JP6072805B2 - 高リサイクル効率の固体光源装置 - Google Patents

Description

本発明は、固体光源装置に関するものであり、特に、出力輝度を増加させるために光のリサイクルを使用する固体光源装置に関するものである。

発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ、ＬＥＤ）は、人気光源となっている。しかしながら、ＬＥＤ光源の輝度は、しばしば大型ディスプレイ装置、自動車のヘッドライト、舞台照明システムなどの特定の応用分野には不十分である。ＬＥＤ光源の輝度を向上させるために、１つの方法は、各ＬＥＤチップに入力電力を増加させることである。しかしながら、蓄積された熱がＬＥＤチップの温度を増加させるので、高電力が放熱上の要求を増加させることによって、ＬＥＤチップの光発生効率を低下させてしまった。これは、しばしばＬＥＤ光源の輝度の上限値になる。また、大きな駆動電流は、ＬＥＤ装置の寿命を短縮し、その信頼性を低減することができる。このため、ＬＥＤ光源の輝度は、駆動電流を増加させることによって無制限のやり方で増加させることはできない。

ＬＥＤ装置又はＬＥＤ装置の表面に形成された波長変換材料によって放出された光は、典型的に、近ランバート分布を有しており、すなわち、その輝度が全方向にほぼ均一である。いくつかの技術は、その輝度を高めるために、ＬＥＤ光源の配光角を小さくするのに使用されている。図１３は、ＬＥＤチップ２１からの小角度の光Ａ、すなわち、ＬＥＤチップの表面に垂直な法線方向に比較的近い光が例えば、レンズ、反射器、光ファイバなどの光学部品２２によって出力される光源装置２０を示す。大角度の光Ｂ、すなわち、法線方向から比較的遠い光は、ＬＥＤチップ２１に向かって球面反射器２３によって再反射される。ＬＥＤチップ２１に再反射された光は、このチップによって全方向に散乱される。散乱光のうち、小角度の光は、光学部品２２によって出力され、大角度の光は再び反射器２３によって反射される。このように、大角度の光がリサイクルされるが、出力光が比較的小さな発散角（すなわち、小さな広さ（Ｅｔｅｎｄｕｅ））を有することによって、光源装置２０の高輝度化をもたらす。

図１３に示す光源装置において存在する一つの問題は、球面反射器２３が大角度の光に対して比較的大きな収差を有するため、大角度の光の大部分が反射器２３によって反射され後にＬＥＤチップ２１上に照射されなく、したがって、リサイクルされないことである。これは、装置の光リサイクル効率を低下させる。

従って、本発明は、実質的に従来技術の制限及び欠点による問題の１つまたは複数を解決するＬＥＤ光源を対象とするものである。

本発明の目的は、ＬＥＤ光源の光リサイクル効率を高めることである。

本発明の追加の特徴および利点は、以下の説明に記載されてこの説明から部分的に明らかとなるであり、又は本発明の実施によって知ることができる。本発明の目的及び他の利点は、具体的に本明細書及び特許請求の範囲ならびにその添付図面において指摘された構造によって実現及び達成されるものである。

これらおよびその他の利点を達成するために、具体化され広く記載されるように、本発明の目的に従って、本??発明は、小角度の光と大角度の光を含む光を所定の範囲の方向へ放出する及び/又は散乱する発光面を有しており、前記小角度の光が前記発光面の法線方向に対して前記大角度の光よりも小さい角度を持っている第１の光源と、前記第１の光源へ前記小角度の光を再案内するために、それぞれ前記第１の光源の一方側に配置された２つの反射器を含む光リサイクルシステムと、を備えることを特徴とする光源装置を提供する。

別の態様において、本発明は、光を放出するシート状の光源と、小角度の光と大角度の光を含む、自体に照射された光を所定の範囲の方向へ拡散しており、前記小角度の光が前記光拡散器の法線方向に対して前記大角度の光よりも小さい角度を持っている、前記光源とは異なる光拡散器と、２つの反射器を含む光リサイクルシステムと、を備え、前記光源と前記光拡散器は、前記２つの反射器の間に位置しており、前記２つの反射器は、前記光拡散器へ前記光拡散器からの前記小角度の光を再案内することを特徴とする光源装置を提供する。

別の態様において、本発明は、第１の光源の発光面によって、小角度の光と大角度の光を含む、所定の範囲の方向を有する光を生成しており、前記小角度の光が前記発光面の法線方向に対して前記大角度の光よりも小さい角度を持っているステップと、前記光源の前記発光面へ前記小角度の光を再案内するステップと、前記大角度の光を集光して出力するステップと、を備えることを特徴とする出力光を生成するための方法を提供する。

前述の一般的説明および以下の詳細な説明は、例示的かつ説明的であり、本出願発明のさらなる説明を提供することを意図していることを理解すべきである。

出力のために大角度の光を集光する集光システムと、小角度の光をリサイクルする球面反射器とをそれぞれ使用する本発明の第１の実施形態に係る光源装置を示す。 光源として波長変換素子と遠隔励起光を使用する本発明の第２の実施形態に係る光源装置を示す。 図２の実施形態の波長変換素子の２つの具現を示す。 図２の実施形態の波長変換素子の２つの具現を示す。 図２の実施形態の光源の別の具現を示す。 第２の励起源を提供する本発明の第３の実施形態に係る光源装置を示す。 互いに対向する２つのＬＥＤを使用する本発明の第４の実施形態に係る光源装置を示す。 ２つの光源を使用する本発明の第５の実施形態に係る光源装置を示す。 第２の励起光源を使用する本発明の第６の実施形態に係る光源装置を示す。 第５の実施形態の代替例である本発明の第７の実施形態に係る光源装置を示す。 互いに対向する２つのＬＥＤを使用し、それらの間に反射器を有する本発明の第８の実施形態に係る光源装置を示す。 ２つの光源が散乱面を照明する本発明の第９の実施形態に係る光源装置を示す。 ２つの励起光源が波長変換材料を照明する本発明の第１０の実施形態に係る光源装置を示す。 角度選択ダイクロイックフィルタが小角度の光をリサイクルするために使用される本発明の第１１の実施形態に係る光源装置を示す。 図１１Ａのダイクロイックフィルタの例示的な透過率のグラフを示す。 装置の様々な機能構成要素を表示する光源装置を模式的に示す。 大角度の光をリサイクルする球面反射器を使用する従来のＬＥＤ装置を示す。

図１３に示した従来のＬＥＤ装置に関連付けられた上述の問題を解決するために、ＬＥＤ光源は、本発明の実施形態に従って設計されており、出力のために大角度の光を集光する集光システムと、小角度の光をリサイクルする球面反射器とをそれぞれ使用する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る光源装置を示す。光源装置１００は、光源１１０、光リサイクルシステムおよび集光システムを含む。光源１１０は、ＬＥＤチップであってもよい。ＬＥＤチップは、ＵＶ、青色、緑色、赤色、ＩＲなどの所望の色の光を放出してもよい。ＬＥＤチップも、その表面に形成され、ＬＥＤからのより短い波長の光（例えば、ＵＶ、青色など）をより長い波長の光（例えば、緑色、黄色、赤色など）に変換する波長変換材料を含んでもよい。好ましくは、ＬＥＤは、内部に発光材料の下方に反射面を有しており、図中下方向に進行している放出光が失われるのを防止するために上方に反射されるようになっている。光リサイクルシステムは、光源１１０の上方に配置されるとともに、光源１１０によって規定される平面Ｐの法線方向Ｎ（中心軸）に近い領域を覆うが、光源の平面Ｐまで延びていない球面形状の第１の反射器１２０を含む。これにより、光源１１０からの小角度の光Ａ（すなわち、法線方向に比較的近い光）は、光源１１０へ球面反射器１２０によって再反射される。反射器１２０は、好ましくは、その内部表面に効果的に光を反射する高反射コーティングを有する。

光源１１０からの大角度の光Ｂは、集光システムによって集光される。集光システムは、１つ又はそれ以上の反射器、もしくは１つ又はそれ以上のプリズム、もしくは１つ又はそれ以上の反射器、１つ又はそれ以上のプリズム及び１つ又はそれ以上のレンズの組合せ等で形成することができる。図１に示す実施形態では、集光システムは、第１および第２の集光反射器１３０および１４０を含む。第１の集光反射器１３０は、球面反射器１２０よりも光源１１０から離れて配置されており、一般的に上向き（すなわち、平面Ｐから離れる）および内向き（すなわち、中心軸に向かう）方向に光源１１０からの大角度の光Ｂを反射する。第２の集光反射器１４０は、球面反射器１２０の上方に配置されており、図面中の概ね上向き（垂直）方向に第１の集光反射器１３０からの光を反射する。なお、図１は、断面図である。反射器１２３、１３０および１４０の形状は、好ましくは、中心軸Ｎまわりの回転対称性を有する。（過密を避けるために、図１は、第１および第２の集光反射器１３０および１４０を片側にのみ示す。）第１および第２の集光反射器１３０および１４０の形状および位置は、実質的に第１の反射器１２０によって遮断されない光源１１０からの光の全てが第１の集光反射器１３０によって第２の集光反射器１４０に向かって反射され、さらに図中実質的に垂直方向に第２の集光反射器１４０によって反射されるように設計されている。図１に示す例では、第１の集光反射器１３０は、光を収束し、第２の集光反射器１４０は、わずかに光を発散する（断面図中）。

第１および第２の集光反射器１３０および１４０の任意の適切な形状および位置は、それらが効果的に大角度の光Ｂを所望の方向に集光して出力すれば、使用することができる。好ましくは、集光システムは、光源１１０の出射光の広さを維持する。例えば、反射器１３０および反射器１４０は、回転対称形状であってもよく、又は、自由形式の形状であってもよい（回転対称ではない）。好ましい実施形態では、反射器１３０及び反射器１４０は、回転対称非球面であるが、回転対称球面であってもよい。又は、光源からの異なる光分布を達成するために、反射器１３０および反射器１４０は、不均一な回転のＢ-スプラインや計算されたポイント間の線形補間又は他の高次多項式補間など、様々な方法によって規定される自由形式の形状を有するように設計することができる（断面図中）。

光リサイクルシステム（球面反射器１２０）によって光源１１０へ再反射された光は、部分的に光源１１０によって全方向に散乱され、部分的に光源に伝送される。光源に伝送された光は、リサイクルされ、それの一部が全方向に再放出される。散乱および再放出された光のうち、大角度の光が集光システム（反射器１３０及び１４０）によって収集されて出力され、小角度の光が球面反射器１２０によって光源１１０へ再び反射される。反射された小角度の光は、再び部分的に光源によって反射され、部分的に光源に伝送され、プロセスが繰り返される。このように、反射器１２０は、光をリサイクルする。小角度の光は、光リサイクルシステムによってリサイクルされ、大角度の光は、集光システムによって出力される。

図１に示す構成では、集光システム（反射器１３０および１４０）が反射器１２０の後方に配置されているので、どのような光がリサイクルされること及びどのような光が出力されることが反射器１２０の空間的範囲によって決定される。反射器１２０によって反射される光は、法線方向に対して比較的小さい角度を有し、集光システムによって出力される光は、法線方向に対して比較的大きな角度を有する。大角度と小角度という用語が相対的な用語であることが理解されるべきである。

小さな収差を有する小角度の光が光リサイクルシステムにより反射されているため、光リサイクルシステムが効果的に光源へ実質的に全ての小角度の光を再反射することができる。全体として、上述の光リサイクルシステムおよび集光システムは、非常に高い効率を有するとともに、効果的に、光源１１０によって放出された光を集光し、著しく出力光の輝度を増加させることができる。

図２は、本発明の第２の実施形態に係る光源装置を示す。図２に示す光源装置１００Ａにおいては、光リサイクルシステム（第１の反射器）と集光システム（第１および第２の集光反射器１３０および１４０）は、図１に示す第１の実施形態の対応するシステムと類似又は同様のものである。光源１１０Ａは、適切な送達光学素子１１３（例えば、レンズや反射器、光ファイバ等）を介して外部励起光源１１２によって照明され、蛍光体材料、量子ドット、発光色素などのような波長変換材料を搭載した波長変換素子１１１を備える。光源１１０Ａの表面から放出される光は、近ランバート分布を有する。励起光源１１２は、好ましくは、青色又はＵＶ領域において発光するＬＥＤである。励起光源１１２は、適切な光学素子が光を送達するために使用されるものであれば、波長変換素子１１１に対して遠隔配置することができる。具体的には、波長変換素子１１１は、異なる波長変換材料を搭載した（または、まったく波長変換材料を搭載しない）複数のセグメントを含むことができるとともに、波長変換要素の異なるセグメントが励起光源１１２の光に交互に露出されるように、回転ホイールのような移動システムに移動可能に取り付けることができる。波長変換材料を搭載した可動ホイールは、共同所有の米国特許番号７５４７１１４において記載されている。

図２Ａに示す好ましい具現では、図２の波長変換素子１１１に対応する波長変換素子１１１Ａは、波長変換材料１１１Ａ−１層と、励起光Ｄ（青色またはＵＶ光）を透過し、波長変換材料１１１Ａ−１によって放出されたより長い波長の変換光を反射するダイクロイックフィルタ１１１Ａ−２とを含む。ダイクロイックフィルタ１１１Ａ−２は、波長変換材料１１１Ａ−１と送達光学素子１１３との間に配置されており、励起光が送達光学素子１１３から導入されている。エアギャップは、波長変換材料１１１Ａ−１層とダイクロイックフィルタ１１１Ａ−２との間に設けられている。波長変換材料１１１Ａ−１は、両方向に変換光を放出しており、順方向の光が反射器１２０および１３０に向かって進行し、逆方向の光がダイクロイックフィルタ１１１Ａ−２（例えばそのような光に対して高い反射率のミラーとして機能する）によって順方向へ光Ａ２として再反射される。非常に高い反射率のおかげで、ダイクロイックフィルタ１１１は、反射器１２０とともに、高効率のリサイクルを実現している。

図２Ｂに示す代替的な具現は、波長変換素子１１１Ｂの波長変換材料１１１Ｂ−１とダイクロイックフィルタ１１１Ｂ−２の間にはエアギャップが存在しないことを除いて、図２Ａに示す具現と同様である。ダイクロイックフィルタ１１１Ｂ−２は、下面にダイクロイックコーティングを有するガラス材料であってもよい。代替的に、ダイクロイックコーティングは、波長変換材料１１１Ｂ−１に隣接してガラスの上面に位置することができるが、この構成は、変換光に対する低い反射率を有することになる。図２Ａの具現と比較して、図２Ｂの具現は、製造が容易で、放熱のためにより効率的である。

図２Ｃは、光源１１０Ａの変形例を示す。レンズ１１３とダイクロイックフィルタ１１１Ａ−２及び１１１Ｂ−２は、自体へ波長変換材料１１１Ｃからの後進光Ａ３（少なくとも小角度の後進光）を再反射して返す湾曲した反射器１１４で置き換えられるが、反射器１１４は、励起光Ｄを波長変換材料１１４に照射させるための小孔が設けられている。大角度の光Ｂは、波長変換材料１１１Ｃの両側またはいずれかの一方側から出力される。図２Ｃ中の反射器１２０は、図２中の反射器１２０に対応している。

図３は、本発明の第３の実施形態に係る光源装置を示す。図３に示した光源装置１００Ｂにおいては、集光システム（第１および第２の集光反射器１３０および１４０）は、図１に示す第１の実施形態の対応するシステムと類似又は同様のものである。光リサイクルシステム（第1の反射器１２０Ｂ）は、後述するように、ダイクロイック素子であることを除いて、第1の実施形態における反射器１２０と同様である。光源は、ＬＥＤによって照明される波長変換材料ＨＯＢを含む。光源は、ＬＥＤチップと一体になるように形成された波長変換材料を有するＬＥＤチップであってもよいし、図２、図２Ａ及び図２Ｂに示す光源１１０Ａと同様の外部励起光源によって照明される波長変換素子であってもよい。図示の構成では、第１の励起光は、下方から波長変換材料を照明する。

また、第２の励起光源１１２Ｂは、第１の反射器１２０Ｂの上方に設けられており、上方から波長変換材料１１０Ｂを励起する。第２の励起光源１１２Ｂは、好ましくは、青色又はＵＶ領域において発光するＬＥＤである。この実施形態では、第1の反射器１２０Ｂは、第２の励起光源１１２Ｂからの青色又はＵＶ光Ｃを透過するが、青色またはＵＶよりも長い波長範囲を有する波長変換材料からの変換光Ａを反射するダイクロイック素子である。これは、ダイクロイック素子で反射器１２０Ｂの表面をコーティングすることによって達成することができる。適切な光学素子１１３Ｂ（例えば、レンズ）は、波長変換材料ＨＯＢへ第２の励起光源１１２Ｂから第２の励起光を案内するために使用される。好ましくは、効率を高めるために、（光学素子１１３Ｂを含む）第２の励起光源１１２Ｂの広さは、波長変換素子ＨＯＢの広さよりも小さい。

波長変換材料ＨＯＢは、第２の励起光を変換光に変換する。両方の励起光源から得られる変換光は、図１を参照して説明したような方法でリサイクルされて出力される。

図４は、本発明の第４の実施形態に係る光源装置を概略的に示す。光源装置２００は、２つの光源を含み、当該２つの光源の各々は、上部に波長変換材料２１１が形成されたＬＥＤチップ２１０である。２つのＬＥＤチップ２１０は、波長変換材料２１１が互いに対向するように平行に配置されている。両方の波長変換材料２１１によって放出された大角度の光Ｂは、２つの波長変換材料間の空間を通って出射光が集光システムによって集光される側へ出射している。集光システムは、２つのＬＥＤチップ２１０の周囲に配置された大角度の光を集光して出力する反射器２３０を含む。各（第１の）波長変換材料２１１によって放射された小角度の光Ａは、他の（第２の）波長変換材料の表面上に照射され、その表面によって全方向に散乱される。散乱光のうち、大角度の光は、側へ出射され、出力のために集光システム２３０によって集光されるが、小角度の光は、第１の波長変換材料の上に照射され、全方向に再度散乱される。このように、小角度の光は、リサイクルされ、大角度の光は、出力される。第４の実施形態では、各光源の波長変換材料２１１は、小角度の光をリサイクルするために、他の光源のための光リサイクルシステムとして機能する。さらに、２つのＬＥＤの使用は、光源装置の明るさを増加させる。

図５は、本発明の第５の実施形態に係る光源装置を示す。光源装置３００は、第１及び第２の光源３１０および３１２を含み、当該第１及び第２の光源３１０および３１２の各々は、上部に波長変換材料が形成されたＬＥＤチップである。２つの波長変換材料は、それらが互いに強く変換光を吸収しないように選択される。２つのＬＥＤチップ３１０および３１２は、波長変換材料が互いに対向するように平行に配置されている。反射器３２０及びレンズ３２１を含む光リサイクルシステムは、２つの光源の間に配置されている。（第２の光源３１２は、光リサイクルシステムの一部と見なされてもよい）。反射器３２０、好ましくは、複合放物面集光器（ＣＰＣ）は、第２の光源３１２の周囲に配置されている。レンズ３２１は、反射器３２０の出力ポートの近傍に配置されており、反射器３２０へ第１の光源からの小角度の光を案内する。集光システムは、出力のために第１の波長変換材料によって放出される大角度の光Ｂを反射するために、第１の光源３１０の周囲に配置される反射器３３０を含む。

第１の光源３１０によって放出される小角度の光は、反射器３２０に案内され、第２の光源３１２に反射される。第２の光源３１２の第２の波長変換材料の表面は、この光を全方向に散乱させる。第２の波長変換材料によって散乱される光、及び第２の波長変換材料によって放出される変換光は、反射器３２０によって反射され、第１の光源３１０の表面上にレンズ３２１によって案内される。これらの光は、第１の光源３１０の第１の波長変換材料の表面によって全方向に散乱される。散乱光のうち、大角度の光は、出力のために集光システム（反射器３３０）によって集光され、小角度の光は、再び第２の光源にレンズ３２１及び反射器３２０によって案内される。このように、反射器３２０、レンズ３２１、及び第２の光源３１２の表面は、小角度の光をリサイクルする。

図６は、本発明の第６の実施形態に係る光源装置を示す。光源装置３００Ａは、波長変換材料３１０を有する第１の光源を含む。青色又はＵＶ領域において発光するＬＥＤであるが、波長変換材料を有しない第２の光源３１４は、第１の光源３１０に対向して平行に配置されている。第２の光源３１４は、図３に示す第３の実施形態における励起光源１１２ｂと同様の第２の励起光源として機能する。第２の励起光源３１４の周囲に配置された反射器３２０Ａは、第２の励起光Ｃを反射し、それをレンズ３２１を介して第１の光源３１０に案内することにより、第１の光源の波長変換材料を励起する。

集光システムは、出力のために波長変換材料によって放出される大角度の光Ｂを反射するために、第１の光源３１０の周囲に配置された反射器３３０を含む。第１の光源３１０の波長変換材料からの小角度の光は、反射器３２０Ａに向かってレンズ３２１によって案内される。ダイクロイック素子は、波長変換材料３１０からの変換光を反射するために、反射器３２０Ａの内又は上に設けられている。ダイクロイック素子は、第２の励起光源３１４によって放出される青色又はＵＶ光を透過するが、波長変換材料３１０によって放出されるより長い波長の変換光Ａを反射する。反射された変換光は、レンズ３２１により第１の光源３１０へ再案内される。反射光は、波長変換材料３１０の表面によって全方向に散乱される。散乱光のうち、大角度の光Ｂは、集光システム（反射器３３０）によって出力され、小角度の光Ａは、レンズ３２１によって集光され、ダイクロイック素子３２１によって波長変換材料３１０へ再反射される。このように、小角度の光は、光リサイクルシステム（レンズ３２１とダイクロイック素子３２２）によってリサイクルされる。

図示の実施形態では、ダイクロイック素子３２２は、反射器３２０Ａの出力ポートに位置する。反射器３２０Ａが中実のＣＰＣである場合には、ダイクロイック膜がＣＰＣの平坦な出力面に塗布されてもよい。反射器３２０Ａが中空のＣＰＣである場合には、ダイクロイック素子は、ＣＰＣの出力ポートにまたは出力ポートの内部に配置されてもよい。別の実施形態では、ダイクロイック素子は、第２の励起光源３１４の表面上に形成又は配置されてもよい。ことができる。

図７は、本発明の第７の実施形態に係る光源装置を示す。この実施形態は、図５の反射器（ＣＰＣ）３２０とレンズ３２１が湾曲した（凸状の）出力面３２０Ｂを有する中実のＣＰＣにより置換されていることを除いて、図５に示す第５の実施形態と同様である。同様に（図示せず）、凸状の出力面３２０Ｂを有する中実のＣＰＣは、図６の実施形態における反射器３２０Ａ及びレンズ３２１を置き換えてもよいが、この場合にダイクロイック素子がＣＰＣの出力面上に形成することができないことを除く。

図５、図６及び図７に示す実施形態では、第１の波長変換材料を有する第１のＬＥＤ３１０は、図２、図２Ａおよび図２Ｂに示す光源１１０Ａと同様の、波長変換材料を搭載した波長変換素子を照明する外部励起光源によって置き換えることができる。また、波長変換素子は、異なる波長変換材料を搭載した（または、まったく波長変換材料を搭載しない）複数のセグメントを含むことができるとともに、図２に関連して説明したように、移動システムに移動可能に取り付けることができる。図５および図７における第２の波長変換材料を有する第２の光源３１２は、同様に置換されていてもよい。

好ましくは、図５、図６、図７に示す実施形態では、第２の光源３１２又は第２の励起光源３１４の広さは、効率を高めるために、第１の光源３１０の広さよりも小さい。

図８は、本発明の第８の実施形態に係る光源装置を概略的に示す。光源装置４００は、２つの光源を含み、当該２つの光源の各々は、上部に波長変換材料４１１が形成されたＬＥＤチップ４１０である。２つのＬＥＤチップ４１０は、波長変換材料４１１が互いに対向するように平行に配置されている。光リサイクルシステムは、２つの波長変換材料４１１に平行に２つの波長変換材料４１１の間に配置された平坦な両面反射器４５０を含む。反射器４５０は、自体へ各波長変換材料４１１からの小角度の光を再反射しながら、側部へ大角度の光をそれらの光が２つのＬＥＤチップ４１０の間のスペースから出射されるように反射する。両面反射器４５０は、全方向に光を散乱させる両面散乱面であってもよい。集光システム（図８には図示せず）は、大角度の光を集光して出力するために、ＬＥＤチップ４１０の周囲に設けられている。集光システムは、図４に示す反射器２３０と同様の反射器を含むことができる。

図９は、本発明の第９の実施形態に係る光源装置を示す。光源装置５００は、第１及び第２の光源５１０および５１２を含み、当該第１及び第２の光源５１０および５１２の各々は、上部に波長変換材料が形成されたＬＥＤチップである。２つのＬＥＤチップ５１０および５１２は、波長変換材料が互いに対向するように平行に配置されている。第１の反射器５２０と第１のレンズ５２１、第２の反射器５２３と第２のレンズ５２４、及び平坦な両面散乱面（光拡散器）５５０を含む光リサイクルシステムは、２つの光源５１０．５１２の間に配置されている。第１及び第２の反射器５２０．５２３は、それぞれ、第１及び第２の光源５１０．５１２の周囲に配置されている。第１及び第２のレンズ５２１．５２４は、それぞれ、第１及び第２の反射器５２０及び５２３の出力ポートの近傍に配置されている。平坦な両面散乱面５５０は、第１及び第２のレンズ５２１及び５２４の間に配置されている。反射器５３０を含む集光システムは、大角度の光Ｂを反射するために、両面散乱面５５０の周囲に配置されている。

各光源５１０、５１２によって放出された光は、それぞれの反射器５２０、５２３によって反射され、全方向に光を散乱させる両面散乱面５５０上へそれぞれのレンズ５２１、５２４によって案内される。散乱光のうち、大角度の光Ｂは、集光システム（反射器５３０）によって反射されて出力される。小角度の光Ａは、レンズ５２１、５２４に再び入り、反射器５２０、５２３によってそれぞれの光源５１０、５１２へ再反射される。反射光は、光源５１０、５１２の波長変換材料によって両面散乱面５５０に向けて再散乱される。このように、小角度の光Ａは、光リサイクルシステムによってリサイクルされ、大角度の光Ｂは、集光システムによって出力される。

この実施形態を観察する別の方法は、散乱面５５０が近ランバート分布を有する発光面とみなすことができることである。この発光面５５０からの大角度の光は、集光システム（反射器５３０）によって出力され、発光面からの小角度の光は、光リサイクルシステム（反射器５２０とレンズ５２１、および反射器５２３とレンズ５２４）によってリサイクルされる。

この実施形態では、第１及び第２の反射器５２０、５２３は、好ましくは、中空又は中実のＣＰＣである。各ＣＰＣ５２０、５２３および各々のレンズ５２１、５２４は、図７に示すＣＰＣと同様の湾曲した（凸状）の出力面を有する中実のＣＰＣによって置換されてもよい。

この実施形態では、各ＬＥＤ５１０、５１２は、図２、図２Ａおよび図２Ｂに示す光源１１０Ａと同様の、波長変換材料を搭載した波長変換素子を照明する外部励起光源によって置き換えることができる。また、波長変換素子は、異なる波長変換材料を搭載した（または、まったく波長変換材料を搭載しない）複数のセグメントを含むことができるとともに、図２に関連して説明したように、移動システムに移動可能に取り付けることができる。

図１０は、本発明の第１０の実施形態に係る光源装置を示す。光源装置５００Ａは、第１及び第２の光源５１０Ａおよび５１２Ａを含み、当該第１及び第２の光源５１０Ａおよび５１２Ａの各々は、ＵＶ又は青色領域において発光するが、上部に波長変換材料が形成されないＬＥＤチップである。２つのＬＥＤチップ５１０Ａおよび５１２Ａは、それらが互いに対向するように平行に配置されている。波長変換素子５６０は、２つの励起光源５１０Ａ、５１２Ａの間に配置されている。第１及び第２の反射器５２０Ａ、５２３Ａは、それぞれ、第１および第２の励起光源５１０Ａ、５１２Ａの周囲に配置されている。第１及び第２のレンズ５２１、５２４は、それぞれ、第１及び第２の反射器５２０Ａ及び５２３Ａの出力ポートの近傍に配置されている。第１の反射器５２０Ａと第１のレンズ５２１、及び第２の反射器５２３Ａと第２のレンズ５２４は、それぞれ、両側から波長変換素子５６０に向かって第１及び第２の励起光Ｃを案内する。波長変換素子５６０は、励起光を変換光に変換するために、波長変換材料を搭載している。

反射器５３０を含む集光システムは、波長変換素子５６０の周囲に配置されている。波長変換素子５６０によって放出された大角度の変換光Ｂは、反射器５３０によって反射されて出力される。波長変換素子５６０によって放出された小角度の変換光Ａは、反射器５２０Ａ及び５２３Ａに向かってレンズ５２１、５２４により案内される。ダイクロイック素子５２２、５２５は、レンズ５２１、５２４を介して波長変換素子５６０に向けて変換光を再反射するために、それぞれの反射器５２０Ａ、５２３Ａの出力ポートに設けられている。ダイクロイック素子は、励起光源５１０Ａ、５１２Ａによって放出される青色又はＵＶ光を透過するが、波長変換材料５６０によって放出されるより長い波長の変換光Ａを反射する。変換光は、波長変換素子５６０へ再反射される場合、全方向に波長変換材料によって散乱される。散乱光のうち、大角度の光Ｂは、反射器５３０によって反射されて出力される。小角度の光Ａは、それらを再度反射するダイクロイック素子５２２、５２５へレンズ５２１、５２４によって案内される。このように、小角度の光Ａは、光リサイクルシステム（レンズ５２１、５２４及びダイクロイック素子５２２、５２５）によってリサイクルされ、大角度の光Ｂは、集光システム（反射器５３０）によって出力される。

図示の実施形態では、ダイクロイック素子５２２及び５２５は、それぞれの反射器５２０Ａ、５２３Ａの出力ポートに配置されているが、それらは、他の場所に配置されることができる。反射器５２０Ａ、５２３Ａは、中実のＣＰＣであれば、ダイクロイック膜が各ＣＰＣの平坦な出力面に塗布されてもよい。反射器５２０Ａ、５２３Ａは、中空のＣＰＣであれば、ダイクロイック素子がそれぞれのＣＰＣの出力ポートの内部または出力ポートに配置されてもよい。別の実施形態では、ダイクロイック素子は、励起光源５１０Ａ、５１２Ａの表面に形成又は配置されてもよい。また、各ＣＰＣ５２０Ａ、５２３Ａおよび各々のレンズ５２１、５２４は、図７に示すＣＰＣ３２０Ｂと同様の湾曲した（凸状）の出力面を有する中実のＣＰＣによって置換されてもよい。しかしながら、このような場合には、ダイクロイック素子がＣＰＣの出力面に塗布されることができない。

図９に示す第９の実施形態では、両方の光源５１０及び５１２は、波長変換材料を有するＬＥＤである。図１０に示す第１０の実施形態では、両方の光源５１０Ａ及び５１２Ａは、波長変換材料のない励起光を放出するＬＥＤである。代替の実施形態では、光源の一方は、波長変換材料（例えば、５１０）を搭載したＬＥＤであり、平坦な素子５５０/５６０の対応する側は、散乱面であるが、光源の他方は、波長変換材料のない励起光（青色またはＵＶ）を放出するＬＥＤであり、平坦な素子５５０/５６０の対応する側は、波長変換材料を搭載している。

図３〜図１０の実施形態の一つの利点は、２つのＬＥＤチップが使用されるので、光源装置全体の輝度がさらに増大するということである。

図１１Ａは、本発明の第１０の実施形態に係る光源装置を示す。光源装置６００は、光源６１０と光源６１０の上方に配置された光リサイクルシステムとして機能する角度選択ダイクロイック素子６２０を含む。ダイクロイック素子６２０は、小角度の光を反射し、大角度の光を透過する。この光源装置は、小角度の光をリサイクルする反射器を必要としない。集光システム（図示せず）は、大角度の光を集光して出力するために、光源６１０とダイクロイック素子６２０の周囲に設けられている。

光源６１０は、ＬＥＤや、波長変換材料を搭載した波長変換素子であってもよい。後者の場合には、励起光源（図示せず）は、図２に示す光源１１０Ａと同様の波長変換材料を励起するために設けられており、図２Ａ及び２Ｂに示すフィルタ１１１Ａ−２及び１１１Ｂ−２と同様のフィルタは、順方向に向かって後進光を反射するように設けられてもよい。さらに、波長変換素子６１０は、異なる波長変換材料を搭載した（または、まったく波長変換材料を搭載しない）複数のセグメントを含むことができるとともに、波長変換素子の異なるセグメントが励起光源の光に交互に露出されるように、回転ホイールのような移動システムに移動可能に取り付けることができる。

図１１Ｂは、ダイクロイック素子６２０の例示的な透過率のグラフを示す。小さな入射角（例えば、ＡＯＩ＝０°）では、透過率は、注目の波長に対して低い（例えば、波長変換材料によって放出された変換光の波長は、典型的には、５００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲内に含まれる。）。より大きな入射角（例えば、ＡＯＩ＝６０°）では、透過率は、注目の波長に対して高い。言い換えれば、ダイクロイック素子は、注目の波長に対して、小角度の光を反射し、大角度の光を透過する。

したがって、図１１Ａに示すように、光源６１０によって放出される光のうち、大角度の光Ｂは、ダイクロイック素子６２０を通過して出力されるが、小角度の光Ａは、全方向に光を散乱させる光源６１０へダイクロイック素子６２０によって再反射される。散乱光のうち、大角度の光は、出力され、小角度の光は、再びリサイクルされる。

好ましくは、より良好なリサイクル効率を達成するために、ダイクロイック素子６２０は、光源６１０に隣接して配置される。

角度選択フィルタは、ＬＥＤ光源のための出力装置として記載されている。例えば、米国特許８００８６９４には、大角度の光を反射し、小角度の光を透過する角度選択フィルタが使用されることが記載されている。本実施形態のように小角度の光をリサイクルして大角度の光を出力する角度選択フィルタを使用すると、光源の縁からの漏れによるリサイクル可能な光の損失の潜在的な問題を回避する。

上述の実施形態では、発光面は、光を発出する表面、または光を散乱する表面、または光を発出して散乱する表面のいずれかである。図１２に概略的に示すように、実際の構造は、発光と散乱の両方をする一つの層、又は、２つの別個の層を含んでもよい。図１２は、機能構成要素として、シート状の光源７１０と、光源７１０の両側に配置された第１及び第２の反射器７２０及び７３０と、２つの反射器７２０及び７３０の間に配置された少なくとも１つの光拡散器７４０とを含む光源装置７００を示す。なお、この図示は、非常に概略的であり、必ずしも構成要素の実際の形状及び位置を表していない。光源７１０は、片側または両側に光を放出することができる。実際には、光源は、典型的には、全方向に光を放出し、すなわち、近ランバート分布を有する。反射器７２０および７３０の両方は、光源７１０（または、拡散器７４０）に向かって小角度の光を再反射する。それらの少なくとも一つは、光源からの大角度の光を反射しなく、すなわち、大角度の光が出力されることを許可する。図１２には、大角度の光を出力するための集光システムが示されていない。２つの反射器７２０及び７３０の間に位置している拡散器７４０は、それに光源７１０または反射器７２０及び/又は７３０から照射された光を所定の範囲の方向へ拡散（散乱）する。拡散器７４０と光源７１０との間の空間的関係は、任意の特定の配置に限定されない。また、拡散器７４０及び光源７１０は、物理的に発光と拡散の機能の両方を実行する同じ構造であってもよい。このような構成では、光源７１０から放出された小角度の光は、往復に反射される。光が拡散器を通過するたびに、この光の一部が大角度の光になるように拡散され、その後出力される。その結果、元の小角度の光のほとんどは、このリサイクルプロセスの間に大きな角度で出力される。

図１２に示す光源装置７００の機能構成要素は、前述の第１の実施形態〜第１１の実施形態において様々な形態で存在している。第１および第６の実施形態（図１および図６）では、ＬＥＤ１１０/３１０は、光源７１０、拡散器７４０および第２の反射器７３０の機能を組み合わせており、ＬＥＤの内面が全ての角度の光を反射する第２の反射器として作用し、ＬＥＤの上面が拡散器および光源として作用する。第２の実施形態（図２、図２Ａおよび図２Ｂ）では、波長変換材料１１１Ａ−１/１１１Ｂ−１が光源と拡散器として作用し、ダイクロイックフィルタ１１１Ａ−２/１１１Ｂ−２が全ての角度の変換光を反射して励起光を透過する第２の反射器として作用する。図２Ｃに示す第２の実施形態の具現においては、波長変換材料１１１Ｃが光源と拡散器として作用し、反射器１１４が第２の反射器として作用する。第４、第５及び第７の実施形態では（図４、図５及び図７）、２つの光源２１１/３１０/３１２及び２つの拡散器２１１/３１０/３１２が存在し、それぞれの要素２１１/３１０/３１２が光源と拡散器の両方として作用する。第８および第９の実施形態（図８及び図９）では、光源４１１/５１０/５１２と拡散器４５０/５５０は、物理的に別個の要素である。第１０の実施形態（図１０）では、波長変換材料５６０が光源と拡散器の両方として作用し、反射器５２２/５２５が第１及び第２の反射器として作用する。第１１の実施形態（図１１）では、角度選択ダイクロイックフィルタ６２０が第１の反射器として作用し、光源６１０が光源、拡散器及び第２の反射器として作用する。

図１２の構成の別の具現では、拡散器７４０と第２の反射器７３０は、は、光源７１０の下方に位置している（例えば、光源７１０の裏面に付着している）白色拡散器である単一の要素により実現される。

上記の説明では、光が「全方向」に放出されて散乱されると言われるとき、それは、光が所定の範囲の方向に放出又は散乱されることを意味することが理解されるべきである。

ここに記載される種々の実施形態に係る光源装置は、プロジェクタ、ヘッドランプ、スポットライト、サーチライト等のようなアプリケーションで使用することができる。

様々な修正および変形は、本発明の精神または範囲から逸脱することなく、本発明の光源装置において行うことができることは、当業者には明らかであろう。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲およびその均等物の範囲内にある修正および変形を包含することが意図されている。

Claims (15)

1. 小角度の光と大角度の光を含む光を所定の範囲の方向へ放出する及び/又は散乱する発光面を有しており、前記小角度の光が前記発光面の法線方向に対して前記大角度の光よりも小さい角度を持っている第１の光源と、
   第２の光源及び光学系を含む光リサイクルシステムであって、前記第２の光源は光を放出する及び/又は散乱する発光面を有し、且つ該発光面と前記第１の光源の発光面とが互いに対向するように平行に配置され、前記光学系は前記第１の光源と前記第２の光源との間に配置された１つ又はそれ以上の反射器を含む光リサイクルシステムとを備え、
   前記第１の光源から放出される光の中の小角度の光は前記光学系により前記第２の光源に案内され、該第２の光源の発光面で反射又は散乱され、前記第１の光源の発光面に戻り、
   前記第２の光源から放出される光は前記光学系により前記第１の光源に案内され、該第１の光源で反射または散乱された光の中の小角度の光は、再度前記光学系により案内され、前記第２の光源に入射することにより、前記小角度の光がリサイクルされる、
   ことを特徴とする光源装置。
2. 前記光リサイクルシステムの前記反射器は、１つ又はそれ以上の球面反射器、複合放物面集光器、又は平坦な反射器を含むことを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記光リサイクルシステムの前記反射器は、小角度の光を反射し、大角度の光を透過する前記発光面に隣接配置された角度選択フィルタを含むことを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
4. 前記大角度の光を集光して出力するための集光システムを更に備えることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
5. 前記集光システムは、前記第１の光源の周囲に配置された、１つ又はそれ以上の反射器、もしくは１つ又はそれ以上のプリズム、もしくは１つ又はそれ以上の反射器および１つ又はそれ以上のプリズムの組合せを備えることを特徴とする請求項４に記載の光源装置。
6. 前記第１の光源は、発光ダイオードを含み、前記発光面が前記発光ダイオードの表面であることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
7. 前記第１の光源は、
   第１の波長を有する第１の励起光を放出する第１の発光ダイオードと、
   前記第１の発光ダイオードによって放出される前記第１の励起光を吸収し、前記第１の波長よりも長い波長を有する変換光を放出する少なくとも１つの波長変換材料を有する波長変換素子と、
   を含み、
   前記発光面は、前記波長変換材料の表面であることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
8. 前記波長変換素子は、２つ又はそれ以上の異なる波長変換材料を有し、前記第１の励起光に２つ又はそれ以上の異なる前記波長変換材料を交互に露出させるように移動可能であることを特徴とする請求項７に記載の光源装置。
9. 前記第１の発光ダイオードから前記波長変換素子に前記第１の励起光を送達するための送達光学素子を更に備えることを特徴とする請求項７に記載の光源装置。
10. 前記波長変換素子は、逆進行する変換光を前記光リサイクルシステムに向かって順方向に反射するために、前記波長変換材料と前記送達光学素子との間に配置されたダイクロイックフィルタを更に含むことを特徴とする請求項９に記載の光源装置。
11. エアギャップは、前記ダイクロイックフィルタと前記波長変換材料との間に設けられていることを特徴とする請求項１０に記載の光源装置。
12. 第２の波長を有する第２の励起光を放出する第２の発光ダイオードと、
    前記第２の発光ダイオードによって放出される前記第２の励起光を吸収し、前記第２の波長よりも長い波長を有する変換光を発光する前記波長変換材料に前記第２の励起光を案内するように、前記光リサイクルシステムと協働する光学系と、
    を更に備えることを特徴とする請求項７に記載の光源装置。
13. 前記第２の発光ダイオードは、前記光リサイクルシステムの後方に配置され、前記光リサイクルシステムは、前記変換光を反射し、前記第２の励起光を透過するダイクロイック素子を含むことを特徴とする請求項１２に記載の光源装置。
14. 前記光学系は、中空又は中実の複合放物面集光器（Ｃｏｍｐｏｕｎｄ Ｐａｒａｂｏｌｉｃ Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ、ＣＰＣ）を含み、前記ダイクロイック素子は、前記ＣＰＣの出力ポートに配置されていることを特徴とする請求項１３に記載の光源装置。
15. 前記光学系は、中空の複合放物面集光器（ＣＰＣ）と前記中空のＣＰＣの出力ポートの近傍に配置されたレンズを含み、又は中実のＣＰＣと前記中実のＣＰＣの出力ポートの近傍に配置されたレンズを含み、又は湾曲出力面を有する中実のＣＰＣを含むことを特徴とする請求項１に記載の光源装置。