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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6000480
(24)【登録日】2016年9月9日
(45)【発行日】2016年9月28日
(54)【発明の名称】発光素子
(51)【国際特許分類】
H01L 33/64 20100101AFI20160915BHJP
H01L 33/50 20100101ALI20160915BHJP
F21S 2/00 20160101ALI20160915BHJP
F21V 29/503 20150101ALI20160915BHJP
F21V 29/85 20150101ALI20160915BHJP
F21V 29/76 20150101ALI20160915BHJP
F21V 29/504 20150101ALI20160915BHJP
G03B 21/14 20060101ALI20160915BHJP
G02B 6/00 20060101ALI20160915BHJP
F21Y 105/10 20160101ALN20160915BHJP
F21Y 113/10 20160101ALN20160915BHJP
F21Y 115/10 20160101ALN20160915BHJP
F21Y 115/15 20160101ALN20160915BHJP
F21Y 115/30 20160101ALN20160915BHJP
【ＦＩ】
H01L33/64
H01L33/50
F21S2/00 432
F21V29/503
F21V29/85
F21V29/76
F21V29/504
F21S2/00 444
G03B21/14 A
G02B6/00 301
F21Y105:10
F21Y113:10
F21Y115:10
F21Y115:15
F21Y115:30
【請求項の数】15
【全頁数】29
(21)【出願番号】特願2015-563071(P2015-563071)
(86)(22)【出願日】2014年6月19日
(65)【公表番号】特表2016-526751(P2016-526751A)
(43)【公表日】2016年9月5日
(86)【国際出願番号】EP2014062951
(87)【国際公開番号】WO2014202726
(87)【国際公開日】20141224
【審査請求日】2015年12月17日
(31)【優先権主張番号】13173030.1
(32)【優先日】2013年6月20日
(33)【優先権主張国】EP
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】590000248
【氏名又は名称】コーニンクレッカ フィリップス エヌ ヴェ
【氏名又は名称原語表記】ＫＯＮＩＮＫＬＩＪＫＥ ＰＨＩＬＩＰＳ Ｎ．Ｖ．
(74)【代理人】
【識別番号】110001690
【氏名又は名称】特許業務法人Ｍ＆Ｓパートナーズ
(72)【発明者】
【氏名】ヒクメット リファット アタ ムスタファ
(72)【発明者】
【氏名】バン ボメル ティエス
【審査官】
吉野 三寛
(56)【参考文献】
【文献】
特許第５２２６０７７（ＪＰ，Ｂ１）
【文献】
特表２００５−５０１２６９（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００７−１６５８１１（ＪＰ，Ａ）
【文献】
米国特許出願公開第２０１１／０１２１７０３（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｈ０１Ｌ ３３／００−３３／６４
Ｆ２１Ｋ ９９／００
Ｆ２１Ｖ ８／００
Ｂ６０Ｑ １／００
Ｆ２１Ｓ ８／１０
Ｂ６２Ｊ ６／０２
Ｇ０３Ｂ ２１／１６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
動作中、第１のスペクトル分布の光を発する光源と、
互いに対してゼロではない角度で延在する第１の光入力面及び第１の光出口面を有する第１の発光導光体と、
前記第１の発光導光体の少なくとも１つの面に隣接して、且つ、前記光源と前記第１の発光導光体との間の光路内に配置された第１の透明ヒートシンク要素とを含み、
前記第１の発光導光体は、前記第１の光入力面において、前記第１のスペクトル分布の光を受け取り、前記第１のスペクトル分布の光の少なくとも一部を第２のスペクトル分布の光に変換し、前記第２のスペクトル分布の光を前記第１の光出口面に誘導し、前記第２のスペクトル分布の光を前記第１の光出口面から導出し、
前記第１の発光導光体の前記少なくとも１つの面は前記光出口面ではなく、前記第１の透明ヒートシンク要素は、屈折及び回折の何れか一方によって光を方向転換させる、発光素子。
互いに対してゼロではない角度で延在する第１の光入力面及び第１の光出口面を有する第１の発光導光体と、
前記第１の発光導光体の少なくとも１つの面に隣接して、且つ、前記光源と前記第１の発光導光体との間の光路内に配置された第１の透明ヒートシンク要素とを含み、
前記第１の発光導光体は、前記第１の光入力面において、前記第１のスペクトル分布の光を受け取り、前記第１のスペクトル分布の光の少なくとも一部を第２のスペクトル分布の光に変換し、前記第２のスペクトル分布の光を前記第１の光出口面に誘導し、前記第２のスペクトル分布の光を前記第１の光出口面から導出し、
前記第１の発光導光体の前記少なくとも１つの面は前記光出口面ではなく、前記第１の透明ヒートシンク要素は、屈折及び回折の何れか一方によって光を方向転換させる、発光素子。
【請求項2】
前記第１の透明ヒートシンク要素は、１Ｗ／（Ｋ・ｍ）より高い、１０Ｗ／（Ｋ・ｍ）より高い、又は２０Ｗ／（Ｋ・ｍ）より高い熱伝導率を有する材料から構成される、請求項１に記載の発光素子。
【請求項3】
前記第１の光入力面及び前記第１の光出口面以外の前記第１の発光導光体の１つ以上の面は、反射層を有する、請求項１又は２に記載の発光素子。
【請求項4】
前記第１の発光導光体は、発光ガーネット、発光ドープガーネット、透明発光材料、集光発光材料、及びこれらの組み合わせを含む群から選択される発光材料から構成される、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項5】
前記第１の透明ヒートシンク要素と前記第１の発光導光体との間にギャップが設けられる、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項6】
前記第１の透明ヒートシンク要素と前記第１の発光導光体との間の前記ギャップは、空気及び／又は光学接着剤を含む、請求項５に記載の発光素子。
【請求項7】
前記第１の透明ヒートシンク要素は、前記第１の光出口面と平行な反対側の面の上に若しくは当該面において配置された結合構造、及び／又は、散乱材料を含む、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項8】
前記第１の透明ヒートシンク要素は、テーパ状の２つの側面を有する台形の断面形状を有する、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項9】
前記第１の透明ヒートシンク要素は、前記第１の発光導光体の少なくとも２つの面に隣接して延在する、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項10】
前記第１の透明ヒートシンク要素は、前記第１の発光導光体の４つの面に隣接して延在し、また、三角形の断面形状を有し、前記第１の透明ヒートシンク要素の３つの側面の全ての上に光源が配置される、請求項９に記載の発光素子。
【請求項11】
前記第１の透明ヒートシンク要素の透明材料は、サファイアと、ＹＡＧ、ＬｕＡＧ等のアンドープ透明ガーネットと、ガラスと、石英と、アルミナ等のセラミック材料と、発光材料と、蛍光体と、これらの組み合わせとを含む群から選択される、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項12】
前記第１の透明ヒートシンク要素の反対側を向く前記第１の発光導光体の面に隣接して配置された第２の透明ヒートシンク要素を更に含む、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項13】
前記光源はベースの上に配置され、前記ベースは不透明ヒートシンクである、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項14】
前記第１の透明ヒートシンク要素及び／又は前記第１の発光導光体と、物理的に及び／又は熱的に接触するよう配置された不透明ヒートシンクが設けられる、請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項15】
請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の発光素子を含むプロジェクター、ランプ、又は照明器具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、導光体及び透明ヒートシンク要素を含む発光素子に関する。
【背景技術】
【0002】
ＵＳ８，００８，８４５Ｂ２は、バックリフレクタ、並びに、前面に位置する正極及び負極を有する透明ヒートシンク内に配置された封止ＬＥＤの形態の照明デバイスを開示する。ＬＥＤによって発せられた光は、照明デバイスから出る前に透明ヒートシンクの少なくとも一部を通過する。
【0003】
スポットライト及びデジタル光投射を含む様々なアプリケーションにとって、高輝度光源は関心の対象である。この目的のために、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。かかる透明な発光材料の導光体は、導光体内でより長い波長を発生させるために、ＬＥＤによって照射される。その後、導光体内の変換された光を面のうちの１つから取り出すことにより、強度上昇がもたらされる。
【0004】
したがって、より高い出力強度を得るには、導光体に照射される光の密度を高めることが望ましい。しかし、導光体内に放出される熱の移動及び拡散が、取得可能な最大光強度を著しく制限する。
【0005】
また、過熱は、例えば熱消光に起因する光学性能の低下をもたらし、信頼性に関する問題を生じ得る。
【0006】
ＥＰ２３４６１０１Ａ１は、半導体発光素子によって発せられた光の波長を、反射フィルムを有する光波長変換セラミックが変換する発光モジュールを開示する。光波長変換セラミックを通過した光の発光領域は、半導体発光素子の発光領域よりも小さくなるよう狭められる。反射要素は、半導体発光素子の発光面と略平行に光が出射されるよう光を誘導する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明の課題は、上記問題を克服し、導光体の過熱を低減することによって光学性能が向上され、より高い強度及び強度上昇を達成可能な発光素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明の第１の側面によれば、上記及び他の課題は、動作中、第１のスペクトル分布の光を発する光源と、互いに対してゼロではない角度で延在する第１の光入力面及び第１の光出口面を有する第１の発光導光体とを含み、第１の発光導光体は、第１の光入力面において、第１のスペクトル分布の光を受け取り、第１のスペクトル分布の光の少なくとも一部を第２のスペクトル分布の光に変換し、第２のスペクトル分布の光を第１の光出口面に誘導し、第２のスペクトル分布の光を第１の光出口面から導出し、第１の発光導光体の少なくとも１つの面に隣接して、且つ、光源と第１の発光導光体との間の光路内に配置された第１の透明ヒートシンク要素を更に含み、少なくとも１つの面は光出口面ではなく、第１の透明ヒートシンク要素は、屈折及び回折の何れか一方によって光を方向転換させる、発光素子によって達成される。
【0009】
第１のスペクトル分布の光の少なくとも一部を第２のスペクトル分布の光に変換するよう構成されたガーネットからなる導光体を提供することにより、特に多くの変換された光がガーネット内に留まり、よって面のうちの１つから取り出され得る導光体が提供され、これは、特に大きな強度上昇をもたらす。
【0010】
第１の発光導光体に隣接した第１の透明ヒートシンク要素を提供することにより、導光体から離れる方向の熱放散の著しい改良が得られ、よって、発光素子の取得可能な最大出力光強度が著しく高められる。更に、例えば熱消光に起因する光学性能への悪影響が大きく低減され又は排除さえされ、改良された光学性能を備えた、信頼性が顕著に高い発光素子が提供される。
【0011】
第１の発光導光体の第１の光入力面及び第１の光出口面は、互いに対してゼロではない角度で延在し、すなわち、これらの面は平行ではない。これは、第１の発光導光体により高い設計自由度を与え、例えば、第１の光入力面は第１の光出口面よりも広い面積を有し得る。一例では、第１の光出口面は、第１の光入力面に対して垂直である。
【0012】
第１の透明ヒートシンク要素を、光源と第１の発光導光体との間の光路内に配置することにより、光源によって発せられた熱が、少なくとも熱の大部分が導光体に入らないよう導光体から離れる方向に誘導され、これは、導光体が光源によって発せられた熱から特に良好に保護された発光素子を提供する。
【0013】
屈折及び回折の何れか一方によって光を方向転換させるよう第１の透明ヒートシンク要素を構成することにより、第１の透明ヒートシンク要素が、光源によって発せられた光を少しの損失で又は損失を伴わずに、特に効率的且つ効果的な方法で導光体に集め及び誘導する結合素子として機能するよう構成された発光素子が提供される。また、第１の発光導光体内に導入される光の量は、かかる第１の透明ヒートシンク要素の形状を変更することによって調整され得る。
【0014】
一実施形態によれば、第１の透明ヒートシンク要素は、１Ｗ／（Ｋ・ｍ）より高い、１０Ｗ／（Ｋ・ｍ）より高い、又は２０Ｗ／（Ｋ・ｍ）より高い熱伝導率を有する材料から構成される。
【0015】
これにより、導光体から離れる方向の特に良好な熱放散が得られる。一般的に、熱伝導率が高いほど熱放散が良いことに留意されたい。
【0016】
一実施形態によれば、第１の光入力面及び第１の光出口面以外の第１の発光導光体の１つ以上の面は、反射層を有する。これは、第１の光出口面以外の１つ以上の面から脱出し得る光を減らし、発光素子の効率性及び光出力を向上させる。
【0017】
一実施形態によれば、第１の発光導光体は、発光ガーネット、発光ドープガーネット、透明発光材料、発光集光材料、及びこれらの組み合わせを含む群から選択される発光材料から構成される。これにより、特に良好な波長変換特性を有する導光体を含む発光素子が提供される。
【0018】
一実施形態によれば、第１の透明ヒートシンク要素と第１の発光導光体との間にギャップが設けられる。このようなギャップは、更なる熱がギャップを介して放散されるため、導光体に入る熱を一層少なくし、これは、導光体が光源によって発せられた熱から一層保護された発光素子を提供する。
【0019】
一実施形態によれば、第１の透明ヒートシンク要素と第１の発光導光体との間のギャップは、空気及び／又は光学接着剤を含む。ギャップ内にこのような物質を供給することにより、導光体内に導入されるべき光がギャップを通過する際、非常に少ない損失が生じ又は場合によっては損失が全く生じないことが保証される。更に、特にギャップが光学接着剤を含む場合、著しくロバストな発光素子が得られる。
【0020】
一実施形態によれば、第１の透明ヒートシンク要素は、第１の光出口面と平行な反対側の面の上に若しくは当該面において配置された結合構造、及び／又は、散乱材料を含む。散乱材料を提供することにより、第１の透明ヒートシンク要素内で光が散乱され、散乱光が導光体内に導入される発光素子が提供される。結果として、導光体から非常に効率的に光が取り出され、観察者によって一様であると知覚される光分布が得られ得る。結合構造を提供することにより、光源によって発せられた光が、特に少ない結合損失で又は場合によっては結合損失を伴わずに非常に効率的に第１の発光導光体内に導入され得る発光素子が提供される。
【0021】
一実施形態によれば、第１の透明ヒートシンク要素は、テーパ状の２つの側面を有する台形の断面形状を有する。このようにすることで、第１の透明ヒートシンク要素は、屈折によって光を方向転換させる光学素子として機能する。これにより、第１の透明ヒートシンク要素の通過中に失われる光の量が低減される。
【0022】
一実施形態によれば、第１の透明ヒートシンク要素は、第１の発光導光体の少なくとも２つの面に隣接して延在する。これにより、熱放散のために使用可能な面積及び／又は体積が増加するため、更に改良された熱放散特性を有する発光素子が提供される。他の実施形態では、第１の透明ヒートシンク要素は、第１の発光導光体の４つの面に隣接して延在し、また、三角形の断面形状を有し、第１の透明ヒートシンク要素の３つの側面の全ての上に光源が配置される。したがって、第１の透明ヒートシンク要素は３つの角度から照射される。これにより、より多くの光が第１の発光導光体内に導入され、一層大きな強度上昇をもたらす。
【0023】
一実施形態によれば、第１の透明ヒートシンク要素の透明材料は、サファイアと、ＹＡＧ、ＬｕＡＧ等のアンドープ透明ガーネットと、ガラスと、石英と、多結晶アルミナ等のセラミック材料と、発光材料と、蛍光体と、これらの組み合わせとを含む群から選択される。これにより、高い熱伝導率を有する透明度が高い材料から構成され、よって、優れた熱放散を確保するとともに非常に小さい損失で又は場合によっては損失を伴わずに光源からの光が通過することを可能にする第１の透明ヒートシンク要素を有する発光素子が提供される。透明ヒートシンクの位置に応じて、透明材料は好ましくは高い透明度を有し、言い換えれば、光を散乱すべきでない。発光導光体が透明ヒートシンクと光接触する場合、透明ヒートシンクは好ましくは高い透明度を有し、最小の散乱を起こし又は散乱を起こさない。透明ヒートシンクと発光導光体との光接触が部分的な構成又は光接触が存在しない構成では、透明度はより低くともよい。
【0024】
このコンテキストにおいて、透明度が高い材料とは、励起及び発光スペクトル範囲においてほとんど吸光せず、更に、８５％より高い、９０％より高い、９５％より高い、又は場合によっては９８％より高い直接ビーム透明度を有する（すなわち、２°より大きい角度に散乱される平行ビームの割合が１５％未満、１０％未満、５％未満、又は場合によっては２％未満である）材料を指す。
【0025】
一実施形態によれば、発光素子は、第１の透明ヒートシンク要素の反対側を向く第１の発光導光体の面に隣接して配置された第２の透明ヒートシンク要素を更に含む。
【0026】
一実施形態によれば、光源はベースの上に配置され、ベースは不透明ヒートシンクである。
【0027】
一実施形態によれば、第１の透明ヒートシンク要素及び／又は第１の発光導光体と物理的に及び／又は熱的に接触するよう配置された不透明ヒートシンクが設けられる。
【0028】
一実施形態によれば、不透明ヒートシンクは、発光素子を少なくとも部分的に包囲するよう配置される。不透明ヒートシンクは反射性であり又は反射コーティングを有し得る。
【0029】
上記４つの実施形態のうちの任意の１つ又は複数によって、更なる熱放散手段が提供され、熱放散のために使用可能な面積及び／又は体積が著しく増加するため、更に改良された熱放散特性を有する発光素子が提供される。
【0030】
本発明は、更に、本発明に係る発光素子を含むプロジェクター、ランプ、又は照明器具に関する。
【0031】
本発明は、特許請求の範囲に記載される特徴のあらゆる可能な組み合わせに関することに留意されたい。
【図面の簡単な説明】
【0032】
【0033】
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、本発明に係る発光素子は一般的に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。以下に記載される本発明に係る発光素子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１０では、通常、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。
【発明を実施するための形態】
【0034】
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、本発明に係る発光素子は一般的に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。以下に記載される本発明に係る発光素子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１０では、通常、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。
【0035】
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。
【0036】
まず、本発明に係る発光素子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。このために、以下に詳述される本発明に係る発光素子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１０を参照しながら説明される。本発明に係る発光素子の具体的な実施形態は、図１１〜図１９を参照しながら詳細に説明される。
【0037】
本発明に係る発光素子は、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、デジタル投影機、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。
【0038】
後述される本発明に係る実施形態を構成する光源は、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る。この光はその後、導光体又は導波路内に導入される。導光体又は導波路は第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、光を出口面に誘導し得る。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であり得るが、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。
【0039】
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り得る。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光源であり得る。この実施形態は、光源光を赤外（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、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素子は、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。
【0040】
後述される本発明に係る実施形態の導光体は、一般的に、互いに直交する方向に延びる高さ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、一部の実施形態では、透明、又は透明且つ発光性である。一般的に、光は、長さＬ方向に誘導される。高さＨは、好ましくは１０＜ｍｍ、より好ましくは＜５ｍｍ、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＜５ｍｍ、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。一般的に、導光体は、平行な面内に配置されない光入力面及び光出口面を有し、一部の実施形態では、光入力面は光出口面に対して垂直である。集約された高輝度の光出力を達成するために、光出口面の面積は、光入力面の面積より小さくてもよい。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、又は六角形である。
【0041】
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。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。
【0042】
また、導光体は、円柱状のロッドであってもよい。一部の実施形態では、光源が発した光を効率的に導光体に内部導入するために、円柱状のロッドは、光源が配置され得る１つの平面をロッドの長さ方向沿いに有する。また、平面は、ヒートシンクを配置するために使用されてもよい。更に、円柱状の導光体は、例えば互いに反対側に又は垂直に配置された、２つの平面を有してもよい。一部の実施形態では、平面は、円柱状のロッドの長さ方向の一部にわたって延在する。
【0043】
また、後述される本発明に係る実施形態の導光体は、導光体が真っ直ぐな線形のバー又はロッドではなく、例えば、９０°若しくは１８０°屈曲による丸みのある角部、Ｕ字形、円形若しくは楕円形、環若しくは複数の環を有する立体的ならせん形状を有し得るよう、長さ方向において折られ、曲げられ、且つ／又は成形されてもよい。これは、概して光が誘導される全長が比較的長く、比較的高いルーメン出力を与えるとともに、比較的小さいスペースに配置可能なコンパクトな導光体を提供する。例えば、導光体の長さ方向沿いの成形を提供するために、導光体の発光部分は剛性である一方、導光体の透明部分は可撓性であってもよい。光源は、折られ、曲げられ、且つ／又は成形された導光体の長さ沿いの任意の位置に配置され得る。
【0044】
本発明の実施形態に係る後述される導光体に適した材料は、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。
【0045】
本発明の実施形態に係る後述される導光体は、光を別のスペクトル分布に変換するための適切な発光材料を含み得る。適切な発光材料は、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、後述される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。
【0046】
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（ＣｕＩｎＳ２）、及び／又は硫化銀インジウム（ＡｇＩｎＳ２）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、後述される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。
【0047】
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。
【0048】
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（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）又はＬｕＡＧ（Ｌｕ３Ａｌ５Ｏ１２）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Ｃａ１−ｘＡｌＳｉＮ３：Ｅｕｘであり（０＜ｘ≦１、好ましくは０＜ｘ≦０．２）、ＢＳＳＮはＢａ２−ｘ−ｚＭｘＳｉ５−ｙＡｌｙＮ８−ｙＯｙ：Ｅｕｚ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）。
【0049】
後述される本発明の一部の実施形態では、発光材料は、（Ｍ＜Ｉ＞（１−ｘ−ｙ）Ｍ＜ＩＩ＞ｘＭ＜ＩＩＩ＞ｙ）３（Ｍ＜ＩＶ＞（１−ｚ）Ｍ＜Ｖ＞ｚ）５Ｏ１２（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＞ｘＭ＜ＩＩＩ＞ｙ）２Ｏ３（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−ｚ）Ｓｅ（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−ｘ）Ｍ＜ＩＩ＞ｘＭ＜ＩＩＩ＞２）Ｏ７（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−ｘ）Ｍ＜ＩＩ＞ｘＭ＜ＩＩＩ＞（１−ｙ）Ｍ＜ＩＶ＞ｙ）Ｏ３（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。
【0050】
他の適切な発光材料は、Ｃｅドープイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）、及びルテニウム・アルミニウム・ガーネット（ＬｕＡＧ）である。発光導光体は、青色域、緑色域、又は赤色域内の中心発光波長を有し得る。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。
【0051】
実施形態において使用され得る蛍光体の選択肢を、最大発光波長と共に下の表１に示す。【表1】
【0052】
本発明の実施形態に係る、後述される導光体は、光を別のスペクトル分布に変換するための適切な発光材料の濃度が異なる領域を含み得る。一実施形態では、透明な導光体は、一方だけが発光材料を有し、他方は透明であり又は発光材料の濃度が比較的低い、互いに隣接する２つの部分を含む。他の実施形態では、導光体は、第２の部分に隣接し、異なる発光材料又は異なる濃度の同じ発光材料を有する、更に別の第３の部分を含む。異なる部分は、一体的に形成され、一片の又は１つの導光体を形成してもよい。一実施形態では、導光体の異なる部分の間、例えば第１の部分と第２の部分との間に、部分的に反射性の要素が配置されてもよい。部分的に反射性の要素は、１つの特定の波長又はスペクトル分布の光を通過させ、異なる別の特定の波長又はスペクトル分布の光を反射するよう構成される。したがって、部分的に反射性の要素は、ダイクロイックミラー等のダイクロイック要素であってもよい。
【0053】
他の実施形態（図示無し）では、透明な導光体の光入力面において、ＬＥＤ等の複数の光源の上方又は真上に、発光材料を含む複数の波長変換領域が配置される。したがって、光源からの光が発光材料の領域を介して透明な導光体内に導入されるよう、複数の波長変換領域のそれぞれの表面積は、複数の光源のそれぞれの表面積に対応する。変換された光は、その後、導光体の透明部分内に導入され、導光体の光出口面に誘導される。波長変換領域は、光入力面上に配置されてもよく、又は導光体内に形成されてもよい。波長変換領域は、導光体の光入力面の上に又は中に配置された均質層の一部を形成し得る。２つの隣り合う波長変換領域間に延在する均質層の部分は透明であってもよく、また、追加で又は代替的に、波長変換領域と同じ屈折率を有してもよい。異なる波長変換領域は、互いに異なる発光材料を含み得る。光源と発光領域との間の距離は、２ｍｍ未満、１ｍｍ未満、又は０．５ｍｍ未満であり得る。
【0054】
後述される本発明に係る発光素子の実施形態において、光源が発した光を導光体内に効率的に導入するために、結合構造又は結合媒体が提供されてもよい。結合構造は、例えば、波状の構造を形成する凹凸等の特徴を有する屈折構造であり得る。結合構造の特徴の典型的なサイズは、５μｍ〜５００μｍである。特徴の形状は、例えば、半球状（レンズ）、角柱状、正弦波状、又はランダム（例えば、サンドブラスト）であり得る。適切な形状を選択することによって、導光体内に導入される光の量を調整することができる。屈折構造は、チゼル加工（chiseling）、サンドブラスト等の機械的手段によって作成され得る。あるいは、屈折構造は、例えばポリマー又はゾル−ゲル材料等の適切な材料を用いた複製によって作成され得る。代わりに、結合構造は回折構造であってもよく、回折結合構造の特徴の典型的なサイズは、０．２μｍ〜２μｍである。導光体の内側の回折角θｉｎは、回折格子の式λ／Λ＝ｎｉｎ・ｓｉｎθｉｎ−ｎｏｕｔ・ｓｉｎθｏｕｔによって与えられ、ここで、λはＬＥＤ光の波長であり、Λは格子周期であり、ｎｉｎ及びｎｏｕｔは導光体の内外の屈折率であり、θｉｎ及びθｏｕｔは導光体の内側の回折角及び外側の入射角である。低い屈折率の層及び結合媒体について、同じ屈折率ｎｏｕｔ＝１を仮定すると、全内部反射の条件ｎｉｎｓｉｎθｉｎ＝ｎｏｕｔにより、λ／Λ＝１−ｓｉｎθｏｕｔという条件が求められ、すなわち、垂直入射θｏｕｔ＝０の場合はΛ＝λである。一般的に、全ての他の角度θｏｕｔが導光体内に回折されるわけではない。これは、屈折率ｎｉｎが十分に高い場合にのみ起こる。回折格子の式から、条件ｎｉｎ≧２に対して、Λ＝λの場合、全ての角度が回折される。導光体内に屈折される光をより少なくする、他の周期及び屈折率も使用可能である。更に、一般的に、多くの光が透過される（０次）。回折される光の量は、格子構造の形状及び高さに依存する。適切なパラメータを選択することにより、導光体内に導入される光の量を調整することができる。このような回折構造は、例えば、電子ビームリソグラフィ又はホログラフィによって作成された構造を複製することによって最も容易に作成される。複製は、ソフト・ナノ・インプリント・リソグラフィ等の方法によって行うことができる。結合媒体は、例えば、空気又は任意の他の適切な材料であり得る。
【0055】
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４０００を含む発光素子１０００の立体斜視図が示されている。図１に示される導光体４０００は、ＵＶから青色波長変換素子の形態の第１の変換部６１１０、及び、第１の変換部６１１０からの青色光入力に基づき白色光１４００を発するよう構成された蛍光体の形態の第２の変換部６１２０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。したがって、図１に示される発光素子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６１１０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）を含み、第２の変換部６１２０は黄色蛍光体を含む。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。
【0056】
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６１１０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６１１０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。
【0057】
図２は、導光体４０１５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発光素子１００１を示す。図２に示される導光体４０１５は、回転可能な蛍光体ホイール１６００の形態で提供された第２の変換部６１２０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６１１０と第２の変換部６１２０又は蛍光体ホイール１６００との間に配置された結合素子７７００を更に含む。
【0058】
発光素子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６１１０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。回転軸１６２０まわりに回転方向１６１０に回転している蛍光体ホイール１６００は、第３のスペクトル分布を有する光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。
【0059】
蛍光体ホイール１６００の側面方向の断面図を示す図２に示されるように、蛍光体ホイール１６００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１６００に入射し、蛍光体ホイール１６００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、光が蛍光体ホイール１６００に入射する面と同じ面から光が出射されるよう、蛍光体ホイール１６００が反射モード（図示無し）で使用されてもよい。
【0060】
蛍光体ホイール１６００は、全体に渡り単一の蛍光体を含んでもよい。あるいは、蛍光体ホイール１６００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１６００は、多色光出力を作成するために、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、発光素子１００１は、蛍光体ホイール１６００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。
【0061】
一実施形態では、結合素子７７００は、蛍光体ホイール１６００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、例えば上記の結合媒体又は結合構造７７００等の結合媒体又は結合構造であってもよい。発光素子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、発光素子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。
【0062】
図３は、導光体４０２０の光出口面４２００と光接続する光入力ファセット８０６０を備えた光学素子８０１０を含む導光体４０２０を示す。光学素子８０１０は、高い屈折率、一実施形態では導光体４０２０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８０３０及び８０４０を有する。テーパ状の側面８０３０及び８０４０は、導光体４０２０の光出口面４２００から外側に傾き、光学素子８０１０の光出口ファセット８０５０は、光入力ファセット８０６０及び導光体４０２０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８０１０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８０１０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８０３０及び８０４０において反射され、光出口ファセット８０５０は光入力ファセット８０６０よりも大きいため、光が光出口ファセット８０５０に衝突した場合、脱出する可能性が高い。側面８０３０及び８０４０の形状は曲面でもよく、全ての光が光出口ファセット８０５０から出るよう選択され得る。
【0063】
また、光学素子は、例えば、導光体の一部を、所定の光学素子が導光体の端部のうちの１つに形成されるよう成形することにより、導光体４０２０から一体的に形成され得る。光学素子は、例えばコリメータの形状、又は台形の断面形状を有し、一実施形態では、台形の外面に反射層が設けられる。これにより、より大きなスポットサイズを有するよう受け取られた光を成形すると共に、光出口面以外の面を介する光の損失を最小化することにより、出射光の強度も高めることができる。他の実施形態では、光学素子はレンズアレイ、例えば凸レンズ、凹レンズ、又はこれらの組み合わせの形状を有する。これにより、焦点を合わせられた光、デフォーカスされた光、又はこれらの組み合わせを形成するよう、受け取られた光を成形することができる。レンズアレイの場合、更に、出射光は、アレイの１つ以上のレンズによってそれぞれ形成された２つ以上の別個のビームを有し得る。したがって、より一般的には、導光体は異なるサイズ及び異なる形状を有する部分を含み得る。これにより、極めて単純な方法で、例えば光出口面のサイズ及び／又は形状を変更することによって、光出口面から任意の１つ以上の発光方向に光が成形され、光出口面から出射される光のビームサイズ及びビーム形状を調整可能な導光体が提供される。したがって、導光体の一部は光学素子として機能する。
【0064】
また、光学素子は、導光体の光出口面に配置された集光素子（図示無し）であってもよい。集光素子は四角形の断面、及び、集光素子の光出口面が導光体の光出口面よりも大きい表面積を有するよう外側に曲がった２つの面を有する。あるいは、集光素子は、３つ以上の、具体的には４つのテーパ状の側面を有してもよい。集光素子は、放物線状の曲面を有する複合パラボラ集光素子（ＣＰＣ）であってもよい。変形例では、集光素子は円形の断面及び１つの円周状のテーパ状の側面を有する。変形例において、集光素子の屈折率が導光体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を可能にする。例えば、導光体がｎ＝１．８の屈折率を有し、集光素子が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の場合、ゲインは更に約１０％高くなる。実際には、光学素子又は集光素子と、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誘電体多層膜又はモスアイ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。
【0065】
ＣＰＣの興味深い特徴の１つは、光のエタンデュ（＝ｎ２×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の形状及びサイズは、導光体の光出口面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を有するＣＰＣを使用することは有益であろう。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。
【0066】
図３を参照して説明された上記構造のうちのいずれかを使用することにより、屈折率が高い導光体材料から空気のような屈折率が低い物質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。
【0067】
図４及び図５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４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導光体４０４０の斜視図を示す。導光体４０４０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。導光体４０４０の長さ全体に渡って延びる導光体４０４０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４０４０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４０４０の長さ全体に渡って延在する。
【0068】
図５は、成形された光出口面４２００を提供するために導光体４０５０の長さの一部が成形された導光体４０５０の側面図を示す。導光体４０５０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。導光体４０５０の長さの一部に渡って延在する導光体４０５０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４０５０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４０５０の長さの一部に渡って延在する。
【0069】
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。
【0070】
他の実施形態では、導光体の光出口面の部分に表面処理、例えば粗面化を施し、一方、光出口面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。
【0071】
図６は、導光体４０７０を有する照明システム、例えばデジタルプロジェクターの側面図を示す。導光体４０７０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。導光体４０７０は、例えば、Ｃｅドープ（Ｌｕ，Ｇｄ）３Ａｌ５Ｏ１２、（Ｙ，Ｇｄ）３Ａｌ５Ｏ１２、又は（Ｙ，Ｔｂ）３Ａｌ５Ｏ１２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４０７０は完全に透明である。
【0072】
光出口面４２００には光学素子９０９０が設けられる。光学素子９０９０は、導光体４０７０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９０９１、少なくとも１つの更なる光源９０９３、９０９４、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９０９３、９０９４からの光とを結合して共通の光出力１４００を供給するよう構成された光学部品９０９２を含む。フィルタ９０９１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６に示されるフィルタ９０９１は、フィルタ９０９１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９０９１の特性に依存する。図示の光学部品９０９２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。
【0073】
図示の実施形態では、２つの更なる光源９０９３及び９０９４が設けられ、更なる光源９０９３は青色光源であり、更なる光源９０９４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。更なる光源のうちの１つ以上は、後述される本発明の実施形態に係る導光体であってもよい。他のオプションは、フィルタ９０９１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４０７０によって出射され、フィルタ９０９１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９０９３及び９０９４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。
【0074】
図６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素子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。
【0075】
図７は、導光体４０８０の光入力面４１００に隣接して配置された、第１のスペクトル分布の光を発する第１の光源２１００、２２００、２３００を含む導光体４０８０の側面図を示す。導光体４０８０は、更に、光入力面４１００と平行な導光体４０８０の反対側の面４５００に隣接して配置された、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する少なくとも１つの第２の光源２４００を更に含む。導光体４０８０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、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、導光体４０８０によって光出口面４２００から出射された光１７００は、少なくとも第２のスペクトル分布の光及び第３のスペクトル分布の光、また、一部は変換されずに残り得るため、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４０８０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。
【0076】
図７に示されるように、導光体４０８０は、第２の光源２４００からの光を導光体４０８０内に導入するよう構成された結合素子７７１０を更に含む。結合素子７７１０は、上記したような結合構造又は結合媒体であり得る。結合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。
【0077】
２つ以上の第２の光源が設けられてもよい。これらの実施形態では、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。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４０８０の２つ以上の面、例えば２つの異なる面に配置され得る。例えば、少なくとも１つの第２の光源２４００は、導光体４０８０の光出口面４２００の反対側の面に配置され得る。
【0078】
図８Ａ及び図８Ｂは、導光体４０９０Ａ、４０９０Ｂの光入力面とは異なる１つの表面上に、対応する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をそれぞれ有する導光体４０９０Ａ及び導光体４０９０Ｂの側面図をそれぞれ示す。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る。これにより、拡大された熱接触面積、よって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。
【0079】
図８Ａ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、フィンを備え得ることを示す。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。
【0080】
図８Ｂは、ヒートシンク要素７０００Ｂが配置される導光体４０９０Ｂ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が有することを示す。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。
【0081】
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４０９０Ａ又は４０９０Ｂの２つ以上の表面に配置することも可能である。
【0082】
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発光素子に特に適することに留意されたい。
【0083】
図９Ａ〜図９Ｄ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、導光体４０１０Ａ、４０１０Ｂ、４０１０Ｃ、及び４０１０Ｄの側面図をそれぞれ示す。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。
【0084】
図９Ａ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、これは、導光体４０１０Ａ内で第２のスペクトル分布を有する第２の光１４００に変換される。偏光子９００１のため、第１の偏光、この場合は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、この場合は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、この場合はｐ偏光１４００ＰＡ、１４００ＰＢのみを含む光出力が得られる。
【0085】
更に、この例では、導光体４０１０Ａは、光出口面４２００と反対側の面４６００との間に伸びる表面のいずれかに配置された、図示の実施形態では表面４５００を部分的に覆う１／４λ板９００２を含む。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。
【0086】
図９Ｂ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の外部に導出され、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。
【0087】
図９Ｃは、図９Ａ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。
【0088】
図９Ｄ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。
【0089】
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、上記の光学素子、複合パラボラ集光素子（ＣＰＣ）、又は光学素子であってもよい。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。
【0090】
図１０は、複数のＬＥＤを含む光源２１００と、導光体４０９５とを含む発光素子１０２０を示す。この例では、光源２１００は、好ましくは銅、鉄、又はアルミニウム等の金属からなるヒートシンク７０００の形態のベース又は基板上に配置される。他の実施形態では、ベース又は基板はヒートシンクでなくともよいことに留意されたい。導光体４０９５は、互いに対してゼロではない角度で、この具体例では垂直に延びる光入力面４１００及び光出口面４２００を有するバー又はロッドとして概して成形されるよう図示されており、光出口面４２００は、導光体４０９５の端面である。光入力面４１００及び光出口面４２００は異なるサイズを有し、好ましくは、光入力面４１００が光出口面４２００より大きい。導光体４０９５は、更なる面４６００を更に有し、更なる面４６００は、光出口面４２００の反対側に平行に延在し、よって同様に導光体４０９５の端面である。導光体４０９５は、更に、側面４３００、４４００、４５００を有する。導光体４０９５は、板状の形状を有してもよく、例えば正方形又は長方形の板であってもよい。
【0091】
発光素子１０２０は、更に、導光体４０９５の更なる面４６００に配置された第１のミラー要素７６００、及び導光体４０９５の光出口面４２００に配置された第２のミラー要素７４００を有する。図示されるように、第１のミラー要素７６００は、光出口面４２００と光接触するよう配置され、第２のミラー要素７６００は、更なる表面４６００と光接触するよう配置される。代わりに、第１及び第２のミラー要素７６００及び７４００と更なる面４６００及び光出口面４２００との間の一方又は両方の間に、ギャップが設けられてもよい。かかるギャップは、例えば空気又は光学接着剤によって充填され得る。
【0092】
導光体４０９５の光出口面４２００は、更に、４つの内向きテーパ壁、及び更なる面４６００に対して平行に延在する中央平坦部を有する。本明細書で使用される「テーパ壁」とは、光出口面の残りの部分、及び光出口面に隣接して延びる導光体の表面の両方に対してゼロではない角度で配置された光出口面４２００の壁の部分を指す。当該壁は内向きにテーパ状であり、すなわち、導光体の断面は、出口面に近づくにつれ徐々に小さくなる。本実施形態では、第２のミラー要素７４００は、光出口面４２００のテーパ壁に配置され、光出口面４２００のテーパ壁と光接触する。よって、第２のミラー要素は、光出口面４２００の各テーパ壁に対応し、それらを覆う４つの部分７４１０、７４２０、７４３０、及び７４１０を有する。光出口面４２００の中央平坦部に対応する開口部７５２０は、光が通り抜けて発光素子１０２０から外に出射され得る光出口面４２００の透明部分を画定する。
【0093】
このようにすることで、より多くの光線が光出口面４２００に向けられるよう、第２のミラー要素に衝突した光線が角度方向を変え、また、角度方向の変化により、以前はＴＩＲによって導光体４０９５内に留まっていたであろう光線が、臨界反射角より小さい角度で光出口面４２００に衝突するようになり、よって光出口面４２００の開口部７５２０を介して導光体から出ることができる発光素子が提供される。これにより、発光素子が導光体４０９５の光出口面４２００から出射する光の強度は、更に上昇される。具体的には、導光体が矩形のバーの場合、出口面の第２のミラー要素に垂直に衝突し、２つのミラー要素間で跳ね返り続けるため、バーから出ることができない光線が存在する。１つのミラー要素が内側に傾けられた場合、光線はそのミラー要素において反射された後方向を変え、第２のミラー要素の透明部分を通って導光体から出ることができる。したがって、この構成は、テーパ壁の反射により、光出口面４２００の中央平坦部、よって第２のミラー要素７４００内のスルーホール７５２０への改良された導光を提供する。
【0094】
他の実施形態では、異なる数のテーパ壁、例えば１つ、２つ、３つ、５つ、又は６つのテーパ壁等、４つより少ない又は多くのテーパ壁が設けられてもよく、また、テーパ壁の全てに第２のミラー要素又は第２のミラー要素の部分が設けられなくてもよい。他の変形例では、テーパ壁のうちの１つ以上は、第２のミラー要素７４００によって覆われなくてもよく、且つ／又は、中央平坦部は、第２のミラー要素７４００によって部分的に若しくは完全に覆われてもよい。
【0095】
図１１は、本発明の一般的な第１の実施形態に係る発光素子１の斜視図を示す。発光素子１は、概して、複数のＬＥＤ２１、２２、２３を含む光源２、透明ヒートシンク要素３、及び第１の発光導光体４を含む。
【0096】
透明ヒートシンク要素３は、概して、互いに反対側に配置された第１の光入力面３１及び第１の光出口面３２、並びに、第１の光入力面３１と第１の光出口面３２との間に延在し、組ごとに互いに反対側に配置された更なる側面３３、３４、３５、３６を有するバー又はロッドとして成形されるよう図示されている。透明ヒートシンク要素３は、例えば、正方形又は長方形の板として、板状の形状を有してもよく、又は原則的には任意の他の適切な形状を有し得る。
【0097】
透明ヒートシンク要素３は、概して、非常に少ない損失で又は損失を伴わずに光を通過させる一方、第１の発光導光体４から離れる方向に熱が拡散及び移動される。すなわち、図示の実施形態では、更なる側面３３、３４、３５、３６のうちの１つ以上を介して熱が放出される。
【0098】
このような透明ヒートシンク要素３に適した材料は、透明度が高い材料、すなわち、入射光の全て又は実質的に全てを通過させる材料、例えば９０％より高い透明度を有する材料であって、高い熱伝導率、すなわち、例えば１Ｗ（ｍ・Ｋ）より高い、好ましくは１０Ｗ（ｍ・Ｋ）より高い熱伝導率を有する材料である。
【0099】
適切な材料は、限定はされないが、サファイア、ＹＡＧ、ＬｕＡＧ等のアンドープ透明ガーネット、ガラス、石英、及びアルミナ酸化物等の他のセラミック材料を含む。
【0100】
第１の発光導光体４は、第１の光入力面４１、第１の発光導光体４の端面である第１の光出口面４２、及び更なる側面４３、４４、４５、４６を有するバー又はロッドとして概して成形されるよう図示されている。第１の発光導光体４も、板状の形状を有してもよく、例えば正方形又は長方形の板であってもよい。
【0101】
第１の光入力面４１及び第１の光出口面４２は、概して、互いに対してゼロではない角度で延び、すなわち、両者は平行な面内に延在しない。本明細書で示される実施形態では、第１の光入力面４１及び第１の光出口面４２は、互いに対して垂直に延びる。また、第１の光入力面４１及び第１の光出口面４２は異なるサイズを有し、好ましくは、第１の光入力面４１が第１の光出口面４２より大きい。
【0102】
第１の発光導光体４は、発光ガーネット等の発光材料からなり、適切なガーネットは上記の通りである。更に、第１の発光導光体４の発光材料は、好ましくは透明、集光性、又はこれらの組み合わせであり、適切な材料は上記の通りである。
【0103】
透明ヒートシンク要素３及び導光体４は、互いに物理的に、熱的に、及び光学的に接触するよう配置され得る。
【0104】
発光素子１は、概して以下のように作用する。第１のスペクトル分布を有する光１３が光源２によって発せられ、光入力面３１から入り、光出口面３２から出て、透明ヒートシンク要素３を通過する。したがって、図示されるように、透明ヒートシンク要素３は、光源２と第１の発光導光体４との間の光路内に配置される。しかし、原則的に、光の一部は例えば面３５を通過し得るため、全ての光が光出口面３２を通過する必要はない。
【0105】
第１のスペクトル分布を有する光１３は、その後、第１の光入力面４２において第１の発光導光体４に入る。第１の発光導光体４により、第１のスペクトル分布を有する光１３の少なくとも一部が、第２のスペクトル分布を有する光１４に変換される。最後に、第２のスペクトル分布を有する光１４の部分が、第１の光出口面４２において第１の発光導光体４の外に誘導及び導出され、よって発光素子１によって出射される。第２のスペクトル分布を有する光１４を第１の発光導光体４の１つの面４２のみを介して第１の発光導光体４から取り出すことにより、光を集約し、強度を高めることができる。
【0106】
あるいは、図示されていないが、第１の光入力面４１及び第１の光出口面４２以外の第１の発光導光体４の面、すなわち、更なる面４３、４４、４５、４６のうちの１つ以上に反射層が設けられてもよい。
【0107】
上記実施形態では、光源２及び発光導光体は、透明ヒートシンク要素３と光接触しない。
【0108】
他の例では、第１の導光体４と透明ヒートシンク３との間に光接触が存在し、第２のスペクトル分布を有する光１４も、透明ヒートシンク３内に少なくとも部分的に入り誘導され、面３６及び４６に反射層が設けられている場合、面３５及び４２から出射する。
【0110】
図１２は、本発明に係る発光素子１０１の第２の実施形態の構成の側面方向の断面図を示す。本実施形態では、第１の発光導光体４から離れる方向の追加の伝熱を提供するために、光源２は、不透明ヒートシンク７０の形態のベース上に配置される。不透明ヒートシンク７０は、改良された伝熱のために１つ以上のフィン７１、７２、７３を含む。不透明ヒートシンク７０は、好ましくは銅、鉄、又はアルミニウム等、高い熱伝導率を有する金属から構成される。また、不透明ヒートシンク７０は、アルミナ又は窒化ホウ素等の反射セラミックから構成されてもよい。
【0111】
更に、透明ヒートシンク要素３と第１の発光導光体４との間にギャップ６が設けられる。ギャップ６は、例えば２００μｍ未満、１００μｍ未満、又は５０μｍ未満のサイズを有する。ギャップ６は、スペーサー要素（図示無し）によって維持される空隙であってもよい。また、ギャップ６は、透光性且つ断熱性の物質、例えば比較的低い熱伝導率を有する透光性の接着剤等によって部分的に又は完全に充填されてもよい。
【0112】
また、光源２は、透明ヒートシンク要素３と物理的に接触するよう配置されてもよく、この場合、比較的薄い透明ヒートシンク要素３であっても、改良された伝熱が得られ得る。したがって、このようにすることで材料の節約ができ、また、よりコンパクトな発光素子１を提供することができる。
【0113】
図１３は、本発明に係る発光素子１０２の第３の実施形態の側面方向の断面図を示す。本実施形態では、透明ヒートシンク要素３０１は、２つの補足セクション３１０及び３１２を有する。２つの補足セクション３１０及び３１２は、それぞれ、第１の発光導光体４の反対方向に延びるフィン３１１及び３１３を有し、第１の発光導光体４から離れる方向の追加の伝熱を提供する。補足セクション３１０及び３１１は透明なセクションとして図示されているが、変形例では不透明なセクションであってもよい。補足セクション３１０及び３１１が不透明な場合、１つ以上のフィンが設けられ、好ましくは、銅、鉄、若しくはアルミニウム等の比較的高い熱伝導率を有する金属、又はアルミナ若しくは窒化ホウ素等の反射セラミックから構成される。
【0114】
図１４は、本発明に係る発光素子１０３の第４の実施形態の側面方向の断面図を示す。本実施形態では、透明ヒートシンク要素３０２からの改良された光外部導出のために、透明ヒートシンク要素３０２は、散乱粒子の形態の散乱材料１０を透明ヒートシンク要素内に又は光入力面に有する。更に、ヒートシンク要素３０２は、意図された光外部導出面を介して透明ヒートシンク要素３０２から光を外部導出するために、適切な材料の層として図示されている結合構造７を有し得る。
【0115】
また、変形例では、透明ヒートシンクは、反射率が高い層を介して不透明ヒートシンクと接触し得る。不透明ヒートシンクは、１つ以上のフィンを有し得る。
【0116】
このようにすることで、２つの追加の結果が得られる。散乱材料１０は、第１のスペクトル分布を有する光１３の少なくとも一部が散乱光１３１になり、第１の発光導光体４に向けて外部導出されることをもたらす。散乱材料に代えて又は加えて、光を外部導出するための結合構造７が使用され得る。上記と同様に、これは、透明ヒートシンク要素３を導光体として使用することを可能にし、よって、図１４に示されるように、透明ヒートシンク要素３の側面を光入力面３１として使用し、結合構造７によって透明ヒートシンク要素３から光を外部導出し、光を光出口面３２に送ることを可能にする。したがって、図１４に示される発光素子１０３は、いわゆるエッジライト発光素子である。
【0117】
結合構造７は、必ずしも図１４に示されるような層である必要はなく、適切な形状又は構造、例えば、透明ヒートシンク要素３０２の表面上に設けられた回折又は屈折構造であってもよい。また、透明ヒートシンク要素３０２からの光の外部導出を改良するために、結合構造が使用され得る。
【0118】
代わりに又は加えて、特に図１７に関連して後述される第２の透明ヒートシンク要素を有する実施形態において、導光体４も、散乱材料及び／又は結合構造を有し得る。
【0119】
図１５は、本発明に係る発光素子１０４の第５の実施形態の側面方向の断面図を示す。本実施形態では、透明ヒートシンク要素３０３は、テーパ状の２つの側面３５及び３６を有する略台形の断面形状を有する。このようにすることで、透明ヒートシンク要素３０３は、屈折によって光１３を方向転換させる光学要素として機能し、このようにして、屈折された光１３２は第１の発光導光体４に送られる。これにより、透明ヒートシンク要素の通過中に失われる光の量が減る。透明ヒートシンク要素の他の断面形状、例えば放物線状の側面を有する断面形状等も実施可能であることに留意されたい。
【0120】
図１６は、本発明に係る発光素子１０５の第６の実施形態の側面方向の断面図を示す。本実施形態では、透明ヒートシンク要素３０４は、光入力面３１上に配置された屈折及び／又は回折構造７４を有する。あるいは、屈折及び／又は回折構造７４は、光入力面３１内に埋め込まれてもよい。このようにすることで、透明ヒートシンク要素３０３は、回折によって光１３を方向転換させる光学要素として機能し、回折光１３３は第１の発光導光体４に送られる。したがって、屈折及び／又は回折要素７４は、光の内部導入を改良し、透明ヒートシンク要素の通過中の光損失の量を減らす。
【0121】
図示されていない他の実施形態では、屈折及び／又は回折構造は、追加で又は代わりに、透明ヒートシンク要素３の任意の他の面、又は第１の発光導光体４の面の上に配置され得る。
【0122】
図１７は、本発明に係る発光素子１０６の第７の実施形態の側面方向の断面図を示す。本実施形態では、光入力面４１の反対側の第１の発光導光体４の面４５に隣接して、第２の透明ヒートシンク要素２０が設けられる。より一般的に言えば、第２の透明ヒートシンク要素２０は、透明ヒートシンク要素３の反対側の第１の発光導光体４の面に隣接して又は当該面の上に配置される。これにより、第１の発光導光体４は、２つの透明ヒートシンク要素３及び２０の間に配置される。これは、更に改良された第１の発光導光体４から離れる方向の伝熱を提供する。
【0123】
第２の透明ヒートシンク要素２０は、例えば長方形若しくは正方形の断面を有するロッド、バー、若しくは板状の形状を有してもよく、又は原則的に任意の他の適切な形状を有してもよい。
【0124】
この例では、透明ヒートシンク要素３と第１の発光導光体４との間にギャップ６が設けられる。ギャップ６は、例えば２００μｍ未満、１００μｍ未満、又は５０μｍ未満のサイズを有する。ギャップ６は、スペーサー要素（図示無し）によって維持される空隙であってもよい。また、ギャップ６は、透光性且つ断熱性の材料、例えば透光性且つ断熱性の接着剤等によって部分的に又は完全に充填されてもよい。
【0125】
好ましくは、第２の透明ヒートシンク要素２０と第１の発光導光体４との間に同様なギャップ７５が設けられる。ギャップ７５は、例えば２００μｍ未満、１００μｍ未満、又は５０μｍ未満のサイズを有する。ギャップ７５は、スペーサー要素（図示無し）によって維持される空隙であってもよい。また、ギャップ７５は、透光性且つ断熱性の材料、例えば透光性且つ断熱性の接着剤等によって部分的に又は完全に充填されてもよい。
【0126】
本実施形態では、更に、第１の透明ヒートシンク要素３並びに／又はギャップ６及び７５の一方若しくは両方を省くことが可能であり得る。
【0127】
図１８は、本発明に係る発光素子１０７の第８の実施形態の端面方向の断面図を示す。本実施形態では、第１の発光導光体４は、透明ヒートシンク要素３０５によって包囲され、すなわち、透明ヒートシンク要素３０５は、第１の発光導光体４の４つの面に隣接して延在する。
【0128】
更に、透明ヒートシンク要素３０５は、三角形の断面形状を有する。原則的に、透明ヒートシンク要素は、実施形態によらず、任意の断面形状及び／又は表面形状を有し得ることに留意されたい。
【0129】
更に、透明ヒートシンク要素３の３つの側面の全てに光源２１、２２、２３が設けられ、よって、透明ヒートシンク要素３は３つの異なる角度から照射される。原則的に、要求される光出力が達成される限り、任意の所望の数の異なる角度から透明ヒートシンク要素を照射するために、任意の所望の数の光源が配置され得る。これにより、より多くの光が第１の発光導光体４内に導入され、一層大きな強度上昇が達成される。透明ヒートシンク要素は、より高い熱伝導率を有する不透明ヒートシンクに取り付けられ得る。
【0130】
図１９は、本発明に係る発光素子１０８の第９の実施形態の端面方向の断面図を示す。本実施形態では、第１の発光導光体４は、透明ヒートシンク要素３０６内に設けられた凹部３０６１内に配置される。言い換えれば、透明ヒートシンク要素３０６は、導光体を３つの面で包囲するよう成形され、すなわち、透明ヒートシンク要素３０６は、第１の発光導光体４の光入力面４１並びに側面４３及び４４に隣接して延在する。
【0131】
更に、発光素子１０８は、第１の発光導光体４及び透明ヒートシンク要素３０６を包囲するよう配置された不透明ヒートシンク７６を有し、すなわち、不透明ヒートシンク７６は、改良された伝熱のために３つの面に隣接して延在する。図示されるように、光源２が配置される面は、不透明ヒートシンク７６に隣接して延在する。
【0132】
変形例では、不透明ヒートシンク７６は、第１の発光導光体４及び透明ヒートシンク要素３の１つ、２つ、３つの側面と、又は４つの側面とさえ隣接して延在し得る。原則的には、光源２が配置される面も、不透明ヒートシンク７６と隣接し、この場合、光源２は、透明ヒートシンク要素３の光入力面に面する不透明ヒートシンクの表面上に配置される。
【0133】
透明ヒートシンク要素は、第１の光出口面を含まない４つの面において第１の発光導光体を包囲するよう提供され得る。
【0134】
一部の実施形態では、発光素子は、更に、図２に関連して上記したような蛍光体ホイールを含む。
【0135】
他の実施形態では、発光素子は、図３に関連して上記したように、第１の光出口面に光学素子を有する。代わりに又は追加で、導光体の第１の光出口面は、図１０に関連して上記したようなテーパ壁を有し得る。
【0137】
一部の実施形態では、例えば図７に関連して上記したように、第１の光源とは異なるスペクトル分布を有する光を発する光源が、本発明に係る発光素子に加えられてもよい。
【0140】
例えば図６に関連して上記したように、本発明の実施形態に係る発光素子は、デジタルプロジェクト内に配置され得る。
【0141】
当業者は、本発明が如何ようにも上記好適な実施形態に限定されないことを認識する。反対に、添付の特許請求の範囲の範囲内で、多くの改変形態及び変形形態が実現可能である。
【0142】
特に、本明細書に記載される様々な実施形態の様々な要素及び特徴は、自由に組み合わせられ得る。
【0143】
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。