JP5000266B2 - 発光アレイ及び集光光学部を有する光源 - Google Patents

Description

本発明は、一般的には光源に関し、より特定的には、アレイ状に配置された発光素子を含み、かつ、集光光学部（collection optic）を用いる光源に関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）デバイスのアプリケーションは増え続けている。例えば、ＬＥＤを用いることができる光学システムは、プロジェクション（映写）システム（ＬＣＤ及びＬＣＰプロジェクションといったような）、映画館の証明器具（遮光板といったような）、光ファイバ照明器、又は、自動車ヘッドライト照明器具を含む。このような光学システムは、典型的には、光をターゲットに対して効率的に伝えるようにコリメート（collimate）する集光（collection）システムを含む。

しかしながら、通常、ＬＥＤ及び発光素子を含む光学システムの効率を向上させることが、絶えず望まれている。

本発明の一実施形態に係る光システムは、優れた性能を有する発光素子を用いてアレイ状に配置された複数の発光素子であって、上記優れた性能を有する発光素子がこのアレイの中央に又は近くに位置する複数の発光素子と、このアレイの中央からさらに離れて位置する性能の劣る発光素子と、を含む。このアレイは、複数のグループの発光素子を含むことができ、劣った性能を有する発光素子を備えたグループは、これに比べて優れた性能を有する発光素子のグループよりも、上記アレイの中央から離れて位置する。光学軸を有する集光光学部が、上記アレイに対して光学的に結合されて、上記光学軸が、上記アレイの略中央に位置するようになっている。上記集光光学部は、例えば、複合型放物線状集光器（compound parabolic concentrator）、コンデンサレンズ、方形角トランスフォーマ（rectangular angle transformer）、フレネルレンズ、内部全反射の面の部分を用いるレンズ、及び、他の任意の適当なデバイスとすることができ、通常、上記光学軸に対して非平行に発せられた光線についてよりも、上記光学軸に対して平行に発せられた光線について高い伝達効率（transmission efficiency）を有する。

本発明の一実施形態によれば、アレイ状の発光エレメントを含む光システムが、最良の性能を有する発光素子を、このアレイの中央に又はこのアレイの付近に配置し、このアレイの中央は、集光光学部の光学軸に合わせられている。

図１は、本発明において用いることができる光源１００を示す。光源１００は、例えばサブマウント１０４の上に搭載された発光ダイオード（ＬＥＤ）といったようなアレイ状の発光素子を含む。光源１００は、複合型放射線状集光器（Compound Parabolic Concentrator）として示された集光光学部１０６を含む。しかしながら、本発明では、必要に応じて、コンデンサレンズ、方形角トランスフォーマ、フレネルレンズ、内部全反射の面を有する部分を用いたレンズ及び他の適切なデバイスといったような、他の又はさらなる集光光学部を用いることができる。複合型放射線状集光器は、通常、例えば、上記アレイに対してある角度を有して、発光素子のアレイ１０２によって発せられる光を全体的にコリメートする、反射壁を有する反射器である。或いはまた、光を空間的に充分に分布させるために、少なくとも第１の部分に対して、垂直壁トンネル（straight wall tunnel）を用いることができる。コリメートされた光は、照射又はハイライトすべき任意の物体とすることができる照射ターゲット１１０に対して用いられる。図１に示す光源１００は、完全な光源システムとすることができる。或いはまた、図２に示すように、光源１００は、集光光学部１０６とターゲット１１０との間における１又はそれ以上のさらなる光学システムを含むことができる。

図１に示すように、集光光学部１０６は、アレイ１０２の略中央に配置された光学軸１０８を含む。図１には、アレイ１０２から集光光学部１０６に入る例示的な光線１０９もまた示されている。光線１０９は、光学軸１０８に対して角度θを有するように描かれている。図３は、光線が本システムに入ったときの、この光線と光学軸との間における角度θの関数としての、光学システムのスループット効率を示すグラフである。図３に示すグラフは、角度θが増加するにつれて、本光学システムの効率が減少する、ということを示している。最大効率は、角度θが０であるとき、したがって、光線１０９が光学軸１０８に近づいて移動するとき又は光学軸１０８に対して平行に移動するときに、見られる。

図４Ａ及び図４Ｂは、例えば３×３の配置による９個のＬＥＤにより構成される発光素子のアレイ１０２についての、それぞれ上面図及び断面図を示す。ＬＥＤダイスは、ＬＥＥＤに対して電気的な接続を有する共通のサブマウント１０４の上に配置される。発光素子は、任意のタイプのＬＥＤ又は他の適当な光素子とすることができる。例えば、図４Ａ及び図４Ｂに示すＬＥＤは、ＬＥＤダイの一方の面に形成されたｎコンタクト及びｐコンタクトを有するフリップチップとして、ワイヤコネクタを不要とすることができる。サブマウント１０４は、ダイスのコンタクトパッドに半田付けすることができる対応するコンタクトパッドを有する。サブマウント１０４は、回路基板、リードフレーム又は他の支持アセンブリに対して接続することができ、さらには、所望によりヒートシンクに対して接続することができる。ＬＥＤは、例えば白色光を生成するように変換される蛍光体とすることができる。異なる色の蛍光体とともにＬＥＤを形成する例は、米国特許第６,１３３,５８９号、第６,２７４,３９９号、第６,２７４,９２４号、第６,２９１,８３９号、第６,５２５,３３５号、第６,５７６,４８８号、第６,６４９,４４０号及び第６,８８５,０３５号に記載されており、これらすべては、引用により本明細書に組み入れられる。しかしながら、本発明では、任意の適切なＬＥＤ、又は、他の発光素子を用いることが可能である、ということを理解されたい。

実際には、ＬＥＤといったような発光素子は、本システムについてのキーとなる性能基準である、輝度及び／若しくは効率、又は、他の任意のパラメータといったような、性能において、ばらつきがある。例として、ある性能基準とすることができる他のパラメータには、所望の角度発光（angular emission）、色、偏光又は温度依存度が、含まれる。しかしながら、図３のグラフに示すように、光学システムの効率は、発せられる光の光線と光学軸との間の角度θが減少するにつれて増加する。よって、光学システムは、光学軸に非平行に発せられた光線についてよりも、光学軸に平行に発せられた光線について、より高い伝達効率を有する。集光光学部１０６の光学軸１０８は、アレイ１０２の中央に配置されているので、光学軸１０８に近似して移動する光線又は光学軸１０８に平行に移動する光線は、全体としてこのアレイの中央の領域において生成される。

したがって、光源１００の効率を増加させるためには、優れた性能を有する発光素子をアレイ１０２の中央に配置して、光学軸１０８に近似した又は光学軸１０８に平行な光線を生成するのがその優れた性能を有する発光素子となるようにする。

例示的な目的のために、アレイ１０２における３つの別々のＬＥＤの位置が、図４Ｂにおいてラベルが付されている。図４Ｂに示すように、アレイ１０２の中央の領域には、位置１というラベルが付され、アレイ１０２の第２の領域には、位置２というラベルが付され、アレイ１０２の第３の領域には位置３というラベルが付されている。アレイ１０２における中央の領域１は、光学軸１０８に合わせられたそのアレイの中央に配置されている。第２の領域２は、中央の領域１に対して直交するように配置され、中央の領域１よりも、アレイ１０２の中央及び光学軸１０８からさらに離れている。第３の領域３は、対角線に沿って配置されており、したがって、中央の領域１及び第２の領域２の両方よりも、アレイ１０２の中央からさらに離れている。

本発明によれば、アレイ１０２における他の発光素子に比べて優れた性能を有する発光素子が、アレイ１０２の中央の領域１に搭載される。次に最良の性能を有する４つの発光素子が、アレイ１０２の第２の領域２に搭載される。最後に、最も性能の低い４つの発光素子が、中央から最も離れた位置、すなわち、アレイ１０２における第３の領域に配置されている。このように、最も性能の高い発光素子が光学軸１０８に又は光学軸１０８の近くに配置される一方、最も性能の低い発光素子が、光学軸１０８から離れた位置に配置される。このような構成により、例えば中央の領域１における最も性能の高い発光素子からの、光学軸に略平行に発せられた光は、集光光学部１０６の反射壁に反射しない。

各発光素子の性能は搭載前に既知となっているので、各発光素子の性能は、この発光素子がサブマウント１０４に搭載される前に試験される。例示として、ＬＥＤダイスは、ウェハ形態である間に試験することができる。或いはまた、ＬＥＤチップは、アレイ状の接続されたサブマウント１０４の上に最初に搭載することができ、このＬＥＤチップは、容易に試験することができ、後に、分離され最終的なサブマウント１０４の上に搭載される。一実施形態では、大きな束の発光素子は、試験し、性能に基づいて、３つのグループ、すなわち、最も性能の高いグループ、２番目に性能の高いグループ及び３番目に性能の高いグループに編成することができる。最も性能の高いグループからの発光素子は、異なるアレイにおける中央の領域１に配置される一方、２番目に性能の高いグループからの発光素子は、第２の領域２に配置され、３番目に性能の高いグループからの発光素子は、第３の領域３に配置される。

アレイ１０２における領域の数が例示的なものである、ということを理解されたい。例えば、アレイ１０２は、中央の領域１と、位置２及び位置３を含む２番目の領域と、に分割することができる。この実施形態では、最も高い性能を有する発光素子は、中央の領域１に配置され、残りの発光素子は、中央の領域１の外側、すなわち、２番目の領域２、３に配置される。

さらには、本発明において用いられるアレイは、３×２より大きくすることができる。例えば、図５は、４×４の構成による１６個のＬＥＤダイスを含むアレイ２２０を示している。図５は、図４Ｂに示したものと同様に、性能に基づいたＬＥＤの位置に対するラベルを含む。最も高い性能を有するＬＥＤが、全体として数値１により示した中央の領域に配置される一方、２番目に高い性能を有する８個のＬＥＤが、全体として数２により示した第２の領域に配置される。最も低い性能を有する４個のＬＥＤが、全体として数値３により示した第３の領域に配置される。

図６は、５×５の構成による２５個のＬＥＤを含む、別のＬＥＤアレイ２５０を示す。ＬＥＤの配置の選択が、数値により示されている。アレイ２５０において、６個の固有の位置が存在する。上述したように、最もランクの高い位置、すなわち、中央に最も近い位置に、最も性能の高いＬＥＤが位置し、最もランクの低い位置、すなわち、中央から最も離れた位置に、最も性能の低いＬＥＤが位置するように、ＬＥＤがアレイ２５０において配置される。

説明を目的として特定の実施形態に関連して、本発明を説明してきたが、本発明はこの特定の実施形態に限定されない。本発明の範囲から逸脱することなく様々な適合及び変更が可能である。本発明が、より大きなＬＥＤアレイにおいて、又は、正方形でない構成、例えば２×３、若しくは、直線状の構成、例えば１×３といったような、他のアレイ構成においても、用いることができる。したがって、添付した特許請求の範囲の思想及び範囲は、上述した記載に限定すべきものではない。

図１は、本発明において用いることができる光源を示す。 図２は、集光光学部とターゲットとの間におけるさらなる光学システムを有する、図１に示したような光源を示す。 光線と光学軸との間における角度θの関数としての光学システムのスループット効率を示す。 図４Ａは、３×３の構成による９個のＬＥＤを含むアレイ状の発光素子の断面図を示す。 図４Ｂは、３×３の構成による９個のＬＥＤを含むアレイ状の発光素子の上面図を示す。 ４×４の構成による１６個のＬＥＤを含むアレイの上面図を示す。 ５×５の構成による２５個のＬＥＤを含むアレイの上面図を示す。

符号の説明

１ 中央の領域
２ 第２の領域
３ 第３の領域
１００ 光源
１０２ アレイ
１０６ 集光光学部

Claims (25)

1. アレイ状に配置された複数の公称同一の発光素子を具備する光システムであって、
   前記複数の公称同一の発光素子は、公称性能値の共通の設定を達成するように同時に製造され、これらの公称性能値にはばらつきがあり、
   前記アレイが、
   該アレイにおける他の発光素子に比べて前記公称性能値の一つ又はそれ以上に関して優れた性能を示す一つ又はそれ以上の第１の発光素子が配置される前記アレイの中央の領域と、
   該中央の領域の外側にあって、前記第１の発光素子に比べて前記公称性能値の前記一つ又はそれ以上に関して低い性能を有する一つ又はそれ以上の発光素子を含む、前記アレイの第２の領域と、
   を備える、ことを特徴とする光システム。
2. 性能が、輝度、効率、角度発光、色、偏光及び温度依存度のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の光システム。
3. 光学軸を有し、かつ、中央の領域の略中心に前記光学軸を位置させた前記アレイに対して光学的に結合された集光光学部をさらに備えた、請求項１に記載の光システム。
4. 前記集光光学部が、前記光学軸に非平行に発せられた光線についてよりも、前記光学軸に平行に発せられた光線について高い効率を有する、請求項３に記載の光システム。
5. 前記集光光学部が、コンデンサレンズ、複合型放物線状集光器、方形角トランスフォーマ（rectangular angle transformer）、フレネルレンズ、及び、内部全反射の面の部分を用いたレンズ、のうちの１つ又はそれ以上である、請求項３に記載の光システム。
6. 前記中央の領域が、単一の発光素子を含む、請求項１に記載の光システム。
7. 前記中央の領域が、各々が前記アレイにおける他の発光素子に比べて優れた性能を有する複数の発光素子を含む、請求項１に記載の光システム。
8. 前記アレイが、前記第２の領域の外側にあって、該第２の領域よりも前記中央の領域から離れ、前記第１の発光素子及び前記第２のグループの発光素子に比べて低い性能を有する第３のグループの発光素子を含む、第３の領域を備える、請求項１に記載の光システム。
9. 前記アレイが、正方形状のアレイであり、
   前記第２の領域が、前記中央の領域に対して直交するように配置されており、
   前記第３の領域が、前記中央の領域に対して対角線状に配置されている、請求項８に記載の光システム。
10. 前記アレイが、３×３アレイ又は４×４アレイのうちの一方である、請求項９に記載の光システム。
11. 前記アレイが、
    前記第３の領域よりも前記中央の領域からさらに離れ、前記第１の発光素子、前記第２のグループの発光素子及び前記第３のグループの発光素子に比べて、低い性能を有する第４のグループの発光素子を含む、第４の領域と、
    該第４の領域よりも前記中央の領域からさらに離れ、前記第１の発光素子、前記第２のグループの発光素子、前記第３のグループの発光素子及び前記第４のグループの発光素子に比べて、低い性能を有する第５のグループの発光素子を含む、第５の領域と、
    該第５の領域よりも前記中央の領域からさらに離れ、前記第１の発光素子、前記第２のグループの発光素子、前記第３のグループの発光素子、前記第４のグループの発光素子及び前記第５のグループの発光素子に比べて、低い性能を有する第６のグループの発光素子を含む、第６の領域と、
    を備える請求項８に記載の光システム。
12. 前記アレイが５×５アレイである、請求項１１に記載の光システム。
13. 前記アレイが非正方形状のアレイである、請求項１に記載の光システム。
14. 光学軸を有する集光光学部と、
    該集光光学部に光学的に結合され、前記光学軸に合わせられた中央の領域を有する、アレイ状の公称同一の発光素子と、
    を具備する光源であって、
    前記複数の公称同一の発光素子は、公称性能値の共通の設定を達成するように同時に製造され、これらの公称性能値にはばらつきがあり、
    前記中央の領域が、前記アレイの中央の領域の外側に配置された発光素子よりも前記公称性能値の一つ又はそれ以上に関して優れた性能を有する第１の発光素子を備える、ことを特徴とする光源。
15. 性能が、輝度、効率、角度発光、色、偏光及び温度依存度のうちの少なくとも１つを含む、請求項１４に記載の光源。
16. 前記集光光学部が、前記光学軸に非平行に発せられた光線についてよりも、前記光学軸に平行に発せられた光線について高い効率を有する、請求項１４に記載の光源。
17. 前記集光光学部が、コンデンサレンズ、複合型放物線状集光器、方形角トランスフォーマ、フレネルレンズ、及び、内部全反射の面の部分を有するレンズ、のうちの１つ又はそれ以上である、請求項１４に記載の光源。
18. 前記アレイが、
    前記中央の領域よりも前記光学軸からさらに離れ、前記アレイにおける他の発光素子に比べて優れた性能を有する第２のグループの発光素子を備えた第２の領域を有し、
    前記第２の領域よりも前記光学軸からさらに離れ、前記アレイにおける残りの発光素子を備えた、少なくとも１つのさらなる領域を有する、請求項１４に記載の光源。
19. 前記中央の領域が、各々が前記アレイの前記中央の領域の外側に配置された発光素子に比べて優れた性能を有する複数の発光素子を備える、請求項１４に記載の光源。
20. 共通の公称性能値の組を達成するように同時に製造された複数の発光素子の各発光素子の性能を決定する段階と、
    前記共通の公称性能値の組の一つ又はそれ以上に関する前記発光素子の測定された性能に基づいて、前記複数の発光素子の各発光素子の相対性能を特徴づけ、少なくとも一つの発光素子は、高い相対性能を有するものとして特徴づけられ、
    アレイ状の発光素子を形成する段階であって、前記アレイの中央に又は近くに高い相対性能を有する第１の発光素子を搭載することにより前記アレイ状の発光素子を形成する段階と、
    前記第１の発光素子よりも前記アレイの中央から離れるほど、該第１の発光素子に比べて、低い相対性能を有する第２のグループの発光素子を搭載する段階と、
    を含むことを特徴とする方法。
21. 前記アレイの略中央に合わせられた光学軸を有する集光光学部を、前記アレイ状の発光素子に対して光学的に結合する段階をさらに含む、請求項２０に記載の方法。
22. 前記第２のグループの発光素子よりも前記アレイの中央からさらに離れ、該第２のグループの発光素子に比べて低い性能を有する第３のグループの発光素子を搭載する段階をさらに含む、請求項２０に記載の方法。
23. 性能が、前記発光素子の、輝度、効率、角度発光、色、偏光及び温度依存度のうちの少なくとも１つを含む、請求項２０に記載の方法。
24. 前記アレイの中央の近くに、各々が前記アレイにおける他の発光素子に比べて優れた性能を有する複数の第１の発光素子を搭載する段階をさらに含む、請求項２０に記載の方法。
25. 前記第１の発光素子が、前記アレイの中央に搭載される、請求項２０に記載の方法。

Images