(57)【要約】  ＬＥＤ光源は、ＬＥＤ発光体と、前記発光体を少なくとも部分的に包囲するカプセル材とを備える。カプセル材が、内部レンズと外部レンズとを含み、前記内部レンズが外部レンズの屈折率より低い屈折率、ある場合には、その７０〜８０パーセント（％）の屈折率を有する。内部レンズ及び外部レンズは曲面に沿って互いに接触することができ、ある場合には、内部レンズは略平凸レンズであり外部レンズはメニスカスレンズである。内部レンズが発光体の第１虚像を生成し、外部レンズが第２虚像を生成し、第１虚像が前記発光体と前記第２虚像との間に配置される。ＬＥＤ光源はコンパクトな空間内で均一な照射を提供することができる。
2009522779.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＬＥＤ発光体と、
前記ＬＥＤ発光体を少なくとも部分的に包囲するカプセル材とを備え、
前記カプセル材が内部レンズと外部レンズとを含み、前記内部レンズが屈折率ｎ１及び外曲面を有し、前記外部レンズが屈折率ｎ２＞ｎ１及び内部レンズの外曲面と実質的に接合した内曲面を有し、
前記内部レンズが前記ＬＥＤ発光体の第１虚像を生成し、前記外部レンズが前記第１虚像の第２虚像を生成し、前記第１虚像が前記ＬＥＤ発光体と前記第２虚像との間に配置されている光源。
【請求項２】
前記ＬＥＤ発光体が、軸角からグレージング角までの広角光を前記内部レンズに放射し、前記内部レンズが、この広角光を集束して、外部レンズに伝送する、請求項１に記載の光源。
【請求項３】
前記広角光が、前記内部レンズ内で０〜９０度の範囲の極角を示し、この光が外部レンズから面角度０〜θ２ＭＡＸ（θ２ＭＡＸは４５度以下）の範囲で現れる、請求項２に記載の光源。
【請求項４】
前記ＬＥＤ発光体に対する第２虚像の倍率が、３〜４の範囲内である、請求項１に記載の光源。
【請求項５】
前記ＬＥＤ発光体は、略平面で、最大面内寸法２ｈを有する、請求項１に記載の光源。
【請求項６】
前記外部レンズが半径Ｒ２の外曲面を有し、ｈ／Ｒ２が０．４以下である、請求項５に記載の光源。
【請求項７】
ｈ／Ｒ２が０．３〜０．４の範囲である、請求項６に記載の光源。
【請求項８】
前記外部レンズが、前記第１虚像に関して実質的にアプラナティックである外曲面を有する、請求項１に記載の光源。
【請求項９】
前記外部レンズが半径Ｒ２の外曲面を有し、前記外部レンズが屈折率ｎ０の媒体に露出しており、前記第１虚像が前記外部レンズの前記外曲面の頂点からの距離Ｓａｇ２に配置され、Ｓａｇ２≒Ｒ２×（（ｎ０＋ｎ２）／ｎ２）である、請求項１に記載の光源。
【請求項１０】
ｎ１／ｎ２が０．７〜０．８の範囲である、請求項１に記載の光源。
【請求項１１】
ｎ１が約１．５であり、ｎ２が約２である、請求項１０に記載の光源。
【請求項１２】
前記内部レンズが略平凸レンズであり、前記外部レンズが略メニスカスレンズである、請求項１に記載の光源。
【請求項１３】
前記内部レンズが非固体材料で構成され、前記外部レンズが固体材料で構成される、請求項１に記載の光源。
【請求項１４】
前記内部レンズが、光透過性の液体又はゲルで構成される、請求項１３に記載の光源。
【請求項１５】
前記ＬＥＤ発光体が搭載される基板をさらに含み、前記非固体材料は前記外部レンズと前記基板との間に封入されている、請求項１３に記載の光源。
【請求項１６】
前記ＬＥＤ発光体が搭載される基板をさらに含み、前記内部レンズが前記外部レンズを前記基板に接着している、請求項１に記載の光源。
【請求項１７】
前記ＬＥＤ発光体が、光を内部レンズに０〜９０度の極角θＳの範囲で放射し、この放射光が前記外部レンズから０〜θ２ＭＡＸ（θ２ＭＡＸは３０度以下）の面角度θ２の範囲で出射する、請求項１に記載の光源。
【請求項１８】
前記外部レンズが外曲面を有し、前記外部レンズの外曲面上に反射防止膜をさらに含む、請求項１に記載の光源。
【請求項１９】
前記内部レンズの前記外曲面が、曲率半径Ｒ１と、前記ＬＥＤ発光体からの距離Ｓａｇ１に配置される頂点とを有し、Ｓａｇ１及びＲ１は、前記内部レンズの体積を実質的に最小にしつつ、前記ＬＥＤ発光体及びそれに取り付けられた何れのワイヤ接合を包囲するように選択される、請求項１に記載の光源。
【請求項２０】
前記内部レンズの前記外曲面が曲率半径Ｒ１を有し、前記ＬＥＤ発光体からの距離Ｓａｇ１に配置された頂点を有し、Ｒ１＞Ｓａｇ１の条件である、請求項１に記載の光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は発光ダイオード（ＬＥＤ）デバイス、そのための構成要素、関連する物品及び工程に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬＥＤを部分的に光源に選択することは望ましく、その理由としては、それらの比較的小型なサイズ、低出力／電流要件、迅速な反応時間、長寿命、堅固なパッケージング、種々の利用可能な出力波長、及び現代の回路構造との整合性等の特性が挙げられる。これらの特性によって、数多くの異なる最終使用用途における過去数１０年間にわたる広範囲な使用について、説明することができる。発光体に対する改良については、効率、輝度及び出力波長の領域で努力が続けられ、さらに見込まれる最終使用用途の範囲が拡大している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
発光体は通常金属ヘッダに搭載されるＬＥＤダイ又はチップを含むパッケージ形態で販売される。ヘッダには、ＬＥＤダイが搭載される反射カップ及びＬＥＤダイに接続されている電気導線を含む。また、いくつかのパッケージにはＬＥＤダイをカプセル化する成形した透明樹脂が含まれる。カプセル化樹脂には、ダイから放射された光を部分的に平行にする名目上の半球状前表面又は名目上の平面が含まれる。
【０００４】
公知のＬＥＤ源を、図１〜５に示す。
図１に示すように、光学半導体装置１０には、サポート１１及び適切なはんだによってサポート１１の上面に固着した電子発光の半導体ダイオード１２が含まれる。開口部を貫通してサポート１１に延在する端子線１３をサポートに固着し、さらにガラス又はセラミックのような電気絶縁物のワッシャ１４によって電気的に絶縁する。各端子線１３を細線１５によってダイオード１２の離隔接点に電気的に接続する。三番目の端子線１６を、ダイオード１２に電気的に接続しているサポート１１に固着する。ガラスドーム１７がサポート１１の上面に搭載されて固着する。ダイオードによって放射される発光がガラスドームを通過して進むように、ガラスドームはダイオード１２上に延在して、ダイオード１２に密着した状態に位置している。図１の装置１０では、ガラスドームは形状において略球形である。図２では、サポート１１の上に搭載され、ダイオード１２を覆っている図２のガラスドーム１７’を除いて、装置１０に類似の半導体装置１０’は形状において半球状である。図１と２の装置について、米国特許番号３，５９６，１３６（フィッシャー（Fischer））でより詳細に記載している。例えば、ガラスドームが効率的な方法でダイオードから所望の受信機まで発光を伝達するように、フィッシャーは楕円の、放物線の、及び他の所望の形状を開示している。また、フィッシャー（Fischer）は、高い屈折率、好ましくは２より大きく、かつ電界発光ダイオードの屈折率に極力近い値を有するガラスで構成されるガラスドーム１７又は１７’が、特に低い吸収性を示す。
【０００５】
図３に、半導体発光デバイス１８を示す。半導体発光デバイス１８には、細い光放射領域２０を有する半導体チップ１９が含まれる。球面レンズ２１を半導体チップの裏面２２に紫外線硬化性接着剤で搭載される。より大きい半導体ウェハーにスクライバーで印を付けて分割することによって半導体チップ１９を得てから、レンズ２１の中心と放射領域２０の中心との間の距離が最適になるように、ウェハーの基板側（後にチップ１９の裏面を形成する）を所定の厚さに高精度で研磨する。半導体発光デバイス１８については、米国特許番号５，４０３，７７３（新田ら）でより詳しく説明されている。新田らは、接着樹脂２３の屈折率がデバイスチップ１９及び球面レンズ２１の屈折率に近い値でなければならないと述べている。
【０００６】
図４において、ＬＥＤ励起の蛍光体ベースの光源２４には、ＬＥＤ２５から蛍光反射板組立体２７に放射される光のうち一部がまた反射される導電性のヒートシンク２６のウェルに搭載される半導体ＬＥＤ２５が含まれる。蛍光反射板組立体２７を、光源２４によって放射される光を調整するためのレンズ特徴部２９を提供するために形成可能な、光学的に透明なポッティング材料２８に収容することができる。光源２４については、米国特許出願公開番号２００４／０１４５２８８Ａ１（オイデルカーク（Ouderkirk）ら）に詳細に記載されている。
【０００７】
図５において、米国特許番号６，７１７，３６２にさらに詳細に説明される多層ＬＥＤ３０には、Ｐ−Ｎ接合ダイオードを形成する半導体材料３１が含まれ、その材料３１は三層３２、３３、３４によってカプセル化されている。層３２、３３、３４の材料は、層の屈折率が半導体材料３１の及び空気３５の屈折率に近づくために次第に減少するように、選択されている。リーらによると、このことによって半導体材料３１と第１層３２、第１層３２と第２層３３、第２層３３と第３層３４、及び最後に第３層３４と空気３５、のそれぞれのインターフェース間の屈折率の差が小さくなる。リーらによって、層の屈折率が上記の特性を有する限り、何れの数の層を使用してもよいことが教示されている。
【０００８】
本出願は、ＬＥＤ発光体と、その発光体を少なくともを部分的に包囲するカプセル材とを備えるＬＥＤ光源について特に開示する。前記カプセル材が、内部レンズと外部レンズとを含み、前記内部レンズが実質的に外部レンズの屈折率より低い屈折率、好ましくはその７０〜８０パーセントの屈折率を有する。内部のレンズの外曲面と外部レンズの内曲面が対応して、内部のレンズと外部のレンズは互いに曲面に沿って接することができる。好ましくは、内部レンズが略平凸のレンズであり、外部レンズが略メニスカスレンズである。内部レンズが発光体の第１虚像を生成し、外部レンズが第２虚像を生成し、第１虚像が発光体と第２虚像との間に配置されている。ＬＥＤ光源はコンパクトな空間内で均一な照射を提供することができる。
【０００９】
例示的な実施形態では、曲面が、曲率半径、及び曲面の頂点とＬＥＤ発光体（Ｓａｇ１と呼ぶ。図７の下部を参照）との間の距離を有し、それは、内部レンズの体積を最小にしつつ、ＬＥＤ発光体及びそれに取り付けられた何れのワイヤ接合を包囲するように選択される。
【００１０】
例示的な実施形態では、外部レンズが、第１虚像に関して実質的にアプラナティックとなるように選択された外曲面を有する。例えば、第１虚像の縁部に関して、又は第１虚像の縁部と中心との間の中間部に関して、アプラナティックにするように、この外曲面を最適化することができる。
【００１１】
例示的な実施形態では、ＬＥＤ発光体が光を内部レンズに０〜９０度の極角θＳの範囲で放射し、この放射光が前記外部レンズから、０〜４５度未満又は０〜３０度未満の面角度θ２の範囲で出射する。このような限定された範囲の出口角を用いて、表面反射率又はフレネル反射率を、四分の一波又は他の適切な反射防止膜を外部レンズの外表面に提供することによって、効率的に減少できる。
【００１２】
本願のこれらの態様及び他の態様は、以下の詳細な説明により明らかとなろう。しかし、上記要約は、請求された主題に関する限定として決して解釈されるべきでなく、主題は、添付の特許請求の範囲によってのみ規定され、実行の間補正されてもよい。
【００１３】
本出願は、拡張ＬＥＤダイのようなＬＥＤ発光体の虚像を形成する複合物カプセル材のレンズを使用する小型のＬＥＤ光源について開示する。好ましくは、光源は小型パッケージ内のＬＥＤ発光体のエタンデュを実質的に保存し、その結果、小型の投影機システムにおいて、光源をＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）パネル又は他の画素化パネルを効果的に照射するために使用することができる。
【００１４】
これに関して、「発光ダイオード」又は「ＬＥＤ」は、可視の、紫外線の、又は赤外線の光に拘わらず光を放射するダイオードを参照する。それは、従来型又は超放射型の種類にかかわらず、「ＬＥＤ」として販売されている非干渉性封入又は密閉型半導体デバイスを含む。ＬＥＤが紫外線のような非可視光を放射する場合、及び可視光を放射する場合に、短波長光をより長波長可視光に変換するために、蛍光体を含む（又は遠隔の場所に配置された蛍光体を放射することができる）ようにパッケージ化することができる。ある場合には、白色光を放射する装置をもたらす。「ＬＥＤダイ」は、最も基本的な形態、すなわち半導体加工手順によって製造される個々の構成要素又はチップの形態のＬＥＤである。例えば、ＬＥＤダイは、通常１つ以上の第ＩＩＩ族又は１つ以上の第Ｖ族元素（ＩＩＩ‐Ｖ半導体元素）の組合せから形成される。好適なＩＩＩ‐Ｖ族半導体材料の実施例には、窒化ガリウムのような窒化物、及びリン化インジウムガリウムのようなリン化物が含まれる。また、他の種類のＩＩＩ‐Ｖ族の材料を、周期律表の他の群から無機材料のように使用することができる。構成要素又はチップは、デバイスに電圧を加えるための電力の適用に適した電気接点を含むことができる。実施例には、ワイヤ接合、テープ自動化接合（ＴＡＢ）、又はフリップチップ接合が含まれる。構成要素又はチップの個々の層及びその他の機能的要素は、通常、ウェハスケールで形成された後、仕上がったウェハ-は個々の小片部に切られて、多数のＬＥＤダイとなることができる。ＬＥＤダイを表面搭載、チップオンボード、又は他の公知の搭載構造用に構成することができる。パッケージ化されたＬＥＤを、ＬＥＤダイ及び関連する反射カップ上に成形したポリマーカプセル材を形成することによって作製する。ＬＥＤダイは、準ランバーシアン放射パターンを有し、ダイ表面での全内分反射により発生した光の大半をＬＥＤダイ内に閉じ込めるか、又はＬＥＤダイ上のポリマーカプセル材の外に直接放出する。
【００１５】
図６は、ＬＥＤ発光体４２と、その発光体を少なくとも部分的に包囲するカプセル材４３とを備える光源４０を示している。図７は、全く同じ光源４０について示しているが、図６では読み易くするために図示されなかった追加パラメータを特定するＬＥＤ発光体４２が、ＬＥＤダイの放射面又はダイのアレイ、又は、例えば、塗布された又は、そうでない場合は、このＬＥＤダイ若しくはダイによって励起された薄い蛍光体層であってもよい。好ましくは、図６〜７においてデカルトｘｙｚ座標系のｘ−ｙ平面に対応して、発光体４２は実質的に平面内に位置するが、他の配置もまた可能である。発光体４２は広角の光源であり、光の一部は全内部反射により発光体４２内に閉じ込められるが、０〜略９０度までの範囲で光源の角度θＳ（図６〜７のｚ‐軸に対応して、発光体の局所表面の垂線に関して測定した）に対応して、内部レンズ４４に入射する光は、通常立体角の全体の半分にあたる半球体上に分布する。
【００１６】
カプセル材４３は、少なくとも異なる構成要素から形成され、複合物のカプセル材として特徴づけられる。具体的に、カプセル材４３には、内部レンズ４４及び外部レンズ４６が含まれ、それらの各々は発光体４２から放射する光を集束するために調整される表面を有する。内部レンズ４４の内部表面は、好ましくは発光体４２と密着した状態であり、内部レンズ４４の外部表面４４ａは、外部レンズ４６の内部表面４６ａと密着した状態にあるか、又は実質的に接合している。発光体４２は、このようにして実質的に内部レンズ４４の物質に浸される。外部レンズ４６は、通常、空気を必要としないが、屈折率ｎ０の媒体に露出する外曲面４６ｂを有する。内部レンズ４４及び外部レンズ４６は、光源の光軸を中心として実質的に回転対称であり、また、発光体４２を、好ましくは光軸４８上の中心に位置決めする。光源４０について、光軸４８はデカルトｚ‐軸に平行である。
【００１７】
内部レンズｎ１及び外部レンズの屈折率ｎ２はそれぞれ、上述のリーらの教示とは異なり、それらの屈折率は、光が比較的高い屈折率の発光体４２から、比較的低い屈折率ｎ０の周囲の媒体に進行するに伴って減少しないという点では、従来型ではない。代わりに、外部レンズの屈折率ｎ２は実質的に内部レンズの屈折率ｎ１より大きい。この点で、光が赤色、緑色、青色、又は別の視認可能な色であるかに拘わらず、屈折率を、ＬＥＤ発光体４２の尖頭出力波長のような適切な波長で測定又は評価する。以下でさらに述べるように、グレージング角で発光体４２から放射される光が外部レンズからほぼ同様な面角度で出射することができるように、好ましくは、十分な光強度を有して、内部レンズと外部レンズ（すなわち、表面４４ａ又は４６ａ）との間のインターフェースを提供するために、屈折率の差は十分な大きさである。一方、屈折率の差がそれほど大きくないので、外部表面４６ｂにおけるフレネル反射率は受け容れられなくなる。したがって、屈折率比ｎ１／ｎ２は、好ましくは０．８より小さく、より好ましくは０．７〜０．８の範囲である。
【００１８】
例示的な実施形態では、内部レンズ４４は光透過性の液体、ゲル、又は他の比個体材料で構成される。このような材料は、外部レンズ４６の内部表面４６ａと基板５０との間の空間に封入されるか、又はシールされ得、この基板上に、ＬＥＤ発光体４２が搭載されて、また、外部レンズ４６もその周囲に取り付けられている。基板５０は略平面のセラミック片、金属片、若しくは又は他の好適な材料片であるか、又はこれらのうちの材料片を含み、また、金属接点、ピン、及び他の従来の構造物を含んでもよい。場合によっては、光源４０には、ＬＥＤ発光体を１つ以上の金属接点又はピンに接続する１つ以上のワイヤ接合５２が含まれる。内部レンズが液体又はゲルで構成される場合は、このようなワイヤ接合上の熱誘起型応力を最小にすることができる。代替の実施形態では、内部レンズは、ノーランドプロダクツ社（Norland Prodcts）、米国、ニュージャージー州、ニューブランズウィック（New Brunswick）から市販されているようなＵＶ硬化可能な液体接着剤又は樹脂で最初に構成され、後に硬化、あるいは、ＵＶ、他の短波長放射の適用によって固体にまで硬化される。硬化処理後、このような樹脂は、外部レンズ４６を適切な位置で保持して、基板５０及び発光体４２に接合するように機能することができる。例示的なＵＶ硬化可能な接着剤としては、ノーランド社製光学接着剤８１（Norland Optical Adhesive 81）（ＮＯＡ８１）がある。液体、ゲル、樹脂、又は他の非固体の光透過性材料又は固体の光透過性材料の何れの材料で構成されるかに拘わらず、内部レンズの屈折率ｎ１は通常１．４〜１．６の範囲にあり、多くの場合約１．５であるが、他の屈折率の値でも使用可能である。
【００１９】
例示的な実施形態では、外部レンズ４６は、比較的高い屈折率のガラス又は他の好適な光学材料で構成される。通常、このレンズの屈折率ｎ２は少なくとも１．８であり、好ましくは、約１．９〜約２．１であり、又は約２である。例示的材料には、サファイア（屈折率１．７７）、ＬＡＳＦＮ９光学ガラス（屈折率１．８５）、及びＳ−ＬＡＨ７９光学ガラス（屈折率２．００３）が含まれる。外部のレンズ４６を図６に示す形態で成型、又はボール又は球体の形態で作製することができて、次に、内部表面４６ａ及び好ましくは基板５０に接触する周囲４６ｃを形成するために機械加工をする。
【００２０】
光学的に、屈折率の差及び曲面の形状の結果として、内部レンズ４４は発光体４２からの光を集束し、発光体の第１虚像ＶＩ１を形成し、外部レンズ４６は一層多くの光を集束し、第２虚像ＶＩ２を形成する。第１虚像を、ＬＥＤ発光体４２と第２虚像との間に配置する。レンズ４４、４６を組み合わせて、ＬＥＤ発光体４２を、好ましくは３〜４倍に、さらに好ましくは３．５〜４倍に拡大する。図７を参照して、ＬＥＤ発光体、第１虚像ＶＩ１、及び第２虚像ＶＩ２の最大面内寸法（すなわち、ｘ‐ｙ面に平行な平面内で測定した最大横方向寸法）は、ラベル付き寸法ｈ、ｈ１１、及びｈ２それぞれの２倍である。したがって、比率ｈ２／ｈは、好ましくは３〜４以内である。さらに、２ｈ２である最終虚像（ＶＩ２）の最大面内寸法は２ｈ２）であるが、外部レンズ４６の最大面内寸法に近似していることが望ましい。外部表面４６ｂが、中心点Ｃ２を有する曲率半径Ｒ２によって相当特徴づけられる場合、この平均値２ｈ２は２Ｒ２に近い大きさである。例えば、Ｒ２≦２ｈ２≦４Ｒ２である。
【００２１】
表面４４ａ、４６ａ、４６ｂは球面、又は非球面である。しかし、経済的には、好ましくは略球面であり、第１曲率半径Ｒ１と中心点Ｃ１（表面４４ａ、４６ａ用）及び、第２曲率半径Ｒ２と中心点Ｃ２（表面４６ｂ用）によって特徴付けられている。カプセル材が対称であるならば、中心点Ｃ１とＣ２は光軸４８上に配置される。図７に示す対象となる他のパラメータには、ＬＥＤ発光体４２の上部又は前面から表面４４ａ／４６ａの頂点までの軸方向距離、すなわちラベル表示されたＳａｇ1；虚像Ｖｌ１の上部又は前面から外部表面４６ｂの頂点までの軸方向距離、すなわちラベル表示されたＳａｇ２；ＬＥＤ発光体の上部又は前面に対するワイヤ接合５２の最大高さ、すなわちラベル表示されたＨ１；ＬＥＤ発光体の平面内の内部レンズ４４の最大面内半値幅又は半径、すなわちラベル表示されたｒ１；及び、ＬＥＤ発光体の平面内の外部レンズ４６の最大面内半値幅又は半径、すなわちラベル表示されたｒ２が含まれる。光源４０全体のサイズ又は体積を最小にするために、ｒ２は、好ましくはｒ１にほぼ等しいか又は僅かにｒ１より大きいかである。
【００２２】
また、例えば、Ｒ１及びＳａｇ１の適切な選択によって、多くの場合、内部レンズ４４の体積を最小にすることが望ましく、Ｒ１＞Ｓａｇ１である。内部レンズが液体又はゲル材料で構成されるとき、未硬化（液体）のＵＶ接着剤を用いる場合でも、内部レンズ４４の体積の最小化によって、レンズ内又は内部レンズと外部レンズとの間の気泡若しくは空隙の発生を減少させるのに役立ち、気泡又は空隙は、光を散乱させ、画像品質を低下させる。ワイヤ接合５２が存在しない場合、この選択によって内部レンズの半径（平面内）ｒ１を発光体４２の最大半値幅ｈにほぼ等しくなるように強制する。ワイヤ接合５２が、図示されているように、最大高さＨ１を有して存在する場合、ＬＥＤ発光体４２及びワイヤボンド（単数又は複数）５２の両方を包囲するために、最小体積の形状は、一般に異なる形状となる。ある場合には、Ｓａｇ１≒２Ｈ１を満たす表面４４ａ（及び４６ａ）によって解決策がもたらされる。
【００２３】
光源４０の光学的特性を最適化するために、内部のレンズ４４の体積の最小化をするよりも、その代わりにＲ１とＳａｇ１を選択してもよい。例えば、Ｒ１とＳａｇ１を、カプセル材４３の倍率を最大に選択してもよい。
【００２４】
ある場合には、また、光源の光学システムでの球面収差及び／又は非対称収差の量を最小にするか、又は少なくとも抑制することが望ましい。光軸４８とＬＥＤ発光体４８の交点でＣ１の位置決めすることによって、表面４４ａ、４６ａをアプラナティック（すなわち、球面収差をほとんど有しない、又は全然有しない、又は非対称収差である）にすることができるので、結果としてＳａｇ１≒Ｒ１を満足するが、このことによって、一般に内部レンズ４４の体積を最小化することと矛盾しているので、また表面４４ａ、４６ａの表目の集束力を減少させるか、又は除去する。球面収差及び非対称収差を抑制する、より好ましい方法は、外部表面４６ｂをアプラナティックに設計することである。軸上の点について、第１虚像ＶＩ１（外部レンズの目的の「対象物」としての役割を果たす）と次式を満足する外部表面４６ｂの頂点との間の距離を設定することによって、この方法を実行することができる。
【００２５】
Ｓａｇ２≒Ｒ２×（（ｎ０＋ｎ２）／ｎ２）      （１）
【００２６】
ｎ２が約２であり、ｎ０が１（空気）である場合、この値は次式にまで減少する。
【００２７】
Ｓａｇ２≒１．５×Ｒ２      （２）
【００２８】
従来の光学設計ソフトウェアを用いて一層の最適化が、実行され得る開始点として、上述の最小体積及びアプラナティック状態が使用され得ることに注意されたい。例えば、外部表面４６ｂを、上記の式（１）に従って、設計することができ、次に虚像Ｖｌ１の縁部で又はその近傍で、軸外点の球面収差及び／又は非対称収差を最小にするように最適化を行うことができる。
【００２９】
図６〜７に関して説明された設計の予想外の利点の１つとして、特に外部レンズの外部表面４６ｂで、全体的なフレネル表面反射を減少させる能力がある。この点での「全体的なフレネル表面反射」は、実質的に放射光の回転角範囲、０≦θｓ≦９０の全てを覆うＬＥＤ発光体４２から始まる光と、特定のインターフェースの所与の点で入射光のＳ‐偏光構成要素とＰ‐偏光構成要素の両方とに関して、外部表面４６ｂで得られるフレネル表面反射の総計又は平均を参照する。極端な例の１つとして、発光体４２の中心部から放射された軸光線が、θｓ＝０（光軸４８に沿って）の方向に非偏向（しかし、一部反射状態である）状態で表面４４ａ、４６ａを通過し、次に、０度の内面角度（同じ局所表面の垂線に対して外部レンズ媒体ｎ２内で測定した）で外部表面４６ｂに衝突し、その後、０度の外面角度θ２（同じ局所表面の垂線に対して媒体ｎ０内で測定した）で現れる。このような軸光線について、インターフェースでのフレネル反射率が実質的に（（ｎ０−ｎ２）／（ｎ２＋ｎ０））２であり、ｎ０≒１及びｎ２≒２のとき反射率の合計が約１１％に達する。他の極端な例では、グレージング角θｓ≒９０度でＬＥＤ発光体４２から内部レンズ４４ａに放射するグレージング光線については、一部分が反射し、しかし、また、曲面４４ａ、４６ａで、このような表面の曲率半径Ｒ１及びラベル表示された位置（Ｓａｇ１）に応じて、偏向する。その後、偏向光線は周囲４６ｃの近傍点の外部表面４６ｂに衝突し、最大外面角度θ２＝θ２ＭＡＸでそこから現れる。局所ｓ‐偏光構成要素及び局所ｐ‐偏光構成要素を平均した場合、最大表面角度θ２ＭＡＸでのフレネル反射率は、法線入射（θ２＝０に対して）のフレネル反射率よりかなり高いことに注意されたい。レンズ４４、４６の設計で配慮がされない場合、θ２ＭＡＸは９０度又はその近似値であってもよく、ＬＥＤ発光体４２によって放射された大量の光は外部表面４６ｂにおけるフレネル反射に失われ得る。
【００３０】
幸いにも、外部レンズの屈折率が実質的に内部レンズの屈折率より大きく、かつ外部及び内部レンズが好適な曲面で接触する外部レンズ／内部レンズの組合せを使用して、外部表面４６ｂの最大表面角度θ２ＭＡＸを実質的に、好ましくは４５、４０、３５、又は３０度又はそれ以下に減少させ、高倍率画像システムを、なおも維持する。カプセル材から出射する光のこのような限定された範囲の表面角度を用いて、外部レンズの外部表面の四分の一波又は他の好適な反射防止膜を提供することによって、また、表面全体の反射又はフレネル反射を効果的に減少させる機会をさらに有する。実質的に、表面角度０〜３０度又は０〜４５度の限定範囲の全体で、このような被膜を有効にし、かなり広範囲の表面角度（例えば、０〜約９０度）で、相当非効率的になる。特に、ｎ２は約２であり、ｎ０は約１（空気）である場合、単層四分の一波反射防止膜は、√（ｎ０×ｎ２）の屈折率、すなわち、√２又は約１．４を有し、この屈折率は、特に、頑強で実績のある光学被覆材料であるフッ化マグネシウムの屈折率に相当する。
【００３１】
外部レンズ４６の外部表面４６ｂで表面角度の範囲を減少させる関連した利点は、外部表面４６ｂの活性部分の球面分画を縮小することである。これによって、外部表面４６ｂの活性部分、すなわち、ＬＥＤ発光体から全半球体の立体角（０≦θｓ≦９０）を覆って放射する光線が外部表面４６ｂから部出射する部分は、完全な球体のより小さな部分、又はより小さな立体角に対応できることを意味している。事実上、外部表面４６ｂの活性部分が実質的に半球状（超球状よりは）、又は半球以下であり、２πステラジアンの立体角又はそれ以下の立体角であることが実用的である。
【００３２】
図８では、半径ｒ１の円形境界内に封入された例示的なＬＥＤ発光体６０の平面図を示し、円形境界がＬＥＤ発光体の平面を有する内部レンズ４４の外部表面４４ａの交点に対応している。拡張されるが不連続である、ＬＥＤ発光体は、最大面内寸法が２ｈ（長方形の対角線上の隅角部の距離）であるほぼ長方形の形状を形成するように、ダイ間に小さな空隙を有する正方形のＬＥＤダイ６２の４×３のアレイで構成される。発光体６０を光軸４８の上の中心に配置する。
【００３３】
発光体６０のサイズを与えて、光源の全体の体積又はサイズを最小にするために、内部レンズ及び外部レンズを縮小してもよく、少なくともｒ１、ｒ２、及びＲ２（図７参照）を最小にする。しかしながら、光源の拡張特性及びレンズの口径食には、小さ過ぎるレンズによって、虚像ＶＩ２、又は虚像から形成される何れの実像に、画像の全域で容認できないビネット効果に関連した輝度むらを起こし、輝度が光源の中心（光軸に最も近い部分）で最大となり、光源の縁部又は隅角部（光源から最も遠い部分）において輝度を最小値に減少する。レンズのサイズを増加させると、周辺減光問題が減少するが、また、光学システムの規模と重量は増大する。球状レンズの場合、球の直径を５ミリメートル以下（５ｍｍ）、さらに好ましくは、４ミリメートル以下（４ｍｍ）に維持すると、既存のレンズ製造業者からの利用可能性が高まり実用的な結果をもたらし、一般的な低価格が得られる。
【００３４】
図９は、簡単であるが代表的な光学システム上にモデリングの結果を表示する。レンズサイズによる周辺減光の均衡を保つこと、及び極力小さいレンズを使用して周辺減光の損失を小さく抑える目的のために、このシステムは好適な光源とレンズとの比率を識別するために使用される。モデルは光軸の中心に配置した厚みゼロの平面光源及び最大面内寸法２ｈを仮定し、光源は半径Ｒで屈折率１．５３３の半球状の平凸レンズに浸漬した。レンズは、また光軸の中心に配置し空気で取り込んだ。モデルは光源の全ての領域及び全ての方向から放射し、光源の幾何学的又は近軸の（虚像の）画像に対応する方向にレンズから出射する光線の分画を計算する。この計算された分画については、図９に「正規化透過」として示す。このモデリングは、ｈ／Ｒの離散値に対して、また、２つの特徴的な光源の形状に対しても実施した。２つの形状とは、半径ｈの円、及びその中心からその何れの隅角までの距離がｈである正方形である。このような光源では、各々が２ｈの最大面内寸法を有する。円形領域に対する正規化透過を曲線７０に示し、正方形領域の透過を曲線７２に示す。曲線は、Ｒと比較して（ｈ／Ｒは０に近づく）、ｈが無視できるようになるに伴い、円形光源及び正方形光源の両方に関して、正規化透過は１に近づく。曲線は、ｈがＲ（ｈ／Ｒが１に近づく）に伴い、正規化透過はまた、単調に減少する。興味深いことに、曲線７０（円形光源）に対する下方移動の曲線７２（正方形の光源）によって、画像劣化が主として光源の最外側縁部又は隅角部で生じることが確認されている。最小許容正規化透過の０．９（１０パーセントの周辺減光に関する損失）を選択の場合、図９は約０．４以下のｈ／Ｒ値を選択するように、結果として導く。レンズサイズＲを小型のサイズに保つために、約０．２又は０．３のｈ／Ｒのために下限値を選択する。したがって、図６〜７に示すようなシステムでは、ｈ／Ｒ２が０．４以下、好ましくは０．４〜０．３の範囲であることを優先する（しかしながら必ずしも必要ではない）。
【００３５】
開示の小型光源を種々の光学的システムにおいて使用することができる。その一例を図１０に示す。図１０に示すように、小型の視準システム８０には、上記の光源４０、外部の視準レンズ８２、及び何れの反射性偏光子８４が含まれる。レンズ８２は小型化という理由で分割又は区画されたフレネルレンズのように描かれているが、また、所望であれば、何れの従来型大型レンズ又は他の公知のレンズが使用可能である。視準について、レンズ８２の焦点距離及び位置は、外部レンズ４６によって形成した最終虚像ＩＭ２をレンズ８２の後方焦点に配置するように選択する。レンズ８２から出射する「平行」光は、ＬＥＤ発光体４２の拡張特性の結果、非ゼロ角伝搬を有することに注意されたい。
【００３６】
視準システム８０には、何れの反射性偏光子８４も含まれる。偏光子を、所望に応じて、直線偏光、円形偏光、又は楕円偏光を提供するために使用することができる。この目的のために、吸収性偏光子を使用することができるが、好ましくは、「ブロックされた」偏光状態は吸収又は散乱よりはむしろ鏡面的に反射し、少なくともブロックされた偏光状態の一部を直交的な通過状態に変換するように構造体又は機構が光源４０内に存在している場合、向上した効率を提供することができる。事実上、実施例で以下に記載している光源は、視準レンズ、及び偏光子の両側に塗布した反射防止用コーティングを有する、米国特許番号５，８８２，７７４号（ジョンザ（Jonza）ら）に記載の種類の多層反射性偏光子を組み合わせ、その結果、１０％以上の偏光出力の増加（反射性偏光子より吸収性偏光子を利用する同一のシステムと比較して）が観察された。共押出多層を作製する例示的な方法については、米国特許番号６，９１６，４４０号（ジャクソン（Jackson）ら）、６，９３９，４４０号（メリル（Merrill）ら）、６，９４９，２１２号（メリル（Merril）ら）、及び６，９３６，２０９号（ジャクソン（Jackson）ら）に記載されている。さらに、例示的な反射性偏光子には、登録商標Ｖｉｋｕｉｔｉ（ビキュイティ）である二重輝度強化フィルム（ＤＢＥＦ)があり、３Ｍ社、米国、ミネソタ州、セイントポール、から市販されている。コレステリックの偏光子についても考慮される。上記のように、フレネル表面反射による損失を最小化するために、反射防止用コーティングを偏光子の片側又は両側に使用することができる。あるいは、偏光子は、レンズ又は平面のような別の光学的な構成要素の平滑で好ましくは平らな面に貼り合わせることができ、又はこのような２つの光学的構成要素の両側に貼り合わせてその間に挟むことができる。
【００３７】
本開示の小型の光源を、また、それらの組込み型のシリコン基板上に載せた液晶（ＬＣＯＳ）パネル又は他の画素化パネルのような投射システムに使用する。例示的な投射システムは、共通に譲渡された米国特許出願番号１１／３２２８０１、「ビームホモジナイザーを有する投射システム」（代理人ドケット番号６１３３８ＵＳ００２）に開示している。
【実施例】
【００３８】
図６〜７に関連して記載されている光源と同様の光源を組み立てテストを実施した。光源を、市販のルクセオン（Ｌｕｘｅｏｎ）（登録商標）白色発光素子、型式  ＬＸＨＬ−ＰＷ０１  製造販売業者  ルミレッズ・ライティング社（Lumileds  Lighting）（米国、カリフォルニア州、サンホセ、から市販）で構成した。この発光体によって供給されるカプセル材のレンズを、４つのＬＥＤダイ、ダイの前面の蛍光体被膜、ダイが搭載される基板、又はワイヤ接合を、損傷を与えずに取り外した。残留構成要素は無傷で残り、本明細書で「ＬＥＤ基部」として参照している。４つのＬＥＤダイの形状は長方形であるが、平面図では名目上正方形を形成するために隣に相互に搭載され、正方形の各辺は長さが１．１ミリメートルであるが、隣接のダイ間に薄い空隙が存在していた。白色光は、同じ名目上の正方形（しかし、不連続である）の領域を有する（実質は平面の）蛍光体被膜から放射された。
【００３９】
Ｓ−ＬＡＨ７９ガラス（屈折率２．００３）で作製の直径５ミリメートルの球状レンズを、エドマンドサイエンティフィック（Ｅｄｍｕｎｄ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ）社、米国、ニュージャージー州、バーリントン（Barrington）から別個に入手した。球状レンズは先端を切断され、半径２．７６ミリメートルの内部空洞は精密機械加工によって先端が切断された領域に形成された。内部空洞は、未硬化（液体）のノーランド（Ｎｏｒｌａｎｄ）光接着剤８１（ＮＯＡ８１）で充填して、ＬＥＤダイ、蛍光体被膜、及びワイヤボンドを内部空洞内に備え、先端が切断された球状レンズ（図６の特徴部４６ｃを参照）の外周をＬＥＤ基部の基板に接するように、結果として得られた構造体をＬＥＤ基部上に設置した。結果として得られた構造体は、ＵＶ光に露出し、ＵＶ光は液体接着剤を硬化（そして固体化）するように作用し、外部レンズを基板及びＬＥＤダイに接着した。結果として得られた光源は、ＬＥＤ発光体（ＬＥＤダイの表面の薄い蛍光体被膜）と、硬化ＵＶ接着剤で構成される内部の略平凸レンズ若しくはより高い屈折率の光学ガラスで構成される外部のメニスカスレンズを含む複合物カプセルレンズを有する。また、光源には、以下の特性と特徴があった：
【００４０】
ｎ０＝１  
ｎ１＝１．５３  
ｎ２＝２．００３  
Ｒ１＝２．７６ｍｍ  
Ｒ２＝２．５ｍｍ  
Ｓａｇ１＝１．１ｍｍ  
Ｓａｇ２＝３．４ｍｍ  
Ｓａｇ２／Ｒ２＝１．３６  
ｒ１＝２．１９ｍｍ  
ｒ２＝２．３５ｍｍ  
ｈ＝０．７７  
ｈ／Ｒ２＝０．３１  
ｈ２＝２．５８ｍｍ  
ｈ２／Ｒ２＝１  
光源放射角θｓの範囲  ０〜約９０度  
外部表面４６ｂ＝０〜約３０度における表面角度θ２の範囲  
複合物のカプセルレンズの倍率：３．３５  
【００４１】
別段の指示がない限り、本明細書及び特許請求の範囲において使用する、数量、特性の測定値などを表す全ての数値は、いかなる場合においても、「約」という語で修飾されるものとして理解されるべきである。したがって、そうでない旨の指示がない限り、上記の明細書及び特許請求の範囲において記載された数値パラメータは、本発明の教示を利用する当業者が得ようと求める望ましい特性に応じて変化しうる概算値である。最低でも、特許請求の範囲への同等物の原則の適用を限定する試みとしてではなく、少なくとも各数値的パラメータは、報告された有効数字の数を考慮して、通常の四捨五入の適用によって解釈されなければならない。本発明の広範囲で示す数値的範囲及びパラメータは、近似値であるが、具体例に記載の数値は可能な限り正確に報告する。しかし、いずれの数値もそれらの各試験測定値において見られる標準偏差から必然的に生じる特定の誤差を本来含有する。
【００４２】
上記の記述は例示であり、本発明の範囲を限定するものではない。本明細書に開示している本実施形態の多数のバリエーション及び変更は可能であり、本実施形態の種々の機能に対する実際的な代替及びそれらの等価物はこの特許書類の検討によって当業者によって理解されるであろう。本明細書に開示しているこれらの事項、バリエーション及び変更は本発明の範疇と精神を逸脱することなく行うことができる。
【００４３】
図において、同様の参照番号は、同じ要素を示す。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】周知のＬＥＤ光源概略断面図。
【図２】周知のＬＥＤ光源概略断面図。
【図３】周知のＬＥＤ光源概略断面図。
【図４】周知のＬＥＤ光源概略断面図。
【図５】周知のＬＥＤ光源概略断面図。
【図６】複合物カプセルレンズを含むＬＥＤ光源の概略断面図。
【図７】図６のＬＥＤ光源の概略断面図。
【図８】例示的な拡張光源を形成するＬＥＤダイのアレイの平面図。
【図９】外部レンズの外部表面の半径Ｒ２によって正規化されたＬＥＤ発光体の半値幅の機能として、図６〜７に示すような光源からのモデル化された正規化透過の図表。
【図１０】追加の化学要素を有する図６〜７の光源を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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