光エンジン
本発明は、少なくとも１つの開口７を備えるチェンバ６と、このチェンバ内に配置された複数のＬＥＤエレメント１３とを有するような光エンジン１，２，３，４，５を記載したもので、実効的に上記チェンバ６の全内側表面が、所望の波長領域内の光に対して実質的に非吸収的であるような高反射性表面２０として実現されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも１つの開口を備えるチェンバと、このチェンバ内に配置された複数のＬＥＤエレメントとを有するような光エンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
光を１つの又は複数の光ファイバに結合し、これにより単一の光源から幾つかの遠隔位置へ（例えば、複数の自動車のヘッドライト／テイルライト等へ）光が伝送されるのを可能にする目的で、又は例えば集中された非常に高輝度の光ビームを外部世界に若しくは光ガイドの何らかの具現体に若しくは或る所望の仕様に従って放出光を整形及び／又はコリメートする目的でコリメートエレメントに直に放出するために高度に強力且つ高度に光的に局所化された光源に対する一般的な需要が存在する。一例は、例えばＨＩＤランプ等の強力な単一光源を有する光エンジンである。通常は少なくとも放物面鏡及びコリメートレンズを有する二次光学系により、光源からの光は、光の伝送を可能にする光ファイバアレイ上に投影及び収束される。後者の例は、表示器バックライト及び自動車ヘッドライトを含む。近年、伝統的な光源と比較した場合のＬＥＤ光源の幾つかの良く知られた利点により、伝統的光源の代替としてのＬＥＤ光源の使用に対する関心が著しく増大している。
【０００３】
過去１０年の間に、ＬＥＤ（特に、固体無機ＬＥＤ）の設計及び製造に関する技術は、無機白色光放出ＬＥＤが今や４０lm/Wattを正に超える効率で製造することができるような点まで急速に向上した。これは、伝統的な白色白熱電球（最良で１６lm/Watt）及び殆どのハロゲンランプ（最良で３０〜３５lm/Watt）のものを明らかに超えるものである。単一のＬＥＤダイからの光束出力は今や１００lmを優に超えるまでに増加し、数年のうちに、ＬＥＤダイ当たり２.７ワットの入力電力において７５ルーメン/Wattの効率を達成する、従って２００ルーメン／ＬＥＤを発生することが可能になることが期待される。一方、ＬＥＤダイ当たりの限られた光出力は、依然として、ＬＥＤの予見可能な将来における照明目的のためのＬＥＤの汎用的アプリケーションへの途上において克服されるべき障壁となっている。汎用照明源は、家庭内用途に対しては５００〜１０００ルーメンの、職業上用途に対しては１０００〜３０００ルーメンの範囲内の光束、即ち普通の白熱型及び蛍光型照明源の現在の出力を生成しなければならない。これは、数ダースまでものＬＥＤダイからの光出力が単一の固定具内で結合され、所謂光エンジンとなる場合にのみＬＥＤにより達成することができる。しかしながら、これは、それ自体で問題であり、高輝度の光源が必要とされる場合に問題となり始める。何故なら、例えば結合される全ＬＥＤからの放出光は、小さな寸法の小型のコリメートエレメントによりコリメートされねばならないからである。後者の良く知られた例は、自動車のヘッドランプである。この場合、通常は１５００ルーメン程度を放出するＨ７ハロゲンランプ（５５Ｗ入力電力）を利用する。これらの光束は約３０Mcd/m2の輝度で放出される。キセノンＨＩＤランプを使用する場合、達成される輝度は約８０Mcd/m2まで増加する。対照的に、単一の１mm2のＬＥＤダイが５０ルーメンの白色光を放出するようになされた場合（これは、現在利用可能な技術で達成し得る略最良のものである）、単一のダイの輝度は８Mcd/m2に過ぎず、依然としてハロゲンランプのものより数倍低く、通常のＨＩＤランプより一桁低い。状況は、複数のＬＥＤダイが必要とされる場合は、隣接するダイの間の所要の間隔により大幅に悪化する。
【０００４】
放出光の単一の集中（平行化）ビームを得るために種々のＬＥＤダイからの光出力を一緒に結合することが可能なＬＥＤ光エンジン（"光発生器"とも呼ばれる）の一例が、米国特許第6,402,347号に開示されている。この光エンジンにおいて、個々のＬＥＤエレメントは背面板上に取り付けられ、これらエレメントの各々にはコリメートドームが装備されている。隣接して整列されたフレネルレンズが、個々のＬＥＤ光ビームの単一の出力エレメント（例えば、光学光ガイド）上への投影を可能にしている。このシステムの主たる問題は大きな光の損失であり、該損失は種々の光界面からの反射により約６０％にも達し得る。この光エンジンの他の欠点は、該光エンジンの暈及び二次光学系の所要の高精度位置合わせであり、斯かる光エンジンのコストを上昇させる。更に、このようなＬＥＤ光エンジンの寸法及びコストは、通常の高輝度光源のものを遙かに超えるものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、本発明の目的は、ＬＥＤ型の光エンジンであって、製造するのが一層容易且つ安価であり、小型の寸法のものであり、既知のＬＥＤ型光エンジンよりも良好な性能を示すような光エンジンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この目的のために、本発明は、少なくとも１つの開口（アパーチャ）を備えるチェンバ及び該チェンバ内に配置される複数のＬＥＤエレメントを有し、実効的に、上記チェンバの全ての内側表面が、特には可視領域、ＵＶ領域及び／又は赤外領域等の所望の領域内の光に対して実質的に非吸収性である高反射性の（好ましくは拡散反射性（"白色反射性"とも呼ばれる）の）表面として具現されるような光エンジンを提供する。上記"高反射性"なる用語は、１００％に近い、好ましくは≧９５％の、より好ましくは≧９８％の反射率として理解されるべきである。
【０００７】
本発明により、ＬＥＤエレメントの間の表面領域を含み、ＬＥＤエレメントにより占有されていない全ての内側表面が高度に反射性であれば、斯かるＬＥＤにより放出される実質的に全ての光は、恐らくは複数の多分多数の反射の後に上記開口を介して当該チェンバを離れる。斯様なチェンバ内での光の多重反射の現象は、"内部光再利用"として知られている。このような構成においては、各内部チェンバ表面は、ＬＥＤエレメントの表面の場合のように自身で光を放出するか又は光を反射するかのいずれにせよ、実効的に放出表面となる。本発明による光エンジンは、従来技術の光エンジンからの内部二次光学系は有さないので、製造するのが一層経済的である。望ましいなら、本発明による光エンジンには、当該光エンジンからの放出光ビームを整形及び／又はコリメートする目的で外部二次光学系（好ましくは、前記光エンジン開口の近傍に設けられる）を設けることができる。
【０００８】
この様にして設計された"積分球"又は所謂"ウルブリヒト球"として構成されたチェンバにおいては、確かに、当該チェンバ内のＬＥＤにより放出された光の殆ど大部分が上記開口を介して該チェンバから出力する。明らかに、全体の光エンジンの効率は、当該チェンバの内側表面の得られる反射率に最終的に依存する。斯かる内側表面の反射率は正確に１００％には届きそうにないが、それでも、この限界には合理的に良く近づくことができる。以下においては、本発明による光エンジンにより例外的に良好な性能を得ることができることが示され、これによれば、最終的に得られる値は、チェンバ内のＬＥＤ詰め込み密度（実装密度）、ＬＥＤの反射率及び当該光エンジンの光に曝される全内表面面積に対する上記開口の寸法等の当該光エンジンの正確な構造パラメータに常に依存する。従って、斯かる正確な構造パラメータは所望の用途に適するように選択されるべきである。
【０００９】
以下においては、ＬＥＤは固体無機ＬＥＤダイであると仮定する。何故なら、これらは充分な光強度で目下入手可能であるからである。それにも拘わらず、充分な性能を提供する限りにおいて、例えばレーザダイオード、他の型式の半導体発光素子又は有機ＬＥＤ等の如何なる他のエレクトロルミネッセント素子も使用することができる。従って、以下における"ＬＥＤ"なる用語は、如何なる型式の適切なエレクトロルミネッセント素子に対する同義語と見なされるべきである。
【００１０】
従属請求項及び後続する記載は、本発明の特に有利な実施例及びフィーチャを開示している。
【００１１】
上記内側表面の反射率は、基本的に如何なる方法でも達成することができる。該反射率が好ましくは≧９８％のように充分に高いことのみが重要である。好ましくは、該高反射性の表面は、チェンバの壁の内側表面にわたって拡散反射性材料を分布させることにより実現することができる。例えば、斯かる内側表面は、適切な材料により充分な厚さの粒子／バインダコーティングの形態で被覆することができる。
【００１２】
本発明の特に好ましい実施例においては、上記拡散反射性材料は当該チェンバ壁の内側表面と、少なくとも所望の波長領域において透明な被覆板との間に封入される。この様に、該拡散反射性材料はチェンバ壁の内側表面と透明な被覆板との間に"挟まれる"。この構成は、反射性乾燥粉末（好ましくは、自由に流れる粉末）のような拡散反射性材料の使用を可能にする。好適な反射性白色粉末は、Al2O3、YBO3、BaSO4、TiO2、Ca-ピロリン酸塩（Ca-pyrophosphate）、Ca-ハロリン酸塩（Ca-halophosphate）、MgO又はこれら粒子の混合物等の無機粒子を含むことができる。如何なる有機バインダ材料の不存在も斯かる粉末粒子の反射率を増加させると共に、時間にわたる徐々の変色を防止する。５〜１５μｍなる平均粒径でのCa-ピロリン酸塩の使用が特に推奨されるが、その理由は、その安さ、容易な入手可能性、化学純度及び高温（>１０００℃）に対する耐性、そのチェンバの内側表面と被覆板との間の相対的に狭い空間の乾燥粉末粒子による容易な充填を可能にするのに有用な約１％w/wのAlon-Cナノ粒子（即ち、ドイツ国、Degussa GmbHのAl2O3粒子）と混合される場合の自由に流れる粉末として振る舞う能力、及びその９００℃での焼き鈍しの後の可視光に対する証明された非吸収特性である。Ca-ピロリン酸塩の場合、少なくとも９８〜９９％の反射率を達成するために、当該反射性粉末層は好ましくは少なくとも２ｍｍの厚さを有すべきである。
【００１３】
入力電力の光への変換に関して最大の可能な効率を達成するために、ＬＥＤエレメント内で発生される光の可能な限り多くが、実際にＬＥＤからチェンバ内部に出射することが必要である。これは、ＬＥＤダイ表面と周囲との間の境界層において生じる内面反射によれば問題ではない。従って、本発明の好ましい実施例においては、当該光エンジンはＬＥＤエレメントにより放出される光のチェンバ内への出力結合を向上させる出力結合手段を有する。
【００１４】
上記出力結合手段は、例えばシリコーン樹脂及び／又は何らかの有機高分子材料から形成された透明ドームを有することができ、これらドームの各々は関連するＬＥＤエレメントの光放出表面に光学的に接続される。ＬＥＤエレメント及び／又はＬＥＤデバイス本体が取り付けられるチェンバ壁を被覆すると共に、拡散反射性白色材料を被覆する／挟むために被覆板が使用される場合、好ましくは、上記ドームは斯かる被覆板の孔を介して突出するようにする。ＬＥＤエレメントの周囲の斯様な透明ドームの存在は、ＬＥＤダイからの光の出力結合を促進する。一方、斯かるドームの存在は、当該光エンジンのチェンバ内での内部光再利用を実現することができる効率に悪影響を及ぼす可能性がある。ＬＥＤの特性及び関連する波長に依存して、関連するＬＥＤエレメント内の又は斯かるエレメントに直に隣接するドームの底部で光の吸収が生じ得る。更に、当該光エンジンの内側における高度に反射性の被覆は、斯かるドームの間に位置する内側壁の表面領域上のみに存在し、これらドームは関連するＬＥＤダイ自体の断面よりも大幅に大きな断面を有している。
【００１５】
従って、他の実施例においては、上記ＬＥＤドームは単に省略される。この場合、白色反射性コーティングをＬＥＤダイエレメントの間に塗布することができ、該コーティングはドームが使用される状況と比較して内側壁表面面積のかなり大きな割合を被覆するであろう。裸のＬＥＤダイからの光の出力結合は本来余り効率的でないので、露出されたＬＥＤダイ表面は好ましくは該ダイと光学的に接触する透明な散乱コーティング層により被覆されるようにするか、又は微細構造がＬＥＤダイ表面に直に付与されるようにする。これらの後者の対策はＬＥＤダイからの光の出力結合を促進する。
【００１６】
最も好ましい実施例においては、反射性材料を被覆する前記透明な被覆板はＬＥＤエレメントも被覆し、前記出力結合手段は、各々が関連するＬＥＤエレメントの光放出面から上記透明被覆板まで延びるような複数の透明出力結合エレメントを有する。これによれば、上記の光学的な透明出力結合エレメント自体が上記被覆板の一部を形成してもよい。
【００１７】
上記透明出力結合エレメントは、好ましくは、該出力結合エレメントと関連するＬＥＤエレメントとの間の境界におけるよりも、該出力結合エレメントと上記透明被覆板との間の境界において一層広いような断面を有する。例えば、斯かる透明出力結合エレメントは、関連するＬＥＤエレメントから離れる方向に広がるような断面を特徴とする円錐、放物又は四角錐形状を有することができる。このような形状は、該透明出力結合エレメントが、ＬＥＤダイで発生された光を出力結合すると共に該光を光導体のように上記透明被覆板を介してチェンバの内側に伝導するのを助けるのみならず、当該ＬＥＤに対するコリメータとして作用して該ＬＥＤの放出角を制限するのを助けることを保証する。
【００１８】
本質的に、例えば光変換物質（通常、フルオレセント又は単に"蛍光（phosphor）"コーティングと呼ばれる）によりコーティングされたＬＥＤダイ等の如何なるＬＥＤエレメントも使用することができる。このようなＬＥＤの蛍光コーティングは、或る波長において当該ＬＥＤにより放出された光の少なくとも一部が異なる波長に変換され、かくして、全体として光が所望の波長特性（即ち、或る色）で放出されるのを保証する。光干渉層をＬＥＤダイと該ＬＥＤダイの表面上の蛍光コーティングとの間に配置し、該ＬＥＤダイ内部で発生された光の上記蛍光層への透過を促進すると共に該蛍光層からの蛍光変換された光のＬＥＤダイへの透過を減少させるように作用させることができる。
【００１９】
蛍光変換ＬＥＤが使用される場合、蛍光粒子等の光変換物質は、チェンバ壁の内側表面上に粒子／バインダコーティングとして分布されるか、又はチェンバ壁の内側表面と透明被覆板との間にバインダ無し乾燥粉末層として挟まれるかの何れかである例えば白色反射性粉末等の反射性材料上に（又は内に）分布させることができる。これは、処理する／詰め込む観点から一層容易且つ安価であるのみならず、蛍光飽和現象を打ち消すと共にダイからの光束出力を上昇させるのを助けるような戦略も提供する。例えば乾燥粉末の簡単な混合により拡散反射性白色粉末へ蛍光体を組み込むことは、ＬＥＤエレメントの製造を簡素化させると共に、大量の蛍光体を相対的に大きな表面領域にわたり拡散させることができるので高い光強度における蛍光飽和を防止する。拡散反射性白色粉末層又は拡散反射性粒子／バインダコーティングにおける蛍光体の量及び配置は、適切なカラー点が得られるように最適化することができる。この場合、蛍光無しＬＥＤエレメントも使用することができる。
【００２０】
付加的に又は代替的に、例えば赤、緑及び青等の異なる波長特性のＬＥＤエレメントを光エンジン内に所望に応じて使用し及び配置することもできる。本発明による光エンジンが利用される場合、適切な色混合の問題は自動的に解決される。何故なら、個々のＬＥＤダイは外側からは直接見ることができず、内部の色混合は内部光再利用過程によりなされるからである。
【００２１】
前記開口は、基本的に、当該チェンバ壁の簡単な開口からなることができる。当該光エンジンの性能に対する開口パラメータの影響は、後に詳述する。当該光エンジンで発生された光が捕捉される例えば光ファイバ等の光導体エレメントを、該開口の近傍、内又は上に配置することができる。本発明の好ましい実施例においては、ビーム形成エレメントが該開口内に又は該開口の近傍に配置される。例えばレンズ、円錐状エレメント、四角錐状エレメント又は放物状エレメントの形態の光コリメートエレメントが特に好ましい。該開口を介して出射する光は、斯様なコリメートエレメントにより、規定された放出角内にコリメートされ、及び／又は規定された空間的／角度的光強度分布パターン内に整形される。
【００２２】
例えばチェンバ内部と前記透明被覆板との間、及び／又はチェンバ内部と前記出力結合手段との間、及び／又はチェンバ内部と当該光エンジンの前記開口に配置されたコリメートエレメントとの間、及び／又はチェンバ内部とＬＥＤダイ表面との間の境界等の、当該光エンジン内に存在する種々の光学的界面における内部反射による光の損失を最少化するために、当該チェンバは好ましくは下記のような材料により充填される。即ち、該材料とは、上記透明被覆板の及び／又は上記出力結合手段の及び／又は上記コリメートエレメントの及び／又は上記ＬＥＤエレメントの屈折率に近い又は、より好ましくは、一致するような屈折率を有すると共に、可視光に対して及び／又は上記ＬＥＤダイ内部で発生され該ＬＥＤダイから放出される光に対して上記種々の光学的界面の"光学的可視性"を低減し又は除去さえもするような材料である。
【００２３】
このような材料は、所望の（一致する）屈折率を持つ固体樹脂（特にはシリコーン樹脂）又は透明な液体（特には油）等の有機媒質とすることができ、好ましくは可視光に対して及び／又は上記ＬＥＤダイ内で発生され該ＬＥＤダイから放出される光に対して実質的に非吸収性であるものとする。この対策は、空洞内の上記充填材料が前記光学エレメントと光学的に接触する場合に、当該光エンジンの開口に配置された該光学エレメントからのフレネル反射も最少化する。好ましい実施例は、上記材料が上記ＬＥＤエレメントの前端（front end）冷却にも使用されるような液体材料である場合に得られる。この場合、好ましくは、上記液体材料は、該液体の冷却効果を増加させるために当該光エンジンの空洞と何らかの追加の外部冷却装置との間を流体としてポンプ循環される。
【００２４】
本発明による光エンジンは、ＬＥＤ照明機器であって、該照明機器が調整可能な輝度及び色の光出力ビームによる限定された面積の光出力開口を有し、該開口から光を幾つかの遠隔位置（特には自動車ヘッドランプ等の自動車ライトシステムにおける）に伝送することができることを特徴とするような如何なるＬＥＤ照明機器用途にも使用することができる。放出される光出力ビームの輝度は、都合良く、当該光エンジン内部の個々のＬＥＤエレメントに供給される電力を変化させることにより調整することができる。放出される光出力ビームの色も、例えば赤、緑及び青のＬＥＤエレメント等の異なる波長特性のＬＥＤエレメントが当該光エンジン内部に存在する状況下で、個々のＬＥＤエレメントに供給される電力を変化させることにより調整することができる。
【００２５】
本発明の他の目的及びフィーチャは、添付図面と関連して考察される下記詳細な説明から明らかとなるであろう。しかしながら、斯かる図面は本発明の限定を定めるものとしてではなく、解説の目的のためにのみ設計されたものであると理解されるべきである。尚、図面において同様の符号は全体を通して同一のエレメントを示している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
各図における対象物の寸法は明瞭化のために選定されており、必ずしも実際の相対寸法を反映していない。
【００２７】
図１及び２は、本発明による光エンジンの特に好ましい実施例を示しており、ここで、図１は全体の光エンジンの断面を示し、図２はチェンバ壁の拡大された断面を示している。
【００２８】
該光エンジン１は、例えば長方形の又は円筒の態様で構築されたチェンバ６を有している。表面面積Ａexitの開口又はアパーチャ７が、チェンバ６の頂部に配置され、コリメートエレメント８につながっている。ＬＥＤエレメント１３が、チェンバ６の内側壁１０上に、外被に沿って及び開口７に対向する内側表面上に互いから或る距離で（即ち特定の格子に）配置されている。これらＬＥＤエレメント１３は、出力結合エレメント１５を介して透明被覆板１１に接続されている。
【００２９】
この透明被覆板１１は、チェンバ６内に該チェンバ１６の内側壁に対して或る距離で配置されている。チェンバ６の全壁１０は、開口７を備える頂部側も含め、透明被覆板１１により被覆されている。透明被覆板１１とチェンバ６の壁１０の内側表面との間の間隙は、拡散反射性白色粉末により充填されている。該反射性白色粉末の好適な候補は、Al2O3、TiO2、YBO3、BaSO4、Ca-ピロリン酸塩、Ca-ハロリン酸塩又はMgOである。透明被覆板１１のための好適な材料は、ＰＭＭＡ（ポリメチル-メタクリレート：polymethyl-methacrylate）、ＰＣ（ポリカーボネイト：polycarbonate）、樹脂性シリコーン化合物及びガラスを含む。この構造は、ＬＥＤダイにより占められていないチェンバ６の全内側表面２０が高度に反射性となるのを保証する。
【００３０】
上記壁の構造を図２に詳細に見ることができる。この場合、個々のＬＥＤダイ１３は取付スラグ１４上に取り付けられ、これらスラグもＬＥＤダイの周りの反射性頂面を特徴とする。透明な切頭反転三角錐又は円錐が、透明被覆板１１に光学的に結合された出力結合エレメント１５として作用する。更に、これらの出力結合エレメント１５は、樹脂又は何らかの他の適切な接着剤状物質によりＬＥＤダイ１３に光学的に結合されている。これらの出力結合エレメント１５を樹脂又は同様の物質により透明被覆板１１に光学的に結合する代わりに、これらエレメントは好ましくは透明被覆板１１の一部として直に形成することもできる。出力結合エレメント１５は、放出された光を当該光エンジン１の内部９に向かって案内する。円錐形出力結合エレメント１５の断面は、関連するＬＥＤダイ１３から離れる方向に広がっている。好ましくは、これら出力結合エレメントは、垂直線に対して５°と６５°との間の傾き角、より好ましくは垂直線に対して２０°と５０°との間の傾き角、最も好ましくは垂直線に対して約４５°の傾き角を特徴する。
【００３１】
透明被覆板１１とチェンバ６の非透明外壁１０の内側表面との間の距離、即ち拡散反射性粉末層１２の厚さは、好ましくは、約２〜３ｍｍである。粉末層１２はチェンバ６の高度に反射性の表面２０を提供し、これが内部光再利用を可能にする。コリメートエレメント８は、開口７上に配置されると共に、例えば透明なプラスチック材料から形成され、当該光エンジン１の上記開口から放出される光を入力する。該コリメートエレメント８の形状は、放出される光ビームの伝搬方向に対して測定してコリメーション半角θＣより大きな角度では該コリメートエレメント８の出射面から実質的に如何なる光も放出されないように選定される。
【００３２】
透明被覆板１１からチェンバ６の内側への光の出力結合を改善すると共に、チェンバ６からコリメートエレメント８への光の結合を簡単化するために、全体のチェンバ６の内部９は、透明被覆板１１の屈折率に且つ恐らくはコリメートエレメント８の屈折率にも近い又は一層好ましくは一致するような屈折率を持つ固体又は液体の媒体２２により充填される。被覆板１１と媒体２２との間の境界界面における、及びコリメートエレメント８と媒体２２との間の界面における不所望な光損失を惹起する反射は、これにより防止されるか又は少なくとも減少される。媒体２２が液体の媒体である場合、例えば該液体媒体２２をチェンバ６と外部の冷却装置との間でポンプ送りすることにより前端でのＬＥＤ冷却の目的にも使用することができる。
【００３３】
図３は、チェンバ６の壁１０の内側表面の幾らか変更された構造を示している。ここでは、ＬＥＤダイ１３はチェンバ壁１０の内側表面上に直に取り付けられている。光学接触層１６が、各ＬＥＤダイ１３上に配置されている。この接触層１６は、ＬＥＤダイ１３からの光の出力結合を促進するために散乱粒子を含むことができる。透明被覆板１１はブロック状の出力結合エレメント１５'を特徴とし、これらブロック状出力結合エレメントは透明被覆板１１からＬＥＤダイ１３に向かい突出し、延長部又は橋絡部として作用して、接触層１６との光学的接触を提供する。透明被覆板１１と壁１０の内側表面との間の空間は、ここでも、反射性乾燥白色粉末１２で充填されている。
【００３４】
図４は、他の可能な構成を示している。図３におけるのと同様に、ＬＥＤダイ１３は内側壁１０上に配置されている。ＬＥＤダイ１３により放出される光のＬＥＤダイ表面を介しての出力結合を容易にするために、ＬＥＤダイ１３は、好ましくは、該ＬＥＤダイの表面と光学的接触状態にある透明散乱層１７により囲繞され、これによりＬＥＤダイ１３からチェンバ６への光の出力結合を促進する。高度に拡散反射性の白色粒子／バインダ層１８が、個々のＬＥＤ１３の間に位置される内側壁１０の表面を被覆している。
【００３５】
図５には、他の可能性のある構成を見ることができ、そこでは、各々がＬＥＤダイエレメント（図示略）を備えるＬＥＤ装置本体２３が、外壁１０の内側表面上に取り付けられている。ＬＥＤダイエレメント自体はＬＥＤドーム１９内に封入され、これらドームはＬＥＤダイから放出される光の良好な出力結合を保証する。ＬＥＤドーム１９が突出するような格子パターン状の適切な開口を備える被覆板２１が、ＬＥＤ装置本体２３を覆っている。ＬＥＤドーム１９の間における被覆板２１の表面は白色拡散反射性粒子／バインダコーティング１８により被覆され、該コーティングは高反射性コーティング層１８となるような充分な厚さを有している。
【００３６】
光エンジンの他の例示的構成２が図６に示されている。該構成と図１に示した例との間の基本的な相違は、チェンバ６が図１の光エンジンのものとは異なるように構成されている点にある。この場合、チェンバ６は、個々のＬＥＤが図１に示した例におけるように取り付けられた床壁１０を特徴としている。しかしながら、ここでは、側壁１０'が上記床壁１０から開口７に向かって円錐状に延在している。これらの側壁１０'上にはＬＥＤは配置されていない。所望の高反射性内側表面２０を付与するために、透明被覆板１１は、床壁１０に対するのと同様に、側壁１０'の内側から約２〜３ｍｍの距離に配置され、該被覆板１１と側壁１０'との間の空間、並びに床壁１０と被覆板１１との間におけるＬＥＤ取付エレメント１４、ダイ１３及び出力結合エレメント１５の間の空間は高度に反射性の白色粉末１２により充填されている。ここでも、コリメートエレメント１８が開口７に配置されている。この光エンジン２の前記光エンジン１に対する利点は、減少された体積、特に減少された高さにある。一方、チェンバの内側壁の全面積に対するＬＥＤエレメントの数は、より少ない。何故なら、側壁１０'はＬＥＤエレメントにより占められていないからである。
【００３７】
本発明による光エンジンの他の実施例３が図７に示されている。この光エンジン３のハウジング６は、前記光エンジン２のハウジングと同様の幾何学構造を特徴としている。しかしながら、ＬＥＤエレメントは図５に示したのと同じ態様で基板１０上に取り付けられている。即ち、ＬＥＤデバイス本体２３、及びＬＥＤダイ（図示略）が封入された支持ＬＥＤドーム１９が、基板１０を占めている。ＬＥＤが取り付けられた基板壁１０の表面、並びにＬＥＤデバイス本体２３の側壁及び頂部の両方が白色拡散反射性コーティング１８により被覆され、突出するドーム１９のみがコーティングされないままとなっている。ＬＥＤドーム１９が突出する格子パターン状の適切な開口を備える透明被覆板１１'が、ＬＥＤデバイス本体２３を覆っている。この透明被覆板１１'と外壁１０の内側表面との間の空間は、反射性白色乾燥粉末１２により充填されている。側壁１０'の内側表面と透明被覆板１１との間に配置された反射性材料１２を伴って開口７に向かい狭まる円錐状側壁１０'は、図６の光エンジン２に関するのと同様の態様で構築されている。
【００３８】
図８は、本発明による光エンジンの他の実施例４を示し、該実施例は外側ハウジングに関しては図７に記載した例と同様の態様で構築されている。しかしながら、図７の例におけるのとは別に、ここでは透明被覆板１１'も反射性白色乾燥粉末１２も使用されていない。代わりに、ここでは、円錐状チェンバ壁１０'も内側が拡散反射性粒子／バインダ層１８により被覆され、高反射性表面２０を付与するようになっている。更に、白色拡散反射性粒子／バインダ層１８は、チェンバ壁１０の内側表面上に、及び透明ドーム１９の間に位置するＬＥＤデバイス本体２３の表面上にも存在する。
【００３９】
図９は本発明による光エンジンの他の実施例５を示し、該実施例は図１及び図６の例とはチェンバ６の外形のみが本質的に相違する。チェンバ６の下部は円筒状又は長方形状であり、基底壁１０及び側壁１０は、各々、或る格子パターンで配置されたＬＥＤエレメント１３により占められている。チェンバ６の上部は、図６の光エンジン２の円錐形に形成された側壁１０'と同様の態様で開口７に対して円錐状に狭まっている。チェンバ６の上部の該円錐状の壁１０'は、内側がＬＥＤエレメント１３によっては占められておらず、高度に反射性の表面２０のみを有している。ここでも、この高反射性表面２０は、壁１０、１０'から或る距離に配置された透明被覆板１１、及び壁１０、１０'の内側表面と被覆板１１との間の空間を充填する白色反射性粉末１２により形成されている。
【００４０】
図６ないし９に示す全ての場合において、チェンバ６の内部９は、図１の光エンジン１に関して説明したように、好ましくは適切な屈折率を有する固体又は液体媒体２２により充填される。
【００４１】
上記異なる例は、チェンバ６が基本的に如何なる種類の外部幾何学形状を有し得ることも示している。更に、開口７は、必ずしも側壁における円形開口である必要はなく、必ずしも光学エレメント８が設けられる必要もないことが力説されるべきである。如何なる側壁（好ましくは、相対的に小さな寸法の）も、構造から単に除外して開口を付与することもできる。これが、図１０の単純化された概要図の円筒状チェンバ６により示されている。基本的に、このようなチェンバ６は、例えば対向する側面上の開口のように、如何なる基本的表面幾何学構造も有することができる。例えば、両方の小さな面が外界に対して開放しているような長尺の光エンジン立方体を想像することもできる。これは、光エンジンの意図される機能及び当該光エンジンが動作する空間的制約に依存する。
【００４２】
チェンバの幾何学構造、チェンバ内のＬＥＤエレメントの数及び開口の寸法等の正確な構造パラメータは、当該光エンジンの最大寸法及び所望の出力パラメータ等の制約に依存する。従って、以下では達成可能な出力パラメータが当該光エンジンの構造パラメータにどの様に依存するかを説明する。
【００４３】
表面積Ａexitの単一の開口又は出射ポート７、及び出射ポート表面面積Ａexitを含む全内部表面積Ａengineを有するような図１に図示した光エンジンボックスを考察しよう。各々が（投影された）平らな頂部面積ＡLEDを有するような合計でＮLED個のＬＥＤダイエレメント１３が光エンジン１の壁１０の内側表面に取り付けられていると仮定する。また、各ＬＥＤエレメント１３は反射率ＲLEDを有し、自身のダイ面積ＡLEDから光束φLEDを放出すると仮定する。ＬＥＤエレメント１３の周りには反射率Ｒwallの白色拡散反射性の壁２０が横方向に存在する。
【００４４】
開口出射ポート７を介して外界へ逃れる、内部で生成された光の透過される割合Ｔは：
【数１】
なる級数から得られ、これは、
【数２】
なる"開口割合"の場合、
【数３】
と等価となる。
【００４５】
これによれば、Ｒavは、
【数４】
に従う当該光エンジンの内壁の非出射部の平均された内部反射率Ｒavを示し、ここで、
【数５】
は、内部反射する光エンジン表面面積Ａengine−ＡexitのＬＥＤエレメント１３により覆われる割合を示す。
【００４６】
上記式は、内部の光エンジンの壁の如何なる特定の形状も仮定していない。一方、式（１）における級数展開（series expansion）は小さな開口割合ｆに対してのみ成り立つ。単一の平らな光放出面を有するような光エンジンの極端な場合には、放出する光源の経路には反射する面がないので、最大のｆ＝０.５及び"定義により"Ｔ＝１を有する。この場合、式（１）は誤ってＴ<１を予測するが、容易に達成可能なＲav>０.９０である限り該エラーは大きなものではない。
【００４７】
現実的な光エンジンに対しては、好ましくは上限ｆ≒０.３〜０.４が維持されるべきであるが、本発明による光エンジンの概念は、明らかに、より小さなｆの値に対して一層関心があるものである。例えば、６つの面のうちの１つのみが開放しているような立方体として実施化された光エンジンはｆ＝０.１７なる開口割合を有する。開口割合ｆに対する一層小さな値は、上記立方体を一層長方形にすると共に、その２つの小さな面のうちの一方のみを開放状態に維持することにより、容易に得ることができる。本発明の好ましい実施例においては、開口割合ｆは、≦０.１５、より好ましくは≦０.１とすべきである。例えば、２ｃｍの直径、３ｃｍのチェンバ長及び１ｃｍの開口直径を持つ図１による光エンジン１はｆ＝０.０３なる開口割合を有する。
【００４８】
ＲLED＝Ｒwall＝Ｒav＝１の場合、光の損失は存在せず、如何なる任意の小さな開口割合ｆに対しても式（１）に従いＴ＝１を得る。これは、理論的に、ｆ→０の場合に極端に高い輝度レベルの生成を可能にする。しかしながら、現実には、光学的な光損失を完全に回避することは決してできないから、これは不可能である。
【００４９】
従って、システムパラメータの関数として光エンジン１の開口出射ポート７で達成可能な輝度に関する方程式を導出することも興味深いものである。個々のＬＥＤダイエレメント１３の輝度レベルＢLEDに対して正規化された開口出射ポート７（コリメートエレメント８は存在しないと仮定する）における輝度Ｂexitを示す輝度比Ｂは、
【数６】
から得られ、これは、ＬＥＤダイ１３及び開口出射ポート７の両方がコリメートされていない光（即ち、θｃ＝９０°のランバート光）を放出する場合に有効である。
【００５０】
更に、以下においては"輝度集中係数"とも呼ぶ第２輝度比Ｌ(θ)に関する関係を、
【数７】
により導出することも有益であり、この比は、光放出出射面（これは、コリメートエレメント８の投影された光放出出射面Ａcolとすることができる）の輝度Ｂexit(θc)の、ＬＥＤエレメント１３が実装密度θLEDで取り付けられた表面積Ａscreen＝Ａengine−Ａexitの仮想フラットスクリーンのスクリーン平均輝度Ｂscreen(θc)に対する比を示す。ここで、光は、ビームの伝搬方向に対してコリメーション半角θc内に角度制限されたコリメートされたビームとして放出されると仮定される。コリメートされない光に対しては、θc＝９０°となる。
【００５１】
輝度集中係数Ｌ(θc)を知ることは、光エンジン１の内側にＮLED個のダイを表面実装密度θLEDで一緒に詰め込むことにより、ＮLED個のダイがフラットな光放出スクリーン上に同一の表面実装密度で単に取り付けられた単純な状況と比較して正味の光集中が達成されたか否かを示すことになる。Ｌ(θc)>１なる値は相対的光（輝度）集中を示し、Ｌ(θc)<１なる値は相対的光（輝度）の希釈を示す。明らかに、斯様に大きなＬ(θc)の値は実際に可能であり、確かに１より大きな値が一般的に望ましい。
【００５２】
図１に示すように、光エンジン１が２Ｄコリメートされた光を放出するようになされている場合、関連する出射ポート表面面積は、光エンジン１の出射ポート７に取り付けられたコリメートエレメント８の投影された出力面Ａcolのものとなる。エテンデュ（etendue）の法則に従えば、所与のコリメーション半角θcに対して、コリメートエレメント８の最小の所要の出力表面面積Ａcolは、
【数８】
により図１の光エンジン１の開口７の出力面積Ａexitに関係し、従って減少するθcにおいて放出面Ａcolの不可避的拡大を示す。
【００５３】
スクリーン平均輝度レベルＢscreen(θc)は、
【数９】
に従いＢLED(θc)に関係する。
【００５４】
図１による光エンジン１の実施例では、個々のＬＥＤエレメントには四角錐状出力結合エレメント１５の形態のコリメートエレメントが設けられている。従って、個々のＬＥＤの見かけの光放出表面面積も増加するが、これらは、フラットな取付スクリーン上での、
【数１０】
なるＬＥＤ実装密度制約が満たされる限りにおいて、斯かるスクリーンを拡大することなしに該取付スクリーン（式（４）の導出のために先に規定した表面面積Ａscreenの仮想フラットスクリーン）上で直接調整することができる。この場合、該スクリーン表面面積Ａscreenはθcとは独立とすることができる。
【００５５】
上述したことから、及びθc<９０°ならば式（４）におけるＢexitは光エンジン１の開口７上に取り付けられたコリメートエレメント８の光出力面における輝度Ｂcolを示すことを心に留めると、Ｌ(θｃ)は、
【数１１】
から得られることになる。
【００５６】
θc＝９０°（ランバート光）なる特別な場合に関して、図１１は、透過率（transmission）Ｔ及び輝度比Ｂの計算値を、現実的な条件に対応する反射率Ｒwall＝０.９８及びＲLED＝０.５０並びに実装密度θLED＝０.０５における開口割合ｆの関数として示す。
【００５７】
図１１からは、開口割合ｆが減少すると、出射ポートにおける達成可能な輝度比Ｂは増加するが、当該光エンジンを離脱する内部生成光の透過割合Ｔに比例する光束出力が大幅に減少することが明らかである。光束及び輝度は、これらの関係が開口割合ｆに対して逆の傾向を示すので、
【数１２】
に従う品質パラメータＱを定義することに意味がある。
【００５８】
図１１では、品質パラメータＱも開口割合ｆの関数としてプロットされている。このプロットから、Ｑは最適な開口割合ｆoptにおいて最大値を経ることが明らかとなる。ｆoptの値は、
【数１３】
から得られ、ここでＲavは式（２）により与えられる。
【００５９】
しかしながら、Ｑはｆ＝ｆoptの近傍では開口割合ｆに強くは依存しない。高いＢより高いＴの方が重要である場合（例えば、一般照明用途に関係する場合）、ｆ>ｆoptなる値を選択することが推奨される。高いＢが高いＴより重要な場合は、逆が真となる。
【００６０】
図１２は、実装密度θLED＝０.０５及びθc＝９０°における種々のＲLED及びＲwallの値に関して品質パラメータＱの計算値を開口割合ｆの関数として示している（ＩはＲwall＝０.９８及びＲLED＝０.７；IIはＲwall＝０.９８及びＲLED＝０.５；IIIはＲwall＝０.９６及びＲLED＝０.５）。ｆoptの周辺の開口割合に対して品質パラメータＱは目立って低下する。即ち、反射率ＲLED及びＲwallが減少すると、曲線が平らになる。
【００６１】
更に、図１３は一定のＲwall＝０.９８及びＲLED＝０.５並びにθc＝９０°における種々の値θLEDに関して品質パラメータＱの計算値を開口割合ｆの関数として示している。見られるように、品質パラメータＱは実装密度θLEDの増加に伴いｆの全範囲にわたり増加する。
【００６２】
図１４、１５及び１６は、現実的な反射率Ｒwall＝０.９８及びＲLED＝０.５における光集中係数Ｌ(θｃ)の計算値を、開口割合ｆの種々の値に関して（図１４では、一定の実装密度θLED＝０.０５で）、及び種々の値θLEDに関して（図１５においては一定の開口割合ｆ＝０.０５で、図１６においては一定の開口割合ｆ＝０.１で）示している。全図において、曲線は式（７）による制約の下で描かれている。
【００６３】
少なくともθc＝６０°（一般照明用途）に対して、本発明による光エンジンの使用は、８０％のルーメン出力（即ち、Ｔ＝０.８）において、係数５までの数値で著しい輝度集中が達成されるのを可能にすることが明らかである。また、より高い光集中係数Ｌは、開口割合ｆを減少させることにより、ルーメン効率の減少を犠牲にして達成することができる。
【００６４】
Ｒwall及びＲLEDが常に現実に可能な限り高く選定されるとすると、開口割合ｆの関数として当該性能に影響を与えるものは、主として内壁上のＬＥＤエレメントの実装密度θLEDである。一方における輝度と他方におけるルーメン効率との間で、常に妥協点を捜さねばならない。また、全体として必要とされるルーメン出力を考慮しなければならず、これによれば、当該光エンジンの寸法は総ルーメン出力に直に比例する。
【００６５】
高いルーメン効率が最も重要である場合は、低いθLED≒０.０１においてｆ≒０.１０〜０.１２の開口割合を選択することが推奨される。これは、Ｔ≒０.８及びＢ≒０.０７を可能にし、これはθc＝９０°において取付壁のスクリーン平均輝度より依然として７倍明るい。輝度集中係数Ｌ(θｃ)はθｃが減少すると減少するが、θc＝４０°までかなりに留まる。
【００６６】
高い輝度が最も重要である場合は、高いＬＥＤ実装密度θLED≒０.０５、又は実現可能ならそれ以上を選択することが推奨される。最大に達成可能なＬＥＤ実装密度を上昇させるために、ＬＥＤエレメントの冷却を、例えば先に提案した一致する屈折率の冷却液により実施すべきである。ｆ≒０.１においては、小さなＴ＝０.６５ではあるが、より高い輝度比Ｂ＝０.３を有し、これは、θc＝９０°において、取付壁のスクリーン平均輝度Ｂ＝θLEDより依然として６倍明るい。輝度は、開口割合ｆを例えばｆ＝０.０５まで低下させることにより更に増加させることができる。ｆ≒０.１において、品質パラメータＱはθLEDが増加すると大幅に改善する。従って、本発明による光エンジンから最大の利益を得るためには、θLEDをθLED＝０.１０における又はそれを超えるレベルまで増加させることが非常に重要である。
【００６７】
以上、本発明を好ましい実施例及びそれらの変形例の形態で開示したが、これらに対して本発明の範囲を逸脱すること無しに多数の更なる修正及び変形をなすことができると理解される。また、明瞭化のために、本出願を通して単数形の使用は複数を排除するものではなく、"有する"なる文言は他のステップ又は構成要素を排除するものではないと理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】図１は、本発明による光エンジンの第１実施例を示す。
【図２】図２は、図１による光エンジンのチェンバの壁の一部の拡大図を示す。
【図３】図３は、本発明の第２実施例による光エンジンのチェンバの壁の拡大された一部を示す。
【図４】図４は、本発明の第３実施例による光エンジンのチェンバの壁の拡大された一部を示す。
【図５】図５は、本発明の第４実施例による光エンジンのチェンバの壁の拡大された一部を示す。
【図６】図６は、本発明による光エンジンの第５実施例を示す。
【図７】図７は、本発明による光エンジンの第６実施例を示す。
【図８】図８は、本発明による光エンジンの第７実施例を示す。
【図９】図９は、本発明による光エンジンの第８実施例を示す。
【図１０】図１０は、本発明の第９実施例による光エンジンのチェンバの形状の単純化された概念図を示す。
【図１１】図１１は、開口割合ｆの、− 当該光エンジンから放出（透過）される内部発生光の割合Ｔ、− 個々のＬＥＤエレメントの輝度に対して正規化された当該光エンジンからの放出光ビームの輝度を示す輝度比Ｂ、− 品質パラメータＱ、に対する影響を図示するグラフである。
【図１２】図１２は、内側の反射する壁表面及びＬＥＤ表面の種々の反射率に対して、開口割合ｆに対する品質パラメータＱの依存度を示すグラフである。
【図１３】図１３は、当該光エンジンの内側壁上のＬＥＤエレメントの幾つかの実装密度θLEDに関して、開口割合ｆに対する品質パラメータＱの依存度を示すグラフである。
【図１４】図１４は、種々の開口割合ｆに関して、コリメーション角度θＣに対する光集中係数Ｌの依存度を示すグラフである。
【図１５】図１５は、特定の第１開口割合ｆに対する種々のＬＥＤ実装密度θLEDに関して、コリメーション角度θＣに対する光集中係数Ｌの依存度を示すグラフである。
【図１６】図１６は、特定の第２開口割合ｆに対する種々のＬＥＤ実装密度θLEDに関して、コリメーション角度θＣに対する光集中係数Ｌの依存度を示すグラフである。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも１つの開口を備えるチェンバと、このチェンバ内に配置された複数のＬＥＤエレメントとを有するような光エンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
光を１つの又は複数の光ファイバに結合し、これにより単一の光源から幾つかの遠隔位置へ（例えば、複数の自動車のヘッドライト／テイルライト等へ）光が伝送されるのを可能にする目的で、又は例えば集中された非常に高輝度の光ビームを外部世界に若しくは光ガイドの何らかの具現体に若しくは或る所望の仕様に従って放出光を整形及び／又はコリメートする目的でコリメートエレメントに直に放出するために高度に強力且つ高度に光的に局所化された光源に対する一般的な需要が存在する。一例は、例えばＨＩＤランプ等の強力な単一光源を有する光エンジンである。通常は少なくとも放物面鏡及びコリメートレンズを有する二次光学系により、光源からの光は、光の伝送を可能にする光ファイバアレイ上に投影及び収束される。後者の例は、表示器バックライト及び自動車ヘッドライトを含む。近年、伝統的な光源と比較した場合のＬＥＤ光源の幾つかの良く知られた利点により、伝統的光源の代替としてのＬＥＤ光源の使用に対する関心が著しく増大している。
【０００３】
過去１０年の間に、ＬＥＤ（特に、固体無機ＬＥＤ）の設計及び製造に関する技術は、無機白色光放出ＬＥＤが今や４０lm/Wattを正に超える効率で製造することができるような点まで急速に向上した。これは、伝統的な白色白熱電球（最良で１６lm/Watt）及び殆どのハロゲンランプ（最良で３０〜３５lm/Watt）のものを明らかに超えるものである。単一のＬＥＤダイからの光束出力は今や１００lmを優に超えるまでに増加し、数年のうちに、ＬＥＤダイ当たり２.７ワットの入力電力において７５ルーメン/Wattの効率を達成する、従って２００ルーメン／ＬＥＤを発生することが可能になることが期待される。一方、ＬＥＤダイ当たりの限られた光出力は、依然として、ＬＥＤの予見可能な将来における照明目的のためのＬＥＤの汎用的アプリケーションへの途上において克服されるべき障壁となっている。汎用照明源は、家庭内用途に対しては５００〜１０００ルーメンの、職業上用途に対しては１０００〜３０００ルーメンの範囲内の光束、即ち普通の白熱型及び蛍光型照明源の現在の出力を生成しなければならない。これは、数ダースまでものＬＥＤダイからの光出力が単一の固定具内で結合され、所謂光エンジンとなる場合にのみＬＥＤにより達成することができる。しかしながら、これは、それ自体で問題であり、高輝度の光源が必要とされる場合に問題となり始める。何故なら、例えば結合される全ＬＥＤからの放出光は、小さな寸法の小型のコリメートエレメントによりコリメートされねばならないからである。後者の良く知られた例は、自動車のヘッドランプである。この場合、通常は１５００ルーメン程度を放出するＨ７ハロゲンランプ（５５Ｗ入力電力）を利用する。これらの光束は約３０Mcd/m2の輝度で放出される。キセノンＨＩＤランプを使用する場合、達成される輝度は約８０Mcd/m2まで増加する。対照的に、単一の１mm2のＬＥＤダイが５０ルーメンの白色光を放出するようになされた場合（これは、現在利用可能な技術で達成し得る略最良のものである）、単一のダイの輝度は８Mcd/m2に過ぎず、依然としてハロゲンランプのものより数倍低く、通常のＨＩＤランプより一桁低い。状況は、複数のＬＥＤダイが必要とされる場合は、隣接するダイの間の所要の間隔により大幅に悪化する。
【０００４】
放出光の単一の集中（平行化）ビームを得るために種々のＬＥＤダイからの光出力を一緒に結合することが可能なＬＥＤ光エンジン（"光発生器"とも呼ばれる）の一例が、米国特許第6,402,347号に開示されている。この光エンジンにおいて、個々のＬＥＤエレメントは背面板上に取り付けられ、これらエレメントの各々にはコリメートドームが装備されている。隣接して整列されたフレネルレンズが、個々のＬＥＤ光ビームの単一の出力エレメント（例えば、光学光ガイド）上への投影を可能にしている。このシステムの主たる問題は大きな光の損失であり、該損失は種々の光界面からの反射により約６０％にも達し得る。この光エンジンの他の欠点は、該光エンジンの暈及び二次光学系の所要の高精度位置合わせであり、斯かる光エンジンのコストを上昇させる。更に、このようなＬＥＤ光エンジンの寸法及びコストは、通常の高輝度光源のものを遙かに超えるものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、本発明の目的は、ＬＥＤ型の光エンジンであって、製造するのが一層容易且つ安価であり、小型の寸法のものであり、既知のＬＥＤ型光エンジンよりも良好な性能を示すような光エンジンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この目的のために、本発明は、少なくとも１つの開口（アパーチャ）を備えるチェンバ及び該チェンバ内に配置される複数のＬＥＤエレメントを有し、実効的に、上記チェンバの全ての内側表面が、特には可視領域、ＵＶ領域及び／又は赤外領域等の所望の領域内の光に対して実質的に非吸収性である高反射性の（好ましくは拡散反射性（"白色反射性"とも呼ばれる）の）表面として具現されるような光エンジンを提供する。上記"高反射性"なる用語は、１００％に近い、好ましくは≧９５％の、より好ましくは≧９８％の反射率として理解されるべきである。
【０００７】
本発明により、ＬＥＤエレメントの間の表面領域を含み、ＬＥＤエレメントにより占有されていない全ての内側表面が高度に反射性であれば、斯かるＬＥＤにより放出される実質的に全ての光は、恐らくは複数の多分多数の反射の後に上記開口を介して当該チェンバを離れる。斯様なチェンバ内での光の多重反射の現象は、"内部光再利用"として知られている。このような構成においては、各内部チェンバ表面は、ＬＥＤエレメントの表面の場合のように自身で光を放出するか又は光を反射するかのいずれにせよ、実効的に放出表面となる。本発明による光エンジンは、従来技術の光エンジンからの内部二次光学系は有さないので、製造するのが一層経済的である。望ましいなら、本発明による光エンジンには、当該光エンジンからの放出光ビームを整形及び／又はコリメートする目的で外部二次光学系（好ましくは、前記光エンジン開口の近傍に設けられる）を設けることができる。
【０００８】
この様にして設計された"積分球"又は所謂"ウルブリヒト球"として構成されたチェンバにおいては、確かに、当該チェンバ内のＬＥＤにより放出された光の殆ど大部分が上記開口を介して該チェンバから出力する。明らかに、全体の光エンジンの効率は、当該チェンバの内側表面の得られる反射率に最終的に依存する。斯かる内側表面の反射率は正確に１００％には届きそうにないが、それでも、この限界には合理的に良く近づくことができる。以下においては、本発明による光エンジンにより例外的に良好な性能を得ることができることが示され、これによれば、最終的に得られる値は、チェンバ内のＬＥＤ詰め込み密度（実装密度）、ＬＥＤの反射率及び当該光エンジンの光に曝される全内表面面積に対する上記開口の寸法等の当該光エンジンの正確な構造パラメータに常に依存する。従って、斯かる正確な構造パラメータは所望の用途に適するように選択されるべきである。
【０００９】
以下においては、ＬＥＤは固体無機ＬＥＤダイであると仮定する。何故なら、これらは充分な光強度で目下入手可能であるからである。それにも拘わらず、充分な性能を提供する限りにおいて、例えばレーザダイオード、他の型式の半導体発光素子又は有機ＬＥＤ等の如何なる他のエレクトロルミネッセント素子も使用することができる。従って、以下における"ＬＥＤ"なる用語は、如何なる型式の適切なエレクトロルミネッセント素子に対する同義語と見なされるべきである。
【００１０】
従属請求項及び後続する記載は、本発明の特に有利な実施例及びフィーチャを開示している。
【００１１】
上記内側表面の反射率は、基本的に如何なる方法でも達成することができる。該反射率が好ましくは≧９８％のように充分に高いことのみが重要である。好ましくは、該高反射性の表面は、チェンバの壁の内側表面にわたって拡散反射性材料を分布させることにより実現することができる。例えば、斯かる内側表面は、適切な材料により充分な厚さの粒子／バインダコーティングの形態で被覆することができる。
【００１２】
本発明の特に好ましい実施例においては、上記拡散反射性材料は当該チェンバ壁の内側表面と、少なくとも所望の波長領域において透明な被覆板との間に封入される。この様に、該拡散反射性材料はチェンバ壁の内側表面と透明な被覆板との間に"挟まれる"。この構成は、反射性乾燥粉末（好ましくは、自由に流れる粉末）のような拡散反射性材料の使用を可能にする。好適な反射性白色粉末は、Al2O3、YBO3、BaSO4、TiO2、Ca-ピロリン酸塩（Ca-pyrophosphate）、Ca-ハロリン酸塩（Ca-halophosphate）、MgO又はこれら粒子の混合物等の無機粒子を含むことができる。如何なる有機バインダ材料の不存在も斯かる粉末粒子の反射率を増加させると共に、時間にわたる徐々の変色を防止する。５〜１５μｍなる平均粒径でのCa-ピロリン酸塩の使用が特に推奨されるが、その理由は、その安さ、容易な入手可能性、化学純度及び高温（>１０００℃）に対する耐性、そのチェンバの内側表面と被覆板との間の相対的に狭い空間の乾燥粉末粒子による容易な充填を可能にするのに有用な約１％w/wのAlon-Cナノ粒子（即ち、ドイツ国、Degussa GmbHのAl2O3粒子）と混合される場合の自由に流れる粉末として振る舞う能力、及びその９００℃での焼き鈍しの後の可視光に対する証明された非吸収特性である。Ca-ピロリン酸塩の場合、少なくとも９８〜９９％の反射率を達成するために、当該反射性粉末層は好ましくは少なくとも２ｍｍの厚さを有すべきである。
【００１３】
入力電力の光への変換に関して最大の可能な効率を達成するために、ＬＥＤエレメント内で発生される光の可能な限り多くが、実際にＬＥＤからチェンバ内部に出射することが必要である。これは、ＬＥＤダイ表面と周囲との間の境界層において生じる内面反射によれば問題ではない。従って、本発明の好ましい実施例においては、当該光エンジンはＬＥＤエレメントにより放出される光のチェンバ内への出力結合を向上させる出力結合手段を有する。
【００１４】
上記出力結合手段は、例えばシリコーン樹脂及び／又は何らかの有機高分子材料から形成された透明ドームを有することができ、これらドームの各々は関連するＬＥＤエレメントの光放出表面に光学的に接続される。ＬＥＤエレメント及び／又はＬＥＤデバイス本体が取り付けられるチェンバ壁を被覆すると共に、拡散反射性白色材料を被覆する／挟むために被覆板が使用される場合、好ましくは、上記ドームは斯かる被覆板の孔を介して突出するようにする。ＬＥＤエレメントの周囲の斯様な透明ドームの存在は、ＬＥＤダイからの光の出力結合を促進する。一方、斯かるドームの存在は、当該光エンジンのチェンバ内での内部光再利用を実現することができる効率に悪影響を及ぼす可能性がある。ＬＥＤの特性及び関連する波長に依存して、関連するＬＥＤエレメント内の又は斯かるエレメントに直に隣接するドームの底部で光の吸収が生じ得る。更に、当該光エンジンの内側における高度に反射性の被覆は、斯かるドームの間に位置する内側壁の表面領域上のみに存在し、これらドームは関連するＬＥＤダイ自体の断面よりも大幅に大きな断面を有している。
【００１５】
従って、他の実施例においては、上記ＬＥＤドームは単に省略される。この場合、白色反射性コーティングをＬＥＤダイエレメントの間に塗布することができ、該コーティングはドームが使用される状況と比較して内側壁表面面積のかなり大きな割合を被覆するであろう。裸のＬＥＤダイからの光の出力結合は本来余り効率的でないので、露出されたＬＥＤダイ表面は好ましくは該ダイと光学的に接触する透明な散乱コーティング層により被覆されるようにするか、又は微細構造がＬＥＤダイ表面に直に付与されるようにする。これらの後者の対策はＬＥＤダイからの光の出力結合を促進する。
【００１６】
最も好ましい実施例においては、反射性材料を被覆する前記透明な被覆板はＬＥＤエレメントも被覆し、前記出力結合手段は、各々が関連するＬＥＤエレメントの光放出面から上記透明被覆板まで延びるような複数の透明出力結合エレメントを有する。これによれば、上記の光学的な透明出力結合エレメント自体が上記被覆板の一部を形成してもよい。
【００１７】
上記透明出力結合エレメントは、好ましくは、該出力結合エレメントと関連するＬＥＤエレメントとの間の境界におけるよりも、該出力結合エレメントと上記透明被覆板との間の境界において一層広いような断面を有する。例えば、斯かる透明出力結合エレメントは、関連するＬＥＤエレメントから離れる方向に広がるような断面を特徴とする円錐、放物又は四角錐形状を有することができる。このような形状は、該透明出力結合エレメントが、ＬＥＤダイで発生された光を出力結合すると共に該光を光導体のように上記透明被覆板を介してチェンバの内側に伝導するのを助けるのみならず、当該ＬＥＤに対するコリメータとして作用して該ＬＥＤの放出角を制限するのを助けることを保証する。
【００１８】
本質的に、例えば光変換物質（通常、フルオレセント又は単に"蛍光（phosphor）"コーティングと呼ばれる）によりコーティングされたＬＥＤダイ等の如何なるＬＥＤエレメントも使用することができる。このようなＬＥＤの蛍光コーティングは、或る波長において当該ＬＥＤにより放出された光の少なくとも一部が異なる波長に変換され、かくして、全体として光が所望の波長特性（即ち、或る色）で放出されるのを保証する。光干渉層をＬＥＤダイと該ＬＥＤダイの表面上の蛍光コーティングとの間に配置し、該ＬＥＤダイ内部で発生された光の上記蛍光層への透過を促進すると共に該蛍光層からの蛍光変換された光のＬＥＤダイへの透過を減少させるように作用させることができる。
【００１９】
蛍光変換ＬＥＤが使用される場合、蛍光粒子等の光変換物質は、チェンバ壁の内側表面上に粒子／バインダコーティングとして分布されるか、又はチェンバ壁の内側表面と透明被覆板との間にバインダ無し乾燥粉末層として挟まれるかの何れかである例えば白色反射性粉末等の反射性材料上に（又は内に）分布させることができる。これは、処理する／詰め込む観点から一層容易且つ安価であるのみならず、蛍光飽和現象を打ち消すと共にダイからの光束出力を上昇させるのを助けるような戦略も提供する。例えば乾燥粉末の簡単な混合により拡散反射性白色粉末へ蛍光体を組み込むことは、ＬＥＤエレメントの製造を簡素化させると共に、大量の蛍光体を相対的に大きな表面領域にわたり拡散させることができるので高い光強度における蛍光飽和を防止する。拡散反射性白色粉末層又は拡散反射性粒子／バインダコーティングにおける蛍光体の量及び配置は、適切なカラー点が得られるように最適化することができる。この場合、蛍光無しＬＥＤエレメントも使用することができる。
【００２０】
付加的に又は代替的に、例えば赤、緑及び青等の異なる波長特性のＬＥＤエレメントを光エンジン内に所望に応じて使用し及び配置することもできる。本発明による光エンジンが利用される場合、適切な色混合の問題は自動的に解決される。何故なら、個々のＬＥＤダイは外側からは直接見ることができず、内部の色混合は内部光再利用過程によりなされるからである。
【００２１】
前記開口は、基本的に、当該チェンバ壁の簡単な開口からなることができる。当該光エンジンの性能に対する開口パラメータの影響は、後に詳述する。当該光エンジンで発生された光が捕捉される例えば光ファイバ等の光導体エレメントを、該開口の近傍、内又は上に配置することができる。本発明の好ましい実施例においては、ビーム形成エレメントが該開口内に又は該開口の近傍に配置される。例えばレンズ、円錐状エレメント、四角錐状エレメント又は放物状エレメントの形態の光コリメートエレメントが特に好ましい。該開口を介して出射する光は、斯様なコリメートエレメントにより、規定された放出角内にコリメートされ、及び／又は規定された空間的／角度的光強度分布パターン内に整形される。
【００２２】
例えばチェンバ内部と前記透明被覆板との間、及び／又はチェンバ内部と前記出力結合手段との間、及び／又はチェンバ内部と当該光エンジンの前記開口に配置されたコリメートエレメントとの間、及び／又はチェンバ内部とＬＥＤダイ表面との間の境界等の、当該光エンジン内に存在する種々の光学的界面における内部反射による光の損失を最少化するために、当該チェンバは好ましくは下記のような材料により充填される。即ち、該材料とは、上記透明被覆板の及び／又は上記出力結合手段の及び／又は上記コリメートエレメントの及び／又は上記ＬＥＤエレメントの屈折率に近い又は、より好ましくは、一致するような屈折率を有すると共に、可視光に対して及び／又は上記ＬＥＤダイ内部で発生され該ＬＥＤダイから放出される光に対して上記種々の光学的界面の"光学的可視性"を低減し又は除去さえもするような材料である。
【００２３】
このような材料は、所望の（一致する）屈折率を持つ固体樹脂（特にはシリコーン樹脂）又は透明な液体（特には油）等の有機媒質とすることができ、好ましくは可視光に対して及び／又は上記ＬＥＤダイ内で発生され該ＬＥＤダイから放出される光に対して実質的に非吸収性であるものとする。この対策は、空洞内の上記充填材料が前記光学エレメントと光学的に接触する場合に、当該光エンジンの開口に配置された該光学エレメントからのフレネル反射も最少化する。好ましい実施例は、上記材料が上記ＬＥＤエレメントの前端（front end）冷却にも使用されるような液体材料である場合に得られる。この場合、好ましくは、上記液体材料は、該液体の冷却効果を増加させるために当該光エンジンの空洞と何らかの追加の外部冷却装置との間を流体としてポンプ循環される。
【００２４】
本発明による光エンジンは、ＬＥＤ照明機器であって、該照明機器が調整可能な輝度及び色の光出力ビームによる限定された面積の光出力開口を有し、該開口から光を幾つかの遠隔位置（特には自動車ヘッドランプ等の自動車ライトシステムにおける）に伝送することができることを特徴とするような如何なるＬＥＤ照明機器用途にも使用することができる。放出される光出力ビームの輝度は、都合良く、当該光エンジン内部の個々のＬＥＤエレメントに供給される電力を変化させることにより調整することができる。放出される光出力ビームの色も、例えば赤、緑及び青のＬＥＤエレメント等の異なる波長特性のＬＥＤエレメントが当該光エンジン内部に存在する状況下で、個々のＬＥＤエレメントに供給される電力を変化させることにより調整することができる。
【００２５】
本発明の他の目的及びフィーチャは、添付図面と関連して考察される下記詳細な説明から明らかとなるであろう。しかしながら、斯かる図面は本発明の限定を定めるものとしてではなく、解説の目的のためにのみ設計されたものであると理解されるべきである。尚、図面において同様の符号は全体を通して同一のエレメントを示している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
各図における対象物の寸法は明瞭化のために選定されており、必ずしも実際の相対寸法を反映していない。
【００２７】
図１及び２は、本発明による光エンジンの特に好ましい実施例を示しており、ここで、図１は全体の光エンジンの断面を示し、図２はチェンバ壁の拡大された断面を示している。
【００２８】
該光エンジン１は、例えば長方形の又は円筒の態様で構築されたチェンバ６を有している。表面面積Ａexitの開口又はアパーチャ７が、チェンバ６の頂部に配置され、コリメートエレメント８につながっている。ＬＥＤエレメント１３が、チェンバ６の内側壁１０上に、外被に沿って及び開口７に対向する内側表面上に互いから或る距離で（即ち特定の格子に）配置されている。これらＬＥＤエレメント１３は、出力結合エレメント１５を介して透明被覆板１１に接続されている。
【００２９】
この透明被覆板１１は、チェンバ６内に該チェンバ１６の内側壁に対して或る距離で配置されている。チェンバ６の全壁１０は、開口７を備える頂部側も含め、透明被覆板１１により被覆されている。透明被覆板１１とチェンバ６の壁１０の内側表面との間の間隙は、拡散反射性白色粉末により充填されている。該反射性白色粉末の好適な候補は、Al2O3、TiO2、YBO3、BaSO4、Ca-ピロリン酸塩、Ca-ハロリン酸塩又はMgOである。透明被覆板１１のための好適な材料は、ＰＭＭＡ（ポリメチル-メタクリレート：polymethyl-methacrylate）、ＰＣ（ポリカーボネイト：polycarbonate）、樹脂性シリコーン化合物及びガラスを含む。この構造は、ＬＥＤダイにより占められていないチェンバ６の全内側表面２０が高度に反射性となるのを保証する。
【００３０】
上記壁の構造を図２に詳細に見ることができる。この場合、個々のＬＥＤダイ１３は取付スラグ１４上に取り付けられ、これらスラグもＬＥＤダイの周りの反射性頂面を特徴とする。透明な切頭反転三角錐又は円錐が、透明被覆板１１に光学的に結合された出力結合エレメント１５として作用する。更に、これらの出力結合エレメント１５は、樹脂又は何らかの他の適切な接着剤状物質によりＬＥＤダイ１３に光学的に結合されている。これらの出力結合エレメント１５を樹脂又は同様の物質により透明被覆板１１に光学的に結合する代わりに、これらエレメントは好ましくは透明被覆板１１の一部として直に形成することもできる。出力結合エレメント１５は、放出された光を当該光エンジン１の内部９に向かって案内する。円錐形出力結合エレメント１５の断面は、関連するＬＥＤダイ１３から離れる方向に広がっている。好ましくは、これら出力結合エレメントは、垂直線に対して５°と６５°との間の傾き角、より好ましくは垂直線に対して２０°と５０°との間の傾き角、最も好ましくは垂直線に対して約４５°の傾き角を特徴する。
【００３１】
透明被覆板１１とチェンバ６の非透明外壁１０の内側表面との間の距離、即ち拡散反射性粉末層１２の厚さは、好ましくは、約２〜３ｍｍである。粉末層１２はチェンバ６の高度に反射性の表面２０を提供し、これが内部光再利用を可能にする。コリメートエレメント８は、開口７上に配置されると共に、例えば透明なプラスチック材料から形成され、当該光エンジン１の上記開口から放出される光を入力する。該コリメートエレメント８の形状は、放出される光ビームの伝搬方向に対して測定してコリメーション半角θＣより大きな角度では該コリメートエレメント８の出射面から実質的に如何なる光も放出されないように選定される。
【００３２】
透明被覆板１１からチェンバ６の内側への光の出力結合を改善すると共に、チェンバ６からコリメートエレメント８への光の結合を簡単化するために、全体のチェンバ６の内部９は、透明被覆板１１の屈折率に且つ恐らくはコリメートエレメント８の屈折率にも近い又は一層好ましくは一致するような屈折率を持つ固体又は液体の媒体２２により充填される。被覆板１１と媒体２２との間の境界界面における、及びコリメートエレメント８と媒体２２との間の界面における不所望な光損失を惹起する反射は、これにより防止されるか又は少なくとも減少される。媒体２２が液体の媒体である場合、例えば該液体媒体２２をチェンバ６と外部の冷却装置との間でポンプ送りすることにより前端でのＬＥＤ冷却の目的にも使用することができる。
【００３３】
図３は、チェンバ６の壁１０の内側表面の幾らか変更された構造を示している。ここでは、ＬＥＤダイ１３はチェンバ壁１０の内側表面上に直に取り付けられている。光学接触層１６が、各ＬＥＤダイ１３上に配置されている。この接触層１６は、ＬＥＤダイ１３からの光の出力結合を促進するために散乱粒子を含むことができる。透明被覆板１１はブロック状の出力結合エレメント１５'を特徴とし、これらブロック状出力結合エレメントは透明被覆板１１からＬＥＤダイ１３に向かい突出し、延長部又は橋絡部として作用して、接触層１６との光学的接触を提供する。透明被覆板１１と壁１０の内側表面との間の空間は、ここでも、反射性乾燥白色粉末１２で充填されている。
【００３４】
図４は、他の可能な構成を示している。図３におけるのと同様に、ＬＥＤダイ１３は内側壁１０上に配置されている。ＬＥＤダイ１３により放出される光のＬＥＤダイ表面を介しての出力結合を容易にするために、ＬＥＤダイ１３は、好ましくは、該ＬＥＤダイの表面と光学的接触状態にある透明散乱層１７により囲繞され、これによりＬＥＤダイ１３からチェンバ６への光の出力結合を促進する。高度に拡散反射性の白色粒子／バインダ層１８が、個々のＬＥＤ１３の間に位置される内側壁１０の表面を被覆している。
【００３５】
図５には、他の可能性のある構成を見ることができ、そこでは、各々がＬＥＤダイエレメント（図示略）を備えるＬＥＤ装置本体２３が、外壁１０の内側表面上に取り付けられている。ＬＥＤダイエレメント自体はＬＥＤドーム１９内に封入され、これらドームはＬＥＤダイから放出される光の良好な出力結合を保証する。ＬＥＤドーム１９が突出するような格子パターン状の適切な開口を備える被覆板２１が、ＬＥＤ装置本体２３を覆っている。ＬＥＤドーム１９の間における被覆板２１の表面は白色拡散反射性粒子／バインダコーティング１８により被覆され、該コーティングは高反射性コーティング層１８となるような充分な厚さを有している。
【００３６】
光エンジンの他の例示的構成２が図６に示されている。該構成と図１に示した例との間の基本的な相違は、チェンバ６が図１の光エンジンのものとは異なるように構成されている点にある。この場合、チェンバ６は、個々のＬＥＤが図１に示した例におけるように取り付けられた床壁１０を特徴としている。しかしながら、ここでは、側壁１０'が上記床壁１０から開口７に向かって円錐状に延在している。これらの側壁１０'上にはＬＥＤは配置されていない。所望の高反射性内側表面２０を付与するために、透明被覆板１１は、床壁１０に対するのと同様に、側壁１０'の内側から約２〜３ｍｍの距離に配置され、該被覆板１１と側壁１０'との間の空間、並びに床壁１０と被覆板１１との間におけるＬＥＤ取付エレメント１４、ダイ１３及び出力結合エレメント１５の間の空間は高度に反射性の白色粉末１２により充填されている。ここでも、コリメートエレメント１８が開口７に配置されている。この光エンジン２の前記光エンジン１に対する利点は、減少された体積、特に減少された高さにある。一方、チェンバの内側壁の全面積に対するＬＥＤエレメントの数は、より少ない。何故なら、側壁１０'はＬＥＤエレメントにより占められていないからである。
【００３７】
本発明による光エンジンの他の実施例３が図７に示されている。この光エンジン３のハウジング６は、前記光エンジン２のハウジングと同様の幾何学構造を特徴としている。しかしながら、ＬＥＤエレメントは図５に示したのと同じ態様で基板１０上に取り付けられている。即ち、ＬＥＤデバイス本体２３、及びＬＥＤダイ（図示略）が封入された支持ＬＥＤドーム１９が、基板１０を占めている。ＬＥＤが取り付けられた基板壁１０の表面、並びにＬＥＤデバイス本体２３の側壁及び頂部の両方が白色拡散反射性コーティング１８により被覆され、突出するドーム１９のみがコーティングされないままとなっている。ＬＥＤドーム１９が突出する格子パターン状の適切な開口を備える透明被覆板１１'が、ＬＥＤデバイス本体２３を覆っている。この透明被覆板１１'と外壁１０の内側表面との間の空間は、反射性白色乾燥粉末１２により充填されている。側壁１０'の内側表面と透明被覆板１１との間に配置された反射性材料１２を伴って開口７に向かい狭まる円錐状側壁１０'は、図６の光エンジン２に関するのと同様の態様で構築されている。
【００３８】
図８は、本発明による光エンジンの他の実施例４を示し、該実施例は外側ハウジングに関しては図７に記載した例と同様の態様で構築されている。しかしながら、図７の例におけるのとは別に、ここでは透明被覆板１１'も反射性白色乾燥粉末１２も使用されていない。代わりに、ここでは、円錐状チェンバ壁１０'も内側が拡散反射性粒子／バインダ層１８により被覆され、高反射性表面２０を付与するようになっている。更に、白色拡散反射性粒子／バインダ層１８は、チェンバ壁１０の内側表面上に、及び透明ドーム１９の間に位置するＬＥＤデバイス本体２３の表面上にも存在する。
【００３９】
図９は本発明による光エンジンの他の実施例５を示し、該実施例は図１及び図６の例とはチェンバ６の外形のみが本質的に相違する。チェンバ６の下部は円筒状又は長方形状であり、基底壁１０及び側壁１０は、各々、或る格子パターンで配置されたＬＥＤエレメント１３により占められている。チェンバ６の上部は、図６の光エンジン２の円錐形に形成された側壁１０'と同様の態様で開口７に対して円錐状に狭まっている。チェンバ６の上部の該円錐状の壁１０'は、内側がＬＥＤエレメント１３によっては占められておらず、高度に反射性の表面２０のみを有している。ここでも、この高反射性表面２０は、壁１０、１０'から或る距離に配置された透明被覆板１１、及び壁１０、１０'の内側表面と被覆板１１との間の空間を充填する白色反射性粉末１２により形成されている。
【００４０】
図６ないし９に示す全ての場合において、チェンバ６の内部９は、図１の光エンジン１に関して説明したように、好ましくは適切な屈折率を有する固体又は液体媒体２２により充填される。
【００４１】
上記異なる例は、チェンバ６が基本的に如何なる種類の外部幾何学形状を有し得ることも示している。更に、開口７は、必ずしも側壁における円形開口である必要はなく、必ずしも光学エレメント８が設けられる必要もないことが力説されるべきである。如何なる側壁（好ましくは、相対的に小さな寸法の）も、構造から単に除外して開口を付与することもできる。これが、図１０の単純化された概要図の円筒状チェンバ６により示されている。基本的に、このようなチェンバ６は、例えば対向する側面上の開口のように、如何なる基本的表面幾何学構造も有することができる。例えば、両方の小さな面が外界に対して開放しているような長尺の光エンジン立方体を想像することもできる。これは、光エンジンの意図される機能及び当該光エンジンが動作する空間的制約に依存する。
【００４２】
チェンバの幾何学構造、チェンバ内のＬＥＤエレメントの数及び開口の寸法等の正確な構造パラメータは、当該光エンジンの最大寸法及び所望の出力パラメータ等の制約に依存する。従って、以下では達成可能な出力パラメータが当該光エンジンの構造パラメータにどの様に依存するかを説明する。
【００４３】
表面積Ａexitの単一の開口又は出射ポート７、及び出射ポート表面面積Ａexitを含む全内部表面積Ａengineを有するような図１に図示した光エンジンボックスを考察しよう。各々が（投影された）平らな頂部面積ＡLEDを有するような合計でＮLED個のＬＥＤダイエレメント１３が光エンジン１の壁１０の内側表面に取り付けられていると仮定する。また、各ＬＥＤエレメント１３は反射率ＲLEDを有し、自身のダイ面積ＡLEDから光束φLEDを放出すると仮定する。ＬＥＤエレメント１３の周りには反射率Ｒwallの白色拡散反射性の壁２０が横方向に存在する。
【００４４】
開口出射ポート７を介して外界へ逃れる、内部で生成された光の透過される割合Ｔは：
【数１】
なる級数から得られ、これは、
【数２】
なる"開口割合"の場合、
【数３】
と等価となる。
【００４５】
これによれば、Ｒavは、
【数４】
に従う当該光エンジンの内壁の非出射部の平均された内部反射率Ｒavを示し、ここで、
【数５】
は、内部反射する光エンジン表面面積Ａengine−ＡexitのＬＥＤエレメント１３により覆われる割合を示す。
【００４６】
上記式は、内部の光エンジンの壁の如何なる特定の形状も仮定していない。一方、式（１）における級数展開（series expansion）は小さな開口割合ｆに対してのみ成り立つ。単一の平らな光放出面を有するような光エンジンの極端な場合には、放出する光源の経路には反射する面がないので、最大のｆ＝０.５及び"定義により"Ｔ＝１を有する。この場合、式（１）は誤ってＴ<１を予測するが、容易に達成可能なＲav>０.９０である限り該エラーは大きなものではない。
【００４７】
現実的な光エンジンに対しては、好ましくは上限ｆ≒０.３〜０.４が維持されるべきであるが、本発明による光エンジンの概念は、明らかに、より小さなｆの値に対して一層関心があるものである。例えば、６つの面のうちの１つのみが開放しているような立方体として実施化された光エンジンはｆ＝０.１７なる開口割合を有する。開口割合ｆに対する一層小さな値は、上記立方体を一層長方形にすると共に、その２つの小さな面のうちの一方のみを開放状態に維持することにより、容易に得ることができる。本発明の好ましい実施例においては、開口割合ｆは、≦０.１５、より好ましくは≦０.１とすべきである。例えば、２ｃｍの直径、３ｃｍのチェンバ長及び１ｃｍの開口直径を持つ図１による光エンジン１はｆ＝０.０３なる開口割合を有する。
【００４８】
ＲLED＝Ｒwall＝Ｒav＝１の場合、光の損失は存在せず、如何なる任意の小さな開口割合ｆに対しても式（１）に従いＴ＝１を得る。これは、理論的に、ｆ→０の場合に極端に高い輝度レベルの生成を可能にする。しかしながら、現実には、光学的な光損失を完全に回避することは決してできないから、これは不可能である。
【００４９】
従って、システムパラメータの関数として光エンジン１の開口出射ポート７で達成可能な輝度に関する方程式を導出することも興味深いものである。個々のＬＥＤダイエレメント１３の輝度レベルＢLEDに対して正規化された開口出射ポート７（コリメートエレメント８は存在しないと仮定する）における輝度Ｂexitを示す輝度比Ｂは、
【数６】
から得られ、これは、ＬＥＤダイ１３及び開口出射ポート７の両方がコリメートされていない光（即ち、θｃ＝９０°のランバート光）を放出する場合に有効である。
【００５０】
更に、以下においては"輝度集中係数"とも呼ぶ第２輝度比Ｌ(θ)に関する関係を、
【数７】
により導出することも有益であり、この比は、光放出出射面（これは、コリメートエレメント８の投影された光放出出射面Ａcolとすることができる）の輝度Ｂexit(θc)の、ＬＥＤエレメント１３が実装密度θLEDで取り付けられた表面積Ａscreen＝Ａengine−Ａexitの仮想フラットスクリーンのスクリーン平均輝度Ｂscreen(θc)に対する比を示す。ここで、光は、ビームの伝搬方向に対してコリメーション半角θc内に角度制限されたコリメートされたビームとして放出されると仮定される。コリメートされない光に対しては、θc＝９０°となる。
【００５１】
輝度集中係数Ｌ(θc)を知ることは、光エンジン１の内側にＮLED個のダイを表面実装密度θLEDで一緒に詰め込むことにより、ＮLED個のダイがフラットな光放出スクリーン上に同一の表面実装密度で単に取り付けられた単純な状況と比較して正味の光集中が達成されたか否かを示すことになる。Ｌ(θc)>１なる値は相対的光（輝度）集中を示し、Ｌ(θc)<１なる値は相対的光（輝度）の希釈を示す。明らかに、斯様に大きなＬ(θc)の値は実際に可能であり、確かに１より大きな値が一般的に望ましい。
【００５２】
図１に示すように、光エンジン１が２Ｄコリメートされた光を放出するようになされている場合、関連する出射ポート表面面積は、光エンジン１の出射ポート７に取り付けられたコリメートエレメント８の投影された出力面Ａcolのものとなる。エテンデュ（etendue）の法則に従えば、所与のコリメーション半角θcに対して、コリメートエレメント８の最小の所要の出力表面面積Ａcolは、
【数８】
により図１の光エンジン１の開口７の出力面積Ａexitに関係し、従って減少するθcにおいて放出面Ａcolの不可避的拡大を示す。
【００５３】
スクリーン平均輝度レベルＢscreen(θc)は、
【数９】
に従いＢLED(θc)に関係する。
【００５４】
図１による光エンジン１の実施例では、個々のＬＥＤエレメントには四角錐状出力結合エレメント１５の形態のコリメートエレメントが設けられている。従って、個々のＬＥＤの見かけの光放出表面面積も増加するが、これらは、フラットな取付スクリーン上での、
【数１０】
なるＬＥＤ実装密度制約が満たされる限りにおいて、斯かるスクリーンを拡大することなしに該取付スクリーン（式（４）の導出のために先に規定した表面面積Ａscreenの仮想フラットスクリーン）上で直接調整することができる。この場合、該スクリーン表面面積Ａscreenはθcとは独立とすることができる。
【００５５】
上述したことから、及びθc<９０°ならば式（４）におけるＢexitは光エンジン１の開口７上に取り付けられたコリメートエレメント８の光出力面における輝度Ｂcolを示すことを心に留めると、Ｌ(θｃ)は、
【数１１】
から得られることになる。
【００５６】
θc＝９０°（ランバート光）なる特別な場合に関して、図１１は、透過率（transmission）Ｔ及び輝度比Ｂの計算値を、現実的な条件に対応する反射率Ｒwall＝０.９８及びＲLED＝０.５０並びに実装密度θLED＝０.０５における開口割合ｆの関数として示す。
【００５７】
図１１からは、開口割合ｆが減少すると、出射ポートにおける達成可能な輝度比Ｂは増加するが、当該光エンジンを離脱する内部生成光の透過割合Ｔに比例する光束出力が大幅に減少することが明らかである。光束及び輝度は、これらの関係が開口割合ｆに対して逆の傾向を示すので、
【数１２】
に従う品質パラメータＱを定義することに意味がある。
【００５８】
図１１では、品質パラメータＱも開口割合ｆの関数としてプロットされている。このプロットから、Ｑは最適な開口割合ｆoptにおいて最大値を経ることが明らかとなる。ｆoptの値は、
【数１３】
から得られ、ここでＲavは式（２）により与えられる。
【００５９】
しかしながら、Ｑはｆ＝ｆoptの近傍では開口割合ｆに強くは依存しない。高いＢより高いＴの方が重要である場合（例えば、一般照明用途に関係する場合）、ｆ>ｆoptなる値を選択することが推奨される。高いＢが高いＴより重要な場合は、逆が真となる。
【００６０】
図１２は、実装密度θLED＝０.０５及びθc＝９０°における種々のＲLED及びＲwallの値に関して品質パラメータＱの計算値を開口割合ｆの関数として示している（ＩはＲwall＝０.９８及びＲLED＝０.７；IIはＲwall＝０.９８及びＲLED＝０.５；IIIはＲwall＝０.９６及びＲLED＝０.５）。ｆoptの周辺の開口割合に対して品質パラメータＱは目立って低下する。即ち、反射率ＲLED及びＲwallが減少すると、曲線が平らになる。
【００６１】
更に、図１３は一定のＲwall＝０.９８及びＲLED＝０.５並びにθc＝９０°における種々の値θLEDに関して品質パラメータＱの計算値を開口割合ｆの関数として示している。見られるように、品質パラメータＱは実装密度θLEDの増加に伴いｆの全範囲にわたり増加する。
【００６２】
図１４、１５及び１６は、現実的な反射率Ｒwall＝０.９８及びＲLED＝０.５における光集中係数Ｌ(θｃ)の計算値を、開口割合ｆの種々の値に関して（図１４では、一定の実装密度θLED＝０.０５で）、及び種々の値θLEDに関して（図１５においては一定の開口割合ｆ＝０.０５で、図１６においては一定の開口割合ｆ＝０.１で）示している。全図において、曲線は式（７）による制約の下で描かれている。
【００６３】
少なくともθc＝６０°（一般照明用途）に対して、本発明による光エンジンの使用は、８０％のルーメン出力（即ち、Ｔ＝０.８）において、係数５までの数値で著しい輝度集中が達成されるのを可能にすることが明らかである。また、より高い光集中係数Ｌは、開口割合ｆを減少させることにより、ルーメン効率の減少を犠牲にして達成することができる。
【００６４】
Ｒwall及びＲLEDが常に現実に可能な限り高く選定されるとすると、開口割合ｆの関数として当該性能に影響を与えるものは、主として内壁上のＬＥＤエレメントの実装密度θLEDである。一方における輝度と他方におけるルーメン効率との間で、常に妥協点を捜さねばならない。また、全体として必要とされるルーメン出力を考慮しなければならず、これによれば、当該光エンジンの寸法は総ルーメン出力に直に比例する。
【００６５】
高いルーメン効率が最も重要である場合は、低いθLED≒０.０１においてｆ≒０.１０〜０.１２の開口割合を選択することが推奨される。これは、Ｔ≒０.８及びＢ≒０.０７を可能にし、これはθc＝９０°において取付壁のスクリーン平均輝度より依然として７倍明るい。輝度集中係数Ｌ(θｃ)はθｃが減少すると減少するが、θc＝４０°までかなりに留まる。
【００６６】
高い輝度が最も重要である場合は、高いＬＥＤ実装密度θLED≒０.０５、又は実現可能ならそれ以上を選択することが推奨される。最大に達成可能なＬＥＤ実装密度を上昇させるために、ＬＥＤエレメントの冷却を、例えば先に提案した一致する屈折率の冷却液により実施すべきである。ｆ≒０.１においては、小さなＴ＝０.６５ではあるが、より高い輝度比Ｂ＝０.３を有し、これは、θc＝９０°において、取付壁のスクリーン平均輝度Ｂ＝θLEDより依然として６倍明るい。輝度は、開口割合ｆを例えばｆ＝０.０５まで低下させることにより更に増加させることができる。ｆ≒０.１において、品質パラメータＱはθLEDが増加すると大幅に改善する。従って、本発明による光エンジンから最大の利益を得るためには、θLEDをθLED＝０.１０における又はそれを超えるレベルまで増加させることが非常に重要である。
【００６７】
以上、本発明を好ましい実施例及びそれらの変形例の形態で開示したが、これらに対して本発明の範囲を逸脱すること無しに多数の更なる修正及び変形をなすことができると理解される。また、明瞭化のために、本出願を通して単数形の使用は複数を排除するものではなく、"有する"なる文言は他のステップ又は構成要素を排除するものではないと理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】図１は、本発明による光エンジンの第１実施例を示す。
【図２】図２は、図１による光エンジンのチェンバの壁の一部の拡大図を示す。
【図３】図３は、本発明の第２実施例による光エンジンのチェンバの壁の拡大された一部を示す。
【図４】図４は、本発明の第３実施例による光エンジンのチェンバの壁の拡大された一部を示す。
【図５】図５は、本発明の第４実施例による光エンジンのチェンバの壁の拡大された一部を示す。
【図６】図６は、本発明による光エンジンの第５実施例を示す。
【図７】図７は、本発明による光エンジンの第６実施例を示す。
【図８】図８は、本発明による光エンジンの第７実施例を示す。
【図９】図９は、本発明による光エンジンの第８実施例を示す。
【図１０】図１０は、本発明の第９実施例による光エンジンのチェンバの形状の単純化された概念図を示す。
【図１１】図１１は、開口割合ｆの、− 当該光エンジンから放出（透過）される内部発生光の割合Ｔ、− 個々のＬＥＤエレメントの輝度に対して正規化された当該光エンジンからの放出光ビームの輝度を示す輝度比Ｂ、− 品質パラメータＱ、に対する影響を図示するグラフである。
【図１２】図１２は、内側の反射する壁表面及びＬＥＤ表面の種々の反射率に対して、開口割合ｆに対する品質パラメータＱの依存度を示すグラフである。
【図１３】図１３は、当該光エンジンの内側壁上のＬＥＤエレメントの幾つかの実装密度θLEDに関して、開口割合ｆに対する品質パラメータＱの依存度を示すグラフである。
【図１４】図１４は、種々の開口割合ｆに関して、コリメーション角度θＣに対する光集中係数Ｌの依存度を示すグラフである。
【図１５】図１５は、特定の第１開口割合ｆに対する種々のＬＥＤ実装密度θLEDに関して、コリメーション角度θＣに対する光集中係数Ｌの依存度を示すグラフである。
【図１６】図１６は、特定の第２開口割合ｆに対する種々のＬＥＤ実装密度θLEDに関して、コリメーション角度θＣに対する光集中係数Ｌの依存度を示すグラフである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの開口を備えるチェンバと、このチェンバ内に配置された複数のＬＥＤエレメントとを有し、実効的に前記チェンバの全内側表面が、所望の波長領域内の光に対して実質的に非吸収的である高反射性表面として実現されているような光エンジン。
【請求項２】
請求項１に記載の光エンジンにおいて、前記ＬＥＤエレメントにより放出される光の前記チェンバ内への出力結合を向上させる出力結合手段を有するような光エンジン。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の光エンジンにおいて、前記高反射性表面が、前記チェンバの壁の内側表面上に分布される拡散反射性材料により実現されるような光エンジン。
【請求項４】
請求項３に記載の光エンジンにおいて、前記拡散反射性材料が、透明被覆板と前記チェンバの壁の内側表面との間に封入されているような光エンジン。
【請求項５】
請求項３又は請求項４に記載の光エンジンにおいて、前記拡散反射性材料が反射性乾燥粉末を有するような光エンジン。
【請求項６】
請求項４又は請求項５に記載の光エンジンにおいて、前記透明被覆板が前記ＬＥＤエレメントを覆い、前記出力結合手段が、各々が対応するＬＥＤエレメントの光放出面から前記透明被覆板まで延びる複数の透明出力結合エレメントを有するような光エンジン。
【請求項７】
請求項６に記載の光エンジンにおいて、前記透明出力結合エレメントが、当該透明出力結合エレメントと対応するＬＥＤエレメントとの間の境界におけるよりも当該出力結合エレメントと前記透明被覆板との間の境界において一層広い断面を有するような光エンジン。
【請求項８】
請求項１ないし７の何れか一項に記載の光エンジンにおいて、前記出力結合手段が、各々が対応するＬＥＤエレメントの光放出面に光学的に結合された透明なドームを有するような光エンジン。
【請求項９】
請求項８に記載の光エンジンにおいて、前記ドームが、前記ＬＥＤエレメントが取り付けられた前記チェンバの壁を被覆する被覆板の孔を介して突出するような光エンジン。
【請求項１０】
請求項３ないし９の何れか一項に記載の光エンジンにおいて、前記チェンバの壁の内側表面上に分布された前記反射性材料が、光変換物質を有するような光エンジン。
【請求項１１】
請求項１ないし１０の何れか一項に記載の光エンジンにおいて、異なる波長のＬＥＤエレメントが前記チェンバ内に配置されているような光エンジン。
【請求項１２】
請求項１ないし１１の何れか一項に記載の光エンジンにおいて、前記チェンバの前記開口に配置された光コリメートエレメントを有するような光エンジン。
【請求項１３】
請求項１ないし１２の何れか一項に記載の光エンジンにおいて、前記チェンバが、前記透明被覆板の及び／又は前記出力結合手段の及び／又は前記コリメートエレメントの及び／又は前記ＬＥＤエレメントの屈折率に近い又は好ましくは一致する屈折率を有する材料により充填されているような光エンジン。
【請求項１４】
請求項１３に記載の光エンジンにおいて、前記材料が、前記ＬＥＤエレメントの前端冷却にも使用される液体材料であるような光エンジン。
【請求項１５】
請求項１ないし１４の何れか一項に記載の光エンジンにおいて、前記開口の表面面積を含む当該光エンジンの全内部表面面積に対する前記開口の表面面積の比により定義される開口割合が、好ましくは≦０.１５、より好ましくは≦０.１であるような光エンジン。
【請求項１６】
請求項１ないし１５の何れか一項に記載の光エンジンを含む自動車用ライトシステム。
【請求項１】
少なくとも１つの開口を備えるチェンバと、このチェンバ内に配置された複数のＬＥＤエレメントとを有し、実効的に前記チェンバの全内側表面が、所望の波長領域内の光に対して実質的に非吸収的である高反射性表面として実現されているような光エンジン。
【請求項２】
請求項１に記載の光エンジンにおいて、前記ＬＥＤエレメントにより放出される光の前記チェンバ内への出力結合を向上させる出力結合手段を有するような光エンジン。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の光エンジンにおいて、前記高反射性表面が、前記チェンバの壁の内側表面上に分布される拡散反射性材料により実現されるような光エンジン。
【請求項４】
請求項３に記載の光エンジンにおいて、前記拡散反射性材料が、透明被覆板と前記チェンバの壁の内側表面との間に封入されているような光エンジン。
【請求項５】
請求項３又は請求項４に記載の光エンジンにおいて、前記拡散反射性材料が反射性乾燥粉末を有するような光エンジン。
【請求項６】
請求項４又は請求項５に記載の光エンジンにおいて、前記透明被覆板が前記ＬＥＤエレメントを覆い、前記出力結合手段が、各々が対応するＬＥＤエレメントの光放出面から前記透明被覆板まで延びる複数の透明出力結合エレメントを有するような光エンジン。
【請求項７】
請求項６に記載の光エンジンにおいて、前記透明出力結合エレメントが、当該透明出力結合エレメントと対応するＬＥＤエレメントとの間の境界におけるよりも当該出力結合エレメントと前記透明被覆板との間の境界において一層広い断面を有するような光エンジン。
【請求項８】
請求項１ないし７の何れか一項に記載の光エンジンにおいて、前記出力結合手段が、各々が対応するＬＥＤエレメントの光放出面に光学的に結合された透明なドームを有するような光エンジン。
【請求項９】
請求項８に記載の光エンジンにおいて、前記ドームが、前記ＬＥＤエレメントが取り付けられた前記チェンバの壁を被覆する被覆板の孔を介して突出するような光エンジン。
【請求項１０】
請求項３ないし９の何れか一項に記載の光エンジンにおいて、前記チェンバの壁の内側表面上に分布された前記反射性材料が、光変換物質を有するような光エンジン。
【請求項１１】
請求項１ないし１０の何れか一項に記載の光エンジンにおいて、異なる波長のＬＥＤエレメントが前記チェンバ内に配置されているような光エンジン。
【請求項１２】
請求項１ないし１１の何れか一項に記載の光エンジンにおいて、前記チェンバの前記開口に配置された光コリメートエレメントを有するような光エンジン。
【請求項１３】
請求項１ないし１２の何れか一項に記載の光エンジンにおいて、前記チェンバが、前記透明被覆板の及び／又は前記出力結合手段の及び／又は前記コリメートエレメントの及び／又は前記ＬＥＤエレメントの屈折率に近い又は好ましくは一致する屈折率を有する材料により充填されているような光エンジン。
【請求項１４】
請求項１３に記載の光エンジンにおいて、前記材料が、前記ＬＥＤエレメントの前端冷却にも使用される液体材料であるような光エンジン。
【請求項１５】
請求項１ないし１４の何れか一項に記載の光エンジンにおいて、前記開口の表面面積を含む当該光エンジンの全内部表面面積に対する前記開口の表面面積の比により定義される開口割合が、好ましくは≦０.１５、より好ましくは≦０.１であるような光エンジン。
【請求項１６】
請求項１ないし１５の何れか一項に記載の光エンジンを含む自動車用ライトシステム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公表番号】特表２００８−５０９５１５（Ｐ２００８−５０９５１５Ａ）
【公表日】平成２０年３月２７日（２００８．３．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−５２４４５３（Ｐ２００７−５２４４５３）
【出願日】平成１７年８月２日（２００５．８．２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＩＢ２００５／０５２５８３
【国際公開番号】ＷＯ２００６／０１６３２４
【国際公開日】平成１８年２月１６日（２００６．２．１６）
【出願人】（５９００００２４８）コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ (12,071)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２０年３月２７日（２００８．３．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年８月２日（２００５．８．２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＩＢ２００５／０５２５８３
【国際公開番号】ＷＯ２００６／０１６３２４
【国際公開日】平成１８年２月１６日（２００６．２．１６）
【出願人】（５９００００２４８）コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ (12,071)
【Ｆターム（参考）】
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