(57)【要約】本発明の実施形態は、独立したＬＥＤに結合するように動作可能な独立した光学デバイスを提供し、該独立した光学デバイスは、独立した光学デバイスが独立したＬＥＤに結合されたときに、独立したＬＥＤからの光を受け取る入射面と、入射面の反対側にあり、かつ、入射面から離れた射出面と、一組の側壁とを備えている。射出面は、独立した光学デバイスから投影された光の所望の半角に対する明るさを保存するために少なくとも必要な最小の面積を有する。さらに、各側壁は、入射面からその側壁への直線状の伝達経路を有する光線の少なくとも大部分が、射出面における臨界角以下の角度で、射出面における入射の角度を有し射出面に反射するように配置され、かつ、形作られる。
2009530798.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
独立したＬＥＤに結合するように動作可能な独立した光学デバイスであって、該独立した光学デバイスは、
該独立した光学デバイスが該独立したＬＥＤに結合されたときに、該独立したＬＥＤからの光を受け取る入射面と、
該入射面の反対側にあり、かつ、該入射面から離れた射出面であって、該射出面は、少なくとも、該独立した光学デバイスから投影された光の所望の半角に対する放射輝度を保存するために必要な最小の面積を有する、射出面と、
一組の側壁であって、各側壁は、該入射面からその側壁への直線状の伝達経路を有する光線の少なくとも大部分が、該射出面における臨界角以下の角度で、該射出面における入射の角度を有し該射出面に反射するように、配置され、かつ、形作られる、一組の側壁と
を備えている、独立した光学デバイス。
【請求項２】
前記射出面は、前記独立した光学デバイスから放射された光の前記所望の半角に対する明るさを保存するために必要な最小の面積を有する、請求項１に記載の独立した光学デバイス。
【請求項３】
前記射出面は、
【数１】
2009530798.tif 000006
に等しい最小面積に少なくとも等しい面積を有し、ここで、Φ１は、前記入射面に入る光束であり、Φ２は、該射出面を出る光束であり、
Ω１は、光が該入射面に入る実効立体角であり、Ω２は、光が該射出面を出て行く実効立体角であり、Ａ１は、該入射面の面積であり、ｎ１は、前記独立した光学デバイスの材料の反射率であり、ｎ２は、該独立した光学デバイスの射出の外側の物質の反射率である、請求項１に記載の独立した光学デバイス。
【請求項４】
前記ＬＥＤは、正方形の形状を有し、光が前記射出面を出て行く前記実効立体角は、該ＬＥＤの該正方形の形状を源泉とするように決定される、請求項３に記載の独立した光学デバイス。
【請求項５】
前記距離は、最小距離の５０％の範囲内にあることにより、前記入射面から前記射出面への直線状の伝達経路を有する全ての光線が、該射出面における前記臨界角以下である入射の角度を有し、該射出面の面積は、
【数２】
2009530798.tif 000007
によって定義される最小面積の５０％の範囲内にあり、ここで、Φ１は、該入射面に入る光束であり、Φ２は、該射出面を出る光束であり、
Ω１は、光が該入射面に入る実効立体角であり、Ω２は、光が該射出面を出て行く実効立体角であり、Ａ１は、該入射面の面積であり、ｎ１は、前記独立した光学デバイスの材料の反射率であり、ｎ２は、該独立した光学デバイスの射出の外側の物質の反射率である、請求項１に記載の独立した光学デバイス。
【請求項６】
前記各側壁は、前記入射面から該側壁への直線状の伝達経路を有する光線の少なくとも８０％が、前記射出面における前記臨界角以下の角度で、該射出面における入射の角度を有し該射出面に反射されるように配置され、かつ形作られる、請求項１に記載の独立した光学デバイス。
【請求項７】
反射された光線のうちの少なくとも８０％が、全反射を介して反射される、請求項６に記載の独立した光学デバイス。
【請求項８】
反射層をさらに備えており、前記各側壁は、光線の少なくとも８０％が、該反射層によって、前記射出面における前記臨界角以下の角度で、該射出面における入射の角度を有し前記射出面に反射されるように配置され、かつ形作られる、請求項６に記載の独立した光学デバイス。
【請求項９】
前記側壁の形状は、所望の強度プロフィールを作り出すように選択される、請求項１に記載の独立した光学デバイス。
【請求項１０】
前記所望の強度プロフィールは、ほぼ均一な強度プロフィールである、請求項８に記載の独立した光学デバイス。
【請求項１１】
前記独立した光学デバイスは、固体の材料の単一の部分で形成される、請求項１に記載の独立した光学デバイス。
【請求項１２】
前記独立した光学デバイスは、前記ＬＥＤの基板の反射率の２０％以内の反射率を有する、請求項１１に記載の独立した光学デバイス。
【請求項１３】
前記入射面と前記射出面とは、前記ＬＥＤと同じ形状とアスペクト比とを有する、請求項１に記載の独立した光学デバイス。
【請求項１４】
前記射出面は、前記入射面と平行であるか、または該入射面に回転するように整列されている、請求項１に記載の独立した光学デバイス。
【請求項１５】
前記入射面は正方形である、請求項１に記載の独立した光学デバイス。
【請求項１６】
前記独立した光学デバイスは、光の実質的に正方形で均一なビームを出力するように構成されている、請求項１に記載の独立した光学デバイス。
【請求項１７】
前記独立した光学デバイスは、放射輝度を保存しながら、前記ＬＥＤからの光をより小さい立体角に導くように構成されている請求項１に記載の独立した光学デバイス。
【請求項１８】
前記独立した光学デバイスは、最大の放射輝度の強度を提供するように構成されている、請求項１７に記載の独立した光学デバイス。
【請求項１９】
前記独立した光学デバイスは、一組の追加の入射面を画定し、該一組の追加の入射面は、少なくとも部分的にはキャビティを画定し、該キャビティに、前記ＬＥＤは、少なくとも部分的には適合する、請求項１に記載の独立した光学デバイス。
【請求項２０】
独立したＬＥＤに結合するように動作可能な独立した光学デバイスであって、該独立した光学デバイスは、
該独立した光学デバイスが該独立したＬＥＤに結合されたときに、該独立したＬＥＤの層からの光を受け取る入射面と、
該入射面の反対側にあり、かつ、該入射面から離れた射出面であって、該射出面は、少なくとも、該独立した光学デバイスから投影された光の所望の半角に対する放射輝度を保存するために必要な最小の面積を有する、射出面と、
一組の側壁であって、各側壁は、該入射面からその側壁への直線状の伝達経路を有する光線の少なくとも一部分が、該射出面における臨界角以下の角度で、該射出面における入射の角度を有し該射出面に反射するように、配置され、かつ形作られ、該各側壁の形状は、複数の外形に合わせられた面の重ね合わせを表す、一組の側壁と
を備えており、
該射出面の面積と、距離と、側壁の形状とは、少なくとも７０％の実効性と所望の強度プロフィールとを有する、１０度と６０度との間の半角を有する光を投影するように選択される、独立した光学デバイス。
【請求項２１】
前記射出面の面積と、距離と、側壁の形状とは、少なくとも９０％の実効性を有する、１０度〜６０度の間の半角を有する光を投影するように選択される、請求項２０に記載の独立した光学デバイス。
【請求項２２】
前記射出面は、
【数３】
2009530798.tif 000008
に等しい最小面積に少なくとも等しい面積を有し、ここで、Φ１は、前記入射面に入る光束であり、Φ２は、該射出面を出る光束であり、
Ω１は、光が該入射面に入る実効立体角であり、Ω２は、光が該射出面を出て行く実効立体角であり、Ａ１は、該入射面の面積であり、ｎ１は、前記独立した光学デバイスの材料の反射率であり、ｎ２は、該独立した光学デバイスの射出の外側の物質の反射率である、請求項２０に記載の独立した光学デバイス。
【請求項２３】
前記ＬＥＤは、正方形の形状を有し、光が前記射出面を出て行く前記実効立体角は、該ＬＥＤの該正方形の形状を源泉とするように決定される、請求項２２に記載の独立した光学デバイス。
【請求項２４】
前記距離は、最小距離の５０％の範囲内にあることにより、前記入射面から前記射出面への直線状の伝達経路を有する全ての光線が、該射出面における前記臨界角以下である入射の角度を有し、該射出面の面積は、
【数４】
2009530798.tif 000009
によって定義される最小面積の５０％の範囲内にあり、ここで、Φ１は、該入射面に入る光束であり、Φ２は、該射出面を出る光束であり、
Ω１は、光が該入射面に入る実効立体角であり、Ω２は、光が該射出面を出て行く実効立体角であり、Ａ１は、該入射面の面積であり、ｎ１は、前記独立した光学デバイスの材料の反射率であり、ｎ２は、該独立した光学デバイスの射出の外側の物質の反射率である、請求項２０に記載の独立した光学デバイス。
【請求項２５】
前記各側壁は、前記入射面から該側壁への直線状の伝達経路を有する光線の少なくとも８０％が、前記射出面における前記臨界角以下の角度で、該射出面における入射の角度を有し該射出面に反射されるように配置され、かつ形作られる、請求項２０に記載の独立した光学デバイス。
【請求項２６】
反射層をさらに備えており、前記各側壁は、光線の少なくとも８０％が、該反射層によって、前記射出面における前記臨界角以下の角度で、該射出面における入射の角度を有し前記射出面に反射されるように配置される、請求項２０に記載の独立した光学デバイス。
【請求項２７】
前記独立した光学デバイスは、固体の材料の単一の部分で形成される、請求項２０に記載の独立した光学デバイス。
【請求項２８】
前記独立した光学デバイスは、前記ＬＥＤ層の反射率の２０％以内の反射率を有する、請求項２７に記載の独立した光学デバイス。
【請求項２９】
前記入射面と前記射出面とは、前記ＬＥＤと同じ形状とアスペクト比とを有する、請求項２０に記載の独立した光学デバイス。
【請求項３０】
前記射出面は、前記入射面と平行であるか、または該入射面に回転するように整列されている、請求項２０に記載の独立した光学デバイス。
【請求項３１】
前記入射面は正方形である、請求項２０に記載の独立した光学デバイス。
【請求項３２】
前記独立した光学デバイスは、一組の追加の入射面を画定し、該一組の追加の入射面は、少なくとも部分的にはキャビティを画定し、該キャビティに、前記ＬＥＤは、少なくとも部分的には適合する、請求項２０に記載の独立した光学デバイス。
【請求項３３】
独立したＬＥＤに結合するように動作可能な独立した光学デバイスであって、該独立した光学デバイスは、
該独立した光学デバイスが該独立したＬＥＤに結合されたときに、該独立したＬＥＤの層からの光を受け取る入射面と、
該入射面の反対側にあり、かつ、該入射面から離れた射出面であって、
該射出面は、
【数５】
2009530798.tif 000010
に等しい最小面積に少なくとも等しい面積を有し、ここで、Φ１は、前記入射面に入る光束であり、Φ２は、該射出面を出る光束であり、
Ω１は、光が該入射面に入る実効立体角であり、Ω２は、光が該射出面を出て行く実効立体角であり、Ａ１は、該入射面の面積であり、ｎ１は、該独立した光学デバイスの材料の反射率であり、ｎ２は、該独立した光学デバイスの射出の外側の物質の反射率であり、該距離は、該入射面から該射出壁への直線状の伝達経路を有する全ての光線が、少なくとも、該射出面における臨界角以下である入射の角度を有するような最小距離になるように選択される、射出面と、
一組の側壁であって、各側壁は、該入射面からその側壁への直線状の伝達経路を有する光線の少なくとも一部分が、該射出面における臨界角以下の角度で、該射出面における入射の角度を有し該射出面に反射するように、配置され、かつ、形作られ、該各側壁の形状は、複数の外形に合わせられた面の重ね合わせを表す、一組の側壁と
を備えており、
該射出面の面積と、距離と、側壁の形状とは、少なくとも６０％の実効性と所望の強度プロフィールとを有する、１０度と６０度との間の半角を有する光を投影するように選択される、独立した光学デバイス。
【請求項３４】
前記射出面の面積と、距離と、側壁の形状とは、少なくとも９０％の実効性を有する、１０度〜６０度の間の半角を有する光を投影するように選択される、請求項３３に記載の独立した光学デバイス。
【請求項３５】
前記射出面の面積は、最大面積の５％の範囲内にあり、前記距離は、最小距離の５％の範囲内にある、請求項３３に記載の独立した光学デバイス。
【請求項３６】
前記ＬＥＤは、正方形の形状を有し、光が前記射出面を出て行く前記実効立体角は、該ＬＥＤの該正方形の形状を源泉とするように決定される、請求項３３に記載の独立した光学デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の引用）
本出願は、Ｄｕｏｎｇらに対する、２００６年１月５日出願の「Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｄｅｖｉｃｅ」と題された米国仮特許出願第６０／７５６，８４５号に対して、３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．１１９（ｅ）に従って優先権の利益を主張しており、該米国特許仮出願は、本明細書において参考として完全に援用されている。
【０００２】
（技術分野）
本発明は、独立した光学デバイスに関する。さらにより詳細には、本発明の実施形態は、独立した発光ダイオード（「ＬＥＤ」）からの光を利用する能力を増強するデバイスおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
発光ダイオード（「ＬＥＤ」）は、電子機器内において至る所に存在する。発光ダイオードは、デジタルディスプレー、照明システム、コンピュータおよびテレビ、セルラー電話、ならびに様々な他のデバイスにおいて使用されている。ＬＥＤにおいて、従来のダイオードにおけるように、余分な電子が、Ｎ型半導体からＰ型半導体における電子正孔へと動く。しかしながら、ＬＥＤにおいては、このプロセスの間に、光子が解放されることにより光を作り出す。多くの用途に関して、ＬＥＤからできるだけ多くの光を収集して、光を所望の円錐角に分布することが望ましい。
【０００４】
多くの従来のＬＥＤデバイスは、ＬＥＤの周りに形成される、ドームの球面レンズまたは非球面レンズを使用する。概して、レンズからドームまでの距離が、放射円錐を制御する。Ｔ−１  ３／４ｍｍ、Ｔ−５ｍｍ、またはそれらの変形が、ドームレンズＬＥＤの例である。しかしながら、この設計は、いくつかの欠点がある。第１に、一般的なドームは、ＬＥＤダイオードのｆ／１の受け入れ角度を収集することができるだけである。従って、この角度を上回って放射された光子は、全反射（ＴＩＲ）によってドームの中に閉じ込められるか、または使用できない角度でドームの縁から放射されるかのいずれかである。次に、光の分布は、チップとドームとの間の配列の精度に非常に依存している。従って、遠い領域の分布と近い領域の分布とが、多くの場合に犠牲にされる。第３に、かなりの不均一性が、近い領域の分布と遠い領域の分布との間に存在する。最後に、分布自体が空間的に均一ではない。
【０００５】
別の従来のスキームは、ＬＥＤの上部により大きなドームを置くことである。この方法は、全てではないにしてもほとんどのエネルギーが出て行くことを可能にするが、実用にはいくつかの顕著な欠点がある。第１に、放射円錐角が一般的に１８０度を上回る。光はもはや閉じ込められないが、エネルギーが、ＬＥＤの元々の角度を上回る角度に放射される。機械筐体などが、より大きな角度において、光をぼかし得、散乱させ得、および吸収し得る。さらに、ほとんどの２次的な光学システムは、ｆ／１の円錐（約３０度以下の半角を有する円錐）を収集するだけであり、光の多くが失われる。第３に、ドームは、ＬＥＤダイオードよりもずっと大きいので、分布は、必要よりもずっと大きな範囲にわたる。これが、光が焦点を合わされたときに、より低い出力密度（または放射照度）に変わる。
【０００６】
別の解決策は、一般的なドームレンズの上にＴＩＲレンズを置くことにより、放射されたエネルギーの全てを集め、エネルギーの全てをより小さな円錐に導くことである。これは、システムに複雑さを加え、より多くの光をより狭い円錐に集める問題に対処するだけである。これらのシステムもまた、光源の明るさを保存し、均一なパターンを作り出し、そして、遠い領域および近い領域の均一性を保存することに対処していない。また、かかるＴＩＲレンズを追加することは、照明パッケージのサイズとコストとを１０倍も増加させ、電子機器およびポータブルデバイスにおけるほとんど全てのＬＥＤの用途にとって、この解決策を実行不能なものとしている。他のシステムは、精密なＴＩＲレンズ、反射集光器、および集光レンズシステムを利用する。ドームからＬＥＤを再画像化する一部の反射システム（例えば、ＬＥＤが１つの焦点となり、画像が他の焦点となる楕円）は、放射輝度を保存するが、これらのシステムは、多くの用途にとって非現実的である。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の実施形態は、独立した光学デバイスと方法とを提供し、該独立した光学デバイスと該方法とは、先行する独立した光学デバイスシステムと方法との欠点を実質的に除去し、または減少させる。本開示の目的に対して、「独立した光学デバイス」は、ＬＥＤとは別々に形成されるが、ＬＥＤの上に適切に成形され得る光学デバイスである。
【０００８】
本発明の一実施形態は、ＬＥＤに結合するように動作可能な独立した光学デバイスを含み、該独立した光学デバイスは、独立した光学デバイスがＬＥＤに結合されたときに、独立した発光ダイオードの層からの光を受け取る入射面と、入射面の反対側にあり、かつ、入射面から離れた射出面とを含む。射出面は、少なくとも、独立した光学デバイスから放射された光の所望の半角に対する放射輝度を保存するために必要な最小の面積を有する。さらに、独立した光学デバイスは、一組の側壁を含み得る。各側壁は、入射面からその側壁への直線状の伝達経路を有する光線の少なくとも大部分が、射出面における臨界角以下の角度で、射出面における入射の角度を有し射出面に反射するように配置され、かつ、形作られ得る。
【０００９】
本発明の別の実施形態は、独立したＬＥＤに結合するように動作可能な独立した光学デバイスを含み、該独立した光学デバイスは、独立した光学デバイスが独立した非円形のＬＥＤに結合されたときに、独立した非円形のＬＥＤの層からの光を受け取る入射面と、入射面の反対側にあり、かつ、入射面から離れた射出面と、一組の側壁とを備えている。一実施形態に従った、射出面は、少なくとも、独立した光学デバイスから放射された光の所望の半角に対する明るさを保存するために必要な最小の面積を有する。さらに、各側壁は、入射面からその側壁への直線状の伝達経路を有する光線の少なくとも一部分が、射出面における臨界角以下の角度で、射出面における入射の角度を有し射出面に反射するように、配置され、かつ、形作られ得る。各側壁の形状は、複数の外形に合わせられた面の重ね合わせを表す。射出面の面積と、距離と、側壁の形状とは、少なくとも６０％の実効性と所望の強度プロフィールとを有する、１０度と６０度との間の半角を有する光を投影するように選択される。
【００１０】
本発明の別の実施形態は、独立したＬＥＤに結合するように構成された独立した光学デバイスを含み、該独立した光学デバイスは、独立した光学デバイスが独立した非円形のＬＥＤに結合されたときに、独立した非円形のＬＥＤの層からの光を受け取る入射面と、入射面の反対側にあり、かつ、入射面から離れた射出面と、一組の側壁とを含む。射出面は、
【００１１】
【数６】
2009530798.tif 000003
によって定義される最小面積に少なくとも等しい面積を有し、ここで、Ω１は、光が入射面に入る実効立体角であり、Ω２は、光が射出面を出て行く実効立体角であり、Ａ１は、入射面の面積であり、ｎ１は、独立した光学デバイスの材料の反射率であり、ｎ２は、独立した光学デバイスの射出の外側の物質の反射率である。入射面と射出面との間の距離は、入射面から射出面への直線状の伝達経路を有する全ての光線が、少なくとも、射出面における臨界角以下である入射の角度を有するような最小距離になるように選択され得る。さらに、各側壁は、入射面からその側壁への直線状の伝達経路を有する光線の少なくとも一部分が、射出面における臨界角以下の角度で、射出面における入射の角度を有し射出面に反射するように、配置され、かつ、形作られ得る。各側壁の形状は、複数の外形に合わせられた面の重ね合わせを表し得る。射出面の面積と、距離と、側壁の形状とは、少なくとも６０％の実効性と所望の強度プロフィールとを有する、１０度と６０度との間の半角を有する光を投影するように選択される。
【００１２】
本発明の実施形態は、明るさを保存しながら、所望の半角と強度プロフィールとを有する光を投影することによって、従来技術を上回る技術的な利点を提供する独立した光学デバイスを提供する。本発明の実施形態は、例えば、６０％〜９６％の実効性を有する、１０度から６０度の半角（または他の半角）の光を提供し得る。実効性は、適切な反射防止コーティングを射出面に用いて、これよりも高くなり得る（１００％に近づく）か、またはこれよりも低くなり得る。
【００１３】
別の利点は、本発明の実施形態に従った独立した光学デバイスは、先行する独立した光学デバイスよりも非常に小さくなり得る（１０倍を超えて小さくなることを含む）ということである。
【００１４】
さらに別の利点は、独立した光学デバイスの密なアレイは、非常に微細な損失を有することなく、または非常に微細な損失を有して形成され得るということである。
【００１５】
本発明の実施形態は、均一またはほぼ均一な強度分布を有する正方形または長方形の出力を提供することによってさらに別の利点を提供する。
【００１６】
本発明の実施形態は、所望の半角を有する光を作り出すための二次的なレンズの必要性を減少させ、または除去することによって別の利点を提供する。
【００１７】
本発明の実施形態は、追加のレンズを用いることなく、所望のアスペクト比を有する光を投影し得る独立した光学デバイスを提供することによってさらに別の利点を提供する。
【００１８】
本発明の実施形態によって提供されるさらに別の利点は、光が、近い領域および／または遠い領域の両方において、所望の形状と強度プロフィールとを有して投影され得るということである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明のより完全な理解と本発明の利点とが、添付の図面と関連して列挙される以下の記述を参照することによって得られ得、図面においては、同様な参照番号は、同様な特徴を示す。
【００２０】
本発明の好適な実施形態が、図面に例示されており、同様な参照番号は、様々な図面の同様な部分および対応する部分を指すために使用されている。
【００２１】
本発明の実施形態は、独立した光学デバイスを提供しており、該独立した光学デバイスは、ＬＥＤに結合されることにより、ＬＥＤからの光を独立した光学デバイスの射出インタフェースに導く。理想的には、ＬＥＤから、独立した光学デバイスに入る全ての光が、射出インタフェースから出るように伝達されるように、独立した光学デバイスは構成される。このために、射出インタフェースは、輝度保存の原理を考慮に入れるようなサイズにされ得る。射出インタフェースは、ＬＥＤから、独立した光学デバイスに入る全ての光が、射出インタフェースを出ることを可能にする最小のサイズであり得、それにより放射輝度を保存する所望を、サイズを減少させる所望と共に兼ね備える。さらに、デバイスの側壁は、反射または全反射（「ＴＩＲ」）が側壁に入射する光ビームを射出インタフェースに向けて反射させ、そして、臨界角以下の角度で射出インタフェースに入射させるような形状にされる。結果として、射出インタフェースにおけるＴＩＲによる光の損失が減少または除去される。固体の誘電性材料で構成されたデバイスに関して、ＴＩＲの使用は、損失のない反射という利点を提供する。その代わりに、デバイスが空気で満たされている場合には、側壁は、いくらかのわずかな損失を導入する反射材料で作られ得る。
【００２２】
理想的には、独立した光学デバイスに入る光の１００％が、射出インタフェースから出るが、本発明の様々な実施形態は、先行技術のＬＥＤの独立した光学システムを超えるかなりの改善を依然と提供しながら、より少ない量の光を射出インタフェースから放射させ得る。さらに詳細には、本発明の実施形態は、ＬＥＤから受け取られた光が、所望の強度プロフィールに関して約５０％〜９６％の実効性（１．５の反射率の誘電性の材料に対するフレネル損失によって約４％の実効性の損失がある）を有する、１０度〜６０度の円錐の半角を有し、射出面から放射されることを可能にする。
【００２３】
図１は、独立したＬＥＤデバイス１０と、ＬＥＤ１５と、支持構造２０とを含む光学システムの一実施形態の概略的表示である。ＬＥＤ１５は、発光部分２５、一般的には、化合物半導体、例えば、ＩｎＧａＮまたはＩｎＧａＰと、基板３０、例えば、サファイア基板、炭化珪素（ＳｉＣ）基板、または従来技術において公知のもしくは開発された他の基板とを含む。図１において、基板３０は、一般的に体現されるように、発光部分２５の上に配置され、別のタイプの設計においては、基板３０は、発光部分２５の下に配置される。ＬＥＤ１５からの光は、主に、放射面３５を通って、独立した光学デバイス１０に伝達される。ＬＥＤ１５は、ワイヤボンド、フリップチップ、または従来技術において公知のまたは開発された他のＬＥＤであり得る。図１は、ＬＥＤ１５の射出面に付着された、独立した光学デバイスを描いている。あるいは、独立した光学デバイスは、基板２０に付着され、ＬＥＤ１５を完全に囲み得る。
【００２４】
ＬＥＤ１５の厚さは、明瞭さの目的で、独立した光学デバイスと比較して、実際のデバイスよりもかなり大きく示されている。
【００２５】
独立した光学デバイス１０は、ＬＥＤ１５から独立して形成され、摩擦嵌め、光学セメント、または機械結合メカニズム、化学結合メカニズム、または他のもののいずれかの他の結合メカニズムを使用して、ＬＥＤ１５または基板２０に結合され得る。独立した光学デバイス１０は、他の材料が使用され得るが、好適には、単一の誘電性の光伝達材料の成形された部分で形成され、該単一の誘電性の光伝達材料の成形された部分は、単一の反射率（「ＩＯＲ」）「ｎ」を有しており、例えば、光学的に透明な珪素またはアクリルである。さらに、独立した光学デバイス１０のＩＯＲは、好適には、基板３０のＩＯＲの２０％の範囲内にある（理想的には、独立した光学デバイス１０のＩＯＲは、基板３０のＩＯＲ以上である）。
【００２６】
独立した光学デバイス１０は、入射面５０を含むことにより、ＬＥＤ１５から伝達された光を受け取る。一実施形態に従うと、入射面５０は、ＬＥＤ１５と同じ形状であり、ＬＥＤ１５の放射面３５の縁の寸法とほぼ同じであるか、またはわずかに大きい縁の寸法を有する。すなわち、入射面５０がＬＥＤ１５よりもわずかに大きいことにより、製造プロセスにおける公差、独立した光学デバイス１０とＬＥＤ１５との配置の誤差、または他の要素の原因となるが、入射面５０の面積は、光を独立した光学デバイス１０に伝達するＬＥＤ１５の面積とほぼ同じサイズである。例として、１ｍｍの正方形のＬＥＤに関して、入射面５０は、各辺において１．０７５ｍｍになるように製造され得る。
【００２７】
独立した光学デバイス１０は、さらに射出面５５を含み、該射出面５５は、好適には、製造プロセスの公差の範囲内で、入射面５０と実質的に同じ形状であり、実質的に平行であり、そして、実質的に回転可能に整列されている。射出面５５の面積は、（時には明るさの保存と呼ばれる）輝度保存の方程式：
【００２８】
【数７】
2009530798.tif 000004
Φ１＝入射面５０に入る光束；
Φ２＝射出面５５を出る光束、明るさの保存に関してはΦ１＝Φ２；
Ω１＝光が入射面５０に入る実効立体角；
Ω２＝光が射出面５５を出て行く実効立体角；
Ａ１＝入射面５０の面積；
Ａ２＝射出面５５の面積；
ｎ１＝独立した光学デバイスの材料の反射率；
ｎ２＝独立した光学デバイス１０の射出の外側の物質（一般的には、空気または他の物質）の反射率；
に従って、所望の半角に対する明るさを保存するように選ばれ得る。
【００２９】
Ａ２は、射出面５５の最小表面積を表し、その結果、明るさが上記の方程式によって保存される。例えば、ＬＥＤ１５が１平方ｍｍのＬＥＤであり、その結果、入射面５０が、約１平方ｍｍであり、ｎ１＝１．５、ｎ２＝１、Ω１＝３、Ω２＝１であるということを想定すると、Ａ２は、放射輝度を保存するためには、少なくとも６．７５ｍｍ２でなければならない。この例においては、実効立体角が与えられているが、所望の半角に対するΩ１およびΩ２を決定する方法が、図６Ａ〜図６Ｅと関連して以下で考察される。
【００３０】
方程式１に従ったＡ２は、放射輝度を保存するために、所与の出力の円錐角または放射の半角に対する可能な最小のサイズとなる。結果として、放射輝度を保存するために、Ａ２は、少なくとも、方程式１から決定されたサイズであるべきであるが、さらに大きくなることもあり得る。例えば、Ａ２は、製造プロセスにおける公差、独立した光学デバイス１０とＬＥＤ１５との配置の誤差、または他の要素を補償するためにわずかに大きくされ得る。
【００３１】
Ａ２が、方程式１によって決定された値よりも大きくされる場合には、光束は保存されるが、（単位面積あたりの光束として定義される）発散度が、最大到達可能値から減少される。
【００３２】
しかしながら、スペースを節約するために、Ａ２ができるだけ小さいことが好ましい。例えば、Ａ２は、好適には、放射輝度を５％の範囲内に保存するために必要とされる最小面積の５％の範囲内となる。一部の光出力（光束）が犠牲にされ得る場合には、Ａ２は、輝度保存によって規定されるサイズよりも小さくなり得る。さらに、面積が上で考察された必要条件に適合する限り、射出面５５の形状は、射出面５０の形状とは異なり得る。
【００３３】
独立した光学デバイス１０の入射面５０と射出面５５との間の距離（距離は垂直方向以外の方向に延伸し得るが、本明細書においては「高さ」と呼ばれる）は、入射面５０から射出面５５に直接的に移動する光線のＴＩＲを減少または最小化させるように選択され得る。光が、臨界角よりも大きい入射の角度で表面に入射したときに、ＴＩＲは生じ、該ＴＩＲは、
ｎ１＊ｓｉｎ（θｃ）＝ｎ２ｓｉｎ（９０）                                  方程式２
によって定義され、ここで、
ｎ１＝独立した光学デバイスのＩＯＲ；
ｎ２＝独立した光学デバイス１０の射出の外側の物質（例えば、空気または他の物質）のＩＯＲ；
θｃ＝臨界角である。
例えば、ｎ１＝１．５、かつ、ｎ２＝１である場合には、θｃ＝４１．８１度である。従って、独立した光学デバイス１０の高さは、射出面５５に入射する光線の臨界角を、射出面５５に対して垂直な角度と臨界角以下の角度との間の範囲に限定するように選択され得る。
【００３４】
簡潔に図２および図３を参照すると、図２は、（点５７からの様々な距離における面５５ａ、面５５ｂ、面５５ｃとして表される）面５５に入射する、点５７から移動する一組の光線の概略的表示である。面５５ａの例において、一部の光線（例えば、光線５６）は、臨界角を上回る角度で面５５ａに入射し、ＴＩＲにより光の損失をもたらす。面５５ｂの例においては、逆に、臨界角または臨界角をやや下回る角度において面５５ｃに入射する一部の光線（例えば、光線５７）は、そうではなくて側壁に入射する。必要に応じて、これらの光線の損失を防ぐことが、側壁設計の複雑さを増加させ得る。さらに、追加の高さが、光学デバイスを収容するために、より多くの場所を必要とする（すなわち、なぜならば、光学デバイスの高さが高くなるからである）。最後に、面５５ｃの場合に、臨界角における光線または臨界角を下回る光線が、面５５に入射し、一方、射出面５５における臨界角を上回る光線は、そうではなくて側壁に入射する。ＴＩＲまたは反射は、以下で考察されるように、側壁に入射する光線を射出面５５に導くために使用され得る。
【００３５】
一実施形態に従って、高さを選択するための限定する光線は、入射面５０から射出面５５まで最も長い直線距離を移動し、かつ、臨界角において射出面５５に入射する光線である。限定する光線として選択され得る２つ以上の光線が存在し得る。正方形または長方形の構成において、これは、入射面５０のコーナーにおいて、独立した光学デバイス１０に入り、射出面５５の対角方向に対向するコーナーまで直線状に移動し、それにより光線が臨界角において射出面５５に入射する光線である。
【００３６】
図３は、独立した光学デバイス１０と、正方形の構成に対する限定する光線５９との上面図の概略的表示を提供する。好適な実施形態において、独立した光学デバイス１０の高さは、射出面５５において入射する光線の臨界角を、射出面５５に対して垂直な角度と臨界角以下の角度との間の範囲に限定するように選択されるが、他の高さが選択され得るとはいえ、他の高さの使用は独立した光学デバイス１０の実効性を減少させる。好適には、入射面と射出面との間の距離は、最小の高さの５％の範囲内にあり、該最小の高さは、入射面から射出面までの直線状の伝達経路を有する全ての光線を、臨界角以下の角度で、射出面における入射の角度にさせる。
【００３７】
図１に戻ると、入射面５０のサイズおよび形状の選択された境界の状態、射出面５５のサイズおよび形状の選択された境界の状態、ならびに入射面５０と射出面５５との間のサイズおよび距離の選択された境界の状態に関して、独立した光学デバイス１０の側壁（例えば、側壁６０、側壁６５および他の側壁）は、所望の強度プロフィールを生成するために、側壁の内側に入射した光を射出面５５に導くような形状にされ得る。ほとんどの用途に対して、所望の強度プロフィールは、均一であるか、または均一に近いが、他の分布プロフィールは、側壁の高さおよび形状を変更することによって達成され得る。均一なランベルトの放射パターンを有する理想的なエミッタの場合、および方程式１による最小の計算された表面積と、射出面における均一な放射強度の分布とを有する光学デバイスに関して、エテンデューの方程式は、射出面における発散度の分布もまた均一であることを必要とするということに留意されたい。均一なものではない発散度のプロフィールが、所望される場合には、出力面の面積は、方程式１を用いて計算された面積よりも大きくなければならない。どのような場合でも、出力面のあらゆる要素の範囲が、光源の放射輝度を上回る放射輝度を有することがない。
【００３８】
概して、側壁に入射する任意の光線が、射出面５５に反射され、臨界角以下の角度で射出面５５に入射するように（すなわち、射出面５５における内部反射による損失がないように）、側壁の形状は決定される。これが、図１において光線７０によって示されており、該光線７０は、側壁６５に対する入射の角度７５を有し、該入射の角度７５は、θｃよりも大きく、それにより光線７０は、射出面５５に反射され、入射の角度８０を有し、該入射の角度８０は、θｃ以下である。好適には、側壁の内面に当たる全ての光線が、射出面５５に対して全反射を経験し、臨界角以下の角度で射出面５５に入射するように、側壁は形作られるが、一部の損失を許容する他の側壁形状もまた使用され得る。
【００３９】
図４Ａは、側壁の形状を決定するための、独立した光学デバイスのモデルの断面図に関する概略的表示である。側壁の形状は、コンピュータ補助の設計を使用して決定され得る。側壁のモデルは、適切な側壁の形状を決定するために走らされる、コンピュータ補助の設計パッケージおよびシミュレーションで作り出され得る。
【００４０】
一実施形態に従って、各側壁は、ｎ個のファセットに分割され得、各ファセットは、平坦な断面である。例えば、側壁１００は、連続的な曲線ではなく、１５個の平坦なファセット１０２ａ〜１０２ｏで作られている。以下で記述されるように、満足なプロフィールが達成されるまで、各ファセットの変数は、反復して調節され得、結果としての分布プロフィールが分析され得る。１５個のファセットの例が使用されたが、各側壁は、３０個以上のファセットを含む任意の数のファセットに分割され得る。
【００４１】
各ファセットが、独立した光学デバイスにおける光線の一定のサブセットを反射することに関して分析され得る。この関心の範囲は、「角度の弦」と定義され得る。ファセットに対する角度の弦は、事前に定められた点から発する光線の角度の点で定義され得る。好適には、選択された点は、ファセットにおいて最も高い入射の角度を光線に与える点である。なぜならば、かかる光線は、ファセットにおいてＴＩＲを経験する可能性が最も少ないからである。例えば、正方形の独立した光学デバイスにおいて、これは、入射面の反対側の縁における点である。
【００４２】
一実施形態に従って、選択されたＡ１、Ａ２、および高さに対して、先に別の側壁によって反射されていない所与の側壁（例えば、側壁１００）に入射する任意の光線の角度９５の最大値が、決定され得る。この例において、点１１５から発する光線１１０は、側壁１００に対して最大角度９５を確立する。角度９５の最大値が４８度であり、側壁１００に対して１５個のファセットが存在する場合には、（角度の付いた弧の均等な分布となる）各ファセットは、角度９５の３．２度の帯に対応する（例えば、第１のファセットは、０度〜３．２度の角度９５を有する、点１１５から発する光線が、入射する範囲であり、第２のファセットは、３．２度〜６．４度の角度９５を有する、点１１５において発する光線が、入射する範囲であるなどである）。
【００４３】
ファセットに入射する全ての光線が、ＴＩＲを経験し、射出面５５に反射され、その結果、全ての光線が臨界角以下の入射の角度で射出面５５に入射するように、各ファセットに対して、射出角、ファセットのサイズ、傾斜角、またはファセットの他のパラメータが設定され得る。好適には、断面図に見られる光線が、一度、側壁に当たるだけであるように、側壁もまた形作られる。しかしながら、断面の平面を外れた、側壁からの三次元反射が存在し得る。完全な３Ｄ解析に関して、角の近くの第１の側壁に当たる光線は、次に、第１の側壁に隣接した第２の側壁に跳ね返り、第２の側壁から射出面に跳ね返り得る。カーブフィットまたは他の数値解析が行われることにより、所望のファセットに最も良く適合する、湾曲された側壁の形状を作り出し得る。例えば、図４Ａにおいて、側壁１０５は、一組の平坦なファセットではなく湾曲されている。
【００４４】
各ファセットに対する変数を最適化するために、シミュレートされた検出器面１２０が確立され得る。検出器面１２０は、ｘ個の検出器を含むことにより、入射出力を個々に記録し得る。独立した光学デバイスを通過する光のシミュレーションが行われ、検出器面１２０によって受け取られたものとして強度分布が解析され得る。強度分布が特定の用途に対して満足ではない場合には、満足な強度プロフィールに到達するまで、ファセットの角度と角度を付けられた弧とが調節され、新たな湾曲面が生成され、そしてシミュレーションが行われ得る。近くの領域のパターンと遠くの領域のパターンとの両方が均一になるということを確実にするように、追加の検出器面が解析され得る。あるいは、湾曲面ではなくファセットを使用してシミュレーションが行われ、所望の強度プロフィールに到達した後に、面の湾曲が決定され得る。さらに別の実施形態において、側壁はファセットを付けられたままであり得、湾曲は生成され得ない。
【００４５】
図４Ｂは、側壁に対するファセットが、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ  Ｅｘｃｅｌ（ＭｉｃｒｏｓｏｆｔとＥｘｃｅｌとは、Ｒｅｄｍｏｎｄ、Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ−ｂａｓｅｄ  Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎの商標である。）のようなコンピュータプログラムを使用して定義され得るということを例示している概略的表示である。Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ  Ｅｘｃｅｌにおけるグラフ作成特徴は、１２５で示された、側壁の形状のグラフを作成するために使用され得る。同じ概略的な形状が、各側壁に対して使用され得るか、または異なる形状が、異なる側壁に対して使用され得る。特定の側壁の形状を有する（または、特定のファセットに基づいた湾曲した側壁の形状を有する）独立した光学デバイスが、例えば、Ｚｅｍａｘ光学設計プログラム（Ｚｅｍａｘは、Ｚｅｍａｘ  Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｂｅｌｌｅｖｕｅ、Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎの商標である）で解析され得る。コンピュータシミュレーションがＺｅｍａｘにおいて行われることにより、光線のトレースと、強度および放射束密度のプロフィールとを生成し得る。結果の強度および放射束密度のプロフィールが不満足な分布を有するか、または独立した光学デバイスの実効性があまりにも低い場合には、様々なファセットの変数が調節され、再びシミュレーションが行われ得る。このプロセスは、ファセットの変数を自動的に調節するコンピュータプログラムの使用によって自動化され得る。
【００４６】
満足な実効性および強度のプロフィールが達成されたときには、独立した光学デバイスは、特定のパラメータを有して形成され得る。かかる独立した光学デバイスの例が、図４Ｃに示されており、図４Ｃは、ＴＩＲをもたらすような形状にされ、その結果、光線が側壁から射出面に反射される側壁を有する独立した光学デバイス１０の一実施形態の概略的表示を提供する。この実施形態において、各側壁の形状は、様々なファセットによって定義されるような多数の外形に合わせられた面の重ね合わせである。カーブフィットが製造の容易さのために行われるが、本発明の他の実施形態は、ファセットを付けられた側壁を維持し得る。
【００４７】
上に記述されたように、様々な境界の状態、特に、射出面５５の面積が、独立した光学デバイスに対して決定され、その結果、明るさが保存される。射出面５５の最小面積が、上記の方程式１から決定され得、該方程式１は、様々な実効立体角に依存する。一般的に、関心の距離が光源のサイズよりもよりも非常に大きいので、ランバーティアンエミッタとして放射するが、点として扱われる光源から導き出された方程式に基づいて、光の実効立体角は決定される。ランバートの光源の観察された放射輝度の強度（光束／ステラジアン）は、光源の垂線に対する角度のコサインによる、光源の垂線に対する角度によって変わる。放射輝度（光束／ステラジアン／ｍ２）は、全方向において同じままであるが、観察された角度が９０度に増加すると、光源の実効面積は、０に減少するので、これが生じる。半球体全体に及ぶこの効果の積分が、πステラジアンに等しい投影された立体角をもたらす。
【００４８】
図５を参照すると、所与の半径（Ｒ）の球体１３０が点光源１３２を囲んでいることを想定している。面積Ａ３は、平坦な円形の面（例えば、面１３６）として計算され得、該平坦な円形の面は、円１３４の半径（Ｒｃ）を使用した、関心のビームの立体角によって範囲を定められ、該辺１３４の半径（Ｒｃ）は、垂直な光線から球形面の交点までの距離である。ビームのθの所与の半角１３７に対して、Ｒｃは、Ｒ（球体の半径）と角度θのサインとの積であり、その結果、
Ｒｃ＝Ｒ＊Ｓｉｎ（θ）                                              ［方程式３］
となる。面積は、
Ａ３＝πＲｃ２＝π（Ｒ＊Ｓｉｎ（θ））２                              ［方程式４Ａ］
と等しい。面積Ａ３は、立体角が球体と交差するときの、立体角の投影された面積である。面積Ａ３は、半球形（Ａｈ＝πＲ２）の投影された面積によって除算され、商は、半球全体の投影された立体角（πに等しい）によって乗算されることにより、投影された立体角Ωを獲得し、その結果、
Ω＝π{所望の立体角の投影された面積}／（半球の投影された面積）    ［方程式４Ｂ］
Ω＝（π）＊［｛π（Ｒ＊Ｓｉｎ（θ））２｝／（πＲ２）］            ［方程式４Ｃ］
＝π＊Ｓｉｎ２（θ）                                              ［方程式５］
となる。
【００４９】
入射面５０に対して、θは、約９０度であり、π＊Ｓｉｎ２（９０）＝πの投影された立体角をもたらし、３０度の所望の半角に対して、投影された立体角は、π＊Ｓｉｎ２（３０）＝π２となる。方程式１に対して、Ω１とΩ２とに対するこれらの値を使用して、Ａ２が３０度の所望の半角に対して決定され得る。
【００５０】
上記の例において、実効立体角が、点光源から導き出された方程式を使用して決定される。これらの方程式は、ＬＥＤ１５が、正方形、長方形、または他の形状であり得るという事実を考慮しない。この方法は、Ａ２の良好な評価を与え得、該評価は、必要である場合には、経験またはコンピュータシミュレーションテストに基づいて、後に調節され得るが、実効立体角を決定する他の方法が使用され得る。
【００５１】
図６Ａ〜図６Ｅは、独立した光学デバイスに対する実効立体角を決定する別の方法を記述しており、該独立した光学デバイスはＬＥＤに取り付けるものであり、該ＬＥＤは、一般的な独立したＬＥＤの正方形のプロフィールをより正確に源泉とする。図６Ａは、（図６Ｂに示された）独立した光学デバイス１６０の入射面１５０および射出面１５５と、光が投影される仮定の標的面１５６との一実施形態の概略的表示である。さらなる考察の目的のために、入射面１５０の中央は、デカルト座標系において０、０、０となるということが想定されている。標的面１５６は、結果としてのパターンのパラメータ（例えば、他の光学機器によって使用されるサイズおよび半角）を表す。一実施形態に従って、（図６Ｂにα１として示されている）対角線における半角が、開始点となる。例えば、標的面１５６における所望の光が、３０度の最大の半角を有する場合には、正方形の面または長方形の面の独立した光学デバイスに対するα１は３０度となる。（β１でラベル付けされ、図６Ｃにおいても示される）独立した光学デバイス１６０の中の半角が、次に、
ｎ２Ｓｉｎ（α１）＝ｎ１Ｓｉｎ（β１）                                  [方程式６]
に従って決定され、ここで、ｎ１は、独立した光学デバイスのＩＯＲである；
ｎ２＝独立した光学デバイスから光が投影される材料（一般的には、空気）のＩＯＲである；
θ１＝ＬＥＤ材料における半角（一般的には９０度）である。
β１は、独立した光学デバイスにおける所望の半角である。
【００５２】
例えば、所望の半角α１が、３０度であり、１．５のＩＯＲを有する独立した光学デバイスが、１のＩＯＲを有する空気の中に投影される場合には、β１＝１９．４７度となる。同様な計算が、入射面１５０の長い側および短い側における点から投影する光に対して行われ得る。例えば、図６Ｂおよび図６Ｃに示されているように、α２とβ２とが、入射面１５０の一端の中央から射出面１５５の反対側の端の中央に移動する光線に対して決定され得る。（臨界角は、同じ１９．４７度であるが、β１は、β２と同じではない。β２は、側面の幾何形状と光学デバイスの高さとによって決定される）。
【００５３】
計算された角度を使用して、実効な点光源１５７の位置が決定され得る。長さｌ１の正方形の入射面１５０に対して、実効な点光源は、Ｘ＝０、Ｙ＝０に位置され、
【００５４】
【数８】
2009530798.tif 000005
となり、ここで、Ｚｅｐｓは、実効な点光源がＬＥＤの発光面から移動させられる距離となる。
【００５５】
Ｘ、ＹおよびＺは、実効な点光源１５７から点Ｆ１までの距離であり、Ｆ２は、
ＸＦ１＝ｃｏｓ（ψ１）ｓｉｎ（β１）                                    ［方程式８］
ＹＦ１＝ｓｉｎ（ψ１）ｓｉｎ（β１）                                    ［方程式９］
ＺＦ１＝ｃｏｓ（β１）                                              ［方程式１０］
ＸＦ２＝ｃｏｓ（ψ２）                                              ［方程式１１］
ＹＦ２＝ｓｉｎ（β２）                                              ［方程式１２］
ＺＦ２＝ｃｏｓ（β２）                                              ［方程式１３］
に従って、Ｆ１が、単一の半径の球体と交差するということを想定して計算され得る。
【００５６】
ここで、ψ１は、Ｘ−Ｙ面における対角線の光線の角度（正方形に対して４５度）であり、図６Ｃに示されているようなＸ軸に平行な側面の中間から投影している光線に対してψ２＝９０度である。先に計算された幾何形状に基づいた同様な方法が、他の点を決定するために使用され得る（例えば、点Ｔ１および点Ｔ２の位置が、点Ｆ１および点Ｆ２の位置と、標的面１５６の所望の半角とに基づいて決定され得る）。
【００５７】
図６Ｄは、対角線の光線と、射出面１５５に対する球面１５９および標的面１５６に対する球面１６１に投影された、短い側からの１つの光線とを例示する。射出面１５５に対して、射出面１５５の面に対する、球体１５９における縁の光線の交差部分の投影は、楕円の部分を形成する。同様に、標的面の縁における分散された射出光線の投影が、球体１６１と交差する。例えば、図６Ｅは、球体１６１と交差する標的面１５６の縁１６３によって形成された面にある光線の円形の交差と、標的面１５６における交差部分の投影とを示す。標的面の正方形を囲む楕円の部分のそれぞれの面積を計算し、それを標的面の面積に加算することによって、本発明者らは、標的面の投影された全面積を見出し得る。実効立体角が、方程式４Ｂを使用して標的面に対して決定され得る。同様に、球体１５９と、光線によって球体１５９上に形成された楕円の部分とを使用することによって、光学デバイスに対する実効立体角が決定され得る。例えば、投影された全面積が、上に記述されたように決定され、方程式４Ｂにおける「所望の立体角の投影された面積」として挿入され得る。
【００５８】
１つの例示的な例として、正方形のＬＥＤに対する３０度の半角の上記の方法として、出力面は、空気中の標的に対して０．５５２ステラジアンの実効立体角をもたらす。対照的に、３０度の半角を有する従来の円形に投影された面積の使用は、０．７８５ステラジアンの実効立体角をもたらす。次に、これらの値が方程式１において使用されるときには、所与のＩＯＲおよび光束に対して、従来の（円形の）計算は、約３０％小振りな、必要とされる射出面積をもたらす。この手法を使用してシステムを設計しなければならない場合、適用可能な物理的特性（輝度保存）は、最適な設計に対して３０％光の出力を減少させる。逆に、上に記述された、補正された実効立体角は、射出面の面積を計算し、該射出面の面積は、円形の計算を用いて達成可能な光の出力よりも４２％以上も多く光の出力を生成する。
【００５９】
独立した光学デバイスに対する実効立体角を決定する特定の方法が、上で記述されたが、当該分野において公知のまたは開発された任意の方法が使用され得る。あるいは、明るさを保存するための最小表面積が経験的に決定され得る。さらに、上記の表面積の計算は、ＬＥＤの発光面の１００％が発光していることを想定しているが、現実のデバイスにおいては、発光面の面積の１００％未満が発光し得、分布は不均一となり得る。射出面の最小面積の計算は、入射面のサイズではなく、ＬＥＤの実際の発光面積によって調節され得る。すなわち、ＬＥＤの実際の発光エリアは、Ａ１として使用され得る。
【００６０】
本発明の実施形態に従った独立した光学デバイスは、（ＬＥＤから受け取られた光の９６％が所望の半角に放射され、４％のフレネル損失を有するということを意味する）９６％までの論理的実効性を有する、１０度〜６０度の所望の円錐角に光を投影し得る。実効性は、フレネル損失がなければ１００％になり得る。たった７０％の実効性においてさえ、本発明の実施形態は、近い領域と遠い領域との両方における、均一またはほぼ均一な強度分布を生成もしながら、他のＬＥＤ技術を上回る実効性を提供する。
【００６１】
本発明の利点は、先行するＬＥＤの解決策と比較したときに、より容易に理解され得る。直線状のカプセル材料（例えば、直線状の垂直な側壁を有する正方形または立方体のカプセル材料）に関して、入射と射出とにおける実効立体角は同じである。独立した光学デバイス材料に対する１．５の反射率と、空気に対する１の反射率を想定すると、光のうちの約６６％が、ＴＩＲによって入射面の反対側の面を出て行かない。結果として、直線状の壁の独立した光学デバイスは、入射面の反対側の面から放射される光の量に関して約４４％の実効性を提供するだけである。さらに、二次的な光学機器が所望の半角に光を形作るために必要とされる。
【００６２】
一般的なＬＥＤにおいて使用されるドームの光学デバイスは、より高い実効性を示すが、それでもやはりＴＩＲによる光の損失が存在し、そして、放射された光は、ほとんどの用途にとっては容易に利用することができない光線パターンで、ドームの表面を全体に分散される。従って、レンズまたは反射器のような二次的な集光メカニズムが、放射された光を使用可能な角度に形作るために必要とされる。
【００６３】
本発明の実施形態によって提供される別の利点は、複数の独立した光学デバイスが、容易にアレイに配置され得、該アレイは、実質的に均一な強度分布において、所望の角度（例えば、ｆ／１の円錐）で光を提供する。図７は、独立した光学デバイス２００のアレイの図の一例を示す。入射面および射出面（例えば、入射面２０５および射出面２１０）のフットプリントとが示されている。独立した光学デバイスのアレイ（および対応するＬＥＤのアレイ）を使用する１つの利点は、アレイ２００を構成する独立した光学デバイスが、同じ組み合わせの射出面の面積と入射面の面積とを有する単一の独立した光学デバイスよりも高さが低くなり得る。結果として、同じ量の光が、容積測定空間全体のより少ない量を使用して同じ半角を用いて伝達され得る。さらに、かかるシステムは、全体的により実効性があり得る。なぜならば、より小さいＬＥＤは、より大きいＬＥＤよりも実効性がある傾向にある（すなわち、より小さいＬＥＤのアレイは、同じ発光面の面積に関して、より大きいＬＥＤよりも実効性があり得る）からである。対応する独立した光学デバイスを有するＬＥＤのアレイは、広い面積または長い直線状の面を照らすように配置され得る。
【００６４】
本発明の実施形態は、様々な用途において使用され得る。１つの可能な用途は、デジタル光処理（「ＤＬＰ」）システムにおけるものである。多くのＤＬＰシステムにおいて、ＤＬＰチップは、１０度の半角と１２度の半角との間のどこかに受け入れ角度を有する。受け入れ角度によって乗算された、チップの面積は、システムのエテンデューを設定する。このエテンデューと適合しない照明システムは、光を浪費する。ＣＰＣを使用した先行するシステムにおいて、複数のＬＥＤのアレイからの光は、ダイクロイックフィルタを介して、集光レンズに導かれ、積分トンネルに導かれ、画像化中継対物レンズに導かれ、そして、円錐に導かれる。積分トンネルは、均一な出力を作り出すために必要とされる。
【００６５】
一方、図８は、本発明の実施形態に従った、（共に３０５として例示された）ＬＥＤと組み合わされた独立した光学デバイスを使用するＤＬＰシステム３００の機能の概略的表示である。それぞれ１２個のＬＥＤ（１２個の緑色ＬＥＤ、１２個の赤色ＬＥＤおよび１２個の青色ＬＥＤ）の３つのアレイを使用するＤＬＰシステムを想定する（ＬＥＤと組み合わされた独立した光学デバイスが概略的に３０５で表されており、簡潔さのために全てが示されているわけではない）。各ＬＥＤは、個々の独立した光学デバイスを有し得る。ＬＥＤを有するＣＰＣではなく、本発明に従った、独立した光学デバイスとＬＥＤ３０５とを使用するＤＬＰシステムに関して、（３１０で表されている）所望のｆ／１の円錐の均一な光が、ダイクロイックフィルタ３１５を介して、画像化中継レンズ３２０に直接的に投影され、次に、特定の受け入れ角度の範囲内でＤＬＰチップ３２５に投影され得る。さらに、投影された光が、輝度を保存しながら、好適なアスペクト比、例えば、４：３を有するように、独立した光学デバイスは形作られ得る。これは、少なくとも２つの利点を有する。第１に、スペースが省かれる。なぜならば、集光レンズと積分トンネルとがもはや必要とされないので、独立した光学デバイス３０５は、概して、ＣＰＣよりも小さく、伝達経路の距離も少なくなるからである。さらに、集光レンズと積分トンネルとによる光の損失が存在しないので、システムの実効性は増加される。
【００６６】
ＤＬＰシステム３００に関して、本発明の様々な実施形態に従った独立した光学デバイスが、独立した光学デバイスの射出面において、または独立した光学デバイスの射出面から離れて、二次的な集光レンズと共に使用され得る。一実施形態に従って、集光レンズが、独立した光学デバイスの射出面から離れているときには、集光レンズの焦点面が、ほぼ独立した光学デバイスの射出面にある。集光レンズは、ＴＩＲおよび／または反射設計のフレネルレンズ、または他の集光レンズであり得る。独立した光学デバイスと集光レンズとの組み合わせが、システムの放射輝度を保存し、非常に少ない量で保存しながら、広い放射立体角（πステラジアン）を有するランバートの光源を取り、ランバートの光源を狭い立体角（約０．１ステラジアン以下）に変換する能力を可能にする。
【００６７】
本発明の実施形態に対する別の可能な用途は、セルラー電話のディスプレイの照明である。本システムは、一般的には、白色光を生成するために蛍光体を充填されたカプセル封入材料を有する３つの側面発光の青色ＬＥＤを使用する。ＬＥＤの側面は、一般的には、不透明であり、生成される光の大きな割合が側壁に吸収される。これが、吸収により失われる光の５０％以上となる。さらに、空気に対するカプセル材料のインタフェースにおける反射率の変化は、射出光線が臨界角度を上回る角度でインタフェースに当たるＴＩＲの状態を作り出す。これが、インタフェースにおける約４４％の損失をもたらす。一方、本発明の様々な実施形態に従った独立した光学デバイスは、生成された光の９５％までを光ガイドに届け得、非常に大きな、システムの明るさの改善をもたらす。
【００６８】
蛍光体、および様々な材料のナノ粒子を含む他の材料（本明細書においては、それぞれを単に「蛍光体」と呼ばれる）が、一般的に、様々な色のＬＥＤと共に使用されることにより、白色光を生成する。様々な実施形態に従って、ＬＥＤはまた、ＬＥＤと独立した光学デバイスとの間を蛍光体層で被覆され得、もしくは蛍光体層は、独立した光学デバイスと次の光学要素、例えば、光ガイドとの間に存在し得、もしくは蛍光体被覆は、独立した光学デバイスの材料の中に埋め込まれ得、または蛍光体層の他の実施形態も同様である。第１の事例において、蛍光体で被覆されたＬＥＤからの全ての光線が、光ガイドに届けられ得る。第２の事例において、ＬＥＤからの全ての光線が、蛍光体層に届けられ得、蛍光体層から後方散乱させられた光線は、再利用され得る。第３の実施形態において、蛍光体から散乱された光は、一方の方向に戻って再利用され、他方の方向に光ガイドまで屈折し戻される。他の実施形態は、蛍光体から散乱された光を捕獲し再利用する同様な機会を与える。
【００６９】
独立した光学デバイスの実施形態に対する別の可能な用途は、セルラー電話のカメラのフラッシュとしての使用である。本システムは、一般的に、ガウスエネルギー分布を有するＬＥＤを使用し、該ＬＥＤは、画像の中央における非常に明るい範囲と、画像の縁における暗い範囲とを生成し、対象の不均一な照明をもたらす。さらに、現在のフラッシュユニットのビームの形状は円形であるが、ＣＣＤカメラによって捕獲された画像は長方形である。さらに、空気に対するカプセル材料のインタフェースにおける反射率の変化は、射出光線が臨界角よりも大きい角度でインタフェースに当たるＴＩＲの状態を作り出す。これは、インタフェースにおける損失をもたらし、該損失は、射出立体角の関数である。一方、本発明の実施形態に従った独立した光学デバイスは、長方形または正方形のフラッシュを届け得、ＬＥＤから、独立した光学デバイスによって受け取られた光の９５％が、均一な分布で画像範囲に提供される。これは、従来のシステムにおいて使用されるように、より均一な場面照明と、同じＬＥＤからのより高いレベルの照明とをもたらす。
【００７０】
本発明の実施形態に従った独立した光学デバイスに対する別の可能な用途は、液晶ディスプレイ（「ＬＣＤ」）の逆光照明に対するものである。従来のＬＣＤシステムは、赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤおよび青色ＬＥＤの線形のアレイを使用する。ＬＥＤからの光は、混合光ガイドに導かれることにより、色および強度の均一性を提供する。一般的に、ＬＥＤは、ＬＥＤの上に置かれるドームを有し、光が楕円反射器によって捕獲されることにより、光を光ガイドに導く。楕円反射器は、点光源に対しては良く働くが、ＬＥＤは、点光源ではなく、光のうちの一部は、光ガイドの内側の焦点に到達しない（光のうちの約２０％が失われる）。さらに、ドームのカプセル材料からの一部の光は、１８０度を超える角度で放射されるので、光のうちの一部（ここでもやはり約２０％）が基板、ＰＣＢ基板、および他のコンポーネントによって吸収される。さらに、ドームは、ドーム内のキャビティのサイズに対して大きいので、光のうちの一定の割合（一般的には約１０％）が、一般的に屈折される。全てのこれらの損失は比較的に小さいが、損失は増加する。従って、ＬＥＤから最初に放射される光のうちの約５７％だけが、実際に光ガイドに到達する。
【００７１】
一方、本発明の実施形態に従った独立した光学デバイスは、所望の円錐角において、ＬＥＤ（例えば、赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤおよび青色ＬＥＤ）から受け取られた光の９６％までを光ガイドに提供し得る（約４％のフレネル損失を想定する）。結果として、低電力のＬＥＤが、現在のシステムにおいて可能であるような同じ結果を達成するために使用され得、またはより多くの光が、同じ電力消費レベルで届けられ得る。実際に、一部の実施形態において、光ガイドは必要とされないことがあり得、独立した光学デバイスを有するＬＥＤのアレイが、ＬＣＤを直接的に逆光照明するために使用され得る。
【００７２】
照明の目的のために（例えば、ＬＣＤまたは他の用途のために）、赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤおよび青色ＬＥＤが、当該分野において公知である白色または他の色のバランス光を生成するために使用され得る。ＬＥＤのアレイ（例えば、１つの赤色ＬＥＤ、１つの青色ＬＥＤ、および２つの緑色ＬＥＤ、または他の組み合わせ）と、対応する独立した光学デバイスとが、照明のために白色または他の色のバランス光を生成するために使用され得る。他の実施形態に従って、単一の独立した光学デバイスは、複数のＬＥＤのアレイに結合されることにより、白色光を生成し得る。例えば、単一の独立した光学デバイスは、１つの赤色ＬＥＤと１つの青色ＬＥＤと２つの緑色ＬＥＤとを有する、密に間隔を空けられたアレイに対して使用され得る。
【００７３】
本発明の様々な実施形態に従った独立した光学デバイスに対する別の可能な使用は、自動車のヘッドライト、懐中電灯、および他のデバイスにおけるものである。独立した光学デバイスの様々なパラメータが、所望の投影の円錐およびビームのプロフィールを提供するように選択され得る。
【００７４】
図９は、独立した光学デバイス４００の別の実施形態の概略的表示であり、図９においては、独立した光学デバイス４００は、ＬＥＤ４０５の側面に下がって延びており、該ＬＥＤ４０５は、独立した光学デバイス４００の下部において定義されたキャビティまたは空の容積に適合する。ＬＥＤの側面の全てまたは一部分に下がって延びる利点は、サファイア／空気のインタフェースにおけるＬＥＤサファイア層４１５におけるＴＩＲにより失われる光線が、ここでは独立した光学デバイス４００に入り得るということである。これらの光線は、上で記述されたように、独立した光学デバイス４００の側壁によって（例えば、ＴＩＲをもたらすように側壁を形作ることによって）、射出インタフェース４２０に反射され得る。ＬＥＤ４０５の側面もまた放射面となるときには、独立した光学デバイス４００のＡ１およびＡ２は、ＬＥＤ４０５の上面に加えて側面を考慮するように計算され得る（すなわち、Ａ１は、入射面４３０、４３５、４４０、および示されていない他の入射面の表面積を含む）。他の実施形態に従って、Ａ１は、単に入射面４３０に対して考慮され、Ａ２のサイズが計算され、次に、入射面４３５、４４０、および他の入射面に入る追加の光の源泉となるようにわずかに調節され得る。
【００７５】
独立した光学デバイス４００は、ポリマまたは他の材料を使用してＬＥＤ４０５に結合され得、ポリマまたは他の材料は、独立した光学デバイス４００と同様または同一なＩＯＲを有する。独立した光学デバイス４００がＬＥＤの上に置かれるときには、ポリマまたは他の材料が、独立した光学デバイス４００とＬＥＤ４０５との間の空隙を完全に満たすように作用し得る。余分な材料が、独立した光学デバイス４００とＬＥＤ４０５との接合部から押し出された場合には、材料は取り除かれ得るが、それでもやはり流体が、独立した光学デバイス４００の光を導く側壁面の形状を保持する。
【００７６】
独立した光学デバイス４００は、実質的にＬＥＤ４０５よりも大きくなり得る。結果として、追加的な支持が、独立した光学デバイスを振動、衝撃、および外部の力から護るために必要とされ得る。従って、（例えば、成形されたプラスチック、金属または他の材料の）機械取り付けデバイス４４３は、射出面４２０または独立した光学デバイス４００の他の部分と接し、支持構造４４５またはＰＣＢ基板に取り付けることにより、独立した光学デバイス４００をＬＥＤ４０５に着座させることを維持するように垂直な面を作成し得る。取り付けデバイス４４３と射出面４２０との間の摩擦力、または取り付けデバイス４４３と独立した光学デバイス４００との間の他の力によって、横の動きを防止され得る。好適には、取り付けデバイス４４３は、独立した光学デバイス４００と同じＩＯＲを有し、それにより、光線が取り付けデバイス４００を通過するので、独立した光学デバイス４００を出る光線は偏向させられない。一実施形態において、独立した光学デバイス４００と取り付けデバイス４０３とは、単一の部分であり得るが、他の実施形態においては、独立した光学デバイス４００と取り付けデバイス４０３とは、独立した部品であり、異なるＩＯＲを有する。取り付けデバイス４３０と独立した光学デバイス４００とが、独立している場合には、取り付けデバイス４０３と独立した光学デバイス４００とは、よりしっかりとした、より正確なデバイスの配列のために、相互係合配置特徴、例えば、バンプまたはリッジを含み得る。取り付けデバイス４４３は、ボンディングの代わり使用され得、またはボンディングに加えて使用され得る。取り付けデバイス４４３は、レンズ、材料の層、または射出面４２０を出る光が通過する他の面のような面４４６を含み得る。結果として、取り付けデバイスは、さらに、出力ビームを形作り、かつ、さらに画定するように作用し得る。取り付けデバイス４４３は、図９において例示的に示されている（図９は、ＬＥＤ４０５が適合するキャビティを有する独立した光学デバイス４００の一実施形態を示す）が、取り付けデバイス４４３はまた、独立した光学デバイスおよびＬＥＤの他の実施形態と共に使用され得、該他の実施形態は、限定するものではないが、図１に示された実施形態（すなわち、ＬＥＤ１５に直接的に結合されている、平坦な下部の独立した光学デバイス１０）を含む。
【００７７】
一部の場合において、ＬＥＤ４０５から白色光を作成するために蛍光体（または他の材料層）を有することが望ましくなり得る。一実施形態に従って、蛍光体の層は、独立した光学デバイス４００がＬＥＤ４０５の上に置かれる前に、入射面４３０、４３５および４４０に被覆され得る。他の実施形態に従って、蛍光体層が射出面４２０を被覆し得るか、もしくは独立した光学デバイス４００の任意の平面に埋め込まれ得るか、または上に示されたように、蛍光体層が取り付けデバイス４４３の一部分になり得る。さらに別の実施形態に従って、蛍光体層は、独立した光学デバイス４００の外部あり、射出面４２０と蛍光体層との間に空隙を有し得る。この場合、蛍光体層から戻るように散乱された光が独立した光学デバイス４００に再び入り、部分的にまたは完全に再利用されるように、独立した光学デバイス４００の側壁は設計され得る。
【００７８】
他の場合において、蛍光体は、ボンディングポリマであり得る。独立した光学デバイス４００は、入射面４３０から射出面４２０に走る通路４５０を有し得る。独立した光学デバイス４００は、注入される材料の量に対する充分なスペースを有し、ＬＥＤ４０５の上に置かれ得る。この材料、例えば、蛍光体をしみ込ませたポリマが流動通路４５０を通って注入されることにより、独立した光学デバイス４００をＬＥＤ４０５に接合し得る。次に、透明なポリマ、または独立した光学デバイス４００の大部分に使用される材料と同様な材料が、流動通路４５０に注入されることにより、独立した光学デバイス４００を中実にし得る（すなわち、流動通路４５０を満たす）。
【００７９】
上で考察されたように、側壁の内面に入射する光が、ＴＩＲによって射出面に反射されるように、独立した光学デバイス（例えば、独立した光学デバイス１０および独立した光学デバイス４００）の側壁は形作られ得るが、他の実施形態は、反射器による反射に依存し得る。図１０は、ＬＥＤ５０５に結合された独立した光学デバイス５００の一実施形態の概略的表示である。独立した光学デバイス５００は、射出面５２０と入射面５３０とを含む。図１０の例において、独立した光学デバイス５００の側壁（例えば、側壁５４０および側壁５４５）は、反射コーティング５５０を含み、該反射コーティング５５０は、任意の適切な反射材料、例えば、ニッケルまたはアルミニウムで形成され得る。側壁の形状は、側壁に入射する全ての光線またはほとんどの光線を射出面５２０に反射させるための反射コーティング５５０からの反射に依存するように選択され得る。ＴＩＲを使用しては存在しない吸収による一部の損失があり得るが、反射コーティングの使用は、製造の観点からはあまり複雑ではない。さらに、反射面を使用することは、光線を臨界角を上回る角度で側壁に当てる必要性を除去し、側壁の形状の設計をより自由にすることを可能にする。
【００８０】
一部の用途において、重ねられた独立した光学デバイスが使用され得る。図１１は、独立した光学デバイス５６０と独立した光学デバイス５６５とを含む重ねられた独立した光学デバイスの一実施形態の概略的表示である。一実施形態に従って、蛍光体（または先に考察したような他の材料）の層が、独立した光学デバイス５６０の射出面と独立した光学デバイス５６５の入射面との間に配置され得る。蛍光体５７０の層は、例えば、蛍光体を埋め込まれたポリマ材料の層を含み得る。ポリマ材料は、独立した光学デバイス５６０の射出面の縁を越えて延び、取り付けメカニズム（例えば、脚または他のメカニズム）を含み、該取り付けメカニズムは、ＰＣＢ、支持基板または他の基部に取り付け得る。この場合、ポリマ材料の層は、上に記述されたもののような取り付けデバイスの一部分である。他の実施形態において、他のタイプの材料が、独立した光学デバイスの間に配置されるか、または材料は独立したデバイスの間に配置されない。
【００８１】
一実施形態に従って、独立した光学デバイス５６０が、より高いＩＯＲを有し得、独立した光学デバイス５６５が、より低いＩＯＲを有し得るか、またはその逆もあり得る。他の実施形態において、独立した光学デバイス５６５と独立した光学デバイス５６０とが、同じＩＯＲを有し得る。
【００８２】
図１２は、独立した光学デバイス６００の別の実施形態の概略的表示である。独立した光学デバイス６００に関して、高さ（入射面６０５と射出面６１０との間の距離）は、その地点の断面のスキュー角θｓ６１９に応じて変化する。θｓ＝０は、片側の中央から反対側の中央に、独立した光学デバイスを横切って取られた断面に対応する。これが６２０で表されており、一方、４５度のスキュー角が６２２で表されている。一実施形態に従って、（例えば、上に記述されたように決定される）正方形の独立した光学デバイスに対する最大の高さは、θｓ＝４５＋／−ｎ＊９０度を有する断面において生じ、ｎは整数である。言い換えると、最大の高さは、（６２２で表された）対角線で生じる。最小の高さは、θｓ＝０＋／−ｎ＊９０において生じる。可変の高さの独立した光学デバイスの他の実施形態も形成され得る。
【００８３】
独立した光学デバイスは、様々な方法で形成され得る。例えば、側壁とキャビティを画定する端面とを備えている、部分的に仕上げられた独立した光学デバイスのアレイが、（例えば、エッグクレートと同様に見える）連続したアレイに成形され得る。これは、例えば、射出成形によって行われ得る。次に、アレイは、ＬＥＤの対応するアレイの上に置かれ得、キャビティの内側の容積が、誘電性の材料で満たされ得る。アレイの側壁は、任意的に、反射材料で被覆され得る。別の実施形態において、熱可塑性シートの真空形成、（仕上げられた独立した光学デバイスの反射コーティングであり得る）金属シートの絞り型形成、または当該分野において公知のまたは開発された他の適切な方法によって、アレイは形成され得る。ここでもやはり、アレイは、対応するＬＥＤの上に置かれ得、キャビティは、誘電性の材料で満たされることにより、独立した光学デバイスを仕上げ得る。
【００８４】
上の実施形態において、独立した光学デバイスは、ＬＥＤの上ではあるが、ＬＥＤから離れて適切に成形され得る。別の実施形態において、独立した光学デバイスは、従来の成形または他の手法を使用して、ＬＥＤから離れて事前成形され得る。この場合、独立した光学デバイスは、キャビティを含むことにより、ＬＥＤを受け取り得る。上に記述されたように、ＬＥＤと独立した光学デバイスとは、ポリマまたは他の結合剤を使用して結合され得るか、または取り付けデバイスを使用して保持され得るか、または互いに動作する関係で置かれ得る。
【００８５】
本発明は、特定の実施形態を参照して記述されてきたが、実施形態は例示であるということと、本発明の範囲は、これらの実施形態に限定されないということとが理解されるべきである。上に記述された実施形態に対する多くの変形、改変、追加および改善が可能である。例えば、提供される様々な範囲および寸法は、例として提供されており、本発明に従った光学デバイスは、他の範囲および他の寸法の範囲内で動作可能であり得る。これらの変形、改変、追加および改善は、添付の特許請求の範囲に述べられるような本発明の範囲内にあるということが考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】図１は、本発明の実施形態に従った、独立した光学デバイスを含む光学システムの一実施形態の概略的表示である。
【図２】図２は、点から様々な距離で、点から面へ移動する一組の光線の概略的表示である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態に従った、独立した光学デバイスの上面図の概略的表示を提供する。
【図４Ａ】図４Ａは、側壁の形状を決定するための、独立した光学デバイスのモデルの概略的表示である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、側壁に対するファセットが、コンピュータプログラムを使用して画定され得るということを例示している概略的表示である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、ＴＩＲをもたらすような形状にされ、その結果、光線が側壁から射出面に反射される側壁を有する独立した光学デバイスの一実施形態の概略的表示である。
【図５】図５は、実効立体角を評価するための一実施形態の概略的表示である。
【図６Ａ】図６Ａ〜図６Ｅは、実効立体角を評価するための別の実施形態を記述している概略的表示である。
【図６Ｂ】図６Ａ〜図６Ｅは、実効立体角を評価するための別の実施形態を記述している概略的表示である。
【図６Ｃ】図６Ａ〜図６Ｅは、実効立体角を評価するための別の実施形態を記述している概略的表示である。
【図６Ｄ】図６Ａ〜図６Ｅは、実効立体角を評価するための別の実施形態を記述している概略的表示である。
【図６Ｅ】図６Ａ〜図６Ｅは、実効立体角を評価するための別の実施形態を記述している概略的表示である。
【図７】図７は、独立した光学デバイスのアレイの一実施形態の概略的表示である。
【図８】図８は、ＤＬＰシステムの機能の概略的表示である。
【図９】図９は、独立した光学デバイスの別の実施形態の概略的表示である。
【図１０】図１０は、独立した光学デバイスのさらに別の実施形態の概略的表示である。
【図１１】図１１は、積み重ねられた、独立した光学デバイスの一実施形態の概略的表示である。
【図１２】図１２は、独立した光学デバイスのさらに別の実施形態の概略的表示である。
【図１】
2009530798.tif 000011
【図２】
2009530798.tif 000012
【図３】
2009530798.tif 000013
【図４Ａ】
2009530798.tif 000014
【図４Ｂ】
2009530798.tif 000015
【図４Ｃ】
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【図５】
2009530798.tif 000017
【図６Ａ】
2009530798.tif 000018
【図６Ｂ】
2009530798.tif 000019
【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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【図７】
2009530798.tif 000023
【図８】
2009530798.tif 000024
【図９】
2009530798.tif 000025
【図１０】
2009530798.tif 000026
【図１１】
2009530798.tif 000027
【図１２】
2009530798.tif 000028
【手続補正書】
【提出日】平成20年7月18日(2008.7.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
独立したＬＥＤに結合するように動作可能な独立した光学デバイスであって、該独立した光学デバイスは、
該独立した光学デバイスが該独立したＬＥＤに結合されたときに、該独立したＬＥＤからの光を受け取る入射面であって、該独立した光学デバイスは、該入射表面が、該独立した光学デバイスが該ＬＥＤに接続されたときに、該ＬＥＤと接触するように構成されている、入射面と、
該入射面の反対側にあり、かつ、該入射面から離れた射出面であって、該射出面は、少なくとも、該独立した光学デバイスから投影された光の所望の半角に対する放射輝度を保存するために必要な最小の面積を有する、射出面と、
一組の側壁であって、各側壁は、該入射面からその側壁への直線状の伝達経路を有する光線の十分な割合が、全反射を介して、該射出面における臨界角以下の角度で、該射出面における入射の角度を有し該射出面に反射し、該独立した光学デバイスに入射する光のうちの少なくとも７０％が該射出表面を介して抽出されるように、配置され、かつ、形作られる、一組の側壁と
を備えている、独立した光学デバイス。
【請求項２】
前記射出面は、前記独立した光学デバイスから放射された光の前記所望の半角に対する明るさを保存するために必要な最小の面積を有する、請求項１に記載の独立した光学デバイス。
【請求項３】
前記射出面は、
【数１】
2009530798.tif 000029
に等しい最小面積に少なくとも等しい面積を有し、ここで、Φ１は、前記入射面に入る光束であり、Φ２は、該射出面を出る光束であり、
Ω１は、光が該入射面に入る実効立体角であり、Ω２は、光が該射出面を出て行く実効立体角であり、Ａ１は、該入射面の面積であり、ｎ１は、前記独立した光学デバイスの材料の反射率であり、ｎ２は、該独立した光学デバイスの外側の物質の反射率である、請求項１に記載の独立した光学デバイス。
【請求項４】
前記ＬＥＤは、正方形の形状を有し、放射を保存する最小の面積は、該ＬＥＤの正方形の形状の原因である光が前記射出面を出て行く前記実効立体角を用いて選択される、請求項３に記載の独立した光学デバイス。
【請求項５】
前記距離は、最小距離の５０％の範囲内にあることにより、前記入射面から前記射出面への直線状の伝達経路を有する全ての光線が、該射出面における前記臨界角以下である入射の角度を有し、該射出面の面積は、
【数２】
2009530798.tif 000030
によって定義される最小面積の５０％の範囲内にあり、ここで、Φ１は、該入射面に入る光束であり、Φ２は、該射出面を出る光束であり、
Ω１は、光が該入射面に入る実効立体角であり、Ω２は、光が該射出面を出て行く実効立体角であり、Ａ１は、該入射面の面積であり、ｎ１は、前記独立した光学デバイスの材料の反射率であり、ｎ２は、該独立した光学デバイスの外側の物質の反射率である、請求項１に記載の独立した光学デバイス。
【請求項６】
前記各側壁は、前記入射面から該側壁への直線状の伝達経路を有する光線の少なくとも８０％が、前記射出面における前記臨界角以下の角度で、該射出面における入射の角度を有し該射出面に反射されるように配置され、かつ形作られる、請求項１に記載の独立した光学デバイス。
【請求項７】
反射された光線のうちの少なくとも８０％が、全反射を介して反射される、請求項６に記載の独立した光学デバイス。
【請求項８】
反射層をさらに備えており、前記各側壁は、光線の少なくとも８０％が、該反射層によって、前記射出面における前記臨界角以下の角度で、該射出面における入射の角度を有し前記射出面に反射されるように配置され、かつ形作られる、請求項６に記載の独立した光学デバイス。
【請求項９】
前記側壁の形状は、所望の強度プロフィールを作り出すように選択される、請求項１に記載の独立した光学デバイス。
【請求項１０】
前記所望の強度プロフィールは、ほぼ均一な強度プロフィールである、請求項８に記載の独立した光学デバイス。
【請求項１１】
前記独立した光学デバイスは、固体の材料の単一の部分で形成される、請求項１に記載の独立した光学デバイス。
【請求項１２】
前記独立した光学デバイスは、約１．３の反射率から前記ＬＥＤの放出層の反射率までを有する、請求項１１に記載の独立した光学デバイス。
【請求項１３】
前記入射面と前記射出面とは、前記ＬＥＤと同じ形状とアスペクト比とを有する、請求項１に記載の独立した光学デバイス。
【請求項１４】
前記射出面は、前記入射面と平行であるか、または該入射面に回転するように整列されている、請求項１に記載の独立した光学デバイス。
【請求項１５】
前記入射面は正方形である、請求項１に記載の独立した光学デバイス。
【請求項１６】
前記独立した光学デバイスは、光の実質的に正方形で均一なビームを出力するように構成されている、請求項１に記載の独立した光学デバイス。
【請求項１７】
前記独立した光学デバイスは、放射輝度を保存しながら、前記ＬＥＤからの光をより小さい立体角に導くように構成されている請求項１に記載の独立した光学デバイス。
【請求項１８】
前記独立した光学デバイスは、最大の放射輝度の強度を提供するように構成されている、請求項１７に記載の独立した光学デバイス。
【請求項１９】
前記独立した光学デバイスは、一組の追加の入射面を画定し、該一組の追加の入射面は、少なくとも部分的にはキャビティを画定し、該キャビティに、前記ＬＥＤは、少なくとも部分的には適合する、請求項１に記載の独立した光学デバイス。
【請求項２０】
独立したＬＥＤに結合するように動作可能な独立した光学デバイスであって、該独立した光学デバイスは、
該独立した光学デバイスが該独立したＬＥＤに結合されたときに、該独立したＬＥＤの層からの光を受け取る入射面と、
該入射面の反対側にあり、かつ、該入射面から離れた射出面であって、該射出面は、少なくとも、該独立した光学デバイスから投影された光の所望の半角に対する放射輝度を保存するために必要な最小の面積を有する、射出面と、
一組の側壁であって、各側壁は、該入射面からその側壁への直線状の伝達経路を有する光線の十分な割合が、該射出面における臨界角以下の角度で、該射出面における入射の角度を有し該射出面に反射し、該独立した光学デバイスに入射する光のうちの少なくとも７０％が該射出面を介して抽出されるように、配置され、かつ形作られ、該各側壁の形状は、複数の外形に合わせられた面の重ね合わせを表す、一組の側壁と
を備えており、
該射出面の面積と、距離と、側壁の形状とは、少なくとも７０％の実効性と所望の強度プロフィールとを有する、１０度と６０度との間の半角を有する光を投影するように選択される、独立した光学デバイス。
【請求項２１】
前記射出面の面積と、距離と、側壁の形状とは、少なくとも９０％の実効性を有する、１０度〜６０度の間の半角を有する光を投影するように選択される、請求項２０に記載の独立した光学デバイス。
【請求項２２】
前記射出面は、
【数３】
2009530798.tif 000031
に等しい最小面積に少なくとも等しい面積を有し、ここで、Φ１は、前記入射面に入る光束であり、Φ２は、該射出面を出る光束であり、
Ω１は、光が該入射面に入る実効立体角であり、Ω２は、光が該射出面を出て行く実効立体角であり、Ａ１は、該入射面の面積であり、ｎ１は、前記独立した光学デバイスの材料の反射率であり、ｎ２は、該独立した光学デバイスの外側の物質の反射率である、請求項２０に記載の独立した光学デバイス。
【請求項２３】
前記ＬＥＤは、正方形の形状を有し、放射を保存する最小の面積は、該ＬＥＤの正方形の形状の原因である光が前記射出面を出て行く前記実効立体角を用いて選択される、請求項２２に記載の独立した光学デバイス。
【請求項２４】
前記距離は、最小距離の５０％の範囲内にあることにより、前記入射面から前記射出面への直線状の伝達経路を有する全ての光線が、該射出面における前記臨界角以下である入射の角度を有し、該射出面の面積は、
【数４】
2009530798.tif 000032
によって定義される最小面積の５０％の範囲内にあり、ここで、Φ１は、該入射面に入る光束であり、Φ２は、該射出面を出る光束であり、
Ω１は、光が該入射面に入る実効立体角であり、Ω２は、光が該射出面を出て行く実効立体角であり、Ａ１は、該入射面の面積であり、ｎ１は、前記独立した光学デバイスの材料の反射率であり、ｎ２は、該独立した光学デバイスの外側の物質の反射率である、請求項２０に記載の独立した光学デバイス。
【請求項２５】
前記各側壁は、前記入射面から該側壁への直線状の伝達経路を有する光線の少なくとも８０％が、前記射出面における前記臨界角以下の角度で、該射出面における入射の角度を有し該射出面に反射されるように配置され、かつ形作られる、請求項２０に記載の独立した光学デバイス。
【請求項２６】
反射層をさらに備えており、前記各側壁は、該側壁において反射された光線の一部分が、該反射層によって、前記射出面における前記臨界角以下の角度で、該射出面における入射の角度を有し前記射出面に反射されるように配置される、請求項２０に記載の独立した光学デバイス。
【請求項２７】
前記独立した光学デバイスは、固体の材料の単一の部分で形成される、請求項２０に記載の独立した光学デバイス。
【請求項２８】
前記独立した光学デバイスは、約１．３の反射率から前記ＬＥＤ層の放出層の反射率までを有する、請求項２７に記載の独立した光学デバイス。
【請求項２９】
前記入射面と前記射出面とは、前記ＬＥＤと同じ形状とアスペクト比とを有する、請求項２０に記載の独立した光学デバイス。
【請求項３０】
前記射出面は、前記入射面と平行であるか、または該入射面に回転するように整列されている、請求項２０に記載の独立した光学デバイス。
【請求項３１】
前記入射面は正方形である、請求項２０に記載の独立した光学デバイス。
【請求項３２】
前記独立した光学デバイスは、一組の追加の入射面を画定し、該一組の追加の入射面は、少なくとも部分的にはキャビティを画定し、該キャビティに、前記ＬＥＤは、少なくとも部分的には適合する、請求項２０に記載の独立した光学デバイス。
【請求項３３】
独立したＬＥＤに結合するように動作可能な独立した光学デバイスであって、該独立した光学デバイスは、
該独立した光学デバイスが該独立したＬＥＤに結合されたときに、該独立したＬＥＤの層からの光を受け取る入射面と、
該入射面の反対側にあり、かつ、該入射面から離れた射出面であって、
該射出面は、
【数５】
2009530798.tif 000033
に等しい最小面積に少なくとも等しい面積を有し、ここで、Φ１は、前記入射面に入る光束であり、Φ２は、該射出面を出る光束であり、
Ω１は、光が該入射面に入る実効立体角であり、Ω２は、光が該射出面を出て行く実効立体角であり、Ａ１は、該入射面の面積であり、ｎ１は、該独立した光学デバイスの材料の反射率であり、ｎ２は、該独立した光学デバイスの外側の物質の反射率であり、該距離は、該入射面から該射出壁への直線状の伝達経路を有する全ての光線が、少なくとも、該射出面における臨界角以下である入射の角度を有するような最小距離になるように選択される、射出面と、
一組の側壁であって、各側壁は、該入射面からその側壁への直線状の伝達経路を有する光線の少なくとも一部分が、該射出面における臨界角以下の角度で、該射出面における入射の角度を有し全反射を介して該射出面に反射するように、配置され、かつ、形作られ、該各側壁の形状は、複数の外形に合わせられた面の重ね合わせを表す、一組の側壁と
を備えており、
該射出面の面積と、距離と、側壁の形状とは、少なくとも６０％の実効性と所望の強度プロフィールとを有する、１０度と６０度との間の半角を有する光を投影するように選択される、独立した光学デバイス。
【請求項３４】
前記射出面の面積と、距離と、側壁の形状とは、少なくとも９０％の実効性を有する、１０度〜６０度の間の半角を有する光を投影するように選択される、請求項３３に記載の独立した光学デバイス。
【請求項３５】
前記射出面の面積は、最小面積の５％の範囲内にあり、前記距離は、最小距離の５％の範囲内にある、請求項３３に記載の独立した光学デバイス。
【請求項３６】
前記ＬＥＤは、正方形の形状を有し、放射を保存する最小の面積は、該ＬＥＤの正方形の形状の原因である光が前記射出面を出て行く前記実効立体角を用いて選択される、請求項３３に記載の独立した光学デバイス。
【国際調査報告】
2009530798.tif 000034