JP6401340B2 - 照明システム - Google Patents

Description

本発明は一般に照明システムに関し、詳細には光導波路ポストを含む照明システムに関する。

現在、市場に出まわっている照明強度が高いイルミネーションシステムは、主として、投影ランプ、または列車、高速鉄道、等々などの高速移動車両に使用されている。例えば、米国特許第６８１９５０５号に、固体反射屈折レンズ配置が開示されており、内部全反射（ＴＩＲ）コレクタ部分は、光出力を捕獲し、かつ、平行にするための光源を包含するために組み込まれており、また、プロジェクタレンズ部分は、コレクタからのコリメート光をレンズの遠視野中に再投射するために組み込まれている。しかしながら、これらのイルミネーションシステムのほとんどは、現在、依然として従来のサーマルライトを使用しており、その設計には、通常、金属放物線反射カップまたは楕円体反射カップを使用したレンズ配置が必要である。

しかしながら、従来のサーマルライトは、エネルギー節約要求事項に対してはそれほどには有益ではなく、また、金属反射カップは、イルミネーションシステムの総重量を重くし、また、体積を大きくしている。

米国特許第６８１９５０５号

本発明は照明システムに関し、光導波路ポストの光放出部分は発光効率を高くするために有用であり、また、光導波路ポストの光集光部分の内部反射表面は少なくとも１つの楕円表面を含み、楕円表面の第２の焦点は、第２の焦点の位置を容易に確認することができるように光導波路ポストの内側に位置付けられ、したがって凸レンズを配設するのにさらに有利である。

本発明の概念によれば照明システムが提供される。照明システムは、ＬＥＤ光源と、凸レンズと、ＬＥＤ光源と凸レンズの間に配設された光導波路ポストとを含む。光導波路ポストは、光放出部分および光放出部分に接続された光集光部分を含む。光放出部分は、凸レンズと対向する光導波路ポスト光放出表面を有する。光集光部分は内部反射表面を有し、内部反射表面は少なくとも１つの楕円表面を含む。楕円表面は第１の焦点および第２の焦点を有し、第２の焦点は、第１の焦点と凸レンズの間に位置付けられ、また、第２の焦点は光導波路ポストの内側に位置付けられる。

本発明の上記および他の態様は、好ましいが非制限である実施形態についての以下の詳細な説明に関してより良好に理解されよう。以下の説明は、添付の図面を参照してなされる。

本発明の一実施形態による照明システムの略図である。 本発明の一実施形態による照明システムのそれぞれＸ−Ｙ平面およびＹ−Ｚ平面に沿った横断面図である。 本発明の一実施形態による照明システムの光路の略図である。 本発明の一実施形態による照明システムのそれぞれＸ−Ｙ平面およびＹ−Ｚ平面に沿った光路の略図である。 本発明の一実施形態による照明システムの光軸に対して直角の方向に沿った光パターンの略図である。 本発明の別の実施形態による照明システムのそれぞれＸ−Ｙ平面およびＹ−Ｚ平面に沿った横断面図である。 本発明の別の実施形態による照明システムのそれぞれＸ−Ｙ平面およびＹ−Ｚ平面に沿った光路の略図である。 本発明の別の実施形態による照明システムの光軸に対して直角の方向に沿った光パターンの略図である。

本発明においては、照明システムが提供される。光導波路ポストの光放出部分は発光効率を高くするために有用であり、また、光導波路ポストの光集光部分の内部反射表面は少なくとも１つの楕円表面を含み、楕円表面の第２の焦点は、第２の焦点の位置を容易に確認することができるように光導波路ポストの内側に位置付けられ、したがって凸レンズを配設するのにさらに有利である。

図解は必ずしもスケール通りに描かれているわけではなく、本開示の明確には図解されていない他の実施形態が存在し得る。したがって、本明細書および図面は、制限的な意味ではなく、例証的な意味で解釈されたい。さらに、本開示の実施形態で開示されている、詳細な構成、製造ステップおよび材料選択などの説明は、例示のためのものにすぎず、本開示の保護の範囲を制限するためのものではない。実施形態の細部におけるステップおよび要素は、実践的な用途の実際のニーズに応じて修正または変更され得る。本開示は、実施形態についての説明に限定されない。図解では、同じ／同様の記号を使用して同じ／同様の要素を表している。

図１および図２Ａ〜図２Ｂを参照すると、図１は、本発明の一実施形態による照明システム１０の略図を示したものであり、また、図２Ａおよび図２Ｂは、照明システム１０のそれぞれＸ−Ｙ平面およびＹ−Ｚ平面に沿った横断面図を示したものである。いくつかの二次要素は、本発明の実施形態の詳細な構造をより分かり易く図解するために、図面では省略されていることに留意されたい。

図１に示されているように、照明システム１０は、ＬＥＤ光源１００、凸レンズ２００および光導波路ポスト３００を含み、光導波路ポスト３００は、ＬＥＤ光源１００と凸レンズ２００の間に配設されている。光導波路ポスト３００は、光放出部分３１０および光集光部分３２０を含み、光集光部分３２０は光放出部分３１０に接続されている。光放出部分３１０は光導波路ポスト光放出表面３３０を有しており、光導波路ポスト光放出表面３３０は凸レンズ２００と対向している。光集光部分３２０は内部反射表面３４０を有しており、内部反射表面３４０は少なくとも１つの楕円表面を含む。楕円表面は、第１の焦点Ｆ１および第２の焦点Ｆ２を有している。第２の焦点Ｆ２は、第１の焦点Ｆ１と凸レンズ２００の間に位置付けられており、また、第２の焦点Ｆ２は、光導波路ポスト３００の内側に位置付けられている。

いくつかの実施形態では、ＬＥＤ光源１００は、第１の焦点Ｆ１の近くに位置付けられる。いくつかの他の実施形態では、ＬＥＤ光源１００は、実質的に第１の焦点Ｆ１に位置付けられ得る。いくつかの実施形態では、凸レンズ２００の焦点は、第２の焦点Ｆ２の近くに位置付けられる。いくつかの他の実施形態では、凸レンズ２００の焦点は、実質的に第２の焦点Ｆ２に位置付けられ得る。

図１に示されているように、照明システム１０は光軸ＯＡを有しており、光軸ＯＡは、図１に示されているようにＹ方向などに沿って延在している。実施形態では、図１に示されているように、光放出部分３１０は、光軸ＯＡに対して直角の方向に沿って第１の最大断面幅Ｗ１を有しており、光集光部分３２０は、光軸ＯＡに対して直角の方向に沿って第２の最大断面幅Ｗ２を有しており、また、第１の最大断面幅Ｗ１は、第２の最大断面幅Ｗ２より広い。

１つの実施形態では、第１の最大断面幅Ｗ１は、例えば、第２の最大断面幅Ｗ２の３倍未満、すなわちＷ１＜Ｗ２^＊３であってもよい。

実施形態では、光放出部分３１０の光導波路ポスト光放出表面３３０は、平らな表面であるか、または凸レンズ２００に向かって湾曲した凸表面である。例えば、図１に示されている実施形態では、光放出部分３１０の光導波路ポスト光放出表面３３０は、凸レンズ２００に向かって湾曲した凸表面である。

実施形態では、光導波路ポスト光放出表面３３０の面積は、光放出部分３１０と光集光部分３２０の間の界面の面積より実質的に広い。実施形態では、光導波路ポスト光放出表面３３０の形状は、それらに限定されないが、例えば、円形または多角形であってもよい。放出光の境界形状は、光導波路ポスト光放出表面３３０の形状を変更することによって放出光のパターンを調整することができるよう、光導波路ポスト光放出表面３３０の形状と同様にすることになる。いくつかの実施形態では、光導波路ポスト光放出表面３３０は、例えば、光軸ＯＡに対して直角にすることができる。いくつかの実施形態では、光導波路ポスト光放出表面３３０は、光軸ＯＡの直交平面から少しだけずらすことも可能である。本発明の実施形態によれば、光導波路ポスト光放出表面３３０から放出される光の量は、例えば、ＬＥＤ光源１００から放出される光の量の６５％に等しいか、またはそれより多い。

実施形態では、図１に示されているように、光放出部分３１０は、光軸ＯＡの方向に沿って第１の長さＬ１を有しており、光集光部分３２０は、光軸ＯＡの方向に沿って第２の長さＬ２を有しており、また、第１の長さＬ１は、第２の長さＬ２より短い。

本発明の実施形態によれば、光放出部分３１０の構造は迷光を集光するのに有用であり、したがって、それに応じて発光効率がさらに高くなる。

実施形態では、図１に示されているように、光集光部分３２０は、光導波路ポスト光入力表面３５０をさらに有している。光導波路ポスト光入力表面３５０はＬＥＤ光源１００と対向しており、また、光導波路ポスト光入力表面３５０は、光集光部分３２０の内側に向かって湾曲した凹表面である。実施形態では、ＬＥＤ光源１００は、光導波路ポスト光入力表面３５０の湾曲した表面から形成された凹所の内側に配設され得る。

光導波路ポスト光入力表面３５０の湾曲した表面は集光効率を高くすることができ、すなわち光導波路ポスト３００の中に集光される光の量を多くすることができる。さらに、平らな光導波路ポスト光入力表面の設計と比較すると、集光される光の量を多くするために、平らな光導波路ポスト光入力表面をＬＥＤ光源１００の近くに配設しなければならず、なおかつＬＥＤ光源１００との接触を回避しなければならず、そのため製造プロセスが困難であり、また、ＬＥＤ光源１００と平らな光導波路ポスト光入力表面との間の隙間は、角度が大きい光のリークの原因になり得る。それゆえに、本発明の実施形態によれば、光導波路ポスト光入力表面３５０の湾曲した表面は、組立てプロセスの困難性を低減することができる。

１つの実施形態では、光導波路ポスト光入力表面３５０は、例えば、光集光部分３２０の内側に向かう球面凹表面であり、また、ＬＥＤ光源１００は、この球面凹表面の焦点に位置付けられ得る。そのようにして、光が光導波路ポスト光入力表面３５０を通過して光集光部分３２０に入射する際の屈折は生じない。

実施形態では、凸レンズ２００は、平面−凸レンズまたは両凸レンズであり、また、凸レンズ２００は、球面レンズまたは非球面レンズである。実施形態では、凸レンズ２００の材料は、ガラスまたはプラスチックであってもよい。例えば、図１に示されている実施形態では、凸レンズ２００は平面−凸レンズである。いくつかの実施形態では、凸レンズ２００は、例えば、魚眼レンズである。本発明の実施形態によれば、凸レンズ２００の凸レンズ光放出表面２２０から放出される光の量は、ＬＥＤ光源１００から放出される光の量の４０％に等しいか、またはそれより多くなるようになっている。

実施形態では、図２Ａ〜図２Ｂに示されているように、照明システム１０は基板５００をさらに含むことができ、ＬＥＤ光源１００は基板５００の上に配設される。実施形態では、ＬＥＤ光源１００および光導波路ポスト３００は互いに離れている。実施形態では、基板５００は印刷回路基板（ＰＣＢ）などである。

図１および図２Ａ〜図２Ｂに示されている実施形態では、光集光部分３２０の内部反射表面３４０全体は楕円表面であり、また、光軸ＯＡの方向に沿った光導波路ポスト３００の断面は、すべて対称形状を有している。

図３を参照すると、本発明の一実施形態による照明システム１０の光路の略図が示されている。図３に示されているように、ＬＥＤ光源１００は第１の焦点Ｆ１の近くに位置付けられており、また、凸レンズ２００の焦点は、ＬＥＤ光源１００の光のエネルギーが再集光され、ＬＥＤ光源１００から放出された光のほとんどが光導波路ポスト３００を介して第２の焦点Ｆ２に集束され、凸レンズ２００が光導波路ポスト３００から放出された光を集光し、かつ、光を小さい放出角度で照明システム１０から放出して、投影光の超高強度の効果を達成することができるよう、第２の焦点Ｆ２に位置付けられている。

具体的に言うと、図３に示されているように、ＬＥＤ光源１００から放出された光Ｌのほとんどは、光集光部分３２０の内部反射表面３４０によって反射され、第２の焦点Ｆ２に収束した後、光放出部分３１０の光導波路ポスト光放出表面３３０から放出され、引き続いて凸レンズ光入力表面２１０を介して凸レンズ２００に入射する。凸レンズ２００の焦点は実質的に第２の焦点Ｆ２に位置付けられることにより、したがって凸レンズ２００の凸レンズ光放出表面２２０から放出される光Ｌ’の放出角度は極めて小さく、すなわち光Ｌ’は、凸レンズ２００の凸レンズ光放出表面２２０から放出される、ほぼ平行のコリメート光である。言い換えると、光放出部分３１０の光導波路ポスト光放出表面３３０と相俟った、光集光部分３２０の内部反射表面３４０の楕円表面の設計により、光を凸レンズ２００の焦点面に効果的に集束させて、高い強度を有し、放出角度が小さく、かつ、６５％以上の高い発光効率を有するコリメート光を提供する効果を達成することができる。

照明システムの設計は、凸レンズ２００の焦点を楕円表面の第２の焦点の近くにするか、または実質的に楕円表面の第２の焦点に位置付けることであり、また、第２の焦点が光導波路ポスト３００の外側に位置付けられる場合、第２の焦点の実際の位置を確認するためには、光導波路ポスト３００と空気の間の界面を通過する光によって生じる屈折の影響をさらに考慮しなければならない。そのようにして、第２の焦点を光導波路ポスト３００の外側に位置付ける設計は、焦点の位置を確認するためには好ましくなく、したがって凸レンズ２００を配設するためにはさらに不利である。それとは対照的に、本発明の実施形態によれば、第２の焦点Ｆ２は、第２の焦点Ｆ２の位置を容易に確認することができるように光導波路ポスト３００の内側に位置付けられ、したがって凸レンズ２００を配設するのにさらに有利である。

図４Ａおよび図４Ｂは、本発明の一実施形態による照明システム１０のそれぞれＸ−Ｙ平面およびＹ−Ｚ平面に沿った光路の略図を示したものであり、また、図５は、照明システム１０の光軸ＯＡに対して直角の方向に沿った光パターンの略図を示したものである。図３に示されている光路の略図は、図４Ａに示されているＸ−Ｙ平面に沿った光路の略図と等しいと見なされ得る。

図４Ａ〜図４Ｂに示されているように、光軸ＯＡの方向（Ｙ方向）に沿った光導波路ポスト３００の断面がすべて対称形状を有している場合、言い換えると、光軸ＯＡに対して直角の方向（例えば、Ｘ方向およびＺ方向）に沿った光導波路ポスト３００の断面幅がすべて同じである場合、光Ｌは、内部反射表面３４０によって反射されて第２の焦点Ｆ２に集束した後、凸レンズ２００の凸レンズ光放出表面２２０から放出される光Ｌ’は、すべて極めて小さい放出角度を有している。すなわち、光軸に対して平行の任意の平面（例えば、Ｘ−Ｙ平面またはＹ−Ｚ平面）からの視点に無関係に、光Ｌ’は、凸レンズ２００の凸レンズ光放出表面２２０から放出される、ほぼ平行のコリメート光である。さらに、図５に示されているように、光Ｌ’の光パターン６００は実質的に円形である。

図６Ａおよび図６Ｂは、本発明の別の実施形態による照明システム２０のそれぞれＸ−Ｙ平面およびＹ−Ｚ平面に沿った横断面図を示したものである。いくつかの二次要素は、本発明の実施形態の詳細な構造をより分かり易く図解するために、図面では省略されていることに留意されたい。この実施形態における要素のうち、上で説明した実施形態におけるラベルと同様のラベルまたは同じラベルを共有している要素は、同様の要素または同じ要素であり、その説明は省略される。

図６Ａ〜図６Ｂに示されているように、照明システム２０は、ＬＥＤ光源１００、凸レンズ２００および光導波路ポスト２３００を含み、光導波路ポスト２３００は、ＬＥＤ光源１００と凸レンズ２００の間に配設されている。光導波路ポスト２３００は、光放出部分３１０および光集光部分３２０を含み、光集光部分３２０は光放出部分３１０に接続されている。光放出部分３１０は光導波路ポスト光放出表面３３０を有しており、光導波路ポスト光放出表面３３０は凸レンズ２００と対向している。光集光部分３２０は内部反射表面３４０を有しており、内部反射表面３４０は少なくとも１つの楕円表面を含む。楕円表面は、第１の焦点Ｆ１および第２の焦点Ｆ２を有している。第２の焦点Ｆ２は、第１の焦点Ｆ１と凸レンズ２００の間に位置付けられており、また、第２の焦点Ｆ２は、光導波路ポスト２３００の内側に位置付けられている。

いくつかの実施形態では、光集光部分３２０の内部反射表面３４０は、追加楕円表面、湾曲表面、放物線表面、双曲線表面またはそれらの任意の組合せをさらに含むことができる。図６Ａ〜図６Ｂに示されている実施形態では、光集光部分３２０の内部反射表面３４０は、Ｙ−Ｚ断面に沿って対向して配置された２つの楕円表面を有しており、また、光軸ＯＡの方向に沿った光導波路ポスト２３００の断面の各々は非対称（ｉｎ−ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ）形状を有している。

例えば、この実施形態では、図６Ａ〜図６Ｂに示されているように、光放出部分３１０は、光軸ＯＡに対して直角の方向（例えば、Ｘ方向）に沿って第１の最大断面幅Ｗ１を有しており、光放出部分３１０は、光軸ＯＡに対して直角の別の方向（例えばＺ方向）に沿って光放出部分断面幅Ｗ１−１をさらに有しており、光放出部分断面幅Ｗ１−１の延在方向は、第１の最大断面幅Ｗ１の延在方向とは異なっており、また、光放出部分断面幅Ｗ１−１は第１の最大断面幅Ｗ１より狭い。例えば図６Ａ〜図６Ｂに示されているように、第１の最大断面幅Ｗ１はＸ方向に沿って延在しており、また、光放出部分断面幅Ｗ１−１はＺ方向に沿って延在している。

例えば、この実施形態では、図６Ａ〜図６Ｂに示されているように、光集光部分３２０は、光軸ＯＡに対して直角の方向（例えば、Ｘ方向）に沿って第２の最大断面幅Ｗ２を有しており、光集光部分３２０は、光軸ＯＡに対して直角の別の方向（例えば、Ｚ方向）に沿って光集光部分断面幅Ｗ２−１をさらに有しており、光集光部分断面幅Ｗ２−１の延在方向は、第２の最大断面幅Ｗ２の延在方向とは異なっており、また、光集光部分断面幅Ｗ２−１は第２の最大断面幅Ｗ２より狭い。例えば、図６Ａ〜図６Ｂに示されているように、第２の最大断面幅Ｗ２はＸ方向に沿って延在しており、また、光集光部分断面幅Ｗ２−１はＺ方向に沿って延在している。

図７Ａおよび図７Ｂは、本発明の別の実施形態による照明システム２０のそれぞれＸ−Ｙ平面およびＹ−Ｚ平面に沿った光路の略図を示したものであり、また、図８は、照明システム２０の光軸ＯＡに対して直角の方向に沿った光パターンの略図を示したものである。

図７Ａ〜図７Ｂに示されているように、光軸ＯＡの方向（Ｙ方向）に沿った光導波路ポスト２３００の断面の各々が非対称（ｉｎ−ｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ）形状を有している場合、言い換えると、光軸ＯＡに対して直角の異なる方向（例えば、Ｘ方向およびＺ方向）に沿った光導波路ポスト２３００の断面幅が異なる場合、光Ｌは、内部反射表面３４０によって反射されて第２の焦点Ｆ２に集束した後、凸レンズ２００の凸レンズ光放出表面２２０から放出される光Ｌ’は、光軸ＯＡに対して直角の異なる方向に異なる放出角度を有することになる。例えば、図７Ｂに示されているように、光軸ＯＡに対して平行のＹ−Ｚ平面から見ると、光Ｌ’は、凸レンズ２００の凸レンズ光放出表面２２０から放出される、ほぼ平行のコリメート光である。しかしながら、図７Ａに示されているように、光軸ＯＡに対して平行のＸ−Ｙ平面から見ると、凸レンズ２００の凸レンズ光放出表面２２０から放出される光Ｌ’は、より大きい放出角度を有している。さらに、図８に示されているように、光Ｌ’の光パターン７００は実質的に長方形である。

図５および図８に示されている結果によれば、放出される光の光パターンは、光軸ＯＡの方向に沿った光導波路ポストの断面の形状を調整することによって調整することができる。

本発明について、一例として、また、好ましい実施形態に関連して説明したが、本発明はそれには限定されないことを理解されたい。それどころか、様々な修正および同様の配置ならびに手順を網羅することが意図されており、それゆえに添付の特許請求の範囲は、すべてのこのような修正および同様の配置ならびに手順を包含するべく、最も広義の解釈に同意されるものとする。

１０、２０ 照明システム
１００ ＬＥＤ光源
２００ 凸レンズ
２１０ 凸レンズ光入力表面
２２０ 凸レンズ光放出表面
３００、２３００ 光導波路ポスト
３１０ 光放出部分
３２０ 光集光部分
３３０ 光導波路ポスト光放出表面
３４０ 内部反射表面
３５０ 光導波路ポスト光入力表面
５００ 基板
６００、７００ 光パターン
Ｆ１ 第１の焦点
Ｆ２ 第２の焦点
Ｌ 光
Ｌ’ 光
Ｌ１ 第１の長さ
Ｌ２ 第２の長さ
ＯＡ 光軸
Ｗ１ 第１の最大断面幅
Ｗ１−１ 光放出部分断面幅
Ｗ２ 第２の最大断面幅
Ｗ２−１ 光集光部分断面幅

Claims (9)

1. 照明システムであって、
   ＬＥＤ光源と、
   凸レンズと、
   前記ＬＥＤ光源と前記凸レンズの間に配設された光導波路ポストであって、
   前記凸レンズと対向する光導波路ポスト光放出表面を有する光放出部分と、
   前記光放出部分に接続された光集光部分と
   を備える光導波路ポストと
   を備え、
   前記光集光部分が内部反射表面を有し、前記内部反射表面が、第１の焦点および第２の焦点を有する少なくとも１つの楕円表面を備え、前記第２の焦点が前記第１の焦点と前記凸レンズの間に位置付けられ、前記第２の焦点が前記光導波路ポストの内側に位置付けられ、
   照明システムは光軸を有し、前記光放出部分が前記光軸に対して直角の方向に沿って第１の最大断面幅を有し、前記光集光部分が前記光軸に対して直角の方向に沿って第２の最大断面幅を有し、前記第１の最大断面幅が前記第２の最大断面幅より広く、
   前記第１の最大断面幅が前記第２の最大断面幅の３倍未満であり、
   前記光導波路ポスト光放出表面が、前記凸レンズに向かって湾曲した凸表面であり、前記第１の最大断面幅は、前記光放出部分及び前記光集光部分において最大の断面幅であり、前記第１の最大断面幅は、湾曲した前記凸表面と前記第２の最大断面幅との間に配置される、照明システム。
2. 前記照明システムが光軸を有し、前記光放出部分が前記光軸の方向に沿って第１の長さを有し、前記光集光部分が前記光軸の前記方向に沿って第２の長さを有し、前記第１の長さが前記第２の長さより短い、請求項１に記載の照明システム。
3. 前記光放出部分が前記光軸に対して直角の別の方向に沿って光放出部分断面幅をさらに有し、前記光放出部分断面幅の延在方向が前記第１の最大断面幅の延在方向とは異なり、前記光放出部分断面幅が前記第１の最大断面幅より狭い、請求項１に記載の照明システム。
4. 前記光集光部分が前記光軸に対して直角の別の方向に沿って光集光部分断面幅をさらに有し、前記光集光部分断面幅の延在方向が前記第２の最大断面幅の延在方向とは異なり、前記光集光部分断面幅が前記第２の最大断面幅より狭い、請求項１に記載の照明システム。
5. 前記ＬＥＤ光源が前記第１の焦点に位置付けられる、請求項１に記載の照明システム。
6. 前記光集光部分が前記ＬＥＤ光源と対向する光導波路ポスト光入力表面をさらに有し、前記光導波路ポスト光入力表面が前記光集光部分の内側に向かって湾曲した凹表面である、請求項１に記載の照明システム。
7. 前記光導波路ポスト光入力表面が前記光集光部分の内側に向かう球面凹表面である、請求項６に記載の照明システム。
8. 前記光集光部分の前記内部反射表面が追加楕円表面、湾曲表面、放物線表面、双曲線表面またはそれらの任意の組合せをさらに備える、請求項１に記載の照明システム。
9. 前記凸レンズが平面−凸レンズまたは両凸レンズであり、また、前記凸レンズが球面レンズまたは非球面レンズである、請求項１に記載の照明システム。

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