JP6155200B2 - リサイクリングを行う発光ダイオードアレイ照明システム - Google Patents

リサイクリングを行う発光ダイオードアレイ照明システム Download PDF

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Description

本発明は光照明システムに関し、特にLED照明システムに関する。
本出願は、2011年2月23日に提出された米国特許仮出願整理番号第61/445,574号に対する35U.S.C.§119(e)による優先権の利益を主張し、当該仮出願は参考として本明細書で援用される。
光照明の用途において、映画館での使用など、特に、高い輝度を要するデジタルプロジェクタにおいて、今もなお10,000ルーメン以上の出力が可能なアーク灯が最もコスト効率のよい光源と考えられている。レーザは代替的な光源であるが、かなりの価格プレミアムを要する。更に別の光源として発光ダイオード(LED)が考えられる。20,000時間以上のその寿命は、アーク灯の寿命よりも桁違いに長く、それにより動作コストがより低くなるため、LEDは理想的な代替光源候補である。
しかし、LEDの欠点の一つに、アーク灯より輝度が低いということがある。例えば、LEDチップは1,000ルーメン未満の出力しか生成できない。したがって、より光出力の高い、改善したLEDによる光照明システムを提供する必要がある。
本発明の一態様によれば、高効率LED照明システムは、複数のLEDモジュールと輝度を上げるための複数の対応するコリメーティングレンズを含む。各々のLEDモジュールは、光を放射する発光領域を有する少なくとも1個のLED素子と、リサイクリングリフレクタを有する。このリフレクタは、発光領域からの光をLED素子に戻る方向に反射するように位置決めされ、放射光を出射させる透過開口を有する。コリメーティングレンズは、LEDモジュールから出た光を受光してコリメートするように配置される。
本発明の一態様によるリサイクリングリフレクタを有するLEDモジュールを示す。 本発明の一態様によるLEDモジュールのアレイと対応するコリメーティングレンズのアレイを有するLEDリサイクリング照明ユニットを示す。 丸角の正六角形の形状のコリメーティングレンズのアレイの他の実施形態を示す。 アレイの外周形状が円形である丸角の正六角形の形状のコリメーティングレンズのアレイの更に別の実施形態を示す。 本発明の一態様によるLEDリサイクリング照明ユニットを使用する投影システムの概略図を示す。 本発明の別の一態様によるLEDリサイクリング照明ユニットを使用する投影システムの概略図を示す。 本発明の一態様によるLEDリサイクリング照明ユニットを使用する他の投影システムの概略図を示す。 図6の投影システムと共に用いるためのビームサイズ変換器を示す。 図6の投影システムと共に用いるためのビームサイズ変換器を示す。 本発明の一態様によるLEDリサイクリング照明ユニットを使用するLCD投影システムの概略図を示す。 本発明の一態様によるLEDリサイクリング照明ユニットを使用するLCOS投影システムの概略図を示す。 図8および図9の投影システムと共に用いるための偏光回収システムを図解する。 図8および図9の投影システムと共に用いるための偏光回収システムを図解する。
図1は、LEDモジュール4と、LEDチップ/素子10の正面に位置決めされたリサイクリングカラー(recyclingcollar)などのリサイクリングリフレクタ6とを含むLEDリサイクリングモジュール18を示している。リサイクリングリフレクタ6は、LED光が通過する透過開口8を有している。ドライバ回路3はLEDチップ/素子10を駆動する駆動電流を生成する。
LEDモジュール4は、一般的には光を放射する発光領域を有するLED素子である少なくとも1個のLEDチップ10と、このチップが取り付けられる基板12とを含んでいる。発光領域は、LEDチップ10を保護し、光を分配する任意の透過窓又はレンズ7を含んでいる。LEDチップ10はまた特定の色又は白色を生成するための蛍光コーティングを有してもよい。基板12には、LEDチップ10から排熱するためのヒートシンク5が取り付けられている。このようなLEDモジュール4は、例えば、Luminus Devices社(マサチューセッツ州ビレリカ)から市販されている。
LEDチップ10は、白色、単色、又は多色の単一のチップ又は複数のチップでもよい。特定の用途のために、これらのチップを、リサイクリングリフレクタ6の透過開口8の光軸16が、実質的にリサイクリングリフレクタの曲率中心付近に位置するLEDチップの発光領域の中心を通るように配置することができる。LED素子10は、コーティングされた蛍光物質を通して赤、緑、および青などの単色の光を放射する又は白色光を放射することができる。放射角度は一般的には180°以下である。
透過開口8は、具体的な照明用途に応じて、円形、長方形、正方形、六角形又はその他の形状でもよい。リサイクリングカラー6は、LED素子10に向かって凹面状に湾曲している。内表面14は、この内表面に当たるLED光が光源、すなわち、LED素子10に戻る方向に反射される反射表面である。反射表面14は、カラー6の外表面又は内表面をコーティングすることによって、又はカラーに別体の反射ミラーを取付けることによって設けることができる。好適な一実施形態によれば、リサイクリングカラー6は、出力が等倍でLED素子10自体へ戻る方向に反射されるようにLED素子10の中心に対して球状である。したがって、これは、LED素子10が画像をLED素子10自体の上に形成する事実上のイメージングシステムである。内側球状表面14に当たるほぼ全てのLED光は、有益に、光源、即ち、LED素子10の発光領域に戻る方向に反射される。
当業者であれば分かるように、従来の照明システムの透過開口を通過しないLED光は全て永遠に失われる。しかし、曲面状の反射表面14を使用することによって、本発明のLED照明システムは、失われた光を相当量回収することができる。例えば、透過開口サイズが放射光の約20%を捕捉する(すなわち、元々の光出力の80%がリサイクルのためにLEDチップ10に戻る方向に反射される)照明システムでは、80%を超える輝度の上昇を達成することができる。合計出力が2,250ルーメンの9mm(発光領域)の白色LEDモジュール(エタンデュ30)を使用し、かつ、リサイクリングリフレクタを用いずにターゲットに結合された20%の出力を使用すると、元々の光出力の80%が失われるため、エタンデュは6の値および450ルーメンの出力(2,250×20%)を有する。しかし、リサイクル利得が80%であれば、出力はエタンデュが同じ6で810ルーメン(2250×20%+2250×20%×80%)になる。
本発明におけるLEDモジュール4は単一のLED素子又はLEDのアレイを有することができる。LEDは、白色、単色でもよく、又は、単色又は多色の複数のチップから構成することができる。LEDは直流LED又は交流LEDでもよい。
高出力を要する用途では、図2に示すように、LEDリサイクリングモジュール18のアレイ20と、それに対応するコリメーティングレンズ28のアレイ22と、を有するLEDリサイクリングユニットを使用することができる。図示のように、LEDリサイクリングモジュールアレイ20は、好ましくは同一平面上に近接して位置決めされた7個のLEDリサイクリングモジュール18によって構成される。図2に示す代表的な実施形態では、各々のリサイクリングモジュール18は、12mmの発光領域を有し、モジュールどうしは、1個中心モジュールを6個のモジュールが包囲するように正六角形に近接して位置決めされている。本発明における「正六角形」という用語は、各々の外側のLEDリサイクリングモジュール18の中心を通る線が正六角形を描くようにモジュールどうしが配置されることを意味する。
円形支持板30に取付けられた7個の対応するコリメーティングレンズ28のアレイ22は、LEDリサイクリングモジュール18の正面に位置決めされて、リサイクリングモジュールから出た光をコリメートする。好ましくは、各コリメーティングレンズ28の光軸は、効率を最大にするため、対応するリサイクリングモジュール18の光軸16と一直線上に設定する。支持板30は、同様に、共通のヒートシンク24に取付けられる。
LEDリサイクリングモジュールアレイ20は、全てのLEDモジュール18で発生した熱を排熱するフィンを有する共通のヒートシンク24上に取付けられる。共通のヒートシンク24は、全てのLEDモジュール4の各々のヒートシンク5と熱交換を行う状態にあり、好ましくは接触している。共通のヒートシンク24に取付けられたファン26はヒートシンクの熱を空気中に排熱する。
図2では、コリメーティングレンズ28は円形として示されている。リサイクリングリフレクタ6の開口8は、効率のためには関連するコリメーティングレンズ28の形状と一致すべきであるため、開口も円形であるべきである。
しかし、効率を最大にするためには、コリメーティングレンズ28どうしの間隔を最小にすることが重要である。したがって、他の実施形態では、コリメーティングレンズ28、および、それらに関連するリサイクリングリフレクタ6の開口8は、一般的に、正六角形である、すなわち、任意の2つの隣接する辺によって形成される角度は120°である。形状は厳密な正六角形(コリメーティングレンズ28および関連する開口8の両方において)でも、丸角38を有する正六角形(コリメーティングレンズ28および関連する開口8の両方において)でもよい。丸角38は円形でもよい。
光源が点光源である場合、コリメーティングレンズ28および関連する開口8の両方の形状は正六角形でもよい。しかし、光源(発光領域)が点光源でないため、開口8の周縁部は、相対的に大きな発光領域のために、コリメーティングレンズ28に影を落とす。この場合、コリメーティングレンズ(および関連する開口8)の形状は図3Aに示すような丸角38を有する正六角形であればより効率的になるかもしれない。
あるいは、用途によっては、図3Bに示すような、レンズアレイの外周が円形であり、レンズアレイの内側にある角部のみを丸くした正六角形を有することが望ましいかもしれない。言い換えれば、中心のコリメーティングレンズ28は丸角を有する正六角形であり、外側のレンズは部分的に六角形、かつ、部分的に円形である。これにより、切断する部分の数がより少なくなり、製造コストが削減するという、さらなる利益がある。
レンズアレイ22は各々のレンズを研磨することによって作製することができるが、一実施形態では、製造コストを大幅に削減可能な射出成形によって単体としてレンズアレイ全体を作製することができる。レンズアレイは、用途に応じて、成形ガラス又はプラスチックのどちらでもよい。
他の実施形態では、より高輝度を生成するために、正六角形に配置された19個のLEDリサイクリングモジュール18のアレイを使用することができる。この場合、中心のリサイクリングモジュールは、上述の実施形態のように6個の中間モジュールによって包囲され、これらの6個の中間モジュールが同様に12個の最外部モジュールによって包囲され、最外部のモジュールの各々の中心を通る線が正六角形を描くようにする。この実施形態では、LEDリサイクリングモジュール18の正面に19個の対応するコリメーティングレンズ28のアレイが位置決めされる。7個のLEDリサイクリングモジュールアレイ20のレンズ28および開口8の形状および配置は、19個のLEDリサイクリングモジュールのアレイにも適用できる。
図4は本発明の一態様によるLEDリサイクリング照明ユニットを使用する投影システムの概略図を示している。
投影システム40は、7−LEDリサイクリングユニット2、収束レンズ32、ライトパイプ34、およびDLPエンジン等の投影エンジン36を含んでいる。7−LEDリサイクリングユニット2からのコリメート光出力は、集束レンズ32によって集束され、ライトパイプ34に入力される。次に、ライトパイプ34の出力は、投影エンジン36に入力される。投影エンジン36は、スクリーン(図示せず)上に静止画又は動画を投影する。
下記の表1は図4の本発明を使用する潜在的なプロジェクタの出力を示している。
Figure 0006155200
上記から分かるように、エタンデュ=40で12mmの発光領域を有する代表的な白色LEDチップは3,000ルーメンの出力を有する。放射光の25%のみが捕捉されると仮定した場合、出力はエタンデュ10で750ルーメンに減少する。リサイクリングリフレクタを使用しなければ、7個のLEDチップの出力は3750ルーメンである。
しかし、本発明のリサイクル技術を使用することによって、出力は80%増加する。750ルーメンの代わりに、本発明の各々のLEDリサイクリングモジュール18は1350ルーメンを出力し、これにより、7個のLEDリサイクリングモジュール18のアレイは9450ルーメンの出力を生じる。推定効率が35%の3チップDLP(登録商標:digitallight processing)エンジンの場合、プロジェクタ出力は3308ルーメンである。
図5は本発明の別の一態様によるLEDリサイクリング照明ユニットを使用する投影システムの概略図を示している。図4の投影システム40は単一のLEDリサイクリングモジュールを使用するが、図5の投影システム50は、3個の別体のLEDリサイクリングユニット2、すなわち、7個の赤色LEDチップのアレイを使用する赤色LEDリサイクリングユニット42と、7個の緑色LEDチップのアレイを使用する緑色LEDリサイクリングユニット44と、7個の青色LEDチップを使用する青色LEDリサイクリングユニット46とを使用する。
フィルタ結合器48は、赤色LEDリサイクリングユニット42からの赤色を通し、緑色を遮断および反射する。フィルタ結合器49は、赤色および緑色LEDリサイクリングユニット42、44からの赤色および緑色を通し、青色を遮断および反射する。したがって、結合器48および49は赤色、緑色、および青色を結合し、集束レンズを通過させる。一実施形態では、各々のフィルタ結合器は、2個のプリズムとその間に配置された1個のフィルタから構成されるキューブプリズムである。好ましくは、キューブプリズムの全面は、LEDリサイクリングユニット42〜46からのコリメート光を最小損失で効率的に伝送する導波路として機能するように研磨される。
下記の表2は図5の本発明を使用する潜在的なプロジェクタの出力を示している。
Figure 0006155200
表2における数値は、Osram Opto Semiconductors社(ドイツ)製のRGB LEDチップ、1.24インチのDLPチップおよびF/2.4プロジェクタ出力レンズに基づくものである。本発明を使用しない場合、7LEDモジュールによる出力は、12288.5(赤色から3920、緑色から7371、青色から997.5)であり、最終的なプロジェクタの出力は4301ルーメン(12288.5の35%)である。
しかし、本発明のリサイクル技術を使用することによって、出力は80%増加する。12289ルーメンの代わりに、赤色、緑色、および青色LEDリサイクリングユニット42〜46の組み合わせからの合計出力は、18486ルーメンであり、最終的なプロジェクタの出力は6470ルーメンであり、本発明を使用しない場合の4301ルーメンから大幅に改善している。
図6は本発明の一態様によるLEDリサイクリング照明ユニット2を使用する他の投影システム60の概略図を示している。LEDリサイクリングユニット2を含む照明システム60は、LCD(liquidcrystal display)およびLCOS(liquid crystal on silicon)投影システム60に使用することができる。図2に示すような構成の白色LEDシステムに関して、LEDリサイクリングユニット2からの出力平行ビームは反射偏光子52に入射し、この反射偏光子52は、一方の偏光を通し、他方の偏光をリサイクリングユニット2に向かって反射して、これによって、リサイクリングユニット2のリサイクリング効果をさらに高める。反射偏光子52の出力は、次に、LCD又はLCOS投影エンジン36に入射する。これらのシステムでは、LEDリサイクリングユニット2が、通常のアーク灯の代わりに照明システムとして使用される。
使用するLCDパネルのサイズに応じて、出力ビームは、図7に示すように、ビームサイズを変更する必要がある場合がある。図7Aは、ビームの断面サイズを所定量縮小するビームサイズ変換器70を示している。図7Bは、ビームの断面サイズを所定量拡大するビームサイズ変換器72を示している。
図8は本発明の一態様によるLEDリサイクリング照明ユニットを使用するLCD投影システム78の概略図を示している。
図6とは異なり、図8の照明システムは、赤色、緑色および青色を出力する3個の別体のLEDリサイクリングユニット42〜46を使用する。3個のLEDリサイクリングユニット42〜46は、必要に応じて、図7A〜Bのサイズ変換レンズ系70,72も含むことができる。投影システム78は、赤色、緑色、青色LCDイメージングパネル80,82,84およびXキューブ88も含んでいる。Xキューブ88は、3個のイメージングパネル80〜84からの照明画像を結合し、これらの画像を投影レンズ系86に導く。
図9は本発明の一態様によるLEDリサイクリング照明ユニットを使用するLCOS投影システム100の概略図を示している。図8と同様に、LCOS投影システム100は、赤色、緑色、および青色を出力する3個のカラーLEDリサイクリングユニット42〜46 46を含む。3個のLEDリサイクリングユニット42〜46は、必要に応じて、図7A〜Bのサイズ変換レンズ系70,72も含むことができる。投影システム100はまた、赤色、緑色、青色LCOSイメージングパネル90,92,94と、偏光ビームスプリッタ(PBS)96,97,98と、Xキューブ99とを含む。Xキューブ99は、3個のイメージングパネル90〜94からの照明画像を結合し、それらを投影レンズ系86に導く。特に、緑色LEDリサイクリングユニットからのコリメート光が緑色LCOSイメージングパネルによって結像され、結像された光がPBS97によってXキューブ99内に反射されるように、PBS97は緑色LEDリサイクリングユニット44の後方に位置決めされ、緑色LCOSイメージングパネル92はPBS97の後方に位置決めされる。
当業者には周知のように、LCSおよびLCOS投影システム78、100は、偏光を使用する。したがって、各々のLEDリサイクリングユニット42〜46に、図10Aおよび10Bに示す偏光回収システムを追加することができる。図10Aは、反射偏光子52と波長板102とを有する一実施形態を示している。未利用の偏光はLEDリサイクリングユニット42〜46内に戻るように反射され、これによってリサイクル量が更に増加し、偏光出力量も増加する。波長板102は、好ましくは1/4波長板であり、1/4波長板は、反射光がこの中を2回通って光の偏光の方向を90°変更する。
図10Bは、PBSアレイ102と、LEDリサイクリングユニット42〜46とPBSアレイ102との間に介在させたフライアイレンズアレイ104と、を含む偏光回収システムを図解している。
上述した全ての実施形態において、LEDリサイクリングユニットで使用される各々のLEDモジュール18は、単一の大きな発光領域を有し、あるいは、それによって複数の発光領域を提供する、より小さなLEDのアレイを有することができる。一般的に、7個のLED以外のアレイを使用することができる。例えば、2個以上のLEDリサイクリングモジュール18のアレイを使用することができる。LEDモジュール18がハニカム状に最密充填される場合、1個のLEDモジュールの周囲にLEDモジュールのリングを充填し、7個のLEDアレイを形成する。例えば、19個のLEDモジュール照明システムにおけるような1つ以上のリングを更に追加して光出力を増加することができる。
上記の開示は、一例であり、網羅することを意図していない。本記述は、本発明の範囲から逸脱することなく当業者によって多くの改良、変形、および変更がなされ得ることを示している。当業者であれば、本書に記述された具体的な実施形態の他の等価物が分かる。したがって、本発明の範囲は上記明細書に制限されない。

Claims (19)

  1. 発光ダイオード(LED)照明システムであって、
    少なくとも1個のLEDリサイクリングユニットを備え、
    前記少なくとも1個のLEDリサイクリングユニットは、互いに近接配置された複数のLEDモジュールを含み、
    各々の前記LEDモジュールは、
    光を放射する発光領域を有する少なくとも1個のLED素子と、
    湾曲表面を有し、前記発光領域からの光を前記LED素子に戻るように反射するように位置決めされ、放射光を出射させる透過開口を有するリサイクリングリフレクタと、を備え、
    各々が前記LEDモジュールの関連する1個のLEDモジュールから出射する光を受光してコリメートするように配置された複数のコリメーティングレンズ、を備え
    前記コリメーティングレンズのうちの少なくとも1個と前記関連するLEDモジュールの前記透過開口は、両方とも概して正六角形であるLED照明システム。
  2. 前記複数のLEDモジュールは、
    中心LEDモジュールと、
    前記中心LEDモジュールから均等に離間し、前記中心LEDモジュールの周囲に配置された6個のLEDモジュールと、を含む請求項1記載のLED照明システム。
  3. 前記複数のLEDモジュールが正六角形状に配置されている請求項2記載のLED照明システム。
  4. 前記コリメーティングレンズのうち少なくとも1個は概して正六角形である請求項1記載のLED照明システム。
  5. 前記少なくとも1個のコリメーティングレンズは丸められた角部を有する請求項4記載のLED照明システム。
  6. 前記コリメーティングレンズのうちの少なくとも1個の形状は、部分的に円形、かつ、部分的に六角形である請求項1記載のLED照明システム。
  7. 各々の前記LEDモジュールは第1のヒートシンクを含み、
    前記LEDリサイクリングユニットは、
    前記第1のヒートシンクと熱交換を行う状態にある共通のヒートシンクと、
    前記共通のヒートシンクに取付けられたファンと、を含む請求項1記載のLED照明システム。
  8. 前記複数のコリメーティングレンズは1個の一体成形品である請求項1記載のLED照明システム。
  9. 前記LEDリサイクリングユニットを出た光を受光するように位置決めされた投影エンジンをさらに備える請求項1記載のLED照明システム。
  10. 前記少なくとも1個のLEDリサイクリングユニットは、
    コリメート赤色光を生成する第1のLEDリサイクリングユニットと、
    コリメート緑色光を生成する第2のLEDリサイクリングユニットと、
    コリメート青色光を生成する第3のLEDリサイクリングユニットと、
    前記赤色、緑色、および青色光を結合するビーム結合器と、を備える請求項記載のLED照明システム。
  11. 前記投影エンジンはDLP投影エンジンであり、
    前記LEDリサイクリングユニットの正面に位置決めされた集束レンズと、
    前記集束レンズの正面、かつ、前記DLP投影エンジンの後方に位置決めされたライトパイプと、をさらに備える請求項記載のLED照明システム。
  12. 前記投影エンジンはLCD又はLCOS投影エンジンであり、
    前記投影エンジンと前記少なくとも1個のLEDリサイクリングユニットとの間に位置決めされた偏光回収システムと、
    前記LEDリサイクリングユニットの正面に位置決めされた集束レンズと、
    前記集束レンズと前記投影エンジンとの間に位置決めされたライトパイプと、をさらに備える請求項記載のLED照明システム。
  13. 発光ダイオード(LED)照明システムであって、
    少なくとも1個のLEDリサイクリングユニットを備え、
    前記少なくとも1個のLEDリサイクリングユニットは、
    共通のヒートシンクと、
    互いに近接配置され前記共通のヒートシンクに取付けられた複数のLEDモジュールと、を含み、
    各々の前記LEDモジュールは、
    光を放射する発光領域を有する少なくとも1個のLED素子と、
    湾曲凹表面を有し、前記発光領域からの光を前記LED素子に戻るように反射するように位置決めされ、放射光を出射させる透過開口を有するリサイクリングリフレクタと、を含み、
    前記少なくとも1個のLEDリサイクリングユニットは、各々が前記LEDモジュールの内の関連する1個のLEDモジュールから出射する光を受光してコリメートするように配置され、各々の形状が前記関連するLEDモジュールの前記透過開口の形状と一致する、前記共通のヒートシンクに取付けられたコリメーティングレンズのアレイを備え
    前記コリメーティングレンズのうちの少なくとも1個と前記関連するLEDモジュールの前記透過開口は、両方とも概して正六角形であるLED照明システム。
  14. 前記LEDモジュールのアレイは、
    中心LEDモジュールと、
    前記中心LEDモジュールから均等に離間し、正六角形状に前記中心LEDモジュールの周囲に配置された6個のLEDモジュールと、を含む請求項13記載のLED照明システム。
  15. 前記コリメーティングレンズのうち少なくとも1個は概して正六角形である請求項14記載のLED照明システム。
  16. 前記コリメーティングレンズのうちの少なくとも1個の形状は、部分的に円形、かつ、部分的に六角形である請求項14記載のLED照明システム。
  17. 前記複数のコリメーティングレンズは1個の一体成形品である請求項13記載のLED照明システム。
  18. 前記LEDリサイクリングユニットを出た光を受光するように位置決めされた投影エンジンをさらに備える請求項13記載のLED照明システム。
  19. 前記少なくとも1個のLEDリサイクリングユニットは、
    コリメート赤色光を生成する第1のLEDリサイクリングユニットと、
    コリメート緑色光を生成する第2のLEDリサイクリングユニットと、
    コリメート青色光を生成する第3のLEDリサイクリングユニットと、
    前記赤色、緑色、および青色光を結合するビーム結合器と、を含む請求項13記載のLED照明システム。
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