JP2006508514A - 複数の光源を用いる照明システム - Google Patents

Abstract

照明システム（１００）は、複数のＬＥＤダイ（１０４）を具備する。対応する複数の光導波路（１２２）もまた設けられ、各導波路は第１の端部および第２の端部を有し、各第１の端部は対応するＬＥＤダイと光通信している。対応する受動光学素子（１２０）のアレイは、複数のＬＥＤダイと複数の光導波路の対応する第１の端部との間に挟まれている。照明システムは、実質的に高い光結合効率および光の単一点から生じるように人間の観察者には見えうる非干渉の光出力を提供する。さらに、光は、１つ以上の位置および１つ以上の方向に出力されることができる。

Description

本発明は、明かりまたは照明の組立品およびシステムに関する。さらに詳細には、本発明は、複数の光源を具備する高結合効率の照明システムに関する。

照明システムは、種々の用途に用いられる。家庭用途、医療用途、歯科用途および産業用途には、光を入手可能にすることが必要であることが多い。同様に、航空用途、航海用途および車両用途は、高強度の照明ビームを必要とする。

従来の明かりシステムは、電力用フィラメントまたはアーク灯を用いており、ビームに生成された照明を向けるために、集光レンズおよび／または反射面を具備することがある。しかし、スイミングプールの明かりなどの一定の用途では、最終的な光出力を電気接点が望ましくない環境に配置することが必要である場合がある。自動車のヘッドライトなどの他の用途では、露出された損傷を受けやすい位置からさらに安全な位置に光源を移動することが望まれる。さらに、さらに別の用途では、物理的空間、接近容易性または設計の考慮事項における制限から、最終的な照明が必要とする位置とは異なる位置に光源を配置することが必要とされる場合がある。

これらの必要性に合わせて、光源から所望の照明点まで光を誘導するために、光導波路を用いる照明システムが開発されている。１つの現在の手法は、単一の照明源を形成するために、明るい単一光源または近接するものを合わせてグループ化した光源の群のいずれかを用いることである。そのような源によって発せられた光は、集光光学素子の助けによって、大口径プラスチック光ファイバなどの単一光導波路に向けられ、源から遠い位置に光を伝播する。さらに別の手法では、単一ファイバは、個別の光ファイバの束によって置換されてもよい。

本方法は、場合によっては生成される光の約７０％を損失し、きわめて効率が悪い。多ファイバシステムでは、このような損失は、束にしたファイバ間の暗い隙間の空間および光をファイバ束に向ける効率が原因で生じると考えられる。単一ファイバシステムでは、明るい明かり用途に必要な光の量を捕捉するために十分に大きな直径の単一ファイバは、厚くなりすぎるため、小さな半径を通し、曲げるための柔軟性が失われる。

可干渉光出力および／または小さい発散角度を生かすために、一部の光生成システムは、源としてレーザを用いている。しかし、レーザ源は一般に単一波長出力の色を生成するのに対し、照明システムは一般により広い帯域の白色光源を必要とする。たとえば、米国特許第５，２９９，２２２号明細書は、照明源として用いるのではなく、波長に左右されるゲイン媒体にエネルギを結合するために、単一波長の高出力レーザダイオードの利用について述べている。非対称のビーム形状を備えた規定のレーザダイオードの利用は、光ファイバへのより効率的な結合を実現するために、光学ビーム整形素子の広範囲な使用を必要とする。また、一部のレーザダイオードは、動作中に生じる熱のために厳密な温度制御（たとえば、熱電冷却器を用いる必要など）を必要とすることから、利用には費用がかかる。さらに、実装ＬＥＤの集中的なアレイは、熱管理の分野では問題を生じうる。

光源を用いて高強度の照明を供給することができる明かりシステムの必要性が依然としてある。

本発明は、明かりまたは照明組立品に関する。さらに詳細には、本発明は、照明出力から遠くに配置されることができる複数の光源を備える高結合効率の照明システムに関する。

明かりまたは照明システムは、本願明細書では照明装置と呼ばれ、複数のＬＥＤダイと、それぞれが第１の端部および第２の端部を有し、各第１の端部が対応するＬＥＤダイと光通信する対応する複数の光導波路と、複数のＬＥＤダイと複数の光導波路の対応する第１の端部との間に挟まれる対応する光学素子のアレイと、を具備している。

具体的な実施形態において、光源は、個別のＬＥＤダイまたはチップまたはレーザダイオードである。導波路は、ポリマークラッドシリカファイバなどの光ファイバを含みうる。複数の光導波路の第１の端部は、光源から発せられた光を受光する。複数の光導波路の第２の端部は、照明時に単一の光照明源を形成するように束になっていてもよく、アレイになっていてもよい。

光学素子は、入力光指向または集光素子のアレイなどの受動光学素子を含んでもよく、各導波路の第１の端部が少なくとも１つの光指向／集光素子と光通信し、光指向／集光素子のアレイがＬＥＤダイと複数の光導波路の第１の端部との間に挟まれ光通信する。

具体的な実施形態において、光学素子のアレイは、反射体のアレイを具備する。ＬＥＤダイ光源の狭い範囲を保持または維持し、この範囲を受光ファイバの範囲（コア面積および受光角の積に比例）に実質的に適合するように、これらの反射体を形成することができる。反射体のアレイは、多層光学フィルム（ＭＯＦ）または金属基板またはシートなどの基板に形成されることができる。

照明装置は、単一の照明源を形成するために、第２の端部から光を指向する平行化、集光またはビーム整形素子などの少なくとも１つの出力光指向素子をさらに含みうる。出力光指向素子は、光指向素子のアレイを含んでもよく、各第２の端部は少なくとも１つの光指向素子と光通信する。

あるいは、複数の導波路は複数の光ファイバを含んでもよく、出力光指向素子は複数の光ファイバの各第２の端部にファイバレンズを含む。同様に、光ファイバの第１の端部はさらに、ファイバレンズを含んでもよい。

他の実施形態において、照明装置は、それぞれが第１の端部および第２の端部を有する第２の複数のＬＥＤダイおよび第２の複数の光導波路をさらに含み、第２の複数の光導波路の各第１の端部は第２の複数のＬＥＤダイの１つと光通信する。具体的な実施形態において、第２の複数の光導波路の第２の端部が第１の複数の光導波路の第２の端部と共に束ねられて、照明時に単一の光照明源を形成する。あるいは、第１の複数の光導波路の第２の端部が第１の束に形成され、第２の複数の光導波路の第２の端部が第２の束に形成され、同一の方向または異なる方向に向けることができる個別の照明出力を形成する。

このような第１の光源および第２の光源は、異なる発光スペクトルを備えていてもよい。１つの特定の実施形態において、第１の複数のＬＥＤダイの発光スペクトルは本質的に白色光であり、第２の複数のＬＥＤダイは赤外線源を含む。他の実施形態において、２つ（またはそれ以上の）複数のＬＥＤダイは、非白色を混合することができるようにするために、異なる色を含む。第１の複数のＬＥＤダイおよび第２の複数のＬＥＤダイは、照明源の強度を変更するために、個別にまたは合わせて照射されてもよい。

さらに、システムは、第１の経路に沿って第１の複数の光導波路の第２の端部から出力光を指向するように光学的に結合される少なくとも１つの出力光学素子と、第２の経路に沿って第２の複数の光導波路の第２の端部出力光を指向するように光学的に結合される第２の出力光学素子と、を含みうる。

そのような実施形態は、自動車または他の車両またはプラットホーム用のヘッドライト照明システムとして適用されてもよい。１つの具体的な実施形態において、光源のアレイの特定の数のＬＥＤチップを照らすことによって、ヘッドライトビームの強度を制御することができる。たとえば、ロービーム用に第１の複数のＬＥＤダイを照らしてもよく、ハイビーム用に第１および／または第２の複数のＬＥＤダイを照らしてもよい。

別の具体的な実施形態において、照明システムは、たとえば、衝突検出用途、照明用途、および／または遠隔計測用途のために赤外線センサをさらに具備することができる。

本発明の上記の概要は、本発明のそれぞれの図示された実施形態またはすべての実装例を記述しているわけではない。以下の図面および詳細な説明は、これらの実施形態をさらに詳細に具体化している。

本発明は種々の修正および代替の態様に適用可能であるが、その仕様が図に一例として示され、詳細に説明される。しかし、記載された特定の実施形態に本発明を限定するわけではないことを理解すべきである。逆に言えば、添付請求項に定義されているように、本発明の範囲内に収まるすべての修正物、等価物および代替物を網羅するものとする。

一般に、これまでの光ファイバ明かり設計は高い結合損失を被るため、きわめて効率が低かった。本発明による照明システムは、実質的により高い光結合効率を提供する。さらに、本発明の照明システムは、光の単一点から生じるように人間の観察者には見えうる非干渉の光出力を提供する。さらに、本発明の具体的な実施形態は、１つ以上の位置で出力することができる高密度の遠隔光源を形成するために、ＬＥＤダイのアレイを利用することができることを示している。さらに、本発明の具体的な実施形態は、１つ以上の位置で個別にまたは同時に１色または複数の色を生成することができる高密度の遠隔光源を形成するために利用することができるＬＥＤダイのアレイを提供する。さらに、動作中、使用状態が変化するにつれて、用途の特定の要件に適合するように源の色または色の配合を変更可能であってもよい。他の具体的な実施形態について以下で説明する。

図１は、本発明の実施形態による遠隔明かりシステム１００の具体的な第１の実施形態を示している。明るいＬＥＤダイ１０４のアレイ１０２が、集光レンズ１１２などの複数の受動光学素子または反射体１２０（図２参照）などの光学的集光素子を含みうる光学素子のアレイ１１０と光学的位置合せされるように位置決めされる。光学素子のアレイ１１０は今度は、光ファイバ１２２などの複数の光導波路を含みうる導波路のアレイ１２４と光学的に位置合せされる。導波路のアレイ１２４をコネクタ化することができ、コネクタ化には、ファイバ１２２の受光端部を支持および／または収容するためのコネクタ１３２を含みうる。コネクタ化にはまた、ファイバ１２２の出力端部を支持および／または収容するためのコネクタ１３０を含みうる。具体的なコネクタ構造が、図８〜図１１に示され、以下に記載される。本願明細書を教示された当業者に明白であるように、点状の源または直線アレイ、円形アレイまたは他の形状のアレイなどの成形アレイを形成するために、ファイバ１２２の出力端部を束ねてもよい。

アレイ１０２は、個別に実装され、（すべてのＬＥＤが共通の半導体基板によって互いに接続されるＬＥＤアレイではなく、）動作制御用の独立の電気接続を有する単一のＬＥＤダイまたはチップなどの別個のＬＥＤ１０４のアレイから形成される。ＬＥＤダイは、対称の放射パターンを生成することができ、本発明によって望ましい光源となる。ＬＥＤダイは、電気エネルギを光に変換するのが効率的であり、大部分のレーザダイオードほど温度の影響を受けない。したがって、ＬＥＤダイは、多くのタイプのレーザダイオードと比較して適度のヒートシンクを備えているだけで適切に動作しうる。具体的な実施形態において、各ＬＥＤダイは、少なくともＬＥＤダイの幅より大きい距離だけ最も近い隣接するＬＥＤダイから離隔される。

さらに、ＬＥＤダイは、−４０℃〜１２５℃の温度で動作することができ、約１０，０００時間の大部分のレーザダイオードの寿命または５００〜１０００時間のハロゲンの自動車のヘッドランプの寿命に比べて、１００，０００時間の範囲の動作寿命を有することができる。具体的な実施形態において、ＬＥＤダイは、約５０ルーメン以上の出力強度をそれぞれ有することができる。別個の高出力ＬＥＤダイは、クリー（Ｃｒｅｅ）およびオスラム（Ｏｓｒａｍ）などの企業から市販されている。１つの具体的な実施形態において、それぞれが約３００μｍ×３００μｍの発光面積を有するＬＥＤダイのアレイ（クリー（Ｃｒｅｅ）によって製作）を用いて、集光（小さな面積で高出力）光源を形成することができる。矩形または他の多角形の形状などの他の発光面形状もまた、用いることができる。さらに、別の実施形態において、用いられるＬＥＤダイの発光層を上面または底面に配置することができる。

別の実施形態において、ＬＥＤアレイは、白色ＶＣＳＥＬアレイと交換してもよい。受動光学素子のアレイ１１０を用いて、各ＶＣＳＥＬから発せられた光を対応するファイバ１２２に再指向してもよい。

図１の図示された実施形態の態様は、各光源の間、対応する受動光学素子（レンズ、結像素子、集光素子または反射素子）と対応する導波路との間に一対一対応がある。電力が供給されると、各ＬＥＤダイ１０４は、光を対応する可撓性の個別のファイバ１２２に送り込む個別の光源として機能する。本願明細書の具体的な実施形態としては、大コア（たとえば、４００μｍ〜１０００μｍ）ポリマークラッドシリカファイバ（ミネソタ州セントポールのスリーエム・カンパニー（３Ｍ Ｃｏｍｐａｎｙ（Ｓｔ．Ｐａｕｌ，ＭＮ））から入手可能な商標名ＴＥＣＳで市場に出回っているファイバなど）が挙げられる。本発明の実施形態によれば、従来のガラスファイバまたは専用のガラスファイバなどの他のタイプの光ファイバもまた、ＬＥＤダイ源の出力波長などの変数に応じて用いることができる。

さらに、本発明の教示によれば、本願明細書を教示された当業者に明白であるように、プレーナ型導波路、ポリマー導波路などの他の導波路タイプもまた、用いることができる。

光ファイバ１２２はさらに、光ファイバの出力端部のそれぞれにファイバレンズを備えていてもよい。同様に、光ファイバの受光端部はそれぞれ、ファイバレンズをさらに具備してもよい。ファイバレンズ作製および実装については、同一所有者の同時係属中の米国特許出願第１０／３１７，７３４号明細書および米国特許出願第１０／６７０，６３０号明細書に記載されており、これらの特許は参照によって本願明細書に援用されるものとする。

図１３に図示され、以下にさらに詳細に記載されている本発明の１つの特定の実施形態は、光源およびヘッドランプを相互接続するために、可撓性のＴＥＣＳファイバを用いて、ＬＥＤ方式の自動車のヘッドランプの実装である。この実施形態の態様は、削減した数のＬＥＤ源によって必要な輝度およびビームパターンを生成するように、ＴＥＣＳファイバにＬＥＤ光を効率的に結合することである。

図２に示されているように、成形反射体１２０を各ＬＥＤダイ１０４に加えてＬＥＤダイ１０４から対応するファイバ１２２に光を再指向してもよい。対応するファイバ１２２の具体的なコア直径は、約６００μｍ〜６５０μｍであると考えられる。具体的な実施形態において、各反射体の構造は、非画像光の集まりおよび受光ファイバへの照明の分散を提供する。成形反射体１２０は、ミネソタ州セントポールのスリーエム・カンパニー（３Ｍ Ｃｏｍｐａｎｙ（Ｓｔ．Ｐａｕｌ，ＭＮ））から入手可能な強化鏡面反射体（ＥＳＲ）フィルムなどの多層光学フィルム（ＭＯＦ）から構成されてもよい。ＭＯＦの例としては一般に、米国特許第５，８８２，７７４号明細書および米国特許第５，８０８，７９４号明細書にさらに記載されており、その全体が本願明細書に参照によって援用されるものとする。

あるいは、反射体１２０は、金属またはプラスチックの基板またはシートに適切な形状に成形され、銀、アルミニウムなどの反射材料または無機薄膜の反射性多層積層によって被覆されてもよい。たとえば、注入成形プラスチックフィルムまたはシートを形成してもよい。その中に形成される反射体キャビティは、適切な反射材料によって被覆されてもよい。本願明細書に述べるように、ＬＥＤダイの下、周囲または上に反射体のアレイを向けることができる。さらに、反射体キャビティには、屈折率整合材料を充填してもよい。

図１に戻って参照すると、個別のファイバ１２２は、元の光源から一定の距離で遠隔照明を提供するように合わせて集められる。特定の実施形態において、ファイバ１２２は一つに合わせられて、たとえば、スポットライトまたはヘッドライト組立品の電球または電球フィラメントと置き換えられるような出力コネクタ１３０の緊密な束にされる。電球代替品として差し込まれるＬＥＤ式の明かり組立品に関するさらなる詳細は、同時係属中の同一所有者の出願の「Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｖｉｃｅ」（代理人整理番号５９３４９ＵＳ００２）に記載され、上記の参照によって援用されるものとする。

図２に戻って参照すると、具体的な実施形態において、裸の青色ＬＥＤダイまたはＵＶ ＬＥＤダイを用いることができる。一部の具体的な実施形態において、ＬＥＤダイは、ＹＡＧ：Ｃｅ燐光体などの燐光体層１０６によって好ましくは発光面を被覆することができる。ＬＥＤダイの青色出力を「白色」光に変換するために、燐光体層１０６を用いることができる。

別の実施形態において、赤色ＬＥＤダイ、青色ＬＥＤダイおよび緑色ＬＥＤダイの集まりをアレイに選択的に配置することができる。結果として生じる発光は、ファイバの出力端部から発せられる光が合わせて混合されたときに、着色光または「白色」光として観察者に見られるようにファイバ１２２のアレイによって集光される。

図２に示されているように、ＬＥＤダイの発光面上に燐光体層を実装または形成することができる。本発明の具体的な実施形態において、図１５に示されているように、ＬＥＤダイの面発光範囲を実質的に維持またはその低下を減少させるために、燐光体層５０６を正確に画定することができる。「実質的に維持」という言葉によって、ＬＥＤダイの範囲が維持されるか、または２つ以下の因子によって増大されることを意味する。

図１５示されているように、燐光体層５０６は、基板５４０上に面実装されるＬＥＤダイ５０４上に形成される。一実施例において、ＬＥＤダイ５０４は、青色面発光ＬＥＤまたはＵＶ面発光ＬＥＤである。基板５４０は、ＬＥＤダイ陰極および陽極アクセスのための導電面を提供する。１つ以上のワイヤボンド５４５は、たとえば、基板の電気接点面５４１からＬＥＤダイ５０４の上面に配置される１つ以上のボンドパッド５４６まで連結することができる。あるいは、ＬＥＤダイの上面に接合するために、ワイヤボンド５４５を必要としなくてもよい。

燐光体層５０６は、その発光面に実質的に対応するＬＥＤダイの面積上またはその付近に配置される。ＬＥＤダイは一般に、２つ以上の面によって放射線を放射することを理解されたい。層５０６は、実質的に均一な厚さ（たとえば、約７５μｍ〜約１５０μｍ）に形成され、（部分的にまたは完全に）硬化されることができる。この具体的な実施形態において、次に、層５０６は、ＬＥＤダイ発光面の形状に適合するように最小の面変形で、アブレーション、打抜きまたは他の適切な技術によって一定の形状に変換されることができる。あるいは、層５０６のサイズを小さめまたは大きめにすること、またはＬＥＤダイ発光面の形状とは異なる形状に形成することを利用してもよい。ＬＥＤダイのアレイを利用する際に、燐光体層は各ＬＥＤダイの面上に直接形成してもよく、あるいは燐光体層は、ＬＥＤダイのアレイの面またはその付近に塗布される選択的にパターン形成された燐光体の個別の被覆フィルムの一部であってもよい。さらなる燐光体の向きについては、以下でさらに説明し、同時係属中の同一所有者の出願の「Ｍｕｌｔｉｐｌｅ ＬＥＤ Ｓｏｕｒｃｅ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ａｓｓｅｍｂｌｉｎｇ Ｓａｍｅ」（代理人整理番号５９３７６ＵＳ００２）に記載され、上記の参照によって援用されるものとする。

具体的な実施形態において、燐光体層５０６は、燐光体を添加した封入剤として形成される。たとえば、ＹＡＧ：Ｃｅ燐光体およびＵＶ硬化エポキシ（ノーランド（Ｎｏｒｌａｎｄ）ＮＯＡ８１ ＵＶ硬化エポキシなど）を用いることができる。燐光体を添加した封入剤を部分的または完全に硬化することができる。部分的に硬化した状態では、燐光体入り封入剤は、ワイヤボンドの周囲を流れて、ワイヤボンドを封入し、燐光体およびワイヤボンドの両方をダイの面に接着する。疎水性の封入剤材料が用いられる場合には、電気相互接続部の信頼性を向上することができる。ＬＥＤダイの温度の上昇／下降が原因である悪影響を最小限に抑えるために、燐光体封入剤は低弾性率材料であってもよい。ここでは、そのような変形可能な封入剤によって、ＬＥＤダイ材料と燐光体材料との熱膨張係数（ＣＴＥ）の不整合を補償することができる。

燐光体入り封入剤が完全に硬化する場合には、ＬＥＤダイの面上にさらなる接着剤層（ワイヤボンドとほぼ同一の厚さを有する）を配置することができる。たとえば、蒸着または浸漬被覆技術によって、ＬＥＤダイ面上にさらなる接着剤層を形成することができる。したがって、さらなる接着剤層を用いてワイヤボンドを封入することができ、（接着剤による）ＬＥＤダイの面とボイドフリーな接点に燐光体入り封入剤を配置することができる。

上記の明確に画定された燐光体層の構成を用いて、ＬＥＤダイの発光面の範囲を実質的に維持することができる。この実施例において、燐光体層の面積は、発光面の面積とほぼ同じであるように形成される。さらに、燐光体層が増大した厚さを有するとき、燐光体層の側面から発せられる光の量が増加することから、燐光体層の厚さを適切な量に制御することができる。さらに、色温度変数および色均一性変数を用いて、特定の用途向けの適切な燐光体層の厚さを決定することができる。

図１６に示される別の実施形態において、ＬＥＤダイ源の範囲を実質的に維持するために、燐光体層の形状をさらに規定することができる。ここでは、ＬＥＤダイ５０４は、ワイヤボンド５４５によって接触面５４１を含む基板５４０に結合される。燐光体層５０６は、上述したように、ＬＥＤダイ５０４の発光面上に形成される。さらに、燐光体層５０６上に角度を成した面５０７を形成するために、さらなるアブレーションまたはダイシング技術を用いてもよい。

図２に戻って参照すると、ＬＥＤダイ１０４から発せられた光をファイバ１２２に結合するために、反射体１２０を用いることができる。また、図２に示されているように、ＬＥＤダイの上を滑らせることができるように、反射体を形成して、その下方開口部１２３がＬＥＤダイ１０４の周囲に締まりばめを提供するようにすることができる。別の反射体設計としては、ＬＥＤダイが支持される基板上に反射性被覆をさらに使用することが挙げられる。他の反射体設計については、「Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ Ｌｉｇｈｔ Ｃｏｕｐｌｅｒ」と題する同一所有者の同時係属中の特許出願に詳細に記述される（代理人整理番号５９１２１ＵＳ００２、同時に出願され、上記の参照によって援用されるものとする）。

この光学系の重要な態様は、反射体１２０の反射面１２１の形状である。射出成形、トランスファ成形、微細複製、打抜き加工、穿孔または熱成形によって、反射体１２０を形成することができる。（個別にまたは反射体のアレイの一部として）反射体１２０を成形することができる基板は、金属、熱可塑性材料またはＭＯＦなどの種々の材料を含みうる。反射体１２０を形成するために用いられる基板材料には、その反射率を増大するために、反射性コーティングによる被覆または単に研磨を施すことができる。

反射体面１２１の形状は、燐光体被覆ＬＥＤダイをはじめとするＬＥＤダイからの等方性の発光をたとえば、ＴＥＣＳファイバなどの受光ファイバの受光角基準に適合するようなビームに変換し、ＬＥＤダイから発せられた光の出力密度を維持するように設計される。一旦、ＬＥＤダイによって発せられた光が集光され、反射体によって受光ファイバへ再指向されると、ファイバを用いて、内部全反射によって低い光学損失で遠隔位置まで光を伝播することができる。しかし、受光ファイバは、光を伝播するように機能するだけではない。さらに、本発明の実施形態によれば、ＬＥＤダイアレイのより広い間隔からより緊密に束ねられたファイバ束などの狭い間隔または間隙にファイバを変換することによって、広く分散したＬＥＤアレイからの光をきわめて狭い面積に効率的に集光することができる。また、具体的なＴＥＣＳファイバのコアおよびクラッディングの光学設計は、入力端部のほか、出力端部におけるファイバの開口数（ＮＡ）のために、束ねられた端部から出る整形光ビームを提供する。本願明細書に述べるように、受光ファイバは、集光およびビーム整形のほか、光の伝播を行う。

範囲εは、以下の公式を用いて計算してもよい。

式中、
Ωは、発光立体角または受光立体角（単位はステラジアン）であり、
Ａは、受光体または発光体の面積であり、
θは、発光角または受光角であり、
ＮＡは、開口数である。

たとえば、ＮＡが０．４８であり、ファイバコアの直径が６００マイクロメートル（μｍ）であると仮定すると、ファイバによって受光および伝播されうる範囲は、約０．２ｍｍ²ステラジアン（ｓｒ）である。また、具体的なＬＥＤダイの最大発光面が約３００μｍ×３００μｍ（または９００００μｍ²）であり、実施例の燐光体の実装では、ＬＥＤダイはほぼ等方性またはランベルトの強度分布を有すると仮定される。半角を８０°と仮定すると、ＬＥＤダイの範囲は、約０．２８ｍｍ²ｓｒである。したがって、ＬＥＤダイからの光がすべて、ファイバによって集光されるわけではないが、本願明細書に記載される反射体面設計および向きを利用した受光ファイバによって、きわめて大きな割合（５０％以上）の光を集光し、伝播することができる。

上述したように、燐光体層を用いて光出力を「白色」光に変換する具体的な実施形態において、ＬＥＤダイの発光面の範囲を維持するために、燐光体層のサイズおよび／または厚さを制限することができる。

反射体形状の改善または最適化により、ファイバに伝播する光を増大または最大にすることもできる。ほぼランベルト放射を備えた分散光源用の反射体形状を最適化するための一般的な幾何構成が、図３に示され、角度および座標軸の専門用語を追加し、図２の反射体面１２１を詳細に示している。

図３の一般的な幾何構成は、鏡面上の所与の点に関して、ＬＥＤダイからの光が到来角θ_iで鏡面に達することを示している。さらに、鏡におけるこの点は（ｘ，ｙ）に位置し、この点で鏡は垂線に対してφ_jの角度を成す。したがって、鏡面からの反射ビームは、ファイバへの入射角である垂線に対する角度、すなわち
θ_i−２＊φ_j＝入射角
で示されることができる。

この実施例においてファイバおよびＬＥＤによって課せられる明かりの拘束条件は、
１．ＬＥＤ／燐光体源のサイズ：直径３００μｍ
２．ＬＥＤ／燐光体の発光角：±８０°
３．ＴＥＣＳファイバのサイズ：コア直径６００μｍ
４．ＴＥＣＳファイバの受光角：ＮＡ０．４８＝入射角±２８．７°である。

一般性をある程度犠牲にして、解析を簡略化するために、ある程度の仮定がなされてもよい。

以下の解析の制限は、
・このモデルでは円形ではなく矩形であるため、完全な源のサイズは考慮されない。―実際の源のサイズは、３００μｍ×３００μｍ四方である。
・反射体に最も近いＬＥＤダイの部分から発せられた高角度の光は無視される。

解析の仮定は、
・光は、受光角±２８．７°未満の角度でファイバの中へ反射される（または直接入射する）。したがって、反射ビームに関する拘束条件は｜θ_i−２φ_j｜≦２８．７°である。
・ＬＥＤ／燐光体からの発光角は、ほぼ等方性であり、垂線から０°〜８０°の半角で変化してもよい。８０°の最大角は第１の解析点の（ｘ，ｙ）座標を確立するために用いられる。
・２８．７°未満の発光角は、ファイバに直接入射すると推測される。
・構成は回転対称である（上記の制限を参照）。

解析のために、反射体曲線における最下点は、最大発光角θ₁＝９０−８０＝１０°によって制御される入射角で仮定される。したがって、この仮定は、配向φ_jの反射体のｘ、ｙの値または位置に関して規定する。たとえば_、反射体が図２においてＬＥＤ１０４の右まで３０μｍの位置から始まると仮定すると、反射体における第１の点の（ｘ，ｙ）位置は、３３０＊ｔａｎ（９０−８０）または５８μｍであると計算される。

一旦、反射体の点のｙ位置が知られると、ｘ座標系がＬＥＤ（この実施例では丸いと仮定）の最も遠い端、３００μｍ離れた位置であると仮定すると、ＬＥＤ／燐光体において最も近い点までの最小角は、

として計算されることができる。ｙ＝５８μｍにおける反射点の場合には、最小発光角は２７．３°である。

計算される最小および最大の発光角θ_iに関して、式１および上記の第１の拘束条件を用いてファイバに入射するように最大および最小の反射体の角度φ_jを計算することができる。実施例を続けると、反射体の角度は、約０．７°〜約２５．７°であると考えられる。

次に、最大の８０°未満の種々の角度に関してこの計算を繰り返すことによって、反射体の形状を数値的に推定してもよい。表１において、角度は、ファイバの受光角約２９°まで１°ずつ増分するによって減少される。

反射体に関する（ｘ，ｙ）値のアレイに関して、この手法によって生成される増分する反射体の角度を、選択された（ｘ，ｙ）点に最も近い２組の（ｘ，ｙ）の局所微分（差）から推定することができる。最大の８０°の角度に関する実施例において、初期の反射体の角度は１７．５°である。

グラフから、この手法によって生成される曲線に関する多項式回帰適合度は、ｙ＝５Ｅ−０６ｘ⁴−０．００６８ｘ³＋３．６１８３ｘ²−８５９．５ｘ＋７６４４３（Ｒ²＝１．０）であり、図３に示されているように、座標系の起点はＬＥＤ（丸いと仮定）の左端にある。

以下の表１は、最大発光角８０°およびＬＥＤの端から反射体の端までの間隔３０μｍである場合の実施例の計算を示している。表１から、実際の曲線に関して計算されるφ_j値は、以下の表の最後の列に計算されている。実際の反射体がＬＥＤ光をファイバの中に反射する場合には太字で記載され、ＬＥＤ光の一部がファイバの受光角の外側に反射される場合にはイタリック体で記載される。計算は、鏡面の上部を除き、発せられた光をファイバの中に反射することができるを示している。図４は、最大発光角が８０°であり、ＬＥＤと反射体との間隔が３０μｍであると仮定した場合、本文に概略が述べられているような反射体の点の曲線形状のグラフである。この図は、円形ダイモデルに基づく３つの代表値を示している。中心のＹのグラフはＬＥＤダイの中心から最も近い端まで最小内接円を表し、対角線のＹはダイの中心から隅まで最大外接円を示し、多項式（中心のＹ）は中心のＹデータの多項式適合である。４次多項式は正確適合度であるのに対し、２次多項式はＲ²＝０．９９７であることを留意されたい。

鏡面の上部分をファイバに光を反射させるように構成する少なくとも１つの方法は、曲線を区分的に不連続にし、たとえば、上部の４００μｍの部分を単に垂直にする（φ_j＝０）ことである。

上記の反射体設計は、種々の異なる実装例におけるアレイパターンに実装されることができる。たとえば、図７は、ＬＥＤダイ源１０４の実施例のアレイを示している。ＬＥＤダイ源１０４は、基板上に配置されることができる回路層１４１（スリーエム・カンパニー（３Ｍ Ｃｏｍｐａｎｙ）から市販されている３Ｍ^TMフレキシブル（またはフレックス）回路をはじめとするフレキシブル回路またはセミアディティブフレキシブル回路などの）上に配置されることができる電気相互接続手段１４２に結合される。ＬＥＤダイ１０４は層１４１に面実装されてもよく、ある別法では、フレキシブル回路層に形成される収容開口部の奥に配置されてもよい。上述のワイヤボンディング接続の別法として、フレキシブル回路を用いる際に、ＬＥＤアレイの別の電気相互接続も可能である。誘電体、たとえば、ポリイミドの化学的除去によって、片持ち梁式導線を形成することができる。この工程は、ＬＥＤダイ上の電気接点に超音波ボンディングまたはワイヤボンディングのために１つ（または２つの）導線を片持ち梁状にすることができる。そのような片持ち梁の相互接続導線は、ワイヤボンドワイヤより小さくてもよく、実質的に平坦である。

上述したように、ＬＥＤダイ発光スペクトルから所望の照明スペクトルに光の出力波長を変換するために、燐光体素子１０６を用いることができる。また、ＬＥＤダイからの光を図１に示されているものなどの光ファイバ１２２の整合アレイに効率的に結合するために、微細複製される反射体シート１１１に形成されることができる受動光学素子のアレイ１１０を形成するために、反射体１２０の対応するアレイを用いることができる。反射体シートは、その中に形成された開放反射体キャビティを備えたＭＯＦ（スリーエム・カンパニー（３Ｍ Ｃｏｍｐａｎｙ）から市販されているものなど）を含みうる。あるいは、シート１１１は、内壁（図２の面１２１など）の上に配置されるか、またはその上に被覆される反射性被覆（たとえば、銀、アルミニウム、金、無機誘電体積層などの）を備えた射出成形材料から構成される反射体１２０を含むことができる。あるいは、反射体１２０は、反射体形状の型押し加工または穿孔された金属シートを用いて形成されることができる。

さらに、前述したものなどの燐光体層１０６は、アレイ層１１０の上または下に燐光体材料のパターンを組み込むことによって、選択的にパターン形成されてもよい。図７は、正方形のＬＥＤダイアレイを示しているが、用途の必要性に応じて、関連する光学素子形状、電気相互接続部形状、燐光体素子形状および反射体形状に関してＬＥＤ光源の規則的なアレイまたは不規則なアレイを用いることが可能である。さらに、この具体的な設計に関して、基準マーク１４９を用いて、それぞれのアレイ層の位置合せをすることができる。複数のＬＥＤダイ源に関する実施例の多層構造については、図１４を参照して以下に記載される。

図５は、ＬＥＤダイ１０に関する一例の実装構造または基板１４０を示している。基板１４０は、ＬＥＤダイ１０４から熱を伝導するために、熱抵抗の低い経路を提供することができる。この具体的な実施形態において、ＬＥＤダイ１０４はウェル１５１の中に配置され、ハンダまたは金属（たとえばＡｕ−Ｓｎ）リフロダイ取付けを用いるなどの従来の取付けによって、裸のＬＥＤダイ１０４を基板１４０に取付けることができる。基板１４０はまた、回路層を支持することができる。この具体的な実施形態において、基板１４０は、反射性被覆１４３によって被覆されることができる。さらに、図５に示されているように、片持ち梁式導線１４８が、相互接続回路層からＬＥＤダイに接合される。

図５において、燐光体材料１０６は、反射体の下部に位置決めされ、反射体の下部に積層されるシート上に被覆され、反射体の下部に積層されるシート上に選択的にパターン形成されるか、または好ましい方法ではＬＥＤダイの上部に蒸着されることができる。

具体的な実施形態において、相互接続回路層は、剛性であれ可撓性であれ、相互接続を行うために用いられることができる。本願明細書に述べるように、フレキシブル回路材料は、スリーエム・カンパニー（３Ｍ Ｃｏｍｐａｎｙ）から市販されている。図５に示される実施例において、フレキシブル回路層の誘電体（たとえば、ポリイミド）部分１４５を反射性被覆１４３上に配置することができる。さらに、銅導体および／または他の金属化（たとえばＮｉ／Ａｕ）などのフレキシブル回路層の導体部分１４７を相互接続用のポリイミド部分１４５上に配置することができる。

あるいは、フレキシブル回路層を反転することができ、裸のＬＥＤダイをポリイミド面の凹部部分の中および金属／回路層１４７上に直に置くことができる。この代替の実装例において、基板材料１４０にウェルを形成する必要はない。ダイの電気取付けの要件に応じて、優れた熱伝導率を有する電気絶縁材料を、フレキシブル回路の導電部分と基板との間に配置してもよい。相互接続回路の実施例の実装については、同時係属中の同一所有者の出願の「Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ Ａｓｓｅｍｂｌｙ」（代理人整理番号５９３３３ＵＳ００２）に記載され、上記の参照によって援用されるものとする。

潜在的に低い性能であるが、より低コストの別の実施形態は、電気相互接続用のプリント配線板構造に基づく従来のＦＲ４エポキシを含みうる。さらに別の実施形態において、ＬＥＤダイアレイを接続するための必要に応じて、導電性エポキシまたは導電性インクを適切な基板上でパターン形成することによって、低コストの回路を作製することができる。

上述したように、ファイバとＬＥＤダイの一対一対応は、よりよい照明効率を提供することができる。この原理の図として図６ａは、コア１２５ａおよびクラッディング１２５ｂを備えた単一ファイバ１２５を示している。図６ｂは、１９本のファイバ１２５の束１２７を示している。たとえば、それぞれの外径が０．０２８インチで、コアの直径が約６５０μｍのファイバ１２５の場合には、束１２７を照射するために必要な光のビームの有効面積は、約０．００１７平方インチ（０．０１１平方センチメートル）である。１９本の光を伝播するファイバコア１２７の面積は、約０．００１０平方インチ（０．００６５平方センチメートル）である。仮に均一に分散される光源の場合には、導波路に結合される光の量は、導波路の入力面積に比例する。したがって、この図における光結合効率は、．００１０／．００１７、すなわち約６０％である。

本発明の利点は、ファイバ束の個別のファイバに光を効率的に発射することである。単一の源を用いた場合には、たとえば、制御されていない光発射角およびファイバクラッディングおよび束の中のファイバ間の間隙空間への光結合のために、効率は著しく低下する可能性がある。したがって、個別のＬＥＤを対応するファイバに結合しない従来のシステムは、束の中のファイバ間の暗い空間のために発せられた光の２５〜４０％を失われる可能性がある。したがって、そのようなシステムは、より多くのファイバの緊密な結束を必要とし、依然として集光の低下を生じうる。

対照的に、本発明において、ファイバの直径に基づき、受光ファイバをきわめて緊密な出力アレイに入れることができ、したがって、きわめてコンパクトに集光された発光を生じる。

本発明の個別の受光ファイバは直径が比較的小さいため、束として通したり曲げたりしてもよく、束が円形、螺旋形、矩形または他の多角形の形状などの種々の幾何形状の断面を備えていてもよい。本発明の具体的な実施形態は、遠隔電源を集めて、明かりの電源が効率的な態様で通常入手可能でない場所に再指向することができる。

たとえば、図１３に示されたような車両のヘッドライトの用途において、本発明は、サイズおよび形状がランプフィラメントに類似であるきわめて集光される光源を提供するため、反射面または屈折素子によって発せられた光を整形し、投影することができる。図１３は、自動車用の遠隔照明システム３００の実施形態を示している。この遠隔照明システム３００は、車両の電源（図示せず）をＬＥＤダイ３０４のアレイに結合するための結合器３０１を具備している。上述したように、熱伝導材料から構成される基板３４０上に配置されることができる相互接続回路層３４１上に、ＬＥＤダイ３０４を面実装することができる。この実施形態において、接合などによって、反射体形状のアレイ３２０を相互接続回路層に配置することができるため、各裸のダイはその周囲を反射面によって包囲される。ＬＥＤダイから発せられ、反射体のアレイによって集光／集束される光は、レンズ３１２のアレイに任意に向けられ、対応するファイバ３２２の入力端部に発せられた光を集光することができる。

図１３に示されているように、ファイバ３２２の入力端部を収容するために、入力コネクタ３３２を用いることができる。この具体的な実施形態において、個別のファイバは、２組のファイバ３５１および３５２に束ねられることができるため、異なる位置（たとえば左および右の車両のヘッドライト３７４および３７５）に光を出力することができる。それぞれのヘッドライトに束ねられた組のファイバを収容するために、出力コネクタ３３１Ａおよび３３１Ｂを用いることができる。このような態様で、熱源（すなわち光生成源−ＬＥＤダイアレイ）が最終的な照明出力領域から遠いため、「冷たい」ヘッドライトを用いることができる。この構成は、反射体、コーティング、レンズおよび他の関連光学素子などのヘッドライトに位置する光学素子に対する熱損傷を低減することができる。

別の具体的な実施形態において、図１３に示されるシステム３００などの照明システムは、さらに赤外線センサを具備することができる。この別の実施形態において、ＬＥＤダイの１つ以上のアレイは、赤外発光ＬＥＤダイを含みうる。そのような赤外ＬＥＤダイは、ハニーウェル（Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ）から市販されているものなどの従来のＩＲ ＬＥＤダイであってもよい。システムは、ＩＲ信号を受信するために、従来のＩＲ検出器をさらに備えうる。この別の実施形態は、衝突検出用途に用いられることができる。さらに、自動車の調光用途および／または夕暮れ時の自動的な点灯のために、たとえば周辺光センサなどの他のタイプのセンサを用いることができる。したがって、この別の実施形態において、本発明の照明システムは、照明および遠隔計測の両方を行うことができる。あるいは、赤外線送受信装置を具備し、照明システムの一体部分または個別の部分として構成することができる。

図８〜１１は、低コストの構成を提供することができ、本願明細書に記載される照明システムおよび組立品に用いることができる種々の具体的なコネクタ実施形態を示している。

図８は、ファイバ１２２の上部装着または下部装着を容易にし、ファイバケーブル組立品の入力端部に光源のアレイに対応し、所定のピッチのｎ×ｎアレイを可能にする入力コネクタ１３２ａに関する設計を示している。この具体的な実施形態において、コネクタ１３２ａは、２個部品構成から形成され、上部分１３３は下部品１３４にファイバ１２２を嵌入するように設計された歯１３５を有する。下コネクタ部分１３４は、確実に適合するように、ファイバ１２２および歯１３５を収容する溝１３６を具備しうる。この構造は、低コスト組立品を可能にするほか、１回のステップで２次元アレイを組立てることも可能にする。他の２次元コネクタ設計は、Ｖ溝コネクタの層を「積み重ねる」ことが必要である場合がある。

図９は、ファイバ１２２が上および下から取付け可能であるｎ×ｎアレイ入力コネクタ１３２ｂを示している。この具体的な実施形態のコネクタ１３２ｂは３個部品構成から形成され、コネクタは上部分１３３’および下部分１３４’によって包囲されるファイバ収容溝１３８を有する中央部分１３１を具備する。あるいは、コネクタ１３２ｂは、単一の一体構成から形成されることができる。この設計はまた、１回のステップで２次元コネクタを作製することができる。これを実現するために、図１２の組立機械は、たとえば、１つの広い直線ファイバアレイではなく、２つのファイバアレイを有する。

図１０は、上装着部または下装着部を備えた入力コネクタ１３２ｃに関する設計を示している。スペーサ１３９がファイバ間の縦ピッチを設定するために用いられる。この設計はまた、２次元アレイを作製するために「スペーサ」を挿入することによって、ｖ溝層を積み重ねる必要性を排除する。

図１１は、ファイバケーブル組立品用の出力コネクタ１３０に関する設計を示している。この設計は上装着用であってもよく、集められた照明源を提供するために、ファイバ１２２の密な詰込みに適合することができる。本願明細書を教示される当業者には明白であるように、他のコネクタ設計もまた、用いることができる。

図１２は、これらの装置を構築するために用いることができる自動組立手順を示している。この図は、直列ケーブル組立（ＩＮＣＡ）に関する工程を示しており、ケーブル組立品を同時に作製し、成端することができる。ＩＮＣＡ工程については、たとえば、同一所有者の米国特許第５，５７４，８１７号明細書および５，６１１，０１７号明細書に記載されている。これらの開示内容は、本願明細書に参照によって援用されるものとする。ＩＮＣＡシステム２００は、Ｎ個のファイバスプール２０２のアレイからなり、ファイバがＩＮＣＡ組立機械２１０に供給される。ファイバ２２２は、正確に離隔されたガイドコーム２１２を用いて、特定の所望のピッチを有するアレイに持ち込まれる。一般に、このピッチは、特定のコネクタ設計を成端するために必要なピッチである。ファイバがピッチごとに１本ずつ、コネクタ組立ステーション２３０に通される。コネクタ組立ステーション２３０では、少なくともコネクタ下部２３１およびコネクタカバー２３２からなるコネクタ構成部材は、ファイバアレイの上および下の位置に移動される。ファイバアレイの長さに沿って所定の間隔で、アレイのファイバをさらに位置合せして捕捉するために、コネクタ下部２３１およびカバー２３２を一つに合わせる。貼合せロール２４０および粘着テープ２４２などを用いて、成端ケーブル組立品を作製するために、ファイバをコネクタ組立品に機械的にまたは接着剤によって接合することができる。単一のコネクタを組立てる場合には、機械の出力はコネクタ化されたピグテール（一端にコネクタを備えたケーブル）である。わずかに離隔された対向する位置に２つのコネクタを取付けることによって、コネクタ化されたジャンパケーブル２５０（両端にコネクタを有するケーブル）が機械から出力される。コネクタ化の観点から、組立られたコネクタおよびファイバは、機械を通り続け、保護ケーブルジャケットがファイバアレイおよびコネクタの上に取付けられる。

図１４は、多層高密度固体光源４００の実施例の構成の分解立体図を示している。上述の実施例と同様に、光源４００は、遠隔源を提供するために、光ファイバに結合されることができる。第１の層、すなわち基板４４０は、ＬＥＤダイ４０４のアレイを支持するための基部を提供するように選択される。上述したように、基板４４０は、銅などの高い熱伝導率を有する材料を含みうる。さらに、基板４４０は導電性であってもよく、ＬＥＤダイ４０４のアレイ用の電源または接地母線を提供しうる。ＬＥＤダイ４０４は、ハンダ、接着剤などの従来の技術を用いて、基板４４０に接合されることができる。次に、接着剤層４０５をＬＥＤダイの上に配置することができる。接着剤層４０５は、ＬＥＤダイの位置およびピッチに対応するカットアウトのパターンを含みうる。

電気接続を提供するために、次にパターン形成されたフレキシブル回路層４４１をパターン形成された接着剤層４０５の上に配置することができる。フレキシブル回路層４４１は、ＬＥＤダイ４０４への接触部を形成するために、導電パターン４４２を備える。一般に、ＬＥＤダイは、２つの電気接続部を必要とし、一部の設計では１つの接続部はＬＥＤダイの上に、もう一方の接続部がＬＥＤダイの下にあり、他の設計では、両方の接続部がＬＥＤダイの上にある。この具体的な実施形態において、フレキシブル回路層４４１は、ＬＥＤダイのアレイに対応するカットアウトを具備する。ＬＥＤダイに対する上部接続部はフレキシブル回路層４４１上の回路パターン４４２によって構成され、下部接続部は基板４４０によって構成されることができる。基準マーク４４９を用いて、基板とフレキシブル回路層４４１との間の適切な位置合せを確保することができる。

微細複製された反射体シート４１１に形成される反射体４２０などの受動光学素子のアレイ４１０を用いて、ＬＥＤダイから光導波路の対応するアレイに発せられる光の結合を行うことができる。この具体的な実施形態において、シート４１１は、反射体４２０のアレイを備える。上述の実施例と同様に、反射体４２０は、多層光学フィルムに形成されてもよく、あるいはＬＥＤダイと同一のピッチでパターン形成される反射性の（たとえば、プラスチック、金属）シートから形成される成形形状、機械加工形状または型押し形状を含んでもよい。さらに、反射体はまた、反射体キャビティの内部にレンズ形状を含みうる。さらに、パターン形成される燐光体は、反射体キャビティに含まれてもよく、シート４１１の上または下に接合されてもよい。

さらなるパターン形成された接着剤層４４５を用いて、アレイ４１０をフレキシブル回路層４４１に接着することができる。今度も、位置合せのために基準マーク４４９を用いることができる。基板と反射体のアレイとの間の高い接合強度および／または絶縁を提供するように、接着材料を選択することができる。さらに、基板と反射体シートとの間の熱膨張係数（ＣＴＥ）の不整合のために、接着材料は強度を減じる可能性がある。

別の実施形態において、フレキシブル回路層および反射体アレイの位置を入れ替えることができる。たとえば、ＬＥＤダイ接合パッドに接着するために、フレキシブル回路層の配線は反射体キャビティを通すことができる。

〔発明の効果〕
上述の照明組立品およびシステムは、これまでのシステムに比べて複数の利点がある。第一に、照明強度の損失を被ることなく、上述のＬＥＤダイなどのより小さい熱出力のより小さいＬＥＤダイを用いることができる。上述の実施例では、アレイ中のＬＥＤダイは、実装構造において温度に関してホットスポットを避けるために、物理的に離隔される。この構造により、より多くの出力照明（およびファイバの出力端部から発せられるより明るい出力ビーム）に関して、ＬＥＤダイが電気的に駆動することがさらに困難となる。多数のＬＥＤダイを緊密に詰込むことは、全体的には効率的な熱伝導機構を備えていたとしても、局所的な加熱は、ＬＥＤ寿命の低下を生じ、極端な場合には突発故障を起こしうるため、長期信頼性に関する問題となる。ＬＥＤダイの幅よりさらに広くＬＥＤダイの間隔を空けることにより、局所的なホットスポットのないＬＥＤアレイから熱を抽出するために、かなり熱伝導性の高い基板を実現することができる。十分な熱抽出が行われる場合には、ＬＥＤダイはまた、通常の動作仕様書に記載されているより高い電流出力および光出力で安全に動作しうる。さらに、フィラメント光源に比べて、本発明のＬＥＤダイアレイは、前方に向けられるビームに、フィラメントの加熱の結果でありうる著しい加熱を生じない。この強い熱により、自動車のヘッドライトなどの明かり素子に用いられる場合があるポリマーレンズおよび反射体組立品に損傷を生じうる。

第２の利点は、ＬＥＤごとに１本のファイバを結合することにある。これまでのシステムは、ＬＥＤの密集したアレイを大きな直径のファイバまたはファイバ束に結合した。密集したＬＥＤアレイは、既に述べたように信頼性の問題があるが、（信頼性を犠牲にして）光をファイバに結合するための最適な効率を提供するものとしてそれらの実装が正当化されてきた。ＬＥＤ源ごとに１本のファイバを提供することにより、ＬＥＤダイを物理的に離隔することができ、上述のようにＬＥＤの密な集積により、局所的な熱の影響を最小限に抑えることができる。

他の利点は、電気相互接続配線にある。既に述べたようなフレキシブル回路などのフレキシブル回路によって具体化されるような電気配線の薄い（たとえば、２５〜５０μｍ）層は、電気相互接続、ダイからの熱の一部の熱伝導および積層されうる平坦な電気相互接続構造を提供する。全体的に結果として生じる構造は、きわめて薄い層であるため、この層の光学性能は不可欠ではない。薄くて平たい層は、電気相互接続層に接合される（基板上の）ＬＥＤアレイに関して、アレイ全体を材料のきわめて信頼性の高い固体またはほぼ固体ブロックに積層することができ、今度は反射体シートに接合することができる。相互接続回路の特定の実装に関する利点については、係属中の同一所有者の出願の「Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ Ａｓｓｅｍｂｌｙ」（代理人整理番号５９３３３ＵＳ００２）に記載され、上記の参照によって援用されるものとする。

本願明細書に記載される照明装置のさらなる利点は、組立品全体の積層または封入にある。ＬＥＤアレイおよび反射体キャビティは、たとえば、エポキシまたは成形ポリカーボネートなどの固体材料で充填されてもよいため、組立品全体はボイドのないブロックに積層されてもよい。水がポリマーボイドに集まりやすく、長期信頼性問題を生じることから、電気機器におけるボイドは、一部の用途では信頼性問題となりうる。

また、ＬＥＤダイの前にビーム整形反射体を配置することができる。さらに、反射体構造は、可視光波長および広範囲の入射角にわたって反射率を維持すると同時に、反射体形状に延伸されることができるＭＯＦから構成されてもよい。

他の利点は、選択された出力色を提供する上記の燐光体の配置にある。これまでの試みは、ＬＥＤを収容するキャビティに燐光体を用いることであった。このバルク燐光体の蒸着は、著しい量の比較的高価な燐光体を必要とする。燐光体は等方的に光を発するため、これはＬＥＤを実際のサイズより大きく見せることによって、本質的にＬＥＤ源の範囲を減少する。これは、今度は、上記の実施形態で記載したように、ファイバまたは他の導波路への光の結合効率を著しく劣化する可能性がある。

図５に示されているような燐光体１０６は、シート上に被覆されて、反射体の下（または上）で構造に積層されてもよく、ＬＥＤの面上に直に蒸着されてもよい。燐光体の被覆層を用いることにより、結合剤中に燐光体のきわめて均一で薄い層を生じ、ＬＥＤエネルギを「白色」光に効率的に変換する。は、ＬＥＤ源の見かけのサイズをあまり増大しないように、燐光体層を正確に画定することができ、それによってＬＥＤの範囲を維持し、システムの結合効率を向上する。燐光体入りのエポキシをＬＥＤの発光面上に直接的または間接的に蒸着する際に、燐光体の量を削減し、燐光体のきわめて小さな体積の正確な体積蒸着によって、ＬＥＤ発光領域のサイズを正確に維持することができる。

本発明の別の利点は、ＬＥＤダイアレイから発せられる色スペクトルを調整することができることにある。「白色」光はＬＥＤダイの色の組合せから構成されてもよいが、複数の具体的な実施形態は青色放射線またはＵＶ放射線を広いスペクトル、すなわち「白色」光に変換するために燐光体層を用いる。ＬＥＤダイアレイにわたって異なる燐光体を用いることにより、所望の色温度の「白色」光を生成することができる。同様に、ＬＥＤダイにわたって用いられる燐光体を調製することによって、種々の色を生成してもよい。

反射体アレイの上に燐光体被覆シートを配置することは、（光ファイバの制限された受光角のために）ファイバアレイへの光エネルギの最も効率的な結合を生じるわけではないが、そのような構造はこの場合も先と同様にＬＥＤの密集による局所的なホットスポットを生じることなく、大きな面で広く発散するアレイの場合には好都合であると思われる。

本発明は具体的な好ましい実施形態を参照して説明してきたが、本発明は、本発明の範囲を逸脱することなく、他の特定の形態に具体化されてもよい。たとえば、本発明の具体的な実施形態は、自動車のヘッドライトの領域に関して示されているが、本発明の照明システムは、航空機、船舶、医療、産業、家庭および他の自動車用途に用いてもよい。したがって、本願明細書に記載され、図示された実施形態は例示に過ぎず、本発明の範囲を限定するものと考えるべきではないことを理解すべきである。本発明の範囲によれば、他の変形および修正を行ってもよい。

本発明の実施形態による照明システムの斜視図である。 本発明の実施形態による照明システムに用いられる光源の簡略化した断面側面図である。 本発明の実施形態による光源および反射体表面の部分の詳細な図である。 最大発光角を８０°、ＬＥＤダイと反射体との間の距離を３０μｍと仮定した場合の反射体の点の曲線形状のプロットを示すグラフである。 本発明の実施形態による集光素子の実施形態の断面側面図である。 実施例の単一の受光ファイバを示している。 実施例の束になった受光ファイバを示している。 本発明の実施形態による照明システムにおいて用いられる相互接続用ＬＥＤダイのアレイおよび光学集光素子のアレイの部分分解立体図である。 本発明による照明システムに用いられる光コネクタの別の実施形態の断面端面図である。 本発明による照明システムに用いられる光コネクタの別の実施形態の断面端面図である。 本発明による照明システムに用いられる光コネクタの別の実施形態の断面端面図である。 本発明による照明システムに用いられる光コネクタの別の実施形態の断面端面図である。 ケーブル組立品の同時作製および成端のための組立設定の簡略図である。 本発明の実施形態による車両照明システムの分解斜視図である。 多層高密度固体光源の実施例の構成である。 ＬＥＤダイをカプセルで包んだ燐光体の実施例の構成である。 ＬＥＤダイをカプセルで包んだ燐光体の実施例の構成である。

Claims (22)

1. 光学放射線を生成するための複数の固体放射線源（１０４）、好ましくは複数のＬＥＤダイと、
   前記複数の固体放射線源のための電気接続を提供するための相互接続回路層（１４２）と、
   複数の光導波路（１２２）、好ましくは複数の光ファイバと、
   光学素子（１２０）のアレイと、を具備し、
   前記複数の光導波路のそれぞれが第１の端部および第２の端部を具備し、各第１の端部が前記複数の固体放射線源の対応する固体放射線源と光通信し、
   光学素子の前記アレイの各光学素子が、前記光導波路の対応する第１の端部と前記対応する固体放射線源との間に挟まれる照明装置。
2. 光学放射線を生成するための複数の固体放射線源（１０４）、好ましくは複数のＬＥＤダイと、
   複数の光導波路、好ましくは複数の光ファイバ（１２２）と、
   複数の非屈折光学素子（１２０）と、を具備し、
   前記複数の光導波路のそれぞれが第１の端部および第２の端部を具備し、各第１の端部が前記複数の固体放射線源の対応する固体放射線源と光通信し、
   前記複数の光学素子の各光学素子が、対応する第１の端部と前記対応する固体放射線源との間に挟まれ、各非屈折光学素子が、対応する固体放射線源によって発せられる集光を対応する光導波路に反射するような形状である照明装置。
3. 基板（４４０）と、
   放射線を生成するための固体放射線源（４０４）のアレイ、好ましくはＬＥＤダイのアレイであって、前記基板に熱結合されるアレイと、
   固体放射線源の前記アレイに関する電気接続を提供するためのパターン形成される相互接続回路層（４４１）であって、前記パターン形成が前記アレイに対応する相互接続回路層（４４１）と、
   前記相互接続層を前記基板に結合させるための第１のパターン形成される接着剤層（４０５）であって、前記パターン形成が前記アレイに対応する接着剤層（４０５）と、
   固体放射線源の前記アレイから出る放射線を集光するために、シート（４１１）に形成される反射光学素子（４１０）のアレイと、
   前記シートを前記相互接続層に結合させるための第２のパターン形成される接着剤層（４４５）と、を具備する照明装置。
4. 前記複数の光ファイバが、複数のポリマークラッドシリカファイバを具備し、それぞれが約４００μｍ〜約１０００μｍのコア直径を有する請求項１または２に記載の照明装置。
5. 前記複数の光ファイバの前記第２の端部が、単一の群に束ねられて単一の光照明源を形成するかまたは個別の群に束ねられて個別の光照明源を形成する請求項１、２または４に記載の照明装置。
6. 光学素子の前記アレイが、光学集光素子のアレイを具備する請求項１〜５のいずれか１項に記載の照明装置。
7. 前記光ファイバの前記第２の端部から発する光学放射線を受光して集束するために、前記複数の光ファイバが、複数の光学集束素子、好ましくはファイバレンズをさらに具備する請求項１、２、４、５または６のいずれか１項に記載の照明装置。
8. 前記光学素子が、多層光学フィルムに形成される反射体のアレイまたは開放キャビティ金属化反射体のアレイを具備する請求項１〜７のいずれか１項に記載の照明装置。
9. 反射体の前記アレイが、前記複数のＬＥＤダイのそれぞれの範囲を実質的に維持するように、前記ＬＥＤダイに対して配置される請求項８に記載の照明装置。
10. 少なくとも１つのＬＥＤダイの面が、燐光体層、好ましくは燐光体入りのエポキシによって被覆され、さらに好ましくは、各ＬＥＤダイの他の波長の出力に少なくとも部分的に変換し、各ＬＥＤダイの範囲を実質的に維持するほど十分な量である請求項１〜９のいずれか１項に記載の照明装置。
11. 各ＬＥＤダイが幅を有し、各ＬＥＤダイがすべての隣接するＬＥＤダイからその幅より大きい距離で前記相互接続回路層上に配置される請求項１〜１０のいずれか１項に記載の照明装置。
12. 各ＬＥＤダイが、前記相互接続回路層上に面実装されるか、または前記相互接続回路層の凹んだ開口部に配置される請求項１または３に記載の照明装置。
13. 燐光体層が、光学集光素子の前記アレイの上面および下面の一方に積層される請求項６に記載の照明装置。
14. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の照明装置を具備する車両用ヘッドライト。
15. 光学素子の前記アレイが反射体のアレイを具備し、前記アレイの各反射体が入射開口部および出射開口部を有し、各ＬＥＤダイの発光面が前記入射開口部の下で離隔される請求項１〜１４のいずれか１項に記載の照明装置。
16. 第２の複数のＬＥＤダイと、
    それぞれが第１の端部および第２の端部を有し、各第１の端部が前記第２の複数のＬＥＤダイのＬＥＤダイと光通信する第２の複数の光ファイバと、をさらに具備し、
    光学素子の前記アレイが、前記第１の複数の光ファイバおよび第２の複数の光ファイバの対応する第１の端部と前記対応するＬＥＤダイとの間に挟まれる請求項１、２、４または５に記載の照明装置。
17. 照明時に、前記第２の複数の光ファイバの前記第２の端部が、前記第１の複数の光ファイバの前記第２の端部と共に束ねられて単一の光照明源を形成する請求項１６に記載の照明装置。
18. 前記第１の複数のＬＥＤダイおよび第２の複数のＬＥＤダイが、異なる発光スペクトルを有する請求項１６に記載の照明装置。
19. 前記第１の複数の導波路および第２の複数の導波路が第１の複数の光ファイバおよび第２の複数の光ファイバを具備し、前記第１の複数の光ファイバの前記第２の端部が第１の束に束ねられ、前記第２の複数の光ファイバの前記第２の端部が第２の束に束ねられ、前記第１の束からの出力発光の第１の方向が、前記第２の束からの出力発光の第２の方向と異なる請求項１６に記載の照明装置。
20. 第３の複数のＬＥＤダイと、
    それぞれが第１の端部および第２の端部を有し、各第１の端部が前記第３の複数のＬＥＤダイのＬＥＤダイと光通信する第３の複数の光ファイバと、をさらに具備する請求項１６に記載の照明装置。
21. 前記第１の複数のＬＥＤダイが赤色光を発し、前記第２の複数のＬＥＤダイが青色光を発し、前記第３の複数のＬＥＤダイが緑色光を発する請求項２１に記載の照明装置。
22. ＬＥＤダイの前記アレイからの出力発光が、選択された色温度で光を生成する請求項１、２または３に記載の照明装置。

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