JP5739629B2 - 発光ダイオード−光ガイドカップリング装置 - Google Patents

Description

本出願は、発光ダイオード（ＬＥＤ）と光ガイドとの間のカップリング構成又はカップリング装置に関し、より詳細には、構成部品間のカップリング効率の向上に関する。この特定の用途におけるカップリング装置は、例えば、電球型蛍光ランプ（ＣＦＬ）であり、ここでは赤色光とＣＦＬから放出される白色光とを混合する要求があるが、本開示は、高効率のカップリングが望ましい関連の環境により一般的に適用することができる。

標準的なＣＦＬの飽和赤色の演色は、ＬＥＤからの赤色光と組み合わせることによって強化することができる。例えば、同時係属の米国特許第７，５４３，９５７号は、このような構成を対象としており、当該特許の開示事項は引用により本明細書に明確に組み込まれる。高効率の赤色ＬＥＤは感温性であるので、ＬＥＤをＣＦＬから熱的に絶縁する必要がある。上記の第７，５４３，９５７号特許では、感温性のＬＥＤをＣＦＬに付随する高温から離隔するために、ＬＥＤをランプ組立体のベース部分に装着している。光ガイドを利用して、赤色光をランプ組立体のベース部分のＬＥＤからＣＦＬの放電管に隣接する領域にまで運び、ここで放電管により放出される白色光との効果的な混合が達成される。

光ガイドのカップリング入力、伝達、及びカップリング出力の効率が高くなるほど、ランプの飽和赤色演色に対しより高い効果が得られる。（ｉ）光ガイドへの光の入射、（ｉｉ）光ガイドの長さに沿った移動、及び（ｉｉｉ）光ガイドからの出射に関連して効率が向上すると、特定の消費電力で駆動される特定のＬＥＤにより、ＣＦＬからの白色光とのより良好な赤色の混合が得られる。

カップリング入力効率は光路における最も重要な接合であると考えられる。光源（ここではＬＥＤ）の放射モードと導波モード（ここでは光ガイド）とが幾何学的に不適合であることは、改善のために相当な区域が必要であることを示している。放射モードとは、ＬＥＤから放出される光の角度及び空間分布を意味する。光ガイドと共に大型の光ガイドが使用される場合（すなわち、光ガイドの直径がＬＥＤ光源及びその１次光学系のサイズよりも大きい場合）、問題は、ＬＥＤ放射特性（通常は、ランバージャン）の整合、並びに受光角（すなわち光ガイドのＮＡ）の制限に簡素化される。カップリング効率は、ＬＥＤによって放出される光の強度に対する、光ガイドから出る光の割合として測定される。公知のカップリング構成範囲は、３５％から約５０％にわたる効率を示す。

様々なカップリング構成が従来技術で示唆されている。例えば、１つの従来技術の構成は、光ガイドの研磨端部と、ＬＥＤに関連する統合光学構成との間の当接カップリング又は接触を提供する。或いは、米国特許第７，２７９，３４５号で図示し説明されるように、ＬＥＤの周りにキャビティ又は凹部が形成され、光ガイドに光を収集する。更に別の構成ではレンズカップリングを使用しており、ここでは特別な幾何形状のレンズ、レンズホルダ、その他がＬＥＤと光ガイドとの間に配置されている（例えば、米国特許第５，７３２，１７６号を参照）。当接カップリング構成と比べてより高いカップリング効率が達成される。更に別のカップリング構成は、反射器形カップリングであり、これまでの設計は、白熱光源で用いられる従来の反射器設計に基づいており、白熱光源はＬＥＤ光ガイド環境への組み込みが容易ではない。通常、反射器は、金属反射層を含み、また、反射器内の伝播媒体として空気を使用する。光源と光ガイドとの間のエアギャップを排除することにより、ＬＥＤ−空気及び空気−光ガイド境界部のフレネル反射が低減され、更に、反射面の全反射（ＴＩＲ）の適用が向上するので、このような構造が望ましい。

従って、カップリング効率を改善し、更に、組み立ての容易性及び一貫した結果の両方に対して再現性のある解決策を提供すると共に、製造コストを抑制するこのような構成の製品化を検討する必要性がある。

米国特許第７，５４３，９５７Ｂ１号公報

ＬＥＤ光源と光ガイドとの間のカップリング効率を向上させる種々の構成が開示される。

１つの例示的な実施形態において、光源は、ＬＥＤに隣接して位置付けられた近位にある実質的に平面端部を有する。支持体は、中央凹部においてＬＥＤを受け入れ、ＬＥＤは、光ガイドの平面端部に面する関係で配置される。支持体は、ＬＥＤからの光の高い割合を光ガイドに伝送する反射器表面を含む。取付具は、光ガイドの外周部の限定的な軸方向範囲を密接に受ける凹部寸法を含む。

取付具は、電源リードワイヤを受ける少なくとも１つの開口を含む。

別の例示的な実施形態では、カプラは、ＬＥＤと光ガイドの近位端との間に配置される。カプラは、ＬＥＤを少なくとも部分的に囲む狭い第１の端部と、光ガイドの近位端を少なくとも部分的に囲む幅広の第２の端部とを有する放物又は非球面曲線の内側反射器表面の１つを含む。

カプラは、ＬＥＤチップを覆う光学ドーム（光学）の外周を囲み、好ましくは、ＬＥＤチッップが装着される基板の一部を囲む。

別の構成において、カプラの第１の端部は、ベアＬＥＤチップを囲み、内側反射器表面は、基板上に受けられるチップの外周に囲み関係で基板表面から延びる。

内側反射器表面により形成されるキャビティは、空気又はゲルを充填することができ、ここでゲルは、光ガイドの屈折率に厳密に適合する屈折率を有する。本願の公的な実施例において、ゲルは、光ガイドの屈折率（１．５）に厳密に適合する屈折率（１．５２）を有する。

更に別の実施形態では、光ガイドの近位端は、放物又は非球面曲線形表面を有するカプラを含み、該表面は、ＬＥＤを少なくとも部分的に囲み、収集された光を光ガイドの残りの部分に併合される幅広の第２の端部に向けて配向する。

本開示の主な利点は、ＬＥＤと関連光ガイドとの間の光損失が低減されることである。

別の利点は、製造及び組み立てのコスト低減にある。

本開示の更に他の利点及び特徴は、以下の詳細な説明を読み理解することにより明らかになるであろう。

図を容易にするために切り欠いた選択部分を有する電球型蛍光ランプ、ＬＥＤ、及び光ガイドランプ組立体の立面図。 第１の好ましいカップリング構成の断面図。 図２の組立体の一部の斜視図。 図２のＬＥＤと光ガイドとの間の組み立てられたカップリング構成の斜視図。 ＬＥＤ及び光ガイドの別の好ましいカップリング構成の部分的に断面の立面図。 図５の実施形態の光線トレース。 更に別の光学カップリングの部分的に断面の立面図。 図７の実施形態の代表的な光線トレース。 別の例示的な実施形態の部分的に断面の立面図。 図９の円で囲んだ部分の拡大図。 図９及び１０の実施形態の光線トレース。

図面を参照すると、同じ参照符号が全体を通じて同じ構成部品を識別するのに使用される。より詳細には、ＬＥＤが統合された電球型蛍光ランプ組立体は、少なくとも１つの低圧放電管１０４を有する低圧蛍光放電ランプ１０２を含み、図１に示される。図示の実施形態において、ＣＦＬ組立体は、第１及び第２の端部分（１つだけが図示されている）を有する螺旋放電管を有する。図示のように、放電管は、電極間のアークにより充填ガスを放電状態にすることによって白色光を放射し、各電極の１つの端部は、各端部分１０６から放電管内方に少なくとも部分的に延びている。放電管の内側表面に蛍光体が設けられ、放電放射線を可視光に変換する。端部分１０６は、ランプベース１１０に延び、上側端部においてカラー１１４により閉鎖されたシェル１１２を含み、下側端部では関連するソケット（図示せず）とネジ嵌合するためのエジソン形ネジ部分１１６を含む。勿論、関連するランプ取付具に機械的に保持し電気的に接続するために、他の接続構成を設けてもよい。ネジ付きベースは、関連するランプ取付具及び第２の接点を形成する中央金属穴１１８と１つの接点を形成する導電性金属である。シェル１１６及び穴１１８は、絶縁材料１２０により離隔される。

安定器（図示せず）などのランプ電子装置は、図１の実施形態のシェル内に配置するのが好ましい。安定器は、電圧、電流、及び波形などの必要なパワーエレクトロニクス及び回路条件を供給し、電球型蛍光灯を駆動又は給電する。或いは、安定器は、別個に形成されてランプベースに組み込まれなくてもよいが、統合安定器が好ましい。安定器の感熱性電子構成部品はまた、これらの構成部品を放電ランプにより生成される熱から保護するために熱反射器又はシールドを必要とする可能性がある。

少なくとも１つの発光ダイオード光源１４０が、放電管からの距離が最大になるベース内位置にてヒートシンク又は支持体１４２に装着される。好ましくは、支持体１４２は、ＬＥＤ光源からの熱を効率的且つ効果的に伝達するように金属などの熱伝導材料から形成される。更に、ＬＥＤは、放電ランプにより放出される白色光と混合させるために赤色発光ＬＥＤが好ましい。光ガイド１５０は、ＬＥＤ１４０及び支持体１４２に隣接する第１の又は近位端１５４と、好ましくは放電管に隣接して終端する第２の又は遠位端１５４とを有する。理解されるように、光ガイドは、好ましくは光が光ガイドの側壁を通って漏出するのが許容されないシェル内に配置された第１の又は下側領域を有する。例えば、光は、シェル内に配置された光ガイド部分の参照符号１６０で示される軸方向長さに沿って通過するときに、全反射（ＴＩＲ）により伝送される。光ガイドがシェルから出た領域では、光ガイドの第２の又は上側セクション１６２では、この長手方向範囲に沿って光を分散させることが許容され、放電管から放出される白色光との良好な色混合が得られる。

引き続き図１を参照し、更に図２〜４を参照しながら、ＬＥＤと光ガイドの第１の又は近位端１５２との間のカップリング構成の第１の例示的な実施形態を説明する。ＬＥＤ１４０は、好ましくは中央凹部１７２を含み、支持体の周辺縁部又は壁１７４が中央部分で受けられるＬＥＤチップの軸方向寸法よりも大きな寸法で軸方向外向きに延びるようにする支持体１７０内に位置付けられる。支持体は、ヒートシンク１８０（支持体／ヒートシンク１４２と同じとすることができる）内に受けられ、更に、支持体１４０及び取付具１９０を容易に収容する深さ及び幅寸法を有する凹部１８２を含む。取付具１９０は、光ガイドの近位端１５２の外形に厳密に適合する内径を有し、凹部１８２内に緊密に嵌合する外側寸法１９４を有する。取付具１９０の高さは、ヒートシンク内の凹部１８２の高さと緊密に共形になり、取付具の内側開口１９２により形成されるキャビティが支持体１７０（ＬＥＤチップと共に）並びに光ガイドの近位端１５２の限定される軸方向長さを収容するような寸法にされる。

光ガイドの直径は、チップの直径よりも実質的に大きい。更に、光ガイドの実質的に平面終端部は、好ましくは支持体の外周壁１７４の上側表面を係合する。支持体の内側凹部１７２を白色表面又は他の同様の反射表面として形成することにより、ＬＥＤにより放出されて光ガイドに直接進まない光が反射表面によって光ガイドに向けて配向され、これによりＬＥＤと光ガイド間のカップリング効率が向上することになる。取付具１９０内の光ガイドの近位端１５２の限定された軸方向受け入れは、ＬＥＤにより放出される光を光ガイドの端部に配向すること、すなわち光学効率の向上を更に促進することになる。

凹部１７２内の残りの容積又はキャビティには好ましくは空気が充填される。また、凹部の残りの部分に充填するのに光ガイドの屈折率に密接に適合する屈折率を有する材料（ゲルなど）を使用できることも企図される。

電源リードワイヤ２００、２０２が、組立体内に取付具１９０を挿入する前の図３に示されている。図４で明らかなように、電源ワイヤを収容するために開口２０４、２０６が取付具を貫通して設けられる。このようにして、光ガイドは、取付具の中央部分から延びており、電源ワイヤが光ガイドから離間した場所に位置付けられる。

図２〜４のカップリング構成は、低コスト及び製造組み立てが容易である理由から望ましいものである。支持体１７０の白色又は反射表面並びに支持体の外周壁１７４全体にわたる光ガイドの平面端部間の相対寸法により、８０％程度の良好なカップリング効率をもたらす。ヒートシンク１８０の拡大質量又は容量はまた、赤色ＬＥＤの動作温度を低レベルに維持するのに寄与する。

図５及び６は、代替の例示的な実施形態を示す。ＬＥＤ１４０は、統合光学系、すなわち、基板２１２上に装着されるＬＥＤを覆って受けられるエポキシドーム又はレンズ２１０を含むタイプのものである。光ガイドの実質的平面又は近位端１５２は、カプラ２２０によりＬＥＤ組立体と相互接続される。カプラは、好ましくは、放物面又は回転楕円体の形状又は共形である内側反射面２２２を有し、ここでは反射器表面の狭い第１の端部２２４がドームの外周２１０と基板２１２の上側表面との間の境界部に沿って当接する。次いで、反射面は、光ガイドの近位端の限定的な軸方向範囲を受けるような寸法にされた階段状配置を有する第２の端部２２６まで放物又は非球面曲線に沿って漸次的に広がる。

カプラ２２０は、好ましくは、金属から形成され、或いは、内側反射器表面２２２がＬＥＤから光ガイドの近位端に光を配向するものである限り代替の材料を用いることができる。好ましい反射器表面共形は、光線がよりコリメートされた構成に向けて配向されて、光ガイドの拡張長さを通る全反射（ＴＩＲ）がＬＥＤと光ガイド間の高いカップリング効率をもたらすようにするものである。光線トレースが図６に表され、ここではカブラに接触するＬＥＤ組立体のドーム部分から出る光線は、その後、全反射に寄与する角度で配向される。

図５の実施形態では、カプラ内でＬＥＤ組立体のドームと光ガイドの近位端との間に配置される容積又はキャビティは、好ましくは空気である。勿論、キャビティは、光ガイドの屈折率に厳密に適合する屈折率を有する材料で充填することができる。

図７及び８は、図５に示すタイプの統合光学系を含まないＬＥＤ組立体を示している。代わりに、ベアのＬＥＤチップ１４０が基板２１２上に示され、カプラ３２０は、その寸法が僅かに修正されているが、それでもＬＥＤと光ガイドとの間のカップリング効率を高める役割を果たしている。より詳細には、内側反射器表面３２２は、ＬＥＤのベアチップ１４０の周りで密接に受け取るような寸法にされ、基板２１２の上側表面で終端又は当接する第１の又は狭い端部分３２４を有する。内側反射器表面は、好ましくは、この実施形態において放物面又は回転楕円体の共形を有し、反射面の端部３２４に隣接するＬＥＤ組立体から放出される光が、光ガイドの近位端の限定軸方向部分を受ける幅広の階段状端部３２６に向けて配向されるようにする。図８に示す光線トレースは、全反射を向上させ、ＬＥＤ組立体から放出される光線が光ガイドに入射するのを促進させる、カプラ３２０により提供された利点を示している。

僅かに異なる実施形態が図９〜１１に示される。この場合も同様に、ベアＬＥＤチップ１４０が基板２１２上に示されている。この事例では、カプラが光ガイド１５０の端部に統合されている。詳細には、光ガイドの端部４５０はまた、好ましくは放物面又は回転楕円体の共形の内側反射面４５２を有する。反射面４５２は、第１の端部４５４から第２の端部４５６に延び、ここで表面が光ガイドの残りの部分の外径に移行する。図１０で最も明らかなように、光ガイドの終端部は、半球形又はドーム形状の凹部４６０を有し、該凹部は、ＬＥＤ組立体の基板２１２の表面又は上部に位置付けられるベアチップ１４０を収容する寸法にされる。凹部４６０は、光ガイドの端部で終端し、ここで反射器表面４５２が始まる。このようにして、反射器表面は、基板の上側表面と係合状態にされ、ＬＥＤを円周方向に囲み、ＬＥＤチップから０〜１８０度まで広がる光を再配向し、光ガイドの内部へのカップリング効率を改善する。この場合も同様に、これらの改善された結果は図１１に示され、ここでは光線トレースが光ガイド内の全反射に対してかなりの改善を示している。ＬＥＤチップ組立体１４０を囲むキャビティ４６２は、エアギャップか、又は光ガイドの屈折率に厳密に適合する屈折率を有するゲルなどの材料を有する。

カップリング効率のかなりの改善は、種々の実施形態で図示し説明したカップリング構成を用いて達成した。カップリング効率が３５％から約５０％の範囲ではなく、改善された効率は、約７０％から９６％を超える効率に及ぶ。放物面又は回転楕円体の鏡面は、実際にあらゆる方向でＬＥＤ源から出る光線を実質的にコリメートすることができる。更に、光ガイドの屈折率に厳密に適合する屈折率を有する透明材料でＬＥＤ付近のキャビティを充填することは、２つの利点がある。第１に、透明材料は、ＬＥＤ−空気及び空気−光ガイドの境界部でのフレネル反射を低減する。第２に、透明材料はまた、反射面での全反射の適用を可能にする。十分にコリメートされた光のビームは、出口開口が発生源直径よりもかなり大きい場合、又は放物面の長さが複数の反射を許容する場合に達成される。カップリング入力効率を高くすることにより、同じエネルギー消費量を有するＣＦＬ組み合わせにおいて高飽和赤色演色の所望の作用が達成される。或いは、同じ作用を維持し同様に組み合わせランプの効率を高めることにより、ＬＥＤのエネルギー消費量を低減することができる。従って、赤色ＬＥＤは、０．１ワットから１０ワットの電力を消費し、２ミリメートルから２０ミリメートルの間に及ぶ直径の細長い形状の光ガイドに６〜９００ルーメンの赤色光を放射する。光ガイドの好ましい材料は、ポリマー又はガラスであり、ＣＦＬのベースから放電管の領域に光を効率的に伝送する１．４から１．６の屈折率を有する。光の最小損失は、プラスチックカラーの下方、すなわちベースのシェル内の光ガイドの領域で生じ、放電管の領域では最大のカップリング出力が尚も必要とされる。しなしながら、本実施形態は、異なるタイプのＬＥＤ、すなわち、１次又は統合光学系もしくはレンズを備えた、或いは備えていないＬＥＤのカップリング入力効率に対して取り組んでいる。

本開示事項は、好ましい実施形態を参照して説明した。明白なことには、上記の詳細な説明を読み理解すると修正及び変形形態が他者に想起される。本発明はかかる修正又は変更の全てを包含するとみなされるものとする。

１０２ 低圧蛍光放電ランプ
１０４ 低圧放電管
１０６ 第１及び第２の端部分
１１０ ベース
１１２ シェル
１１４ カラー
１１６ エジソンベース
１１８ 下側接点
１２０ 絶縁材料
１４０ 発光ダイオード（ＬＥＤ）
１４２ 支持体
１５０ 光ガイド
１５２ 第１の又は近位端
１５４ 第２の又は遠位端
１６０ 全反射
１６２ 第２の又は上側セクション
１７０ 支持体
１７２ 中央凹部
１７４ 外周縁部
１８０ ヒートシンク
１８２ 凹部
１９０ 取付具
１９２ 内部開口
１９４ 外側寸法
２００，２０２ 電源リードワイヤ
２０４，２０６ 開口
２１０ レンズ又はドーム部分
２１２ 基板
２２０ カプラ
２２２ 内側反射面
２２４ 狭い第１の端部
２２６ 幅広の第２の端部
３２０ カプラ
３２２ 内側反射面
３２４ 狭い第１の端部
３２６ 幅広の第２の端部
４５０ 光ガイド端部
４５２ 内側反射面
４５４ 第１の端部
４５６ 第２の端部
４６０ ドーム形凹部
４６２ キャビティ

Claims (10)

1. 発光ダイオード（ＬＥＤ）（１４０）を光ガイド（１５０）にカップリングし、電球型蛍光ランプ（ＣＦＬ）組立体のベース部分に装着するための装置であって、
   少なくとも第１の方向に光を放出するＬＥＤ（１４０）と、
   前記ＬＥＤに隣接して位置付けられて該ＬＥＤから放出される光を受けるための近位端（１５２）と、前記近位端から遠隔に配置され、前記光ガイドから光が出射する遠位端（１５４）とを有する光ガイド（１５０）と、
   前記ＬＥＤと前記光ガイドの近位端との間に配置され、前記ＬＥＤからの高い割合の光を前記光ガイドに伝送するためのカプラ（２２０、３２０、４５０）と、
   を備え、
   前記カプラが、レンズ（２１０）が形成されるように前記ＬＥＤを少なくとも部分的に囲む狭い第１の端部と、前記光ガイドの近位端を少なくとも部分的に囲む幅広の第２の端部とを有する放物又は非球面曲線の内側反射器表面の１つを含む、
   装置。
2. 発光ダイオード（ＬＥＤ）（１４０）を光ガイド（１５０）にカップリングするための装置であって、
   少なくとも第１の方向に光を放出するＬＥＤ（１４０）と、
   前記ＬＥＤに隣接して位置付けられて該ＬＥＤから放出される光を受けるための近位端（１５２）と、前記近位端から遠隔に配置され、前記光ガイドから光が出射する遠位端（１５４）とを有する光ガイド（１５０）と、
   前記光ガイド（１５０）の前記近位端（１５２）に統合されて形成され、前記ＬＥＤからの高い割合の光を前記光ガイドに伝送するためのカプラ（２２０、３２０、４５０）と、
   を備え、
   前記光ガイドの横方向の寸法が、前記ＬＥＤの横方向の寸法よりも大きく、
   前記カプラが、レンズ（２１０）が形成されるように前記ＬＥＤを少なくとも部分的に囲む狭い第１の端部と、前記光ガイドの近位端を少なくとも部分的に囲む幅広の第２の端部とを有する放物又は非球面曲線の内側反射器表面の１つを含む、
   装置。
3. 発光ダイオード（ＬＥＤ）（１４０）を光ガイド（１５０）にカップリングするための装置であって、
   少なくとも第１の方向に光を放出するＬＥＤ（１４０）と、
   前記ＬＥＤに隣接して位置付けられて該ＬＥＤから放出される光を受けるための実質的に平面の近位端（１５２）と、前記近位端から遠隔に配置され、前記光ガイドから光が出射する遠位端（１５４）とを有する光ガイド（１５０）と、
   前記ＬＥＤを第１の表面の中央凹部に受け入れる支持体と、
   前記光ガイド（１５０）の近位端の限定される軸方向長さを密接に収容する寸法を有するキャビティを有する取付具と、
   を備え、
   前記支持体の前記第１の表面は、前記光ガイドの前記実質的に平面の近位端（１５２）に対向するように配置され、
   前記支持体は、前記光ガイドの横方向の寸法よりも小さい横方向の寸法を持ち、前記取付具の前記キャビティ内に配置され、前記ＬＥＤからの高い割合の光を前記光ガイドに伝送する放物又は非球面曲線の反射面を有している、装置。
4. 前記カプラの第１の端部が、ベアＬＥＤチップ（１４０）を囲む、
   請求項１または２に記載の装置。
5. 前記内側反射器表面が、前記ベアＬＥＤチップを搭載する基板表面から延びる、
   請求項４に記載の装置。
6. 前記内側反射器表面が、前記基板（２１２）上に受けられる前記チップ（１４０）の外周を囲む、
   請求項５に記載の装置。
7. 前記内側反射器表面によって形成されるキャビティ（４６２）が、前記ベアＬＥＤチップ（１４０）と前記光ガイドの近位端との間にゲルで充填される、
   請求項４乃至６のいずれかに記載の装置。
8. 前記支持体がヒートシンクを備える、
   請求項３に記載の装置。
9. 電球型蛍光ランプ（ＣＦＬ）組立体のベース部分に装着される、
   請求項１乃至８のいずれかに記載の装置。
10. シェル（１１２）およびカラー（１１４）を備えるベース部分と、
    前記ベース部から前記ベース部の上に位置する上側セクション（１６２）へ延びる低圧放電管（１０４）と、
    請求項１乃至９のいずれかに記載の装置と、
    を備え、
    前記光ガイドが、前記ベース部の内部から前記上側セクション（１６２）へ延び、
    前記ベース部内に配置された前記光ガイドの領域で、光は全反射により伝送され、
    前記光ガイドが、前記シェルから出た、前記光ガイドの前記上側セクション（１６２）の領域で、光を分散させることが許容される、
    電球型蛍光ランプ（ＣＦＬ）組立体。

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