(57)【要約】      （修正有）【課題】ＬＥＤを使用し且つ高放射輝度用途で使用されるのに十分な放射輝度を達成する光学システムを提供すること。【解決手段】  発光素子は、発光ダイオード（「ＬＥＤ」）、複合放物面集光器などの集光器要素、及び蛍光体などの波長変換材料を含む。集光器要素は、ＬＥＤから光を受光して入口面より小さい出口面からその光を放出する。波長変換材料は、例えば、出口面を覆って配置される。ＬＥＤの放射輝度は、波長変換材料による等方性再放出光に拘わらず、保持又は増大される。１つの実施形態では、偏光ＬＥＤからの偏光は、マイクロディスプレイなどの偏光光学システムに供給される。別の実施形態では、２つの偏光ＬＥＤからの直交する偏光は、例えば、偏光ビームスプリッタを介して結合され、マイクロディスプレイなどの非偏光光学システムに供給される。また、集光器要素は、ビームスプリッタとマイクロディスプレイとの間に配置することができる。【選択図】図２Ｂ
2005328042.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
順方向バイアスされたときに第１の偏光方位に沿って少なくとも５０％偏光された光を放出するように構成された、ｎ型領域とｐ型領域との間に挟まれた活性領域を含むエピタキシャル構造を有する第１の発光ダイオードと、
前記第１の発光ダイオードから前記活性領域によって放出された光の経路内に配置されるマイクロディスプレイと
を備えるシステム。
【請求項２】
前記活性領域は、少なくとも８０％偏光される光を放出するように構成されることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記活性領域は、
2005328042.tif 000024
ＩｎＧａＮの少なくとも１つの層を備えることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記活性領域は、
2005328042.tif 000025
ＩｎＧａＮの少なくとも１つの層を備えることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記マイクロディスプレイは、偏光マイクロディスプレイであることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
順方向バイアスされたときに第２の偏光方位に沿って少なくとも５０％偏光される光を放出するように構成される、ｎ型領域とｐ型領域との間に挟まれた活性領域を備えるエピタキシャル構造を有する第２の発光ダイオードと、
前記第１の発光ダイオードによって放出された第１の偏光方位を有する前記光、及び前記第２の発光ダイオードによって放出された第２の偏光方位の光の経路内に配置された偏光ビームスプリッタと、
を更に備え、
前記偏光ビームスプリッタは、第１の偏光方位を有する前記光と第２の偏光方位を有する前記光とを結合し、前記マイクロディスプレイは、前記偏光ビームスプリッタによって結合された後に、第１の偏光方位を有する前記光と第２の偏光方位を有する前記光とを受光することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記第１の偏光方位は、前記第２の偏光方位と直交することを特徴とする請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記偏光ビームスプリッタは、第１の入口面と、第２の入口面と、出口面とを有し、前記第１の発光ダイオードは前記第１の入口面と結合され、前記第２の発光ダイオードは前記第２の入口面と結合され、前記システムは更に、
前記偏光ビームスプリッタの出口面に結合された入口面を有する集光器部材であって、前記集光器部材の入口面よりも面積が小さい出口面を有し、前記ビームスプリッタからの光は、前記入口面を介して前記集光器部材に入り、前記集光器部材の出口面から放出される集光器部材と、
前記集光器部材に結合された波長変換素子と、
を備えることを特徴とする請求項６に記載のシステム。
【請求項９】
前記入口面を介して前記集光器部材に入る前記光の半分より多くは、前記集光器要素の出口面を介して放出されることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記集光器部材は、複合放物面集光器であることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
【請求項１１】
前記集光器部材は、前記偏光ビームスプリッタに結合され、前記出口面を定める反射面を有する透明素子を備えることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
【請求項１２】
前記反射面は、前記透明部材の一部の上に載る反射性物質で形成されることを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記反射面は、前記透明部材の側壁から形成されることを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記集光器部材は、固体物内のキャビティから形成されることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
【請求項１５】
前記波長変換素子は、前記集光器要素の出口面上に配置されることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
【請求項１６】
前記波長変換素子は、蛍光体層であることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
【請求項１７】
前記波長変換素子上に配置される偏光素子を更に備え、前記波長変換素子は、前記偏光素子と前記偏光ビームスプリッタとの間に配置されることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
【請求項１８】
順方向バイアスされたときに光を放出するように構成された、ｎ型領域とｐ型領域との間に挟まれた活性領域を含むエピタキシャル構造と、
所望の偏光方位の光を伝達し且つ前記所望の偏光方位でない光を反射する、前記活性領域に結合された非吸収型偏光子と、
前記活性領域から放出され且つ前記非吸収型偏光子から反射された光を受光するように配置され、前記光の偏光状態を少なくとも部分的に不規則化する、前記活性領域及び前記非吸収型偏光子に結合された不規則化要素と、
を備える装置。
【請求項１９】
前記非吸収型偏光子は、ワイヤグリッド偏光子であることを特徴とする請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記不規則化要素は、前記非吸収型偏光子と前記活性領域との間に配置された波長変換材料であることを特徴とする請求項１８に記載の装置。
【請求項２１】
前記波長変換材料は、蛍光体であることを特徴とする請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
前記不規則化要素は、光を散乱させる粗面であることを特徴とする請求項１８に記載の装置。
【請求項２３】
前記装置が基板を更に備える発光ダイオードであり、前記基板の表面は、前記非吸収型偏光子と前記活性領域との間に配置された粗面であることを特徴とする請求項２１に記載の装置。
【請求項２４】
前記不規則化要素は、複屈折材料であることを特徴とする請求項１８に記載の装置。
【請求項２５】
前記活性領域によって放出された光を受光するために前記活性領域に結合された入口面を有する透明部材を更に備え、該透明部材は、光が通って出る出口面を定める反射面を有し、前記出口面は前記入口面より小さく、前記透明部材は、前記活性領域から放出された光が前記出口面に向けて配光されるような形状にされ、前記非吸収型偏光子は、前記透明部材に結合されて前記出口面を覆うように位置付けられ、前記不規則化要素は、前記非吸収型偏光子と前記活性領域との間に配置されることを特徴とする請求項１８に記載の装置。
【請求項２６】
前記透明部材は、複合放物面集光器を形成することを特徴とする請求項２５に記載の装置。
【請求項２７】
前記反射面は、前記透明部材の一部の上に載る反射材料で形成されることを特徴とする請求項２５に記載の装置。
【請求項２８】
前記透明部材と前記反射材料との間に配置された誘電体層を更に備えることを特徴とする請求項２７に記載の装置。
【請求項２９】
前記反射面は、前記透明部材の側壁から形成されることを特徴とする請求項２５に記載の装置。
【請求項３０】
前記不規則化要素と前記非吸収型偏光子との間に配置された二色フィルタを更に備えることを特徴とする請求項２５に記載の装置。
【請求項３１】
前記不規則化要素と前記活性領域との間に配置される第２の非吸収型偏光子を更に備えることを特徴とする請求項２５に記載の装置。
【請求項３２】
前記非吸収型偏光子によって伝達された光の経路内に配置されたマイクロディスプレイを更に備えることを特徴とする請求項１８に記載の装置。
【請求項３３】
前記マイクロディスプレイは、偏光マイクロディスプレイであることを特徴とする請求項３２に記載の装置。
【請求項３４】
順方向バイアスされたときに光を放出するように構成された、第２のｎ型領域と第２のｐ型領域との間に挟まれた第２の活性領域を含む第２のエピタキシャル構造と、
前記非吸収型偏光子によって伝達された前記光の偏光方位と直交する第２の偏光方位の光を伝達し且つ前記第２の偏光方位でない光を反射する、前記第２の活性領域に結合された第２の非吸収型偏光子と、
前記第２の活性領域及び前記第２の非吸収型偏光子から放出された光を受光するように位置付けられ、前記光の偏光状態を少なくとも部分的に不規則化する、前記第２の活性領域及び前記第２の非吸収型偏光子に結合された第２の不規則化要素と、
前記非吸収型偏光子によって伝達された前記光及び前記第２の非吸収型偏光子によって伝達された前記光の経路内に配置され、前記非吸収型偏光子によって伝達された前記光と前記第２の非吸収型偏光子によって伝達された前記光とを結合する偏光ビームスプリッタと、
を更に備え、前記マイクロディスプレイは、前記偏光ビームスプリッタからの結合された光を受光することを特徴とする請求項３２に記載の装置。
【請求項３５】
前記活性領域が第１の発光ダイオード内の第１の活性領域であり、前記装置は更に、
順方向バイアスされたときに光を放出するように構成された、第２のｎ型領域と第２のｐ型領域との間に挟まれた第２の活性領域を含む第２のエピタキシャル構造を有する第２の発光ダイオードと、
第１の入口面と、第２の入口面と、出口面とを有し、前記第１の入口面と結合された前記第１の発光ダイオードにより放出される光と前記第２の入口面と結合された前記第２の発光ダイオードにより放出される光とを結合する偏光ビームスプリッタと、
前記偏光ビームスプリッタの出口面に結合された入口面を有し、且つ該入口面よりも面積が小さい出口面を有し、前記ビームスプリッタからの光が前記入口面を介して入って前記出口面から放出される集光器部材と、
を備え、
前記非吸収型偏光子は、前記集光器部材に結合され、且つ、前記出口面を覆って位置決めされ、前記不規則化要素は前記非吸収型偏光子と前記集光器部材との間に配置されることを特徴とする請求項３２に記載の装置。
【請求項３６】
発光ダイオードと、
前記発光ダイオードに結合された入口面と光が通って出る出口面を定める反射面とを有し、該出口面が前記入口面より小さく、前記活性領域から放出される光が前記出口面に向けて配光されるような形状にされる透明部材と、
前記透明部材に結合された波長変換材料と、
を備える装置。
【請求項３７】
前記透明部材は、複合放物面集光器であることを特徴とする請求項３６に記載の装置。
【請求項３８】
前記透明部材の反射面は、前記透明部材の一部の上に載る反射材料から形成されることを特徴とする請求項３６に記載の装置。
【請求項３９】
前記透明部材と前記反射材料との間に配置された誘電体層を更に備えることを特徴とする請求項３８に記載の装置。
【請求項４０】
前記反射材料は、金属であることを特徴とする請求項３８に記載の装置。
【請求項４１】
前記金属は、９０％より高い反射率を有することを特徴とする請求項４０に記載の装置。
【請求項４２】
前記金属は、銀、金、アルミニウム、及びロジウムから成る群から選択されることを特徴とする請求項４０に記載の装置。
【請求項４３】
前記透明部材の反射面は、前記透明部材の側壁から形成されることを特徴とする請求項３６に記載の装置。
【請求項４４】
前記透明部材は、サファイヤ、ガラス、アクリル、シリコーン、及びエポキシから成る群から選択されることを特徴とする請求項３６に記載の装置。
【請求項４５】
前記波長変換材料と前記発光ダイオードとの間に配置された二色フィルタを更に備えることを特徴とする請求項３６に記載の装置。
【請求項４６】
前記波長変換材料と前記発光ダイオードとの間に配置された偏光フィルタを更に備えることを特徴とする請求項３６に記載の装置。
【請求項４７】
前記偏光フィルタは、ワイヤグリッド偏光子であることを特徴とする請求項４６に記載の装置。
【請求項４８】
前記波長変換材料に結合された二色フィルタを更に備え、前記波長変換材料は、前記二色フィルタと前記発光ダイオードとの間に配置されることを特徴とする請求項３６に記載の装置。
【請求項４９】
前記波長変換材料に結合された偏光フィルタを更に備え、前記波長変換材料は、前記偏光フィルタと前記発光ダイオードとの間に配置されることを特徴とする請求項３６に記載の装置。
【請求項５０】
前記偏光フィルタは、ワイヤグリッド偏光子であることを特徴とする請求項４９に記載の装置。
【請求項５１】
前記波長変換材料は、前記出口面に配置されることを特徴とする請求項３６に記載の装置。
【請求項５２】
前記波長変換材料は、蛍光体であることを特徴とする請求項３６に記載の装置。
【請求項５３】
前記出口面近傍に位置決めされた光学システムを更に備えることを特徴とする請求項３６に記載の装置。
【請求項５４】
前記光学システムは、マイクロディスプレイを含むことを特徴とする請求項５３に記載の装置。
【請求項５５】
前記発光ダイオードは、順方向バイアスされたときに第１の偏光方位に沿って少なくとも５０％偏光される光を放出するように構成された、ｎ型領域とｐ型領域との間に挟まれた活性領域を含むエピタキシャル構造を有する第１の発光ダイオードであり、前記装置は、
順方向バイアスされたときに第２の偏光方位に沿って少なくとも５０％偏光される光を発生するように構成された、ｎ型領域とｐ型領域との間に挟まれた活性領域を含むエピタキシャル構造を有する第２の発光ダイオードと、
前記第１の発光ダイオードからの光と前記第２の発光ダイオードからの光を受光するように構成された、前記第１の発光ダイオードと前記透明部材との間に配置された偏光ビームスプリッタと、
を更に備え、前記偏光ビームスプリッタは、第１の偏光方位を有する前記光と第２の偏光方位を有する前記光とを結合して、該結合された光を前記透明部材の入口面に放出することを特徴とする請求項３６に記載の装置。
【請求項５６】
前記第１の偏光方位は、前記第２の偏光方位と直交することを特徴とする請求項５５に記載の装置。
【請求項５７】
発光ダイオードと、
前記発光ダイオードによって放出された光を受光するために結合された入口面と該入口面より小さい出口面とを有し、前記入口面で受光された光が前記出口面に向けて配光されるような形状にされた、前記発光ダイオードに結合された集光器要素と、
前記出口面を覆って配置された波長変換材料と、
を備える発光ダイオード。
【請求項５８】
前記集光器要素は、前記発光ダイオードの放射輝度をほぼ保持するように構成されることを特徴とする請求項５７に記載の発光ダイオード。
【請求項５９】
前記波長変換材料は、蛍光体であることを特徴とする請求項５７に記載の発光ダイオード。
【請求項６０】
前記集光器要素は、複合放物面集光器であることを特徴とする請求項５７に記載の発光ダイオード。
【請求項６１】
前記波長変換材料と前記集光器要素との間に配置された二色フィルタ及び偏光フィルタのうちの少なくとも１つを更に備える請求項５７に記載の発光ダイオード。
【請求項６２】
前記偏光フィルタは、ワイヤグリッド偏光子であることを特徴とする請求項６１に記載の発光ダイオード。
【請求項６３】
前記波長変換材料と前記集光器要素とに結合された二色フィルタと偏光フィルタのうちの少なくとも１つを更に備え、前記波長変換材料は、前記発光ダイオードと、二色フィルタ及び偏光フィルタのうちの少なくとも一方との間に配置されることを特徴とする請求項５７に記載の発光ダイオード。
【請求項６４】
前記偏光フィルタは、ワイヤグリッド偏光子であることを特徴とする請求項６３に記載の発光ダイオード。
【請求項６５】
前記出口面近傍に位置決めされた光学システムを更に備えることを特徴とする請求項５７に記載の発光ダイオード。
【請求項６６】
前記光学システムは、マイクロディスプレイを含むことを特徴とする請求項５７に記載の発光ダイオード。
【請求項６７】
前記集光器要素は、前記出口面を定める反射面を有する透明部材で形成されることを特徴とする請求項５７に記載の発光ダイオード。
【請求項６８】
前記反射面は、前記透明部材の一部の上に載る反射材料で形成されることを特徴とする請求項６７に記載の発光ダイオード。
【請求項６９】
前記反射面は、前記透明部材の側壁から形成されることを特徴とする請求項６７に記載の発光ダイオード。
【請求項７０】
前記集光器要素は、固形体内のキャビティから形成されることを特徴とする請求項５７に記載の発光ダイオード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、発光ダイオードに関し、特に、発光ダイオードを用いた高放射輝度光学システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
投射システム及び自動車用前照灯などの特定の光学システムでは、高い放射輝度又は輝度を有する光源が必要とされる。最近まで、従来の発光ダイオード（「ＬＥＤ」）は、このような用途での要求を満たすには不適当なものであった。しかしながら、現在の高性能ＬＥＤの場合でも、一部の光学システムの放射輝度要件を満足することは困難である。一例として、偏光を必要とし且つ従来の（不規則偏光の）ＬＥＤを使用する光学システムでは、通常、このようなシステムを高放射輝度用途では容認できないものとする輝度損失が生じる。更に、例えば蛍光体を使用する高放射輝度ＬＥＤから放出された光の波長を変換する光学システムは、放射輝度の損失があり、従って、同様に高放射輝度用途には容認できないものとなっている。
【０００３】
【特許文献１】米国特許第４，２４０，６９２号公報
【非特許文献１】Ｈ．Ｄｅ．Ｎｅｖｅ他、「Ｒｅｃｙｃｌｉｎｇ  ｏｆ  ｇｕｉｄｅｄ  ｍｏｄｅ  ｌｉｇｈｔ  ｅｍｉｓｓｉｏｎ  ｉｎ  ｐｌａｎａｒ  ｍｉｃｒｏｃａｖｉｔｙ  ｌｉｇｈｔ  ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｄｉｏｄｅ」、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７０（７）、１９９７年、ｐ７９９−ｐ８０１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って、必要とされるものは、ＬＥＤを使用し且つ高放射輝度用途で使用されるのに十分な放射輝度を達成する光学システムである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の実施形態によれば、システムは、順方向バイアスされたときに第１の偏光方位に沿って少なくとも８０％偏光される光を放出するように構成された、ｎ型領域とｐ型領域との間に挟まれた活性領域を含むエピタキシャル構造を備える発光ダイオードを含む。また、システムは、第１の発光ダイオードの活性領域によって放出された光の経路内に配置されるマイクロディスプレイを含む。別の態様においては、システムは、順方向バイアスされたときに第２の偏光方位に沿って少なくとも８０％偏光される光を放出するように構成される、ｎ型領域とｐ型領域との間に挟まれた活性領域を備えるエピタキシャル構造を含むことができる。このような実施形態においては、システムは、更に、第１及び第２のＬＥＤによって放出された光の経路内に配置される偏光ビームスプリッタを含む。偏光ビームスプリッタは２つのＬＥＤからの光を結合し、マイクロディスプレイは偏光ビームスプリッタからの結合された光を受光する。
本発明の別の実施形態によれば、装置は、順方向バイアスされたときに光を放出するように構成された、ｎ型領域とｐ型領域との間に挟まれた活性領域を備えるエピタキシャル構造を含む。装置は、更に、活性領域に結合された、ワイヤグリッド偏光子などの非吸収型偏光子を含む。非吸収型偏光子は、所望の偏光方位を有する光を伝達し、所望の偏光方位でない光を反射する。例えば、蛍光体である波長変換材料、又は散乱粗面などの不規則化要素は、活性領域及び非吸収型偏光子に結合される。不規則化要素は、活性領域及び非吸収型偏光子から放出された光を受光するように位置決めされる。不規則化要素は、光の偏光状態を少なくとも部分的に不規則化する。
【０００６】
本発明の別の実施形態によれば、装置は、ＬＥＤと、該ＬＥＤに結合される入口面を有する透明部材とを含む。透明部材は、光が通って出る出口面を定める反射面を有する。出口面は、入口面より小さい。透明部材は、ＬＥＤから放出された光が出口面に向かって配光されるような形状にされる。また、装置は、透明部材に結合される波長変換材料を含む。１つの実施形態においては、反射面は、透明部材の上に載る反射材料で形成され、別の実施形態においては、反射面は、透明部材自体の側壁から形成される。
【０００７】
本発明の更に別の実施形態においては、発光素子は、発光ダイオードと、該発光ダイオードに結合された集光器要素とを含む。集光器要素は、発光ダイオードによって放出された光を受光するために結合された入口面と、該入口面より小さい出口面とを有する。集光器要素は、入口面で受光された光が出口面に向けて配光されるような形状にされる。発光素子は、出口面を覆って配置された波長変換材料を含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の実施形態によれば、光学システムは、高放射輝度用途において発光ダイオード（ＬＥＤ）を使用する。一例として、該光学システムは、偏光を放出する高放射輝度ＬＥＤ及び／又はＬＥＤを使用することができる。
【０００９】
図１は、矢印１０２ｓ及び１０２ｐで示すように、非偏光を放出するＬＥＤ１０２を含む従来の投射システム１００を示す。投射システム１００は、偏光を必要とするマイクロディスプレイ１０６を使用し、従って、投射システム１００は、ＬＥＤ１０２によって放出された光を濾光する偏光フィルタ１０４を含む。偏光フィルタ１０４は、全てのｓ偏光を濾波してｐ偏光のみを通過させるので、ＬＥＤ１０２によって放出された光の５０％だけがマイクロディスプレイ１０６によって受光される。従って、従来の投射システム１００は、その輝度の約半分を損失する。
【００１０】
図２Ａは、矢印１５２ｓとして示す偏光を放出するＬＥＤ１５２、及びＬＥＤ１５２によって放出された光の経路内に配置されるマイクロディスプレイ１５６を含む。マイクロディスプレイ１５６は偏光を使用するので、本明細書では偏光マイクロディスプレイと呼ぶ場合もある。
【００１１】
図２Ｂは、１つの実施形態による偏光ＬＥＤ１５２の断面図を示す。ＬＥＤ１５２は、フリップチップ設計で図示されている。ＬＥＤ１５２は、例えば、サファイヤ、ＳｉＣ、ＧａＮ、又は任意の他の適切な基材とすることができる、基板１５８上に形成されるｎ型ＩＩＩ族窒化物層１５９を備えたＩＩＩ族窒化物発光ダイオードである。活性領域１６０とも呼ばれる発光領域１６０はｎ型層１５９上に形成され、ｐ型層１６２は活性領域１６０上に形成される。また図２Ｂは、層１５９に結合され、相互接続部１６６を有する第１の接点１６５と、層１６２に結合され、相互接続部１６６を有する第２の接点１６４とを示す。接点１６４及び１６５の少なくとも１つは、光出力を増大させる反射性のものとすることができる。相互接続部３６は、例えば、半田バンプ又は金バンプとすることができる。
【００１２】
１つの実施形態においては、ＬＥＤ１５２は、ｃ軸としても知られる結晶（０００１）方向がＩＩＩ族窒化物発光層の平面に平行であるように成長するＩＩＩ族窒化物発光ダイオードである。このような素子によって放出された光は、少なくとも部分的に線形に偏光することができる。１つ又は複数の層の平面に平行な
2005328042.tif 000003
方向を有する素子又は結晶層は、ｃ軸が素子層の平面に平行か又は該平面内にあるので、以下「面内」素子又は層と呼ぶ。幾つかの実施形態においては、ＩＩＩ族窒化物素子の活性領域内の１つ又は複数の発光層は、四元合金ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）の
2005328042.tif 000004
又は
2005328042.tif 000005
層である。
【００１３】
面内発光層を有する素子は、面内成長基板上に素子層を成長させることによって製造することができる。面内活性領域の成長に適切な基板の例としては、２Ｈ、４Ｈ、又は６ＨポリタイプのＳｉＣの
2005328042.tif 000006
及び
2005328042.tif 000007
表面；サファイヤの
2005328042.tif 000008
表面；及びγ−ＬｉＡｌＯ2の
2005328042.tif 000009
表面が含まれる。ＳｉＣ基板の場合、堆積ＩＩＩ族窒化物薄膜の方位は、基板の方位と一致する。有機金属化学気相成長法を用いる場合、面内ＩＩＩ族窒化物層を堆積させるプロセスは、
2005328042.tif 000010
ＳｉＣ基板上に
2005328042.tif 000011
ＩＩＩ族窒化物層を堆積させるのに使用されるプロセスと類似のものである。ＡｌＧａＮのバッファ層は、直接ＳｉＣ基板上に高温（〜１１００℃）で堆積される。ＧａＮ層は、ＡｌＧａＮバッファ層上に堆積される。発光ＡｌＩｎＧａＮ量子ウェルは、ＧａＮ層上に堆積される。
【００１４】
2005328042.tif 000012
表面を有するサファイヤ基板の場合、堆積ＩＩＩ族窒化物薄膜は、
2005328042.tif 000013
方向に配向される。有機金属化学気相成長法を用いる場合、面内ＩＩＩ族窒化物層を堆積させるプロセスは、
2005328042.tif 000014
サファイヤ基板上に
2005328042.tif 000015
ＩＩＩ族窒化物層を堆積させるのに使用されるプロセスと類似のものである。ＩＩＩ族窒化物バッファ層は、低温（〜５５０℃）で、直接サファイヤ基板上に堆積される。ＧａＮの層は、ＩＩＩ族窒化物バッファ層上に堆積される。発光ＡｌＩｎＧａＮ量子ウェルは、ＧａＮ層上に堆積される。
【００１５】
2005328042.tif 000016
γ−ＬｉＡｌＯ2基板の場合、堆積ＩＩＩ族窒化物薄膜は、
2005328042.tif 000017
方向に配向される。面内ＩＩＩ族窒化物層を分子線エピタキシャル成長によって堆積させるプロセスは、低温（〜５５０℃）で直接基板上にＩＩＩ族窒化物バッファ層を堆積させ、次に、高温で成長したＧａＮの層を堆積させる段階から成る。発光ＡｌＩｎＧａＮ量子ウェルは、ＧａＮ層上に堆積される。
【００１６】
発明者らは、
2005328042.tif 000018
ＳｉＣ及び
2005328042.tif 000019
サファイヤ上に成長したＩＩＩ族窒化物フォトルミネセンス試験構造を作製した。４７５ｎｍで発光するように試験構造を３９６ｎｍレーザで励起させると、
2005328042.tif 000020
ＳｉＣ素子からの光は約９０％より多くが偏光され、
2005328042.tif 000021
サファイヤ素子からの光は約８０％が偏光された。試験構造を電気的に励起させると、
2005328042.tif 000022
ＳｉＣ素子からの光は７０％〜８０％が偏光された。パーセント偏光は、以下のように定義される。
2005328042.tif 000023
上式で、Ｉp及びＩsは、垂直偏光及び水平偏光の強度である。本発明の実施形態は、少なくとも５０％偏光される光を放出する素子を含むことができる。
【００１７】
面内偏光ＬＥＤの更に詳細な内容及び使用法については、本発明と同時出願で且つ同一譲受人である、Ｊａｍｅｓ  Ｃ．  Ｋｉｍ、Ｊｏｎａｔｈａｎ  Ｊ．Ｗｉｅｒｅｒ、Ｊｒ.、Ｎａｔｈａｎ  Ｆ．Ｇａｒｄｎｅｒ、Ｊｏｈｎ  Ｅ．  Ｅｐｌｅｒ、及びＭｉｃｈａｅｌ  Ｒ．  Ｋｒａｍｅｓによる「Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｅｖｉｃｅｓ  Ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ  Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ  Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｌａｙｅｒｓ」と題した米国特許出願番号第 で検討されており、該特許は引用により本明細書に組み入れられる。
【００１８】
図２Ｃは、本発明の別の実施形態による偏光ＬＥＤ１５２’の断面図を示す。ＬＥＤ１５２’は、同様に指定された要素が同じ要素である、図２Ｂに示すＬＥＤ１５２と類似のものである。しかしながら、ＬＥＤ１５２’は標準的なＬＥＤであってもよく、即ちＬＥＤ１５２’は面内偏光ＬＥＤである必要はなく、従って、ＬＥＤ１５２’の活性領域１６０’は、従来の方法で形成することができる。図２Ｃに示すように、ＬＥＤ１５２’は、ワイヤグリッド偏光子１６８などの非吸収型偏光子を含むことができる。不規則化要素１６９は、例えば蛍光体層などの波長変換材料とすることができるが、ワイヤグリッド偏光子１６８と活性領域１６０’との間に配置することができる。従って、活性領域１６０’によって放出された光の偏光は、ワイヤグリッド偏光子１６８の前に、例えば、光を吸収して不規則化する蛍光体層によって不規則化される。ワイヤグリッド偏光子１６８は、所望の偏光により光を伝達し、残りの光を不規則化層１６９に反射して戻す。反射光は、蛍光体層によって吸収され、反射光の偏光状態は、光が再度放出されるときに再び不規則化される。その後、ワイヤグリッド偏光子１６８は、所望の偏光状態で光を伝達し、残りの光を反射する。従って、不規則化要素１６９及び非吸収型偏光子１６８を使用すると、素子から外部に放出される光は５０％より多くが偏光される。
【００１９】
別の実施形態においては、ＬＥＤ１５２’内の不規則化要素１６９は、伝達及び／又は反射される光の偏光状態を変える基板の散乱粗面である。基板１５８表面（又はＬＥＤ１５２’の任意の他の表面）の粗面化は、湿式化学エッチング、乾式化学エッチング、及び関連する手法などの周知の処理方法を用いて行うことができる。不規則化要素１６９が基板１５８の粗面である場合、例えば透明な層又は他の適切なスペーサにより非吸収型偏光子１６８と基板１５８の粗面とを離隔することが望ましい。基板１５８の粗面を使用すれば、ワイヤグリッド偏光子１６８によって反射された光の偏光状態は、光が粗面を通過するときに不規則化されることになる。その後、光はＬＥＤ１５２’内で内部的に反射されて、光の偏光状態が更に不規則化される粗面を介して再び放出される。次いで、ワイヤグリッド偏光子が、所望の偏光状態で光を伝達して、残りの光を反射することになる。粗面は、基板１５８の最上層である必要はなく、必要であればＬＥＤ１５２’の他の層に位置することができる。更に、必要であれば、不規則化要素１６９は、複屈折材料などの他の適切な材料又は層で形成してもよい。必要であれば、１つより多い不規則化要素１６９をＬＥＤ１５２’に使用してもよい。例えば、ＬＥＤ１５２’は、波長変換層及び粗面及び／又は複屈折材料の両方を含んでもよい。
【００２０】
再び図２Ａを参照すると、投射システム１５０におけるマイクロディスプレイ１５６は、セイコーエプソン製の部品番号Ｌ３Ｄ０７Ｈとすることができる。一般に、ＬＥＤ１５２は、偏光を生成するので、図１の偏光器１０４が不要となる。ＬＥＤ１５２は、図１に示す無偏光ＬＥＤ１０２とほぼ同じ光束を有する。従って、ＬＥＤ１５２によって放出された光の本質的には全てを用いて、マイクロディスプレイ１５６を照光することができる。従って、投射システム１５０は、マイクロディスプレイ１５６によって受光される全光束がマイクロディスプレイ１０６によって受光される光束のほぼ２倍であるときに、投射システム１００のほぼ２倍の輝度となる。
【００２１】
投射システム１５０は、投射システムにおいて周知であり且つ一般的に使用されるレンズ、プリズム、及び／又は光ガイドなどの追加の光学素子を含むことができることを理解されたい。本発明では、簡単にするため、及び本発明を不要に曖昧にしないために、偏光に関係する要素、即ち偏光の影響を受けやすい、あるいは偏光状態が変化する要素を主に説明する。
【００２２】
ＬＥＤ１５２の使用は、無偏光マイクロディスプレイ、即ち偏光を使用する必要のないマイクロディスプレイを使用する投射システムにおいて更に有利である。図３は、本発明の別の実施形態による投射システム１７０を示し、これは、２つの偏光ＬＥＤ１７２及び１７４、偏光ビームスプリッタ１７６、及び無偏光マイクロディスプレイ１７８を使用する。無偏光マイクロディスプレイ１７８は、反射型ディスプレイであるＴｅｘａｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ製の部品番号０．７ＸＧＡ  ＤＤＲとすることができ、従って、図３に示す要素１７８は、マイクロディスプレイ及びプリズムを含む。図３に示すように、ＬＥＤ１７２は、ＬＥＤ１７４によって放出された光１７４ｐに対して直交して偏光される光１７２ｓを生成する。ＬＥＤ１７２及び１７４は、図２Ａ、図２Ｂ、及び図２Ｃを参照して検討されたＬＥＤと類似のものとすることができる。
【００２３】
ＬＥＤ１７２及び１７４は、偏光ビームスプリッタ１７６がＬＥＤ１７２から放出された光を通過し且つＬＥＤ１７４から放出された光を反射して、２つのＬＥＤ１７２及び１７４から放出された光が結合するように、偏光ビームスプリッタ１７６に対して位置決めされる。必要であれば、ＬＥＤ１７２及び１７４は、偏光ビームスプリッタ１７６に直接取り付けるか、又は、ＬＥＤ１７２及び１７４とビームスプリッタ１７６との間に配置される、レンズ、コリメ−タ、及び／又はミラー（図示せず）などの追加の光学要素と共にビームスプリッタ１７６近傍に位置付けてもよい。
【００２４】
偏光を必要としないマイクロディスプレイ１７８は、偏光ビームスプリッタ１７６によって結合された光を受光する。マイクロディスプレイ１７８によって受光された光束は、無偏光マイクロディスプレイによって受光される光を放出する単一の無偏光ＬＥＤを備えた従来システムにおいて受光される光束のほぼ２倍である。従って、投射システム１７０は、２つの偏光ＬＥＤを使用することで、従来のシステムで見られたほぼ２倍の有効輝度をもたらす。
【００２５】
本発明の別の実施形態においては、１つ又はそれ以上の高放射輝度ＬＥＤが、システムの有意な放射輝度を損失することなく、ＬＥＤから放出された光の波長を変換する光学システムにおいて使用される。一般に放射輝度は、以下で記述することができる。
放射輝度＝Ｐ／α＊ＳＡ      式２
ここで、Ｐは放出電力、αは放出される放射線の立体角、ＳＡは放出表面積である。
【００２６】
一般的に、ＬＥＤは、広い角度にわたって放射線を放出し、即ち立体角αが大きい。高輝度用途に有用なＬＥＤ放射輝度を増大させるために、放出される放射線の立体角は通常縮小され、その結果、狭い円錐内で放射線を放出するＬＥＤが得られる。例えば、放出立体角αは、光結晶又はＤＢＲ（分散Ｂｒａｇｇ反射器）を使用して縮小することができる。光結晶については、本発明と同時出願で且つ同一譲受人である、Ｊｏｎａｔｈａｎ  Ｊ．Ｗｉｅｒｅｒ、Ｊｒ.、Ｍｉｃｈａｅｌ  Ｒ．  Ｋｒａｍｅｓ、及びＪｏｈｎ  Ｅ．  Ｅｐｌｅｒによる「Ｐｈｏｔｏｎｉｃ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｅｖｉｃｅ」と題した米国特許出願番号第 で説明されており、該特許は引用により本明細書に組み入れられる。更に、一次元光結晶素子である空洞共振器ＬＥＤは、Ｈ．Ｄｅ．Ｎｅｖｅ他、「Ｒｅｃｙｃｌｉｎｇ  ｏｆ  ｇｕｉｄｅｄ  ｍｏｄｅ  ｌｉｇｈｔ  ｅｍｉｓｓｉｏｎ  ｉｎ  ｐｌａｎａｒ  ｍｉｃｒｏｃａｖｉｔｙ  ｌｉｇｈｔ  ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｄｉｏｄｅ」、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７０（７）、１９９７年、ｐ７９９−ｐ８０１で説明されており、該文献は引用により本明細書に組み入れられる。
【００２７】
図４は、放射強度ＩがＬＥＤ発光面に垂直な位置からの角度の関数としてプロットされた典型的な放射パターンのプロットを示す。２つの放射パターン：即ち、通常のＬＥＤの典型的な（理想的な）パターンである均等拡散パターン１８２と、高放射輝度ＬＥＤによって生成される狭い放射パターン１８４が図４にプロットされて示されている。
【００２８】
図５Ａ及び図６Ａは、従来のＬＥＤ２０２と高放射輝度ＬＥＤ２０４とを示す。例証の目的で、ＬＥＤ２０２は、図５Ａにおいて均等拡散放射パターンを生成している状態で示されており、高放射輝度ＬＥＤ２０４は、図６Ａにおいて狭い放射パターンを生成している状態で示されている。
【００２９】
例えば、蛍光体などの蛍光材を使用して、ＬＥＤから放出された光の波長を別の波長に変換することが望ましい場合がある。例えば、ＬＥＤが青色光を生成する場合には、Ｃｅドープのイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）蛍光体材を用いて青色発光を吸収して黄色光を放出することができる。蛍光体からの黄色光は、ＬＥＤから放出された青色光と混合し、これが蛍光体を透過して白色光を生成する。必要であれば、他の材料を使用して青色光又は赤色光を生成することができる。蛍光体は通常、ＬＥＤの発光面を完全に覆う薄い被覆として塗布される。
【００３０】
図５Ｂ及び図６Ｂは、それぞれ、従来のＬＥＤ２０２及び高放射輝度ＬＥＤ２０４の上に従来の方法で堆積された蛍光体層２０３及び２０５を示している。蛍光体層の特性は、光を吸収してその後に放出するというものであり、即ち、蛍光体の放出された放射パターンは、蛍光体を照光するために使用される光源の放射パターンには依存しないものである。図５Ｂ及び図６Ｂに示すように、従来のＬＥＤ２０２及び高放射輝度ＬＥＤ２０４のいずれもが、結果として変換後に均等拡散放射パターンを得る。従って、理解されるように、蛍光体が高放射輝度ＬＥＤに使用される場合、蛍光体によって放出された放射線は、従来のＬＥＤに使用された蛍光体によって生成された放射線と同じものである。従って、蛍光体が従来の方法で使用されるときには、高放射輝度ＬＥＤの放射輝度に関する利点は失われる。
【００３１】
本発明の実施形態によれば、蛍光材などの波長変換要素を使用する光学システムは、有効発光表面積を小さくすることによって、即ち式２におけるＳＡを小さくすることによって、放射輝度を維持し、又は増大させることさえも可能である。１つの実施形態においては、ＬＥＤの発光領域に集光させるために、複合放物面集光器（ＣＰＣ）又は同様の構造体などの集光器要素がＬＥＤと共に使用される。複合放物面集光器は、当該技術分野では十分に理解されており、一般的に回転対称放物形で形成される。
【００３２】
図７は、集光器要素３０２を備えた高放射輝度ＬＥＤ３００（即ち、発光立体角αはπ未満）の一例を示す。ＬＥＤ３００は、例えば、本発明と同一の譲受人である２００４年３月１２日に出願された、Ｊｏｎａｔｈａｎ  Ｊ．Ｗｉｅｒｅｒ、Ｊｒ.、Ｍｉｃｈａｅｌ  Ｒ．  Ｋｒａｍｅｓ、及びＪｏｈｎ  Ｅ．  Ｅｐｌｅｒによる「Ｐｈｏｔｏｎｉｃ  Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｅｖｉｃｅ」と題した米国特許出願番号第 で説明されているような高放射輝度ＬＥＤとすることができ、該特許は引用により本明細書に組み入れられる。
【００３３】
集光器要素３０２は、所望の形状を備えた光学的に透明な材料を生成することによって形成することができる。一例として、集光器要素３０２は、サファイヤ、ガラス、アクリル、シリコーン、エポキシ、又はＬＥＤ３００によって放出された光及び熱に晒されたときに透明性を維持することが可能な任意の他の適切な材料とすることができ、ＬＥＤ３００に結合される。集光器要素３０２の外面は、出口領域３０３を定めるアパーチャを取り囲む反射性層で覆われる。１つの実施形態においては、反射性層は、例えば、９０％より高い反射率を有する金属とすることができる。適切な金属の例としては、銀、アルミニウム、ロジウム、金などがある。反射性金属は、堆積されることになる金属又は反射する光の波長に基づいて選択することができる。例えば、金は、赤色又は赤外線波長域において光の反射率が高い。更に、屈折率が好適に低い材料などの誘電体層を反射層と集光器要素３０との間に配置して光学的損失を低減することができる。
【００３４】
別の実施形態においては、集光器要素３０２は、透明材料の表面上に載る反射材料を使用せずに形成される。例えば、透明材料の側壁は、全反射が存在するときに集光器要素３０２の反射面として機能することができる。全反射を伴う透明部材の使用については、１９８０年１２月２３日付でＷｉｎｓｔｏｎに付与された米国特許第４，２４０，６９２号で説明されており、該特許は引用により本明細書に組み入れられる。
【００３５】
別の実施形態においては、集光器要素３０２は、中空シェル（例えば、固体物内のキャビティ）で形成される。シェルの内面は、幾つかの実施形態においては反射材料で被覆することができる。一例として、集光器要素３０２は、ガラス、プラスチック、又は金属の射出成形若しくは圧縮成形によって製造することができ、内面は、適切な反射性材料で覆われる。この実施形態においては、ＬＥＤ３００は、集光器要素３０２内にある空気（又は気体）中に光を放出する。
【００３６】
図７に示すように、高放射輝度ＬＥＤ３００は、光が放出される区域ＳＡ0を備えた表面３０１を有する。集光器要素３０２は、ＬＥＤ３００から放出された光が集光器要素３０２内で反射され、且つＬＥＤ３００から放出された光よりも大きな立体角を有した状態で出口３０３を通じて放出されるようにＬＥＤ３００に取り付けられる。しかしながら、図７でわかるように、集光器要素は、これよりも小さい区域ＳＡ1を有する。その結果、システム全体の放射輝度は、集光器要素３０２を使用して維持され、即ち、式２において立体角αは大きくなるが表面積ＳＡは小さくなる。
【００３７】
図８は、図７に示すように、高放射輝度ＬＥＤ３００及び集光器要素３０２を含む素子を示し、更に、集光器要素３０２の出口３０３に蛍光体層３５２を含む。適切な蛍光体としては、限定ではないが、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ、（Ｙ，Ｇｄ）３（Ａｌ，Ｇａ）５Ｏｌ２：Ｃｅ、（Ｌｕ，Ｙ）３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ、ＳｒＳ：Ｅｕ、ＳｒＧａ２Ｓ４：Ｅｕ、（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ）（Ａｌ，Ｇａ）２Ｓ４：Ｅｕ、（Ｃａ，Ｓｒ）Ｓ：Ｅｕ、Ｍｎ、（Ｃａ，Ｓｒ）Ｓ：Ｃｅ、（Ｓｒ，Ｂａ，Ｃａ）２Ｓｉ５Ｎ８：Ｅｕ、（Ｂａ，Ｓｒ，Ｃａ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ、及び（Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ）Ｓｉ２Ｏ２Ｎ２：Ｅｕなどを含むことができる。一般的に、このような蛍光体は、粉体の形態で得られるので、シリコーン又はエポキシなどの結合媒体に取り入れて、その後スクリーン印刷又は分注などの方法によって塗布した後、硬化させて結合剤を固化することにより、集光器要素３０２の透明媒体上に堆積させることができる。別法として、例えば、電気泳動によって最初に蛍光体粒子を堆積させた後、選択された結合剤に注入して戻し、その後硬化させることができる。有利には、蛍光体を集光器要素３０２の透明媒体に取り付ける前に別個の部材上に堆積させることができる。また蛍光体は、結合剤なしで、例えば薄膜蛍光体として固体形態で用いることができる。固体蛍光体層は、別個の部材（例えば、薄膜）上に堆積してもよく、又は、厚い固体蛍光体膜の場合には、個別に処理して、集光器要素３０２の透明媒体に直に取り付けてもよい。集光器部材３０２が中空シェルである実施形態においては、蛍光体は、後で集光器要素３０２の出口３０３を覆って取り付けられるガラス又はプラスチックなどの媒体上に堆積してもよい。蛍光体に加えて、有機蛍光コンバータ、及び「量子ドット」とも呼ばれる半導体層及び／又は半導体ナノ粒子などの、本発明の実施形態による他の蛍光材料を使用してもよい。
【００３８】
一般に、蛍光体層３５２は、全ての角度で光を吸収することができる。蛍光体層３５２は、均等拡散放射パターンで示すように広い立体角で光を放出するが、放出の発光表面積ＳＡ1が小さくなるために、システムの放射輝度は維持される。波長変換損失を除けば、素子３５０の放射輝度は、蛍光体層３５２又は集光器要素３０２が無い状態で、高放射輝度ＬＥＤ３００のほぼ半分である。
【００３９】
蛍光体層３５２によって放出された光のほぼ５０％は、図８に示すように、均等拡散放射パターン３５３によってＬＥＤ３００に配向されて戻ることになる点を理解されたい。一般的に、ＬＥＤ３００は、反射性ＬＥＤであり、この光は、再利用されることになる。しかしながら、本発明の別の実施形態によれば、フィルタを使用して、ＬＥＤ３００に向かう蛍光体層３５２による光の後方放射を防止することができる。一例として、集光器要素３０２に取り付ける前に、二色フィルタを蛍光体層３５２と組み合わせ、即ち蛍光体が堆積されるのと同じ部材上で組み合わせることができる。
【００４０】
図９Ａは、二色フィルタなどの、フィルタ３５４を有する集光器要素３０２及び蛍光体層３５２から成る出口領域の拡大図を示す。フィルタ３５４は、例えば、集光器要素の出口領域３０３上にフィルタ３５４を堆積させた後、フィルタ３５４上に蛍光体層３５２を堆積させることによって、蛍光体層３５２とＬＥＤ（図９Ａでは図示せず）との間に配置することができる。蛍光体層３５２及びＬＥＤ３００によって放出された光は異なる波長を有するので、フィルタ３５４は、ＬＥＤ３００によって放出された光を伝達して蛍光体層３５２によって放出された光を反射するように選択することができる。従って、ＬＥＤ３００の方向に蛍光体層３５２によって放出された任意の光は、図９Ａに示すように、フィルタ３５４によって反射されて蛍光体層３５２に再配向されて戻ることになる。
【００４１】
更に、ＬＥＤ３００が偏光ＬＥＤ３００である場合には、図９Ａに破線で示すワイヤグリッド偏光子、二重輝度エンハンスメントフィルタ（ＤＢＥＦ）、又は他の偏光素子などといった偏光子３５６は、フィルタ３５４の代わり若しくはフィルタ３５４に付加して使用することができる。偏光子３５６は、ＬＥＤ３００から放出された偏光放射線を伝達するように構成される。蛍光体層３５２から放出された放射線は非偏光であり、従って、部分的に反射されて蛍光体層３５２に戻ることになる。偏光ＬＥＤ３００及び偏光子３５６の使用は蛍光体層３５２の変換効率が増大するという追加の利点がある。Ｍｏｘｔｅｋ，Ｉｎｃ．，から購入することができるワイヤグリッド偏光子３５６は、例えば、フィルタ３５４上に取り付けるか又は別個の素子として増設することができる。
【００４２】
図９Ｂは、図９Ａと類似のものであり、フィルタ３５４を有する集光器要素３０２及び蛍光体層３５２から成る出口領域の拡大図を示す。しかしながら、図９Ｂに示すように、フィルタ３６４（例えば、二色フィルタ）は、蛍光体層３５２がフィルタ３６４とＬＥＤ３００（図９Ｂでは図示せず）との間に配置されるように蛍光体層３５２の上に配置することができる。フィルタ３６４は、蛍光体層３５２によって放出される光を伝達し、ＬＥＤ３００によって放出された光を反射するように選択される。従って、変換せずに蛍光体層３５２を透過するＬＥＤ３００からの任意の光は、反射されて蛍光体層３５２に戻る。更に、図９Ｂに示すように、ワイヤグリッド偏光子、ＤＢＥＦ偏光子、又は他の非吸収型偏光子などの偏光子３６６はまた、蛍光体層３５２の上に配置することができる。幾つかの実施形態においては、集光器要素３０２の出口領域は、下にあるフィルタ３５４及び偏光子３５６が存在せずに、蛍光体層３５２、フィルタ３６４、及び幾つかの実施形態においては偏光子３６６だけを含むことができる。
【００４３】
蛍光体層３５２及び偏光子３６６を有するＬＥＤの１つの優れた用途は、例えば、ＬＣＤライトバルブへの偏光放射線の供給である。波長偏光蛍光体を使用すると、有利には、蛍光体の発光域における光特性の不規則化を効率的に行うことができる。粉体蛍光材料は、後方散乱において入射光の偏光を完全に不規則化することが実験的に証明されている。従って、ワイヤグリッド偏光子又はＤＢＥＦシート偏光子などの非吸収型偏光子を波長偏光蛍光体層３６４上で使用すると、それぞれの偏光子を通過する偏光の光束は、例えば最大６０％から１００％まで増加する。
【００４４】
複合放物面集光器は、放射輝度を維持しながら発光表面積を低減する最も効率的な構造であることを理解されたい。光を集中させるために他のより単純な幾何形状を使用してもよい。簡単な幾何形状の集光器は、有利には、製造が単純化され、コストが低減されるが、効率性が低い欠点がある。
【００４５】
図１０Ａ及び図１０Ｂは、本発明の実施形態に従って使用することができる集光器構造の２つの異なる可能な形状を示す。図１０Ａは、高放射輝度ＬＥＤ４０２、ほぼ真っ直ぐな壁部を有する集光器要素４０４、及び集光器要素４０４出口の上の蛍光体層４０６を備えた素子４００を示す。図１０Ｂは、高放射輝度ＬＥＤ４１２、湾曲壁部を有する集光器要素４１４、及び集光器要素４１４出口の上の蛍光体層４１６を備えた素子４１０を示す。素子４００及び素子４１０の両方は、それぞれ蛍光体層４０６及び４１６から集光器要素４０４及び４１４の出口領域を覆って広い角度にわたり光を放出する。蛍光体層４０６及び４１６の表面積は、光源（即ちそれぞれ、ＬＥＤ４０２及び４１２）の表面積に対して小さくなっており、従って、素子４００及び４０２の放射輝度は、発光立体角が大きいにも関わらずほぼ維持される。
【００４６】
本発明の別の実施形態においては、蛍光体層を使用する高放射輝度光源を生成するために、２つの偏光高放射輝度ＬＥＤを関連付けて使用することができる。図１１は、蛍光体層５１０を照光するために結合される２つの高放射輝度偏光ＬＥＤ５０２及び５０４を有する素子５００を示す。素子５００は更に、偏光ビームスプリッタ５０６と、複合放物面集光器（ＣＰＣ）などの集光器要素５０８とを含む。ＬＥＤ５０２の偏光は、一方のＬＥＤ５０４の偏光と直交する。図１１に示すように、偏光ビームスプリッタ５０６は、破線で示すＬＥＤ５０２から放出された放射線を透過させ、実線で示すＬＥＤ５０４からの放射線を反射するように構成される。従って、偏光ビームスプリッタ５０６は、２つのＬＥＤ５０２及び５０４から放出された放射線を結合する。
【００４７】
集光器要素５０８は、偏光ビームスプリッタ５０６からの結合された光を蛍光体層５１０で覆われる小さな出口領域に集光する。必要であれば、フィルタ及び／又は偏光素子を、上述のように蛍光体層５１０の下及び／又は上に配置することができる。蛍光体層５１０は、図１１において均等拡散放射パターンで示すように、広い角度にわたって光を放出する。上述のように、集光器要素５０８が発光表面積を小さくするので、素子５００の放射輝度は、蛍光体層５１０によって生じる発光立体角αが大きいにも拘わらず、有意な減少はない。その後、蛍光体層５１０から放出された放射線は、例えば、マイクロディスプレイ５１２で受光することができる。必要であれば、フィルタ及び／又は偏光子は、上述したように素子５００と共に使用することができる。
【００４８】
本発明を例証の目的で特定の実施形態に関連して説明しているが、本発明は、これに限定されるものではない。本発明の範囲から逸脱することなく、様々な改変及び変更を行うことができる。更に、用語「結合された」は、接続された品目間の直接的な接続、あるいは１つ又はそれ以上の受動的又は能動的中間的素子を介した間接的な接続のいずれをも意味するように本明細書で使用されており、一方、用語「接続された」は、任意の中間的な素子が存在しない状態で接続された品目間の直接的な接続を意味するように本明細書で使用されている点を理解されたい。従って、添付の請求項の範囲の精神及び範囲は、上述の明細書に限定されるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】非偏光を放出するＬＥＤを含む従来の投射システムを示す図である。
【図２Ａ】偏光を放出するＬＥＤを含む投射システムを示す図である。
【図２Ｂ】偏光を放出するＬＥＤの断面図を示す図である。
【図２Ｃ】偏光を放出するＬＥＤの断面図を示す図である。
【図３】２つの偏光ＬＥＤ、偏光ビームスプリッタ、及び非偏光マイクロディスプレイを使用する本発明の実施形態による投射システムを示す図である。
【図４】放射強度ＩがＬＥＤ発光面に垂直の位置からの角度の関数としてプロットされる一般的な放射パターンのプロットを示す図である。
【図５Ａ】従来のＬＥＤを示す図である。
【図５Ｂ】蛍光体層で覆われた従来のＬＥＤを示す図である。
【図６Ａ】高放射輝度ＬＥＤを示す図である。
【図６Ｂ】蛍光体層で覆われた高放射輝度ＬＥＤを示す図である。
【図７】集光器要素を備えた高放射輝度ＬＥＤの実施例を示す図である。
【図８】本発明の実施形態による、高放射輝度ＬＥＤ、集光器要素、及び波長変換材料を含む素子を示す図である。
【図９Ａ】蛍光体層の下に配置された二色フィルタなどのフィルタを有する集光器要素及び波長変換層から成る出口領域の拡大図である。
【図９Ｂ】蛍光体層の上に配置された二色フィルタなどのフィルタを有する集光器要素及び波長変換層から成る出口領域の拡大図である。
【図１０Ａ】本発明の実施形態に従って使用することができる集光器構造の可能な形状を示す図である。
【図１０Ｂ】本発明の実施形態に従って使用することができる集光器構造の別の可能な形状を示す図である。
【図１１】波長変換材料を照光するために結合される２つの高放射輝度偏光ＬＥＤを有する素子を示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１５２  ＬＥＤ
１５８  基板
１５９  ｎ型層
１６０  発光領域
１６２  ｐ型層
１６４  第２の接点
１６５  第１の接点
１６６  相互接続部
【図１】
2005328042.tif 000026
【図２Ａ】
2005328042.tif 000027
【図２Ｂ】
2005328042.tif 000028
【図２Ｃ】
2005328042.tif 000029
【図３】
2005328042.tif 000030
【図４】
2005328042.tif 000031
【図５Ａ】
2005328042.tif 000032
【図５Ｂ】
2005328042.tif 000033
【図６Ａ】
2005328042.tif 000034
【図６Ｂ】
2005328042.tif 000035
【図７】
2005328042.tif 000036
【図８】
2005328042.tif 000037
【図９Ａ】
2005328042.tif 000038
【図９Ｂ】
2005328042.tif 000039
【図１０Ａ】
2005328042.tif 000040
【図１０Ｂ】
2005328042.tif 000041
【図１１】
2005328042.tif 000042
【外国語明細書】
2005328042.tif 000043
2005328042.tif 000044
2005328042.tif 000045
2005328042.tif 000046
2005328042.tif 000047
2005328042.tif 000048
2005328042.tif 000049
2005328042.tif 000050
2005328042.tif 000051
2005328042.tif 000052
2005328042.tif 000053
2005328042.tif 000054
2005328042.tif 000055
2005328042.tif 000056
2005328042.tif 000057
2005328042.tif 000058
2005328042.tif 000059
2005328042.tif 000060
2005328042.tif 000061
2005328042.tif 000062
2005328042.tif 000063
2005328042.tif 000064
2005328042.tif 000065
2005328042.tif 000066
2005328042.tif 000067
2005328042.tif 000068
2005328042.tif 000069
2005328042.tif 000070
2005328042.tif 000071
2005328042.tif 000072
2005328042.tif 000073
2005328042.tif 000074