JP5215312B2

JP5215312B2 - 照明装置

Info

Publication number: JP5215312B2
Application number: JP2009531972A
Authority: JP
Inventors: エルエイゼルマン，ウィレム; セーイェーエムフィッセンベルフ，ミヘル; デッケル，ティム
Original assignee: Koninklijke Philips NV; Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2006-10-16
Filing date: 2007-10-12
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2027-10-12
Also published as: WO2008047285A1; US20120075884A1; JP2010507191A; US20110051456A1; TW200834011A; US8083390B2; EP2082166A1

Description

本発明は、導光板（ライトガイド板）と、少なくとも１つの発光ダイオードの配列とを含む、照明装置に関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）のような固体光源の輝度、ルーメン効力、及び値頃感における進歩は、隙間市場に最早制約されない新しい照明用途を可能にする。ＬＥＤは、伝統的な光源に対して、長寿命、低動作電圧、瞬時オン等のような、幾つかの利点をもたらす。これらの及び他の理由のために、ＬＥＤは、色可変ランプ、スポットライト、ＬＣＤ背面照明、建築照明、舞台照明等のような、幾つかの用途のためのランプを作成するのにより一層適するようになってきている。

多くの照明用途のために、単一のＬＥＤの光は十分ではなく、複数のＬＥＤの光が、光源を形成するために組み合わされる必要がある。１つの解決策は、光が照明装置から出る前に、複数のＬＥＤの光をライトガイド内で混合することである。そのような解決策の一例は、Ｌｕｍｉｌｅｄｓによる文献“ＬＥＤＢａｃｋｌｉｇｈｔｄｅｓｉｇｎｓｕｓｉｎｇＬｕｘｅｏｎｈｉｇｈｆｌｕｘｌｉｇｈｔｓｏｕｒｃｅｓｏｌｕｔｉｏｎｓ，”Ｓｅａｔｔｌｅ２００４，http://lumileds.com/pdfs/Luxeon_light_source_solutions.pdf中に開示されている。この文献中に記載される側方放射（サイドエミッティング）ＬＥＤに基づく背面照明（バックライト）が、図１ａ−１ｂ中に概略的に例証されている。図１ａ−１ｂを参照すると、背面照明１００は、円筒形の通孔１０４を備えるライトガイド１０２を含み、通孔は、導光板の縁部１０６に沿って直線配列に配置されている。各通孔内には、側方放射ＬＥＤ１０８が設けられ、それによって、ＬＥＤからの光は、例示的な光線軌跡によって例証されるように、通孔の側壁を通じてライトガイド内に結合される。縁部１０６は、好ましくは、縁部を介する光の意図されない取出しを避けるために反射的である。

しかしながら、そのような解決策では、ＬＥＤ１０８の密集した配列が縁部１０６に近接して配置されるとき、１つのＬＥＤ１０８ａからの光が、縁部１０６から離れる反射（例示的な光線軌跡１１２）を介して、他の付近の孔１０４ｂに向かって方向付けられ、この孔の内側でＬＥＤ１０８ｂに吸収され或いは散乱されるようになることが起こり得る。よって、そのような照明装置のルーメン効率は劣化される。

この問題を克服し或いは少なくとも軽減し、且つ、改良されたルーメン効率を備える照明装置を提供することが本発明の目的である。

以下の記載から明らかであろう、この及び他の目的は、導光板と、ＬＥＤの少なくとも１つの配列とを含み、ＬＥＤは、導光板内に配置される孔に収容される照明装置であって、レンズ配列を含み、レンズ配列は、レンズ配列を通るＬＥＤによって放射される光が、少なくとも部分的に、孔の存在しない導光板の地域に向かって方向付けられることを特徴とする、付属の請求項１に従った照明装置を用いて達成される。

レンズ配列の故に、光は付近の孔と衝突しないか或いは殆ど衝突しない。従って、ＬＥＤは、共により近接して配置され得るし、照明装置内の付近のＬＥＤでの吸収又は散乱に起因する損失は減少される。全体的に、ルーメン効率及び照明装置のパワーは増大され得る。

好ましくは、レンズ配列は、光を所望の方向に容易に方向付けるために、少なくとも一列の正のレンズを含む。また、好ましくは、レンズピッチは、ＬＥＤピッチの１／２であり、それは照明装置の実現可能な設計を提供する。

１つの実施態様において、レンズ配列は、配列内のＬＥＤによって放射され且つ反射器によって反射される光がレンズ配列によって配列内のＬＥＤの間を通るよう方向付けられるように、１つのＬＥＤ配列と導光板の反射縁部との間に配置される。それによって、配列内の隣接するＬＥＤ／孔での吸収又は散乱に起因する損失は減少され、照明装置のルーメン効率は増大される。これらの効果をさらに増強するために、ＬＥＤは、好ましくは、レンズ配列内の２つの隣接するレンズの間の隔レンズと整列される。

他の実施態様において、レンズ配列は、第一発光ダイオード配列と第二発光ダイオード配列との間に配置され、第一配列内のＬＥＤによって放射され且つレンズ配列を通る光が、レンズ配列によって第二配列内のＬＥＤの間を通るよう方向付けられる。それによって、配列内の隣接するＬＥＤ／孔での吸収又は散乱に起因する損失は減少され、照明装置のルーメン効率は増大される。これらの効果をさらに増強するために、第一ＬＥＤ配列とレンズ配列との間の距離と、第二ＬＥＤ配列とレンズ配列との間の距離は、好ましくは、等しい。さらに、第一配列のＬＥＤは、レンズ配列の列内の隔レンズの光軸と整列され得るし、第二配列のＬＥＤは、レンズ配列の列内の別の隔レンズの光軸と整列され得る。代替的に、ＬＥＤ配列が互いは、レンズ配列の列内の２つの隣接するレンズの間の隔接合部と整列され得る。

好ましくは、孔は円筒形孔であり、ＬＥＤは、好ましくは、導光板内への光の有用な取込みのための側方放射ＬＥＤである。

本発明のこの及び他の特徴は、本発明の現時点の好適実施態様を示す付属の図面を参照して、より詳細に今や記載される。

従来技術に従った背面照明を示す上面図である。図１ａの背面照明を示す側断面図である。本発明の第一実施態様に従った照明装置を部分的に示す上面図である。本発明の第二実施態様の第一変形に従った照明装置を部分的に示す上面図である。本発明の第二実施態様の第二変形に従った照明装置を部分的に示す上面図である。

本発明の第一実施態様に従った照明装置に基づく発光ダイオード（ＬＥＤ）が、図２を参照して今や記載される。

１０で示される照明装置は、導光板（ライトガイド板）１２を含む。導光板１２は透明であり、例えば、ガラス又は（ＰＭＭＡ若しくはＰＣのような）プラスチックで作成され得る。

照明装置１０は、さらに、導光板１２に属する反射縁部１８に沿って配置されるＬＥＤ１６の直線的な配列１４を含む。反射縁部１８は、縁部を介する導光板１２からの光の意図されない取出しを避けるために、如何なる入射光をも導光板１２内に戻すよう方向付ける働きをする。ＬＥＤ１６は、好ましくは、側方放射全方向ＬＥＤである。

ＬＥＤ１６は、円形横断面を有する円筒形の孔２０内に収容され、その孔２０は、導光板１２内に配置されている。「横」は導光板の平面に対してである。各孔２０は、円周側方切子面（円筒形壁）２２を有し、収容されるＬＥＤの光１６からの光は、円周側方切子面を通じて導光板１２内に横方向に結合されることが意図されている。孔２０は、通孔又は導光板１２の一方の側にだけ向かう開口を有する孔であり得る。

本発明によれば、照明装置１０は、さらに、レンズ配列２４を含む。レンズ配列２４は、反射縁部１８とＬＥＤ配列１４との間に配置され、それは１つの直線的な列の正のレンズ２６を含む。レンズ２６は別個に形成され得るし、或いは、導光板１２の一体的な一部として形成され得る。レンズ２６と反射縁部１８との間のあらゆる間隙は、例えば、空気で充填され得る。レンズ配列２４は、ＬＥＤ１６から放射され且つ縁部１８を離れて反射される光を孔２０（又は、結果的に、ＬＥＤ１６）のない或いは備えない導光板１２の地域に向かって方向付ける働きをする。即ち、光はＬＥＤ１６の間を通るよう方向付けられる。この目的を達成するために、好適実施態様では、レンズピッチＰ_１は、ＬＥＤピッチＰ_２の１／２（Ｐ_１＝１／２ｘＰ_２）であり、直線的なレンズ配列２４内で２つの隣接するレンズ２６の間の隔接合部にＬＥＤ１６が整列される。ＬＥＤピッチＰ_２は、２つの隣接するＬＥＤ１６の中心の間の距離であり、「整列される」は、ここでは、レンズ配列の主直線方向に対して垂直な線である接合部３０からの仮想線が、ＬＥＤ１６の中心を通じて走ることを意味する。さらに、レンズ２６の焦点距離は、以下の関係、即ち、１／f＝１Ｄを満足しなければならず、ここで、fは、焦点距離であり、Ｄは、ＬＥＤ配列１４とレンズ配列２４との間の距離である（総レンズ強度f_ｔｏｔは、レンズ２６を二度通過することによって形成され、１／f_ｔｏｔ＝１／f＋１／f＝２／f及び１／f_ｔｏｔ＝１Ｄ＋１Ｄ＝２Ｄ、故に、１／f＝１Ｄである）。焦点距離fは、f＝（ｎ／（ｎ−１））Ｒ_１によってもたらされ、ここで、ｎは、導光板１２の材料の屈折率であり、Ｒ_１は、各レンズ２６の半径である。ＰＭＭＡのための屈折率は、典型的には約１．４９であり、ＰＣのための屈折率は、典型的には約１．５６である。上述された様々なパラメータは、レンズ半径Ｒ_１が、レンズピッチＰ_１の１／２より大きい（Ｒ_１＞１／２ｘＰ_１）であるよう選択されるべきであり、さもなければ、レンズ配列２４は実現され得ない。また、作成するのが困難であり得る湾曲し過ぎるレンズ表面を避けるために、パラメータは、好ましくは、Ｒ_１＞１／２ｘＰ_１が間違いなく違反されないよう選択されるべきである。実現可能な設計において、円筒形孔１８の半径は３ｍｍであり、ＬＥＤピッチＰ_２は９ｍｍである。レンズピッチＰ_１は、ＬＥＤピッチＰ_２の半分、即ち、Ｐ_１＝４．５ｍｍである。例えば、Ｄ＝１５であるとき、レンズ半径Ｒ_１は、Ｄｘ（ｎ−１）／ｎ＝５ｍｍとなり、それはレンズピッチＰ_１の半分よりも大きく、それによって、Ｒ_１＞１／２ｘＰ_１が満足される。

照明装置の動作直後、さもなければ（図１ａにおけるように）反射して縁部１８から離れて隣接する孔２０ｂ内に至るであろう、ＬＥＤ１６ａによって放射される光線３２は、レンズ配列２４の対応するレンズ２６によって、反射縁部１８に向かって集束される。縁部１８から離れる反射の後、光線３２は、再び、対応するレンズ２６によって孔２０ａと２０ｂとの間の空間２８’に向かって集束され、よって、孔２０ｂを外れる。他方、ＬＥＤ１６ａによって放射される光線３４の方向は、レンズ配列２４によって有意に変更されない。何故ならば、さもなければ反射して縁部１８から離れて空間２８”に向かうであろう光線３４は、レンズ２６の長手軸に近接して通るからである（それに対して、光線３２は軸を外れてレンズ２６を通り、より強く屈折される）。従って、光線３４は、依然として、孔２０ａと２０ｃとの間の空間２８”に向かって方向付けられ、結果的に、隣接するＬＥＤ１６を外れる。全体的に、レンズ配列２４は、実在するＬＥＤ１６ｂの間の空間２８でＬＥＤ１６の反射を画像化する働きをし、それによって、隣接するＬＥＤでの吸収又は散乱に起因する損失は減少され、照明装置１０のルーメン効率は増大される。

レンズ配列は、図３−４に例証されるように、２つのＬＥＤ配列が互いに平行に配置される、第二実施態様においても有利に使用され得る。レンズ配列の機能は、ここでは、１つの配列からの光が他の配列内のＬＥＤで吸収され或いは散乱されることを避けることである。

第二実施態様の第一変形（図３）において、１０で示される照明装置は、導光板１２を含む。導光板１２は透明でなければならず、例えば、ガラス又は（ＰＭＭＡ若しくはＰＣのような）プラスチックから作成され得る。

照明装置１０は、さらに、２つの平行な直線的なＬＥＤ１６の配列１４を含む。ＬＥＤ１６は、好ましくは、側方放射全方向ＬＥＤである。

ＬＥＤ１６は、円形横断面を有する円筒形の孔２０内に収容され、その孔２０は、導光板１２内に配置されている。各孔２０は、円周側方切子面（円筒形壁）２２を有し、収容されるＬＥＤ１６からの光は、円周側方切子面を通じて導光板１２内に結合されることが意図されている。孔２０は、貫通孔又は導光板１２の一方の側にのみ向かう開口を有する孔であり得る。

本発明によれば、照明装置１０は、さらに、導光板１２内に配置されるレンズ配列２４を含む。レンズ配列２４は、面内構成で２つのＬＥＤ配列１４の間に配置される。レンズ配列２４は、導光板１２の一部３６を切断することによって或いはその他の方法で取り除くことによって形成され、その部分３６は、両凹状又は二重凹状レンズの直線的な配列の形態を有する。左は、二列の対向する正のレンズ２６を備える直線的なレンズ配列２４である。レンズ配列２４は、ＬＥＤ１６から放射される光を１つの配列内に方向付け、レンズ配列２４を通って孔２０（又は、結果的に、ＬＥＤ１６）のない或いは備えない導光板１２の地域に向かって方向付ける働きをする。即ち、光は、他の配列のＬＥＤ１６の間を通るよう方向付けられる。この目的を達成するために、好適実施態様では、レンズピッチＰ１は、ＬＥＤピッチＰ_２の１／２（Ｐ_１＝１／２ｘＰ_２）であり、ＬＥＤ配列１４ａとレンズ配列２４との間の距離Ｄ_ａ及びＬＥＤ配列１４ｂとレンズ配列２４との間の距離Ｄ_ｂは等しく（Ｄ_ａ＝Ｄ_ｂ）、配列１４ａのＬＥＤ１６ａは、列の隔レンズ２６の光軸３８ａと整列され、配列１４ｂのＬＥＤ１６ｂは、列の別の隔レンズ２６の光軸３８ｂと整列され、（よって、２つの配列１４ａ及び１４ｂは、互いに対してＬＥＤピッチＰ_２の半分で変位される）。さらに、２つの対向するレンズ２６の焦点距離は、以下の関係、即ち、１／f＝１／Ｄ_ａ＋１／Ｄ_ｂを満足しなければならず、ここで、fは、焦点距離である。焦点距離fは、f＝（１／２）（ｎ／（ｎ−１））Ｒ_１によってもたらされ、ここで、ｎは、導光板１２の材料の屈折率であり、Ｒ_１は、各レンズ２６の半径である。ＰＭＭＡのための屈折率は、典型的には、約１．４９であり、ＰＣのための屈折率は、典型的には、約１．５６である。上述された様々なパラメータは、レンズ半径Ｒ_１が、レンズピッチＰ_１（Ｒ_１＞１／２ｘＰ_１）の１／２よりも大きいように選択されなければならず、さもなければ、レンズ配列２２は実現され得ない。また、作成するのが困難であり得る湾曲し過ぎるレンズ表面を避けるために、パラメータは、好ましくは、Ｒ_１＞１／２ｘＰ_１が間違いなく違反されないよう選択されなければならない。実現可能な設計において、円筒形孔１８の半径は３ｍｍであり、ＬＥＤピッチＰ_２は９ｍｍである。レンズピッチＰ_１は、ＬＥＤピッチＰ_２の半分である、即ち、Ｐ_１＝４．５ｍｍである。Ｄ_ａ＝Ｄ_ｂ＝１５を備えるシステムのために、レンズ半径Ｒ_１は、レンズピッチＰ_１の半分よりも大きい５ｍｍになり、それによって、Ｒ_１＞１／２ｘＰ_１が満足される。

照明装置１０の動作直後、さもなければ隣接するＬＥＤ配列１４ｂ内の少なくとも１つの孔２０ｂに少なくとも部分的に衝突するであろう、ＬＥＤ１６ａ’によって放射される光ビーム４０は、ＬＥＤ１６ａ’が配列１４ｂ内の２つの孔２０ｂの間の空間２８ｂ’に結像されるよう、レンズ配列２４内の２つの対向するレンズ２６によって集束される。結果的に、ビーム４０は、ＬＥＤ配列１４ｂ内の孔２０ｂを外れる。同様に、光ビーム４２は、レンズ配列２４によって集束され、ＬＥＤ１６ａ’を空間２８ｂ”で結像する等。全体的に、レンズ配列２４は、１つの配列１４ａのＬＥＤ１６ａを他の配列１４ｂのＬＥＤ１６ｂの間の空間２８ｂに結像する働きをし、逆も同様であり、それによって、付近の配列内のＬＥＤでの吸収又は散乱に起因する損失は減少され、照明装置１０のルーメン効率は増大される。

第二実施態様の第二変形（図４）において、ＬＥＤ配列１６は、一列のレンズ配列２２の２つの隣接するレンズ２６の間の隔接合部３０と整列される。ここで、ＬＥＤ１６ａ’によって放射される光ビーム４４は、ＬＥＤ１６ａ’が配列１４ｂ内の２つの孔２０ｂの間の空間２８ｂ’に結像されるよう、レンズ配列２４内の２つの対向するレンズ２６によって集束される。結果的に、ビーム４４は、ＬＥＤ配列が互い配列１４ｂ内の孔２０ｂを外れる。同様に、光ビーム４６はレンズ配列２４によって集束され、ＬＥＤ１６ａ’を空間２８ｂ”で結像する等。

当業者は、本発明が上述された好適実施態様に決して限定されないことを認識する。逆に、付属の請求項の範囲内で多くの修正及び変更が可能である。例えば、第一実施態様において、直線的な反射縁部及び直線的なＬＥＤ配列の代わりに、ＬＥＤは、曲率半径がＬＥＤピッチよりも想到に大きいならば、湾曲する反射縁部に沿って湾曲配列に配置され得る。第二実施態様において、レンズ配列は、一列だけの正のレンズを含み得る。これはレンズがより湾曲されることを要求する。第一及び第二の実施態様において、ＬＥＤピッチ−レンズピッチ比は異なり得る。例えば、１：１である。また、第一及び第二の実施態様は、幾つかの平行なＬＥＤ配列を含む単一装置内に組み合わせられることができ、その１つは導光板の反射縁部に沿って配置される。

Claims

導光板と、
発光ダイオードの少なくとも１つの配列とを含み、前記発光ダイオードは、前記導光板内に配置される孔に収容される、
照明装置であって、
レンズの配列を含み、該レンズ配列は、該レンズ配列を通り且つ前記導光板の反射縁部によって反射される、前記発光ダイオードによって放射される光が、前記反射される光を前記孔と前記孔との間の空間に結像するよう、前記孔の存在しない前記導光板の地域に向かって少なくとも部分的に方向付けられ、
前記レンズ配列は、少なくとも一列の正のレンズを含むことを特徴とする、
照明装置。
前記レンズピッチは、前記発光ダイオードピッチの約１／２である、請求項１に記載の照明装置。
前記レンズ配列は、１つの発光ダイオード配列と前記導光板の反射縁部との間に配置されることで、前記配列内の前記発光ダイオードによって放射され且つ前記反射器によって反射される光は、前記レンズ配列によって前記配列内の前記発光ダイオードの間を通るよう方向付けられる、請求項１又は２に記載の照明装置。
前記発光ダイオードは、前記レンズ配列内で２つの隣接するレンズの間の隔接合部と整列される、請求項３に記載の照明装置。
前記レンズ配列は、第一発光ダイオード配列と第二発光ダイオード配列との間に配置され、前記第一配列内の前記発光ダイオードによって放射され且つ前記レンズ配列を通る光が、前記レンズ配列によって前記第二配列内の前記発光ダイオードの間を通るよう方向付けられる、請求項１乃至４のうちのいずれか１項に記載の照明装置。
前記第一発光ダイオード配列と前記レンズ配列との間の距離と、前記第二発光ダイオード配列と前記レンズ配列との間の距離とは等しい、請求項５に記載の照明装置。
前記第一配列の前記発光ダイオードは、一列の前記レンズ配列内の隔レンズの光軸と整列され、前記第二配列の前記発光ダイオードは、一列の前記レンズ配列内の別の隔レンズの光軸と整列される、請求項５に記載の照明装置。
前記前記発光ダイオードは、一列の前記レンズ配列内の２つの隣接するレンズの間の隔レンズと整列される、請求項５に記載の照明装置。
前記孔は、円筒形孔である、請求項１乃至８のうちのいずれか１項に記載の照明装置。
前記発光ダイオードは、側方放射発光ダイオードである、請求項１乃至９のうちのいずれか１項に記載の照明装置。