(57)【要約】【課題】  本発明は、簡単で小型の構成により、複数の発光素子からの光の混色性を向上させるようにした、多色発光素子混色装置を提供することを目的とする。【解決手段】  複数の互いに発光色の異なる発光素子１２，１３，１４と、各発光素子からの出射光を一つの出射軸に導く三角プリズム１５と、を備えるように、多色発光素子混色装置１０を構成する。【選択図】        図１
2005158910.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の互いに発光色の異なる発光素子と、
各発光素子からの出射光を一つの出射軸に導く光学部材と、
を備えていることを特徴とする、多色発光素子混色装置。
【請求項２】
上記光学部材が、三角プリズムであって、
互いに隔置された各発光素子からの光を、出射光の波長による屈折角の差異に基づいて、一つの出射軸に導くことを特徴とする、請求項１に記載の多色発光素子混色装置。
【請求項３】
上記光学部材が、各発光素子からの光をそれぞれ全反射させる反射面を備えた複合プリズムであって、
各発光素子からの光を、それぞれ対応する反射面で反射させて、一つの出射軸に導くことを特徴とする、請求項１に記載の多色発光素子混色装置。
【請求項４】
上記複合プリズムが、各発光素子からの光をそれぞれ全反射させる内面を備えるように、出射軸に対して並んで配置された複数個の平行四辺形プリズムであることを特徴とする、請求項３に記載の多色発光素子混色装置。
【請求項５】
上記光学部材が、ダイクロイックプリズムであって、
各発光素子からの光を透過または反射させることにより、一つの出射軸に導くことを特徴とする、請求項１に記載の多色発光素子混色装置。
【請求項６】
上記光学部材が、回折格子であって、
互いに隔置された各発光素子からの光を、出射光の波長による回折角の差異に基づいて、一つの出射軸に導くことを特徴とする、請求項１に記載の多色発光素子混色装置。
【請求項７】
上記回折格子が、透過型回折格子であることを特徴とする、請求項６に記載の多色発光素子混色装置。
【請求項８】
上記回折格子が、反射型回折格子であることを特徴とする、請求項６に記載の多色発光素子混色装置。
【請求項９】
上記回折格子の出射軸付近に開口を有するアパーチャ部材を備えていることを特徴とする、請求項６から８の何れかに記載の多色発光素子混色装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、互いに異なる発光色の複数個の発光ダイオード，レーザー素子等の発光素子から出射する光を相互に混色して出射するようにした多色発光素子混色装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、このような多色発光素子混色装置は、例えば図８に示すように構成されている。
図８において、多色発光素子混色装置１は、所謂多色ＬＥＤとして構成されており、基板２の凹陥部２ａの底面にダイボンディングにより搭載された三つの発光ダイオード（以下、ＬＥＤという）チップ３，４，５と、基板２の凹陥部２ａ内に充填されたエポキシ樹脂等から成る樹脂モールド部６と、から構成されている。
【０００３】
そして、各ＬＥＤチップ３，４，５は、それぞれカソード電極３ａ，４ａ，５ａに対してワイヤボンディング（図示せず）により電気的に接続されていると共に、上記基板２の上面のＬＥＤ実装部がアノード電極２ｂに接続され、あるいは一体に形成されている。
【０００４】
さらに、各ＬＥＤチップ３，４，５は、それぞれ互いに異なる発光色、例えば赤色，緑色そして青色を発光するように、例えばＡｌＧａＩｎＰ系，ＧａＩｎＮ系そしてＧａＩｎＮ系に構成されている。
【０００５】
このような構成の多色発光素子混色装置１によれば、各ＬＥＤチップ３，４，５に対して電極３ａ，４ａ，５ａを介して駆動電圧が印加されることにより、それぞれ赤色光，緑色光及び青色光を出射する。
そして、各ＬＥＤチップ３，４，５からの光は、樹脂モールド６内で、そして樹脂モールド６から外部に出射した後にも、互いに混色されることにより、混色光として外部に照射されるようになっている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、このような構成の多色発光素子混色装置１においては、各ＬＥＤチップ３，４，５からの光の出射方向は、樹脂モールド部６によって一義的に決まってしまうと共に、各ＬＥＤチップ３，４，５の相互の間隔を所定値以下にすることは困難である。従って、各ＬＥＤチップ３，４，５からの光の混色性が損なわれてしまうことになる。
【０００７】
これに対して、上記混色性を改善するために、樹脂モールド部６内にシリカ等の拡散材を混入することがある。これにより、各ＬＥＤチップ３，４，５からの光を拡散材により拡散させて、相互の混色性を向上させるようにしている。
ところが、このような拡散材による光の散乱によって、ランバーシアン分布の指向性に近似することになり、出力が低下してしまうことになる。
【０００８】
また、各ＬＥＤチップ３，４，５からの光をそれぞれ光ファィバー内に導入して混色を実現する方法もある。
しかしながら、このような方法においては、各ＬＥＤ３，４，５と光ファィバーとの間にカップリングロスが発生し、また装置が大型化すると共に、光ファィバーの長さに制約があるような場合には利用することができない。      
【０００９】
さらに、各ＬＥＤチップ３，４，５からの光をレンズにより集光して、互いに混色させる方法も考えられるが、必要な焦点位置に対応して、レンズ径やレンズ位置を変更しなければならず、また装置が大型化してしまう。
【００１０】
そして、このような混色性の問題は、ＬＥＤチップの場合に限らず、他の形態のＬＥＤ素子や、さらにはレーザダイオード等の発光素子についても同様に存在するものである。
【００１１】
本発明は、以上の点から、簡単で小型の構成により、複数の発光素子からの光の混色性を向上させるようにした、多色発光素子混色装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的は、本発明によれば、複数の互いに発光色の異なる発光素子と、各発光素子からの出射光を一つの出射軸に導く光学部材と、を備えていることを特徴とする、多色発光素子混色装置により、達成される。
【００１３】
本発明による多色発光素子混色装置は、好ましくは、上記光学部材が、三角プリズムであって、互いに隔置された各発光素子からの光を、出射光の波長による屈折角の差異に基づいて、一つの出射軸に導くようになっている。      
【００１４】
本発明による多色発光素子混色装置は、好ましくは、上記光学部材が、各発光素子からの光をそれぞれ全反射させる反射面を備えた複合プリズムであって、各発光素子からの光を、それぞれ対応する反射面で反射させて、一つの出射軸に導くようになっている。
【００１５】
本発明による多色発光素子混色装置は、好ましくは、上記複合プリズムが、各発光素子からの光をそれぞれ全反射させる内面を備えるように、出射軸に対して並んで配置された複数個の平行四辺形プリズムである。
【００１６】
本発明による多色発光素子混色装置は、好ましくは、上記光学部材が、ダイクロイックプリズムであって、各発光素子からの光を透過または反射させることにより、一つの出射軸に導くようになっている。
【００１７】
本発明による多色発光素子混色装置は、好ましくは、上記光学部材が、回折格子であって、互いに隔置された各発光素子からの光を、出射光の波長による回折角の差異に基づいて、一つの出射軸に導くようになっている。
【００１８】
本発明による多色発光素子混色装置は、好ましくは、上記回折格子が、透過型回折格子である。
【００１９】
本発明による多色発光素子混色装置は、好ましくは、上記回折格子が、反射型回折格子である。
【００２０】
本発明による多色発光素子混色装置は、好ましくは、上記回折格子の出射軸付近に開口を有するアパーチャ部材を備えている。
【発明の効果】
【００２１】
上記構成によれば、各発光素子からの光を、光学部材によって光学的に一つの出射軸に導くようにしたから、各発光素子が互いに離れていても、各発光素子からの出射光の光軸が光学部材によって互いに整合され得ることになる。従って、簡単な構成によって、各発光素子からの光を散乱させたり、光ファィバーに導入するようなことなく、容易に良好な混色性を得ることができる。
【００２２】
上記光学部材が、三角プリズムであって、互いに隔置された各発光素子からの光を、出射光の波長による屈折角の差異に基づいて、一つの出射軸に導く場合には、各発光素子からの光が三角プリズムに入射し出射するときの屈折角の差異に基づいて、三角プリズムから出射するときに一つの出射軸に整合して出射することになる。これにより、容易に良好な混色性を得ることができる。
【００２３】
上記光学部材が、各発光素子からの光をそれぞれ全反射させる反射面を備えた複合プリズムであって、各発光素子からの光を、それぞれ対応する反射面で反射させて、一つの出射軸に導く場合には、各発光素子からの光が複合プリズムのそれぞれ対応する反射面で全反射されることにより、一つの出射軸に整合して出射することになる。これにより、容易に良好な混色性を得ることができる。
【００２４】
上記複合プリズムが、各発光素子からの光をそれぞれ全反射させる内面を備えるように、出射軸に対して並んで配置された複数個の平行四辺形プリズムである場合には、各発光素子からの光がそれぞれ対応する平行四辺形プリズムの内面で全反射されて、順次に各平行四辺形プリズムを透過して、最後の平行四辺形プリズムの出射軸に整合して出射することになる。これにより、容易に良好な混色性を得ることができる。
【００２５】
上記光学部材が、ダイクロイックプリズムであって、各発光素子からの光を透過または反射させることにより、一つの出射軸に導く場合には、各発光素子からの光が、ダイクロイックプリズムを透過し、またはダイクロイックプリズムの反射面で反射されることにより、ダイクロイックプリズムの一つの出射軸に整合して出射することになる。これにより、容易に良好な混色性を得ることができる。
【００２６】
上記光学部材が、回折格子、好ましくは透過型または反射型回折格子であって、互いに隔置された各発光素子からの光を、出射光の波長による回折角の差異に基づいて、一つの出射軸に導く場合には、各発光素子からの光が三角プリズムに入射し出射するときの回折角の差異に基づいて、三角プリズムから出射するときに一つの出射軸に整合して出射することになる。これにより、容易に良好な混色性を得ることができる。
【００２７】
上記回折格子の出射軸付近に開口を有するアパーチャ部材を備えている場合には、各発光素子からの光が回折格子により回折されたとき、所望の出射軸方向からそれた光をアパーチャ部材により遮断することによって、散乱光を排除することができる。
【００２８】
このようにして、本発明によれば、互いに発光色の異なる発光素子からの光を、光学部材によって一つの出射軸に導くことにより、各発光素子からの光の出射軸が光学的に互いに整合することになる。従って、各発光素子からの光を拡散させたり、光ファィバーに導入することなく、簡単で小型の構成によって、容易に高い混色性が得られることになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、この発明の好適な実施形態を図１乃至図７を参照しながら、詳細に説明する。
尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。
【実施例１】
【００３０】
図１は、本発明による多色発光素子混色装置の第一の実施形態の構成を示している。
図１において、多色発光素子混色装置１０は、基板１１上にて横方向に並んで配置された三つのＬＥＤチップ１２，１３，１４と、これらのＬＥＤチップ１２乃至１４に対して横方向に隣接して配置された三角プリズム１５と、から構成されている。
【００３１】
各ＬＥＤチップ１２，１３，１４は、公知の構成であって、それぞれ赤色光，緑色光及び青色光を出射するように構成されている。この場合、各ＬＥＤチップ１２乃至１４は、後述するように、左方から波長の長い順に配置されている。
上記三角プリズム１５は、断面が頂角θの二等辺三角形状に形成されており、一つの側面が上記基板１１の表面に当接し、長手軸が紙面に対して垂直に延びるように、配置されている。
尚、上記三角プリズム１５は、使用する光源即ち各ＬＥＤチップ１２乃至１４からの光に対して透明であればよく、透明ガラスや透明樹脂から形成されている。
【００３２】
そして、各ＬＥＤチップ１２，１３，１４から出射した光が、それぞれ三角プリズム１５の左側の側面（入射面）１５ａに入射して、三角プリズム１５の右側の側面（出射面）１５ｂから出射する。その際、各光は、その波長に基づいて、入射面１５ａ及び出射面１５ｂで屈折することにより、三角プリズム１５の出射面１５ｂにて、一つの水平な出射軸に整合して、三角プリズム１５から出射するようになっている。
【００３３】
ここで、上記出射光の三角プリズム１５の出射面１５ｂにおける出射位置の高さをｈとすると、出射光は、三角プリズム１５の出射面１５ｂをθ／２の出射角で出射することになる。
このとき、プリズム高さをＬ，入射光に対する屈折率をｎc とすると、各ＬＥＤチップ１２，１３，１４からの光の三角プリズム１５の入射面１５ａにおける入射位置、即ち水平方向入射位置ｘc ，垂直方向入射位置ｙc そして入射角ｉc ，プリズム入射角φは、次の四つの式（１）乃至（４）により表わされる。
（数式１）
（数式２）
（数式３）
（数式４）
ここで、ｃは、各ＬＥＤチップ１２，１３，１４の発光色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）である。
【００３４】
従って、各ＬＥＤチップ１２，１３，１４からの光を、それぞれ三角プリズム１５の入射面１５ａにて、それぞれ位置（ｘR ，ｙR ），（ｘG ，ｙG ）及び（ｘB ，ｙB ）にて、入射角ｉR ，ｉG 及びｉB で入射させることにより、各発光色の光は、それぞれ三角プリズム１５の出射面１５ｂにて高さｈの位置から出射角θ／２で出射することになる。
尚、各ＬＥＤチップ１２，１３，１４の水平方向位置は、それぞれ上記入射位置（ｘc ，ｙc ）と入射角ｉc により一義的に決まることになる。その際、波長が長いほど屈折角が大きくなることから、各ＬＥＤチップ１２，１３，１４は、波長の長い方から順次に三角プリズム１５に接近するように配置されることになる。
【００３５】
本発明実施形態による多色発光素子混色装置１０は、以上のように構成されており、各ＬＥＤチップ１２，１３，１４に対して駆動電圧が印加されることにより、各ＬＥＤチップ１２，１３，１４が発光して、それぞれ赤色光，緑色光及び青色光が出射する。
これにより、各光は、それぞれ式（１）及び（２）で表わされる入射位置で、三角プリズム１５の入射面１５ａに式（３）による入射角ｉc で入射して屈折され、三角プリズム１５内を透過して出射面１５ｂに達する。
【００３６】
そして、各光は、それぞれほぼ入射角φで三角プリズム１５の出射面１５ｂの高さｈの位置に対して内側から入射して屈折され、それぞれ出射面１５ｂから水平に延びる光軸に沿って出射することになる。
従って、各ＬＥＤチップ１２，１３，１４から出射した各色の光は、光学部材としての三角プリズム１５により、波長に基づいて屈折されることにより、一つの共通の出射軸に整合して、出射されることになる。これにより、各色の光は、それぞれ互いに良好に混色され得るので、混色性が向上することになる。
【００３７】
ここで、例えば各ＬＥＤチップ１２，１３，１４からの光の混色によって、図２に示す色度図において、各ＬＥＤチップ１２，１３，１４の発光光量を適宜に制御することによって、各ＬＥＤチップ１２，１３，１４からの光の色度を頂点とする三角形の内部の任意の色度の混色光を作成することが可能である。
即ち、赤色，緑色及び青色の各色の分光分布をそれぞれＲ（λ），Ｇ（λ）及びＢ（λ）として、混色光の総和をこれらに比例するものとすると、混色光の色度は、色度座標をｘ＝Ｘ／Ｓ，ｙ＝Ｙ／Ｓとして、以下の式（５），（６）及び（７）により与えられる。
（数式５）
（数式６）
（数式７）
ここで、Ｐ（λ）＝Ｒ（λ）＋Ｇ（λ）＋Ｂ（λ）であり、ｘ（λ），ｙ（λ）及びｚ（λ）は等色関数，ｋは比例定数，Ｓ＝Ｘ＋Ｙ＋Ｚである。
従って、ＲＧＢで表わされる各色度を頂点とする内部の色度を混色光によって実現することが可能である。
【００３８】
このようにして、本発明実施形態による多色発光素子混色装置１０によれば、光学部材として三角プリズム１５を使用することによって、簡単で小型に構成され得ると共に、容易に混色性を向上させることが可能である。
【実施例２】
【００３９】
図３は、本発明による多色発光素子混色装置の第二の実施形態の構成を示している。
図３において、多色発光素子混色装置２０は、基板２１上にて横方向に並んで配置された三つのＬＥＤチップ２２，２３，２４と、これらのＬＥＤチップ２２乃至２４の上方に配置された複合プリズム２５と、から構成されている。
【００４０】
各ＬＥＤチップ２２，２３，２４は、公知の構成であって、それぞれ赤色光，緑色光及び青色光を出射するように構成されている。尚、この実施形態では、各ＬＥＤチップ２２乃至２４は、順不同であって、任意の順に配置されていればよい。
【００４１】
上記複合プリズム２５は、各ＬＥＤチップ２２乃至２４に対応して、それぞれ上方に配置された三個の平行四辺形プリズム２５ａ，２５ｂ，２５ｃから構成されている。
各平行四辺形プリズム２５ａ，２５ｂ，２５ｃは、それぞれ同じ形状であって、断面が底角θの平行四辺形に形成されており、この底角θは、下方のＬＥＤチップ２２乃至２４から垂直に上方に向かって進む光が、各平行四辺形プリズム２５ａ，２５ｂ，２５ｃの斜めの内面で全反射されるように、即ち以下の式（８）による全反射条件を満たすように、選定されている。
（数式８）
ここで、φは平行四辺形プリズム２５ａ，２５ｂ，２５ｃの内面に対する入射角である。
【００４２】
そして、混色性をより高めるためには、底角θ及び入射角φは、好ましくは４５度に選定される。
尚、上記平行四辺形プリズム２５は、使用する光源即ち各ＬＥＤチップ２２乃至２４からの光に対して透明であればよく、透明ガラスや透明樹脂から形成されている。
【００４３】
また、図３による実施形態においては、最後の平行四辺形プリズム２５ｃからの出射軸を水平に変換するために、底角４５度の三角プリズム２６が配置されている。
ここで、各平行四辺形プリズム２５ａ乃至２５ｃ及び三角プリズム２６の互いに対向する斜面は、同じ傾斜角を有しており、互いに平行に位置している。
【００４４】
そして、各ＬＥＤチップ２２，２３，２４の水平方向位置は、各平行四辺形プリズム２５ａ，２５ｂ，２５ｃの間における傾斜した光軸によるずれがあっても、順次に各ＬＥＤチップ２２，２３，２４から対応する平行四辺形プリズム２５ａ，２５ｂ，２５ｃの内面で反射された光の光軸が一致するように、選定されている。
尚、図面では、各ＬＥＤチップ２２乃至２４からの光が、対応する平行四辺形プリズム２５ａ乃至２５ｃで反射された後、互いに光軸が僅かにずれるように表わされているが、これは各光を識別しやすくしたもので、実際には互いに光軸が重なり合うように、配置されている。
【００４５】
このような構成の多色発光素子混色装置２０によれば、各ＬＥＤチップ２２，２３，２４に対して駆動電圧が印加されることにより、各ＬＥＤチップ２２，２３，２４が発光して、それぞれ赤色光，緑色光及び青色光が出射する。
これにより、各光は、それぞれ上方に向かって垂直に進み、対応す平行四辺形プリズム２５ａ，２５ｂ，２５ｃの下面から垂直に入射して、傾斜した内面に達する。そして、各光は、この内面にて全反射され、図３にて右に向かって水平に進むことになる。
【００４６】
その際、ＬＥＤチップ２２から平行四辺形プリズム２５ａの内面で反射された光Ｌ１は、平行四辺形プリズム２５ａの右側の斜面で屈折されて出射した後、次の平行四辺形プリズム２５ｂに入射し、屈折する。このとき、平行四辺形プリズム２５ａの出射面と平行四辺形プリズム２５ｂの入射面が互いに平行であることから、平行四辺形プリズム２５ｂの入射面での屈折により、この光Ｌ１は、平行四辺形プリズム２５ｂ内で右に向かって水平に進むことになる。
【００４７】
ここで、ＬＥＤチップ２３から平行四辺形プリズム２５ｂの内面で反射された光Ｌ２は、上記光Ｌ１と光軸が重なった状態で、平行四辺形プリズム２５ｂの右側の斜面で屈折されて出射することになる。
同様にして、上記光Ｌ１及びＬ２は、平行四辺形プリズム２５ｂの出射面で屈折され、さらに最後の平行四辺形プリズム２５ｃの入射面で屈折されることにより、平行四辺形プリズム２５ｃ内を右に向かって水平に進むことになる。
【００４８】
そして、ＬＥＤチップ２４から平行四辺形プリズム２５ｃの内面で反射された光Ｌ３は、上記光Ｌ１及びＬ２と光軸が重なった状態で、平行四辺形プリズム２５ｃの右側の斜面で屈折されて出射することになる。
従って、最後の平行四辺形プリズム２５ｃの出射面で屈折されて出射した光Ｌ１，Ｌ２及びＬ３は、さらに三角プリズム２６の傾斜面２６ａに入射して屈折されて水平に進み、三角プリズム２６の内部を透過して、その垂直な出射面２６ｂから出射して、右に向かって水平に進むことになる。
【００４９】
このようにして、各ＬＥＤチップ２２，２３，２４から出射した各色の光は、光学部材としての複合プリズム２５により、それぞれ全反射されることにより、一つの共通の出射軸に整合して、出射されることになる。これにより、各色の光は、それぞれ互いに良好に混色され得るので、混色性が向上することになる。
【実施例３】
【００５０】
図４は、本発明による多色発光素子混色装置の第三の実施形態の構成を示している。
図４において、多色発光素子混色装置３０は、三つのＬＥＤチップ３１，３２，３３と、これらのＬＥＤチップ３１乃至３３の光を透過または反射させるように配置されたダイクロイックプリズム３４と、から構成されている。
【００５１】
各ＬＥＤチップ３１，３２，３３は、公知の構成であって、それぞれ赤色光，緑色光及び青色光を出射するように構成されている。
【００５２】
上記ダイクロイックプリズム３４は、図面にて右側に延びる出射軸に対して、同軸に左側に延びる第一の入射軸と、上下に直角に延びる第二及び第三の入射軸とを備えるように、出射軸に対して下向きに斜め４５度に延びる第一の波長選択性薄膜３４ａと、同様に出射軸に対して上向きに斜め４５度に延びる第二の波長選択性薄膜３４ｂとを備えている。
【００５３】
ここで、第一の波長選択性薄膜３４ａは、赤色光のみを反射させ、緑色光及び青色光を透過させる光学特性を備えている。
また、第二の波長選択性薄膜３４ｂは、青色光のみを反射させ、緑色光及び赤色光を透過させる光学特性を備えている。
これらの波長選択性薄膜３４ａ，３４ｂは、例えば酸化チタン，酸化ケイ素，酸化セリウム，酸化アルミニウム，フッ化マグネシウム等の多層薄膜から構成されており、所望の光学特性を備えるように各薄膜の膜厚が選定されている。
【００５４】
これに対して、各ＬＥＤチップ３１，３２，３３は、それぞれダイクロイックプリズム３４の下方，左方及び上方にて第二の光軸，第一の光軸そして第三の光軸上に配置されている。
【００５５】
このような構成の多色発光素子混色装置３０によれば、各ＬＥＤチップ３１，３２，３３に対して駆動電圧が印加されることにより、各ＬＥＤチップ３１，３２，３３が発光して、それぞれ赤色光，緑色光及び青色光が出射する。
これにより、ＬＥＤチップ３１からの赤色光は、ダイクロイックプリズム３４の下方から入射して、第一の波長選択性薄膜３４ａにより反射されて、右方の出射軸に導かれることになる。その際、赤色光は、第二の波長選択性薄膜３４ｂを透過するので、第一の波長選択性薄膜３４ａによる反射のみが有効である。
【００５６】
また、ＬＥＤチップ３２からの緑色光は、ダイクロイックプリズム３４の左方から入射して、第一の波長選択性薄膜３４ａ及び第二の波長選択性薄膜３４ｂを透過して、右方の出射軸に導かれることになる。
さらに、ＬＥＤチップ３３からの青色光は、ダイクロイックプリズム３４の上方から入射して、第二の波長選択性薄膜３４ｂにより反射されて、右方の出射軸に導かれることになる。その際、青色光は、第一の波長選択性薄膜３４ａを透過するので、第二の波長選択性薄膜３４ｂによる反射のみが有効である。
【００５７】
このようにして、各ＬＥＤチップ３１乃至３３からの光は、それぞれダイクロイックプリズム３４の右方の出射軸に導かれることになり、一つの共通の出射軸に整合して、出射されることになる。これにより、各色の光は、それぞれ互いに良好に混色され得るので、混色性が向上することになる。
【実施例４】
【００５８】
図５は、本発明による多色発光素子混色装置の第四の実施形態の構成を示している。
図５において、多色発光素子混色装置４０は、三つのＬＥＤチップ４１，４２，４３と、これらのＬＥＤチップ４１乃至４３に対して隣接して配置された回折格子４４と、アパーチャ部材４５と、から構成されている。
【００５９】
各ＬＥＤチップ４１，４２，４３は、公知の構成であって、それぞれ赤色光，緑色光及び青色光を出射するように構成されている。この場合、各ＬＥＤチップ４１乃至４３は、後述するように、上方から波長の長い順に配置されている。
上記回折格子４４は、格子間隔Ｄ１の反射型回折格子であって、例えばアルミニウム等の金属グレーティングまたは蒸着膜により構成されている。
ここで、回折格子４４に対して、波長λの光が入射角γ１で入射したとき、ｍを整数とすると、式（９）で与えられる出射角γ２の方向に一次回折反射光が出射されることになる。
（数式９）
従って、各ＬＥＤチップ４１乃至４３からの光の波長と、回折格子４４に対する入射角γ１に基づいて、格子間隔Ｄ１を適宜に設定することによって、各波長の光に対する出射角γ２を同じになるようにすることができる。
尚、二次以下の回折光は、アパーチャ部材４５により遮断されることにより、出射角γ２方向に出射しないようになっている。
【００６０】
そして、各ＬＥＤチップ４１乃至４３は、それぞれ出射光が回折格子４４の同じ位置に対して互いに異なる入射角γ１で入射して、それぞれ回折反射光が同じ出射角γ２で出射するように、その入射角γ１が選定されている。  その際、各ＬＥＤチップ４１乃至４３の位置は、それぞれ式（９）で与えられる上記入射角γ１により一義的に決まることになり、この入射角γ１は、波長が長いほど大きいことから、図５に示すように、上方から下方に向かって波長の長い方から順に、各ＬＥＤチップ４１乃至４３が配置されることになる。
【００６１】
このような構成の多色発光素子混色装置４０によれば、各ＬＥＤチップ４１，４２，４３に対して駆動電圧が印加されることにより、各ＬＥＤチップ４１，４２，４３が発光して、それぞれ赤色光，緑色光及び青色光が出射する。
これにより、各光は、回折格子４４の同じ位置に対して互いに異なる入射角γ１で入射する。
【００６２】
そして、各光は、回折格子４４にて、その入射角γ１及び波長そして格子間隔Ｄ１に基づいて、式（９）で決まる同じ出射角γ２で、回折反射光として出射することになる。
従って、各ＬＥＤチップ４１，４２，４３から出射した各色の光は、光学部材としての回折格子４４により、波長に基づいて回折・反射されることにより、一つの共通の出射軸に整合して、出射されることになる。これにより、各色の光は、それぞれ互いに良好に混色され得るので、混色性が向上することになる。
【実施例５】
【００６３】
図６は、本発明による多色発光素子混色装置の第五の実施形態の構成を示している。
図６において、多色発光素子混色装置５０は、三つのＬＥＤチップ５１，５２，５３と、これらのＬＥＤチップ５１乃至５３に対して隣接して配置された回折格子５４と、アパーチャ部材５５と、から構成されている。
【００６４】
各ＬＥＤチップ５１，５２，５３は、公知の構成であって、それぞれ赤色光，緑色光及び青色光を出射するように構成されている。この場合、各ＬＥＤチップ５１乃至５３は、後述するように、上方から波長の長い順に配置されている。
上記回折格子５４は、格子間隔Ｄ２の透過型回折格子であって、入光側の透明材料（屈折率ｎ１）の表面に形成された例えばアルミニウム等の金属グレーティングまたは蒸着膜により構成されている。
【００６５】
ここで、回折格子５４に対して、波長λの光が入射角θ１で入射したとき、大気の屈折率をｎ２とし、ｍを整数とすると、式（１０）で与えられる出射角θ２の方向に回折透過光が出射されることになる。
（数式１０）
従って、各ＬＥＤチップ５１乃至５３からの光の波長と、回折格子５４に対する入射角θ１に基づいて、格子間隔Ｄ２を適宜に設定することによって、各波長の光に対する回折透過光の出射角θ２を同じになるようにすることができる。
尚、この場合も同様にして、二次以下の回折光は、アパーチャ部材５５により遮断されることにより、出射角γ２の方向に出射しないようになっている。
【００６６】
そして、各ＬＥＤチップ５１乃至５３は、それぞれ出射光が回折格子５４の同じ位置に対して互いに異なる入射角θ１で入射して、それぞれ回折透過光が同じ出射角θ２で出射するように、その入射角θ１が選定されている。      
【００６７】
このような構成の多色発光素子混色装置５０によれば、各ＬＥＤチップ５１，５２，５３に対して駆動電圧が印加されることにより、各ＬＥＤチップ５１，５２，５３が発光して、それぞれ赤色光，緑色光及び青色光が出射する。
これにより、各光は、回折格子５４の同じ位置に対して互いに異なる入射角θ１で入射する。
【００６８】
そして、各光は、回折格子５４にて、その入射角θ１及び波長そして格子間隔Ｄ２に基づいて、式（１０）で決まる同じ出射角θ２で、回折透過光として出射することになる。
従って、各ＬＥＤチップ５１，５２，５３から出射した各色の光は、光学部材としての回折格子５４により、波長に基づいて回折・透過することにより、一つの共通の出射軸に整合して、出射されることになる。これにより、各色の光は、それぞれ互いに良好に混色され得るので、混色性が向上することになる。
【００６９】
上述した各実施形態による多色発光素子混色装置１０乃至５０においては、三つのＬＥＤチップからの赤色光，緑色光及び青色光の三色の混合による混色光を生成する場合について説明したが、二色または四色以上の光の混合によって混色光を得るようにしてもよい。
例えば二色の混合による混色光の場合には、例えば所謂ドミナント波長約５７５ｎｍのオレンジ光と、同じく４７０ｎｍの青色光をそれぞれ出射する二個のＬＥＤチップを使用したとき、各ＬＥＤチップの色度は、それぞれ図７の色度図において直線の両端Ａ，Ｂで示す位置となる。
従って、各色の分光分布をそれぞれＡ（λ），Ｂ（λ）として、混色光の総和をこれらに比例するものとすると、混色光の色度は、色度座標をｘ＝Ｘ／Ｓ，ｙ＝Ｙ／Ｓとして、以下の式（１１），（１２）及び（１３）により与えられる。
（数式１１）
（数式１２）
（数式１３）
ここで、Ｐ（λ）＝Ａ（λ）＋Ｂ（λ）であり、ｘ（λ），ｙ（λ）及びｚ（λ）は等色関数，ｋは比例定数，Ｓ＝Ｘ＋Ｙ＋Ｚである。
従って、直線ＡＢ上の色度を混色光によって実現することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
上述した実施形態においては、各ＬＥＤチップからの光を一つの出射軸に導くための光学部材として、三角プリズム１５，複合プリズム２５，ダイクロイックプリズム３４や回折格子４４，５４を使用しているが、これに限らず、各ＬＥＤチップからの光を一つの出射軸に導くことができれば、任意の他の構成の光学部材、例えば偏光素子等を使用することも可能である。
また、上述した実施形態においては、発光素子としてＬＥＤチップを使用した場合について説明したが、これに限らず、モールド型ＬＥＤ等の各種ＬＥＤや、レーザー素子を含む各種発光素子を光源として使用してもよいことは明らかである。
【００７１】
このようにして、本発明によれば、従来の樹脂モールドＬＥＤでは困難であった良好な混色性を得ることが可能となり、プリズム，回折格子等の光学部材を利用することによって、簡単で小型の構成により、各ＬＥＤチップからの光を良好に混色することが可能となる。
従って、本発明による多色発光素子混色装置により、例えば各種インジケータ，スキャナ用光源，卓上光源，各種スポットライト，舞台照明あるいは温度センサー用光源等の高い混色性が要求されるあらゆる光源として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明による多色発光素子混色装置の第一の実施形態の構成を示す概略図である。
【図２】図１の多色発光素子混色装置による各ＬＥＤチップからの出射光の混色を示す色度図である。
【図３】本発明による多色発光素子混色装置の第二の実施形態の構成を示す概略図である。
【図４】本発明による多色発光素子混色装置の第三の実施形態の構成を示す概略図である。
【図５】本発明による多色発光素子混色装置の第四の実施形態の構成を示す概略図である。
【図６】本発明による多色発光素子混色装置の第五の実施形態の構成を示す概略図である。
【図７】二色のＬＥＤチップによる混色を示す色度図である。
【図８】従来の多色ＬＥＤの構成を示す（Ａ）概略平面図及び（Ｂ）概略側面図である。
【符号の説明】
【００７３】
１０    多色発光素子混色装置
１１    基板
１２，１３，１４    ＬＥＤチップ
１５    三角プリズム（光学部材）
１５ａ  入射面
１５ｂ  出射面
２０    多色発光素子混色装置
２１    基板
２２，２３，２４    ＬＥＤチップ
２５    複合プリズム（光学部材）
２５ａ，２５ｂ，２５ｃ  平行四辺形プリズム
２６    三角プリズム
３０    多色発光素子混色装置
３１，３２，３３    ＬＥＤチップ
３４    ダイクロイックプリズム（光学部材）
３４ａ，３４ｂ  波長選択性薄膜
４０    多色発光素子混色装置
４１，４２，４３    ＬＥＤチップ
４４    反射型回折格子（光学部材）
５０    多色発光素子混色装置
５１，５２，５３    ＬＥＤチップ
５４    透過型回折格子（光学部材）
【図１】
2005158910.tif 000003
【図２】
2005158910.tif 000004
【図３】
2005158910.tif 000005
【図４】
2005158910.tif 000006
【図５】
2005158910.tif 000007
【図６】
2005158910.tif 000008
【図７】
2005158910.tif 000009
【図８】
2005158910.tif 000010
【図９】
2005158910.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成16年3月5日(2004.3.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、互いに異なる発光色の複数個の発光ダイオード，レーザー素子等の発光素子から出射する光を相互に混色して出射するようにした多色発光素子混色装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、このような多色発光素子混色装置は、例えば図８に示すように構成されている。
図８において、多色発光素子混色装置１は、所謂多色ＬＥＤとして構成されており、基板２の凹陥部２ａの底面にダイボンディングにより搭載された三つの発光ダイオード（以下、ＬＥＤという）チップ３，４，５と、基板２の凹陥部２ａ内に充填されたエポキシ樹脂等から成る樹脂モールド部６と、から構成されている。
【０００３】
そして、各ＬＥＤチップ３，４，５は、それぞれカソード電極３ａ，４ａ，５ａに対してワイヤボンディング（図示せず）により電気的に接続されていると共に、上記基板２の上面のＬＥＤ実装部がアノード電極２ｂに接続され、あるいは一体に形成されている。
【０００４】
さらに、各ＬＥＤチップ３，４，５は、それぞれ互いに異なる発光色、例えば赤色，緑色そして青色を発光するように、例えばＡｌＧａＩｎＰ系，ＧａＩｎＮ系そしてＧａＩｎＮ系に構成されている。
【０００５】
このような構成の多色発光素子混色装置１によれば、各ＬＥＤチップ３，４，５に対して電極３ａ，４ａ，５ａを介して駆動電圧が印加されることにより、それぞれ赤色光，緑色光及び青色光を出射する。
そして、各ＬＥＤチップ３，４，５からの光は、樹脂モールド６内で、そして樹脂モールド６から外部に出射した後にも、互いに混色されることにより、混色光として外部に照射されるようになっている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、このような構成の多色発光素子混色装置１においては、各ＬＥＤチップ３，４，５からの光の出射方向は、樹脂モールド部６によって一義的に決まってしまうと共に、各ＬＥＤチップ３，４，５の相互の間隔を所定値以下にすることは困難である。従って、各ＬＥＤチップ３，４，５からの光の混色性が損なわれてしまうことになる。
【０００７】
これに対して、上記混色性を改善するために、樹脂モールド部６内にシリカ等の拡散材を混入することがある。これにより、各ＬＥＤチップ３，４，５からの光を拡散材により拡散させて、相互の混色性を向上させるようにしている。
ところが、このような拡散材による光の散乱によって、ランバーシアン分布の指向性に近似することになり、出力が低下してしまうことになる。
【０００８】
また、各ＬＥＤチップ３，４，５からの光をそれぞれ光ファィバー内に導入して混色を実現する方法もある。
しかしながら、このような方法においては、各ＬＥＤ３，４，５と光ファィバーとの間にカップリングロスが発生し、また装置が大型化すると共に、光ファィバーの長さに制約があるような場合には利用することができない。      
【０００９】
さらに、各ＬＥＤチップ３，４，５からの光をレンズにより集光して、互いに混色させる方法も考えられるが、必要な焦点位置に対応して、レンズ径やレンズ位置を変更しなければならず、また装置が大型化してしまう。
【００１０】
そして、このような混色性の問題は、ＬＥＤチップの場合に限らず、他の形態のＬＥＤ素子や、さらにはレーザダイオード等の発光素子についても同様に存在するものである。
【００１１】
本発明は、以上の点から、簡単で小型の構成により、複数の発光素子からの光の混色性を向上させるようにした、多色発光素子混色装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的は、本発明によれば、複数の互いに発光色の異なる発光素子と、各発光素子からの出射光を一つの出射軸に導く光学部材と、を備えていることを特徴とする、多色発光素子混色装置により、達成される。
【００１３】
本発明による多色発光素子混色装置は、好ましくは、上記光学部材が、三角プリズムであって、互いに隔置された各発光素子からの光を、出射光の波長による屈折角の差異に基づいて、一つの出射軸に導くようになっている。      
【００１４】
本発明による多色発光素子混色装置は、好ましくは、上記光学部材が、各発光素子からの光をそれぞれ全反射させる反射面を備えた複合プリズムであって、各発光素子からの光を、それぞれ対応する反射面で反射させて、一つの出射軸に導くようになっている。
【００１５】
本発明による多色発光素子混色装置は、好ましくは、上記複合プリズムが、各発光素子からの光をそれぞれ全反射させる内面を備えるように、出射軸に対して並んで配置された複数個の平行四辺形プリズムである。
【００１６】
本発明による多色発光素子混色装置は、好ましくは、上記光学部材が、ダイクロイックプリズムであって、各発光素子からの光を透過または反射させることにより、一つの出射軸に導くようになっている。
【００１７】
本発明による多色発光素子混色装置は、好ましくは、上記光学部材が、回折格子であって、互いに隔置された各発光素子からの光を、出射光の波長による回折角の差異に基づいて、一つの出射軸に導くようになっている。
【００１８】
本発明による多色発光素子混色装置は、好ましくは、上記回折格子が、透過型回折格子である。
【００１９】
本発明による多色発光素子混色装置は、好ましくは、上記回折格子が、反射型回折格子である。
【００２０】
本発明による多色発光素子混色装置は、好ましくは、上記回折格子の出射軸付近に開口を有するアパーチャ部材を備えている。
【発明の効果】
【００２１】
上記構成によれば、各発光素子からの光を、光学部材によって光学的に一つの出射軸に導くようにしたから、各発光素子が互いに離れていても、各発光素子からの出射光の光軸が光学部材によって互いに整合され得ることになる。従って、簡単な構成によって、各発光素子からの光を散乱させたり、光ファィバーに導入するようなことなく、容易に良好な混色性を得ることができる。
【００２２】
上記光学部材が、三角プリズムであって、互いに隔置された各発光素子からの光を、出射光の波長による屈折角の差異に基づいて、一つの出射軸に導く場合には、各発光素子からの光が三角プリズムに入射し出射するときの屈折角の差異に基づいて、三角プリズムから出射するときに一つの出射軸に整合して出射することになる。これにより、容易に良好な混色性を得ることができる。
【００２３】
上記光学部材が、各発光素子からの光をそれぞれ全反射させる反射面を備えた複合プリズムであって、各発光素子からの光を、それぞれ対応する反射面で反射させて、一つの出射軸に導く場合には、各発光素子からの光が複合プリズムのそれぞれ対応する反射面で全反射されることにより、一つの出射軸に整合して出射することになる。これにより、容易に良好な混色性を得ることができる。
【００２４】
上記複合プリズムが、各発光素子からの光をそれぞれ全反射させる内面を備えるように、出射軸に対して並んで配置された複数個の平行四辺形プリズムである場合には、各発光素子からの光がそれぞれ対応する平行四辺形プリズムの内面で全反射されて、順次に各平行四辺形プリズムを透過して、最後の平行四辺形プリズムの出射軸に整合して出射することになる。これにより、容易に良好な混色性を得ることができる。
【００２５】
上記光学部材が、ダイクロイックプリズムであって、各発光素子からの光を透過または反射させることにより、一つの出射軸に導く場合には、各発光素子からの光が、ダイクロイックプリズムを透過し、またはダイクロイックプリズムの反射面で反射されることにより、ダイクロイックプリズムの一つの出射軸に整合して出射することになる。これにより、容易に良好な混色性を得ることができる。
【００２６】
上記光学部材が、回折格子、好ましくは透過型または反射型回折格子であって、互いに隔置された各発光素子からの光を、出射光の波長による回折角の差異に基づいて、一つの出射軸に導く場合には、各発光素子からの光が三角プリズムに入射し出射するときの回折角の差異に基づいて、三角プリズムから出射するときに一つの出射軸に整合して出射することになる。これにより、容易に良好な混色性を得ることができる。
【００２７】
上記回折格子の出射軸付近に開口を有するアパーチャ部材を備えている場合には、各発光素子からの光が回折格子により回折されたとき、所望の出射軸方向からそれた光をアパーチャ部材により遮断することによって、散乱光を排除することができる。
【００２８】
このようにして、本発明によれば、互いに発光色の異なる発光素子からの光を、光学部材によって一つの出射軸に導くことにより、各発光素子からの光の出射軸が光学的に互いに整合することになる。従って、各発光素子からの光を拡散させたり、光ファィバーに導入することなく、簡単で小型の構成によって、容易に高い混色性が得られることになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、この発明の好適な実施形態を図１乃至図７を参照しながら、詳細に説明する。
尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。
【実施例１】
【００３０】
図１は、本発明による多色発光素子混色装置の第一の実施形態の構成を示している。
図１において、多色発光素子混色装置１０は、基板１１上にて横方向に並んで配置された三つのＬＥＤチップ１２，１３，１４と、これらのＬＥＤチップ１２乃至１４に対して横方向に隣接して配置された三角プリズム１５と、から構成されている。
【００３１】
各ＬＥＤチップ１２，１３，１４は、公知の構成であって、それぞれ赤色光，緑色光及び青色光を出射するように構成されている。この場合、各ＬＥＤチップ１２乃至１４は、後述するように、左方から波長の長い順に配置されている。
上記三角プリズム１５は、断面が頂角θの二等辺三角形状に形成されており、一つの側面が上記基板１１の表面に当接し、長手軸が紙面に対して垂直に延びるように、配置されている。
尚、上記三角プリズム１５は、使用する光源即ち各ＬＥＤチップ１２乃至１４からの光に対して透明であればよく、透明ガラスや透明樹脂から形成されている。
【００３２】
そして、各ＬＥＤチップ１２，１３，１４から出射した光が、それぞれ三角プリズム１５の左側の側面（入射面）１５ａに入射して、三角プリズム１５の右側の側面（出射面）１５ｂから出射する。その際、各光は、その波長に基づいて、入射面１５ａ及び出射面１５ｂで屈折することにより、三角プリズム１５の出射面１５ｂにて、一つの水平な出射軸に整合して、三角プリズム１５から出射するようになっている。
【００３３】
ここで、上記出射光の三角プリズム１５の出射面１５ｂにおける出射位置の高さをｈとすると、出射光は、三角プリズム１５の出射面１５ｂをθ／２の出射角で出射することになる。
このとき、プリズム高さをＬ，入射光に対する屈折率をｎc とすると、各ＬＥＤチップ１２，１３，１４からの光の三角プリズム１５の入射面１５ａにおける入射位置、即ち水平方向入射位置ｘc ，垂直方向入射位置ｙc そして入射角ｉc ，プリズム入射角φは、次の四つの式（１）乃至（４）により表わされる。
（数式１）
（数式２）
（数式３）
（数式４）
ここで、ｃは、各ＬＥＤチップ１２，１３，１４の発光色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）である。
【００３４】
従って、各ＬＥＤチップ１２，１３，１４からの光を、それぞれ三角プリズム１５の入射面１５ａにて、それぞれ位置（ｘR ，ｙR ），（ｘG ，ｙG ）及び（ｘB ，ｙB ）にて、入射角ｉR ，ｉG 及びｉB で入射させることにより、各発光色の光は、それぞれ三角プリズム１５の出射面１５ｂにて高さｈの位置から出射角θ／２で出射することになる。
尚、各ＬＥＤチップ１２，１３，１４の水平方向位置は、それぞれ上記入射位置（ｘc ，ｙc ）と入射角ｉc により一義的に決まることになる。その際、波長が長いほど屈折角が大きくなることから、各ＬＥＤチップ１２，１３，１４は、波長の長い方から順次に三角プリズム１５に接近するように配置されることになる。
【００３５】
本発明実施形態による多色発光素子混色装置１０は、以上のように構成されており、各ＬＥＤチップ１２，１３，１４に対して駆動電圧が印加されることにより、各ＬＥＤチップ１２，１３，１４が発光して、それぞれ赤色光，緑色光及び青色光が出射する。
これにより、各光は、それぞれ式（１）及び（２）で表わされる入射位置で、三角プリズム１５の入射面１５ａに式（３）による入射角ｉc で入射して屈折され、三角プリズム１５内を透過して出射面１５ｂに達する。
【００３６】
そして、各光は、それぞれほぼ入射角φで三角プリズム１５の出射面１５ｂの高さｈの位置に対して内側から入射して屈折され、それぞれ出射面１５ｂから水平に延びる光軸に沿って出射することになる。
従って、各ＬＥＤチップ１２，１３，１４から出射した各色の光は、光学部材としての三角プリズム１５により、波長に基づいて屈折されることにより、一つの共通の出射軸に整合して、出射されることになる。これにより、各色の光は、それぞれ互いに良好に混色され得るので、混色性が向上することになる。
【００３７】
ここで、例えば各ＬＥＤチップ１２，１３，１４からの光の混色によって、図２に示す色度図において、各ＬＥＤチップ１２，１３，１４の発光光量を適宜に制御することによって、各ＬＥＤチップ１２，１３，１４からの光の色度を頂点とする三角形の内部の任意の色度の混色光を作成することが可能である。
即ち、赤色，緑色及び青色の各色の分光分布をそれぞれＲ（λ），Ｇ（λ）及びＢ（λ）として、混色光の総和をこれらに比例するものとすると、混色光の色度は、色度座標をｘ＝Ｘ／Ｓ，ｙ＝Ｙ／Ｓとして、以下の式（５），（６）及び（７）により与えられる。
（数式５）
（数式６）
（数式７）
ここで、Ｐ（λ）＝Ｒ（λ）＋Ｇ（λ）＋Ｂ（λ）であり、ｘ（λ），ｙ（λ）及びｚ（λ）は等色関数，ｋは比例定数，Ｓ＝Ｘ＋Ｙ＋Ｚである。
従って、ＲＧＢで表わされる各色度を頂点とする内部の色度を混色光によって実現することが可能である。
【００３８】
このようにして、本発明実施形態による多色発光素子混色装置１０によれば、光学部材として三角プリズム１５を使用することによって、簡単で小型に構成され得ると共に、容易に混色性を向上させることが可能である。
【実施例２】
【００３９】
図３は、本発明による多色発光素子混色装置の第二の実施形態の構成を示している。
図３において、多色発光素子混色装置２０は、基板２１上にて横方向に並んで配置された三つのＬＥＤチップ２２，２３，２４と、これらのＬＥＤチップ２２乃至２４の上方に配置された複合プリズム２５と、から構成されている。
【００４０】
各ＬＥＤチップ２２，２３，２４は、公知の構成であって、それぞれ赤色光，緑色光及び青色光を出射するように構成されている。尚、この実施形態では、各ＬＥＤチップ２２乃至２４は、順不同であって、任意の順に配置されていればよい。
【００４１】
上記複合プリズム２５は、各ＬＥＤチップ２２乃至２４に対応して、それぞれ上方に配置された三個の平行四辺形プリズム２５ａ，２５ｂ，２５ｃから構成されている。
各平行四辺形プリズム２５ａ，２５ｂ，２５ｃは、それぞれ同じ形状であって、断面が底角θの平行四辺形に形成されており、この底角θは、下方のＬＥＤチップ２２乃至２４から垂直に上方に向かって進む光が、各平行四辺形プリズム２５ａ，２５ｂ，２５ｃの斜めの内面で全反射されるように、即ち以下の式（８）による全反射条件を満たすように、選定されている。
（数式８）
ここで、φは平行四辺形プリズム２５ａ，２５ｂ，２５ｃの内面に対する入射角である。
【００４２】
そして、混色性をより高めるためには、底角θ及び入射角φは、好ましくは４５度に選定される。
尚、上記平行四辺形プリズム２５は、使用する光源即ち各ＬＥＤチップ２２乃至２４からの光に対して透明であればよく、透明ガラスや透明樹脂から形成されている。
【００４３】
また、図３による実施形態においては、最後の平行四辺形プリズム２５ｃからの出射軸を水平に変換するために、底角４５度の三角プリズム２６が配置されている。
ここで、各平行四辺形プリズム２５ａ乃至２５ｃ及び三角プリズム２６の互いに対向する斜面は、同じ傾斜角を有しており、互いに平行に位置している。
【００４４】
そして、各ＬＥＤチップ２２，２３，２４の水平方向位置は、各平行四辺形プリズム２５ａ，２５ｂ，２５ｃの間における傾斜した光軸によるずれがあっても、順次に各ＬＥＤチップ２２，２３，２４から対応する平行四辺形プリズム２５ａ，２５ｂ，２５ｃの内面で反射された光の光軸が一致するように、選定されている。
尚、図面では、各ＬＥＤチップ２２乃至２４からの光が、対応する平行四辺形プリズム２５ａ乃至２５ｃで反射された後、互いに光軸が僅かにずれるように表わされているが、これは各光を識別しやすくしたもので、実際には互いに光軸が重なり合うように、配置されている。
【００４５】
このような構成の多色発光素子混色装置２０によれば、各ＬＥＤチップ２２，２３，２４に対して駆動電圧が印加されることにより、各ＬＥＤチップ２２，２３，２４が発光して、それぞれ赤色光，緑色光及び青色光が出射する。
これにより、各光は、それぞれ上方に向かって垂直に進み、対応す平行四辺形プリズム２５ａ，２５ｂ，２５ｃの下面から垂直に入射して、傾斜した内面に達する。そして、各光は、この内面にて全反射され、図３にて右に向かって水平に進むことになる。
【００４６】
その際、ＬＥＤチップ２２から平行四辺形プリズム２５ａの内面で反射された光Ｌ１は、平行四辺形プリズム２５ａの右側の斜面で屈折されて出射した後、次の平行四辺形プリズム２５ｂに入射し、屈折する。このとき、平行四辺形プリズム２５ａの出射面と平行四辺形プリズム２５ｂの入射面が互いに平行であることから、平行四辺形プリズム２５ｂの入射面での屈折により、この光Ｌ１は、平行四辺形プリズム２５ｂ内で右に向かって水平に進むことになる。
【００４７】
ここで、ＬＥＤチップ２３から平行四辺形プリズム２５ｂの内面で反射された光Ｌ２は、上記光Ｌ１と光軸が重なった状態で、平行四辺形プリズム２５ｂの右側の斜面で屈折されて出射することになる。
同様にして、上記光Ｌ１及びＬ２は、平行四辺形プリズム２５ｂの出射面で屈折され、さらに最後の平行四辺形プリズム２５ｃの入射面で屈折されることにより、平行四辺形プリズム２５ｃ内を右に向かって水平に進むことになる。
【００４８】
そして、ＬＥＤチップ２４から平行四辺形プリズム２５ｃの内面で反射された光Ｌ３は、上記光Ｌ１及びＬ２と光軸が重なった状態で、平行四辺形プリズム２５ｃの右側の斜面で屈折されて出射することになる。
従って、最後の平行四辺形プリズム２５ｃの出射面で屈折されて出射した光Ｌ１，Ｌ２及びＬ３は、さらに三角プリズム２６の傾斜面２６ａに入射して屈折されて水平に進み、三角プリズム２６の内部を透過して、その垂直な出射面２６ｂから出射して、右に向かって水平に進むことになる。
【００４９】
このようにして、各ＬＥＤチップ２２，２３，２４から出射した各色の光は、光学部材としての複合プリズム２５により、それぞれ全反射されることにより、一つの共通の出射軸に整合して、出射されることになる。これにより、各色の光は、それぞれ互いに良好に混色され得るので、混色性が向上することになる。
【実施例３】
【００５０】
図４は、本発明による多色発光素子混色装置の第三の実施形態の構成を示している。
図４において、多色発光素子混色装置３０は、三つのＬＥＤチップ３１，３２，３３と、これらのＬＥＤチップ３１乃至３３の光を透過または反射させるように配置されたダイクロイックプリズム３４と、から構成されている。
【００５１】
各ＬＥＤチップ３１，３２，３３は、公知の構成であって、それぞれ赤色光，緑色光及び青色光を出射するように構成されている。
【００５２】
上記ダイクロイックプリズム３４は、図面にて右側に延びる出射軸に対して、同軸に左側に延びる第一の入射軸と、上下に直角に延びる第二及び第三の入射軸とを備えるように、出射軸に対して下向きに斜め４５度に延びる第一の波長選択性薄膜３４ａと、同様に出射軸に対して上向きに斜め４５度に延びる第二の波長選択性薄膜３４ｂとを備えている。
【００５３】
ここで、第一の波長選択性薄膜３４ａは、赤色光のみを反射させ、緑色光及び青色光を透過させる光学特性を備えている。
また、第二の波長選択性薄膜３４ｂは、青色光のみを反射させ、緑色光及び赤色光を透過させる光学特性を備えている。
これらの波長選択性薄膜３４ａ，３４ｂは、例えば酸化チタン，酸化ケイ素，酸化セリウム，酸化アルミニウム，フッ化マグネシウム等の多層薄膜から構成されており、所望の光学特性を備えるように各薄膜の膜厚が選定されている。
【００５４】
これに対して、各ＬＥＤチップ３１，３２，３３は、それぞれダイクロイックプリズム３４の下方，左方及び上方にて第二の光軸，第一の光軸そして第三の光軸上に配置されている。
【００５５】
このような構成の多色発光素子混色装置３０によれば、各ＬＥＤチップ３１，３２，３３に対して駆動電圧が印加されることにより、各ＬＥＤチップ３１，３２，３３が発光して、それぞれ赤色光，緑色光及び青色光が出射する。
これにより、ＬＥＤチップ３１からの赤色光は、ダイクロイックプリズム３４の下方から入射して、第一の波長選択性薄膜３４ａにより反射されて、右方の出射軸に導かれることになる。その際、赤色光は、第二の波長選択性薄膜３４ｂを透過するので、第一の波長選択性薄膜３４ａによる反射のみが有効である。
【００５６】
また、ＬＥＤチップ３２からの緑色光は、ダイクロイックプリズム３４の左方から入射して、第一の波長選択性薄膜３４ａ及び第二の波長選択性薄膜３４ｂを透過して、右方の出射軸に導かれることになる。
さらに、ＬＥＤチップ３３からの青色光は、ダイクロイックプリズム３４の上方から入射して、第二の波長選択性薄膜３４ｂにより反射されて、右方の出射軸に導かれることになる。その際、青色光は、第一の波長選択性薄膜３４ａを透過するので、第二の波長選択性薄膜３４ｂによる反射のみが有効である。
【００５７】
このようにして、各ＬＥＤチップ３１乃至３３からの光は、それぞれダイクロイックプリズム３４の右方の出射軸に導かれることになり、一つの共通の出射軸に整合して、出射されることになる。これにより、各色の光は、それぞれ互いに良好に混色され得るので、混色性が向上することになる。
【実施例４】
【００５８】
図５は、本発明による多色発光素子混色装置の第四の実施形態の構成を示している。
図５において、多色発光素子混色装置４０は、三つのＬＥＤチップ４１，４２，４３と、これらのＬＥＤチップ４１乃至４３に対して隣接して配置された回折格子４４と、アパーチャ部材４５と、から構成されている。
【００５９】
各ＬＥＤチップ４１，４２，４３は、公知の構成であって、それぞれ赤色光，緑色光及び青色光を出射するように構成されている。この場合、各ＬＥＤチップ４１乃至４３は、後述するように、上方から波長の長い順に配置されている。
上記回折格子４４は、格子間隔Ｄ１の反射型回折格子であって、例えばアルミニウム等の金属グレーティングまたは蒸着膜により構成されている。
ここで、回折格子４４に対して、波長λの光が入射角γ１で入射したとき、ｍを整数とすると、式（９）で与えられる出射角γ２の方向に一次回折反射光が出射されることになる。
（数式９）
従って、各ＬＥＤチップ４１乃至４３からの光の波長と、回折格子４４に対する入射角γ１に基づいて、格子間隔Ｄ１を適宜に設定することによって、各波長の光に対する出射角γ２を同じになるようにすることができる。
尚、二次以下の回折光は、アパーチャ部材４５により遮断されることにより、出射角γ２方向に出射しないようになっている。
【００６０】
そして、各ＬＥＤチップ４１乃至４３は、それぞれ出射光が回折格子４４の同じ位置に対して互いに異なる入射角γ１で入射して、それぞれ回折反射光が同じ出射角γ２で出射するように、その入射角γ１が選定されている。  その際、各ＬＥＤチップ４１乃至４３の位置は、それぞれ式（９）で与えられる上記入射角γ１により一義的に決まることになり、この入射角γ１は、波長が長いほど大きいことから、図５に示すように、上方から下方に向かって波長の長い方から順に、各ＬＥＤチップ４１乃至４３が配置されることになる。
【００６１】
このような構成の多色発光素子混色装置４０によれば、各ＬＥＤチップ４１，４２，４３に対して駆動電圧が印加されることにより、各ＬＥＤチップ４１，４２，４３が発光して、それぞれ赤色光，緑色光及び青色光が出射する。
これにより、各光は、回折格子４４の同じ位置に対して互いに異なる入射角γ１で入射する。
【００６２】
そして、各光は、回折格子４４にて、その入射角γ１及び波長そして格子間隔Ｄ１に基づいて、式（９）で決まる同じ出射角γ２で、回折反射光として出射することになる。
従って、各ＬＥＤチップ４１，４２，４３から出射した各色の光は、光学部材としての回折格子４４により、波長に基づいて回折・反射されることにより、一つの共通の出射軸に整合して、出射されることになる。これにより、各色の光は、それぞれ互いに良好に混色され得るので、混色性が向上することになる。
【実施例５】
【００６３】
図６は、本発明による多色発光素子混色装置の第五の実施形態の構成を示している。
図６において、多色発光素子混色装置５０は、三つのＬＥＤチップ５１，５２，５３と、これらのＬＥＤチップ５１乃至５３に対して隣接して配置された回折格子５４と、アパーチャ部材５５と、から構成されている。
【００６４】
各ＬＥＤチップ５１，５２，５３は、公知の構成であって、それぞれ赤色光，緑色光及び青色光を出射するように構成されている。この場合、各ＬＥＤチップ５１乃至５３は、後述するように、上方から波長の長い順に配置されている。
上記回折格子５４は、格子間隔Ｄ２の透過型回折格子であって、入光側の透明材料（屈折率ｎ１）の表面に形成された例えばアルミニウム等の金属グレーティングまたは蒸着膜により構成されている。
【００６５】
ここで、回折格子５４に対して、波長λの光が入射角θ１で入射したとき、大気の屈折率をｎ２とし、ｍを整数とすると、式（１０）で与えられる出射角θ２の方向に回折透過光が出射されることになる。
（数式１０）
従って、各ＬＥＤチップ５１乃至５３からの光の波長と、回折格子５４に対する入射角θ１に基づいて、格子間隔Ｄ２を適宜に設定することによって、各波長の光に対する回折透過光の出射角θ２を同じになるようにすることができる。
尚、この場合も同様にして、二次以下の回折光は、アパーチャ部材５５により遮断されることにより、出射角γ２の方向に出射しないようになっている。
【００６６】
そして、各ＬＥＤチップ５１乃至５３は、それぞれ出射光が回折格子５４の同じ位置に対して互いに異なる入射角θ１で入射して、それぞれ回折透過光が同じ出射角θ２で出射するように、その入射角θ１が選定されている。      
【００６７】
このような構成の多色発光素子混色装置５０によれば、各ＬＥＤチップ５１，５２，５３に対して駆動電圧が印加されることにより、各ＬＥＤチップ５１，５２，５３が発光して、それぞれ赤色光，緑色光及び青色光が出射する。
これにより、各光は、回折格子５４の同じ位置に対して互いに異なる入射角θ１で入射する。
【００６８】
そして、各光は、回折格子５４にて、その入射角θ１及び波長そして格子間隔Ｄ２に基づいて、式（１０）で決まる同じ出射角θ２で、回折透過光として出射することになる。
従って、各ＬＥＤチップ５１，５２，５３から出射した各色の光は、光学部材としての回折格子５４により、波長に基づいて回折・透過することにより、一つの共通の出射軸に整合して、出射されることになる。これにより、各色の光は、それぞれ互いに良好に混色され得るので、混色性が向上することになる。
【００６９】
上述した各実施形態による多色発光素子混色装置１０乃至５０においては、三つのＬＥＤチップからの赤色光，緑色光及び青色光の三色の混合による混色光を生成する場合について説明したが、二色または四色以上の光の混合によって混色光を得るようにしてもよい。
例えば二色の混合による混色光の場合には、例えば所謂ドミナント波長約５７５ｎｍのオレンジ光と、同じく４７０ｎｍの青色光をそれぞれ出射する二個のＬＥＤチップを使用したとき、各ＬＥＤチップの色度は、それぞれ図７の色度図において直線の両端Ａ，Ｂで示す位置となる。
従って、各色の分光分布をそれぞれＡ（λ），Ｂ（λ）として、混色光の総和をこれらに比例するものとすると、混色光の色度は、色度座標をｘ＝Ｘ／Ｓ，ｙ＝Ｙ／Ｓとして、以下の式（１１），（１２）及び（１３）により与えられる。
（数式１１）
（数式１２）
（数式１３）
ここで、Ｐ（λ）＝Ａ（λ）＋Ｂ（λ）であり、ｘ（λ），ｙ（λ）及びｚ（λ）は等色関数，ｋは比例定数，Ｓ＝Ｘ＋Ｙ＋Ｚである。
従って、直線ＡＢ上の色度を混色光によって実現することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
上述した実施形態においては、各ＬＥＤチップからの光を一つの出射軸に導くための光学部材として、三角プリズム１５，複合プリズム２５，ダイクロイックプリズム３４や回折格子４４，５４を使用しているが、これに限らず、各ＬＥＤチップからの光を一つの出射軸に導くことができれば、任意の他の構成の光学部材、例えば偏光素子等を使用することも可能である。
また、上述した実施形態においては、発光素子としてＬＥＤチップを使用した場合について説明したが、これに限らず、モールド型ＬＥＤ等の各種ＬＥＤや、レーザー素子を含む各種発光素子を光源として使用してもよいことは明らかである。
【００７１】
このようにして、本発明によれば、従来の樹脂モールドＬＥＤでは困難であった良好な混色性を得ることが可能となり、プリズム，回折格子等の光学部材を利用することによって、簡単で小型の構成により、各ＬＥＤチップからの光を良好に混色することが可能となる。
従って、本発明による多色発光素子混色装置により、例えば各種インジケータ，スキャナ用光源，卓上光源，各種スポットライト，舞台照明あるいは温度センサー用光源等の高い混色性が要求されるあらゆる光源として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明による多色発光素子混色装置の第一の実施形態の構成を示す概略図である。
【図２】図１の多色発光素子混色装置による各ＬＥＤチップからの出射光の混色を示す色度図である。
【図３】本発明による多色発光素子混色装置の第二の実施形態の構成を示す概略図である。
【図４】本発明による多色発光素子混色装置の第三の実施形態の構成を示す概略図である。
【図５】本発明による多色発光素子混色装置の第四の実施形態の構成を示す概略図である。
【図６】本発明による多色発光素子混色装置の第五の実施形態の構成を示す概略図である。
【図７】二色のＬＥＤチップによる混色を示す色度図である。
【図８】従来の多色ＬＥＤの構成を示す（Ａ）概略平面図及び（Ｂ）概略側面図である。
【符号の説明】
【００７３】
１０    多色発光素子混色装置
１１    基板
１２，１３，１４    ＬＥＤチップ
１５    三角プリズム（光学部材）
１５ａ  入射面
１５ｂ  出射面
２０    多色発光素子混色装置
２１    基板
２２，２３，２４    ＬＥＤチップ
２５    複合プリズム（光学部材）
２５ａ，２５ｂ，２５ｃ  平行四辺形プリズム
２６    三角プリズム
３０    多色発光素子混色装置
３１，３２，３３    ＬＥＤチップ
３４    ダイクロイックプリズム（光学部材）
３４ａ，３４ｂ  波長選択性薄膜
４０    多色発光素子混色装置
４１，４２，４３    ＬＥＤチップ
４４    反射型回折格子（光学部材）
５０    多色発光素子混色装置
５１，５２，５３    ＬＥＤチップ
５４    透過型回折格子（光学部材）
【数１】
2005158910.tif 000012
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図９
【補正方法】削除
【補正の内容】