JP2010501976A - 照明デバイス - Google Patents

Abstract

本発明は、幾つかのソリッドステート光源（２）と、これらのソリッドステート光源（２）の間でほぼ同じ平面内に配置された少なくとも１つの光学センサ（４）とを備えた照明デバイスに関する。光学センサ（４）の前方には光偏向ユニット（５、１３）が取付けられており、該光偏向ユニット（５、１３）は、ソリッドステート光源（２）により横方向に放射された光を光学センサ（４）に向けて偏向させるように設計されている。偏向ユニット（５、１３）は、周囲光が光学センサ（４）に伝達することを防止するように設計されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、平坦面または湾曲面内に発光ダイオード（ＬＥＤ）のような幾つかのソリッドステート光源を有する照明デバイスに関する。このような照明デバイスは、例えば自動車の領域、プロフェッショナルな照明の分野または消費者向け照明の領域等のあらゆる種類の照明用途に使用されている。

例えば信号灯すなわち信号ランプ等の従来の照明デバイスには、ますますＬＥＤ光源が使用されている。これらのＬＥＤ光源の主な長所は、効率が非常に高いことおよび寿命が永いことである。ＬＥＤの寸法が小さいことおよび形状ファクタがフレキシブルであることから、ランプデザイナには新規かつ興味深い機会が与えられる。

例えば小さい信号灯のようなＬＥＤの元来の用途は、非常に拡大されている。光出力を増大させ、従って例えば交通信号灯のような物理的に大きくかつ高輝度の照明デバイスを実現するため、直列および／または並列に接続された多くのＬＥＤの組合せが非常に頻繁に使用されている。また、自動車の領域においても、ＬＥＤをベースとする照明デバイスがますます広く使用されている。現在では、ＬＥＤベース照明デバイスは、尾灯、制動灯および点滅灯システム等に使用されている。ＬＥＤベース照明デバイスをヘッドライトとして使用する最初の試みがなされており、見通しが明るい結果が得られている。

また、ＬＥＤベース光源の一般的マーケットは、プロフェッショナル照明の分野並びに消費者向け用途の領域にも存在し、例えば家庭およびショップでの雰囲気照明を行う。特にこれらの後者の用途では、照明デバイスは高い条件を満たさなくてはならない。より詳しくは、非常に優れた色クオリティ、例えば演色が必要とされる。また、他の関心事は、このような照明デバイスの色そのものおよび／または色温度をユーザの要求に適合させることである。このため、照明デバイスのＬＥＤ光源用の適当な電子駆動回路および電子制御回路が必要である。

白色光は、異なる色をもつ幾つかの異なるＬＥＤの組合せにより発生される。原理的には、これらの異なる色の混合により、必要な色温度および要求される特性をもつ白色光を発生できる。赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および青（Ｂ）のＬＥＤが頻繁に使用される。より多くの色、例えばアンバー色（Ａ）を付加して、色クオリティ、例えば演色評価数を改善できる。原理的には、他の色組合せも首尾良く使用できる。このような色組合せにより、白色光の色出力（光束）および色温度を調節できる。同様にして、他の全ての色を発生できる。

色温度の調節には、このような照明デバイスの各ＬＥＤ用および組合せＬＥＤ用の適当な電子駆動・制御回路が必要である。また、色特性をリアルタイムで測定しかつ光出力を所望の光出力に操るには、センサベースフィードバックループが使用される。このタスクのために使用されるセンサとして、従来の感光デバイス、例えば光束を測定する光学センサまたは光のスペクトル特性を測定する（真）色センサがある。検出されたデータは照明デバイスの制御回路に供給され、該制御回路は、要求される光特性に到達するまで各ＬＥＤの駆動電流を独立的に調節する。ＬＥＤの電子駆動電流は、非常に多くの基本回路、例えばパルス幅変調（ＰＷＭ）、振幅変調（ＡＭ）または直流フィーディングにより変調することができる。

光のスペクトル特性を測定するのに、３チャネルＲＧＢセンサを使用できる。しかしながら、これらのセンサの正確な光学的機能は、約１０°の小さい入射角に制限される。このため、ＬＥＤ光源に対するセンサの配置が非常に不便になる。なぜならば、センサと光源とを対面させてすなわち互いに１８０°隔てて配置しなければならないからである。このため、好ましくないシャドウイング効果が生じ、かつ、センサのための電気的接続部を含む付加的な装着支持体が必要になる。

この欠点を解決するため、国際特許公開第02/099333A1号明細書には、ＬＥＤ光源と同一平面内に配置された光学センサを備えた照明デバイスが開示されている。反射防止コーティングが設けられた光学的に透明な平坦要素または湾曲要素が、照明デバイスの主集光レンズと出力開口との間に配置されている。この要素は部分的リフレクタとして使用され、ＬＥＤにより放射された光の小部分を反射して、光学センサ上に小さい入射角で衝突させる。

国際特許公開第02/099333A1号明細書

本発明の目的は、照明デバイスの光源の好ましくないシャドウイングを引き起こすことがなく、かつ周囲光からの影響を殆ど受けることなしにこれらの光源の光の測定が可能な１つまたは幾つかの光学センサを備えた照明デバイスを提供することにある。

上記目的は、特許請求の範囲の請求項１に記載の照明デバイスにより達成される。本発明の照明デバイスの有利な実施形態は、実施態様項に記載の主題であり、以下の記載および例において説明する。

本発明の照明デバイスは、１つの平坦面または湾曲面内に配置された幾つかのソリッドステート光源と、少なくともほぼ前記面内でソリッドステート光源同士の間に配置された少なくとも１つの光学センサと、光学センサの前方に取付けられ、光源により光学センサに放射される光の一部を偏向させる偏向ユニットとを有している。提案する照明デバイスの偏向ユニットは、ソリッドステート光源により横方向に放射される光の一部を偏向させ、かつ前方から光学センサ上に衝突する周囲光の量を低減させるように配置されかつ設計されている。これは、リフレクタユニットにより達成され、リフレクタユニットは、これとは別体としてまたはリフレクタユニットの一部として前面に配置された光学的に不透明な層または要素を有している。或いは、偏向ユニットとして、多数の細いファイバ、例えばグラスファイバまたはポリマーファイバの束を使用できる。この場合、前方から衝突する周囲光はファイバ内に進入できず、従ってセンサに到達しないため、別体の不透明層は不要である。

光学センサ（単一または複数）の前方に偏向ユニットを配置することにより、センサの感応領域上への偏向された光の入射角は、感応領域の法線に対して約０°となる。これにより、このような入射角に適合したフィルタを備えた光学センサ、すなわち、例えば一般的なＲＧＢセンサのような商業的に入手できる光学センサの使用が可能になる。偏向ユニットのこの構成および設計により、光学センサは、例えばプリント回路基板（printed circuit board：ＰＣＢ）のような同じ基板上の同じ平面内で光源に対して横方向に装着できる。偏向ユニットは、光源により横方向に放射される光の一部を偏向させるように配置されかつ設計されているため、偏向ユニットはソリッドステート光源の平面に近接して配置され、従って好ましくないシャドウイング効果を引き起こすことがない。リフレクタユニットの前面に配置された光学的に不透明な層または要素は、光学センサ上に衝突する周囲光の量を大幅に低減させる。これにより、ソリッドステート光源の測定、従ってその色制御を妨げるおそれのある周囲光効果に対するセンサの感度を低減することができる。従って、周囲光により引き起こされるセンサの不調が低減される。一般に、提案する光学的リフレクションユニットは、色制御アルゴリズムに対する要求をも低減させる。ファイバ束を使用する場合にも、これと同じことがいえる。

本発明の照明デバイスには、１つまたは幾つかの光学センサを設けることができる。センサは、例えば、通常のフラックスセンサすなわち組合わされたＲＧＢセンサにすることができる。ＲＧＢセンサのフィルタは、人の目の感度に一致するように最適化できる。基本的に、商業的に入手できる光学センサは、半導体材料の光感度を使用している。半導体材料は、窓を通して光学的に照射される。照射の強度に応じて、半導体材料のインピーダンスはその値を変化させる。

センサの感度を特定の波長またはスペクトルに適合させるため、光フィルタを使用できる。フィルタは、光スペクトルの一部をブロックし、従って所望スペクトルを伝達する着色ガラスまたはプラスチックで形成するか、干渉フィルタで形成できる。干渉フィルタは、基本的に、完全反射ミラーおよび減光フィルタ（neutral density filter）を形成する金属コーティング、および薄膜干渉コーティングで作られ、これが主として使用されている。干渉コーティングは薄い層状材料のスタックからなり、各層状材料は、光の波長程度の厚さ、通常は光の波長の１／４程度の厚さを有する。各材料は本質的に無色であるが、各界面での反射により干渉波が生じ、このため、光の或る波長は選択的に反射され、他の波長（所望の波長）は伝達される。適当な光学センサが、例えばMAZeT GmbH社（Jena、ドイツ国）またはAvago Technologies社（San Jose、米国）から商業的に入手できる。

ここに提案する照明デバイスのソリッドステート光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）が好ましい。このソリッドステート光源として、通常の低出力半導体デバイス、および特殊なものとして、例えばLUMILED（商標）社から入手できる新しい高出力デバイスがある。また、オリジナルの誘導色（stimulated color）を所望の誘導色に変える光学的色フィルタ並びにコーティング層を備えたＬＥＤがある。一般に、ＰＬＥＤ（ポリＬＥＤ：Poly LEDs）、ＯＬＥＤ（有機ＬＥＤ：Organic LEDs）またはＱＤＬＥＤ（量子ドットＬＥＤ：Quantum Dot LEDs）を使用することもできる。

本発明の照明デバイスの一実施形態では、偏向ユニットが光学センサに直接取付けられている。この取付けは、偏向ユニットをセンサの頂部にくっ付けること（接着）により、またはセンサに嵌合されまたはクランプされる機械的固定具を用いて実現される。

リフレクタユニットは、横方向入射光を光学センサに向けて反射させる１つまたは幾つかの内側反射面を備えたヘッド部分を有している。反射面は、ミラーとして、または強く拡散させる散乱平面として形成できる。照明デバイスの一実施形態では、リフレクタユニットは、光学的に透明な材料からなる本体を有している。この実施形態では、反射ヘッド部分と光学センサとの間の部分は、反射光の光導波路として機能する。

他の有利な実施形態では、光リフレクタユニットは、反射面と光学センサとの間に、光学的拡散性散乱材料を有している。この拡散性散乱材料、例えばすりガラスは、異なる光源からの入射光が光学センサに衝突する前に、これらの入射光を有利に混合する。

照明デバイスの他の実施形態では、リフレクタユニットの前方の不透明層または不透明要素は、リフレクタユニットに直接取付けられている。この不透明層または不透明要素は、周囲光がリフレクタユニットを通って光学センサに伝達されることを防止するため、リフレクタユニットの頂面を完全にカバーするのが好ましい。不透明層は、周囲光用のミラーとして形成できる。また、この不透明層は、ソリッドステート光源の横方向入射光を光学センサに向けて反射させるための、光学センサを向いた反射面として形成することができる。

照明デバイスの他の実施形態では、照明デバイスの光出力の所望の幾何学的特性を達成するため、ソリッドステート光源の配置がランプリフレクタにより包囲されている。この実施形態では、ランプリフレクタは、光源からの衝突光の一部を光学センサの偏向ユニットに反射し、次にこの光を光学センサに偏向するように局部的に構成されている。この構成により、光学センサのために偏向ユニットにより収集される光の量を増大させることができる。

本発明による照明デバイスには、照明デバイスの全出力にわたる所望の光学的特性を達成するため、異なる光源の光出力を制御するための制御回路を設けることもできる。１つまたは幾つかの光学センサの出力はこの制御回路に供給され、該制御回路は、測定データおよび要求される出力特性に適当に応じて、ソリッドステート光源を制御する。このフィードバック制御により、特に照明デバイスの色出力に関する要求を満たすことができる。本願の冒頭部分の説明で既に述べたように、このような制御回路の設計は当業界で知られている。

本発明の上記および他の態様は、以下に説明する実施形態を参照することにより明らかになるであろう。

提案する照明デバイスを、特許請求の範囲の記載により定められた保護の範囲を制限することなく、添付図面に示す例示に関連して以下に説明する。

本発明の第１実施形態の概略図である。 本発明の第２実施形態の概略図である。 提案する照明デバイスのリフレクタユニットの例の概略図である。 本発明の第３実施形態の概略図である。

図１は、提案する照明デバイスの一例を示す概略図である。照明デバイスは、同じ基板１（例えばプリント回路基板）上に取付けられた幾つかのＬＥＤ光源２を有している。簡素化したこの例では、２つのみのＬＥＤ光源２が示されている。ＲＧＢセンサ４が、ＬＥＤ光源２の間で同じ基板１上で横方向に取付けられている。ＬＥＤ光源２およびＲＧＢセンサ４は、照明デバイスのランプリフレクタ３により包囲されている。通常、このようなランプリフレクタ３は、照明デバイスの光出力（光束）が最大になるように、および／または反射角が所与の条件を満たすように（例えば光ビームを１０°、４５°等のビームコーンに束ねるように）、ＬＥＤ光源２の光を反射しかつ曲げることができる。

ＲＧＢセンサ４は、入射光のＲ部分、Ｇ部分およびＢ部分を正しく測定すべく、放射感応領域上に既知の態様で干渉フィルタを有している。これらの干渉フィルタは、正しく作動するように、通常、センサの放射感応領域上の法線に対して約０°の入射角が得られるように設計される。

この実施形態では、ＬＥＤ光源２により横方向に放射された光を正しく測定できるようにするため、ＲＧＢセンサ４の頂部には光リフレクタユニット５が取付けられている。この光リフレクタユニット５は、横方向入射光を、センサ４の放射感応領域に向けて反射するように設計されている。リフレクタユニット５はＲＧＢセンサ４の前方に配置されているので、反射光は、約０°±１０°の入射角でＲＧＢセンサ４の放射感応領域上に衝突する。横方向入射光については、ＬＥＤ光源２により放射された光が、ＲＧＢセンサ４の放射感応領域の法線、すなわち基板１の表面の法線に対して９０°±４５°、好ましくは９０°±２５°の角度で伝播することを意味する。図１には、照明デバイスのＬＥＤ光源２により放射される光の幾つかの伝播方向が矢印で示されている。

横方向入射光は、リフレクタユニット５の内側頂面で光学センサ４の方向に反射される。これも図１に矢印により示されている。この目的のため、リフレクタユニット５のヘッド部分には、入射光のための１つまたは幾つかの反射面、例えば適当な高反射金属面が設けられている。また、リフレクタユニット５は、図１に示すように、照明デバイスの前方からの周囲光７がリフレクタユニット５上に衝突することを防止するように設計されている。リフレクタユニット５は、その頂面に光学的不透明層１０を有している。この層１０は周囲光７のためのミラーとして設計され、このため、前方から入射する周囲光７が完全に反射され、従ってセンサ４の測定を妨げることはない。提案されたリフレクタユニット５は、横方向入射光については上記範囲内（好ましくは約９０°の角度）にある入射角で横方向から入射する光のみが、測定のために光学センサ４に向かうことを確保できるように設計されている。

ＬＥＤ光源２は、センサ４を備えたリフレクタユニット５の周囲に同心状に配置されている。軸対象リフレクタユニットの場合には、全ての光源２の光を検出できる。提案する照明デバイスの長所は、着色ガラスフィルタであるか干渉フィルタであるかにかかわらず、種々のセンサを使用できることである。なぜならば、リフレクタユニット５は、センサ４の頂部上に取付けられているに過ぎず、センサ上で約０°（±１０°）の入射角を確保できるからである。取付け自体は、センサ４の頂部上にリフレクタユニット５をくっ付ける（接着）か、機械的固定具を用いて実現できる。

ＬＥＤ光源２の光放射の制御を行うため、照明デバイスの光源２およびセンサ４に制御ユニット１２を接続できる。この制御ユニット１２は、センサ４の測定信号に基づいて光源２の光放射を制御する。制御ユニット１２と、ＲＧＢセンサ４と、ＬＥＤ光源２との間の電気的接続は、共通基板１内に一体化されたストリップ線路を介して実現される。

この照明デバイスのリフレクタユニット５には、図３に示すように、ドーム状のヘッド部分９を設けることができる。このような形状にすると、反射面として凹状ミラーを実現でき、横方向入射光を光学センサ４に向けて確実に反射させることができる。しかしながら、光学センサ４に向かう適正反射を確保するため、内側の光反射面を幾つかの小さい反射要素で形成することもできる。反射面はまた、横方向入射光を拡散散乱させるように設計することもできる。このような内面によれば、大部分の入射光が光学センサに向けて散乱される。光に対して不透明である金属層を備えた内側反射面を実現することにより、この層は、照明デバイスの前方からリフレクタユニットに衝突する周囲光の伝達を防止する。この周囲光は、金属層により吸収されおよび／または後方に反射されて、光学センサの測定信号を妨げない。

リフレクタユニット５のヘッド部分９と光学センサ４との連結は、センサ４に固定された３本以上のバー１１により実現される。リフレクタユニット５に、例えばガラスまたはプラスチック材料等の光学的に透明な材料からなる本体を設けることもできる。この場合には、本体の頂面を例えば図３に示すようなドーム状に適当に形成しかつ光学的な反射層でカバーする。これにより、反射ヘッドと光学センサとの間の部分は光学的導波路として機能する。この目的のため、下方部分の側部を反射層で更にコーティングすることもできる。

センサ特性を最適化するため、光リフレクタユニット５に加え、照明デバイスのランプリフレクタ３の変更を行うことができる。図２に示すようにランプリフレクタ３の局部的変更を行うことにより、中央に配置されたＲＧＢセンサ４が各光源のスペクトルを検出することを保証することができる。ランプリフレクタ３の部分的に適合化されたリフレクタ部分すなわち要素８は、これらの部分すなわち要素８から反射された光が、適当な入射角でリフレクタユニット５に到達し、このリフレクタユニット５により光学センサ４に反射されるように設計される。この実施形態では、適合化されたリフレクタ部分すなわち要素８は、ランプリフレクタ３の表面上に同心状に配置される。

リフレクタユニット５および光学センサ４の提案された設計および構成は、このような照明デバイスの光出力（特に色）を制御するために光学的フィードバックが必要とされるソリッドステート光源を備えたあらゆる照明デバイスに適用できる。

図４は、先行例のリフレクタユニットの代わりにファイバ束１３が使用されている他の実施形態を示す概略図である。多数の細いファイバからなるこのようなファイバ束１３を用いることにより、ＬＥＤ光源２からの光を、センサ４上で約０°（±１０°）の入射角が確保されるように偏向させることができる。多数の細いファイバにより、光の混合効果が達成される。

以上、本発明を図面および明細書において詳細に図示しかつ説明したが、このような図示および説明は例示であって制限的なものではなく、本発明は開示した実施形態に限定されるものではないと考えるべきである。例えば、互いに近接して配置された幾つかのセンサに対して１つの偏向ユニットを設けることもでき、または光源の配置に対して非同心状にセンサを配置することもできる。また、上記説明に係る種々の実施形態を組合せることができる。

特許請求の範囲に記載の発明の実施に際し、図面、明細書の開示および特許請求の範囲の記載を研究することにより、当業者ならば、開示した実施形態の他の変更形態を理解しかつ実施できる。特許請求の範囲の記載において、用語「有する」は、他の要素または段階を排除するものではなく、不定冠詞「a」または「an」（１つの）は、複数を排除するものではない。或る基準が互いに異なる実施態様項において列挙されているという単なる事実は、これらの基準を有利に使用できないということを意味するものではない。特許請求の範囲の記載における全ての参照符号はこれらの特許請求の範囲の記載を制限するものであると解するべきではない。

１ 基板
２ ＬＥＤ光源
３ ランプリフレクタ
４ ＲＧＢセンサ
５ 光リフレクタユニット
６ 横方向入射角
７ 周囲光
８ 部分的に適合化されたリフレクタ要素
９ リフレクタユニットのヘッド部分
１０ 不透明層
１１ バー
１２ 制御ユニット
１３ ファイバ束

Claims (13)

1. 照明デバイスであって、
   １つの平坦面または湾曲面内に配置された幾つかのソリッドステート光源と、
   少なくともほぼ前記面内で前記ソリッドステート光源同士の間に配置された少なくとも１つの光学センサと、
   前記光学センサの前方に取付けられ、前記光源により放射される光の一部を前記光学センサへ向けて偏向させる偏向ユニットと、を有し、
   前記偏向ユニットは、前記ソリッドステート光源により横方向に放射される光の前記一部を偏向させ、かつ前方から前記光学センサに衝突する周囲光の量を低減させるように配置されかつ設計されていることを特徴とする照明デバイス。
2. 前記偏向ユニットは、前方に配置された光学的に不透明な層又は素子を備えたリフレクタユニットであることを特徴とする請求項１記載の照明デバイス。
3. 前記偏向ユニットは、ファイバ束であることを特徴とする請求項１記載の照明デバイス。
4. 前記偏向ユニットは、前記光学センサに取付けられていることを特徴とする請求項１記載の照明デバイス。
5. 前記ソリッドステート光源および前記光学センサは、共通基板上に配置されていることを特徴とする請求項１記載の照明デバイス。
6. 前記光学的に不透明な層は、前記リフレクタユニットの前面上にコーティングされるか、前記リフレクタユニットの前方部分に一体化されていることを特徴とする請求項２記載の照明デバイス。
7. 前記光学的に不透明な層は、前記ソリッドステート光源により横方向に放射される光の前記一部を、前記光学センサに向けて反射するように設計されていることを特徴とする請求項６記載の照明デバイス。
8. 前記偏向ユニットは、前記光の偏向部分が０°±１０°の入射角で前記光学センサの感応領域上に衝突するように配置されかつ設計されていることを特徴とする請求項１記載の照明デバイス。
9. 前記リフレクタユニットは、前記光学センサの前面に取付けられた光学的に透明な材料からなる本体を有し、該本体のヘッド部分は、前記ソリッドステート光源により横方向に放射される光の前記一部を、前記光学センサに向けて反射しまたは散乱させるように設計されていることを特徴とする請求項２記載の照明デバイス。
10. 前記光学的に透明な材料からなる本体のヘッド部分を越える残余の部分が、前記ヘッド部分と前記光学センサとの間に光導波路を形成するように設計されていることを特徴とする請求項９記載の照明デバイス。
11. 前記リフレクタユニットは、該リフレクタユニットの反射面と光学センサとの間に拡散性散乱材料を有していることを特徴とする請求項２記載の照明デバイス。
12. 前記ソリッドステート光源の配置は、前記照明デバイスの光出力の所望の幾何学的特性を達成するためにランプリフレクタにより包囲されており、該ランプリフレクタは、光の一部を偏向ユニットに反射するように局部的に構成されていることを特徴とする請求項１記載の照明デバイス。
13. 前記光学センサおよび前記ソリッドステート光源は、前記照明デバイスの光出力の所望のスペクトル特性を達成するため、前記ソリッドステート光源により放射される光の量を、前記光学センサの１つまたは幾つかの信号に基づいて制御する制御回路に電気的に接続されていることを特徴とする請求項１記載の照明デバイス。

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