JP6396419B2 - 波長変換素子を有する発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、発光装置に関する。特に、本発明は、波長変換素子を有する改良された発光装置に関する。

エネルギー効率がより高い新たな照明デバイスの開発は、社会が直面する重要な技術的課題の１つである。従来の照明ソリューションよりもエネルギー効率が高い一般的な技術は、多くの場合、発光ダイオード（ＬＥＤ）に基づく。スポットライト及びデジタル光投射を含む多くのアプリケーションにとって、高強度光源は関心の対象である。これらの目的のために、透明度が高い発光材料内で短い波長の光を長い波長の光に変換する波長変換素子が使用され得る。出射光の強度を高めるために、長い波長の光は、波長変換素子の単一の面から取り出され得る。

しかし、このようなアプリケーションでは、光源からの光を、波長変換を提供するためにしばしば透明な蛍光体を含む波長変換素子内に効果的に導入することが重要である。また、ＬＥＤが発光層と光導入する箇所からの光損失を防ぐために、生成された光を発光層内に保持することが望ましい。ＵＳ７９８２２２９は、青色ＬＥＤから光を受け取り、光をより長い波長の光に変換し、変換された光を最終的な明るさが高くなり得る出口面に誘導する蛍光体を含む変換構造を開示する。更に、光源と透明発光材料との間に光接触が無いことが提案されている。このような構成では、光がより長い波長に変換されるのに伴い、発光要素内でエネルギーが消費される。生成された熱が発光層から輸送されない場合、かかる要素内の温度は相当に上昇することになる。光源と波長変換素子との間に光接触を用いる場合、冷却が向上して温度が下がり得るが、同時に、光接触は、波長変換素子内で生成された光を光接触を介して周囲媒体に失わせるおそれがある。

発光装置の上記所望の特性に照らして、本発明の一般的な課題は、改良された発光装置により、発光装置の改良されたパフォーマンスを実現することである。

本発明の第１の側面によれば、上記及び他の目的は、光出口面を有する光源と、光を第１の波長から第２の波長に変換するよう構成された、光出口面及び光入口面を有する波長変換素子と、ヒートシンクと、波長変換素子と接触し、ヒートシンクと熱接続するよう配置された光導入素子とを含み、光導入素子は、波長変換素子の屈折率よりも低い屈折率を有するよう選択される、発光装置によって達成される。

本発明は、光導入素子の屈折率を、光導入素子が接触する波長変換素子の屈折率より低くなるよう適合させることにより、光導入素子が、波長変換素子と光導入素子との間の界面で外部導入される光による損失を減らしつつ、波長変換素子からヒートシンクへの効率的な熱伝達を可能にするという認識に基づく。したがって、光源によって生成された光の大部分が、発光装置内の波長変換素子の光出口面から出射される。

発光装置では、装置の目的が照明の供給であり、発光装置一般的にはＬＥＤである光源は、この機能を提供する主要素である。波長変換素子は、光を第１の波長から第２の波長に変換し、変換された光及び変換されていない光を光出口面に誘導するよう構成される。この変換は、第１の複数の波長（すなわち、第１のスペクトラム）から第２の複数の波長（すなわち、第２のスペクトラム）であってもよいことに留意されたい。更に、波長変換素子は、典型的には、蛍光体を含む発光構造の形態で提供される。光導入素子は、波長変換素子とヒートシンクとの間の熱結合を提供すると理解され、これは、過度の高温に起因する故障又はパフォーマンスの低下を起こすことなく、波長変換素子がより長い期間又は永続的に光をより効率的に変換することを可能にする。光導入素子の屈折率は、所与の波長に関して光導入素子と波長変換素子との間の界面で反射される光の割合を決定する。波長変換素子と光導入素子との間の界面に衝突する光の大部分が反射され、よって、変換された光の大部分が所望の方向に出射され得るよう、波長変換素子の屈折率に対して低い光導入素子の屈折率が選択される。同時に、波長変換素子に関連して光導入素子の屈折率を設定することは、大部分の光が界面を介して光導入素子から波長変換素子に通過することを可能にする。これは、波長変換素子内で変換される光の割合を増やし、よって、大部分の光が発光装置によって所望の方向に出射される。

本発明の一実施形態によれば、光源は、ヒートシンクと接触するよう配置され、光導入素子は、光源の光出口面と波長変換素子の光入口面との間に、両者に接触するよう配置され得る。

ヒートシンクは光源と熱結合し、光導入素子は光源と波長変換素子との間に、両者に接触するよう配置される。このような構成によれば、光導入素子は波長変換素子から光源に熱を伝達し、光源はヒートシンクに熱を伝達する。この場合、発光装置全体が、実質的に同様な温度に保たれる。更に、波長変換素子と光源との間に配置された光導入素子は、光源からの光を波長変換素子内に誘導し、これは、大部分の光が波長変換素子に入ることを可能にする。

本発明の一実施形態では、光導入素子は、ヒートシンクと波長変換素子との間に挟まれ、光源は、波長変換素子の光入口面から距離を空けて配置され得る。

光導入素子をヒートシンクと波長変換素子との間に挟むことにより、すなわち、両者に接触するよう間に配置することにより、光導入素子は、波長変換素子からヒートシンクに熱を伝達することができる。距離を空けて配置された光源は、波長変換素子から熱的に分離される。したがって、使用中に光源によって生成された熱は、波長変換素子に実質的に影響を及ばさない。

本発明の一実施形態によれば、光導入素子の屈折率は、１．０〜１．７、好ましくは１．１〜１．６、最も好ましくは１．２〜１．５の範囲内であり、波長変換素子の屈折率は、１．５〜２．０、好ましくは１．７〜１．９の範囲内、最も好ましくは１．８であり得る。光導入素子の屈折率と波長変換素子の屈折率との任意の組み合わせが可能だが、好ましくは、波長変換素子の屈折率が光導入素子の屈折率よりも高い。

屈折率に関して上記で与えられた範囲及び値は、好適には、波長変換素子と光導入素子との間の界面における大きな程度の全内部反射（ＴＩＲ；total internal reflection）を提供することがわかった。更に、上記の屈折率の範囲及び値は、波長変換素子と周囲媒体（例えば、空気）との間の界面における大きな程度のＴＩＲも提供する。

本発明の他の実施形態によれば、光導入素子は、１００μｍ未満の厚さを有し得る。

１００μｍ未満の厚さは、光導入素子によって光の大部分を光導入素子から波長変換素子内に導入することを可能にする。また、光導入素子は、波長変換素子から光源への熱伝達に影響し、１００μｍ未満の厚さは、光導入素子を介する効果的な素早い熱伝達を好適に可能にする。

本発明の一実施形態によれば、光源の光出口面は、光を拡散反射するよう設定された所定の表面粗さＲ_Ａを有し得る。

本発明の他の実施形態によれば、波長変換素子に面するヒートシンクの表面は、光を拡散反射するよう設定された所定の表面粗さＲ_Ａを有し得る。

拡散反射面は、自身に衝突する光を、面から離れるあらゆる方向（角度）に反射する。通常のミラー（反射）面は、良く知られた反射の法則に従い、入射光を入射角と等しい反射角で反射する。光を拡散反射するよう表面を構成することは、光源の光出口面、又は波長変換素子に面するヒートシンクの表面に入射する光の大部分が、光導入素子を介して波長変換素子に戻るよう誘導されることを可能にする角度を得ることを可能にする。

本発明の他の実施形態によれば、波長変換素子は、単結晶材料及び／又はモノリシック多結晶材料を含み得る。単結晶材料及び／又はモノリシック多結晶材料は光学的に等方であり、且つ複屈折性ではなく、これらは、波長変換素子に組み込まれることが好ましい効果である。光学的に等方であり且つ複屈折性でない材料は、波長変換素子内での向上された光の制御を可能にする。

本発明の一実施形態によれば、波長変換素子は、Ｃｅドープイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ、Ｙ_３ＡＬ_５Ｏ_１２）、ルテチウム・アルミニウム・ガーネット（ＬｕＡＧ）、ＬｕＧａＡＧ、又はＬＵＹＡＧを含み得る。ＹＡＧ、ＬＵＡＧ、ＬｕＧａＡＧ、及びＬｕＹＡＧは、好適な範囲内の屈折率を有し、且つ光を変換し得るため、波長変換素子として使用される。

本発明の他の実施形態では、光導入素子は、有機若しくはシリコーンベースのオイル若しくは接着剤、又はポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフルオロポリマーを含み得る。有機若しくはシリコーンベースのオイル若しくは接着剤、及びフルオロポリマーは、好適な範囲内の屈折率を与え、且つ熱を伝導することができる。

本発明の一実施形態では、波長変換素子は、好適には、光出口面が光出口面の反対側に配置された面よりも大きいよう、成形され得る。したがって、波長変換素子は、好適には、くさび又は錐台として成形され得る。反対側の面に対して光出口面のサイズを大きくすることは、光出口面の反対側の表面において反射された光の大部分が、光出口面を介して出射されることを可能にする。更に、波長変換素子をくさび又は錐台として成形することにより、他の面が光出口面に光を向けるよう、より大きな光出口面を選択することができる。

本発明の一実施形態では、発光装置は、少なくとも、波長変換素子の光出口面の反対側の波長変換素子の面に面して、距離を空けて配置された少なくとも１つの反射要素を更に含み得る。反射要素は、好適には、望ましくない面において波長変換素子と周囲媒体との間の界面を通過した光を反射して波長変換素子内に戻すために使用される。反射要素は、ミラー又は拡散反射体である。市販されているミラーの商業的な代替物は、ＭＩＲＯ−Ｓｉｌｖｅｒ（ＡＬＡＮＯＤ）であり、拡散反射要素の他の代替物は、ＭＣＰＥＴ（micro cellular polyethylene terephtalate）であり得る。

本発明の一実施形態によれば、好適には、少なくとも１つの反射要素は、波長変換素子から第１及び第２の波長よりも長い距離を空けて配置され得る。反射要素を波長変換素子から分離することは、波長変換素子と周囲媒体との間の界面を通過した光の部分が反射されて波長変換素子内に戻ることを保証する。更に、反射体を第１及び第２の波長より長い距離離して配置することは、反射体を波長変換素子から光学的に分離するという効果を有する。

本発明の一実施形態によれば、光出口面及び光入口面は、互いに対してゼロではない角度で延びる。言い換えれば、光出口面及び光入口面は、互いに平行でない平面内に延在する。このようにすることで、より多くの光が波長変換素子内に導入され、最適な多量の光が全内部反射（ＴＩＲ）によって光出口面に誘導される発光装置が得られる。これは、導光体としての役割も果たす波長変換素子から光出口面以外の面を通って出ることによる光の損失の量を減らし、強度、よって光出口面及び光入口面は互いにゼロではない角度で延在し光出口面を通って出射される光の明るさを高める。一実施形態では、光出口面及び光入口面は互いに直交する。

本発明の他の特徴及び利点は、特許請求の範囲及び以下の説明を精読することにより明らかになるであろう。当業者は、本発明の範囲から逸脱することなく、本発明の異なる特徴を組み合わせて、後述される実施形態以外の実施形態がつくられ得ることを認識する。

以下、本発明の実施形態を示す添付の図面を参照しながら、本発明の上記及び他の側面をより詳細に説明する。

図１は、出口蛍光体を有する発光装置の立体斜視図を示す。 図２は、透過モードで発光している蛍光体ホイールを有する発光装置の断面図を示す。 図３は、反射モードで発光している蛍光体ホイールを有する発光装置の断面図を示す。 図４は、出口面に光学素子を有する導光体の側面図を示す。 図５は、出口面に集光素子を有する導光体の側面図を示す。 図６は、成形された光出口面を提供するよう、その長さ全体に渡って成形された導光体の斜視図を示す。 図７は、成形された光出口面を提供するよう、その長さの一部に渡って成形された導光体の側面図を示す。 図８は、部分的に粗面化された光出口面を有する導光体の斜視図を示す。 図９は、フィルタリングされた光出力を供給するためのフィルタ、及びフィルタリングされた光出力を追加の光源からの光と導入するためのダイクロイック光学素子を出口面に有する導光体の側面図を示す。 図１０は、第１の光入力面とは異なる導光体の面に配置された第２の光源を有する導光体を示す。 図１１Ａは、導光体の面に隣接して配置されたヒートシンク要素を有する導光体の実施形態を示す。 図１１Ｂは、導光体の面に隣接して配置されたヒートシンク要素を有する導光体の他の実施形態を示す。 図１２Ａ〜図１２Ｄは、導光体の光出口面に隣接して配置された偏光子を有する導光体の４つの異なる実施形態を示す。 図１３は、本発明の一実施形態に係る発光装置の斜視図である。 図１４は、本発明の他の実施形態に係る発光装置の斜視図である。 図１５は、本発明の他の実施形態に係る発光装置の側面図である。

図中、層、要素、及び領域のサイズは説明の目的上強調されており、本発明の実施形態の一般的な構造を説明するために提供されている。同様な参照番号は一貫して同様な要素を指し、例えば、本発明に係る発光装置は一般的に１によって表される一方、その具体的な異なる実施形態は、一般的な参照番号に０１、０２、０３．．．を加えて表される。本発明に係る発光装置の実施形態のいずれかに付与され得る様々な特徴及び要素を示す図１〜図１２Ｄでは、これらの図に特有の要素を除く全ての要素に「００」が加えられている。

以下、本発明の現在好適な実施形態を示す添付の図面を参照しながら、本発明をより詳細に説明する。ただし、本発明は多様な形態で具現化することができ、本明細書に記載される実施形態に限定されると解されるべきではない。これらの実施形態は徹底さ及び完全さのために提供され、本発明の範囲を十分に当業者に伝える。

まず、本発明に係る発光装置の様々な要素及び特徴の用途、適切な光源及び適切な材料についての一般論を記す。その後、本発明に係る発光装置の実施形態のいずれかに付与され得る様々な特徴及び要素が、図１〜図１２Ｄを参照しながら説明される。最後に、本発明に係る発光装置のいくつかの具体的な実施形態が図１３〜図１５を参照しながら詳細に説明される。

本発明に係る発光装置は、限定はされないが、ランプ、照明モジュール、照明器具、スポットライト、フラッシュライト、プロジェクター、デジタル投影装置、自動車のヘッドライト又はテールランプ等の自動車照明、アリーナ照明、劇場照明、及び建築照明を含む用途に使用することができる。

本発明に係る発光装置は、動作中、第１のスペクトル分布の光を発するよう構成された光源を含む。この光はその後、入射光の波長を別の波長範囲に変換するよう構成された導光体内に導入される。本発明の説明において、導光体は波長変換素子又は導波路とも呼ばれる。導光体は第１のスペクトル分布の光を別のスペクトル分布に変換し、光を出口面に誘導する。原則的に、光源は任意の種類の点光源であり得るが、一実施形態では、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザーダイオード、若しくは有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）、複数のＬＥＤ、レーザーダイオード、若しくはＯＬＥＤ、又はＬＥＤ、レーザーダイオード、若しくはＯＬＥＤのアレイ等の固体光源である。原則的に、ＬＥＤは任意の色のＬＥＤであり、一実施形態では、３８０ｎｍ〜４９５ｎｍの波長範囲と規定される青色域の光源光を生成する青色光源である。他の実施形態では、光源はＵＶ又は紫色光源、すなわち、４２０ｎｍ未満の波長範囲の光を発する光源である。ＬＥＤ、レーザーダイオード、又はＯＬＥＤが複数又はアレイの場合、原則的に、ＬＥＤ、レーザーダイオード、又はＯＬＥＤは、限定はされないが、ＵＶ、青色、緑色、黄色、又は赤色等、２つ以上の異なる色のＬＥＤ、レーザーダイオード、又はＯＬＥＤであり得る。

他の実施形態では、光源は赤色光源、すなわち、例えば６００ｎｍ〜８００ｎｍの波長範囲の光を発する光源である。このような赤色光源は、例えば、直接赤色光を発し又は光源光を赤色光に変換するのに適した蛍光体を有する上記のいずれかのタイプの赤色光源であり得る。この実施形態は、光源光をＩＲ光、すなわち、約８００ｎｍより高い波長を有する光であって、適切な実施形態では８１０〜８５０ｎｍの範囲内のピーク強度を有する光に変換するよう構成された導光体と組み合わせられると、好適である。一実施形態では、好ましくは、かかる導光体はＩＲ発光蛍光体を含む。これらの特性を備える発光装置は、暗視システムでの使用に特に有利であるが、任意の上記用途に使用され得る。

一部の実施形態では、導光体は、一般的に、互いに垂直方向に延びる高さＨ、幅Ｗ、及び長さＬを有する棒状又はバー状の導光体であり、一実施形態では、透明且つ発光性である。

高さＨは、好ましくは＜１０ｍｍ、より好ましくは＜５、最も好ましくは＜２ｍｍである。幅Ｗは、好ましくは＜１０ｍｍ、より好ましくは＜５、最も好ましくは＜２ｍｍである。長さＬは、好ましくは幅Ｗ及び高さＨより大きく、より好ましくは少なくとも幅Ｗの２倍又は高さＨの２倍であり、最も好ましくは少なくとも幅Ｗの３倍又は高さＨの３倍である。高さＨ：幅Ｗの縦横比は、典型的には１：１（例えば、一般的な光源用途の場合）、又は１：２、１：３、若しくは１：４（例えば、ヘッドライト等の特殊な光源用途の場合）、又は４：３、１６：１０、１６：９、若しくは２５６：１３５（例えば、ディスプレイ用途の場合）である。

一部の実施形態では、一般的に、導光体は光入力面及び光出口面を有する。光出口面は任意の形状を有し得るが、一実施形態では、正方形、長方形、円形、楕円形、三角形、五角形、六角形である。

一般的に棒状又はバー状の導光体は、任意の断面形状を有し得るが、一部の実施形態では、正方形、長方形、円形、楕円形、三角形、五角形、又は六角形の断面を有する。一部の実施形態では、導光体は一般的に直方体であるが、光入力面がいくらか台形の形状を有する、直方体以外の形状を有してもよい。このようにすることで、光束を更に大きくすることができ、これは、用途によっては有益であり得る。

導光体の実施形態に適した材料は、ｎ＝１．７の屈折率を有するサファイア、多結晶アルミナ、及び／又はＹＡＧ、ＬｕＡＧ等のアンドープ透明ガーネットである。この材料の（例えば、ガラスに対する）追加の利点は、良好な熱伝導性を有し、局所的な加熱を低減することである。他の適切な材料は、限定はされないが、ガラス、石英、及び透明なポリマーを含む。他の実施形態では、導光体材料は鉛ガラスである。鉛ガラスは、通常のカリガラスのカルシウム分を鉛が置換するガラスの一種であり、これにより、屈折率を高くすることができる。通常のガラスの屈折率はｎ＝１．５であるが、鉛を添加することで、１．７までの屈折率が得られる。

導光体又は導波路は、光を別のスペクトル分布に変換するための発光材料を含む。本発明の実施形態での使用に適した発光材料は、ドープＹＡＧ、ＬｕＡＧ等の無機蛍光体、有機蛍光体、有機蛍光色素、及び、本発明の実施形態の目的に非常に適した量子ドットを含む。

量子ドットは、一般的にわずか数ナノメートルの幅又は直径を有する半導体材料の小さな結晶である。入射光によって励起されると、量子ドットは結晶のサイズ及び材料によって決定される色の光を発する。したがって、ドットのサイズを調整することにより、特定の色を作り出すことができる。可視域で発光する既知の量子ドットのほとんどは、硫化カドミウム（ＣｄＳ）及び硫化亜鉛（ＺｎＳ）等のシェルを有するセレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）をベースとする。リン化インジウム（ＩｎＰ）、硫化銅インジウム（ＣｕＩｎＳ_２）、及び／又は硫化銀インジウム（ＡｇＩｎＳ_２）等、カドミウムを含まない量子ドットを使用することも可能である。量子ドットは非常に狭い発光帯を呈し、よって飽和色を呈する。更に、量子ドットのサイズを調整することによって、発光色を容易に調節することができる。当該分野で知られる任意の種類の量子ドットが、本発明の実施形態において使用され得る。しかし、環境に関する安全及び懸念の理由から、カドミウムを含まない量子ドット、又は、少なくともカドミウム含有量が非常に少ない量子ドットを使用することが好ましい可能性がある。

有機蛍光色素を使用することもできる。スペクトルピーク位置が適合し得るよう、分子構造が設計することができる。適切な有機蛍光色素材料の例は、ペリレン誘導体をベースとする有機発光材料、例えば、ＢＡＳＦによってＬｕｍｏｇｅｎ（登録商標）という品名で販売されている化合物である。適切な化合物の例は、限定はされないが、Ｌｕｍｏｇｅｎ（登録商標）Ｒｅｄ Ｆ３０５、Ｌｕｍｏｇｅｎ（登録商標）Ｏｒａｎｇｅ Ｆ２４０、Ｌｕｍｏｇｅｎ（登録商標）Ｙｅｌｌｏｗ Ｆ０８３、及びＬｕｍｏｇｅｎ（登録商標）Ｆ１７０を含む。

当然ながら、発光材料は無機蛍光体であってもよい。無機蛍光物質の例は、限定はされないが、セリウム（Ｃｅ）ドープＹＡＧ（Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２）又はＬｕＡＧ（Ｌｕ_３Ａｌ_５Ｏ_１２）を含む。ＣｅドープＹＡＧは黄色がかった光を発し、一方、ＣｅドープＬｕＡＧは黄緑色がかった光を発する。赤色光を発する他の無機蛍光物質の例は、限定はされないが、ＥＣＡＳ及びＢＳＳＮを含み、ここで、ＥＣＡＳはＣａ_１−ｘＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕ_ｘであり（０＜ｘ≦１、好ましくは０＜ｘ≦０．２）、ＢＳＳＮはＢａ_{２−ｘ−ｚ}ＭｘＳｉ_５−ｙＡｌ_ｙＮ_８−ｙＯ_ｙ：Ｅｕ_ｚである（Ｍ＝Ｓｒ又はＣａ、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦４、且つ０．０００５≦ｚ≦０．０５、好ましくは０≦ｘ≦０．２）。

本発明の一実施形態によれば、発光材料は、基本的には、（Ｍ＜Ｉ＞_{１−ｘ−ｙ}Ｍ＜ＩＩ＞_ｘＭ＜ＩＩＩ＞_ｙ）_３（Ｍ＜ＩＶ＞_１−ｚＭ＜Ｖ＞_ｚ）_５Ｏ_１２−（Ｍ＜Ｉ＞はＹ、Ｌｕ、又はこれらの混合を含むグループから選択され、Ｍ＜ＩＩ＞はＧｄ、Ｌａ、Ｙｂ、又はこれらの混合を含むグループから選択され、Ｍ＜ＩＩＩ＞はＴｂ、Ｐｒ、Ｃｅ、Ｅｒ、Ｎｄ、Ｅｕ、又はこれらの混合を含むグループから選択され、Ｍ＜ＩＶ＞はＡｌであり、Ｍ＜Ｖ＞はＧａ、Ｓｃ、又はこれらの混合を含むグループから選択され、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．１、０≦ｚ≦１）、（Ｍ＜Ｉ＞_{１−ｘ−ｙ}Ｍ＜ＩＩ＞_ｘ，Ｍ＜ＩＩＩ＞_ｙ）_２Ｏ_３−（Ｍ＜Ｉ＞はＹ、Ｌｕ、又はこれらの混合を含むグループから選択され、Ｍ＜ＩＩ＞はＧｄ、Ｌａ、Ｙｂ、又はこれらの混合を含むグループから選択され、Ｍ＜ＩＩＩ＞はＴｂ、Ｐｒ、Ｃｅ、Ｅｒ、Ｎｄ、Ｅｕ、Ｂｉ、Ｓｂ、又はこれらの混合を含むグループから選択され、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．１）、（Ｍ＜Ｉ＞_{１−ｘ−ｙ}Ｍ＜ＩＩ＞_ｘＭ＜ＩＩＩ＞_ｙ）Ｓ_１−ｚＳｅ_ｚ−（Ｍ＜Ｉ＞はＣａ、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｂａ、又はこれらの混合を含むグループから選択され、Ｍ＜ＩＩ＞はＣｅ、Ｅｕ、Ｍｎ、Ｔｂ、Ｓｍ、Ｐｒ、Ｓｂ、Ｓｎ、又はこれらの混合を含むグループから選択され、Ｍ＜ＩＩＩ＞はＫ、Ｎａ、Ｌｉ、Ｒｂ、Ｚｎ、又はこれらの混合を含むグループから選択され、０≦ｘ≦０．０１、０≦ｙ≦０．０５、０≦ｚ≦１）、（Ｍ＜Ｉ＞_{１−ｘ−ｙ}Ｍ＜ＩＩ＞_ｘＭ＜ＩＩＩ＞_ｙ）Ｏ−（Ｍ＜Ｉ＞はＣａ、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｂａ、又はこれらの混合を含むグループから選択され、Ｍ＜ＩＩ＞はＣｅ、Ｅｕ、Ｍｎ、Ｔｂ、Ｓｍ、Ｐｒ、又はこれらの混合を含むグループから選択され、Ｍ＜ＩＩＩ＞はＫ、Ｎａ、Ｌｉ、Ｒｂ、Ｚｎ、又はこれらの混合を含むグループから選択され、０≦ｘ≦０．１、０≦ｙ≦０．１）、（Ｍ＜Ｉ＞_２−ｘＭ＜ＩＩ＞_ｘＭ＜ＩＩＩ＞_２）Ｏ_７−（Ｍ＜Ｉ＞はＬａ、Ｙ、Ｇｄ、Ｌｕ、Ｂａ、Ｓｒ、又はこれらの混合を含むグループから選択され、Ｍ＜ＩＩ＞はＥｕ、Ｔｂ、Ｐｒ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｔｍ、又はこれらの混合を含むグループから選択され、Ｍ＜ＩＩＩ＞はＨｆ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ、又はこれらの混合を含むグループから選択され、０＜＝ｘ＜＝１）、（Ｍ＜Ｉ＞_１−ｘＭ＜ＩＩ＞_ｘＭ＜ＩＩＩ＞_１−ｙＭ＜ＩＶ＞_ｙ）Ｏ_３−（Ｍ＜Ｉ＞はＢａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｌａ、Ｙ、Ｇｄ、Ｌｕ、又はこれらの混合を含むグループから選択され、Ｍ＜ＩＩ＞はＥｕ、Ｔｂ、Ｐｒ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｔｍ、又はこれらの混合を含むグループから選択され、Ｍ＜ＩＩＩ＞はＨｆ；Ｚｒ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ、又はこれらの混合を含むグループから選択され、Ｍ＜ＩＶ＞はＡｌ、Ｇａ、Ｓｃ、Ｓｉ、又はこれらの混合を含むグループから選択され、０≦ｘ≦０．１、０≦ｙ≦０．１）、又はこれらの混合を含むグループから選択される材料からなる。

しかし、特に適切な発光材料は、Ｃｅドープイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２）、及びルテチウム・アルミニウム・ガーネット（ＬｕＡＧ）である。

２つ以上の発光導光体は、それぞれ、青色域、緑色域、又は赤色域内の異なる中心発光波長を有する。青色域は３８０〜４９５ｎｍと定められ、緑色域は４９５〜５９０ｎｍと定められ、赤色域は５９０〜８００ｎｍと定められる。

次に、図１を参照して、第１のスペクトル分布の入射光を第２の異なるスペクトル分布の光に変換するよう構成された導光体４００を含む一実施形態に係る発光装置１０００の立体斜視図が示されている。

図１に示される導光体４００は、ＵＶから青色波長変換素子の形態の第１の変換部６１１００、及び、第１の変換部６１１００からの青色光入力に基づき白色光１４を発するよう構成された蛍光体の形態の第２の変換部６１２００を有する波長変換素子構造６０００を含む、又は、として構成される点で、本明細書に記載される他の実施形態と異なる。したがって、図１に示される発光装置１０００は、ＵＶから青色波長域の光を発する複数のＬＥＤ２１００、２２００、２３００の形態の光源を含む。ＬＥＤ２１００、２２００、２３００は、ベース又は基板１５００上に配置される。具体的には、第１の変換部６１１００は、一実施形態ではユウロピウム及び／又はテルビウムである希土類イオンによってドーピングされた多結晶立方晶イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）からなり、第２の変換部６１２００は黄色蛍光体である。一実施形態では、第１の変換部６１１００は直方体又はバー状である。

本実施形態は、光出口面の表面積が、直接発光ＬＥＤからなる光源を構築するのに必要な表面積よりも小さいという利点を有する。これにより、エタンデュにおいて利益を得ることができる。

青色又はＵＶ光源を用いて白色光を生成する方法の代替案は、限定はされないが、以下を含む。
− ＬＥＤが青色光を発し、第１の変換部６１１００内で緑色／青色光に変換され、その後、赤色蛍光体として設けられた第２の変換部によって白色光に変換される、及び
− ＬＥＤが青色光を発し、第１の変換部６１１００内で緑色光に変換され、その後、赤色及び青色光と混合されて白色ＬＥＤ光源を作り出し、ここで、混合は、前方に拡散体が配置された赤色蛍光体の形態の第２の変換部によって達成される。

本発明の実施形態に係る蛍光体の選択肢を、各々が発光可能な最大波長と共に下表１に示す。

図２及び図３は、導光体４０１を含み、第１のスペクトル分布を有する入射光を、第１のスペクトル分布とは異なる第２のスペクトル分布を有する光に変換するよう構成された一実施形態に係る発光装置１００１を示す。

図２及び図３に示される導光体４０１は、回転可能な蛍光体ホイール１６の形態で提供された第２の変換部６１２００を有する波長変換構造を含み又はとして構成され、また、第１の変換部６１１００と第２の変換部６１２００又は蛍光体ホイール１６との間に配置された導入素子７００を更に含む点で、本明細書に記載される他の実施形態と異なる。

発光装置１００１は、更に、ベース又は基板１５００上に配置された複数のＬＥＤ２１００、２２００、２３００の形態の光源を含む。

複数のＬＥＤ２１００、２２００、２３００は、図示の実施形態では透明材料からなる第１の変換部６１１００をポンピングして、緑色又は青色光等の第３のスペクトル分布を有する光１７００を生成するために使用される。この場合、回転軸１６２まわりに回転方向１６１に回転している蛍光体ホイール１６は、光１７００を赤色及び／又は緑色光等の第２のスペクトル分布を有する光１４００に変換するために使用される。原則的に、光１７００及び光１４００の任意の色の組み合わせが実施可能であることに留意されたい。

蛍光体ホイール１６の垂直側面図を示す図２に示されるように、蛍光体ホイール１６は透明モードで使用され、すなわち、片側において入射光１７００が蛍光体ホイール１６に入射し、蛍光体ホイール１６を通過して、光出口面４２００を形成する反対側から出射される。

代わりに、蛍光体ホイール１６は反射モードで使用されてもよく、すなわち、光が蛍光体ホイール１６に入射する面と同じ面から光が出射されるよう使用されてもよい（蛍光体ホイール１６の水平断面図を示す図３を参照されたい）。

蛍光体ホイール１６は、全体に渡り１つの蛍光体を含んでもよい。あるいは、蛍光体ホイール１６は、光１７００の一部が変換されることなく通過し得るよう、蛍光体を一切含まないセグメントを含んでもよい。このようにすることで、順次他の色を生成することができる。他の変形例では、蛍光体ホイール１６は、多色光出力を作り出すために、例えば黄色、緑色、及び赤色光を発する蛍光体のセグメント等、複数の蛍光体セグメントを含んでもよい。他の変形例では、発光装置１００１は、蛍光体ホイール１６上にピクセル化された蛍光体−反射体パターンを用いることによって白色光を生成するよう構成されてもよい。

一実施形態では、導入素子７００は、蛍光体ホイール１６に入射する光１７００をコリメートするのに適した光学素子であるが、例えば上記の導入媒体又は導入構造７００等の導入媒体又は導入構造であってもよい。

発光装置１００１は、更に、追加のレンズ及び／又はコリメータを含み得る。例えば、光源２１００、２２００、２３００によって発せられた光、及び／又は、発光装置１００１によって発せられた光１４００をコリメートするよう、追加の光学素子が配置されてもよい。

図４は、一実施形態に係る導光体４０２を示す。導光体４０２は、透明な導光体又は第１のスペクトル分布の光を第２のスペクトル分布の光に変換するよう構成された導光体であり得る。図４に示される導光体４０２は、導光体４０２の光出口面４２００と光接続する光入力ファセット８０６を備えた光学素子８０１を含む点で、本明細書に記載される他の実施形態と異なる。

光学素子８０１は、高い屈折率、一実施形態では導光体４０２の屈折率以上の屈折率を有する材料からなり、四角形の断面並びに２つのテーパ状の側面８０３及び８０４を有する。テーパ状の側面８０３及び８０４は、導光体４０２の光出口面４２００から外側に傾き、光学素子８０１の光出口ファセット８０５は、光入力面８０６及び導光体４０２の光出口面４２００のどちらよりも大きな表面積を有する。あるいは、光学素子８０１は３つ以上の、特に４つのテーパ状の側面を有してもよい。変形例では、光学素子８０１は、円形の断面及び１つの円周状のテーパ状の側面を有する。

このような構成によれば、光は傾斜面８０３及び８０４において反射され、光出口ファセット８０５は光入力ファセット８０６よりも大きいため、光が光出口ファセット８０５に衝突した場合、脱出する可能性が高い。側面８０３及び８０４の形状は曲面でもよく、全ての光が光出口ファセット８０５から出るよう選択され得る。

図５は、一実施形態に係る導光体４０３を示す。導光体４０３は、透明な導光体又は第１のスペクトル分布の光を第２のスペクトル分布の光に変換するよう構成された導光体であり得る。図５に示される導光体４０３は、導光体４０３の光出口面４２００に配置された集光素子８０２を含む点で、本明細書に記載される他の実施形態と異なる。

集光素子８０２は高い屈折率、一実施形態では、導光体４０３の屈折率以上の屈折率を有する複合体等の材料からなり、四角形の断面並びに２つの曲面８０３及び８０４を有する。曲面８０３及び８０４は、導光体４０３の光出口面４２００から外側に曲がり、集光素子８０２の光出口面８０５は、導光体４０３の光出口面４２００よりも大きい表面積を有する。あるいは、集光素子８０２は、３つ以上の、特に４つのテーパ状の側面を有してもよい。変形例では、集光素子８０２は円形の断面及び１つの円周状のテーパ状の側面を有する。一実施形態では、曲面８０３、８０４は放物線状である。

変形例において、湾曲側面８０３及び８０４を有する集光素子８０２の屈折率が導光体４０３の屈折率よりも低く（しかし、空気の屈折率よりは高く）選択された場合、依然として相当な量の光を取り出すことができる。これは、高い屈折率を有する材料からなるものと比較して、製造が容易且つ安価な集光素子８０２を可能にする。例えば、導光体４０３がｎ＝１．８の屈折率を有し、集光素子８０２がｎ＝１．５（ガラス）の屈折率を有する場合、係数２の光出力のゲインが達成され得る。ｎ＝１．８の屈折率の集光素子８０２の場合、ゲインは更に約１０％高くなる。

実際には、光学素子８０１又は集光素子８０２と、一般的には空気である外部媒体との間の界面においてフレネル反射が存在するため、全ての光は取り出されない。これらのフレネル反射は、適切な反射防止コーティング、すなわち１／４λ誘電体多層膜又は蛾の目構造を使用することによって低減され得る。光出口ファセット８０５上の位置に応じた光出力が不均一な場合、例えばコーティングの厚さを変えることによって、反射防止コーティングのカバレッジが変更され得る。

図４及び図５に示される上記構造のいずれかを使用することにより、高い屈折率の導光体材料から空気等の低い屈折率の材料に光を取り出すことに関する問題、特に取り出し効率に関する問題が解決される。高い屈折率の太陽電池に光が取り出されるＬＳＣ（luminescent solar concentrator）とは状況が異なる。例えば、変換素子の屈折率がｎ＝１．８の場合、空気に対する全内部反射（ＴＩＲ）のための臨界角は３４°である。側面の垂線に対してこれ以上の角度を有する光は、ＴＩＲによって出口面に誘導される。しかし、３４°の角度の光は出口面に（出口面の垂線に対して）５６°で衝突し、反射される。（出口面の垂線に対して）３４°未満の角度の光だけが脱出する。理想的な導光体では、３４°〜５６°の角度の光は永久に循環する。

図５に示される複合パラボラ集光素子（ＣＰＣ）の興味深い特徴の１つは、光のエタンデュ（＝ｎ^２×面積×立体角（ｎは屈折率））が保存されることである。ＣＰＣの光入力ファセット８０６の形状及びサイズは、導光体４０３の光出口面４２００の形状及びサイズに適合させることができ、この逆も成り立つ。ＣＰＣの大きな利点は、入射光の分布が、所与のアプリケーションの許容可能なエタンデュに最適に適合する光分布に変更されることである。ＣＰＣの光出口ファセット８０５の形状は、適宜、例えば長方形又は円形等であり得る。

例えば、デジタルプロジェクターの場合、ビームのサイズ（高さ及び幅）及び発散に対して要件が課される。対応するエタンデュがＣＰＣにおいて保存される。この場合、使用されるディスプレイパネルの所望の高さ／幅の比を有する長方形の光入力及び出口ファセット８０６及び８０５を有するＣＰＣを使用することが有益であろう。

スポットライト用途の場合、要件はより緩和される。ＣＰＣの光出口ファセット８０５は円形であってもよいが、特定の形状の領域を照らすために他の形状（例えば長方形）を有してもよく、又はスクリーン、壁、建物、インフラ等に所望のパターンを投射するためにかかるパターンを有してもよい。

ＣＰＣは設計に大きな柔軟性を提供するが、その長さは比較的大きい可能性がある。一般的に、同じ性能を有するより短い光学素子を設計することが可能である。このために、表面形状及び／又は出口面は、例えば、光を集約するためにより湾曲した出口面を有するよう適合させられてもよい。

１つの追加の利点は、ＣＰＣは、導光体４０３のサイズがＬＥＤの寸法によって制約され、光出口ファセット８０５のサイズが後続の光学部品によって決定される場合に生じ得る縦横比のミスマッチを克服するために使用できることである。

更に、例えば中心付近に又は中心に「穴」を有するミラーを使用して、ＣＰＣの光出口ファセット８０５を部分的に覆うミラー（図示無し）を配置することができる。このようにすることで、ＣＰＣの出口面が狭められ、光の一部がＣＰＣ及び導光体内に反射し返され、光の出射エタンデュが低減される。当然ながら、これはＣＰＣ及び導光体から取り出される光の量を減らす。しかし、例えばＡｌａｎｏｄ ４２００ＡＧのように、このミラーが高い反射率を有する場合、光は実質的にＣＰＣ及び導光体に再投入され、ＴＩＲによって再循環され得る。これは光の角度分布を変えないが、再循環後、光がＣＰＣ出口面に衝突する位置を変え、よって、光束を増加させる。このようにすることで、通常はシステムのエタンデュを下げるために犠牲にされる光の部分を再取得し、例えば均一性を高めるために使用することができる。

システムがデジタル投影アプリケーションに使用される場合、これは特に重要である。異なる態様でミラーを選択することにより、大量の光を犠牲にすることなく、異なるパネルサイズ及び縦横比を使用するシステムに対して同じＣＰＣ及び導光体のセットを使用することができる。このようにすることで、単一のシステムを様々なデジタル投影アプリケーションに使用することができる。

スポットライト及び自動車照明等の多くのアプリケーションにおいて、例えばかかるアプリケーションに課される特定の要件に適合するため、特定の形状を有する光分布を得ることが望ましい。例えば、自動車照明の場合、自動車ヘッドライトの照明プロフィールに関する法定の要件が存在する。また、装飾的又は審美的理由から、特定の形状を有する光分布を得ることが望ましい可能性がある。

図６〜図８を参照して、特定の形状を有する光分布を提供するための異なる可能性について述べる。

図６は、成形された光出口面４２００を提供するために長さ全体に渡り成形された一実施形態に係る導光体４０４の斜視図を示す。導光体４０４は透明な導光体、又は第１のスペクトル分布の光を第２のスペクトル分布の光に変換するよう構成された導光体であり得る。

図示されるように、導光体４０４の長さ全体に渡って延びる導光体４０４の部分４５０１、具体的には、表面４５００に隣接し、光入力面４１００の反対側の部分４５０１が、光出口面４２００における光分布の所望の形状に対応する形状を導光体４０４に与えるために取り除かれている。当該形状は、光出口面４２００から反対側の面４６００まで、導光体４０４の長さ全体に渡って延在する。

図７は、成形された光出口面４２００を提供するために導光体４０５の長さの一部が成形された一実施形態に係る導光体４０５の側面図を示す。導光体４０５は透明な導光体、又は第１のスペクトル分布の光を第２のスペクトル分布の光に変換するよう構成された導光体であり得る。

図示されるように、導光体４０５の長さの一部に渡って延在する導光体４０５の部分４５０１、具体的には、表面４５００に隣接し、光入力面４１００の反対側の部分４５０１が、光出口面４２００における光分布の所望の形状に対応する形状を導光体４０５に与えるために取り除かれている。当該形状は、光出口面４２００と隣接する導光体４０５の長さの一部に渡って延在する。

光出口面の他の形状を提供するために、導光体の他の部分又は２つ以上の部分が取り除かれてもよい。このようにすることで、光出口面の任意の実施可能な形状を得ることができる。また、導光体を部分的に又は全体として異なる形状を有する複数の部分に分割し、より複雑な形状を得ることもできる。導光体から取り除かれる１つ又は複数の部分は、例えば鋸切断又は切削等によって取り除かれた後、１つ又は複数の部分の除去後に露出した面を研磨されてもよい。他の変形例では、光出口面に穴を設けるために、例えばドリル加工によって導光体の中央部が取り除かれてもよい。

図８に示される他の実施形態では、導光体４０６の光出口面４２００の部分４２０１に表面処理、例えば粗面化を施す一方、光出口面４２００の残りの部分を滑らかなままにすることによって、特定の形状を有する光分布を得ることができる。この実施形態では、導光体４０６の部分を除去する必要はない。同様に、特定の形状を有する光分布を得るために、上記可能性の任意の組み合わせが実施可能である。

図９は、一実施形態に係る導光体４０７の側面図を示す。導光体４０７は、出射光１７００が黄色及び／又は橙色の波長範囲内、すなわち、約５６０ｎｍ〜６００ｎｍの波長範囲内になるよう入射光１３００を変換するよう構成される。このために、導光体４０７は、例えば、Ｃｅドープ（Ｌｕ，Ｇｄ）_３Ａｌ_５Ｏ_１２、（Ｙ，Ｇｄ）_３Ａｌ_５Ｏ_１２、又は（Ｙ，Ｔｂ）_３Ａｌ_５Ｏ_１２等のセラミック材料からなる透明なガーネットとして提供され得る。Ｃｅ含有量が多い場合、並びに／又は、例えばＣｅによるＧｄ及び／若しくはＴｂの置換度が高い場合、導光体の発光のスペクトル分布はより高い波長にシフトし得る。一実施形態では、導光体４０７は完全に透明である。

光出口面４２００には光学素子９９が設けられる。光学素子９９は、導光体４０７から出射された光１７００をフィルタリングしてフィルタリングされた光１７０１を提供するためのフィルタ９９１、少なくとも１つの更なる光源９９３、９９４、及びフィルタリングされた光１７０１と少なくとも１つの更なる光源９９３、９９４からの光とを導入して共通の光出力１４００を供給するよう構成された光学部品９９２を含む。フィルタ９９１は吸光フィルタ又は反射フィルタであり、固定又は切り替え可能であり得る。切り替え可能フィルタは、例えば、所望の光出力に応じてローパス、バンドパス、又はハイパスであり得る反射ダイクロイックミラー及び切り替え可能ミラーを設け、切り替え可能ミラーを光の進行方向で見てダイクロイックミラーの上流に配置することによって得ることができる。更に、２つ以上のフィルタ及び／又はミラーを組み合わせて、所望の光出力を選択することも可能である。図９に示されるフィルタ９９１は、フィルタ９９１の切り替え状態に応じて、フィルタリングされていない黄色及び／若しくは橙色光、又はフィルタリングされた光、具体的には、図示の実施形態ではフィルタリングされた赤色光を通過させることができる切り替え可能フィルタである。フィルタリングされた光のスペクトル分布は、採用されるフィルタ９９１の特性に依存する。

図示の光学部品９９２は、Ｘキューブとも知られるクロスダイクロイックプリズムであってもよく、あるいは、個別のダイクロイックフィルタの適切なセットであってもよい。

図示の実施形態では、２つの更なる光源９９３及び９９４が設けられ、更なる光源９９３は青色光源であり、更なる光源９９４は緑色光源である。他の色の及び／又はより多くの更なる光源も実施可能である。他のオプションは、フィルタ９９１によって除去された光を更なる光源として使用することである。

したがって、共通の光出力１４００は、導光体４０７によって出射され、フィルタ９９１によってフィルタリングされた光１７０１と、２つの更なる光源９９３及び９９４によってそれぞれ出射された光との組み合わせである。共通の光出力１４００は、好適には白色光であり得る。

図９に示されるソリューションは、スケーラブルであり、費用対効果が高く、本発明の実施形態に係る発光装置の所与のアプリケーションの要件に応じて容易に適合可能であるという点で有利である。

他の好適な実施形態では、例えば、図１１Ａ及び図１１Ｂに関連して後により詳述される１つ以上のヒートシンク要素を設けることによって、導光体４０７の冷却が提供される。

図１０は、一実施形態に係る導光体４０８の側面図を示す。導光体４０８は、第１のスペクトル分布の光を発し、導光体４０８の光入力面４１００に隣接して配置された第１の光源２１００、２２００、２３００を含む。導光体４０８は、更に、第１のスペクトル分布とは異なる第２のスペクトル分布の光を発し、光入力面４１００の反対側に平行に延在する導光体４０８の表面４５００に隣接して配置された少なくとも１つの第２の光源２４００を含む。

導光体４０８は、第１のスペクトル分布の光の少なくとも一部を第１のスペクトル分布とは異なる第３のスペクトル分布の光に変換し、また、第２のスペクトル分布の光を変換することなく誘導するよう構成される。このようにすることで、光出口面４２００を通って導光体４０８から出射される光１７００は、少なくとも第２及び第３のスペクトル分布の光、また、一部は変換されないままであり得るため、場合によっては並びに第１のスペクトル分布の光の組み合わせを含む。

非限定的な例として、第１のスペクトル分布は４００ｎｍ未満の波長範囲内であり、第２のスペクトル分布は赤色波長範囲、すなわち５００〜８００ｎｍ内であり、第３のスペクトル分布は４００〜５００ｎｍの波長範囲内であり得る。他の非限定的な例として、第１のスペクトル分布は緑色波長範囲、すなわち４００〜５００ｎｍ内であり、第２のスペクトル分布は赤色スペクトル範囲、すなわち５００〜８００ｎｍ内であり、第３のスペクトル分布は４４０〜６００ｎｍの波長範囲内であり得る。他の非限定的な例として、第１の光源２１００、２２００、２３００は４４０〜４８０ｎｍの波長範囲内の光を発し、導光体４０８は第１の光源によって発せられた光を４８０〜６００ｎｍの範囲内の波長の光に変換し、第２の光源２４００は６００〜８００ｎｍの波長範囲内の光を発し得る。原則的に、第１、第２、及び第３のスペクトル分布のあらゆる実施可能な組み合わせが使用可能であることに留意されたい。これにより、白色光を生成する単純且つ効率的な方法が得られる。

第２の光源２４００は、光入力面４１００とは異なる導光体４０８の任意の表面に設けられ得ることに留意されたい。また、２つ以上の第２の光源が設けられてもよい。

図１０に示されるように、導光体４０８は、第２の光源２４００からの光を導光体４０８内に導入するよう構成された導入素子７００を更に含む。導入素子７００は、上記したような導入構造又は導入媒体であり得る。導入素子はオプションの要素であり、よって省かれてもよく、その場合、第２の光源は導光体と直接光接触するよう配置され得る。

更に、第２の光源は、代替的に又は追加で、光入力面４１００とは異なる導光体４０８の２つ以上の表面、例えば２つの異なる表面に配置され得る。このような実施形態では、更に、異なるスペクトル分布の光を発する第２の光源を設け、異なる表面に配置された第２の光源が異なるスペクトル分布の光を発することも可能である。

図１１Ａ及び図１１Ｂは、一実施形態に係る導光体４０９Ａ及び導光体４０９Ｂの側面図をそれぞれ示す。一般的に、図１１Ａ及び図１１Ｂに示される導光体は、導光体４０９Ａ、４０９Ｂの光入力面とは異なる１つの表面上に、それぞれの面から好ましくは約３０μｍ以内の距離に設けられたヒートシンク要素７０００Ａ及び７０００Ｂをそれぞれ有する。

実施形態によらず、各ヒートシンク要素７０００Ａ、７０００Ｂは、向上された熱放散のためにフィン７１００、７２００、７３００を有するが、フィンはオプションの要素である。

実施形態によらず、各ヒートシンク要素７０００Ａ、７０００Ｂは、導光体の表面形状に適合するよう構成され、よって、導光体との接触領域全体に渡って合致する熱接触を提供するよう構成されたヒートシンク要素である。これにより、導光体の向上された冷却が得られ、ヒートシンク要素の配置に関する既存の許容限界はより致命的でなくなる。

図１１Ａは、ヒートシンク要素７０００Ａが複数のヒートシンク部分、ここでは３つのヒートシンク部分７００１、７００２、７００３、及び７００４を含み、そのうちの１つ以上、ここでは４つ全てが、フィンを備え得る実施形態を示す。当然ながら、ヒートシンク要素７０００Ａが有するヒートシンク部分の数が多い程、ヒートシンク要素７０００は正確に導光体の表面と合致することができる。各ヒートシンク部分７００１、７００２、７００３、７００４は、導光体との接触領域全体に渡って合致する熱接触を提供するよう構成される。ヒートシンク部分は、導光体の表面から互いに異なる距離に配置されてもよい。

更に、ヒートシンク要素７０００Ａは、ヒートシンク部分７００１、７００２、７００３、及び７００４がそれぞれ取り付け要素７０１０、７０２０、７０３０、及び７０４０によって個別に取り付けられる共通のキャリア７０５０を含む。あるいは、各ヒートシンク部分に各自のキャリアが割り当てられてもよい。これらの要素はオプションであることに留意されたい。

図１１Ｂは、ヒートシンク要素７０００Ｂが配置される導光体４０９Ｂの表面形状に合致するよう構成された底部７０６０をヒートシンク要素７０００Ｂが有する他の実施形態を示す。底部７０６０は柔軟であり、例えば、銅層等の熱伝導性の金属層であり得る。

ヒートシンク要素７０００Ｂは、更に、ヒートシンク要素７０００Ｂの向上された柔軟性及び適合性のために、ヒートシンク要素７０００Ｂの底部要素７０６０と残りの部分との間に配置された熱伝導層７０７０を含む。熱伝導層７０７０は、例えば、熱伝導性の流体又はペーストであってもよい。一実施形態では、熱伝導層７０７０は高い反射率を有し及び／又は高い反射率のコーティングを有する。

ヒートシンク要素７０００Ｂは、更に、向上された熱放散のために流体フローを生成するために、ヒートシンク要素７０００Ｂ内に配置された流体リザーバ７０８０を含む。変形例では、流体リザーバ７０８０は、ヒートシンク要素７０００Ｂの外部に配置されてもよく、例えば、ヒートシンク要素７０００Ｂの外周の一部又は全体に沿って延在してもよい。流体フローは、ポンプによって強められてもよい。

伝導層７０７０及び流体リザーバ７０８０はオプションの要素であることに留意されたい。

実施形態によらず、ヒートシンク要素７０００Ａ、７０００Ｂは、銅、アルミニウム、銀、金、シリコンカーバイド、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、ＡｌＳｉＣ、酸化ベリリウム、シリコン−シリコンカーバイド、ＡｌＳｉＣ、銅タングステン合金、銅モリブデンカーバイド、カーボン、ダイヤモンド、グラファイト、及びこれらの２つ以上の組み合わせから選択される材料から形成され得る。

更に、上記実施形態の特徴を兼ね備えたヒートシンク要素も実施可能である。また、上記実施形態のいずれかに係るヒートシンク要素を導光体４０９Ａ又は４０９Ｂの２つ以上の表面に配置することも可能である。

最後に、上記ヒートシンク要素の設置は、赤色波長範囲内の光を発し、且つ／又は、例えばＩＲ発光蛍光体を備えることによって赤外線波長範囲内の光を発するよう構成された光源を採用する本発明に係る発光装置の実施形態に特に適することに留意されたい。

図１２Ａ〜図１２Ｄは、実施形態に係る導光体４０１０Ａ、４０１０Ｂ、４０１０Ｃ、及び４０１０Ｄの側面図をそれぞれ示す。この実施形態において、図１２Ａ〜図１２Ｄに示される導光体は、各導光体４０１０Ａ、４０１０Ｂ、４０１０Ｃ、４０１０Ｄの光出口面４２００に隣接して配置された偏光子９００１と、光出口面４２００の反対側に延在する導光体４０１０Ａ、４０１０Ｂ、４０１０Ｃ、４０１０Ｄの表面４６００に配置された反射要素７４００とを含む。これにより、高い輝度及び高い効率性を有する偏光光源を得ることができる。

実施形態によらず、偏光子９００１は、反射直線偏光子及び反射円偏光子のいずれであってもよい。反射直線偏光子の例は、ワイヤーグリッド偏光子、複屈折層を含むポリマー層のスタックに基づく反射偏光子である。円偏光子は、いわゆるコレステリック液晶相のポリマーを使用して、１つの偏光及び特定のスペクトル分布の光しか通過させない、いわゆるコレステリック偏光子を作成することによって得ることができる。反射偏光子に代えて又は追加で、偏光ビームスプリッターを使用してもよい。更に、散乱偏光子を使用してもよい。他の実施形態では、例えば、ブルースター角に近い角度で光が入射するガラス等の材料からなるくさび形の偏光子を使用して、反射による偏光が用いられ得る。他の実施形態では、偏光子９００１は、例えばＷＯ２００７／０３６８７７Ａ２に開示されるような、いわゆる偏光バックライトであってもよい。他の実施形態では、偏光子９００１は偏光構造であってもよい。

図１２Ａは、偏光子９００１が導光体４０１０Ａの光出口面４２００上に配置された一実施形態を示す。光源２１００、２２００、２３００は、第１のスペクトル分布を有する第１の光１３００を発し、導光体４０１０Ａは、これを第２のスペクトル分布を有する第２の光１４００に変換するよう構成される。偏光子９００１のため、第１の偏光、図１２Ａではｐ偏光１４００ＰＡのみが光出口面４２００を通過して出射され、第２の偏光、図１２Ａではｓ偏光１４００Ｓは反射されて導光体４０１０Ａ内に戻る。反射されたｓ偏光１４００Ｓは、反射要素７４００によって反射される。反射されると、反射されたｓ偏光１４００Ｓの少なくとも一部が、偏光子９００１を通過するｐ偏光１４００ＰＢに変更される。したがって、第１の偏光、図１２Ａではｐ偏光１４００ＰＡ、１４００ＰＢのみを含む光出力が得られる。

更に、導光体４０１０Ａは、光出口面４２００と表面４６００との間に伸びる表面のいずれか、図示の実施形態では表面４５００に配置された１／４λ板９００２を含む。図示の実施形態では、１／４λ板９００２は表面４５００を部分的に覆う。あるいは、１／４λ板は表面４５００を完全に覆ってもよく、又は２つ以上の分離したセグメントを含んでもよい。代替的に又は追加で、１／４λ板は、光出口面４２００と表面４６００との間に延びる１つ以上の他の表面に配置されてもよい。他の実施形態では、１／４λ板９００２は、１／４λ板と導光体との間にギャップが生じるよう、導光体と反射要素７４００との間に配置されてもよい。１／４λ板９００２は、第１の偏光を第２の偏光に変換するために、具体的には、円偏光を直線偏光に変換するために使用され得る。しかし、実施形態によらず、１／４λ板９００２はオプションの要素であり、よって省かれ得ることに留意されたい。

図１２Ｂは、偏光子９００１が光出口面４２００に対して角度を付けられて、原則的には任意の角度でよいが、図示されるように光出口面４２００に対して４５°の角度を付けられて配置された一実施形態を示す。更に、重ねられた１／４λ板９００２及び反射要素９００３が光線経路内の偏光子９００１の下流に、偏光子９００１に対して実質的に平行に延在するよう配置されている。これにより、反射された第１の偏光は導光体４０１０Ｂの外部に導入され、偏光子９００１によって第２の偏光に変更される。その後、第２の偏光は反射要素９００３によって方向転換され、１／４λ板９００２によって更に偏光される。

図１２Ｃは、図１２Ａに示されるものと非常に良く似ているが、代替的な導光体４０１０Ｃが、光出口面４２００の反対側にテーパ状の表面４６００を有する一実施形態を示す。テーパ状の表面４６００は、１／２λ板９００４の形態のインサートによって隔てられた反射要素４７０１、４７０２を有する。

図１２Ｄは、２つの導光体４０１０Ｄ及び５０１０が、導光体４０１０Ｄの表面４５００及び導光体５０１０の光入力面５１００が互いに面し、且つ、それらが、導光体４０１０Ｄと５０１０との間に配置され、両者と光接触する更なる偏光子９００５に面するよう重ねられた一実施形態を示す。偏光子９００１は、導光体４０１０Ｄ及び５０１０の光出口面４２００及び５２００上に配置され、反射要素７４００は、光出口面４２００、５２００の反対側の導光体４０１０Ｄ及び５０１０の表面４６００及び５６００上に配置される。更なる偏光子９００５は、偏光子９００１を通過した偏光と直交する偏光を通過させる。１／４λ板９００２は、導光体５０１０の表面５５００の少なくとも一部に設けられ得る。

他の実施形態では、偏光子９００１は、導光体の光出口面４２００に配置された光学素子の一部として提供され得る。ある具体的な実施形態では、その場合、偏光子９００１は、光学素子が取り付けられた状態において光出口面４２００の反対側に位置するよう配置される。一例として、かかる光学素子は、例えば、上記され、図４、図５、及び図９にそれぞれ図示された光学素子８０１、複合パラボラ集光素子（ＣＰＣ）８０２、又は光学素子９９であってもよい。あるいは、かかる光学素子は、混合室であってもよい。特に、ＣＰＣの場合、１／４λ板は、ＣＰＣの偏光素子９００１の反対側に配置され得る。

図１３は、本発明の一実施形態に係る発光装置１０２の斜視図であり、発光装置１０２はヒートシンク１００、波長変換素子１０６を含み、波長変換素子１０６は光出口面１１０及び光出口面の反対側の面１０８を有する。発光装置１０２は、更に、使用中、光導入素子１１２を介して波長変換素子１０６に光を出射する複数の光源１０４を含む。光導入素子１１２は、１００μｍ未満の厚さを有する層として成形され、光源１０４と波長変換素子１０６との間で光を誘導するよう構成される。波長変換素子１０６の光入口面は、光導入素子１１２と波長変換素子１０６との間の界面として規定される。使用中、ヒートシンク１００に取り付けられた光源１０４は、第１の波長の光を光導入素子１１２に出射し、その後、光は波長変換素子の光入口面を介して波長変換素子１０６に入る。ヒートシンク１００は、例えば、光源１０４が形成された基板の一部であってもよく、又は、光源１０４が配置された別個の構造体であってもよい。ヒートシンク１００は、更に、能動的又は受動的な冷却を提供し得る。

光導入素子１１２は、波長変換素子１０６の屈折率よりも低い屈折率を有する。光導入素子１１２の屈折率は、１．０〜１．７、好ましくは１．１〜１．６、最も好ましくは１．２〜１．５の範囲内であり、波長変換素子１０６の屈折率は、１．５〜２．０、好ましくは１．７〜１．９、最も好ましくは１．８である。一例として、波長変換素子は、好ましくは、屈折率が約１．８のＣｅドープイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）及びルテチウム・アルミニウム・ガーネット（ＬｕＡＧ）を含み得る。この場合、光導入素子の屈折率は、最も好ましくは１．２〜１．５の範囲内である。

波長変換素子１０６に入る第１の波長の光の一部は第２の波長の光に変換され、この変換プロセスの後、光はランダムな方向に出射される。変換された光の部分及び変換されていない可能性がある部分は、波長変換素子１０６と周囲媒体との間の界面に衝突する。選択された屈折率のため、波長変換素子１１０と光導入素子１１２との間の界面に衝突した光は高い見込みでＴＩＲし、よって高い見込みで波長変換素子１０６内に反射し戻される。したがって、光は光出口面１１０に向けられる。

波長変換素子１０６内で光が変換されると、エネルギーが消費され、熱が生成される。光導入素子１１２は、ヒートシンク１００を波長変換素子１０６に熱結合させ、光導入素子１１２を通じて熱が伝達され、これにより波長変換素子１０６が冷却される。これは、高温に起因する故障又はパフォーマンスの低下を起こすことなく、波長変換素子１０６がより長い期間又は永続的に光を効率的に変換することを可能にする。

一実施形態では、光源出口面は光を拡散反射するよう構成され、波長変換素子１０６と光導入素子１１２との間の界面において光が反射又は通過した場合、光は光源１０４に向けて反射し返される。したがって、拡散反射面を有することは、光が光源出口面によって反射され、光導入素子１１２を通って波長変換素子１０６と光導入素子１１２との間の界面に到達する可能性を高める。

更に、光出口面１１０は、光源１０４の光出口面の平面に対して垂直な平面内に配置され、光入口面は、光源１０４の光出口面の平面に対して平行な平面内に配置される。これにより、多数のＬＥＤからの光を集め、導入された光入力面よりも著しく小さくてもよい表面に光出力を集約して、強度が高い光を供給可能な波長変換素子を提供することができる。一部の実施形態では、光出口面１１０は、光源１０４の光出口面の平面に対して垂直でも平行でもない角度を有する平面内に配置される。

図１４は、本発明の他の実施形態に係る発光装置２０２の斜視図を示す。発光装置２０２は、ヒートシンク１００、光源１０４、光出口面１１０及び光出口面の反対側の面１０８を有する波長変換素子１０６、並びに、１００μｍ未満の厚さを有する層として成形され、ヒートシンク１００と波長変換素子１０６との間に挟まれた光導入素子１１２を有する。使用中、波長変換素子１０６から間隔を空けて配置された光源１０４が、第１の波長の光を波長変換素子内に出射する。

光導入素子１１２は、波長変換素子１０６の屈折率よりも低い屈折率を有する。光導入素子１１２の屈折率は、１．０〜１．７、好ましくは１．１〜１．６、最も好ましくは１．２〜１．５の範囲内であり、波長変換素子１０６の屈折率は、１．５〜２．０、好ましくは１．７〜１．９の範囲内、最も好ましくは１．８である。

波長変換素子１０６に入る第１の波長の光の一部は第２の波長の光に変換され、この変換プロセスの後、光はランダムな方向に出射される。変換された光の部分及び変換されていない可能性がある部分は、波長変換素子１０６と周囲媒体との間の界面に衝突する。選択された屈折率のため、界面に衝突した光は高い見込みでＴＩＲし、よって高い見込みで波長変換素子１０６内に反射し戻される。したがって、光は光出口面１１０に向けられる。波長変換素子１０６と光導入素子との間の界面に衝突する光の部分も、選択された屈折率のため、高い見込みでＴＩＲする。

波長変換素子１０６に面するヒートシンク１００の表面は、光を拡散反射するよう構成され、波長変換素子１０６と光導入素子１１２との間の界面を光が通過した場合、光はこの表面によって波長変換素子に反射し戻される。拡散反射面を有することは、光がヒートシンク１００の表面によって反射され、光導入素子１１２を通って光導入素子１１２と波長変換素子１０６との間の界面に到達する可能性を高める。

更に、光出口面１１０は、光源１０４の光出口面の平面に対して垂直な平面内に配置され、光入口面は、光源１０４の光出口面の平面に対して平行な平面内に配置される。これにより、多数のＬＥＤからの光を集め、導入された光入力面よりも著しく小さくてもよい面に光出力を集約して、強度が高い光を供給可能な波長変換素子を提供することができる。一部の実施形態では、光出口面１１０は、光源１０４の光出口面の平面に対して垂直でも平行でもない角度を有する平面内に配置される。また、光源１０４をヒートシンク（図示無し）に熱結合することにより、光源１０４及び波長変換素子１０６の熱寄与を分離してもよい。

波長変換素子１０６内で光が変換されると、エネルギーが消費され、熱が生成される。光導入素子１１２はヒートシンク１００と波長変換素子１０６とを熱接続し、光導入素子１１２を通じて熱が伝達され、波長変換素子１０６が冷却される。これは、高温に起因する故障又はパフォーマンスの低下を起こすことなく、波長変換素子１０６がより長い期間又は永続的に光を効率的に変換することを可能にする。図１４では、波長変換素子１０６の面のうちの１つだけがヒートシンク１００を有する。当然ながら、より多くの面を覆うヒートシンク１００を設けることも可能であり、これは、より大きな熱伝導を可能にする。

図１５は、図１４に示される実施形態と類似する、本発明の一実施形態に係る発光装置１０２の側面図を示す。ただし、この実施形態では、ヒートシンク１００は、波長変換素子１０６の少なくとも１つ多くの面に隣接して配置される。これは、ヒートシンク１００が周囲媒体を介して波長変換素子１０６と熱結合することを可能にする。更に、光源１０４が配置された基板３００が組み込まれ得る。基板３００はヒートシンクであってもよい。基板３００とヒートシンク１００とは熱接続され、よって、発光装置１０２の全要素を熱接続させて、全部分が共通のヒートシンク又は他の冷却構成を使用可能な発光装置１０２を提供することができる。

更に、図１５に示される実施形態において、反射要素３０２が組み込まれ、波長変換素子１０６の光出口面の反対側の面１０８に面して、距離を空けて配置されてもよい。反射要素３０２が配置される距離は、好ましくは、反射要素３０２と波長変換素子１０６とを光学的に分離するために、第１又は第２の波長よりも長い。図１５に示される実施形態では、反射要素はヒートシンク１００上に配置される。反射要素３０２をヒートシンク１００上に配置することにより、反射要素３０２を光変換素子１０６から光学的に分離すると共に、ヒートシンク１００を介する熱伝導を実現することができる。しかし、スペーサー要素（図示無し）を組み込むことにより、反射要素３０２をヒートシンク１００上に配置することを要さずに、光変換素子から第１及び第２の波長よりも長い距離離して反射要素３０２を配置することができる。

特定の例示的な実施形態を参照して本発明を説明してきたが、当業者は、多くの異なる変形形態、改変形態等を理解するであろう。例えば、光源はレーザー、ＯＬＥＤ、光を生成する他の材料又は装置であり得る。

更に、図面、開示、及び添付の特許請求の範囲を分析することにより、当業者は、開示の実施形態の変形形態を理解及び実施することができる。請求項中、「含む」等の用語は他の要素又はステップを除外せず、要素は複数を除外しない。単にいくつかの手段が互いに異なる従属請求項に記載されているからといって、これらの手段の組み合わせを好適に使用することができないとは限らない。

Claims (15)

1. 光出口面を有する光源と、
   光を第１の波長から第２の波長に変換する波長変換素子であって、互いに対してゼロではない角度で延在する光出口面及び光入口面を有する当該波長変換素子と、
   ヒートシンクと、
   前記波長変換素子と接触し、前記ヒートシンクと熱接続し、前記ヒートシンクと前記波長変換素子との間に挟まれるよう配置された光導入素子と
   を含み、
   前記光源は、前記波長変換素子の前記光入口面から距離を空けて配置され、
   前記光導入素子は、前記波長変換素子の屈折率よりも低い屈折率を有するよう選択される、発光装置。
2. 前記ヒートシンクは、前記波長変換素子の２以上の面を覆う、請求項１に記載の発光装置。
3. 前記光源は基板上に設けられ、前記基板はヒートシンクであり、前記ヒートシンクは熱接続される、請求項１又は２に記載の発光装置。
4. 前記光導入素子の屈折率は、１．０〜１．７の範囲内であり、前記波長変換素子の屈折率は、１．５〜２．０の範囲内である、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の発光装置。
5. 前記光導入素子は、１００μｍ未満の厚さを有する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の発光装置。
6. 前記光源の前記光出口面は、光を拡散反射する所定の表面粗さＲ_Ａを有する、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の発光装置。
7. 前記波長変換素子に面する前記ヒートシンクの表面は、光を拡散反射する所定の表面粗さＲ_Ａを有する、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の発光装置。
8. 前記波長変換素子は、単結晶材料及び／又はモノリシック多結晶材料を含む、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の発光装置。
9. 前記波長変換素子は、ＹＡＧ、ＬｕＡＧ、ＬｕＧａＡＧ、又はＬｕＹＡＧを含む、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の発光装置。
10. 前記光導入素子は、有機若しくはシリコーンベースのオイル若しくは接着剤、又はフルオロポリマーを含む、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の発光装置。
11. 前記波長変換素子は、前記光出口面が、前記波長変換素子の反対側の面よりも大きいよう成形される、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の発光装置。
12. 前記波長変換素子は、くさび又は錐台として成形される、請求項１１に記載の発光装置。
13. 少なくとも、前記波長変換素子の前記光出口面の反対側の前記波長変換素子の面に面して、距離を空けて配置された少なくとも１つの反射要素を更に含む、請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の発光装置。
14. 前記波長変換素子からの距離は、前記第１及び第２の波長より長い、請求項１３に記載の発光装置。
15. ランプ、照明モジュール、照明器具、スポットライト、フラッシュライト、プロジェクター、デジタル投影装置、自動車照明、自動車のヘッドライト若しくはテールランプ、アリーナ照明、劇場照明、又は建築照明における、請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の発光装置の使用。