(57)【要約】  ＬＥＤ照明ユニットは、第１の回転軸（２１２）を中心とした回転面として形成される反射面（２１０）を備える第１の反射体（２０４）を用いる。ＬＥＤ（２０２）は、第１の反射体（２０４）の反射面（２１０）に向かって、第１のＬＥＤ軸（２０８）を中心にして光を発する。第１のＬＥＤ軸（２０８）は第１の回転軸（２１２）に対して非平行であり、第１のＬＥＤユニット（２０２）の発光領域は実質的に反射面（２１０）の焦点に位置決めされる。反射体（２０４）はまた、２つ以上のそれぞれのＬＥＤからの光を集光して指向するための２つ以上の反射面を有してもよい。
2007511056.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の反射体軸を画定する第１の反射面を備える第１の湾曲反射体と、
前記第１の反射体軸に対して非平行なＬＥＤ軸に概ね沿って光を発するように位置決めされる第１の発光ダイオード（ＬＥＤ）とを備える照明ユニットであって、前記第１のＬＥＤからの光が前記第１の反射面によって第１の対象焦点に向かって反射して収束し、
前記第１の反射体軸および前記ＬＥＤ軸によって形成される第１の平面が、交差領域で前記反射面と交差し、前記第１の反射面の前記交差領域は前記交差領域の外側の前記第１の反射面の領域よりも前記第１の対象焦点に近接して延びる、照明ユニット。
【請求項２】
前記第１のＬＥＤ軸は、前記第１の反射体軸に対して角度θを形成し、４５°≦θ≦９０°であり、θは前記ＬＥＤ軸と前記第１の反射体軸との間の最小角である、請求項１に記載の照明ユニット。
【請求項３】
１８°≦θ≦９０°である、請求項２に記載の照明ユニット。
【請求項４】
θは約９０°である、請求項２に記載の照明ユニット。
【請求項５】
前記第１の反射面は、前記第１の反射体軸を中心とした第１の回転面に適合する、請求項１に記載の照明ユニット。
【請求項６】
前記第１の反射面は楕円面に適合し、前記第１のＬＥＤの前記発光領域は実質的に前記楕円面の第１の焦点に位置決めされ、前記第１の対象焦点は略前記楕円面の第２の焦点に位置決めされる、請求項５に記載の照明ユニット。
【請求項７】
前記第１の反射体は透過媒体から形成され、前記反射面は前記透過媒体の外面に画定され、前記透過媒体は前記第１のＬＥＤと前記第１の反射体の前記反射面との間に位置決めされる、請求項１に記載の照明ユニット。
【請求項８】
前記第１の反射体は第１の出射アパーチャを有し、前記第１のＬＥＤからの収束光は前記第１の出射アパーチャを通って出射し、前記透過媒体は前記第１の出射アパーチャにおいて実質平面を有する、請求項７に記載の照明ユニット。
【請求項９】
前記第１の反射体は第１の出射アパーチャを有し、前記第１のＬＥＤからの収束光は前記第１の出射アパーチャを通って出射し、前記透過媒体は前記第１の出射アパーチャにおいて切子面を有する、請求項７に記載の照明ユニット。
【請求項１０】
前記第１の反射体は第１の出射アパーチャを有し、前記第１のＬＥＤからの収束光は前記第１の出射アパーチャを通って出射し、前記透過媒体は前記第１の出射アパーチャにおいて曲面を有する、請求項７に記載の照明ユニット。
【請求項１１】
前記透過媒体は前記第１のＬＥＤを収容するための窪みを形成する凹面を有し、前記第１のＬＥＤのレンズの少なくとも一部が前記窪みに配置される、請求項７に記載の照明ユニット。
【請求項１２】
前記第１のＬＥＤと前記凹面との間に配置される屈折率整合材料をさらに含む、請求項１１に記載の照明ユニット。
【請求項１３】
前記第１のＬＥＤは、前記凹面に光学的に接着される、請求項１１に記載の照明ユニット。
【請求項１４】
前記第１の反射面は反射体支持媒体によって支持され、前記反射面は前記第１のＬＥＤと前記反射体支持媒体との間に配置される、請求項１に記載の照明ユニット。
【請求項１５】
前記第１の反射体軸に対して非平行である第２の反射体軸を画定する第２の反射面と、前記第２の反射体軸に対して略非平行に光を発するように位置決めされる第２のＬＥＤと、を備える少なくとも第２の反射体をさらに備え、前記第２のＬＥＤからの光は前記第２の反射面によって反射して収束される、請求項１に記載の照明ユニット。
【請求項１６】
前記第１の反射体軸および前記第２の反射体軸は、略前記第１の対象焦点で交差する、請求項１５に記載の照明ユニット。
【請求項１７】
本体軸を有する反射体本体を備える照明ユニットであって、前記反射体本体は、
第１の軸および第１の焦点を有し、前記第１の焦点からの光を第１の反射面によって収束するように反射する形状を有する第１の反射面と、
前記第１の反射面に隣接して配置され、第２の軸および第２の焦点を有し、前記第２の焦点からの光を前記第２の反射面によって収束するように反射する形状を有する第２の反射面とを備え、
前記第１の反射面および前記第２の反射面は、前記本体軸を中心として横断方向に位置決めされ、前記第２の軸は前記第１の軸と非平行であり、前記第１の反射面によって収束するように反射される前記第１の焦点からの光が、前記第２の反射面によって収束するように反射される前記第２の焦点からの光と重なる、照明ユニット。
【請求項１８】
前記第１の軸に最も近くに位置決めされ、前記第１の反射面に向かって前記第１の軸に対して略横断方向に光を発するように配置される第１の発光ダイオード（ＬＥＤ）と、前記第２の軸に最も近くに位置決めされ、前記第２の反射面に向かって前記第２の軸に対して略横断方向に光を発するように配置される第２のＬＥＤと、をさらに備える、請求項１７に記載の照明ユニット。
【請求項１９】
前記第１のＬＥＤおよび前記第２のＬＥＤはそれぞれ、略前記第１の焦点および前記第２の焦点に位置決めされる、請求項１８に記載の照明ユニット。
【請求項２０】
前記第１の軸および前記第２の軸の両方は、前記本体軸に対して非平行である、請求項１７に記載の照明ユニット。
【請求項２１】
前記第１の軸および前記第２の軸は、交点で前記本体軸と交差する、請求項２０に記載の照明ユニット。
【請求項２２】
前記第１の反射面および前記第２の反射面はそれぞれ、前記第１の軸および前記第２の軸を中心とした回転面に適合する、請求項１７に記載の照明ユニット。
【請求項２３】
前記第１の回転面および前記第２の回転面は楕円面である、請求項２２に記載の照明ユニット。
【請求項２４】
前記第１の楕円面および前記第２の楕円面は、実質的に同一の長さの長軸および実質的に同一の長さの短軸を有する、請求項２３に記載の照明ユニット。
【請求項２５】
前記第１の反射面および前記第２の反射面はそれぞれ、各々の第２の焦点を画定する、請求項１７に記載の照明ユニット。
【請求項２６】
前記第１の反射面および前記第２の反射面の前記第２の焦点は、略前記本体軸上に配置される、請求項２５に記載の照明ユニット。
【請求項２７】
前記第１の反射面および前記第２の反射面に隣接して配置される少なくとも第３の反射面をさらに備え、前記少なくとも第３の反射面は第３の軸および第３の焦点を有し、前記第１の反射面、前記第２の反射面および前記少なくとも第３の反射面は前記本体軸を中心として横断方向に位置決めされ、前記第３の反射面は第３の焦点を画定し、前記第３の焦点からの光を前記第３の反射面によって収束するように反射する形状を有する、請求項１７に記載の照明ユニット。
【請求項２８】
前記第１の軸、前記第２の軸および前記第３の軸は、前記本体軸に対して非平行である、請求項２７に記載の照明ユニット。
【請求項２９】
前記第１の軸、前記第２の軸および前記第３の軸は、実質的に１つの交点で前記本体軸と交差する、請求項２８に記載の照明ユニット。
【請求項３０】
前記第１の反射面、前記第２の反射面および少なくとも第３の反射面は、前記本体軸を中心として対称に配置される少なくとも４つの反射面を備える、請求項２７に記載の照明ユニット。
【請求項３１】
前記第１の反射面、前記第２の反射面および少なくとも第３の反射面が前記第１の反射面、前記第２の反射面および前記第３の反射面の前記第１の焦点、前記第２の焦点および前記第３の焦点の近くに位置決めされるそれぞれの第１の発光ダイオード（ＬＥＤ）、第２の発光ダイオード（ＬＥＤ）および第３の発光ダイオード（ＬＥＤ）によって照らされるとき、前記第１の反射面、前記第２の反射面および前記少なくとも第３の反射面のそれぞれの第２の焦点に相当する共通の対象領域を照らすように、前記第１の反射面、前記第２の反射面および前記少なくとも第３の反射面が整列される、請求項２７に記載の照明ユニット。
【請求項３２】
前記第１の反射面、前記第２の反射面および少なくとも第３の反射面は、アパーチャを有する閉鎖形状を形成し、前記アパーチャは前記本体軸上に置かれ、前記アパーチャを通る光を反射するように配置された少なくとも第４の回転軸を中心とした少なくとも第４の回転面に適合する少なくとも第４の反射面をさらに備える、請求項２７に記載の照明ユニット。
【請求項３３】
前記第１の反射面および前記第２の反射面はそれぞれ、多層光学フィルムを備える、請求項１７に記載の照明ユニット。
【請求項３４】
前記第１の反射面および前記第２の反射面は、それぞれの中空の反射体に関する反射面を画定する、請求項１７に記載の照明ユニット。
【請求項３５】
前記第１の反射面および前記第２の反射面は、それぞれの中実の反射体に関する反射面を画定する、請求項１７に記載の照明ユニット。
【請求項３６】
前記中実の反射体の少なくとも１つは、切子面状の出射面を有する、請求項１７に記載の照明ユニット。
【請求項３７】
前記中実の反射体の少なくとも１つは、平坦な出射面を有する、請求項１７に記載の照明ユニット。
【請求項３８】
前記中実反射体の少なくとも１つは、湾曲した出射面を有する、請求項１７に記載の照明ユニット。
【請求項３９】
第１の反射体軸および第１の反射体焦点を有する第１の反射面を備える反射モジュールと、
略前記第１の反射体焦点に位置決めされ、第１のＬＥＤ軸に沿って、前記第１の反射体軸に対して略横断方向に前記第１の反射面に向かって光を指向する第１の発光ダイオード（ＬＥＤ）とを備える、ビーム光を生成する装置であって、前記第１の反射面に入射する前記第１のＬＥＤからの光は前記反射モジュールによって前記反射モジュールの外側に位置する対象焦点に収束される、装置。
【請求項４０】
前記第１のＬＥＤ軸は、前記第１の反射体軸に対して角度θを形成し、４５°≦θ≦９０°であり、θは前記ＬＥＤ軸と前記第１の反射体軸との間の最小角である、請求項３９に記載の装置。
【請求項４１】
１８°≦θ≦９０°である、請求項４０に記載の装置。
【請求項４２】
θは約９０°である、請求項４０に記載の装置。
【請求項４３】
前記第１の反射面は、前記第１の軸を中心とした第１の回転面に適合する、請求項３９に記載の装置。
【請求項４４】
前記第１の反射面は第１の焦点および第２の焦点を有する楕円面に適合し、前記第１のＬＥＤは実質的に前記楕円面の前記第１の焦点に位置決めされる発光領域を有し、前記第１の対象焦点は略前記楕円面の前記第２の焦点に位置決めされる、請求項４３に記載の装置。
【請求項４５】
前記反射モジュールは透過媒体を備え、前記反射面は前記透過媒体の外側に配置され、前記透過媒体は前記第１のＬＥＤと前記反射面との間に位置決めされる、請求項３９に記載の装置。
【請求項４６】
前記第１のＬＥＤからの光は第１の出射アパーチャを通って前記反射モジュールを出射し、前記透過媒体は前記第１の出射アパーチャにおいて実質的な平面を有する、請求項４５に記載の装置。
【請求項４７】
前記第１のＬＥＤからの光は第１の出射アパーチャを通って前記反射モジュールを出射し、前記透過媒体は前記第１の出射アパーチャにおいて切子面を有する、請求項４５に記載の装置。
【請求項４８】
前記第１のＬＥＤからの光は第１の出射アパーチャを通って前記反射モジュールを出射し、前記透過媒体は前記第１の出射アパーチャにおいて曲面を有する、請求項４５に記載の装置。
【請求項４９】
前記透過媒体は前記第１のＬＥＤを収容するための窪みを形成する凹面を有し、前記第１のＬＥＤのレンズの少なくとも一部は前記窪みに配置される、請求項４５に記載の装置。
【請求項５０】
前記第１の反射体は、前記第１のＬＥＤユニットと反射体支持媒体との間に配置される前記反射面を備えるように形成される、請求項３９に記載の装置。
【請求項５１】
前記反射モジュールは第２の反射体軸および第２の反射体焦点を有する少なくとも第２の反射面をさらに備え、第２のＬＥＤは略前記第２の反射体焦点に位置決めされ、前記第２の反射面に向かって光を指向する、請求項３９に記載の装置。
【請求項５２】
前記第２の反射面に入射する前記第２のＬＥＤからの光は、前記対象焦点に収束される、請求項５１に記載の装置。
【請求項５３】
前記第２のＬＥＤからの光は、前記第２の反射面によって反射して前記対象焦点に収束される、請求項５２に記載の装置。
【請求項５４】
前記第１の反射体軸および前記第２の反射体軸は非平行である、請求項５１に記載の装置。
【請求項５５】
前記第１の反射体軸および前記第２の反射体軸は、略前記第１の対象焦点で交差する、請求項５４に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学システムに関し、さらに詳細には、１つ以上の発光ダイオードからの光を集光するための反射体システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、半導体接合部から光を発するデバイスである。光は、接合部における担体の組合せによって広範囲の角度にわたってＬＥＤから発せられる。つまり、ＬＥＤ光の場合には広い発光角は、光学デバイスを照らすための光を集光して指向することが困難となる。他方では、サイズが小さく、寿命が長く、光学効率が高く、一般に光学エネルギに変換される電気エネルギが５０％を超えることにより、ディスプレイ、投影システムおよび類似物などの光学デバイスを照らすための光源としてＬＥＤを魅力あるものにしている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
したがって、高効率でＬＥＤ光を集光して指向すると同時に、小さなサイズかつ低コストである手法に対する需要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の１つの特定の実施形態は、第１の回転軸を中心とした回転面として形成される反射面を備える第１の反射体を有する照明ユニットに関する。第１の発光ダイオード（ＬＥＤ）ユニットは、反射面に対して第１のＬＥＤ軸を中心として光を発する発光領域を有する。第１のＬＥＤ軸は第１の回転軸に対して非平行であり、第１のＬＥＤユニットの発光領域は実質的に反射面の焦点に位置決めされる。
【０００５】
本発明の別の実施形態は、照明光を反射するための反射体ユニットに関する。反射体ユニットは、本体軸を有する反射体本体を有する。反射体本体は、第１の回転軸を中心とした第１の回転面に適合する第１の反射面および第１の反射面と一体に形成される第２の反射面を備える。第２の反射面は、第２の回転軸を中心とした第２の回転面に適合する。第１の反射面および第２の反射面は、本体軸を中心として横断方向に位置決めされる。
【０００６】
本発明の上記の概要は、本発明のそれぞれの示された実施形態またはすべての実装例を説明することを目的としていない。以下の図面および詳細な説明は、これらの実施形態についてさらに詳細に具体化する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明は、添付図面と共に、本発明の種々の実施形態に関する以下の詳細な説明を検討すれば、より完全に理解されると思われる。
【０００８】
本発明は種々の修正および代替の態様に適用可能であるが、その仕様が図に一例として示され、詳細に説明される。しかし、記載された特定の実施形態に本発明を限定するわけではないことを理解すべきである。逆に言えば、添付請求項によって定義されるように、本発明の精神および範囲に包含されるすべての修正物、代替物および変形物を網羅するものとする。
【０００９】
本発明は、光学システムに適用可能であり、さらに詳細には１つ以上の発光ダイオード（ＬＥＤ）からの光を用いて対象物を照らすために有用な集光および処理システムに適用可能である。
【００１０】
より高い出力パワーを有するＬＥＤがますます出回りつつあり、ＬＥＤ照明用の新たな用途を開拓している。高パワーＬＥＤを用いて対応しうる用途の中には、投影およびディスプレイシステムにおける光源、マシンビジョンシステムおよびカメラ／ビデオ用途およびさらに自動車の前照灯など遠距離照明システムにおける照明源として用いることが挙げられる。
【００１１】
ＬＥＤは一般に、広範囲の角度にわたって光を発する。光学設計者にとっての課題の一つは、ＬＥＤによって生成された光を効率的に集光し、選択した対象領域に光を指向することである。別の課題は、ＬＥＤを効果的に実装することである。これには、複数のＬＥＤを有するアセンブリから光を集光し、集光した光を所与の受光錐の中の所与の対象領域に指向することが必要である。さらに、小さなパッケージに集光／指向システムを製作することができることが重要である。
【００１２】
ここで、ＬＥＤユニット１００の実施例が、図１Ａ〜図１Ｃを参照して説明される。ＬＥＤユニット１００は、一般に基板上の半導体ダイオードデバイスから形成されるＬＥＤ発光体領域１０２を含む。ＬＥＤは通常、レンズ１０４として動作する光学的透過本体の中に封入されている。高パワーＬＥＤの場合の通常のレンズ形状の一つは半球レンズであり、図示されているように、発光体は半球レンズの中心に位置決めされる。光１０６は、広範囲の角度にわたって発せられる。代表的なＬＥＤユニットからの放射線パターンが、図１Ｂの直交座標系および図１Ｃの極座標系に示されている。放射線パターンは、ランベルト面に近い。ＬＥＤ発光体１０２からの発光は一般に、ＬＥＤ軸１０８を中心として対称であり、０°における発光に相当している。多くのＬＥＤでは発光体領域１０２は平坦であるために、ＬＥＤ軸は平坦な発光体領域１０２に垂直である。放射線パターンが対称でない場合には、ＬＥＤ軸１０８は光が発光体領域１０２から発せられる平均的な方向に相当する。図１Ｂおよび図１Ｃに示される実施例では、ＬＥＤによって発せられる光の強度の半角は、強度が最大値の２分の１まで低下した強度であり、約６５°である。
【００１３】
ここで、ＬＥＤユニットによって発せられる光を集光して指向するための１つの手法が、図２Ａ〜図２Ｃに概略的に示される照明ユニット２００に関して説明される。光２０６は、ＬＥＤ発光体領域２０３を有するＬＥＤユニット２０２によって発せられ、反射体２０４によって反射される。ＬＥＤユニット２０２は、ＬＥＤ軸２０８を有する。反射体２０４は反射面２１０を有し、その形状は反射体回転軸２１２を中心とした回転面の少なくとも一部に適合する。反射面２１０は、たとえば、楕円面または放物面または何か他のタイプの回転面に適合してもよい。発光体領域２０３は、回転軸２１２における回転面の焦点またはその付近に位置決めされる。本説明では、反射面が回転面に適合しているものと説明されている場合には、反射面は完全な回転を含まなければならないことを示唆しているわけではないことを理解すべきである。反射面が回転面に適合していると説明されている場合には、反射面は回転面の少なくとも一部に適合することを意味しており、完全な回転面である必要はない。
【００１４】
ＬＥＤ軸２０８は、回転軸２１２に対して平行ではない。たとえば、図２Ｃに概略的に示される照明ユニット２５０は、ＬＥＤ軸２０８と回転軸２１２との間に角度θを有する。角度θは、ＬＥＤ軸２０８と回転軸２１２との間の最小角である。一般に、θの値は４５°≦θ≦９０°の範囲にあり、６０°≦θ≦９０°の範囲にあってもよい。図２Ａに示されているように、角度θが約９０°の値を有する場合には、ＬＥＤ軸２０８および回転軸２１２は略垂直であってもよい。反射光２１４は一般に、軸２１２に向かって収束してもよく、軸２１２に対して平行であってもよく、または軸２１２から離れるように発散してもよい。
【００１５】
反射体面２１０は、ＬＥＤユニット２０２によって発せられる光の波長で光を反射するために、任意の適切な反射材料から構成されてもよい。反射体面は、たとえば複数のポリマー層によって構成されてもよく、その厚さは反射体面２１０の反射率を増大するように選択される。別の実施例において、反射体面は、金属化されてもよく、または無機誘電コーティングで被覆してもよい。
【００１６】
照明ユニット２００の斜視図が、図２Ｂに概略的に示されている。示された実施形態において、反射面２１０は、楕円面に適合する。光２１４は、反射面によって対象領域２１６に向けられる。ＬＥＤユニット２０２は、楕円面の１つの焦点にある発光体２０３を有するように配置されてもよい。したがって、反射光２１４は一般に、楕円面の第２の焦点に向けられる。対象領域２１６は、楕円面の第２の焦点に配置されてもよい。対象領域２１６は、ＬＥＤユニット２０２からの光を用いて照らすことが望ましい任意の領域である。たとえば、照明ユニットが投影システムを照らすために用いられている場合には、対象領域はトンネル積分器または光を均質化するための何か他のデバイスへの入力アパーチャであってもよい。光学収差が存在するため、発光領域が正確に楕円面の第１の焦点に位置する場合であっても、反射光は楕円面の第２の焦点にある正確な焦点に生じることはないことは十分に認識されよう。
【００１７】
反射体は、図２Ａ〜図２Ｃに示されているように中空であってもよく、たとえば図３Ａ〜図３Ｃを参照してここで説明されるように中実であってもよい。照明ユニット３００は、実質的に反射体３０４の焦点にある発光体３０３ａを有するＬＥＤユニット３０２を備える。ＬＥＤ軸３０８は、反射体回転軸３１２に対して垂直であるか、または垂直に近い。
【００１８】
反射体３０４は、中実の光透過性本体３０９および反射面３１０を備える。中実本体３０９は、任意の適切な光透過性材料、たとえばポリカーボネートなどの成形ポリマー、エチレンおよびノルボルネンからなるコポリマーなどの環状オレフィンコポリマー（ＣＯＣ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）または類似物から構成されてもよい。ＬＥＤユニット３０２からの光３０６は反射面３１０で反射され、反射光３１４は本体３０９の出射面３１６を通過する。反射面３１０は、光を反射するための任意の適切なタイプの反射材料を用いてもよい。たとえば、反射面３１０は、金属化されてもよく、または複数層誘電反射体を用いてもよい。複数層誘電反射体は、無機層からなる複数層を用いても構成してもよく、または交互の屈折率を有するポリマー層からなる積層から構成されてもよい。
【００１９】
光透過性本体３０９はＬＥＤ発光領域３０３ａの位置に対して同心である凹面３１１を備えていてもよく、ＬＥＤユニット３０２はたとえば光学接着剤を用いてこの凹面に固着されてもよい。これは、ＬＥＤユニット３０２の半球レンズと光透過性本体３０９との間の境界が少なくとも部分的に屈折率整合されることから、屈折効果および反射損失を低減することから好都合である。
【００２０】
中実体反射体３０４は、中空の反射体とは異なるように機能する。１つの相違は、回転軸３１２と平行に近い方向にＬＥＤユニット３０２から発せられる光線３０６ａに関して説明される。光線３０６ａは、光線３１４ａとして反射される。レンズ３０３ｂは光透過性本体３０９の材料によって包囲されているため、レンズ３０３ｂの屈折力は、レンズが空気中にある場合より小さい。したがって、光線３１４ａは、レンズ３０３ｂを通過して本体３０９の出射面３１６に至ってもよい。中空の反射体の場合には、レンズが一般に空気中に位置しているために、レンズで屈折率整合は生じないことから、レンズが反射光線３１４ａを対象領域から遠い方向に屈折する。したがって、中実体反射体３０４が用いられる場合には、対象領域に達する光の量を増大する可能性がある。
【００２１】
中実体反射体と中空の反射体との間の別の相違は、中実体３０９の出射面３１６が反射光３１４の方向を制御するために用いられうる屈折面を提供することである。これは、設計者に照明ユニット３００から出射する光の方向を制御するための別の自由度を与える。図３Ａに示される実施形態において、出射面３１６は、平坦であり、回転軸３１２に対して実質的に垂直である。平坦な出射面３１６は、回転軸３１２に対して垂直である必要はなく、出射面３１６と回転軸３１２との間の角度は９０°以外のある角度であってもよいことを十分に認識されよう。
【００２２】
出射面３１６は、平坦である必要はない。出射面は、たとえば図３Ｂに示されているように切子面であってもよい。切子面状の出射面３１６ａは、異なる方向に異なる反射光線３１４を屈折するように２つ以上の切子面を含んでもよい。出射面はまた、たとえば図３Ｃに示されているように湾曲していてもよい。湾曲した出射面３１６ｂは、レンズとして作用し、集束力に反射面３１０の集束力を加算するように正レンズとして作用してもよく、または反射面の集束力から集束力を減算するように負レンズとして作用してもよい。出射面はその全体領域にわたって湾曲している必要はなく、出射面は平坦な部分および湾曲部分を有してもよいことを十分に認識されよう。さらに、出射面の異なる部分が異なる集束力を有するように、出射面の異なる部分が異なる曲線を備えていてもよい。
【００２３】
複数の反射体およびそれぞれのＬＥＤユニットは、照明ユニットから発せられる光の量を増大するように共に実装されてもよい。複数の光源を共に実装する場合に重要であることが多い１つの設計基準は、多重光源パッケージの全体サイズを小さくすると同時に、特定の円錐角に照明の高効率を維持することである。本発明の側部照明反射体は、パッケージサイズを小さくするある程度の自由度を提供すると同時に、図４Ａ〜図４Ｃを参照してここで説明するように、所望の円錐角に高い集光率を維持する。図４Ａは１つの反射体４０４を有する照明ユニット４００を概略的に示し、光線がＬＥＤユニットから対象領域４１０までトレースされている。反射体４０４は、見る人がトレースされた光線４０６を見ることができるようにするために半光透過性であるように示されている。反射体４０４は、４分の１楕円面として示されている。ＬＥＤユニットは略ＬＥＤ軸の方向に光を最大限に発するため、ＬＥＤ軸および反射体軸によって形成される平面から最も遠く、かつ反射体４０４の下縁４０８に近い反射体の部分４０４ａは、ＬＥＤ軸に近い部分４０４ｃより反射する光が少ない。また、ＬＥＤ軸および反射体軸によって形成される平面に近いが、ＬＥＤ軸から最も遠い反射体の部分４０４ｂは、ＬＥＤ軸に近い部分４０４ｃより反射する光が少ない。
【００２４】
図４Ｂは、反射体４２４が反射体４０４のように形成されるが、部分４０４ａおよび４０４ｂが除去されている照明ユニット４２０を概略的に示す。これは、図４Ａに示される型より少ない光４２６で対象領域１０を照らすため、反射体４２４に関する全体的な反射効率は小さい。しかし、部分４０４ａおよび４０４ｂが除去されるため、所望の円錐角内の光を用いて対象物を照らすように、複数の反射体を共に組み合わせ、対象物に供給される光の量を増大してもよい。図４Ｃは、反射体４２４のような６個の反射体から形成される反射体本体４４４を有する複数反射体照明ユニット４４０の実施例を概略的に示す。反射体本体４４４は、異なる方法で形成されてもよく、たとえば反射体４２４のような個別の反射体を組み合わせることによって形成されてもよく、または一体型ユニットとして形成されてもよい。対象領域４１０または１０に入射するより、対象領域４５０に入射する光４４６の方がきわめて多いが、対象領域４５０に入射する光の量は対象領域４１０に入射する光の６倍でなくてもよい。一部の特定の実施例に対して計算された一部の照明効率が、以下で説明される。
【００２５】
複数反射体照明ユニット５００の断面が、図５に概略的に表されている。照明ユニット５００は、それぞれの照明ＬＥＤユニット５０２ａおよび５０２ｂを備える２つの反射体５０４ａおよび５０４ｂから形成される反射体本体５０４を有する。各反射体５０４ａおよび５０４ｂは、そのそれぞれの回転軸５１２ａおよび５１２ｂを中心とした回転面に適合する反射面５１０ａおよび５１０ｂを備えるように形成される。反射体５０４ａおよび５０４ｂは、たとえば、楕円面形状、放射面形状または何か他の形状であってもよい。それぞれのＬＥＤユニット５０２ａおよび５０２ｂは、光５０６ａおよび５０６ｂを反射体５０４ａおよび５０４ｂに透過し、光５１４ａおよび５１４ｂを反射する。ＬＥＤユニット５０２ａおよび５０２ｂは、それぞれの回転軸５１２ａおよび５１２ｂに対して非平行であるそれぞれのＬＥＤ軸５０８ａおよび５０８ｂを有する。示された実施形態において、ＬＥＤ軸５０８ａおよび５０８ｂは、それぞれの回転軸５１２ａおよび５１２ｂに対して実質的に垂直である。
【００２６】
示された実施形態において、反射面５１０ａおよび５１０ｂは楕円面であるため、反射光５１４ａおよび５１４ｂの大部分は収束する。さらに、軸５１２ａおよび５１２ｂは互いに対して平行ではないため、各反射体５０４ａおよび５０４ｂからの反射光５１４ａおよび５１４ｂは重なるような方向に伝搬する。示された実施形態において、軸５１２ａおよび５１２ｂは対象領域５１６に最も近い位置で交差するため、各反射体５０４ａおよび５０４ｂからの光５１４ａおよび５１４ｂは対象領域５１６を照らす。反射体本体５０４は軸５１８を画定し、その軸５１８を中心として反射体５０４ａおよび５０４ｂが対称に配置されてもよい。示された実施形態において、軸５１２ａおよび５１２ｂは同じ交点で本体軸５１８と交差し、本体軸５１８に対して同一の角度を形成するが、常にこのようになっている必要はない。
【００２７】
反射体本体が異なる数の反射体を含みうることは十分に認識されよう。いくつかの例が図６Ａ〜図６Ｃに概略的に示される。図６Ａにおいて、照明ユニット６００は、４個の反射体６０４ａから形成される反射体本体６０４を有する。対象領域６０６に集束するために、それぞれのＬＥＤユニット６０２は、光を反射体６０４ａに透過する。図６Ｂにおいて、照明ユニット６２０は、８個の反射体６２４ａから形成される反射体本体６２４を有する。対象領域６２６に集束するために、それぞれのＬＥＤユニット６２２は、光を反射体６２４ａに透過する。
【００２８】
照明ユニット６４０は図６Ｃに概略的に示されており、２列６４８ａおよび６４８ｂの反射体６４４ａを有する。第１の列６４８ａは、アパーチャ６５０の周囲に配置される１０個の反射体６４４ａを有する反射体本体６４４を形成する。それぞれのＬＥＤユニット６４２ａは、第１の列６４８の反射体６４４ａによって対象領域６４６に向かって反射される光を生成する。第２の列６４８ｂは、光をそれぞれのＬＥＤユニット６４２ａからアパーチャ６４８を通って対象領域６４６に向かって指向するように、共に位置決めされる６個の反射体６５４ａを有する反射体本体６５４から形成される。第１の列６４８の反射体６４４ａが第２の列の反射体６５４ａと同一の形状であってもよく、または同一の形状でなくてもよいことは十分に認識されよう。
【００２９】
反射体は、収束光を対象領域に向かって指向する必要はないが、一般に平行光を対象領域に向かって指向するために、発散光を対象領域に向かって指向するために用いられてもよい。たとえば楕円面の焦点以外の位置の配置されるＬＥＤユニットを有する楕円面反射体を用いて、これを実現してもよい。また、楕円以外の形状を有する反射面を用いて、これを実現してもよい。そのような形状の一例が、放物面形状である。これは図７Ａおよび図７Ｂに概略的に示されており、照明ユニット７００は光を放物面反射体７０４に指向するＬＥＤユニット７０２を備え、反射光７１４は対象領域７１６に対して幾分発散される。特定の実施例において、ＬＥＤユニット７０２は、０．５ｍｍ×０．５ｍｍの発光領域を有し、図１Ｂおよび図１Ｃに示されるような放射線パターンで光を発する。反射光７１４の約７３％が５°の半角を有する円錐の中に含まれる。照明ユニット７００は、小さな設置面積、たとえば２４ｍｍ×１２ｍｍ×１２ｍｍを有するように製作されてもよい。
【００３０】
放物面反射体８０４を有する照明ユニット８００の断面図が、図８Ａに概略的に示される。ＬＥＤユニット８０２は、光８０６を反射面８１０に指向する。ＬＥＤユニット８０２は、ＬＥＤ軸８０８を有する。反射面８１０は、回転軸８１２を中心として回転することによって形成される放物面に適合する形状を有する。発光体領域８０３は、軸８１２上で放物面の焦点付近または放物面の焦点に位置決めされる。示された実施形態において、ＬＥＤ軸８０８は回転軸８１２に対して垂直であるが、これは必要な条件ではない。反射光８１４は略平行化され、軸８１２に対してある程度平行に伝搬する。
【００３１】
放物面反射体は、中空の反射体であってもよいし、中実の反射体であってもよい。中実反射体の２つの実施例が、図８Ｂおよび図８Ｃに概略的に示される。図８Ｂにおいて、照明ユニット８２０は、ＬＥＤユニット８２２からの光８２６によって照らされる中実反射体８２４を備える。ＬＥＤユニット８２２は、回転軸８３２に対して実質的に垂直であるＬＥＤ軸８２８を有する。反射面８３０によって反射される光８３４は、回転軸に対して略平行に伝搬する。中実反射体８０４は、異なる面の輪郭を備えうる出射面８３６を有する。一実施形態において、出射面８３６は平坦であり、回転軸に対して垂直であってもよい。図８Ｂに示される実施形態において、出射面８３６は複数の異なる切子面８３６ａ、８３６ｂを有し、切子面８３６ａ、８３６ｂは反射体８２４から出射するときに光８３８を屈折する。切子面８３６ａ、８３６ｂは、出射面８３６の異なる部分から異なる方向に光を指向する。切子面８３６ａは、たとえば、切子面８３６ｂからの光と重なるように光８３８を指向してもよい。
【００３２】
出射面はまた、たとえば図８Ｃに示されているように、湾曲していてもよい。反射面８３０が放物面である場合には、出射面８４６に入射する光８３４は、軸８３２に対して幾分平行化され、平行である。図示されているように湾曲した出射面８４６を用いて、屈折光８４８を収束してもよく、または屈折光８４８を発散してもよい。出射面８４６はその全体領域にわたって湾曲される必要はなく、出射面８４６は平坦な部分および湾曲した部分を有してもよいことは十分に認識されよう。さらに、出射面の異なる部分は異なる曲面を備えていてもよいため、出射面の異なる部分は異なる集束力を有する。
【００３３】
複数反射体照明ユニット９００の実施例が、図９の断面図に概略的に表されている。照明ユニット９００は、それぞれの照明ＬＥＤユニット９０２ａおよび９０２ｂを備える２つの反射体９０４ａおよび９０４ｂから形成される反射体本体９０４を有する。各反射体９０４ａおよび９０４ｂは、そのそれぞれの反射体回転軸９１２ａおよび９１２ｂを中心とした回転面に適合する反射面９１０ａおよび９１０ｂを備えるように形成される。それぞれのＬＥＤユニット９０２ａおよび９０２ｂは、光９０６ａおよび９０６ｂを反射体９０４ａおよび９０４ｂに透過し、光９１４ａおよび９１４ｂを反射する。ＬＥＤユニット９０２ａおよび９０２ｂは、それぞれの回転軸９１２ａおよび９１２ｂに対して実質的に垂直であるそれぞれのＬＥＤ軸９０８ａおよび９０８ｂを有する。
【００３４】
示された実施形態において、反射面９１０ａおよび９１０ｂは放物面であるため、反射光９１４ａおよび９１４ｂはそれぞれの軸９１２ａおよび９１２ｂに対して実質的に平行化され、平行である。この特定の実施形態において、軸９１２ａおよび９１２ｂはまた互いに対して平行であるため、反射光９１４ａは反射光９１４ｂに対して平行である。回転軸９１２ａおよび９１２ｂは互いに対して平行である必要はないが、たとえば、各反射体９０４ａおよび９０４ｂからの光が重なるように指向されてもよい。
【００３５】
複数反射体照明ユニット１０００の別の実施例が、図１０Ａを参照してここで説明される。ユニット１０００は、それぞれのＬＥＤユニット１００２からの光を実質的に平行化する１０個の放物面反射体１００４ａを備える反射体１００４を有する。反射体１００４ａは、５×２の規則的なアレイに配置される。ある特定の実施形態において、反射体軸は平行であるため、各反射体１００４ａからの光は幾分平行化される。照明ユニット１０００から計算された遠視野における照明パターンが、図１０Ｂに示されている。この計算では、隣接するＬＥＤユニット１００２の間の間隔は１０ｍｍであり、遠視野パターンは１ｍで計算される。各ＬＥＤユニット１００２からの放射線は遠視野で実質的に重なり、１０°の円錐全角（半値全角）を有するスポットを生成する。
【００３６】
図１０Ｃを参照して説明される別の特定の実施形態において、反射体軸は平行ではないが、各ＬＥＤユニットからの光を隣接する発光体から発せられる光から遠い方に広げるように配置される。計算された放射線パターンから略矩形領域１０１０が照らされることが分かる。比較的高い強度のスポット１０１２は、反射体１００４ａのそれぞれからの光に相当する。図１０Ｃに示される放射線パターンを計算するために、各反射体の回転軸が隣接する反射体から１０°の角度で配置されたと仮定した。
【００３７】
６反射体照明ユニット１１００の１つの具体的な実験的に実現された実施形態の斜視概略図が、図１１Ａおよび図１１Ｂに表されている。反射体本体１１０４は、６個の反射体１１０４ａを備える。反射体本体１１０４は、反射体基部１１０６上に形成され、金属、たとえばアルミニウムから構成されてもよいし、またはアクリルなどのポリマーから構成されてもよい。本体は、ダイヤモンド切削を用いて正確な形状に形成されてもよいし、または本体材料が成形可能である場合には成形されてもよい。反射体本体１１０４は、反射性コーティングで被覆してもよい。たとえば、反射体本体１１０４は、アルミニウムまたは銀からなる反射性コーティングで被覆してもよい。反射性コーティングは、所望の波長帯で光を優先的に反射するように選択されてもよい。
【００３８】
ＬＥＤユニット１１０２は、それぞれの反射体１１０４ａの隣に位置決めされる。見ている人に反射体本体１１０４を見えるようにするために、１つのＬＥＤユニット１１０２のみが、図１１Ａに示されている。図１１Ｂにおいて、６つのＬＥＤユニット１１０２すべてが、ＬＥＤ取り付けブラケット１１０８によって反射体基部１１０６に取り付けられているように示されている。
【実施例】
【００３９】
照明効率は、従来の照明ユニットと比較した本発明の照明ユニットの有効性を比較するために、異なるタイプの照明ユニットに関して計算した。すべての場合において、価値判断基準としては、±２１°の受光錐の中でアパーチャ６．４ｍｍ×６．４ｍｍを通る光の最大量の集光を含むことであった。価値判断基準の数値評価は、幾何的集光効率（ＧＣＥ）であり、ＬＥＤから発せられた全体的な強度と比較した特定のアパーチャを通り、特定の受光錐の中の光強度の比である。ＧＣＥは、複数のＬＥＤ照明ユニットを解析した場合であっても、１つのＬＥＤから発せられた全体的な光強度に正規化したものとして表される。したがって、ＧＣＥが３００％の値を有する場合には、ＧＣＥは１つのＬＥＤによって発せられた全体的な光の３倍に等しいことを示している。この性能係数により、異なるタイプの照明ユニットの一貫した評価を行うことができ、用いられるＬＥＤの数に左右されない。いずれの場合にも、ＬＥＤは図１Ｂおよび図１Ｃに示されるような放射線パターンおよび０．５ｍｍ×０．５ｍｍの発光領域を有すると仮定される。
【００４０】
以下に提供される実施例において、２つのタイプの集光器が解析される。第１のタイプはＬＥＤ軸が回転軸に対して平行である反射集光器であり、第２のタイプは本発明による反射集光器であり、ＬＥＤ軸は反射体軸に対して非平行である。
【００４１】
実施例１―反射型軸上集光器
ＬＥＤからの光を集光するための公知の手法は、ＬＥＤの周囲に楕円反射体を配置することであり、回転軸がＬＥＤ軸に対して平行である場合には、たとえば照明ユニット１２００が図１２Ａに概略的に示される。ＬＥＤユニット１２０２は、反射体軸１２１２上にＬＥＤ発光体１２０３を備えるように位置決めされる。ＬＥＤユニット１２０２は、回転軸１２１２に対して平行であり、回転軸１２１２と一致するその軸と整列される。ＬＥＤユニット１２０６は、反射光１２１４として対象領域に反射される光１２０６のほか、対象領域に直接入射する光１２１６も発する。反射体１２０４は、軸１２１２を中心とした楕円面として形成される反射面１２１０を有する。発光体１２０３は楕円面の第１の焦点に位置決めされることから、反射光１２１４および直接入射光１２１６が楕円面の第２の焦点に近い点で集光される。
【００４２】
そのようなシステムの集光効率は、楕円面の幾何変数に左右され、比較的高くなりうる。たとえば、１つの楕円面が８１％の集光効率を有することができる。図１２Ｂに概略的に示されるように、図１２Ａに示されるような４楕円反射体ユニットを共に組み合わせることができる。しかし、反射体１２０４は回転軸に沿った寸法において比較的短いことから、隣接する反射体１２０４を互いに接触するように配置し、対象領域１２１６で入射する±２１°の円錐の要件を依然として満たすことができる。この配置構成のＧＣＥは、１３０％である。隣接する反射体１２０４と衝突することなく、反射体１２０４の部分が回転軸に沿って細長い場合には、この照明ユニットのＧＣＥは約１６０％に向上する。
【００４３】
実施例２―側部反射体
側部反射体は、回転軸がＬＥＤ軸に対して平行でない反射体であり、図２〜図１１において本発明に関して説明してきた実施例である。反射体が楕円面形状である場合には、説明した側部反射体の種々の実施形態は軸上反射集光器の場合より高いＧＣＥを有する。側部集光器の場合のＧＣＥは、異なる数のＬＥＤユニットを有する集光器の場合に計算され、すべての場合においてＬＥＤ軸が関連する反射体の回転軸に対して垂直であると仮定した。結果を表Ｉに一覧表示する。比較のため、反射型軸上集光器の場合のＧＣＥの値も一覧表示する。表はまた、特定の実施形態が示した図の番号も一覧表示する。すべての場合において、ＬＥＤユニットはそれぞれ５００μｍ×５００μｍの発光領域を有し、ＰＭＭＡから構成された半径２．８ｍｍの半球レンズを有すると仮定した。
【００４４】
【表１】
2007511056.tif 000003
【００４５】
表から分かるように、１つのみのＬＥＤが用いられる場合には、反射型軸上集光器は側部反射体と同程度の効率であるが、ＬＥＤの数が増大すると、側部反射体は利点をたちまち得る。たとえば、４つのＬＥＤが用いられる場合には、軸上集光器では全体的なＧＣＥは約１６０％であり、すなわちＬＥＤ１つ当たりのＧＣＥは約４０％である。相対的に、４つのＬＥＤを備える側部反射体では全体的なＧＣＥは約２５６％であり、ＬＥＤ１つ当たり約６４％に相当する。
【００４６】
側部反射体はまた、軸上反射手法を用いた場合より照明ユニットパッケージを小さくすることができる。たとえば、１つのＬＥＤユニットの場合には、側部集光器では２０ｍｍ×１１ｍｍ×２２ｍｍのパッケージサイズであるのに比べて、軸上反射体は３５ｍｍ×２８ｍｍ×２８ｍｍのパッケージに収まる。
【００４７】
本説明は大部分は楕円面および放物面に的を絞ってきたが、このような回転面のみを用いることに限定するわけではなく、他のタイプの回転面もまた用いてもよい。さらに、これらの異なる回転面から形成される反射体は、中空の反射体であってもよく、または中実の反射体であってもよい。
【００４８】
したがって、本発明は、上述の特定の実施例に限定されるものと考えるべきではなく、添付請求項に完全に記載されているように、本発明のすべての態様を網羅するものと考えるべきである。本発明が適用可能と思われる種々の修正、等価な工程のほか、多数の構造は、本願明細書を検討すれば、本発明が関係する当業者には容易に明白となるであろう。請求項は、そのような修正およびユニットを網羅するものとする。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１Ａ】光を発するＬＥＤユニットを概略的に示す図である。
【図１Ｂ】図１Ａに示されるＬＥＤユニットに関する放射線パターンを示す直交グラフである。
【図１Ｃ】図１Ａに示されるＬＥＤユニットに関する放射線パターンを示す極グラフである。
【図２Ａ】本発明の原理による側部反射体を含む照明ユニットの実施形態の概略断面図である。
【図２Ｂ】本発明の原理による側部反射体を含む照明ユニットの実施形態の概略斜視図である。
【図２Ｃ】本発明の原理による側部反射体を含む照明ユニットの実施形態の概略断面図である。
【図３Ａ】本発明の原理による中実の側部反射体を含む照明ユニットの実施形態の概略断面図である。
【図３Ｂ】本発明の原理による中実の側部反射体を含む照明ユニットの実施形態の概略断面図である。
【図３Ｃ】本発明の原理による中実の側部反射体を含む照明ユニットの実施形態の概略断面図である。
【図４Ａ】本発明の原理による側部反射体を含む照明ユニットの実施形態の概略図である。
【図４Ｂ】本発明の原理による側部反射体を含む照明ユニットの実施形態の概略図である。
【図４Ｃ】本発明の原理による複数の側部反射体を含む照明ユニットの実施形態の概略図である。
【図５】本発明の原理による複数の側部反射体を含む照明ユニットの断面図を概略的に示す図である。
【図６Ａ】本発明の原理による異なる数の側部反射体を含む照明ユニットを概略的に示す図である。
【図６Ｂ】本発明の原理による異なる数の側部反射体を含む照明ユニットを概略的に示す図である。
【図７Ａ】本発明の原理による照明ユニットの別の実施形態を概略的に示す図である。
【図７Ｂ】本発明の原理による照明ユニットの別の実施形態を概略的に示す図である。
【図８Ａ】本発明の原理による中実の側部反射体を含む照明ユニットの実施形態の概略断面図である。
【図８Ｂ】本発明の原理による中実の側部反射体を含む照明ユニットの実施形態の概略断面図である。
【図８Ｃ】本発明の原理による中実の側部反射体を含む照明ユニットの実施形態の概略断面図である。
【図９】本発明の原理による複数の側部反射体を含む照明ユニットの断面図を概略的に示す図である。
【図１０Ａ】本発明の原理による複数の放物面状の側部反射体を含む照明ユニットの斜視図を概略的に示す図である。
【図１０Ｂ】図１０Ａの照明ユニットの異なる実施形態から発せられる計算された放物線パターンを示す図である。
【図１０Ｃ】図１０Ａの照明ユニットの異なる実施形態から発せられる計算された放物線パターンを示す図である。
【図１１Ａ】本発明の原理による実験の側部反射体照明ユニットの概略斜視図である。
【図１１Ｂ】本発明の原理による実験の側部反射体照明ユニットの概略斜視図である。
【図１２Ａ】集光効率をモデル化する際に用いられる反射型軸上集光器の断面図を概略的に示す図である。
【図１２Ｂ】集光効率をモデル化する際に用いられる４つの反射体を備えた反射型軸上集光器を有する光照明ユニットを概略的に示す図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【国際調査報告】
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