JP2004516666A - レフレクタ及びレンズを有する照明装置 - Google Patents

Abstract

光源は、管状レフレクタ（１）の入射孔（５）に赤色、緑色及び青色のような複数の色の各々のＬＥＤ素子（１０），（２０），（３０）のアレイ（４０）を有し、このレフレクタは、出射孔（６）と、孔間に延在する光軸（ｚ）と、ＬＥＤ素子のアレイからの光を反射し及び混合するために孔間に延在する反射周壁とを有する。レフレクタ本体の周壁の少なくとも一部は、光軸に垂直にとった多角形断面を有し、光軸に平行にとった断面の少なくとも一部は、ＬＥＤ素子からの光を出射孔（６）に反射するよう複数の面（５０）を形成するために次々と結合した曲線のセグメントを有する。好適には、光軸に平行にとったレフレクタ本体の断面に含まれる曲線のセグメントは、連続的で線形な台形面を有する。

Description

【０００１】
技術の分野
本発明は、ＬＥＤの多色アレイからの光を混合するリフレクタ構造を有する照明装置に関し、更に詳しくは、そのようなアレイからの白色光スポットライトを発生する光を混合するそのような照明装置に関する。
【０００２】
背景技術
特色のある発光及び一般的な照明のために狭ビーム光のサイズを調整する小型化の標準的な光源は、ＰＡＲ（ｐａｒａｂｏｌｉｃ ａｌｕｍｉｎｉｚｉｅｄ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）ランプのような白熱／ハロゲンバルブである。その光源は、コンパクトかつ多用途であるが、非常に効率的ではない。所定のランプは、一定の電力に対して所定の色温度で点灯し、調光可能である間、色温度は、黒体の法則に従って、供給された電力のレベルに移行し、それは、ユーザが所望する変動である場合もあればそうでない場合もある。
【０００３】
複数の色の各々におけるＬＥＤのアレイは、色温度を任意の電力レベルで制御できる照明装置を構成することができ、これによって、調光可能であるとともに任意の電力レベルで一様な白色光を発するランプが可能となる。
【０００４】
発明の名称が”Ｌｕｍｉｎａｉｒｅ Ｈａｖｉｎｇ Ａ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ Ｆｏｒ Ｍｉｘｉｎｇ Ｌｉｇｈｔ Ｆｒｏｍ Ａ Ｍｕｌｔｉ−Ｃｏｌｏｒ Ａｒｒａｙ ｏｆ ＬＥＤ’ｓ”である米国特許番号第６，２００，００２号は、本願と同一の譲受人に譲り受けられ、ここに開示することによって本願に組み込まれる。この出願は、赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ及び青色ＬＥＤを用いる照明装置構造設計に直面する問題を表し、特定の発光及び一般的な照明に適切な色制御可能な白色光スポットライトを形成するためのリフレクタ構造は、主に良好な色混合を行うとともに、全体的な透過効率を高くし、ビームを狭くし、かつ、良好に制御を行えるようにするためのものである。上記出願は、好適には光軸と出射孔に向かって広がるフレアとに対向する凸壁を有し、かつ、好適には方形のような多角形断面を有する管状レフレクタの入射孔に赤色、緑色及び青色のような複数の色の各々のＬＥＤのアレイを有する光源を設けた従来のものと比較した場合、良好な混合が行われる。上記出願及びその請求の範囲に記載された本発明の好適例において、光源は、複数の色の各々の光を発する複数の色の各々の少なくとも１個のＬＥＤを有するＬＥＤのアレイを利用する。アレイは、孔間に延在する周壁によって反射され及び混合された後に光を発する対向する出射孔を有する反射間の入射構造に配置される。光源は、周壁の中心で孔間を延在する光軸を有する。断面は、好適には、光軸の少なくとも一部に沿って非円形であり、好適には、光軸の全長に沿って多角形である。方形及び八角形断面は、種々の色からの光を混合するのに用いられる。最も特筆すべきことは、周壁は、入射孔から出射孔まで広がり、出射孔が入射孔より大きくなっている。光軸から見た周壁は、凸形状及び外側から出射孔に向うフレアを有する。すなわち、壁の湾曲の半径は出射孔に向かって減少し、レフレクタが幾分ホーン形状となっている。そのような構造は、一般にフレア形状を有するために「ホーン」照明装置と称される。ホーン照明装置は、入射孔内の所定の位置に配置されたＬＥＤの平面アレイを有し、種々の色からの出射光は、凹形状の壁部から複数の反射によって混合される。一般に、ホーン照明装置の大抵の実施の形態において、光がホーンの主反射壁に入射する前に約２×６０°の最初のコーンにＬＥＤ光を直接入れる必要がある。ホーン照明装置は、ＰＡＲランプの所望の形態を提供し、かつ、独立した色温度及び調光制御を行い、ＰＡＲランプに比べて高い発光効率となる。さらに、ホーン照明装置は、赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ及び青色ＬＥＤのセットを使用して、ビームを調整するよう比較的狭い一様な白色光を形成する。
【０００５】
しかしながら、ＬＥＤパッケージ及び光学素子として有効な照明装置を具える光源が従来必要とされており、この場合、レフレクタ本体は、個々のＬＥＤに近接した任意の「主光軸」を設けることなくＬＥＤチップのアレイの全２×９０°放出を許容できる。
【０００６】
発明の開示
本発明の目的は、ＬＥＤパッケージ及び光学素子として有効な管状レフレクタを具える光源を提供することである。
本発明の他の目的は、個々のＬＥＤに近接した「主光軸」を設けることなくＬＥＤ素子のアレイの全２×９０°放出を許容することができるレフレクタ本体を具える光源を提供することである。
【０００７】
本発明のこれら及び他の目的は、本発明の以下の記載に従って達成される。
好適な実施の形態における本発明は、赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ及び青色ＬＥＤを用いた一般的な照明及び特定の発光に対する白色すなわち色制御されたスポットライト、特に光源としてのＬＥＤチップを提供する。
【０００８】
この発明は、既に説明した継続出願番号０９／２７７，６４５号に開示され及び請求の範囲に記載されたホーン照明装置の変形である。上記継続出願の発明において、本発明によれば、（ａ）ＰＡＲランプの所望の形態の全てを提供するＬＥＤ光源が設けられ、色温度及び全電力を変更し及び制御することができ、調光の際の発光効率を向上する。（ｂ）拡張したサイズのＬＥＤのアレイに対して良好な色の混合が行われる。（ｃ）光源から出射する混合光のコリメートビームを提供する。
【０００９】
本発明の好適例は、多角形断面を有するレフレクタの入射孔を充填するＬＥＤチップのアレイを利用する。
経済的に実行可能な製品に対して、高光出力、放出パターン全体に亘る良好な制御、小型サイズ、高効率、及び近視野と遠視野の両方における良好な色混合の要求に適合する必要があり、これらの要求は、本発明の光源によって適合される。
本発明によれば、経済的に実行可能な要求に適合する赤色ＬＥＤチップ、緑色ＬＥＤチップ及び青色ＬＥＤチップを用いた一般的な照明及び特別な発光に対する白色すなわち色制御されたスポットライトが光源として設けられる。ＬＥＤパッケージすなわちＬＥＤ用の主パッケージ及び照明装置すなわち光学素子である第１例としての向上したレフレクタが、光軸に垂直にとった多角形断面、好適には六角形又は八角形断面を有し、周辺本体（すなわち、レフレクタ壁）の少なくとも一部は、台形平面セグメントを具え、すなわち、それによって規定される。
本発明は、複数の色の各々を発光する複数の色の各々において少なくとも１個のＬＥＤを具える発光ダイオード（ＬＥＤ）素子のアレイと、
入射孔と、出射孔と、これらの孔の間に延在する反射周壁を有するレフレクタ本体部と、前記孔の間で前記壁の中心に延在する光軸とを有するレフレクタ管とを具え、
ＬＥＤ素子のアレイを前記入射孔に配置し、前記レフレクタ本体の周壁を、前記ＬＥＤ素子のアレイからの光を反射し及び混合するよう配置し、レフレクタ間が、光軸に垂直にとった多角形、好適には六角形又は八角形の断面を有し、周辺本体の少なくとも一部が台形平面セグメントすなわち面を具える光源を提供する。
向上したレフレクタは、ＬＥＤアレイから全１８０°の放出を許容し、出力ビームの設計の柔軟性が向上する。
【００１０】
発明を実施するための最良の形態
本発明によれば、本発明の好適な実施の形態の白色形態において、原色の赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）及び青色（Ｂ）のＬＥＤチップを、反射基板上に２次元平面配置している。
チップは、好適には、ｘ−ｙ平面に見えるような以下の特性を有するパターンに配置される。各ソースカラー分布（Ｒ，Ｇ及びＢ）は光軸に重心を有し、各ソースカラー分布は、光軸から同一平均半径距離を有する。
【００１１】
簡単のために、３色ＬＥＤチップ又はインジェクタのみを説明する。しかしながら、所望の色又は色制御特性を達成するために用いられる２，３，４又はそれ以上の互いに相違する色のＬＥＤも可能であることを理解すべきである。詳細は互いに相違するが、任意の数の互いに相違するソースカラーを混合するために構成を適合させることができる。本発明の照明装置は、レフレクタ本体の入力アパーチャの反射平面にＬＥＤ素子の平面アレイすなわちチップを有し、したがって、ＬＥＤに対する主パッケージ及び照明装置となる。チップの対称及び平均半径距離に関するＬＥＤアレイパターンの特別な詳細は、特別なレフレクタ構造設計に重大に相関する。アプリケーションに必要が生じると、本発明を、任意の個数の互いに相違する色とともに用いることができる。場合に応じて、個別のＬＥＤチップは、個別の主光学系に対して同一設備を有することができる。しかしながら、そのようなことは、本発明の良好な動作に対して必要でない。一般に、本発明の主要な目的は、そのような主光学系に対する必要を回避することである。
【００１２】
所望の白色光出力を達成するために、赤色チップ、緑色チップ及び青色チップの相対的な光出力に応じた所定の比の赤色チップ、緑色チップ及び青色チップを有する必要がある。この相対的なパフォーマンスは、ＬＥＤ技術が向上するに従って変化する傾向にある。好適な実施の形態に対して、図１ａに示すような６角形パターンの複数のＬＥＤ配置が良好な結果を生じる。一例における図示のための図１ａ及び１ｂを参照すると、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）及び青色（Ｂ）のＬＥＤチップ比を、約１：２：１、すなわち、Ｒ：Ｇ：Ｂ＝１：２：１に選択する。チップの全てが光軸（上の重心）からの同一平均半径距離を有するときに最適な結果が得られる。好適には、チップの全ては、光軸に対してできるだけ同一対称を有する。これらの状況の下では、青色チップの個数を赤色チップの個数に等しくするとともに緑色チップの個数を赤色チップの個数の２倍より多くするよう選択することによって、最適な結果が得られる。研究した実施例のうちの幾つかにおいて、チップの個数比Ｒ：Ｇ：Ｂをそれぞれ、（ａ）３：７：３及び（ｂ）４：９：４とする。図１ａ及び１ｂを参照すると、（ａ）のチップセットは、６倍（ｓｉｘ−ｆｏｌｄ）対称で配置され、（ｂ）のチップセットは、８倍（ｅｉｇｈｔ−ｆｏｌｄ）対称で配置される。各ケースにおいて、緑色チップの外側リングと、交互に配置された赤色チップ及び青色チップの内側リングとが存在する。中心の緑色チップは、緑色チップの平均半径距離を赤色チップ及び青色チップの平均半径距離に近づける役割を果たす。製造の際に互いに相違するサイズの緑色チップを使用できる場合、全てのチップの平均半径距離を、中心の緑色チップとして更に大きなものを用いることによって同一にすることができる。これは、好適であるが、十分なパフォーマンスに対して必須ではない。
【００１３】
図面を参照すると、図２は、本発明のレフレクタの光軸に平行にとった線形断面図である。図示したように、レフレクタ１に、多角形断面を有する少なくとも一部の周壁と、ファセット５０を具える少なくとも一部の周辺ボディとを設ける。レフレクタは、光を所望の分布でコリメートし、複数の赤色ＬＥＤチップ１０、緑色ＬＥＤチップ２０及び青色ＬＥＤチップ３０を有する各ＬＥＤパッケージ４０からの光を混合する。レフレクタの第１部分２は、ＬＥＤチップに対する充填物３／カプセル（ｅｎｃａｐｓｕｌａｎｔ）３’材料を含み、マルチチップＬＥＤパッケージ４０を形成する。上部４は、所望の場合にはエアが充填され、実際には、適切なコスト及び重量を考慮するとエアが好適である。図２，３，４ａ及び４ｂは、本発明の互いに相違する二つの実施の形態に対するパラメータｒ_０，ｉ，ｈ_ｉ及びθ_ｉを示す。これらパラメータを後に説明する。
【００１４】
レフレクタ１は、光軸（ｚ軸）の周りでｎ倍対称（典型的には、ｎ＝６又は８であるが、任意の整数）の中空管状構造である。反射管１及びＬＥＤアレイ４０を構成するチップセット１０，２０，３０が同一対称であるときに、最適な結果が得られる。レフレクタは、光軸に沿って高さｈを有する。入射孔５は、面ｚ＝０に存在し、出射孔６は、面ｚ＝−ｈにある。ｚ軸に垂直な任意の平面の断面は、ｚ軸を中心とした規則的な多角形、例えば、六角形又は八角形となる。簡単のために、ｙ軸に平行な多角形の一つのエッジを取り扱う。ｘ−ｚ面は、このエッジを二等分し、エッジの中間点のｘ座標に対する「高さｚの半径」と規定する。この半径は、多角形に記した円の半径でもある。上記規定によって、特定のレフレクタ形状が、多角形数ｎ及び関数ｒ（ｚ）によって規定され、ｚは、０と−ｈとの間の値を有する。レフレクタの主要かつ好適な形態において、ｒ（ｚ）は、不連続な線形曲線であり、すなわち、線形区分から構成された曲線である。この場合、レフレクタ本体は、図２，４ａ及び４ｂで参照番号５０を付した連続的な（平面）台形面から構成される。
【００１５】
本発明の特に好適な実施の形態で選択できる特定のパターンは、以下のものを含む。
ｒ（ｚ）が不連続な線形である場合において、関数は、（ｍ＋１）個の点（ｚ_ｉ，ｒ_ｉ）によって特定され、この場合、ｉ∈｛０，１，．．．．，ｍ｝である。面ｚ＝ｚ_ｉ−１及びｚ＝ｚ_ｉによって範囲が設定されたレフレクタ本体の一部である「ｉ番目のセグメント」の概念を導入する。したがって、セグメントは、高さｈ_ｉ＝（ｚ_ｉ＋１−ｚ_ｉ）を有し、多角形管を形成する非平行側部に沿って次々と結合されるｎ個の台形から構成される。各台形は、光軸に対して角度θ_ｉ＝ｔａｎ^−１（ｒ_ｉ＋１−ｒ_ｉ）／（ｚ_ｉ＋１−ｚ_ｉ）だけ傾斜する。したがって、レフレクタの表面は、入射孔半径ｒ_０及び２ｍ量（ｈ_ｉ，θ_ｉ）を特定することによって独自に特定される。
【００１６】
図２は、ラベルを付した上記パラメータ及びレフレクタ管を形成するために互いに結合した面を有するレフレクタの断面を示す。図３は、（全線束８０％で）２×２０°及び２×１０°ビームを発生する本発明のレフレクタの二つの特定例に対するｒ_０値及び（ｈ_ｉ，θ_ｉ）値を示す。図４ａ及び４ｂは、図３に示した二つの設計の断面を示し（図面は同一寸法で描かれていない。）、図５ａ及び５ｂは、図３，４ａ及び４ｂからレフレクタの遠視野パターンの擬似カラーイメージを示す。特定のスポットライト設計の各々を、任意の断面、例えば、六角形、八角形等とすることができ、各々を、適切な断面を有する図１からのいずれかのチップセットとともに用いることができる。
【００１７】
レフレクタを、ＬＥＤアレイ素子からの光の取出しを増大する透明誘電材料を所定の量だけ充填した中空管状構造とし、その誘電材料は、ＬＥＤアレイに対するカプセル化材料３’と同一であってもなくてもよい。好適には、そのような材料は、同一材料で構成され、界面における全反射を最小にするのに十分な高さまで下部２すなわちレフレクタのセグメントを充填する。所定の好適な実施の形態において、入射孔の半径にほぼ等しい高さで十分である。他の好適な実施の形態において、充填材料は、入射孔５の径の約２倍の高さまで下部を充填する。場合によっては、機械的な保護機能及び／又は光学的な拡散機能及び／又はビームステアリング機能に対する出射孔６に、カバープレート１６を設ける。レフレクタ構造は、レフレクタの本体内の誘電体／カプセル３，３’とエアとの間の界面を規定する表面８を有する。この界面８は、更に後に説明するような所定のパラメータを有する光学的な界面となる。
【００１８】
本発明の照明装置は、主光学系の利用が任意であって必須ではないので、個々のＬＥＤに近接した「主光学系」を任意に設けることなくＬＥＤチップのアレイの全２×９０°放出を許容する。第２の向上は、出力ビーム角を大きな角度範囲に亘って簡単に設計できることである。特に、本発明の一例において、８０％点で２×１０°の出力ビームが生じる。一方では、広大なビームが簡単に発生する。その理由は、本発明において初期の高角度の光を混合するために更に直進するからである。
【００１９】
既に説明したように、本発明のリフレクタは、カバープレート１６、好適には透明カバープレートを有する。そのようなプレートは、仕様の際に、主リフレクタに対して機械的な保護を行い、出射孔６も規定する。プレートを、プラスチックやガラスのような材料で形成することができ、例えば、平坦で透明かつ滑らかなプレートとしてもよく、また、所定の量の拡散を有し、すりガラス、プリズムガラス、波形ガラス等としてもよく、及び／又は、ステアリング又は屈折特性又はこれら特性の組合せを有してもよい。カバープレートの所定の特性は、照明装置の状態（ａｐｐｅａｒａｎｃｅ）に悪影響を及ぼし、全体に亘る光出力分布にある程度の悪影響を及ぼす。しかしながら、カバープレートは、本発明の原理に必須ではなく、レフレクタの設計を柔軟にし及び変更に寄与する。
【００２０】
既に説明したように、従来周知である複数の光学的理由及び製造上の理由に対して、ＬＥＤチップは、通常、誘電材料３を封じ込める。そのような材料は、ＬＥＤチップの屈折率にできるだけ近い高い屈折率を有してもよい。典型的には、そのような材料は、約１．５〜２又はそれ以上の屈折率を有する。特定の製品特性は、誘電体−エア界面すなわち表面８の選択によって設定され、この場合、カプセル化された誘電体が終了し、更に詳しくは光学的な界面となる。例えば、ある誘電材料がチップを物理的に内部に封じ込めるために使用されるとともに、封じ込められたものに対して屈折率整合した第２の材料が存在することを考察してもよく、この場合、物理的な界面が存在するが、光学的な界面が生じる必要はない。それは、本発明のリフレクタの特性に悪影響を及ぼす誘電体−エアインタフェースであり、本発明の設計に重要である。本発明によって使用される好適な面の設計において、誘電体−エア界面は、二つのセグメントを切り離す面に生じる。この界面における屈折が原因で、エア側のセグメントに対する角度θは、典型的には連続的なセグメントに対して角度が減少するとしても、一般に前の角度より著しく大きい。セグメントの角度の調整は、屈折を補償する。全体としてレフレクタの構造設計を集束し又はコリメートする傾向が高い。
【００２１】
本発明の好適な実施の形態において、大抵の場合、光の全てが入射しない場合、誘電体−エア界面は、全反射を回避するために十分垂直に入射する。好適な実施の形態において、これは、誘電体−エア界面の高さが入射孔５の径の約２倍であう構造によって達成される。好適には、誘電体−エア界面８は、最適な混合に対する弱い拡散効果に関連した表面粗さを有する。
本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】１ａは、６倍対称（ｓｉｘ−ｆｏｌｄ）の赤色、緑色及び青色のＬＥＤのアレイの線形図であり、１ｂは、８倍対称（ｅｉｇｈｔ−ｆｏｌｄ）の赤色、緑色及び青色のＬＥＤのアレイの線形図である。
【図２】本発明のレフレクタの光軸に平行にとった線形断面図である。
【図３】本発明の互いに相違する二つのスポットライト例のパラメータを示す。
【図４】４ａは、図３の実施例１に表すパラメータを示すレフレクタの断面図であり、４ｂは、図３の実施例２に表すパラメータを示すレフレクタの断面図である。
【図５】図３の各実施例に対する遠視野パターンの擬似カラーイメージを示す。

Claims (9)

1. 複数の色の各々を発光する複数の色の各々において少なくとも１個のＬＥＤを具える発光ダイオード（ＬＥＤ）素子のアレイと、
   入射孔と、出射孔と、これらの孔の間に延在する反射周壁を有するレフレクタ本体部と、前記孔の間で前記壁の中心に延在する光軸とを有するレフレクタ管とを具え、
   ＬＥＤ素子のアレイを前記入射孔に配置し、前記レフレクタ本体の周壁を、前記ＬＥＤ素子のアレイからの光を反射し及び混合するよう配置した光源において、
   前記レフレクタ本体の周壁の少なくとも一部が、光軸に垂直にとった多角形断面を有し、前記光軸に平行にとった断面の少なくとも一部が、前記ＬＥＤ素子からの光を前記出射孔に反射するよう複数の面を形成するために順次結合した曲線のセグメントを有することを特徴とする光源。
2. 前記レフレクタ本体の周辺部の少なくとも一部が、連続的な線形の台形面を有することを特徴とする請求項１記載の光源。
3. 前記光軸に垂直にとったリフレクタ本体の前記断面が、六角形又は八角形断面であることを特徴とする請求項１記載の光源。
4. 前記周壁が、前記入射孔から前記出射孔まで広がることを特徴とする請求項１記載の光源。
5. 各色のＬＥＤ素子が、前記光軸に重心を有する色分布を規定することを特徴とする請求項１記載の光源。
6. 出射孔を具える管状レフレクタの入射孔に設けられた発光ダイオードチップ（ＬＥＤチップ）のアレイを具え、レフレクタ本体部が、前記孔の間で中央に延在する反射周壁を有し、光軸が、前記孔の間で前記壁の中央に延在し、前記周壁を、前記ＬＥＤチップのアレイからの光を反射し及び混合するよう配置した光源において、
   前記レフレクタ本体の周壁の少なくとも一部が、光軸に垂直にとった多角形断面を有し、前記光軸に平行にとった断面の少なくとも一部が、前記ＬＥＤチップからの光を前記出射孔に反射するよう複数の連続的で平坦な面を形成するために順次結合した曲線のセグメントを有することを特徴とする光源。
7. 前記入射孔が、前記孔の間に延在する前記面を有する前記周壁によって反射され及び混合した後に光が出射する前記出射孔に対向することを特徴とする請求項６記載の光源。
8. 前記光の混合が、前記光軸を中心とした各色のＬＥＤチップの分布を有する複数の小型のＬＥＤチップを利用することによって促進されることを特徴とする請求項７記載の光源。
9. 前記断面が、六角形又は八角形断面であることを特徴とする請求項６記載の光源。

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