(57)【要約】  複数のＬＥＤ出力を、単一の、実質的に均一な出力に、小型の低コストなパッケージで効率的に組み合わせるための光学マニホールド。光学マニホールドは、同じ色の複数のＬＥＤを組み合わせるために使用でき、非常に高い均一性、及び明確な境界線を有する高輝度出力孔を提供するか、又は多波長出力（例えば、赤色、緑色、及び白色光を生成するために組み合わされたＬＥＤによる）を生成するために使用できる。単一の、又は複数のＬＥＤ、遠隔蛍光体、及び中間波長選択フィルタを使用する実施例が開示され、出力孔の輝度と光束を押し上げるために、後面発散した光ルミネセンスがリサイクルされる。光学マニホールドは、ＬＥＤに固有の本質的な輝度不均一性を軽減するように設計される。光学マニホールドは、光を変換するために非結像光学素子の原理を利用して、配向された本質的に均一な光源を提供する。
2007535149.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多波長光源であって、
主波長の光を発する少なくとも一つのＬＥＤと、
所定の波長付近の光を送信し、かつ他の波長を反射する光学フィルターと、
前記少なくとも一つのＬＥＤからの光を前記光学フィルターに通すように向ける入力コリメート光学システムと、
前記光学フィルターからの光スループットを受信するように結合された出力光学システムにして、集光器として構成され、かつ反対側端部に出口を有する出力光学システムと、
前記ＬＥＤからの光に対し透過可能な、前記出口に形成された蛍光体パッチにして、該蛍光体が前記ＬＥＤが発した光による励起に応じて発光する組成を有する蛍光体パッチとを備え、
前記出力光学システムは、前記蛍光体からの後方散乱発光を光学フィルターに向け、光学フィルターから後方散乱発光が前記出口へと反射されて戻されることにより、該後方散乱発光をリサイクルしかつほぼコリメートする形状を有する多波長光源。
【請求項２】
前記光学フィルターは、バイパスフィルター及びショートパスフィルターの一方からなる請求項１の多波長光源。
【請求項３】
前記入力コリメートシステムは二段コリメーターを備え、二段コリメータは、該二段コリメーターよりも高い屈折率を有する透光材料を含む段１コリメート角度変圧器を含み、前記第１コリメーターは少なくとも一つのＬＥＤに結合される請求項１の多波長光源。
【請求項４】
多波長光源であって、
主波長の光及びほぼ主波長の光を発する複数のＬＥＤと、
誘電材料を含む複数の非結像入力コリメーターにして、各入力コリメーターが前記複数のＬＥＤの一つにそれぞれ接続される複数の非結像入力コリメーターと、
誘電材料を含む非結像出力集光器にして、該出力集光器が一端部において前記各入力コリメーターからの光出力を結集して受けるように結合され、前記出力集光器が反対側端部に出口を有する複数の非結像入力コリメーターと、
前記入力コリメーターと出力集光器との間の境界面におけるショートパスフィルターにして、所定の波長を下回る光を送信し、かつ所定の波長を上回る光を反射するショートパスフィルターと、
前記ＬＥＤからの光に対し部分的に透過可能な、前記出口に形成された蛍光体パッチにして、該蛍光体が前記ＬＥＤが発した光による励起に応じて発光する組成を有する蛍光体パッチとを備えた多波長光源。
【請求項５】
前記ＬＥＤは青色光を発し、
前記ショートパスフィルターは青色透過フィルターからなり、
前記蛍光体は、前記ＬＥＤが発した青色光による励起に応じてほぼ黄色発光を発する組成を有し、これにより、ほぼ白色光源を提供する請求項４の多波長光源。
【請求項６】
前記入力光学システムにおける前記非結像装置は、少なくとも一つの複合放物面集光器を備える請求項４の多波長光源。
【請求項７】
前記非結像コリメーター及びコリメーターは、これらの長さに沿うほぼ正方形断面を有するクロスＣＰＣである請求項４の多波長光源。
【請求項８】
前記複数のコリメーターは、正方形構成に配置される請求項７の多波長光源。
【請求項９】
前記出力集光器は、その長さに沿うほぼ正方向断面を有する請求項８の多波長光源。
【請求項１０】
前記ＬＥＤは浸漬ＬＥＤからなる請求項４の多波長光源。
【請求項１１】
前記複数のＬＥＤは、ほぼ第１主波長で発光する第１の複数のＬＥＤと、ほぼ第２主波長付近で発光する第２の複数のＬＥＤとを備え、
前記入力光学システムと出力光学システムとの間の境界面における二重ショートパスフィルターにして、第１及び第２の所定の波長を下回る光を送信する二重ショートパスフィルターを更に備え、
前記蛍光体は、前記第１及び第２の波長の少なくとも一方による励起に応じて発光する組成を有する請求項４の多波長光源。
【請求項１２】
配光用の光学マニホールドであって、
外側面に少なくとも一つの入口と少なくとも一つの出口とを規定する透明体にして、光を伝搬するのに適した材料で、かつ該透明体の表面での全内部反射を与えるのに適した屈折率を有する材料からなる透明体を備え、
前記外側面は、光前記入口及び出口の内外へ発する光の全内部反射に対して角度付けられた光学活性面からなり、
前記入口及び出口は、前記材料の臨界角までの実質的にすべての入射角での光透過率に対して動作可能であり、
前記入口及び出口は、平行に作動する複数の小孔と、該複数の小孔に光学的に接続される一つの大孔とを含み、
前記光学活性面は、前記複数の小孔と単一の大孔との間の接続面として動作可能であり、該接続面は、前記透明材料の臨界角を越えたすべての入射角での全内部反射によって光を伝達するために動作可能であり、
前記接続面は、前記光を空間的に混合する非結像構成からなる光学マニホールド。
【請求項１３】
前記透明体は、前記複数の小孔に接続される複数の小さい非結像変圧器と、前記大孔に接続される大きい非結像変圧器とを規定し、前記複数の非結像集光器は、前記大きい非結像変圧器に接続されるように空間的に配列される請求項１２の光学マニホールド。
【請求項１４】
前記入口に隣接して前記透明体を囲む高屈折率透明材料を更に含み、該高屈折率透明材料は、前記透明体の前記材料よりも高い屈折率を有する請求項１２の光学マニホールド。
【請求項１５】
前記複数の小孔は空間的に分離され、前記接続面は、前記単一の大孔に光学的に接続される単一のチャネルから生じる分離した光チャネルによって規定される分岐構造を備える請求項１２の光学マニホールド。
【請求項１６】
前記非結像光学変圧器は、コリメーター、集光器及び角度回転子の少なくとも一つを備える請求項１３の光学マニホールド。
【請求項１７】
前記非結像光学変圧器は、コリメーター、集光器及び輝度シフターの少なくとも一つを備える請求項１３の光学マニホールド。
【請求項１８】
前記非結像光学コリメーターは、ＳＭＳ光学部品を含む請求項１３の光学マニホールド。
【請求項１９】
前記非結像光学集光器はＳＭＳ光学部品を含む請求項１３の光学マニホールド。
【請求項２０】
前記複数の小孔が対応する複数の入力開口を規定するように該複数の小孔に接続される複数のＬＥＤを更に備え、前記複数の小さい結像変圧器は複数のアレイ構成を含み、該複数の小孔は、前記複数のＬＥＤとそれぞれ光学的に結合するように配列される請求項１３の光学マニホールド。
【請求項２１】
前記複数の小孔が異なる色の光を受けるように該複数の小孔に接続される異なる色の複数のＬＥＤと、
前記複数の小孔からの複数の波長の光を単一の多波長ビームへと結合するように配置された複数の波長依存フィルターとを更に備えた請求項１２の光学マニホールド。
【請求項２２】
前記複数の小孔は、六角形に隣接配置された環状対称ＴＩＲレンズを備え、前記単一の大孔は、該小さいＴＩＲレンズに光学的に結合された単一の大きい環状対称ＴＩＲレンズを備える請求項１２の光学マニホールド。
【請求項２３】
Ｎ：１光学マニホールドであって、Ｎは二以上の数値の整数であり、
ほぼ同一平面構成に配置されたＮ個のＬＥＤと、
前記Ｎ個のＬＥＤにそれぞれ光学的に結合されるＮの同一平面入力口と、
前記入力口にそれぞれ結合されるＮ個の角度回転子と、
前記角度回転子を通って前記ＬＥＤから伝達された結集光を受けるために該角度回転子に結合される出力マニホールドと、
前記出力マニホールドにおける出力口にして、前記角度回転子が該出力口にほぼむかって光を向けるために該出力口に対して配置される出力口と、
複数のスリットにして、各スリットが、そのそれぞれの角度回転子に近接して形成されて、前記ＬＥＤと角度回転子との間の交差部で全内部反射を与え、かつ角度回転子から出力された光を前記出力口へと向かわせる複数のスリットとを備えた光学マニホールド。
【請求項２４】
前記各ＬＥＤと角度回転子との間に空隙が形成され、これにより、該マニホールド内において前記光が、全内部反射に対する臨界角内に制限される請求項２３のＮ：１光学マニホールド。
【請求項２５】
第１、第２及び第３ＬＥＤからの光を集めて発光するための三重光学マニホールドであって、
前記第１ＬＥＤに接続される入力口、及び、その反対側端部における出口開口を有する第１輝度シフターと、
前記第２ＬＥＤに接続される入力口、及び、その反対側端部における出口開口を有する第２輝度シフターと、
前記第３ＬＥＤに接続される入力口を有し、かつ前記第１及び第２輝度シフター間に配置される輝度ダクトにして、前記第１及び第２輝度シフターの出口開口からの光にほぼ等しい出口角度で、該輝度ダクトの出口開口から光を出力するように選択される構成を有する輝度ダクトと、
前記第１及び第２輝度シフター及び輝度ダクトから出力された光を受けるように結合された出力マニホールドと、
出力マニホールドにおける出力口とを備え、
前記第１及び第２輝度シフター及び輝度ダクトは、変換非平行構成に配列され、これにより、それらの出口開口は、出力マニホールドに集束する三重光学マニホールド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
２００５年３月３日付け出願の米国仮特許出願第６０／６５８，７１３号、タイトル「OPTICAL MANIFOLDS FOR LIGHT-EMITTING DIODES（発光ダイオード用光学マニホールド）」に基づく優先権をここで主張する。これは、参照によりそっくりそのままここに組み込まれる。
【０００２】
２００４年９月２９日付け出願の米国仮特許出願第６０／６１４，５６５号、タイトル「OPTICAL MANIFOLDS FOR LIGHT-EMITTING DIODES（発光ダイオード用光学マニホールド）」に基づく優先権をここで主張する。これは、参照によりそっくりそのままここに組み込まれる。
【０００３】
２００４年９月２２日付け出願の米国仮特許出願第６０／６１２，５５８号、タイトル「OPTICAL MANIFOLDS FOR LIGHT-EMITTING DIODES（発光ダイオード用光学マニホールド）」に基づく優先権をここで主張する。これは、参照によりそっくりそのままここに組み込まれる。
【０００４】
２００４年４月２３日付け出願の米国仮特許出願第６０／５６４，８４７号、タイトル「OPTICAL MANIFOLDS FOR LIGHT-EMITTING DIODES（発光ダイオード用光学マニホールド）」に基づく優先権をここで主張する。これは、参照によりそっくりそのままここに組み込まれる。
【０００５】
１．発明の分野
本発明は、一般に、発光ダイオード（ＬＥＤ）に関し、より詳しくは、一つ又は複数のＬＥＤを利用する光収集／分配システムに関する。
【背景技術】
【０００６】
２．関連技術の説明
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、広く利用可能で、安価で、かつ効率的な光源である。キャンプ用ヘッドランプ等の低輝度の用途では、一つ又は二つのＬＥＤが十分な光を供給する。しかしながら、自動車のヘッドランプ等のより多くの光が必要な用途にＬＥＤを利用するためには、多数のＬＥＤの出力を結合する必要がある。ＬＥＤの先行技術は、複数のエミッター（発光体）チップの発光出力の結合に関して、満足できるとは言えない。物理的なチップの隣接は、実際、より大きい光源を作り出すことができるが、除熱制限が総輝度を下げる。また、隣接するエミッター間に照度の連続性がほとんどなく、個々のエミッター間に暗い領域を残す。ＬＥＤは、多様な供給業者から入手可能であり、市販入手できるＬＥＤにおいて、エミッター自体が輝度のはっきりと分かる変動（ばらつき）を有する。例えば、ある供給業者（例えば、カリフォルニア州サンノゼ所在のオスラム社（OSRAM Corporation）、及び、カリフォルニア州サンタバーバラ所在のクリー社（Cree Corporation））は、発光チップの上部からの光を遮るワイヤー及び結合（ボンディング）パッドを有する高出力ＬＥＤを製造する。対称的に、カリフォルニア州サンノゼ所在のLumileds Corporationから得られる高出力ＬＥＤはフリップチップを例示し、これは、前方の発光をそうでなければ妨げるであろうワイヤー及び結合部を有しない。しかしながら、これらでさえ、該エミッターにわたる大きい輝度変動を示す。例えば、Lumileds社によるLuxeon IＬＥＤ及びLuxeon IIIＬＥＤは、個々のチップ間で異なるランダムパターンで、中心から縁へと１０分の１だけ（１０倍）輝度が変化し得る。このような望ましくないパターニングは、フリップチップでもフロントワイヤードチップでも、コリメーティングレンズ又は集光レンズのビームに有害なアーティファクトをもたらし得る。そのようなレンズ上に拡散器が配置され得るが、拡散器は光の１５％を失い、ビームに不明瞭なエッジを与える。はっきりしたエッジを保つ、源均質化のより効率的な方法が、照明光学系での著しい前進であろう。慣用の基板上ＬＥＤに比べて、薄膜ＬＥＤは非常に改善した均一性を有するが、何故これらが常に不均一な照度を有するかについての根本的な理由が存在し、それは、活性発光層を下方へと通る本質的に不均一な電流分布のためである。より大きいはんだ付け電極の使用は、これら電極とＬＥＤとの接合部により無用な表面再結合をもたらし、そのため、電極は小さく保たれなければならない。対照的に、ここで記述する光学変圧器は、電流給電のためのコーナー位置を重要視し、不均一性を増幅する。ＬＥＤチップの未処理の鋸歯状（ギザギザ）の縁が表面再結合を引き起こすので、電流は、該縁に到達することを許容され得ず、そのため、ＬＥＤは、その縁までずっとは照らされ得ない。ＬＥＤに固有の輝度不均等性を緩和する光学変圧器を提供することが有利であろう。
【０００７】
単一源を均一にすることを越えて、ぎっしり詰まっている場合よりも冷却が容易な空間的に分かれたＬＥＤチップの出力を結合するためのより優れた光学的方法が必要である。このような光源結合手段は、はっきりしたエッジを有する均一な輝度を最適に作り出すであろう。より容易な温度管理の他、個々の変動又はどのＬＥＤの故障さえも目立たなくする光源結合が必要である。
【０００８】
ＬＥＤ先行技術はまた、例えば白色光を発生させるＬＥＤ等では、ＬＥＤの蛍光体利用の幾何学的配置（形状）に関して満足できるとは言えない。ブルーチップ上への直接の１／４ミリメートル（２５０ミクロン）又はそれ以上の蛍光体コーティングは、時には四つの要因により、必ず源面積を拡大し、従って輝度を低減する。そのような小さいチップに対する蛍光体の適用は、各チップにわたる色温度の変動を、並びにそれらチップ間における色温度の変動をも必然的にもたらす。また、蛍光体の多くは後方散乱を出力する。すなわち、後方チップ内へと無駄に光り、該チップは比較的吸収性がある。最後に、蛍光体は、チップの高動作温度に耐えなければならず、また、差動熱膨張は粘着問題を提起し、蛍光体がゆるむ場合、出力を大幅に低減する。より薄い蛍光体層は、より輝度が高いのみならず、応力の問題も少ないであろうが、例えば、一の製造業者、Lumileds Corporationのみが、その白色ＬＥＤの正角（等角）２５ミクロンコーティングのための高度な蛍光体堆積技術を有しており、これは、残りの業者のものよりも１０倍薄い。（他の会社からの実験室試料が提示されたが、そのプロセスが商業的に実現可能であることが現時点では判明していない。）これらの素子でさえ、それらの表面にわたって並びに個々のチップで色温度が変化する。
【０００９】
蛍光体をＬＥＤから離れて位置付けることができれば有利であろう。特に、ＬＥＤ素子の蛍光体層が、ＬＥＤ自体の温度変動に影響を受けない程離れて配置されるなら、有利であろう。このような蛍光体ターゲットは、その際、別個のＬＥＤチップの組合わ領域と同程度に小さくなり得、輝度を最大にする。慣用の白色ＬＥＤのアレイでは、色温度の変動に悩まされる。この問題を克服するため、製造業者は、高価なビン入れ（binning）手順を使用する。しかしながら、現在最新のＬＥＤでも、密なビンを用いてさえも依然としてかなりの色温度の変動が存在する。更に、ぎっしりと詰められたＬＥＤのアレイは、一つ又は複数のチップ幅のスペースを持たなければならないので、アレイ全体に対する蛍光体の単純な適用は、希薄な、非常に不均一な輝度を結果としてもたらすであろう。
【００１０】
ＬＥＤから、均一性及びカラーコンシステンシー（色の一致）を有するより鮮やかな白色輝度を実現することは、ＬＥＤ市場が一般の照明用途へ参入するために重要であり、照明用途では、ＬＥＤのより低い消費電力及びより長い寿命がエネルギーの節約に大いに貢献することでができる。より広くより十分な蛍光体コーティングが、これらがそれらの青色光源から離れることができる場合、利用され得る。このような前進は、自動車のヘッドランプに特に役立ち得る。該ヘッドランプでは、現在の白色ＬＥＤは、輝度においてせいぜい最低限のものである。実際、ビームにわたる色温度変動は、過剰な青色光の原因となり得、これは眼科的に危険である。
【００１１】
いくつかの用途において、単一の大きい源からある数のより小型の源を作り出すことが有利である。これは、例えば、光学設計が、光学部品が厚（太）すぎる及び／又は大きすぎるとい理由で、成形し難い場合に有益である。もし、このような大きい単一源が同じ総面積のある数のより小さい寸法の源へと分けられるなら、そのような源それぞれに対し、同じレンズ設計が、成形可能な大きさへと単にスケールダウンして使用され得る。これらのより小型の源が大型の親源より均一であることも、又は、それら小型源が所定の輝度出力を有することも望ましいであろう。
【００１２】
他の用途において、単一源又は複数源の形状を別の形状に変えること、例えば正方形から実質的に面積が等しい長方形へ又はこの逆等、が有効であろう。これは、ＬＥＤヘッドランプ等の用途に有益である。該ヘッドランプでは、縦横比（縦対横）が２対１から６対１の長方形源をもたらすことが望ましい。このような方法は、もちろん、可能な限り源の輝度を保つ。
【００１３】
最後に、蛍光体を用いることなく、波長が異なる二以上のＬＥＤを単一の均一源へと組み合わせることにより、白色ＬＥＤ光源を作り出す高性能な手段を有することが望ましい。伝統的に、該アプローチは、白色を作るために、三つの異なる色のＬＥＤ、通常、赤色、緑色及び青色ＬＥＤを使用している。しかしながら、該伝統的光学アプローチは、そのようなＲＧＢ光源を用いた長方形又は正方形の均一な光源を作り出さない。四つ以上のＬＥＤ波長を組み合わせる光源を作り出す手段を有することが有益であろう。更に、光源の色度が調整可能なそのような光源を作り出す手段を有することが有利であろう。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１４】
光学マニホールドがここに記述され、該光学マニホールドは、複数のＬＥＤ出力を単一の出力に効率的に結合する機能を提供する。該単一の出力は、実質的に均質で、また、誘電体から成り得る小型で費用対効果のあるパッケージ内にある。光学マニホールドが記述され、これは、同色の複数のＬＥＤを高光束及び高強度出力ビームを供給するように組み合わせるために使用可能であるか、又は、多波長ビームを発生させるために使用可能である。例えば、赤色、緑色及び青色ＬＥＤは、「白色」出力を作るために組み合わされ得る。実施形態も開示され、これは、単一のＬＥＤ又は複数のＬＥＤと、後方散乱した光ルミネセンスが出力へとリサイクルされるように配置された遠隔蛍光体コーティングとを使用する。光学マニホールドは、非結像光学の原理を用い、また、ＬＥＤの発光面上の輝度変動を実質的に緩和して、実質的に均一な光源を与えるように設計される。更に、これらの光学マニホールドは、正方形のＬＥＤを用いて、長方形及び非対称の高光束光源を含む種々の非正方形の光源を作り出すために使用され得る。これらの高光束源は、固体照明自動車ヘッドランプ等の多くの用途にとって有益である。例えば、この自動車ヘッドランプの用途では、縦対横比４対１の均一な長方形ＬＥＤベースの光源を有することが望ましい。これは、ここに記述する光学マニホールドにより実現可能である。一般の固体照明、特に発光ダイオードは、ここに記述する光学変圧器の利益を通じて新規用途を見出す。例えば白色ＬＥＤを提供するため、光学システムが、一つ又は複数の青色チップの光を、空間的に分離した蛍光体へと送り出すために開示される。このような蛍光体ターゲットは、その際、上記分離チップの結合した面積と同程度に小さくなり得、輝度を最大にする。蛍光体層は、ＬＥＤ自体の温度変動によって影響を受けないように十分離れて配置される。
【００１５】
ここに記述した光学変圧器は、一般に、新型の光学マニホールドの創作により上述した照明工学のニーズを満たすための、非結像光学の原理の利用に関する。非結像光学のエッジ光線原理は、非結像光学の中心的な量である、源エテンデューの最小増の面を説明する。エテンデューは、源を囲む光媒体の屈折率ｎの２乗を掛けた、源面積ＡSと該源の出力の投影立体角との積である。
Ｅ＝ｎ2ＡSsin2θ
ここで、θは、立体円錐角のオフノーマル（off-normal）角度であり、これは源の放射パターンと等価である。２πステラジアンへの均等拡散放射は、θ＝９０°で表される。この拡散出力は、ＬＥＤチップ自体からの放射の特性である。
【００１６】
理想的な光学システムは、エテンデューを保ち、そのため、理想的なコリメーターの拡大した出力面積が、その有効に高い強度を狭いビーム角度内にもたらし、その一方、太陽集光器の小サイズの焦点は、その広いビーム角度から、有効に増やされた光束をもたらす。
【００１７】
ここに記述した光学変圧器は、新規な光学マニホールドを提供する。該光学マニホールドは、平行バックライト用のエテンデュー制限照明、複数の光源のエテンデュー制限結合、及びエテンデュー制限蛍光体利用を提供する。ここに記述した光学変圧器によるこれらの重要なタスクの有効な実現は、ＬＥＤの発展の新たな段階をはっきり示す。例えば、蛍光体以外の光輝性材料、例えば光輝性半導体ＡｌｌｎＧａＰ等が、直接ＬＥＤよりも簡単にここに記述した光学変圧器に使用可能である。
【００１８】
特に、ここに記述したいくつかの実施形態は、総内部反射のみを利用し、そのため、それらの表面に塗布されるべき金属反射板コーティングを必要としない。更なる実施形態は、より小型のいくつかのＬＥＤチップの放射から大きな「仮想チップ」を作り出すため、完全なマニホールドへと組み立てられる射出成形されたサブ区域を含む。該仮想チップは、実際のチップよりも優れた輝度及び色の均一性を有し、また、角出力が有効に制限されて構成され得る。また、このような角制限と共に制御された不均一性が設計され得、強度規定が、該マニホールド出力上に投射レンズの焦平面を置くことによって満たされることを可能にする。
【００１９】
光路の可逆性は、ここに開示した実施形態が、大きい源をいくつかのより小さい源へと変形させることにより大きい源を分散させて、自動車のダッシュボード上の多数の機器を照らす単一のＬＥＤと同様に、等しく申し分なく使用可能であることを要求する。ここに記述した光学変圧器により、バックアップＬＥＤを持つことが容易となるであろうし、また、ダッシュボード用の光学マニホールドも提供される。
【００２０】
［用語と頭字語の用語集］
以下の用語と頭字語が、詳細な説明の全体を通して使用される。
角度回転子：１平面から第１の面に対して傾斜した他の平面に輝度を届ける装置
ＣＥＣ：複合楕円集光器
ＣＰＣ：複合放物面集光器
クロスＣＰＣ：２つの直交方向に２次元のＣＰＣ外形を有する３次元（３−Ｄ）形態
ダイクロイック・フィルタ：２つの明確な伝達ピークを有するフィルタ
ＬＥＤのドーム：透明な誘電体材料で作られたほぼ球形のＬＥＤカバー
エッジ光線原理：開口部のエッジからの一連の光線が他の開口部のエッジに届くことを保証するが、第１の開口部は第２の開口部に投影されないことを定める、非結像光学の基本原理
エテンデュ：エントロピーの光学的表示であって、ソース領域Ａｓとソースの出力の投影された立体角の積に、ソースを囲む光媒体の屈折率の２乗を掛けたものとして定義される。
ＩＴＯ：酸化インジウムスズ
ＬＥＤ：発光ダイオードであって、低電圧直流の狭いスペクトル帯の光への直接変換器
照明装置：２０世紀の新語であって、光源と機能的に関連する光制御装置（例えば、反射器、又はシェード）を記述するために、１９世紀の用途「発光体」と入れ替わった
輝度シフタ：異なる横座標に輝度を届ける装置
蛍光体：外部励起に応答して光を放出する光輝性材料であって、励起が終わった後も継続することが多い。
ＰＭＭＡ：ポリメタクリル酸メチルであって、透明なアクリル合成樹脂の重合体成分である
ＲＩＩＲレンズ：屈折（Ｒ）面と内部反射（Ｉ）面を指定された注文に有するレンズ系
ＳＭＳ：２つの指定された入力波面を２つの指定された出力波面に変形させる２面光学装置を生成する光学設計の方法であって、例えば、米国特許出願第10/269/479号、第10/880,386号、及び米国特許第6,639,733号号、第6,867,929号に開示されている。
薄膜ＬＥＤ：非常に薄い層を含み、上面からの放射の１００％近くを放出するＬＥＤ
ＴＩＲ：全反射
波面：伝搬中の電磁場の位相が一定の面
［概略］
【００２１】
説明のために、「光学マニホールド」はエンジンの排気マニホールドに類似する。光学マニホールドでは、チャネルは、複数の光出力を単一の出力に合体させること、又は単一の出力を空間に分布させることを仮定される。この用語は、（例えば、 Simmons 他の米国特許第6,850,684号、第6,847,774号、第6,832,032号、第6,655,848号、第6,556,754号、及び第6,549,710号の）光ファイバのファンイン及びファンアウトのための装置を示す。この多入力、多出力機能は、照明の効率的分布とは異なる情報タスクである。光ファイバの業界用語では、その種の分布は「ファンイン」及び「ファンアウト」と呼ばれることがあり、複数の光路の１つの光路への結合を意味する。
【００２２】
可逆性が考慮されるとき、「ファンイン」と「ファンアウト」の区別は重要である。即ち、その種の光ファイバ装置の中には、機能的に交換可能であるものもある。何故ならば、逆の経路上の光の中には、散開して、内部で消失するものもあるからである。しかし、実施例が両方向で動作可能なように、可逆的に光を搬送するシステムを有することは有利である。従って、ここで記載される光学マニホールドの実施例は、両方の光分布、即ち、高出力ソースからアプリケーションの多くの点へ、及び入力ソースと同じ輝度で多くのソースを１つの大きな合成ソースに結合する光で動作する。
【００２３】
用語「光学マニホールド」は Campbell 他による米国特許第4,362,361号で使用されたが、そこでは、この用語は、複数のビームが１つのビームから作られるように、レーザ・ビームがスラブの内側を通り抜けるときに、レーザ・ビームの小部分が反射されないことを繰り返して可能にする部分的な反射コーティングを意味する。この用途は、今や「光学マニホールド」が多対１光路に分岐することを意味する点で、従来の用途と異なる。
【００２４】
米国特許第6,186,650号は、多くの実施例を用いて、分岐した導波管の「光学マニホールド」を開示する。しかし、米国特許第6,186,650号の図１９Ａ−図１９Ｂによって示されるように、これらの構造物の実際の光線トレースは、相当な漏れを示すことが考えられる。更に、この従来技術はエテンデュを保存せず、入力よりも遙かに弱い出力を与えると考えられる。これは、そこでは、ポートの四角に仕切られた終端が、誘導された光の多くを、後方へ反射させるからである。
【００２５】
エントロピーに類似したエテンデュは、光学的無秩序の尺度であり、基本的に空間的範囲と角度的範囲の積に基づく。光のエテンデュを増加させることは、仕事を廃熱に変えることと光学的等価物であると考えられ、光学的仕事は光放射の輝度であり、廃熱はこの光の無駄な発散である。「エテンデュが制限された」光学装置は、いったん不可避の反射と散乱が考慮されたら、元の輝度に近い光を届ける装置である。ここで記載される光学変圧器は、入力領域と角度の積が通過する光に対して維持される点で、エテンデュが制限される。ここで記載される光学変圧器の実施例の中には、複数のソースから光を受け取って、照明の分野で非常に有用であることを証明する大きくて高度に均一な合成ソースを生成するものもある。他の実施例は（自動車ダッシュボードの様な）分散点灯システムを形成し、光度とエテンデュの両方を維持し、照明タスクを遂行するのに更に少ないＬＥＤが必要とされるようにする。
【００２６】
エテンデュが制限された光学素子の１実施例は、複合放物面集光器（ＣＰＣ）であって、 Winston によって米国特許第4,002,499号で開示される。他の実施例は複合楕円集光器（ＣＥＣ）であって、 Winston によって米国特許第3,957,031号で開示される。これらの両方とも、ここで記載される光学変圧器の構成要素として利用できる。最近の例は Fein によって米国特許第6,819,687号で開示される角で曲がる素子であって、臨界角（ＮＡ＜１）より小さい角度に対してだけエテンデュが制限される。光ファイバ照明の角度制限を使用するために作られるので、この装置は、ここで記載される光学変圧器の外見は類似するが形状が異なる角度回転構成要素によって超えられる著しい制限を有する。 Fein の装置は、光ファイバ照明のＮＡ＝０．５の範囲を対象とするので、ＮＡ＝１の範囲の光（ここで記載される光学変圧器の光）は Fein の装置から漏れる。ここで記載される光学変圧器は、ＮＡ＝１の範囲を有する。何故ならば、これがＮＡ＝０．５のシステム（例えば、 Fein のシステム）の４倍の放射照度の搬送を可能にするからである。 Fein の装置の他の制限は、設計が許容するＮＡ＝１である。何故ならば、その主な用途が生物医学的設定での直角回転であり、それに対して２つの４５°回転がＮＡ＝０．５で利用されるからである。対照的に、ここで記載される光学変圧器の実施例の角度回転構成要素は、それが搬送するＮＡ＝１の光の任意の回転角において非常に僅かな漏れを有するので、ここで図示される９０°角度回転子は、螺旋形態に適した３６０°装置を含むように容易に拡張でき、新規な要求が発生する。この柔軟性は、ここで記載される光学変圧器の実施例が、最大光束、従来技術でまだ達成できるものを用いて、光結合と光分布の両方の用途の全範囲を扱うことを可能にする。更に、この柔軟性は、輝度シフタとして作用する２つの向かい合う角度回転子、分布照明の任意の分岐パターンを有するシステムの他の有用な構成要素を含む、ここで開示される光学マニホールドの実施例によって例示される。
【００２７】
ここで提供される他の改良は、光学変圧器の製造しやすさに関する。従来技術では、例えば、 Fein で例示されるように、全ての面は、その種の光学的角度回転装置で光学的に活性でなければならない。これは、光学的に活性な面に損失表面欠陥を導入することなく、一部分に対する射出のポイントを有することを困難にする。射出のポイントのために使用できる装置の長さに沿って不活性面を提供することによってこの問題を克服する光学変圧器が、ここに記載される。不活性面は装置を保持する手段として使用でき、装置の活性面の形状に影響を及ぼすことなく、広範囲の形状へ自由に変形できる。不活性面は角度回転子の内部の光線分布のパターンによって慎重に作り出され、光照射野と相互作用しないエンベロープを提供し、その内部で非損失取り付けが行われる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
ここで記載される光学変圧器の特徴と長所の更なる理解が、本発明の以下の詳細な記載と関連する図面を参照して得られ、本発明の原理が利用される実施例が示される。
【００２９】
複数の固体ソースからの光を受け取り、入力の和よりも少し大きなエテンデュを有する単一の仮想ソース出力に結合する光学マニホールドが、ここで記載される。ソースが異なる主波長を有するとき、出力光は測色混合物の色度を有する。光の可逆性のために、同じ形状のマニホールドが、複数の仮想ソースの間の単一の大きな固体ソースからの光を散乱させるために使用される。
【００３０】
特に、２つの固体光源が、ここで記載される光学変圧器、即ち、薄膜ＬＥＤ、及びドームに詰め込まれた高出力ＬＥＤに対して考慮される。それらの詰め込み形状は、ここで記載される光学変圧器のための異なる形態の射出手段を要求する。従来技術は、（ＣＰＣ、及び液浸系対物レンズを含む）複数の型の射出手段、及び従来のドーム型パッケージを包含する。
【００３１】
図１Ａは、発光層１１、反射手段１２、及び窓１３を含む薄膜ＬＥＤ１０を含む光学マニホールドの断面図である。ＬＥＤ１０は、保護透明エポキシ１４に埋め込まれる。外部ＣＰＣ反射器１５がＬＥＤ１０の上方で窓１３をちょうど跨ぐように、外部ＣＰＣ反射器１５はエポキシ１４の表面に正確に配置され、ＬＥＤ１０は一般に約１ミリメートルの直径である。ここで記載される光学マニホールドの１つの長所は、それが更に大きな（又は、複数の）ＬＥＤの更に効率的な冷却を可能にすることである。更に大きな（又は、複数の）チップを冷却することの困難さは、ここで記載される光学変圧器に対する動機付けの１つである（電的、及び熱除去手段は、図示されない）。
【００３２】
薄膜ＬＥＤ（例えば、図１Ａに示されるＬＥＤ１０）は、出力光束の１００％に近くを装置の上面から放出する。その種の装置は、実験室で製作され、例えば、 OSRAM Semiconductors of Regensburg （ドイツ）によって公開され、 OSRAM Semiconductors of Regensburg は2005年中頃までには赤色、黄色、及び緑色、青色でそれらの商業的製造を開始した。多様な薄膜放出技術がカリフォルニア州、サンノゼの OSRAM Corporation によって現在は提案され、インジウム・ガリウム・アルミニウム・リン化物（ＩＮＧａＡＩＰ）及びインジウム・ガリウム・窒化物（ＩｎＧａＮ）を含む。今日まで OSRAM Semiconductors によって示された全ての放出構造は、ワイヤー・ボンディングを上面で使用する。これらの装置での放出層の現在の厚さは０．１マイクロメートルのオーダであり、チップ全体の深さは２〜５マイクロメートルである。従って、これらの装置からの側面発光は非常に小さく、本発明の実施例の多くでの使用に理想的に適切である。
【００３３】
更に、図１Ａは、エッジ光線１６を放出するソースポイント１１ｓを示し、エッジ光線１６はＣＰＣ１５の上部エッジを明瞭にするだけである。水平に放出されるエッジ光線１７ｅも示され、それにより反射器１５のベースを遮り、反射器１５のベースからエッジ光線１７ｅは光線１７ｒに反射され、今度は光線１７ｒがＣＰＣ１５の上部エッジを明瞭にするだけである。４５°設計角度が示される。４５°設計角度は、直接光線１６と反射光線１７ｒの両方に適用される。双方向矢印１８は、ＣＰＣ１５によって生成された仮想ソースの幅を示す。その幅は発光層１１の幅の１／ｓｉｎ４５°倍であり、従って、エテンデュを維持する。
【００３４】
図１ＡはＣＰＣ１５を中空金属反射器として示したが、誘電体（例えば、キャスト・エポキシ）で充填しても良い。もし４５°設計角度が臨界角（４０°）まで僅かに減少したら、ＣＰＣは僅かに高くなり、エキストリーム光線１６，１７ｒが、ＣＰＣ１５の上面をまたぐ平面と空気の界面に対して水平に反射される。その種の充填ＣＰＣは、ＬＥＤを空気と透明な充填材料の屈折率に等しい横倍率で結びつける。（その領域は、因子ｎ2だけ増加する。）更に大きな倍率に対して、更に狭い設計角度が必要である。その角度が１０°に減少するとき、図２に示されるように全反射が満たされるので、反射器１５は不要に出来る。
【００３５】
Berg 及び Saul による米国特許第3,739,217号は、高屈折率の屈折体の内部からの光の抽出が、高屈折率層の前面又は背面の何れかを粗くすることによって増加できることを教示し、この粗くされた背面は反射層と連動する。しかし、米国特許第3,739,217号は反射器材料を特定せず、反射器が高屈折率体の全ての面と直接接触すべきか否かも示さない。米国特許第3,739,217号は、照射された本体と背面反射器の間にエアギャップが存在することを図２−図３で示す。
【００３６】
図１ＢはＬＥＤ１０の拡大図であって、中間に配置された薄い（約０．１マイクロメートル）活性層１１ａ、その上のＩｎＧａＮ層１１ｕ、及びその下の層１１ｂを含む発光層１１を示す。窓１３は、光が漏れることを防止する傾斜エッジ１３ｗを有するように見える。更に、図１Ｂは、上面発光ＬＥＤ（又は、殆ど上面発光のＬＥＤ）の発光抽出効率を向上させる方法を示し、導電性反射層１２もエピタキシ層１１にエネルギーを供給するために作用し、エピタキシ層１１とは直接接触する。粗くされた界面１１ｉは、接触面である。この粗面化は、化学エッチング（又は、他の周知の方法）によってエピタキシ層１１で達成できる。いったんエピタキシ層が粗くされたら、反射層１２は真空、スパッタリング、又は他の蒸着方法によってその上で蒸着される。
【００３７】
反射層１２の材料特性は、エピタキシ層の特性と合致するように正確に指定されなければならない。例えば、導電性反射層が必要な場合は、金属材料が最善であり、高い拡散反射率を達成するために反射率は適切な複素数値を有しなければならない。例えば、ＧａＩｎＮ又はＧａＮのエピタキシ層を使用する青色ＬＥＤに対して、ＧａＩｎＮ及びＧａＮの両方の可視波長屈折率は約２．５４である。その種の金属層の反射率を計算することは、候補材料の屈折率の実部と虚部の両方が重要であるように、フレネル反射方程式の複素屈折率を使用することを含む。０°入射角で当たる光線に対する反射率は、適切な材料の選択に対する測定基準を提供できる。その種の解析を実行するための適切な方程式は以下のようである。即ち、
Ｒ＝［（Ｎepi−Ｎs）2＋ｋs2］／［（Ｎepi＋Ｎs）2＋ｋs2］
ここで、
Ｒはエピタキシ層と金属層の界面における０°入射角での反射率、
Ｎepiはエピタキシの屈折率、
Ｎsは金属の屈折率の実部、及び
ｋsは金属の屈折率の虚部である。
【００３８】
エピタキシ層が屈折率２．５４を有すると仮定すると、金属は実部が低く虚部が高いことを必要とする。銀は、低い実部（０．１２）と非常に高い虚部を、４５０ｎｍ（ｋ＝２．４７）から７００ｎｍ（ｋ＝４．５２）までの波長にわたって有する。５５０ｎｍにおいて、銀の厚い層は、約０．１２の屈折率（実部）と３．３４の虚部を有する。これらの値を後述する方程式に代入すると、反射率０．９３を算出する。比較すると、実数値０．７６と虚数値５．３２を５５０ｎｍにおいて有するので、アルミニウムの層は非常に低い反射率をＧＡＩＮと接触して有する。この場合、２つの材料の界面における反射率は、０°入射角光線に対して、同じ方程式によって０．８０と計算できる。この層の反射率に非線形関係を有する装置の抽出効率について特に、これは非常に著しい差である。何故ならば、吸収されるか、又は層から抽出される前に、エピタキシの内部の光線は多くの境界反射を経るからである。従って、この底部界面層の反射率の小さな向上は、ＬＥＤの外部量子収量の大きな向上をもたらすことが出来る。
【００３９】
その種の反射層も多層方法を使用して誘電体材料で作られ（特に、ブラッグ反射器）、業界共通である。しかし、半導体に給電するために、バイアとして周知の電気導電経路は、他の絶縁層を通して何処かに導入されなければならない。しかし、誘電体層の使用は装置の内部抵抗を増加させ、従って、所定の適用電圧に対して発生する内部の熱を増加させる。更に、広範囲の波長と入射角に対して高い反射率を有するブラッグ反射器を設計することは非常に困難であることが知られている。特にこれは、チップ上の等角の蛍光体コーティングを利用するＬＥＤに対する問題である。従って、広範囲の入射角と波長にわたって良好に動作するので、銀は誘電体反射器についての優れた解決策とみなされる。
【００４０】
米国特許第6,784,462号は、銀の層の前の酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）の１／４波長層を組み合わせることによって、ＬＥＤに対して非常に高い反射率を有する「全方向性」背面反射器を如何にして作るかを教示する。しかし、米国特許第6,784,462号の薄膜法は、銀とＩＴＯの層が平滑であり、（「エピタキシャル層」として知られる）ＬＥＤ固有の底部の粗面化が起きないようにすることを仮定する。何故ならば、それが支持層の頂部に真空中の原子線によって作られるからである。高屈折率材料の立方体の内部での広範囲にわたる光トラップのために、最大抽出効率を達成する標準的なＬＥＤ形状は、反射器がエピタキシャル層と接触する界面に粗くされた面を有することを不可避にする。これは高い拡散反射率を達成するために必要であり、高い拡散反射率は、閉じ込められた光が漏れにおける他の機会に対して無作為に再配向されるようにする。更に、ＩＴＯは銀よりも非常に低いコンダクタンスを有し、それは設計に対して短所である。
【００４１】
閉じ込められた光を吸収される前に散乱させることは、図１Ａの層１１ｕに組み込まれた底部拡散反射器、又は上部散乱層の何れかを有することを望ましくする。また、両方の方法が利用される組合せも、利用できる。しかし、上部散乱層と底部散乱層の両方が使用され、従って、装置の抽出効率を減少させるとき、過剰な散乱を装置に導入できる。層１１ｕに組み込まれた上部散乱なしで、（例えば、米国特許第6,784,462号に記載された）完全な反射器は機能しないことが示され、拡散銀反射器がここで記載される。更に、多くの場合、平滑な境界面を層１１ｕの上面に有することが望ましく、散乱（又は、拡散）層を境界面上に、又はトップエミッション型面より下に導入することは出来ない。これらの場合、背面拡散反射器が最も有益であることを示し、ここで記載してきて、１００％完全な鏡面反射器より性能が優れている。
【００４２】
更に、もし空気、又は腐食性材料から適切に保護されなければ（銀は、硫黄と非常に反応する）銀は反射能を失うので、適切な保護層によって封止されなければならない。一般に、もし銀がエピタキシャル層と適切な支持層（例えば、ゲルマニウム）に挟まれたら、密閉封止されるときにこの材料の顕著な劣化は起こらない。もしエッジ保護が必要なら、半導体設計の分野の当業者に既知の多くの適切な材料が存在する。
【００４３】
銀で作られた粗くされた背面反射器に関して、周知の Monte-Carlo 光線トレース技術を使用するコンピュータ・シミュレーションが、ここで記載される光学変圧器が、特に、蛍光体の発光をリサイクルする以下で開示される実施例を照射するＬＥＤでこれらの特徴を有することから大いに利益を得ることを示す。
【００４４】
勿論、ここで記載される光学変圧器と連動して使用されてもされなくても、この粗くされた銀反射器は薄膜ＬＥＤに非常に有益である。図１Ｂを再度参照すると、その種の他のＬＥＤの光学的向上は低いエピタキシ−層１１ｂの吸収率の低下であり、光度損失の大部分はエピタキシ層１１の内部で発生する。エピタキシとして、一般にこの層はサファイア結晶に蒸着される。薄膜ＬＥＤの製造では、エピタキシ・ウェハがサファイアから除去される。（ＩｎＧａＮウェハをサファイア支持層から除去するのに必要なプロセスの要約が、2004年10月のカリフォルニア州サンディエゴで開催された Intertech LEDs conference において OSRAM-Opto 社の Dr. K. Streubel によって記載された）。
【００４５】
更に低い層の吸収は、その機能に対して本質的ではなく、表面の原子結晶平面に限定されるようである（層全体の厚さ５，０００ｎｍの内の数十ｎｍ）。ウルム大学（ドイツ）の S. Schad と B. Neubert の研究によると、サファイア支持層（約６５ｎｍ）上で成長したＩｎＧａＮ型ＬＥＤの第１薄膜は、青色波長でＩｎＧａＮ型ＬＥＤの吸収率の大部分に寄与する。彼らは、支持層上で成長した残りの半導体材料は高度に透明であるという学説を立てた。これらの平面はサファイアに近いので、それらの結晶構造と吸収率が大きく増加する。実施例の中には、層１１ａも層１１ｕもこの吸収薄膜を有しないものもある。このサブひずみ層の正確な除去は磁性粘性研磨を用いて可能であり、吸収率を大きく減少させ、それによりＬＥＤの外部量子収量を向上させる。
【００４６】
その効率を向上させるための別の可能性は、その種の層に一般的な完全な透明性よりもバルク散乱特性を図１Ｂの表面層１１ｕが有するようにすることである。光線トレース・モデルを使用した研究は、層１１ｕへの１００／ｍｍの散乱係数の導入がＳＭＤ型ＬＥＤに対して約４０％の効率向上をもたらすことを示し、層１１ｕは測定可能な散乱を有さず、接触する蛍光体層を有さない。類似の改善が、ドーム型モノクロームＬＥＤに対しても見られる。もし散乱係数が２００／ｍｍまで増加したら、非常に僅かな改善が見られる。それに対して、このレベルより上では、性能が最大から低下する点に達する。一般に、既に議論された粗くされた背面反射器と連動して使用されるとき、表面層での散乱の手段の使用は、有益な効果を性能に対して持たない。もし粗くされた背面反射器が１０／ｍｍの散乱係数を有する層１１ｕと連動して使用されたら、非常に僅かな改善が抽出効率に対して存在する。このレベルより上の表面散乱では、性能が単一の何れかの方法よりも下になる。
【００４７】
ＬＥＤの抽出効率が高いとき、後方散乱した光を再捕獲するここで開示される光学マニホールドは著しく向上できる。特に、ここで記載される遠隔蛍光体の実施例は、外部量子収量（特に、等角の蛍光体ＬＥＤ）の点に関して従来技術より性能がすぐれていると信じられる。特に、適度な散乱を有する光反射背面層を利用する上面発光（又は、実質的には上面発光ＬＥＤ）と連動して使用されるとき、ここで開示される新規な光学系の性能が劇的に改善される。
【００４８】
図２Ａは、誘電体充填ＣＰＣの底部の断面図である。図１Ａのように、薄膜ＬＥＤ１０は透明な誘電体１４に埋められる。誘電体充填ＣＰＣ２０は透明な誘電体１４と光学的に連続で、ＣＰＣ面２１によって形成され、ＣＰＣ面２１は全反射によって単独で動作し、従って、反射コーティングを必要としない。実際には、ＣＰＣ２０は別に製造され、薄膜ＬＥＤ１０の丁度上で透明な誘電体１４と光学的に接着される。
【００４９】
図２Ｂは図２Ａの誘電体充填ＣＰＣの底部の断面図であり、ＣＰＣ２０の全体を示し、放物線状の外形２１が１０°出力角度に対して形成され、ＣＰＣに対して可能な最大幅は全反射だけを使用する。外形２１の上面エッジ２１ｔは、仮想ソース２２の外部エッジである。図５の更に大きなＣＰＣ５３と接続されるＣＰＣ５４によって例示されるように、ＣＰＣ２０の内部の誘電体媒体は、右方向に（図２では図示されない）他の実施例へと連なる。
【００５０】
実施例の中には、ＣＰＣ２０が、図１Ｂの透明な誘電体１４を含むエポキシ材料の屈折率より高い屈折率を有するものもある。例えば、宝石等級の立方体ジルコニアは、ダイヤモンドと類似した屈折率２．２を有する。たとえ現在はポリマー樹脂光学部品より高価でも、その種の高屈折率な透明材料は将来的は経済的に利用可能である。ここで記載される光学変圧器の実施例を形成する薄膜ＬＥＤへ光学的に接着されるＣＰＣを形成するために有利である。二酸化チタン膜の高い屈折率（約２．５）はＬＥＤ材料の屈折率と適合するが、薄膜の高い吸収率はＣＰＣの形成でそれを不適切にする。ワシントンＤ．Ｃ．の Naval Research Laboratory, Infrared Materials Group からのゾル−ゲル材料は、鋳造のために（又は、ボウル形状で）開発中であり、ＬＥＤ材料と屈折率が合致するのに充分な前例のない高い値２．４〜３において利用可能な屈折率を有する。更に、これらの高屈折率材料は、例えば、最高の光学等級ＰＭＭＡ材料に類似の可視波長で極めて低い吸収率係数を有するように設計され、製造できる。これは、現在のＬＥＤ改悪する光トラップと高フレネル反射率を除去する。図２Ｃは、この方法の変形を利用する代わりの光学マニホールドの断面図であり、ＣＰＣ２０を２つのＣＰＣと交換する。第１ＣＰＣ２００２はＬＥＤ２００１と接触し、半導体の屈折率と合致するゾル−ゲル材料で作られ、第２上部ＣＰＣ２００３は下部屈折材料（例えば、ＰＭＭＡ）で作られる。第１ＣＰＣ２００２は第２ＣＰＣ２００３を部分的にコリメートして完全に光らせるように設計され、第２ＣＰＣ２００３はコリメートを更に行う。図２Ｃに示されるこの装置は、チップからの光束の抽出全体を大幅に増加させる。このために、図１Ｂの発散反射鏡とは違って、ＬＥＤ２００１は鏡面反射層を底面に有する。（低屈折率１．４を有する）周囲のシリコン材料２００４はＣＰＣ２００２の鋳造のための最初の型であり、その後に構造的支持を小型のＣＰＣ２００２に提供し、上面ＬＥＤ２００１との接着へのストリームを緩和する。ＣＰＣ２００１は、この屈折率比２．５：１．４に対して設計され、全反射によって全体的に動作する。その射出面は、更に大きなＣＰＣ２００３を有する平面の境界面２００５である。エッジ光線２００６Ｒ，２００６ＬはＣＰＣ２００１の上面エッジによって反射されるように示され、次に境界面２００５によって７０°エッジ光線２００７Ｒ，２００７Ｌへ屈折される。それらは、ＣＰＣ２００３によって、最終的にコリメートされた光線２００８Ｒ，２００８Ｌへ内部で各々反射される。それらに隣接するのはエッジ光線２００８Ｅであり、光線２００６Ｒ，２００６Ｌを起源とし、境界面２００５を通して直接屈折され、ＣＰＣ２００３の壁部に反射して全体的に内部で屈折する。
【００５１】
図２Ｄは、図２Ｃで部分的に示されるＣＰＣ２００３全体を示す断面図であり、エッジ光線２００８Ｅの最後の位置を含む。
【００５２】
図２Ｃ−図２Ｄの装置の他の実施例は、薄い高適合屈折率層をＬＥＤ２００１とＣＰＣ２００２の間の界面に含む。この場合には、適合屈折率蛍光体層は、例えば、電気泳動蒸着によってＬＥＤに蒸着される。１つの方法は、蛍光体とＬＥＤの上面の間に高い接触領域を提供する方法である。ＬＥＤ２００１、小型ＣＰＣ２００２、及び蛍光体の屈折率は、近接して（−０．１の範囲内が好ましい）適合するべきである。従って、（上面不活性面に屈折率２．５を有する）ＩｎＧａＮ・ＬＥＤに対して、蛍光体と小型ＣＰＣの材料は、２．４と２．５の間の屈折率を有するべきである。図１０Ｂの実施例で示されるショートパス・フィルタ１０５と同様に、この装置に基づく実施例は、ＬＥＤから後方散乱した光を捕らえるためにショートパス・フィルタを使用しないか、又は必要としない。
【００５３】
図３Ａは、ドーム３０に埋め込まれた薄膜ＬＥＤ１０の断面図であり、商用パッケージの一般的形態である。ドーム３０は、可能な最小サイズで、エポキシ（ｎ＝１．５４）の屈折率に対して示され、ＬＥＤ１０から放出される全反射を免れた全ての光線と整合する。ポイント１０ｄは、ＬＥＤ１０のコーナの半径を示す。それを超えたら、ドームを出ない光線もある。仮想の模範的な光線３１は、内部で反射される。何故ならば、その起源が半球３０の表面に近すぎるからである。
【００５４】
図３Ｂは、ボールレンズ３３に埋められたＬＥＤ１０の断面図である。水平に近いエッジ光線３４ｅは外部光線３４ｒへ反射され、３０°偏向を表す。この角度減少は、ビームに集中させる高速光学系に対して有用である。実際には、ボール３３は透明な支持層１４に付着する。その収差のために、その種のレンズはエテンデュをある程度増加させる。それは図３Ａの半球より大きいが、そのサイズは、ＬＥＤ１０のコーナによって放出される全ての光線が反射されないことから免れるようにするのと同様に決定される。
【００５５】
図３Ｃは、（エポキシ塊３８に埋められた）回路基板３７上の薄膜ＬＥＤ３６の断面図であり、その調製されていない形状は、単に大量生産に非常に便利なエポキシの特性の結果である。それは、いくらかの光を不利にトラップする。しかし、この形状は、大量生産と高度に整合するので、ここで記載される光学変圧器の他の構成要素がそれと接着するように成形される。
【００５６】
図４Ａは、プリズム材料の臨界角αcに適合する内角を有するプリズム・カプラ４０の断面図である。薄膜ＬＥＤ４１はエアギャップ４１ａを横切ってランベルトの放出を送出し、それは上部エッジ光線４１ｅと下部エッジ光線４１Ｌの間に限定される。薄膜ＬＥＤ４２はエアギャップ４２ａを横切って放出し、プリズム４０に入り、そのランベルトの放出は上部エッジ光線４２ｅと下部エッジ光線４２Ｌの間で半角αcに制限される。光線４１ｅがエアギャップ４２で内部に反射して、光線４２Ｌと合流するとき、内角４０Ａが２αcである目的は明らかになる。従って、内部に反射された光は、入射光のエッジ光線の外側の角度空間を満たす。
【００５７】
図４Ｂは、図４Ａに示されるプリズム・カプラを利用する光学マニホールド４４の断面図である。光学マニホールド４４は、誘電体ＣＰＣ４４ｃ、及び結合したプリズム・ブロック４４ｂを含む。薄膜ＬＥＤ４５は誘電体ＣＰＣ４５ｃに埋められ、誘電体ＣＰＣ４５ｃはエアギャップ４５ａにおいて広く、エアギャップ４５ａを横切ってランベルト光をマニホールド４４に放出し、屈折がそれを臨界角αcに制限する。類似の方法が、ＬＥＤ４６、ＣＰＣ４６ｃ、及びエアギャップ４６ａに使用される。次に、プリズム・カプラは、角度２αcにわたる放射の２つの入力をエアギャップ４５ａ，４６ａを通して受け取り、プリズム・ブロック４４ｂにおいてそれらをランベルトのパターンへ完全に変換する（約±９０°全角度）。ＣＰＣ４４ｃは、プリズム・ブロック４４ｂにおいて、その幅からその射出面４４ａまで広がる。これは、全ての光がランベルトの放出４４ｅとして射出することを可能にし、「仮想チップ」を形成する。プリズム・ブロック４４ｂにおける射出面は、臨界角αcを超える光をトラップするので、ＣＰＣ４４ｃを使用する。
【００５８】
図５は、出力のために単一の更に大きな矩形ＣＰＣ５３に入る小型ＣＰＣ５４，５５を各々が入力として有する２つのＬＥＤ５１，５２のための反射光学マニホールドの断面図である。これは、２つの発光ダイオードの出力を結合する単純な方法である。反射光学マニホールド５０は、第１ＬＥＤチップ５１と第２ＬＥＤチップ５２の光出力を受け取る。マニホールド５０は、上部複合放物面集光器（上部ＣＰＣ）５３、及び下部複合放物面集光器（下部ＣＰＣ）５４，５５を含み、チップ５１，５２の光を各々が受け取る。境界線５０ｄは、ＣＰＣ５３の入力平面とＣＰＣ５４，５５の出力平面を線引きする。出力開口部５６は、２つのＬＥＤを約±９０°に結合した出力を放出する。
【００５９】
ＣＰＣ５４の動作はエッジ光線５７によって示され、エッジ光線５７は、チップ５１からの殆ど水平な光線の垂直面５８による反射である。線５０ｄにおける反射の後、エッジ光線５７は出力開口部５６のエッジ（点線で示される）へ進み、直ぐに後方へ水平方向に反射されるが、残念なことに前記点線をある程度曖昧にする。
【００６０】
ここで記載される光学変圧器の他の実施例は、図５のクラスタリング原理を使用して可能であり、図１Ａの反射器に構築される。一連の図６Ａ−図６Ｉは、クラスタリングの他の実施例を示す。
【００６１】
図６Ａは、例えば、図２の誘電体ＣＰＣに基づく、光学マニホールド６１０の断面図である。マニホールド６１０は、入力ＣＰＣ６１１，６１２、及び出力ＣＰＣ６１３を含む。ＬＥＤは入口ポート６１１Ｌ，６１２Ｌに取り付けられ、それらの結合された出力は、出口ポート６１３Ｅに形成される。境界線６１０Ｄは、入力ＣＰＣと出力ＣＰＣの間の境界である。光の可逆性は、ポート６１３Ｅに光を放出する大きなＬＥＤが存在でき、ポート６１１Ｌ，６１２Ｌで光を放出させられることを示す。
【００６２】
図６Ｂは、入力誘電体ＣＰＣ６２１，６２２、及び更に大きな出力ＣＰＣ６２３を含む光学マニホールド６２０の断面図である。また、入力ＣＰＣ６２１も、誘導された光に対して可能な最小幅を有する（ソース６２１Ｌからちょうど内側の）混合ロッド６２１Ｍを含む。これはソース６２１Ｌの不均一性の解消を助け、出口ポート６２３Ｅに対する均一な輝度を保証する。
【００６３】
図６Ｃは、誘電体ＣＰＣ入力マニホールド６２１，６２２、及び適合されたミラー６２３を含み、出口６２３Ｅにおける空気中にエテンデュが制限された出力を生成するためにレンズ面６２０Ｓと連動して作用する光学マニホールド６２０の実施例の断面図である。
【００６４】
図６Ｄは、反射入力コーン６３１，６３２、出力コーン６３３、及びレンズ６３４を含む光学マニホールド６３０の他の実施例の断面図である。ＬＥＤ６３１Ｌ，６３２Ｌからの光は、出力ポート６３３Ｅで結合される。
【００６５】
図６Ｅは、反射入力ミラー６４１，６４２、出力ミラー６４３、及びフレネル・レンズ６４４を含む光学マニホールド６４０の他の実施例の断面図である。ＬＥＤ６４１Ｌ，６４２Ｌからの光は、出力ポート６４３Ｅで結合される。フレネル・レンズ６４４の厚さは理解しやすいように誇張されており、実際には更に薄くできる。
【００６６】
図６Ｆは、入力ＴＩＲレンズ６５１，６５２、及び出力ＴＩＲレンズ６５３を含む光学マニホールド６５０の更に他の実施例の断面図である。入力ＬＥＤ６５１Ｌ，６５２Ｌは、焦点領域６５３Ｅと結合する出力を有する。図６Ａ−図６Ｅの断面は、矩形対称、又は円形対称の何れかで実現できる。しかし、ＴＩＲレンズは本質的に回転対称であり、配列に加工するためにある程度のトリミングを必要とする。
【００６７】
図６Ａ−図６Ｆによって例示されるように、図６Ｇは、５５個の６角形にトリミングされた回転対称入力手段を含む立体視鏡レンズ６６０の平面図である。各レンズ６６１は、ＬＥＤ６６２に焦点を合わせる。
【００６８】
図６Ｈは、７つの円形ＴＩＲレンズ６７１を含む光学マニホールド６７０の入力側からの斜視図であり、各円形ＴＩＲレンズ６７１はＬＥＤ６７２の中心に配置され、光を受け取る。
【００６９】
図６Ｉは、他の側から見た図６Ｈの光学マニホールド６７０の斜視図であり、出力ＴＩＲレンズ６７３と出口領域６７３Ｅを示す。
【００７０】
いったん本発明の原理が理解されたら、後述する構成要素の他の多くの組み合わせが構築できる。例えば、図６Ａの大きな出力誘電体ＣＰＣ６１０は、図６Ｆの大きなトリミングされたＴＩＲレンズ６５３と交換できる。この場合には、出力像は空気中に形成される。この後者の形態は、光学系全体の長さが短くなり、場合によっては、ＴＩＲレンズが長いＣＰＣ（又は、クロスＣＰＣ）よりも成型が容易で安価であるという長所を有する。
【００７１】
上記の全ての形態では、部品は別々の部品として成型され、接着されるか、又は１つの部品として成型される。
【００７２】
これまでは、例示される実施例は薄膜ＬＥＤを入力ソースとして利用し、発光チップに接近することに多くを依存してきた。例えば、図３Ａに示される実施例では、ドームは図６ＨのＴＩＲレンズによって入力としてのみ使用できた。輝度をドームから抽出して、それを空気中に投影することが必要である。勿論、屈折率ｎの中にチップが埋められる場合、寸法がｎ倍だけ大きく見える。
【００７３】
図７Ａは、ドーム型ＬＥＤから空気中の像への、エテンデュが制限された光束伝達の側面図である。図７Ａは、ベース７０１、発光チップ７０２、及び透明なドーム７０３を含む高出力ＬＥＤパッケージ７００を示す。固体−誘電体デュアル・レンズ７１０は、下部レンズ７１１、及び同一の上部レンズ７１２を含み、下部レンズ７１１、及び上部レンズ７１２は反対向きで、線７１０Ｄに沿って結合され、両方のレンズは軸７１０Ａについて回転対称である。下部レンズ７１１は、中心双曲線レンズ７１１ｈ、及び周囲を囲む一般化されたデカルトの卵形線反射器７１１ｔを含み、デカルトの卵形線反射器７１１ｔは、中心円筒７１１ｃを通って入ってくる光をコリメートする。双曲線レンズ７１１ｈは取入口として作用し、ＬＥＤチップ７０２の中心に焦点を合わせられる。上部レンズ７１２は、中心双曲線レンズ７１２ｈ、及び周囲を囲む全反射面７１２ｔを含む。光はチップ像７１０Ｅで±９０°の範囲に集まり、チップ像７１０Ｅから他の光学マニホールドが入力光を受け取る。模範的な主光線７１５は、チップ７０２からの極角β、及び像７１０Ｅにおける等しい極角β’を有する。その種のレンズが正確に作られて配置されるとき、像７１０Ｅのエテンデュはソースのエテンデュを超えて増加せず、ソース−輝度不均質性は取り除かれ、像の複数の点がソースの多くの点から受け取る。この非結像動作は外形７１１ｔ，７１２ｔのミラー反転動作によって為され、外形７１１ｔ，７１２ｔは、全反射する光を回転させて不鮮明にするダブプリズムのように作用する。
【００７４】
図７Ｂは、ドーム型ＬＥＤから空気中の像への、エテンデュが制限された他の光束伝達の側面図である。図７Ｂは、ＬＥＤパッケージ７００に取り付けられた、２切子面デュアルＴＩＲレンズ７２０の断面図を示す。下部ＴＩＲレンズ７２１はドーム７０３を囲み、チップ７０２の光をコリメートし、分割面７２０ｄを横切って上部ＴＩＲレンズ７２２へ光を送り、今度は上部ＴＩＲレンズ７２２が出口像７２０Ｅに光の焦点を合わせる。レンズ７２０は、ＬＥＤパッケージ７００の軸７２０Ａの周りで回転対称である。模範的な主光線７２５は、軸７２０Ａについて等しい角度βとβ’の範囲を定める。この好ましい実施例の製造の光学的正確性は、チップ７０２より少し大きなエテンデュを有するために、像７２０Ｅに対して高くなければならない。チップ２０２からの像７２０Ｅの領域で増加し、それはＬＥＤ７０２が埋め込まれるドーム７０３の材料の屈折率の２乗に比例する。
【００７５】
図７Ｃは、ＳＭＳ設計されたＲＩＩＲレンズ７３０の側面図であり、中心軸７３０ａの周りで回転対称であり、赤道面７３０ｄはＲＩＩＲレンズ７３０を下部レンズ７３１と上部レンズ７３２に分割する。中心レンズ７３１ｃは上向きに進行する光をＬＥＤチップ７０２から集め、それを中心レンズ７３２ｃへコリメートし、今度は中心レンズ７３２ｃが出口像７３０ｅに焦点を合わせる。中心レンズ７３１ｃを囲むのは、光をチップ７０２から全反射面７３２ｒにわたって分布させるように形成されたベル型面７３１ｅであり、ベル型面７３１ｅは光を下部全反射面７３１ｒにコリメートし、直ぐにベル型面７３２ｅへ集中させ、ベル型面７３２ｅは出口像７３０ｅに焦点を合わせる。模範的な主光線７２５は、チップ７０２の中心を極角βで出て、入口面７３１ｅで屈折され［Ｒ］、上部面７３２ｒで内部に反射され［Ｉ］、下部面７３１ｒで内部に反射され［Ｉ］、射出面７３２ｅを通して最後に屈折され［Ｒ］、レンズ７３０はＲＩＩＲレンズである。レンズ７３０の表面の連続性は、正方形ＬＥＤチップ７０２は正方形像を７３０Ｅに有し、非常に僅かなエテンデュが増加することを意味する。これは、ＲＩＩＲ光路（例えば、７２５，７２６）が等価な光路長を有するからであり、たとえ空気中で、従って、（チップを囲む屈折率を使用して）チップ７０２よりも寸法がｎ倍大きくても、像７３０ｅの境界を正確に定めることを保証するからである。レンズ７３０は非結像なので、チップ７０２の輝度不均質性はスミアリングする。また、このレンズは図７Ａ−図７Ｂのレンズよりもコンパクトであり、従って、図７Ｃに示される実施例は、図７Ａ−図７Ｂの実施例よりも、いくつかの目的に対してより好ましい。
【００７６】
追加の実施例が図７Ｄ−図７Ｅに示されるが、図１１を参照して以下で議論される特徴について、即ち、蛍光体発光をリサイクルするための青色透過ダイクロイック・フィルタが、赤道面７１０Ｄ，７２０ｄ，７３０ｄと適合して、図７Ａ−図７Ｃに各々が配置される。図７Ｄは、デュアル・レンズ系７４０を通した断面図である。ＬＥＤパッケージ７００は、ベース７０１、青色-発光チップ７０２（平面図で垂直に示される）、及びジェルを充填されたドーム７０３を含む。ドーム７０３と光学的に結合されるのは、屈折率約１．５のレンズ７４１である。次に、それと光学的に結合されるのは、屈折率１．３４のシリコンレンズ７４２である。レンズシステム７４０の赤道面は青色透過ダイクロイック・フィルタ７４３であり、そのリサイクル目的が図１１を参照して以下で議論される。その頂点はシリコンレンズ７４４であり、下部シリコンレンズ７４２の頂点と実質的には同一のものを形成する。一番上のレンズ７４５は、ドーム７４５ｄの付加を別にして下部レンズ７４１と形状が同一であり、遠隔蛍光体７４６（平面図で垂直に示される）がその内部に埋められる。シリコンレンズ７４２，７４４は、各々がレンズ７４１，７４５の内部で全反射によって光線７４７を配向するために一致して作用するように見える。光線７４８は角度βで中心線７４９から放出され、等しい角度β’で蛍光体７４６に入射する。
【００７７】
図７Ｅは、類似のＬＥＤを有する（図７Ｄと機能が類似する）デュアル・レンズ系７５０の側面図である。ジェルを充填されたドーム７０３は、下部レンズ７５１に光学的に接着され、下部レンズ７５１は内部に反射する外形７５１ｔ、内部コリメーティングレンズ７５１ｃ、及び光学的に不活性な円筒壁７５１ｗを含む。青色透過ダイクロイック・フィルタ７５３は、レンズ系７５０の赤道面である。反転した上部レンズ７５５は、ドーム７５５ｄの付加を別にして下部レンズ７５１と形状が同一であり、下部レンズ７５１の中には蛍光体７５６が埋められる。蛍光体７５６も、青色発光チップ７０２のように平面図で垂直に示される。光線７５８は中心対称軸７５９に関して角度βで放出され、等しい入射角β’で蛍光体７５６に入射する。
【００７８】
図７Ｆは、デュアル・レンズ系７６０の側面図であり、図７Ｅに示されるデュアル・レンズに類似する。この実施例では、ＬＥＤ７６６は装置軸７７７の側から離して配置され、ＬＥＤ７６６の１つのエッジは軸７７７上にある。蛍光体層７６５はレンズ７６０の焦点位置に配置されるが、装置軸７７７の反対側では、ＬＥＤ７６６のそれからである。デュアル・レンズ７６４はＬＥＤ７６６を蛍光体層７６５上にはっきりと投影し、光線の中には固体誘電体光学素子７６２の内部に配向されるものもあり、他はフィルタ７６１に後方散乱される。フィルタ７６１は全ての後方散乱された光線を焦点位置に同じ高さで蛍光体層７６５として再配向して投影するが、装置の軸の反対側である。これらの光線は固体誘電体光学素子７６２の内部に配向され、直ぐに装置からパターンへ配向される。光線７６３は、この実施例に関する鍵となる原理を示す。デュアル・レンズ７６４は、ＳＭＳ設計方法の適用を通して設計される。ソースの仮想領域が更に大きいので、この装置は、理論的に、図７Ｅの実施例より低い電圧の輝度を有する。しかし、装置を出る前に後方散乱した光線の単一のリサイクルだけが存在する点で、図７Ｅで利用される方法を超える長所を有する。
【００７９】
図７Ｇは、図７Ｆに記載された光学系と類似の光学系である。この実施例では、単一のＬＥＤ、及び単一の蛍光体ターゲットが、ＬＥＤ７５５のトライアッド、及びトライアッド蛍光体ターゲット７７４と交換される。装置の原理と動作は、図７Ｆに示される装置に類似する。
【００８０】
図７Ｈは、僅かに異なる光学的構造を有する、図７Ｆ−図７Ｇに示される実施例と同じ原理の単一リサイクルを使用する実施例を示す。この方法では、フィルタ７８７は、光学素子７８２の下半分と上半分によって、その全体の面を埋められる。光学素子７８２の各半分は、外部固体誘電体ＴＩＲ素子７８５、及びそれらの間にエアギャップを有する屈折レンズ７８６，７８４の内部ペアを有する。これらの光学的特徴は、単一のＬＥＤ／蛍光体ペア、又はチップと蛍光体の配列のために、蛍光体にＬＥＤチップの制御されたオフセット投影を一緒に提供する。境界面７８３は、配向されリサイクルされた光線を抽出するために、それに取り付けられた第２誘電体光学素子（例えば、図７Ｆの７６２）を有することができる。
【００８１】
図７Ｉは、ＬＥＤチップ７９１、高屈折率複合楕円集光器（ＣＥＣ）７９２、及び高屈折率蛍光体層７９３を含む遠隔蛍光体システム７９０の断面図である。正方形（又は、矩形）のＬＥＤに対して、１実施例はクロスＣＥＣである。最新の高屈折率（２．４−２．８）蛍光体はセレン化亜鉛硫化物であり、セレン−硫黄比によって制御される屈折率を有する、高いパッキング密度が可能な電気泳動蒸着として、 Phosphor-Tech 社から購入できる。更に高屈折率のＣＰＣが、図２ＣのＣＰＣ２００２と同様に最上層７９３を機能させる。この実施例は、ＬＥＤ７９１の背面に鏡面反射器を含み、米国特許第6,784,462号に記載された銀（又は、ハイブリッド銀／金属酸化膜）全方向性反射器が好ましい。これは、蛍光体の後方への発光を良い効率で反射し、その正面輝度を倍近くにすることを助ける。
【００８２】
図１Ａ−図２Ｄは、ここで記載される光学変圧器のための光の収集に関する。それらは、図の平面の中を進行中の光線に作用する２次元の外形を示す。実際には、その平面に垂直にその種の外形を押し出すことにより、３次元システムが形成される。一般に、この押し出し距離の厚さは、正方形チップの幅と等しいか、又は僅かに大きい。これは、（押し出された外形の平面ではない）光線の押し出し方向での損失をもたらす。代わりに、直交方向に使用される同じ外形を用いて、２方向クロスＣＰＣが使用できる。これは、図８Ａ，図８Ｂ，図９Ａ，図１０Ａ，図１０Ｂに示される。高いシステム効率に絶対不可欠なのは、適当に低い吸収率を有する透明材料の使用である。何故ならば、これらの実施例の内部の光の通路の多重径路的性質のためである。例えば、射出成形プラスチックで日常的に利用されるポリカーボネートは、これらの実施例が深刻な損失を有する非常に大きな吸収を有するが、それに対して、アクリルは有さない。
【００８３】
図８Ａは光学マニホールド８０の斜視図であり、誘電体充填２＊２：１マルチＣＰＣの実施例である。４つの入力クロスＣＰＣ８１、及び出力クロスＣＰＣ８２を含み、境界線８２ｄで示されるように、断面が全て正方形である。これら４つのクロスＣＰＣの各々の断面は、図２Ｂの断面と類似しており、埋められたＬＥＤ８３は全ての光を平面８０ｄを横切ってクロスＣＰＣ８２へ送る。
【００８４】
図８Ｂは光学マニホールド８０の他の斜視図であり、射出面８４も示し、射出面８４は類似の屈折率の他の装置へ接続されなければならず、集中した光のいくらかは、内部反射によって戻される。マニホールド８０を実施例のいつくかと結合させて、以下を示すことが可能である。
【００８５】
図９Ａは２＊４：１光学マニホールド９０の斜視図であり、対応する複数の埋められたＬＥＤ９２から光を受け取る複数の入力クロスＣＰＣ９１、複数のクロスＣＰＣ９１から光を受け取る矩形混合部分９３、及び矩形混合部分から光を受け取る矩形出力クロスＣＰＣ９４を含む。
【００８６】
図９Ｂは図９Ａに示されるマニホールド９０の他の斜視図であり、出力クロスＣＰＣ９４からのほぼ矩形の出力面９５も含む。混合部分９３は、ほぼ一定の短い寸法９３ｗと僅かに拡大する長い寸法９３Ｌを有する矩形断面を有する。
【００８７】
ここで記載される光学変圧器のこれら及び他のマルチポート実施例に関して、図２Ｃの高屈折率ＣＰＣ装置は、複数のＬＥＤの上を通り過ぎる高屈折率ＣＰＣのための複数のモールドを形成する複数の凹みを含むように拡張されるシリコン層２００４を用いて実施できる。従って、高屈折率鋳造のゾル−ゲル・プロセスは、ここで記載される光学変圧器の多くの異なる実施例を受け入れることが出来る。
【００８８】
図１０Ａは４＊４：１光学マニホールド１００の斜視図であり、複数の（この実施例では、１６個の）正方形誘電体入力クロスＣＰＣ１０１、クロスＣＰＣに各々が接続された対応する複数の埋められたＬＥＤ１０２、及び各クロスＣＰＣからの光出力を一括して受け取るように結合されたほぼ正方形の出力誘電体クロスＣＰＣ１０３を含む。埋められた正方形フィルタ１０５も示され、青色ＬＥＤ１０２の場合に対して設置される。実施例の中には、正方形フィルタ１０５が出力ＣＰＣ１０３の入力面を横切って適用される青色透過反射器であるものもあり、入力クロスＣＰＣ１０１の配列に光学的に結合される。その種の青色透過反射器は、当業者に既知の複数の方法（例えば、適切な支持層への薄膜多層誘電体（又は、他の材料）の蒸着、及び単一層（又は、多層）反射、又は透過ホログラム・コーティングによって）で構築できる。1981年の出版物（Miles, Webb, 及び Griffith, “Hemispheric-field-of-view, nonimaging narrow-band spectral filter”, Optics Letters, Vol. 6 #12 pp. 616-618 （December1981）では、２つの中空反射ＣＰＣが、光を狭帯域スペクトル・フィルタにコリメートして、ろ波された光を集光するために対面して使用される。対照的に、ここで記載される光学変圧器の実施例は、中空ＣＰＣの代わりに誘電体ＣＰＣを使用する。他の違いは、狭帯域通過フィルタではなく帯域通過フィルタを使用することである。図１０Ａの実施例は、単一のＣＰＣではなく複数の入力ＣＰＣを有する。図１０Ｃに示されるように、集光器ＣＰＣ１０３は、蛍光体ターゲット１０６を有する。集光器ＣＰＣ１０３は、１６個のＬＥＤからの入力を、蛍光体ターゲット１０６がある単一の射出面で結合して均質化する。また、図１０Ｄに示されるように、 Miles 他で開示されない図１０Ａの実施例の新規性も、蛍光体１０５の後方発光を反射するフィルタ１０５の機能である。これは、ここで記載される光学変圧器のリサイクル原理であり、新規であると信じられる。
【００８９】
図１０Ｂは図１０Ａに示される光学マニホールド１００の他の斜視図であり、ほぼ矩形の射出面１０４を更に含む。
【００９０】
図１０Ｃは射出面１０４における出口ＣＰＣ１０３の接近図であり、射出面１０４に設けられた実際の位置から離されて分解された薄膜蛍光体層１０６を示す。蛍光体層は、クロスＣＰＣ１０３の埋められたランベルトの光出力の全体を受け取る。青色ＬＥＤ１０２からの光の好都合に均一な総和は、何れか１つのＬＥＤの変動（又は、機能不全）のための均一な損失を被らない。好都合なことに、品質制御が複数のＬＥＤの平均中心波長を一定に維持するのに充分なように、個々のＬＥＤの波長ビニングは要求されない。
【００９１】
図１０Ａ−図１０Ｃに示される光学マニホールドは、蛍光体形態から起こる他の長所を有し、それは個々の青色チップに従来通り適用される蛍光体層を用いてでは可能でない。従来の白色ＬＥＤでは、青色チップが１滴の粉状の蛍光体のスラリを半流動体結合剤の形態で受け取る。製造中に青色チップに蒸着された後に、１滴は乾燥する（又は、紫外線硬化される）。従来の方法の短所は多い。第１に、蛍光体の薄い厚さ制御された等角層の蒸着は、１ｍｍの高出力ＬＥＤエミッタの表面に届くことが極めて困難であり、それはＬＥＤの大量生産で使用される材料の結果であると信じられ、蒸着面の小さなサイズ、及び放出面に一定の厚さの層を蒸着させるための多くの技術が、ＬＥＤを損傷し得る。第２に、蛍光体層は高熱状態になりやすい。何故ならば、それがＬＥＤに近いからであり、それはコーティングの熱劣化の加速、又は不適合性熱膨張から起こる力による蛍光体／ＬＥＤ境界面への物理的損傷の原因となり得る。（以下で図１１Ａ−図１１Ｃに関連して議論される）蛍光体スペクトル放出曲線は、温度が上昇するにつれて長い波長へシフトし、ＬＥＤの色に依存する望ましくない温度を招く。他の問題が当業者に既知のこの技術について存在し、上で議論した色温度の制御の困難さを含む。
【００９２】
代わりに、図１０Ｃは、ここで記載される光学変圧器が、セラミックの内部に戻された後に、均一な厚さ（例えば、２５−６０マイクロメートル）の大きな薄いシートとして蛍光体を如何にして直接利用するかを示す。好都合に大きい一片はレーザで刻まれるか、又は層１０６のサイズ（１側面で４−６ミリメートルの範囲）の一片に切断される。勿論、同じ厚さの蛍光体の更に大きな一片は、更に大きな光学マニホールドで、更に大きな白色光の光度のために使用できる。蛍光体の厚さの更に高度な制御のため、及び熱循環の欠如のために、この方法は高い均一性を輝度と色温度の両方に提供する。
【００９３】
図１０Ｄは図１０Ａ−図１０Ｃの光学マニホールド１００の内部の光線トレースであり、青色通過フィルタ層１０５の機能を図示し、青色通過フィルタ層１０５は出力クロスＣＰＣ１０３の入力面を横切って設置される。蛍光体層は、模範的なランベルト分布した光線１０７を放出する。光学素子の可逆性は、クロスＣＰＣ１０３が、蛍光体層１０６の内側の光線１０７を表すランベルトの黄色がかった発光の全角度範囲を圧縮することを意味する。この発光が青色通過フィルタ１０５に反射するとき、その狭い角度が発光を蛍光体１０６に戻す。即ち、大きなＣＰＣ１０３は、全ての光線の軸外角度を１０°より小さくする。これらの戻された光線は蛍光体層１０６の内部で散乱されるが、吸収はされず、代わりに蛍光体層１０６の外側から漏れる５０％の確率を有する。この特徴は、青色ＬＥＤで直接コーティングされる蛍光体に基づく輝度よりも白色輝度を２倍近くにするべきであると信じられる。大きなＣＰＣ１０３は、その非結像性のために優れた均一性を生成する。ここで記載される光学マニホールドの実施例の他の新規性は、蛍光体厚さの性格で均一な適用による色温度の正確な制御である。均一な青色照明と大きな光輝性層のこの組み合わせは、新規である。
【００９４】
青色光によって照射されるときに赤色光を発生するために光輝性半導体（例えば、ＡｌｌｎＧａＰのウェハからの薄片）を利用することが可能であると信じられる。この材料は透明なので、緑色蛍光体の上に被せることができ、黄色蛍光体の代わりに使用できる。緑色蛍光体を使用することは、半導体の量子収量が黄色蛍光体の量子収量より多いときに有利である。図１０Ｅはその種の形態の実施例を示し、射出面１０４を有する大きなＣＰＣ１０３を示す。緑色蛍光体１０６Ｐはその上に接着し、赤色半導体層１０６Ｓはその頂点に設置される。
【００９５】
緑色蛍光体を使用する他の方法は、赤色ＬＥＤ光源を用いる。図１０Ｆは、プレーナフィルタ１００５を通して大きなＣＰＣ１００３を送り出す１６個の小型ＣＰＣ１００１を含むマニホールド１０００の斜視図である。この実施例では、４つのＬＥＤ１００２Ｒが赤色であり、残り１２個のＬＥＤ１００２Ｂが青色である。図１０Ｇはマニホールド１０００の他の図であり、大きなＣＰＣ１００３の出口平面における緑色蛍光体１００６を示す。フィルタ１００５は、更に小さな赤色通過フィルタ１００５Ｒ、及びＬ字型青色通過フィルタ１００５Ｂを含むように示される。フィルタ１００５Ｒは４つの赤色ＬＥＤ１００２Ｒの上に被さり、一方、フィルタ１００５Ｂは１２個の青色ＬＥＤ１００２Ｂの上に被さる。図１０Ｄの光線１１０ｒによって示されるように、この複合フィルタはリサイクル動作を有する。
【００９６】
他の問題は、蛍光体材料の（約１．８と考えられる）屈折率から起こる。これは、全反射のために光が蛍光体にトラップされるようにする。図１０Ｇは、蛍光体からの光取り出しを増加させる光学系の付加を別にして、図１０Ｃに類似の分解図である。図１０Ｇは、誘電体クロスＣＰＣ１０３、モノリシック・セラミック蛍光体１０６、及び誘電体半球１０７を示し、誘電体半球１０７は蛍光体の上にフィットする。
【００９７】
図１０Ｈはこのフィットの他の図であり、蛍光体１０６を収容して光学的に接着する正方形凹み１０９を含む、半球１０７の赤道面１０８も示す。この装置は、蛍光体の拡大像を発生することにより光取り出しを増加させる。蛍光体散乱が高いとき、その種のドームは余り有効ではないと信じられる。その場合、平坦な蛍光体層によってトラップされた光は、抽出又は吸収されるまで、ショートパス・フィルタとの相互作用を介して再散乱されてリサイクルされる。もしショートパス・フィルタが正しく設計されたら、反射率０．９９と無視してよい吸収率を有するべきである。光学素子のリサイクル部分に対して選択された材料も低い吸収率（例えば、ＰＭＭＡ）を有すると仮定したら、複数のバウンスで失われた光束の量は小さく、その種のシステムで抽出される光は大きい。これは輝度をドームの場合よりも実質的に高くするが、全ての光度でわずかな増加（５−１０％）である。一般に、適切な材料の平坦な保護カバーは、蛍光体層を保護することを必要とされる。適切な材料は、例えば、エポキシ、ＰＭＭＡ、ポリカーボネート、及び蛍光体より低い屈折率を有する他の材料を含む。
【００９８】
図１１Ａは、分光測光器プロット１１０の中のフィルタ１０５の出力のグラフであり、可視スペクトル（４００−８００ナノメートル）の両端にわたる水平波長スケール１１１を含む。垂直スケール１１２は、相対輝度、又は透過率をプロットする。プロットライン１１３は、図１０Ａのフィルタ１０５のスペクトル透過率を示す。上部ライン１１３ｈは、１００％に近い。何故ならば、一般に、フィルタ１０５は、射出成形可能なプラスチック（例えば、ポリカーボネート）の屈折率よりも僅かに低い屈折率を有するからである。例えば、その種のフィルタに対する１つの適切な材料は、ＰＹＰＥＸウェハである。
【００９９】
また、図１１Ａは、左４８５ｎｍと右４９５ｎｍの間の絶壁１１３ｃを示す透過率プロット１１３を図示する。透過率プロットと反射率プロットに急変を有するショートパス・フィルタは、広範囲の中心波長にわたって、カリフォルニア州サンタローザの例えば、 JDS Uniphase 社から購入できる。適切なショートパス・フィルタは、所定の波長より下では高い透過率（一般に、フレネル損失を含む空気中でさえ９０％より上）を有し、伝達遮断波長より僅か５ｎｍ上から始まる波長に対しては高い反射率（９９％より上）を有する。加えて、これらのフィルタは、１５０ｎｍまでは高い反射率帯域幅を維持できる。最後に、入射角１０°以下の光線に対して誘電体光学部品の間に挟まれるか、又は空気中にあるとき、これらのショートパス・フィルタはこれらの仕様を満たすことが出来る。中心波長自体は垂直入射において保証され、理論が述べるように、フィルタの内部の入射角の余弦に従って変化するように記載される。プロットライン１１４は、青色ＬＥＤに対する一般的な分光測光器プロットを描く。極めて小さな断片１１４ｆだけが、透過率曲線１１３の外側にある。しかし、その種のスペクトル・フィルタリングは、垂直入射から２７°ずれた効果を示す波長シフト１１５に関して角度に依存する。これは、プロット１１４が、全ての青色光が反射されるようにするのに必要なだけシフトされることを示す。図１０Ａの入力ＣＰＣは１０°出口角度を有し、それは約４９５（１−ｃｏｓ１０°）＝７ｎｍ（絶壁１１３ｃの幅の半分）だけのシフトを起こす。この効果は、反射損失を約１％から２％増加させるだけである。
【０１００】
図１１Ｂは図１１Ａに類似のグラフであるが、異なるスペクトルプロット１１０Ｂを有し、フィルタ透過率プロット１１３の重要性を図示し、点線の蛍光体吸収曲線１１５と蛍光体発光曲線１１６に並べられる。吸収曲線１１５は図１１Ａの青色ＬＥＤ放出曲線１１４とほぼ一致し、全体がプロット１１３の透過側にある。放出曲線１１６はほぼ全体がプロット１１３の反射側にあり、図１０Ｄの白色光線１０７の戻りを起こすものであって、蛍光体１０６から内部へ放出された白色光のリサイクルを保証する。
【０１０１】
図１１Ｃは図１１Ａ−図１１Ｂに類似のグラフを示すが、異なるスペクトルプロット１１１０を有し、図１０Ｇの複合フィルタ１００５のスペクトル作用を示す。図１０Ｇの青色通過フィルタ１００５Ｂは、図１１Ｃの透過曲線１１１３を有する。点線１１１５は緑色蛍光体の励起機能であり、実線１１１６はその発光機能である。図１０Ｇの赤色通過フィルタ１００５Ｒは、図１１Ｃの透過曲線１１１７を有する。図１０Ｇの赤色ＬＥＤ１００２Ｒは、図１１Ｃのスペクトル分布１１１８を有する。両方のフィルタは曲線１１１６の緑色蛍光体発光波長を反射して、蛍光体後方発光の大きなＣＰＣの内部でリサイクルを可能にする。
【０１０２】
このアプリケーションのためのフィルタは、ＰＹＰＥＸウェハを支持層として使用し、この支持層の１側面に多くの薄膜材料を周知の蒸着プロセスを使用して蒸着して製造できる。適切なＰＹＰＥＸウェハは、厚さ約０．３ｍｍ、寸法公差±０．０５ｍｍで Corning 社から容易に購入できる。この材料は、可視範囲１．４７の平均屈折率を有する。蒸着プロセス、設計手順、及びその種の装置を作るのに必要な材料は、従来技術からよく確立される。例えば、後述するＰＹＰＥＸウェハ上の二酸化ケイ素と五酸化タンタルの４５交替薄膜を使用して、フィルタは波長４００−４９５ｎｍに対して８５％より上の最小透過率を達成するように設計でき、一方、約５１５ｎｍ−７００ｎｍの範囲の波長に対しては９８％より上の反射率を有する。その種の装置は大きなウェハに作ることができ、必要な形状はフィルタ１０５のサイズに合致する更に小さな切片に切断される。この方法は、フィルタのコストを明らかに下げることができる。他の更に効率的な設計は、工業的資源（例えば、カリフォルニア州サンタローザの JDS Uniphase 社からは装置を）から、多様な確立されたプロセス、材料、及び設計手順を使用して容易に購入できる。加えて、同じ結果を達成するためにホログラム技術を利用することが可能である。もし大量生産したらホログラムは非常に低価格な構成要素になるので、これは従来の方法を超えるいくつかの長所を有する。しかし、今回、その種の技術は利用可能であるとは報告されておらず、特別な研究及び開発を必要とする。
【０１０３】
埋められたＬＥＤのランベルト分布が臨界角まで圧縮されることが望ましいが、エテンデュを維持する方法で領域を拡大させる。図１２は分布変換素子１２０を示し、広角（±９０°）ポート１２１が端点１２３，１２４によってマークされ、空間的に広い狭角ポート１２２が端点１２５，１２６によってマークされる。点１２７は、素子１２０を含む透明な媒体の臨界角θによって定められる。点１２３から点１２７では、素子１２０の外形は、向かい合う点１２４，１２６における焦点について楕円である。点１２５と点１２７の間は点１２４における焦点について放物線であり、軸は点１２５から点１２８へ進行中の光線に平行である。点１２７，１２８の左にはＣＥＣ（複合楕円集光器）があり、この右にはＣＰＣがある。分布変換素子１２０の出力の更に狭い角度は、他の実施例に対する適切な入力として役立つ。
【０１０４】
ここで記載される光学変圧器の光学マニホールドの構成要素に対して等しく重要なのは、高いＮＡ（一般に、約１）で輝度を伝達し、一方で、高い均一性と一定の色を達成するために輝度を混合するエテンデュ維持方法である。ＮＡは、以下の方程式を使用して計算できる。
ＮＡ＝ｎｓｉｎ（π／２−θc）＝ｎ（１−１／ｎ2）
ここで、θcは材料の臨界角であり、ｎは材料の屈折率である。この方程式はシステムのＮＡを決定するために有用であり、入力光線束は、既に誘電体媒体の内側である。この場合には、方程式の値ｎは、１．０より大きい。
【０１０５】
照明の伝達に関する従来技術は、 Fein の米国特許第6,189,687号（特に、図１Ｆ）に示される。このコーナ・ターン形態は、従来の反射器についてだけ可能である。何故ならば、ＴＩＲは任意の光線を入射させないからである。全てのＴＩＲ動作に対して、米国特許第6,189,687号は、４５°曲がるための図３Ｂの装置を有する。類似の形状を有する光学素子は図１３Ａに図示され、ここで開示される角度回転子の鮮明度の識別、及び長所を促進する。
【０１０６】
図１３Ａは Fein のコーナ・ターン１３５０の構造を示し、ポート１３５１，１３５２は共通の方向４５°横たわる。それは構造角θを使用し、構造角θは臨界角θc＝ｓｉｎ-1（１／ｎ）の余角であり、ｎ＝１．４９５、θ＝４９°である。これは、誘導された光の最大角（又は、ほぼＮＡ＝１）に対応する。内壁１３５３はＴＩＲが動作可能な平坦なミラーであり、点Ｆ１から点Ｆ２まで伸長する。外壁１３５４は点Ｐ１から点Ｐ２まで伸長する放物線状の弧を含み、点Ｆ２に焦点を有し、軸が時計回りの方向に、垂直に対して角度θを作り、楕円弧は点Ｐ２から点Ｐ３まで伸長し、焦点Ｆ１，Ｆ２を有し、放物線状の弧は点Ｐ３から点Ｐ４まで伸長し、焦点を点Ｆ１に有し、その軸が射出孔１３５２に対する垂直に対して角度θを作る。構造線１３５５は、ほぼＮＡ＝１における光線の制限と同じ方法で、外壁１３５４に対して反射される。
【０１０７】
これらの構造線は、ほぼＮＡ＝１に対するものであるが、 Fein の図３Ｂの装置は、その種の放射を全反射だけを介して実際に伝達できない。これは図１３Ｂに示され、コーナ・ターナ１３１０の光線トレースを描く。エッジ光線１３５７は入口孔に対する垂線に対して角度を作り、それはこの装置の材料の臨界角の余角である。それらの中の１つだけ（光線１３５７ｅ）が反射される。残りの全ては、光線１３５７ｒを屈折により伝達し、漏れと部分的欠陥を構成する。更に完全な光線トレースは、１００％送達は、光線入射角が点Ｆ１，Ｐ４を結ぶ線と図１３Ａの入口孔に対する垂線の間の角度以下であるときだけ得られることを示す。図１３Ａの実施例では、この角度は約３°である。この装置に対して３°より大きい入射角を有する光線の中には、光学素子の外側に漏れるものもある。もし全ての光が全反射によって再配向されたら、（Fein の図３Ｂに示されるような） Fein に記載される装置は、高度にコリメートされる光源の回転にだけ適切なことが明らかになる。
【０１０８】
光学マニホールドで使用される角度回転子は、可能な最高のＮＡまでの全ての光線に対する全反射を満たす。図１３Ｃは角度回転子１３０の断面図であり、第１ポート１３１と第２ポート１３２を有し、角度幅２θの光に対して完全に交換である。この角度は、回転子１３０の透明な材料に対する臨界角の余角の２倍である。第２ポート１３２はポート１３１の平面から角度βにあり、一般に便利な値約４５°において、２つの角度回転子が輝度を直角曲がりの周りで実質的には損失なしに伝達することを可能にし、従来技術の単純な丸い（又は、正方形の）断面に対する不可避の損失の原因となる状況を可能にする。
【０１０９】
図１３Ｃでは、平坦な側壁１３３が楕円セグメント１３４の焦点Ｆ1とＦ2の間で伸長し、平坦な側壁１３５，１３６によって側面に配置される。側壁１３５は入口孔１３１に対して垂直に配向され、側壁１３６は射出孔１３２に対して垂直に配向される。光線１３７は焦点Ｆ1から焦点Ｆ2へ単一の全反射を介して進行し、光線1３８は単一の全反射を介して点Ｆ1からのポート１３１の向かい合う側から点Ｆ2からのポート１３２の向かい合う側へ進行する。これは、如何にして角度回転子１３０が、全ての光線を±θの範囲内で第１ポート１３１から第２ポート１３２へ、漏れ無しで伝達するかを示す。この非結像光学形態は、それが受け取る輝度不均一性をスミアリングする傾向がある。このスミアリングは、第２ポート１３２の各点が、光を全体ポート１３１から、及び角度回転子１３０の壁部からの反射から受け取るからである、像は、ちょうど他の型の輝度不均一性なので、これが、この及び他の実施例が「非結像」と呼ばれる理由である。
【０１１０】
図１３Ｄは図１３Ｃの角度回転子に類似の角度回転子１３００の断面図であり、点Ｃに曲率中心を有する外部弧１３０１、及び点Ｃに曲率中心を有する内部弧１３０２を含む。適合された曲線１３０３は、弧１３０１に対して適合された曲線１３０４のように、弧１３０２の両端で終端する。曲線１３０３，１３０４は、終端ポート１３０５，１３０６を共同で定める。それらの２方向性は反対方向を向く光線１３０７，１３０８によって示され、外部入射角αと内部角度βで、各々が弧１３０１，１３０２に対して全反射する。図示されない終端ポートは、光線を屈折させる。何故ならば、それらは、例えば、ここで開示される他の光学マニホールドと結合することを期待されるからである。
【０１１１】
図１３Ｅも角度回転子１３００を示すが、エッジ光線の平行径路の完全な組１３０９，１３１０を有し、それらは、回転子１３００が全反射を介する大きな弧を通して全ての光度を伝達する角度の制限を定める。
【０１１２】
図１４は光学的シフタ１４０の断面図であり、第１角度回転子１４１、及び反対方向を向く第２角度回転子１４２を含む。組み合わせるために、両方の回転子は、図１３Ｃの平坦なセグメント１３５に類似のセグメントの除去によって変更されてきた。従って、セグメントＦ1−Ｆ3は、入力光より広い。シフタ１４０の正味の効果は入力輝度分布の１．５幅の横方向シフトであり、勿論、正味の効果はシフタ１４０を構成する透明な材料の臨界角に制限される。シフタ１４０の内部の複数の内部反射は、シフタ１４０に入射する輝度不均一性を取り除く傾向がある。
【０１１３】
図１５Ａは光学的シフタ１５０の断面図であり、角度回転が無い横方向輝度シフトのためのものである。第１ポート１５１は、点Ｆ11，Ｆ12の間に及ぶ。第２ポート１５２は、点Ｆ21，Ｆ22の間に及び、点線１５０Ｌによって示されるように、ポート１５１から半幅シフトする。何れかのポートが空気との境界であるとき、それに入射する光は透明な材料１５０の臨界角θの範囲内でなければならない。直線セグメントＦ1’Ｐ1はポート１５２に垂直であり、直線セグメントＦ２’Ｐ２はポート１５１に垂直である。放物線Ｆ11Ｐ1は焦点をＦ22に有し、軸が光線ｒ1と平行である。放物線Ｆ22Ｐ2は焦点をＦ11に有し、軸が光線ｒ2と平行である。図１３Ｃに関して以前に議論したように、非結像光学装置として、素子１５０はスミアリングする傾向があり、輝度分布の不均一性が素子１５０に入る。
【０１１４】
図１５Ｂは、線１５５Ｌによって示されるように、その全幅だけの横方向輝度シフトに対する光学的シフタ１５５の断面図である。第１ポート１５６は、点Ｆ１から点Ｆ２に及ぶ。第２ポート１５７は、点Ｆ３から点Ｆ４に及ぶ。前記のように、光は、シフタ１５５を構成する透明な材料の臨界角θに制限される。これは、点Ｆ３からＰ２への光線によって定められた線と軸１５５Ｌの間に形成された鋭角として図１５Ｂに示される。シフタ１５５の周囲の大部分は、点Ｆ４から点Ｐ２、点Ｆ２から点Ｐ１、点Ｆ１から点Ｐ３、及び点Ｆ３から点Ｐ４の直線である。放物線状のセグメント１５８は点Ｐ１から点Ｐ２まで及び、その焦点を点Ｆ１に有し、光線Ｆ２−Ｐ３に平行な軸を有する。放物線状のセグメント１５８は点Ｐ３から点Ｐ４に及び、その焦点を点Ｆ４に有し、光線Ｆ３−Ｐ２に平行な軸を有する。
【０１１５】
図１５Ａ，１５Ｂは、輝度の横方向シフトの考えられる値の連続に沿った変形物を示す。更に大きなシフトは、図１５Ｂのシフタ１５５より更に長いシフタを必要とするだけである。
【０１１６】
図１６は、第１矩形ポート１６１、及び第１矩形ポート１６１に垂直に向けられた第２ポート１６２を有する光学的ツイスタ１６０の斜視図である。螺旋曲線１６３は、光学的ツイスタ１６０のコーナを形成する４つの内の１つである。エアギャップ１６０ｇをまたいで配置されるランベルトのＬＥＤ１６５も示され、光学的ツイスタ１６０の内側の光はその材料の臨界角に制限され、面１６１から面１６２へ僅かな損失が伝達される。
【０１１７】
図１７は、角度回転子を組み込んだ光学マニホールド１７０の断面図である。特に、図１７は、光学マニホールド１７０を作るために角度回転子が如何にして結合されるかを示す。ＬＥＤ１７１，１７２は、各エアギャップ１７１ｇ，１７２ｇを横切って、各角度回転子１７３，１７４の内部へ光を放出し、後者は直線部分１７５の長さに応じて配置される。出口ポート１７６の全体の幅が、両方のＬＥＤからの光を受け取る。
【０１１８】
図１８は、３次元設計に取り入れられた光学マニホールド１７０の実施例の斜視図である。ランベルトのＬＥＤ１８１，１８２はマニホールド１８０の内部に光を放出し、それらの組み合わされた光は出口ポート１８３から出る。各ＬＥＤからの光は、出口ポート１８３の全体の幅へ実質的に分配される。図１８では、２次元の外形が、３次元固体へ直交する経路方向を使用して押し出される。或いは、射出成型からの部品の除去を容易にするために、押し出しは１°又は２°の抜き勾配で僅かに先細りできる。この方法では、開始外形、又は終端外形は他方より小さく、装置の性能の少しの低下を招くと信じられる。
【０１１９】
図１９は、正方形入力ポート１９１を有する光学マニホールド１９０の斜視図である。一連の角度回転子１９２，１９３矩形出力ポート１９４を送り出す。直線の矩形部分１９５は一連の角度回転子１９６，１９７を送り出し、そこから矩形出力ポート１９８を送り出す。部分１９５の長さは、ポート１９８をポート１９４と同じ平面に配置するために適合される。
【０１２０】
図２０Ａは光学マニホールド２００の斜視図であり、赤色ＬＥＤ Ｒから光を受け取る横方向シフタ２０１、緑色ＬＥＤ Ｇから光を受け取る混合ロッド２０２、及び青色ＬＥＤ Ｂから光を受け取る横方向シフタ２０３を含む。ダクト２０４は、混合された光を受け取る。マニホールド２００の内部では、全ての光は臨界角θの範囲内に限られる。何故ならば、前記のように、ＬＥＤは小さなエアギャップ（例えば、図示されるエアギャップ２０１ｇ）を横切って発光するからである。
【０１２１】
図２０Ｂは光学マニホールド２０５の斜視図であり、３つの分岐２０７−２０９によって送り出される入力ダクト２０６を有する点でマニホールド２００（図２０Ａ）と類似する。しかし、更に離れたソースに到達するために、マニホールド２０５は更に大きい。入力分岐２０７，２０８は、各々が反対方向を向く２つの角度回転子を含む。上部分岐２０７は、上向きに湾曲する第１角度回転子２０７ａ、及び下向きに湾曲する角度回転子２０７ｂを含むように示され、想像線２０７ｄがそれらを結合させる。上部分岐２０７は赤色ＬＥＤ Ｒのためのものであり、下部分岐２０８は青色ＬＥＤ Ｂのためのものであり、更に長い混合ロッド２０９は緑色ＬＥＤ Ｇのためのものである。
【０１２２】
図２１は４：１光学マニホールド２１０の断面図であり、コプレナ入力ポート２１１、角度回転子２１２、及び各入力ポートからの光を全範囲にわたって受け取る出力ポート２１３を有する。しかし、実際にはスリット状の隙間２１４は僅かに丸みを付けられ、更に幅が広く丸みを付けられた先端部（大体、千分の数インチの幅）を有する長い隙間での置き換えとして定められる。
【０１２３】
光線トレースは、その種の実際の理想からの逸脱が数％の小さな損失、及び射出面全体の均一性からのほんの小さなズレの原因となることを示してきた。その種の設計変更は、これらの図面の描画スケールで容易に見るには余りに小さ過ぎ、それらの性能コストは小さい。部分的に、これはここで記載される光学変圧器の統合された大きな電力のためであり、入力光の大きな空間的変化は、出力均一性からの非常に小さな逸脱をもたらす。例えば、ＬＥＤ上の暗いボンディング・パッドは、均一性からのたった５％逸脱をもたらし、商用ディスプレイの非公式の５０％制限よりも小さい。
【０１２４】
図２２は４：１光学マニホールド２２０を示し、コプレナＬＥＤ２２１、デュアル角度回転子２２２、及び出口ポート２２３を有する。図２２では、コプレナＬＥＤ２２１は、図２１のそれらよりも更に間隔を空けられる。
【０１２５】
マニホールドの内部では、光が臨界角に制限されるように、図２１−図２２のＬＥＤは、ランベルト光をエアギャップを横切って射出する。図２３は４：１光学マニホールド２３０を示し、コプレナＬＥＤ２３１は、図１２と同一の角度変圧器２３２に埋められる。それらからの光は、角度回転子２３３から出口ポート２３４まで進行する。ここで教示される原理によると、入力ポートの間の距離は所望する距離に対して調節可能であり、ポートが共通の面に存在することを可能にする。良い熱管理に必要なＬＥＤ間の距離が容易に適応されるので、共通の回路基板上にある複数のＬＥＤに対して特定のマニホールド・コンバイナを設計するとき、この機能は特に有用である。
【０１２６】
図２４はアーチ形の４：１光学マニホールド２４０を示し、入力ポート２４１、角度回転子２４２、及び出口ポート２４３を有する。外壁２４４，２４５，２４６、及び内壁２４７は、点Ｃと中心を共有する円弧である。半径Ｒは、これらのアーチ形の壁部からの漏れを防ぐのに充分なだけ大きくなければならない。出来る限り、本発明の事実上全ての実施例では、伝達効率、又は出力均一性に測定可能な効果を与えることなく、この装置の形状ひだは、ひだを面取り、又は拈りすることの何れか、若しくは両方の組み合わせによって変形できる。
【０１２７】
図２５はアーチ形の４：１光学マニホールド２５０の斜視図であり、各々が小さな角度回転子２５２を有する４つの入力ポート２５１、及び共通の出力ポート２５３を含む。小さな角度回転子２５４、媒体サイズの角度回転子２５５、及び大きな角度回転子２５６は、マニホールド２５０が、小さな半径２５７から媒体半径２５８を通して大きな曲率半径２５９まで変化する曲率半径を有することを可能にする。これらの半径、及び分岐間の間隔は、特定のマニホールドを含む種々の角度回転子の回転角と相対的な大きさによって制御される。
【０１２８】
図２６Ａは２＊２：１光学マニホールド２６０の斜視図であり、各々が小さな角度回転子２６２を有するノンコプレナ正方形入力ポート２６１を有する。回転子２６２の各ペアは、矩形分布を大きな角度回転子２６３に送り出す。図２６Ａでは、４つのポート２６１の各々は任意の異なる平面に配置されていたが、同じ平面にすることも容易である。
【０１２９】
図２６Ｂは図２６Ａの２＊２：１光学マニホールド２６０の斜視図であり、矩形角度回転子２６３によって送り出される正方形出口ポート２６４も示し、今度は矩形角度回転子２６３が平面に作用する角度回転子２６２によって送り出され、回転子２６３の平面に直交する。
【０１３０】
図２６Ｃは４：１マニホールド２６５０の斜視図であり、２つの角度回転子２６５２によって送り出される出力ポート２６５１を含み、角度回転子２６５２の各々は直交面内の１組の角度回転子２６５３によって送り出される。これら４つの回転子の各々は、更に２つの回転子に至り、４つの脚部２６５５の１つを形成する。
【０１３１】
図２６Ｄは９：１マニホールド２６６０の斜視図であり、図２６Ｃの脚部２６５５と同じコーナ脚部２６６５を有するが、更に大きな出力ポート２６６１を有する。コーナ脚部２６６５の間は中心脚部２６６６と側面脚部２６６７であり、側面脚部２６６７は、上部角度回転子２６６７Ａと下部角度回転子２６６７Ｂを含み、ライトパイプ２６６７Ｐによって接続される。中心ライトパイプ２６６８は、この３＊３配列の光学的導管のまさに真ん中にある。
【０１３２】
図２７Ａは１６個のコプレナ入力ポート２７１を有する更に手の込んだ４＊４：１光学マニホールド２７０の斜視図であり、コプレナ入力ポート２７１の各々はデュアル角度回転子２７２を有する。４つのデュアル角度回転子の各列は、大きなデュアル角度回転子２７３を送り出す。
【０１３３】
図２７Ｂは他の角度から見た図２７Ａの４＊４：１光学マニホールド２７０の斜視図であり、正方形出力ポート２７４を示す。
【０１３４】
図２８Ａは４＊４：１光学マニホールド２８０の斜視図であり、１６個のコプレナ入力ポート２８１を含み、コプレナ入力ポート２８１の各々は、９０°曲がった第２角度回転子２８３を送り出すデュアル角度回転子２８２を有する。これらデュアル角度回転子の４つの列は４つのツイスタ２８４に入り、大きな角度回転子２８５が続く。
【０１３５】
図２８Ｂは他の角度から見た図２８Ａのマニホールド２８０の斜視図であり、正方形出口ポート２８６を示す。
【０１３６】
ここで記載される光学マニホールドの汎用性を示すために、図２９は光学マニホールド２９０の斜視図であり、自動車ダッシュボードの計器を照らすために利用されるものに類似する。信頼性のために、デュアル入力ＬＥＤ２９１はマニホールド２９０の内部に入り、第１照明器具として動作する可能性、及びバックアップ（又は、日中の）照明器具として動作する可能性を有する。或いは、２つのＬＥＤは、異なる全部の状態を合図するための異なる色を有する。入力光は混合ロッド２９２の中で分かれ、約半分は４＊４出力配列２９３へ行き、他の半分は分かれて矩形出力ポート２９４を送り出す。
【０１３７】
ここで記載される光学マニホールドの他の長所は、入射光の制限角だけでなく、入射輝度の空間形状も（特に、正方形から矩形へ）変える機能である。図１５Ａ−図１５Ｂの輝度シフタはこの目的のために利用でき、細長い輝度分布が生成されることを可能にする。
【０１３８】
図３０は、ｗ／２の直交スイープによって（ポート３０２における）幅ｗの外形３０１から形成される輝度シフタ３００の斜視図であり、第１ポート３０２は２：１矩形である。第２ポート３０３は、図１５Ａで示されるｗ／２ではなく、ｗ／４だけシフトされる。
【０１３９】
図３１Ａは、他の実施例の分解図である。上部１／４幅シフタ３００Ｕは線３００Ｕｄをまたがって直交シフタ３０５Ｕと隣接し、幅ｗ／２の直交シフタ３０５Ｕはｗ／４の横方向シフト、及びｗ／２の下方向シフトを有する。殆ど同一であるが反転した下部シフタ３００Ｌはシフタ３０５Ｌと隣接し、上方向シフトｗ／２を提供する。
【０１４０】
図３１Ｂは、図３１Ａの分解図に示されるモノリシック・エテンデュ・スクイーザ３１０の斜視図である。図３１Ｂでは、正方形入力面３１１が上部ダクト３１１Ｕと下部ダクト３１１Ｌに分割され、また分岐して４：１矩形出力面（図示されない）を形成する。前記のように、この装置は、透明な材料の臨界角の範囲内の光で動作する。
【０１４１】
図３１Ｃは、図３１Ｂに示されるエテンデュ・スクイーザ３１０の他の斜視図であり、４：１矩形出力面３１２を示し、その幅２ｗと高さｗ／２も示す。
【０１４２】
図３２は、モノリシック９：１エテンデュ・スクイーザ３２０の斜視図であり、上−左光ダクト３２１、中心矩形ダクト３２２、及び下−右光ダクト３２３を含む。これら光ダクトは、正方形面ポート３２４を３つの部分に分割し、各々は３：１の比を有し、それらは移動され９：１細長い矩形ダクト３２５として再結合される。矩形３２５の形状は、９個の小さな光ダクト、又は特に、蛍光体コーティングされたときの照明装置のための統合光源のためのファンアウトとして、両方に有用である。
【０１４３】
ここで記載される光学マニホールドの多くの実施例についての実際の問題は、マニホールドを適切な位置に取り付けるための取り付け点を何処にするかである。表面が光学的に活性なとき、取付具をその上に配置することは、所期の行き先からの光の発散による光学的損失を招く。従って、光学不活面のいくつかをマニホールドの一部として配置することが必要である。
【０１４４】
図３３Ａは、入力ポート３３１と出力ポート３３２を有する光ダクト３３０の断面図であり、制限入射角θを両方に有する。ダクト３３０の底面は、面３３２に垂直な平坦なミラー３３３、焦点を点Ｆ4，Ｆ5に有する楕円弧Ｅ４５、焦点を点Ｆ2，Ｆ4に有する楕円弧Ｅ２４、焦点を点Ｆ2に有し軸が線ｒ1と平行な放物線状の弧Ｐ２１、焦点を点Ｆ2，Ｆ3に有する楕円弧Ｅ２３、及び焦点を点Ｆ2に有し軸が線ｒ2と平行な放物線状の弧Ｐ２２を含む。ダクト３３０の上面は、焦点を点Ｆ5に有し軸が線ｒ3と平行な放物線状の弧Ｐ５３、不活性面３３４、焦点を点Ｆ1に有し軸が線ｒ1と平行な放物線状の弧Ｐ１１、及び平坦なミラー３３５を含む。光は表面３３４に達せず、点Ｆ２，Ｆ４を結合する線はエキストリーム光線を示すように見える。
【０１４５】
図３３Ｂは角度回転輝度ダクト３３００の断面図であり、図１３Ｄの断面図に類似しており、完全９０°円−弧外形３３０１を有するが、対応する内部円弧をもたない。代わりに、非活性光学外形３３０２が、光路３３０４によって形成されたアーチ形の火面３３０３の内側にあり、角度回転輝度ダクト３３００の内部で全体θの方向で伝搬する。３３０５から３３０８の終端部分は、火面３３０３を形成するように成形され、活性内壁を省く。
【０１４６】
図３４は光ダクト３４０の断面図であり、光ダクト３４０は対称的に配置されたポート３４１，３４２を有する。その上面は、平坦なミラーセグメント３４３、及び焦点をＦ2に有し軸が線ｒ1と平行な放物線状の弧３４４を左に有する。光学不活面３４５が上部中心にある。右上面には、対応する放物線状の弧３４６、及び平坦なミラー３４７がある。下面は、焦点をＦ1に有し軸が線ｒ1と平行な放物線状の弧３４８、及びミラー像弧３４９を含む。
【０１４７】
図３５は、複数の入力ポート３５１と出口ポート３５２を有する光ダクト３５０の断面図である。中心光学不活面3５３は、焦点をＦ4に定め軸が線ｒ2と平行な放物線状のセグメント３５４、及び平坦なミラー３５５によって側面に配置される。光ダクト３５０の底面は、平坦なミラーＭ、焦点をＦ2に有し軸が線ｒ1と平行な放物線状の弧Ｐ１、焦点をＦ1，Ｆ2に有する楕円弧Ｅ１２、焦点をＦ1に有し軸が線ｒ2と平行な放物線状の弧Ｐ２、焦点をＦ1，Ｆ3に有する楕円弧Ｅ１３、及び焦点をＦ1に有し軸が線ｒ3と平行な放物線状の弧Ｐ３を含む。
【０１４８】
図３６は輝度ダクト３６０の断面図であり、点線３６０ｄについて左右対称の形態を有し、ポート３６１を有する。また、光学不活面３６２、焦点をＦ4に有し軸が線ｒ2と平行な放物線状の弧３６３、平坦なミラー３６４、焦点をＦ1に有し軸が線ｒ3と平行な放物線状の弧３６５、焦点をＦ1，Ｆ3に有する楕円弧３６６、焦点をＦ1に有し軸が線ｒ2と平行な放物線状の弧３６７、焦点をＦ1，Ｆ2に有する楕円弧３６８、焦点をＦ2に有し軸が線ｒ1と平行な放物線状の弧３６９も示される。
【０１４９】
図３７Ａ、図３５の系３５０、及び４つのＬＥＤ３７２によって送り出される４ポートマニホールド３７１を含む拡張光学マニホールドの断面図である。光学マニホールド３７１は、図３４の４つの部分３４０、角度回転子３７４、及び角度変圧器３７５を含み、それらはダクト３５０に結合し、矢印３７６によって示される。光学不活面３７３は、取り付け、及び射出成型での射出ゲートと突出しピンの配置のために利用可能である。
【０１５０】
図３７Ｂは、光学マニホールドの他の実施例の斜視図である。図３７Ｂの光学マニホールド３７００は、前記の図の構成要素を組み合わせる。図３７Ｂでは、光学マニホールド３７００は、（各々がＣＰＣ３７０３を有する）４つの入力ポート３７０１、及びそれらの組み合わされたエテンデュだけを有する単一の出力３７０２を含み、入力ポートに入射する全ての光は、出口ポートへ搬送される。各入力ポート３７０１は、（図３３Ａの実施例の外形と同一である）角度回転子３７０４の１つを送り出す。回転子は（図３７のそれと同一の）コンバイナ３７０５を送り出し、次にコンバイナ３７０５は大きな回転子３７０６と接続する。構造的ビーム３７０７は回転子３７０４の光学的に不活性なフランジと接続し、フランジ３７０８のそれとは異なる平面での安全な取り付けを提供する。
【０１５１】
図３７Ｃは更に他の組み合わせの断面図であり、図７Ｅのそれと同一の遠隔蛍光体３７５０を各々が有する２つのデュアル・レンズＬＥＤを示し、青色透過ダイクロイック・フィルタ３７５５を含み、蛍光体後方発光の光線３７５６をリサイクルするように見える。各蛍光体は角度回転子３７７０を送り出し、それらの光度は出力ポート３７８０で結合される。ブラケット３７７５は頑丈な支持を提供し、蛍光体３７６０は構造的負荷を受けない。
【０１５２】
図３８ＡはソースＳ１を有する誘電体ＣＰＣの断面図であり、エッジ光線３８３を放出して、受信器Ｒ１を有する誘電体ＣＰＣ３８２を照射する。Ｓ１全体の不均一性は取り除かれ、均一な分布をＲ１において与える。湾曲した正面は、この実施例が平坦面ＣＰＣよりも短くなることを可能にする。
【０１５３】
図３８Ｂは、他の形態の誘電体ＣＰＣの断面図である。エッジ光線の自由空間伝搬は位置誤差を容認しないので、図３８Ｂは光送達を保証する他の形態を示す。ソースＳ２を有する平坦面誘電体ＣＰＣ３８５は誘電体ブロック３８７を照射し、今度は誘電体ブロック３８７が受信器Ｒ２を有するＣＰＣ３８６を照射する。エアギャップ３８８は光学的であり、ＣＰＣ長さの特定の選択に依存する。反射防止コーティングはエアギャップに最も近いブロック３８７の面に適用でき、フレネル反射による損失を最小化する。
【０１５４】
図３９Ａ−図３９Ｂは、誘電体ＣＰＣを含む代替装置の断面図である。９０°回転が望ましいとき、図３９Ａの形態は、何故その種のプリズム・カプラが必要（又は、有用）であるかを示す。誘電体ＣＰＣ３９１，３９２は直行方向を有し、対角線３９３で結合する。漏れ光線ｒ１，ｒ２は、この形態で光学的損失を受けた典型である。図３９Ｂは、エアギャップ３９８，３９９の内部に配置された対角線プリズム３９７によって結合される別々の誘電体ＣＰＣ３９５，３９６を示す。光線ｒ１はギャップ３９８によって内部で反射され、従って、ＣＰＣ３９６の内部に残る。同様に、光線４２は、ギャップ３９９によって対角線プリズム３９７の対角線へ内部で反射され、そこからＣＰＣ３９６へ反射される。
【０１５５】
図４０は、光学マニホールドの他の形態の断面図である。図１０Ｄのリサイクル蛍光体後方発光を参照して示され議論される方法は、この後方放出を蛍光体へ戻す青色通過フィルタを利用する。この方法は、蛍光体の低吸収を利用する。図４０の形態は、それ自体の発光波長の著しい吸収を有さない蛍光体に対して利用できる。誘電体ＣＰＣ４０１は、それに結合された青色ＬＥＤ４０２を有し、その配向された出力がエッジ光線４０３として示される。この青色光は、対角線青色通過フィルタ４０４を妨げられずに通過し、誘電体ＣＰＣ４０５の内部へ進み、蛍光体パッチ４０６を照らす。蛍光体後方発光はフィルタ４０４まで進み、第３誘電体ＣＰＣ４０７の内部へ反射され、第３誘電体ＣＰＣ４０７は射出面４０８を有する。平坦部分４０７ｆは、入射角を、ＣＰＣ４０７を含む誘電体材料の屈折率ｎに対してαc＝ｓｉｎ-1（１／ｎ）で与えられる臨界角αcより小さく制限するように作用する。
【０１５６】
図４１は、光学マニホールドの他の形態の断面図である。図４１は図４０に類似の形態を示し、そこへ結合される青色ＬＥＤ４１２を有する誘電体ＣＰＣ４１１を含む。ＣＰＣ４１１は、その上にコーティングされた青色通過フィルタを有する対角線射出面４１３を有する。対角線プリズム４１４は、面４１３へ光学結合される。誘電体ＣＰＣ４１５はプリズム４１４に隣接し、蛍光体パッチ４１６をその射出面に有する。蛍光体後方発光はプリズム４１４を通して進行し、対角線射出面４１３に反射して誘電体ＣＰＣ４１７へ入射する。この反射された後方放出は、仮想ソース４１８をＣＰＣ４１７の射出面に形成する。拡大図は、如何にして平坦部４１７ｆが、面４１８への入射角を臨界角αcに制限するように作用するかを示す。
【０１５７】
図４２は、光学マニホールドの他の形態の断面図である。図４２は、図４１に類似の形態を描く。誘電体ＣＰＣ４２１は青色ＬＥＤ４２２に結合され、その上にコーティングされた青色透過ミラーを有する対角線射出面４２３を有し、プリズム４２４へ光学結合される。誘電体ＣＰＣ４２５は青色光をＬＥＤ４２２から受け取り、それを蛍光体４２６に集中する。蛍光体後方発光はプリズム４２４を通して反射され、対角線プリズム４２７へ入射する。第３誘電体ＣＰＣ４２８は後方発光をプリズム４２７から受け取り、それを射出面４２９を通して集中する。
【０１５８】
図４３は、図４２の自由空間バージョンの断面図である。湾曲した上部誘電体ＣＰＣ４３１は青色ＬＥＤ４３２へ結合され、その光を青色通過フィルタ４３３を通して第２誘電体ＣＰＣ４３４に送り、蛍光体パッチ４３５をその射出面に有する。蛍光体後方発光は、フィルタ４３３によってミラー４３６へ反射され、そこから第３ＣＰＣ４３７へ入射し、そこで射出面４３８を通して集中される。
【０１５９】
図４４は、図４３に類似の光学マニホールドの他の形態の断面図である。図４４は、ＣＰＣ４４１、青色ＬＥＤ４４２、青色通過フィルタ４４３、第２ＣＰＣ４４４、蛍光体パッチ４４５、対角線ミラー４４６、及び第３ＣＰＣ４４７を含む。Ｙ字型コンバイナ４４８は、蛍光体パッチ４４５の２倍の領域を有する出力面４４９を有する。
【０１６０】
図４５は、多波長光出力を提供するために異なる色の複数のＬＥＤを組み合わせるのに使用できる光学マニホールドの断面図である。異なる色の複数のＬＥＤを白色結果に組み合わせるとき、もし出力領域が任意の１色の入力領域とほぼ同じなら、それらの和よりも有利である。何故ならば、これは輝度を、例えば、約３の因子だけ増加させるからである。（厳密に言うと、もしＬＥＤが固体誘電体に埋め込まれたら、出力領域から空気中へ順番に出る全ての光に対して、出力領域のサイズが入力領域よりも誘電体材料の屈折率の２乗に等しい因子だけ大きくなければならないことを銘記すべきである。）図４５は、これを遂行する１つの方法を示す。３つの湾曲面誘電体ＣＰＣが示され、赤色ＣＰＣ４５１、緑色ＣＰＣ４５２、及び青色ＣＰＣ４５３を含む。対応するＬＥＤソースＲ，Ｇ，Ｂは、各ＣＰＣと光学的に接触する。即ち、エアギャップが無い。対角線フィルタ４５４は、赤色光だけを反射する。第２対角線フィルタ４５５は、青色光だけを反射する。３色全てがそれにより重ねられ、第４ＣＰＣ４５６へ送られ、第４ＣＰＣ４５６はそれらの光を射出面４５で白色結果に組み合わせる。接近図は、如何にして面４７５が、４つのＣＰＣ４５１，４５２，４５３，４５６を含む誘電体材料の屈折率ｎに等しい因子だけ面Ｒ，Ｇ，Ｂよりも実際に大きいかを示す。（この因子は、２次元の場合に対してのみ適用できる。３次元では、射出面の領域は、因子ｎ2によって更に大きい。）しかし、ＣＰＣ４５６も異なる。何故ならば、それのみも基底線形部分４５８を含み、基底線形部分４５８は、面４５７への入射角を臨界角αcの最大値に制限するために作用するからである。エキストリーム光線４５９によって示されるように、面4５７を出る屈折された光線は、９０°までの範囲内である。
【０１６１】
図４６は、多波長光出力を提供するために複数の異なる色のＬＥＤを組み合わせるのに使用できる光学マニホールドの他の形態の断面図である。図４６は、赤色誘電体ＣＰＣ４６１、緑色ＣＰＣ４６２、及び青色ＣＰＣ４６３を示す。第１対角線フィルタ４６４は赤色光だけを反射し、第２対角線フィルタ４６５は青色光だけを反射する。プリズム・ブロック４６６は、これらフィルタ・コーティングをその上に有する４つの小さなプリズムから組み立てられる。第４誘電体ＣＰＣ４６７は、３つの重ね合わされた放射入力を受け取り、射出面４６８で単一の白色出力に組み合わせ、射出面４６８のエッジは、３つの着色されたＣＰＣのエッジの１つのｎ倍のサイズである。直線部分４６７ｆは、入射光を臨界角αcに制限する。
【０１６２】
図４７は、図４６に類似の光学マニホールドの他の形態の断面図である。白色結果が狭い角度であると所望されるとき、第４ＣＰＣは省くことが出来る。また、エアギャップは、プリズム・ブロックと緑色ＣＰＣの間に厳密には必要でない。図４７は結果を赤色誘電体ＣＰＣ４７１、及び青色誘電体ＣＰＣ４７３を用いて前のように示すが、緑色ＣＰＣ４７２はデュアル対角線射出面を有する。赤色反射器４７４と青色反射器４７５は、対角線サブプリズム４７６，４７７，４７８の面に適用される。組み合わされた白色出力４７９は、３つのＣＰＣの内角θの Snellian 結果であるビーム幅αを有する。
【０１６３】
図４８は、多波長光出力を提供するために複数の異なる色のＬＥＤを組み合わせるのに使用できる光学マニホールドの他の形態の断面図である。もしＬＥＤが同じ平面ならば、更に好都合である。従って、図４８は、赤色ＣＰＣ４８１、緑色ＣＰＣ４８２、及び青色ＣＰＣ４８３を含む複数の平行誘電体ＣＰＣを示す。第１対角線ミラー-プリズム４８４と第２対角線ミラー-プリズム４８５も示される。前のように、サブプリズム４８６，４８７，４８８は、白色出力４８９を提供している。
【０１６４】
図４９は、多波長光出力を提供するために複数の異なる色のＬＥＤを組み合わせるのに使用できる光学マニホールドの他の形態の断面図である。コプレナ・ソースの自由空間バージョンも可能である。図４９は、混合ロッド４９１ｍと射出器４９１ｉを有する赤色ＣＰＣ４９１、緑色の湾曲した上部ＣＰＣ４９２、及びＣＰＣ４９１と同一の形態を有する青色ＣＰＣ４９３を示す。対角線ミラー４９４は赤色光を赤色反射器４９６に反射し、ミラー４９５は青色光を青色反射器４９７に反射する。第４ＣＰＣ４９８はこれらビームを射出面４９９で白色出力に組み合わせ、平坦部４９８ｆは入射角を射出面４９９で臨界角αcに制限する。
【０１６５】
図５０は、多波長光出力を提供するために複数の異なる色のＬＥＤを組み合わせるのに使用できる光学マニホールドの他の形態の断面図である。図５０では、光学マニホールドは、対角線射出面を有する赤色ＣＰＣ５０１、緑色ＣＰＣ５０２、及び青色ＣＰＣ５０３を有する。プリズム５０４は、赤色透過−緑色反射器をその対角線面に有する。過渡プリズム５０５は組み合わされた赤色光と緑色光を受け取り、プリズム５０６へ光学的に結合され、プリズム５０６は青色反射器をその対角線に有し、白色出力５０７がプリズム５０６を出る。
【０１６６】
図５１Ａは、コプレナ・ソースを利用する光学マニホールドの他の形態の断面図である。図５１Ａの実施例は、赤色誘電体ＣＰＣ５１１、緑色誘電体ＣＰＣ５１２、及び青色誘電体ＣＰＣ５１３を含む。対角線ミラープリズム５１４は、赤色光を下向きに過渡プリズム５１５を通して反射する。その対角線に緑色反射器コーティングを有する対角線プリズム５１６はプリズム５１５と光学的に結合され、対角線は緑色光を下に過渡プリズム５１７を通して送る。その対角線に青色反射器コーティングを有する対角線プリズム５１８は、プリズム５１７に光学的に結合される。白色出力５１９は、ビーム幅αを有するプリズム５１９の底部を出る。
【０１６７】
図５１Ｂを参照する。実施例の中には、ここで記載される光学変圧器の青色励起実施例で２つの異なる蛍光体を利用することが不可能なものもある。良い量子収量を有する緑色蛍光体は、その青色−励起ＬＥＤと同じ発光出力の緑色ＬＥＤとほぼ同じ光度を生成するが、更に広い範囲の波長が演色のためには更に良い。第２蛍光体は白色ＬＥＤで今使用されているような従来の黄色蛍光体であるが、その発光の赤色部分を減少させるために注入される。これは、光ルミネセンスによって生成されるときに、赤色波長が大きな Stokes 損失を有する点で長所である。代わりに、赤色ＬＥＤは、優れた白色ソースを生成するために２つの蛍光体と混合できる。図５１Ｂは、多波長光出力を生成する光学マニホールドの形態の断面図である。特に、図５１Ｂの光学系は、白色ＬＥＤマニホールド５１００を含み、２つの青色ＬＥＤ５１０１と赤色ＬＥＤ５１０２を発光入力として含む。青色ＬＥＤ５１０１はＣＰＣ５１０３を送り出し、ＣＰＣ５１０３は光を青色透過ダイクロイック・フィルタ５１０４にコリメートし、今度は青色透過ダイクロイック・フィルタ５１０４がＣＰＣ５１０５の頂点にある。緑色蛍光体５１０６と黄色蛍光体５１０７はフィルタ５１０４によってリサイクルされた後方放出を有し、増大した前方発光は小型ＣＰＣ５１０８によって集められ、今度は小型ＣＰＣ５１０８が角度回転子５１０９のペアを送り出す。第２回転子の各々が、均一な輝度と均一な白色クロミナンスを出口ポート５１１１に届ける出力混合ロッド５１１０を送り出す。
【０１６８】
図５１Ｃは、多波長光出力を生成する光学マニホールドの他の形態の断面図である。図５１Ｃの実施例は、緑色蛍光体のみを有する。図５１Ｃの光学系は、ＣＰＣ５１５２を送り出す入力青色ＬＥＤ５１５１を有するマニホールド５１５０を含み、ＣＰＣ５１５２は青色通過フィルタ５１５３と接触する。ＣＰＣ５１５４は、緑色蛍光体５１５５を小さな端部に有する。蛍光体５１５５はＣＰＣ５１５６を送り出し、ＣＰＣ５１５６は蛍光体の光を対角線赤色反射フィルタ５１５７にコリメートする。青色ＬＥＤ５１５８はＣＰＣ５１５９を送り出し、ＣＰＣ５１５９はコリメートされた青色光をフィルタ５１５７を通して送る。赤色ＬＥＤ５１５０はＣＰＣ５１６１を送り出し、ＣＰＣ５１６１はコリメートされた光をフィルタ５１５７へ送り、今度はフィルタ５１５７がこの光９０°を大きなＣＰＣ５１６２に沿って反射する。大きなＣＰＣ５１６２は小型ＣＰＣ５１５６，５１５９，５１６１からの光を混合し、それらを角度変圧器５１６３へ搬送し、角度変圧器５１６３は射出面５１６４からの屈折に対する角度を狭くする。
【０１６９】
複数のＬＥＤソースを統合するここで記載される光学変圧器の機能は、３より大きい波長が使用され組み合わされることを可能にする。肉眼の色収差はＲＧＢビデオの赤色イメージと青色イメージを分ける傾向があるので、琥珀色とシアンが付加でき、その種の効果を減少させる。例えば、図５１Ａのスタックされた形態が、琥珀色ソースとシアン・ソースに対して２以上のＣＰＣとフィルタを増大できる。
【０１７０】
図５２を参照すると、光学マニホールドの他の形態の断面図である。輝度シフタの主題、及び図１５Ａの半値幅横方向シフタ１５０、及び図１５Ｂの全幅シフタ１５５の連続を続けることに戻ると、図５２の実施例は、矢印２ｗで示されるような、ダブル幅横方向シフトが可能な輝度シフタ５２０を含む。図示されるように、光は出口ポート５２１に引かれた軸５２０ａからの角度θに制限される。入力ポート５２２は同じ幅（ｗ）を有し、その幅の２倍だけポート５２１に関して横方向にシフトされる。左の外形は、点Ｆ4から点Ｐ１に伸びる平坦部５２３、点Ｐ１と点Ｐ２の間で伸び焦点をＦ3に有し軸が線ｒ1と平行な放物線状の弧５２４、及び点Ｐ２から焦点Ｆ1へ伸び焦点をＦ2とＦ3に有する楕円弧５２５を含む。右の外形は、焦点をＦ1に有し軸が線ｒ1と平行な放物線状の弧５２６を含む。
【０１７１】
図５３Ａは、トリプレックス光学マニホールド５３０の平面図であり、図５２（左に投影される）の左輝度シフタ５３１、中間輝度ダクト５３２、及び図５２の右輝度シフタ５３３を含み、３つ全てが入力ポート５３１ｉ，５３２ｉ，５３３ｉを有し、この実施例では各幅が約１．２ｍｍである。２つのシフタは、これら２つのシフタの直線部分の長さ（図５２の５２３）に沿う中間ダクト５３２と一致する。（入力ポートに最も近い）ダクト５３１との結合の開始において、シフタ５３１，５３３の水平方向の幅５３４は、それらの入力ポートのそれの２倍である。中間ダクトは、左右のシフタのように水平方向の出口角度とほぼ同じ制限出力に選択された入口ポートにＣＰＣ外形５３５を有する。この結果として生じた光学系は、この実施例では約７．２ｍｍの幅を有する、組み合わされた射出面５３０ｅをもたらす。
【０１７２】
図５３Ｂは、図５３Ａに示されるトリプレックス光学マニホールド５３０の側面図であり、この実施例では、その幅が約２．３３ｍｍであることを示す。図５３Ａの３つ全てのマニホールドは、図５３Ａの外形に対する直行方向に、ＣＰＣ外形５３０ｃを有する。ＣＰＣの高さは、約２．２８ｍｍである。従って、中間ダクト５３２の入り口部分は、誘電体クロスＣＰＣを利用して、垂直方向と水平方向の出口角度を、望ましい仕様に対して調整する。垂直方向と水平方向の３つのマニホールドに対する出力角度が、互いに独立して設定できる。
【０１７３】
図５４Ａは、図５３Ａ−図５３Ｂのマニホールドから放出された遠距離電界強度の輪郭ダイヤグラム５４０を示すグラフであり、水平方向の角度スケール５４１は５０°左（５０Ｌ）から５０°右（５０Ｒ）へ伸び、垂直スケール５４２は５０°上（５０Ｕ）から５０°下（５０Ｄ）へ伸びる。輪郭線５４０ｃは、最大３．２５ワット／ステラジアンの輝度レベルを示す。輪郭線は、水平方向の境界線を約±３０°に有する。輪郭線の垂直方向の境界線は大きくなく、約±４０°まで広がる。
【０１７４】
図５４Ｂは、図５３Ａ−図５３Ｂのマニホールドから放出された水平方向の輝度外形５４５と垂直方向の輝度外形５４６を示すグラフである。両方の外形は、明確な境界線と急な周辺部を有する。マニホールドを送り出すＬＥＤの個々の違いにも拘わらず、それら全体の形は完全に再現可能である。
【０１７５】
図５５は、空間輝度マップ５５０を示すグラフであり、ミリメートルのスケールであり、実施例のマニホールドの出力面５３０ｅが図５３Ａ，５３Ｂに示される。図５３ＡのＬＥＤ５３２ｉが、中心ダークゾーンについてモデル化され、入力不均一性が強く形成される。それにも拘わらず、マップ５５０は、マニホールドを送り出すＬＥＤと比較して際立った均一性を有し、シャープで明確なエッジを有する。この分布は、ＬＥＤの通常の位置的誤差、又は輝度における個々の差による影響を殆ど受けない。その均一性と明確さも、他の高輝度光源（例えば、白熱灯フィラメント、又はアーク）よりも優れている。輪郭はエッジにおいて１５，０００Ｗ／ｍ2でラベル付けされ、中心において６０，０００を超える。この高出力輝度は、入力の単一の発光電力に由来する。
【０１７６】
図５６Ａ，５６Ｂ，５６Ｃは、トリプレックス光学マニホールドの他の形態を示す。図５６Ａはトリプレックス光学マニホールド５６０の斜視図であり、３つの入力ＬＥＤ５６１，５６２，５６３を有し、全て回路基板５６４上である。
【０１７７】
図５６Ｂは、図５６Ａと同じトリプレックス光学マニホールド５６０の斜視図であり、マニホールド５６０の発光出力を形成する球根状の自由な形式のレンズ５６５も示す。
【０１７８】
図５６Ｃは、図５６Ａと同じ光学マニホールド５６０の斜視図であり、レンズ５６５の発光出力５６７からのコリメートされたビーム５６８を形成するために作用する、湾曲した矩形ミラー５６６も示す。ビーム５６８は、ヘッドランプのための自動車点灯法規、又は他の規定を満たす。
【０１７９】
図５７は、４つの照明装置５７０のバンクの斜視図であり（図３２、及び関連する議論を参照）、光学的に完全な自動車ランプを形成する。
【０１８０】
図５８Ａ−図５８Ｂは、自動車点灯（特に、自動車ヘッドランプ）のようなその種のアプリケーションのための非対称ビーム・パターンを生成するための他の方法を示す。図５８Ａは、図５３Ａのトリプレックス・マニホールド５３０の形状を有する非対称マニホールド５８０の外側斜視図を示し、第１ダクト５８２と一致する第２ダクト５８１も含む。図５８Ｂは、他の斜視図である。ダクト５８２断面形状を射出面５８３に有し、その外部境界は遠距離自動車ヘッドランプ・ビーム照度（又は、輝度パターン）の形状とほぼ一致する。ダクト５８２は、１又は複数の方向へ長さに沿ってテーパでき、射出面５８３上の種々の点における輝度を調節する。垂直方向と水平方向の非対称マニホールド５８０の角度出力も、トリプレックス・マニホールド５８０ｍの設計によって調節できる。射出面５８１からの出力は、結像原理、又は非結像原理の何れかを利用する第２光学部品によって更に調節できる。
【０１８１】
ここの記載は、個々光学素子、及びそれらを構成要素として組み合わせる複数の実施例の両方を記載する。これら素子、及びそれらの組み合わせの１つの共通テーマは、非結像光学の原理の新規適用による、エテンデュの保持を通したソース輝度の保持である。
【０１８２】
ここで記載される光学変圧器を実施する最良の態様の記載は限定のためのものではなく、本発明の一般的原理を単に説明するためのものである。本発明の範囲は、特許請求の範囲により決定される。
【０１８３】
これら教示の観点から、本発明の精神、又は範囲から逸脱することなく他の実施例が実施できることは、当業者には明らかである。本発明は以下の請求項によってのみ限定され、本願明細書、及び図面と関連して見たとき、請求項は全ての実施例、及び変形を含む。
【図面の簡単な説明】
【０１８４】
【図１Ａ】隣接する複合放物面集光器（ＣＰＣ）反射を有する薄膜ＬＥＤの断面図である。
【図１Ｂ】活性エピタキシ層と接触する拡散反射器を有する図１Ａのトップエミッション型ＬＥＤの拡大断面図である。
【図２Ａ】１０°誘電体充填ＣＰＣとのオプティカル・コンタクトに埋められた薄膜ＬＥＤの断面図である。
【図２Ｂ】１０°誘電体ＣＰＣ全体を示す、図２Ａの誘電体充填ＣＰＣの底部の断面図である。
【図２Ｃ】高効率光取り出しのための高屈折率ＣＰＣとコリメートのための低屈折率ＣＰＣを含む、図２Ａ−図２Ｂに示される断面を組み込む光学マニホールドの断面図である。
【図２Ｄ】図２Ｃで部分的に示されるＣＰＣ２００３の全体を示す断面図である。
【図３Ａ】小半球に埋められた薄膜ＬＥＤの断面図である。
【図３Ｂ】最小のボールレンズに埋められた薄膜ＬＥＤの断面図である。
【図３Ｃ】チップ・オン・ボードＬＥＤに一般的な全体的形状に埋められた薄膜ＬＥＤの断面図である。
【図４Ａ】２つの薄膜ＬＥＤと１個のプリズム・カプラの断面図である。
【図４Ｂ】図４Ａに示されるプリズム・カプラを利用する光学マニホールド４４の断面図であって、最小のＣＰＣに埋められた２つの薄膜ＬＥＤを含み、各々がプリズム・カプラと大きなＣＰＣを有する。
【図５】２つのＬＥＤのための反射光学マニホールド反射器の断面図であって、各々が単一の更に大きな矩形ＣＰＣの内部に入るＣＰＣを有し、ＣＰＣが出力を提供する。
【図６Ａ】２：１誘電体光学カプラの断面図である。
【図６Ｂ】図６Ａに類似の誘電体カプラの断面図であって、混合ロッドも含む。
【図６Ｃ】ＣＰＣ入力と空気中に角度を制限された出力を有するコーンを有するハイブリッド光学マニホールドの断面図である。
【図６Ｄ】コーン、又は適合されたミラー、及び立体視鏡レンズを含む光学マニホールドの断面図である。
【図６Ｅ】図６Ｄに類似するが、立体視鏡フレネル・レンズを利用する形状の断面図である。
【図６Ｆ】立体視鏡ＴＩＲレンズを含む光学カプラの断面図である。
【図６Ｇ】複数（例えば、５５）の回転対称レンズを利用した６角形のタイルを貼られた光学マニホールドの正面図であって、回転対称レンズは、例えば、図６Ａ−図６Ｆに示される任意のレンズを用いて実施できる。
【図６Ｈ】立体視鏡ＴＩＲレンズの入力側の斜視図である。
【図６Ｉ】図６Ｈの立体視鏡ＴＩＲレンズの出力側の斜視図である。
【図７Ａ】ドーム型ＬＥＤから空気中の像への、エテンデュが制限された光束伝達の側面図である。
【図７Ｂ】ドーム型ＬＥＤから空気中の像への、エテンデュが制限された他の光束伝達の側面図である。
【図７Ｃ】ドーム型ＬＥＤから空気中の像への、エテンデュが制限された他の光束伝達の側面図である。
【図７Ｄ】ダイクロイック・フィルタを有するデュアル・コリメーティングレンズの側面図であって、蛍光体被覆表面も含む。
【図７Ｅ】ダイクロイック・フィルタを有する他のデュアル・コリメーティングレンズの側面図であって、蛍光体被覆表面も含む。
【図７Ｆ】ダイクロイック・フィルタを有する他のデュアル・コリメーティングレンズの側面図であって、軸外ＬＥＤと軸外蛍光体システムを含む。
【図７Ｇ】ダイクロイック・フィルタを有する他のデュアル・コリメーティングレンズの側面図であって、軸外ＬＥＤトライアッド・アレイと軸外蛍光体トライアッド・アレイ・システムを含む。
【図７Ｈ】軸外ＬＥＤ、及び蛍光体システムと一緒に使用するための他のデュアル・コリメーティングレンズの側面図である。
【図７Ｉ】遠隔蛍光体を有するクロスＣＥＣの断面図である。
【図８Ａ】２＊２：１形態で配置された複数の正方形ＣＰＣを含む光学マニホールドの側面図である。
【図８Ｂ】２＊２：１形態の正方形ＣＰＣを含む光学マニホールドの端面図である。
【図９Ａ】８個のＬＥＤと２：１矩形出力のための２＊４：１光学マニホールドの側面図であって、混合ロッドも含む。
【図９Ｂ】８個のＬＥＤと２：１矩形出力のための２＊４：１光学マニホールドの他の側面図であって、混合ロッドも含む。
【図１０Ａ】１６個の青色ＬＥＤの出力を青色通過フィルタを通して供給する４＊４光学マニホールドの入力側からの斜視図である。
【図１０Ｂ】図１０Ａのマニホールドの出力側からの斜視図であって、青色通過光は高度に均一な蛍光体のパッチに集められる。
【図１０Ｃ】ＣＰＣへ光学的に接着された蛍光体、モノリシック・セラミックの接近分解図である。
【図１０Ｄ】図１０Ａの光学マニホールドの斜視図の光線トレースであって、如何にして蛍光体の光出力がフィルタによって戻され、蛍光体の効率と輝度を大幅に増加させるかを示す。
【図１０Ｅ】図１０Ａの光学マニホールドの中の緑色蛍光体の頂上に設置された赤色半導体の分解図である。
【図１０Ｆ】赤色ＬＥＤと青色ＬＥＤの両方によって供給されるマニホールドを示し、蛍光体被覆表面も含む。
【図１０Ｇ】赤色ＬＥＤと青色ＬＥＤの両方によって供給されるマニホールドの蛍光体端部の他の図である。
【図１０Ｈ】モノリシック・セラミックが埋められた誘電体ドームの接近分解図であって、蛍光体被覆表面も含む。
【図１０Ｉ】蛍光体を収容するドームの凹みを示す他の視角からの接近分解図である。
【図１１Ａ】青色ＬＥＤからの光出力のスペクトルのグラフであって、透過曲線も含む。
【図１１Ｂ】黄色蛍光体の吸収スペクトルと放出スペクトルのグラフであって、青色通過フィルタの透過曲線も含む。
【図１１Ｃ】緑色蛍光体の吸収スペクトルと放出スペクトルのグラフであって、赤色通過フィルタの透過曲線も含む。
【図１２】角度コンプレッサの断面図である。
【図１３Ａ】従来技術の図であって、コーナ・ターナを含む。
【図１３Ｂ】図１３Ａに示される従来技術の光線トレースである。
【図１３Ｃ】光学マニホールドの角度回転子の断面図である。
【図１３Ｄ】図１３Ｃの角度回転子に類似の角度回転子の他の実施例である。
【図１３Ｅ】図１３Ｄに示されるような角度回転子の光線トレースである。
【図１４】２つの変形された角度回転子を含むソース・シフタの断面図である。
【図１５Ａ】半値幅ソース・シフタの断面図である。
【図１５Ｂ】全幅ソース・シフタの断面図である。
【図１６】ソース・ツイスタの断面図である。
【図１７】２：１光学マニホールドの断面図である。
【図１８】図１７に類似の外形を有する矩形２：１光学マニホールドの斜視図である。
【図１９】図１７に類似の外形を有する正方形１：２光学マニホールドの斜視図である。
【図２０Ａ】異なる入力色を有する３：１光学マニホールドの断面図である。
【図２０Ｂ】図２０Ａの３：１光学マニホールドの他の実施例であって、ＬＥＤの間に更に広い間隔を有する。
【図２１】各々が１個の角度回転子を有するコプレナ入力を有する４：１光学マニホールドの断面図である。
【図２２】各々が２つの角度回転子を有するコプレナ入力を有する他の４：１光学マニホールドの断面図である。
【図２３】埋められた入力に対する角度コンプレッサを有する４：１光学マニホールドの他の実施例の断面図である。
【図２４】ほぼ円弧に配置された光学マニホールドの断面図である。
【図２５】半径が減少する円弧上の光学マニホールドの断面図である。
【図２６Ａ】中間角度回転子を有する２＊２：１光学マニホールドの斜視図である。
【図２６Ｂ】図２６Ａに示される中間角度回転子を有する２＊２：１光学マニホールドの斜視図である。
【図２６Ｃ】更に顕わに分岐した２＊２：１マニホールドの図である。
【図２６Ｄ】３＊３：１マニホールドの図である。
【図２７Ａ】４＊４：１分岐した光学マニホールドの斜視図である。
【図２７Ｂ】図２７Ａに示される４＊４：１分岐した光学マニホールドの他の角度から見た斜視図である。
【図２８Ａ】４＊４：１ねじれ分岐した光学マニホールドの斜視図である。
【図２８Ｂ】図２８Ｂで示された４＊４：１ねじれ分岐した光学マニホールドの他の角度から見た斜視図である。
【図２９】任意の分岐した光学マニホールドの他の実施例の斜視図である。
【図３０】輝度シフタの斜視図である。
【図３１Ａ】モノリシック・エテンデュ・スクイーザを定める光学マニホールドの他の実施例の分解図である。
【図３１Ｂ】図３１Ａの分解図に示されるモノリシック・エテンデュ・スクイーザの斜視図である。
【図３１Ｃ】図３１Ａ−図３１Ｂに示されるモノリシック・エテンデュ・スクイーザの他の斜視図である。
【図３２】モノリシック９：１エテンデュ・スクイーザの斜視図である。
【図３３Ａ】光学不活面を有する輝度伝達ダクトの断面図である。
【図３３Ｂ】図３３Ａの実施例に類似の角度回転輝度ダクトの断面図である。
【図３４】対称的に配置されたポートを有する角度回転輝度ダクトの断面図である。
【図３５】不活性面を有する４：１ダクトの断面図である。
【図３６】２つの不活性面を有する左右対称のダクトの断面図である。
【図３７Ａ】図３５の形態を有する４つの結合されたダクトを含む複合システムの断面図である。
【図３７Ｂ】他の複合システムの中の光学マニホールドの他の実施例の断面図である。
【図３７Ｃ】複合システムの中の光学マニホールドの他の実施例の断面図であって、蛍光体被覆表面も含む。
【図３８Ａ】他のＣＰＣを照らす誘電体ＣＰＣの断面図である。
【図３８Ｂ】図３８Ａの他の形態の断面図である。
【図３９Ａ】誘電体ＣＰＣを含む代わりの光学マニホールドの断面図であって、２つのＣＰＣを９０°で結合する欠点を示す。
【図３９Ｂ】図３９Ａの様な２つの誘電体ＣＰＣを含む代わりの光学マニホールドの断面図であって、如何にしてエアギャップは光線が漏れないようにするかを示す。
【図４０】蛍光体後方発光を利用するための他の形態の断面図である。
【図４１】図４０の様な他の代わりの形態の断面図であって、蛍光体被覆表面も含む。
【図４２】図４１の他の代わりの形態の断面図であって、蛍光体被覆表面も含む。
【図４３】図４２の自由空間バージョンの断面図であって、蛍光体被覆表面も含む。
【図４４】図４３にコンバイナを加える他の形態の断面図であって、蛍光体被覆表面も含む。
【図４５】多波長出力を提供する（３つ全部ではない）１つのソースの屈折された出力領域を有する直交３色自由空間コンバイナを含む他の形態の断面図である。
【図４６】多波長出力を提供するための図４５の様な直交コンバイナを含む他の形態の断面図であって、４つのプリズム・フィルタ装置を有する。
【図４７】狭角度出力を有する直交プリズム・コンバイナを含む多波長出力を提供するための他の形態の断面図である。
【図４８】狭角度出力を有する平行３色コンバイナを示す他の形態の断面図である。
【図４９】１入力のｎ倍の出力領域を有する自由空間平行コンバイナを含む他の形態の断面図である。
【図５０】多波長光出力を提供するために異なる色の複数のＬＥＤを結合するために使用できる他の形態の断面図であって、２つの横方向ＣＰＣを有するプリズム・コンバイナを含む。
【図５１Ａ】光を結合して多波長光出力を提供するために平行に配置された３つの横方向ＣＰＣを有するプリズム・コンバイナを含む他の形態の断面図である。
【図５１Ｂ】異なる色のＬＥＤ、及び蛍光体被覆表面を使用して多波長出力を生成するマニホールドの断面図である。
【図５１Ｃ】異なる色のＬＥＤ、及び蛍光体被覆表面を使用して多波長出力を生成するマニホールドの他の形態の断面図である。
【図５２】ダブル幅輝度シフタを含む光学マニホールドの他の形態の断面図である。
【図５３Ａ】トリプレックス光学マニホールドの平面図である。
【図５３Ｂ】図５３Ａのトリプレックス光学マニホールドの側面図である。
【図５４Ａ】図５３Ａ−図５３Ｂのマニホールドから放出された遠距離電界強度の輪郭グラフである。
【図５４Ｂ】図５３Ａ−図５３Ｂのマニホールドから放出された遠距離電界強度パターンの中心の水平方向外形と垂直方向外形を示す。
【図５５】図５３Ａ−図５３Ｂのマニホールドの出力面からの空間出力の輪郭グラフである。
【図５６Ａ】回路基板上の（３つの入力ＬＥＤに加えた）トリプレックス光学マニホールドの他の実施例の斜視図である。
【図５６Ｂ】図５６Ａの光学マニホールドの斜視図であって、自由な形式のビーム形成レンズも含む。
【図５６Ｃ】図５６Ｂの光学マニホールドとビーム形成レンズの斜視図、及びビーム形成反射器上で輝く出力の光線トレースである。
【図５７】図５６Ｃの様な４つの形態を含む斜視図であって、（例えば、法規を満たす）自動車ランプを形成する。
【図５８Ａ】自動車ヘッドランプ点灯規定のそれとほぼ合致するビーム照度パターンの形状の射出孔を生成するための非対称マニホールドの斜視図である。
【図５８Ｂ】図５８Ａの非対称マニホールドの他の斜視図である。
【符号の説明】
【０１８５】
１０，２００１      ＬＥＤ
１１      発光層
１２      反射手段
１３      窓
１４      エポキシ
１５      反射器
１６      エッジ光線
１７ｒ      エキストリーム光線
１７ｒ      光線
１８      双方向矢印
２０，２００２，２００３      ＣＰＣ
２１      ＣＰＣ面
２２      仮想ソース
３０      ドーム
３３      ボール
３４ｅ      近いエッジ光線
３８      エポキシ塊
４０      カプラ
４０Ａ      内角
４１ａ      エアギャップ
４１Ｌ      下部エッジ光線
４２      エアギャップ
４２ａ      エアギャップ
４２ｅ      上部エッジ光線
４４      マニホールド
４４ａ      射出面
４５      射出面
４５ａ      エアギャップ
５０      反射光学マニホールド
５１，５２      ＬＥＤチップ
５６      出力開口部
８０，９０      マニホールド
９０      マニホールド
９３      矩形混合部分
９５      出力面
１００      光学マニホールド
１０００      マニホールド
１０００      マニホールド
１００５      フィルタ
１０６Ｓ      赤色半導体層
１０７      半球
１０７      誘電体半球
１１０Ｂ      スペクトルプロット
１１０ｒ      光線
１１１      水平波長スケール
１１１０      スペクトルプロット
１１１５      点線
１１１８      スペクトル分布
１１３      透過率曲線
１１３ｃ      絶壁
１１４      プロット
１１５      吸収曲線
１１５      蛍光体吸収曲線
１２１      ポート
１２２      広い狭角ポート
１３００      角度回転子
１３０１      外部弧
１３０３，１３０４      曲線
１３０７，１３０８      光線
１３１      第１ポート
１３１０      ターナ
１３３      側壁
１３５      セグメント
１３５      側壁
１３５０      ターン
１３５２      射出孔
１３５３      内壁
１３６      側壁
１３７      光線
１４０      シフタ
１４１      第１角度回転子
１５０      光学的シフタ
１５２      ポート
１５５Ｌ      線
１５６      第１ポート
１５７      第２ポート
１５８      セグメント
１６１      面
１６２      第２ポート
１６３      螺旋曲線
１７０      光学マニホールド
１７１ｇ，１７２ｇ      エアギャップ
１７５      直線部分
１８０，１９０      マニホールド
１９５      矩形部分
１９８      矩形出力ポート
２００      光学マニホールド
２００４      シリコン層
２００５      境界面
２００６Ｒ，２００６Ｌ      光線
２００８Ｒ，２００８Ｌ      光線
２０２      混合ロッド
２０４      ダクト
２０５      光学マニホールド
２０６      入力ダクト
２０７，２０８      入力分岐
２０７ａ      第１角度回転子
２０７ｄ      想像線
２１１、      コプレナ入力ポート
２１４      隙間
２３０      光学マニホールド
２３２      角度変圧器
２３４      出口ポート
２４１      入力ポート
２５０      マニホールド
２５２      角度回転子
２５３      出力ポート
２５５      角度回転子
２５８      媒体半径
２６０      光学マニホールド
２６１      ノンコプレナ正方形入力ポート
２６３      角度回転子
２６４      正方形出口ポート
２００４    シリコン層
２００５    境界面
２００６Ｒ，２００６Ｌ    光線
２００７Ｒ，２００７Ｌ    エッジ光線
２００８Ｒ，２００８Ｌ    コリメートされた光線
２６５０      １マニホールド
２６５１      出力ポート
２６５５      脚部
２６５５      脚部
２６６１      出力ポート
２６６７      側面脚部
２６６７Ａ      上部角度回転子
２６６７Ｐ      ライトパイプ
２７１      コプレナ入力ポート
２７３      デュアル角度回転子
２８０      マニホールド
２８３      第２角度回転子
２８４      ツイスタ
２９０      光学マニホールド
２９３      ４出力配列
３００      輝度シフタ
３００Ｌ      下部シフタ
３０３      第２ポート
３１１      正方形入力面
３１１Ｌ      下部ダクト
３１２      矩形出力面
３２５      矩形
３３００      角度回転輝度ダクト
３３０４      光路
３３２      出力ポート
３３２      面
３３４      表面
３４０      光ダクト
３４１，３４２      ポート
３４４，３４６，３４８      弧
３５２      出口ポート
3５３      中心光学不活面
３５４      セグメント
３６０      輝度ダクト
３６１      ポート
３６３，３６５，３６７，３６９      弧
３７００      光学マニホールド
３７０１      入力ポート
３７０４      回転子
３７０５      コンバイナ
３７０６      回転子
３７１      ４ポートマニホールド
３７５０      遠隔蛍光体
３７５５      フィルタ
３７７０      角度回転子
３７７５      ブラケット
３９８，３９９      エアギャップ
４０４      対角線青色通過フィルタ
４０６      蛍光体パッチ
４０８      射出面
４１４      対角線プリズム
４１６      蛍光体パッチ
４１８      仮想ソース
４１８      面
４２４      プリズム
４２６      蛍光体
４２７      プリズム
４２７      対角線プリズム
４３３      青色通過フィルタ
４３５      蛍光体パッチ
４３６      ミラー
４３８      射出面
４４８      Ｙ字型コンバイナ
４４９      出力面
４５５      第２対角線フィルタ
４５７      面
４５８      基底線形部分
４６４      第１対角線フィルタ
４６６      ブロック
４６７ｆ      直線部分
４６８      射出面
４７５      青色反射器
４７９      白色出力
４８５      プリズム
４８９      白色出力
４９１ｉ      射出器
４９４      対角線ミラー
４９５      ミラー
４９８ｆ      平坦部
５０４      プリズム
５０５      過渡プリズム
５０７      白色出力
５１００      白色ＬＥＤマニホールド
５１０６      緑色蛍光体
５１０９      角度回転子
５１１０      出力混合ロッド
５１４      対角線ミラープリズム
５１５０      マニホールド
５１５５      緑色蛍光体
５１５７      フィルタ
５１６３      角度変圧器
５１６４      射出面
５１７      プリズム
５２１      出口ポート
５２４,５２６      弧
５３０      マニホールド
５３０ｃ      ＣＰＣ外形
５３０ｅ      射出面
５３０ｅ      出力面
５３１，５３３      シフタ
５３１ｉ，５３２ｉ，５３３ｉ      入力ポート
５３２      中間ダクト
５３５      ＣＰＣ外形
５４０      輪郭ダイヤグラム
５４２      垂直スケール
５４６      輝度外形
５６０      トリプレックス光学マニホールド
５６０      光学マニホールド
５６８      ビーム
５８１      射出面
５８２      ダクト
６１０      マニホールド
６１０Ｄ      境界線
６１１Ｌ，６１２Ｌ      ポート
６１１Ｌ，６１２Ｌ      入口ポート
６２１，６２２      誘電体ＣＰＣ入力マニホールド
６２１Ｍ      混合ロッド
６２３Ｅ      出口
６３１，６３２      反射入力コーン
６３３Ｅ      出力ポート
６４３Ｅ      出力ポート
６４４      レンズ
６５１，６５２      入力ＴＩＲレンズ
６５３      ＴＩＲレンズ
６６０      立体視鏡レンズ
６７１      円形ＴＩＲレンズ
６７３Ｅ      出口領域
７０２      ＬＥＤチップ
７０３      ドーム
７１０Ａ      軸
７１０Ｄ，７２０ｄ，７３０ｄ      赤道面
７１０Ｅ      像
７１１      下部レンズ
７１１ｃ      中心円筒
７１１ｈ      中心双曲線レンズ
７１１ｔ，７１２ｔ      外形
７１２ｔ      全反射面
７１５      主光線
７２０      ２切子面デュアルＴＩＲレンズ
７２０Ａ      軸
７２０Ｅ      像
７２２      上部ＴＩＲレンズ
７３０      ＲＩＩＲレンズ
７３０ｄ      赤道面
７３０ｅ      出口像
７３１      下部レンズ
７３１ｃ      中心レンズ
７３１ｅ      入口面
７３１ｒ      下部面
７３２ｃ      中心レンズ
７３２ｒ      全反射面
７４１，７４５      レンズ
７４２      シリコンレンズ
７４３      フィルタ
７４５ｄ      ドーム
７４６      遠隔蛍光体
７４６      蛍光体
７４８      光線
７４９      中心線
７５１      下部レンズ
７５３      フィルタ
７５５ｄ      ドーム
７５９      中心対称軸
７６１      フィルタ
７６５      蛍光体層
７７４      トライアッド蛍光体ターゲット
７７７      装置軸
７８２      光学素子
７８３      境界面
７８５      外部固体誘電体ＴＩＲ素子
７９０      遠隔蛍光体システム
７９１      ＬＥＤチップ
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
2007535149.tif 000004
【図２Ａ】
2007535149.tif 000005
【図２Ｂ】
2007535149.tif 000006
【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３Ａ】
2007535149.tif 000009
【図３Ｂ】
2007535149.tif 000010
【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
2007535149.tif 000015
【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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【図６Ｆ】
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【図６Ｇ】
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【図６Ｈ】
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【図６Ｉ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
2007535149.tif 000027
【図７Ｅ】
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【図７Ｆ】
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【図７Ｇ】
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【図７Ｈ】
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【図７Ｉ】
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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１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１０Ｅ】
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【図１０Ｆ】
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【図１０Ｇ】
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【図１０Ｈ】
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【図１０Ｉ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１３Ｄ】
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【図１３Ｅ】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６Ａ】
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【図２６Ｂ】
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【図２６Ｃ】
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【図２６Ｄ】
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【図２７Ａ】
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【図２７Ｂ】
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【図２８Ａ】
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【図２８Ｂ】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１Ａ】
2007535149.tif 000079
【図３１Ｂ】
2007535149.tif 000080
【図３１Ｃ】
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【図３２】
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【図３３Ａ】
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【図３３Ｂ】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７Ａ】
2007535149.tif 000088
【図３７Ｂ】
2007535149.tif 000089
【図３７Ｃ】
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【図３８Ａ】
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【図３８Ｂ】
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【図３９Ａ】
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【図３９Ｂ】
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【図４０】
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【図４１】
2007535149.tif 000096
【図４２】
2007535149.tif 000097
【図４３】
2007535149.tif 000098
【図４４】
2007535149.tif 000099
【図４５】
2007535149.tif 000100
【図４６】
2007535149.tif 000101
【図４７】
2007535149.tif 000102
【図４８】
2007535149.tif 000103
【図４９】
2007535149.tif 000104
【図５０】
2007535149.tif 000105
【図５１Ａ】
2007535149.tif 000106
【図５１Ｂ】
2007535149.tif 000107
【図５１Ｃ】
2007535149.tif 000108
【図５２】
2007535149.tif 000109
【図５３Ａ】
2007535149.tif 000110
【図５３Ｂ】
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【図５４Ａ】
2007535149.tif 000112
【図５４Ｂ】
2007535149.tif 000113
【図５５】
2007535149.tif 000114
【図５６Ａ】
2007535149.tif 000115
【図５６Ｂ】
2007535149.tif 000116
【図５６Ｃ】
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【図５７】
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【図５８Ａ】
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【図５８Ｂ】
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【国際調査報告】
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