JP2009540594A - 遠隔光源の光コリメート及び光混合 - Google Patents

Abstract

第１の光源（１０１）及び第２の光源（１０２）を有する発光素子が提供される。光源は、第１の光源からの光をコリメートする第１のコリメート手段（１１１）及び第２の光源からの光をコリメートする第２のコリメート手段（１１２）を更に有し、これらコリメート手段の出力領域は、互いに少なくとも部分的にオーバーラップしている。第１の光源からの光を第１のコリメート手段に案内すると共に第２の光源からの光を第２のコリメート手段に案内する光案内手段が、第１及び第２の光源と第１及び第２のコリメート手段との間に配置されている。本発明の発光素子は、光源とコリメート手段との間に距離があっても、良好に混合されると共にコリメートされた光を提供する。

Description

本発明は、発光素子であって、第１の光特性の光を放出する少なくとも１つの第１の光源及び第２の光特性の光を放出する少なくとも１つの第２の光源を有し、第１の光特性は、第２の光特性とは異なっており、第１の光特性の光をコリメートする第１のコリメート手段を有し、第１のコリメート手段は、少なくとも１つの第１の受光領域及び第１の受光領域よりも広い少なくとも１つの第１の出力領域を有し、第２の光特性の光をコリメートする第２のコリメート手段を有し、第２のコリメート手段は、少なくとも１つの第２の受光領域及び第２の受光領域よりも広い少なくとも１つの第２の出力領域を有し、第１の出力領域と第２の出力領域は、少なくとも部分的にオーバーラップしている発光素子に関する。

プレーナ型光源は、現在のところ、幾つかの互いに異なる用途、例えば環境照明用のランプ、液晶ディスプレイのバックライト及び投写型ディスプレイの光源用として考慮されている。

発光ダイオード、即ちＬＥＤは、例えばＬＥＤの寿命が白熱灯、蛍光灯及び放電灯の寿命よりも長いので多くの用途における光源の望ましい選択肢である場合がある。
さらに、発光ダイオードは、白熱灯よりも電力消費量について一層効率的であり、近未来において蛍光灯よりも効率が高くなることが見込まれている。

これらの用途及び他の用途の幾つかにおいて、高い輝度及び高い色変動性の光を達成することが望ましい場合が多い。

輝度（Ｂ）は、次のように、単位面積（Ａ）及び単位立体角（Ω）当たりに放出されるルーメンの大きさ（Φ）として定義される。
〔数１〕
Ｂ＝Φ／ＡΩ

従来、色変動性は、多くの赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ及び青色ＬＥＤをアレイ（行、列又は２次元マトリックス）の状態に別々に配置して、色が変化しうる（可変色性の）別個独立にアドレス指定可能な画素のアレイを形成することにより得られている。

高輝度の可変色性光は、典型的には、互いに異なるスペクトル部分で発光する多数の高輝度ＬＥＤをマトリックスの状態に互いに並べて積み重ねることにより得られる。或る特定の領域上に配置されるＬＥＤが多ければ多いほど、比Φ／Ａがそれだけ一層高くなる。

しかしながら、互いに異なる色を放出するＬＥＤをそれ自体並べて位置決めすることは、可能な限り高くコリメートされる光を得る効率的な方法であるとは言えない。典型的には、ＬＥＤは、光を本質的にランバートのパターンで、即ち、光の観察角度のコサインに比例した強度を有する状態で放出する。この場合も又、互いに異なる色のＬＥＤを並べて位置決めすると、その結果として、ランバートの放射パターンが生じる。この結果、Ωに比例する角度の広がりは、輝度の場合と同様（上述の公式に従って）不変である。

角度の広がりを減少させることによりこの構成から有向ビームを形成することができる。これは、例えば、米国特許出願公開第２００４／０２１８３９０号明細書に記載されており、この場合、ＬＥＤのアレイは、テーパ付き金属製反射ビンの対応のアレイ内に配置されている。しかしながら、これは、輝度を増大させない。というのは、コリメータのスペースを空けるためにＬＥＤを一段と離して配置しなければならないからである。事実、輝度は、角度の広がりの減少が面積の増大により補償されるのでほぼ同一である。

もう１つの問題は、個々の光コリメートに関し、ＬＥＤは、高い効率が得られるようコリメート構造体内で非常に近くに又はそれどころか密接して配置される必要があるということにある。

上述したように、ＬＥＤは、典型的には、光をランバートのパターンで放出するので、コリメート構造体のＬＥＤ専用受光領域がＬＥＤから見て遙か遠くに配置されている場合、このＬＥＤ専用受光領域は、ＬＥＤにより放出された光の大部分を集めることができるようにするためには非常に広いことが必要である。

米国特許出願公開第２００４／０２１８３９０号明細書において提案されたコリメート構造体は、可変色性画素を表わす数個のＬＥＤ、例えば赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ及び青色ＬＥＤが共通の包封材で包封されているマルチＬＥＤパッケージの場合、ＬＥＤ専用光コリメートには適していない。包封材により、コリメート構造体は、ＬＥＤから見て相当な距離を置いたところに自動的に配置されることになり、コリメート構造体は、高い効率のＬＥＤ専用コリメートを行うことができない。

本発明の目的は、この問題を解決し、複数の光源及び光コリメート・混合構造体を有するコンパクトな発光素子であって、コリメート・混合構造体が光源から遠くのところに配置されている場合であっても、良好にコリメートされると共に混合された高い輝度の光を放出することができる発光素子を提供することにある。

米国特許出願公開第２００４／０２１８３９０号明細書

本発明者は、本発明の発光素子を提供することにより上述の目的を達成できるということを見出した。

第１の態様では、本発明は、発光素子であって、
第１の光特性の光を放出する少なくとも１つの第１の光源及び第２の光特性の光を放出する少なくとも１つの第２の光源を有し、第１の光特性は、第２の光特性とは異なっており、
第１の光特性の光をコリメートする第１のコリメート手段を有し、第１のコリメート手段は、少なくとも１つの第１の受光領域及び第１の受光領域よりも広い少なくとも１つの第１の出力領域を有し、
第２の光特性の光をコリメートする第２のコリメート手段を有し、第２のコリメート手段は、少なくとも１つの第２の受光領域及び第２の受光領域よりも広い少なくとも１つの第２の出力領域を有し、第１の光コリメート手段の出力領域と第２の光コリメート手段の出力領域は、少なくとも部分的にオーバーラップしており、
第１の光源からの光を第１の光コリメート手段の少なくとも１つの第１の受光領域に案内すると共に第２の光源からの光を第２の光コリメート手段の少なくとも１つの第２の受光領域に案内する光案内手段を有することを特徴とする発光素子に関する。第１のコリメート手段は、第１の光源から出た光をコリメートし、他方、第２の光源から出た光に本質的に影響を及ぼさない状態のままにし、第２のコリメート手段は、第２の光源から出た光をコリメートし、他方、第１の光源から出た光に本質的に影響を及ぼさないままにする。この結果、互いに異なる光源からの光を別個独立にコリメートすることができる。

第１のコリメート手段の出力領域は、第２のコリメート手段の出力領域と少なくとも部分的にオーバーラップし、この結果、第１の光源から出てコリメートされる光は、第２の光源から出てコリメートされる光と良好に混合状態になる。

出力領域のオーバーラップにより、輝度の増大が可能である。上述の輝度に関する公式を採用すると、出力領域が並んで配置されている従来型コリメータと比較して、面積（Ａ）を減少させることが可能である。さらに、出力領域がオーバーラップしていることにより良好な光混合（混光）が達成される。

光案内手段は、特定の光源からの光が適正な受光領域によって受け取られるようにするよう構成されている。コリメート構造体が光源から距離を置いたところに配置される場合、光源からの光は、広い領域にわたり広がることになる。この光の大部分をコリメートできるようにするためには、広い受光領域を備えたコリメータが必要である。しかしながら、広い受光領域は、光の輝度にとって有害である。

コリメート構造体と光源との間に配置された光案内手段を用いることにより、これら相互間の距離は、不適切ではない。というのは、光案内手段が各光源からの光を適正な受光領域に差し向け、コリメート手段の受光領域のところに「仮想光源（見掛けの光源）」が生じるからである。

この結果、光源が包封され、コリメート構造体が包封材の外部に配置されなければならない場合のようにコリメート構造体が光源から或る距離を置いて配置されている場合であっても、良好にコリメートされた高い輝度の光を得ることが可能であろう。

本発明の実施形態では、光案内手段は、光源とコリメート手段との間に配置された少なくとも１つのレンズ（単一レンズ又はレンズ系）から成るのが良い。レンズは、光源からの光を受け取り、第１の光源からの光を、このような光をコリメートするようになったコリメート手段の少なくとも１つの受光領域上に集束させ、第２の光源からの光を、このような光をコリメートするようになったコリメート手段の受光領域上に集束させるよう構成されている。

レンズを光案内手段と用いることにより、各光源の光を適正なコリメータに案内する簡単な構造が得られる。

本発明の好ましい実施形態では、光案内手段として用いられ又は光案内手段の状態に構成されるレンズ又はレンズ系は、テレセントリックレンズ又はテレセントリックレンズ系である。

テレセントリックレンズ又はテレセントリックレンズ系を用いた場合の一利点は、光線の角度分布状態を「仮想光源」に保存でき、即ち、コリメータに入った光が画像を拡大しない場合又は縮小する場合、光源により元々放出された光と同一の角度分布状態を備えるということにある。

本発明の実施形態では、光案内手段は、第１の光源からの光を、このような光をコリメートするようになった第１の光コリメート手段の受光領域に案内する少なくとも１つの第１の光導波路と、第２の光源からの光を、このような光をコリメートするようになった第２の光コリメート手段の受光領域に案内する少なくとも１つの第２の光導波路とから成るのが良い。

光導波路を用いた場合の利点は、これにより、光源とコリメート構造体との間の距離を長くすることができ、しかも、光源とコリメート構造体を互い違いに配置できるということにある。このような光導波路の例としては、光ファイバが挙げられるが、これには限定されない。

本発明の実施形態では、光案内手段は、第１の光源からの光の少なくとも一部分を、第１の光源からの光をコリメートするようになった第１の光コリメート手段の受光領域に案内すると共に第２の光源からの光の少なくとも一部分を第２の光源からの光をコリメートするようになった第２の光コリメート手段の少なくとも１つの受光領域に案内する１つの鏡又は複数の鏡のシステムから成る。

光案内手段に鏡を用いた場合の一利点は、色収差を回避することができ、しかも、一例として例えばレンズ表面からの反射に起因して見える場合のあるゴースト像も又回避することができるということにある。

本発明の好ましい実施形態では、第１の光コリメート手段は、その受光領域をその出力領域に少なくとも部分的に連結する側壁を有し、第１のコリメート手段の側壁の少なくとも一部分は、第１の光特性の光を反射する第１のフィルタを有する。同様に、第２の光コリメート手段は、その受光領域をその出力領域に少なくとも部分的に連結する側壁を有し、第２のコリメート手段の側壁の少なくとも一部分は、第２の光特性の光を反射する第２のフィルタを有する。

第１のフィルタは、第１の光特性の光を反射し、第２の光特性の光を透過するようになっており、一方、第２のフィルタは、第２の光特性の光を反射し、第２の光特性の光を透過するようになっている。

コリメート手段の側壁は、例えばガラス又はプラスチックの自立形壁要素によって形成されるのが良い。コリメータのフィルタは、これら壁要素を構成するのが良く又はこのような壁要素上に配置されるのが良い。壁要素の互いに異なる側に被着されたダイクロイック（二色性）材料は、良好な濾波特性を得るためには同種であっても良く異種であっても良い。

変形例として、コリメータの側壁は、２つの隣り合う固体導波路、例えばプリズム相互間の接合面によって形成され、この場合、フィルタは、２つの導波路相互間のこのような接合面上に配置されるのが良い。

変形例として、コリメータの側壁は、固体導波路と大気との間のインタフェースであっても良く、この場合、フィルタは、このインタフェースを形成する導波路の面上に配置されるのが良い。

このような構成の一利点として、第１のコリメート手段と第２のコリメート手段は、これら２つのコリメート手段の出力領域が互いにオーバーラップしている場合であっても、互いに本質的に独立に作用することができる。これにより、１つの構造体でコリメートを行い、しかる後、別の構造体で光の混合を行う（又はその逆の関係を実施する）のではなく、同一構造体でコリメートと光の混合を行うことができる。

本発明の実施形態では、第１の光特性は、第１の波長間隔であり、第１のフィルタは、第１の二色フィルタであり、第２の光特性は、第２の波長間隔であり、第２のフィルタは、第２の二色フィルタである。

変形実施形態では、第１の光特性は、第１の偏光状態であり、第１のフィルタは、第１の偏光フィルタであり、第２の光特性は、第２の偏光状態であり、第２のフィルタは、第２の偏光フィルタである。

本発明の好ましい実施形態では、第１及び第２の光源の各々は、少なくとも１つの発光ダイオード（ＬＥＤ）から成る。本発明は、ＬＥＤに特に好適である。たとえＬＥＤが一般的に言って光をランバートのパターン（半球発光）で放出するとしても、本発明では、ＬＥＤからの光をコリメートすることができる。

本発明の好ましい実施形態では、光案内手段は、第１の光源の第１の光画像を第１の光コリメート手段の受光領域上に投射し、第１の光画像の面積は、第１の光源の面積よりも小さい。同様に、光案内手段は、第２の光源の第２の光画像を第２の光コリメート手段の受光領域上に投射し、第２の光画像の面積は、第２の光源の面積よりも小さいのが良い。

例えばレンズをＬＥＤから一段と遠くに配置することにより光の面積を縮小する光案内手段を用いることによって、光源の見掛けの像を実際の光源よりも小さく作ることができる。これにより、コリメータの受光領域が光源よりも小さいコリメート構造体からの効率的なコリメート及び光の混合が可能である。受光領域を狭くすると、高さの低いコリメート構造体の実現が可能であり、この結果、発光素子の全高を低くすることができる。ＬＥＤからの光が既に幾分コリメートされている場合、光を損失させないで縮小を行うことができる。しかしながら、そうではない場合、幾分かの光が失われる。しかしながら、これは、構造体をできるだけ小さく保ちたい場合には依然として魅力的な場合がある。

したがって、好ましい実施形態では、第１の光コリメート手段の受光領域は、第１の光源の面積よりも小さいのが良く、且つ（或いは）第２の光コリメート手段の受光領域は、第２の光源の面積よりも小さいのが良い。

次に、本発明の現時点において好ましい実施形態を示す添付の図面を参照して本発明の上記観点及び他の観点を詳細に説明する。

本発明は、複数の光源と、光源からの光をコリメートして混合するコリメート手段とを有する発光素子であって、光案内手段が光源とコリメート手段との間に配置されている発光素子に関する。

本明細書で用いる「光源」という用語は、当業者に知られている任意の種類の光源を意味する。例えば、この用語は、白熱灯、放電灯及び発光ダイオードに関する。

本明細書で用いられる「発光ダイオード」という用語は、種々のあらゆる形式の発光ダイオード（ＬＥＤ）を意味し、このようなＬＥＤとしては、有機系ＬＥＤ、ポリマー系ＬＥＤ及び無機系ＬＥＤが挙げられ、これらＬＥＤは、動作モードにおいて、紫外線から赤外線までの任意の波長又は波長間隔の光を放出する。発光ダイオードは又、本発明との関連において、レーザダイオード、即ち、レーザ光を放出する発光ダイオードを含むものと解される。本発明で用いるのに適した発光ダイオードとしては、頂部放出型発光ダイオード、側部放出型発光ダイオード及び底部放出型発光ダイオードが挙げられるが、これらには限定されない。

本明細書で用いる「有機発光ダイオード」又は「ＯＬＥＤ」という用語は、有機発光材料から成る種々のあらゆる形式の発光ダイオード（ＬＥＤ）を意味し、このようなＬＥＤとしては、小形有機分子利用ＬＥＤ（ｓｍＯＬＥＤ）及び有機ポリマー利用ＬＥＤ（ｐｏｌｙＬＥＤ）が挙げられ、これらＬＥＤは、動作モードにおいて、紫外線から赤外線までの任意の波長又は波長間隔の光を放出する。また、透明な頂部放出型、底部放出型又は頂部放出型と底部放出型の両方のＬＥＤ（ＴＯＬＥＤ）を本発明の光源として用いることができる。

本明細書で用いる発光ダイオードの色、例えば「緑色発光ダイオード」という用語は、動作モードで発光ダイオードにより放出される色、即ち光の波長範囲を意味している。

上述したように、本発明の技術的思想は、互いに異なる偏光特性の混光及びコリメートにも及ぶ。このため、本明細書の該当する文中の「波長間隔」という用語は、「偏光状態」で置き換え可能であり、「二色フィルタ」は、「偏光フィルタ」で置き換え可能であり、「色」は、「偏光」で置き換え可能である。

本明細書で用いられる「コリメータ」及び関連の用語、例えば「コリメート手段」という用語は、電磁（ＥＭ）放射線、例えばＵＶからＩＲまでの間隔に属する光を受け取ることができ、受け取ったＥＭ放射線のコリメート角度を減少させることができる要素を意味している。

本明細書で用いる「二色フィルタ」という用語は、１つ又は２つ以上の波長又は波長範囲の電磁放射線を反射したり波長又は波長範囲を透過したりし、他方、関心のある全ての波長の吸収係数を低く、代表的にはほぼゼロに保つフィルタを意味している。

二色フィルタは、高域型のものであっても良く、低域型のものであっても良く、帯域幅のものであっても良く、或いは帯域阻止タイプのものであっても良い。

本発明の輝度増強手段に用いられるのに適した二色フィルタは、当業者に知られている二色フィルタを含み、屈折率が異なる材料の多層を含む。

「干渉スタック」と通称されているこのような二色フィルタの一例は、Ｔａ₂Ｏ₅の層とＳｉＯ₂の層を交互に配置したものから成る。各層の厚さは、代表的には、空気中の波長の１／４を屈折率で除算した値にほぼ等しく、この場合、空気中の波長は、二色フィルタの適合対象の光の主たる波長に等しい。

当業者に知られており、本発明に用いるのに適した二色フィルタの他の例は、コレステリック液晶、所謂フォトニック結晶又はホログラフィー層を利用したこのようなフィルタである。

本発明との関連で用いられる場合、二色フィルタは、二色フィルタが照明ユニットにより放出される波長範囲に属する波長を反射し、他方、これとは異なる波長範囲の光を透過させる場合、照明ユニットに合わされる。

例えば、緑色光用の二色フィルタは、緑色光を反射する一方で青色光及び赤色光を透過させることができる。

放出される波長範囲と反射される波長範囲が同一であることは必要ではない。反射される波長範囲は、例えば、放出される波長範囲よりも狭くても良く、或いは、放出される波長範囲よりも広くても良い。

さらに、二色フィルタは、理想的なものでなくても良く、即ち、フィルタが光を反射すべき波長範囲に属する光の１００％を反射しなくても良い。このため、「波長間隔に属する光を反射するよう構成された二色フィルタ」という表現は、「波長間隔に属する光を少なくとも部分的に反射するよう構成された二色フィルタ」として解されるべきである。

例えば、二色フィルタは、２つの互いに異なる色、例えば赤色及び緑色の照明ユニットに適合可能であり、青色光を透過させる・・・等々。

本明細書で用いる「波長範囲」という用語は、連続している波長範囲と不連続の波長範囲の両方を意味している。

本明細書において用いられる「レンズ」という用語は、単一のレンズ及び一緒になって一レンズとして効果的に作用する複数のレンズのシステム（レンズ系）を意味している。

本発明の第１の例示の実施形態は、図１ａに概略的に示されているように、基板１０３上に配置され、共通の包封材層１０４により包封された第１のＬＥＤ１０１及び第２のＬＥＤ１０２を有する発光素子１００に関する。例示目的で、第１のＬＥＤ１０１は、赤色光を放出するものと見なし、第２のＬＥＤは、緑色光を放出するものと見なす。しかしながら、赤色光と緑色光は、この組合せでは、事実、任意の恣意的な波長範囲又は偏光状態を呈することができる。

コリメート構造体１１０が、ＬＥＤの頂部上に配置され、このコリメート構造体は、第１のＬＥＤ１０１により放出された光をコリメートすることができる第１のコリメータ１１１と、第２のＬＥＤ１０２により放出された光をコリメートすることができる第２のコリメータ１１２とから成っている。

第１のコリメータ１１１は、第１のＬＥＤ１０１により放出された光の少なくとも一部分を受け取る受光領域１２１及び出力領域１３１を有し、受け取った光は、この出力領域を通って発光素子から出る。

第１のコリメータ１１１は、側壁１４１，１５１を更に有し、これら側壁は、第１のＬＥＤ１０１により放出された光を反射することができる。

第１のコリメータ１１１の傾斜側壁１４１は、反射フィルタを有し、この反射フィルタは、第１のＬＥＤ１０１により放出された光を反射し、第２のＬＥＤ１０２により放出された光を透過させる。

側壁１５１は、第１のＬＥＤ１０１により放出された光を反射することが必要であり、したがって、傾斜側壁１４１の選択的反射フィルタと同一の又は類似した形式の選択的反射フィルタを有するのが良いが、この実施形態では、変形例として、その側壁に入射する本質的に全ての光を反射する表面であっても良い。

第２のコリメータ１１２は、側壁１４２，１５２を更に有し、これら側壁は、第２のＬＥＤ１０２により放出された光を反射することができる。

第２のコリメータ１１２の傾斜側壁１４２は、反射フィルタを有し、この反射フィルタは、第２のＬＥＤ１０２により放出された光を反射し、第１のＬＥＤ１０１により放出された光を透過させる。

側壁１５２は、第２のＬＥＤ１０２により放出された光を反射することが必要であり、傾斜側壁１４１の選択的反射フィルタと同一の又は類似した形式の選択的反射フィルタを有するのが良いが、この実施形態では、変形例として、その側壁に入射する本質的に全ての光を反射する表面であっても良い。

傾斜側壁１４１，１４２は、一緒になってＶ字形プロフィールの要素を形成し、この場合、Ｖ字形要素のエッジは、基板１０３に向かって配置されている。エッジは、第１のコリメータ１１１の受光領域１２１と第２のコリメータ１１２の受光領域１２２との間の境界線を形成している。

傾斜側壁１４１，１４２は各々、Ｖ字形プロフィール要素の脚部を形成している。

傾斜側壁１４１は、受光領域１２２から第２のコリメータ１１２の出力領域１３２までのビーム経路中に配置され、したがって、第２のコリメータ１１２の受光領域１２２に入るようになった光、即ち、第２のＬＥＤ１０２からの光に関して高い透過率を有するべきである。同様に、傾斜側壁１４２は、受光領域１２１から第１のコリメータ１１１の出力領域１３１までのビーム経路中に配置され、したがって、第１のコリメータ１１１の受光領域１２１に入るようになった光、即ち、第１のＬＥＤ１０１からの光に関して高い透過率を有するべきである。

第１のＬＥＤ１０１が赤色光を放出する上述の場合、傾斜側壁１４１上に配置され、オプションとして側壁１５１上に配置されるフィルタは、赤色光を反射し、緑色光を透過するようになった二色フィルタである。その結果、傾斜側壁１４２上に配置され、オプションとして側壁１５２上に配置されるフィルタは、緑色光を反射し、赤色光を透過するようになった二色フィルタである。

変形実施形態では、第１のＬＥＤ１０１は、第１の偏光状態、例えば、第１の軸線上の第１の直線偏光状態を呈する光を放出しても良く、第２のＬＥＤ１０２は、第２の偏光状態、例えば第１の軸線に垂直な軸線に沿う第２の直線偏光状態を呈する光を放出しても良い。この場合、傾斜側壁１４１上に配置され、オプションとして側壁１５１上に配置されるフィルタは、第１の直線偏光を反射し、第２の直線偏光を透過させるようになった偏光フィルタである。それ故、傾斜側壁１４２上に配置され、オプションとして側壁１５２上に配置されるフィルタは、第２の偏光を反射し、第１の偏光を透過させるようになった偏光フィルタである。

レンズ１０７が、ＬＥＤ１０１，１０２からコリメート構造体１１０までの光の経路内に且つ包封材層１０４の外部に配置されている。

レンズ１０７は、第１のＬＥＤ１０１により放出され、レンズ１０７によって受け取られる光の少なくとも大部分がこのレンズによって第１のコリメータ１１１の受光領域１２１に投射されて受光領域１２１のところに第１の「仮想光源」を形成するよう構成されている。さらに、レンズ１０７は、第２のＬＥＤ１０２により放出され、レンズ１０７によって受け取られる光の少なくとも大部分がこのレンズによって第２のコリメータ１１２の受光領域１２２に投射されて受光領域１２２のところに第２の「仮想光源」を形成するよう構成されている。

図１ａに示す実施形態では、反射壁１０６が、基板１０３から光コリメート構造体１１０まで延びるジャケットとして包封材１０４の側部のところに配置されている。これにより、ＬＥＤ１０１，１０２から斜めの角度をなして放出される光をレンズ１０７によって受け取ることができるようになる。本発明の実施形態では、このジャケットは、基板からコリメータの出力領域まで延び、その結果、側壁１５１，１５２がこのジャケットの一部をなすようになっている。

図１ａに示す実施形態では、反射壁１０６は、互いに平行に且つ基板１０３に垂直に配置され、即ち、本質的に円筒形の反射ジャケットを形成している。しかしながら、このような反射壁を例えば非平行状態に配置しても良く、それにより、基板１０３に向かって幅が狭くなり、光コリメート構造体１１０に向かって幅が広くなるテーパした漏斗状のジャケットが形成される。

図１ａに示す実施形態では、各ＬＥＤパッケージは、２つのＬＥＤ１０１，１０２から成っている。当業者であれば理解されるように、上述の実施形態は、これには限定されず、ＬＥＤパッケージが各々別の色（波長範囲）の光を放出する３つ以上、例えば３つのＬＥＤから成るよう改造可能であり、この場合、光コリメート構造体は、ＬＥＤパッケージ中の各ＬＥＤについてそれぞれ少なくとも１つ設けられ、光案内手段は、各ＬＥＤからの光を対応のコリメータの受光領域中に案内するよう構成される。

図１ａに示す実施形態の変形例では（この変形例は、図１ｂに示されている）、コリメート構造体１１０′の幅は、ＬＥＤパッケージの幅よりも小さく、コリメータの受光領域は、対応のＬＥＤの面積よりも小さい。この実施形態では、これは、各ＬＥＤの光画像を投影するレンズ１０７′を用いて達成され、この場合、光画像（「仮想光源」）は、対応のＬＥＤよりも小さい面積を有する。各コリメータについて必要な受光領域が小さいので、コリメート構造体１１０′の幅を減少した状態にすることができる。さらに、受光領域が小さく作られるので、所望のコリメート度を維持した状態でコリメート構造体の高さを低くすることができ、変形例として、コリメート構造体の高さを維持した状態で高いコリメート度を得ることができる。３つの互いに異なるＬＥＤから成るＬＥＤパッケージからコリメートされると共に良好に混合された光をもたらすようになった本発明の発光素子の実施形態が、図２に概略的に示されている。

この実施形態では、アレイ状に配列されたＬＥＤパッケージ２０５，２０５′，２０５″が、基板上に配置されている。各ＬＥＤパッケージ２０５，２０５′，２０５″は、第１の特性の光を放出する第１のＬＥＤ２０１，２０１′，２０１″と、第２の特性の光を放出する第２のＬＥＤ２０２，２０２′，２０２″と、第３の特性の光を放出する第３のＬＥＤ２０３，２０３′，２０３″とから成っている。上述したように、これら特性は、例えば、第１、第２及び第３の波長範囲（色）又は偏光状態を提供することができる。

ＬＥＤパッケージの頂部上には、レンズのアレイ２０６が配置されている。レンズアレイ２０６の頂部上には、コリメート構造体２１０が配置されている。コリメート構造体は、第１の特性の光をコリメートするようになったコリメータ２１１と、第２の特性の光をコリメートするようになったコリメータ２１２と、第３の特性の光をコリメートするようになったコリメータ２１３とから成るコリメータのアレイを有している。

各コリメータ２１１，２１２，２１３は、それぞれ、受光領域２２１，２２２，２２３及び出力領域２３１，２３２，２３３を有し、出力領域は、対応の受光領域よりも大きく、各出力領域は、隣りのコリメータの少なくとも１つの出力領域とオーバーラップしている。

レンズアレイ２０６は、第１のＬＥＤ２０１，２０１′，２０１″からの光が第１の特性の光をコリメートするようになったコリメータ２１１の受光領域上に投射され、第２のＬＥＤ２０２，２０２′，２０２″からの光が第２の特性の光をコリメートするようになったコリメータ２１２の受光領域上に投射され、第３のＬＥＤ２０３，２０３′，２０３″からの光が第３の特性の光をコリメートするようになったコリメータ２１３の受光領域上に投射されるよう構成されている。

図２に示されている発光素子の鏡像対称性により、上述の図１に示す場合のように基板からコリメート構造体まで延びる反射壁は、不要である。しかしながら、ＬＥＤパッケージ又はＬＥＤパッケージの群を隣りのＬＥＤパッケージ又はＬＥＤパッケージの群から区切るためにオプションとしてこのような反射壁を図２の実施形態としての素子に用いても良い。

当業者であれば理解されるように、本発明は上述の好ましい実施形態に何ら限定されない。それどころか、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲に属する多くの改造及び変形が可能である。例えば、図２から明らかなように、本発明の素子では、１つのＬＥＤからの光をレンズにより２つ以上のコリメータ上に投射することができ、１つのコリメータは、２つ以上のＬＥＤからの光を受け取ることができる。

さらに、図２のレンズアレイは、ＬＥＤパッケージ１つ当たり１つのレンズを有するものとして示されているが、これは、例示目的に過ぎず、レンズの数は、ＬＥＤパッケージの数に一致する必要はない。ただし、レンズ系がＬＥＤからの光を所望のコリメータの受光領域上に正しく投射することを条件とする。

本願の図１及び図２では、コリメータの側壁は、平坦であるものとして示されている。しかしながら、当業者には明らかなように、コリメータの側壁は、変形例として、例えば放物面のような形状のコリメータを形成するよう湾曲していても良い。これにより、素子のコリメート効率が向上する場合がある。

上述の実施形態は、主として、可視波長範囲又は可視波長範囲に近い波長範囲（ＵＶからＩＲ）の光のコリメート及び色混合に関する。しかしながら、本発明の輝度増強手段は、適当な二色フィルタを選択することにより、この波長範囲から外れた電磁放射線、例えばＸ線のコリメートのためにも使える。

当業者には明らかなように、本発明の発光素子は、４つ以上の色、例えば４色又は５色の光源を有することができ、この場合、各色の光が、別々のコリメータで別々にコリメートされ、或いは、２つ又は３つ以上の色が同一のコリメータでコリメートされる。

該当する場合には、或る特定の表面、例えばレンズ表面や受光領域及び出力領域上の表面は、反射防止膜、例えば広帯域反射膜又は或る特定の光特性（或る特定の波長間隔又は或る特定の偏光）に専用の反射防止膜を備えるのが良い。

さらに、コリメータの受光領域は、コリメータ中への光の通過を選択的に可能にするフィルタを備えるのが良い。例えば、赤色光をコリメートするコリメータの受光領域は、赤色光について高い透過率を示し（即ち、コリメータ中への赤色光の通過を可能にし）、青色光及び緑色光について低い透過率を示す（緑色光及び青色光を吸収し又は反射することにより）カラーフィルタを備えるのが良い。

以上要約すると、本発明によれば、第１の光源及び第２の光源を有する発光素子が提供される。光源は、第１の光源からの光をコリメートする第１のコリメート手段及び第２の光源からの光をコリメートする第２のコリメート手段を更に有し、これらコリメート手段の出力領域は、互いに少なくとも部分的にオーバーラップしている。第１の光源からの光を第１のコリメート手段に案内すると共に第２の光源からの光を第２のコリメート手段に案内する光案内手段が、第１及び第２の光源と第１及び第２のコリメート手段との間に配置されている。

本発明の発光素子は、光源とコリメート手段との間に距離があっても、良好に混合されると共にコリメートされた光を提供する。

本発明の発光素子の第１の実施形態を概略的に示す図である。 図１ａの実施形態の変形例を概略的に示す図である。 本発明の発光素子の第２の実施形態を示す図である。

Claims (13)

1. 発光素子（１００）であって、
   第１の光特性の光を放出する少なくとも１つの第１の光源（１０１）及び第２の光特性の光を放出する少なくとも１つの第２の光源（１０２）を有し、前記第１の光特性は、前記第２の光特性とは異なっており、
   前記第１の光特性の光をコリメートする第１のコリメート手段（１１１）を有し、前記第１のコリメート手段は、少なくとも１つの第１の受光領域（１２１）及び前記第１の受光領域（１２１）よりも広い少なくとも１つの第１の出力領域（１３１）を有し、
   前記第２の光特性の光をコリメートする第２のコリメート手段（１１２）を有し、前記第２のコリメート手段は、少なくとも１つの第２の受光領域（１２２）及び前記第２の受光領域（１２２）よりも広い少なくとも１つの第２の出力領域（１３２）を有し、前記第１の出力領域（１３１）と前記第２の出力領域（１３２）は、少なくとも部分的にオーバーラップしており、
   前記光源（１０１，１０２）と前記コリメート手段（１１１，１１２）との間に配置されていて、前記第１の光源（１０１）からの光を前記少なくとも１つの第１の受光領域（１２１）に案内すると共に前記第２の光源（１０２）からの光を前記少なくとも１つの第２の受光領域（１２２）に案内する光案内手段（１０７）を有する、発光素子。
2. 前記光案内手段（１０７）は、前記光源（１０１，１０２）と前記光コリメート手段（１１１，１１２）との間に配置された少なくとも１つのレンズから成る、請求項１記載の発光素子。
3. 前記少なくとも１つのレンズは、テレセントリックレンズ系から成る、請求項２記載の発光素子。
4. 前記光案内手段（１０７）は、前記第１の光源からの前記光の少なくとも一部分を前記少なくとも１つの第１の受光領域（１２１）に案内する少なくとも１つの第１の光導波路と、前記第２の光源（１０２）からの前記光の少なくとも一部分を前記少なくとも１つの第２の受光領域（１２２）に案内する少なくとも１つの第２の光導波路とから成る、請求項１〜３のうちいずれか一に記載の発光素子。
5. 前記第１及び（又は）前記第２の光導波路は、少なくとも１本の光ファイバから成る、請求項４記載の発光素子。
6. 前記光案内手段（１０７）は、前記第１の光源からの前記光の少なくとも一部分を前記第１の光コリメート手段の前記少なくとも１つの受光領域に案内すると共に前記第２の光源からの前記光の少なくとも一部分を前記第２の光コリメート手段の前記少なくとも１つの受光領域に案内する少なくとも１つの鏡から成る、請求項１〜５のうちいずれか一に記載の発光素子。
7. 前記第１の光コリメート手段（１１１）は、前記第１の受光領域（１２１）を前記第１の出力領域（１３１）に少なくとも部分的に連結する第１の側壁（１４１，１５１）を有し、前記第１の側壁の少なくとも一部分は、前記第１の光特性の光を反射する第１のフィルタを有し、
   前記第２の光コリメート手段（１１２）は、前記第２の受光領域（１２２）を前記第２の出力領域（１３２）に少なくとも部分的に連結する第２の側壁（１４２，１５２）を有し、前記第２の側壁の少なくとも一部分は、前記第２の光特性の光を反射する第２のフィルタを有する、請求項１〜６のうちいずれか一に記載の発光素子。
8. 前記第１の光特性は、第１の波長間隔であり、前記第１のフィルタは、第１の二色フィルタであり、前記第２の光特性は、第２の波長間隔であり、前記第２のフィルタは、第２の二色フィルタである、請求項１〜７のうちいずれか一に記載の発光素子。
9. 前記第１の光特性は、第１の偏光状態であり、前記第１のフィルタは、第１の偏光フィルタであり、前記第２の光特性は、第２の偏光状態であり、前記第２のフィルタは、第２の偏光フィルタである、請求項１〜８のうちいずれか一に記載の発光素子。
10. 前記第１及び前記第２の光源（１０１，１０２）は、各々、少なくとも１つの発光ダイオードから成る、請求項１〜９のうちいずれか一に記載の発光素子。
11. 前記光案内手段（１０６）は、前記第１の光源（１０１）の第１の光画像を前記第１の受光領域（１２１）上に投射し、前記第１の光画像の面積は、前記第１の光源（１０１）の面積よりも小さく、且つ（或いは）前記光案内手段（１０６）は、前記第２の光源（１０２）の第２の光画像を前記第２の受光領域（１２２）上に投射し、前記第２の光画像の面積は、前記第２の光源（１０２）の面積よりも小さい、請求項１〜１０のうちいずれか一に記載の発光素子（１００）。
12. 前記第１の受光領域（１２１）は、前記第１の光源（１０１）の面積よりも小さく、且つ（或いは）前記第２の受光領域（１２２）は、前記第２の光源（１０２）の面積よりも小さい、請求項１〜１１のうちいずれか一に記載の発光素子。
13. 前記第１の受光領域（１２１）は、前記第１の光特性の光を透過し、前記第２の光特性の光を反射し又は吸収するフィルタを備えている、請求項１〜１２のうちいずれか一に記載の発光素子。

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