JP2009015319A - ファイバーオプチック光導波管へ光をカップリングするための装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＥＤ光の光導波管へのカップリングが技術的な複雑さ、効率及び経済コストに関して最適化され、異なるタイプのＬＥＤ光源からの光は同一の様式で使用でき、それによって光の伝送の間の望ましくない光学作用が回避される装置を提供することを目的とする。
【解決手段】ファイバーオプチック装置は、少なくとも１つの発光半導体表面を有する少なくとも１つのＬＥＤ光源と、一端部で組み合わされて受光入口面を形成する多数の個々の光ファイバーを含むファイバーオプチック光導波管と、互いに直接割り当てられた複数の光学レンズを有し、ＬＥＤ光源からの光を入口面上に描画するレンズ集成装置とを有する。レンズ集成装置は、少なくとも１つの入力レンズとそれに対して大きな直径を持っている１つの出力レンズからなる少なくとも２つの非球面のレンズを含み、入力レンズは各発光半導体表面に割り当てられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、少なくとも１つの発光半導体表面を有する少なくとも１つのＬＥＤ光源と、受光入口面を形成するために一端部で組み合わされた複数の個々の光ファイバーを含むファイバーオプチック光導波管と、互いに直接割り当てられた複数の光学レンズを有し、受光入口面上にＬＥＤ光源からの光を描画するレンズ集成装置とを有するファイバーオプチック装置に関する。

ＬＥＤ光源からの光を光導波管へカップリング（連結）するための各種装置及び方法が知られている。かかる装置及び方法は、一般に、光源の寿命やエネルギー効率のための改善された条件を確保するために、光源を、例えはハロゲンランプやガス放電ランプなどの他の光発生手法に置き換えるのに供される。ＬＥＤ光源はまた、様々に着色された光が発生されるべきときに好適に使用される。

さらに、このタイプのファイバーオプチック装置は、損失を生じることなく、主として光源から照明位置へ比較的大きな距離にわたってあるいは光の透過性が悪いか不透過性の材料を貫通して、ファイバーオプチック光導波管によって光を運ぶために使用される。この場合、ファイバーオプチック光導波管は、好適にはガラス繊維として具体化される個々の多数の光ファイバーを含む。他の光ファイバー材料も同様に本発明に従って使用することができ、それに相応して本発明の主題（サブジェクト・マター）に包含される。この場合、光をカップリングさせるために供される光導波管の末端で上記個々のファイバーが光の入口面を形成する。

他の光発生手法に満足して置き換えることができるようにするために、ＬＥＤ光源からの光はファイバーオプチック光導波管へできるだけ完全にカップリングされる必要があることが知られている。ファイバーオプチック光導波管と共にＬＥＤ光を使用すると、周知のように、ＬＥＤ光を光導波管へカップリングするときに最大の損失が生じる。

本発明に関連して、ＬＥＤ光源は、少なくとも１つの発光半導体表面を有する発光ダイオードあるいは発光ダイオード集成装置を意味すると理解されるべきである。これは、白色光を放射する発光ダイオード及び着色光を放射する発光ダイオードの両方を意味する。さらに、本発明は、その半導体表面が一つのスペクトル（単色光）領域の光を放射する発光ダイオード及びその半導体表面が単色光を放射する複数の半導体表面の組合せからなる発光ダイオードの両方を包含し、後者の場合、上記複数の半導体表面の組合せが、遠視野観察の場合に光の混合によって引き起こされる特定の色を発生することができる。

そのようなＬＥＤ光源は、一般に、ハロゲンランプやガス放電ランプよりも光の強さが低く、即ち、光発生面の単位面積当りで、置き換えられるべき光発生手法の場合よりもＬＥＤ光源の場合に発生する光のパワーがより少ない。これは光を光導波管へカップリングするときに不利益であり、なぜならば、ＬＥＤ光源の場合には、より高い光のパワーは、通常、それに応じてより大きな光発生半導体表面と共同される。

本発明は、光を光導波管へカップリングする効率を最適化するためのＬＥＤ光源の及びレンズ・システムの光境界条件には、光発生面は光導波管の入口面に関して大きいことが必要である、という認識に基づいている。

対照的に、効率を最適化するためのファイバーオプチック光導波管のあるいはその入口面の光境界条件には、光発生面は光導波管の入口面に関して小さくなければならないことが必要である。これにより、全体として利用可能な光の検出のために光導波管によって予め決められた立体角は、レンズ・システムにより光損失を伴って超過されないことが確保される。

これらの相反する要求を満たすために、公知の装置は、それが、低減する損失に関して最適化された光導波管へカップリングを行なうことがなお可能なように、光発生面に直接接続された一次レンズによりＬＥＤ光源からの光を集中することを試みた。

それとは別の方法としてあるいは補足的に、光導波管を直接光発生面に配置すること、従ってＬＥＤ光源への所謂直接当接カップリングが行なわれた。

さらに、光におけるカップリング効率を改善するために、プラスチック射出成型部品が所謂ＬＥＤ取付け光学システムとして使用されてきた。一次レンズと同様に、それらは、光が光導波管へ充分に有効にカップリングされることを確保するために、光発生半導体表面上に直接配置されなければならない。この場合、これらの従来の構成要素は、光が光導波管へカップリングされるようにするために、平面あるいは曲がった表面を持っている。

最後に、異なる色に単色光を放射する複数の半導体の組合せからなる半導体表面を有するＬＥＤ光源の場合、着色光を充分に混合するための光案内ロッドあるいは光案内コーンもしくはファイバー・オプチックコーンなどの光学要素が知られている。発光半導体表面は近い範囲内の異なる色領域に分割されるので、近視野混合として知られるこの効果が要求される。光導波管への直接カップリングに際して、上記色領域の各々は、入口面の部分的な領域上に描画され、それに相応して光導波管内を案内される。この結果として、物理的な法則のために望ましくない光学作用が光導波管のカップリング出（カップリング・アウト）側にもたらされる。上記作用は、異なる波長の光の環状分布、収差、消滅、干渉などを含む。そのような光学作用の結果、光導波管の出力側での更なる光の処理には相当なパワー・損失を伴なう。

さらに、前述した従来の方法及び装置は、常にＬＥＤ光源に特に適合するようにしたＬＥＤと光導波管の入口面との結合態様を必要とする。さらに、多数の発光半導体表面を有し、異なる色領域を持っているＬＥＤ光源は、特別の方法でのみ実現することができ、この点において技術的に複雑で高コストである。

そのような公知の装置の１つの例はＥＰ １００７９９３に公表された。この場合、２つのＬＥＤ光源からの光は、半透明の鏡を介して間接的に単一モードファイバーの入力側に描画される。レンズ集成装置は複数の球状のレンズで具体化され、取付け光学システムの形態で射出成型部品として具体化される。これらの具体的態様の１つの不利益は、装置はもっぱら１つのタイプのＬＥＤ光源として提供されるということである。一般に、他のタイプのＬＥＤ光源を使用することは不可能である。このことは、装置は、そのために提供される特定のタイプのＬＥＤ光源が製造される限りにおいてのみ、使用し維持することができることを意味する。これは、長い耐用年数がある製品における従来の装置の使用は不便であるかあるいは非経済的であることを意味する。

従って、本発明の目的は、
−ＬＥＤ光の光導波管へのカップリングが技術的な複雑さ、効率及び経済コストに関して最適化され、
−異なるタイプのＬＥＤ光源からの光は同一の様式で使用することができ、
−そして、それによって光の伝送の間の望ましくない光学作用が回避される
装置を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明によれば、少なくとも１つの発光半導体表面を有する少なくとも１つのＬＥＤ光源と、一端部で組み合わされて受光入口面を形成する多数の個々の光ファイバーを含むファイバーオプチック光導波管と、互いに直接割り当てられた複数の光学レンズを有し、ＬＥＤ光源からの光を入口面上に描画するレンズ集成装置とを有するファイバーオプチック装置であって、レンズ集成装置は少なくとも１つの入力レンズとそれに対して大きな直径を持っている１つの出力レンズからなる少なくとも２つの非球面のレンズを含み、入力レンズは各発光半導体表面に割り当てられていることを特徴とするファイバーオプチック装置が提供される。有利な実施態様は従属請求項の特徴によって特徴付けられる。

従って、有利なことに、用いられるＬＥＤのタイプと無関係にコンデンサーとして使用できる装置が提供される。このことは、公知の装置とは対照的に、例えば一次レンズ手法を備えあるいは備えていないＬＥＤ光源のデザインも、ＬＥＤのサイズもコンデンサー・タイプに特に適応する必要がないことを意味する。この場合、１つの好適な装置は、入力レンズの前部頂点と入力焦点との間の距離ｘが、出力レンズの後部頂点と出力焦点との間の距離ｘ’より小さいことにより特徴付けられるコンデンサーを有する。これにより、入力レンズから来る発散光線が完全に獲得され、かくして光導波管へ供給するための最適の光のパワーが利用可能であることが確保される。本発明に係る装置は、特にＬＥＤ光を光導波管へカップリングする場合、公知の配置に関しての損失を大きく回避することを可能にするので、ファイバーオプチック光導波管と一緒にＬＥＤ光を使用することを有利に改善する。

本発明によれば、出力レンズの入力焦点距離がその出力焦点距離より大きな特に好適な実施態様の変形例が提供される。それにより、ビーム経路は、光導波管中へのカップリング入り角度（カップリング・イン角度）が光をカップリング・インするために最適に配向されるように集中される。発光半導体表面と入力レンズの平面の間の小さな距離は、最適化された立体角の全範囲にわたって光導波管の獲得範囲をさらに確実なものとする。本発明によれば、このためには、レンズ集成装置の描画比率ｖが１：２.４と１：２.２の間にあり、好ましくはｖ＝１：２.３であることが有利であることが見出された。

入力レンズにより、半導体表面から光を取り込むための入力角度Θ_Ｅが１１０°〜１３０°の範囲にあり、好ましくはΘ_Ｅ＝１２０°であることを確保する一つの有利な実施態様の変形例が提供される。補足的にあるいは別の方法では、本発明によれば、レンズ集成装置の出力レンズがすべての半導体表面からの光を６５°〜７５°の範囲の角度Θ_Ａで、好ましくは角度Θ_Ａ＝７０°で光導波管の入口面上に集中させる。

本発明は、光導波管中へのＬＥＤ光のカップリングが技術的な複雑さ、効率及び経済コストに関して最適化される装置を有利に提供する。さらに、本発明に係る装置は、異なるタイプのＬＥＤ光源からの光を同一のやり方で使用できるという利点をもたらす。

本発明に係る装置は、従って、例えば、他の光発生技術が通常使用されてきた公知の光源、例えばハロゲンランプやガス放電ランプなどに置き換えることを可能にする。これは、代表的な適用領域のために、このように装備されたシステムのより長い寿命を得ることを可能にし、かつ、光導波管へ光をカップリングする場合にそうでなければ発生する不利な光学作用を受ける必要なしに、公知の光源と比較してエネルギー効率を改善することを可能にする。従って、様々に着色された光が発生されるべきときに、ＬＥＤ光源を使用することがさらに可能である。

本発明に係る装置は、ファイバーオプチック光導波管によって大きな距離にわたってＬＥＤ光を導くことを可能にするので、特に有利である。ＬＥＤ光源の光パワーの最適な利用は、ほとんど損失を生じることなく照明位置へＬＥＤ光が導かれることを確実にする。この場合、ファイバーオプチック光導波管は、好ましくはガラス繊維として具体化される多数の個々の光ファイバーを含む。他のファイバーオプチック材料も同様に本発明に従って使用することができ、それに相応して本発明のサブジェクト・マターによって包含される。この場合、上記個々のファイバーは、カップリング・インのために供される光導波管末端で光のための入口面を形成する。本発明は、従って、光をカップリング・インするとき及びファイバーオプチック光導波管中の伝送の間、光導波管出力で最適の光品質が利用可能であることを確実にする。

本発明によれば、レンズ集成装置へ光を取り込むために、複数の入力レンズがそれぞれＬＥＤ光源の各発光半導体表面に供される。この点において、ＬＥＤ光源は発光ダイオードあるいは複数の発光ダイオードの集成装置であると理解される。この場合、ＬＥＤ光源は少なくとも１つの放射半導体表面を有している。この場合、ＬＥＤ光源は白色光及び着色光の両方を放射することができる。さらに、本発明は、その半導体表面が１つのスペクトル領域（単色光）で光を放射するＬＥＤ光源を包含する。本発明は、異なる単色光で放射する複数の半導体表面の組合せによってその光が放射されるＬＥＤ光源を同様に包含する。この場合、半導体表面の組合せは、なかんずく単色光で放射する複数の半導体表面からの光の混合が、遠視野観察における色彩効果を生ずることができるようにされる。別の方法では、ＬＥＤ光源が発光半導体表面を持っており、レンズ集成装置の入力レンズ及び出力レンズが、半導体表面及び光導波管の入口面が配置される光学軸を形成する。ファイバーオプチック装置の個々の構成要素の本発明による配置は、光のカップリング効率を低減する光の伝送の間の光学作用をさらに有利に回避する。

この点において、本発明によれば、ＬＥＤ光源が１つより多くの発光半導体表面を有し、割り当てられた複数の入力レンズと共に複数の半導体表面が出力レンズによって規定される光学軸に対して対称的な配置を有することが有利である。

特に好適な実施態様の変形例によれば、入力レンズは出力レンズによって規定される光学軸上に中心があるように配される。

別の方法ではあるいは補足的に、本発明によれば、この点において、複数の発光半導体表面の各々は同一の色配置を有する異なる色領域へ細分され、割り当てられた入力レンズと共に半導体表面は光学軸のまわりに対称的な配置を有し、また、光学軸に対して各半導体表面の色領域の配置が同一である。

さらに他の実施態様の変形例によれば、光学軸に対して配列された半導体表面の数は、複数の半導体表面の色領域の数あるいはその倍数になる。この場合、複数の半導体表面は各場合に２つの同一の色及び２つの異なる色、好ましくは赤（Ｒ）、緑（Ｇ）及び青（Ｂ）の色、を有する４つの色領域を有し、同じ色の２つの色領域は２つの異なる色領域の各々に隣接することが有利である。

さらに本発明による他の実施態様の変形例によれば、半導体表面は実質的に正方形の色領域を有し、異なる色を有する複数の色領域が赤（Ｒ）及び青（Ｂ）の光を放射し、同一の色を有する２つの色領域が緑（Ｇ）の光を放射する。

色領域及び割り当てられた光学レンズの配置で、遠視野観察において生ずる色彩効果は、レンズ集成装置及び光導波管を介して望ましくない光学作用によって破壊されず、むしろ光の最適な伝送を確保する充分な光混合が、光が光導波管へカップリングされる前に既に生ずることが、本発明によって確保される。

さらに、装置の光学表面は反射防止被覆されることが有利であることがわかった。これは、光のカップリング効率に悪影響を及ぼし得る反射を防止する。

光導波管中への光のカップリングの一層の最適化は、入口面で光導波管の光ファイバーはホットメルト接合され、接着され及び／又は端末スリーブにプレス嵌めされる本発明による装置によって達成される。これにより、ビーム経路における表面の光学特性が光の入口及び光の出口に最適にそれぞれ利用可能であることが確保される。

本発明は、従って、光導波管への光のカップリング効率がＬＥＤ光源の及びレンズ・システムの光境界条件によって最適化される装置を提供する。同時に、効率は、ファイバーオプチック光導波管のあるいはその入口面の光境界条件によって、光発生面が光導波管の入口面に対して小さいように最適化される。これにより、全体として利用可能な光の獲得のために光導波管によって予め決められた立体角が、レンズ配置によって超過される状況が防止される。従って、光の損失は回避される。

特に有利なことには、本発明に係る装置は、単純な発光半導体表面の配置の場合及び半導体表面に一次レンズを有するＬＥＤ光源の場合の両方に使用することができる。さらに、本発明に係る装置が異なるＬＥＤシステムにおいて普遍的に用いることができるように、あらゆる別の方法のあるいは補足のカップリング技術を使用することができる。

さらに、従来技術から知られ、所謂ＬＥＤ取付け光学システムとして使用されているプラスチック射出成型部品は、転換のための相応するコストを不要とすることができるように使用し続けることができる。

最後に、光案内ロッドあるいは光案内コーンあるいは他のファイバーオプチック・コーンなどの光学要素は、ＬＥＤ光源に特に適合するようにされたＬＥＤと光導波管の入口面の結合態様の必要もなく、本発明に従って依然として使用されることができる。

本発明に係る装置のさらに他の好適な実施態様の変形例によれば、負の焦点距離を有する付加的な光学要素が光導波管の入口面の前に直接挿入され、この光学要素は、偏向が光導波管の入口面上の明るさの差を補うように、出力レンズの立体角で複数の発光半導体表面間の境界領域の描画に相応する角度で光を偏向させる。本発明によれば、多数の発光半導体表面を備えたＬＥＤ光源からの光をカップリングするとき、出力レンズを通しての描画の角度範囲の構築のためにより明るい領域とより暗い領域がある、ということが認識された。上記角度範囲のより明るい領域とより暗い領域は、半導体表面の境界には発光材料がより少ない又は全く存在しないため、発光半導体表面の境界領域に相応する。発光半導体表面間の距離が大きくなればなるほど、光が存在しないか又は少ない角度範囲もまたより大きくなる。このことは、出力レンズを通しての光の描画の間に同様により明るい領域とより暗い領域があることを意味する。本発明に係る装置により、光導波管の入口面上に出力レンズから放射された光は、負の焦点距離を有する付加的な光学要素によって立体角で有利に偏向される。この場合、より明るい領域とより暗い領域は、光が光導波管の入口面にぶつかる前に重ねられる。伝送された光は、従って異なる明るさの領域もなくほとんど均一な光分布で光導波管中へ有利にカップリングされ、従って例えば光導波管のカップリング・アウト側に明るい／暗い領域又はリングのような望ましくない光学作用が回避される。

この場合、負の焦点距離を有する光学要素は、光導波管の入口面の前に直接近接して配置され、ＬＥＤ光源の発光半導体表面間の境界領域の配置及び数に相応する負の焦点距離を有する。この場合、光学要素によって達成することができる光の偏向は、明るい／暗い領域が最適に重ねられるように出力レンズの描画の角度範囲に生ずる明るい／暗い領域と直接関連する。この場合、光導波管中への光の均一なカップリング、及び従って光導波管の出力での均一な光放射が生じるので有利である。

以下に添付図面を参照して本発明について説明する。
図１は、発光半導体表面２を備えた従来技術からのＬＥＤ光源１の基本的な構成を図示している。発光半導体表面２は、回路板３に収納されている。その中へ半導体表面２が光を放射する立体角の範囲Δは、回路板３上の複数の半導体表面２の配置に本質的に依存し、単純なＬＥＤ回路板の場合には、半導体表面２のまわりの全半空間にわたって延在する。

光導波管へのカップリングの場合、従って、放射された光の一部だけが規則的に取り込まれる。従って、光導波管へのカップリングの場合には光のパワーの相当な損失が生じる。

これらの損失を低減するために、従来技術においては、図面に示されるように一次レンズ４が半導体表面２上に配置され、上記レンズはビーム経路をより小さな立体角（Δ）に制限しようと意図されている。この方策は有効ではあるが、ファイバーオプチック光導波管での光の伝送のためのＬＥＤ光源の使用については、その部品のための光学要素としての光導波管はそれ自身の光学原理を必要とするため、光導波管の末端で所望の光の適用に充分な明るさを確保するためには充分ではない。

従って、ファイバーオプチック光導波管は開口角度を有し、それは代表的にはほぼ７０°である。光学不変式による光描画の原理は、対象スペースにおける発光媒体の領域（エリア）の製品及び対象スペースにおけるその立体角が、イメージ・スペースにおける発光媒体の領域の製品及びイメージ・スペースにおけるその立体角より小さいかあるいは等しいことを要求する。従って、エリア比率（面積比率）は立体角比率に対して相関的である。光導波管についての開口角度の場合には、比率はほぼ１：６であり、即ち、光導波管の入口面は発光半導体表面よりもおよそ６倍大きくなければならないことになる。特に、互いに横に並んで配置された多数の半導体表面の場合には、これは、光導波管にとって経済的にまた技術的に不都合なサイズになってしまう。

付加的なファクターは、ＬＥＤ光源は、必要な光パワーを発生できるようにするために、後の図に示されるように、一般に多数の発光半導体表面２を含む、ということである。さらに、色彩効果を有するＬＥＤ光源も使用可能としようとするものである。この場合、色彩効果は、互いに横に並んで配置された異なる色領域を有する多数の半導体表面２によって生じる。互いに横に並んだ異なる色領域を有する異なる半導体表面２の配置は、光のパワー及び光効果に悪影響を及ぼし得るさらなる光学作用を生じる。

光を光導波管へ描画するかあるいはカップリングする場合には、上記異なる半導体表面あるいは異なる色領域が光導波管の入口面上に描画される。これは、光導波管の個々のファイバーが異なる光の成分を運ぶ効果がある。カラーＬＥＤ光源が赤、緑及び青の光成分を有する場合には、特定のファイバーが赤色光を運び、他のものは青色光を運び、またさらに他のものが青色光を運ぶ。多重アームの非混合光導波管の場合には、個々の光導波管アームが対応する色成分を異なる位置に導く効果があるが、それは一般には望まれない。

光導波管のファイバーは、光導波管の一部でのこの欠陥を修正するために、カップリング・イン側で非常に繊細に混合されなければならないであろう。この繊細な混合は高度に制御された方法で実行されなければならないし、複数の光ファイバーのランダムな集積を許してはならない。そのような繊細な混合は相当に複雑になり、それに応じてコスト高となる。

ファイバーオプチック光導波管は、さらに、角度的にある程度等角であるという特性を持っている。すなわち、カップリング・イン側に存在する角度分布も本質的に光導波管のカップリング・アウト側に再生される。

ある「混合」は既に起こっているが、回転対称分布が存在する。仮に、カップリング・イン条件のために、例えば、ＲＧＢ着色光にカップリングされる場合、異なる色は光導波管へ異なる角度範囲へカップリングされ、そこで着色リング構造がカップリング・アウト側で遠視野に発生する。この構造は一般に望まれない。ファイバーの混合は上記構造に影響を及ぼさない。

同じ効果は半導体表面の境界で生じ、ここでは光は全く放射されないかあるいはほんの僅かの光しか放射されない。これらの異なる明るさを有する構造は、図５に関して後により詳細に説明するように、光出口末端で対応する望ましくない作用も生じる。

図２は、従って、発光半導体表面２を有するＬＥＤ光源１、非対称のレンズ集成装置７及びさらに光導波管８を備えた本発明に係るファイバーオプチック装置５の断面図を示している。

ファイバーオプチック光導波管８は、多数の個々の光ファイバーを含み、これらは受光入口面９を形成するために一端部で組み合わされている。レンズ集成装置７は、半導体表面２及び入口面９に直接割り当てられており、入口面９上にＬＥＤ光源１からの光を描画する複数の光学レンズを有する。

本発明によれば、レンズ集成装置７は２つの非球面のレンズからなる。この場合、半導体表面２に割り当てられたレンズは入力レンズ１０として指定され、また、光導波管に割り当てられたレンズは出力レンズ１１として指定される。出力レンズ１１は、入力レンズ１０と比較して大きな直径を持っている。
光のビーム経路は矢印Ａによって記号化されている。

本発明に係る装置５の場合には、レンズ類は、入力レンズ１０の前部頂点と入力焦点との間の距離ｘが、出力レンズ１１の後部頂点と出力焦点との間の距離ｘ’よりも小さくなるように配置されている。さらに、出力レンズ１１の入力焦点距離はその出力焦点距離より大きい。

従って、有利なことに、発光半導体表面２の立体角へ放射された光は入口面９上に完全に描画されることが可能であり、光導波管の開口角度が考慮に入れられる。従って、光導波管の直径を発光半導体表面２に適合させることを省くことが可能である。ＬＥＤ光源１の大きな立体角はこのようにして完全にカバーされ、それによって、光は小さな開口角度へ及び光導波管８の入口面９上にカップリングできる。

従って、カップリングするときに光源１のあるいは光導波管８の光学特性の境界条件だけでなく、２つの光学系の相互作用も考慮に入れられる。

図３は、本発明に関してＬＥＤ光源１の基本構成図の平面図を示している。ＬＥＤ光源１は４つの発光半導体表面２を有している。この場合、発光半導体表面２は、異なる色領域１２、１３、１４、１５を備えている。光を取り込むために、入力レンズ１０は、それぞれの場合にＬＥＤ光源１の各発光半導体表面２用のレンズ集成装置７に備えられている。複数の半導体表面２は、割り当てられた入力レンズ１０と共に、出力レンズ１１によって規定される光学軸１６に対して対称的な配置を形成している。出力レンズ１１は、図中、外周円によって表わされている。従って、光学軸１６は、外周円の円形中間点を通ってイメージ面に垂直なものとして想像されるべきである。入力レンズ１０は、光学軸１６のまわりに一様に配置されている。

発光半導体表面２の各々は、図中に異なるハッチングにより明確にされている同一の色配置を有する異なる色領域１２、１３、１４、１５へ細分されている。この場合、半導体表面２は、割り当てられた入力レンズ１０と共に光学軸１６のまわりに対称な配置を形成している。各半導体表面２の色領域１２、１３、１４、１５の配置は、光学軸１６に対して同一である。これは、半導体表面２は最も近い隣接する半導体表面２に関して各々の場合に互いに対して９０°回転したように配置されることを意味する。

光学軸１６のまわりに配置された半導体表面２の数は、半導体表面２の色領域の数と等しい。しかしながら、本発明はまた、半導体表面２の数が半導体表面２の色領域の数の倍数となる配置も包含する。さらに本発明はまた、半導体表面２の数が色領域の数と無関係に選択される配置、特に異なるかあるいは色とりどりの色領域を有する半導体表面２を備えた配置を包含する。

１つの好適な実施態様の変形例は、特に有利である。この実施態様の変形例では、半導体表面２は、各々の場合に２つの同一の色と２つの異なる色を有する４つの色領域を有する。この場合、上記色領域は好ましくは赤（Ｒ）、緑（Ｇ）及び青（Ｂ）の色からなる。この場合、半導体表面は実質的に正方形の色領域を有するようにされる。異なる色を有する色領域が赤（Ｒ）及び青い（Ｂ）の光をそれぞれ放射し、同一の色を有する２つの色領域が緑（Ｇ）の光を放射する組合せが特に有利である。

図４は、図３に従ってＬＥＤ光源１を備えた本発明に係る装置５の側部断面図を示している。レンズ集成装置７は、対応する入力レンズ１０が割り当てられている２つの半導体表面２を示している。光学軸１６に応じて、入力レンズ１０は、各々の入力レンズ１０よりも周囲が大きな出力レンズ１１に対応する。さらに、入力レンズ１０の入力焦点距離ｘは出力レンズ１１の出力焦点距離ｘ’よりも小さい。従って、光は最適の立体角で光導波管８へカップリングされる。立体角は、好ましくは光の入口面９において光導波管８の開口角度と等しい大きさである。

図５は、負の焦点距離を有する付加的な光学要素６のない本発明に係る装置５の基本構成図の断面図を示している。この場合、ＬＥＤ光源１からの光は、光導波管８の入口面９上にレンズ集成装置７を介して描画される。半導体表面２からの光と同じように、この場合には半導体表面２間の境界表面１７が描画される。従って、光導波管８中の光の伝送中に、公知の物理的作用が生じ、即ち、光導波管８の光の出口末端に、より低い明るさの境界領域が暗リングとしてその後現われる。

図６は、負の焦点距離を有する付加的な光学要素６を備えた図５に従った本発明に係る装置５の出力レンズ１１の配置の基本構成図をさらに示している。図５に示す装置５は、前述した不利益を伴うより低い明るさの境界領域が半導体表面２間に生じるＬＥＤ光源１を有している。本発明によれば、これらの不利益を回避するために、負の焦点距離を持っている付加的な光学要素６を光導波管の入口面９の前に直接配置するようにされる。従って、光は入口面９上に描画する前に偏向され、それによって異なる明るさあるいは色の領域が、光導波管８の入口面９上に描画する間に重ねられる。

このようにして達成されることは、光導波管８の光の出口末端で均質な光放射が確保されるということである。負の焦点距離を有する付加的な光学要素６は、ＬＥＤ光源１の及びレンズ集成装置７の構造的に指令された構成により生じた描画構造についてほとんど補整し、これは本発明に係る装置のほとんどの適用にとって有利である。

本発明は、他のタイプのカップリング・インに対応する装置を有利に提供する。従って、本発明に係るレンズ集成装置と既に公知の他の方法との組合せが可能である。特に、ＬＥＤ取付け光学ユニットとしてのプラスチック射出成型部品もなお可能である。光案内ロッドあるいは光案内コーンの使用も同様に本発明により可能である。さらに、ＬＥＤ光をファイバーオプチック光導波管へカップリングするための周知慣用の原理も、光導波管８の入口面９上の光の描画を改善するためになお使用することができる。

本発明は、出力描画に対する入力描画の１：２.３の描画スケールが生じるという利点を有する。半導体表面２の対角線は、従って、２倍のサイズに描画される。さらに、大きな立体角はレンズ集成装置によってカバーされ、それによって、材料特性のための低い損失に加えて、本質的に、半導体表面２の、従ってＬＥＤ光源１の全光パワーを光導波管８へカップリングすることができる。

ＬＥＤ光源１とレンズ集成装置７との間の小さな距離は、入力レンズ１１のために適切なレンズ・タイプを選ぶことにより実現することができる。

本発明によれば、提供される装置は、幾何学的な光学境界条件を考慮するために１つ以上のレンズを有するレンズ集成装置を有する。

白の半導体表面２の場合及び単色の半導体表面２の場合のいずれにおいても、本発明に係る装置は、ちょうど２つのレンズにより対称な配置で実現することができる。

より大きな立体角をカバーするために、またさらに、１：２.３の所望の描画比率を実現するために、非対称の配置が提案される。

この場合、本発明の決定的な利点は、レンズ集成装置は公知の装置に関してＬＥＤに特有ではないということであり、即ち、ＬＥＤ光源のデザイン（例えば、一次レンズを有しあるいは有さない）及びサイズの両方が最大限可能な程度まで任意であり得るということである。

本発明に係る装置は、より高い伝送が可能になるように、装置の光学表面を広帯域の反射防止被膜で改善することによりさらに最適化することができる。

効率を増大させるさらに他の可能性は、接着に代えてホットメルト接合された入口面９を有する光導波管８を使用することにある。入口面９は従ってより高いファイバー充填密度を有し、それにより光入口に改善された表面を提供する。

今後期待されるＬＥＤ光源の光パワーにおける改善も、本発明に係る装置で容易に処理でき、それにより本発明に係る装置の使用可能な領域の重大な拡張を考慮に入れることができる。

発光半導体表面を備えたＬＥＤ光源の基本構成図を示している。 発光半導体表面、非対称のレンズ集成装置及び光導波管を備えた本発明に係る装置の断面図を示している。 異なる色領域を有する４つの発光半導体表面を備えたＬＥＤ光源の基本構成図を示している。 対称的なレンズ集成装置を備えた図３に従ったＬＥＤ光源を備えた本発明に係る装置の断面図を示している。 負の焦点距離を有する付加的な光学要素のない本発明に係る装置の基本構成の断面図を示している。 負の焦点距離を有する付加的な光学要素を備えた図５に従った基本構成を示している。

符号の説明

１ ＬＥＤ光源
２ 発光半導体表面
３ 回路板
４ 一次レンズ
５ ファイバーオプチック装置
６ 負の焦点距離を有する付加的な光学要素
７ レンズ集成装置
８ 光導波管
９ 入口面
１０ 入力レンズ
１１ 出力レンズ
１２ 色領域
１３ 色領域
１４ 色領域
１５ 色領域
１６ 光学軸
１７ 境界領域
Δ 半導体表面の立体角
ｘ 入力焦点距離
ｘ’ 出力焦点距離
Ａ ビーム経路

Claims (17)

1. 少なくとも１つの発光半導体表面（２）を有する少なくとも１つのＬＥＤ光源（１）と、一端部で組み合わされて受光入口面（９）を形成する多数の個々の光ファイバーを含むファイバーオプチック光導波管（８）と、互いに直接割り当てられた複数の光学レンズを有し、ＬＥＤ光源（１）からの光を入口面（９）上に描画するレンズ集成装置（７）とを有するファイバーオプチック装置であって、レンズ集成装置（７）は少なくとも１つの入力レンズ（１０）とそれに対して大きな直径を持っている１つの出力レンズ（１１）からなる少なくとも２つの非球面のレンズを含み、入力レンズ（１０）は各発光半導体表面（２）に割り当てられていることを特徴とするファイバーオプチック装置（５）。
2. 入力レンズ（１０）の前部頂点と入力焦点との間の距離（ｘ）が、出力レンズ（１１）の後部頂点と出力焦点との間の距離（ｘ’）より小さいことを特徴とする請求項１に記載の装置（５）。
3. 出力レンズ（１１）の入力焦点距離がその出力焦点距離より大きいことを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の装置（５）。
4. レンズ集成装置（７）の描画比率ｖが１：２.４と１：２.２の間にあり、好ましくはｖ＝１：２.３であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置（５）。
5. レンズ集成装置（７）へ光を取り込むために、入力レンズ（１０）がＬＥＤ光源（１）の各発光半導体表面（２）について各々設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置（５）。
6. 入力レンズ（１０）が半導体表面（２）から光を取り込むための入力角度Θ_Ｅが１１０°〜１３０°の範囲にあり、好ましくはΘ_Ｅ＝１２０°であることを確実にする請求項５に記載の装置（５）。
7. レンズ集成装置（７）の出力レンズ（１１）がすべての半導体表面からの光を６５°〜７５°の範囲の角度Θ_Ａで、好ましくは角度Θ_Ａ＝７０°で光導波管（８）の入口面（９）上に集中させることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置（５）。
8. ＬＥＤ光源（１）が発光半導体表面（２）を有しており、レンズ集成装置（７）の入力レンズ及び出力レンズ（１０、１１）が、半導体表面（２）及び光導波管（８）の入口面（９）が配置される光学軸（１６）を形成することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の装置（５）。
9. ＬＥＤ光源（１）が１つより多くの発光半導体表面（２）を有し、割り当てられた複数の入力レンズ（１０）と共に複数の半導体表面（２）が出力レンズ（１１）によって規定される光学軸（１６）に対して対称的な配置を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の装置（５）。
10. 入力レンズ（１０）は出力レンズ（１１）によって規定される光学軸（１６）上に中心があるように配されることを特徴とする請求項９に記載の装置（５）。
11. 複数の発光半導体表面（２）の各々は同一の色配置を有する異なる色領域（１２、１３、１４、１５）へ細分され、割り当てられた入力レンズ（１０）と共に半導体表面（２）は光学軸（１６）のまわりに対称的な配置を有し、また、光学軸（１６）に対して各半導体表面（２）の色領域（１２、１３、１４、１５）の配置が同一であることを特徴とする請求項９に記載の装置（５）。
12. 光学軸（１６）のまわりに配置された半導体表面（２）の数は、複数の半導体表面の色領域（１２、１３、１４、１５）の数又はその倍数であることを特徴とする請求項１１に記載の装置（５）。
13. 複数の半導体表面（２）は各々２つの同一の色及び２つの異なる色、好ましくは赤（Ｒ）、緑（Ｇ）及び青（Ｂ）の色、を有する４つの色領域（１２、１３、１４、１５）を有し、同じ色の２つの色領域（１３、１５）は２つの異なる色領域（１２、１３、１４、１５）の各々に隣接することを特徴とする請求項１１又は１２のいずれかに記載の装置（５）。
14. 半導体表面（２）は実質的に正方形の色領域（１２、１３、１４、１５）を有し、異なる色を有する複数の色領域（１２、１４）が赤（Ｒ）及び青（Ｂ）の光を放射し、同一の色を有する２つの色領域（１３、１５）が緑（Ｇ）の光を放射することを特徴とする請求項１３に記載の装置（５）。
15. 装置（５）の光学表面は反射防止被覆されていることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一項に記載の装置（５）。
16. 入口面（９）で光導波管（８）の光ファイバーはホットメルト接合され、接着され及び／又は端末スリーブにプレス嵌めされていることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか一項に記載の装置（５）。
17. 負の焦点距離を有する付加的な光学要素（６）が光導波管（８）の入口面（９）の前に直接挿入され、この光学要素は、偏向が光導波管（８）の入口面（９）上の明るさの差を補うように、出力レンズ（１１）の立体角で複数の発光半導体表面（２）間の境界領域（１７）の描画に相応する角度で光を偏向させることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか一項に記載の装置（５）。

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