(57)【要約】  光源は、ＬＥＤ発光体と、ＬＥＤ発光体が中に配置されている中空キャビティを有するメニスカスレンズとを含む。メニスカスレンズは、代表的な実施形態にあるように超半球状であり、ＬＥＤ発光体の高質な光学像を生成する。レンズのキャビティは、地表大気、不活性ガス、又は減圧等の空気で充填されている。
2009545894.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＬＥＤ発光体と、
中空キャビティを有するメニスカスレンズとを備え、
前記ＬＥＤ発光体は、前記キャビティ内に配置されている光源。
【請求項２】
前記メニスカスレンズは超半球状である、請求項１に記載の光源。
【請求項３】
前記メニスカスレンズは、わずかな歪みしかない前記ＬＥＤ発光体の虚像を供給する、請求項２に記載の光源。
【請求項４】
前記メニスカスレンズは、屈折率が少なくとも１．８である材料からなる、請求項２に記載の光源。
【請求項５】
前記屈折率が少なくとも１．９である、請求項４に記載の光源。
【請求項６】
前記キャビティは、地表大気、不活性ガス、減圧からなる群から選択された媒体で充填される、請求項２に記載の光源。
【請求項７】
前記ＬＥＤ発光体が搭載された基板を更に含み、前記キャビティが密閉されるように前記メニスカスレンズが前記基板に接合されている、請求項２に記載の光源。
【請求項８】
前記ＬＥＤ発光体は、その発光面上に光取り出し構造体を含む、請求項２に記載の光源。
【請求項９】
前記光取り出し構造体は、フォトニック結晶構造体又はワイヤグリッド取り出し構成要素を含む、請求項８に記載の光源。
【請求項１０】
前記メニスカスレンズは、屈折率が少なくとも１．８である材料からなる、請求項１に記載の光源。
【請求項１１】
前記屈折率が少なくとも１．９である、請求項１０に記載の光源。
【請求項１２】
前記キャビティは、地表大気、不活性ガス、減圧からなる群から選択された媒体で充填される、請求項１に記載の光源。
【請求項１３】
前記ＬＥＤ発光体が搭載された基板を更に含み、前記キャビティが密閉されるように前記メニスカスレンズが前記基板に接合されている、請求項１に記載の光源。
【請求項１４】
前記ＬＥＤ発光体は、その発光面上に光取り出し構造体を含む、請求項１に記載の光源。
【請求項１５】
前記光取り出し構造体は、フォトニック結晶構造体又はワイヤグリッド取り出し構成要素を含む、請求項１４に記載の光源。
【請求項１６】
前記メニスカスレンズを通して前記ＬＥＤ発光体から光を受けるように位置決めされたコリメートレンズと、
前記コリメートレンズを通して前記ＬＥＤ発光体から光を受けるように位置決めされた反射偏光子であって、第１偏光を有するコリメート光を透過し、光再利用のために前記ＬＥＤ発光体に向かって第２偏光を有する光を反射する反射偏光子とを更に備える、請求項１に記載の光源。
【請求項１７】
前記コリメートレンズと前記反射偏光子との間に位置する４分の１波長板を更に備える、請求項１６に記載の光源。
【請求項１８】
光ビームを供給する光エンジンであって、ＬＥＤ発光体及び中空キャビティを有するメニスカスレンズを含み、前記ＬＥＤ発光体は前記キャビティ内に配置されている光エンジンと、
画像データを受け、前記光ビームの成分を少なくとも受けて、画像を供給する画像形成装置と、
画像を受け、画像投射ビームを供給する投射レンズアセンブリとを備えるプロジェクタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、その内容をすべて参照によりここに組み込む２００６年７月３１日に出願の米国特許仮出願第６０／８２０８８７に基づき、その利益を主張する。
【０００２】
本出願と同日付けで出願され、同一譲受人に譲渡された「ＬＥＤモザイク（LED Mosaic）」と題する米国特許出願（代理人整理番号６２３７０ＵＳ００６）、２００５年１２月３０日に出願された「合成封入レンズを備えるＬＥＤ（LED With Compound Encapsulant Lens）」と題する米国特許公開第２００７／０１５２２３１号として公開された米国特許出願第１１／３２２，８０１号、本出願と同日付けで出願された「光学投射サブシステム（Optical Projection Subsystem）」と題する米国特許出願（代理人整理番号６３２８１ＵＳ００２）、２００７年７月２日に出願された「偏光再利用を伴うＬＥＤ照明システム（LED Illumination System With Polarization Recycling）」と題する米国特許出願第１１／７７２，６０９号、本出願と同日付けで出願された「カメラ／プロジェクタ複合システム（Combination Camera/Projector System）」と題する米国特許出願（代理人整理番号６２３６９ＵＳ００６）、本出願と同日付けで出願された「統合光源モジュール（Integrating Light Source Module）」と題する米国特許出願（代理人整理番号６２３８２ＵＳ００８）、並びに「高輝度ＬＥＤパッケージ（High Brightness LED Package）」と題した米国特許出願公開第２００６／００９１４１１号（オウデルカーク（Ouderkirk et al.）ら）、「合成光学素子を備える高輝度ＬＥＤパッケージ（High Brightness LED Package With Compound Optical Element(s)）」と題した同第２００６／００９１７９８号（オウデルカークら）、及び「複合光学素子を備える高輝度ＬＥＤパッケージ（High Brightness LED Package With Multiple Optical Elements）」と題した同第２００６／００９２５３２号（オウデルカークら）を参照する。
【背景技術】
【０００３】
発光ダイオード（ＬＥＤ）が光源の望ましい選択肢である理由の１つは、比較的に小型、低電力／電流必要量、高速な応答時間、長寿命、強固なパッケージ、種々の利用可能な出力波長、及び現代の回路構成との適合性である。これらの特徴があるために、それらが過去数十年にわたって、多数の異なる最終用途の応用例において広範囲に用いられてきたことを説明することは容易であろう。ＬＥＤに対する相次ぐ改良が、効率、明るさ、及び出力波長の領域においてなされ、潜在的な最終用途の応用例の範囲を更に拡げている。
【０００４】
ＬＥＤ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ことが可能である。いくつかのパッケージには、ＬＥＤダイを封入する成形された透明樹脂も含まれる。封入樹脂には、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。
【０００５】
上記「合成封入レンズを備えるＬＥＤ（LED With Compound Encapsulant Lens）」と題する米国特許出願第１１／３２２、８０１号は、ＬＥＤ発光体及び少なくとも部分的に発光体を囲むカプセル材を含むＬＥＤ源を開示する。カプセル材は、内部レンズと外部レンズとを含み、内部レンズは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％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。内部レンズは発光体の第１虚像を生成し、外部レンズは第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供給することができる。比較的高い屈折率の内部レンズを用いることは、ＬＥＤダイの屈折率に限りなく近い屈折率を有する媒体内に封入することにより、高い屈折率のＬＥＤダイ及びチップの取り出し効率が上がるという現代の教示と一致する。
【０００６】
上記の説明は、単に一般的背景情報の目的で提供され、請求の範囲に記載される主題の範囲を決定する補助として用いられるものではない。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
光源は、ＬＥＤ発光体と、ＬＥＤ発光体が中に配置されている中空キャビティを有するメニスカスレンズとを含む。メニスカスレンズは、代表的な実施形態にあるように超半球状であり、ＬＥＤ発光体の高質な光学像を生成する。レンズのキャビティは、地表大気、不活性ガス、又は減圧等の空気で充填されている。
【０００８】
本要約は、下記の「発明を実施するための形態」において更に説明される簡略化した形態の概念の選択肢を紹介するために提供されている。本要約は、請求の範囲に記載される主題の重要な特徴又は本質的な特徴を特定するものではなく、請求の範囲に記載される主題の範囲を決定する際の補助として用いられるものでもない。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１Ａ】封入ＬＥＤ光源の概略図。
【図１Ｂ】光取り出し構造体を有する非封入ＬＥＤ光源の概略図。
【図２】中空メニスカス集光レンズを備えるＬＥＤ光源の概略断面図。
【図３】図３のＬＥＤ光源の別の概略断面図。
【図４】追加の光学素子を有する図２及び３の光源。
【図５】追加の光源素子を有する図２、３及び４の光源。
【図６】中空メニスカス集光レンズを有するＬＥＤ光源と合成封入レンズを有するＬＥＤ光源との間の焦点距離の比較表。
【図７Ａ】合成封入レンズを有するＬＥＤ光源の光学的配置の略図。
【図７Ｂ】中空メニスカス集光レンズを有するＬＥＤ光源の光学的配置の略図。
【図８】開示されるＬＥＤ光源を用いた投射システムの概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本出願は、特に、前記米国特許出願第１１／３２２，８０１号のものと同様のＬＥＤ系の光源を開示するが、内部レンズが、およそ１の屈折率を有する空気で置き換えられている。これに関し、「空気」とは、地表大気、任意の不活性ガス、又は更に減圧のことをいう。内部レンズを取り除くことにより、ＬＥＤ発光体は、好ましくは超半球状かつ正メニスカスであるレンズ（前記米国特許出願第１１／３２２，８０１号では外部レンズとも呼ばれる）の中空キャビティ内に配置されている。本明細書においてメニスカスレンズと呼ばれるレンズは、ＬＥＤ発光体より放射される光の完全な半球状（２πステラジアン）を実質的に捕え、略球状の反射面を用いて、わずかな歪みしかない発光体の比較的に高質の（虚）像を生成する。
【００１１】
開示される設計は、高屈折率ＬＥＤダイ又はチップの取り出し効率を上げる唯一の方法が、可能な限り高い、即ちＬＥＤダイの屈折率にできる限り近い屈折率を有する媒体内に封入することである、という現代の教示にいくつかの点で反する。現代の教示を用いるＬＥＤ光源１０の基本的な例は、図１Ａの従来技術にて示される。ＬＥＤ源２０は、金属ヘッダ上に位置するダイ又はチップの形態のＬＥＤ発光体１２を含む。ワイヤ接合１６（簡略化のためにワイヤ接合は１つのみ図示されている）は、ＬＥＤ発光体１２との電気的接続を供給する。封入材料１８、通常シリコーン系ゲルは、ＬＥＤ発光体を封入する。入手可能なシリコーン系ゲルは、約１．５の屈折率を有し、取り出し効率をわずかな比率に制限する。
【００１２】
論じられるように、開示される実施形態は、従来の封入技術から逸脱し、代わりに、ＬＥＤ発光体とメニスカスレンズとの間の界面を用いる。図１Ｂは、ＬＥＤ発光体と光源のメニスカスレンズとの間の当該空気界面２２を有するＬＥＤ光源２０の一部を示す。メニスカスレンズは、他の任意の特徴をよりよく図示することができるように図１Ｂには示されていないが、本明細書に含まれる他の図に示される。いくつかの実施形態において、ＬＥＤダイからの光の結合を促進するために、メニスカスレンズと同様に、１つ以上の取り出し構造体２４がＬＥＤ発光体１２上に形成、又は位置決めされ、それによって、光が中で閉じ込められ無駄になることを防ぐ。例えば、ＬＥＤダイの発光面を粗面化すること、又はそのような放射面上に多数のファセット若しくはサブ波長構造体等の他の構造体を供給することは、カプセル材なしで空気にさらされた場合でも、ＬＥＤダイからの光取り出しを高めるために用いることができる。カプセル材の屈折率が、微細構造体を有するＬＥＤダイの屈折率よりも小さい場合、光取り出し微細構造体を有するカプセル材の使用は、性能に支障を来す可能性がある。他の好適な取り出し構造体２４は、高取り出しフォトニック結晶構造体又はワイヤグリッド取り出し構成要素を含む。更にその他の好適な取り出し構造体には、米国特許出願公開第２００６／００９１４１１号（オウデルカーク（Ouderkirk et al.）ら）「高輝度ＬＥＤパッケージ（High Brightness LED Package）」、同第２００６／００９１７９８号（オウデルカークら）「合成光学素子を備える高輝度ＬＥＤパッケージ（High Brightness LED Package With Compound Optical Element(s)）」及び同第２００６／００９２５３２号（オウデルカークら）「複合光学素子を備える高輝度ＬＥＤパッケージ（High Brightness LED Package With Multiple Optical Elements）」に開示されるようなガラス又はセラミック製の取り出し部材又は取り出しアレイが挙げられる。本明細書で開示される中空収集（メニスカス）レンズ技術を用いることにより、取り出し構造体２４の利用は、それらの構造体の意図する光取り出し機能を妨げることなく可能である。本開示の他の図では取り出しの特徴は示されていないが、本発明で開示される各実施形態は、これらの特徴を必須ではないが所望により包含する、と解釈されるべきである。
【００１３】
本明細書で用いられるように、「発光ダイオード」又は「ＬＥＤ」とは、可視、紫外線、又は赤外線の光を放射するダイオードのことをいう。それは、従来型又は超放射型の種類のものにかかわらず、「ＬＥＤ」として販売されている非干渉性内蔵型又は封入型の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、また時として可視光を放射する場合、短波長光をより長波長可視光に変換するために、蛍光体を含むようにパッケージ化されることができ（又は遠隔配置されている蛍光体を照射することができ）、場合によっては、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、即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以上のＩＩＩ族元素の組み合わせと１以上のＶ族元素の組み合わせから形成される（ＩＩＩ−Ｖ半導体）。好適なＩＩＩ−Ｖ半導体材料の例には、窒化物（窒化ガリウムなど）、及びリン化物（インジウムガリウムリンなど）が挙げられる。周期表の他の族からの無機物質のように、他のタイプのＩＩＩ−Ｖ材料も使用可能である。構成要素又はチップは、デバイスを加圧するための電力の印加に適した電気接点を含むことができる。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、その後、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ダイは、表面実装、チップオンボード、又は他の既知の実装構成に対して構成され得る。パッケージ化されたいくつかのＬＥＤは、ＬＥＤダイ又は関連した反射カップ上にポリマーカプセル材を形成することにより製造される。ＬＥＤダイは、準ランバーシアン放射パターンを有し、ＬＥＤダイ内で発生した光の大半はダイ表面での全内部反射により閉じ込められるか、又はＬＥＤダイのすぐ上のポリマーカプセル材の外に放射される。
【００１４】
ＬＥＤ発光体は、１つのみのＬＥＤダイを有してもよく、又は同色若しくは異なる色を放射する可能性がある複数のダイを有してもよいことに注意されたい。例えば、本出願と同日付けで出願され、同一譲受人に譲渡された「ＬＥＤモザイク」と題する米国特許出願（代理人整理番号６２３７０ＵＳ００６）に記載されているＬＥＤダイ構成を参照されたい。複数のＬＥＤダイが用いられている場合、それらは通常、単一の（しかし、分割された、又は不連続的な）放射領域を画定するために、共通の基板上に互いに接近して搭載される。
【００１５】
ここで図２を参照すると、ＬＥＤ発光体４２を備える光源４０及び発光体を少なくとも部分的に囲むカプセル材４３が示されている。図３は、同一の光源４０を示すが、理解のしやすさのために図２には示されていない追加のパラメータを特定する。ＬＥＤ発光体４２は、ＬＥＤダイ若しくはダイのアレイの発光面、又は、例えば、このようなＬＥＤダイ（単数又は複数）の上に塗布された、若しくはそうでない場合は、このようなＬＥＤダイ（単数又は複数）によって励起された、薄い蛍光体層であることができる。代表的な実施形態において、発光体４２は、図２〜３においてデカルトＸＹＺ座標系のＸ−Ｙ平面に対応する平面に略位置するが、他の配置も可能である。発光体４２は広角の光源であり、いくらかの光は、全内部反射により発光体４２内に閉じ込められ得るが、エアギャップ４４内に現れる光は、通常、０から略９０度の範囲の光源の角度θＳ（図２〜３のｚ軸に対応して、発光体の標準局所表面に対して測定される）に対応する立体角の完全な半球状の半分にわたって分布される。
【００１６】
カプセル材４３が、少なくとも２つの異なる構成要素から形成される、前記米国特許出願第１１／３２２，８０１号の場合とは対照的に、開示される実施形態においては、カプセル材は、発光体４２を覆うエアギャップ４４を形成するメニスカスレンズ４６により形成される。外部レンズ４６は、屈折率ｎ０の媒体（通常空気だが、必ずしもその必要はない）にさらされる湾曲外部表面４６ｂを有する。代表的な実施形態において、メニスカスレンズ４６は、光源の光軸４８の周囲に略回転対称であり、更に、発光体４２は、光軸４８を中心とするが、全ての実施形態においてそうである必要はない。光源４０に関しては、光軸４８はデカルトｚ軸に平行である。
【００１７】
エアギャップ４４及びメニスカスレンズ４６の屈折率（それぞれｎ１及びｎ２）は、ｎ１（略１の値を有する）が、ＬＥＤ発光体４２の比較的高い屈折率からの大幅な減少であり、ｎ２が、ｎ１より大幅に高い（即ち、少なくとも約８０％高い）という点において非従来型である。従って、比率ｎ１／ｎ２は、代表的な実施形態では０．６未満であり、一般的には０．５未満である。
【００１８】
代表的な実施形態において、エアギャップ４４は、メニスカスレンズ４６の内部表面４６ａと、ＬＥＤ発光体４２が搭載され、更にその周辺にレンズ４６が取り付けられた基板５０との間の空間内に含まれるか、又は密閉される。基板５０は略平面のセラミック片、金属片、若しくは他の好適な材料片であるか、又はこれらを含み、また、金属接点、ピン、及び他の従来の構造物などのその他の構成要素を含んでもよい。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が含まれ得る。
【００１９】
代表的な実施形態において、メニスカスレンズ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からなる。通常、このレンズは、少なくとも１．８、及び代表的な実施形態においては約１．９〜２．１又は約２の屈折率ｎ２を有する。代表的材料には、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）が挙げられる。メニスカスレンズ４６は、図２に示される形に成型、又は形作られるか、あるいは、玉形又は球体に作られ、次いで、内部表面４６ａ及び好ましくは基板５０と接触する周辺４６ｃを形成するために機械加工される。
【００２０】
光学的に、屈折率の差及び湾曲面の形により、内部表面４６ａは、発光体４２からの光を収束して発光体の第１虚像ＶＩ１を形成し、外部表面４６ｂは、更に光を収束して第２虚像ＶＩ２を形成する。第１虚像は、ＬＥＤ発光体４２と第２虚像との間に配置されている。図３を参照すると、ＬＥＤ発光体４２の最大面内寸法（即ち、ｘ−ｙ平面に平行の平面において測定された最大側面寸法）、第１虚像ＶＩ１、及び第２虚像ＶＩ２は、それぞれ表示されている寸法ｈ、ｈ１、及びｈ２の２倍である。従って、ｈ２／ｈは、代表的な実施形態において、３〜４の範囲である。更に、代表的な実施例において、寸法が２ｈ２である最終虚像（ＶＩ２）の最大面内寸法は、外部レンズ４６の最大面内寸法と類似する。外部表面４６ｂが中央点Ｃ２を有する曲率半径Ｒ２により正しく特徴付けられる場合、これは、２ｈ２が２Ｒ２、例えば、Ｒ２≦２ｈ２≦４Ｒ２と類似することを意味する。
【００２１】
表面４６ａ及び４６ｂは、球状又は非球状であるが、節約のために、代表的な実施形態においては、第１曲率半径Ｒ１及び中央点Ｃ１（表面４６ａ）並びに第２曲率半径Ｒ２及び中央点Ｃ２（表面４６ｂ）により特徴付けられる略球状である。カプセル材が対称であるならば、中心点Ｃ１及びＣ２は、光軸４８上に配置されている。図３に示される他の重要なパラメータには、Ｓａｇ１と表示されるＬＥＤ発光体４２の上面又は前面から表面４６ａの頂点までの軸方向距離、Ｓａｇ２と表示される虚像ＶＩ１の上面又は前面から外部表面４６ｂの頂点までの軸方向距離、Ｈ１と表示されるＬＥＤ発光体の上面又は前面に関連したワイヤ接合５２の最大限の高さ、ｒ１と表示される、ＬＥＤ発光体の平面における表面４６ａの最大限の面内半値幅又は半径、及びｒ２と表示される、ＬＥＤ発光体の平面におけるメニスカスレンズ４６の表面４６ｂの最大限の面内半値幅又は半径が挙げられる。光源４０の全体的な大きさ又は体積を最小限にするには、ｒ２は、ｒ１にほぼ等しいか又はｒ１よりも若干大きく選択されることができる。
【００２２】
多くの場合、例えば、Ｒ１及びＳａｇ１の慎重な選択によりエアギャップ４４の体積を最小限にすることも望ましい。しかし、エアギャップ４４の体積を最小限にする代わりに、光源４０の光学的特徴を最適にするために、Ｒ１及びＳａｇ１を選択してもよい。例えば、Ｒ１及びＳａｇ１を、カプセル材４３の倍率を最大限にするように選択してもよい。
【００２３】
場合によっては、光源の光学系での球面収差及び／又はコマ収差の量を最小限にするか、又は少なくとも抑制することも望ましい。Ｃ１を光軸４８とＬＥＤ発光体４２との交差点に位置決めし、従ってＳａｇ１≒Ｒ１にすることにより、表面４６ａを無収差に作ることができる（即ち、球面収差又はコマ収差がほとんどない、又は全くない）が、これは一般に、エアギャップ４４の体積を最小限にすることとは相いれず、また、表面４６ａの収束力を減少又は除去する。従って、球面収差及びコマ収差を抑制する、より望ましい方法は、外部表面４６ｂを無収差に設計することであり得る。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）と外部表面４６ｂの頂点との間の距離を次式のように設定することによって、これを実行することができる。
【００２４】
Ｓａｇ２≒Ｒ２＊（（ｎ０＋ｎ２）／ｎ２））        （１）
【００２５】
ｎ２が約２であり、ｎ０が１（空気）である場合、
Ｓａｇ２≒１．５＊Ｒ２        （２）に減少する。
【００２６】
従来の光学設計ソフトウェアでのように、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無収差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は、上記の式（１）に従って設計し、次に虚像ＶＩ１の縁部又はその近傍で、軸外点の球面収差及び／又はコマ収差を最小限にするように最適化することができる。
【００２７】
開示されるコンパクト光源は、種々の光学システムに用いることができ、その１つが図４に示される。図４において、コリメート光サブシステム８０は、上述の光源４０、並びに外部コリメートレンズ８２及び任意の反射偏光子８４を含む。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として描かれているが、所望であれば、いかなる従来型バルク光レンズ又は他の公知のレンズも使用可能である。視準に関しては、メニスカスレンズ４６により形成される最終虚像ＩＭ２がレンズ８２の後部焦点に配置されるように、レンズ８２の焦点距離及び位置が選択される。レンズ８２を出る「コリメート」光８３は、ＬＥＤ発光体４２の拡張特性により、ゼロではない角度の広がりを実際に有することに注意されたい。
【００２８】
コリメート光サブシステム８０は、任意の反射偏光子８４を更に含む。所望に応じて、直線偏光、円形偏光、又は楕円偏光を供給するために、偏光子を使用することができる。吸収偏光子もこの目的に用いることができるが、少なくともある程度の閉鎖偏光状態を直交「通過」状態に変換するための構造又は機構が光源４０内に存在するなら、反射偏光子は、特に、「閉鎖」偏光状態が吸収される又は散在する代わりに鏡面的に反射する場合、効率を向上させ得る。これは、「光再利用」と呼ばれ、多数の異なる手法を用いて行うことができる。
【００２９】
再利用反射偏光子の例は、米国特許第５，８８２，７７４号（ジョンザ（Jonza et al.）ら）に記載されている多層光学偏光フィルムであり、フィルムを構成する交互に重なった層は、フィルムに垂直な方向に沿って、略一致する屈折率を有する（即ち、層の間のΔｎｚは約０であり、ｐ−偏光のフィルム内の任意の所定の界面の反射率は、入射角の関数として略一定である）。
【００３０】
図４の上半分において光線８１及び８３の方向指示を用いて表されるが、反射偏光子８４に入射するコリメート光線８３が、用いられる反射偏光子の種類によって正しい偏光状態のものである場合（例えば、偏光光線８５）は、照射されるいずれかの表示システム又は投射システムに向かって透過し、あるいは所望ではない偏光状態のものである場合はコリメートレンズ８２に向かって後方に反射するのが見られる。図４に示されるいくらかの光線のみが方向指示で表されるが、上記は、ＬＥＤ発光体により生成される全ての光８１に当てはまる。
【００３１】
ＬＥＤ発光体４２に向かって後方に反射した光は、任意の所望の手法を用いて再利用できる。例えば、ＬＥＤ発光体４２は、再利用される光を反射又は再放射し得る蛍光体コーティングを含むことができ、この再利用される光は、反射偏光子８４を通過するために正しい偏光状態を有し得る。
【００３２】
本明細書で記載される光源は、コリメートレンズ、及び偏光出力を１０％超（反射偏光子の代わりに吸収偏光子を用いた同一システムと比較して）増加させるために無反射コーティングが偏光子の両側に塗布された、米国特許第５，８８２，７７４号（ジョンザ（Jonza et al.）ら）に記載されているタイプの共押出多層反射偏光子と組み合わせることが可能である。共押出多層偏光フィルムの製造の代表的な方法は、米国特許出願公開第２００２／０１８０１０７Ａ１号（ジャクソン（Jackson）ら）、同第２００２／０１９０４０６Ａ１号（メリル（Merrill）ら）、同第２００４／００９９９９２Ａ１号（メリルら）、及び同第２００４／００９９９９３Ａ１号（ジャクソンら）に開示されている。更なる代表的な反射偏光子には、３Ｍ社（3M Company）（ミネソタ州セントポール）から入手可能なビキュイティ（Vikuiti）（商標）輝度上昇フィルム（dual brightness enhancement films）（ＤＢＥＦ）が挙げられる。コレステリック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、無反射コーティングを偏光子の片側又は両面に使用することができる。あるいは、偏光子は、レンズ又は板金のような別の光学的構成要素の平滑な、好ましくは平らな面に積層することができるか、又は両側に積層されてこのような２つの光学的構成要素の間に挟まれることができる。
【００３３】
図５は、光源４０を含む別のコリメート光サブシステム９０を示す。コリメート光サブシステム９０は、図４に示されるコリメート光サブシステム８０と同じであり得るが、４分の１波長板（ＱＷＰ）を含む。ＱＷＰは、透過光内で１／４波長位相シフトを作り出す光学遅延フィルム又は構成要素である。これは、直線偏光を円偏光に、及びその反対に変更して、光再利用を補助するのに用いることができる。例えば、ＬＥＤ発光体４２は、最初に反射偏光子８４により反射したいくらかの光が、レンズ４６及び８２に向かって再帰反射するように、反射コーティングを含むことができる。ＱＷＰ９２は、この再帰反射した光が、反射偏光子８４を通過するために正しい偏光状態を有することを確実にすることができる。
【００３４】
開示されてきたように、ＬＥＤ光源の代表的な実施形態は、メニスカスレンズの空気充填されたキャビティの内部にＬＥＤ発光体を搭載する。メニスカスレンズの中空キャビティ内にＬＥＤ発光体を搭載することの利点の１つには、微細構造取り出し面を備えたＬＥＤダイの利用を可能にすることが挙げられる。別の利点には、メニスカスレンズが、ダイの優れた密閉キャビティパッケージを供給できること（例えば、ＬＥＤダイが搭載される基板にレンズが取り付けられている又は接合されているとき）が挙げられる。取り出し部材は、光取り出し効率を低下させる大気中の塵埃、エアロゾル、又は腐食性ガス等の汚染された環境に非常に敏感であり得るため、微細構造取り出し部材又は同様のものがＬＥＤダイの活性領域の上で用いられる場合に、これは特に有益である。やはり汚染された環境に敏感なワイヤグリッド偏光子がＬＥＤダイ上に用いられた場合、同様の利益が実現できる。
【００３５】
代表的な実施形態において、米国特許出願第１１／３２２，８０１号に開示される高屈折率の材料（例えば、屈折率が少なくとも１．８、通常約１．９〜２．１又は約２の材料）で作られたメニスカスレンズは、更に、高倍率を供給し、ランバーシアン光の発散を低減する。米国特許出願第１１／３２２，８０１号の合成封入レンズと比較して、メニスカスレンズ単独で、小型リレー光学系を設計するための同様の多様性を照射撮像装置に供給することができる。
【００３６】
米国特許出願第１１／３２２，８０１号の合成封入レンズと本開示の中空集光レンズの実施形態との主な違いは、後者の屈折力が低いことである。図４に示されるコリメート光サブシステムを参照すると、米国特許出願第１１／３２２，８０１号の合成封入レンズと比較して、外部コリメートレンズ８２（偏光再利用の目的のための代表的な実施形態におけるフレネルレンズである）の後の視準を維持するためには、フレネルレンズの屈折力は、相応して増大されるべきである。両レンズの全出力１／ｆｔｏｔ（メニスカスレンズはｆｍｅｎ、コリメートレンズはｆｃｏｌ）は、以下のように概算することができる。
【００３７】
１／ｆｔｏｔ（およそ）＝（ｎ／ｆｍｅｎ）＋（１／ｆｃｏｌ）    （３）
【００３８】
ここで、ｎはゲルカプセル材では約１．５、又は空気では１．０である。レンズ８２から出る「コリメート」光は、ＬＥＤ発光体４２の拡張特性により、ゼロではない角度の広がりを実際に有することに注意されたい。従来の光学設計ソフトウェアを用いて、両方のケースのレンズ間での出力分配をよりよく理解するために、ｆｔｏｔの厳密な計算が、両方の設計（即ち、米国特許出願第１１／３２２，８０１号の合成封入レンズと本明細書に開示される中空キャビティ設計）に対して実施できる。ここで図６の表を参照する。コリメート光サブシステムの焦点距離ｆｔｏｔは、同じボール半径の（即ち、メニスカスレンズの同じ外部半径）カプセル材（encapsulated）（２．３６ｍｍ）においてよりも空気においてより長い（２．９２ｍｍ）。
【００３９】
図７Ａ及び７Ｂに示される全照射システムは、上述のコリメート光サブシステム、加えて撮像装置に光を導く第２群のレンズを備える。照射システムは（偏光再利用及び／又はアナモルフィックアタッチメントを可能にするために）無限焦点であり、第２群のレンズの焦点距離ｆｆｏｃは、システムの総倍率が不変のままであるように選択された（倍率＝空気中で−４．７）。図７Ａ〜Ｂを参照すると、図７Ａは、米国特許出願第１１／３２２，８０１号の合成封入レンズの照射システムの光学配置を示し、図７Ｂは、中空キャビティメニスカスレンズを用いた類似の照射システム（即ち、他のシステムの内部レンズが空気と置き換えられる）の光学配置を示す。
【００４０】
空気中の非運動性状態を維持するためにメニスカスレンズの厚みをわずかに減少できることを注意されたい。全体の長さ、体積及び結合効率性能が、これら２つの設計で類似することにも注意されたい。
【００４１】
本開示のコンパクト光源を、液晶オンシリコン（liquid crystal-on-silicon、ＬＣＯＳ）パネル又は他の画素化パネルを組み込むもののような投射システムに使用することもできる。代表的な投射システムは、本出願と同日付けで出願され、同一譲受人に譲渡された「光学投射サブシステム（Optical Projection Subsystem）」と題する米国特許出願（代理人整理番号６３２８１ＵＳ００２）に開示される。
【００４２】
例えば、図８は、投射サブシステム２００を示す。投射サブシステム２００は、携帯電話、携帯情報端末（ＰＤＡ）、全地球位置測定システム（ＧＰＳ）受信機等の小型電子システムから静止画像又はビデオ画像を投射することに有用である。投射サブシステム２００は、この投射サブシステム２００を内蔵した小型電子システム（図８には示さず）から電気出力及び画像データを受ける。投射サブシステム２００は、コンピュータビデオを表示するための小型プロジェクタ付属品の構成部品として有用である。投射サブシステム２００は、使用されていないときに、シャツのポケット等、衣服のポケットに入れて持ち運べるほど小さいシステムに有用である。投射サブシステム２００により投射された画像は、再帰反射投影スクリーン、淡色の塗装壁、ホワイトボード若しくは紙のシート、又は他の既知の投影面に投影されることができる。投射サブシステム２００は、ポータブルコンピュータ又は携帯電話に内蔵されることができる。
【００４３】
投射サブシステム２００は、開示される実施形態８０、９０等のコリメート光サブシステムであり得るコリメート光サブシステム２０２を備える。コリメート光サブシステム２０２は、光ビーム２０４を供給する。光エンジンは、集光レンズ２０６（例えば、メニスカスレンズ４６の形態）、コリメータ２０８及び固体発光体２１０を含む。一態様によると、集光レンズ２０６は、超半球状ボールレンズを備える。
【００４４】
固体発光体２１０は、ある電気出力レベルを有する電気出力２１２を受ける。固体発光体２１０は、放熱板２１４に熱結合する。固体発光体は、ある発光体光束レベルを有する発光体光ビームを供給する。一態様によると、光ビーム２０４は、非干渉性光を含む。別の態様によると、光ビーム２０４は、固体発光体２１０の部分的に集束した像である照射を含む。更に別の態様によると、固体発光体２１０は、１つ以上の発光ダイオード（ＬＥＤ）を備える。別の態様によると、集光レンズ２０６は、半球状ボールレンズを備える。別の態様によると、コリメータ２０８は、第１非平行ビームを受けるための第１非ファセット面と、平行ビームを放射するための第１ファセット面とを有する第１フレネルレンズ、並びに平行ビームを略直接受けるための第２非ファセット面と、出力ビームを放射するための第２ファセット面とを有する第２フレネルレンズを備える集束ユニットを含む。別の態様によると、固体発光体２１０は、本出願と同日付けで出願された「ＬＥＤモザイク（LED Mosaic）」と題する米国特許出願（代理人整理番号６２３７０ＵＳ００６）に示されるように配置することができる。別の態様によると、コリメート光サブシステム２０２は、本出願と同日付けで出願された「統合光源モジュール（Integrating Light Source Module）」と題する米国特許出願（代理人整理番号６２３８２ＵＳ００８）に示されるように配置することができる。
【００４５】
投射サブシステム２００は、屈折体２２０を備える。屈折体２２０は、光ビーム２０４を受ける。屈折体２２０は、偏光ビーム２２２を供給する。屈折体２２０は、内部偏光フィルター２２４を備える。光ビーム２０４の１つの偏光成分は内部偏光フィルター２２４に反射して、偏光ビーム２２２を形成する。一態様によると、屈折体は、米国特許公開第２００７／００２３９４１Ａ１号（ダンカン（Duncan）ら）、同第２００７／００２４９８１Ａ１号（ダンカンら）、同第２００７／００８５９７３Ａ１号（ダンカンら）、及び同第２００７／００３０４５６号（ダンカンら）の１つ以上の態様に従って形成又は用いられる。
【００４６】
屈折体２２０は、第１外部レンズ面２２６及び第２外部レンズ面２２８を備える。一態様によると、外部レンズ面２２６及び２２８は、湾曲レンズ面を有し、またゼロではないレンズの度を有する。別の態様によると、外部レンズ面２２６及び２２８は、平らである。一態様によると、屈折体２２０は、内部偏光フィルター２２４の両側にプラスチック樹脂材料体２３０及び２３２を備える。別の態様によると、内部偏光フィルター２２４は、多層光学フィルムを備える。別の態様によると、屈折体２２０は、レンズだけでなく偏光ビームスプリッタとしても機能する多機能光学構成要素を備える。多機能屈折体内で偏光ビームスプリッタ及びレンズの機能を組み合わせることにより、そうでなければ別個のビームスプリッタとレンズとの間の空気界面で起こるであろう損失が回避される。
【００４７】
投射サブシステム２００は、画像形成装置２３６を備える。画像形成装置２３６は、電気入力バス２３８において画像データを受ける。画像形成装置２３６は、偏光ビーム２２２を受ける。画像形成装置２３６は、選択的に、画像データに従って偏光ビーム２２２を反射する。画像形成装置２３６は、偏光ビーム２２２の偏光に関連して回転する偏光を有する画像２４０を供給する。画像形成装置２３６は、屈折体２２０に画像２４０を供給する。画像２４０は、内部偏光フィルター２２４を通過する。一態様によると、画像形成装置２３６は、液晶オンシリコン（liquid crystal on silicon、ＬＣＯＳ）素子を備える。
【００４８】
投射サブシステム２００は、投射レンズアセンブリ２５０を備える。投射レンズアセンブリ２５０は、２５２、２５４、２５６、２５８、２６０に概略的に示される複数のレンズを備える。投射レンズアセンブリ２５０は、屈折体２２０から画像２４０を受ける。投射レンズアセンブリ２５０は、表示に好適な投射光束レベルを有する画像投射ビーム２６２を供給する。
【００４９】
他に指示がない限り、本明細書及び請求項で使用される特性となる大きさ、量、及び物理的特性を表すすべての数字は、「約」という用語によって修飾されていることを理解すべきである。それ故に、別の指示がない限りは、上述の本明細書及び添付の請求項で記載される数字のパラメータは近似値であり、本明細書に開示された教示を使用して当業者が獲得しようとする所望の特性に応じて変化し得る。
【００５０】
本発明の様々な修正及び変更が、本発明の範囲及び趣旨から逸脱することなく当業者に明らかになり、また、本発明が、本明細書に記載された例示的実施形態に限定されないことが理解されるべきである。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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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７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【国際調査報告】
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