JP2009512127A - Light emitting diode lighting device - Google Patents

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    • F21Y2115/10Light-emitting diodes [LED]

Abstract

LED lighting device comprises an optical system (3) with at least two lenses, the first of which is an aspherical lens (5) and a second concave lens (6) arranged between the first lens and the LED (2). The inner and outer radii of curvature of the second lens conform to a logarithmic espression.

Description

本発明は、照明の分野に幅広く関わるものであり、特に、独特な特性に応える照明、とりわけ一様な照度を生み出すことに適した照明に関するものであって、発光ダイオード照明装置ならびにそのような発光ダイオード照明装置を少なくとも二つ含んだ照明機器を対象としている。   The present invention relates widely to the field of lighting, and more particularly to lighting that responds to unique characteristics, particularly lighting that is suitable for producing uniform illuminance, comprising a light emitting diode lighting device and such light emission. The lighting equipment includes at least two diode lighting devices.

ある分野または応用によっては、たとえば照明すべき区域における照明の強度や一様性といった点で、一定の技術的な仕様、さらには正規の仕様に応える照明を利用することが必要となることがある。   Depending on the field or application, it may be necessary to use lighting that meets certain technical specifications or even regular specifications, for example in terms of intensity and uniformity of illumination in the area to be illuminated. .

このことは、とりわけ、たとえば歯科の分野に該当する。実際、この分野で利用される操作性の高い照明機器は、フランス規格NF、欧州規格ENおよび国際規格ISO9680の評価基準を満たし、要件に応える必要がある。   This applies in particular to the field of dentistry, for example. In fact, a lighting device with high operability used in this field must satisfy the evaluation standards of the French standard NF, the European standard EN, and the international standard ISO 9680 and meet the requirements.

前述したタイプの機器は、操作性の高い歯科用ランプあるいは無影灯のシアリティック(scialytique登録名)とも呼ばれ、現在では市販されているものであり、一般的には、光源としてハロゲン電球または白熱電球を具備し、このハロゲン電球または白熱電球は、反射面(反射板)および正面の保護窓に結合され、全体が関節式に軸支回動自在の支持アームの端部につり下げられ、停止位置で正確にロックされる。   The above-mentioned type of device is also called a dental lamp or a surgical light sialic (scientificique registered name) with high operability, and is currently commercially available. Generally, a halogen bulb or a light source is used as a light source. An incandescent lamp is provided, and the halogen lamp or the incandescent lamp is coupled to a reflective surface (reflector) and a protective window on the front, and is suspended from the end of a support arm that is pivotally pivotable in its entirety, It is locked exactly at the stop position.

しかし、これら既存の機器は比較的重く、あまり小型ではなく(支持アームの土台または付け根に電源装置が必要)、そして照明すべき標的区域において良好な一様性を備えた照度を提供するものではない。   However, these existing devices are relatively heavy, not very small (requires a power supply at the base or base of the support arm), and do not provide illuminance with good uniformity in the target area to be illuminated. Absent.

その上、用いられる光源の性質自体のために、これら既知の照明機器は大量の熱を発し(患者にも医者にも不快)、しかも、電球を変えるためにしばしば煩わされる必要がある(50時間〜最大2000時間が限界寿命)。   Moreover, due to the nature of the light source used, these known lighting devices generate a lot of heat (uncomfortable for both patient and doctor) and often need to be bothered to change the bulb (50 hours) ~ Up to 2000 hours limit life).

他方、発光ダイオード(以下、仏語のDEL、すなわち英語のLEDで表す)による照明装置が知られている。これらの発光ダイオードは、長い寿命を有し、電力消費量が少なく、過剰な熱を生じさせない。   On the other hand, a lighting device using a light emitting diode (hereinafter referred to as French DEL, that is, an English LED) is known. These light emitting diodes have a long lifetime, low power consumption and do not generate excessive heat.

特に、近年では、光度という点で次第に性能が良くなり、強力になってきている白色LEDがあり、この白色LEDは、白熱電球またはハロゲン電球に取って代わることのできるものである。   In particular, in recent years, there has been a white LED that has become increasingly powerful and powerful in terms of luminous intensity, and this white LED can replace incandescent or halogen bulbs.

しかし、これらのLEDに、LEDによって光放射される光束を集め、その光束を照明すべき表面の部位に導くことを可能にする装置またはシステムを結び付ける必要がある。   However, these LEDs need to be associated with an apparatus or system that allows the light flux emitted by the LEDs to be collected and directed to the surface area to be illuminated.

これらの装置は、以下の三つの評価基準が満たされればそれだけ有効となるものであり、それら基準とは、
−集められる光束が可能な限り多いこと(最良の効率)、
−照度が一様であること、
−照明される区域が、照明しようと望む対象に適合化されること、
である。
These devices are only effective if the following three evaluation criteria are satisfied.
-As much light flux as possible is collected (best efficiency),
-Uniform illumination
-The illuminated area is adapted to the object desired to be illuminated,
It is.

LEDの光束を最大限に集めることを可能にする既存の装置は、LEDに対して配置される光学要素であり、コリメータと呼ばれている。   An existing device that enables the maximum collection of the luminous flux of the LED is an optical element that is placed relative to the LED and is called a collimator.

しかし、それらコリメータは、一様性という点で非常に悪く、所定の区域に対する正しい照明を行うことを可能にするものではない。   However, these collimators are very bad in terms of uniformity and do not allow correct illumination of a given area.

実際、それらコリメータは、±5°の軸では強い照明を与えるが、±30°まで、照明は消えることなく規則的に減少する。   In fact, these collimators give strong illumination on the ± 5 ° axis, but the illumination decreases regularly without going off until ± 30 °.

本発明は、より特徴的にはランバート法則の光放射パターンを有するLEDに関するものである。完全なランバート法則の光放射について、光放射パターンは、
I=I0 *cos(θ)、
というI(θ)の変化で表され、ここで、I0は、LEDの光束の光放射軸の方向における光度であり、単位は、カンデラ、または、ワット/ステラジアンであり、Iは、軸に対して角度θをなす方向における光度である。
The present invention more particularly relates to an LED having a Lambert Law light emission pattern. For full Lambertian law radiation, the light radiation pattern is
I = I 0 * cos (θ),
Where I 0 is the luminous intensity in the direction of the light emission axis of the luminous flux of the LED, the unit is candela or watts / steradian, and I is on the axis It is the luminous intensity in a direction that forms an angle θ with respect to the angle.

Luxeon IIIという名称で知られているような、市販されているいくつかのLEDは、構造的に、変化が上記の式に非常に類似したパターンを有している。   Some commercially available LEDs, such as those known under the name Luxeon III, structurally have a pattern whose variation is very similar to the above formula.

この放射光は、LED前方の半空間をすべてカバーし、その総立体角Ω=2πステラジアン(約6.28ステラジアン)となる。   This emitted light covers the entire half space in front of the LED, and has a total solid angle Ω = 2π steradians (approximately 6.28 steradians).

離れたスクリーン(20cm〜数メートル)に照射しようとしている対象にこの光線を投射するためには、一つまたは複数のレンズ、および/または、一つの鏡、または複数の鏡、あるいは反射装置からなる光学装置を用意することが必要である。   In order to project this light beam onto an object about to illuminate a remote screen (20 cm to several meters), it consists of one or more lenses and / or one mirror, or a plurality of mirrors, or a reflector. It is necessary to prepare an optical device.

レンズ付の装置は、LEDの光放射面の非常に鮮明な像を形成するという点で好適であり、このことは、一様で画定され、有効区域に局限された照明を得るために非常に有利である。   The lensed device is preferred in that it produces a very sharp image of the light emitting surface of the LED, which is very uniform to obtain illumination that is uniformly defined and localized to the effective area. It is advantageous.

しかし、複数のレンズを利用することは繊細な問題となることがあり、複雑でコストのかかる構造につながる可能性がある。   However, using multiple lenses can be a delicate problem and can lead to complex and costly structures.

反射を用いた照明装置、または、Luxeon社のコリメータ(Luxeon collimator)のような屈折と反射の組み合わせを用いた照明装置は、一様な照明を生み出さない。   Lighting devices that use reflection, or lighting devices that use a combination of refraction and reflection, such as the Luxeon collimator, do not produce uniform illumination.

既知の簡単な解決法は、LEDと単一のレンズを用いることである。スクリーンにおいて光放射区域の鮮明な像を得て、最大の光束を集めるためには、レンズが少なくとも一つの非球面を有することが望ましい。   A known simple solution is to use an LED and a single lens. In order to obtain a clear image of the light emitting area on the screen and collect the maximum luminous flux, it is desirable that the lens has at least one aspherical surface.

好ましくは、このようなレンズはLEDと向き合った平らな第一の面と、円錐の頂点を備えた非球面の第二の面を有しており、たとえば、その円錐の曲率半径はR=9mmであり、漸減のパラメータはk=−0.6である。   Preferably, such a lens has a flat first surface facing the LED and an aspherical second surface with a conical apex, for example, the radius of curvature of the cone is R = 9 mm. And the gradual reduction parameter is k = −0.6.

円錐の頂点の方程式は知られているように、以下のように記述される。   As is known, the cone vertex equation is described as follows:

Figure 2009512127
Figure 2009512127

60ルーメンのLuxeonIIIタイプの白色LEDについては、前記で定義した非球面レンズで、700mm離れたスクリーンに集められる光束の合計は20ルーメンであり、したがって、エネルギーの効率は33%である(レンズによって集められ、屈折させられる光束の合計FLと、LEDによって光放射される光束の合計FOとの比FL/FO)。 For a 60 lumen Luxeon III type white LED, with the aspheric lens defined above, the total luminous flux collected on a screen 700 mm away is 20 lumens, thus the energy efficiency is 33% (collected by the lens). Ratio F L / F O ) of the total light flux F L that is refracted and refracted and the total light flux F O emitted by the LED.

この低い効率は、LEDから出る光線の一部しかレンズによって集められないことに起因している。立体角という点では、市場にある最良のレンズでも、集められる立体角はLEDの立体角の4分の1しかない。   This low efficiency is due to the fact that only a portion of the light rays exiting the LED are collected by the lens. In terms of solid angle, even the best lenses on the market can collect only a quarter of the solid angle of LEDs.

このように、本発明に課される主要な問題は、前述した既知の解決法(LED+非球面レンズ)の効率を大幅に改善することを可能にし、上述した三つの評価基準、すなわち、集光光束ができるだけ多いこと、照度が一様であること、かつ、照射区域が所望の対象に適合すること、の基準にうまく応える発光ダイオード照明装置を提供することを可能にするような簡単な解決法を提供することからなる。   Thus, the main problem imposed on the present invention makes it possible to greatly improve the efficiency of the above-mentioned known solution (LED + aspheric lens), and the three criteria mentioned above, namely the light collection. A simple solution that makes it possible to provide a light-emitting diode illuminator that meets the criteria of having as much luminous flux as possible, the illumination intensity is uniform and that the illuminated area is suitable for the desired object To provide.

そのため、本発明が対象とするのは、発光ダイオード照明装置であり、発光ダイオードすなわちLEDを含み、該LEDが、前記LEDによって光放射される光束の大部分を集めるように適し、かつ、照度という点でほぼ一様な照明スポットを離れたところから作り出すように適した光学システム(3)に結合されている装置であって、
前記光学システムが、一方では照明を投射する光学手段を含み、そして他方では、LEDと前記照明を投射する光学手段の間に配置されたレンズを含み、前記レンズが、LEDに向けられている、曲率半径R1の凹形球面状の入射面と、曲率半径R2の凸形球面状の射出面を有し、R2>R1であり、前記レンズの対称軸を基準にして見て、入射面が、LEDの光放射区域または光放射領域の近傍に位置する湾曲の曲率半径の中心点を有するとともに、屈折率nの透明材料からなる最大の厚みeが前記レンズを形成しており、関係式e=R2x(1+1/n)−R1をほぼ満たすことを特徴とする、発光ダイオード照明装置である。
Therefore, the present invention is directed to a light-emitting diode illuminating device, which includes a light-emitting diode, that is, an LED, which is suitable for collecting most of the light beam emitted by the LED, and is referred to as illuminance. A device coupled to an optical system (3) suitable for creating a substantially uniform illumination spot at a point from a distance,
The optical system comprises on the one hand optical means for projecting illumination, and on the other hand comprises a lens arranged between an LED and optical means for projecting illumination, the lens being directed to the LED; It has a concave spherical entrance surface with a radius of curvature R1 and a convex spherical exit surface with a radius of curvature R2, R2> R1, and the entrance surface is viewed from the axis of symmetry of the lens, The center of the curvature radius of curvature located in the vicinity of the light emission area or the light emission area of the LED, and the maximum thickness e made of a transparent material having a refractive index n forms the lens, and the relation e = The light-emitting diode illuminating device is characterized by substantially satisfying R2x (1 + 1 / n) -R1.

本発明の好ましい変形実施例および/または本発明の好適な追加の特徴に関連し、本発明に係る装置はさらに、以下の各特徴を個別にまたは累積して備えることができ、それら各特徴とは、   In connection with a preferred variant embodiment of the invention and / or a preferred additional feature of the invention, the device according to the invention can further comprise the following features individually or cumulatively, Is

照明を投射する光学手段が少なくとも一つの非球面レンズを含むこと、   The optical means for projecting illumination comprises at least one aspheric lens;

レンズの入射面の表面が、LEDの射出面のほぼ球面の形状をした外面の曲率半径に等しいか、または、わずかに上回る曲率半径R1を有すること、   The surface of the entrance surface of the lens has a radius of curvature R1 equal to or slightly greater than the radius of curvature of the substantially spherical outer surface of the exit surface of the LED;

レンズがその入射面により、透明な接着剤の層を介してLEDの射出面の外面に結合されること、   The lens is bonded by its entrance surface to the outer surface of the exit surface of the LED via a layer of transparent adhesive;

レンズの射出面の表面が、半球面より大きなサイズの球面部分に対応すること、   The surface of the exit surface of the lens corresponds to a spherical portion of a size larger than the hemisphere,

非球面レンズが円錐頂点のある少なくとも一つの面を有すること、   The aspheric lens has at least one surface with a conical vertex;

非球面レンズが、一方では、LEDに向けられ、表面が平らまたは非常に大きな曲率半径、特にR2に対して非常に大きな曲率半径の球面によって支持されている入射面を有し、他方では、入射面に相対し、表面が非球面である射出面を有すること、   An aspheric lens has on one hand an entrance surface that is directed to the LED and whose surface is supported by a spherical surface with a flat or very large radius of curvature, in particular a very large radius of curvature for R2. Having an exit surface opposite the surface and the surface being aspheric;

非球面レンズが光学軸の回りで回転対称であること、   The aspheric lens is rotationally symmetric about the optical axis;

非球面レンズが双円錐面のある入射面または射出面を有すること、   The aspheric lens has an entrance or exit surface with a biconic surface;

非球面レンズが、表面が円環面または円筒面の一部に対応する入射面または射出面を有すること、   The aspherical lens has an entrance or exit surface whose surface corresponds to a portion of an annular or cylindrical surface;

照明を投射する光学手段が、ズーム効果のある調節可能な光学サブ・システムを含むこと、   The optical means for projecting the illumination includes a zoomable adjustable optical subsystem;

照明を投射する光学手段が、集められた光束を光導波路へと再集光するための光学手段を含むこと、   The optical means for projecting illumination includes optical means for refocusing the collected light flux into the optical waveguide;

再集光用の光学手段が、レンズの光学軸あるいは対称軸に直角な平面に対して対称に配置された二つの非球面レンズを含むこと、
である。
The refocusing optical means comprises two aspheric lenses arranged symmetrically with respect to the optical axis of the lens or a plane perpendicular to the symmetry axis;
It is.

また、本発明は、投射影のない照明を提供する操作性の高い歯科用照明機器にも関するものであり、該機器は、上述した二つの発光ダイオード照明装置を含み、該二つの発光ダイオード照明装置が並べて取り付けられ、該二つの発光ダイオード照明装置の光束それぞれが照明すべき区域の部位で一体となるように方向付けられることを特徴としている。   The present invention also relates to a dental illuminating device with high operability that provides illumination without projection shadow, and the device includes the two light emitting diode illumination devices described above, and the two light emitting diode illuminations. The devices are mounted side by side and are characterized in that each of the luminous fluxes of the two light emitting diode illuminating devices is directed so as to be united at the area to be illuminated.

さらに、本発明は、投射影のない照明を提供する操作性の高い外科用照明機器にも関するものであり、該機器は、上述した少なくとも二つの発光ダイオード照明装置を含み、該二つの発光ダイオード照明装置が並べて取り付けられ、該二つの発光ダイオード照明装置の光束それぞれが照明すべき区域の部位で一体となるように方向付けられることを特徴としている。   Furthermore, the present invention also relates to a highly operable surgical illumination device that provides illumination without projection shadows, the device comprising at least two light emitting diode illuminators as described above, wherein the two light emitting diodes. The illuminating devices are mounted side by side, and each light flux of the two light emitting diode illuminating devices is directed so as to be integrated at a portion of an area to be illuminated.

好ましくは、前述した機器のそれぞれを形成する複数の発光ダイオード照明装置は、たとえば関節式に軸支回動自在の支持アームの端部に固定された保護用の単一のカバーまたはケースの中にまとめて取り付けられる。   Preferably, the plurality of light-emitting diode illuminating devices forming each of the above-described devices are, for example, in a single protective cover or case fixed to the end of a support arm that is pivotally supported pivotally. Can be installed together.

本発明は、非制限的な例として示し、添付の概略的な図面とともに説明される好ましい実施態様に関する以下の説明によってより良く理解されるものであり、各図面において、
−図1A、図1Bは、本発明の二つの変形実施例による発光ダイオード照明装置の概略図であり、
−図2は、図1の発光ダイオード照明装置の一部をなす球面の入射面と射出面とを備えたレンズを、図1とは異なった尺度で示す断面図であり、
−図3、図4は、単一の非球面レンズに結合されたLED(図3)または本発明に係る光学システムに結合されたLED(図4)によって与えられる照度の分布を表す、投射スクリーンの像を示す図(ルクス単位で階調表示)であり、
−図5は、双円錐形の非球面レンズを備えた本発明に係る発光ダイオード照明装置によって与えられる照度を示す、図3、4と同様な図であり、
−図6A、図6Bは、再集光手段を組み込んだ、本発明の別の二つの変形実施例による発光ダイオード照明装置の概略図であり(図6Bは、図1Bに示したものとは異なる光学手段5を有す)、そして、
−図7は、本発明に係る二つの発光ダイオード照明装置を含んだ照明機器の概略図であり、その二つの発光ダイオード照明装置が、関節式に軸支回動自在の支持アームに担持されたケースの中に取り付けられているものでる。
The invention will be better understood by the following description of preferred embodiments, given by way of non-limiting example and described in conjunction with the accompanying schematic drawings, in which:
1A and 1B are schematic views of a light-emitting diode illuminating device according to two alternative embodiments of the present invention;
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a lens having a spherical entrance surface and an exit surface forming a part of the light-emitting diode illuminating device of FIG. 1 on a scale different from FIG.
FIGS. 3 and 4 are projection screens showing the distribution of illuminance provided by an LED coupled to a single aspheric lens (FIG. 3) or an LED coupled to an optical system according to the invention (FIG. 4). Is a diagram (gradation display in lux units) showing the image of
FIG. 5 is a view similar to FIGS. 3 and 4, showing the illuminance provided by the light-emitting diode illuminating device according to the invention with a biconical aspheric lens;
6A and 6B are schematic views of a light-emitting diode illuminating device according to two alternative embodiments of the present invention incorporating re-condensing means (FIG. 6B is different from that shown in FIG. 1B) With optical means 5), and
FIG. 7 is a schematic view of a lighting apparatus including two light-emitting diode illuminating devices according to the present invention, and the two light-emitting diode illuminating devices are supported on a support arm that is pivotally pivotable in an articulated manner. It is attached in the case.

添付図面の図1、図6が示すように、発光ダイオード照明装置1は、発光ダイオードLED2を含み、そのLEDは、そのLEDによって光放射される光束の大部分を集めるように適し、かつ、照度という点でほぼ一様な照明スポット7を離れたところから生み出すように適した光学システム3に結合されている。   As shown in FIGS. 1 and 6 of the accompanying drawings, the light-emitting diode illuminating device 1 includes a light-emitting diode LED2, which is suitable for collecting most of the light beam emitted by the LED and has an illuminance. In that respect, it is coupled to an optical system 3 suitable for producing a substantially uniform illumination spot 7 from a distance.

本発明によると、光学システム3が、一方では照明を投射する光学手段5を含み、そして他方では、LED2と前記照明を投射する光学手段5の間に配置されたレンズ6を含み、前記レンズ6が、LED2に向けられている、曲率半径R1の凹形球面状の入射面6’と、曲率半径R2の凸形球面状の射出面6’’を有し、R2>R1であり、前記レンズ6の対称軸Xを基準にして見て、入射面6’が、LED2の光放射区域または光放射領域2’の近傍に位置する湾曲の曲率半径の中心点を有するとともに、屈折率nの透明材料からなる最大の厚みeが前記レンズ6を形成しており、関係式e=R2x(1+1/n)−R1をほぼ満たしている。   According to the invention, the optical system 3 comprises on the one hand optical means 5 for projecting illumination and on the other hand comprises a lens 6 arranged between the LED 2 and the optical means 5 for projecting said illumination, said lens 6 Has a concave spherical entrance surface 6 ′ with a radius of curvature R 1 and a convex spherical exit surface 6 ″ with a radius of curvature R 2, and R 2> R 1. 6, the incident surface 6 ′ has a center point of a curvature radius of curvature located in the vicinity of the light emitting area of the LED 2 or in the vicinity of the light emitting region 2 ′, and is transparent with a refractive index n. The maximum thickness e made of a material forms the lens 6 and substantially satisfies the relational expression e = R2x (1 + 1 / n) −R1.

このように、本発明の基本原理は、LED2と投射の光学手段5の間に、効率の改善を可能にするガラス製または透明なプラスチック材料製(ポリカーボネートまたはアクリルなど)の光学要素であるレンズ6を介在させることからなる。   Thus, the basic principle of the present invention is that the lens 6 is an optical element made of glass or a transparent plastic material (such as polycarbonate or acrylic) that enables an improvement in efficiency between the LED 2 and the projection optical means 5. It consists of interposing.

投射の光学手段5は、好適には、少なくとも一つの非球面レンズ8(図1A)または両面凸レンズ(図1B)から構成される、またはこれらを含んでいる。   The projection optical means 5 preferably comprises or includes at least one aspherical lens 8 (FIG. 1A) or a double convex lens (FIG. 1B).

光学要素6は、好ましくはレンズであり、そのレンズの入射面6’は凹形球面である。そのレンズは、曲率半径R1を有し、LEDの射出面4の曲率半径に近い。そのレンズは、好ましくはLED2の表面に対して密接に配置される。この入射面6’は、好ましい実施態様では、LED2と接触するように配置するため、ほぼ半球となっている。   The optical element 6 is preferably a lens, and the entrance surface 6 'of the lens is a concave spherical surface. The lens has a radius of curvature R1 and is close to the radius of curvature of the exit surface 4 of the LED. The lens is preferably placed in close proximity to the surface of the LED 2. In the preferred embodiment, the entrance surface 6 ′ is substantially hemispherical because it is placed in contact with the LED 2.

また、好ましくは、このレンズ6の射出面6’’も球状であり、その表面は好ましくは半球より大きい(超半球とでも呼べるものである)。   Preferably, the exit surface 6 ″ of the lens 6 is also spherical, and its surface is preferably larger than a hemisphere (also called a super hemisphere).

このレンズ6は、LEDから出るより大きな立体角を集光することを目的としている。実際には、この立体角が、2.5と3の間に含まれる係数で倍増され、集光される光束が、およそ2の係数で倍増されるように、このレンズを選択することになる。   This lens 6 is intended to collect a larger solid angle coming out of the LED. In practice, this lens will be selected so that this solid angle is doubled by a factor comprised between 2.5 and 3, and the collected light beam is doubled by a factor of approximately 2. .

ランバート法則に従わないパターンを有するLEDは、本発明との関係において、コリメーション効率の全体的な向上を受けるのだが、それは、発光ダイオード照明装置1が、LEDからより大きな立体角を集めるからである。   LEDs with patterns that do not follow Lambert's law will receive an overall improvement in collimation efficiency in the context of the present invention, because the light-emitting diode illuminator 1 collects a larger solid angle from the LEDs. .

レンズ6は、半径R1の球状の入射面6’と、半径R2の球状の射出面とを有する。二つの面の各頂点は、eだけ離れており、そのeは、レンズ6の光学軸あるいは対称軸における厚みである。   The lens 6 has a spherical incident surface 6 'having a radius R1 and a spherical exit surface having a radius R2. The vertices of the two surfaces are separated by e, which is the thickness of the lens 6 at the optical axis or symmetry axis.

このレンズ6は屈折率nの材料で作られ、好適には、曲率半径R1の第一の面、入射面6’は、LED2の光放射領域または光放射区域2’の面に非常に近い湾曲の曲率半径の中心点を有している。   This lens 6 is made of a material with a refractive index n, preferably the first surface of the radius of curvature R1, the entrance surface 6 'is curved very close to the light emitting area of the LED 2 or the surface of the light emitting area 2'. The center point of the radius of curvature.

好ましい実施態様では、半径R1は、LEDの射出面2’の曲率半径とほとんど同じであり、これら二つの面2’、6’は、透明な接着剤4’で接着して一体とすることができる。その利点は、LEDにレンズ6を固定するということであり、この固定によって、完全かつ取り外しのできない位置決定と、照明効率を向上させることが可能となるのだが、なぜなら、この接着によって、LEDとレンズ6に向き合った面4、6’で反射によって失われる照明の大部分をなくすことになるからである。   In a preferred embodiment, the radius R1 is almost the same as the radius of curvature of the LED exit surface 2 'and these two surfaces 2', 6 'can be bonded together with a transparent adhesive 4' to be united. it can. The advantage is that the lens 6 is fixed to the LED, and this fixing makes it possible to determine a complete and non-removable position and to improve the lighting efficiency, because of this adhesion, This is because most of the illumination lost by reflection at the surfaces 4, 6 'facing the lens 6 is eliminated.

接着剤は、好ましくは透明樹脂のタイプであり、好適には、LEDの屈折率の値とレンズ6の屈折率の値との間に含まれる屈折率を有している。   The adhesive is preferably of a transparent resin type, and preferably has a refractive index included between the refractive index value of the LED and the refractive index value of the lens 6.

たとえば、EPOTECNY社によるE501という名称で知られている、屈折率1.53の透明樹脂の接着剤を用いることができる。   For example, a transparent resin adhesive having a refractive index of 1.53 known by the name E501 by EPOTECNY may be used.

第二の面である射出面6’’は球面の、屈折率の異なる二つの均質な透明媒体を隔てる面、を形成する曲率半径R2を有し、この屈折率の異なる二つの均質な透明媒体を隔てる面は、ヤングの点の無収差の共役結合を用いて屈折を行う。   The second surface, exit surface 6 '', has a radius of curvature R2 that forms a spherical surface separating two homogeneous transparent media having different refractive indices, and the two homogeneous transparent media having different refractive indexes. The surface separating the two is refracted by using a non-aberration conjugate coupling of Young's point.

この共役結合は、
e+R1=R2*(1+1/n)
したがって、この式から、
e=R2*(1+1/n)−R1、
というR1、R2、eおよびnの間の関係式について生じるものである。
This conjugate bond is
e + R1 = R2 * (1 + 1 / n)
Therefore, from this equation:
e = R2 * (1 + 1 / n) −R1,
This occurs for the relational expression between R1, R2, e and n.

曲率半径R2は、決定されておらず、装置の占めるスペース、機械的かつ光学的な実施態様およびコストといった理由に応じて選択されるものである。   The radius of curvature R2 is not determined and is selected for reasons such as space occupied by the device, mechanical and optical implementation and cost.

好ましくは、LEDの射出面4の半径に等しい半径R1が選択されることになり、このときレンズ6の入射面6’はLEDに接着されており、また、LED2と、たとえば非球面レンズ8の形状をした投射の光学手段5との間で利用可能なスペースを考慮して、超半球状の前記レンズ6の使用を可能にする半径R2が選択されることになる。   Preferably, a radius R1 equal to the radius of the exit surface 4 of the LED will be selected, at which time the entrance surface 6 'of the lens 6 is glued to the LED, and the LED 2 and, for example, the aspheric lens 8 In view of the space available between the shaped projection optical means 5, a radius R 2 is selected that allows the use of the super-hemispherical lens 6.

実施例:
−非球面レンズ8が、焦点距離28mmを有し、屈折率が1.5に近い透明材料(BK7ガラスまたはB270ガラス、アクリルなど)で作成される。
−超半球レンズ6が、n=1.585、R1=3mm、R2=6mmおよびe=6.8mmのポリカーボネート製である。
−レンズ6、8二つ全体の焦点距離が、18mmである。
Example:
The aspherical lens 8 is made of a transparent material (BK7 glass or B270 glass, acrylic, etc.) with a focal length of 28 mm and a refractive index close to 1.5.
The super-hemispherical lens 6 is made of polycarbonate with n = 1.585, R1 = 3 mm, R2 = 6 mm and e = 6.8 mm.
-The focal length of the entire two lenses 6 and 8 is 18 mm.

スクリーンへの投射によって得られた光度の測定結果の客観的な比較については、レンズ6と焦点距離が28mmの非球面レンズ8を、焦点距離が単独で18mmの非球面レンズ単体に対して比較することは、得られる像が同じ寸法であるため、可能である。   Regarding the objective comparison of the luminous intensity measurement results obtained by projection on the screen, the lens 6 and the aspherical lens 8 having a focal length of 28 mm are compared with a single aspherical lens having a focal length of 18 mm alone. This is possible because the resulting image is the same size.

これら両方のシミュレーションの結果は、超半球レンズ6の介在によって、照明装置から一定距離に配置されたスクリーンにおける像の寸法という点で同様な結果について、倍の測光効率が与えられることを示している(図3と図4との比較)。   The results of both these simulations show that the presence of the super-hemispherical lens 6 provides double photometric efficiency for similar results in terms of image size on a screen placed at a fixed distance from the illuminating device. (Comparison between FIG. 3 and FIG. 4).

図3については、
−10cm2の中心部での平均=6200ルクス、
−像に組み込まれた光束の合計=20ルーメン、
であり、図4については、
−10cm2の中心部での平均=12000ルクス、
−像に組み込まれた光束の合計=40ルーメン、
である。
For FIG.
Average at the center of −10 cm 2 = 6200 lux,
-Total luminous flux incorporated into the image = 20 lumens,
And for FIG.
Average at the center of −10 cm 2 = 12000 lux,
-Total luminous flux incorporated in the image = 40 lumens,
It is.

いくつかの特定の場合には、ある一つの方向にのみ延長された照明が必要となることがある。たとえば、それは歯科医業の分野における無影灯のシアリティックの場合に当てはまる。   In some specific cases, extended illumination in only one direction may be required. For example, this is the case for surgical light sialicics in the field of dentistry.

非球面レンズ8のために適合された特殊な形状を選択することで、超半球レンズ6を変更することなく、このような効果を得ることが可能である。このとき、非球面レンズは回転対称ではなくなる。   By selecting a special shape adapted for the aspherical lens 8, it is possible to obtain such an effect without changing the super hemispherical lens 6. At this time, the aspherical lens is not rotationally symmetric.

このタイプの照明を実現することが可能となるのは、レンズ8の様々な形状であるので、たとえば、円環面または双円錐状の面とすることができる。   It is possible to realize this type of illumination because of the various shapes of the lens 8, and for example, it can be an annular surface or a biconical surface.

好ましくは、入射面8’は平らまたは微かに球面であり、射出面8’’は非球面であり、その非球面は、スクリーン上の照明の二つの延長方向に対応する二つの直角な平面において異なっている二つの非球面の頂点を伴う。   Preferably, the entrance surface 8 ′ is flat or slightly spherical and the exit surface 8 ″ is aspheric, which is in two perpendicular planes corresponding to the two extended directions of illumination on the screen. With two different aspherical vertices.

このような表面の一つの実施例は双円錐面であり、その双円錐面の二つの直角な頂点はそれぞれ、曲率半径Rと漸減の性質kによってパラメータ化される。   One example of such a surface is a biconic surface, and the two perpendicular vertices of the biconic surface are each parameterized by a radius of curvature R and a decreasing property k.

好ましい、ある一つの実施態様では、レンズ8は、1.5に近い屈折率をした材料の、ガラスまたはプラスチックで作られる。   In one preferred embodiment, the lens 8 is made of glass or plastic of a material with a refractive index close to 1.5.

LEDに向き合った面8’は平らである。   The face 8 'facing the LED is flat.

射出面8’’が、
Yに沿って、Ry=13mm、ky=−0.6、
Xに沿って、Rx=15.5mm、kx=−0.4、
という二つの円錐頂点を特徴としている。
Ejection surface 8 ''
Along Y, Ry = 13 mm, ky = −0.6,
Along X, Rx = 15.5 mm, kx = −0.4,
It features two conical vertices.

この結果は、延長された照明と、およそ70%という非常に良好な効率を示している(図5参照)。   This result shows extended illumination and a very good efficiency of around 70% (see FIG. 5).

歯科または外科用の無影灯のシアリティックへの応用では、発光ダイオード照明装置1(LED2、超半球レンズ6および、たとえば非球面レンズ8の形状をした投射の光学手段5)を少なくとも二つ用いることで、現行の規格で規定されているような、影のない照明を得るようになっている。   In the application of dental or surgical surgical lamps to sialic, at least two light emitting diode illuminators 1 (LED 2, super hemispherical lens 6 and optical means 5 for projection in the form of an aspherical lens 8, for example) are used. This makes it possible to obtain shadowless lighting as defined in the current standard.

もう一つの利用方法では、単一の非球面レンズ8を、少なくとも一方が非球面である少なくとも二つのレンズ8および9の集合で置き換えることができる。この装置によって、焦点距離を連続的に可変でき、したがって、ズームタイプの効果を得ることが可能となり、照明区域を、大小自在に可変できる。   In another application, a single aspheric lens 8 can be replaced by a set of at least two lenses 8 and 9, at least one of which is aspheric. With this device, the focal length can be continuously varied, so that a zoom-type effect can be obtained, and the illumination area can be varied freely.

もう一つの応用タイプとしては、美術館における絵画用などの指向性の照明であり、本発明に係る発光ダイオード照明装置1は、矩形の照明を得るように照明を一方向に延長することで照明区域に適合化することができるため(図5)、この応用に完全に適合化されている。   Another application type is directional lighting for paintings in art museums, and the light-emitting diode illuminating device 1 according to the present invention extends the lighting in one direction so as to obtain a rectangular illumination, thereby providing an illumination area. Is fully adapted to this application.

もう一つの応用タイプは、光導波路10におけるLED2の光束の集光である。このとき、導波路10の内部へと光束の大部分を再集光することが重要であり、その導波路は、一ブロックの透明部品または光ファイバーの集合とすることができる。本発明に係る発光ダイオード照明装置は、再集光手段の形状をした投射用の光学手段5によって、導波路10の中へと集光されたこの光束を集めることを可能にする。第一の非球面レンズ8に対称に配置された、同一の第二の非球面レンズ9(図6A)によって、このタイプの再集光が可能となるのであり、また、両面凸レンズ(図6B)においても同様である。   Another application type is the collection of the luminous flux of the LED 2 in the optical waveguide 10. At this time, it is important to refocus most of the light flux into the waveguide 10, and the waveguide can be a block of transparent parts or an assembly of optical fibers. The light-emitting diode illuminating device according to the invention makes it possible to collect this light beam collected into the waveguide 10 by the projection optical means 5 in the form of a re-condensing means. The same second aspherical lens 9 (FIG. 6A) arranged symmetrically with the first aspherical lens 8 enables this type of re-condensing and also a double convex lens (FIG. 6B). The same applies to.

もちろん、本発明は、説明した実施態様および添付図面に示した実施態様に限定されるものではない。変更、とりわけ、さまざまな要素による構成といった視点の、または等価の技術での置き換えによる、本発明の保護領域を逸脱しない変更は可能である。   Of course, the invention is not limited to the embodiments described and the embodiments shown in the accompanying drawings. Changes that do not depart from the scope of protection of the present invention are possible, particularly from the perspective of configuration with various elements or by replacement with equivalent techniques.

本発明に係る発光ダイオード照明装置の一実施例の概略図Schematic of one embodiment of a light-emitting diode illuminating device according to the present invention. 本発明に係る発光ダイオード照明装置の他の一実施例の概略図Schematic of another embodiment of a light-emitting diode illuminating device according to the present invention. 図1の発光ダイオード照明装置のレンズの断面図Sectional drawing of the lens of the light emitting diode illuminating device of FIG. 単一の非球面レンズの場合の照度分布と、投射スクリーンの像Illuminance distribution and projection screen image for a single aspheric lens 双円錐形非球面レンズの場合の照度分布と、投射スクリーンの像Illuminance distribution and projection screen image for a biconical aspheric lens 双円錐形の非球面レンズの場合の照度分布Illuminance distribution for a biconical aspherical lens 再集光手段を組み込んだ、発光ダイオード照明装置の概略図Schematic diagram of a light-emitting diode illuminator incorporating re-condensing means 再集光手段を組み込んだ、発光ダイオード照明装置の概略図Schematic diagram of a light-emitting diode illuminator incorporating re-condensing means 本発明に係る二つの照明装置を含んだ照明機器の概略図Schematic of lighting equipment including two lighting devices according to the present invention

符号の説明Explanation of symbols

1 発光ダイオード照明装置
2 LED
2’ 光放射領域
3 光学システム
4 射出面
5 光学手段
6 レンズ
6’ 入射面
6’’射出面
7 照明スポット
8 非球面レンズ
8’ 入射面
9 非球面レンズ
10 光導波路
11 保護用ケース
1 LED illuminator 2 LED
2 'light emission region 3 optical system 4 exit surface 5 optical means 6 lens 6' entrance surface 6 '' exit surface 7 illumination spot 8 aspheric lens 8 'entrance surface 9 aspheric lens 10 optical waveguide 11 protective case

Claims (16)

発光ダイオード照明装置であり、発光ダイオードすなわちLEDを含み、該LEDが、前記LEDによって光放射される光束の大部分を集めるように適し、かつ、照度という点でほぼ一様な照明スポットを離れたところから作り出すように適した光学システム(3)に結合されている装置(1)であって、
前記光学システム(3)が、一方では照明を投射する光学手段(5)を含み、そして他方では、LED(2)と前記照明を投射する光学手段(5)の間に配置されたレンズ(6)を含み、前記レンズ(6)が、LED(2)に向けられている、曲率半径R1の凹形球面状の入射面(6’)と、曲率半径R2の凸形球面状の射出面(6’’)を有し、R2>R1であり、前記レンズ(6)の対称軸(X)を基準にして見て、入射面(6’)が、LED(2)の光放射区域または光放射領域(2’)の近傍に位置する湾曲の曲率半径の中心点を有するとともに、屈折率nの透明材料からなる最大の厚みeが前記レンズ(6)を形成しており、関係式e=R2x(1+1/n)−R1をほぼ満たすことを特徴とする、発光ダイオード照明装置。
A light-emitting diode illuminator comprising a light-emitting diode or LED, said LED being suitable for collecting the majority of the light beam emitted by said LED and leaving a substantially uniform illumination spot in terms of illuminance An apparatus (1) coupled to an optical system (3) suitable for producing from
Said optical system (3) comprises on the one hand optical means (5) for projecting illumination and on the other hand a lens (6) arranged between the LED (2) and the optical means (5) for projecting said illumination. ), And the lens (6) is directed to the LED (2) and has a concave spherical entrance surface (6 ′) with a radius of curvature R1 and a convex spherical exit surface (with a radius of curvature R2). 6 ″), R2> R1, and when viewed with respect to the axis of symmetry (X) of the lens (6), the entrance surface (6 ′) is the light emitting area or light of the LED (2). A maximum thickness e made of a transparent material having a refractive index n and having a center point of a curvature radius of curvature located in the vicinity of the radiation region (2 ′) forms the lens (6), and the relation e = A light-emitting diode illuminating device characterized by substantially satisfying R2x (1 + 1 / n) -R1.
前記照明を投射する光学手段(5)が、少なくとも一つの非球面レンズ(8)を含むことを特徴とする、請求項1に記載の発光ダイオード照明装置。   Light emitting diode illuminating device according to claim 1, characterized in that the optical means (5) for projecting the illumination comprises at least one aspheric lens (8). 前記レンズ(6)の入射面(6’)の表面が、LED(2)の射出面(4)の、ほぼ球状をした外部表面の曲率半径に等しいか、または、わずかに上回る曲率半径R1を有することを特徴とする、請求項1または請求項2に記載の発光ダイオード照明装置。   The surface of the entrance surface (6 ′) of the lens (6) has a radius of curvature R1 that is equal to or slightly above the radius of curvature of the substantially spherical outer surface of the exit surface (4) of the LED (2). The light-emitting diode illuminating device according to claim 1 or 2, characterized by comprising: 前記レンズ(6)が、その入射面(6’)により、透明接着剤の層(4’)を介してLED(2)の射出面(4)の外部表面に結合されていることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一つに記載の発光ダイオード照明装置。   The lens (6) is connected to the outer surface of the exit surface (4) of the LED (2) by a light-incident surface (6 ′) through a transparent adhesive layer (4 ′). The light-emitting diode illuminating device according to any one of claims 1 to 3. 前記レンズ(6)の射出面(6’’)の表面が、半球面より大きなサイズの球面の一部に対応することを特徴とする、請求項1〜4のいずれか一つに記載の発光ダイオード照明装置。   Light emission according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the surface of the exit surface (6 '') of the lens (6) corresponds to a part of a spherical surface with a size larger than a hemispherical surface. Diode lighting device. 前記非球面レンズ(8)が、円錐頂点を備えた少なくとも一つの面(8’または8’’)を有することを特徴とする、請求項2または請求項2に関する限りにおいて請求項3〜5のいずれか一つに記載の発光ダイオード照明装置。   3. As far as the claim 2 or 2 is concerned, the aspheric lens (8) has at least one surface (8 'or 8' ') with a conical apex. The light emitting diode illuminating device according to any one of the above. 前記非球面レンズ(8)が、一方では、LED(2)に向けられ、表面が平らまたは非常に大きな曲率半径、特にR2に対して非常に大きな曲率半径の球面によって支持された入射面(8’)を有し、他方では、入射面(8’)に相対し、表面が非球面の射出面(8’’)を有することを特徴とする、請求項2または請求項2に関する限りにおいて請求項3〜6のいずれか一つに記載の発光ダイオード照明装置。   Said aspherical lens (8), on the one hand, is directed to the LED (2) and has an incident surface (8) supported by a spherical surface with a flat or very large radius of curvature, in particular a very large radius of curvature for R2. Claimed insofar as it relates to claim 2 or claim 2, characterized in that it has an exit surface (8 '') that is opposite to the entrance surface (8 ') and whose surface is aspheric. Item 7. The light-emitting diode illuminating device according to any one of Items 3 to 6. 前記非球面レンズ(8)が、その光学軸の回りで回転対称であることを特徴とする、請求項2に記載または請求項2に関する限りにおいて請求項3〜7のいずれか一つに記載の発光ダイオード照明装置。   8. The aspherical lens (8) according to any one of claims 3 to 7, as far as claim 2 or 2 is concerned, characterized in that the aspheric lens (8) is rotationally symmetric about its optical axis. Light emitting diode lighting device. 前記非球面レンズ(8)が、双円錐の表面を備えた入射面(8’)または射出面(8’’)を有することを特徴とする、請求項2または請求項2に関する限りにおいて請求項3〜7のいずれか一つに記載の発光ダイオード照明装置。   Claim as far as claim 2 or claim 2, characterized in that the aspheric lens (8) has an entrance surface (8 ') or an exit surface (8' ') with a biconical surface. The light-emitting diode illuminating device according to any one of 3 to 7. 前記非球面レンズ(8)が、表面が円環面または円筒面の一部に対応する入射面(8’)または射出面(8’’)を有することを特徴とする、請求項2または請求項2に関する限りにおいて請求項3〜7のいずれか一つに記載の発光ダイオード照明装置。   3. The aspherical lens (8) according to claim 2, wherein the aspherical lens (8) has an entrance surface (8 ') or an exit surface (8' ') whose surface corresponds to a part of an annular surface or a cylindrical surface. The light-emitting diode illuminating device according to any one of claims 3 to 7, as far as the item 2 is concerned. 前記照明を投射する光学手段(5)が、ズーム効果を有する調節可能な光学サブ・システムを含んでいることを特徴とする、請求項1〜10のいずれか一つに記載の発光ダイオード照明装置。   11. A light-emitting diode illuminating device according to any one of the preceding claims, characterized in that the optical means (5) for projecting the illumination includes an adjustable optical subsystem having a zoom effect. . 前記照明を投射する光学手段(5)が、集められた光束を光導波路(10)へと再集光する光学手段(8、9)を含んでいることを特徴とする、請求項1〜6のいずれか一つに記載の発光ダイオード照明装置。   The optical means (5) for projecting the illumination includes optical means (8, 9) for refocusing the collected light flux into the optical waveguide (10). The light-emitting diode illuminating device according to any one of the above. 前記再集光用の光学手段が、二つの非球面レンズ(8および9)を含み、該二つの非球面レンズが、レンズ(6)の光学軸あるいは対称軸(X)に直角な平面に対して対称に配置されていることを特徴とする、請求項12に記載の発光ダイオード照明装置。   The optical means for re-condensing includes two aspheric lenses (8 and 9), and the two aspheric lenses are in a plane perpendicular to the optical axis of the lens (6) or the axis of symmetry (X). The light-emitting diode illuminating device according to claim 12, wherein the light-emitting diode illuminating devices are arranged symmetrically. 投射影のない照明を与える操作性の高い歯科用照明機器であり、請求項1〜13のいずれか一つに記載の発光ダイオード照明装置(1)を二つ含み、該二つの発光ダイオード照明装置が並べて取り付けられ、該二つの発光ダイオード照明装置の光束それぞれが、照明すべき区域の部位で一体化するように方向付けられることを特徴とする、照明機器。   It is a dental illuminating device with high operability that provides illumination without projection shadow, and includes two light emitting diode illuminating devices (1) according to any one of claims 1 to 13, wherein the two light emitting diode illuminating devices are provided. Are mounted side by side, and each of the light beams of the two light-emitting diode illuminating devices is directed so as to be integrated at a portion of the area to be illuminated. 投射影のない照明を与える操作性の高い外科用照明機器であり、請求項1〜13のいずれか一つに記載の発光ダイオード照明装置(1)を少なくとも二つ含み、該二つの発光ダイオード照明装置が並べて取り付けられ、該二つの発光ダイオード照明装置の光束それぞれが、照明すべき区域の部位で一体化するように方向付けられていることを特徴とする、照明機器。   A surgical illuminating device having high operability for providing illumination without projection shadow, comprising at least two light emitting diode illuminating devices (1) according to any one of claims 1 to 13, wherein the two light emitting diode illuminations are provided. A lighting device, characterized in that the devices are mounted side by side and each of the light beams of the two light emitting diode lighting devices are oriented so as to be integrated at the site of the area to be illuminated. 複数の発光ダイオード照明装置(1)が、単一の保護用ケース(11)の中にまとめて取り付けられることを特徴とする、請求項14または請求項15に記載の照明機器。   16. A lighting device according to claim 14 or 15, characterized in that a plurality of light emitting diode lighting devices (1) are mounted together in a single protective case (11).
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