JP2009530798A - Ledから光を導くための独立した光学デバイス - Google Patents
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Abstract
本発明の実施形態は、独立したLEDに結合するように動作可能な独立した光学デバイスを提供し、該独立した光学デバイスは、独立した光学デバイスが独立したLEDに結合されたときに、独立したLEDからの光を受け取る入射面と、入射面の反対側にあり、かつ、入射面から離れた射出面と、一組の側壁とを備えている。射出面は、独立した光学デバイスから投影された光の所望の半角に対する明るさを保存するために少なくとも必要な最小の面積を有する。さらに、各側壁は、入射面からその側壁への直線状の伝達経路を有する光線の少なくとも大部分が、射出面における臨界角以下の角度で、射出面における入射の角度を有し射出面に反射するように配置され、かつ、形作られる。
Description
(関連出願の引用)
本出願は、Duongらに対する、2006年1月5日出願の「Optical Device」と題された米国仮特許出願第60/756,845号に対して、35U.S.C.119(e)に従って優先権の利益を主張しており、該米国特許仮出願は、本明細書において参考として完全に援用されている。
本出願は、Duongらに対する、2006年1月5日出願の「Optical Device」と題された米国仮特許出願第60/756,845号に対して、35U.S.C.119(e)に従って優先権の利益を主張しており、該米国特許仮出願は、本明細書において参考として完全に援用されている。
(技術分野)
本発明は、独立した光学デバイスに関する。さらにより詳細には、本発明の実施形態は、独立した発光ダイオード(「LED」)からの光を利用する能力を増強するデバイスおよび方法に関する。
本発明は、独立した光学デバイスに関する。さらにより詳細には、本発明の実施形態は、独立した発光ダイオード(「LED」)からの光を利用する能力を増強するデバイスおよび方法に関する。
発光ダイオード(「LED」)は、電子機器内において至る所に存在する。発光ダイオードは、デジタルディスプレー、照明システム、コンピュータおよびテレビ、セルラー電話、ならびに様々な他のデバイスにおいて使用されている。LEDにおいて、従来のダイオードにおけるように、余分な電子が、N型半導体からP型半導体における電子正孔へと動く。しかしながら、LEDにおいては、このプロセスの間に、光子が解放されることにより光を作り出す。多くの用途に関して、LEDからできるだけ多くの光を収集して、光を所望の円錐角に分布することが望ましい。
多くの従来のLEDデバイスは、LEDの周りに形成される、ドームの球面レンズまたは非球面レンズを使用する。概して、レンズからドームまでの距離が、放射円錐を制御する。T−1 3/4mm、T−5mm、またはそれらの変形が、ドームレンズLEDの例である。しかしながら、この設計は、いくつかの欠点がある。第1に、一般的なドームは、LEDダイオードのf/1の受け入れ角度を収集することができるだけである。従って、この角度を上回って放射された光子は、全反射(TIR)によってドームの中に閉じ込められるか、または使用できない角度でドームの縁から放射されるかのいずれかである。次に、光の分布は、チップとドームとの間の配列の精度に非常に依存している。従って、遠い領域の分布と近い領域の分布とが、多くの場合に犠牲にされる。第3に、かなりの不均一性が、近い領域の分布と遠い領域の分布との間に存在する。最後に、分布自体が空間的に均一ではない。
別の従来のスキームは、LEDの上部により大きなドームを置くことである。この方法は、全てではないにしてもほとんどのエネルギーが出て行くことを可能にするが、実用にはいくつかの顕著な欠点がある。第1に、放射円錐角が一般的に180度を上回る。光はもはや閉じ込められないが、エネルギーが、LEDの元々の角度を上回る角度に放射される。機械筐体などが、より大きな角度において、光をぼかし得、散乱させ得、および吸収し得る。さらに、ほとんどの2次的な光学システムは、f/1の円錐(約30度以下の半角を有する円錐)を収集するだけであり、光の多くが失われる。第3に、ドームは、LEDダイオードよりもずっと大きいので、分布は、必要よりもずっと大きな範囲にわたる。これが、光が焦点を合わされたときに、より低い出力密度(または放射照度)に変わる。
別の解決策は、一般的なドームレンズの上にTIRレンズを置くことにより、放射されたエネルギーの全てを集め、エネルギーの全てをより小さな円錐に導くことである。これは、システムに複雑さを加え、より多くの光をより狭い円錐に集める問題に対処するだけである。これらのシステムもまた、光源の明るさを保存し、均一なパターンを作り出し、そして、遠い領域および近い領域の均一性を保存することに対処していない。また、かかるTIRレンズを追加することは、照明パッケージのサイズとコストとを10倍も増加させ、電子機器およびポータブルデバイスにおけるほとんど全てのLEDの用途にとって、この解決策を実行不能なものとしている。他のシステムは、精密なTIRレンズ、反射集光器、および集光レンズシステムを利用する。ドームからLEDを再画像化する一部の反射システム(例えば、LEDが1つの焦点となり、画像が他の焦点となる楕円)は、放射輝度を保存するが、これらのシステムは、多くの用途にとって非現実的である。
本発明の実施形態は、独立した光学デバイスと方法とを提供し、該独立した光学デバイスと該方法とは、先行する独立した光学デバイスシステムと方法との欠点を実質的に除去し、または減少させる。本開示の目的に対して、「独立した光学デバイス」は、LEDとは別々に形成されるが、LEDの上に適切に成形され得る光学デバイスである。
本発明の一実施形態は、LEDに結合するように動作可能な独立した光学デバイスを含み、該独立した光学デバイスは、独立した光学デバイスがLEDに結合されたときに、独立した発光ダイオードの層からの光を受け取る入射面と、入射面の反対側にあり、かつ、入射面から離れた射出面とを含む。射出面は、少なくとも、独立した光学デバイスから放射された光の所望の半角に対する放射輝度を保存するために必要な最小の面積を有する。さらに、独立した光学デバイスは、一組の側壁を含み得る。各側壁は、入射面からその側壁への直線状の伝達経路を有する光線の少なくとも大部分が、射出面における臨界角以下の角度で、射出面における入射の角度を有し射出面に反射するように配置され、かつ、形作られ得る。
本発明の別の実施形態は、独立したLEDに結合するように動作可能な独立した光学デバイスを含み、該独立した光学デバイスは、独立した光学デバイスが独立した非円形のLEDに結合されたときに、独立した非円形のLEDの層からの光を受け取る入射面と、入射面の反対側にあり、かつ、入射面から離れた射出面と、一組の側壁とを備えている。一実施形態に従った、射出面は、少なくとも、独立した光学デバイスから放射された光の所望の半角に対する明るさを保存するために必要な最小の面積を有する。さらに、各側壁は、入射面からその側壁への直線状の伝達経路を有する光線の少なくとも一部分が、射出面における臨界角以下の角度で、射出面における入射の角度を有し射出面に反射するように、配置され、かつ、形作られ得る。各側壁の形状は、複数の外形に合わせられた面の重ね合わせを表す。射出面の面積と、距離と、側壁の形状とは、少なくとも60%の実効性と所望の強度プロフィールとを有する、10度と60度との間の半角を有する光を投影するように選択される。
本発明の別の実施形態は、独立したLEDに結合するように構成された独立した光学デバイスを含み、該独立した光学デバイスは、独立した光学デバイスが独立した非円形のLEDに結合されたときに、独立した非円形のLEDの層からの光を受け取る入射面と、入射面の反対側にあり、かつ、入射面から離れた射出面と、一組の側壁とを含む。射出面は、
本発明の実施形態は、明るさを保存しながら、所望の半角と強度プロフィールとを有する光を投影することによって、従来技術を上回る技術的な利点を提供する独立した光学デバイスを提供する。本発明の実施形態は、例えば、60%〜96%の実効性を有する、10度から60度の半角(または他の半角)の光を提供し得る。実効性は、適切な反射防止コーティングを射出面に用いて、これよりも高くなり得る(100%に近づく)か、またはこれよりも低くなり得る。
別の利点は、本発明の実施形態に従った独立した光学デバイスは、先行する独立した光学デバイスよりも非常に小さくなり得る(10倍を超えて小さくなることを含む)ということである。
さらに別の利点は、独立した光学デバイスの密なアレイは、非常に微細な損失を有することなく、または非常に微細な損失を有して形成され得るということである。
本発明の実施形態は、均一またはほぼ均一な強度分布を有する正方形または長方形の出力を提供することによってさらに別の利点を提供する。
本発明の実施形態は、所望の半角を有する光を作り出すための二次的なレンズの必要性を減少させ、または除去することによって別の利点を提供する。
本発明の実施形態は、追加のレンズを用いることなく、所望のアスペクト比を有する光を投影し得る独立した光学デバイスを提供することによってさらに別の利点を提供する。
本発明の実施形態によって提供されるさらに別の利点は、光が、近い領域および/または遠い領域の両方において、所望の形状と強度プロフィールとを有して投影され得るということである。
本発明のより完全な理解と本発明の利点とが、添付の図面と関連して列挙される以下の記述を参照することによって得られ得、図面においては、同様な参照番号は、同様な特徴を示す。
本発明の好適な実施形態が、図面に例示されており、同様な参照番号は、様々な図面の同様な部分および対応する部分を指すために使用されている。
本発明の実施形態は、独立した光学デバイスを提供しており、該独立した光学デバイスは、LEDに結合されることにより、LEDからの光を独立した光学デバイスの射出インタフェースに導く。理想的には、LEDから、独立した光学デバイスに入る全ての光が、射出インタフェースから出るように伝達されるように、独立した光学デバイスは構成される。このために、射出インタフェースは、輝度保存の原理を考慮に入れるようなサイズにされ得る。射出インタフェースは、LEDから、独立した光学デバイスに入る全ての光が、射出インタフェースを出ることを可能にする最小のサイズであり得、それにより放射輝度を保存する所望を、サイズを減少させる所望と共に兼ね備える。さらに、デバイスの側壁は、反射または全反射(「TIR」)が側壁に入射する光ビームを射出インタフェースに向けて反射させ、そして、臨界角以下の角度で射出インタフェースに入射させるような形状にされる。結果として、射出インタフェースにおけるTIRによる光の損失が減少または除去される。固体の誘電性材料で構成されたデバイスに関して、TIRの使用は、損失のない反射という利点を提供する。その代わりに、デバイスが空気で満たされている場合には、側壁は、いくらかのわずかな損失を導入する反射材料で作られ得る。
理想的には、独立した光学デバイスに入る光の100%が、射出インタフェースから出るが、本発明の様々な実施形態は、先行技術のLEDの独立した光学システムを超えるかなりの改善を依然と提供しながら、より少ない量の光を射出インタフェースから放射させ得る。さらに詳細には、本発明の実施形態は、LEDから受け取られた光が、所望の強度プロフィールに関して約50%〜96%の実効性(1.5の反射率の誘電性の材料に対するフレネル損失によって約4%の実効性の損失がある)を有する、10度〜60度の円錐の半角を有し、射出面から放射されることを可能にする。
図1は、独立したLEDデバイス10と、LED15と、支持構造20とを含む光学システムの一実施形態の概略的表示である。LED15は、発光部分25、一般的には、化合物半導体、例えば、InGaNまたはInGaPと、基板30、例えば、サファイア基板、炭化珪素(SiC)基板、または従来技術において公知のもしくは開発された他の基板とを含む。図1において、基板30は、一般的に体現されるように、発光部分25の上に配置され、別のタイプの設計においては、基板30は、発光部分25の下に配置される。LED15からの光は、主に、放射面35を通って、独立した光学デバイス10に伝達される。LED15は、ワイヤボンド、フリップチップ、または従来技術において公知のまたは開発された他のLEDであり得る。図1は、LED15の射出面に付着された、独立した光学デバイスを描いている。あるいは、独立した光学デバイスは、基板20に付着され、LED15を完全に囲み得る。
LED15の厚さは、明瞭さの目的で、独立した光学デバイスと比較して、実際のデバイスよりもかなり大きく示されている。
独立した光学デバイス10は、LED15から独立して形成され、摩擦嵌め、光学セメント、または機械結合メカニズム、化学結合メカニズム、または他のもののいずれかの他の結合メカニズムを使用して、LED15または基板20に結合され得る。独立した光学デバイス10は、他の材料が使用され得るが、好適には、単一の誘電性の光伝達材料の成形された部分で形成され、該単一の誘電性の光伝達材料の成形された部分は、単一の反射率(「IOR」)「n」を有しており、例えば、光学的に透明な珪素またはアクリルである。さらに、独立した光学デバイス10のIORは、好適には、基板30のIORの20%の範囲内にある(理想的には、独立した光学デバイス10のIORは、基板30のIOR以上である)。
独立した光学デバイス10は、入射面50を含むことにより、LED15から伝達された光を受け取る。一実施形態に従うと、入射面50は、LED15と同じ形状であり、LED15の放射面35の縁の寸法とほぼ同じであるか、またはわずかに大きい縁の寸法を有する。すなわち、入射面50がLED15よりもわずかに大きいことにより、製造プロセスにおける公差、独立した光学デバイス10とLED15との配置の誤差、または他の要素の原因となるが、入射面50の面積は、光を独立した光学デバイス10に伝達するLED15の面積とほぼ同じサイズである。例として、1mmの正方形のLEDに関して、入射面50は、各辺において1.075mmになるように製造され得る。
独立した光学デバイス10は、さらに射出面55を含み、該射出面55は、好適には、製造プロセスの公差の範囲内で、入射面50と実質的に同じ形状であり、実質的に平行であり、そして、実質的に回転可能に整列されている。射出面55の面積は、(時には明るさの保存と呼ばれる)輝度保存の方程式:
Φ2=射出面55を出る光束、明るさの保存に関してはΦ1=Φ2;
Ω1=光が入射面50に入る実効立体角;
Ω2=光が射出面55を出て行く実効立体角;
A1=入射面50の面積;
A2=射出面55の面積;
n1=独立した光学デバイスの材料の反射率;
n2=独立した光学デバイス10の射出の外側の物質(一般的には、空気または他の物質)の反射率;
に従って、所望の半角に対する明るさを保存するように選ばれ得る。
A2は、射出面55の最小表面積を表し、その結果、明るさが上記の方程式によって保存される。例えば、LED15が1平方mmのLEDであり、その結果、入射面50が、約1平方mmであり、n1=1.5、n2=1、Ω1=3、Ω2=1であるということを想定すると、A2は、放射輝度を保存するためには、少なくとも6.75mm2でなければならない。この例においては、実効立体角が与えられているが、所望の半角に対するΩ1およびΩ2を決定する方法が、図6A〜図6Eと関連して以下で考察される。
方程式1に従ったA2は、放射輝度を保存するために、所与の出力の円錐角または放射の半角に対する可能な最小のサイズとなる。結果として、放射輝度を保存するために、A2は、少なくとも、方程式1から決定されたサイズであるべきであるが、さらに大きくなることもあり得る。例えば、A2は、製造プロセスにおける公差、独立した光学デバイス10とLED15との配置の誤差、または他の要素を補償するためにわずかに大きくされ得る。
A2が、方程式1によって決定された値よりも大きくされる場合には、光束は保存されるが、(単位面積あたりの光束として定義される)発散度が、最大到達可能値から減少される。
しかしながら、スペースを節約するために、A2ができるだけ小さいことが好ましい。例えば、A2は、好適には、放射輝度を5%の範囲内に保存するために必要とされる最小面積の5%の範囲内となる。一部の光出力(光束)が犠牲にされ得る場合には、A2は、輝度保存によって規定されるサイズよりも小さくなり得る。さらに、面積が上で考察された必要条件に適合する限り、射出面55の形状は、射出面50の形状とは異なり得る。
独立した光学デバイス10の入射面50と射出面55との間の距離(距離は垂直方向以外の方向に延伸し得るが、本明細書においては「高さ」と呼ばれる)は、入射面50から射出面55に直接的に移動する光線のTIRを減少または最小化させるように選択され得る。光が、臨界角よりも大きい入射の角度で表面に入射したときに、TIRは生じ、該TIRは、
n1*sin(θc)=n2sin(90) 方程式2
によって定義され、ここで、
n1=独立した光学デバイスのIOR;
n2=独立した光学デバイス10の射出の外側の物質(例えば、空気または他の物質)のIOR;
θc=臨界角である。
例えば、n1=1.5、かつ、n2=1である場合には、θc=41.81度である。従って、独立した光学デバイス10の高さは、射出面55に入射する光線の臨界角を、射出面55に対して垂直な角度と臨界角以下の角度との間の範囲に限定するように選択され得る。
n1*sin(θc)=n2sin(90) 方程式2
によって定義され、ここで、
n1=独立した光学デバイスのIOR;
n2=独立した光学デバイス10の射出の外側の物質(例えば、空気または他の物質)のIOR;
θc=臨界角である。
例えば、n1=1.5、かつ、n2=1である場合には、θc=41.81度である。従って、独立した光学デバイス10の高さは、射出面55に入射する光線の臨界角を、射出面55に対して垂直な角度と臨界角以下の角度との間の範囲に限定するように選択され得る。
簡潔に図2および図3を参照すると、図2は、(点57からの様々な距離における面55a、面55b、面55cとして表される)面55に入射する、点57から移動する一組の光線の概略的表示である。面55aの例において、一部の光線(例えば、光線56)は、臨界角を上回る角度で面55aに入射し、TIRにより光の損失をもたらす。面55bの例においては、逆に、臨界角または臨界角をやや下回る角度において面55cに入射する一部の光線(例えば、光線57)は、そうではなくて側壁に入射する。必要に応じて、これらの光線の損失を防ぐことが、側壁設計の複雑さを増加させ得る。さらに、追加の高さが、光学デバイスを収容するために、より多くの場所を必要とする(すなわち、なぜならば、光学デバイスの高さが高くなるからである)。最後に、面55cの場合に、臨界角における光線または臨界角を下回る光線が、面55に入射し、一方、射出面55における臨界角を上回る光線は、そうではなくて側壁に入射する。TIRまたは反射は、以下で考察されるように、側壁に入射する光線を射出面55に導くために使用され得る。
一実施形態に従って、高さを選択するための限定する光線は、入射面50から射出面55まで最も長い直線距離を移動し、かつ、臨界角において射出面55に入射する光線である。限定する光線として選択され得る2つ以上の光線が存在し得る。正方形または長方形の構成において、これは、入射面50のコーナーにおいて、独立した光学デバイス10に入り、射出面55の対角方向に対向するコーナーまで直線状に移動し、それにより光線が臨界角において射出面55に入射する光線である。
図3は、独立した光学デバイス10と、正方形の構成に対する限定する光線59との上面図の概略的表示を提供する。好適な実施形態において、独立した光学デバイス10の高さは、射出面55において入射する光線の臨界角を、射出面55に対して垂直な角度と臨界角以下の角度との間の範囲に限定するように選択されるが、他の高さが選択され得るとはいえ、他の高さの使用は独立した光学デバイス10の実効性を減少させる。好適には、入射面と射出面との間の距離は、最小の高さの5%の範囲内にあり、該最小の高さは、入射面から射出面までの直線状の伝達経路を有する全ての光線を、臨界角以下の角度で、射出面における入射の角度にさせる。
図1に戻ると、入射面50のサイズおよび形状の選択された境界の状態、射出面55のサイズおよび形状の選択された境界の状態、ならびに入射面50と射出面55との間のサイズおよび距離の選択された境界の状態に関して、独立した光学デバイス10の側壁(例えば、側壁60、側壁65および他の側壁)は、所望の強度プロフィールを生成するために、側壁の内側に入射した光を射出面55に導くような形状にされ得る。ほとんどの用途に対して、所望の強度プロフィールは、均一であるか、または均一に近いが、他の分布プロフィールは、側壁の高さおよび形状を変更することによって達成され得る。均一なランベルトの放射パターンを有する理想的なエミッタの場合、および方程式1による最小の計算された表面積と、射出面における均一な放射強度の分布とを有する光学デバイスに関して、エテンデューの方程式は、射出面における発散度の分布もまた均一であることを必要とするということに留意されたい。均一なものではない発散度のプロフィールが、所望される場合には、出力面の面積は、方程式1を用いて計算された面積よりも大きくなければならない。どのような場合でも、出力面のあらゆる要素の範囲が、光源の放射輝度を上回る放射輝度を有することがない。
概して、側壁に入射する任意の光線が、射出面55に反射され、臨界角以下の角度で射出面55に入射するように(すなわち、射出面55における内部反射による損失がないように)、側壁の形状は決定される。これが、図1において光線70によって示されており、該光線70は、側壁65に対する入射の角度75を有し、該入射の角度75は、θcよりも大きく、それにより光線70は、射出面55に反射され、入射の角度80を有し、該入射の角度80は、θc以下である。好適には、側壁の内面に当たる全ての光線が、射出面55に対して全反射を経験し、臨界角以下の角度で射出面55に入射するように、側壁は形作られるが、一部の損失を許容する他の側壁形状もまた使用され得る。
図4Aは、側壁の形状を決定するための、独立した光学デバイスのモデルの断面図に関する概略的表示である。側壁の形状は、コンピュータ補助の設計を使用して決定され得る。側壁のモデルは、適切な側壁の形状を決定するために走らされる、コンピュータ補助の設計パッケージおよびシミュレーションで作り出され得る。
一実施形態に従って、各側壁は、n個のファセットに分割され得、各ファセットは、平坦な断面である。例えば、側壁100は、連続的な曲線ではなく、15個の平坦なファセット102a〜102oで作られている。以下で記述されるように、満足なプロフィールが達成されるまで、各ファセットの変数は、反復して調節され得、結果としての分布プロフィールが分析され得る。15個のファセットの例が使用されたが、各側壁は、30個以上のファセットを含む任意の数のファセットに分割され得る。
各ファセットが、独立した光学デバイスにおける光線の一定のサブセットを反射することに関して分析され得る。この関心の範囲は、「角度の弦」と定義され得る。ファセットに対する角度の弦は、事前に定められた点から発する光線の角度の点で定義され得る。好適には、選択された点は、ファセットにおいて最も高い入射の角度を光線に与える点である。なぜならば、かかる光線は、ファセットにおいてTIRを経験する可能性が最も少ないからである。例えば、正方形の独立した光学デバイスにおいて、これは、入射面の反対側の縁における点である。
一実施形態に従って、選択されたA1、A2、および高さに対して、先に別の側壁によって反射されていない所与の側壁(例えば、側壁100)に入射する任意の光線の角度95の最大値が、決定され得る。この例において、点115から発する光線110は、側壁100に対して最大角度95を確立する。角度95の最大値が48度であり、側壁100に対して15個のファセットが存在する場合には、(角度の付いた弧の均等な分布となる)各ファセットは、角度95の3.2度の帯に対応する(例えば、第1のファセットは、0度〜3.2度の角度95を有する、点115から発する光線が、入射する範囲であり、第2のファセットは、3.2度〜6.4度の角度95を有する、点115において発する光線が、入射する範囲であるなどである)。
ファセットに入射する全ての光線が、TIRを経験し、射出面55に反射され、その結果、全ての光線が臨界角以下の入射の角度で射出面55に入射するように、各ファセットに対して、射出角、ファセットのサイズ、傾斜角、またはファセットの他のパラメータが設定され得る。好適には、断面図に見られる光線が、一度、側壁に当たるだけであるように、側壁もまた形作られる。しかしながら、断面の平面を外れた、側壁からの三次元反射が存在し得る。完全な3D解析に関して、角の近くの第1の側壁に当たる光線は、次に、第1の側壁に隣接した第2の側壁に跳ね返り、第2の側壁から射出面に跳ね返り得る。カーブフィットまたは他の数値解析が行われることにより、所望のファセットに最も良く適合する、湾曲された側壁の形状を作り出し得る。例えば、図4Aにおいて、側壁105は、一組の平坦なファセットではなく湾曲されている。
各ファセットに対する変数を最適化するために、シミュレートされた検出器面120が確立され得る。検出器面120は、x個の検出器を含むことにより、入射出力を個々に記録し得る。独立した光学デバイスを通過する光のシミュレーションが行われ、検出器面120によって受け取られたものとして強度分布が解析され得る。強度分布が特定の用途に対して満足ではない場合には、満足な強度プロフィールに到達するまで、ファセットの角度と角度を付けられた弧とが調節され、新たな湾曲面が生成され、そしてシミュレーションが行われ得る。近くの領域のパターンと遠くの領域のパターンとの両方が均一になるということを確実にするように、追加の検出器面が解析され得る。あるいは、湾曲面ではなくファセットを使用してシミュレーションが行われ、所望の強度プロフィールに到達した後に、面の湾曲が決定され得る。さらに別の実施形態において、側壁はファセットを付けられたままであり得、湾曲は生成され得ない。
図4Bは、側壁に対するファセットが、Microsoft Excel(MicrosoftとExcelとは、Redmond、Washington−based Microsoft Corporationの商標である。)のようなコンピュータプログラムを使用して定義され得るということを例示している概略的表示である。Microsoft Excelにおけるグラフ作成特徴は、125で示された、側壁の形状のグラフを作成するために使用され得る。同じ概略的な形状が、各側壁に対して使用され得るか、または異なる形状が、異なる側壁に対して使用され得る。特定の側壁の形状を有する(または、特定のファセットに基づいた湾曲した側壁の形状を有する)独立した光学デバイスが、例えば、Zemax光学設計プログラム(Zemaxは、Zemax Development Corporation of Bellevue、Washingtonの商標である)で解析され得る。コンピュータシミュレーションがZemaxにおいて行われることにより、光線のトレースと、強度および放射束密度のプロフィールとを生成し得る。結果の強度および放射束密度のプロフィールが不満足な分布を有するか、または独立した光学デバイスの実効性があまりにも低い場合には、様々なファセットの変数が調節され、再びシミュレーションが行われ得る。このプロセスは、ファセットの変数を自動的に調節するコンピュータプログラムの使用によって自動化され得る。
満足な実効性および強度のプロフィールが達成されたときには、独立した光学デバイスは、特定のパラメータを有して形成され得る。かかる独立した光学デバイスの例が、図4Cに示されており、図4Cは、TIRをもたらすような形状にされ、その結果、光線が側壁から射出面に反射される側壁を有する独立した光学デバイス10の一実施形態の概略的表示を提供する。この実施形態において、各側壁の形状は、様々なファセットによって定義されるような多数の外形に合わせられた面の重ね合わせである。カーブフィットが製造の容易さのために行われるが、本発明の他の実施形態は、ファセットを付けられた側壁を維持し得る。
上に記述されたように、様々な境界の状態、特に、射出面55の面積が、独立した光学デバイスに対して決定され、その結果、明るさが保存される。射出面55の最小面積が、上記の方程式1から決定され得、該方程式1は、様々な実効立体角に依存する。一般的に、関心の距離が光源のサイズよりもよりも非常に大きいので、ランバーティアンエミッタとして放射するが、点として扱われる光源から導き出された方程式に基づいて、光の実効立体角は決定される。ランバートの光源の観察された放射輝度の強度(光束/ステラジアン)は、光源の垂線に対する角度のコサインによる、光源の垂線に対する角度によって変わる。放射輝度(光束/ステラジアン/m2)は、全方向において同じままであるが、観察された角度が90度に増加すると、光源の実効面積は、0に減少するので、これが生じる。半球体全体に及ぶこの効果の積分が、πステラジアンに等しい投影された立体角をもたらす。
図5を参照すると、所与の半径(R)の球体130が点光源132を囲んでいることを想定している。面積A3は、平坦な円形の面(例えば、面136)として計算され得、該平坦な円形の面は、円134の半径(Rc)を使用した、関心のビームの立体角によって範囲を定められ、該辺134の半径(Rc)は、垂直な光線から球形面の交点までの距離である。ビームのθの所与の半角137に対して、Rcは、R(球体の半径)と角度θのサインとの積であり、その結果、
Rc=R*Sin(θ) [方程式3]
となる。面積は、
A3=πRc 2=π(R*Sin(θ))2 [方程式4A]
と等しい。面積A3は、立体角が球体と交差するときの、立体角の投影された面積である。面積A3は、半球形(Ah=πR2)の投影された面積によって除算され、商は、半球全体の投影された立体角(πに等しい)によって乗算されることにより、投影された立体角Ωを獲得し、その結果、
Ω=π{所望の立体角の投影された面積}/(半球の投影された面積) [方程式4B]
Ω=(π)*[{π(R*Sin(θ))2}/(πR2)] [方程式4C]
=π*Sin2(θ) [方程式5]
となる。
Rc=R*Sin(θ) [方程式3]
となる。面積は、
A3=πRc 2=π(R*Sin(θ))2 [方程式4A]
と等しい。面積A3は、立体角が球体と交差するときの、立体角の投影された面積である。面積A3は、半球形(Ah=πR2)の投影された面積によって除算され、商は、半球全体の投影された立体角(πに等しい)によって乗算されることにより、投影された立体角Ωを獲得し、その結果、
Ω=π{所望の立体角の投影された面積}/(半球の投影された面積) [方程式4B]
Ω=(π)*[{π(R*Sin(θ))2}/(πR2)] [方程式4C]
=π*Sin2(θ) [方程式5]
となる。
入射面50に対して、θは、約90度であり、π*Sin2(90)=πの投影された立体角をもたらし、30度の所望の半角に対して、投影された立体角は、π*Sin2(30)=π2となる。方程式1に対して、Ω1とΩ2とに対するこれらの値を使用して、A2が30度の所望の半角に対して決定され得る。
上記の例において、実効立体角が、点光源から導き出された方程式を使用して決定される。これらの方程式は、LED15が、正方形、長方形、または他の形状であり得るという事実を考慮しない。この方法は、A2の良好な評価を与え得、該評価は、必要である場合には、経験またはコンピュータシミュレーションテストに基づいて、後に調節され得るが、実効立体角を決定する他の方法が使用され得る。
図6A〜図6Eは、独立した光学デバイスに対する実効立体角を決定する別の方法を記述しており、該独立した光学デバイスはLEDに取り付けるものであり、該LEDは、一般的な独立したLEDの正方形のプロフィールをより正確に源泉とする。図6Aは、(図6Bに示された)独立した光学デバイス160の入射面150および射出面155と、光が投影される仮定の標的面156との一実施形態の概略的表示である。さらなる考察の目的のために、入射面150の中央は、デカルト座標系において0、0、0となるということが想定されている。標的面156は、結果としてのパターンのパラメータ(例えば、他の光学機器によって使用されるサイズおよび半角)を表す。一実施形態に従って、(図6Bにα1として示されている)対角線における半角が、開始点となる。例えば、標的面156における所望の光が、30度の最大の半角を有する場合には、正方形の面または長方形の面の独立した光学デバイスに対するα1は30度となる。(β1でラベル付けされ、図6Cにおいても示される)独立した光学デバイス160の中の半角が、次に、
n2Sin(α1)=n1Sin(β1) [方程式6]
に従って決定され、ここで、n1は、独立した光学デバイスのIORである;
n2=独立した光学デバイスから光が投影される材料(一般的には、空気)のIORである;
θ1=LED材料における半角(一般的には90度)である。
β1は、独立した光学デバイスにおける所望の半角である。
n2Sin(α1)=n1Sin(β1) [方程式6]
に従って決定され、ここで、n1は、独立した光学デバイスのIORである;
n2=独立した光学デバイスから光が投影される材料(一般的には、空気)のIORである;
θ1=LED材料における半角(一般的には90度)である。
β1は、独立した光学デバイスにおける所望の半角である。
例えば、所望の半角α1が、30度であり、1.5のIORを有する独立した光学デバイスが、1のIORを有する空気の中に投影される場合には、β1=19.47度となる。同様な計算が、入射面150の長い側および短い側における点から投影する光に対して行われ得る。例えば、図6Bおよび図6Cに示されているように、α2とβ2とが、入射面150の一端の中央から射出面155の反対側の端の中央に移動する光線に対して決定され得る。(臨界角は、同じ19.47度であるが、β1は、β2と同じではない。β2は、側面の幾何形状と光学デバイスの高さとによって決定される)。
計算された角度を使用して、実効な点光源157の位置が決定され得る。長さl1の正方形の入射面150に対して、実効な点光源は、X=0、Y=0に位置され、
X、YおよびZは、実効な点光源157から点F1までの距離であり、F2は、
XF1=cos(ψ1)sin(β1) [方程式8]
YF1=sin(ψ1)sin(β1) [方程式9]
ZF1=cos(β1) [方程式10]
XF2=cos(ψ2) [方程式11]
YF2=sin(β2) [方程式12]
ZF2=cos(β2) [方程式13]
に従って、F1が、単一の半径の球体と交差するということを想定して計算され得る。
XF1=cos(ψ1)sin(β1) [方程式8]
YF1=sin(ψ1)sin(β1) [方程式9]
ZF1=cos(β1) [方程式10]
XF2=cos(ψ2) [方程式11]
YF2=sin(β2) [方程式12]
ZF2=cos(β2) [方程式13]
に従って、F1が、単一の半径の球体と交差するということを想定して計算され得る。
ここで、ψ1は、X−Y面における対角線の光線の角度(正方形に対して45度)であり、図6Cに示されているようなX軸に平行な側面の中間から投影している光線に対してψ2=90度である。先に計算された幾何形状に基づいた同様な方法が、他の点を決定するために使用され得る(例えば、点T1および点T2の位置が、点F1および点F2の位置と、標的面156の所望の半角とに基づいて決定され得る)。
図6Dは、対角線の光線と、射出面155に対する球面159および標的面156に対する球面161に投影された、短い側からの1つの光線とを例示する。射出面155に対して、射出面155の面に対する、球体159における縁の光線の交差部分の投影は、楕円の部分を形成する。同様に、標的面の縁における分散された射出光線の投影が、球体161と交差する。例えば、図6Eは、球体161と交差する標的面156の縁163によって形成された面にある光線の円形の交差と、標的面156における交差部分の投影とを示す。標的面の正方形を囲む楕円の部分のそれぞれの面積を計算し、それを標的面の面積に加算することによって、本発明者らは、標的面の投影された全面積を見出し得る。実効立体角が、方程式4Bを使用して標的面に対して決定され得る。同様に、球体159と、光線によって球体159上に形成された楕円の部分とを使用することによって、光学デバイスに対する実効立体角が決定され得る。例えば、投影された全面積が、上に記述されたように決定され、方程式4Bにおける「所望の立体角の投影された面積」として挿入され得る。
1つの例示的な例として、正方形のLEDに対する30度の半角の上記の方法として、出力面は、空気中の標的に対して0.552ステラジアンの実効立体角をもたらす。対照的に、30度の半角を有する従来の円形に投影された面積の使用は、0.785ステラジアンの実効立体角をもたらす。次に、これらの値が方程式1において使用されるときには、所与のIORおよび光束に対して、従来の(円形の)計算は、約30%小振りな、必要とされる射出面積をもたらす。この手法を使用してシステムを設計しなければならない場合、適用可能な物理的特性(輝度保存)は、最適な設計に対して30%光の出力を減少させる。逆に、上に記述された、補正された実効立体角は、射出面の面積を計算し、該射出面の面積は、円形の計算を用いて達成可能な光の出力よりも42%以上も多く光の出力を生成する。
独立した光学デバイスに対する実効立体角を決定する特定の方法が、上で記述されたが、当該分野において公知のまたは開発された任意の方法が使用され得る。あるいは、明るさを保存するための最小表面積が経験的に決定され得る。さらに、上記の表面積の計算は、LEDの発光面の100%が発光していることを想定しているが、現実のデバイスにおいては、発光面の面積の100%未満が発光し得、分布は不均一となり得る。射出面の最小面積の計算は、入射面のサイズではなく、LEDの実際の発光面積によって調節され得る。すなわち、LEDの実際の発光エリアは、A1として使用され得る。
本発明の実施形態に従った独立した光学デバイスは、(LEDから受け取られた光の96%が所望の半角に放射され、4%のフレネル損失を有するということを意味する)96%までの論理的実効性を有する、10度〜60度の所望の円錐角に光を投影し得る。実効性は、フレネル損失がなければ100%になり得る。たった70%の実効性においてさえ、本発明の実施形態は、近い領域と遠い領域との両方における、均一またはほぼ均一な強度分布を生成もしながら、他のLED技術を上回る実効性を提供する。
本発明の利点は、先行するLEDの解決策と比較したときに、より容易に理解され得る。直線状のカプセル材料(例えば、直線状の垂直な側壁を有する正方形または立方体のカプセル材料)に関して、入射と射出とにおける実効立体角は同じである。独立した光学デバイス材料に対する1.5の反射率と、空気に対する1の反射率を想定すると、光のうちの約66%が、TIRによって入射面の反対側の面を出て行かない。結果として、直線状の壁の独立した光学デバイスは、入射面の反対側の面から放射される光の量に関して約44%の実効性を提供するだけである。さらに、二次的な光学機器が所望の半角に光を形作るために必要とされる。
一般的なLEDにおいて使用されるドームの光学デバイスは、より高い実効性を示すが、それでもやはりTIRによる光の損失が存在し、そして、放射された光は、ほとんどの用途にとっては容易に利用することができない光線パターンで、ドームの表面を全体に分散される。従って、レンズまたは反射器のような二次的な集光メカニズムが、放射された光を使用可能な角度に形作るために必要とされる。
本発明の実施形態によって提供される別の利点は、複数の独立した光学デバイスが、容易にアレイに配置され得、該アレイは、実質的に均一な強度分布において、所望の角度(例えば、f/1の円錐)で光を提供する。図7は、独立した光学デバイス200のアレイの図の一例を示す。入射面および射出面(例えば、入射面205および射出面210)のフットプリントとが示されている。独立した光学デバイスのアレイ(および対応するLEDのアレイ)を使用する1つの利点は、アレイ200を構成する独立した光学デバイスが、同じ組み合わせの射出面の面積と入射面の面積とを有する単一の独立した光学デバイスよりも高さが低くなり得る。結果として、同じ量の光が、容積測定空間全体のより少ない量を使用して同じ半角を用いて伝達され得る。さらに、かかるシステムは、全体的により実効性があり得る。なぜならば、より小さいLEDは、より大きいLEDよりも実効性がある傾向にある(すなわち、より小さいLEDのアレイは、同じ発光面の面積に関して、より大きいLEDよりも実効性があり得る)からである。対応する独立した光学デバイスを有するLEDのアレイは、広い面積または長い直線状の面を照らすように配置され得る。
本発明の実施形態は、様々な用途において使用され得る。1つの可能な用途は、デジタル光処理(「DLP」)システムにおけるものである。多くのDLPシステムにおいて、DLPチップは、10度の半角と12度の半角との間のどこかに受け入れ角度を有する。受け入れ角度によって乗算された、チップの面積は、システムのエテンデューを設定する。このエテンデューと適合しない照明システムは、光を浪費する。CPCを使用した先行するシステムにおいて、複数のLEDのアレイからの光は、ダイクロイックフィルタを介して、集光レンズに導かれ、積分トンネルに導かれ、画像化中継対物レンズに導かれ、そして、円錐に導かれる。積分トンネルは、均一な出力を作り出すために必要とされる。
一方、図8は、本発明の実施形態に従った、(共に305として例示された)LEDと組み合わされた独立した光学デバイスを使用するDLPシステム300の機能の概略的表示である。それぞれ12個のLED(12個の緑色LED、12個の赤色LEDおよび12個の青色LED)の3つのアレイを使用するDLPシステムを想定する(LEDと組み合わされた独立した光学デバイスが概略的に305で表されており、簡潔さのために全てが示されているわけではない)。各LEDは、個々の独立した光学デバイスを有し得る。LEDを有するCPCではなく、本発明に従った、独立した光学デバイスとLED305とを使用するDLPシステムに関して、(310で表されている)所望のf/1の円錐の均一な光が、ダイクロイックフィルタ315を介して、画像化中継レンズ320に直接的に投影され、次に、特定の受け入れ角度の範囲内でDLPチップ325に投影され得る。さらに、投影された光が、輝度を保存しながら、好適なアスペクト比、例えば、4:3を有するように、独立した光学デバイスは形作られ得る。これは、少なくとも2つの利点を有する。第1に、スペースが省かれる。なぜならば、集光レンズと積分トンネルとがもはや必要とされないので、独立した光学デバイス305は、概して、CPCよりも小さく、伝達経路の距離も少なくなるからである。さらに、集光レンズと積分トンネルとによる光の損失が存在しないので、システムの実効性は増加される。
DLPシステム300に関して、本発明の様々な実施形態に従った独立した光学デバイスが、独立した光学デバイスの射出面において、または独立した光学デバイスの射出面から離れて、二次的な集光レンズと共に使用され得る。一実施形態に従って、集光レンズが、独立した光学デバイスの射出面から離れているときには、集光レンズの焦点面が、ほぼ独立した光学デバイスの射出面にある。集光レンズは、TIRおよび/または反射設計のフレネルレンズ、または他の集光レンズであり得る。独立した光学デバイスと集光レンズとの組み合わせが、システムの放射輝度を保存し、非常に少ない量で保存しながら、広い放射立体角(πステラジアン)を有するランバートの光源を取り、ランバートの光源を狭い立体角(約0.1ステラジアン以下)に変換する能力を可能にする。
本発明の実施形態に対する別の可能な用途は、セルラー電話のディスプレイの照明である。本システムは、一般的には、白色光を生成するために蛍光体を充填されたカプセル封入材料を有する3つの側面発光の青色LEDを使用する。LEDの側面は、一般的には、不透明であり、生成される光の大きな割合が側壁に吸収される。これが、吸収により失われる光の50%以上となる。さらに、空気に対するカプセル材料のインタフェースにおける反射率の変化は、射出光線が臨界角度を上回る角度でインタフェースに当たるTIRの状態を作り出す。これが、インタフェースにおける約44%の損失をもたらす。一方、本発明の様々な実施形態に従った独立した光学デバイスは、生成された光の95%までを光ガイドに届け得、非常に大きな、システムの明るさの改善をもたらす。
蛍光体、および様々な材料のナノ粒子を含む他の材料(本明細書においては、それぞれを単に「蛍光体」と呼ばれる)が、一般的に、様々な色のLEDと共に使用されることにより、白色光を生成する。様々な実施形態に従って、LEDはまた、LEDと独立した光学デバイスとの間を蛍光体層で被覆され得、もしくは蛍光体層は、独立した光学デバイスと次の光学要素、例えば、光ガイドとの間に存在し得、もしくは蛍光体被覆は、独立した光学デバイスの材料の中に埋め込まれ得、または蛍光体層の他の実施形態も同様である。第1の事例において、蛍光体で被覆されたLEDからの全ての光線が、光ガイドに届けられ得る。第2の事例において、LEDからの全ての光線が、蛍光体層に届けられ得、蛍光体層から後方散乱させられた光線は、再利用され得る。第3の実施形態において、蛍光体から散乱された光は、一方の方向に戻って再利用され、他方の方向に光ガイドまで屈折し戻される。他の実施形態は、蛍光体から散乱された光を捕獲し再利用する同様な機会を与える。
独立した光学デバイスの実施形態に対する別の可能な用途は、セルラー電話のカメラのフラッシュとしての使用である。本システムは、一般的に、ガウスエネルギー分布を有するLEDを使用し、該LEDは、画像の中央における非常に明るい範囲と、画像の縁における暗い範囲とを生成し、対象の不均一な照明をもたらす。さらに、現在のフラッシュユニットのビームの形状は円形であるが、CCDカメラによって捕獲された画像は長方形である。さらに、空気に対するカプセル材料のインタフェースにおける反射率の変化は、射出光線が臨界角よりも大きい角度でインタフェースに当たるTIRの状態を作り出す。これは、インタフェースにおける損失をもたらし、該損失は、射出立体角の関数である。一方、本発明の実施形態に従った独立した光学デバイスは、長方形または正方形のフラッシュを届け得、LEDから、独立した光学デバイスによって受け取られた光の95%が、均一な分布で画像範囲に提供される。これは、従来のシステムにおいて使用されるように、より均一な場面照明と、同じLEDからのより高いレベルの照明とをもたらす。
本発明の実施形態に従った独立した光学デバイスに対する別の可能な用途は、液晶ディスプレイ(「LCD」)の逆光照明に対するものである。従来のLCDシステムは、赤色LED、緑色LEDおよび青色LEDの線形のアレイを使用する。LEDからの光は、混合光ガイドに導かれることにより、色および強度の均一性を提供する。一般的に、LEDは、LEDの上に置かれるドームを有し、光が楕円反射器によって捕獲されることにより、光を光ガイドに導く。楕円反射器は、点光源に対しては良く働くが、LEDは、点光源ではなく、光のうちの一部は、光ガイドの内側の焦点に到達しない(光のうちの約20%が失われる)。さらに、ドームのカプセル材料からの一部の光は、180度を超える角度で放射されるので、光のうちの一部(ここでもやはり約20%)が基板、PCB基板、および他のコンポーネントによって吸収される。さらに、ドームは、ドーム内のキャビティのサイズに対して大きいので、光のうちの一定の割合(一般的には約10%)が、一般的に屈折される。全てのこれらの損失は比較的に小さいが、損失は増加する。従って、LEDから最初に放射される光のうちの約57%だけが、実際に光ガイドに到達する。
一方、本発明の実施形態に従った独立した光学デバイスは、所望の円錐角において、LED(例えば、赤色LED、緑色LEDおよび青色LED)から受け取られた光の96%までを光ガイドに提供し得る(約4%のフレネル損失を想定する)。結果として、低電力のLEDが、現在のシステムにおいて可能であるような同じ結果を達成するために使用され得、またはより多くの光が、同じ電力消費レベルで届けられ得る。実際に、一部の実施形態において、光ガイドは必要とされないことがあり得、独立した光学デバイスを有するLEDのアレイが、LCDを直接的に逆光照明するために使用され得る。
照明の目的のために(例えば、LCDまたは他の用途のために)、赤色LED、緑色LEDおよび青色LEDが、当該分野において公知である白色または他の色のバランス光を生成するために使用され得る。LEDのアレイ(例えば、1つの赤色LED、1つの青色LED、および2つの緑色LED、または他の組み合わせ)と、対応する独立した光学デバイスとが、照明のために白色または他の色のバランス光を生成するために使用され得る。他の実施形態に従って、単一の独立した光学デバイスは、複数のLEDのアレイに結合されることにより、白色光を生成し得る。例えば、単一の独立した光学デバイスは、1つの赤色LEDと1つの青色LEDと2つの緑色LEDとを有する、密に間隔を空けられたアレイに対して使用され得る。
本発明の様々な実施形態に従った独立した光学デバイスに対する別の可能な使用は、自動車のヘッドライト、懐中電灯、および他のデバイスにおけるものである。独立した光学デバイスの様々なパラメータが、所望の投影の円錐およびビームのプロフィールを提供するように選択され得る。
図9は、独立した光学デバイス400の別の実施形態の概略的表示であり、図9においては、独立した光学デバイス400は、LED405の側面に下がって延びており、該LED405は、独立した光学デバイス400の下部において定義されたキャビティまたは空の容積に適合する。LEDの側面の全てまたは一部分に下がって延びる利点は、サファイア/空気のインタフェースにおけるLEDサファイア層415におけるTIRにより失われる光線が、ここでは独立した光学デバイス400に入り得るということである。これらの光線は、上で記述されたように、独立した光学デバイス400の側壁によって(例えば、TIRをもたらすように側壁を形作ることによって)、射出インタフェース420に反射され得る。LED405の側面もまた放射面となるときには、独立した光学デバイス400のA1およびA2は、LED405の上面に加えて側面を考慮するように計算され得る(すなわち、A1は、入射面430、435、440、および示されていない他の入射面の表面積を含む)。他の実施形態に従って、A1は、単に入射面430に対して考慮され、A2のサイズが計算され、次に、入射面435、440、および他の入射面に入る追加の光の源泉となるようにわずかに調節され得る。
独立した光学デバイス400は、ポリマまたは他の材料を使用してLED405に結合され得、ポリマまたは他の材料は、独立した光学デバイス400と同様または同一なIORを有する。独立した光学デバイス400がLEDの上に置かれるときには、ポリマまたは他の材料が、独立した光学デバイス400とLED405との間の空隙を完全に満たすように作用し得る。余分な材料が、独立した光学デバイス400とLED405との接合部から押し出された場合には、材料は取り除かれ得るが、それでもやはり流体が、独立した光学デバイス400の光を導く側壁面の形状を保持する。
独立した光学デバイス400は、実質的にLED405よりも大きくなり得る。結果として、追加的な支持が、独立した光学デバイスを振動、衝撃、および外部の力から護るために必要とされ得る。従って、(例えば、成形されたプラスチック、金属または他の材料の)機械取り付けデバイス443は、射出面420または独立した光学デバイス400の他の部分と接し、支持構造445またはPCB基板に取り付けることにより、独立した光学デバイス400をLED405に着座させることを維持するように垂直な面を作成し得る。取り付けデバイス443と射出面420との間の摩擦力、または取り付けデバイス443と独立した光学デバイス400との間の他の力によって、横の動きを防止され得る。好適には、取り付けデバイス443は、独立した光学デバイス400と同じIORを有し、それにより、光線が取り付けデバイス400を通過するので、独立した光学デバイス400を出る光線は偏向させられない。一実施形態において、独立した光学デバイス400と取り付けデバイス403とは、単一の部分であり得るが、他の実施形態においては、独立した光学デバイス400と取り付けデバイス403とは、独立した部品であり、異なるIORを有する。取り付けデバイス430と独立した光学デバイス400とが、独立している場合には、取り付けデバイス403と独立した光学デバイス400とは、よりしっかりとした、より正確なデバイスの配列のために、相互係合配置特徴、例えば、バンプまたはリッジを含み得る。取り付けデバイス443は、ボンディングの代わり使用され得、またはボンディングに加えて使用され得る。取り付けデバイス443は、レンズ、材料の層、または射出面420を出る光が通過する他の面のような面446を含み得る。結果として、取り付けデバイスは、さらに、出力ビームを形作り、かつ、さらに画定するように作用し得る。取り付けデバイス443は、図9において例示的に示されている(図9は、LED405が適合するキャビティを有する独立した光学デバイス400の一実施形態を示す)が、取り付けデバイス443はまた、独立した光学デバイスおよびLEDの他の実施形態と共に使用され得、該他の実施形態は、限定するものではないが、図1に示された実施形態(すなわち、LED15に直接的に結合されている、平坦な下部の独立した光学デバイス10)を含む。
一部の場合において、LED405から白色光を作成するために蛍光体(または他の材料層)を有することが望ましくなり得る。一実施形態に従って、蛍光体の層は、独立した光学デバイス400がLED405の上に置かれる前に、入射面430、435および440に被覆され得る。他の実施形態に従って、蛍光体層が射出面420を被覆し得るか、もしくは独立した光学デバイス400の任意の平面に埋め込まれ得るか、または上に示されたように、蛍光体層が取り付けデバイス443の一部分になり得る。さらに別の実施形態に従って、蛍光体層は、独立した光学デバイス400の外部あり、射出面420と蛍光体層との間に空隙を有し得る。この場合、蛍光体層から戻るように散乱された光が独立した光学デバイス400に再び入り、部分的にまたは完全に再利用されるように、独立した光学デバイス400の側壁は設計され得る。
他の場合において、蛍光体は、ボンディングポリマであり得る。独立した光学デバイス400は、入射面430から射出面420に走る通路450を有し得る。独立した光学デバイス400は、注入される材料の量に対する充分なスペースを有し、LED405の上に置かれ得る。この材料、例えば、蛍光体をしみ込ませたポリマが流動通路450を通って注入されることにより、独立した光学デバイス400をLED405に接合し得る。次に、透明なポリマ、または独立した光学デバイス400の大部分に使用される材料と同様な材料が、流動通路450に注入されることにより、独立した光学デバイス400を中実にし得る(すなわち、流動通路450を満たす)。
上で考察されたように、側壁の内面に入射する光が、TIRによって射出面に反射されるように、独立した光学デバイス(例えば、独立した光学デバイス10および独立した光学デバイス400)の側壁は形作られ得るが、他の実施形態は、反射器による反射に依存し得る。図10は、LED505に結合された独立した光学デバイス500の一実施形態の概略的表示である。独立した光学デバイス500は、射出面520と入射面530とを含む。図10の例において、独立した光学デバイス500の側壁(例えば、側壁540および側壁545)は、反射コーティング550を含み、該反射コーティング550は、任意の適切な反射材料、例えば、ニッケルまたはアルミニウムで形成され得る。側壁の形状は、側壁に入射する全ての光線またはほとんどの光線を射出面520に反射させるための反射コーティング550からの反射に依存するように選択され得る。TIRを使用しては存在しない吸収による一部の損失があり得るが、反射コーティングの使用は、製造の観点からはあまり複雑ではない。さらに、反射面を使用することは、光線を臨界角を上回る角度で側壁に当てる必要性を除去し、側壁の形状の設計をより自由にすることを可能にする。
一部の用途において、重ねられた独立した光学デバイスが使用され得る。図11は、独立した光学デバイス560と独立した光学デバイス565とを含む重ねられた独立した光学デバイスの一実施形態の概略的表示である。一実施形態に従って、蛍光体(または先に考察したような他の材料)の層が、独立した光学デバイス560の射出面と独立した光学デバイス565の入射面との間に配置され得る。蛍光体570の層は、例えば、蛍光体を埋め込まれたポリマ材料の層を含み得る。ポリマ材料は、独立した光学デバイス560の射出面の縁を越えて延び、取り付けメカニズム(例えば、脚または他のメカニズム)を含み、該取り付けメカニズムは、PCB、支持基板または他の基部に取り付け得る。この場合、ポリマ材料の層は、上に記述されたもののような取り付けデバイスの一部分である。他の実施形態において、他のタイプの材料が、独立した光学デバイスの間に配置されるか、または材料は独立したデバイスの間に配置されない。
一実施形態に従って、独立した光学デバイス560が、より高いIORを有し得、独立した光学デバイス565が、より低いIORを有し得るか、またはその逆もあり得る。他の実施形態において、独立した光学デバイス565と独立した光学デバイス560とが、同じIORを有し得る。
図12は、独立した光学デバイス600の別の実施形態の概略的表示である。独立した光学デバイス600に関して、高さ(入射面605と射出面610との間の距離)は、その地点の断面のスキュー角θs619に応じて変化する。θs=0は、片側の中央から反対側の中央に、独立した光学デバイスを横切って取られた断面に対応する。これが620で表されており、一方、45度のスキュー角が622で表されている。一実施形態に従って、(例えば、上に記述されたように決定される)正方形の独立した光学デバイスに対する最大の高さは、θs=45+/−n*90度を有する断面において生じ、nは整数である。言い換えると、最大の高さは、(622で表された)対角線で生じる。最小の高さは、θs=0+/−n*90において生じる。可変の高さの独立した光学デバイスの他の実施形態も形成され得る。
独立した光学デバイスは、様々な方法で形成され得る。例えば、側壁とキャビティを画定する端面とを備えている、部分的に仕上げられた独立した光学デバイスのアレイが、(例えば、エッグクレートと同様に見える)連続したアレイに成形され得る。これは、例えば、射出成形によって行われ得る。次に、アレイは、LEDの対応するアレイの上に置かれ得、キャビティの内側の容積が、誘電性の材料で満たされ得る。アレイの側壁は、任意的に、反射材料で被覆され得る。別の実施形態において、熱可塑性シートの真空形成、(仕上げられた独立した光学デバイスの反射コーティングであり得る)金属シートの絞り型形成、または当該分野において公知のまたは開発された他の適切な方法によって、アレイは形成され得る。ここでもやはり、アレイは、対応するLEDの上に置かれ得、キャビティは、誘電性の材料で満たされることにより、独立した光学デバイスを仕上げ得る。
上の実施形態において、独立した光学デバイスは、LEDの上ではあるが、LEDから離れて適切に成形され得る。別の実施形態において、独立した光学デバイスは、従来の成形または他の手法を使用して、LEDから離れて事前成形され得る。この場合、独立した光学デバイスは、キャビティを含むことにより、LEDを受け取り得る。上に記述されたように、LEDと独立した光学デバイスとは、ポリマまたは他の結合剤を使用して結合され得るか、または取り付けデバイスを使用して保持され得るか、または互いに動作する関係で置かれ得る。
本発明は、特定の実施形態を参照して記述されてきたが、実施形態は例示であるということと、本発明の範囲は、これらの実施形態に限定されないということとが理解されるべきである。上に記述された実施形態に対する多くの変形、改変、追加および改善が可能である。例えば、提供される様々な範囲および寸法は、例として提供されており、本発明に従った光学デバイスは、他の範囲および他の寸法の範囲内で動作可能であり得る。これらの変形、改変、追加および改善は、添付の特許請求の範囲に述べられるような本発明の範囲内にあるということが考えられる。
Claims (36)
- 独立したLEDに結合するように動作可能な独立した光学デバイスであって、該独立した光学デバイスは、
該独立した光学デバイスが該独立したLEDに結合されたときに、該独立したLEDからの光を受け取る入射面と、
該入射面の反対側にあり、かつ、該入射面から離れた射出面であって、該射出面は、少なくとも、該独立した光学デバイスから投影された光の所望の半角に対する放射輝度を保存するために必要な最小の面積を有する、射出面と、
一組の側壁であって、各側壁は、該入射面からその側壁への直線状の伝達経路を有する光線の少なくとも大部分が、該射出面における臨界角以下の角度で、該射出面における入射の角度を有し該射出面に反射するように、配置され、かつ、形作られる、一組の側壁と
を備えている、独立した光学デバイス。 - 前記射出面は、前記独立した光学デバイスから放射された光の前記所望の半角に対する明るさを保存するために必要な最小の面積を有する、請求項1に記載の独立した光学デバイス。
- 前記LEDは、正方形の形状を有し、光が前記射出面を出て行く前記実効立体角は、該LEDの該正方形の形状を源泉とするように決定される、請求項3に記載の独立した光学デバイス。
- 前記距離は、最小距離の50%の範囲内にあることにより、前記入射面から前記射出面への直線状の伝達経路を有する全ての光線が、該射出面における前記臨界角以下である入射の角度を有し、該射出面の面積は、
Ω1は、光が該入射面に入る実効立体角であり、Ω2は、光が該射出面を出て行く実効立体角であり、A1は、該入射面の面積であり、n1は、前記独立した光学デバイスの材料の反射率であり、n2は、該独立した光学デバイスの射出の外側の物質の反射率である、請求項1に記載の独立した光学デバイス。 - 前記各側壁は、前記入射面から該側壁への直線状の伝達経路を有する光線の少なくとも80%が、前記射出面における前記臨界角以下の角度で、該射出面における入射の角度を有し該射出面に反射されるように配置され、かつ形作られる、請求項1に記載の独立した光学デバイス。
- 反射された光線のうちの少なくとも80%が、全反射を介して反射される、請求項6に記載の独立した光学デバイス。
- 反射層をさらに備えており、前記各側壁は、光線の少なくとも80%が、該反射層によって、前記射出面における前記臨界角以下の角度で、該射出面における入射の角度を有し前記射出面に反射されるように配置され、かつ形作られる、請求項6に記載の独立した光学デバイス。
- 前記側壁の形状は、所望の強度プロフィールを作り出すように選択される、請求項1に記載の独立した光学デバイス。
- 前記所望の強度プロフィールは、ほぼ均一な強度プロフィールである、請求項8に記載の独立した光学デバイス。
- 前記独立した光学デバイスは、固体の材料の単一の部分で形成される、請求項1に記載の独立した光学デバイス。
- 前記独立した光学デバイスは、前記LEDの基板の反射率の20%以内の反射率を有する、請求項11に記載の独立した光学デバイス。
- 前記入射面と前記射出面とは、前記LEDと同じ形状とアスペクト比とを有する、請求項1に記載の独立した光学デバイス。
- 前記射出面は、前記入射面と平行であるか、または該入射面に回転するように整列されている、請求項1に記載の独立した光学デバイス。
- 前記入射面は正方形である、請求項1に記載の独立した光学デバイス。
- 前記独立した光学デバイスは、光の実質的に正方形で均一なビームを出力するように構成されている、請求項1に記載の独立した光学デバイス。
- 前記独立した光学デバイスは、放射輝度を保存しながら、前記LEDからの光をより小さい立体角に導くように構成されている請求項1に記載の独立した光学デバイス。
- 前記独立した光学デバイスは、最大の放射輝度の強度を提供するように構成されている、請求項17に記載の独立した光学デバイス。
- 前記独立した光学デバイスは、一組の追加の入射面を画定し、該一組の追加の入射面は、少なくとも部分的にはキャビティを画定し、該キャビティに、前記LEDは、少なくとも部分的には適合する、請求項1に記載の独立した光学デバイス。
- 独立したLEDに結合するように動作可能な独立した光学デバイスであって、該独立した光学デバイスは、
該独立した光学デバイスが該独立したLEDに結合されたときに、該独立したLEDの層からの光を受け取る入射面と、
該入射面の反対側にあり、かつ、該入射面から離れた射出面であって、該射出面は、少なくとも、該独立した光学デバイスから投影された光の所望の半角に対する放射輝度を保存するために必要な最小の面積を有する、射出面と、
一組の側壁であって、各側壁は、該入射面からその側壁への直線状の伝達経路を有する光線の少なくとも一部分が、該射出面における臨界角以下の角度で、該射出面における入射の角度を有し該射出面に反射するように、配置され、かつ形作られ、該各側壁の形状は、複数の外形に合わせられた面の重ね合わせを表す、一組の側壁と
を備えており、
該射出面の面積と、距離と、側壁の形状とは、少なくとも70%の実効性と所望の強度プロフィールとを有する、10度と60度との間の半角を有する光を投影するように選択される、独立した光学デバイス。 - 前記射出面の面積と、距離と、側壁の形状とは、少なくとも90%の実効性を有する、10度〜60度の間の半角を有する光を投影するように選択される、請求項20に記載の独立した光学デバイス。
- 前記LEDは、正方形の形状を有し、光が前記射出面を出て行く前記実効立体角は、該LEDの該正方形の形状を源泉とするように決定される、請求項22に記載の独立した光学デバイス。
- 前記距離は、最小距離の50%の範囲内にあることにより、前記入射面から前記射出面への直線状の伝達経路を有する全ての光線が、該射出面における前記臨界角以下である入射の角度を有し、該射出面の面積は、
Ω1は、光が該入射面に入る実効立体角であり、Ω2は、光が該射出面を出て行く実効立体角であり、A1は、該入射面の面積であり、n1は、前記独立した光学デバイスの材料の反射率であり、n2は、該独立した光学デバイスの射出の外側の物質の反射率である、請求項20に記載の独立した光学デバイス。 - 前記各側壁は、前記入射面から該側壁への直線状の伝達経路を有する光線の少なくとも80%が、前記射出面における前記臨界角以下の角度で、該射出面における入射の角度を有し該射出面に反射されるように配置され、かつ形作られる、請求項20に記載の独立した光学デバイス。
- 反射層をさらに備えており、前記各側壁は、光線の少なくとも80%が、該反射層によって、前記射出面における前記臨界角以下の角度で、該射出面における入射の角度を有し前記射出面に反射されるように配置される、請求項20に記載の独立した光学デバイス。
- 前記独立した光学デバイスは、固体の材料の単一の部分で形成される、請求項20に記載の独立した光学デバイス。
- 前記独立した光学デバイスは、前記LED層の反射率の20%以内の反射率を有する、請求項27に記載の独立した光学デバイス。
- 前記入射面と前記射出面とは、前記LEDと同じ形状とアスペクト比とを有する、請求項20に記載の独立した光学デバイス。
- 前記射出面は、前記入射面と平行であるか、または該入射面に回転するように整列されている、請求項20に記載の独立した光学デバイス。
- 前記入射面は正方形である、請求項20に記載の独立した光学デバイス。
- 前記独立した光学デバイスは、一組の追加の入射面を画定し、該一組の追加の入射面は、少なくとも部分的にはキャビティを画定し、該キャビティに、前記LEDは、少なくとも部分的には適合する、請求項20に記載の独立した光学デバイス。
- 独立したLEDに結合するように動作可能な独立した光学デバイスであって、該独立した光学デバイスは、
該独立した光学デバイスが該独立したLEDに結合されたときに、該独立したLEDの層からの光を受け取る入射面と、
該入射面の反対側にあり、かつ、該入射面から離れた射出面であって、
該射出面は、
Ω1は、光が該入射面に入る実効立体角であり、Ω2は、光が該射出面を出て行く実効立体角であり、A1は、該入射面の面積であり、n1は、該独立した光学デバイスの材料の反射率であり、n2は、該独立した光学デバイスの射出の外側の物質の反射率であり、該距離は、該入射面から該射出壁への直線状の伝達経路を有する全ての光線が、少なくとも、該射出面における臨界角以下である入射の角度を有するような最小距離になるように選択される、射出面と、
一組の側壁であって、各側壁は、該入射面からその側壁への直線状の伝達経路を有する光線の少なくとも一部分が、該射出面における臨界角以下の角度で、該射出面における入射の角度を有し該射出面に反射するように、配置され、かつ、形作られ、該各側壁の形状は、複数の外形に合わせられた面の重ね合わせを表す、一組の側壁と
を備えており、
該射出面の面積と、距離と、側壁の形状とは、少なくとも60%の実効性と所望の強度プロフィールとを有する、10度と60度との間の半角を有する光を投影するように選択される、独立した光学デバイス。 - 前記射出面の面積と、距離と、側壁の形状とは、少なくとも90%の実効性を有する、10度〜60度の間の半角を有する光を投影するように選択される、請求項33に記載の独立した光学デバイス。
- 前記射出面の面積は、最大面積の5%の範囲内にあり、前記距離は、最小距離の5%の範囲内にある、請求項33に記載の独立した光学デバイス。
- 前記LEDは、正方形の形状を有し、光が前記射出面を出て行く前記実効立体角は、該LEDの該正方形の形状を源泉とするように決定される、請求項33に記載の独立した光学デバイス。
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