JP2017212189A - 広角照明光源 - Google Patents

Abstract

【課題】広角照明光源を提供する。【解決手段】光線を提供するための発光素子と、発光素子に向けて実質的に次第に縮小する幅を有する光発散システムと、発光素子と光発散システムとの間に設置される集光システムと、を含み、集光システムが発光素子の光線を光発散システムに集束することに用いられ、且つ光発散システムが集光システムを通過した光線を投射面に投射することに用いられ、発光素子が投射面と光発散システムとの間に設置される広角照明光源。【選択図】図１

Description

本発明は、広角照明光源に関し、特に、広角度照明を有するとともに照明が均一である照明光源に関する。

近年、間接照明は、室内設計及び建築装飾に広く適用されている。直接照明のギラギラとまぶしい光線に対して、間接照明は、より柔らかい光線を生成することができ、よりリラックスした感覚を与える。しかし、間接照明は、空間の快適性を改良することができるが、照明効率が悪く、照明角度範囲が小さく、照明が不均一で、複雑な装飾構造を必要とする等の欠点を有する。

また、大規模な屋外広告看板は、一般的に光源を看板に直接照射することにより、照明の目的を達成する。より均一な照射面積を得るために、光源が看板から遠く離れて架設されることを必要とし、ただし、このようにして、必要な輝度を達成するために、複数組の光源を必要とする。複数組の光源が遠距離で照射しても、依然として照射面積が不均一である問題がある。

本発明は、光線を提供するための発光素子と、発光素子に向けて実質的に次第に縮小する幅を有する光発散システムと、発光素子と光発散システムとの間に設置され、発光素子の光線を光発散システムに集束することに用いられる集光システムと、を含み、光発散システムが集光システムを通過した光線を投射面に投射することに用いられ、発光素子が投射面と光発散システムとの間に設置される広角照明光源を提供する。

１つ又は複数の実施形態において、７０％を超える集光システムを通過した光線は、光発散システムに入射する。

１つ又は複数の実施形態において、光発散システムは、発光素子に向かう非球面の反射面を有する。

１つ又は複数の実施形態において、光発散システムは、頂点が発光素子に向かうテーパ状反射素子である。

１つ又は複数の実施形態において、テーパ状反射素子の頂点からテーパ状反射素子の底までの断面は、少なくとも１つの湾曲した側辺を有する。

１つ又は複数の実施形態において、７０％を超える発光素子から提供された光線は、集光システムに入射する。

１つ又は複数の実施形態において、集光システムは、凸レンズ、凹レンズ、複合放物面集光器又はその組み合わせを含む。

１つ又は複数の実施形態において、発光素子は、集光システムの光軸に位置する。

１つ又は複数の実施形態において、広角照明光源は、発光素子と集光システムとの間及び集光システムと光発散システムとの間に少なくとも設置される反射構造を更に含む。

１つ又は複数の実施形態において、発光素子は、集光システムの光軸からずれるように設置される。

１つ又は複数の実施形態において、反射構造は、集光システムと光発散システムを嵌め込むための複数の貫通穴を有する。

１つ又は複数の実施形態において、集光システムは、少なくとも１つの接触面を有し、接触面により反射構造に固定され、集光システムの光軸が接触面に位置する。

１つ又は複数の実施形態において、光発散システムは、接触面を有し、接触面により反射構造に固定され、集光システムの光軸が接触面に位置する。

１つ又は複数の実施形態において、広角照明光源は、発光素子、光発散システム及び集光システムのいずれも固定され、発光素子、光発散システム及び集光システムを投射面に固定するためのライトスタンドを更に含む。

１つ又は複数の実施形態において、ライトスタンドは、投射面に設置された固定部と、光発散システムを固定部に固定する支持部と、を含む。

１つ又は複数の実施形態において、固定部は、発光素子と集光システムのいずれも設置されるとともに、集光システムの一部を露出させる収納空間を有する。

１つ又は複数の実施形態において、光発散システムは、ベースを含み、支持部の対向する両端がそれぞれベースと固定部に固定される。

１つ又は複数の実施形態において、広角照明光源は、発光素子と集光システムとの間及び集光システムと光発散システムとの間に少なくとも設置されるとともに、ライトスタンドに固定される反射構造を更に含む。

上記実施形態の広角照明光源は、均一で広い面積を有する光を射出するように、発光素子の光線を投射面に効果的に投射することができる。

本発明の一実施形態の広角照明光源と投射面の模式図である。 図１の光発散システムのある実施形態における断面図である。 図１の発光素子の断面図である。 表１と段落〔００２７〕の各パラメータにより投射面に模擬された照射輝度図である。 本発明の別の実施形態の広角照明光源と投射面の模式図である。 図５の反射構造の正面図である。 本発明の更に他の実施形態の広角照明光源と投射面の模式図である。 図５の広角照明光源の投射面に模擬された照射輝度図である。 本発明の更に１つの実施形態の広角照明光源と投射面の模式図である。 図９の広角照明光源の分解図である。 本発明の別の実施形態の広角照明光源と投射面の模式図である。

以下、図面で本発明の複数の実施形態を開示し、明確に説明するために、下記記述で多くの実際の細部を合わせて説明する。しかしながら、理解すべきなのは、これらの実際の細部が、本発明を制限するためのものではない。つまり、本発明の実施形態の一部において、これらの実際の細部は、必要ないものである。また、図面を簡略化するために、ある従来慣用の構造及び素子は、図面において簡単で模式的に示される。

図１は、本発明の一実施形態の広角照明光源と投射面９００の模式図である。広角照明光源は、発光素子１１０、光発散システム１２０及び集光システム１３０を含む。発光素子１１０は、光線１１２を提供することに用いられる。光発散システム１２０は、発光素子１１０に向けて実質的に次第に縮小する幅Ｗを有する。集光システム１３０は、発光素子１１０と光発散システム１２０との間に設置される。集光システム１３０は、発光素子１１０の光線１１２を光発散システム１２０に集束することに用いられ、且つ光発散システム１２０が集光システム１３０を通過した光線１１２を投射面９００に投射することに用いられる。発光素子１１０は、投射面９００と光発散システム１２０との間に設置される。

明確に説明するために、図１において、一部の光線１１２の通過経路のみを示す。また、集光システム１３０が透明材質であってもよいため、光線１１２は集光システム１３０の内部を透過することができ、光発散システム１２０が反射面１２２（詳しいことは下記を参照する）を有してもよいため、図１に示す光線１１２は光発散システム１２０の表面（即ち、反射面１２２）で反射される。

本文において、「実質的に」は、任意のわずかに変化できる関係を修飾するが、これらのわずかな変化がその本質を改変することがない。例を挙げると、「光発散システム１２０が発光素子１１０に向けて実質的に次第に縮小する幅Ｗを有する」という記述は、光発散システム１２０の幅Ｗが確実に発光素子１１０に向けて次第に縮小することを表現する以外、光発散システム１２０の幅Ｗがほぼ発光素子１１０の方向に向けて縮小すれば、光発散システム１２０の幅Ｗは光発散システム１２０の一部の区間でもやや増加してから更に縮小してもよいし、又はやや縮小してから更に増加してもよい。

本実施形態の広角照明光源は、均一で且つ広角度と広範囲を有する照射面積を形成するように、効果的に発光素子１１０の光線１１２を投射面９００に投射することができる。具体的には、発光素子１１０の提供した光線１１２が集光システム１３０に入射する。集光システム１３０は、光線１１２を集束し、即ち、集光システム１３０に入射する光線１１２と比べて、集光システム１３０を透過する光線１１２に更に小さな発散角を持たせる。このような構造は、光線１１２の使用効率を向上させるように、発光素子１１０の提供した光線１１２を光発散システム１２０に効果的に集束することができる。次に、集光システム１３０を透過した光線１１２が光発散システム１２０に入射し、光発散システム１２０は、光線１１２を発光素子１１０の後方に位置する投射面９００に反射する。光発散システム１２０は、発光素子１１０に向けて実質的に次第に縮小する幅Ｗを有するため、光線１１２の発散角を増加することができ、これにより光線１１２の照射面積を増加させる。投射面９００に投射された光線１１２は、散乱により間接照明の目的を達成することができる。このようにして、本実施形態の広角照明光源により、短距離で投射面９００に広く且つ均一である照明面積を形成することができる。

ある実施形態において、７０％を超える発光素子１１０から提供した光線１１２が集光システム１３０に入射し、即ち、集光システム１３０が大部分の発光素子１１０から提供した光線１１２を収束するため、集光システム１３０が大部分の光線１１２を集束して光発散システム１２０にガイドすることができる。また、集光システム１３０が光線１１２を集束するため、７０％を超える集光システム１３０を通過した光線１１２が光発散システム１２０に入射し、このようにして、光発散システム１２０は、大部分の光線１１２を投射面９００に効果的にガイドすることができる。

次に、ある実施形態における光発散システム１２０の具体的な構造を説明する。図１において、光発散システム１２０は、発光素子１１０と集光システム１３０に向かう非球面の反射面１２２を有する。反射面１２２は、光線１１２を投射面９００に反射することに用いられる。実際の需要に応じて反射面１２２を設計することができ、これにより、反射面１２２に非球面を呈させて、投射面９００に均一の照明面積を形成させる。

図２を参照されたい。図２は、図１の光発散システム１２０のある実施形態における断面図である。例えば、光発散システム１２０がテーパ状反射素子、例えば円錐状反射素子又は多角錐状反射素子であってもよいが、本発明はこれらに限定されない。テーパ状反射素子は、対向する頂点Ｐと底１２４を有し、頂点Ｐが発光素子１１０に向かう（図１に示す）。本実施形態において、光発散システム１２０の幅Ｗは、実質的に底１２４の面と平行である各断面の直径と定義される。例えば、図２に示す幅Ｗは、底１２４の面の直径である。図２において、テーパ状反射素子の各断面の直径は、実質的に頂点Ｐに向けて次第に縮小する。

更に均一の照射面積を形成しようとする場合、テーパ状反射素子の側面の弧度を設計してもよい。図２において、テーパ状反射素子の頂点Ｐからテーパ状反射素子の底１２４までの断面１２５は少なくとも１つの湾曲した側辺１２６を有する。換言すれば、側辺１２６は、直線ではない。ある実施形態において、実際の需要に応じて、側辺１２６は、テーパ状反射素子の外部へ湾曲（図２に示す）しても、テーパ状反射素子の内部へ湾曲してもよく、又は波状、不規則な形状であってもよい。図２の光発散システム１２０の形状は、単なる例示であり、本発明を限定するためのものではない。当業者は、実際の需要に応じて、光発散システム１２０の形状を柔軟に設計することができる。

図１に戻る。ある実施形態において、発光素子１１０は、集光システム１３０の光軸Ｏに位置し、換言すれば、集光システム１３０の光軸Ｏは、発光素子１１０を通過し、このような設置により投射面９００に比較的に対称する照射面積を得ることができ、例えば室内照明に適用されることができ、このため、投射面９００が天井又は壁面であってもよい。また、光発散システム１２０は、集光システム１３０の光軸Ｏに位置してもよく、即ち、発光素子１１０、集光システム１３０及び光発散システム１２０は、直線で配列されてもよい。

また、図１に示すように、集光システム１３０は、少なくとも１つのレンズ、例えば２つの凸レンズ１３２、１３４を含む。別の実施形態において、集光システム１３０は、凸レンズ、凹レンズ、複合放物面集光器（Ｃｏｍｐｏｕｎｄ Ｐａｒａｂｏｌｉｃ Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ；ＣＰＣ）又はその組み合わせを含んでもよい。基本的に、発光素子１１０の提供した光線１１２を、光発散システム１２０の反射面１２２にガイドするように集束することができれば、本発明の範囲に属する。ある実施形態において、実際な状況に応じて、凸レンズ１３２、１３４の表面は、球面、非球面又は自由曲面であってもよい。

ある実施形態において、発光素子１１０は、発光ダイオード、レーザー又は別の適切な発光源であってもよい。例を挙げるので、図３を参照されたい。図３は、図１の発光素子１１０の断面図である。図３の発光素子１１０は、発光ダイオードモジュールであり、発光ダイオードチップ１１４、ホルダ１１６及びパッケージング材料１１８を含む。発光ダイオードチップ１１４は、線材１１５によりホルダ１１６に電気的に接続されてもよく、パッケージング材料１１８が発光ダイオードチップ１１４を被覆する。パッケージング材料１１８は、発光ダイオードチップ１１４を保護することができるだけでなく、発光ダイオードチップ１１４の光射出方向を調整するように異なる形状に設計してもよい。ある実施形態において、パッケージング材料１１８は、波長変換材料１１９、例えば蛍光粉末又は量子ドット材料からなる。発光ダイオードチップ１１４からの光が波長変換材料１１９により吸収され、波長変換材料１１９が更に他の色の光を発光させ、これにより発光ダイオードモジュールの光射出色を改変する。図３の発光素子１１０の構造は、単なる例示であり、本発明を限定するためのものではない。当業者は、実際な需要に応じて発光素子１１０の構造を柔軟に選択することができる。

一実施例において、広く且つ均一である照明面積を形成する目的を達成するように、集光システム１３０と光発散システム１２０の各パラメータを設計することができる。表１は、本発明の一実施例の各素子のパラメータ値であり、図１の各素子の表面（発光素子１１０から光発散システム１２０までの反射面１２２が順次に表面１から表面６までのものであり、即ち、発光素子１１０の発光面が表面１であり、集光システム１３０の凸レンズ１３２の発光素子１１０に近接する表面が表面２であり、集光システム１３０の凸レンズ１３２の凸レンズ１３４に近接する表面が表面３であり、集光システム１３０の凸レンズ１３４の凸レンズ１３２に近接する表面が表面４であり、集光システム１３０の凸レンズ１３４の光発散システム１２０に近接する表面が表面５であり、光発散システム１２０の反射面１２２が表面６である）の曲率半径、各表面と次の表面との距離（又は厚さ）、屈折率及びアッベ数を含む。また、表面２〜表面４の座標は、方程式（１）で示され、係数ｋ、Ａ２、Ａ４．．．Ａ１６を含み、ｃが曲率を示し、表面５は、方程式（２）で示され、係数Ｂ１、Ｂ２．．．Ｂ８を含む。

また、本実施例において、Ｂ１=０．３５２３３、Ｂ２=０．０６５８８、Ｂ３=−１．５２４Ｅ−０３、Ｂ４=２．４１７Ｅ−０４、Ｂ５=−６．９１８Ｅ−０６、Ｂ６=−１．２１５Ｅ−０７、Ｂ７=−１．２０２Ｅ−０９及びＢ８=４．８４７Ｅ−１２である。発光素子１１０の発光面（即ち表面１）の面積は、４ミリメートル×４ミリメートルである。図４は、表１と段落〔００２７〕の各パラメータにより投射面に模擬された照射輝度図であり、広角照明光源が原点（即ち座標が（０、０）である箇所）に位置する。

次に、図５と図６を参照されたい。図５は、本発明の別の実施形態の広角照明光源と投射面９００の模式図であり、図６は、図５の反射構造１４０の正面図である。本実施形態において、広角照明光源は、発光素子１１０と集光システム１３０との間及び集光システム１３０と光発散システム１２０との間に少なくとも設置される反射構造１４０を更に含む。例を挙げると、図６に示すように、反射構造１４０は、集光システム１３０と光発散システム１２０を嵌め込むための複数の貫通穴１４２、１４４及び１４６を有する反射鏡であってもよい。具体的には、集光システム１３０の凸レンズ１３２が貫通穴１４２に嵌め込まれ、集光システム１３０の凸レンズ１３４が貫通穴１４４に嵌め込まれ、且つ光発散システム１２０が貫通穴１４６に嵌め込まれる。

しかし、反射構造１４０と他の素子の固定関係は、図５と図６に限定されない。図７は、本発明の更に他の実施形態の広角照明光源と投射面９００の模式図である。図７において、集光システム１３０と光発散システム１２０は裁断された後（例えば図５における反射構造１４０の左半部に位置する一部の集光システム１３０と光発散システム１２０が裁断される）、更に右半部の部分の集光システム１３０と光発散システム１２０を反射構造１４０に固定してもよい。具体的には、集光システム１３０の凸レンズ１３２は、図５の凸レンズ１３２を半分に切断する裁断面であってもよい接触面１３３を有する。集光システム１３０の凸レンズ１３４は、図５の凸レンズ１３４を半分に裁断する裁断面であってもよい接触面１３５を有する。凸レンズ１３２は、接触面１３３により反射構造１４０に固定され、且つ凸レンズ１３４は、接触面１３５により反射構造１４０に固定される。集光システム１３０の光軸Ｏは、接触面１３３及び/又は接触面１３５に位置する。一方、光発散システム１２０は、図５の光発散システム１２０を半分に裁断する裁断面であってもよい接触面１２９を有する。光発散システム１２０は、接触面１２９により反射構造１４０に固定される。集光システム１３０の光軸Ｏは、接触面１２９に位置してもよい。

図５と図７において、反射構造１４０を増設した後、もとの図５と図７の左側へ伝送しようとする光線１１２は、反射構造１４０で右側に反射されてから、更に投射面９００に投射されることができる。このようにして、光線１１２は、右側の投射面９００に集中して照射されることができる。また、光線１１２の使用効率を増加するために、発光素子１１０は、集光システム１３０の光軸Ｏからずれて設置されることができ、例えば図５と図７の右側へ偏向するように設置されることができる。このようにして、発光素子１１０の左側へ伝送する光線１１２は、反射構造１４０により右側に反射されることができる。本実施形態の広角照明光源は、例えば室外の広告看板に適用されることができ、広告看板の縁部に設置され、斜方向に広告看板へ投射することができ、即ち、投射面９００が広告看板である。広角照明光源は、広く且つ均一である照射面積を提供することができるため、少量（例えば１つ）の広角照明光源でも全体の広告看板を照射することができ、電力を節約する効果を有する。図８は、図５の広角照明光源の投射面９００に模擬された照射輝度図であり、広角照明光源が原点（即ち座標が（０、０）である箇所）に位置する。図５と図７の実施形態の他の構造細部は、図１の実施形態と同じであるため、繰り返して説明しない。

次に、図９と図１０を参照されたい。図９は、本発明の更に１つの実施形態の広角照明光源と投射面９００の模式図であり、図１０は、図９の広角照明光源の分解図である。本実施形態において、広角照明光源は、ライトスタンド１５０を更に含む。発光素子１１０、光発散システム１２０及び集光システム１３０のいずれもライトスタンド１５０に固定される。ライトスタンド１５０は、発光素子１１０、光発散システム１２０及び集光システム１３０を投射面９００に固定するためのものである。具体的には、ライトスタンド１５０は、固定部１５２と少なくとも１つの支持部１５４を含んでもよい。例えば、本実施形態において、３つの支持部１５４があるが、本発明はこれに限定されない。固定部１５２は、投射面９００に固定されるとともに、収納空間１５３を有する。発光素子１１０と集光システム１３０のいずれも収納空間１５３に設置されるとともに、一部の集光システム１３０を収納空間１５３から露出させる。支持部１５４は、光発散システム１２０を固定部１５２に固定し、これにより光発散システム１２０と集光システム１３０との間の距離を固定する。例を挙げると、光発散システム１２０は、ベース１２８を更に含み、各支持部１５４の対向する両端１５５ａ、１５５ｂがそれぞれ光発散システム１２０のベース１２８と固定部１５２に固定される。しかし、本実施形態のライトスタンド１５０の構造は、単なる例示であり、本発明を限定するためのものである。当業者は、実際な需要に応じて、ライトスタンド１５０の構造を柔軟に設計することができる。他の実施形態において、反射構造１４０は、図６に示す照射面積を達成するように、ライトスタンド１５０に固定される（図１１に示す）。図９〜図１１の実施形態の他の構造細部が図１の実施形態と同じであるため、再び繰り返して説明しない。

以上のように、上記各実施形態の広角照明光源は、集光システムにより発光素子の光線を収束して更に光線を光発散システムにガイドするため、光の使用効率を増加することができ、且つ短距離で投射面に広く且つ均一である光線を発生することができる。また、反射構造を増設して照射面積の範囲と方向を制御することができ、且つ反射構造の反射を利用して光線を再利用する。また、ライトスタンドは、発光素子、光発散システム及び集光システムを投射面に固定することができ、それが簡単な構造を備えるため、組み立て時間とコストを低減することができる。

本発明の実施形態を前述の通りに開示したが、これは、本発明を限定するものではなく、当業者なら、本発明の精神と範囲から逸脱しない限り、多様の変更や修正を加えることができ、したがって、本発明の保護範囲は、後の特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。

１１０ 発光素子
１１２ 光線
１１４ 発光ダイオードチップ
１１５ 線材
１１６ ホルダ
１１８ パッケージング材料
１１９ 波長変換材料
１２０ 光発散システム
１２２ 反射面
１２４ 底
１２５ 断面
１２６ 側辺
１２８ ベース
１２９、１３３、１３５ 接触面
１３０ 集光システム
１３２、１３４ 凸レンズ
１４０ 反射構造
１４２、１４４、１４６ 貫通穴
１５０ ライトスタンド
１５２ 固定部
１５３ 収納空間
１５４ 支持部
１５５ａ、１５５ｂ 端
９００ 投射面
Ｏ 光軸
Ｐ 頂点
Ｗ 幅

Claims (18)

1. 光線を提供するための発光素子と、
   前記発光素子に向けて実質的に次第に縮小する幅を有する光発散システムと、
   前記発光素子と前記光発散システムとの間に設置される集光システムと、を含み、前記集光システムが前記発光素子の前記光線を前記光発散システムに集束することに用いられ、且つ前記光発散システムが前記集光システムを通過した前記光線を投射面に投射し、前記発光素子が前記投射面と前記光発散システムとの間に設置される広角照明光源。
2. ７０％を超える前記集光システムを通過した前記光線は、前記光発散システムに入射する請求項１に記載の広角照明光源。
3. 前記光発散システムは、前記発光素子に向かう非球面の反射面を有する請求項１に記載の広角照明光源。
4. 前記光発散システムは、頂点が前記発光素子に向かうテーパ状反射素子である請求項１に記載の広角照明光源。
5. 前記テーパ状反射素子の頂点から前記テーパ状反射素子の底までの断面は、少なくとも１つの湾曲した側辺を有する請求項４に記載の広角照明光源。
6. ７０％を超える前記発光素子の提供した前記光線は、前記集光システムに入射する請求項１に記載の広角照明光源。
7. 前記集光システムは、凸レンズ、凹レンズ、複合放物面集光器又はその組み合わせを含む請求項１に記載の広角照明光源。
8. 前記発光素子は、前記集光システムの光軸に位置する請求項１に記載の広角照明光源。
9. 前記発光素子と前記集光システムとの間及び前記集光システムと前記光発散システムとの間に少なくとも設置される反射構造を更に含む請求項１に記載の広角照明光源。
10. 前記発光素子は、前記集光システムの光軸からずれるように設置される請求項９に記載の広角照明光源。
11. 前記反射構造は、前記集光システムと前記光発散システムを嵌め込むための複数の貫通穴を有する請求項９に記載の広角照明光源。
12. 前記集光システムは、少なくとも１つの接触面を有し、前記接触面により前記反射構造に固定されて、前記集光システムの光軸が前記接触面に位置する請求項９に記載の広角照明光源。
13. 前記光発散システムは、接触面を有し、前記接触面により前記反射構造に固定され、前記集光システムの光軸が前記接触面に位置する請求項９に記載の広角照明光源。
14. 前記発光素子、前記光発散システム及び前記集光システムのいずれも固定され、前記発光素子、前記光発散システム及び前記集光システムを前記投射面に固定するためのライトスタンドを更に含む請求項１に記載の広角照明光源。
15. 前記ライトスタンドは、前記投射面に設置された固定部と、前記光発散システムを前記固定部に固定する支持部と、を含む請求項１４に記載の広角照明光源。
16. 前記固定部は、前記発光素子と前記集光システムのいずれも設置され、且つ前記集光システムの一部を露出させる収納空間を有する請求項１５に記載の広角照明光源。
17. 前記光発散システムは、ベースを含み、前記支持部の対向する両端が前記ベースと前記固定部にそれぞれ固定される請求項１５に記載の広角照明光源。
18. 前記発光素子と前記集光システムとの間及び前記集光システムと前記光発散システムとの間に少なくとも設置され、且つ前記ライトスタンドに固定される反射構造を更に含む請求項１４に記載の広角照明光源。