JP5570986B2 - 増強出力輝度を具えた発光素子用の光結合器 - Google Patents

増強出力輝度を具えた発光素子用の光結合器 Download PDF

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Description

本発明は、光源に関し、特に半導体発光素子を用いた光源に関する。
[関連技術の説明]
発光ダイオード(LED)といった半導体の光源は、高圧水銀ランプ、キセノンランプ又はメタルハライドランプといった従来の光源と比較して、長い寿命、低電力消費、管理できる波長及び他の利点を呈する。これらの半導体光源は、背面投射型テレビ(RPTV)又は前面投写型といった画像投影、自動車、バイク、ボート及び航空機等輸送車両用のヘッドライト又はイルミネーションライト含む、様々な適用例に対する光源の代用品又は好適な選択肢に益々なっている。光源に対する1つの要件は、同時に高輝度及び高出力を提供することである。
多くの適用例において、LEDといった発光素子によって照射される光が、導波路又は光ファイバの中に結合され、発光素子から離れた場所に伝送される。光源の輝度及び出力は、多くの場合、LEDといった発光素子からの光が導波路又は光ファイバの中に入る光結合の効率に制約される。ある従来の素子では、図1に示すように、LEDチップ12からの光が、ファイバの端面をLEDの上部に直接的に置くことにとって、ファイバ14の中に結合される。一般に、LEDは全方向に発光する。図1に示す結合構造を用いると、ファイバの開口数の外側の角度で照射されたLED光が恒久的に失われる。このため、例えば、ファイバの開口数(NA)が約0.5である場合、結合効率は約25%(NA)になるであろう。
本発明は、関連技術の制約及び欠点による1又はそれ以上の問題を実質的に除去する光源を扱う。
本発明の目的は、出力輝度が増大した光源を提供することである。
本発明の別の目的は、発行素子からの光を集めて光の結合効率を高めるための結合器具及び方法を提供することである。
本発明のさらなる態様及び利点は、以下の本明細書で説明されており、本明細書から部分的に明らかとなり、又は本発明の実施によって習得できるであろう。本発明の目的及び利点は、添付の図面とともに記載された明細書及びその特許請求の範囲に特に挙げられた構造によって、理解され達成されるであろう。
本発明の目的とともにこれら及び他の利点を実現するために、実施され広く記載されているように、本発明は、基板と;発光させるために基板上に配置された発光素子と;発光素子の上方に且つこれに近接して配置された、発光素子が発する光を集めるための導波路と;発光素子に近接する導波路の一部の周囲に配置された反射体と;基板、導波路及び反射体の間の空間に配置された1又はそれ以上の光媒体と;を有し、導波路が、1又はそれ以上の光媒体の屈折率よりも高い屈折率を有する光源を提供する。
別の態様では、本発明は、発光素子からの光を集めるための結合機器であって、発光素子の上方に且つこれに近接して配置された、発光素子が発する光を集めるための導波路と;発光素子に近接する導波路の一部の周囲に配置された反射体と;導波路と反射体との間の空間に配置された1又はそれ以上の光媒体と;を有し、導波路が、1又はそれ以上の光媒体の屈折率よりも高い屈折率を有する結合機器を提供する。
さらに別の態様では、本発明は、発光素子によって放出された光を導波路の中に結合するための方法であって、発光素子によって放出された光を受光するために、導波路の端面を発光素子に近接するよう位置決めするステップと;導波路の一部から漏出する光を導波路に反射させるために、発光素子に近接する導波路の一部の周囲に反射体を設けるステップと;有する方法を提供する。
上記の全般的な説明及び以下の詳細な説明はいずれも典型的且つ具体的であって、特許請求の範囲に記載された本発明のさらなる説明を与えることを意図することに留意されたい。
図1は、発光素子によって照射される光がファイバの中に直接的に結合される光源の従来技術を示す。 図2aは、本発明の第1の実施例に係る発光素子からの光を導波路の中に結合するための反射結合素子を採用する光源を示す。 図2bは、本発明の第1の実施例に係る発光素子からの光を導波路の中に結合するための反射結合素子を採用する光源を示す。 図3a及び3bは、本発明の第2の実施例に係る発光素子からの光を導波路の中に結合するための反射結合素子を採用する光源を示す。 図4は、本発明の第3の実施例に係る発光素子からの光を導波路の中に結合するための反射結合素子を採用する光源を示す。 図5は、本発明の第4の実施例に係る発光素子からの光を導波路の中に光を結合するための光結合素子を採用する光源を示す。 図6は、本発明の第5の実施例に係る発光素子からの光を導波路の中に光を結合するための光結合素子を採用する光源を示す。
本発明の実施例は、発光素子によって照射された光が光学的導波路の中に結合される光源を提供する。それは、導波路の開口数の範囲に収まらない発光素子からの光を発光素子に戻して再利用するのを補助することで結合効率を増加させて光源の出力輝度を高める、高反射の結合器(反射体)を提供する。発光素子は、発光ダイオード(LED)、レーザダイオード、又は他の固体の発光素子とすることが可能である。また、発光素子は、短波長を長波長に変換する蛍光体といった波長変換材料、又は発光する他の適切なデバイスとすることが可能である。図2a乃至5に示すような実施例において、一例としてLEDを使用する。
図2a及び図2bに示す本発明の第1の実施例では、LEDチップ12が基板11に取り付けられている。(例えば、LEDによって放出される光の50%又はそれ以上の反射率を有する)高反射率層11aを、LEDの活性領域の下部に設けることができる。高反射率層11aを金属コーティングで形成できる。代替的に、又は付加的に、LED12の表面を粗面として光を反射または散乱させ得る。光ファイバ14が、ファイバの端面がLEDの表面に接するよう直接的に、又は以下で詳細に説明するように空隙を介してLED12の上に設けられている。湾曲した、高反射面を具えた反射体16が、LED12及びLEDに近接するファイバ14の一部を囲んでいる。ゲルといった光媒体18が、反射体16、ファイバ14及び基板11によって囲まれた空間に充填されている。好適には、光媒体18は、ファイバクラッド14aの屈折率にほぼ等しい屈折率を有する屈折率整合材であり、ファイバクラッド14aの屈折率はファイバコアの屈折率よりも低い。屈折率整合材の一例は屈折率整合ゲルである。図2bは、LED12(部分的に示す)、ファイバ14及び反射体16を示す光源の平断面図である。
ファイバ14の中心軸を通る面の断面図である図2aに示すように、LED12によって放出されるファイバ14の開口数の中に収まる角度を有する光が、ファイバの中に結合され、ファイバクラッド14aによる全反射を介してファイバに沿って進む。LED12によって放出されるファイバ14の開口数の中に収まらない光は、ファイバの外に漏れ出して反射体16によって反射して戻され、ファイバ14に再び入る。反射光はLED12を進み、その大部分はLEDの下方の反射層11a及び/又はLEDの粗面によって、様々な角度でファイバ14に戻るよう反射又は散乱する。ファイバ14の開口数の範囲に収まる角度を有する反射光がファイバの中に結合される一方で、ファイバの開口数の範囲に収まらない反射光がファイバの外に漏れ出して反射体16によって戻されるよう再び反射する。反射プロセスは何回生じてもよい。このため、反射体16を使用することによって、そうでなければファイバ14の外に漏れ出すであろうLED12によって放出された光をファイバの中に結合することができ、これにより、ファイバの中に入る光の結合効率全体を高める。結果として、ファイバ14の出力端での光の輝度が増加する。
好適な実施例では、反射体16が、ファイバ14の中心軸を中心とする回転対称を具えた楕円の一部の形状を有している。図2aに示す側断面図では、反射体16は、ファイバ14のコアの外径がLED12に交わる2つの点に位置する2つの焦点を有する楕円の一部である。換言すれば、LED12の有効領域が、楕円の焦点間に位置する。楕円形の反射体又は楕円に近い反射体は、ファイバの外に漏れ出る光をファイバに向けて効率的に反射させ得る。また、球といった他の形状も、結合効率を多少下げる可能性があるものの、このような目的を満足させることができる。好適には、基板から測られる反射体16の高さ、すなわち、ファイバ14が反射体を通り抜ける場所での高さは、ファイバ14から漏れ出るLED12からの全ての光が反射体によって反射するような高さである。このため、反射体16の最適な高さは、Dをファイバの直径とし、θをクラッドファイバでの全反射の臨界角とすると、
H=D*tanθ (1)
となる。θは、nをファイバのコアの屈折率、nをクラッドファイバの屈折率とすると、
θ=sin−1(n/n) (2)
によって決まる。反射体16の高さがH未満の場合、反射体の上方でファイバの外に漏れ出す光があり、反射体によって反射せず、光の結合効率が下がることになるであろう。反射体16の高さがHよりも大きいと結合効率に悪影響を及ぼさないが、結合装置素子の全体大きさを不必要に増加させてしまう。
ある特定の実施例では、光ファイバは、直径1mmのPMMAファイバといったプラスチックファイバである。そのコアは、1.5の屈折率を有し、クラッドが1.41の屈折率を有しており、約0.5の開口数及び約20度(θ=70度)の受容角を与える。反射体16の最適な高さHは、本実施例では約2.75mmである。
図3a(側断面図)及び3b(平断面図)は、本発明の第2の実施例を示しており、この実施例は、光ファイバ14がクラッドを有しない導波路14’に置き換わっていることを除いて、構造及び機能が第1の実施例と同じである。図3a及び3bに示す本実施例では、導波路14’がLED12の形状に整合する正方形の形状を有し、LEDよりもわずかに大きいが、導波路を他の形状及び大きさとすることができる。第1の実施例のように、ゲルといった光媒体18が、反射体16、導波路14’及び基板11に囲まれた空間に充填されている。光媒体18は、導波路14’の屈折率よりも低い屈折率を有する。反射体16の上方の導波路14’の部分では、導波路と空気との境界で全反射が生じる。反射体16によって囲まれた導波路14’の部分では、LED12からの光が導波路から光媒体18の中に漏れ出して反射体16で反射する。LED12からの光が反射体16の上方の部分で導波路14’の外に漏れ出さないことを確実にするために、反射体16の最適な高さが、Dがここでは正方形の導波路の対角幅を表し、反射体16の上方の導波路14’の周りにクラッドが無いためN=1であることを除いて、第1の実施例と同じ式(1)及び(2)によって決定される。
特に、本発明の実施例に係る光源は、導波路及び導波路と反射体との間に設けられた1又はそれ以上の光媒体を有している。導波路は、光ファイバのコアとすることが可能である。光媒体は、光ファイバのクラッド、導波路と反射体との間の空間に充填された光媒体、又はそれら双方とすることが可能である。導波路の屈折率は光媒体の屈折率よりも高い。導波路及び光媒体の屈折率を、所望の全反射角度になるよう調整できる。光ファイバは、光媒体をその周りに具えた導波路の一例である。導波路の別の例は、クラッドの無いガラス棒である。また、導波路と反射体との間の空間を空にすることができ、このようなケースでは、光媒体は空気又は真空となる。
図2a及び3aに示す実施例では、導波路14又は14’が、LED12の上部に直接的に配置され、導波路の端面がLEDに接触する。代替的に、より好適には、小さな空隙を、LED12と導波路14又は14’の端面との間に設ける。空隙の大きさは十分に小さく、相当量の光が隙間から漏れ出ない。4乃至150ミクロンの間の大きさが適している。空隙を、LED12と導波路14又は14’の間にスペーサを配置することによって実現できる。一実施例では、薄いカバーガラスがLEDを覆い、LEDとガラスとの間に小さな空隙を残す。LED12と導波路14又は14’との間に空隙を設けることの利点は、LEDからの光が、導波路の内部を進む光の角度がその中心軸に対する最大角度よりも小さくなるように、空隙から導波路に入ると屈折することである。例えば、導波路の屈折率が1.5の場合、最大角度は約42度である。
図2a及び図3aに示す実施例では、楕円形の反射体16が基板11の表面に延在している。代替的に、図4に示すように、反射体は端を切った楕円形状を有し得る。図4に示す反射体16’は、図2aに示す反射体16と同じ高さを有しているが、基板の表面に向けて延在していない。どちらかといえば、反射体16’と基板11との間に支持構造16aが設けられており、光媒体18を保持するよう筐体を形成するとともに、反射体を支持する。図4に示す支持構造16aは円筒形を有しているが、円錐形等といった他の形状も使用できる。図4の実施例の他の部分は、図2aのそれと同じである。端を切った反射体16’は、導波路14の内部を進む光が特定の値よりも大きい角度を有しない場合に、有用である。前に指摘したように、空隙がLED12と導波路14との間に設けられている場合、導波路の内部を進む光の角度は約42度未満である。このため、ファイバ14から漏れる光を最大42度の角度で反射する端を切った反射体16’は、このような適用例で適している。図2a及び図3aに示す完全な反射体16と比較して、図4に示す反射体16’は製造するのが簡単であり、さらに、反射体の横方向サイズを減らす。
反射体16又は16’を、予形成されたシェルの面の内側にコーティングするアルミニウム又は銀といった高反射率のコーティングを形成することによって製造し得る。図2a及び図3aに示す光源を組み立てるために、反射体16が、導波路14又は14’の周りの基板11の上方に配置されており、ゲルの形式の光媒体18が、反射体、基板及び導波路の間の空間に充填されている。適切な粘度を具えるため、LEDと導波路との間の空隙の中に浸透せずに、ゲルはこの空間を満たし得る。任意に、ガラスシリンダを導波路の周りに設けて、導波路がプラスチックファイバといった熱に弱い材料で作製される場合、導波路の過熱及び溶解を防止することができる。図4に示す光源を、支持構造16aを使用することによって同じように組み立てて、ゲル18を保持することができる。代替的に、反射体16又は16’を、光材料の固体片の湾曲した外面に高反射率のコーティングを形成することによって製造し得る。導波路を配置する中央穴を有する光材料の固体片は、反射体と導波路との間の空間を満たす光媒体18として機能する。
図5は、本発明の別の実施例を示しており、高輝度の偏光を導波路の中に結合し得る。このような実施例は、反射偏光子22及び(任意の)4分の1波長板24が追加されていることを除いて、図2aに示す第1の実施例と同じである。反射偏光子22及び4分の1波長板24は、光ファイバが反射体を通り抜ける反射体16の出力開口の向こう側の光ファイバ14の出力端に配置されている。図5では、反射体16の出力開口の上方にわずかに延びるファイバ14を示しているが、ファイバ14を反射体16の出力開口の向こう側に大きく延ばすことも可能であり、反射偏光子22及び4分の1波長板24を、発光素子12及び反射体16に対して遠くに配置できる。反射偏光子22を使うことで、ファイバ14の所望の偏光をこの偏光子を通して伝送させてファイバから放出させ、他の偏光をLED12に向けてファイバに沿って反射させることができる。反射光はLED12に当たり、その大部分は、LEDの下方の反射層11a及び/又はLEDの粗面によって、様々な偏光でファイバ14の中に向けて反射又は散乱する。反射光のいくつかは所望の偏光を有しており、反射偏光子22を通して伝送され、他の反射光が反射する。反射のプロセスは何度も起きる。出力効率をさらに高めるために、4分の1波長板24を偏光子22の前に設置し得る。ファイバ14によって出力する偏光は、表示装置のLCD及びLCoSのイルミネーションといった様々な適用例で有用である。
図2a乃至5に示す実施例では、発光素子12の一例としてLEDを使用する。図6は、本発明の別の実施例を示しており、発光素子は第1の波長の励起光を吸収し第1の波長よりも長い第2の波長の変換光を放出し得る波長変換材料12’である。波長変換材料12’は、例えば、蛍光体材料又は量子ドットといったナノ材料とすることができる。波長変換材料12’が配置される基板11’は、好適には、励起光を伝送し変換光を反射する波長変換材料12’の下方の干渉フィルタを有している。例えば、基板11’は、板全体に又は波長変換材料12’の下方の部分に誘電コーティングを有する透明板とすることができる。励起光32が、反射体16に対向する基板11’の側から波長変換材料12’に導入される。励起光32を、光ファイバ又は光結合で、又は(図6に図示しない)LEDといった励起光の光源から直接的に送出することができる。ファイバ14及び波長変換材料12’は、直接接触させることができ、又は屈折率整合ゲル又は空気で満たされる隙間を間に空けることができる。図6の実施例の他の部分は、図2aのそれと構造及び機能が同じであり、それらの詳細な説明はここでは省略する。
本発明の精神又は範囲を逸脱せずに、当業者は本発明の光源及び光源のための光結合器に様々な改良及び変更を行うことができることに留意されたい。このため、本発明は、添付の特許請求の範囲及びそれらに相当するものの範囲に入る改良及び変更をカバーすることを意図するものである。

Claims (22)

  1. 基板と;
    発光させるために前記基板上に配置された発光素子と;
    前記発光素子の上方に且つこれに近接して配置された、前記発光素子が発する光を集めるための導波路と;
    前記発光素子に近接する前記導波路の一部の周囲に配置された反射体と;
    前記基板、前記導波路及び前記反射体の間の空間に配置された1又はそれ以上の光媒体と;
    を具える光源であって、
    前記導波路が、前記1又はそれ以上の光媒体の屈折率よりも高い屈折率を有しており、
    前記導波路の端面が、前記発光素子の表面に直接的に接触するか、又は、前記発光素子の端面から4乃至150ミクロンの距離だけ離れて配置されており、
    前記発光素子から放出され前記導波路に入射した光のうち、前記導波路の開口数の中に収まらない光が、前記導波路の外に漏れ出して前記反射体により反射光として反射し、前記反射光の一部が、前記発光素子の下方に形成された反射層及び/又は前記発光素子の粗面を反射面として、様々な角度で前記導波路に戻るよう反射又は散乱し、
    前記導波路が、光ファイバのコア及びクラッドからなり、
    前記反射体の高さHが、Dを前記導波路の直径、θ を前記光ファイバのクラッドでの全反射の臨界角とすると、
    式 H=D*tanθ
    によって決定されることを特徴とする光源。
  2. 前記発光素子が、発光ダイオードであることを特徴とする請求項1に記載の光源。
  3. 前記反射面が、前記発光素子の下方の前記基板上に形成された反射層であることを特徴とする請求項2に記載の光源。
  4. 前記発光素子が、第1の波長の励起光を吸収して前記第1の波長よりも長い第2の波長の変換光を放出し得る波長変換材料であり、
    前記基板が、前記励起光を透過して前記変換光を反射する干渉フィルタを前記波長変換材料の下方に有することを特徴とする請求項1に記載の光源。
  5. さらに、前記基板の前記反射体とは反対側に配置された前記励起光の光源を具えることを特徴とする請求項4に記載の光源。
  6. 前記導波路及び前記発光素子が、それらの間に空隙を規定することを特徴とする請求項1に記載の光源。
  7. 前記導波路が光ファイバのコアであり、前記1又はそれ以上の光媒体が前記光ファイバのクラッドを有することを特徴とする請求項1に記載の光源。
  8. 前記1又はそれ以上の光媒体が、さらに、前記基板、前記導波路及び前記反射体の間の空間を満たし前記導波路のクラッドの屈折率にほぼ等しい屈折率を有する屈折率整合ゲルを有することを特徴とする請求項7に記載の光源。
  9. 前記1又はそれ以上の光媒体が、前記基板、前記導波路及び前記反射体の間の空間を満たすゲルを有することを特徴とする請求項1に記載の光源。
  10. 前記光媒体が空気を含むことを特徴とする請求項1に記載の光源。
  11. 前記導波路が、前記発光素子の形状に整合する正方形の断面形状を有することを特徴とする請求項1に記載の光源。
  12. 前記反射体が、楕円体の一部の形状を有することを特徴とする請求項1に記載の光源。
  13. 前記導波路の中心軸を通る面での前記反射体の断面形状が、楕円の一部であり、
    前記発光素子が、前記楕円の2つの焦点の間に配置されていることを特徴とする請求項12に記載の光源。
  14. さらに、前記反射体と前記基板との間に配置される、前記反射体を支持し前記1又はそれ以上の光媒体を収容するための支持構造を有することを特徴とする請求項1に記載の光源。
  15. さらに、前記導波路が前記反射体を通り抜ける前記反射体の出力開口を超えて位置する前記導波路の出力端に配置された反射偏光子を有しており、
    所望の偏光の光が前記反射偏光子を通して透過され、他の偏光の光が前記反射偏光子によって反射されることを特徴とする請求項1に記載の光源。
  16. さらに、前記導波路の出力端において前記反射偏光子の前に配置された波長板を有することを特徴とする請求項15に記載の光源。
  17. 基板上に配置された発光素子からの光を集めるための結合機器であって、
    前記発光素子の上方に且つこれに近接して配置された、前記発光素子が発する光を集めるための導波路と;
    前記発光素子に近接する前記導波路の一部の周囲に配置された反射体と;
    前記導波路と前記反射体との間の空間に配置された1又はそれ以上の光媒体と;
    を具えており、
    前記導波路が、前記1又はそれ以上の光媒体の屈折率よりも高い屈折率を有しており、
    前記導波路の端面が、前記発光素子の表面に直接的に接触するか、又は、前記発光素子の端面から4乃至150ミクロンの距離だけ離れて配置されており、
    前記発光素子から放出され前記導波路に入射した光のうち、前記導波路の開口数の中に収まらない光が、前記導波路の外に漏れ出して前記反射体により反射光として反射し、前記反射光の一部が、前記発光素子の下方に形成された反射層及び/又は前記発光素子の粗面を反射面として、様々な角度で前記導波路に戻るよう反射又は散乱し、
    前記反射体の高さHが、Dを前記導波路の直径、θ を前記光ファイバのクラッドでの全反射の臨界角とすると、
    式 H=D*tanθ
    によって決定されることを特徴とする結合機器。
  18. 基板上に配置された発光素子によって放出された光を導波路の中に結合するための方法であって、
    前記発光素子によって放出された光を受けるために、前記導波路の端面を前記発光素子に近接するよう位置決めするステップと;
    前記導波路の一部から漏出する光を前記導波路に反射させるために、前記発光素子に近接する前記導波路の一部の周囲に反射体を設けるステップと;
    を具えており、
    前記導波路の端面が、前記発光素子の表面に直接的に接触するか、又は、前記発光素子の端面から4乃至150ミクロンの距離だけ離れて配置されており、
    前記発光素子から放出され前記導波路に入射した光のうち、前記導波路の開口数の中に収まらない光が、前記導波路の外に漏れ出して前記反射体により反射光として反射し、前記反射光の一部が、前記発光素子の下方に形成された反射層及び/又は前記発光素子の粗面を反射面として、様々な角度で前記導波路に戻るよう反射又は散乱し、
    前記反射体の高さHが、Dを前記導波路の直径、θ を前記光ファイバのクラッドでの全反射の臨界角とすると、
    式 H=D*tanθ
    によって決定されることを特徴とする方法。
  19. さらに、前記導波路の一部と前記反射体との間に光媒体を設けるステップを具えることを特徴とする請求項18に記載の方法。
  20. 前記導波路の端面が前記発光素子に近接して設けられており、それらの間に空隙を有することを特徴とする請求項18に記載の方法。
  21. さらに、所望の偏光の光を透過させ他の偏光の光を反射させるために、前記導波路の出力端に反射偏光子を設けるステップを具えることを特徴とする請求項18に記載の方法。
  22. 前記反射体が、略円筒形の前記導波路の中心軸を中心とする回転対称を具えた楕円体の一部をなす形状を有しており、前記楕円体の焦点が、前記導波路の外面が前記発光素子の表面に接触し又は近接する前記導波路の2つの位置に対応する2つの点であることを特徴とする請求項1に記載の光源。
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