JP2003500846A - Ｌｅｄを有する照明装置 - Google Patents

Ｌｅｄを有する照明装置

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JP2003500846A JP2000620280A JP2000620280A JP2003500846A JP 2003500846 A JP2003500846 A JP 2003500846A JP 2000620280 A JP2000620280 A JP 2000620280A JP 2000620280 A JP2000620280 A JP 2000620280A JP 2003500846 A JP2003500846 A JP 2003500846A
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デー パシュリー ミハエル
ヘルマン スティーヴン
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Abstract

(57)【要約】 複数の色のＬＥＤ光源（１０）の直線状アレイが反射器（２０）の長さ方向に沿って位置し、反射器は光源（１０）の半角内でほぼすべての光を受けるように配置されているとともに、その幅に沿ってほぼ均一に照明されるように成形されている。反射器（２０）は平滑なランバーティアン面として構成するか或いは一連の平坦な鏡面反射セグメントにより近似された曲線として構成することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は、ＬＥＤの多色アレイからの光を混合する反射器を有する照明装置、
特にＬＥＤの直線状アレイから白色光を発生させる低プロファイル照明装置に関
するものである。
【０００２】 天井に装着される標準の低プロファイル照明装着は、射出光のスペクトルを決
定する蛍光被膜を有する管状放電ランプを採用している。放電ランプは一般に調
光できず、ユーザは色温度を制御できない。
【０００３】 複数の色の各々のＬＥＤのアレイによれば、色温度をいかなる出力レベルにも
制御できる照明装置を形成でき、これにより、調光を可能にするとともに任意の
出力レベルで均一の白色光を射出するランプを可能にする。
【０００４】 特開平６−２３７０１７号公報には、赤色光及び青色光の発光素子を有する第
１の種類と、赤色光及び緑色光の発光素子を有する第２の種類との２種類の発光
ダイオードの３×３アレイを具えている多色発光ダイオードランプが開示されて
いる。ここに述べられている目的は、どの方向からも同じ色として認識しうる混
色を行なうことにあるが、混色を容易にする光学的手段は開示されていない。こ
の公報には、単に、ある程度の拡散を与える以外の役割を殆ど呈さない樹脂で充
填されたランプケースに入れたＬＥＤの二次元アレイが開示されているにすぎな
い。
【０００５】 1999年 3月26日に出願された米国特許出願第09/277,645号明細書には、多色Ｌ
ＥＤアレイからの光を混合する反射器を有する照明装置が開示されている。この
アレイは、らっぱのように出射孔の方向に向けて拡開するのが好ましい反射管で
あって断面が方形又はその他の丸くない形状を有するこの反射管の入射孔内に配
置されている。この米国特許出願明細書に記載された目的は、白色光のビームを
スポットライト状に視準することにある。しかし、この設計は、一般的な拡散照
明用の低プロファイル照明装置には適していない。
【０００６】 本発明の目的は、ＬＥＤの多色アレイから白色光を生じる低プロファイル照明
装置を提供するとともに、全出力及び調光状態で色温度を制御及び変化させる機
能を提供せんとするにある。
【０００７】 本発明による照明装置は、複数の色、代表的に赤色、緑色及び青色の各々で光
を射出する少なくとも１つの光インジェクタを有する光インジェクタの直線状ア
レイを用いる。各インジェクタは、それぞれの色のＬＥＤと、半角θS を有する
錐体内に射出光を制限する設計の光学系とを具える。この直線状アレイは、ｘ‐
ｙ‐ｚ座標系のｙ軸に平行であるとともに、ほぼ全ての射出光が正のｘ及びｚ方
向に射出されるように配置されている。
【０００８】 光インジェクタの直線状アレイの側方に位置する反射器は、ｘ‐ｚ平面内で正
のｘ及びｚ方向の曲線により規定された形状を有する。この反射器の表面はこの
曲線をｙ軸に平行に投射することにより形成されるとともに、直線状アレイにお
けるインジェクタの半角θS 内でほぼ全ての光を受けるように配置されている。
【０００９】 本発明による照明装置によれば、色温度を調整しうるという利点が得られる。
その理由は、直線状アレイの各色のＬＥＤに対する出力を個々に制御しうる為で
ある。同様に、異なる色のＬＥＤに対する出力を一斉に制御しうる為、照明装置
を完全に調光しうる。
【００１０】 本発明による照明装置は、反射器の表面の端部にｘ‐ｚ平面に平行な２つの平
面鏡を有するようにするのも好適である。これらの目的は、インジェクタ及び主
反射器からの光を閉じ込めるとともに主反射器又は射出孔に向けて再指向させる
ことである。
【００１１】 反射器は、反射光の強度が方向に殆ど依存しない拡散面であるランバーティア
ン面を有するのが好ましい（完全拡散面がランバート面である）。蛍光体粉末の
被膜は９５〜９９％の反射をもたらし、ブラシ掛けしたアルミニウム面は７５％
の反射をもたらしうる。反射器の表面は部分的に鏡面反射係数を有し、その反射
光が部分的に指向性となるようにしうる。このような照明装置は、歩行照明のた
めに光の一部を床に向けるとともに他の光を一般的な拡散照明とする壁付照明と
して作用させることができる。
【００１２】 照明装置には、主反射器に対し機械的な保護を行なうとともに射出孔を規定す
るカバープレートをも設けるのが好ましい。このカバープレートは透明にするか
或いはいかなる所望量の拡散をも行なうようにしうる。このカバープレートは、
反射強度が不均一な反射器と共同するレンズとして設計することができる。
【００１３】 照明装置の幾何学的形状を規定するために用いる直角座標系は、いかなる他の
座標系にもすることができる為に、任意に設計される。しかし、米国では光学装
置が、負のｚ方向で正から負に伝達される光を示すのが一般的である。
【００１４】 図１を参照するに、本発明による照明装置は、ＬＥＤ源又はインジェクタ１０
の直線状のアレイと、特別に湾曲させたランバーティアン反射器２０と、２つの
鏡面反射（正反射）の平坦側壁３０と、透明なカバープレート４０とを有する。
ＬＥＤ源１０及び反射器２０の設計上のパラメータは相互に関係している。最適
な設計は１つではなく、厚さ、総合ルーメン出力及びカバープレートにおける色
の混合度（全ての設計上の混合はある距離で良好になる）のようなパラメータ間
に種々の関係がある。カバープレートにおける色の混合を良好にするためには、
互いに異なる色のＬＥＤをできるだけ均一に分布させる必要がある。
【００１５】 照明装置は幅Ｗ、長さＬ及び厚さＴ（それぞれｘ、ｙ及びｚ軸方向であり、図
面には左手座標系を示してある）を有する。これらの寸法の各々に関する制限は
互いに異なり、適用分野に依存するも、一般には、幅は１００〜４００ｍｍで、
厚さは幅の１０〜２５％で、長さは１００ｍｍ〜数メートルで変えることができ
る（長さには制限がない）。
【００１６】 各ＬＥＤ源１０は、１個以上のＬＥＤチップと一次光学系とのパッケージであ
り、“インジェクタ”を有する。インジェクタは、照明装置の長さ方向に沿って
（ｘ＝０付近で、ｙ軸に平行に）ほぼ直線状のアレイに配置されている。各イン
ジェクタは、複合放物面集光器（ＣＰＣ： Compound Parabolic Concentrator）
又は他の光学系のような反射器によって決定される半角θS の円錐状に光を射出
する。ＣＰＣは、Welfold及びWinston氏著“High Collection Imaging Optics”
（１９８９年Academic Press社発行）に説明されている。前記の半角は５〜３０
度とする必要があり、代表的な値は１５度である。円錐状の光の軸線はｘ‐ｚ平
面内にあり、ｘ軸からｚ軸の方向に角度θS だけ回転させると、最外側光線がｘ
軸に平行なｘ‐ｙ平面内に（ｚ＝０に）あるようにする。
【００１７】 上述したように、反射器２０は、拡散を最大にするランバーティアン反射器で
ある。この反射器２０は、インジェクタがこの反射器をｘ方向に沿って均一に又
はより一般的には特定の（不均一の）パターンに応じて照明するような形状にな
っている。このパターンの選択は適用分野に依存する（不均一分布を用いる以下
の例を参照）。反射器の形状は、この照明パターンを満足するｘ‐ｚ平面内の曲
線によって規定される。この場合、反射器の表面は、この曲線をｙ方向に平行投
射することにより規定される。このようにして形成する表面は製造するのに比較
的容易であることに注意することが重要である。出発材料（例えば、ガラス又は
アルミニウム）は平坦にでき、次にこれをいかなる“しわ”もない適切な形状に
形成する。ｘ‐ｚ平面内の曲線の形状を特定するのには多くの方法がある。
【００１８】 図２は、インジェクタが射出する光の円錐状の全角２θS を、（２ｎ＋１）本
の光線により画成される（２ｎ）個の間隔に分割する一方法を示している。第１
光線（ｒ1 )は、ｘ軸に対し２θS の角度を成すインジェクタの最外側の光線と
して選択する。表面に対する出発点（ｘ1 ，ｚ1 ）は、ｘ1 ＝αＷ、すなわち（
ｘ＝０における）インジェクタの中心から任意の距離及びｚ1 ＝ｚ0 ＋αＷ tan
（２θS ）に選択し、インジェクタからの最外側光線がこの出発点と交わるよう
にする。αは代表的に約0.05であるが、設計上のパラメータとして変えることが
できる。ｚ0 はインジェクタの射出孔をｚ軸に投射した点である。次の点（ｘ2 ，ｚ2 ）は、次の光線（ｒ2 ）上でｘ座標に望ましい部分光束φ1 の逆数に比例
するｘ方向の距離に位置するように選択する。均一分布の場合には、あらゆる値
ｉに対しφi ＝１／（２ｎ）であることに注意すべきである。全ての場合に、光
束の重みφ1 は、Σφi ＝１となるように正規化される。これに続く点は、この
処理（図２における誘導式を参照）を繰返すことにより得られ、次にこれらの点
を連結し、曲線を適切に滑らかにする。この滑らかにする詳細は適切な機能にと
って重要ではない。曲線は、実験的に又は光線トレーシングプログラムを用いて
経験的に設計することもできる。図２の一般的な形状の反射器は、カバープレー
トにおける（又はカバープレートからのある中間距離における）光の分布が所望
の分布、すなわち、均一又はその他の分布となるまで試行錯誤的に変えることが
できる。
【００１９】 主反射器２０は、（ｘ‐ｚ平面に平行で、ｙ＝０及びｙ＝Ｌにある）２つの平
面鏡３０によって画成されている。これら平面鏡３０は、ｚ方向で（ｚ＝０にお
ける）ｘ‐ｙ平面と主反射器の表面とにより画成されている。これらの目的は、
光（ＬＥＤ源からの光や、主反射器からの光や、カバープレートから反射された
光）を閉じ込めるとともに、主反射器又は射出孔に向けて再指向させることであ
る。
【００２０】 透明なカバープレート４０は主反射器２０を機械的に保護するとともに射出孔
を規定する。カバープレートはプラスチック又はガラスとすることができる。こ
のカバープレートは平坦で平滑なプレート（すなわち、明澄透明なプレート）に
するか、或いは、いずれかの所望量の拡散を有する（例えば、研摩ガラス、プリ
ズムガラス、波形ガラス等の）プレートとすることができる。カバープレートの
特有の特性が照明装置の外観に影響を及ぼすとともにある程度光の総合出力分布
に影響を及ぼす。カバープレートは動作原理にとって重要なものではなく、むし
ろ設計上の変更をもたらすものである。
【００２１】 最も基本的な可変パラメータにはインジェクタの光射出パターン及び方向があ
る。インジェクタは照明装置の幅及び厚さや、近視野の色混合（すなわち、射出
孔で見られる色混合）の量や、所定の射出孔の領域に対する総合ルーメン出力の
ような特性を決定する。
【００２２】 インジェクタが照明装置の寸法や、照明装置の所定の寸法に対する総合ルーメ
ン出力にもいかに影響を及ぼすかの一例として、パラメータθS 、すなわちイン
ジェクタの光射出角度幅を考慮する。照明装置の規模を変えないものとすると、
角度θS が大きくなるほどインジェクタの射出孔を小さくしうる。インジェクタ
が小さくなると、実装密度が大きくなる（従って所定の照明装置の長さに対する
総合ルーメン出力が大きくなる）。しかし、２θS を必要に応じ大きくすると、
（図２を考慮することから明らかなように）照明装置の厚さを大きくする必要が
ある。一方、θS を大きくすればするほど、近視野における色の横方向の混合が
良好となる。その理由は、反射器上でビームが大きく重なる為である。
【００２３】 可能な設計上の一変形例では、各インジェクタを、その円錐状の光の軸線がｘ
‐ｚ平面から特定の角度θt だけ回転されている位置に配置しうる。例えば、Ｌ
ＥＤ源のアレイの中央から離れたインジェクタを中央に僅かに向う点に（トーイ
ン角度で）回転させることができる。
【００２４】 更に、各インジェクタが、ｘ‐ｙ平面内で４５度までの半角で幅広にし、ｘ‐
ｚ平面内で幅狭とした楕円錐状に光を射出するようにすることができる。この場
合、設計上の複雑性をある程度増すという犠牲の下で色の混合及び装置の寸法を
一層最適にする。
【００２５】 他の変形例では、インジェクタを２列以上にする。この場合、得られる光量を
増大させるとともに、（２つ以上のＬＥＤが反射器の同じ領域を照明しうる為）
色の混合をも改善するという利点が得られるも、主反射器の設計を幾分複雑にす
るとともに装置の厚さを増大させる。
【００２６】 更に他の変形例では、主反射器が（幾つかの技術により）部分的に鏡面反射係
数を有し、部分的にランバーティアン反射係数を有するようにしうる。このよう
な照明装置は部分的に指向性のあるビームを有する。その適用分野の一例は、歩
行照明のためにビームの一部を床に向けるとともに他の光を一般的な拡散照明と
する壁付照明である。
【００２７】 図３は、射出孔に亙る光の強度分布を不均一にした照明装置の一例を示す。主
反射器は、中心に強い強度のピークがあるように（すなわち、ｘ‐ｙ平面内でｘ
＝Ｗ／２のライン付近に多くの光が集中するように）設計しうる。透明なカバー
プレート４０は円柱状のフレネルレンズであり、ｘ‐ｚ平面内の出力分布は−ｚ
軸を中心として集中される。ｙ‐ｚ平面内の出力分布はランバーティアン分布を
保つ。
【００２８】 図４は、一連の平坦な鏡面反射セグメント３２を、受光しない中間セグメント
３４により連結したもので、湾曲した主反射器３０を近似させた変形例を示す。
セグメント３２は、反射光をいかなる所望の方向にもしうるように向けることが
でき、この場合、すべての反射光がｚ軸に平行となるように示してある。異方性
散乱特性が強い金属反射器が存在する為、この種類の反射器に対する設計の自由
度がかなりある。
【００２９】 上述したことは例示であり、本発明の範囲を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による低プロファイル照明装置を示す斜視図である。
【図２Ａ】 本発明による照明装置の端面の幾何学的形状を示す説明図である。
【図２Ｂ】 図２Ａのパラメータを規定する図表である。
【図３】 フレネルレンズとして構成したカバープレートを有する照明装置を示
す端面図である。
【図４】 ｙ軸に平行な一連の鏡面反射セグメントとして設計した主反射器を用
いる設計変更例を示す。
【手続補正書】
【提出日】平成１３年２月１日（２００１．２．１）
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２Ａ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２Ａ】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ミハエル デー パシュリー オランダ国 5656 アーアー アインドー フェン プロフ ホルストラーン ６ (72)発明者 スティーヴン ヘルマン オランダ国 5656 アーアー アインドー フェン プロフ ホルストラーン ６ Ｆターム(参考） 5F041 AA06 AA14 DC83 EE23 EE25 FF11

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 複数の色の各々で光を射出する少なくとも１つの光インジェクタ
    を有する光インジェクタの直線状アレイであって、各光インジェクタが半角θS を有する錐体状に光線を射出し、直線状アレイはｘ‐ｙ‐ｚ座標系のｙ軸に平行
    であるとともに、ほぼ全ての前記光線が正のｘ及びｚ方向に射出されるように配
    置されている当該直線状アレイと、 ｘ‐ｚ平面内で正のｘ及びｚ方向の曲線により規定された形状を有する表面を
    持つ反射器であって、この表面は前記曲線をｙ軸に平行に投射することにより形
    成されるとともに、前記直線状アレイにおけるインジェクタの半角θS 内でほぼ
    全ての前記光線を受けるように配置されている当該反射器と を有する照明装置。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の照明装置において、前記反射器がランバーティ
    アン反射器である照明装置。
  3. 【請求項３】 請求項２に記載の照明装置において、前記反射器の前記表面に蛍
    光体が被覆されている照明装置。
  4. 【請求項４】 請求項３に記載の照明装置において、前記表面がブラシ掛けした
    アルミニウムである照明装置。
  5. 【請求項５】 請求項１に記載の照明装置において、照明装置が更に、ｘ‐ｚ平
    面に平行で反射器の前記表面を画成する一対の平坦な反射側壁を有している照明
    装置。
  6. 【請求項６】 請求項１に記載の照明装置において、前記反射器は、光インジェ
    クタがこの反射器をｘ方向で均一に照明するように成形されている照明装置。
  7. 【請求項７】 請求項１に記載の照明装置において、前記光線が、前記直線状ア
    レイからｘ‐ｚ平面内に射出される光の範囲を限定する一対の最外側光線を含ん
    でおり、一方の最外側光線がｚ＝０の位置でｘ軸に平行であり、他方の最外側光
    線がｘ軸に対し２θS の角度でｚ＝ｚ0 の位置で射出されるようになっている照
    明装置。
  8. 【請求項８】 請求項１に記載の照明装置において、各光インジェクタが、それ
    ぞれの色で光を射出するＬＥＤと、半角θS を有する錐体内に射出光を制限する
    設計の光学系とを有している照明装置。
  9. 【請求項９】 請求項１に記載の照明装置において、前記直線状アレイが光イン
    ジェクタの少なくとも２つの列を有している照明装置。
  10. 【請求項１０】 請求項１に記載の照明装置において、前記曲線は、ｙ軸に平行
    に配置された一連の平坦なセグメントを以て近似され、これらセグメントの各々
    の向きがｘ座標に応じて変化している照明装置。
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