JP2010503004A - 光源の輝度を増大させるために光をリサイクルする照明システムと方法 - Google Patents

Abstract

光源の輝度を増大させる照明システムであって、発光ダイオード（ＬＥＤ）を好適な光源とし、光を空間的におよび／または角度的にリサイクルするために光源に連結された光リサイクル装置を有する。この光リサイクル装置は、リフレクタまたはミラーを利用してＬＥＤによって発光された光線の一部を光源に向けてリサイクルし、および／または、光の高角度光線を角度的にリサイクルし、光の小角度光線を伝達させ、それによって光源の出力輝度を増大させる。

Description

本発明は、照明システムの輝度を増大させるためのシステムと方法、詳しくは、その光源の輝度を増大させるために光源から放出される光をリサイクルする照明システムと方法に関する。

光源は、あらゆるタイプの照明用途に使用される。典型的な光源としては、非限定的に、ランプ、ハロゲン、蛍光装置、マイクロ波ランプ、そして発光ダイオード（ＬＥＤ）がある。多くの用途では、小さな有効放出面積で高レベルの輝度の照明システムを必要とする。この高レベルの輝度は、従来的には、光源を追加することによって達成可能である。しかしながら、これは複数の光源を一体化するための空間が限られている場合には技術的に不可能であるとともに、複数の光源を一体化し使用することに高コストがかかる場合には経済的に実行不可能である。従って、本発明は、光源の数を増やすことなく、非限定的に光源の輝度を増大させるという要望に基づくものである。

例えば、超小型表示式テレビジョン（ＭＤＴＶ）は、大きなスクリーンサイズで低コストである潜在能力がある。従来のＭＤＴＶは、通常、アークランプによって照明される。この光源は最も低いコストで最も輝度が高いが、白色光を三色に分割する必要性と寿命が短いという点において望ましくない。ＬＥＤ技術における進歩にともない、ＬＥＤの寿命の長さと、瞬時ＯＮ等のその他の利点を得るためにＭＤＴＶにおける光源としてＬＥＤを利用することを考慮する必要がある。しかしながら、現時点においては、ＬＥＤは、複数の小型のイメージングパネルまたは複数のより大きなスクリーンを含む低コスト用途用としてその輝度が不十分である。

光源の輝度を増大させるためにＬＥＤリサイクルスキームが利用されている、たとえば、Ｚｉｍｍｅｒｍａｎ ｅｔ ａｌに対して発行された特許文献１を参照。しかし、Ｚｉｍｍｅｒｍａｎ ｅｔ ａｌは、単一の光出口を備える光反射キャビティ内に複数のＬＥＤを取り囲むことを記載している。

また、Ｚｉｍｍｅｒｍａｎ ｅｔ ａｌ．の特許文献２は、ガスが充填された中空内部を取り囲む蛍光被覆材を備えるガラスエンベロープを有する蛍光管を記載している。前記蛍光被覆材によって作り出された光の一部が当該蛍光被覆材へとリサイクルされる。本発明は、複数の小型パネルまたは複数の大型スクリーンを、十分な輝度で照明することが可能なように、効率的にリサイクルすることによって、ＬＥＤの利用可能な輝度を増大させるべく単数または複数のＬＥＤに連結可能なリサイクル装置を提供するという要望に基づくものである。

例えば、ＬＥＤは、一般照明、建築照明、等の多くの照明用途、更に、より最近のプロジェクションテレビに使用可能な１つのタイプの光源である。例えばプロジェクションテレビに使用される場合、テレビジョンスクリーン上に必要な高光出力を提供するために、ＬＥＤは、高輝度レベルで小さな有効発光面積で光を放出しなければならない。具体的には、プロジェクションテレビにおいて有用であるためには、ＬＥＤは、小さな発光面積で小さな立体角でのルーメン測定において強力で明るい光を提供しなければならない。残念ながら、現在入手可能なＬＥＤは、今日消費者に益々人気が高まっている大型のプロジェクション・テレビスクリーンを照明するには輝度が不十分である。

従って、リーズナブルなコストで現在および将来の用途の需要に応える、照明システムを提供するべく、ＬＥＤの輝度を増大させるための方法とシステムが必要とされている。

米国特許６，８６９，２０６号 米国特許６，１４４，５３６号

従って、本発明の１つの課題は、上述した従来技術の問題を解決する照明システムを提供することにある。

本発明の別の課題は、光出力の輝度を増大させるために光源によって放出された光の一部をリサイクルするためのリサイクル装置を含む照明システムを提供することにある。

本発明の更に別の課題は、光出力の輝度を増大させるために光源によって放出された光の一部をその光源に対して反射することによって光をリサイクルするための空間的リサイクル装置を含む照明システムを提供することにある。

本発明の更に別の課題は、小さな角度の光を伝達するとともに、光源の輝度を増大させるために高角の光をリサイクルする角度的リサイクル装置を含む照明システムを提供することにある。

本発明の更に別の課題は、光出力の輝度を増大させるために光源によって放出された光の一部をリサイクルするための空間的／角度的リサイクル装置を含む照明システムを提供することにある。

本発明の更に別の課題は、上述したような照明システムであって、更に、不要な偏光を有する光を反射しリサイクルし、それによってリサイクル装置のリサイクル作用を強化する、偏光子（ｐｏｌａｒｉｚｅｒ）を含む、照明システムを提供することにある。

本発明は、光源の輝度を増大させるために光をリサイクルし、それによってその照明システムがリーズナブルなコストでより高い光出力を提供することを可能にする照明システムに関する。

本発明の一実施例によれば、輝度を増大させるために光をリサイクルする前記照明システムは、空間的リサイクル装置を含む。該空間的リサイクル装置は、光源、好ましくは、基材上に取り付けられたＬＥＤチップ、に連結されたライトパイプを含む。前記空間的リサイクル装置は、前記ライトパイプの出力端の一部を反射媒体または被覆材によってカバーし、光源からの光がその反射媒体によってライトパイプを介して光源へと再帰反射されることによって光をリサイクルする。前記光源は反射された光を前記ライトパイプへと再放出し、それによって前記照明システムからの光出力の輝度を増大させる。

本発明の実施例によれば、輝度を増大させるために光をリサイクルする前記照明システムは、角度的リサイクル装置を含む。該角度的リサイクル装置は、光源、好ましくは、基材上に取り付けられたＬＥＤチップ、に連結されたテーパ型ライトパイプを含む。好ましくは、前記テーパ型ライトパイプは、ライトパイプが入力端の大きな断面から出力端の小さな断面へとテーパする漸減テーパ型ライトパイプである。前記角度的リサイクル装置は、小さな角度の光を伝達し、大きな角度の光を光源へと再帰反射する。前記光源は、その反射光を別の角度分布で再放出し、それによって光出力の輝度を増大させる。

本発明の実施例によれば、該角度的リサイクル装置は、光源、好ましくは、基材上に取り付けられたＬＥＤチップ、に連結された漸減テーパ型ライトパイプと該漸減テーパ型ライトパイプの出力端に連結された漸増テーパ型ライトパイプとを含む。前記漸減テーパ型ライトパイプは、入力端での小さな断面積から出力端の大きな断面積へとテーパしている。前記角度的リサイクル装置は、小さな角度の光を伝達し、大きな角度の光を光源へと再帰反射し、それによって光出力の輝度を増大させる。

本発明の実施例によれば、前記角度的リサイクル装置は、光源、好ましくは、基材上に取り付けられたＬＥＤチップ、に連結されたレンズシステムを含む。該レンズシステムは、凹状リフレクタまたは反射表面によって包囲された中心にレンズ表面またはレンズを有する。或いは、前記リフレクタは、高角光線が前記ＬＥＤチップ上に再帰フォーカスされる前に、２回反射されるデュアル放物面リフレクタとすることができる。前記リフレクタおよび反射面は、リサイクルのために、高角光線をＬＥＤチップへと再帰反射し、前記レンズまたはレンズ面は小角光線を光出力として結合し、それによって前記光出力の輝度を増大させる。

本発明の実施例によれば、光源の輝度を増大させる光リサイクル装置は、光源からの複数の光線を伝達するための伝達媒体を含む。前記伝達媒体は、出力端と前記光源に連結された入力端とを有する。前記複数の光線の一部を前記伝達媒体の入力端を介して前記光源へと再帰反射し、それによって光源の出力の輝度を増大させることによって複数の光線の一部をリサイクルするために、前記伝達媒体の出力端にはミラーまたはリフレクタが連結されている。

本発明の実施例によれば、照明システムの輝度を増大させる方法は、光源と、入力端と出力端とを備えるとともに、更に、前記出力端上に配設された反射媒体とを有するライトパイプとを提供する工程と、前記光源によって光線を作り出す工程と、前記ライトパイプを、前記入力端が前記光源に対して実質的に近接するように位置決めする工程と、前記入力端において光線を集める工程と、前記反射媒体によって前記光線の一部を前記ライトパイプに再帰反射する工程と、前記反射光線を前記光源から放出された光と結合する工程と、前記ライトパイプの前記出力端から前記反射光線を出力し、それによって前記照明システムの輝度を増大させるべく光をリサイクルする工程と、を含む。

本発明の実施例によれば、照明システムの輝度を増大させる方法は、光源と、入力端と出力端とを備えるとともに、その入力端での大きな断面寸法からその出力端での小さな断面寸法へとテーパしているテーパ型ライトパイプとを提供する工程と、前記光源によって光線を作り出す工程と、前記テーパ型ライトパイプを、前記入力端が前記光源に対して実質的に近接するように位置決めする工程と、前記入力端において光線を集める工程と、前記光線のうちの大きな角度を有する一部を前記テーパ型ライトパイプに再帰反射し、それによって角度寸法を減少させる工程と、前記出力端から小角度光を出力する工程、とを含む。

本発明の実施例によれば、照明システムの輝度を増大させる方法は、光再生装置を光源に結合してその光源から複数の光線を受け取る工程と、前記複数の光線の一部を前記光源にリサイクルする工程と、そして、前記光源によって前記複数の光線の前記一部を前記リサイクル装置に再放出し、それによって前記光源の出力の輝度を増大させる工程と、を含む。

本発明の種々のその他の課題、利点および特徴構成は以下の詳細説明から容易に明らかになるであろう、そしてその新規な特徴構成は添付の請求項において具体的に指摘されるであろう。

具体例として提供されるものであって本発明をそれらにのみ限定することを意図するものではない以下の詳細説明は、その種々の図面における類似のコンポーネントまたは特徴構成が類似の参照番号によって表されている添付の図面を参照することによって最もよく理解されるであろう。

基材上に取り付けられたＬＥＤチップの断面側方図である。 ライトパイプに連結された図１のＬＥＤを示す図である。 本発明の実施例による照明システムの断面図であって、前記ライトパイプの出力端の一部をカバーしているリフレクタまたはミラーを示す図である。 本発明の実施例による、前記リフレクタによってカバーされない前記ライトパイプの出力端の一部をカバーする偏光子を更に含む、図３の照明システムを示す図である。 本発明の実施例による、照明システムの断面側方図であって、テーパ型ライトパイプの出力端の周部周りのリフレクタを示す図である。 本発明の実施例による、光を角度的にリサイクルする漸減テーパ型ライトパイプの断面側方図である。 本発明の実施例による、図７の漸減テーパ型ライトパイプを含む照明システムの断面側方図である。 本発明の実施例による、互いに結合された二つのテーパ型ライトパイプを含む照明システムの断面側方図である。 本発明の実施例による、それらＬＥＤの間に反射性被覆材を備える基材に取り付けられるとともに、それぞれ、ストレートまたはテーパ型のライトパイプに結合された二つのＬＥＤを含む、照明システムの断面側方図である。 本発明の実施例による、それらＬＥＤの間に反射性被覆材を備える基材に取り付けられるとともに、それぞれ、ストレートまたはテーパ型のライトパイプに結合された二つのＬＥＤを含む、照明システムの断面側方図である。 本発明の実施例による、基材に取り付けられるとともにそれぞれストレート型またはテーパ型ライトパイプに結合された二つのＬＥＤを含み、これらＬＥＤの間において前記ライトパイプの入力端に反射被覆材が配設されている、照明システムの断面側方図である。 本発明の実施例による、基材に取り付けられるとともにそれぞれストレート型またはテーパ型ライトパイプに結合された二つのＬＥＤを含み、これらＬＥＤの間において前記ライトパイプの入力端に反射被覆材が配設されている、照明システムの断面側方図である。 本発明の実施例による、各テーパ型ライトパイプが、入力端においてＬＥＤに結合され、出力端において、その出力端の一部をカバーし、光を空間的にリサイクルするリフレクタを備える同じストレート型ライトパイプに結合されている、二つのテーパ型ライトパイプを含む照明システムの断面側方図である。 本発明の実施例による、前記各テーパ型ライトパイプが、入力端においてＬＥＤに結合され、出力端において、光を角度的にリサイクルするべく同じ漸減テーパ型ライトパイプに結合されている、二つのテーパ型ライトパイプを含む照明システムの断面側方図である。 本発明の実施例による、図１１ａの照明システムであって、更に、前記ストレート状ライトパイプの出力端をカバーする反射偏光子を含む、照明システムの断面側方図である。 本発明の実施例による、三つのＬＥＤチップの出力を組み合わせるために、ストレート型またはテーパ型ライトパイプに結合された、カラービームコンバイナを含む照明システムの断面側方図である。 本発明の実施例による、三つのＬＥＤチップの出力を組み合わせるために、ストレート型またはテーパ型ライトパイプに結合された、カラービームコンバイナを含む照明システムの断面側方図である。 本発明の実施例による、三つのＬＥＤチップの出力を組み合わせるために、ストレート型またはテーパ型ライトパイプに結合された、カラービームコンバイナを含む照明システムの断面側方図である。 本発明の実施例による、三つのＬＥＤチップの出力を組み合わせるために、ストレート型またはテーパ型ライトパイプに結合された、カラービームコンバイナを含む照明システムの断面側方図である。 本発明に実施例による、ガラス板を取り付けるための取り付けフレームと、基材上のＬＥＤに結合されたストレート型またはテーパ型ライトパイプとを含む照明システムの断面図である。 本発明に実施例による、ガラス板を取り付けるための取り付けフレームと、基材上のＬＥＤに結合されたストレート型またはテーパ型ライトパイプとを含む照明システムの断面図である。 本発明に実施例による、ガラス板を取り付けるための取り付けフレームと、基材上のＬＥＤに結合されたストレート型またはテーパ型ライトパイプとを含む照明システムの断面図である。 本発明に実施例による、ガラス板を取り付けるための取り付けフレームと、基材上のＬＥＤに結合されたストレート型またはテーパ型ライトパイプとを含む照明システムの断面図である。 二つのＬＥＤチップを含む図１４ａ−ｂの照明システムの図である。 二つのＬＥＤチップを含む図１４ａ−ｂの照明システムの図である。 本発明に実施例による、小角度の光線を結合するためのレンズ表面と、光を角度的にリサイクルするべく大角度の光線を再帰反射するための二つの凹状反射性表面とを備える中実な光学コンポーネントを含む照明システムの断面側方図である。 本発明の実施例による、小角度の光線を結合するためのレンズと、光を角度的にリサイクルするために大角度の光線を再帰反射するための凹状リフレクタとを含む照明システムの断面側方図である。 本発明の実施例による、デュアル放物面リフレクタまたは反射性表面を使用して光を角度的にリサイクルするための、図１６または１７の照明システムの断面側方図である。 本発明の実施例による、前記光リサイクル装置を内蔵するＬＥＤ照明システムの断面側方図である。 本発明の実施例による、前記光リサイクル装置を内蔵する一体型光学系を備えるＬＥＤチップを有するＬＥＤ照明システムの断面側方図である。 本発明の実施例による、光リサイクル装置を内蔵するＬＥＤプロジェクションシステムの断面側方図である。 本発明の実施例による、光リサイクル装置を内蔵する光ファイバシステムの断面側方図である。 内蔵光学系を備えるＬＥＤチップを有する図２１のＬＥＤプロジェクションシステムまたは図２２の光ファイバシステムの断面側方図である。 本発明の実施例による、計算による種々のＬＥＤ反射率の輝度増加率曲線を示す図である。 本発明の実施例による、実験による種々のＬＥＤ反射率の輝度増加率曲線を示す図である。 本発明の実施例による、前記ライトパイプの近傍のＬＥＤの計算による輝度増加率曲線の図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施例を説明する。これらの実施例は、本発明の諸原理を例示するものであって、本発明の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。

本発明の実施例によれば、図３−５，７−１８に示されるように、光源の輝度を増大させるために光をリサイクルするための照明システム１０００は、光源１００と光リサイクル装置２００とを有する。図１に示されるように、光源１００は、基材１４０に取り付けられている。この基材１４０は、好ましくは、光源１００から放出される熱を吸収し消散させるためのヒートシンク１４０であるが、これに限定されるものではない。

光源１００は発光ダイオード（“ＬＥＤ”）である。このＬＥＤまたは光源１００は、むき出しのチップとして、または、保護被覆材を備えるチップとして、或いはレンズまたはコリメータレンズが取り付けられたチップ、として基材１４０に取り付けることができる。チップのサイズは、１ｍｍｘ１ｍｍのような小さなもの、或いは、５〜５ｍｍのような大きなもの、更には技術的に可能な限り大きなものとすることができる。これらのチップのサイズは技術の成熟とともに増大しつつある。

ＬＥＤチップ１００に取り付けられたレンズの形状は球状としてもよいし、或いは、非球状などの最大結合を達成するための任意のチップ形状に調節したり、更には、伝達と反射のための形状の表面との形状の組み合わせのレンズとしたりすることもできる。この照明システムは、光源１００としてＬＥＤを使用するものとして説明されるが、光源１００は、非限定的に、ランプ、ハロゲンランプ、面発光デバイス（ＳＥＤ）、蛍光デバイス、マイクロ波ランプ、および当業者によって理解されるその他の光源を含む任意の光源とすることができる。

本発明の実施例によれば、図９ａ−１３ｄおよび図１５ａ−ｂに示されるように、本システムは単一の基材１４０上に取り付けられた複数の光源１００を含むものとすることができる。本発明の一態様によれば、各光源１００は、図１１ａ−１２に示されるように別々の基材１４０に取り付けることも可能である。

本発明の実施例によれば、光学装置２００は、光源１００と光学的に連通した空間的および／または角度的なリサイクル装置とすることができる。ここに記載されているように、空間的または角度的なリサイクル装置２００は、一般に、ストレート型またはテーパ型とすることが可能なライトパイプ３００を含む。

図２に示されるように、光源またはＬＥＤ１００の出力は、ライトパイプ３００に結合されてこのライトパイプ３００の出力端３２０において均一な強度プロファイルの光を提供する。ライトパイプ３００内の光は、内部全反射によって出力端３２０へと導かれる。ＬＥＤ１００の出力は、ライトパイプ３００によって捕らえられ、このライトパイプ３００の出力端３２０へと伝送される。

ライトパイプ３００の形状は、矩形、六角形、または三角形とすることができる。好ましくは、ライトパイプ３００の形状は、高結合効率のために、光源またはＬＥＤ１００の形状にマッチングされる。理想的なケースでは、ＬＥＤ１００の出力はライトパイプ３００によって完全に捕捉される。ライトパイプ３００の断面寸法がＬＥＤ１００に一致すると、ライトパイプ３００の出力端３２０における出力輝度はＬＥＤ１００の出力輝度とほぼ等しくなる。但し、商業用途において、ＬＥＤ１００とライトパイプ３００との間でのいくらかの結合損失と、ライトパイプ３００内での伝送損失を予想することができる。

本発明の実施例によれば、図３−５，９ａ，１０ａ，１１ａ，１２，１３ａ，１４ａおよび１５ａに示されるように、空間的光リサイクル装置２００は、ライトパイプ３００と、このライトパイプ３００の出力端３２０に結合されたリフレクタ、ミラー、反射媒体またはリフレクタシステム４００とを含む。ライトパイプ３００の入力端３１０は、光源１００と光学的に連通または結合され、出力端３２０は反射媒体４００に結合されている。

前記光学的連通は、ライトパイプ３００の入力端３１０が光源１００からの放出された光を収集するようにライトパイプ３００を光源１００の近傍に配置することによって達成可能である。或いは、ライトパイプ３００の入力端３１０を、エポキシその他の耐熱性、透明接続材料を使用して光源１００に固定または接着することができる。尚、ライトパイプ３００は中空または中実にすることができ、矩形、六角形、三角形、などを非限定的に含む任意の断面形状のものとすることができる。好ましくは、ライトパイプ３００の形状は、高い結合効率を得るために光源またはＬＥＤ１００の形状に一致させてある。

ライトパイプ３００は、均一の断面寸法、或いは、入力端３１０から出力端３２０におけて漸増または漸減するテーパード状の断面寸法とすることができる。漸増する断面寸法を有するライトパイプ３００を含む光リサイクル装置２００は、出力開口数を減少させることができる。それに対して、漸減する断面寸法を有するライトパイプ３００を含む光リサイクル装置２００は、大きな角度を有する光のリサイクルを増進してそれによって光の角度的リサイクルを提供する。

ライトパイプ３００は、ガラス、水晶、プラスチック、溶融石英、アクリル等から形成することができる。ライトパイプ３００は、むき出しの表面を備えたものとしてもよく、或いは、標準的な光ファイバに類似した、光案内のための低屈折率の材料によって被覆された表面を備えるものとすることも可能であり、或いは、ライトパイプ３００は、その任意の表面または表面の全部がアルミニウムなどの反射性被覆材によって被覆されたものとすることも可能である。

ここに記載し図示したリサイクルライトパイプ３００は、中実ライトパイプであるが、実際に商業的用途において、ライトパイプ３００をその入出力端３１０，３２０に開口部を備え、反射性表面を形成するミラーを設けて、中空構造とすることも可能である。光をリサイクルするに当たって、ライトパイプ３００の効率を増大するために、入出力端３１０，３２０の開口部は反射防止材料で被覆することができる。

反射媒体４００がライトパイプ３００の出力端に設けられ、ライトパイプ３００のこの出力端３２０の一部をカバーしている。反射媒体４００は、外部リフレクタ、ミラー、または反射被覆材とすることができる。或いは、例えば、ライトパイプ３００の出力端３２０に反射性被覆材を沈積（ｄｅｐｏｓｉｔ）させるなどによって、反射媒体４００をライトパイプ３００と一体化することができる。

反射媒体４００はライトパイプ３００の出力端３２０の一部をカバーするので、光源１００からの光の一部はライトパイプ３００内へと再帰反射される。この反射光１１０は、ライトパイプ３００によって光源１００へと伝達され、図３に示されるように、光源１００からの出力としてライトパイプ３００内に再放射または再帰反射される。

ライトパイプ３００の出力端３２０の面積はリフレクタ４００によって減少されているので、リフレクタ４００によってライトパイプ３００内へと再帰反射されるすべての光が光源１００から出力されてライトパイプ３００から出る光の輝度を増強または増大させ、それによって、本発明の実施例による照明システムの輝度を増大させる。全体の出力パワーはライトパイプ３００からは小さくなるが、その光出力の輝度は、光源１０００からの光の一部を本発明の光リサイクル装置２００によってリサイクルすることによって増大される。

典型的には、ＬＥＤチップまたはダイ（ｄｉｅ）１００は、表面に入射する光の量に対する、表面で反射される光の比率によって定義される或る反射率を有する。ＬＥＤチップ１００の表面は、同時に、散乱関数によって定義される非反射性でもある。図２４は、種々のＬＥＤ反射率における光線のトレースによって計算された空間的リサイクル装置２００の理論的なリサイクル効率を示す。

本発明の空間的リサイクル装置２００による輝度増加率が、ライトパイプ３００の出力端３２０での開口の百分率（％）の逆数であるＬＥＤ１００の数に対してプロットされている。例えば、反射率が６０％のＬＥＤを用い、ライトパイプ３００の出力端３２０での開口率が２０％（５個のＬＥＤに対応する）の場合、本発明の空間的リサイクル装置２００の出力は１．９倍の輝度である。

図２５は、開示されない供給業者によって製造されたＬＥＤを使用した空間的リサイクル装置２００の実験結果を、図２４の理論曲線に対してプロットしたものである。一個のミラー４００が、種々の開口率を提供すべく調節可能な形態でライトパイプ３００の出力端３２０に配置されている。ＬＥＤチップ１００は、透明なウインドウを備えるヒートシンク１４０上に取り付けられているので、その結果、ＬＥＤ１００とライトパイプ３００との間の結合効率は１００％ではなかった。

更に、ライトパイプ３００の出力端３２０のミラー４００の反射率は１００％ではなかった。ＬＥＤ１００の反射損失、および、損失に寄与する他の実験上の不完全性によって、観察された反射率はＬＥＤの反射率よりも低かった。実験用の空間的リサイクル装置２００の物理モデルが、ＬＥＤのＲ（反射率）とＳ（拡散率）とを曲線適合パラメータとするＡＳＡＰ光線トレーシング・プログラムで得られた。最上の適合では、反射率Ｒが５２％、拡散率Ｒが１８度と判明した。更に、ライトパイプ３００がＬＥＤダイ１００の近傍に位置するように、ウインドウを除去した状態でＡＳＡＰ光線トレーシングを行った。

図２６は、ライトパイプ３００の出力端３２０の開口百分率（％）の逆数であるＬＥＤ１００の数に対する、ライトパイプ３００と直接接触した状態のＬＥＤダイ１００における計算された輝度増加率を示している。例えば、ライトパイプ３００の出力端３２０における開口率が２０％（５個のＬＥＤに対応する）の場合、このＬＥＤダイ１００を使用した本発明の空間的リサイクル装置２００で、１．６倍の輝度増大率を得ることができる。

本発明の実施例によれば、図４に示されるように、空間的リサイクル装置２００は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）２２０または偏光子２１０、より好適には反射偏光子２１０を備えることで偏光照明システム１０００を提供する。反射偏光子２１０またはＰＢＳ２２０は、ライトパイプ３００の出力端３２０全体をカバーしても良く、リフレクタ４００によってカバーされていない出力端３２０の部分のみをカバーすることもできる。

更に、反射偏光子２１０またはＰＢＳ２２０は、ライトパイプ３００の出力端３２０に対して、リフレクタ４００よりも先に載置または取り付けしても良いが、リフレクタ４００より後で載置または取り付けしても良い。反射偏光子２１０またはＰＢＳ２２０は、不都合または不要な偏光を有する光をライトパイプ３００に再帰反射することで、本発明の光リサイクル装置２００のリサイクル効果を増強し、出力光の輝度を増大する。

本発明の実施例によれば、図４に示されるように、光リサイクル装置２００は、光リサイクル装置２００の効率を増大するために光偏光状態のスクランブル化を促進する波長板（ｗａｖｅ ｐｌａｔｅ）２３０を有する。波長板２３０は、ライトパイプ３００の出力端３２０と反射偏光子２１０との間に配置することができる。

次に図５を参照すると、本発明の実施例によれば、空間的／角度的リサイクル装置２００は、ＬＥＤチップ１００、入力端３１０が出力端３２０よりも狭いテーパ型ライトパイプ３００、そして、テーパ型ライトパイプ３００の出力端３２０の周部に沿って設けたミラー４００を含む。ＬＥＤチップ１００はヒートシンク１４０上に取り付けられている。テーパ型ライトパイプ３００の狭幅の入力端３１０は、ＬＥＤチップ１００と光学的連通状態にある。ＬＥＤチップ１００とテーパ型ライトパイプ３００の入力端３１０との間の空隙（エアギャップ）は低屈折率（ｌｏｗ ｉｎｄｅｘ）のエポキシによって充填することができることが理解される。

本発明のこの実施例におけるテーパ型ライトパイプ３００の利用は、或る円錐角内において効率と輝度との両方を増大させる。ＬＥＤ１００が光源として使用される場合、通常は小さな角度内における光出力のみを集めることが可能なので、典型的には輝度が最も重要なパラメータである。例えば、市販のリアプロジェクションテレビ（ＲＰＴＶ）の収束角は約３８度と推定され、そのようなＲＰＴＶにおいてＬＥＤ１００によって３８から９０度の範囲に放出される光は利用されず無駄になる。

本発明のリサイクル用テーパ型ライトパイプ３００は、ＬＥＤ１００からの光を集め、出力として伝達されるべき適当な角度の光を選択し、残りの光をＬＥＤ１００に再帰反射し、それによって、選択された角度以外の利用されない光をリサイクルすることによってＬＥＤ１００の輝度を効果的に増大させる。ライトパイプ２００の出力端３２０の周部に沿って配置されたミラー４００は、前記選択された角度以外の光をＬＥＤ１００に反射し、それによって未使用の光をリサイクルする。本発明の空間的リサイクル装置２００を使用してＬＥＤ１００が選択された角度内に出力する光の量は、ＬＥＤ１００自身が選択された角度内に発する光の量よりも大きくなり、それによって、利用可能範囲でのＬＥＤ１００の輝度を増大させる。

本発明の実施例によれば、図１４ａ−ｂに示されるように、本発明のリサイクルまたはリカバリ用ライトパイプ３００（ストレート型またはテーパ型）は、ＬＥＤ１００のパッケージと一体化することができる。ＬＥＤ１００と取り付けフレーム６００とがヒートシンクまたは基材１４０上に取り付けられる。取り付けフレーム６００にはガラス板またはカバー６５０が取り付けられ、これをライトパイプ３００と一体化、またはそれに取り付けることができる。ガラスカバー６５０は、ＬＥＤチップ１００を保護する役割も果たす。

取り付けフレーム６００のサイズは、ライトパイプ３００とＬＥＤチップ１００の間の空隙６１０を制御するべく調節できる。好ましくは、ＬＥＤ１００からライトパイプ３００内への光の連結を最大にするためと、ミラー４００によってライトパイプ３００を介してＬＥＤ１００へ再帰反射される光とのために、ライトパイプ３００はＬＥＤチップ１００の近傍に配置される。

図１４ａ−ｂに示されるように、ライトパイプ３００の出力端４２０において、表面の一部が反射表面（例えば、反射性媒体、被覆材またはミラー４００）によってカバーされることでライトパイプ３００内の光のリサイクリングが促進される。好ましくは、反射性媒体４００はライトパイプ３００の出力端３２０の表面の外周に沿って配置される。図示していないが、前記出力表面の一部を一方または他方にバイアスされた反射媒体４００によってカバーするなどの他の構成も使用可能である。ここに記載されているように、ライトパイプ３００をガラスカバー６５０に取り付けて光リサイクル装置２００の種々の光学コンポーネントの取り付けを容易にすることができる。

本発明の一体型ライトパイプの組み立ては、ガラスカバー６５０がライトパイプ３００と一体に形成されることを除けば、一般的なＬＥＤアセンブリに類似している。尚、ライトパイプ３００は、用途に応じて、テーパ型（漸減状または漸増状）、ストレート型、中実型または中空型にすることができる。中空型ライトパイプは、エポキシ、ハンダまたはその他の取り付け手段によってカバー・ガラス６５０に４つのミラーを取り付けることによって組み立てることができる。

本発明の実施例によれば、ストレート型またはテーパ型ライトパイプ３００は、図１５ａ−ｂの二つのＬＥＤチップ１００等のように、複数のＬＥＤチップ１００のパッケージと一体化することができる。複数のＬＥＤまたはＬＥＤチップ１００は、１つの取り付けフレーム６００によってヒートシンクまたは基材１４０に取り付けられる。図１５ａ−ｂに示されるように、ライトパイプ３００の入力端３１０において、両ＬＥＤチップ１００間の空間に対応する表面は、ライトパイプ３００内の光のリサイクルを促進する反射性被覆材によって被覆されている。

大半のＬＥＤはランベルト（Ｌａｍｂｅｒｔｉａｎ）型の発光パターンを有することが知られている。また、フォトニック格子を備えた特殊なＬＥＤは、輝度が高くなるように、小角度において増強される発光パターンを有する。いずれの場合においても、小角度における輝度は大角度における輝度よりも高い。その結果、より高い輝度が望まれる場合は小さな角度の発光のみが利用可能となるため、高い角度の発光が無駄になる。その結果として得られるシステムは効率の悪いものとなる。この欠点を克服するために、高角度発光がＬＥＤに再帰反射され低角度の発光のみが伝達されるように、角度的リサイクルシステムが使用される。図５は角度的リサイクルシステムの略図を示している。

図６−８，９ｂ，１０ｂ，１１ｂ，１３ｃ−ｄ，１４ｂおよび１５ｂを参照すると、本発明の実施例によれば、光リサイクル装置２００は、中空または中実テーパ型ライトパイプ３００を含む。図６は、大面積から小面積へとテーパする（入力端３１０が出力端３２０よりも大きい）漸減テーパ型ライトパイプ３００を含む角度的リサイクル装置２００を示している。漸減テーパ型ライトパイプ３００は大きな入射角の入力光をフィルタ除去することに使用できる。

すなわち、大きな入射角の光は反射され、小さな入射角の光のみが漸減テーパ型ライトパイプ３００によって伝達される。入射角θａで漸減テーパ型ライトパイプ３００の入力端３１０に入る入力光線ａ０は、漸減テーパ型ライトパイプ３００内で複数回反射され、出力光線ａ１として漸減テーパ型ライトパイプ３００から出る。上記の入力光線はより大きな入射角で漸減テーパ型ライトパイプ３００から出ることができることが判る。より大きな入射角θｂで漸減テーパ型ライトパイプ３００の入力端３１０に入る光線ｂ０も、漸減テーパ型ライトパイプ３００内で複数回反射されるが、漸減テーパ型ライトパイプ３００の出力端３２０に到達する前に、この光線ｂ０の角度は９０度以上の入射角に達する。

光線ｂ０は、漸減テーパ型ライトパイプ３００の入力端３１０に向けて再帰反射を開始し、図６に示されるように、漸減テーパ型ライトパイプ３００の出力端３２０ではなく入力端３１０から光線ｂ１として出る。漸減テーパ型ライトパイプ３００は、実際のところ、入射する入力光のための角度フィルタとして作用し、そこでは、小さな入射角の光が伝達され、大きな入射角の光は漸減テーパ型ライトパイプ３００によって排除または反射される。

本発明の実施例によれば、図７−８，９ｂ，１０ｂ，１１ｂ，１３ｃ−ｄ，１４ｂおよび１５ｂに示されるように、角度的リサイクル装置２００は、漸減テーパ型ライトパイプ３００と複数のＬＥＤ１００とを有する。１つのＬＥＤ１００が漸減テーパ型ライトパイプ３００の入力端３１０の前方に置かれ、このＬＥＤ１００の面積は漸減テーパ型ライトパイプ３００の入力端３１０の面積と実質的に等しい。高入射角を有する光または高角光は、本発明の漸減テーパ型ライトパイプ３００によってＬＥＤ１００内へと再帰反射される。

この反射された光はＬＥＤ１００においてリサイクルされて、元の入力光と異なる角度分布で漸減テーパ型ライトパイプ３００に再帰反射される。すなわち、このリサイクルされた反射光の一部は今や漸減テーパ型ライトパイプ３００によって伝達され漸減テーパ型ライトパイプ３００の出力に結合される小さな入射角（または小角光）を有している。該小角光が出力として漸減テーパ型ライトパイプ３００の出力端３２０から出る。

前記ＬＥＤの表面は散乱性を有するので、高角度の反射光の一部はより低い角度へと散乱され、角度的リサイクル装置２００から結合され、それによって照明システム１０００の輝度を増大させる。本発明の実施例によれば、図８に示されるように、漸減テーパ型ライトパイプ３００の出力端３２０は別のテーパ型ライトパイプ３００（好ましくは、漸増テーパ型ライトパイプ）の入力端３１０に結合させ、それによってＬＥＤからの高角光を減少させるが光出力面積は増大させることができる。

本発明の実施例によれば、照明システム１０００は、単一の出力ライトパイプ３００に結合された複数のＬＥＤ１００を有する。次に、図１１ａ−ｂおよび１２を参照すると、本発明の実施例により、二つのテーパ型入力ライトパイプ３５０、好ましくは漸増テーパ型ライトパイプ３５０を使用して、二つのＬＥＤ１００が１つの出力ライトパイプ３００（図１１ａのようなストレート型ライトパイプか若しくは図１１ｂのようなテーパ型ライトパイプ）に結合される。

両テーパ型入力ライトパイプ３５０の入力端はそれぞれ二つのＬＥＤ１００に接続され、これらテーパ型入力ライトパイプ３５０の出力端は出力ライトパイプ３００に接続されている。尚、出力ライトパイプ３００の出力端３２０は、反射性の被覆材または媒体によって部分的に被覆されて、光学リサイクル装置２００内でのリサイクリングを促進し、それによって照明システム１０００の輝度を増大させている。両テーパ型入力ライトパイプ３００の出力端の寸法は、好ましくは、出力ライトパイプ３００の入力端の寸法に一致し、それによって、光の高結合を達成するべく両入力ライトパイプ３５０の出力端間の空隙を最小限にしている。

本発明の実施例によれば、図９ａ−ｂ，１０ａ−ｂ，１１ａ−ｂおよび図１２に示されるように、一次元的（すなわち、一列のＬＥＤ）または二次元状の列で、好ましくは互いに近接して密集された、複数のＬＥＤチップまたはＬＥＤ１００を有する。好ましくは、図１１ａ−ｂおよび１２に示されるように、ＬＥＤ／ＬＥＤチップ１００と入力ライトパイプ３５０とは互いに緻密に配置されている。

これらＬＥＤ１００および入力ライトパイプ３５０の形状は、円形、三角形、六角形、八角形、などとすることができる。ＬＥＤ１００および入力ライトパイプ３５０の寸法は、互いに同じものとすることも可能であるが、照明システムの用途に応じて異なってもよい。すなわち、光リサイクル装置２００は互いに形状と寸法が異なる複数のＬＥＤ１００と、互いに形状と寸法が異なる複数の入力ライトパイプ３５０とを備えたものとすることができる。

本発明の実施例によれば、ＬＥＤ１００とこのＬＥＤ１００が結合された入力ライトパイプ３５０（すなわち、ＬＥＤとライトパイプとの対）は、実質的に類似の形状を有する。例えば、三角形の入力ライトパイプ３５０が三角形のＬＥＤ１００に結合される。これにより、出力パワーとサイズの異なる既存の容易に入手可能なＬＥＤ１００を組み合わせることによって、本発明の照明システム１０００を特定の出力パワーを提供可能な形に設計可能となる。更に、複数のＬＥＤ１００を利用することによって、出力パワーと波長が平均化されるという別の利点も提供される。

通常、ＬＥＤの製造においては、ＬＥＤ／ＬＥＤチップの出力パワーと波長は十分に制御されていない。今日のＬＥＤの製造では、互いに波長と複数のパワーレンジの異なる複数のＬＥＤチップをストックしておく（ｂｉｎｎｉｎｇ）ことが必要とされる。本発明の複数の実施例では、複数のＬＥＤが１つの出力源に組み合わされる場合、出力パワーと波長との両方において、照明システム１０００（または光源）全体の平均値の変動はより小さなものとなる。尚、本発明の種々の実施例により十分なＬＥＤが１つの光源として使用され場合、ストックしておくこと（ｂｉｎｎｉｎｇ）は不要となり、それによってＬＥＤ／ＬＥＤチップの歩留まり（ｙｉｅｌｄ）が改善され、製造コストが節約される。

通常は二つ以上の色がカラープロジェクションシステムに使用される。本発明の実施例によれば、照明システム１０００は、複数のカラーＬＥＤまたはＬＥＤチップ１００を含み、これらは、例えば、ここにその全体を参考文献として合体させる本出願と共通の被譲渡人所有の”Ｅｔｅｎｄｕｅ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｃｏｍｂｉｎａｔｏｎ ｏｆ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｌｉｇｈｔ Ｓｏｕｒｃｅｓ”（複数の光源の面積効率の良好な組み合わせ）という名称の同時係属出願Ｎｏ．１１／３５１，０１３に開示されている技術を使用して、組み合わせ、ミックスすることができる。すなわち、例えば、本発明は、３色（赤、緑、青）プロジェクションシステム、または、今日いくらか一般的になり始めている４色および５色プロジェクションシステム、を提供するために利用することができる。

本発明の実施例によれば、図９ａ−ｂおよび１０ａ−ｂに示されるように、光リサイクル装置２００は、ライトパイプ３００の入力端３１０に結合された複数のＬＥＤチップ１００を含む。ここに開示されているように、ＬＥＤチップ１００は、これらＬＥＤチップ１００間の間隔を最小化することによって緻密状態に配置されている。ＬＥＤチップ１００間の空間は反射性、部分反射性または非反射性にすることができるが、これらの空間は、光のリサイクリングを促進し、光リサイクル装置２００の効率を増大させるために反射性とすることが好ましい。

本発明の実施例によれば、図９ａ−ｂに示されるように、ＬＥＤチップ１００間の（すなわち空間１３０）の基材１４０の表面は、リフレクタ、ミラー、反射性被覆材などを使用して反射性にされている。或いは、図１０ａ−ｂに示されるように、ＬＥＤ１００チップ１００間の空間１３０に対応するライトパイプ３００の入力端３１０を、リフレクタ、ミラー、反射被覆材などを使用して反射性とすることができる。

漸増テーパ型ライトパイプ３００のみが図９ｂおよび１０ｂには示されるが、漸増状（大出力端に対して小出力端）と漸減状（小出力端に対して大出力端）のいずれも使用可能である。漸増テーパ型ライトパイプ３００は出力開口数を減少させるために使用可能であり、漸減テーパ型ライトパイプ３００は大入射角の光のリサイクルを促進するために使用可能である。

本発明の実施例によれば、図１３ａおよび１３ｂに示されるように、照明システム１０００は、ライトパイプ３００（ストレート型かテーパ型のライトパイプのいずれであってもよい）と、種々の色のＬＥＤ１００（例えば、異なる波長を有する光を放出する各ＬＥＤ１００）からの出力を１つの出力２５０にまとめるカラービームコンバイナ７００を有する。

図１３ａに示されるように、カラービームコンバイナ７００は、キューブプリズムＰ１，Ｐ２，Ｐ３（好ましくは、偏光ビームスプリッタ）と、赤、青および緑ＬＥＤ等の種々の色のＬＥＤ１００からの出力を組み合わせるためのキューブＧ１，Ｇ２とを有する。キューブプリズムＰ３は、ライトパイプ３００の入力端３１０に結合されている。赤色ＬＥＤ（Ｒ−ＬＥＤ）１００は、赤色の光を放出し、これはキューブプリズムＰ１によってキューブＧ１へと反射される。

キューブプリズムＰ２は、キューブＧ１からの赤色光を伝達し緑色ＬＥＤ（Ｇ−ＬＥＤ）１００によって放出された緑色光を反射する。キューブプリズムＰ２は、前記反射された緑色光と伝達された赤色光との両方をキューブＧ２へと伝達する。キューブプリズムＰ３は、キューブＧ２から受け取った緑色の光と赤色の光の両方を伝達し、記青色ＬＥＤ（Ｂ−ＬＥＤ）１００によって放出された青色光をライトパイプ３００へと反射する。

好ましくは、キューブプリズム７１０、キューブ７２０およびライトパイプ３００の全ての面が照明システム１０００の種々の光学コンポーネントを通して効率的にガイドするように研磨される。ここに記載されているように、ライトパイプ３００の出力端３２０は、リサイクリングを促進し、それによって照明システム１０００の輝度を増大するべく、出力端３２０の一部をカバーする反射性被覆材、リフレクタまたはミラー４００を有する。

或いは、三角形プリズム７３０のようなカラービームコンバイナ７００とライトパイプ３００とを１つの部材に一体化することができる。図１３ｂに示されるように、照明システム１０００は、Ｒ−ＬＥＤ１００，Ｇ−ＬＥＤ１００，Ｂ−ＬＥＤ１００と、導波部Ｗ１−Ｗ５と、出力部３００（これはストレート型またはテーパ型のいずれであってもよい）を含む。

好ましくは、導波部Ｗ１，Ｗ３とＷ５は、三角プリズムである。赤色ＬＥＤ（Ｒ−ＬＥＤ）１００は、赤色光を放出し、これは導波部Ｗ１によって導波部Ｗ２へと反射される。導波部Ｗ３は導波部Ｗ２から受け取った赤色光を伝達し緑色ＬＥＤ（Ｇ−ＬＥＤ）１００によって放出された緑色光を反射する。導波部Ｗ３は、前記反射された緑色光と伝達された赤色光との両方を導波部Ｗ４へと伝達する。導波部Ｗ５は、導波部Ｗ４から受け取った緑色光と赤色光の両方を伝達し、青色ＬＥＤ（Ｂ−ＬＥＤ）１００によって放出された青色光を出力部３００へと反射する。カラービームコンバイナの一例が、ここにその全体を参考に合体させる同時係属出願Ｎｏ．１１／３５１，０１３に開示されている。

好ましくは、これら導波部Ｗ１−Ｗ５，および出力部３００の全ての面が照明システム１０００の種々の光学コンポーネントを通して効率的にガイドするように研磨される。ここに記載されているように、出力部３００の出力端３２０は、リサイクリングを促進し、それによって照明システム１０００の輝度を増大するべく、出力端３２０の一部をカバーする反射性被覆材、リフレクタまたはミラー４００を有する。

本発明の実施例によれば、照明システム１０００は角度的リサイクル装置２００を含む。図１６に示されるように、角度的リサイクル装置２００は、ヒートシンク１４０に取り付けられたＬＥＤ１００と、反射性凹状表面８２０，８３０とレンズ表面８１０とを有するプラスチックまたはガラス製の中実な（ｓｏｌｉｄ）光学コンポーネント８００を有する。

好ましくは、反射性凹状表面８２０，８３０はレンズ表面８１０を取り囲んでいる。凹状表面８２０，８３０の形状は、球形、放物状、または楕円状にすることができ、反射性被覆材によって反射性にすることができる。反射性表面８２０，８３０は、高角度光線をリサイクルのためにＬＥＤ１００に再帰反射するための再帰リフレクタとして作用する。ＬＥＤ１００からの小角度光線は、レンズ表面８１０によって結合され、出力２５０として角度的リサイクル装置２００から出力される。

或いは、図１７に示されるように、角度的リサイクル装置２００は、ヒートシンク１４０に取り付けられたＬＥＤ１００と、リフレクタ８４０，８５０とレンズ８６０とを備える。ＬＥＤ１００からの高角度の光線はリフレクタ８４０，８５０によってリサイクルのためにＬＥＤ１００へと再帰反射され、ＬＥＤ１００からの小角度の光線はレンズ８６０によって結合されて出力２５０として角度的リサイクル装置２００から出力される。

本発明の実施例によれば、図１８に示されるように、図１６，１７の角度装置２００は、高角度光線をそれらがＬＥＤ１００にフォーカス復帰される前に２回反射するデュアル放射面リフレクタとして作用するデュアル放物面リフレクタ８４０，８５０、或いは、反射表面８２０，８３０を含む。すなわち、反射表面８２０またはリフレクタ８４０から反射された光はそれぞれコリメートされ反射表面８３０またはリフレクタ８５０によって受け取られる。

このコリメートされた光は次に、反射性表面８３０によって再フォーカスされるか、もしくは、リサイクルのためにＬＥＤ１００上にフォーカスされる。更に、反射性表面８２０，８３０およびリフレクタ８４０，８５０の曲率半径は、レンズ表面８１０またはレンズ８６０の曲率半径よりも小さくすることで、これら反射性表面８２０，８３０およびリフレクタ８４０，８５０をレンズ表面８１０またはレンズ８６０よりもＬＥＤに近づけることが可能である。

本発明の実施例によれば、本発明の光リサイクル装置２００を従来型のＬＥＤ照明システムに組み込むことで、光の空間的および／または角度的リサイクルを使用してＬＥＤ源の輝度を増大させることが可能である。通常、従来型のＬＥＤ照明システムでは、ＬＥＤチップ１００からの光は外部光システム８００を介してアプリケーション９００（例えばプロジェクション用のディスプレイスクリーン）に結合される。図１９に示されるように、本発明の空間的および／または角度的光リサイクル装置２００が、ＬＥＤチップ１００と外部光システム８００との間に挿入されてそのアプリケーション９００の光の輝度を増大させる。

次に図２０を参照すると、本発明の空間的および／または角度的リサイクル装置２００は、そのＬＥＤチップ１００から光を抽出するためのＬＥＤパッケージ上に形成されたレンズなどの一体型（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ）光学系８５０を備えたＬＥＤチップ１００を有する従来型ＬＥＤ照明システムに組み込むことができる。ここでは、本発明の空間的および／または角度的リサイクル装置２００が、内蔵光学系８５０と外部光システム８００との間に挿入されてアプリケーション９００の光の輝度を増大させる。

本発明の実施例によれば、本発明の光リサイクル装置２００は、従来型のＬＥＤプロジェクションシステムに組み込んで、光の空間的および／または角度的リサイクルを使用してＬＥＤ源の輝度、および／または、プロジェクションシステム９５０へと結合される光の量を増大させることができる。通常、従来型ＬＥＤプロジェクションシステムでは、ＬＥＤチップ１００からの光は、レンズまたはレンズ系８１０を使用してそのプロジェクションシステム９５０に結合される。図２１に示されるように、本発明の空間的および／または角度的リサイクル装置２００は、ＬＥＤチップ１００とレンズ８１０との間に挿入されて、光の輝度および／またはプロジェクションシステム９５０へと結合される光の量を増大させる。

本発明の実施例によれば、図２２に示されるように、本発明の空間的および／または角度的リサイクル装置２００は、光ファイバシステムに組み込んで、ＬＥＤ源の輝度と光ファイバ９２０に結合される全体の光を増大させることができる。ここで、本発明の空間的および／または角度的リサイクル装置２００は、ＬＥＤチップ１００とレンズ８１０との間に挿入されて光の輝度および／または光ファイバ９２０に結合される光の量、を増大させることができる。

次に図２３を参照すると、本発明の空間的および／または角度的リサイクル装置２００は、ＬＥＤチップ１００がこのＬＥＤチップ１００から光を抽出するための内蔵光学系８５０を含む、図２１のＬＥＤプロジェクションシステムまたは図２２の光ファイバシステムに組み込むことができる。ここで、本発明の空間的および／または角度的リサイクル装置２００は、内蔵光学系８５０とレンズ８１０との間に挿入されて、光の輝度および／またはプロジェクションシステム９５０または光ファイバ９２０に結合される光の量を増大させることができる。

以上本発明について説明したが、当業者は本発明の要旨および範囲から逸脱すること無くこれを改変することが可能であると理解するであろう。そのような任意の全ての改変も以下の請求項の範囲内に含まれるものと意図されている。

Claims (53)

1. 光源の輝度を増大させる照明システムであって、以下を有する照明システム、
   複数の光線を放出する光源、および
   前記光源からの前記複数の光線を伝達するため、および、これら複数の光線の一部を前記光源へとリサイクルするために前記光源に結合された光リサイクル装置、前記光源は前記複数の光線の前記一部を前記光リサイクル装置に対して再放出し、これによって前記光源の出力の輝度が増大される。
2. 前記光リサイクル装置は、前記光源から前記複数の光線を受ける入力端と出力端とを備えたライトパイプを含む請求項１の照明システム。
3. 前記光リサイクル装置は、前記複数の光線の前記一部を前記光源に対して再帰反射することによって、前記複数の光線の前記一部を空間的にリサイクルするべく、前記ライトパイプの前記出力端の一部をカバーする、リフレクタ、ミラーまたは反射性被覆材を有する空間的リサイクル装置である請求項２の照明システム。
4. 前記ライトパイプは光ファイバである請求項２の照明システム。
5. 前記ライトパイプは、中空ストレート型ライトパイプ、中空テーパ型ライトパイプ、中実ストレート型ライトパイプ、または中実テーパ型ライトパイプを含み、前記ライトパイプの前記断面形状は、円形、三角形、六角形、または八角形のうちのいずれか１つである請求項２の照明システム。
6. 前記ライトパイプは、ガラス、石英またはプラスチックのいずれか１つから形成されている請求項２の照明システム。
7. 前記ライトパイプの表面は、反射性被覆材または低屈折率材料によって被覆され、前記ライトパイプの前記入力端は反射防止被覆材によって被覆されている請求項２の照明システム。
8. 前記ライトパイプは、中空ストレート型ライトパイプまたは中空テーパ型ライトパイプであり、前記ライトパイプの内壁は反射性被覆材によって被覆されている請求項５の照明システム。
9. 前記複数の光線の前記一部は、不要な光の偏光を含み、前記光リサイクル装置は、前記不要な光の偏光を前記光源に再帰反射することによって、前記複数の光線の前記一部をリサイクルするべく前記ライトパイプの前記出力端をカバーする反射偏光子または偏光ビームスプリッタを含む請求項２の照明システム。
10. 前記光リサイクル装置は、前記複数の光線の偏光状態のスクランブル化を促進する波長板を含む請求項９の照明システム。
11. 前記複数の光線の前記一部は、光の不要な偏光を含み、前記光リサイクル装置は、前記不要な光の偏光を前記光源に再帰反射することによって、前記複数の光線の前記一部をリサイクルするべく前記ライトパイプの前記出力端をカバーする反射偏光子または偏光ビームスプリッタを含む請求項３の照明システム。
12. 前記光装置は、前記複数の光線の偏光状態のスクランブル化を促進する波長板を含む請求項１１の照明システム。
13. 前記ミラーは、選択された角度以外の前記複数の光線の前記一部を前記光源に再帰反射し、それによって光の空間的リサイクルと角度的リサイクルとの両方を提供するために前記ライトパイプの前記出力端の周部をカバーしている請求項３の照明システム。
14. 前記光源は発光ダイオード（ＬＥＤ）またはＬＥＤチップを含み、前記ライトパイプの前記入力端の寸法は、該ライトパイプと前記ＬＥＤとの間での高結合効率を達成するために前記ＬＥＤの寸法に近似している請求項３の照明システム。
15. 前記光リサイクル装置は、前記ＬＥＤチップと前記ライトパイプの前記入力端との間の空隙を含む請求項１４の照明システム。
16. 前記空隙は低屈折率のエポキシによって充填されている請求項１５の照明システム。
17. 前記ＬＥＤチップは反射性被覆材を有する基材に取り付けられている請求項１４の照明システム。
18. 前記空間的リサイクル装置は、前記基材に取り付けられた取り付けフレームと、前記ライトパイプに取り付けられるとともに前記取り付けフレームに取り付けられたガラス板とを含み、前記取り付けフレームのサイズは、前記ライトパイプと前記ＬＥＤチップとの間の空隙を制御するために調節可能である請求項１７の照明システム。
19. 前記空間的リサイクル装置は、前記ライトパイプに結合された複数のＬＥＤチップを含み、前記基材上の前記複数のＬＥＤチップの間に空間は、前記ライトパイプ内の光のリサイクルを促進するための反射性被覆材を有する請求項１８の照明システム。
20. 前記空間的リサイクル装置は、前記ライトパイプに結合された複数のＬＥＤチップを含み、前記ライトパイプの前記入力端上の前記複数のＬＥＤチップの間の空間は前記ライトパイプ内の光のリサイクルを促進するための反射性被覆材を有する請求項１８の照明システム。
21. 前記空間的リサイクル装置は、複数のＬＥＤチップを含み、これらＬＥＤチップのそれぞれは、漸増テーパ型ライトパイプの入力端に結合されてＬＥＤとライトパイプの対を提供し、各漸増テーパ型ライトパイプの出力端は前記ライトパイプの前記入力端に結合されている請求項３の照明システム。
22. 前記複数のＬＥＤチップは一次元または二次元の列状に密集配置され、前記ＬＥＤとライトパイプの対の前記断面寸法は互いに近似している請求項２１の照明システム。
23. 前記空間的リサイクル装置は、そのそれぞれが異なる波長を有する光を放出する複数のカラーＬＥＤチップと、これら複数のカラーＬＥＤチップからの前記複数の光線を組み合わせるためのカラービームコンバイナとを含む請求項３の照明システム。
24. 前記光リサイクル装置は、その入力端の断面積がその出力端の断面積よりも大きい漸減テーパ型ライトパイプを含み、前記角度的リサイクル装置は、高角の光線を前記光源に再帰反射し、小角の光線を前記ライトパイプの前記出力端へと伝達することによって前記複数の光線の前記一部を角度的にリサイクルする請求項２の照明システム。
25. 前記角度的リサイクル装置は、前記複数の光線の前記一部を前記光源に対して再帰反射することによって、前記複数の光線の前記一部を空間的にリサイクルするべく前記漸減テーパ型ライトパイプの前記出力端の一部をカバーする、リフレクタ、ミラーまたは反射性被覆材を含む請求項２４の照明システム。
26. 前記角度的リサイクル装置は、前記漸減テーパ型ライトパイプの前記出力端に結合されて、それによって前記光源からの前記高角光を減少させながら、前記光源の光出力面積を増大させる漸増テーパ型ライトパイプを含む請求項２４の照明システム。
27. 前記光リサイクル装置は、反射性表面とレンズ表面とを備える中実な光学コンポーネントを含む角度的リサイクル装置であり、前記中実な光学コンポーネントの前記反射性表面は、前記複数の光線の高角光線を反射することによって前記複数の光線の前記一部を角度的にリサイクルし、前記光学コンポーネントの前記レンズ表面は小角の光線を前記ライトパイプの前記出力端へと伝達する請求項１の照明システム。
28. 前記反射性表面は、前記高角光線をそれらが前記光源上に再帰フォーカスされる前に２回反射するデュアル放物反射性表面を形成する請求項２７の照明システム。
29. 前記光リサイクル装置は、高角光線を前記光源に再帰反射することによって前記複数の光線の前記一部を角度的にリサイクルするリフレクタと、小角度光線を前記ライトパイプの前記出力端に伝達するレンズとを含む角度的リサイクル装置である請求項１の照明システム。
30. 前記リフレクタは、前記高角光線をそれらが前記光源上に再帰フォーカスされる前に２回反射するデュアル放物リフレクタを形成する請求項２９の照明システム。
31. ＬＥＤプロジェクションシステムに使用される請求項１の照明システムであって、前記光源はＬＥＤチップであり、前記光リサイクル装置は、前記ＬＥＤチップとレンズシステムとの間に配置されて、それによって前記ＬＥＤプロジェクションシステムへと結合される光の量を増大させる照明システム。
32. 前記ＬＥＤチップは該ＬＥＤチップから光を抽出するための一体型光学系を含む請求項３１の照明システム。
33. 光ファイバシステムに使用される請求項１の照明システムであって、前記光源はＬＥＤチップであり、前記光リサイクル装置は、前記ＬＥＤチップとレンズシステムとの間に配置されて、それによって前記光ファイバシステムへと結合される光の量を増大させる照明システム。
34. 前記ＬＥＤチップは該ＬＥＤチップから光を抽出するための一体型光学系を含む請求項３３の照明システム。
35. 光源の輝度を増大させる方法であって、
    前記光源から複数の光線を受け取るべく光源に光リサイクル装置を結合する工程、
    前記複数の光線の一部を前記光源にリサイクルする工程、そして
    前記光源によって前記光リサイクル装置に対して前記複数の光線の前記一部を再放出し、それによって前記光源の輝度を増大させる工程を含む方法。
36. 前記光リサイクル装置は空間的リサイクル装置であり、前記リサイクル工程は、前記複数の光線の前記一部を前記光源に再帰反射することによって前記複数の光線の前記一部を空間的にリサイクルする工程を含む請求項３５の方法。
37. 前記複数の光線の前記一部は不要な光の偏光を含み、前記リサイクル工程は、前記不要な光の偏光を前記光源に再帰反射することによって前記複数の光線の前記一部をリサイクルする工程を含む請求項３５の方法。
38. 更に、前記複数の光線の変更状態をスクランブル化する工程を含む請求項３７の方法。
39. 前記複数の光線の前記一部は不要な光の偏光を含み、前記リサイクル工程は、前記不要な光の偏光を前記光源に再帰反射することによって前記複数の光線の前記一部をリサイクルする工程を含む請求項３６の方法。
40. 前記空間的にリサイクルする工程は、選択された角度以外の前記複数の光線の前記一部を前記光源に再帰反射し、それによって光の空間的リサイクルと角度的リサイクルとの両方を提供する工程を含む請求項３６の方法。
41. 前記光源は、前記空間的リサイクル装置とそのＬＥＤとの間の高結合効率を達成するために、前記空間的リサイクル装置の入力端と近似した断面寸法を有する発光ダイオード（ＬＥＤ）またはＬＥＤチップを含む請求項３６の方法。
42. 更に、前記ＬＥＤチップと前記空間的リサイクル装置の前記入力端との間の空隙を低屈折率のエポキシによって充填する工程を含む請求項４１の方法。
43. 更に、前記ＬＥＤチップを、反射性被覆材を備えた基材に取り付ける工程を含む請求項４１の方法。
44. 更に、取り付けフレームとガラス板とを前記基材に取り付ける工程を含み、前記ガラス板は前記ライトパイプに取り付けられ、更に、
    前記取り付けフレームのサイズを調節することによって、前記空間的リサイクル装置の前記入力端と前記ＬＥＤチップとの間の空隙を制御する工程を含む請求項４３の方法。
45. 前記空間光リサイクル装置の前記入力端に個々に結合された複数のＬＥＤチップを前記基材に取り付ける工程、および
    前記空間的リサイクル装置内の光のリサイクルを促進するために、前記基材上の前記複数のＬＥＤチップ間の空間に反射性被覆材を設ける工程を更に含む請求項４４の方法。
46. 前記空間光リサイクル装置の前記入力端に個々に結合された複数のＬＥＤチップを前記基材に取り付ける工程、および
    前記空間的リサイクル装置内の光のリサイクルを促進するために、前記空間的リサイクル装置の前記入力端上の前記複数のＬＥＤチップ間の空間に反射性被覆材を設ける工程を更に含む請求項４４の方法。
47. 更に、複数のＬＥＤチップを基材上に一次元または二次元の列状に密集状態に取り付ける工程を含む請求項４１の方法。
48. 前記光源は複数のカラーＬＥＤチップであり、前記方法は、更に、前記複数のカラーＬＥＤチップから異なる周波数の前記複数の光線を受けとり、前記複数のカラーＬＥＤチップからの前記複数の光線を組み合わせる工程を含む請求項３６の方法。
49. 前記結合する工程は、入力端の断面寸法が出力端よりも大きな漸減テーパ型ライトパイプを含む角度的リサイクル装置を結合する工程を含み、
    前記リサイクル工程は、高角度の光線を前記漸減テーパ型ライトパイプの前記入力端を介して前記光源へ再帰反射し、小角度の光線を前記漸減テーパードライトパイプの前記出力端へと伝達することによって、前記複数の光線の前記一部を角度的にリサイクルする工程を含む請求項３５の方法。
50. 前記角度的リサイクル装置は、前記漸減テーパ型ライトパイプの前記出力端の一部をカバーする、リフレクタ、ミラーまたは反射性被覆材を含み、前記リサイクル工程は、更に、前記リフレクタを使用して前記複数の光線の前記一部を前記光源へと空間的に再帰反射する工程を含み、これによって、前記光源からの前記複数の光線を空間的かつ角度的にリサイクルする請求項４９の方法。
51. 更に、漸増テーパ型ライトパイプを前記漸減テーパ型ライトパイプの前記出力端に結合する工程を含み、これによって前記光源からの前記高角光を減少させながら前記光源の光出力面積を増大させる請求項４９の方法。
52. 光源の輝度を増大させる光リサイクル装置であって、
    前記光源からの前記複数の光線を伝達するための、出力端と前記光源に結合された入力端とを有する伝達媒体、および
    前記複数の光線の一部を、前記光源によって再放出されるべく前記伝達媒体の前記入力端を介して前記光源に再帰反射することによって、前記複数の光線の前記一部をリサイクルするための、前記伝達媒体の前記出力端に結合されたミラーまたはリフレクタを備え、これによって前記光源の出力の輝度を増大させる光リサイクル装置。
53. 前記伝達媒体は、ストレートまたはテーパ型ライトパイプである請求項５２の光リサイクル装置。

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