JP2012181974A - 発光ダイオード照明装置および発光ダイオード照明用部材 - Google Patents

Abstract

【課題】発光ダイオードの発光面に対する照射面の輝度の減少を抑えることができ、発光ダイオードの全光束に対する照射面を照射する光の効率を高めることができる発光ダイオード照明装置および発光ダイオード照明用部材を提供する。
【解決手段】複数のＬＥＤ１１が、同一方向に光を出射するよう配置されている。複数の光学系１２が、各ＬＥＤ１１の出射光の開口数を変換するよう、各ＬＥＤ１１に対応して設けられている。各ＬＥＤ１１の発光面の代表的寸法をＬ、隣り合うＬＥＤ１１間の間隔をＩｌｅｄ、各光学系１２の代表的寸法をＤｏ、隣り合う光学系１２間の間隔をＩｏ、装置から照射される光の開口数をＮＡｏｕｔとしたとき、 ０．８Ｌ／ＮＡｏｕｔ≦Ｄｏ≦１．１Ｌ／ＮＡｏｕｔ、 Ｉｏ≦Ｉｌｅｄ、 Ｉｏ≦Ｄｏ である。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバ照明用光源や映写機などに用いられる発光ダイオード照明装置および発光ダイオード照明用部材に関する。

従来、光ファイバ照明用光源や映写機などに用いられる高輝度照明装置には、ＨＩＤランプおよび回転楕円面ミラーが用いられてきた。これらの照明装置の照射面の面積は小さく、光ファイバ照明用光源では直径１０〜２０ｍｍ程度、３５ｍｍ映画フィルム映写機では２４×１８ｍｍである。照明装置は、この小さな面積に効率良く、高い輝度で光を照射することが求められる。さらに、照射する光の開口数は、光ファイバ照明用光源装置では光ファイバの開口数以下、投影機では投影レンズの開口数以下である必要がある。

このような照明装置として、従来、発光ダイオード（ＬＥＤ）を利用したものが提案されている。例えば、発光ダイオード１チップの出力はＨＩＤランプに比べて小さいため、複数の発光ダイオードを平面上に配置し、各発光ダイオードの光をそれぞれ同一方向に入力レンズでコリメートした後、１つの出力レンズで集光し、光ファイバを照射するもの（例えば、特許文献１参照）や、同じく平面上に配置した複数の発光ダイオードの光を、テーパーロッドで開口数を変換した後、光バルブを照射するもの（例えば、特許文献２参照）が提案されている。

特開２００９−１５３１９号公報 特開２０００−２１４５３２号公報

特許文献１に記載の照明装置は、複数の発光ダイオードに結像光学系を適用したものであり、発光ダイオードの数が増えたことにより、発光する全光束は増える。しかしながら、光学系が複雑で、発光ダイオードの発光面と照射面との距離が長いため、光学系の収差により輝度の減少が大きく、効率も低いという課題があった。また、特許文献２に記載の照明装置は、レンズを使わない新たな光学系を用いているが、輝度の減少を少なくし、効率を上げる考慮はなされていないという課題があった。

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、発光ダイオードの発光面に対する照射面の輝度の減少を抑えることができ、発光ダイオードの全光束に対する照射面を照射する光の効率を高めることができる発光ダイオード照明装置および発光ダイオード照明用部材を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明に係る発光ダイオード照明装置は、発光ダイオードと、前記発光ダイオードの出射光の開口数を変換するよう設けられた光学系とを有する発光ダイオード照明装置であって、前記発光ダイオードの発光面の代表的寸法をＬ、前記光学系の代表的寸法をＤｏ、装置から照射される光の開口数をＮＡｏｕｔとしたとき、
０．８Ｌ／ＮＡｏｕｔ≦Ｄｏ≦１．１Ｌ／ＮＡｏｕｔ
であることを、特徴とする。

特に、本発明に係る発光ダイオード照明装置は、前記発光ダイオードは複数から成り、それぞれ同一方向に光を出射するよう、発光面が同一平面上に配置されており、前記光学系は複数から成り、各発光ダイオードの出射光の開口数を変換するよう、各発光ダイオードに対応して設けられており、各発光ダイオードの発光面の代表的寸法をＬ、隣り合う発光ダイオード間の間隔をＩｌｅｄ、各光学系の代表的寸法をＤｏ、隣り合う光学系間の間隔をＩｏ、装置から照射される光の開口数をＮＡｏｕｔとしたとき、
０．８Ｌ／ＮＡｏｕｔ≦Ｄｏ≦１．１Ｌ／ＮＡｏｕｔ
Ｉｏ≦Ｉｌｅｄ
Ｉｏ≦Ｄｏ
であることが好ましい。

発光ダイオードの光の出射パターンは、ランベルト分布をしている。光学系の入射開口数をＮＡｉｎとすると、発光ダイオードの出射光が光学系に入射する効率ηｉｎは、ランベルト分布を入射開口数に対する角度まで積分した値であり、
ηｉｎ＝Ｓｉｎ^２θ＝ＮＡｉｎ^２
となる。図１９に、発光ダイオードの法線と出射光とのなす角度θに対する、発光ダイオード出力光の光度およびその角度までの開口数を持つ光学系への入射効率のグラフを示す。ＮＡｉｎ＝１であれば入射効率ηｉｎは１００％となり、これに近いほど入射効率ηｉｎが高くなる。

一方、光学系の出射開口数は、装置の照射開口数ＮＡｏｕｔに合わせる必要がある。この照射開口数ＮＡｏｕｔは、光ファイバ光源では、接続される光ファイバの開口数（石英ファイバの場合０．２、多成分ファイバの場合０．５が多く用いられている）以下となり、映写機では、投影レンズの開口数（Ｆ１．４の投影レンズで開口数は０．３４）以下となる。

本発明に係る発光ダイオード照明装置は、光学系の出射開口数を抑えて、装置の照射開口数ＮＡｏｕｔに合わせることができる。このため、発光ダイオードの発光面に対する照射面の輝度の減少を抑えることができ、発光ダイオードの全光束に対する照射面を照射する光の効率を高めることができる。なお、発光面が同一平面上に配置されたとは、各発光ダイオードの発光面がある一つの平面上に配置されている場合だけでなく、その平面から僅かにずれた範囲内に配置されている場合も含んでいる。また、Ｌ／ＮＡｏｕｔ≒Ｄｏであることが好ましい。

本発明に係る発光ダイオード照明装置で、前記光学系は正の屈折力を有するレンズから成り、前記発光ダイオードは前記光学系の焦点または焦点の近傍に配置されており、前記光学系の代表的寸法Ｄｏを前記レンズの径とし、前記レンズの焦点距離をｆとしたとき、
Ｄｏ≒２ｆ≒Ｌ／ＮＡｏｕｔ
であってもよい。

特に、発光ダイオードおよび光学系が複数から成る場合、本発明に係る発光ダイオード照明装置で、各光学系は正の屈折力を有するレンズから成り、各発光ダイオードはそれぞれ各光学系の焦点または焦点の近傍に配置されており、各光学系の代表的寸法Ｄｏを前記レンズの径とし、前記レンズの焦点距離をｆとしたとき、
Ｄｏ≒２ｆ≒Ｌ／ＮＡｏｕｔ
Ｉｏ＝Ｉｌｅｄ≦Ｄｏ
であってもよい。

これらの光学系がレンズから成る場合、レンズを利用して、発光ダイオードの発光面に対する照射面の輝度の減少を抑えることができ、発光ダイオードの全光束に対する照射面を照射する光の効率を高めることができる。また、照射光の効率をより高めるために、発光ダイオードをレンズの焦点位置に配置し、レンズの出射位置の近傍を照射面としたコリメート光学系から成ることが好ましい。この場合、レンズ系が正弦条件を満たし、入射開口数が１に近くなるよう簡単な構成で設計することができる。各発光ダイオードとコリメート光学系とをユニットとし、このユニットを平面上に隙間なく配列する事により、より大きな面を高い照度で照射することができる。また、照射面の照度を均一にするために、各レンズの出射側にミキシングロッドを配置してもよい。

また、本発明に係る発光ダイオード照明装置で、各光学系はテーパーロッドから成り、各光学系の代表的寸法Ｄｏを前記テーパーロッドの出口寸法とし、隣り合う光学系間の間隔Ｉｏを前記テーパーロッド出口での間隔とし、前記テーパーロッドの入口寸法をＤｉｎ、前記テーパーロッドの開き角をφ、各発光ダイオードと各光学系との間隔をｔとしたとき、
Ｄｏ≒Ｄｉｎ／ＮＡｏｕｔ≒Ｉｏ＝Ｉｌｅｄ
φ＜ＮＡｏｕｔ／１０
Ｌ≦Ｄｉｎ≦１．１Ｌ
０＜ｔ≦０．２Ｌ
であってもよい。

また、本発明に係る発光ダイオード照明装置で、各光学系はテーパーロッドから成り、各光学系の代表的寸法Ｄｏを前記テーパーロッドの出口寸法とし、隣り合う光学系間の間隔Ｉｏを前記テーパーロッド出口での間隔とし、前記テーパーロッドの入口寸法をＤｉｎとしたとき、
Ｄｏ≒Ｄｉｎ／ＮＡｏｕｔ≒Ｉｏ＜Ｉｌｅｄ
であってもよい。

これらの光学系がテーパーロッドから成る場合、テーパーロッドを利用して、発光ダイオードの発光面に対する照射面の輝度の減少を抑えることができ、発光ダイオードの全光束に対する照射面を照射する光の効率を高めることができる。また、発光ダイオードの発光面の形状が正方形の場合、テーパーロッドも正方形であることが好ましい。発光面に対して平行な面において、発光ダイオードとテーパーロッドとの組から成るユニットが、正方格子の各格子点に配置されていることが好ましい。

また、本発明に係る発光ダイオード照明装置で、各光学系は複合放物面集光器から成り、各光学系の代表的寸法Ｄｏを前記複合放物面集光器の出口寸法とし、前記複合放物面集光器の入口寸法Ｄｉｎ、各発光ダイオードと各光学系との間隔をｔとしたとき、
Ｄｏ≒Ｄｉｎ／ＮＡｏｕｔ≒Ｉｏ＝Ｉｌｅｄ
Ｌ≦Ｄｉｎ≦１．１Ｌ
０＜ｔ≦０．２Ｌ
であってもよい。

この光学系が複合放物面集光器から成る場合、複合放物面集光器を利用して、発光ダイオードの発光面に対する照射面の輝度の減少を抑えることができ、発光ダイオードの全光束に対する照射面を照射する光の効率を高めることができる。また、発光ダイオードの発光面の形状が正方形の場合、複合放物面集光器も正方形であることが好ましい。発光面に対して平行な面において、発光ダイオードと複合放物面集光器との組から成るユニットが、正方格子の各格子点に配置されていることが好ましい。

本発明に係る発光ダイオード照明用部材は、本発明に係る発光ダイオード照明装置を構成する発光ダイオード照明用部材であって、各発光ダイオードがそれぞれ同一方向に光を出射可能に、２Ｌ＜Ｉｌｅｄ＜１０Ｌを満たす間隔で、平面上に等間隔で稠密配列または正方配列されており、各発光ダイオードに対して、各発光ダイオードの発光方向に各光学系を０．４Ｌまで近接可能に構成されていることを、特徴とする。

本発明に係る発光ダイオード照明用部材によれば、本発明に係る発光ダイオード照明装置を簡単な構成で容易に構成することができる。本発明に係る発光ダイオード照明用部材は、発光ダイオードを分散配置することにより、放熱性を上げ、個々の発光ダイオードが持つ性能を出すことができる。本発明に係る発光ダイオード照明用部材は、発光ダイオードが屈折率の大きい媒質により封止されることなく、気中に配置されていることが好ましい。また、発光ダイオードの発光方向に光学系を配置できるよう、ボンディングワイヤ等の構造物をできるだけ発光方向に配置しないことが好ましい。発光ダイオードを配列する基板は、アルミや銅など、放熱性の良い材質から成ることが好ましい。発光ダイオードの間隔Ｉｌｅｄは、照明系の照射開口数により決まるが、高輝度照明装置として使いやすい照射開口数が０．１〜０．５であることから、２Ｌ＜Ｉｌｅｄ＜１０Ｌであることが好ましい。

本発明によれば、発光ダイオードの発光面に対する照射面の輝度の減少を抑えることができ、発光ダイオードの全光束に対する照射面を照射する光の効率を高めることができる発光ダイオード照明装置および発光ダイオード照明用部材を提供することができる。

本発明の第１の実施の形態の発光ダイオード照明装置を示す（ａ）発光ダイオードからの放射光の幾何光学的光線追跡側面図、（ｂ）斜視図である。 図１に示す発光ダイオード照明装置の、発光ダイオードおよび光学系から成る１つのユニットの光線追跡側面図である。 図２に示す発光ダイオードおよび光学系の開口数と光線高さとの相関を示すグラフである。 図２に示す発光ダイオードおよび光学系の（ａ）照射面の照度分布図、（ｂ）横軸方向の照度分布を示すグラフである。 図２に示す発光ダイオードおよび光学系の照射面から１ｍ離れた面の照度分布図である。 図１に示す発光ダイオード照明装置の（ａ）照射面の照度分布図、（ｂ）照射面から１ｍ離れた面の照度分布図である。 本発明の第１の実施の形態の発光ダイオード照明装置の変形例を示す斜視図である。 図７に示す発光ダイオード照明装置の（ａ）照射面の照度分布図、（ｂ）照射面から１ｍ離れた面の照度分布図である。 本発明の第２の実施の形態の発光ダイオード照明装置を示す斜視図である。 図９に示す発光ダイオード照明装置の、発光ダイオードおよびテーパーロッドから成る１つのユニットを示す斜視図である。 図１０に示す発光ダイオードおよびテーパーロッドの（ａ）照射面の照度分布図、（ｂ）テーパーロッドから１ｍ離れたスクリーン上での照度分布図である。 図９に示す発光ダイオード照明装置の（ａ）照射面の照度分布図、（ｂ）テーパーロッドから１ｍ離れたスクリーン上での照度分布図である。 本発明の第２の実施の形態の発光ダイオード照明装置の変形例を示す斜視図である。 本発明の第３の実施の形態の発光ダイオード照明装置を示す斜視図である。 図１４に示す発光ダイオード照明装置の、発光ダイオードおよび複合放物面鏡から成る１つのユニットを示す斜視図である。 図１４に示す発光ダイオード照明装置の、複合放物面鏡の１つの面を示す側面図である。 図１５に示す発光ダイオードおよび複合放物面鏡の（ａ）照射面の照度分布図、（ｂ）照射面から１ｍ離れたスクリーン上での照度分布図である。 本発明の実施の形態の発光ダイオード照明用部材を示す斜視図である。 発光ダイオードの法線と出射光とのなす角度θに対する、発光ダイオード出力光の光度および入射効率の変化を示すグラフである。

以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
図１乃至図８に、本発明の第１の実施の形態の発光ダイオード照明装置を示す。
図１に示すように、発光ダイオード照明装置１０は、複数のＬＥＤ（発光ダイオード）１１と、複数の光学系１２と、ミキシングロッド１３とを有している。

ＬＥＤ１１は、７つから成り、発光面が同一平面上になるよう配置され、六角形の頂点と中心とに千鳥状に配列されている。各ＬＥＤ１１は、同一方向に光を出射するようになっている。各光学系１２は、正の屈折力を有する２つの凸レンズ２１ａ、２１ｂから成り、各ＬＥＤ１１の出射光の開口数を変換するよう、各ＬＥＤ１１に対応して設けられている。各光学系１２は、各ＬＥＤ１１の発光面に近接して配置されている。ミキシングロッド１３は、六角柱状を成し、各光学系１２の出射側に配置されている。

具体的な一例では、図２に示すように、各ＬＥＤ１１は、発光面が正方形であり、発光面の代表的寸法として、一辺の寸法Ｌ＝２ｍｍである。各光学系１２のレンズ２１ａ、２１ｂは２群２枚構成で、焦点距離ｆは４ｍｍ、代表的寸法のレンズ径Ｄｏ（＝Ｄｌｅｎｓ、レンズ２１ｂ出射面で光線が通過する最大径）は８ｍｍである。光学系１２の出射側の照射面１４は、径約８ｍｍである。したがって、
Ｄｌｅｎｓ＝Ｄｏ＝２ｆ
となっている。

また、照射開口数ＮＡｏｕｔの設計値は、レンズが正弦条件を満たすとすると、
ＮＡｏｕｔ＝Ｌ／２ｆ
であり、ＬＥＤ１１の対辺方向で、ＮＡｏｕｔ＝２／（２×４）＝０．２５、ＬＥＤ１１の対角方向で、ＮＡｏｕｔ＝２．８／（２×４）＝０．３５である。

光学系１２の各レンズ２１ａ、２１ｂは、凸側を照射面１４に向けた状態で配置されている。各レンズ２１ａ、２１ｂの曲率半径ｒ（ｍｍ）、中心厚および間隔ｄ（ｍｍ）、屈折率ｎ、アッベ数νを、以下に示す。ここで、ｒ１およびｒ２はそれぞれレンズ２１ａのＬＥＤ１１側および照射面１４側の曲率半径、ｒ３およびｒ４はそれぞれレンズ２１ｂのＬＥＤ１１側および照射面１４側の曲率半径である。ｄ０はレンズ２１ａ，２１ｂの光軸におけるＬＥＤ１１とレンズ２１ａとの間隔、ｄ１およびｄ３はそれぞれ各レンズ２１ａ，２１ｂの中心厚、ｄ２はレンズ２１ａとレンズ２１ｂとの間隔、ｄ４はレンズ２１ｂと照射面１４との間隔である。ｎ１およびｎ２はそれぞれ各レンズ２１ａ，２１ｂの屈折率、ν１およびν２はそれぞれ各レンズ２１ａ，２１ｂのアッベ数である。ｋ４はレンズ２１ｂの円錐定数である。

ｄ０＝０．５
ｒ１＝∞ ｄ１＝２．０ ｎ１＝１．５１６８ ν１＝６４．１７
ｒ２＝−２．５ ｄ２＝１
ｒ３＝∞ ｄ３＝４．８ ｎ２＝１．８４６７ ν２＝２３．７８
ｒ４＝−５．４２ ｄ４＝０．５ ｋ４＝−１．３３

図３はＬＥＤ１１の中心から出た光線のｓｉｎθと照射面１４での光線の光軸からの距離を示す。ここで、θはＬＥＤ１１の発光面での光線と光軸とのなす角度である。正弦条件では光線の高さ（光軸からの距離）ｈは、
ｈ＝ｆｓｉｎθ
となる。ここで、ｆは光学系１２の焦点距離（ｆ＝４ｍｍ）である。図３から、ほぼ正弦条件を満たしていることがわかる。

図４および図５に、下記条件でのモンテカルロ・シミュレーションの結果を示す。
ＬＥＤ寸法 ２ｍｍ角
ＬＥＤ全光束 ３１４ｌｍ
ＬＥＤ輝度 ２５ｃｄ／ｍｍ^２
スクリーン寸法 １０ｍｍ角（図４）
１ｍ角（図５）
光線本数 １００万本
フレネル損失 無視

図４は、照射面１４の照度分布を示し、１０％照度以上の照射径は、８．４ｍｍとなっている。また、図５は、照射面１４から１ｍ離れた面の照度分布を示し、１０％照度以上の照射寸法は、５２０ｍｍ角となっている。照射面１４は、発光面として見ることができ、輝度（光軸方向平均輝度）は、
１２５０／（４．２×４．２×３．１４）＝２２．６ｃｄ／ｍｍ^２
で、ＬＥＤ１１の発光面に対して約１０％減少している。照射効率（＝照射面１４に到達した光束／ＬＥＤ１１の全光束）は、８７％であった。

照射開口数は、
ｓｉｎ（ｔａｎ^−１（２６０／１０００）＝０．２５２ （対辺方向）
ｓｉｎ（ｔａｎ^−１（３８０／１０００）＝０．３５５ （対角方向）
で、開口数の増加は２％以下であった。輝度の減少は、照射効率分といえる。

このように、図２の構成では、光学系１２の出射開口数を抑えて、照射開口数ＮＡｏｕｔに合わせることができる。このため、ＬＥＤ１１の発光面に対する照射面１４の輝度の減少を抑えることができ、ＬＥＤ１１の全光束に対する照射面１４を照射する光の効率を高めることができる。なお、ＬＥＤが１つの場合には、図２により発光ダイオード照明装置１０を構成することができる。

図１に示すように、発光ダイオード照明装置１０は、図２に示すＬＥＤ１１、光学系１２の組を平面上に７ユニット稠密配置している。ユニットの間隔、すなわち隣り合うＬＥＤ１１間の間隔Ｉｌｅｄ、および隣り合う光学系１２間の間隔Ｉｏは、レンズ径Ｄｏと同じ８ｍｍである（Ｉｏ＝Ｉｌｅｄ＝Ｄｏ＝８ｍｍ）。ユニットの照射面１４で、一辺１２．６ｍｍの正六角柱のミキシングロッド１３を照射し、ミキシングロッド１３の出力面を発光ダイオード照明装置１０の照射面１５としている。

図６に、下記条件でのモンテカルロ・シミュレーションの結果を示す。
ＬＥＤ寸法 ２ｍｍ角
ＬＥＤ全光束 ３１４ｌｍ
ＬＥＤ輝度 ２５ｃｄ／ｍｍ^２
ＬＥＤ数量 ７個
スクリーン寸法 ３０ｍｍ角（図６（ａ））
１ｍ角（図６（ｂ））
光線本数 １００万本
フレネル損失 無視

図６（ａ）は、照射面１５の照度分布を示し、照射形状は１辺１３．２ｍｍの正六角形となっている。図６（ｂ）は、照射面１５から１ｍ離れた面の照度分布を示し、１０％照度以上の照射寸法は、対辺方向で６２０ｍｍとなっている。照射面１５の輝度は、
８５００／（１３．２×１３．２×１．７３／２／２×６）
＝１８．８１ｃｄ／ｍｍ^２
で、輝度の減少は２５％であった。照射効率は８９％であった。

照射開口数は、
ｓｉｎ（ｔａｎ^−１（３１０／１０００）＝０．２９６ （対辺方向）
ｓｉｎ（ｔａｎ^−１（３８０／１０００）＝０．３５５ （対角方向）
で、開口数の増加は対辺方向１８％、対角方向１％であった。ミキシングロッド１３による照射面積および照射開口数の増加により、輝度が減少している。

なお、図７に示すように、発光ダイオード照明装置１０は、ＬＥＤ１１と光学系１２とから成るユニットの間隔、すなわち隣り合うＬＥＤ１１間の間隔Ｉｌｅｄ、および隣り合う光学系１２間の間隔Ｉｏを、レンズ径Ｄｏより小さくしてもよい（Ｉｏ＝Ｉｌｅｄ＜Ｄｏ）。図７の場合、Ｉｏ＝Ｉｌｅｄ＝６．９２ｍｍ＝０．８６Ｄｏである。この場合、正六角柱のミキシングロッド１３の一辺は、１１ｍｍである。

図８に、図６と同じ条件でのモンテカルロ・シミュレーションの結果を示す。図８（ａ）は、照射面１５の照度分布を示し、照射形状は１辺１１．４ｍｍの正六角形となっている。図８（ｂ）は、照射面１５から１ｍ離れた面の照度分布を示し、１０％照度以下の照射寸法は、対辺方向で５６０ｍｍとなっている。照射面１５の輝度は、
７８００／（１１．４×１１．４×１．７３／２／２×６）
＝２３．１ｃｄ／ｍｍ^２
で、輝度の減少は７％と少ないが、照射効率は８０％と低い値となった。
Ｉｏ＝０．８Ｄｏでは輝度減少０％、照射効率７１％であった。この条件までが、高輝度照明装置として使用可能な範囲である。

照射開口数は、
ｓｉｎ（ｔａｎ^−１（２８０／１０００）＝０．２７ （対辺方向）
ｓｉｎ（ｔａｎ^−１（３８０／１０００）＝０．３５５ （対角方向）
で、照射開口数の増加は対辺方向８％、対角方向１％で、図６の場合よりも小さくなっている。効率よりも高輝度に重きを置いた設計になっているといえる。また、ミキシングロッド１３の入射部の照度分布が比較的均一なため、ミキシングロッド１３を短くできるという利点もある。

図９乃至図１３に、本発明の第２の実施の形態の発光ダイオード照明装置を示す。
図９に示すように、発光ダイオード照明装置３０は、複数のＬＥＤ１１と、複数の光学系１２とを有している。なお、以下の説明では、本発明の第１の実施の形態の発光ダイオード照明装置１０と同一の構成には同一の符号を付して、重複する説明を省略する。

ＬＥＤ１１は、６つから成り、発光面が同一平面上になるよう配置され、上下に３つずつ等間隔で配列されている。各ＬＥＤ１１は、同一方向に光を出射するようになっている。各光学系１２は、テーパーロッド３１から成り、各ＬＥＤ１１の出射光の開口数を変換するよう、各ＬＥＤ１１に対応して設けられている。

具体的な一例では、図１０に示すように、各ＬＥＤ１１の正方形の発光面の正面に、正方形テーパーロッド３１の入射面を配置し、出射面の正面に照射面１４を配置する。
図１１に、下記条件でのモンテカルロ・シミュレーションの結果を示す。
ＬＥＤ寸法 ２ｍｍ角
ＬＥＤ全光束 ３１４ｌｍ
ＬＥＤ輝度 ２５ｃｄ／ｍｍ２
ＬＥＤ−テーパーロッド間隔 ０．２ｍｍ
テーパーロッド−照射面間隔 ０．５ｍｍ
テーパーロッド入口寸法Ｄｉｎ ２ｍｍ
テーパーロッド出口寸法Ｄｏｕｔ ５ｍｍ、８ｍｍ
テーパーロッド開き角
φ／（Ｄｉｎ／Ｄｏｕｔ） ０．０１、０．１、０．２
テーパーロッド材質 ＢＫ７
スクリーン寸法 １０ｍｍ角（図１１（ａ））
１ｍ角（図１１（ｂ））
光線本数 １００万本
フレネル損失 無視

図１１（ａ）に、Ｄｉｎ／Ｄｏｕｔ＝０．２５、φ／（Ｄｉｎ／Ｄｏｕｔ）＝０．１の場合の照射面１４の照度分布を示す。照射形状は出口寸法と同程度の寸法の正方形で、照度分布はほぼ均一となっている。他の条件でも、照度形状は、出口寸法と同程度の寸法の正方形で、照度分布はほぼ均一となる。図１１（ｂ）に、テーパーロッド３１から１ｍ離れたスクリーン上での照度分布を示す。

照射面１４の輝度は、
１６００／（８．４×８．４）＝２２．８ｃｄ／ｍｍ^２
（Ｄｉｎ／Ｄｏｕｔ＝０．２５のとき）
６００／（５．４×５．４）＝２０．６ｃｄ／ｍｍ^２
（Ｄｉｎ／Ｄｏｕｔ＝０．４のとき）
である。輝度の減少は、テーパーロッド３１と照射面１４との間隔０．５ｍｍの間の光の広がりによる照射面積の広がりによって起こっている。

１０％照度以上の照射開口数を、表１に示す。

表１に示すように、照射開口数は、開き角が小さければＤｉｎ／Ｄｏｕｔに近づき、照射光の角度分布も開口数以上では０、開口数付近で鋭く立ち上がる形状となる。開き角が大きくなると分布が鈍って、照射開口数はＤｉｎ／Ｄｏｕｔより大きくなる。このように、照射開口数は、φ／（Ｄｉｎ／Ｄｏｕｔ）と相関が大きく、φ／（Ｄｉｎ／Ｄｏｕｔ）＝０．１以下であれば、分布がシャープで高輝度照明装置として望ましいことがわかる。

ＬＥＤ１１とテーパーロッド３１との間隔による、照射効率の変化を表２に示す。

表２では、ＬＥＤ−テーパーロッド間隔、テーパーロッド入口寸法とも、ＬＥＤ寸法を１とした時の相対値で示している。表２に示すように、ＬＥＤ１１とテーパーロッド３１との間隔ｔが０に近ければ照射効率は非常に高いが、０に近づけるには限界がある。テーパーロッド３１の入口寸法を大きくすれば照射効率は上がるが、出口寸法も大きなるため、入口寸法の２乗に反比例して輝度は小さくなる。高輝度照明装置では、輝度劣化が３０％以下、照射効率７０％以上が求められるため、表２から、テーパーロッド３１の入口寸法はＬＥＤ寸法の１．１倍以下（Ｌ≦Ｄｉｎ≦１．１Ｌ）、ＬＥＤ−テーパーロッド間隔はＬＥＤ寸法の０．２倍以下（０＜ｔ≦０．２Ｌ）が望ましい。ここで、ＬＥＤ−テーパーロッド間隔は空気中の距離で、屈折率ｎの媒質中ではｎ倍になる。

図９に示すように、発光ダイオード照明装置３０は、図１０に示すＬＥＤ１１とテーパーロッド３１の組を、テーパーロッド出口寸法Ｄｏｕｔと同じ間隔で（Ｉｏ＝Ｄｏｕｔ＝Ｄｏ）、６組正方配列したもので、図１０の６倍の面積を照射することができる。

図１２に、下記条件でのモンテカルロ・シミュレーションの結果を示す。
ＬＥＤ寸法 ２ｍｍ角
ＬＥＤ全光束 ３１４ｌｍ
ＬＥＤ数量 ６個
ＬＥＤ輝度 ２５ｃｄ／ｍｍ^２
ＬＥＤ−テーパーロッド間隔 ０．２ｍｍ
テーパーロッド−照射面間隔 ０．５ｍｍ
テーパーロッド入口寸法Ｄｉｎ ２ｍｍ
テーパーロッド出口寸法Ｄｏｕｔ ８ｍｍ
テーパーロッド出口間隔 ８ｍｍ
ＬＥＤの間隔 ８ｍｍ
テーパーロッド開き角
φ／（Ｄｉｎ／Ｄｏｕｔ） ０．１
テーパーロッド材質 ＢＫ７
スクリーン寸法 ３０ｍｍ角（図１２（ａ））
１ｍ角 （図１２（ｂ））
光線本数 １００万本
フレネル損失 無視

図１２（ａ）は、照射面１５の照度分布を示す。図１２（ｂ）は、テーパーロッド３１から１ｍ離れたスクリーン上での照度分布を示す。照射面１５の輝度は、
９６００／（２４．４×１６．４）＝２４．０ｃｄ／ｍｍ^２
で、テーパーロッド３１と照射面１５との間隔で起きる照射面積の広がりが、６つのテーパーロッド群の周辺でしか起こらないため、輝度の劣化は図１０の場合よりも小さくなる。

なお、図１３に示すように、発光ダイオード照明装置３０は、ＬＥＤ１１の間隔およびテーパーロッド３１の入口の間隔を、テーパーロッド３１の出口の間隔より広げてもよい。この場合、ＬＥＤ１１の間隔を空けることにより、放熱設計が容易になる。

図１４乃至図１７に、本発明の第３の実施の形態の発光ダイオード照明装置を示す。
図１４に示すように、発光ダイオード照明装置５０は、複数のＬＥＤ１１と、複数の光学系１２とを有している。なお、以下の説明では、本発明の第１および第２の実施の形態の発光ダイオード照明装置１０、３０と同一の構成には同一の符号を付して、重複する説明を省略する。

ＬＥＤ１１は、６つから成り、発光面が同一平面上になるよう配置され、上下に３つずつ等間隔で配列されている。各ＬＥＤ１１は、同一方向に光を出射するようになっている。各光学系１２は、複合放物面鏡（複合放物面集光器）５１から成り、各ＬＥＤ１１の出射光の開口数を変換するよう、各ＬＥＤ１１に対応して設けられている。

具体的な一例では、図１５に示すように、各ＬＥＤ１１の正方形の発光面の正面に、正方形複合放物面鏡５１の入射面を配置し、出射面の正面に照射面１４を配置する。図１６に、複合放物面鏡５１の１つの面の形状を示す。図１６に示すように、６１は放物面鏡、６２は放物面鏡の焦点位置、６３は放物面鏡の光軸、６４は複合放物面鏡５１の光軸、φｃｐｃは放物面鏡の光軸と複合放物面鏡５１の光軸とのなす角、Ｄｉｎは複合放物面鏡５１の入口寸法、Ｄｏｕｔは複合放物面鏡５１の出口寸法である。

正方形複合放物面鏡５１は、複合放物面鏡５１の光軸６４を中心に０度、９０度、１８０度、２７０度回転した４枚の放物面鏡６１により構成されている。正方形複合放物面鏡５１の照射開口数ＮＡｏｕｔは、
ＮＡｏｕｔ＝ｓｉｎ（φｃｐｃ）＝Ｄｉｎ／Ｄｏｕｔ
である。

図１７に、下記条件でのモンテカルロ・シミュレーションの結果を示す。
ＬＥＤ寸法 ２ｍｍ角
ＬＥＤ全光束 ３１４ｌｍ
ＬＥＤ輝度 ２５ｃｄ／ｍｍ^２
ＬＥＤ−複合放物面鏡間隔 ０．２ｍｍ
複合放物面鏡−照射面間隔 ０．５ｍｍ
複合放物面鏡入口寸法Ｄｉｎ ２ｍｍ
複合放物面鏡出口寸法Ｄｏｕｔ ８ｍｍ
スクリーン寸法 １０ｍｍ角（図１７（ａ））
１ｍ角（図１７（ｂ））
光線本数 １００万本
反射率 １００％

図１７（ａ）は、照射面１４の照度分布を示し、図１７（ｂ）は、照射面１４から１ｍ離れたスクリーンの照度分布を示している。照射面１４の輝度は、
１５３０／（８．４×８．４）＝２１．７ｃｄ／ｍｍ^２
で、輝度の減少は１３％、照射効率は８３．５％である。

照射開口数は、
ｓｉｎ（ｔａｎ^−１（２６０／１０００）＝０．２５２ （対辺方向）
ｓｉｎ（ｔａｎ^−１（３５０／１０００）＝０．３３ （対角方向）
である。照射面１４の照度分布は、中心が周辺の約半分であるが、テーパーロッド３１のような開口数の劣化が無いという特徴がある。

照射効率は、テーパーロッド３１と同じく表２となる。したがって、複合放物面鏡５１の入口寸法はＬＥＤ１１寸法の１．１倍以下（Ｌ≦Ｄｉｎ≦１．１Ｌ）、ＬＥＤ−複合放物面鏡間隔はＬＥＤ１１寸法の０．２倍以下（０＜ｔ≦０．２Ｌ）が望ましい。なお、ここでは中空の複合放物面鏡５１を示したが、ガラスの内面全反射を用いた複合放物面鏡であってもよい。

図１４に示すように、発光ダイオード照明装置５０は、図１５に示すＬＥＤ１１と複合放物面鏡５１のユニットを、複合放物面鏡出口寸法Ｄｏｕｔと同じ間隔で（Ｉｏ＝Ｄｏｕｔ＝Ｄｏ）、６組正方配列したもので、図１５の６倍の面積を照射することができる。この場合にも、テーパーロッド３１を用いた発光ダイオード照明装置３０と同様に、図１５の場合よりも輝度が高くなる。

図１８に、本発明の実施の形態の発光ダイオード照明用部材を示す。
図１８に示すように、発光ダイオード照明用部材７０は、７つのＬＥＤ１１を平面基板７１に、Ｉｌｅｄ＝８ｍｍの間隔で、等間隔で稠密配列して形成されている。なお、以下の説明では、本発明の第１、第２および第３の実施の形態の発光ダイオード照明装置１０、３０、５０と同一の構成には同一の符号を付して、重複する説明を省略する。

各ＬＥＤ１１は、高輝度照明装置として使いやすい照射開口数が０．１〜０．５であることから、２Ｌ＜Ｉｌｅｄ＜１０Ｌの間隔Ｉｌｅｄで配列されている。なお、７つのＬＥＤ１１と同じ面積を、１個のＬＥＤにすると５．３ｍｍ角のチップとなる。このＬＥＤを２ｍｍ角のＬＥＤと相似形で作ると、発熱量は７倍に増える。このとき、放熱抵抗は、２／５．３＝１／２．７倍に減るが、結果としてチップの温度上昇は、５．３／２＝２．７倍に増える。ここで、ＬＥＤのチップ温度上限は通常１５０℃とされており、これを守るためには、発熱量を１／２．７に減らす必要が生じ、結果として、発光面積を７倍にしても、全光束は２．７（７の平方根）倍にしかならない。

放熱のための多くの提案がなされているが、高輝度ＬＥＤの発光面積を大きくするには、放熱による限界がある。このため、発光ダイオード照明用部材７０では、ＬＥＤ１１を分散配置して放熱性を上げ、結果として個々のＬＥＤ１１が持つ性能を出すことができるようにしている。
平面基板７１は、放熱性の良い、アルミまたは銅製である。

以下に、発光ダイオード照明用部材７０を使用して、本発明の第１の実施の形態の発光ダイオード照明装置１０と同じガラス、同じ焦点距離、同じ径で、ＬＥＤ１１の発光面から光学系１２の第１面までの距離をｄ０＝０．８としたときの設計例を示す。
ｄ０＝０．８
ｒ１＝∞ ｄ１＝２ ｎ１＝１．５１６８ ν１＝６４．１７
ｒ２＝−３．２ ｄ２＝１
ｒ３＝∞ ｄ３＝３．８ ｎ２＝１．８４６７ ν２＝２３．７８
ｒ４＝−５．１ ｄ４＝０．５ ｋ４＝−１．６

同様にｄ０＝１とした時の設計例を示す。
ｄ０＝１
ｒ１＝∞ ｄ１＝２．４ ｎ１＝１．５１６８ ν１＝６４．１７
ｒ２＝−３．６ ｄ２＝１
ｒ３＝∞ ｄ３＝２．８ ｎ２＝１．８４６７ ν２＝２３．７８
ｒ４＝−５．３ ｄ４＝０．５ ｋ４＝−１．９

これらの設計における発光ダイオード照明装置１０（ｄ０＝０．５）と同じ条件でのモンテカルロ・シミュレーション結果を、表３に示す。

表３に示すように、ＬＥＤ１１から光学系１２の第１面までの距離ｄ０が大きくなると、輝度の変化はないが、照射効率が低くなる。表３より、第１面までの距離ｄ０がＬＥＤ１１の寸法Ｌの０．４倍以下が好ましい。このため、ＬＥＤ１１の配線材、カバーガラス、構造物等は、ＬＥＤ発光面からＬＥＤ寸法の０．４倍以内になくてはならない。

次に、発光ダイオード照明用部材７０を使用して、発光ダイオード照明装置１０においてＬＥＤ１１と第一レンズ２１ａとの間をシリコーン（屈折率＝１．４）で封止した場合の設計例を示す。
ｄ０＝０．５ ｎ１＝１．４ ν１＝５０
ｒ１＝∞ ｄ１＝１．４ ｎ１＝１．５１６８ ν１＝６４．１７
ｒ２＝−２．１ ｄ２＝１
ｒ３＝∞ ｄ３＝５．６ ｎ２＝１．８４６７ ν２＝２３．７８
ｒ４＝−５ ｄ４＝０．５ ｋ４＝−０．６７

この設計における発光ダイオード照明装置１０と同一条件でのモンテカルロ・シミュレーション結果は、照射面の輝度１１ｃｄ／ｍｍ^２、照射効率４４％であった。封止することにより、ＬＥＤ出射光の開口数は、１．４（＝屈折率）倍になりる。これは、開口数＝１とすると、ＬＥＤ寸法が１．４倍、面積が２倍、輝度が１／２になったと同じ効果が生じる。照射面の輝度、照射効率とも発光ダイオード照明装置１０の半分になったのは、この効果による。このことから、高輝度ＬＥＤ照明装置においては、ＬＥＤ１１を気中に配置することが重要である。

本発明の第１、第２および第３の実施の形態の発光ダイオード照明装置１０、３０、５０の照射面を、新たな発光面として扱うこともできる。すなわち、輝度を落とすことなく、開口数を下げ、発光面積を上げた新たな発光面となる。例えば、発光ダイオード照明装置１０、３０、５０の照射面を、反射型の表示素子に結像して使用することもできる。

１０、３０、５０ 発光ダイオード照明装置
１１ ＬＥＤ（発光ダイオード）
１２ 光学系
１３ ミキシングロッド
１４、１５ 照射面
２１ａ、２１ｂ レンズ
３１ テーパーロッド
５１ 複合放物面鏡
７０ 発光ダイオード照明用部材
７１ 平面基板

Claims (8)

1. 発光ダイオードと、前記発光ダイオードの出射光の開口数を変換するよう設けられた光学系とを有する発光ダイオード照明装置であって、
   前記発光ダイオードの発光面の代表的寸法をＬ、前記光学系の代表的寸法をＤｏ、装置から照射される光の開口数をＮＡｏｕｔとしたとき、
   ０．８Ｌ／ＮＡｏｕｔ≦Ｄｏ≦１．１Ｌ／ＮＡｏｕｔ
   であることを、
   特徴とする発光ダイオード照明装置。
2. 前記光学系は正の屈折力を有するレンズから成り、
   前記発光ダイオードは前記光学系の焦点または焦点の近傍に配置されており、
   前記光学系の代表的寸法Ｄｏを前記レンズの径とし、前記レンズの焦点距離をｆとしたとき、
   Ｄｏ≒２ｆ≒Ｌ／ＮＡｏｕｔ
   であることを、
   特徴とする請求項１記載の発光ダイオード照明装置。
3. 前記発光ダイオードは複数から成り、それぞれ同一方向に光を出射するよう、発光面が同一平面上に配置されており、
   前記光学系は複数から成り、各発光ダイオードの出射光の開口数を変換するよう、各発光ダイオードに対応して設けられており、
   各発光ダイオードの発光面の代表的寸法をＬ、隣り合う発光ダイオード間の間隔をＩｌｅｄ、各光学系の代表的寸法をＤｏ、隣り合う光学系間の間隔をＩｏ、装置から照射される光の開口数をＮＡｏｕｔとしたとき、
   ０．８Ｌ／ＮＡｏｕｔ≦Ｄｏ≦１．１Ｌ／ＮＡｏｕｔ
   Ｉｏ≦Ｉｌｅｄ
   Ｉｏ≦Ｄｏ
   であることを、
   特徴とする請求項１記載の発光ダイオード照明装置。
4. 各光学系は正の屈折力を有するレンズから成り、
   各発光ダイオードはそれぞれ各光学系の焦点または焦点の近傍に配置されており、
   各光学系の代表的寸法Ｄｏを前記レンズの径とし、前記レンズの焦点距離をｆとしたとき、
   Ｄｏ≒２ｆ≒Ｌ／ＮＡｏｕｔ
   Ｉｏ＝Ｉｌｅｄ≦Ｄｏ
   であることを、
   特徴とする請求項３記載の発光ダイオード照明装置。
5. 各光学系はテーパーロッドから成り、
   各光学系の代表的寸法Ｄｏを前記テーパーロッドの出口寸法とし、隣り合う光学系間の間隔Ｉｏを前記テーパーロッド出口での間隔とし、前記テーパーロッドの入口寸法をＤｉｎ、前記テーパーロッドの開き角をφ、各発光ダイオードと各光学系との間隔をｔとしたとき、
   Ｄｏ≒Ｄｉｎ／ＮＡｏｕｔ≒Ｉｏ＝Ｉｌｅｄ
   φ＜ＮＡｏｕｔ／１０
   Ｌ≦Ｄｉｎ≦１．１Ｌ
   ０＜ｔ≦０．２Ｌ
   であることを、
   特徴とする請求項３記載の発光ダイオード照明装置。
6. 各光学系はテーパーロッドから成り、
   各光学系の代表的寸法Ｄｏを前記テーパーロッドの出口寸法とし、隣り合う光学系間の間隔Ｉｏを前記テーパーロッド出口での間隔とし、前記テーパーロッドの入口寸法をＤｉｎとしたとき、
   Ｄｏ≒Ｄｉｎ／ＮＡｏｕｔ≒Ｉｏ＜Ｉｌｅｄ
   であることを、
   特徴とする請求項３記載の発光ダイオード照明装置。
7. 各光学系は複合放物面集光器から成り、
   各光学系の代表的寸法Ｄｏを前記複合放物面集光器の出口寸法とし、前記複合放物面集光器の入口寸法Ｄｉｎ、各発光ダイオードと各光学系との間隔をｔとしたとき、
   Ｄｏ≒Ｄｉｎ／ＮＡｏｕｔ≒Ｉｏ＝Ｉｌｅｄ
   Ｌ≦Ｄｉｎ≦１．１Ｌ
   ０＜ｔ≦０．２Ｌ
   であることを、
   特徴とする請求項３記載の発光ダイオード照明装置。
8. 請求項３乃至７のいずれか１項に記載の発光ダイオード照明装置を構成する発光ダイオード照明用部材であって、
   各発光ダイオードがそれぞれ同一方向に光を出射可能に、２Ｌ＜Ｉｌｅｄ＜１０Ｌを満たす間隔で、平面上に等間隔で稠密配列または正方配列されており、各発光ダイオードに対して、各発光ダイオードの発光方向に各光学系を０．４Ｌまで近接可能に構成されていることを、
   特徴とする発光ダイオード照明用部材。