JP2015509653A - 可動光源を有する制御可能な高輝度照明 - Google Patents

Abstract

本発明は、制御可能な照明構成を提供するための照明デバイス１に関する。照明デバイスは、個別に制御可能な複数のソリッドステート光源８を有する光源ユニット２、２０と、光学要素３の変調領域１６を通して、ソリッドステート光源からの光を変調する光学要素３とを有する。照明デバイス１は、光源ユニット２に接続され、ソリッドステート光源８が光学要素３の変調領域１６を連続して通過するように、光源ユニットを光学要素３に対して動かすように制御可能であるアクチュエータ４と、ソリッドステート光源８が光学要素の変調領域を通過する間、照明構成に対応する時間変動強度で光を放射するようにソリッドステート光源８のそれぞれを制御する制御ユニット５と、を更に有する。

Description

本発明は、制御可能な照明構成を提供するためのデバイス及び方法に関する。

価格が下がっている一方で、発光ダイオード（ＬＥＤ）などソリッドステート光源のパフォーマンスは急速に改良されているため、ソリッドステート光源用の新たなアプリケーションが出てきている。しかしながら、最大輝度が重要な特徴であるいくつかのアプリケーションに対しては、ＬＥＤはまだ広く採用されていない。熱管理問題及びいわゆるドループ（過大な駆動電流密度での効率の低下）のために、現時点で入手可能なＬＥＤはまだ、大型の冷却フィン及び／又はファンなど多少複雑で費用のかかる熱管理アレンジメントなしでは例えば自動車ヘッドランプのアプリケーションのための長時間にわたる高輝度の要求を満たすことができない。スポットライトなどの他のアプリケーションについても同じことが当てはまる。

加えて、スポットライトなどだけでなく自動車ヘッドランプに対しても、照明パターンを電子的に制御し変更できることが望ましい。例えば、自動車ヘッドランプの場合、走行状況に依存して照明構成を制御できることが望ましい。これを実現するための、しばしばアドバンスト・フロントライティング・システム（ＡＦＳ）と呼ばれるシステムが存在する。例えば、アドレッサブルＬＥＤのアレイ、いわゆるピクセルライトを用いて実現されるＬＥＤベースのＡＦＳヘッドランプが提案されている。

このようなアレンジメントは、例えばＵＳ７４２９９１８により開示されており、複数のＬＥＤは各々、別々の基板上に配置され、各基板は、選択された傾斜角度に個別に制御され得る。従って、さまざまな照明構成を実現することができるが、個別に制御しなければならない多くの可動部品を有する複雑なアレンジメントを有する。更に、熱管理問題は依然として、まだ取り組まれていない。

先行技術の上述及び他の欠点を考慮して、本発明の全体的な目的は、特に、照明デバイスにより提供される照明構成／パターンの制御を容易にするだけでなく、高輝度を提供する改良された照明デバイスを提供することである。

本発明の第１の態様によれば、制御可能な照明構成を提供するための照明デバイスが提供され、前記照明デバイスは、個別に制御可能な複数のソリッドステート光源を有する光源ユニットと、光学要素の変調領域を通して、前記ソリッドステート光源からの光を変調するように配置される光学要素と、前記光源ユニットに接続され、前記ソリッドステート光源が光学要素の変調領域を連続して通過するように、前記光源ユニットを前記光学要素に対して動かすために制御可能であるアクチュエータと、前記ソリッドステート光源が光学要素の変調領域を通過する間、照明構成に対応する時間変動強度で光を放射するようにソリッドステート光源のそれぞれを制御するように構成される制御ユニットと、を有する。

ソリッドステート光源は、電子とホールとの再結合を通して光が生成される光源である。ソリッドステート光源の例は、ＬＥＤ及び半導体レーザーを含む。

本発明は、多くの気づきに基づいている。第１に、本発明者は、ＬＥＤなどのソリッドステート光源を長い時間駆動させる場合よりも短い時間駆動させる場合の方が、非常に高い輝度を提供することができること、及びこの高い輝度は、複数のソリッドステート光源を可動キャリア上に配置することにより経時的に提供することができることに気が付いた。（キャリア及びソリッドステート光源を有する）光源ユニットを十分に速く動かすことにより、継続的に放射される高輝度照明のインプレッションを提供することができる。第２に、本発明者は、可動光源ユニットは更に、光源の冷却を非常に容易にすることに気が付いた。動きは光源上にエアフロー（空気流）を作り出し、これは、光源からの熱の除去をかなり改善する。第３に、本発明者は、光源が光学要素を通過するとき、光源の駆動電流又は他の適切な駆動パラメータを制御することにより、種々異なる照明構成／パターンを好都合に提供することできることに気が付いた。この態様では、複雑な照明構成が強度変調のみを通して達成され得、これは、任意の追加のハードウエア又は可動部品を必要としない。例えばより長いオンタイムは、より幅の広いビームをもたらし、各光源が光学要素の変調領域を通過する時に、強度を変化させることにより、例えばアンシメトリックなビームを得ることができる。後者は、特に、車が走行している道路の側の方が反対側よりもより高い強度／照明を有することが望ましい自動車アプリケーションに有用である。

本発明のさまざまな実施形態によれば、前記制御ユニットは、所望の照明構成を示す制御信号を受信するための入力部と、前記所望の照明構成に対応する一連の駆動パラメータ値を決定するように構成される処理回路と、前記光学要素の前記変調領域に関して前記ソリッドステート光源の位置に依存して、前記一連の駆動パラメータ値を前記ソリッドステート光源のそれぞれに提供するための出力部と、を有する。

前記「一連（sequence）」の駆動パラメータは、一連の離散パラメータ値でもよく、又はソリッドステート光源の位置の実質的に連続する機能でもよい。

光学要素の変調領域に関してソリッドステート光源の位置に依存する駆動電流レベルなどの駆動パラメータ値を提供することにより、所望の強度バリエーションを有する照明構成／パターンは、少なくとも光源の動きにより決定される範囲において、好都合に提供され得る。更に、照明構成は、単に種々異なる一連の駆動パラメータ値を提供することにより、容易に変更することができる。

更に、前記光源ユニットに含まれる前記個別に制御可能な複数のソリッドステート光源は、有利には、光学要素の変調領域を通過するとき、各々が第１の軌跡をたどるソリッドステート光源の第１セットと、光学要素の変調領域を通過するとき、各々が第１の軌跡とは異なる第２の軌跡をたどるソリッドステート光源の第２セットとを有してもよい。

第１のセット及び第２のセットにおけるソリッドステート光源を個別に制御することにより、照明パターン／構成は、光源の動きにより規定される範囲に垂直な第２の範囲においても制御され得る。

第１のセット及び第２のセットにおけるソリッドステート光源の数は、同じでもよく、これによって複雑な照明パターンを提供することができ、又は第２のセットにおけるソリッドステート光源の数の半分未満など非常に少なくてもよく、これによって種々異なる照明構成を実現するための能力とソリッドステート光源の数との間で好ましいトレードオフが得られる。

光源ユニットは、主に、線形に又は曲線の経路に沿ってなど任意の態様で光学要素に対して動いてもよい。しかしながら、照明デバイスの実用的な具現化を容易にするために、アクチュエータにより回転軸の周りで回転するように光源ユニットを配置することが有利である。

一実施形態によれば、回転軸は、光学要素の光学軸に実質的に平行でもよい。この実施形態では、光源ユニットは、例えばソリッドステート光源が取り付けられるディスク形状のキャリアを有してもよい。

別の実施形態によれば、回転軸は、光学要素の光学軸に実質的に垂直であってもよい。この実施形態では、光源ユニットは、例えば車輪形状のキャリアと、キャリアの外周面に取り付けられる複数のソリッドステート光源とを有してもよい。

光学要素の光学軸と実質的に平行な回転軸を有する実施形態は、光源ユニットのより費用効果の高い構成をもたらすが、他方で、少なくともいくつかのアプリケーションに対して、光学要素のより複雑な構成を必要とする。従って、上記実施形態は、種々異なるアプリケーションで好ましくてもよい。

上記実施形態のいずれか、及び光源ユニットがアクチュエータにより回転されるように配置される他の実施形態において、光源は、有利にはらせん状の構成に配置されてもよく、これは、光源が光学要素の変調領域を通過するとき、光源の上記時間変動制御と組み合わせて、所望の照明パターンを得るのに好都合な態様であり得る。

さまざまな実施形態によれば、加えて、本発明による照明デバイスは、有利には、前記照明デバイスの照明方向と実質的に平行な方向にエアフローを提供するためにアクチュエータにより駆動可能なファンアレンジメントを更に有してもよい。これは、特に、霧又は氷が透明な筐体又はこれに類するものの上に堆積し得るアウトドアのアプリケーションに有用である。さもなければ、特に自動車ヘッドランプのアプリケーションでは、保護透明カバー上に形成される霧又は氷による問題があり得る。従来のヘッドランプでは、光源から放射される熱が、曇り防止／除氷に対処するが、ソリッドステート光源が使用される場合、放射された光は、ずっと狭いスペクトルを有し、ほとんど熱（赤外線放射）を運ばない。アクチュエータにより駆動されるファンアレンジメントを提供することにより、及びソリッドステート光源により生成された熱が前方方向に向けられるようにファンアレンジメントを構成することにより、曇り防止／除氷は、好都合な態様で対応され得る。

ファンアレンジメントは、有利には前記光源ユニットに一体化されてもよく、これは、ソリッドステート光源の同時冷却と、光が放射される透明窓の曇り防止／除氷とを実現するために、付加的な可動部品は要されないことを意味する。

本発明のさまざまな実施形態によれば、制御ユニットに含まれる前記出力部は、有利には、一連の駆動パラメータをソリッドステート光源に無線で提供するためのBluetooth（登録商標）又はこれに類するものなどの無線出力部でもよい。

加えて、本発明のさまざまな実施形態による照明デバイスは、有利には、自動車ヘッドランプアレンジメントに含まれてもよく、前記照明デバイスは、車両に取り付けられる場合、実質的に水平に延びる照明構成を提供するように構成される。

本発明の第２の態様によれば、個別に制御可能な複数のソリッドステート光源を有する光源ユニットを提供するステップと、ソリッドステート光源が光学要素の変調領域を連続して通過するように前記光源ユニットを光学要素に対して動かすステップと、ソリッドステート光源が光学要素の焦点領域を通過する間、照明構成に対応する時間変動強度で光を放射するようにソリッドステート光源のそれぞれを制御するステップと、を有する制御される照明構成を提供する方法が提供される。

さまざまな実施形態によれば、前記制御するステップは、所望の照明構成を示す制御信号を取得するステップと、所望の照明構成に対応する一連の駆動パラメータ値を決定するステップと、光学要素の変調領域に関して光源の位置に依存して、光源のそれぞれに一連の駆動パラメータ値を提供するステップと、を含んでもよい。

本発明のこの第２の態様の更なる変形例及び利点は、発明の第１の態様に関して上記に提供されたものと大部分は似ている。

本発明のこれら及び他の態様は、発明の現時点の好ましい実施形態を示す添付の図面を参照して、より詳細に説明されるだろう。

図１は、本発明の第１の例示的な実施形態による照明デバイスを有する自動車ヘッドランプの斜視図である。 図２ａは、種々異なる運転状況に対する種々異なる照明構成を模式的に示す。 図２ｂは、図１における自動車ヘッドランプを用いる図２ａにおける照明構成を得るための種々異なる駆動パラメータを模式的に示す。 図３は、光源ユニットの代替構成を模式的に示す。 図４は、本発明の第２の例示的な実施形態による照明デバイスの略図である。

以下の説明では、本発明は、回転軸の周りで回転するように配置される光源ユニットを有する自動車ヘッドランプのアプリケーションを参照して主に説明される。

しかしながら、これは決して発明の範囲を限定するものではなく、このことは、他の構成にだけでなく、投光照明のアプリケーションなど他のアプリケーションにも等しく適用されることに留意されたい。他の構成の例は、光源ユニットが、光学素子を通過する線形経路に沿って動くように配置されてもよい例である。

図１は、本発明による照明デバイスの実施形態のための例示的なアプリケーションを、光源ユニット２と、ここでは単純なレンズ３として示される投影光学系と、電気モーター４の形式のアクチュエータと、自動車ヘッドランプ１の動作を制御するための制御ユニット５と、透明保護カバー６とを有する自動車ヘッドランプ１の形式で、模式的に示す。図１に模式的に示されるように、光源ユニット２は、ファン９を形成するブレードだけでなく、個別に制御可能な複数のＬＥＤ８が配置されるディスク７を有する。

電気モーター４は、光源ユニット２に接続され、光源ユニット２（ディスク７及びファン９）を回転させるために制御可能である。電気モーター４が光源ユニット２を回転させると、ＬＥＤ８はレンズ３を連続して通過し、ＬＥＤ８により放射され、レンズ３により修正される光は、自動車ヘッドランプ１の前の景色を照らすために透明保護カバー６を通して投影される。ここでは単純なレンズ３として模式的に示されているが、投影光学系は、単一又は複数のレンズコリメータ、反射器、及び、ＬＥＤ光のより大きな開口数を捉える他の結像光学系含む任意の種類の結像光学系、例えばいわゆるＲＸＩ光学系があり得ることを理解されたい。

ＬＥＤ８がレンズ３を通過する間、各ＬＥＤ８は、制御ユニット５を通して時間変動電流が供給され、これは、結果として、各ＬＥＤがレンズ３の変調領域を通過するので、各ＬＥＤ８により提供される時間変動強度となる。現在示される例では、制御ユニットは、回転ディスク７の上に配置される。全てのＬＥＤ８及び制御ユニット５の電力は、スイープアーム（図１に不図示）により供給することができる。いくつかのモーター用の一つの接点は、モーターシャフトを通して提供されてもよい。この場合、１本の電力線で十分であり、例えばスイープアーム及びリングを通して、又は非回転コイルから回転コイルへの誘導結合により実現することができる。制御ユニット５用のデータ又は信号は、例えば一つ以上のスイープアームを通して、又は赤外線若しくはBluetooth（登録商標）リンクを介して提供される。

自動車ヘッドランプ１により提供される光パターンは、ＬＥＤ８のそれぞれの半径方向位置及び各ＬＥＤ８がレンズ３を通過するときに各ＬＥＤ８により提供される時間変動強度だけでなく、レンズ３の特性によっても決定される。従って、ＬＥＤ８に供給される時間変動電流を制御することにより、種々異なる光パターンを提供することができる。加えて、ＬＥＤ８は、基板の回転によりかなり効率的に冷却され、これは重いヒートシンクを不要にする。更に、図１に模式的に示されるように、光源ユニットは、ファン９を有してもよく、このファンにより作られるエアフローは、透明保護カバー６に向けられているため、これは、透明保護カバー６上に霧又は氷が発生するのを低減するのに貢献する。これは、ほとんど全ての場合において、ＬＥＤにより生じる熱をＬＥＤアレイの裏に伝えて、ほとんど冷却性能を提供しない高温のモーターコンパートメントに向かう固定ＬＥＤアレンジメントとは対照的である。

ＬＥＤ８がレンズ３を通過するとき光を放射するように制御されるＬＥＤ８を有する構成のために、自動車ヘッドランプ１は、実質的に短い急速に動くフラッシュの形式で光を提供する。当業者によく知られている通り、このようなフラッシュ又はストロボ効果の可視性を回避するための周波数は、好ましくは例えば４００Ｈｚを超えるべきである。この周波数は、ＬＥＤ８の所定の角度間隔に対するディスク７の最低回転スピードに、又は、反対に、ディスク７の所定の回転スピードに対するＬＥＤ８の最小角度間隔に変換される。このような条件は、当業者にとって決定するのは容易である。

図１にあるように、自動車ヘッドランプ１にとって、概ね水平な照明パターンを実現することが望ましい。その端部に、レンズ３は、ディスク７がこのような概ね水平な照明パターンに回転するときＬＥＤ８がたどる曲線の軌跡を投影するように構成されるべきである。これは、通常、単純な回転シンメトリックレンズでは不可能である。しかしながら、これは、いくつかの回転レンズで、又は１つ若しくは２つの正確に形成された自由形状面を有する単一の屈折レンズで実現することができる。このような自由形状面を決定するための計算方法はよく知られており、一つはいわゆるＳＭＳ３Ｄメソッドである。

図１の自動車ヘッドランプ１を用いることで、種々異なる照明構成／パターンを種々異なる運転状況に提供することができる。これがどのように実現されるかは、図２ａ及び図２ｂを参照して説明されるだろう。

図２ａは、種々異なる運転状況のための種々異なる照明構成のいくつかの例を模式的に示す。図２ａに関して、示される照明構成は、ジャンクション用ライト１１、街中用ライト１２、田舎道用ライト１３、高速道路用ライト１４である。

これらの種々異なる照明構成は、図２ｂに凡例により示される通り、図２ａにおける種々異なる照明構成に対応する種々異なる電流プロファイルを有する、図２ｂの図表に示される例示的な電流プロファイルを用いて実現することができる。図２ｂの図表のｘ軸は、図１のディスク７に配置される各ＬＥＤ８の、ＬＥＤ８がレンズ３の変調領域に入ってから、ＬＥＤ８がレンズ３の変調領域を出るまでの角度位置を示す。図２ｂの図表のｙ軸は、ＬＥＤ８がレンズ３の変調領域に対応する角度位置レンジをさっと通過する間に各ＬＥＤ８に供給される時間変動駆動電流を示す。図１に矢印で示されるように、図１のディスク７は、時計回りに回転されることに注目するべきである。

各ＬＥＤ８に供給される時間変動電流の正確なプロファイルは、レンズ３及び求められる照明構成／パターンの伝達特性から計算することができ、又は実験的に決定されてもよい。種々異なるプロファイル（追加のプロファイル、又は種々異なるビームパターン間の滑らかな移行を可能とする多くの補間曲線）は、例えば制御ユニット５の参照テーブルにロードされてもよく、又は自動車の運転者及び／又は車両センサーからの入力を処理する適切なプログラムにより提供されてもよい。

代替の光ユニット構成は、図３及び図４に模式的に示される。

まず図３を参照すると、レンズ３の変調領域１６を通過するＬＥＤ８による投影が、滑らかな垂直配光を作り出すために遠視野において十分に重なるように、ＬＥＤ８は、スパイラルに沿ってディスク７の上に配置される。

図４に模式的に示されているように、ＬＥＤ８は、レンズ３の光学軸２２に垂直である回転軸２１の周りを回転する光源ユニット２０の円柱面に取り付けることができる。図１にあるような自動車ヘッドランプのアプリケーションの場合、図４の光源ユニット２０は、この構成では、ＬＥＤの上端は水平面上の曲線に従い、水平に向かって非常に容易に撮像することができるため、図１の光源ユニット２よりも簡単なレンズと組み合わせることができる。しかしながら、各ＬＥＤ８とレンズ３との間の距離は、光源ユニット２０が回転すると変化する。光学系により補償されない場合は、非常によくあることだが、これは、より大きな水平角度で多少ピンぼけの原因となる。

このアレンジメントの熱挙動は、図１のようにディスク上にＬＥＤを置くため、等しく有利である。羽根を追加すると、円柱の実施形態は、回転軸に平行かそれとも半径方向にエアフローを作り出し、エアフローは、両方の場合において、曇り防止／除氷機能を提供するために、ランプ筐体内の要素によってカバーガラスに向かって方向を変えることができる。

更に、当業者は、請求項に係る発明を実施するに際して、図面、開示内容、及び添付の請求項の精査から、開示された実施形態の変形例を理解し実施することができる。例えばインペラ式ファン構成は、気流を静かに、及び場合によっては、より効果的に作り出すために使用することができる。更に、第２の光学システムは、反対側のＬＥＤ端部を水平に投影するために、光学面を有するモーターの底部に取り付けることができる。

請求項において、「有する（comprising）」なる文言は、他の構成要素又はステップを排除するものではなく、不定冠詞「ａ」又は「ａｎ」は，複数を排除するものではない。特定の手段が相互に異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、これら手段の組み合わせが有利に使用することができないということを示すものではない。

Claims (15)

1. 制御可能な照明構成を提供するための照明デバイスであって、
   個別に制御可能な複数のソリッドステート光源を有する光源ユニットと、
   光学要素の変調領域を通して、前記ソリッドステート光源からの光を変調する光学要素と、
   前記光源ユニットに接続され、前記ソリッドステート光源が前記光学要素の前記変調領域を連続して通過するように、前記光源ユニットを前記光学要素に対して動かすように制御可能であるアクチュエータと、
   前記ソリッドステート光源が前記光学要素の前記変調領域を通過する間、前記照明構成に対応する時間変動強度で光を放射するように前記ソリッドステート光源のそれぞれを制御する制御ユニットと、
   を有する、照明デバイス。
2. 前記制御ユニットは、
   所望の照明構成を示す制御信号を受信するための入力部と、
   前記所望の照明構成に対応する一連の駆動パラメータ値を決定する処理回路と、
   前記光学要素の前記変調領域に関して前記ソリッドステート光源の位置に依存して、前記一連の駆動パラメータ値を前記ソリッドステート光源のそれぞれに提供するための出力部と、
   を有する、請求項１に記載の照明デバイス。
3. 前記個別に制御可能な複数のソリッドステート光源は、
   前記光学要素の前記変調領域を通過するとき、各々が第１の軌跡をたどるソリッドステート光源の第１セットと、
   前記光学要素の前記変調領域を通過するとき、各々が第１の軌跡とは異なる第２の軌跡をたどるソリッドステート光源の第２セットと、
   を有する、請求項１及び２に記載の照明デバイス。
4. 前記ソリッドステート光源の第１セットは、ソリッドステート光源の第１の数を有し、前記ソリッドステート光源の第２セットは、ソリッドステート光源の第２の数を有し、前記第１の数は、前記第２の数よりも大きい、請求項３に記載の照明デバイス。
5. 前記第１の数は、前記第２の数の少なくとも２倍である、請求項４に記載の照明デバイス。
6. 前記光源ユニットは、前記アクチュエータにより回転軸の周りを回転する、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の照明デバイス。
7. 前記回転軸は、前記光学要素の光学軸に実質的に平行である、請求項６に記載の照明デバイス。
8. 前記回転軸は、前記光学要素の光学軸に実質的に垂直である、請求項６に記載の照明デバイス。
9. 前記ソリッドステート光源は、らせん状の構成に配置される、請求項６乃至８のいずれか一項に記載の照明デバイス。
10. 前記照明デバイスの照明方向と実質的に平行な方向にエアフローを提供するために、前記アクチュエータにより駆動可能なファンアレンジメントを更に有する、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の照明デバイス。
11. 前記ファンアレンジメントは、前記光源ユニットに一体化される、請求項１０に記載の照明デバイス。
12. 前記制御ユニットの前記出力部は、前記一連の駆動パラメータを前記ソリッドステート光源に無線で提供するための無線出力部である、請求項２乃至１１のいずれか一項に記載の照明デバイス。
13. 車両に取り付けられる場合、実質的に水平に延びる照明構成を提供する、請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の照明デバイスを含む自動車ヘッドランプアレンジメント。
14. 個別に制御可能な複数のソリッドステート光源を有する光源ユニットを提供するステップと、
    前記ソリッドステート光源が光学要素の変調領域を連続して通過するように前記光源ユニットを前記光学要素に対して動かすステップと、
    前記ソリッドステート光源が前記光学要素の焦点領域を通過する間、前記照明構成に対応する時間変動強度で光を放射するように前記ソリッドステート光源のそれぞれを制御するステップと、
    を有する、制御される照明構成を提供する方法。
15. 前記制御するステップは、
    所望の照明構成を示す制御信号を取得するステップと、
    前記所望の照明構成に対応する一連の駆動パラメータ値を決定するステップと、
    前記光学要素の前記変調領域に関して前記光源の位置に依存して、前記光源のそれぞれに前記一連の駆動パラメータ値を提供するステップと、
    を有する、請求項１４に記載の方法。

Images