルを有しており、光放射体１４によって供給される光信号１３は、この格子プロファイル内の一連のスロープ（傾斜部）に従って回折される。図５Ｃにおいては、回折格子１２は、正弦波状の格子プロファイルを有しており、光放射体１４によって供給される光信号１３は、この格子プロファイル内の正弦波状の厚さの変動に従って回折される。図５Ｄにおいては、回折素子１２は、多段階レベル格子（multiple phase-level grating：複数の階段状部を有する格子）プロファイルを有しており、光放射体１４によって供給される光信号１３は、この格子プロファイル内の階段状の厚さの変動に従って回折される。図５Ｅにおいては、回折素子１２は、バイナリサブ波長（binary subwavelength）格子プロファイルを有しており、光放射体１４によって供給される光信号１３は、１９９８年６月の「ＪｏｕｒｎａｌｏｆｔｈｅＯｐｔｉａｌＳｏｃｉｅｔｙｏｆＡｍｅｒｉｃａ」（第１５巻、第６号）のＰｒａｔｈｅｒ他による「Ｖｅｃｔｏｒ−ｂａｓｅｄＳｙｎｔｈｅｓｉｓＯｆＦｉｎｉｔｅＡｐｅｒｉｏｄｉｃＳｕｂｗａｖｅｌｅｎｇｔｈＤｉｆｆｒａｃｔｉｖｅＯｐｔｉｃａｌＥｌｅｍｅｎｔｓ」（非特許文献２）に記述されているように回折される（この文献の内容は、本引用により、本明細書に組み込むものとする）。尚、これら図５Ａ〜図５Ｅの格子プロファイルは例示的なものに過ぎず、これらの代わりに、その他の格子プロファイルを有する回折素子１２を光源１０、２０、３０、４０内に含めることも可能である。

回折素子１２の形成に使用される材料に基づいて、即ち、所望の光放射パターン３７をカスタマイズ又は合成するのに使用可能な光学的に不透明な埋め込み材料を、この材料に入射する光信号１３の動作波長λのオーダーで物理的に離隔させてカプセル容器１８内に埋め込むことにより、回折素子１２の光学的な特性又は属性を変化させることも可能である。

本発明の代替実施形態は、図６に示されているように、光放射パターン３７を生成する方法に関するものである。この方法６０のステップ６２は、光信号１３を生成するステップを含んでいる（これは、通常、光放射体１４から生成される）。ステップ６４は、この光信号１３にカプセル容器１８内を通過させるステップを含んでいる。そして、ステップ６６においては、このカプセル容器１８を通過した光信号１３を回折させ、所定の光放射パターン３７を形成する。

以下に、本発明の種々の構成要件の組み合わせからなる例示的な実施態様を示す。
１．光放射体と、
前記光放射体を覆うカプセル容器と、
前記カプセル容器に一体化された回折素子
を有し、
前記カプセル容器は、前記光放射体からの光を前記回折素子に向けて通過させることからなる、光源。
２．前記光放射体は、少なくとも１つのＬＥＤを含む、上項１記載の光源。
３．前記光放射体は、導電性リードの導電性の取り付けサイトに配置される、上項１記載の光源。
４．前記光放射体は、導電性ヒートシンクの導電性の取り付けサイトに配置されており、前記光源は、表面実装デバイスである、上項１記載の光源。
５．前記導電性の取り付けサイトが、反射性カップを備える、上項３記載の光源。
６．前記導電性の取り付けサイトが、反射性カップを備える、上項４記載の光源。
７．前記光放射体と前記カプセル容器の少なくとも一方が、二次的な発光体を含む、上項１記載の光源。
８．光信号を供給する光放射体と、
前記光放射体を覆うカプセル容器に一体化された回折素子であって、前記供給された光信号を遮って、前記光信号を回折させて所定の光放射パターンを形成する回折素子
を有する、光源。
９．前記光放射体はＬＥＤである、上項８記載の光源。
１０．前記光放射体と前記カプセル容器の少なくとも一方が、二次的な発光体を含む、上項８記載の光源。
１１．前記回折素子は、バイナリ格子プロファイル、鋸歯状の格子プロファイル、正弦波状の格子プロファイル、多段階レベル格子プロファイル、及びバイナリサブ波長格子プロファイルの中の１つを有する、上項８記載の光源。
１２．前記光放射体を覆う前記カプセル容器は、前記光放射体を包みこむことからなる、上項８記載の光源。
１３．前記光放射体は、導電性リードの導電性の取り付けサイトに配置される、上項９記載の光源。
１４．前記光放射体は、導電性リードの導電性の取り付けサイトに配置される、上項１１記載の光源。
１５．前記光放射体は、導電性ヒートシンクの導電性の取り付けサイトに配置され、前記光源は、表面実装デバイスである、上項９記載の光源。
１６．前記光放射体は、導電性ヒートシンクの導電性の取り付けサイトに配置され、前記光源は、表面実装デバイスである、上項１１記載の光源。
１７．光信号を生成するステップと、
前記光信号をしてカプセル容器内を通過させるステップと、
前記カプセル容器を通過した前記光信号を回折させて、所定の光放射パターンを形成するステップ
を含む、方法。
１８．光信号を生成する前記ステップは、光放射体によって提供される、上項１７記載の方法。
１９．カプセル容器を通過した光信号を回折させる前記ステップは、前記カプセル容器に一体化された回折素子によって提供される、上項１８記載に方法。
２０．前記回折素子は、バイナリ格子プロファイル、鋸歯状の格子プロファイル、正弦波状の格子プロファイル、多段階レベル格子プロファイル、及びバイナリサブ波長格子プロファイルの中の１つを有する、上項１９記載の方法。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、当業者であれば、特許請求の範囲に記述されている本発明の範囲を逸脱することなく、これらの実施形態に対する変更又は改変を想起し得ることは明らかであろう。

屈折構造を含む従来技術によるＬＥＤを示す。屈折構造を含む従来技術によるＬＥＤを示す。反射光学構造を含む従来技術によるＬＥＤを示す。例示的な回折格子を示す。本発明の実施形態による光源を示す。本発明の実施形態による光源を示す。本発明の実施形態による光源を示す。本発明の実施形態による光源を示す。本発明の実施形態による光源に内蔵するのに適した回折素子の例示的な格子プロファイルの詳細を示す。本発明の実施形態による光源に内蔵するのに適した回折素子の例示的な格子プロファイルの詳細を示す。本発明の実施形態による光源に内蔵するのに適した回折素子の例示的な格子プロファイルの詳細を示す。本発明の実施形態による光源に内蔵するのに適した回折素子の例示的な格子プロファイルの詳細を示す。本発明の実施形態による光源に内蔵するのに適した回折素子の例示的な格子プロファイルの詳細を示す。本発明の代替実施例に従って光放射パターンを生成する方法を示す。

符号の説明

１０、２０、３０、４０光源
１２回折素子
１４光放射体
１８カプセル容器（封入部材）

Claims

光信号を供給する光放射体と、
前記光放射体を覆う封入部材に一体化された回折素子であって、前記供給された光信号を遮って、前記光信号を回折させて所定の光放射パターンを形成する回折素子
を有する、光源。
前記光放射体はＬＥＤである、請求項１記載の光源。
前記光放射体と前記封入部材の少なくとも一方が、二次的な発光体を含む、請求項１記載の光源。
前記回折素子は、バイナリ格子プロファイル、鋸歯状の格子プロファイル、正弦波状の格子プロファイル、多段階レベル格子プロファイル、及びバイナリサブ波長格子プロファイルの中の１つを有する、請求項１記載の光源。