光源モジュール
光源モジュールを開示する。その光源モジュールは、発光表面を有するエミッタ、エミッタから発した光を入射面で受けて光を出射面に伝送するよう位置合わせした固形集積光学素子、及び出射面からの光を受けるよう位置合わせしたレンズを含む。そのレンズは、曲率半径を有する概半球部を有し、固形集積光学素子の出射面は、出射面対角線を有する。曲率半径の出射面対角線に対する比は、０．７よりも大きい。固形集積光学素子及びレンズは各々屈折率を有し、レンズ屈折率の固形集積光学素子の屈折率に対する比は１よりも大きい。
【発明の詳細な説明】
【発明の概要】
【０００１】
一態様において、本開示は光源モジュールを提供する。その光源モジュールは、発光表面を有するエミッタ、エミッタから発した光を入射面で受けて光を出射面に伝送するよう位置合わせした固形集積光学素子、及び出射面からの光を受けるよう位置合わせしたレンズを含む。そのレンズは曲率半径を有する概半球部を有し、固形集積光学素子の出射面は出射面対角線を有する。曲率半径の出射面対角線に対する比は０．７よりも大きい。固形集積光学素子及びレンズは各々屈折率を有し、レンズ屈折率の固形集積光学素子屈折率に対する比は１よりも大きい。
【０００２】
他の態様では、本開示は照明システムを提供する。その照明システムは、少なくとも１つの光源モジュールを含む。その光源モジュールは発光表面を有するエミッタ、エミッタから発した光を入射面で受けて光を出射面に伝送するよう位置合わせした固形集積光学素子、及び出射面からの光を受けるよう位置合わせしたレンズを含む。そのレンズは曲率半径を有する概半球部を有し、固形集積光学素子の出射面は出射面対角線を有する。曲率半径の出射面対角線に対する比は０．７よりも大きい。固形集積光学素子及びレンズは各々屈折率を有し、レンズ屈折率の固形集積光学素子屈折率に対する比は１よりも大きい。その照明システムはまた、少なくとも１つの光源モジュールから照射ターゲットに光を伝送するよう配置した光学要素を含む。
【０００３】
更に他の態様では、本開示は投影システムを提供する。その投影システムは、少なくとも１つの光源モジュール及びイメージャーを含む。その光源モジュールは、発光表面を有するエミッタ、エミッタから発した光を入射面で受けて光を出射面に伝送するよう位置合わせした固形集積光学素子、及び出射面からの光を受けるよう位置合わせしたレンズを含む。そのレンズは曲率半径を有する概半球部を有し、固形集積光学素子の出射面は出射面対角線を有する。曲率半径の出射面対角線に対する比は０．７よりも大きい。固形集積光学素子及びレンズは各々屈折率を有し、レンズ屈折率の固形集積光学素子屈折率に対する比は１よりも大きい。その投影システムは、少なくとも１つの光源モジュールからイメージャーに照射光を伝送するよう配置した光学要素、及びイメージャーからの影像光を受けてその影像光を投射するよう配置した投射レンズ素子も含む。
【０００４】
本開示のこれらの態様及び他の態様は、以下の発明を実施するための最良の形態から明らかとなるであろう。しかしながら上記の要約は、決して、請求する主題を限定するものとしてみなされるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
本開示を、添付の図面に関して説明する。
【図１】投影システムの概略断面図。
【図２】エミッタの概略正面図。
【図３】光源モジュールの概略断面図。
【図４ａ】固形集積光学素子の概略等角図。
【図４ｂ】固形集積光学素子の概略正面図。
【図５】他の光源モジュールの概略断面図。
【図６ａ】固形集積光学素子から同じ屈折率を有するレンズに通過している光の模式図。
【図６ｂ】固形集積光学素子からより高い屈折率を有するレンズに通過している光の模式図。
【図７】図効率対Ｒ／ｄのプロット。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
光源モジュールは、投影ディスプレイ、液晶ディスプレイ用バックライト、及びその他を含めて、種々の用途を有する照明システムにおいて、広範に使用されている。投影システムは、光源と、照明光学系と、イメージャーと、投影光学系と、投影スクリーンと、を含むことができる。照明光学系は、光源から光を収集し、所定の方式で１つ以上のイメージャーにその光を向ける。イメージャー又は画像形成装置は、電子的に調節かつ処理したデジタル信号により制御され、その信号に応じて画像を作り出す。次に、投影光学系は画像を拡大し、その画像を投影スクリーンに投影する。アークランプなどの白色光源が、色相環と共に、投影ディスプレイシステム用の光源として使用されてきたが、今もなおよく使用されている。寿命がより長く、効率がより高く、熱的特性がより優れていることから、現在では、発光ダイオード（ＬＥＤ）が代替物として採り入れられている。
【０００７】
固体照明、光学系、及びディスプレイ要素における現在の進歩により、極めて小さなフルカラー投影機を創り出すことが可能となっている。これらのカラー投影機を携帯電話等の携帯装置などに組み込むほど小さくするには、高効率で小型の色組み合わせ手段を探し出す必要がある。単独のイメージャーでカラー投影を作製するには主な方法が２つある。最初の方法は「色順次」で知られ、例えば各赤色、緑色、青色光源からの光を上載せし、これらの色を特定の時系列様式で単色イメージャーに伝送する。２番目の方法は「色フィルタリング」で知られ、白色光源の光を赤／緑／青色フィルタ付きイメージャーに伝送する。本開示の光源モジュールは、色順次タイプ又は色フィルタタイプのいずれかの投影システムでの使用に好適であり得る。
【０００８】
図１は、投影システム１００の一実施形態の概略断面図である。投影システム１００は、投影スクリーンなどの表面に静止画像又は動画像を投影するのに使用することができる。投影システム１００は、少なくとも１つの光源モジュール１１０及び照射ターゲット１３０を含む。照射ターゲット１３０は、シリコン基板上の反射型液晶（ＬＣＯＳ）又はデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）などのイメージャーでもよい。照射ターゲット１３０は、例えば図１に図示した実施形態では反射モードで、又はシステム１００の配置が図１に示したものから変更できる場合、例えば透過型液晶ディスプレイイメージャーでは透過モードで使用することができる。照射ターゲット１３０の操作モードに拘わらず、本明細書に記載の通り、投影システム１００は一般に、光源モジュール１１０と照射ターゲットとの間に配した光学要素のサブシステムを含むことができる。光学要素のサブシステムは、光源モジュール１１０から照射ターゲット１３０に照射光をある程度伝送することができる。更に、素子は、照射ターゲットとの使用で光を好適に作用させるか又は光を好適にしてもよい。光源モジュール１１０又は複数のモジュール、及び照射光を照射ターゲット１３０に伝送する光学要素は、共に照明システムに含まれると考えてもよい。照射ターゲット１３０上への投射前後に、光学要素のサブシステムの一部又は全部が、光を透過しても、反射しても、搬送しても、又は他の方法で扱ってもよい。
【０００９】
図１に図示の通り、光源モジュール１１０と照射ターゲット１３０との間に配した光学要素のサブシステムは１つ以上のレンズ１４０、紫外線（ＵＶ）フィルタ又は反射偏光子であってもよい１つ以上のフィルタ１５０、光誘導素子１６０、及びその他好適な光学要素を含むことができる。光学要素を含む場合、そのタイプは一般に照射ターゲットの性質、及び素子が部品である投影システム１００のタイプに依存することがある。例えば、システム１００が、照射ターゲット１３０がＬＣＯＳイメージャーである投影システムの一部であれば、光誘導素子１６０は多層偏光干渉スタックなどの偏光ビームスプリッタであってもよい。一般に、図１の光誘導素子１６０の表示は概略であって、投影システム１００に使用されると実際の光誘導素子は、図１で描かれたものとはかなり異なる場合がある。例えば、ビームスプリッタは、ビームスプリット用の斜辺付き立方体の形態を取るより、プレートの表面又はペリクル膜上に形成されるか、又は一般にその他好適な物理的形態を取ってもよい。他の例では、投影システム１００の照射ターゲット１３０がＤＭＤイメージャーであれば、光誘導素子１６０は、例えば米国特許第５，５５２，９２２号（Ｍａｇａｒｉｌｌ）、６，４６１，０００号（Ｍａｇａｒｉｌｌ）、及び６，７２６，３３２号（Ｃａｎｎｏｎ ａｎｄ Ｏｅｈｌｅｒ）、並びに米国特許出願シリアル第６１／０１７，９８７号（Ｍａｇａｒｉｌｌ）に記載の、空隙を含む内部全反射プリズムであってもよい。更なる例では、投影システム１００内の照射ターゲット１３０が透過型ＬＣＤイメージャーであれば、光誘導素子１６０は存在しなくてもよい。
【００１０】
投影システム１００は、例えばイメージャーで画像を映像光上に置いた後その映像光を受け、その映像光を例えば投影スクリーン（不図示）に投射することのできる投影レンズを含むこともできる。投影レンズ１７０は、好適な構成要素を含んでもよい。光源モジュール１１０と照射ターゲット１３０との間に配した照明システムの光学要素のうちのいくつかは、照射ターゲットと投影レンズ１７０との間に配されてもよく、更にそのような光学要素は、投影システム１００のデザインによっては投影レンズ１７０と共に投影レンズシステムの一部と考えてもよい。
【００１１】
光学要素は、照明システム及び投影レンズシステムなど多数のシステムで機能することができるだけでなく、光学要素が多数の光学機能を機能させることを可能にする。例えば、光誘導素子が屈折機能及び光誘導機能を提供するように、光誘導素子１６０は光学的出力付きの非平面を含んでもよい。
【００１２】
図１の投影システム１００の光の起点側に戻ると、光源モジュール１１０は、エミッタ１１１、固形集積光学素子１１２、及びレンズ１１３を含むことができる。図２は、図１の投影システム１００の光源モジュール１１０又はその他類似の光源モジュールに使用することのできるエミッタ２１１の概略正面図であり、発光表面２１４を示している。発光表面２１４は、単独の発光領域を含むことができるか、又は複数の発光領域２１５を有するアレイを含むことができる。図２に示す通り、発光表面２１４の一実施形態は、４つの発光領域２１５を有するアレイを含む。適用によっては、アレイの発光領域は類似であっても異類であってもよい。いくつかの実施形態では、領域総てが例えば白色光など、本質的に同じ色の光を発する。他の実施形態では、発光領域は図２のクロスハッチ部に提示する通り、例えば赤、緑、青など３色以上を発する。いかなる好適な技術も本開示の光エミッタに使用してもよい。発光ダイオード及びその他の半導体デバイスが特に好適となり得る。
【００１３】
図３は、図１の投影システム１００又はその他互換性のある投影システム若しくは照明システムで使用することのできる光源モジュール３１０の概略断面図である。光源モジュール３１０は、入射面３１６及び出射面３１７を有する固形集積光学素子３１２を含む。入射面３１６及び出射面３１７は典型的には矩形であるが、一般にいかなる好適な形態を取ってもよい。入射面３１６は、エミッタ３１１の発光表面３１４が発した光を受けるよう位置合わせすることができる。入射面３１６の次元及び形状は、発光表面３１４の次元及び形状にほぼ一致するよう選択することができる。この次元及び形状の一致は、例えば発光表面３１４が平面でない場合は三次元とすることができ、又は入射面３１６及び発光表面は三次元未満で一致させてもよい。いくつかの実施形態では、入射面３１６は平面である。入射面３１６及び発光表面３１４は、好適な接着剤又はその他の材料で接着又は連結させてもよい。本明細書に記載の反射偏光子などのフィルタを発光表面３１４と入射面３１６との間に定置させ、エミッタ、フィルタ、及び固形集積光学素子を接着させてもよい。発光表面３１４及び入射面３１６を光学的に連結させるのに使用することのできる材料の１タイプは、エミッタ、とりわけＬＥＤと共に使用すると光学的、熱的、機械的、又はその他の効果をもたらすことのできる封止剤である。封止剤は、例えば米国特許第７，１９２，７９５号（Ｂｏａｄｍａｎら）に記載されている。
【００１４】
出射面３１７は、平面でも非平面でもよいが、図１のターゲット１３０などの照射ターゲットの形状に応じた形状を有することができる。例えば、照射ターゲットがビデオ投影器用のイメージャーであれば、イメージャー及び出射面３１７は、共に扁平率４：３、１６：９の矩形又はその他の好適な形状であってもよい。出射面３１７の形状をイメージャーの形状に一致させると、投影システムに使用される可能性のあるアナモフィック光学系の必要性をなくすことができる。図４ａは、光源モジュール３１０及び１１０並びにその他の光源モジュール内の固形集積光学素子３１２及び１１２のように使用することのできる固形集積光学素子４１２の概略等角図である。図４ｂは、図４ａのベクトルＶで指示した方向に沿った固形集積光学素子４１２の概略正面図である。固形集積光学素子４１２は、入射面４１６及び出射面４１７を有する。図示の通り、入射面４１６は、出射面４１７の出射面表面積よりも小さい入射面表面積を有する。他の実施形態では、面４１６、４１７の形状は同じでもよく、並びに／又は入射面表面積及び出射面表面積は等しくてもよい。更に他の実施形態では、入射面表面積は出射面表面積より大きくてもよい。図示した実施形態では、出射面４１７は、１６：９フォーマットのビデオイメージャーなどの照射ターゲットの形状と一致する適切な形状を有する。面４１６、４１７の表面積が等しくないときは、固形集積光学素子４１２は、入射面及び出射面の間で先細にしてもよい。
【００１５】
図３の固形集積光学素子３１２は、入射面３１６及び出射面３１７を接続する１つ以上の側面３１８を有する。典型的には、固形集積光学素子は、図４ａ及び４ｂの固形集積光学素子４１２の側面４１８など４つの側面を有する。他の実施形態では、側面は非平面の形状を取ることができるが、図４ａに図示の通り、各側面４１８は平面である。本明細書の固形集積光学素子の１つ以上の側面は、例えばアルミニウム、銀、その他の金属の反射コート若しくは反射層、反射誘電体、誘電体スタック、これらの組み合わせ、又はその他好適なリフレクタを有することができる。側面は、その全面がコーティングされてもよく、又は未塗装のままでもよく、又は部分的にコーティングされてもよい。光が側面の未塗装の部分に入射すると、内部全反射などのフレネル反射が、固形集積光学素子の機能に貢献することができる。固形集積光学素子は、一般に屈折率を特徴とする好適な透明材料で作製することができる。好適な材料としてガラス、アクリル系、その他の光学樹脂、固形封止剤、及び封止ゲルが挙げられる。
【００１６】
固形集積光学素子は、その入射面からその出射面に光を搬送又は伝送することができ、その際に入射面上の光入射の初期空間的均一性に相対して出射面から出現する光の空間的均一性を高める。入射面上の光入射は、多くの理由で非平面となり得る。例えば、図２のエミッタ２１１の発光表面２１４から発した光は、異なる発光領域２１５から発した光の異なる色で変わる場合がある。発光領域２１５は、同時に異なる色を発する場合があるか、又は例えば色順次光源をもたらすよう時系列的に発光を変える場合がある。一実施形態では、発光領域２１５は赤色、緑色、及び青色の光を発するが、固形集積光学素子により均質化されると、白色光とすることができる。他の実施形態では、１つ以上の単独の発光領域２１５が固形集積光学素子の入射面に同時に照射して空間的に不均一性の高い光をもたらすが、光学素子を通じた伝播後は出射面でほぼ均一の光とすることができる。他の実施形態では、図１のエミッタ１１１などのエミッタは、エミッタの物理的性質により空間的に不均一性の単独の発光領域を有する。例えば、ＬＥＤエミッタは、空間的不均一性となる構造でダイライン、導電性トレース若しくは導電性リード、及び／又はその他の変形物を有してもよい。固形集積光学素子は、光が照射ターゲットの照射のため好適に均一となるようＬＥＤエミッタを通過する光を均質化することができる。
【００１７】
集積光学系のジオメトリ及び次元は、通過する光が均質化される度合に影響を及ぼすことがある。光学デザイナーは、例えば図３に示す通り、伝送した光が望ましいユニフォミティになるよう固形集積光学素子の長さｌを選択してもよい。本発明者らは、例えば、図２に示したものと同様のバイエルパターンで配置した４つの赤−緑−青−緑の発光領域を有する発光表面のメジャリング（１．４ｍｍ）２で始動する際、約５ｍｍ長の固形集積光学素子が十分なユニフォミティをもたらすことができるのを見出した。テストでは、同じ大きさの単色エミッタなどのより均一なエミッタだけが約２ｍｍ長の集積光学系を必要とした。集積光学系は更に、例えば米国特許第５，６２５，７３８号（Ｍａｇａｒｉｌｌ）に記載されている。
【００１８】
本明細書に開示した集積光学系の出射面における光の空間的均一性により、照射の好適な空間的均一性を維持しつつ、集積光学系の出射面が照明システムにより照射ターゲットに撮像されるよう照明システムをデザインすることが可能となる。それに対して、集積光学系のない照明システムは、効率の低下につながる、空間的不均一性の照射ターゲットへの撮像を妨げるため照射光の焦点をぼかしてもよい。集積光学系のある照明システムは、ないものよりも高効率をもたらすことができる。
【００１９】
図１のレンズ１１３又は図３のレンズ３１３は、特定の結果を達成するため選択した好適なレンズ又は好適なシステムのレンズであってもよい。例えば、レンズ１１３、３１３は、光源モジュール１１０又は３１０からの視準された又はより発散の少ない光の放出で補助用収束レンズを含めてもよい。光源モジュール１１０などの光源モジュールのモデルとして機能する光源モジュール３１０では、レンズ３１３は固形集積光学素子３１２の近位に装着、接着、付着、又は定置して集積光学系の出射面３１７からの光を受けるよう位置合わせしてもよい。固形集積光学素子の出射面３１７の近位のレンズ３１３の表面は一般に、平面又は非平面でもよい出射面の全面にわたって出射面の形状にぴったり一致してもよい。レンズ３１３は対称軸を有してもよく、レンズの対称軸は固形集積光学素子３１２の対称軸と合わせてもよい。反射偏光子などのフィルタは、固形集積光学素子３１２とレンズ３１３との間に配することができ、集積光学系、フィルタ、及びレンズの組み合わせは接着剤など互換性のある材料で接着してもよい。任意の好適なタイプの反射偏光子、例えば、多層光学フィルム反射偏光子、拡散反射偏光フィルム、例えば連続／分散相偏光子、ワイヤグリッド反射偏光子、又はコレステリック反射偏光子が使用されてもよい。レンズ３１３は、一般に屈折率を特徴とする好適な透明材料で作製してもよい。好適となり得る材料として、大原ガラス（日本、相模原）製造のＳ−ＬＡＨ−７９又はＳｃｈｏｔｔ Ｇｌａｓｓ（Ｍａｉｎｚ、ドイツ）製造のＬＡＳＦ−３５などの高指数ガラスが挙げられる。
【００２０】
レンズ３１３は概半球形でよい。一実施形態では、レンズ３１３は製造に実用的な程度で正半球形である。他の実施形態では、レンズ３１３は正半球形とは異なるが、それでも概半球形と考えられる。球面収差及びその他収差の屈折補正を援用するよう、その面形状が例えば正球形から逸脱するため、レンズ３１３の曲面は当業者が理解する通り非球面状であってもよい。正半球形であれ又は概半球形であれ、レンズ３１３は半径Ｒを有する。正半球形でないレンズ３１３の場合、Ｒは、レンズの外側表面が正球面に最もよく適合するときに得られる嵌合いパラメータによって規定することができる。レンズの外側表面は、固形集積光学素子３１２から最も遠い曲面である。
【００２１】
図５は、投影システム１００又はその他互換性のある照明システムでの使用に好適となり得る他の光源モジュール５１０の概略断面図である。図５の光源モジュール５１０は、例えば図３の光源モジュール３１０に比べ、光源モジュールのデザインの変形をいくつか例示する。例えば固形集積光学素子５１２の次元及び比率は、一般に固形集積光学素子３１２の次元及び比率とは異なる。図５に示したレンズ５１３は、２つの幾何学的形状、すなわち概半球部５２０及び円筒部５１９を含む。レンズ５１３のこれら２つの下位形状は、１つの材料から連続的に形成することができる。概略的な図示の通り、概半球部５２０は半球形よりいくらか小さく形成されるが、それでも概半球形である。他の実施形態では、レンズの概半球部は半球形よりいくらか大きく形成されてもよい。図５の固形集積光学素子５１２は、非平面の出射面５１７と共に図示されており、レンズ５１３の近位面は非平面の出射面にぴったり一致することができる。
【００２２】
図５は、更に光源モジュールの他の変形デザインを図示する。光源モジュール５１０は、側面５１８の部分５２１上に反射コート又は反射層を含むが、他の部分５２２は未塗装である。図５に示す通り、入射面に隣接した側面の部分５２１は反射コート又は反射層を有するが、出射面に隣接した部分５２２は未塗装である。そのようなデザインは、例えば内部全反射（ＴＩＲ）が部分５２２ではより有効だが部分５２１ではあまり有効ではないことが既知であるか又は信じられる場合に選択することができる。図５は、そのようなＴＩＲの効力の違いとなり得る原因を概略的に図示する。光源モジュール５１０は、エミッタ５１１を固形集積光学素子５１２に光学的に連結させる封止剤５２３を含む。図示の通り、封止剤５２３は、発光表面５１４と入射面５１６との間の空間に封じ込めなくてもよく、また固形集積光学素子５１２の１つ以上の側面５１８に接してもよく、側面５１８が未塗装でかつ光の含有でＴＩＲに依存するだけであれば、光学系の外の光を光学的に連結してもよい。側面５１８の部分５２１に反射コート又は反射層があれば、固形集積光学素子５１２からの光をうっかり喪失するのが妨げられる。本明細書に記載の通り、他の光源モジュールは、ほぼ全面上に反射層又は反射コートのある側面を有する固形集積光学素子を含んでもよい。
【００２３】
光源モジュール１１０、３１０、５１０は各々固形集積光学素子１１２、３１２、５１２及びレンズ１１３、３１３、５１３を含む。これら固形集積光学素子及びレンズは、各々を形成した材料の屈折率を特徴とすることができる。一般に媒体間の率の違いから媒体間を通る光が屈折する。図６ａ及び６ｂは、光源モジュール６１０及び６８０の光線追跡シミュレーションに基づいた、各固形集積光学素子６１２、６８２からレンズ６１３、６８３への光の通過の効果の模式図である。図６ａ及び６ｂに図示した効果は、光源モジュール１１０、３１０、５１０及び他のアナログ光源モジュールに適用される。縞模様の領域６２５、６８５は、光が固形集積光学素子６１２、６８２及びレンズ６１３、６８３を通りかつ光源モジュールの外で平面６２７、６８７上に伝播する際にエミッタ６１１、６８１から伝播する光が占める空間の量を表す。図６ａでは、固形集積光学素子６１２及びレンズ６１３は同じ屈折率を有する。図６ｂでは、レンズ６８３は、固形集積光学素子６８２に相対してより高い屈折率を有する。少なくとも部分的には光学系６８２とレンズ６８３との間のインターフェイスにおける屈折のため、光は光源モジュール６１０を出る光に比べて狭いか又は小さい錐体の中の光源モジュール６８０を出る。モジュール６１０及び６８０から等距離の平面６２７及び６８７に投射すると、光源モジュール６８０を出る光は光源モジュール６１０を出る光より小さい領域を照射する。光源モジュール６８０は、より狭い照射錐体及びより小さい領域サイズを特徴とするため、照明システムをより小型にできる。
【００２４】
いくつかの実施形態では、光源モジュールは少なくとも１．８又は少なくとも２．０の屈折率を有するレンズを含む。更なる実施形態では、光源モジュールは２．６以下の屈折率を有するレンズを含む。更に、光源モジュールは、上記の終点のいずれかを組み合わせた範囲の屈折率を有するレンズを含んでもよい。
【００２５】
いくつかの実施形態では、光源モジュールは１．７以下又は１．５以下の屈折率を有する固形集積光学素子を含む。更なる実施形態では、光源モジュールは、少なくとも１．３の屈折率を有する固形集積光学素子を含む。更に、光源モジュールは、上記の終点のいずれかを組み合わせた範囲の屈折率を有する固形集積光学素子を含んでもよい。
【００２６】
いくつかの実施形態では、レンズ屈折率の固形集積光学素子屈折率に対する比は、少なくとも１．０５又は少なくとも１．３でよい。更なる実施形態では、レンズ屈折率の固形集積光学素子屈折率に対する比は１．５でよい。いくつかの実施形態では、レンズ屈折率の固形集積光学素子屈折率に対する比は２．０以下でよい。更に、レンズ屈折率の固形集積光学素子屈折率に対する比は上記の終点のいずれかを組み合わせた範囲でよい。
【００２７】
屈折率は、発光表面と固形集積光学素子の入射面との間に配してもよい封止剤などの光源モジュールの他の構成部分も考慮に入れてもよい。封止剤は、光源モジュールの素子を光学的に連結又は接着することができる。固形集積光学素子及びレンズの屈折率に関して本明細書に論じた屈折効果は、概略すれば低指数から高指数にインターフェイスを交差させると光伝播の角の範囲又は光錐が狭くなると言うことができる。結果的に、本開示の光源モジュールでは、封止剤はレンズの屈折率よりも小さい屈折率を有するものを使用してもよい。更に、封止剤の屈折率は、固形集積光学素子の屈折率に等しいか又は小さくてもよい。
【００２８】
図６ａ及び６ｂは、光源モジュールに役立つ他の観点の図示にも役立つ。縞模様の領域６２５、６８５は、照射光が存在し得る固形集積光学素子６１２、６８２及びレンズの容量の部分を表す。縞模様のない、照射光が一般に存在しないレンズ６１３、６８３の内容量の部分は、光学的機能に実質的には影響を及ぼさずにレンズから除去することのできる材料を表す。この点については、両タイプのレンズが同じ光学的機能を実行し、そのために本開示の範囲を超えない限り、そのような材料を除去した又はなくしているレンズはその余分な材料を除去していないレンズと機能的には同じである。例えば、たとえ光が通過しない材料の部分を除去したか又はなくしていても、レンズ６８３は概半球形であると述べることができる。
【００２９】
緻密度及びその他の属性と共に、効率は照明システムのデザインの重要な考慮点となり得る。効率は、固形集積光学素子に連結したエミッタからの初期の光束に比べると、照射ターゲット上に向かうようもたらした光束の観点から数量化することができる。本開示の光源モジュールでは、レンズの半径Ｒの固形集積光学素子の出射面対角線（図４ａのｄ）に対する比は、光源モジュールの効率に影響を及ぼし得ることが見出された。計算シミュレーションを実行し、Ｒ対ｄの比を変えて光源モジュールの効率を研究した。計算の結果、レンズ上の適切な反射防止膜、媒体間のインターフェイスにおけるフレネルロス、及び固形集積光学素子の全側面での銀の反射コートの高まりが想定された。このシミュレーションによるデータは、図７に効率対Ｒ／ｄのプロットで提示されている。本発明者らは、Ｒ／ｄが１に近づくにつれ著しい効率が得られ、水平か均一になるのを観察した。理論及び説明のみに束縛されるものではないが、本発明者らは、レンズの半径が集積光学系の出射面に相対して大きくなるにつれこの効率が得られる理由は、比が増大するにつれ照射光線がより正規に近い角度でレンズの外側表面に入射し、その結果、より大きな傾角又は視射角で入射する光線に比べてフレネルロスが低下するためであると信じる。Ｒ／ｄ比が０．７、０．８、０．９、１、１．１、又は１．２より大きくなると、光源モジュールの効率に貢献することができる。いくつかの実施形態では、Ｒ／ｄ比は１．２以下である。
【００３０】
効率を高める他の対策は、適切となり得る限り表面に反射防止膜を施すことである。好適な反射防止膜又は反射防止層は、本明細書に開示した照明システムに使用してもよい。一般に、反射防止膜は、光が異なる屈折率を有する媒体間に伝搬するインターフェイスで施してもよい。媒体／空気インターフェイスに加え、反射防止膜は、例えば固形集積光学素子の出射面とレンズとの間、又はエミッタの発光表面と固形集積光学素子の入射面との間のインターフェイスで使用してもよい。
【発明の概要】
【０００１】
一態様において、本開示は光源モジュールを提供する。その光源モジュールは、発光表面を有するエミッタ、エミッタから発した光を入射面で受けて光を出射面に伝送するよう位置合わせした固形集積光学素子、及び出射面からの光を受けるよう位置合わせしたレンズを含む。そのレンズは曲率半径を有する概半球部を有し、固形集積光学素子の出射面は出射面対角線を有する。曲率半径の出射面対角線に対する比は０．７よりも大きい。固形集積光学素子及びレンズは各々屈折率を有し、レンズ屈折率の固形集積光学素子屈折率に対する比は１よりも大きい。
【０００２】
他の態様では、本開示は照明システムを提供する。その照明システムは、少なくとも１つの光源モジュールを含む。その光源モジュールは発光表面を有するエミッタ、エミッタから発した光を入射面で受けて光を出射面に伝送するよう位置合わせした固形集積光学素子、及び出射面からの光を受けるよう位置合わせしたレンズを含む。そのレンズは曲率半径を有する概半球部を有し、固形集積光学素子の出射面は出射面対角線を有する。曲率半径の出射面対角線に対する比は０．７よりも大きい。固形集積光学素子及びレンズは各々屈折率を有し、レンズ屈折率の固形集積光学素子屈折率に対する比は１よりも大きい。その照明システムはまた、少なくとも１つの光源モジュールから照射ターゲットに光を伝送するよう配置した光学要素を含む。
【０００３】
更に他の態様では、本開示は投影システムを提供する。その投影システムは、少なくとも１つの光源モジュール及びイメージャーを含む。その光源モジュールは、発光表面を有するエミッタ、エミッタから発した光を入射面で受けて光を出射面に伝送するよう位置合わせした固形集積光学素子、及び出射面からの光を受けるよう位置合わせしたレンズを含む。そのレンズは曲率半径を有する概半球部を有し、固形集積光学素子の出射面は出射面対角線を有する。曲率半径の出射面対角線に対する比は０．７よりも大きい。固形集積光学素子及びレンズは各々屈折率を有し、レンズ屈折率の固形集積光学素子屈折率に対する比は１よりも大きい。その投影システムは、少なくとも１つの光源モジュールからイメージャーに照射光を伝送するよう配置した光学要素、及びイメージャーからの影像光を受けてその影像光を投射するよう配置した投射レンズ素子も含む。
【０００４】
本開示のこれらの態様及び他の態様は、以下の発明を実施するための最良の形態から明らかとなるであろう。しかしながら上記の要約は、決して、請求する主題を限定するものとしてみなされるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
本開示を、添付の図面に関して説明する。
【図１】投影システムの概略断面図。
【図２】エミッタの概略正面図。
【図３】光源モジュールの概略断面図。
【図４ａ】固形集積光学素子の概略等角図。
【図４ｂ】固形集積光学素子の概略正面図。
【図５】他の光源モジュールの概略断面図。
【図６ａ】固形集積光学素子から同じ屈折率を有するレンズに通過している光の模式図。
【図６ｂ】固形集積光学素子からより高い屈折率を有するレンズに通過している光の模式図。
【図７】図効率対Ｒ／ｄのプロット。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
光源モジュールは、投影ディスプレイ、液晶ディスプレイ用バックライト、及びその他を含めて、種々の用途を有する照明システムにおいて、広範に使用されている。投影システムは、光源と、照明光学系と、イメージャーと、投影光学系と、投影スクリーンと、を含むことができる。照明光学系は、光源から光を収集し、所定の方式で１つ以上のイメージャーにその光を向ける。イメージャー又は画像形成装置は、電子的に調節かつ処理したデジタル信号により制御され、その信号に応じて画像を作り出す。次に、投影光学系は画像を拡大し、その画像を投影スクリーンに投影する。アークランプなどの白色光源が、色相環と共に、投影ディスプレイシステム用の光源として使用されてきたが、今もなおよく使用されている。寿命がより長く、効率がより高く、熱的特性がより優れていることから、現在では、発光ダイオード（ＬＥＤ）が代替物として採り入れられている。
【０００７】
固体照明、光学系、及びディスプレイ要素における現在の進歩により、極めて小さなフルカラー投影機を創り出すことが可能となっている。これらのカラー投影機を携帯電話等の携帯装置などに組み込むほど小さくするには、高効率で小型の色組み合わせ手段を探し出す必要がある。単独のイメージャーでカラー投影を作製するには主な方法が２つある。最初の方法は「色順次」で知られ、例えば各赤色、緑色、青色光源からの光を上載せし、これらの色を特定の時系列様式で単色イメージャーに伝送する。２番目の方法は「色フィルタリング」で知られ、白色光源の光を赤／緑／青色フィルタ付きイメージャーに伝送する。本開示の光源モジュールは、色順次タイプ又は色フィルタタイプのいずれかの投影システムでの使用に好適であり得る。
【０００８】
図１は、投影システム１００の一実施形態の概略断面図である。投影システム１００は、投影スクリーンなどの表面に静止画像又は動画像を投影するのに使用することができる。投影システム１００は、少なくとも１つの光源モジュール１１０及び照射ターゲット１３０を含む。照射ターゲット１３０は、シリコン基板上の反射型液晶（ＬＣＯＳ）又はデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）などのイメージャーでもよい。照射ターゲット１３０は、例えば図１に図示した実施形態では反射モードで、又はシステム１００の配置が図１に示したものから変更できる場合、例えば透過型液晶ディスプレイイメージャーでは透過モードで使用することができる。照射ターゲット１３０の操作モードに拘わらず、本明細書に記載の通り、投影システム１００は一般に、光源モジュール１１０と照射ターゲットとの間に配した光学要素のサブシステムを含むことができる。光学要素のサブシステムは、光源モジュール１１０から照射ターゲット１３０に照射光をある程度伝送することができる。更に、素子は、照射ターゲットとの使用で光を好適に作用させるか又は光を好適にしてもよい。光源モジュール１１０又は複数のモジュール、及び照射光を照射ターゲット１３０に伝送する光学要素は、共に照明システムに含まれると考えてもよい。照射ターゲット１３０上への投射前後に、光学要素のサブシステムの一部又は全部が、光を透過しても、反射しても、搬送しても、又は他の方法で扱ってもよい。
【０００９】
図１に図示の通り、光源モジュール１１０と照射ターゲット１３０との間に配した光学要素のサブシステムは１つ以上のレンズ１４０、紫外線（ＵＶ）フィルタ又は反射偏光子であってもよい１つ以上のフィルタ１５０、光誘導素子１６０、及びその他好適な光学要素を含むことができる。光学要素を含む場合、そのタイプは一般に照射ターゲットの性質、及び素子が部品である投影システム１００のタイプに依存することがある。例えば、システム１００が、照射ターゲット１３０がＬＣＯＳイメージャーである投影システムの一部であれば、光誘導素子１６０は多層偏光干渉スタックなどの偏光ビームスプリッタであってもよい。一般に、図１の光誘導素子１６０の表示は概略であって、投影システム１００に使用されると実際の光誘導素子は、図１で描かれたものとはかなり異なる場合がある。例えば、ビームスプリッタは、ビームスプリット用の斜辺付き立方体の形態を取るより、プレートの表面又はペリクル膜上に形成されるか、又は一般にその他好適な物理的形態を取ってもよい。他の例では、投影システム１００の照射ターゲット１３０がＤＭＤイメージャーであれば、光誘導素子１６０は、例えば米国特許第５，５５２，９２２号（Ｍａｇａｒｉｌｌ）、６，４６１，０００号（Ｍａｇａｒｉｌｌ）、及び６，７２６，３３２号（Ｃａｎｎｏｎ ａｎｄ Ｏｅｈｌｅｒ）、並びに米国特許出願シリアル第６１／０１７，９８７号（Ｍａｇａｒｉｌｌ）に記載の、空隙を含む内部全反射プリズムであってもよい。更なる例では、投影システム１００内の照射ターゲット１３０が透過型ＬＣＤイメージャーであれば、光誘導素子１６０は存在しなくてもよい。
【００１０】
投影システム１００は、例えばイメージャーで画像を映像光上に置いた後その映像光を受け、その映像光を例えば投影スクリーン（不図示）に投射することのできる投影レンズを含むこともできる。投影レンズ１７０は、好適な構成要素を含んでもよい。光源モジュール１１０と照射ターゲット１３０との間に配した照明システムの光学要素のうちのいくつかは、照射ターゲットと投影レンズ１７０との間に配されてもよく、更にそのような光学要素は、投影システム１００のデザインによっては投影レンズ１７０と共に投影レンズシステムの一部と考えてもよい。
【００１１】
光学要素は、照明システム及び投影レンズシステムなど多数のシステムで機能することができるだけでなく、光学要素が多数の光学機能を機能させることを可能にする。例えば、光誘導素子が屈折機能及び光誘導機能を提供するように、光誘導素子１６０は光学的出力付きの非平面を含んでもよい。
【００１２】
図１の投影システム１００の光の起点側に戻ると、光源モジュール１１０は、エミッタ１１１、固形集積光学素子１１２、及びレンズ１１３を含むことができる。図２は、図１の投影システム１００の光源モジュール１１０又はその他類似の光源モジュールに使用することのできるエミッタ２１１の概略正面図であり、発光表面２１４を示している。発光表面２１４は、単独の発光領域を含むことができるか、又は複数の発光領域２１５を有するアレイを含むことができる。図２に示す通り、発光表面２１４の一実施形態は、４つの発光領域２１５を有するアレイを含む。適用によっては、アレイの発光領域は類似であっても異類であってもよい。いくつかの実施形態では、領域総てが例えば白色光など、本質的に同じ色の光を発する。他の実施形態では、発光領域は図２のクロスハッチ部に提示する通り、例えば赤、緑、青など３色以上を発する。いかなる好適な技術も本開示の光エミッタに使用してもよい。発光ダイオード及びその他の半導体デバイスが特に好適となり得る。
【００１３】
図３は、図１の投影システム１００又はその他互換性のある投影システム若しくは照明システムで使用することのできる光源モジュール３１０の概略断面図である。光源モジュール３１０は、入射面３１６及び出射面３１７を有する固形集積光学素子３１２を含む。入射面３１６及び出射面３１７は典型的には矩形であるが、一般にいかなる好適な形態を取ってもよい。入射面３１６は、エミッタ３１１の発光表面３１４が発した光を受けるよう位置合わせすることができる。入射面３１６の次元及び形状は、発光表面３１４の次元及び形状にほぼ一致するよう選択することができる。この次元及び形状の一致は、例えば発光表面３１４が平面でない場合は三次元とすることができ、又は入射面３１６及び発光表面は三次元未満で一致させてもよい。いくつかの実施形態では、入射面３１６は平面である。入射面３１６及び発光表面３１４は、好適な接着剤又はその他の材料で接着又は連結させてもよい。本明細書に記載の反射偏光子などのフィルタを発光表面３１４と入射面３１６との間に定置させ、エミッタ、フィルタ、及び固形集積光学素子を接着させてもよい。発光表面３１４及び入射面３１６を光学的に連結させるのに使用することのできる材料の１タイプは、エミッタ、とりわけＬＥＤと共に使用すると光学的、熱的、機械的、又はその他の効果をもたらすことのできる封止剤である。封止剤は、例えば米国特許第７，１９２，７９５号（Ｂｏａｄｍａｎら）に記載されている。
【００１４】
出射面３１７は、平面でも非平面でもよいが、図１のターゲット１３０などの照射ターゲットの形状に応じた形状を有することができる。例えば、照射ターゲットがビデオ投影器用のイメージャーであれば、イメージャー及び出射面３１７は、共に扁平率４：３、１６：９の矩形又はその他の好適な形状であってもよい。出射面３１７の形状をイメージャーの形状に一致させると、投影システムに使用される可能性のあるアナモフィック光学系の必要性をなくすことができる。図４ａは、光源モジュール３１０及び１１０並びにその他の光源モジュール内の固形集積光学素子３１２及び１１２のように使用することのできる固形集積光学素子４１２の概略等角図である。図４ｂは、図４ａのベクトルＶで指示した方向に沿った固形集積光学素子４１２の概略正面図である。固形集積光学素子４１２は、入射面４１６及び出射面４１７を有する。図示の通り、入射面４１６は、出射面４１７の出射面表面積よりも小さい入射面表面積を有する。他の実施形態では、面４１６、４１７の形状は同じでもよく、並びに／又は入射面表面積及び出射面表面積は等しくてもよい。更に他の実施形態では、入射面表面積は出射面表面積より大きくてもよい。図示した実施形態では、出射面４１７は、１６：９フォーマットのビデオイメージャーなどの照射ターゲットの形状と一致する適切な形状を有する。面４１６、４１７の表面積が等しくないときは、固形集積光学素子４１２は、入射面及び出射面の間で先細にしてもよい。
【００１５】
図３の固形集積光学素子３１２は、入射面３１６及び出射面３１７を接続する１つ以上の側面３１８を有する。典型的には、固形集積光学素子は、図４ａ及び４ｂの固形集積光学素子４１２の側面４１８など４つの側面を有する。他の実施形態では、側面は非平面の形状を取ることができるが、図４ａに図示の通り、各側面４１８は平面である。本明細書の固形集積光学素子の１つ以上の側面は、例えばアルミニウム、銀、その他の金属の反射コート若しくは反射層、反射誘電体、誘電体スタック、これらの組み合わせ、又はその他好適なリフレクタを有することができる。側面は、その全面がコーティングされてもよく、又は未塗装のままでもよく、又は部分的にコーティングされてもよい。光が側面の未塗装の部分に入射すると、内部全反射などのフレネル反射が、固形集積光学素子の機能に貢献することができる。固形集積光学素子は、一般に屈折率を特徴とする好適な透明材料で作製することができる。好適な材料としてガラス、アクリル系、その他の光学樹脂、固形封止剤、及び封止ゲルが挙げられる。
【００１６】
固形集積光学素子は、その入射面からその出射面に光を搬送又は伝送することができ、その際に入射面上の光入射の初期空間的均一性に相対して出射面から出現する光の空間的均一性を高める。入射面上の光入射は、多くの理由で非平面となり得る。例えば、図２のエミッタ２１１の発光表面２１４から発した光は、異なる発光領域２１５から発した光の異なる色で変わる場合がある。発光領域２１５は、同時に異なる色を発する場合があるか、又は例えば色順次光源をもたらすよう時系列的に発光を変える場合がある。一実施形態では、発光領域２１５は赤色、緑色、及び青色の光を発するが、固形集積光学素子により均質化されると、白色光とすることができる。他の実施形態では、１つ以上の単独の発光領域２１５が固形集積光学素子の入射面に同時に照射して空間的に不均一性の高い光をもたらすが、光学素子を通じた伝播後は出射面でほぼ均一の光とすることができる。他の実施形態では、図１のエミッタ１１１などのエミッタは、エミッタの物理的性質により空間的に不均一性の単独の発光領域を有する。例えば、ＬＥＤエミッタは、空間的不均一性となる構造でダイライン、導電性トレース若しくは導電性リード、及び／又はその他の変形物を有してもよい。固形集積光学素子は、光が照射ターゲットの照射のため好適に均一となるようＬＥＤエミッタを通過する光を均質化することができる。
【００１７】
集積光学系のジオメトリ及び次元は、通過する光が均質化される度合に影響を及ぼすことがある。光学デザイナーは、例えば図３に示す通り、伝送した光が望ましいユニフォミティになるよう固形集積光学素子の長さｌを選択してもよい。本発明者らは、例えば、図２に示したものと同様のバイエルパターンで配置した４つの赤−緑−青−緑の発光領域を有する発光表面のメジャリング（１．４ｍｍ）２で始動する際、約５ｍｍ長の固形集積光学素子が十分なユニフォミティをもたらすことができるのを見出した。テストでは、同じ大きさの単色エミッタなどのより均一なエミッタだけが約２ｍｍ長の集積光学系を必要とした。集積光学系は更に、例えば米国特許第５，６２５，７３８号（Ｍａｇａｒｉｌｌ）に記載されている。
【００１８】
本明細書に開示した集積光学系の出射面における光の空間的均一性により、照射の好適な空間的均一性を維持しつつ、集積光学系の出射面が照明システムにより照射ターゲットに撮像されるよう照明システムをデザインすることが可能となる。それに対して、集積光学系のない照明システムは、効率の低下につながる、空間的不均一性の照射ターゲットへの撮像を妨げるため照射光の焦点をぼかしてもよい。集積光学系のある照明システムは、ないものよりも高効率をもたらすことができる。
【００１９】
図１のレンズ１１３又は図３のレンズ３１３は、特定の結果を達成するため選択した好適なレンズ又は好適なシステムのレンズであってもよい。例えば、レンズ１１３、３１３は、光源モジュール１１０又は３１０からの視準された又はより発散の少ない光の放出で補助用収束レンズを含めてもよい。光源モジュール１１０などの光源モジュールのモデルとして機能する光源モジュール３１０では、レンズ３１３は固形集積光学素子３１２の近位に装着、接着、付着、又は定置して集積光学系の出射面３１７からの光を受けるよう位置合わせしてもよい。固形集積光学素子の出射面３１７の近位のレンズ３１３の表面は一般に、平面又は非平面でもよい出射面の全面にわたって出射面の形状にぴったり一致してもよい。レンズ３１３は対称軸を有してもよく、レンズの対称軸は固形集積光学素子３１２の対称軸と合わせてもよい。反射偏光子などのフィルタは、固形集積光学素子３１２とレンズ３１３との間に配することができ、集積光学系、フィルタ、及びレンズの組み合わせは接着剤など互換性のある材料で接着してもよい。任意の好適なタイプの反射偏光子、例えば、多層光学フィルム反射偏光子、拡散反射偏光フィルム、例えば連続／分散相偏光子、ワイヤグリッド反射偏光子、又はコレステリック反射偏光子が使用されてもよい。レンズ３１３は、一般に屈折率を特徴とする好適な透明材料で作製してもよい。好適となり得る材料として、大原ガラス（日本、相模原）製造のＳ−ＬＡＨ−７９又はＳｃｈｏｔｔ Ｇｌａｓｓ（Ｍａｉｎｚ、ドイツ）製造のＬＡＳＦ−３５などの高指数ガラスが挙げられる。
【００２０】
レンズ３１３は概半球形でよい。一実施形態では、レンズ３１３は製造に実用的な程度で正半球形である。他の実施形態では、レンズ３１３は正半球形とは異なるが、それでも概半球形と考えられる。球面収差及びその他収差の屈折補正を援用するよう、その面形状が例えば正球形から逸脱するため、レンズ３１３の曲面は当業者が理解する通り非球面状であってもよい。正半球形であれ又は概半球形であれ、レンズ３１３は半径Ｒを有する。正半球形でないレンズ３１３の場合、Ｒは、レンズの外側表面が正球面に最もよく適合するときに得られる嵌合いパラメータによって規定することができる。レンズの外側表面は、固形集積光学素子３１２から最も遠い曲面である。
【００２１】
図５は、投影システム１００又はその他互換性のある照明システムでの使用に好適となり得る他の光源モジュール５１０の概略断面図である。図５の光源モジュール５１０は、例えば図３の光源モジュール３１０に比べ、光源モジュールのデザインの変形をいくつか例示する。例えば固形集積光学素子５１２の次元及び比率は、一般に固形集積光学素子３１２の次元及び比率とは異なる。図５に示したレンズ５１３は、２つの幾何学的形状、すなわち概半球部５２０及び円筒部５１９を含む。レンズ５１３のこれら２つの下位形状は、１つの材料から連続的に形成することができる。概略的な図示の通り、概半球部５２０は半球形よりいくらか小さく形成されるが、それでも概半球形である。他の実施形態では、レンズの概半球部は半球形よりいくらか大きく形成されてもよい。図５の固形集積光学素子５１２は、非平面の出射面５１７と共に図示されており、レンズ５１３の近位面は非平面の出射面にぴったり一致することができる。
【００２２】
図５は、更に光源モジュールの他の変形デザインを図示する。光源モジュール５１０は、側面５１８の部分５２１上に反射コート又は反射層を含むが、他の部分５２２は未塗装である。図５に示す通り、入射面に隣接した側面の部分５２１は反射コート又は反射層を有するが、出射面に隣接した部分５２２は未塗装である。そのようなデザインは、例えば内部全反射（ＴＩＲ）が部分５２２ではより有効だが部分５２１ではあまり有効ではないことが既知であるか又は信じられる場合に選択することができる。図５は、そのようなＴＩＲの効力の違いとなり得る原因を概略的に図示する。光源モジュール５１０は、エミッタ５１１を固形集積光学素子５１２に光学的に連結させる封止剤５２３を含む。図示の通り、封止剤５２３は、発光表面５１４と入射面５１６との間の空間に封じ込めなくてもよく、また固形集積光学素子５１２の１つ以上の側面５１８に接してもよく、側面５１８が未塗装でかつ光の含有でＴＩＲに依存するだけであれば、光学系の外の光を光学的に連結してもよい。側面５１８の部分５２１に反射コート又は反射層があれば、固形集積光学素子５１２からの光をうっかり喪失するのが妨げられる。本明細書に記載の通り、他の光源モジュールは、ほぼ全面上に反射層又は反射コートのある側面を有する固形集積光学素子を含んでもよい。
【００２３】
光源モジュール１１０、３１０、５１０は各々固形集積光学素子１１２、３１２、５１２及びレンズ１１３、３１３、５１３を含む。これら固形集積光学素子及びレンズは、各々を形成した材料の屈折率を特徴とすることができる。一般に媒体間の率の違いから媒体間を通る光が屈折する。図６ａ及び６ｂは、光源モジュール６１０及び６８０の光線追跡シミュレーションに基づいた、各固形集積光学素子６１２、６８２からレンズ６１３、６８３への光の通過の効果の模式図である。図６ａ及び６ｂに図示した効果は、光源モジュール１１０、３１０、５１０及び他のアナログ光源モジュールに適用される。縞模様の領域６２５、６８５は、光が固形集積光学素子６１２、６８２及びレンズ６１３、６８３を通りかつ光源モジュールの外で平面６２７、６８７上に伝播する際にエミッタ６１１、６８１から伝播する光が占める空間の量を表す。図６ａでは、固形集積光学素子６１２及びレンズ６１３は同じ屈折率を有する。図６ｂでは、レンズ６８３は、固形集積光学素子６８２に相対してより高い屈折率を有する。少なくとも部分的には光学系６８２とレンズ６８３との間のインターフェイスにおける屈折のため、光は光源モジュール６１０を出る光に比べて狭いか又は小さい錐体の中の光源モジュール６８０を出る。モジュール６１０及び６８０から等距離の平面６２７及び６８７に投射すると、光源モジュール６８０を出る光は光源モジュール６１０を出る光より小さい領域を照射する。光源モジュール６８０は、より狭い照射錐体及びより小さい領域サイズを特徴とするため、照明システムをより小型にできる。
【００２４】
いくつかの実施形態では、光源モジュールは少なくとも１．８又は少なくとも２．０の屈折率を有するレンズを含む。更なる実施形態では、光源モジュールは２．６以下の屈折率を有するレンズを含む。更に、光源モジュールは、上記の終点のいずれかを組み合わせた範囲の屈折率を有するレンズを含んでもよい。
【００２５】
いくつかの実施形態では、光源モジュールは１．７以下又は１．５以下の屈折率を有する固形集積光学素子を含む。更なる実施形態では、光源モジュールは、少なくとも１．３の屈折率を有する固形集積光学素子を含む。更に、光源モジュールは、上記の終点のいずれかを組み合わせた範囲の屈折率を有する固形集積光学素子を含んでもよい。
【００２６】
いくつかの実施形態では、レンズ屈折率の固形集積光学素子屈折率に対する比は、少なくとも１．０５又は少なくとも１．３でよい。更なる実施形態では、レンズ屈折率の固形集積光学素子屈折率に対する比は１．５でよい。いくつかの実施形態では、レンズ屈折率の固形集積光学素子屈折率に対する比は２．０以下でよい。更に、レンズ屈折率の固形集積光学素子屈折率に対する比は上記の終点のいずれかを組み合わせた範囲でよい。
【００２７】
屈折率は、発光表面と固形集積光学素子の入射面との間に配してもよい封止剤などの光源モジュールの他の構成部分も考慮に入れてもよい。封止剤は、光源モジュールの素子を光学的に連結又は接着することができる。固形集積光学素子及びレンズの屈折率に関して本明細書に論じた屈折効果は、概略すれば低指数から高指数にインターフェイスを交差させると光伝播の角の範囲又は光錐が狭くなると言うことができる。結果的に、本開示の光源モジュールでは、封止剤はレンズの屈折率よりも小さい屈折率を有するものを使用してもよい。更に、封止剤の屈折率は、固形集積光学素子の屈折率に等しいか又は小さくてもよい。
【００２８】
図６ａ及び６ｂは、光源モジュールに役立つ他の観点の図示にも役立つ。縞模様の領域６２５、６８５は、照射光が存在し得る固形集積光学素子６１２、６８２及びレンズの容量の部分を表す。縞模様のない、照射光が一般に存在しないレンズ６１３、６８３の内容量の部分は、光学的機能に実質的には影響を及ぼさずにレンズから除去することのできる材料を表す。この点については、両タイプのレンズが同じ光学的機能を実行し、そのために本開示の範囲を超えない限り、そのような材料を除去した又はなくしているレンズはその余分な材料を除去していないレンズと機能的には同じである。例えば、たとえ光が通過しない材料の部分を除去したか又はなくしていても、レンズ６８３は概半球形であると述べることができる。
【００２９】
緻密度及びその他の属性と共に、効率は照明システムのデザインの重要な考慮点となり得る。効率は、固形集積光学素子に連結したエミッタからの初期の光束に比べると、照射ターゲット上に向かうようもたらした光束の観点から数量化することができる。本開示の光源モジュールでは、レンズの半径Ｒの固形集積光学素子の出射面対角線（図４ａのｄ）に対する比は、光源モジュールの効率に影響を及ぼし得ることが見出された。計算シミュレーションを実行し、Ｒ対ｄの比を変えて光源モジュールの効率を研究した。計算の結果、レンズ上の適切な反射防止膜、媒体間のインターフェイスにおけるフレネルロス、及び固形集積光学素子の全側面での銀の反射コートの高まりが想定された。このシミュレーションによるデータは、図７に効率対Ｒ／ｄのプロットで提示されている。本発明者らは、Ｒ／ｄが１に近づくにつれ著しい効率が得られ、水平か均一になるのを観察した。理論及び説明のみに束縛されるものではないが、本発明者らは、レンズの半径が集積光学系の出射面に相対して大きくなるにつれこの効率が得られる理由は、比が増大するにつれ照射光線がより正規に近い角度でレンズの外側表面に入射し、その結果、より大きな傾角又は視射角で入射する光線に比べてフレネルロスが低下するためであると信じる。Ｒ／ｄ比が０．７、０．８、０．９、１、１．１、又は１．２より大きくなると、光源モジュールの効率に貢献することができる。いくつかの実施形態では、Ｒ／ｄ比は１．２以下である。
【００３０】
効率を高める他の対策は、適切となり得る限り表面に反射防止膜を施すことである。好適な反射防止膜又は反射防止層は、本明細書に開示した照明システムに使用してもよい。一般に、反射防止膜は、光が異なる屈折率を有する媒体間に伝搬するインターフェイスで施してもよい。媒体／空気インターフェイスに加え、反射防止膜は、例えば固形集積光学素子の出射面とレンズとの間、又はエミッタの発光表面と固形集積光学素子の入射面との間のインターフェイスで使用してもよい。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光表面を備えるエミッタ、
前記エミッタから発した光を入射面で受けて光を出射面に伝送するよう位置合わせした固形集積光学素子であって、前記出射面が出射面表面積及び出射面対角線を有する固形集積光学素子、及び
前記固形集積光学素子の前記出射面からの光を受けるよう位置合わせしたレンズであって、前記レンズが曲率半径を有する概半球部を備えるレンズを備える、光源モジュールであって、
前記曲率半径の前記出射面対角線に対する比が０．７より大きく、
前記固形集積光学素子が固形集積光学素子屈折率を有し、前記レンズがレンズ屈折率を有し、前記レンズ屈折率の固形集積光学素子屈折率に対する比が１よりも大きい、光源モジュール。
【請求項２】
前記レンズ屈折率の前記固形集積光学素子屈折率に対する比が少なくとも１．３である、請求項１に記載の光源モジュール。
【請求項３】
前記固形集積光学素子屈折率が１．７以下である、請求項１に記載の光源モジュール。
【請求項４】
前記レンズ屈折率が少なくとも１．８である、請求項１に記載の光源モジュール。
【請求項５】
前記曲率半径の前記出射面対角線に対する比が０．８より大きい、請求項１に記載の光源モジュール。
【請求項６】
前記レンズが更に円筒部を含む、請求項１に記載の光源モジュール。
【請求項７】
前記レンズの前記概半球部が非球面である、請求項１に記載の光源モジュール。
【請求項８】
前記レンズが実質的に前記出射面表面積全体で前記出射面に一致する、請求項１に記載の光源モジュール。
【請求項９】
前記発光表面が複数の発光領域を含むアレイを備える、請求項１に記載の光源モジュール。
【請求項１０】
前記入射面が前記発光表面の次元及び形状に実質的に一致する次元及び形状を有する、請求項１に記載の光源モジュール。
【請求項１１】
前記入射面が平面である、請求項１に記載の光源モジュール。
【請求項１２】
前記出射面が平面である、請求項１に記載の光源モジュール。
【請求項１３】
前記出射面が非平面である、請求項１に記載の光源モジュール。
【請求項１４】
前記出射面がイメージャー形状とほぼ同じ形状を有する、請求項１に記載の光源モジュール。
【請求項１５】
前記入射面が前記出射面表面積より小さい入射面表面積を有する、請求項１に記載の光源モジュール。
【請求項１６】
前記固形集積光学素子が前記出射面と前記入射面との間で先細になる、請求項１に記載の光源モジュール。
【請求項１７】
前記発光表面と前記固形集積光学素子との間に配した封止剤を更に備える、請求項１に記載の光源モジュール。
【請求項１８】
前記封止剤が前記レンズ屈折率よりも小さい封止剤屈折率を有する、請求項１７に記載の光源モジュール。
【請求項１９】
前記封止剤屈折率が前記固形集積光学素子屈折率以下である、請求項１８に記載の光源モジュール。
【請求項２０】
前記発光表面と前記入射面との間に配した反射偏光子を更に備える、請求項１に記載の光源モジュール。
【請求項２１】
前記発光表面、反射偏光子、及び入射面が接着される、請求項２０に記載の光源モジュール。
【請求項２２】
前記発光表面及び入射面が接着される、請求項１に記載の光源モジュール。
【請求項２３】
前記出射面と前記レンズとの間に配した反射偏光子を更に備える、請求項１に記載の光源モジュール。
【請求項２４】
前記出射面、反射偏光子、及びレンズが接着される、請求項２３に記載の光源モジュール。
【請求項２５】
前記出射面及びレンズが接着される、請求項１に記載の光源モジュール。
【請求項２６】
前記固形集積光学素子が側面の少なくとも一部に反射コーティングを有する少なくとも１つの前記側面を有する、請求項１に記載の光源モジュール。
【請求項２７】
前記出射面と前記レンズとの間に配した反射防止コーティングを更に備える、請求項１に記載の光源モジュール。
【請求項２８】
発光表面を備えるエミッタ、
前記エミッタから発した光を入射面で受けて光を出射面に伝送するよう位置合わせした固形集積光学素子であって、前記出射面が出射面対角線を有する固形集積光学素子、及び
前記固形集積光学素子の前記出射面からの光を受けるよう位置合わせしたレンズであって、前記レンズが曲率半径を有する概半球部を備えるレンズを備える少なくとも１つの光源モジュールであって、
前記曲率半径の前記出射面対角線に対する比が０．７より大きく、
前記固形集積光学素子が固形集積光学素子屈折率を有し、前記レンズがレンズ屈折率を有し、前記レンズ屈折率の前記固形集積光学素子屈折率に対する比が１よりも大きい、少なくとも１つの光源モジュール、及び
前記少なくとも１つの光源モジュールから照射ターゲットに光を伝送するよう配置した光学要素を備える、照明システム。
【請求項２９】
発光表面を備えるエミッタ、
前記エミッタから発した照射光を入射面で受けて前記照射光を出射面に伝送するよう位置合わせした固形集積光学素子であって、前記出射面が出射面対角線を有する固形集積光学素子、及び
前記固形集積光学素子の前記出射面からの前記照射光を受けるよう位置合わせしたレンズであって、前記レンズが曲率半径を有する概半球部を備え、前記レンズが実質的に前記出射面表面積全体の前記出射面に一致するレンズを備える、少なくとも１つの光源モジュールであって、
前記曲率半径の前記出射面対角線に対する比が０．７より大きく、
前記固形集積光学素子が固形集積光学素子屈折率を有し、前記レンズがレンズ屈折率を有し、前記レンズ屈折率の前記固形集積光学素子屈折率に対する比が１よりも大きい、少なくとも１つの光源モジュール、
イメージャー、
前記照射光を少なくとも前記１つの光源モジュールから前記イメージャーに伝送するよう配置した光学要素、及び
前記イメージャーからの映像光を受けて前記映像光を投影するよう配置した投影レンズを備える、投影システム。
【請求項１】
発光表面を備えるエミッタ、
前記エミッタから発した光を入射面で受けて光を出射面に伝送するよう位置合わせした固形集積光学素子であって、前記出射面が出射面表面積及び出射面対角線を有する固形集積光学素子、及び
前記固形集積光学素子の前記出射面からの光を受けるよう位置合わせしたレンズであって、前記レンズが曲率半径を有する概半球部を備えるレンズを備える、光源モジュールであって、
前記曲率半径の前記出射面対角線に対する比が０．７より大きく、
前記固形集積光学素子が固形集積光学素子屈折率を有し、前記レンズがレンズ屈折率を有し、前記レンズ屈折率の固形集積光学素子屈折率に対する比が１よりも大きい、光源モジュール。
【請求項２】
前記レンズ屈折率の前記固形集積光学素子屈折率に対する比が少なくとも１．３である、請求項１に記載の光源モジュール。
【請求項３】
前記固形集積光学素子屈折率が１．７以下である、請求項１に記載の光源モジュール。
【請求項４】
前記レンズ屈折率が少なくとも１．８である、請求項１に記載の光源モジュール。
【請求項５】
前記曲率半径の前記出射面対角線に対する比が０．８より大きい、請求項１に記載の光源モジュール。
【請求項６】
前記レンズが更に円筒部を含む、請求項１に記載の光源モジュール。
【請求項７】
前記レンズの前記概半球部が非球面である、請求項１に記載の光源モジュール。
【請求項８】
前記レンズが実質的に前記出射面表面積全体で前記出射面に一致する、請求項１に記載の光源モジュール。
【請求項９】
前記発光表面が複数の発光領域を含むアレイを備える、請求項１に記載の光源モジュール。
【請求項１０】
前記入射面が前記発光表面の次元及び形状に実質的に一致する次元及び形状を有する、請求項１に記載の光源モジュール。
【請求項１１】
前記入射面が平面である、請求項１に記載の光源モジュール。
【請求項１２】
前記出射面が平面である、請求項１に記載の光源モジュール。
【請求項１３】
前記出射面が非平面である、請求項１に記載の光源モジュール。
【請求項１４】
前記出射面がイメージャー形状とほぼ同じ形状を有する、請求項１に記載の光源モジュール。
【請求項１５】
前記入射面が前記出射面表面積より小さい入射面表面積を有する、請求項１に記載の光源モジュール。
【請求項１６】
前記固形集積光学素子が前記出射面と前記入射面との間で先細になる、請求項１に記載の光源モジュール。
【請求項１７】
前記発光表面と前記固形集積光学素子との間に配した封止剤を更に備える、請求項１に記載の光源モジュール。
【請求項１８】
前記封止剤が前記レンズ屈折率よりも小さい封止剤屈折率を有する、請求項１７に記載の光源モジュール。
【請求項１９】
前記封止剤屈折率が前記固形集積光学素子屈折率以下である、請求項１８に記載の光源モジュール。
【請求項２０】
前記発光表面と前記入射面との間に配した反射偏光子を更に備える、請求項１に記載の光源モジュール。
【請求項２１】
前記発光表面、反射偏光子、及び入射面が接着される、請求項２０に記載の光源モジュール。
【請求項２２】
前記発光表面及び入射面が接着される、請求項１に記載の光源モジュール。
【請求項２３】
前記出射面と前記レンズとの間に配した反射偏光子を更に備える、請求項１に記載の光源モジュール。
【請求項２４】
前記出射面、反射偏光子、及びレンズが接着される、請求項２３に記載の光源モジュール。
【請求項２５】
前記出射面及びレンズが接着される、請求項１に記載の光源モジュール。
【請求項２６】
前記固形集積光学素子が側面の少なくとも一部に反射コーティングを有する少なくとも１つの前記側面を有する、請求項１に記載の光源モジュール。
【請求項２７】
前記出射面と前記レンズとの間に配した反射防止コーティングを更に備える、請求項１に記載の光源モジュール。
【請求項２８】
発光表面を備えるエミッタ、
前記エミッタから発した光を入射面で受けて光を出射面に伝送するよう位置合わせした固形集積光学素子であって、前記出射面が出射面対角線を有する固形集積光学素子、及び
前記固形集積光学素子の前記出射面からの光を受けるよう位置合わせしたレンズであって、前記レンズが曲率半径を有する概半球部を備えるレンズを備える少なくとも１つの光源モジュールであって、
前記曲率半径の前記出射面対角線に対する比が０．７より大きく、
前記固形集積光学素子が固形集積光学素子屈折率を有し、前記レンズがレンズ屈折率を有し、前記レンズ屈折率の前記固形集積光学素子屈折率に対する比が１よりも大きい、少なくとも１つの光源モジュール、及び
前記少なくとも１つの光源モジュールから照射ターゲットに光を伝送するよう配置した光学要素を備える、照明システム。
【請求項２９】
発光表面を備えるエミッタ、
前記エミッタから発した照射光を入射面で受けて前記照射光を出射面に伝送するよう位置合わせした固形集積光学素子であって、前記出射面が出射面対角線を有する固形集積光学素子、及び
前記固形集積光学素子の前記出射面からの前記照射光を受けるよう位置合わせしたレンズであって、前記レンズが曲率半径を有する概半球部を備え、前記レンズが実質的に前記出射面表面積全体の前記出射面に一致するレンズを備える、少なくとも１つの光源モジュールであって、
前記曲率半径の前記出射面対角線に対する比が０．７より大きく、
前記固形集積光学素子が固形集積光学素子屈折率を有し、前記レンズがレンズ屈折率を有し、前記レンズ屈折率の前記固形集積光学素子屈折率に対する比が１よりも大きい、少なくとも１つの光源モジュール、
イメージャー、
前記照射光を少なくとも前記１つの光源モジュールから前記イメージャーに伝送するよう配置した光学要素、及び
前記イメージャーからの映像光を受けて前記映像光を投影するよう配置した投影レンズを備える、投影システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４ａ】
【図４ｂ】
【図５】
【図６ａ】
【図６ｂ】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４ａ】
【図４ｂ】
【図５】
【図６ａ】
【図６ｂ】
【図７】
【公表番号】特表２０１１−５２４０６５（Ｐ２０１１−５２４０６５Ａ）
【公表日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５０８５５８（Ｐ２０１１−５０８５５８）
【出願日】平成２１年４月３０日（２００９．４．３０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００９／０４２３４９
【国際公開番号】ＷＯ２００９／１３７３３１
【国際公開日】平成２１年１１月１２日（２００９．１１．１２）
【出願人】（５０５００５０４９）スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー (2,080)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年４月３０日（２００９．４．３０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００９／０４２３４９
【国際公開番号】ＷＯ２００９／１３７３３１
【国際公開日】平成２１年１１月１２日（２００９．１１．１２）
【出願人】（５０５００５０４９）スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー (2,080)
【Ｆターム（参考）】
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