JP2014517489A - 発光ダイオード光源 - Google Patents

Abstract

照明モジュール１００及び斯かる照明モジュールを有する照明装置２００が提案される。該照明モジュールは、基板１１０に装着された発光ダイオード（ＬＥＤ）１２０のアレイと、動作時に該ＬＥＤのアレイを単一の均一な光源に近似するため該ＬＥＤを囲む光学構造１３０と、を有する。該光学構造は、−α_ｍａｘと＋α_ｍａｘとの間の略一定である偏角αの関数であり且つ当該範囲外の角度では略ゼロである光度プロファイルを提供するように構成された光学素子１４０を有し、ここでα_ｍａｘは該光学素子により提供される最大偏角である。このことは、単一の均一な光源を生成することと該光源のエタンデュを維持することとの間のトレードオフを最適化するのに特に有利である。光学素子１４０の更なる利点は、両面におけるフレネル反射を除いて、拡散器が持つような後方散乱がないことであり、このことは非常に低い光損失に帰着する。

Description

本発明は、照明モジュール及び照明装置に関する。更に詳細には、本発明は、基板及び該基板に装着された個々のＬＥＤのアレイを有する、モジュール及び装置に関する。斯かるモジュール及び装置は特に、ダウンライト、アップライト、壁面照明、スポットライト、等のような照明用途に用いられる。

開示された種類の照明装置の実施例は、米国特許出願公開US2010/0103678より知られている。該文献は、ＬＥＤチップのアレイを保持するためのサブマウントを有し、該サブマウントはチップパッド及び上面に導電トレースを持つ、発光ダイオード（ＬＥＤ）要素を開示している。アレイを形成する該ＬＥＤチップは、チップパッドの対応する１つに装着される。導電トレースは、ＬＥＤチップに電力を供給するように構成され、動作時に、該ＬＥＤチップが特定用途向けの照明分布を提供するように利用可能な光を発するようにする。該ＬＥＤ要素は更に、ＬＥＤチップのアレイをカバーする固体レンズと、近接場においてＬＥＤの発光を混合するための拡散器とを有する。換言すれば、該拡散器は、該ＬＥＤ要素が観測されるときに、別個のＬＥＤチップに起因する光が、拡散器がないときのように明確に個別に識別可能ではないようにするため、ＬＥＤチップの発光を混合させる。その代わりに、該ＬＥＤ要素が直接に観測される場合には、レンズの下の単一の光源を近似する。該拡散器は、該レンズの上のドームとして備えられても良く、該ドームは、散乱中心又はマイクロレンズのような拡散性の微細構造を有しても良い。

この手法の利点は、遠距離場における光学的な不均一性が防止されるという事実にある。斯かる不均一性は、例えばスポットライト照明用途の場合における反射器のような、照明器具において通常利用される二次的な光学素子と組み合わせた、ＬＥＤチップのサブマウントに配置された離散的な幾何学的位置に起因する。その結果、対策がなければ、遠距離場の照明パターンにおける陰影線が、照明分布の中心及び特にその周囲に生じ得る。多くの照明設計者及びユーザは、斯かる効果を不快なものと考える。特にＬＥＤチップが種々の色の光を発する場合には、これらの陰影線は色付きのものとなる。この着色は、全てのＬＥＤチップが同一の色の光を発する場合における照明分布における明暗変調に比べて、これら陰影線をより観測可能なものとし、従ってより不快なものとする。

しかしながら、米国特許出願公開US2010/0103678に記載された方法の欠点は、機械的にも光学的にも、光源のサイズを拡大させてしまう点である。機械的な拡大は、ＬＥＤチップアレイを囲むドームの物理的なサイズによるものである。光学的な拡大は、個々のＬＥＤチップにより発せられる光の広がりによるものである。このことは、アレイの中央部においては個々のＬＥＤチップ間の「暗い間隙」を満たすＬＥＤチップの仮想的なサイズに帰着するが、アレイの外端に近いＬＥＤチップの仮想的なサイズは該アレイの物理的なサイズを超えて光源のサイズに達する。良く知られているように、より大きな光源サイズは、特定用途向けの照明分布を得るための二次的な光学素子の使用及び設計を複雑化させる。特に、細いビームのスポットライト用途については、実用的で利用可能なサイズの二次的光学素子を維持するためには、小さな光源が望ましい。

本発明の目的は、以上に述べた欠点の少なくとも一部を軽減する、前述した種類の照明モジュールを提供することにある。本目的は、第１の態様によれば、照明モジュールの動作時に光学構造を通して発光ダイオードを観測したときに、−α_ｍａｘと＋α_ｍａｘとの間の略定数である偏角αの関数であり、且つ＋α_ｍａｘより上及び−α_ｍａｘより下では略ゼロ（即ちｘ＝０において光度の１０％以下、好適には５％以下、より好適には１％以下）である、光度プロファイルＩを提供するように構成された光学素子を有する光学構造を有する照明モジュールであって、α_ｍａｘは、光学素子により提供される最大偏角である照明モジュールによって、達成される。本発明は、光源を均一化し、一方で同時にサイズの拡大を最小化する装置を提供する。該光学素子は、所定の距離に亘って略一定な、ＬＥＤの面における照度Ｅ'を提供する、仮想的なＬＥＤ光源を生成することを可能とする。好適には、該所定の距離は、ＬＥＤのアレイのピッチＰに対応する。該光学素子の更なる利点は、該光学構造の内面及び外面におけるフレネル反射を除いて、拡散器が呈するような後方散乱を呈さないことである。それ故、非常に低い光損失に帰着する。

一実施例においては、前記光学構造は、各々が該光学構造における位置に依存する最大偏角α_ｍａｘをもたらす複数の光学素子を有する。有利にも、このことは、該光学素子がアレイ中のＬＥＤを観測する幾何的な角度及び対応する距離を調節を可能とする。

一実施例においては、サイズｒ_ｍａｘを通して光学素子の最大α_ｍａｘを制御することが、有益にも、射出成型された光学構造を生成するための予備成形部分の容易な加工を可能とする。

有利にも、光学素子は、非球面小型レンズを形成する。一実施例においては、該非球面小型レンズにより提供される最大偏角α_ｍａｘは、サイズｒ_ｍａｘを線形に増大させる。このことは、−α_ｍａｘと＋α_ｍａｘとの間の一定な光度プロファイルを形成することを可能とする。有益にも、該小型レンズは、放物面形状の少なくとも１つの断面を持つ。

一実施例においては、該光学素子は、発光ダイオードのアレイに面する該光学構造の第１の側に配置される。

該光学素子は、凸形状又は凹形状を持っても良い。このことは有益にも、光学的な機能を低下させ得る油又は埃のような有害な環境効果から該光学素子を保護する。

一実施例においては、該光学素子は、多角形の輪郭を持つ。このことは有益にも、複数の光学素子がジオデシック（geodesic）ドームを形成することを可能とする。

一実施例においては、該光学構造は更に、二次的な光学機能を提供するための光学要素を有する。一例として、該二次的な光学機能は、例えば照明モジュールから発せられた光の中心部分を集中させることにより、該照明モジュールの光軸の近くに発せられた光をビーム成形することを可能とし得る。代替としては、該二次的な光学機能は、基板の上の高さに依存するように該光学構造の厚さｔを構成することにより提供され得る。斯かる構成は、局所的に変化する光学的な楔を形成し、ＬＥＤにより発せられた光を制御すること、及び反射器のような照明モジュールに対して協働可能に構成された二次的な光学素子との該光の相互作用を可能とする。

一実施例においては、該光学構造は更に、該照明モジュールの光学的性能を調節するための手段を有する。例えば、該光学構造は、該構造のスペクトル透過特性を調節するための色素を有しても良い。このことは有益にも、該照明モジュールの光学的効率を調節すること、及び／又は例えば演色特性を制御するため発せられた光のスペクトルを調節することを可能とする。

第２の態様によれば、本発明は、先行する請求項のいずれかに記載された照明モジュールと、特定用途向けの照明分布を提供するため該照明モジュールに対して協働可能に構成された二次的な光学素子と、を有する照明装置を提供する。有益にも、斯かる照明装置は、複数の原色を発するＬＥＤを適用した場合に、明暗変調又は色付きの変調による不快感のない照明分布を形成することを可能とする。

本発明のこれらの及び他の態様は、以下に説明される実施例を参照しながら説明され明らかとなるであろう。しかしながら、これら実施例は本発明の保護範囲を限定するものとして解釈されるべきではないことは、理解されたい。これら実施例は個別に適用されても良いし、組みわせて適用されても良い。

本発明の更なる詳細、特徴及び利点は、図面とあわせて、例となる好適な実施例の以下の説明において開示される。

先行技術による照明装置の断面図を模式的に示す。 先行技術による照明モジュールの上面図を図式的に示す。 図２の照明モジュールの線ＡＡ'に沿ってとられた断面図を示す。 先行技術による光度プロファイルを図式的に示す。 先行技術による光度プロファイルを図式的に示す。 先行技術による光度プロファイルを図式的に示す。 先行技術による光度プロファイルを図式的に示す。 本発明による光学素子を図式的に示す。 本発明による光度プロファイルを図式的に示す。 放物面状光学素子と球状光学素子との間の相対的な光度プロファイルの比較を示す。 本発明の実施例による広がった接線方向の光を示す。 本発明による光学構造の断面図を示す。 二次的光学機能を提供するための光学要素を有する光学構造の実施例を模式的に示す。

図１は、ダウンライト、アップライト、壁面照明、スポットライト等のような、照明装置２００の断面図を模式的に示す。該照明装置は、照明モジュール１００と、特定用途向け照明分布を提供するための、該照明モジュールに対して協働可能に構成された二次的光学素子２１０と、を有する。図２が示すように、照明モジュール１００は、照明用途の要件及び発光ダイオード（ＬＥＤ）ごとの光出力に依存して、個々のＬＥＤ１２０のアレイを有しても良い。これらＬＥＤは、個別に又は集合的に光を発するように制御されることができるように、該モジュールの基板１１０に装着されても良い。更に、ＬＥＤ１２０は、仕様に沿った動作の間、該ＬＥＤの接合温度を維持するためのヒートシンク（図示されていない）への熱経路の一部を該基板が形成するように装着されても良い。ＬＥＤ１２０はＬＥＤチップであっても良く、これによりこれらＬＥＤがチップオンボードシステムを形成しても良い。代替としては、該ＬＥＤは、例えばPhilips Lumileds Lighting社のLUXEON（登録商標）Rebelのような、ＬＥＤチップを有するパッケージであっても良い。該ＬＥＤは、全ての同じスペクトルを発するように構成されても良く、該スペクトルは、ＬＥＤのｐｎ接合において直接に生成される小さな帯域幅スペクトルであっても良いし、又は例えば波長変換器即ちいわゆる蛍光体被覆（ｐｃ）ＬＥＤの使用により生成される白色光のような大きな帯域幅スペクトルであっても良い。代替としては、該ＬＥＤは、（光束分布及びスペクトル分布により規定される）特定用途向け照明分布を提供するように混合されても良い種々の原色（例えば赤色、緑色、青色及びアンバー）を発するように構成されても良い。

例えば閉じた充填されたアレイのような密なアレイにＬＥＤ１２０を配置することは有利である。なぜなら、このことは、アレイにより形成される光源全体のサイズを低減させるからである。より小さな光源は、照明装置２００の二次的光学素子２１０による所定の照明分布の形成に有益に影響を与える。該二次的光学素子は、放物面状、セグメント型又は自由造形の金属又は金属化された反射器のような、適切な形状の反射器により形成されても良い。代替としては、該二次的光学素子は、化合物濃縮器のようなＴＩＲを呈する大型の透明な光学要素により形成されても良い。しかしながら、斯かる密に充填されたアレイを用いる場合であっても、動作時に対応する数の光ビーム２２０を発する複数の個々のＬＥＤが含まれる。光ビームの集合は、照明装置２００によりもたらされる照明分布を形成する。該アレイにおけるＬＥＤ１２０間の物理的な距離のため、光ビーム２２０は、遠距離場の照明パターンにおいて可視の明暗線を形成する。これら線は、これら線が環として見える、照明分布の周縁部において特に不快なものとなり得る。更に、該照明分布はまた、二次的光学素子２１０を介して生成される部分において不均一性を呈し得る。

該照明分布における斯かる光学的なアーティファクトの形成を抑えるため、通常は、ＬＥＤにより発せられる光を拡散させるように構成されたドーム１３０が、ＬＥＤアレイ１２０の上に配置される。斯かる拡散ドームは、延長された仮想的なＬＥＤ光源１２０ａ（図２）に見た目上は起因する光ビーム２２０に帰着する。

図３が模式的に示すように、個々のサイズｓを持ちピッチＰで配置されたＬＥＤ１２０のアレイの上に、半径Ｌを持つ拡散性半球１３０の配置することは、偏角αに亘って発せられる光の散乱（ドームにおける微小構造を通した）又は屈折（ドーム上の微小レンズを通した）に帰着する。典型的には、ｓは１×１乃至２×２ｍｍ^２の範囲内であり、Ｐは２乃至６ｍｍの範囲内である。該偏角は、該拡散性ドームに取り付けられた微小構造に依存する値である、最大偏角α_ｍａｘに制限される。結果として、偏角αの関数としての光度プロファイル１２１は典型的に、それぞれ散乱微小構造及び微小レンズについて、図４Ａ及びＣに示された形を持つ。斯くして、該拡散性ドームに取り付けられた斯かる微小構造及び微小レンズは実質的に、ＬＥＤの発光面のサイズを該アレイにおけるＬＥＤ１２０間の「暗い」領域にまで拡大し、それにより均一な光源を生成するのに寄与するが、斯かる寄与は明らかに最適なものではない。偏角の関数としての光度プロファイル１２１の減少は、微小構造及び微小レンズを、より大きな最大偏角α_ｍａｘを呈するように調節することによって補償され得る。例えば、散乱中心のサイズ及び屈折率が調節されても良い。代替としては、微小レンズの曲率半径及び／又はサイズが調節されても良い。実際に、このことは光源の均一性を改善するが、それは仮想的な光源サイズを犠牲にして得られるものである（図４Ｂ及びＤ）。更に、斯かる大きな最大偏角α_ｍａｘを提供する微小構造をドームに収容するためには、ドームサイズＬが一般的に増大させられる必要がある。

図５Ａは、本発明による光学素子１４０を模式的に示す。以下の議論のため、Ｏ'に配置されたＬＥＤ１２０に起因し、Ａにおいて光学素子１４０と交差して、焦点Ｆへと屈折させられる光線についての偏角αは、角ＯＦＡ＝角Ｏ'ＦＡ'として定義される。同様に、最大偏角α_ｍａｘは、光学素子１４０に丁度交差するぎりぎりの光線に対応する角ＯＦＢ＝角Ｏ'ＦＢ'として定義される。斯くして、光学素子１４０の焦点距離をｆとし、サイズ（＝ＯＢ）をｒ_ｍａｘとすると、以下の関係が成り立つ：
ｆ＝ｒ_ｍａｘ／ｔａｎα_ｍａｘ

本発明は、照明モジュール１００の動作時に光学構造１３０を通してＬＥＤ１２０を観測したときに、−α_ｍａｘと＋α_ｍａｘとの間の略一定な偏角αの関数としての光度プロファイルＩ（１２５）をもたらす光学素子１４０を有するように光学構造１３０を構成することが、一方では均一な光源と他方では小さな（又は限られた）光源との間のトレードオフを最適化する、という洞察に基づくものである。図５Ｂが模式的に示すように、斯かる光学素子１４０を略均一に取り付けることは、該アレイのＬＥＤ１２０間の「暗い間隔」を埋めると同時に、物理的な光源の全体のサイズ（即ち外接円の直径）と比べた、仮想的な光源の全体のサイズの拡大を、有利にも最小化する。その結果、該光源のエタンデュが殆ど拡大されない。更に、最大偏角を限定することは、同時に光学構造１３０の必要なサイズＬを限定する。

好適な実施例においては、α_ｍａｘは以下の関係が成り立つように選ばれる：
ｔａｎα_ｍａｘ＝｛（Ｐ−ｓ）／２−ｒ_ｍａｘ｝／Ｌ

有利にも、このことは、サイズ２Ｐの単一の均一な光源が形成されるように、該アレイのピッチＰに等しい拡大されたサイズを持つ、隣接するＬＥＤ１２０に対応する、２つの仮想的な光源を生成することを可能とする。その結果、該仮想的な光源の全体のサイズは、ピッチＰの値により、物理的な光源の全体のサイズに比べて最小限にのみ拡大させられる。典型的には、光学構造１３０のサイズＬは、ＬＥＤアレイの外接円の約１．１倍に制限され得る。図２に模式的に示されたようなＬＥＤアレイ１２０の構成において、Ｌは典型的には１０乃至１３ｍｍの範囲内となり得、α_ｍａｘは１０°乃至２０°の範囲内となり得る。しかしながら、これらの寸法は、ＬＥＤアレイの外接円に大きく依存する。

照明モジュール１００の動作時に光学構造を通してＬＥＤ１２０を観測したときに、略一定な偏角αの関数としての光度プロファイルＩ（１２５）をもたらすように光学素子１４０を記述することは、−（Ｌ＋ｆ）／ｔａｎα_ｍａｘと＋（Ｌ＋ｆ）／ｔａｎα_ｍａｘとの間の定数となる仮想的なＬＥＤ光源によりもたらされるＬＥＤ１２０の平面における照度Ｅ'を記述することと同等である。換言すれば、光学構造１３０は、照明モジュールの動作時に、ＬＥＤ１２０に対応する仮想的な光源を生成するように構成された光学素子１４０を有し、該仮想的な光源は、−（Ｌ＋ｆ）／ｔａｎα_ｍａｘと＋（Ｌ＋ｆ）／ｔａｎα_ｍａｘとの間の略一定であるＬＥＤ１２０の平面にける照度Ｅ'をもたらし、ここでα_ｍａｘは該光学素子により呈される最大偏角であり、ｆは該光学素子の焦点距離であり、ＬはＬＥＤ１２０と光学素子１４０との間の距離である。

本明細書においては、略一定であるとは、−α_ｍａｘと＋α_ｍａｘとの間の光度プロファイルＩ（１２５）の最大光度Ｉ_ｍａｘと最小光度Ｉ_ｍｉｎとの間の差が２０％未満、即ち（Ｉ_ｍａｘ−Ｉ_ｍｉｎ）／Ｉ_ｍａｘ＜２０％であることを意味するものとして理解されたい。好適には、当該比率は１５％未満であり、更に好適には１０％未満であり、更には５％未満である。同様に、ＬＥＤの平面における仮想的な光源によりもたらされる最大照度Ｅ'_ｍａｘと最小照度Ｅ'_ｍｉｎとの間の差は２０％未満であり、即ち（Ｅ'_ｍａｘ−Ｅ'_ｍｉｎ）／Ｅ'_ｍａｘ＜２０％であることは理解されるであろう。好適には、当該後者の比率は１５％未満であり、更に好適には１０％未満であり、更には５％未満である。

一実施例においては、光学素子１４０は非球面小型レンズである。一実施例においては、斯かる非球面小型レンズの少なくとも１つの断面は、放物線形状を持つ。本発明によう光学素子１４０はそれ故、幾つかのタイプの輪郭を持ち得る。例えば、該輪郭は円形であり得、光学素子１４０は該小型レンズの光軸のまわりに放物線を回転させることにより形成され得る。代替としては、該輪郭は楕円形であり、該楕円の長軸に沿った第１の放物線の曲率半径が、該楕円の短軸に沿った第２の放物線の曲率半径よりも短くなり得る。更に代替としては、斯かる円形又は楕円形の光学素子の輪郭は、三角形、正方形、長方形、菱形、偏菱形、五角形、六角形等のような多角形の形をとって先端を切り取られていても良い。好適には、斯かる多角形の輪郭は、（正）凸多面体のモザイク配置及び／又は形成を可能とするように構築される。また光学素子１４０は、例えば正方形又は長方形の輪郭を持ち一方向にのみ光を屈折させる光学素子のように、放物線を形成する単一の断面のみを持っても良い。更に代替としては、光学素子１４０は非対称であっても良く、即ち該光学素子の光軸が該輪郭の中心と一致していなくても良いし、又は該光学素子は２つ以上の曲率半径を呈しても良い。

円対称の光学素子１４０の場合を除き、以上に説明された小型レンズの例は、半径が測定される方向に依存して、２つ以上の最大半径（図５ＡにおけるＯＢと同等）を呈する。例えば、正多角形として切り取られた形の円対称の光学素子１４０は、それぞれ辺心距離（即ち中心から辺の１つの中間点までの線分の長さ）及び外接円半径（即ち中心から角の１つまでの線分の長さ）と関連する、最小のｒ_ｍａｘ及び最大のｒ_ｍａｘを呈する。最大偏角α_ｍａｘは、最大半径ｒ_ｍａｘ、小型レンズの曲率半径Ｒ、及び小型レンズの物質の屈折率ｎにより決定され、放物面状の小型レンズの場合には、以下により与えられる：
α_ｍａｘ＝（ｎ−１）・ｒ_ｍａｘ／Ｒ

従って、斯かる正多角形として切り取られた形の円対称の光学素子１４０は、円対称の光学素子が呈するような、−α_ｍａｘと＋α_ｍａｘとの間の完全な定数である偏角αの関数として光度プロファイルＩ（１２５）を呈さない。その代わり、切り取られた形の光学素子の光度プロファイルは、対応する最大偏角α_{ｍａｘ，ｉ}を持つ幾つかの小型レンズｉの平均光度プロファイルとみなされ得る。

図６は、放物面状小型レンズ１４４と球面小型レンズ１４２との光度プロファイルの大きな差を示す。認識されるように、放物線の断面を持つ円対称の放物面状光学素子１４０は、α_ｍａｘまでの全ての偏角αについて一定である光度プロファイル１４４を生成する。一方、同じ曲率半径を持つ円対称の球面小型レンズは、偏角の関数として急激に減少する光度プロファイル１４２を生成する。この差は、放物面状の光学素子１４０により呈される最大偏角α_ｍａｘが、該要素のサイズｒ_ｍａｘの線形関数であるのに対し、球面小型レンズの場合には少なくとも３次の多項式であるという事実に起因する。小型レンズ（所定の曲率半径を持つ）のサイズを拡大させることは、該小型レンズにより捕捉されるＬＥＤにより発せられる光束を増大させるが、同時に、光が屈折させられる立体角が増大する。放物面状の小型レンズの場合には、これらの２つの効果は互いに打ち消し合い、斯くして一定の光度を維持する。一方、球面小型レンズの場合には、立体角が捕捉される光束の増大よりも急速に増大し、図６に示される光度の鋭い減少に帰着する。

一実施例においては、光学構造１３０は、複数の光学素子１４０を有する。或る光学素子によりもたらされる最大偏角α_ｍａｘは、該光学構造における該要素の位置に依存するように構成されても良い。例えば、光学構造１３０の周縁の近く（即ち基板１１０の近く）に配置された光学要素１４０は、照明モジュールの光軸の近くに配置された光学要素よりも、小さな又は大きなα_ｍａｘをもたらすように構成されても良い。代替としては、周縁の近くに配置された要素が、例えば第１の方向において曲率半径Ｒ１を持ち、第２の方向に曲率半径Ｒ２（Ｒ１とは異なる）を持つように構築することにより、非対称なものとされても良い。有利にも、このことは、これら要素がＬＥＤアレイ１２０を「観測する」測定法的な角度を補正することを可能とする。このことは、例えば図７に示されるように、観測されるＬＥＤ間の距離が半径方向と接線方向とで異なる場合に、特に興味深いものとなる。加えて、該小型レンズの中心が輪郭に対して偏心させられた場合、アレイの中心からより発せられたものように光を拡散させることが可能となり、より制限された光源及びより適切に維持されたエタンデュに帰着する。最大偏角α_ｍａｘは、光学素子１４０のサイズｒ_ｍａｘ及び曲率半径Ｒの両方によって制御されても良い。実際には、ｒ_ｍａｘによる制御は、全ての素子が同じ曲率Ｒ（又は同じ放物面形状）を持つため、対処がより簡便となるという利益をもたらす。

一実施例においては、光学構造１３０は、２つの隣接する光学素子が互いに接触する側がレンズ（好適には放物線の断面を持つレンズ）として成形された、多角形の輪郭を持つ複数の光学素子１４０を有する。このことは有利にも、２つの隣接する光学素子が、これら光学素子が接する側において稜線を形成することを防ぐ。斯かる稜線は、これら２つの光学素子の最大偏角をα_{ｍａｘ１，２}とすると、上端角（α_ｍａｘ１＋α_ｍａｘ２を持ち得る。斯かる稜線を防止することは有益にも、該照明装置により生成される照明分布を平滑化する。

一例として、光学構造１３０は、放物線の断面形状を持つ溝又は稜線を有しても良い。該溝又は稜線は、照明モジュール１００の基板に平行に向くように、即ちＬＥＤアレイ１２０の面に平行に向くように、製造されても良い。代替としては、該溝又は稜線は、第１の場合に適切な角度に、即ち光学構造１３０の少なくとも周縁部の近くにおいてＬＥＤアレイ１２０の面に垂直に、向けられるように製造されても良い。斯かる溝及び稜線は、一方向にのみ発せられる光の屈折に帰着する。この前者の例においては、発せられる光は、該モジュールの光軸に対して径方向に細長い仮想的なＬＥＤ光源から来るように見える。後者の場合においては、発せられる光は、図７に模式的に示されるように、該モジュールの光軸に対して接線方向に細長い仮想的なＬＥＤ光源１２０ａから来るように見える。特に後者の場合においては、単一の均一な光源を提供しつつ、光源全体としてのエタンデュは良く維持される。ここで説明されたもののような実施例においては、光学構造１３０を、半球状又はジオデシック状ではないように設計することが有益である。その代わり、該光学構造を、上部が平坦な若しくは上部が丸い円筒形、又は一般的には凸多面体として設計することが有益となり得る。

光学構造１３０は、図８に示されるように、ＬＥＤアレイ１２０に向けられた第１の面即ち内面１３１と、該アレイとは反対を向く第２の面即ち外面１３２とを持つ。光学素子１４０は内面及び／又は外面の両方に配置されても良く、これら光学素子を内面に配置することは利益をもたらす。とりわけ、該構造の内側に配置されると、光学素子１４０は、光学的な機能を低下させ得る油又は埃のような有害な環境効果から保護される。更に、光学構造１３０が射出成型された素子として構成される場合には、該光学素子は、凸状の予備成形部分上に準備されても良い。なぜなら、当該部分は、凹状の対応部分よりも優れた加工アクセスをもたらすからである。斯かる構成の一例は図８に示されており、図８は、ジオデシックドームを形成する内面１３１上に複数の光学素子１４０を有する光学構造１３０の断面図を示す。斯かる射出成型された素子を生成するために特に適した材料は、ポリカーボネートのようなプラスチック及びシリコーンである。通常は動作時には高い温度（例えば８０℃以上）となり高い光束（例えばＬＥＤ当たり１００ｌｍ以上）を発するＬＥＤの近くに光学構造１３０は配置されるため、シリコーンが斯かる付加の下での寿命に亘る耐久性のため好適な材料である。

実施例においては、光学素子１４０は、光学構造１３０上の凹状素子又は凸状素子として備えられる。凸状素子は、射出成型素子のための凸状の予備成形部分におけるこれら構造の加工のために有益である。別の実施例においては、光学素子１４０は、ホログラフィック素子として備えられても良い。ここではホログラフィックとは、光学素子１４０が、図８に示されるような個別の素子として適用されるのではないことを意味する。その代わり、内面１３１及び／又は外面１３２が、−α_ｍａｘと＋α_ｍａｘとの間の角度αを持つ局所的な表面要素のランダム的な分布を呈し、全ての角度αの統計的な分布が、対応する個別の小型レンズ（例えば放物線の断面を呈する）と同一である。

一実施例においては、光学構造１３０は、基板上の高さに依存する厚さｔを持っても良い。一例として、厚さｔは、高さが大きい位置（即ち照明モジュール１００の光軸の近く）においては小さく、高さが小さい位置（即ち光学構造１３０の周縁部に向けて）においては大きくても良く、又はその逆でも良い。斯かる構成は、光学的な楔を形成し、ＬＥＤにより発せられる光ビーム及びその二次的な光学素子２１０との相互作用を制御することを可能とする。斯かる制御は、特定用途向けの照明分布の生成のために有益に利用されることができる。代替としては、又はこれと組み合わせて、光学構造１３０は更に、二次的な光学的機能（図９）を提供するように構成された光学要素１３５を有しても良い。例えば、該光学要素がレンズ機能を提供するように厚さｔを制御することによっても良い。斯かる光学要素は、照明モジュール１００から発せられる光の中心部分を集中させるため、光学構造１３０の頂点、即ち照明モジュール１００の光軸の近くにおいて、配置されても良い。有利にも、該光学要素は、ＬＥＤ１２０からの直接光を成形することを可能とする。ここで直接光とは、二次的な光学素子２１０において反射することなく照明装置２００を出射した光を意味する。代替としては、素子１３５は、光の殆どが反射器に当たるように設計されても良い。この場合には、照明分布は、適切に反射器２１０を成形することにより、最適に制御され得る。本発明においては、光学要素１３５により提供される二次的な光学的機能は、照明モジュール１００の結合された出力を制御する。一方、光学素子１４０により提供される一次的な光学的機能は、光源のエタンデュを維持しつつ、光源を均一化させる。

光学素子１３０は、種々の手法を用いて基板１１０上に組み立てられ得る。例えば、該光学素子は該基板に接着されても良い。代替としては、該光学素子はフランジ１３８を利用して固定されても良い。斯かるフランジは該モジュールにボルト留めされても良いし、又は基板１１０と二次的な光学素子２１０との間にクランプ留めされても良い。代替としては、フランジ１３８は、基板１１０と該基板の外側部分の上のカバー１１５（図７参照）との間にクランプ留めされても良い。

一実施例においては、照明モジュール１００は、第１の光学構造を囲む第２の光学構造を有する。このことは有利にも、（仮想的な）光源の更なる均一化、及び実現される特定用途向けの照明分布の制御を可能とする。代替としては、第１の光学構造（及び／又は存在する場合には第２の光学構造）は、非対称な構造であっても良い。このことは有利にも、非対称な照明分布を生成することを可能とする。一例として、該照明分布は正方形又は長方形であっても良く、このことは例えばそれぞれディスプレイ照明用途又は道路照明用途に有益である。

一実施例においては、ＬＥＤ１２０のアレイは、例えば赤色、緑色、青色及びアンバーといった、種々の原色を発するＬＥＤを有する。斯かる実施例においては、ＬＥＤ１２０のアレイは、それぞれが全ての原色を有するクラスタのアレイとして構成されても良い。ここでクラスタとは、アレイのピッチＰよりもかなり小さな距離だけ互いから離れて配置されたＬＥＤの群として定義される。換言すれば、クラスタはＬＥＤの密な群を形成する。有益にも、クラスタ中のＬＥＤにより発せられる光の好適な色混合を確実にして、全体として均一なＬＥＤの色を生成しつつ、同時に最大偏角α_ｍａｘが制限され得る。斯かる場合には、α_ｍａｘは、ＬＥＤアレイのピッチＰの代わりにクラスタのピッチＰ'を用いて設計されても良い。

一実施例においては、光学構造１３０は、照明モジュール１００の光学的性能を調節するための手段を有しても良い。例えば、該手段は、光学構造１３０の表面に塗布された薄膜被覆を有しても良い。好適には、該被覆が塗布される面は、光学素子１４０が配置される面とは逆の面である。斯くして、該光学要素が光学構造１３０の内面１３１に配置される場合には、該被覆は有益にも外面１３２に塗布されても良い。一実施例においては、該被覆は、光学構造１３０の光学的な効率を改善するための反射防止被覆であっても良い。別の実施例においては、該被覆は、所定のスペクトルの反射及び／又は透過を持っても良い。このことは、ＬＥＤ１２０により発せられる光の全体的なスペクトル透過を制御することを可能し、斯くして発せられる光の改善された演色又は改善された色座標を実現することを可能とする。代替としては、該光学的性能を調節するための手段は、スペクトル的に効果的な構成要素を光学構造１３０に追加することを有しても良い。例えば、シリコーンのドームが、スペクトル透過及び／又は反射特性を調節するための色素を有し、斯くして該照明モジュールの光学的性能を制御しても良い。

本発明は、以上に記載された実施例を参照しながら説明されたが、同じ目的を達成するために代替の実施例が利用され得ることは明らかであろう。例えば、ＬＥＤ１２０のアレイは必ずしも一定のピッチＰを持つ必要はなく、全てのＬＥＤが必ずしも同じサイズｓを持つ必要はない。これらＬＥＤは、異なる間隔距離で基板１１０上に装着されても良い。異なるＬＥＤは、異なるサイズを持っても良い。異なる距離及びサイズは、光学構造１３０における光学素子１４０の位置の関数として光学素子１４０の特性（曲率半径、サイズ、輪郭及び非対称性）を変化させることにより、補償され得る。更に、種々の実施例が組み合わせられ、相乗的な光学的効果を提供しても良い。それ故、本発明の範囲は、以上に記載された実施例に限定されるものではない。従って、本発明の精神及び範囲は、請求項及びそれと等価なものによってのみ限定されるべきである。本発明は、２つの隣接する仮想的なＬＥＤが互いに接触し略同じ輝度を持つのに丁度十分な大きさに仮想的なＬＥＤ光源を生成するように設計された光学素子を適用することにより、光源を最小限に拡大しつつ光源を均一化することを可能とする。このことは、−α_ｍａｘと＋α_ｍａｘとの間の略一定の光度プロファイルを呈する光学素子であって、α_ｍａｘは該光学素子によりもたらされる最大偏角である、光学素子により達成される。仮想的なＬＥＤ光源へのＬＥＤ１２０の最小限の拡大は、回転対称である必要はない。

Claims (14)

1. 基板と、
   前記基板に装着された発光ダイオードのアレイと、
   動作時に前記発光ダイオードのアレイを単一の光源に近似するため前記発光ダイオードを囲む光学構造と、
   を有する照明モジュールにおいて、
   前記光学構造は、前記照明モジュールの動作時に前記光学構造を通して発光ダイオードを観測したときに、−α_ｍａｘと＋α_ｍａｘとの間の略一定である偏角αの関数である光度プロファイルを提供するように構成された光学素子を有し、前記α_ｍａｘは前記光学素子により提供される最大偏角であることを特徴とする、照明モジュール。
2. 前記光学構造は、それぞれが前記光学構造における位置に依存する最大偏角α_ｍａｘをもたらす複数の光学素子を有する、請求項１に記載の照明モジュール。
3. 前記光学素子の最大偏角α_ｍａｘは、前記光学素子のサイズによって制御される、請求項２に記載の照明モジュール。
4. 前記光学素子は非球面小型レンズを形成する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の照明モジュール。
5. 前記光学素子の最大偏角α_ｍａｘは、前記光学素子のサイズとともに線形に増大する、請求項４に記載の照明モジュール。
6. 前記光学素子は、放物線形状を持つ少なくとも１つの断面を持つ小型レンズを形成する、請求項５に記載の照明モジュール。
7. 前記光学素子は、前記発光ダイオードのアレイに面する、前記光学構造の第１の側面に配置される、請求項２乃至６のいずれか一項に記載の照明モジュール。
8. 前記光学素子は凸形状又は凹形状を持つ、請求項２乃至７のいずれか一項に記載の照明モジュール。
9. 前記複数の光学素子がジオデシックドームを形成する、請求項２乃至７のいずれか一項に記載の照明モジュール。
10. 前記光学素子は多角形の輪郭を持つ、請求項９に記載の照明モジュール。
11. 前記光学構造は更に、二次的な光学的機能を提供するための光学要素を有する、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の照明モジュール。
12. 前記光学構造は更に、前記照明モジュールの光学的性能を調節するための手段を有する、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の照明モジュール。
13. 前記光学構造は、前記構造のスペクトル透過特性を調節するための色素を有する、請求項１２に記載の照明モジュール。
14. 請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の照明モジュールと、特定用途向けの照明分布を提供するための前記照明モジュールに対して協働可能に構成された二次的な光学素子と、を有する照明装置。

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