JP2008536266A - 蛍光体積光源 - Google Patents

Abstract

投影システムを照明するために用いられ得る照明システムは、第１の波長範囲の光を生成可能な少なくとも第１のインコヒーレント光源を含む。システムは第１の波長範囲の光により照明された場合、第１の波長範囲と異なる第２の波長範囲の光を放出する蛍光物質を含む本体も含む。本体は抽出領域を有し、第２の波長の光の少なくとも一部が本体内で抽出領域へ内部反射される。

Description

本発明は光源に関し、特に照明システム、例えば投影システムで用いられ得る光源に関する。

あるタイプの光源による照明源の輝度は通例光源自体の輝度により限定される。例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いる照明源はＬＥＤの輝度以下の、単位立体角当たりの単位面積当たりの出力で測定された輝度を有するが、それはＬＥＤからの光を集光する光学部品がせいぜいＬＥＤ源のエタンデュを維持するに過ぎないからである。したがって照明源の輝度は限定される。

投影機照明などの照明源のある用途において、現在入手可能なＬＥＤの輝度は低すぎるためＬＥＤによる照明は有力な選択肢ではない。これは緑色光、ＬＥＤで用いられる半導体材料が光を生成する効率が低い可視スペクトルの領域の生成の場合に特に問題である。

他のタイプの光源は十分に明るい光線を生成可能であり得るが、それらも他の欠点がある。例えば高圧水銀ランプは通例投影システムに対して十分な光を提供可能であるが、このタイプのランプは比較的非効率であり、高電圧供給を必要とするとともに寿命が限られている。ＬＥＤなどの固体状態光源はより効率的であり低電圧で動作し、そのためランプより安定しているとともにより長い寿命を有し、数万時間に及ぶことが多い。

そのため現在の光源より明るい照明システムで用いることができる固体状態光源の必要性がある。

本発明の１つの特定な実施形態は、第１の波長範囲の光を生成可能な少なくとも第１のインコヒーレント光源と、第１の波長範囲の光により照明されたときに、第１の波長範囲と異なる第２の波長範囲の光を放出する蛍光物質を含む本体とを含む照明システムを対象とする。本体は抽出領域を有し、第２の波長の光の少なくとも一部が本体内で抽出領域へ内部反射される。

本発明の他の実施形態は蛍光物質を含む本体を含む照明システムを対象とする。本体は少なくとも１つの励起領域と光抽出領域とを有する。少なくとも１つの発光ダイオード（ＬＥＤ）は第１の波長の光を生成可能である。第１の波長の光の少なくとも一部は少なくとも１つの励起領域を本体内へ通過する。第２の波長の蛍光光が第１の波長の光によって本体内で生成される。第２の波長の光の少なくとも一部が本体によって光抽出領域へ方向付けられる。第２の波長で光抽出領域から出る光は、少なくとも１つの励起領域内を通過する第１の波長光の輝度より高い輝度を有する。

本発明の上記の概要は本発明の各開示実施形態またはすべての実施を説明しようとするものではない。以下の図および詳細な説明がこれらの実施形態をより具体的に例示する。

添付の図面と共に以下の本発明の様々な実施形態の詳細な説明を考慮することで本発明をより完全に理解されよう。

異なる図における同様な数字は同様な要素を指す。本発明は様々な変更例および代替形態に適用可能であるが、その具体例が図面に一例として示されているとともにより詳細に説明する。しかし説明した特定の実施形態に限定しようとするものではないことは理解すべきである。反対に添付の特許請求の範囲に規定された本発明の要旨と範囲とにある変更例、同等物および代替例をすべて網羅しようとするものである。

本発明は光源に適用可能であるとともに、特に高輝度レベルが必要とされる照明システムに用いられる光源に適用可能である。

光源の輝度はエタンデュで割った光パワー（ワット）で測定される。エタンデュは光源における光線の面積に屈折率の二乗をかけ、光線の立体角をかけた積である。光のエタンデュは一定である、すなわち光を損失せずに光線の立体角が減少する場合には、例えば光源の発光面積を増加させることによって、光線の面積が増加されなければならない。エタンデュが一定であるため、光源により生成される光の輝度は、光源から抽出される光量を増加させることによってのみ増加させることができる。光源が最大出力で動作している場合には、その光源の輝度はもはや増加させることができない。

光線の輝度はさらなる光源の使用により増加され得る。しかし単により多くの光源を追加することによって、光線の輝度をどのくらい増加させることができるかについては限界がある。光線を目標に向ける光学系はあるアパーチャおよび円錐角限界内にある光のみを受ける。これらの限界はレンズのサイズおよび光学系のｆナンバーなどの様々な要因に依存する。さらなる光源の追加は光線の輝度に無限の増加を提供することはなく、それはより多数の光源において、追加光源からの徐々に少なくなる光が光学系のアパーチャおよび円錐角限界内にあるからである。

本発明は発光ダイオードなどの比較的低い輝度を有する多数の光源を用いて、比較的高輝度を有する集中光源を作製するのに有用であると考えられる。より低い輝度光源からの光を用いて大量の蛍光物質を光励起（ｐｕｍｐ）する。蛍光物質は低輝度光源により放出された光を吸収するとともに異なる波長の光を蛍光放出する。蛍光光は通例蛍光物質により等方的に放出される。蛍光光の少なくとも一部を体積内で光抽出領域へ向けることができる。励起表面領域は比較的低輝度の短波長励起光を体積に結合させるために用いられる蛍光体積の領域であるとともに、抽出領域は蛍光光が抽出される蛍光体積の領域である。励起表面領域が抽出領域に比べて十分に大きい場合に輝度の純増加を達成することができる。

以下の説明において用語蛍光は、物質が第１の波長の光を吸収してその後第１の波長とは異なる第２の波長の光を放出する現象を含む。放出された光は物理的に許容された遷移量子または物理的に許容された遷移量子に関連し得るが、後者は一般に燐光と称される。蛍光物質が蛍光光を放出する前に単一の励起光子のみを吸収する場合には、蛍光光は通例励起光より長い波長を有する。しかしある蛍光システムにおいて、蛍光光が放出される前に２つ以上の励起光子が吸収され、その場合放出光は励起光より短い波長を有し得る。このような現象は一般にアップコンバージョン蛍光と称される。ある他のシステムにおいて、光は蛍光物質内の吸収種により吸収され、その結果得られるエネルギーが物質内の第２の種に非放射伝達されるとともに、第２の種が光を放出する。本明細書で用いられるように用語蛍光および蛍光光は、励起光エネルギーが１つの種により吸収されるとともに、エネルギーが同じまたは他の種により再放射システムを包含することを意図するものである。

本発明の１つの特定の実施形態が図１Ａおよび１Ｂに図示されており、蛍光物質を含む本体１０２と、光１０６を本体１０２内に放出する多数の発光体１０４とを有する体積蛍光光ユニット１００の直交図を示す。

本体１０２は任意の適当な材料で形成できる。例えば本体１０２は蛍光物質自体で形成してもよいし、または蛍光光に対して透明であるとともに蛍光物質を含むある誘電材料で形成してもよい。誘電材料の適当な例には無機結晶、ガラスおよび高分子材料がある。誘電材料にドープされ得る蛍光物質の例には、希土類イオン、遷移金属イオン、有機染料分子および蛍光体がある。誘電および蛍光物質のある適当な種類には、セリウムドープされたイットリウムアルミニウムガーネット（Ｃｅ：ＹＡＧ）などの希土類イオンがドープされた、またはクロムドープされたサファイアまたはチタンドープされたサファイアなどの遷移金属イオンがドープされた無機結晶がある。

材料の他の適当な種類には高分子体にドープされた蛍光染料がある。多くのタイプの蛍光染料が例えばミズーリ州セントルイス（Ｓｔ．Ｌｏｕｉｓ，Ｍｉｓｓｏｕｒｉ）のシグマ・アルドリッチ（Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ）、およびオハイオ州デイトン（Ｄａｙｔｏｎ，Ｏｈｉｏ）のエクシトン・インコーポレーション（Ｅｘｉｔｏｎ Ｉｎｃ．）から入手可能である。一般的なタイプの蛍光染料にはフルオレセイン、ローダミン（Ｒｈｏｄａｍｉｎｅ）６Ｇおよびローダミン（Ｒｈｏｄａｍｉｎｅ）Ｂなどのローダミン、ならびにクマリン（Ｃｏｕｍａｒｉｎ）３４３およびクマリン（Ｃｏｕｍａｒｉｎ）６などのクマリンがある。染料の具体的な選択は蛍光光の所望の波長範囲および励起光の波長に依存する。ポリメチルメタクリレートおよびポリビニルアルコールを始めとする多くのタイプの高分子が蛍光染料のホストとして適当であるがこれらに限定されない。

蛍光体には蛍光種を始めとする結晶またはセラミック材料の粒子がある。蛍光体は高分子マトリックスなどのマトリックスに含まれることが多い。ある実施形態においてマトリックスの屈折率は、少なくとも０．０２以内で蛍光体の屈折率に実質的に一致して散乱を低減する。他の実施形態において蛍光体はマトリックス内のナノ粒子として提供され得る。屈折率はあまり一致していなくても、得られるマトリックス内には粒子の小さなサイズに起因する光のわずかな散乱がある。

他のタイプの蛍光物質にはドープされた半導体材料、例えばセレン化亜鉛および硫化亜鉛などのドープされたＩＩ−ＶＩ半導体材料がある。

アップコンバージョン蛍光物質の一例は、同一出願人が所有する米国特許出願公開第２００４／００３７５３８Ａ１号明細書により詳細に説明されたツリウムドープされたケイ酸塩ガラスである。この材料内で２つ、３つあるいは４つの励起光光子が、ツリウムイオン（Ｔｍ³⁺）に吸収されてイオンを後で蛍光を発する異なる励起状態に励起させる。

蛍光物質の具体的な選択は所望の蛍光波長および発光体から放出される光の波長に依存する。蛍光物質は発光体により放出された励起光１０６を効率的に吸収して、励起光１０６がすべてではなくてもほとんどが本体１０２内に吸収されることが好ましい。これは励起光１０６を有用な蛍光出力光１０９に変換する効率を向上させる。上述した蛍光種の具体的な例は例示目的に提示されているに過ぎず限定することを意図するものではない。

発光体１０４はインコヒーレント光を放出する任意の適当なタイプのデバイスであり得る。本発明は暗い発光体からの光を用いて比較的明るい光線を生成するのに特に有用であると考えられる。

好適な例示的実施形態において発光体１０４から放出された光１０６は、蛍光物質の吸収と十分に重なる波長範囲内にある。またそれは放出光１０６を本体１０２内に光学的に結合する度合いが高くなるように発光体１０４を配向することができる場合には有用である。１つの適当なタイプの発光体は通例約２０ｎｍ〜約５０ｎｍの範囲の帯域幅を有する光１０６を生成するＬＥＤであるが、光帯域幅はこの範囲外であってもよい。加えてＬＥＤからの放射パターンは多くの場合ほぼ均等拡散であり、そのため本体１０２内への光１０６の比較的効率的な結合が可能である。他のタイプの発光体、例えば気体放電ランプ、フィラメントランプ等も用い得る。反射体もしくは屈折または回折素子などの光学素子を用いて、本体１０２に向けられないこともある励起光を本体１０２に向け得る。

この特定の実施形態において励起光は励起面１１０を介して本体１０２に入るとともに、蛍光出力光１０９は抽出面１１２を介して本体１０２を出る。

本体１０２内の蛍光物質は蛍光光１０８を放出する。光線１０８ａにより例示された蛍光光の一部分は本体１０２の励起面１１０を介して透過され得る。光線１０８ｂにより例示された蛍光光の他の部分は本体１０２内で反射される。例えば光１０８ｂが励起面１１０において、表面１１０に対する垂線に対して測定して臨界角より大きい角度で入射する場合、光１０８ｂは本体１０２内で全内部反射される。

背面１１０ａに、臨界角より小さい角度で入射する光線１０８ｃにより例示された蛍光光を反射する反射コーティング１１４を設けてもよい。反射コーティング１０４は背面１１０ａに入射する蛍光光を反射する任意の適当なタイプのコーティングであり得る。例えば反射コーティング１１４は多層無機誘電体コーティングまたは高分子多層光学フィルム（ＭＯＦ）コーティング、または金属コーティングであってもよい。反射コーティング１１４が多層無機誘電体コーティングまたはＭＯＦコーティングである場合には、反射コーティング１１４を励起光１０６を通過させるとともに蛍光光１０８ｃを反射するように設計することができるため、本体１０２を背面１１０ａを介して励起することが可能である。金属コーティングは通例背面１１０ａを介する励起に対して軽減する幅広い反射率スペクトルを有する。反射コーティング１１４が励起光に対して透明である場合、本体１０２を背面１１０ａを介して励起することが可能である。

抽出面１１２を介して本体１０２を出る、光線１０９ａにより例示された蛍光光の一部は、本体１０２の任意の表面における反射なしに本体１０２を直接出ることができる。光線１０９ｂにより例示された出力蛍光光１０９の他の部分は本体１０２内で反射されていることがあり得る。

体積蛍光光ユニット１００の説明を助けるためにデカルト座標系が図１Ａおよび１Ｂに提供されている。座標系の方向は出力蛍光光が概してｚ方向に沿って伝播するように任意に割り当てられており、ｚ方向は長さＬを有する本体の長辺に平行である。本体１０２の幅ｗは、ｘ方向で測定されるとともに、本体１０２の高さｈは、ｙ方向で測定される。

本体１０２は異なる形状を取り得る。図示の例示的実施形態において本体１０２はｘ−ｙ面に平行な長方形断面を有する。他の例示的実施形態において本体１０２の断面は異なり、例えば円形、三角形、楕円形、または多角形であってもよく、さらに不規則であってもよい。

体積蛍光光ユニット１００により提供された輝度上昇の概算は以下のように得ることができる。励起光１０６が本体１０２の４つの主面、すなわち本体の長さにより規定される面にのみ入るとともに背面１１０ａが未励起であると仮定すると、全体励起面積は２Ｌ（ｗ＋ｈ）に等しい。さらにまた励起光１０６が６０°の円錐角で本体１０２に入射すると仮定する。励起光１０６を本体に結合するために利用可能なエタンデュＥ_inはそのため、
Ｅ_in＝２Ｌ（ｗ＋ｈ）２π（１−ｃｏｓ²６０°）＝３πＬ（ｗ＋ｈ） （１）
により与えられる。

本体１０２内の全内部反射の臨界角θ_cは、θ_c＝ｓｉｎ^-1（１／ｎ）により与えられ、ここでｎは本体１０２の屈折率である。本体が１．５の屈折率を有する場合には、θ_c＝４１．８°である。そのため２π（１−ｃｏｓ（４１．８°））ステラジアンの円錐内の蛍光光のみが端面１１２外で結合される。円錐は体積内で放出された全光の割合Ｆ＝（１−ｃｏｓ（４１．８°））＝０．２５５を含む。背面１１０ａに反射体がある場合には、光の２５．５％が単一端を介して脱出することになる。以下に説明するように背面１１０ａを傾斜させることが、端面１１２の外で結合する光の割合を３０％に増加し得る。

図示の実施形態において抽出面１１２を介して放出された蛍光光１０９は、２πステラジアンの立体角にわたり向けられる。そのため抽出面１１２からの蛍光出力光１０９のエタンデュＥ_outは、
Ｅ_out＝２πｗｈ （２）
により与えられ、そのためエタンデュは、
Ｍ＝Ｅ_in／Ｅ_out＝（３／２）（Ｌ／ｗ）（１＋ｗ／ｈ） （３）
の係数Ｍだけ増加する。

蛍光出力における全体輝度は以下の成分を有する光パワー損失ηにより低減される。
ｉ）本体内への励起光１０６のフレネル透過Ｒ、
ｉｉ）蛍光のストークス効率Ｓ、
ｉｉｉ）本体からの蛍光光の抽出＝０．３
ηの値はこれらの３つの因数を掛け合わせることにより得ることができる。それぞれ９１％および８５％のＲおよびＳの適度な概算を見積もるとともに、抽出効率３０％という値を用いると、ηの概算値は０．２３である。
そのため出力蛍光光の輝度は、
Ｍη＝０．３５（Ｌ／ｗ）（１＋ｗ／ｈ） （４）
だけ入力励起光１０６の輝度を超えて上昇する。

Ｌ＝５ｗおよびｗ／ｈ＝１６／９である例において、輝度はそのため４．８倍増加する。以下に説明するように体積蛍光光ユニット１００のこの基本的な実施形態に対する様々な変更例を輝度上昇を増すように作製し得る。

体積蛍光光ユニットのエタンデュ上昇特性を保持するためには、本体内の少量の蛍光光しか散乱しないことが重要である。そのため本体自体内の蛍光光の平均自由行路、すなわちバルク散乱事象間の平均距離が約２Ｌ以上であることが好ましい。また光が全内部反射される場合の散乱損失を低減するため、全内部反射当たりの散乱が約５％／（２Ｌ／ｈ）未満であることが好適である。

図２Ａに概略的に図示された体積蛍光光ユニット２００の実施形態において、本体１０２の励起面１１０に励起光１０６を透過するが蛍光光１０８を反射する反射コーティング２１０が設けられている。反射コーティング２１０は多層無機誘電体コーティングまたはＭＯＦコーティングであり得る。このようなコーティング２１０を用いると、未塗布本体１０２内での全内部反射の臨界角未満の角度で表面１１０に入射することがある光２０８ａは反射されて本体１０２内に残る。そのため光２０８ａが抽出面１１２を介して抽出される可能性が増し、その結果抽出面を出る蛍光光１０９の量が増すことになる。

発光体１０４は場合によっては基板２２０上に設けられ得る。例えば発光体１０４がＬＥＤである場合基板２２０はそれぞれ電力および冷却を提供する、ＬＥＤへの電気的および熱的接続を行い得る。発光体１０４から本体１０２から離れる方向に向けられた、光線１０６ａで例示された一部の光が本体１０２に向かって再指向され得るように、基板２２０が反射性であってもよい。加えて基板２２０は光線１０６ｂにより例示された、吸収されずに本体１０２を透過した励起光を反射し得る。

体積蛍光光源２３０の他の例示的実施形態が図２Ｂに概略的に図示されている。この実施形態においてローパスフィルタ２３２が発光体１０４と本体１０２との間に配置されている。ローパスフィルタ２３２は例えば励起光１０６の波長と蛍光光１０９の波長との間の波長でカットオフを有する多層誘電反射体であり得る。そのためローパスフィルタ２３２は励起光を透過するが蛍光光を反射する。ある実施形態においてローパスフィルタ２３２は本体表面１１０上にあってもよい。他の実施形態においてローパスフィルタ２３２は、十分に高い角度で本体１０２の表面に入射する光線２３８ｂで例示された一部の光が本体１０２内で全内部反射されるように、本体１０２から離れていてもよい。光線２３８ａで例示された一部の他の光は、臨界角未満の角度で本体１０２の表面に入射するとともに表面１１０を透過するが、ローパスフィルタ２３２によって反射されて本体１０２内に戻される。

本体１０２の実施形態が図３に概略的に図示され、背面３１０ａが他の励起面１１０に対して直角にならないように傾斜しており、すなわち背面３１０ａは本体の側壁に対して直交していない。傾斜背面３１０はｘ軸またはｙ軸のいずれかに平行にならないように傾斜している。傾斜量は例えば約５°であり得る。傾斜は本体１０２から抽出可能な光量を増す。傾斜端面３１０ａからの蛍光光１０８の多重反射により、繰り返し全内部反射（ＴＩＲ）により本体内を循環することになる蛍光光がＴＩＲ条件から外れる。そのようにして光は臨界角未満の角度で抽出面１１２に入射するようになるとともに、出力蛍光光１０９として透過される。光線追跡は本体が１．５という屈折率ｎを有する上述した例において、傾斜背面３１０ａによれば光の３０％まで抽出面１１２から抽出できるということを示す。

抽出面１１２には抽出面１１２を透過する蛍光光に対する反射損失を低減するために反射防止コーティングを設けてもよい。しかしこれは蛍光光が全内部反射されるのに十分に高い角度で抽出面に入射するという可能性を妨げない。

抽出面１１２は励起面１１０に垂直であり得るが必須ではない。例えば抽出面１１２は図示のようにｘ−ｙ面に平行にならないように傾斜され得る。抽出面１１２を傾斜させる結果の１つは、抽出面１１２が画像中継システムによって結像される場合、得られる画像面も傾斜しているということである。これは本体からの光が傾斜対象物に結像される場合に有用であり得る。これは米国特許出願公開第２００５／０１３５７６１Ａ１号明細書により詳細に説明されている。

抽出面で全内部反射される蛍光光量を低減するために、光出力抽出器が抽出面に設けられていてもよい。異なるタイプの出力抽出器を用いてもよい。図４Ａに概略的に図示された１つのこのような手法において、レンズ４２０が蛍光本体４０２の抽出面４１２に結合されて、出力抽出器として用いられる。レンズ４２０は抽出面４１２に近接結合するような形状に作られた背面４２２を有する。好適には背面４２２および抽出面４１２の両方は平坦である。背面４２２と抽出面４１２とが十分に形状整合している場合には、背面４２２を抽出面４１２に対してまたはその１つの波長未満内に配置することにより、光を本体４０２からレンズ４２０内に効率的に結合することができる。また屈折率整合材料、例えば屈折率整合オイルまたは光学接着剤を抽出面４１２と背面４２２との間に用いてもよい。屈折率整合材料はその値が本体４０２およびレンズ４２０の屈折率間にある屈折率を有することが好ましいが、これは必須ではない。

レンズ４２０は図示のように半球状であってもよく、または単純な平凸レンズであってもよい。しかしレンズ４２０が半球状でない場合には、曲面４２４の曲率半径が、本体からの光４０９の一部が臨界角を超える角度で曲面に入射するほど長くないことが有利である。これは高蛍光出力を維持する。レンズ４２０の屈折力を用いて、レンズ４２０から出力された蛍光光４０９の角拡散を、本体４０２からレンズ４２０に入る際の光４０９の角拡散に比べて低減させ得る。

またレンズ４２０を本体４０２と一体に形成してもよく、例えば本体４０２とレンズ４２０とを、例えば図４Ｂに示すように単一の材料片から成形してもよい。そのためレンズ４２０は蛍光物質を含み得るが、レンズ４２０内の蛍光物質は発光体からの光で励起される必要はない。本体４０２がレンズ４２０と一体に形成される場合、抽出面４１２を一体化本体／レンズを形成する材料の励起領域と未励起領域との間の界面の領域であると考え得る。

図４Ｃに概略的に図示された本体４０２から蛍光光を抽出する他の手法において、テーパ透過性トンネル４３０が蛍光本体４０２の抽出面４１２に結合されて出力抽出器として用いられる。トンネル４３０は本体４０２の抽出面４１２に近接結合するような形状に作られた背面４３２を有する。好適には背面４３２および抽出面４１２の両方は平坦である。背面４３２と抽出面４１２とが十分に整合している場合には、背面４３２を抽出面４１２に対してまたはその１つの波長未満内に配置することにより、光を本体４０２からトンネル４３０内に効率的に結合することができる。屈折率整合材料、例えば屈折率整合オイルまたは光学接着剤を、抽出面４１２と背面４３２との間に用いてもよい。トンネル４３０を任意の適当な透明材料、例えばガラスまたは高分子で作製し得る。

トンネル４３０は出力端４３４に向かって増加するテーパ断面積を有する。トンネル壁４３６は図示のように平坦であってもよく、または湾曲されていてもよい。断面積（ｘ−ｙ面）は単に一方向または二方向で増加することができる。トンネル壁４３６における蛍光光４０９の反射は、蛍光光４０９をｚ方向に沿って方向付ける傾向があるため、トンネルの出力４３４における蛍光光の角拡散は、本体からトンネル４３０に入る際の光の角拡散より小さい。角拡散の低下は出力面４３４で全内部反射される蛍光光４０９の量を減少させる。出力面４３４は図示のように平坦であってもよく、または湾曲されていてもよい。

トンネル４３０内では蛍光光は壁４３６で反射され得るか、もしくは壁４３６に反射コーティング、例えば無機誘電体スタックまたは高分子ＭＯＦ反射コーティングを設け得る。

トンネル４３０は本体４０２と一体に形成してもよく、例えば本体４０２とレンズトンネル４３０とを高分子材料などの単一の材料片から成形してもよい。そのためトンネル４３０は蛍光物質を含み得る。トンネル４３０内の蛍光物質はトンネル４３０の壁４３６を介して励起光を方向付ける１つまたは複数の発光体からの光により励起され得る。他方ではトンネル４３０は励起される必要はない。本体４０２がトンネル４３０と一体に形成される場合、抽出面４１２を一体化本体／トンネルを形成する材料の励起領域と未励起領域との間の界面の領域であると考え得る。

トンネル４３０の出力面４３４はｚ軸に垂直であってもよく、または例えば図４Ｄに概略的に図示されているように、またさらに米国特許出願公開第２００５／０１３５７６１Ａ１号明細書に記載されているように傾斜されていてもよい。傾斜出力面４３４は、例えば出力面が画像中継システムによって傾斜対象物に結像されている場合有用であり得る。傾斜対象物の１つの例はデジタルマルチミラーデバイス（ＤＭＤ）であり、その一例はテキサス州プラノ（Ｐｌａｎｏ，Ｔｅｘａｓ）のテキサス・インスツルメンツ（Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）によりＤＬＰ（登録商標）イメージャとして供給されている。ＤＭＤは面内に位置決めされた多数のミラーを有し、各ミラーは２つの位置間で傾斜するように個々にアドレス可能である。ＤＭＤは通例ＤＭＤミラー面に非垂直である、すなわち照明光の伝播方向に対して傾斜した光線によって照明されるとともに、ＤＭＤにより反射された画像光はミラー面に垂直な方向に反射される。

蛍光本体内で生成された光が本体内で反射されるか、または本体から脱出する角度範囲を考えることが有用である。ここで励起面５１０と光抽出面５１２とを有する蛍光本体５０２を概略的に図示する図５Ａを参照して点Ｘで蛍光生成された光を検討する。光例えば光線５０８ａが臨界角θ_cp未満の角度で励起面５１０に入射する場合には、光５０８ａは励起面５１０を透過して失われる。励起面５１０における臨界角θ_cpは以下の式により算出することができる。
θ_cp＝ｓｉｎ^-1（ｎ_p／ｎ） （５）
ここでｎ_pは励起面の外側における屈折率であるとともに、ｎは本体５０２の屈折率である。ハッチング付き領域はθ_cp未満の角度範囲を示す。励起面５１０が空気中にある場合にはｎ_pの値はほぼ１に等しい。

点Ｘから伝播する光、例えば光線５０８ｂが影付き領域により示される円錐の外側にある場合には、光５０８ｂは励起面５１０によって全内部反射される。そのため励起面を介して失われる光量を減少させる、すなわちθ_cpを減少させるためには、ｎの値がより大きいことが概して好ましい。

抽出面５１２における臨界角θ_ceは、
θ_ce＝ｓｉｎ^-1（ｎ_e／ｎ） （６）
により与えられる。ここでｎ_eは抽出面５１２の外側の材料の屈折率である。これは空気であり得るとともにある実施形態、例えば図４Ａおよび４Ｂに図示した実施形態においてある他の値であり得る。この場合より高い割合の光が全内部反射されずに抽出面５１２を介して伝播するようにθ_ceが大きいことが望ましい。

光線５０８ｃは、点Ｘで発生してｘ−ｚ面内を伝播し、点Ａで励起面５１０により反射された場合には臨界角θ_ceで抽出面５１２に入射する光線を表わす。θ_ceの値が増すにつれて点Ａの位置は負のｚ方向の左に移動する。θ_ceのある値において点Ａはハッチングが付された領域に入り、すなわち励起面５１０により全内部反射される代わりに光線は励起面５１０を透過する。したがって光出力結合効率の増加は、θ_ceの値が点Ａを励起面５１０上の、点Ｘからの入射角がθ_cp未満である点に置く値より大きくなると低下する。励起面５１０と抽出面５１２とが互いに９０°にある場合、この条件は９０°−θ_cp以下であるθ_ceの値により満たされる。そのためｎ_p＝１であるとともにｎが既知である場合には、少なくともｘ−ｚ面に平行にまたは平行に近く伝播する光に対して、ｎ_ce＝ｎ．ｓｉｎ（９０°−θ_cp）である場合に蛍光光の最大光取り出し効率が得られるということが算出できる。これは本体５０２からの蛍光光の抽出効率が、出力抽出器の屈折率が本体５０２の屈折率の値に接近するにつれて水平になり得るということを示す。最大光取り出し効率は、ｘ＝ｚ面に非平行に伝播する光に対するθ_ceのより高い値で発生し得るが、概して光取り出し効率の増加はθ_ceのより高い値で小さくなる。

全内部反射を用いて本体からの蛍光光を結合する最大効率を算出し得る。上述したように概して本体がより高い屈折率を有して、より大きい割合の蛍光光が本体内で全内部反射されることが好ましい。図５Ｂは屈折率の関数として蛍光本体からの最適化出力抽出器を用いた最大抽出効率のグラフを示す。ｎ＝１．５の屈折率値において抽出効率はほぼ５０％であるとともに、ｎ＝１．９の値において７０％である。

体積蛍光光ユニット６００の他の実施形態が図６に概略的に図示されている。この実施形態において１つまたは複数の発光体６０４からの励起光６０６で励起面６１０を介して励起された蛍光本体６０２は、抽出面６１２より小さい面積を有する背面６１０ａを有する。したがって対向励起面６１０ｂおよび６１０ｃは平行ではない。励起面６１０は図示のように直線であってもよく、または湾曲されていてもよい。ある例示的実施形態において本体６０２は図示のようにテーパ形状を取り得る。背面６１０ａには場合によっては反射層６１４を設け得る。背面６１０ａより面積が大きい抽出面６１２の１つの結果は、抽出面６１２における蛍光光の角拡散が低減され得るため、より大きい割合の蛍光光６０９を本体６０２から脱出させることができるということである。

本発明のある例示的実施形態において、体積蛍光光ユニットからの蛍光光が少なくとも部分的に偏光され得る。偏光体積蛍光光ユニット７００の第１の例示的実施形態が図７Ａに概略的に図示されている。この実施形態において蛍光本体７０２には、抽出面７１２に近接するまたは取り付けられた反射型偏光板７４０が設けられている。未偏光蛍光光７０９が反射型偏光板７４０に入射すると、１つの偏光状態７０９ａの光が実質的に透過される一方で、直交偏光状態の光は実質的に反射されて本体７０２に戻される。

偏光変換素子７４２は場合によっては偏光板７４０と抽出面７１２との間に配置されてもよい。偏光変換素子の例には複屈折位相差素子とファラデー回転素子とがある。偏光変換素子は例えば四分の一波長位相差素子であり得る。反射型偏光板７４０により反射されて偏光変換素子７４２を通過した光７０９ｂは、偏光板７４０により反射された光の偏光状態から変換された偏光状態で本体７０２内を伝播する。光７０９ｂの偏光状態は例えば、偏光変換素子７４２が四分の一波長位相差板である場合には円偏光され得る。光７０９ｂは本体７０２を再循環してもう一度偏光変換素子７４２を介して反射型偏光板７４０に伝播し得る。再循環された光の偏光状態は反射型偏光板７４０における前の入射とは異なるが、それは光が偏光変換素子７４２を二度通過しているからであり、そのため当初偏光板７４０により反射された偏光状態の光の部分は、透過される偏光状態で偏光板７４０に戻り得る。このように反射された蛍光光７０９ｂは再循環されてその後光ユニット７００から抽出され、偏光光の全体抽出効率を増加し得る。

任意の適当なタイプの反射型偏光板７４０、例えば多層光学フィルム（ＭＯＦ）反射型偏光板、ワイヤグリッド偏光板またはコレステリック反射型偏光板を用い得る。ＭＯＦ反射型偏光板は少なくとも２つの物質、通常高分子材料間の屈折率差に依存して１つの偏光状態の光を選択的に反射する一方で、直交偏光状態の光を透過する。ＭＯＦ反射型偏光板の例は同一出願人が所有する米国特許第５，８８２，７７４号明細書に記載されている。

本発明に関連して有用なワイヤグリッド偏光板の例には、米国特許第６，１２２，１０３号明細書に記載されたものがある。ワイヤグリッド偏光板はとりわけユタ州オーレム（Ｏｒｅｍ，Ｕｔａｈ）のモクステック・インコーポレーション（Ｍｏｘｔｅｋ Ｉｎｃ．）から市販されている。

本発明に関連して有用なコレステリック偏光板の例には、米国特許第５，７９３，４５６号明細書および米国特許出願公開第２００２／０１５９０１９号明細書に記載されたものがある。コレステリック偏光板は出力側に四分の一波長位相差層と共に設けられることが多いため、コレステリック偏光板を透過する光は直線偏光に変換される。

実質的に偏光された出力は体積蛍光光ユニットの他の実施形態から得られ得る。例えば図７Ｂに概略的に図示された体積蛍光光ユニットは、蛍光本体とレンズ７２０の背面７２２との間に反射型偏光板７４０と偏光変換素子７４２とを有する。

図７Ｃに概略的に図示された他の例示的実施形態において、本体にはトンネル出力抽出器７３０が設けられている。反射型偏光板７４０および随意の偏光変換素子７４２は、図示のようにトンネル出力抽出器７３０の出力に配置されていてもよく、または本体とトンネル出力抽出器７３０との間に配置されていてもよい。ある場合には反射型偏光板７４０は入射光の角拡散が減少する場合に入射光の偏光により効果的であり得るため、本体７０２と出力抽出器７３０との間の位置と比べて、偏光板７４０がトンネル出力抽出器７３０の出力に配置される場合に出力光７０９ａの偏光度はより高くなり得る。

ある実施形態において蛍光物質は、放出された蛍光光を誘導する導波路内に含まれ得る。導波路を含む体積蛍光光ユニット８００の一例示的実施形態が図８Ａに図示されている。この実施形態においてユニット８００は、蛍光光を含む導波芯８０２ａを有する本体８０２を含む。芯８０２ａは芯８０２ａより低い屈折率を有するクラッド８０２ｂにより取り囲まれている。このため芯の開口数内で生成される蛍光光８０９は抽出端８１２に誘導される。芯８０２ａは、例えばファイバまたは埋設導波路を有する場合と同様に、二次元の光閉じ込めを提供し得るか、または例えば平面導波路と同様に一次元のみの光閉じ込めを提供し得る。

この特定の実施形態において発光体８０４は励起光８０６を蛍光芯８０２ａ内に横に向ける。芯８０２ａ内の蛍光物質の濃度が励起光が芯８０２ａを通過する際に励起光の大部分を吸収するほど十分に高くなければ、この装置の蛍光物質の励起効率は低くてもよい。背面８１０ａに反射コーティングを設けてもよい。

ある実施形態において散乱機構を設けて少なくとも励起光８０６ａの一部を本体８０２内の、励起光８０６ａが本体８０２内で全内部反射される方向に散乱させてもよい。例えば励起面８１０は散乱面であってもよく、またはクラッド８０２ｂに散乱板を設けてもよい。このような装置は励起光を蛍光芯８０２ａを多数回通過させ得る。

図８Ｂに概略的に図示された導波体積蛍光光ユニット８２０の他の実施形態において、発光体８０４は励起光８０６を斜面８２２へ向け、斜面８２２は光を本体８０２に沿って向ける。クラッド８０２ｂは励起光８０６を内部反射するため、励起光８０６は蛍光芯８０２ａ内を多数回通過し、芯８０２ａ内により長い路長を効果的に形成することができ、その結果芯８０２ａ内の蛍光物質による励起光８０６の吸収が増加する。

本明細書に説明するような体積蛍光光ユニットを用い得る投影システムの例示的実施形態が図９に概略的に図示されている。この特定の実施形態において投影システム９００は、異なる着色照明光線９０６ａ、９０６ｂ、９０６ｃ、例えば赤色、緑色、青色光線を生成する光源９０２ａ、９０２ｂ、９０２ｃを有する３パネル投影システムである。図示の実施形態において、緑色光源９０２ｂは体積蛍光光ユニットを含む。しかし光源９０２ａ、９０２ｂ、９０２ｃのいずれかまたはすべては体積蛍光光ユニットを含み得る。光源９０２ａ、９０２ｂ、９０２ｃはビームステアリング素子、例えばミラーまたはプリズムも含み、それぞれの画像形成デバイス９０４ａ、９０４ｂ、９０４ｃへの着色照明光線９０６ａ、９０６ｂ、９０６ｃのいずれかを導き得る。

画像形成デバイス９０４ａ、９０４ｂ、９０４ｃは任意の種類の画像形成デバイスであり得る。例えば画像形成デバイス９０４ａ、９０４ｂ、９０４ｃは透過型または反射型画像形成デバイスであり得る。液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）パネルは透過型および反射型共に画像形成デバイスとして用いられ得る。適当なタイプの透過型ＬＣＤ画像形成パネルの一例は高温ポリシリコン（ＨＴＰＳ）ＬＣＤである。適当なタイプの反射型ＬＣＤパネルの一例は液晶オンシリコン（ＬＣｏＳ）パネルである。ＬＣＤパネルは選択された画素に関連する光を偏光変調した後、偏光板を用いて変調光を未変調光から分離することにより照明光線を変調する。デジタルマルチミラーデバイス（ＤＭＤ）と称されるとともに、商標名ＤＬＰ（登録商標）でテキサス州プラノ（Ｐｌａｎｏ，Ｔｅｘａｓ）のテキサス・インスツルメンツ（Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）により供給される他のタイプの画像形成デバイスは一連の個々にアドレス可能なミラーを用いており、ミラーは照明光を投影レンズに向かってまたは投影レンズから離れるように偏向させる。図示の実施形態において画像形成デバイス９０４ａ、９０４ｂ、９０４ｃはＬＣｏＳタイプである。

光源９０２ａ、９０２ｂ、９０２ｃは照明光線９０６ａ、９０６ｂ、９０６ｃを整える偏光板、集光器、レンズ、ミラー等などの様々な要素も含み得る。

着色照明光線９０６ａ、９０６ｂ、９０６ｃは、それぞれの偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）９１０ａ、９１０ｂ、９１０ｃによりそれぞれの画像形成デバイス９０４ａ、９０４ｂ、９０４ｃに向けられる。画像形成デバイス９０４ａ、９０４ｂおよび９０４ｃは、それぞれの反射された着色画像光線９０８ａ、９０８ｂおよび９０８ｃがＰＢＳ９１０ａ、９１０ｂおよび９１０ｃにより分離されるとともに色合成ユニット９１４に通過するように、入射照明光線９０６ａ、９０６ｂおよび９０６ｃを偏光変調する。着色画像光線９０８ａ、９０８ｂおよび９０８ｃは、投影レンズユニット９１１によって画面９１２に投影される単一フルカラー画像光線９１６に合成され得る。

画像形成デバイス９０４ａ、９０４ｂ、９０４ｃは、画面９１２上に表示された画像を制御するコントローラ９２０（破線）に結合され得る。コントローラは例えばテレビジョン、コンピュータ等の同調および画像制御回路であり得る。

図示の例示的実施形態において、着色照明光線９０６ａ、９０６ｂ、９０６ｃは、ＰＢＳ９１０ａ、９１０ｂおよび９１０ｃにより画像形成デバイス９０４ａ、９０４ｂおよび９０４ｃに反射されるとともに、その結果得られる画像光線９０８ａ、９０８ｂおよび９０８ｃはＰＢＳ９１０ａ、９１０ｂおよび９１０ｃを透過する。図示されない他の手法において照明光は画像形成デバイスへＰＢＳを透過し得る一方、画像光はＰＢＳによって反射される。

投影システムの他の実施形態は異なる数の、より多いまたは少ない画像形成デバイスを用い得る。投影システムのいくつかの実施形態は単一の画像形成デバイスを用いる一方で、他の実施形態は２つの画像形成デバイスを用いる。例えば単一の画像形成デバイスを用いる投影システムは同一出願人が所有する米国特許出願第１０／８９５，７０５号明細書により詳細に説明されているとともに、２つの画像形成デバイスを用いる投影システムは同一出願人が所有する米国特許出願第１０／９１４，５９６号明細書により詳細に説明されている。単一パネル投影システムにおいて照明光は単一の画像形成パネルに入射する。入射光は１度に１色のみの光が画像形成デバイスの一部に入射するように変調される。時間が進むにつれて画像形成デバイスに入射する光の色が例えば赤色から緑色へ青色へ変化してそして赤色へ戻り、その時点で周期が繰り返す。これは「フィールドシーケンシャルカラー」動作モードと称されることが多い。他のタイプの単一パネル投影システムにおいて光の異なる着色帯域が単一パネルにわたってスクロールされるため、パネルは１度に２つ以上の色で照明システムにより照明されるが、パネル上の任意の特定な点は瞬間的に単一の色のみで照明される。

２パネル投影システムでは２色が第１の画像形成デバイスパネルに順次向けられ、パネルは２色の画像を順次表示する。第２のパネルは通例第３の色の光により連続的に照明される。第１および第２のパネルからの画像光線が合成されて投影される。目の中での融合により視認者にはフルカラー画像が見える。

実施例
図１０Ａおよび１０Ｂに概略的に示された実験的体積蛍光光ユニットを作製してテストを行った。蛍光本体を０．１８％Ｃｅでドープされた単一の結晶イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）スラブで形成した。本体の寸法は厚さ２．５ｍｍ、幅４．５ｍｍおよび長さ２５ｍｍであった。６面すべてを研磨した。標準的な強化アルミニウムミラーをＵＶ硬化光学接着剤を用いて２．５ｍｍ×４．５ｍｍ面の１つ、背面に接着した。測定値の一部に対して１０ｍｍ直径ＢＫ７半球レンズを他の２．５ｍｍ×４．５ｍｍ面、抽出面に接着して光抽出を改善した。

カリフォルニア州サンノゼ（Ｓａｎ Ｊｏｓｅ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ）のルミレッズ・インコーポレーション（Ｌｕｍｉｌｅｄｓ Ｉｎｃ．）により供給される１つまたは複数のルクセオンＩＩＩロイヤルブルー（Ｌｕｘｅｏｎ ＩＩＩ Ｒｏｙａｌ Ｂｌｕｅ）ＬＥＤ、ＬＸＨＬ−ＰＲ０９型により励起光を本体に提供した。

１．単一励起ＬＥＤ
単一焦点光学部品を用いて単一ＬＥＤからの光を中継して、スラブの大きい（４．５ｍｍ×２５ｍｍ）面上にＬＥＤアクティブ領域を結像した。ＬＥＤアセンブリからスラブに送達される光パワーを、スラブ（４．５ｍｍ×２５ｍｍ）の大きい面と同一サイズである積分球の入口上のアパーチャを用いて調整した。単一ＬＥＤからの光パワーは波長の関数として図１１の曲線１１０２としてプロットされている。次に本体をＬＥＤと積分球との間に配置することにより、本体を透過した励起光量を測定したが、ＬＥＤからの青色（＜５００ｎｍ）の約２５％が球内に透過した。本体を透過した青色励起光は図１１に曲線１１０４として示されている。本体の表面におけるフレネル反射を説明すると、入射励起光の６７％が本体内に吸収されたことが推測される。この割合は本体内のＣｅのドーピング濃度を増加させることにより、または本体を厚くすることにより増加し得る。

レンズを取り付けずに励起光が本体の大きい面に入射する状態で積分球を用いて、本体の抽出面から出る蛍光光を測定した。球によって集められた蛍光光（＞５００ｎｍ）は、ＬＥＤ光がスラブのミラー端付近に入射した場合はＬＥＤからの青色光の入射光パワーの８．１％であり、ＬＥＤ光がスラブの中心に入射した場合は８．４％であった。曲線１１０６は単一のＬＥＤにより励起された場合の本体から抽出された蛍光光を示す。なお蛍光光および励起光に対して本明細書で説明した波長の値は真空内での波長として提示されている。さらにまた曲線１１０６および１１０８は曲線１１０２に部分的に重なっているが、全幅として規定される波長範囲、半値幅（ＦＷＨＭ）範囲は、励起および蛍光光に対して異なることを注記する。

ＢＫ７半球レンズを本体の抽出面に取り付けた後、本体からの蛍光出力も測定したが、結果は曲線１１０８に示されている。この場合励起光の２２．２％が蛍光光として抽出された。

全変換効率η_totalを３つの効率、励起吸収率η_abs、ストークス変換率η_stokes、および蛍光光抽出率η_extractionの積として概算できる。他の因子は量子効率、すなわち実際に蛍光光子を生成する励起蛍光種の割合はこの例では無視されているが、それはＣｅ：ＹＡＧの量子効率が均一に非常に近いからである。励起吸収率を以下に説明するように直接測定した。測定蛍光スペクトルからストークス効率を約８０％になるように算出することができる。そして他のすべての項が既知であるため、蛍光光抽出効率η_extractionを以下のように算出することができる。
η_extraction＝η_total／（η_abs．η_stokes）＝１．８６η_total

この実験で測定した蛍光光抽出光効率η_extractionと前述した理論値との比較が、以下の表Ｉに示されている。レンズ出力抽出器あり（レンズｏ／ｅ）および出力抽出器なし（露出端）の効率が列記されている。

実験結果は理論値よりほんの数パーセント低い。僅かな相違はミラーからの不完全な反射、表面での散乱損失、および球状レンズからのフレネル反射により説明することができる。とはいえ近接一致は上記に提示した蛍光抽出の説明に信憑性を証明している。

２．多数ＬＥＤ励起
本体を励起するために６つのルクセオンＩＩＩロイヤルブルー（Ｌｕｘｅｏｎ ＩＩＩ Ｒｏｙａｌ Ｂｌｕｅ）ＬＥＤを用いて、３つのＬＥＤが２５ｍｍ×４．５ｍｍの面の各々を励起する状態で第２の実験を行った。ＬＥＤを一列に配置するとともに中間光学部品を用いなかったが、ＬＥＤのドームを本体の１ｍｍ以内に寄せた。ミラー端から半球レンズへの順で一方側は１、３、５と番号付けしたＬＥＤを有するとともに、他方側は２、４、６と番号付けしたＬＥＤを有したため、ＬＥＤ対１／２、３／４、５／６は本体を介して互いに向かい合った。まず各ＬＥＤを１Ａで個々に動作させるとともに、積分球を用いて半球レンズを介してスラブを出る蛍光光を集めた（ラン１〜６）。次に各側の３つのＬＥＤすべて、すなわちＬＥＤ１、３および５ならびにＬＥＤ２、４および６を一緒に動作させた（ラン７および８）。最後に６つのＬＥＤすべてを一緒に動作させた（ラン９）。

これらの９つのランのスペクトルの結果が図１２に示されている。曲線１２０２は実際にラン１〜６に対応する６つの同様な曲線の重なりであり、各ＬＥＤにより個々に生成される蛍光光量がほぼ同等であるということを示している。曲線１２０４、１２０６および１２０８はそれぞれラン７〜９に対応している。

出力は増加する励起力の増加に比例して増加するとともに、ＬＥＤのすべてが一緒に動作されない場合には飽和が示されなかった。表ＩＩは各ＬＥＤランに対して個々に、および一緒の動作された群に対して蛍光帯域（＞５００ｎｍ）で測定した光パワーを提示する。個々の測定値の合計と同時に動作するすべてのＬＥＤにより達成された結果との間に１％未満の差がある。

１Ａで動作する６つのＬＥＤによれば蛍光出力は約１６８ルーメンであった。さらなる確認としてＬＥＤ群からの光を、スラブを模倣する４．５ｍｍ×２５ｍｍのアパーチャを介する透過で測定した。アパーチャを介して透過した出力は、ＬＥＤ１、３および５を合わせたものに対して７３５ｍＷであり、ＬＥＤ２、４および６を合わせものに対して８５６ｍＷであった。このようにスラブに入射する全青色光は１５９１ｍＷである推定され、そのうち３４５ｍＷの蛍光光が抽出されたがそれは２２％の効率であり、それは単一ＬＥＤ励起からの結果と一致している。

本発明は上述した特定の実施例に限定されると考えるべきではなく、添付の特許請求の範囲に正しく記載されたように本発明のすべての態様を網羅するものと理解されるべきものである。本明細書を検討すれば本発明を適用可能な様々な変更例、同等方法および多数の構造は本発明が対象とする技術の当業者には容易に明らかになろう。特許請求の範囲はこのような変更例および装置を網羅しようとするものである。

本発明の原理による体積蛍光光ユニットの実施形態の概略図である。 本発明の原理による体積蛍光光ユニットの実施形態の概略図である。 本発明の原理による体積蛍光光ユニットの他の実施形態の概略図である。 本発明の原理による体積蛍光光ユニットの他の実施形態の概略図である。 本発明の原理による、傾斜背面を有する蛍光本体の実施形態の概略図である。 本発明の原理による光出力抽出器を有する蛍光本体の実施形態の概略図である。 本発明の原理による光出力抽出器を有する蛍光本体の実施形態の概略図である。 本発明の原理による光出力抽出器を有する蛍光本体の実施形態の概略図である。 本発明の原理による光出力抽出器を有する蛍光本体の実施形態の概略図である。 本発明の原理による体積蛍光光ユニットの蛍光本体内の全内部反射の概略図である。 本発明の原理による体積蛍光光ユニットの蛍光本体内の屈折率の関数としての算出形状集光効率を示すグラフである。 本発明の原理による他の体積蛍光光ユニットの実施形態の概略図である。 本発明の原理による、偏光体積蛍光光ユニットの実施形態の概略図である。 本発明の原理による、偏光体積蛍光光ユニットの実施形態の概略図である。 本発明の原理による、偏光体積蛍光光ユニットの実施形態の概略図である。 本発明の原理による、体積蛍光光ユニットの導波実施形態の概略図である。 本発明の原理による、体積蛍光光ユニットの導波実施形態の概略図である。 本発明の原理による体積蛍光光ユニットを用いた投影システムの実施形態の概略図である。 実験的蛍光本体の概略図である。 実験的蛍光本体の概略図である。 図１０Ａおよび１０Ｂの実験的蛍光本体から得られる励起光および体積蛍光光の様々なスペクトルのグラフである。 異なる励起条件下の実験的蛍光本体からの蛍光出力のグラフである。

Claims (53)

1. 第１の波長範囲の光を生成可能な少なくとも第１のインコヒーレント光源と、
   前記第１の波長範囲の光により照明されたときに、前記第１の波長範囲と異なる第２の波長範囲の光を放出する蛍光物質を含む本体とを備え、
   前記本体が抽出領域を有し、前記第２の波長範囲の光の少なくとも一部が前記本体内で前記抽出領域へ内部反射される、照明システム。
2. 前記少なくとも第１のインコヒーレント光源が第１の光源と少なくとも第２の光源とを備える、請求項１に記載の照明システム。
3. 前記第１および第２の光源が前記本体の異なる側に配置されている、請求項２に記載の照明システム。
4. 前記第１の光源が発光ダイオード（ＬＥＤ）である、請求項１に記載の照明システム。
5. 前記ＬＥＤが反射基板上に配置されている、請求項４に記載の照明システム。
6. 前記少なくとも第１の光源が前記第１の波長範囲の光を放出可能な複数のＬＥＤを備え、前記第１の波長範囲が約４００ｎｍ〜約５００ｎｍであるとともに、前記第２の波長範囲が約５００ｎｍ〜約６００ｎｍである、請求項４に記載の照明システム。
7. 前記本体が前記抽出領域と対向する背面を有し、前記背面が前記抽出領域の面積と実質的に同等な面積を有する、請求項１に記載の照明システム。
8. 前記本体が前記抽出領域と対向する背面を有し、前記背面の面積が前記抽出領域の面積より小さい、請求項１に記載の照明システム。
9. 前記本体が前記背面と前記抽出領域との間に延びる側壁を有し、前記側壁が実質的に直線状である、請求項８に記載の照明システム。
10. 前記本体が前記抽出領域と対向する背面と前記背面に隣接する側壁とを有し、前記背面が前記側壁に対して非直交である、請求項１に記載の照明システム。
11. 前記抽出領域に配置された出力抽出器をさらに備え、前記出力抽出器が前記本体から前記第２の波長範囲の光を抽出するように光学的に結合されている、請求項１に記載の照明システム。
12. 前記出力抽出器が前記本体に結合されたレンズを備える、請求項１１に記載の照明システム。
13. 前記出力抽出器が前記本体に結合されたテーパトンネルである、請求項１１に記載の照明システム。
14. 前記出力抽出器が前記本体と同一の物質で形成されているとともに、前記本体と一体に形成されている、請求項１１に記載の照明システム。
15. 前記出力抽出器が前記本体の長軸に非垂直な出力面を備える、請求項１１に記載の照明システム。
16. 前記本体の少なくとも１つの表面に反射層が設けられている、請求項１に記載の照明システム。
17. 前記反射層が前記第１の波長範囲の光を実質的に透過するとともに、前記第２の波長範囲の光を実質的に反射する、請求項１６に記載の照明システム。
18. 前記抽出領域から透過した前記第２の波長範囲の光の光路内に配置された反射型偏光板をさらに備える、請求項１に記載の照明システム。
19. 前記抽出領域と前記反射型偏光板との間に配置された偏光変換素子をさらに備える、請求項１８に記載の照明システム。
20. 前記抽出領域と前記反射型偏光板との間に配置された出力抽出器をさらに備える、請求項１８に記載の照明システム。
21. 前記本体が、前記本体の長さの少なくとも２倍の、前記第２の波長範囲の光の平均自由行路を有する物質を備える、請求項１に記載の照明システム。
22. 前記本体が長さＬと高さｈとを有し、前記本体の前記表面で全内部反射する際に散乱される前記光の割合が５％／（２Ｌ／ｈ）未満である、請求項１に記載の照明システム。
23. 前記第２の波長範囲が前記第１の波長範囲より長い波長を含む、請求項１に記載の照明システム。
24. 少なくとも１つの画像形成デバイスと、投影レンズユニットと、画面とを備える投影ユニットをさらに備え、前記第２の波長範囲の光が前記少なくとも１つの画像形成デバイスを照明し、前記少なくとも１つの画像形成デバイスからの画像光が前記投影レンズユニットによって前記画面に投影される、請求項１に記載の照明システム。
25. 前記少なくとも１つの画像形成デバイスによって形成される画像を制御するように結合されたコントローラをさらに備える、請求項２４に記載の照明システム。
26. 前記本体が透明物質内に配置された蛍光物質を備え、前記蛍光物質が希土類金属イオン、遷移金属イオンおよび有機蛍光染料のうちの少なくとも１つを備える、請求項１に記載の照明システム。
27. 前記本体が透明物質内に配置された蛍光物質を備え、前記透明物質が無機結晶、ガラスおよび高分子マトリックスのうちの１つを備える、請求項１に記載の照明システム。
28. 蛍光物質を含み、少なくとも１つの励起領域および光抽出領域を有する本体と、
    第１の波長の光を生成可能な少なくとも１つの発光ダイオード（ＬＥＤ）とを備え、前記第１の波長の光の少なくとも一部が前記少なくとも１つの励起領域を前記本体内へ通過し、前記第１の波長の光の吸収後に第２の波長の蛍光光が前記本体内で生成され、前記第２の波長の光の少なくとも一部が前記本体によって前記光抽出領域へ方向付けられ、前記第２の波長の光の少なくとも一部が照明光線として前記光抽出領域を通過する、照明光線を生成可能な照明システム。
29. 前記少なくとも１つのＬＥＤが反射表面上に配置されている、請求項２８に記載の照明システム。
30. 前記少なくとも１つのＬＥＤが、前記本体の前記励起領域を介して前記第１の波長の光を放出するように配置された複数のＬＥＤを備える、請求項２８に記載の照明システム。
31. 前記第１の波長が約４００ｎｍ〜約５００ｎｍの範囲の値を有し、前記第２の波長が約５００ｎｍ〜約６００ｎｍの範囲の値を有する、請求項３０に記載の照明システム。
32. 前記本体が前記抽出領域と対向する背面を有し、前記背面が前記抽出領域の面積と実質的に同等な面積を有する、請求項２８に記載の照明システム。
33. 前記本体が前記抽出領域と対向する背面を有し、前記背面の面積が前記抽出領域の面積より小さい、請求項２８に記載の照明システム。
34. 前記本体が前記背面と前記抽出領域との間に延びる側壁を有し、前記側壁が実質的に直線状である、請求項３３に記載の照明システム。
35. 前記本体が前記抽出領域と対向する背面と、前記背面と前記光抽出領域との間に延びる側壁とを有し、前記背面が前記側壁に対して非直交である、請求項２８に記載の照明システム。
36. 前記抽出領域に配置された出力抽出器をさらに備え、前記出力抽出器が前記本体から前記第２の波長範囲の光を抽出するように光学的に結合されている、請求項２８に記載の照明システム。
37. 前記出力抽出器が前記本体に結合されたレンズを備える、請求項３６に記載の照明システム。
38. 前記出力抽出器が前記本体に結合されたテーパトンネルを備える、請求項３６に記載の照明システム。
39. 前記出力抽出器が前記本体と同一の物質で形成されているとともに、前記本体と一体に形成されている、請求項３６に記載の照明システム。
40. 前記出力抽出器が前記本体の長軸に非垂直な出力面を備える、請求項３６に記載の照明システム。
41. 前記本体の少なくとも１つの表面に反射層が設けられている、請求項２８に記載の照明システム。
42. 前記反射層が前記第１の波長の光を実質的に透過するとともに、前記第２の波長の光を実質的に反射する、請求項４１に記載の照明システム。
43. 前記抽出領域から透過した前記第２の波長の光の光路内に配置された反射型偏光板をさらに備える、請求項２８に記載の照明システム。
44. 前記抽出領域と前記反射型偏光板との間に配置された偏光変換素子をさらに備える、請求項４３に記載の照明システム。
45. 前記抽出領域と前記反射型偏光板との間に配置された出力抽出器をさらに備える、請求項４３に記載の照明システム。
46. 前記本体が、前記本体の長さの少なくとも２倍の、前記第２の波長の光の平均自由行路を有する物質を備える、請求項２８に記載の照明システム。
47. 前記本体が長さＬと高さｈとを有し、前記本体の表面で全内部反射する際に散乱される前記光の割合が５％（２Ｌ／ｈ）未満である、請求項２８に記載の照明システム。
48. 前記第２の波長が前記第１の波長より長い、請求項２８に記載の照明システム。
49. 少なくとも１つの画像形成デバイスと、投影レンズユニットと、画面とを備える投影ユニットをさらに備え、前記第２の波長の光が前記少なくとも１つの画像形成デバイスを照明し、前記少なくとも１つの画像形成デバイスからの画像光が前記投影レンズユニットによって前記画面に投影される、請求項２８に記載の照明システム。
50. 前記少なくとも１つの画像形成デバイスによって形成される画像を制御するように結合されたコントローラをさらに備える、請求項４９に記載の照明システム。
51. 前記本体が透明物質内に蛍光物質を備え、前記蛍光物質が希土類金属イオン、遷移金属イオンおよび有機蛍光染料のうちの少なくとも１つを備える、請求項２８に記載の照明システム。
52. 前記本体が透明物質内に配置された蛍光物質を備え、前記透明物質が無機結晶、ガラスおよび高分子マトリックスのうちの１つを備える、請求項２８に記載の照明システム。
53. 前記第２の波長で前記光抽出領域から出る光が、前記少なくとも１つの励起領域内を通過する前記第１の波長光の輝度より高い輝度を有する、請求項２８に記載の照明システム。

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