(57)【要約】  照明システムは、光再循環エンベロープ内に少なくとも部分的に収容される光源を有する。光源は、光を放出する発光ダイオードであり、その光の一部分は開口を通して光再循環エンベロープから出射する。照明システムから出射する光の出力放射輝度を向上させるために、光再循環エンベロープは、光源によって放出された光の一部を光源に再循環させる。
2007531302.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を放出する少なくとも１つの発光ダイオードを含む光源であって、前記少なくとも１つの発光ダイオードが前記光を放出する発光層と、前記光を反射する反射層とから構成され、前記反射層の反射率が反射率ＲＳであり、前記光源の総発光面積が面積ＡＳであり、前記光源によって放出される前記光が最大固有光源放射輝度を有している、光源と、
前記光源を少なくとも部分的に収容する光再循環エンベロープであって、反射率ＲＥを有し、かつ前記光の一部を反射して前記少なくとも１つの発光ダイオードの前記反射層に再循環させる、光再循環エンベロープと、
前記光再循環エンベロープの表面に配置された少なくとも１つの光出力開口であって、総光出力開口面積が面積ＡＯであり、前記面積ＡＯが前記面積ＡＳより小さく、前記光源および前記光再循環エンベロープが前記光の少なくとも一部分を少なくとも１つの光出力開口を通して前記光再循環エンベロープから外に導き、前記光の前記一部分が最大出射放射輝度を有する非コヒーレント光として前記少なくとも１つの光出力開口から出射する、光出力開口と、
を備えた照明システム。
【請求項２】
前記最大出射放射輝度が前記最大固有光源放射輝度より大きい、請求項１に記載の照明システム。
【請求項３】
前記少なくとも１つの発光ダイオードが、無機発光ダイオードおよび有機発光ダイオードから成る群から選択される、請求項１に記載の照明システム。
【請求項４】
前記少なくとも１つの発光ダイオードの前記反射層が前記光再循環エンベロープの内面上に配置される、請求項１に記載の照明システム。
【請求項５】
前記光が波長２００ナノメートルを越えかつ波長３０００ナノメートル未満である、請求項１に記載の照明システム。
【請求項６】
前記光が２００ナノメートルを越えかつ４００ナノメートル未満の波長の紫外光である、請求項５に記載の照明システム。
【請求項７】
前記光が７００ナノメートルを越えかつ３０００ナノメートル未満の波長の赤外光である、請求項５に記載の照明システム。
【請求項８】
前記光源が前記光を放出する複数の発光ダイオードである、請求項１に記載の照明システム。
【請求項９】
前記光源が、第１波長範囲の第１光フラックスを放出する第１発光ダイオードと、前記第１波長範囲とは異なる第２波長範囲の第２光フラックスを同時に放出する第２発光ダイオードとを含み、第１波長範囲の前記第１光フラックスの一部分および第２波長範囲の前記第２光フラックスの一部分が、前記少なくとも１つの光出力開口から合成色の光として出射する、請求項１に記載の照明システム。
【請求項１０】
前記第２発光ダイオードから放出される第２波長範囲の前記第２光フラックスを変化させて、合成色の前記光の色および演色評価数(ＣＲＩ)を変化させる、請求項９に記載の照明システム。
【請求項１１】
前記光源が第１発光ダイオードおよび第２発光ダイオードを含み、前記第１発光ダイオードが第１期間に第１波長範囲の光を放出し、第１波長範囲の前記光の一部分が前記第１期間に前記少なくとも１つの光出力開口を出射し、前記第２発光ダイオードが前記第１期間とは異なる第２期間に前記第１波長範囲とは異なる第２波長範囲の光を放出し、第２波長範囲の前記光の一部分が前記第２期間に前記少なくとも１つの光出力開口を出射し、前記第１期間および前記第２期間が繰り返されて、色が交互に変化する光出力を生成する、請求項１に記載の照明システム。
【請求項１２】
前記反射率ＲＳが少なくとも５０％である、請求項１に記載の照明システム。
【請求項１３】
前記反射率ＲＳが少なくとも７０％である、請求項１に記載の照明システム。
【請求項１４】
前記反射率ＲＳが少なくとも９０％である、請求項１に記載の照明システム。
【請求項１５】
前記光源が発光ダイオードおよびライトガイドを含み、前記発光ダイオードが前記光再循環エンベロープの外側に配置され、前記ライトガイドが前記発光ダイオードの前記発光層に隣接する入力面と前記光再循環エンベロープの内側に配置された出力面とを有し、前記ライトガイドが前記光を前記発光層から前記光再循環エンベロープへ搬送し、前記ライトガイドが前記光の一部を前記光再循環エンベロープから前記発光ダイオードの前記反射層へ再循環光として搬送し、かつ前記ライトガイドが前記反射層で反射した前記再循環光を前記光再循環エンベロープへ搬送する、請求項１に記載の照明システム。
【請求項１６】
前記光再循環エンベロープは少なくとも部分的に前記発光ダイオードの前記発光層の表面の少なくとも一部と接触する光透過固体で満たされ、前記光透過固体が前記発光層からの発光効率を向上する、請求項１に記載の照明システム。
【請求項１７】
前記光透過固体が超微細粉末をさらに含み、前記超微細粉末が３００ナノメートル未満の粒径を有し、前記超微細粉末が１．６０を越えるバルク屈折率を有する材料から作られ、かつ前記超微細粉末が前記光透過固体の有効屈折率を高める、請求項１６に記載の照明システム。
【請求項１８】
１．６０を越えるバルク屈折率を有する前記材料が、酸化スズ、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化セリウム、および五酸化アンチモンを含む群から選択される、請求項１７に記載の照明システム。
【請求項１９】
前記光再循環エンベロープが本質的に反射性であるバルク材から構成される、請求項１に記載の照明システム。
【請求項２０】
前記光再循環エンベロープの内面が反射性コーティングで被覆される、請求項１に記載の照明システム。
【請求項２１】
前記反射性コーティングが拡散反射体である、請求項２０に記載の照明システム。
【請求項２２】
前記反射性コーティングが鏡面反射体である、請求項２０に記載の照明システム。
【請求項２３】
前記反射性コーティングが、鏡面反射体を裏当てされた拡散反射体である、請求項２０に記載の照明システム。
【請求項２４】
前記反射率ＲＥが少なくとも５０％である、請求項１に記載の照明システム。
【請求項２５】
前記反射率ＲＥが少なくとも７０％である、請求項１に記載の照明システム。
【請求項２６】
前記反射率ＲＥが少なくとも９０％である、請求項１に記載の照明システム。
【請求項２７】
前記面積ＡＯが前記面積ＡＳの５０％以下である、請求項１に記載の照明システム。
【請求項２８】
前記面積ＡＯが前記面積ＡＳの３０％以下である、請求項１に記載の照明システム。
【請求項２９】
前記面積ＡＯが前記面積ＡＳの１０％以下である、請求項１に記載の照明システム。
【請求項３０】
前記面積ＡＯが２５平方ミリメートル未満である、請求項１に記載の照明システム。
【請求項３１】
前記面積ＡＯが１０平方ミリメートル未満である、請求項１に記載の照明システム。
【請求項３２】
前記照明システムが複数の前記光出力開口をさらに含む、請求項１に記載の照明システム。
【請求項３３】
平板状反射偏光子をさらに含み、前記平板状反射偏光子が光出力光路に配置され、前記平板状反射偏光子が前記光再循環エンベロープの前記少なくとも１つの光出力開口に隣接して配置され、前記平板状反射偏光子が第１偏光状態の光を反射して前記光再循環エンベロープへ再循環させ、かつ前記平板状反射偏光子が第２偏光状態の光を透過させる、請求項１に記載の照明システム。
【請求項３４】
少なくとも１つの光視準素子をさらに含み、前記少なくとも１つの光視準素子が前記少なくとも１つの光出力開口に隣接して非視準光を受け入れる入力面を有し、前記少なくとも１つの光視準素子が前記非視準光を部分的に視準し、前記少なくとも１つの光視準素子が前記部分的に視準された光を透過する出力面を有する、請求項１に記載の照明システム。
【請求項３５】
前記少なくとも１つの光視準素子が、凸レンズ、テーパ状ライトガイド、および複合パラボラ反射器を含む群から選択される、請求項３４に記載の照明システム。
【請求項３６】
ビーム分割プリズム偏光子をさらに含み、前記ビーム分割プリズム偏光子が前記光視準素子の前記出力面に隣接して前記光出力光路に配置され、前記ビーム分割プリズム偏光子が入力面と、前記入力面に垂直な第１出力面と、前記入力面に対向する第２出力面と、部分反射対角面とを有し、前記光視準素子の前記出力面を透過して前記ビーム分割プリズム偏光子の前記入力面に入射した第１偏光状態の光が前記部分反射対角面で反射して前記ビーム分割プリズム偏光子の前記第１出力面を透過し、前記光視準素子の前記出力面を透過して前記ビーム分割プリズム偏光子の前記入力面に入射した第２偏光状態の光が前記ビーム分割プリズム偏光子の前記第２出力面を透過する、請求項３４に記載の照明システム。
【請求項３７】
前記ビーム分割プリズム偏光子の前記第１出力面に隣接してかつそれに平行に配置された光反射体をさらに含み、前記第１出力面を出射する第１偏光状態の前記光が反射して、前記第１出力面を通り、前記ビーム分割プリズム偏光子を通り、かつ前記光視準素子を通って前記光再循環エンベロープ内へ再循環される、請求項３６に記載の照明システム。
【請求項３８】
協働する第２光視準素子および第２照明システムをさらに含み、前記第２照明システムが第２光出力開口を有する第２光再循環エンベロープによって囲まれた第２発光ダイオードを含み、前記第２光視準素子が入力面および出力面を有し、前記第２光視準素子の前記入力面が前記第２照明システムの前記第２光出力開口に隣接し、前記第２光視準素子の前記出力面が前記ビーム分割プリズム偏光子の前記第１出力面に隣接し、かつ前記ビーム分割プリズム偏光子の前記第１出力面を出射する第１偏光状態の前記光が前記第２光視準素子の前記出力面を透過し、前記第２光視準素子を通して前記第２照明システム内へ再循環される、請求項３６に記載の照明システム。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本願は、参照により本明細書に組み込まれる「ＩＬＬＵＭＩＮＡＴＩＯＮ  ＳＹＳＴＥＭＳ  ＵＴＩＬＩＺＩＮＧ  ＨＩＧＨＬＹ  ＲＥＦＬＥＣＴＩＶＥ  ＬＩＧＨＴ  ＥＭＩＴＴＩＮＧ  ＤＩＯＤＥＳ  ＡＮＤ  ＬＩＧＨＴ  ＲＥＣＹＣＬＩＮＧ  ＴＯ  ＥＮＨＡＮＣＥ  ＢＲＩＧＨＴＮＥＳＳ」と称する米国特許出願第１０４４５１３６号の一部継続出願である。本願はまた、「ＩＬＬＵＭＩＮＡＴＩＯＮ  ＳＹＳＴＥＭＳ  ＵＴＩＬＩＺＩＮＧ  ＭＵＬＴＩＰＬＥ  ＷＡＶＥＬＥＮＧＴＨ  ＬＩＧＨＴ  ＲＥＣＹＣＬＩＮＧ」と称する米国特許出願第 号および「ＰＲＯＪＥＣＴＩＯＮ  ＤＩＳＰＬＡＹ  ＳＹＳＴＥＭＳ  ＵＴＩＬＩＺＩＮＧ  ＬＩＧＨＴ  ＥＭＩＴＴＩＮＧ  ＤＩＯＤＥＳ  ＡＮＤ  ＬＩＧＨＴ  ＲＥＣＹＣＬＩＮＧ」と称する米国特許出願第 号にも関連し、それらは両方とも本願と同時に提出され、参照により本明細書に組み込まれる。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）を組み込んだ照明システムに関する。発光ダイオードは無機発光ダイオードおよび有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）を含む。
【背景技術】
【０００３】
照明システムは、スタンドアロン光源、またはより複雑な光学システム用の内部光源のいずれかとして使用される。照明システムを利用するか組み込んだ光学システムの例として、投写型ディスプレイ、フラットパネルディスプレイ、アビオニクスディスプレイ、自動車照明、住居用照明、商業用照明、および工業用照明用途が挙げられる。
【０００４】
多くの用途は、高輝度および小さい有効発光面積を持つ照明システムを必要とする。高輝度および小さい有効発光面積を持つ従来の光源の一例として、キセノンアークランプまたは水銀アークランプのようなアークランプ光源がある。アークランプ光源は数平方ミリメートルもの小さい発光面積を持つことができる。高輝度および小さい有効光源面積を持つ照明システムを利用することのできる複雑な光学システムの一例として、投写型テレビジョンディスプレイがある。現在の投写型テレビジョンディスプレイは一般的に、投写レンズを使用して３つの小さい赤、緑、および青色陰極線管（ＣＲＴ）装置の結合画像をビューイングスクリーン上に投写する。より最近の設計は時々、小面積のアークランプ光源を使用して液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、液晶オンシリコン（ＬＣＯＳ）装置、またはデジタルライトプロセッサ（ＤＬＰ）装置からの画像をビューイングスクリーン上に投写する。ＬＥＤ光源は充分な出力輝度を持たないので、ＬＥＤのような光源は現在、投写型テレビジョンディスプレイには使用されない。
【０００５】
技術用語の輝度(brightness)は、放射測定単位または測光単位のいずれかで定義することができる。放射測定単位系では、光フラックスまたは放射束の単位はワットで表わされ、輝度の単位は放射輝度(radiance)と呼ばれ、それは１ステラジアン当たり１平方メートル当たりのワット数と定義される（ステラジアンは立体角の単位である）。しかし、人間の目は一部の波長の光（例えば緑色光）に対し、他の波長（例えば青色または赤色光）に対するより敏感である。測光系は人間の目の反応を考慮に入れるように設計されており、したがって測光系の輝度は、人間の目によって観察される輝度である。測光系では、人間の目で知覚される光フラックス(light flux)の単位は光束(luminous flux)と呼ばれ、ルーメン単位で表わされる。輝度の単位はルミナンス(luminance)と呼ばれ、それは１ステラジアン当たり１平方メートル当たりのルーメン数と定義される。人間の目は約４００ナノメートルから約７００ナノメートルまでの波長範囲の光だけを感じる。約４００ナノメートル未満または約７００ナノメートルを越える波長を有する光は、放射輝度値に関係なく、零ルミナンスを有する。
【０００６】
米国特許出願第１０４４５１３６号では、輝度向上はルミナンス向上のみを指してした。ルミナンスは、４００ないし７００ナノメートルの可視波長範囲に対してのみ非零であるので米国特許出願第１０４４５１３６号は４００ないし７００ナノメートル波長範囲でのみ有効である。しかし、本願では、輝度向上は放射輝度の向上を指しており、光学スペクトル全体のどの波長に対しても有効である。
【０００７】
ある位置の入力光源から第２位置の出力像まで光を搬送する従来の光学システムでは、放射輝度が光源の放射輝度より高い光学出力像を生成することができない。先行技術の従来の光学システム１０を図１Ａに断面図で示す。図１Ａで、入力光源１２からの光線１８は凸レンズ１４によって出力像１６に集束される。図１Ａの従来の光学システム１０はまた、異なる仕方で、図１Ｂに断面図で示す光学システム２０のように図示することもできる。簡単にするために、入力光源２２、レンズ２４、および出力像２６は全て円形であると想定されている。図１Ｂでは、入力光源２２は面積Ａｒｅａｉｎを有する。入力光源２２からの光線は、縁２１および２３を有する円錐台を満たす。図１Ｂに断面図で示される円錐台は立体角２７にわたって広がる。立体角２７の大きさはΩｉｎである。レンズ２４は、面積Ａｒｅａｏｕｔを有する像２６に光線を集束させる。像２６を形成する光線は縁２５および２９を有する円錐を満たす。断面図で示される円錐台は立体角２８にわたって広がる。立体角２８の大きさはΩｏｕｔである。
【０００８】
光学システム２０に損失が無ければ、入力光源２２における入力光フラックス
【数１】
2007531302.tif 000003
は、
出力像２６における出力光フラックス
【数２】
2007531302.tif 000004
に等しい。これらの式で、「Ｒａｄｉａｎｃｅｉｎ」は入力光源２２における放射輝度であり、「Ｒａｄｉａｎｃｅｏｕｔ」は出力像２６における放射輝度であり、「Ａｒｅａｉｎ」は入力光源２２の面積であり、「Ａｒｅａｏｕｔ」は出力像２６の面積である。量ΩｉｎおよびΩｏｕｔはそれぞれ、入力光源および出力像の光円錐によって張られる投写立体角である。そのような無損失システムでは、
【数３】
2007531302.tif 000005
および
【数４】
2007531302.tif 000006
とすることができる。光伝達媒体の屈折率が入力光源位置および出力像位置で異なる場合、式４の等式は修正されて次のようになる。
【数５】
2007531302.tif 000007
ここで、ｎｉｎは入力位置における屈折率であり、ｎｏｕｔは出力位置における屈折率である。量（ｎ２）（Ａｒｅａ）（Ω）は様々に、光学システムの「エテンデュ（ｅｔｅｎｄｕｅ）」または「光学的広がり」または「スループット」と呼ばれる。従来の無損失光学システムでは、量（ｎ２）（Ａｒｅａ）（Ω）は一定に保たれる。
【０００９】
参照により本明細書に組み込まれる米国特許第６，１４４，５３６号で、Ｚｉｍｍｅｒｍａｎらは、反射発光面を有する光源の特殊なケースでは、光源によって放出された光の一部分を光源に再循環させて光の残部を出力位置に伝達する光学システムを設計することができることを実証した。そのような光再循環を利用する特定の条件下で、光源の有効ルミナンスのみならず光学システムの出力ルミナンスも、再循環の無い光源の本来のルミナンスより高くすることができ、それは標準エテンデュ式によって予測されない結果である。米国特許第６，１４４，５３６号では、用語「ルミナンス」は輝度に対して使用される。前述の通り、用語「ルミナンス」は４００から７００ナノメートルの間の可視光波長に対してのみ使用される。したがって、米国特許第６，１４４，５３６号はそのスペクトル領域でのみ有効である。
【００１０】
反射発光面を持つ光源の一例として従来の蛍光ランプがある。従来の蛍光ランプ３０の断面を図２Ａに示す。蛍光ランプ３０は、中空内部３６を収容するガラスエンベロープ３２を有する。中空内部３６には、高電圧が印加されたときに紫外光を放出することのできるガスが充填される。紫外光はガラスエンベロープの内面の蛍光体コーティング３４を励起させ、蛍光体コーティング３４を通して蛍光体に可視光を放出させる。蛍光体コーティング３４は、発光体であることに加えて、部分反射面でもある。したがって、蛍光体コーティング３４によって発生した可視光の一部分をコーティング３４に再循環させ、それによって従来の蛍光ランプの有効輝度を高める光学システムを設計することが可能である。
【００１１】
米国特許第６，１４４，５３６号における光再循環に関する開示は、開口面積が１００平方ミリメートル（ｍｍ２）を越える長い出射開口を有する線状光源に関する。一般的に蛍光ランプを光源として使用するそのような構成は、大型投写型ディスプレイ用の照明システムのような多くの用途には適さない。米国特許第６，１４４，５３６号の出願日において、典型的なＬＥＤは１平方ミリメートル（ｍｍ２）当たりわずか１ルーメンの出力しかなく、光反射率は２０％未満であった。投写型ディスプレイ用に１０００ルーメンの出力を生成する照明システムを作るには、１０００ｍｍ２の総ＬＥＤ表面積を持つ少なくとも１０００個のＬＥＤが必要であった。１０００個の低反射率低出力ＬＥＤを、１０ｍｍ２の出力開口を有しかつ１０１０ｍｍ２の総内面積（出力開口の面積を含む）を有する光再循環エンベロープの内面に配置すると、総出力効率は２％未満となる。本来の１０００ルーメンのうちの２０ルーメン未満が光再循環エンベロープから出射する。このような照明システムはあまり実用的ではない。
【００１２】
最近、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、および窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）半導体材料に基づく、高反射緑色、青色、および紫外線ＬＥＤならびにダイオードレーザが開発された。これらのＬＥＤデバイスの一部は高い光出力、高い放射輝度を有し、かつデバイスに入射した光の少なくとも５０％を反射することのできる光反射面を有する。ＬＥＤの反射面は鏡面反射体または拡散反射体とすることができる。一般的にＬＥＤの反射面は鏡面反射体である。単一のパッケージデバイスから１ステラジアン当たり１平方メートル当たり７０００ワットに近い放射輝度出力、および約０．１８ワットの総出力が可能である。単位面積あたりの光出力は０．０４５ワット／ｍｍ２を越えることができる。したがって、照明システムに関連する幾つかの新しい適用が可能になった。スペクトル純度、発熱の低下、および高速のスイッチング速度のような利点は全て、蛍光、白熱、およびアークランプ光源に代わってＬＥＤおよび半導体レーザを使用する動機付けになる。
【００１３】
図２Ｂは、透明な頂部電極４３および第２の透明な層４４の両方の下に配置された発光層４６を有する、最近開発された型のＬＥＤ４０の断面図を示す。発光層４６は、電流がデバイス４０を通過したときに、光線４５を放出する。発光層４６の下に、底部電極の一部としても働く反射層４７がある。電気接点４１および４２は、電流がデバイス４０を流れるための経路を提供する。発光面とは反対側のＬＥＤの裏面に電気接点４１および４２の両方を持つことは、最近の新しい概念である。典型的な従来のＬＥＤ設計は、デバイスの頂部に一方の電極を配置し、それは頂面から出力される光に干渉し、結果的に低反射率のデバイスがもたらされる。反射層４７は、ＬＥＤが発光体および光反射体の両方になることを可能にする。例えばＬｕｍｉｌｅｄｓ  Ｌｉｇｈｔｉｎｇ  ＬＬＣは、この型の高反射緑色、青色、および紫外線ＬＥＤデバイスを製造している。高出力および高放射輝度の高反射赤色および赤外線ＬＥＤも最終的に開発されると予想される。しかし、新しい緑色、青色、および紫外線窒化ガリウム、窒化インジウムガリウム、および窒化アルミニウムガリウムＬＥＤでさえも、多くの用途に充分な放射輝度を持たない。
【００１４】
無機発光ダイオードおよび有機発光ダイオードを含むＬＥＤは、非コヒーレント光を放出する。他方、エッジ発光レーザダイオードおよび垂直共振器型面発光レーザのような半導体レーザ光源は一般的に、コヒーレント光を放出する。コヒーレント半導体レーザ光源は一般的に非コヒーレント光源より高い輝度を持つが、半導体レーザ光源は、光のコヒーレント性の結果生じる望ましくない光のスペックル光パターンの形成のため、ディスプレイのような多くの用途には適さない。
【００１５】
光再循環を利用して照明システムの出力放射輝度を高める、ＬＥＤに基づく非コヒーレント照明システムを開発することが極めて望ましい。考えられる用途として、投写型ディスプレイ、フラットパネルディスプレイ、アビオニクスディスプレイ、自動車照明、住居用照明、商業用照明、および工業用照明が挙げられる。
【発明の開示】
【００１６】
本発明は、光源と、光再循環エンベロープと、少なくとも１つの光出力開口とから構成される照明システムである。光源は、光を放出する少なくとも１つの発光ダイオードである。少なくとも１つの発光ダイオードはさらに、光を放出する発光層と、反射率ＲＳを有しかつ光を反射する反射層とから構成される。光源の総発光面積は面積ＡＳであり、光源によって放出される光は最大固有光源放射輝度を有する。
【００１７】
光再循環エンベロープは少なくとも部分的に光源を収容し、反射率ＲＥを有する。光再循環エンベロープは、発光層によって放出される光の一部を反射し、発光ダイオードの反射層に再循環させる。
【００１８】
少なくとも１つの光出力開口は光再循環エンベロープの表面に配置される。総光出力開口面積は面積ＡＯであり、面積ＡＯは面積ＡＳより小さい。光源および光再循環エンベロープは、光の少なくとも一部分を少なくとも１つの光出力開口を通して光再循環エンベロープから外に導く。少なくとも１つの光出力開口から出射する光の一部分は、最大出射放射輝度を有する非コヒーレント光として出射する。光再循環を利用する幾つかの条件下で、最大出射放射輝度は光源の最大固有光源放射輝度より高い。
【００１９】
本発明のより完全な理解は、ここに列挙しない本発明の他の目的および利点と同様に、以下の詳細な説明および添付の図面を検討することにより明白になるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の好ましい実施形態は、図を参照することによって当業者にはよく理解されるであろう。図に示す本発明の好ましい実施形態は、全てを網羅することや、本発明を開示する厳密な形態に限定することを意図するものではない。図は、本発明の原理およびその適用可能な実際の使用を記載または最もよく説明し、よって当業者が本発明を最もよく利用することを可能にするように選択されている。
【００２１】
本発明の実施形態は、少なくとも１つの光源と、光再循環エンベロープと、光再循環エンベロープの表面に配置された光出力開口とから構成される。
【００２２】
本発明の好ましい光源は少なくとも１つの発光ダイオード（ＬＥＤ）を含む。好ましいＬＥＤは、光の放出および光の反射の両方を行なう無機発光ダイオードおよび有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）である。より好ましいＬＥＤは、より高い出力輝度のため、無機発光ダイオードである。光源によって放出される光は、波長が２００ナノメートルを越え、３０００ナノメートル未満の波長であることが好ましい。
【００２３】
ＬＥＤを利用する様々な照明システムを図３〜１２に示す。図３〜１２に描かれたＬＥＤは、光の放出および光の反射の両方を行なう任意のＬＥＤとすることができる。光の放出および光の反射の両方を行なうＬＥＤの例として、無機発光ダイオードおよびＯＬＥＤが挙げられる。無機発光ダイオードは、例えば窒化ガリウム、窒化アルミニウムガリウム、窒化インジウムガリウム、窒化アルミニウム、アルミニウムインジウムガリウム燐、ガリウム砒素、インジウムガリウム砒素、またはインジウムガリウム砒素燐を含む材料から製造することができるが、そのような材料に限定されない。ＯＬＥＤは、多種多様な発光有機小分子またはポリマから構成することができる。適切な小分子として例えば、Ａｌｑ３と略すことのできるトリス（８‐ヒドロキシキノリン）アルミニウム（ＩＩＩ）、ならびに特定の型のキレート、オキサジアゾール、イミダゾール、ベンジジン、およびトリアリールアミンが挙げられるが、そのような材料に限定されない。適切なポリマとして、例えばポリ（エチレンジオキシチオフェン）およびポリ（スチレンスルホネート）が挙げられる。
【００２４】
図を簡略化するために、図３〜１２の各ＬＥＤは同様に図示されており、各ＬＥＤは２つの要素、つまり光を放出する発光層および光を反射する反射層から構成されるものとして示される。典型的なＬＥＤは通常３つ以上の要素で構成されるが、図３〜１２を簡略化するために、追加の要素は図示されないことに留意されたい。本発明の実施形態の一部は２つ以上のＬＥＤを含むことができる。図３〜１２の各ＬＥＤは同様に図示されているが、本発明の範囲内で、１つの実施形態の複数のＬＥＤは全てが同一ではないかもしれない。例えば本発明の実施形態に複数のＬＥＤが含まれる場合、本発明の範囲内で、ＬＥＤの幾つかは無機発光ダイオードであるかもしれず、ＬＥＤの幾つかはＯＬＥＤであるかもしれない。複数のＬＥＤを有する照明システムのさらなる例として、本発明の実施形態に複数のＬＥＤが含まれる場合、ＬＥＤの幾つかが異なる色の光を放出することも本発明の範囲内である。ＬＥＤの色の例として、光学スペクトルの赤外、可視、および紫外領域の波長が挙げられるが、それらに限定されない。例えば光再循環エンベロープ内の１つ以上のＬＥＤは赤色ＬＥＤとすることができ、１つ以上のＬＥＤは緑色ＬＥＤとすることができ、１つ以上のＬＥＤは青色ＬＥＤとすることができる。実施形態に例えば赤色、緑色および青色ＬＥＤが含まれる場合、赤色、緑色および青色ＬＥＤを同時に作動して、白色光のような単一の合成出力色を生成することができる。代替的にこの実施例で赤色、緑色、および青色ＬＥＤを各々異なる時間に作動して、異なる時間に異なる色を生成することができる。
【００２５】
好ましいＬＥＤは、ＬＥＤに入射した光を反射する少なくとも１つの反射層を有する。ＬＥＤの反射層は鏡面反射体または拡散反射体のいずれかとすることができる。一般的に、反射層は鏡面反射体である。好ましくは、ＬＥＤの反射層の反射率ＲＳは少なくとも５０％である。より好ましくは、反射率ＲＳは少なくとも７０％である。最も好ましくは、反射率ＲＳは少なくとも９０％である。
【００２６】
図３〜８および図１０〜１２の各ＬＥＤは、光再循環エンベロープの内部を向いた発光層および発光層の後に光再循環エンベロープの内面に隣接して配置された反射層を持つように図示されている。この構成で、光は、反射層と接触していない発光層の全ての表面から放出することができる。また、第２反射層が光再循環エンベロープの内部を向いて発光層の表面上に配置することができることも本発明の範囲内である。後者の実施例では、光は、いずれの反射層とも接触しない発光層の側部表面から放出することができる。第２反射層はＬＥＤの総反射率を改善することができるので、第２反射層は、発光層の頂面に電気的接続部を有するある型のＬＥＤにとって特に重要である。
【００２７】
光源の総発光面積は面積ＡＳである。２つ以上のＬＥＤが単一の光再循環エンベロープ内にある場合、光源の総発光面積ＡＳは、光再循環エンベロープ内の全てのＬＥＤの総発光面積である。
【００２８】
光源は、１つのＬＥＤを含むかそれとも複数のＬＥＤを含むかに関わらず、光源の設計および光源に印加される駆動電力に依存する最大固有光源放射輝度を有する。最大固有光源放射輝度は次のように決定される。第１に、光再循環エンベロープが存在せず、かつ他のＬＥＤが光を測定対象のＬＥＤに導いていないときに、光源の各ＬＥＤに対し、放射輝度が測定される。測定は各ＬＥＤが照明システムと同一レベルに作動された状態で行なわれ、出射角の関数として行なわれる。これらの放射輝度測定から、全てのＬＥＤの最大放射輝度値を決定することができる。この最大値は最大固有光源放射輝度と定義される。
【００２９】
本発明の光再循環エンベロープは、光源を少なくとも部分的に囲む光反射要素である。光再循環エンベロープは、内部容積を囲む任意の三次元表面とすることができる。例えば光再循環エンベロープの表面は、立方体、矩形三次元表面、球面、偏球面、楕円面、任意の三次元切子面、または任意の三次元曲面の形状とすることができる。好ましくは、光再循環エンベロープの三次元形状は、エンベロープの内面へのＬＥＤの取付けを容易にするために、平坦面を持つ切子面である。好ましい三次元形状は、方形、矩形、または多角形の断面を有する。
【００３０】
光再循環エンベロープは、光源によって放出された光を反射して光源に再循環させる。好ましくは、光再循環エンベロープの内面の反射率ＲＥは少なくとも５０％である。より好ましくは、反射率ＲＥは少なくとも７０％である。最も好ましくは、反射率ＲＥは少なくとも９０％である。理想的には、照明システムの効率および最大出射放射輝度を最大にするために、反射率ＲＥは可能な限り１００％に近づけるべきである。
【００３１】
光再循環エンベロープは、本質的に反射性であるバルク材から製造することができる。本質的に反射性であるバルク材は、拡散反射体または鏡面反射体とすることができる。好ましくは、本質的に反射性であるバルク材は拡散反射体である。拡散反射体は光線をランダムな方向に反射し、反射した光が周期的に繰り返す経路に捕捉されるのを防止する。鏡面反射体は、反射角が入射角と等しくなるように光線を反射する。
【００３２】
代替的に、光再循環エンベロープが本質的に反射性の材料から製造されない場合、光再循環エンベロープの内面に反射性コーティングを被覆しなければならない。反射性コーティングは、鏡面反射体、拡散反射体、または鏡面反射層を裏当てされた拡散反射体とすることができる。拡散反射体は一般的に、高い反射率を達成するために、比較的厚くする（数ミリメートル）必要がある。鏡面反射体を拡散反射体の裏当てとして使用すると、高い反射率を達成するために必要な拡散反射体の厚さを低減することができる。
【００３３】
拡散反射体は、非常に高い反射率（例えば９５％超または９８％超）を持つ反射体とすることができる。しかし、高い反射率を持つ拡散反射体は一般的に極めて厚い。例えば９８％を越える反射率を持つ拡散反射体は一般的に数ミリメートルの厚さである。拡散反射体の例として、Ｌａｂｓｐｈｅｒｅ，Ｉｎｃ．社製のＳｐｅｃｔｒａｌｏｎＴＭのようなフルオロポリマ、およびＦｌｕｏｒｇｌａｓ（商品名ＦｕｒｏｎＴＭで販売）、Ｗ．Ｌ．Ｇｏｒｅ  ａｎｄ  Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ，Ｉｎｃ．（商品名ＤＲＴＭで販売）、またはＥ．Ｉ．ｄｕＰｏｎｔ  ｄｅ  Ｎｅｍｏｕｒｓ  ＆  Ｃｏｍｐａｎｙ（ＴｅｆｌｏｎＴＭの商品名で販売）のような製造者のポリテトラフルオロエチレンフィルム、硫酸バリウムのフィルム、Ｐａｌｌ  Ｇｅｌｍａｎ  Ｓｃｉｅｎｃｅｓ社製のポリエーテルスルホンおよびポリプロピレンフィルタ材のような微小空気通路を含む多孔性ポリマフィルム、ならびに例えば二酸化チタンのような反射性フィルタ材を利用したポリマ複合材料が挙げられるが、それらに限定されない。後者のポリマ複合材料の一例として、ＲＴＰによって製造される二酸化チタン充填ＡＢＳ（アクリロニトリル‐ブタジエン‐スチレン三量体）がある。二酸化チタン充填ＡＢＳのようなポリマ複合材料を反射性材料として使用する場合、光再循環エンベロープはポリマ複合材料から形成することができ、光再循環エンベロープの内面に別個の光反射層は必要ない。
【００３４】
ほとんどの鏡面反射性材料は約８０％から約９８．５％の範囲の反射率を有する。鏡面反射性材料の例として、３Ｍ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎの製品であるＳｉｌｖｅｒｌｕｘＴＭ、および銀、アルミニウム、または金のような薄い金属層を被覆したプラスチックのキャリアフィルムが挙げられるが、それらに限定されない。金属コーティングの厚さは、使用する材料および金属コーティングの製造方法に応じて、約０．０５マイクロメートルから約０．１ミリメートルの範囲とすることができる。高い反射率を有する鏡面反射フィルムの他の例として、フォトニックバンドギャップ反射性材料および３Ｍ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製のＶｉｋｕｉｔｉＴＭＥＳＲ（強化鏡面反射体）が挙げられる。ＥＳＲフィルムは、可視光スペクトル全体にわたって９８％を越える反射率を有する。
【００３５】
光源によって占有されない光再循環エンベロープの内部容積は、真空に占有させることができ、光伝達ガスを充填することができ、あるいは光透過固体を充填または部分的に充填することができる。光再循環エンベロープを充填または部分的に充填するガスまたは固体は、光源によって放出される光を伝達しなければならない。光伝達ガスの一例として空気、窒素、およびアルゴンのような不活性ガスがある。光透過固体の例として、二酸化シリコンまたはサファイアのような無機ガラス、およびポリメチルメタクリレート、ポリスチレン、ポリカーボネート、またはシリコーン含有材料のような有機ポリマが挙げられる。
【００３６】
光再循環エンベロープは少なくとも１つの光出力開口を有する。光源および光再循環エンベロープは、光源によって放出された光の少なくとも一部分を、少なくとも１つの光出力開口を通して、最大出射放射輝度を有する非コヒーレント光として光再循環エンベロープから外に導く。最大出射放射輝度は、出射角の全範囲にわたって出射放射輝度を測定し、かつ最大測定値を決定することによって実験的に決定される。総光出力開口面積は面積ＡＯである。光再循環エンベロープに２つ以上の出力開口がある場合、ＡＯは全ての出力開口の複合面積を指す。出力開口は、方形、矩形、多角形、円形、楕円形、任意の切子形状、または任意の湾曲形状をはじめ、それらに限らず、任意の形状を持つことができる。
【００３７】
今、光再循環を利用する本発明の様々な実施形態について説明する。
【００３８】
本発明の１つの実施形態は、図３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、および３Ｅに示す照明システム１００である。図３Ａは、光再循環エンベロープ１０２および光出力開口１０４の外縁を図中に実線で示す、照明システム１００の上面外観図である。図３Ｂは、図３Ａに示されたＩ‐Ｉ面に沿った断面図である。図３Ｃは、図３Ａに示されたＩＩ‐ＩＩ面に沿った断面図である。ＩＩ‐ＩＩ面は光出力開口１０４およびＬＥＤ１０６を貫通する。図３Ｄおよび３Ｅは、ＬＥＤ１０６から放出される幾つかの代表的光線の経路を示す。
【００３９】
光再循環エンベロープ１０２の表面の立方体三次元形状、光再循環エンベロープ１０２の方形断面形状、および光出力開口１０４の方形の形状は、説明の理解を容易にするために使用する例示的実施例である。また、図面は構造の単なる表現であって、実際の寸法および相対的寸法は異なるかもしれないことにも留意されたい。
【００４０】
前述の通り、光再循環エンベロープ１０２は、内部容積を収容する任意の三次元表面とすることができる。例えば光再循環エンベロープの表面は、立方体、矩形三次元表面、球面、偏球面、楕円面、任意の三次元切子面、または任意の三次元曲面の形状とすることができる。好ましくは、光再循環エンベロープの三次元形状は、エンベロープの内面へのＬＥＤの取付けを容易にするために、平坦面を持つ切子面である。光再循環エンベロープの三次元形状の唯一の要件は、光再循環エンベロープ内でＬＥＤから放出される光の一部分が、光再循環エンベロープ内での有限の反射回数内に、光再循環エンベロープの光出力開口から出射しなければならないこと、つまり、ＬＥＤから放出される光が光出力開口を通して光再循環エンベロープから出射することなく無限に反射する反射デッドスポットが光再循環エンベロープ内に存在しないことである。
【００４１】
図３Ｃに示す方形断面のような光再循環エンベロープ１０２の断面は、三次元表面の形状に応じて、規則的および不規則的な任意の形状とすることができる。可能な断面形状の他の例として、矩形、テーパ形、多角形、円形、楕円形、任意の切子形状、または任意の湾曲形状が挙げられる。好ましい断面形状は方形、矩形、または多角形である。
【００４２】
照明システム１００では、光再循環エンベロープ１０２の内面は、ＬＥＤ１０６によって覆われる領域および光出力開口１０４によって占有される領域を除き、光反射面である。高い光反射率を達成するために、光再循環エンベロープ１０２は本質的に反射性であるバルク材から製造することができ、あるいは光再循環エンベロープ１０２の内面を反射性コーティングで被覆することができる。バルク材または反射性コーティングは、鏡面反射体、拡散反射体、または鏡面反射層を裏当てされた拡散反射体とすることができる。反射性材料の例については前述した。好ましくは、ＬＥＤ１０６および光出力開口１０４によって占有されない光再循環エンベロープ１０２の内面の反射率ＲＥは、少なくとも５０％である。より好ましくは、反射率ＲＥは少なくとも７０％である。最も好ましくは、反射率ＲＥは少なくとも９０％である。理想的には、照明システムの効率および最大出射放射輝度を最大にするために、反射率ＲＥは可能な限り１００％に近づけるべきである。
【００４３】
図３Ｃに示された照明システム１００の方形の断面形状は、光出力開口１０４を含む第１側面と、第２側面と、第３側面と、第４側面とを有する。第１側面は第３側面に対向し、それと平行である。第２側面は第４側面に対向し、それと平行である。第１側面および第３側面は第２側面および第４側面に直角である。図３Ｃに断面図で示された照明システムの４つの側面は、六面立方体の残りの２つの面（断面図には図示せず）と共に、光再循環エンベロープの内部を形成する。
【００４４】
照明システム１００用の光源はＬＥＤ１０６であり、それは任意の光学波長または波長範囲の光を放出し、かつ照明システムの第４側面の内側に配置される。ＬＥＤ１０６は任意の無機発光ダイオードまたはＯＬＥＤとすることができる。好ましくは、ＬＥＤ１０６は無機発光ダイオードである。好ましくは、ＬＥＤ１０６によって放出される光の波長は、２００ナノメートルを越え、かつ３０００ナノメートル未満である。ＬＥＤ１０６によって放出される光が紫外光である場合、波長は２００ナノメートルを越え、かつ４００ナノメートル未満であることが好ましい。ＬＥＤ１０６によって放出される光が赤外光である場合、波長は７００ナノメートルを越え、かつ３０００ナノメートル未満であることが好ましい。
【００４５】
ＬＥＤ１０６は反射層１１０および発光層１０８を有する。反射層は第４側面の内側にそれに隣接して存在する一方、発光層は光再循環エンベロープの内部に延びる。反射層１１０は鏡面反射体または拡散反射体とすることができる。典型的な無機発光ダイオードでは、反射層は、もし存在するならば、通常鏡面反射体である。ＬＥＤ１０６の反射層１１０の光反射率はＲＳである。反射率が反射層の領域全体で変化する場合、反射率ＲＳは反射層の平均反射率と定義される。反射層１１０の反射率ＲＳは好ましくは少なくとも５０％である。より好ましくは、反射層１１０の反射率ＲＳは少なくとも７０％である。最も好ましくは、反射層１１０の反射率ＲＳは少なくとも９０％である。理想的には、照明システムの効率および最大出射放射輝度を最大にするために、反射率ＲＳは可能な限り１００％に近づけるべきである。
【００４６】
光源の総発光面積は面積ＡＳである。図３Ａ〜３Ｅで、光源は１つだけのＬＥＤから成るので、光源の総発光面積ＡＳはＬＥＤ１０６の発光面積である。
【００４７】
光源、この例ではＬＥＤ１０６の光出力は、光源の設計および光源に印加される駆動電力に依存する、最大固有光源放射輝度を有する。光源の最大固有光源放射輝度は、同様に構成され、同様に電力を作動されたＬＥＤであって、光再循環エンベロープ内に収容されないＬＥＤを測定することによって、決定することができる。
【００４８】
光出力開口１０４は照明システムの第１側面にある。光源および光再循環エンベロープからの光の一部分は、光出力開口から出射する。述べた通り、開口は、方形、矩形、多角形、円形、楕円形、任意の切子形状、または任意の湾曲形状をはじめ、それらに限らず、任意の形状を持つことができる。総光出力開口面積は面積ＡＯであり、それはこの場合、ちょうど単一の光出力開口１０４の面積である。照明システムが２つ以上の光出力開口を持つ場合、面積ＡＯは全ての光出力開口の総面積である。
【００４９】
光はＬＥＤ１０６の発光層１０８から、反射層１１０と接触しない発光層１０８の１つ以上の表面を通して放出することができる。例えば、光は表面１１２を通して放出することができる。表面１１２を通して放出される光線の４つの例示的実施例を、図３Ｄおよび３Ｅに示す。
【００５０】
図３Ｄで、第４側面のＬＥＤ１０６の発光層１０８の表面１１２から放出された第１光線１１４は、光再循環エンベロープ１０２の内部を通過して、光再循環エンベロープの反射面で反射することなく第１側面の光出力開口１０４を通して出射する。
【００５１】
ＬＥＤ１０６の発光層１０８の表面１１２から放出された第２光線１１６は、光再循環エンベロープを通過し、光再循環エンベロープ１０２の第３側面で反射する。反射した光線１１６は次いで光再循環エンベロープの内部を通過して、第１側面の光出力開口１０４から出射する。第２光線１１６は、光出力開口を通して光再循環エンベロープから出射する前に、いずれかまたは全ての側面の反射面から有限回数反射することができるので、これは単なる例示的実施例にすぎない。
【００５２】
ＬＥＤ１０６の発光層１０８の表面１１２から放出される第３光線１１８は、光再循環エンベロープ１０２の内部を通過して、光再循環エンベロープ１０２の第２側面に吸収される。一般的に、光再循環エンベロープは完全な反射体ではなく、１００％未満の反射率を有する。光線１１８のような光の一部は吸収される。吸収損失のため、光再循環エンベロープ内部の光の一部分だけが光出力開口１０４を通して光再循環エンベロープから出射する。
【００５３】
図３Ｅでは、第１期間中にＬＥＤ１０６の発光層１０８の表面１１２から放出される第４光線１２０は、光再循環エンベロープ１０２の内部を通過して、光再循環エンベロープの第２側面で反射する。反射した第４光線は光再循環エンベロープの内部を通過して、光源に再循環される。第４光線１２０は表面１１２およびＬＥＤ１０６の発光層１０８を通過して、ＬＥＤ１０６の反射層１１０で反射する。第４光線１２０は次いで第２期間中にＬＥＤ１０６の発光層１０８および表面１１２を透過し、光再循環エンベロープの内部を通過し、最終的に光出力開口１０４から出射する。
【００５４】
光線１１４、１１６、および１１８は光源に再循環されない。光線１２０は光源に再循環される。光源によって放出された光の一部分だけが光源に再循環される。
【００５５】
第４光線１２０が第２期間中にＬＥＤ１０６の反射層１１０で反射し、発光層１０８および表面１１２を透過して光再循環エンベロープに入射すると、反射した光線１２０は、第２期間中にＬＥＤ１０６の発光層１０８から同時に放出される光線に加わる。反射光線はＬＥＤ１０６の有効光源放射輝度を増加するので、そのときの有効光源放射輝度は、光再循環の無い状態で測定されたＬＥＤ１０６の最大固有光源放射輝度より高くなる。
【００５６】
光出力開口から出射する光の最大出射放射輝度は、光源の有効放射輝度より大きくはなり得ない。しかし、光源によって放出された光の一部分を光源に再循環させることによって、光源の有効放射輝度を高めることができるので、光出力開口から出射する光のそのときの最大出射放射輝度は、光再循環の無い状態で測定された同じＬＥＤの最大固有光源放射輝度より高くなり得る。照明システム１００の光出力開口から出射する光の最大出射放射輝度を、光再循環の無い状態における同じＬＥＤの最大固有光源放射輝度と比較する場合、照明システム１００のＬＥＤ１０６および基準測定で使用された同一ＬＥＤは同一設計であり、かつ同一電力で動作することに留意されたい。
【００５７】
第４光線１２０は、発光層１０８が光を放出しているか否かに関係なく、影響されずにＬＥＤ１０６の発光層１０８を透過する。代替的に、第４光線１２０は、第４側面のＬＥＤの反射層１１０で反射する前に、光再循環エンベロープの第１または第３側面で反射することができる。
【００５８】
第４光線が光出力開口１０４を通して光再循環エンベロープから出射する前に、第４光線１２０は、１回または任意の有限回数ＬＥＤの反射層１１０から反射する前または後に、いずれかまたは全ての側面の反射面から有限回数反射することができるので、これは単なる例示的実施例にすぎない。
【００５９】
照明システム１００の内面の最大反射率および結果的に得られる、光出力開口１０４から出射する最大出射放射輝度は、光再循環エンベロープの全ての開口の総面積ＡＯを除き、照明システム１００の内面全体を好ましくは反射性にすることによって達成される。照明システム１００は、面積ＡＯを有する１つの光出力開口１０４を有する。光再循環エンベロープの総内面積はＡＴであり、それは面積ＡＯおよび光源の総発光面積を含む。ＬＥＤ光源は反射率ＲＳを有する反射層１１０を有する。光源の総発光面積は面積ＡＳである。図３Ａ〜３Ｅの実施例では、面積ＡＳはＬＥＤ１０６の発光面積であるが、２つ以上のＬＥＤを有する他の実施例の場合、ＡＳは光再循環エンベロープ内の全てのＬＥＤの総発光面積である。ＬＥＤの総発光面積ＡＳおよび出力開口または開口の面積ＡＯに含まれない光再循環エンベロープの残部内面積は、残部面積ＡＲと表わされる。好ましくは、光出力開口または開口から出射される放射輝度を最大にするために、光再循環エンベロープの残部面積ＡＲは反射率ＲＥの反射面を持つべきである。前述の通り、反射率ＲＥは好ましくは少なくとも５０％である。より好ましくは、反射率ＲＥは少なくとも７０％である。最も好ましくは、反射率ＲＥは少なくとも９０％である。理想的には、照明システムの効率および最大出射放射輝度を最大にするために、反射率ＲＥは可能な限り１００％に近づけるべきである。
【００６０】
面積ＡＳおよび面積ＡＲは完全な反射体ではなく、各反射中に光の一部を吸収するので、最大限の照明システム効率および最大出射放射輝度は、光反射の回数を最小限にすることによって達成される。所与の固定総発光面積ＡＳおよび一つまたは複数の光出力開口の所与の固定総面積ＡＯに対し、一つまたは複数の光出力開口から送り出される最大出射放射輝度は、反射回数を最小限にするために、残部面積ＡＲを最小限にすることによって達成される。しかし、光出力開口によって占有されない光再循環エンベロープの面積全体を覆うように、照明システムに１つ以上のＬＥＤを配設することは通常可能ではないので、残部面積ＡＲを零にすることは通常可能ではない。
【００６１】
照明システム１００は、光出力開口１０４の総光出力開口面積ＡＯが光源の総発光面積ＡＳ未満である場合にのみ、光源の最大固有光源放射輝度より高い、向上した最大出射放射輝度を達成することができる。最大出射放射輝度を向上するためのこの面積要件は、以下の理論的実施例から理解することができる。最初に、理論的照明システムの内面積は吸収損失を持たない、つまり面積ＡＳおよびＡＲは全て１００％の反射率を有する、と仮定する。また、光源は光をランバーティアン分布（Ｌａｍｂｅｒｔｉａｌ  ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）で放出する。ランバーティアンエミッタ（ランバーティアンエミッタ）は、−９０度から＋９０度までの全ての出射角に対し一定放射輝度を有するエミッタであることに注目されたい。
【００６２】
光出力面積ＡＯが総発光面積ＡＳに等しい場合には、光源によって放出される全ての光フラックスは理論的照明システムから同一面積に出射し、多くの場合、同一ランベルト分布を持つ。光出力開口から出射する光の最大出射放射輝度は、最大固有光源放射輝度に等しくなる。
【００６３】
理論的照明システムの光出力面積ＡＯが総発光面積ＡＳより大きい場合、光出力開口から出射する光は同一ランベルト分布を持つことができるが、出力光フラックスがより大きい面積に広がるため、最大出射放射輝度は最大固有光源放射輝度より低くなる。光出力開口から導かれる最大出射放射輝度はＡＳ／ＡＯに低下する。
【００６４】
理論的照明システムの光出力面積ＡＯが総発光面積ＡＳより小さく、かつ照明システム内部の光の損失または吸収が無い場合、光出力面積から出射する光は同一ランベルト分布を持つことができるが、光出力開口の面積の低減のため、最大出射放射輝度は最大固有光源放射輝度より大きくなる。光出力開口から導かれる最大出射放射輝度はＡＳ／ＡＯ倍に増大する。したがって、最大固有光源放射輝度より高い最大出射放射輝度を達成するために、出力面積ＡＯは総発光面積ＡＳより小さいことが要求される。
【００６５】
しかし、ＡＯがＡＳより小さくなければならないという面積要件は、照明システムの最大出射放射輝度の向上を達成するために必要な唯一の要件ではない。典型的な照明システムでは、反射率ＲＳおよび反射率ＲＥは１００％未満であり、それは出射放射輝度の向上を低下させる。１回目の試みで光出力開口１０４から出射しない光は、光再循環エンベロープの内部で１回以上反射されるときに、光源または光再循環エンベロープによって吸収されることがある。これらの損失は最大出射放射輝度を低下させる。したがって、典型的な照明システムで最大出射放射輝度の向上を達成するために、ＲＳおよびＲＥは、たとえ１００％ではないとしても、比較的高くなければならない。ＲＳおよびＲＥの好ましい値については前に列挙した。
【００６６】
さらに、典型的な照明システムでは、光源は広いランバーティアン（−９０度から＋９０度まで）角度分布ではなく、より狭い角度分布で光を放出するかもしれない。光源が最初に狭い角度分布で発光し、かつ放出された光が次いで照明システム内部で複数回反射する場合、光出力開口から出射する光は、初期角度分布より広い角度分布を有する。出力分布はおおよそランベルト分布となる。当初の狭い角度分布を照明システム内部でより広い出力分布に拡大することも、光出力開口から出射する光の最大出射放射輝度を低下させる。したがって、典型的な照明システムの最大出射放射輝度の向上を達成するために、光源によって放出される光の角度分布は可能な限りランベルト分布に近づけられる必要がある。
【００６７】
最大限の理論的放射輝度の向上は、上に示した通り、面積比ＡＳ／ＡＯにより与えられる。例えば、ＡＳが２０ｍｍ２に等しく、かつＡＯが１ｍｍ２に等しい場合、最大出射放射輝度の最大限の理論的向上はＡＳ／ＡＯつまり２０となる。最大値は、ＬＥＤがランバーティアンエミッタである場合にのみ、かつＲＳおよびＲＥが各々１００％に等しい場合にのみ達成される。通常そうであるように、ＬＥＤが完全なランバーティアンエミッタではない場合、あるいはＲＳおよびＲＥが各々１００％未満である場合には、最大出射放射輝度の向上は依然として達成することができるが、向上は最大理論値より小さくなる。そのような場合、最大固有光源放射輝度より高い最大出射放射輝度を達成するために、面積ＡＯはＡＳよりかなり低くする必要がある。好ましくは、光出力開口１０４の面積ＡＯは、光源の総発光面積ＡＳの５０％以下である。より好ましくは、光出力開口１０４の面積ＡＯは、光源の総発光面積ＡＳの３０％以下である。最も好ましくは、光出力開口１０４の面積ＡＯは、光源の総発光面積ＡＳの１０％以下である。加えて、一部の用途では、光出力開口１０４の面積ＡＯは小さく、アークランプ光源の面積に匹敵する大きさであることが望ましい。これらの用途では、光出力開口１０４の面積ＡＯは２５ｍｍ２未満の面積であることが好ましい。より好ましくは、光出力開口１０４の面積ＡＯは１０ｍｍ２未満である。
【００６８】
本発明の別の実施形態を、図４に断面図で示す。照明システム１３０は、光再循環エンベロープ１０２の内部容積が実質的に光透過固体１３２で満たされることを除いては、照明システム１００と同一である。代替的に、光透過固体１３２は光再循環エンベロープを部分的に、または完全に満たすことができる。
【００６９】
好ましくは、光透過固体１３２はＬＥＤ１０６の発光層１０８と接触する。光透過固体をＬＥＤの発光層と接触する状態に配置することによって、発光層と発光層の外部の環境との間の屈折率の差は、発光層の界面に空気がある場合に比較して低減される。屈折率の差の低減は、発光層内部で内部全反射を受ける光の量を低減させ、かつ発光層からの発光の効率を増大させる。この効果は結果的に、照明システムの効率の全体的な向上をもたらすことができる。発光層からの発光の最高効率は、光透過固体の有効屈折率が発光層の屈折率以上である場合に発生する。
【００７０】
必要ならば、光透過固体の有効屈折率は、超微細粉末の高屈折率の材料を光透過固体に組み込むことによって高めることができる。好ましくは、超微細粉末は１．６０を越えるバルク屈折率を有する材料から作られる。超微細粉末とは粒径が約３００ナノメートル未満の粉体である。例示的超微細粉末は、例えば酸化スズ、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化セリウム、および五酸化アンチモンのような材料から作ることができる。
【００７１】
本発明の別の実施形態は、図５に断面図で示す照明システム１４０である。照明システム１４０は、照明システム１４０が平板状反射偏光子１４２をさらに含むことを除いては、照明システム１００と同一である。
【００７２】
平板状反射偏光子は、第１偏光状態の光を反射し、かつ第２偏光状態の光を透過する偏光子である。偏光状態は、直線偏光の状態または円形偏光の状態とすることができる。適切な平板状反射偏光子の例として、３Ｍ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社製のＶｉｋｕｉｔｉＴＭ  Ｄｕａｌ  Ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ  Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ  Ｆｉｌｍ（ＤＢＥＦ）、およびサブ波長光学素子を利用したＮａｎｏＯｐｔｏ  ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎおよびＭｏｘｔｅｋ  Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ社製の偏光子がある。
【００７３】
平板状反射偏光子１４２は光出力開口１０４に隣接して配置され、かつ光出力開口１０４から出射する光の光路に配置される。平板状反射偏光子の隣接配置は、光再循環エンベロープのすぐ外側または光再循環エンベロープのすぐ内側のいずれかとすることができる。平板状反射偏光子は、第１偏光状態を有する任意の波長の光を反射する。また、平板状反射偏光子は第２偏光状態を有する任意の波長の光を透過する。第１偏光状態の光は、光再循環エンベロープに再循環される。光再循環エンベロープに再循環された第１偏光状態の光は、複数回の反射後に、第１偏光状態の光および第２偏光状態の光の混合に変換される。変換された第２偏光状態の光は次いで平板状反射偏光子を通過することができる。第２偏光状態だけを照明システム１４０の出力に希望する場合、第１偏光状態を光反射エンベロープに再循環させて、第２偏光状態の光に変換することにより、照明システム１４０の全体的効率および最大出射放射輝度が改善される。
【００７４】
一部の照明システムの用途には偏光光が必要である。例えば、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）パネルまたは液晶オンシリコン（ＬＣＯＳ）ディスプレイパネルを組み込んだフラットパネルディスプレイまたは投写型ディスプレイ用途に利用される照明システムは、偏光光を出射する照明システムを必要とする。
【００７５】
図５の光線１４４および１４６は、平板状反射偏光子の機能を示す。第１偏光状態の光線１４４は照明システム１４０の第４側面の発光層１０８の表面１１２から出射し、光再循環エンベロープ１０２の内部を通過し、光出力開口１０４を初めて通過して平板状反射偏光子１４２に到達する。光線１４４は平板状反射偏光子１４２で反射し、光出力開口１０４を再度通過し、光再循環エンベロープ１０２の内部に再循環される。
【００７６】
第２偏光状態の光線１４６は照明システム１４０の第４側面の発光層１０８の表面１１２から出射し、光再循環エンベロープ１０２の内部を通過して、光再循環エンベロープ１０２の第３側面の内部表面に達する。光線１４６は光再循環エンベロープ１０２で反射し、光再循環エンベロープ１０２の内部を通過し、第１側面の光出力開口１０４を通過し、平板状反射偏光子１４２を通過する。全般的に、平板状反射偏光子は第１偏光状態の光を反射し、第２偏光状態の光を透過する。
【００７７】
本発明の他の実施形態は部分的に視準する照明システムである。図６Ａ、６Ｂ、および６Ｃは、光視準素子を利用して出力光を部分的に視準させる照明システムの断面図である。一般的に光視準素子は、光出力開口１０４から出射する光を少なくとも部分的に視準する任意の光学素子とすることができる。例えば光視準素子は、複合パラボラ反射器、凸レンズ、テーパ状ライトガイド、または２つ以上のそのような素子の組合せとすることができる。
【００７８】
図６Ａの照明システム１６０は、照明システム１６０が光視準素子１６２をさらに含むことを除いては、照明システム１００と同一である。図６Ａで、光視準素子１６２は例示を目的とする複合パラボラ反射器である。複合パラボラ反射器は、テーパ状ライトガイドの内面から光を反射することによって光を搬送するテーパ状ライトガイドである。複合パラボラ反射器は透明な固体材料から構成することができる。複合パラボラ反射器がそのような透明な固体材料から構成される場合、光は材料を通過し、内部全反射によって複合パラボラ反射器の内部表面から反射する。代替的に、複合パラボラ反射器は中空構造とすることができ、その場合、複合パラボラ反射器の面は、光を反射するために反射性コーティングを被覆しなければならない。光視準素子１６２は、光出力開口１０４に隣接しかつ非視準光を受け入れる入力面１６４と、出力面１６６とを有する。入力面１６４は光出力開口１０４からの非視準光を受け入れる。光視準素子１６２は以前の非視準光を部分的に視準させ、部分的に視準した光を出力面１６６に透過させる。光視準素子が光出力開口１０４から出射する光を部分的に視準するために、入力面１６４の面積は出力面１６６の面積より小さくなければならない。式５は、入力面積および出力面積と光の入力立体角分布および出力立体角分布との間の数学的関係を与える。
【００７９】
図６Ａに示した代表的光線１６８および１６９は、光視準素子１６２が複合パラボラ反射器であるときの光視準素子１６２の機能を示す。光線１６８は第１側面の発光層１０８の表面１１２から出射し、光再循環エンベロープ１０２の内部を通過し、第１側面の光出力開口１０４を通過し、複合パラボラ反射器の入力面１６４を非視準光として通過する。光線１６８は複合パラボラ反射器の側面で反射し、出力面１６６を通して複合パラボラ反射器から部分的視準光として出射する。
【００８０】
光線１６９は第４側面の発光層１０８の表面１１２から出射し、光再循環エンベロープ１０２の内部を光再循環エンベロープ１０２の第２側面の内面まで通過する。光線１６９は光再循環エンベロープ１０２で反射し、光再循環エンベロープ１０２の内部を通過し、第１側面の光出力開口１０４を通過して入力面１６４を通して複合パラボラ反射器に入射する。光線１６９は複合パラボラ反射器の側面で反射し、出力面１６６を通して複合パラボラ反射器から部分的視準光として出射する。
【００８１】
要求される光視準素子の光視準度は用途に依存する。光出力開口１０４から出射する光は一般的に、ランバーティアン（−９０度から＋９０度までの出力角または２πの立体角）または近ランバーティアン角度分布を有する。光視準素子１６２を出射する光の視準は、必要に応じて、式５の数学的関係を利用して、入力面１６４の面積に対して出力面１６６の面積を変化させることによって調整することができる。光視準素子の入力屈折率ｎｉｎが光視準素子の出力屈折率ｎｏｕｔと等しい場合には、代わりに式４を使用することができ、光視準素子からの光出力立体角分布ΩＯＵＴは、次式によって与えられる。
【数６】
2007531302.tif 000008
ここでΩｉｎは光視準素子への光入力立体角分布であり、Ａｒｅａｉｎは入力面１６４の面積であり、Ａｒｅａｏｕｔは出力面１６６の面積である。
【００８２】
高い光視準度を必要とする用途の場合、光出力分布が好ましくは−３０度から＋３０度の角度範囲内になるように、光視準素子１６２は光を部分的に視準する。より好ましくは、光視準素子１６２は、光出力分布が−２０度から＋２０度の角度範囲内になるように、光視準素子１６２は光を部分的に視準する。最も好ましくは、光出力分布が−１０度から＋１０度の角度範囲内になるように、光視準素子１６２は光を部分的に視準する。
【００８３】
光出力を部分的に視準する照明システムの別の実施例は、図６Ｂに断面図で示す照明システム１７０である。照明システム１７０が光出力開口１０４から出射する光を部分的に視準するために光視準素子１７２を、この例では球状ボールレンズである凸レンズをさらに含むことを除いては、照明システム１７０は照明システム１００と同一である。光視準素子１７２の光入力面は光出力開口１０４に隣接する。光視準素子１７２の出力面は入力面の反対側である。光視準素子１７２を通過する光を部分的に視準するために、レンズの出力面の光ビームの面積は、入力側のビームの面積より大きくなければならない。
【００８４】
図６Ｂに示した代表的光線１７４および１７６は、光視準素子１７２が凸レンズである場合の光視準素子１７２の機能を示す。光線１７４は、第１側面の発光層１０８の表面１１２から出射し、光再循環エンベロープ１０２の内部を通過し、第１側面の光出力開口１０４を通過し、光視準素子１７２の入力面を非視準光として通過する。光線１７４は光視準素子１７２で屈折し、光視準素子１７２の出力面から部分的視準光として出射する。
【００８５】
光線１７６は第４側面の発光層１０８の表面１１２から出射し、光再循環エンベロープ１０２の内部を光再循環エンベロープ１０２の第２側面の内面まで通過する。光線１７６は光再循環エンベロープ１０２で反射し、光再循環エンベロープ１０２の内部を通過し、第１側面の光出力開口１０４を通過し、光視準素子１７２の入力面に非視準光として入射する。光線１７６は光視準素子１７２で屈折し、光視準素子１７２の出力面から部分的視準光として出射する。
【００８６】
好ましくは、光視準素子１７２は、光出力分布が−３０度から＋３０度の範囲内になるように、光視準素子から出射する光を部分的に視準する。より好ましくは、光出力分布は−２０度から＋２０度の範囲内である。最も好ましくは、光出力分布は−１０度から＋１０度の範囲内である。
【００８７】
光出力を部分的に視準する照明システムの別の実施例は、図６Ｃに断面図で示す照明システム１８０である。照明システム１８０が、協働して光出力開口１０４から出射する光を部分的に視準するように働く第１光視準素子１８２、テーパ状ライトガイド、および第２光視準素子１８８つまり凸レンズをさらに含むことを除いては、照明システム１８０は照明システム１００と同一である。
【００８８】
図６Ｃの第１光視準素子ｌ８２は、入力面１８４および出力面１８６を有するテーパ状ライトガイドである。テーパ状ライトガイドの面は、内部全反射を利用することによって、または光視準素子１８２の入力および出力面を除く面に反射性コーティングが塗布されているため、反射性である。光視準素子１８２が光を部分的に視準するために、出力面１８６の面積は入力面１８４の面積より大きくなければならない。光視準素子が複合パラボラ反射器であったときに使用した式と同じ式６は、第１光視準素子１８２によって達成することのできる部分的視準度を決定する。
【００８９】
第２光視準素子１８８は凸レンズである。凸レンズの面積が第１光視準素子１８２の出力面１８６の面積より大きく、かつ、加えて凸レンズの焦点距離が適切に選択された場合、第２光視準素子１８８は、第１光視準素子１８２が単独で作動して達成した部分光視準をさらに改善する。
【００９０】
図６Ｃに示された代表的光線１９０および１９２は、第１光視準素子１８２および第２光視準素子１８８の機能を示す。光線１９０は第１側面の発光層１０８の表面１１２から出射し、光再循環エンベロープ１０２の内部を通過し、第１側面の光出力開口１０４を通過し、かつ第１光視準素子１８２の入力面１８４を非視準光として通過する。光線１９０は第１光視準素子１８２の側面で反射し、第１光視準素子１８２の出力面１８６から部分的視準光として出射する。光線１９０は次いで第２光視準素子１８８を通過しかつそれによって屈折し、最終的にさらに改善された部分的視準状態で第２光視準素子１８８から出射する。
【００９１】
光線１９２は第４側面の発光層１０８の表面１１２から出射し、光再循環エンベロープ１０２の内部を光再循環エンベロープ１０２の第２側面の内面まで通過する。光線１９２は光再循環エンベロープ１０２で反射し、光再循環エンベロープ１０２の内部を通過し、第１側面の光出力開口１０４を通過し、第１光視準素子１８２の入力面１８４に非視準光として入射する。光線１９２は第１光視準素子１８２の側面で反射し、第１光視準素子１８２の出力面１８６から部分的視準光として出射する。光線１９２は次いで第２光視準素子１８８を通過しかつそれによって屈折し、最終的にさらに改善された部分的視準状態で第２光視準素子１８８から出射する。
【００９２】
好ましくは、協働して動作する第１光視準素子１８２および第２光視準素子１８８は、光出力分布が−３０度から＋３０度の角度範囲内になるように、第２光視準素子１８８から出射する光を部分的に視準する。より好ましくは、光出力分布は−２０度から＋２０度の角度範囲内である。最も好ましくは、光出力分布は−１０度から＋１０度の角度範囲内である。
【００９３】
前述の実施形態では、図５は平板状反射偏光子を組み込んだ照明システムを示す。図６Ａ、６Ｂ、および６Ｃは、１つまたは２つの光視準素子を組み込んだ照明システムを示す。また、協働して動作する反射偏光子および１つまたはそれ以上の光視準素子の両方を含む、本発明の実施形態も可能である。平板状反射偏光子を使用する１つの例を図７Ａに示す。図７Ｂは、光視準素子および異なる型の反射偏光子の両方を含む本発明の別の実施形態を示す。
【００９４】
図７Ａは照明システム２００の断面図である。照明システム２００が平板状反射偏光子２２０をさらに含むことを除き、照明システム２００は、光視準素子を有する図６Ａの照明システム１６０と同一である。平板状反射偏光子の例については前に列挙した。平板状反射偏光子２２０は光視準素子１６２の出力面１６６に隣接して配置される。平板状反射偏光子２２０は第１偏光状態の光を反射し、第２偏光状態の光を透過する。平板状反射偏光子２２０は第１偏光状態の光を反射し、光視準素子１６２を通して光再循環エンベロープ１０２へと再循環する。光再循環エンベロープ１０２に再循環された第１偏光状態の光は、光再循環エンベロープ内で多数回反射することができ、それにより部分的に第２偏光状態の光に変換される。第２偏光状態の光に変換された再循環光は次いで光出力開口１０４を通して光再循環エンベロープから出射し、光視準素子１６２を通過し、最終的に平板状反射偏光子２２０を通過する。この再循環されかつ偏光変換された光は、照明システム２００の出力光に加わる。照明システム２００の効率および最大出射放射輝度はそれにより高まる。
【００９５】
図７に示された代表的光線２２２および２２４は、光視準素子１６２および平板状反射偏光子２２０の機能を示す。第１偏光状態の光線２２２は第４側面の発光層１０８の表面１１２から出射し、光再循環エンベロープ１０２の内部を光再循環エンベロープ１０２の第２側面の内面まで通過する。第１偏光状態の光線２２２は光再循環エンベロープ１０２で反射し、光再循環エンベロープ１０２の内部を通過し、第１側面の光出力開口１０４を通過し、光視準素子１６２の入力面１６４に非視準光として入射する。第１偏光状態の光線２２２は光視準素子１６２の側面で反射し、出力面１６６を通して光視準素子から部分的視準光として出射する。第１偏光状態の光線２２２は次いで平板状反射偏光子２２０で反射し、光視準素子１６２を再度通過し、光再循環エンベロープ１０２に再入射し、最終的に部分的に第２偏光状態の光に変換される。
【００９６】
第２偏光状態の光線２２４は第１側面の発光層１０８の表面１１２から出射し、光再循環エンベロープ１０２の内部を通過し、第１側面の光出力開口１０４を通過し、光視準素子１６２の入力面１６４を非視準光として通過する。第２偏光状態の光線２２４は光視準素子１６２の側面で反射し、次いで光視準素子１６２の出力面１６６を通して部分的視準光として出射する。光線２２４は次いで平板状反射偏光子２２０を通過し、照明システム２００を部分的に視準された第２偏光状態の光として出射する。
【００９７】
図７Ｂは、照明システム２５０の断面図である。照明システム２５０が反射偏光子をさらに含むことを除き、照明システム２５０は光視準素子を有する照明システム１６０と同一である。この図で、反射偏光子はビーム分割プリズム偏光子２５２である。ビーム分割プリズム偏光子の特徴および機能は当業者には周知である。ビーム分割プリズム偏光子２５２は入力面２７０と、入力面に垂直な第１出力面２７２と、入力面と平行でありその反対側にある第２出力面２７４と、部分反射対角面２５４とを有する。プリズムの対角線に沿って配置された部分反射対角面２５４は、第１偏光状態の光を第１出力面へ反射し、第２偏光状態の光を第２出力面まで透過させる。
【００９８】
ビーム分割プリズム偏光子２５２は光視準素子１６２の出力面１６６に隣接して配置される。ビーム分割プリズム偏光子２５２の部分反射対角面２５４は、第１偏光状態の光を反射体２５６へ反射し、第２偏光状態の光を透過する。反射体２５６は第１偏光状態の光を反射して、ビーム分割プリズム偏光子２５２を通し、光視準素子１６２を通して、光再循環エンベロープ１０２へ再循環させる。光再循環エンベロープ１０２へ再循環された第１偏光状態の光は、光再循環エンベロープ内で複数回反射し、それによって第２偏光状態の光に部分的に変換することができる。第２偏光状態の光に変換された再循環光は次いで、光出力開口１０４を通して光循環エンベロープを出射し、光視準素子１６２を通過し、最終的にビーム分割プリズム偏光子２５２の第２出力面２７４を通過することができる。この再循環されかつ偏光変換された光は、照明システム２５０の光出力に加わる。照明システム２５０の効率および最大出射放射輝度はそれにより高まる。
【００９９】
図７Ｂに示した代表的光線２５８および２６０は、光視準素子１６２およびビーム分割プリズム偏光子２５２の機能を示す。第１偏光状態の光線２５８は第４側面の発光層１０８の表面１１２から出射し、光再循環エンベロープ１０２の内部を、光再循環エンベロープ１０２の第２側面の内面まで通過する。第１偏光状態の光線２５８は光再循環エンベロープ１０２で反射し、光再循環エンベロープ１０２の内部を通過し、第１側面の光出力開口１０４を通過し、光視準素子１６２の入力面１６４に非視準光として入射する。第１偏光状態の光線２５８は光視準素子１６２の側面で反射し、出力面１６６を通して光視準素子から部分的視準光として出射する。第１偏光状態の光線２５８は入力面２７０を通してビーム分割プリズム偏光子２５２に入射し、部分反射対角面２５４で反射し、第１出力面２７２を通して反射体２５６まで通過し、反射体２５６で反射し、ビーム分割プリズム偏光子の第１出力面２７２を通して逆戻りする。光線２５８は部分反射対角面２５４で反射し、入力面２７０を通して光視準素子１６２内へ逆戻りし、光視準素子１６２を再度通過し、光再循環エンベロープ１０２に再入射して、最終的に第２偏光状態の光に部分的に変換される。
【０１００】
第２偏光状態の光線２６０は第１側面の発光層１０８の表面１１２から出射し、光再循環エンベロープ１０２の内部を通過し、第１側面の光出力開口１０４を通過し、光視準素子１６２の入力面１６４を非視準光として通過する。第２偏光状態の光線２６０は光視準素子１６２の側面で反射し、次いで光視準素子１６２の出力面１６６から部分的視準光として出射する。光線２６０は入力面２７０を通過してビーム分割プリズム偏光子２５２に入り、部分反射対角面２５４を通過し、第２出力面２７４を通してビーム分割プリズム偏光子２５２から出射し、第２偏光状態の部分視準光として照明システム２５０から出射する。
【０１０１】
図７Ｂで、第１出力面２７２から外に向けられた第１偏光状態の光は、反射体２５６によってビーム分割プリズム偏光子２５２内に反射される。代替的照明システム６００が図８に断面図で示される。図８で、第１出力面２７２から出射する第１偏光状態の光は、協働する第２光視準素子６２０および第２照明システム内に再循環される。第２照明システムは、第２発光層６０８および第２反射層６１０を有する第２ＬＥＤ６０６と、第２光再循環エンベロープ６０２と、第２光出力開口６０４とから構成される。第２光視準素子６２０は、第２光出力開口６０４に隣接する入力面と、ビーム分割プリズム偏光子２５２の第１出力面２７２に隣接する出力面とを有する。
【０１０２】
ＬＥＤ１０６によって放出された第１偏光状態の光はビーム分割プリズム偏光子２５２の部分反射対角面２５４によって、第２光視準素子６２０、およびＬＥＤ６０６を含む第２光再循環エンベロープ６０２内へ反射する。逆に、ＬＥＤ６０６によって放出された第１偏光状態の光はビーム分割プリズム偏光子２５２の部分反射対角面２５４によって、光視準素子１６２、およびＬＥＤ１０６を含む光再循環エンベロープ１０２内へ反射する。
【０１０３】
ＬＥＤ１０６によって放出された第２偏光状態の光は、ビーム分割プリズム偏光子２５２の部分反射対角面２５４を透過する。光は表面２７４を通過し、反射体６３６によって反射され、直角プリズム６３４によって屈折し、照明システム６００から第２偏光状態の光として出射する。ＬＥＤ６０６によって放出された第２偏光状態の光はビーム分割プリズム偏光子２５２の部分反射対角面２５４を透過する。光は表面６３０を通過し、反射体６３８によって反射され、直角プリズム６３４によって屈折し、照明システム６００から第２偏光状態の光として出射する。ＬＥＤ１０６およびＬＥＤ６０６によって放出された第２偏光状態の光は結合されて、照明システムに改善された最大出射放射輝度をもたらす。２つの光再循環エンベロープおよび２つの光視準素子を含む照明システム６００の最大出射放射輝度は、１つの光再循環エンベロープおよび１つの光視準素子を含む照明システム２５０の最大出射放射輝度より高い。
【０１０４】
光線６４０、６４２、６５０、および６５２は照明システム６００の動作を示す。第１偏光状態の光線６４０はＬＥＤ６０６の発光層６０８の表面６１２から出射し、光再循環エンベロープ６０２の内部を通過し、光再循環エンベロープ６０２で反射する。光線６４０は光再循環エンベロープ６０２の内部を通過し、光出力開口６０４を通して出射し、光視準素子６２０の入力面に入射する。光線６４０は反射無しに光視準素子を通過し、ビーム分割プリズム偏光子２５２の表面２７２に入射する。第１偏光状態の光線６４０は部分反射対角面２５４によって光視準素子１６２内へ反射する。光線６４０は光視準素子１６２の側面から反射し、光視準素子１６２から出射し、光再循環エンベロープ１０２に再循環光として入射する。
【０１０５】
第２偏光状態の光線６４２は発光層６０８の表面６１２から出射し、光再循環エンベロープ６０２の内部を通過し、光出力開口６０４を通過し、光視準素子６２０の入力面に入射する。光線６４２は光視準素子６２０の側面で反射し、光視準素子６２０から出射し、ビーム分割プリズム偏光子２５２の表面２７２に入射する。第２偏光状態の光線６４２は反射無しに部分反射対角面２５４を通過し、表面６３０を通してビーム分割プリズム偏光子２５２を出射する。光線６４２は反射体６３８で反射し、直角プリズム６３４で屈折し、照明システム６００から第２偏光状態の光として出射する。
【０１０６】
第１偏光状態の光線６５０はＬＥＤ１０６の発光層１０８の表面１１２から出射し、光再循環エンベロープ１０２の内部を通過し、光再循環エンベロープ１０２で反射する。光線６５０は光再循環エンベロープ１０２の内部を通過し、光出力開口１０４を通して出射し、光視準素子１６２の入力面に入射する。光線６５０は反射無しに光視準素子１６２を通過し、ビーム分割プリズム偏光子２５２の表面２７０に入射する。第１偏光状態の光線６５０は部分反射対角面２５４で光視準素子６２０内へ反射する。光線６５０は反射無しに光視準素子６２０を通過し、光視準素子６２０から出射し、光再循環エンベロープ６０２に再循環光として入射する。
【０１０７】
第２偏光状態の光線６５２は発光層１０８の表面１１２から出射し、光再循環エンベロープ１０２の内部を通過し、光出力開口１０４から出射し、光視準素子１６２の入力面に入射する。光線６５２は光視準素子１６２の側面で反射し、光視準素子１６２から出射し、ビーム分割プリズム偏光子２５２の表面２７０に入射する。第２偏光状態の光線６５２は反射無しに部分反射対角面２５４を通過し、表面２７４を通してビーム分割プリズム偏光子２５２から出射する。光線６５２は反射体６３６で反射し、直角プリズム６３４で屈折し、照明システム６００から第２偏光状態の光として出射する。
【０１０８】
図３〜８で、光源は光再循環エンベロープ内部に配置され、光再循環エンベロープは光源を収容する。光源の一部を光再循環エンベロープの外側に配置することができることも、本発明の範囲内である。そのような場合、光再循環エンベロープは光源を部分的に収容するが、光源全体を収容しない。光源の一部が光再循環エンベロープの外側に配置される照明システム３００の実施例を、図９Ａおよび９Ｂに断面図で示す。
【０１０９】
図９Ａおよび９Ｂに示した照明システム３００の断面は、第１側面と、第２側面と、第３側面と、第４側面とを有する。照明システム３００の光源がＬＥＤ３０６に加えてライトガイド３１６をさらに含むことを除いては、照明システム３００は照明システム１００と同一である。ＬＥＤ３０６およびライトガイド３１６は両方とも第４側面に配置される。ＬＥＤ３０６は光再循環エンベロープの外側に配置される。照明システム３００はまた、光再循環エンベロープ３０２および照明システムの第１側面に配置された光出力開口３０４をも含む。ＬＥＤ３０６、光再循環エンベロープ３０２、および光出力開口３０４の特徴および特性は、照明システム１００のそれぞれの要素の特徴および特性と同一である。
【０１１０】
ＬＥＤ３０６は、ライトガイドおよび光再循環エンベロープを伴わない同一構成のＬＥＤを測定することによって決定された最大固有光源放射輝度を有する。
【０１１１】
ライトガイド３１６は照明システムの第４側面に配置され、ＬＥＤ３０６の発光層３０８の表面３１２に隣接する入力面３１８と、光再循環エンベロープ３０２の内側に配置された出力面３２０とを有する。ＬＥＤ３０６の表面３１２を通して放出される光の実質的に全部がライトガイド３１６に入射するように、入力面３１８の面積はＬＥＤ３０６の表面３１２の面積より大きいことが好ましい。ＬＥＤ３０６の表面３１２とライトガイド３１６の入力面３１８との間に間隙があることが好ましく、間隙の屈折率はライトガイドの屈折率より低いことが好ましい。そのような間隙が存在し、かつ間隙がライトガイドの屈折率より充分に小さい屈折率を持つ場合、表面３２１に垂直の方向から大きい角度で、つまり約４５度を越える角度で表面３１２から出射される光が依然としてライトガイド３１６内に受け入れられ、ライトガイドによって表面３１８に直角の方向に対し約４５度未満の角度に誘導され、光再循環エンベロープ内に導かれる。逆に、表面３１２と表面３１８との間に間隙が存在しない場合、表面３１２に垂直の方向から約４５度を越える角度で表面３１２から出射する光は、おそらくライトガイド３１６によって光再循環エンベロープ３０２内に誘導されず、おそらく損失するであろう。
【０１１２】
ライトガイド３１６は、ＬＥＤ３０６の発光層３０８によって放出された光をＬＥＤ３０６から光再循環エンベロープ３０２内に搬送する。加えて、ライトガイド３１６は、光再循環エンベロープ３０２内の光の一部を再循環光としてＬＥＤ３０６の反射層３１０へ搬送する。そして最終的に、ライトガイド３１６は、反射層３１０で反射した再循環光を光再循環エンベロープ内に搬送する。反射層３１０から反射した循環光はＬＥＤ３０６の有効輝度を高める。
【０１１３】
ＬＥＤ３０６の総発光面積は面積ＡＳである。前述の通り、反射層３１０の反射率ＲＳは少なくとも５０％であることが好ましい。より好ましくは、反射率ＲＳは少なくとも７０％である。最も好ましくは、反射率ＲＳは少なくとも９０％である。同じく前述の通り、光再循環エンベロープ３０２の反射率ＲＥは少なくとも５０％であることが好ましい。より好ましくは、反射率ＲＥは少なくとも７０％である。最も好ましくは、反射率ＲＥは少なくとも９０％である。出力開口３０４の総出力開口面積は面積ＡＯである。照明システム３００において、ＡＯがＡＳより低い場合、かつＲＳおよびＲＥが各々５０％を越える場合、照明システム３００の最大出射放射輝度はＬＥＤ３０６の最大固有光源放射輝度より高くなることが可能である。
【０１１４】
図９Ａおよび９Ｂの例示的光線３２２および３３０は、ライトガイド３１６の機能を示す。光線３２２はＬＥＤ３０６の発光層３０８の表面３１２を通して出射する。光線３２２は表面３１２および３１８間の間隙を通過し、表面３１８を通してライトガイド３１６に入射する。光線３２２はライトガイド３１６を通過し、ライトガイド３１６の側面で反射し、光再循環エンベロープ３０２の内側に位置する表面３２０を通してライトガイド３１６から出射する。光線３２２は光再循環エンベロープ３０２の内部を通過して光再循環エンベロープ３０２に至り、光再循環エンベロープで反射し、光再循環エンベロープの内部を通過し、光出力開口３０４を通して照明システム３００から出射する。
【０１１５】
図９Ｂで、光線３３０は第１期間中にＬＥＤ３０６の発光層３０８の表面３１２から出射する。光線３３０は表面３１２および３１８の間の間隙を通過し、表面３１８からライトガイド３１６に入射する。光線３３０はライトガイド３１６を通過し、ライトガイド３１６の側面から反射し、光再循環エンベロープ３０２内部に配置された表面３２０を通してライトガイド３１６から出射する。光線３３０は光再循環エンベロープ３０２の内部を通過し、光再循環エンベロープの第２側面で反射して光源に再循環する。光線３３０は、光再循環エンベロープ３０２の内部をライトガイド３１６の表面３２０まで通過する。光線３３０は反射せずにライトガイド３１６内を通過し、ライトガイド３１６の表面３１８を通過し、発光層３０８の表面３１２を初めて通過し、反射層３１０で反射し、第２期間に発光層３０８および表面３１２を再度通過する。光線３３０は表面３１８を通してライトガイド３１６に再入射し、反射せずにライトガイド３１６を通過し、表面３２０を通してライトガイド３１６から出射する。光線３３０は次いで光再循環エンベロープの内部を通過し、光出力開口３０４を通して照明システム３００から出射する。
【０１１６】
光線３３０が第２期間中に発光層３０８の表面３１２を再度通過するときに、光３３０は、第２期間中にＬＥＤ３０６の発光層３０８によって同時に放出される光に加わる。光線３３０はＬＥＤ３０６の有効放射輝度を高め、かつ照明システム３００の最大出射放射輝度を高める。
【０１１７】
ライトガイド３１６は、光を透過しかつ内部全反射によって光を搬送する任意の固体材料から構成することができる。考えられる材料として、二酸化シリコンのような無機ガラス、ならびにポリメチルメタクリレートおよびフルオロアクリレートのようなプラスチックが挙げられる。ＬＥＤ３０６がランバーティアンまたは近ランバーティアン出力角度分布で光を放出する場合、内部全反射によって光を誘導するライトガイド３１６は、ライトガイドの側面からの光の漏出を防止するために、直線状のライトガイドとする必要があるかもしれない。ライトガイド３１６はまた、中実構造、または両端を除くライトガイドの側面に光反射材が被覆された中空構造とすることもできる。ライトガイド３１６の側面に反射材を被覆する場合、ライトガイド３１６は湾曲ライトガイドでも、ランバーティアンエミッタによって放出された光を依然として効率的に搬送することができる。
【０１１８】
図３〜９に示した本発明の実施形態は、光源として１つのＬＥＤを持つように図示されている。しかし、本発明の実施形態は２つ以上のＬＥＤを組み込むことができる。図１０Ａ、１０Ｂ、および１０Ｃは、光の放出および反射の両方を行なう２つのＬＥＤ、つまりＬＥＤ４０６ａおよびＬＥＤ４０６ｂから構成される光源を有する照明システム４００を示す。図１０Ａは、光再循環エンベロープ４０２および光出力開口４０４の縁を図中に実線で示す、照明システム４００の上面外観図である。図１０Ｂは、図１０Ａに示されたＩ−Ｉ面に沿って見た断面図である。図１０Ｃは、図１０Ａに示されたＩＩ‐ＩＩ面に沿って見た断面図である。要素ＬＥＤ４０６ａ、ＬＥＤ４０６ｂ、光再循環エンベロープ４０２、および光出力開口４０４の特徴および特性は、照明システム１００のそれぞれの要素の特徴および特性と同一である。前述の通り、光再循環エンベロープは内部容積を収容する任意の三次元形状を持つことができる。好ましくは、光再循環エンベロープの三次元形状は、エンベロープの内面へのＬＥＤの取付けを容易にするために、平坦面を持つ切子面である。照明システム４００の立方体形状は単なる例示目的にすぎない。
【０１１９】
図１０Ｃに示した照明システム４００の方形断面形状は、光出力開口４０４を含む第１側面と、第２側面と、第３側面と、第４側面とを有する。第１側面は第３側面と対向し、かつそれと平行である。第２側面は第４側面と対向し、かつそれと平行である。第１側面および第３側面は第２側面および第４側面に直角である。図１０Ｃに断面図で示された照明システムの４つの側面は、六面立方体の残りの２つの面（図１０Ｃには図示せず）と共に、光再循環エンベロープの内部を形成する。
【０１２０】
照明システム４００は、第４側面にあるＬＥＤ４０６ａと、第２側面にあるＬＥＤ４０６ｂとを有する。２つのＬＥＤは同一波長範囲の光を放出することができ、あるいは２つのＬＥＤは異なる波長範囲の光を放出することができる。例えば、ＬＥＤ４０６ａは第１波長範囲の第１光フラックスを放出することができる。ＬＥＤ４０６ｂは、第１波長範囲とは異なる第２波長範囲の第２光フラックスを同時に放出することができる。第１波長範囲の第１光フラックスの一部分および第２波長範囲の第２光フラックスの一部分は、合成色の光として光出力開口４０４から出射する。第１波長範囲の第１光フラックスが一定に維持され、第２波長範囲の第２光フラックスがＬＥＤ４０６ｂを駆動する電力を変化させることによって変化すると、光出力開口４０４から出射する合成色は変化する。
【０１２１】
出力開口４０４を出射する合成色が白色光である場合、光出力開口から出射する第２波長範囲の第２光フラックスに対する第１波長範囲の第１光フラックスの比率を変化させることによって、白色光の質を変化させることができる。白色光の質は演色評価数（ｃｏｌｏｒ‐ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ  ｉｎｄｅｘ）によって記述することができる。１００の演色評価数は、着色表面上に照らされた白色光が、人間の目で見たときに、太陽からの光が表面を照らしたときと同様に表面の色を再現することを示す。１００未満の演色評価数は、着色表面上に照らされた白色光が、太陽光を用いて人間の目で見たときの色とは異なるように人間の目に見える見掛けの表面色をもたらすことを示す。ＬＥＤの１つを駆動する電力を変化させることによって、第２波長範囲の第２光フラックスに対する第１波長範囲の第１光フラックスの比率を変化させることができる。２つの波長範囲の組合せに可能な最大値を達成するために、この比率を変化させることにより、光出力開口から出射する光の演色評価数もまた変化させることができる。
【０１２２】
代替的に、ＬＥＤ４０６ａおよびＬＥＤ４０６ｂは、異なる時間に異なる波長範囲の光を放出することができる。例えば、第１ＬＥＤ４０６ａは第１期間中に第１波長範囲の光を放出することができ、第１波長範囲の光の一部分は第１期間中に光出力開口４０４から出射する。第１期間中に、ＬＥＤ４０６ｂは光を放出しない。第２ＬＥＤ４０６ｂは、第１期間とは異なる第２期間中に、第１波長範囲とは異なる第２波長範囲の光を放出することができ、第２波長範囲の光の一部分は第２期間中に光出力開口４０４から出射する。第２期間は第１期間と重複しない。第２期間中に、ＬＥＤ４０６ａは光を放出しない。第１期間および第２期間は次いで繰り返されて、色が交互に変化する光が生成される。
【０１２３】
照明システム１００の場合と同様に、照明システム４００の光源、この場合は２つのＬＥＤによって放出される光の一部は、光再循環エンベロープによって反射され、光源に再循環される。循環光は光源の有効輝度を高める。光再循環エンベロープの反射率はＲＥである。ＬＥＤ４０６ａの反射層４１０ａおよびＬＥＤ４０６ｂの反射層４１０ｂの反射率はＲＳである。照明システム４００のＲＥおよびＲＳの好ましい値は、照明システム１００について前に列挙した好ましい値と同一である。理想的には、照明システムの効率および最大出射放射輝度を最大にするために、ＲＥおよびＲＳは可能な限り１００％に近づけるべきである。
【０１２４】
単一のＬＥＤから放出される光をＬＥＤに再循環することにより、ＬＥＤの有効輝度を高めることができる。光源が光再循環エンベロープ内部の２つ以上のＬＥＤから構成される場合に、１つのＬＥＤの光が別のＬＥＤに向けられ、それによって反射されるとき、つまり光源の一部分によって放出された光が光源の別の部分に再循環されるときにも、光源の有効輝度を高めることができる。図１０Ｃの光線４１６および４１８はこの効果を示す。光線４１６は、ＬＥＤ４０６ａの発光層４０８ａの表面４１２ａから出射する。光線４１６は光再循環エンベロープの内部を通過し、ＬＥＤ４０６ｂの表面４１２ｂおよび発光層４０８ｂを透過し、反射層４１０ｂで反射する。光線４１６は発光層４０８ｂおよび表面４１２ｂを再度通過して、光再循環エンベロープ４０２の内部に再入射する。ＬＥＤ４０６ａによって放出された光線４１６がＬＥＤ４０６ｂで反射するときに、ＬＥＤ４０６ｂの有効放射輝度は高くなる。
【０１２５】
光線４１８は、ＬＥＤ４０６ｂの発光層４０８ｂの表面４１２ｂから出射する。光線４１８は光再循環エンベロープの内部を通過し、ＬＥＤ４０６ａの表面４１２ａおよび発光層４０８ａを透過し、反射層４１０ａで反射する。光線４１８は発光層４０８ａおよび表面４１２ａを再度通過して、光再循環エンベロープ４０２の内部に再入射する。ＬＥＤ４０６ｂによって放出された光線４１８がＬＥＤ４０６ａで反射するときに、ＬＥＤ４０６ａの有効放射輝度は高くなる。
【０１２６】
光源の総発光面積は面積ＡＳである。この実施形態では、光源は２つのＬＥＤで構成されるので、光源の総発光面積ＡＳは２つのＬＥＤの複合発光面積である。光源は最大固有光源放射輝度の光を放出する。前述の通り、最大固有光源放射輝度は、光再循環エンベロープが存在しないとき、かつ他のＬＥＤが光を測定対象のＬＥＤに導かれていないときに、光源の各ＬＥＤの放射輝度を測定することによって決定される。測定は各ＬＥＤが照明システム４００と同一レベルに作動された状態で行なわれ、出射角の関数として行なわれる。次いでこれらの放射輝度測定から、最大放射輝度値を決定することができる。この最大値は最大固有光源放射輝度と定義される。
【０１２７】
総光出力開口面積は面積ＡＯである。照明システム４００は１つの光出力開口４０４しか持たず、したがってそれは面積ＡＯを有する。照明システム４００でＡＯがＡＳより低くかつＲＥおよびＲＳが各々５０％を越える場合には、照明システム４００の最大出射放射輝度が光源の最大固有光源放射輝度より高くなることが可能である。
【０１２８】
図１１Ａ、１１Ｂ、および１１Ｃは、ＬＥＤ５０６ａ、ＬＥＤ５０６ｂ、ＬＥＤ５０６ｃ、およびＬＥＤ５０６ｄと表示された４つのＬＥＤから構成された光源を有する照明システム５００を示す。照明システム５００はまた、光再循環エンベロープ５０２および光出力開口５０４からも構成される。要素ＬＥＤ５０６ａ、ＬＥＤ５０６ｂ、ＬＥＤ５０６ｃ、ＬＥＤ５０６ｄ、光再循環エンベロープ５０２、および光出力開口５０４の特徴および特性は、照明システム１００のそれぞれの要素の特徴および特性と同一である。しかし、各ＬＥＤは第１波長範囲の光を放出することができ、あるいは各ＬＥＤは異なる波長範囲の光を放出することができる。光源が４つのＬＥＤから構成される場合、光源によって放出される最高４つまでの波長範囲が存在することができる。最高４つまでの波長範囲を同時に放出することができ、あるいは最高４つまでの波長範囲を各々異なる時間に放出することができる。
【０１２９】
一般的に、照明システムは、ＬＥＤが相互に重なり合わずかつ光出力開口と重ならない限り、任意の個数のＬＥＤを光再循環エンベロープの内面に含むことができる。ＬＥＤは、光出力開口の領域を除く光再循環エンベロープの内面全体を覆うことができる。
【０１３０】
光再循環エンベロープ５０２の反射率はＲＥである。ＬＥＤ５０６ａの反射層５１０ａ、ＬＥＤ５０６ｂの反射層５１０ｂ、ＬＥＤ５０６ｃの反射層５１０ｃ、およびＬＥＤ５０６ｄの反射層５１０ｄの反射率はＲＳである。照明システム５００のＲＥおよびＲＳの好ましい値は、照明システム１００に対して前に列挙した好ましい値と同一である。理想的には、照明システムの効率および最大出射放射輝度を最大にするために、ＲＥおよびＲＳは可能な限り１００％に近づけるべきである。
【０１３１】
光源の総発光面積は面積ＡＳである。照明システム５００で、光源は４つのＬＥＤから構成されるので、光源の総発光面積ＡＳは４つのＬＥＤの複合発光面積である。光源は最大固有光源放射輝度を有する。最大固有光源放射輝度を決定するための方法については前述した。
【０１３２】
総光出力開口面積は面積ＡＯである。照明システム５００は１つの光出力開口５０４しか持たず、したがってそれは面積ＡＯを有する。照明システム５００でＡＯがＡＳより低く、かつよびＲＥおよびＲＳが各々５０％を越える場合には、照明システム５００の最大出射放射輝度が光源の最大固有光源放射輝度より高くなることが可能である。
【０１３３】
本発明の別の実施形態は、図１２Ａおよび１２Ｂに示した照明システム７００である。照明システム７００の光源は、ＬＥＤ７０６ａ、ＬＥＤ７０６ｂ、ＬＥＤ７０６ｃ、ＬＥＤ７０６ｄ、ＬＥＤ７０６ｅ、ＬＥＤ７０６ｆ、ＬＥＤ７０６ｇ、ＬＥＤ７０６ｈ、ＬＥＤ７０６ｉ、ＬＥＤ７０６ｊ、ＬＥＤ７０６ｋ、およびＬＥＤ７０６ｌと表示された１２個のＬＥＤから構成される。照明システム７００はまた、光再循環エンベロープ７０２および光出力開口７０４からも構成される。ＬＥＤ、光再循環エンベロープ７０２、および光出力開口７０４の特徴および特性は、照明システム１００のそれぞれの要素の特徴および特性と同一である。しかし、各ＬＥＤは第１波長範囲の光を放出することができ、あるいは各ＬＥＤは異なる波長範囲の光を放出することができる。光源が１２個のＬＥＤから構成される場合、光源によって放出される最高１２個までの波長範囲が存在することができる。最高１２個までの波長範囲を同時放出することができ、あるいは最高１２個までの波長範囲を各々異なる期間に放出することができる。
【０１３４】
光再循環エンベロープ７０２は、図１２Ａおよび１２Ｂに示すように２つの方形端部を持つ矩形の三次元形状を有する。光出力開口７０４は、方形端部の一方の中心に配置される。３つの矩形側面の各々が３つのＬＥＤを含む。図１２Ｂに示された左側の側面にはＬＥＤ７０６ａ、ＬＥＤ７０６ｅ、およびＬＥＤ７０６ｉが含まれる。図１２Ｂに示された右側の側面にはＬＥＤ７０６ｃ、ＬＥＤ７０６ｇ、およびＬＥＤ７０６ｋが含まれる。各々３つのＬＥＤを含む他の２つの矩形側面は図示されていない。
【０１３５】
光再循環エンベロープ７０２の反射率はＲＥである。ＬＥＤ７０６ａの反射層７１０ａ、ＬＥＤ７０６ｂの反射層７１０ｂ、ＬＥＤ７０６ｃの反射層７１０ｃ、ＬＥＤ７０６ｄの反射層７１０ｄ、ＬＥＤ７０６ｅの反射層７１０ｅ、ＬＥＤ７０６ｆの反射層７１０ｆ、ＬＥＤ７０６ｇの反射層７１０ｇ、ＬＥＤ７０６ｈの反射層７１０ｈ、ＬＥＤ７０６ｉの反射層７１０ｉ、ＬＥＤ７０６ｊの反射層７１０ｊ、ＬＥＤ７０６ｋの反射層７１０ｋ、ＬＥＤ７０６ｌの反射層７１０ｌの反射率はＲＳである。照明システム７００のＲＥおよびＲＳの好ましい値は、照明システム１００について前に列挙した好ましい値と同一である。理想的には、照明システムの効率および出射放射輝度を最大にするために、ＲＥおよびＲＳは可能な限り１００％に近づけるべきである。
【０１３６】
光源の総発光面積は面積ＡＳである。照明システム７００では光源は１２個のＬＥＤから構成されるので、光源の総発光面積ＡＳは１２個のＬＥＤの複合発光面積である。光源は最大固有光源放射輝度を有する。最大固有光源放射輝度を決定するための方法については前述した。
【０１３７】
総光出力開口面積は面積ＡＯである。照明システム７００は１つの光出力開口しか持たず、したがってそれは面積ＡＯを有する。照明システム７００でＡＯがＡＳより低く、かつＲＥおよびＲＳが各々５０％を越える場合には、照明システム７００の最大出射放射輝度が光源の最大固有光源放射輝度より高くなることが可能である。
【０１３８】
以下の実験例は、本発明の実施形態をさらに説明するために提示する。
【０１３９】
（実験例１）
コンピュータシミュレーションプログラムを使用して、光再循環エンベロープ内部の１２個の同一ＬＥＤから構成される光源を有する照明システムの相対出力放射輝度、相対出力ルミナンス、および総出力効率をモデル化する。各ＬＥＤは２ｍｍ×２ｍｍの寸法、４ｍｍ２の総発光面積を有し、０．２ワットまたは１１ルーメンの４５０ｎｍの光を放出する。１１ルーメンの値は、４５０ｎｍで１ワット当たり５５ルーメンの換算率を想定して、ワット単位の値から算出される。各ＬＥＤは最大固有放射輝度ＲａｄｉａｎｃｅＩを有する。ＬＥＤの最大固有放射輝度は、光再循環エンベロープに収容されずかつ他のＬＥＤからの光を反射しない、同一構成のＬＥＤを測定することによって決定される。全てのＬＥＤは均等であるので、１つのＬＥＤの最大固有放射輝度は、光源の最大固有放射輝度に等しい。各ＬＥＤはランバーティアン出力光分布を持つと想定される。１２個のＬＥＤの総発光面積ＡＳは４８ｍｍ２であり、１２個のＬＥＤからの４５０ｎｍの総放射光フラックスは２．４ワットまたは１３２ルーメンである。三次元矩形光再循環エンベロープは、２．８ｍｍ×２．８ｍｍの内部寸法、９ｍｍの内部長さ、および１１６．４８ｍｍ２の総内面積を持つ方形断面を有する。総内面積は１２個のＬＥＤの総発光面積、および出力開口の面積を含む。光再循環エンベロープの光出力開口は４．８ｍｍ２の面積ＡＯを持つので、ＡＯ／ＡＳは０．１０となる。つまり、光出力開口の面積はＬＥＤの総発光面積の１０％である。光再循環エンベロープに損失が無い場合（つまり、ＬＥＤおよび光再循環エンベロープの内部反射面の光反射率が１００％である場合）、出力放射輝度はＬＥＤの放射輝度の１０倍になり、出力効率は１００％となる。しかし、実際の光再循環エンベロープは１００％未満の光反射率を持ち、損失がある。簡単にするために、ＬＥＤの鏡面反射率ＲＳは、ＬＥＤによって覆われない光再循環エンベロープの内面の拡散反射率ＲＥと大きさが同一であると仮定する。計算で、反射率ＲＳおよび反射率ＲＥを変化させ、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％、９０％、または９８％となるようにする。結果を下の表１に示す。ＬＥＤの固有放射輝度ＲａｄｉａｎｃｅＩに対する出力放射輝度ＲａｄｉａｎｃｅＯの比率ＲａｄｉａｎｃｅＯ／ＲａｄｉａｎｃｅＩは、光再循環の結果得られる放射輝度の向上を示す。算出された効率は、ＬＥＤによって発生し出力開口を通過した光フラックスの百分率である。光フラックスの残部は、ＬＥＤおよび光再循環エンベロープによる吸収のため、失われる。
【０１４０】
コンピュータモデリングの結果は、ＲＳおよびＲＥが５０％以下である場合、放射輝度の向上が無く（ＲａｄｉａｎｃｅＯ／ＲａｄｉａｎｃｅＩが１未満である）、効率が低い（１０％未満）であることを示す。ＬＥＤおよび光再循環エンベロープの反射率が増加するにつれて、放射輝度の向上および効率が高くなる。ＲＳが９８％であり、かつＲＥが９８％であるときの６．８７の放射輝度向上率は、照明システムの光出力開口からの出力放射輝度が、光源の最大固有放射輝度より６．８７倍高いことを示す。
【表１】
2007531302.tif 000009
【０１４１】
（実験例２）
実施例２の照明システムは、光再循環エンベロープの内面の拡散反射率ＲＥが９８％で一定に維持され、ＬＥＤの鏡面反射率ＲＳが５％から９８％まで変化することを除き、実施例１と同一である。この実施例では、コンピュータシミュレーションプログラムを使用して、光再循環エンベロープ内部の１２個の同一ＬＥＤから構成される光源を有する、照明システムの相対出力放射輝度および総出力効率を算出する。光再循環エンベロープの寸法は実施例１に記載されている。各ＬＥＤは、最大固有放射輝度ＲａｄｉａｎｃｅＩを有し、それは光源の最大固有放射輝度に等しい。最大固有放射輝度は実施例１と同様に決定される。光再循環エンベロープの光出力開口は４．８ｍｍ２の面積ＡＯを有するので、ＡＯ／ＡＳは０．１０となる。つまり、光出力開口の面積はＬＥＤの総面積の１０％である。ＬＥＤ光源の固有放射輝度ＲａｄｉａｎｃｅＩに対する出力放射輝度ＲａｄｉａｎｃｅＯの比率ＲａｄｉａｎｃｅＯ／ＲａｄｉａｎｃｅＩは、光再循環の結果得られる放射輝度の向上を示す。算出された効率は、ＬＥＤによって発生し出力開口を通過した光フラックスの百分率である。光フラックスの残部は、ＬＥＤおよび光再循環エンベロープによる吸収のため、失われる。結果を下の表２に示す。コンピュータモデリングの結果は、ＲＳが１０％以下であり、かつＲＥが９８％である場合、放射輝度の向上が無く（ＲａｄｉａｎｃｅＯ／ＲａｄｉａｎｃｅＩが１未満である）、効率が比較的低い（１０％未満）ことを示す。典型的な黒体または灰色体光源は低い反射率（１０％未満）を持ち、この実施例の結果は、そのような光源が本発明で使用するのには適さないことを示していることに注目されたい。光源の反射率が増加するにつれて、放射輝度の向上および効率が高くなる。ＲＳが９８％であり、かつＲＥが９８％であるときの６．８７の放射輝度向上率は、照明システムの光出力開口からの出力放射輝度が、ＬＥＤの最大固有放射輝度より６．８７倍高いことを示す。
【表２】
2007531302.tif 000010
【０１４２】
本発明を特定の実施形態および実施例に関連して説明したが、上記の説明に照らして多くの代替、変化、変形が推量されることは、当業者には明白であろう。したがって、本発明はそのような代替、変化、および変形を全て、添付の請求の範囲の精神および範囲内に含むことを意図されている。
【図面の簡単な説明】
【０１４３】
【図１Ａ】先行技術の従来の光学システムの断面側面図である。
【図１Ｂ】先行技術の従来の光学システムの断面側面図である。
【図２Ａ】発光面および反射面の両方を有する先行技術の光源の断面図である。
【図２Ｂ】発光面および反射面の両方を有する先行技術の光源の断面図である。
【図３Ａ】１つの発光ダイオードを有する本発明の実施形態を示す。
【図３Ｂ】１つの発光ダイオードを有する本発明の実施形態を示す。
【図３Ｃ】１つの発光ダイオードを有する本発明の実施形態を示す。
【図３Ｄ】１つの発光ダイオードを有する本発明の実施形態を示す。
【図３Ｅ】１つの発光ダイオードを有する本発明の実施形態を示す。
【図４】光再循環エンベロープに光透過固体が部分的に充填された本発明の実施形態である。
【図５】平板状反射偏光子をさらに含む本発明の実施形態である。
【図６Ａ】光視準素子をさらに含む本発明の実施形態である。
【図６Ｂ】光視準素子をさらに含む本発明の実施形態である。
【図６Ｃ】光視準素子をさらに含む本発明の実施形態である。
【図７Ａ】光視準素子および平板状反射偏光子の両方をさらに含む本発明の実施形態である。
【図７Ｂ】光視準素子およびビーム分割プリズム偏光子の両方をさらに含む本発明の実施形態である。
【図８】２つの光源と、２つの光再循環エンベロープと、２つの光視準素子と、ビーム分割プリズム偏光子とを含む本発明の実施形態である。
【図９Ａ】ライトガイドをさらに含む本発明の実施形態を示す。
【図９Ｂ】ライトガイドをさらに含む本発明の実施形態を示す。
【図１０Ａ】２つの発光ダイオードを有する本発明の実施形態を示す。
【図１０Ｂ】２つの発光ダイオードを有する本発明の実施形態を示す。
【図１０Ｃ】２つの発光ダイオードを有する本発明の実施形態を示す。
【図１１Ａ】４つの発光ダイオードを有する本発明の実施形態を示す。
【図１１Ｂ】４つの発光ダイオードを有する本発明の実施形態を示す。
【図１１Ｃ】４つの発光ダイオードを有する本発明の実施形態を示す。
【図１２Ａ】１２個の発光ダイオードを有する本発明の実施形態を示す。
【図１２Ｂ】１２個の発光ダイオードを有する本発明の実施形態を示す。
【図１Ａ】
2007531302.tif 000011
【図１Ｂ】
2007531302.tif 000012
【図２Ａ】
2007531302.tif 000013
【図２Ｂ】
2007531302.tif 000014
【図３Ａ】
2007531302.tif 000015
【図３Ｂ】
2007531302.tif 000016
【図３Ｃ】
2007531302.tif 000017
【図３Ｄ】
2007531302.tif 000018
【図３Ｅ】
2007531302.tif 000019
【図４】
2007531302.tif 000020
【図５】
2007531302.tif 000021
【図６Ａ】
2007531302.tif 000022
【図６Ｂ】
2007531302.tif 000023
【図６Ｃ】
2007531302.tif 000024
【図７Ａ】
2007531302.tif 000025
【図７Ｂ】
2007531302.tif 000026
【図８】
2007531302.tif 000027
【図９Ａ】
2007531302.tif 000028
【図９Ｂ】
2007531302.tif 000029
【図１０Ａ】
2007531302.tif 000030
【図１０Ｂ】
2007531302.tif 000031
【図１０Ｃ】
2007531302.tif 000032
【図１１Ａ】
2007531302.tif 000033
【図１１Ｂ】
2007531302.tif 000034
【図１１Ｃ】
2007531302.tif 000035
【図１２Ａ】
2007531302.tif 000036
【図１２Ｂ】
2007531302.tif 000037
【手続補正書】
【提出日】平成19年7月26日(2007.7.26)
【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】
光を放出する少なくとも１つの発光ダイオードを含む光源であって、前記少なくとも１つの発光ダイオードが前記光を放出する発光層と、前記光を反射する反射層とから構成され、前記反射層の反射率が反射率ＲＳであり、前記光源の総発光面積が面積ＡＳであり、前記光源によって放出される前記光が最大固有光源放射輝度を有している、光源と、
前記光源を少なくとも部分的に収容する光再循環エンベロープであって、反射率ＲＥを有し、かつ前記光の一部を反射して前記少なくとも１つの発光ダイオードの前記反射層に再循環させる、光再循環エンベロープと、
前記光再循環エンベロープの表面に配置された少なくとも１つの光出力開口であって、総光出力開口面積が面積ＡＯであり、前記面積ＡＯが前記面積ＡＳより小さく、前記光源および前記光再循環エンベロープが前記光の少なくとも一部分を少なくとも１つの光出力開口を通して前記光再循環エンベロープから外に導き、前記光の前記一部分が最大出射放射輝度を有する非コヒーレント光として前記少なくとも１つの光出力開口から出射する、光出力開口と、
を備えた照明システム。
【請求項２】
前記最大出射放射輝度が前記最大固有光源放射輝度より大きい、請求項１に記載の照明システム。
【請求項３】
前記少なくとも１つの発光ダイオードの前記反射層が前記光再循環エンベロープの内面上に配置される、請求項１に記載の照明システム。
【請求項４】
前記光源が前記光を放出する複数の発光ダイオードである、請求項１に記載の照明システム。
【請求項５】
前記光源が、第１波長範囲の第１光フラックスを放出する第１発光ダイオードと、前記第１波長範囲とは異なる第２波長範囲の第２光フラックスを同時に放出する第２発光ダイオードとを含み、第１波長範囲の前記第１光フラックスの一部分および第２波長範囲の前記第２光フラックスの一部分が、前記少なくとも１つの光出力開口から合成色の光として出射する、請求項１に記載の照明システム。
【請求項６】
前記光源が第１発光ダイオードおよび第２発光ダイオードを含み、前記第１発光ダイオードが第１期間に第１波長範囲の光を放出し、第１波長範囲の前記光の一部分が前記第１期間に前記少なくとも１つの光出力開口を出射し、前記第２発光ダイオードが前記第１期間とは異なる第２期間に前記第１波長範囲とは異なる第２波長範囲の光を放出し、第２波長範囲の前記光の一部分が前記第２期間に前記少なくとも１つの光出力開口を出射し、前記第１期間および前記第２期間が繰り返されて、色が交互に変化する光出力を生成する、請求項１に記載の照明システム。
【請求項７】
前記反射率ＲＳが少なくとも５０％である、請求項１に記載の照明システム。
【請求項８】
前記光源が発光ダイオードおよびライトガイドを含み、前記発光ダイオードが前記光再循環エンベロープの外側に配置され、前記ライトガイドが前記発光ダイオードの前記発光層に隣接する入力面と前記光再循環エンベロープの内側に配置された出力面とを有し、前記ライトガイドが前記光を前記発光層から前記光再循環エンベロープへ搬送し、前記ライトガイドが前記光の一部を前記光再循環エンベロープから前記発光ダイオードの前記反射層へ再循環光として搬送し、かつ前記ライトガイドが前記反射層で反射した前記再循環光を前記光再循環エンベロープへ搬送する、請求項１に記載の照明システム。
【請求項９】
前記光再循環エンベロープは少なくとも部分的に前記発光ダイオードの前記発光層の表面の少なくとも一部と接触する光透過固体で満たされ、前記光透過固体が前記発光層からの発光効率を向上する、請求項１に記載の照明システム。
【請求項１０】
前記光再循環エンベロープが本質的に反射性であるバルク材から構成される、請求項１に記載の照明システム。
【請求項１１】
前記光再循環エンベロープの内面が反射性コーティングで被覆される、請求項１に記載の照明システム。
【請求項１２】
平板状反射偏光子をさらに含み、前記平板状反射偏光子が光出力光路に配置され、前記平板状反射偏光子が前記光再循環エンベロープの前記少なくとも１つの光出力開口に隣接して配置され、前記平板状反射偏光子が第１偏光状態の光を反射して前記光再循環エンベロープへ再循環させ、かつ前記平板状反射偏光子が第２偏光状態の光を透過させる、請求項１に記載の照明システム。
【請求項１３】
少なくとも１つの光視準素子をさらに含み、前記少なくとも１つの光視準素子が前記少なくとも１つの光出力開口に隣接して非視準光を受け入れる入力面を有し、前記少なくとも１つの光視準素子が前記非視準光を部分的に視準し、前記少なくとも１つの光視準素子が前記部分的に視準された光を透過する出力面を有する、請求項１に記載の照明システム。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの光視準素子が、凸レンズ、テーパ状ライトガイド、および複合パラボラ反射器を含む群から選択される、請求項１３に記載の照明システム。
【請求項１５】
ビーム分割プリズム偏光子をさらに含み、前記ビーム分割プリズム偏光子が前記光視準素子の前記出力面に隣接して前記光出力光路に配置され、前記ビーム分割プリズム偏光子が入力面と、前記入力面に垂直な第１出力面と、前記入力面に対向する第２出力面と、部分反射対角面とを有し、前記光視準素子の前記出力面を透過して前記ビーム分割プリズム偏光子の前記入力面に入射した第１偏光状態の光が前記部分反射対角面で反射して前記ビーム分割プリズム偏光子の前記第１出力面を透過し、前記光視準素子の前記出力面を透過して前記ビーム分割プリズム偏光子の前記入力面に入射した第２偏光状態の光が前記ビーム分割プリズム偏光子の前記第２出力面を透過する、請求項１３に記載の照明システム。
【請求項１６】
前記ビーム分割プリズム偏光子の前記第１出力面に隣接してかつそれに平行に配置された光反射体をさらに含み、前記第１出力面を出射する第１偏光状態の前記光が反射して、前記第１出力面を通り、前記ビーム分割プリズム偏光子を通り、かつ前記光視準素子を通って前記光再循環エンベロープ内へ再循環される、請求項１５に記載の照明システム。
【国際調査報告】
2007531302.tif 000038