(57)【要約】【課題】  発光ダイオードを使用する高放射輝度システムの輝度の増大を提供する。【解決手段】  投射システムのような発光ダイオード（ＬＥＤ）を含むシステムの輝度は、約１．２５に等しいか又はそれ以下の屈折率の任意の媒体内に直接光を放射する発光面を有するＬＥＤチップを使用することにより増大させることができる。例えば、ＬＥＤチップは、エンカプシュラント内ではなく、空気又は気体のような周囲環境内に直接光を放射することができる。その低屈折率は、ＬＥＤのエテンデューを減少させ、それによって輝度を増大させる。更に、エンカプシュラントがないので、レンズのような視準光学要素をＬＥＤチップの発光面の近くに位置決めすることができ、これは、大きな角度で放射された光の捕捉を有利に可能にする。二次的な視準光学要素を使用して、マイクロディスプレイのような目標上への光の集束を助けることもできる。【選択図】      図５Ｂ
2005236299.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
約１．２５に等しいか又はそれ以下の屈折率の媒体内に光を放射する発光面を有するチップを含む発光ダイオードと、
入口面を有し、前記チップの前記発光面から放射された光を受けるように配置された視準光学要素と、
を含み、
前記媒体は、前記入口面と前記チップの前記発光面との間に配置される、
ことを特徴とする装置。
【請求項２】
前記視準光学要素及び前記チップは、該チップの幅の約５０％に等しいか又はそれ以下の距離だけ分離されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記視準光学要素は、レンズであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記視準光学要素を保持する保持要素を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記保持要素は、リング形状を有し、かつノッチを含み、
前記レンズは、前記ノッチに保持されるタブを有する、
ことを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記発光ダイオードは、前記チップが取り付けられたサブマウントを更に含み、
前記保持要素は、リフロー半田付けにより前記サブマウント上に取り付けられる、
ことを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項７】
前記視準光学要素の上に配置された二次的視準光学要素を更に含み、それによって該視準光学要素が、該二次的視準光学要素と前記チップとの間に配置されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項８】
約１．２５に等しいか又はそれ以下の屈折率を有する媒体内に光を放射する発光面を有するチップを各発光ダイオードが含む発光ダイオードのアレイと、
入口面を有し、各チップの前記発光面から放射された光を受けるように配置された少なくとも１つの視準光学要素と、
を更に含み、
前記媒体は、前記少なくとも１つの視準光学要素の前記入口面と各チップの前記発光面との間に配置される、
ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記少なくとも１つの視準光学要素は、各視準光学要素が関連チップの前記発光面から放射された光を受けるように配置され、各視準光学要素が入口面を有する、視準光学要素のアレイを含み、
前記媒体は、前記入口面と前記関連チップの前記発光面との間に配置される、
ことを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記視準光学要素のアレイは、レンズの一体化アレイであることを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
少なくとも１つのチップは、その関連視準光学要素の中心に対して横方向に外されることを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１２】
前記発光ダイオードは、サブマウントと、各チップが約１．２５に等しいか又はそれ以下の屈折率を有する媒体内に光を放射する発光面を有する、該サブマウント上に取り付けられたチップのアレイとを更に含み、
前記視準光学要素は、前記チップアレイ内の各チップの前記発光面から放射された光を受けるように配置される、
ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記チップの前記発光面から放射された光を前記視準光学要素を通過した後に受けるように配置されたマイクロディスプレイを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
前記チップは、前記発光面を形成する、波長変換層、回折層、ミクロ屈折層、フィルタ層、及び偏光層のうちの１つを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
前記媒体は、周囲環境であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
前記周囲環境は、空気及び気体の一方であることを特徴とする請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
発光面が周囲環境内に直接光を放射するようにエンカプシュラントによって覆われない発光面を有するチップを含む発光ダイオードと、
前記チップの前記発光面から放射された光を前記周囲環境を通して受けるように配置された視準光学要素と、
を含むことを特徴とする装置。
【請求項１８】
前記視準光学要素は、少なくとも１つのレンズであることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記チップの前記発光面から放射された光を該光が前記視準光学要素を通過した後に受けるように配置されたマイクロディスプレイを更に含むことを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項２０】
前記マイクロディスプレイと前記視準光学要素との間に配置された二次的視準光学要素を更に含むことを特徴とする請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
前記発光ダイオードは、サブマウントを更に含み、
前記サブマウント上に取り付けられ、前記視準光学要素を保持する保持要素、
を更に含むことを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項２２】
前記保持要素は、リング形状を有し、かつノッチを含み、
前記レンズは、前記ノッチに保持されるタブを有する、
ことを特徴とする請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
発光面が前記周囲環境内に直接光を放射するようにエンカプシュラントによって覆われない発光面を有するチップを各発光ダイオードが含む発光ダイオードのアレイと、
各チップの前記発光面から放射された光を受けるように配置された少なくとも１つの視準光学要素と、
を更に含むことを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項２４】
前記少なくとも１つの視準光学要素は、視準光学要素のアレイを含むことを特徴とする請求項２３に記載の装置。
【請求項２５】
前記視準光学要素のアレイは、レンズの一体化アレイであることを特徴とする請求項２４に記載の装置。
【請求項２６】
少なくとも１つのチップは、その関連視準光学要素の中心に対して横方向に外されることを特徴とする請求項２４に記載の装置。
【請求項２７】
前記発光ダイオードは、サブマウントと、該サブマウント上に取り付けられ、各チップが発光面を有するチップのアレイとを更に含み、
前記チップアレイ内の各チップの前記発光面は、エンカプシュラントによって覆われず、
前記視準光学要素は、前記チップアレイ内の各チップの前記発光面から放射された光を前記周囲環境を通して受けるように配置される、
ことを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項２８】
前記チップは、前記発光面を形成する波長変換層を含むことを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項２９】
前記周囲環境は、空気及び気体の一方であることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項３０】
前記チップは、前記発光面を形成する、波長変換層、回折層、ミクロ屈折層、フィルタ層、及び偏光層のうちの１つを含むことを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項３１】
約１．２５に等しいか又はそれ以下の屈折率の媒体内に光を放射する発光面を有するチップを含む発光ダイオードと、
前記チップの前記発光面から放射された光を受けるように配置された視準光学要素と、
前記チップの前記発光面から放射された光を該光が前記視準光学要素を通過した後に受けるように配置されたマイクロディスプレイと、
を含むことを特徴とする装置。
【請求項３２】
前記視準光学要素は、少なくとも１つのレンズであることを特徴とする請求項３１に記載の装置。
【請求項３３】
前記マイクロディスプレイと前記視準光学要素との間に配置された二次的視準光学要素を更に含むことを特徴とする請求項３１に記載の装置。
【請求項３４】
前記発光ダイオードは、サブマウントを更に含み、
前記サブマウント上に取り付けられ、前記視準光学要素を保持する保持要素、
を更に含むことを特徴とする請求項３１に記載の装置。
【請求項３５】
前記保持要素は、環状であり、かつノッチを含み、
前記視準光学要素は、前記ノッチに保持されるタブを有する、
ことを特徴とする請求項３４に記載の装置。
【請求項３６】
約１．２５に等しいか又はそれ以下の屈折率を有する媒体内に直接光を放射する発光面を備えた発光ダイオードチップを準備する段階と、
光学要素を準備する段階と、
前記発光面から放射された光が前記光学要素により受光される前に前記媒体を通過するように、該光学要素を前記発光ダイオードに対して取り付ける段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項３７】
前記約１．２５に等しいか又はそれ以下の屈折率を有する媒体は、空気及び気体の一方であることを特徴とする請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記発光面から放射された光を該光が前記媒体を通過した後に前記光学要素を用いて集束させる段階と、
前記集束した光を目標上に入射させる段階と、
を更に含むことを特徴とする請求項３６に記載の方法。
【請求項３９】
前記光学要素を取り付ける段階は、該光学要素を前記発光ダイオードチップが取り付けられたサブマウントに取り付ける段階を含むことを特徴とする請求項３６に記載の方法。
【請求項４０】
前記光学要素は、主要光学要素であり、
二次的光学要素を準備する段階と、
前記主要光学要素から光を受けるために前記二次的光学要素を取り付ける段階と、
を更に含むことを特徴とする請求項３６に記載の方法。
【請求項４１】
前記光学要素を取り付ける段階は、該光学要素の中心を前記発光表面のチップに対して横方向に外す段階を含むことを特徴とする請求項３６に記載の方法。
【請求項４２】
約１．２５に等しいか又はそれ以下の屈折率を有する媒体内に直接光を放射する発光面を各々有する複数の発光ダイオードチップを準備する段階、
を更に含み、
前記光学要素を取り付ける段階は、前記複数の発光ダイオードチップの各々の前記発光面から放射された光が該光学要素により受光される前に前記媒体を通過するように、該光学要素を該複数の発光ダイオードチップに対して取り付ける段階を含む、
ことを特徴とする請求項３６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に、投射システムのような発光ダイオードを使用する高放射輝度システムにおける輝度の増大に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１Ａ、図１Ｂ、及び図１Ｃは、発光ダイオード（ＬＥＤ）を使用する投射システムのための様々な公知の照明アーキテクチャを概略的に示すものである。図１Ａは、それぞれのＬＥＤ１４ａ、１４ｂ、及び１４ｃ（集合的にＬＥＤ１４と呼ぶこともある）で照明されるいくつかの透過性マイクロディスプレイ１２ａ、１２ｂ、及び１２ｃ（集合的にディスプレイ１２と呼ぶこともある）を含むアーキテクチャ１０を示す。ＬＥＤ１４は、１つ又はそれ以上の視準レンズ１６ａ、１６ｂ、及び１６ｃ（集合的にレンズ１６と呼ぶこともある）を通じてディスプレイ１２を照明する。レンズ１６は、ＬＥＤ１４から光を集光して、光をディスプレイ１２上に集束させる。ＬＥＤ１４は、ディスプレイ１２を異なる色、好ましくは、赤、緑、及び青で照明する。マイクロディスプレイは、一例として、セイコーエプソン及びソニーによって製造されているような高温ポリシリコン（ＨＴＰＳ）ディスプレイとすることができる。３つのディスプレイ１２の画像は、例えば「Ｘ−ｃｕｂｅ」とすることができるプリズム１８を用いて結合される。プリズム１８から図示していない画面上に画像を投射するために投射レンズ１９が使用される。
【０００３】
図１Ｂは、図１Ａに示すものと類似の構成要素を含むが（同じように示した要素は同じものである）、例えばテキサス・インストルメンツによってデジタルミラーディスプレイとして製造されているような微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）のための構成で単一の反射性マイクロディスプレイ２２を使用する別の照明アーキテクチャ２０を示す。マイクロディスプレイ２２は、ＬＥＤ１４ａ、１４ｂ、及び１４ｃからの異なる有色光によって照明されている時、赤、緑、及び青のような異なる有色画像に亘って循環する。マイクロディスプレイ２２の異なる色状態は、ＬＥＤ１４の電源を入切りし、二色ミラー２４ａ及び２４ｂを使用して色を組み合わせることによって行われる。マイクロディスプレイ２２からの画像は、「全内部反射」プリズムの一部であるプリズム２６及び２８を通じてレンズ１９によって受け取られる。
【０００４】
図１Ｃは、ソニーによって製造される種類のようなカラー液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）である単一の透過型マイクロディスプレイ３２を含む別の照明アーキテクチャ３０を示す。マイクロディスプレイ３２は、視準レンズ１６を通じて白色ＬＥＤ３４で照明される。
【０００５】
図１Ａ、図１Ｂ、及び図１Ｃに示すように、ＬＥＤからの光は、例えば、視準レンズ１６により集光してマイクロディスプレイ上に集束させる必要がある。マイクロディスプレイ及び投射レンズは、特定の区域及び特定の角度内で受光した光を通すだけなので、ＬＥＤとマイクロディスプレイとの間でレンズの使用が必要である。ＬＥＤからの光を集光してマイクロディスプレイ上に集束させるために、異なる種類のレンズシステムを使用することができる。図２Ａは、ＬＥＤ５２に関連した平凸レンズ５４の使用を示す。勿論、両凸レンズ又は非球面型レンズのような他の種類のレンズ、又はいくつかのレンズの組合せさえも同じく使用することができる。平凸レンズ５４又は他の類似のレンズを使用する時の欠点は、線５６で示すようなＬＥＤ５２から大きな角度で放射された光は集光されず、従って、マイクロディスプレイ上に集束されないという点である。
【０００６】
図２Ｂは、前方方向にＬＥＤ５２によって放射された光を集光するための非球面レンズ６２の組合せである視準レンズシステム６０と、より大きな角度、例えばＬＥＤ５２の側部に向けて放射された光を集光するための全内部反射光学部品６４とを使用した構成示す。
【０００７】
図３は、図２Ｂに示すものなどの視準レンズの一般的な性能を示すグラフである。このグラフは、光源（線７０）、視準器（線７２）、及びマイクロディスプレイ（線７４）に対するエテンデューの関数としての集光効率を示す。視準器の集光効率は、視準器からのフラックスを光源からのフラックスで割り算したもので定義され、マイクロディスプレイの集光効率は、マイクロディスプレイ上へのフラックスを光源からのフラックスで割り算したもので定義される。
【０００８】
一般的な光学ビームに対するエテンデューは、以下のように定められる。
Ｅ＝∫∫ｎ2ｄＡｄΩ      （式１）
ただし、ｎは光源が放射している媒体の屈折率、ｄＡは面積、及びｄΩは立体角の図心である。ＬＥＤが表面エミッタと考えられる場合、ＬＥＤのエテンデューは、以下のように書くことができる。
Ｅ＝ｎ2πＡｓｉｎ2θ      （式２）
ただし、θは集光半角である。
【０００９】
エテンデューは、全光学システムの処理能力として投射システムにおいて重要であり、すなわち、投射システムの最大光束（φp）は、以下のようにマイクロディスプレイのエテンデューにより制限される。
φp＝ηpＥMDＬ      （式３）
ただし、ηpは投射器効率、Ｌはマイクロディスプレイを照明する光ビームの輝度、及びＥMDはマイクロディスプレイ投射レンズの組合せのエテンデューである。照明光ビームの輝度（Ｌ）は、以下のように、ＬＥＤ（φLED）のフラックスと照明器の効率（ηill）との積を光源のエテンデュー（ＥLED）で割り算することによって判断される。
Ｌ＝ηillφled／ＥLED      （式４）
【００１０】
【特許文献１】米国特許第６，４８６，４９９号
【特許文献２】米国特許第６，０９１，０８５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
マイクロディスプレイのエテンデューに対する一般的な値は、１０から３０ｍｍ2ｓｒの範囲である。図３のグラフから分るように、視準器（線７２）及びマイクロディスプレイ（線７４）に対する実際の集光効率は、この範囲のエテンデューに対しては２０％から５０％に過ぎない。しかし、図３に示すようにＬＥＤ光源（線７０）の理論的に達成可能な効率は、同じエテンデューに対して３５％から１００％である。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の実施形態によれば、発光ダイオード（ＬＥＤ）を有するシステムの輝度は、約１．２５に等しいか又はそれ以下の屈折率を有する任意の媒体内に直接光を放射する発光面を有するＬＥＤチップを使用することにより増大させることができる。例えば、ＬＥＤチップは、エンカプシュラント内ではなく、空気又は気体のような１．２５を遥かに超える、例えば、１．４５と１．５５の間の屈折率を一般的に有する周囲環境内に直接光を放射することができる。本発明は、ＬＥＤのエテンデューを減少させ、これによって輝度が増大される。更に、エンカプシュラントがないので、レンズのような視準光学要素をＬＥＤチップの発光面近くに位置決めすることができ、これは、大きな角度で放射した光の捕捉を有利に可能にする。マイクロディスプレイのような目標に光を集束させることを助けるために、二次的な視準光学要素を使用することもできる。
【００１３】
いくつかの実施形態では、装置は、約１．２５に等しいか又はそれ以下の屈折率を有する媒体内に光を放射する発光面を有するチップを含む発光ダイオードを有する。本装置は、チップの発光面から放射された光を受けるように配置された視準光学要素を更に含み、媒体は、視準光学要素の入口面とチップの発光面との間に配置される。
【００１４】
いくつかの実施形態では、装置は、発光面が周囲環境内に直接光を放射するようにエンカプシュラントによって覆われない発光面を有するチップを含む発光ダイオードを有する。本装置は、周囲環境を通じてチップの発光面から放射された光を受けるように配置された視準光学要素を更に含む。
【００１５】
いくつかの実施形態では、装置は、約１．２５に等しいか又はそれ以下の屈折率を有する媒体内に光を放射する発光面を有するチップを含む発光ダイオードを有し、かつ、視準光学要素及びマイクロディスプレイを有する。視準光学要素は、チップの発光面から放射された光を受けるように配置され、マイクロディスプレイは、チップの発光面から放射された光を、光が視準光学要素を通過した後に受けるように配置される。
【００１６】
いくつかの実施形態では、方法は、約１．２５に等しいか又はそれ以下の屈折率を有する媒体内に直接光を放射する発光面を有する発光ダイオードを準備する段階、及び光学要素を準備する段階を含む。本方法は、発光面から放射された光が光学要素によって受光される前に媒体を通過するように光学要素を発光ダイオードに対して取り付ける段階を含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の実施形態によれば、投射システム、自動車前照灯、又は光ファイバのような高輝度システムに使用される発光ダイオード（ＬＥＤ）は、低屈折率、例えばｎ≦１．２５の媒体内に光を放射する発光面を含む。例えば空気又は気体とすることができる低屈折率の媒体の使用は、エテンデューを低減し、従って、ＬＥＤの輝度を増大させる。
【００１８】
図４は、従来の高出力ＬＥＤ１００の断面図である。ＬＥＤ１００は、ＬＥＤによって放射された光を生成し、かつサブマウント１０４又は放熱板上に取り付けられたチップ１０２（ダイと呼ぶこともある）を含む。従来的に、チップは、典型的にエポキシ又はシリコンゲルで製造されたエンカプシュラント１０６とエンカプシュラント１０６を覆うプラスチック成形レンズ１０８とによって保護される。一部のＬＥＤにおいては、エンカプシュラント１０６は、レンズを形成するために使用されるので、エンカプシュラント１０６及びレンズ１０８は、本明細書で参照しやすいように、以下ではエンカプシュラントとして説明する。エンカプシュラントは、一般的に抽出効率を増大し、ワイヤ結合のようなチップ１０２の感受性要素に対する保護を提供する。
【００１９】
上述のように、式１及び２を参照すると、光源が光を放射する媒体の屈折率（ｎ）は、エテンデューに影響を及ぼす。すなわち、チップ１０２がエンカプシュラント１０６内に直接光を放射するので、エンカプシュラントの屈折率は、装置のエテンデューに影響を及ぼす。一般的に従来のＬＥＤと共に使用されるエンカプシュラントは、１．４５から１．５５の範囲の屈折率（ｎ）を有する。式４から分るように、装置の輝度（Ｌ）は、エテンデュー（Ｅ）と逆の関係にある。従って、従来のＬＥＤ１００と高屈折率を有するエンカプシュラントとの併用の欠点は、装置の輝度が減少することである。
【００２０】
図５Ａは、本発明の実施形態による、高輝度システムで使用することができるＬＥＤ１５０を示す。ＬＥＤ１５０は、周囲環境、例えば空気又は気体、又は約１．２５又はそれ以下の屈折率を有する周囲媒体内に直接光を放射する発光面１５３を有するチップ１５２を含む。ＬＥＤチップ１５２は、約１．２５又はそれ以下の屈折率を有する媒体内に光を放射し、従来のエンカプシュラントは、１．４５から１．５５の屈折率を有するので、ＬＥＤ１５０は、本明細書では非カプセル化ＬＥＤと呼ぶこともある。ＬＥＤチップ１５２は、例えば、サブマウント、放熱板、又はＬＥＤチップを取り付けることができる他の任意の要素である基部要素１５４上に取り付けられた状態で示されている。基部要素１５４は、本明細書ではサブマウント１５４と呼ぶこともあるが、この要素は、放熱板又は他の任意の適切な要素であってもよいことを理解すべきである。
【００２１】
参考のために、仮にＬＥＤ１５０と併用された場合のエンカプシュラント／レンズの位置が点線で示されている。エンカプシュラントがなければ、チップ１５２は、約１の屈折率を有する空気中に直接光を放射する。ＬＥＤ１５０は、従来的に使用されてきたエンカプシュラント１０６よりも低い屈折率を有する媒体内に光を放射するので、ＬＥＤ１５０のエテンデューは低くなり、従って、投射システムでの処理能力がより高くなる。一例として、空気中への抽出効率がエンカプシュラントの場合と同じである場合、ＬＥＤ１５０を使用する装置の処理能力は、屈折率１．５の場合に対して屈折率の２乗（ｎ2）だけ、すなわち、約２．２５だけ向上させることができる。実際には、空気中への抽出効率がエンカプシュラント内への場合よりも低いので、利得はより低いことになる。
【００２２】
図５Ｂは、一実施形態によるＬＥＤチップ１５２の断面図を示す。チップ１５２は、ワイヤ結合が有利に排除されたフリップチップ設計を有する。チップ１５２は、発光面１５３が基板１５８の表面である基板１５８上に形成された第１の導電型の層１５９を有する。図５Ｂに示す装置がＩＩＩ族窒化物発光ダイオードである場合、第１の導電型の層１５９は、ｎ型ＩＩＩ族窒化物層とすることができ、基板１５８は、サファイア、ＳｉＣ、ＧａＮ、又は他の任意の適切な基板とすることができる。発光領域１６０は、活性領域と呼ばれることもあるが、第１の導電型の層１５９上に形成され、次に、第２の導電型の層１６２が発光領域１６０上に形成される。第１の接点１６５は、層１５９に結合され、第２の接点１６４は、層１６２に結合される。接点１６４及び１６５のうちの少なくとも一方は、反射性とすることができ、これによって光出力が大きくなる。相互接続１６６は、図５Ａに示すサブマウント１５４に発光ダイオードを結合する。相互接続３６は、例えば、半田隆起又は金隆起とすることができる。
【００２３】
図５Ｂに示すように、チップ１５２は、エンカプシュラントを含まず、従って、光は、発光面１５３から空気又は周囲気体のような周囲環境内に直接放射される。一実施形態では、チップ１５２は、１つ又はそれ以上の付加的な層１６８を含むことができる。一例として、層１６８は、チップ１５２によって生成された光の波長を変換する蛍光材料、例えば、燐のような波長変換材料とすることができる。ＬＥＤチップ１５２が１つ又はそれ以上の付加的な層１６８を含む時、ＬＥＤチップ１５２の発光面は、図５Ｂに示すように表面１５３ａであることを理解すべきである。層１６８又は上に重なる層はまた、例えば、二色フィルタのようなフィルタ、又はワイヤグリッド偏光子のような偏光子、回折光学構造、又はミクロ回折光学構造とすることができる。
【００２４】
屈折率に及ぼす影響は、それぞれ光線１１０及び１５６によって図４及び５Ａに示されている。公知のように、入射及び屈折角度は、以下のスネルの法則によって規定される。
ｎｓｉｎ（ｕ）＝ｓｉｎ（ｕ’）      （式５）
【００２５】
ｎ及びｕは、チップが組み込まれた媒体の内側の屈折率及び角度であり、ｎ’及びｕ’は、空気のようなＬＥＤが使用される媒体の屈折率及び角度である。図４に示すように、レンズ１０８の界面１１２では、角度ｕの入射光は、より大きな角度ｕ’で放射される。しかし、図５に示すように、レンズ１０８又はエンカプシュラント１０６がなければ、図４の界面１１２と同じ点である点１５７で入射角７を有する光では、屈折は発生しない。
【００２６】
図６は、視準レンズ１８０のような光学要素が、サブマウント１５４に取り付けられたＬＥＤチップ１５２として示す非カプセル化ＬＥＤ１５０と共に使用される本発明の実施形態を示す。有用な態様においては、エンカプシュラントなしで、レンズ１８０をチップ１５２の近くに配置することができる。従って、大きな角度でチップ１５２から放射された光を比較的小さなレンズで捕捉することができ、従って、従来のシステムに対して集光効率が改善される。一例として、レンズ１８０は、チップ１５２から５０μｍ又はそれ以上の距離を置いて配置することができる。一般的に、レンズ１８０とチップ１５２との間の距離（ｄ）は、チップ１５２の幅（ｗ）の約５０％又はそれ以下にすべきである。勿論、必要に応じて、レンズ１８０とチップ１５２との間の任意の望ましい距離を用いることができる。レンズ１８０は、図６では平凸非球面レンズとして示されているが、他のレンズの種類も同様に用いることができる。更に、必要に応じて、他の光学要素を使用することもできる。一例として、レンズ１８０の代わりに回折光学要素を使用することができる。
【００２７】
図７は、チップ１５２とレンズ１８０の一部分との側面図を示す。図７に示すように、レンズ１８０がチップ１５２に近いために、チップ１５２から放射された光線１８２は、レンズ１８０の内側に遥かに小さい角度で屈折する。更に、レンズ１８０によって反射された光は、光線１８４で示すように、チップ１５２上に反射して戻すことができ、光は、そこでチップ１５２の上面から反射するか又はチップ１５２内で内部反射してレンズ１８０に戻ることができる。従って、レンズ１８０から反射した光の一部分を再利用することができる。反射してチップ内に戻る光を再利用することができる機能は、例えば、銀又はアルミニウム又はそれらの合金で製造することができる高反射性接点を使用することによって向上する。更に、ＬＥＤチップ内に光学散乱要素を組み込めば、再利用処理が高められることになる。例えば再利用光及び反射性接点の使用を通してＬＥＤの光発生機能を増大させることは、本明細書において引用により組み込まれている、米国特許第６，４８６，４９９号及び第６，０９１，０８５号に説明されている。
【００２８】
図８は、本発明の一実施形態による非カプセル化チップ１５２近傍へのレンズ２０２の取り付けを示す装置２００の側面図を示す。装置２００は、レンズ２０２を保持する保持要素を含む。一例として、保持要素は、ノッチ２０５を有するリング２０４とすることができ、レンズ２０２は、環状タブ又はノッチ２０５によって保持された複数の別々のタブを含む。レンズ２０２は、単一レンズ又は１つ又はそれ以上の接合レンズ、例えば、平凸レンズに接合されたプレートとすることができることを理解すべきである。リング２０４は、レンズ２０２を取り囲んで保持し、例えば、タブ２０３は、リングのノッチ２０５内に挿入される。一実施形態では、リング２０４は、銅のような金属から製造され、それが膨張するように加熱される。ガラス又はプラスチックレンズとすることができるレンズ２０２は、次にリング２０４内に挿入され、リング２０４を自然冷却させることにより、レンズ２０２を保持するようにリング２０４を収縮させる。リング２０４は、例えば、リフロー半田付けによってチップ１５２と同じサブマウント１５４上に取り付けることができ、これは、チップ１５２とレンズ２０２との間の正確な位置合わせを有利に提供する。サブマウント１５４は、サブマウントキャリア２０８上に取り付けられた状態で示されている。必要に応じて、レンズ２０２を保持する複数の支柱のような他の種類の保持要素を使用することができる。
【００２９】
図９は、本発明の別の実施形態により装置２５０がチップ１５２から放射された光を更に視準するために使用される二次的レンズ２５２を含むことを除き、同様に指定された要素が同じ要素を表す装置２００と類似の装置２５０の側面図を示す。図９に示すように、二次的レンズ２５２は、リング２０４に類似とすることができるリング２５４上に取り付けられる。一実施形態では、リング２５４は、サブマウントキャリア２０８に取り付けられるが、他の実施形態では、リング２５４を他の場所、例えばサブマウント１５４自体に取り付けることができる。二次的レンズ２５２が平凸レンズとして示されているが、他のレンズの種類も同様に使用することができる。更に、必要に応じて、回折光学要素のような他の光学要素を使用することができる。
【００３０】
図１０は、本発明の別の実施形態により、非カプセル化ＬＥＤ装置２００のアレイを含み、装置２００から放射された光を更に視準するための二次的レンズアレイ３０２を使用する、装置２５０に類似の装置３００の側面図を示す。レンズアレイ３０２は、例えば単一部分として射出成形されたプラスチックから製造することができる。
【００３１】
一実施形態では、ＬＥＤチップは、得られるビームを望ましい角度で偏向させるために近接レンズに対して偏心させることができる。図１１は、装置２５０と類似のものであるが、ＬＥＤチップ３５２が近接レンズ２０２の中心３５４に対して横方向に外された装置３５０の実施形態を示す。光線３５６で示すように、得られる光ビームは、垂直に対してある一定の角度で偏向される。
【００３２】
偏心したＬＥＤチップの使用は、アレイ構成と共に有利に用いることができる。図１２は、一部が関連の近接レンズ２０２に対して偏心したいくつかのＬＥＤチップ４０２を含み、二次的レンズアレイ３０２も含む装置４００の実施形態の側面図を示す。図示のように、ＬＥＤチップ４０２の偏心量を制御することにより、付加的な光学部品が何もなくてもＬＥＤチップ４０２からの光を目標４０４上に集束させることができる。一例として、中央ＬＥＤチップ４０２は、その放射した光が目標４０４上に集束するように偏心されない。装置４００の１つの特定の有用な用途は、ＬＥＤチップ４０２が異なる色、例えば、単一白色ビームを生成するために組み合わせることができる赤色、緑色、及び青色を生成する時である。このような実施形態は、目標４０４が格子又はホログラムである場合に特に有用であろう。代替的に、目標４０４は、マイクロレンズアレイ又はマイクロディスプレイそれ自体に付加されたホログラム／格子を有する、角度的に分離されたＬＣＤのようなマイクロディスプレイとすることができる。図１２は、ＬＥＤ要素の線形アレイを示すが、より小型の光源を可能にする二次元アレイを用いることもできることを理解すべきである。一例として、赤色、緑色、及び青色チップの三角形構成、又は赤色、緑色、青色、及び緑色チップの正方形構成を使用することができる。
【００３３】
図１３は、同様に指定された要素が同じものである図９に示す装置２５０と類似の装置４５０を示す。しかし、装置４５０は、全てが同じサブマウント４５４上に取り付けられた複数のＬＥＤダイ４５２Ｒ、４５２Ｇ、及び４５２Ｂを含む。ＬＥＤダイ４５２Ｒ、４５２Ｇ、及び４５２Ｂは、一例として、赤色、緑色、及び青色の光を生成することができる。装置４５０はまた、ＬＥＤダイ４５２Ｒ、４５２Ｇ、及び４５２Ｂを覆う単一レンズ４５６を含む。レンズ４５６は、当業技術で十分に理解されているように、ダイ４５２Ｒ、４５２Ｇ、及び４５２Ｂのいかなる偏心に対しても補正されるように設計することができる。図９は、ダイ４５２Ｒ、４５２Ｇ、及び４５２Ｂを線形アレイで示すが、二次元アレイ、例えば三角形構成で使用することができることを理解すべきである。更に、必要に応じて、付加的なダイを例えば四角形構成で使用することができる。
【００３４】
本発明を教示する目的で特定の実施形態に関連して説明したが、本発明は、それらに限定されない。本発明の範囲から逸脱することなく、様々な適応及び修正を行うことができる。従って、特許請求の範囲に記載の精神及び範囲は、以上の説明に限定されるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１Ａ】投射システムのための様々な公知の照明アーキテクチャの１つを概略的に示す図である。
【図１Ｂ】投射システムのための様々な公知の照明アーキテクチャの１つを概略的に示す図である。
【図１Ｃ】投射システムのための様々な公知の照明アーキテクチャの１つを概略的に示す図である。
【図２Ａ】ＬＥＤと関連した平凸レンズの使用を示す図である。
【図２Ｂ】非球面レンズと全内部反射光学部品との組合せである視準レンズシステムの使用を示す図である。
【図３】図２Ｂに示すような視準レンズの一般的な性能を示すグラフである。
【図４】従来の高出力ＬＥＤの断面図である。
【図５Ａ】本発明の実施形態による、高輝度システムで使用することができるＬＥＤを示す図である。
【図５Ｂ】図５Ａに示すＬＥＤの断面図である。
【図６】本発明の実施形態による、ＬＥＤと共に使用される視準レンズを示す図である。
【図７】図６のＬＥＤチップと視準レンズの一部分の拡大図である。
【図８】本発明の一実施形態による、ＬＥＤチップ１５２に近接してレンズが取り付けられた装置の側面図である。
【図９】ＬＥＤチップから放射された光を更に視準するための二次的レンズを含む装置の側面図である。
【図１０】ＬＥＤ装置のアレイと二次的レンズアレイとを含む装置の側面図である。
【図１１】ＬＥＤチップが近接レンズに対して偏心した装置を示す図である。
【図１２】いくつかが関連の近接レンズと二次的レンズアレイとに対して偏心したＬＥＤ装置のアレイを含む装置を示す図である。
【図１３】同じ視準レンズの下に単一のサブマウント上に取り付けられた複数のＬＥＤダイを含む装置の側面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１５２  ＬＥＤチップ
１５３  発光面
１５８  基板
１５９  第１の導電型の層
１６０  発光領域
１６２  第２の導電型の層
１６４  第２の接点
１６５  第１の接点
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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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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