JP2016537770A - 発光デバイス - Google Patents

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Abstract

発光デバイス１は、動作時、それぞれ、第１の分光分布を有する光１３及び第２の分光分布を有する光１４を放出するように適合された第１の光源２１及び第２の光源２２と、それぞれ、第１の光入力表面３１、４１及び第１の光出口表面３２、４２を含み、各光ガイドの光入力表面と光出口表面とが互いに対しゼロとは異なる角度で延在する第１の光ガイド３及び第２の光ガイド４と、を含み、第１及び第２の光ガイドは、第１及び第２の光入力表面において、それぞれ、第１及び第２の分光分布を有する光を受け取り、受け取った光の少なくとも一部を、それぞれ、第３の分光分布を有する光１７及び第４の分光分布を有する光７７に変換し、光をそれぞれ第１及び第２の光出口表面に案内し、第３及び第４の分光分布を有する光の少なくとも一部を、それぞれ、第１及び第２の光出口表面から取り出すように適合され、第１の分光分布を有する光１３と第２の分光分布を有する光１４とが異なる分光分布を有し、第３の分光分布を有する光１７と第４の分光分布を有する光７７とが異なる分光分布を有する。

Description

本発明は、動作時、分光分布を有する光を放出するように適合された光源と、その分光分布を有する光を別の分光分布を有する光に変換するように適合された光ガイドと、を含む発光デバイスに関する。
国際公開第２０１０／０８４１８７Ａ１号は、各ＬＥＤモジュールが少なくとも２つのＬＥＤを含むＬＥＤモジュールと、一端の表面においてＬＥＤ光を受け入れ、少なくとも２つのＬＥＤの異なる光放出スペクトルを混合し、混合された光を反対端表面から放出するように構成された光ミキサーと、を含むスポットライトを記載している。ミキサーは１つの共通の光線を放出するなどのため互いに隣接して配置されている。ミキサーは光ガイドであってもよい。
高強度の光源、特に、白色高強度光源は、スポット光、前照灯、舞台照明及びデジタル光プロジェクションを含む種々の用途において関心が高い。そのような目的のため、高度に透明な蛍光材料内でより短い波長の光がより長い波長に変換される、いわゆる蛍光型集光器を利用することが可能である。そのような透明蛍光材料は、蛍光材料内でより長い波長を生成するために使用され得ると共に、ＬＥＤによって照明される。蛍光材料内で導波される変換済みの光は表面から抽出され、強度増加、即ち、換言すると、輝度の増加に至る。
光出力は、この場合、光ガイドをより長く作製し、蛍光型集光器を照明するのに使用されるＬＥＤの数を増加することにより、より多くの光を取り込むことによって増加され得る。しかしながら、蛍光材料の自己吸収及びＬＥＤにより増加される光取り出しのため、光ガイドが、大きくなるほど、特に、長くなるほど、より多くの光が失われ、更には、光ガイド、故に、発光デバイスによって放出される光の強度増加の減少に至る。従って、発光デバイスの拡張性は極端に低減される。
本発明の目的は、この課題を克服すること、並びに向上した拡張性を備え、比較的大きな及び／又は長い光ガイドを含む発光デバイスにおいても高強度の出力が得られ、光損失が低下される又は更には排除される発光デバイスを提供することである。
本発明の第１の態様によれば、この目的及び他の目的は、動作時、第１の分光分布を有する光を放出するように適合された少なくとも１つの第１の光源と、動作時、第２の分光分布を有する光を放出するように適合された少なくとも１つの第２の光源と、第１の光入力表面及び第１の光出口表面を含み、第１の光入力表面と第１の光出口表面とが互いに対しゼロとは異なる角度で延在する第１の光ガイドと、第２の光入力表面及び第２の光出口表面を含み、第２の光入力表面と第２の光出口表面とが互いに対しゼロとは異なる角度で延在する第２の光ガイドと、を含み、第１の光ガイドが、少なくとも１つの第１の光源から第１の光入力表面において第１の分光分布を有する光を受け取り、光を第１の光出口表面に案内し、第１の分光分布を有する光の少なくとも一部を第３の分光分布を有する光に変換し、第３の分光分布を有する光の少なくとも一部を第１の光出口表面から取り出すように適合され、第２の光ガイドが、少なくとも１つの第２の光源から第２の光入力表面において第２の分光分布を有する光を受け取り、光を第２の光出口表面に案内し、第２の分光分布を有する光の少なくとも一部を第４の分光分布を有する光に変換し、第４の分光分布を有する光の少なくとも一部を第２の光出口表面から取り出すように適合され、第３の分光分布を有する光と第４の分光分布を有する光とが異なる分光分布を有する、発光デバイスによって達成される。
互いに対しゼロとは異なる角度で延在する光入力表面と光出口表面とをそれぞれ有する少なくとも２つの光ガイドを有する発光デバイスを設けることによって、及び更に、各光ガイドに対し別個の光源を設けることによって、より多くの光が光ガイドに取り込まれ、より多くの光が全内反射（ＴＩＲ：Total Internal Reflection）によって各光出口表面へと案内される発光デバイスが得られる。これにより、更には、光出口表面以外の表面を通じて光ガイドを出ることにより失われる光の量が大幅に低減し、従って、各々の光出口表面を通じて放出される光の強度が増加する。これは比較的大きな光ガイドにも当てはまるため、大幅に向上された拡張性を有する発光デバイスが提供される。
取り込まれた光の少なくとも一部を、異なる分光分布を有する変換済みの光に変換するように適合された光ガイドを設けることによって、特に多量の変換済みの光が光ガイド内に留まり、その後、表面の１つから抽出されることが可能であり、これにより更には、特に高い強度増加に至る光ガイドが提供される。これは、発光デバイスの拡張性の向上にも寄与する。
例えば、第１及び第２の光ガイドにより放出される光及び第１及び第２の光ガイドから出る光を、例えば、適切な光学素子によって混合することにより、異なる、例えば部分的に重なる又は実質的に重ならない分光分布を有する第３の分光分布を有する光と第４の分光分布を有する光とを提供することによって、高品質及び高強度の白色光出力を提供するのに特に好適な発光デバイスが提供される。更なる実施形態においては、第３の分光分布及び第４の分光分布は両方とも４００ｎｍ乃至８００ｎｍの範囲内に含まれる。
一実施形態においては、第１の分光分布を有する光と第２の分光分布を有する光とは、異なる分光分布、例えば、部分的に重なる又は実質的に重ならない分光分布を有する。このようにして、所定の光の混合の実施におけるより大きな柔軟性が達成される。更なる実施形態においては、第１の分光分布及び第２の分光分布は両方とも２００ｎｍ乃至５００ｎｍの範囲内に含まれる。
一実施形態においては、第１の光入力表面と第２の光入力表面とが隣り合って配置され、同じ方向に面するように、第１の光ガイドと第２の光ガイドとは互いに対して平行に延在する状態で配置されている。これは、第１及び第２の光ガイドによって放出される及び第１及び第２の光ガイドから出る出力光の最適な混合に寄与する。
一実施形態においては、それぞれ、第１の光入力表面と第１の光出口表面と、第２の光入力表面と第２の光出口表面と、のうちの少なくとも１つが互いに垂直に延在する。
互いに垂直に延在する光入力表面と光出口表面とをそれぞれ有する少なくとも２つの光ガイドを備えた発光デバイスを提供することによって、より多くの光が光ガイドに取り込まれ、ＴＩＲによって最適に多量の光が各光出口表面へと案内される発光デバイスが得られる。これにより、更には、光出口表面以外の表面を通じて光ガイドを出ることにより失われる光の量を更に低減し、従って、各々の光出口表面を通じて放出される光の強度が更に増加する。これは比較的大きな光ガイドにも当てはまるため、特に高い拡張性を有する発光デバイスが提供される。
一実施形態においては、第１の光ガイドは第１の分光分布を有する光の少なくとも一部を第３の分光分布を有する光に変換することが可能な材料を含み、第２の光ガイドは、第２の分光分布を有する光の少なくとも一部を第４の分光分布を有する光に変換することが可能な材料を含む。
このため、特に単純な構造を有し、製造が簡単且つ安価な発光デバイスが提供される。
一実施形態においては、第１の分光分布を有する光の少なくとも一部を第３の分光分布を有する光に変換することが可能な材料は第１の光ガイドの表面に配置されている。
一実施形態においては、第２の分光分布を有する光の少なくとも一部を第４の分光分布を有する光に変換することが可能な材料は第２の光ガイドの表面に配置されている。
このため、光源の光が光ガイドに入る前又は入る際に変換される発光デバイスが提供される。これは、光を変換するように適合された材料が光ガイド内に最小限配置されるか、更には全く配置されないことから、光ガイド内を伝播する間に吸収される光がより少ない又は更には全く無いという利点を有する。
一実施形態においては、第１の光ガイド及び第２の光ガイドは、透明材料、蛍光材料、ガーネット及びそれらの任意の組み合わせのいずれか１つを含む。
例えば、一実施形態においては、第１の光ガイドは透明光ガイドである。本明細書内で使用される用語「透明材料（transparent material）」は、材料の散乱特性を意味するものであり、材料の吸光度を意味するものではない。従って、材料は高度に吸収するが高い透明度を示してもよい。透明度は、材料が吸収を示さないか、ごく僅かな吸収を示す波長を使用することによって測定され得る。平行光線が使用され得ると共に、透過された強度は、光線内にサンプルを置く前及び後２度以下に及ぶ角度範囲に渡り積分することによって測定され得る。計算では、境界面の反射損は減じられなければならない。好ましくは、透明材料は、少なくとも励起及び放出のスペクトル範囲内において、好ましくは８０％超、より好ましくは９０％超、最も好ましくは９５％超の透明度を含む材料である。
透明材料を含む光ガイドを提供することによって、光ガイド内に吸収される光が少なくなる又は更には全く無いため、光の損失が更に低減される発光デバイスが提供される。ことに留意されたい材料又は第１及び第２の光ガイドの材料の組み合わせはそれぞれ、同一であっても、異なっていてもよい。
透明材料を含む光ガイドを提供することによって、光ガイド内に吸収される光が少なくなる又は更には全く無いため、光の損失が更に低減される発光デバイスが提供される。
蛍光材料を含む光ガイドを提供することによって、特に良好且つ効率的な光変換特性を有する発光デバイスが提供される。
ガーネット又はその他の透明蛍光材料を含む光ガイドを提供することによって、特に良好且つ効率的な光案内特性を有する発光デバイスが提供される。
一実施形態においては、第１の光ガイド及び第２の光ガイドの少なくとも１つが透明であり、光ガイドの表面に配置された蛍光素子を含む。
このため、変換されていない光の収集の向上と、特に良好且つ効率的な光変換特性との両方を有する、特に単純な構造を有する発光デバイスが提供される。
一実施形態においては、第１の光ガイドは、更に、第３の分光分布を有する光の少なくとも一部を第１の光出口表面に平行に且つ対向して延在する表面から取り出すように適合されている。
一実施形態においては、第２の光ガイドは、更に、第４の分光分布を有する光の少なくとも一部を第２の光出口表面に平行に且つ対向して延在する表面から取り出すように適合されている。
これらの実施形態は、第１及び／又は第２の光ガイドの両端から放出される光を使用することが可能であり、おそらくは、異なる方向における、異なる分光分布を有する光の放出においてさえも、第１及び／又は第２の光ガイドからの、２つ以上の方向における光の放出が可能にされる発光デバイスを提供する。
一実施形態においては、第１の光出口表面、第１の光出口表面と平行に延在しそれに対向する表面、第２の光出口表面、及び第２の光出口表面と平行に延在しそれに対向する表面の少なくとも１つに、ミラー、即ち、反射性の素子が設けられる。
このため、そのようなミラーの提供により、更により少量の光が失われることが確実となることから、放出される光の強度が特に高い発光デバイスが提供される。
一実施形態においては、第１の光ガイド及び第２の光ガイドの少なくとも１つが、好ましくは５００ｎｍ未満、より好ましくは１００ｎｍ未満、及び最も好ましくは５０ｎｍ未満の表面粗さを含む。
これによって、光ガイドからの光の取り出しを高める可能性のあった表面粗さ及び不純物が防止されるため、ＴＩＲによる光の案内のために特に良好な状態が提供される光ガイドを有する発光デバイスが提供される。
一実施形態においては、第１の光ガイドと第２の光ガイドとは異なる大きさ及び／又は形状を有する。
このため、発光デバイスの異なる幾何学的構成及び／又は発光デバイスによって放出される光のビームのサイズ及び形状を得るために有用なパラメータを有する発光デバイスが提供される。
一実施形態においては、発光デバイスは、第１及び第２の光出口表面に配置された、第１の光出口表面から出る光を第２の光出口表面から出る光と混合するための光学素子を更に含む。このようにして、例えば、比較的高い強度を有する白色光を放出する発光デバイスが提供される。
一実施形態においては、発光デバイスは、更なる光入力表面と更なる光出口表面とを含む１つ以上の更なる光ガイドを更に含み、更なる光入力表面と更なる光出口表面とは互いに対しゼロとは異なる角度で延在し、１つ以上の更なる光ガイドが、更なる光入力表面において入射光を受け取り且つ取り込み、入射光を更なる光出口表面に案内し、入射光の少なくとも一部を入射光の分光分布とは異なる分光分布を有する変換済みの光に変換し、更なる光出口表面から変換済みの光を取り出すように適合されている。
一実施形態においては、発光デバイスは、動作時、更なる分光分布を有する光を放出するように適合された少なくとも１つの更なる光源を更に含み、１つ以上の更なる光ガイドが、更なる分光分布を有する光を受け取り且つ取り込むように適合されている。
これらの実施形態は、特に、放出表面積が更なる光ガイドを発光デバイスに付加することによって簡単に増加され得るため、更により高い強度又は輝度を有する光を放出し、且つ更により向上した拡張性を有する発光デバイスを提供する。更に、これらの実施形態は、発光デバイスの異なる幾何学的構成及び／又は発光デバイスによって放出される光のビームのサイズ及び形状を得るために使用可能な更なるパラメータを提供する。
本発明は、更に、本発明による発光デバイスを含むランプ、照明器具又はデジタルプロジェクションデバイスに関する。
本発明は、特許請求の範囲に列挙した特徴のあらゆる可能な組み合わせに関連することに留意されたい。
本発明のこの態様及びその他の態様が、ここで、本発明の実施形態を示す添付の図面を参照しながらより詳細に記載される。
蛍光体ホイールを含む発光デバイスの断面図を示す。 出口表面に光学素子が設けられた光ガイドの側面図を示す。 成形された光出口表面を提供するなどのために、その長さ全体にわたり成形された光ガイドの斜視図を示す。 成形された光出口表面を提供するなどのために、その長さの一部にわたり成形された光ガイドの側面図を示す。 光ガイドの光出口表面に隣接して配置された偏光素子が設けられた光ガイドを示す。 光ガイドの光出口表面に隣接して配置された偏光素子が設けられた光ガイドを示す。 光ガイドの光出口表面に隣接して配置された偏光素子が設けられた光ガイドを示す。 光ガイドの光出口表面に隣接して配置された偏光素子が設けられた光ガイドを示す。 テーパ状の出口表面を有する発光デバイスの斜視図を示す。 本発明による発光デバイスの第１の実施形態の斜視図を示す。 本発明による発光デバイスの第２の実施形態の斜視図を示す。 本発明による発光デバイスの第３の実施形態の斜視図を示す。 本発明による発光デバイスの第４の実施形態の側面図を示す。 本発明による発光デバイスの第５の実施形態の側面図を示す。 本発明による発光デバイスの第６の実施形態の斜視図を示す。
図に示されるように、層、要素及び領域の大きさは説明の目的のため誇張されており、故に、本発明の実施形態の一般的な構造を示すために提供される。例えば、本発明による発光デバイスは全体として１で示される一方で、その異なる特定の実施形態は、全般的な参照符号に０１、０２、０３等を加えることによって示されるように、全体を通じて、同様の参照符号は同様の要素を意味する。以下に更に説明するように、本発明の実施形態による発光デバイスの任意の１つに付加されてもよい幾つかの特徴及び要素を示す図１〜図６に関して、全般的に、これら図の１つに固有のもの以外の全ての要素に対し「００」が付加されている。
ここで、本発明の目下好適な実施形態が示された添付の図面を参照して本発明を以下により詳細に記載する。本発明は、しかしながら、多くの種々の形態で具現化されてもよく、本明細書中で説明する実施形態を制限するものと解釈されるべきではなく、むしろ、これら実施形態は、徹底性及び完全性のために提供され、本発明の範囲を当業者に完全に伝えるものである。
以下の説明は、本発明による発光デバイスの種々の要素及び特徴の用途、好適な光源及び好適な材料に関する一般的な事項から開始する。この目的のため、以下に更に説明するように、本発明の実施形態による発光デバイスの任意の１つに付加されてもよい幾つかの特徴及び要素が図１乃至図６を参照して記載される。特定の本発明の実施形態による発光デバイスが図７乃至図１２を参照して詳細に記載される。
本発明による発光デバイスは、ランプ、光モジュール、照明器具、スポットライト、懐中電灯、プロジェクタ、デジタルプロジェクションデバイス、例えば、自動車の前照灯又は後尾灯などの自動車用照明、舞台照明、劇場照明及び建築照明を含むが、これらに限定されない用途に使用されてもよい。
以下に説明するように、本発明による実施形態の一部である光源は、動作時、第１の分光分布を有する光を放出するように適合されている。この光は、その後、光ガイド又は導波管に取り込まれる。光ガイド又は導波管は、第１の分光分布の光を別の分光分布に変換してもよく、この光を出口表面に案内する。光源は、原則的に任意の種類の点光源であってもよいが、一実施形態においては、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード、若しくは有機ＬＥＤ（ＯＬＥＤ）、複数のＬＥＤ、レーザダイオード、若しくはＯＬＥＤ、又はＬＥＤ、レーザダイオード若しくはＯＬＥＤのアレイなどの固体光源、又はこれらの任意の組み合わせである。ＬＥＤは、原則的に、任意の色のＬＥＤ又はこれらの組み合わせであってもよいが、一実施形態においては、３８０ｎｍ乃至４９５ｎｍの波長域と定義される青色域の光源光を生成する青色光源である。別の実施形態においては、光源はＵＶ又は紫色光源、即ち、４２０ｎｍ未満の波長域で発光する。複数の若しくはアレイのＬＥＤ又はレーザダイオード又はＯＬＥＤの場合、ＬＥＤ又はレーザダイオード又はＯＬＥＤは、原則的に、ＵＶ、青、緑、黄又は赤などであるが、これらに限定されない２つ以上の異なる色のＬＥＤ又はレーザダイオード又はＯＬＥＤであってもよい。
光源は赤色光源であってもよく、即ち、例えば、６００ｎｍ乃至８００ｎｍの波長域で発光する。そのような赤色光源は、例えば、赤色光を直接発光する上述の種類のいずれかの光源であってもよく、光源光を赤色光に変換するのに好適な蛍光体が提供されてもよい。この実施形態は、光源光を赤外線（ＩＲ）、即ち、約８００ｎｍ超の波長を持ち、適切な実施形態においては、８１０乃至８５０ｎｍの範囲内のピーク強度を有する光に変換するように適合された光ガイドと組み合わせると特に有利である。一実施形態においては、そのような光ガイドは、ＩＲ発光蛍光体を含む。これらの特性を備えた発光デバイスは、暗視システムでの使用に特に有利であるが、また、上述の用途のいずれかにおいて使用されてもよい。
別の例は、４８０ｎｍ乃至８００ｎｍの波長域の光を発し、この光を蛍光ロッド又は導波管に取り込む第１の、赤色光源と、青又はＵＶ又は紫色光、即ち、４８０ｎｍよりも低い波長を有する光を発し、また、その発せられた光を蛍光導波管又はロッドに取り込む第２の光源との組み合わせである。第２の光源の光は蛍光導波管又はロッドによって４８０ｎｍ乃至８００ｎｍの波長域に変換され、蛍光導波管又はロッドに取り込まれる第１の光源の光は変換されない。換言すると、第２の光源は、ＵＶ、紫色又は青色光を発し、その後、蛍光型集光器によって緑−黄−橙−赤スペクトル領域の光に変換される。別の実施形態においては、第１の光源は５００ｎｍ乃至６００ｎｍの波長域で発光し、第２の光源の光は蛍光導波管又はロッドによって５００ｎｍ乃至６００ｎｍの波長域に変換される。別の実施形態においては、第１の光源は６００ｎｍ乃至７５０ｎｍの波長域で発光し、第２の光源の光は蛍光導波管又はロッドによって６００ｎｍ乃至７５０ｎｍの波長域に変換される。一実施形態においては、第１の光源の光は、別の表面、例えば、第２の光源の光が蛍光導波管又はロッドに取り込まれる表面以外の、光の出口表面に対向する表面において蛍光導波管又はロッドに取り込まれる。これら実施形態は、増加した輝度を伴い赤色光領域で発光する蛍光導波管又はロッドを提供する。
本発明による実施形態において以下に説明するように、光ガイドは、概して、相互に垂直な方向に延在する高さＨ、幅Ｗ及び長さＬを含むロッド形状又はバー形状の光ガイドであってもよく、実施形態においては、透明、又は透明且つ蛍光である。光は、概して、長さＬ方向に案内される。高さＨは、実施形態においては＜１０ｍｍ、他の実施形態においては＜５ｍｍ、更に他の実施形態においては＜２ｍｍである。幅Ｗは、実施形態においては、＜１０ｍｍ、他の実施形態においては＜５ｍｍ、更なる実施形態においては＜２ｍｍである。長さＬは、実施形態においては幅Ｗ及び高さＨよりも大きく、他の実施形態においては、幅Ｗの少なくとも２倍又は高さＨの２倍、更に他の実施形態においては、幅Ｗの少なくとも３倍又は高さＨの３倍である。高さＨ：幅Ｗのアスペクト比は、通常、１：１（例えば、一般的な光源用途）、１：２、１：３若しくは１：４（例えば、前照灯などの特殊光源用途）、又は４：３、１６：１０、１６：９若しくは２５６：１３５（例えば、ディスプレイ用途）である。光ガイドは、概して、平行平面にて配置されない光入力表面及び光出口表面を含み、実施形態においては、光入力表面は光出口表面に対し垂直である。高輝度の集束された光出力を達成するために、光出口表面の面積は、光入力表面の面積よりも小さくてもよい。光出口表面は任意の形状を有し得るが、一実施形態においては、正方形、矩形、円形、楕円形、三角形、五角形又は六角形の形状である。
透明光ガイドは、実施形態においては、複数の光源、例えば、ＬＥＤをエピタキシャル成長させた透明基板を含んでもよい。基板は、実施形態においては、例えば、サファイア基板などの単結晶基板である。光源の透明成長基板（transparent growth substrate）は、これら実施形態においては、集光光ガイドである。
略ロッド形状又はバー形状の光ガイドは任意の断面形状を有し得るが、実施形態においては、正方形、矩形、円形、楕円形、三角形、五角形又は六角形の形状の断面を有する。概して、光ガイドは直方体であるが、幾分台形の形状を有する光入力表面を有する、直方体とは異なる形状が提供されてもよい。そうすることにより、光束は更に強められてもよく、これは、幾つかの用途においては有利となり得る。
光ガイドは、また、円筒形状のロッドであってもよい。実施形態においては、円筒形状のロッドは、ロッドの長手方向に沿って１つの平らな表面を有し、そこに、光源によって放出される光の光ガイドへの効率的な取り込みのための光源が配置されてもよい。平らな表面は、また、ヒートシンクを配置するために使用されてもよい。円筒状の光ガイドは、また、例えば、互いに対向して配置された又は互いに垂直に配置された２つの平らな表面を有してもよい。実施形態においては、平らな表面は円筒状ロッドの長手方向の一部に沿って延在する。
本発明による実施形態において以下に説明するように、光ガイドは、また、長さ方向において、光ガイドが真直の線形バー又はロッドでなく、例えば、９０度若しくは１８０度の湾曲、Ｕ字形、円若しくは楕円形状、複数のループを有するループ若しくは３次元螺旋形状の形態の丸みのある角を含み得るように折り畳まれても、曲げられても及び／又は成形されてもよい。これにより、その全長（これに沿って全般的に光が案内される）が比較的長く、比較的高ルーメン出力に至るが、同時に、比較的狭い空間に配置され得る小型の光ガイドを提供する。例えば、光ガイドの蛍光部分は剛性であってもよいが、光ガイドの透明部分は可撓性があり、光ガイドのその長さ方向に沿った形状を提供する。光源は、折り畳まれた、曲げられた及び／又は成形された光ガイドの長さに沿ったどこに配置されてもよい。
本発明の実施形態による以下に説明するように、光ガイドに好適な材料は、サファイア、多結晶アルミナ及び／又はｎ＝１．７の屈折率を有するＹＡＧ、ＬｕＡＧなどの無ドープ透明ガーネットである。（例えばガラスを上回る）この材料の更なる利点は、それが良好な熱伝導率を有するため、局所加熱が減少することである。他の適切な材料としては、ガラス、石英及び透明高分子が挙げられるが、これらに限定されない。他の実施形態においては、光ガイド材料は鉛ガラスである。鉛ガラスは、典型的なカリガラスのカルシウム分を鉛に入れ替えた種々のガラスであり、この手法で、屈折率を増加させることができる。通常のガラスはｎ＝１．５の屈折率を有するが、鉛の添加により、１．７までの範囲の屈折率が生じる。
以下に説明するように、本発明の実施形態による光ガイドは、光を別の分光分布へと変換するための適切な蛍光材料を含んでもよい。好適な蛍光材料には、ドープしたＹＡＧ又はＬｕＡＧなどの無機蛍光体、有機蛍光体、有機蛍光染料及び量子ドットを含み、量子ドットは、以下に説明するように、本発明の実施形態の目的に非常に好適である。
量子ドットは、一般に、僅か数ナノメートルの幅又は直径を有する半導体材料の小さな結晶である。入射光によって励起されると、量子ドットは、結晶のサイズ及び材料によって決定された色の光を発する。特定の色の光は、従って、ドットのサイズを適応させることによって生成され得る。最も知られている、可視域発光の量子ドットは、硫化カドミウム（ＣｄＳ）及び硫化亜鉛（ＺｎＳ）などのシェルを有するセレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）をベースとするものである。りん化インジウム（ＩｎＰ）及び銅インジウム硫化物（ＣｕＩｎＳ２）及び／又は銀インジウム硫化物（ＡｇＩｎＳ２）などの、カドミウムを含まない量子ドットもまた使用され得る。量子ドットは非常に狭い発光バンドを示し、そのため、それらは飽和色を示す。更に、発光色は、量子ドットのサイズを適応させることによって容易に調整され得る。以下で説明するように、当技術分野で知られている任意の種類の量子ドットが本発明の実施形態で用いられてもよい。しかしながら、環境安全及び環境への懸念のため、カドミウムを含まない量子ドット又は少なくとも非常に低いカドミウム含有量を有する量子ドットを使用することが好ましい場合がある。
有機蛍光染料も使用され得る。その分子構造は、そのスペクトルピーク位置が調整され得るように設計され得る。好適な有機蛍光染料材料の例は、ペリレン誘導体をベースとした有機蛍光材料であり、例えば、ＢＡＳＦによりLumogen（登録商標）の名称で販売されている化合物である。好適な化合物の例としては、Lumogen（登録商標）Red F305、Lumogen（登録商標）Orange F240、Lumogen（登録商標）Yellow F083及びLumogen（登録商標）F170が挙げられるが、これらに限定されない。
蛍光材料は、また、無機蛍光体であってもよい。無機蛍光体材料の例としては、セリウム（Ｃｅ）をドープしたＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）又はＬｕＡＧ（Ｌｕ３Ａｌ５Ｏ１２）が挙げられるが、これらに限定されない。ＣｅをドープしたＹＡＧは黄色がかった光を発し、ＣｅをドープしたＬｕＡＧは、黄緑がかった光を発する。赤色光を発する他の無機蛍光体材料の例としては、ＥＣＡＳ及びＢＳＳＮが挙げられ得るが、これらに限定されない。ＥＣＡＳは、０＜ｘ≦１、他の実施形態では、０＜ｘ≦０．２である、Ｃａ１−ｘＡｌＳｉＮ３：Ｅｕｘであり、ＢＳＳＮは、ＭがＳｒ又はＣａであり、０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦４、０．０００５≦ｚ≦０．０５、及び実施形態では、０≦ｘ≦０．２である、Ｂａ２−ｘ−ｚＭｘＳｉ５−ｙＡｌｙＮ８−ｙＯｙ：Ｅｕｚである。
以下に説明するように、本発明の実施形態においては、蛍光材料は、Ｍ＜Ｉ＞が、Ｙ、Ｌｕ又はその混合物からなる群より選択され、Ｍ＜ＩＩ＞が、Ｇｄ、Ｌａ、Ｙｂ又はその混合物からなる群より選択され、Ｍ＜ＩＩＩ＞が、Ｔｂ、Ｐｒ、Ｃｅ、Ｅｒ、Ｎｄ、Ｅｕ又はその混合物からなる群より選択され、Ｍ＜ＩＶ＞がＡｌ、Ｍ＜Ｖ＞は、Ｇａ、Ｓｃ又はその混合物からなる群より選択され、０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦０．１、０＜ｚ＜１である、（Ｍ＜Ｉ＞（１−ｘ−ｙ）Ｍ＜ＩＩ＞ｘＭ＜ＩＩＩ＞ｙ）３（Ｍ＜ＩＶ＞（１−ｚ）Ｍ＜Ｖ＞ｚ）５Ｏ１２と、Ｍ＜Ｉ＞が、Ｙ、Ｌｕ又はその混合物からなる群より選択され、Ｍ＜ＩＩ＞が、Ｇｄ、Ｌａ、Ｙｂ又はその混合物からなる群より選択され、Ｍ＜ＩＩＩ＞が、Ｔｂ、Ｐｒ、Ｃｅ、Ｅｒ、Ｎｄ、Ｅｕ、Ｂｉ、Ｓｂ又はその混合物からなる群より選択され、０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦０．１である、（Ｍ＜Ｉ＞（１−ｘ−ｙ）Ｍ＜ＩＩ＞ｘＭ＜ＩＩＩ＞ｙ）２Ｏ３と、Ｍ＜Ｉ＞が、Ｃａ、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｂａ又はその混合物からなる群より選択され、Ｍ＜ＩＩ＞が、Ｃｅ、Ｅｕ、Ｍｎ、Ｔｂ、Ｓｍ、Ｐｒ、Ｓｂ、Ｓｎ又はその混合物からなる群より選択され、Ｍ＜ＩＩＩ＞が、Ｋ、Ｎａ、Ｌｉ、Ｒｂ、Ｚｎ又はその混合物からなる群より選択され、０＜ｘ≦０．０１、０＜ｙ≦０．０５、０≦ｚ＜１である、（Ｍ＜Ｉ＞（１−ｘ−ｙ）Ｍ＜ＩＩ＞ｘＭ＜ＩＩＩ＞ｙ）Ｓ（１−ｚ）Ｓｅと、Ｍ＜Ｉ＞が、Ｃａ、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｂａ又はその混合物からなる群より選択され、Ｍ＜ＩＩ＞が、Ｃｅ、Ｅｕ、Ｍｎ、Ｔｂ、Ｓｍ、Ｐｒ又はその混合物からなる群より選択され、Ｍ＜ＩＩＩ＞が、Ｋ、Ｎａ、Ｌｉ、Ｒｂ、Ｚｎ又はその混合物からなる群より選択され、０＜ｘ≦０．１、０＜ｙ≦０．１である、（Ｍ＜Ｉ＞（１−ｘ−ｙ）Ｍ＜ＩＩ＞ｘＭ＜ＩＩＩ＞ｙ）Ｏと、Ｍ＜Ｉ＞が、Ｌａ、Ｙ、Ｇｄ、Ｌｕ、Ｂａ、Ｓｒ又はその混合物からなる群より選択され、Ｍ＜ＩＩ＞が、Ｅｕ、Ｔｂ、Ｐｒ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｔｍ又はその混合物からなる群より選択され、Ｍ＜ＩＩＩ＞が、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ又はその混合物からなる群より選択され、０＜ｘ≦１である、（Ｍ＜Ｉ＞（２−ｘ）Ｍ＜ＩＩ＞ｘＭ＜ＩＩＩ＞２）Ｏ７と、Ｍ＜Ｉ＞が、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｌａ、Ｙ、Ｇｄ、Ｌｕ又はその混合物からなる群より選択され、Ｍ＜ＩＩ＞が、Ｅｕ、Ｔｂ、Ｐｒ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｔｍ又はその混合物からなる群より選択され、Ｍ＜ＩＩＩ＞が、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ又はその混合物からなる群より選択され、Ｍ＜ＩＶ＞が、Ａｌ、Ｇａ、Ｓｃ、Ｓｉ又はその混合物からなる群より選択される、０＜ｘ≦０．１、０＜ｙ≦０．１である（Ｍ＜Ｉ＞（１−ｘ）Ｍ＜ＩＩ＞ｘＭ＜ＩＩＩ＞（１−ｙ）Ｍ＜ＩＶ＞ｙ）Ｏ３とからなる群から選択される材料又はその混合物で作製されている。
他の好適な蛍光材料は、Ｃｅをドープしたイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ、Ｙ ３ Ａｌ ５ Ｏ １２）及びルテチウム−アルミニウム−ガーネット（ＬｕＡＧ）である。蛍光光ガイドは、中心発光波長を青色域内又は緑色域内又は赤色域内に含んでもよい。青色域は、３８０ナノメートル乃至４９５ナノメートルに定められ、緑色域は、４９５ナノメートル乃至５９０ナノメートルに定められ、赤色域は、５９０ナノメートル乃至８００ナノメートルに定められる。
実施形態において使用されてもよい蛍光体の選択は、以下、表１に、最大発光波長と共に記載される。
本発明の実施形態による以下に説明するように、光ガイドは、光を別の分光分布に変換するために、異なる密度の好適な蛍光材料を有する領域を含んでもよい。一実施形態においては、透明光ガイドは、互いに隣接する２つの部分を含み、その１つのみが蛍光材料を含み、もう一方の部分が透明であるか、比較的低濃度の蛍光材料を有する。別の実施形態においては、光ガイドは、第２の部分に隣接する、異なる蛍光材料又は異なる濃度の同じ蛍光材料を含む、更に別の、第３の部分を含む。異なる部分は一体形成されてもよいため、一体の又は１つの光ガイドを形成する。一実施形態においては、部分反射素子が、光ガイドの異なる部分の間に、例えば、第１の部分と第２の部分との間に配置されてもよい。部分反射素子は、１つの特定の波長又は分光分布を持つ光を透過するように、及び別の異なる特定の波長又は分光分布を持つ光を反射するように適合される。部分反射素子は、従って、ダイクロイックミラーなどのダイクロイック素子であってもよい。
別の実施形態（図示せず）においては、ＬＥＤなどの複数の光源の上方又は上の透明光ガイドの光入力表面に蛍光材料の複数の波長変換領域が配置される。従って、光源からの光が蛍光材料の領域を介して透明光ガイドに取り込まれるように、複数の波長変換領域のそれぞれの表面積は複数の光源のそれぞれの表面積に対応する。変換済みの光は、その後、光ガイドの透明部分に取り込まれ、続いて、光ガイドの光出口表面に案内される。波長変換領域は光入力表面上に配置されてもよく、或いは、それらは光ガイド内に形成されてもよい。波長変換領域は、光入力表面において光ガイド上又は光ガイド内に配置された均質層の一部を成してもよい。２つの隣り合う波長変換領域の間に延在する均質層の部分は、透明であってもよく、更に又は代替的に、波長変換領域と同じ屈折率を有してもよい。異なる波長変換領域は、相互に異なる蛍光材料を含んでもよい。光源と蛍光領域との間の距離は、２ｍｍ未満、１ｍｍ未満、又は０．５ｍｍ未満であってもよい。
以下に説明するように、本発明による発光デバイスの実施形態においては、光源によって放出される光を光ガイドに効率的に取り込むカップリング構造又はカップリング媒体が提供されてもよい。カップリング構造は、例えば、波形構造を形成する突出部及び凹部などのフィーチャを有する屈折構造であってもよい。カップリング構造のフィーチャの典型的なサイズは５μｍ乃至５００μｍである。フィーチャの形状は、例えば、半球状（レンズ）であっても、角柱状であっても、正弦波状であっても又は不規則（例えば、サンドブラストが施される）であってもよい。適切な形状を選択することによって、光ガイドに取り込まれる光の量が調整され得る。屈折構造は、機械的手段によって、例えば、彫刻、サンドブラスト等によって作製されてもよい。或いは、屈折構造は、適切な材料、例えば、ポリマー又はゾル−ゲル材料などの複製によって作製されてもよい。或いは、カップリング構造は回折構造であってもよく、この場合、回折カップリング構造のフィーチャの典型的なサイズは０．２μｍ乃至２μｍである。光ガイド内部の回折角度Θｉｎは、回折格子方程式λ／Λ＝ｎｉｎ・ｓｉｎΘｉｎ−ｎｏｕｔ・ｓｉｎΘｏｕｔ、式中、λはＬＥＤ光の波長、Λは格子周期、ｎｉｎ及びｎｏｕｔは光ガイド内部及び外部の屈折率、Θｉｎ及びΘｏｕｔはそれぞれ光ガイド内部の回折角度及び光ガイド外部の入射角、によって得られる。低屈折率層及びカップリング媒体に対し同じ屈折率ｎｏｕｔ＝１を想定した場合、全内反射の条件ｎｉｎｓｉｎΘｉｎ＝ｎｏｕｔにおいて、以下の条件：λ／Λ＝１−ｓｉｎΘｏｕｔ、即ち、直角入射Θｏｕｔ＝０においてΛ＝λであることを見出した。一般に、他の全ての角度Θｏｕｔが光ガイドへと回折されるわけではない。これはその屈折率ｎｉｎが十分に高い場合にのみ起こる。回折格子方程式から、条件ｎｉｎ≧２において、Λ＝λである場合、全ての角度は回折されることになる。また、光ガイドへと回折されるより少ない光をもたらす他の周期及び屈折率が使用されてもよい。更に、概して、多くの光が透過される（ゼロ次）。回折される光の量は、回折格子構造の形状及び高さに依存する。適切なパラメータを選択することによって、光ガイドに取り込まれる光の量が調整され得る。そのような回折構造は、最も容易には、例えば、電子ビームリソグラフィ又はホログラフィによって作製された構造の複製によって作製される。複製は、ソフトナノインプリントリソグラフィ等の方法によって行われてもよい。カップリング媒体は、例えば、空気又は別の適切な材料であってもよい。
図１は、以下に説明するように、本発明の実施形態による光ガイド４０１５を含む発光デバイス１００１を示す。図１に示される発光デバイス１００１は回転可能な蛍光体ホイール１６００を含み、発光デバイス１００１は、光ガイド４０１５と蛍光体ホイール１６００との間に配置されたカップリング要素７７００を更に含む。
発光デバイス１００１は、基部又は基板１５００上に配置された複数のＬＥＤ２１００、２２００、２３００の形態の光源を更に含む。複数のＬＥＤ２１００、２２００、２３００は、光ガイド４０１５の変換部品６１１０を励起して緑又は青色光などの第３の分光分布を有する光１７００を生成するために使用される。回転軸線１６２０の周りを回転方向１６１０に回転する蛍光体ホイール１６００は、第３の分光分布を有する光１７００を、赤色光及び／又は緑色光などの第２の分光分布を有する光１４００に変換するために使用される。原則的に、光１７００の色及び光１４００の色のあらゆる組み合わせが実現可能であることに留意されたい。
蛍光体ホイール１６００を断面側面図で示す図１に示されるように、蛍光体ホイール１６００は透明モードで使用される。即ち、一方の側において蛍光体ホイール１６００に入る入射光１７００は蛍光体ホイール１６００内を伝送され、光出口表面４２００を形成するその反対側から放出される。或いは、光が蛍光体ホイールに入る面と同じ面から光が放出されるように、蛍光体ホイール１６００は反射モード（図示せず）で使用されてもよい。
蛍光体ホイール１６００は全体に渡り１つの蛍光体のみを含んでもよい。或いは、光１７００の一部もまた変換されることなく伝送され得るように、蛍光体ホイール１６００は、蛍光体を全く有しないセグメントも含んでもよい。この手法で、順次、他の色を発生させることができる。別の代替法では、蛍光体ホイール１６００は、また、複数の蛍光体セグメント、例えば、多色光出力を生成するための、例えば、それぞれ黄色、緑色及び赤色光を発する蛍光体のセグメントを含んでもよい。更に別の代替法では、発光デバイス１００１は、蛍光体ホイール１６００上にピクセル化された蛍光体−反射体パターンを用いることによって白色光を生成するように適合させてもよい。
一実施形態では、カップリング要素７７００は、蛍光体ホイール１６００に入射する光１７００をコリメートするのに好適な光学素子であるが、カップリング要素７７００は、また、例えば、上述のカップリング媒体又はカップリング構造７７００などのカップリング媒体又はカップリング構造であってもよい。発光デバイス１００１は、更に、追加のレンズ及び／又はコリメータを含んでもよい。例えば、追加の光学素子は、例えば、光源２１００、２２００、２３００によって放出される光及び／又は発光デバイス１００１によって放出される光１４００をコリメートするために配置されてもよい。
図２は、光ガイド４０２０の光出口表面４２００と光接続した光入力面８０６０を備えて配置された光学素子８０１０を含む光ガイド４０２０を示す。光学素子８０１０は、高屈折率、一実施形態では、光ガイド４０２０の屈折率に等しい又はそれよりも高い屈折率、を有する材料で作製され、四角形の断面と、２つのテーパ状の側面８０３０及び８０４０と、を含む。光学素子８０１０の光出口面８０５０が光入力面８０６０及び光ガイド４０２０の光出口表面４２００の両方よりも大きな表面積を有するように、テーパ状の側面８０３０及び８０４０は光ガイド４０２０の光出口表面４２００から外側に向かって傾斜する。光学素子８０１０は、その代わりに、３つ以上の、特に４つの、テーパ状の側面を有してもよい。一代替法として、光学素子８０１０は円形断面及び１つの周方向テーパ状の側面を有する。そのような配置構成により、光は傾斜した側面８０３０及び８０４０において反射され、光出口面８０５０に当たった場合には漏れる可能性が高いが、これは、光出口面８０５０が光入力面８０６０に比べて大きいことが理由である。側面８０３０及び８０４０の形状は、また、湾曲させてもよく、全ての光が光出口面８０５０を通じて漏れるように選択されてもよい。
また、光学素子は、例えば、光ガイドの端部の１つに所定の光学素子が形成されるように光ガイドの一部を成形することによって光ガイド４０２０から一体形成されてもよい。光学素子は、例えば、コリメータの形状を有してもよく、或いは、台形の断面形状を有してもよく、一実施形態においては、台形形状の外部表面に反射層が設けられる。それによって、受け取った光はより大きなスポットサイズを含み、一方で、同時に、光出口表面以外の表面を通じた光の損失を最小にし、故に、放出される光の強度も向上するような形状にされてもよい。別の実施形態においては、光学素子は、レンズアレイの形状、例えば、凸又は凹レンズ又はそれらの組み合わせを有する。それによって、受け取った光は、フォーカス光、デフォーカス光又はそれらの組み合わせを形成するような形状にされてもよい。レンズのアレイの場合、更に、放出される光が、アレイの１つ以上のレンズによってそれぞれが形成される２つ以上の別々のビームを含み得ることが可能である。より一般的な用語においては、光ガイドは、従って、異なる大きさを持つ異なる形状の部分を有してもよい。このため、光出口表面からの光の放出の方向の任意の１つ以上において、光出口表面から放出される光のビームサイズ及びビーム形が、特に簡単な手法で、例えば、光出口表面の大きさ及び／又は形状を変更することによって調整され得るという点で、光が形成され得る光ガイドが設けられる。従って、光ガイドの一部は光学素子として機能する。
光学素子は、また、光ガイドの光出口表面に配置された集光素子（図示せず）であってもよい。集光素子の光出口表面が光ガイドの光出口表面よりも大きな表面積を有するように、集光素子は、四角形の断面と、２つの外側に向かって湾曲した側面と、を含む。集光素子は、或いは、３つ以上の、特に４つの、テーパ状の側面を有してもよい。集光素子は、放物湾曲側面（parabolic curved sides）を有する複合放物面集光素子（ＣＰＣ：compound parabolic light concentrating element）であってもよい。一代替法として、集光素子は、円形断面及び１つの周方向テーパ状の側面を有する。代替法において、集光素子の屈折率が光ガイドの屈折率よりも低くなる（しかし空気の屈折率よりも高い）ように選択される場合、それでも、かなりの量の光が抽出され得る。これは、高屈折率を持つ材料で作製されたものと比較して製造が簡単且つ安価な集光素子を可能にする。例えば、光ガイドがｎ＝１．８の屈折率を有し、集光素子がｎ＝１．５の屈折率（ガラス）を有する場合、光出力の２倍の増加が達成されてもよい。ｎ＝１．８の屈折率を持つ集光素子では、増加は約１０％超である。実際には、光学素子又は集光素子と、外部媒体、一般に空気との間の境界面にフレネル反射があるため、全ての光が抽出されるわけではない。これらフレネル反射は、適切な反射防止コーティング、即ち、１／４λ誘電体スタック又はモスアイ構造を使用することによって低減されてもよい。光出口面上の位置の関数としての光出力が不均一である場合、反射防止コーティングによる被覆度は、例えば、コーティングの厚さを変えることによって変化する可能性がある。
ＣＰＣの興味深い特徴の１つは、光のエテンデュー（＝ｎ２ｘ面積ｘ立体角、式中、ｎは屈折率）が保存されることである。ＣＰＣの光入力面の形状及び寸法は、光ガイドの光出口表面の形状及び寸法に適合させることができる及び／又はその逆とされ得る。ＣＰＣの大きな利点は、入射光分布が、特定用途の許容できるエテンデューに最適に適合する光分布に変換されることである。ＣＰＣの光出口面の形状は、要求に応じて、例えば、矩形であっても円形であってもよい。例えば、デジタルプロジェクタでは、ビームのサイズ（高さ及び幅）並びに拡散に対する要件がある。ＣＰＣの対応するエテンデューは保存される。この場合、使用される表示パネルの所望の高さ／幅比を有する、矩形光入力面及び出口面を備えたＣＰＣを使用すると有利である。スポットライト用途においては、要件は緩和される。ＣＰＣの光出口面は円形であってもよいが、また、特別な形状の領域を照明するための別の形状（例えば矩形）又は所望のパターンを有してもよい。このパターンは、そのようなパターンを、スクリーン、壁、建物、インフラ等に投射するためのものである。ＣＰＣは設計において多くの柔軟性を提供するが、それらの長さはむしろ長くされ得る。一般に、同じ性能を備えたより短い光学素子を設計することは可能である。この目的のため、表面形状及び／又は出口表面は、例えば、光を集中させるなどのために、より湾曲した出口表面を有するように適合させてもよい。１つの更なる利点は、光ガイドの大きさがＬＥＤの寸法によって制限され、光出口面の大きさが後続の光学構成要素によって決定される場合、ＣＰＣが、起こり得るアスペクト比の不整合を克服するために使用され得ることである。更に、例えば、その中心近傍に又は中心に「穴」を有するミラーを用いて、ＣＰＣの光出口面を部分的に被覆するミラー（図示せず）を配置することが可能である。この手法で、ＣＰＣの出口平面は狭くされ、光の一部が反射されてＣＰＣ及び光ガイド内に戻り、故に、光の出口エテンデューが低減される。これにより、ＣＰＣ及び光ガイドから抽出される光の量が自然に減少する。しかしながら、このミラーが、例えば、Alanod 4200AGのような高反射率を有している場合、光はＣＰＣ及び光ガイド内へと再度効果的に注入されることが可能であり、そこでＴＩＲによって再利用されてもよい。これにより光の角度分布は変化しないが、再利用後に光がＣＰＣ出口平面に当たる位置は変化するため、光束は増加する。この手法で、システムのエテンデューを低減するために通常は犠牲にされる光の一部が回復され、例えば均一性を増加するために使用され得る。これは、システムがデジタルプロジェクション用途に使用される場合には非常に重要なことである。ミラーを異なる手法で選択することによって、異なるパネルサイズを使用する及び異なるアスペクト比のシステムに対処するために、多量の光を犠牲にする必要無しに同じセットのＣＰＣ及び光ガイドが使用され得る。この手法で、種々のデジタルプロジェクション用途に対し１つの単一のシステムが使用され得る。
図２を参照して記載された上記構造のいずれか１つを使用することによって、高屈折率光ガイド材料から、空気等の低屈折率材料への光の抽出に関連する、特に抽出の効率に関連する課題が解決される。
図３及び図４を参照すると、特定の形状を有する、光分布を提供するための異なる可能性が記載されている。図３は、成形された光出口表面４２００を提供するためにその長さ全体に渡り成形された光ガイド４０４０の斜視図を示す。光ガイド４０４０は、第１の分光分布を有する光を、第２の分光分布を有する光に変換するように適応させた透明光ガイド又は光ガイドであってもよい。特に、表面４５００に隣接し、光入力表面４１００に対向して光ガイド４０４０の長さ全体に渡り延在する光ガイド４０４０の部分４５０１は、例えば、光出口表面４２００における光分布の所望の形状に合致する形状を有する光ガイド４０４０を提供するために取り除かれている。この形状は、光出口表面４２００から対向する表面４６００まで光ガイド４０４０の長さ全体に渡り延在する。
図４は、例えば、成形された光出口表面４２００を提供するために、その長さの一部に渡り成形された光ガイド４０５０の側面図を示す。光ガイド４０５０は、第１の分光分布を有する光を、第２の分光分布を有する光に変換するように適応させた透明光ガイド又は光ガイドであってもよい。特に表面４５００に隣接し、光入力表面４１００に対向する、光ガイド４０５０の長さの一部に渡り延在する光ガイド４０５０の部分４５０１は、例えば、光出口表面４２００における光分布の所望の形状に合致する形状を有する光ガイド４０５０を提供するために取り除かれている。この形状は、光出口表面４２００に隣接して光ガイド４０５０の長さの一部に渡り延在する。
例えば、他の形状の光出口表面を提供するため、光ガイドの別の部分又は２つ以上の部分が除去されてもよい。任意の実現可能な形状の光出口表面がこの手法で得られてもよい。また、より複雑な形状が得られ得るように、光ガイドは、部分的に又は完全に、異なる形状を有する幾つかの部分に分割されてもよい。光ガイドから除去される１つ又は複数の部分は、例えば、鋸引き、切断等によって除去され、１つ又は複数の部分の除去後に露出した表面の研磨が続いてもよい。別の代替法においては、例えば、光出口表面に穴を設けるため、例えば、穿孔によって光ガイドの中心部分が除去されてもよい。
別の実施形態においては、特定の形状を有する光分布は、また、光ガイドの光出口表面の一部を表面処理、例えば粗面処理する一方で、光出口表面の残りの部分を滑らかなままにすることにより得られてもよい。この実施形態においては、光ガイドのどの部分も除去される必要はない。同様に、特定の形状を有する光分布を得るための上記可能性の任意の組み合わせが実現可能である。
図５Ａ乃至図５Ｄは、それぞれ、以下に説明するように、本発明の発光デバイスの実施形態に適用されるような、各光ガイド４０１０Ａ、４０１０Ｂ、４０１０Ｃ、４０１０Ｄの光出口表面４２００に隣接して配置され、並びに以下に説明するように、偏光素子９００１を含む、光ガイド４０１０Ａ、４０１０Ｂ、４０１０Ｃ及び４０１０Ｄの実施形態の側面図を示す。本発明による第１及び／又は第２の光ガイドは、各光ガイド４０１０Ａ、４０１０Ｂ、４０１０Ｃ、４０１０Ｄの光出口表面に隣接して配置された偏光素子９００１と、各光ガイド４０１０Ａ、４０１０Ｂ、４０１０Ｃ、４０１０Ｄの表面４６００に配置された、光出口表面４２００に対向して延在する反射素子７４００と、を含む。このため、高輝度及び高効率を有する偏光源が得られてもよい。実施形態に関係無く、偏光素子９００１は反射直線偏光子及び反射円形偏光子のいずれか１つであってもよい。ワイヤーグリッド偏光子、複屈折層を含むポリマー層のスタックに基づく反射偏光子は、反射性直線偏光子の例である。円形偏光子は、いわゆるコレステリック液晶相のポリマーを使用し、１つの偏光及び特定の分光分布の光のみを透過するいわゆるコレステリック偏光子を作製することで得られ得る。反射偏光子の代わりに又はそれに加えて、偏光ビームスプリッタもまた用いられ得る。更に、散乱偏光子もまた使用され得る。別の実施形態においては、例えば、光がブルースター角近くで入射するガラス等の材料で作られた楔の形態の偏光素子による、反射による偏光が使用されてもよい。更に別の実施形態においては、偏光素子９００１は、国際公開第２００７／０３６８７７Ａ２号に記載されるようないわゆる偏光バックライトであってもよい。更に別の実施形態においては、偏光素子９００１は偏光構造であってもよい。
図５Ａは、偏光素子９００１が光ガイド４０１０Ａの光出口表面４２００上に配置される一実施形態を示す。光源２１００、２２００、２３００は、光ガイド４０１０Ａ内で第２の分光分布を有する第２の光１４００に変換される、第１の分光分布を有する第１の光１３００を放出する。偏光素子９００１により、第１の偏光の光、この場合、ｐ偏光１４００ＰＡのみが光出口表面４２００から透過及び放出され、第２の偏光の光、この場合、ｓ偏光１４００Ｓが反射されて光ガイド４０１０Ａ内に戻る。反射されたｓ偏光１４００Ｓは反射素子７４００によって反射される。反射されると、反射されたｓ偏光１４００Ｓの少なくとも一部は、偏光素子９００１によって透過されるｐ偏光１４００ＰＢに変化する。従って、第１の偏光、この場合、ｐ偏光１４００ＰＡ、１４００ＰＢを有する光のみを含む光出力が得られる。
更に、この例では、光ガイド４０１０Ａは、光出口表面４２００と対向する表面４６００との間に延在する表面の１つに配置され、この実施形態では、表面４５００を部分的に被覆して示される１／４λ板９００２を含む。或いは、１／４λ板は、表面４５００を完全に被覆しても、２つ以上の別個のセグメントを含んでもよい。或いは又はそれに加えて、光出口表面４２００と表面４６００との間に延在する１つ以上の別の表面に更なる１／４λ板が配置されてもよい。更に別の実施形態においては、１／４λ板と光ガイドとの間に間隙が設けられるように、１／４λ板９００２は光ガイドと反射素子７４００との間に配置されてもよい。１／４λ板９００２は、第１の偏光を有する光を第２の偏光を有する光に変換するために、特に、円形に偏光した光を直線に偏光した光に変換するために使用されてもよい。しかしながら、実施形態に関係無く、１／４λ板９００２は任意の素子であり、従って、また、省略されてもよいことは留意されたい。
図５Ｂは、光出口表面４２００に対し４５°の角度で示されるように、偏光素子９００１が光出口表面４２００に対し角度を成して配置される実施形態を示すが、あらゆる角度が原則的に実現可能である。更に、互いに重ね合わされた１／４λ板９００２と反射素子９００３が、それらが偏光素子９００１と実質的に平行に延在するように、偏光素子９００１の下流のビーム経路内に配置されている。このため、反射された、第１の偏光を有する光は光ガイド４０１０Ｂから取り出され、そこで偏光素子９００１によって第２の偏光を有する光に変化し、続いて、第２の偏光を有する光は反射素子９００３によって方向を変えられ、１／４λ板９００２によって更に偏光される。
図５Ｃは、図５Ａに示される実施形態と非常に類似する実施形態を示すが、この実施形態によれば、代替としての光ガイド４０１０Ｃは、光出口表面４２００に対向するテーパ状の表面４６００を含む。テーパ状の表面４６００には、１／２λ板９００４の形態の挿入物によって分離された反射素子４７０１、４７０２が設けられる。
図５Ｄは、光ガイド４０１０Ｄの表面４５００と光ガイド５０１０の光入力表面５１００とが互いに、及び間に配置された更なる偏光素子９００５に面し、光ガイド４０１０Ｄ及び５０１０に光学的に接触するように２つの光ガイド４０１０Ｄと５０１０とが積み重ねられた実施形態を示す。偏光素子９００１が光ガイド４０１０Ｄ及び５０１０の光出口表面４２００及び５２００上に配置され、反射素子７４００が各光出口表面４２００、５２００に対向する、光ガイド４０１０Ｄ及び５０１０の表面４６００及び５６００上に配置される。更なる偏光素子９００５は、偏光素子９００１によって透過される光の偏光に対して垂直な偏光を有する光を透過する。１／４λ板９００２が、光ガイド５０１０の表面５５００の少なくとも一部に適用されてもよい。
更に別の実施形態においては、偏光素子９００１は、光ガイドの光出口表面４２００に配置された光学素子の一部として設けられてもよい。１つの特定の実施形態においては、偏光素子９００１は、従って、例えば、光学素子の実装位置において、光出口表面４２００に対向して配置されるように構成される。例として、そのような光学素子は、上述のように、例えば、光学素子、複合放物面集光素子（ＣＰＣ）又は光学素子であってもよい。或いは、そのような光学素子は光混合チャンバであってもよい。特に、ＣＰＣの場合、１／４λ板が、ＣＰＣ内に、偏光素子９００１に対向して配置されてもよい。
図６は、複数のＬＥＤを含む光源２１００と、以下に説明するように、本発明による光ガイドの一実施形態である光ガイド４０９５と、を含む発光デバイス１０２０を示す。この例では、光源２１００は、実施形態では銅、鉄又はアルミニウムなどの金属製であるヒートシンク７０００の形態の基部又は基板上に配置されている。他の実施形態では、基部又は基板はヒートシンクである必要はないことに留意されたい。光ガイド４０９５は、ゼロとは異なる角度で、この特定の場合においては、光出口表面４２００が光ガイド４０９５の端部表面であるように互いに対し垂直に延在する光入力表面４１００及び光出口表面４２００を有する、全般的にバー又はロッドとして成形された状態で示される。実施形態においては、光入力表面４１００が光出口表面４２００よりも大きくなるように、光入力表面４１００と光出口表面４２００とは異なる大きさを有してもよい。光ガイド４０９５は、光出口表面４２００に平行に且つ対向して延在する更なる表面４６００を更に含む。更なる表面４６００は、従って、同様に、光ガイド４０９５の端部表面である。光ガイド４０９５は、側部表面４３００、４４００、４５００を更に含む。光ガイド４０９５は、また、例えば、正方形又は矩形プレートとしての、プレート形状であってもよい。
発光デバイス１０２０は、光ガイド４０９５の更なる表面４６００に配置された第１のミラー素子７６００と、光ガイド４０９５の光出口表面４２００に配置された第２のミラー素子７４００と、を更に含む。示されるように、第１のミラー素子７６００は光出口表面４２００と光学的に接触して配置されており、第２のミラー素子７４００は更なる表面４６００と光学的に接触して配置されている。或いは、それぞれ、第１及び第２のミラー素子７６００及び７４００と更なる表面４６００及び光出口表面４２００との１つ又は両方の間に間隙が設けられてもよい。そのような間隙には、例えば、空気又は光学接着剤が充填されてもよい。
光ガイド４０９５の光出口表面４２００には、４つの内側にテーパ状の壁と、更なる表面４６００と平行に延在する中心平坦部分とが更に設けられる。本明細書で使用される場合、「テーパ状の壁」とは、光出口表面の残りの部分と、光出口表面に隣接して延在する光ガイドの表面との両方に対してゼロ度とは異なる角度で配置された光出口表面４２００の壁セグメントを意味する。壁は内側にテーパ状とされており、これは、光ガイドの断面が出口表面に向かって徐々に減少することを意味する。この実施形態では、第２のミラー素子７４００は、光出口表面４２００のテーパ状の壁に配置されており且つ光学的に接触している。従って、第２のミラー素子には、光出口表面４２００のテーパ状の壁のそれぞれに対応し、被覆している４つのセグメント７４１０、７４２０、７４３０及び７４１０が設けられる。光出口表面４２００の中心平坦部分に対応する貫通開口部７５２０は、光が出て発光デバイス１０２０から放出されてもよい光出口表面４２００の透明部分を画定する。
この手法で、より多くの光線が光出口表面４２００に向かって誘導され、角方向の変化によるＴＩＲにより光ガイド４０９５内に以前は留まっていた光線がここで臨界反射角よりも小さな角度で光出口表面４２００に当たり、結果として、光出口表面４２００の貫通開口部７５２０を通じて光ガイドを出ることができるように、第２のミラー素子に当たる光線が角方向を変化する発光デバイスが提供される。このため、発光デバイスにより光ガイド４０９５の光出口表面４２００を通じて放出される光の強度は更に増加される。特に、光ガイドが矩形のバーである場合、第２のミラー素子の出口表面に垂直に当たり、従って、それらが２つのミラー素子の間で反跳したままに留まることが理由でバーから出ることができない光線がある。１つのミラー素子が内側に傾斜される場合、光線はそのミラー素子において反射された後に方向を変え、第２のミラー素子の透明部分を通じて光ガイドを出てもよい。従って、この構成は、テーパ状の壁からの反射によって、光出口表面４２００の中心平坦部分、故に、第２のミラー素子７４００の貫通穴７５２０に向かう光の案内の向上をもたらす。
別の実施形態においては、４つ未満又は４つ超、例えば、１つ、２つ、３つ、５つ又は６つのテーパ状の壁などの他の数のテーパ状の壁が設けられてもよく、同様に、テーパ状の壁の全てに第２のミラー素子又はそのセグメントが設けられる必要はない。他の代替手法では、テーパ状の壁の１つ以上は第２のミラー素子７４００によって被覆されていなくてもよい及び／又は中心平坦部分は第２のミラー素子７４００によって部分的に又は完全に被覆されてもよい。
図７は、本発明の第１の及び全般的な実施形態による発光デバイス１の斜視図を示す。発光デバイス１は、概して、ＬＥＤ又はレーザダイオードなどの少なくとも１つの固体光源を含む第１の光源２１と、ＬＥＤ又はレーザダイオードなどの少なくとも１つの固体光源を含む第２の光源２２と、第１の光ガイド３と、第２の光ガイド４と、を含む。適切な種類のＬＥＤ又はレーザダイオードについては上述された。
好ましくは、複数のＬＥＤが使用される。簡略化のため、図７乃至図１２は全て、幾つかのＬＥＤのみが使用され、ＬＥＤが光ガイドの光入力表面の比較的小面積のみを被覆する構成を示す。実際には、しかしながら、複数のＬＥＤが使用され、多くの場合、ＬＥＤ光を光ガイドに取り込むために光ガイドの光入力表面の（ほぼ）全面積が使用される。複数の光源を使用して光ガイドを励起することによって、高輝度光源が得られてもよい。好ましくは、１つの光ガイド毎に少なくとも２つ以上のＬＥＤ、より好ましくは、１つの光ガイド毎に６つ以上のＬＥＤ、最も好ましくは、１つの光ガイド毎に１０個以上のＬＥＤが設けられる。
第１及び第２の光源２１及び２２は、基部又は基板１５上に配置されている。基部又は基板１５は、好ましくは、銅、鉄又はアルミニウムなどの金属製のヒートシンクの形態で設けられてもよい。ヒートシンクは放熱の向上のためフィン（図示せず）を含んでもよい。他の実施形態では、基部又は基板はヒートシンクである必要はないことに留意されたい。また、基部又は基板は必須ではないため、更に他の実施形態では、基部又は基板は更には省略されてもよい。
第１の光ガイド３は、光ガイドの長手方向に沿って延在する第１の光入力表面３１と、第１の光出口表面３２が、バー又はロッド形状の光ガイドの長手方向の端部に配置された、第１の光ガイド３の端部表面であるように、互いに対しゼロとは異なる角度で延在する第１の光出口表面３２と、を有する、全般的にバー又はロッドとして成形された状態で示される。第１の光ガイド３は、第１の光出口表面３２に平行に且つ対向して延在する表面３６を更に含み、表面３６は、従って、同様に、第１の光ガイド３の端部表面である。第１の光ガイド３は側部表面３３、３４、３５を更に含む。第１の光ガイド３は、また、例えば、正方形又は矩形プレートとしての、プレート形状であってもよい。第１の光源２１は、第１の光ガイド３の第１の光入力表面３１に隣接し、且つ光学的に接触して配置されている。
更に、第１の光ガイド３は、透明材料、蛍光材料、ガーネット、集光材料又はそれらの組み合わせを含んでもよく、適切な材料及びガーネットについては上述されている。
この例では、第１の光ガイド３は、１つの分光分布を有する光を、例えば、部分的に重なる又は実質的に重ならない分光分布の、別の分光分布を有する光に変換するように適合させた材料を含む透明光ガイドである。１つの分光分布を有する光を別の分光分布を有する光に変換するように適合させた材料は第１の光ガイド３の表面に配置されてもよく、或いは、それは第１の光ガイド３に埋め込まれてもよい。
第２の光ガイド４は、全般的に、光ガイドの長手方向に沿って延在する第２の光入力表面４１と、第２の光出口表面４２が、バー又はロッド形状の光ガイドの長手方向の端部に配置された、第２の光ガイド４の端部表面であるように、互いに対しゼロとは異なる角度で延在する第２の光出口表面４２と、を有する、バー又はロッドとして成形された状態で示される。第２の光ガイド４は、第２の光出口表面４２に平行に且つ対向して延在する表面４６を更に含み、表面４６は、従って、同様に、第２の光ガイド４の端部表面である。第２の光ガイド４は、側部表面４３、４４、４５を更に含む。第２の光ガイド４は、また、例えば、正方形又は矩形プレートとしての、プレート形状であってもよい。第２の光源２２は、第２の光ガイド４の第２の光入力表面４２に隣接し、且つ光学的に接触して配置されている。
更に、第２の光ガイド４は、透明材料、蛍光材料、ガーネット、集光材料又はそれらの組み合わせを含み、適切な材料及びガーネットについては上述されている。
この例では、第２の光ガイド４は、１つの分光分布を有する光を、例えば、部分的に重なる又は実質的に重ならない分光分布の、別の分光分布を有する光に変換するように適合させた材料を含む透明光ガイドである。１つの分光分布を有する光を別の分光分布を有する光に変換するように適合させた材料は第２の光ガイド４の表面に配置されてもよく、或いは、それは第２の光ガイド４に埋め込まれてもよい。
第１の光入力表面３１と第２の光入力表面４１とが隣り合って配置され、同じ方向に面するように、第１の光ガイド３と第２の光ガイド４とは、互いに対して平行に延在する状態で配置されている。従って、第１の光源２１及び第２の光源２２は共通の基板１５上に配置され、且つ第１の光ガイド３及び第２の光ガイド４の同じ側に配置されている。これは、例えば、白色光を提供するためなど、第１の光ガイドによって放出されると共にそこから出る光と、第２の光ガイドによって放出されると共にそこから出る光との適切な混合に寄与する。
図７に示されるように、第１の光ガイド３は、第１の光出口表面３２と表面３６との間に、これらに対して垂直に延在する長手方向の伸張部又は長さ方向Ｌ３を含む。表面３６は、第１の光出口表面３２に平行に且つ対向して延在する。同様に、第２の光ガイド４は、第２の光出口表面４２と表面４６との間に、これらに対して垂直に延在する長手方向の伸張部又は長さ方向Ｌ４を含む。表面４６は、第２の光出口表面４２に平行に且つ対向して延在する。第１の光出口表面３２と表面３６との間の最短距離である第１の光ガイド３の長さと、第２の光出口表面４２と表面４６との間の最短距離である第２の光ガイド４の長さは同じであってもよい。或いは、第１の光ガイド３の長手方向の伸張部又は長さは第２の光ガイド４の長手方向の伸張部又は長さよりも短くてもよく、或いは、その逆であってもよい。
図７に示されるように、第１の光ガイド３は、長さ方向Ｌ３に対して垂直に、第１の光入力表面３１と表面３５との間に延在する高さ伸張部又は高さ方向Ｈ３を更に含む。表面３５は第１の光入力表面３１に平行に且つ対向して延在する。同様に、第２の光ガイド４は、長さ方向Ｌ４に対して垂直に、第２の光入力表面４１と表面４５との間に延在する高さ伸張部又は高さ方向Ｈ４を含む。表面４５は第２の光入力表面４１に平行に且つ対向して延在する。第１の光ガイド３及び第２の光ガイド４が比較的平坦な形状を有するように、第１の光入力表面３１と表面３５との間の最短距離である第１の光ガイド３の高さと、第２の光入力表面４１と表面４５との間の最短距離である第２の光ガイド４の高さはそれぞれ、好ましくは、第１の光ガイド３及び第２の光ガイド４それぞれの長さ伸長部又は長さよりも大幅に短い。
ここで図８を参照すると、本発明による発光デバイス１０１の第２の実施形態が斜視図で示される。
発光デバイス１０１は、第１の光入力表面３１と第２の光入力表面４１とが反対方向に面して配置されるように、第１の光ガイド３と第２の光ガイド４とが互いに対して平行に延在する状態で配置されるという点で図７に示されるものとは異なる。
第１の光ガイド３と第２の光ガイド４とは、更に、表面３５と表面４５との間に、第１及び第２の光入力表面３１及び４１に平行し、第１及び第２の光入力表面３１及び４１に対向して延在する間隙６によって分離されている。間隙６には、例えば、空気又は光学接着剤が充填されてもよい。或いは、第１及び第２の光ガイド３及び４は、互いに直接物理的に接触して配置されてもよい。即ち、間隙６は省略されてもよい。
間隙６の代替又は追加として、第１の光源によって放出される光及び／又は第２の光源２２によって放出される光から第１の光ガイド３によって変換される光及び／又は第２の光ガイド４によって変換される光を遮蔽するため、遮蔽部材が、第１の光ガイド３と第２の光ガイド４との間に配置されてもよい。遮蔽部材は、隣接する表面３５及び表面４５の領域の一部のみを被覆してもよいが、隣接する表面３５及び表面４５の全領域を被覆することが好ましい。
図８を参照すると、本発明による発光デバイスは、概して、以下のように機能する。第１の分光分布を有する光１３が第１の光源２１によって放出される。第１の分光分布を有する光１３が、その後、第１の光入力表面３１において第１の光ガイド３に取り込まれる。第１の分光分布を有する光１３の少なくとも一部は光ガイド３によって第３の分光分布を有する光１７に変換される。最後に、第３の分光分布を有する光１７は第１の光ガイド３から第１の光出口表面３２において取り出され、従って、発光デバイス１によって放出される。同時に、第２の分光分布を有する光１４は第２の光源２２によって放出される。第２の分光分布を有する光１４は、その後、第２の光入力表面４１において第２の光ガイド４に取り込まれる。第２の分光分布を有する光１４の少なくとも一部は第２の光ガイド４によって第４の分光分布を有する光７７に変換される。最後に、第４の分光分布を有する光７７は、第２の光ガイド４から第２の光出口表面４２において取り出され、従って、発光デバイス１によって放出される。
好ましくは及び実施形態に関係無く、第１の分光分布及び第２の分光分布は両方とも２００ｎｍ乃至５００ｎｍの範囲内に含まれ、第３の分光分布及び第４の分光分布は両方とも４００ｎｍ乃至８００ｎｍの範囲内に含まれる。このため、例えば、出力光、即ち、第１の光ガイドによって放出されると共にそこから出る光と、第２の光ガイドによって放出されると共にそこから出る光とを、例えば、第１及び第２の光出口表面に隣接して配置された適切な光学素子により混合することによって、高品質及び高強度の白色光出力を提供するのに特に好適な発光デバイスが提供される。
実施形態に関係無く、第１の分光分布を有する光１３と第２の分光分布を有する光１４とは同一の又はほぼ完全に重なる分光分布を有してもよい。或いは及び実施形態に尚関係無く、第１の分光分布を有する光１３と第２の分光分布を有する光１４とは、異なる、例えば、部分的に重なる又は実質的に重ならない分光分布を有してもよい。第３の分光分布を有する光１７と、第４の分光分布を有する光７７とは、異なる、例えば、部分的に重なる又は実質的に重ならない分光分布を有する。
更に、全ての実施形態において、光は、第１の光ガイド３及び第２の光ガイド４内に全内反射（ＴＩＲ）によって案内されることに留意されたい。ＴＩＲの最適条件を得るため、第１の光ガイド３及び第２の光ガイド４に平滑面が設けられることが好ましい。第１の光ガイド３及び第２の光ガイド４の表面粗さは、５００ｎｍ未満、１００ｎｍ未満又は更には５０ｎｍ未満である。
ここで図９を参照すると、本発明による発光デバイス１０２の第３の実施形態が斜視図で示される。
この実施形態においては、発光デバイス１０２は、更なる光ガイド５と、更なる光源２３と、を含み、第１、第２及び更なる光ガイド３、４及び５は蛍光光ガイドである。
更なる光ガイド５は、全般的に、更なる光ガイドの長手方向に沿って延在する更なる光入力表面５１と、更なる光出口表面５２が、バー又はロッド形状の更なる光ガイドの長手方向の端部に配置された更なる光ガイド５の端部表面であるように、互いに対しゼロとは異なる角度で延在する更なる光出口表面５２と、を有するバー又はロッドとして成形された状態で示される。更なる光ガイド５は、更なる光出口表面５２に平行に且つ対向して延在する表面５６を更に含む。表面５６は、従って、同様に、更なる光ガイド５の端部表面である。更なる光ガイド５は側部表面５３、５４、５５を更に含む。更なる光ガイド５は、また、例えば、正方形又は矩形プレートとしての、プレート形状であってもよい。
更に、更なる光ガイド５は、透明材料、蛍光材料、ガーネット、集光材料又はそれらの組み合わせを含んでもよく、適切な材料及びガーネットについては上述されている。
更なる光源２３は、更なる光ガイド５の更なる光入力表面５１に隣接し、且つ光学的に接触して配置されている。
更なる光源は第５の分光分布を有する光を放出する。この光は、第１の分光分布及び第２の分光分布と同じであっても異なっていてもよく、例えば、第１及び第２の分光分布に対して部分的に重なる又は実質的に重ならない分光分布を有する。更なる光ガイド５は、更なる光源から受け取った第５の分光分布を有する光の少なくとも一部を第６の分光分布を有する光に変換するように適合されている。第６の分光分布は、第３の分光分布及び第４の分光分布とは異なり、例えば、第３及び第４の分光分布に対して部分的に重なる又は実質的に重ならない分光分布を有する。これは、光の混合を更に向上し、例えば、比較的高強度の３つの光ガイドによって作製された白色光源が生じる発光デバイスを提供する。
図９に示されるように、更なる光ガイド５は、更なる光入力表面５１に平行に且つ対向して延在する表面５５が、第１の光ガイド３の第１の光入力表面３１に隣接して延在した状態で配置されるように配置される。更なる光ガイド５と第１の光ガイド３とは間隙７５によって分離される。間隙７５には、例えば、空気又は光学接着剤が充填されてもよい。或いは、更なる光ガイド５と第１の光ガイド３とは互いに直接物理的に接触して配置されてもよい。即ち、間隙７５は省略されてもよい。
更に、更なる光ガイド５は、更なる光出口表面５２と表面５６との間の最短距離と定義される長さを含む。この長さは、第１の光ガイド３及び第２の光ガイド４の長さよりも短い。
明らかに、第１、第２及び更なる光ガイド３、４及び５が配置される順序、それらの互いの及び各々の向き及び／又はそれら各々の寸法に関する多くの他の構成が実現可能である。例えば、全３つの光ガイドは異なる長さを有してもよい。
本発明による発光デバイス１０３の第４の実施形態を特徴として持つ、図１０に示される一例が側面図で示される。この実施形態においては、第１、第２及び第３の光ガイド３、４及び５は同じ長さを有する。
更に、更なる光源２３は省略されている。第１及び第２の光源２１及び２２は、第１、第２及び更なる光ガイド３、４及び５の全てに光を提供する。第２の光ガイド４と更なる光ガイド５との間に配置された第１の光ガイド３に光源の光が到達することを可能にするため、間隙６及び７５に、光が最小限の損失を伴って通過することを可能にする、光学接着剤などの適切な材料が充填される。間隙６及び７５内の材料は間隙を完全に又は部分的に充填してもよい。
ここで図１１を参照すると、本発明による発光デバイス１０４の第５の実施形態が側面図で示される。
発光デバイス１０４は、第１の光ガイド３及び第２の光ガイド４の両方に光を提供する１つの光源２１のみを含む。光源２１に対し第１の光ガイド３の反対側に配置された第２の光ガイド４に光源の光が到達することを可能にするため、間隙６には、光が最小限の損失を伴って通過することを可能にする、光学接着剤などの適切な材料が充填される。
更に、第１の光ガイド３及び第２の光ガイド４は両方とも透明光ガイドである。第１の光ガイド３には、蛍光材料で作製されるか蛍光材料を含むセクション３７が設けられ、第２の光ガイド４には、蛍光材料で作製されるか蛍光材料を含むセクション４７が設けられる。適切な蛍光材料については上述した。蛍光セクション３７及び４７は、それぞれ、第１の光ガイド３及び第２の光ガイド４の表面３６及び表面４６の近傍に設けられる。
更に、第１の光ガイド３には、光出口表面３２に隣接して又は光出口表面３２上に配置された反射ミラー素子７４が設けられる一方で、第２の光ガイド４には、表面４６に隣接して、又は表面４６上に配置された反射ミラー素子７６が設けられる。ミラー素子７４及び７６は、例えば、ミラープレートであっても、ミラーコーティングであっても、ミラー箔であってもよい。ミラー素子７４は、貫通開口部を更に含んでもよい。貫通開口部は光出口表面４２の一部を画定し、そこを通過して光が漏れ、発光デバイス１から放出されてもよい。このため、光出口表面において、第２のミラー素子の透明部分を通じて光ガイドを出る光の光強度は更に増加されてもよい。また、別の実施形態においては、第１の光ガイド３及び第２の光ガイド４の１つ又は両方の、その光出口表面と、光出口表面に平行に且つ対向して延在するその表面との両方に、反射ミラー素子が設けられることが実施可能である。そのようなミラー素子の提供は、光損失の低下、故に、発光デバイスのより高い出力強度を提供する。
ここで図１２を参照すると、本発明による発光デバイス１０５の第６の実施形態は斜視図で示される。
この実施形態においては、発光デバイス１０５は、２つの更なる光ガイド、第３の光ガイド５０１、第４の光ガイド５０２、故に、長手方向に互いに平行して配置された合計４つの光ガイドを含む。第１及び第２の光ガイド３及び４並びに第３及び第４の光ガイド５０１及び５０２は透明光ガイドである。
発光デバイス１０５は、合計８つの光源を更に含む。そのうちの２つは図では見えないが、残りの６つの光源２１乃至２６は見える。４つの光ガイドのそれぞれは、２つの光源と関連付けられる。第１の光ガイド３は光源２１及び２３と関連付けられ、第２の光ガイド４は光源２２及び２４と関連付けられる。第３及び第４の光ガイド５０１及び５０２は、それぞれ更なる光入力表面５１０１及び５１０２と、それぞれ更なる光出口表面５２０１及び５２０２と、をそれぞれ含む。第４のガイド５０２は、２つの光源２５及び２６と関連付けられる。第３のガイド５０１は、図１２では見えない２つの光源と関連付けられる。
更に、各光ガイド３、４、５０１、５０２は、各光ガイドと光源との間、故に、表面、即ち、各光ガイドの光入力表面３１、４１、５１０１、５１０２上に配置された２つの蛍光素子３７、３８、４７、４８、５７、５８を含む。第３のガイド５０１は、同様に、図１２では見えない、第３のガイド５０１の光入力表面５１０１上に配置された２つの蛍光素子を含む。
明らかに、異なる、より多い又はより少ない数の更なる光ガイド、光源及び／又は蛍光素子が設けられた別の実施形態もまた実施可能である。同様に、存在する各光ガイドは同じ数の蛍光素子及び／又は割当てられた光源を必ずしも含む必要はない。また、個々の光ガイドの他の幾何学的構成及び／又は光ガイドの互いに対する配置は実現可能である。
一例として、光ガイドには、ＬＥＤが配置される、光を光ガイドに取り込むための１つの平坦な表面が提供されてもよく、残りの表面には円筒形状が提供される。
当業者であれば、本発明は上述の好適な実施形態に如何様にも限定されないことを認識している。逆に、添付の特許請求の範囲の範囲内における多くの改良及び変形が可能である。
また、当業者であれば、本明細書中に記載される種々の実施形態を自由に組み合わせて新たな組み合わせを得てもよいことを直ちに理解する。例えば、本発明による発光デバイスは、本明細書中に記載される種々の種類の光ガイドの組み合わせ及び／又は種々の種類の光源の組み合わせを含んでもよい。
加えて、請求された発明の実施において、当業者には、開示された実施形態の変形形態が、図面、開示及び添付の特許請求の範囲の研究から理解され、実施され得る。特許請求の範囲において、「含む（comprising）」という語は他の要素又はステップを排除せず、不定冠詞「a」又は「an」は複数を排除しない。相互に異なる従属請求項に特定の施策が列挙されるという単なる事実は、これら施策の組み合わせが効果的に使用され得ないことを示すものではない。

Claims (15)

  1. 動作時、第１の分光分布を有する光を放出する少なくとも１つの第１の光源と、動作時、第２の分光分布を有する光を放出する少なくとも１つの第２の光源と、第１の光入力表面及び第１の光出口表面を含み、第１の光入力表面と第１の光出口表面とが互いに対しゼロとは異なる角度で延在する第１の光ガイドと、第２の光入力表面及び第２の光出口表面を含み、第２の光入力表面と第２の光出口表面とが互いに対しゼロとは異なる角度で延在する第２の光ガイドと、を含み、
    第１の光ガイドが、少なくとも１つの第１の光源から第１の光入力表面において第１の分光分布を有する光を受け取り、光を第１の光出口表面に案内し、第１の分光分布を有する光の少なくとも一部を第３の分光分布を有する光に変換し、第３の分光分布を有する光の少なくとも一部を第１の光出口表面から取り出し、第２の光ガイドが、少なくとも１つの第２の光源から第２の光入力表面において第２の分光分布を有する光を受け取り、光を第２の光出口表面に案内し、第２の分光分布を有する光の少なくとも一部を第４の分光分布を有する光に変換し、第４の分光分布を有する光の少なくとも一部を第２の光出口表面から取り出し、第３の分光分布を有する光と第４の分光分布を有する光とが異なる分光分布を有する、発光デバイス。
  2. 第１の光入力表面と第２の光入力表面とが隣り合って配置され、同じ方向に面するように、第１の光ガイドと第２の光ガイドとは互いに対して平行に延在する状態で配置されている、請求項１に記載の発光デバイス。
  3. 第１の光ガイドは第１の分光分布を有する光の少なくとも一部を第３の分光分布を有する光に変換することが可能な材料を含み、第２の光ガイドは、第２の分光分布を有する光の少なくとも一部を第４の分光分布を有する光に変換することが可能な材料を含む、請求項１又は２に記載の発光デバイス。
  4. 第１の分光分布を有する光の少なくとも一部を第３の分光分布を有する光に変換することが可能な材料が第１の光ガイドの表面に配置されている、請求項３に記載の発光デバイス。
  5. 第２の分光分布を有する光の少なくとも一部を第４の分光分布を有する光に変換することが可能な材料が第２の光ガイドの表面に配置されている、請求項３又は４に記載の発光デバイス。
  6. 第１の光ガイド及び第２の光ガイドは、透明材料、蛍光材料、ガーネット及びそれらの任意の組み合わせのいずれか１つを含む、請求項１乃至５の何れか一項に記載の発光デバイス。
  7. 第１の光ガイド及び第２の光ガイドの少なくとも１つは、透明であって、第１の光ガイド及び第２の光ガイドの前記少なくとも１つの表面に配置された蛍光素子を含む、請求項１乃至６の何れか一項に記載の発光デバイス。
  8. 第１の光ガイドは、更に、第３の分光分布を有する光の少なくとも一部を第１の光出口表面に平行に且つ対向して延在する表面から取り出す、請求項１乃至７の何れか一項に記載の発光デバイス。
  9. 第２の光ガイドは、更に、第４の分光分布を有する光の少なくとも一部を第２の光出口表面に平行に且つ対向して延在する表面から取り出す、請求項１乃至８の何れか一項に記載の発光デバイス。
  10. 第１の光出口表面、第１の光出口表面と平行に延在しそれに対向する表面、第２の光出口表面、及び第２の光出口表面と平行に延在しそれに対向する表面の少なくとも１つに、ミラー素子が設けられる、請求項１乃至９の何れか一項に記載の発光デバイス。
  11. 第１の光ガイド及び第２の光ガイドの少なくとも１つが、５００ｎｍ未満、１００ｎｍ未満、及び５０ｎｍ未満の何れかの表面粗さを含む、請求項１乃至１０の何れか一項に記載の発光デバイス。
  12. 第１及び第２の光出口表面に配置された、第１の光出口表面から出る光を第２の光出口表面から出る光と混合するための光学素子を更に含む、請求項１乃至１１の何れか一項に記載の発光デバイス。
  13. 前記発光デバイスは、更なる光入力表面と更なる光出口表面とを含む１つ以上の更なる光ガイドを更に含み、前記更なる光入力表面と前記更なる光出口表面とは互いに対しゼロとは異なる角度で延在し、
    前記１つ以上の更なる光ガイドが、前記更なる光入力表面において入射光を受け取り且つ取り込み、入射光を前記更なる光出口表面に案内し、入射光の少なくとも一部を入射光の分光分布とは異なる分光分布を有する変換済みの光に変換し、前記更なる光出口表面から変換済みの光を取り出す、請求項１乃至１２の何れか一項に記載の発光デバイス。
  14. 前記発光デバイスは、動作時、更なる分光分布を有する光を放出する少なくとも１つの更なる光源を更に含み、前記１つ以上の更なる光ガイドが、更なる分光分布を有する光を受け取り且つ取り込む、請求項１３に記載の発光デバイス。
  15. 請求項１乃至１４の何れか一項に記載の発光デバイスを含む、ランプ、照明器具又はデジタルプロジェクションデバイス。
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