(57)【要約】偏光または無偏光出力を限定された角度範囲内に集光する平面多層化ＬＥＤ光源アレイを特徴とする、小型で効率的な光照明システムである。この光学システムは、電気的に相互接続されたＬＥＤチップなどの平面発光体から放射される光を操作する。アレイ中の各発光領域は、ある高さをおいて配置されたプリズム状フィルム、偏向変換フィルム、またはその両方により処理される出力を有する反射側壁で囲まれている。発光体、反射側壁、および高さをもって置かれたプリズム状フィルムの間の光学的相互作用により、光学的に均一性に大きく寄与する、複数の発光領域の間に重なる虚像が形成される。このような均一な光源アレイの実際の照明用途には、ＤＭＤビデオ画像プロジェクタの小型ＬＣＤ、ならびに一般照明、自動車照明、およびＬＣＤバックライティングが挙げられる。
2006504116.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空間光変調器を含む画像情報を生成する手段と、
前記空間光変調器を直接照明するための光源システムと
を備えた画像表示システムであって、
前記光源システムが、
前記空間光変調器の後方に置かれ、前記空間光変調器の開口サイズに一致するかまたはこれを超えるように配置された出力領域および形状を有するほぼ平行な発光チャネルの１次元アレイであって、該チャネルの軸に垂直に測定され、該アレイを上から観察するとき、該アレイの各チャネルが該チャネルで囲まれた発光材料の投影された長さにより定義される発光幅Ｗを有し、等しいチャネル間分離Ｓを有する透明領域に隣接しており、Ｓは、Ｗより実質的に狭く、いずれかの１チャネルの前記発光材料といずれかの隣接チャネルの前記発光材料との間の最短距離に等しいものである１次元アレイと、
透明基板上の透明誘電体マイクロプリズムまたは非球面半円柱の平行アレイを含み、前記基板が前記発光チャネル出力平面と平行で、前記発光チャネルの出力平面と前記空間光変調器の入力側の間に配置され、光学的距離１により前記発光チャネル出力平面から離れており、ＴがＷより小さい第１光配向層と、
前記第１光配向層と、前記空間光変調器との間に置かれた第２光配向層であって、ここで、前記空間光変調器は、ＤがＷ＋Ｓより実質的に小さい、厚さＤの空気ギャップを隔てて前記第１光配向層の上に、それに平行に配置されており、そして、ホログラフィック散乱器シート、バルク散乱器シート、表面散乱器シート、レンズ散乱器シートおよび反射式偏光子フィルムのうちの１以上を含む第２光配向層と、
前記発光チャネルの背面の後方に、背面発光面から、ＧがＳより実質的に小さい距離Ｇに置かれ、白色散乱反射材料、鏡面反射材料、プリズム式反射材料、構造反射材料、バルク散乱器、およびホログラフィック散乱器、およびフラットな基板のうちの１以上を含む光反射層と
を含むものである、画像表示システム。
【請求項２】
前記空間光変調器が液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）である、請求項１に記載の画像表示システム。
【請求項３】
前記空間光変調器が従来の出口標識に見られるような受動的な文字数字アップリケである、請求項１に記載の画像表示システム。
【請求項４】
前記空間光変調器が写真透明フィルムである、請求項１に記載の画像表示システム。
【請求項５】
前記第１散乱層が、商標ＢＥＦとしてＭｉｎｎｅｓｏｔａ  Ｍｉｎｉｎｇ  ａｎｄ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ  Ｃｏｍｐａｎｙで製造されるような、９０度マイクロプリズムのプラスチックシートを含む、請求項１に記載の画像表示システム。
【請求項６】
前記第１散乱層が短い焦点距離のプラスチック円柱レンズを含む、請求項１に記載の画像表示システム。
【請求項７】
前記第１散乱層が、その断面形状が、頂角がほぼ９０度の全角度であるプリズム内に内接する、非球面プラスチック円柱レンズのシートを含む、請求項１に記載の画像表示システム。
【請求項８】
前記第２散乱層が、それの出力角度仕様が、対称でない場合、前記発光チャネルの軸に垂直な平面内で最も広い幅に形成される単一ホログラフィック散乱器シートからなる、請求項１に記載の画像表示システム。
【請求項９】
前記第２散乱層が、相互に接触するか、または１〜３ｍｍ範囲の空気ギャップ厚さで相互に分離される、２つのホログラフィック散乱器シートからなる、請求項１に記載の画像表示システム。
【請求項１０】
前記第２散乱層が、それの偏光透過軸が、前記空間光変調器に取り付けられるか、またはそれの一部にできる、いずれの入力偏光子透過軸の方向にも平行に整列された反射偏光子フィルムを含む、請求項１に記載の画像表示システム。
【請求項１１】
前記発光チャネルが、断面がほぼ長方形で、ガラスで製作されて中空で、薄い壁面であり、その内側壁が蛍光体材料でコーティングされている、請求項１に記載の画像表示システム。
【請求項１２】
前記発光チャネルが、連続の蛇行した形状で、相互接続された並行部分の軸に垂直な短い相互接続チャネル部分により相互に取り付けられている、請求項１１に記載の画像表示システム。
【請求項１３】
前記各発光チャンネルが１０〜１５ｍｍのほぼ等しい発光幅を有し、１〜５ｍｍの幅のほぼ等しい透明な分離領域を有する、請求項１１に記載の画像表示システム。
【請求項１４】
ｎ0の屈折率の透明基板媒体を有し、ほぼ等しい水平および垂直の中心間間隔をもつ、１以上の電気的に相互接続された水平方向寸法Ｌｍｍ×Ｗｍｍの発光ダイオードチップで構成された２次元アレイと、
保持および電気的相互接続の手段を提供する、前記電気的に相互接続された発光ダイオードチップの２次元アレイの後方に配置された反射平面層と、
前記発光ダイオードチップを封入する屈折率ｎ1の透明誘電体媒体の領域を含む、有限厚さの第１透明スペーサ層と、
屈折率ｎ2の誘電体媒体を備え、その上表面に等しい溝角度および等しい溝深さを有するＶ形の平滑な側面の溝の規則的なアレイを含む、有限厚さの第２透明スペーサ層と、
屈折率ｎ2の媒体を備え、この屈折率ｎ3が前記屈折率ｎ2より小さい、有限厚さの前記第１透明スペーサ層の真上に置かれた第３透明スペーサ層と、
前記屈折率ｎ3より大きい屈折率ｎ4の媒体を備え、それの底面が平滑な平面であり、それの上表面が等しい溝角度および等しい溝深さを有するＶ形の平滑な側面の溝の規則的なアレイを含む、有限厚さの前記第３透明スペーサ層の上に置かれた第４透明スペーサ層であって、その溝軸が前記第２透明層の溝軸に対しほぼ９０度の角度で形成されている第４透明スペーサ層と、
前記屈折率ｎ4より小さい前記屈折率ｎ5の媒体を備えた、有限厚さの前記第４スペーサ層の上に置かれた第５透明スペーサ層と、
前記屈折率ｎ5より大きい屈折率ｎ6の媒体を備え、前記溝角度が隣接溝面間で測定され、前記溝深さが、前記溝の底面から溝の上面までで測定される最短距離である、有限厚さの前記第５スペーサ層の上に置かれた第６透明スペーサ層と、
を備えた照明システムであって、
前記第６透明スペーサ層が、光拡散器と偏光子の少なくとも一つを含み、偏光子は、第１偏光状態の光を吸収または反射し、前記第１偏光状態と直交する第２偏光状態の光を透過するものである、照明システム。
【請求項１５】
前記電気的に相互接続された発光ダイオードチップの前記寸法ＬｍｍおよびＷｍｍが、ほぼＬに等しく、一辺で０．２ｍｍ〜２．０ｍｍ間にある、請求項１４に記載の照明システム。
【請求項１６】
前記中心間の間隔が、約１．５Ｌ以上で、約２Ｌ以下の範囲内にある、請求項１５に記載の照明システム。
【請求項１７】
前記２次元アレイが、すべてがほぼ同一色の光を発する、前記電気的に相互接続された発光ダイオードチップで構成される、請求項１５に記載の照明システム。
【請求項１８】
前記２次元アレイが、１つが基本的に赤色、１つが基本的に緑色、および１つが基本的に青色を発する３個以上の前記発光ダイオードチップからなるクラスタで構成され、前記クラスタの中心が、このクラスタ内に置かれた前記電気的に相互接続された発光ダイオードにより占有される正方形面積により画定される最少クラスタサイズの１．５倍以上の前記中心間の間隔により相互に分離しており、前記クラスタ内の前記電気的に相互接続された発光ダイオードが、約１．５Ｌ以上の間隔により前記クラスタ内で全方向に相互に分離している、請求項１５に記載の照明システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、空間的に不連続な個別発光体の１次元または２次元アレイから均一な出力照明を発生する薄い、小型の多層光システムおよび方法に関し、この出力光は多層システムに片側（または両側）からシステム開口全体にわたり均一に放射する。これら発光アレイを含む光学システムにより形成される照明の領域は、視覚的に特徴の無い領域を与え、それにより直接目視される画像のための有用な背面照明、スクリーン上に投影される画像のための照明ビームを実現でき、また、照明自体をシームレスに配置され制御された画像ピクセルであって、それらの集合が任意の瞬間に、直接に目視される空間的に変調された画像を形成するものを構成できる。このように形成される均一照明の領域は、また、一般照明の手段として利用できる。さらに詳細には、この好ましい性能を達成する多層光学システムは、発光アレイ面または複数面を基準に配置された連続した少なくとも２つの光学的な光配向層（light directing layers）を用い、これら層は不連続発光源アレイの上方に好ましい高さをもって配置され、また層構造は、システム出力開口または出力スクリーン上に発光源輝度の均一性および色を均一に出力するように構成され、結果として、光りの均一なビームを出力する。これら正確な高さをもつ光学的層の別の目的は、放射された光ビームの固定された角度範囲を確立することである。このシステムの第１（および特定の事例では第２）の光操作層の構成は、この層が入力光の空間分布を移動（シフト）および拡張することにより、次の層および出力スクリーンに表れる輝度変動を最少にするように構成される。構成において必要とされる関連する単数または複数の層は、ホログラフィック散乱器、レンズ散乱器、レンズアレイ、バルクまたは表面拡散散乱器、光学ガラス、またはすりガラスなどの従来の光散乱材料であってもよい。また関連する単数または複数の層は、直交偏向光に変換されるまで、光源構造内に１つの偏向状態の光を保持する反射偏光子であってもよい。特定の用途においては、光源の放射平面の直ぐ上に配置したベース散乱層を追加することにより、追加の散乱またはランダム化を導入することができる。
【背景技術】
【０００２】
従来の散乱器だけを使用して同等の輝度均一性を得ることができる現在利用可能な照明システムは、効率が低い（輝度の点で）か、パッケージ厚さが厚いか、またはその両方である。
【０００３】
このような改良された照明システムは、反射型および透過型ＬＣＤおよびＤＭＤとして、このような空間光変調器からスクリーン上に画像を投影するために重要である。またこのような改良された照明システムは、ＬＣＤスクリーンのバックライティングとして重要性を持ち、この場合には、照明の均一性は、輝度または小型化を犠牲にすることなく、極めて高品質でなければならない。ＬＣＤ用途では、可能な最も薄いパッケージングと共に最高の可能な輝度が要求される。改良された照明システムは、また、例えば、片面または両面の出口標識を含む、高輝度の指示および表示の多くの用途に使用されるバックライト式受動アップリケにとっても重要である。このような改良された照明システムの他の用途には、劇場照明、自動車ヘッドライト、安全警告照明、および特定の交通信号および警報が含まれる。
【０００４】
これらの改良された照明システムでは、ピクセル照明の均一性およびピクセル密度の最大化の両方を特徴とする画像を生成するよう、境界が接触しない個々にアドレスされる複数の発光領域またはピクセルの不連続アレイとして光源が形成されるが、多層光学システムによりこれらの発光領域またはピクセルのシームレスな配列を実現できる場合には、画像を直接的に表示できる本来的な能力も重要である。
【発明の開示】
【０００５】
したがって、本発明の目的は改良された照明システムおよびそれの使用方法を提供することである。
【０００６】
本発明のシステムの別の目的は、ＬＣＤスクリーンで表示されるような画像についての効率的で均一な背面照明を実現する、新規の光源パネルシステムおよび方法を提供することである。
【０００７】
本発明のさらに別の目的は、潜在的に「出口標識」ならびにさまざまな交通制御標識および告知を含む、商用標識で用いられるステンシルおよびアップリケについての効率的で均一な背面照明を実現するための新規な光源パネルシステムおよび方法を提供することである。
【０００８】
本発明のさらに別の目的は、小型ビデオ映写システム内でＬＣＤおよびＤＭＤ空間光変調器に対して効率的で均一な方向性照明ビームを実現するための新規な光源パネルシステムおよび方法を提供することである。
【０００９】
本発明の別の目的は、ほぼ正方形の発光領域の規則的配置のアレイから均一で強力な光ビームを提供することにより、各発光領域が、もとの発光体の各縁端部の幅の最大２倍にする仮想的な発光正方形に変換され、発光領域が相互に分離されるようになっており、その結果の仮想的な発光体は、開口全体にわたって均一で方向性のあるビームを放射するようにみえ、ほぼ接触する仮想的な画像で満たされているように見える新規な光源パネルシステムおよび方法を提供することである。
【００１０】
本発明のさらに別の目的は、新規の光源パネル構造の多層パッケージング手段を提供することである。この光源パネル構造は、ダイオードへの外部電気相互接続を可能にする層あって、個々の散乱反射性のコンパートメント内の１以上のダイオードチップを絶縁する層の上に設けられた、発光ダイオードチップの離散的な２次元アレイを含み、このコンパートメント自体が２次元のアレイに配置されて、いくつかの光学的層のスタックでカバーされており、光学層の１つが、透明プラスチック材料中に作られたプリズム状溝のリニアなアレイを含む２つの光配向層（light directing layers）へと各コンパートメントからの透過光を到達可能にする機械的スペーサであって、各層内の溝は互いに９０度になるように位置合わせされているものである。
【００１１】
また本発明の目的は、新規な光源パネル構造の多層パッケージング手段を提供することである。この光源パネル構造は、ダイオードへの外部電気相互接続を可能にする層であって、個々の散乱反射コンパートメント内の各チップを絶縁する層の上に、単色発光ダイオードチップの離散的な２次元アレイを含み、このコンパートメントは、コンパートメント間にコンパートメント幅の０．５〜１．０倍の散乱反射空隙を有する２次元アレイを形成し、さらにこのコンパートメントがいくつかの光学的層のスタックで覆われており、光学層の１つが透明スペーサであって、透明プラスチック材料中に作られたプリズム状溝のリニアなアレイを含む２つの光配向層へと各コンパートメントからの光を到達可能にし、各層内の溝は互いに９０度になるように位置合わせされているものである。
【００１２】
本発明のさらに別の目的は、多層光源パネル構造体の新規の製造方法を提供することである。この場合、極めて大きい面積のいくつかの薄い多層シートからなる単一のラミネートが、スペーサの正確な厚みにより一連の光配向層から分離され、その光配向層に積層された結合された発光ダイオードの規則的配列の２次元アレイを含むことにより、その後に大きい面積のラミネートを個々の光源パネルデバイスに分割でき、その各々が発光ダイオードの構成アレイならびに共通の多層の光学的および機械的な構造体を含むようにされており、得られる光源パネルのサイズおよび形状は電気的相互接続設計により予め決定される。
【００１３】
本発明のさらに別の目的は、分離した３つの原色光源パネル（各々は、赤、緑および青）を、３パネル反射型ＬＣＤビデオ映写システムと、ここで、各原色に対して１つのＬＣＤがあり、ＬＣＤを含む反射型非画像形成角度変換システム内の各光源パネルと、偏向ビームスプリッタと、広帯域１／４波形位相遅延フィルムと、凹形金属反射表面と、および負の視野レンズとに一体化するための、新規の手段を提供することである。
これに加えて、投影装置に関するその他。
これに加えて、光源キューブ。
これに加えて、ＬＣＤバックライト、自動車ヘッドライトに関するその他。
【００１４】
本発明のさらに別の目的は、二面の不連続な発光アレイにより放射された不均一な光を散乱させて、アレイのより強い放射領域間の暗い領域が、部分的に、前置散乱器の屈折作用により光強度を増強され、この前置散乱器の発光アレイ上のユニークな高さが、出力の均一性を最適化するために特定的に選択された、改良されたシステムおよび方法を提供することである。
【００１５】
本発明のさらに別の目的は、光源の上方に一定の高さで配置されアレイ状に形成されたリニアマイクロプリズム（またはプリズム状素子）から成るシートを用いて、二面の不連続な光源の不均一な光分布を均一にするための改良されたシステムおよび方法を提供することである。
【００１６】
本発明のさらに別の目的は、不連続な発光ダイオードの２次元アレイまたは発光ダイオードを含む領域により生じる不均一な光分布を均一にするための改良されたシステムおよび方法を提供することである。この場合の各ダイオード（またはダイオードを含む領域）は長さおよび幅Ｗを有し、隣接領域とは等しい分離距離（ＷまたはＷ未満）を有する、平行であるが直交しているリニアマイクロプリズムの２枚のシートを使用することにより、そして、これらシートに一般にほぼＷ〜０．５Ｗの間の高さに設定された発光平面から正確な高さを与えることにより、生成される出力ビーム内の出力輝度の最大の均一性を実現する。
【００１７】
本発明のさらに別の目的は、発光ダイオードの２次元アレイにより出現する不均一な光分布を均一にするための改良されたシステムおよび方法を提供することである。この場合の各ダイオードは、リニアマイクロプリズムの平行であるが直交している２枚のシートから離間した出力開口を有する分離した発光キャビティ内にあり、この離間は特定の側壁傾斜をもつ反射キャビティのアレイで構成されるスペーサ層により形成されている。
【００１８】
本発明のさらに別の目的は、発光ダイオードの２次元アレイにより出現する不均一な光分布を均一にするための、改良されたシステムおよび方法を提供することである。この場合の各ダイオードは、個々の市販のパッケージに収納され、各パッケージはパッケージの幅に等しいかまたはそれ未満の間隔で相互に分離し、その出力開口部は光散乱材料でカバーされ、さらに前記アレイは、アレイのパッケージの幅の一般に０．５〜１．０倍の厚さの透明スペーサ層により、２つの平行であるが直交しているリニアマイクロプリズムから間隔を空けて配置されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の１つの形態には、平行ストライプのアレイまたは境界を有する発光領域の２次元アレイのどちらかの態様で配列された、分離した発光体の平面上に配置された光配向層のスタックを使用することにより、出力開口の面積に等しい面積の連続的な発光体の領域があたかもあるように、均一で指向性のある出力ビームが生成されることを含む。１つ（または２つ）の光配向層はプリズムシートであり、このプリズムシートの形状および発光体平面からの高さを固有に選択して、発光体画像の必要な重なりおよび散乱を生成する。
【００２０】
１．０  １次元発光アレイ
図１は、一般に、本発明の１つの主要形態により構成される光学システムの側面図を示す。光学システム１０は、構造および方法を具体化しており、発光体アレイにより形成される本来的に不連続な光源１に関してコンパクトな形状をもって配置されたさまざまな光学素子を使用し、この光を操作して、光源１の平面から可能な最少の距離に置かれた出力スクリーン２８上に広範囲に照明方向全体にわたり均一な出力の照明を生成する。このとき、この出力スクリーンからの光は、光に対して置かれた直接目視する画像表示デバイス３については、連続した白色か、または赤、緑および青期間は高速および順次パルス発光のどちらかの、求められている無特徴の背面照明の均一な領域を提供する。デバイス３は、従来の液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）画像デバイス、またはそれ自体は光を発生しないが、ピクセルと呼ばれる画像の超小型の構成部品の輝度を変調する他の能動画像表示デバイスなどの空間光変調器（ＳＬＭ）画像表装置であってもよい。画像表示デバイス３はまた、スライド写真のようなさまざまな受動的または静的画像発生源であってもよく、この場合には、例えば、光学システム１０は医療用Ｘ線フィルムに対する改良された照明器として利用できる。
【００２１】
以下に、図１の光学システムおよびその素子の機能を詳細に説明する。要約すると、プリズムシート７の高さを利用して、光源１の出力平面３４の重なった虚像画像２６、２７を形成する。次に、重なった発光体画像からの光を用いて、均等に配置された発光体間の非発光空間２５を満たし、それにより通常は観察される最大および最少輝度を低減する。次の従来の光拡散層２８および３０は、画像を変位させるプリズムアレイ７の頂点１２より、Ｇ２およびＧ２＋Ｇ３だけそれぞれ上方にあり、その結果に空間的混合をさらに加えて、実効出力スクリーン２８を出る出力角度範囲を広げる。以下に示すように、光源１の出力平面３４の上方のプリズムシート７の正確な高さは、これが別々の発光チャネル自体でるか、または発光体の上方の散乱する拡散層であるかによらず、プリズムユニットの形状および所望の画像配置の度合いに依存する。プリズムの頂角およびサイズはそれぞれ変化させ、距離１８、Ｇ１を可能な限り小さくし、場合によってはゼロになるようにする。
【００２２】
図１の背面反射体４６は金属またはプラスチック支持基板４８、散乱反射する反射層５０、および空隙５２で構成され、この空隙の媒体（空気または誘電体）および厚さ５２を調整して、背面反射光のチャネルを通し、および非発光空隙２５を通って戻る平衡した移動を可能にする。支持基板５０が電気的導電体である場合、これが光源１の電気等価回路の容量性部分を形成する。支持基板５０が熱伝導体である場合、これが、空間光変調器３がＬＣＤスクリーンの場合には、多くの光源システムで従来からなされていたようにランプ全体の熱分布を均等にする。伝導性平面は、局部的加熱を受けて発生するＬＣＤ画像コントラスト変化を防止する方法を提供する。支持基板５０が電気的接地平面である場合、分離距離５２の目的もまた、平面の分布容量を通り光源内１に流れる電流の漏れによる接地への電力損失を防止（または最少化する）ことである。またこの平面を利用して、空間光変調器３を制御する電子回路を、光源１の電気駆動領域から絶縁できる。一般に、この伝導性平面５０の性能が最高になるのは、ステンレス鋼およびアルミニウムなどの最も電気導電性の高い金属で製作されている場合である。散乱反射層は、日本のＫｉｍｏｔｏ  Ｃｏ．，ＬＴＤ．で製造されたＲＥＲＷＨＩＴＥと呼ばれるプラスチックシートなどの高反射性の白色光散乱粒子を充填された任意の材料であってもよい。
【００２３】
プリズムシート７は、Ｍｉｎｎｅｓｏｔａ  Ｍｉｎｉｎｇ  ＆  Ｍａｎｕｆａｃｔｉｒｉｎｇ  Ｃｏｍｐａｎｙ（３Ｍ）により、輝度増強フィルムとして製造される商品名ＢＥＦの９０度の製品の内の１つであってもよい。プリズムシート７はまた、特に適合するように特注設計された、アクリル樹脂、ポリエステルまたはポリカーボネートなどの光学的に透明な材料で成型、型押しまたは鋳造されたプリズムアレイであってもよく、この場合は、プリズムの頂角は９０度でなく、要求される正確な性能に適合する角度であり、プリズム形状も以下に述べるように変更され、必要とされる特定の画像配置特性に精密に調整される。プリズム自体からの直接観察は、散乱層２０による表示から不明瞭であるため、プリズム幅、プリズム表面上の外見的欠陥および個々の素子間の空所１６は見えない。バックライト付きＬＣＤスクリーンシステムの広範な実用用途の３ＭのＢＥＦ製品は、ＢＥＦシートをＬＣＤスクリーンの直後に置くため、その場合には、それの光学性能のすべての不連続性または欠陥が、薄い散乱器シートを通しても直接目に見える。したがって、３Ｍプリズムシート材料のこれら主要な輝度増強特性は、製造および取扱いの両面で高度な外見的完全性を必要とする。
【００２４】
実際の用途については、図１において、全体システム１０の厚さ５６のＴ、Ｇ３＋Ｇ２＋Ｇ１＋Ｌを最小の可能な適合値に製作して、光源１の不連続特性の可視性を抑えている。実際例は、Ｃｏｒｎｉｎｇ，Ｉｎｃ．で開発された新しいフラットな、並列発光チャネル蛍光ランプについて、以下に詳細に説明する。
【００２５】
図２は、図１の本発明の別の実施形態を側面図で示している。この場合、単一光源１は、前述と同様に、それの全体内部表面から、前方向および後方向の両方に光を放射し、また、光源１の両側に配置された前方および後方の空間光変調器３および４の両方（それぞれが、内部および外部干渉散乱層２０を有する）を特徴とする完全に対称な画像表示システム１０により囲まれている。この結果、輝度および均一照明された画像はどちら側からも見ることのできる、特に薄い両面表示デバイスが得られる。この場合、光源から発生した全光束の半分が、それぞれの側の干渉する多層７および１１のセットを通過する。
【００２６】
図２の構成は図１の構成と同一であり、その構造はシステムのミラー平面６の各側に関して対称に配置されている。実質的に同一発光パターン２４が、光源１の最も外側の光散乱表面３４上に生成され、プリズムシート７により、プリズムの頂角８および目的平面３４より上の相対高さ１８で決定される、虚像２６および１７として変位されるのはこれら光パターンである。この両面構造においては、上側プリズムシート７により反射されて光源１方向に戻るすべての光は、光源１の上側により再散乱されるか、または光源１を通過して透過し、光源１の下側から放射される光の一部となる。
【００２７】
本発明のこの両面形式の実際の用途には、両面テレビジョン、両面デスクトップコンピュータモニター、「出口」標識などの両面商用標識、および表示される面に応じて異なるメッセージを表示する両面受動標識を含む。
【００２８】
２．０  ２次元発光アレイ
２次元発光アレイは、個別の正方形（または長方形）の発光開口の行および列を、上記に含まれる１次元発光ストライプの行に対向して配置することにより形成される。この場合、個別の発光領域は非発光領域により相互に分離しており、これは全アレイ開口全体にわたり均一な光分布を実現する方法として必要である。このような方法は、図１および２の突出した単一プリズムシート方法を２層式に拡張し、および個別の先細の微細反射体のアレイを構成することにより、本発明において提供される。両方の２次元方法はアレイ内の個別の発光素子から集光した光を結合して、アレイ全体を含む単一出力開口から到来するように発生する、集光しかつ空間的に均一な出力ビームを形成する。
【００２９】
２．１  高さをもたせて配置したプリズムシート
２つの直交するプリズムシート層５８および６０の正確な高さを利用して、２次元アレイの虚像(virtual image)と、ベースの発光アレイ内の各発光体に関連する４つの発光体の虚像を形成する。単一層でなく、この２層プリズムシート方式を採用することにより、発光体画像間にいかなる目に見える非発光領域も存在しない、完全に連続した発光体画像の出力アレイを得ることができる。１つの例として、非発光空隙Ｗミリメートル幅だけ相互に分離された、１面がＷミリメートルの正方形発光体は、Ｗミリメートル正方形の発光画像の連続したアレイに変換され、各々は放射された元の光速の約１／４を発光する（２つのプリズム層５８および６０を通過する光の透過効率より低い）。さらに、この構成された出力光は、各プリズムシート内で用いられるプリズム形状に起因する集中範囲の出力角度特性へと制限され、相当に広い角度範囲にわたって放射される入力光の状況にあまり依存しない。この方法では、元の発光領域が全体アレイ開口のわずか２５％である発光アレイは、発光領域が全体アレイ開口の１００％になり、かつ発光が減少した範囲の放射角度内に含まれる出力アレイに変換される。このような均一性および方向性を有するビームの実際の利点は、以下に示す１式の例で説明する。
【００３０】
この２層プリズムシート手法は、図１にしめした１次元的な手法に関連して２次元構成の２つの例のうちの１つで実現される。図３に模式的に図示される第１の手法によれば、２つの高さをもたせて配置したプリズムシートにより形成される連続した虚像を、マイクロレンズアレイにより出力平面に中継する。一般に小型の点で第１の手法より望ましい第２の手法は、図７に示されており、２つのプリズムシートだけを使用し、光は下の虚像自体から出力平面へと外に向かって放射される。任意の所与の発光開口により生成される虚像間の空間関係は、図４に示されている。発光体当たり１つの分離されたコンパートメントを示す、発光アレイおよびプリズムシート間の区画化されたスペーサ層の１例は、図５で示される。従って、このスペーサ層の製造を可能にするツールの形態は、図６に示されている。
【００３１】
２．１．１  ３層プリズムシート照明器
図３は、１つの２次元多層発光アレイの断面図であり、このアレイは２つのプリズムシート層および１つのマイクロレンズ層から成る。この例では、出力スクリーン２８の配置は、この場合には、正方形の（または長方形）発光開口２４が光源１のベース層を形成する、個別の制御される発光体７２の２次元アレイからの光のシステムの操作で生じる、明瞭で、制御可能な画像（または照明）素子（場合により、ピクセルと同等に呼ばれる）の、連続またはわずかに重なるアレイを表示する、ように配置される。２つのプリズムシート５８および６０は２連で使用され、両方のプリズムセットの頂点は観察者方向を指し、相互に垂直に形成される各シートの平面軸（シート５８ではｘ軸１１６およびシート６０ではｙ軸１１６）を有し、また相対間隔Ｇ１’およびＳ１、１９および３４は、図３の断面斜視図に示されるように、２つの直交セットの移動虚像１０６を形成するように調整され、それにより、各発光領域１１０を元の発光領域１１０の４つの基本的に連続した虚像２６、２７、１０８、および１０９のクラスタ１０６に変換される（図４の斜視図でさらに明瞭に示される）。この場合、下側のプリズムシート５８は、図３の断面平面内の、および図１に述べたものと類似のペアの移動虚像２６および２７を形成する。一方、上側プリズムシート６０はこのペアを、断面平面内および平面外に移動されるペアの各虚像に分割する。図４に示すように、このペアの虚像の一方は像２６および２７から成り、他方は像１０８および１０９から成る。図４は、これら空間関係の３次元の図を示し、また４つの変位している虚像２６、２７、１０８および１０９に対しては白い正方形として示される発光領域１１０と、周りの８つの発光領域１１２（各々が暗色で示される）を有する。結果として得られる虚像ピクセルの空間境界は黒色フレーム１１４で強調して、区別を明瞭にしている。発光領域１１０の４つの虚像のそれぞれは、２つの直交方向ｘ、１１６およびｙ、１１８のそれぞれの中心１２２から距離Ｗ’１２０だけ移動している。虚像１０６のクラスタの平面は発光平面１２２の上方Ｇ１’−Ｖの高さ１２４に存在する。ここで、Ｖは下側プリズム５８の平面より下のこの平面の深さであり、これらに関しては後で詳しく説明する。
【００３２】
図３のプリズムシート５８および６０の出力側で観察する観察者は、虚像平面を、それぞれがもとになる発光領域１１０の４つの像のクラスタ１０６（図４）から成る個別領域の連続した（接触している）アレイとして見る。これだけでも、特定の直接観察用途に適するが、考慮すべきいくつかの制限がある。制限の１つは、虚像平面からの出力光が、２つの直交プリズムシートを透過する本来的な特性である、狭い円錐の観察角度（ピークパワーの半分に対し±２２．５度）に限定されることである。制限の第２は、各４像のクラスタ内の境界線および個々の４素子ピクセルの間の境界線が、直接的な観察者にとって目障りな目に見えるピクセル構造となってしまう可能性がある。
【００３３】
ただし、図３および図７の２次元照明システムの実際的な用途は、照明器の直接観察を含む用途、およびシステムの出力光ビーム１００を用いて観察される外部素子に照明を提供する用途の両方に関係する。用途によっては、照明器の開口からの光が空間的均一性を有するが、発光が狭い範囲の角度に限定されることが望ましい。別の用途では、空間均一性を有するだけでなく、照明が広範囲の観察方向全体にわたり見える必要がある。
【００３４】
直接観察用途においては、境界線および観察角度制限の対する１つの解決方法は、図３の多層構造内にマイクロレンズ６２のアレイを設け、このレンズを用いて、単位大きさの虚像平面の実像を出力観察スクリーン２４内（または上）内の配置された出力拡散層９４に中継する。図３はピクセル領域１０２当たり１つのレンズだけを表すが、下層のレンズを必要および可能な範囲で用いることもできる。観察スクリーンの正確な高さ３２、Ｇ３を調節して、システムの焦点をずらせて不鮮明にし、境界線の見え方を不鮮明にできる。さらに、含まれる拡散機構の作用がより完全拡散面になると、関連する出力観察角度１００が広くなる。レンズアレイ６２の一般化作用は図３示されており、可視像の点Ｂからの光線８８（発光領域２４上の点Ａからの１組の光線に相当する）は、レンズ像平面９４上の実像点Ｃを形成する光線９６として集光され、像を生成しており、その結果、観察スクリーン２８により散乱されて扇状形の出力光線１００を形成する。
【００３５】
直接ビーム照射用途においては、可視像間の境界線に対する解決策は、システムの焦点をずらすことにより、中継された出力像が出力スクリーン２８上に鮮明な焦点を結ばないようにする（拡散層９４をほとんど使用しないか、または全く使用しない）ことである。
【００３６】
レンズ層６２は２次元アレイの平凸非球面表面にでき、それの各々がピクセル寸法（例では、２Ｗ×２Ｗで与えられる）に一致するのに必要とされる正方形（または長方形）境界を有する。レンズアレイ６２はまた、非球面フレネルレンズ素子、平凸非球面表面またはフレネル円柱レンズアレイ（各円柱レンズは対応するピクセル幅（２Ｗ）に対応する幅を有する）の２つの並列シートで構成できる。この後者の場合には、２組の円柱レンズアレイの方向を合わせて、円柱の軸が相互に直交するようにする。ただし、可能な最短焦点距離に対しては、頂点が相互に対向する、２つの非球面平凸レンズ（バルクまたはフレネル）のスタックは各ピクセルに対して使用することができる。これは、図３に示す単一シートの代わりにレンズアレイの位置合わせした２つの並列シートを用いることを意味する。大きいサイズのピクセルに対しては、複数の短い焦点距離を各ピクセル領域内で使用できる。使用されるレンズ形式に関係なく、実効レンズ距離は、虚像平面６６の上方のレンズの高さのほぼ１／２に設定され、これによりＧ２＋Ｓ１＋Ｖより接近しない。同時に、観察スクリーン２８はレンズ平面から上に同一距離Ｇ３だけ高い位置に置かれている。この状態において、システム１０の全体厚さ２６、Ｔは４Ｆ＋Ｇ１’−Ｖとなる。ここで、Ｆはレンズアレイ６２の最短焦点距離であり、Ｇ１’は発光領域１１０の厚さとほぼ同一であり、またＶはプリズムシート５８の平面より下の虚像平面６６の深さである（これは、以後に立証されるように、約０．７５Ｗである）。
【００３７】
発光領域を８ｍｍ平方、２つのプリズムシートの厚さ０．３ｍｍ、それらの間の空隙Ｓ１をほぼゼロとすると、レンズアレイ６２の最短焦点距離は、ピクセル当たり１つのレンズ素子で構成される場合、約（０．７５Ｗ＋０．３）／２または３．１５ｍとなり、これは単一ピクセルサイズのレンズ素子の実際値より短い。全体で１６ｍｍ×１６ｍｍ開口（２２．６ｍｍ対角）を覆う最短の実際単一レンズ焦点距離は、半径または２２．６ｍｍの約２倍であり、全体厚さ２６は９０ｍｍ以上になる。さらに好ましい焦点距離３．１５ｍｍを達成する実際の方法の１つは、各々が１６×１６ｍｍピクセル面積を覆う７×７または４９小型レンズサブアレイを使用し、この例では、サブアレイの各小型レンズ（それぞれが曲率１．５７ｍｍの実効球面半径を有する）が２．２８ｍｍ平方で切断されている。このようになされた場合、全体厚さ２６は約１２ｍｍに光源１の厚さを加えたものになり、対象の用途により適合する。
【００３８】
このやり方では、図３に示す配置は、光源１上の各発光領域２４を、出力スクリーン２８上の対応する発光面積またはピクセル（図３の１０２、図４の１０８）に変換するが、光操作により発光体間の間隔は効果的に取り除かれる（図３の２４、図４の１１０）。システムの性能は、大幅に改良されるが、間に物理的構造体８４を追加するか、または全発光面積（図３の２４、図４の１１０）を拘束し、この両者はピクセル間のクロストークを最小化し、下側プリズムシート５８に対する厚さＧ１’の自然スペーサとして役立つ。図３および４の虚像２６、２７、１０８および１０９の処理は、構造体８４およびそれの側壁８５の存在に無関係である。側壁は、発光領域２４自体からの大きい角度の光線を制限し、ならびにプリズムシート層５８および６０から最初に反射された光が、対応する出力ピクセルの境界線１０２の外側のプリズムシート５８または６０に達するかまたは戻るのを制限するのに役立つ。これら側壁８５が反射するとき、その光線は、光線が正確な角度の１つにランダムに変換されて、ピクセル境界内のプリズム層５８および６０からの出力光として透過するまで、キャビティ内で散乱する。
【００３９】
２．１．２  区画化された(compartmentalized)プリズム間隔層
図５はこのような構造体８４の１つの一般化された３次元像を示し、個別の発光領域２４を囲む側壁８５がシステム軸５のＴａｎ-1（Ｗ／２Ｇ１’）に対して角度８７のφだけ傾斜している、中空小面のある構造を示している。この中空分離構造体が白色の散乱反射材料で形成されている（または覆われている）場合、好ましくは、この構造体５８の側壁およびプリズムシート５８のベース層は有効一体化キャビティの境界を形成し、それの反射の複合結果がプリズムシートを通る光透過の透過率およびすべてのピクセル出力面積内の光分布の均一性を改良する（図３の１０２、図５の１１６）。図５に示す構造体は、二酸化チタンなどの精細に分割された白色光散乱材料の粒子で充填されたアクリル樹脂またはポリカーボネートなどのプラスチックを圧縮成型または射出成型して製作できる。この構造体はまた、４つの共通側壁のそれぞれを製作するのに円錐仕上げを必要とする、型押し（または鋳造）工程により、最大約１０ｍｍ厚さのプラスチックで形成できる。図６に示す１つの構造体はフィルム（または樹脂）自体の厚さに製作され、この構造体が成型シート（または樹脂）材料に穴を開けて通過して非成型品の支持層（または樹脂の上の空気）に達し、図５で必要とされる貫通穴１２６の配列を形成して、光源１の発光領域２４からの効果的な光透過を可能にする。成型、型押し、または鋳造された材料はポリマおよびガラス、セラミックまたは金属を含む任意の第２相の複合物とすることにより、特定の機械、熱および／または光学特性を達成できる。
【００４０】
この構造体のプリズムシートへの像移動機能の適合性、ならびにこの層に対するいくつかの他の有利な形態は、以下に詳しく述べる。ただし、定性的には、最も重要な概念は、それ自体側壁面から発光されたように見える、側壁から散乱されたすべての光が、キャビティの中心方向に内側向きにだけ移動するそれらの同一側壁の虚像に寄与するか、または発光領域自体の移動した虚像２６、２７、１０８、および１０９に重なることである。以下に詳細に説明するように、任意の点から遠い光は、プリズム層５８および６０により移動され、発光の任意の点のプリズムのベースからの特定の深さと、前述のように、プリズム自体の頂角６とに関係する。任意の所定の頂角６について、特定の発光点がプリズムのベースに近いほど、移動は小さくなり、発光点がプリズムベースから遠いほど、移動は大きくなる。このような理由から、側壁光は隣接キャビティ内に移動できず、図３における傾斜した像１０４として現れる。これは、ピクセル間のクロストークを実質的に除去するため、ピクセルの像形成性能に有利である。
【００４１】
２．１．３  ２層プリズムシート照明
図７は、一般に、図３に配置に代わる、３層でなく薄い２層構造を示し、図３のマイクロレンズアレイ６２が照射され、出力スクリーン２８を配置して表示するか、あるいは、入力光のシステムにプリズム操作から得られる明瞭な虚像１０２の連続またはわずかに重なったアレイから光を導く。２層法の主な利点は図３の中継レンズ層６２を削除することにより、図７のシステムを極めて薄くできることである。２層システムの全体厚さ２２のＴは、Ｇ４＋Ｇ１’に光源１の厚さを加えた厚さに減少する。図３に用いられる１６ｍｍ平方の出力ピクセルおよび３．１５ｍｍ焦点距離の中継レンズでは、図７の全体厚さは主に、８ｍｍ発光領域を連続して出力平面９４上に表わすのに必要なプリズムオフセットＧ１’に依存する。単一の９０度プリズムシートを使用する場合、連続配置の条件は、オフセットＧ１が発光体幅Ｗにほぼ等しいときに発生する。ただし、２つの直交９０度プリズムシートを使用する場合、オフセットＧ１’はＷよりわずかに小さい。光線追跡モデル化（Ｂｒｅａｕｌｔ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ  Ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎにより製作された光学システムモデル化ソフトＡＳＡＰ（商標）を使用する）および直接的な研究室実験の両方により、Ｇ１’がほぼ０．６２５Ｗであることを決定した。これは、標準９０度頂角のプリズム素子を有するプリズムシートでは、約５ｍｍに光源１の厚さを加えた厚さより小さくでき、図３の１２ｍｍ厚さのシステムに比べて約２．５倍の厚さの減少となる。したがって、図４の全体像配置に対するプリズムシートのオフセット距離Ｇ１’は、プリズム素子の頂角６を調整することにより減少でき、所望する場合は、さらに薄いシステム１０を形成できる。
【００４２】
照明システムの厚さを上側プリズムシートの高さに切り詰めるのが可能であることは、大幅な厚さの低減に寄与する。側壁８５を散乱反射を持つように形成できる区画化されたスペーサ層８４は、出力スクリーン２８内で用いられるあらゆる散乱層９４と同様に、虚像境界線の可視性を減少させる。
【００４３】
図３および７の多層配置は一般に発光素子間の間隔が発光開口自体のサイズにほぼ等しいかそれ未満であるような、間隔が狭いアレイを含む照明用途に対して望ましい。用途が著しく大きい面積の出力ピクセルを要求する場合、プリズムシート層を、それの入力開口が発光開口に一致し、またそれの出力開口が構成により連続である、微細反射体のアレイに置換する。
【００４４】
２．１．４  多層微細反射体
図８は別の出力アレイ構造を示し、図３および７の虚像形成プリズムシート５８および６０は、以前に図３、５および７で示した区画化された散乱反射スペーサ層８４と類似の微細反射体の２次元層に置換されている。ただし、この例においては、反射側壁１３６は鏡面反射体であり、またそれの厳密な形状は機能に重要な意味を持つ。各発光開口２４からの大きい角度入力光は、図８の関連付する鏡面反射キャビティに入り、一連の鏡面反射により変換されて出力光となり、この出力光は角度の広がりが確定可能な方法で入力の広がりより減少する。反射素子は、図５のように、２次元的に連続して形成されるため、このアレイから放射される出力光は同様に連続している。微細反射体の境界は出力光内に可視境界線を形成するが、これらの一般に細い境界は、反射体の境界において特定の意図された光漏れまたは交差を発生させることを含む、さまざまな方法で不鮮明にできる。
【００４５】
図８はいくつかの発光ピクセルの断面１２３、ならびに単一のピクセルユニット１２１および１２７の３次元斜視図を示す。斜視図１２１のピクセル構成は直交（ｘおよびｙ）経線のそれぞれの２次元側壁形状に交差し、一方、斜視図１２７は球対称を有する反射体に対するものである。一方、必要に応じて、物理的境界壁１３３を追加して、１つのピクセル内の光とその反射を分離することにより、１つのピクセルの反射体から隣接ピクセルの空間に交差する光線量をほぼ削除できる。
【００４６】
微細反射体により、発光面積を、２層プリズムシート５８および６０を用いて達成される４倍以上に拡大できる。微細反射体の側壁が拡大された出力開口１０２に向かい外側に傾斜しているため、原理的に、入力光が出力として透過される。入力光線は、プリズムシート５８および６０内の全体内部反射により捕集できないため、鏡面反射体１３０内部に捕集できない。この理由は、入射する外部光線からの入力光を遮る、外側に傾斜する側壁１３６からの鏡面反射の結合がないことである。したがって、外側に傾斜する反射側壁が意図した形状である場合、全出力光線を系統的に操作できる。
【００４７】
入力光を出力光に効率的に変換するために、外側に傾斜する反射体側壁を形成する少なくとも２つの有利な方法がある。１つの有利な側壁傾斜は、米国特許６，２１３，６０６号における別の照明用途に関して記載されているような、偏光選択ミラー平面と共に使用する凹状二次曲面反射体の形状である。この場合、入力光は、反射体の頂点に形成された小さい開口を通して導入され、増大した反射出力光が反射体の最も外側の開口を通して出る。別の有利な側壁形状は、一体化バーと類似の先細の像形成しない光集光器により提供される。この場合、入力光は反射素子の細い方の端部から入り、太い方の端部から出る。
【００４８】
２．１．４．１  双曲面反射素子
図９は、双曲面反射側壁形状を示し、実際には連続の２次元アレイである任意の単一ピクセルユニットの側面図である。この場合、ピクセル１５０の出力開口は、入力開口サイズ１５２よりかなり大きく、この開口１５２による光の戻りおよび再放射に関連する損失を防止または最少化する。前述のように、入力発光開口は、ＬＥＤ（またはＯＬＥＤ）７０などの発光デバイスの出力発光表面、または１つまたは複数の発光デバイス７０を含むキャビティ７２の散乱開口２４（図８などの）のいずれであってもよい。入力開口１５２が直径２ｍｍであるとき、出力開口は直径１０〜２０ｍｍまたはこれ以上が望ましい。入力開口１５２から出る全光束は、ほぼ出力開口１５０から出る全光束となり、吸収および進路に沿った全体内部反射に起因する損失は少ない。
【００４９】
入力開口１５２上の点Ｏから出力開口１５０上の点Ｄに至る所定の最大光線１５４の光路は、最も単純な構成では、図９の光線１５６、１５８、および１６０に示すように、３ステップ工程である。入力光線１５４は偏光されるか、または非偏光である。光線が出力スクリーン１３１の点Ｄに衝突すると、光線は反射偏光層１６２により、直線偏光されて、１つは光線１５６のように反射する直線偏光光線となり、他方は光線１６０のように透過する直線偏光光線となるか、あるいは直線偏光光線１５６のように単に反射するかのどちらかである。いずれにせよ、反射光１５６は、双曲面形状の凹状の反射側壁１３６の前方焦点１６６からの光であるかのように、凹状の反射側壁１３６の方向に戻るように進行する。この光線１５６は、凹状の反射表面の点Ｂに達すると、反射体の後方焦点１６８から放射した光であるかのように、出力スクリーンの方向に反射して戻り、広帯域１／４波形遅延フィルム１７０、反射偏光子１６４およびスクリーン１７２を含む、出力スクリーン１３１を構成する全層を通過する。スクリーン１７２は、光を広げ散乱拡散層、出力光角度を狭くするコリメーティングレンズ、またはその両方を含むことができる。反射側壁１３６は平滑および完全な鏡面にでき、また一定範囲の反射方向または平滑な反射面を生成する点描仕上げ面と、一定範囲の反射方向を生成する外部拡散層とを有することができる。反射側壁上または近くに特定の光拡散を追加する目的は、表面を点描仕上げするか、または表面近くに外部拡散層を設けるかによらず、入力開口に関連するあらゆる非均一性を平準化して、出力光の空間均一性を改良することである。
【００５０】
特殊な事例は、入力光線１５４が非偏光である場合である。選択反射層１６４は直接透過出力光１６２を直線偏光し、多段（Ｏ−Ｄ−Ｂ−Ｃ）反射工程は出力光１６０を光線１６２と同一偏光に変換する。結果的に、点Ｏから放射しているかのように±θ全体に広がる半分の光束と、点Ｇの１６８から放射しているかのように±Ψ全体に広がる他の半分の光束との複合出力分布となる。訂正されないこのような角度（および空間）混合は、必ずしもすべての照明および表示用途に適してはいないが、その他に対しては、詳細には、有向および投光照明を同時に提供するときの一般照明に対しては特有の利点を有する。
【００５１】
反射側壁構造１３１の主目的は、入力開口１５２から入射した光束を、可能な限り、最少の光損失で、隣接ピクセルとの間の最少クロストークで、最少の全体厚さＴの多層システムで、幾何的に拡大された出力開口（連続ピクセル）１５０全体にわたり広げることである。この側壁形状が、図９の断面部のように、双曲面（またはそれに近い）で形成される場合、入力光線は、反射偏光子平面１６４が双曲面頂点Ｏの平面より上方の距離１７４のＨに置かれ、Ｈが前方焦点面と頂点面Ｆ２との間の距離の０．５倍に等しいとき、所定の光路を通る。この配置により、システム厚さを拡大することなく、全体光路長さは大幅に延びる。光が点Ｏから放射するとしても、出力開口１５０の点Ｃを通る出口光は、その光が双曲面の、さらに距離Ｆ＋Ａ下方の後方焦点１６８（ＦおよびＡは双曲線関数のパラメータ）から実際に放射したかのような光である。Ａが大きくなると、双曲線関数は放物線のように作用し、出力光線１６０は無限遠から到来するように現れ、発散せずにほぼ平行なる。
【００５２】
双曲面反射体の数式は、式１〜３に集約され、双曲面反射体の凹状のサグ１７８のＹを、有効半径１８０のＸの関数として記述しており、これは反射体の動径座標および突出した反射光線と考えることができる。
【数１】
2006504116.tif 000003
【００５３】
パラメータＡ（図９の１９０）、Ｂ、Ｃ、Ｆ１（図９の１８６）およびＦ２（図９の１７６）は双曲線定数であり、角度１８２のθは極限光線１５２とシステム軸の角度である。任意の点Ｂにおける凹状のサグＹ0は式１および２を等しいとして決定される。Ｙ0が求められると、対応するＸ0は式２に代入して決定される。次に、結果として得られた最大出力角１９２のΨは式３で決定される。
【００５４】
突出した双曲線パラメータＡ、ＢおよびＣは、図９のシステムについて、式４〜７で与えられる。Ｆ１が無限大に近づくと、式１の反射体形状は放物線になり、出力光束１６０は一般にシステム軸に沿って進み、角度Ψはゼロに近づく。
【数２】
2006504116.tif 000004
【数３】
2006504116.tif 000005
【００５５】
これら式中のＨ１は、Ｙ軸上の双曲面頂点Ｏの位置（通常０）であり、Ｆ１は後方焦点１６８のＹ軸上の位置であり、Ｆ２は前方焦点１６６のＹ軸上の位置である。Ｆ２は正の数であり、Ｆ１は負の数である。真の焦点距離ＦはＦ２＋Ａ（図９の１８８）である。反射体の偏心率Ｅは常にＦ／Ａである。
【００５６】
放射光の広がり角度θが広くなると、前記条件を満足する出力開口も大きくなる。放射された入力光の極限光を選択することにより、反射体サイズを決定し、それにより、照明ピクセルのサイズを決定する。
【００５７】
反射体サイズの例は、頂点Ｏ、Ｆ２／２の上方の指定された高さ１７４の反射平面１６４で、これらの式から直接計算できる。これの１つの例示として、長方形（または正方形）に切断した双曲面の回転表面の入力開口１５２の±６０度の広がり角を有する０．５ｍｍ×０．５ｍｍＬＥＤを配置すると仮定する。双曲面パラメータＦ＝３８およびＡ＝３２とすると、反射体は図９の最終反射点Ｂにおいて縁部高さがほぼ２ｍｍに達する。この点の半径は約７ｍｍであり、出力開口は約１０ｍｍ×１０ｍｍ平方である。この場合、反射偏光平面１６４は反射体の頂点の上方４ｍｍの高さにある。この構成は、位相遅延基板厚さが約１ｍｍのときに達成される。この場合、および出力レンズの無い場合、最大出力角度Ｙは±６度よりわずかに小さく、反射体はほぼ放物線である。円錐定数は−１．０９であり、理想放物線であれば−１となる。
【００５８】
観察者に対するピクセルの出力輝度は、先と同様に、光束が分布する広がり角に依存する。広がり角度が広くなると、観察可能方向の範囲も広がるが、輝度は低下する。広がり角度が狭くなると、輝度は高くなるが、観察可能方向の範囲が制限される。図９の層１８４、光拡大拡散層を用いて、ピクセル輝度および角度範囲の両方を設定する。
【００５９】
２．１．４．２  非結像光反射体素子
鏡面反射側壁１３６を数学的に厳密な形状とすることにより、入力および出力開口間の光線が受ける側壁反射の数が最小化され、また開口全体の出力パワーの均一分布が生成されることは、像コンセントレータ（時には、合成放物線コンセントレータとして）として、従来技術で公知である。図５のアレイと同様のこのような反射体の２次元アレイを用いて、入力光発光体からの光を集光し、同時に、側壁構成の細部により角度範囲が限定された集中出力ビーム１００を生成する。一般に、このような理想パワー伝達を調整して、θi／θ0コンセントレータとして機能させることができ、この場合、集光アレイは最大角度θiの入力光を最大角度θ0の出力光に変換する。この変換は、確立された正弦法則ＡiＳｉｎ2θi＝Ａ0Ｓｉｎ2θ0によりなされ、ここでＡiはそれぞれの個々の発光領域の面積であり、Ａ0はそれぞれの個々の出力開口の面積であり、θiおよびθ0はそれぞれ入力および出力の半角である。このような理想保存構成、アレイに対しても、この場合は明確に分離した発光領域２４のセットである、光源開口の輝度（および均一性）を、個々の出力開口１０２の一体化で形成された集光出力開口に伝達する。例として、理想から外れる側壁構成は、図３および７の直線的な先細の壁面がプリズムシート５８および６０を用いずに使用された場合、理想構成とほぼ同一出力パワーを伝達できるが、そのパワーが理想角度範囲より広い範囲全体に広がり、理想形状に比べて空間非均一性の値が大きくなる。
【００６０】
このような非像生成の微細反射体構成は、各微細反射体の発光開口が小さく（対角で５ｍｍ未満）、かつ対称出力角度が２つの出力経線内にあるのが望ましいときに、最も有利である。発光開口がこれより（すなわち、対角で５ｍｍ以上）大きい場合、非像生成コンセントレータ方法では、多くの状況における実際の多層システムには過大と考えられる反射体深さとなる。
【００６１】
非像生成反射体形状の可能な有利な用途の１つの例は、広角出力の発光ダイオード（ＬＥＤ）チップから得られるような、０．５ｍｍ正方形発光開口２４の２次元アレイにより実現される。±２２．５度および±１７．２６度の出力角度が２つの経線で要求される場合、正弦法則に従う反射体の出力開口は０．５／Ｓｉｎ（２２．５）または１．３１ｍｍおよび０．５／Ｓｉｎ（１７．２６）または１．６９ｍｍとなる。この開口サイズは発光アレイ密度に制限を与え、一般に、Ａin／Ａoutとなり、この例ではわずかに１１％となる。比較すると、図３、４、および７により可能な発光体密度は２５％より大きく、Ａin／Ａoutは（Ｗ2）／（２Ｗ）2となる。さらに、後に説明するように、非像生成反射体の全体効率は、図７の２つのプリズムシート５８および６０に比べて大幅に高くなる（約５０％）可能性がある。非像生成反射体が、反射壁面が空気−誘電体境界で形成される透明誘電体である場合、９０〜９５％程度の全体効率が可能になる。非像生成反射体が、金属被膜された側壁１３６で形成される場合、全体効率は低下するが、多くは８０〜９０％の高さになる。反射体に入力開口２４を出る理想光線は側壁だけを１回照射し、高効率を実現する。非理想光線は複数の側壁を照射し、理論的効率が低下する。アレイ内の各ＬＥＤが入力開口に２０ルーメンを与える場合、例示の８５％効率を有する空気充填非像生成アレイは、７．６８ルーメン／ｍｍ2を得る。出力開口が１．３１ｍｍ平方の場合、ルーメン密度は９．９ルーメン／ｍｍ2を増加する。連続虚像に対して間隔を空けたプリズムシート５８および６０で覆われた同一アレイは、約１０ルーメン／ｍｍ2を得る。
【００６２】
したがって、非像生成反射体の出力開口を拡大しても、同一出力条件に対して可能な正味のルーメン密度は、プリズムシート５８および６０を用いて得られる密度とほぼ同一である。主なトレードオフは層厚さである。非像生成反射体の深さ（または厚さ）は、それの入力および出力開口サイズと、同一経線に沿った出力角とで決まる。出力角が各出力経線内で±２２．５度の事例では、反射体長さは２．８６ｍｍになる。この結果は代替の同等の２プリズムシートの厚さ（２シートの０．３ｍｍに好ましい（０．６２５）（０．５）ｍｍ空隙間隔を加える厚さにできる）に比べてほぼ５倍であるが、それでも、以下の多くの用途例に対しては比較的薄い。
【００６３】
コンセントレータ長さは切り詰めできるが、切り詰めが大きくなると、パワー伝達効率および均一性に関して悪影響が大きくなる。パワー伝達効率または均一性を損なうことなく、コンセントレータ長さを低減する最良の方法は、Ｗ’／Ｗの値を小さくすることである。ここで、Ｗは発光体幅であり、Ｗ’は発光体間の非発光間隔の幅である。前記の例ではＷ’／Ｗの比は２である。この比が１．５に対し３３％減少し、８ｍｍ幅発光体を維持する場合、理想ピクセルサイズは１６ｍｍから１２ｍｍに減少する、発光体間の間隔は８ｍｍから４ｍｍになる。関連するコンセントレータ長さは１５．８ｍｍに対して８６％に低下し、多くの用途で望ましい厚さより厚くなる。
【００６４】
コンセントレータ長さはまた、図９に示すものと類似の折り返し中空レンズ鏡の組合せにより減少できるが、偏光変換層１６４および１７０をレンズ素子に置換する。この方法では、いくつかの非像生成光路は、レンズからの全体内部反射により、ミラー方向に折り返して戻す。
【００６５】
２．１．４．３  微細反射体構成
線形のテーパーが付いた側壁または数学的に厳密な形状の側壁を、双曲面または理想コンセントレータのどちらかの近くにおいて使用するかどうかによらず、発光領域２４を出た光は、鏡面反射側壁１３６により画定される容積を満たすピクセル媒体１４４（空気または誘電体）に入る。この媒体１４４がアクリル樹脂またはシリコンなどの透明誘電体であるとき、鏡面反射は、空気または別の低い屈折率材料で満たされた、図７または８の灰色の容積体１３０を備える側壁での全体内部反射により発生する。図７の灰色の容積体１３０が透明材料、不透明材料、または低い鏡面反射率を有する材料で製作されている場合、この容積体は、例えばアルミニウム、強化アルミニウムまたは銀などの薄い鏡面反射層またはフィルムで被覆して、効率的鏡面反射のベースを設ける必要がある。平滑な形状の側壁１３６が被覆されると、この面を照射する全光線１４０は被覆の反射率で決まる効率で反射し、これら光線１４２は一般に、前述の正弦関係で拘束される、指定された範囲の出力角内で構造体の出力開口１３８を通り反射されずに出る。
【００６６】
前述のように、反射スペーサ構造８４（図３および７）または図９の１３０は、図６に示すような成形ツール１４６を用いてプラスチックシートとして製作される。鋳造および硬化、型押射出成型、または圧縮成型にかかわらず、硬化または冷却プラスチックまたはプラスチック合成シートは、ツール１４６の直線的または機能的に先細の側壁１４８から干渉なく取り外しできる。ツール内の各素子はベース幅１５４Ｗ＋Ｗ’、上表面１５０の幅１５６、Ｗを有する。図６の突出成型ツール寸法１５４、１５６、および１５８は従来は、図３、７、８、および９に示す目的物寸法よりわずかに大きく（または小さく）製作して、あらゆる工程での膨張および収縮を可能にした。鋳造または型押しされるとき、上表面１５０は、図７および８に与えられる指定されたスペーサ高さＧ１’およびＧ６（すなわち、Ｌ−Ｇ１’またはＬ−Ｇ６）よりわずかに長く製作される。この理由は、工程により、成型シートに、発光領域のサイズに一致する貫通穴を設けるのを保障するためである。鋳造される場合、鋳造材料は図６の停止線１５９まで満たされる。型押しの場合、ツール１４６は、型押しされる（Ｌ−Ｇ１’）または（Ｌ−Ｇ６）ｍｍ厚さのシートを通過し、それに取り付けられる対応する支持フィルム材料内に実際に突出する。
【００６７】
２．２  被覆発光アレイの種類
一般に本発明は、発光ストライプ（図１〜２）の１次元アレイおよび発光領域の２次元アレイ（図３〜９）を提供する。
【００６８】
好ましくは、１次元発光アレイは並列蛍光チューブまたはチャネルのセット、並列蛍光チューブランプ、主要部分が相互に平行な蛇行パターンに曲げられている（または成型された）長い単一蛍光チューブランプ、または内部にプラズマガスを集中したストライプ状またはゾーン状領域に密封したプレーナデバイスである。この発光体の種類は、以下の例で説明するように、特殊なＬＣＤバックライティング用途の最適である。
【００６９】
好ましくは、２次元発光アレイは、実装済みＬＥＤまたは裸のＬＥＤチップのプレーナアレイを含む、個別の発光領域の空間配列である。これら個別のアレイは等間隔の素子単一ライン、または１連の等間隔の素子の等間隔ラインであってもよい。
【００７０】
蛍光ストライプまたは個別ＬＥＤのいずれかにせよ、アレイ内の発光体素子は、外部制御電子回路によりパワーを供給（個別またはグループで）される。蛍光ストライプ用の制御電子回路は、発光体のガス放電を生成して維持するのに必要な高電圧、高周波数を提供する安定機器供給である。ＬＥＤアレイ用の電子回路は、同一色のＬＥＤセットに相互接続された低電圧ＤＣの切換え可能電源であり、照射および照明に広く利用できる（用途は以下に特定の例で説明する）。制御電子回路は、適正タイミング、発光継続時間、およびアレイの各ＬＥＤ（またはＬＥＤのサブグループ）に対するパワーレベル（色バランス）を決定する、画像処理回路（または複数の回路）を介して個々のＬＥＤに供給できる。個々のパワー供給されたＬＥＤアレイは２次元画像のディスプレイの用途に用いられる。
【００７１】
本発明の、ＬＥＤアレイで可能な照明用途の範囲は、広範囲であり、詳細には、好ましくは、パッケージング装置および応用例を含むと考えられる。これ以後、例は、特殊タイプのＬＣＤおよび透過像バックライティングにおける蛍光ストライプおよびチューブの使用について示す。
【００７２】
２．２．１  実装済みＬＥＤアレイ
実用的ＬＣＤはアレイに配列できるが、アレイ出力は通常は不均一で、広い角度範囲に広がる。レンズおよび散乱器を用いて、均一性および方向性を改良するが、このような改良は効率を低下させる。
【００７３】
本発明を用いると、図７（８または９）の形状において、実用的ＬＥＤアレイは、従来の代替品に比べて高効率の、薄い構造体の光の均一ビームを生成できる。
【００７４】
現在、多様なＬＥＤが２タイプのパッケージ、すなわち、多様なサイズと形状の透明プラスチック素子、または従来のプリント回路板に適する１．５〜３．０ｍｍ平方のセラミック表面実装タイプで製造されている。物理的パッケージサイズは、所定の利用面積の供給される光束量を決定する。パッケージの光学設計は、光束の発光特性を決定する。パッケージによっては、光の方向性放射を実現するためのレンズを有する。別のパッケージは全方向性の光を発光する。現在のすべてのパッケージは、発光開口より大きく、パッケージの中心から最強の光を発光し、従来のパッケージ化ＬＥＤに点状の外観を与えている。
【００７５】
図１０は、本発明の範囲内で利用できる、ＬＥＤをパッケージ化する実用的方法の一例を提供する。個別のパッケージ化ＬＥＤ（またはＬＥＤのグループ）１５７はアレイ素子（例えば、図７の３６）として使用できる。このアレイ素子は、個別のパッケージ１６１をプリント回路基板１６３またはセラミック回路基板の上に等間隔の行と列にハンダ付けし、その後、適正なスペーサ層１６５および散乱体層１６７を配置して、図７（８または９）の断面を実現することにより形成される。ガス・バー回路１６９（アノード）および１７１（カソード）は、使用される各タイプのＬＥＤに対して提供される。簡単化のために、図１０に示す回路は１つのタイプのＬＥＤに対するものであり、アレイ内の全ＬＥＤは同時にパワー供給される。複雑な回路は、各パッケージ１６１が分離した赤、緑および青色ＬＥＤを含むときに提供される。
【００７６】
図１０の特定例は、市場で入手できる３ｍｍ平方のセラミック表面実装パッケージ１６１、例えば、相互接続されたＬＥＤチップを含み、光学的に透明なプラスチックエポキシ１７５に封入された、Ｎｉｃｈｉａ製の直径２．３ｍｍの円形キャビティ１７３の利用を仮定する。分解図１４１は、理想の６パッケージ×６パッケージアレイの構造を示し、図４と共に記載のように、パッケージ１６１間の間隔はパッケージの物理幅に等しい（またはそれ未満）。好ましくは、キャビティ１７３は正方形である。これが不可能な場合、散乱反射層１６７を、各パッケージ１６１の直ぐ上に配置された散乱スクリーン１７７の整合アレイと一体化し、散乱スクリーン１７７が下にあるパッケージ１６１から実際の照明発生源となるようにする。
【００７７】
図１０の分解図１４１はまた、得ようとする均一出力ビームを生成するのに用いる、図７の方法に従って配置された一連の多層光学素子を示す。この特定例においては、透明スペーサ層１６５を発光開口１７７の直ぐ上に配置し、発光開口とプリズムシート層５８および６０（図７のＧ１’）間に必要な正確な間隔を設ける。プリズムシート５８を透明スペーサ層１６５に光学的に結合（積層）して、スペーサ内の全体内部反射に起因する、回復不能なパワー損失を最小化することができる。小さく一体化した多層発光体を詳細図１４３に示す。
【００７８】
光は、発光３ｍｍパッケージについては３６ｍｍ×３６ｍｍである、多層発光体１４３の開口全体にわたり均一に放射される。
【００７９】
同一の従来のパッケージング方法は、図１０の詳細図１４５および１４７に示すような、単一行のパッケージ化ＬＥＤだけに使用できる。
【００８０】
分解詳細図１４７は、６個の等間隔のＬＥＤパッケージ１６１に適用される同一の垂直レイアウトを示す。この場合、開口のフルサイズは２個のパッケージの幅および１２個のパッケージの長さである。したがって、発光３ｍｍパッケージ１６１およびそれらの散乱出力層１７７を用いると、出力光は、６ｍｍ×３６ｍｍ領域全体にわたり層５８および６０を通過して放射される。９０度プリズムのプリズムシート５８および６０を用いると、出力光はほぼ±２２．５度角の円錐全体にわたり広がる。
【００８１】
アレイ照明機器１４３および１４５は、自動車のリアデッキの赤色の高位置の停止ランプを含む、さまざまな照明およびバックライト用途に利用できる。このような用途では、追加されるアレイのサイズおよび散乱層の種類を調整して、市場の視覚的要求に適合させる。これらアレイの他の用途は簡単に述べる。
【００８２】
図１０で述べた従来のパッケージングに関連する実際の主な制約は物理的限界によるものであり、これら制約は、ユニットの面積密度当たり放射できる光束数、および必要な製造コストより高くなる個別パッケージングの無駄な余剰分である。
【００８３】
これら制約への対処は、望ましいパッケージ配置を導入することであり、それの１つは、構成ＬＥＤチップが単一の拡大パッケージ内に含まれるものである。
【００８４】
２．２．２  モノリシックパッケージ化ＬＥＤアレイ
本発明（図３、７〜９）の最良の用途は、構成ＬＥＤチップがモノリシック積層化多層パッケージに配置されることである。
【００８５】
分散製造方法が採用されるのは、スーパーアレイに配列されるすべてのＬＥＤを収容する単一の連続パッケージ構造体でなく、多数のサブアレイを含む場合である。この方法は、個別プリント回路板１６３および個別のパッケージ化ＬＥＤ１５７を使用するのに比べて、効率は低下する。この理由は、共通実施、または個別のダイ結合ＬＥＤチップおよびそれらの上に接着される個別の従来の光学部品を有する拡張された電子回路基板をもたらすからである。本発明の図７の多層は、例えば、各およびすべての層に対し極めて大きい（連続でなくても）シートまたはパネルを用いて実現でき、これは非効率な、ＬＥＤチップ７０以外の個別素子を扱うことを必要としない。図１１はこの分散多層パッケージング方法を示しており、製造品として使用されるすべての構成サブパネルより物理寸法のかなり大きい多層複合パネル１８１を備える。図１０の個別回路基板１６３およびパッケージ１５７と異なり、図１１の方法は、シリコンマイクロエレクトロニクスで用いられる多層プレーナ処理に類似しており、分散多層マイクロエレクトロニクスウェーハは、その後、ダイスカットされ、有利な経済的大きさの個別デバイスを形成する。同様に、全体多層複合パネル１８１は、その後、カットまたはスライスされ個別のサブパネル１９６（予め決定したスライスライン１９１に沿って）を形成し、さらに、バー１８３およびプレート１７９などのより小型の発光体を形成できる。層１６３、１６７、１６５および５８は堅牢に積層される。
【００８６】
層５８の上に層６０を同様に取り付けることは、出力開口上の両者の間に空気（または低い屈折率）ギャップを維持する必要性から、複雑になる。１つの解決方法は、有効サブアレイ開口を囲む無効領域内（これらの同一無効領域はカットライン１９１の幅を超える）の層５８と６０間にだけ接着剤を塗布することである。別の解決方法は、使用前の後処理として、層６０のプリカット部分および任意の出力散乱層２８を追加することである。さらに別の解決方法は、プリズムの屈折率および層５８に形状、間隔Ｇ１’、ならびに、空以外の、層５８と６０間のギャップに充填する透明の低屈折率媒体接着剤またはエポキシと予測される層５８および６０のプリズム間に許容される間隔を選択することである。例えば、Ａｄｄｉｓｏｎ  Ｃｌｅａｒ  Ｗａｖｅ  ＬＬＣまたはＤＳＭ  Ｄｅｓｏｔｅｃｈで製造されるフッ素化高分子液は重合して１．４２の低屈折率を持たせることができる。プリズム素子は、約１．７の屈折率程度のアクリルおよび他の高分子材料で形成できる。
【００８７】
図１１の多層パネルまたはシートで表される分散製作方法は、単に、多数のＬＥＤチップを効果的に内部に分散および組み込むための実際方法を前提とする。従来のピック・アンド・プレース（ｐｉｃｋ−ａｎｄ−ｐｌａｃｅ）方法はこの方法に適合するが、ＬＥＤチップを拡張アレイ内に、個別でなく集中して配置するのが望ましい。集中取付け方法は、チップの同一側に両方の電気接点を有する透明基板を有するＬＥＤを利用できる、ＬＥＤ技術の最新の発展により可能である（いわゆる、フリップチップ取付け）。このような片面ＬＥＤは、一般にＬＥＤの溶着ハンダ接点をリフローするために加熱して、ひとまとめにして金属回路素子にハンダ付けできる。集中ＬＥＤ配置は、ここで述べたおよび以下の詳細に説明する連続パッケージ構造により可能になる。
【００８８】
実際の用途は、発光ピクセル開口（図１１の１、８、図７の１０２）の密度、各ピクセル開口に供給される光束数、ならびに結果として得られるパネルのサイズおよび形状により変化する。いくつかの一般照明用途は、以下の２例で示されるような、個別ＬＥＤパッケージと共に本発明を使用することにより提供される。さらに、追加説明および例で述べる、分散パッケージング方法により可能な広範な照明用途が存在する。
【００８９】
３．０  実装済みＬＥＤの一般照射用途
単色発光ダイオード（ＬＥＤ）は通常、１インチの６／１０００〜１０／１０００（０．０１０インチ＝０．２５４ｍｍ）の厚さの、直径２インチのウェーハから切り出された０．５ｍｍ〜１．０ｍｍ平方チップである。ダイオード自体は、エピタキシャル層成長により正方形基板表面上に形成されるが、光は、好ましくは透明であるチップ全体から放射される。このようなチップは理想的発光領域７０を形成するが、製造者はそれを取付けワイヤと共に、透明プラスチックのビュレット形状成型品か、または小型セラミック回路板上に含まれるかのどちらかに実装する。いずれの場合でも、個別のパッケージ化ＬＥＤは正方形発光開口を通して発光するように配置し、関連ＬＥＤと組み合わせて、本発明により処理するのに望ましいプレーナアレイを形成する。したがって、図７または図８のように実現された実装済みＬＥＤのアレイは、少なくとも主として、さまざまな実際の一般照明用途に利用できる。
【００９０】
図７の照明器の可能な多くの照明用途の１つとして、それぞれの従来のパッケージ素子１６１（図１０）が最新の赤、緑および青色ＬＥＤ７０のそれぞれ１つを含み、ピクセルアレイが図１０の、詳細図１４１（分解）および１４３（小さく一体化）して配置されると考える。各ＬＥＤグループは、正方形で一辺が３ｍｍの、全発光正方形２４の間の間隔Ｗ’も３ｍｍである出力開口２４を有すると仮定する。多層１４３の全体厚さはほぼ３〜３．５ｍｍであり、これにはＬＥＤパッケージ１５７の厚さ１ｍｍ、発光開口１７７とプリズムシート５８および６０との間のスペーサ厚さＧ１’、ならびに層５８および６０の総合厚さを含む。
【００９１】
図４の連続出力像スペーサ厚さＧ１’は約０．６２５Ｗ（または、１．８７５ｍｍ）である。ＬｕｍｉＬｅｄｓにより製造されるような高性能半導体ＬＥＤは、０．２５〜０．３５ワットＤＣの範囲でダイ当たりほぼ２０ルーメン発生する。適正なヒートシンクを仮定すると、出力開口２１８からの約５０％の光伝達効率は、約３０ルーメンの混合した赤、緑および青色光が各ピクセルの出力開口から発生できることを意味する。ダイ当たりの光束数Ｌdの工業的進歩が徐々になされたため、ピクセル当たりｎのダイが使用され、光伝達効率ηが最適化されるため、ピクセル当たりの発生光束数ｎＬdηは３０よりかなり大きくなる。
【００９２】
３．１  １００ワット電球と等価なＬＥＤ
さらに、６ｍｍ×６ｍｍ発光ピクセル２１８当たり３０ＲＧＢルーメンを用いると、１００ワットの一般Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ＳｏｆｔＷｈｉｔｅ（商標）電球と等価な光束（１６９０ルーメン）が、わずか５６の個別ＬＥＤパッケージ１５７および総数で１６８の発光ダイオードで実現できる。ほぼ正方形の７ピクセル×８ピクセルのアレイに配置される場合、結果として得られるパネルは４２ｍｍ×４８ｍｍとなり、使用されるさまざまな層厚さおよびオフセットに依存して、全体厚さＴ’は４ｍｍ未満となる。図１０に示される、このような小型の照明素子１４３は多くの実用用途を有する。この理由は、このような照明素子の予測寿命は、Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ＳｏｆｔＷｈｉｔｅ（商標）のような白熱ランプ平均寿命を１００倍以上超えるからである。１６８個のダイオードが０．２５ワットで駆動されると、全体消費電力は４２ワットとなる。さらに、赤、緑および青色ＬＥＤで発光される白色光の色温度を電気的に調整して、ユーザ選択可能なパネル色を実現できる。
【００９３】
３．２  ７５ワットＰＡＲ−３０投光ランプと等価なＬＥＤ
関連例として、２０００時間の有効寿命の間１０５０ルーメンを発生する、ＧＥの工業標準７５ワットの広角度ハロゲン投光ランプＰＡＲ−３０を考える。前述と同一構成および寸法を用いると、等価な性能は、図１０に示す６素子×６素子アレイ１４３を用いて達成できる。外形寸法は３６ｍｍ×３６ｍｍ、電力は２７ワットである。
【００９４】
全電球の現在の世界市場は年間１０億ユニットを超える。この市場の小さいシェアに供給するすべての種類の固体照明機器に対して、製造コストは既存の電球技術に匹敵するレベルまで低減する必要がある。図１１に示す分散多層パッケージングはこの要求に対応するだけでなく、図１０の背面結合配置１８７および５側面照明立方体１８９などのパネル組み合わせを容易にする。
【００９５】
４．０  モノリシックＬＥＤパッケージングの高光束密度発光源パネル
本発明におけるＬＥＤチップの分散パッケージングは、少し挙げるだけでも、ビデオプロジェクタ、スポットおよび投光照明、自動車ヘッドライトおよびテールランプを含む、多くの実用用途で現在使用されている高光束電球に置き換わる可能性のある、新しい種類の高光束密度発光源を可能にする。
【００９６】
４．１  ＬＣＤおよびＤＭＤビデオプロジェクタ用ＬＥＤ光源
本発明により形成されるモノリシック形体ＬＥＤ光源パネルの最も需要の多い用途例は、すべてのＬＣＤおよびＤＭＤ前面および背面画像プロジェクタで使用される９０〜１５０ワットのハロゲンアーク放電ランプを、例えば、図７および１１により予測される匹敵する性能のＬＥＤ光源パネルを置き換えることを含む。ただし、本発明をＬＣＤおよびＤＭＤプロジェクタに適用するには、考えられる一般照明または照射必要性に比べて単位面積当たりのＬＥＤの実装密度を高くする必要がある。この理由は、プロジェクタ内のＬＥＤの発生する全体照明が、一般に断面約１８．３ｍｍ×２４．４ｍｍより小さい像開口を通過する必要があるためである。この目的照明面積が前述の一般照明例で示した従来のパッケージ化高光束パネルより大幅に小さいだけでなく、パネル固有の±２２．５度出力は、さらに角度を縮小することなく、効果的な用途には十分な広さである。プロジェクタ画像は、ＬＣＤおよびＤＭＤにより生成され、角度範囲が空気中で約±１２度に減少するビームで照射されるのが最良である。レンズはこの目的に合わせて配置できるが、その効果はビーム面積を増加させ、非効率の可能性を高くする。この理由の意味は、ＬＥＤアレイ密度が、図１０の個別パッケージサイズにより物理的に可能となる密度より大幅に大きい。図７の本発明の２層の高さをもたせて配置したプリズムシートにより可能になる多層パッケージング方法は、効率的なプロジェクタシステムに課される、ビーム面積およびビーム角度両方の制約を同時に満たす１つの効率的な方法である。
【００９７】
４．１．１  ビデオプロジェクタ内の照明器制約
ハロゲンアークランプは最近のビデオ（画像）プロジェクタシステムで使用される既存の光源である。ガラス球に封入される高輝度ハロゲンアークは、自由空気中に６０ルーメン／ワット（すなわち、比較的長寿命のＰｈｉｌｉｐｓの１００ワットのランプでは約６０００ルーメン）を放射する。集光、ビーム整形、偏光、赤外線の濾過、ＳＬＭ開口（区間および角度）の重なり、結像光学部品、および色濾過の非効率の後、最も重要な点は、約１０００〜１２００ルーメンだけがプロジェクタシステムの表示スクリーンを照射することである。最も重要なアークランプの非効率は、空間および角度の、投影される画像を形成するのに用いられる標準ＬＣＤおよびＤＭＤ空間光変調器長方形４：３の開口形状との重なり不足に起因する。アークランプから集光された光は、本質的に円形であり、集光パワーも４０％が無駄になる。
【００９８】
最良のＳＬＭ性能を得るのは、ＳＬＭ開口を通過する光の角度範囲が約ｆ／２．４または±１２度に制限されているときである。この角度の集光は、望ましい像コントラスト比を得るために、大部分のＬＣＤにおいて必要とされる。さらに、ＤＭＤでは、この角度制限は制限された範囲のマイクロミラー運動に関連する。大きい反射体およびレンズをハロゲンランプと共に用いて、この集光角度を実現する。多くの場合、他の大きい素子を追加して、ビームの不均一性を改良し、赤外線加熱と除去する。
【００９９】
これに加えて、ＳＬＭ開口の物理サイズは、ＳＬＭユニットのコストが開口面積に直接関係するため、可能な限り小さく製作される。一般的ＬＣＤは対角１．２インチであり、０．７インチにまで小さくする。ＤＭＤサイズは、それの個々のマイクロミラーのサイズ（例えば、１７ミクロン平方）に依存し、また画像の解像度に依存する。水平軸方向の画像解像度が１０２４ピクセルであるとき、例えば、ＤＭＤ対角は約０．９インチである。
【０１００】
４．１．２  長方形画像を効率的に照射するのに好ましい長方形光源開口
ＬＥＤアレイは本質的に長方形であり、したがって、長方形ＬＣＤおよびＤＭＤ像開口の必要条件を満たすように、容易に空間的に形状一致させることができる。角度一致は、プリズムシート５８および６０（または微細反射体１３６）の作用により容易になされ、ビーム均一性は別にして、出力ビーム角度を各経線内で±２２．５度またはそれ以下に前もって集中させる。
【０１０１】
これら能力、ならびにＬＥＤ照明が色分離されることにより、本発明のＬＥＤアレイはＬＣＤおよびＤＭＤならびにほぼ２倍の入力を生成する光束ハロゲン放電ランプを照射できる。
【０１０２】
以下の一連の例を通して、通常の投影システムの非効率では、投影されるスクリーン画像が最低限１２００ルーメンで実現される場合、空間的および角度的の両方で関連ＳＬＭ開口に一致する均一な長方形発光ピクセルアレイが約３０００ルーメンの白色光だけを供給する必要があることが示される。このとき、各発光ピクセルが±２２．５度の円錐内の少なくとも３０ルーメンの出力光を発生する赤、緑および青色ＬＥＤの３要素を含み、レンズまたはミラーシステムによりこの光が±１２度に完全に角度変形され、および変換された光を１．２インチ（３０．４８ｍｍ）対角を有する４：３のＳＬＭ開口を通るように誘導することを含む場合、計算は含まれる光源ピクセルの数およびサイズを用いてなされる。ＳＬＭ開口はｘ軸に沿って２４．３８４ｍｍ、ｙ軸に沿って１８．２８８ｍｍである。有効な光源開口は、２２．５度から１２度への角度変換により生じるビーム拡大の理由から、これより小さくする必要がある。これら照明条件に対するランプおよびＳＬＭの間の動作の同一性は、したがって、（Ｌx）Ｓｉｎ（２２．５）＝（２４．３８４）Ｓｉｎ（１２）および（Ｌy）Ｓｉｎ（２２．５）＝（１８．２８８）Ｓｉｎ（１２）である。ここで、ＬxおよびＬyは光源の２つの長方形縁部に沿った寸法である。したがって、ＬxおよびＬyはそれぞれ、１３．２５ｍｍおよび９．９４ｍｍである。これは、最大変形効率については、光源の正方形出力ピクセルがこの面積内に完全に一致する必要がある、ことを意味する。各３色の光源ピクセルが全体で３０ルーメンを発生すると解釈するため、３０００ルーメンを発生するには、このようなピクセルを少なくとも１００個必要とすることが分かる。この光源開口全体をわたり分散された１００個の正方形ピクセルは、１１．５４７ピクセル×８．６６ピクセルのアレイを形成する。端数のピクセルは物理的に実在しないため、最も近い単位のピクセルアレイは１２ピクセル×９ピクセルであり、可能な場合、３，２４０ルーメンを発生する。光源の１３．２５ｍｍ縁部に沿って一致する１２ピクセルについては、各ピクセルサイズは一辺で１．１ｍｍ以下でなければならない。
【０１０３】
この小型化の意味は、３つの高出力ＬＥＤチップを約０．２５ｍｍ平方内に配置できる必要があることである。この小型化は、従来のいかなる個別パッケージ１５７（図１０）または図４および７の４重の光拡大方法のいずれを用いても、不可能である。市場で入手できる高出力赤、緑および青色ＬＥＤは、一般に０．５ｍｍ平方である。これは、必要とされる１平方ミリメートル密度内（高出力ＬＥＤは縁部で約０．５〜１．０ｍｍチップである）に適合させる場合、最良でも、ＬＥＤが相互に接触して取り付けされる必要があることを意味する。このような実際のＬＥＤウェーハを製作することは、熱放散要件の理由から、現実的でなく、ＬＥＤをユニット間で十分な間隔で分離させる（ユニット幅と同程度）必要がある。この分離制約のため、最少の光学的拡大出力ピクセルサイズは実際には、縁部で約（２）（２）または４ｍｍとなり、必要とされる１．１ｍｍサイズよりはるかに大きくなる。４ｍｍ出力ピクセルを用いると、１３．２５ｍｍ×９．９４ｍｍアレイは、わずかに、３×２となり、全体でわずかに１８０ＲＧＢルーメンを発生するだけである（必要な３、０００ルーメンよりはるかに少ない）。ＬＥＤをさらに近接するように移動することにより、１．７５ｍｍ平方まで小さくなり、全体ＲＧＢルーメンは３６０までわずかに増加する。
【０１０４】
４．１．３  色分離および光源開口サイズに及ぼすそれの主要効果
物理的に分離された赤、緑および青色光ビームを用いて開始し、その後、それらを組み合わせて空間的に重ねることにより、ＲＧＢビームを用いて可能になるものに比べて、極めて高い光束密度および大きい開口サイズを有するＲＧＢ光源を生成できる。
【０１０５】
この理由は、赤、緑および青色ＬＥＤの単一プレーナ基板を、実際のプロジェクタ用途にける面積で十分小型に製作できないためである。前述のように、各３原色の０．５ｍｍ平方の赤、緑および青色ＬＥＤチップは１．７５ｍｍ〜２ｍｍの正方形面積を取る。したがって、３原色当たり（全体で１００の３原色）３０の発生ＲＧＢルーメンで、３，０００ルーメンを発生することは、１２×８の３原色アレイを意味する。本発明で利用するために、これら３原色は相互にそれらの幅だけ間隔を空ける必要があり、これは全体開口が３２ｍｍ×４８ｍｍの大きさで、１．２インチＬＣＤのサイズを超えることを意味する。したがって、出力角度を±２２．５度から±１２度に減少する必要があるため、このようなパネルを効率的に使用するには、６６ｍｍ×８８ｍｍＬＣＤ（対角で４．３インチ）を必要とする。
【０１０６】
３つの個別の単一色光源パネルを分離し、それらを光学的に再結合する方法（以下にそれぞれを詳細に述べる）を提供することにより、極めて小さい開口面積内に十分な高光束密度を実現できる。
【０１０７】
照射光ビームの構成色を前もって分離することより、各単一色光源は、実際の画像投影に必要な全体光束の約１／３を供給する必要があるだけであり、各光源を、前述の全１３．２５ｍｍ×９．９４ｍｍ照射開口例の全体にわたり同様にできる。このように分割すると、それぞれ単色の１０ルーメンを発生すると仮定される同一の１．１ｍｍ正方形の単色出力ピクセルが、同一の１２×９ピクセルアレイに配列されることにより、各色に最低限必要な１０８０ルーメンを発生する。したがって、チップ当たりのＬＥＤ出力およびＬＥＤ結合効率において将来の発展なされるとき、この効率的な色分離方法を用いて、さらに強力な出力ビームが実現できる。
【０１０８】
従来のハロゲンアークランプは、赤、緑および青色の固定混合である白色光を供給する。これらランプに基づく最近の投影システムはすでに、多くの異なる配列の二色カラースプリッタを使用して、この白色を赤、緑および青色の入力ビームに物理的に分離している。この理由は、それらが、これが単位面積当たりの光出力を増加せず、これがハロゲンランプのアークにより固定されるが、逆に、３つの分離した単色ＬＣＤを有する光源の使用を可能にするためである。
【０１０９】
これらの同一の二色カラースプリッタは、本発明では、３つの単色光源パネルビームを重ねる方法として供給される。さらに、本発明のＬＥＤ光源パネル（図７、８および１１）を用いることによってのみ、発光色を簡単かつ効率的に分離して、分離ビームを生成できる。
【０１１０】
４．１．４  光束密度を決定する要因
本発明の１．２インチＬＣＤの例のような、実際の投影システムは、各色でｆ／１．４において１３．２５ｍｍ×９．９４ｍｍ照射開口全体にわたり、最少１０８０ルーメンを供給する照射光源を必要とする。これは、各色で８．２ルーメン／ｍｍ2の最低有効光束密度に相当し、本発明では、０．５５ｍｍ間隔を空けた０．５５ｍｍ発光領域により、図４〜５に説明した４重面積拡大方法を利用して、最良の均一性の１．１ｍｍ出力ピクセルを生成することで達成される。
【０１１１】
この色分離されるパネル形状における制約は、４：１面積拡大未満に均一性を緩和することにより除くことができる。面積拡大度合いは、図７の間隔層８４で設定された正確な物理的ギャップ間隔Ｇ１’に連続的に依存する。４つの発光体虚像２６、２７、１０８および１０９がわずかに重なるようにギャップＧ１’を形成すると、その結果得られる面積拡大は完全な４の係数以下に比例して小さくなる。虚像の重なりの度合いＶ、２１７を、図１２に示すように、直交するｘおよびｙ両方で同一とすると、その結果得られるピクセル面積か拡大Ｅの重なり度合いに関係する式は、式８で与えられる。Ｖ＝０のとき、式８は予測されるように、Ｅ＝４に戻る。このとき、発光体間隔Ｗ’は、完全な４重拡大についてはＷに等しくなり、Ｗ−Ｖに一致する。
【０１１２】
この方法の結果、完全に置換された領域２２５が発光ピクセルの４つのコーナーに存在するため、重なり領域２２１は２倍の光束を含み、重なり領域２２３は４倍の光束を含む。ただし、この不均一性は、必要に応じて、関連するプロジェクタシステム内で使用される全体角度変形工程の間に提供される光学的混合方法により均一にできる。これについては、以下の投影システム例で説明する。
【数４】
2006504116.tif 000006
【０１１３】
これとは関係なく、このような強力な発光源の出力光を可能にするために、比較的高密度の２次元実装のＬＥＤ発光開口を用いる。８．２ルーメン／ｍｍ2における前記プロジェクタシステム例については、８．２ＭＬｕｘである。
【０１１４】
４．１．４  実例のＬＥＤバックプレーン
図７の発光源は、本発明による高密度実装ＬＥＤ発光領域２４の一例を提供する。この例では、出力光束密度は、発光開口２４の面積が区画化されたＬＥＤ７０自体のサイズ面積を超える度合いにより制限される。可能の最大密度実装は、ＬＥＤチップ７０自体が発光領域２４に一致するとき、および非封入構造７２を用いて、個々の発光体を相互に分離および均一化するときに得られる。状況によっては、各ＬＥＤチップを均一化キャビティ７２内に収納するのが好ましいこともある。
【０１１５】
４．１．４．１  フリップチップ実装用の区画化多層パッケージ構造
プレーナ電極を有するＬＥＤに適する高密度および連続バックプレーンパッケージ構造の一例は、図１３の断面図２１２および底面図２４３で与えられる。個々のＬＥＤ７０は、厚さＨ、２２２の複合の電気絶縁反射ベース層２２０および２２５上にフリップチップ取り付け（発光体の下に電極）される。前記ベース層は適正な導電回路２２４ならびにこれら導電回路２２４とＬＥＤ接点２２８の間の導電バイア２２６を含む。
【０１１６】
実例の導電回路２２４は、図１０の１７１および１６９に示した方法と類似の、２組の内部ディジタル相互接続バー２２７および２３３から成り、それぞれはそれら自体の共通バスまたはクロス・バー（図示なし）に結合されている。矢印２２７は１つの共通バス・バーの方向を指し、矢印２３７は他方を指す。２２７および２３５で示された全相互接続バーは一般に、同一の形状および機能を有し、ＬＥＤ接続の同一側を相互接続する。相互接続バー状２３３は反対側のダイオード接続点を相互接続する。内部ディジタル金属構造２２４を形成するには、蒸着およびフォトリソグラフィ後に電気メッキするか、または電気放電加工などのバッチ機械加工工程を用いて開放領域２４５を焼き払うために供給されるマスター電極パターンにより実施する。バイア構造２２６は、このパターンの上面上にメサ型アレイとして形成（または成長）できる。これら導電パターンは十分厚く作り、ＬＥＤの電力必要条件ならびに含まれる関連の熱放散負荷に対処する。図１３の複合体を形成する１つの方法は、回路構造２２４を生成し、次にそれの上に、厚さＫ、２４４で十分な適正な複合絶縁層２２５を設けることにより、バイア２２６を露出状態で残す方法である。次に、成型、型押し、鋳造または電気鋳造により別個に形成される反射キャビティ構造層２２０が、絶縁層２２５に積層される。この表面層内の中空キャビティ２４８は、ＬＥＤを配置するための便利な大まかな整列ガイドとして役立つ。
【０１１７】
正方形（または長方形）キャビティ２４８はＬＥＤ自体の発光面積よりわずかに大きい範囲に形成される。傾斜した側壁２３０を用いて、幅Ｗ、４２のキャビティ出力開口の結合されるＬＥＤ光量を増加させる。傾斜側壁はベース層材料２２０と同一、または外部コーティングとして付着された散乱反射金属であってもよい。また傾斜側壁２３０は鏡面反射を形成してもよい。いずれにせよ、ＬＥＤから放射されて側壁に向かう光は一般に上方に反射され、キャビティ開口２４に向かう。いずれにせよ、この側壁は垂直に対して角度α、２３２で傾斜しており、特定の場合はほぼ０度にでき、ＬＥＤチップ７０の厚さにほぼ等しく作られている高さＭ、２３４（一般に０．００５インチのオーダー）を覆っている。一般に正方形のＬＥＤチップ７０では、縁部２３６のＬＬミリメータ、キャビティ開口Ｗ、４２は式９で与えられる。
【数５】
2006504116.tif 000007
【０１１８】
キャビティ媒体２３８は空気でもよく、または透明シリコン、アクリル樹脂またはＬＥＤ封入用に通常使用されるような特殊組成の透明エポキシなどの高屈折率封入誘電体で充填してもよい。さらに、追加のランダム化が好ましい場合、このキャビティ媒体２３８はサブミクロンスケールの散乱材料を充填して、側壁およびＬＥＤ表面自体からの出力結合されたＬＥＤ光の容積散乱を容易にすることができる。例として、ＬＬが０．５ｍｍ、チップ厚さが０．０１インチ、および側壁角度が４５度の場合、キャビティ開口Ｗは０．７５４ｍｍとなり、チップ密度を５０％超えることになり、本発明のプロジェクタ用光源例などの最も高密度実装用途の一部で望まれるサイズを超える。ただし、キャビティ開口は、側壁角度２３２を急勾配にし、および／または薄いチップを使用することによりサイズを減少できる。側壁角度が３０度の場合、例えば、開口サイズは０．６４６ｍｍになり、これはチップ自体よりわずか３０％大きくなるだけである。側壁角度が１０度の場合、開口サイズは０．５４５ｍｍになり、これはチップ自体よりわずか１０％大きくなるだけである。
【０１１９】
前述の図１３のベース層例においては、ＬＥＤチップ７０は、少なくともこの図については、光学的に透明な基板２４０を有する新しい半導体種類と予測される。この場合において、好ましくは、発光ｐｎ接合２４２は相互接続バイア２２６に対向して取り付けられる。接合部を下にしたＬＥＤ方向（時には、フリップチップと呼ばれる）が好まれる１つの理由は、ベース層への電気的取付けが簡単なことである。この方向の別の理由は、バイア２２６を通る熱の除去および電気的相互接続２２４が容易なことであり、これは、例えば、ＬＥＤ近辺の電気メッキを厚くして、有利な熱シンクとして役立てることができる。
【０１２０】
ベース層２２０は、成型、型押しまたは鋳造でき、かつ適正な機械的、熱的、および光学的特性を有する任意の材料で製作される。一般にこれは、セラミック、ガラスまたは金属粉末で充填された高分子材料を意味し、ＬＥＤ接合で放散される熱に耐える複合体を形成して、金属相互接続２２４およびバイア２２６を付着する。各ＬＥＤチップ７０は、全出力で作動するとき、０．２５〜０．３５ワット、場合によってはこれ以上で作動できる。ベース層は熱的に安定であるだけでなく、集中熱シンクの一部として作用する必要がある。このとき、キャビティ厚さＫ、２４４は、物理的完全性と熱伝達能力間の妥協により選択される。この目的に利用できる材料の１つは、Ｃｏｒｎｉｎｇ，Ｉｎｃ．，で開発された、ＣＯＲＴＥＭ（商標）と呼ばれる新しい複合システムである。この新しい材料は、低融点温度ガラスと、優れた温度および耐発火性を有する共溶融高分子材料の混合合金である。多様な適正なガラス−高分子材料およびガラス−セラミック−高分子材料合成物も同様に利用できる。これら合成物にはブトキシドおよびイソプロキシドをベースとする前駆物質有機金属液体混合物から生成される合成物を含み、この場合、分子スケールの混合を利用して、機械的安定性を改良する。
【０１２１】
図１３のキャビティギャップ高さＪ、２４６を利用して、ＬＥＤ表面と出力散乱器６８の間にオフセットを持たせる。このようなギャップＪを設ける理由は、望ましい場合は、キャビティ開口４２に幅を広げることなく、キャビティ内部の散乱または反射表面を拡大して、放射光の一部散乱混合を実現することである。散乱混合はＬＥＤ表面自体上方の発光ホットスポット傾向を緩和する方法としてだけでなく、３色ＬＥＤクラスタを用いるときの、特定度合いの色混合を提供する方法としても有効である。
【０１２２】
４．１．４．２  ＬＥＤ取付け電極を上にする区画化多層パッケージ構造
例えば図１４のように、このような構造のベース層、透明取付層２５８を用いて、接合を上にしてＬＥＤを取付けることも可能であるが、この場合には、いくつかの相互接続回路バー２５６およびハンダ付けされたＬＥＤ自体を支持する必要がある。さらに、ベース層２２１は全体層厚さＨ、２２２を通過し、これら相互接続バー２５６に達して、接続するバイア２６０を有する必要がある。ベース層２２１は前と同様な、周囲の反射キャビティを備えるが、この場合は、ＬＥＤ相互接続バイア２６０およびＬＥＤ相互接続回路ベース２６２だけでなく、必要に応じて、ヒートシンクバイア２５０およびヒートシンクタブ２６４を含む。この方法は図１３の方法と組み合わせて、上面に一方の電極および底面に他方の電極を有するＬＥＤを形成できる。
【０１２３】
４．１．５  完全一体化ＬＥＤ光源パネル
図１５は、図１３の高密度ＬＥＤバックプレーンを図７の多層照明器配置と組み合わせた完全一体化２次元光源パネルの１つの可能なセットを示す。同一タイプの一体化は図１４および７の配置に適用し、図１３または１４のいずれか、および図８のシステムの光源にも適用する。
【０１２４】
図１５の４つの図示断面２４８、２２１、２２３、および２２５はすべて、高さをもたせて配置した(elevated)プリズムシート５８および６０を使用する。このプリズムシートは、必要な虚像分離度合いに対する適正な物理的厚さである、厚さＧ１’またはＧ１’’、Ｇ１’およびＧ１’’のスペーサ層８４（または２１７）により発光開口の平面から分離しており、間隔媒体が空気（Ｇ１’）または透明誘電体（Ｇ１’’）である。下側プリズムシート５８と誘電体スペーサ層２１７の境界５７は、１つの個別層５８を別のスペーサ層２１７上に機械的に置くことにより形成される狭い空気ギャップか、または意図的な光結合部のどちらかであり、層５８および２１７が、例えば光学的接着またはエポキシにとり一体に結合されている。多くの場合、下側プリズムシートと下の発光体との空気の境界が存在することは好ましく、この場合、下側プリズムシートの基板層への入力角度の範囲に制限が課せられる。さらに、この制限が層２１７から層５８への光伝達割合を制限し、その結果、さらに狭く限定された出力ビーム２１９を生成する。ＬＥＤチップ７０と下側プリズムシート層５８の間に光学的に結合されるすべての媒体境界を形成することにより、大きい角度で発光される出力光２１９の光量を増加させ、一般にビームの角度範囲を広げる。
【０１２５】
図１３〜１５におけるキャビティ寸法Ｗ、ＨおよびＪの好ましい選択、ならびに、キャビティ内部壁面２３０に与えられる反射特性（散乱または鏡面反射）およびキャビティを埋め込む媒体２３８に与えられる光学的特性の好ましい選択は、ＬＥＤのサイズ２３６およびＬＥＤ光源アレイを利用する特定のシステム用途に依存する。これら選択は、用途に無関係にエタンジュー（ｅｔｅｎｄｕｅ）と呼ばれる光量の中心値により決定される。中心エタンジューはＬＥＤの発光接合（通常ＬＬ2）×Ｓｉｎ2Ψ（Ψは最大可能放射角度）と同一である。放射光が透明基板２４０内のキャビティを出るときにその光が、埋め込み媒体２３８内のキャビティ側壁２３０に対して、およびいずれもの開口層６８から作用する、すべての２次的反射および散乱事象は、主として有効発光面積を増加することにより、エタンジューを増加するように作用する。寸法と材料の最も好ましい組合せは、出力開口のエタンジューを可能な限り中心値に近く維持し、ＬＥＤ接合で発生する光束に対する出力光束と比を最大にすることである。さらに、発光キャビティ２２８が図１５のような高さをもたせて配置した(elevated)プリズムシート５８および６０と共に使用される場合、これら層をキャビティに結合して、角度制限される出力光２１９を最大限緩和させるようにする利点がある。
【０１２６】
４．１．５．１  空気充填区画化スペーサを有する光パネル
図１５の構造図は断面詳細２４８を示し、前述のように、図１３の発光アレイと図７の光多層５８および６０との間に置かれた厚さＧ１’の区画化スペーサ層８４を含む。スペーサ側壁８５は、この側壁が光学プリズムシート５８および発光開口２４（すなわち、発光キャビティ２２８の出力層６８）の両方から壁面に入射する光を散乱（または鏡面）反射するときに、拡大される光源の一部となる。大部分の用途に対しては、側壁８５の少なくとも一部および発光平面層６８が、最高のシステム性能に対して光線角度および偏光状態のランダム化が要求されるときに、散乱機構を含むことが好ましい。これに関しては以下に用途例により詳細に説明する。
【０１２７】
モノリシック光源パネル２４８は、図１０に示す個別実施形態を置換する。プリント回路基板１６３およびそれが保持する個別に取り付けられるＬＥＤパッケージ１５７（図１０）は、ＬＥＤ封入媒体２３８を含む連続バックプレーン層２２０に置換される。個別ＬＥＤ封入媒体１７５および外部反射散シート１６７／１７７は、ＬＥＤ封入媒体２３８（散乱粒子を含む）、パッケージング材料２２０および光散乱層６８の封入物の散乱―拡散表面特性に置換される。透明スペーサ層１６５は区画化スペーサ層８４および空気充填区画８３に置換される。
【０１２８】
この場合、スペーサ媒体８３は空気であり、これは、プリズムシートのオフセットＧ１’（すなわち、必要な発光開口拡大量に関連する高さまたはエレべーション）の最良値を与える。これに関しては以下に詳細に説明する。Ｇ１’は一般に、図４に示すように、空気における９０度プリズムでは、４重開口面積拡大に対して０．６２５Ｗである（Ｗは発光開口２４の縁部サイズである）。
【０１２９】
４．１．５．２  透明誘電体スペーサを有する光パネル
実際用途のいくつかの事例では、スペーサ媒体８３を屈折率ｎの透明誘電体、すなわち図１５の、少量の光散乱場所を含むかまたは含まない詳細図２２１の媒体２１７で形成することは有利である。
【０１３０】
媒体２１７は屈折率ｎの透明誘電体であり、プリズムシート５８の基板層と接触（機械的または光学的に）し、正確なスペーサ厚さは、使用されるマイクロプリズムのベースから測定してＧ１’’＝ｎＧ１’になる。開口２４から放射される光の光路内に誘電体媒体２１７が存在することは、光の屈折効果により放射および反射される各光線の有効光路長さを増加する。したがって、幅Ｗの発光開口に対しては、好ましい図４の４重発面積拡大を可能にするスペーサ厚さＧ１’’は、空気で必要とされる間隔である約０．６２５Ｗでなく、ほぼＷとなる。小さいＬＥＤ発光開口を使用してさらに厚いスペーサ層を使用し、スペーサ厚さの許容差分を収納するのを容易にするときに、この増加した厚さは有効である。発光開口が０．６５ｍｍ×０．６５ｍｍである場合、空気でのスペーサ層厚さは約０．４ｍｍであるが、アクリル樹脂では約０．６５ｍｍである。
【０１３１】
この変形形態の３つの可能な形体は、図１５の断面詳細図２２１、２２３および２２５で示される。変形形態２２１は、スペーサ８４を光学的透明とし、詳細図２４８の制限反射側壁８５を備えないことを特徴とする。この形体では、プリズムシート５８はスペーサ層２１７（またはそれに結合される）の上面に置かれ、いずれの発光開口１０２からの光も自由に横切って隣接の発光開口１０２に達する。角度および偏向状態の光学的ランダム化は、層６８（存在する場合）での散乱反射、およびキャビティ層２２０の形成またはそれを散乱拡散材料でコーティングすることにより実現される。追加のランダム化は、必要に応じて、別の透明スペーサ媒体２１７および２３８内の拡散相により追加される。
【０１３２】
変形形態２２３は、詳細図２４８と同様であるが、各反射区画内に透明誘電体２１７を追加した、反射構造体８４で形成される複合スペーサ層を有する。なお、プリズムシート５８は透明媒体２１７の上面（または結合されて）に存在する。反射側壁８５は角度および偏光のランダム化を増加し、詳細図２４８と同様、出力発光を個々の出力開口１０２に制限する。
【０１３３】
多層変形形態２２５は、バックプレーン層２２０から制限キャビティ２２８を取り除き、層２２０を形成する共通誘電体カプセル内にＬＥＤ７０を含む。散乱拡散層６８および散乱反射層２２５を干渉させることにより、必要な角度および偏向のランダム化を実現し、所望の、層２２０および２１７との機械的または光学的結合を可能にする。好ましくは、ベース層２２５、封入層２２０、散乱層６８および間隔層２１７はすべて、空気を有する層２１７と５８間の境界と一体に積層される。同様に好ましくは、層２２５、２２０および６８は、層２１７および５８と同様に、一体に積層され、層６８と２１７の間に小さい機械的空気ギャップを残す。
【０１３４】
図１５に示す多層変形形態２２１、２２３および２２５が有効な多くの事例が存在する。この理由は、これら変形形態の、誘電体キャビティ媒体２３８および光学的キャビティ出力層６８を整合させる効果的指標が、空気誘電体境界での全体内部反射に起因する光出力損失を最少にするためである。異なる誘電体間、詳細には空気と誘電体間の境界におけるこのような反射は、反射角度を高屈折率媒体内に閉じ込める。このような閉じ込まれた誘電体のパワー損失は、ＬＥＤ７０から、またその後の一体化キャビティ２２８から発光される光の全出力を制限する。ＬＥＤ基板は２．０〜３．０の屈折率を有する。空気で囲まれると、これら誘電体はＬＥＤ自体の接合領域内で発光される光の大部分を閉じ込める。この損失を制限するために、ＬＥＤメーカは市販のＬＥＤをパッケージングして、高屈折率が通常１．５〜１．７である透明プラスチックカプセル１７５（図１０）内に埋め込む。出力発光効率を改良するために何をするかに関係なく、あらゆる標準カプセルおよびＬＥＤ基板間の境界はＬＥＤ基板内の発光される光の大部分を閉じ込める。封入材料の屈折率を増加することだけが、ＬＥＤ内に閉じ込められる光の量を減少できる。スペーサ媒体２１７屈折率を層６８およびキャビティ媒体２３８の屈折率に一致させると、関連の誘電体境界におけるＴＩＲ損失をさらに削減する。
【０１３５】
このとき、プリズム層５８をスペーサ層媒体２１７に結合し、それらの各屈折率を一致させることにより、入射角度に依存して光を本質的に反射および透過する、対面するプリズム表面自体に閉じ込められた光を伝達する。背面反射光は、媒体２１７、層６８内の散乱拡散による、ならびに層２２０の露出面上の、角度および偏光の両方でランダム化される。この光の一部は、ビーム２１９の固有の集光出力角度範囲内に出力される入射角を有する出力開口１０２内のプリズムシート５８および６０に戻る。
【０１３６】
プリズム層５８および６０により一括して予測される開口拡大（および角度制限）は、空気により両側を限定されているプリズムシートのいずれにも依存しない。好ましくは、各プリズム素子を画定する２つの傾斜したプリズム面が、プリズム材料自体の屈折率より大幅に大きい屈折率を有する媒体内に埋め込まれる。空気の屈折率は１．０であるため、空気は、屈折率差を最大にすることにより、屈折率約１．５を有するプラスチックプリズムに対する理想的境界媒体である。さらに、層６０が層５８のプリズム面の上に位置するため、層６０が空気で簡単に両面を限定される。プリズムシート５８を封入媒体内に埋め込むことにより、プリズムシート６０への積層が簡単になるが、図１０の構造に関連して先に述べたように、プリズム材料および形状の複雑な変更を必要とする。
【０１３７】
４．１．６  単一色光源パネルからの出力ビームの重ね合わせ
図１５の多層光源パネル構造（２４８、２２１、２２３および２２５）は、単色出力ビームが、入力ビームのいずれの１つにより特徴付けされる空間断面または角度発散より小さい単一合成ビームとして効果的に重ね合わされる場合、ビデオプロジェクタなどのＲＧＢ照明用途に対する高光束密度単色光源に有効になる。異なる色（波長）の光ビームは、ビームプロファイルまたは発散の変更なく混合できる。これは、エタンジューが、直線偏向の直交状態に維持されるように、各波長で維持されるためである。赤、緑および青色波長の均一に複合された白色光ビームを考える。白色ビームが３つの単一色ビームに分離されるとき、この分離ビームは元の白色ビームの角度発散およびビームサイズの両方を維持し、また相互性により、その逆も成り立つ。分離工程も混合工程もエタンジューを変化させない。エタンジューは、同一色の２つのビームが結合または分割されるときに、増加または減少する。
【０１３８】
３つの単色光源パネルビームを混合する好ましい方法には、３つまたは４つの結合プリズムの利用を含み、プリズムの隣接した結合表面は、特定波長の光を反射および透過するように選択された多層二色性フィルムでコーティングされる。これを実施する公知の構成は、図１６の詳細図２７９に示す４プリズムのＸ−キューブ配置である。この配置では、２つの相補の二色性フィルム２７８および２８０が、例えば、含まれる４つの４５度−４５度−９０度プリズムの２つの個々のプリズム表面、詳細図２７１の１９３および１９７に貼り付けられる（例えば、１つのコーティング２７８は緑色を反射して、赤および青色を透過し；他方のコーティング２８０は青色を反射して、赤および緑色を透過する）。このとき、２７９と同様に一体に接合され、図示する赤色光線２４９は面１９９に垂直表面に沿ってＸ−キューブに入り、コーティング２７８および２８０に４５度の入射角度を形成し、これらコーティングから反射するかまたはそれを透過するかのいずれかである。赤色波長のため、この光線は両方のコーティング２７８および２８０を直線で通過する。実際の二色性コーティングは、最適入射角度（通常０または４５度）近くのかなり厳格な入射角度が望ましい。最適入射角度から離れると、望ましくない偏光変化、波長移動および反射が発生する。一般に、反射および透過の正味効率は、入射角度が最適角度から離れるほど低下する。この理由のため、標準Ｘ−キューブは、妥当な平行ビーム、および性能が垂直入射角度でなく４５度入射角度で最適化されている二色性コーティングに対して、最もよく適合する。
【０１３９】
図１６の詳細図３０１は、Ｐｈｉｌｉｐｓプリズムと呼ばれる大きい許容色混合プリズム配置を示し、これにより、最適入射角度近くに広い範囲の入射角度を有するビームと、同一の３色との混合を達成する。この３プリズムは、共通の二色性コーティング２７８を共有する２つのプリズム２７３および２８５と、プリズム２８５から空気ギャップ２７７を交差してそれのコーティング２８０を配置する第３プリズム２８１とを含む。この方法では、プリズム形状の配置は、屈折率光が各二色性コーティングに、コーティング表面に垂直またはそれに近い角度で入射するように配置される。この理由は、すべての広い範囲の入射角度垂直入射に対し最適化されるコーティングが、望ましくない反射および透過作用を示す前であるためである。図示の緑色入力光線２５１は面２６５で全体内部反射し、コーティング２７８にほぼ垂直入射で近付く。このとき、反射光線２５３はプリズム面２６５を透過し、青色反射の二色性コーティング２８０を、出力光混合３０３の一部として通過する。同等の青色入力光線２５５は、青色反射の二色性コーティング２８０で反射し、出力光混合３０３に加わる。同等の赤色入力光線は、全界面を直線で通過し、出力光混合３０３に加わる。このＰｈｉｌｉｐｓプリズム配置により、プリズム媒体内の、コーティング表面に垂直に近い最適角度近くの少なくとも±１３度の角度範囲にわたり、効率的なパワー伝達性能を達成した。
【０１４０】
図１６に示す配置の重要性は、それらが個別の単色ビームを空間的および角度的に重ね合わさった出力ビームの混合を可能にすることである。通常の用途では、これらプリズムは、反射ハロゲンアークランプの出力ビームなどの、外部の白色光光源と共に使用される。これら用途では、光源はプリズム自体から物理的に分離するだけでなく、プリズム（およびそれらの二色性コーティング）の目的が、白色光を分離して３つの分離した単色出力ビームを形成することである。以下の本発明の実際用途の多くは、これらプリズムを図１５の単色光源パネルを組み合わせて、空間的および角度的に重ね合わさった合成ビームを出力する。これらの場合には、図１５の光源パネルは、それぞれの赤、緑および青色入力面（Ｘ−キューブでは１９９、２５９および２６１；Ｐｈｉｌｉｐｓプリズムでは２６３、２６５および２９３）に物理的に取り付けられる。これらプリズムと関連に光源パネルとの結合は、後に詳細に説明するが、それの小型化と効率の両方に特有である。出力開口が正方形または長方形であるだけでなく、図１５の光源パネルからの出力ビームはプリズムに、入射前に除去すべき赤外線以外を照射する。
【０１４１】
同一方法もまた、以下に詳細に述べるように、二色性フィルムの代わりに反射偏光器フィルムを用いて、ｐおよびｓ偏光状態のビームを結合するのに有利である。
【０１４２】
５．０  投影システム用途例
図１５の好ましいＬＥＤ光源構造を用いる、このような３ビームの色混合のさらに有効な用途の１つは、ＬＣＤおよびＤＭＤを組み込んでいるビデオ画像表示により実現される。光源結合の正確な方法は、投影システムが透過型または反射型ＬＣＤ、または反射型ビーム偏向ＤＭＤを使用するかどうかに依存する。これに関しては、以後に説明する。
【０１４３】
ＬＣＤおよびＤＭＤにおいて、現在依存しているハロゲンアーク光源照明器の代わりに図１５の単色ＬＥＤ光源パネルを使用することは、多くの理由から有利な変更である。小型照明パネルは現在の投影システムの少なくとも２／３を削除し、大型反射体、画像生成レンズ、熱低減フィールおよび冷却ファンを無くする。したがって、今日の「超携帯型」と一般に考えられている、ソリッドステートの発光パネルを用いて改良される従来のプロジェクタは十分な小型に製作されて片手に乗り、したがって、名称が「パームトップ」になる。システムの小型化に加えて、現在ハロゲン電球で数千時間と測定されている光源寿命は、ソリッドステートＬＥＤ光源パネルではほぼ１００倍に延びる。さらに、３つの電気制御される単色光パネルを使用することにより、このようの改良された投影システムは容易な色温度制御および領域順次色操作を実現する。さらに、ＬＥＤ光源パネルは低いＤＣ電圧で作動し、その結果、高電圧（および高圧）ハロゲン電球の一般に関連するＥＭＩおよび物理的危険を無くする。
【０１４４】
図１５の光源パネルを実際のＬＣＤおよびＤＭＤ投影システムに一体化することは、以下の１３例で示し、およびその結果、これらの例は本発明を拡張する。
【０１４５】
５．１  液晶デバイス（ＬＣＤ）を有する投影システム
ビデオ投影システムで使用されるＬＣＤは、一般に４：３のアスペクト比で配列された４８０，０００（ＳＶＧＡ）〜７８６，４３２（ＸＧＡ）の個々に制御される画像ピクセルのフラットな２次元長方形アレイ空間光変調器である。この基本構成縮小するために、ＬＣＤパネルは、２つの薄いガラスシート間にサンドイッチ状にはさまれる液晶材料の薄い層である。ガラス板上の電極および能動超小型電子デバイスは、各画像ピクセル両端の供給電圧を制御できる。このとき、ピクセル変調は供給電圧変化させることにより、ピクセルの電気光学特性を変化させ、それにより、そこを通過する直線偏光された光のピクセル効果を変化させる。例えば、このようなピクセルがオン状態にあるとき、通過する直線偏光された光はそれの直交偏光に変換され、その後、非変調の直線偏光を遮断する方向に向けられた出力偏光器を通過する。このようなピクセルがオフ状態にあるとき、通過する直線偏光された光は変更されずに留まり、出力偏光器により遮断される。ラップトップコンピュータスクリーンおよびデスクトップモニタで使用される直接観察対応装置と異なり、ビデオプロジェクタのＬＣＤピクセルは色フィルタを含まない。したがって、画像の色はプロジェクタのＬＣＤを通過する光の色により提供される。フルカラー画像は、２つの方法、すなわち３色混合または領域順次切換え方法の１つにより、プロジェクタ内で得られる。３色混合の配置では、プロジェクタは、各原色（赤、緑および青色）に対し１つの、３つのＬＣＤパネルを組み込み、単一フルカラー出力ビーム上に混合された単色変調された画像ビームを有する。領域順次切換方法の配置では、フルカラー出力画像が単一ＬＣＤパネルにより生成され、この単一ＬＣＤパネルの入力光を赤、緑および青色を高速で順次に形成することにより生成することにより、出力ビームが一連の空間変調された赤、緑および青色画像を含むようにし、それが高速点滅されるとフルカラーを表示する。
【０１４６】
ＬＣＤパネル自体は、変調された（または非変調の）入力光がパネルの開口を通過して出力光となる透過型、またはパネルの開口に入り、そこを通過した入力光が、ＬＣＤバックプレーンに置かれたミラー平面により反射して戻る反射型のどちらかで製作される。
【０１４７】
以下の１３例のそれぞれは、実際のＬＣＤプロジェクタ内の単色光源パネルの好ましいシステム統合体を示す。
【０１４８】
５．１．１  例１：図１７に基づく反射型ＬＣＤ投影システム＃１
ＬＣＤ画像投影システム内に単色光源パネルを組み込んでいる１つの実例として、赤色光２６８、緑色光２７０および青色光２７２に対して各１つの、３つの反射ＬＣＤに対して図１７に示す断面を考える。図の光線の光路、角度変換、偏光の除去、ビームの均一性、領域範囲、色感度、効率、および形状関連の関する詳細事項が、後続の例を参照して適用するこの例に対してなされる、
【０１４９】
基本的システム統合化方法には、３つの単色角度変換ユニット２８９を単一色混合ユニット２７４の３側面上の配置することを含む。各角度変換ユニットはそれぞれの光源パネルから出力光を集光し、角度密度を増加し、減少した角度光をそれぞれの反射ＬＣＤに誘導し、空間変調された出力光の出力ビームを生成する。
【０１５０】
このシステムの中心は、図１６で詳細に述べた標準二色性Ｘ−キューブ２７４である（別の、Ｐｈｉｌｉｐｓプリズム３０１を利用できる）。投影レンズ２７６は３つの結果として得られた単色画像ビームを、フルカラー投影画像として再結合する。ｆ／２．４投影レンズ２７６は二色性キューブを通過するＬＣＤのそれぞれから反射した光を映像化して、特定の市販画像プロジェクタにおいて一般的な画像のようにする。二色性Ｘ−キューブは、他の２つは透過するが１つの原色を反射するように設計された、Ｘ−キューブの２つの交差する対角表面のそれぞれ上に薄いフィルムコーティングを用いて形成される。この方法においては、二色性コーティング２７８は赤色と青色は透過するが、緑色は反射する。二色性コーティング２８０は赤色と緑色は透過するが、青色は反射する。図１５に示されている３つの単色光源パネルのそれぞれ（赤２８８、緑２８４、および青２８６）からの±２２．５度の出力光は、３つの個々の折返し中継キューブ２８９により±１２度に集光され、変換される。この折返し中継キューブはそれぞれ、凹面鏡２９０、反射偏光子２９２、および広帯域１／４波形位相遅延フィルム２９４により可能な波長独立偏光変換工程を使用する。角度変換のこの特定の折返し方法は、それの小型化は別として、以下に別に説明する、有利な疑似ケーラー平均法により出力ビームの均一性を大幅に改良する。角度変換のこの方法の代替方法は、各光源パネルとそれの対応するＬＣＤ間に従来の画像生成素子を供給することにより、それぞれのＬＣＤ開口上に光源開口の集束画像を中継する。直接画像生成は各経線で必要な角度変換および領域範囲を達成するが、光源開口に固有のすべての非均一性は直接ＬＣＤ開口（その後、投影スクリーン）に移る（この現象は好ましくない）。画像生成システムの焦点をぼかして非均一性を緩和するが、大きい非均一性を均一化できる度合いは限定される。例えば、焦点ずれは図１３の交差パターンを不鮮明にして明瞭に見えないようにはできない。
【０１５１】
５．１．１．１  光線トレースの例
図７の小型投影システムの作用は一部、図例の光線２９６で説明される。１つの例の２２．５度の極限の光線２９６は赤色光源パネルの中心から出る。この偏光された光線はキューブの適正な方向に向いた反射偏光子層２９２を直線に通過し、さらに広帯域１／４波形遅延フィルム２９４を通過する。この間、光線は円偏光され、凹面鏡２９０で反射されて直交円偏光状態に切り換わり、それの光学的パワーが光源２８８における２２．５度からＬＣＤ２６８における１２度に変わる。遅延フィルム２９４通過して戻るときの反射光線２９８が最初にｓ偏光に変換され、４５度対角の反射偏光子２９２に達すると、ＬＣＤの表面に垂直な軸上のＬＣＤ２６８方向に反射される。ＬＣＤの液晶層がこの光線を１／４波形だけ遅らせるとき（最大すなわち完全空間変調に一致する）、光線が再度円偏光される。ＬＣＤの金属バックプレーン反射体に達すると、そこで反射し、円偏光状態はそれの直交状態に変わり、液晶層を通過して戻り、ｐ偏光されて通過する。ｐ偏光された画像光線３００は、システムの投影レンズで画像を生成し、二色性キューブ２７４を通過して投影スクリーン（図示なし）に達する。
【０１５２】
図１７のあらゆるＬＣＤからの投影レンズで集光された画像光線は、投影される空間画像に変形する。光が存在しないかまたは最大輝度より低いことで表される画像領域は、領域内のＬＣＤピクセルの完全な空間変調に比べて小さい効果により生成される。例えば、完全変調はｐ／２（または９０度）位相遅延で特徴付けされ、これは受動層２９４で生成される同一１／４波形位相遅延に影響を与える。液晶内の完全１／４波形位相遅延は、上の光線３００で示されるように、最大出力光透過を達成する。位相遅延がゼロであるときか、偏光が発生せず、入射するｓ偏光された光線２９８は、ＬＣＤを通過するとき、ＬＣＤのミラーで反射するとき、ＬＣＤを通り戻るときにも、ｓ偏光に留まる。偏光の変化が一切発生しないため、全入射光は反射して、入射した光路に沿ってシステムを通過して戻り、光源２８８に完全に戻る。したがって、この場合には、この領域またはピクセルセットについては、光は投影レンズ２７６で集光されず、また、対応する画像領域は特定色が存在しないことを示す。ＬＣＤにバイアスを与えて、この同一ピクセルセットが中間位相変化（０〜π／２）を示すようにすると、有効光の一部が集光可能な出力に変換され、一部が無変換に留まる。無変換に留まる一部はまた、その光線を発光した光源に、同一光路に沿って戻る。その光線を発光した光源に、使用されずに戻る光は有利に再循環し、全体システム利得に大きく寄与することもできる。
【０１５３】
５．１．１．２  光の戻り分および動的輝度利得
オフ状態の光の光源への戻りは４５度反射偏光子を用いる反射型ＬＣＤの本質的特性である。従来のアーク放電照明システムでは、光源への戻りは、ランプ寿命に悪影響を与える可能性があるため、好適な環境においては一般に考慮されない。ただし、図１５のようなソリッドステート光源パネルの場合は、光の戻り分は気にかける問題ではなく、システム効率に構造的に加わる出力光束の増加を引き起こす。
【０１５４】
この重要な光の戻り作用は、例えば、図１７の赤色角度変換キューブ２８９を分離した、図１８の拡大断面図により詳細に示す。この使用されない光の戻りが重要である別の理由は、この光が照射画像領域内の動的輝度利得に対する１つの方法を提供することであり、この利得は、薄暗いまたは暗い全体画像の一部が増加すると共に増加する。この動的画像輝度は、動的ピーキングとも、または画像パンチとも呼ばれ（ＣＲＴにおいて）、戻りにメカニズムを詳細に追跡することにより、説明される。現在のＬＣＤおよびＤＭＤ画像プロジェクタはいずれも、動的輝度利得メカニズムを実施していない。
【０１５５】
金属円偏光変換背面反射体３０４（図１７では示されていない）は、図１８ではＬＣＤ２６８の上に明瞭に示されている。図のｐ偏光光線３１０は、前述のように、光源２８８の中心点３０６から出るが、中間角度γにおいては、システムを通過するその光路が、光線３１０として反射偏光子２８０、光線３１４として位相遅延層２９６およびミラー素子２９０の作用による反射および偏光変換、および光線３１６として反射偏光子２８０による反射、を順次通過することによりＬＣＤ２６８上の点３１２に達する。このとき、図の光線３１６は偏光される。戻りの出力光線３１８がｓ偏光の留まる度合いは、液晶層を通過する光路上の入射光線３１６に与えられる位相変化量に依存し、電気的にバイアスできるかできない。領域で発生する複屈折位相変化が最大（すなわち１／４波長またはπ／２）のとき、全ｓ偏光はｐ偏光に変換され、前述のように、すべての光は反射偏光子２８０を通過する。領域で発生する位相変化がゼロの場合、偏光変換は発生せず、光線３１８はすべて反射偏光子２８０上の点３２０で反射し、光線３２２として上方の凹面鏡２９０方向に向かう。このとき、ｓ偏光光線３１８はｐ偏光戻り光線３２４に変換され、光線３１０として、入射と正確に同一光路に沿って光源２８８に向かって戻る。この入射照射光路に沿って戻るように制限されることにより、光線３２４は光源に戻る。これの１部分は、図１６（この図では光出力散乱層２８が省略されている）の形体で断面図３０８に拡大されている。最初、光線３２４はプリズムシート６０を通過し、次に、直交プリズムシート層５８および光散乱シート６８を通過して、散乱反射光学キャビティ２２８に入る。キャビティに入ると、この初期の戻りキャビティ光線３２６はＬＥＤ基板自体に入射し屈折反射および／または散乱する。多くの統計的可能性の１つの例として、光線３２８６は、ＬＥＤ基板内の内部反射として、および新しい光線３２８として外部に屈折するものとして示され、また、多数の可能な方向に反射キャビティ側壁８５から離れて散乱し、その一部は追加の多数反射を繰返した後、外部に出て、一部の同様の光線３３０は層５８および６０を通過して新しい光として外方向に向かう。この新しい光は照射される画像の一部とするかまたは再度循環することができる。
【０１５６】
動的画像輝度利得の基本は、部分的には、図１７の疑似ケーラー照明システム配置によるものであり、３３２、３３４、および３３６などの全発光並列光源アレイ、および至るところで発光開口２８８と交差する同様の光線は、ＬＣＤ上の単一共通画像点３３８に至る。このように、これらの光線が光源２８８の元のキャビティに戻り、散乱および反射工程により最後の出力角度でランダム化されるとき、実際に光線は、どれかの完全に異なるセットの空間画像点に戻る。発光キャビティ２２８内で実現されるこのような角度ランダム化がない場合、戻り光線は、３１２のようないずれかの暗い反射画像点とキャビティ自体間に閉じ込められて留まり、出力の一部になることはできず、常に、正確に同一入力および出力光路に戻る。
【０１５７】
最初に、図１８の光線３１０のようなＬＥＤキャビティ発光は、発光出力角度γにより予め設定されている、ＬＣＤ上の特定空間画像平面点に決定的に導かれる。発光キャビティ２２８に戻るとき、戻り光線はランダム化される。空間的に、再生光線３３０は空間的に、その光線を放射するキャビティ２２８の開口内の特定点から発光される。ただし、角度的には、新しい光線はそれの子角度γの物理的記憶を持たない。したがって、再生光線３３０は新しい角度１を有し、この再生光線は空間的に異なる画像点を照射し、追加の光束をこれらの画像点に追加し、この追加量は、このように使用されずに光源に戻る割合および透過中の損失に依存する。
【０１５８】
循環光線３２４の受ける累積透過損失により、可能な動的輝度ピーキング量が減少する。極端な例は１つの画像ピクセルが完全白色であり、他のすべての画像ピクセルが完全黒である場合である。最少の赤、緑および青色発光ピクセルキャビティ２２８（図１６の１０２）は１ｍｍ×１ｍｍであり、キャビティの出力角度は、先の説明の通り、ＬＣＤ全体の開口をカバーする±２２．５度に変化する。ＬＣＤ２６８、２７０および２７２はそれぞれが、画像ピクセル解像度ＸＧＡ（１０２８×７６８）および全開口対角で１／２インチあり、したがってそれらの７８６，４３２ピクセルは２３．７ミクロン平方である。１６００のｐ偏光画像光束をレンズ２７６から投射するのが可能である場合、したがって、画像ピクセル当たり約２×１０-3ルーメンとなる。これは、約１６００のｓ偏光光束が、ＬＣＤから２方向の往復光路を形成して光源に戻り、その後光源からＬＣＤに戻り、キャビティのランダム後、再度ＬＣＤに戻り、エネルギーを増加して、外方向にスクリーンに向かう。このオフ状態の循環効率がηoff、投射される白色光束の全数Ｌwおよび画像ピクセル数ｎpである場合、単一ピクセルパワーの部分的増加はηoffに減少し、いずれのピクセルセットのパワーの部分的増加はηoffｆoffに減少する結果になる（ここでｆoffは正味オフ状態内の画像ピクセル部分である）。図１７および図１８に示すシステムのこの循環効率は式１０で表すことができ、これには、反射偏光子２９２の反射効率ηrpr、位相遅延およびミラー素子２９４および２９０の変換効率ηpc、反射偏光子２９２の透過効率ηrpt、ＬＣＤ通過効率ηlcd、キャビティランダム化工程効率ηran、二色結合器キューブ２７４の透過効率ηcom、および投影レンズ２７６の透過効率を用いる。最も起こりうる効率値を用いると、部分ピクセル増加最高値は約（０．９５）7（０．７５）（０．８１）（０．９）2または３４．４％となる。
【数６】
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【０１５９】
５．１．１．３  オフ状態における光漏れの防止
反射偏光子２９２はオフ状態の光を妥当な値に抑える。オフ状態の光がｓ偏光されている場合、最良結果は、出力ビーム内にｓ偏光光の漏れが完全存在しないことである。オフ状態の光漏れは、画像コントラストを低下させる。出力漏れを防止する１つの方法は、各単色角度転換ユニット２８９の出力面上の清浄な偏光子（吸収または反射性）の組込みが、画像コンラストを改良する方法として好ましい。代替方法では、単一出力偏光子は投影レンズ２７６の直前に配置される。いずれの場合でも、清浄な偏光子を位置合わせして、オフ状態の偏光の出力表示スクリーンへの通過を阻止するようにする。さらに別のオプションは、反射偏光子２９２の多層構造内に清浄な偏光子を含むことである。これを、標準の従来技術の偏光ビームスプリッタキューブ２８９の構成内で実施する場合、例として、キューブ２８９の対向するプリズム面のそれぞれに、同一偏光誘電体の多層をコーティングし、それらの間に類似の配列の（ｓ吸収）吸収偏光子を接着することでなされる。この方法は拡大層２９２を通過する透過損失が増加するが、ｓ偏光漏れを完全になくする。これら選択では、漏れだけを扱い、かつ真のオフ状態の光の戻り（循環において光源パネルの最も多く戻る）でないとき、ｓ吸収（またはｓ反射）偏光子の好ましい位置は二色ビーム結合器２７４の入口または出口面７７および７９上である。
【０１６０】
従来のアークランプベースの投影システムでは、出力ビームの均一性はアークランプ照明システムの出力ビームの均一性に依存し、多くの場合２次レンズアレイまたは一体化バーにより強化し、空間混合の光源を得ている。図１７のＬＥＤベースの画像投影システムでは、光源パネル２８４、２８６および２８８の出力均一性は、角度変換キューブ２８９を通過するこの光の光路により修正される。
【０１６１】
５．１．１．４  折返しテレセントリック角度変換およびビーム均一性
プロジェクタシステムの無変調出力ビーム（白領域、暗領域、または一定色領域）は、空間的に均一であり、認知される輝度アーチファクトが無いと見る必要がある。これを可能にするため、システムの照明源が直接画像生成するのに十分に均一であるか、またはＬＣＤによる空間変調の前にビーム均一性を改良する対応がなされているか、のどちらかが必要である。
【０１６２】
図１７のシステムの光源パネル２８４、２８６および２８８は、図１５で述べた図例の形体であり、したがって、１３×１０アレイ例の１３０の発光ピクセルおよび５２０のサブピクセルの境界を画定する目に見える内部境界線を示す。ＸＧＡ  ＬＣＤおよび７８６，４３２画像ピクセルを仮定すると、これは５２０の画定された発光セルのそれぞれ内の約１５００画像ピクセルを意味する。１００インチ対角の投影スクリーンでは、各画定された領域は２．３インチ平方で表われ、事前散乱のない場合は、スクリーンを横切るウィンドウパターンとして容易に見える。
【０１６３】
図１７のシステムの大部分は、折返し角度変換２８９を特に設計して、これらの画定フレームを含むすべての発光開口構造も角度偏光出力ビームで表れないように保証するため、このパターンを不鮮明にするための事前散乱は必要としない。出力ビーム断面全体の個々の空間点すべての輝度は、全体光源パネル（２８４、２８６および２８８）開口を横切るすべての空間点の平均輝度として決められる。
【０１６４】
この平均化工程は、従来のケーラー照明システムとの類似により、図の偏光変換凹面鏡２９０（レンズとミラーの他の組合せも同様に利用できる）のそれぞれの焦点距離に、光源パネル２８４、２８６および２８８の出力開口およびそれぞれのＬＣＤ２７０、２７２および３０２に入力開口の両方を配置することにより達成される。このとき、反射偏光子２９２は主として、その上に入射する光の偏光状態を感知する折返しミラーとして作用する。したがって、この反射偏光子はミラー２９０からの光を反射し、対応するＬＣＤに９０度曲げて通す。この方法では、ＬＣＤ２６８上のいずれの点３３８に達する光線（図１８ａ）も、例えば、光源パネル２８８上の各開口の点に到達する光線の平均パワーを表す。
【０１６５】
この方法の成功は、光源パネルの開口から発光される角度の関数としての全体光束は、小さい角度に対してはほぼ一定であり、その後、利用される角度範囲全体にわたり滑らかに、連続的に１．２パワーにまで減少する。これが成立する場合、ビーム均一性は滑らかで、中心から領域縁部までの低下は２：１以下である。
【０１６６】
最高の画像品質用途に対して、完全にフラットな照明領域が必要とされる場合、好ましくは、画像生成システムを用いて、ＬＣＤ開口上に光源パネルに比例して拡大される画像を中継する。ただし、最良の結果を得るために、この中継システムはテレセントリックに形成して、角度変換された照明が、図１７と同様に、投影レンズ軸７５まわりに対称的に配置されるようにする。この性能を達成する１つの小型システムは、図１８Ｂに示すような２−ステージの角度変換システムである。この方法においては、第１の中間角度変換ステージ２６７を用いて、実際の発光源２８８と同一サイズで製作されるが、前述のように滑らかに低下する中心から縁部の空間特性を有する、虚焦点平面光源２５１を形成する。次に、虚光源２５１は第２角度変換ステージ２８９への入力として位置決定される。
【０１６７】
５．１．１．５  有効なテレセントリック領域有効範囲を得る別の角度変換器
図１８Ｂに示す結合された（２−ステージ）角度変換器は、疑似画像生成モードで作動し、光源パネル上の各点から発光された光をＬＣＤ上の対応する点にも戻すことにより、領域均一性を平坦にする。ただし、この特定構造の利点は、ＬＣＤの長方形領域を正確にカバーするテレセントリック方法を提供することである。光源パネルの開口上の空間的非均一性がそれほぼ厳格でないと仮定すると、この配置の小さいひずみおよび焦点ずれは適度の形状の不鮮明さを実現し、小さい非均一性の目立ち方を低減し、同時に光源パネルの本質的に均一な輝度領域を維持する。
【０１６８】
同一の点と点間の画像生成結果は、素子間の間隔を調整すると、図１７の簡単な単一ステージ変換器を用いて得られる。さらに、この方法が、有効な投影システムに対して好まれない理由は、テレセントリック照明に対する条件に適合しないことである。
【０１６９】
図１７に示すように、単一折返し非画像生成角度変換器ステージを有するＬＣＤ領域有効範囲は、各経線内の光源パネルの角度範囲βiにより決定され、図１５の本発明については、各経線内で同一である。このような角度対称性は、それを補償する有効な方法のないとき、照明器の領域有効範囲は本質的に正方形であり、長方形のＬＣＤ開口に一致しない。さらに、図１８Ｂの２−ステージ変換器を用いると、それが光源形状の対称性となり、第１ステージが対応する角度対称性、すなわち理想の第２ステージに領域有効範囲に必要な正確な角度対称性に変換する。
【０１７０】
この方法の詳細は多数の例により説明する。図１８Ｂの反射ＬＣＤ２６８は、ｘ経線内に２４．３８４ｍｍ、ｙ経線内に１８．２８８ｍｍの長方形開口を有する。光源パネル２８８がｘ経線内で１３．２５ｍｍである場合、好ましい第１ステージ角度変換器２６７（ガラスプリズムを使用）は、２５ｍｍ（１３．２５／２Ｔａｎ（１４．８））焦点距離（Ｆ０）の凹面鏡１９１を用いて形成することにより、虚光源２５１が正確に同一幅（１３．２５ｍｍ）および光源が開始した内部ステージ出力角度β1x（ガラスで１４．８度）（すなわち、β0x＝β1x）を有するようにする。この方法では、第２ステージ変換器の凹面鏡１９０を焦点距離Ｆ１＝Ｕx／２Ｔａｎ（１４．８）または４６．１４ｍｍで形成することにより、ＬＣＤ領域有効範囲がこの経線内で正確に２４．３８８ｍｍであるだけでなく、それの領域角度ωxが、所望されるように、ガラスで８度（ガラスで１２度）となるようにする。これらの条件の下で、同等の有効な性能がｙ経線内で再現され、光源パネル２８８の狭い幅９．９４ｍｍが、同一の虚幅９．９４ｍｍであるが、ガラスで内部ステージ領域角度β1y＝Ｔａｎ-1（ｕy／２Ｆ０）または１１．２４４度（ｘ経線内の１４．８度と異なる）を有するように変換する。ステージ２において正確な領域有効範囲を可能にするのは、ｙ経線内のこの自動的内部ステージ角度圧縮である。β1y＝１１．２４４度およびＦ１＝４６．１４ｍｍを用いると、ｙ経線領域縁部は、中心から、正確に（Ｆ１）Ｔａｎ（β1y）または９．１７ｍｍとなる。
【０１７１】
図１８Ｂには、いくつかの主要な光線光路により、この作用が発生するメカニズムを詳細に示している。極限の光線１０５は光源パネル２８８の中心の点ａから、空気中で２２．５度、偏光ビームスプリッタキューブ２６３のガラスプリズム内で１４．８度の角度β0で出る。この例では、光線１０５は完全なｓ偏光で出て、反射偏光子２５７はｓ偏光の光の光路に向けられる。したがって、光線１０７は反射偏光子２５７および１／４波長位相遅延層２９４を順次通過した後に、凹面鏡１９１の点ｂに達し、ここで反射して、位相遅延器２９４を通して光パワーを戻し、反射偏光子２５７方向に進行して、２５７の点ｃに達する。前述のように位相遅延器２９４を通るｓ偏光光線の往復行程およびそれの点ｂでの金属反射は組み合わさって、光線偏光状態をｓからｐに変換する。直交偏光を有する反射偏光子２５７上の点ｃに達すると、光線は上方向に反射して、虚光源平面２５１上の原点ｄに向かい、ｐ偏光光線１０７として上方の第２角度変換ステージ２８９に進行する。第２ステージの反射偏光子２９２はｐ偏光光線１０７を通過する方向に向けられ、光線は第２凹面鏡２９０方向に進行し、点ｇを照射する。反射された光線１０７は続いてｓ偏光に変換され、反射偏光子２９０上の点ｆに達すると、反射して、ＬＣＤ２６８の反射バックプレーン２８８上の点ｇに向かう。同一工程は、光源の点ａを出る軸方向光線について図示され、２ステージを通過して、ＬＣＤ２６８上の点ｇまでのそれの光路を示す。さらに、光パネル領域の縁部上の点ａａを出る光線１０５に平行な光線は、点ｂｂ、ｃｃ、ｄ、ｅｅ、ｆｆ、および最後にｇｇに進行する。
【０１７２】
これらの図示光線の作用から、図１８Ｂの２ステージのシステムは、実際に光源パネル２８８上の各点をＬＣＤ２６８上の各点に画像生成し、その結果、画像生成システムの有利な領域有効範囲効率を得るが、単独で作用する単一の非画像生成変換ステージによりなされる有利な輝度平均化工程を無効にする。
【０１７３】
このとき、図１７の単一ステージの角度変換器の非画像生成特性を維持するのは有利であるが、理想領域有効範囲効率では、画像生成システムを使用できる。
【０１７４】
５．１．１．６  効率的テレセントリック領域有効範囲を有する単一ステージ非画像生成角度変換器
図１７の単一ステージ非画像生成角度変換器は、前述の光源領域輝度の焦点面平均化により領域均一性を均一化する。さらに、光源パネルの２つの経線内の角度対称性から、この方法は長方形でなく正方形を生成する。最良の結果を得るために、各光源パネルの開口によるほぼ全光束出力が、それらの対応するＬＣＤ（２６８、２７０、２７２）の長方形入力開口に、各経線内でトレセントリック状態および同一領域角度で到達する。
【０１７５】
ただし、このような要求条件に適合するには、特定の配置が必要である。
【０１７６】
図１５のプリズムシートベースの（５８、６０）光源パネルの形状関係および角度特性は、最適ＬＣＤ領域有効範囲ならびに変換器結果出力角度ωを制約する。光源パネル（ｕi）の開口寸法および凹面鏡２９０の固定焦点距離ＦＬは、形状式２Ｔａｎω＝ｕi／ＦＬにより出力角度ωを決定する。ここで、ｕiは各経線（ｘ、長；ｙ、短）に対する該当する光源縁部寸法である。このとき、ＬＣＤ領域有効範囲は、類似の式Ｕi＝２ＦＬ  Ｔａｎβにより、光反射素子２９０の固定焦点距離ＦＬと、光源パネルの角度範囲βに依存する。ここで、Ｕiは該当するＬＣＤ縁部寸法である（ｘ、長；ｙ、短）。
【０１７７】
図１５の光源パネルが同一プリズムシート層５８および６０で構成されるとき、これらシートは、各経線内で対称性角度（すなわち、β＝βx＝βy）を有する等方性ビームを生成する。この理由から、ミラーシステム２９０が固定焦点距離の単純な球形素子（図１７の例で示すような）で形成される場合、ＬＣＤの４：３長方形アスペクト比の領域有効範囲は正方形状になり、長方形ＬＣＤを２５％だけはみ出す。図１７の疑似ケーラー非画像生成角度変換器を用いてこの特性を改良するには、各領域の経線内に異なる角度範囲を生成する特殊な方法を必要とする。図１８Ｂには、これを実行する１つの方法を示すが、非画像生成作用でなく画像生成される結果になる。図１８Ｃおよび１８Ｄには別の方法を示しており、これは、天文学上のガリレイ望遠鏡の原理に基づくものである。焦点距離の異なるペアの円柱レンズを使用して、１つの経線内の出力角度を圧縮し、他の経線内は圧縮しない。レンズは正および負、または正および正のどちらでもよい。
【０１７８】
図１８Ｃの詳細図３０７には、焦点距離ＦＮ（負レンズ２０３）およびＦＰ（正レンズ２０５）の１つの好ましい負および正パワーレンズのペア３０５を示す。同様の結果は、パラメータを適時調整すると仮定して、ペアの正レンズ素子を用いて得られる。図１８Ｃの斜視図は、ＬＣＤの短い側の経線を示し、それの入力角度はそれの固有等方性値β（２０１）から、すなわち図１５の光源パネルにより本質的に生成される、通常空気中で±２２．５度から、β’（２０７）に減少する。図のレンズ素子２０３および２０５は円柱形であり、したがって、それらの光学的効果は主に図に示される経線内で作用し、他の経線ではない。一方また両方のレンズは非球面にでき、円柱フレネル表面を形成、および／またはペアの個別レンズ素子として実現して、収差および厚さを低減できる。
【０１７９】
光源パネル２８８は第１（負パワー）レンズ２０３の直ぐ下に配置され、それの透明開口を十分大きく形成して、全放射光を受け入れるようにしている。拡大詳細図の円３０９は、光源パネル２８８（例えば、図１５の詳細図２２１と同様）の断面と、図に示すように−２２．５度、０度および＋２２．５度で負レンズ２０３のパネル入力表面から放射される３つの出力光線３１１とを示す。負レンズ２０３を通過すると、これら光線は、２つの対向するレンズ素子２０３および２０５間の空気空間中に発散する。図１８Ｃに図示した光線の光路は、９．９４ｍｍ幅の光源開口により発光される実際の光線の光路であり、この９．９４ｍｍ幅の開口は、４１．６ｍｍ球形半径（ＦＮ＝８３．２ｍｍ）を有する１ｍｍ厚さの平凹面負レンズ２０３内および５１．８５ｍｍ球形半径（ＦＰ＝１０３．７ｍｍ）を有する４ｍｍ厚さの平凹面正レンズ内に光を放射する。頂点−頂点間のレンズ距離３１５はｄ＝ＦＰ−ＦＮとなるように、２０．５ｍｍに形成される。このように形成し、正レンズ２０５が負レンズ２０３により全発散光束３１７出力を集光すると、光線方向は変更されて、正レンズ２０５からの出力光束３１９は再び、ほぼ平行であるが、システム軸２１０から角度β’、２０７となる（形状式Ｔａｎ  β’＝（ＦＮ／ＦＰ）Ｔａｎ  βで与えられる）。さらに、平行出力光束３１９は、その経線幅ｕy’がシステムエタンジュー、ｕyＳｉｎβ＝ｕy’Ｓｉｎβ’を維持する虚光源３１２から来ることを表している。この例においては、変換出力角度β’は、したがって、空気中の２２．５度から空気中の約１８度に圧縮される（ガラス中の１４．８度からガラス中の１２度に）。
【０１８０】
最適化システムにおいては、正レンズ２０５は狭い間隔のペアの薄い平凹面正レンズ（好ましくは、凹面表面が相互に対向する）に分割して、各凹面表面を非球面として収差を最小化し、レンズ領域の縁部の方向の性能が劣化するのを防ぐことができる。正レンズ２０５はまた、非球面の円柱フレネル表面に形成して、収差を最小化できる。負レンズ２０３は、非球面化して収差を最小化するのが好ましい。
【０１８１】
図１８Ｃの詳細図３２７には、図の赤色チャネルの１８．２８８ｍｍ×２４．３８４ｍｍのＬＣＤ２８８の短い側の経線に対する、追加出力角度変換器素子３２５の効果を示す。図の短い側の経線内の出力角度ωy’は、ｕy’の虚光源幅３２３（ｕyＳｉｎβy＝ｕy’Ｓｉｎβy’）および変換器の焦点距離ＦＣとして、形状Ｔａｎ-1（ｕy’／２ＦＣ）から決まる。変換器焦点距離ＦＣは長い側の経線（図１８Ｃには図示していない）内で、ＦＣ＝ｕx／２Ｔａｎωxとして設定される。ここで、ωxはＬＣＤ２８８において投影システムの要求される出力角度、ｕxはｘまたは長い側の経線内の実際光源サイズである［注記：図１８Ｃおよび関連する形状式で従来使用されるのは、主として、負および正レンズのペア２０３および２０５により変換される値を指す］。ｕxが１３．２５ｍｍでありおよびωxがガラス中で８度（空気中で１２度）であるため、この例では、ＦＣは４７．１ｍｍとなる。このとき同一焦点距離ＦＣ＝４７．１ｍｍを用いると、ωy’は、短い経線内では、ｕy’＝ｕyＳｉｎβy／Ｓｉｎβy’＝１２．２ｍｍとすると、Ｔａｎ-1「（ｕy’／２ＦＣ）」または７．４度となる。
【０１８２】
図１８Ｃに示す方法の重要な点は、角度対称発光体およびその発光体の角度範囲により決定される領域有効範囲を有するにもかかわらず、２つの円柱光学素子を追加することにより、制御可能な、空間的にもおよび角度的にも非対称領域有効範囲を実現できることである。これは、ＬＣＤの空間開口が最少の無駄分で完全照明するだけでなく、それの角度開口も同様になる。
【０１８３】
素子３２５は、各経線内で共通焦点距離Ｆを有する球形するか、または各経線内で最良作動するように調整された焦点距離を有する円環状に形成できる。物理的光源２８８より上の、素子３２５の物理的高さＨは、各経線内で同一でなければならないため、最適構成は、経線の差により、照明の鮮明度とトレードオフの関係になる。サブシステム３２７は、鮮明な画像生成システムとして機能することを意味しないため、得られる照明の鮮明度はＬＣＤに移送される全体パワーにおける大きい要素とならない。さらに、全光素子の配置において相互に妥当な許容差を認めるには、最終構成ではＬＣＤ領域のある程度の溢れは必要である。
【０１８４】
素子３２５が円環状に形成される場合、正円筒レンズ２０５と物理的に組み合せ結合せして、さらに小型の光学システムを実現できる。
【０１８５】
さらに、大幅な小型化は、図１７および１８Ａの折返し形体を利用して可能になり、この場合は、光学パワーは図１８Ｄの凹面鏡３２７として移送される。この変形形態においては、反射素子３２７は、それぞれの長経線および短経線内で、固有の焦点距離ＦＣおよびＦＣ’を有する円環状である。焦点距離ＦＣ’は、従来に式ＦＣ’＝（ＦＣ）（ＦＰ）／（ＦＣ＋ＦＰ）を使用する、短い方の経線に対する角度変換器の焦点距離ＦＣと、正円柱レンズ素子２０５の焦点距離との合成焦点距離である。
【０１８６】
図１５の光源パネルに基づく長方形照明システムにおいて必要とされる非対称領域有効範囲を生成する別の方法は、光源パネル自体の内部に角度非対称性を導入することである。これは、異なる頂度を有するプリズムシート５８および６０を使用することにより可能になる。ペアのプリズムシートの頂角と出力角度の関係は複雑になるが、２層の角度出力範囲を決定するのはプリズム頂角である。特に大きい頂角αxと、特に小さい頂角αyとがあり、図１５の場合、２層５８および６０のこれの組合せが出力角度βxおよびβyを生成する。形状により決まる比は、Ｔａｎβx／Ｔａｎβy＝Ｕx／Ｕyとなる。したがって、４：３長方形アスペクト比の１．２インチ対角ＬＣＤでは、Ｔａｎβx／Ｔａｎβyは１．３３３となる。βxが空気中で±２２．５度に留まると、最適領域有効範囲については、βyが空気中で±１７．３度より約３０％狭いのが好ましい。さらに、特定角度限界は、それらの比により要求される非対称に比べて最適領域有効範囲に対して重要性が少ない。
【０１８７】
５．１．１．７  波長感度を最少にする色分離
図１７の投影システムの色分離レイアウトの１つの利点は、各折返し角度変換器キューブ２８９が固有の狭い波長帯域内で作動し、したがって、遅延フィルム２９４および反射偏光子２９２の帯域幅範囲を実行する上での制約を緩和し、フルカラー使用に対し、全可視スペクトルにわたりほぼ一定の性能を示すことである。フィルム２９４で発生する位相遅延は一般に、透過波長の関数である。多層広帯域構成は、Ｎｉｔｔｏ  Ｄｅｎｋｏなどのメーカで採用され、可視スペクトル全体にわたり発生する遅延変化を最小化する。反射偏光子２９２はまた、入射色の関数として反射度の差を示す。ただし、本発明では、このような効果は、各単色チャネルに対して分離され、したがって、このような効果は、各光源パネルに供給されるパワーの色バランス調整により自動的に補償されるため、全体システム性能上に正味の影響を与えない。
したがって、図１７のシステムの各分離された赤、緑および青色照明キューブは、波長独立方式で同様に作用する。隣接する二色結合キューブ２７４は、３つの単色画像ビームを重ね合わさることにより、単一フルカラー画像を投影スクリーン（図示なし）上に生成する。角度変換中継キューブ２８９のそれぞれは、各光源内に使用されるＬＥＤが単色であることを除き、物理的に同一である。適正な電力を各光源１のＬＥＤアレイに供給することにより、重ね合わした赤、緑および青色画像フレームの全フルカラー合成画像フレームに対して、白色領域の所望の混合が得られる（例えば、特定色温度およびＣＩＥ色座標）。
【０１８８】
５．１．１．８  出力光束およびシステム効率
図１７の図の投影システムにより出力される全体光束は、光線が、システムの３つの並列単色チャネルのそれぞれ内のさまざまなサブシステムを通過する際に受ける透過効率の積に依存する。本発明の例においては、各光源パネルは１３．２５ｍｍ×９．９４ｍｍであり、１２×９アレイ内に全体で７２のＬＥＤアレイユニットを含む。ユニット当たり最少１０の非偏光光束を仮定すると、光源パネル当たりの非偏光光束の数は７２０となる。偏光再循環利得を１．５と仮定すると、パネル当たり８２５の偏光光束がある。このとき、角度変換、二色再結合、反射ＬＣＤ通過および投影レンズの通過に対して対応する透過効率が、それぞれ０．７５、０．８１、０．９および０．９と仮定すると、各色で提供される全体光束は、混合が等しいと仮定すると、約４００となり、計画通りに全体白色領域スクリーン光束は１，２００ルーメンとなる。使用される各ＬＥＤが２０ルーメンを出力するため、全体ＲＧＢ入力光束は４３２０ルーメンとなり、全体効率は３０％よりやや低い値となる。これは、従来のハロゲンアークランプシステムの全体効率２０％と比較して、５０％の改善となる。
【０１８９】
１２００ルーメンは、Ｐｈｉｌｉｐｓで製造された１００Ｗユニットなどの反射ショートアーク放電ランプを使用するシステムで得られるスクリーン性能とほぼ同一であるが、この場合、図１６の例のような小型ソリッドステートパネルランプで得ることができ、これにより、赤外線フィルタ、高価な周辺反射器、または冷却用の強制空気循環ファンを必要とせず、実際には瞬間的な電子色温度調整を可能にし、１０〜２０倍の標準有効寿命を可能にする。さらに、長方形多層発光ピクセルアレイからのビームプロファイルが、基本的に縁部より中心部の輝度がかなり高く、円形断面である、ショートアーク放電ランプから集光されるビームの対応するプロファイルに比べて画像表示によく適合する。円形ビーム断面に内接する４：３アスペクト比の長方形の外側で低下するビーム光の割合は、形状により３８．９％となる。長方形断面一体化バー、散乱器およびレンズアレイなどの外部の均一化デバイスを用いて、追加コスト、空間および効率低下を伴って、円形ビームプロファイルを出力する。比較すると、前述のソリッドステートパネルランプ出力ビームを横切る、縁部から端部までの光束密度は、一般に一定である。
【０１９０】
５．１．１．９  キューブの形状
光学システムのレイアウトでは公知のように、図１７に示すような、各ビームスプリッタキューブ２８９（空気またはガラスのいずれであれ）および二色結合キューブ２７４は、適正なサイズとして、角度発散および含まれる光路長さに対応する必要がある。簡単化のために、各経線内で水平方向サイズＸ、垂直方向サイズＹに対する有効式は式１１および１２で与えられる。この式の記号は、光源１の半角β、中継の変換出力角度ω、光源の縁部寸法ｕi、およびＳＬＭの対応する縁部寸法Ｕi（ｉはｘ水平経線、またはｙ垂直経線を表す）である。Ｘの解は、式１２で与えられる。これらの式は、β＝ωおよびｕi＝Ｕi＝Ｋ（Ｋは中継キューブのＸおよびＹの大きい方）の場合、結合キューブに適用する。結合器（または中継器）媒体が誘電体である場合、使用される定義角度βおよびωは、該当する屈折率でなければならず、この場合、例えば、媒体角度はＳｉｎ-1（Ｓｉｎβ／ｎ）である（ｎは媒体の屈折率である）。前述のようにβが２２．５度である場合、屈折率１．４９における角度は実際に１４．８度になる。同様に、βが１２度である場合、屈折率１．４９における角度は実際に８度になる。
【数７】
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【０１９１】
図の１３．２５ｍｍ×９．９４ｍｍ光源開口、２４．３８４ｍｍ×１８．２８８ｍｍＬＣＤ開口、±２２．５度光源円錐角度、および±１２度中継角度については、必要な中継器は、空気充填の場合、主として誘電体であるとき（すなわち、反射偏光子２９２が、Ｍｅａｄｏｗｌａｒｋ  Ｏｐｔｉｃｓで製造されるような工業標準偏光ビームスプリッタキューブである）、一辺でほぼ２インチ、および１辺でほぼ１インチである。主として空気である、図の２インチ中継器からの±１２度出力の可能な最少の結合器キューブは、式から、縁部で１３．５８ｍｍ、または約２．３インチである。図１７のシステムにガラスまたはプラスチックで製作される標準偏光ビームスプリッタキューブを使用する場合、このキューブはＸ＝Ｙ＝３３．１ｍｍおよび２４．８ｍｍの深さを有する。対応する結合機器キューブ２７４は図１７の平面にあり、キューブの１辺は４５．９ｍｍ、深さは３４．５ｍｍである。
【０１９２】
反射偏光子２９２は、空気中に置かれるＤＢＥＦ（商標）としてＭｉｎｎｅｓｏｔａ  Ｍｉｎｉｎｇ  ＆  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ  Ｃｏ．で製造されるような反射偏光フィルムを含む多層ビームスプリッタプレートか、または広帯域用のＭｅａｄｏｗｌａｒｋ  Ｏｐｔｉｃｓで製造されるような工業標準偏光キューブの内部対角上の事前に蒸着された無機質反射偏光層を有する従来の透明誘電体フィルムキューブのどちらかである。プレートタイプの反射偏光子は、投影レンズに面する側に極めて薄い被膜層を有することにより、非点収差を最少にしている。偏光層の厚い基板への付着は、十分な光学的平坦性を維持することにより、出力側領域の湾曲に与える影響を最少化する。２つ同一整列の反射偏光子層および１つの吸収偏光子層を用いて、望ましくない偏光状態をなくするようにする。図１７のシステムでこれを実施するのは好ましくない。この理由は、これを実施することにより、透過が最良の可能な値０．９５から約０．８１に減少し、前述の、中継キューブ出力面上に配置される偏光子の清浄化に実際の有利性を提供しないからである。プリズムキューブタイプの反射偏光子は高い透過効率および反射効率（それぞれ０．９５および０．９８）を有するが、標準容認角度±２度である。この構成が最適化されると、容認角度は約±６度に増加する。図１７のようなシステム内で、±１２度のシステム出力角度（ガラスまたはプラスチック内では±８度）で使用されると、６度を超える光線角度に対して反射効率が幾分減少するが、問題にはならないと予測される。キューブを通過する透過効率はビームの角度範囲の影響をあまり受けない。
【０１９３】
中継器キューブおよび二色結合器の両方は、図１６の従来のＰｈｉｌｉｐｓプリズム配置で構成できる。これをする利点は、プリズム配置３０１により、各光源パネル入力からの単色軸光線が、プリズム媒体（ガラスまたはアクリル樹脂）内部への通常入射に近くなることであり、この場合、全誘電体スタック（二色性または偏光選択反射のいずれでも）が好ましい性能を示す。
【０１９４】
５．１．２  例２：図１９に基づく反射型ＬＥＤ投影システム＃２
図１７〜１８の投影システム例の小型変形形態は図１９に示されており、図１９のシステムは設置面積が大幅に小さくなる。さらに、反射偏光子２９２および凹面鏡２９０の数も、それぞれ同様に減少する。この改良には、２つの二色結合器キューブ２７４（Ｐｈｉｌｉｐｓプリズム同等品）を使用し、両方のキューブ（一方が反射ＬＣＤ２６８、２７０および２７２用、他方が単色光源２８４、２８６および２８８用）が以前と同様に同一の二色性層２７８および２８０を有する、ことを必要とする。このシステムでは、３つの単色光源からの光が第１結合器キューブ３３８で混合される。このとき、光は反射角度変換器キューブ３４６に入り、現在の形状では、図１７に使用された構成の２倍の焦点距離ＦＬを有する。したがって、式１１〜１３を適用して、光源キューブ３４０、変換器キューブ３４６および結合器キューブの相対サイズを計算するには、この必要条件を満たす必要がある。これを実施するための設計方法は、式１１〜１３を用いて光源キューブの最少サイズＸsおよびの変調器キューブの最少サイズＸmを計算し、それから、中継器キューブの最少サイズＸrを得る。前方焦点距離および後方焦点距離が等しい、すべてのレンズシステムの好ましい必要条件を満足するには、Ｘs＋ＸrがＸr＋Ｘdに等しい制約がある。すべての３つの光学構造３４０、３４４および３４６は好ましくはキューブであり、これによりＸs＝Ｘdに制約される。３４６で示されるのと類似のこのような角度変換器入力および出力角度βおよびωは一般に等しくなく、式１１〜１３を用いて計算されるキューブサイズは同一ではない。この場合、大きいキューブはシステムに対して一定に取られる。例として、前述の各光源の長い方の寸法は１３．５ｍｍであり、各対応するＬＣＤの長い方の寸法は２４．３８４ｍｍである。空気中の入力および出力角度は、それぞれ±２２．５度および±１２度である。各キューブの媒体内では、これら角度はそれぞれ±１４．８度および±８度になる。これらの例の値に対しては、Ｘs＝２８．６ｍｍおよびＸm＝３３．８６ｍｍになる。物理的、各キューブ３４０および３４４は、図１９の平面内の縁部上で３．９ｍｍに形成される。このとき、式１１〜１３を適正に使用すると、ｕおよびβは２８．６ｍｍおよび１４．８度として得られ、一方、Ｕおよびωの値は３３．８６ｍｍおよび８度として得られる。これにより、中継器キューブ３４６の最少サイズＸr＝４９ｍｍおよびＹr＝５４．６ｍｍとして得られ、後者は図１９の平面内のキューブ縁部として取られる。例示の凹面鏡２９０の対応する物理的焦点距離は、空気中または誘電体媒体中の（８８．５）（ｎ）（ｎは光路の屈折率）の場合、約８８．５ｍｍとなる。
【０１９５】
これは、例示の１．２インチ対角ＬＣＤ開口および１３．５ｍｍ×９．９４ｍｍ光源開口に対しては、直径２．０インチ〜２．５インチと投影レンズ２７６より少ない、全体画像投影システムは、約３．５インチ×３．５インチのボックス内に収納でき、コンピュータデータを格納するのに使用される３．５インチフロッピー（登録商標）ディスクの表面に相当する。ボックス厚さは１．６インチ未満となる。図１９に用いられる目盛は、実際サイズより約１０％大きい。
【０１９６】
５．１．２．１  パワー効率
図１７および１９に示すシステムのパワー効率はほぼ同一である。スクリーンに投影される光束数は、集光光源により発光される光束数に、システムを通し、スクリーンまでの光路長さに沿って受ける、透過、反射および屈折の非効率値を順次乗算した値に依存する。１つの例では、各光源２８４、２８６および２８８は通常、１ｍｍ×１ｍｍ発光ピクセル（各ピクセルの一般形状は、図１８ａの詳細図３０８）から成る。ＬｕｍｉＬｅｄｓ  Ｌｉｇｈｔｉｎｇで製造されるような、１つの０．５ｍｍ×０．５ｍｍ透明基板ＬＥＤを使用する各発光ピクセルを用いると、各ピクセルは約１５単色ｐ偏光ルーメンを長方形断面の均一ｆ／３ビームで発生する。この出力は、反射偏光子により先に説明したように、各発光ピクセル内に配置された偏光再循環配置の度合い（最大１．５ｘ）を仮定する。この場合、このようなピクセル（通常１３ピクセル×１０ピクセル）の例示の１３．２５ｍｍ×９．９４ｍｍの２次元アレイから発光される合成パワーは、各単色赤、緑および青色光源から（１３）（０１）（１５）すなわち１、９５０ルーメンとなる。これは、光源２８４、２８６および２８８で生成される全体白色領域ビームのパワーが、等しい色混合と仮定すると、５，８５０ｐ偏光ルーメンであることを意味する。このとき、例として図１８ａのシステムを用いると、関連するオン状態光路効率は、二色透過効率ηcomを、反射偏光子２９２の反射効率ηrpr、位相遅延およびミラー素子２９４および２９０の偏光変換効率ηpc、反射偏光子２９２の透過効率ηrpt、ＬＣＤ透過効率ηlcd、および投影レンズ２７６の透過効率ηlnsを用いて式１４により得られる。これらの非効率値の予測される値を用いると、図１８ａのシステムのオン状態の効率は、約０．３６まで高くなり、主として、２つの二色結合器キューブを通る３つの光路全体（各光路は０．８１の透過効率を有する）により限定される。
【数８】
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【０１９７】
したがって、図１８ａのシステムによりスクリーンの投射される白色領域光束は、最大で（５８５０）（０．３６）すなわち２，１０６ルーメンとなる。一般の市販プロジェクタは１，２００白色領域ルーメンを発生する。
【０１９８】
各光源に供給される偏光再循環が一般的である５０％に比べわずか２０％利得を発生する場合、集合した光散乱効果が１０％だけ有効出力を減少する場合、および被膜しない空気−誘電体表面で非補償フレネル損失が出力を（０．９４）4または０．７８減少する場合、それでもスクリーン上のパワーは約１，２００ルーメン存在する。あらゆる努力がなされて、可能な最高のオン状態効率０．３６を達成すると、発光ピクセルサイズ（図１６の１０２）の大幅な緩和が達成される。現在の例は全体で３９０の発光ピクセルを仮定しており、このピクセルのそれぞれが１ｍｍ×１ｍｍ出力開口および１５ルーメン出力を有する。この３９０ピクセルが２，１０６白色領域ルーメンを生成する場合、１，２００ルーメンを発生するには２２２ピクセルが必要とされるだけである。少数のＬＥＤを使用することは、比例してユニットの全体コストの低減につながる。各単色光源は、各々が１０×７アレイの、（２２２）／３すなわち７４の正方形ピクセルを含むことができる。光源開口サイズを１３．５ｍｍ×９．９４ｍｍにほぼ一定に維持すると、個々のピクセル開口は３５％増加して約１．３５ｍｍ×１．３５ｍｍにでき、それにより、このような増加が望ましいと考える場合は、光源アレイのＬＥＤ間のデッドスペースを増加させることができる。
【０１９９】
図１７〜１９の構造体の例で示した例示の凹面鏡２９０の代わりに、光学パワーを有する別の反射素子を利用できる。正しい量の光学パワーを、それの背面（平面または曲面）が高反射率の金属フィルムでコーティングされている平凸または両凸屈折レンズで設計することができる。Ｓの代替ユニットは例示素子２９０にそのまま置換できる。ただし、このような屈折素子を用いる場合、結果として得られるパワーを調整して、レンズ−ミラーシステム機能部を通過する光の２重光路を形成する。
【０２００】
５．１．３  例３：図２０に基づく反射型ＬＣＤ投影システム＃３
図２０に示す別の関連実施形態は、図１７〜１９に示す反射器ベースのシステムの方法に代わり、屈折ケーラー照明方法を用いている。この変形形態においては、例示の非球面両凸レンズ３５６が、図１７の角度変換凹面鏡２９０および図１９の２９１に代わっており、いくつかの同等の優先的屈折素子の１つを示している。このレンズは球形、円錐形または非球面表面、またはこれら表面の任意の組合せを有することができる。レンズ３５６はフレネルまたはペアのフレネルレンズ素子であってもよい。屈折構成の１つの有利性は、追加の設置面積および容積を必要とするが、図１７および１９で用いられる、偏光変換メカニズムの一部としての広帯域１／４波長位相遅延フィルム２９４の必要を無くする。この場合、偏光変換は、反射ＬＣＤ自体の内部で発生する位相遅延および金属反射によりなされる。
【０２０１】
図２０の構造においては、２７０のような各反射ＬＣＤは、３５０のような各第２角度変換キューブに周辺部の２つの可能な位置の１つに置かれる。図２０に示す実施形態は、例えば、緑色の角度変換サブシステム３５４のＬＣＤ２７０を光源２８４の視域のラインに合わせて配置する。別の配置では、光源２８４、２８６および２８８の視域のラインに対し９０度の配置を、点線の長方形３５８、３６０、および３６２で示している。
【０２０２】
図２０の構成は、図１７および１９の構成と同様に作動し、赤色サブシステムで描いた光路で示されている。例示の光線３６４で発光される、ソリッドステートのパネルランプからの事前偏光単色出力光（ｐ偏光）は、１つの有利な例として、光源における±２２．５度から±１２度に、凹面鏡２９０と同様にして変換される。これの代わりに、レンズ３５６の光パワーは、それの前方焦点平面３６８に全光線を集光する。例示の光線３６４は、反射偏光子層２９２を通過する光線３７０としてレンズ３５６を通過して進み、また以前と同様に、前述の通り、空気中または埋め込みのビームスプリッタキューブ３７２の媒体中を進行する。この構成においては、ビームスプリッタキューブ内の全光は±８度（またはビーム分割媒体、Ｓｉｎ-1［（Ｓｉｎω／ｎ）における同等角度、または従来通り）以下の角度を有する。反射ＬＣＤ２６８に達して、そこに入り、そこから出るとき、オン状態の画像光は、入射の直線偏光状態ｐから出力の直交偏光状態ｓに変換され、反射偏光子層２７４で外側方向に反射され、例示の光線３７４として投影レンズ２７６に向かう。変調された出力画像の一部ではない、いわゆるオフ状態の光は空間領域内で発生し、この領域では、ＬＣＤの電子的ピクセルバイアスが不完全になるか、または通過光に対し位相遅延が発生しない。したがって、このような出力光の偏光状態は、反射偏光子２９２から投影レンズ２７６に効率的に反射するｓ偏光状態に、部分的に変換されるか、または全く変換されない。この例では、ＬＣＤを出る全ｐ偏光光は、光路に沿って反射偏光子層２９２を通って、それまたは到達した特定の別の入力光線に戻る。このようになると、前述のように、この光は入射方向に沿って光源２８８に戻る。光源２８８に戻ると、この排除された光は、図１４、図１５および図１６で述べたように光源キャビティ構造内で混合され、新しく放射される光と分離されずに再発光される（ほとんど伝達損失なく）。この再発光は、不都合なく、およびビームの空間範囲を拡大またはビームの角度範囲を拡大することなく、システムの全体効率を向上させる可能性がある。この作用はキャビティ光源の固有特性である。このような再循環光がキャビティに戻ると、キャビティからの再発光は、最初の位置で発生する入力パワーを増加するのと、熱力学的に同等である。
【０２０３】
５．１．４  例４：  図２１に基づく反射型ＬＣＤ投影システム＃４
図２０の角度変換構造を、図２１のように拡張して、光源２８８、２８４および２３６内、または使用できない偏光（すねわち、ｓ偏光光）の最高でも５０％しか望ましい偏光（すなわち、ｐ偏光光）に変換しない、反射偏光子ミラー平面位置を再循環する別の同等方式のシステム内、で用いられる従来の偏光回復工程を改良できる。従来の偏光回復工程では、フラットな反射偏光子が、例えば図１５の角度制御層５８および６０の上の層２８内に組み込まれている。このように組み込まれると、反射偏光子の透過軸は、後続の光学システムを通過する必要がある偏光光（すなわち、ｓ偏光）の最高透過が得られる方向に向き、同時に反射または再循環光が、図１５のような白色反射キャビティ２１７内で直交状態（すなわち、ｐ偏光）に偏光される。白色キャビティ２１７内部にこのように閉じ込められた光は、キャビティ壁面８５および５８および６０の下側のような層を離れてランダムに拡散し、この拡散は、光の一部分が層５８および６０により可能な出力光路に沿って安定して透過偏光状態に変わるまで続く。次にこの再循環光は、シート２８内に組み込まれた反射偏光子層により透過する最初の光束全体にわたり増加利得を得て外に出る。この循環素子の他のすべての空間位置が好ましくないのは、それら空間位置が、光が受ける追加の光路長さの非効率性およびこの追加光路長さが与える角度拡大の増加により、光を光源キャビティに少ししか戻さないためである。
【０２０４】
ただし、光源内の偏光再循環の必要性を完全になくし、使用されない偏光のパワーのほぼすべてを全く別の方法で回復する、少なくとも１つのこのようなシステムの変形形態が存在する。この別の状態は、図２０の３つの角度変換器構成のそれぞれにおいて、第２のＬＣＤ２６９を第１のＬＣＤ２６８に追加することにより発生する。図２１において、１つの変換器サブシステム３５４だけについてこの構造を示す。この構成では、レンズ３５６は、光源２８８からの光線３８０により表すような全非偏光光の角度βを変換することにより、光線３８２で表されるようなレンズの出力側に透過されるすべての光が、ωを超えない最大角度（すべて前述の例で示したように、空気中で±１２度、誘電体媒体中で±８度）で集光するようにし、さらにまたｓおよびｐ偏光光束を含むようにする。この非偏光光が反射偏光子２９２に達すると、２つの偏光ビームに均等に分割され、１つは光線３８４を含み（ｓ偏光および反射されＬＣＤ２６９方向に向かう）、１つは光線３８６を含む（ｐ偏光および反射され、ＬＣＤ２６８方向に向かう）。各ＬＣＤの配置は前述のように、いわゆるオン状態出力光が入射光の直交直線偏光を有するように配置される。したがって、図２０の完全な投影システム内で使用される場合、ＬＣＤ２６９は、例えば光線３８４により提供される入力ｓ偏光光を、光線３８８で表される出力ｐ偏光画像光に反転し、このｐ偏光光が反射偏光子２９２、ビーム結合器２７４、および投影レンズ２７６を順次通過する。同様に、ＬＣＤ２６８は、例えば光線３８６として反射偏光子２９２を透過した入力ｐ偏光光を、変換された光線３９０で表される出力ｓ偏光画像光に反転し、このｓ偏光光が、反射偏光子２９２による偏光後、反射出力光線３９２として、ビーム結合器２７４および投影レンズ２７６を順次通過する。２つの単色オン状態出力画像ビーム３９４は、相互に正確に重なり合い、結合されて、非偏光合成ビームを生成する。
【０２０５】
投影スクリーン上の目視非偏光光は一般に完全に均一であり、図２１のサブシステムにより混合される非偏光光の出力は、必要な光を通す一方で不要な光を阻止するように配向された清浄な偏光子による、不要なバックグラウンド光の量を減少する可能性を削除する。これは、例えばレンズ３５６の面上ならびに各ＬＣＤ２６８および２６９の出力面上などの適正な位置への反射防止コーティングにより、不要なバックグラウンド光および第１位置におけるゴースト反射を最少にするための特別な注意がなされることを意味する。
【０２０６】
５．１．４．１  可能な３Ｄ表示
図２１のサブシステムにより提供されるような、各単色に対し２つの偏光ＬＣＤ画像光源を有する１つの可能な利点は、これらの別個の画像を後に、各偏光につき１つの、２つの投影レンズにより独立した投影用に分離して、ステレオ画像を生成できることである。これを実施する場合、各有効な左目および右目画像に対して１つの、個別の電子的なピクセルアドレス指定方法により、各ＬＣＤ２６８および２６９が制御される。ｓおよびｐ偏光の空間的分離ビームに対する１つの標準デバイスは、３色結合器２７４の形体のプリズムキューブである。この用途においては、内部プリズム対角は、その透過軸が相互に９０度方向に向けられている反射偏光層でコーティングされる。
【０２０７】
５．１．５  例５：図２２に基づく反射型ＬＣＤ投影システム＃５
図２１のシステムの別の形体を図２２に示す。この変形形態では、４つの追加素子が加えられている。これら追加素子は、一般に第１光源２８８と同一波長を有し、かつキューブ面に第１光源から９０度に置かれた第２単色光源２８７と、第１光源２８８から９０度傾斜し、かつ第１光源２８８からのｐ偏光光を通過させる方向に向けられた第２反射偏光子層４０６と、広帯域１／４波長位相遅延層２９４と、凹面鏡２９０とであり、前述の両方は新しい光源２８７と正反対のキューブ面上に置かれる。光源２８７および２８８はそれぞれ事前偏光でき、一方はｓ偏光（２８７）、他方はｐ偏光（２８８）されるか、または、図２２の合成構造に、各ＬＣＤで必要とされる偏光および角度変換器機能の両方を実行させることにより、両光源は非偏光に留まることができる。
【０２０８】
図２２の単色角度変換システムの基本動作原理は、追加光源２８７の動作に関してのみ、別個の選択された一連の図示光線により示される。第１光源２８８からの光は、類似パターンとなり、レンズ４０８による入力光の集光の間、追加光源からの光と重なり、この結果、両方の光源からのｐおよびｓ偏光光を表す合成出力光線４２６に集束する。このシステムでは、レンズ機能は素子４０８によってのみ図示しており、上側および下側キューブ４２８および４３０は見易さの点から誇張されている。最も小型の形体では、素子４０８はフレネルレンズにできる。誘電体である場合、上側および下側キューブの対向する出力および入力面に対し凸状の光パワーを追加できる。
【０２０９】
追加単色光源パネル２８７からの図示した非偏光光線４１０は反射偏光子層４０６との相互作用により、２つの直線偏光光線、すなわちｐ偏光光線４１２およびｓ偏光光線４２２に均等に分割される。ｓ偏光光線４２２は反射して、後方焦点平面距離ＢＦがレンズ４０８および光源２８７の出力開口平面との間で測定される９０度光路長さに等しい角度変換レンズ素子４０８の集光開口に入る。ｐ偏光光線４１２は反射偏光子４０６を効率的に通過して、１／４波長位相遅延層２９４および図の凹形反射素子２９０の集光開口に向かう。素子２９０で反射し、遅延層２９４を再度通過すると、光線４１２の偏光は、すでに何度も述べたように、ｓ偏光光線４１４に変換され、反射偏光子４０６方向に向かう。反射偏光子４０６に衝突すると、光線４１４は第１光源パネル２８８方向に反射され、パネルの上側層６０および５８（図１８の詳細図３０８に示す）を通過する効率的透過を可能にする角度範囲内のこのパネルの開口に入る。３０８などのいずれかの発光ピクセルの反射キャビティ２２８の１つ内部に入ると、光線４１４の連続は、キャビティ素子からの散乱および反射に対する多数可能性に基づく１つの統計的値であり、除去しない場合、入射角度および偏光の全記憶を大幅に低減させる。したがって、最終的に発光される再発光光線４２０は、ｐまたはｓ偏光の等しい確率を有する。光線がｓ偏光で発光する場合、その光線は反射偏光子４０６で阻止され、偏光変化凹面鏡素子２９０方向に反射され、そこで追加光源２８７の開口方向に再方向変換され、開口ピクセルキャビティ内で再循環する。このような受け入れられない出力光は、このように光源から光源に連続的に移動し、この移動は、通過損失が光エネルギーを減少するか、あるいは使用可能ｐまたはｓ偏光出力光線が光源キャビティ内部のランダム化工程により生成されるまで続く。このランダム化工程により良好に生成され、かつ光路４１８で示されるｐ偏光光線４２０は、再発光されて反射偏光子４０６に向かい、光源層５８および６０の許容される角度範囲内（すなわち、±２２．５度）だけでこの偏光子を透過する。したがって、光線４２０は、角度変換レンズ素子４０８により、第１通過の際に光源２８７から直接入力するｓ偏光光４２２と同一に扱われる。したがって、全再循環光線の総和（光源２８７からのｓ偏光光線および光源２８８からのｐ偏光光線）は、各光源からの直接反射光束に加わり、光線４２６で示される合成出力ビームの一部となり、その結果、この出力ビームの全体光束は、このように一部を形成する循環部分により、光源２８７からの０．５ルーメンおよび光源２８８からの０．５ルーメンより大きくなる。この全体光束が、各光源２８７および２８８が、前述のように各光源開口の上に置かれた個別の反射偏光子層２８を用いて直接事前偏光されている場合に供給される全体ルーメン値より大きいかまたは小さいかは、２つの方法のそれぞれの再循環効率に依存する。
【０２１０】
さらに、どちらの再循環方法を利用するにしても、光源パネル２８７および２８８内で偏光回復工程を直接実行することにより、光線４１２に関して述べた、長い光路長さおよび再循環工程に含まれるさまざまな反射および透過効率を避けるのが好ましいと言える。
【０２１１】
図２２の構造は２つの理由で利点を有し、どちらも偏光回復方法を利用する。これは、図２０で述べたような投影システムに供給される事前偏光角度変換される単色光を２倍にする方法を提供し、さらに、この方法を実行すると同時に、２つのＬＣＤ２６８および２６９のそれぞれの光レベルを制御する別個の方法を提供する。後者の方法は、前記２つの方法をステレオ投影用途に使用するときに有用である。光レベル制御のこの方法は、各設定が許容最大電力でない場合、光源パネル２８７および２８８に対する電力の設定に無関係である。
【０２１２】
ＬＣＤ２６８の、ＬＣＤ２６９を基準としたそれぞれの焦点平面上の正確なｘ、ｙ、ｚ位置を調整し、空間画像出力が、ピクセルの水平および垂直に対してピクセルに正確に重なるようにする。前述のように、両方のＬＣＤからのオフ状態光が、ＬＣＤ２６８の場合は反射偏光子２９２を通る透過により、およびＬＣＤ２６９の場合は反射偏光子２９２からの反射により、光源キャビティに戻る。この場合、図１７の説明で述べた動的輝度ピーキングメカニズムへの可能な影響は、改良された偏光利用効率により強調される。
【０２１３】
物理的整列による、ＬＣＤ２６８および２６９のピクセル位置合わせのピクセルが明らかであるもかかわらず、出力ビーム３９４の良好な画像の重なりは、一方のＬＣＤ（例えば２６８）に電気的に供給される画像情報が、他方のＬＣＤ（例えば、２６７）に対して、図２１および２２に示されるｘ（３９６）ｙ（３９７）軸に沿って移動すること、またはそれの逆への移動を必要とする。一方のＬＣＤ画像についてこのような鏡像変換を実行しない場合、２つの例示のＬＣＤ出力画像は正しく重ならないことになる。
【０２１４】
５．１．５．１  画像変位方法
必要な変位は図２３の３次元斜視図に示しており、ＬＣＤ２６８の画像平面に直交し、かつｚ軸４５２に平行な鏡像平面を有する。同一画像情報は、図示されたそれぞれのＡＢ画像を形成するＬＣＤピクセルアレイのそれぞれに供給されるが、ＬＣＤ２６８上のピクセル列はＬＣＤ２６９上のそれらと逆に形成される。電気的にこの鏡像変換を実施することにより、ＬＣＤ２６８画像点４００からの光４４０およびＬＣＤ２６９画像点４０２からの光４３８は、図のｓおよびｐ偏向出力光線４４２および４４４が示すように、空間的に正確に重ね合わせることができる。この作用はまた、図の光線４４６および４４８のように空間的に重なる画像点４３４および４３６について示される。
【０２１５】
この同一画像変換方法を図１７、図１９、および図２０の全体投影システム内に適用して、二色結合器キューブ２７４により、それぞれの場合に結合される赤、緑および青色画像ビーム間の正確な重なりを達成する。１つの例として図１７の配置を用い、かつ従来配置のＡＢ画像がＬＣＤ２６８に供給される状態では、同一の従来配置のＡＢ画像がＬＣＤ２７２に供給され、鏡像配置がＬＣＤ２７０に供給される。このとき、図１７のシステムはＬＣＤおよび光源の位置を物理的に逆転でき、これをＬＣＤ２７０および光源パネル２８４にだけ実施することにより、従来配置のＡＢ画像をこのような変調をせずに３つのＬＣＤ全部の電気的に供給できる。この場合、所望の画像変位は、反射偏光子層２９２の４５度ミラー平面により光学的に実行される。図１９に示す構成においては、このような物理的画像修正は利用されておらず、画像の電気的変位はＬＣＤ２７０上で必要とされる。ただし、図２０の変形形態によれば、図１７のシステムと同程度の物理的レイアウトの柔軟性が可能になる。図示するように、ＬＣＤ２６８および２７０に従来画像配置を適用すると、鏡像配置がＬＣＤ２７２に適用される。ＬＣＤ２７２の位置を図２０の位置から点線位置３６２に移動する場合、従来のＡＢ画像配置を２７２を含む全ＬＣＤに適用して、光源パネル２８６の偏光をｐ偏光からｓ偏光に変換できる。
【０２１６】
５．１．６  例６：図２４〜２５に基づく透過型ＬＣＤ投影システム＃１
図１７および図２０の基本光源パネルおよび反射ＬＣＤ変形形態は、図１６の詳細図３１０に示すＰｈｉｌｉｐｓプリズムバージョンのように、図１７の二色性３原色結合器キューブ２７４を共通投影レンズ２７６への角度変換画像光ルータとして用いて、透過ＬＣＤに適用できる。図２４および図２５は対応するシステムレイアウトを示す。それぞれの場合において、図１５の単色光源は、前述のようにＬＣＤが単一状態の直線偏光光により作動するのが好ましいため、内部で偏光される。
【０２１７】
図１７〜２５のシステム実施形態においては、後続の例すべてに同様に適用できる３つの基本的関係が存在する。第１は、光源パネルのエタンジュー（開口寸法×発光角度のＳｉｎｅ）が、ＬＣＤ（空間光変調器）エタンジューに一致する。このようすると、非効率による損失の前に、光源と投影画像間の光束の最大可能伝達が影響を受けるようになる。空間光変調開口は一般に長方形であるため、ｘ軸およびｙ軸に沿って光源および変調器エタンジューを、式１４および１５に一致させることは十分である。
【数９】
2006504116.tif 000011
【０２１８】
これにより、好ましくは光源パネル２８４、２８６および２８８のサイズが、使用するＬＣＤのサイズに一致する、ことを保証する。
【０２１９】
ケーラー方式照明光学系は、光源と画像間に必要な角度変換量を得るための優先的方法として示されている。これは、図１７、図１９および図２４の実施形態における反射パワーを利用し、図２０、図２１、図２２および図２５の実施形態における純粋な屈折パワーを用いて達成された。含まれる形状関係は、式１６および１７に集約され、以下の例すべてに同様に適用する。式１６および１７はＦを用いて、図示した凹面鏡素子２９０および２９１の焦点距離、および球面または非球面レンズ素子３５６および４０８の後方焦点距離を指定する。またこの式は添え字ｄを用いて、開口のｘ軸およびｙ軸に沿った対応する寸法でなく開口対角を示す。この方法においては、円対称レンズまたはミラーを使用し、切り詰めて、光を受けない部分を削除する。システムのｘ軸およびｙ軸のそれぞれに円柱レンズを使用する場合、式１６および１７を、対角値でなくｕx、ｕy、Ｕx、Ｕy、βx、βy、ωxおよびωyを用いて、これらの軸に沿って適用する。図１６の光源パネルの対角に沿った角度範囲は、約±３２度である。
【数１０】
2006504116.tif 000012
【０２２０】
５．１．７  例７：図２６に基づく領域順次透過型ＬＣＤ投影システム＃２
図１７、図１９、図２０、図２１、図２２、図２４および図２５の画像投影システム変形形態はそれぞれ、３つの単色光源パネル色の赤、緑および青色２８８、２８４および２８６それぞれに対し１つの、システムごとに３つの反射または透過型ＬＣＤパネルを有する。単一透過または反射ＬＣＤパネルを用いることは、単一パネルが領域順次色照明を可能にするだけの十分な電気的切換速度であると仮定すると、等しく実用的である。前述の構成のように、３つの個別のＬＣＤへの単色の画像情報を適用して、単色画像ビームを混合して１つの合成画像ビームを生成する代わりに、順次３色照明を、観察者が個々の赤、緑および青色画像フレームを識別でき、かつフルカラー画像を認識するのに十分な画像フレームレートに一致する、赤、緑および青色の高速の連続周期で単一ＬＣＤに供給する。以下に詳細に説明するこの単一変調方法を、多くの市販プロジェクタ製品のＤＭＤ用に使用して良好な結果を得た。ただし、ＬＣＤ技術の最近の進歩はこれらを、さらに高速切換速度を必要とする方向に向けている。
【０２２１】
図２６は、図１７の構成に基づくこのようなシステムの１つの実施形態を示す。この方法においては、単一二色結合器２７４を用いて、３つの個別の単色光源パネル２８４、２８６および２８８のそれぞれからの角度変換出力光を混合する。この構成においては、図のミラー４７６の焦点距離は、結合器キューブ２７４を通り単一透過ＬＣＤ４７４までの  光路距離に正確に一致する必要がある。
【０２２２】
５．１．８  例８：図２７に基づく透過型ＬＣＤ投影システム＃３
図２７は図２６の実施形態のさらに小型の変形形態であり、図２４における角度変換器４６６として同一の追加の折返し光路を使用することにより小型化を達成している。このレイアウトは、例えば、光源２８８から変更変換ミラー平面４６４、反射偏光子２９４、および凹面鏡２９０までの光路全体にわたる、この同一光路長さを形成することにより、図２６の光源パネル２８８とミラー素子４７６の間の大きい分離を無くしている。この方法は、相互に９０度に配置された２つの金属ミラー２９０および４６４と、１／４波長位相遅延層２９４とを使用する。
【０２２３】
５．１．９  例９：図２８に基づく透過型ＬＣＤ投影システム＃４
図２８は、さらに別の小型投影システムは位置を示す。この変形形態は、図１９の小型システムの３つの反射ＬＣＤパネルを用いてなされたような、単一の３原色結合器４８７での角度変換の前に、３つの単色光源パネル２８４、２８６および２８８からの光を結合する。図２８の変形形態は、反射素子４６４による追加の折返しステップを含む最も小型の角度変換器形体４８６を使用することにより、透過ＬＣＤ４７４を角度変換器キューブに、他の方式で配置されるのに比べて、より近付けることを可能にする。あるいは、図示していないが、この追加の折返しステップを取り除き、さらに透過ＬＣＤ４７４（および、投影レンズ２７６）を上方に移動して、これが反射素子２９０の焦点平面上に位置するようにできる。
【０２２４】
５．１．１０  例１０：図２９に基づく透過型ＬＣＤ投影システム＃５
さらに、図２９には、単一透過ＬＣＤパネル４８４の別の小型投影システムの配置を示す。この変形形態においては、３つの単色屈折角変換器４９０、４９２および４９４は、図２５の３パネルの透過システムでは実現できない、結合器の中に出力ビームを重ね合わせる空間節減の方法で、単一の３色の二色結合キューブ２７４と結合されている。
【０２２５】
５．１．１２  例１１：図３０に基づく透過ＬＣＤ投影システム＃６
図３０には、図２９の配置のさらに小型の変形形態を示しており、単一の屈折角変換器を単一の二色結合器キューブ２７４の合成の３色出力ビームと結合している。
【０２２６】
５．２  ディジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）を用いる投影システム
すべての光源パネル投影システムの例は、このように、反射型および透過型ＬＣＤに制限されていた。ただし、同一方法は、同様の利点を伴って、Ｔｅｘａｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製の反射型ディジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）に適用でき、それにより、順次色生成の機械的手段を本発明の単色光源パネル２８４、２８６および２８８に置換する。
【０２２７】
ＤＭＤは、それぞれ照明されるミラーの画像ピクセルを照射する光ｆ／２．４（±１２度）の方向を変更する電子制御信号に応じて、高速に偏向する長方形の反射開口全体にわたり、通常１７ミクロン平方のマイクロミラーのアレイを形成している、反射モードＳＬＭである。電気信号は、ＤＭＤのＣＭＯＳ基板上の個々の制御素子をアドレス指定して、シーソー式として表すことができる、ミラーのコーナーを引き下げて基板と接触させる。ミラーの偏向速度は、極めて軽量の薄いフィルムミラーのため、ビデオのフレームレートよりも高速にできる。液晶の分子の方向変換は、比較すると、一般により遅く、標準的なＬＣＤは、領域の順次色照明に対してあまり好ましくないＳＬＭ現象を発生する。ＤＭＤを用いると、光はシステムの投影レンズの視野の領域内に偏向するか、外側に偏向するかのどちらかであり、これにより、ディジタル画像を形成するピクセルごとのコントラスト比を生成する。市販のＤＭＤプロジェクター製品において、色は、反射ハロゲン放電ランプの白色の入力ビームから導かれる。ランプからの白色光は、ビーム経路に置かれた高速回転のディスク（カラーホイール）の色フィルターセグメントにより赤、緑および青の短い連続的時間バーストに分解される。ミラーごとに、ミラーアレイに供給される電子バイアスは、同期化された単色照明の各期間中に、特定の色に変調された画像のフレームに対応する。これらの極めて連続的な赤、緑および青の変調された色の画像フレームは、観察者により、一体化され、認識されて、フルカラーの画像となる。画像の輝度は、視野の領域になされた、ミラー偏向の数の、各変調された色画像フレーム内での加算処理により生成される。
【０２２８】
画像コントラストを生成するマイクロミラー自体の限定された偏向角にのみ依存しているＤＭＤ投影システムは、システムの投影レンズ２７６に対して実効拒絶角度を生成するプリズム構造内の内部全体の反射の無効を利用するシステムと同様に、好ましくない。この方法は、透明な誘電体媒体において実現可能である。なぜなら、光線と誘電体−空気の境界面との間で、スネルの法則により予測される臨界角は、アクリル樹脂に対して約４２度であるためである（θc＝Ｓｉｎ-1（１／ｎ）、ｎ＝１．４９）。平行光線の角度範囲が、前述の例の場合のように、誘電体において±８度の場合、臨界角の両側においてこの±８度のビームに対する十分な空間がある。ビームが内部で反射する場合、空気−誘電体面の４２度に８度または５０度を加えた角度を生成しなければならない。５０度の衝突角では、＋８度の光線は、正確に４２度の臨界角で境界に衝突し、−８度の光線は５８度の衝突角度で、臨界角の内側に十分に残る。したがって、すべての光線は、誘電体と同様に反射される。さらに、ＤＭＤのマイクロミラーが２０度またはそれ以上の角度にビームの一部を偏向する場合、これらのビームの一部は臨界角より大きな角度で境界に衝突し、その境界を通り屈折して、スネルの法則にしたがって、空気中に入り、後続の誘電体材料すべてを通過する。この構成により、入力光線を１つの光路上でＤＭＤに導き、投影レンズは別の光路上のＤＭＤに画像を生成できる。これは、反射型偏光器および偏光変換の手段を有する、図１７および図１９のシステムにおいて実現されるものとほとんど同じである。
【０２２９】
５．２．１  例１２：図３１に基づくＤＭＤ投影システム＃１
図３１には、単色の光源パネル２８４、２８６および２８８を使用する小型のＤＭＤ投影システムの特定の例の１つが示されており、ここでは、図１９の３色の二色結合器キューブ２７４（図１６の場合のように、Ｐｈｉｌｉｐｓのプリズム配置であってもよい）と、図２５、２９および３０の反射型の非画像生成ケーラー式型角度変換器の配置を使用している。図２９のシステムにおいては、角度変換器の収束出力ビーム４８８は、二色結合器キューブ２７４の本体を通過して伝送される。図３１のシステムでは、このビームは二色結合器キューブ２７４を通り伝送される光源パネル２８４、２８６および２８８からの３つの単色ビームであり、またこのビームは変換器の出力ビーム５００であり、この出力ビームは、内部全体で反射するプリズム結合ブロック５０２を通り、ＤＭＤ基板５０８のミラー平面５０６と一致するように配置されたレンズ素子３５６の焦点平面５０４に伝送される。
【０２３０】
光源パネル２８８から発光される図の赤色光線５１０は、結合器キューブ２７４の反射型のフィルター２７８および２８０の両方を通過し、レンズ３５６により集光し、プリズムの結合ブロック５０２の入力面５１２を通過し、図の点５１６でプリズムの傾斜した出力面５１４上に衝突する。表面垂線５１８とで形成される角度Ａが、プリズムブロック５０２の透明誘電体の媒体に対して計算される臨界角を超える場合、（Ａc＝Ｓｉｎ-1［（Ｓｉｎ９０）／ｎ］、ただしｎはプリズム媒体の屈折率であり、Ａcはｎ＝１．４９に対して約４２．２度である）、完全ミラーからと同様に、プリズムの表面５１４から光線は反射する。反射光線５２０は、表面の垂線５２４に対して角度δ（角度δはＡ−αである、ただしａはプリズムの角度５２８である）でプリズムの底面５２２に到達するまで、プリズムブロック５０２の媒体内に閉じ込められたままである。プリズムの構造はレンズ３５６の後方（および前方）の焦点距離の選択に影響し、システム全体の小型化を決定するため、形状関係は拡大図５３０により拡大された詳細図で説明されており、この図では、ＤＭＤミラーの傾斜の影響を示し、５３２または５３４のどちらかの形式にでき、２つの極限のミラー位置は電子的に設定される。ＤＭＤミラーの位置５３４において、例えば、ミラーは、ＤＭＤ基板の面５０６から測定された角度μ（５４０）で反時計回りに傾く。
【０２３１】
変調ＤＭＤミラーが位置５３４にある場合、光線５２０は、スネルの法則により決定されるとおり、ＤＭＤの上方の空隙５３８に直線で、プリズムの底面５２２（およびＤＭＤ自体を保護する平らなカバーガラス）の外に屈折し、その後、プリズムの底面５２２を通って後方におよび傾斜したプリズムの面５１４に向かって光線５４２として反射する。この場合、形状の目的は、光源パネル２８８の中心点からの軸光線５１０が反射され、プリズムの底５１４の表面の垂線５４６に沿って直線で伝送されることであり、それにより、プリズムの面５１４に到達すると、臨界角よりも十分に少ないためプリズム面の表面の垂線５１８との角度αを形成し、光線が屈折してプリズムの面５１４の上方の小さい空隙５４４中に入り、次に結合プリズム結合ブロック５４８を通り、投影レンズ２７６に入るようにすることである。この光線の光路は、投影される画像に光を供給するＤＭＤミラーに対してオン状態を表わす。この例示の状態は、ｋ＝２μの場合に満たされる。基本的な構造の関係は式１８〜２０において与えられる。したがって、前述の説明とおり、軸上の光線５１０がプリズム面５１４に対する垂線５１８と５０度の角度を形成し、ＤＭＤの傾斜角度μが２０度の場合、対応するプリズム結合器の角度α（５２８）は式１９から計算され、（Ａ−Ｓｉｎ-1［（Ｓｉｎ２μ）／ｎ］）、およびＡ＝５０度については、アクリル樹脂のプリズムは２４．４度である。
【数１１】
2006504116.tif 000013
ＤＭＤミラーが電子的に反転して、オフ状態の位置５３２になる場合、ＤＭＤの空隙５３８内の光線５３２は、詳細図５３０で示され式２０により与えられるとおり、ＤＭＤ基板の平面５０６と角度εを形成する光線５５０として反射される。例の状態については、ε＝５０度であり、屈折光線５５２がＤＭＤ表面の垂線５４６となすオフ状態の角度δは、誘電体のプリズム媒体中では約３１度である。結果として、オフ状態の光線５５２はプリズム面の垂線５１８との角度δ−αまたは約６度を形成し、光線は両方の臨界角から離れ、プリズムブロック５０２からプリズムブロック５４８に屈折し、投影レンズ２７６の視野領域の外部の空中に出る。
【０２３２】
図３１の実施形態において使用されている二重のプリズムブロックユニット５６０の唯一の目的は、投影レンズ２７６の視野範囲の外側の十分遠くにＤＭＤのオフ状態の光を移動することにより、ＤＭＤの画像コントラスト比を最大化することである。３色の光源パネルブロック３４０からのこの赤、緑および青色光は、したがって永久に失われ、再循環させて、オンのピクセルの数がオフの数より大幅に大きい場合に、効率の向上の目的、または動的な輝度ピーキングとして前述に説明した目的のどちらにも利用できない。すなわち、図３１のＤＭＤ投影システムの最大画像輝度は、オン状態に切り替えられたピクセルがどれだけ多かろうと（または少なかろうと）、ピクセル当たり一定である。
【０２３３】
５．２．２  例１３：図３２に基づくＤＭＤ投影システム＃２
図３２には、このような視覚的に安定な状態を有さないように配置されている、図３１のＤＭＤ投影システムの変形形態が示されている。この場合には、２つのプリズム結合ブロック５７０および５７２は、プリズム面の角度φ、Ωおよびγ（それぞれ５７４、５７６および５７８）により定義されている固有の形状により、それぞれ切断されている。この図において、ブロック５７２は、γ＝０を用いて描かれている。結果として起こる面の角度は、拡大された詳細図５８０に示されているとおり、ＤＭＤのオフ状態（すなわちミラー位置５８２）に関連するすべての集束する入力光線５００は、入射た集束光路の１つに沿って後方に反射し、その結果、光源キャビティに戻る。同一の擬似ケーラーのβからωへの角度変換照明システムは、図３１で使用されたのと同様に、図３２のシステムで使用される。ただし、この場合には、面５８４にあるすべての集点を有する通常状態の下にあるために、レンズ５８２を使用して、レンズをレンズ面５９２に平行に維持するのではなく、ＤＭＤの開口部の中心点５８６まわりに角度Ω５７６でシステムの有効焦点平面を傾斜させる実際の方法を提供する場合を除く。ＤＭＤミラーを固定して、傾斜したプリズム面６０６に沿って配置するため、３色光源３４０から到達する光は、ＤＭＤミラーの大部分にわたって焦点が外れ、均一性および効率の効果を招く。このような損失を避けるには、焦点平面がＤＭＤミラーの平面の傾斜６０６に一致するように傾いていることが要求される。標準的な有限の画像化レンズの焦点平面を傾斜させる方法は、Ｓｃｈｅｉｍｐｆｌｕｇとして公知であり、所望の傾斜と同じ方向にレンズの面を回転させることにより達成される。Ｓｃｈｅｉｍｐｆｌｕｇ法を適用するのは、物体平面および画像平面のどちらもシステムの焦点平面と一致せず、画像がそれぞれの物体および画像の距離の割合により定義される拡大図を有する、画像生成システムに限定される。ただし、現在の状況においては、物体（光源パネル５８４、５８６または５８８）および対応する画像の平面の両方が、鮮明な画像を避ける方法として、レンズシステムのそれぞれのシステムの焦点平面に故意に置かれている。これらの作為的な非画像生成状態において、従来のＳｃｈｅｉｍｐｆｌｕｇ方法は、適切に機能しない。
【０２３４】
５．２．２．１  非画像化照明システムにおいて傾斜する焦点平面
図３３は従来のＳｃｈｅｉｍｐｆｌｕｇ法に対する別の方法を示している。この好ましい２つのレンズの焦点平面回転システム５８２は、１つのレンズ素子６４６を固定し別のレンズ素子６４８を回転することにより、１つの焦点平面６４０を、別の軸６３８に比例して傾かせる。図３３の例において、入力レンズ６４６は固定され、出力レンズ６４８は回転される。作用において、入力レンズ６４６、第１の複合レンズペア５８２は、焦点平面よりむしろ物体の平面として扱われる平面６３８を用いて、限定された画像生成状況において、入射光線６３９に作用する。レンズ６４６からのレンズ６４８により集光された出力光線は、虚物体の平面から平面６３８の左に発散するかのように表れ、次に、平面６４１の右までの有限の（無限ではなく）物体距離である位置から、最後の画像の平面６４０に進む。レンズ６４８を角度６４２回転により、画像平面６４０は従来のＳｃｈｅｉｍｐｆｌｕｇ関係に従って、角度６４４だけ傾斜する。入力レンズ素子６４６は、図３３で表されている図において、両凸であり、球面の第１の表面半径は２００ｍｍ、厚さ６．５ｍｍおよび円錐（放物線）の第２表面の半径は４０ｍｍである。出力素子６４８もまた、両凸であり、放物線の第１表面の半径は５０ｍｍ、厚さ９ｍｍおよび放物線の第２表面の半径は１００ｍｍである。レンズ６４６および６４８の半径はそれぞれ２２ｍｍおよび２５ｍｍである。光源パネル２８８の半分の高さは、６．６２５ｍｍとして扱われ、最大入力角度βは２２．５度、光源２８８とレンズ６４６の間の間隔は２９．４ｍｍ、および対応する変換された出力角度ωは１２度である。これらの特定の状況において、１２度の回転６４２は約１７度の傾き６４４という結果になる。出力光線６６０は、意図されたとおり、任意の角度で光源パネル２８８から発光された光の集合点に対応する点で、焦点平面６４０に到達し通過する。
【０２３５】
したがって、図３２のレンズシステム５８２として扱われるこのようなレンズペアを用いて、レンズシステムの焦点平面が中間のＤＭＤミラー平面５９９と平行で傾くだけではなく、ミラー位置５８２から反射されるオフ状態の光が、図１８の詳細図３０８に表されているように、光源キャビティに戻る。この場合、先に説明したとおり、光はさまざまな出力角度および偏光で循環させて、画像輝度の動的な上昇またはピークをもたらすことができる。単純化のために、１つだけの例証のオフ状態の戻り光路、軸上の照明光線６００に関連している光路が、図３２の詳細図５８０に示されている。この光線は面６２０においてプリズム結合ブロック５７０から入り、プリズムブロック５７０と５７２の間の限定された空隙６０４を通りブロック５７２中に進み、角度Ω５７６（図３３の角度６４４と同一）だけ横軸６０８に対して傾いている、出口面６０６に向かって進む。プリズムブロックの出口面６０６とほぼ平行である、ＤＭＤ基板６１０の上方の空隙５８５に入ると、連続的な光線６１２は、垂直入射で、オフ状態位置（５８２）に切り替えられたＤＭＤミラーに入射する。軸上の光線６１２がこのミラー位置５８２に対する表面の垂線６１２に沿って到達することを保証する、形状上の関係は、数式２３〜２５において与えられ、τ＝μにより条件付けられ、μは再びＤＭＤマイクロミラーの傾斜角になる。式１８〜２１から拡張されるこれらの関係は、図３２の新しい形状の方向に適用される。
【数１２】
2006504116.tif 000014
【０２３６】
これまでのμ＝２０度に対して、Ωは約７６．７度であり、縦軸からわずか１３．３度の傾きを表す。これらの状況において、集中点５８６からレンズシステム５８２に向かって発光するように、入射される軸上の光線６１２は光線６１３として方向を反転する。最初の入射光線６００に隣接する光線は、同一焦点５８６に（または近くに）すべて集束し、これらの光線は到達する光路に沿って逆向きに反転しないが、ミラー面５８２で反射法則により規定される隣接する光線の取る対称の光路に沿って逆向きに反転する。したがって、すべての到達する光線は、二色結合キューブ２７４の適当な逆向きの動作により、光源パネル２８８（または、その色に依存して、緑の場合は２８４であり、青の場合は２８６である）の最初の発光開口部にレンズシステム５８２を通して戻される。
【０２３７】
例示のＤＭＤミラーは、オン状態の位置５８４に切り替えられる場合、図３２の詳細図５８０にも示されているとおり、入射軸上の光線６００およびＤＭＤ空隙５８５において屈折された拡大角度６１２は、以前に式２０において与えられたとおり、ＤＭＤ基板６１０との角度がε（または９０−τ）である、出力画像光線６１６としてＤＭＤミラーから反射する。角度γはすでに、２０度のμに一致するようにΩに制限されている。したがって、これらの状態において、εは７０度であり、光線は点６７０でプリズム面６２０に到達する連続的な光線６７２としてプリズムブロック５７２中に屈折する。この光線の経路は、図３２において太い光線の線として示されているが、その表記は紙面に限りがあるので省略されている。代わりに、この同一の詳細図は図３４により明確に別に説明されており、この図はプリズムブロック５７２で利用される光線の光路を分離したものである。境界の点５８７、６７０および６２４の間のプリズムブロック５７２内の出力光線６７２の光路は、一連の形状関係、関連する反射および屈折を含み、出力光線６７６が投影レンズ２７６の軸に沿って発生することを保証する。
【０２３８】
６．０  投影システム照明器の一体化の問題
反射型および透過ＬＣＤ投影システムへの単色光源パネルの一体化の事例は、図３１〜３４のＤＭＤ投影システムについて、図１７〜３０で上に与えられている。これらの例は、今日の赤、緑および青色のＬＥＤの性能に基づいており、１．０ｍｍチップに対して０．５ｍｍ、約２０ルーメンである。時間の経過と共に、歴史が公正であるならば、この性能は向上すると予測される。チップ当たりの光束数は、１９６５年から毎年、１年につき３５％上昇している。ＬＥＤ出力の性能が向上しチップが小さくなるにつれ、一定の設計の性能およびデバイス密度が変わり、またはあらゆる投影システムにより生産されるＲＧＢ光束の全体数が増加する。
【０２３９】
また、今日実現可能なものより相当大きなＬＥＤを作成することが可能になる。より大きなＬＥＤ素子の結合は、また、本発明が利用される、正確な方法を変更する場合がある。
【０２４０】
さらに、本発明の例のすべては、図１７のサブユニット２８９に代表される、非画像生成角度変換の方法を使用する。今日の市販の投影システムにおいて多く実施されているように、従来の画像生成の中継を利用して、ＬＣＤまたはＤＭＤの開口の上に光源パネルの画像を形成することは、同様に実用的である。これらの問題は以下により詳しく説明される。
【０２４１】
６．１  ＬＥＤアレイおよびアレイ密度
図１７〜２２および２４〜３３の画像の投影システムの変形形態において、３つの個別のＬＥＤベースの光源パネル２８４（緑）、２８６（青）および２８８（赤）は図１５の例示の形式に指定されており、発光デバイス７０は２次元アレイに配置され、発光体７０間の間隔は発光体自体のチップの大きさとほぼ等しく（またはより小さく）作成されている。これは、発生光量を妨害し、およびその他にデバイス寿命を低下させる光の放射を生成するのに使用される、電力に関連する放散されない熱の蓄積の前の、このような半導体の発光ダイオード基板チップの最も密度の高い実際の実装であると考えられている。
【０２４２】
平方ミリメートル当たり発光される光束を最大化する点から、発光ダイオードチップ７０はさらに高密度に実装されることが有利であり、可能な場合、図１５の配置において２５％以上のチップ密度で実装される。ただし、このような低いアレイ密度は、前述の投影システムのレベルの動作には必須ではない。システムレベルで必要なのは、ルーメンが例示の１．２インチ対角の４：３アスペクト比ＬＥＤまたはＤＭＤ開口の表面領域全体に対するｆ／２．４円錐に適用されることだけである。これは、単一のＬＥＤ基板を使用して十分に達成できる可能性がある。
【０２４３】
６．１．１  大きい単一チップＬＥＤの可能な使用法
この例のように、ＬＥＤのメーカが５ｍｍ×５ｍｍおよびそれ以上大きいデバイスを実現し、今日製造される０．５ｍｍ×０．５ｍｍおよび１ｍｍ×１ｍｍのチップの大きさに対して比例した光束出力の生成を有する、特別な場合が考慮される。この場合、図１４〜１６のアレイ構造を使用せずに、これらＬＥＤは、光源パネル２８４、２８６および２８８の実用的な単一の単色ＬＥＤ型であってもよい。図１８の３０８として詳細に説明されている、この単一ＬＥＤキャビティシステムの主な利点は、ＬＥＤチップ７０の上方の反射キャビティ２２８は、予備の角度変換器として作用し、ＬＥＤ基板（図１の場合２４０）から外れる発光の広い角度範囲（±９０度）をキャビティ媒体２３８および２１７に変換し、層のプリズム面５８および６０から逸脱可能なより小さな範囲の出力角度（±２２．５度）に変換する。ＬＥＤの上方のこのような一体化された光学層５８および６０を用いない場合、例えば、図１４に示されているようなＬＥＤのキャビティ媒体２３８の上方の空隙４１および出力の開口４２など、出力角度は空気中で±９０度に留まる。
【０２４４】
このような十分な元々の広い角度のＬＥＤ出力を使用することによる主な問題は、可能な場合、図１７、１９〜２２および２４〜３３に採用されているような、大部分のミラーおよびレンズベースの角度変換光学システムを使用して、発光する光パワーを収集することが困難なことである。優れた設計の光学システムの最大有効許容角度は、好ましくは±３０度未満である。これに対する１つの例外は、図９の反射キャビティに対する数学的に実現可能な形状の側壁の湾曲に関して以前に説明されている、先行技術方式の誘電体の非画像生成角度変換器により与えられる。このような誘電体角度変換器７００の入力の開口６９８は、単色ＬＥＤのキャビティ媒体７１８および２３８のそれぞれに光学的に結合され、図３５に概略的に示すように３色光源キューブ２７４を追加できる。図１７、１９〜２２および２４〜３３の照明投影システムに使用されているものに置き換えるこのような３色キューブ２７４のために、誘導体角度変換器７００それぞれの出力の開口７０２は、ｆ／１．３（開口の縁端部に平行する軸に沿って±２２．５度）に制限されている１３．２５ｍｍ×９．９４ｍｍの長方形の開口全体にわたって約１０００ルーメンを要求する、従来の投影システムの例において確立されている制約に合わなければならない。単一ＬＥＤチップ７０および最小限の電力損でこの性能を実現するには、穴の開口部７１０（Ｗx７１２×Ｗy７１４）が５．１６７ｍｍ×３．８０ｍｍになるように要求される。したがって、そのメカニズムが必要であり別の方法で出力の均一性を向上する場合、効果的な穴の再利用に必要な、角度および偏光を提供する、開口部のボリュームの散乱層７２０に沿う、穴の側壁７１８を散漫に反射するためのいくつかの最小の表面領域を可能にするために、ＬＥＤ基板の大きさは、約４．５ｍｍ×３．２ｍｍの大きさになる可能性がある。４．５ｍｍ×３．２ｍｍの大きさのＬＥＤチップが、余裕を考慮して、１３００ルーメンを発光することが可能になる場合、図３５の単色の発光構造７２２は図１５の構造により説明されている、薄い光源パネル２８４、２８６および２８８の平面で使用できる。
【０２４５】
（５０％の効率および２０ルーメンＬＥＤと仮定して）図１５の光源パネルの開口から仮定される約１０ルーメンの出力を用いて、約１３０の０．５ｍｍ×０．５ｍｍのデバイス置は、目標の１３００ルーメンを供給するのに必要とされる。今日、基板が４．５ｍｍ×３．２ｍｍの単一ＬＥＤ基板として作成される場合、可能な熱劣化を無視すると、約１０８０ルーメン（２０×９×６）を出力し、図１６の前述の光源パネルに対して同様に、同一の５０％の偏光循環効率を仮定すると、これは標的の値にかろうじて適合する。
【０２４６】
図３５に示されている単一ＬＥＤの単色ｆ／１．３光源システム７２４は簡単に組み合わせて、１３０個のＬＥＤを１つの大きい接合発光デバイスをと概念上置換するが、これを実施する代償として、非画像化誘電体角度変換器７００の長さが長くなり、この例においては、変換器７００の出力開口７０２の半対角ｄ0、光源開口７１０に対して同等な開口対角ｄi、誘電体媒体７２６（屈折率ｎを有する）のすぐ内側の変換器７００の出力角度βm、βmはＳｉｎ-1［（Ｓｉｎβ）／ｎ］、の値およびβの対角値を用いて、式２６により理想的に与えられる。
【数１３】
2006504116.tif 000015
【０２４７】
結果として、図３５の場合のように、表示された長方形断面を有する理想的な変換器７００の長さＬ、７２８は、１１．５／Ｔａｎ（１４．８）または４１．８ｍｍ、約１．６インチである。このような大きな突出は、小型化を要求する大半の市販の用途において、好まれないと思われる。図１６の構造を用いる光源パネル２８４、２８６および２８８は、比較すると、厚さ全体においてわずか数ミリメートルである（図１６のＴ’）。
【０２４８】
いくつかの効果的な切り詰め方法が、理想的な性能のわずかの低減の代わりに理想長さを縮小する誘電体角度変換器について報告されているが、このような近似がなされた後でさえ、正味の変換器の切り詰めはいまだに注目すべきものであり、図１６の構造のものに比べて大幅に優れている。
【０２４９】
発光ダイオードのほぼ±９０度発光から特定の狭い角度範囲への角度変換の効率的な方法は大部分の実用的システム用途に必要とされる。市販の発光ダイオードパッケージのメーカは多くの場合、パッケージの一部として、発光基板または複数基板を囲む通常カプセル化された誘電体媒体の延長形状として、簡単な球面出力凸レンズ表面のオプションを提供する。これを実施することにより、デバイスから得られる利用可能出力光量は、フラット（レンズなし）な出力平面から得られる光量に比較して確実に増加するが、角度変換効率は低下する。簡単な１つの表面レンズは、ダイオード発光のような広い角度入力範囲を処理できない。この理由は、発光の大きい変動が所望の角度の外側に伝達されるからである。さらに、この簡単なレンズで生成されるビームプロファイルが一般に軸上で大きい値で、ビーム中心から離れると光束密度が低下する。
【０２５０】
６．２  非画像生成タイプＬＥＤ照明器の小型化
図１７、１９〜２２、２４〜３３、３５に示すシステムで実施されている角度変換法による小型化は、これら角度変換法を２つの連続した角度変換ステージで作用させることによって実現している。図３６に概略的に示すように、第１ステージ７５６では、±９０度（一般に７５２で示す）の光（７５４）を±２２．５度（もしくは実質的にその範囲内にあるいずれもの角度７５８）に変換し、第２ステージ７６２への入力７６０とする。第２ステージ７６２では、±２５．４度の光（７５８）を使用角度７６６（これまでに説明した例では空気中（ｆ／２．４）で±１２度）に変換する。第１ステージの変換７５６には、各経線内で異なる角度範囲を実現できるように設計された、図１８に示す円柱レンズペア方法が含まれる。
【０２５１】
このような２ステージの方法７７０によってのみ、２つの異なる角度変換方法７５６および７６２を用いて、効率的に、かつ単一ステージでの変換した場合よりも小型化して、十分な量の所望の角度変換を達成することが可能となる。
【０２５２】
第１ステージの誘電体角度変換器７００の切り詰めない長さを、図３５の実施例で使用した場合、４１．８ｍｍ（１．６インチ）である。同じ誘電体角度変換器７００を、前述の全実施例で必要となる±９０度から±１２度への完全な角度変換を行えるような構成にした場合、誘電体長だけで１２８ｍｍ（５インチ）となってしまう。同一の光源と結合した図３５に示す誘電体角度変換器要素７２４の効果を最大限にするには、透過型ＬＣＤの後ろに直接配置して、例えば図２４および２５のように照明しなければならず、例えば図２６および２７に示すシステムにおいては、照明器として効率的に使用することができない。図２６および２７に示すシステムでは、変換器の出力とそれに対応するＬＣＤ開口との間に３色キューブを配置できるよう十分な作動距離が必要となるからである。光７４４は出力開口７０２から直ぐに分散し始めるため、誘電体角度変換器７００には実効作動距離がない。照明されるデバイス開口が変換器の出力開口７０２から離れるほど、その開口はより広範囲の光で満たされてしまい、非効率的になる。そのため、図２４のシステムで用いられている折返し変換システム４５４の代わりに、図３５に示す５インチ長の単一ステージで単色の誘電体角度変換器７２４を用いると、図２４のシステムの長さの合計は３インチ以上増加する。
【０２５３】
６．３  画像生成タイプＬＥＤ照明器
いかなる光学システムにおける角度変換方法の伝統的方法も画像生成レンズ中継を利用し、その場合には、１つまたは複数のレンズを用いて、鮮明に結像および拡大（拡大または縮小）された目的物の画像を変位画像平面に中継する。このような有限画像生成システムを、図１８に示す単一の非球面レンズまたは図３２および３３に示す２枚レンズシステムの代わりに使用することにより、前述の実施例に示すように、光源パネル２８８により生成された±２２．５度の光をＬＣＤまたはＤＭＤの開口において必要となる±１２度の光に変換することができる。この際、光源パネル開口は適宜の物体平面に配置される。そして拡大された画像は対応する画像平面に中継され、システムの設計パラメータに依存してＬＣＤまたはＤＭＤの開口と一致する位置に配置される。この方法は、本発明で用いられている方法と比べると、小型化および空間的均一性が比較的不十分であるという主な欠点を有する。小型化が比較的不十分になる理由は、効率的な画像生成システムでは、目的物および画像をレンズの焦点面から有限距離だけ離隔させた状態で複数のレンズを使用することが必要であるからである。均一性が比較的不十分になる理由は、画像生成システムの画像が、鮮明に結像された、目的物の均一性のレプリカであるからである。例示の光源パネル２８８（図１７）または２４８（図１６）の開口１０２内で生じる空間的輝度構造は、照明されたＬＣＤまたはＤＭＤの開口内で忠実に再現され、好ましくない。一方、図１７〜２２および図２４〜３３のシステムで用いている第２ステージの角度変換器７６２の擬似ケーラー構造では、鮮明な画像を生成するのではなく、画像上の各点における光を、目的物上のあらゆる点からの光を混合したものとすることができる。これにより、光が角度変換される光の目的物上の各点ごとの輝度のバラツキは、得られる画像には移転されない。
【０２５４】
７．０  一般的な照明用途
これらの利点により、ＬＥＤ照明は、ビデオプロジェクタのアーク放電ランプの効果的な代替物となり、また同様に、広範囲にわたる一般照明用途における多種の従来電球の効果的な代替物ともなり得る。
【０２５５】
詳細には、図１５に示す薄い２次元単色ＬＥＤアレイベースの光源パネルを、交通信号、警告点滅灯、特殊効果用照明等の単色照明の用途に直接使用することも可能である。またこれらパネルに白色ＬＥＤまたは３原色ＬＥＤ（赤、緑、および青）を組み入れることも可能である。これにより単色照明ではなく赤／緑／青色の照明にすることができる。これらのうち白色ＬＥＤを組み入れる場合、その白色ＬＥＤは、蛍光発光体をコーティングしたタイプのもの、および新設計の３色積層ＬＥＤのいずれであってもよい。また、図１７〜２２および図２４〜３３に示すプロジェクションシステムにおけるもののように、図１６の二色性原理を用いてこれら単色パネル同士を混合することも可能である。これにより、自動車のヘッドライト、劇場のスポット照明、建築用照明器具、およびＬＣＤバックライト等の、より高ルーメンの照明用途に用いられる多色照明の集中的な光源を提供することができる。
【０２５６】
直接照明に適用されるような混色の工程をより詳細に説明した後で、一般照明用途の各々を実施例によって検討する。
【０２５７】
７．１  効率的な高ルーメン多色ＬＥＤ照明のための色混合
白色電球から生じるような単一の白色光の空気中の入力ビームを３原色の出力ビームに分離させるという目的のために、これまで図１６に示す従来技術の二色プリズムキューブおよびＰｈｉｌｉｐｓプリズム配置がよく説明されてきた。これらの配置はまた、予め分離された原色ビームを単一の混合出力ビームに再結合するための手段としてもよく説明されてきた。しかし、図１５のＬＥＤ光源パネルから生じる単色ビームによる照明にこれらの装置を使用することは、特殊な事例である。なぜなら光源および光混合要素は一体化されて、有用な出力照明を生成する単一ユニットとされるからである。さらに、プリズム面に取り付けられた３つの構成要素である光源パネルの各々に付与される電力の正確な電力量によって、出力照明の瞬間的なビームの色が決定される。
【０２５８】
７．１．１  光源パネルと混色器との一体化
従来のプリズムキューブ構造における、光源パネルと効率的な色混合素子との一体化を、図３７Ａ（斜視図８６２、ならびに側面図７７４、および平面図７７６）に示す。また、図１６の従来のＰｈｉｌｉｐｓプリズム配置３０１における、光源パネルと効率的な色混合素子との一体化を、図３７Ｂに示す。いずれの一体化も、一般に光源キューブ３４０と称する。
【０２５９】
光源キューブ３４０は、説明用の一形態において、ガラスまたはプラスチックからなる４つの実質的に同一のポロプリズム（４５度−４５度−９０度）から構成され、これらポロプリズムは結合してモノリシックブロックとされている。図１６の項目２１６によって示されるように、内部のプリズム面を結合する前に、前述のタイプ２７８および２８０の二色コーティングを２つの対向するプリズムの面に施す。その結果、混色キューブ７７２が得られる。その後、図３７の詳細図８６２によって示されるように、混色キューブ７７２を、３つの単色光源パネル（すなわち緑２８４、青２８６、および赤２８８）と一体化する。発光開口の外側である光源パネルの矩形周辺にのみ接着剤を塗布して、薄くモノリシックな光源パネルを結合キューブ７７２の隣接する３つの表面に直接接着することが好ましい。
【０２６０】
先に説明したように、二色コーティング２７８および２８０の両方が光源パネル２８８の光を透過させる。二色コーティング２７８はまた、光源パネル２８６の光を透過させて、光源パネル２８４の光を反射させる。同様に、二色コーティング２８０は、光源パネル２８４の光を透過させて、光源パネル２８６の光を反射させる。重要で最も可視的な照明用途では、３つの光源パネルの各々が原色光（すなわち赤、緑、および青）を供給する。いくつかの用途では、３つの全く異なる波長帯域の光（赤外線でさえも）を使用できる。ポロプリズムは、等しい４５度の面角２つと９０度の頂角１つとによって定義づけられる。
【０２６１】
結合プリズム７７２、各光源パネルを含む表面上のコーティング７９０、７９２、および７９２、側面上のコーティング７６９および７９８、およびキューブの出力面上のコーティング８００、の各外側表面に薄いフィルムコーティングを任意で施してもよい。コーティング７９０、７９２および７９４は、キューブ表面における各光源パネル領域より外側の領域に施してもよいし、またはキューブ面全体をカバーする連続コーティングとして、キューブ表面とそれに結合された光源パネルとの間に施してもよい。コーティング７９０、７９２および７９４が光源パネルの開口を囲む場合、それらコーティングは黒色を吸収するように構成してもよいし、または鏡面反射性（金属または誘電体）にしてもよい。コーティング７９０、７９２、７９４を光源パネルの裏に施す場合、それらコーティングはそれ自体が二色性でなければならず、それ自体の上にある光源パネルの波長帯域に対して透過性で、かつ他の２つの光源パネルの色のうち１つまたは両方に対しては反射性でなければならない。側面コーティング７９６および７９８は、黒色を吸収するように構成してもよいし、または鏡面反射性（金属または誘電体）にしてもよい。前面コーティング８００は誘電体の反射防止コーティングで、出力側のフレネル反射損失を低減させる。また前面には、上述のように、吸収偏光子または反射偏光子のいずれかを取り付けてもよい。
【０２６２】
外側表面をコーティングされた若しくはされていない光源キューブ３４０は、図３７Ａの側面図７７４および平面図７７６において概略的かつ一般的に示されているような、いかなる別個の光学システム８０２とも効果的に組み合わせることができる。この場合、光学システム８０２の入力開口は、光源キューブ３４０から直接に光ビーム７８０を受光する（通常は空気中で）。次にその光を処理して、角度、偏光、色、および空間的均一性が目的に応じて変更された光ビーム８０４を出力する。多くの可能性のうちの数例を挙げると、レンズ、一連のレンズ、反射鏡、レンズおよび反射鏡の組合せ、透過性または反射性の散乱器（バルク、表面、またはホログラフィック）、偏光システム、または小平面が光学システム８０４となり得る。前述の用途例のすべてにおいて、光学システム８０２は第２ステージの角度変換器７６２である（図３６を参照）。
【０２６３】
光源キューブ３４０は、説明用の他の形態（図３７Ｂに概略的に示す）において、ガラスまたはプラスチックからなる３つのプリズムから構成される。そのうち２つはモノリシックブロックとして結合され、３つめのプリズムは小さな空隙２１７によって結合した２つから独立している。空隙２１７は、上述したように、一体化した光源パネル２８６からの青色の入力光線２５５、および光源パネル２８８からの赤色の入力光線２５１が完全に内面反射できるようにするために設けられている。出力光線８６２は、プリズム２８１の開口を通り、図３７Ａに示すものと同等のビームとなって放射される。
【０２６４】
７．１．２  混色効率
光源キューブ３４０から合成ビーム７８０内に供給される光束の総数は、各単色光源パネルからの光束の和として、式２７によって求められる。式２７において、ｎr、ｎg、ｎbは、それぞれの光源パネルの各辺に沿ってＬＥＤを計数した合計である。Ｌr、Ｌg、Ｌbは、それぞれの光源パネルの開口で生じたそれぞれのルーメン数である（いかなるかつあらゆる光路長、および多重反射や図１６の積層構造内での屈折に係る吸収非効率を考慮した後のルーメン数）。ｆr、ｆg、ｆbは、各原色要素それぞれの混合比率（ｆr＋ｆg＋ｆb＝３）であり、各光源パネルに、したがって各光源パネル内部の要素であるＬＥＤに、付与される電力を設定することで確定する。名目上、ｆr＝ｆg＝ｆb＝１である。
【数１４】
2006504116.tif 000016
【０２６５】
続いて、光源キューブ３４０を直接適用した例をいくつか挙げるが、それに付随する光学システム８０２については詳細な説明を省く。
【０２６６】
７．２  実施例１：図３８に基づく混色の自動車ヘッドライト
光源キューブ３４０を直接照明に適用する一例として、一般的な概略図８０６として図３８に示すように、現状においては反射体で囲まれた白熱電球やハロゲンライト電球を光源として使用している自動車、バス、電車、航空機または同類車両のヘッドライト、ブレーキライトまたはバックアップライトの代替光源として使用できる。１つの小型光源キューブ３４０を透明色のファセットレンズ（および可能であれば散乱器）８１１と併用することで、自動車産業における標準的な視覚方向へと光を拡散させる。各光源パネル２８４、２８６、および２８８から別々に生じる光束を制御する電子的電力制御器８１８が、赤、緑、および青色の光の正確な比率を設定する。電力制御器８１８において、製造者によるヘッドライト色の初期設定に関連したパワー比を予め設定しておくことで、有効な効果を増大させたり、特定の運転条件（例えば基準白色、青白色、日中の運転、夜間の運転、夕暮れ時の運転、雪、雨、霧）の下で運転視界を向上させたりすることもできる。この機能はマイクロプロセッサ８２０によって自動的に起動されてもよいし、または運転手のコマンドに応じて起動されてもよい。光キューブ３４０の最適輝度および最適色の自動的な起動は、マイクロプロセッサシステム８２０により制御される。マイクロプロセッサシステム８２０は電力制御器８１８に接続されており、また任意で運転視界検知システム８２２にも接続される。視界検知器８２２は、最善の照明条件を決定するための手段として、車両が通過する空間をサンプリングして分析する任意の光電子工学システムである。現代の自動車におけるヘッドライトクラスターの助手席側正面図を図３８の詳細図８０８に概略的に示す。図３８には、右側のターンインジケータシステム８１０（琥珀色光）、ローヘッドライトビーム８１２（白色光）、ハイヘッドライトビームシステム８１４（白色光）、およびその周囲のハウジング構造８１６が示されている。一般的に、１つの白熱電球またはハロゲン電球にレンズまたはフィルタを加えて色および角度の方向を設定できるようにしたものを、各照明システム８１０、８１２、および８１６内で使用する。このような用途に使用されている従来電球は、ヘッドライト用としては１５００〜２０００ルーメンの、その他の照明機能としてはそれ以下の白色光を供給する。車両後部の両側にも、ターンシグナル用（琥珀）、ブレーキ指示灯用（赤）、およびバックアップ警告灯用（白）に同様の構成が存在する。光源キューブ３４０は、多色出力が可能であるため、同一の３色要素を用いて１つまたは複数の照明機能または警告機能を果たすことができるという可能性もある。例えば、同一の光源キューブを、ブレーキライト（赤）およびバックアップライト（白）として、もしくはヘッドライト（白）およびフォグライト（琥珀）として、同時に使用することが可能である。ソリッドステートのヘッドライトシステム８０６が有するその他の効果は、その矩形ビーム断面の形状および輝度が均一であること、単純かつ小型であること、および耐用期間が１００，０００時間にもなることである。白熱フィラメントまたはハロゲン放電はアモルファス状の寸法および形状であるため、従来型ヘッドライトシステムのビームの形状および均一性を加工することは一般に困難である。その結果道路上においては、形状および均一性の双方を少なからず妥協せざるを得ないことがよくある。一方、光源キューブ３４０を用いれば、単にその構成要素である光源パネル２８４、２８６および２８８の寸法および形状を変更するだけで、ビーム形状および結果として生じる道路照明パターンを容易に加工することができる。
【０２６７】
一般的に、使用されている従来からある電球から無指向的に放射された光は、凹面および／または小平面鏡面反射体によって部分的に集光される。凹面および／または小平面鏡面反射体は、放射された光線を出力ビームに切り換える。この出力ビームの角度方向はさらにレンズ素子の影響を受け、結果として、通常は自動車技術会（ＳＡＥ）等の政府指定の規格設定団体によって、目下のタスクに応じて指定される空間的特徴および角度的特徴を備えた出力ビームとなる。したがって、光源キューブ３４０は、このような従来設計のヘッドライトにおける従来電球の直接的な代用品とはならない。むしろ光源キューブ３４０は、詳細図８０６に図示するように、光源キューブ３４０の±２２．５度（±β度）の角錐および矩形ビーム断面を最大限利用できるように設計された新規の自動車ヘッドライトシステム８０６の中核に位置し、そして同時にそれに関する道路照明基準を満たしている。
【０２６８】
７．３  実施例２：図３９に基づく色混合の劇場照明およびスタジオ照明
この他、光源キューブ３４０の直接照明用途として、上演ステージ、スタジオ、または遠隔位置にスポット照明またはフラッド照明を当てるために使用される劇場照明システム用の代替高電力光源としての用途がある。また、同様に改良されたスポット照明器およびフラッド照明器は、医師診療室および歯科医診療室の手術室における、投射距離の短い照明用途にも有用である。どちらの場合でも、特に滑らかな輝度均一性を有する多量の可視ルーメン（２０００〜３０，０００以上）が、作業領域に供給される。図３９は、このような照明用途における光源キューブ３４０の基本構成８２６を、多数ある照明ブロック装置８２８の１つとして概略的に示している。この特定の具体例においては、光源キューブ３４０の３×３アレイを配備することで、個々の光源キューブ３４０のルーメンの９倍のルーメンを発生させる。キューブは配線板８３０に取り付けられている。配線板８３０は、電子的電力制御器８３２から、構成要素である各キューブの赤、緑、および青色の個別の光源パネルにパワーを送る。さらに、その電子的電力制御器８３２は、マイクロプロセッサ８３４および任意の遠隔制御装置８３６によって制御される。相互接続ボード８３０の支持層８３８は、付加的なヒートシンクおよび照明器のハウジング８４０への取り付け手段として働く。アレイからの光は合成ビームであり、その全体的なビーム断面はアレイ自体の断面と一致している。角度的な特徴は光源キューブ３４０により設定され、各アレイ軸に沿って±β度（前述の実施例では全て±２２．５度）である。例えば図３９で平凸レンズとして示されているレンズまたはレンズシステム８４２は、１つまたは複数の球面レンズ、非球面レンズ、またはフレネルレンズであってよい。これらレンズの一般的な目的は、光源キューブ３４０に固有の出力角度を狭めたり広げたりすることである。
【０２６９】
アレイ８２８に適用される光源キューブの具体的な数は、１つのキューブごとに生成されるルーメンと、目下の照明タスクに必要な総ルーメン数とに依存する。個々の光源キューブ（およびそれを構成する光源パネル）の寸法（およびルーメン出力）を増大させること、もしくはアレイ中に用いられるキューブの数を増加させること、のいずれによっても総ルーメン数を充足させることができる。このような高ルーメン用途においては、各光源キューブ３４０から供給される光ビームは、そのビームプロファイルにわたって空間的に均一であり、光源および上演ステージ間の距離に応じて±２２．５度（±β度）の角錐として集光されるが、これはフラッド照明としてはほぼ理想的な状態である。ビームプロファイルが狭いことにより、スポット照明等の場合にさらにビーム角度を制御するために照明器内に付加的に必要となる光学部品を簡略化することができ、また、光学効率を増加させて、従来のランプや光学部品に比べてより多くのルーメンをスポット領域に送ることができる。スポット照明では、１０度程度の狭いビームが必要となることがよくある。そしてスポット照明においては、一般に、白熱電球またはハロゲン電球が生じるルーメンの２０％にも満たないルーメンが送られる。効率の向上を別にすれば、光源キューブ３４０および照明システム８２６の多色性能では、選択色を提供するために従来の照明機器８２４が必要としていた機械式カラーホイールおよびゼラチンが全く必要ない。フィルタおよびゼラチンは、自身が吸収した熱と反応して時間の経過とともにその純度が劣化するため、好ましくない。本発明によると、色は、電子的に、正確に、かつ瞬時に選択される。また、特に劇場照明の場合、こういった照明のＯＮ／ＯＦＦを瞬時にまたは繰り返して切り換えること、もしくは黒にフェードさせていくことが必要になることがよくあるが、これには、高ワットの白熱電球およびハロゲン電球を損傷させてしまう危険性が常に伴う。しかし、各光源キューブで用いられている光源パネルは、瞬時にＯＮ／ＯＦＦを切り換えることができ、また、その工程でビーム色を変えることなく、または耐用期間に悪影響を与えることなく、完全に黒になるまで暗くしていくことが可能である。従来電球の電力を低下させて電球を暗くしていくと、電球の白色度が著しく変化し、その結果、使用されているカラーフィルタを通過する光の強度さえも変化してしまうことがよくある。
【０２７０】
劇場および医療のいずれにおいて使用する場合も、サービス性の信頼度が特に重要なファクターとなる。なぜなら、劇場および医療上の作業過程において、切れた電球を頻繁に交換しなければならないというのは、効果的な選択肢ではないからである。このような望ましくないサービス妨害を避けるために、従来電球ではその使用が記録され、製造者による推定寿命に達する前に警告が出て交換していた。このような電球の交換は費用および時間がかかるだけでなく、劇場照明の場合には危険を伴う。なぜなら、通常劇場ランプは高位置に設けられており、その使用地点からは遠く離れているからである。
【０２７１】
７．４  例３：図４０に基づく色混合屋外照明
さらに、光源キューブ３４０の別の直接照明の用途は、図４０に例示の道路照明において示されている、屋外照明用の別の光源システム８４６である。いくつかの例として、領域照明、駐車場照明、建築用照明のためのさまざまな種類の類似の屋外照明用途は、同様の方法に従うものである。標準的な白熱またはハロゲンランプは、沿道または領域照明の電柱８４８の上に位置している互換性のある照明ユニット８４６において１つまたは複数の光源キューブ３４０と取替可能である。システム８４６は、単一の光源キューブ３４０を示すが、あらゆる単一の光源キューブ３４０によりは発生可能なルーメンより多くのルーメンを要求する用途において、図３９で説明されたとおり、光源キューブ３４０のアレイ８２８が実装可能である。実際の照明８５０がレンズ８６４、レンズカバーまたは散乱器８５４、支持体８３６、光源キューブ３４０および電子制御接続線８６６を用いて示されている図４０に示されている照明より大幅に小型である一方、８４６の例は現在の沿道照明の使用において１つの一般的なハウジングの形状（コブラ）に類似するように作られている。図４０に示されている一般的な照明システム８４４と従来の設計との主要な性能の違いは、あらゆる照明８５０からの沿道照明ビーム８５２は、通常は下方または沿道（または領域）に向けられており、光源キューブ（または複数のキューブ）３４０の特定の角度の円錐±β（±２２．５度）内で照明される。そのような方向を持った（スポット）照明の利点は、より少ないルーメン（およびワット）が要求される沿道（または領域）の明るさを提供することを要求され、対象の照明範囲の外部に相当入り込む無駄な照明領域であるルーメンがさらに少なくなる。この円錐８５２が、レンズ、散乱器、または両方である、補足的な照明の光学部品８５４および８６４により拡大される（または縮小される）一方、光源キューブ３４０自体からの純粋な出力ビームは、図４０に示されるとおり、地面の上方の高さ８５６であるために、十分な地面の到達範囲を提供する。正方形の断面を有する構成要素が赤、緑および青色の光源パネルを使用する単一の光源キューブ３４０が使用された場合、沿道上のキューブの正方形の照明の底面積８６２は生成されるすべてのルーメンを実質上含む。例えば、照明される領域の上方に高さ８５６で配置または持ち上げられた、光源キューブ３４０からの±２２．５度の出力ビームは、２５フィート×２５フィートの底面積内に生成されたほぼすべてのルーメンを提供する。第２のレンズまたは散乱器を使用して±４０度にまで照明の円錐８５６を広げることにより、底面積は５０フィート×５０フィートの底面積によりまで広げられる。
【０２７２】
今日使用されている多くの沿道および領域照明は、身の安全を高める手段として、また、昼間にありのままの状態を提供する方法として、全般照明を用いて故意に非常に大きな領域を照らしている。それほど膨大な領域の到達範囲を必要としない照明の用途においてそのように動作する費用は、大量のエネルギーが浪費されることであり、大量の未使用の光は夜間の空を汚染し、夜の空を見ることへの不快感は光害として、国のいくつかの地域で知られている。
【０２７３】
この照明の浪費の例の１つとして、２３，０００ルーメンを発生する市販の２５０ワットのメタルハライドランプについて考察する。メーカー（ＭｃＧｒａｗ  Ｅｄｉｓｏｎ社）により提供されている光度測定のデータは、実装の高さ３０フィートのために、１．４フートキャンドルの光が照明の下方の約３０フィート平方領域の中に供給されるということを示している。フートカンデラは１平方フィートにつき分布されたルーメン数であるため、これは生成される２３，０００のたった１，２６０ルーメンが照明の真下の９００平方フィートの領域に利用される、すなわち効率は６％未満である、ことを意味する。
【０２７４】
特に限定された目標領域を照らすことの１つの長所は、近づいてくる道路交通のより高い角度の視野へと導かれて浪費される光が非常に少ない点であり、その結果、潜在的に自動車の安全を向上させることである。レンズカバー８５４の形式で形成された現在の照明ではレンズの全表面彼光が出て、その大きな部分は、特に、光の散乱によりこの高い角度の光を拡散し、実際に道路の可視性を減少させる可能性があり、雨、雪または霧の多い気象状態の間に時折ドライバーの視界を妨げる。
【０２７５】
自動車のヘッドライトで光源キューブ３４０を使用する場合のように、照明の色（および輝度）は、必要に応じて、気象状態の関数として、最良の可視性のために調整できる。基本の照明素子として使用される、従来の電球を使用する照明素子を使用する、固定された白色照明の色（温度）のみ有する従来の光の代わりに、光源キューブ３４０は、図３８または３９のマイクロプロセッサ制御システムを介して電子的に制御し、気象状態に合う、必要なルーメンおよび色を提供することができる。この場合、各道路の照明ユニットは、それ自体のローカルな光検出器およびマイクロプロセッサを含む、または領域内のすべて照明の設定は遠隔制御可能である。そして、同一の照明内で複数の光源キューブ３４０を使用する場合、図４０の場合のように、中央のキューブが照明の下方の特定の標的の領域を照らすために使用可能であるが、照らされている領域の大きさを増加するために、付随キューブは中央のキューブから離れて傾けられることがある。そのような設計においては、付随キューブは、光が実際に運転手の安全を低減する気象状態において電源を切ることができる。
【０２７６】
７．５  例４：図４１に基づく色混合交通信号
さらに、光源キューブ３４０の別の直接照明用途は、図４１に概ね示されているとおり、交通信号灯における使用のための、小型の光源である。１つの光源キューブ３４０および１つまたは複数のレンズ８７２および／または散乱器素子８７４は、細いパッケージ内で使用され、世界中で一般的に使用されている標準的な大きい３つの光である赤、琥珀、緑の光および色付きのレンズシステム８７０に取って代わる。３つの電球システムは標準になった一方、寸法が大きく、定期的な照明のバルブ交換の必要性が保全の問題およびわずらわしさを生み出している。太陽のエイリアス（オフ状態における従来の交通信号の反射性のハウジング内で反射する直射日光に起因する午後の遅い時間の光の現象）として知られる危険な光学的効果を完全に解消する一方、単一の長寿命色混合光源キューブ素子３４０または同等物を使用する別の構造により、利便性および小型化が最大になる。これらの太陽光の反射は時として、信号が表示されるには十分強力であり、接近する交通を混乱させ、危険な交差点の衝突の可能性を生み出す。しかしながら、８７６の場合のような単一の信号素子の使用は、効果的であり、８７０における別々の照明信号ユニット間の空間的な分離を無くし、日中に色盲の自動車運転者が信号が点灯しているかどうか区別するのに役立つ。赤、緑および黄色の信号間の別々の空間的な分離を要求する交通制御システムに対して、図４１内の詳細図８８２の場合のように、専用レンズ８７２および散乱器８７４と共に、共通の相互接続ボード８８０上に実装されている、８７８（琥珀）と共に、光源パネル２８４（緑）および２８８（赤）が使用可能である。別個に調整されようと単一の光源キューブのために調整されようと、電力は標準的な交通照明のタイミング回路８８４により引き起こされる電力制御装置８３２により、各単色の光源パネルに対して供給される。
【０２７７】
７．６  小型化された色混合素子
光源キューブ３４０の小型化は、光源パネルの形状に依存しており、ある程度まで、角度の出力特性に依存している。最も一般的な形状関係は、キューブ３４０を使用する任意のシステム用途における光源キューブ３４０の縁端部の大きさＸと、赤＋緑＋青のルーメンの全体数ＬTOT（構成の光源パネルのアレイにおけるすべてのＬＥＤが最大許容出力（またはほぼ最大）で作動される場合、キューブの出力の光ビーム内で必要とされる）、との間に存在する。この一般的な関係は、各光源パネルからの十分な出力ビームが、その他の外部のキューブの表面からの反射によって妨げられることなく、キューブの出力の開口から発生する、と想定されている。この関係はまた、出力ビームを使用して、上記の画像の投影システムの例において、空間的および角度的に制限抑された、ＬＣＤまたはＤＭＤの空間的な光変調器の開口部を照明する場合に現れるような、ダウンストリームのエタンジューの制約により制限されているかどうかに、定量的に依存している。図３８〜４１のような、同様に多くの重要な照明用途があり、この場合、照明システムがこのような制約を負わずに縁部の角度βを用いて特定の長方形断面（ａ×ｂ）の光線を使用する。これらの制約を受けない場合に対して、二色コーティングされた反射平面に対して垂直な平面内の光源キューブ３４０の縁部の大きさＸは、下記の式２８および２９、別の形式の式１３において与えられる。対応する光源パネルの縁端部ｕxは、正方形照明ピクセルサイズ△、望ましい長方形の出力ビームの縦横比の記述子ａ（ｘ軸に沿っている）およびｂ（ｙ軸に沿っている）、（Ｌpt＝Ｌr＋Ｌg＋Ｌbを伴う）照明ピクセルＬr、ＬgおよびＬb当たり生じる出力ルーメンの数、という点では式３０において与えられる。ｕx上のシステムレベルのエタンジューの制約がある場合、ｕxの制約された値は式３０により決定された値の代わりに使用される。キューブ３４０の面外の厚さは、式３１の場合はｕyであるように、式２８は図３７内の側面図７７４の次元においてのみ使用される区別および平面図７７６内におけるＸ”＝ｕi＋ｚを用いて、適切に光源の次元ｕxまたはｕyを作成したｕiを用いて、より小さい光源パネル寸法に対してこれらの同一式を適用することにより決定される。
【数１５】
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【０２７８】
キューブのサイズ決定の式２８〜３１の多くの可能な例の１つとして、正方形ビーム（ａ＝ｂ＝１）において２０００ルーメンを供給する必要がある光源キューブの大きさを考察する。また、基本の照明ピクセルが、側面において正方形であり１．５ｍｍであると仮定すると、１０ルーメンが（赤、緑または青のどれであろうと）照明ピクセル当たり発生され、前述のすべての例の場合のように、各縁端部に沿ったビームの角度βは（キューブ内は１４．８度）空気中では±２２．５度である、と仮定する。式３０から、ｕxは１２．２５ｍｍである。式２８および２９から、Ｘは２６ｍｍであり、完全なキューブは２６ｍｍ×２６ｍｍ×２６ｍｍである。別の例として、自動車のヘッドライト用途においてより注目が高い、同一の出力ビームの縦横比が２：１であるなら、この場合に照明されている道路を横切るビームのゆるやかな曲線は道路と空の間のビームの緩やかな曲線より好ましくは広く、ｕxは１７．３２ｍｍになり、完全なキューブは３６．７７ｍｍ×１８．３８ｍｍ×１８．３８ｍｍである。
【０２７９】
また、キューブのサイズ決定の式２８〜３１は一般的な事例を表し、実現可能な最も小型化されたキューブのサイズ決定を明確にしない。式２８〜３１は、使用されている構成の光源パネル２８４、２８６および２８８よりも常に大きい二色性キューブ２７４に関連しており、それにより非軸性の固定された光線の反射の干渉を避ける。例示の光源キューブ３４０の側面７７４および上面７７６の図は、図３７に示されている。図３７の平面図７７６は、隣接する光源パネル２８８および２８４、ならびにキューブの任意の側壁の反射器７９８および７９６を示している、図４２における８９０として拡大されている。最大角度の光線８９２は角度βでの点８９６において光源パネル２８８から出て、キューブ媒体内で即時にβmになる。この光線が点８９８の出力キューブ面９００に到達すると、角度βで出力ビーム８９４として外側に出る。キューブ寸法を超える光線８９８は、点９８９と９０２の間の距離であり、上記のとおりＸ”＝ｕi＋ｚである。
【０２８０】
キューブをさらに小型化する方法は、図４２の詳細図９０４の８９０のすぐ下に示されており、制限内でキューブの大きさを光源パネルの開口部の長さにまで減少させる。平面図９０４において、キューブの縁端部７９９は線９１６に沿って先端を切り取られ、その結果、新しいキューブの縁端部の面９１６を形成する。点線の領域９１８は、結果として、除去されたキューブ媒体を表す。これを用いて、キューブ３４０を縮めるために、角度βmで点８９６から離れる光線８９２は、表面により角度βmを作成する点９０６において、縮められたキューブの縁端部９１６に達する。βが２２．５度の場合、βmは１４．８度であり、表面の垂線９２０による同位角は９０−βmまたは７５．２度であり、臨界角のおよそ２倍である。結果的に、入射光線８９２は点９０６における反射により外に出ず、ほぼ完全なミラーからのように、反射光線９１２として内部にすべて反射される。反射光線９１２は元の伝送光線８９２のミラーであるが、キューブの表面９１６との角度−βmを形成し、点９０８においてキューブの出力表面９００の外に向けられる。この切り詰めは、両側で実行されるため、光束密度におけるあらゆる変化がこの上面斜視図において出力ビームの両側で発生し、実際には、縁端部の光線を内部に折り返することにより、点８９６と８９７の間の光源パネル開口部の端全体に渡る箇所に対するビームの元の光束密度は回復する。
【０２８１】
キューブのサイズを減少する同一の方法は、図３７に最初に示されている通り、キューブの側面斜視図７７４に対して図４３の詳細図９２４および９２６に適用されている。詳細図９２４は、点Ｅ、ＣおよびＧを含む平面９２８に縮めるための、キューブの元の出力面９００に適用される切り詰めを示している。再度、点線部分９３０は、結果として除去されたキューブ媒体を表す。この例において、例示の光線９３２は緑色の単色の光源パネル２８４上の点Ｄから出て、キューブ表面の垂線９３４に対して角度βmでキューブ媒体に入る。光線９３２は線Ｄ−Ｅに沿って短い距離を移動し、表面に対して角度βmで表面の点Ｅに到達する。前述のように、この角度は、媒体内において内部全体の反射に対して臨界角を著しく超える。したがって、出力光線として光線９３２は点Ｅで反射せず、二色性反射表面２７８の点Ｆに対して反射される。二色性反射層２７８は緑色の光の効果的な反射器であるため、光線９３６はＦで反射され、光線９３８として出力面９００上の点Ｇに向かう。光線９３８は、出力面の垂線９４０との角度βmを形成し、それ自体で、角度βairにより点Ｇにおいて空気中に屈折する。同一の動作が、対称に配置された青色の光源パネル２８６から発光される光線に適用される、ただし、これらの光線は、光線を通す２７８ではなく二色性反射層２８０から反射する。
【０２８２】
図４３の詳細図９２６は、光源パネル２８８が実装されているキューブ表面９４２に対する第２の切り詰めの実行による小型化の効果を示す。平面９４４に対してキューブ表面９４２を縮めて、９４２から９４４に光源パネル２８８を再配置することは、キューブ媒体を通る光線光路Ｈ−ＩーＪ−Ｋにより図示されるとおり、発光パネルに等しく有利な効果を有する。点Ｈで光源パネル２８４から出る極限光線９４６は、点Ｌでキューブ表面９００を出て、別の光路Ｈ−Ｉ−Ｊ−Ｋに従い進行し、詳細図９２４の光線９３２による場合と同様に、＋βmから−βmまで、符号（方向）を反転した出力角度で、点Ｋで切り詰められたキューブ表面９２８を出る。出力表面９２８の開口部全体の角度の均一性をこのように空間上に再配分する効果は、各光源パネルの元の開口に近い出力ビーム開口に出力光束を集中するという点で、対称であり有利であることである。
【０２８３】
さらに、図４４にはキューブ３４０に対する別の有効な切り詰めが示されており、図のように、９５０の平面に対してキューブの表面９４８を縮め、光源パネル２８４を再配置するものである。この改良は、最初に詳細図９５２に図示され、光源パネル２８４および２８８を、切り詰められたキューブのコーナーの点９５４でより接近させる。この効果は、切り詰めた出力キューブの表面９２８上で発生した光束の分布をさらに強調する。例示の光線経路Ａ−Ｐ−ＱおよびＤ−Ｓ−Ｔは、出力表面９２８上の開口の光線ライン９５６と９５８の間に予想されたとおりになる。詳細図９６０は、光源パネル２８８に対する２つの例示の最大光線経路を示す。光線経路Ｘ−Ｙは切り詰められるために残された元の光源キューブ３４０の最終の領域に発生する。
【０２８４】
光源キューブ３４０のこの最終の切り詰めは、図４５の詳細図９６４に示されている。光源キューブ３４０の完全に切り詰められたタイプ９６６と元の大きすぎるタイプ３４０の大きさの比較は詳細図９６２で示されている。キューブの側面斜視図から最大の大きさの改良は、係数（ｌ＋ｚ）／（ｌ−ｚ2）、ただしｚ＝２Ｔａｎβであり、式２０から導かれる。キューブ媒体内でｂが１４．８度の場合、実現可能な改良の係数は２．１２であり、通常キューブ２．１２を光源パネルの縁端部の大きさｕiと乗算すると約ｕiになる。キューブ領域の斜視図から、完全に切り詰めされたキューブは係数４だけ大きさが縮小される。
【０２８５】
実際の最小発光ピクセルサイズＤにより生成されるビームより少ない出力ビーム光束を要求する照明用途においては、最小の許容可能なＬＥＤチップの大きさＬＬ（図１４の場合では２３６）および構成の発光ダイオード当たりの最大の許容可能な電力、下記の測定の１つまたはすべては、必要な最低レベルに設定される。供給される電力は低減され（低輝度）、照明ピクセルサイズは増加し、および／またはＬＥＤチップの大きさは減少する。
【０２８６】
７．７  例５：図４７〜５０に基づく複数色のライトバーおよびＬＣＤバックライティング
光源キューブ３４０（または９６６）および光源パネル９７０（２８４、２８６または２８８）は、有利には、透明なプラスチック照明パイプと結合されており、高ルーメンの照明器を幅広い種類の効率の良いＬＣＤバックライトに備える。
【０２８７】
小さな直径の、長い冷陰極蛍光管（ＣＣＦＴ）は今日のＬＣＤバックライトの大半において選択されている光源である。これらの１つまたは複数の蛍光管は、バックライトになるＬＣＤスクリーンの後ろに位置する細い長方形の配光システムの１つまたは複数の縁端部に結合されている。白色光がＣＣＦＴの表面全体からすべての角度の方向に発光される。反射器は、この光を配光システム、通常は透明のプラスチック板に向けるために、反射器が使用されている。
【０２８８】
蛍光管をＬＥＤアレイに取り替えるために提案された方法のいくつかのは、バックライトのプラスチック板に対して、縁端部の入口が同じ長さと幅の長方形のバーに沿ってＬＥＤ（ＲＧＢ３原色内または新しい白色ＬＥＤのどちらか）を配列し、配光システムに必要な色混合および輝度のの均一化を実現する。すべてのバックライト板に対する入口の縁端部が領域内で固定されているため、このように分散されているＬＥＤの数には制限がある。
【０２８９】
いつくかの現在の１８．１インチＬＣＤバックライトは、２００ニト（６１．６ＦＬ）以上のＬＣＤスクリーンの明るさを生成するために、上端部に沿った２つのＣＣＦＴおよび１０ｍｍの厚い配光板の底の端部に沿った２つのＣＣＦＴを使用する。好ましくは、この明るさは全体の視野に分配されるため、ＬＣＤを通して放出しなければならないルーメンの総数は１３４０である。さらに、配光システムにおける損失の補償は、１５００から２０００ルーメンの間で、入力光として提供される必要がある。それぞれ１０ルーメンを発生する１ｍｍ×１ｍｍの白色ＬＥＤを用いて、２００個のこのような発光体が、個別に約１ｍｍ以上で分散されているバックライトの３６７．８ｍｍの縁端部に沿って配列される。それぞれ６０ＲＧＢルーメンを発生でき、３ｍｍ×３ｍｍのＲＧＢ３原色のＬＥＤを用いると、わずか３３個のこのようなユニットが必要とされるだけである。１２２個のこのようなユニットが３６７．８ｍｍの縁端部に沿って一列で配列されるため、３原色のユニットはそれぞれ、１１ｍｍの中心の上に存在しなければならない。どちらの場合も、入力光は、均一に混合する状態には程遠く、望ましくない点が散在する特性を有している。
【０２９０】
本発明により提供される別の方法は、同一のバックライト板の入口の縁端部に連結する方法としてバー使用して、ＬＥＤの光束を分散して混合する、長いプラスチックバーの中にＬＥＤの光束を結合する方法である。
【０２９１】
７．７．１  色混合および角度の拡大
図４６には、光源パネルの結合の基本的な方法が概略的に示されている。図４６では、±β光源出力ビームは、直接、空気中でほぼ±９０度にシステムの出力角度を（縮小するのでなく）拡大するように配置される、角度変換器に結合する。このような角度の拡大は、関連する光源キューブの出力表面またはその近くに適用される、または関連する光源パネルの出力開口部に隣接する、従来のコンデンサーレンズ（球面、非球面またはフレネルレンズ）を使用して実施される間、側壁の形状１３５に関連して、および図３５のシステムの場合のように角度の縮小に関連して、図８で述べたとおり、理想的な非画像生成角度変換器が、追従するバックライティング用途の多くには好ましい。非画像生成集中装置が、最高に実現可能な変換効率によって機能するだけではなく、その物理的な形状および形式により、効果的な入力および出力の光学的結合に必要な配列を単純化する。この特定の角度変換のサブシステムの１つの例は、図４６の９７０として図示されており、その中で、前記のすべての例の場合のように、完全に切り詰められた光源キューブ９６６が３色の光源パネル２８４、２８６および２８８と結合され、正方形（または長方形）の断面の非画像生成変換器９７４の大きな開口部９７２に結合されている。光源キューブの一部分９６４からの出力ビームは、そのまま開口部９７２内で入力光線になり、その後、側壁の境界９７６からの効果的な反射により、変換器９７４の出力の開口部９８０からの出力ビーム９７８になる。変換器９７４の設計では、出力ビーム９７８が実質的に、空気中で±９０度である。このサブシステムの別の実施形態９８４は、単色素子２８４、２８６または２８８のうちの１つである単一光源パネル９７６と変換器９７４を結合するか、パネルを構成する照明ピクセルがそれぞれ、赤、緑および青の３原色のＬＥＤを含む光源パネルである。
【０２９２】
７．７．２  高度なルーメン照明バー
図４６の幅広い角度の光源システムの有効な使用法の１つは、バックライト照明システムのための光源である。この目的のために、図４７の拡大素子９９２は、ＬＣＤスクリーン、写真のスライドまたはアップリケのバックライティングの場合のように、バックライティング状態で図４６の出力ビーム９７８を分散させることを要求される。この素子は、図４７に図で示されているとおり、変換器の出力の開口９８０に適合して取り付けられている、長さＬＰＩＰＥ９８６の透明なライトパイプ照明器９９２である。ライトパイプ照明器９９２は、実現可能ないくつかの例として、ガラス、アクリル樹脂およびポリカーボネートを含む、透明な低光損失材料である。図４６の場合のとおり、出力ビーム９７８はライトパイプ照明器９９２に入り、図４７に示されている内部全体の反射により閉じ込められ、最終的に出力ビーム９８８としてその端面９８７を通じて最小限の損失でライトパイプ９９２から出る。ライトパイプの長さに沿って延びる長い境界面を通るライトパイプ９９２からの閉じ込められた光の均一で適度な放射を促進するために、表面散乱素子９９８が、ほとんどすべての平面パネルＬＣＤスクリーンのバックライティングに使用されているドットパターンバックライト板と呼ばれて一般化されている方法で、１つまたは複数の長い表面９９４（またはライトパイプの容積範囲内で）に沿って、追加される。放射のメカニズムは、点Ａで表面９９４上の散乱素子９９８に入射する内部全体の反射する光線１０００により詳細図９９６に示されており、その中で、前記光線は、鏡面反射した光線１００４に残存する小さなエネルギーの断片のみを伴い、光線１００２のほぼ均等のＬａｍｂｅｒｔｉａｎ分散で逆向きに散乱される。ライトパイプの表面の垂線からおよそ±４２度内の角度になる、すべての光線１００２は、ライトパイプ照明器９９２を取り囲む空気（または媒体）内にスネルの法則により外側に屈折される。およそ±４２度を超えるあらゆる表面の垂線による分散角度である、１００６のような光線は、ライトパイプ９９２内で下流に沿った位置でその他の散乱素子９９８と出会うまで内部全体の反射により残存し、散乱と放射の新しい機会が与えられる。
【０２９３】
図４７の光源システム９８２が、実質上すべての光束をライトパイプ照明器９９２に結合する場合、実質上すべてのこのような光束はライトパイプ９９２の長さ９８６を取り囲む空気または媒体内にその構造により発散される。したがって、ライトパイプ照明器９９２は蛍光管のように、同一の光の分散のほとんどにおいて広い角度の出力ビームを提供する。したがって、この幅広く分散された光の放射を最も効果的に利用するには、図４８に示されているとおり、３面の反射器システム１００６、１００８および１０１０が含まれ、１つの明示されたライトパイプ出力面９９５を通ってライトパイプ照明素子９９２の３つの表面からの光の放射を導く。この複合の反射器の１つの実現可能な例において、各素子は、ライトパイプ面９９４、９９７および９９９に接しているフラットな白色の散乱シートである。
【０２９４】
ライトパイプ照明器９９２の１つまたは複数の表面に配置されている（およびオプションでライトパイプ媒体自体の中にある）、散乱素子９９８の密度９８６（図４６）は、開口部９８０においてライトパイプ９９２に結合されているすべての光を実質上抽出するのに十分でなければならない。この理想的な分散断面図が達成されると、わずか２、３の光線９８８がライトパイプ端面９８７および実質上表面９９５におけるすべての出口から出る。ライトパイプ照明器９９２からの光の抽出は、断面図詳細１０２５に図示されているメカニズムにより、すべての先行技術のドットパターンのバックライト板において行われているとおりに発生する。例示のライトパイプ光線１０１２は、光線１０１２が散乱素子９９８に接触せずに、空気により境界を限定された底表面９９７から光線１０１４として反射するため、点Ａで多くの内部全体を反射する。連続的な光線１０１４は点Ｂにおいて後部のライトパイプ表面に衝突し、光線１０１６として反射し、また、散乱する状況を避ける。ただし、例示の光線１０１６は、点Ｃで上部のライトパイプ表面１００１に衝突し、散乱素子１０１８上で同様に動作し、その結果、複数の方向に散乱する。散乱光線１０２３は、例えば、その他の拡散性の散乱（１０２４）および／または反射性の偏光子（１０２２）の場合のような鏡面反射を提供する、この図においては外部の出力層１０２２および１０２４に覆われている、前面９９５を通って出るために適切な方向に分散する。別の例として、散乱光線１０２０は表面９９９を通って出るために適切な方向に散乱するが、その結果、点Ｄにおける後方反射器シート１００８に衝突し、さらに散乱される。点Ｄにおける散乱光線の１つ、光線１０２７は第１出力層１０２４において点Ｆに近い出力面９９５を通って出るために適切な方向に散乱する。
【０２９５】
図４８の結果として得られる光源システムは１００７であり、光源素子の集合のサブシステム９８２、ライトパイプ９９２および反射器１００６、１００８および１０１０、加えて１０２２および１０２４のような出力層である。光源システム１００７の１つの例示の用途１０３１は、図４９に示されており、その中では、少なくとも１つのライトパイプ板１０３０（バルク内にまたはより低い平らな表面上に散乱素子を含む）、より低い反射器シート１０３２および上部の光の散乱器１０２８が大半の従来技術の明細書のとおりに構成されている、ドットパターンバックライトシステム１０２６の対応する縁端部の表面に接して組み込まれる縁端部の表面９９２を用いている。光源システム１００７の表面９９５からの出口光は、効果的に内部全体に反射する光線１０２９としてライトパイプ板１０３０に結合される。これらの光線は、後部がＬＣＤスクリーンまたは受動的なアップリケ、パターンまたはフィルムの対応する長方形の開口を照明する、バックライトの出力ビーム１０３３として前記で説明されている同一のメカニズムによるバックライトシステム１０２６から出る。図４９にはまた、２つの光源システム９６２（ライトパイプ９９２の各縁端部に１つ）を使用する、システム１０３１、１０３２の１つのより高性能の変形形態が示されている。
【０２９６】
７．７．３  高ルーメンの発光バーおよびＬＣＤバックライティング
図４９のシステムは、多数の光束を、バックライティングシステム１０２６の出力開口を通して放射できる。多くの実現可能な例のうちの１つとして仮定すると、前例の例示の光源キューブ９６６（または３４０）は、１３００ルーメンを提供するようにそれぞれ配置されている、光源パネル２８４、２８６および２８８を用いた光源サブシステム９８２において使用される。二色結合器キューブ２７４および角度変換素子９７４のそれぞれの伝達効率は、それぞれ約０．８１および０．９である。ライトパイプ照明器９９２およびそれを取り囲む反射器からのおよびバックライティングシステム１０２６からの、それぞれの光の抽出の効率は、約０．７５および０．７０である。したがって、バックライティングの開口部全体の図４９の変形形態１０３１において抽出された非偏向のＲＧＢ出力光線の合計は、約１，５００ルーメンである。層１０２２または光源パネル自体に対して偏光循環方法を加えると、偏光された出力は、約１，１００ルーメンになる。バックライティングシステムが（シャープ製のＬＱ１８１など）１８．１インチ対角のＬＣＤスクリーン用の場合、すべての角度に対するスクリーン輝度は、約１１０ＦＬ（３７６ニト）である。同様の状態において、図４９のシステム１０３２を使用すると、出力輝度は２倍の７５０ニトになる。
【０２９７】
図５０には、バックライティング用途において光源システム９８２の利用の変形形態を概略的に示す。この変形形態において、構成の光源パネルのアスペクト比または形状は、図５０に適用されている、ほぼ正方形（１３．５ｍｍ×９．９４ｍｍ）のパネル２８４、２８６および２８８の実装形体から、バー形状の１０３２（緑）、１０３４（青）および１０３６（赤）に大幅に変更されている。光源バーとしてさらにこの例において展開されている、構成の単色光源パネルは、それぞれ、例えば、１列の発光ピクセル１０４２から成る。この例において、図１６のピクセルの構造２２１は、図４で最初に説明されているとおり、照明ピクセル１０４２それぞれを含む４つの虚像出力１０４８、１０５０、１０５２および１０５４に各構成のＬＥＤ７０から抽出された光を拡大する方法１０３７として使用される。以前のすべての例の配置のように、２２１の光学層５８および６０は、±β（空気内で±２２．５度）内に出力ビームが維持される。光線バー１０３２、１０３４および１０３６は、軸方向長さが光源バー自体の長さと等しくされている、二色結合器キューブ２７４の細長い型１０４０の隣接する側に配列されたものである。結果として得られる結合器バー１０３３は、図５０の光線バーサブシステム１０５６を形成する、開口部の長さが結合器バーの開口部の長さに一致するように拡大された、誘電体角度変換器１０３８と結合されている。発光バーのサブシステム１０５６は、図５０のライティングシステム１０５８の場合のように、バックライティングシステム１０２６の１つの縁端部に沿って結合されている。
【０２９８】
図５０のバックライティングシステムの変形形態は、ＬＥＤおよび発光ピクセルを分散するための、図４９の配置に比べてより小型化する方法を提供する。図４８の光源システム１００７が外部のブロック（または複数のブロック）９６４内で照明ピクセルを集中すると同時に、図５０のシステム１０５８は、バックライティングシステムの縁端部に沿う列で照明素子１０４２を配列する。
【０２９９】
システム１０５８の例の１つとして、発光ピクセル１０４２が、各構成光源バーが同数の素子（１３０）を含むようになっている場合、より対称的な光源パネル（２８４、２８６および２８８）となる。これを可能にするには、発光ピクセルそれぞれが各縁端部において（３７５．７６／１３０）または２．８ｍｍであるが、これは現実的ではない。この場合において、バックライティングシステム１０５８は約２，１００の非偏光（１，６００偏光化）ＲＧＢルーメンを発生し、出力の開口部全体にわたり、結果としてのＬＣＤ輝度は約１５５ＦＬ（５３８ニト）である。
【０３００】
これらの２つのバックライティングの例では、１０５８のシステムは、ＬＥＤチップ当たりの１．４ｘの高輝度（または１ワット当たりの輝度）に基づく１０３１のシステムより好ましい。またシステム１０５８は、そのバックライトシステムの容積を効果的に利用する理由からも、好ましい。最も高ルーメン発生性能用途のためには、１つの光源バー１０５６はバックライティングシステム１０２６の４つの縁端部のそれぞれに配置できる。
【０３０１】
光源サブシステム１００７（図４８）および１０５６（図５０）は、あらゆる標準的な（ドットパターンまたは小平面パターン）バックライト（端面照明）の入力光源として使用され、従来の蛍光管およびその周囲の反射器、またはＬＥＤおよび関連する反射器の同等のバーに取って代わる。
【０３０２】
単に、長い長方形のバーにまたはそれに沿ってＬＥＤを配置し、バーからドットパターンのバックライトシステム１０２６の縁端部に幅広い角度の光を直接結合するのは、ひとつの方法であるが、特定の基本的な設計上の制限を含み、この制限は図４９〜５０の好ましい形式を使用することにより縮小されるか完全に避けられる。
【０３０３】
７．７．４  小開口のバックライト
さらに、別の実現可能なバックライトの例は、ディジタルカメラで撮影した写真を確認するために使用される、小さな１インチ〜２インチ対角サイズの直視の透過型ＬＣＤにより提示される。バックライトの電力は、カメラの制限されたバッテリー容量における消耗を最小化するために、可能な限り低くする必要がある。さらに、ユーザー環境での最も明るい日中において高コントラストの表示を保証するために、バックライトを十分に強力にして、ディスプレイの明るさが、可能な場合には、表示方向の全域にわたっておよそ５００ニトにするのが望ましい。小型のＯｌｙｍｐｕｓ  Ｄ−４００ディジタルカメラのＬＣＤの型は４７ｍｍである。（シャープのＬＱ１８１  １８インチ対角のＬＣＤスクリーンを用いた前述の例の場合のように）非偏光光に対するＬＣＤの透明度は、約５％であり、偏光された光に対しては約９％である。このより小さなディスプレイの有効な表示範囲は０．０１４ｆｔ2である。非偏光のバックライティングを使用すると、好ましいバックライトは、ＬＣＤから２ルーメンを提供するか、バックライトから約２０ルーメンを提供する。４７ｍｍ対角の従来のドットパターンのバックライトは、ライトパイプの単一の縁端部に結合されているルーメンの７０％をＬＣＤに出力する。これは、その結果として、白色の縁端部の光源により、約３０ルーメンが出力されなければならないことを意味する。
【０３０４】
前記の例で紹介したとおり、今日の赤、青および緑のＬＥＤチップはそれぞれ、約２０ルーメンを発光するため、各色の１つのＬＣＤチップのみを使用するのが最もよい。このようにすると、３つのＬＥＤおよびのバックライティングシステム３７．６ｍｍとの５０％結合効率の入力結合縁端部は、必要とされる３０入力ルーメンを供給する。さらに、縁端部において約０．５ｍｍである各チップおよび長さ３７．５ｍｍの結合縁端部を用いる場合、特定の混合手段を備えることにより、バックライトシステムの出力ビーム１０３３が出力の開口部全体にわたり十分に混合することを保証しなれなければならない。
【０３０５】
主に、光源サブシステム１００７または１０５６のどちらかは、３７．６ｍｍの結合縁端部全体に色混合および光の分布の方法を提供する。この２つの方法において、システム１００７および図５０のそのバックライティングの実装体１０３１は例として使用されている。この場合において、サブシステム９８２に使用されている各単色光源パネルは、１つの例において、対応する４ｍｍの二色結合器キューブに対して非偏光光の少なくとも１０ルーメンを提供する、単一の４ｍｍ×４ｍｍの発光ピクセル１０４２から成る。（結合器媒体内の）結合器キューブの開口部のエタンジュー全体は、上の式１４〜１５から求められ、（１６）Ｓｉｎ2（１４．８）または約１ｍｍ2である。これは、誘電体角度変換器９７４の出力の開口部９８０の好ましい大きさは約１．５ｍｍ平方であり、ライトパイプ照明器９９２に対する好ましい断面になり、長さ９８６において３７．６ｍｍに作られる（図４７）、ことを示す。この例において、対応するドットパターンのライトパイプ板１０３０は２８．２ｍｍ×３７．６ｍｍ×１．５ｍｍで作成される。前記の例におけるのと同一の伝送効率を使用すると、バックライティングシステムの出力ビーム１０３３は、非偏光ＲＧＢの１１．５ルーメン（偏光光では８．６ルーメン）を含む。ＬＣＤを介して偏光されたルーメンの９％のＬＣＤの伝送を用いると、この小さな（０．０１１４ｆｔ2）表示パネルは、６８ＦＬ（または２３５ニト）の白色の領域の画像輝度を示す。図５０のバックライティングシステム１０３２の場合のように、第２の同一の光源サブシステム９８２を追加すると、６つのＬＥＤチップ全体では、２８．２ｍｍ×３６．７ｍｍディスプレイスクリーンの開口部全体の表示のすべての角度において４７０ニトで見ることが可能な明るさを提供できる。
【０３０６】
７．８  例５：図５１に基づく作業／投光照明
光源パネルおよび光源キューブについては、他の多くの一般照明および画像表示用途が、存在する。光源パネル自体は、効果的な一般照明素子として使用され、その場合には、その±β（±２２．５度）出力ビームは指定された作業領域の照明に使用されるが、このときには、固有の照明の角度を使用するのとは異なり、照明される領域を拡大または圧縮する第２の光学機器を用いはまたは用いないで行なう。このような作業照明用途においては、好ましい光源パネルの実施形態は、複雑な作業の特定の照明のために選択される。照明される、１つの標準的な例示の作業表面領域は、６０インチ×３０インチの机である。標準的なキャビネット下の市販の照明器のハウジングは長さ５２インチ、奥行１１インチおよび厚さ２インチである。ハウジングは１つの３４ワットのＰｈｉｌｉｐｓ製の蛍光管を含み、通常照明される表面上に約１７インチで実装される。このような処置に対してフートカンデラ（平方フート当たりのルーメン）での直接照度の測定は、後方の縁端部に沿って最高８５ｆｃまで上昇する強度を用いて、照明されている領域の中心で６５ｆｃを示し、領域のコーナーおよび領域の縁端部の方向に急激に１０〜３０ｆｃまで低下する。照明される１２．５平方フィートの表面全体で１００ｆｃを供給するには、１２５０白色ルーメンの光源が要求される。±２２．５度の照明円錐を有する図１６の標準的な光源パネルから追加の角度の放射をせずにこの適用範囲を実現するには、物理的に、中心に実装される１６インチ×４６インチパネル、または他の多くの可能性のうちの１つとして、図５１に図示されているとおり、１４インチの空隙でそれぞれ間隔を空けた６つの別々の１インチの光源パネルの単一の１６インチ×３１インチアレイが要求される。６つの１インチ平方の光源パネルを使用する場合、それぞれが１インチ平方出力の開口部全体に２０８ルーメンを供給する。各照明ピクセルから３０ＲＧＢルーメンを発生することは、パネル当たり約７発光ピクセルがあることを意味する。１インチ平方の光源パネルの実現可能な１つの形式は、４×４の照明ピクセルアレイのパネル当たり１６個の３色の発光ピクセルである。各発光ピクセルは６．３５ｍｍ平方であり、赤、緑および青の３原色ＬＥＤはそれぞれ、関連する正方形の反射キャビティの３．１７５ｍｍ平方内に含まれる。したがって、これらの寸法の１インチ平方の各光源パネルは、ＬＥＤ当たり約０．２５ワットで作動する場合、４８０ルーメンを供給し、要求される作業表面の明るさの平均１００ｆｃに必要とされる約２倍のルーメンである。それぞれ０．１１ワットでＬＥＤを作動することにより、この１００ｆｃの作業照明の性能が実現され、表面全体にわたって照明される。このとき２８８個のＬＥＤ（１６×３×６）が存在し、そのため、（赤、緑および青色の量が等しいと仮定する場合）１００ｆｃの性能のための動作電力全体は２８．８ワットであり、実用品で使用される３４ワットの蛍光管とほぼ同じである。
【０３０７】
等しく作業表面全体に渡って照明を拡散する、この例示の６素子の作業照明器は、厚さでは数インチではなく数ミリメーターであり、照明の色および色温度を正確に電子制御できる。さらに、あらゆる照明レベルに対して薄暗くでき、全電力（７２ワット）で作動する場合、高照明レベルを要求する作業に対して利用可能な最大２３０ｆｃのピーク作業表面照明をどの場所にも提供できる。蛍光管を用いる３４ワットの市販のハウジングは提供される多量のルーメンの半分以上を浪費し、大型であり、１つの色温度のみ提供し、薄暗くできず、不均一な照明を生成する。
【０３０８】
オフィスおよび作業空間用の頭上を照らす照明の明確な基準はない。これらの照明の必要条件の多くは、天井に組み込まれている（または天井からつるされている）幅広い種類の頭上のトロファーにより満たされている。他の一般の照明の取り扱いは、幅広い種類の大きさ、ワット数および物理的な配列を有する頭上の投光ランプおよびスポットライトの組み合わせを含む。設定がどのようなものであろうと、頭上の照明は作業領域に十分な光を、床ならびに壁のバックグラウンドの照明としてより少ない光を、伝達することが見込まれる。ある典型的なオフィス環境において、８０〜１２５ｆｃの照明が主要な作業領域に提供され、約１０ｆｃがあまり重要ではない領域に提供される。中央に１０．５フィート×６フィートのテーブルが備えられるある典型的な１７フィート×１７フィート×８フィートの会議室において、照明はテーブルの上方に設置された個別の１２個の６６インチのシールドビームハロゲン投光ランプのアレイにより提供されている。最大の卓上の照明は７５ｆｃとして測定される。テーブルからはなれた一般照明は１０〜１５ｆｃである。ランプは７５ワットＧＥ  ＰＡＲ  ３０／Ｌ  ロングネックワイドフラッドライトインドアライトバルブであり、それぞれが２０００時間の有効寿命にわたり１０５０ルーメンを供給する。
【０３０９】
同様の性能は６つの２インチ平方の光源パネル、発光ピクセルの各パネルの８×８アレイを使用して実現可能であり、今まではすべての例に対して共通の例示の±２５．４度の角度の範囲において１９２０ルーメンを供給する。これらの６つの光源パネルは、図５７の作業照明の例の場合と同様の方法で配置され、今回は天井に実装されている６２インチ×１２２インチの背板の縁端部に沿って、会議室のテーブル上の中央に設置され、それぞれのコーナー１つの光源パネルがあり、長い縁端部のそれぞれの中心に１つ設置されている。ただし、この特定の構成において、すべての２インチ光源パネルはその近接の光源パネルから５８インチに置かれている。この配列における各パネルは、１９２０ルーメンの均一の分散を含む卓上の平面に６０インチ×６０インチの照明面積を生む。５８インチの間隔で、これらの６０インチ平方の照明パターンは、図５７の例に示されているとおり、それぞれと近接する。この構成の結果として発生する卓上の照明は７６．８ｆｃ（１５０平方フィートで割った６パネル×１，９２０ルーメン／パネル）である。使用される６つの２インチ平方光源パネルそれぞれは４８ワット（ＬＥＤ当たり０．２５ワット）により駆動する１９２のＬＥＤすべてを含む。電力全体は、したがって、２８８ワットであり、従来の１２個のランプの使用の約３分の１であり、この場合では、６１２ワットを節減する。
【０３１０】
さらに、１０フィート×１５フィート領域全体に広がる同様の７６．８ｆｃの照明を実現する別の方法は、希望する面積を作成するために必要なより大きな角度１１０８に対して例示の±２２．５度の１１０２から光の拡大を増加させるため、出力レンズ１０９２または散乱器と組み合わせて部屋の中心の天井に実装されている、単一の光源パネル１０９６または光源キューブ１１１０を使用することである。この簡単な原理は、大量の平凹レンズ素子１０９２およびフレネル凹レンズ１０９３について、図５２に示されている。レンズ１０９２および１０９３は球形または円筒形のどちらかであり、照明パターン１１０６の要求に依存している。光源パネル１０９６が、前記の例の場合のように、３色の照明ピクセル（各ピクセル内に別々の赤、緑および青のＬＥＤ）を含み、ほぼ上正方形の出力開口を有する場合、固有の照明パターン１１０４は、球面レンズにより相対的に拡大された照明パターン１１０６、または２つの交差した円筒形のレンズにより非相対的に拡大されたパターン１１０６に変換される。最も小型な配列は、相対的なパターンに対して１つの球面（または非球面）フレネルレンズ、および、相互に９０度で軸が交差する２つの一連の円柱形（直線）フレネルレンズにより提供され、各フレネルレンズは制御する方向に要求される角度に設計されている。会議室の例において、要求される角度は、光を１５フィートに拡大するには約±５３．７５度であり、光を１０フィートに拡大するには±４２．３度である。光源素子（パネルまたはキューブ）の大きさは形成される拡大よりも大幅に小さいため、光源の寸法は無視される可能性がある。
【０３１１】
７．９  例６：直視型画像ディスプレイ
これまで、光源パネルおよび光源キューブの用途のすべての例には、照明としての利用を含んでいる。すべての単色ＬＥＤは単色グループとして一括して操作され、各グループは出力色が単色または合成色に関わらず、特に一様な均一性を有している。独立した制御が、個別の照明ピクセルのそれぞれの中に赤、緑および青の発光体に備えられている場合、空間的な均一性は、均一でなく変調されており、ビームの開口部全体にわたり光源パネルは単色またはフルカラーの画像ディスプレイの可能な空間光変調器になる。ただし、この用途は、最新の画像ディスプレイ技術とは異なり、下端において１〜２ｍｍから数十ミリメートルまで、および上端においてそれ以上の範囲のピクセルの大きさである。この状態においては、従来例の照明ピクセルはそれぞれ、画像ディスプレイピクセルになる。したがって、１つの大きな光源パネル、または個別の光源パネルの２次元アレイは、競技場内、高速沿い、電子標識または大きなオフィスの作業空間のディスプレイ用の壁として、戸外での使用のために１つの大きなピクセルの画像ディスプレイとして形成できる。
【０３１２】
情報（または画像）ディスプレイとして光源パネルを操作することは、相互接続の方法が図１４で説明されている以上に複雑に配置され、相互接続されているアレイの２つのダイオード接点のそれぞれに対して共通のバスを提供する、と仮定する。ディスプレイのために、単色のダイオードはそれぞれ、個別に制御されなければならず、ＬＣＤおよびＤＭＤを用いて使用されるものに類似している動的な相互接続システムが必要となる。
【０３１３】
このような相互接続の方法が実際に実装されていると仮定すると、光源パネルのディスプレイ用途は、少ない情報内容の英数字およびアイコンから、フルカラー、フルモーション、豊富な情報内容のビデオディスプレイに広がる。画像ディスプレイの輝度は、個々のピクセル、ピクセルの開口およびピクセルの効率の良い出力角度により生成されるルーメンにより決定される。場合により、極めて小さな表面領域にわたり比較的多数のルーメンを生成するように、各ＬＥＤチップは大きな観察輝度を実現できる。この能力は、時々見るために生じる、ほぼフルパワーでのＬＥＤを直接ただ見ることだけには明るすぎるように思われる。このようなピンポイント輝度がＬＥＤから可能であるということは、最も高度な実行チップが約０．３ｍｍ2（３．２Ｅ−０６ｆｔ2）の表面領域からすべての角度にわたり見える２０ルーメンを放射するのと同様に驚くことではない。これは６Ｍ  ＦＬのランベルト輝度に対応する。ディスプレイで使用されると、これらのルーメンはかなり大きなピクセルの領域にわたり散乱されなければならない。前例の場合のように、フルパワーの発光ピクセルは発光開口上に３０ＲＧＢルーメンを発生し、２０ｍｍ平方ピクセルの有効ランベルト輝度は約７，０００ＦＬ（２４，０００ニト）（一般の直視型ＬＣＤ画像ディスプレイのものより高い輝度である）であり、競技場のスコアボード、表示スクリーンおよび高速の広告板など戸外で見る状況における直射日光に匹敵する必要な明るさを提供する。さらに、多くの可能な低輝度用途が存在し、この用途は、最大レベルの何分の１かで構成のＬＥＤを操作し、大きなピクセルの領域にわたって拡大する場合に、実用的になる。この例の１つは、完全に接触している８ｍｍ平方ピクセルを用いる回転式伝言板である。もう１つの例として、ダイオード当たり２０ｍＷで操作する１００ピクセル（３００ＬＥＤ）を含むディスプレイモジュールは合計６ワットを得て、０．０２ワット／ピクセルでありピクセル輝度はなお３５００ＦＬ（１２，０００ニト）である、ＲＧＢ輝度を生成する。従来のアレイまたは事前実装されたプラスチックカプセル化ＬＥＤのアレイまたはクラスタの外観のようなドットパターンより視覚的により魅力のある、上に説明されているのと同等の光源パネルディスプレイにより、使用されるピクセルの大きさに関わらず、よりリアルなフォントおよび画像の表示が可能になる。
【０３１４】
８．０  高く配置したプリズムシートを用いた発光源画像およびビームの正確な制御
図１〜３、７および１０〜１５の複数層の照明器の発明の好ましい実施形態は２つの顕著な機能を共有している。発光源は、非発光領域により相互に分離され、照明器の方向性出力光は、発光源の上方に好ましい距離をもって照明器の中で持ち上げられて配置されたプリズム状アレイシートの使用により、連続的に発光される。
【０３１５】
高さをもって配置されたプリズムシートが、非連続的、無指向性の入力光から、連続的および方向性の出力光に変換する物理的なメカニズムは、複雑であり、直感的ではない。
【０３１６】
８．１  標準的なバックライトにおける輝度強化フィルムおよびそれの利用
プリズムアレイがバックライトＬＣＤに対して使用されるほぼすべての照明器における共通素子になる必要があるという事実に関わらず、出力光の空間的な均一性および光の空間的に均一なビームの発達への影響は、安定しておらず生産的に開発もされていない。
【０３１７】
バックライトの輝度を強化するために使用される最も一般的なプリズムシートは、輝度強化フィルム（ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ  ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ  ｆｉｌｍ）の頭辞語で、ＢＥＦという商品名で、Ｍｉｎｎｅｓｏｔａ  Ｍｉｎｉｎｇ  ＆  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ社により製造されている。このようなプラスチックプリズムフィルムは、一般的に、９０度の頂角をそれぞれ有する、５０ミクロン幅のマイクロプリズム溝から成る。このようなフィルムは、通常、均一の広角の蛍光源とＬＣＤスクリーンの間に位置し、プリズムは、ディスプレイの出力の外観を明るくするという明確な目的のために、ＬＣＤに向かって照射する（この理由で、輝度強化フィルムとして商用の説明がある）。ディスプレイの輝度は、このようなＢＥＦシートの使用を用いて向上する、なぜなら、シートのプリズムの溝は、ディスプレイにより、別の方法でそれ自体に形成された、未調整の照明器よりも視角の狭い範囲に変換された光束を収束する。相互に９０度でプリズム軸が交差する、２枚のＢＥＦシートは、通常、実現可能な最も高いＬＣＤ輝度強化を実現するために使用される。標準的な明るさの強化の装置はすでに上で説明された「ドットパターンバックライト」を伴う。「ドットパターンバックライト」内には、実質的に、１つまたは複数の円筒状の形状をした蛍光管により発光された均一の光は、ライトパイプの大きな長方形の開口部を通っておよびＬＣＤの接続開口部の中に、均一の光漏れを引き起こすために調整される散乱機能（ドットまたは切子面）の分散によってのみ乱される、透明なライトパイプの１つまたは複数の縁端部を介して、供給される。散乱器シートはドットパターンのライトパイプの上下で使用され、ＬＣＤの後方で、バックライトの空間的な均一性を生み出す。好ましい方法においてライトパイプの照明器の上方にＢＥＦシートの正確な高さを調整または設定することは、これまでに効果はない。プリズムシートにより生成されるＬＣＤ輝度の強化の大きさは、散乱されたライトパイプの上方のプリズムシートの高さに影響を与えない。
【０３１８】
一般的タイプでないＬＣＤバックライトは、白色の散乱するボックス内に蛍光管の平行のアレイを含む。これらのより高輝度のバックライトにおいて、１つまたは複数の散乱器プレートは散乱ボックスとＬＣＤの間で使用され、照明を安定させる。バックライトの輝度は複数のランプを用いることにより十分に高くなるが、通常、ＢＥＦシートのコストおよび角度がせまいことを容認されることはほとんどない。
【０３１９】
既知のＬＣＤバックライト用途は１つしかないが、ただし、ＢＥＦシートの位置合わせはバックライトの出力の空間的な均一性を調整するために使用されている。この特定の目的のバックライトは、２つの異なる種類の光源、高輝度で日中に使用するための個々のの蛍光管の１つのアレイ、および低レベルで夜間に使用するための蛍光管の間の空間に設置されるエレクトロルミネセンス発光源を含む。この場合には、単一のＢＥＦシートの物理的な配置は各光源により提供される照明のバランスを取る方法として使用される。
【０３２０】
８．２  プリズムシートおよび出力ビームの均一性に対するそれのエレべーションの正確な効果
本発明の実施が成功するには、プリズム自体の特性に加えて、プリズムシートおよびその下の別個の発光アレイの間の空間の設定に依存する。好ましい高さに置けば、プリズムシートにより、最大角度βがプリズムの形状に依存する（プリズム軸の角度が９０度の場合、β＝２２．５度）、±β内の角度に向けられた集中的な出力照明を用いて、空間的に不連続の発光体が連続的に現れることが可能になる。不連続な発光アレイの上方のプリズムシートの高さは一様なビームの均一性を提供するが、元の放射のものと比べると出力の照明の円錐に集光する。
【０３２１】
ここに述べる（図１〜３、７および１０〜１５）多層照明器の発明の好ましい具体化は、光の発光体の上方の固有の高さにプリズムシートを配置することに依存しており、この固有高さは、頂点の角度、底の幅、底の角度、屈折率、発光体の出力面の上方のプリズムの底の高さ、発光体の大きさ、発光体間の空間および発光体の境界内に存在する明るさの変化、に量的に依存している。また、これらの２つの重要な外部要因は、照明のプリズムが使用中に（すなわち、１つまたは複数の光の散乱材料を介して、目で直接または間接的に）見られる方法、または見えないプリズムの出力ビームが全般的な照明発光源を提供するために使用されるかどうか、など、この多層照明器の性能に影響を及ぼす。
【０３２２】
８．２．１  プリズムシートおよびその構造
基本的なプリズムシートの断面は、三角のプリズム素子は図５３に、非球面のプリズムのような素子は図５４に、図で示されている。図５４の非球面の素子１２１８は従来の球面レンズ状の構造とはまったく異なり、プリズム状のレンズのように機能する。全般的なプリズムの形式１２００は、断面１２０２において示されている。頂点の角度θv１２０４は、示されているとおり６０度の半角に対して、３５度の範囲において最高であり、好ましくは４５度である。底角α１２０６は９０−θvである。底の幅δＷ１２０６は、使用されている発光素子の寸法の尺度およびプリズムシートの製造方法に依存している。図１４〜１６のＬＥＤ発光体に対して、１つの例として、底の幅δＷは、好ましくは２５から５０ミクロンである。Ｃｏｒｎｉｎｇ社製の幅１２ｍｍの蛍光のようなより大きな発光体に対しては、より大きなプリズムを使用する許容範囲がある。最大の小型化が要求される用途に対しては、プリズムシートを可能な限り薄くできる、プリズムを実際と同じほどに小さくすると、都合が良い。プリズムシートは、簡単に、鋳造および硬化し、保存され、型押し圧縮成型される。基板の層は形成されたプリズムとは異なる物質であり、例えば、ポリエステル、ポリカーボネートまたはアクリル樹脂である。型押しされた（または成型された）場合、プリズム材料は溶け、ツールに形成され、冷却される。様々な重合体および高分子複合材料はこの処理に適している。プリズムシートはより厚いプラスチックまたはガラスの層に貼り合わせられるか接着され（図１６の例２１７）、図１６で要求されている正確なスペーサーの高さＧｌ”を実現する。プリズムの高さＨ（図５３の１２１０）は、δｗ＝２ＨＴＴＡＮ  θvを用いて、または図５４の場合のように、プリズムの角度および底の幅に依存し、数式３２で与えられる多項式においてｋは円錐の定数、Ｒは曲率の半径、ａ、ｂ、ｃおよびｄは非球面の係数である。
【数１６】
2006504116.tif 000018
【０３２３】
非球面の項が調整されると、図５４に図示されている全般的な形状の非球面の素子が得られ、プリズムとして動作する。１つの例として、半径０．１３５、円錐の定数、−ｌ、ａ、ｂ、ｃおよびｄの係数２、５０、−４０００および１０，０００は、それぞれ、δＷ０．５ｍｍおよびＨ約０．２ｍｍとして形成する。この設計は容易により小さな寸法に調整できる。
【０３２４】
多くの場合、メーカーのツールの浮き彫りのため、小さな隙間またはツールの領域１２１２がプリズム素子間に認められる。同様に、頂点は類似する平らな小さなメサを有する場合がある。
【０３２５】
すべての従来の照明の例において使用されているとおり、高さをもたせて配置したプリズムシート５８および６０の特有の態様の１つは、観察輝度が強化された構成での３ＭのＢＥＦに関連している表面的な完全さにおいて、あまり厳しい基準を呈示する必要がない。３ＭのＢＥＦにおける表面的な欠陥は、使用される下でＬＣＤのディスプレイスクリーンを通して直接見ることができる。ＬＣＤ表示の基準は、表示の欠陥ゼロに対するものである。したがって、非常に厳しい品質の測定はＢＥＦの製造、パッケージ化および出荷の間に行われ、極めて壊れやすい、プリズムの基板およびプリズムの先端に対する表面の損傷を避ける。予防的な測定はすべての損傷を受けたＢＥＦシートの廃棄を含む。本発明のプリズムシート５８および６０にはこのような高価な測定は必要がない。プリズムシート５８および６０における表面的な欠陥は直接見ることができず、したがって、まして機能にとっては重大ではない。ある程度の空間的な混合は、そのような不鮮明さがプリズムシートの上に含まれるか、ローカルなプリズムの欠陥がもたらす視覚的な欠陥は全体的に均一化される。図１６の場合のように、光源パネル２４８、２２１および２２５は、たとえば、重要でないひっかき傷およびすり傷を隠す散乱層２８を備える。図１７〜２２および２４〜３２の発光システムはそれぞれ、プリズムシート５８および６０を含む光源パネル２８４、２８６および２８８における空間的な非均一性の平均を出すことを目的とするケーラー型角度変換工程を採用している。
【０３２６】
８．２．２  プリズムシートおよび有利な虚像形成
起源がなんであろうと、プリズムおよびプリズムのような構造は、プリズムの配置高さおよびプリズム構造の関数として、置き換えられる下に位置する光源の虚像を生成する。
【０３２７】
従来の大きなプリズムは、屈折により光の平行なビームを移動し、置換する能力で公知である。平行な光源はこのようなプリズムを介して見られる場合、光は実際にはその光源自体ではなく、光源の虚像の表現によりもたらされる。虚像光源は実際の光源の画像であり、実際の光源の位置から離れた位置に移動されている。プリズムの頂点が実際の光源の上に中央に置かれ、光源から離れて位置する場合、２つの虚像光源の画像は、このように形成される。１つの光源の画像およびビームの置換は、２つの反対側に傾斜したプリズムの切断面のそれぞれに関連する。
【０３２８】
これらの同一の２つの虚像の光源の画像は、同様にプリズムのアレイの特性である。
【０３２９】
図１の照明システムの発明は、プリズムの頂角８およびプリズムシートの高さ１８の結果として相互に関連して、プリズムシート７の動作により置換される実際の発光ストリップ２４の、２つの両側の虚像画像２６および２７を示す。使用されているプリズムが、実際には、発光物体２４の幅４２より小さな底の幅δＷを有すると仮定すると、２つの虚像の画像はプリズムの高さ１８が実質上ゼロ（およびプリズムが十分に小さい）場合、ほとんど正確に一部が重なる。これらの重なっている虚像画像は、プリズムシートの高さ１８を故意に増加させると、お互いに分離する。図３および７の照明システムの発明は、２つの交差したプリズムシート５８および６０の虚像の動作により、２次元の結果を得る、４象限に横に配置された、より複雑な虚像画像のセットが示される。単一、正方形、発光物体１１０の４つの虚像の画像１０８のセットは図４に示されている。
【０３３０】
８．２．２．１  単一のプリズムの動作
プリズムシートの高さ（またはオフセット）により移動される虚像の画像は、図５５に非常に小さな直径をもつ線状の発光体に関連して、単一の半プリズム素子について、模式的に説明されている。この生成された図の断面１２２０において、理想化されたプリズム素子の左側のみが（強調のため）示されている。単一（近軸の）光線１２２２は、最初、空気中で、点Ｐを離れるかのように進行する。この点Ｐは、プリズムの底１２２６の下方、この例においては、細い線の発光体１２２４の、プリズムの頂点１２３２から下向きに垂直に引かれている線１２３０の上に存在する、距離１２２８、すなわちＯＦＦの真下に位置する。この光線１２２２は、連続的な光線１２３８として底１２２６を通ってプリズム中を通過することが示され、斜辺の縁端部１２３６に向かってプリズム材料１２３４を通り伝送される。傾斜した出力面１２３６に到達すると、光線１２３８は、入射角の方向１２４０、θ1、に依存して、９０度未満の場合、角度１２４２、θ3空気中に光線１２４４として伝送され、９０度またはそれ以上の場合、全反射（ＴＩＲ）となる。重要な境界の光線１２４６はプリズム面１２３６に沿った方向で示される。図５５で示される例示の出力ビーム１２４４は、出力ビームの表示または使用１２４８の標準的な方向に沿って、直接上向きに現れる。
【０３３１】
図５５から見られるとおり、ＴＩＲは、式３３の場合のように、ゼロオフセット（Ｓ）での境界がＴＩＲの開始により定義されている、半分の幅（Ｓ＋Ｓ’）の領域からの光の測定を妨害する、この場合において、Ｈは物体の上のプリズムの効果的な高さであり、αがプリズムの完全な頂角の半分であり、θ2はプリズムの底の表面の垂線（９０−α−θ4）を用いて光線を伝送することにより作成される角度である、
【数１７】
2006504116.tif 000019
【０３３２】
光源１２２４が、プリズムの底１２２６の下の垂直距離１２２８（ＯＦＦ）のオフセットである場合、境界の半分の幅は、数式３４の場合のように、Ｓ’により増加される、ただし、θ2＝９０−α−θ4、θ4＝Ｓｉｎ-1（Ｓｉｎθ3／Ｎ）およびθ3＝９０−α＋φ（ＴＩＲに対してθ3＝９０度）を用いて、θ1＝Ｓｉｎ-1（ｎＳｉｎθ2）である。
【数１８】
2006504116.tif 000020
【０３３３】
出力ビームの角度１２４２、θ3、の出口の位置は、また、ＴＩＲに対する前提条件として必要とされる９０度ではなく、９０度未満の希望する出力の角度を使用することにより、これらの式から計算できる。例えば、４５度は、上向きで垂直におよび軸１２４８に沿って観察者に向かって直線で伝送される、光線１２４４を表すために使用される角度である。この垂直の光線において、あらゆる状況において、プリズムの出力の角度の分散の一方の側の中心を定義する。
【０３３４】
図５５に示されているとおり、出力光線１２４４は、使用する大部分の方向において直線で、最も一般の表示軸でもある、プリズムシートの表面の垂線１２４８を指す、という点において固有である。任意の物体の点１２２４から放射さる光線がすべて軸１２４８に沿って見えるとは限らない。軸１２４８沿って位置する観察者により知覚されない出力ビームという結果になる、例示の近軸の２つの入力光線のセット１２５４および１２６０は、図５６に示されている。これらの光線は、実際に、市販のレイトレーシングソフトウェアＡＳＡＰ（商標）（Ｂｒｅａｕｌｔ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ）を使用することにより、追跡される。傾斜する入力光線１２５４が提供された、プリズムシートセクション１２５０内の例示のプリズム素子１２５８は、軸１２４８に沿って観察者の領域の外部の遠くに、ほぼ水平な出力光線１２５６を戻す。傾斜する入力光線１２６０が提供された、プリズムシートセクション１２５２内の例示のプリズム素子１２５８は、軸１２４８に沿って観察者の領域のまさに外部に出力光線１２５６を戻す。これらの光線１２６２は、目に見えない間に、プリズムシートの出力ビームの主要な部分を構成する。軸１２４８の下方を見る観察者により認識される（映像化される）固有の光線のセットは、図５７に図で示されており、図５５の略図にレイトレーシングの詳細を加えている。図５７に示されている周辺の出力ビーム１２７０および１２７２は、観察軸１２４８の±３度内になり、共通の物体の点１２２４から放射される。図５７において、各光線に沿って描かれている、点線の構成の線１２８０を介して、これらの光線の後方の交差は、虚像の画像の点１２７４および対応する物体の点１２２４に対する焦点の平面の深さ１２７６を決定する。対応する虚像の画像の置き換え１２７８は、プリズムを介する伝送が物体の点１２２４からプリズムシートのオフセット１２２８のために引き起こされる、側面の移動ΔＸにより与えられる。これらの転換に対して実用的な数学的関係は、短く導かれている。
【０３３５】
８．２．２．２  隣接したプリズムの機能
また、プリズムシートの下方に位置する光源アレイから発光されない、すべての光線が直接伝送され、シート内の隣接するプリズム素子が伝送および拒絶処理の両方に含まれるようになる、ということを理解する必要がある。
【０３３６】
例示の光線の束１２８５は、最も左のプリズム素子１３０２において物体の点１２８４から追跡される。これらの光線はプリズム素子１３０２の最も左の斜辺の面１２９４においてＴＩＲを受け、観察者の視野の遠く外部であるだけではなく、隣接するプリズム素子１３０４による線の上にある、ある角度においてプリズムの反対の斜辺の面１２９６を介して屈折する。隣接するプリズム素子１３０４による捕獲を免れる１つの光線１２８８は、実際、プリズムシートの平面に沿って進む。より大きなわずかな光線１２９０は隣接するプリズム１３０４から入って反射することにより、プリズムシートの下に来る、光線を発光する物体に対する光線の光束１２８６、として戻ってくる。小さなわずかな光線１２９０は、光線１２９２により描かれるとおり、プリズムシートの構造内に閉じ込められるままである。さらに、図５９において、追跡される実際に垂直な光束１３１４のような、他の光線は、最初のプリズム素子１３０２の中に、１回目は平面１２９４に、２回目は平面１２９６に、２つの全体の内部反射を受け、拒絶された光束１３１６としてこのすべての束を返すように認識される一体化された動作である。
【０３３７】
８．２．２．３  内部に反射される光線およびその再利用
これらの角度に特定的な全体の内部の反射は、いくつかの種類の反射の折返しのメカニズムと結びつく場合、３Ｍの市販のプリズムアレイフィルム、ＢＥＦの品質照明があるバックライティングに特定的な輝度強化の基板を構成する。プリズムの伝送の角度に逆戻りして反射または散乱する、拒絶されたフォトンは、直線で伝送された角度の出力の範囲内に、見やすさを増加する。浪費されたフォトンの循環が一般的に、プリズム状構造の優れた機能である一方、それ自体におけるまたはそれ自体の循環は、評価できる方法において出力の均一性に影響はなく、したがって、本発明における使用に対して重要な機能ではない。フォトンは、反射的に、無作為に再利用され、それ自体、暗いフォトンに影響するものであるように、非均質性の明るさの領域を、等しく、強化する傾向にある。
【０３３８】
（図５８の）光束１２８６および（図５９の）１３１６により説明されている、拒絶された光線の断片の反射的な再利用は、再利用の効果がプリズムシートの全体の光線の出力の有効な部分になる入力光線の割合を増加する点においてのみ、本発明においては重要である。
【０３３９】
８．２．２．４  １つのプリズムアレイからの出力光の人間の知覚
プリズムシートの角度観察特性の人間の知覚は、プリズムシート内のＴＩＲ処理および人間の目の制限された受け取り角度により影響を受ける。このような影響の理由は、現在説明されている照明の発明の中に、プリズムシートが実際に機能する方法に相反して、プリズムシートが機能するのを人間がよく知覚する方法に影響する、ということを理解することが重要である。照明の機能にとって重要ではない視覚は、プリズムシートの効果の誤解の原因となる。この例の１つは、図６０で追跡された光線として与えられ、単一のプリズム素子１３２４の底の面１３２２に近くに位置する極小の線の発光体１３２０から発光される光線の角度の広い範囲に従う。ビュー軸１２４８に沿って見る観察者は、出力光線の光束１３２６および１３２８を介して、２つの分離された鋭角的に焦点が合わせられた虚像の線の画像１３３８および１３４０に従って、線の発光体１３２０を映像化する。別の出力ビームの束１３３０、１３３２および１３３４は角度の方向により表示から隠れている。さらに、散乱スクリーン１３４２上およびスクリーン上で見られる、これらすべての出力ビーム１３３２、１３２６、１３３４、１３２８および１３３０を集光すると、大幅に異なる結果が認められる。直視型のスクリーン１３４２は光線の束１３３２、１３３４および１３３０からの全般的な照明を示し、束１３２６および１３２８から照明が集結され、線の発光体１３２０の不鮮明な表示が現れる。
【０３４０】
図６０に示されるとおり、すべての近軸の光線の方向が本発明のそれぞれにおいて使用される場合、観察者の目によって知覚されるよりもより幅広く利用可能な出力領域が存在する。人間の目は、鋭角的に、わずか約±１度にわたり集光された光に焦点を合わせる。この角度の範囲の外側において、人間の知覚は急速に減衰する。この違いは、本物のプリズムが線の発光素子のおおよその動作に対して、単一の鋭角的に線を引かれた鉛筆の線を用いて使用される場合、簡単に証明される。９０度の頂点および２８ｍｍの幅の底をもつ高さ１４ｍｍのガラスのプリズムが例として使用される。プリズムの頂点を見る観察者は、約６．５ｍｍで互いからずらされたよく焦点の合った鉛筆の線を見る。これは、θ3を４５度に設定したとき、式３３の近軸の近似を行ったときに与えられる値である。
【０３４１】
視覚と完全なシステムの動作の二分法は、本発明においてプリズムシートの好ましい使用に影響を与える重要な設計の問題を発生させる。図１（および図２）のプリズムシート７の重要な高さＧ１または図３、７および１５のプリズムシート５８および６０のＧ１’は、直接的にプリズムシートを介した視覚的判断により設定されるか、またはプリズムシートの上方に配置された散乱性の層２８を通して設定できる。また、重要な高さＧ１およびＧ１’はシステムレベルの数学的な計算により設定できる。どれが最良の方法かを決定するのは、プリズムシートまたは複数のプリズムシートからの出力光線が使用される方法に依存する。
【０３４２】
人間の視覚とシステムの性能の間の同一の二分法は、図６１に示されるとおり、マイクロプリズムに対しても同様に存在し、単一の微小規模のプリズムシート５８の断面図および単一のストライプ発光体１３４４（図１の２４に相当）の７．４ｍｍ幅の開口部から発光される光への影響が図で表されている。ストライプおよびプリズムの軸は平行に調整される。マイクロプリズム１３４６の高さＨが小さくなればなるほど、（図５５の場合のように）内部の画像の置換距離Ｓはますます小さくなる。制限において、十分な小さなマイクロプリズムのアレイとの全体の画像の置換は、式３４で与えられたとおり、おおよそＳ’になる。密集したマイクロアレイの検出（およびモデリング）における便宜のため、単一の９０度のプリズムの設計は上に示されている例示の高さ１４ｍｍのプリズムから、実際に追跡される０．２７６ｍｍのプリズム素子の底の幅を用いて１４５のユニットのアレイに縮小される。マイクロプリズム素子１３４６は、さらに、同じ光学材料（例えばアクリル樹脂、Ｎ＝１．４９）から作られる薄い（０．１ｍｍ）平面の支持基板１３４８と光学的に接触して、置かれる。
【０３４３】
３ＭのＢＥＦより一定尺度で５．５倍大きいにも関わらず、この便利な検出は、実際には、構造および光学的な性能に関して、機能的に同等である。発光ストライプ１３４４は、また、図５５、５７および６０の場合のように、それぞれが別個に分割され置換された、平行な微小の発光線の非常に緊密なアレイとして考えられる。
【０３４４】
図６１の構造から導かれる式３５で表される近軸の理論は、均一な発光ストライプの幅Ｗが同等の距離１３４８、Ｗ、によりプリズム基板から埋め合わされる場合、軸１２４８に沿って見る人間の観察者は、お互いに実際に接触している、２つの虚像のストライプ画像１３５０および１３５２を見る。これにより示される構造は、実物の体験において実際に体験されるものである。この例の１つとして、２つの鋭角的な鉛筆の線がそれぞれに対して平行に、１枚の白紙に８ｍｍの間隔で、線が引かれている。さらに簡単に見るために、鉛筆の線の間のストライプ領域はオレンジに色づけされる。標準的な１ｍｍの厚さのガラスの顕微鏡用スライドは、紙の面と単一の３ＭのＢＥＦの面との間に物理的なスペーサーとして積み重ねられ、プリズム溝は線が引かれた鉛筆の線に平行に並べられている。スライドの１つの山は観察されるストライプの両側に設置され、そのために、ＢＥＦと紙の間の空白はガラスというより空気である。プリズムアレイとストライプ面との間の８ｍｍのオフセットを用いて、プリズムシートにより作成される虚像の画像は、それらの間の余白が約１ｍｍ（またはそれ以下）で、相互に真横に現れる。これは、近傍の理論と実体の間の小さなずれが、斜めの光線が考慮に入れられた場合に発生することを示す。完璧な表示は、実際に、実験に基づいて完全な光線の追跡により確認される、近軸の近似値よりもオフセットがわずかに少なく生成されると、発生する。１２４８に沿った直視は、単一のオレンジのストライプの幅２Ｗが存在するように見えるものを示す。
【数１９】
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【０３４５】
一般的に、単一の９０度のマイクロプリズムシートを通して直接均一なストライプ発光体を軸上で見る特別な場合のための理想的なオフセットは、少なくとも最初の近似値に対して、発光体の物理的な幅、Ｗ、よりもわずかに少ない。個別のストライプ発光体のアレイが存在する場合、完全な虚像の像の表示に対する、それらの間の理想的な間隔はまた、連続する発光体の幅Ｗとほぼ等しい。この理由は、図６２に図で示されているとおり、平らな発光体の虚像の画像が実際に単一の拡大図を有するためである。結果として、各虚像の画像は、理想的には、その幅のわずか半分以上に対して等しい距離を移動する。これは、ストライプ面とプリズムシートの間のオフセットがＷｍｍよりわずかに少ない場合、発光体から右にＷ／２ｍｍ移動された画像および調整発光体により左にＷ／２ｍｍ移動された画像が、Ｗ／２＋Ｗ／２またはＷ離れて間隔を取っている２つの実際の発光体の間に存在する虚像の空き空間において実際にはまったく部分的に重ならず、お互いに、接触していることを意味する。
【０３４６】
８．２．２．５  ２つの積層および交差プリズムアレイからの出力光線の人間の知覚
類似の分析を、発光する正方形の２次元のアレイ（図４の場合および図３、７ならびに１５の複数層の照明の場合のように）の上方に位置する２枚の直交プリズムシート５８および６０用に行う。これは図６３に図で示され、簡潔性のために、単一の発光する正方形１１０、４つの移動（シフト）された虚像の画像１３５６、１３５８、１３６０および１３６２（隠れている）、発光する平面の上方に配置した２枚のプリズムシート５８および６０、および好ましい高さ１３８４（Ｇ１’）を含む。各プリズムシート５８および６０は、受動的な基板の層１３７２および１３７６、ならびに平行プリズムの層１３７４および１３７８を有している。プリズム素子の構造はそれぞれの溝の軸と直角な軸において出力ビーム１３８６の角度的な広がりを制限する。すなわち、プリズムシート５８が±βy、１３９２に出力光を制限し、プリズムシート６０が±βx、１３９０に制限する。それ自体では、出力光線１３８６は、４つの虚像の画像１３５６、１３５８、１３６０および１３６２（隠れている）のそれぞれから組織され発光されるために現れる。この調整は、図１５の発明およびすべてのその後の装置の例においてなされている、ＬＥＤアレイの基本である。プリズムシート５８および６０は、断面の均一性がプリズムシートと発光体の間の適当な空間１３８４を維持することにより影響される、有向のビームを放射する。空間１３８４に対する正確で分析的な表現は、下位のプリズムシート５８および上位のプリズムシート６０の両方を介する、近軸の移動および斜めの光線により複雑になり、屈折および反射の非常に多くの分析的な可能性ができる。過度に単純化された近似値が、下位および上位のプリズム素子の両方を照射する斜めの光線用に作成される。この状況は、図５５の素子１２２０の真下の別のプリズム素子を位置することにより説明される。この調整において、最初のプリズム素子の出力は、２回目のために入力になる。これらの状況下で、上で使用されるとおり、θ1、θ2、θ3およびθ4のための構造的な関係は、下位のプリズムシート５８が図６３に示される連続的な虚像の画像に対する発光アレイの上方に約Ｗ／２で間隔をあけるべきであることが示される。正確に８ｍｍ離れている８ｍｍ幅の発光する正方形に対する例に適用される実際の体験（ならびに完全な光線の追跡の分析）は、実際の間隔がわずかにＷ／２以上であり５ｍｍまたは０．６２５Ｗにより近いことを示す。
【０３４７】
図６３で機能上表現されているとおり、図１５の発明は、直接見られる照明の光源として（例えば、図１〜２により認められたバックライト装置、図４１の交通信号装置および図３８の実現可能なテールランプ装置として）、間接的に見られる照明の光源として（図１７〜３４の発光システムの例において、および、図４９および５０のバックライト装置として）、および見られる表面に照明を提供する照明の光源として（図２８の自動車のヘッドライト用途、図３９の劇場照明用途、図４０の道路照明用途、および図５１〜５２の作業照明用途として）使用できる。
【０３４８】
光源パネルの照明器または組み合わせが、間接的に見られる場合、空間的な均一性は、観察者と光源の間に位置するシステム素子により確定される。図１７〜３４の発光システム装置のそれぞれにおいて、例えば、第２段階の角度変換器は、出力光線、光源の開口部においてすべての点の平均を表すすべての空間的な点、を提供した。結果として、図１５の発明によって起こされるあらゆる均一性の作用は、システムの動作により非常に散乱されている。
【０３４９】
観察者が光源パネルの照明器（または組み合わせ）を直接見るのが可能な場合、図１〜２の発明の場合のように、従来の散乱器を用いる結合による空間的な均一性を強化することは好ましい。使用されている従来の散乱の量は、装置に依存する。
【０３５０】
８．２．３  虚像画像ビームの重なりが必要な実際的な例：蛇行性蛍光バックライト
これまでの本発明のすべての例は、図４または図１２のように、プリズムシート５８および６０により生成される虚像の変位を利用して、ほぼ連続または連続に近い画像パターンを得てきた事例に集中してきた。発光体間の間隔はほぼ発光体の幅に形成され、およびプリズムシートの高さは連続または連続に近い条件で設定されてきた。画像変位メカニズムだけにより十分な空間均一性を得るのが常に可能でないだけでなく、時には、使用する発光体アレイが等しい幅および間隔を持たないか、またはそれらを等しく作るのが望ましいことがある。
【０３５１】
これら状態のどちらかまたは両方において、有利な結果が可能になる。
【０３５２】
この状態の１つの例は、本発明の図１で、Ｃｏｒｎｉｎｇ，Ｉｎｃ．で開発された新しいフラットな蛍光ランプを使用するＬＣＤバックライトとし提供される。ＬＣＤバックライト用途では、観察者は通常、ＬＣＤ照明を提供するバックライトの実際の均一性で、ＬＣＤスクリーンを通して直接見る。バックライト付きディスプレイ画像用途の性能標準は、均一な照明、大部分の場合、すべてでないとしても、で判断される。一般にこの標準に適合するには、均一なバックライト表示が要求される。このようなバックライト用途の１つの好ましい発光体は、図６４のような、新しい、フラットな曲線状の蛍光灯ランプである。ランプの斜視図１３９６は、電極１３９６から電極１４００に、１６の並列１２インチ部分の曲線状に巻かれた連続の中空チャネルプロトタイプの１０．３インチ×１３．７５インチのガラス構造を示す。全長を単一の直線チャネルとして巻き戻すと、電極―電極間は約１８フィートとなる。
【０３５３】
図６４のフラットな蛍光ランプの断面１４０２は、１６の並列チャネルのうちの３つについて示される。この固有の断面はホウケイ酸ガラスの単一層から、Ｃｏｒｎｉｎｇ，Ｉｎ社で形成され、これは、半分に折り畳んで溶解さして、半分ずつの２つに分割する間に、溶解された表面１４０４および比較的フラットな表面１４０６を一体にシールし、溶解構造を崩壊することなく、完全に共通接合１４０８することでなされる。冷却の結果、斜視図１３９６に示す連続中空チャネルプレートとなる。この中空ガラスプレートは変形され、電極、適合ガス、ゲッタを追加し、その後加圧シールされ、標準蛍光体を有する内部のチャネル壁１４１０および１４１２をコーティングされて蛍光ランプとなる。安定期、電源、任意選択のインピーダンス調整コンダクタ４８を整合させて、ランプは、励起された蛍光体コーティングからガラス表面１４０６および１４０４両方を通して、白色光を放射する。発光プレートの直接観察は、並列蛍光チューブアレイを観測するのと類似である。チャネル１４１８間のスペーサ１４１６は、暗く現れ、全体発光体輝度に輝度のストライプを形成して見える。
【０３５４】
断面図１４０２（図６４）で、発光体形状を示す。ランプ厚さＴ１の１４２０は７．２５ｍｍである。蛍光体コーティングされたチャネル幅Ｗ１の１４２２は、約１２ｍｍである。フラットな幅Ｗ２の１４２４は、約８ｍｍである。蛍光体コーティング１４２４間の水平距離Ｗ４は約３ｍｍである。各チャネルの基本繰返し距離Ｗ３の１４２６は、約１５ｍｍである。
【０３５５】
ストライプのあるランプの例示形状１４０２は、図１の本発明の理想形状、発光体幅および等しく形成される間隔とは一致しない。Ｃｏｒｎｉｎｇ社は、ランプ開口から可能な最大ルーメンを生成するために、約３ｍｍのチャネル分離を形成する。
【０３５６】
この狭い発光体間間隔にもかかわらず、図１の多層方法を有利に用いて、必要なバックライト照明器性能を得ることができる。ここで関与する複合並列チャネル発光体断面の値について、プリズムシート５８の高さおよびその高さが引き起こす関連の発光体画像の変位は、ピークと谷の間の輝度変動が最小となるように最適化される。このとき、関連の散乱層２０はプリズムシート５８の上に最少距離２２、Ｇ２の高さを有し、照明器１４３４（図６４）が、全観察角度において均一あるいは特徴がないかのよう(featureless)に見える。
【０３５７】
均一性の最適化は、プラズマ密度およびコーティング厚さゆえに、円断面１４３６の中心にピークを有し、丸くなっている部分１４３６を横切って傾斜して低下する、蛍光発光体チャネル輝度プロファイルの複雑な特性によって可能になる。さらに、後方反射器５０は、表面１４０６（図６４）を通るチャネルにより出力される背面の光を回収し、それをチャネル間の暗い空間を含む全ての前方方向に向けて散乱するからである。これらの理由のため、チャネルの虚像の最適な重なりが存在し、これを、バックライト断面１４３４（図６４）におけるのと同様に、スペーサ層１４２８の厚さ１４３０を変化させることにより設定できる。
【０３５８】
この例では、層３４および２０は、Ｐｈｉｃｉｃａｌ  Ｏｐｔｉｃｓ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（ＰＯＣ）で製作された６０度×６０度ホログラフィック散乱器であり、層５０はＫｉｍｏｔｏ，Ｉｎｃ．，で製作された白色散乱器であり、層５８は３Ｍ社製のＢＥＦ−５０として製作された５０ミクロン幅プリズムを有する９０度プリズムシートであり、層１４２８は２ｍｍ厚さのアクリルプレートであり、ギャップスペーサ１４３２は８ｍｍ厚さである。さらに、層５０とランプ１４０２の間に１ｍｍの空隙がある。
【０３５９】
この配置では、出力光は、ＬＣＤバックライトの１５インチ対角開口を横切って、全観察角度で均一な表示に見える。軸方向輝度では、測定値は１８，０００〜２０，０００ｃｄ／ｍ2（nits）の間にあるが、これは、電極１３９８および１４００に接続される最適安定器回路に供給されるＤＣ１２Ｖおよび２．８Ａ（３４ワット）のランプ効率に依存する。
【０３６０】
この例で使用される特定の素子を用いると、高い表示輝度は、垂直および水平の表示方向の幅広い範囲にわたって確認される。輝度は、ａ＋／−４０度の範囲にわたって１０，０００ｃｄ／ｍ2を超え、±７５度の範囲にわたって±６，５００ｃｄ／ｍ2を上回ったままである。さらに、別の組み合わせは、表示輝度の増加に関連して、次第に表示範囲をより狭くするために配置される可能性がある。
【０３６１】
最も狭い実現可能な照明範囲は、単一のプリズムシート層５８が、以前に述べられたとおり、結果的に縮小されたスペーサ１４２８の厚さ１４３０、および、例えば、３０度×３０度または２０度×２０度のＰＯＣにより作成されたホログラフィック散乱器といった、散乱の範囲をより狭く変更された出力散乱器２０を用いて、２枚の直交するプリズムシート層５８および６０により置き換えられる場合に実現される。
【０３６２】
均一性は、大きすぎる距離（すなわち、約１０ｍｍから１００ｍｍ）および小さすぎる距離（すなわち、約０．５ｍｍから０ｍｍ）の両方ともを空間的に発生させる、明るさの変化の程度により、特徴付けられる。表示領域内の識別可能な箇所のどこにおいても、認識できるホットスポット、コールドスポットまたは影が無い場合、結果は、均一と考慮される。人間の視覚はさまざまな明るさの変化の程度それぞれに反応し、均一性は、両方の様式において容認できる性能を要求する。均一性さの判断は、濃度フィルタを介する直視またはフィルタされたＣＣＤカメラのどちらかによって、直接最適に行われる人間の反応である。高さ２２の出力散乱器２０はストライプの可視性が消滅するまで調整される。本発明の例において、これは、高さ２２が約８ｍｍの場合に発生する。スペーサ層１４２８およびプリズムシート層５８が除去される場合、均一な同様の程度は、本発明の例の比較できる厚さの約２倍である、２５ｍｍの間隔のスペーシング全体を用いて実現される。
【０３６３】
８．２．４  プリズム設計および好ましい照明器性能
プリズムおよびプリズム状アレイは虚像、および虚像から放射するビームを生じる。その重なり度合いは、発光体上方のプリズムの高さに依存し、次にプリズム形状および屈折率に依存する。前述のように、急角度のプリズムを備えたプリズムシートはプリズムの一定の高さに対してより多くの画像およびビーム変位を示す。よりゆるやかな角度のあるプリズムを備えたプリズムシートは、プリズムの一定の高さに対してより少ない画像およびビームの変位を示す。
【０３６４】
９０度プリズムでビュー１２４８の方向に沿って出力が中心にある１つの例として、臨界入力角θ1は２５．３度、θ3は４５度、θ4は２８．３３度およびθ2は１６．１７度である。プリズムの頂角が９０度から小さく（または大きく）なると、全角度がそれに応じて変わる。例えば、頂角が８０度に減ると、θ1は２９．１度に増え、それによって９０度のプリズムを有する場合よりも大きい画像の変位が所定のプリズム膜オフセットで起こるという効果を伴う。これは、８０度のプリズムを通して幅が８ｍｍのストライプで観察された画像は９０度のプリズムを有する場合よりも小さいオフセットで完全に位置合わせされることを意味する。必要とされる実際のオフセットは７．１４ｍｍで、間隙は０．８６ｍｍまたは１２％低減されて、これらは可能な限り小型であることを求められる用途において重要である。
【０３６５】
現在の照明発明の好ましい性能は、虚像の変位とプリズムの高さとの関係に依存し、いかなるプリズム設計に対しても決定することができる。設計されたプリズムに対して適切な高さを取ると、結果として生じる方向性のある出力ビームはまた、均一な断面をもっており、入力光のパワーの大きな部分に相当するパワーを放出することになる。実際の影響のほとんどの場合において、上述のように、双方の経線においてわずかに±βであるビームの効果的な角度範囲内に、ビームパワーを制限する必要がある。少量の広角度の補助光が許容される場合、光がこの範囲外で透過されるのが少なければ少ないほどよいが、投光および作業照明が求められる限定的な環境においてはこの限りではない。特にビデオプロジェクタ用途では、許容可能な照明角度の最大範囲外で伝達されたビームパワーも完全に浪費されてしまう。
【０３６６】
照明ビームに影響を与えるプリズムシート設計変数は、使用されるプリズムシート、プリズム媒体の屈折率および非透過光線の部分を透過性にするのに用いられる再循環メカニズムの効率性を形成するプリズムまたはプリズム状面の形状および角度の傾斜を含む。
【０３６７】
本発明の好ましいプリズム形状が９０度の頂角を有した対称的な（４５度−９０度−４５度）ポロプリズムであることがわかる。角度を有した出力光の分布および伝達された全伝達出力パワーのどちらかまたは両方において、他の形状学的変数がある不定数を示す。対称的な側角２３が狭い頂角と共に使用されると、わずかに狭いビーム線となるが、広い角度ではより顕著な光透過率となる。対称的な側角２３が広い頂角と共に使用されると一般的にビーム角を広げる。等しくない側角で得られた幾何学的な非対称は全て、より広く、より散乱したビーム角となる。同様に、図５３の好ましいプリズム状面等、屈曲面曲率におけるいかなる変化もビームの角度範囲を広げ、ビームの角度減少を和らげる。
【０３６８】
これを超えると、プリズムの屈折率は性能に対して特に著しい効果を示さない。アクリルの屈折率は約１．４９である。これを超え過ぎてプリズムを高くすることはプリズムが出力光の量を制限するので非実用的である。
【０３６９】
８．２．５  高さをもって配置されたプリズムシートおよび環状放射アレイ
本発明の高さをもって配置されたプリズムシートは、ＬＥＤおよびフラットな曲線状蛍光チャネル等の平らまたはほぼ平らな放射アレイを用いることを主として意図している。本発明は、特別なケースとして、環状発光体（すなわち標準蛍光管）のアレイにも適用する。ただし、環状発光源の虚像は最良の使用で適切に考慮する必要がある曲線領域を生じる。このため、理想的なプリズムシートの高さ（構造）は、平面発光体を備えた例とは実質的に異なる。
【０３７０】
直径Ｗの環状発光体に関して、放射表面が放射直径Ｗと少なくともおよそ等しい距離で相互に分離されるとき、９０度のプリズムシートが放射表面上の最も近い点の上方で、ストライプを有する場合と同様、完全な放射幅Ｗでなく、約Ｗ／２の高さがあるときに、オン軸観察者によって見られる比較可能な像分割が達成される。この曲面構造の近軸光線形状は、図６５および図６６で詳細に検討される。
【０３７１】
単一のプリズムシート５８が、３つのほぼ同じ環状の放射源１４４２の円周に対して接平面１４４２の上方に距離ＧＴ１４４０の高さをもって配置されたとして、図６５の横断面図に模式的に示されている。直径Ｗの環状発光体１４４４は、ランバート型のまたはランバート型に近い形体で、環状発光体の円周上のあらゆる点および環状発光体の長さに沿ったあらゆる点から光を放射する。広く反射する背面５０は発光体１４４４を取り囲む箱状の容器の底部を形成して、一般に各環状発光体の底部の半分から発光体間の隙間の方で発光体自身の後方に放射された光を散乱する。発光環状軸に平行に走るプリズム溝を有するプリズムシート５８は好ましくは、接平面１４４２の上方にＷ／２（Ｗは発光体中心線１４４８の上方）に等しい距離だけ高くなっていて、発光出力ビーム１５００および１５０２間の境界は、ビュー１４４６の軸に沿って見たところ、実質的に接触しまたは切れ目がなくなっている。
【０３７２】
高さをもって配置されたプリズムシート５８が左側出力ビーム１５００を生じる方法が、図６６の断面図において図６５の中心発光管上でより厳格に切り離して記述される。この場合、図６６において、放射断面１４４４は点Ｆで最初に中心となる。９０度プリズムシートの断面が示されているように置かれ、線Ｉ−Ｊの平面で発光体の上部に距離Ｗ／２で（Ｗは放射幅または直径である）位置する。観察軸はＨ’−Ｈに平行な線に沿っている。観察軸に沿ってプリズム膜を出る近軸光線用入射軸は線Ｋ−Ｂに平行で、上記で明らかなように、観察軸に対して角度θ1をなす。９０度のプリズムのこの照明の場合、角度θ1はおよそ２５．３度である。可視光線が左側虚像に与える放射面の部分は、少なくとも理論上は、表面点Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ｅ間、すなわち放射面を正確に半分覆う部分を走る厚い黒線で強調される。放射点Ａからの実効光線は発光体の内部を通り抜ける必要なく、また放射面Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ｅの可視部を横切らずには観察者に到達することができない。従って、プリズムシートを通して見られるような発光体の可視部は正常な状況下で見られる発光体の上半分ではなく、表面Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ｅ−Ａから逆時計周りθ1に回転したＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ｅ部である。これは、プリズムシートを通って示すことによって、観察者が発光体の水平点Ｂの周りを効果的に見ていることを意味する。この放射部Ａ−Ｂの投射幅（Ｍ−Ｌ）は、８．５ｍｍの直径シリンダに対して（Ｗ／２）Ｔａｎθ1Ｓｉｎθ1または約０．８６ｍｍである。
【０３７３】
虚像の全投射幅はＷであって、全表面から視覚的に有効な近軸光線が受け取られると考えられる。しかしながら、プリズムと発光体との間のＷ／２の始動オフセットで、放射面上の縁端点Ｅからの光線が発光体の中心線Ｆ−Ｈに到達しないことに留意されたい。これは、左側の虚像と右側の虚像との間に不完全な分離（または重なり）があることを示している。この不完全はシリンダの頂点Ｃと最も近いプリズムシート点Ｈとの間のオフセットを増加させることによって修正できる。
【０３７４】
これによって、最良の出力輝度の均一性に対する仕様に関して重大な設計問題が生じる。各々が比較可能に示されている光線Ｅ−Ｎ，Ｄ−Ｈ，Ｃ−Ｋ，Ｂ−Ｌ，Ａ−Ｍが軸の観察者に光束を出力する場合、点Ｈで完全な左右の虚像を位置合わせ条件として、発光体の頂点Ｃを下方へ、プリズムシートからさらに距離（Ｗ／２）Ｓｉｎθ1離れて移動させる必要がある。ただし、放射された光線が発光体接触ＡおよびＥに近づくＡ−ＢおよびＤ−Ｅ部から観察者へ著しく低い光束が到達する場合、この修正を行うと他の隣接する画像間で明らかな隙間となる。この設計選択は、概して発光体固有の輝度の均一性を観測角の機能として理解する重要性を強調する。
【０３７５】
８．２．５．１チューブを用いた実験確認
３Ｍの標準的な９０度プリズムシート、ＢＥＦを用いる数個の簡単な視覚的実験によって、環状発光体の放射特性を理解し、その後正確に補償することの重要性が例証される。
【０３７６】
まず、よくある８．５ｍｍ直径の画家用のクレヨンが例証される円筒状の発光体として用いられる。任意の円筒状の物体もこの目的で使用することができるが、容易に入手できるクレヨンは特に便利でグラフィックである。この場合、いくつかの隣接したダミーのクレヨンの先端上に１ｍｍのガラススペーサが置かれる。したがって、クレヨンの下方の縁端に平行に走る観察ＢＥＦプリズム溝の下で、ガラススペーサは３ＭＢＥＦ基板とクレヨンの先端部との間に空隙を正確に設ける。ＢＥＦシートがスペーサクレヨンで直接吊り下げられる（すなわちガラススペーサがない）場合、ＢＥＦ基板の滑らかな側が（ゼロオフセットの状態を構成する）ビューの下のクレヨンの周縁に正確に位置する。この場合、観察されたクレヨンの画像は、接触線に対して明らかに重なる対称な、中間で４ｍｍの幅領域を有する２つの重なったクレヨン像に細かく分割した結果、約１４．５ｍｍの幅に拡大されたように見える。画像のこの中心部は変位部分よりも相当明るい（および鮮明である）ように見える。
【０３７７】
各辺に５つの１ｍｍのスペーサを加えると、プリズムオフセットは５ｍｍに増える。この間隔では、クレヨンの画像は中心線に沿っておよそ０．５ｍｍ離れているように見える。白あるいはカラー紙の下にあるシートがクレヨンの像と最も好ましいコントラストを与えるために用いられる。注意深く観察すると、クレヨンの表面画像は実際には中心線に沿って接触から相互におよそ４５度下方へ傾き、もとは環状の断面がスラブのように見えるものに平らにされたかのように見えることが示唆される。このために、クレヨンの包装紙上の印刷は曲面ではなくほぼ平面から読み込むことができる。ただし、各画像の視幅は、もともとの８．５ｍｍ直径から１０．５ｍｍ幅の「平らになったスラブ」までわずか拡大したように見える。この１．２３×倍率は、何の倍率も示唆しない図６６の近軸光線形状からは予測されない。倍率および関連した像のぼかしは人間の目によって受け入れられる通常２度の角度によって説明できず、スキュー光線の動きによって説明される。
【０３７８】
明らかな１．２３倍の画像の倍率係数に加えて、より近い検証によって曲がった画像の性質についてより多くのことが明らかとなる。１ｍｍの標識線を有する紙ストリップがクレヨンの包み紙の周囲に適用、テープで留められる。この目盛を追加し、クレヨンの頂点を物理的に強調することで、結果として生じる像の構成をより臨界的に見ることができる。近軸方程式によると４ｍｍのオフセットで１．９ｍｍの頂点移動が予測される。我々は、観察の精度内で、明らかな倍率係数で掛けられた予測移動に近い約２．５ｍｍの移動を実際に観察した。頂点の標識線の左右で、クレヨン表面にテープで留められた１ｍｍの円周標識線４および９をそれぞれ見ることができる。なお、各辺における最後の標識線は拡大鏡を用いずに視覚化することは極めて困難である。図６６の点ＡおよびＥ間の実際のクレヨン円周は１３．３５ｍｍである。したがって、少なくともこの場合、我々は図６６で点Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ｅで指定されたほとんど全１８０度から光を見るように思われる。
【０３７９】
８．２．５．２  ストライプを用いた実験確認
比較のために平面のストライプを用いて同一の実験が行われた。この場合、８．５ｍｍ離れた２本の平行線を用いた白い紙の上にストライプがはっきり引かれる。その後、この紙は平らな表面上に置かれ、線が垂直に走るように位置決めされる。わかりやすくするため、線の間の領域にオレンジ色が付けられる。再び、１ｍｍのスライドガラスが２つの等しく高いスタック内に、各々が色の付いたストライプの左右に１インチ程度で、両方が視界から完全に消えるように置かれる。前述同様にＢＥＦシートが滑らかな面が下になるように置かれて、プリズム点が観察者と対向するように吊り下げられる。フィルムの溝は、下にあるストライプの縁端部と平行に走るように方向付けられる。何らガラススペーサを用いない場合、観察者は波状のプリズムフィルムが完全に透明であるかのようにはっきりと単一のストライプを見る。その後、ストライプの両辺で用いられるガラススペーサの数が増えると、全体のエッジ対エッジ幅によって示されるように、ストライプは次第に広くなるように見える。スタックが両方とも８ｍｍ高さである場合、ストライプの幅はほぼ正確に２倍になるように見える。視覚によっては、観察者は、間に薄くて（０．５ｍｍ）白い隙間を有した２つの隣接するストライプの像を見る。それによって、用いられたオフセットが完全な視覚的な画像の登録を達成したであろうオフセットよりもほんのわずかに大きいことが示唆される。各ストライプの像の輝度は、クレヨン像と同様、もとのストライプの像のおよそ半分であるように見える。視覚測定は、表１における正確なコンピューター光線跡モデルによって予測される結果と共に、一組のオフセット距離に対する方程式１〜３に基づいた近軸計算と比較される。
【０３８０】
【表１】
2006504116.tif 000022
【０３８１】
アリゾナ州トゥーソンのＢｒｅａｕｌｔ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎによって開発支援された実用的な光線跡ソフトウェアＡＳＡＰ（商標）が、１つ以上の広角のストライプ発光体と機能的に現実的なプリズムシートと人間の目に近づけられた目視条件とを備えた動的システムモデルを作るために用いられた。
【０３８２】
表１における結果は、コンピューターモデルと視覚測定との間で優れた一致を示している。偏差はより小さなオフセット距離に対しては最大となるが、約６％を超えない。近軸計算さえ８ｍｍのオフセットまでは極めて妥当であり、それを超えた偏差は５〜６％を超えない。
【０３８３】
８．２．５．３  チューブとストライプの視覚的な差
プリズムシート５８を通して直接観察すると発光チューブが発光ストライプと異なって視覚化される一つの理由は、図６６および６７に概略的に示されているように、チューブの周縁に沿った放射線とプリズムアレイとの間のオフセットが位置によって変化することである。図６６において、発光体の頂点Ｃからの物理的な放射がプリズムシート５８上の空間点Ｋから生じたように見える。図６８を参照すると、そのような放射の元は、曲率が物理的な発光体１４４４自体の曲率と全く異なる曲面１５２０から生じているように見え、そこではシリンダ上のどこで実際に発光が始まるのかによって距離が移動される。（注：水平な発光ストライプに関して、ストライプ内のどの平行線も所定のエアギャップに対して左右同じ距離を移動する。）
【０３８４】
ただし、図６７のシリンダ周縁１４４４上に示された三角形（Ａ）の点は、発光体の表面に沿って選択された放射線１５０６、１５０８、１５１０および１５１４の位置を表す。シリンダの頂点Ｄ’より低い各点の正確なたるみ１５１６（ＡＳ）が半径Ｒの円形断面を有した表面に対して方程式３４を参照して再現された標準の式で与えられる。この式において、ｘはプリズムシート基底面と平行な軸で、円筒状の放射の場合に対するＲはＷ／２である。正方形（θ）で指定された点は置換された虚像の焦点平面深さとそれぞれの元の放射点に対応する空間移動を表す。これらの点を通って引かれた曲線１５２０はこの条件下で作られた虚像を左手から直接観察した場合の実効焦点平面と見なされるべきである。シリンダの縁端部に近い放射線は、シリンダの頂点により近い放射線よりも大きい距離移動される。従って、放射チャネルの輝度不均一を均質化するように、高さをもたせてプリズムシートを置くやり方は、発光体の断面形状に強く依存し、その後は放射表面を覆う輝度不均一に依存する。標準的な市販用蛍光管は空間的に均一なランバート型発光体である。例えば図６４に描かれた曲線状で平らなチャネル等いくつかの他の蛍光源が、端部の輝度ロールオフに対して重要な中心を示す。
【数２０】
2006504116.tif 000023
【０３８５】
実験的に評価した８．５ｍｍ幅の発光ストライプに対する同様の説明が図６８で示される。発光面１５２４の上方に正確に８．５ｍｍの高さに置いたプリズムシート５８に関して、虚像面１５２２がプリズムシートの下方に６．５ｍｍをわずかに超え、発光面の上方２ｍｍをわずかに下回るように形成される。
【０３８６】
８．２．６  直視される出力均一化に対するプリズムシートの高さの効果
虚像の分離メカニズムを理解し正確に設定することが非常に重要である主要な理由は、比較的少ないパーセンテージであっても、誤った高さをもって配置されたプリズムシートが輝度の変動を導入し、その変動はそれ自体直接観察された不連続な放射光源アレイと同様に観察者にとって視覚的に邪魔になるからである。しかし、好適な高さを設定すれば、プリズムシートのみによって、倍率、画像移動、画像ぼかしおよび画像重なりを含む照明に対する変化の組み合わせによって視軸に沿って視覚的な外観を著しく改善することができて、複合効果によって、与えられた条件に対して、観察開口全体にわたって最高輝度と最小輝度との差が可能な限り小さくなる。
【０３８７】
しかし、直視された照明のいくつかの用途には、照明の出力開口全体にわたる特徴の無い均一性と称せられるものが必要とされる。虚像の上方のプリズムシートを正確に高さをもたせる手段によって本発明で作られた虚像が最適に重なり合う一方、プリズムシートに高さをもたせて置くだけでは、それ自体に十分に特徴の無い均一性を生成できない。変位された画像の境界で可視的な輝度変化が依然としてあってもよい。
【０３８８】
画像の変位はそれ自体出力の均一性を著しく改善するが、さらによりよい結果が、１つ以上の追加散乱メカニズムを通して出力光をろ過することにより得られる。透明なプリズム状層を直接通る虚像の焦点平面を観察するよりもむしろ、図６９で概略的かつ理想的に示されているように、直視は、高さをもたせて置いたプリズムシート（複数可）の上方にさらに高さをもたせて置いた１つ以上の散乱的散乱層を通して見ることによって間接的に達成されるのが好ましい。
【０３８９】
図６９の一般化された模式的な断面１５４２において、単一のプリズム状層５８が不連続な放射光源１５３０の上方に距離Ｇ１だけの高さをもって置かれており、２つの標準散乱面１５３２および１５３４が続く。散乱面１５３２はプリズムシート上方に距離Ｇ２だけの高さをもって置かれ、散乱面１５３４は、散乱面１５３２の上方に距離Ｇ３だけもたせて置かれている。標準的な光散乱面（複数可）が同じ不連続の放射光源１５３０の上方に距離Ｇだけの高さをもって置かれた断面図の詳細１５４４によって示されるように、プリズムシートおよび従来の散乱メカニズムのこの連続した多層の組み合わせによって、所定の全散乱厚みに対して、どのような従来の散乱面のみを用いて得ることができる輝度の均一性をも改善することができた。どの場合においても、面後方反射器は発光体の下に置かれて、発光体から、発光体と発光チャネル自体との間の隙間を通る、いかなる後方放射をも戻して、ＢMAXとゼロとの間よりもむしろＢMAXとＢMINとの間の１つとして放射アレイ固有の輝度変数を確立する。ＢMAXとＢMINとの間の比率が近ければ近いほど、散乱面のシステムによって達成される全体の輝度の均一性がよいことが理解できよう。
【０３９０】
散乱面１５４６と下方に位置する不連続な発光体１５３０との間のオフセット距離Ｇが十分大きくされ、散乱面が十分に強力に散乱するものであれば、詳細図１５４４の標準的な高さをもって配置された散乱体による方法によってほぼ均一にまで、ほとんどの輝度不均一も最小化することができる。そのような状況下で、隙間が大きければ大きいほど、散乱面上のいずれか２つの小さな領域に到達する光線の数がより等しくなる。ただし、高さをもって配置されたプリズムシート（複数可）と従来の散乱面とを多層組み合わせた本願によると、同一の視覚結果が全厚みを小さくして達成できる。この改善が可能な理由は、高さをもって配置されたプリズムシートの平滑化作用によって、変位された虚像による相当程度に低減された輝度変動を、標準的な散乱を用いてさらに最小化することができ、ここで、標準的な散乱のみを用いる場合に必要があったであろう高さと比べて相当程度低い全高をもってこれを実現することができる。
【０３９１】
８．２．６．１  標準散乱性能と高さをもって配置されたプリズムシートを組み合わせた標準散乱器との実験比較
標準散乱面１５４６が、図６９の断面図の詳細図１５４４にあるように、不連続な発光体が視覚的に均一になるよう観察されるまで、不連続な放射基準源１５３０の上方に距離Ｇだけ高い位置に設置する。簡単な実験として、不連続な源はストライプ自体と同じ幅の非放射領域によって分離された一連の発光ストライプである。特徴の無さ（均一性）は定性的な判断であるが、いつストライプのパターンが見えなくなるかに関しては確実に受け入れ可能に区別される。このような輝度におけるピークと谷との間の差が１％よりかなり小さいこともあるため、均一性を測定器で測定することは極めて困難である。
【０３９２】
特徴の無い（均一な）画像輝度を確立するのに必要な大きなオフセット距離Ｇで、標準的な散乱面の表面上の最大点および最小点ＢMAXおよびＢMINでの輝度は、それぞれ散乱されていないストライプの輝度の半分よりもかなり下回り、ＢMAX／ＢMIN比はＧ＝０での非常に大きい値からＧ＝Ｇ１での１．０５未満まで減少する。
【０３９３】
具体的には、薄くて不透明で白い、広く反射するバックライトシートに８ｍｍ離れた８ｍｍ幅の窓を設けると、もともとのＢMAX／ＢMINが約１５〜２０であり、この実施例においてはストライプ内であればどこでもＢMAXは約３０３０ＦＬであることを発見した。そのような発光体が非常に明るくて均一な幅領域の蛍光源を覆うパターンを置くよう形成されて、ストライプを通る放射も生成する。厚さが１ｍｍのスタック型スペーサが薄いホログラフィック散乱面をこの照明放射表面からオフセットするために用いられた。出力は目およびＣＣＤカメラによって観察された。輝度はスペクトル走査モデルＰ−６４０放射計を用いて測定された。
【０３９４】
８ｍｍの高さでは、発光ストライプは明らかに可視的で、それらの間の隙間はストライプよりも視覚的に暗かった。散乱面の高さが増加すると、明るい領域と暗い領域の差が減少するが、その差はなくならなかった。この場合、Ｇが２６ｍｍを超える時のみ、ストライプは不可視近くまで次第に消えるように見えた。散乱面の間隔が２８ｍｍの場合、視覚的なコントラストは全く識別されなかった。１枚よりも２枚のホログラフィーシートをともに重ねたときに、特徴がなくなるのは、散乱面の高さ２４ｍｍで達成された。試されたその他全ての従来のバルク散乱材料は、比較可能な結果を得るために少なくとも３２ｍｍの高さを必要とした。単一の散乱層を用いる場合、平均的な輝度は１３００ＦＬであった。２層を用いる場合、輝度は１１００ＦＬであった。
【０３９５】
本発明による多層プリズムシートシステムは、単一の標準散乱層１５３４のみを用いて図６９の断面詳細図１５４２に従って構成された。プリズムシート５８はまず、この実施例において７．９ｍｍであるＢMAX／ＢMIN比が最小にされたストライプの基準源の上方に高さＧ１で配置される。その後、観察された出力均一性が、ちょうど標準的な散乱面で得られた均一性と同様に現われるまでＧ３を次第に増加する。最良の結果は、上述の単一のホログラフィー散乱層の結果よりも低い約８ｍｍ、または全体で約２１ｍｍであった。この最終的な厚みは正確に＋／−３ｍｍ変化し、プリズムシートの最初の間隔を設けるのに用いられた。パッケージの薄さが市場価値に重要な点と考えられている今日の平面パネルディスプレイの用途の多くに拡大されるとき、全体の厚みにおけるそのような改善は重要になり得る。
【０３９６】
この場合の出力輝度は標準的な散乱面を用いた場合とほぼ同じで、どのプリズムシートの後方反射光を回収する試みも行わなかった。
【０３９７】
好ましい高さを有するプリズムシートの出力均一性は軸上での観察で最良となり、軸の外になる観察方向においてはシステムの隠蔽力が低減する場合もある。低減された軸の外での隠蔽力に関するこの傾向は、図６９においてプリズム点のちょうど上で比較的弱い散乱層１５３２によって効果的に取り除くことができた。この余分な散乱層なしに、単一の散乱層をもって、軸上での観察が軸外での観察と同じくらい均一にするためには、高さを４ｍｍ増加されなければならなかった。しかし、プリズム点のちょうど上方に弱い散乱シートを用いると、余分な厚みは必要なかった。
【０３９８】
多層散乱面が標準的なやり方よりも有利であることについての別の見方は、よく調整された構造からプリズムシートを除去することによって得られた。これがなされると、不均一で、明るい帯域と暗い帯域が非常に強く再現された。特徴がない均一な明るさを得るためには、３つの標準散乱面を１３〜１４ｍｍの間隔で積み重ねることが必要とされた。
【０３９９】
上記の議論を念頭におけば、原理的に、この仮想的な多層システムの合計Ｗ＋Ｇ２がなぜ標準的な散乱方法のみを用いた場合の間隔Ｇ１よりも小さくできるのかを、高くなる可能性がある多層方式の輝度Ｂ２と共に、すでに十分、少なくとも定性的に理解されていることがわかるであろう。
【０４００】
説明のため、各ケースにおける発光体間隔が放射幅と正確に等しくされていると仮定しよう。標準的な散乱面に対して、発光体のもともとのピークと谷の間の輝度の比が小さければ小さいほど、所望のレベルに対する輝度変化をならすのに必要とされる間隔Ｇが小さくなることを、定性的には一般的に理解されている。それ自体が作用する９０度プリズムシートが放射間隔の間の暗い間隔を発光体自体の対称的に置かれた虚像で埋めることによって最悪の輝度変化を低減することもまた我々は理解している。さらに、これらの虚像が何ら隙間も重なりもなく相互に位置合わせすると、結果として生じる輝度比は変換前よりも著しくよくなるであろうことも理解される。図１８はすでに８．５ｍｍ幅のストライプの虚像の焦点深度をプリズム面のおよそ７．３ｍｍ下または放射幅の約０．８６倍としてすでに確立している。その後、プリズムシート上方の標準散乱面の間隔Ｇ２は十分なければならず、それによってプリズムシートの焦点深度ＦＤに加えられたときに、標準的に採用された上層部に対するすでに向上した輝度分布を改良するために十分な全体的な光学スタンドオフがある。適切な高い位置に配置したプリズムシートは標準散乱面と同じ（またはよりよい）ピークと谷の間の輝度比を達成するが、著しく小さい物理的なスタンドオフ（Ｗ＜＜Ｇ）でそのように達成するので、多層システムの全厚さ（Ｗ＋Ｇ2Ｂ）が標準厚さＧ１よりも実質的に少ないことも予想できる。
【０４０１】
８．２．６．２  直視用途における観察方向の変化に伴う虚像の重なりの変化の抑制
一般に、高さをもって配置されたプリズムシートによって与えられた照明に対する最適な観察軸はプリズムの基底面に対して垂直である。観察方向がこの軸から離れて移動すると、原面の上方に高さをもたせてプリズムを配置したことによる好ましい虚像の位置合わせが、意図されたものからそれてしまう。
【０４０２】
本発明のいくつかの照明用途においてそのような方向的に精密な観察はほとんどまたは全く重要ではないかもしれないが、他の用途においては視覚的に邪魔になり得る。簡単な設計上の調節を、照明の視覚的外観の恒常性が重要で、追加散乱層によって生じる非効率および厚み増加が実用的でも好ましくもない用途において用いられる発光体間隔に対して加える。
【０４０３】
発光体間隔が発光体幅と正確に等しくされたとき、およびプリズムシートの高さが完全に連続した軸上の虚像位置合わせに対して設定されたとき、この方向的な変動の特に厳しい例が発生する。観察方向が軸外へとさらに移動すると、完全な画像設定の条件が危うくなり、図７０の空間の輝度プロットで示されているように、輝度の均一性に関連する変化が生じる。実際、大気温度の変化によって、人間の誤りか物質の耐性かまたは熱膨張によって、プリズムシートが誤った位置にあるときに、同種の空間の輝度の不安定性が生じ得る。これら意図していない状況の何れかにおいて、出力散乱面に対して表された最大と最小の輝度比は、もともとの発光体ＢMAX／ＢMIN比自体よりもよくならないであろう。そのような場合、高さをもって配置したプリズムシートによる方法は標準の単一層散乱面よりも均一性の利点をほとんど提供しないこととなる。
【０４０４】
ただし、そのような効果の程度を低減する実用的な方法がある。どんな問題原因があろうとも、画像重なりの効果を最小限にするように発光体の間隔を意図的に選ぶ。最も効果的な間隔は、発光体幅よりも小さい間隔から発光体幅の半分よりも小さい間隔まで広がっているのが理想的である。発光体幅の半分の発光体間隔をもたせた場合の出力均一性が図７１に示されている。
【０４０５】
より方向的依存性の少ない照明観察を必要とする用途において、狭い発光体間隔の方への好みを確立するのは図７０および図７１の実施例の間の輝度比における差である。図１７〜３３のビデオ投光システム、または図４６〜５０の直射ＬＣＤバックライト用途等の他の用途は、両方とも照明器の輝度を均質化する内部手段と出力照明の単一軸を提供し、軸外の観察を安定化するのにそのような非常手段を取る必要なしに、高さをもたせたプリズムシートによる照明手法を用いることができる。これは自動車ヘッドライト（図３８）、劇場照明（図３９）、道路沿いライト（図４０）および内部の投光／作業照明（図５１〜５２）における一般的な照明用途にも同様に当てはまる。しかし、伝統的なＬＣＤバックライト、交通信号（図４１）および車両の後方端部のハイマウントストップランプ（図１０）を含む他の直接的な観察された照明器等の用途に対しては、視野角からの照明器の視覚的外観は性能の重要な点であると見なされる。
【０４０６】
物理的な幅Ｗよりも発光体同士を近くに移動することによって、発光体の虚像が発光体間の隙間で、非常に極度であるため重なりが除去できないときに、画像変位において意図されていない移動に対して効果的な耐性を与えるある有限な距離で重ねられることができる。そのような条件下で、図７１の実施例にあるように、重なりピークの明らかな空間周波数のみに影響する画像重なり（および観察方向）の度合いにおける中程度の移動にもかかわらず、輝度比２ＢMAX／（ＢMAX＋ＢMIN）は一定のままである。この場合、輝度比が変わらないままだとすると、従来の散乱面の隠蔽率は空間周波数における変化に対して比較的反応しない。そのような状況に対して、多層システムの出力散乱面の隠蔽率は、通常もともとの発光体の輝度の半分以上である減少した輝度変化を対処するのにちょうど十分なようになされる。
【０４０７】
図６９では１５３１の図１および図６４〜６６の後部反射器５０による、または下に置かれた散乱的な反射材料を介したプリズムシート５８および６０の基本的な再利用メカニズムの手段による実施例と同じように、この放射間隔照明はまた、もともとの発光体の間にできるだけ多くの照明を与えることの重要性を指摘する。ＢMINが大きければ大きいほど、もともとの輝度変化を低減するプリズムシートの効果も大きくなる。最悪の場合、発光体は何ら実効的な放射厚さを有せず、たとえあるとしてもほんの少しの光線が発光体間に与えられる場合、ＢMINはゼロに近づき、結果として生じる輝度比は２：１に近づく。最も実用的な放射アレイにおいて、個々の発光体とそれらの下の反射器との相互結合が放射領域間で感知できる発光体を生成し、結果として生じる多層散乱面に対する内部の輝度比は２：１よりもかなり小さく、その結果より有効な用途へとつながる。
【０４０８】
放射アレイの元の輝度比が実質的に２：１よりも大きいとすると、プリズム基底の多層構造は標準散乱面のみよりも価値を高め、さらに観察方向の幅範囲よりも価値を高める。
【０４０９】
８．２．６．３  不均一な発光開口を有する発光体を用いた場合の好ましいプリズムシートの高さ
これまで、照明は、全放射表面に実質的に均一な照明を与える（または与えるように作成されることができる）発光体（ＬＥＤチップ、ＬＥＤキャビティまたは発光ストライプおよびチューブ）に重点を置いてきた。理想的にこのように機能する発光体は実生活ではほとんどない。アレイにおける各発光素子が、明るい中心から薄暗い端へと存在する著しい輝度変化を示す場合、その変化はプリズムシートによって確立された均一性に強い影響を与えることができ、プリズムの高さの選択とそれが作り上げる関連した画像重なりにおいて説明されなければならない。この一例として、図７１で描かれた同じもともとの（１次元の）発光アレイだが、先の発光均一性の代わりに端では輝度が減少する発光アレイを検討する。図示の目的で、輝度が正弦関数で変化する、すなわち、Ｂ＝Ｂ0ＳｉｎＫであることが前提となる。なお、Ｋは適切な空間座標である。多くの実際の発光体が、種々の理由で少ない光束しか放射されない縁端に向かって、輝度が減少することを、全体の内部反射および長い光パス長さの効果と共に実際に示している。
【０４１０】
そのような不均一性から結果として得られる輝度変化が２つの放射ストライプ１６００および１６０２、発光体の輝度プロフィル１６０４および１６０６および放射表面の上のある高さのある位置にプリズムシート５８を置くことによって作られた４つの重なった虚像１６０８、１６１０、１６１２および１６１４の概念的な断面図を示す図７２において理想化される。上述のように、関連する画像の変位は、観察方向によるのと同様に、プリズムの高さの正確な値に依存および制御される。これら特に重なった虚像の合計から生じる合成の輝度変動１６１６がまた図７２に示されている。この関数は、比が出力散乱面（すなわち図６９の１５３４または図１の２８）と結び付ける必要がある隠蔽力の量を決定する２つの基準輝度の値１６１８および１６２０を有する。画像の変位が変化すると、どのような理由があるにせよ、合成関数がそれに応じて変化し、実効的な輝度比に対応する変化を引き起こす。
【０４１１】
この正弦関数変化の状況は分析的に表され、幅Ｗおよび間隔Ｓの発光体によって特徴付けられるいかなる放射アレイにも一般化され、そこではオフセットプリズムシートの結果として、△のピーク対ピーク画像変位があった。
【０４１２】
プリズムシートにおけるいかなる伝達減衰量（または増加量）の前に、各発光体虚像のピーク輝度Ｂ0が、正規化係数Ｋ掛ける放射体ＢEの輝度の半分である（Ｂ0＝ＫＢE／２）。輝度比に関係するこの実施例に関して、一般には、Ｋが相殺するために、それに起因する実際の輝度レベルを計算する必要がない。これを念頭に置き、プリズムが移動した合成輝度の分布において２つの画像輝度関数と３つの重要な輝度レベルがある。虚像の２つの輝度の関数ＢVIM-およびＢVIM+が式５および式６で与えられ、ここで、パラメータ△は、ある発光体に関連した２つの対称的な虚像の組の間についてのミリメートルでの中心対中心の移動距離である。これらの関数に対する原点（ｘ＝０）が左手の発光体の左端として得られる。１つの重要な輝度レベルはもちろん所定の虚像のピーク輝度で、ＫＢE／２である。２つの他の重要なレベルＢCおよびＢGが１つの発光体チャネルの中心点（すなわち、ｘ＝Ｗ／２）および隣接する発光体チャネル間の隙間の中心点（すなわちｘ＝（Ｗ＋Ｓ／２））でそれぞれ計算される。その後これら２つの値は、式３６および３７のように、式３４および３５から計算される。
【数２１】
2006504116.tif 000024
【０４１３】
合成輝度の分布のどの点の輝度も同じ空間座標ｘでの２つの重なった虚像の輝度の合計であるため、方程式３６および３７において２の係数が生じる。
【０４１４】
このように考えると、ＷおよびＳのどの空間セッティングに対しても作用輝度の比はＢ0、ＢCおよびＢGの最小値で割ったＢ0、ＢCおよびＢGの最大値である。
【０４１５】
これらの式を用いると、輝度比は、ＷとＳの選択された組に対する虚像分離の度合いの関数△として説明検討することができる。
【０４１６】
これらの関係を分析的に検討する理由は、直視外観が重要であるとき本発明の多層散乱システムで好ましい性能を得る中で、特定の発光体の幅対間隔比の重要性を確立する基礎を示すことである。これを例証するために、図７３のプロットにおけるように、ここでは、最初にＷ＝８ｍｍとし、式３４〜３７での画像移動に対する対応の輝度比で画像変位Ｓの効果を検証する。参考のため、２．０の輝度比に対応して図７３上で点線１６２２が引かれ、それはある高さをもって置かれた(elevated)プリズムシート照明システムが寄与する最小の改良に対して１つの可能な基準として得られる。こうすることで、単一の従来の出力散乱面１５３４のみが、図６９におけるように、プリズムシート５８からＧ２＋Ｇ３ｍｍ間隔を空けて、プリズムの輝度比が２．０以下であるときに観察が均一なものとなることを、ここではまた仮定した。その後、放射間隔が４ｍｍ（発光体幅の半分）であるとき、中心点から１．１ｍｍまたは±０．５５ｍｍまで画像移動する際のいかなる変化にもかかわらず、輝度比が２．０を下回ったままであることがわかった。発光体分離が０．５ｍｍだけ増加して４．５ｍｍであるなら、安定性の範囲は０．７５ｍｍまたは±０．３７５ｍｍまで落ち、ほぼ５０％削減される。しかし、発光体間隔が同じ量を３．５ｍｍまで低減すると、関連する安定性範囲は３０％、１．４５ｍｍまたは±０．７２５ｍｍまで上昇する。発光体間隔が２ｍｍまで半分にされる場合、１００％低減され、安定性の範囲が２．３ｍｍ上昇、１００％増加する。Ｗ＝８ｍｍの場合を示す図２４を参照すると、発光体間隔に関する安定性の範囲はおおよそ線形の変化を示す。
【０４１７】
同一の分析が、図７３で１２ｍｍ幅の発光体に対して要約される。これらの結果は、実効的な輝度比が両方の発光体幅に対して要約された図７５において、図７３の結果と比較されるが、発光体間隔に対する発光体幅の共通比の関数として比較される。この比較は、発光素子が拡大されるときおよび発光体間の隙間が狭められるときの両方で、多層散乱システムより安定することを示している。
【図面の簡単な説明】
【０４１８】
【図１】個別表面発光チャネル（ロッド、チューブ、平面表面）の１次元アレイ多層光源パネル光システムの側面図であり、直接観察される空間光変調器または他の透明画像素子により生成される画像に対して、均一照明を提供するようにある高さをもって配置されたプリズム式光配向フィルム(prismatic light directing film)および高さをもって置かれた光散乱フィルムを含む。
【図２】個別表面発光チャネル（ロッド、チューブ、平面表面）の１次元アレイ多層光源パネル光システムの側面図であり、照明器のいずれの側にも生成される直接観察画像に対しても、均一照明を提供するように発光アレイの両側に距離（高さ）をもって配置されたたプリズム式光配向フィルムおよび光散乱フィルムを含む。
【図３】個別発光開口の２次元アレイの多層光源パネル光システムの側面図であり、前記各発光開口は、直交溝軸により方向付けされ、かつ発光領域ごとに１つのレンズ素子および光散乱層を有するある高さをもって置かれたレンズアレイでカバーされた、プリズム式光配向フィルムの２つの高さをもって配置された層の下の散乱反射する非発光領域により相互に分離されている。
【図４】発光開口の２次元表面と、図３のような、発光開口上の２つの適正な高さのプリズム式光配向層が、すべての所定の発光開口に関連する４つのほぼ接触する虚像により垂直画像平面を形成する方法とを示す斜視図である。
【図５】発光開口の２次元表面と、図３の各発光体間の区画化されたスペーサ層の隣接構造の例と、それら発光体上にある高さをもって置かれた光配向フィルムとの斜視図を示し、各区画は発光開口を散乱反射する先細の側壁で囲んでいる。
【図６】先細の側壁を有する、図４の区画化スペーサ層を形成するのに用いる成形ツールの斜視図である。
【図７】個別発光開口の２次元アレイの多層光源パネル光システムの側面図であり、前記各発光開口は、直交溝軸により方向付けされ、かつ光散乱層でカバーされた、プリズム式光配向フィルムの２つのある高さをもって置かれた層の特定厚さのスペーサ層として形成された、散乱反射する非発光領域により相互に分離されている。
【図８】個別発光開口の２次元アレイの多層光システムの側面図および斜視図であり、前記各発光開口は非発光領域により相互に分離されており、発光領域は、鏡面反射する機械的形状の側壁を有する区画化されたスペーサ層内の入力開口に位置合わせされ、この層は、１／４波長位相遅延フィルム、反射偏光子フィルムおよび光散乱フィルムを含む偏光選択性多層でカバーされている。
【図９】図８に関連する図であって、双曲線状傾斜のスペーサ層の側壁形状およびこのスペーサ層の開口をカバーする光配向偏光選択層とスペーサ層の数値的関係の側面図であり、図示する入力光線の光路を含む。
【図１０】パッケージごとの１つの重ね合わせ散乱素子と、固有厚さの透明スペーサ層と、２つの交差するプリズム式光配向層とを含む、実用的な実装済み発光ダイオードの２次元アレイの実用用途のいくつかの斜視図を示す。
【図１１】分散した多層製造工程の形体をいくつかの斜視図で示しており、図３、７および８に関連する多数の多層光源パネルの光システムが、個々に利用可能なユニットで、さまざまな有用な方法で組合せるように選択できる、大きい面積および連続アレイの上に反復的に構成されている。
【図１２】２つの隣接する発光領域を示しており、４つの対応する虚像発光体画像および形状の数値的関係がこれらの隣接配置を可能にしている。
【図１３】チップの同一側に２つの電気接点を有する発光ダイオードチップの２次元アレイのパッケージング層の断面側面図および底面図であり、パッケージング層は内部ディジタル素子の相互接続と、各ダイオードチップを囲む個別の散乱反射区画と、各区画内の透明誘電体カプセルと、光散乱する上側層とを含む。
【図１４】図１３のパッケージング層と類似のパッケージング層の断面側面図であるが、発光ダイオードチップに関して、チップの両側面上への、またはチップの片側面の接点への電気的相互接続を必要とし、その面が発光の主方向に向いている必要がある。
【図１５】図１３に関係する発光ダイオードチップ相互接続および図７の高さをもって置かれたプリズム式光配向層についての、完全な２次元多層光源パネル照明器のパッケージング構造の一連の関連する断面側面図である。
【図１６】３つの固有色の光ビームを混合して合成ビームを形成するための、２つの従来技術の二色フィルムコーティングプリズム方法を示す。
【図１７】３つの反射型非画像生成角度変換器および単一の二色混合プリズムキューブを使用する３つの反射型ＬＣＤを用いる小型ビデオ投影システムにおいて、図１５に示すように形成された３つの個別単色光源パネル照明器の実際の一体化の側面図である。
【図１８Ａ】反射型ＬＣＤの反射型単色非画像生成角度変換器の詳細側面図であって、図１５の光源パネル照明器に加えて、それの断面図と、反射ＬＣＤと、反射偏光子フィルムと、１／４波長位相遅延フィルムと、凹面金属反射表面と、数本の光路とを含む。
【図１８Ｂ】図１８Ａの２連の単一ＬＣＤ変形形態の詳細側面図であって、１つの光源パネル照明器と、第２ステージ入力として用いられる第１ステージ出力を有する２つの反射非画像生成角度変換器ステージとを使用している。
【図１８Ｃ】１つの経線内の光源パネル角度出力を変換し、これを実施することにより、図１８Ａの反射非画像生成角度変換器手段に適合する形態に変換する、新規のレンズペアの配列の側面図である。
【図１８Ｄ】図１８Ｂに示す単色反射非画像生成角度変換器の短い側および長い側の画像経線図を示しており、単一円柱負レンズ素子および双円錐形凹面金属反射表面として一体化されている、図１８Ｃの角度変更手段を有する。
【図１９】３つの反射型ＬＣＤを用いる小型ビデオ投影システムにおける、図１５に示すように形成された３つの個別単色光源パネル照明器の実際の一体化の側面図であって、光源パネルがセットの二色混合プリズムの入力面上に配置され、反射ＬＣＤが第２セットの二色混合プリズムの入力面上に配置され、２色混合システム出力が、図１７〜１８に示した反射非画像生成角度変換器への近接入力となるよう構成されている。
【図２０】図１７の実際のビデオ投影システムの変形形態の側面図であって、３つの反射非画像生成角度変換器を使用し、この変換器のそれぞれが凹面反射表面でなく屈折レンズ素子を備えている。
【図２１】図２０の反射非画像生成角度変換器の変形形態の側面図であって、２つの反射ＬＣＤを使用している。
【図２２】図２１の反射非画像生成角度変換器の変形形態の側面図であって、２つの光源パネル照明器と、正レンズおよび凹面反射表面の両方とを使用している。
【図２３】図１７〜２２の射非画像生成角度変換器で使用される偏光ビームスプリッタの面上に置かれた画像変位の斜視図を示す。
【図２４】図１７および２０の実際のビデオ投影システムの変形形態の側面図であって、このシステムの３つの単色反射非画像生成角度変換器は、反射型ＬＣＤでなく透過型ＬＣＤを使用している。
【図２５】図２４の実際の３透過型ＬＣＤビデオ投影システムの変形形態の側面図であって、３つの単色反射非画像生成角度変換器のそれぞれは完全な透過型構成を用いており、各変換器は光源パネルと透過ＬＣＤとの間に正レンズを有する。
【図２６】図２４の３透過型ＬＣＤビデオ投影システムの単一透過型ＬＣＤの変形形態の側面図であって、単一透過型ＬＣＤをセットの色混合プリズムの出力面上に配置し、このＬＣＤの入力面が図１７〜１８の形体で製作された３つの単色反射非画像生成角度変換からの光を受光するように構成されるが、焦点距離を延ばすことにより、ＬＣＤと光源パネル間の距離が等しくなるようにしている。
【図２７】図２６の単一透過型ＬＣＤビデオ投影システムのさらに小型の変形形態の側面図を示す。
【図２８】小型の単一透過型ＬＣＤビデオプロジェクタシステムの側面図であって、図２７で使用される反射非画像生成角度変換器配置への入力として、図１９の単色光源パネル照明器の二色プリズム配置を使用する。
【図２９】小型の単一透過型ＬＣＤビデオプロジェクタシステムの側面図であって、図２５で使用される形体の３つの完全な透過非画像生成角度変換器を使用する。
【図３０】小型の単一透過型ＬＣＤビデオプロジェクタシステムの側面図であって、図２５および２９で使用される形体の完全な透過非画像生成角度変換器への入力として、図１９の単色光源パネル照明器の二色プリズム配置を使用する。
【図３１】小型ビデオプロジェクタシステムの側面図であって、図１９の単色光源パネル照明器の二色プリズム配置により照明される単一ＤＭＤを使用し、このプリズム配置の出力が、正レンズと、それらの斜辺面間で空気ギャップを通して結合される２つの透明９０度プリズム（１つは入力用、他の１つ出力用）とから成る透過非画像生成角度変換器に入力される。
【図３２】図３１の単一ＤＭＤを使用する小型ビデオプロジェクタシステムの側面図であって、ＤＭＤの反射平面および透過非画像生成角度変換器の焦点平面が、システムの正レンズ素子に傾斜して付着されることにより、平行に形成されている。
【図３３】図３２のビデオ投影システムにおける３つの単色二色プリズム結合光源パネルの１つと、出力焦点平面の手段として非画像生成角度変換器の一部として使用される両凸面レンズペアとの側面図である。
【図３４】図３２のビデオ投影システムの動作に含まれる、例示の光線および形状関係の詳細な側面図である。
【図３５】単色ＬＥＤ発光体および非画像生成角度変換器パッケージの側面図および断面図であり、二色混合プリズムセットの入力面へのパッケージの結合を含む。
【図３６】図１７〜２５のシステムで使用される２ステージの角度変換システムの一般概念構成を示す。
【図３７Ａ】基本の赤、緑および青色単色光源パネルと４つの二色混合プリズムの一体化、およびそれにより生成された合成色出力ビームの側面図、平面図および斜視図を示す。
【図３７Ｂ】赤、緑および青色単色光源パネルと３つの二色Ｐｈｉｌｉｐｓプリズムの色混合配置との一体化の側面図および斜視図を示す。
【図３８】図３７Ａおよび３７Ｂに示される色混合システムと一体化された赤、緑および青色単色光源パネル照明器の実際用途と、切断出力レンズおよび複数の自動照明機能を実効するためのマイクロプロセッサおよび電力制御器との斜視図を示す。
【図３９】出力レンズおよび、それぞれが別個の赤、緑および青色単色光源パネル照明器を含む色混合素子のアレイ、ならびに独立した電力制御の手段を基にした、実際の劇場用またはスタジオ用スポットまたは投光照明システムの斜視図を示す。
【図４０】道路および建築物照明に用いられる照明システム内の図３８および３９の色混合光源パネル照明素子の変形形態を示す。
【図４１】共通実装ボード上の３つの隣接単色光源パネルおよび交通信号光源を提供する目的の色混合セットの使用のいくつかの斜視図を示す。
【図４２】小型化手段を含む、図３７Ａおよび３７Ｂに示される色混合システムと一体化された３つの単色光源パネルの両面図を示す。
【図４３】追加の小型化手段を含む、図３７Ａおよび３７Ｂに示される色混合システムと一体化された３つの単色光源パネルの両面図を示す。
【図４４】さらに別の小型化手段を含む、図３７Ａおよび３７Ｂに示される色混合システムと一体化された３つの単色光源パネルの両面図を示す。
【図４５】図４２〜４４のシステムの完全な小型化光システムの側面図を示す。
【図４６】広く発散する光ビームを放射するために、色混合システムおよび非画像形成角度変換器素子を備えるかまたは備えない、さまざまな光源パネルの一体化の斜視図である。
【図４７】図４６の照明システムを、４つの長い面の３つの少なくとも１つ、および３つ以下の面の上に刷り込まれた光散乱ドットで形成される長い透明光ガイド素子と組み合わせている斜視図を示す。
【図４８】図４７の照明器の斜視図および断面図であって、３つの側面の反射器で囲まれる光ガイド部分を有することにより、光ガイドに長い出力面から光を出力している。
【図４９】従来のドットパターンのバックライトの縁部に入力光を供給する、図４８の照明システムの斜視図である。
【図５０】混合光を、従来のドットパターンのバックライトの縁部に均一に入力する手段としての、図４６の照明システムの直線的変形形態の斜視図および断面側面図である。
【図５１】図１５の形体の６つの多色光源パネル照明器実際の使用の斜視図およびレイアウト図であり、長方形の天井支持体の周辺部に配置されて、均一および効率的作業照明または投光照明を作業表面または作業空間に提供する。
【図５２】図５１の作業照明または投光照明用途、および角度領域有効範囲を広げる、図３７Ａ、３７Ｂ、３８、４０、４１および４５の色混合照明器用としても使用される、光源パネルのいくつかの出力レンズの変形形態の側面および斜視図を示す。
【図５３】一般化されたプリズムアレイシートの斜視図および断面側面図であり、プリズム素子の形状関係を示す。
【図５４】一般化されたレンズ状非球面レンズアレイシートの斜視図および断面側面図であり、非球面素子の形状関係を示す。
【図５５】プリズム素子断面の左半分の側面図であり、プリズム頂点の下の、プリズムベースからＯＦＦの距離に位置する細い発光線Ｐから発光される単一光線の経路も示す。
【図５６】下の発光体からの近軸光線を有する４つの９０度マイクロプリズムの断面図であり、このプリズムのそれぞれは光を透過するが、真上の観測位置からは見えない。
【図５７】単一の９０度マイクロプリズムと、光を透過し、真上の観測位置から見える、下の線の発光体上の１点Ｐからの選択された近軸光線のセットとの断面図である。
【図５８】４つの隣接する９０度マイクロプリズムの断面図であり、１度は開始プリズム内、その後は隣接プリズム内の２回の全体の内部反射を受ける、選択された近軸光線のセットを有する。
【図５９】４つの隣接する９０度マイクロプリズムの断面図であり、開始プリズム内で２度の、２回の全体の内部反射を受ける、選択された近軸光線のセットを有する。
【図６０】単一の１４ｍｍ高さ×２８ｍｍ幅の９０度プリズム素子と、頂点を有する線上のプリズムベースのセットの真下に置かれた細い線発光体から広がり、かつプリズム材料を通過して、空気中のプリズム頂点の真上に置かれた出力平面に達する近軸光線のセットとの断面図である。
【図６１】幅Ｗの単一の均一発光ストライプが、距離Ｗでストライプより上に位置している９０度プリズムアレイシートを通して直接観察される場合に発生する、理想の虚像分離の断面図および斜視図である。
【図６２】幅Ｗの均一輝度のストライプが、図６１に示すような、距離Ｗでストライプ平面より上に位置している９０度プリズムアレイシートを通して直接観察される場合に発生する、理想の虚像分離の断面図である。
【図６３】相互に９０度の溝で配置される２つの９０度プリズムシートが正方形発光開口より上に位置している場合に、発生する理想の虚像形成および分離と、その結果の出力ビームの断面図である。
【図６４】図１の構成のある高さをもって置かれた多層のプリズムシート内で利用される、Ｃｏｒｎｉｎｇ  Ｉｎｃ．，で開発された代表的なフラットの一体式の蛇行性の(serpentine)蛍光ランプの断面図および斜視図である。
【図６５】幅Ｗの均一輝度の発光シリンダが９０度プリズムアレイシートのプリズム点を通して直接観察される場合に発生する、理想の虚像離の断面図である。
【図６６】９０度プリズムアレイシートのプリズム点を通して直接観察される場合に、円柱光源の表面から発光する可視の近軸光線の詳細な断面図を示す。
【図６７】均一輝度の８．５ｍｍ発光シリンダがシリンダの頂点より４．２５ｍｍだけ高い位置にある９０度プリズムアレイシートのプリズム点を通して直接観察される場合の、虚像分離および近軸光線に対して計算されるミリメートルの焦点平面深さの断面図である。
【図６８】均一輝度の８．５ｍｍ幅ストライプがストライプの中心点より８．５ｍｍだけ高い位置にある９０度プリズムアレイシートのプリズム点を通して直接観察される場合の、虚像分離および近軸光線に対して計算される焦点平面深さの断面図である。
【図６９】１つまたは複数の散乱―拡散層を通して直接観察される、図１およびそれの高い位置にあるプリズム状の層の多層散乱器システム用途と、従来のある高さをもって置かれた散乱器のシステムとの差を示す、一般化された断面図である。
【図７０】プリズムシートが発光平面より上に、発光体の幅に正確に等しい距離だけ高い位置にある場合、図１の多層照明システムで発生する１つの可能なオフ軸輝度均一性を示す。
【図７１】発光体分離が発光体幅Ｗのほぼ１／２幅で発生し、発光体より上のプリズムの高さがＷ／２未満の画像変位に対して調整される場合、図１の多層照明システムのプリズムアレイで発生する輝度均一性の一般タイプを示す。
【図７２】図７１の条件を用いる輝度均一性の一般タイプを示すが、この場合は、発光素子の縁部近くに固有の輝度低下が生じている。
【図７３】それぞれの発光体が、アレイの発光体間の間隔の関数として、中心から縁部に向かって正弦関数的に輝度低下する、８ｍｍ幅の発光体のアレイに対するプリズムの高さに関連する、虚像移動量Δの関数としての最高と最低輝度の比を示す。
【図７４】それぞれの発光体が中心から縁部に向かって正弦関数的に輝度低下する、１２ｍｍ幅の発光体のアレイに対する、虚像移動量Δの関数としての最高と最低輝度の比を示す。
【図７５】１．５〜５の間のさまざまな発光体幅対間隔の比における、８ｍｍ×１２ｍｍ幅の発光体を有する多重レベル照明システムにおける出力輝度の平坦性に対して、ミリメートルで表す安定性範囲を示す。
【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１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１８Ｃ】
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【図１８Ｄ】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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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３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７Ａ】
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【図３７Ｂ】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【図５５】
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【図５６】
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【図５７】
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【図５８】
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【図５９】
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【図６０】
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【図６１】
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【図６２】
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【図６３】
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【図６４】
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【図６５】
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【図６６】
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【図６７】
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【図６８】
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【図６９】
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【図７０】
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【図７１】
2006504116.tif 000099
【図７２】
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【図７３】
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【図７４】
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【図７５】
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【国際調査報告】
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