JP5920686B2 - コリメート発光装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、光源と光を応用特有分布で発されるように構成させるコリメータとを有する発光装置であって、前記光源が、光を発することが可能である半導体装置と、前記光源に隣接する底部表面及び対向する上部表面を有する基体と、前記上部表面に隣接して位置される反射器と、を含む、発光装置に関する。本発明は、光をコリメートする方法にも関する。このような発光装置及び方法は、一般照明発光システムにおいて特に使用される。

上述の種類の発光装置は、よく知られており、例えば、スポットライトを生成するのに使用される。コリメータと光源の発光特性との間の協力は、本質的に、応用例特定光分布を決定する。焦点を合わされたスポットライトに関する市場要求は、通常、スポットライトが、非常に小さいビームを有する、少ない容積を有する、及び、コリメータの小さい出口直径を有することを指定する。
知られている発光装置の欠点は、光源によって発される特定の光線が、コリメータ（から反射される等の）との相互作用なしに装置を出ることである。このことは、かなり大きなビーム発散を生じさせ、したがって、低い焦点効率を生じさせることになる。コリメータ（の長さ）を拡大することは、この課題を解決するための典型的な解決法を形成する。しかし、このことは、小さい容積及び出口直径という市場要求とは明らかに矛盾する。

したがって、小さい容積及び出口直径を有する一方で、高効率を有するコリメート光ビームを生成する発光装置の利用可能性に関する明らかな必要性が存在する。

本発明の目的は、容積及び出口直径とコリメート光ビーム特性との改善された比率を有する上述の種類の発光装置を提供することである。本発明は、請求項1に記載の発光装置を用いて、第１の態様に従いこの目的を達成する。前記発光装置は、反射器が前記基体の前記底部表面よりも大きい表面を有することを特徴とする。有利には、このことは、小さいコリメータを用いて所与の光ビームコリメーションを生成する、又は、代替的に、かなり狭い光ビームを生成するコリメータを作製することを可能にする。

本発明は、同一の量のコリメーションに関してかなり短いコリメータを作製することを可能にするという有利な点を有する発光装置を提供する。代替的には、同一のコリメータサイズは、より良好なコリメーションを実現する。特に、コリメータとなおちょうど相互作用する境界光線は、所要のコリメータ長さを決定する。基体の底部表面よりも大きい表面を有する反射器を提供することは、光源が光を発する立体角を低減させる。有利には、反射器は、本質的には、立体角を規定する。コリメータを低減された立体角に一致させることは、より小さいコリメータ容積及び出口直径を生じさせることになる。結果的に、特に、高度なコリメートビームを必要とする応用例は、本発明から利益を受けるが、その理由は、これらの応用例は、そうでなければ、非常に長いコリメータを、すなわち、合成放物線集光器の長さの同一の大きさのオーダで、必ず必要とするからである。

本発明の実施例において、前記基体は、少なくとも一部が前記底部表面に対して傾斜角にある側面表面を有する。発光装置の実施例において、前記傾斜角が９０°より小さい。有利には、傾斜角は、基体のより大きい上部表面を生成する。この上部表面は、反射器に関する支持を提供し得る。

発光装置の実施例において、前記基体は、波長変換材料を含む。有利には、このことは、半導体装置によって発される一次光の少なくとも一部を異なる波長を有する二次光へ変換することを可能にする。ある実施例において、波長変換基体は、セラミック基体として設けられる。有利には、発光セラミック基体は、堅固であり、温度変化に対して低い感応性を示す。

ある実施例において、当該装置が、少なくとも第２の光源を有する。有利には、このことは、所与の装置によって生成可能な光束を、所定の光源光束に制御することを可能にする。追加的には、第２の光源が第１の光源とは異なるスペクトルを発する場合に、装置に発される光の色制御を可能にする。

ある実施例において、前記反射器の表面は、前記コリメータに対する前記光源の位置に依存して構成される。有利には、このことは、個別の光源のコリメータへの立体角を一致させることを可能する。結果的に、所定のコリメータ長及び出口直径が与えられている場合、個別の光源の反射表面をこれらの位置に依存して構成することは、光源の合成立体角をコリメータの立体角との最適な重複を保証する。

第２の態様に従うと、本発明は、光をコリメートする方法であって、光を発することが可能である光源であって、半導体装置、基体、及び前記基体の上部表面に隣接する反射器を含む光源を設けるステップと、前記光を応用特有分布で発されるように構成させるコリメータを設けるステップと、を有する方法において、前記反射器が前記基体の前記底部表面よりも大きい表面を有するように構成させるステップ、を含むことを特徴とする方法を提供する。

本発明のこれら及び他の態様は、以下に説明される実施例から明らかであり、これらを参照にして説明される。

本発明の更なる詳細、特徴及び有利な点は、図面と組み合わせて例示的及び好ましい実施例の以下の説明において開示される。

図１は、従来技術に従う発光装置を示す。 図２は、本発明に従う実施例を示す。 図３は、本発明の実施例における概略的（部分的）断面図を示す。 図４は、本発明に従う別の実施例を示す。 図５は、本発明に従う更に別の実施例を示す。

図１は、従来技術に従う発光装置１を示す。発光装置１は、光源５、光源が接続されているベース部９０、及び光を応用例特定分布で発されるように構成させるコリメータ４０を含む。ベース部９０は、装置１を組み立てるための機械的インターフェイス、光源５によって生成される熱を環境へ放散させるための熱的インターフェイス、及び電力及び制御信号を光源５へ提供するための電気的インターフェイスを提供するなどの追加的な機能を有し得る。コリメータ４０は、通常、所望の応用例特定光分布を実現するために、適切な形状を有する支持構造に、多くの場合アルミ化される膜である、高度反射表面を含む。

光源５は、半導体装置１０、基体２０、及び反射器３０を含む。半導体装置１０は、通常、光を発することが可能であるＬＥＤを含む。基体２０は、半導体装置に隣接する底部表面２１及び対向する上部表面２２を有する。好ましくは、基体２０は、発される光の波長を（部分的に）変換することによって、所定のスペクトル出力を提供する。多くの場合、基体２０は、蛍光体などの波長変換材料を含む。通常、これらの材料は、YAG（Yttrium Aluminium Garnet）、YSN（Yttrium Aluminium Silicon Oxo-Nitrides）、SiAlON（Silicon Aluminium Oxo-Nitrides）又はLuAG（Lutetium Aluminium Garnet）に基づく。上述の材料を用いることにより、III族窒化物ＬＥＤによって発される「一次」光を「一次」光より長いピーク波長を有する「二次」光へ変換することは、周知の技術を構成する。波長変換材料は、「二次」光の特定のピーク波長を得るために選択され得る。更に、基体のサイズ及び厚さ、並びに／又は波長変換材料の濃度は、装置１によって発される光が「一次」及び「二次」光の混合である、又は実質的に「二次」光のみからなるように、選択され得る。好ましくは、波長変換基体は、発光セラミック基体として設けられる。

最終的に、反射器３０は、基体２０の上部表面２２に隣接して位置される。通常、基体２０は、底部２１及び上部２２の表面と直角で側部表面２３・２４を有する立方体又は板の形態で容積発光体を構成する。基体２０において生成される（及び基体２０を通じて伝達される）光を反射して、反射器３０は、光が側部表面２３・２４を通じて発されるようにさせる。有益的には、このことは、光線５１の大半がコリメータ４０による応用例特定分布で構成されることを可能にする。反射器３０の欠如は、光の大半が上部表面２２を通じて発され、相互作用することなくコリメータ４０を出ることを可能にさせ得る。反射器３０が配置されても、しかし、光線５２などのかなりの部分がなお、相互作用することなくコリメータ４０を抜け出得る。これらの光線５２は、所望な光分布を損じ得る。この問題を最小化する典型的な解決法は、コリメータ４０のサイズを延長させることである。しかし、このことは、コリメータ４０の容積及び出口直径が、かなり且つ、多くの場合市場要求を越えた点へ増加するようにさせる。

本発明は、反射器３０が、基体２０の底部２１よりも大きい表面を有することを特徴とする、上述の種類の発光装置１を提供することによる解決法を提供する。このようにして、反射器３０は、基体２０を越えて延在する（図２参照）。このことは、光線５２（図１に示される）を遮断することを可能にし、光源５によって発される光が図２において光線５１・５３によって示されるように、コリメータ４０と相互作用するようにさせる。この場合、光線５３は、コリメータとなお丁度相互作用する境界光線を構成する。有利には、本発明は、同一の量のコリメーションに関して、かなり短いコリメータ４０（より低い容量、より小さい出口直径）を作製することを可能にする。代替的には、同一のコリメータ４０のサイズでは、より良好なコリメーションを実現させる。このようにして、基体２０の底部２１より大きい表面を有する反射器３０を設けることは、光源５が光を発する立体角を低減させる。有利には、反射器３０は、本質的に立体角を規定する。コリメータ４０をこの（低減された）立体角に一致させることは、より小さいコリメータ容量及び出口直径を生じさせることになる。結果として、特に、高度なコリメートビームを必要とする応用例は、本発明から利益を受けるが、その理由は、これらの応用例は、そうでなければ、非常に長いコリメータを、すなわち、合成放物線集光器の長さの同一の大きさのオーダで、必ず必要とするからである。

図３は、本発明の実施例における概略的（部分的）断面図を示す。図面から認識され得るように、コリメータ４０は、高さH及び幅Wcを有する。更に、Xは、基体２０の底部とコリメータの上部との間におけるコリメータ４０の光学軸４１に直角な距離を規定する。したがって、2X=2W_C-w_b,であり、ここで、w_bは基体の幅であり、基体が光学軸４１に対称的に配置される場合のことである。更に、反射器３０は、基体２０の底部表面２１を越えて距離p延在する。最後に、基体は、基体の底部２１及び上部２２表面の間における距離を規定する厚さtを有する。本発明の実施例において、コリメータ４０は、基体２０によって発される光線がコリメータと相互作用するように、幅Xに依存して高さHを有する。このことは、H≧Xt/pである場合にそのようになる。

ある実施例において、コリメータ４０は、放物線形状反射器である。円錐形又はピラミッド形（又は従来知られているいずれかの他の形状）でもあり得る。上記の通りであるものの、コリメータ４０は、生成された光が発光装置１を抜け出ることを可能にする（コリメータ４０の光学軸４１に対して直角な円状断面を示す）出口直径を有するが、コリメータは、実際には、多角形又は楕円形などの非円状断面を有し得る。反射器３０は、光源５によって発される光がコリメータ４０と相互作用する立体角と最適に一致させるために、コリメータ４０の断面と一致する断面形状を有することが好ましいことを特記される。このことは、効率的な光学設計を生じさせる。コリメータ４０は、滑らかに曲線を形成され得る。代替的に、切り子にされ得る。

図４は、本発明に従う実施例を示す。この実施例において、基体２０は、少なくとも一部が底部表面２１に対して傾斜角２５である側部表面２３・２４を有する。発光装置の実施例において、傾斜角２５は、90°より小さい。有利には、傾斜角は、基体２０のより大きい上部表面２２を生成する。この上部表面は、有益には、反射器３０に関する支持を提供する。実施例において、傾斜角２５は、コリメータと一致する立体角を規定する。側部表面２３・２４から発される光が完全半球（2πラジアン）を越えて発されるので、基体２０は、通常、１より十分に大きい屈折率を有し、表面に並行な基体を抜け出る光線は、好ましくは、コリメータ４０となお相互作用する境界光線５３に一致する。このような実施例において、傾斜側部表面２３は、底部２１及び上部２２表面を直線で接続する。代替的に、基体２０は、側部表面２４の一部のみを傾斜角で有し、境界光線５３は、底部表面２１における基体の側部から抜け出、反射器３０をかろうじて通過する光線に対応する。代替的に、側部表面は、反射器３０の支持を可能にする一方で、同時に境界光線５３を規定するように、凹面状に曲線形成され得る（図示せず）。

図５に示される本発明の実施例において、発光装置１は、少なくとも１つの第２光源５を含む。適切な数の光源５を含むことは、発光装置１が所定の光束を発することを可能にする。有利には、このことは、装置によって発生可能な光束を、固定（最大）光源光束が与えられるように制御することを可能にする。

ある実施例において、光源５の反射器３０の表面は、コリメータ４０に対する光源位置に依存して構成される。光源が好ましくは単一の光源５のみを有する発光装置１においてコリメータ４０の光学軸４１において位置され得る一方で、多光源実施例において、光源は軸をはずされて位置され得る。本発明は、コリメータ寸法（高さ及び出口直径）が与えられる場合、光が個別の光源５によって発される立体角をコリメータ４０と一致させることが、効率的な光学設計を生成するという洞察に基づく。本質的に、したがって、ある実施例において、反射器３０は、コリメータ４０の光学軸４１に対する位置に依存して光源５の立体角を規定する。したがって、各光源に関して、H≧Xt/pの関係が特に最適化され得る。ある実施例において、側部表面２３・２４の傾斜角２５は、コリメータ４０に対する光源５位置に依存して構成される。このことは、図５における光線５３によって証明されるように、コリメータとの発される光の立体角の一致を有利に生じさせる。

本発明は、上述の実施例を参照にして説明されてきたが、代替的な実施例も同一の目的を達成するために使用され得ることも明らかである。本発明の範囲は、したがって、上述の実施例に制限されないが、応用例特定光分布が所望である一方で、コリメータ寸法を最小化させる他のいかなる照明器具へも適用され得る。

Claims (6)

1. 光源であって、
   光を発することが可能である半導体装置、
   前記半導体装置に隣接する底部表面及び対向する上部表面を有する基体、及び
   前記上部表面に隣接して位置される反射器、
   を含む光源と、
   前記光をコリメートする、反射鏡であるコリメータと、
   を有する発光装置において、
   前記反射器が、前記基体の前記底部表面よりも大きい表面を有し、
   前記反射器が、前記光源からの光が前記コリメータによって反射されることなく前記発光装置から出射されないような寸法を少なくとも有して前記基体の底部表面を超えて外側へ延在する、
   ことを特徴とする、発光装置。
2. 請求項１に記載の発光装置であって、前記基体は、少なくとも一部が前記底部表面に対して傾斜角にある側面表面を有する、発光装置。
3. 請求項２に記載の発光装置であって、前記傾斜角が９０°より小さい、発光装置。
4. 請求項１乃至３の何れか一項に記載の発光装置であって、前記基体は、波長変換材料を含む、発光装置。
5. 請求項４に記載の発光装置であって、前記基体は、セラミック基体である、発光装置。
6. 請求項１乃至５の何れか一項に記載の発光装置であって、当該装置が、少なくとも１つの第２の光源を有する、発光装置。

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