JP5785551B2 - 照明器具及び光学部品 - Google Patents

Description

本発明の技術分野は照明である。詳細には、本発明は、光学部品及び照明器具に関する。

多くのアプリケーションにおいて、点光源の使用は、その製品の開発者及び提供者の課題を示す。点光源の例は、例えば、ＬＥＤ及びＯＬＥＤのような、異なるタイプの半導体光源である。

ＬＥＤ（Light Emitting Diode）の更なる開発、例えばより高輝度は、これらの使用のための新たなエリアを開拓している。例えば、ＬＥＤは、最近では、照明器具のような汎用照明アプリケーションにおいて使用され得る。これにより、狭帯域幅の照明、強化された制御及び低エネルギ消費のような、ＬＥＤ技術により与えられた利点は、以前は未開拓であった利用分野において利用され得る。

しかしながら、汎用照明におけるＬＥＤの使用は、例えばＬＥＤにより与えられる高輝度のため、用いられる光学の非常に高い要求を必要とする。

ＴＩＲ（Total Internal Reflection；全内部反射）コリメータは、ＬＥＤ光を使用可能なビームに形作るために広く用いられる。これらは、大抵、ＬＥＤ光が光ガイド媒体に結合される入口部分、ビームをコリメートするためにテーパー化された光ガイド部分、及び、光ビームが光ガイド媒体を出る出口窓からなる。出口窓は、平坦であり得るが、ビームを更に形作るために僅かな構造体を含んでもよい。例えば、ビーム幅は、図１ａ〜１ｃにおいて示されたような出口窓上に艶消し面又はレンズアレイを付与することにより広げられ得る。図１ａは、照明デバイス（図示省略）の出口位置に、光ビームを形作るための円形レンズ１６をもつ光学１５を示している。同様に、図１ｂ〜１ｃは、出口窓に渡って直線状レンズ１７、及び、艶消しガラス３２をそれぞれもつ光学１５を示している。

これは、前記の考察及び他のものに関して、本発明が為されたものである。

前記の観点において、それ故に、改良された照明器具を実現することが望まれるだろう。詳細には、これは、ビームの不均一性を低減する、改良された混合特性をもつ照明器具を実現するのに有利であるだろう。

これらの問題の１又はそれ以上に良好に対処するために、本発明の第１の態様において、光ビームを成形するように適合された光学部品であって、光ビームが通るのを可能にする屈折面を有し、前記屈折面は、前記光ビームを成形するための複数の放射状に延在する屈折構造体を有する、光学部品が提供される。

有益には、光は、放射状に延在する屈折構造により、ビームに対するその角度又はアジマス方向で主に屈折され得る。これにより、アジマス方向の光は、ぼやっと広げられ、アジマス方向の光の混合が強化され得る。これは、特に、照明デバイスの光学軸の周りに分配される（照明器具のような）照明デバイスの幾つかの光源からの光を形作るときに有利であり得る。更に、拡散及び混合空洞のような、照明デバイスの内部光学に対する要件が低減され、及び／又は、前述の光学部品が照明デバイスから除外され得る。これにより、より多くのコスト効率が良く、簡素な照明デバイスが提供され得る。

比較すると、前述された従来の光学は、（円形レンズに関しては）放射状方向に、又は、（直線状レンズに関しては）レンズが延在する方向に対して直角をなす方向に、波状である。しかしながら、これらの光学は、アジマス方向においては本質的に曲率を有さず、主に放射状方向及び水平／垂直方向にそれぞれ広がり及び混合するビームを与える。

複数の放射状に延在する屈折構造体は、屈折面の角度方向に周期的な波状パターンを示し、角度方向において屈折面に沿った屈折構造体の均一分布を与える。ここで、波状とは、凹面−凹面、凸面−凹面、凸面−凸面等のような任意の波状の形状として理解されるべきである。これにより、光輝度は、アジマス方向において均一にぼやっと広げられ得る。

光学部品は、中心及び外周を有し、複数の放射状に延在する屈折構造体は、外見上、中心から外周に向かって延在する。

ここでは、光は、光学部品の任意の環状部分に沿ったアジマス方向においてぼやっと広げられ得る。

複数の放射状に延在する屈折構造のそれぞれは、光学部品の中心からの距離の関数として角度方向に直線的に増大する幅を有し得る。

これにより、屈折構造体の均一な分布が実現され得る。

複数の放射状に延在する屈折構造体のそれぞれは、レンズである。この文書において、レンズは、アジマス方向においてのレンズであるものと解釈されるべきである。更に、レンズは、例えば、凸面、凹面、凹凸面等を意味し得る。前記で述べられた光学部品は、光ビームを与えるように適合された少なくとも１つの光源と、ビームコリメーションのためのコリメート光学とを有する照明器具に含まれ得る。

光学部品は、照明器具の光ビームのための出口窓を示し得る。この文書における出口窓は、光が照明器具から放射する照明器具における光学軸に沿った最終部品として解釈されるべきである。

屈折面は、少なくとも１つの光源に対して光学部品の遠い面を規定し得る。それ故、屈折面は、照明器具の"外側"面上に配置され、これにより、最初の面は、光が入射する最初の面である。

これにより、光ビームの強化された制御は、光が平坦面を介して高密度媒質に最初に入ったときに実現され、空気中に行ったときに屈折される。その一方で、光が、屈折構造体により最初に屈折された場合には、その後、平坦面により、光は、最初の面（例えば平坦面）でＴＩＲ（全内部反射）をもつためのより高い確率をもち、その材料の内側にとどまる（及びそれ故に制御不能に散乱する）。

照明器具は、複数の光源を有してもよく、各光源は、照明器具の光学軸Ｏから少なくとも距離ｄだけ離れて配置され、光学部品の半径ｒは、少なくとも距離ｄと同じ大きさである。それ故、各光源は、光学部品により効果的に屈折され得る。

コリメート光学は、光ビームをコリメートするための回転対称ウェッジを有してもよく、前記ウェッジは、少なくとも１つの光源と光学部品との間に設けられる。これにより、光は、光学部品に入る前に大きなエリアに渡ってコリメート及び分配され得る。

本発明の前記の態様及び他の態様は、後述される実施形態から明らかになり、これらの実施形態を参照して説明されるだろう。

本発明のこの及び他の態様は、本発明の実施形態を示す添付図面を参照して、より詳細に述べられるだろう。

従来の光学出口窓部品の斜視図を示す。 従来の光学出口窓部品の斜視図を示す。 従来の光学出口窓部品の斜視図を示す。 本発明の一実施形態の照明器具の斜視図を示す。 図２における照明器具の断面図を示す。 図１における照明器具のＬＥＤ配列の上面図を示す。 図１における照明器具の光学部品の拡大図である。 図５における光学部品の部分の上面図である。 図５における光学部品により形作られた光ビームを示す概略図である。 図５における光学部品により形作られた光ビームを示す概略図である。 図５における光学部品により形作られた光ビームを示す概略図である。

図２を参照すると、本発明の照明器具１の一実施形態が示されている。照明器具１は、とりわけ、ハウジング２、ソケット３、キャップ８、この文書においてはＬＥＤで例示される複数の光源４、及び、光学部品５を有する。照明器具１の操作的使用において、光学要素５は、ＬＥＤ４から光放射するための出口窓を設ける。より詳細には、光学部品５は、屈折面１３上に角度方向２７における波状パターン７を形成する複数の放射状に延在する屈折構造体６を有する屈折面１３を示す屈折面１４をもつ。

屈折構造体６により、複数のＬＥＤから放射する光ビームは、屈折表面１３の、以下でアジマス方向と呼ばれる角度方向２７において効果的な手法で混合され得る。

有益には、光源からの或る距離に光学部品５を配置し、光ビームのための出口窓を示すことにより、光の効率的な混合が、比較的小さな面積損失で、即ちより少ないビームの広がりで、得られる。

本例において、複数色又は単色であり得る複数のＬＥＤ４は、照明器具１の中心光学軸Ｏの周りに環状構造で配置される。各ＬＥＤ４は、光学軸Ｏからの距離ｄに配置される。放射状反射構造体６により、ビームは、図１に示されるような放射状方向２０の代わりにアジマス方向２７に主に広げられ、これにより、ビームの均一性が増大する。

図３は、軸Ａに沿った、図２中の照明器具１の断面図を示している。例となる照明器具１において、照明器具１のコリメート光学１１は、大きなエリアに渡って光をコリメート、分配し、複数のＬＥＤ４から放射する光ビーム（図示省略）を広げるための回転対称ウェッジ９を有する。各ＬＥＤ４は、光学軸Ｏから距離ｄだけずらされている。光学部品７は、光ビームのための出口窓、及び、不透明であり、照明器具１における中心に分配された光をブロックし得るキャップ８を示す。照明器具１は、駆動部品１２により制御及び給電され得る。

ＬＥＤ４は、図４において上面図により示されるような、光学軸Ｏを中心にこの周りに環状に配置される。

図５を参照すると、図２中の光学部品５の斜視図が示されている。例となる実施形態において、光ビームは、左から入射する。これにより、光は、実質的に平坦である第１の表面２３を示す第１の面３０上の光学部品に入る。その後、光ビームは、屈折面１４上の屈折表面１３を介して出る。光学部品５は、中心３１の周りに径Ｄをもつ穴を有し、これにより、放射状に延在する屈折構造体６は、光学軸Ｏ（中心３１）からの距離Ｄから、光学部品５の外周２６まで延在する。図２，３に示されたキャップ８は、実質的に２×Ｄの直径をもつ。

屈折構造体６は、その任意の半径ｒに関するアジマス方向２７において屈折面１４の屈折表面１３に沿って均一に分配される。これにより、光の不均一性の対称的低減が達成され得る。更に、各屈折構造体６は、扇形に形成される。即ち、任意の２つの屈折構造体６の間の幅ｗは、中心３１からの距離が増大するにつれて直線的に増大する。それ故、幅ｗは、光学部品５の半径ｒの関数である。それ故、ｒ_１＜ｒ_２の場合にｗ_１＜ｗ_２である。各屈折要素６の幅ｗは、それ故、光学部品５の中心３１からの距離ｒの関数として、アジマス方向２７に増大する。

ビームプロファイルの接線方向であるアジマス方向２７に沿って、屈折構造体６は波状７である。波状は、凹面−凹面、凸面−凸面、凹面−凸面のような、任意の波状形状として理解されるべきである。しかしながら、この特定の例において、波状のパターンは、凹面−凸面である。光学部品５の一部は、図６において側部から見られ得る。アジマス方向２７において、屈折構造６は、区間Ｐでの周期的パターンを示す。例となる実施形態において、区間Ｐは、凸状部Ｃ１及び凹状部Ｃ２を有する。実施形態のバリエーションにおいて、例えば、凹面−凹面の区間Ｐも凸面−凸面の区間Ｐも可能である。

光学部品５は、図５に示されたｚ−ｙ平面の起点を交差する任意の直線に沿って略ゼロの曲率を有する一方で、アジマス方向２７は、波状パターン７を示す。これにより、光ビームは、アジマス方向２７において主に広げられ、それ故、光ビームが不均一になる方向に沿った、ＬＥＤ４からの光の効果的な混合を与える。

図７ａ〜ｃは、光学部品５が、光学軸Ｏの周りのリングに配置された４つのＬＥＤ４により与えられた光をどのように混合するかの一例を示している。ビーム２５の光学軸Ｏに沿った断面が示されており、ＬＥＤ４は、（バックグラウンドで）１２時、３時、６時及び９時に配置され、これにより、間隔を空けて光源４をもつ照明器具を例示する。ＬＥＤ４の斯様な配置は、光学システムの高いコストを暗示する、光学の高い需要を予め付加している。

図７ｂは、光学部品５を通過する前の光ビームの遠距離場を示している。光ビームの中心光学軸Ｏからの任意の距離ｒでの小さな環状部分Ｓが強調される。角度輝度分布２４は、概略的に示される。簡素化のために、輝度は、部分Ｓの範囲内にのみ示されている。

図７ｂにおいて見られ得るように、照明は、図７ａのＬＥＤ４の位置の近くのエリアに集中される。アジマス方向２７において、ＬＥＤ４の任意の組の間では、輝度は減少する。

光学軸ＯからのＬＥＤ４の距離ｄは、典型的には、光学部品５の半径ｒよりも小さいことが留意されるべきである。

ビーム２５が出口窓、即ち光学部品５を通過したときの状況が図７ｃに示されている。照度２４は、図７ｂに示されたものと比較して環状部分Ｓにおいてより均一に分配される（"ぼやっと広げられる"）。これは、アジマス方向２７において各屈折構造体６により示された曲率による光の屈折、及び、各屈折構造体６が周囲２６に向かって放射状に延在することに起因する。

前記の示されたものに対する他のバリエーションも、本発明の範囲内において可能である。例えば、光学部品５は、中心穴を伴わない連続的なディスクであってもよい。更に、光学部品５は、環状である必要はなく、任意の適切な形状を有してもよい。更に、屈折構造体７は、光源４に向かって指向されてもよく、これにより、第１の面は、光ビームのための光出口面を与えるだろう。また、第１の表面は、平坦又は略平坦である必要はなく、例えば、光学部品５への光の内部結合のための内部結合構造体、又は、ビームを成形するための他の光学構造体を有してもよい。この目的を達成するために、光学部品５は、例えば、コリメート構造の一部として含まれてもよく、これにより、屈折面１４は、例えば照明器具に組み込まれたときに光ビームのための出口窓を示し得る。

さらにまた、光源４は、光学軸Ｏの外周に対称的に配置される必要はなく、これらは、光学軸Ｏからの距離ｄに配置される必要もなく、中心光学軸Ｏ上に配置されてもよい（例えば、一の光源又はマルチダイＬＥＤパッケージ）。更に、光源は、光学軸Ｏからの変化した距離に配置されてもよい。

本発明のアプリケーションは、これらに限定されるものではないが、オフィス環境、家庭環境、ホテル及びショッピングセンタのような室内環境並びに屋外環境を含む。光を成形するためのより高価な及び／又は嵩張る光学は、これにより、ここに示された本発明に置き換えられ得る。

本発明は、図面及び前述の説明において詳細に示され述べられた一方で、斯様な図示及び説明は、例示又は単なる例であり、限定されないものと見なされるべきである。即ち、本発明は、開示された実施形態に限定されるものではない。開示された実施形態に対する他のバリエーションは、図面、開示及び特許請求の範囲の研究から、当業者により理解され実施され得る。特定の手段が相互に異なる従属請求項に記載されるという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に用いられ得ないことを示すものではない。更に、請求項中の任意の参照符号は、本範囲を限定するものとして考慮されるべきではない。

Claims (9)

1. 光ビームを供給するように適合された複数の光源と、
   前記光ビームを成形するように適合された光学部品であって、前記光ビームが通るのを可能にする屈折面を有し、前記屈折面は、前記光ビームを成形するための複数の放射状に延在する屈折構造体を有する、光学部品と、
   前記光ビームをコリメートするための中心部分をもつ回転対称ウェッジを有するコリメート光学であって、前記回転対称ウェッジは、前記複数の光源と前記光学部品との間に設けられ、前記回転対称ウェッジの中心は前記複数の放射状に延在する屈折構造体を有する前記光学部品の中心と一致している、コリメート光学と、
   を有する照明器具において、各光源は当該照明器具の光学軸から少なくとも或る距離だけ離れて配置され、前記光学部品の半径は、少なくとも前記或る距離と同じ大きさである、照明器具。
2. 前記複数の放射状に延在する屈折構造体は、前記屈折面の角度方向において周期的な波状パターンを示し、前記角度方向において前記屈折面に沿った前記屈折構造体の均一分布を与える、請求項１に記載の照明器具。
3. 当該光学部品は、前記中心及び外周を有し、前記複数の放射状に延在する屈折構造体は、外見上、前記中心から前記外周に向かって延在する、請求項１又は請求項２に記載の照明器具。
4. 前記複数の放射状に延在する屈折構造のそれぞれは、当該光学部品の中心からの距離の関数として角度方向に直線的に増大する幅をもつ、請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の照明器具。
5. 前記複数の放射状に延在する屈折構造体のそれぞれは、レンズである、請求項１〜４のうちいずれか一項に記載の照明器具。
6. 前記光学部品は、前記屈折面を通過した後の当該照明器具からの前記光ビームのための出口窓を示す、請求項１〜５のいずれか一項に記載の照明器具。
7. 前記屈折面は、前記複数の光源のうちの少なくとも１つに対して前記光学部品の遠い面を規定する、請求項１〜６のうちいずれか一項に記載の照明器具。
8. 前記複数の光源のうち少なくとも２つは、異なる色の光を放射する、請求項１〜７のうちいずれか一項に記載の照明器具。
9. 前記複数の光源のうち少なくとも１つは、ＬＥＤを有する、請求項１〜８のうちいずれか一項に記載の照明器具。

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