(57)【要約】  本発明は、光を形成する発光ダイオード（２）、それぞれ光入射面および光出射面を１つずつ有し光を整形する第１の光学素子（５）および第２の光学素子（６）、ならびに、発光ダイオードと第１の光学素子と第２の光学素子とを通って延在する光軸（４）を有する照明装置（１）に関する。ここで、第１の光学素子の光出射面は発光ダイオードで形成される光（７）の所定の光成分（７１）を第２の光学素子への入射前に意図的に光軸から屈折させ、第２の光学素子の光出射面は当該の光成分を意図的にさらに光軸から屈折させる。
2009510731.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を形成する発光ダイオード（２）、それぞれ光入射面（５１；６１）および光出射面（５２；６２）を１つずつ有し光を整形する第１の光学素子（５）および第２の光学素子（６）、ならびに、発光ダイオードと第１の光学素子（５）と第２の光学素子（６）とを通って延在する光軸（４）を有する
照明装置（１）において、
第１の光学素子の光出射面は発光ダイオードで形成される光（７）の所定の光成分（７１）を第２の光学素子への入射前に光軸から離れる方向へ屈折させ、第２の光学素子の光出射面は当該の光成分を光軸から離れる方向へさらに屈折させる
ことを特徴とする照明装置。
【請求項２】
第１の光学素子（５）は発光ダイオード内で形成された光を拡大するために構成され配置されており、第２の光学素子（６）は第１の光学素子を通った光をさらに拡大するために構成され配置されている、請求項１記載の照明装置。
【請求項３】
第２の光学素子を通過した後の光成分（７１）が光軸（４）に対して有する角度（９）は、第１の光学素子を通過して第２の光学素子へ入力される光成分が光軸に対して有する角度（８）より大きい、請求項１または２記載の照明装置。
【請求項４】
第２の光学素子（６）の光出射面（６２）と第１の光学素子（５）の光出射面（５２）とは等しく成形されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の照明装置。
【請求項５】
第１の光学素子（５）の光出射面（５２）は凹状に湾曲した部分領域（５２０）を有する、請求項１から４までのいずれか１項記載の照明装置。
【請求項６】
第２の光学素子（６）の光出射面（６２）は凹状に湾曲した部分領域（６２０）を有する、請求項１から５までのいずれか１項記載の照明装置。
【請求項７】
第１の光学素子（５）の光出射面（５２）は凸状に湾曲した部分領域（５２１）を有する、請求項１から６までのいずれか１項記載の照明装置。
【請求項８】
第２の光学素子（６）の光出射面（６２）は凸状に湾曲した部分領域（６２１）を有する、請求項１から７までのいずれか１項記載の照明装置。
【請求項９】
凸状に湾曲した部分領域は凹状に湾曲した部分領域をラテラル方向で包囲している、請求項５から８までのいずれか１項記載の照明装置。
【請求項１０】
光軸（４）は、第１の光学素子（５）の光出射面（５２）の凹状に湾曲した部分領域（５２０）と第２の光学素子（６）の光出射面（６２）の凹状に湾曲した部分領域（６２０）とを通って延在する、請求項５または６記載の照明装置。
【請求項１１】
第１の光学素子（５）の光出射面（５２）と第２の光学素子（６）の光出射面（６２）とはそれぞれ１つずつ対称軸線を有する、請求項１から１０までのいずれか１項記載の照明装置。
【請求項１２】
第１の光学素子（５）と第２の光学素子（６）とはそれぞれの光出射面の対称軸線が一致するように配置されている、請求項１１記載の照明装置。
【請求項１３】
第１の光学素子（５）と第２の光学素子（６）とはそれぞれの光出射面（５２；６２）の対称軸線と光軸（４）とが一致するように配置されている、請求項１１記載の照明装置。
【請求項１４】
第２の光学素子（６）の光入射面（６１）は凹部（１１）を有し、第１の光学素子（５）の光出射面（５２）は該凹部内へ突出している、請求項１から１３までのいずれか１項記載の照明装置。
【請求項１５】
凹部（１１）は第１の光学素子（５）の光出射面（５２）を部分的にまたは完全に覆っている、請求項１４記載の照明装置。
【請求項１６】
第２の光学素子（６）の光入射面（６１）は例えば自由形状面として構成された凹状に湾曲した部分領域を有する、請求項１から１５までのいずれか１項記載の照明装置。
【請求項１７】
凹部（１１）は第２の光学素子の光入射面（６１）の凹状に湾曲した部分領域により形成されている、請求項１４から１６までのいずれか１項記載の照明装置。
【請求項１８】
第１の光学素子（５）の光出射面（５２）は第２の光学素子（６）の光入射面（６１）から距離を置いて配置されている、請求項１から１７までのいずれか１項記載の照明装置。
【請求項１９】
第１の光学素子（５）の光入射面（５１）と発光ダイオード（２）とのあいだに屈折率適合化材料（１５）が配置されている、請求項１から１８までのいずれか１項記載の照明装置。
【請求項２０】
第１の光学素子（５）は発光ダイオード（２）に組み込まれている、請求項１から１９までのいずれか１項記載の照明装置。
【請求項２１】
第１の光学素子（５）は発光ダイオード（２）に固定されている、請求項１から２０までのいずれか１項記載の照明装置。
【請求項２２】
第２の光学素子（６）は発光ダイオード（２）に固定されている、請求項１から２１までのいずれか１項記載の照明装置。
【請求項２３】
第１の光学素子（５）および第２の光学素子（６）は個別の光学素子として構成されている、請求項１から２２までのいずれか１項記載の照明装置。
【請求項２４】
第１の光学素子（５）は第２の光学素子（６）にあらかじめ実装されている、請求項１から２３までのいずれか１項記載の照明装置。
【請求項２５】
発光ダイオード（２）および第２の光学素子（６）は共通の支持体素子（１３）上に実装されている、請求項１から２４までのいずれか１項記載の照明装置。
【請求項２６】
発光ダイオード（２）および第１の光学素子（５）は共通の支持体素子（１３）上に実装されている、請求項１から２５までのいずれか１項記載の照明装置。
【請求項２７】
当該の照明装置（１）は複数の発光ダイオード（２）を含む、請求項１から２６までのいずれか１項記載の照明装置。
【請求項２８】
各発光ダイオード（２）にそれぞれ１つずつ専用の第１の光学素子（５）および専用の第２の光学素子（６）が配属されている、請求項２７記載の照明装置。
【請求項２９】
複数の第２の光学素子（６）が１つの装置（１７）内に組み込まれて構成されている、請求項２７または２８記載の照明装置。
【請求項３０】
各発光ダイオード（２）にそれぞれ１つずつ専用の第１の光学素子（５）が配属されており、さらに共通の第２の光学素子（６）が配属されている、請求項２７記載の照明装置。
【請求項３１】
当該の照明装置（１）はディスプレイ装置を後方照明するために設けられている、請求項１から３０までのいずれか１項記載の照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光源を備えた照明装置に関する。
【０００２】
光源は、照明装置によって照明すべき画面のできるだけ近傍に配置されなければならない。これにより一方では小さな構造高さの光源照明画面ユニットが簡単に実現される。他方では画面の部分領域が光源の大きさおよび光源と照明すべき画面との距離とに基づいて直接に定まる。この距離が小さくなるにつれて、ふつう光源によって直接に照明される画面の面積も小さくなる。したがって、画面全体の照明にはしばしば複数の光源が使用され、個々の光源はそれぞれ１つずつ画面上の固有の照明領域に割り当てられる。これにより小さな光源照明画面ユニットが実現される。しかしこのとき、面状の照明のために多数の光源が必要となるという欠点を甘受せざるをえない。ただし、より少ない数の光源でそれぞれの照明適用分野に必要な光出力を送出できることもあるはずである。
【０００３】
こうした従来技術から、本発明の基礎とする課題は、光源の出力面から照明すべき画面までの距離が設定されている場合に、各光源によって照明される画面の面積を簡単に拡大できる照明装置を提供することである。
【０００４】
この課題は、請求項１記載の特徴を備えた照明装置によって解決される。本発明の有利な実施形態および発展形態は従属請求項に記載されている。
【０００５】
本発明の照明装置は、光を形成する発光ダイオード、それぞれ光入射面および光出射面を１つずつ有し光を整形する第１の光学素子および第２の光学素子、ならびに、発光ダイオードと第１の光学素子と第２の光学素子とを通って延在する光軸を有する。本発明によれば、第１の光学素子の光出射面は発光ダイオードで形成される光の所定の光成分を第２の光学素子への入射前に光軸から離れる方向へ屈折させ、第２の光学素子の光出射面は当該の光成分を光軸から離れる方向へさらに屈折させる。
【０００６】
この種の屈折特性は第１の光学素子および第２の光学素子の面の形状を相応に設定し、これらの光学素子と光源との相対的な位置関係を相応に調整することにより、種々に実現される。
【０００７】
第１の光学素子および第２の光学素子がともに意図的に、有利には光軸から離れる方向へ光を屈折させることにより、照明装置によって照明すべき画面のうち、光源として用いられる発光ダイオードによって照明される領域は、発光ダイオードから画面までの距離が設定されている場合にも、簡単に拡大することができる。ここで、第１の光学素子および第２の光学素子は有利には発光ダイオードと照明すべき画面とのあいだに配置される。第１の光学素子は有利には第２の光学素子と発光ダイオードとのあいだに配置される。
【０００８】
光を光軸から２重に屈折させることにより、軸方向で照明すべき画面に入射する光出力成分が低減される。このようにすると照明すべき画面の領域を均一な照明強度分布で照明することが簡単になる。ここで、照明強度分布は入射面積の２乗当たりの光出力［Ｗ］である。特に有利には、発光ダイオードが光源として用いられる。なぜなら、発光ダイオードは、通常、軸方向に大きな光出力成分を放射するからである。このため、光軸から大きく離れた領域を発光ダイオードのみで均一かつ大面積に照明することは困難である。
【０００９】
発光ダイオードは従来の光源、例えば白熱灯などに比べて小さな構造寸法および高い寿命を利点としている。したがってこれを利用すると確実かつコンパクトな照明装置を構成することができる。
【００１０】
有利には、電磁放射を形成する発光ダイオード、特に有利には赤外スペクトル領域または紫外スペクトル領域の発光ダイオードが用いられる。特に、可視スペクトル領域のインコヒーレント光を形成するＬＥＤモジュールが用いられる。
【００１１】
また、照明装置は光軸に対して垂直に延在する平坦な画面を照明するのに適している。
【００１２】
本発明の有利な実施形態によれば、第１の光学素子は発光ダイオード内で形成された光を拡大するために構成され配置されており、第２の光学素子は第１の光学素子を通った光をさらに拡大するために構成され配置されている。第１の光学素子は発光ダイオードにおいて形成された光の放射特性を主に拡大し、第２の光学素子は第１の光学素子によって拡大された光の放射特性をさらに拡大するのである。特に照明装置の放射特性を光学素子により設定された放射特性にしたがって簡単に成形することができる。放射特性は、有利には、照明装置によって照明される画面においてラテラル方向での均一な光出力分布が形成されるように成形される。
【００１３】
この場合、有利には、第２の光学素子を通過した後の光成分が光軸に対して有する第１の角度は、第１の光学素子を通過して第２の光学素子へ入力される光成分が光軸に対して有する第２の角度より大きい。
【００１４】
別の有利な実施形態によれば、第２の光学素子の光出射面および第１の光学素子の光出射面は等しく成形されている。光学素子の光出射面すなわち屈折面をこのように成形することにより、第２の光学素子の出力側で設定される放射特性の実現が簡単化される。なぜなら種々に成形される光出射面の相互の複雑な調整が省略できるようになるからである。特に２つの光学素子の光出射面は幾何学的に相互に類似している。つまり２つの光出射面は中心線の延長線上で連続的に結像できるように構成されている。
【００１５】
また、第２の光学素子の光入射面および／または光出射面と第１の光学素子の光出射面とは部分的にまたは完全に重なり合う。第２の光学素子の光入射面および／または光出射面はここでは光軸に対して垂直方向に、第１の光学素子の光出射面よりも大きなラテラル方向の広がりを有する。これにより第１の光学素子によって拡大された光の第２の光学素子への入力が容易となる。
【００１６】
有利には、第１の光学素子の光出射面は第２の光学素子の光入射面から距離を置いて配置される。
【００１７】
有利な別の実施形態によれば、第１の光学素子の光出射面は凹状に湾曲した部分領域および／または凸状に湾曲した部分領域を有する。第２の光学素子も相応に構成される。こうした成形により、特に、良好に光を拡大でき、薄く、省スペースの光学素子を実現することができる。
【００１８】
有利には、凸状に湾曲した部分領域は、凹状に湾曲した部分領域を、ラテラル方向で、特に光軸に対して所定の距離で包囲する。このようにして構成された光学素子は小さな空間における光の拡大と照明すべき画面のラテラル方向での均一な照明強度分布の実現との双方に特に適する。
【００１９】
本発明の別の有利な実施形態によれば、光軸は、第１の光学素子の光出射面の凹状に湾曲した部分領域と第２の光学素子の光出射面の凹状に湾曲した部分領域とを通過する。光の２重の拡大は均一な照明強度分布が達成されるように簡単化されて行われる。これは特に光軸から大きく離れた照明すべき画面の部分領域について当てはまる。
【００２０】
別の有利な実施形態によれば、第１の光学素子の光出射面および第２の光学素子の光出射面はそれぞれ１つずつ対称軸線、特に回転対称軸線を有する。有利には、第１の光学素子と第２の光学素子とはそれぞれの光出射面の対称軸線が一致するように配置されている。特に有利には、第１の光学素子と第２の光学素子とはそれぞれの光出射面の対称軸線と光軸とが一致するように配置されている。光学素子を相互に相対的に、または発光ダイオードに対して相応に配置することにより、照明すべき画面における照明強度分布の均一化がさらに容易となる。光学素子そのものまたは光学素子の光入射面および／または光出射面を対称、特に回転対称に構成することにより、対称な放射特性が簡単に得られる。こうして画面の均一な照明が簡単化される。
【００２１】
別の有利な実施形態によれば、第２の光学素子の光入射面は凹部を有し、第１の光学素子の光出射面がこの凹部内へ突出する。このようにすると照明装置のコンパクトな実現が容易になる。
【００２２】
さらに、第２の光学素子の光入射面の凹部が第１の光学素子の光出射面を部分的にまたは完全に覆ってもよい。
【００２３】
別の有利な実施形態によれば、第２の光学素子の光入射面は凹状に湾曲した部分領域を有する。光入射面の凹状に湾曲した部分領域により前述した凹部が形成される。凹状に湾曲した部分領域は自由形状面として、有利には非球面状および／または球面状に湾曲して構成される。
【００２４】
凹状に湾曲した部分領域は、有利な実施形態によれば、第１の光学素子からの光が凹状に湾曲した部分領域においてほぼ垂直に第２の光学素子の光入射面へ入力されるように構成されている。凹状に湾曲した部分領域での屈折は、形状による当該の領域へのほぼ垂直な光の入射に基づいて回避することができる。凹状に湾曲した部分領域での屈折に起因して照明すべき画面の照明強度分布が不均一となるおそれはこうした形状により低減される。
【００２５】
有利な別の実施形態によれば、第２の光学素子の光入射面の凹状に湾曲した部分領域は屈折面として構成されている。有利には、凹状に湾曲した部分領域は、第２の光学素子へ入力される光が光軸から離れる方向へ屈折されるように成形される。
【００２６】
照明装置の放射特性は容易に拡大可能である。このために、第２の光学素子の光入射面、特にその凹状に湾曲した部分領域は、相応に成形された自由形状面として構成される。
【００２７】
別の有利な実施形態によれば、第２の光学素子の光入射面と第１の光学素子の光出射面とのあいだに中間スペースが形成される。
【００２８】
別の有利な実施形態によれば、第２の光学素子の光入射面と第１の光学素子の光出射面とのあいだに屈折率適合化材料が配置される。屈折率の跳躍的変化に起因して第１の光学素子からの光出力および／または第２の光学素子への光入力の際に反射損失が起こるおそれは、これにより有利に低減される。有利には、屈折率適合化材料は第１の光学素子の光出射面および第２の光学素子の光入射面へ接する。屈折率適合化材料は例えば凹部内に配置される。屈折率適合化材料は主に光学素子とこれに接する媒体、例えば空気との屈折率の差を低減する。こうした屈折率適合化材料は特に有利には後方反射を低減するかまたはこれを完全に回避するので有利である。
【００２９】
別の有利な実施形態によれば、第２の光学素子の光入射面と第１の光学素子の光出射面とのあいだの中間スペースは充填されないまま、特に主として屈折率適合化材料が配置されないままとされる。例えば当該の中間スペースには気体、例えば空気が存在する。この構成は、高い屈折率差のために、第２の光学素子の光入射面、特にその凹状に湾曲した部分領域が上述した屈折面として構成されている場合に特に適する。また、これにより、第１の光学素子の光出射面での屈折率は、屈折率の適合化された光学素子間の移行部での屈折率に対して増大される。
【００３０】
別の有利な実施形態によれば、発光ダイオードと第１の光学素子の光入射面とのあいだに屈折率適合化材料が配置される。このようにすれば発光ダイオードから第１の光学素子への光結合が上述した構成にしたがって改善される。
【００３１】
別の有利な実施形態によれば、光学素子間に第１の屈折率適合化材料が配置され、発光ダイオードと第１の光学素子とのあいだに第２の屈折率適合化材料が配置される。
【００３２】
別の有利な実施形態によれば、発光ダイオードと第１の光学素子とのあいだの中間スペースに屈折率適合化材料が配置され、第１の光学素子の光出射面と第２の光学素子の光入射面とのあいだの中間スペースは充填されないまま、特に主として屈折率適合化材料が配置されないままとされる。このようにすれば照明装置の放射特性が屈折率の増幅によって大幅に拡大される。
【００３３】
別の有利な実施形態によれば、第１の光学素子は発光ダイオード内に組み込まれている。例えば、第１の光学素子は発光ダイオードの半導体チップのカバーを相応に成形することにより半導体チップ内に埋め込まれて実現される。
【００３４】
別の有利な実施形態によれば、第１の光学素子は個別の光学素子として発光ダイオードに固定される。第２の光学素子も個別の光学素子として発光ダイオードに固定される。各光学素子は発光ダイオードの構造に依存せずに成形することができる。照明装置は特に発光ダイオードに取り付けられた第１の光学素子および／または第２の光学素子を有するモジュールとして構成される。
【００３５】
さらに、表面実装可能な発光ダイオードはコンパクトな照明装置に特に適する。
【００３６】
別の有利な実施形態によれば、第１の光学素子および第２の光学素子は個別の光学素子として構成される。このとき２つの光学素子は相互に独立に成形することができる。
【００３７】
別の有利な実施形態によれば、第１の光学素子は第２の光学素子にあらかじめ取り付けられる。こうした光学素子の接合体を用いると、実装ないし発光ダイオードに対するアライメントが簡単化される。あらかじめ取り付けられアライメントされた接合体は発光ダイオードに対して位置調整されたうえで固定される。
【００３８】
別の有利な実施形態によれば、発光ダイオードおよび第２の光学素子は共通の支持体素子に取り付けられる。これに代えてまたはこれに加えて、発光ダイオードおよび第１の光学素子を共通の支持体素子に取り付けてもよい。特に第１の光学素子、第２の光学素子および／または発光ダイオードは共通の実装面、例えば支持体素子の所定の平面に実装される。支持体素子は例えば配線板として構成される。照明装置の個々の素子は相互に独立に支持体素子に取り付けることができる。
【００３９】
別の有利な実施形態によれば、照明装置は複数の発光ダイオードを含む。これにより照明に利用することのできる光出力が簡単に増大される。また、複数の発光ダイオードを用いれば簡単に混合色光を形成することができる。
【００４０】
このことに関して、発光ダイオードによって形成される光は種々の可視スペクトル領域、特に種々の色の発光波長を有する。例えば照明装置は、赤色の発光波長の第１の発光ダイオード、緑色の発光波長の第２の発光ダイオードおよび青色の発光波長の第３の発光ダイオードを有する。これらの光を相応に混合することにより種々の色の光、特に白色光を形成可能である。
【００４１】
別の有利な実施形態によれば、各発光ダイオードにそれぞれ１つずつ専用の第１の光学素子および専用の第２の光学素子が配属される。こうした対応関係により均一な照明強度分布が得られる。第１の光学素子は有利にはそれぞれ対応する発光ダイオードに固定される。
【００４２】
別の有利な実施形態によれば、各発光ダイオードにそれぞれ１つずつ専用の第１の光学素子が配属されるが、第２の光学素子は共通に利用される。これにより第２の光学素子と第１の光学素子との相対的な位置関係が簡単化される。
【００４３】
複数の第１の光学素子に対してそれぞれ専用の第２の光学素子を配属することもできる。このようにすれば設定された放射特性にしたがったビームの成形が容易となる。
【００４４】
別の有利な実施形態によれば、複数の第２の光学素子は所定の装置内に組み込まれて構成される。場合によっては第１の光学素子を別の装置内に組み込んでもよい。これらの装置をアライメントするのは光学素子を個別にアライメントするよりも簡単である。有利には、装置内の光学素子は照明装置における設定された発光ダイオードの配列にしたがって配置される。
【００４５】
有利な実施形態によれば、照明装置は特にディスプレイ装置、例えば液晶ディスプレイＬＣＤの直接の後方照明のために設けられる。
【００４６】
本発明の照明装置は直接照明に特に適する。以下に本発明の特徴および利点を実施例に則して図面を参照しながら説明する。
【００４７】
図１には本発明の照明装置の第１の実施例の概略断面図が示されている。図２には本発明の照明装置の放射特性のグラフが示されている。図３には光学素子を１つだけ有する照明装置の放射特性のグラフが示されている。図４には本発明の照明装置の第２の実施例の概略断面図が示されている。図５には本発明の照明装置の第３の実施例の概略断面図が示されている。図６には本発明の照明装置の第４の実施例の概略断面図が示されている。図７のＡには照明装置の発光ダイオードとして特に適したオプトエレクトロニクスモジュールの斜視図、Ｂにはその断面図が示されている。図８には別の発光ダイオードの斜視図が示されている。図９のＡ，Ｂには照明装置に特に適した光学素子の斜視図が示されている。図１０には本発明の照明装置の第５の実施例の概略斜視図が示されている。
【００４８】
同一の素子、同種の素子また同様に作用する素子には各図を通して同一の参照番号を付してある。
【００４９】
図１には本発明の照明装置１の第１の実施例の概略断面図が示されている。
【００５０】
照明装置１は発光ダイオード２を含み、この発光ダイオードは光を形成するための半導体チップ３を含む。光軸４は発光ダイオードの半導体チップを通って延在する。光軸４は、例えば半導体チップ３に対してほぼ垂直に、特に光を形成する活性領域３０３に対してほぼ垂直に延在する。照明装置１の第１の光学素子５および第２の光学素子６は例えばレンズとして構成され、それぞれ１つずつ光入射面５１；６１および光出射面５２；６２を有する。光軸４は第１の光学素子５および第２の光学素子６を通って延在する。
【００５１】
第１の光学素子および第２の光学素子は、半導体チップ３において形成された光７が第１の光学素子から出るときにその光出射面５２を介して意図的に光軸４から離れる方向へ屈折されるように構成されている。第１の光学素子に光出射側で接する媒体は例えば空気などであり、有利には、第１の光学素子の材料よりも小さい屈折率を有する。続いて、光７は光入射面６１を介して第２の光学素子６へ入射する。第２の光学素子６の材料は、有利には、側方で自身に接する媒体、例えば空気よりも高い屈折率を有する。第２の光学素子６の光出射面６２を介した出射の際にも、光は光軸４から離れる方向へ屈折される。
【００５２】
このことを光成分７１に則して説明する。第１の光学素子５を通って第２の光学素子６へ入力される光成分が光軸４に対して有する角度８は、第２の光学素子６を通った後の光成分が光軸４に対して有する角度９よりも小さい。
【００５３】
第１の光学素子５および第２の光学素子６はそれぞれ半導体チップ３において形成された光７を拡大するために構成されている。ここで、第１の光学素子５を通って拡大された光は第２の光学素子６を通ることによりさらに拡大される。これにより照明装置１の放射特性は発光ダイオード２またはその半導体チップ３の放射特性に比べて２倍に拡大される。
【００５４】
照明装置１の出力面（この実施例では第２の光学素子２の光出射面６２）から照明すべき画面１０までの距離が設定されている場合、第１の光学素子および第２の光学素子を介した屈折により、設定された画面の照明すべき個々の部分領域は拡大される。逆に、照明すべき部分領域の面積が設定されている場合、屈折面として構成された複数の光出射面により、照明装置の出力面から照明すべき画面１０までの距離は低減される。
【００５５】
さらに照明装置１は画面１０の均一な照明のために構成されている。このために、光学素子５，６は、照明装置の設定された放射特性が達成されるように、すなわち、画面１０の照明すべき部分領域において均一な照明強度分布が得られるように、配置されている。このために、光学素子の光出射面５２；６２は、それぞれ１つずつ凹状に湾曲した部分領域５２０；６２０を有しており、この部分領域を光軸４が通過する。凹状に湾曲した部分領域５２０；６２０は光軸４に対して所定の距離で凸状に湾曲した部分領域５２１；６２１によって包囲されている。光学素子の光出射面をこのように成形することにより、発光ダイオード２において形成された光７によって照明される画面１０の領域は容易に拡大され、ここで照明すべき画面のラテラル方向に均一な光出力分布が得られる。光出力分布における不均一性、つまり、照明すべき画面において隣接する領域の光出力から著しく偏差した光出力を有する領域が発生することが回避される。また、光学素子をこのように成形すれば、光出力分布の均一性は照明装置の出力面から画面１０までの距離に関係なく達成されるので、有利である。出力面から画面１０までの相対距離を変化させることによって不均一性は発生しなくなる。
【００５６】
光学素子５，６における光の整形は全反射なしに専ら屈折面を介して行われる。また、それぞれの光学素子の光出射面または光機能面はエッジなしに形成することができる。光出射面または光入射面はそれぞれ差動可能面（differenzierbare Flaechen）として形成することができる。全体として均一な光出力分布の実現が容易となる。
【００５７】
第１の光学素子５の光出射面５２１および第２の光学素子６の光出射面６２１は等しく成形されている。こうして画面１０の均一かつ大面積の照明が簡単化される。
【００５８】
光学素子５，６はそれ自体で均一な照明に適している。つまり、等しく成形された光出射面を有する複数の光学素子を設けることにより、放射特性を簡単に拡大することができる。
【００５９】
画面１０において均一かつ対称な照明強度分布を形成するために、特に光学素子５；６の光出射面５２；６２は回転対称に構成され、それぞれ回転対称軸線および光軸４が連続するように配置される。
【００６０】
ここで"光学素子を回転対称に構成する"とは、主として光学素子の光機能面すなわち光の整形のために設けられた面について云うものであることに注意されたい。光の整形に用いられない面については必ずしも回転対称に構成しなくてよい。
【００６１】
有利には、第１の光学素子および／または第２の光学素子の凸状に湾曲した部分領域の湾曲度は凹状に湾曲した部分領域の湾曲度よりも小さい。また、光出射面５２；６２の凸状に湾曲した部分領域５２１；６２１の面積は凹状に湾曲した部分領域５２０；６２０の面積よりも大きい。このようにして画面１０のうち光軸から離れた領域も照明装置１により簡単に照明される。さらに、それぞれの光出射面の凸状に湾曲した部分領域は第１の領域および第２の領域を有し、第１の領域の湾曲度は第２の領域の湾曲度よりも小さい。有利には、第２の領域は第１の領域よりも光軸または凹状に湾曲した部分領域から大きく離れる。こうして、光軸に対して大きな角度で強く湾曲した第２の領域により、光学素子から出力される光成分が増大される。
【００６２】
次に、図２および図３に則して、照明装置の放射特性が第１の光学素子および第２の光学素子を介してどのように拡大されるかについて説明する。
【００６３】
図２には図１の照明装置１の放射特性が示されており、図３には１つの光学素子のみ（図１の第２の光学素子６に相応する光学素子）しか設けられていない照明装置の放射特性が示されている。それぞれ光軸に対する角度［θ］と照明装置から出力される空間角度当たりの光出力［Ｗ／ｓｒ］との関係が示されている。光学素子は光軸に対して回転対称に構成されており、これにしたがって放射特性はθ＝０゜に関して回転対称となっている。図２によれば、軸方向の光強度は図３に比べて強く低減され、照明装置の放射特性は付加的に拡大される。図１の照明装置１は特に主として光軸に対して垂直に放射を行うが、半導体チップ３または発光ダイオード２はその光出力の大部分を軸方向に出力する。さらに、図１の照明装置は後方の半部へ放射を出力する。つまり照明装置は光成分の大部分を光軸に対して９０゜より大きい角度θで出力する。これにしたがって光学素子は発光ダイオードによって形成される光を側方へ分散させる。発光ダイオードなどのトップエミッタにおいて形成された光は光学素子を通って整形され、照明装置は主として側方から光を出力する。
【００６４】
第１の光学素子５の光出射面５２は、図１の実施例では、第２の光学素子６の光入射面６１の凹部１１内に配置されている。凹部１１は光入射面６１において特に非球面状の凹状に湾曲した部分領域として構成されている。光入射面は凹部の領域および／または凹状に湾曲した部分領域では自由形状面として形成されている。
【００６５】
当該の領域の湾曲度は第１の光学素子５から出力される光が凹部１１の領域で第２の光学素子６の光入射面６１に対して垂直に入力されるように選定されている。これにより光入射面６１での屈折は少なくとも低減され、有利には回避される。画面１０の均一な照明のための光学素子の相互の調整はこれにより簡単化される。
【００６６】
これに代えて、光入射面、特にその凹部の領域は、屈折面として、第２の光学素子へ入力される光が光軸から離れる方向へ屈折されるように構成することもできる。光軸から離れる方向への屈折の度合を増大することに関して云えば、第２の光学素子の光入射面をこのように構成するほうが有利である。
【００６７】
凹部１１は第１の光学素子５の光出射面５２をラテラル方向で完全に覆っている。さらに、第２の光学素子６は第１の光学素子の周囲をラテラル方向で包囲している。このようにすると、第１の光学素子から第２の光学素子への光の入射が簡単化される。
【００６８】
発光ダイオード２の半導体チップ３は有利には発光ダイオード２のケーシングボディ２０３のキャビティ２０９内に配置される。半導体チップ３を埋め込んだカバー２１０は当該の半導体チップを外部の障害影響から保護する。このカバーは例えばアクリル樹脂またはエポキシド樹脂などの反応性樹脂、シリコーン樹脂、シリコーンまたはシリコーンハイブリッド材料などを含む。半導体チップ３は例えばカバーとともに成型することができる。
【００６９】
シリコーン樹脂、シリコーンまたはシリコーンハイブリッド材料などのシリコーンを含む材料は、半導体チップ３から青色光または紫外光などの高エネルギかつ短波長の持続的放射が行われる場合にも光特性の点で高い安定性を有する。特に、シリコーンベースの材料を用いることにより、反応性樹脂を含むカバーに比べて、黄化、曇りまたは変色などのおそれが低減される。
【００７０】
シリコーンハイブリッド材料はシリコーンのほかに別の材料も含む。シリコーンハイブリッド材料は例えばシリコーンとエポキシド樹脂などの反応性樹脂とを含むことができる。このようにすれば、硬化されたシリコーンハイブリッド材料はハイブリッド化されていないシリコーンに比べて高い機械的安定性を有する。
【００７１】
発光ダイオード２は有利には表面実装可能なモジュールとして形成されている。ただし、モジュールの接続導体ならびに半導体チップの電気的コンタクトは図１では見取りやすさのために省略してある。
【００７２】
第１の光学素子５および第２の光学素子６は図１の実施例では個別の光学素子として構成されている。有利には、第１の光学素子および第２の光学素子は発光ダイオード、特にそのケーシングボディに固定される。例えば光学素子はそれぞれ発光ダイオードに対して接着されているかまたは載置されている。接着は第１の光学素子に特に適し、載置は第２の光学素子に特に適する。固定のために、光学素子には有利には固定部材が被着されているかまたは組み込まれている。当該の固定部材は発光ダイオードのケーシングボディに形成される相応の固定装置によって把持される（図７〜図１０を参照）。
【００７３】
第１の光学素子５は第２の光学素子６を発光ダイオード２に被着する前に固定され、また、場合によっては発光ダイオード内に集積される。発光ダイオード内への集積は、例えば、カバー２１０を注入成型プロセスによって相応に成形することにより実現される。
【００７４】
第１の光学素子５の光入射面５１と発光ダイオードの半導体チップ３とのあいだには屈折率適合化材料１５を配置することができる。このようにして界面での反射が高まることによる屈折率の跳躍的変化が回避される。例えば屈折率適合化材料１５はカバー２１０と第１の光学素子５の光入射面５１とのあいだに、これらに接するように配置される。屈折率適合化材料１５として有利にはシリコーン、特にシリコーンジェルが適する。
【００７５】
第１の光学素子および／または第２の光学素子は有利にはプラスティック、例えばシリコーン、シリコーン樹脂、シリコーンハイブリッド材料、ポリメチルメタクリレートＰＭＭＡ、ポリアクリルエステルイミドＰＭＭＩまたはポリカーボネートを含む。特に硬化されたハイブリッド化シリコーンは硬化されたハイブリッド化されていないシリコーンに比べて高い機械的安定性を有する。
【００７６】
第１の光学素子に対して特にシリコーン、シリコーン樹脂またはシリコーンハイブリッド材料が適する。このことは、特に光耐性の最適化および／または発光ダイオードに対する屈折率の最適化に関して、カバー２１０がシリコーンまたはシリコーンベースの材料を含む場合、および／または、発光ダイオードから第１の光学素子への屈折率適合化がシリコーンを含む材料、例えばシリコーンジェルを介して行われる場合に当てはまる。
【００７７】
さらに、第２の屈折率適合化材料１６を第１の光学素子５の光出射面５２と第２の光学素子６の光入射面６１とのあいだの凹部１１に配置することもできる。第２の屈折率適合化材料１６として有利にはシリコーン、特にシリコーンジェルが適する。この場合、第２の光学素子は、簡単かつ良好な屈折率適合化のために、シリコーンまたはシリコーンハイブリッド材料を含む。
【００７８】
第１の光学素子の光出射面５２および第２の光学素子の光入射面６１での強い屈折に対して、有利には、光学素子５，６での連続した屈折率適合化は省略される。このとき、凹部１１には、高い屈折率差を生じさせる気体、例えば空気が充填される。この場合、第２の光学素子は、高い機械的安定性のために、シリコーンまたはシリコーンベースの材料でなく、例えばポリカーボネートを含む。
【００７９】
さらに、第１の光学素子および／または第２の光学素子の光入射面にマイクロ構造部または複眼構造部を設けることができる。このようにすればフレネル反射などの後方反射が低減される。こうした構造部は光学素子の形状を製造する工具、特に射出成型プロセスで用いられる型によって形成される。
【００８０】
本発明の照明装置１はディスプレイ装置、例えば液晶ディスプレイＬＣＤの直接の後方照明を小さな構造高さで行うのに特に適する。道路交通の分野において、本発明の照明装置は、車両キャビン内の周囲照明、トンネル内の制限灯などの道路交通信号、商用車両のための周囲識別灯など、小さな構造高さのリフレクタを用いた均一な照明のために用いられる。
【００８１】
もちろん本発明の照明装置は一般照明の分野においても適用可能である。例えば本発明の照明装置を天井、床または壁などの効果照明または周囲照明に使用することができる。本発明の照明装置は取り付けられる光導波体へ光を面状に正面からまたは側方から入力することにも適する。これらの適用分野では特に可視光を放射する照明装置が有利である。
【００８２】
赤外光を発光する照明装置は例えばフォトインタラプタまたはライトカーテンとして用いることができる。また、本発明の照明装置は、車両座席の占有状態を識別する送受信ユニットまたは太陽光状態検出センサとしても使用することができる。検出器の適用分野では、半導体チップのダイオードは光受信のためにフォトダイオードとして形成される。前述した光学素子により大きな空間角度領域からの光を受信することが容易となる。
【００８３】
図４には本発明の照明装置１の第２の実施例の概略断面図が示されている。この実施例は図１に示されている実施例にほぼ相応する。第１の実施例との相違点は第１の光学素子５が第２の光学素子６にあらかじめ取り付けられているところである。例えば第１の光学素子および第２の光学素子は接着される。そして光学素子の接合体は発光ダイオードに固定することができる。当該の前実装のために、第１の光学素子５は１つまたは複数の実装素子１２を有しており、この実装素子１２を介して前実装が行われる。実装素子として例えば接着面などの実装面を利用することができる。有利には、前実装は光学素子の光機能面の外側で行われる。第１の光学素子の光出射面の凸状に湾曲した部分領域５２１は実装素子１２と凹状に湾曲した部分領域５２０とのあいだに配置される。
【００８４】
実装素子は有利には第１の光学素子５内に集積される。個々の実装素子は光出射面５２の周囲をラテラル方向で見て例えばリング状に包囲する。
【００８５】
図５，図６には本発明の照明装置の第３，第４の実施例の概略断面図が示されている。
【００８６】
照明装置１は複数の発光ダイオード２、例えば種々の色を形成する３つの発光ダイオードを含む。種々の色とは例えば赤色・緑色・青色の３つである。照明装置は種々の色を混合して混合色光を形成することができる。
【００８７】
図５には、それぞれ１つずつ専用の第１の光学素子５が各発光ダイオード２に配属され、一方では第２の光学素子６が各発光ダイオード２に共通に配属されていることが示されている。複数の第１の光学素子５は有利には等しく構成されている。第２の光学素子の光入射面６１は複数の第１の光学素子５を覆っている。また、複数の発光ダイオード２と共通の第２の光学素子６とは共通の支持体素子１３、例えばプリント配線板ＰＣＢ上に実装される。第２の光学素子６および複数の発光ダイオード２は共通の実装面としての支持体素子の上に直接に実装される。このために、第２の光学素子６は、光入射面６１から支持体素子１３の方向へ延在する実装用スタブ１４を有する。当該の実装用スタブ１４はラテラル方向で見ると最も外側の発光ダイオードに並んで配置されている。実装用スタブは有利には発光ダイオードを把持する。さらに、第２の光学素子はラテラル方向で見て発光ダイオードから距離を置いて配置されている。
【００８８】
図６の実施例では、個々の発光ダイオード２に対して、特にそれぞれ等しく形成された光出射面を有する専用の第１の光学素子５および第２の光学素子６が配属されている点が図５の実施例とは異なる。光学素子５，６は発光ダイオード２とともに共通の支持体素子１３上に実装されている。第１の光学素子および／または第２の光学素子ならびに発光ダイオードは共通の実装面に実装されてもよい。また第１の光学素子は実装用スタブ１４を有する。有利には、第１の光学素子を支持体素子へ実装するための実装用スタブはそれぞれの光学素子に対応する発光ダイオードを把持する。また、第１の光学素子は自身に対応する発光ダイオードからラテラル方向に距離を置いて配置されている。この場合、発光ダイオードと第１の光学素子とのあいだには特に周状に延在する自由スペースが形成される。
【００８９】
ここで、第２の光学素子６は装置１７、例えば光学プレートに組み込まれている。場合によっては第１の光学素子５を別の装置内に組み込んでもよい。装置は有利には一体に構成される。
【００９０】
図７のＡには照明装置用の発光ダイオードとして特に適したオプトエレクトロニクスモジュール２の斜視図が示されており、Ｂにはその断面図が示されている。
【００９１】
この種のオプトエレクトロニクスモジュールは例えば国際公開第０２／０８４７４９号明細書に記載されており、その開示内容は本発明に関連するので、この文献を本発明の参考文献とする。発光ダイオードとして、Osram Opto Semiconductors GmbH社のタイプＬＷＷ５ＳＧおよびこれに類似したタイプのモジュールが適している。
【００９２】
オプトエレクトロニクスモジュール２は第１の電気接続導体２０５および第２の電気接続導体２０６を含む。これらの接続導体はオプトエレクトロニクスモジュール２のケーシングボディ２０３の異なる側面から突出し、例えばアーム状に形成される。モジュールは特に表面実装可能なオプトエレクトロニクスモジュールとして形成される。
【００９３】
このケーシングボディ２０３は半導体チップ３を配置すべきキャビティ２０９を有する。半導体チップ３はカバー２１０内に埋め込まれる。例えば半導体チップ３は接続導体２０５を介してはんだ接合により導電接続されている。また半導体チップ３は第２の接続導体２０６へは有利にはボンディングワイヤ２０８を介して導電接続される。第２の接続導体２０６へ通じるボンディングワイヤの電気端子はキャビティ２０９の壁２１４の凹部２１３の領域に配置される。
【００９４】
半導体チップ３はチップ支持体として機能する熱端子部２１５上に配置される。熱端子部は垂直方向でキャビティ２０９からケーシングボディ２０３の第２の主表面２０４へ延在しており、特にチップ実装面に対して、半導体チップ３から大面積の熱端子部ひいては第２の主表面の側方を介して外部の熱伝導装置、例えば銅から成る冷却体へ熱を放出することが容易となる。このようにしてケーシングボディの熱負荷、特にハイパワーモジュールを駆動する際の熱負荷が有利に低減される。本発明で用いられるオプトエレクトロニクスモジュールは高い光出力を形成することができ、しかも熱端子部によって熱放出が改善されている。こうしたオプトエレクトロニクスモジュール２は本発明の照明装置に特に適する。
【００９５】
熱端子部２１５は例えば第１の接続導体２０５のラッチへ結合されるか、または別の手段により第１の接続導体へラテラル方向の周において特に電気的および／または機械的に接続される。第２の接続導体２０６はボンディングワイヤ２０８によるコンタクトのために設けられており、熱端子部上の半導体チップ３のチップ実装面が増大される。光の反射に利用されるキャビティの壁面積も大きいまま保持される。ケーシングボディ２０３は例えば良好な反射性を有する材料、例えば白色のプラスティックから成形される。場合によっては、ケーシングボディの特にキャビティの領域には、反射率を増大させる材料、例えば適切な金属によるコーティングが設けられている。また、熱端子部２１５そのものは反射性を有するように形成され、キャビティ２０９の底部および／または壁部となる。熱端子部はさらに、第２の主表面の側方でケーシングボディから突出するか、または、ケーシングボディに平坦に接する。熱端子部は、高い熱伝導性を有する金属、例えば銅ＣｕまたはアルミニウムＡｌを含むか、または、ＣｕＷ合金などの合金を含む。
【００９６】
２つの接続導体２０５，２０６および熱端子部２１５を備えた導体フレームはこうしたオプトエレクトロニクスモジュールを適切な成型プロセス、例えば射出成型プロセスによって製造する際にケーシングボディの材料、例えばプラスティックとともに成形される。半導体チップはケーシングボディの製造後にプレモールドケーシングに接してまたはプレモールドケーシング内に配置される。熱端子部２１５には有利には１つまたは複数の凹凸部または段部２１６が設けられており、これにより熱端子部のケーシングボディへの機械的結合が改善され、オプトエレクトロニクスモジュールの全体的な安定性が高められる。
【００９７】
ケーシングボディの第１の主表面２０２の側方には光学素子の固定のための固定装置２０１が構成されている。ここで、光学素子は上述した実施例にしたがった第１の光学素子または第２の光学素子を形成している。ケーシングボディ２０３に光学素子を固定するために、例えば４つの固定装置２０１が設けられ、光学素子の機械的に安定な固定が容易となる。有利には、固定装置２０１はケーシングボディ２０３の第１の主表面２０２のコーナー領域に配置される。固定装置は孔として第１の主表面からケーシングボディへ延在している。有利には、固定装置はケーシングボディの第２の主表面まで延在する。
【００９８】
図８には図７に示した発光ダイオード２に類似する発光ダイオードの概略斜視図が示されている。発光ダイオード２には第１の光学素子５が固定され、第１の光学素子の光出射面５２は凹状に湾曲した部分領域５２０および凸状に湾曲した部分領域５２１を有する。例えば第１の光学素子５は発光ダイオード２の上に接着される。続いて第２の光学素子が発光ダイオード２の上に固定される。例えば第２の光学素子は発光ダイオード２の上へ載置され、ここで有利には光学素子に設けられた固定部材が発光ダイオード２の固定装置２０１によって把持される。固定装置２０１は有利にはケーシングボディを完全に貫通する孔として構成され、ケーシングボディの材料をラテラル方向で見て包囲するように配置される。
【００９９】
図９のＡ，Ｂには、図７，図８に示されている発光ダイオード２に対して特に適した第２の光学素子６が示されている。これに代えてまたはこれに加えて、図示されている光学素子は第１の光学素子として用いてもよい。図９のＡには第２の光学素子６の光入射面６１の斜視図、Ｂには第２の光学素子６の光出射面６２の斜視図が示されている。第２の光学素子６はピン状に構成された複数の固定部材１８を有している。この固定部材は図７，図８の発光ダイオード２の固定装置２０１によって把持される。この場合、光学素子は例えばプレス嵌めプロセスにより発光ダイオードに固定される。場合により、これに代えてまたはこれに加えて、さらに接着剤が固定部材１８に塗布される。固定部材１８は光学素子の光入射面６１に被着されるかまたは光学素子内に組み込まれる。光学素子および固定部材は一体に構成することもできる。さらに第２の光学素子６はエッジ側に配置された複数のガイド部材１９を有している。これにより特に機械的に第２の光学素子６を発光ダイオード２上に載置することが容易となる。このために固定部材は光学素子の縁２０の反対側に傾斜部２１を有する。第２の光学素子６を発光ダイオード２に載置する際にはガイド部材が発光ダイオードのケーシングボディ２０３に機械的に直接に接触する。ここで、傾斜部２１は、載置の際にアライメントが容易となり、固定部材１８を固定装置２０１に確実に案内することができるように構成されている。
【０１００】
図５，図６，図９に示されている光学素子の光入射面６１は場合により図１，図４に示されている第２の光学素子６の凹状に湾曲した部分領域を有してもよい。
【０１０１】
図１０には発光ダイオード２を有する本発明の照明装置１の第５の実施例の概略斜視図が示されている。ここでの発光ダイオード２は図８にしたがって形成されており、第１の光学素子５を有し、その上に第２の光学素子６が載置されている。
【０１０２】
本願は、２００５年９月３０日付の独国出願第１０２００５０４６９４１．８号および２００５年１２月２３日付の独国出願第１０２００４０６１７９８．０号の優先権を主張するものであり、その全体の開示内容は参照により、本願に明示的に含まれるものとする。
【０１０３】
なお本発明は上述した実施例によって限定されるものではない。むしろ本発明はあらゆる新規の特徴ならびにそのあらゆる組み合わせを含むものであり、これには特に特許請求の範囲に記載した特徴のあらゆる組み合わせが含まれる。このことはこれらの特徴またはその組み合わせが特許請求の範囲あるいは実施例に明示的には記載されていない場合であっても当てはまる。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】本発明の照明装置の第１の実施例の断面図である。
【図２】本発明の照明装置の放射特性のグラフである。
【図３】光学素子を１つだけ有する照明装置の放射特性のグラフである。
【図４】本発明の照明装置の第２の実施例の断面図である。
【図５】本発明の照明装置の第３の実施例の断面図である。
【図６】本発明の照明装置の第４の実施例の断面図である。
【図７】照明装置の発光ダイオードとして特に適したオプトエレクトロニクスモジュールの斜視図およびその断面図である。
【図８】別の発光ダイオードの斜視図である。
【図９】照明装置に特に適した光学素子の斜視図である。
【図１０】本発明の照明装置の第５の実施例の斜視図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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