JP2015508551A - 発光デバイスおよびこれを用いた投影システム - Google Patents

Abstract

発光デバイスおよびこれを採用した投影システムである。発光デバイス（１００）は、コヒーレント光源（１１０）、拡散素子（１２０）および光ガイド部（１４０）を備える。コヒーレント光源（１１０）は、コヒーレント光を生成するために使用される。拡散素子（１２０）は、第１面（１２１）と、これと反対側の第２面（１２２）とを含み、拡散素子（１２０）は、コヒーレント光源（１１０）から来るコヒーレント光を拡散してインコヒーレント光を生成するために使用される。光ガイド部（１４０）は、拡散素子（１２０）の第１面（１２１）側に設けられている。光ガイド部（１４０）は、コヒーレント光源（１１０）から発せられたコヒーレント光を第１面（１２１）上に入射するように導いて第１光路を形成し、第１面（１２１）からのインコヒーレント光の一部分を、第１光路を介して放射するように導き、残りのインコヒーレント光を、第２光路を介して放射するように導き、かつ、第１経路および第２経路を分離するために使用される。第１光路を介して放射するインコヒーレント光の光束は、第２光路を介して放射するインコヒーレント光の光束よりも少ない。【選択図】図２

Description

本発明は、プロジェクタの分野に関し、特に、発光デバイスおよびこれを用いた投影システムに関するものである。

蛍光灯、白色光、超高性能光またはキセノン光のような従来の光源は、高効率および長寿命を簡単には達成することができない。固体光源、発光ダイオード（ＬＥＤ）および半導体レーザの発展により、それらが照明およびディスプレイ市場に徐々に参入してきている。

白色光またはカラー光を生成する方法として、典型的には２つの方法が存在し、その一方は、赤色、緑色または青色ＬＥＤのようなカラー光源を直接使用してカラー光を提供するか、またはそれらカラー光を組み合わせて白色光を生成するものであり、他方は、波長変換に基づくもので、波長変換材料（蛍光物質など）を励起光により励起することにより変換光を生成し、その後、励起光または変換光を組み合わせて白色光を生成するものである。

蛍光物質を例にとれば、波長変換に基づく方法およびＬＥＤチップを使用する従来の光源は、一般に、蛍光体材料をＬＥＤチップの表面上に提供し、その結果、蛍光体層を通って後方に進んでＬＥＤに向けて散乱する変換光は、ＬＥＤチップで反射されて、蛍光体層側から出ることができ、それにより光出力効率が高められるものとなっている。この構造の短所は、ＬＥＤチップにより生成される熱と蛍光体層により生成される熱とが互いに干渉して、ＬＥＤチップの発光効率および蛍光体の光変換効率を低下させて、ＬＥＤデバイスの寿命を短くする可能性もあるということである。

この短所は、カラー光源を直接的に使用してカラー光を提供するデバイスにおいても同様に存在する。例えば、レーザ光源が直接使用されてカラー光が提供される場合、レーザ光は非常に干渉性が強いため、スクリーン上の投影像のピクセルが干渉性によりスペックルを示し、その結果、像を適切に表示することができない。したがって、レーザプロジェクタにおいては、コヒーレントスペックルを除去するために、デコヒーレンスデバイスまたは方法を使用する必要がある。現在の技術においては、光出力効率を高めるために、典型的には、拡散素子がレーザ光源の表面に配置され、その結果、拡散素子を介してレーザ光源に向かって後方に進む光が、レーザ光源の表面で反射されて、拡散素子側から出ることができる。しかしながら、レーザ光源により生成される熱と拡散素子により生成される熱とが互いに干渉し、それがレーザ光源の発光効率を低下させるとともに、レーザ光源の寿命を短くする場合もある。

上記短所を克服するために、米国特許第７，０７０，３００号（Ｂ２）は、図１に示すように、ＬＥＤおよび蛍光体材料を分離する方法を開示している。１またはそれ以上のＬＥＤ光源１０２からの励起光は、コリメーティングデバイス１０８によりコリメートされて、波長選択フィルタ１１０が励起光を別のコリメーティングデバイス１１４に反射して、このコリメーティングデバイスが、光を蛍光体プレート１１２上に収束させる。蛍光体プレート１１２からの変換光は、波長選択フィルタ１１０を通過して、光源の出力光となる。このデバイスにおいては、励起光および変換光の異なる波長に依存して、波長選択フィルタ１１０の使用により励起光および変換光の光路が分離され、その結果、光出力効率を高めながらも、変換光がＬＥＤチップに戻るのを防止することができる。したがって、ＬＥＤチップにより生成される熱と蛍光体層により生成される熱とが互いに干渉することがなくなり、上述した従来技術の問題点を解決することができる。

上記特許に記載の技術スキームの問題点は、干渉性を取り除くために蛍光体が拡散素子に変更された場合に、コヒーレント光およびインコヒーレント光が同じ波長を持つため、拡散素子から放射されてコヒーレント光源に向かうインコヒーレント光が、コヒーレント光と同じ経路に沿ってコヒーレント光源に戻るように進むこととなり、その結果、インコヒーレント光を光源デバイスから出力することができなくなる。このため、光出力効率を高めるという目的と、コヒーレント光源および拡散素子により生成される熱の干渉を低減するという目的が、互いに対立して、両目的を同時には達成することができない。

本発明は、発光デバイスおよびこれを用いた投影システムであって、光出力効率を改善すると同時に、コヒーレント光源に向かって進む拡散素子からのインコヒーレント光の大部分が、コヒーレント光の同じ経路に沿ってコヒーレント光源に戻ることなく、その結果、レーザ光源により生成される熱と拡散素子により生成される熱との間の干渉を低減することができる発光デバイスおよび投影システムを提供することによって、従来技術の上記問題を解決するものである。

本発明は、発光デバイスであって、コヒーレント光を発するコヒーレント光源と、互いに反対側を向く第１面および第２面を有する拡散素子であって、前記コヒーレント光源からの前記コヒーレント光を拡散してインコヒーレント光を生成する拡散素子と、前記拡散素子の第１面側に配置された光ガイド素子であって、前記コヒーレント光源により発せられたコヒーレント光を前記拡散素子の第１面上に入射するように導いて第１光路を形成し、前記拡散デバイスの第１面からのインコヒーレント光の一部分を、前記第１光路を介して出射するように導き、前記拡散デバイスの第１面からのインコヒーレント光の他の部分を、第２光路を介して出射するように導き、かつ、前記第１および第２光路を分離する光ガイド素子とを備え、さらに、前記第１光路を介して出射する前記インコヒーレント光の光束（luminous flux）が、前記第２光路を介して出射する前記インコヒーレント光の光束よりも少ないことを特徴とする発光デバイスを提供する。

また、本発明は、上記発光デバイスを含む投影システムも提供する。

従来技術と比較して、本発明は以下の利点を有する。
本発明の実施形態においては、光ガイド素子を使用して、コヒーレント光を第１光路を介して拡散素子に導くとともに、拡散素子の第１面からのインコヒーレント光の大部分を、第１光路と分離された第２光路を介して、発光デバイスの出力となるように導くことにより、発光デバイスの出力効率が高められると同時に、拡散素子の第１面からのインコヒーレント光の大部分が、コヒーレント光の光路に沿ってコヒーレント光源に戻ることがなくなり、その結果、インコヒーレント光により生成される熱とコヒーレント光源により生成される熱との間の干渉が低減される。これは、コヒーレント光源の発光効率および寿命を改善する。

図１は、ＬＥＤおよび蛍光体を使用して高効率カラー光を生成する従来の光源の構造を示している。 図２は、本発明の一実施形態に係る発光デバイスの構造を示している。 図３は、本発明の別の実施形態に係る発光デバイスの構造を示している。 図４は、本発明の別の実施形態に係る発光デバイスの構造を示している。 図５は、本発明の別の実施形態に係る発光デバイスの構造を示している。 図６は、本発明の別の実施形態に係る発光デバイスの構造を示している。 図７は、本発明の別の実施形態に係る発光デバイスの構造を示している。 図８は、本発明の別の実施形態に係る発光デバイスの構造を示している。 図９は、本発明の別の実施形態に係る発光デバイスの構造を示している。 図１０Ａおよび図１０Ｂは、本発明の別の実施形態に係る発光デバイスの構造を示している。 図１１は、本発明の別の実施形態に係る発光デバイスの構造を示している。 図１２は、本発明の別の実施形態に係る発光デバイスの構造を示している。 図１３は、本発明の別の実施形態に係る発光デバイスの構造を示している。

従来技術の技術的問題を解決するために、本発明の実施形態は、発光デバイスであって、コヒーレント光を発するコヒーレント光源と、互いに反対側を向く第１面および第２面を有する拡散素子であって、前記コヒーレント光源からの前記コヒーレント光を拡散してインコヒーレント光を生成する拡散素子と、前記拡散素子の第１面側に配置された光ガイド素子であって、前記コヒーレント光源により発せられたコヒーレント光を前記拡散素子の第１面上に入射するように導いて第１光路を形成し、前記拡散デバイスの第１面からのインコヒーレント光の一部分を、前記第１光路を介して出射するように導き、前記拡散デバイスの第１面からのインコヒーレント光の他の部分を、第２光路を介して出射するように導き、かつ、前記第１および第２光路を分離する光ガイド素子とを備え、さらに、前記第１光路を介して出射する前記インコヒーレント光の光束が、前記第２光路を介して出射する前記インコヒーレント光の光束よりも少ないことを特徴とする発光デバイスを提供する。

拡散素子により散乱するインコヒーレント光の近似的ランベルト分布特性と、コヒーレント光源から拡散素子に入射するコヒーレント光の相対的に小さいエタンデュ（etendue）を考慮して、本発明の実施形態は、コヒーレント光源と拡散素子の間のエタンデュの違いを利用する。それは、光ガイド素子を使用して、コヒーレント光の入力光路を拡散素子の出力光路に導くと同時に、光ガイドデバイスにより導かれて第１光路を介して出射するインコヒーレント光の光束を、第２光路を介して出射するインコヒーレント光の光束よりも小さい範囲内に収める。このようにして、拡散素子の第１面からのインコヒーレント光の大部分（すなわち、拡散素子から発せられてコヒーレント光源に向かうインコヒーレント光の大部分）は、第１光路を介して過度に漏れる代わりに、第２光路を介して出射する。すなわち、それは、コヒーレント光の入力経路に沿ってコヒーレント光源に戻らないものとなる。したがって、コヒーレント光源により生成される熱と拡散素子により生成される熱との間の干渉が低減されて、コヒーレント光源の発光効率および寿命が改善される。

図２は、本発明の一実施形態に係る発光デバイスの構造を示している。図２に示すように、この実施形態では、発光デバイス１００が、コヒーレント光を生成するコヒーレント光源１１０と、コヒーレント光源１１０からのコヒーレント光を散乱させてインコヒーレント光を生成する拡散素子１２０と、光ガイド素子１４０とを含む。拡散素子１２０は、第１面１２１と、その反対側の第２面１２２とを含む。光ガイド素子１４０は第１面１２１側に配置され、すなわち、拡散素子の第１面１２１が第２面よりも光ガイド素子１４０に近くなっている。

コヒーレント光が相対的に小さいエタンデュを有するようにするために、コヒーレント光源１１０は好ましくはレーザダイオードである。また、コヒーレント光源は、発光ダイオードまたはその他の種類の光源であってもよい。コヒーレント光源１１０から光ガイド素子１４０にコヒーレント光を案内するために、光を整えて成形する光均質化デバイスを使用することができる。光均質化デバイスは、フライアイレンズのアレイまたは中空または固体光ロッドとすることができる。

拡散素子の散乱メカニズムは、一般に、体積散乱および表面散乱を含む。表面散乱拡散素子は、透明材料の表面微細構造を使用して光を屈折および反射することにより、散乱を達成する。そのような拡散素子は、片面微細構造と両面微細構造に分けられる。微細構造は、ガラス基板の表面のサンドブラスティング、ガラス表面の化学的腐食、あるいはプラスチック基板上の熱プレス成形により、形成することができる。片面微細構造の拡散デバイスが使用される場合、コヒーレント光は、微細構造を有する表面に入射して（すなわち、第１面が微細構造を有する面である）、平滑面から出射するのが好ましい。これは、相対的に高い透過率を達成する。体積散乱は、拡散素子の本体に、異なる屈折率を有する微小粒子または不透明な微小粒子を混入することにより、拡散を達成する。

この実施形態では、光ガイド素子１４０が、開口部１３０およびその周囲に反射面（図面に符号は付されていない）を有する第２反射素子１４０である。この実施形態では、第２反射素子１４０が、特に、開口部１３０および反射面を有するアーチ状の反射素子である。また、第２反射素子１４０は、平面反射板、のこぎり歯状の反射デバイスまたはその他の形状の曲線状反射デバイスであってもよい。それらの好ましい形状は、後で詳細に述べることとする。

開口部１３０は、コヒーレント光源１１０からのコヒーレント光を、透過により拡散素子１２０の第１面１２１上に導いて、第１光路を形成するとともに、拡散素子１２０の第１面１２１からのインコヒーレント光の一部を、第１光路を経由して出射するように導く。第２反射素子１４０の反射面は、反射により、第２光路を経由して出射するように、第１面１２１からのその他のインコヒーレント光を導くために使用される。第２反射素子１４０の反射面により反射されたインコヒーレント光と、拡散素子１２０の第２面１２２からのインコヒーレント光は、発光デバイス１００の出力光を一緒に構成し、その結果、発光デバイスの光出力効率が高められる。インコヒーレント光を収集、平滑化および成形するために、発光デバイスの出力端に光学素子を与えることができる。

また、第２反射素子１４０は、開口部１３０および反射面を使用して、第１光路および第２光路を分ける。具体的に、第１光路は、拡散素子１２０から、第２反射デバイス１４０の開口部１３０を経由して、コヒーレント光源１１０に至り、第２光路は、拡散素子１２０から、第２反射デバイス１４０の反射面を経由して、反射面に反射されてコヒーレント光源１１０から離れて進み、第１光路から分かれる。第１光路および第２光路を分離することにより、発光デバイスの光出力効率が改善されると同時に、第２光路を介して出射するインコヒーレント光は、第１光路に沿ってコヒーレント光源に戻ることはなくなる。

コヒーレント光源１１０により発せられるコヒーレント光のエタンデュは相対的に小さく、拡散素子１２０により散乱した後のインコヒーレント光は、近似的ランベルト分布を有し、コヒーレント光よりもエタンデュが遥かに大きいため、反射面に対する第２反射素子１４０の開口部１３０の面積比を相対的に小さい値に制御することができ、その結果、拡散素子の第１面１２１からのインコヒーレント光の大部分を、第２反射素子１４０の反射面により反射して、出力として有効に利用することができ、インコヒーレント光の僅かな一部が開口部１３０から漏れて失われるものとなる。失われる光の割合は、許容できる範囲内である。好ましくは、第２反射素子１４０の開口部の面積は、第２反射デバイス１４０の反射面の面積の１／４以下である。

従来技術と比較すると、本実施形態では、光ガイド素子１４０の開口部１３０を使用して第１光路に沿ってコヒーレント光を拡散素子１２０に導くとともに、光ガイド素子１４０の反射面を使用して、拡散素子１２０の第１面からのインコヒーレント光の大部分を、第１光路から分離された第２光路を介して出て発光デバイスの出力となるように導くことにより、発光デバイスの光出力効率が改善されると同時に、拡散素子の第１面１２１からのインコヒーレント光の大部分が、コヒーレント光と同じ経路に沿ってコヒーレント光源に戻ることはなくなり、その結果、コヒーレント光源により生成される熱とインコヒーレント光により生成される熱との間の干渉が低減されて、それによりコヒーレント光源の寿命および発光効率が改善される。

図３を参照すると、図３は、本発明の別の実施形態に係る発光デバイスの構造を示している。図２の実施形態との主な相違点は、この実施形態では、発光デバイス２００が第１反射素子１５０および集光デバイス１６０を追加的に含むことである。第１反射素子１５０は、拡散素子１２０の第２面１２１からのインコヒーレント光を第２反射素子１４０に向けて反射して、拡散素子からのインコヒーレント光のすべてが第２反射素子１４０に向けて進むようにする。この実施形態では、拡散素子１２０が、一例として、透過タイプの拡散素子となっている。拡散素子からのすべてのインコヒーレント光が第２反射素子１４０に向けて進むようにするために、第１反射素子１５０は、拡散素子の第２面１２２からのインコヒーレント光を反射する必要がある。その他の実施形態では、第１反射素子１５０を省略することができ、その代わりに、拡散素子１２０の厚みを増加することによって、拡散素子の第１面によりコヒーレント光から生成されるインコヒーレント光が拡散素子の第２面に到達できなくなり、その結果、拡散素子により生成されるすべてのインコヒーレント光が第２反射素子１４０に向けて第１面から出射する。

好ましくは、第２反射素子１４０は、半球またはその一部である。コヒーレント光が拡散素子１２０に入射する位置は、半球の球中心近傍の第１位置であり、集光デバイス１６０の光入力ポートは、球中心近傍の第２位置に配置され、第１位置および第２位置が、球中心に関して対称である。コヒーレント光源１１０からのコヒーレント光は、開口部１３０を介して拡散素子１２０上に入射する。拡散素子１２０の第２面１２２からのインコヒーレント光は、第１反射素子１５０で反射して、拡散素子の第１面１２１からのインコヒーレント光とともに光ガイド素子１４０に向けて進む。第２反射素子１４０の反射面は、インコヒーレント光の大部分を、球中心近傍の第２位置に配置された集光デバイスの光入力ポートに反射する。インコヒーレント光の大部分は、集光デバイス１６０により集光されて、発光デバイス２００の出力光として出力される。その一方で、拡散素子１２０からのインコヒーレント光のほんの一部は、第２反射素子１４０の開口部を通って伝わり失われる。

好ましくは、開口部１３０は、半球状の第２反射素子１４０のオフセット開口部（offset aperture）であり、コヒーレント光源１１０からのコヒーレント光が、拡散素子１２０上に垂直に入射する。このように、拡散素子１２０が第１反射素子１５０から離れると、コヒーレント光は、第１反射素子１５０で反射されて第２反射素子１４０の開口部１３０内に再び入り、コヒーレント光源に戻るとともに、第２反射素子１４０の反射面に反射することはなくなり、また、人の目に害を与える可能性のある集光デバイスへの出力となることはなくなる。

好ましくは、第２反射素子１４０は半楕円体またはその一部とすることもできる。コヒーレント光が拡散素子１２０に入射する位置は、半楕円体の第１焦点であり、集光デバイス１６０の光入力ポートは、半楕円体の第２焦点に配置される。拡散素子からのインコヒーレント光の大部分は、第２反射素子１４０の反射面により、楕円体の第２焦点へと反射されて、集光デバイス１６０により集光されて、発光デバイス２００の出力光として出力される。同様に、開口部１３０は、好ましくは、半楕円体状の第２反射素子１４０のオフセット開口部であり、コヒーレント光源１１０からのコヒーレント光が、拡散素子１２０上に垂直に入射する。

より具体的には、本発明では、第２反射素子１４０が、開口部を有する中空構造体の反射壁である。反射壁は、内面に被覆された反射コーティングであり、開口部は、反射壁の開口である。なお、反射コーティングは、反射壁の外面にも被覆されるものであってもよい。

さらに、この実施形態では、集光デバイス１６０が中空光ガイドとなっている。実際に、この実施形態の集光デバイス１６０は、レンズ、レンズセット、中空光ガイド、固体光ガイド、中空複合放物集光器、固定複合放物集光器またはそれらの組合せとすることもできる。

図４を参照すると、本発明の別の実施形態に係る発光デバイスの構造が示されている。図３の実施形態からの一つの相違点は、この実施形態では、発光デバイス３００の第２反射素子１４０が、外側の曲面が反射コーティング３３１で被覆された固体透明体３３０であり、開口部３３２が、反射コーティング３３１の開口３３２であるということである。好ましくは、発光デバイスの出力輝度を増加させるために、拡散素子１２０と固体透明体３３０との間に空隙（図示省略）が存在する。図３の実施形態と同様に、固体透明体３３０は、好ましくは半球または半楕円体である。ここで、拡散素子１２０と固体透明体３３０との間の空隙は、好ましくは、半球の半径の１％未満の幅、または半楕円体の最も長い主軸の半分の１％未満の幅であり、それにより、発光デバイスの出力輝度を効果的に高めることができる。

図５を参照すると、本発明の別の実施形態に係る発光デバイスの構造が示されている。この実施形態と図３の実施形態の間の一つの相違点は、発光デバイス４００では、開口部１３０が、第２反射素子１４０の縁部の間隙であり、コヒーレント光源１１０からのコヒーレント光が、間隙を通って拡散素子１２０上に入射することである。当然のことながら、この実施形態の第２反射素子１４０は、外側の曲面が反射コーティングで被覆された固体透明体であってもよい。

図１３を参照すると、本発明の別の実施形態に係る発光デバイスの構造が示されている。この実施形態と図３の実施形態の間の一つの相違点は、発光デバイス１２００では、第２反射素子１４０が、のこぎり歯状の反射素子で、２つののこぎり歯状面１３０１および１３０２を含み、その各々が、同心球のセットの一部であるということである。図３の例示に関連して分かるように、のこぎり歯状面１３０１および１３０２は、アーチ状の反射素子としてそれぞれ機能することができ、そのため、のこぎり歯状の反射素子は、アーチ状の反射素子のセットの入れ子になった組合せとみなすことができ、それは、拡散素子の第１面からのインコヒーレント光に関して、一つのアーチ状の反射素子と同じ反射効果を有する。のこぎり歯状の反射素子とアーチ状の反射素子との間の相違点は、のこぎり歯状の反射素子の方が、占有空間が小さく、よりコンパクトな構造を有することである。

図６を参照すると、本発明の別の実施形態に係る発光デバイスの構造が示されている。図３の実施形態との一つの相違点は、この実施形態では、発光デバイス５００の第２反射素子が、開口部５３０および当該開口部５３０周囲の反射面を有する平面的な反射素子５４０ということである。平面的な反射素子５４０は、コヒーレント光に対してある角度をなす方向にインコヒーレント光が出力されるように、拡散素子からのインコヒーレント光を反射する。

インコヒーレント光は、近似的ランベルト分布を有するため、好ましくは、この実施形態は、拡散素子１２０からのインコヒーレント光を集めて平面反射素子５４０上にコリメートするために、レンズセット５７０をさらに含む。コリメートされたインコヒーレント光の大部分は、平面反射素子５４０の反射面で反射して、発光デバイス５００の出力光となる。より好ましくは、開口部５３０を介して漏れ出すインコヒーレント光の量を減らすとともに、発光デバイス５００の光出力効率を高めるために、レンズセット５７０の出力光点（output light spot）上の開口部５３０の投影面積（projection area）は、出力光点の面積の１／４未満である。当然のことながら、拡散素子１２０からのインコヒーレント光を集めて平面反射素子５４０に中継するために、レンズセット５７０の代わりに前述したその他の集光デバイスを使用することも可能である。

また、ここでは詳細に説明しないが、インコヒーレント光を収集、平滑化および成形するために、発光デバイス５００の出力端に光学素子を提供することも可能である。

図７を参照すると、本発明の別の実施形態に係る発光デバイスの構造が示されている。図６の実施形態との一つの相違点は、この実施形態では、発光デバイス６００の光ガイド素子が、第３反射素子６３０と、この第３反射素子６３０を取り囲む透明体とを含む（この実施形態では、透明体が、具体的には、第３反射素子６３０周囲の空気である）ということである。第３反射素子６３０は、コヒーレント光源１１０からのコヒーレント光を反射により拡散素子１２０の第１面に入射するように導いて第１光路を形成するとともに、拡散素子１２０の第１面からのインコヒーレント光の一部を、第１光路を介して出射するように導くために使用され、第３反射素子６３０の周囲の透明体が、拡散素子１２０の第１面からのインコヒーレント光のその他の部分を、透過により第２光路を介して出射するように導き、第２光路を介して出射するインコヒーレント光が、発光デバイス６００の出力光を構成するものとなっている。光ガイド素子は、第３反射素子６３０および透明体を使用することにより、第１および第２光路を分離する。

図６の実施形態と同様に、好ましくは、この実施形態はさらに、拡散素子１２０の第１面からのインコヒーレント光を集光してコリメートするレンズセット５７０を含む。より好ましくは、第３反射素子６３０の反射により漏れるインコヒーレント光の量を減らすとともに、発光デバイス６００の光出力効率を高めるために、レンズセットの出力光点上の第３反射素子６３０の投影面積は、出力光点の面積の１／４未満である。当然のことながら、拡散素子１２０の第１面からのインコヒーレント光を集光および中継するために、レンズセット５７０の代わりに前述したその他の集光デバイスを拡散素子１２０と第３反射素子６３０の間に配置して使用することも可能である。また、ここでは詳細に説明しないが、インコヒーレント光を収集、平滑化および成形するために、発光デバイス６００の出力端に光学素子を提供することも可能である。

図８を参照すると、本発明の別の実施形態に係る発光デバイスの構造が示されている。この実施形態では、発光デバイス７００の光ガイド素子が、開口部１３０およびその周囲の反射面を有する第２反射素子１４０を含む。開口部１３０は、コヒーレント光源１１０からのコヒーレント光を透過により拡散素子１２０の第１面に導いて第１光路を形成するとともに、拡散素子１２０の第１面からのインコヒーレント光の一部を、第１光路を介して出射するように導く。図３の実施形態との相違点は、この実施形態では、第３反射素子１５０が与えられておらず、拡散素子１２０により生成されてその第２面に向けて進むインコヒーレント光が第２面から直接出射して、発光デバイスの出力光になるということである。第２反射素子１４０の反射面は、拡散素子１２０の第１面１２１からのインコヒーレント光を反射により拡散素子１２０の第１面１２１に戻し、このインコヒーレント光が、拡散素子を透過して、拡散素子１２０の第２面１２２から出射して発光デバイスの出力光となる。

好ましくは、第２反射素子１４０は、開口部とその周囲の反射面を有するアーチ状の反射素子である。アーチ状の反射体は半球状であり、コヒーレント光が拡散素子１２０に入射する位置は球の中心である。拡散素子１２０の第１面からのインコヒーレント光は、第２反射素子１４０に向けて進み、第２反射素子が、インコヒーレント光の大部分を、球中心に配置された拡散素子１２０に向けて反射する。さらに、この実施形態は、集光デバイス１６０を含み、この集光デバイス１６０の光入力ポートが、拡散素子１２０からのインコヒーレント光を集光するために、拡散素子１２０の第２面側に配置されている（すなわち、第２面１２２が、第１面１２１よりも集光デバイス１６０に近い）。

また、より具体的には、この実施形態の第２反射素子１４０は、開口部を有する中空構造体の反射壁である。反射壁は、内面に被覆される反射コーティングを有し、開口部は、反射壁の開口である。当然のことながら、反射素子１４０は、のこぎり歯状の反射素子であって、少なくとも２つののこぎり歯状面を有し、その各々が、同心球のセットの一部であり、拡散素子が、同心球の球中心に配置されるものであってもよい。

図９を参照すると、本発明の別の実施形態に係る発光デバイスの構造が示されている。図８の実施形態との一つの相違点は、この実施形態では、発光デバイス８００の第２反射素子が、外側の曲面が反射コーティング３３１で被覆された固体透明体３３０であり、開口部３３２が、反射コーティング３３１の開口３３２であるということである。好ましくは、固体透明体３３０は半球状であり、拡散素子１２０と固体透明体３３０との間に空隙が存在する。この空隙は、好ましくは、半球の半径の１％未満の幅、または半楕円体の最も長い主軸の半分の１％未満の幅であり、それにより、発光デバイスの出力輝度を効果的に高めることができる。

好ましくは、この実施形態はさらに、拡散素子１２０の第２面側に配置されたレンズセット５７０を含み、拡散素子１２０からのインコヒーレント光がレンズセット５７０によりコリメートされて出力されるものとなっている。実際に、レンズセット５７０に置き換えて、既述したその他の集光デバイスを使用することも可能である。

さらに、本発明のその他の実施形態は、上述した実施形態を変更したものであり、すなわち、発光デバイスは、拡散素子を駆動する駆動デバイスを追加的に含み、拡散素子に入射するコヒーレント光の照明スポットが、所定の経路に沿って拡散素子に作用する。これは、拡散素子の同じ位置に長時間入射するコヒーレント光により生じる拡散素子の高温を避けることができるとともに、拡散素子の有効寿命を延ばすことができる。好ましくは、駆動デバイスは回転板であり、拡散素子はその回転板上に取り付けられるものであり、拡散素子が回転板とともに円状に動いて、拡散素子に入射するコヒーレント光の光点が、円形経路に沿って拡散素子に作用する。当然のことながら、駆動デバイスは、例えば線形運動のように、その他の態様で拡散素子を駆動するものであってもよい。

図１０Ａを参照すると、本発明の別の実施形態に係る発光デバイスの構造が示されている。図１０Ａの実施形態は、図３の実施形態に基づいて変更された別の反射タイプの実施形態である。この実施形態の発光デバイス９００Ａは、回転板９８０をさらに含む。拡散素子１２０および第１反射素子１５０はともに、回転板と同心のリング形状をなし、回転板９８０上に配置されて、当該回転板とともに回転する。第１反射素子１５０は、駆動デバイス９８０と拡散素子１２０の間に配置されている。第１反射素子１５０は、回転板９８０の一部であってもよい。第２反射素子１４０の反射面により反射されたインコヒーレント光は、回転板９８０を透過して、出力のために集光デバイス１６０により集光される。また、集光デバイス１６０は、回転板９８０の周縁の外側の延長線上に配置することもでき、すなわち、第２反射素子により反射されたインコヒーレント光は、回転板９８０を通過させることなく、集光デバイス１６０内に直接的に入射させることもできる。

図１０Ｂを参照すると、本発明の別の実施形態に係る発光デバイスの構造が示されている。図１０Ａの実施形態は、図８の実施形態に基づいて変更された別の反射タイプの実施形態である。この実施形態の発光デバイス９００Ｂは、回転板９８０をさらに含む。拡散素子１２０は、回転板と同心のリング形状をなし、回転板９８０上に配置されて、当該回転板とともに回転する。拡散素子１２０を支える回転板９８０の領域は、透明材料により形成されており、拡散素子からのインコヒーレント光の一部が、回転板９８０を直接透過して出力される一方、インコヒーレント光の他の部分が、第２反射素子１４０の反射面により反射されて拡散素子に戻り、その第２面および回転板９８０から出射して出力される。この実施形態は、拡散素子の第２面側に配置されたレンズセット５７０をさらに含む。レンズセット５７０は、インコヒーレント光をコリメートして出力する。

また、本発明の別の実施形態は、コヒーレント光源が、少なくとも２のカラー光をそれぞれ生成する少なくとも２のサブ光源と、少なくとも２のサブ光源からの光を一つの光線に結合させる光結合デバイスとを含む発光デバイスを提供する。以下、この実施の形態をより詳細に説明する。

図１１を参照すると、本発明の別の実施形態に係る発光デバイスの構造が示されている。この実施形態と図１０Ａの実施形態との一つの相違点は、発光デバイス１０００において、コヒーレント光源１１０が、第１サブ光源１１１および第２サブ光源１１２を含むということである。第１サブ光源１１１は、赤色を生成するレーザダイオードであり、第２サブ光源１１２は、緑色を生成するレーザダイオードである。発光デバイス１０００は、追加的に、第１サブ光源１１１および第２サブ光源１１２によりそれぞれ生成された光を一つの結合光線に結合する光結合デバイス１１４を含む。結合光線は、開口部１３０を介して拡散素子１２０上に入射する。

より具体的には、この実施形態では、光結合デバイス１１４が、赤色光を透過して緑色光を反射するダイクロイックフィルタである。第１サブ光源１１１からの赤色コヒーレント光は、光結合デバイス１１４を透過して開口部１３０に到達する一方、第２サブ光源１１２からの緑色コヒーレント光は、光結合デバイス１１４を反射して開口部１３０に到達する。当然のことながら、光結合デバイス１１４は、赤色光を反射して緑色光を透過するダイクロイックフィルタとすることもでき、その場合、第１サブ光源１１１からの赤色コヒーレント光は、反射して開口部１３０に到達する一方、第２サブ光源１１２からの緑色コヒーレント光は、透過して開口部１３０に到達する。したがって、赤色コヒーレント光および緑色コヒーレント光は、一つの光線に結合される。

赤色コヒーレント光および緑色コヒーレント光は、開口部１３０を同時に通り抜けることができ、発光デバイス１０００の出力光は、赤色インコヒーレント光および緑色インコヒーレント光により形成される黄色インコヒーレント光である。同様に、発光デバイスの別の実施形態では、コヒーレント光源が、青色コヒーレント光を生成するレーザダイオードのような第３サブ光源をさらに含むことができる。光結合デバイスは、第１、第２および第３サブ光源からのコヒーレント光を一つの結合光線に結合させて、開口部１３０を介してその結合光線を導くために、十字形に形成されたダイクロイックフィルタのセットであってもよい。この発光デバイスは、赤色、緑色および青色インコヒーレント光を結合することにより白色インコヒーレント光を出力することができる。

上述した実施形態では、コヒーレント光源１１０が、一つのカラー光（例えば、青色または黄色など）を生成する光源であり、発光デバイスが、一つのカラー・インコヒーレント光を出力する。本発明は、複数のカラー光シーケンス出力を必要とする状況において適用することもできる。このため、本発明の別の実施形態は、コヒーレント光源の２つのサブ光源の光強度とともにオンオフをそれぞれ制御する制御デバイスをさらに含む発光デバイスを提供する。

図１２を参照すると、本発明の別の実施形態に係る発光デバイスの構造が示されている。この実施形態と図１１の実施形態との一つの相違点は、発光デバイス１１００のコヒーレント光源１１０が、第３サブ光源１１３をさらに含み、この第３サブ光源が、青色コヒーレント光を生成するレーザダイオードであるということである。光結合デバイス１１４は、互いに平行に配置された２つのダイクロイックフィルタ板１１４１および１１４２を含むダイクロイックフィルタのセットである。ダイクロイックフィルタのセット１１４は、第１、第２および第３サブ光源からの光を一つの結合光線に結合する。結合光線は、開口部１３０を通過して拡散素子１２０上に入射する。具体的に、ダイクロイックフィルタ板１１４１は、第１サブ光源１１１により生成される赤色コヒーレント光を反射して、第２サブ光源１１２により生成される緑色コヒーレント光を透過し、赤色および緑色コヒーレント光がともにダイクロイックフィルタ板１１４２を透過し、ダイクロイックフィルタ板１１４２が、第３サブ光源１１３により生成される青色コヒーレント光を反射する。

発光デバイス１１００は、コヒーレント光源の３つのサブ光源の光強度とともにオンオフをそれぞれ制御する制御デバイス（図示省略）をさらに含む。例えば、制御デバイスは、赤色、緑色および青色コヒーレント光を生成して順番にターンオンおよびオフする３つのサブ光源を制御することができ、その結果、発光デバイスが、赤色、緑色および青色インコヒーレント光を上記順番で出力することができる。また、制御デバイスは、赤色、緑色および青色コヒーレント光を生成して同時にターンオンする３つサブ光源を制御するとともに、３つサブ光源の光強度を周期的に変化するように制御し、その結果、光結合デバイスにより生成される結合光のカラーが周期的に変化して、光発光デバイスが、周期的にカラーが変化するインコヒーレント光を出力することができる。

また、本発明は、上述した実施形態に記載した機能を有することができる発光デバイスを含む投影システムも提供する。

本発明の上述した実施形態は、例示的なものであって、本発明の保護範囲を限定するものではない。本発明の説明および図面に基づく、あるいはその他の関連する技術分野で直接的または間接的に使用される、あらゆる均等な構造および均等なプロセスおよび変形例は、本発明の特許保護の範囲にすべて含まれるものである。

Claims (29)

1. 発光デバイスであって、
   コヒーレント光を発するコヒーレント光源と、
   互いに反対側を向く第１面および第２面を有する拡散素子であって、前記コヒーレント光源からの前記コヒーレント光を拡散してインコヒーレント光を生成する拡散素子と、
   前記拡散素子の第１面側に配置された光ガイド素子であって、前記コヒーレント光源により発せられたコヒーレント光を前記拡散素子の第１面上に入射するように導いて第１光路を形成し、前記拡散デバイスの第１面からのインコヒーレント光の一部分を、前記第１光路を介して出射するように導き、前記拡散デバイスの第１面からのインコヒーレント光の他の部分を、第２光路を介して出射するように導き、かつ、前記第１および第２光路を分離する光ガイド素子とを備え、
   前記第１光路を介して出射する前記インコヒーレント光の光束が、前記第２光路を介して出射する前記インコヒーレント光の光束よりも少ないことを特徴とする発光デバイス。
2. 請求項１に記載の発光デバイスにおいて、
   前記第１光路を介して出射する前記インコヒーレント光の光束が、前記第２光路を介して出射する前記インコヒーレント光の光束の１／４以下であることを特徴とする発光デバイス。
3. 請求項１に記載の発光デバイスにおいて、
   前記拡散素子の第２面側に配置された第１反射素子をさらに備えることを特徴とする発光デバイス。
4. 請求項３に記載の発光デバイスにおいて、
   前記光ガイド素子が、開口部と、当該開口部の周囲の反射面とを有する第２反射素子を含み、
   前記開口部が、前記コヒーレント光源からのコヒーレント光を透過により前記拡散素子の第１面上に導いて前記第１光路を形成するとともに、前記拡散素子の第１面からのインコヒーレント光の一部分を、前記第１光路を介して出射するように導き、
   前記第２反射素子の反射面が、反射により、前記第１面からのインコヒーレント光の他の部分を、前記第２光路を介して出射するように導くことを特徴とする発光デバイス。
5. 請求項４に記載の発光デバイスにおいて、
   前記第２反射素子は、開口部および反射面を有する平面状の反射素子であることを特徴とする発光デバイス。
6. 請求項５に記載の発光デバイスにおいて、
   前記拡散素子からのインコヒーレント光を集光して前記平面状の反射素子に中継する集光デバイスをさらに備えることを特徴とする発光デバイス。
7. 請求項６に記載の発光デバイスにおいて、
   前記集光デバイスが、前記拡散素子から前記平面状の反射素子へとインコヒーレント光を集光してコリメートするためのレンズセットをさらに含み、前記レンズセットの出力光点上における前記開口部の投影面積が、前記出力光点の面積の１／４未満であることを特徴とする発光デバイス。
8. 請求項４に記載の発光デバイスにおいて、
   前記第２反射素子は、開口部と反射面を有するアーチ状の反射素子であることを特徴とする発光デバイス。
9. 請求項８に記載の発光デバイスにおいて、
   前記アーチ状の反射素子が半球またはその一部であり、コヒーレント光が前記拡散素子に入射する位置が、前記半球の球中心近傍の第１地点であり、
   前記発光デバイスが集光デバイスをさらに備え、前記集光デバイスの光入力ポートが球中心近傍の第２地点に配置され、前記第１地点および第２地点が、球中心に関して対称であることを特徴とする発光デバイス。
10. 請求項８に記載の発光デバイスにおいて、
    前記アーチ状の反射素子が半楕円体またはその一部であり、コヒーレント光が前記拡散素子に入射する位置が、前記半楕円体の第１焦点であり、前記集光デバイスの光入力ポートが前記半楕円体の第２焦点に配置されていることを特徴とする発光デバイス。
11. 請求項９または１０に記載の発光デバイスにおいて、
    前記開口部が、前記アーチ状の反射素子のオフセット開口部であり、前記コヒーレント光源からのコヒーレント光が前記拡散素子上に垂直に入射することを特徴とする発光デバイス。
12. 請求項８に記載の発光デバイスにおいて、
    前記アーチ状の反射素子の開口部の面積が、前記反射面の面積の１／４以下であることを特徴とする発光デバイス。
13. 請求項４に記載の発光デバイスにおいて、
    前記第２反射素子が、開口部と反射面を有するのこぎり歯状の反射デバイスであることを特徴とする発光デバイス。
14. 請求項３に記載の発光デバイスにおいて、
    前記光ガイド素子が、第３反射素子と、前記第３反射素子周囲の透明体とを含み、前記第３反射素子が、前記コヒーレント光源からのコヒーレント光を反射により前記拡散素子の第１面上に入射させるように導いて前記第１光路を形成するとともに、前記拡散素子の第１面からのインコヒーレント光の一部分を、前記第１光路を介して出射するように導き、前記透明体が、インコヒーレント光の他の部分を、透過により、前記拡散素子の第１面から、前記第２光路を介して出射するように導くことを特徴とする発光デバイス。
15. 請求項１４に記載の発光デバイスにおいて、
    前記拡散素子と前記第３反射素子の間に配置されて、前記拡散素子からのインコヒーレント光を集光および中継する集光デバイスをさらに備えることを特徴とする発光デバイス。
16. 請求項１５に記載の発光デバイスにおいて、
    前記集光デバイスが、前記拡散素子からのインコヒーレント光を集光してコリメートするレンズセットを含み、前記レンズセットの出力光点上における前記第３反射素子の投影面積が、前記出力光点の面積の１／４未満であることを特徴とする発光デバイス。
17. 請求項１に記載の発光デバイスにおいて、
    前記光ガイド素子が、開口部と、当該開口部の周囲の反射面とを有する第２反射素子を含み、
    前記開口部が、前記コヒーレント光源からのコヒーレント光を透過により前記拡散素子の第１面上に導いて前記第１光路を形成するとともに、前記拡散素子の第１面からのインコヒーレント光の一部分を、前記第１光路を介して出射するように導き、
    前記第２反射素子の反射面が、反射により、前記第１面からのインコヒーレント光を、前記第２光路を介して前記拡散素子の第１面に戻すように導くことを特徴とする発光デバイス。
18. 請求項１７に記載の発光デバイスにおいて、
    前記第２反射素子が、開口部と反射面を有するアーチ状の反射素子であり、前記アーチ状の反射素子が半球であり、前記コヒーレント光が前記拡散素子に入射する位置が、前記半球の球中心であることを特徴とする発光デバイス。
19. 請求項１８に記載の発光デバイスにおいて、
    集光デバイスをさらに備え、前記集光デバイスの入力ポートが、前記拡散素子の第２面側に配置されていることを特徴とする発光デバイス。
20. 請求項１７に記載の発光デバイスにおいて、
    前記第２反射素子が、開口部と反射面を有するのこぎり歯状の反射デバイスであることを特徴とする発光デバイス。
21. 請求項６，９，１０，１５，１９の何れか一項に記載の発光デバイスにおいて、
    前記集光デバイスが、レンズ、レンズセット、中空光ロッド、固体光ロッド、中空複合放物集光器または固体複合放物集光器を含むことを特徴とする発光デバイス。
22. 請求項９，１０，１１，１８，１９の何れか一項に記載の発光デバイスにおいて、
    前記アーチ状の反射素子が、開口部を有する中空構造体の反射壁であり、前記反射壁が、内面に被覆された反射コーティングを有し、前記開口部が、前記反射壁の開口であることを特徴とする発光デバイス。
23. 請求項９，１０，１１，１８，１９の何れか一項に記載の発光デバイスにおいて、
    前記アーチ状の反射素子が、開口部を有し、外側の曲面が反射コーティングで被覆された固体透明体であり、前記開口部が、前記反射コーティングの開口であることを特徴とする発光デバイス。
24. 請求項２３に記載の発光デバイスにおいて、
    前記拡散素子および前記固体透明体が空隙を介して分離され、前記空隙が、半楕円体の最も長い主軸の半分の１％または半球の半径の１％未満の幅を有することを特徴とする発光デバイス。
25. 請求項１に記載の発光デバイスにおいて、
    前記コヒーレント光源がレーザダイオードであることを特徴とする発光デバイス。
26. 請求項１に記載の発光デバイスにおいて、
    前記コヒーレント光が、２つのカラー光をそれぞれ生成する２つのサブ光源と、２つのサブ光源からの光を一つの光線に結合する光結合デバイスとを含むことを特徴とする発光デバイス。
27. 請求項２６に記載の発光デバイスにおいて、
    前記２つのサブ光源の光強度とともにオンオフをそれぞれ制御する制御デバイスをさらに備えることを特徴とする発光デバイス。
28. 請求項１乃至２７の何れか一項に記載の発光デバイスにおいて、
    前記拡散素子を駆動する駆動デバイスをさらに備え、前記拡散素子に入射するコヒーレント光の照明スポットが、予め設定された経路に沿って前記拡散素子上に作用することを特徴とする発光デバイス。
29. 請求項１乃至２８の何れか一項に記載の発光デバイスを備える投影システム。
    

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