特表 2024-522785 最適化された発光デバイス

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-06-21

(54)【発明の名称】最適化された発光デバイス

(51)【国際特許分類】

   G21K 4/00 20060101AFI20240614BHJP

   G01T 1/20 20060101ALI20240614BHJP

   C09K 11/00 20060101ALI20240614BHJP

【ＦＩ】

G21K4/00 B

G01T1/20 B

G01T1/20 C

C09K11/00 E

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023577853

(86)(22)【出願日】2022-06-15

(85)【翻訳文提出日】2024-01-12

(86)【国際出願番号】 EP2022066406

(87)【国際公開番号】W WO2022263563

(87)【国際公開日】2022-12-22

(31)【優先権主張番号】21305827.4

(32)【優先日】2021-06-17

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】514255523

【氏名又は名称】サントレ ナティオナル ド ラ ルシェルシェ シアンティフィク

(71)【出願人】

【識別番号】520179305

【氏名又は名称】ユニヴェルシテ パリ－サクレー

【氏名又は名称原語表記】ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＥ ＰＡＲＩＳ－ＳＡＣＬＡＹ

(71)【出願人】

【識別番号】519183782

【氏名又は名称】アンスティテュ・ドプティーク・テオリク・エ・アプリケ

【氏名又は名称原語表記】ＩＮＳＴＩＴＵＴ Ｄ’ＯＰＴＩＱＵＥ ＴＨＥＯＲＩＱＵＥ ＥＴ ＡＰＰＬＩＱＵＥＥ

(74)【代理人】

【識別番号】110001416

【氏名又は名称】弁理士法人信栄事務所

(72)【発明者】

【氏名】バレムボワ， フランソワ

(72)【発明者】

【氏名】ピション， ピエール

【テーマコード（参考）】

2G083

2G188

4H001

【Ｆターム（参考）】

2G083AA04

2G083AA08

2G083AA09

2G083CC02

2G083CC05

2G083DD02

2G083EE02

2G188AA03

2G188AA25

2G188BB02

2G188BB04

2G188CC13

2G188CC15

2G188CC21

2G188CC22

2G188DD05

4H001CA01

(57)【要約】

固体蛍光材料または固体シンチレータ材料ＣＬを含み、材料中で入射光Ｌｄを吸収し、次にルミネッセンス光Ｌ_Ｌを放出するように適合した発光デバイス１であって、ルミネッセンス光の捕捉部分Ｌ_ｐと呼ばれる一部が、材料中で全内部反射によって捕捉され、材料が、水平面ｘｙに沿った大きな面と呼ばれる２つの平行な面ＦＥ１、ＦＥ２と、側面と呼ばれる
【数１】

の面ＦＬ１、ＦＬ２、ＦＬ３、ＦＬ４を含み、２つの隣接する側面と大きな面の間に頂点Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４を形成し、材料は、水平面に垂直なｚ軸の周りの水平面内で、２π／ｎの角度で回転することによる側面に対する法線が不変であり、材料は、面取りした頂点ＳＢ１と呼ばれる表面を形成する面取りした仮想頂点と呼ばれる頂点Ｓ１を有するか、または２つの側面の間に、面取りすることにより面取りしたエッジＳＢ１の表面が形成される仮想エッジＳ１Ｓ５と呼ばれるエッジを有し、捕捉部分の光線の一部が面取りした頂点を通過して出射ビームＬ_Ｓを形成し、前記面取りした表面に対する法線
【数２】

が、±１０°の範囲内で、前記仮想表面を形成する面の法線の和に平行である、発光デバイス。
【選択図】図４Ａ

【特許請求の範囲】

【請求項1】

固体蛍光材料または固体シンチレータ材料（ＣＬ）を含み、前記材料中で入射光（Ｌｄ）を吸収し、次にルミネッセンス光（Ｌ_Ｌ）を放出するように適合した発光デバイス（１）であって、
前記ルミネッセンス光の捕捉部分（Ｌ_ｐ）と呼ばれる一部が、前記材料中で全内部反射によって捕捉され、
前記材料が、水平面ｘｙに沿った大きな面と呼ばれる２つの平行な面（ＦＥ１、ＦＥ２）と、側面と呼ばれる

【数1】

の面（ＦＬ１、ＦＬ２、ＦＬ３、ＦＬ４）を含み、２つの隣接する側面と大きな面の間に頂点（Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４）を形成し、
前記材料は、前記水平面に垂直なｚ軸の周りの前記水平面内で、２π／ｎの角度で回転することによる前記側面に対する法線が不変であり、
前記材料は、面取りした頂点（ＳＢ１）と呼ばれる表面を形成する面取りした仮想頂点と呼ばれる頂点（Ｓ１）を有し、
前記捕捉部分の光線の一部が前記面取りした頂点を通過して出射ビーム（Ｌ_Ｓ）を形成し、
前記面取りした頂点に対する法線（

【数2】

）が、±１０°の範囲内で、前記仮想頂点を形成する面の法線の和に平行である、発光デバイス。

【請求項2】

前記材料が直方体である、請求項１に記載のデバイス。

【請求項3】

ｘｙｚ座標系における前記面取りした頂点に対する前記法線の角度座標が（α＝±４５°；β＝±３５，３°）±１０°である、請求項１または請求項２に記載のデバイス。

【請求項4】

固体蛍光材料または固体シンチレータ材料（ＣＬ）を含み、前記材料中で入射光（Ｌｄ）を吸収し、次にルミネッセンス光（Ｌ_Ｌ）を放出するように適合した発光デバイス（１）であって、
前記ルミネッセンス光の捕捉部分（Ｌ_ｐ）と呼ばれる一部が、前記材料中で全内部反射によって捕捉され、
前記材料が、水平面ｘｙに沿った大きな面と呼ばれる２つの平行な面（ＦＥ１、ＦＥ２）と、側面と呼ばれる

【数3】

の面（ＦＬ１、ＦＬ２、ＦＬ３、ＦＬ４）を含み、
前記材料は、前記水平面に垂直なｚ軸の周りの前記水平面内で、２π／ｎの角度で回転することによる前記側面に対する法線が不変であり、
前記材料は、２つの側面の間に、面取りすることにより面取りしたエッジ（ＳＢ１）の表面が形成される仮想エッジ（Ｓ１Ｓ５）と呼ばれるエッジを有し、
前記捕捉部分の光線の一部が前記面取りしたエッジを通過して出射ビーム（Ｌ_Ｓ）を形成し、
前記面取りした頂点に対する法線（

【数4】

）が、±１０°の範囲内で、前記仮想エッジを形成する２つの側面の法線の和に平行である、発光デバイス。

【請求項5】

前記面取りしたエッジまたは前記面取りした頂点を除く前記側面を覆う複数の反射鏡を備える、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のデバイス。

【請求項6】

前記材料が、１／α＞＞２Ｌ（式中、Ｌは２つの平行な側面の間の最大距離である）となる前記ルミネッセンス光の減衰係数αを有する、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のデバイス。

【請求項7】

前記材料が、窒素空孔中心を有するダイヤモンド結晶であり、入射放射線（Ｌｄ）が、結晶の少なくとも１つの面を照射するレーザーによって発せられる、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のデバイス。

【請求項8】

前記側面が、大きな面に対して垂直である、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のデバイス。

【請求項9】

前記面取りしたエッジまたは頂点に隣接するいわゆる上流端に取り付けられた先細の円錐形アダプターと、前記先細のアダプターのいわゆる下流端に接続した光ファイバーを備え、
前記先細のアダプターが、前記出射ビームの開口数を前記光ファイバーの開口数に一致させる、請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のデバイス。

【請求項10】

前記材料の面の表面に対する、面取りしたエッジまたは頂点の表面の比が、１／１０より低い、請求項１から請求項９のいずれか一項に記載のデバイス。

【請求項11】

前記比が、１／１００より低く、好ましくは１／１０００より低い、請求項１０に記載のデバイス。

【請求項12】

Ｘ線源またはガンマ線源と、以下を含む検出器（Ｄｅｔ）を備えた、Ｘ線またはガンマ線画像システムであって、
－ アレイを形成するように配置され、請求項１から請求項１１のいずれかに記載の複数の発光デバイス（１）であって、各デバイスの前記材料が固体シンチレータである、複数の発光デバイスと、
－ 各デバイスの材料の前記面取りしたエッジまたは前記面取りした頂点の反対側にそれぞれ配置された複数のフォトダイオード（ＰＤ）と、
を備える、画像システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、集光体の分野に関し、より詳細には、集光体内で発光する光の抽出に関する。

【背景技術】

【0002】

発光ダイオード（ＬＥＤ）は照明の分野で多くの用途がある。しかし、ＬＥＤの輝度は、いくつかの用途には適さない値に制限される。

【0003】

ＬＥＤの輝度を向上させる１つの解決策は、ＬＥＤ励起発光集光体を使用することである（例えば、非特許文献１を参照）。この集光体は、例えば、可視域（赤色～橙色）の蛍光の光を発する結晶であり、Ｃｅ：ＹＡＧ等である。これは、ＬＥＤが非常に効率の良い波長で、青色域（４５０ｎｍ付近）を吸収する。結晶は平面の形にカットされており、大きな表面の両方に数百個（さらには数千個）のＬＥＤが並んでおり、エッジで発光する。これらの集光体は、ＬＥＤの１０倍から２０倍の輝度値を達成することができる。

【0004】

図１Ａは、従来技術で公知の、集光結晶ＣＬに基づく発光モジュールＭＥ０の一例を示す。図１Ａは、発光モジュールＭＥ０の斜視図を概略的に表す。発光モジュールＭＥ０は、第１のスペクトル帯域で発光する一組のＬＥＤと、集光体ＣＬを備える。集光体ＣＬは蛍光平行六面体結晶であり、ＬＥＤによって放出されるエレクトロルミネッセンス放射Ｌｄによって照明される寸法Ｌ×Ｗの少なくとも１つの照明面ＳＩ１、ＳＩ２を有する。照明面ＳＩ１、ＳＩ２は「大きな面」とも呼ばれる。集光体の厚さはｅと記す。

【0005】

集光体の結晶は、前記エレクトロルミネッセンス放射Ｌｄを吸収するように構成されている。ＬＥＤによって放出され、かつ照明面に向けられた光束は、結晶の塊の至るところに分布する蛍光結晶の発光団Ｌｕｍによって吸収され、そして結晶の内部で蛍光放射線を放出する。放出される光線は大きく２つに分類することができる：
－ 捕捉光線（Ｌ_ｐと記す）：これらの光線は、結晶のさまざまな面上での全内部反射（ＴＩＲ）により結晶内に捕捉される。これらの光線は、結晶が、６つの面が２つずつ平行で互いに垂直な平行六面体である場合に存在する。捕捉光線は結晶を出て行くことはない，
－ 非捕捉光線は、最終的に結晶を出て行く光線である。それらは、２つのサブカテゴリーに分けることができる，ＲＴＩによって誘導され、集光体の面の１つに出現する誘導光線Ｌ_ｇ，および、面で反射されることなく集光体から直接出現する非誘導光線Ｌ_ｏｕｔ。

【0006】

図１Ｂは、集光体内に放射され捕捉されたすべての光線の角度図を表示したものである。暗色のキャップは非捕捉光線（誘導されたＬ_ｇと誘導されていないＬ_ｏｕｔ）に対応する角度を表し、明るい領域は捕捉光線Ｌ_ｐに対応する角度を表す。例として示したこの図では、集光結晶ＣＬとして選択された媒質は、周囲の媒質が空気である場合に３３°の臨界角を有するＣｅ：ＹＡＧ結晶（屈折率ｎ＝１．８２）である。ＲＴＩによって捕捉される放射線の、捕捉されない放射線と比較した割合は、スネル－デカルト（Ｓｎｅｌｌ－Ｄｅｓｃａｒｔｅｓ）の法則によって、結晶の屈折率と周囲の媒質の屈折率によって決定される。

【0007】

図１Ａの平行六面体の集光体では、出射屈折率ｎ＝１（空気）および集光体屈折率ｎ＝１．８２（例：ＹＡＧ）と仮定すると、出射面ＳＥで出射する光の割合は８％である。残りの光は、他の面で出射するか（５×８％）、全内部反射によって集光体内部に捕捉されたままとなる（５２％）（図１Ｂ参照）。空気中のダイヤモンド（ｎ＝２．４）の平行六面体の集光体では、捕捉される光線の割合は７３％に増加する。効率を上げるために、出射面の反対側の面に反射鏡を配置することは当業者に知られている。しかしながら、平行六面体の各方向の効率は、Ｃｅ：ＹＡＧでは最大で２×８％＝１６％、ダイヤモンドでは最大で２×４．５％＝９％に制限されたままである。

【0008】

発光結晶からの光抽出は、シンチレータの分野において過去５０年にわたり重要なテーマであった（非特許文献２参照）。それは、抽出のための多様なアイデアを有する多くの出版物の主題であった。シンチレータ結晶は高い屈折率（例えばＣｅ：ＹＡＧ ｎ＝１．８３、ＢＧＯ ｎ＝２．１５）を有することが多く、全内部反射によって捕捉される光（平行六面体形状では、Ｃｅ：ＹＡＧで５２％、ＢＧＯで６５％）が非常に重要になるため、この点はシンチレータ結晶の分野では何よりも重要である。

【0009】

この主題は、量子光学の分野で、窒素空孔（ＮＶ）中心を含むダイヤモンドにおける単一光子の放出という別の科学分野で再び登場した。ここでもまた、光抽出のためのさまざまな解決策が検討されている。ダイヤモンドの屈折率は非常に高い（ｎ＝２．４）ため、この点は、ダイヤモンドでは特に重要である（光線の７３％が平行六面体に捕捉される）。

【0010】

光が抽出されたら、それを使用できるようにする必要がある。通常、重要な抽出は、出射ビームの開口数が非常に大きいことを意味する。液浸顕微鏡の使用は、ＮＶ中心の蛍光を収集し、放射線を検出器まで伝播させるための最初の解決策である。しかし、ＮＶ中心を有するダイヤモンドの光抽出を改善する必要性がまだある。

【0011】

シンチレータ結晶の分野でも同様の問題が生じる。シンチレータ結晶は、非常に高エネルギーの入射放射線（Ｘ線またはガンマ線）を、光電子増倍管やフォトダイオードなどの「古典的な」検出器で検出可能な可視放射線に変換する。シンチレータはいくつかの制約を満たす必要がある：
－ 稀な事象の検出を可能にするためには検出される光束が最大でなければならず、高感度が要求される，
－ 時間的に非常に近い事象を区別できるように、検出器は高速でなければならない，
－ シンチレータは、特定のエネルギーで到着する吸収されたＸまたはガンマ光子すべてに対して同一の応答を与えなければならない。この応答は「明所視」と呼ばれる。この応答の質を定量化する方法は「エネルギー分解」である。これは、シンチレータに記録された事象を、シンチレータからの発光強度によって分類し、ヒストグラムを作成することで構成される。エネルギー分解は、シンチレータの動作条件とその形状に強く依存する。分解はまた、抽出できる光にも強く依存する。それは面の反射率と表面状態の特質（研磨または散乱）に依存する。光ファイバー内の結合は、結合効率のために有用な光束の重要性が低くなるため、エネルギー分解を低下させる。従って、光抽出効率はこの分野では重要な問題である。

【0012】

本発明は、従来技術の特定の問題を軽減することを目的とする。このため、本発明の目的は、多数の捕捉光線をリサイクルするように適合させた方向の法線を有する面取りした頂点または面取りしたエッジを含む固体蛍光結晶または固体シンチレータ結晶（従って、デバイスの光抽出効率を増加させ、面取りした頂点または面取りしたエッジを通過する出射ビームの出力および輝度を増加させる）を含む発光デバイスである。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0013】

【非特許文献1】Ｂａｒｂｅｔ，Ａｄｒｉｅｎ，ｅｔ ａｌ．“Ｌｉｇｈｔ－ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ ｐｕｍｐｅｄ ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒｓ：ａ ｎｅｗ ｏｐｐｏｒｔｕｎｉｔｙ ｆｏｒ ｌｏｗ－ｃｏｓｔ ｓｏｌｉｄ－ｓｔａｔｅ ｌａｓｅｒｓ．”Ｏｐｔｉｃａ ３．５（２０１６）：４６５－４６８

【非特許文献2】Ｃ．Ｍ Ａｎｋｅｎｂｒａｎｄｔ ａｎｄ Ｅ．Ｍ．Ｌｅｎｔ“Ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｈｅ ｌｉｇｈｔ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｓｃｉｎｔｉｌｌａｔｉｏｎ ｃｏｕｎｔｅｒｓ”，ＲＳＩ Ｖｏｌ ３４ Ｎｏ６ ｐ６４７（１９６３）

【発明の概要】

【0014】

この目的を達成するために、第１の変形例による本発明の目的は、固体蛍光材料または固体シンチレータ材料を含み、前記材料中で入射光を吸収し、次にルミネッセンス光を放出するように適合した発光デバイスである。前記ルミネッセンス光の一部（捕捉部分と呼ばれる）は、前記材料中で全内部反射によって捕捉され、前記材料は、水平面ｘｙに沿った大きな面と呼ばれる２つの平行な面と、側面と呼ばれる

【0015】

【数1】

【0016】

の面を含み、２つの隣接する側面と大きな面の間に頂点を形成する。前記材料は、前記水平面に垂直なｚ軸の周りの前記水平面内で、２π／ｎの角度で回転することによる前記側面に対する法線が不変であり、前記材料は、面取りした仮想頂点と呼ばれる頂点（面取りした頂点と呼ばれる表面を形成する）を有し、前記捕捉部分の光線の一部が前記面取りした頂点を通過して出射ビームを形成し、前記面取りした頂点に対する法線が、±１０°の範囲内で、前記仮想頂点を形成する面の法線の和に平行である。

【0017】

第１の変形例の好ましい実施形態では、材料は直方体である。

【0018】

第１の変形例の好ましい実施形態では、ｘｙｚ座標系における前記面取りした頂点に対する前記法線の角度座標は、（α＝±４５°；β＝±３５，３°）±１０°である。

【0019】

第２の変形例による本発明の別の目的は、固体蛍光材料または固体シンチレータ材料を含み、前記材料中で入射光を吸収し、次にルミネッセンス光を放出するように適合した発光デバイスである。前記ルミネッセンス光の一部（捕捉部分と呼ばれる）は、前記材料中で全内部反射によって捕捉され、前記材料は、水平面ｘｙに沿った大きな面と呼ばれる２つの平行な面と、側面と呼ばれる

【0020】

【数2】

【0021】

の面を含む。前記材料は、その水平面に垂直なｚ軸の周りの前記水平面内で、２π／ｎの角度で回転することによる前記側面に対する法線が不変であり、前記材料は、２つの側面の間に仮想エッジと呼ばれるエッジを有し、該仮想エッジは面取りされて、エッジを面取りした表面を形成する。前記捕捉部分の光線の一部が前記面取りしたエッジを通過して出射ビームを形成し、前記面取りした頂点に対する法線が、±１０°の範囲内で、前記仮想エッジを形成する２つの側面の法線の和に平行である。

【0022】

第１および第２の変形例に適合する本発明の好ましい実施形態では、デバイスは、前記面取りしたエッジまたは前記面取りした頂点を除く前記側面を覆う複数の反射鏡を備える。

【0023】

第１および第２の変形例に適合する本発明の好ましい実施形態では、材料は１／α＞＞２Ｌ（Ｌは２つの平行な側面の間の最大距離である）となる前記ルミネッセンス光の減衰係数αを有する。

【0024】

第１および第２の変形例に適合する本発明の好ましい実施形態では、材料は、窒素空孔中心を有するダイヤモンド結晶であり、前記入射放射線は、結晶の少なくとも１つの面を照射するレーザーによって発せられる。

【0025】

第１および第２の変形例に適合する本発明の好ましい実施形態では、側面は大きな面に対して垂直である。

【0026】

第１および第２の変形例に適合する本発明の好ましい実施形態では、デバイスは、前記面取りしたエッジまたは頂点に隣接するいわゆる上流端に取り付けられた先細の円錐形アダプターと、前記先細のアダプターのいわゆる下流端に接続した光ファイバーを備える。前記先細のアダプターは、前記出射ビームの開口数を前記光ファイバーの開口数に一致させる。

【0027】

これまでのすべての変形例および実施形態に適合する本発明の好ましい実施形態では、前記材料の面の表面に対する、面取りしたエッジまたは面取りした頂点の表面の比は、１／１０より低く、好ましくは１／１００より低く、より好ましくは１／１０００より低い。

【0028】

本発明の別の目的は、ｘ線源またはガンマ線源と、以下を含む検出器を備えた、ｘ線またはガンマ線画像システムである：
－ アレイを形成するように配置された、前記請求項のいずれかによる複数の同一の発光デバイスであって、各デバイスの前記材料が固体シンチレータである、複数の発光デバイス，
－ 各デバイスの材料の前記面取りしたエッジまたは前記面取りした頂点の反対側にそれぞれ配置された複数のフォトダイオード。

【図面の簡単な説明】

【0029】

本発明の他の特徴、詳細および利点は、例示として与えられ、それぞれを表す添付図面を参照してなされる説明から明らかになるであろう：

【0030】

【図1A】図１Ａは、従来技術で知られている発光モジュールを示す図である。

【図1B】図１Ｂは、従来技術の集光体内に放射され、捕捉されたすべての光線の角度図を示す図である。

【図2A】図２Ａは、本発明の第１の変形例による発光デバイスを示す図である。

【図2B】図２Ｂは、本発明の第１の変形例の結晶内に放射され、捕捉されたすべての光線の３Ｄ角度図を表示した図である。

【図2C】図２Ｃは、本発明の第１の変形例の結晶内の発光団によって放射される光線の軌跡を示す図である。

【図3】図３は、エスケープコーンＬ_ｇ、Ｌ_ｏｕｔおよびＬ_ｓをｘｙｚ座標系において、角度座標（α，β）を用いて平面的に表示した図である。

【図4A】図４Ａは、本発明の第２の変形例による発光デバイスを示す図である。

【図4B】図４Ｂは、本発明の第２の変形例の結晶内に放射され、捕捉されたすべての光線の３Ｄ角度図を表示した図である。

【図4C】図４Ｃは、ｘｙｚ座標系における角度座標を示す図である。

【図4D】図４Ｄは、エスケープコーンＬ_ｇ、Ｌ_ｏｕｔおよびＬ_ｓをｘｙｚ座標系において、角度座標（α，β）を用いて平面的に表示した図である。

【図5A】図５Ａは、さまざまな結晶の構成の減衰係数αの関数としての、出射ビームの輝度、および抽出効率を示す図である。

【図5B】図５Ｂは、さまざまな結晶の構成の減衰係数αの関数としての、出射ビームの輝度、および抽出効率を示す図である。

【図5C】図５Ｃは、図５Ａと図５Ｂで使用したさまざまな構成を示す図である。

【図6A】図６Ａは、結晶が６つの側面を有する、本発明の第２の変形例による発光デバイスを示す図である。

【図6B】図６Ｂは、図６Ａの結晶内に放射され、捕捉されたすべての光線の角度図を表示した図である。

【図7A】図７Ａは、先細の円錐形アダプターを介して光ファイバーに結合された、さまざまな結晶の構成を示す図である。

【図7B】図７Ｂは、図７Ａに示したさまざまな結晶の構成について、上流端の直径φ_ｕの関数としての光抽出効率を示す図である。

【図8】図８は、本発明の第１または第２の変形例による複数の同一の発光デバイスを含む検出器を示す図である。

【0031】

図面では、特に断りのない限り、要素は正確な縮尺ではない。

【発明を実施するための形態】

【0032】

図２Ａおよび図４Ａは、それぞれ本発明の第１および第２の変形例による発光デバイス１を示す。本発明のデバイス１は、固体蛍光結晶または固体シンチレータ結晶である集光体ＣＬを含み、ＣＬは、結晶内でルミネッセンス光Ｌ_Ｌの発光を誘発する入射光Ｌｄを吸収するように適合している。別の実施形態では、集光体は結晶ではなく、ガラスなどの別の材料である。以下では、簡略化のため、結晶を用いた本発明のデバイスを説明するが、本発明は、結晶内でルミネッセンス光Ｌ_Ｌの発光を誘発する入射光Ｌｄを吸収するように適合した別の材料の集光体でも実現できることが理解される。

【0033】

結晶は、水平面ｘｙに沿って、大きな面と呼ばれるＦＥ１、ＦＥ２の２つの平行な面を含み、さらに、側面と呼ばれるＦＬ１、ＦＬ２、ＦＬ３、ＦＬ４の

【0034】

【数3】

【0035】

の面を含む。これらの側面は、隣接する２つの側面と大きな面の間に頂点Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５を形成する。

【0036】

【数4】

【0037】

を側面ＦＬ_ｉの法線と呼ぶことにする（図２Ｃを参照）。説明に役立つ例として、図２Ａおよび図４Ａでは、結晶ＣＬは矩形状であり、ｎ＝４である。しかし、当業者であれば、本発明がｎ＝４より大きい数を有する結晶にも適用されることが分かるであろう（例えば図６Ａ参照）。

【0038】

当業者に知られているように、前記ルミネッセンス光のうち捕捉部分Ｌ_ｐと呼ばれる部分は、前記結晶内で全内部反射により捕捉される。前述の通り、捕捉光線と非捕捉光線の比率は、スネル－デカルトの法則により、結晶の屈折率と周囲の媒質の屈折率によって決定される。捕捉光線はＬ_ｐと表記される：これらの光線は、結晶のさまざまな面で全内部反射（ＴＩＲ）により結晶内に捕捉される。非捕捉光線は、最終的に結晶から出て行く光線である。それらは、２つのサブカテゴリーに分けることができる：大きな面または側面において、ＴＩＲによって誘導され、集光体の面の１つに出現する誘導光線Ｌ_ｇ，および、面で反射されることなく集光体から直接出現する非誘導光線Ｌ_ｏｕｔ。

【0039】

本発明は、所定の角度範囲内で構造の捕捉光線に関連する人工的なエスケープコーンを作り、それらの光線を「リサイクル」して光抽出効率を高め、さらに従来技術の結晶で以前に達成されていたものと比較して、本発明の結晶から出射するビームの輝度と出力を増加させることを目的とする。本明細書における「リサイクル」という用語は、所定の角度範囲内の捕捉光線を結晶から逃がし、それにより結晶から出射するビームＬ_ｓの輝度と出力を増加させることを意味するが、結晶内でのそれらの光線のインコヒーレントな重ね合わせの後にのみ可能である。

【0040】

この目的のために、本発明の結晶は、水平面に垂直なｚ軸の周りの水平面ｘｙにおいて、２π／ｎの角度で回転することによる前記側面に対する法線が不変である。例として挙げた図２Ａおよび図４Ａの図では、ｎ＝４であり、側面に対する法線はｚ軸の周りでπ／２の角度で回転しても不変である。

【0041】

光抽出効率を高めるために、本発明の第１の変形例（図２Ａに示す）によれば、結晶は２つの側面ＦＬ１、ＦＬ２の間のエッジを有する。仮想エッジＳ１、Ｓ５と呼ばれるこのエッジは面取りされているため、面取りしたエッジＳＢ１と呼ばれる面を形成する。その法線

【0042】

【数5】

【0043】

は、側面の他の法線と同様に大きな面の平面内にある（さらに参照）。この面取りしたエッジＡＢ１が出射面を定義する。面取りしたエッジを通過する捕捉部分の光線は、出射ビームＬ_ｓを形成する。

【0044】

本発明の第２の変形例（図４Ａに示す）によれば、結晶は仮想頂点Ｓ１と呼ばれる頂点を有する。この頂点は面取りされているため、面取りした頂点ＳＢ１と呼ばれる面を形成する。その法線

【0045】

【数6】

【0046】

は、大きな面の平面内にはない。その方向は、構造の対称性を利用するように選択される（さらに参照）。この面取りした頂点ＳＢ１は出射面を定義する。この面取りした頂点を通過する捕捉部分の光線は、出射ビームＬ_ｓを形成する。

【0047】

各変形例において、前記面取りした頂点またはエッジに対する法線

【0048】

【数7】

【0049】

は、最も多くの捕捉光線を「リサイクル」するのに適合した所定の方向を有し、従って、構造の対称性を利用することによって光抽出効率を増加させる。実際、後で説明するように、面取りした頂点またはエッジに対する法線の方向は、出射面（面取りしたエッジまたは頂点）を通過して結晶から出射することができる捕捉光線の所定の角度範囲を制御する重要なパラメータである。

【0050】

第１の変形例は、平面内の結晶の構造の対称性を利用する。より正確には、本発明の第１の変形例では、面取りしたエッジに対する法線

【0051】

【数8】

【0052】

は、最も近い側面（すなわち、仮想エッジを形成する面）の法線の和に平行である。これは、

【0053】

【数9】

【0054】

が

【0055】

【数10】

【0056】

に比例することを意味する。法線の方向の許容範囲は、エスケープコーンの大きさと構造の損失によって決まる：

【0057】

【数11】

【0058】

と

【0059】

【数12】

【0060】

の間の最大角度は＋／－１０°が許容される。１０°より大きい角度の場合、光のリサイクルが減少し、結晶ＣＬの光抽出効率が望ましくない形で低下する。

【0061】

本発明の第２の変形例は、構造の対称性を完全に利用する。従って、本発明の第２の変形例では、面取りした頂点に対する法線

【0062】

【数13】

【0063】

は、最も近い面すべて（すなわち、仮想頂点を形成する面）の法線の和に平行である。これは、

【0064】

【数14】

【0065】

が

【0066】

【数15】

【0067】

に比例することを意味する（

【0068】

【数16】

【0069】

は、仮想頂点を形成する大きな面ＦＥ１に対する法線である）。法線の方向の許容範囲は、エスケープコーンの大きさと構造の損失によって決まる：

【0070】

【数17】

【0071】

と

【0072】

【数18】

【0073】

の間の最大角度は＋／－１０°が許容される。１０°より大きい角度の場合、光のリサイクルが減少し、結晶ＣＬの光抽出効率が望ましくない形で低下する。

【0074】

図２Ｂと図４Ｂは、結晶ＣＬ内に放射され捕捉されたすべての光線の３Ｄ角度図を表示したものである。図１Ｂと同様に、暗色のキャップは非捕捉光線（誘導されたＬ_ｇと誘導されていないＬ_ｏｕｔ）に対応する角度を表す。中程度の強度の領域は、捕捉光線Ｌ_ｐに対応する角度を表す。中程度の強度の領域内の明るい領域は、面取りした表面のエスケープコーン１と、反射鏡とみなされる結晶の表面によって作られたエスケープコーン１の像である（例えば、全内部反射の効果）。出射ビームＬ_ｓを形成する光線は、主に捕捉光線で構成され、その方向はエスケープコーンまたは構造によるエスケープコーンの像に属する。面取りしたエッジや頂点がなければ、これらの光線は結晶を出て行くことはなかったであろう。例として挙げたこの図では、集光結晶ＣＬとして選ばれた媒質はＣｅ：ＹＡＧ結晶（屈折率ｎ＝１．８２）であり、周囲の媒質が空気である場合の臨界角は３３°である。

【0075】

図２Ｂで見られるように、面取りしたエッジは１つのエスケープコーン（１）と３つの像（２－３－４）を作り出し、一方、図４Ｂでは、面取りした頂点は１つのエスケープコーンと７つの像（２－３－４－５－６－７－８）を作り出している。図２Ｂと図４Ｂの角度表現におけるエスケープコーンの面積（すなわち、捕捉光線が結晶から出射する角度範囲）は、ＴＩＲの臨界角によって決定される。換言すると、出射ビームＬ_ｓを形成する光線のエスケープコーンの最大角度は、臨界角θ_ｃに等しい。従って、それは結晶の屈折率と周囲の媒質の屈折率によって、スネル－デカルトの法則により決定される。図３と図４Ｄは、効率的な光抽出のために、法線

【0076】

【数19】

【0077】

に平行な軸であるエスケープコーンの方向が重要である理由を説明する。本発明の第１の変形例でそれが法線の和（

【0078】

【数20】

【0079】

）に平行でないか、または本発明の第２の変形例でそれが法線の和（

【0080】

【数21】

【0081】

）に平行でない場合、面取りした面のエスケープコーンおよびその像は、他の面のエスケープコーンと重なる可能性がある。この重なりを最小化することは、効率的な光抽出を達成するために重要である。

【0082】

図２Ｃは、結晶ＣＬ内で発光団ＳＰ１によって放射される光線の軌跡を示す。一例として、この光線は、水平面ｘｙに沿って、エスケープコーン１内の方向１の軌跡を有し、面取りしたエッジに対する法線は、Ｏ_ｘｙｚ座標系において角度座標（α＝４５°；β＝０°）を有する（αは平面ｘｙにおける角度であり、βはｚ軸に対する角度である）。前述の通り、この形状では、面取りしたエッジに対する法線

【0083】

【数22】

【0084】

は、最も近い側面の法線の和（

【0085】

【数23】

【0086】

）に平行である。簡略化のため、この法線を「最適法線」と呼ぶことにする。結晶の矩形の形を考慮すると、光線は結晶から出るまでに６回の方向転換をする。図２Ｃから、光線の元のコーンであるエスケープコーン１は、側面上のＴＩＲのために、コーンの像２、次にコーンの像３、次にコーンの像４、次にコーンの像３、次にコーンの像２、次にコーンの像１へと変換され、その後、面取りしたエッジＡＢ１を通って出射することが分かる。コーンの像２で方向２に発光する発光団ＳＰ２を用いると、またはコーンの像３で方向３に発光する発光団ＳＰ３を用いると、またはコーンの像４で方向４に発光する発光団ＳＰ４を用いると、同じ光線の方向で、同じ出射点を達成できる。この図は、本発明の第１の変形例において、面取りしたエッジを通って出射する光Ｌ_ｓは４つの異なる光のコーンから得られることを示す。従って、面取りしたエッジは、４つのエスケープコーンを「リサイクル」し、これら４つのコーンからの光線をインコヒーレントに合わせて出射ビームＬ_ｓを形成することができる。

【0087】

反対に、図１Ａの従来技術の結晶では、側面の１つから出射する光は１つの光のコーンからしか得られない。図１Ａの従来技術の結晶において、出射面の反対側の面に反射鏡を配置した場合、前記出射面からの光は、依然として２つの光のコーンからしか得られない。従って、理論的には、矩形状の結晶の場合、本発明の第１の変形例（図２Ａ）は、図１Ａの従来技術の結晶の光抽出効率よりも４倍高い光抽出効率をもたらすことができる。注意点として、光抽出効率は、出射ビームＬ_ｓの出力を、構造から放出される総出力（Ｌ_ｐ＋Ｌ_ｏｕｔ＋Ｌ_ｇ）で割ることによって計算される。

【0088】

一例として、図４Ａの結晶ＣＬでは、ｘｙｚ座標系における面取りした頂点に対する法線の角度座標は（α＝４５°；β＝３５．３°）である。図４Ｃは、当該座標系における座標を示す。直方体結晶の場合、これは、面取りしたエッジに対する法線

【0089】

【数24】

【0090】

が、最も近い面すべての法線の和（

【0091】

【数25】

【0092】

）に平行でなければならないことを意味する。前記法線の別の表示は、ｘｙｚ座標系における座標（１，１，１）である。簡略化のため、この法線を「最適法線」と呼ぶことにする。直方体の形状と、面取りした頂点Ｓ１を有する結晶の場合、この法線の方向は、面取りした頂点によって作られるエスケープコーンを形成する角度と、非捕捉光線のコーンを形成する角度の間の重なりを最小にすることを確実にする。結晶面によるエスケープコーン１の像は、コーン２、５、および４である。コーン２の像はコーン１、６、および３であり、コーン３の像はコーン２、７、および４であり、コーン４の像はコーン３、８、および１である。従って、多重結像により、図４Ａの結晶ＣＬの面取りした頂点ＳＢ１は、８つの光のコーンを出射ビームＬ_ｓにリサイクルすることができる。理論的には、直方体の形状の結晶の場合、本発明の第２の変形例は、従って、図１Ａの従来技術の結晶の光抽出効率よりも８倍高い光抽出効率をもたらすことができる。

【0093】

しかしながら、この理論的限界の光抽出効率を達成するためには、面取りしたエッジまたは頂点によって作られるエスケープコーンを形成する角度と、非捕捉光線のコーンを形成する角度の間に重なりがないことが必要である。実際、そのような重なりが存在する場合、その重なり範囲内の角度で結晶内を伝播する光線は、側面または大きな面を通って結晶の外に「漏れる」ため、出射ビームの輝度と出力の増加に寄与しないことになる。このため、光抽出効率の相対的な低下をもたらす。これは、この理論的限界は、屈折率の高い結晶（例：ダイヤモンド）を使用するとより簡単に達成できることを意味する。なぜなら、臨界角θ_ｃが小さくなるため、面取りしたエッジまたは屈折率によって形成されるエスケープコーンにより多くの「スペース」を残すからである。明らかに、光抽出効率のこの理論的限界の値は、最終的に臨界角θ_ｃとスネル－デカルトの法則によって制限される。

【0094】

図３は、ｘｙｚ座標系において、角度座標（α，β）を用いて、エスケープコーンＬ_ｇ、Ｌ_ｏｕｔおよびＬ_ｓを平面的に表示したものである。コーンとコーンの間の明るい領域が捕捉光線Ｌ_ｐに相当する。この図は、本発明の第１の変形例に関して、矩形状で最適法線を有する面取りしたエッジを有するダイヤモンド結晶を例として挙げられる。ダイヤモンドの場合、周囲の媒質が空気であると仮定すると、臨界角はθ_ｃ＝２４．６°である。図３から、面取りしたエッジが作る４つのエスケープコーンＬ_ｓと、他のコーンに対するそれらの位置が分かる。図３は、最適法線がエスケープコーンＬ_ｇと面取りしたエッジＡＢ１が作るエスケープコーンＬ_ｓの間の重なりが最小になることを確実にすることを示す。実際、エスケープコーンＬ_ｓの中心は、エスケープコーンＬ_ｇの中心と一直線になっており、エスケープコーンＬ_ｇの最も近い２つの中心から等距離にある。直方体の結晶で最適法線を有する本発明の第１の変形例では、臨界角θ_ｃが２２．５°未満の場合、エスケープコーンＬ_ｇ、Ｌ_ｏｕｔとエスケープコーンＬ_ｓの間の重なりはなくなる。

【0095】

図４Ｄは、ｘｙｚ座標系における角度座標（α，β）を用いたエスケープコーンＬ_ｇ、Ｌ_ｏｕｔ、およびＬ_ｓの平面的な表示である。この図は、本発明の第２の変形例に関して、矩形状のダイヤモンド結晶で、最適法線を有する面取りした頂点を有する例として挙げられる。図４Ｄから、面取りした頂点によって作られた８つのエスケープコーンＬ_ｓと、他のコーンに対するそれらの位置が分かる。図３とは異なり、図４Ｄでは、最適法線が、エスケープコーンＬ_ｇと、面取りしたエッジＡＢ１によって作られるエスケープコーンＬ_ｓの間が重ならないことを確実にすることが分かる。実際、エスケープコーンＬ_ｓの中心はβ＝３５°の線上にあり、エスケープコーンＬ_ｇの最も近い２つの中心から等距離にある。一例として、矩形状の結晶で、ｘｙｚ座標系において（α＝４５°；β＝３５．３°）の角度座標を有する面取りした頂点に対する法線を有する本発明の第２の変形例では、臨界角θ_ｃが、

【0096】

【数26】

【0097】

未満の場合、エスケープコーンＬ_ｇ＋Ｌ_ｏｕｔとエスケープコーンＬ_ｓの間の重なりはなくなる。

【0098】

エスケープコーンＬ_ｇ＋Ｌ_ｏｕｔとエスケープコーンＬ_ｓの間に重なりが存在する場合、本発明の一実施形態では、デバイス１は、面取りしたエッジまたは面取りした頂点を除いて、側面を覆う複数の反射鏡を備える。これにより、角度範囲と重なる内側の角度で伝播する光線がリサイクルされ、側面または大きな面を通って結晶外に漏れる代わりに、面取りしたエッジまたは頂点を通って出射することができる。反射鏡が結晶の適切な面を覆う場合、前述の理論的限界までデバイスの光抽出効率を高めることができる。本明細書において、反射鏡は、ルミネッセンス光の反射率が５０％よりも高く、好ましくは９０％より高く、より好ましくは９９％よりも高い反射面を意味する。

【0099】

本発明の好ましい実施形態では、側面に対する法線は水平面ｘｙ（大きな面の平面）内にある。これは、側面が大きな面に対して垂直であることを意味する。この構成では、側面のエスケープコーンは、反射鏡とみなされる大きな面によって自己結像する。この形状は、面取りしたエッジまたは頂点を介して捕捉光線を最適にリサイクルし、可能な限り最高の光抽出を達成するのに有利である。実際、側面が大きな面に対して垂直でない場合、大きな面による側面のエスケープコーンの像は、それらのエスケープコーンと等しくない。従って、ｎ個の側面がある場合、それらの側面に関連するｎ個のエスケープコーンと、結晶の他の面での反射によって作られるｎ個の像が存在する。これは、側面が大きな面に対して垂直ではない場合、面取りした面のエスケープコーンと反射によるその像、および側面に関連する２ｎ個のエスケープコーン（すなわち、ｎ個の「実際の」エスケープコーンと反射によるｎ個の像）の間に重なりがないことを達成することがより複雑であることを意味する。従って、いくつかの形状および結晶の所定の屈折率について、側面が大きな面に対して垂直である前述の実施形態は、側面が大きな面に対して垂直ではない場合よりも、より高い光抽出効率を達成することができる。

【0100】

図５Ａと図５Ｂは、それぞれ出射ビームの輝度と抽出効率を、さまざまな構成の結晶の減衰係数αの関数で表す。さまざまな構成は図５Ｃに示す。計算は解析方程式を用いて行った。例として挙げたすべての構成において、結晶はｗ＝１４ｍｍ；Ｌ＝１００ｍｍ；ｔ＝１ｍｍの矩形状のＣｅ：ＹＡＧ結晶である（寸法については図５Ｃを参照）。図５Ａおよび図５Ｂにおいて、Ｃ０およびＣ０’曲線は、図５Ｃの一番上の構成に対応する構成に基づく計算から得られたものであり、この構成では、反射鏡が側面ＳＥ’の全体を覆い、反射鏡が側面ＳＥを部分的に覆っている。すなわち、出射ビームを出射する覆われていない面（「出射面」）が規定されている。「従来技術の構成」と呼ばれるこの構成は、本発明の実施形態ではなく、反射鏡のおかげで２つのエスケープコーンをリサイクルする。Ｃ１およびＣ１’曲線は、本発明の第１の変形例に基づく計算から得られ、最適法線を有し、図５Ｃの中央の構成に対応する。最後に、Ｃ２およびＣ２’曲線は、本発明の第２の変形例に基づく計算から得られ、最適法線を有し、図５Ｃの一番下の構成に対応する。

【0101】

図５Ａと図５Ｂの両方で、出射面の表面（従来技術の構成Ａでは覆われていない表面、Ｃ１曲線では面取りしたエッジ、Ｃ２曲線では面取りした頂点）は、すべての構成で、

【0102】

【数27】

【0103】

に等しい。図５Ａの計算では、出射面の直後の出射ビームの発光がランバーシアンであると仮定し、輝度値は、α＝０ｃｍ^－１の場合の従来技術の構成Ａの出射ビームＬ_ｓの輝度値で除算した。

【0104】

図５Ａおよび図５Ｂから、

【0105】

【数28】

【0106】

の場合、本発明の第１および第２の変形例は、従来技術の構成Ａよりもわずかに良好な抽出効率と、高い輝度の出射ビームをもたらすことが分かる。しかしながら、

【0107】

【数29】

【0108】

の場合、本発明の第１および第２の変形例は、従来技術の構成Ａよりも著しく優れた抽出効率と、はるかに高い輝度の出射ビームをもたらす。例えば、α＝５．１０^－４ｃｍ^－１の場合、従来技術の構成Ａにおける出射ビームＬ_ｓの輝度は０．７５ｕａであるのに対し、本発明の第１の変形例における出射ビームＬ_ｓの輝度は１．５ｕａであり、また本発明の第２の変形例における出射ビームＬ_ｓの輝度は２．５ｕａである。α＝５．１０^－４ｃｍ^－１の場合、従来技術の構成Ａにおける抽出効率は１４％であるのに対し、本発明の第１の変形例では２４％、本発明の第２の変形例では３８％である。α＝２．１０^－４ｃｍ^－１の場合、光抽出効率は、本発明の第２の変形例では５０％超に達するが、従来技術の構成Ａでは依然として１５％に過ぎない。

【0109】

本発明の結晶の面取りしたエッジまたは頂点を通って出射する光線は、図１Ａの従来技術の結晶の側面ＳＥから出射する光線よりも長い平均経路を有することが示される。これは、本発明の第１および第２の変形例において、減衰係数αの増加が輝度および抽出効率に及ぼす影響が、従来技術の構成Ａよりも相対的に大きいことを説明する。

【0110】

面取りしたエッジまたは頂点の表面が、面取りしたエッジまたは頂点を通って出射する光線の平均経路Ｌ_ｍｅａｎに直接影響することは注目されるであろう。例えば、最適法線を有する本発明の第２の変形例（図５Ｃの一番下の構成）の場合、平均長さは、

【0111】

【数30】

【0112】

（式中、ｓ_２は面取りした頂点の面積である）である。好ましくは、そして本発明の構成によって与えられる利点からさらに大きな利益を得るために、本発明の結晶ＣＬは、１／α＞＞２Ｌとなるルミネッセンス光の減衰係数αを有する。結晶の形状が矩形でない、より一般的な場合、Ｌは２つの平行な側面の間の最大距離である。

【0113】

図５Ａおよび図５Ｂは、出射ビームの輝度値と光抽出効率の値の両方が、本発明の第１の変形例の構成よりも本発明の第２の変形例の構成の方が高いことを示す。αが小さくなるにつれて、２つの構成間のギャップが大きくなる。これは、本発明の第２の変形例でリサイクルされるエスケープコーンＬ_ｇの数が８であり、本発明の第１の変形例でリサイクルされるエスケープコーンＬ_ｇの数である４の２倍であることで説明される。

【0114】

図６Ａは、結晶ＣＬが２つずつ平行な６つの側面を有する、本発明の第２の変形例による発光デバイス１を示す。この実施形態では、ｎ＝６であり、ｚ軸の周りの水平面内で、π／３の角度で回転することによる側面に対する法線が不変である。面取りした頂点Ｓ１に対する法線は、頂点を形成する３つの面の法線の和（

【0115】

【数31】

【0116】

）に平行である。それは、この形状に「最適」な法線である。図６Ｂは、図６Ａの結晶ＣＬ内に放射され、捕捉されたすべての光線の角度図を表示したものである。図６Ｂに示す通り、結晶の形状を考慮すると、面取りした頂点は１２個の人工的なエスケープコーンを作り出している。従って、理論的には、本発明の第２の変形例は、エスケープコーンＬ_ｇ、Ｌ_ｏｕｔ、Ｌ_ｓの間に重なりがない場合、図１Ａの従来技術の結晶の光抽出効率よりも１２倍高い光抽出効率をもたらすことができる。

【0117】

本発明の第１および第２の変形例に適合する本発明の実施形態では、結晶は窒素空孔中心を含むダイヤモンドである。ＮＶ（窒素空孔）中心は、ダイヤモンド内の照射によって生成され、その蛍光特性のために使用される不純物である。この実施形態では、入射放射線Ｌｄは、大きな面の少なくとも１つを照射するレーザーによって発せられる。典型的には、それらは緑色の光を吸収し、赤色の光を放出する。ダイヤモンドの屈折率ｎ＝２．４を考慮すると、平行六面体の面を通過して空気中に出射する光は、全光の４．５％に相当する。通常、光は共焦点顕微鏡によって集められる。例えば、開口数１．３５（液浸対物レンズ）では、集められる光は発光する光の最大８．６％に相当する。集められる信号の量に依存する実験の感度は、この値を増加させるために多くの戦略が試みられてきた。従って、本発明のダイヤモンド結晶ＣＬは、光抽出効率を劇的に高めることができる。一例として、本発明の第２の変形例では、周囲空気中の矩形状の結晶と最適法線により、出射ビームＬｓにおいて８個のエスケープコーンをリサイクルすることができる。これは、この例では光抽出効率が４．５×８＝３６％であることを意味する。

【0118】

面取りした頂点の表面サイズの制御により、最大光束を収集しながら、ＮＶ中心を用いた実験に必要な非常に短い応答時間を有するより小さな表面の光検出器を使用することが可能になる（寿命は約１０ｎｓ、μｓ領域の遷移の質問シーケンス）。

【0119】

図７Ａは、先細の円錐形アダプターＴＣを介して光ファイバーＦＯと結合した結晶のさまざまな構成を示す。

【0120】

図７Ａの一番下の構成は、本発明の第１および第２の変形例に適合する本発明の実施形態を示す。説明に役立つ例として示す図７Ａにおける矩形状の結晶は、本発明の第２の変形例によるものであり、最適法線を有する面取りした頂点を含む。この実施形態では、デバイス１は、面取りしたエッジまたは頂点に隣接する、いわゆる上流端に取り付けられた先細の円錐形アダプターＴＣを備える。「取り付けられた」は、上流端が例えば非常に薄い厚さの屈折率ｎ’の中間媒質で接着していることを意味する。デバイス１は、先細のアダプターのいわゆる下流端に接続した光ファイバーＦＯを備える。先細のアダプターＴＣは、出射ビームＬ_ｓの開口数が前記光ファイバーの開口数ＯＮ_ｆに一致するように適合される。それは、出射ビームの光線がその面上のＴＩＲによって光ファイバー内に導かれるように適合される。好ましい実施形態では、アダプターの面は、Ｌ_ｓビームの反射率を改善するために、金属または誘電性コーティングで処理される。

【0121】

エテンデュ（またはスループット）の保存を確実にするため、上流端の直径φ_ｕと下流端の直径φ_ｄは、以下の関係で関連付けられる。

【0122】

【数32】

【0123】

（式中、ｎは結晶ＣＬの屈折率、θ_ｍはファイバー内で誘導される光線の結晶内部での集光角である。）屈折率ｎ’の接着剤が中間媒質として使用される場合、以下の通りとなる：

【0124】

【数33】

【0125】

ファイバーを発光媒質に直接結合するよりも多くの光線を集めるには、コーンの入射における開口数が出射における開口数よりも大きいことが必要である。これはφ_ｕ＜φ_ｄを意味する。上流端φ_ｕの直径は、中間媒質の屈折率ｎ’に依存する最小値によって制限されることに注意すべきである。アダプターの開口数がすべての可能な角度を収集するのに十分であり、θ’_ｍ＝９０°であると仮定すると、以下が必要である：

【0126】

【数34】

【0127】

図７Ａの一番上の構成は、従来技術の構成（「従来技術の構成Ｂ」）であり、ファイバーが単に結晶の出射側に配置され（「突き合わせ結合」）、開口部アダプターＴＣと、アダプターに対向する面に反射鏡Ｍ２を有し、収集される光束を増加させる。

【0128】

図７Ａの中央の構成（従来技術の構成Ａ’と呼ばれる）は、従来技術の構成Ａに対応し、アダプターＴＣが配置されている出射領域に光を集中させるために、出射面に配置された反射鏡を有する。

【0129】

図７Ｂは、図７Ａに示す結晶のさまざまな構成について、上流端の直径φ_ｕの関数として光抽出効率を表す。

【0130】

図７Ａの一番下の図に示す本発明の実施形態に対応する図７Ｂの曲線は、曲線Ｃ２１およびＣ２２である。

【0131】

Ｃ２１曲線の計算では、ファイバーのコア（またはコーンによるその「先行するもの」）は、出射領域、すなわち面取りしたエッジまたは頂点の面に内接する（「Ｃ２１構成」）。この場合、ファイバーは出射面から出るすべての光線を集めることはない。

【0132】

Ｃ２２曲線の計算では、ファイバーのコアは出射領域を完全に包含する（「Ｃ２２構成」）。この場合、面取りしたエッジまたは頂点から出射する光線はすべてファイバーにつながる。しかし、その代償として、出射領域はＣ２１構成の１／４の大きさである。そのため、当該領域を通る出射確率はかなり低くなり、出口を見つけるまでの媒質中での伝搬長が長くなる。

【0133】

図７Ｂの従来技術の構成Ａ’に対応する曲線は、図７Ａの曲線Ｃ０’’である。

【0134】

図７Ｂの従来技術の構成Ｂに対応する曲線は、図７Ａの曲線Ｃ０１である。

【0135】

図７Ｂの曲線を計算するための例として示した図７Ａの３つの構成では、結晶は矩形の形状で、寸法はｗ＝２．５ｍｍ、Ｌ＝５０ｍｍ、ｔ＝１ｍｍ、および、α＝２．１０^－３ｃｍ^－１である。光ファイバーのコア径は１ｍｍであり、開口数ＯＮ_ｆ＝０．５である。エスケープコーン間の重なりがないと仮定して計算した。

【0136】

図７Ｂにおいて、縦線ＶＬｘ_ＶＬ＝０．５ｍｍは、曲線Ｃ０、Ｃ０１、Ｃ２２、Ｃ２１を、屈折率ｎ’＞１の中間媒質でのみ達成可能な効率値（φ_ｕ＜ｘ_ＶＬの場合）と、中間媒質なしで達成可能な効率値（φ_ｕ＞ｘ_ＶＬの場合）に分離する。この縦線は式Ｅｑ１で得られる。説明に役立つ例として、図７Ｂでは、ｎ’＝１．４である。

【0137】

図７Ｂの曲線Ｃ０１は、従来技術の構成ａ）では効率が非常に低いことを示す（約１％）。φ_ｕ＝φ_ｄ＝１ｍｍ（アダプターコーンのない結合と同等）の場合、本発明の実施形態（曲線Ｃ２１およびＣ２２参照）は、従来技術の構成Ａ（Ｃ０１曲線）の結合と比較して既に８倍の改善を与えており、従来技術の構成Ａ’（Ｃ０’’曲線）と比較して２倍の改善を与える。φ_ｕ＝０．５ｍｍの場合、この改善倍率はＣ２２構成では１８、およびＣ２１構成では２４になる。最後に、φ_ｕ＝０．４ｍｍの場合、改善倍率はＣ２１構成で３２になる。

【0138】

図７Ｂは、光ファイバーにおける出射ビームＬ_ｓの高い抽出効率を達成するために、面取りしたエッジまたは頂点を有する本発明の結晶とアダプターＴＣを組み合わせて使用することによってもたらされる利点を明確に示す。

【0139】

図７Ｂから、上流端φ_ｕの直径が小さくなるほど、本発明のＣ２１構成がＣ２２構成に比べて良好になることが分かる。これは、面取りした端部または頂点から出射する前の結晶ＣＬ内の光線の平均経路距離が、Ｃ２１構成よりもＣ２２構成の方が長いという事実による。従って、Ｃ２２の伝搬損失は、抽出効率を制限する。

【0140】

本発明の別の目的は、シンチレータ結晶に関連する。前述の通り、シンチレータのエネルギー分解は、結晶の光抽出効率に大きく依存する。シンチレータは、Ｘ線／ガンマイメージングを行うために、しばしばアレイ状に組み立てられる。コンパクトにするために、平行六面体の結晶がほとんどの場合選ばれる。このイメージング法の重要なパラメータはピクセル密度であり、アレイの各シンチレータがピクセルを表す。実際、散乱面の場合「クロストーク」を回避するために、反射体によって結晶を互いに光学的に分離する必要がある。すなわち、第１の結晶で発光する光が、第２の結晶の面で出射することで、第２の結晶からの光として検出されることを避けるためである。

【0141】

従来技術の特定の問題を軽減するために、本発明の別の目的は、Ｘ線源またはガンマ線源と検出器Ｄｅｔを備えるＸ線またはガンマ線画像システムである。検出器Ｄｅｔは、図８に示され、本発明の第１または第２の変形例による複数の同一の発光デバイス１を備える。説明に役立つ例として示す各デバイスの結晶は、本発明の第２の変形例によるものであり、面取りした頂点を含む。図８の実施形態では、各デバイスの結晶は固体シンチレータである。デバイス１は、アレイを形成するように配置され、Ｘ線源またはガンマ線源によって発せられた入射放射線Ｌｄのためのピクセル化検出器を形成する。面取りしたエッジまたは頂点を通過する可視出射ビームを収集するために、画像システムは、各デバイスの結晶の面取りしたエッジまたは面取りした頂点の反対側にそれぞれ配置された複数のフォトダイオードＰＤを備える。すなわち、本発明の画像システムでは、１つのピクセルは、デバイス１とそれに対応するフォトダイオードＰＤによって形成される。好ましくは、結晶のすべての面が光学的に研磨される。

【0142】

従来技術のシンチレータ検出器アレイと比較して、図８の検出器を使用する画像システムの決定的な利点は、クロストークが問題にならないことである。これは、検出器Ｄｅｔにおいて、面取りしたエッジまたは面取りした頂点を出て、各フォトダイオードによって検出される光線は、フォトダイオードの反対側に配置された結晶からの捕捉光線のみであるという事実による。実際、アレイの任意の結晶から、所定のいずれかの面から出る非捕捉光線は、同一であり、同じエスケープコーンを有するため、アレイの別の結晶には捕捉されない。従って、アレイの任意の結晶を出る非捕捉光線は、その経路上にある検出器のすべての結晶を通過して伝搬し、フォトダイオードＰＤの位置によって、どのフォトダイオードＰＤでも検出されない。

【0143】

結晶の面取りしたエッジまたは面取りした頂点の面積を、面取りしたエッジまたは面取りした頂点の間の側面の面積よりも小さくすることにより、最大光束を収集しながら、非常に短い応答時間を有する、より小さな表面のフォトダイオードを使用することが可能になる。従って、好ましくは、フォトダイオードの表面および面取りしたエッジまたは頂点の表面は、面取りしたエッジまたは頂点の間の側面の表面よりも小さい。

【0144】

結晶ＣＬの全表面に対する、面取りしたエッジの表面または面取りした頂点の表面の比（Ｓ_ｂｅｖ／Ｓ_ｔｏｔと記す）は、ルミネッセンス光を大きい光束を有する出射ビームに集中させる、いわゆる「集光体効果」を制御するための重要なパラメータである。Ｓ_ｂｅｖ／Ｓ_ｔｏｔの比が小さいほど、出射ビームの光束は大きくなる（伝搬損失が集光体効果を補償しないことを前提とする）。実際、小さなＳ_ｂｅｖ／Ｓ_ｔｏｔ比は、多数の捕捉光線をリサイクルしながら、かつ、結晶ＣＬが比較的大きな面積を有する大きな面を介して励起されることを可能しながら、小さな出射領域を通過してルミネッセンス光が出射するように「押し進める」。さらに、上述の通り、より小さなＳ_ｂｅｖ／Ｓ_ｔｏｔ比の使用は、非常に短い応答時間を確保するために、小さな表面を有する任意の光検出器の面積に出射面積を適合させるのに有用である。

【0145】

従って、好ましくは、本発明のすべての実施形態において、Ｓ_ｂｅｖ／Ｓ_ｔｏｔ比は１／１０よりも低く、好ましくは１／１００よりも低く、さらに好ましくは１／１０００よりも低い。シミュレーションおよび実験を通じて、本発明者は、１／１０よりも低いＳ_ｂｅｖ／Ｓ_ｔｏｔ比の使用が、ルミネッセンス光の十分な集光体効果を可能にする一方で、１／１００より低く、好ましくは１／１０００より低いＳ_ｂｅｖ／Ｓ_ｔｏｔ比の選択が、出射ビームのより大きな光束を可能にすることを確認した。

【0146】

以下の表は、さまざまなパラメータとさまざまな材料を使用した、面取りしたエッジを有する平行六面体の結晶ＣＦを用いた選択された実施形態を示す。以下の例では、エッジは表面ｔ^２を有する正方形の形状（対称的な出射ビームを提供するためにほとんどの用途に有用）になるように面取りされており、Ｓ_ｂｅｖ／Ｓ_ｔｏｔ比は以下の通り概算することができる：

【0147】

【数35】

【0148】

【表1】

【0149】

前述の通り、平行六面体構造の形状は、光線が面取りしたエッジから出射するまで構造内でリサイクルされることを押し進める。以下の比率と寸法により、さまざまな用途の光検出器との組み合わせに特に適した出射面を有する結晶ＣＬが得られる。

【図1A】

【図1B】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図4D】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図6A】

【図6B】

【図7A】

【図7B】

【図8】

【国際調査報告】