(57)【要約】  本発明は光変調器と光源とを備えたプロジェクタに関する。光変調器は面積ＡＭおよび入射光に対する最大受容角αの受光面を備えた光受信領域を有する。光源は駆動により光受信領域を照明するコーンビームを形成しかつそれぞれ面積ＡＤおよび最大放射角βの光出力面を備えたＮ個のルミネセンスダイオードチップを有する。本発明によれば、式０．７＊（ＡＭ＊ｓｉｎ２（α））／（ＡＤ＊ｓｉｎ２（β）＊ｎ２）≦Ｎ≦１．３＊（ＡＭ＊ｓｉｎ２（α））／（ＡＤ＊ｓｉｎ２（β）＊ｎ２）が成り立ち、ここでｎ＝１となるかまたはｎはルミネセンスダイオードチップに設けられた結合媒体の屈折率に等しくなる。
2008545997.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つの光変調器と少なくとも１つの光源とを備えており、該光変調器は面積ＡＭおよび入射光の最大受容角αの受光面を備えた光受信領域を有し、該光源は駆動により光受信領域の受光面を照明するコーンビームを形成しかつそれぞれ面積ＡＤおよび最大放射角βの光出力面を備えたＮ個のルミネセンスダイオードチップを有する、
プロジェクタにおいて、
ルミネセンスダイオードチップと光変調器とのあいだの光路に少なくとも１つの光学素子が配置されており、該光学素子とルミネセンスダイオードチップとの間の光路に所定のガスの充填された空隙が存在しており、
ルミネセンスダイオードチップの光出力面に結合媒体が存在しない場合、式０．７＊（ＡＭ＊ｓｉｎ２（α））／（ＡＤ＊ｓｉｎ２（β）＊ｎ２）≦Ｎ≦１．３＊（ＡＭ＊ｓｉｎ２（α））／（ＡＤ＊ｓｉｎ２（β）＊ｎ２）が成り立ち、ｎ＝１である
ことを特徴とするプロジェクタ。
【請求項２】
１つの光変調器と少なくとも１つの光源とを備えており、該光変調器は面積ＡＭおよび入射光の最大受容角αの受光面を備えた光受信領域を有し、該光源は駆動により光受信領域の受光面を照明するコーンビームを形成しかつそれぞれ面積ＡＤおよび最大放射角βの光出力面を備えたＮ個のルミネセンスダイオードチップを有する、
プロジェクタにおいて、
ルミネセンスダイオードチップと光変調器とのあいだの光路に少なくとも１つの光学素子が配置されており、
ルミネセンスダイオードチップの光出力面に結合媒体が存在する場合、式０．７＊（ＡＭ＊ｓｉｎ２（α））／（ＡＤ＊ｓｉｎ２（β）＊ｎ２）≦Ｎ≦１．３＊（ＡＭ＊ｓｉｎ２（α））／（ＡＤ＊ｓｉｎ２（β）＊ｎ２）が成り立ち、ｎは結合媒体の材料の屈折率に等しい
ことを特徴とするプロジェクタ。
【請求項３】
ルミネセンスダイオードチップは電磁放射を発光する活性領域を含む薄膜層列を有しており、該薄膜層列は成長基板から分離されており、該薄膜層列の主発光面の反対側にリフレクタが設けられている、請求項１または２記載のプロジェクタ。
【請求項４】
光変調器の光受信領域の受光面は面積ＡＭ、長さｌＭおよび幅ｂＭを有しており、ルミネセンスダイオードチップはｘ行ｙ列のマトリクス状に配置されており、ルミネセンスダイオードチップの薄膜層列の主発光面は長さｌＤおよび幅ｂＤを有しており、ここで０．７＊（ｌＭ＊ｓｉｎ（α））／（ｌＤ＊ｓｉｎ（β）＊ｎ）≦ｘ≦１．３＊（ｌＭ＊ｓｉｎ（α））／（ｌＤ＊ｓｉｎ（β）＊ｎ）および０．７＊（ｂＭ＊ｓｉｎ（α））／（ｂＤ＊ｓｉｎ（β）＊ｎ）≦ｙ≦１．３＊（ｂＭ＊ｓｉｎ（α））／（ｂＤ＊ｓｉｎ（β）＊ｎ）が成り立つ、請求項３記載のプロジェクタ。
【請求項５】
個数Ｎまたはｘまたはｙの値は商（ＡＭ＊ｓｉｎ２（α））／（ＡＤ＊ｓｉｎ２（β）＊ｎ２），商（ｌＭ＊ｓｉｎ（α））／（ｌＤ＊ｓｉｎ（β）＊ｎ）または商（ｂＭ＊ｓｉｎ（α））／（ｂＤ＊ｓｉｎ（β）＊ｎ）を最も近い整数へ切り上げるか切り下げたものである、請求項１から４までのいずれか１項記載のプロジェクタ。
【請求項６】
個数Ｎまたはｘまたはｙの値は前記商を最も近い偶数に切り上げるかまたは切り下げたものである、請求項５記載のプロジェクタ。
【請求項７】
ルミネセンスダイオードチップの主発光面はほぼ長方形の形状を有する、請求項１から６までのいずれか１項記載のプロジェクタ。
【請求項８】
複数のルミネセンスダイオードチップに共通に１つの光学素子が対応する、請求項１から７までのいずれか１項記載のプロジェクタ。
【請求項９】
複数のルミネセンスダイオードチップが少なくとも２つのグループに分割されており、該グループごとに１つの光学素子が対応する、請求項１から７までのいずれか１項記載のプロジェクタ。
【請求項１０】
少なくとも一部のルミネセンスダイオードチップの後方にルミネセンス変換素子が配置されている、請求項１から９までのいずれか１項記載のプロジェクタ。
【請求項１１】
各ルミネセンスダイオードチップの後方に種々の材料から成る各ルミネセンス変換素子が配置されている、請求項１０記載のプロジェクタ。
【請求項１２】
光学素子は、通常とは反対方向に光を透過する非結像型の光コンセントレータの形態に構成されている、請求項１から１１までのいずれか１項記載のプロジェクタ。
【請求項１３】
光コンセントレータはＣＰＣ状、ＣＥＣ状またはＣＨＣ状の集光器である、請求項１２記載のプロジェクタ。
【請求項１４】
光学素子の反射面は部分的にまたは完全に自由形状面として形成されている、請求項１２または１３記載のプロジェクタ。
【請求項１５】
光学素子の光入力側と光出力側とを接続する側壁は、該光入力側と該光出力側とを結ぶ接続線がほぼ直線状に延在するように形成されている、請求項１２記載のプロジェクタ。
【請求項１６】
光学素子は中空室を有するベースボディを有しており、該ベースボディの中空室を定義する内壁は光源から発光される光のスペクトル領域の少なくとも一部に対して反射性である、請求項１２から１４までのいずれか１項記載のプロジェクタ。
【請求項１７】
光学素子は誘電性光コンセントレータの形態に構成されており、該誘電性光コンセントレータのベースボディは適切な屈折率を有する誘電性材料から成る中実体であり、光学素子へ入力される光はベースボディの光入力側と光出力側とを接続する側面と周囲媒体との界面で全反射により反射される、請求項１２から１４までのいずれか１項記載のプロジェクタ。
【請求項１８】
光学素子はレンズ状の曲面である界面を備えた光出力側を有する、請求項１２から１７までのいずれか１項記載のプロジェクタ。
【請求項１９】
一定の断面積を有するかまたは光出力側へ向かって増大する断面積を有する光混合のための光導波体として光学素子を構成するか、または、光学素子の後方の光路に少なくとも１つのこの種の光導波体を配置する、請求項１から１１までのいずれか１項記載のプロジェクタ。
【請求項２０】
光学素子を光出力側へ向かって低下する断面積を有する光混合のための光導波体として構成するか、または、光学素子の後方の光路に少なくとも１つのこの種の光導波体を配置する、請求項１から１１までのいずれか１項記載のプロジェクタ。
【請求項２１】
一部の隣接するルミネセンスダイオードチップ間または全ての隣接するルミネセンスダイオードチップ間に０μｍ以上３００μｍ以下の間隔が設けられている、請求項１から２０までのいずれか１項記載のプロジェクタ。
【請求項２２】
一部の隣接するルミネセンスダイオードチップ間または全ての隣接するルミネセンスダイオードチップ間に０μｍ以上１００μｍ以下の間隔が設けられている、請求項２１記載のプロジェクタ。
【請求項２３】
光学素子は光出力側を有する一方の側にほぼ長方形の断面を有する、請求項１から２２までのいずれか１項記載のプロジェクタ。
【請求項２４】
光学素子は第１の面に沿って第１の最大放射角を有し、第２の面に沿って第１の最大放射角とは異なる第２の最大放射角を有する、請求項１から２３までのいずれか１項記載のプロジェクタ。
【請求項２５】
第１の最大放射角は１０°以上１３°以下であり、第２の最大放射角は１３°以上１８°以下である、請求項２４記載のプロジェクタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１つの光変調器と複数のルミネセンスダイオードチップを含む少なくとも１つの光源とを備えたプロジェクタに関する。
【０００２】
本願は独国出願第１０２００５０２２３５７．５号および１０２００５０３１３３６．１号の優先権を主張するものであり、これらの出願の開示内容を含むものとする。
【０００３】
プロジェクタではできるだけ大きな明るさを形成するために特に投影画像の輝度が重要である。したがって前述した形式のプロジェクタ用の光源にはこれまでも通常多数のルミネセンスダイオードチップが設けられていた。
【０００４】
ここで本発明の課題は、従来のプロジェクタに比べ、形成される光強度に関して高い効率を有するプロジェクタを提供することである。
【０００５】
この課題は独立請求項に記載された特徴を有するプロジェクタにより解決される。本発明の有利な実施形態は従属請求項の対象となっている。
【０００６】
ルミネセンスダイオードチップの個数Ｎは光変調器の特性を考慮して選定される。驚くべきことに、本発明のプロジェクタにおいて形成される高い発光密度に関して、従来のプロジェクタよりも少ない数のルミネセンスダイオードチップにより、最適な効率が得られることが判明している。
【０００７】
ルミネセンスダイオードチップの最適な個数Ｎを求める際には、特に光変調器の光受信領域の受光面の面積ＡＭと入射光に対する最大受容角αとが考慮される。ここでの最大受容角αは光変調器の光受信領域の受光面へ入射してくる光に対する最大角である。
【０００８】
ルミネセンスダイオードチップの最適な個数Ｎを求める際には、さらに、ルミネセンスダイオードチップの光出力面の面積ＡＤと最大放射角βとが考慮される。また、唯一のルミネセンスダイオードチップの光出力面の面積ＡＤおよび最大放射角βのみを用いることもできる。すなわち少なくとも１つのルミネセンスダイオードチップが面積ＡＤの光出力面を有していればよい。ルミネセンスダイオードチップの光出力面とは電磁放射の出力される外面のことである。最大放射角βとはルミネセンスダイオードチップの放射主方向で見て有効強度での光出力の得られる角度のことである。
【０００９】
本発明のプロジェクタでは、ルミネセンスダイオードチップと光変調器とのあいだの光路に光学素子が配置されている。
【００１０】
ルミネセンスダイオードチップの個数Ｎについて、ルミネセンスダイオードチップからの光出力が付加的な手段により制御される場合、式０．７＊（ＡＭ＊ｓｉｎ２（α））／（ＡＤ＊ｓｉｎ２（β）＊ｎ２）≦Ｎ≦１．３＊（ＡＭ＊ｓｉｎ２（α））／（ＡＤ＊ｓｉｎ２（β）＊ｎ２）が成り立つ。言い換えれば、ルミネセンスダイオードチップの個数Ｎは（ＡＭ＊ｓｉｎ２（α））と（ＡＤ＊ｓｉｎ２（β）＊ｎ２）との商を基準として最大で±３０％までを含む値として定められる。第１のケースではｎ＝１である。これに代えて、ルミネセンスダイオードチップの光出力面に結合媒体が存在する第２のケースでは、ｎは当該の結合媒体の材料の屈折率に等しい。この第２のケースについては後述する。
【００１１】
本発明の第１のケースでは、ルミネセンスダイオードチップと光学素子とのあいだの光路に所定のガスの充填された空隙が存在している。第１のケースではルミネセンスダイオードチップの光出力面に結合媒体は存在しない。このときｎ＝１である。
【００１２】
本発明で云う結合媒体とは、ルミネセンスダイオードチップの光出力を有意に制御する媒体であると理解されたい。これは特にルミネセンスダイオードチップの光出力面に射出成形材などのカプセル化材料が存在しないケースにおいて用いられる。カプセル化材料とはルミネセンスダイオードチップを周知の手法で包囲または被覆するのに適した材料であり、ルミネセンスダイオードチップを外部影響から保護するためのものであると理解されたい。
【００１３】
光出力面にカプセル化材料が設けられており、ルミネセンスダイオードチップからの光出力がカプセル化材料を通り、結合媒体の影響をほとんど受けないのであれば、ルミネセンスダイオードチップは結合媒体から分離されていることになる。これは特にカプセル化材料が光出力面上に所定の厚さで配置される場合に顕著である。所定の厚さとは、ルミネセンスダイオードチップの対向エッジ間の最大距離の０．２倍以下の厚さである。正方形の形状を有するルミネセンスダイオードチップでは一辺の長さがエッジ間の最大距離に等しい。長方形の形状を有するルミネセンスダイオードチップでは長辺の長さがエッジ間の最大距離に等しくなる。本発明で云う横方向の最大距離とは対向エッジ間の最大距離に相応する。特に、結合媒体を有さない前述の条件のもとでは、ほぼ平面の層として被着されたカプセル化材料は１より大きい屈折率を有する。また空気は基本的に結合媒体とは見なさない。
【００１４】
本発明の第２のケースでは、ルミネセンスダイオードチップの光出力面に結合媒体が設けられる。このとき、ｎは当該の結合媒体の材料の屈折率に等しい。
【００１５】
これは特に、ルミネセンスダイオードチップが結合媒体を介して光学的に光学素子へ結合されるかまたは光出力面に結合媒体が設けられ、これによりルミネセンスダイオードチップからの光出力が有意に制御される、特には大幅に高められるケースである。
【００１６】
本発明に関連して、光出力のこうした有意な制御は、ルミネセンスダイオードチップの光出力面に、チップエッジ間の最大距離の０．２倍より大きい厚さを有する結合媒体の材料が設けられている場合に行われる。結合媒体の材料は例えばカプセル化材料であってよい。
【００１７】
有利には、ルミネセンスダイオードチップは電磁放射を発光する活性領域を含む薄膜層列を有している。この薄膜層列は成長基板から分離されており、主発光面の反対側にリフレクタを有する。これは、特に有利にプロジェクタにおいて用いられるいわゆる薄膜ルミネセンスダイオードチップの重要な特性である。
【００１８】
薄膜発光ダイオードチップは特に次のような特徴を有する。すなわち、放射を形成するエピタキシ層列の支持体側の主表面に反射層が被着または形成されており、この反射層がエピタキシ層列内で形成された電磁放射の少なくとも一部をこのエピタキシ層列に戻るよう反射させる。またエピタキシ層列は２０μｍより小さい厚さ、特に有利には１０μｍより小さい厚さを有する。エピタキシ層列は混合構造を有する少なくとも１つの面を備えた少なくとも１つの半導体層を含み、理想的には当該の面によりエピタキシ層列内にほぼエルゴード的な光分布、つまり可能な限りエルゴード的な確率分散特性を有する光分布が生じる。
【００１９】
この種の薄膜発光ダイオードチップの原理については例えばI. Schnitzer et al., Appl. Phys. Lett. 63 (16), 18. Oct. 1993の2174頁〜2176頁に記載されており、この刊行物を本願の参考文献とする。
【００２０】
薄膜ルミネセンスダイオードチップは良好な近似ではランベルト面光源である。したがってプロジェクタ用光源としての適用に特に適している。本発明の薄膜ルミネセンスダイオードチップでは、基本的に最大放射角βは９０°とする。薄膜ルミネセンスダイオードチップでは、側面を介して放出される光成分が無視できる程度に小さく、例えば全発光成分の１％より小さい。したがって薄膜ルミネセンスダイオードチップの側面からの光放出成分は考えなくてよい。
【００２１】
本発明の有利な実施形態によれば、光変調器の受光面は面積ＡＭ、長さｌＭおよび幅ｂＭを有しており、ルミネセンスダイオードチップはｘ行ｙ列のマトリクス状に配置されており、ルミネセンスダイオードチップの薄膜層列の主発光面は長さｌＤおよび幅ｂＤを有しており、ここでｘ，ｙの値は、（ｌＭ＊ｓｉｎ（α））と（ｌＤ＊ｓｉｎ（β）＊ｎ）との商、および、（ｂＭ＊ｓｉｎ（α））と（ｂＤ＊ｓｉｎ（β）＊ｎ）との商に基づいて、これらの商±３０％の範囲に選定される。
【００２２】
マトリクスの行および列の適切な値を求めることにより、ルミネセンスダイオードチップの形状が光受信領域の形状に適合化され、ルミネセンスダイオードチップで形成された光を効率的に利用することができる。
【００２３】
ルミネセンスダイオードチップの個数Ｎまたはマトリクスの行数ｘおよび列数ｙの可能な値は前述の商を最も近い整数へ切り上げまたは切り下げた値に等しい。これによりルミネセンスダイオードチップで形成された光を最大の効率で利用することができる。
【００２４】
ルミネセンスダイオードチップの個数Ｎを求めることに代えて、本発明では、ルミネセンスダイオードチップの所定の個数Ｎを設定し、ルミネセンスダイオードチップまたはその光出力面のサイズＡＤまたは長さおよび幅を上述の式に基づいて求められた値へ適合化することもできる。例えば光出力面に対して０．７＊（ＡＭ＊ｓｉｎ２（α））／（ＡＤ＊ｓｉｎ２（β）＊ｎ２）≦Ｎ≦１．３＊（ＡＭ＊ｓｉｎ２（α））／（ＡＤ＊ｓｉｎ２（β）＊ｎ２）が成り立つ。もちろん、当該の式に含まれるいずれかのパラメータを設定し、残りのパラメータを相応に求めることもできる。
【００２５】
有利な別の実施形態によれば、個数Ｎまたはｘまたはｙの値は前述の商を最も近い偶数に切り上げるかまたは切り下げたものであってもよい。例えばルミネセンスダイオードチップを偶数個のグループにまとめて配置する場合、Ｎが偶数であると有利である。このとき、ルミネセンスダイオードチップの各グループに対して１つずつ光学素子を後方に配置すると有利である。
【００２６】
有利な別の実施形態によれば、ルミネセンスダイオードチップの主発光面はほぼ長方形の形状を有する。これによりルミネセンスダイオードチップおよび／または光出力面の形状が光変調器の光受信領域の形状または輪郭に良好に適合する。こうして光源から発光された光をさらに良好に利用することができる。
【００２７】
有利には、複数のルミネセンスダイオードチップに共通に１つの光学素子が対応する。このようにすれば、各ルミネセンスダイオードチップに対して１つずつ光学素子を対応させる場合に比べて、実装が簡単となるので有利である。これに代えてまたはこれに加えて、複数のルミネセンスダイオードチップを少なくとも２つのグループに分割し、グループごとに１つの光学素子が対応するように構成することもできる。
【００２８】
有利には、ルミネセンスダイオードチップの少なくとも一部の後方にルミネセンス変換素子が配置され、これによりルミネセンスダイオードチップから発光された電磁放射が少なくとも部分的に別の波長の電磁放射へ変換される。ルミネセンス変換素子が特に青色発光ルミネセンスダイオードチップと黄色発光物質との組み合わせから成る場合、白色光を形成することができる。
【００２９】
これに代えて、各ルミネセンスダイオードチップの後方に種々の材料から成る各ルミネセンス変換素子が配置されていてもよい。このようにすれば種々の色の光または種々の波長の光を発光させることができる。
【００３０】
特に有利には、各ルミネセンス変換素子の材料はそれぞれ唯一の発光物質を有する。このとき、複数の発光物質が混合されて唯一のルミネセンス変換素子に含まれる場合に比べて、電磁放射の変換に高い効率が達成される。なぜなら、複数の発光物質を用いると、第１の発光物質から発光された光が第２の発光物質において再吸収されてしまうからである。色光を形成する発光物質を用いると、一般にルミネセンスダイオードチップのみを用いる場合より広い発光スペクトルが得られる。全体として、上述した手段により、色再現性の改善された光が得られる。
【００３１】
また、有利な実施形態によれば、光学素子は、通常のものとは反対方向に光を透過する非結像型の光コンセントレータ（集光器）の形態に構成されている。少なくとも１つのこの種の光学素子を用いることにより、光源から発光された光のダイバージェンスが有利に低減される。
【００３２】
この場合、光コンセントレータの光入力側はできるだけルミネセンスダイオードチップの近傍に配置するのが良い。有利には、光コンセントレータから発光される光の空間角度は光コンセントレータをできるだけルミネセンスダイオードチップの近傍に配置することにより縮小され、コーンビームの断面積も小さいままである。このことは特にできる限り高い放射強度かつできる限り小さい面積での投影が所望される場合に必要である。
【００３３】
幾何光学において重要な維持パラメータとして到達範囲（Etendue）すなわち放射密度が挙げられる。これは光源の面積とこの光源からの放射される光の空間角度との積である。到達範囲とは任意の強度を有するコーンビームの広がりを記述している。到達範囲を維持すると、特に拡散性の光源の光、例えばルミネセンスダイオードチップの光を集光できなくなる。つまり損失なしには光を小さい寸法を有する面へ向かって偏向できなくなるので、できる限り小さい断面を有する光学素子に入射させると有利である。
【００３４】
有利な実施形態によれば、光は光学素子を介して強くコリメートされる。つまり光のダイバージェンスが大幅に低減され、光学素子から出るコーンビームは光変調器の光受信領域の最大受容角α以下の開放角で発光される。
【００３５】
１つの実施形態によればコーンビームの開放角は２５°以下であり、有利には２０°以下であり、特に有利には１５°以下である。
【００３６】
このために光コンセントレータは有利にはＣＰＣ状、ＣＥＣ状またはＣＨＣ状の集光器とされる。したがってここでは、光コンセントレータの反射性の側壁は、少なくとも部分的および／または最大限まで、複合放物面集光器ＣＰＣ（Compound Parabolic Concentrator）、複合楕円面集光器ＣＥＣ（Compound Elliptic Concentrator）および／または複合双曲線面集光器ＣＨＣ（Compound Hyperbolic Concentrator、ＣＨＣ）の形状を有する。
【００３７】
特に有利には、光学素子の反射面は部分的にまたは完全に自由形状面として構成されている。これにより所望の放射特性が最適に設定される。光学素子の底面は有利にはＣＰＣ，ＣＥＣまたはＣＨＣの形状に一致する。
【００３８】
これに代えて、光学素子の光入力側と光出力側とを接続する側壁は光入力側と光出力側とを結ぶ接続線がほぼ直線状に延在するように形成されている。
【００３９】
また有利には、光学素子は中空室を有するベースボディを有している。このベースボディの内壁は少なくとも光源から発光される光のスペクトル領域に対して反射性である。
【００４０】
これに代えて、光学素子が誘電性光コンセントレータの形態に構成され、この誘電性光コンセントレータのベースボディは適切な屈折率を有する誘電性材料から成る中実体であり、光学素子へ入力される光がベースボディの側面と周囲媒体のとの界面で全反射により反射されるように構成することもできる。全反射を利用することにより、反射の際の光吸収が回避される。
【００４１】
有利には、光学素子はレンズ状の曲面である界面を備えた光出力側を有する。これにより光のダイバージェンスを大幅に低減することができる。
【００４２】
光コンセントレータに代えて、光学素子を一定の断面積を有するかまたは光出力側に向かって増大する断面積を有する光混合のための光導波体として構成してもよい。当該の光学素子の断面は有利には偶数角形の形状を有する。有利には、外面は平らな部分面を有するように構成され、良好な光の混合が保証される。光学素子のこうした構成は、種々の色の光が光学素子へ入力され混合白色光が出力される場合に特に有利である。
【００４３】
これに代えて、光混合用の光導波体をプロジェクタの光学素子の後方の光路に配置してもよい。
【００４４】
有利には、一部の隣接するルミネセンスダイオードチップまたは全ての隣接するルミネセンスダイオードが相互にできるだけ小さい距離で配置される。この距離は３００μｍ以下であり、有利には０μm以上１００μｍ以下である。この手段によりプロジェクタにおいて高い放射密度が達成される。
【００４５】
有利には、光学素子は光路の一方側ではほぼ長方形の断面を有する。これにより光学素子においてコーンビームの断面形状は光変調器の光受信領域の断面に少なくとも部分的に適合する形状へ調整される。
【００４６】
これに代えてまたはこれに加えて、光学素子が第１の面に沿って第１の最大放射角を有し、第２の面に沿って第１の最大放射角とは異なる第２の最大放射角を有するように構成することもできる。言い換えれば、光学素子は、光入力側を通って入射してきた光が第１の面に沿って第１の最大角で走行し、第２の面に沿って第２の最大角で光出力側から発光されるように構成されている。第１の面および第２の面は特に光学素子の放射主方向に対して平行に延在している。有利には第１の面および第２の面は相互に垂直に配置される。この手段により、光変調器に対するコーンビームの適合化が達成される。
【００４７】
有利には、第１の最大放射角は１０°以上１３°以下であり、第２の最大放射角は１３°以上１８°以下である。
【００４８】
以下に、図１〜図４０に関連して、本発明のプロジェクタまたはその要素の有利な実施例を説明する。
【００４９】
図１にはプロジェクタの断面図が示されている。図２には図１のプロジェクタの光変調器の光受信領域の平面図が示されている。図３にはルミネセンスダイオードチップの断面図が示されている。図４には光源および光学素子の一部の第１の構成の断面部分図が示されている。図５には光源および光学素子の一部の第２の構成の断面部分図が示されている。図６には光源および光学素子の一部の第３の構成の断面部分図が示されている。図７には光源および光学素子の一部の第４の構成の断面部分図が示されている。図８には光源および光学素子の一部の第５の構成の断面部分図が示されている。図９には第１の実施例の光源の平面図が示されている。図１０には第２の実施例の光源の断面図が示されている。図１１には第３の実施例の光源の断面図が示されている。図１２には第４の実施例の光源上の第１の実施例の光学素子の斜視図が示されている。図１３には第２の実施例の光学素子の斜視図が示されている。図１４には第５の実施例の光源上の第３の実施例の光学素子の斜視図が示されている。図１５には第６の実施例の光源上の第４の実施例の光学素子の斜視図が示されている。図１６には第７の実施例の光源上の第５の実施例の光学素子の斜視図が示されている。図１７には第６の実施例の光学素子の斜視図が示されている。図１８には第８の実施例の光源の斜視図が示されている。図１９には第９の実施例の光源の斜視図が示されている。図２０には第１０の実施例の光源の斜視図が示されている。図２１には第１１の実施例の光源の斜視図が示されている。図２２のＡには第１２の実施例の光源の斜視図、Ｂにはその平面図が示されている。図２３には第１３の実施例の光源上の第７の実施例の光学素子の斜視図が示されている。図２４には第１４の実施例の光源の斜視図が示されている。図２５には第１５の実施例の光源の斜視図が示されている。図２６には第１６の実施例の光源の斜視図が示されている。図２７には第１７の実施例の光源の斜視図が示されている。図２８には第１８の実施例の光源上の第８の実施例の光学素子の斜視図が示されている。図２９には光源用ケーシングの第１の構成の斜視図が示されている。図３０には光源用ケーシングの第２の構成の斜視図が示されている。図３１には光源用ケーシングの第３の構成の斜視図が示されている。図３２には光源用ケーシングの第４の構成の斜視図が示されている。図３３のＡには第９の実施例の光学素子の斜視図、Ｂには第１０の実施例の光学素子の斜視図、Ｃには第１９の実施例の光源上の第１１の実施例の光学素子の斜視図が示されている。図３４のＡには第１２の実施例の光学素子の斜視図、Ｂには第１３の実施例の光学素子の斜視図、Ｃには第１４の実施例の光学素子の斜視図、Ｄには第１５の実施例の光学素子の斜視図が示されている。図３５には第２０の実施例の光源上の第１６の実施例の光学素子の斜視図が示されている。図３６には第２１の実施例の光源上の第１７の実施例の光学素子の斜視図が示されている。図３７には第１８の実施例の光学素子の斜視図が示されている。図３８には第１９の実施例の光学素子の斜視図が示されている。図３９には第２０の実施例の光学素子の斜視図が示されている。図４０には図３９の光学素子の後方の光路および図３７の光学素子の後方の光路で測定された光強度と光軸までの距離との関係を表すグラフが示されている。
【００５０】
各実施例および各図を通して、同一の要素または同様の機能を有する要素にはそれぞれ同じ参照符号を付してある。図示されている要素は縮尺どおりに描かれてはおらず、むしろ理解しやすくするために部分的に大きめに描かれていることに注意されたい。
【００５１】
図１に示されているプロジェクタ４は光源２，光学素子１および光変調器３を含む。もちろんプロジェクタ４は他の種々の素子を有することができるが、実施例を理解しやすくするためにここでは省略している。
【００５２】
光源２，光学素子１および光変調器３はプロジェクタ４の光路に沿って配置されている。ここで光路は必ずしも直線状に延在しなくてよく、例えば偏向素子などにより任意に偏向されたり、分光器を介して１重または多重に分割されたりすることができる。
【００５３】
光源２は複数のルミネセンスダイオードチップ２１を有している。これに代えて唯一のルミネセンスダイオードチップを使用することもできるが、その場合、複数のルミネセンスダイオードチップの光出力面全体に相応する大きさの光出力面を有さなければならない。ルミネセンスダイオードチップは最大放射角βを有する。ここで最大放射角βとはルミネセンスダイオードチップ２１の放射主方向で発光される光出力の少なくとも０．５％に相当する光出力を有する光の所定の方向での角度である。ルミネセンスダイオードチップは例えば最大放射角βが９０°に良好に近似する薄膜ルミネセンスダイオードチップである。
【００５４】
図３には薄膜ルミネセンスダイオードチップの概略的な断面図が示されている。薄膜ルミネセンスダイオードチップは薄膜層列２１１を有しており、この薄膜層列の厚さは２０μｍ以下、例えば約９μｍである。
【００５５】
薄膜層列２１１の主表面にはほぼ全面にわたってリフレクタ２１６が設けられている。薄膜層列２１１は、リフレクタ２１６が支持体部２１５に面して接する向きで支持体部２１５に被着されている。支持体部２１５は例えば支持体基板である。これに代えて、支持体部２１５がルミネセンスダイオードチップ２１の要素でなく、薄膜層列２１１のうちリフレクタ２１６の被着された側が直接にチップケーシングまたはその他のチップ支持体のチップ実装面に被着されるように構成することもできる。
【００５６】
薄膜層列２１１は、ｎ型ドープ領域２１２，電磁放射を発光する活性領域２１３およびｐ型ドープ領域２１４を備えた半導体層列を含む。
【００５７】
本発明の薄膜発光ダイオードチップにおいては基本的に９０°より大きな放射角では無視できるほど小さな光強度の光しか発光されないものとする。
【００５８】
図２には光変調器３の光受信領域３１が示されている。この光受信領域は例えば相互に独立に少なくとも１つの軸線を中心として傾動する複数のマイクロミラーを備えたマイクロミラーチップである。マイクロミラーの傾動により投影すべき画像のピクセルの明暗が切り換えられる。光受信領域はマイクロミラーにより定義される。つまり光受信領域の外輪郭はマイクロミラーチップのうち外側に配置されているマイクロミラーの外側エッジに沿って延在する。
【００５９】
マイクロミラーチップに代えて、光変調器３は例えば液晶マイクロディスプレイ（マイクロＬＣＤ）であってもよい。このとき光はミラーの傾動によってではなくフィルタのオンオフによって変調される。他に光変調器としていわゆるＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）を用いることもできる。
【００６０】
光受信領域３１はこの実施例では長方形の受光面を有しているが、これは正方形または他の形状であってもよい。光受信領域３１の長方形の受光面は例えば対角線３２が０．５インチまたは０．８インチである。ここでは１インチ２５．４ｍｍとする。この受光面の長さと幅との比は３：４または９：１６である。
【００６１】
図１の光変調器３の光受信領域３１は最大受容角αを有する。光受信領域がマイクロミラーチップである場合、最大受容角は例えばマイクロミラーの平常位置から最大傾動位置までの角度に相当する。この角度は例えば±１２°、±１４．５°、または±１５°である。最大受容角の値は例えば１０°以上２０°以下である。
【００６２】
最大受容角αよりも大きい角度で光が光受信領域３１へ入射すると、少なくとも設定された様態ではこの光を変調することができなくなる。したがって、光源２から発光されたコーンビーム２２のダイバージェンスを光学素子によりできるだけ低減し、少なくとも光の大部分が最大受容角αよりも小さい角度で光変調器３の光受信領域３１へ入射することが重要である。コーンビーム２２は例えば光学素子１から２０°以下の最大角γで入射する。最大角度γは例えば１２°である。
【００６３】
ルミネセンスダイオードチップ２１の個数Ｎに対して、０．７＊（ＡＭ＊ｓｉｎ２（α））／（ＡＤ＊ｓｉｎ２（β）＊ｎ２）≦Ｎ≦１．３＊（ＡＭ＊ｓｉｎ２（α））／（ＡＤ＊ｓｉｎ２（β）＊ｎ２）が成り立つ。
【００６４】
光源２として所定の大きさのルミネセンスダイオードチップ２１が用いられる場合、前述の式に基づいてルミネセンスダイオードチップの個数Ｎが求められ、これによりルミネセンスダイオードチップから発光される放射が最大の効率で利用される。これに代えて、ルミネセンスダイオードチップ２１の個数Ｎを固定に設定し、前述の式に基づいてルミネセンスダイオードチップの可能な寸法またはルミネセンスダイオードチップの光出力面の可能な面積を求めることもできる。
【００６５】
前述の式のｎについてどのような値を用いるかは、ルミネセンスダイオードチップからの光出力が相応の手段によってどのように制御されるかに依存して定められる。
【００６６】
ルミネセンスダイオードチップと光学素子とのあいだの光路に空隙が存在しており、ルミネセンスダイオードチップの光出力面に結合媒体が存在しないとき、ｎ＝１である。このケースが図４に示されており、ここではルミネセンスダイオードチップ２１、特にその光出力面にカプセル化材料または結合媒体の材料が存在しない。
【００６７】
カプセル化材料または結合媒体の材料とは、例えば、ルミネセンスダイオードチップ２１から発光された光に対して透過性を有し、ルミネセンスダイオードチップの半導体材料と同程度の屈折率を有する誘電体材料であると理解されたい。これにより半導体材料と周囲媒体との界面でのフレネル損失および全反射は著しく低減される。
【００６８】
フレネル損失とは屈折率が跳躍的に変化する界面での反射に基づいて生じる損失である。屈折率の跳躍的変化の典型的な例は空気と誘電体材料とのあいだを電磁放射が通過する場合、つまり例えば光が光学素子から周囲へ出射される場合または周囲から光学素子へ入射する場合である。
【００６９】
各ルミネセンスダイオードチップ２１と光学素子１とのあいだには空隙５が存在する。これに代えて、空隙５に空気以外のガスを充填してもよいし、空隙５を真空としてもよい。
【００７０】
図５に示されている構造においても光学素子１と各ルミネセンスダイオードチップ２１とのあいだに空隙５が存在している。図４と比べて異なるのは、図５では複数のルミネセンスダイオードチップ２１がカプセル化材料２４により特に完全にカプセル化されており、湿分などの外部影響から保護されている点である。ただし当該のカプセル化材料２４は、ルミネセンスダイオードチップ２１の主発光面の上方においてルミネセンスダイオードチップの横幅の０．２倍以下の厚さ２４１しか有さないので、本発明で云う結合媒体ではない。
【００７１】
長方形のルミネセンスダイオードチップでは、ルミネセンスダイオードチップの横幅は長方形の長辺の長さに相応する。一般には、ルミネセンスダイオードチップの対向するエッジ間の横方向最大距離が当該の横幅として選択される。
【００７２】
正方形のルミネセンスダイオードチップでは、チップエッジ間の横方向距離は例えば１ｍｍである。ここでカプセル化材料２４がルミネセンスダイオードチップ、特にその光出力面を平面的にカバーしている場合、当該のカプセル化材料は本発明で云う結合媒体ではないことを理解されたい。有利にはカプセル化材料２４は薄く構成されており、特に有利には２００μｍ以下の厚さ２４１を有する。こうした条件のもとではカプセル化材料２４は本発明の結合媒体とはならない。
【００７３】
厚さが２００μｍより大きいときにはカプセル化材料２４は結合媒体と見なされ、これによりｎの値はカプセル化材料２４の屈折率に等しく選定される。
【００７４】
図６〜図８には結合媒体６の例が示されている。図６に示されている実施例では、結合媒体は例えばルミネセンスダイオードチップ２１を光学素子１の誘電性のベースボディへ光学的に結合する材料から成る。結合材料は例えば光学素子の誘電性ベースボディの屈折率またはルミネセンスダイオードチップ２１の半導体材料の屈折率または２つの材料の屈折率の中間へ適合化された屈折率を有する透光性ゲルである。ゲルに代えて例えばエポキシ樹脂またはレジスト状材料を使用することもできる。
【００７５】
結合材料６の屈折率は有利には光学素子１の誘電性のベースボディの屈折率とルミネセンスダイオードチップ２１の半導体材料の屈折率とのあいだに存在する。重要なのは当該の屈折率が１より有意に大きいということである。例えば結合媒体に対して、屈折率が１．３より大きい結合材料、有利には屈折率が１．４より大きい結合材料が用いられる。このために例えばシリコーンが採用される。しかし液体などの他の物質を結合媒体として用いることもできる。水は例えば屈折率が約１．３より大きく、基本的には結合媒体として適している。
【００７６】
図７に示されている実施例では、結合媒体６はルミネセンスダイオードチップ２１の上方に成形された結合素子から成る。この例では、エポキシ樹脂またはシリコーンを含む材料から成るレンズ状素子がルミネセンスダイオードチップ２１の主表面に被着されている。このレンズ状素子を介してルミネセンスダイオードチップ２１から出力され光学素子１へ入力されるべき光が増大される。
【００７７】
図７に示されているレンズ状素子はルミネセンスダイオードチップから発光されたコーンビームの到達範囲に与える影響に関して、図６に示されている結合材料と同様に作用する。レンズ状素子はルミネセンスダイオードチップに対する非プレーナ型のカバーまたは平坦でないカバーであり、ルミネセンスダイオードチップの到達範囲を拡大させる。到達範囲の拡大率はレンズ状素子の屈折率のほぼ２乗である。この点に関してもレンズ状素子は図６に示されている結合材料と同様に作用する。ただし、図７に示されているような平坦でないカバーを用いると、光がこのカバーから出て光学素子へ入射する際に付加的なフレネル損失を生じ、その点が図６とは異なる。
【００７８】
図８に示されている実施例では、結合媒体６は接着剤薄膜層から成り、この接着剤薄膜層を介してルミネセンスダイオードチップ２１が直接に光学素子１の光路に被着され、光学素子１に光学的に結合されている。これはちょうど図６の実施例と同様である。このとき、０．７＊（ＡＭ＊ｓｉｎ２（α））／（ＡＤ＊ｓｉｎ２（β）＊ｎ２）≦Ｎ≦１．３＊（ＡＭ＊ｓｉｎ２（α））／（ＡＤ＊ｓｉｎ２（β）＊ｎ２）が成り立つ。
【００７９】
次の表１に数値Ｎ，ｘ，ｙの定義の例を示す。光受信領域はそれぞれ１２°の最大受容角αを有する。最大放射角９０°および一辺１ｍｍの正方形形状を有する薄膜ルミネセンスダイオードチップが用いられる。ここでは、ルミネセンスダイオードチップには結合媒体が存在せず、ルミネセンスダイオードチップと光学素子とのあいだに空隙が存在するので、ｎ＝１である。
【００８０】
薄膜層列の厚さは１０μm、側面の面積は０．０４ｍｍ２である。ルミネセンスダイオードチップの側面からは全放射の１％未満の光しか出射されないので、この実施例では側面からの光出力は無視してよい。したがって光出力面の面積ＡＤはこの実施例では１．０ｍｍ２とされる。これに代えて、薄膜層列の側面からの光出力を考慮し、光出力面の面積を１．０４ｍｍ２とすることもできる。ただし側面からの光出力を無視したほうが有利である。
【００８１】
【表１】
2008545997.tif 000003
【００８２】
ここで、"Ｑｕ．Ｎ"は商（ＡＭ＊ｓｉｎ２（α））／（ＡＤ＊ｓｉｎ２（β）＊ｎ２）を表し、"Ｑｕ．ｘ"は商（ｌＭ＊ｓｉｎ（α））／（ｌＤ＊ｓｉｎ（β））を表し、"Ｑｕ．ｙ"は商（ｂＭ＊ｓｉｎ（α））／（ｂＤ＊ｓｉｎ（β））を表す。
【００８３】
例１，例２では光受信領域の受光面の対角線で見て０．５ｉｎｃｈの光変調器が用いられている。１ｉｎｃｈは２５．４ｍｍとする。光受信領域の受光面の幅および長さの比は例１では３：４であり、例２では９：１６である。驚くべきことに、ルミネセンスダイオードチップの個数Ｎについて、長さおよび幅を考慮して、例１では値領域３．２２±３０％という結果が得られた。合理的な値としてはＮ＝４またはｘ＝２，ｙ＝２であり、つまり２×２マトリクスのルミネセンスダイオードチップが効率的であるということになる。
【００８４】
例２では値領域２．８６±３０％という結果が得られ、個数Ｎについてより小さい値が妥当であった。このときには例えば１×３マトリクスのルミネセンスダイオードチップが用いられる。
【００８５】
例３〜例６では０．８ｉｎｃｈの光変調器が用いられ、このうち光受信領域の受光面の幅および長さの比が例３，例４では３：４、例５，例６では９：１６である。
【００８６】
個数Ｎが設定され、ルミネセンスダイオードチップのサイズが上述した式に相応に計算されれば、本発明の装置の最適化が特に有利に行われる。例えば０．５ｉｎｃｈ、幅および長さの比３：４、最大受容角１２°の光変調器に対しては、長さ１．０６ｍｍ、幅０．８ｍｍの長方形形状のルミネセンスダイオードチップが４つ用いられる。最大受容角１５°の光変調器に対しては、長さ１．０ｍｍ、幅０．８７５ｍｍの長方形形状のルミネセンスダイオードチップが６つ用いられる。
【００８７】
これらの例ではルミネセンスダイオードチップに結合媒体は存在せず、ｎ＝１である。ルミネセンスダイオードチップに屈折率ｎ＝２の材料から成る結合媒体を設ける場合、上述の式により計算されるチップの長さおよび幅は１／２の大きさでよい。この場合、効率的でありかつより小さいルミネセンスダイオードチップを使用することができる。
【００８８】
次の表は薄膜層列の側面からの光出力を無視しないケース、すなわち光出力面の面積ＡＤが１．０４ｍｍ２となるケースを示している。このとき"Ｑｕ．Ｎ"は小さな差しか生じず、結果として選定される個数Ｎには影響しない。
【００８９】
【表２】
2008545997.tif 000004
【００９０】
図１０に示されている光源は支持体２３上に被着された少なくとも１つのルミネセンスダイオードチップ２１を含む。光源の支持体２３ははんだを介してルミネセンスダイオードチップ２１が実装されるチップ支持体２３２を含む。チップ支持体は例えば電気的絶縁材料から成り、有利には高い熱伝導性を有する。チップ支持体は、例えば、ケイ素、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ホウ素、表面酸化されたケイ素、ダイヤモンド、プラスティック‐炭素繊維化合物、ガラス‐炭素繊維化合物および／またはガラス‐ダイヤモンド粒子化合物を有する。
【００９１】
チップ支持体２３２は熱伝導性の基板２３１上に被着されている。この熱伝導性の基板は熱伝導性材料を有するか、または熱伝導性材料から成る。可能な材料は、例えば、銅、アルミニウム、マグネシウムおよび／または銅‐モリブデン‐銅層列ＣＭＣである。熱伝導性基板２３１はルミネセンスダイオードチップ２１において駆動により形成された熱に対するヒートシンクとして用いられる。チップ支持体２３２は良好な熱伝導性を有する材料から成り、有利には熱伝導性の基板２３１に直接に接合される。
【００９２】
チップ支持体２３２上には、例えばルミネセンスダイオードチップ２１のコンタクトのためのチップコンタクト面および／または導体路となるメタライゼーション層が形成される。ルミネセンスダイオードチップ２１の電気端子面は熱伝導性のワイヤに電気的に接続され、付加的に電極として機能する。
【００９３】
これに代えて、図１９〜図２１に示されているように、熱伝導性の基板に電気的絶縁層２３９を設け、この電気的絶縁層の上に導電性材料から成る薄膜層を被着し、この薄膜層をエッチングによりパターニングして導体路を形成することができる。有利には、電気的絶縁層および導電性薄膜層は、ルミネセンスダイオードチップ２１が熱伝導性の基板の直接上方のチップ支持体に実装される領域において除去される。これによりルミネセンスダイオードチップの放熱能および発光能は著しく高まる。チップ支持体が絶縁層上に被着される場合に比べて、発光される放射強度の３５％の増大を達成することができる。こうした構造を備えた光源の例が図１９〜図２１に示されている。
【００９４】
図１１に示されている実施例では、光源はダイレクトカッパーボンディング支持体すなわちＤＣＢ支持体を含む。ＤＣＢ支持体は導電性のカバー２３４を備えた支持体コア部２３３を有する。導電性のカバー２３４は例えば銅を有するかまたは銅から成る。支持体コア部２３３は有利には電気的絶縁性材料から成る。ここで導電性のカバー２３４はパターニングされており、これにより光源２またはルミネセンスダイオードチップ２１のための導体路が形成される。
【００９５】
支持体コア部２３３は例えば、ＡｌＮ，Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＣ，ＢＮ，ダイヤモンド、ガラス繊維化合物、プラスティック繊維化合物、炭素繊維化合物、ガラス‐ダイヤモンド化合物のうち少なくとも１つの材料を有するかまたはこれらの材料の少なくとも１つから成る。特に有利には、支持体コア部２３３の材料は窒化アルミニウムおよび／または酸化アルミニウムである。
【００９６】
図１２に示されている構造では、光源２が差込部２５を有する光源モジュールとして形成されている。光源２は相応のプラグインコネクタを介して簡単に電気的に接続することができる。光源の支持体２３は図１１に則して説明した構成を有する。カバー２３４の材料からルミネセンスダイオードチップと差込部２５とを電気的に接続する導体路２６が形成されている。
【００９７】
光源２の電気回路はさらにルミネセンスダイオードチップを静電放電から保護する保護素子２７すなわちＥＳＤ保護素子を含む。保護素子２７は例えばバリスタ、コンデンサまたはダイオードである。保護素子は例えばルミネセンスダイオードチップに対して平行または反平行に、例えばダイオードの順方向に対して平行または反平行に接続される。また、光源２の支持体２３は、例えば貫通ピンおよび相応の固定部材を用いて光源モジュールを簡単に機械的に実装するための実装用孔２８を有する。
【００９８】
光源２ではルミネセンスダイオードチップの上方に複数の光学素子１が配置されている。複数の光学素子は例えば相互に一体に形成されている。光学素子１はＣＰＣ状に構成されており、光学素子１は光源から発光された光を内壁で反射させるベースボディ１１およびこれによって定義される中空室を有する。
【００９９】
光源２の各ルミネセンスダイオードチップは例えばそれぞれ１つずつの光学素子に対応している。光学素子の光路のうちルミネセンスダイオードチップに近い部分に、一辺がルミネセンスダイオードチップの水平方向の長さの１．５倍以下、有利には１．２５倍以下の光入力側開口部が設けられている。ルミネセンスダイオードチップのできるだけ近傍に小さい光入力側を配置する場合、ルミネセンスダイオードチップから発光される光のダイバージェンスを効率的に低減し、高い発光密度のコーンビームを形成することができる。
【０１００】
各ルミネセンスダイオードチップに１つずつ光学素子１に対応させることに代えて、複数のルミネセンスダイオードチップを図１３に示されているような１つの光学素子に対応させることもできる。当該の光学素子はＣＰＣ状に構成されており、反射性の内壁により定義される中空室を備えたベースボディ１１を有する。当該の光学素子は例えば６つのルミネセンスダイオードチップ２１に対応するように構成されている。
【０１０１】
高い効率を得るために、各ルミネセンスダイオードチップ２１は相互にできるだけ近傍に配置されなければならない。隣接するルミネセンスダイオードチップは相互に例えば５０μｍ未満の間隔を有する。特に有利には、隣接するルミネセンスダイオードチップどうしはきわめて小さい間隔しか有さない。
【０１０２】
光学素子１の光入力側および光出力側は例えば長方形の形状を有する。これに代えて光入力側がほぼ正方形の形状を有するようにすることもできる。複数のチップに対応する１つの光学素子によって、各チップに対応する複数の光学素子を用いる場合と同程度のダイバージェンスの低減を達成するには、チップの四角形の長さは複数の光学素子全体の四角形の長さよりも大きくなければならない。
【０１０３】
光学素子１から発光されるコーンビームが最大開放角θを有する場合、光入力側の相応の面積ａに関連して、光コンセントレータとして形成される光学素子の所定の最小長さが要求される。コンパクトなパラボラ状の理想的な光コンセントレータでは、光学素子の最小長さｌについて、ｌ＝ａ／２（１＋ｓｉｎθ）＊ｃoｓ（θ）／ｓiｎ２（θ）が成り立つ。最大開放角を１５°にするためには、光学素子１の長さを光入力側の長さの約９倍にする必要がある。最大開放角を約９°にするには約２３倍の長さを要し、最大開放角を約２０°にするには５．５倍の長さを要する。光コンセントレータでの具体的な構成に応じて最小長さｌは最適長さと見なすことができ、この場合にはこの最適長さを１０％までまたは２０％まで下回ってもよい。
【０１０４】
光学素子の光入力側を小さくしていけば、光学素子の光軸に沿った長さを小さくして、発光されるコーンビームに対して所定の最大放射角を達成することができる。これに対して、複数のルミネセンスダイオードチップに１つの光学素子を対応させる場合、相応に光入力側が大きくなるので、ルミネセンスダイオードチップに対する光学素子の実装の臨界的重要度は小さくなる。特に有利には、光源ごとに少なくとも２つの光学素子が設けられ、これらにそれぞれ複数のルミネセンスダイオードチップが対応する。
【０１０５】
有利には、光学素子は光出力側ではほぼ長方形の断面を有する。これにより光学素子においてコーンビームの断面形状を光変調器の光受信領域の断面に少なくとも部分的に適合する形状へ調整することができる。
【０１０６】
有利な実施例では光学素子の光入力側は正方形の断面を有する。これは、図２４〜図２７に見られる２×２マトリクスを有するルミネセンスダイオードチップなど、正方形の形状に配列されたルミネセンスダイオードチップに対して構成される。また光入力側の断面は長方形であってもよい。
【０１０７】
これに代えてまたはこれに加えて、光学素子が第１の面に沿って第１の最大放射角、例えば１１．５°を有し、第２の面に沿って第１の最大放射角とは異なる第２の最大放射角、例えば１５．５°を有してもよい。このとき、光路の光入力側の断面が正方形であっても、光出力側へ向かって形状を変化させて、光出力側の断面を１０ｍｍ×７．５ｍｍの長方形とすることができる。こうした光学素子では、特に、相互に対向する反射面の第１の対が相互に対向する反射面の第２の対よりも急峻に延在する。こうした形状の光学素子の実施例が図１６または図３３Ｂに示されている。
【０１０８】
ＣＰＣ状の光コンセントレータに対する選択手段として、例えば光入力側から光出力側まで直線状に延在する側壁を有する光学素子１を用いることもできる。こうした光学素子１の例は図１５，図２８，図３３Ｃ，図３４Ｄに示されている。
【０１０９】
光コンセントレータは、円錐台状の誘電性集光器であるかまたは相応の中空室を有するベースボディを備えた集光器である。この種の光コンセントレータの光出力側には球面レンズ、非球面レンズ、または外側へ向かって湾曲した形状のレンズが設けられている。
【０１１０】
非球面の湾曲部は、球面の湾曲部に比べて、光学素子の光軸の距離が増大するにつれて、湾曲の度合を低減できるという利点を有する。これにより、光学素子を通してダイバージェンスを低減すべきコーンビームは点状光源ではなく或る程度の光の広がりを有する光源であると考えることができる。
【０１１１】
このような光学素子がＣＰＣ状の光学素子より優れているのは、コーンビームのダイバージェンスを低減できるうえ、光学素子の構造高さを格段に低減できる点である。この種の光学素子のさらなる利点は、射出成形プロセスまたは圧縮加工プロセスにより簡単に製造可能な直線状の側面を有するということである。これに対してＣＰＣ状の光コンセントレータは湾曲部を有するので製造に幾分手間がかかる。
【０１１２】
光学素子がベースボディを有する中空リフレクタとして形成されている場合、当該のベースボディ１１は光源２に固定されるか、光源２に対して位置決めされる。光学素子を中空リフレクタとして形成する実施例は図１２，図１３，図３３Ｂ，図３４Ｂ，図３４Ｃに示されている。
【０１１３】
これに対して、光学素子１が誘電性の光コンセントレータとして形成される場合、一般に、当該の光学素子を光源２に固定するかまたは光源２に対して位置決めするための付加的な固定装置が必要となる。光学素子を誘電性の光コンセントレータとして形成する実施例は図１４〜図１７，図２３，図２８，図３３Ａ，図３３Ｃ，図３４Ａ，図３４Ｄに示されている。
【０１１４】
図２３，図２８，図１４〜図１６に示されている光学素子は支持部１２を有しており、この支持部は光学素子の光入力側へ向かって誘電性のベースボディから或る程度の距離で突出している。
【０１１５】
支持部１２は例えば光学素子を光源２に対して位置決めして正立させるための柱部を含む。この柱部は図１５，図１６に示されている。これに代えて、支持部１２は少なくとも部分的に光学素子の側壁であってもよい。こうした側壁は図１４，図２３に示されている。
【０１１６】
支持部１２に代えて、個別の支持装置を介して光学素子を実装および位置決めすることもできる。例えば光学素子を個別のフレームに差し込むことができる。
【０１１７】
ルミネセンスダイオードチップは例えばチップケーシング２３５に実装されており、このことは例えば図２９〜図３２に示されている。チップケーシング２３５は例えば支持体２３上および光源２上に実装されるか、またはチップケーシング２３５そのものが導電性のコンタクトを備え、駆動により電磁放射を発光する光源として形成される。１つまたは複数のチップケーシング２３５が支持体２３上に実装されている光源の例が図１８〜図２８に示されている。
【０１１８】
チップケーシング２３５はチップ支持体２３２およびケーシングフレーム２３６を含む。チップ支持体２３２は１つまたは複数のチップ端子領域２３７および電気的導体路２３８を形成するメタライゼーション層を有する。チップ支持体２３２は一方の対向辺の対にフレーム材料を有さず、これにより導体路２３８はこの位置でアクセス可能となり、電気的コンタクトが形成される。
【０１１９】
チップケーシング２３５はモノリシックに形成され、ケーシングフレーム２３６およびチップ支持体２３２は一体の部材として形成される。これは例えば、セラミックをチップケーシングの材料として用い、ケーシングフレーム２３６をチップ支持体２３２上に載置して、セラミック材料を焼結および硬化することにより行われる。続くシンタリングプロセスによりケーシングフレーム２３６とチップ支持体２３２とが一体の部材として結合される。このことは双方の部材を相互に圧着して未焼結の状態で支持させることにより行ってもよい。
【０１２０】
これに代えて、チップ支持体２３２およびケーシングフレーム２３６はそれぞれ別個に構成することもできる。この場合ケーシングフレーム２３６はチップ支持体２３２に接着される。
【０１２１】
チップ支持体２３２および／またはケーシングフレーム２３６は例えば窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、ガラスセラミック、ガラスおよび／または金属を有する。ケーシングフレーム２３６はチップ支持体２３２の材料の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有するプラスティックから成るかまたはこの種のプラスティックを有しており、このプラスティックは有利には良好な反射性材料によってコーティングされている。基本的にはフレームは白く着色されるか、白色またはその他の反射性材料によってコーティングされる。
【０１２２】
チップコンタクト領域２３７および導体路２３８は例えば金属コーティング、例えば金コーティングから成る。これは例えば図２９，図３２のチップケーシングにおいて示されている。
【０１２３】
図３０に示されているチップケーシング２３５ははんだから成るチップコンタクト領域２３７を有する。例えばチップコンタクト領域２３７はそれぞれ複数の小さなはんだバンプから定義される。
【０１２４】
導体路２３８は例えばアルミニウムを有するかまたはアルミニウムから成る。有利には、アルミニウムはチップコンタクト領域２３７のはんだに対するはんだストップ部として機能する。
【０１２５】
図３１に示されているチップケーシング２３５は種々の材料から成る導体路２３８を有する。第１のセクション２３８１は例えばはんだストップ部として機能するアルミニウムを有しており、第２のセクション２３８２は別の材料、例えば金を有する。第１のセクション２３８１により例えば短絡の危険が低減される。さらに、はんだストップ部は、ルミネセンスダイオードチップの実装用のはんだが導体路を濡らし、金コンタクトを損なったり溶解させたりすることを阻止する。
【０１２６】
ケーシングフレームはチップケーシング２３５に実装されるルミネセンスダイオードチップとともに成形材料を用いるのに適している。このためにチップフレームの内部には例えば少なくとも部分的に成形材料が充填される。成形材料は一方ではルミネセンスダイオードチップをカプセル化し、外部影響から保護する。これに代えてまたはこれに加えて、１つまたは複数の発光物質に対する母型材料として成形材料を用い、当該の成形材料がルミネセンス変換素子を形成するようにしてもよい。これに代えて、ルミネセンス変換素子を薄膜層としてルミネセンスダイオードチップの光出力面に直接に被着してもよい。
【０１２７】
有利には、１つの光源の複数のルミネセンスダイオードチップに対して種々のルミネセンス変換素子が設けられる。つまり各ルミネセンス変換素子は種々の発光物質または発光物質の混合物を有する。例えば、４つのルミネセンスダイオードチップ２１に１つの青色発光物質、１つの赤色発光物質および２つの緑色発光物質が設けられる。ここで２つの緑色発光物質は同じものである。
【０１２８】
青色発光物質に代えて、ルミネセンス変換素子の設けられていない青色発光ルミネセンスダイオードを用いることもできる。
【０１２９】
発光物質を用いる際には、少なくとも部分的に可視光以外の波長を有する電磁放射を発光するルミネセンスダイオードチップが使用される。例えば当該のルミネセンスダイオードチップはＡｌＩｎＧａＮをベースとし、駆動により紫外領域の電磁放射を発光する。
【０１３０】
ルミネセンス変換素子として、ＬＥＤ分野で使用されている公知の全ての変換器が適する。こうした変換器に適する発光物質および発光物質の混合物の例として、独国出願第１００３６９４０号明細書の従来技術に記載されているクロロシリケート、国際公開第２０００／３３３９０号明細書の従来技術に記載されているオルトシリケート、硫化物、チオ金属、バナジン酸塩、米国特許第６６１６８６２号明細書の従来技術に記載されているアルミン酸塩、酸化物、ハロフォスフェート、独国出願第１０１４７０４０号明細書の従来技術に記載されている窒化物、サイオン、サイアロン、米国出願第２００４／０６２６９９号明細書の従来技術に記載されているガーネット、ＹＡＧ：Ｃｅなどの希土類およびアルカリ土類が挙げられる。
【０１３１】
図２２ａ〜図２３に示されている光源２は例えば上述した形状に成形されたルミネセンスダイオードチップ２１を有する。これらの図に示されているチップケーシング２３５のケーシングフレームは、ルミネセンスダイオードチップ２１の上方に光学素子１を位置決めするための補助手段として用いられる成形された切欠を有する。
【０１３２】
ケーシングフレームの切欠は正方形または長方形の基本形状を有しているが、それぞれの角に丸みを帯びた拡張部を有する。こうして、切欠の丸みを帯びた拡張部を用いて、光学素子１のエッジを技術的に簡単にケーシングフレームへ挿入することができる。
【０１３３】
光学素子１は、図３８に示されているような面積一定の断面を備えた光導波体として構成することもできるし、図３７に示されているような光出力側へ向かって面積の増大する断面を備えた光導波体として構成することもできる。光導波体は光源２からの光の混合に用いられ、これにより、特に光源が種々の色の光を発光するルミネセンスダイオードチップ２１および／または種々の色の光を発光するルミネセンス変換素子を有する場合に、均一なコーンビームが得られる。
【０１３４】
特に有利には、光導波体の光出力は投影レンズを介して結像される。なぜならこの位置まで来たコーンビームは光導波体により大幅な混合を受けているからである。これに対して、光導波体からの距離が大きくなるにつれて、コーンビームの分離の度合は大きくなる。
【０１３５】
当該の光導波体の断面は有利には偶数角形の形状を有する。特に、光導波体は光入力側から光出力側へ向かって直線状に延在する部分面を有する。光導波体にも支持部１２を設けることができる。この支持部１２はベースボディの側方において所定の距離で光入力側の方向へ向かって突出している。ベースボディおよび支持部１２は有利には同じ材料から一体に構成される。
【０１３６】
図４０には支持部１２が光導波体からの発光に与える影響が示されている。図４０のグラフには光強度分布と光導波体の光軸までの距離との関係が示されている。このグラフでは、図３７に示されているような支持部なしの光導波体の後方の光路において測定された光強度が破線で、図３９に示されているような支持部を備えた光導波体の後方の光路において測定された光強度が実線で描かれている。２つの曲線から、光混合に用いられる光導波体からの光出力に対して支持部１２の影響はほとんどないことがわかる。
【０１３７】
図３６には支持部を備えた混合器の概略図が示されている。図３５に示されている実施例では光導波体１はさいころ状の形状を有する。図３５の光学素子では、前述した実施例とは異なり、光入力側の近傍でベースボディの下部に支持部が延在している。
【０１３８】
図１４〜図１６，図１８，図１９，図２８，図３３Ｃおよび図３６に示されている光源２は電気的接続のための差込部２５を有するのに対し、図２０，図２１に示されている光源２は複数の電気的コンタクトピン２９を有する。後者の電気的コンタクトピン２９は光源２を１つまたは複数の相応の差込部に接続するのに適する。
【０１３９】
図２２ａ，図２３および図３５には変形例が示されている。これらの図に示されている光源２では、光源は電気コンタクト面２９１，２９を介して電気的に接続されている。この接続は例えばはんだを介して行われる。
【０１４０】
本明細書において説明している種々の特徴はプロジェクタでの適用に限定されるものではないが、プロジェクタと共働することにより特に有利な効果を発揮する。本発明の種々の特徴は他の分野にも適用可能である。光源は例えば自動車のヘッドランプまたは一般照明に用いることができる。光学素子も本発明の目的以外の種々の目的に用いることができる。ルミネセンス変換素子、光源用の支持体、チップケーシング、ルミネセンスダイオードチップまたは光学素子の構造および配置についても同じことが当てはまる。
【０１４１】
本発明の種々の特徴については実施例に示されている以外の組み合わせも可能である。本発明は新規な種々の特徴ならびにそれらの種々の組み合わせを包含する。このことは特に、これらの特徴またはその組み合わせが明示的に特許請求の範囲または実施例に示されていない場合であっても相当する。
【図面の簡単な説明】
【０１４２】
【図１】プロジェクタの断面図である。
【図２】図１のプロジェクタの光変調器の光受信領域の平面図である。
【図３】ルミネセンスダイオードチップの断面図である。
【図４】光源および光学素子の一部の第１の構成の断面部分図である。
【図５】光源および光学素子の一部の第２の構成の断面部分図である。
【図６】光源および光学素子の一部の第３の構成の断面部分図である。
【図７】光源および光学素子の一部の第４の構成の断面部分図である。
【図８】光源および光学素子の一部の第５の構成の断面部分図である。
【図９】第１の実施例の光源の平面図である。
【図１０】第２の実施例の光源の断面図である。
【図１１】第３の実施例の光源の断面図である。
【図１２】第４の実施例の光源上の第１の実施例の光学素子の斜視図である。
【図１３】第２の実施例の光学素子の斜視図である。
【図１４】第５の実施例の光源上の第３の実施例の光学素子の斜視図である。
【図１５】第６の実施例の光源上の第４の実施例の光学素子の斜視図である。
【図１６】第７の実施例の光源上の第５の実施例の光学素子の斜視図である。
【図１７】第６の実施例の光学素子の斜視図である。
【図１８】第８の実施例の光源の斜視図である。
【図１９】第９の実施例の光源の斜視図である。
【図２０】第１０の実施例の光源の斜視図である。
【図２１】第１１の実施例の光源の斜視図である。
【図２２】Ａは第１２の実施例の光源の斜視図、Ｂはその平面図である。
【図２３】第１３の実施例の光源上の第７の実施例の光学素子の斜視図である。
【図２４】第１４の実施例の光源の斜視図である。
【図２５】第１５の実施例の光源の斜視図である。
【図２６】第１６の実施例の光源の斜視図である。
【図２７】第１７の実施例の光源の斜視図である。
【図２８】第１８の実施例の光源上の第８の実施例の光学素子の斜視図である。
【図２９】光源用ケーシングの第１の構成の斜視図である。
【図３０】光源用ケーシングの第２の構成の斜視図である。
【図３１】光源用ケーシングの第３の構成の斜視図である。
【図３２】光源用ケーシングの第４の構成の斜視図である。
【図３３】Ａは第９の実施例の光学素子の斜視図、Ｂは第１０の実施例の光学素子の斜視図、Ｃは第１９の実施例の光源上の第１１の実施例の光学素子の斜視図である。
【図３４】Ａは第１２の実施例の光学素子の斜視図、Ｂは第１３の実施例の光学素子の斜視図、Ｃは第１４の実施例の光学素子の斜視図、Ｄには第１５の実施例の光学素子の斜視図である。
【図３５】第２０の実施例の光源上の第１６の実施例の光学素子の斜視図である。
【図３６】第２１の実施例の光源上の第１７の実施例の光学素子の斜視図である。
【図３７】第１８の実施例の光学素子の斜視図である。
【図３８】第１９の実施例の光学素子の斜視図である。
【図３９】第２０の実施例の光学素子の斜視図である。
【図４０】図３９の光学素子の後方の光路および図３７の光学素子の後方の光路で測定された光強度と光軸までの距離との関係を表すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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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２０】
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【図２１】
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【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３Ａ】
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【図３３Ｂ】
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【図３３Ｃ】
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【図３４Ａ】
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【図３４Ｂ】
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【図３４Ｃ】
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【図３４Ｄ】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【国際調査報告】
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2008545997.tif 000052
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