JP2022524655A - イルミネーションデバイス、照明システム及びイルミネーションデバイスを動作させる方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、キャリア上に配置される複数のＬＥＤと、前記ＬＥＤの少なくとも１つによって発せられる光の経路に配置される光学要素と、前記ＬＥＤの少なくとも１つを動作させるための駆動ユニットとを備える、イルミネーションデバイスに関する。駆動ユニットは、第１の動作モードにおいて、デバイス光束及び第１のビーム幅を有する第１のビームを発するために、選択された電力で、第１のセレクションのＬＥＤを駆動する、並びに、少なくとも１つのさらなる動作モードにおいて、前記デバイス光束及び第１のビーム幅よりも広いさらなるビーム幅を有するさらなるビームを発するために、前記選択された電力で、前記第１のセレクションとは少なくとも１つのＬＥＤが異なる、さらなるセレクションのＬＥＤを駆動する。さらなるセレクションのＬＥＤのＬＥＤは、キャリア上で均等に分布する。

Description

本発明は、光源等、調整可能なイルミネーションデバイスに関し、より具体的には、制御可能なビーム幅を有するイルミネーションデバイスに関する。このために、イルミネーションデバイスは、複数の個別に制御可能な発光ダイオード（ＬＥＤ）を含む。本発明はさらに、前記イルミネーションデバイスを動作させる方法、及び少なくとも２つの前記イルミネーションデバイスを含む照明システムに関する。

多くのアプリケーションにとって、角度分布が変えられることができる光ビームを生成する光源を有することが望ましい。例えば、複数の物体を照らすための広角の光ビーム、又は単一の小さな物体を照らすための狭角のビームを作り出すために、可変性(variability)が必要とされる。従来の方式では、角度分布は、光源、例えば、ＬＥＤ配列をレンズ又は放物面ミラーの焦点に近づける又は焦点から遠ざけることにより変えられる。光源が焦点から遠ざけられる場合、その像はぼやけ、より広いビームを形成する。残念ながら、そうすると、像は劣化し、非常に不均一になる。懐中電灯でよく用いられる放物面リフレクタの場合、暗い「ドーナツホール」が形成され、これは、視覚的に望ましくなく、シーンのフルイルミネーション(full illumination)を犠牲にする。

より最近では、ＬＥＤのアレイを含むイルミネーションデバイスが利用可能になっており、調整可能なビームは、ＬＥＤの１つ以上のサブセットを作動又は駆動することにより得られ、すなわち、狭いビーム又はスポット光のために、少数の中央に配置されているＬＥＤが作動又は駆動され、広いビーム又はフラッド光を生成するために、それほど中央に配置されていないＬＥＤのリングのみが作動／駆動される。しかしながら、広いビームの場合、これは、前記暗い「ドーナツホール」を有する広い光ビームの発生という不利な点を有する。代替的に、前記暗い「ドーナツホール」を避けるために、それほど中央に配置されていないＬＥＤのリング及び中央に配置されているＬＥＤが駆動される。しかしながら、これらは、イルミネーションデバイスの熱的過負荷を避けるため及びほぼ同じ光束に達するために減光されたレベルで駆動される必要があり、イルミネーションデバイスが相対的に複雑で高コストになるという不利な点を有する。

本発明の目的は、これらの既知のイルミネーションデバイスの不利な点の少なくとも１つに対処することである。

このために、冒頭の段落で述べられるタイプのイルミネーションデバイスは、
キャリア上に、キャリアの中心の周りに配置される複数のＬＥＤと、
前記ＬＥＤの少なくとも１つによって発せられる光の経路に配置される光学要素及び前記中心及び前記光学要素を通って延びる光軸と、
前記ＬＥＤの少なくとも１つを動作させるための駆動ユニットと、
を備え、
駆動ユニットは、第１の動作モードにおいて、第１のデバイス光束Ｆ１及び第１のビーム幅を有する第１のビームを発するために、第１の選択された電力Ｐ１で、第１のセレクションのＬＥＤ Ｌ１を駆動するように構成され、少なくとも１つのさらなる動作モードにおいて、０．５＊Ｆ１≦Ｆｆ≦１．５＊Ｆ１、好ましくは、０．８＊Ｆ１≦Ｆｆ≦１．２＊Ｆ１を有する、さらなるデバイス光束Ｆｆ及び第１のビーム幅よりも広いさらなるビーム幅を有するさらなるビームを発するために、さらなる選択された電力Ｐｆで、前記第１のセレクションとは少なくとも１つのＬＥＤが異なる、さらなるセレクションのＬＥＤ Ｌｆを駆動するように構成され、
さらなるセレクションのＬＥＤのＬＥＤ Ｌｆは、駆動されるＬＥＤ Ｌｆの２つの最も近いＬＥＤの間の最短距離が最大で３倍異なるように、キャリア上で均等に分布し、第１のセレクションのＬＥＤ(first selection of LEDs)は、第１の数Ｎ１のＬＥＤを有し、さらなるセレクションのＬＥＤ(further selection of LEDs)は、さらなる数ＮｆのＬＥＤを有し、Ｎ１は、Ｎｆ±２０％の範囲内にある。

この文脈において、「均等に分布する(evenly distributed)」という表現は、駆動されるＬＥＤが、均一な広いビームが遠距離場(far field)において作り出されるように複数のＬＥＤから選択されることを意味し、これは、例えば、駆動されるＬＥＤ Ｌｆ、すなわち、アクティブに動作するＬＥＤ、すなわち、点火されたＬＥＤの２つの最も近いＬＥＤの間の最短ハートトゥハート距離(shortest heart-to-heart distance)が、最大で３倍異なることによって達成されることができる。また、「均等に分布する」という表現は、点火されたＬＥＤが、アクティブなＬＥＤのエリアの周囲を形成する最外周ＬＥＤを含むことを意味する。前記周囲は、キャリア上に配置される複数のＬＥＤのすべてによって占められる総エリアの少なくとも７０％の大きさのサブエリアを取り囲む。前記サブエリア内で、アクティブなＬＥＤの２つの最も近いＬＥＤの間の前記最短距離の特徴が満たされる。イルミネーションデバイスによって生成及び発せられる光ビームの主方向が光軸に平行であり、キャリア上のＬＥＤの配列が等しいセグメントに分割される場合、好ましくは、これらセグメント内の動作するＬＥＤの数が、動作するＬＥＤの前記均等な分布を得るために、相互に最大で５０％、好ましくは、最大で２０％異なる。差が５０％を超えると、光出力及び熱負荷が大幅に大きくなるため、ドライバの動作範囲に対する余分な要求(extra demand)が重要な役割を果たし始め、差が±２０％以内である場合、ドライバの動作範囲に対する深刻な要求(serious demand)は課されない。例えば、複数のＬＥＤが円状に配置される場合、円の各象限は、大体同じ数を含み、すなわち、動作するＬＥＤの数は最大で±５０％又は±２０％だけ異なる。

前記ＬＥＤの少なくとも１つを動作させる数は、例えば、２個のＬＥＤ～１万個のＬＥＤまでの範囲内の任意の数のＬＥＤ、例えば、３個、４個、５個、６個、１０個、１６個、２４個、５０個、２００個、又は１０００個のＬＥＤ等とすることができる。

ＬＥＤは、前記ＬＥＤに流れる電流とは無関係に、本質的に常に同じである電圧降下を有する。したがって、既知のイルミネーションデバイスにおいて複数のＬＥＤを同時に駆動する典型的な方法は、これらを直列に並べてストリングとし、電流源を用いてストリングを駆動し、その出力を制御することによる。これらのドライバは、高い側で、最大電圧、最大電流、及び最大電力で、並びに、低い側で、最小電流及び最小電圧で制限される動作ウィンドウ(operating window)を有する。ＬＥＤストリングの電圧は、直列のＬＥＤの数及びＬＥＤの（定）順方向電圧に依存する。ドライバの出力電流は、適切な量の光束を生成するための値に設定される。減光は、ＬＥＤストリングを介す電流を減少させることにより実現される。

従来技術によるイルミネーションデバイスの例を示す。セットポイント１は、中心に近い各３Ｖの１２個のＬＥＤのみが、第１の光束Ｆ１を生成するために第１の電力Ｐ１、例えば３６Ｖ、１Ａで動作される狭いスポットであり、１０％、すなわち、０．１Ａまでの減光が可能である。広いビームのセットポイント２に切り替えると、増加された数のＬＥＤ、例えば、５２個のＬＥＤが動作し、斯くして、ストリングの長さが１２個のＬＥＤから５２個のＬＥＤに増える。したがって、必要とされる電圧は、５２＊３Ｖ＝１５６Ｖとなる。前記５２個のＬＥＤを介す電流は、ソースのさらなる光束Ｆｆが第１の光束Ｆ１と同じであるように同じさらなる電力Ｐｆに達するために（１２／５２）＊１Ａ＝０．２３１Ａに減少されなければならない。このケースでも１０％までの減光が必要とされる場合、ドライバウィンドウは、両方のモードをサポートするために電流方向及び電圧方向の両方で非常に大きくなければならない。とりわけ、既知のイルミネーションデバイスに要求されるような電圧方向の広い範囲は、既知のイルミネーションデバイスのためのドライバを比較的高価で複雑なものにし、さらにドライバの性能に悪影響を与えるので、好ましくは避けられるべきである。

キャリア上に配置される複数のＬＥＤは、個別に制御可能なＬＥＤ及び／又は制御可能なＬＥＤの構成(composed)グループを有するピクセル化された光源とみなされることができる。これらの特徴により、本質的に同じ数の動作するＬＥＤを使用して、比較的シンプルに２つのタイプのビームの切り替えが可能な、比較的シンプルなイルミネーションデバイスが実現される。通常、２つのタイプのビームは、例えば、狭いビーム又はスポットライト及び「満たされた(filled)」広いビーム又はフラッドライトであり、光束は、両ビームについて実質的に同じままであり、すなわち、Ｆｆは、Ｆ１±５０％、好ましくは、±２０％の範囲内であり、熱的過負荷のリスクのために減光する必要はない。選択される電力は、典型的には、同時に動作されるＬＥＤの選択された量及び前記選択された量のＬＥＤを動作させるための選択された電流によって決定される。したがって、電力Ｐ１及びＰｆの選択によって、狭いビーム及び広いビームの両方の場合に、いくつのＬＥＤが同時に、どの電流で駆動されるかが決定される。典型的には、ＬＥＤは公称電力で駆動され、調光回路は必要とされないが、調光の可能性、及び、典型的には電流制御を介した、本発明における調光回路の適用は、本発明に含まれる。複数のＬＥＤは、個別に制御可能なＬＥＤ及び／又はＬＥＤの別個に制御可能な集合(aggregated)グループを含んでもよい。斯くして、第１のセレクション及びさらなるセレクションは、前記個別に制御可能なＬＥＤから選択される、及び／又は、ＬＥＤの別個に制御可能な集合グループから選択されることにより形成されることができる。

駆動されるＬＥＤの選択数は、

の範囲内であり、ｎは、典型的には、１６～２５００の範囲内であり、２≦ｋ≦ｎである。好ましくは、ｎは、３０～１６００の範囲内、さらに好ましくは、１００～１０００の範囲内であり、ｋは、好ましくは、４～０．５＊ｎの範囲内、さらに好ましくは、１０～０．３５＊ｎ、例えば、２０～０．２５＊ｎの範囲内である。ＬＥＤ及び駆動されるＬＥＤの最小数は、生成されるビームの十分な解像度、スイッチング及び微調整の可能性を有することが好ましく、ＬＥＤ及び駆動されるＬＥＤの最大数は、イルミネーションデバイスを比較的コンパクトでシンプルなものにし、熱的過負荷のリスクを防ぐことが好ましい。

キャリア及び光学要素の両方は、典型的には、光軸を横切るように配置され、光軸は、キャリアの中心及び光学要素の中心を通って垂直に延びる。ビーム角、すなわち、ビーム幅の変化は、典型的には、駆動されるＬＥＤ間の平均距離の違いによって得られる。とりわけ、比較的互いに近い、複数のＬＥＤが駆動される場合、比較的小さなビームが得られ、互いにより離れた、同じ数のＬＥＤが駆動される場合、広いビームが得られる。

同様に、ビーム方向の変化は、同じ数の駆動されるＬＥＤの平均（回転）位置を中心から又は中心の周りで変化させることによって得られる。無論、セグメント、例えば、円内の配列の場合の象限における動作する（すなわち、オンされる）ＬＥＤの数は、相互に大きく、例えば２０％より多く異なってもよく、例えば、単一の象限内のすべてのＬＥＤがオンされ、他の３つの象限ではすべてのＬＥＤがオフされてもよい。

イルミネーションデバイスは、光学要素が、光軸と一致するレンズ軸を有する共通の単レンズであるという特徴を有してもよい。広いビームのためのこのような構成では、ビーム角は、典型的には、半値全幅（ＦＷＨＭ：full width at half maximum）が３０～７５°の範囲内にあり、駆動されるＬＥＤは、イルミネーションデバイスが比較的満たされた広いビームを発するためにキャリア上で均等に広がる。しかしながら、イルミネーションデバイスが比較的中空のビーム又はバットウィングビームを発するためにキャリア／単レンズの周囲に隣接するＬＥＤのみを駆動することも可能であり得る。イルミネーションデバイスが比較的狭いビームを発する、すなわち、ビーム角が、典型的には、５～３０°のＦＷＨＭの範囲内にある場合、このような構成のイルミネーションデバイスでは、駆動されるＬＥＤは、典型的には、中心に隣接して位置する。代替的に、イルミネーションデバイスは、光学要素が、ＬＥＤと、光軸に対してそれぞれの向きを持つ個々の関連する光学要素との複数の組み合わせを含むという特徴を有してもよい。このような代替的な構成では、所望のビームプロファイルのために駆動されるＬＥＤは、組み合わせの光学特性に依存する。これは、イルミネーションデバイスの局所的な熱的過負荷を最適に防止する及び／又はイルミネーションデバイスを可能な限りコンパクトにするために、狭いビーム及び広いビームを発するために駆動されるＬＥＤの配列を最適化することを可能にする。

さらに、イルミネーションデバイスは、第１のセレクションのＬＥＤ Ｌ１が、第１の数Ｎ１のＬＥＤを有し、さらなるセレクションのＬＥＤ Ｌｆが、さらなる数ＮｆのＬＥＤを有し、Ｎ１が、Ｎｆ±２０％の範囲内である、又はＮ１が、Ｎｆ±１０％の範囲内である、又はＮ１がＮｆと同じであるという特徴を有することが好都合である。代替的又は追加的に、イルミネーションデバイスは、複数のＬＥＤの各ＬＥＤが、同じ電流、したがって、同じ（公称）電力で動作される場合、本質的に同じＬＥＤ光束を有するという特徴を有してもよい。典型的に、異なる色のＬＥＤは、（場合によってはわずかに）異なる電圧降下を有するため、すべてのＬＥＤが同じタイプの色から選択されることにより、各ＬＥＤの電圧降下は同じになる。例えば、第１の光束及びさらなる光束を生成するためのＬＥＤがすべて同じタイプの白色ＬＥＤであり、斯くして、すべてが同じ電圧降下を有すると仮定すると、第１の光束Ｆ１及び第２の光束Ｆｆが５０％、好ましくは、最大で２０％異なり得る場合、これは、第１の光束Ｆ１に対する第１の電圧Ｖ１設定とさらなる光束Ｆｆに対するさらなる電圧Ｖｆ設定との間の選択された電圧差も、それぞれ５０％、２０％異なり得る、すなわち、それぞれ０．５＊Ｖ１≦Ｖｆ≦１．５＊Ｖ１、０．８＊Ｖ１≦Ｖｆ≦１．２＊Ｖ１であることを意味する。ＬＥＤ Ｌ１の第１の数Ｎ１の範囲及びＬＥＤ Ｌｆのさらなる数Ｎｆの範囲についても同様であり、すなわち、これらの範囲は、０．８＊Ｎ１≦Ｎｆ≦１．２＊Ｎ１に従って相互に関連する。斯くして、第１のビームとさらなるビームとを切り替える場合に本質的に同じデバイス光束を有するビームを発するためのより一層シンプルなイルミネーションデバイスが得られる。

イルミネーションデバイスは、少なくとも１つのＬＥＤが、ＲＧＢ ＬＥＤダイのセットを含むという特徴を有してもよい。ダイは、好ましくは、個別にアドレス指定され、動作されることができ、これは、イルミネーションデバイスが色信号、例えば、緊急の場合の赤色信号を提供することを可能にする。複数のＬＥＤのすべてのＬＥＤがＲＧＢ ＬＥＤダイのそれぞれのセットを含む場合、イルミネーションデバイスは、多種多様な色付きのビームパターンを発することができる。追加的に、少なくとも１つのＬＥＤは、カラーパターンの可能性を増加させるためにアンバー色及び／又は白色ＬＥＤダイを含んでもよい。

イルミネーションデバイスは、第１のセレクション及びさらなるセレクションのＬＥＤが、すべて異なるＬＥＤであるという特徴を有してもよい。これは、第１のセレクションの駆動されるＬＥＤが、さらなるセレクション内の駆動されるＬＥＤとは異なるＬＥＤであることを意味する。斯くして、ＬＥＤが相互にアンバランスに駆動されること、すなわち、あるＬＥＤが常に駆動され、他のＬＥＤは決して駆動されないということが、シンプルなやり方で防止される。

イルミネーションデバイスは、第１のセレクション及びさらなるセレクションのＬＥＤが、同じＬＥＤの共有のサブセットを含むという特徴を有してもよい。これは、ＬＥＤの数が減らされることができるため、過剰な量のＬＥＤを設けることが防止されるという利点がある。

イルミネーションデバイスは、第１の動作モード及びさらなる動作モードにおける動作の際、アクティブにされるＬＥＤは、すべて同じ電流で動作され、その結果、第１のセレクションのＬＥＤ及びさらなるセレクションのＬＥＤが同じタイプのＬＥＤに関連し、ほぼ同じ量の同時に動作するＬＥＤに関連する場合、同じ電力、すなわち、Ｐ１＝Ｐｆ±５０％、Ｐ１＝Ｐｆ±２０％、Ｐ１＝Ｐｆ±１０％、又はＰ１＝Ｐｆで動作することになるという特徴を有してもよい。これは、同じ数の駆動されるＬＥＤを用いて、設定されたデバイス光束を実現するために、ＬＥＤの減光もブーストも必要ではないという利点がある。斯くして、イルミネーションデバイスが狭いビームと広いビームとを切り替える場合に一定の光束を有するために調光回路は必要とされず、斯くして、イルミネーションデバイスの実施形態が比較的シンプルで安価であることを可能にする。

イルミネーションデバイスは、複数のＬＥＤのＬＥＤが、マトリクスに配置され、前記マトリクスは、空のセル(empty cell)を含んでもよいという特徴を有してもよい。限られた数の設定しかイルミネーションデバイスの動作に必要とされない場合、セレクションの数、したがって、アドレス指定可能なＬＥＤの数は減らされることができ、マトリクス配列内のいくつかの位置は必要ない。イルミネーションデバイスを一層安価にするために、ＬＥＤは、使用されない位置において省かれることができる。

イルミネーションデバイスは、動作中に、異なるが同量のアクティブにされるＬＥＤの高スイッチング周波数（すなわち、典型的には、１００Ｈｚ～１００ＭＨｚの範囲内）が、ドライバによって課されるという特徴を有してもよい。斯くして、一部のＬＥＤが常時駆動されないことに起因して局所的な熱負荷が防止され、さらに、とりわけスイッチング周波数が少なくとも１０００Ｈｚである場合、平滑化された比較的均一なビームが得られることができる、ということが実現される。代替的に、第１のビーム及びさらなるビームを平滑化するための比較的安価でシンプルな解決策として、光学要素は、わずかに拡散性であることができ、例えば、フロスト加工されてもよく、サンドブラスト加工されてもよく、又はサテン加工の(satinized)コーティング／ステッカを備えてもよい。

本発明はさらに、本発明による少なくとも２つのイルミネーションデバイスと、少なくとも２つのイルミネーションデバイスを制御するための制御ユニットとを含む、照明システムに関する。制御ユニットは、配線を介して又は無線でイルミネーションデバイスに接続されてもよい。典型的には、スマートフォン又はリモートコントロール等のユーザインターフェースが、このような照明システムに含まれる。とりわけ、制御ユニットは、複数のイルミネーションデバイスの制御された協働によって作られる静的又は動的な照明シーンを作り出すことができる。このようなシステムは、比較的安価でありながら、様々な照明シーンを提供する豊富な可能性を提供する。無論、照明システムは、３つ以上のイルミネーションデバイス、例えば、少なくとも３、５、１０、３０、又は２５０にまで至るイルミネーションデバイス、ましてはそれ以上のイルミネーションデバイスを含んでもよい。

本発明はさらに、本発明によるイルミネーションデバイスを動作させる方法であって、当該方法は、
第１のビーム幅を有し、第１のデバイス光束Ｆ１を生成する第１のビームを発するために選択された第１の動作電力Ｐ１で第１のセレクションのＬＥＤ Ｌ１を駆動するステップと、
同時に第１のセレクションのＬＥＤをオフにする、並びに、さらなるデバイス光束Ｆｆを生成し、第１のビーム幅とは異なるさらなるビーム幅を有するさらなるビームを発するためにさらなる選択された動作電力ＰｆでさらなるセレクションのＬＥＤ Ｌｆをアクティブにするステップと、
を含む、方法に関する。

当該方法は、任意選択的に、イルミネーションサイクルプログラム(illumination cycle program)を作るためにこれらのステップの繰り返しを選択する及び／又はイルミネーションデバイスが調光レベルで動作するように選択する可能性等の追加ステップを含んでもよい。同様に、当該方法は、複数のイルミネーションデバイスが制御される本発明による照明システムに適用可能である。

以下、本発明が、概略的な図面を用いてさらに説明されるが、これらの図面は決して本発明の範囲を限定することを意図したものではなく、むしろ本発明の十分な可能性の範囲を例示するためのものである。
図１Ａ～Ｂは、適応可能なスポットを提供するイルミネーションデバイスの原理を示す。 図２は、適応可能なスポットを提供する従来技術によるイルミネーションデバイスにおけるアレイに配置された複数のＬＥＤの動作モードの上面図を示す。 図３Ａ～Ｂは、適応可能なスポットを提供する本発明によるイルミネーションデバイスの第１の実施形態におけるアレイに配置された複数のＬＥＤの動作モードの上面図を示す。 図４Ａ～Ｂは、従来技術による及び本発明によるドライバ動作ウィンドウを示す。 図５Ａ～Ｄは、適応可能なスポットを提供する本発明によるイルミネーションデバイスの第２の実施形態の動作モードを示す。 図６は、適応可能なスポットを提供する本発明によるイルミネーションデバイスの第３の実施形態のＬＥＤアレイを示す。 図７は、適応可能なスポットを提供する本発明によるイルミネーションデバイスの第４の実施形態のＬＥＤアレイを示す。 図８は、本発明によるシステムの一実施形態を示す。 図９は、本発明による方法を示す。

図１Ａ～Ｂは、イルミネーションデバイス１、及び、適応可能なスポットを提供するピクセル化された光源を備えるイルミネーションデバイスの動作原理を示している。イルミネーションデバイスは、ピクセル化された光源として、キャリア５上にＬＥＤアレイとして配置される複数のＬＥＤ３を備える。ＬＥＤは、ＬＥＤアレイの下流に位置付けられる光学要素１１（図では単レンズ）に向かって光軸９に沿う光の経路を介して光を発する。光軸９は、キャリアの中心１０及び横置きに配置される光学要素を通って延びる。図１Ａでは、キャリアの中心に光軸上に位置付けられる１つのＬＥＤ１３のみが、ドライバ１５によって駆動される（すなわち、光を生成するように動作する）。ＬＥＤによって光学要素に向かって発せられる光線１７は、屈折によってリダイレクトされ、デバイス光の狭いビーム１９を形成する。図１Ｂでは、キャリアの周囲／エッジの近くに光軸から離れて位置付けられる２つのＬＥＤ１３のみが、ドライバ１５によって駆動される。ＬＥＤによって光学要素に向かって発せられる光線１７は、屈折によってリダイレクトされ、デバイス光の広いビーム２０を形成する。

図２は、マトリクスアレイに配置された複数のＬＥＤ３の上面図を示している。複数のＬＥＤは、ピクセル化された光源として機能する。図はさらに、従来技術によるイルミネーションデバイスのピクセル化された光源の２つの動作モードを示している。図の左側に示される動作モードでは、１２個の比較的中央に位置するＬＥＤ１３のみが、比較的高い電流で、したがって、比較的高い電力で駆動され、デバイス光束を有する比較的高い強度の比較的狭いビームを提供し、他のＬＥＤはオフされている。図の右側に示される動作モードでは、複数のＬＥＤ３のうち本質的にすべてのＬＥＤ１３が、減光された状態で駆動され（すなわち、従来技術のイルミネーションデバイスは、ＬＥＤを低電流で、したがって、比較的低い電力で動作させることを可能にする調光回路を必要とする）、同じデバイス光束を有するが、比較的低い強度の比較的広いビームを提供する。斯くして、従来技術によれば、同じデバイス光束を有する適応可能なスポットが得られる。

図３Ａ～Ｂは、図２に示される従来技術のイルミネーションデバイスについて示されるものと同じ配列でマトリクスアレイに配置された、同じ公称電力で動作される場合にすべて同じ光出力を有する、複数のＬＥＤ３の上面図を示している。複数のＬＥＤは、ピクセル化された光源として機能する。図３Ａ～Ｂはさらに、適応可能なスポットを提供するための本発明によるイルミネーションデバイスの第１の実施形態のピクセル化された光源の２つの動作モードを示している。図３Ａに示される動作モードでは、１２個の比較的中央に位置するＬＥＤ１３のみの第１のセレクションＬ１ ２１が公称電力で駆動され、デバイス光束Ｆ１を有する比較的高強度の狭いビームを提供する。図３Ｂに示される動作モードでは、複数のＬＥＤ３のうち、やはり１２個のＬＥＤ１３のみのさらなるセレクションＬｆ ２３が公称電力で駆動される。しかしながら、第１のセレクションの１２個の駆動されるＬＥＤと比較して、さらなるセレクションの１２個の駆動されるＬＥＤは、相互に増加した距離にあり、ＬＥＤアレイ上で、むしろ均等に、より広がった／分散した位置にある。これにより、図３Ａのイルミネーションデバイスによって発されるのと同じデバイス光束、すなわち、Ｆｆ＝Ｆ１を有するが、比較的低強度の比較的広いビームが生じる。斯くして、本発明によれば、同じデバイス光束を有する適応可能なスポットが得られる。イルミネーションデバイスから発せられる光束が遠距離場で均一に見えるために、図３Ａ～Ｂに示される実施形態において、光学要素は、わずかに拡散／散乱していることが好ましい。光学要素の拡散性は、例えば、光学要素の主面の少なくとも１つをエッチング、サンドブラストする、又は前記主面の少なくとも１つに拡散性コーティング／ステッカを設けることにより得られることができる。図３Ｂでは、さらに、点火されたＬＥＤ１３が、アクティブなＬＥＤのエリアの周囲(perimeter)１６を形成する最外周ＬＥＤ１３'を含むことが示されている。前記周囲は、キャリア上に配置される複数のＬＥＤのすべてによって占められる総エリアの約８０％の大きさのサブエリアを取り囲み、前記総エリアは、円１８で示されている。前記サブエリア内では、アクティブなＬＥＤのうち２つの最も近いＬＥＤの間の距離が最大で３倍異なるという特徴が満たされている。

図４Ａ～Ｂは、従来技術６１による及び本発明６３によるドライバ動作ウィンドウ(driver operation window)を示している。複数のＬＥＤを駆動する典型的な方法は、これらを直列に並べ、電流源を用いてストリングを駆動することによる。図４Ａは、ドライバの動作ウィンドウの境界が得られる原理を示している。典型的には、これらのドライバは、高い側で、最大電圧Ｖｍａｘ、最大電流Ｉｍａｘ、及び最大電力Ｐｍａｘで制限される動作ウィンドウを有する。低い側で、動作ウィンドウは、最小電流Ｉｍｉｎ及び最小電圧Ｖｍｉｎを有する。ＬＥＤストリングの電圧は、直列のＬＥＤの数及びＬＥＤの順方向電圧に依存する。ドライバの出力電流は、適切な量の光束を生成するための値に設定される。セットポイント１及びセットポイント２は、大体最大光束のセットポイント６９、７１を示している。減光は、ＬＥＤストリングを介す電流を減少させることにより実現され、調光矢印６５、６７によって示されている。図４Ｂでは、図２に示される既知のイルミネーションデバイスａの２つの動作モード（狭いビーム、広いビーム）が１つの図にプロットされているのが見られる。「セットポイント１」７１は、狭いスポットを得るために１２個のＬＥＤのみを動作させるための３６ボルト、１Ａにプロットされ、矢印６７で示される０．１Ａまでの調光範囲がプロットされている。「セットポイント２」６９に切り替える場合、ストリングの長さが１２個から５２個の動作するＬＥＤに増えるため、必要とされる電圧は１５６Ｖとなり、したがって、既知のイルミネーションデバイスの同じ出力光束に達するために電流は０．２３１Ａであるべきである。このケースでも１０％までの減光が必要とされる場合、電流は、０．０２３１Ａに減少されるべきである。したがって、図に示されるように、細かい点線で示される、既知のイルミネーションデバイスのためのドライバウィンドウ６１は、両方の動作モードをサポートするために電流及び電圧の両方の方向で非常に大きくなければならない。従来技術のイルミネーションデバイスに必要とされる比較的大きな動作ウィンドウとは対照的に、本発明は、両方のモードで（多かれ少なかれ）等量のＬＥＤを使用することにより、粗い点線で示されるように、本発明のイルミネーションデバイスのための比較的小さなドライバウィンドウ６３内に２つのモードを維持する。

図５Ａ～Ｄは、適応可能なスポットを提供する本発明によるイルミネーションデバイスの第２の実施形態の動作モードを示している。これらの図５Ａ～Ｄでは、４つの動作モードが示され、これらはすべて、イルミネーションデバイスが同じ強度及び同じデバイス光束を有する実質的に同じ広い光ビームを発することになる。図５Ａでは、１２個の駆動されるＬＥＤ１３の第１のセレクション２１が、光ビームを生成し、図５Ｂ～Ｄでは、それぞれ、１２個の駆動されるＬＥＤの、いずれもさらなるセレクションとして、第２のセレクション２３、第３のセレクション２５、及び第４のセレクション２７が、本質的に同じ光ビームを生成する。図５Ａ～Ｄでは、４つの異なるセレクションのみが示されている。しかしながら、複数／アレイのＬＥＤ３からのより多くの数のＬＥＤのセレクションが、多種多様な可能なビームを生成するために可能であることは明らかである。とりわけ、図５Ａ～Ｄに示されるイルミネーションデバイスでは、原理的に可能なセレクションの数は、

ここで、ｎ＝５２、ｋ＝１２であり、
その結果、ｎ！／（（ｎ！－ｋ！）＊ｋ！）≒２＊１０＾１１のセレクションが可能である。光源におけるより広がったＬＥＤのセレクションにおいて、例えば１０、０００Ｈｚ又は１ＭＨｚの周波数における、高周波数変化により、より多くのＬＥＤがビームプロファイルに寄与し、光学要素による平滑化の必要性が少なくなる。

図６は、適応可能なスポットを提供する本発明によるイルミネーションデバイスの第３の実施形態による複数のＬＥＤ３の上面図を示している。この実施形態では、複数のＬＥＤはマトリクス、セル配列で配置され、かなり多くのセルは空(empty)である、すなわち、ＬＥＤは、これらの空のセルにおいて取り除かれる又は決して設けられない。イルミネーションデバイスのこのような実施形態は、イルミネーションデバイスが（非常に）限られた数の設定でのみ使用される場合に興味深く、実現可能である。図６に示されるように、イルミネーションデバイスは、２つの設定、すなわち、均等に広がった駆動されるＬＥＤ１３の第１のセレクション２１によって生成される単一のタイプの広いビームである、図示の設定と、キャリア５の中心１０の周りに比較的中央に配置される非アクティブ／非駆動ＬＥＤの選択２３によって生成される代替的な狭いビームの設定とを切り替えるように設計されている。図示の実施形態では、第１及び第２のセレクションの両方の一部である、１２個のＬＥＤのうち３個の重複がある。

図７は、色適応可能なスポットを提供する本発明によるイルミネーションデバイスの第４の実施形態のＬＥＤアレイに配置される複数のＬＥＤ３を示している。図に示される第４の実施形態は、４つの異なる色のＬＥＤ１３、すなわち、赤色ＬＥＤ１３ａ、緑色ＬＥＤ１３ｂ、青色ＬＥＤ１３ｃ及びアンバー色ＬＥＤ１３ｄを有する。複数のＬＥＤは、異なる色の単色のＬＥＤの混合、例えば、単色の赤色、緑色、青色、並びに任意選択的にアンバー及び白色のＬＥＤの混合を、うまくミックスされた配列で含む、又は、複数のＬＥＤは、異なる色のＬＥＤダイ、例えば、１つのＬＥＤについて図に示されているように、赤色ダイ１４ａ、緑色ダイ１４ｂ、青色ダイ１４ｃ、アンバー色ダイ１４ｄを有する、少なくとも１つの単一のＬＥＤ、好ましくは、すべてのＬＥＤを含む。うまくミックスされた(well-mixed)とは、特定の色のＬＥＤが、例えば図６に示されるような配置で、異なる色だけの近隣のＬＥＤを有することを意味する。ダイ及び／又はＬＥＤは、個別にアドレス指定され、動作されることができ、これは、イルミネーションデバイスが色信号、例えば、緊急の場合の赤色信号を提供すること又は多種多様な色付きのビームパターンを発することを可能にする。

図８は、本発明による３つのイルミネーションデバイス１と、イルミネーションデバイスに接続される制御ユニット３１とを含む本発明による照明システム２９を示している。各イルミネーションデバイスは、それぞれの複数のＬＥＤ（図示せず）を収容するそれぞれのハウジング３０と、ドライバ（図示せず）と、リフレクタ３２と、レンズ（図示せず）とを備える。制御ユニットは、静的な照明設定を作り出す又は動的な照明シーンを作り出すために複数のイルミネーションデバイスの制御された協働を実現することができる。このために、制御ユニットは、いずれのイルミネーションデバイスも個別に作動させることができ、その結果、どのような光設定又は照明シーンが望まれるかに応じて、イルミネーションデバイスは単独で、順次又は同時に動作することができる。

図９は、本発明による方法を示している。図に示される方法は、４つのステップ、すなわち、
イルミネーションデバイスの調光レベルを設定する第１のステップ３３（このステップは任意選択的であることに留意されたい）と、
第１のビーム幅を有し、デバイス光束を生成する第１のビームを発するために選択された動作電力で第１のセレクションのＬＥＤを駆動する第２のステップ３５と、
同時に第１のセレクションのＬＥＤをオフにする、並びに、前記デバイス光束を生成し、第１のビーム幅とは異なるさらなるビーム幅を有するさらなるビームを発するために前記選択された動作電力でさらなるセレクションのＬＥＤをアクティブにする第３のステップ３７と、
第１のステップから又は第２のステップから繰り返すイルミネーションサイクルプログラムを作るためにこれらのステップの繰り返しを選択する第４のステップ３９（これは任意選択的なステップであることに留意されたい）と、
を含む。

Claims (15)

1. イルミネーションデバイスであって、
   キャリア上に、前記キャリアの中心の周りに配置される複数のＬＥＤと、
   前記ＬＥＤの少なくとも１つによって発せられる光の経路に配置される光学要素であって、光軸が前記中心及び前記光学要素を通って延びる、光学要素と、
   前記ＬＥＤの少なくとも１つを動作させるための駆動ユニットと、
   を備え、
   前記駆動ユニットは、第１の動作モードにおいて、第１のデバイス光束Ｆ１及び第１のビーム幅を有する第１のビームを発するために、選択された電力で、第１のセレクションのＬＥＤを駆動するように構成され、少なくとも１つのさらなる動作モードにおいて、０．５＊Ｆ１≦Ｆｆ≦１．５＊Ｆ１、好ましくは、０．８＊Ｆ１≦Ｆｆ≦１．２＊Ｆ１を有する、さらなるデバイス光束及び前記第１のビーム幅よりも広いさらなるビーム幅を有するさらなるビームを発するために、さらなる選択された電力で、前記第１のセレクションとは少なくとも１つのＬＥＤが異なる、さらなるセレクションのＬＥＤを駆動するように構成され、
   前記さらなるセレクションのＬＥＤのＬＥＤは、駆動されるＬＥＤの２つの最も近いＬＥＤの間の最短距離が最大で３倍異なるように、前記キャリア上で均等に分布し、前記第１のセレクションのＬＥＤは、第１の数Ｎ１のＬＥＤを有し、前記さらなるセレクションのＬＥＤは、さらなる数ＮｆのＬＥＤを有し、Ｎ１は、Ｎｆ±２０％の範囲内である、イルミネーションデバイス。
2. 前記キャリア上に配置されるＬＥＤの数はｎであり、同時に動作されるＬＥＤの数はｋであり、ｎは、３０～２５００の範囲内であり、ｋは、１０≦ｋ≦０．３５＊ｎの範囲内である、請求項１に記載のイルミネーションデバイス。
3. 前記複数のＬＥＤの各ＬＥＤは、同じ（公称）電力で動作される場合、本質的に同じＬＥＤ光束を有する、請求項１又は２に記載のイルミネーションデバイス。
4. 少なくとも１つのＬＥＤは、ＲＧＢ ＬＥＤダイのセットを含む、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のイルミネーションデバイス。
5. 前記光学要素は、前記光軸と一致するレンズ軸を有する共通の単レンズである、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のイルミネーションデバイス。
6. 前記第１のセレクション及び前記さらなるセレクションのＬＥＤは、すべて異なるＬＥＤである、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のイルミネーションデバイス。
7. 前記第１のセレクション及び前記さらなるセレクションのＬＥＤは、同じＬＥＤの共有のサブセットを含む、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のイルミネーションデバイス。
8. 前記第１の動作モード及び前記さらなる動作モードにおける動作の際、アクティブにされるＬＥＤは、すべて同じ電流で動作される、請求項１乃至７のいずれか一項に記載のイルミネーションデバイス。
9. 少なくとも前記中心に隣接して位置するＬＥＤは、当該イルミネーションデバイスが比較的狭いビームを発するためにアクティブにされる、請求項１乃至８のいずれか一項に記載のイルミネーションデバイス。
10. 前記複数のＬＥＤのＬＥＤは、マトリクスに配置され、前記マトリクスは、空のセルを含んでもよい、請求項１乃至９のいずれか一項に記載のイルミネーションデバイス。
11. 動作中に、異なるが同量のアクティブにされるＬＥＤの高周波スイッチング（１００Ｈｚ～１００ＭＨｚ）がドライバによって課される、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のイルミネーションデバイス。
12. 前記光学要素は、発せられる前記第１のビーム及び前記さらなるビームを平滑化するためにわずかに拡散性であることができる、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載のイルミネーションデバイス。
13. 請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の少なくとも２つのイルミネーションデバイスと、前記少なくとも２つのイルミネーションデバイスを制御するための制御ユニットとを含む、照明システム。
14. 請求項１乃至１２のいずれか一項に記載のイルミネーションデバイス又は請求項１３に記載の照明システムを動作させる方法であって、当該方法は、
    第１のビーム幅を有し、第１のデバイス光束を生成する第１のビームを発するために選択された第１の動作電力で第１のセレクションのＬＥＤを駆動するステップと、
    同時に前記第１のセレクションのＬＥＤをオフにする、並びに、さらなるデバイス光束を生成し、前記第１のビーム幅とは異なるさらなるビーム幅を有するさらなるビームを発するためにさらなる選択された動作電力でさらなるセレクションのＬＥＤをアクティブにするステップと、
    を含む、方法。
15. 請求項１４に記載のイルミネーションデバイスを動作させる方法であって、当該方法は、
    前記イルミネーションデバイスの調光レベルを設定するステップと、
    イルミネーションサイクルプログラムを作るためにこれらのステップの繰り返しを選択するステップと、
    を含む、方法。

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