JP4285981B2 - Led照明システム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、LED素子の主放射方向に関してとりわけ対称に光を放射する少なくとも1つのLED素子を有する、所定の照明強度分布で面を照明するためのLED照明システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
特許文献1には、複数の光源と、放射された光をその長手方向に沿って導き、照明される物体へ放射する1つの光導体とを有する照明装置が記載されている。光導体の放射面はレンズの形態で実施されており、そのため比較的強度の高い光は照明される物体の位置に集束することができる。
【0003】
この種の照明装置は、多少なりとも広がりをもった対象物の照明、例えば対象物のスキャン又は模写のための照明に適している。したがって光は、要求された照明を最小の光量で供給できるように、対象物上でできるだけ広く集束する。
【0004】
これに対して、広い面の照明に使用される照明システムでは、異なることが要求される。この目的のために、照明システムは、照明される面をある一定の予め定められた照明強度分布で照射することができなくてはならない。例えば、照明される面上のテクスト又は色表現は、テクストの読み取りが過度に阻害されないように、又は実際には存在しない色の違いが色表現内に存在するように見せるために、広範囲に亘って面が均一に照明されることを必要とする。
【0005】
しかし、従来の照明システムは不満足な結果をもたらすか、又はその構造にコストがかかり、高価である。
【0006】
【特許文献1】
EP−A−1 017 222
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、照明される面を所定の照明強度分布で、とりわけ均一な照明強度分布で照明することができ、しかも単純な構造を有し、安価に製造され得る冒頭に述べた形式のLED照明システムを提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、少なくとも1つのLED素子と照明されるべき面との間に、放射された光をLED素子の主放射方向に関して非対称に偏向する照明光学系が配置されており、ここで該照明光学系は少なくとも1つの個別レンズによって形成されており、かつ該かつ該少なくとも1つの個別レンズの、前記LED素子を向いている方の側の面は全体が凹面でありかつ該個別レンズの、前記照明されるべき面を向いている方の側は全体が凸面である、LED照明システムにより解決される。
【0009】
【発明の実施の形態】
本発明によれば、LED照明システムにおいて、少なくとも1つのLED半導体本体と照明される面との間に、放射された光をLED半導体の主放射方向に関して非対称に偏向する照明光学系が配置されている。
【0010】
非対称的偏向は、面の形状とは無関係に、目的に合った面の照明の調整を可能とする。それゆえ、任意の形状の面において、対称に放射された光の非対称的偏向により、光源から表面上の点までの可変の距離及び光線が面に当たるときの可変の角度を配慮することが可能である。
【0011】
1つの実施形態では、照明システムは面の均一な照明に適応するよう定められている。特に、照明システムを、曲面の均一な照明に、とりわけ凸面又は凹面の均一な照明に適応させてもよい。
【0012】
しかしながら、照明システムを目的に合わせて面の非均一な照明に使用することも可能である。例えば、所定の面領域を光学的に強調又は目立たなくさせるために使用することも可能である。
【0013】
有利な実施形態では、照明光学系はたった1つのレンズ素子により形成されている。
【0014】
しかし、有利には、相応の照明光学系は1つ又は複数のフレネルレンズにより形成されていてもよい。
【0015】
有利な実施形態では、照明システムは、様々なスペクトル領域で放射する複数のLED半導体本体を有する。
【0016】
これに関して次のような実施形態が特に実用的である。すなわち、様々なスペクトル領域で放射されるLED半導体本体の光が補完し合って白色光となるような実施形態、例えば3つのLED半導体本体が設けられており、これらのLED半導体本体から赤、緑及び青の光が放出される実施形態が特に実用的である。
【0017】
有利には、1つ又は複数のLED半導体本体は、GaN半導体材料,InGaN半導体材料,AlGaN半導体材料,InAlGaN半導体材料,ZnS半導体材料,ZnSe半導体材料,CdZnS半導体材料又はCdZnSe半導体材料を含んでおり、目的に合わせて可視光、赤外電磁放射線又は紫外電磁放射線を放射する。
【0018】
代替案においては、照明システム内で白色光を発生させるために、放射方向で見て半導体本体に後置され、かつ有利には半導体本体とレンズとの間に配置された1つ又は複数のルミネセンス変換素子が使用される。これには、例えば青色光を放射する半導体本体の場合、青色光の一部を黄色光又は緑色光又は赤色光に変換し、半導体本体の青色光と混合するルミネセンス変換素子が適している。
【0019】
1つの実施形態では、LED半導体本体と照明光学系は照明モジュールを形成しており、共通のモジュールハウジング内に配置されている。
【0020】
モジュールハウジングの壁は、照明光学系の構成部材であるフレネルレンズで形成してもよい。もちろん、このフレネルレンズが照明光学系に必要な唯一のレンズであってもよい。その場合、特に単純でコンパクトな照明システムの構造が得られる。
【0021】
本発明の有利な実施形態によれば、LED素子は、ハウジングを備えていない少なくとの1つのLED半導体チップによって形成されており、該LED半導体チップはチップ支持体に直接取り付けられている。
更に別の有利な実施形態によれば、個別レンズは、中央領域において、縁領域におけるより大きな厚みを有しており、かつ個別レンズは対称軸線を有していない。
本発明の別の有利な実施形態、特徴及び詳細は、従属請求項、実施例の説明及び図面から明らかとなる。
【0022】
以下、本発明を実施例に基づいて図面と関連させてより詳細に説明する。そのつど、本発明の理解にとって重要な要素だけが図示される。
【0023】
【実施例】
図1に断面で概略的に示されている実施例によるLED照明システム1は、例えば、曲面5の広範囲に亘る均一な照明のためのものである。なお、曲面5は例えばグラフである。
【0024】
支持体上に取り付けられたLED素子2は作動時に照明に必要な光を放射する。放射された光を補正しないと、専門家にとっては直ちに明らかであるように、複数の理由から、曲面5の均一な照明は得られない。
【0025】
第1に、LED素子2の放射特性は、曲面5の占める立体角Ωの全体に亘って一定なのではなく、主放射方向9回りの角度領域内に最大の強度を有している。第2に、LED素子2から曲面5までの距離は可変であり、第3に、長手方向の広がりに沿った面5の曲率とともに、面に当たる光線の入射角も変化する。
【0026】
それでも曲面5の広範囲に亘る均一な照明を達成するために、この曲面5とLED素子2との間に、照明光学系として、放射光をLED素子2の主放射方向9に関して相応に非対称的に偏向するレンズ4が配置されている。
【0027】
図1において矢印による幾何学的光線6として表されたLED素子2からの放射光の強度分布は、主放射方向9に関して少なくとも近似的に対称である。照明光学系4は光線6を偏向し、光線6が非対称的に分布した光線8として曲面5に当たるようにする。このために、照明光学系4は非対称的な形のレンズ4であり、LED素子2の方を向いた面41は凹であり、曲面5の方を向いた面42は凸、例えば放物線状に凸である。
【0028】
偏向の程度は、ちょうど、曲面5の不均一な照明をもたらす上記の効果及び場合によっては別の効果が補償されるように決められており、その結果、曲面5の表面には均一な照明強度が生じる。この補償は、例えばそれ自体従来技術において公知であるように、外側レンズ面42及び内側レンズ面41の曲率を選択することにより行われる。
【0029】
LED素子2及び照明光学系4の全体構成は、有利には共通のモジュールハウジング内に収納されている。
【0030】
図1の実施例は簡略化のために1つのLED素子2しか有していないように描かれているが、専門家にとっては、ただ1つのLED素子の代わりに、複数のLED素子が照明システム内に設けられてもよいことは明らかである。とりわけ、LED素子は、放射される面5に所望の色の印象を得るために、様々なスペクトルの色を発するようにすることができる。
【0031】
これは、本発明の別の実施例を示す図2の照明システム11において実現されている。3つのLED素子12a,12b,12cは、全体として白色光が放射されるように、赤(650nm)、緑(530nm)ないし青(470nm)のスペクトル領域で放射する。代替的には、白色光の放射のために、青色発光ダイオードを、青色光をより長い波長の放射線に変換する変換物質とともに使用してもよい。
【0032】
3つのLED素子12a〜cは支持体3上に取り付けられており、照明システム1と同様に、図2には示されていない面を照明するよう定められている。
【0033】
照明されるべき面に所望の照明強度を生じさせる照明光学系は、この実施形態では、フレネルレンズ14により形成されている。フレネルレンズ14をほぼ同じ最大厚の放射状ゾーンに分割することにより、非常に平らなレンズが実現される。
【0034】
これにより、フレネルレンズ14はモジュールハウジング17の壁を形成することができ、コンパクトで独立した照明システムの実施が可能になる。また、フレネルレンズ14は、照明強度の他の分布パターンが望まれるときには、相応に適合されたフレネルレンズにより単純に交換可能である。
【0035】
上記実施例及び本発明全般にとって有利なLED素子2,12a〜12bとして、市販の表面取付可能なLED素子が使用されている。図3にはこのようなLED素子が概略的に示されている。この図では、LEDプラスチックハウジング21内にそれぞれ少なくとも1つのLED半導体本体20が配置されている。有利には、LED半導体本体20はLEDプラスチックハウジング21の反射装置22内にある。なお、反射装置22は、有利には、LED半導体本体20から放射された光を集束させるものである。反射装置22に代わって又は付加的に、LED半導体本体20から放射された光を集束させるために、集束レンズ23をLED半導体本体20に後置してもよい。集束レンズ23は、有利にはLEDプラスチックハウジング21に固定されている。
【0036】
これに代わって、照明モジュール内において、LED素子として、ハウジングを備えていない1つ又は複数のLED半導体チップをチップ支持体3上に取り付けてもよい。しかし、モジュールハウジング7は、例えば密度に関して、例えば上で図3に関連して説明したようなハウジングを備えたLED素子を使用した場合よりも、高い要求を満たさなければならない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例によるLED照明システムの断面を概略的に示す。
【図2】本発明の第2の実施例によるLED照明システムの断面を概略的に示す。
【図3】照明システムでの使用に有利なLED素子の断面を概略的に示す。
【符号の説明】
1 LED照明システム
2 LED素子
3 支持体
4 照明光学系
5 照明される面
6 光線
7 モジュールハウジング
8 光線
9 主放射方向
11 照明システム
12a〜12c LED素子
14 照明光学系
17 モジュールハウジング
20 LED半導体本体
21 LEDプラスチックハウジング
22 反射装置
23 集束レンズ
41 LED素子の方を向いたレンズ素子の面
42 曲面の方を向いたレンズ素子の面
Ω 曲面の占める立体角
Claims (17)
- 所定の照明強度分布で面(5)を照明するためのLED照明システムであって、
LED素子(2;12a〜c)の主放射方向(9)に関して対称に光を放射する少なくとも1つのLED素子(2;12a〜c)を有する形式のLED照明システムにおいて、
前記少なくとも1つのLED素子(2;12a〜c)と前記照明されるべき面(5)との間に、放射された光(6)を前記LED素子(2;12a〜c)の主放射方向(9)に関して非対称に偏向する照明光学系(4;14)が配置されており、ここで該照明光学系(4;14)は少なくとも1つの個別レンズによって形成されており、かつ該少なくとも1つの個別レンズの、前記LED素子(2;12a〜c)を向いている方の側の面(41)は全体が凹面でありかつ該個別レンズの、前記照明されるべき面(5)を向いている方の側は全体が凸面である
いることを特徴とする、LED照明システム。 - 前記システムは前記面(5)を均一に照明するよう調整及び決定されている、請求項1記載のLED照明システム。
- 前記システムは曲面(5)、例えば凸面又は凹面を均一に照明するよう調整及び決定されている、請求項1又は2に記載のLED照明システム。
- 前記照明光学系はたった1つの個別レンズ(4;14)により形成されている、請求項1から3のいずれか1項に記載のLED照明システム。
- 前記照明されるべき面(5)の方を向いた、前記個別レンズの面(42)は放物線状に凸である、請求項4記載のLED照明システム。
- 前記照明光学系は1つ又は複数のフレネルレンズ(14)により形成されている、請求項1から5のいずれか1項に記載のLED照明システム。
- 前記LED素子(2;12a〜c)のうちの1つは、GaN半導体材料,InGaN半導体材料,AlGaN半導体材料,InAlGaN半導体材料,ZnS半導体材料,ZnSe半導体材料,CdZnS半導体材料又はCdZnSe半導体材料を含んでいる、請求項1から6のいずれか1項に記載のLED照明システム。
- 前記LED素子(2;12a〜c)のうちの1つは、作動時に可視光、赤外電磁放射線又は紫外電磁放射線を放射する、請求項1から7のいずれか1項に記載のLED照明システム。
- 前記システムは、様々なスペクトル領域で放射する複数のLED素子(12a〜c)を有する、請求項1から8のいずれか1項に記載のLED照明システム。
- 前記LED素子(12a〜c)の放射光は白色光へ補完される、請求項9記載のLED照明システム。
- 前記LED素子(2;12a〜c)の少なくとも1つと前記照明光学系は、照明モジュールを形成しており、共通のモジュールハウジング(7;17)内に配置されている、請求項1から10のいずれか1項に記載のLED照明システム。
- 前記照明光学系は、前記モジュールハウジング(17)を形成するフレネルレンズ(14)を有する、請求項11記載のLED照明システム。
- 前記LED素子は、LEDプラスチックハウジングを備えた表面取付可能なLED素子である、請求項1から12のいずれか1項に記載のLED照明システム。
- 前記LEDプラスチックハウジングは、LED半導体本体内にある反射装置を有する、請求項13記載のLED照明システム。
- 前記LEDプラスチックハウジングは、放射方向において前記LED半導体本体に後置された例えば前記LEDプラスチックハウジング上に取り付けられた集束レンズを有する、請求項13又は14に記載のLED照明システム。
- 前記LED素子(2;12a〜c)は、ハウジングを備えていない少なくとの1つのLED半導体チップによって形成されており、該LED半導体チップはチップ支持体(3)に直接取り付けられている、請求項1から12のいずれか1項に記載のLED照明システム。
- 前記個別レンズは、中央領域において、縁領域におけるより大きな厚みを有しており、かつ前記個別レンズは対称軸線を有していない、請求項1から16のいずれか1項に記載のLED照明システム。
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