JP2021184391A - Ｌｅｄモジュール及び照明モジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】費用効率がよい特定用途向けＬＥＤモジュールを提供する。【解決手段】光学軸の周りに集中させられる発光出力を光出射面に向かって方向付けるように構成される少なくとも１つのＬＥＤを含むＬＥＤチップと、間隔領域によって光出射面から分離され、間隔領域は光出射面を含む材料及び光学層よりも低い屈折率を有し、発光出力を光学軸と非ゼロ角度の下にある方向に方向変更するように構成される、光学層と、光学層の上のコリメーティング要素であって、方向変更された発光出力を前記方向にコリメートするように構成されるコリメーティング要素とを含む、ＬＥＤモジュールが開示される。そのようなＬＥＤのうちの１つ又はそれよりも多くを含む照明モジュールも開示される。【選択図】図１

Description

本発明は、光学軸の周りに集中された発光出力を光出射面に向かって方向付けるように配置された少なくとも１つのＬＥＤチップを含むＬＥＤモジュールに関する。
本発明は、更に、少なくとも１つのそのようなＬＥＤモジュールを含む照明モジュールに関する。
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、それらの長寿性及び低エネルギ保証(low energy credentials)の故に急速に人気を得ている。製造の進歩は、少なくとも１つのＬＥＤ、典型的には複数のＬＥＤが一緒にパッケージングされて、単一のダイとして提示される、チップサイズＬＥＤパッケージ又はモジュールをもたらした。従って、そのようなパッケージは、単発エミッタ(single die emitter)(ＳＤＥ)と呼ばれることがある。そのようなパッケージによって生成されるランバーシアン発光分布(Lambertian luminous distribution)及び明るさ(brightness)の故に、それらは自動車照明及び投影照明を含む多数の応用分野(application domains)においてＬＥＤベースの解決策の鍵となるイネーブラ(enabler)と考えられている。
そのようなＬＥＤモジュールは、典型的には、パッケージの光学軸の周りに集中させられる（中心化される）ランバーシアン発光分布を生成する。従って、非限定的に、自動車の前方照明、例えば、自動車ヘッドランプを含む、幾つかの応用分野において、そのようなパッケージの使用は、しばしば、異なる種類のヘッドランプによって生成される許容できるビームプロファイル、例えば、フルビーム(full beams)、下げビーム(dipped beams)又はロービーム(low beams)等に関する適切な規則に従うよう、発光分布を所望の方向に再成形及び方向変更するために、追加的な光学素子と組み合わせられなければならない。
特許文献１は、ビーム成形(beam shaping)を備える照明デバイスを開示している。照明デバイスは、光源と、光学プレートと、反射器とを含む。光学プレートは、光源の元の光学軸と非ゼロの角度を有するビームを提供するように構成される。
特許文献２は、半導体光源と、半導体光源を位置付ける凹部を備える支持体と、少なくとも１つの側壁によって互いに接合された光入射開口及び光出射開口を有するコリメータとを含む、照明アセンブリを開示している。コリメータは、支持体に対して移動可能である。コリメータは、コリメータの光入射開口及び凹部が入れ子式に接合されるように支持体に取り付けられるので、凹部内で半導体光源によって放射される光は、コリメータの動作範囲の少なくとも部分に亘るコリメータの任意の位置について、光入射開口を通じてコリメータに入射し、本質的にコリメータの光出射開口を通じてのみ出射する。照明アセンブリは、コリメータの動作範囲の少なくとも部分に亘ってコリメータを移動させるアクチュエータを更に含む。
このアセンブリは、比較的嵩張り、高価である。
本発明は、費用効率がよい特定用途向けＬＥＤモジュールを提供しようとする。
本発明は、更に、少なくとも１つのそのようなＬＥＤモジュールを含む照明モジュールを提供しようとする。
１つの態様によれば、光学軸の周りに集中させられる発光出力(luminous output)を光出射面に向かって方向付けるように構成される少なくとも１つのＬＥＤを含むＬＥＤチップと、間隔領域(spacing region)によって光出射面から分離される光学層であって、間隔領域は光出射面を含む材料及び光学層よりも低い屈折率を有し、発光出力を光学軸と非ゼロ角度の下にある方向に方向変更するように配置される、光学層と、光学層の上のコリメーティング要素(a collimating element over the optical layer)であって、方向変更される発光出力を上記方向にコリメートするように配置されるコリメーティング要素とを含む、ＬＥＤモジュールが提供される。ＬＥＤモジュールは、異なる方向に多数のビームを生成するように構成される。この目的を達成するために、光学層は、発光出力の第１の部分を光学軸と第１の非ゼロ角度の下にある第１の方向に方向変更するように構成される第１の領域と、発光出力の第２の部分を光学軸と第２の非ゼロ角度の下にある第２の方向に方向変更するように構成される第２の領域とを含み、第１の方向は、第２の方向と異なり、コリメーティング要素は、方向変更される発光出力の第１の部分を第１の方向にコリメートするよう第１の領域の上に配置され、ＬＥＤモジュールは、方向変更される発光出力の第２の部分を第２の方向にコリメートするよう第２の領域の上に配置される、コリメーティング要素を更に含む。
そのようなＬＥＤモジュールは、ＬＥＤチップの光出射面上の光学膜のような非対称的な微細構造の光学層を設けることによってコンパクトで費用効率のよい方法で特定の用途に合わせられた指向性発光出力を提供することができ、光学層は、軸外れ(off-axis)方向に１以上のＬＥＤの発光出力をコリメートし且つ方向変更し、非対称的なコリメータは、更なるコリメーションを提供して、高度にコリメートされた軸外れの集中させられた（中心化された）光ビームを生む。これは、例えば、多数の方向の軸外れ発光出力を生成するよう構成された複数のそのようなＬＥＤモジュールを含む照明モジュールによって生成されるべき高コントラストの多方向発光分布(luminous distributions)を可能にする。具体的には、本発明は、同じＬＥＤチップを使用する特定の用途に合わせられた指向性ビームを生成することができるＬＥＤモジュール、例えば、平坦な（２Ｄ）基板上に製造されるＬＥＤチップ、例えば、表面実装デバイス（ＳＭＤ）ＬＥＤモジュールチップの生成を容易にする。従って、これはＬＥＤモジュールの設計及び製造を有意に単純化する。何故ならば、非対称的なコリメータと組み合わせられた光学層の使用の故に、ＬＥＤモジュールの所望のビーム指向性がＬＥＤチップ設計から切り離されるからである。
本出願の脈絡において、非対称という用語は、ＬＥＤチップ（及び／又は照明モジュール）の光学軸に対して非対称であると解釈されるべきである。光学素子自体が内部軸又は対称平面を含まないことを必ずしも暗示しない。
好適な実施形態において、間隔領域は、空気の低い固有屈折率に起因する空気間隙によって具現される。ＬＥＤチップとビーム成形光学素子、即ち、光学層との間の低屈折領域の存在は、（光の所与の伝搬距離について）コリメーション角度の減少及びより狭いビーム幅を生成する。従って、そのような低屈折領域、具体的には、空隙は、光学膜の寸法を増大させずに、より狭いコリメーション角度を促進することがある。
ＬＥＤチップは、典型的には、光出射面から延びる少なくとも１つの側面を有し、ＬＥＤモジュールは、任意的に、少なくとも１つの側面を覆う反射要素を更に含む。これはＬＥＤモジュールの発光効率(luminous efficiency)を向上させる。何故ならば、光出射面から出る光の量は、反射要素によって増大させられるからである。
コリメーティング要素は、本体によって取り囲まれる導管を含んでよく、導管は、光学軸と非ゼロ角度の下にある主伝搬方向を有し、本体は、光出射面の周りに配置される。このようにして、光出射面から出る実質的に全ての光がコリメーティング要素によって取り込まれ（キャプチャされ）、よって、特に高い光学効率を有するＬＥＤモジュールを提供する。本体は、反射要素によって支持されてよい。
ある実施形態において、光学層は、複数のファセット(facets)を含み、各ファセットは、光学軸と非ゼロ角度の下にある方向に発光出力の一部を方向転換するように構成される。ファセット加工された微細構造素子を含むそのような光学層は、費用効率のよい方法で製造されることがあり、それにより、ＬＥＤモジュールの全体的コストを低減させる。例えば、光学層は、光学膜のような光学ポリマ層であってよい。
他の態様によれば、上記実施形態のうちのいずれかに従ったＬＥＤモジュールを含む照明モジュールが提供される。ＳＭＤモジュールのような比較的平坦な（２Ｄ）光モジュールを、照明モジュールの発光出力に所望の指向性を創り出すコンパクトな光学素子との組み合わせにおいて使用することができるという事実の故に、そのような照明モジュールは、軸外れ(off-axis)発光分布、例えば、光ビームを生成しながら、コンパクトに維持されることができる。
好ましくは、照明モジュールは、照明モジュールの光学軸と第１の非ゼロ角度の下にある第１の方向にコリメートされた発光出力を生成するように構成（配置）される少なくとも１つの第１のＬＥＤモジュールと、照明モジュールの光学軸と第２の非ゼロ角度の下にある第２の方向にコリメートされた発光出力を生成するように構成（配置）される少なくとも１つの第２のＬＥＤモジュールとを含み、第１の非ゼロ角度は、第２の非ゼロ角度と異なる、複数の前記ＬＥＤモジュールを含む。これは、多方向性の発光出力、例えば、異なる角度の下にある多数のビームを生成することができる照明モジュールをもたらす。
ある実施形態において、照明モジュールは、第１のＬＥＤモジュールのアレイであって、各第１のＬＥＤモジュールは、照明モジュールの光学軸と第１の非ゼロ角度の下にある第１の方向にコリメートされる発光出力を生成するように構成（配置）される、第１のＬＥＤモジュールのアレイと、第２のＬＥＤモジュールのアレイであって、各第２のＬＥＤモジュールは、照明モジュールの光学軸と第２の非ゼロ角度の下にある第２の方向にコリメートされる発光出力を生成するように構成（配置）される、第２のＬＥＤモジュールのアレイとを含み、第１の非ゼロ角度は、正の角度であり、第２の非ゼロ角度は、負の角度である。これは、多方向発光出力、例えば、光モジュールの光学軸を含む平面より上の第１の角度と該平面より下の第２の角度とを含む異なる角度の下にある多数のビームを生成することができる、照明モジュールを提供する。これは、例えば、フルビーム及びロービームをそれぞれ生成するために、自動車ヘッドライト用途において有益なことがある。
例えば、全体的に対称的な発光分布を生成するために、第１の非ゼロ角度及び第２の非ゼロ角度は、同じ絶対値を有してよい。
代替的に、照明モジュールは、第１のＬＥＤモジュールと第２のＬＥＤモジュールとを含むＬＥＤモジュールのアレイを含んでよく、よって、多数の方向に光を生成することができるアレイを提供する。
代替的に、照明モジュールは、第１のＬＥＤモジュールと、第２のＬＥＤモジュールとを含む、ＬＥＤモジュールのパターンを含んでよく、第１の方向及び第２の方向は発散する。この実施形態において、照明モジュールは、発散ビームを生成することがある。
代替的に、照明モジュールは、第１のＬＥＤモジュールと、第２のＬＥＤモジュールとを含む、ＬＥＤモジュールのパターンを含んでよく、第１の方向及び第２の方向は収束する。この実施形態において、照明モジュールは、収束ビームを生成することがある。
それぞれのＬＥＤモジュールは、構成可能な(configurable)照明モジュールを提供するよう、個別に制御可能であってよい。
幾つかの実施形態において、照明モジュールは、最小限のビーム成形要素を必要とする車両ヘッドライトモジュールを提供することができるよう、ＬＥＤモジュールの指向性から恩恵を受ける、車両ヘッドライトモジュールである。しかしながら、照明モジュールは、例えば、非限定的に、画素化された照明用途、例えば、スポット照明、行列記号(matrix signs)、照明ベースの道路標識、街路灯等のような、他の応用分野においても使用されてよいことが理解されるべきである。本発明の実施形態は、ＬＥＤエンジン、即ち、ＬＥＤチップの光学軸と非ゼロ角度の下での指向性照明が望まれる任意の応用分野において適用されてよい。
添付の図面を参照して、非限定的な一例として、本発明の実施形態をより詳細に記載する。
ある例示的な実施形態に従ったＬＥＤモジュールを概略的に描いている。 ある例示的な実施形態に従った照明モジュールを概略的に描いている。 ある例示的な実施形態に従った照明モジュールの正面図を概略的に描いている。 他の例示的な実施形態に従った照明モジュールの正面図を概略的に描いている。 更に他の例示的な実施形態に従った照明モジュールの正面図を概略的に描いている。 更に他の例示的な実施形態に従った照明モジュールの正面図を概略的に描いている。 本発明の少なくとも幾つかの着想の証明を実証するシミュレーション結果を描いている。 本発明の少なくとも幾つかの着想の証明を実証するシミュレーション結果を描いている。 本発明の少なくとも幾つかの着想の証明を実証するシミュレーション結果を描いている。
図面は単に概略的であるに過ぎず、原寸通りに描かれていないことが理解されるべきである。図面を通じて同一の参照番号を使用して同一又は類似の部分を示していることも理解されるべきである。
図１は、例示的な実施形態に従ったＬＥＤモジュール１を概略的に描いている。ＬＥＤモジュール１は、光出射面１４(light exit surface)に向かうＬＥＤチップ１０の光学軸１２の周りの発光分布(luminous distribution)を生成するよう配置された、少なくとも１つのＬＥＤ、典型的には複数のＬＥＤを組み込んだ、アクティブダイ領域１１(active die area)を含むＬＥＤチップ１０を含む。アクティブダイ領域１１は、例えば、ＳＤＭ ＬＥＤチップの場合には、透明なキャリア基板１３の上に実装されてよく、その発光出力を透明なキャリア基板１３の光出射面１４に方向付けるように構成されてよい。透明キャリア基板１３は、任意の適切な透明な基板材料、例えば、サファイアで作られてよい。ＬＥＤモジュール１は、例えば、特定のスペクトル組成の発光出力、例えば、特定の色温度の白色光を生成するために、アクティブダイ領域１１内の１以上（１つ又はそれよりも多く）のＬＥＤによって生成される発光出力(luminous output)の波長変換のための１以上の蛍光体を更に含んでよい。そのような蛍光体は、例えば、サファイア基板１３上に実装されてよい。適切な蛍光体の用途は、蛍光体粉末又はセラミック蛍光体を含むサファイア基板１３上のシリコーンマトリックスが含むが、これに限定されない。ＬＥＤチップ１０は、ＬＥＤに電気を提供するための１以上の導電性外部接点１５、例えば、金属又は金属合金接点を更に含んでよい。接点１５は、例えば、ＬＥＤチップ１０のアノード接点及びカソード接点を形成してよい。
それ自体は周知であるように、ＬＥＤは、典型的には、図１の例示的な実施形態では光学軸の周りに投影される、光学軸の周りのランバーシアン配光(Lambertian light distribution)、即ち、対称的な光分布(light distribution)を生成する。ある実施形態によれば、光出射面１４(light exit surface)は、方向変更された光分布１６を生成するために１以上のＬＥＤによって生成される光分布を光学軸１２と非ゼロ角度の下で第１の方向に方向変更するように構成される、複数のマイクロファセット(micro-facets)を含む非対称的な光学層２０のような、非対称的な光学層２０、好ましくは、微細構造の非対称的な光学層２０を支持する。非ゼロ角度は、非対称的な光学層２０の形状によって、例えば、マイクロファセットのような微細構造の形状、例えば、マイクロファセットの表面角度、及び／又は非対称的な光学層２０の材料の屈折率によって、定められてよい。
ある実施形態において、非対称的な光学層２０は、光学グレードのポリマ層である。シリコーンの魅力的な耐熱性の故に、光学グレードのシリコーンが特に好ましく、それはこれらのポリマを、１以上のＬＥＤによって生成される熱に対処するのに特に適しているが、他の光学グレードのポリマ、例えば、ポリカーボネート、ＰＭＭＡ、ＰＥＴ等も想定されてよく、それらは任意の適切な方法において、例えば、オーバモールディング、エンボス加工等を通じて、ＬＥＤモジュール上に形成されてよい。代替的に、透明セラミック、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＹＡＧ又はガラスシートが、例えば、シリコーン接着剤のような適切な接着剤を用いてＬＥＤチップ１０に接合されることがある、光学層２０のための材料として使用されてよい。
１つの実施形態によれば、光学層２０は、フレネルプレート(Fresnel plate)又はフレネル箔(Fresnel foils)から成る。フレネル箔は、フレネルレンズの原理に基づいて、コリメーション又は部分コリメーションの光学特性によって特徴付けられる。フレネルプレートは、例えば、光源、即ち、ＬＥＤチップ１０の１以上のＬＥＤに面する或いは光源から見て外方に向くプリズム溝又はプリズム／ピラミッド構造の対称的な又は非対称的なアレイを含んでよい。プリズム又はピラミッド要素は、光学フィルム２０を横切る異なる地点で入射光を異なる程度だけ屈折させるように、形状において或いはフレネルプレートの表面に亘る他の光学特性において異なってよい。形状又は他の光学特性における全体的な分布は、必要に応じて特定の程度のコリメーション及び／又は光線方向変更を生成するように選択されてよい。ある実施形態において、フレネルプレート又は箔のプリズム要素は、１０〜４０°、好ましくは１５〜３０°の範囲内のプリズム角、即ち、光学膜２０の主面に対する傾斜プリズム面の角度を有する。
フレネルレンズは、有意に減少した質量及び厚さで大きなアパーチャ(aperture)及び短い焦点距離が達成可能であるという点において、従来的なレンズに対して有意な利点を有する。フレネル構造は、従来的なレンズ対応物と比較して有意に薄くされることがあり、フレネル箔又はプレートの場合には、平面的なシート又は膜（フィルム）の形態を取る。短い焦点距離は、それらを小型化された照明用途に特に適したものとさせ、最小化される厚さは、低減された照明パッケージの全体的な高さを可能にする。
フレネル構造は、従来的なレンズよりも傾いた角度の光を取り込むことができ、より効率的なコリメート作用を可能にする。即ち、さもなければ従来的なレンズの許容角度の外側になることがあるＬＥＤチップ１０の光出射面から出る傾いた光線は、それにも拘わらずフレネル箔によって取り込まれ且つコリメートされる。これはＬＥＤチップ１０のより大きな全体的な効率を可能にする。何故ならば、非対称的なコリメーティング要素３０によって犠牲にされなければならない光はより少ないからである。
１つの例によれば、光学膜２０は、円形というよりもむしろ線形に配置された平行なピラミッド形の隆起部(ridges)のセットを有する１以上の光学シートを含むことを特徴とする、強化された又は適合されたフレネル箔を含む。具体的には、この構成は、２つの微細構造シートを含んでよく、各シートは、構造層を含み、構造層は、光源から見て外方に向く細長い局所的に平行な隆起部のアレイを有し、各隆起部の頂点に頂角を有し、一方のシートの隆起部は、局所的な交差角が３０度〜１５０度の間であるよう、他方のシートの隆起部と交差する。交差した隆起部は、特定の角度で入射する光を反射し、他の角度、即ち、光学軸１２と非ゼロ角度で入射する光を屈折させ且つ透過させる。この変化は、特定の臨界角円錐(critical angle cone)内で構造体に入射する光が反射して蛍光体又は光源に向かって戻されるのに対し、この角度円錐の外側の光が屈折させられ且つ透過されるという、特別な利点を有する。後方反射光は、存在するならば、ＬＥＤチップ１０の蛍光体中で散乱させられ、引き続き、光出射面１４及び光学層２０を通じて逃げる（漏れる）二度目の機会を有する。この光再利用(light recycling)の特性は、強度の損失なくＬＥＤチップ１０の１以上のＬＥＤ及び／又は蛍光体により近く位置付けられるのを可能にする。何故ならば、屈折及び透過のための臨界受光角(critical acceptance angle)の外側にある光線は犠牲にされず、反射を通じて再び方向変更されるからである。例えば、非対称的な光学層２０がダイ領域１１内の１以上のＬＥＤによって生成される光分布にある程度のコリメーションを付与するときに、ＬＥＤチップ１０の１以上のＬＥＤによって生成される殆ど全ての光線が所望のコリメーション角範囲内でモジュールから最終的に出るよう、反射光は、モジュール内での方向変更後に、例えば、多少の跳返り後に、ＬＥＤチップ１０から依然として出る。
非対称的な光学層２０は、基板１３及び光学層２０よりも低い屈折率を有する間隔領域２５によって、基板１３の光出射面１４から分離される。例えば、間隔領域２５は、空気充填フォームのような低い屈折率の材料を含んでよい。好適な実施形態において、間隔領域２５は、空気間隙によって形成される。
加えて、ＬＥＤモジュール１は、方向変更された発光分布１６をコリメートするように配置された非対称的なコリメーティング要素３０を含む。非対称的なコリメーティング要素３０は、典型的には、方向変更された発光分布１６を光学軸１２との非ゼロ角度の下で更なる方向にコリメートするように構成される。更なる方向は、好ましくは、ＬＥＤモジュール１の発光収率(luminous yield)を最適化するために第１の方向と一致する。コリメーティング要素３０は、導管３３を含んでよく、導管３３は、導管３３の光出射窓を定める光出射面３２を有する本体３１によって境界付けられ、本体３１は、方向変更された光分布１６を導管３３内に保持するよう、反射体であってよい。導管３３は、幾つかの実施形態では、空気充填される間隙であってよく、或いは、幾つかの代替的な実施形態では、低い屈折率の光学材料、即ち、光学膜２０よりも低い屈折率を有する材料を含んでよい。
コリメート素子３０は、所望の限界内にある光学軸１２と非ゼロ角度の下にある主伝搬角又は中央伝搬角を備える発光分布を得るために、本体３１の（複数の）内面から光学膜２０の発光出力を数回引き続き反射させる黒体３１(black body)を有してよい。
吸収面、即ち、黒体３１は、所望の角度限界の外側の光が、反射され或いは方向変更されるよりもむしろ、犠牲にされることを意味するが、フレネル箔の形態の光学素子２０の使用は、ＬＥＤチップ１０によって生成される光全体の一部のみがこのように失われることを意味する。故に、吸収二次コリメート体(absorbing secondary collimating body)の寸法上の利点は、出力効率を有意に損なうことなく達成されることがある。
第２の例によれば、非対称的なコリメーティング要素３０は、反射面を備える本体３１を有してよい。この場合、大きすぎる逃げ角の光は吸収されたり犠牲にされたりせず、むしろ反射させられる。光は、例えば、方向変更されて、光学膜２０に向かって戻されてよく、或いは、コリメーティング本体３１の（複数の）表面から更に反射させられてよい。反射面は、光が失われず、よって、効率が最大化されることを保証する。しかしながら、コントラストはある程度妥協される。何故ならば、光線の小さな割合が、本体表面からの反射を介して光出射窓３３から逃げることがあり、これらの光線は、非対称的なコリメーティング要素の本体形状によって定められる限界内にある伝搬方向を有さない。結果的に、生成されるビームエッジは、より大きな不鮮明さ(fuzziness)を示すことがある。しかしながら、黒体と同様に、フレネル光学膜２０の使用は、この効果の程度を有意に制限することがある。何故ならば、光線の大部分は、所望の角度限界に既に従っているからである。
ＬＥＤモジュール１は、光出射面１４から延びる側面に反射要素４０を更に含んでよい。反射要素４０は、典型的には、そのような側面の少なくともダイ領域１１を覆って、ダイ領域内の１以上のＬＥＤによって生成される光が光出射面１４以外の表面を通じてＬＥＤモジュール１から逃げるのを防止する。コリメーティング要素３０の本体３１は、反射要素４０によって支持されてよいが、これは必要でない。反射要素４０は、鏡面反射性(specularly reflective)又は拡散反射性(diffusively reflective)であってよく、例えば、かさ容積散乱反射体(bulk volumetric scattering reflector)又は薄膜反射体(thin film reflector)であってよい。幾つかの実施形態における反射要素４０は、例えば、注射器又は他の堆積ツールを使用して、ＬＥＤチップ１０の１以上のＬＥＤの周りに反射材料を分配し或いは堆積させることによって形成されてよい。適切な反射材料は、例えば、懸濁した反射性酸化チタン粒子を備えるシリコーン組成物を含む。非対称的なコリメーティング要素３０は、例えば、反射材料を硬化させる前に、非対称的なコリメーティング要素３０を反射材料中に押し込むことによって、反射要素４０上で支持されてよい。
ある実施形態では、反射材料を１以上のＬＥＤより上のレベルに堆積させ或いは分配させることにより、ＬＥＤの上に空気間隙２５を形成してよい。空気間隙２５は、１以上のＬＥＤ上の反射材料の部分的な除去によって形成されてよい。代替的に、反射材料の堆積又は分配による反射要素の形成前に、１以上のＬＥＤ上に犠牲層を塗布してよく、反射要素４０の形成後に犠牲層を除去する。
空気間隙を含むＬＥＤチップ１０を製造することがある方法の３つの他の変形例が存在する。第１の例では、埋め込まれた空気キャビティと、例えば、空気充填頂部を備えるＹＡＧ（Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）の層スタックとを含む、層状の蛍光体が使用される。この場合、蛍光体層は、１以上のＬＥＤを覆う空間全体を充填するよう効果的に延在し、蛍光体層は、上方空気充填層を含む層状構造を含む。第２の例では、空気含有物(air inclusions)が組み込まれたシート材料層２５が、（蛍光体を備える又は備えない）ＬＥＤチップ１０の上に塗布される。第３の例では、一時的な充填材料（例えば、レジスト）が、（蛍光体を備える又は備えない）ＬＥＤチップ１０の上に塗布される。光学層２０の固定に続いて、一時的な充填材料を除去して空気間隙を形成する。充填材料は、例えば、溶剤の使用を通じて、容易に除去されることがある。
本発明の実施形態に従ったＬＥＤモジュール１は、その光学軸１２と、或いはより広義には、その対称軸又は中心軸と、非ゼロ角度の下にある方向において、コリメートされた光を生成する。結果的に、ＬＥＤモジュール１の向きは、ＬＥＤモジュール１がその発光出力を生成する方向に影響を及ぼす。この態様は、多数のＬＥＤモジュール１を照明モジュールに組み入れることによって利用されてよく、それぞれのＬＥＤモジュール１は、照明モジュールが異なる方向においてコリメートされた光を生成することができるよう、或いは、それらの光学軸の周りにそれらの発光出力を生成するＬＥＤモジュールを用いては達成し得ない指向性光パターンを創り出すことができるよう、異なる向に配置される。

平面的に組み立てられるときに／平坦な２Ｄ平面上で組み立てられるときに、単一のＬＥＤモジュール又は同じ向きにある複数のＬＥＤモジュールを含む照明モジュールを提供すること、例えば、その中心軸と非ゼロ角度の下にある単一の方向にコリメートされた光を給送する照明モジュールを生成することは、もちろん実現可能である。これは、アクティブダイ領域１１が透明基板１３のような平坦な基板の上に実装される平面的なＬＥＤチップ１０又は平面的な複数のＬＥＤチップ１０、例えば、ＳＭＤ ＬＥＤチップに特に当て嵌まる。
特に図示していないが、代替的な実施形態におけるＬＥＤモジュール１は、異なる方向に多数のコリメートされたビーム部分を生成するために、１つよりも多くのコリメータ要素３０を含んでよい。この目的を達成するために、光学層２０は、光学軸１０２と第１の非ゼロ角度の下にある第１の方向に１以上のＬＥＤの発光出力の第１の部分を方向変更するように構成される第１の領域と、光学軸１０２と第２の非ゼロ角度の下にある異なる第２の方向に１以上のＬＥＤの発光出力の第２の部分を方向変更するように構成される第２の領域とを含んでよい。この実施形態において、ＬＥＤモジュール１は、典型的には、
方向変更される発光出力の第１の部分を第１の方向にコリメートするよう第１の領域の上に配置される第１のコリメーティング要素３０と、方向変更された発光出力の第２の部分を第２の方向にコリメートするよう第２の領域の上に配置される第２のコリメーティング要素３０とを含む。この着想は、Ｎ個のそのような領域を含み、Ｎ個のコリメーティング要素がそれらの上にそれぞれ位置付けられ、Ｎは、Ｎ＝２、３又は４のような、少なくとも２の正の整数である、光学層２０に更に一般化されてよいことが直ちに明らかであろう。
図２は、上方を指すブロック矢印によって示されるような照明モジュール光学軸１０２と第１の非ゼロ角度の下にある第１の方向にコリメートされた発光出力を生成するように構成される少なくとも１つの第１のＬＥＤモジュール１ａと、下方を指すブロック矢印によって示されるような照明モジュールの光学軸１０２と第２の非ゼロ角度の下にある第２の方向にコリメートされた発光出力を生成するように構成される少なくとも１つの第２のＬＥＤモジュール１ｂとを含む。第１の非ゼロ角度は、第２の非ゼロ角度と異なるが、幾つかの実施形態では、例えば、全体的に対称的な光パターン又は鏡像方向における別個の光パターンの生成が望ましいならば、それらの絶対的な値は同じであってよい。
図２の実施形態において並びに以下の実施形態において、１以上の第１のＬＥＤモジュール１ａは、１以上の第２のＬＥＤモジュール１ｂと同じであっても異なってもよい。例えば、１以上の第１のＬＥＤモジュール１ａによって生成される発光分布は、１以上の第２のＬＥＤモジュール１ｂによって生成される発光分布と異なる色及び／又は異なる強度を必要とすることがあり、それは、例えば、それぞれのＬＥＤモジュール１ａ，１ｂ内に異なる種類のＬＥＤ、異なる数のＬＥＤ及び／又は異なる光学素子、例えば、異なる蛍光体に一体化（集積）させることによって達成されてよい。
照明モジュール１００は、１以上の第１のＬＥＤモジュール１ａ及び１以上の第２のＬＥＤモジュール１ｂを集積（統合）するハウジング１０３を含んでよい。１以上の第１のＬＥＤモジュール１ａ及び１以上の第２のＬＥＤモジュール１ｂは、任意の適切な方法においてハウジング１０３内に一体化（集積）されてよい。
ハウジング１０３は、出射レンズ又は窓１０１のような追加的な光学要素を更に含んでよく、１以上の第１のＬＥＤモジュール１ａ及び１以上の第２のＬＥＤモジュール１ｂは、それぞれの発光出力を出射レンズ１０１に向かって方向変更するように配置される。出射レンズ１０１は、任意の適切な方法においてハウジング１０３内に一体化（集積）されてよい。
ある実施形態において、光学軸１０２は、生成される発光分布に関して照明モジュール１００を切断する仮想（水平）平面の部分を形成してよい。具体的には、１以上の第１のＬＥＤモジュール１ａによって生成される発光分布は、この仮想平面の上に方向付けられてよく、１以上の第２のＬＥＤモジュール１ｂによって生成される発光分布は、この仮想平面の下に方向付けられてよい。これは、例えば、照明モジュール１００が、第１の構成において１以上の第１のＬＥＤモジュール１ａを備える又は１以上の第１のＬＥＤモジュール１ａ及び１以上の第２のＬＥＤモジュール１ｂの組み合わせを備えるフルビーム(full beam)を生成するように構成され、且つ、第２の構成において１以上の第２のＬＥＤモジュール１ｂを備える下げビーム(dipped beam)又はロービーム(low beam)を生成するように構成される、ヘッドランプモジュールであってよい、自動車照明のような特定の応用分野(application domains)において有益である。これは、例えば、それぞれのビーム間の改善された空間的分離をもたらすヘッドランプモジュールを達成することができる。
この目的を達成するために、１以上の第１のＬＥＤモジュール１ａは、１以上の第２のＬＥＤモジュール１ｂから独立して制御可能であってよい。照明モジュール１００のそれぞれのＬＥＤモジュール１ａ，１ｂは、幾つかの実施形態において、個別に制御可能であってよい。コントローラ（図示せず）が、当業者によって容易に理解されるように、所望の制御構成を容易にするために存在してよい。そのようなコントローラは、照明モジュール１００が適用される応用分野に依存して、車両、建物又は類似物内のボタン、スイッチ又はダイヤルのような、ユーザインターフェースに配線接続されてよく、或いは、無線制御モジュール、例えば、遠隔制御装置のような専用無線制御モジュール、又は、例えば、構成可能な無線通信デバイスにインストールされるアプリを通じて、照明モジュール１００を作動させるように構成される、スマートフォン、タブレット、スマートウォッチ若しくは類似物のような、構成可能な無線通信デバイスから、信号を受信する無線信号受信器を含んでよい。
図３は、照明モジュール１００の例示的な実施形態の正面図を概略的に描いている。この実施形態において、照明モジュール１００は、第１のＬＥＤモジュール１ａの第１のアレイ１０５ａを含み、各々の第１のＬＥＤモジュール１ａは、第１のＬＥＤモジュール１ａのコリメータ要素のそれぞれの光出射面３２ａによって境界付けられた導管３３ａから出る上方を指すブロック矢印によって示すように、照明モジュールの光学軸１０２と第１の非ゼロ角度の下にある第１の方向にコリメートされた発光出力を生成するように構成される。照明モジュール１００は、更に、第２のＬＥＤモジュール１ｂの更なるアレイ１０５ｂを含み、各々の第２のＬＥＤモジュール１ｂは、第２のＬＥＤモジュール１ｂのコリメータ要素のそれぞれの光出射面３２ｂによって境界付けられた導管３３ｂから出る下方を指すブロック矢印によって示すように、照明モジュールの光学軸１０２と第２の非ゼロ角度の下にある第２の方向にコリメートされた発光出力を生成するように構成される。
光学軸１０２を含む前述の仮想平面の上下に光ビームを生成するために先に説明したように、第１の非ゼロ角度は、正の角度であってよく、第２の非ゼロ角度は、負の角度であってよい。第１及び第２の非ゼロ角度の絶対値は、先に説明したように同じであってよい。それぞれのＬＥＤモジュール１ａ，１ｂは、上述のように制御されてよい。それぞれのＬＥＤモジュール１ａ，１ｂは、個別に制御可能であってよく、或いは、アレイレベルで制御可能であってもよい。即ち、それぞれのアレイ１０５ａ，１０５ｂは、個別に制御可能であってよい。
図４は、照明モジュール１００の他の例示的な実施形態の正面図を概略的に描いている。この実施形態において、照明モジュール１００は、複数の第１のＬＥＤモジュール１ａを含むアレイ１０５を含み、各々の第１のＬＥＤモジュール１ａは、第１のＬＥＤモジュール１ａのコリメータ要素のそれぞれの光出射面３２ａによって境界付けられる導管３３ａから出る上方を指すブロック矢印によって示すように、照明モジュールの光学軸１０２と第１の非ゼロ角度の下にある第１の方向にコリメートされた発光出力を生成するように構成される。アレイ１０５は、少なくとも１つの第２のＬＥＤモジュール１ｂのコリメータ要素のそれぞれの光出射面３２ｂによって境界付けられる導管３３ｂから出る側方を指すブロック矢印によって示すように、照明モジュールの光学軸と第２の非ゼロ角度の下にある第２の方向にコリメートされた発光出力を生成するように構成される。このようにして、照明モジュール１００内のそれぞれのＬＥＤモジュール１の向きを相応して構成することによって、より複雑なビーム形状が形成されることがある。例えば、近似曲線の又は階段状の光分布がこのようにして創り出されてよく、多くの他の形状の発光分布も等しく実現可能である。
図５は、照明モジュール１００の他の例示的な実施形態の正面図を概略的に描いている。この実施形態において、照明モジュール１００は、互いから離れる方向を指すＬＥＤモジュールの指向性発光出力を象徴するそれぞれのブロック矢印によって示すように、発散光ビームを生成するように構成されたＬＥＤモジュール１ａ〜１ｄのパターンを含む。
図６は、照明モジュール１００の他の例示的な実施形態の正面図を概略的に描いている。この実施形態において、照明モジュール１００は、互いに向かう方向を指すＬＥＤモジュールの指向性発光出力を象徴するそれぞれのブロック矢印によって示すように、収束光ビームを生成するように構成されたＬＥＤモジュール１ａ〜１ｄのパターンを含む。
照明モジュール１００の異なる構成を描く前述の実施形態は、非限定的な例として示されているに過ぎないことが理解されるべきである。特定の照明効果又はビーム形状を創り出すために１以上のＬＥＤモジュール１を含むより多くの構成がもちろん可能であり、そのような追加の構成は当業者に直ちに明らかであろう。
前述の実施形態において、ＬＥＤモジュール１の電気的フットプリント、即ち、電気的接続部１５のレイアウトは、対称的であってよい。これは、例えば、ＬＥＤモジュール１の電気的接続部１５に接続するための規則的なパターンのコネクタを有する照明モジュール１００のためのＬＥＤモジュール実装板の提供を容易にすることで、ＬＥＤモジュール１は、ＬＥＤモジュール１の電気的フットプリントの対称性に起因する実装板の再設計を必要とせずに、任意の所望の構成において実装板に実装されてよく、それは電気的接続部１５の向きがＬＥＤモジュールの光学軸の周りのＬＥＤモジュールの回転向きと無関係であることを保証する。故に、これは、例えば、同じＬＥＤモジュール実装板を使用する図２乃至６の照明モジュール１００の例示的な実施形態の提供を容易にする。
図７は、空気間隙２５の存在の下で１５〜３０°の範囲内のプリズム角（ｘ軸）を有するプリズム要素を含む光学膜２０を用いてランバーシアン発光分布について達成された偏向角（ｙ軸）のLighttoolsプログラムにおけるシミュレーションの結果を概略的に描いている。図８は、空気間隙２５の不存在の下で１５〜３０°の範囲内のプリズム角（ｘ軸）を有するプリズム要素を含む光学膜２０を用いてランバーシアン発光分布について達成された偏向角（ｙ軸）のLighttoolsプログラムにおけるシミュレーションの結果を概略的に描いている。空気間隙２５の存在は、達成された偏向角を約２〜４°から約８〜１７°に向上させ、よって、光学膜２０の偏向出力の向上を示す。ランバーシアン発光分布、即ち、ＬＥＤチップ１０の１以上のＬＥＤによって生成された発光(luminance)は、構造２５、例えば、光出射面１４と光学膜２０との間の空気間隙の低屈折率によって、プリコリメートされる（予めコリメートされる）。
図９は、非対称的なフレネル光学膜２０と、ＬＥＤチップ１０の光学軸に対して約１０°の本体アパーチャの伝搬方向を有する非対称的な黒体コリメーティング要素３０とを含む、ＬＥＤモジュールのLighttoolsプログラムにおいてシミュレートされた発光分布の極プロットである。これは本発明に従ったＬＥＤモジュール１が非対称的な光ビームを効果的に創り出し得ることを明確に強調している。
前述のように、本発明の実施形態に従った照明モジュール１００は、例えば、車両ヘッドライトモジュールのような自動車照明用途に特に適した、適用性を見出す。しかしながら、本発明の実施形態に従った照明モジュール１００の適用性は、それに限定されない。本発明の実施形態に従った照明モジュール１００を、例えば、他の応用分野、一般照明用途の小型又は画素化光源、例えば、スポットライトのような電球のような、他の応用分野に適用することも等しく実現可能であり、それは、例えば、照明モジュール１００、道路標識(road signage)、例えば、行列記号(matrix signs)等の実施形態のうちの一部の実施形態の優れた光収束特性又は発散特性から利益を得ることがある。照明モジュール１００の他の特に有望な応用分野は、街路照明である。何故ならば、街灯は、街灯の場所に基づいて特定の発光分布を生成することが定期的に必要とされるからである。例えば、街路の交差点に位置付けられる街灯は、交差点の１つよりも多くの街灯の部分を照らすことを必要とすることがあり、それは典型的には単一の街路の区画に沿う街灯とは異なる照明パターンを必要とする。本発明の照明モジュールを用いるならば、異なる所要の発光分布を達成するためのＬＥＤモジュールの光学の再設計を必要とせずに、例えば、実装板上のＬＥＤモジュール１の適切な位置決めによって、所要の発光出力におけるそのような異なる指向性を容易に提供することができる。
上記の実施形態は本発明を限定するというよりも例示するものであること並びに当業者は添付の請求項の範囲から逸脱せずに多くの代替的な実施形態を設計することができることが留意されるべきである。請求項において、括弧内に置かれた如何なる参照符号も、請求項を限定するものとして解釈されてならない。「含む」(“comprising”)という用語は、請求項中に列挙される要素又はステップ以外の要素又はステップの存在を排除しない。単数形の要素は、そのような要素が複数存在することを排除しない。幾つかの異なる要素を含むハードウェアによって本発明を実施することができる。幾つかの手段を列挙する装置の請求項において、１つの同じ品目のハードウェアによってこれらの手段のうちの幾つかを具現することができる。特定の手段が相互に異なる従属項に引用されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせを有利に使用し得ないことを示さない。
国際公開第２０１５／０９０７０６Ａ１号 米国特許第８，７６４，２５９号明細書

Claims (13)

  1. 光学軸の周りに集中させられる発光出力を光出射面に向かって方向付けるように構成される少なくとも１つのＬＥＤを含むＬＥＤチップであって、前記光出射面から延びる少なくとも１つの側面を有するＬＥＤチップと、
    間隔領域によって前記光出射面から分離される光学層であって、前記間隔領域は前記光出射面を含む材料及び当該光学層よりも低い屈折率を有し、当該光学層は、前記発光出力を前記光学軸と非ゼロ角度の下にある方向に方向変更するように配置され、当該光学層は、前記発光出力の第１の部分を前記光学軸と第１の非ゼロ角度の下にある第１の方向に方向変更するように構成される第１の領域と、前記発光出力の第２の部分を前記光学軸と第２の非ゼロ角度の下にある第２の方向に方向変更するように構成される第２の領域とを含み、前記第１の方向は、前記第２の方向と異なる、光学層と、
    前記方向変更される発光出力の前記第１の部分を前記第１の方向にコリメートするよう前記第１の領域の上に配置されるコリメーティング要素と、
    前記方向変更される発光出力の前記第２の部分を前記第２の方向にコリメートするよう前記第２の領域の上に配置される更なるコリメーティング要素と、
    前記ＬＥＤチップの前記少なくとも１つの側面を覆う反射要素とを含む、
    ＬＥＤモジュール。
  2. 前記間隔領域は、空気間隙である、請求項１に記載のＬＥＤモジュール。
  3. 前記コリメーティング要素は、本体によって取り囲まれる導管を含み、該導管は、前記光学軸と前記非ゼロ角度の下にある主伝搬方向を有し、前記本体は、前記光出射面の周りに配置される、請求項１又は２に記載のＬＥＤモジュール。
  4. 前記光学層は、複数のファセットを含み、各ファセットは、前記発光出力の部分を前記光学軸と非ゼロ角度の下にある前記方向に方向変更するように構成される、請求項１乃至３のうちのいずれか１項に記載のＬＥＤモジュール。
  5. 前記光学層は、光学ポリマ層である、請求項１乃至４のうちのいずれか１項に記載のＬＥＤモジュール。
  6. 請求項１乃至５のうちのいずれか１項に記載のＬＥＤモジュールを含む照明モジュール。
  7. 当該照明モジュールの光学軸と第１の非ゼロ角度の下にある第１の方向にコリメートされた発光出力を生成するように構成される少なくとも１つの第１のＬＥＤモジュールと、
    当該照明モジュールの光学軸と第２の非ゼロ角度の下にある第２の方向にコリメートされた発光出力を生成するように構成される少なくとも１つの第２のＬＥＤモジュールとを含む、
    複数の前記ＬＥＤモジュールを含み、
    前記第１の非ゼロ角度は、前記第２の非ゼロ角度と異なる、
    請求項６に記載の照明モジュール。
  8. 第１のＬＥＤモジュールのアレイであって、各第１のＬＥＤモジュールは、当該照明モジュールの光学軸と前記第１の非ゼロ角度の下にある前記第１の方向にコリメートされる発光出力を生成するように構成される、前記第１のＬＥＤモジュールのアレイと、
    第２のＬＥＤモジュールのアレイであって、各第２のＬＥＤモジュールは、当該照明モジュールの光学軸と前記第２の非ゼロ角度の下にある前記第２の方向にコリメートされる発光出力を生成するように構成される、前記第２のＬＥＤモジュールのアレイとを含み、
    前記第１の非ゼロ角度は、正の角度であり、前記第２の非ゼロ角度は、負の角度である、
    請求項７に記載の照明モジュール。
  9. 前記第１のＬＥＤモジュールと、前記第２のＬＥＤモジュールとを含む、ＬＥＤモジュールのアレイを含む、請求項７に記載の照明モジュール。
  10. 前記第１のＬＥＤモジュールと、前記第２のＬＥＤモジュールとを含む、ＬＥＤモジュールのパターンを含み、前記第１の方向及び前記第２の方向は、発散する、請求項７に記載の照明モジュール。
  11. 前記第１のＬＥＤモジュールと、前記第２のＬＥＤモジュールとを含む、ＬＥＤモジュールのパターンを含み、前記第１の方向及び前記第２の方向は、収束する、請求項７に記載の照明モジュール。
  12. それぞれのＬＥＤモジュールは、個別に制御可能である、請求項７乃至１１のうちのいずれか１項に記載の照明モジュール。
  13. 当該照明モジュールは、車両ヘッドライトモジュールである、請求項６乃至１２のうちのいずれか１項に記載の照明モジュール。
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