JP2008515138A - 照明システム - Google Patents

Abstract

照明システムは、複数（２）の光視準化部（１２，１２'，１２"）及び光混合部（３）を有する。前記光視準化部は、前記照明システムの長軸（２５）に沿って互いに略平行に構成される。前記光視準化部の各々は、少なくとも１つの発光素子（Ｒ、Ｇ、Ｂ）に関連する。前記発光素子の各々は、対応する前記光視準化部と１．３以上の屈折率を有する誘電物質を介して光学的に接する。前記光視準化部は、前記発光素子とは反対を向く側で前記光混合部に融合し、前記光視準化部及び前記光混合部は１つの一体部分を形成する。前記光混合部の光伝搬は全反射に基づいており、前記光混合部は前記長軸に平行な複数の面を有する。好適には、前記光混合部は、前記発光素子とは反対を向く側で、他の光視準化部を備える。

Description

本発明は、複数の光視準化部（light-collimating sections）及び光混合部を有する照明システムに関する。

この種の照明システム自体は既知である。これらは、中でも、（画像）表示装置、例えばテレビジョン受信器及びモニタのバックライティングとして用いられる。この種の照明システムは、非放射型ディスプレイ、例えば、（ポータブル）コンピュータ又は（コードレス）電話において用いられる液晶表示装置（ＬＣＤパネルとも呼ばれる）のためのバックライトとして特に適切に用いられることができる。本発明による照明システムの別のアプリケーション領域は、画像を投影するための又はテレビジョン番組、映画、ビデオ番組若しくはＤＶＤ等を表示するためのデジタルプロジェクタ又はいわゆるビーマにおける照明源としての使用である。更に、この種の照明システムは、スポットライト、アクセントライト、フラッドライト等の一般照明目的のために、そして、例えば標識、輪郭照明及びビルボードのために利用されるような大面積直視型発光パネルのために、用いられることができる。他のアプリケーションにおいては、このような照明システムによって発せられる光は、光ガイド、光ファイバ又は他のビーム成形光学部品に供給される。

一般的に、この種の照明システムは、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の複数の発光素子を有する。ＬＥＤは、異なった原色の発光素子（例えばよく知られた赤（Ｒ）、緑（Ｇ）又は青（Ｂ）の発光素子）であってよい。加えて、発光素子は、原色として、例えば、アンバー、マゼンタ又はシアンを有することができる。これらの原色は、発光ダイオードチップによって直接生成されることができ、又は、発光ダイオードチップからの光による照射に際して蛍光体によって生成されることができる。後者の場合、混合色又は白色の光も、原色のうちの１つとして可能である。一般的に、発光素子によって発せられた光は、透明素子の中で混合されて、均一分布の光を得ると同時に、照明システムによって発せられる光の特定の発光素子との相関を消滅させる。加えて、高い色精度を得るために、センサ及び何らかのフィードバックアルゴリズムを有するコントローラを用いることが知られている。

特開２００２−１３３９３２号の英訳は、異なった原色の３つのＬＥＤを有する光ガイド部材を有する照明システムを説明する。この既知の照明システムにおいて、照明システムによって発される光は、実質的に白くなるように混合される。光ガイド部材は、３つの凹部を有し、これらは、対応するＬＥＤのハウジングを収容するためのものである。この既知の照明システムにおいて、光ガイド部材の側面は湾曲面に形成され、光ガイド部材は、ＬＥＤとは反対を向く側において、ＬＥＤによって発される光が発される出口表面を備える。光ガイド部材の出口表面で、光ガイド部材は、出口表面から出る光を拡散するための拡散層を備えている。この既知の照明システムは、３つのＬＥＤのいずれかにおいて発光不具合が起きたら該ＬＥＤが白色発光機能を修復するために置換されることができるように、構成される。

既知の照明システムの欠点は、照明システムによって発される光が十分に均一でないということである。

本発明は、上記の欠点を全部又は一部解消することを目的とする。本発明によれば、この目的は、以下の照明システムによって達成される。即ち、照明システムであって、複数の光視準化部及び光混合部を有し、前記光視準化部は、前記照明システムの長軸に沿って互いに略平行に構成され、前記光視準化部の各々は、少なくとも１つの発光素子に関連し、前記発光素子の各々は、対応する前記光視準化部と１．３以上の屈折率を有する誘電物質を介して光学的に接し、前記光視準化部は、前記発光素子とは反対を向く側で前記光混合部に融合し（merge into）、前記光視準化部及び前記光混合部は１つの一体部分（integral part）を形成し、前記光混合部の光伝搬は全反射に基づいており、前記光混合部は前記長軸に平行な複数の面を有する、照明システムである。

本発明によれば、照明システムは、一体化された光学部品（integrated optics）を備えている。照明システムの光学部品は、２つの機能を組み込んだ単一の誘電体部分を有する。２つの機能とは即ち、発光素子によって発される光の視準と、発光素子によって発される光の空間的及び／又は角度的混合とである。多くの光視準化部が、照明システムの長軸に沿って互いに実質的に平行に構成される。光視準化部の各々は、単一の発光素子又は発光素子のクラスタに関連する。発光素子と、対応する光視準化部との間に光学接触を提供することによって、反射損は大幅に低減される。発光素子と対応する光視準化部との間の光学接触は、１．３以上の屈折率を有する誘電物質を発光素子と光視準化部との間に設けることによって、又は、発光素子と直接接触する１．３以上の屈折率を有する誘電物質を光視準化部の一部として設けることによって、得られる。好適には、光視準化部は、気体ではない光学的に透過性の誘電物質から形成される。

発光素子とは反対を向く側で、光視準化部は、光視準化部と一体部分を形成するための光混合部に融合する。光視準化部と光混合部との間での界面を回避することにより、本発明による照明システムにおける光伝播の効率は向上される。光視準化部及び光混合部を単一の誘電体の部分に形成することにより、界面におけるいわゆるフレネル反射損失が回避される。

発光素子によって発せられる光の伝播を全反射に基づくようにすることにより、光混合部における光損失は大部分回避される。加えて、光混合部に、長軸に平行に構成される複数の（略平らの）面を設けることにより、発光素子によって発せられる光の空間的混合は促進される。光混合部が略円形の外面を備えている場合、このことは発光素子によって発せられる光の空間的混合にとって好ましくない。

好適には、光混合部は４つ又は６つの面を備えている。このような数の面は、発光素子によって発せられる光の非常に良い空間的及び空間角度的（spatial and spatio-angular）混合を提供する。

本発明による照明システムによって発される光の分布は、略均一である。照明システムの寸法に応じて、照明システムによって発される光は、空間的及び角度的に実質的に混合される。加えて、照明システムによって発される光は、実質的に視準化される（平行化される）。

照明システムによって発される光の均一性は、光混合部の寸法を好ましい大きさにすることによって更に改善される。この目的のため、本発明による照明システムの好適な実施例は、長軸に平行な光混合部の長さｌ_ｍｓと光混合部の直径ｄ_ｍｓとの比が、

の範囲にあることを特徴とする。１０よりも大きいｌ_ｍｓ／ｄ_ｍｓの値は実現可能ではあるが、光混合部の寸法が現実的ではなくなる。３．５よりも小さいｌ_ｍｓ／ｄ_ｍｓの値は実現可能ではあるが、このような低い値では、照明システムによって発される光の空間的及び／又は角度的混合が比較的制限される。

本発明による照明システムの好適な実施例は、光視準化部の外面の一部が反射性であるか又は反射層を備えていることを特徴とする。反射層を設けることによって、発光素子によって発される光は、照明システムの光混合部の方向に伝播させられる。

照明システムの代替の好適な実施例によれば、光視準化部の光伝搬は、全反射に基づく。光視準化部の発光素子によって発される光の伝播を全反射に基づくようにすることによって、光混合部の光損失は、大部分避けられる。この実施例において、照明システムを形成している光混合部及び光視準化部の一体型誘電体部全体において、全反射に従う光伝搬が提供される。

照明システムによって発される光の視準は、発光素子によって発される光を視準するための追加の手段を設けることによって更に改善されることができる。この目的のため、本発明による照明システムの好適な実施例は、光混合部が、発光素子とは反対を向く側において、他の光視準化部を備えていることを特徴とする。上記他の光視準化部は、光混合部によって発される光のビームを更に視準する。

上記他の光視準化部を実現する種々の手段がある。第１の実施例においては、上記他の光視準化部は、光混合部から広がる円錐形状を有する。他の実施例では、上記他の光視準化部は、照明システムによって発される光ビームの均一化を更に向上させるためにファセットしている（faceted）。更に別の実施例では、上記他の光視準化部は、複合放物型集光器（Compound Parabolic Concentrator、ＣＰＣ）に実質的に従う形である。上記他の光視準化部の実施例の組合せが可能である。

本発明による照明システムの好適な実施例は、照明システムが光整形ディフューザ（light-shaping diffuser）（特にホログラフィックディフューザ）を有することを特徴とする。好適には、ホログラフィックディフューザは、ランダム化されたホログラフィックディフューザである。ホログラフィックディフューザの最も重要な効果は、均一な空間的及び角度的な色及び光分布が得られるということである。ホログラフィックディフューザの本性により、ホログラフィックディフューザ又はビーム整形器の寸法は、ターゲットに詳細が投影されることがないほどに小さいものであり、従って、空間的に及び／又は角度的にスムーズに変化する均一なビームパターンが結果として得られる。ホログラフィックディフューザの第２の効果は、照明システムによって発される光ビームの形に変化を引き起こすことである。好適には、ディフューザは、光混合部の誘電体部と一体化されて、光混合部の出口窓に位置する。

本発明のこれらの及び他の側面は、以下で説明される実施例を参照して説明され明らかにされる。

図は純粋に概略的であり、縮尺どおりに描かれていない。特に、一部の寸法は、明確さのため、強く誇張された形式で示される。図中における類似の部品は、可能な限り同一の参照番号で示される。

図１−Ａは、本発明による照明システムの第１の実施例の断面図を非常に概略的に示す。照明システムは、複数の発光素子、例えば複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）を有する。ＬＥＤは、異なった原色の発光素子であってよく、例えば、図１−Ａの例におけるように、よく知られた赤Ｒ、緑Ｇ又は青Ｂの発光素子であってよい。代わりに、発光素子は、例えば、アンバー、マゼンタ又はシアンを原色として持つことができる。原色は、発光ダイオードチップによって直接発生されることができ、又は、発光ダイオードチップからの光による照射に際して蛍光体によって発生されることができる。後者の場合、混合色又は白色の光も原色のうちの１つとして可能である。図１−Ａの例において、ＬＥＤ Ｒ、Ｇ、Ｂは、（メタルコア）プリント回路基板５上に搭載される。一般的に、ＬＥＤは、比較的高いソース輝度を有する。好適には、ＬＥＤの各々は、公称電力で駆動されたとき少なくとも１００ｍＷの放射出力を有する。このような高い出力を有するＬＥＤは、ＬＥＤパワーパッケージとも呼ばれる。このような高効率・高出力のＬＥＤの使用は、所望される比較的高い光出力においてＬＥＤの数が比較的小さくなりうるという特有の利点を有する。これは、製造されるべき照明システムのコンパクトさ及び効率に対して肯定的な影響を持つ。ＬＥＤパワーパッケージがこのような（メタルコア）プリント回路基板５上に搭載される場合、ＬＥＤによって発生される熱はＰＣＢを介した熱伝導によって容易に放散されることができる。照明システムの好適な実施例において、（メタルコア）プリント回路基板５は、熱伝導接続を介して照明システムのハウジング（図１−Ａに示されない）と接している。好適には、いわゆるネイキッド（naked）パワーＬＥＤチップは、例えば絶縁金属基板、シリコン基板、セラミック又は複合材料基板等の基板上に装着される。基板は、チップに対する電気接続を与え、熱交換器に熱を伝達する良好な熱輸送部としても働く。

図１−Ａに示される照明システムの実施例は、複数２の光視準化部１２，１２'，１２"及び光混合部３を有する。光視準化部１２，１２'，１２"は、照明システムの長軸２５に沿って互いに実質的に平行に構成される。より正確には、これら部分はそれぞれ回転対称軸を持ち、これら軸は、互いに及び長軸２５に実質的に平行に構成される。光視準化部１２，１２'、１２"は、少なくとも１つの発光素子Ｒ、Ｇ、Ｂと関連する。図１−Ａの例において、単一のＬＥＤが各々の光視準化部と関連する。代替実施例においては、各々の光視準化部にはより多くのＬＥＤが関連する。これは、同じ原色を持つ複数のＬＥＤ又は２つ以上の原色を持つ複数のＬＥＤのどちらであってもよい。

本発明によれば、発光素子Ｒ、Ｇ、Ｂの各々は、１．３以上の屈折率を持つ誘電材料を介して各光視準化部１２、１２'、１２"と光学的に接触する。好適には、光視準化部１２，１２'，１２"は、気体ではない光学的に透明な誘電材料でできている。

本発明によれば、複数２の光視準化部１２，１２'，１２"及び光混合部３は、単一の一体部１を形成する。この目的のため、光視準化部１２、１２'、１２"は、発光素子Ｒ、Ｇ、Ｂとは反対を向く側において光混合部３に融合する。光視準化部１２，１２'，１２"と光混合部３との間の界面を避けることにより、本発明による照明システムにおける光伝播の効率は大幅に向上される。光視準化部１２，１２'，１２"及び光混合部３を単一の誘電体部に形成することにより、界面におけるいわゆるフレネル反射損失が回避される。

本発明によれば、照明システムの光混合部３における光伝播は、全反射に基づくものであり、これにより、光混合部３における光損失は大幅に回避される。発光素子Ｒ、Ｇ、Ｂによって発せられる光線の幾つかの例が図１−Ａに示される。

加えて、光混合部３は、長軸２５に平行な複数の面を有し、これにより、発光素子によって発せられる光の空間的混合を促進する。光混合部が実質的に円形の外面を備えていれば、発光素子によって発せられる光の空間的混合は、十分に促進されないことになる。好適には、光混合部３は４つ又は６つの面を備える。このような数の面は、発光素子によって発せられる光の非常に良い空間的及び空間角度的混合を提供する。

ＬＥＤに基づく光発生器を、１つの誘電部を成す一体化された光学部品とともに構成することによって、照明システムの２つの機能は一体化される。即ち、複数のＬＥＤチップによって発せられた光の平行化と、この光の空間的及び／又は角度的混合とである。好適には、光視準化部２及び光混合部３は、アクリル材料又はガラスでできている。光視準化部は、好ましくは、発光素子上に直接又はこの周りに鋳造され、又は、封入体が発光素子と光視準化部との間に設けられる。本発明による照明システムは、光視準化部及び光混合部における実質的に損失のない全反射のおかげで、向上されたシステム効率を有する。加えて、光視準化部と光混合部とが単一の誘電体部として形成されることにより、照明システムの効率の非所望の損失に至ることになる界面が低減される。光学部品の数を減少させ、また、光学部品全体が単一の射出成形部品として作られるので、本発明による照明システムはコスト効率が良い。

図１−Ａの例において、照明システムは光ガイド２０に結合され、この光ガイドは、光ファイバー又は他の何らかの光ガイドであってよく、また、他のビーム形成光学部品を備えてもよい。光ガイドは、例えば、光を光ガイド部材の側から均一に発することにより、光を予め定められた態様で抽出する機能を有することができる。代替実施例において、本発明による照明システムによって発せられた光は、例えば、テレビジョンレシーバ及びモニタ等の（画像）表示装置における使用のためのバックライト照明システムを照光するのに用いられる。本発明による照明システムの別のアプリケーション領域は、画像を投影するための又はテレビジョン番組、映画、ビデオ番組若しくはＤＶＤ等を表示するためのデジタルプロジェクタ又はいわゆるビーマにおける照明源としての使用である。本発明による照明システムの更に別のアプリケーション領域は、標識、ライトタイル、輪郭照明等の直視ルミナンスアプリケーションにおける照明源としての使用である。本発明による照明システムの他のアプリケーション領域において、照明システムは、端又は側面で発光するファイバ又はファイバーバンドル等の光ガイドに光をカップリングするために用いられる。

光視準化部１２、１２'、１２"の外面の一部は、反射性にされるか、又は、反射層（図１−Ａに示されない）を設けられることができ、該反射層は、光視準化部の誘電体と直接接触するか、若しくは、光の一部が全反射によって反射され他の伝達される部分が外部反射器によって反射されるように光視準化部と直接接触しない別個の構成要素として設けられる。しかし、光視準化部１２、１２'、１２"の光伝搬は、光視準化部１２、１２'、１２"の光伝搬を全反射に基づくようにすることによって促進される。これは、反射に起因するいかなる損失も避け、光視準化部及び光混合部を通じる伝播の最中に光を反射するための有利な機構である。しかし、光視準化部の各々の一部に反射層を設けることは、光視準化部間のより小さいピッチ（即ち光源のより密度の高いパッキング）を可能にし、従って、システムの全体的なサイズを大幅に低減させる。このような実施例では、好適には、光視準化部は、少なくとも部分的には、いわゆる複合放物型集光器（ＣＰＣ）として設計される。好適には、光視準化部における光の視準は、これらの光線が光混合部の側壁と相互作用するときに全反射の枠組み（regime of total internal reflection）内に留まるような、光軸に対する伝播の角度に限られている。このようにして、或る程度の均一化のために必要な光混合部の長さは最小化され、最小の全体的なシステム寸法を可能にする。代替実施例においては、光視準化部の形状は、複合放物型集光器の形状に類似しているが完全に一致はしていない。

光混合部の寸法が適切に選択される場合、光混合部３における光の混合が促進される。好適には、長軸２５に平行に測定される光混合部３の長さｌ_ｍｓと光混合部３の厚さの特性寸法（光混合部３の直径ｄ_ｍｓと称される）との比は、

の範囲にある。比ｌ_ｍｓ／ｄ_ｍｓの非常に適切な値は、約５である。

図１−Ｂ及び図１−Ｃは、図１−Ａで示される照明システムの光視準化部及び光混合部の２つの代替実施例の斜視図である。図１−Ｂは、光混合部３が４つの面を有する光視準化部２及び光混合部３の実施例を示す。図１−Ｃは、光混合部３が６つの面を有する光視準化部２及び光混合部３の実施例を示す。両実施例において、全ての面は、長軸２５に対して平行に位置決めされる。図１−Ｂ及び１−Ｃの両方において、光混合部は３は単一の部品からなる。発光素子Ｒ、Ｇ、Ｂは、図１−Ｂ及び１−Ｃにおいて非常に概略的に示される。

図２は、本発明による照明システムの第２の実施例の断面図を非常に概略的に示す。図２の実施例において、光混合部３は、発光素子Ｒ、Ｇ、Ｂとは反対の方向を向く側で、発光素子によって発される光を視準するための他の光視準化部１５を備えている。他の光視準化部１５を設けることによって、照明システムによって発される光の視準は、更に改善される。加えて、他の光視準化部１５は、照明システムによって発される光のビームを追加の光システムの所望の開口数に更に効果的に視準する。図２の例において、他の光視準化部１５は、光混合部３から広がる円錐形状を有する。加えて又は代替的に、図１−Ｂ及び１−Ｃの実施例に示されたように、他の光視準化部１５はファセットされ、及び／又は、他の光視準化部１５は、複合放物型集光器に実質的に従う形である。

通常、ＬＥＤは完全な半球に従って又はそれより大きく放射する。このような比較的小さい発光素子からの光を視準するためにレンズを用いることは、生成される光の比較的小さい部分しか効果的に用いられていないということを意味する。ほぼ完全に効率的なコリメータは、いわゆる複合放物型集光器（ＣＰＣ）又はかなり類似したコリメータである。通常、ＬＥＤ表面は均一に放射しないので、また、異なった色のＬＥＤが用いられることができるので、追加の均質化ステップが必要である。光視準化部の上の一体化ロッド（integral rod）は、これを達成するためのオプションのうちの１つである。ＣＰＣ及び一体化ロッドは、組み合わせて１つの（プラスチック）部品にされることができる。１つのＣＰＣと比較して、２つのＣＰＣを用いることが有利である。このような構成では、追加の光視準化部が、両ＣＰＣ間に位置することができる。小さい一体化ロッド部における効率的な均質化にちょうど十分なほどにビームが視準されるので、装置はかなり小さくなる。好適には、第２のＣＰＣは、その次の光学システムの所望の開口数にビームを視準する。

図２の例において、照明システムはホログラフィックディフューザ１７を有する。好適には、ホログラフィックディフューザは、ランダム化されたホログラフィックディフューザである。ホログラフィックディフューザの最も重要な効果は、略均一な空間的及び角度的な色及び光分布が得られるということである。

上述の実施例は本発明を制限するのではなく説明しているのであり、当業者は多くの代替実施例を添付の請求の範囲から逸脱することなく設計することができることに注意されたい。請求の範囲において、括弧の間に配置されたいかなる参照記号も請求の範囲を制限するものと解釈されてはならない。動詞「有する（comprise）」及びその活用形は、請求の範囲中に記載された以外の要素又はステップの存在を排除するものではない。要素に先行する冠詞「a」又は「an」は、このような要素が複数存在することを排除するものではない。本発明は、幾つかの別個の要素を有するハードウェアによって実現されることができ、また、適切にプログラムされたコンピュータによって実現されることもできる。幾つかの手段を列挙する装置クレームにおいて、これら手段の幾つかは、ハードウェアの同一のアイテムによって実現されることができる。或る手段が互いに異なる従属クレームに記載されているという事実は、これらの手段の組合せが有利に用いられることができないということを示すものではない。

本発明による照明システムの第１の実施例の断面図である。 図１−Ａで示す照明システムの光視準化部及び光混合部の代替実施例の斜視図である。 図１−Ａで示す照明システムの光視準化部及び光混合部の代替実施例の斜視図である。 本発明による照明システムの第２の実施例の断面図である。

Claims (13)

1. 照明システムであって、
   複数の光視準化部及び光混合部を有し、
   前記光視準化部は、前記照明システムの長軸に沿って互いに略平行に構成され、
   前記光視準化部の各々は、少なくとも１つの発光素子に関連し、
   前記発光素子の各々は、対応する前記光視準化部と１．３以上の屈折率を有する誘電物質を介して光学的に接し、
   前記光視準化部は、前記発光素子とは反対を向く側で前記光混合部に融合し、
   前記光視準化部及び前記光混合部は１つの一体部分を形成し、
   前記光混合部における光伝搬は全反射に基づいており、
   前記光混合部は前記長軸に平行な複数の面を有する、
   照明システム。
2. 請求項１に記載の照明システムにおいて、前記長軸に平行な前記光混合部の長さｌ_ｍｓと前記光混合部の直径ｄ_ｍｓとの比が、
   

   

   である、照明システム。
3. 請求項１又は２に記載の照明システムにおいて、前記光視準化部の外面の一部は、反射性であるか又は反射層を備えている、照明システム。
4. 請求項３に記載の照明システムにおいて、前記光視準化部の前記反射面は、複合放物型集光器に実質的に従う形である、照明システム。
5. 請求項１又は２に記載の照明システムにおいて、前記光視準化部における光伝播は全反射に基づく、照明システム。
6. 請求項１又は２に記載の照明システムにおいて、前記光混合部は４つ又は６つの面を備える、照明システム。
7. 請求項１又は２に記載の照明システムにおいて、前記光混合部は、前記発光素子とは反対を向く側において他の光視準化部を備える、照明システム。
8. 請求項７に記載の照明システムにおいて、前記他の光視準化部は、光混合部から広がる円錐形状を有する、照明システム。
9. 請求項７に記載の照明システムにおいて、前記他の光視準化部はファセットしている、照明システム。
10. 請求項６に記載の照明システムにおいて、前記他の光視準化部は、複合放物型集光器に実質的に従う形である、照明システム。
11. 請求項１又は２に記載の照明システムにおいて、ホログラフィックディフューザを有し、該ホログラフィックディフューザは、前記照明システムの出口窓又は前記照明システムの前記光混合部の出口窓に設けられる、照明システム。
12. 請求項１又は２に記載の照明システムにおいて、前記発光素子は、少なくとも第１の原色の第１の発光ダイオードと、少なくとも第２の原色の第２の発光ダイオードと、少なくとも第３の原色の第３の発光ダイオードとを有し、これら３つの原色は互いに異なる、照明システム。
13. 請求項１２に記載の照明システムにおいて、前記発光ダイオードの各々は、公称電力において駆動されたときに少なくとも１００ｍＷの放射出力を有する、照明システム。

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