JP5542335B2 - 光源及び光束を提供する方法 - Google Patents

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Description

本発明は、光源に関し、
光を放出するための要素であって、要素の内部で発生した光の大部分を、要素の面を通して放射するように構成されてなる上記要素と、
光を外部に結合するための少なくともひとつの構造体であって、要素における前記面と接触するベースを有し、ベースとは反対側の開口部を通して光を放射するように構成され、要素とベースを取り囲む周囲の環境(environment)との間の境界が、要素にて発生した光の少なくとも一部分を、ベースに隣接した少なくとも要素の一層に閉じ込めるように構成されてなる上記構造体とを備えている。
また、本発明は、光束を提供する方法に関し、
光を放射するための要素を活性化する段階であって、該要素は、要素の内部で発生した光の大部分を、要素の面を通して放射するように構成され、要素にて発生した光の少なくとも一部分が、要素の前記面の少なくとも一部で反射するような、上記活性化する段階を備えている。
また、本発明は、光源と、光源から光を受ける光学系とを備えてなる、光学装置に関する。
発光ダイオード(LED)のダイを、シリコーンの封止材で覆うことは知られている。その上に、プラスチックのカバーが配置される。ダイ及び封止材を保護することに加えて、それは、ビームを形成する要素としての目的に役立つ。用途によっては、LEDが主として前方方向に放射するように、すなわち、光を放射する要素の面から遠ざかるように、ビームは形成される。
公知の構造における問題点は、光源から光を集めるさらに別の光学系を備えた照明装置に組み込まれる場合に、有用な光の量が限られることである。この問題点は、光を集める系の制限されたエテンデュー(etendue)に起因し、光源が比較的コンパクトな照明装置に組み込まれる場合に表立ってくる。
本発明の目的は、光源から光を捕捉する光学系を介して、比較的大きなスループットの光を提供するための、光源、光束を提供する方法、及び光学装置を提供することである。
この目的は、本発明による光源によって達成され、面の面積に比べて小さい面積でベースが面と接触することを特徴とする。
光源は、光放射表面の単位面積(A)あたりで立体角(Ω)に放射される光の強度として定義される輝度が、比較的高い光源を形成する。光に結合するための構造体のベースは、光を放射するための要素の面と、面の面積に比べて実質的に小さい面積で接触するので、光放射領域が減少し、輝度を高める傾向がある。要素とベースを取り囲む環境との間の境界は、要素にて発生した光の少なくとも一部を、ベースに隣接した少なくとも要素の層に閉じ込めるように構成され、直接的に結合されていない光は、境界にて反射してから結合される。この理由から、光に結合される構造体が要素と、後者の表面積の一部で接触するという事実のために、光の強度が表面積の減少に比例して減少することはない。
国際公開第2005/001331号明細書は、ハウジングを備えた発光体を開示している。光が出る光放射面は、ハウジングを、その上側にて閉じている。ハウジングの下側には、複数の光源が挿入されている。光源は、LED要素から構成され、電気接点を備え、それぞれにレンズ体が設けられ、レンズから、光は横方向に出る。ハウジングの光放射面に面する(対向する)レンズ体の表面は、それぞれ反射層によってコーティングされ、反射層は光成分を戻すように反射して、光は、必然的に、LED要素の軸線方向に放出される。発光体の空間的な放射特性は、光放射面の形状及び傾きによって本質的に定められ、通常は、ランバート型の特性を有する。国際公開第2005/001331号明細書は、光を放射するための要素の面と接触したベースを有し、ベースと対向する表面から光を放射するように配置されてなる、光を結合する構造を具備した光源を開示していない。レンズ体の反射層は、光束の形成を排除する。公知の発光体は、多少とも点形状の光源に由来する光を、可能な限り均等な光放射面にわたって分配するように働く。
国際公開第2005/001331号
好ましい実施形態においては、ベースに隣接した要素の少なくとも一層は、1よりも大きな屈折率を有している。
従って、光を放射する平面的な要素では、光を放射するための要素における環境との境界での内部反射は、光を要素に閉じ込める傾向がある。ベースのまわりに反射コーティングを配置することは、要素で発生した光の少なくとも一部を、この実施形態において、ベースに隣接する要素の少なくとも一層に閉じ込めるのに必須ではなく、製造を容易にするものである。
本発明の実施形態による光源は、光を外部に結合するための複数の構造体を具備し、それぞれが、面の面積に比べて実質的に小さい面積にわたって、面と接触するベースを有している。
この実施形態は、比較的多量の光を提供することができる利点を有する。複数の光構造体のそれぞれは、比較的高い輝度の光を提供する。それぞれは充分に小さいエテンデュー(etendue)、すなわち光が放射される立体角と光放射面積との積を有するので、放射された光の比較的大部分が、光源と直列な光学要素によって捕捉される。
ひとつの実施形態による光源は、光を外部に結合するための構造体のひとつを少なくとも通過する光をコリメートするための、少なくともひとつの構成物を具備している。
効果は、光が放射される立体角をさらに減少させることであり、一方、本質的にはエテンデューを保持し、放射された光の大部分が、光源と直列に配置された任意の多数の異なる光学要素によって捕捉されるのを確保できることである。
変形例においては、光を外部に結合するための少なくともひとつの構造体は、これと一体的なコリメート系を具備している。
小型の光源においては、これは、特定の構成において、組立体の複雑さを小さくする。
変形例においては、少なくともひとつの小型レンズが、光に結合するための構造体におけるベースの反対側のそれぞれの開口部上に設けられる。
これにより、光に結合するための構造体を製造することを比較的簡単にできる。
ひとつの実施形態においては、ベースとは反対側にある開口部は、ベースに比べて大きな面積を有している。
これは、光を外部に結合するための構造体において、比較的わずかな光が損失されることを確保する。接触領域を通って放射される光が、比較的大きな立体角で外部に結合される。光を外部に結合するための構造体が、エテンデューを保持する構造体であるという事実を考慮すれば、このことは明らかである。
実施形態においては、光を放射するための要素は、層状の装置を含み、この装置は、
電流を光に変換するための1又は複数の活性層と、
要素で発生した光の周波数の範囲において透明であり、その範囲において、活性層に比べて小さい吸収係数を有している少なくともひとつの別の層と、
を備えている。
これは、光が横方向に容易に「広がる」効果を有し、発生した光の比較的大部分が、光を放射する装置に吸収される代わりに、光を外部に結合するための構造体との接触の領域に達することを許容する。これは、要素が発光ダイオード(LED)である場合に特に有利であり、というのは、固体素子LEDに使用されている活性材料が、一般的に、比較的高い吸収係数を有しているためである。
変形例においては、光を放射するための要素は、層状の装置を具備し、この装置が、
電流を光に変換するための1又は複数の活性層と、
要素における面と活性層との間にあり、発光材料から構成されている少なくともひとつの層と、
を備えている。
効果は、光源が発生するように構成された光の色の範囲を増加することである。特に、光を放射するための要素が、LEDから構成されている場合には、活性層は、青色光を放射するように構成され、例えば、発光材料は緑色光又は赤色光に変換する。変換された光は、比較的高い輝度にて放射され、光源は、画像表示に使用するのに適するものになる。
実施形態においては、光を放射するための要素は、層状の装置を具備し、光を外部に結合するための構造体の少なくともひとつは、ベースに隣接する要素の層と一体的になっている。
これは、構造体及び要素の複雑な組立体の必要性を解消し、光源を小型化に適するようにする。
実施形態においては、光を放射するための要素における面とは反対側に、反射面を備えている。
これは、光源の歩留まりを増加させる。
実施形態においては、光を放射するための要素は、発光ダイオードのダイによって形成されている。
この実施形態は、発光ダイオード自体の輝度を制限することなしに、発光ダイオードの好ましい特徴を組合せる。
別の観点においては、本発明による光束を提供する方法は、面の面積に比べて小さい面積で面に接触しているベースを有してなる、少なくともひとつの構造体を通して光を外部に結合する段階を備えていることを特徴とする。
実施形態は、光を放射するための要素に比べて実質的に低い屈折率を有する環境中にて、要素を活性化させる段階を具備している。
従って、光を放射する要素からその環境への境界で、内部全反射が起こることを確実にする。このため、要素で発生した光の比較的大部分が、光を外部に結合するための構造体を通して放射される。
別の観点によれば、本発明による光学装置における光源は、本発明による光源によって形成されている。
好ましくは、光学系は、光源のエテンデューに比べて大きなアクセプタンスを有している。
この文脈において、アクセプタンスとは、入って来る光が捕捉される立体角と、光捕捉面積との積を意味する。それは、光源のエテンデューに比べて大きいので、最大量の光が捕らえられる。
以下、本発明について、添付図面を参照して、さらに詳細に説明する。
図1に示した光学組立体1は、光源2と、反射鏡3とを備えている。光源2の正確な詳細は示していないが、いくつかの可能な実施形態については以下に述べる。反射鏡3は、光源に通電したときに放射される光を捕捉する。反射鏡は、開口立体角Ω1と、光捕捉面A1とを有している。従って、反射鏡3のアクセプタンスは、Ω1・A1に等しい。反射鏡3に代えて、レンズ又はレンズの組合せを使用できる。光源2は、アクセプタンスΩ1・A1に比べて小さいエテンデュー(etendue)を有し、放射した実質的にすべての光が、光学組立体1を通過することを確保している。光学組立体1は、本質的に空気からなる環境中に配置されている。変形例による実施形態においては、環境は、別のガス又はガス混合物によって形成される。液体又は固体の媒体が光源2の材料に比べて小さい屈折率を有している場合、光学組立体1、または、少なくとも光源2を、この媒体中に配置してもよい。
光学組立体の用途には、ビーマーとしても知られているプロジェクターが含まれる。光源2は、後述の如く、比較的高い輝度の光を放射し、小型の装置に用いるのに良好に適しているが、というのは、光源2と直列をなす光学系の開口角度及び/又は光捕捉面積が比較的小さいためである。光源2の別の用途は、マトリックス照明である。本質的には、これは、照明すべき表面にピクセルを投影する平坦な画素化ランプである。そうしたランプは、雰囲気を伝え、または、非英数字の情報を表示するのに使用できる。それはまた、テレビを見るとき、テレビの画面の境界の外側にイメージを広げる周囲の照明として用いることで、視覚体験を高めるためにも使用できる。他の用途には、液晶表示装置におけるLEDベースのバックライトや、車両におけるLEDベースの前照灯などが含まれる。これらは、LEDの比較的長い寿命と、低い動作電圧、及びそれらの比較的低いコストを有利に使用できる。輝度が制限されるという不都合は、本願で開示される光源2に、光を放射するための要素として、LEDを組み込むことで解消される。
図2には、第1の光源4について一般的な構成を示している。第1の光源4は、ヒートシンク5と、光を放射するための要素の例として、LEDのダイ6とを備えている。光を放射する要素の内部にて発生した光を外部に結合するための第1の構造体7は、光を放射するための要素に取り付けられている。図示の実施形態においては、光に結合するための第1の構造体7のひとつだけが、LEDダイ6の上面8に取り付けられている。変形例による実施形態においては、複数の第1の構造体7が、上面8にアレイとして配列される。第1の構造体7は、光を放射するための要素によって放射した光の輝度を高める。
光を放射するための要素は、電流で駆動されたときに、光を発生させるための、多数の異なるメカニズムのうちのひとつに基づいている。図2の例においては、本願におけるすべての例と同様に、LEDのダイ6を備え、これは、参照符号9で一般的に指示された多数の活性層を有している。ひとつの実施形態においては、層9は、InxGa1-xNから構成され、xは層毎に変化する。その場合、活性層の屈折率は、およそ2.5の値を有する。活性層9は、数μmのオーダーの総厚みを有し、例えば、5μmである。活性層9は、サファイアから作られた基板10によって被覆され、これは、およそ1.8の屈折率を有する。基板は、活性層の積み重ねに比べて、1〜2オーダーだけ大きな厚みを有し、例えば、100μmである。LEDは多数の魅力的な特性を有し、それらには、長い寿命、低い動作電圧、小さなフォームファクター、ほぼ純粋なスペクトル色、ルーメン出力の速い変調、及び通電されると即座に点灯するという事実が含まれる。光に結合するための第1の構造体7は、LEDのダイ6に固有である低い輝度を増加させる。
光を外部に結合するための第1の構造体7は、比較的高い屈折率を有する透明な媒体から構成されている。それは、光源の環境、すなわち空気の屈折率の値に比べて、基板10及び/又は活性層9の屈折率により近い。適当な材料には、ガラス、石英、サファイア、及び透明なセラミックが含まれる。図2において、光を外部に結合するための第1の構造体7は、コリメータの形状を有し、すなわち、同軸的な放物面の集中装置である。従って、それは、光をコリメートするための一体的なシステムを構成する。光を外部に結合するための第1の構造体7におけるベース11は、上面8と接触し、面積A2を有している。光は、ベース11を通って、光を外部に結合するための第1の構造体7に入り、面積A3を有する反対側の光放射面12を通って出る。面積A3は、ベースにおける面積A2に比べて、実質的に大きい。この面積A2は、輝度を高めるため、上面8の全体面積A0の一部分となっている。
放射される光の輝度が高まる理由は、光束が、光が結合される上面8の面積A2に比例して減少しないためである。光束は、側面13及び下面14における少なくとも部分的な反射のために、予測されるほどには減少しない。側面13の場合には、これは、LEDのダイ6の環境が、基板10及び活性層9に比べて低い屈折率を有しているという事実のために、内部全反射が、光の実質的な部分を基板10に閉じ込めるように働くためである。下面14の場合には、これは、反射材料からなる表面層(詳細は図示せず)の存在によって高められる。また、ベース11を取り囲む上面8の部分は、反射材料の表面層でコーティングされる。変形例としては、活性層9にて発生した光の一部分だけ、すなわち、全体の幾何学的に可能な範囲の一部の範囲の角度で表面に入射したものだけが、ベース11を取り囲む空気との境界にて反射する。これは、法線方向に対して臨界角度を越える角度の範囲である。側面13を通る放射はほとんど存在しないが、というのは、活性層9が、その方向に伝播する、発生した光の大部分を吸収する傾向をもつためである。さらに、LEDのダイ5は平面的であるから、側面13の面積は、上面8の面積に比べて小さい。
光源の輝度Bは、以下の方程式によって与えられる。
Figure 0005542335
ここで、Φは光束(ルーメン)である。この方程式は、放射のランバートパターンに基づく。
上面8の全体面積A0に比べて小さい面積A2を通る光の結合の効果を見積もるために、輝度は、以下の方程式を分析的に使用してモデル化された。
Figure 0005542335
ここで、Φ0は、A2=A0のときの光束である。Rbは、LEDのダイ6の底部からの光の非理想反射を損失を考慮に入れた、有効反射係数であって、活性層9における光の再吸収の考慮が内在されている。
実際的な例においては、上面8の面積A0は1mm2であり、ベース11の面積A2は0.2mm2である。数(2)を用いれば、Rb=0.7に対して、輝度B=2.3B0であることが見積もられる。光束Φは、0.45・Φ0に等しい。
この結果は、光学シミュレーションパッケージ(Breault Research社のASAP)における光線トレース計算を用いて確認された。LEDのダイ6は、下面14を覆う反射層を備えた2つの箱としてモデル化された。活性層9は、n=2.5の屈折率を有する、1×1×0.01mm3の箱としてモデル化された。基板は、n=1.8の屈折率を有する、1×1×0.1mm3の箱としてモデル化された。反射層は、反射率ρ=0.8を有するアルミニウム電極であると仮定される。活性層9における光の発生は、2つのランバート放射平面を背中合わせの構成に加えることでモデル化された。図3は、シミュレーションの結果を示している。第1の曲線15は、正規化された強度の角度分布を示している。第2の曲線16は、積分された強度を示している。図面から、50%の光が、2×13゜=26゜の円錐内にあることが分かる。このシミュレーションにおいて、光を外部に結合するための第1の構造体7における入口の直径は、0.5mmに設定された。光放射面12の直径は、3mmに設定された。シミュレーションは、式(2)を用いて得られた結果を確認し、すなわち、Φ=0.46・Φ0、及び、B=2.2・B0が得られた。
シミュレーションを確認するために、いくつかの実際の光源について測定を行った。これらの測定の結果を、図4に示している。それぞれの4つの量A〜Dに関して、左側の棒グラフは、測定された光束(ルーメン)を表し、隣接する棒グラフは、シミュレーションから得られた光束を表している。Aは従来のコリメータを備えてなる、LEDのダイからの光束の出力であり、コリメータはLEDのダイ6を完全に、すなわち上面8と側面13との両方を包被している。Bは、全く包被されていない、LEDのダイ6からの光束の出力である。Cは、光を外部に結合するための第1の構造体7における光放射面を通った光束の出力である。Dは、側面13を通した、光束出力の損失である。この損失は、内部全反射が、全範囲の角度にわたっては起こらないという事実による。実際には、光を放射する要素は平坦であることから、側面13に当たる光は、鋭角にて入射する傾向がある。図4は、シミュレーションを通して得られた結果を確認し、これらの結果が本質的にバイアスされていないことを示している。
図5には、図2に示した第1の光源と同様に動作する、第2の光源17が示されている。光を放射するための要素は、同一である。対応する部品には、図2と同様な符号を付している。第2の光源17は、LEDのダイ6の上面8を介して、光を外部に結合するための、複数の第2の構造体18a〜18eを具備している。第2の構造体18a〜18eは、円錐を逆さにした形状を有している。第2の構造体18a〜18eにおけるそれぞれのベース19a〜19eは、上面8の全体面積A0に比べて実質的に小さい面積A2にわたって、上面8と接触している。それぞれは、ベース19a〜19eとは反対側に、ベース19a〜19eに比べて大きな面積をもった、出口開口部20a〜20eを有している。第2の構造体の屈折率は、基板10の屈折率と整合され、一方、上面8は、ベース19a〜19eを取り囲む面積にわたって、空気との境界を有している。光を外部に結合するための第2の構造体18a〜18eの間の隙間には、空気以外の媒体を充填しても良い。
小型レンズ22a〜22fのアレイは、出口開口部20a〜20eに重なるように配置されている。図示の実施形態においては、小型レンズ22a〜22fと、光を外部に結合するための第2の構造体18a〜18eとは、一体的な要素を形成している。他の変形例においては、アレイ21は、第2の構造体18a〜18eに接着しても良い。別の変形例においては、光を外部に結合するための第2の構造体18a〜18eのアレイは、基板10と一体的になっている。
上述した実施形態は、本発明を制限するよりもむしろ例示しており、当業者は、特許請求の範囲の範囲から逸脱せずに、多くの変形例の実施形態をデザインすることができることに留意されたい。請求項においては、括弧の間に配置したいかなる参照符号も、請求項を限定するものとして解釈されるべきではない。「備えている」という用語は、請求項に列挙された以外の要素又は段階が存在することを排除しない。要素に先立つ不定冠詞“a”又は“an”は、そうした要素が複数存在することを排除しない。互いに異なる独立請求項において、ある種の手段が述べられているという単なる事実は、これらの手段を有利に組合せて使用できないことを意味しない。
光を外部に結合するための第1の構造体7は、例えば、第2の構造体18a〜18eの構造と類似した構造の、同様な構造体のアレイから構成しても良い。活性層9は、有機発光材料を具備しても良い。変形例においては、透明な、発光材料のセラミックの層を、基板10に代えて設けても良い。そうした光を放射する要素は、P変換LEDとして知られている。従って、光を放射する要素における、最上部の層での光の発生は排除されない。
光学装置のための要素の組立体を示している。 一体化されたコリメータを備えた光源の実施形態を示した模式図である。 光線トレースシミュレーションを用いて、図2に示した構造を有する光源から放射された光の強度を計算した結果を示したグラフである。 実験的に決定された、いくつかの光源について計算された強度を比較したグラフである。 光に結合するための構造体のアレイを備えてなる、光源の実施形態を示した模式図である。
符号の説明
1 光学組立体
2 光源
3 反射鏡
4 光源
5 ヒートシンク
6 ダイ
7 構造体
8 上面
9 活性層
10 基板
11 ベース
12 光放射面
13 側面
14 下面
15 第1の曲線
16 第2の曲線
17 光源
18a〜18e 構造体
19a〜19e ベース
20a〜20e 出口開口部
21 アレイ
22a〜22f 小型レンズ

Claims (12)

  1. 光を放出するための単一の発光ダイオードのダイによって形成される要素であって、前記要素の内部で発生した光を前記要素の面を通して放射するように構成されてなる前記要素と、
    光結合するための複数の構造体であって、各構造体が、前記要素の前記面の面積よりも小さな面積で前記面と接触するベースを有し、前記ベースとは反対側の開口部を通して光を放射するように構成されてなる上記構造体とを備え、
    前記要素と、前記ベースを取り囲む環境との間の境界が、前記要素で発生した光の少なくとも一部を、前記ベースに隣接した、少なくとも前記要素の一層に閉じ込めるように構成され、前記要素が、前記ベースのまわりに反射コーティングと前記要素の下面に反射材料からなる表面層とを備えた、光源において、
    前記ベースとは反対側の開口部が、前記ベースよりも大きな面積を有していることを特徴とする光源。
  2. 前記ベースに隣接した、少なくとも前記要素の一層は、1よりも大きな屈折率を有していることを特徴とする請求項1に記載の光源。
  3. 光結合するための前記構造体を通過する光をコリメートするための構成物を具備していることを特徴とする請求項1又は2に記載の光源。
  4. 光結合するための前記構造体は、これと一体的なコリメート系を具備していることを特徴とする請求項3に記載の光源。
  5. 小型レンズが、光結合するための前記構造体における、前記ベースとは反対側のそれぞれの開口部の上に設けられていることを特徴とする請求項3に記載の光源。
  6. 前記光源において、光を放射するための前記要素は、層構造を有し、
    電流を光に変換するための1又は複数の活性層と、
    前記要素で発生した光の周波数の範囲において透明であり、その範囲において前記活性層に比べて小さい吸収係数を有している、少なくともひとつの別の層と、
    を備えていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の光源。
  7. 光を放射するための前記要素は、層構造を有し、この層構造が、
    電流を光に変換するための1又は複数の前記活性層と、
    前記要素における前記面と前記活性層との間に発光材料から構成された少なくともひとつの層と、
    を備えていることを特徴とする請求項6に記載の光源。
  8. 光を放射するための前記要素は、層構造を有し、光結合するための構造体は、前記ベースに隣接する前記要素と一体的になっていることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の光源。
  9. 光を放出するための単一の発光ダイオードのダイによって形成される要素であって、前記要素の内部で発生した光を前記要素の面を通して放射するように構成されてなる前記要素と、
    光結合するための複数の構造体であって、各構造体が、前記要素の前記面の面積よりも小さな面積で前記面と接触するベースを有し、前記ベースとは反対側の開口部を通して光を放射するように構成されてなる上記構造体とを備え、
    前記要素と、前記ベースを取り囲む環境との間の境界が、前記要素で発生した光の少なくとも一部を、前記ベースに隣接した、少なくとも前記要素の一層に閉じ込めるように構成され、前記要素が、前記ベースのまわりに反射コーティングと前記要素の下面に反射材料からなる表面層とを備えた、光源により光束を提供する方法であって、
    前記要素が電流で駆動されたときに、光を発生させる段階と、
    前記ベースよりも大きな面積を有する、前記ベースとは反対側の開口部を備えた複数の構造体を通して光を放射する段階とを具備していることを特徴とする方法。
  10. 光を放射するための前記要素に比べて実質的に小さい屈折率を有する環境を提供する段階を具備していることを特徴とする請求項9に記載の方法。
  11. 光源と光源からの光を受ける光学系とを備えてなる光学装置であって、
    光源が、請求項1乃至8のいずれか1項に記載の光源であることを特徴とする光学装置。
  12. 前記光学系は、前記光源のエテンデュー(etendue)に比べて大きなアクセプタンスを有していることを特徴とする請求項11に記載の光学装置。
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