JP2013541172A - 発光ダイオードプロジェクタ - Google Patents

Abstract

本発明は、非結像集光光学系に実質的および効率的に結合されたＬＥＤダイまたは密にパックされたダイアレイもしくはダイアレイマトリックスを含む発光ダイオード（ＬＥＤ）光源に関する。非結像集光光学系は、ＬＥＤ出力のエタンジュ（面積、立体角、屈折率の２乗の積）を実質的に保持する、強度が高度に均質な近視野および低減された遠視野範囲を有する均質化されたＬＥＤ出力を提供するように動作する。近視野は、特定の距離だけ離れた照明面に、下流のリレーレンズによって結像される。
【選択図】図２

Description

本発明は、一般に、紫外線（ＵＶ）〜中赤外線（ＭＩＲ）を含むスペクトル領域にわたって高強度均質照明を要求する用途において使用するための、放射開口部から有限距離の平面上への、発光ダイオード（ＬＥＤ）からの放射における均質な投影に関する。用途には、マシンビジョンなどの産業照明、組織照明または蛍光などの医療照明、培養容器における藻の成長を助ける照明またはカメラ撮像システムによる蛍光励起および後続の検出用のマルチスペクトル照明源などの生物学照明が含まれる。

紫外線（ＵＶ）〜中赤外線（ＭＩＲ）を含むスペクトル領域にわたる高強度均質照明を必要とする現在の製品は、主として水銀アークランプに基づいているが、水銀アークランプは、高価で非効率的であり、環境に危険な有毒物質を含み、寿命が短く、かつ高価な高電圧安定器によって操作される。タングステンハロゲン光源が用いられたように、キセノンおよびメタルハライドショートアークランプもまた用いられた。

水銀アークランプと同様に、キセノンおよびメタルハライドランプの両方がまた、有毒物質、高価な電源および安定器を含み、頻繁な交換を必要とする短い寿命、進行の中断、ならびに交換の労力およびランプ自体の両方に関連する追加コストに悩まされている。タングステンハロゲンベースのシステムにおけるさらなる不都合は、特に短青色波長およびＵＶ波長用の比較的低い出力である。

ＵＶＡ帯域（約３１５〜４００ｎｍに及ぶ）光学放射における高フラックスを供給するための医療および産業市場両方における業界標準は、水銀アークランプだった。水銀アークランプは、ＵＶＡ領域では３６５ｎｍ近くに集中するｉ線によって支配される比較的狭い線スペクトルを特徴とする。ここで、深ＵＶと可視スペクトルの終わりまでとの間で同時に励起される多くの水銀線が存在するという事実は、望ましくないスペクトル成分を消すために干渉フィルタを用いることによって、ランプに電力を供給するために用いられるエネルギの多くが、選択されなければならないこのＵＶ帯域に行かないということを意味する。これら高出力水銀、キセノン、およびメタルハライドアークランプの使用に関する追加的な問題は、経時的にあちこち移動するアークの望ましくない影響を含み、点滅または強度の不安定性に帰着する。さらに、アークが移動するという事実は、光学システムの下流における入手可能な最大出力密度を低減する、実際的により大きな入力開口部を備えた光学システムを必要とする。追加として、ランプを始動させるためにキロボルトの程度の非常に大きな電圧が、電源安定器から必要とされる。これらの高電圧は、放射される電磁パルスゆえに、敏感な医療および産業機器を損傷する可能性がある。水銀、キセノン、およびメタルハライドランプの使用に関するこれらの問題に加えて、非常に有毒な物質の使用に関する最近の懸念が、アークランプの代替を求める探求、およびタングステンベースのランプにおける低出力および短い寿命に対する改善を刺激した。

本発明の主な目的は、高価で有毒な水銀ベースのランプに取って代わるＬＥＤベースのプロジェクタシステムであって、ＬＥＤベースのシステムが、水銀ランプに対して２００％〜５００％より効率的であり、かつ寿命が１０倍を超えるＬＥＤベースのプロジェクタシステムを提供することである。

本発明の別の目的は、水銀ベースのシステム用に必要とされる高価で危険な電圧を必要とせず、低電圧で動作するＬＥＤベースの照明システムを提供することである。

本発明のさらに別の目的は、有毒で寿命が短く、エネルギ効率の悪い水銀、キセノン、メタルハライド、およびタングステンハロゲンランプシステムに対する代替として、新世代のＵＶ、可視、および中赤外線ＬＥＤ投影システムを提供するために、ユニークな非結像集光および結像リレー光学系と組み合わせてＬＥＤベース「チップオンボード」（ＣＯＢ）の高出力、高密度ＬＥＤダイアレイを提供することである。

本発明のさらに別の目的は、非常に低い熱インピーダンスの「チップオンボード」（ＣＯＢ）ＬＥＤダイ装着技術を、従来の高性能高出力ＬＥＤを予めパッケージされたエミッタより数倍低い、１℃／Ｗをかなり下回る熱インピーダンスと組み合わせたＬＥＤプロジェクタを提供することである。かかる低熱インピーダンス技術の使用によって、電流密度がかなり増加され、はるかに高い光パワー密度、およびより長いＬＥＤダイ寿命につながる低接合温度をもたらすことが可能になる。さらに、水銀、キセノン、およびメタルハライドランプシステム用の予熱時間は比較的長く、それらは、効率的には断続的にパルス化することができない。ＬＥＤのはるかに速い応答時間は、エネルギ使用のさらなる低減を可能にする。なぜなら、ＬＥＤベースのシステムは、アークランプシステムが一般に連続的に動作され、かつ機械シャッタの使用によってオンおよびオフに切り替える必要があるのに対して、オンおよびオフに切り替えることができるからである。したがって、実効的なエネルギ使用は、問題となる特定プロセスの負荷サイクルに依存して、ＬＥＤ用の実践ではさらに一層高い。

本発明の他の目的は、一部は明白であり、かつ一部は、以下の詳細な説明が添付の図面に関連して読まれる場合には下記で明白になろう。

本発明は、マルチスペクトル照明および結像、植物成長、広範なスペクトル帯域のソーラーシミュレーション、医療蛍光診断撮像、産業用ＵＶ硬化用途において使用するために、紫外線（ＵＶ）〜中赤外線スペクトルにおける高均質および出力密度のエリア照明を提供するための、発光ダイオード（ＬＥＤ）ベースの機器に関する。

ここで本発明は、ＬＥＤ出力を均質化して、ＬＥＤ出力におけるエタンジュ（面積、立体角、屈折率の２乗の積）を実質的に保持する高程度の近視野強度均質性および低減された遠視野範囲を、非結像集光光学系の出口開口部において提供するように働く非結像集光光学系に実質的および効率的に結合されたＬＥＤダイまたは密にパックされたダイアレイもしくはダイアレイマトリックスを含む発光ダイオード（ＬＥＤ）光源を説明する。集光光学系の出力における近視野は、特定の距離だけ離れた照明面にリレーレンズによって結像される。このプロジェクタは、水銀、キセノン、メタルハライド、およびタングステンベースのランプシステムに対して、はるかに改善された安定性、寿命、照明面の強度均質性、有毒物質の低減、ならびに今日の最も要求の厳しい産業、医療、生物学、および商用照明光源用途によって要求される特定のスペクトル範囲の固体光源を提供する。

ＬＥＤプロジェクタシステムの主なコンポーネントには、高熱伝導性ＬＥＤ ＣＯＢボード、直接装着されたＬＥＤダイおよびワイヤボンド、ＬＥＤ放射を集光し均質化する高集光効率の非結像光学系、ならびにＬＥＤ出力を照明面に中継する調整可能な焦点結像レンズシステムが含まれる。集光光学系の出力開口部には、照明面における光の出力を修正する様々な開口部またはスペクトルフィルタを含むことができる。代替として、ズームレンズシステムを用いて倍率を変更し、特定の画像距離において調整可能な照明パターンサイズを達成することが可能である。このＬＥＤベースのプロジェクタ技術は、以前には技術的に実現不可能か、コスト的に実現不可能か、または両方であった新しい用途を開拓した。

本発明の構造、動作、および方法論は、それの他の目的および利点と一緒に、図面、すなわち、各部分が様々な図面に現れる場合にはいつでも、それを識別する割り当てられた数字またはラベルを有する図面に関連して以下の説明を読むことによって、最もよく理解することが可能である。

図１は、本発明のプロジェクタシステムにおける好ましい実施形態の概略等角図を示す。 図２は、図１の好ましい実施形態の一部における拡大概略等角図を示す。 図３は、ヒートシンクおよびファンが除去された図２の実施形態の等角図である。 図４は、内部光学コンポーネントおよび機械的ハードウェアを示す、図３のシステムの断面図を示す。 図５は、ＬＥＤと集光光学系との間の境界を示すためにハウジングが除去された、図３のシステムの拡大図を示す。 図６は、ＬＥＤ、光センサ、および温度測定サーミスタを示すために光学系が除去された、図５のシステムの拡大図を示す。 図７は、光線が、どのようにＬＥＤから集光光学系を通って伝播し、次にレンズシステムによって再結像されるかを示す、図４のシステムの側面図を示す。 図８は、光線が、集光光学系の出口開口部に共役な照明面にどのように伝播するかを示す図７のシステムを示す。 図９は、図８のシステムの照明面におけるグレースケール画像を示す。 図１０は、４つの円形開口部を囲む反射エリアを含む代替出力開口部を示す、図５のシステムの代替出力開口部を示す。 図１１は、複合放物線状コンセントレータ（ＣＰＣ）プロファイルを備えた正方形入力開口部および円形出力開口部を含む、図５のシステムの集光光学系に対する代替集光光学系を示す。 図１２は、図１１のシステムにおける集光光学系の詳細図を示す。 図１３は、正方形入力開口部から八角形出力開口部に変わる、図１２の光学系に対する代替光学系および均質化セクションを示す。 図１４は、より詳細な図のために隠線を備えた図１３の光学系を示す。 図１５は、図１３の光学系の縦正面図を示す。 図１６は、４つの集光光学系に共通な出力開口部として働くホモジナイザセクションへ入る前の、光学帯域通過フィルタを備えた４つの独立集光光学系を備えた４つのＬＥＤダイグループを備えたＬＥＤボードを含む、図１１のシステムの代替実施形態を示す。 図１７は、４つの集光光学系の１つにおける出力開口部の図を露出させるために、帯域通過フィルタの１つと共に共通ホモジナイザ光学系が除去された、図１６のシステムの拡大図を示す。 図１８は、図１の実施形態の代替実施形態を示す。 図１９は、図１８の実施形態の断面図を示す。 図２０は、集光光学系の出力開口部と照明面との間に光線が示された、図１８の実施形態の側面図を示す。 図２１は、同様に形作られた集光光学系出力開口部に起因する矩形プロファイルを示す、図１８の実施形態における強度分布のグレースケール画像を示す。

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）投影システムに関する。高熱伝導性基板に装着されたＬＥＤダイまたはダイアレイからの放射は、非結像光学系によって集光され、続いてレンズシステムの出力開口部からいくらか離れた照明面に、レンズシステムによって再結像される。ＬＥＤボードは、典型的にはファンまたは他の空気もしくは水供給源によって冷却されるヒートシンクに熱的に結合される。プロジェクタは、高性能な産業、医療および生物学照明、ならびに画像検出システムに要求されるスペクトルおよび強度パターンにわたる高均質性および制御で、明確に画定されたエリアを照明することができる。最近、高輝度ＬＥＤの出現によって、かかる投影システムが、タングステンハロゲンと同様にショートアーク水銀、キセノンおよびメタルハライドランプに取って代わることができるようになった。これは、ＬＥＤの使用によって提供される光安定性、スペクトル制御、寿命、およびエネルギ効率における著しい改善につながった。

図１は、プロジェクタ２００、放射光線セット１２０、および照明面１１０を含む発光ダイオード（ＬＥＤ）投影システム１００における好ましい実施形態の等角図を示す。図２は、図１におけるプロジェクタ２００の拡大等角図を示す。ＬＥＤボード２５０は、熱伝導性パッド２６０によってヒートシンク２７０および冷却ファン２８０に熱的に結び付けられる。熱パッド２６０は、典型的には４分の１ミリメートル程度のスズであり、導電性または電気的に中性に、しかし一般的には低熱インピーダンスにすることができる。熱パッド２６０用の材料は、Ｔｈｅ Ｂｅｒｇｑｕｉｓｔ Ｃｏｍｐａｎｙ（Ｃｈａｎｈａｓｓｅｎ， ＭＮ）などの会社から入手可能である。それらは、一連の厚さ、熱インピーダンス、導電性、および材料適合性において入手可能である。代替として、熱伝導性ペーストを熱パッド２６０の代わりにすることができるが、しかしペーストは、大量生産が難しく、一般的には好ましくない。

ＬＥＤボード２５０は、ＬＥＤダイおよび他の補助コンポーネントが、はんだまたは熱伝導性エポキシを介して金属コアボードに直接装着される「チップオンボード」（ＣＯＢ）技術に基づいている。一般に、はんだは、そのより低い熱インピーダンスゆえに好まれるが、しかしはんだ付けできる底部コンタクトを備えたＬＥＤダイは入手できないものもあり、したがって、かかる状況下では、熱伝導性エポキシで満たされた銀またはダイヤモンドの薄層を代わりに用いることができる。ＬＥＤボード２５０は、ハウジングセクション２４０に含まれる光学系システムに上端で装着される。ハウジングセクション２４０には、集光光学系４６０（図４を参照）が含まれ、第２のハウジングセクション２３０には、以下でより完全に説明され、同様に図４に大まかに示されている再結像光学系が含まれる。遠位光学素子２１０は、セクション２３０の端部へと通る保持器２２０によって適所に保持される。ハウジングセクション２３０および２４０間の境界は、２つの噛み合うハウジングセクションにおけるねじ山を回転させることを介し、集光光学系の出力開口部に対して結像光学系を移動させることにより、焦点を調整できるようにする焦点機構２３５を表す。代替として、再結像光学には、照明面上への、集光光学系の出力面における倍率の変化を可能にするズームレンズシステムを含むことが可能である。

図３は、ヒートシンク２７０およびファン２８０が装着されていない、図２のプロジェクタ２００の拡大等角図を示す。ＬＥＤ６４０（図６を参照）は、コネクタ３１０上のコンタクトを通して電力を供給され制御される。

図４は、図３のプロジェクタ２００の等角断面図を示し、その内部光学コンポーネントを示す。ボード２５０に装着されたＬＥＤダイまたはダイアレイ６４０からの放射は、非結像集光光学系４６０によって、その入力開口部４８０において効率的に集光される。ＬＥＤダイによって放射された放射エネルギは、非結像集光光学系４６０によって効率的かつ実質的に集光され、それによって、窓４５０と一致する、非結像集光光学系４６０の出口開口部７１０（図７を参照）に向けられる。ＬＥＤダイまたはダイアレイにおける任意の単一放射点の出力は、好ましくは矩形である集光光学系の出力開口部における近視野強度分布が高度に均質であるように、非結像集光光学系４６０によって実質的に均質化される。４０１で大まかに示され、かつレンズ４３５（正）、レンズ４２５（正）、レンズ４１５（負）、レンズ４１０（正）、およびレンズ２１０（正）をそれぞれ含む再結像レンズシステムは、非結像集光光学系４６０の近視野出力を図１の照明面１１０にマッピングする。スペーサセット４４５、４３０、４２０、および４０５が、レンズ４３５、４２５、４１５、４１０、および２１０をそれぞれ分離する。レンズシステムは、ハウジング要素２３０に収容されるが、ハウジング要素２３０は、ハウジングセクション２３０および２４０間の境界におけるねじ山を回転させることによって焦点を調整するために、ハウジングセクション２４０に対して軸方向に移動する。集光光学系ホルダ４７０が、ＬＥＤアレイと集光光学セクション４６０との間の正確な位置整列を保証するために、ボード２５０における運動機構と整列する。

図５は、部分が切断されて示された図３のプロジェクタ２００の拡大等角図を示す。かかるものとして、図５は、入力開口部４８０および窓要素４５０と接触する出力開口部を備えた集光光学系４６０の拡大図を示す。入力開口部４８０は、ＬＥＤボード２５０上のＬＥＤアレイ６４０（図６を参照）にごく接近して示されている。４×４ダイアレイの正方形入力開口部は、９０％以上の実質的な集光効率を保証するために、ＬＥＤから１５０マイクロメートル程度に配置される。ワイヤボンドは、最小のスペースが必要とされることを保証するために、ウェッジタイプである。図６は、ＬＥＤボード２５０およびその装着された表面実装コンポーネントの詳細等角図を示す。スロット６２５およびホール６３０には、プロジェクタと照明される対象との間の位置決め用に必要な場合に、ボード２５０を熱ヒートシンクに正確にかつ繰り返し装着できるようにする運動実装機構セットが含まれる。ホールセット６０５および６１０は、ＬＥＤ２５０の裏面から反対に穿孔され、ねじが、図３に示す集光光学ハウジング２４０にボードを装着できるようにする。第２のホールセット６２０および６１５は、ＬＥＤダイアレイ６４０と非結像集光光学系４６０との間の正確な整列用の運動機構を形成するために、集光光学ハウジング２４０の裏面における円形および楕円形ピンを考慮に入れる。これらの同じ２つのピンは、図４の集光光学整列コンポーネント４７０を通過し整列させる。ウェッジタイプのワイヤボンドセット６４５が、ＬＥＤダイアレイ６４０における各ＬＥＤダイを、ＬＥＤボード２５０上の個別コンタクトに装着し、個別コンタクトは、図５のコネクタ３１０上の個別コンタクトに伝わる。また図６に示されているのは、温度およびＬＥＤ出力強度を管理または監視するために周知の方法で動作する光センサ６６０、光センサフィードバック抵抗器６５０、および温度検出サーミスタ６７０である。

典型的には予めパッケージされたＬＥＤ装置を用いるＬＥＤダイまたはダイアレイ６４０を直接装着するためにＣＯＢ金属コアＰＣＢを用いることには、先行技術に対して性能およびコスト両方に対する利点が存在する。ＬＥＤダイアレイ６４０のＬＥＤダイと図２のヒートシンク２７０との間の熱インピーダンスは、直接装着されるＣＯＢアプローチを用いれば、はるかに低い。予めパッケージされたＬＥＤエミッタは、より高い熱インピーダンスの多くの追加層を有し、それは、高電流密度において、ＣＯＢシステムがはるかに低いＬＥＤ接合部温度に帰着し、それが改善された光パワーおよびより低い温度動作につながり、より低い温度動作が、より長く、より信頼できる製品寿命につながることを意味する。さらに、ＣＯＢアプローチのより高い性能ゆえに、より少数のＬＥＤダイを使用することができ、それは、さらにシステムコストを低下させる。ＣＯＢアプローチはまた、予めパッケージされたＬＥＤ装置の使用に対して、コストがはるかに低い。なぜなら、完成ユニットを作製するために、より少数の部品およびより少数のプロセスステップしかないからである。熱性能の利点は、測光ピークが５９０ｎｍ近くであるアンバーＬＥＤダイに関して特に激しい。なぜなら、このＬＥＤ材料構造が、光パワーの低下を引き起こす温度上昇にはるかに敏感であるからである。ＣＯＢ ＬＥＤ解決法の熱インピーダンスは、予めパッケージされた装置用の８〜１０Ｃ°／Ｗ程度の典型的な値と比較して、１Ｃ°／Ｗまたはより低くすることができる。予めパッケージされた装置の例には、Ｐｈｉｌｉｐｓによって現在販売されているＬｕｘｅｏｎ（商標）およびＲｅｂｅｌ（商標）製品ライン、Ｏｓｒａｍ Ｄｒａｇｏｎ（商標）およびＯｓｔａｒ（商標）製品ライン、ならびにＣＲＥＥ Ｘ−Ｌａｍｐ（商標）製品ラインが含まれる。Ｔｈｅ Ｂｅｒｇｑｕｉｓｔ Ｃｏｍｐａｎｙ（Ｃｈａｎｈａｓｓｅｎ， ＭＮ）から入手可能なものなど、ＣＯＢ金属コアＬＥＤボードを製造するいくつかの業者が今や存在する。最低の熱インピーダンスは、典型的には銅またはアルミニウム基板である金属コアボードに、ＬＥＤダイアレイ６４０を直接実装することによって得られる。しかしながら、そのアプローチは、ＬＥＤダイが共通の陽極（底部コンタクト）を有することを必要とする。他の高性能ボード基板には、限定するわけではないが、アルミニウムもしくは銅および炭化ケイ素などの複合材料、グラファイトもしくはＣＶＤダイヤモンド、またはより最近は、１次元ではなく２次元で働く一種のヒートパイプであるベーパーチャンバが含まれる。さらに、密にパックされたアレイが、図６のシステム２００と比較して可能な限り高い光パワー密度を得ることができるようにする、または異なるＬＥＤスペクトル帯域をこのようにごく隣接して混合できるようにする予めパッケージされた装置を取得することは一般に不可能である。

ＣＯＢ ＰＣＢ技術を用いることの追加利益は、電気駆動回路装置および監視回路装置を、当該技術分野において周知の標準的な表面実装技術によってＣＯＢ ＰＣＢに直接装着し、それによって、追加外部回路の追加コスト、スペース、および複雑さの必要性を排除できるということである。追加のＬＥＤ駆動コンポーネントもまた、さらに大きなシステムレベル値を表すボードに装着することができる。ワイヤハーネスまたは電気コネクタをＣＯＢ ＰＣＢコネクタ３１０に直接実装して、電力を獲得し、かつ／または図５のボード２５０への、もしくはそこからの信号を制御することができる。サーミスタ６７０（図６を参照）などの温度検出装置をＣＯＢ ＰＣＢに追加して、温度を監視することができる。閉ループ強度操作が必要とされる場合に、光センサ６６０および光センサフィードバック抵抗器６５０などの光検出および制御回路を図示のようにＣＯＢ ＰＣＢボード２５０に装着し、時間および温度の関数として、ＬＥＤダイアレイ６４０からの光出力における変化に対処する。ＣＯＢ ＰＣＢは、７５マイクロメートル程度の薄い熱伝導性誘電体層によって分離された連続フォイル層を備えた多層を、標準的な電気ビアによって装着して、さらにより複雑な表面実装回路構成を可能にすることができる。標準的なフォイル厚さは、１〜１０ｏｚが利用可能である。

図７は、図３のプロジェクタ２００におけるプロジェクタＬＥＤボード２５０および光学系の断面図を示す。光は、ＬＥＤボード２５０上における図６のＬＥＤダイアレイ６４０から、非結像集光光学系４６０の集光光学入力開口部４８０に放射される。出力開口部サイズに対する入力開口部サイズの比率、および両軸においてテーパーされる集光光学系４６０の長さは、集光光学系４６０の出口開口部７１０において非常に均質な近視野強度分布を結果としてもたらすように、および２πから、レンズ再結像システム４０１にとってより管理しやすいＮＡ０．５０程度の開口数（「ＮＡ」によって示される、放射の半角の正弦）に対応するより小さな値まで、遠視野範囲を変形するように最適化される。集光光学系４６０の１つの重要な特性は、入力における任意の一点または個々のＬＥＤダイが、出口開口部７１０において空間的に実質的に混合されるように、出力を均質化する集光光学系４６０の能力である。これによって、単一ＬＥＤダイの出力は、図１の照明面１１０において、照明パターンを完全にかつ均質に満たすことが可能になる。集光光学系４６０にとってのトレイドオフは、長さ対ランバート（余弦に関し、均質な２π光源が、角度と共に強度において低下する）を伴う時点投入用の均質性の程度、ならびに遠視野の範囲および均質性である。一般に、入力および出力寸法に対して光学系が長ければ長いほど、均質性はそれだけよい。しかしながら、最も実際的でコスト効率のよいシステムにとって、集光光学系４６０の長さを過度に長くすることは許容できない。なぜなら、システムの全長が許容できないであろうし、コストが、より短い光学系のコストに比べて増加されるであろうからである。ほとんどの用途にとって、１％程度の均質性は、許容可能以上である。なぜなら、これらの照明システムが、一般に、あるレベルの非均質性を補正できるカメラシステムと共に用いられるからである。あまりにも多くの強度変動を有することの１つの不都合は、結像カメラシステムが、有限ビット解像度を有し、かつ強度変動を補償するために、より多くものが取られれば、画像捕捉用に利用可能なダイナミックレンジがそれだけ少なく、それが、結局システムレベル感度を制限することである。

図７に関して、ＬＥＤ６４０から集光光学系入力開口部４８０への放射は、それが、矩形出力開口部７１０における集光光学系の出力部に伝播するときに、空間的に均質化または混合される。光線セット１２０（例えば図１）が、集光光学系４６０の出力開口部７１０でスタートし、集光光学系４６０を適所に保持する窓４５０を通り、次に、結像レンズセット４３５、４２５、４１５、４１０、および２１０をそれぞれ通って結像されるように示されている。平面７２０において絞り画像を形成する光線を見ることができる。必要に応じて、この時点で、遠視野分布の角度範囲を制御するために、いずれか任意の形状の絞りも追加することが可能である。ここに示すレンズシステムは、レンズ材料分散、レンズ曲率、厚さ、および間隔の適切な組み合わせによって、周知の方法で波長用に補正される。レンズは、当該技術分野において周知のガラス、プラスチック、シリコン、または様々な光学結晶材料を含む様々な材料で作製することができる。さらに、レンズ素子の数は、非球面光学素子の導入によって低減することができる。しかしながら、ＬＥＤ出力が紫外線を含む場合に、ＵＶへの露出による最小の黄変、あまり信号を減衰しないような低ＵＶ吸収、および蛍光結像用途のための低蛍光を有するような材料を選択すべきであることに留意することが重要である。

図８は、ヒートシンク２７０およびファンアセンブリ２８０が図示されていない図１のシステム１００の断面図を示す。光線１２０は、照明面１１０に進むように示されている。レンズシステム４０１は、出力開口部７１０における非結像集光光学系４６０の近視野出力を照明面１１０にマッピングするが、照明面１１０は、一般に、画像共役に依存して遠視野にある。したがって、図７の集光光学系４６０の出力開口部７１０において放射される遠視野均質性は、システム１００の照明面１１０における非常に均質な強度分布を生成する際に重要ではない。それは、出力開口部７１０において発する全ての光が、光学システム４０１によって口径食なしに伝達される必要があるという要件を除いて、実際には単に、出力開口部７１０における近視野均質性の関数である。窓４５０または出力開口部７１０におけるどんな欠陥も照明面１１０に結像されることになり、したがってこれらの表面を、欠陥もごみもないように保つ際に注意が必要であるに留意することが重要である。屈折率整合ゲルまたは光学接着剤が、必要に応じて開口部７１０と窓４５０の入力側との間に追加可能であり、かつ集光光学系出力部および窓前面におけるフレネル反射損失を低減するために光学系を反射防止コーティングする必要性を除去することになろう。

図９は、システム１００の照明面１１０に存在する照明パターンのグレースケール画像を示す。出力は、１％よりよく、かなり均質である。しかしながら、強度に対して最小の影響を有するわずかな量のたる形歪みが存在する。実際上、出口開口部７１０において集光光学系４６０の出力のどんな近視野非均質性もさらに均質化するために、わずかな画像ボケを故意に形成することが好適な場合がある。これはまた、図７のプロジェクタ２００における光学素子４６０および４５０の表面品質または仕上げにおける小さな欠陥の影響をぼかすことができる。

図１０は、１０００で示したシステムに示される、図５の集光光学系４６０における代替実施形態の等角図を示す。ここで、１００２で大まかに示した集光光学系は、集光光学系１００２の出力面１０２０に、二次開口部のない長方形または正方形出力部を有する。しかしながら、システム１０００において、出力面１０２０は、円形開口部セット１０１０、および円形開口部１０１０の内側ではないエリアを表すエリア１０２１を示す。例えば、円形開口部１０１０が透明であるが、しかしエリア１０２１が、実質的に反射性であり、透過性でない場合に、透明開口部１０１０に当たるＬＥＤ放射は、同じジオメトリでマッピングされるが、しかし図１の照明面１１０上に拡大される。しかしながら、反射開口部１０２１に当たるＬＥＤ放射は、逆にＬＥＤの方へ向けられ、そこでＬＥＤ放射は、ＬＥＤから拡散的に反射し、集光光学系１００２を逆に通過し、かつ照明面１１０上にマッピングする機会を有する。このように、いずれか任意の形状を集光光学系１００２の出力面上に作り上げることによって、照明面１１０上における照明の幾何学的形状を制御することが可能である。さらに、集光光学系１００２の出口開口部１０２０における透明開口部内の強度は、この反射機構によって増加される。

図１１は、図１０のシステム１０００に示す集光光学系１００２における代替実施形態の等角図に示す。ここで、集光光学系は、１１００で大まかに示されたシステムにおいて、１１０２で大まかに示されている。図６のシステム２００におけるＬＥＤアレイ６４０は、入力開口部１１７０に連結するように、システム１１００で示されている。集光光学系１１０２は、正方形入力開口部１１７０から円形開口部１１４０に変わる対称集光光学系である。入力開口部１１４０には、出力表面１１２０における円形出口開口部１１１０において遠位で終端するセクション１１３０の入力部が含まれ、出力表面１１２０は、図７のシステム２００における集光光学系４６０の出力開口部７１０に対応する。システム１１００の集光光学系１１０２における入力部の側壁は、側面セクション１１５０および側面セクション１１６０で構成され、側面セクション１１５０および側面セクション１１６０は、もとはＷｉｎｓｔｏｎによって説明されたタイプの、実質的に複合放物線状コンセントレータ形状を有する。形状の詳細は、以下の図１２の説明でより明らかになる。

図１２は、システム１１００における集光光学系１１０２の透明等角図を示す。入力開口部１１７０は、矩形として示され、図６のプロジェクタ２００におけるＬＥＤアレイ６４０の形状に一致する。屈折率整合材料が、ＬＥＤアレイと入力開口部１１７０との間で用いられた場合に、システム１１００の入力開口部近くの、システム１１００の集光光学系１１０２は、複合放物線状であろうが、しかし屈折率整合材料でない場合に、それは、複合放物線セクションに接し、かつ複合放物線セクションに変わる直線壁テーパーになろう。集光光学系１１０２の各側面の中心は、複合放物線状である曲線１２１０または曲線１２２０によって示されることになり（屈折率整合の場合であり、屈折率整合でない場合には、テーパーされて複合放物線状になる）、曲線が入力開口部１１７０の正方形コーナーを円形開口部１１４０に結合する、入力開口部１１７０のコーナーから延びる集光光学系のエッジとは対照的である。セクション１１３０は、出口開口部１１１０で近視野における高度に均質な放射を達成するために、分布のさらなる均質化を可能にするように働く。システム１１００の出力がまた、最初に説明したように、照明投影システムの一部として用いられるのではなく、適切なＮＡの光ファイバまたは光ファイバコンポーネントに結合できることが明白なはずである。円形入力開口部の使用と比較して、ＬＥＤダイまたはダイアレイの矩形寸法に一致する矩形入力開口部を用いるかかるシステムの利点は、出力における輝度の増加であり、それは、光ファイバ照明用途に有用である。

図１３は、本発明の集光光学系に対する代替実施形態の等角図を表し、システム１３００として示されている。システム１１０２の集光光学系とシステム１３００の集光光学系との間の差は、システム１１０２の開口部１１４０が、八角形の開口部１３３０と取り替えられるということである。システム１３００において開口部１３３０から出力開口部１３１０に延びるセクション１３２０は、システム１１０２の集光光学系のセクション１１３０に取って代わる。偶数の側面セクション１３２０を備えた光パイプの利点は、それが、集光光学系の出力開口部で近視野におけるＬＥＤの出力を混合する点ではるかに優れた仕事を行うということであり、したがってそれは、一定程度の近視野均質性を達成するために、システム１１０２における長さに対して長さを短くすることができる。入力開口部１３５０は、図１２の入力開口部１１７０と同様に矩形である。曲線１３６０は、入力開口部１３５０の各側部の中間から開口部１３３０における八角形の頂点まで延び、システム１１０２に対して説明したように、屈折率整合の場合には実質的に複合放物線状であり、複合放物線にテーパーされる。光軸と交差する平面を含む線、および入力開口部１３５０のコーナーは、それぞれ、複合放物曲線と、開口部１３５０および１３３０の頂点を表す側面の端部との間の形状における最良の形状マージに従う。側面セクション１３７０によって表される８つの個々の等しく形作られた側面は、２つの開口部１３５０および１３３０の頂点を結合する曲線１３６０および曲線１３４０によって、入力開口部１３５０の側部の中間を表す曲線間を移行する表面を表す。図１４は、側面が透明で反対側を全て見せている、図１３のシステム１３００の等角図を示す。図１５は、図１３のシステム１３００における集光光学系の縦正面図を表す。この縦正面図から、次のことが明白である。すなわち、開口部１３３０および１３１０間のセクション１３２０上のわずかな外側へのドラフトが存在し、それは、機能では要求されないが、しかし成形プラスチックまたはガラス光学系の場合にモールドからセクション１３２０を取り出すには有利であることが明白である。

図１６は、本発明の集光光学系４６０における別の代替実施形態を示し、システム１６００によって示されている。ＬＥＤ ＣＯＢボード１６５０は、それが、各ＬＥＤダイまたはＬＥＤダイアレイ用の対応する集光光学系１６７０に対して、４つの入力開口部セット１６６０（典型的）と一致する４つの独立し物理的に離間されたＬＥＤアレイを含む点で、前のボード２５０と異なる。集光光学系１６７０のそれぞれは、異なるＬＥＤ波長領域に対応することになろう。集光光学１６７０の出力開口部１６８０は、集光光学１６７０の出力部と、入力開口部１６３０および出力開口部１６１０を備えた矩形ホモジナイザ１６２０との間にはさまれたスペクトル帯域制限フィルタセット１６４０を通してＬＥＤ出力を放射することになろう。図１７は、明確にするために、ホモジナイザ１６２０およびフィルタ１６４０の１つが除去された、図１６のシステム１６００の等角図を示す。１つまたは複数のＬＥＤダイで構成されたＬＥＤダイアレイセット１７１０は、各入力開口部が、異なるスペクトル帯域に対応するようにグループ化されることになろう。このように、蛍光励起用途用に適した帯域の長波長側における高減衰とは無関係に、各スペクトル帯域をオンにできるマルチスペクトル波長帯ＬＥＤ光源を実現することが可能である。高減衰はまた、異なる蛍光材料間の応答における重複を防ぐために、かつ応答のより大きな選択性を可能にするために、短波長側で好ましくなろう。各帯域の長波長側を減衰せずにスペクトル帯域を組み合わせるこの種の投影システムを用いることに関する問題は、蛍光放射帯域と重複する、許容できないほど高い残留ＬＥＤ強度があるであろうということである。各集光光学系１６７０の出力は、システム１６００に示すような出力開口部１６８０を通って出る。テーパーされる、この場合の集光光学系は、入力開口部１６６０の近くに第１のセクションを有し、第１のセクションは、光学系１６７０の中間近くで複合放物線状セクションに変わり、次に出力開口部１６８０の近くでテーパーセクションに変わる。これによって、光学系は、ガラス、プラスチック、またはシリコン成形技術によって容易に作製することが可能になる。各フィルタ１６４０の側壁は、隣接チャネル間のクロストークを防ぐために黒くされることになろう。これは、出力開口部１６８０間に小さな隙間を設けることによって、容易に達成することが可能である。フィルタの側面を黒くするかまたはフィルタのエッジ間にバッフルを設けることが好ましいであろう。

図１８は、本発明のプロジェクタにおける代替実施形態の等角図を示し、システム１８００として大まかに示されている。ヒートシンク１８２５およびファンアセンブリ１８３０が、ＬＥＤ金属コアＣＯＢボード１８４０に装着されて示されている。ＬＥＤモジュールは、ＬＥＤボード１８４０に装着されたコネクタ１８２０によって電力を供給される。システム１８００は、任意のスペクトル帯域用に使用可能であるが、それは、特に、紫外線ＬＥＤ放射の高均質および強度の光源として設計された。ハウジングは、集光光学系を収容する第１のセクション１８４５、ならびにＵＶ結像光学系および励起フィルタを収容する第２のセクション１８５０に分割される。照明面１８０５に入射する光線セット１８６０によって示されたＵＶパワーは、開口部１８１０から放射される。光学系ハウジングセクション１８４５および１８５０間の境界は、必要に応じて焦点調整を可能にする、ねじ式はめ合い部品セットを含むエリア１８１５によって示されている。図１９は、システム１８００の等角断面図を示す。入力開口部１９８０にごく接近して配置され、かつ図６のＬＥＤアレイ６４０に似たＵＶ ＬＥＤダイアレイは、入力面１９８０における集光光学系１９６０と一致する。この集光光学系１９６０の入力開口部は、ＬＥＤボード１８４０上のＬＥＤダイの正方形のアレイと連結するために正方形である。しかしながら、出力開口部１９５０は、このＵＶ組織照明システム用の矩形照明要件に対応するために矩形である。代替として、ＬＥＤアレイは、集光光学系が、ＬＥＤアレイから放射される全ての光を実質的に捕捉するように形作られている限り、同様に矩形にすることができる。集光光学系ホルダ１９７０は、図４のプロジェクタ２００におけるホルダ４７０の機能と、機能において類似している。集光光学系１９６０の出力部は、窓１９４０と一致する出力開口部１９５０によって表される。第１のレンズ１９３０、第２のレンズ１９２０、および第３のレンズ１９１０によって表される光学系セットは、開口部１９５０の近視野出力を、図１８のシステム１８００における照明面１８０５に結像するように働く。フィルタ１８１０には、光学アセンブリの遠位素子が含まれる。レンズ素子の後にフィルタを配置することの利点は、レンズ素子の帯域外自動蛍光が実質的に抑制されるであろうことである。

図２０は、図１８のシステム１８００の断面図を示すが、ヒートシンク１８２５および冷却ファンアセンブリ１８３０は図示されていない。光線１８６０は、集光光学系１９６０の出力開口部１９５０からスタートし、窓１９４０を通り、結像レンズ素子１９３０、１９２０、および１９１０をそれぞれ通って延び、次に、フィルタ素子１８１０を通って照明面１８０５に進むように示されている。光線１８６０は、フィルタ１８１０からの出力と一致する領域において瞳２０１０（絞り画像）を形成するように示されている。Ｓｃｈｏｔｔ Ｇｌａｓｓ ＵＧ１１などの吸収ベースのフィルタが、ＵＶ ＬＥＤからの小さな可視スペクトルを遮断するために用いられる場合に、吸収ベースのフィルタは、図示のように出力素子１８１０に配置することができる。しかしながら、多層誘電性スペクトル蛍光フィルタを使用することが要求される場合には、フィルタは、角感度を有することになり、フィルタは、その代わりに、窓１９４０の代わりに配置すべきである。なぜなら、開口部１９５０における実質的なテレセントリック出力ゆえに、フィルタが、開口部１９５０からの集光光学系１９６０の出力において、全てのフィールドポジションに対して同じ角度範囲を有することになるからである。例えば、干渉フィルタがフィルタ位置１８１０と一致して配置された場合に、照明フィールド１８０５の中心は、フィールドのエッジとも範囲とも異なることになり、それは望ましくないであろう。図２１は、システム１８００の１８０５の位置におけるＵＶ照明フィールドのグレースケール画像を示す。形状は、蛍光結像用途用にヒト組織の矩形領域を照明するための本用途用に必要とされるように、実質的に矩形である。入力ＬＥＤアレイの形状、集光光学系の入力および出力形状と長さ、ならびに集光光学系出力開口部１９５０における任意の透明または不透明開口部に依存して、任意の形状が可能であることが、前の説明から当業者には明白なはずである。例えば、照明非結像コンセントレータは、複合放物線、複合楕円、複合双曲線コンセントレータ、直線テーパー、および高次多項式関数で示される曲率を有するコンセントレータ、またはそれらと、周知のレイトレーシングソフトウェアを用いて決定される正確な形状との組み合わせからなる群から選択される断面形状を有してもよい。

特定の実施形態に関連して本発明を説明したが、他の変形が当業者には明白であろうし、かかる変形が、添付の特許請求の範囲によってカバーされることが意図されている。

Claims (25)

1. 高均質および出力密度のエリア照明を提供するための照明機器において、
   高熱伝導性プリント回路基板と、
   所定の立体角にわたって、１つまたは複数のスペクトル帯域の放射を生成するための１つまたは複数のＬＥＤ放射エリアを含む少なくとも１つのベアＬＥＤダイにおいて、前記少なくとも１つのベアＬＥＤダイが、熱伝導性ボンディング層で前記高熱伝導性プリント回路基板に装着される少なくとも１つのベアＬＥＤダイと、
   前記ＬＥＤ放射エリアの出力を制御するために、前記高熱伝導性プリント回路基板に装着される電子制御モジュールと、
   前記高熱伝導性プリント回路基板に固定して装着され、かつそれと位置合わせされる少なくとも１つの非結像コンセントレータにおいて、前記非結像コンセントレータが、入口および出口開口部を有し、前記非結像コンセントレータ入口開口部が、前記ＬＥＤ放射エリアからの放射を集光するために、前記ＬＥＤ放射エリアと光学的に整列され、かつその放射を、前記ＬＥＤ放射エリアのエタンジュとほぼ同じエタンジュで前記非結像コンセントレータ出口開口部を通して再放射し、前記非結像コンセントレータが、前記ＬＥＤ出力における前記エタンジュを実質的に保持する高程度の近視野強度均質性および低減された遠視野範囲を、非結像集光光学系出口開口部において提供するために、前記ＬＥＤ出力を均質化するように動作する少なくとも１つの非結像コンセントレータと、
   前記非結像コンセントレータ出口開口部から所定の距離だけ離れた照明面に前記非結像集光光学系の近視野を再結像するためのリレーレンズと、
   を含むことを特徴とする照明機器。
2. 請求項１に記載の照明機器において、前記電子制御モジュールにフィードバック信号を供給して前記ＬＥＤ放射エリアの出力を規制するために、前記ＬＥＤダイに対して所定の離間された位置で前記高熱伝導性プリント回路基板に装着された光センサをさらに含むことを特徴とする照明機器。
3. 請求項１に記載の照明機器において、前記非結像コンセントレータが、それによって集光された前記放射の実質的に全てを、前記ＬＥＤ放射エリアのそれぞれによって放射物が放射される前記所定の立体角より小さな立体角を有する分散ビームとして再放射することを特徴とする照明機器。
4. 請求項１に記載の照明機器において、前記照明機器の量子効率を向上させるために電気エネルギを光パワーに変換するプロセスにおいて生成された熱を選択的に放散するために他のコンポーネントが装着される側と反対の側における前記高熱伝導性プリント回路基板に熱的に接合されたヒートシンクをさらに含むことを特徴とする照明機器。
5. 請求項１に記載の照明機器において、前記機器の動作温度および前記ＬＥＤ放射エリアの出力を調整するのを支援するために、温度を監視し、かつフィードバック信号を前記電子制御部に供給する、前記高熱伝導性プリント回路基板上に実装されたサーミスタさらに含むことを特徴とする照明機器。
6. 請求項１に記載の照明機器において、前記少なくとも１つのベアＬＥＤダイが、規則的に離間されたＬＥＤダイのアレイおよび離間された非結像コンセントレータのアレイを含み、それらの個別非結像コンセントレータがまた、規則的に離間され、かつ前記規則的に離間されたＬＥＤダイと一対一対応で光学的に結合されることを特徴とする照明機器。
7. 請求項６に記載の照明機器において、前記アレイにおける前記ＬＥＤダイの少なくとも１つが、前記アレイの他のＬＥＤダイと異なるスペクトル出力を有することを特徴とする照明機器。
8. 請求項７に記載の照明機器において、前記機器出力における均質な色および強度分布を増進するために、前記非結像コンセントレータ出口開口部の下流に位置する均質化セクションをさらに含むことを特徴とする照明機器。
9. 請求項８に記載の照明機器において、前記アレイにおける前記ＬＥＤダイの全ての前記スペクトル出力が互いに異なることを特徴とする照明機器。
10. 請求項６に記載の照明機器において、前記アレイが、少なくとも１つの１×２マトリックス、すなわち、その要素が、ＬＥＤ放射エリアの少なくとも１つの１×２マトリックスを含む少なくとも１つの１×２マトリックスを含むことを特徴とする照明機器。
11. 請求項１に記載の照明機器において、前記ＬＥＤ放射エリアの前記スペクトル帯域が、紫外線から中赤外線近くまで及ぶことを特徴とする照明機器。
12. 請求項１に記載の照明機器において、前記非結像コンセントレータが、それらの長さに沿って異なる断面形状を有することを特徴とする照明機器。
13. 請求項１２に記載の照明機器において、前記非結像コンセントレータの前記異なる断面形状が、正方形、長方形、円、および多角形を含む群から選択されることを特徴とする照明機器。
14. 請求項１に記載の照明機器において、前記非結像コンセントレータが、複合放物線、複合楕円、複合双曲線コンセントレータ、直線テーパー、および高次多項式関数によって示される曲率を有するコンセントレータ、またはそれらの組み合わせからなる群から選択される断面形状を有することを特徴とする照明機器。
15. 請求項１に記載の照明機器において、前記機器出力における均質な色および強度分布を増進するために、前記非結像コンセントレータ出口開口部の下流に位置する均質化セクションさらに含むことを特徴とする照明機器。
16. 請求項１５に記載の照明機器において、前記均質化セクションが、正方形、長方形、円、および多角形を含む群から選択される断面形状を有することを特徴とする照明機器。
17. 請求項１２に記載の照明機器において、前記非結像コンセントレータが、前記光軸に対して相互に直角な垂直および水平面における前記分散ビームの分散を制御するために、断面において矩形であることを特徴とする照明機器。
18. 請求項１に記載の照明機器において、前記非結像コンセントレータが、光学プラスチック、成形ガラス、すりガラス、磨きガラス、およびシリコンからなる群から選択される材料で作製されることを特徴とする照明機器。
19. 請求項１に記載の照明機器において、前記非結像コンセントレータの前記出口開口部が、透明開口部および前記透明開口部間に点在する反射面を含み、そこにおいて、前記反射面が、前記ＬＥＤ放射エリアから前記透明開口部を直接通過しない放射をインターセプトし、それを前記ＬＥＤ放射エリアの方へ逆に向け、そこから反射されて前記透明開口部を通るようにして、前記反射面を使用しないで達成されるであろう光に勝って、前記出口開口部から脱結合される光を増加させることを特徴とする照明機器。
20. 請求項１に記載の照明機器において、前記非結像コンセントレータが、矩形入力開口部と円形出力開口部との間で変わる断面形状を有することを特徴とする照明機器。
21. 請求項１に記載の照明機器において、前記非結像コンセントレータが、矩形である断面形状を有することを特徴とする照明機器。
22. 請求項１に記載の照明機器において、前記非結像コンセントレータが、前記非結像コンセントレータを支持するための第１のハウジングセクション、および前記リレーレンズを支持するための光学ハウジングセクションを含み、前記第１のハウジングセクションが、前記高熱伝導性プリント回路基板に対して前記非結像コンセントレータを位置決めするために、前記高熱伝導性プリント回路基板における補助的に構成されたホールにぴったり合う位置決めピンを有することを特徴とする照明機器。
23. 請求項２２に記載の照明機器において、前記第１のハウジングセクションおよび前記光学ハウジングセクションが、前記リレーレンズの焦点を調整するために互いに移動可能であることを特徴とする照明機器。
24. 請求項１に記載の照明機器において、前記リレーレンズが、前記遠視野を結像するように焦点が調整可能な多素子レンズを含むことを特徴とする照明機器。
25. 光ファイバと共に使用するための照明機器において、
    高熱伝導性プリント回路基板と、
    所定の立体角にわたって、１つまたは複数のスペクトル帯域の放射を生成するために１つまたは複数のＬＥＤ放射エリアを含む少なくとも１つのベアＬＥＤダイにおいて、前記少なくとも１つのベアＬＥＤダイが、熱伝導性ボンディング層で前記高熱伝導性プリント回路基板に装着される少なくとも１つのベアＬＥＤダイと、
    前記ＬＥＤ放射エリアの出力を制御するために、前記高熱伝導性プリント回路基板に装着される電子制御モジュールと、
    前記高熱伝導性プリント回路基板に固定して装着され、かつそれと位置合わせされる少なくとも１つの非結像コンセントレータにおいて、前記非結像コンセントレータが、正方形入口開口部および円形出口開口部を有し、前記非結像コンセントレータ入口開口部が、前記ＬＥＤ放射エリアからの放射を集光するために、前記ＬＥＤ放射エリアと光学的に整列され、かつその放射を、下流光ファイバのエタンジュと一致する所定のエタンジュで、前記非結像コンセントレータ出口開口部を通して再放射する少なくとも１つの非結像コンセントレータと、
    を含むことを特徴とする照明機器。

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