JP2011507260A - 平行化光学系を含む照明デバイス - Google Patents
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Abstract
平行化された光ビームを供給する構造は、第１のピーク波長を有する光を放出するように構成されている光源と、光源を出る光の少なくとも一部分を光源のトップ表面に実質的に垂直な方向に導き、別の部分を反射させるように構成されている構造のグループとの組合せを含む。幾つかの実施の形態では、光源から放出される光の経路内に波長変換要素が位置決めされ、この波長変換要素は、第１のピーク波長を有する光の少なくとも一部分を吸収して第２のピーク波長を有する光を放出するように構成されている。上記構造のグループは、波長変換要素が構造のグループと光源との間に配置されるように、波長変換要素上に形成させることができる。
Description
本発明は照明デバイスに関し、特定的には、半導体発光デバイスを出る光の少なくとも一部分を、半導体構造のトップ表面に実質的に垂直な方向に導くように構成されている光学系を含む半導体発光デバイスに関する。
発光ダイオード（ＬＥＤ）、共振空洞発光ダイオード（ＲＣＬＥＤ）、垂直空洞レーザダイオード（ＶＣＳＥＬ）、及びエッジ放出レーザを含む半導体発光デバイスは、現在利用可能な最も効率的な光源である。可視スペクトル全域で動作可能な高輝度発光デバイスを製造する際に現在関心を持たれている材料系は、III−Ｖ族半導体、特定的には、ガリウム、アルミニウム、インジウム、及び窒素の二成分、三成分、及び四成分合金（III族窒化物材料ともいう）を含む。典型的に半導体ＬＥＤは、異なる組成及びドーパント濃度の半導体層のスタックを基板の上にエピタキシャル成長させることによって製造される。スタックは、基板上に形成された１つまたはそれ以上のｎ型層、この／これらのｎ型層上に形成された活性領域内の１つまたはそれ以上の発光層、及びこの活性層上に形成された１つまたはそれ以上のｐ型層を含むことが多い。電気接点は、ｎ及びｐ領域上に形成される。
現在市販されているIII族窒化物デバイスが放出する光は、一般的には可視スペクトルの波長の短い方の端上にあり、従って、III族窒化物デバイスが生成する光はより長い波長を有する光を発生させるために容易に変換することができる。第１のピーク波長を有する光（“一次光”）を、ルミネセンス／蛍光として知られているプロセスを使用して１つまたはそれ以上のより長いピーク波長を有する光（“二次光”）に変換できることは周知である。蛍光プロセスは、燐光体のような波長変換材料によって一次光を吸収し、燐光体材料の発光中心を励起して二次光を放出させることを含む。二次光のピーク波長は、燐光体材料に依存する。燐光体材料の型は、特定ピーク波長を有する二次光を発生させるように選択することができる。ＬＥＤは、白光を生成させるように一次放出の燐光体変換を使用することができる。赤、緑、及び黄のような、より飽和した色を発生させるために燐光体を使用することもできる。
幾つかの照明応用は、光源が平行化された光ビームを放出する場合により効率的に動作する。
本発明の実施の形態によれば、第１のピーク波長を有する光を放出するように構成されている光源は、この光源を出る光の少なくとも一部分を光源のトップ表面に実質的に垂直な方向に導くように構成された構造グループと組合されている。幾つかの実施の形態では、光源から放出される光の経路内に波長変換要素が位置決めされている。この波長変換要素は、第１のピーク波長を有する光の少なくとも一部分を吸収して第２のピーク波長を有する光を放出するように構成されている。これらの構造グループは、波長変換要素が構造グループと光源との間に位置するように、波長変換要素上に形成させることができる。
幾つかの実施の形態では、波長変換要素は、波長変換要素が光源と直接接触することがないようにヒートシンクによって保持される。例えば、ヒートシンクは、光源からの放出光を受ける波長変換要素の入力領域も、または第２の波長範囲を有する光が放出される波長変換要素の出力領域もヒートシンクによって保持されることがないように、波長変換要素の少なくとも一方の側によって波長変換要素を保持することができる。
図１は、本出願が参照している2006年８月９日付け出願第11 / 463,443号「波長変換要素の側面を保持するヒートシンクを有する照明デバイス」（“Illumination Device with Wavelength Converting Element Side Holding Heat Sink”）に詳細開示されている照明デバイス１００を示している。図１は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）またはＬＥＤのアレイ１０４のような半導体発光デバイス、またはキセノン灯または水銀灯のような短い波長の光を発生することができる他の型の光源であることができる光源１０２を含む。例えば、ＬＥＤ １０４は青または紫外（ＵＶ）ＬＥＤであることができ、2003年８月29日付け出願第10 / 652,348号、公開第2005 / 0045901号「半導体発光デバイス用パッケージ」（“Package for Semiconductor Light Emitting Device”）に開示されている型、または2007年８月23日付け出願第11 / 844,279号「発光ダイオードアレイ」（“Light Emitting Diode Array”）に開示されている型のような高輝度デバイスであることができる。ＬＥＤ １０４の放出角パターンはランベルト型であることも、またはフォトニッククリスタルのような構造を使用して制御することもできる。図示の発光ダイオード１０４は、ヒートシンク１０６上に取付けられている。幾つかの実施の形態では、発光ダイオード１０４は、ヒートシンク１０６に取付けられたマウント１０５に取付けることができる。
照明デバイス１００は波長変換要素１１０を含み、波長変換要素１１０は光の経路（矢印１０３で一般的に示す）に沿って光源１０２から物理的に分離されている。波長変換要素１１０の入力側面１１１は、この例では、光源１０２と直接接触していない。光源１０２と波長変換要素１１０とは、空気、ガス、シリコン、または真空のような媒体１１４によって分離することができる。従って、光源から放出された光は、光が波長変換要素１１０の入力側１１１に受けられる前に媒体１１４を通って走行しなければならない。光源１０２と波長変換要素１１０との間の物理的間隔は、一実施の形態においては、50μｍ乃至250μｍの範囲で変化させることができる。一実施の形態では、光源１０２と波長変換要素１１０との間の物理的な間隔は、光源１０２による波長変換要素１１０の実質的な伝導加熱を防ぐのに十分である。別の実施の形態では、光源１０２を波長変換要素１１０から分離するために、フィルタまたは結合材料を使用することができる。
波長変換要素１１０は、ある場合には“ルミネセントセラミック”と呼ばれるセラミックスラブから形成することができる。セラミックスラブは一般的には自己保持（self-supporting）層であり、特定の波長に対して半透明または透明であることができる。これは、共形（conformal）層のような不透明波長変換層に伴う散乱損を減少させることができる。ルミネセントセラミック層は、薄膜または共形燐光体層より頑丈であることができる。幾つかの実施の形態では、ルミネセントセラミック以外の材料を、結合剤材料内の燐光体のような波長変換要素１１０として使用することができる。
ルミネセントセラミックは、燐光体粒子の表面が互いに焼結し合って粒子の堅い集団を形成するまで、粉末燐光体を高圧で加熱することによって形成することができる。薄膜（光学的不連続を伴わない単一で大きい燐光体粒子として光学的に挙動する）とは異なり、ルミネセントセラミックは、密にパックされた個々の燐光体粒子として挙動するので、異なる燐光体粒子の間の界面において小さい光学的不連続が存在する。従って、ルミネセントセラミックは光学的には殆ど均質であり、このルミネセントセラミックを形成している燐光体材料と同一の屈折率を有している。共形燐光体層、または樹脂のような透明材料内に配置された燐光体層とは異なり、ルミネセントセラミックは一般的に燐光体自体以外の結合剤材料（例えば、有機樹脂またはエポキシ）を必要とせず、個々の燐光体粒子の間に極めて小さい空間、または異なる屈折率の材料だけが存在している。その結果、ルミネセントセラミックは、共形燐光体層とは異なり透明または半透明である。本発明に使用することができるルミネセントセラミックに関しては、2004年６月３日付け出願第10 / 861,172号、公開第2005 / 0269582号「発光デバイス用ルミネセントセラミック」（“Luminescent Ceramic for Light Emitting Device”）を参照されたい。
ルミネセントセラミック層内に形成することができる燐光体の例は、黄・緑の範囲内の光を放出するLu3Al5O12：Ce3+及びY3Al5O12：Ce3+のような、一般式が(Lu1-x-y-a-bYxGdy)3(Al1-zGaz)5O12：CeaPrb（但し、0＜ｘ＜1、0＜ｙ＜1、0＜ｚ≦0.1、0＜ａ≦0.2、及び0＜ｂ≦0.1）や、赤の範囲内の光を放出するSr2Si5N8：Eu2+のような、一般式が(Sr1-x-yBaxCay)2-zSi5-aAlaN8-aOa：Euz 2+（但し、0≦ａ＜5、0＜ｘ≦1、0≦ｙ≦1、及び0＜ｚ≦1）であるアルミニウムガーネット燐光体を含む。適当なＹ3Ａl5Ｏ12：Ｃe3+セラミックスラブを、ノースカロライナ州シャーロットのバイコウスキーインターナショナルコーポレーション（Baikowski International Corporation）から購入することができる。他の緑、黄、及び赤放出燐光体も適しており、これらは、例えばSrSi2N2O2：Eu2+を含む(Sr1-a-bCabBac)SixNyOz：Eua 2+（但し、ａ＝0.002〜0.2、ｂ＝0.0〜0.25、ｃ＝0.0〜0.25、ｘ＝1.5〜2.5、ｙ＝1.5〜2.5、ｚ＝1.5〜2.5）や、例えばSrGa2S4：Eu2+を含む(Sr1-u-v-xMguCavBax)(Ga2-y-zAlyInzS4)：Eu2+や、Sr1-xBaxSiO4：Eu2+や、例えばCaS：Eu2+及びSrS：Eu2+を含む(Ca1-xSrx)S：Eu2+（但し、0＜ｘ≦1）を含む。
一実施の形態では、ルミネセントセラミックはeＣＡＳであり、これは5.436ｇのCa3N2（純度＞98％）、4.099ｇのAlN（99％）、4.732ｇのSi3N4（純度＞98％）、及び0.176ｇのEu2O3（純度＞99.99％）から合成されたCa0.99AlSiN3：Eu0.01である。この粉末を遊星ボールミルによって混合し、H2／N2（５／95％）雰囲気内で４時間にわたって1500℃で焼成する。粒状化された粉末を一軸方向に５ｋＮでプレスしてペレットにし、3200バールで等方的に（isostatically）冷間プレス（ＣＩＰ）する。これらのペレットをH2／N2（５／95％）雰囲気内で４時間にわたって1600℃で焼結する。得られたペレットは閉じたt多孔性を呈し、その後に、2000バール、1700℃で等方的に熱間プレスし、＞98％の理論的密度を有する濃密なセラミックを得る。
一実施の形態では、ルミネセントセラミックはＢＳＳＮＥであり、これは、Ba2-x-zMxSi5-yAlyN8-yOy：Ｅuz（但し、M＝Sr、Ca；0≦ｘ≦1、0≦ｙ≦4、0.0005≦z≦0.05）である。図２のフロー図は、Ba2-x-zMxSi5-yAlyN8-yOy：Ｅuz（但し、M＝Sr、Ca；0≦ｘ≦1、0≦ｙ≦4、0.0005≦z≦0.05）セラミックが如何に準備されるかを示している。先ず、粉末状のBa2-x-zMxSi5-yAlyN8-yOy：Euz（但し、M＝Sr、Ca；0≦ｘ≦1、0≦ｙ≦4、0.0005≦z≦0.05）を準備する。この目的のために、幾つかの方法を適用することができる。図２は、分散剤として２−プロパノールを使用し、遊星ボールミルによって60ｇのBaCO3、11.221ｇのSrCO3、及び1.672ｇのEu2O3（全て純度99.99％）を混合することを含むカーボサーマル還元による準備例を示している（ブロック１８２）。乾燥後、混合体を形成用ガス雰囲気内において1000℃で４時間にわたって焼成し（ブロック１８４）、このようにして得たBa0.8Sr0.2O：Eu（２％）の10ｇを、5.846ｇのSi3N4（純度＞98％）、0.056ｇのAlN（純度99％）、及び1.060ｇのグラファイト（微結晶級）と混合する（ブロック１８６）。これらの粉末を、20分間にわたって遊星ボールミルによって完全に混合し、形成用ガス雰囲気内において1450℃で４時間にわたって焼成し（ブロック１８８）、Ba2-x-zMxSi5-yAlyN8-yOy：Euz（但し、M＝Sr、Ca；0≦ｘ≦1、0≦ｙ≦4、0.0005≦z≦0.05）の前駆体粉末を得る（ブロック１９０）。この粉末をHClで洗浄し、再度ミリングする（ブロック１９２）。次いで、得られた前駆体粉末を1550℃、80ＭＰaで熱間プレスし、濃密なセラミックボディを得る（ブロック１９４）。これらは、スライスされ、研磨され、ダイシングされて、所望の形状及び光学的表面特性を得る（ブロック１９６）。もし必要ならば、窒素中で1300℃でのアニーリングを適用し、欠陥を除去することができる（ブロック１９８）。
一実施の形態では、ルミネセントセラミックはＳＳＯＮＥであり、これは、80.36ｇのSrCO3（純度99.99％）、20.0ｇのSiN4/3（純度＞98％）、及び2.28ｇのEu2O3（純度99.99％）を混合し、N2／H2（93／７）雰囲気内で４時間にわたって1200℃で焼成することによって製造する。洗浄後、この前駆体粉末を10ｋＮで一軸方向にプレスし、次いで、3200バールで等方的に冷間プレスする。典型的には、H2／N2（５／95％）または純粋な窒素雰囲気の下で、1550℃乃至1580℃の温度で焼結を行う。
図１へ戻って、一実施の形態では、波長変換要素１１０の入力側１１１は、色分離要素１１６によって直接カバーされている。色分離要素１１６は、青ポンプ光を透過し、波長変換要素１１０によって変換された光の範囲内の波長を反射する。色分離要素１１６は、波長変換要素１１０の入力側１１１（光源１０２に対面している側）に直接付着させた高角度受入れコーティングであることができる。換言すれば、色分離要素１１６は、光源１０２と波長変換要素１１０との間にある。図１に示すように、色分離要素１１６及び波長変換要素１１０の両者は、光源１０２から物理的に分離している。
色分離要素１１６は、例えば、高角度受入れ型の直接付着二色性コーティングであることができる。特に、フォトニッククリスタルを含むＬＥＤからのような、光源１０２の角度的放出が狭い場合には、もし望むならば、コレステリックフィルム、回折またはホログラフィックフィルタのような他の色分離材料を使用することができる。図３は、色分離要素１１６として使用できる直接付着二色性コーティングの１つの適当な実施の形態の透過特性を、波長の関数として異なる入射角毎に示している。この目的のために、高角度受入れ型のフィルタを特別に設計することができる。例えば、より高い、及びより低い屈折率材料の複数の層のスタックを使用して、二色性コーティングを波長変換要素１１０上に形成させることができる。典型的には、より高い屈折率と最適化された厚みとを有する異なるコーティング材料を適切に選択することによって得た高角度受入れ型のフィルタを用いることが望ましい。このようなフィルタの設計及び製造は、当分野においては周知である。色分離要素１１６のために高角度受入れ型二色性コーティングを使用すると、色分離要素１１６の前に光を平行化するための余分な光学要素の必要性が排除され、それによってデバイスのコストが低下し、寸法が縮小されるので有利である。
図３から明らかなように、色分離要素１１６は、例えば415ｎｍから465ｎｍまでのような青ポンプ波長に高い透過率を有している。従って、光源１０２から放出された光は、色分離要素１１６を通って波長変換要素１１０内へ透過する。波長変換要素１１０は、内部的に光を等方的に放出する。前方へ放出された光、即ち、波長変換要素１１０の出力側面１１２に向かって放出された光は、直接脱出する機会を有している。しかしながら、波長変換要素１１０から放出される光の大部分は、後方へ放出される（即ち、入力側１１１の方向に放出される）か、または、前方へ放出はされるが波長変換要素１１０の屈折率（例えば、ｎ＝1.7〜2.6）と光が放出される媒体の屈折率（空気の場合、ｎ＝1.0）との差が大きいことを原因とする内部全反射（ＴＩＲ）のために、波長変換要素１１０の出力側１１２で後方反射される。図３から明らかなように、色分離要素１１６は、例えば500ｎｍより長い波長のような変換された光の波長に対しては低透過性である、即ち、高反射性である。従って、色分離要素１１６は、後方放出された、もしくは後方反射した光が、波長変換要素１１０から光源１０２へ向かって脱出することを防ぐ。
前述したように、照明デバイス１００の性能にとって重要な２つの基準は、例えば415ｎｍから465ｎｍまでの何処かのような青ポンプ波長に対する透過性と、例えば橙、緑、または赤に変換された光のような波長変換された光に対する反射性である。図４は、色分離要素１１６の１つの適当な実施の形態のランベルト源の波長の関数としての青ポンプ光の透過性に関する性能を示している。参照の目的のために、図４は、60°ランベルト型及び完全半球（±90°）ランベルト型の両者のための透過曲線１５２及び１５４をそれぞれ示している。比較の目的で、裸のルミネセントセラミックの透過性を曲線１５６として示し、青ポンプ光のスペクトルを曲線１５８として示してある。60°より小さい円錐に関心があるのであるが（例えば、フォトニック格子構造はより小さい円錐角内により多くの光を放出する）、図４は、±90°においてさえも、透過性能が高屈折率コーティングされていないルミネセントセラミックよりかなり良好であり得ることを示している。図４から明らかなように、色分離要素１１６を通して効率的に透過される波長は、青ポンプ波長の範囲を受入れることができるように大きい範囲をカバーすべきであり、そのようにすることよって、特に波長変換要素１１０の吸収スペクトルが同じように広い場合に、発光ダイオード１０４を波長によって選別する、すなわちビンへ入れる必要性を低下させる。
図１に戻って、波長変換要素１１０内の波長変換材料の厚み及び濃度に依存して、全ての青ポンプ光が変換され得るものではないことを理解されたい。変換されない青ポンプ光は、波長変換要素１１０の出力側１１２を通して脱出することが許される。しかしながら一実施の形態では、変換されなかった青ポンプ光を波長変換要素内へ戻すように反射させる第２の色分離要素１１８が使用される。図１に示すように、波長変換要素１１０の出力側１１２は、第２の色分離要素１１８として働く二色性フィルタを直接コーティングすることができる。図５は、第２の色分離要素１１８として働く二色性コーティングの１つの適当な実施の形態に関して、異なる入射角の平均としての透過特性を、波長の関数として示している。図５に示すように、第２の色分離要素１１８は、この例では、青光の殆どを反射し、変換された橙／赤光を透過させるように構成されている。前述したように、所望の透過特性を得るのに適した色分離要素１１８の生産は、当業者には周知である。しかしながら、もし望むならば、第２の色分離要素１１８は不要であることを理解されたい。
更に、もし望むならば、波長変換要素１１０の側面１２０は、銀またはアルミニウムのような保護された反射性コーティング１２２を用いて、またはゾル・ゲルまたはＴiＯ2粒子を有するシリコン溶液を用いてコーティングし、側面１２０に当たる如何なる光も波長変換要素１１０内へ戻すように反射させ、抽出効率を改善することができる。側面１２０は、反射光を散乱させるように粗面化することもできる。別の実施の形態では、波長変換要素１１０内の光は、波長変換要素１１０内にＭＩＥ散乱をもたらす波長変換要素１１０内の意図的な孔もしくは微空洞のような内部散乱領域によって散乱させることができる。幾つかの実施の形態では、波長変換要素１１０の側面１２０は、波長変換要素１１０の入力側１１１及び出力側１１２が異なる面積を有するように角度付けすることができる。例えば、波長変換要素１１０の入力側が出力側より小さい面積を有するように、これらの側面に外向きの角度を付けることができる。反対に、波長変換要素１１０の入力側１１１が出力側１１２より大きい面積を有するように、これらの側面に内向きの角度を付けることができる。側面の最適の角度（内向き、または外向きの何れであろうが）は、応用に依存する。何故ならば、それが放出表面を増加または減少させることができ、それによって源の輝度を増加または減少させることができるからである。
別の実施の形態では、波長変換要素１１０の出力側１１２が粗面化された表面を有し、波長変換要素の出力側における光抽出を高めることができる。例えば、図６に示す波長変換要素１１０’の実施の形態では、波長変換要素１１０’の入力側１１１上に色分離要素１１６を有し、出力側１１２は粗面化された表面である。波長変換要素１１０’の出力側１１２の表面を粗面化するには、湿式化学エッチング、乾式化学及び関連技術のような周知の処理方法を使用して遂行することができる。
図１に示すように、波長変換要素１１０は、コンパクトで低コストの冷却を得るために、１つまたはそれ以上の側面１２０がヒートシンク１３０に熱的に結合され、ヒートシンク１３０によって保持されることができる。例えば安定性のために、波長変換要素１１０の出力側１１２または入力側１１１の何れか（または、両方）の一部分、即ち、ほぼ30％より少ない部分をヒートシンク１３０と接触させることができる。従って、波長変換要素１１０の入力領域、即ち、光源１０２からの光を受ける入力側１１１の領域、及び波長変換要素１１０の出力領域、即ち、波長変換要素１１０から光が外部へ放出される出力側１１２の領域は、ヒートシンク１３０によって支持されることはない。幾つかの実施の形態では、反射性コーティング１２２を、リサイクリングを支援するためにヒートシンク１３０でカバーされている出力側１１２（または、入力側１１１）の部分上にも堆積させることができる。代替として、反射性コーティング１２２をヒートシンク１３０上に堆積させることも、または、例えばヒートシンク１３０自体が反射性材料で製造されている場合には反射性コーティング１２２がヒートシンク１３０の一部であることもできる。ヒートシンク１３０及び／または波長変換要素１１０の出力側１１２上の反射性コーティング１２２を使用して、出力面積を、それによってシステムのエテンデュ（etendue）を制御することができる。波長変換要素１１０として動作させることができるルミネセントセラミックスラブは、側面１２０によって容易に支持することができる。更に、ルミネセントセラミックは、ほぼ10Ｗ／（ｍＫ）より大きい良好な熱伝導性を有している。少なくとも一方の側面１２０（及び、恐らく出力側１１２及び／または入力側１１１の小さい部分）だけによって波長変換要素１１０を保持するヒートシンク１３０を使用すると、波長変換要素を出力または入力側全体で保持する従来のヒートシンクによってもたらされる光学損を減少させるので有利である。更に、波長変換要素と共に用いられる従来のヒートシンクはサファイアまたは他の類似材料で製造されていたので、ヒートシンク１３０を用いることによってコストが削減される。
更に、ヒートシンク１３０は、波長変換要素１１０を光源１０２に接近させて機械的に位置決めし、一方で、波長変換要素１１０の温度を制御して波長変換要素１１０の効率を改善する能力を与える。図１に示すように、ヒートシンク１３０は、光源１０２のヒートシンク１０６に結合することができる。代替として、ヒートシンク１３０及びヒートシンク１０６は、単一のヒートシンクであることができる。代替として、ヒートシンク１３０はヒートシンク１０６から分離させることができる。更に、ヒートシンク１３０は、フィン１３１のような冷却要素を含むことができる。もし必要ならば、ヒートパイプのような他の冷却または熱伝達要素を使用することができる。
ヒートシンク１３０は、例えば銅、またはアルミニウムまたはグラファイトのような他の伝導材料を使用して製造することができる。例えば銅は、ほぼ390Ｗ／（ｍＫ）の高い熱伝導率を有している。基底面（basal plane）内のグラファイトの熱伝導率（＞1000Ｗ／（ｍＫ））は、基底面を横切るグラファイトの熱伝導率（＜100Ｗ／（ｍＫ））より遙かに高い。従って、グラファイトを用いて製造されるヒートシンク１３０は、基底面が波長変換要素１１０から離れる方へ向かうように配向すべきである。
図１に示してあるように、照明デバイス１００は、光を平行化及び／またはリサイクリングさせるために使用できる反射光学系１４０を更に含むことができる。反射光学系１４０は、2005年４月11日付けGerard Harbersらの米国特許第7,234,820号「リサイクリング及び色混合を伴う反射光学系を使用する照明器具」（“Illuminators Using Reflective Optics With Recycling and Color Mixing”）に開示されているものと類似のものであるので、この特許を参照されたい。反射光学系１４０は、光源１０２から放出されて波長変換要素１１０の出力側１１２に光学的に結合されている反射光学系１４０の入口を通る光を平行化するために、例えば放物線反射器を形成している側部分１４２を含む。この側部分は、望むならば、放物線以外の形状を有することができる。反射器は、典型的には円形または矩形断面を有することができる。放物線反射器の側部分１４２は、アルミニウム、銀のような反射性材料、または３Ｍ ＥＳＲ反射性フィルム、または他の何等かの適切な反射性材料で製造するか、またはこれらでコーティングされる。代替として、反射光学系１４０は、プラスチックまたはガラスのような中実の透明材料であることができ、材料と空気の屈折率の差によって生ずる内部全反射（ＴＩＲ）を使用して光を反射させ、平行化する。
反射光学系１４０は更に、反射性開口を含むことができる。これは、開口１４６の形状の出口を限定している反射性ディスク１４４によって形成される。反射性ディスク１４４は、反射光学系１４０と一体であることも、または分離した片であって反射光学系１４０に結合することもできる。開口１４６は、円形、方形、または他の所望の形状であることができる。開口１４６を通して導かれないどの光も、反射光学系１４０内へ戻るように反射される。反射光は、最終的に開口１４６に向けて再反射され、集中された平行光ビームが得られる。開口１４６は、ある偏光状態を有する光だけを透過させ、他の偏光状態の光を反射光学系１４０内へ戻るように反射させる偏光鏡（図示してない）を含むことができる。
本発明の実施の形態によれば、平行化光学系は光源上に、且つ光源に近接して形成される。例えば、幾つかの実施の形態では、平行化光学系は、図１に示し、以下に詳述するように波長変換要素上に形成される。他の実施の形態では、平行化光学系は、非波長変換セラミックのような非波長変換構造、またはガラスまたはサファイア板上に形成させることができる。平行化光学系が非波長変換構造上に形成されているような実施の形態では、非波長変換構造内の孔のような散乱領域を所望の場所に付加して光のリサイクリング及びランダム化に影響を与えることができる。平行化光学系が取付けられている構造は、一般に、平行化光学系を光源（即ち、発光ダイオード）の表面から50乃至500μｍ離間させる。この空間は、中空であることも、または例えば波長変換層または非変換要素が占有していることもできる。平行化光学系と光源の表面との間の距離は500μｍより大きくすることはできるが、光を十分に混合するために少なくとも50μｍの空間が望ましい。平行化光学系が取付けられる構造の側面は、これらの側面からの光の損失を回避するために反射性であることができる。
幾つかの実施の形態では、波長変換要素は、図１に示し、詳細に説明したようなヒートシンクにではなく、光源に取付けられる。これらの実施の形態では、一般的に図１の色分離要素１１６は省略され、その結果、ある光が光源１０２内へ戻るように反射されるが、高度に反射性のＬＥＤまたは他の光源の反射性の故に、これでも輝度増強のための効率的なリサイクリング空洞になり得る。
図７は、図１の波長変換部材１１０の一部を示している。オプションとしての色分離要素１１８が波長変換部材の側面（この側面から、光が波長変換部材を脱出する）上に形成されている。平行化光学系３００のアレイが波長変換部材上に形成されている。もし存在すれば、オプションとしての色分離要素は、波長変換部材と平行化光学系３００との間に配置される。一般的に色分離要素１１８は薄い層であるから、一般的に平行化光学系３００は波長変換部材のトップ表面の0.4乃至100μｍ内にある。
平行化光学系３００は、例えば平行化光学系３００が形成されている表面の法線から20乃至60°の円錐内への光を平行化させることができる。適当な平行化光学系３００の例は、例えばガラスまたはプラスチックで形成された中空反射器及び中実のモールドされたコリメータを含む。内部全反射によって光を導く誘電体コリメータを、単一の材料で形成することができる。図７に示す平行化光学系３００は、波長変換部材を脱出する光を平行化するために湾曲している。平行化光学系３００のアレイは、例えば平行化光学系を接着剤によって波長変換部材に取付けるか、または波長変換部材上に配置される分離した構造として波長変換部材上に形成させることができる。
図８は、光が平行化光学系に入る、即ち、平行化光学系が波長変換部材に結合されている面の一部を示している。平行化光学系は、波長変換部材１１０上に配置されているオプションとしての色分離要素１１８に近接して形成されている。開口３０３は、光が平行化光学系内へ脱出するのを許容する。残余の領域３０２は、光を波長変換部材１１０内へ戻すように反射させる。各平行化光学系は、図８に示すように丸であることができるが、他の形状も可能である。図１０及び図１１には、六角形の平行化光学系が示されている。図１０は、光が六角形の平行化光学系に進入する面を示している。図１１は、光が六角形の平行化光学系を脱出する面を示している。平行化光学系３００は、例えば図８に示す三角形の格子を含む如何なる適当な配列に配列することもできる。
幾つかの実施の形態では、平行化光学系３００の底面は反射性である。幾つかの実施の形態では、図７に示すオプションとしての反射性材料３０２が、各平行化光学系３００と波長変換部材との間に位置決めされている。適当な反射性材料の例は、アルミニウム、銀、二色性コーティング、アルミニウムの反射率を高めるために二色性コーティングと組合されたアルミニウム、及び例えばゾル・ゲルまたはシリコン溶液内に懸濁させたチタンの酸化物及びアルミニウムの酸化物を含む。オプションとしての反射性材料３０２の各片は、図７に示す平行化光学系３００の底と同一サイズ及び形状であることができるが、必ずしもそのようである必要はない。幾つかの実施の形態では、反射性材料３０２は、平行化光学系３００の底より小さい。
平行化光学系の性能は、その光学的形状と、そのジオメトリを複合放物線集光器（コンセントレータ）形状のような広がり保存（etendue-conserving）光学形状に比較的近づける能力の関数である。このような場合、光学系の性能は、光がコリメータに進入する面内のコリメータの幅din、光がコリメータから出て行く面内のコリメータの幅dout、及びコリメータの高さＬ（何れも図９に示す）の関数でもある。平行化光学系３００の高さ、幅、及び間隔は、平行化角、及びコリメータ材料の屈折率ｎの関数である。反射性側壁を有する空気空洞の場合の屈折率ｎはｎ＝１であり、一方誘電体集光器の場合の屈折率ｎは、例えばｎ＝1.5であり得る。目標最大半円錐角（target maximum half cone angle）Anglemaxの場合の空気型コリメータの幅ｄoutとｄinとの間の関係は、一次式dout／din＝１／（sin(Anglemax))によって与えられる。平行化光学系の高さLは、L＝(dout＋din)／(２*tan(Anglemax))によって与えられる。非広がり保存光学形状は、上式によって表されるより大きい平行化角、光学的高さ、及び面積比を有することができる。
Anglemaxの平行化角の場合、これは、広がり保存光学系では、コリメータ入力面積Ain（幅ｄinにおける平行化光学系の開口の面積）対コリメータ出力面積Aout（幅doutにおける平行化光学系の開口の面積）は、Ain＝Aout*(sin（Anglemax))2によって計算できる関係をもたらす。45°の目標平行化角を有する実施の形態では、コリメータの入力面積は出力面積の約50％である。波長変換要素の表面の残余の50％は、平行化光学系によってブロックされる（平行化光学系と波長変換要素との間に分離された反射性要素３０２を有する図８のデバイスでは領域３０２、分離した反射性要素３０２を有していない図１０のデバイスでは領域３００）。この領域内の平行化光学系上に入射する光は、波長変換要素内へ戻るように反射され、平行化のために開口内へ脱出する複数の機会を得る。平行化光学系の出力側は、反射性表面と平行化光学系の開口との合計面積とほぼ同一の面積を有している。
中空コリメータ及び光学的に取付けられた中実のコリメータの何れを選択するかは、誘電体材料からの抽出利得及び光学空洞のリサイクリング効率の何れかを選択することであることが多い。それは、ｎの屈折率を有するコリメータを使用すると、所与の平行化角の場合、中空空気コリメータに比してｎ2少ないコリメータ入力表面積がもたらされるからである。中実コリメータは、それが取付けられている表面と光学的に接触させないこともできる。即ち、コリメータとそれが取付けられている表面との間に空気間隙を存在させることができる。この場合、ｎ2係数は適用されない。
上述したように、幾つかの実施の形態では、目標最大半円錐角Anglemaxは20乃至60°である。光が平行化光学系を出る場所における各光学系の幅doutは、0.1乃至３ｍｍであることができる。各平行化光学系の高さLは、３ｍｍより小さいことができる。
幾つかの実施の形態では、反射性領域３０２は、波長変換部材からの熱を分散させるために、ヒートシンクとして構成することができる。反射性領域３０２によって与えられる付加的なヒートシンキングは、光源から放出される光のかなりの部分が波長変換要素内に吸収されるような高パワーシステムにおいて特に有用である。その結果、熱は波長変換要素内に蓄積される。光を吸収することができる従来のヒートシンクに対して、反射性領域３０２は光をリサイクリングするために光源に向かって戻すように反射させる。幾つかの実施の形態では、熱伝導性のバーを使用して個々の反射性領域３０２を接続し、熱を除去するためにこれらのバーを、波長変換要素を越えて外部まで伸ばすことができる。
以上に本発明を詳述したが、当業者ならば記述された本発明の思想から逸脱することなく多くの変更が可能であろう。従って、本発明の範囲は、図示し、説明した特定の実施の形態に限定されるものではない。
Claims (14)
- 第１のピーク波長を有する光を放出するように構成されている光源１０２と、
上記光源から放出される光の経路内の上記光源上に位置決めされている複数の部材３００と、
を備え、
上記複数の部材の各々は、上記光源を出る光の少なくとも一部分を上記光源のトップ表面に実質的に垂直な方向に導くように構成されている、
ことを特徴とする構造。 - 上記複数の部材３００は、上記光源のトップ表面の50乃至500μｍ以内に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の構造。
- 上記光源１０２は、少なくとも１つのIII族窒化物発光ダイオード１０４を含むことを特徴とする請求項１に記載の構造。
- 上記複数の部材３００と上記光源１０２との間に配置されている板１１０を更に備えていることを特徴とする請求項１に記載の構造。
- 上記複数の部材３００は上記板１１０上に配置されており、上記板と上記複数の部材との間の界面において、上記界面の第１の領域３０３は透明であり、上記界面の第２の領域３０２は反射性であることを特徴とする請求項４に記載の構造。
- 上記板１１０は、ガラス、セラミック、及びAl2O3の１つであることを特徴とする請求項４に記載の構造。
- 上記複数の部材３００と上記光源１０２との間に配置されている波長変換要素１１０を更に備え、上記波長変換要素は、上記第１のピーク波長を有する光の少なくとも一部分を吸収して第２のピーク波長を有する光を放出するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の構造。
- 上記複数の部材３００は、上記波長変換要素１１０に取付けられていることを特徴とする請求項７に記載の構造。
- 上記複数の部材３００の各々は、湾曲した側壁を有していることを特徴とする請求項１に記載の構造。
- 上記各部材の一部分と上記光源との間に配置されている反射性材料を更に備えていることを特徴とする請求項１に記載の構造。
- 上記反射性材料の複数の領域は、ヒートシンクを形成するように接続されていることを特徴とする請求項１１に記載の構造。
- 上記波長変換要素１１０が上記光源１０２と直接接触しないように上記波長変換要素１１０を熱的に保持しているヒートシンク１０６を更に備え、上記ヒートシンクは、上記光源から放出される光を受ける上記波長変換要素の入力領域、または第２の波長範囲を有する光を放出する上記波長変換要素の出力領域の何れも上記ヒートシンクによって保持されることがないように、上記波長変換要素の少なくとも一方の側によって上記波長変換要素を保持していることを特徴とする請求項７に記載の構造。
- 上記複数の部材３００と上記波長変換要素１１０との間に配置されている色分離要素１１８を更に備えていることを特徴とする請求項１３に記載の構造。
- 上記波長変換要素１１０と上記光源１０２との間に配置されている色分離要素１１６を更に備えていることを特徴とする請求項１３に記載の構造。
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