JP4783504B2 - Ｌｅｄを有する照明装置 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、ＬＥＤの多色アレイからの光を混合する反射体を有する照明装置、特にこのようなアレイから白色光を発生するスポットライトに関するものである。
【０００２】
アクセント照明及び一般的な照明用の中間のサイズの細いビーム照明を行う標準の光源は、ＰＡＲ（parabolic aluminized reflector）ランプのような白熱／ハロゲン電球である。これらの光源は小型であり自在性に優れているが、極めて効率が悪いものである。所定のランプは、固定されたパワーの場合所定の色温度で動作し、調光可能な場合色温度は黒体放射の法則に基づき供給電力にしたがってシフトし、この色温度の変化はユーザの希望による場合又はユーザが希望しない場合がある。
【０００３】
複数のカラーのＬＥＤのアレイは、色温度がパワーレベルで制御され、これによりパワーレベルで調光可能であり均一な白色光を放出するランプを実現する可能性がある。
【０００４】
特開平６−２３７０１７号の英文の要約は、２つの形式の発光ダイオードの３×３のアレイを有する多色発光ダイオードランプを開示しており、第１の形式の発光ダイオードは赤及び青の光を放出する素子を有し、第２の形式の発光ダイオードは赤及び緑の光を放出する素子を有している。記載されている目的は、光の混合のために光学的な素子が存在することなく混合された光がいかなる方向からも同一のカラーとして認識されるように光を混合することである。そのダイオードアレイは、ランプケース内の簡単な２次元ＬＥＤアレイであり、そのランプケース内には僅かに拡散する樹脂が充填されている。
【０００５】
国際公開ＷＯ９８／１６７７７は、タングステン交通光のようなシグナリングの目的のための単色のＬＥＤアレイを有する信号ランプを開示している。この信号ランプにおいては、回転対称のハウジングがアレイを包囲し、光は発散して反射することなくコリメータ用のフレネルレンズに入射している。この単色のＬＥＤを多色のアレイで置換すれば、当該レンズはカラー混合することなく個別のＬＥＤを結像することになる。
【０００６】
本発明の目的は、ＰＡＲランプの全ての所望の特性を満たすと共に、フルパワーで色温度を変化及び制御することができる性能を有し高い輝度効率で調光されるＬＥＤ光源を提供することにある。
【０００７】
本発明の別の目的は、光源から発生した混合光の平行ビームを実現することにある。
【０００８】
本発明による光源は、複数のカラーの各々について、各カラーの光を放出する少なくとも１個のＬＥＤを含むＬＥＤのアレイを用いる。このアレイは反射管の入射開口に配置され、この反射管は入射開口と対向する出射開口を有し、光はこれら開口間で延在する周囲壁により反射及び混合されてから出射する。当該光源は前記開口間で周囲壁の中心に沿って延在する光軸並びにこの光軸と直交する断面を有する。
【０００９】
好適実施例において、断面は、光軸の少なくとも一部に沿って非円形とする。この断面は、好ましくは光軸の全長にわたって多角形とする。四角形及び八角形の場合、種々のカラー光う混合するのに好適であることが判明した。
【００１０】
周囲壁については、出射開口が入射開口よりも大きくなるように入射開口から出射開口に向けて発散する形状を有することが好適である。周囲壁は、好ましくは光軸から見て凹面形状を有し、出射開口に向けて外側に拡がること好ましい。すなわち、周囲壁の曲率半径は出射開口に向けて減少し、反射器はホーン形状をなす。
【００１１】
本発明は３つの基本的原理に基づいている。第１に、混合は結像とは逆の概念である。第２に、混合は比較的効率的に行うことができる。第３に、細いビームよりも太いビームを混合するほうが容易である。
【００１２】
理想的な光学系において、物体面の各点は像面の個別の点にマップされる。理想的には、混合は発生せず、これは原理的に光学系の分解能の限界まてスケールダウンした場合に真実である。放物状の反射器は入射側と出射側との間である程度の相関を維持している。この理由は、長手方向の形状及び断面形状の両方が結像に寄与しているからである。
【００１３】
放物状の長手方向の形状は、反射により入射した平行光線を集束し、発散性の入射光線に対して発散性を小さくし、単一点からの光線は反射して平行にする。いかなる凹面形状も放物面状に見える（局部的に）。これとは反対に、長手方向の形状が凸面の場合、入射光線は反射により発散する傾向にあり、入射点は一層遠く離れた出射点にマップされる。
【００１４】
円形断面は入射光線の方位角の同一性を維持する。すなわち、入射光線と反射光線との間の方位角は、入射方位（所定の長手方向の面内において）にかかわらず同一である。多角形断面の場合、方位角の差異は入射方位に応じて強く変化する。
【００１５】
これらの原理を図示するため、光線追跡プログラムＡＳＡＰを用いて図１ａ〜４ｂに示す４つの組のシミュレーションを実行した。図１及び２は、光軸としてｚ軸を有する放物状の長手方向形状と、焦点（０，０，０）と、ｚ＝０の面に１０ｍｍの開口とを有する反射器からの光分布を示す。図３及び４は、ｚ＝０の面に１０ｍｍの入射開口を有し好適なホーン設計と同様な凸面状の長手方向形状を有する反射器からの光分布を示す。図１及び３は丸い断面を示し、図２及び４は四角形の断面を示す。図１ａ〜４ａにおいて、光源はｘ＝０にあり、図１ｂ〜４ｂにおいて光源はｘ＝３ｍｍに存在する。光源はｚ軸に平行な幅の広いランベルシャンのコーン状（コーン角は８０°）の光を放出した。各図面の光分布はｚ＝０の点光源から０．５ｍ離れた面内についてシミュレーションしたものであり、各フィールドのドットは光軸の中心を図示する。
【００１６】
図１の丸い放物線は最も強い結像を示し、その光分布は光源が軸から離れにしたがって順次悪化する（各ケースにおいて、シミュレーションはｘ＝０，１，２，３及び４ｍｍで行い、図面はｘ＝０及び３ｍｍだけを示す）。図２の四角形のパラボラは広い複数の像を形成し、これらの像は定性的に図１の場合の像よりも互いに近似している。それにもかかわらす、強い特徴（ライン）及び急激な強度変化（チェッカ盤）が存在し、これらは点光源が軸から離れるように移動するにしたがって順次互いに区画されることはない。
【００１７】
図３の丸いホーンは円形断面の強い角結像を示すが、ホーン形状の広いバックグラウンドは緩やかに変化している。図４の四角形のホーンは残留構造を呈しているが、相対的な強度差は最小であり、一瞥すると特徴の無い分布の印象を与える。空間的に離散した光源からの光をカラー混合する目的のため、四角形のホーン形状が最良の結果を与えている。
【００１８】
混合の程度は反射の回数Ｎに比例すると言う考えに対して、混合は比較的効率的に行うことができると言う原理を考慮する必要がある。長い反射管の場合、混合は良好であるが、効率は低下する。この理由は、周囲壁の反射率がＲの場合、光線の出射強度はＲ^N となるからである。本発明による反射器の形状は反射の回数を最小にすると共に、凸面形状並びに多角形断面による反射光線の方位角シフトに起因して混合は最大となる。
【００１９】
細いビームよりも幅の広いビームのほうが混合は一層良好になると云う原理に関して、直線の管壁長Ｌと側長Ａを考慮する。所定のアスペクト比（Ｌ／Ａ）において、広角光源の設計の場合混合は最良になる。この理由は、平均反射回数Ｎが増大するためである。側壁を平坦に（しかし、傾斜している）維持しながら出射開口の大きさが増大すると、平均反射回数Ｎにしたがって平均放出角は減少する。一方、この傾向は不確定なまま続くものではない。この理由は、反射しない光線による出力分布が優勢になるまで、これらの光線の角度分布が増大するからである。
【００２０】
要約するため、本発明の好適実施例は、多角形断面を有するホーン形状の反射器の入射開口を満たすＬＥＤのアレイを用いる。
【００２１】
図５は図７〜１１に示すシミュレーションのために用いたホーン反射器の寸法を示す。このホーンは光軸（ｚ軸）に沿う１００ｍｍの側長Ｌ、側長Ａ_EX＝７５ｍｍの四角形の出射開口、及び側長Ａ_S ＝３０ｍｍの四角形の入射開口を有する。管状反射器として理想的な敬称を決定したものではないが、ＡＳＡＰ光線追跡のシミュレーションの目的のため、壁部は以下の４次の多項式に基づきｘｚ面内で規定する。
【数１】

曲線の一般的な特徴は、壁部が、入射部に対してほぼ平行に隣接して混合を促進すると共に、外向きに拡がって全体としてビームを細くすることである。
【００２２】
シミュレーションは純粋な鏡面反射するものとして行ったが、プロトタイプは鏡面に加えて拡散反射する材料、特に約９０％の反射率を有する膜を用いた。変形例として、反射体は、必要に応じて外側に反射性コーティングが設けられた固体の透明体とする。このような設計はＴＩＲ（内部全反射）の利点を利用することができ、一層効率的である。とにかく、反射性能は混合を増強るために用いることができる設計のパラメータである。
【００２３】
ここで、ＬＥＤのアレイと称されるものは実際にはインジェクタのアレイであり、各インジェクタは１個又はそれ以上のＬＥＤチィップ及び放出パターンを決定する主要な光学素子のパッケージとする。本例では、コーン半角２_S ＝５０（全コーン角は１００°）の載頭円錐状のランベルシャン（Lambertian）放出を利用し、コーン軸はｚ軸に平行とする。一方、各インジェクタ軸はｚ軸に対してポーラ角（polar angle ）Ｐ_S だけ傾斜し、方位はＮ_S とする。
【００２４】
インジェクタは、好ましくはｘ−ｙ面に見て以下の特性を有するパターン状に配置する。（１）各光源のカラー分布（Ｒ、Ｇ及びＢ）は光軸上に位置する重心を有する。（２）各光源のカラー分布は光軸から同一の平均半径方向距離を有する。Ｒ、Ｇ及びＢのカラーの必要な割合が２：３：１のプロトタイプの場合、図６の六角形のアレイを用いる場合満足し得る結果が達成された。一方、図７ａ、１１ａ及び１２ａから明らかなように、四角形のアレイを用いるシミュレーションの場合、第２の特性を正確に達成することは困難である。
【００２５】
３個のＬＥＤ光源の各カラーについて光線追跡プログラムＡＳＡＰの個別のシミュレーション分析を実行することにより光分布像が発生し、空間分布を形成することにより標準のＲＧＢのビットマップの３個のチャネルが生ずる。混合が完全な場合、各画素はＲ、Ｇ及びＢのチャネルについて同一の値を有し、像は純粋の単色となる。カラーチャネルに差異がある場合すなわち混合が不完全な場合、像はカラーの色合いを含むことになる。図７ａ及び９ａ〜１２ｂは黒及び白で表示したが、オリジナルの色合いの変化を示している。
【００２６】
図７ｂは、入射開口に図７ａの四角形のアレイに配置した１６個のＬＥＤを有する基本的な四角形ホーンの光分布を示す。出力分布は２×２０°の角度幅を有する。混合の品質は良好であり、すなわちオリジナルはほぼ単色に現れ、拡散をほとんど必要としていない。
【００２７】
図８は計算され測定した角度分布を示す。プロトタイプの場合、拡散器を用いない場合、混合はＡＳＡＰモデルについてあまり良好ではなかった。拡散を用いるとカラー混合は大幅に改善されるが、ビーム幅が増大してしまう（図面から明らかなように、２×３０°）。
【００２８】
図９ｂは、図９ａの四角形のアレイに配置した４個のＬＥＤを有する基本的な四角形ホーンの光分布を示す。中心は理論的に良好な品質の白であるが、周辺は強いカラーアーチファクトが存在する。特に、下側の左側のコーナ及び隣接するエッジは青であり、上側の右は赤である。２個の緑が必要であるため、緑のアーチファクトは小さいが、上側の左及び下側の右のコーナで視認される。この欠点を補正するのに十分強い拡散器は、ビームをほぼ２×９０°に拡大するので、この拡散器を用いることは良好なものとは考えられない。所定の光源エリァ全体について、多数の散在する小さな光源は大きな少数の光源よりも一層良好である。
【００２９】
図１０ｂは、図１０ａの四角形のアレイに配置した４個のＬＥＤを有する基本的な四角形ホーンの光分布を示す。これらのＬＥＤは図９ａと同一の対称性を有するが、ＬＥＤの大きさは一層小さく、入射開口の中心にかたまっている。カラー混合は、大きなアレイは光軸から長い平均距離を有しているが、図９ａの４個の大きなＬＥＤを用いる場合よりも一層良好であるが、図７ａの１６個の小さな光源を用いる場合程良好ではない。従って、入射開口における分布の大きさ及び均一性の両方が最終的な出力混合に寄与している。
【００３０】
図１１ｂは、図１１ａの四角形のアレイ状に配置した１６個のＬＥＤを有する丸い断面を有するホーンの光分布を示す。入射光線の方位角が同一に保持されるため、混合は良好ではなかった。赤のＬＥＤがコーナに存在し緑のＬＥＤが側壁の中間点に隣接する場合、中心付近の環状の黄色のアーチファクトが現れた。
【００３１】
図１２ｂは、図１２ａの四角形のアレイ状に配置した１６個のＬＥＤを有する八角形の断面を有するホーンの光分布を示す。混合は図１１の丸い断面の場合よりも一層良好であるが、図７の四角形断面の場合程良好ではない。一方、八角形の断面の場合には、四角形の場合よりも全体として一層円形のビーム形状が得られ、これは使用者にとって重要な特徴である。
【００３２】
上述した光学系の効率Ｏは、Ｏ＝Ｒ^N ×Ｔとして表すことができ、ここで、Ｒは反射器材料の反射率であり、Ｎは光線が出射する前の反射の回数であり、Ｔは出射開口のカバープレートの透過率である。ＡＳＡＰプレートを用い、Ｒ＝０．９（Alanod R Miro7 R膜についての測定値）、Ｎ＝１．５とすると、拡散性カバーの無い四角形のホーンについて効率Ｏは、Ｏ＝０．８５となる。従って、測定した透過率Ｔ＝０．９２を有する市販の拡散器を有する場合、効率Ｏは、Ｏ＝０．７９となる。プロトタイプのデータは、測定精度の範囲内においてシミュレーションと一致した。拡散器の主要な機能は機械的な保護、光学的拡散、及び方向支持であり、その設計選択はシステム全体の要件に依存するので、ここでは拡散器について詳細に説明しないことにする。
【００３３】
上述した説明は一例としてのものであり、特許請求の範囲を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ａ 丸い断面の放物状の反射器及び焦点に位置する点光源からの光量分布を示す。
Ｂ 焦点からずれて位置する点光源の光量分布を示す。
【図２】Ａ 四角形断面を有する放物状の反射器及びその焦点に位置する点光源からの光量分布を示す。
Ｂ 焦点からずれて位置する点光源からの光量分布を示す。
【図３】Ａ 丸い断面を有するホーン及び入射開口に位置する点光源からの光量分布を示す。
Ｂ 入射開口からずれて位置する点光源による光量分布を示す。
【図４】ａ 四角形断面を有するホーン及び入射開口に位置する点光源からの光量分布を示す。
ｂ 入射開口からずれて位置する点光源による光量分布を示す。
【図５】 ホーン形状及び光の混合を示す線図である。
【図６】 赤、緑及び青の１８個のＬＥＤの六角形のアレイの線図的平面図である。
【図７】ａ １６個のＬＥＤの四角形のアレイの平面図である。
ｂ 四角形断面のホーン状反射器の図７ａのアレイにより得られた光量分布を示す。
【図８】 図７Ａ及び７Ｂに対応する計算し測定した光分布を光軸からの角度の関数として示す。
【図９】ａ 入射開口を満たす４個の大きなＬＥＤの四角形のアレイの平面図である。
ｂ 得られた光量分布を示す。
【図１０】ａ 入射開口の中心に位置する４個の小さなＬＥＤの四角形のアレイの平面図である。
ｂ 得られた光量分布を示す。
【図１１】ａ １６個のＬＥＤの四角形のアレイを示す平面図であ。
ｂ 丸い断面のホーン状反射器により得られた光量分布を示す。
【図１２】ａ １６個のＬＥＤの四角形のアレイの平面図である。
ｂ 八角形断面のホーン状反射器の得られた光量分布を示す。

Claims (10)

1. 複数のカラーの各々について、これらのカラー光を放出する少なくとも１個のＬＥＤを有するＬＥＤのアレイと、
   入射開口と、出射開口と、これら開口間に延在する反射性の周囲壁と、前記開口間で前記周囲壁の中心に沿って延在する光軸とを有し、前記周囲壁が、前記入射開口から出射開口まで拡がるように構成され、前記周囲壁が、前記光軸から見て、凸面形状を有し、前記周囲壁が前記ＬＥＤアレイからの光を反射及び混合するように構成した反射管とを具える光源。
2. 請求項１に記載の光源において、前記周囲壁が、前記光軸と直交する断面を有し、この断面を前記光軸の少なくとも一部に沿ってほぼ非円形とした光源。
3. 請求項２に記載の光源において、前記断面を多角形とし、前記周囲壁が、前記断面についてほぼ直線となる複数の側壁を具える光源。
4. 請求項３に記載の光源において、前記断面を四角形とした光源。
5. 請求項３に記載の光源において、前記断面を八角形とした光源。
6. 請求項１に記載の光源において、前記周囲壁が、前記出射開口にそって外側に拡がっている光源。
7. 請求項１に記載の光源において、前記各カラーのＬＥＤが、前記光軸上に位置する重心を有する光量分布を規定する光源。
8. 請求項７に記載の光源において、各カラー分布が、前記光軸から同一の平均半径方向距離を有する光源。
9. 前記出射開口に拡散性のカバーを具える請求項１に記載の光源。
10. 請求項１に記載の光源において、前記反射性の周囲壁が、鏡面反射性及び拡散反射性の材料で構成されている光源。

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