(57)【要約】本発明は、概して、ビデオおよび／またはテレビ用投影システムに関し、より具体的には、アークランプおよび他のＬＥＤベースの光源システムに対して改善された投影システムを提供するための、実質的に非回転対称の、好ましくは楕円形または矩形の非結像集光要素を用いた、ＬＥＤベースの光源システムに関する。非回転対称の非結像集光要素は、ＬＥＤで動作して、そのエタンデュが投影システム内で遭遇するような下流のアプリケーションのエタンデュと一致する、好ましくは実質的に均一な配向を提供するように構成される。また、ＬＥＤの出力を集光要素の入射口に結合させ、複数の集光要素の出力からの出力を結合させて、好適なパターン、強度、および色の単一ビームの照明を形成するための種々の機構も提供する。
2009529220.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下流のアプリケーションのエタンデュに整合する出力ビームを提供する照明装置であって、
所定のエタンデュおよびスペクトル出力を有する少なくとも１つのＬＥＤ光源と、
該少なくとも１つのＬＥＤ光源によって放射された光の実質的に全てを収集し、かつ、該ＬＥＤ光源と実質的に同じエタンデュのビームとしてそれを再放射する、少なくとも１つの非結像光学要素であって、該非結像光学要素は、入射口と、出射口と、該入射口から該出射口へ連続的に拡大する非回転対称の断面形状とを有し、該少なくとも１つのＬＥＤ光源は、該入射口が該ＬＥＤ光源の出力によって実質的に均一に満たされるように、該にゅうしゃ口に、またこれを完全に横切って配置され、該少なくとも１つのＬＥＤ光源の出力は、該非結像光学要素の形状によって導かれ、該少なくとも１つのＬＥＤ光源と実質的に同じエタンデュであるが、該下流のアプリケーションの該エタンデュに実質的に一致するために、角度と寸法とが異なるビームとして、該出射口から現れる、非結像光学要素とを備える、照明装置。
【請求項２】
前記非結像光学要素の断面形状およびその前記入射口および出射口の断面形状は、矩形である、請求項１に記載の照明装置。
【請求項３】
前記ジオメトリは、前記ビームに同じく矩形の近接場を提供するように矩形である、請求項１に記載の照明装置。
【請求項４】
前記入射口および出射口は、サイズが異なるが同じアスペクト比を有する、請求項３に記載の照明装置。
【請求項５】
前記ビームの遠方場も矩形である、請求項３に記載の照明装置。
【請求項６】
前記非結像光学要素は、透過型誘電体材料で構成された固体である、請求項１に記載の照明装置。
【請求項７】
前記少なくとも１つのＬＥＤは、屈折率整合材料によって、前記固体非結像光学要素の前記入射口に結合される、請求項６に記載の照明装置。
【請求項８】
前記少なくとも１つのＬＥＤは、非屈折率整合材料によって、前記固体非結像光学要素の前記入射口に光学的に結合される、請求項６に記載の照明装置。
【請求項９】
前記固体非結像光学要素は、前記入射口から始まる第１の直線壁セクションと、ＣＰＣの形状を有し、前記出射口で終わる第２のセクションとを備え、
該第１の直線壁セクションおよび該第２のＣＰＣセクションは、該固体非結像光学要素が、前記円錐セクションが無い場合に生じ得るよりも大きいＬＥＤの出力を効率的に利用できるように、これらのセクションが共通接点を共有する境界面において接合する、請求項８に記載の照明装置。
【請求項１０】
前記第１の直線壁セクションに光学的に結合された入口ホモジナイザをさらに含み、前記少なくとも１つのＬＥＤは、屈折率整合せずに該入口ホモジナイザに光学的に結合される、請求項９に記載の照明装置。
【請求項１１】
前記非結像光学要素は、その長手方向の光軸に互いに直交する面に見られるように、少なくとも２つの異なる形状のプロファイルを有する、請求項３に記載の照明装置。
【請求項１２】
前記２つのプロファイルのうちの１つは、前記非結像光学要素の全長にわたって延びるＣＰＣの形態であり、もう１つは、該非結像光学要素の全長よりも短いＣＰＣの形態である、請求項１１に記載の照明装置。
【請求項１３】
前記非結像光学要素の長手方向のプロファイルは、前記光軸に沿って見た方位角の関数として変化して、前記ビームに形状が実質的に円形の遠方場を提供する、請求項１２に記載の照明装置。
【請求項１４】
前記少なくとも１つのＬＥＤ光源は、異なるスペクトル成分の少なくとも１つの他のＬＥＤ光源を備える、請求項１に記載の照明装置。
【請求項１５】
前記異なるスペクトル成分を有するビームからの出力を受け、その成分が両方のビームのスペクトル成分の均一な混合物である単一のビームとして伝わるように、これらのビームを組み合わせるための結合器をさらに備える、請求項１４に記載の照明装置。
【請求項１６】
前記結合器は、光がそこを通って少なくとも２つの方向にパイプされるように動作するように構成および配置される、請求項１５に記載の照明装置。
【請求項１７】
前記結合器は、Ｘキューブ、Ｘプレート、ビームスプリッタ、透過型回折格子、１つの選択的に分離可能なインターフェースを備えたダイナミックプリズム、２つの選択的に分離可能なインターフェースを備えたダイナミックプリズム、傾斜ミラー、および回転プリズムから成る群から選択される光学デバイスを備える、請求項１５に記載の照明装置。
【請求項１８】
前記結合器から現れる単一ビームを受けるビームホモジナイザをさらに含む、請求項１５に記載の照明装置。
【請求項１９】
前記ホモジナイザは、キーストン効果を補償するように傾斜される、請求項１８に記載の照明装置。
【請求項２０】
前記ホモジナイザは、中空である、請求項１８に記載の照明装置。
【請求項２１】
前記非結像光学要素の前記入射口に光学的に結合された一端と、前記少なくとも１つのＬＥＤに光学的に結合された一端とをさらに含む、請求項１に記載の照明装置。
【請求項２２】
前記ビームの前記スペクトル成分は、組み合わせたときに白色光を発生するようにＲ、Ｇ、Ｂの色を含む、請求項１５に記載の照明装置。
【請求項２３】
そこへの入射光を選択的に調整するデジタルデバイスと、ビデオ画像を形成するように前記非結像光学要素からの近接場を該デジタルデバイス上に結像するリレーレンズとをさらに含む、請求項１に記載の照明装置。
【請求項２４】
前記デジタルデバイスは、矩形のＤＭＤ、ＬＣＯＳチップおよびＬＣＤチップから成る群から選択される、請求項２３に記載の照明装置。
【請求項２５】
投影レンズおよびスクリーンをさらに含み、該スクリーン上に形成されたビデオ画像を該スクリーン上で観察できるように、前記デジタルデバイスを調整しながら、該デジタルデバイスを該スクリーン上に投影する、請求項２３に記載の照明装置。
【請求項２６】
前記リレーレンズは、前記非結像光学要素からの前記ビームの遠方場を、前記投影レンズの開口絞り内に結像する、請求項２３に記載の照明装置。
【請求項２７】
ビデオ画像を形成するための投影装置であって、
所定のエタンデュおよびスペクトル出力を有する少なくとも１つのＬＥＤ光源と、
入射光を選択的に調整するためのデジタルデバイスであって、所与のエタンデュを有する、デジタルデバイスと、
該少なくとも１つのＬＥＤ光源によって放射された光の実質的に全てを収集して、該ＬＥＤ光源と実質的に同じエタンデュの空間的に均一なビームとして再放射する、少なくとも１つの非結像光学要素であって、該非結合光学要素は、入射口と、出射口と、該入射口から該出射口へ連続的に拡大する非回転対称の断面形状とを有し、該少なくとも１つのＬＥＤ光源は、該入射口が該ＬＥＤ光源の出力によって実質的に均一に満たされるように、該入射口に、またこれを完全に横切って配置され、該少なくとも１つのＬＥＤ光源の出力は、該非結像光学要素の形状によって導かれ、該少なくとも１つのＬＥＤ光源と実質的に同じエタンデュであるが角度が異なり、該デジタルデバイスのエタンデュに実質的に一致する寸法を有するビームとして、該出射口から現れる、少なくとも１つの非結像光学要素と、
ビデオ画像を形成するように該非結像光学要素からの近接場を該デジタルデバイス上に結像するリレーレンズと、
そこに形成される画像を観察するスクリーンと、
該観察スクリーン上に形成されたビデオ画像を該観察スクリーン上で観察できるように、該デジタルデバイスを調整しながら、該デジタルデバイスを該スクリーン上に投影する投影レンズと
を備える、投影装置。
【請求項２８】
前記リレーレンズは、前記非結像光学要素からの前記ビームの遠方場を、前記投影レンズの開口絞り内に結像する、請求項２７に記載の投影装置。
【請求項２９】
前記デジタルデバイスは、矩形のＤＭＤ、ＬＣＯＳチップおよびＬＣＤチップから成る群から選択される、請求項２７に記載の投影装置。
【請求項３０】
下流のアプリケーションのエタンデュに整合する出力ビームを提供する照明装置であって、
所定のエタンデュおよびスペクトル出力を有する少なくとも１つのＬＥＤ光源と、
該少なくとも１つのＬＥＤ光源によって放射された光の実質的に全てを収集して、該ＬＥＤ光源と実質的に同じエタンデュの空間的に均一なビームとして再放射する、少なくとも１つの固体非結像光学要素であって、該非結像光学要素は、入射口と、出射口と、該入射口から該出射口へ連続的に拡大する回転対称の断面形状とを有し、該少なくとも１つのＬＥＤ光源は、該入射口が該ＬＥＤ光源の出力によって実質液に均一に満たされるように、該入射口から間隔をあけて、またこれを完全に横切って配置され、該少なくとも１つのＬＥＤ光源の出力は、該非結像光学要素の形状によって導かれ、該少なくとも１つのＬＥＤ光源と実質的に同じエタンデュであるが角度が異なり、該下流のアプリケーションの該エタンデュに実質的に一致する寸法を有するビームとして、該出射口から現れる、非結像光学要素とを備える、照明装置。
【請求項３１】
前記固体非結像光学要素は、前記入射口から始まる第１の円錐セクションと、ＣＰＣの形状を有し、前記出射口で終わる第２のセクションとを備え、
該第１の円錐セクションおよび該第２のＣＰＣセクションは、該固体非結像光学要素が、該円錐セクションが無い場合に生じ得るよりも大きいＬＥＤの出力を効率的に利用できるように、これらのセクションが共通接点を共有する境界面において接合する、請求項３０に記載の照明装置。
【請求項３２】
前記第１の直線壁セクションに光学的に結合された入口ホモジナイザをさらに含み、
前記少なくとも１つのＬＥＤは、屈折率整合せずに前記入口ホモジナイザに光学的に結合される、請求項３１に記載の照明装置。
【請求項３３】
ＬＥＤ装置であって、
少なくともある程度拡散的に反射する放射面を有するベアのＬＥＤダイと、
該ベアのＬＥＤダイを整合的に覆う低吸収封入材料であって、該低吸収封入材料は、該封入材料と空気との境界面において、光を少なくともある程度内部全反射するように動作するために、単一体よりも大きい屈折率を有する材料で形成され、該拡散的に反射する放射面上に光を当てた後に、該封入材料と空気との境界面を介して光が少なくともある程度透過し、該装置の全出力が、該封入材料の無い場合と比較して増加する、低吸収封入材料とを備える、ＬＥＤ装置。
【請求項３４】
前記封入材料の前記屈折率は、１．５以上であり、前記放射面の拡散反射率は、５０パーセントを超える、請求項３３に記載のＬＥＤ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（発明の技術分野）
本発明は、概して投影装置に関し、より具体的には、投影システム内の照明源としての発光ダイオードの使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
より強力でより明るいＬＥＤ光源は、投影システム（背面および正面投影テレビ）のような困難なアプリケーションに対する需要が高い。従来の投影システムは、一般的に、水銀、金属ハロゲン化物、およびキセノンのような短アークランプを用いていた。これらのランプは、非常に高い光束発散度に対応しているため、エタンデュが限られた投影システムの好適な光源であり、今日市販されている背面および正面投影システムにおいてほぼ独占的に使用されている。しかし、これらのランプ技術に関しては、発光効率が不十分である、それによって、高い出力およびそれに伴う冷却手段が必要となる、寿命が短い、色域（所与のランプのスペクトルを再生することができる色の数）が不十分である、高電圧動作である（一般的に、作動には数キロボルトが必要）、コストが高い、また水銀を使用すること（これは、環境に危険を及ぼし、世界中の多くの国々において規制を受けている）、といった問題がある。
【０００３】
最近になって、ＬＥＤを使用すれば、ビデオ投影システム内のこれまでの光源を置き換えられるということが認識されてきた。特に、ＬＥＤによれば、寿命、色域が大幅に改善され、所有コストが下がり、消費電力が低くなり（一部は、バッテリ駆動の小型デバイスとすることができる）、冷却要件が軽減され、また、従来のアークランプと比較して水銀を含まなくなる。これまで、複数の企業が、投影システムにおいてＬＥＤ光源をベースにした将来的な製品を発表している。しかし、これらのシステムの光束発散度は不十分であった。本願明細書に記載のＬＥＤ投影システムの実施形態は、既存のＬＥＤベースのシステムと比較して、光束発散度および寿命を大幅に改善する。
【０００４】
Ｂｒｕｋｉｌａｃｃｈｉｏによる特許文献１では、誘電体を充填した非結像集光器の入射口を、放物線状で高性能なサーマルインターフェイスの複合物で略満たした、ＬＥＤダイまたはＬＥＤダイアレイの使用を開示している。この種の構成およびその誘導体は、投影システムにおいて効果的に使用することができる。Ｂｒｕｋｉｌａｃｃｈｉｏは、実質的に円形断面図の集光器を開示している。このデバイスは、エタンデュ（ｅｔｅｎｄｕｅ）を実質的に保ちながら、所望の立体角度範囲で出射口を出射する、集光器の入射口から入射する光に対して９６％の効率を有するように記載されているが、円形断面の集光器は、代表的な矩形フォーマットのビデオ変調デバイスの開口部には良好に適合しない。したがって、例えば、長方形の頂点が円の直径上に位置する円形に刻まれた、ＸＧＡフォーマット（１０２４×７６８ピクセル）の開口部は、円形断面の集光器を備えた関連するＬＥＤ光源から放射された光の約４０％を無駄にしている。
【特許文献１】米国特許第７，１５３，０１５号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、本発明の主たる目的は、１つ以上のＬＥＤ光源からの出力を効率的に利用する投影システムを提供することである。
【０００６】
本発明の別の目的は、画像を形成するために、ＬＥＤ源のエタンデュをデジタル変調デバイス（ｄｉｇｉｔａｌ  ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ  ｄｅｖｉｃｅ：ＤＭＤ）のエタンデュに効率的に適合させるＬＥＤ投影照明系を提供することである。
【０００７】
本発明の別の目的は、複数のＬＥＤ源からの出力を効率的に結合させ、それらを共通経路に沿って導くためのデバイスを提供することである。
【０００８】
本発明の別の目的は、非円形のジオメトリを有するＬＥＤから円形の遠方場を形成するための、特別に構成された非結像光学要素を提供することである。
【０００９】
本発明の他の目的は、以下の詳細な説明を添付図面とともに読み取ることで明らかとなり、以下に示される。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本願明細書の本発明は、１つ以上の相異なる色を有する発光ダイオード（ＬＥＤ）光源を組み込んだ、ビデオ投影システムを開示する。ＬＥＤダイまたはダイアレイは、高熱伝導率の回路基板に実装される。１つ以上の非結像（通常は非回転対称の）光学要素は、一般的に赤色、緑色および青色のＬＥＤダイからの光を収集する。光は、次いで種々の手段によって共通経路内で組み合わせられる。光はまた、色を組み合わせる前、またはその後に均質化することもできる。収集して組み合わせたＬＥＤ光の近接場は、次いでＴｅｘａｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製のデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）、またはＳｏｎｙを含む複数の供給源から入手可能な反射型液晶パネル（ｌｉｑｕｉｄ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｏｎ  ｓｉｌｉｃｏｎ：ＬＣＯＳ）光変調器のような、ビデオ変調デバイス上に結像される。光は、ビデオデバイス上に入射した後に、投影レンズへと導かれるか、またはビームダンプへと反射させることによって消光されるか、あるいはＤＭＤの場合のように、ＬＣＯＳデバイスの交差偏光によって吸収される。投影レンズを介して導かれた光は、正面投影か、または背面投影を適用して、スクリーン上へ撮像される。別様には、「ヘッドアップディスプレイ」（ＨＵＤ）ビデオシステムでのように、虚像を表示することができる。
【００１１】
本発明の非結像集光器は、矩形のＤＭＤへの有効出力のより効率的な組み合せのために、矩形の開口部を用いることが好ましい。矩形断面の非結像集光器の別の利益は、矩形の入射口が、一般的には同様に矩形であるＬＥＤダイの形状に対してより良好に整合することである。これによって、より大きなフォーマットのＬＥＤダイを使用することができ、一般的に小さなＬＥＤダイよりも高性能であり、良好なコストの経済性も提供する。ＬＥＤ投影光源の光束発散度が増加する、略複合放物面プロファイルの改良について記述されている。異なる色のＬＥＤダイからの光を組み合わせる複数の方法が、光源から放射された、またはビデオ変調器に入射する光を均質化する手段とともに記述されている。
【００１２】
エアスペース型ＬＥＤは、屈折率整合型とは対照的に、中空非結像集光器と併せて使用され、エピタキシャル層の下のミラー、粗面処理、刻面、マイクロレンズ、マイクロプリズム、フォトニック格子などのような、抽出効率を高めるためにダイ構造内に組み込まれた機能を有するＬＥＤダイの抽出効率を高めるという利点を利用する。したがって、中空集光器を用いることによって光束発散度が向上する。
【００１３】
混合された接線の円錐セクションを使用して、入射口において拡張したＣＰＣプロファイルを含む中実誘電体非結像集光器の実施形態を提供して、エアスペース型ＬＥＤを備えた中空非結像集光要素によって達成することができる性能を模倣する。光源から放射される光の全２πステラジアン（半球）を収集するように設計されたＣＰＣプロファイルの形状から、このように集光器の形状を改良することによって、更なる光束発散度の増加を達成することができる。エタンデュが一定の値をとる場合、２πステラジアン未満を収集することによって、ＬＥＤダイの領域を増加させることができる。略ランバート分布のＬＥＤから表面法線から離れた角度で放射された総集積光は非常に小さく、その表面法線からの角度のコサインの２乗に比例して減少する。したがって、法線から離れた角度は、より小さな角度のように、同じ規模の総放射光束には寄与しない。これらの高角度を除外した構成に対して表面積を増加させた表面からの光の増加は、収集円錐の減少によって損失するよりも速く増加する。したがって、集光器の出射口からの光束発散度が増加する。後述するように、出力の増加には、ＬＥＤダイ領域に対応するＬＥＤへの駆動電力を増加させる必要がある。
【００１４】
照明および投影システムは、遠方場をミラーの傾斜面において１２°の半角に制限するが、ミラーの傾斜に対して垂直な面でのより大きな収集角において、ＤＭＤの非対称性を利用することが記述されている。したがって、ミラーの傾斜面では非対称の遠方場がｆ／２．４、直交面ではｆ／１．２である照明および投影システムの場合、システムのスループットは、両方向におけるより高いｆ／＃を制限したシステムの２倍である。この手法は、スクリーン上の輝度に関して有意な性能利益を提供する。
【００１５】
本願明細書に記載したＬＥＤモジュールの他の用途には、外科用内視鏡、外科用ヘッドランプ、およびハイエンドの視覚システムのような、工業用および医療用照明のためのキセノンアークランプシステムの置き換えを含む。別の用途は、対角サイズの増加によって、従来の冷陰極蛍光ランプ（ｃｏｌｄ  ｃａｔｈｏｄｅ  ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ  ｌａｍｐ：ＣＣＦＬ）システムと比較して、極めて大きな光電力および効率が要求されるＬＣＤバックライティングシステムのための側部投光である。
【００１６】
本発明の構造、動作、および方法は、他の目的および利点と併せて、図面を参照して以下の詳細な説明を読み取ることによって最良に理解することができる。図中のそれぞれの要素には、それらが種々の図面に現れたときに識別する数字またはラベルを割り当てる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明は、全体として、ビデオ投影システムに関し、より具体的には、アークランプおよび他のＬＥＤベースの光源システムに対して改善された投影システムを提供するための、略非回転対称の非結像集光要素を用いた、ＬＥＤベースの光源システムに関する。非回転対称の非結像集光要素は、ＬＥＤで動作して、そのエタンデュが最新のビデオ投影システム内で遭遇するような下流のアプリケーションのエタンデュと一致する、好ましくは略均一な配向を提供するように構成される。また、ＬＥＤの出力を集光要素の入射口に結合させ、複数の集光要素からの出力を結合させて、好適なパターン、強度、および色の単一ビームの照明を形成するための種々の機構も提供する。
【００１８】
図１を参照すると、３色ＬＥＤベースの投影システム１０が示されている。システム１０は、従来のリレーレンズ１４によってＤＭＤまたはＬＣＯＳ変調器３６などに結合された、ＬＥＤ光源システム１２を備える。円形開口絞り４０を有する投影レンズ１６は、観察者が観察するために、映像を変調器３６からスクリーン４４上へ結像する。
【００１９】
ＬＥＤベースのシステムが用いられる前は、投影に使用される従来のアークランプベースの投影システムは、一般的に高圧水銀、金属ハロゲン化物、またはキセノン灯などの短アークランプを用いていた。このような投影アークランプは、通常、回転カラーホイールを介してＤＭＤ上に結像し、次いで投影レンズによってスクリーン上に結像していた。このようなアークランプは、幅広い波長スペクトルにわたって光を放射するので、必要な色およびスペクトル幅を提供するために、カラーホイールによってフィルタ処理する必要があった。図１のＬＥＤシステム１０は、はるかに効率的であり、光源寿命がより長く、従来のランプが数百乃至２、３０００時間であるのに対し、約数万時間の寿命があり、従来のランプのようには水銀を含まず、また、容易に調整して、単一のＤＭＤ投影システムに必要とされる色順次光を提供することができる。
【００２０】
図２に拡大略斜視図で示されるＬＥＤ光源システム１２は、他のＬＥＤベースのシステムに比較して、より小型のパッケージできわめて高い光束発散度を提供する。ＬＥＤ光源システム１２は、それぞれの入射口２４（右側のみに番号を付す）を略満たす関連するＬＥＤダイに加えて、好ましくは矩形断面の、３つの非回転対称の誘電体ＣＰＣ集光要素２０を備える。ＬＥＤダイは、アレイまたは大きな表面の放射体の形態とすることができ、入射口２４に位置し、高性能熱伝導体ＬＥＤ基板２２（以下に詳述）に直接取り付けられる。ＣＰＣ２０は、良好な熱的および機械的性能に加えて、ＬＥＤ光源のスペクトル範囲にわたって低吸収である特性を有する、アクリル、ポリカーボネート、Ｚｅｏｎｅｘ等のような中実の誘電体材料で作製されることが好ましい。一般的に、ＬＥＤダイの表面と、対応するＣＰＣ集合光学要素２０の入射口２４との間には、シリコンゲルのような屈折率整合媒体が存在する。３つのＣＰＣ２０の出力は、Ｘキューブ３０に結合されるが、このキューブは、３色のビームを単一のビームとして収集して、矩形の出射口２８の方へ導き、その後リレーレンズ１４を経てＤＭＤ３６上に結像する。周知のように、出射口２８の近傍における出力は、さらに離れた遠方場となる近接場を表し、近接場は、従来では、光源およびそれを超える遠方場の直径の１０倍の範囲内である。ＣＰＣ２０の出射口（図３の符号４６を参照のこと）と、Ｘキューブ３０のそれぞれの入射面との間のインターフェースは、以下に示されるように、ＣＰＣ２０の開口部を出射した全ての光がＸキューブ３０の寸法に閉じ込められるように、空気、または屈折率が十分に低い屈折光結合材料とすることができる。
【００２１】
スペクトルビーム結合器として機能するＸキューブ３０を出射した光は、ＤＭＤ３６上に直接結像するか、または光パイプ２６によってさらに均質化することができる。光パイプ２６の開口部２８を出射した光は、次いでリレーレンズ１４によってＤＭＤ３６上に結像される。光パイプ２６は、図に示されるように中空または中実の固体誘電体で構成することができる。中空反射体の利点は、表面に存在し得る不完全部が無く、ＤＭＤ３６上に再結像され、それによって、観察者が観察できるスクリーン４４上に再結像されることである。また、下述するように、出射口２８は傾斜させ易く、必要に応じてある程度の上下方向台形歪補正機能が得られる。中空光パイプの欠点は、反射のたびに有限の損失が存在することであり、この損失は、短い光パイプの場合は許容できるが、長い光パイプの場合はスクリーン上の総光電力に問題が生じる。
【００２２】
単一の中実誘電体の矩形ＣＰＣ２０の拡大図を図３の略斜視図に示す。出射口４６は、ＣＰＣ２０の他のパラメータとともに、変調器３６のエタンデュと整合するように設計される。変調器のエタンデュは、一般的に、その面積、立体受光角、および屈折率（一般的に空気）の２乗の積によって与えられ、一般的にｍｍ２−ステラジアンで表される。出射口４６は、ＤＭＤ３６と略同じアスペクト比を有する。寸法は、リレー１４の倍率に依存する。一般的にＬＥＤダイからの全ランバート放射プロファイルを収集するものと仮定すれば、ＣＰＣ２０のプロファイルは、両方の直交軸（すなわち、ｘ−ｚ面およびｙ−ｚ面、ｚ軸を長手方向の光軸とみなす）内にある複合放物面集光器であることが好ましい。したがって、ＣＰＣからの対称遠方場の角度に関して、ＣＰＣ２０の入射口２４は、出射口４６と同じアスペクト比を有する。ＣＰＣプロファイルの長さおよび形状は、２つの軸において異なる。したがって、短い方の寸法はより短い全長を有し、線５２からエッジ５０において出射面へ延在しなければならない。２つの直交軸におけるＣＰＣの形状および長さは、最初に所望の出射角度および寸法を設定することによって決定される。標準ＣＰＣの式を用いることで、対応する入射寸法および長さを設定する。入射寸法は、入射矩形を画定するように組み合わせられ、ＣＰＣの長さの差異は、ＣＰＣの中実形状全体に到達するように、短い方のＣＰＣプロファイルの長さから、長い方のＣＰＣプロファイルまでの直線セクションを提供することによって補償される。ＣＰＣの４つのコーナー部での、すなわち対角線に沿ったＣＰＣの形状は、単純に、直交面ｘ−ｚおよびｙ−ｚ内の２つのＣＰＣ形状の交点である。ＣＰＣの形状に到達するための計算は、関連パラメータおよびＣＰＣの式を含んだ表計算を使用して好都合に行うことができる。
【００２３】
光源１２の出射口２８の正反対のＬＥＤ光源に対して、ＴＲＡＣＥＰＲＯ光モデリングソフトウェアによって行った光線追跡を図４に示す。ＣＰＣ集光器２０の壁６２によって反射された光線が、Ｘキューブ３０に閉じ込められることによって、光ホモジナイザ２６の入射口２８に案内されているように示されている。Ｘキューブ３０のコーティングは、それを通って真っ直ぐに導かれた波長、すなわち垂直に配向された図４のＣＰＣからの波長を透過するように行われる。
【００２４】
同様に、図５は、Ｘキューブ３０の誘電コーティングに左側に反射して開口部２８に向かう、ＬＥＤ光源およびＣＰＣ集光器２０からの出射を示す図である。この光はまた、光をパイプするＸキューブ３０にも閉じ込められる。本発明のＸキューブ３０は、発散ビームを収容するように極めて大きくなければならない標準のＸキューブと比較して、非常にコンパクトなシステムを提供する。これはシステム全体のコストおよびサイズを低減する。
【００２５】
図６を参照すると、その上方には完全なＬＥＤ投影光源モジュール７０の略斜視図が示され、図の下方にはその断面図が示されている。ＬＥＤ基板２２は、はんだ付け、ブレージング、サーマルグリスなどによって熱的に放熱板７６に取り付けられ、ＣＰＣ集光要素２０の面の上部および下部の両方に位置する光学要素を挟む。放熱板７６は、銅、アルミニウム、ダイヤモンド、包埋黒鉛のような複合材、またはヒートパイプのような高熱伝導率の材料であることが好ましい。ヒートパイプの場合、ウィック構造を用いたタイプのものとは対照的に、毛細管を組み込んだタイプのものは、あらゆる配向での動作を提供する。放熱板７４によって、動作条件に基づいて対流または強制空冷することができる。面板７２は、正面を覆って出射口２８だけを露出させる。
【００２６】
ＬＥＤの外部量子効率を増加させる方法における最近の発達により、上述のように屈折率整合が無い場合でも、非常に高い抽出効率が得られる。マイクロレンズアレイ、マイクロプリズムアレイ、角度ファセッティング、フォトニック格子などのような、これらの方法を使用する前に、ＬＥＤの立方ジオメトリが、内部全反射（ｔｏｔａｌ  ｉｎｔｅｒｎａｌ  ｒｅｆｌｅｎｔｉｏｎ：ＴｌＲ）によるＬＥＤダイ内への光の閉じ込めをもたらした。外部量子効率は、ＴＩＲに打ち勝つための封入剤の屈折率のほぼ２乗に向上した。したがって、歴史的に、ＬＥＤはカプセル化による恩恵を受けている。外部量子効率を増加させるための機能を組み込んだＬＥＤのこれらの最近の改善では、カプセル化による恩恵は比例的に少ない。したがって、ＤＭＤなどのエタンデュに整合するように改善したこのようなＬＥＤの出力をＣＰＣに結合させる改良を提供して、このようなＬＥＤからより高い有効出力を利用する。
【００２７】
周知のように、エタンデュは基本的に、デジタルマイクロミラー（ＤＭＤ）または反射型液晶パネル（ＬＣＯＳ）デバイスを介して結像することができ、デバイス面積、制限立体受光角、および媒体の屈折率の２乗の積によって与えられる。一般的に、変調デバイスは空気に使用され、一般的に、これらのデバイスは、少なくとも１つのアジマスにおいて、１２°の受光半角を有する。したがって、より高性能なデバイスの場合、例えば中空集光要素を用いることによって、ＬＥＤダイと集光要素との間の媒体として空気を用いたＬＥＤ投影システムを設計した方が良く、したがって、より大きな有効ＬＥＤダイのサイズおよび、より高い有効光電力をもたらす不変のエタンデュによる恩恵を受ける。故に、屈折率整合を用いない利点は、外部量子効率を増加させるように機能を組み込んだことで、屈折率整合によってその出射が著しく増加しない理想的なダイの固定出射口の輝度が約２倍になることである。したがって、中空反射体は、理想的なダイの誘電体充填反射体よりも約２倍の利益が得られる。実用上、ＬＥＤはまだ理想的でないので、利益は２倍未満であるが、それでも有意となり得る。例えば、新しいＣＲＥＥ  ＥＺ９００ダイは、カプセル化しても、その出力は約２０％しか増加しない。したがって、理想的な中空反射体を使用することによる、光束発散度（固定ＬＥＤダイの電流密度に対して）の正味の増加は１６０％である。しかし、幾らか古いＣＲＥＥ  ＸＢおよびＸＴ  ＬＥＤダイの構成では、それでも、代表的な屈折率１．５の封入材料で屈折率整合したときには、光束発散度が約２倍に増加する。このように、これらのデバイスは、理想には程遠いものである。しかし、ＥＺ  ＣＲＥＥダイの場合、中空反射体の使用に有効である。ＥＺ１０００での中空反射体の使用は、入力電力が誘電体封入反射体の２倍となる点においては、コストのかかるものとなるが、より高いスクリーン上の輝度の達成に歓迎されるトレードオフであることに留意されたい。
【００２８】
より大きなダイの効率は、通常は、より小さなダイよりも大きい。例えば、ＣＲＥＥ  ＥＺ１０００ダイは、ＥＺ２９０ダイの相当面積のほぼ２倍効率的である。その理由は、電極とダイのエッジとの間のデッドスペースが、大きなダイでは比例的に少なくなるという事実に関連する。加えて、大きなダイおよび小さなダイのボンディングパッドの寸法は類似しているので、大きなダイのボンディングパッドに必要なスペースが比例的にかなり少なくなる。大きなダイの効率の増加は、エピタキシャルリフトオフ法を用いたトゥルートップ（ｔｒｕｅ  ｔｏｐ）放射デバイスに当てはまる。ＵＥＣ（Ｅｐｉｓｔａｒ）赤色ダイ、およびＣＲＥＥ  ＥＺタイプのダイのようなこれらのデバイスは、もはやバルク放射体ではない。したがって、それらは、例えばＣＲＥＥ  ＸＢ９００がそうなるように、より大きなバルク放射体内の内部吸収の増加による問題を生じない。このように、一般的には、最新の上部放射ＬＥＤにより大きなダイを使用するほうがさらに良い。また、より大きなフォーマットのダイをワイヤボンディングおよびダイ接着することはより容易であり、信頼性が向上し、システムのコストが下がることになる。
【００２９】
理論的には、円形断面の複合放物面集光器の入射口に入射する光の９６％は、設計角度の範囲内で出射口を出射するので、完全な集光器に非常に近いものとなる。しかし、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）および反射型液晶パネル（ＬＣＯＳ）のような光変調デバイスは、一般的に矩形である。したがって、円形断面の集光器を使用した場合は、領域内に不整合が生じる。例えば、ＸＧＡフォーマットの変調器を用いて、ＸＧＡ開口部を刻み込んだ円形断面の集光器を用いた場合、約４０％の光が矩形の開口部に入らないために無駄になる。これにより、更なる発熱および電力の浪費がもたらされる。熱放散を有限と仮定した場合は、ダイの温度がより高くなり、性能および寿命の両方を低下させる、代替的な手法では、矩形断面の集光器を使用している。このような集光器はまた、両方の軸における出射角が同じ公称角度となるように、２つの異なる仕様の複合放物面集光器（１：１ではないアスペクト比とする）も使用することができる。これにより、２つの軸内に異なる有効長の矩形ＣＰＣがもたらされる。なお、図３および７に示されるように、長さの短いデバイスは、平行な壁によって延在させて１つの複合集光器を作製することができる。ここでは、対角線の方へ進むスキュー光線は、約８７％の光しか設計角度に閉じ込められない。しかし、これは、所与の光束発散度に対して、ダイ面積を減じ（関連すること巣が下がる）、ダイ接合部の温度を下げることになるので、適切なトレードオフである。集光器の形状は、刻面、複数のスプラインフィット、または高次多項式などを含む他の形状によって近似させることができる。
【００３０】
上述の円対称の複合放物面集光器は、非結像光学要素のエッジ光線原理から導出されたものであり、ほぼ理想的な性能を有することが示されている（Ｈｉｇｈ  Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ  Ｎｏｎｉｍａｇｉｎｇ  Ｏｐｔｉｃｓ、Ｗ．Ｔ．Ｗｅｌｆｏｒｄ  ａｎｄ  Ｒ．Ｗｉｎｓｔｏｎ、Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓ、１９８９）。しかし、複合楕円型集光器（ｃｏｍｐｏｕｎｄ  ｅｌｌｉｐｔｉｃａｌ  ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ：ＣＥＣ）および複合双曲面型集光器（ｃｏｍｐｏｕｎｄ  ｈｙｐｅｒｂｏｌｉｃ  ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ：ＣＨＣ）のような、類似した近接場および遠方場性能をもたらすことができる他の形状が存在する。特に、その出射口の視野レンズと併用した複合双曲面型集光器は、長さは非常に短いが、ＣＰＣに極めて類似した近接場および遠方場性能を有することが知られている。このＣＨＣ／視野レンズの設計およびその派生物は、標準のＣＰＣに対して長さが非常に短い、理想に近い集光器になり得る。これは、ＣＰＣを非常に長くすることができる、低開口数デバイスに特に有用である。これらのタイプの光学要素は、ＬＥＤダイまたはダイアレイとの併用が有用である。近接場および遠方場における均一性を達成し、最大エタンデュを維持するためには、光学要素の入射口を略満たしておくことが重要である。投影システムは、デバイスのエタンデュによって本来的にスループットが制限されるので、最適な性能の達成には、システム全体にわたってそのエタンデュを維持することが重要である。図７は、不等長かつ不等幅の入射口８２を備えた中空反射ＣＰＣ８０を示す図である。寸法がより短くなることで、その関連する軸においてＣＰＣプロファイル９０の長さが比例的に短くなる。短いＣＰＣ９０の出射口に接する平行側部８８は、長いＣＰＣ８６の長さまで延在する。このようにして、両方の軸は、同じ出射角を有し、それによって対称な遠方場が発生するように設計される。
【００３１】
図８Ａは、エッジ付近のより高い光束を示す、誘電体または中空矩形ＣＰＣに一般的な近接場の分布の三次元線図である。図８Ｂは、図８Ａの等高線図の中央を通る直交軸ＸおよびＹに沿った変化の二次元線図である。エッジ付近のより高い光束は、スクリーン上の輝度の場のエッジに向かう低下を打ち消すことによって有効に使用することができ、図１の一般的に広角の投影光学要素１６のコサインθロールオフによる一般的なスクリーン上の損失である。図３の誘電体充填ＣＰＣは、類似した遠方場特性を有する。
【００３２】
円形断面のＣＰＣとは対照的に、図７の矩形断面のＣＰＣは、図９Ａおよび９Ｂに示されるように、遠方場の設計角度の範囲内に光の約８８％を保持する。図９Ａは、矩形のＣＰＣからの全遠方場を示す図である。図９Ｂは、設計角度（この場合は２０°）の範囲内の光を表わす図であり、この光は、図１の投影レンズ１６の円対称のストッパ４０を通る。この正方形の遠方場の分布は、対角線付近で反射したスキュー光線の影響によるものである。それでも、このデバイスは、矩形の変調デバイスの入射口を整合させるよりもさらに無駄が少なく、この損失を上回って補償する。あるいは、投影光学要素は、矩形の遠方場に適応するように設計することができ、幾分大きなレンズになるが、スクリーン上の輝度が向上する。
【００３３】
Ｔｅｘａｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製のＤＭＤのような変調デバイスは、一般的に、ミラー偏光角が１２°に制限される。一般通念では、このように照明角度を１２°に制限するか、または照明と投影ビーム経路との間にオーバーラップを設ける。しかし、これはミラーの傾斜にしか当てはまらない。より大きな円錐角を直交方向に用いることが適切である。したがって、非対称遠方場によって、システムの総スループット、故にスクリーン上の強度を、一般通念を超えて増加させることができる。例えば、スクリーン上の輝度は、ミラー傾斜面に直交する軸にｆ／１．２の円錐体を使用することによって、２倍に増加させることができる。光源（図１の照明光学要素１４および投影光学要素１６）は、全てこの状態に整合させなければならない。非球面要素（プラスチックレンズを使用した場合は基本的に不要となる）は、低ｆ／＃のシステムによる収差の増加をバランスさせることを助ける。
【００３４】
図１０Ａは、遠方場内に非対称分布を有する誘電体矩形のＣＰＣ１００を示す図である。上述のように、Ｔｅｘａｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製のＤＭＤのような変調デバイスは、一般的に、１２°に制限されたミラー偏光角を有する。出射口１１０は、ＤＭＤの寸法に整合される。しかし、入射寸法は、図１０Ｂに示される遠方場分布を生成するように１つの軸において大きくなり、その結果、スクリーン上の輝度が１００％増加する。これは、性能における有意な利益である。これによって、ＬＥＤベースのシステムを、従来教示されている限度をかなり超えて機能させることができる。
【００３５】
図１１Ａおよび１１Ｂは、ＬＥＤ放射体の出力の全２πステラジアンを捕捉するように設計された矩形開口部のＣＰＣと、全半球未満の幾らかの有限角度まで放射された光を捕捉するように設計されたものとを比較した図である。これは、ＷｅｌｆｏｒｄおよびＷｉｎｓｔｏｎによって一般的な形態で述べられているが矩形ＣＰＣの場合まで拡大されるように、シータ対シータ（θ対θ）ＣＰＣを用いて達成することができる。図１１ＢのＣＰＣ１２０のセクション１２６は、インターフェースにおいて放物面プロファイルに接する直線のセクションを表す。その結果、入射口のサイズが大きくなり、図１１Ａに示されるＣＰＣ２０の開口部２４と比較して、図１１Ｂの開口部１２４からの光束発散度が増加する。実際に、ＬＥＤダイの法線からセクション１２６の円錐の設計角度より大きな角度で開口部１２４に入射する光は、設計角度よりも大きな出射角度に結合される。当業者は、セクション１２６に類似した円錐セクションは、回転対称のＣＰＣセクションとともに容易に使用することができ、ＬＥＤが屈折率適合されていない中空の回転対称集光器と略同じ性能を有する、中実の集光光学要素を提供することができると認識されよう。
【００３６】
図１２は、同じ長さの図４の矩形ＣＰＣ２０と同じ入射および出射口を備えた直線の先細部を示す図である。図１３Ａは、先細部に対する遠方場の分布が、ＣＰＣ２０の設計角度と比較して、２０°の設計角度にあまり拘束されていないことを示す図である。図１３Ｂに示される２０°の範囲内では、光の６７％しか投影レンズ１６の開口絞り４０を通過しない。したがって、矩形のＣＰＣは、同じ長さの真っ直ぐな先細部に対して、３０％を超える良好な性能を有することが示される。
【００３７】
図１４は、共通の要素が元の同一性を保持する、図２のＬＥＤ投影光源の別の結合の実施形態１３０を示す図である。ここでは、ＬＥＤダイまたはダイアレイは、（代表的な）高熱伝導性基板１３２に取り付けられ、ＣＰＣ２０の入射口２４に結合され、円錐入射セクションの有無に関わらず中実または中空とすることができる。最左端のＣＰＣ２０の出力は、導光プリズム１３８に入射する。光は、高反射率コーティングでコーティングされた１３８の斜辺によって９０°反射される。図２のプリズム３０の場合のように、プリズムおよび矩形のガラスセクション１３８、１４０、１４２、１４３、１４４、１４６、１４８、１３４、および１３６は、本来のパッケージングおよびコスト的に優位なコンパクトなサイズを維持するように、ＴＩＲを使用して、それらの入射寸法の範囲内に光を光パイプする。３色のＬＥＤ光源のＣＰＣ２０のそれぞれの出射口４６と、出射口２８との間の全光学経路は、類似した近接場の強度パターンおよび光の均質化を保持するように、光パイプ１３４および１３６によって略同じになっている。最左端のＣＰＣ２０とプリズム１３８との間のスペース、およびプリズム１３８と中実の矩形ライトパイプセクション１４０との間のスペースは、空気かまたは屈折率媒体であり、最左端のＣＰＣ２０からの光のＴＩＲが反射傾斜面に反射する前にプリズム１３８に拘束され、傾斜面に反射した後にプリズムに拘束されるように十分小さいことが重要である。それ以外ならば、ＣＰＣ２０を出射した光の一部は、１４０および１４２の上面を通って透過されてしまうか、またはＣＰＣ２０に再入射して、ＣＰＣ２０からの制限角度に保持されないことになる。同じ要件は、中央のＣＰＣおよび矩形光パイプ１４４のプリズム１４３に対しても当てはまる。これはまた、ホモジナイザ２６が中空ではなく中実の場合、プリズム１４８およびホモジナイザ２６も当てはまる。図１４の実施形態では、図２の導光Ｘキューブ３０は、２つの別個の２色性波長依存の反射コーティングに置き換えられ、これらは、中央のＣＰＣに対するプリズム１４２および１４３と、出射口２８に最も近い右側のＣＰＣに対するプリズム１４６および１４８との間に配置される。必要に応じて２色性のコーティングが透過または反射するように適切に設計されていれば、赤色、緑色、および青色（または他の色）のＬＥＤ光源の特定の機構は重要ではない。あるいは、ＣＰＣ２０は、同じ方向または同じ面を向いている必要は無い。それらは、スペースおよび熱的な考慮に対して、必要に応じて互いに対向させるか、または直交させて配置することができる。同様に、プリズム１３８を排除することで、最左端のＣＰＣがプリズム１４２に直接入るようにすることができ、それによって、プリズム１３８および光パイプ１４０が排除され、また、光パイプ１３４および１３６の長さの要件が軽減される。加えて、蛍光体または他の波長変換要素をＬＥＤダイ全体に用いて、標準のＬＥＤダイでは容易に利用できない波長およびスペクトル帯域幅を得ることができる。例えば、緑色のＬＥＤ光は、青色のＬＥＤ励起と緑色蛍光体とを組み合わせることによって発生させることができ、図３３に示される人間の眼の明所視感度曲線���ピークにより厳密に整合する。
【００３８】
中空のＣＰＣ集光要素を使用する利点は上述のとおりであるが、これらは、屈折率整合による抽出効率の増加がそれほど重要でない場合にのみ、ＬＥＤに対して適切に機能する。ＬＥＤダイシステム１５０からより多くの光を抽出する方法を図１５Ａおよび１５Ｂに示し、ベアのＬＥＤダイ（全体的に１５２で示される）は、単一体よりも大きな屈折率（一般的に１．５）のシリコンのような、低吸収媒体１５４によって整合的にカプセル化される。ＬＥＤ１５２から封入材料１５４へ出射することができる光は、続いて封入材料−空気の境界面において部分的に内部全反射（ＴＩＲ）される。ＴＩＲによって封入材料１５４から空気中に出射しないようにしたＬＥＤの放射は、次いでダイ表面へ反射される。ＬＥＤの拡散反射率が約５０％を超える場合は、封入材料−空気の境界面を介して透過される角度スペース内で拡散的に反射したＬＥＤ表面上に当たる光の一部として、空気中に抽出される光が純増加する。したがって、屈折率整合媒体に抽出された増加した光は、順方向に効果的に結合する、すなわちリサイクルすることができる。一例として、ＬＥＤの拡散反射率が６０％で封入材料の屈折率が１．５の場合、空気への光の抽出が約２０％以上に増加するが、これは封入材料の存在の存在しない状態で生じる。層の厚さは数１０ミクロンあれば良く、したがって、コンフォーマルコーティングとしてしか機能しない。この手法は、図７に示される中空の反射体を使用することによって有効な利益が増加する。
【００３９】
図１６Ａおよび１６Ｂを参照すると、矩形ＣＰＣの別の実施形態１６０が示され、図３のＣＰＣの水平軸と垂直軸との間の集光要素の形状は、水平から垂直に長手方向に（すなわち、表面および光軸を通る子午面において）連続的に変化するＣＰＣの形状と略同じである。１６６、１６８、１７０、および１７２によって表されるポイントは、異なる形状のプロファイルの全てのエンドポイントであるが、ＣＰＣの形状のそれぞれである。したがって、対角線に沿った方向の角度で、例えばＣＰＣのエンドポイント１６６を通る角度、およびＣＰＣの水平エンドポイント１７０と垂直エンドポイント１７２との間の、ＣＰＣのエンドポイント１６６で表される角度にあっても、その形態はＣＰＣの形態である。これは、図３のＣＰＣの単純な矩形断面によって導出される光学要素となり、矩形ではなく略円形の遠方場を生成する。したがって、図１６Ａおよび１６Ｂの複合ＣＰＣでは、矩形の近接場および略円形の遠方場が得られ、図３のものよりも約１０％スクリーン上の輝度が向上する。この手法では、中実または中空の光学要素の形態とすることができる。
【００４０】
図１７Ａおよび１７Ｂは、図１１Ｂの形態の中実のＣＰＣ１８０を示す図であり、予混合ホモジナイザ１９８が、ＬＥＤダイまたはダイアレイとＣＰＣの入射口１８４との間に配置される。この矩形断面の光パイプまたはホモジナイザ１９８は、ＣＰＣ１８０の入射口１８４の寸法に整合する。図１７Ｂに示される光線は、ＬＥＤ１９６と入射口１８６との間の屈折率整合媒体の有無に関わらず、この構成を使用できることを示している。また、中空のＣＰＣの利益は、図１７Ａに示されるように、円錐セクション１８８によって境界を成す中実のＣＰＣを使用することによって実現することができ、事実上、中空のＣＰＣで実現できるところまで入射口１８４を開口する。実質的に、これは、ＣＰＣプロファイルと混合した円錐セクションを提供することによって、入射端部で変化させたＣＰＣから成る混成設計である。
【００４１】
これは、以下によって理解することができる。基本的な形態の立体エアスペース型ＣＰＣは、屈折率整合を前提に設計されている。しかし、１９４の近傍でＬＥＤ光源１９６を出射した光線の屈折によって（図１７Ｂを参照のこと）、この光線の広がりは、ＣＰＣ１８０の誘電媒体内の半球のよりもはるかに小さい。したがって、屈折率適合していない無変更の形態のＣＰＣの出射角度は、設計角度未満である。混合円錐のセクション１８８を備えたＣＰＣを変化させることによって、入射寸法の増加に対する角度の増加が所望の角度スペースを充填するように角度が広げられる。このような混成集光器１８０では、角度および寸法に関する下流の要件を用いて、入射口のサイズおよびジオメトリの寸法に到達するように、誘電体材料の中実ＣＰＣを設計している。通常、これらの寸法は、角度およびサイズに関して同じ下流の要件に一致する中空設計のものよりも小さい。しかし、より大きなＬＥＤの利点は中実の設計に求められるものであるため、その入射口は、入射面からエアスペースをとった、より大きなＬＥＤを収容するように改良される。次いで、接点においてＣＰＣプロファイルと交差するように、他のより大きなＬＥＤのエッジから直線を描画する（図１７Ａの１９０を参照のこと）。その結果、エアスペース型および他の大きなサイズのＬＥＤの利点を活用することによって、中空のものの性能を模倣した中実の混成集光器設計が得られる。
【００４２】
１９８の均質化の効果によって、実際のＬＥＤダイの出射の均一性が向上し、電極およびワイヤボンディングの存在による均一な空間的出射が無い。また、ＣＰＣ１８０の入射口１８４に入射する前に光を混合することによって、ＬＥＤダイと入射または出射口１８６との間の精度の影響も最小限に抑えられる。この光学要素、ＣＰＣ、およびホモジナイザ１９８は、容易に一体型に成形することができる。図７の中空ＣＰＣの光学要素を覆う非屈折率適合の中実の集光要素の別の利点は、反射コーティングが不要であること、およびＣＰＣの底部が寸法的にワイヤボンディングを妨げないことである。非屈折率適合の場合の入射口１８６のフレネル損失は、中空ＣＰＣ上に被着させなければならない実際の反射コーティングによって生じる反射損失によって相殺される。
【００４３】
図１７Ａの混成集光器の利益は、混合された円錐部分１８８を使用する効果を理解することによってより完全に理解することができる。上述のように、標準の円形または矩形のＣＰＣは、半球（２πステラジアン）にわたって光源から出射されたエネルギを受け取り、ＷｅｌｆｏｒｄおよびＷｉｎｓｔｏｎのエッジ光線原理を用いて、エネルギが特定の設計角度でほぼ理想的な効率で放射される反射体を形成する。代表的なＬＥＤダイの出力は、略ランバートである。すなわち、放射された光束は、角度のコサインとして表面法線から減衰し、総放射光束は、図１８に示されるように、表面法線からの開光角度のコサイン２乗の積分に比例する。したがって、表面法線から離れた角度は、総集積光束にはほとんど寄与しない。
【００４４】
図１９は、非結像集光器からの光束発散度は、比例的に光束が少ない高角度を除外することによって増加させることができる。これは、立体角が小さくなることによって、（一定の電流密度に対して）放射光源の面積が比例的に減少するように、一定のエタンデュを前提としている。面積の増加による利益は、高角度を除外することによって収集した光束の損失よりも速く増加する。しかし、面積の増加は、相対的な入力電力の増加をもたらす。相対電力曲線は、６０°の近傍に屈曲点があり、これは、集光器からの光束発散度の５０％の増加に相当する。集光要素の設計は、ＷｅｌｆｏｒｄおよびＷｉｎｓｔｏｎによって述べられているように、角度シータ対シータの集光器となり、図１７Ａの改良型ＣＰＣ１８０は、特定の設計角度での直線円錐への接線を成すが、図３、７、１０Ａ、１１Ａ、および１１Ｂに示される形態の矩形のＣＰＣの場合に拡大される。６０°の開光角度設計ポイントは、非線形に増加する電力と光束発散度の漸近的増加との間の適切なトレードオフである。
【００４５】
図２０乃至２７は、一般的に赤色、緑色、および青色の光を、それぞれの集光要素から、ＤＭＤ変調器３６などの上に結像することができる共通のビームに結合するための、別の実施形態を示す図である。
【００４６】
図２０を参照すると、Ｘキューブ２００が概略的に示されており、緑色の波長は、一般的に方向を変えないキューブを介して透過され、赤色および青色の波長は、出射面へ向かってそれぞれの表面２０２および２０４で反射する。この全般的な手法は過去に用いられたものであるが、サイズ低減のための光パイピングに対する更なる要件は無い。図３のシステムは、この基本的手法を改良したものであるが、さらにコンパクトであり、よって製造コストがより低くなる。
【００４７】
図２１は、４つの別個の２色性ビームスプリッタ２１２、２１４、２１６、および２１８を備えたＸプレート２１０の形態のＸキューブの一変形例を示す図であり、図２０のＸキューブとほぼ同じように、異なる色のビームの方向を換えるように構成される。
【００４８】
ＸキューブおよびＸプレートの別の結合システムを図２２に２２０で示すが、複雑さおよびコストがより低くなることが見込まれる。図に示されるように、Ｒ、Ｇ、およびＢビームを発生させる３つのＣＰＣ２２６および２つのビームスプリッタ２２２および２２４がある。緑色のＣＰＣ２２６のそれぞれのビームスプリッタ２２４からの距離は、経路を均一にするために、他の２つのＣＰＣにおける距離よりも長くなっている。図１のリレーシステム１４の複雑さを低減する方法では、単色性のリレーに対して全ての色光源がＤＭＤ３６の面で重なるように、図１のＬＥＤ照明光源２８
の出射口との相対的な光学経路の差異を調整する。これはリレーの複雑さを低減し、よって更なる無色化が不要となりコストが削減される。同じ手法を、図２２のシステムに使用することができる。
【００４９】
図２３を参照すると、角度によって変化する波長依存透過のビーム結合要素２３０が示されている。これは透過型回折格子を用いて達成することができ、例えば、緑色の波長は、青色および赤色ビームによって囲まれてほとんど逸脱せずに透過させることができ、適切な角度で偏向される。あるいは、要素２３０は、音響光学偏向器または、２または３ガラスプリズムとすることができる。２ガラスプリズムは、全偏向角を導入し、３ガラスプリズムは、中央の周波数帯での偏向をゼロにするように設計することができる。格子の効率によるスループット、およびスペクトル拡散には制限があるが、これは、ビームを組み合わせる非常にコンパクトな方法を表すことができる。
【００５０】
図２４ＡおよびＢ、ならびに図２５Ａ、Ｂ、およびＣは、単一のＤＭＤ投影システムの色順序要件に特に関連するビームスプリッティングの方法を示す図である。図２４Ａに示されるように、ビームスプリッタ２４０は、２つの分離可能な直角プリズムの半割り部２４４を備える。プリズムの半割り部２４４は、それらの共通斜面でプリズム間に間隙を形成して、このインターフェースに沿ったプリズム同士の光学的接触を無効にするように、互いに離れることができる。プリズム２４４の間の距離は、図２４Ｂの構成に概略的に示されるように、約数ミクロン乃至数十ミクロンとされ、例えば赤色と青色を組み合わせたビームを、９０°の偏向角で組み合わせて出射の方向に反射するように機能する。図２４Ａの構成は、２つのプリズムを光学的に接触させた場合、すなわち、約１ミクロン以下の範囲内で離れている状態を示す。この手法は、内部全反射は変動するという原則に基づくものであり、第１の半割りのプリズムを出て第２の半割りのプリズムに入射する光の電磁場のエバネセントテールの範囲内に２つの面がある場合に、光は、２つのプリズム間の境界面を介して透過される。この分割は、駆動電力の関数として拡大または縮小する特性を有する圧電スタック変調器によって変調されることが好ましい。これは、適切な平衡のために、一般的に１つの面内の３つの位置に用いられる。デバイスを迅速に調整する必要があり、プリズム間の空気が制限因子となる場合、そのデバイスは、真空にした気密パッケージ内に配置することができる。
【００５１】
図２５Ａ、Ｂ、およびＣは、図２のものに類似した３つの位置のデバイス２５０を示すが、図に示されるように４つの直角プリズムを備える。プリズムは、図に示されるように作動して、必要に応じて光を右または左から透過または反射する。有意な損失はフレネル損失のみであり、良好な反射防止コーティングを用いて透過効率を１００％に近づけさせているので、透過効率は９０％台まで高められる。図２５Ａは緑色を透過する間隙が無いものに対応し、図２５Ｂは青色を透過する間隙２５６に対応し、図２５Ｃは赤色を透過する間隙２５８に対応する。
【００５２】
図２６を参照すると、中心軸２６４の周りをガルバノメータまたはサーボモータによって作動する傾斜ミラー２６０が示されている。ミラー２６０の角度変調は、その角度を迅速に調整して、複数色のＬＥＤからの光を順々に結合させるように構成されるが、これは色順序システムに理想的である。ガルバノメータはサブミリ秒の時間的尺度で動作することができ、ＬＥＤ投影システムに適している。
【００５３】
図２７は、回転スキャナ２７０の形態の別の結合の実施形態を示す図である。回転ミラー２７６は、軸２７８の周りを回転して１度に１つの色をアドレスする。この手法には、複数色の光源にも拡大することができ、ＬＥＤ光源を全て同じ面内に配置することができ、熱的な設計を簡素化するという利点もある。
【００５４】
図２８は、ＬＥＤ基板の温度を管理する従来技術の手法の代表例である。ＬＥＤ基板２９０は、ＬＥＤダイ２９８および基質３１０との間に１つ以上の材料層３０４、３０６、３０８、および３１２を有する高導電率の基板３１０を備える。これに対して、図２９にはＬＥＤ基板３２０が示され、レーザアブレーション、機械加工、またはエッチングプロセスを用いて、図３０に示されるように熱的性能が大幅に改善されるように、ＬＥＤダイ３２８を高熱伝導率の基板３３０上に直接取り付けることができる。図３０は、入力電力の関数として、２つの場合の光出力の比較を示す線図である。ケース１は、図２９に示されるように、ダイを基板に直接載置する場合で、ケース２は、厚さ０．００３”の誘電体材料の中間層があり、図２８ほどは不適当ではないがこれに類似する場合である。どちらの場合も、１ワットのＣＲＥＥ  ＸＢ９００ダイを積分球内で測定した。１ワットの公称電力における２つの場合の差異は、無視してよい。しかし、ＬＥＤ投影システムおよびキセノンランプ置換に必要な、より高い電流密度では、その差異は重要である。誘電体の場合は、約３ワットの入力電力での性能にわたって性能を発揮する。しかし、ＬＥＤを直接取り付けた場合は、高い駆動電力で２００％乃至３００％の出力を達成する。これは、投影システムおよびキセノンアークランプ置換システムにとって大きな利益である。
【００５５】
図３１は、標準的な短アークランプと比較して、ＬＥＤを使用することによって達成することができる色域を示す図である。代表的な青色、緑色、および赤色ＬＥＤの測定スペクトルを図３２に示す。ＬＥＤ投影光源内の総ルーメンに対する相対的な寄与は、図３３に示されるように、大部分が、眼の測光反応によって緑色のチャネルに由来する。
【００５６】
図３４は、青色、緑色、および赤色ＬＥＤダイの代表的な熱係数を示す図である。赤色は、青色（最も安定している）または緑色よりも温度に敏感であることが示され、緑色よりもわずかに不安定である。熱的性能における差異、および時間によるルーメンの維持における差異は、３つのＬＥＤチャネルの光出力へフィードバックが必要である。モニタリング光ダイオードは、「チップオンボード」設計のＬＥＤ上に容易に組み込んで、閉ループの輝度調節を提供することができる。
【００５７】
人間の眼は、眼の一時的な反応および非線形の輝度応答の持続性を利用して、より高い輝度の光を知覚することによってだまされる可能性がある。例えば、ある場合では５０％のデューティサイクルで、別の場合では１００％のデューティサイクルを保持して、ほぼ１００Ｈｚの周波数で光源を調整し、どちらの場合も層集積光が同じであった場合、最初の場合では、約３０％輝度が増加したと認知する。この方法は、他のビジュアルシステムベースの製品に効果的に用いられ、また、背面投影のためのアプリケーションを有することができる。これは、従来のランプでは実用的でなかったが、ＬＥＤによって可能となり、容易に調整することができる。
【００５８】
照明光学システムの課題のうちの１つは、変調デバイス（例えば、ＤＭＤ）は、照明システムの軸に対して垂直ではないという事実である。これにより、キーストンおよび焦点深度の問題が生じる。このような影響は、キーストンを打ち消すように、図２の出射口２８を傾斜させることによって減じることができる。他の方法には、傾斜および偏心させたレンズを使用することが挙げられる。これは、ある角度をなす誘電体光パイプが屈折によるビームの偏りをもたらすので、中空の反射体セクションにおいて最良に達成される。
【００５９】
照明システムの断熱化は、動作および輸送時の最高最低温度によっては必要となる場合がある。プラスチックの熱膨張係数に整合させる１つの方法は、ガラス充填物を使用することである。ガラスを充填したレンズおよびレンズハウジングは、プラスチックの熱膨張率を、ＬＥＤ基板の金属基板の熱膨張率に整合させることによって、実現することができる。
【００６０】
本発明の構造および動作の詳細な説明およびその種々の実施形態に基づくことで、当業者には、他の改良を行うことが可能であり、そのような改良も添付の特許請求の範囲内であることが明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】図１は、投影レンズを介してビデオスクリーン上に画像を形成するデジタルマイクロミラーデバイス（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ：ＤＭＤ）のような、デジタル撮像デバイスの面へＬＥＤ光を中継するレンズ系への入力として機能する、３色ＬＥＤ投影光源の概略平面図である。
【図２】図２は、３つの矩形の複合放物面集光器（ｃｏｍｐｏｕｎｄ  ｐａｒａｂｏｌｉｃ  ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ：ＣＰＣ）、導波路Ｘキューブ、および混合パイプをより詳細に示す、図１のＬＥＤ投影光源の拡大概略斜視図である。
【図３】図３は、等出力角で光を提供する、図２の光源で使用される単一の矩形ＣＰＣを示す、概略斜視図である。
【図４】図４は、直線状の場合に関する図２のシステムの光線追跡を示す概略平面図である。
【図５】図５は、直交する場合のうちの１つに関する図２のシステムの光線追跡を示す概略平面図である。
【図６】図６は、放熱板にインターフェースしてパッケージした図２のシステムを示す分解概略斜視図である。
【図７】図７は、中空の矩形ＣＰＣの概略斜視図およびその断面図である。
【図８Ａ】図８Ａは、図３の矩形ＣＰＣの近接場の強度分布を示す三次元線図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、図８Ａの直交軸に沿った強度の変化を示す二次元線図である。
【図９Ａ】図９Ａおよび図９Ｂは、図３のＣＰＣの遠方場の強度分布の二次元等高線図である。
【図９Ｂ】図９Ａおよび図９Ｂは、図３のＣＰＣの遠方場の強度分布の二次元等高線図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、非対称の遠方場を有する矩形ＣＰＣの等角図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、図１０ＡのＣＰＣの矩形の遠方場の等カンデラ図である。
【図１１Ａ】図１１Ａおよび１１Ｂは、全矩形ＣＰＣと、寸法を拡大したランバート源の全角度分布未満を収集する角度シータ対シータの矩形ＣＰＣとを比較した概略斜視図である。
【図１１Ｂ】図１１Ａおよび１１Ｂは、全矩形ＣＰＣと、寸法を拡大したランバート源の全角度分布未満を収集する角度シータ対シータの矩形ＣＰＣとを比較した概略斜視図である。
【図１２】図１２は、図３の矩形ＣＰＣの性能と比較するための、直線先細の集光器を示す図である。
【図１３Ａ】図１３Ａおよび１３Ｂは、図１２の先細の集光器の遠方場の分布を示す図である。
【図１３Ｂ】図１３Ａおよび１３Ｂは、図１２の先細の集光器の遠方場の分布を示す図である。
【図１４】図１４は、図２のＬＥＤ光源として使用することができる、本発明の別の実施形態の概略斜視図である。
【図１５Ａ】図１５Ａおよび１５Ｂは、より多くのＬＥＤ光を抽出するために薄い共形封入材料を備えたＬＥＤダイの概略等角図および断面図である。
【図１５Ｂ】図１５Ａおよび１５Ｂは、より多くのＬＥＤ光を抽出するために薄い共形封入材料を備えたＬＥＤダイの概略等角図および断面図である。
【図１６Ａ】図１６Ａおよび１６Ｂは、矩形の近接場を保持しながら概略円形の遠方場を得るために、２つ以上のＣＰＣ曲線で設計した矩形ＣＰＣを示す概略斜視図である。
【図１６Ｂ】図１６Ａおよび１６Ｂは、矩形の近接場を保持しながら概略円形の遠方場を得るために、２つ以上のＣＰＣ曲線で設計した矩形ＣＰＣを示す概略斜視図である。
【図１７Ａ】図１７Ａは、均一性を改善するために矩形断面セクションの入射を拡大した、図１１ＢのＣＰＣを示す概略斜視図である。
【図１７Ｂ】図１７Ｂは、図１７Ａの拡大ＣＰＣを介した光線追跡を示す図である。
【図１８】図１８は、集光角の関数として、ランバート源の総集積電力の線図である。
【図１９】図１９は、集光角の関数として一定のエタンデュに対する光束発散度の増加、および関連するＬＥＤへの駆動電力の増加を示す線図である。
【図２０】図２０は、白色光を出力するためのＸキューブ結合システムの概略平面図である。
【図２１】図２１は、白色光を出力するためのＸプレート結合システムの概略平面図である。
【図２２】図２２は、白色光を出力するために、ＲＧＢ光源とともに２つの標準２色性ビームスプリッタを使用したビーム結合システムの概略平面図である。
【図２３】図２３は、ＲＧＢＬＥＤ投影光源の透過型回折格子カプラの概略平面図である。
【図２４Ａ】図２４Ａおよび２４Ｂは、２つの独立したビームを結合するための、圧電作動する内部全反射アクティブビームスプリッタを示す概略図である。
【図２４Ｂ】図２４Ａおよび２４Ｂは、２つの独立したビームを結合するための、圧電作動する内部全反射アクティブビームスプリッタを示す概略図である。
【図２５Ａ】図２５Ａ、２５Ｂ、および２５Ｃは、３つの独立したビーム経路（例、赤色、緑色、および青色光）を結合するための、圧電作動する内部全反射アクティブビームスプリッタを示す概略図である。
【図２５Ｂ】図２５Ａ、２５Ｂ、および２５Ｃは、３つの独立したビーム経路（例、赤色、緑色、および青色光）を結合するための、圧電作動する内部全反射アクティブビームスプリッタを示す概略図である。
【図２５Ｃ】図２５Ａ、２５Ｂ、および２５Ｃは、３つの独立したビーム経路（例、赤色、緑色、および青色光）を結合するための、圧電作動する内部全反射アクティブビームスプリッタを示す概略図である。
【図２６】図２６は、２色以上のＬＥＤ光源のビームを色順序結合するための、ガルバノメトリック作動ミラーの概略図である。
【図２７】図２７は、簡略化した冷却ジオメトリに対してＬＥＤを同じ面に位置させることができる、サーボモータ作動のビーム結合システムの概略図である。
【図２８】図２８は、ＬＥＤダイと金属基板との間に１つ以上の層の熱インピーダンス材料を組み込んだ、ＬＥＤパッケージの概略立面図である。
【図２９】図２９は、熱的性能の改善に対して、ＬＥＤダイを金属基板に直接取り付けることができる、ＬＥＤ基板設計の層の概略分解斜視図である。
【図３０】図３０は、ＬＥＤダイを金属基板に直接取り付けることによる利点を示す、ＬＥＤに対する光出力対電気入力の線図である。
【図３１】図３１は、ＮＴＳＣ規格に対するＬＥＤベースの投影システムの色域を示す、１９３１  ＣＩＥの色度図の線図である。
【図３２】図３２は、ＬＥＤ投影システムで使用される青色、緑色、および赤色ＬＥＤダイのスペクトル線図である。
【図３３】図３３は、人間の眼の明所視感度を示す図である。
【図３４】図３４は、青色、緑色、および赤色ＬＥＤダイ間の熱係数に関する差異を示す線図である。
【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８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４Ａ】
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【図２４Ｂ】
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【図２５Ａ】
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【図２５Ｂ】
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【図２５Ｃ】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【国際調査報告】
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