JP5220743B2 - 光源及び光ガイドを有する照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体光源手段と、第１端部、第２端部、前記第１端部及び第２端部間に延在する光学軸、光を出力結合するための前記第１及び第２端部間の位置される出力結合構造(out-coupling structure)、を含む光ガイドを含む一次光学システムと、二次光学システムと、を有し、前記光源手段が、前記第１端部へ光を結合させるように構成され、前記光ガイドが、出力結合された光を、所望な光放射パターンを得るために前記二次光学システムへ方向付けるように構成される、照明装置に関する。このような照明装置は、白熱、ハロゲン、又はガス放電のバルブ又はバーナーを用いる従来型の照明装置を置換するのに特に適合される。

上述の種類の照明装置の実施例は、国際特許出願第2006054199号から知られている。この文書は、ＬＥＤ及び／又はレーザダイオードなどの少なくとも１つの半導体発光要素と、一次光学システムとしての光ガイドであって、この光ガイドが、特に上述の従来型の照明装置光源に関して設計される反射器及び／又はレンズなどの従来型の二次光学システムと組み合わせて使用され得るように改良品であり、そして放射パターン特性を実質的に低下させることなくこれら光源を置換し得る、光ガイドと、を有する光源を開示する。

この対処法の有利な点は、より長い寿命及びより低いエネルギ消費などの、既知の二次光学システムが、従来型の光源に対してのＬＥＤの向上された性能と組み合わせて適用され得ることにある。更に、完成装置が、例えば、低電圧ハロゲンＰＰＡＲ又は二色性反射器ランプなどの、従来型のフォームファクタで組み立てられ得る。

しかし、国際特許出願第2006054199号によって覆われない最終放射パターンの１つの特性は、それぞれが異なる色を有する多重の発光要素が使用される場合における色均一性である。人間の目は近い範囲における２点間の色の差異に関して非常に敏感であるので、色均一性は、高品質の照明に関して極めて重要である。問題は、ビーム生成光学を有する装置において白色光を生成するためにＬＥＤチップの多色アレイを活用する場合に特に存在する。このような装置の例は、アレイが赤、緑及び青色のＬＥＤを有する、例えば、GU5.3ベースを有する50mm直径の二色性放物線型反射器ランプなどの、白色発光ハロゲン型照明装置であり得る。この場合、赤、緑及び青色の光の元が、空間的に分離されていることは極めて明らかである。この空間的な分離は、この場合、これらの異なる色の混合のための特別な事前注意がされていない場合、装置の放射パターンにおいて明確になる。

混合問題を解決するためのいくつかの解決法が提案されているが、それらはすべて、照明範囲のサイズ、ビームの角度幅、又は全体効率などの、１つ以上の規準が犠牲にされるという不利な点を有する。更に、いくつかの混合の解決法は、非常に厳しい位置決め要件を有する。

混合の問題に関する１つの周知の解決法は、光ガイドである。このような「混合ロッド」は、（視準に関して追加的な光学と組み合わせた）ビームの角度幅、及び装置の全体効率を維持するという有利な点を有する。しかし、これらの混合ロッドの不利な点は、優れた色混合が、長さの厚さに対する大きな比率を必要とするという事実にあるということである。光ガイドの厚さを減らすことは、厚さに対する長さの比率を増加させ得る。しかし、このことは、入力結合効率(in-coupling efficiency)、そしてしたがって、装置の全体効率を減少させるようにもする。代替案は、光ガイドの長さの増加である。しかし、このことは、既存のランプのフォームファクタの照明装置を実現するための、国際特許出願第2006054199号に記載される装置の目的と食い違う。放物線型反射器の焦点は、反射器カップのベースに近傍に位置され、そして光ガイドの出力結合構造は、前記焦点に配置される必要があるので、均一性の向上に関する明確な解決法は、反射器の後部及びベースへの光ガイドの延長であり得る。しかし、既存のランプのフォームファクタが与えられる場合、ベースの長さは固定される。

本発明の目的は、既存のランプのフォームファクタに適合するために十分短い光ガイドを用いて光の優れた混合が実行される、上述の種類の照明装置を提供することである。

この目的は、請求項１に記載される本発明に従う照明装置を用いて達成される。当該照明装置は、半導体光源手段と、第１端部、第２端部、前記第１端部及び第２端部間に延在する光学軸、光を出力結合するための前記第１及び第２端部間の位置される出力結合構造、を含む光ガイドを含む一次光学システムと、二次光学システムと、を有し、前記光源手段が、前記第１端部へ光を結合させるように構成され、前記光ガイドが、前記出力結合された光を、所望な光放射パターンを得るために前記二次光学システムへ方向付けるように構成され、この照明装置において、前記光ガイドの前記第２端部が、鏡面状端部面を有する。

本発明は、色及び電力を変化及び制御する能力を有する、ＰＡＲランプなどの既存のランプのフォームファクタの所望な小型さを有する狭ビーム照明装置を提供する。

光ガイドの第２端部へ鏡を適用することにより、光は、光ガイドへ反射して戻され、これにより、効果的に光ガイド内において光の横断経路を長くする。光学的な視点から、光ガイドは、端部面への光の適用により屈曲される。上述の対処法の著しい有利な点は、二次光学システム内部における空間のより経済的な使用である。このことは、さもなければ後部へ突出されていたであり得た、延長された長さを効果的に生成する。

本発明の実施例において、光放射パターンの均一性は、前記光ガイドが、光学軸に直交に多角形断面を有する、照明装置を設けることによって更に増加される。

本発明の実施例において、照明装置は、光ガイドを有し、光ガイドの前記第１及び第２端部が、異なる横断多角形断面を有する。

本発明に従う照明装置の実施例において、前記第１及び第２端部のそれぞれが、横断多角形断面領域を有し、前記第２端部の前記断面領域が、前記第１断面の断面領域より大きいことを特徴とする。

本発明の実施例において、前記第２及び第１端部の前記横断多角形断面の比率が、２より大きい。好ましくは、この比率が、９より大きい。

実施例において、前記第１及び第２端部が、移行部分を囲み、前記移行部分が、外側表面を有し、前記外側表面及び前記光学軸が、90°より小さい角度を囲む。

実施例において、前記移行部分が、外側表面を有し、前記外側表面が、円錐及びファセット化された表面からなる群から選択される。

実施例に従うと、前記出力結合構造が、前記移行部分に位置され、且つ前記光ガイドの周囲の少なくとも一部において延在する。前記照明装置の最適効率に関して、前記出力結合構造が、前記光学軸に実質的に横断して前記光を結合出力するように構成されることが好ましい。

このことは、前記出力結合構造が、反射層で被膜された表面を有することにおいて有利に達成され得る。代替的に、前記出力結合構造が、拡散光を放射するテクスチャを有する表面を有し得る。

実施例において、前記出力結合構造が、前記移行部分の容積にわたって延在し、前記容積が、拡散的な散乱材料を含む。代替的に、前記移行部分の容積が、ホログラフィック回折格子を含む。

本発明のこれら及び他の態様は、以下に説明される実施例から明らかになり、これらの実施例を参照して説明される。

本発明の更なる詳細、特徴、及び有利な点は、図面と組み合わせて例示的及び好ましい実施例の以下の記述において開示される。

図１は、照明装置の第１実施例による長手方向断面である。 図２は、光ガイドの光学軸に直交する複数の可能な多角形断面を示す。 図３は、第１端部から第２端部への光ガイドの光学軸に沿った観察図を示す。 図４Ａは、異なる出力結合構造を有する光ガイドの一つの長手方向断面を概略的に示す。 図４Ｂは、更に、異なる出力結合構造を有する光ガイドの更なる長手方向断面を概略的に示す。 図４Ｃは、更に、異なる出力結合構造を有する光ガイドの更なる長手方向断面を概略的に示す。 図４Ｄは、更に、異なる出力結合構造を有する光ガイドの更なる長手方向断面を概略的に示す。

図１は、本発明に従う照明装置１の第１実施例による長手方向断面を示す。照明装置は、光を生成する半導体光源１０と、二次光学システム３０へ光を供給する一次光学システム２０と、を有し、二次光学システム３０は、光を放射し、且つ所望な放射パターンを得るために設けられる。

半導体光源１０は、例えばＬＥＤ又はレーザダイオードなどの少なくとも１つの発光要素を含む。

一次光学システム２０は、第１端部２１、第２端部２２、前記第１端部及び第２端部間に延在する光学軸２３、鏡面状端部面２４、出力結合された光を二次光学システム３０へ方向付けるための前記第１及び第２端部間の位置される出力結合構造２５、を含む光ガイドを含む。

二次光学システム３０は、所望な光放射パターンを得るために設計される、反射器及び／又はレンズのシステムを含む。好ましくは、出力結合構造２５は、この二次光学システムの焦点領域において配置される。

光源１０によって生成される光は、有利には、二次光学システム３０の外側へ配置され、これにより、（示されない）ヒートシンクが、二次光学システム３０の光学機能を妨害することなくＬＥＤから過度なエネルギを抽出するために容易に適用され得る。ＬＥＤによって生成される光は、光が光ガイドの内部全反射角度内にあるように、（示されない）標準光学要素を適用することによって視準され、光ガイドの第１端部２１へ方向付けられる。

光源１０は、調整可能な色（又は温度−温度白色）光を生成するために、例えば、赤、緑、青色及び琥珀色のＬＥＤなどの、異なる色のＬＥＤ又はレーザダイオードを含み得る。代替的に、光源１０は、蛍光体被膜のＬＥＤを含み得る。赤、緑、青色、及び琥珀色の光の発生源は、空間的に離されていることは極めて明らかである。結果として、均一な放射パターンを形成するために、これらの異なる色を混合するのに特別な事前注意を取る必要がある。１より大きい屈折率を有する透明材料からなる光ガイドは、この混合機能を実行し得ることはよく知られている。ポリメチルメタクリルレート（ＰＭＭＡ）又はポリカーボネート（ＰＣ）などのガラス及びプラスチックは、適切である材料であるとよく知られている。光ガイドの長さを増加させることにより、光の混合が向上されることもよく知られている。

二次光学システム３０（例えば、放物線型、セグメント化された、又は双曲線型の反射器など）の焦点が、そのベースの近くに位置され、そして光ガイドの出力結合構造が、前記焦点に配置される必要があるので、均一性の向上に関する明確な解決法は、二次光学システムの後部への光ガイドの延長であり得る。例えば、（示されない）GU5.3ベースを有するフィリップス標準商品50mm直径の二色性放物線型反射器ランプなどの、既存のランプのフォームファクタにおける混合ロッドとして光ガイドを使用するＬＥＤ型照明装置を実施化したいと思う場合に、このフォームファクタは、装置の全体長さに関する境界条件を設定する。光ガイドの、二次光学システムの後部への延長は、この場合、設計目的の境界条件と相反する。

光ガイドの第２端部２２の端部面２４へ鏡を適用することによって、光は、光ガイドへ反射して戻され、これにより、効果的に光ガイド内において光の横断経路を長くする。銀又はアルミニウムの被膜は、鏡を構成するために端部面２４において設けられ得る。代替的に、界面被膜を形成する交互的な高／低屈折率を有する多層スタックも使用され得る。

鏡の適用の結果として、光ガイドの側壁における内部全反射の数は、光が結合出力される前において増加される。このことは、装置から放射される光ビームの向上された均一性になる。この対処法の大きな有利な点は、二次光学システム３０の内部の空間のより経済的な使用である。

例えば上述のフィリップス標準商品ランプなどを考慮する。カップの前面から電気接続ピンの後部への、この装置の全体長さは53mmである。更に、反射器カップの前面と反射器のベースとの間の距離は、30mmである。このことは、光ガイドを収容させるために、設計者に、放物線型反射器の焦点とランプの後部端部との間においてちょうど20mmを超える距離を残す。更に、この長さは、ＬＥＤ、ヒートシンク、制御電子回路、及び入力結合光学の割り当てが原因により、通常減らされる。他方で、国際特許出願第2006054199号における開示文書に従う線形混合ロッドは許容できる均一性に関して少なくとも30mmの長さを必要とすることが分かっている。

上述の種類の照明装置の実施例において、光ガイドは、およそ中間点において出力結合構造を有する20mmの全体長さを有し得る。第２端部の端部面における鏡の適用により、混合ロッドの光学長さは、30mmを全体とし、30mmのうちの約20mmは、反射器カップ内部にある。しかし、カップの内部の物理長さは、約10mmのみである。

光ガイドが反射器カップ内部において相当の程度配置されるという事実を鑑みて、光ガイド自体が二次光学システムから反射される光を妨害することを防ぐための事前注意が取られる必要がある。したがって、光は、光ガイドの光学軸２３に実質的に直交する方向に光ガイドから結合出力されることが好ましい。

照明装置の効率を最適化するために、出力結合構造２５における光ガイドから抽出される光の量は、可能な限り多いことが好ましい。このことを実現するための率直な手法は、異なる横断断面領域、すなわち光学軸に直交する断面領域を有する第１及び第２端部２１・２２を含む光ガイドを設計することによる、これにより、二つの端部間において配置される移行部分が存在するようにされる。好ましくは、出力結合構造２５は、この移行部分において配置され、そして光ガイドの周囲の少なくとも一部において延在する。光ガイドの第１端部の横断断面領域がaによって示される一方で、Aが二次光学システムの横断断面領域を示す場合、出力効率は、比率A/aを用いて計られる。すなわち、A=9aである場合、光ガイドの第１端部へ結合される光の約90％は、出力結合構造２５へ達し得る。したがって、比率A/aは、少なくとも2であることが好ましく、又は9よりなお大きいことがよりよい。

図２は、複数の光ガイドの横断断面を示す。光ガイドの断面が円状であり得るが、好ましくは、異なる光の色の混合を更に向上させるために、非円形状を有する。横断断面は、三角形、四角形、五角形、六角形、又はより高度な多角形の形状を有し得る。より高度の多角形は円状断面に近いように模倣し過ぎ、したがって、色混合の向上を低下させるので、好ましくは、多角形のオーダは12より低い。光ガイドの断面に関してどの多角形を使用するかの選択は、とりわけ、光源１０におけるＬＥＤチップの構成によって決定される。五角形断面が四角形の角において配置されるＬＥＤチップの光の混合に関して非常に適していることが分かっている。上述の種類の照明装置の追加的な有利な点は、光ガイドの光学軸２３に対するＬＥＤの光学配置があまり重大でなくなることも分かっている。

光ガイドの第１及び第２端部２１・２２が異なる横断断面領域を有する場合に特に、２つの端部に関して異なる多角形断面を有することが有利である。より太い端部は、好ましくは、より細い端部多角形のオーダの２倍の多角形を有する。有利な点は、移行部分の表面のセグメントの数が、移行部分の表面のセグメント自体が多角形であるように、設計され得る場合に存在する。このことは、図３から識別され得、この場合、光ガイドの光学軸２３は第１端部から第２端部２２へ与えられる。ここで、第１端部２１は、より細いあり、且つ五角形断面を有する一方で、第２のより太い端部２２は、十角形断面を有する。移行部分の表面のセグメントは、この場合それ自体五角形を有する。代替的に、移行部分の表面は、円錐表面を有する用に設計され得る。

移行部分が円錐表面を有する後者の場合、この表面は、錐体が頂点角によって特定されるので、光学軸２３と角度αを囲む。角度αが90°より大きい場合、移行部分は、図４Ａのように、凸面である。角度αが90°より小さい場合、移行部分は、図４Ｂのように、凹面である。移行部分のファセット表面を用いる場合、頂点角は、固有には規定されないが、その理由は、この表面がＣ_∞対称性を有さないからである。ファセット表面及び光学軸２３によって囲まれる角度αは、図３において提示される例から識別され得るように、範囲境界である。図３において五角形の頂点が光学軸２３に直交する単一平面において位置される一方で、十角形の頂点は、単一の横断平面において位置されない。実際に、２つの横断平面において位置される５つの頂点の２つの群が存在する。したがって、点Ｖにおける光学軸２３を横断し且つ移行部分のファセット面のうちの１つにおいて位置する線は、この線が点Ｖに近接する横断平面における十角形の頂点のうちの１つと接続される場合に、最大角αを形成する。代替的に、類似の線が、点Ｖからもっとも離れる横断平面における十角形の頂点のうちの１つと接続される場合に、最小角αを形成する。ファセットされた移行部分と組み合わせられる角度αを議論する場合に、最大角αがとられることを理解されるべきである。

図４ＡからＤは、４つの異なる出力結合構造２５を示す。図４Ａは、移行部分が外側表面を有し、外側表面及び光学軸が90°より小さい角度αを囲む、実施例を示す。光学軸に実質的に直交する方向において光ガイドの外へ光５１を結合させるために、外側表面は、反射層４０を用いて被膜される。第２端部２２の端部２４の場合のように、この反射層は、銀、アルミニウム、干渉多層スタック、又は技術分野において知られるいずれかの他の高反射被膜から作製され得る。

図４Ｂは、移行部分が外側表面を有し、前記外側表面及び前記光学軸が、90°より大きい角度を囲む、実施例を示す。この場合、移行部分の外側表面は、好ましくは、光ガイドから外側へ拡散光５２を放射するテクスチャ４１を有する。移行部分の外側表面における拡散性放射テクスチャは、α＞90°である場合、反射被膜において有利な点を有する。前者の場合、光は、光ガイドの外側へ直接結合される。後者の場合、光は、移行部分の周囲の反対の側まで光ガイドを横断する。この場合、光は、光ガイドへ反射して戻され、これにより、出力結合効率は低下する。

図４Ｃ及び４Ｄは、移行部分が外側表面を有し、前記外側表面及び前記光学軸が、90°と等しい角度を囲む、実施例を示す。より更に、図は、概略的に、出力結合構造を形成する移行部分の外側表面の代わりに、出力結合構造が、移行部分の容積へ延在することを示す。容積は、ホスト材料とは異なる屈折率を有し、且つ光ガイドの移行部分の容積にわたり分散される小さい粒子などから作製される拡散性散乱材料４２を含み得る。代替的に、容積は、反復性屈折率回折格子を有する構造などから作製されるホログラフィック回折格子４３を含み得る。このような容積型の出力結合構造を用いる場合に、出力結合構造の利用可能な容積を最大化することが有利である。したがって、移行部分が外側表面を有し、前記外側表面及び前記光学軸が、90°と等しい角度を囲むような、容積型の出力結合構造を組み合わせることが有利である。

本発明は、上述の実施例を参照して説明されてきたが、他の実施例も、同一の目的を達成するのに代替的に使用され得ることは明らかである。したがって、本発明の範囲は、上述の実施例に制限されないが、例えば自動車用ヘッドライトシステム又は表示投影システムなどの、特定の光放射パターンが望まれるいずれかの他の応用例へも適用可能である。

請求項を含む本文書における「有する／含む」なる用語及びその活用形の使用は、明記される特徴、整数、ステップ、又はコンポーネントの存在を特定するために理解されるが、１つ以上の他の特徴、整数、ステップ、コンポーネント又はこれらの群の存在又は追加を排除しないことを更に特記されるべきである。単数形の構成要素は、複数個の斯様な構成要素の存在を排除しないことも特記されるべきである。更に、いかなる参照符号も、請求の範囲を制限せず、本発明は、ハードウェア及びソフトウェアの両方によって実施され得、いくつかの「手段」は、同一のハードウェアによって表され得る。より更に、本発明は、１つ１つの特徴又は複数の特徴の組み合わせに存在する。

Claims (16)

1. 半導体光源手段と、
   第１端部、第２端部、前記第１端部及び第２端部間に延在する光学軸、並びに光を出力結合するための前記第１及び第２端部間に位置される出力結合構造、を含む光ガイドを含む一次光学システムと、
   二次光学システムと、
   を有し、
   前記光源手段が、前記第１端部へ光を結合させるように構成され、
   前記光ガイドが、所望な光放射パターンを得るために、前記光ガイドから外へ結合される光を前記二次光学システムへ方向付けるように構成される、
   照明装置において、
   前記光ガイドの前記第２端部が、鏡面状端部面を有し、
   前記光ガイドの前記第１及び第２端部が、異なる横断多角形断面領域を有する、
   ことを特徴する、照明装置。
2. 請求項１に記載の照明装置であって、前記光ガイドの前記第1及び第２端部が前記光軸に平行な外側表面を有する、照明装置。
3. 請求項１又は２に記載の照明装置であって、前記第２端部の前記断面領域が、前記第１断面の断面領域より大きいことを特徴とする、照明装置。
4. 請求項３に記載の照明装置であって、前記第２及び第１端部の前記横断多角形の断面領域の比率が、２より大きい、照明装置。
5. 請求項４に記載の照明装置であって、前記第２及び第１端部の前記横断多角形断の面領域の比率が、９より大きい、照明装置。
6. 請求項３に記載の照明装置であって、
   前記光ガイドは、前記第１及び第２端部の間において、前記第１端部の横断多角形断面領域から前記第２端部の横断多角形断面領域への移行部分を囲み、
   前記移行部分が、外側表面を有する、
   照明装置。
7. 請求項６に記載の照明装置であって、前記移行部分の前記外側表面及び前記光学軸が、90°より小さい角度を形成する、照明装置。
8. 請求項３に記載の照明装置であって、前記移行部分の前記外側表面が、円錐表面又はある数の多角形表面からなる群から選択される、照明装置。
9. 請求項３に記載の照明装置であって、前記出力結合構造が、前記移行部分に位置され、且つ前記光ガイドの周囲の少なくとも一部において延在する、照明装置。
10. 請求項９に記載の照明装置であって、前記出力結合構造が、前記光学軸に実質的に直交して前記光を前記光ガイドから外へ結合するように構成される、照明装置。
11. 請求項９に記載の照明装置であって、前記出力結合構造が、反射層で被膜された表面を有する、照明装置。
12. 請求項９に記載の照明装置であって、前記出力結合構造が、拡散光を放射するテクスチャを有する表面を有する、照明装置。
13. 請求項９に記載の照明装置であって、前記出力結合構造が、前記移行部分において容積を有するように延在し、前記出力結合構造が、拡散的な散乱材料を含む、照明装置。
14. 請求項９に記載の照明装置であって、前記出力結合構造が、前記移行部分において容積を有するように延在し、前記容積が、ホログラフィック回折格子を含む、照明装置。
15. 請求項１に記載の照明装置であって、前記光ガイドが、ガラス及びプラスチックからなる群から選択された材料から作製される、照明装置。
16. 請求項１５に記載の照明装置であって、前記プラスチックが、ポリメチルメタクリルレート（ＰＭＭＡ）又はポリカーボネート（ＰＣ）である、照明装置。

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