JP2002532902A - 光線抽出装置 - Google Patents
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Abstract
Description
定的には、ミラミッド形構造体の使用に関する。
れは、対称性の高い形状、例えば立方体や平行六面体に特に当てはまる。これは
、発光ダイオード(LED)において、屈折率が非常に高く、すなわち3を上回
り、そのため、光線のほんの1部しか出射しないという問題を提起する。LED
と関連した透過媒体から光線のほとんどを出射させて、LEDからの光線透過効
率をかなり増大させる手段が必要である。
られているが、そのどれもが特に効率的ではない。例えば: a)LEDは、同じ値の高い屈折率を持つ球形中に埋め込むことが可能である
。これが可能であるのは、エミッタの中心にあるポイントソースだけであり、有
限のサイズを持つエミッタでは不可能である。加えて、出射光線は境界でのフレ
ネル反射率が高く、n=3で[(n−1)/(n+1)]2≒25%である。
ル反射を減少させようとして光線をブリュスター角内に収まるように平行化させ
る目的で用いられてきた。一般的に、材料の屈折率はn≒1.5であり、そのた
め、光線の多くの部分、すなわち16%を越えるパーセンテージが、無収差レン
ズ内に捕獲されたままであるが、それはその(回転)対称性が高いからである。
全ての反射をブリュスター角内の角度に保つことによって、存立は比較的小さく
なるが、そのトレードオフは実際のLEDよりはるかに大きいシステムサイズで
ある。
出手段を提供することである。基本的には、この抽出手段は: a)光透過性材料で形成されている円筒形本体であり、円筒形の外壁を有する
本体と; b)少なくとも3つの平面状側部を有し、光透過性材料で形成されているピラ
ミッド形本体であり、このピラミッド形本体は、円筒形本体の端に長手方向に置
かれて、この3つ以上の側部を露出させ、この平面状側部が、円筒形本体の外壁
と湾曲エッジのところで交差する平面を画定しており、この円筒形外壁がこのよ
うな湾曲エッジのところで終端している、ピラミッド形本体と; c)ピラミッド形本体に対して離間された関係で置かれ、かつ、円筒形本体中
の光線をピラミッド形本体に向けて透過させるように方位付けされて置かれたL
ED手段と; を備えている。
に90%を越える効率を達成することが可能である。また、このような装置は、
無収差装置よりはるかにコンパクトである。
が幾分大きく、また、RGBのLEDトライアッドからの光線を一緒に混合する
機能を有しないが、これは、無収差システムが撮像システムであり、一方、LE
Dピラミッド形抽出装置は非撮像装置であり、したがって、良好なRGB混合装
置であるからであることが分かる。ここに開示する新しい3側部ピラミッド形抽
出装置は、自身が抽出されるフレネル反射による損失をほとんど全く有しない。
3側部ピラミッド形構造体は好ましい構造であるが、4つ以上の側部を持つ構造
もまた効果的である。加えて、自身のカラーバランスを変化させる統合RGB(
赤、緑、青)抽出システムは、非常にコンパクトにすることが可能である。各々
が特定の波長すなわち色を放出する3つのLEDを組み合わせると、各LEDの
放出を独立に変化させることによって出力色彩を変化させることが可能な1つの
抽出システムを作ることが可能である。この点で、先行技術による無収差システ
ムでは、システムの直径が、ピラミッド形抽出装置の直径の少なくとも2倍必要
である。また、本ピラミッド形システムの形状は、抽出装置内の屈折率とは無関
係である。
提供することである。この装置は: a)LEDが少なくとも部分的に受容される第1の領域を有する透明な本体;
を備え; b)この本体は、LEDからの光線が透過する経路上にある第1の領域を有し
、かつ、このような透過光線を混合するように働き; c)この本体は、第2の領域からの光線透過経路上にある第3の領域を有し、
この第3の領域において、混合光線を透過させる体積が減少し; d)第2の領域は、前記第3のピラミッド形領域の側部によって画定される平
面の延長である表面間に円筒形表面形状を有している。
の領域は円錐形状を有し、また、第1の領域は円筒形形状を有している。この点
で、第2の領域は、一般的には、第3のピラミッド形領域の側部によって画定さ
れる平面の延長である表面を有している。3つのLEDは、クラスタという形態
で用いてもよく、また、例えば、それぞれ赤、緑及び青を後出するようにしても
よく、さらにまた、LEDの比視感度を制御する、すなわち第3の領域から透過
した混合光線の色を制御する手段があってもよい。
と図面を読めばより完全に理解されよう。
ポリカーボネート等の熱凝結性ポリマー、紫外線硬化性ポリマー又は射出成形可
能材料のような光透過性材料から成り、前記の材料の全ては一般に1.5〜1.
6の範囲の屈折率を持っている。この本体は低部10aと円筒形の側壁10bを
有する。図示されるように、本体の直径D1は一般的に軸方向の高さ又は長さL 1 +L3よりも小さい。高さL1のピラミッド形の本体11が、本体10の上部
側部の上方に置かれ、またそれは図示されるように基部11a、3つの側部11
b、11c、11d、及び先端11eを有している。基部11aは、本体10の
頂部平面の上、一般に先端11eと13aで表される水平面との間に置かれる。
もよい。高さL3の第3の本体12が本体10と11の間に置かれており、それ
らは一体化又は統合されており、それによって第1、第2及び第3の本体領域1
0、11、12を有する単一の全体的本体が提供される。全体的本体は、熱凝結
性ポリマー又は紫外線硬化ポリマー等のプラスチック材料でできていてもよい。
ら間隔を置いて設置され、本体10中の光線を例えば領域12を通って本体11
に向けて透過させるように方位付けされている。領域12は複数のLEDからの
異なる波長を持つ混合光線を透過させるように働くという機能を持ち、また本体
11は領域12からの光線透過経路上でより小さな体積を持ち、そこから効率的
に光線を空気中に伝達するという機能を持つ。
の側壁10bの延長部である外壁13、及び本体10の上部と一致又は一体化し
た13aで表される円形基部を有している。前記のように本体10及び12が統
合されている場合は、10の頂部と12の基部は一体構造となっている、すなわ
ち11a及び13aにおける表面は物理的に一致せず、そして本体10、11及
び12は結合している又は同質であり得る。外壁13は、平面状の表面領域11
b′、11c′、11d′の間で円筒形を成しており、それらの表面領域は、ピ
ラミッド形本体11の平面11b、11c、11dが下方に延長したものとなっ
ている。平面11b′、11c′、11d′は類似しており、かつ全本体の垂直
軸15に関して当距離で間隔をあけられており;またこれらの平面は楕円形の断
面線16に沿って円筒形表面13と交差するが、その断面線は湾曲しており、本
体10の最上部の全水平延長によって画定される上縁部の円周13aと17で接
している。線13aはまた接点17によって画定される平面をも表す。
み、それによって全内部反射を側方に散乱させることが可能になる。すなわち内
部反射された光線は上方に延長するが面状の扇形に拡散され、それによって混合
が促進される。従来型の散乱手段は過剰なエネルギーを抽出装置に送り返して、
損失する。代わりに、抽出装置上の円周方向に方位付けされた細い楕円形の散乱
パターンを持つホログラフィック拡散装置は色の混合を促進する。図8には、接
平面100を持つ表面の小部分が表されている。接平面100は光線101を光
線102に鏡面反射する。それらの光線の両方とも、平面100に直交しその表
面の法線104を含む平面103内にある。線105は、本発明の円筒形の円周
を表す。散乱光線106及び107は、平面103に直交する平面108を形成
する。それらの散乱光線は、光線102がスメアリングした光線の扇の限界角を
形成する。平面100は、円周方向に方位付けされた楕円形パターンのホログラ
フィック拡散装置又は回折格子を用いて散乱パターンを実現することができる。
されている。図1に表されるように、クラスタ内の14a、14b及び14cに
3個のLEDが設置されている。それらは図示されているように円筒形であって
も、又は矩形であってもよい。それらは赤、緑、青の発光LEDであり、またそ
れらのLEDからの相対的光線透過レベルを制御する手段が19で表されている
。図1及び3には、約0.88の反射率のアルミニウムの外殻から成るカップ状
の反射体20a、20b、20c内の中央に置かれたLEDが表されている。図
2には、ドーナツ状の楕円形表面を持つ典型的な反射体の寸法が表されている。
反射体は非撮像的であり、また円筒壁106又は13を光が通過しないように最
大の角度で上方に光を反射するように働く。各反射体によって形成されたカップ
内のLEDの周りに本体10の材料が充填される。
直径をDとし、また、3つの平面を削ぎ落とすことによって形成されている。そ
れらの平面の幾何学的形状は2つの長さL1及びL3によって表される。ピラミ
ッド形領域の長さはL1であり、抽出装置全体の長さはL1+L2である(L2 は、元の本体すなわち下部円筒を含む抽出装置表面の長さである)。各平面は、
三角形11aの先端である3つの点によって決定される。全ての平面は先端(0
,0,L1+L2)で、共通の点を共有する。i番目の平面(i=1、2、3)
の他の点は、(Rcos(2πi)/3,Rsin(2πi)/3,L2)及び
(Rcos(2π(i+1)/3,Rsin(2π(i+1)/3,L2)であ
る。ここでR=D/2は円筒の半径である。図1の円筒形領域が一定の長さを持
ち(また抽出装置が円形のアパーチャに結合可能にする)ために、L2>L1と
いう条件が満たされなければならない。L1=L2の場合は、面11b′、11
c′、11d′は面11b、11c、11dとそれぞれ同一平面上にある。図1
の設計では(図4に表されている)金属製カップ及びLEDは、高さがL2−L 3 の円筒形領域10内に埋め込まれている。
ムのそれと比較する総括表である。垂直方向に正の方向を持つ光線だけが抽出さ
れるものと考えられ、その結果損失は両システムに対して約1%である。
考慮される。基部において光の分布が半球形であっても、基本的に全ての光線は
位相空間の保持によって出射し又は戻ってくる。例えば回転対称のような高い対
称性の場合は、スキュー不変性によって多くの光線が戻ってくる。しかしながら
3側部ピラミッドのような低対称性の場合には、光線が戻ることを要求するよう
な不変性原理は存在せず、調整可能パラメータとしてのテーパー角を変えること
によって光線は基本的に戻らない。抽出装置内部の複数回反射のために、抽出さ
れる光線の割合は、1つのフレネル反射の割合さえも超えることに注意されたい
。従って基本的に全ての光線が抽出される。
ことが理想的である。例えばn≒1.5のようなより小さな屈折率材料で作られ
た場合、n≒1.5の材料内に既にある光線の全てが少なくとも出射する。これ
は現行の方法によって達成されるよりもかなり良いものである。
れている。イスラエルのRethovenにある科学グループのワイズマン研究
所(Amnon Yogev、Harald Ries、A.Segal及びJ
acob Karni)は、それらを太陽炉内の高温受容体の誘電CPC非撮像
円錐体と結合させて用いた。シカゴ大学のグループ(Ronald Winst
on、David Jenkins、Joe O‘Gallagher)は、そ
れらを太陽炉内の誘電CPC非撮像円錐体と結合させて用いて、50,000s
unの集約率を達成した。
空洞中にあるLEDを考慮することによって推測することが可能である。次に、
キルヒホフの関係を応用すると、放出率(emissivity)ε(θ、π) は次式で与えられる: ε(θ、π)=α(0,π)=1−ρ(θ,π) ここで、α(θ,π)は吸光率、θはLEDの垂直な表面に対する角度、πは偏
光率である。波長λなどの他の変数に対する依存性は抑圧されている。ここで、
ρ(0,π)は、ちょうどn≒1とn≒3の境界におけるフレネル反射率、すな
わち[(n−1)/(n+1)]2である。この公式は、例えばボルン(Bor
n)とボルフ(Wolf)による「光学の原理」(Principles of
Optics)(第6版、40ページ)に見受けられる。これで、角度分布を
次のようにモデリングすることが可能である: dN/dΩ≠∝cosθ[1−ρ(θ,π)] ここで、Ωは、放出の立体角である。
向にある。この結果は、光線分布が詳細な光線追跡によって最も良好に得られる
、抽出装置ではなくLEDの正規の体積などのエルゴード状況を近接にモデリン
グするものと期待される。
と頂部アノード61と中間PIN接合62と本体63を各々が有する立方体とし
て形成される。LEDの組成によって、放出される光線の色が決まる。LEDは
、ヒューレットパッカード、東芝、ソニーなどの会社の製品が周知でありそこか
ら供給されている。上記の反射体は一般的に薄い金属のスタンピング製品である
。
示すように、LED立方体の底部のレベルより上にある反射体カップの高さHは
、LEDからの極光線が本体10の円筒形壁10bに、内部反射合計の臨界角で
あるθc=arcsin(1/n)より大きい角度θで到達するような高さでな
ければならない。ここで、n=1.5の場合、θc=42°である。したがって
、RGB式LEDからの光線の全て乃至は実質的に全てが反射されて戻って、本
体10内で上方に行き、壁10、11及び12から離れて複数の反射体によて混
合され、最終的に頂部ピラミッドから脱出する。図6に、1つの半球反射体73
中に置かれている(赤、緑、青の光を放出する)3つのLED70、71及び7
2がすべて、(以前と同様に領域11と12の下方の)円筒形本体10’中に埋
め込まれていて、混合光線を発生する。
LED81の頂部に置かれており、光を上方に透過させる。LEDの基板はその
吸光率が比較的低く、これによって、抽出ピラミッドの光路が、光を外側に効率
的に透過させるに十分な長さとなるようにするのが望ましい。
参照番号を持っている。
壁を有する、円筒形本体と; b)少なくとも3つの平面状側部を有し、光透過性材料で形成されているピラ
ミッド形本体であり、前記ピラミッド形本体が、前記円筒形本体の端に長手方向
に位置付けされていて、これによって、前記3つ以上の側部が露出し、前記平面
状側部が、前記円筒形本体外壁と湾曲エッジにおいて交差する平面を画定し、前
記円筒形外壁が前記湾曲エッジで終端する、ピラミッド形本体と; c)前記ピラミッド形本体に対して離間した関係で位置付けされ、前記円筒形
本体中の光線を前記ピラミッド形本体に向けて透過させるように方位付けされて
いるLED手段と; を含む又は備えている。
いる第1の領域81を有する透明な本体80を; を備え、 b)前記本体は、LEDからの上向き光透過経路上に第2のそして上方の領域
83を有していて、このような透過光線を混合し; c)前記本体80は、第2の領域からの光透過経路上に第3の最上位領域84
を有し、前記第3の領域において、混合光線を透過させる体積が減少し; d)前記第2の領域が、3側部ピラミッド形態を有する前記第3の領域の側部
によって画定される3つの平面84aの下向き延長部である平面状表面領域83
b間の83aのところに不連続の円筒形表面形状を有しており; e)前記平面状表面領域83bは、前記表面83aと楕円形の部分を成す湾曲
線に沿って交差する; るように定められている。
1〜8の層値と同じ機能を実行する。
である。
切った図である。
1〜8の層値と同じ機能を実行する。 以上と図面から、以下のことがいえる。光透過性ピラミッドは、LEDから長
手方向に離間されているアペックスに向かって上方に延びている平面を画定し、
これらの平面は、縦方向に直交する横平面に対して45°を超える角度で急な角
度を付けられており、この結果、ピラミッド内から3つの側部に入射する実質的
に全てのLED光がこれらの側部から抽出される。例えば、図1及び図9〜13
の平面の角(planar angularities)を参照。
Claims (15)
- 【請求項1】 a)光透過性材料で形成されている円筒形本体であり、前記
本体が円筒形の外壁を有する、円筒形本体と; b)少なくとも3つの平面状側部を有し、かつ、光透過性材料で形成されてい
るピラミッド形本体であり、前記ピラミッド形本体が前記円筒形本体の端に長手
方向に置かれて、前記3つ以上の側部を露出させ、前記平面状側部が、湾曲エッ
ジで前記円筒形本体外壁と交差する平面を画定し、前記円筒形外壁が前記湾曲エ
ッジで終端する、ピラミッド形本体と; c)前記ピラミッド形本体に対して離間した関係で置かれ、かつ、前記円筒形
本体中の光線を前記ピラミッド形本体に向けて透過させるように方位付けされた
LED手段と; を備えているLEDから光線を抽出する装置。 - 【請求項2】 a)複数のLEDが少なくとも部分的に受容された第1の円
筒形領域を有する透明な本体を; 備えており、 b)前記本体が、前記複数のLEDからのそれぞれの光透過経路上に第2の領
域を有し、かつ透過光線を混合するように働き; c)前記本体が、前記第2の領域からの光透過経路上に第3の領域を有し、前
記第3の領域において、混合光線を透過させる体積が減少し; d)前記第2の領域が、前記第3の領域の側部によって画定される3つの平面
の延長である平面状表面領域間に不連続な円筒形表面形状を有する; 複数のLEDからの光線を抽出する装置 - 【請求項3】 前記第3の領域がピラミッド形状を有する、請求項1に記載
の装置。 - 【請求項4】 前記第3の領域がピラミッド形状を有する、請求項2に記載
の装置。 - 【請求項5】 前記平面がアペックスで合致する、請求項2に記載の装置。
- 【請求項6】 前記複数のLEDのうちの3つはクラスタで設けられている
請求項2に記載の装置。 - 【請求項7】 前記第1の領域が高さL2−L1を有し、前記第2と第3の
領域が高さL3とL1をそれぞれ有し、ここにおいてL2>L1である、請求項
5に記載の装置。 - 【請求項8】 前記LEDからの相対的放出を制御するための手段を含んで
いる、請求項1に記載の装置。 - 【請求項9】 クラスタ化され、前記第2の領域に対して開放している3つ
のカップであって、前記カップ中に前記3つのLEDがそれぞれ位置されている
、カップを含むカップ形状の反射体手段を含んでいる、請求項6に記載の装置。 - 【請求項10】 前記LED手段が、前記ピラミッド形本体と整合して、前
記反射体手段内に置かれている、請求項1に記載の装置。 - 【請求項11】 前記反射体手段と前記LEDが双方共、前記円筒形本体内
に少なくとも部分的に置かれている、請求項2に記載の装置。 - 【請求項12】 前記反射体手段は、前記反射体手段中の前記LED手段か
らの極光線が1つ以上の本体領域と関連する1つ以上の壁から反射されて、前記
1つ以上の本体領域中に戻ることを特徴とした高さHを有する、請求項10に記
載の装置。 - 【請求項13】 各LEDがカップ形状の分離した反射体中に置かれている
、請求項12に記載の装置。 - 【請求項14】 赤、緑及び青の光線を放出する前記3つのLEDがカップ
形状の1つの反射体内に置かれている、請求項2に記載の装置。 - 【請求項15】 a)LEDと; b)前記LEDに取り付けられており、 光線を透過する光透過性3側部ピラミッドであり、前記ピラミッドが、鋭角的な
アペックスと、前記LEDと前記アペックス間にある基部とを有する、光透過性
3側部ピラミッドと; を含んでいる装置。
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