(57)【要約】  本発明は、ＬＥＤベースの光学ユニットに関し、当該光学ユニットは、表面上に配置されたＬＥＤと、ＬＥＤを包含するモノリシック・モジュールとを含み、さらに再方向付け部と第１の散乱部とを含む。第１の散乱部は、第１の散乱部上への入射光を散乱させるように構成されている。再方向付け部は、第１の散乱部に入射させるべく、ＬＥＤによって放射される光の少なくとも第１の部分を再方向付けするように構成されている。
2014502022.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学ユニットであって、当該光学ユニットが：
表面上に配置された発光ダイオード（ＬＥＤ）と；
前記ＬＥＤを包含するとともに、再方向付け部及び第１の散乱部を含むモノリシック・モジュールと；を備え、
第１の散乱部は、入射光を散乱させるように構成されており、
前記再方向付け部は、第１の散乱部に入射させるべく、前記ＬＥＤによって放射される光の少なくとも第１の部分を再方向付けするように構成されている、
光学ユニット。
【請求項２】
前記再方向付け部はさらに、第１の散乱部に入射させないように、前記ＬＥＤによって放射される光の第２の部分を再方向付けするように構成されている、
請求項１に記載の光学ユニット。
【請求項３】
光の第２の部分は、前記ＬＥＤによって放射される光の４５％未満を含む、
請求項２に記載の光学ユニット。
【請求項４】
前記モノリシック・モジュールはさらに、第２の散乱部を含み、
前記再方向付け部はさらに、第２の散乱部に入射させるべく、前記ＬＥＤによって放射される光の第３の部分を再方向付けするように構成されており、それによって、表面上への再方向付けされた光の第１の部分の投影と表面上への再方向付けされた光の第３の部分の投影とが、０度と１８０と度の間の角度を形成する、
請求項１〜３のいずれか一項に記載の光学ユニット。
【請求項５】
前記モノリシック・モジュールは、前記ＬＥＤのビームパターンの対称軸と一致するような前記モノリシック・モジュールの対称軸と回転対称である、
請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学ユニット。
【請求項６】
前記ＬＥＤは、発光ダイと、該発光ダイの上に配置されたドームとを含み、前記モノリシック・モジュールが、前記ドーム上に配置されている、
請求項１〜５のいずれか一項に記載の光学ユニット。
【請求項７】
前記ＬＥＤは、発光ダイを備え、前記モノリシック・モジュールが、前記ダイの直上に配置されている、
請求項１〜５のいずれか一項に記載の光学ユニット。
【請求項８】
前記再方向付け部が、内部全反射によって光を再方向付けするように構成されている、
請求項１〜７のいずれか一項に記載の光学ユニット。
【請求項９】
第１の散乱部が、再方向付け部の一部に塗布された散乱材料を含む、
請求項１〜８のいずれか一項に記載の光学ユニット。
【請求項１０】
第１の散乱部に入射光を透過散乱するように構成された散乱カバーを備え、
第１の散乱部が、前記散乱カバーに入射させるべく、入射光の少なくとも一部を乱反射するように構成されている、
請求項１〜９のいずれか一項に記載の光学ユニット。
【請求項１１】
前記モノリシック・モジュールは、内面と外面とを備え：
前記内面は、チャンバを形成するように適合され、該チャンバは、前記ＬＥＤを少なくとも部分的に包含するように適合され、
前記内面は、前記外面に入射させるべく、前記ＬＥＤによって放射される光の第１の部分のうちの少なくとも第１部を屈折するように適合され、
前記外面は、内部全反射により入射光の第１の部分のうちの第１部を反射するように適合され、
前記内面は、ピーク部を含む、
請求項１〜１０のいずれか一項に記載の光学ユニット。
【請求項１２】
前記内面は、前記ＬＥＤのビームパターンの対称軸と一致するように適合された前記内面の対称軸と回転対称であり、又は前記モノリシック・モジュールが、前記ＬＥＤのビームパターンの対称軸と一致するように適合された前記モノリシック・モジュールの対称軸と回転対称である、
請求項１１に記載の光学ユニット。
【請求項１３】
前記モノリシック・モジュールの断面、前記ＬＥＤのビームパターンの対称軸を含む断面において、前記ピーク部が、前記ＬＥＤのビームパターンの対称軸に沿った位置にある、
請求項１２に記載の光学ユニット。
【請求項１４】
照明器具は、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の光学ユニットを２つ以上含む。
【請求項１５】
照明器具であって、当該照明器具が：
表面上に配置された第１の及び第２の発光ダイオード（ＬＥＤｓ）と；
第１の及び第２の発光ダイオード（ＬＥＤｓ）を包含するとともに、再方向付け部及び第１の散乱部を含むモノリシック・モジュールと；を備え、
第１の散乱部は、入射光を散乱させるように構成されており、
再方向付け部は、第１の散乱部に入射させるべく、第１の及び第２のＬＥＤの各々によって放射される光の少なくとも第１の部分を再方向付けするように構成されている、
照明器具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、一般的には照明システムの分野に関し、より具体的にはＬＥＤベースの光学ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤｓ）の効率（ワット当たりのルーメンで測定される）と光束（ルーメンで測定される）とが増大すると、価格が下がり、ＬＥＤ照明やＬＥＤベースの照明器具は直ぐに、広い面積の照明を提供するために今まで普及している発光管（ＴＬ）ベースの照明器具と競争力のあるレベルにまでなる及びそのレベルにある重要な代替品になると期待されている。このような照明器具は、主にオフィスビルでよく見かけるような１５ｃｍ〜２．４ｍの長さの管と、１．５８７５ｃｍ（5/8inch），２．５４ｃｍ(1inch)，３．１７５ｃｍ(1.25inches)、或いはさらに大きい直径とを有する形状の管の長さに沿って均一な輝度を提供するような照明器具である。典型的なＴＬ光束の出力密度は、メートル・チューブ長さ当たり３，０００ルーメンである。ＬＥＤを改良するために、より低いルーメン値を見いだすことができるかもしれない。
【０００３】
現在のＬＥＤ照明器具は、多数のＬＥＤを基板上に線状アレイとして配置することによって製造されており、各ＬＥＤは、ＬＥＤよって放射された光を、ＬＥＤアレイに垂直な方向に且つ湾曲した反射面上の基板の面に平行な方向に再方向付けされるように構成されたレンズによって包含されている。図１には、特許文献１に開示されるそのような照明器具３０の１つが例示されている。示されるように、照明器具３０は、２つのＬＥＤのアレイを含み、各ＬＥＤアレイは、対応する反射面３１の長さに沿って基板２０上に一列に配置されたＬＥＤｓ１０を含む。図１に示されるように、反射面３１が湾曲しているので、水平方向に入射した光は、垂直方向に反射され、こうして照明を提供することになる。
【０００４】
このような配列の１つの欠点は、湾曲した反射面を設けることにより、製造上の課題を提起することである。別の欠点は、各ＬＥＤによって放射される光の一部が、対応するレンズを通過し、レンズから抜け出て、次に、反射面によって反射されなければならないので光が損失することである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国出願公開第２００５／０２６５０４２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
当技術分野で必要とされることは、上述の課題の少なくとも一部を向上させることができるような解決法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様に従って、光学ユニットが提供される。この光学ユニットは、表面上に配置されたＬＥＤと、このＬＥＤを包含するモノリシック・モジュールとを含む。このモノリシック・モジュールは、再方向付け部と第１の散乱部とを含み、ここで第１の散乱部は、入射光を散乱するように構成されており、再方向付け部は、第１の散乱部に入射させるべく、ＬＥＤによって放射される光の少なくとも第１の部分を再方向付けするように構成されている。
【０００８】
本発明の別の態様に従って、そのような光学ユニットを２つ以上含む照明器具が開示されている。一実施形態では、そのような２つ以上の光学ユニットは、例えば管状ケース内に一列に配列することができ、これにより、共に線状光源を形成する。別の実施形態では、多数のそのようなユニットが、グリッドとして又は他の任意のパターンとして配列することができ、それによって共に面光源を形成する。照明器具はさらに、例えば光学ユニットによって生成された光のさらなる散乱を提供することができるようなオプション・カバーを含むことができる。
【０００９】
本発明のさらに別の態様に従って、単一のモノリシック・モジュールによって包含された少なくとも２つのＬＥＤを含む照明器具（押出し成形品）が、開示されている。
【００１０】
本明細書で使用されるような用語、「モノリシック」は、１つの機能性（例えば、光散乱部）を有するモジュールの一部が、別の機能性（例えば、光伝搬部）を有するモジュールの別の部分と一体化される部分となるようなモジュールを説明するために使用され、換言すれば、異なる光学特性が、単一体のさまざまな部分で実現されるようなモジュールを説明する。
【００１１】
本発明は、モノリシック・モジュールの再方向付け部の一体化部分に第１の散乱部を形成することによって、所望の機能性を維持しながら、光学系の製造を大幅に簡素化できるという認識に基づいている。次に、第１の散乱部を提供することは、単に、例えば白色塗料をレンズの適切な表面に塗布すること、又は例えば２Ｋ成形を用いることを含み、ここでレンズは、白色塗料又は白色プラスチックに光を入射させるべく、ＬＥＤによって放射される光を再方向付けするために用いることができる。
【００１２】
一実施形態では、再方向付け部はさらに、第１の散乱部に光が入射しないように、ＬＥＤによって放射される光の第２の部分を導くように構成されている。この実施形態は、ＬＥＤによって放射される光の一部が、第１の散乱部で乱反射されることなくモノリシック・モジュールから「漏出する」ことを提供する。一実施形態では、このような「漏出」光は、ＬＥＤによって放射される光の５〜１０％を含んでいるが、しかしながら、この割合は、例えば照明されたユニットの十分に均一な外観を得るために、さらに調整することができる。最も良くグレアを低減した状態で最大限照明を効率化するために、この割合は可能な限り低くするべきである。しかしながら、照明スポットの非均一性を最小化するために、漏出光からと、散乱部により散乱された光からとの照明器具の単位表面積当たりのルーメンの積算量は、好ましくは、観測された表面でどこでも同じである必要がある。
【００１３】
光が漏出する位置及び形状（例えば、モノリシック・モジュールの上部中央、モジュールの角部等）と、漏出した光線の量及び方向とを、一様な光源輝度に関して最適化することができる。モノリシック・モジュールの完全に屈折させる再方向付け部分について、これは、注意深く計算された波形（例えば、マイクロレンズのような微細構造、「ホログラフィック散乱」状構造、又は規定された角度分布を有する他の微細構造）を、モジュールの外面の選択された位置に追加することによって行うことができる。モジュールの外面がミラーである場合には、同様の構造を追加することができるが、それに加えて、このミラーは、所望するある程度の漏出を得るために、局所的に多少なりとも透明にすることができる。或いは又はさらに、光漏出を制御することは、再方向付け部の内面及び／又は外面に１つ又は複数の同心リングを導入すること、及び／又は内面と外面との間に延在する１つ又は複数の同心リングを導入することによって達成することができる。再方向付け部が、回転対称である場合には、同心リングの中心を再方向付け部の対称軸と一致するように適合することができる。このようなリングによって、光学系をより容易に改良することができる。従って、リングの対称性は、好ましくは光学系の対称性（すなわち、再方向付け部）、及び／又は対応するＬＥＤの対称性というよりはむしろよりそのような光学系を組み込んだ照明器具の対称性に関連付けされている。当然のことながら、他の実施形態では、このリングは、対応するＬＥＤのビームパターンの対称軸に対して対称となるようにすることができる。
【００１４】
また、提供された照明の均一性をさらに改善するために、オプション・散乱カバーとモジュールとの間に存在する追加の容積用散乱器及び／又は表面用散乱器があってもよい。追加の容積用散乱器及び／又は表面用散乱器は、その体積又は表面上でそれぞれ変化するような最適化された形状及び／又は光学特性を有することができる。モジュールの再方向付け部が透明である場合に、それは、光漏出を誘導するために容積部内に又は表面上に散乱要素を含むこともできる。
【００１５】
最も良い照明スポットの均一性を得ることを目的にした実施形態では、第２の部分は、ＬＥＤによって放射される光の４５％未満を含んでもよい。この実施形態は、有利には、ＬＥＤによって放射される光の大部分（５５％以上）が散乱されるように規定する。
【００１６】
最も良い照明スポットの均一性を得るためではなく、最も良い効率性を得ることを目的にした実施形態では、第２の部分は、ＬＥＤによって放射される光の５〜１０％未満を含んでもよい。この実施形態は、有利には、ＬＥＤによって放射される光の大部分（９０％以上）が、モジュールから「漏出」する光のほんの一部とともに散乱されるように規定する。
【００１７】
一実施形態では、モノリシック・モジュールはさらに、第２の散乱部を含むことができ、そして再方向付け部はさらに、第２の散乱部に入射させるべく、ＬＥＤによって放射される光の第３の部分を再方向付けするように構成することができ、それによって、光の再方向付けされた第１の部分の平均方向の（ＬＥＤが搭載される「背面」の表面上の）投影と、光の再方向付けされた第３の部分の平均方向の（ＬＥＤが搭載される「背面」の表面上の）投影とが、０度〜１８０度の間の角度を形成する。この実施形態は、ＬＥＤによって放射された光の一部が、例えばモジュールの対向する側面に対して再方向付けされるだけでなく、他の方向にも再方向付けすることができることを規定する。これは、矩形パターンとして配列された、例えば４つ以上のそのような光学ユニットを含む照明器具から一様な照明を得るために特に有利となり、それによって、全てのユニットは、共に面光源を形成する。
【００１８】
一実施形態では、モノリシック・モジュールは、ＬＥＤのビームパターンの対称軸と一致するモノリシック・モジュールの対称軸と回転対称とすることができる。
【００１９】
本明細書で使用するような用語、「回転対称な構造」は、構造体の対称軸周りに一定の角度又は全ての角度の回転に対して対称性を有する構造体を意味する。一実施形態では、モノリシック・モジュールは、モジュールの対称軸周りの全ての角度の回転に対して回転対称とすることができ、従って、円形の上部プロファイルを有することになる。別の実施形態では、モノリシック・モジュールは、モジュールの対称軸の周りに特定の角度のみ回転するような回転に対して回転対称とすることができ、従って、非円形であるが対称な上部プロファイルを有することになる。例えば、９０度の回転に対して回転対称性を有するようなモノリシック・モジュールは、正方形の上部プロファイルを有することができる。
【００２０】
さらに、本明細書で使用されるような用語、ＬＥＤの「ビームパターン」は、空間の全ての方向において立体角当たりの光束を与えるようなＬＥＤの強度分布を意味する。
【００２１】
一実施形態では、ＬＥＤは、発光ダイと、この発光ダイ上に配置されるとともにこの発光ダイを封止するように構成されたドームとを含むことができ、ここでモノリシック・モジュールは、ドームの上に配置されている。本実施形態では、モノリシック・モジュールが「二次光学系」として含まれてもよいことを規定し、本明細書で使用される場合に、この用語は、ＬＥＤパッケージ内に含まれない光学素子を意味する。対照的に、用語「一次光学系」は、典型的には、発光ダイと、この発光ダイ上に配置されるとともに発光ダイを保護するように構成されたドーム等とを含むようなＬＥＤパッケージ内に含まれる素子を意味する。
【００２２】
一実施形態では、ＬＥＤは、発光ダイを含むことができ、そしてモノリシック・モジュールは、この発光ダイの直上に配置することができる。従前の実施形態とは対照的に、本実施形態では、モノリシック・モジュールが、ＬＥＤパッケージ内の「一次光学系」として含めることができるような実施形態を提供する。
【００２３】
さらに他の実施形態では、ＬＥＤは、発光ダイ上に配置されたドーム（複数可）又は直接的なモノリシック・モジュールのいずれか一方を有する多数の発光ダイを含むことができる。
【００２４】
一実施形態では、再方向付け部が、内部全反射によって光を再方向付けするように構成することができる。ミラーを用いて光を再方向付けするようないくつかの従来技術の実装品とは対照的に、本実施形態では、ＬＥＤによって放射された光を導く際に最小限の光損失を有するような再方向付け部の利点を提供する。
【００２５】
一実施形態では、第１の散乱部は、モノリシック・モジュールの再方向付け部の一部に配置された散乱特性を有する材料を含む。このような材料は、例えば白色塗料や白色プラスチックとすることができる。
【００２６】
一実施形態では、光学ユニットはさらに、入射光を透過散乱するように構成された散乱カバーを含むことができ、ここで第１の散乱部は、散乱カバーに入射させるべく、入射光を乱反射させるように構成することができる。この実施形態は、透過散乱カバーによってさらに散乱させるために提供されている。好ましい実施形態では、光学ユニットの外側に直接的に透過される前か、又はカバーを介して光学ユニットの外側に散乱透過される前のいずれかで、ＬＥＤによって放射される光の第１の部分の各ビームは、第１の散乱部によって一度だけ乱反射される。このように反射される光は、光損失を最小限に保つことができる。
【００２７】
一実施形態では、ＬＥＤは、６５以上のルーメンの光束の発光能力を有する高出力ＬＥＤを含むことができる。照明器具内に高出力ＬＥＤを含めることによって、より少ないＬＥＤを用いて照明器具からの所望の輝度出力を得ることができ、こうして、照明器具のコストや複雑さを減少させることができる。さらに、そのような光束を放射する能力を有する高出力ＬＥＤダイは、通常１×１ｍｍ２よりも大きいサイズを有しているので、モジュールの内面がピーク部を含むように変更されるようなモノリシック・モジュールを含むことによって、そのようなＬＥＤについて特に有利となる。しかしながら、本明細書に開示された実施形態は、高出力ＬＥＤを使用するために特に有益であるが、当然のことながら、本発明の教示は、６５ルーメン未満の光束を有するＬＥＤと共に実装することもできる。
【００２８】
一実施形態では、モノリシック・モジュールは、内面と外面とを備えており、そして、内面が、チャンバを形成するように適合されており、ここでチャンバは、ＬＥＤを少なくとも部分的に包含するように適合されており、内面は、外面に入射させるべく（第１の散乱部に光を入射する前に）、ＬＥＤによって放射される光の第１の部分のうちの少なくとも第１部を反射するように適合されており、外面は、内部全反射によって入射光の第１の部分の第１部を反射するように適合されており、内面は、ピーク部を含む。ピーク部は、内面の２つの部分によって形成されていると考えてもよく、好ましくはＬＥＤの中心の上方となるように適合されている。様々な実施形態では、光学ユニットの断面図において、断面は、ＬＥＤのビームパターンの対称軸を含むように切り取られ、２つの部分は、例えばある角度で接合される内面の２つの線状部分（すなわち、２つの線状部分が、１８０度未満の角度を形成する）、２つの凸形状曲線、２つの凹形状曲線、又は２つの部分の各々が、線形部分、凸形状曲線、又は凹形状曲線の任意の組み合わせを含むことができ、随意に、ピーク部は、さらに丸みを帯びていてもよい。いくつかの実施形態では、ピーク部は、モノリシック・モジュールの内面の「頭部」と見なすことができる一方、このピーク部に隣接する内面の一部が、「肩部」であると見なすことができる。しかしながら、他の実施形態では、ピーク部が、モノリシック・モジュールの内面に「肩部」を１つも有することなく、内面の「頭部」と見なすことができる。
【００２９】
本明細書で使用する場合に、ピーク部を含むモノリシック・モジュールの内面についての本発明の概念として、内面は、ＬＥＤの周りにチャンバを形成するように適合される全ての実施形態を包含することを意図しており、このチャンバは、非球面の、ほぼ凸形状を有する。「ほぼ凸形状」という用語は、形状を説明するために使用されており、その形状は、いくつかの凹部又は線状部分を有するが、一般的には、凸形状であり、例えば図１６に示されるような内面である。これらの規定に沿って、ピーク部を含む内面の概念は、（ドームが球体であり、非球体ではないため、）ドーム形状のチャンバを形成する内面を覆っておらず、（矩形は、「ほぼ凸形状」ではないため、）矩形の側面に沿って配置されるように適合されたＬＥＤを有する矩形状チャンバを形成する内面を覆っていない。
【００３０】
そのようなモノリシック・モジュールは、ＬＥＤによって放射される光を略垂直方向からほぼ水平方向又は下向き水平方向（「後方」の方向）に再方向付けするために使用することができる。そのようなモジュールは、このモジュールが、光ガイドの一体化部分とすることができる場合には、ＬＥＤによって放射された光を光ガイド内で結合するように適合された光結合(incoupling)構造体として使用することができる。
【００３１】
ピーク部を有するモノリシック・モジュールの内面の考え方は、以下の認識に基づいており、それはモジュールの厚さは、ＬＥＤの放射面のサイズがモジュールの厚さと同程度である位置に低減されるときに、ＬＥＤは、もはや放射面の中心において単一の点から光を放射する点光源であると考えることができる。代わりに、ＬＥＤによって放射される全ての光ビームと外面上の入射光とがＴＩＲによって反射されることが可能になるようにモジュールの形状を決定する際に、特別な注意を、ＬＥＤの放射面の拡張サイズに向ける必要がある。そのような注意が向けられない場合には、ＬＥＤの放射面の縁部付近から放射された光ビームは、モジュールの外面においてＴＩＲ条件が満たされないような角度でモジュールに入射され、これらの光ビームは、モジュールから脱出する、又は漏出する。従って、ＬＥＤの放射面の縁部付近から放射された光ビームは、ＴＩＲ条件が依然として満たされるという態様で、モジュールの外面に入射されることを確実にするように注意を払う必要がある。モジュール全体の厚さを増大させることなく、そのような注意は、モジュールの最大厚さに対する内面の形状とモジュールの外面の形状とを適応させることを含み、それによって、ＬＥＤによって放射された全ての光ビームと、内面上の入射光と、さらにＬＥＤの放射面の縁部付近から放射された光ビームとが、ＬＥＤの外面上の屈折された光ビームの入射角がＴＩＲ条件を満足するような角度で内面によって屈折させることができる。次に、ＬＥＤによって放射された全ての光ビームだけが、実質的にモノリシック・モジュール内に含まれることとなる。
【００３２】
従来技術の実装の際に使用されるドーム形状の内面は、以下に説明されるとともに図５に示されるように、最小化された光漏出に関して最適化されていない。その理由は、ＬＥＤの縁部付近から放射された光ビームの一部は、図１３Ｂ及び図１３Ｄに示され及び以下により詳細に説明されるように、モジュールの外面から漏出することができるからである。これとは対照的に、ＬＥＤ上方にピーク部を含む本発明の実施形態に従う内面は、外面の形状とモジュールの最大厚さとについてより最適化される。それは、そのような非ドーム形状の表面についてのみ形状を決定することができるためである。それによって、ＬＥＤによって放射された全ての光ビームは、モジュールの外面上の屈折された光ビームの入射角がＴＩＲ条件を満たすような角度で内面によって屈折される。
【００３３】
一実施形態では、モノリシック・モジュールの全体ではなく、モジュールの内面のみが、ＬＥＤのビームパターンの対称軸と一致するように適合された内面の対称軸と回転対称とする（すなわち、ＬＥＤを包含するように適合されるチャンバが回転対称にされる）ことができ、及びその逆とすることもできる。
【００３４】
一実施形態では、光学ユニットの断面、具体的にはＬＥＤのビームパターンの対称軸を含む断面において、ピーク部は、ＬＥＤのビームパターンの対称軸に沿った位置にある。従って、モジュールの内面は、ＬＥＤのビームパターンの対称軸に沿って、ＬＥＤ上方に単一のピーク部を含むであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】図１は、従来技術によるＬＥＤベースの照明器具を例示する。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の一実施形態による光学ユニットの三次元図を例示する。
【図２Ｂ】図２Ｂは、本発明の別の実施形態による光学ユニットの三次元図を例示する。
【図２Ｃ】図２Ｃは、図２Ａ及び図２Ｂの光学ユニットの側断面図を例示する。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明のさらに別の実施形態による光学ユニットの三次元図を例示する。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図３Ａの光学ユニットの側断面図を例示する。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の様々な実施形態による、図２Ａ，図２Ｂ，図３Ａの光学ユニットを照明器具内に配置するための例示的な方法を例示する。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本発明の様々な実施形態による、図２Ａ，図２Ｂ，図３Ａの光学ユニットを照明器具内に配置するための例示的な方法を例示する。
【図４Ｃ】図４Ｃは、本発明の様々な実施形態による、図２Ａ，図２Ｂ，図３Ａの光学ユニットを照明器具内に配置するための例示的な方法を例示する。
【図４Ｄ】図４Ｄは、本発明の様々な実施形態による、図２Ａ，図２Ｂ，図３Ａの光学ユニットを照明器具内に配置するための例示的な方法を例示する。
【図４Ｅ】図４Ｅは、本発明の様々な実施形態による、図２Ａ，図２Ｂ，図３Ａの光学ユニットを照明器具内に配置するための例示的な方法を例示する。
【図４Ｆ】図４Ｆは、本発明の一実施形態による、全てのＬＥＤを包含する単一のモノリシック・モジュールを用いつつ、図３Ａの光学ユニットを照明器具内に配置する例を示す。
【図４Ｇ】図４Ｇは、図４Ｆの配列の三次元図を例示する。
【図５】図５は、従来技術による光ガイドを例示する。
【図６Ａ】図６Ａは、本発明の一実施形態による、ＬＥＤを包含するモノリシック・モジュールの最適化された内面を有する光学ユニットの三次元図を例示する。
【図６Ｂ】図６Ｂは、本発明の一実施形態による、図６Ａの光学ユニットの側断面図を例示する。
【図６Ｃ】図６Ｃは、本発明の別の実施形態による、図６Ａの光学ユニットの光ガイド光結合(incoupling)アプリケーションの側断面図を例示する。
【図７】図７は、図８〜１２の説明に用いられる光学ユニットの模式図を提供する。
【図８】図８は、ＬＥＤが点光源放射体であると考えられるときに、ＴＩＲ条件を満たす再方向付け構造体の外面の断面形状についての計算結果を提供する。
【図９】図９は、ＬＥＤが埋没型拡張光源放射体であると考えられるときに、ＴＩＲ条件を満たす再方向付け構造体の外面の断面形状についての計算結果を提供する。
【図１０】図１０は、ＴＩＲ条件を満たす上述した再方向付け構造体に対するＬＥＤの放射面の大きさにおける光学サイズの依存性を例示する。
【図１１】図１１は、ＬＥＤが、点光源放射体である、又は埋没型拡張光源である、或いは再方向付け構造体のドーム形状の内面によって包含される拡張光源であると考えられるときに、ＴＩＲ条件を満たす再方向付け構造体の外面の断面形状についての計算結果の比較を提供する。
【図１２】図１２は、様々な光結合チャンバを有する最小厚さのＴＩＲ再方向付け構造体の様々な断面についての計算結果の比較を提供する。
【図１３Ａ】図１３Ａは、ＬＥＤの周りにドーム形状チャンバを形成する再方向付け構造体と、ＬＥＤ上方に鋭いピーク部を有するチャンバを形成するような本発明の一実施形態による再方向付け構造体との間の光漏出に関する相違を例示する。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、ＬＥＤの周りにドーム形状チャンバを形成する再方向付け構造体と、ＬＥＤ上方に鋭いピーク部を有するチャンバを形成するような本発明の一実施形態による再方向付け構造体との間の光漏出に関する相違を例示する。
【図１３Ｃ】図１３Ｃは、ＬＥＤの周りにドーム形状チャンバを形成する再方向付け構造体と、ＬＥＤ上方に鋭いピーク部を有するチャンバを形成するような本発明の一実施形態による再方向付け構造体との間の光漏出に関する相違を例示する。
【図１３Ｄ】図１３Ｄは、ＬＥＤの周りにドーム形状チャンバを形成する再方向付け構造体と、ＬＥＤ上方に鋭いピーク部を有するチャンバを形成するような本発明の一実施形態による再方向付け構造体との間の光漏出に関する相違を例示する。
【図１４】図１４は、本発明の一実施形態による、漏出光が制御される光学ユニットの面６５０における側断面図を例示する。
【図１５】図１５は、本発明の別の実施形態による、光漏出が制御される光学ユニット６５０の面における側断面図を例示する。
【図１６】図１６は、本発明の様々な実施形態による、様々な形状のピーク部を含む内面を例示する。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下に、本発明の実施形態をさらに詳細に説明する。しかしながら、本実施形態は、本発明の保護の範囲を限定するものとして解釈されないことを理解されたい。
【００３７】
全ての図面では、スケッチされた寸法は、説明のためだけに用いられ、真の寸法や比率を反映していない。全ての数値は、概略であり、実際の尺度ではない。具体的には厚さが他の寸法に対して誇張されている。また、このようなＬＥＤチップ、ワイヤ、基板、ハウジング等の詳細は、明確にするために図面から時には省略されている。
【００３８】
以下の詳細な説明において、多数の特定の詳細な説明が本発明のより完全な理解を提供するために説明されている。しかしながら、本発明がこれらの特定の詳細な説明の１つ以上がなくても実施できることは、当業者には明らかであろう。他の例では、公知の特徴は、本発明を不明瞭にするのを避けるために説明されていない。
【００３９】
図２Ａには、本発明の一実施形態による、光学ユニット２００Ａの三次元図が例示されている。示されるように、このユニット２００Ａは、モジュール２１５Ａに包含されるとともに、このモジュール２１５Ａの底面２０５と同一面（例えば、プリント回路基板の上面）上に配置されるＬＥＤ２１０を含む。モジュール２１５Ａの側面２２０Ａは、それら側面が、入射光を乱反射させるように作製されている。モジュール２１５の容積部は、側面２２０Ａに入射させるべく、ＬＥＤ２１０によって放射された光を導くように構成された光伝搬及び再方向付け構造体である。
【００４０】
光を乱反射するように構成されたモジュール２１５の一部は、モジュール２１５Ａの側面（複数可）であるが、光を散乱部に導くように構成されたモジュール２１５Ａの一部は、モジュール２１５Ａの容積部であり、そのようなモジュール２１５Ａは、光散乱部（すなわち、側面２２０Ａ）と光再方向付け部（すなわち、モジュール２１５Ａの容積部と側面２２０Ａ以外のモジュール２１５Ａの表面の残りの部分）とを含むモノリシック・モジュールとすることができ、ここで、散乱部と再方向付け部とは、単体の一体化部分である。当業者は、「光の散乱」は、「光の再方向付け」ともなるので、散乱部はまた、入射光を再方向付けすることを認識するであろう。しかしながら、本明細書で提供される考察のために、散乱部と再方向付け部との間の相違として、散乱部は、光を散乱させるだけでなく光を再方向付けするが、再方向付け部は、光を再方向付けするが、光を散乱させないことが挙げられる。
【００４１】
図２Ａに示される実施形態では、モジュール２１５Ａの再方向付け部は、ユニット２００Ａの横方向又はこのユニット２００Ａが組み込まれる照明器具の横方向（矢印２４２と２４４とで示される）に沿って主に散乱面２２０Ａに光を入射させるべく、ＬＥＤ２１０によって放射される光の経路を変更するように設計されたレンズとすることができる。
【００４２】
他の実施形態では、モジュール２１５Ａは、互いに隣接して配置された場合に、異なるモジュール間での光の混合を可能にするように、ＬＥＤ２１０によって放射された光を例えば横方向に垂直な他の方向に導くために様々な形状を有することができる。さらに、モジュール２１５Ａの表面及び／又は側壁は、光を再方向付けして、散乱面の全長に亘って所望される輝度を提供するように最適化することができる。そのような一実施形態が図２Ｂに示されており、この図２Ｂには、本発明の別の実施形態による光学ユニット２００Ｂの三次元図が例示されている。図２Ｂでは、図２Ａと同じ参照符号を有する要素が、図２Ａと同じ要素を例示している。従って、これらの要素に対する上述した考察の全てがここに適用され、簡潔にするため、繰り返さない。
【００４３】
光学ユニット２００Ｂは、モジュール２１５Ｂが、軸線２５５周りの全ての回転角度に対して円対称であるという点でユニット２００Ａと異なり、ここで軸２５５は、ＬＥＤ２１０のビームパターンの対称軸となる。光学ユニット２００Ｂはさらに、モジュール２１５Ｂの散乱部が側面２２０Ｂとして示された面であるという点と、モジュール２１５Ｂの容積部が、光を殆ど側面２２０Ａに導くこととは対照的に、全ての側面においてＬＥＤ２１０によって放射された光をＬＥＤ２１０を取り囲む面２２０Ｂに導くように構成されているという点で、ユニット２００Ａと異なる。
【００４４】
図２Ａ及び図２Ｂの三次元図に示されるように、モジュール２１５Ａとモジュール２１５Ｂとの双方は、面２５０として示される平面に対して対称とすることができる。光学ユニット２００Ａと光学ユニット２００Ｂとの動作を詳細に説明するために、これらのユニットの側断面図が図２Ｃに例示されている。図２Ｃの断面図は、光学ユニット２００Ａの断面が光学ユニット２００Ｂの断面と同じように見えるように、面２５０に沿って切り取られた断面を示している。従って、図２Ｃでは、斜線記号（例えば、２１５Ａ／２１５Ｂ）を使用して記載された要素番号は、その要素がユニット２００Ａに又はユニット２００Ｂに属することができることを意図しており、以下の説明が両方のユニットに適用されることを示す。
【００４５】
動作において、ＬＥＤ２１０は、モジュール２１５Ａに入射するような光を（上面放射ＬＥＤ又は側面放射ＬＥＤ等のいずれかとして）放射する。様々な実施形態では、ＬＥＤ２１０は、６５以上のルーメンの発光出力を有する光を提供可能な高出力ＬＥＤを含むことができる。図２Ｃに示されるように、ＬＥＤ２１０は、ドーム２１４で覆われたＬＥＤダイ２１２を含むことができる。ＬＥＤダイ２１２は、駆動信号に応答して光を放射するように構成されている。ＬＥＤダイ２１２に使用される材料によって、主として、例えば光の色、明るさ、及び／又は強度等のＬＥＤ２１０の特性が決定される。ＬＥＤダイ２１２用に使用可能な材料としては、例えばＧａＮ，ＩｎＧａＮ，ＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ等の無機半導体、又はＡｌｑ３に基づく低分子半導体又は例えばポリ（ｐ−フェニレンビニレン）やポリフルオレンの誘導体に基づくポリマー半導体等の有機半導体がある。
【００４６】
ドーム２１４は、通常、環境因子からＬＥＤダイ２１２を保護する及び／又は、例えば依然として一定のエンベロープ内に適合させながら、又は最大数のアプリケーションのためにＬＥＤの強度プロファイルをマッチさせながらＬＥＤの全光束を最大化させるように構成されている。様々な実施形態では、ドーム２１４は、実際には図２Ｃに例示されるドーム形状の半体とは異なる形状を有することができ、ＬＥＤ２１０のアプリケーションの特定の要求に適合することができる。
【００４７】
図２Ｃにギャップ２３５として示されるように、例示される実施形態では、モジュール２１５Ａは、ＬＥＤ２１０と物理的に接触することなくＬＥＤ２１０を包含する。従って、ギャップ２３５は、ＬＥＤ２１０のドーム２１４とモジュール２１５Ａとの間の間隙となる。ギャップ２３５は、空間であってもよく、又は適切な光学特性を有する材料を充填することができる。材料を充填する場合に、これは、様々なモジュール２１５Ａの形状を必要とすることがある。代替実施形態（図２Ｃに図示せず）では、モジュール２１５Ａはまた、ＬＥＤ２１０と物理的に接触していてもよい。
【００４８】
図２Ｃには、ドーム２１４で覆われた発光ダイ２１２を含むＬＥＤ２１０が例示されているが、ユニット２００Ａはまた、ＬＥＤ２１０の一部としてドーム２１４を含むことなく実装することができる。その代わりに、モジュール２１５Ａ自体が、発光ダイ２１２の全体に亘ってドームの機能を果たすように使用することができる。このような実施形態では、モジュール２１５Ａは、ＬＥＤ２１０を含むＬＥＤパッケージの「一次」光学部品と呼称することができ、モジュール２１５Ａは、発光ダイ２１２のいずれか面の直上に配置することができる（すなわち、ダイと接触し、例えばギャップ２３５のようなＬＥＤ２１０とモジュール２１５Ａとの間に空隙がない）又は（例えば、ギャップ２３５と同様に）空隙を有する発光ダイ２１２を包含することができる。
【００４９】
図２Ｃに示されるように、動作において、ＬＥＤダイ２１２は、モジュール２１５Ａに最初に入射されるような模式的に光線２５１及び２５２として示されるように光を放射する。モジュール２１５Ａの再方向付け部は、次に、散乱面２２０Ａに入射させるべく、光の大部分（８０〜９０％を超える）を屈折及び反射するように構成されている。図２Ｃには、側面２２０Ａに入射される光線２５１が点２６１に例示されているとともに、側面２２０Ａに入射される光線２５２が点２６２に例示されている。同様に、点２６１と点２６２とを起点として矢印で模式的に示されるように、側面２２０Ａは、様々な垂直方向にそれら側面への入射光を乱反射させる。
【００５０】
そのような動作は、例えば、光線２５２を追跡することによって例示することができる。光線２５２は、３つのセグメント、２５２ａ，２５２ｂ，２５２ｃを有している。
【００５１】
セグメント２５２ａは、光線２５２が、ギャップ２３５の充填材料とモジュール２１５Ａと間の境界面で屈折される前の、ＬＥＤダイ２１２によって放射された光線２５２のセグメントを例示する。図面を乱雑にさせないために図２Ｃには例示されないが、セグメント２５２ａはまた、ドーム２１４とギャップ２３５の充填材料との間の境界面で、その境界におけるそれぞれの材料の屈折率に依存して、屈折してもよいことに留意されたい。
【００５２】
セグメント２５２ｂは、ギャップ２３５の充填材料とモジュール２１５Ａとの間の境界面で屈折されるとともに点２６２において側面２２０Ａに入射させるべく、モジュール２１５Ａの再方向付け部によって導かれた後の、光線２５２のセグメントを例示している。
【００５３】
好ましい実施形態では、モジュール２１５Ａの再方向付け部は、ＬＥＤ２１０によって放射された光を吸収しない材料から製造することができ、そして内部全反射の原理に基づいてＬＥＤ２１０によって放射された光を導くように設計されている。例えば、モジュール２１５の再方向付け部は、透明なＰＭＭＡ、ポリカーボネート、ガラス、又は同等の材料から製造することができる。他の実施形態では、モジュール２１５Ａの再方向付け部は、（例えば、金属の又は誘電体の）ミラー面を有し、中空又は透明材料で充填されたいずれかの状態で実施することができる。
【００５４】
セグメント２５２ｃは、側面２２０Ａによって乱反射された後の光線２５２の一部を例示している。一実施形態では、側面２２０Ａは、モジュール２１５の表面上に配置された平坦な白色材料を含むことができ、例えば白色プラスチック、白色塗料等から構成することができる。
【００５５】
図２Ｃには、光線が、光学ユニット２００Ａの右側の側面２２０Ａに導かれるが、同様の例示と説明とが、光学ユニット２００Ａの他の側（左側）の側面２２０Ａに拡張することができる。
【００５６】
散乱部と再方向付け部とを含むモノリシック・モジュールであるモジュール２１５Ａは、ＬＥＤによって放射された光が、例えば図１に例示される別個の湾曲面等の異なる要素面である散乱器上に、レンズによって再方向付けされていたような先行技術の実装法とは対照的である。例えば白色塗料を再方向付け構造体の適切な部分に塗布することによって又は例えば２Ｋ成形プロセスを使用することによって、散乱部が再方向付け構造体の一体化部分となるように光学ユニットを製造することによって、図１の構造体と比較して遥かに容易に２００Ａ等の光学ユニットを有する器具、システム、及び／又は照明器具の製造を行うことができる。さらに、光損失を最小化するために、底面２０５及び／又はモノリシックユニットとＬＥＤとが搭載される搭載面の関連する（すなわち、ＬＥＤに近い）部分は、さらに白色塗料や２Ｋ成形をこれらの部分に適用することによって、乱反射面に変換することができる。これによって、照明器具の他の表面上の光学的要求を少なくすることができ、そしてこの光学的要求は次に、例えば最も良い機械的又は熱的特性を得るために最適化される。モノリシック・モジュールが、円い形状２１５Ｂとして実装される場合に、又はそのモノリシック・モジュールが、モジュール２１５Ａの上面と底面との各々が多角形の形状を有するような３つ、４つ、又はそれ以上の乱反射面２２０Ａを有する形状２１５Ａとして実装される場合に、低減された要求についてのこの利点はさらに増進される。
【００５７】
光損失を最小化するために、モジュール２１５Ａは、光が好ましくは、光学ユニット２００Ａ（図示せず）から脱出する前に又は光学ユニット２００Ａを覆うオプション・カバーに入射する前に、散乱面２２０Ａによって一度だけ反射されるように設計することができる。可能な限りこの最適条件に近づけるために、モジュール２１５の再方向付け部は、可能な限り多くのビームが、モジュール２１５Ａの散乱部に衝突するようなビームパターンを有することができる。一実施形態では、オプション・カバーは、このカバーが単に入射光を透過させるような透明材料を含むことができる。或いはまた、このオプション・カバーは、入射光を透過散乱させるように構成された透過散乱層を含むことができ、それによって光学ユニット２００Ａによって提供される照明の均一性を向上させることができる。
【００５８】
本明細書で使用されるような用語、「乱反射させる」及びその派生語は、光の８０〜９０％以上が反射される準ランバートを意味し、用語「透過散乱させる」及びその派生語は、光の４０〜６０％以上が透過される準ランバートを意味する。好ましくは、オプション・カバーの散乱特性は、依然として均一性の要件を満たしながら、透過光の量を最大化するように最適化しなくてはならない。
【００５９】
モジュール２１５Ａの再方向付け部は、側面２２０Ａに入射させるべく、ＬＥＤ２１０によって生成された光の大部分を導くように設計することができる。随意に、モジュール２１５Ａの底部の少なくとも一部は、光学ユニット２００Ａの効率をより低下させるような光の吸収を防止するために、少なくとも部分的に反射してもよい。
【００６０】
側面２２０Ａに入射させるべくＬＥＤ２１０によって生成された光の最適な割合は、光学ユニット２００Ａが用いられる特定の装置の輝度均一性と効率性との間の妥協点に依存する。例えば、一列に配列された２つ以上の光学ユニット２００Ａを含む照明器具について、ＬＥＤ２１０の各々によって生成された光の全て（１００％）が、最も良くグレアが低減される状態で最も良い効率を得るためにそれぞれの側面２２０Ａに入射させることができる。
【００６１】
他の実施形態では、モジュール２１５の再方向付け部は、ＬＥＤ２１０によって放射される光の一部が、「漏出する」ことがある（すなわち、側面２２０Ａに入射するように導かれることなくモジュール２１５Ａから脱出する）ような１つ以上のセグメント（図２Ｃに図示せず）を含むことができる。さらに別の実施形態では、漏出光は、モジュール２１５を覆うことができるオプション・散乱カバー（図２Ｃに図示せず）に入射させることができる。このようなオプション・散乱カバーは、入射光を（上述したオプション・散乱カバーと同様に）透過散乱するように構成することができる。
【００６２】
図２Ｃの上述した説明は、光学ユニット２００Ａの要素を参照するが、わずかな変更を含む同様の教示が、光学ユニット２００Ｂに適用可能であることは、当業者には明らかであろう。モジュール２１５Ｂは、軸線２５５周りの全ての角度の回転に対して回転対称となる。従って、軸２５５を含む任意の平面に沿って切り取られた光学ユニット２００Ｂの任意の断面は、図２Ｃに示される面２５０に沿って切り取られた断面のように見えるだろう。これらの断面の各々について、同様の論理的思考が、ＬＥＤ２１０によって放射される光がどのようにモジュール２１５Ｂに導かれるかを解析する際に適用することができる。このような実施形態は、多数のユニット２００Ｂを有して面を照らす照明器具に特に有益であり、ここで図４Ｄ〜４Ｅ示され且つ以下に詳細に説明するように、例えば４つ又は９つの光学ユニット２００Ｂが、面光源として共に作用するような正方格子として配置することができ、６つの光学ユニット２００Ｂが、面光源として共に作用するように三角格子として配置することができる。
【００６３】
図３Ａには、本発明のさらに別の実施形態による、光学ユニット３００の三次元図が例示されており、図３Ｂには、光学ユニット３００の側断面図が例示されている。図３Ａ及び図３Ｂに示されるように、光学ユニット３００は、ＬＥＤ３１０と乱反射面３２０を有するモジュール３１５とを含む。ＬＥＤ３１０は、上述したＬＥＤ２１０に類似していてもよい。従って、ＬＥＤ２１０に対して上述した考察の全てが、ここでＬＥＤ３１０に対して適用可能であり、簡潔にするため、ここでは繰り返さない。
【００６４】
光学ユニット３００とモジュール３１５とは、光学ユニット２００Ａとモジュール２１５Ａとそれぞれ同様であり、従って光学ユニット２００Ａとモジュール２１５Ａとに対する上述した考察の全てが、ここで光学ユニット３００とモジュール３１５とにそれぞれ適用可能であるが、いくつかの相違点もある。
【００６５】
１つの相違は、モジュール３１５の形状は、以下に説明するように照明器具４００Ｆを有する図４Ｆ及び図４Ｇに示されるようないわゆる「押出し」プロファイルを形成するように、多数のＬＥＤ３１０を一列に配置するとともに、単一のモジュール３１５に全てのＬＥＤ３１０を包含させることにより線状光源を形成させるために特に有益であることが挙げられる。さらに、製造性が大幅に簡素化され、押出しプロファイルを用いることにより安価に製造することができることが挙げられる。白色の散乱側面は、１つの連続工程で光学素子を製造することが可能なように共押出しすることができることに留意されたい。さらに、オプション・散乱カバーも同じ工程で共押出しすることができる。
【００６６】
上述した２つ以上のユニット２００Ａ，２００Ｂ、及び／又は３００は、例えば広い面に亘って照明を提供するための照明器具に用いることができる。本発明の様々な実施形態に従って、図４Ａ及び図４Ｂには、光学ユニット２００Ａ及び３００等のユニットを照明器具内に配列するためのいくつかの例示的な方法が示されており、図４Ｃ〜図４Ｅには、光学ユニット２００Ｂを照明器具内に配列するためのいくつかの例示的な方法が示されており、図４Ｆ及び図４Ｇには、光学ユニット３００を照明器具内に配列する例の別の図が例示されている。
【００６７】
図４Ａ〜４Ｅには、照明器具４００Ａ〜４００Ｅの上面図がそれぞれ提供されている。図２Ａ〜２Ｃ、図３Ａ及び図３Ｂからわかるように、光学ユニット２００Ａ，２００Ｂ及び３００の上部プロファイルは、その中に含まれているモノリシック・モジュール２１５Ａ，２１５Ｂ、及び３１５の上部のプロファイルとそれぞれ一致する。従って、図４Ａ〜４Ｅでは、モノリシック・モジュール２１５Ａ，２１５Ｂ、及び３１５は、具体的に特定されないが、光学ユニット２００Ａ，２００Ｂ、及び３００のストライプ部分は、その中に含まれるモノリシック・モジュールの散乱部分を例示することを意図している。
【００６８】
図４Ａには、光学ユニット２００又は光学ユニット３００等の４つのユニットは、基板４０５Ａ上に一列に配置することができ、ユニット毎に、散乱部が、照明器具４００Ａの横方向に位置することが例示されている。別の説明として、図４Ａには、散乱部のそれぞれの長軸が、照明器具４００Ａの長手方向に平行になることが例示されている。このように配列された光学ユニット２００Ａ又は３００は、共に線状光源として作用することができる。対称性の検討に基づいて、白色表面上の最大輝度は、図２Ａの面２５０内に存在する。散乱器は、中断されない２つの列として整列され、そして、短辺同士が隣接しており、図４Ａの構成は、多少なりとも２本の平行線の外観を示すだろう。ユニットを一列に（線状に）配列することによって、１つのユニットから次のユニットへの光の漏出を可能にして、隣接するＬＥＤｓ同士の間の色差／光束差を一様にすることに役立てることができる。
【００６９】
図４Ｂには、光学ユニット２００Ａ又は光学ユニット３００等の４つのユニットは、基板４０５Ｂ上に一列に配列することができ、ユニット毎に、散乱部が、照明器具４００Ｂの長手方向に位置することが例示されている。別の説明として、図４Ｂには、散乱部のそれぞれの短軸が、照明器具４００Ｂの長手方向と平行となることが例示されている。このように配列されたユニット２００Ａ又は３００は、共に線状光源として作用することができる。対称性の検討に基づいて、白色表面上の最大輝度は、図２Ａの面２５０内に存在する。乱反射面が、長辺が隣接した状態で、中断された列として整列されるとき、図４Ｂの構成は、多少なりとも一列の外観を示すだろう。輝度分布の観点から、線光源の線形方向は、このような配列で強調されている。一方、このような配列はまた、個別にアドレスが指定されて配列された場合に、明確に規定されたピクセルのオンとオフとを切り替えることを可能とする。
【００７０】
図４Ｃには、４つの光学ユニット２００Ｂは、基板４０５Ｃ上に一列に配列することができ、ユニット毎に、モノリシック・モジュールの再方向付け部が、対応するＬＥＤによって放射された光をＬＥＤ周りの全ての方向に導くように構成されていることが例示されている。このように配列された光学ユニット２００Ｂは、共に線状光源として作用することもできる。
【００７１】
図４Ｄには、９つの光学ユニット２００Ｂは、基板４０５Ｄ上に正方格子として配列することができ、ユニット毎に、モノリシック・モジュールの再方向付け部が、対応するＬＥＤによって放射された光をＬＥＤ周りの全ての方向に導くように構成されていることが例示されている。このように配列されたユニット２００Ｂは、共に面光源として作用することができる。
【００７２】
図４Ｅには、６つの光学ユニット２００Ｂは、基板４０５Ｅ上に三角格子として配列することができ、ユニット毎に、モノリシック・モジュールの再方向付け部が、対応するＬＥＤによって放射された光をＬＥＤ周りの全て方向に導くように構成されていることが例示されている。このように配列されたユニット２００Ｂは、共に面光源として作用することもできる。
【００７３】
最後に、図４Ｆには、全ての光学ユニット３００の全てのＬＥＤｓ３１０を包含する単一のモジュール３１５を用いながら（すなわち、押出しプロファイル）、光学ユニット３００が、照明器具４００Ｆに一列に配列されることが例示されている。図４Ｇには、このような配列の三次元図が例示されている。上述したように、押出し成形を実施することによって、全ての散乱側面とオプション・散乱カバーとを単一の連続工程において共押出しすることによって、製造性を簡素化することと照明器具の全体のコストを低減させることとを可能にすることができる。
【００７４】
図４Ａ〜４Ｇは、いくつかの模式的な例示の実施形態を提供することを意図しており、当業者であれば、光学ユニット２００Ａ，２００Ｂ、及び／又は３００を照明器具内に配列するための多くの他の様々な方法があることを認識するであろう。例えば、図４Ａ及び図４Ｂに例示された照明器具４００Ａ及び４００Ｂ内の散乱部分はそれぞれ、他の実施形態では、そのような散乱部は正方形とすることもできるため、長軸と短軸とを有する必要がない。
【００７５】
最適化された光結合（incoupling）構造を持つＴＩＲ光学系
上述した光学ユニットは、ＴＩＲによってモジュール外面に入射させる光ビームを反射することによって略水平下向きに又は水平方向に光ビームを伝搬させるために、ＬＥＤによって放射される光ビームの少なくとも一部を略垂直な方向に再方向付けするようなモノリシック・モジュールを用いている。本明細書で使用されるような用語、モノリシック・モジュールの「内面」は、図２Ｃ及び図３Ｂにそれぞれ例示される表面２９１と３９１とを指称し、ここで用語、モノリシック・モジュールの「外面」は、図２Ｃ及び図３Ｂにそれぞれ例示される表面２９２と３９２とを指称する。
【００７６】
欧州特許出願公開第０，９４５，６７３Ａ１号明細書には、図５に例示されるように、上面発光ＬＥＤによって放射された光束を略垂直方向に導いて、水平方向及び／又は水平下向きに伝搬させるためのＴＩＲベースの光ガイド（導波路）が開示されている。図５に示されるように、上面発光ＬＥＤ５３０の上方に逆三角形の形状の貫通孔５５０を有する光ガイド５２０が、基板５４０上に配置されている。図５に示されるように、光ガイド５２０は、ＬＥＤ５３０を取り囲むドーム形状の内面５７０と、上面５１０と、半径方向の反射面を形成するために内面５７０から半径方向に延び且つ上面５１０と対向する一対の反射面５８０とを有しており、ここで貫通孔５５０の側面５５０Ａが、ＬＥＤから放射される光をＴＩＲによって光ガイドの長手方向に再方向付けするために使用されている。
【００７７】
図５に例示される光ガイドを用いる１つの問題は、結果として得られる構造が比較的厚いことであり、薄い設置高さを必要とするアプリケーションや、光結合構造が光ガイドの一部であり、従って、厚さが製造上の理由から制限されるようなアプリケーションに望ましくない。さらに、ＬＥＤの放射面の拡張サイズに注意が全く払われていないように思われ、それは以下に説明されるように、光ガイドからの制御不能な光漏出をもたらすことがある。さらに別の問題は、追加のサイドミラーが、光を光ガイド内で結合するために必要とされるように示された対称性によって複雑性が追加されることである。
【００７８】
ＬＥＤを包含するモノリシック・モジュールの内面の形状を変更することによって、これらの問題のうちの少なくとも一部を改善するのに役立つようなアプローチが、以下に説明される。上述した実施形態は、上面発光ＬＥＤに対して特に有利である。図６Ａには、本発明の一実施形態による、モノリシック・モジュール６１５の変更された内面を有する光学ユニット６００の側断面図が例示されている。この断面は、図２Ａ及び図２Ｂに示される光学ユニット２００Ａ及び２００Ｂの面２５０と同様に、光学ユニット６００の対称面として切り取られた面である。従って、図６Ａに示される側断面図は、図２Ｃに示される側断面図と同様である。
【００７９】
一実施形態では、光学ユニット２００Ａ，２００Ｂ及び光学ユニット３００と同様に、光学ユニット６００は、上述した照明器具４００Ａ〜４００Ｆに使用することができる。他の実施形態において、モジュール６１５は、光ガイドの一部とすることができ、ここで、このモジュールは、図６Ｂに模式的に示されるように、ＬＥＤによって放射される光の全てを、ＬＥＤの位置からさらに離れて光を導く透明材料のより長い長片内で結合するように機能するであろう。
【００８０】
図６Ａに示されるように、光学ユニット６００は、ＬＥＤダイ６１２及びドーム６１４を備えたＬＥＤ６１０と、モノリシック・モジュール６１５とを含む。ＬＥＤ６１０と、ＬＥＤダイ６１２と、ドーム６１４とは、上述したＬＥＤ２１０と、ＬＥＤダイ２１２と、ドーム２１４とにそれぞれ類似している。従って、これらの要素に対して上述した考察の全てが、ここに適用可能であり、簡潔にするため、ここでは繰り返さない。モジュール６１５はまた、図２Ａ及び図２Ｃにおいて例示され且つ説明された側面２２０Ａと同様の乱反射側面６２０を含む。従って、乱反射側面に対して上述した考察の全てが、ここに適用可能であり、繰り返さない。
【００８１】
モジュール６１５は、内面６９１と外面６９２とを有する本体を含み、ＬＥＤ６１０の周りにチャンバを形成する内面６９１は、モジュール２１５Ａと同様であり、従って、モジュール２１５Ａに対して上述した考察の全てが、ここで適用されるが、いくつかの相違点も有する。
【００８２】
１つの相違は、内面６９１が、ＬＥＤ６１０の上方に鋭いピーク部６３８を有することが挙げられる。角度６３９は、以下により詳細に説明されるピーク部６３８の開き角度を例示している。
【００８３】
図６Ａにチャンバ６３５として示されるように、例示された実施形態では、モジュール６１５の内面６９１は、ＬＥＤ６１０と物理的に接触することなくＬＥＤ６１０を包含する。従って、チャンバ６３５は、ＬＥＤ６１０のドーム６１４（又はダイ６１２、ドーム６１４が存在せず、モジュール６１５が、ＬＥＤパッケージの一部である「１次光学部品」として作用する場合）とモジュール６１５との間に囲まれた空間である。上述したギャップ２３５と同様に、様々な実施形態では、チャンバ６３５は、空間で充たされる、又は適切な光学特性を有する材料で充填することができる。材料で充填される場合には、これは、様々なモジュール６１５の形状を必要とすることがある。
【００８４】
動作において、ＬＥＤダイ６１２は、モジュール６１５の再方向付け部によって略水平方向及び／又は水平方向下向き（又は後方）に光を再方向付けすることを意図して、略垂直方向（すなわち、上向き）に光を放射する。本明細書で使用されるような用語、「水平方向下向き」は、ＬＥＤダイが配置された場所に向かう方向を説明するために使用されている。再方向付けは、図６Ａに示されるＬＥＤダイ６１２によって放射された光ビームと、光線６５１とのうちの１つを追跡することによって説明することができる。
【００８５】
示されているように、光線６５１は、３つのセグメント、６５１ａ，６５１ｂ、及び６５１ｃを含む。セグメント６５１ａは、チャンバ６３５を充填する材料と内面６９１との間の境界面で屈折する前の、ＬＥＤダイ６１２によって放射された光線６５１のセグメントを例示している。これは図面を乱雑にさせないために図６Ａには例示されていないが、セグメント６５１ａは、境界面におけるそれぞれの材料の屈折率に依存して、ドーム６１４とチャンバ６３５を充填する材料との間の境界面で屈折されてもよいことに留意されたい。セグメント６５１ｂは、チャンバ６３５を充填する材料と内面６９１との間の境界面で屈折されるとともに、外面６９２に入射されるような光線６５１のセグメントを例示している。最後に、セグメント６５１ｃは、ＴＩＲによって外面６９２において反射されている光を例示しており、このように光線６５１は、略垂直な方向に伝播する光線６５１を再方向付けして、略水平方向又は後方に伝搬させている。
【００８６】
ピーク部６３８を含むように内面６９１を成形することによって、内面６９１で屈折された後に外面６９２に入射されるようなＬＥＤダイ６１２によって放射された全ての光ビームが、ＴＩＲによって外面６９２で反射させることができるような光学ユニット６００の動作が可能となる。結果として得られる構造は、構造の全体の厚さを最小限に抑えつつ、モジュール６１５からの制御不能な光漏出を大幅に低減させるため、図５に例示される構造と比較して有利である。そしてその利点がもたらされる理由は、図５の構造で実施されたように、光を再方向付けするモジュールに孔を含める必要がなく、且つＬＥＤが、点光源放射体と見なすことができるという位置にモジュール６１５の厚さを増加する必要がないからである。
【００８７】
ＬＥＤの上方に鋭いピーク部を含むようなＬＥＤを包含するモノリシック・モジュールの内面を有することの利点、及びどのようにしてそのような内面の形状を想到したのかについて、図７〜１２を参照してここに説明する。それは、説明されるモジュール６１５と同様のモノリシック・モジュールの再方向付け機能を有するので、そのようなモジュールは、以下では、「再方向付け構造体」と呼称される。
【００８８】
図７は、図８〜１２の説明に用いられる光学ユニット７００の模式図を提供する。示されるように、光学ユニット７００は、ＬＥＤ７１０と、内面７９１及び外面７９２を有する再方向付け構造体７１５とを含む。一実施形態では、ＬＥＤ７１０と再方向付け構造体７１５とは、上述したＬＥＤ６１０とモジュール６１５とにそれぞれ類似しており、従って、その詳細な説明は、ここでは繰り返さない。
【００８９】
内面７９１は、ドームとして図７に示されているが、これは、図８〜１２に示された結果を説明する目的のために関連しておらず、実際には以下に説明するように、内面７９１の形状は異なっていてもよい。同様に、外面７９２は、砂時計の形状を有するように示されているが、この形状も、例えば所望される放射パターンに依存して異なってもよい。内面７９１は、単に「内面」が、ＬＥＤ７１０を部分的に包含する再方向付け構造体７１５の表面であることを例示するために示されており、外面７９２は、「外面」が、ＴＩＲによって光ビームの入射光を反射させるように適合されるＴＩＲ面を例示するために示されている。点線７３２と７３３との間の角度は、本明細書中で、再方向付け構造体７１５の「エンボス角」と呼称することにする。
【００９０】
図８〜１２の考察では、ＬＥＤ７１０は、図７に円形であるＬＥＤ７１０として例示されるような「点光源」放射体（すなわち、ＬＥＤのダイによって放射された全ての光ビームが、一点に由来する）と、図７に点線の長方形であるＬＥＤ７１０として例示されるような「拡張光源」放射体（すなわち、ＬＥＤのダイによって放射された光ビームが、一点から由来するのではなく、ダイの放射面の様々な点から由来している）とのいずれかであると見なされる。
【００９１】
図８、図９、図１１及び図１２の説明で使用される座標系が、ｘ軸とｙ軸とを用いて示されており、ここで座標系の点（０，０）は、（点光源放射体又は拡張光源放射体である）ＬＥＤ７１０の放射面の中心であると見なされ、ｘ軸は、任意単位の長さの位置を示すために使用され、ｙ軸は、任意単位の長さとして示され、さらに再方向付け構造体７１５の厚さ「ｔ」を測定するために使用されている。本明細書で使用されるような用語、再方向付け構造体の「厚さ」は、ｙ軸方向において、ｘ軸（典型的には、ＬＥＤ７１０と再方向付け構造体７１５とが配置された基板）から外面７９２までの測定距離を意味する。従って、図７に例示される厚さｔｍａｘは、再方向付け構造体７１５の厚さがその最大（厚さ＝最大厚さ）となる位置を示し、図９に例示されるｔ０は、再方向付け構造体７１５の厚さがその最小となる位置を示し、本明細書中では、再方向付け構造体の「出発厚さ」と呼称する。図７に例示される砂時計形状の再方向付け構造体について、出発厚さは、ＬＥＤ７１０のビームパターン（すなわち、ＬＥＤ７１０の中心の上方）の対称軸に沿って測定するときに生じる。この出発厚さは、例えばＬＥＤチャンバの高さ（すなわち、ＬＥＤダイ９１２を包含するドーム９１４の高さ）と、必要な機械的特性を有しているか又は製造上の理由によって生じるような再方向付け構造体７１５の材料の最小の材料厚さとによって与えられる。
【００９２】
本明細書で使用されるような用語、「最大厚さ」の語、「最大」は、その最大となる再方向付け構造体の厚さを意味し、「最大厚さ」は、外面７９２上に入射する全ての光ビームをＴＩＲによって反射させることを可能にするような再方向付け構造体の厚さの実際の最小値であることに注意されたい。
【００９３】
スネルの法則と光伝搬則とを用いて、１組の適切な三角方程式が、ＬＥＤの放射面上の様々なスポットから再方向付け構造体の内面と外面とによって形成された境界面に伝搬するような様々な角度で放射される光の光路を説明するために規定される。内面と外面とによって形成される境界面の様々な面上の材料の屈折率に関する情報と、当該技術分野において公知である内面の形状及び外面７９２の形状に関する情報とを含めることによって、外面７９２に入射する全ての光ビームがＴＩＲを介して反射させることを可能にするように決定される。
【００９４】
以下の考察では、再方向付け構造体７１５が、屈折率ｎを有する材料から作製され、空気（すなわち、１に等しい屈折率を有する材料によって取り囲まれている）によって取り囲まれているものと仮定する。
【００９５】
ＴＩＲ条件をちょうど満たす外面を計算するために、出発点は、ＬＥＤ７１０の中心の上方とされる。再方向付け構造体７１５の屈折率が１．４９に等しく（例えば、再方向付け構造体７１５が、ＰＭＭＡから作製される）、ＬＥＤ７１０が、点光源放射体であると考えられる場合には、砂時計状配列のエンボス角度は、９５．７°に等しくなるように計算される。外面の次の座標点（ｘ，ｙ）は、以下の式からを計算される。
【数１】
2014502022.tif 000003
【００９６】
式（１）では、ｔ０は、再方向付け構造体７１５の出発厚みを表し、θＴＩＲは、ＴＩＲ条件を満たすような最小入射角であり、βＲａｙは、ＬＥＤ７１０からの放射角である。（０，０）に位置する点光源について、βＲａｙは、外面の座標と直接的にリンクし、外面の方程式は以下のようになる。
【数２】
2014502022.tif 000004
【００９７】
図８は、ＬＥＤ７１０が点光源放射体であると考えられる場合に、ＴＩＲ条件を満たす外面７９２のそのような形状の断面（ｘ，ｙ（ｘ））の計算結果を提供する。図８のシミュレーションでは、再方向付け構造体７１５は、内面７９１がＬＥＤ７１０を包含するドームチャンバを形成するような形態、又はＬＥＤ７１０が再方向付け構造体７１５内に埋没されるような形態である。本明細書で使用するように用語、「埋没」は、内面７９１が、ＬＥＤ７１０と直接接触しているような実施形態を説明するために使用される。図１０のシミュレーション結果の検査から明らかになるように、この場合には、外面７９２は、同様に再方向付けした後に得られた光ビームパターンが、基本的にコリメートされるように意図されている場合に、基本的に（ＴＩＲ条件を満足する最小の高さを有する）放物線となるように選択することができる。
【００９８】
ＬＥＤ７１０の中心の上方に出発厚さｔ０を有した状態で、ＴＩＲ条件（上記式（２）を参照）に基づいて背面上の再方向付け構造体７１５は、再方向付け構造体７１５の最大厚さとなる。
最大厚さ＝ｔ０ｅｋπ／２
ここで、
【数３】
2014502022.tif 000005
【００９９】
しかしながら、ＬＥＤ７１０は、常に点光源放射体とみなすことはできない。ＬＥＤ７１０の放射面のサイズが、再方向付け構造体７１５の出発厚さと同程度である場合に、この光源の種類を考慮することが特に重要となる。放射面の指定されたサイズ（光源サイズ）を有するＬＥＤ７１０について、ＬＥＤ７１０の中心の上方の高さｈにおいて、放射面からの（外面７９２上の）入射角が、
±ａｒｃｔａｎ（光源サイズ／２ｈ）
の間で分布しており、ここで放射面のサイズと等しい高さにおいて、ＬＥＤ７１０の中心の上方に−２６°〜＋２６°に分布した放射角度をもたらす。これは、再方向付け構造体７１５のエンボス角度が、ＴＩＲ条件を満たすために（ＰＭＭＡから作製された再方向付け構造体７１５に対して）５５°に減少することを意味する。図７に例示される再方向付け構造体７１５のエンボス角度と最大厚さと間の関係を簡易な幾何学的検査から既に明らかとなるように、エンボス角度が小さくなればなるほど、再方向付け構造体７１５の最大厚さはより大きくなる。従って、減少したエンボス角度は、依然として満足すべきＴＩＲ条件のために再方向付け構造体７１５の大幅に増加した厚さをもたらす。式（２）は、拡張光源の放射位置を含むようにここで修正される。
【数４】
2014502022.tif 000006
ここで、source  sizeは、光源サイズを表す（以下、同様）。
【０１００】
この場合が図９に示されており、ＬＥＤ７１０が、埋没された拡張光源放射体（図９の点線）であると考えられる場合に、ＴＩＲ条件を満たす外面７９２の断面形状についての計算結果を提供している。比較のため、図８のシミュレーション結果（すなわち、ＬＥＤ７１０が、点光源放射体であると考えられている）も、図９に含まれている（図９の実線）。
【０１０１】
ＬＥＤ７１０が、再方向付け構造体７１５内に埋没されていると考えられる場合には、再方向付け構造体７１５の最大厚さについての解は、依然として解析的に表すことができ、光源サイズと光学素子のサイズとの依存性が示される。
【数５】
2014502022.tif 000007
ここで、max.thicknessは、最大厚さを表す。
【０１０２】
図９には、再方向付け構造体７１５の外面７９２が、外面７９２に入射する全ての光ビームがＴＩＲによって反射されることを確認するために最適化される時点で、ＬＥＤ７１０の放射面のサイズは、ＬＥＤ７１０がもはや点光源放射体でないと考えられるような場合に、再方向付け構造体７１５の厚さは、増大しなければならない。そのＬＥＤ７１０がもはや点光源放射体でないと考えられるときに、ＬＥＤ７１０の放射面のサイズをどの位の大きさにしなければならないかが、図１０に例示されている。
【０１０３】
図１０には、ＬＥＤ７１０の放射面のサイズに関する光学素子サイズの依存性が例示されており、ここで用語、「光学厚さ」は、再方向付け構造体７１５の最大厚さを意味する。図１０中のｘ軸は、再方向付け構造体７１５の出発厚さ（すなわち、ｔ０）とＬＥＤ７１０の放射面のサイズとの比を示すために使用されており、ｙ軸は、ＬＥＤ７１０が拡張光源放射体と考えられるときの再方向付け構造体７１５の最大厚さと、ＬＥＤ７１０が点光源放射体と考えられるときの再方向付け構造体７１５の最大厚みとの比を示すために使用されている（すなわち、上述した式（５）と式（３）とに従って計算された値の比である）。
【０１０４】
図１０中の点Ａは、放射面のサイズが、再方向付け構造体７１５の出発厚さの約２倍の大きさであるときに（すなわち、図１０のｘ軸に沿って図示された比が、０．５に等しい）、再方向付け構造体の最大厚さは、ＬＥＤ７１０が、点光源放射体と考えられることができる場合にＴＩＲ条件を満たすのに必要な最大厚さと比べて約３倍に増大する。これは、比ｔ０／（光源サイズ）が０．５に等しい場合に、上述した式（５）に従って計算された値未満の最大厚さを有する再方向付け構造体７１５が、入射角の全てについてＴＩＲ条件を満たすことができないことを意味し、光の一部が漏出する。
【０１０５】
図１０はさらに、再方向付け構造体７１５の出発厚さが、ＬＥＤ７１０放射面のサイズに対して増加される場合に、拡張光源放射体と点光源放射体との光学素子のサイズ同士の比が減少することを例示する。従って、図１０中に点Ｂとして示されるように、再方向付け構造体７１５の出発厚みが、ＬＥＤ７１０の放射面のサイズよりも２．５倍大きい場合に、再方向付け構造体の最大厚さは、ＬＥＤ７１０が点光源と考えられるときに、最大厚さと比較してＴＩＲ条件を満足するために、約１．２５倍だけ増加させる必要がある。
【０１０６】
図１０中の点Ｃは、図９において、ｔ０が、ユニット長さの１．５倍に等しくなるように示されているが、拡張光源の半分は、ユニット長さの０．５倍に等しくなるように示されているので、光学素子の出発厚さと光源サイズとの比が１．５に等しい場合の図９に示されたシナリオに対応する。上述したように点（０，０）はＬＥＤの中心と一致するので、図９には、拡張光源の半分のみが例示されている。図１０中に点Ｃとして例示されるように、光学素子の出発厚さと光源サイズとの比について、拡張光源と点光源とについて計算された光学素子同士の厚さの比が、１．５よりも少し小さい。これは、図９において、点線の最大厚さと実線の最大厚さとを比較することにより明らかとなる。
【０１０７】
図１０に基づいて、再方向付け構造体７１５が十分に厚く形成されている場合に、いくつかのＬＥＤ７１０は点光源であるとみなすことができ、且つ外面７９２の形状は、ＴＩＲ条件が、入射する全ての光ビームについて満足されるように決定することができると結論付けることができる。しかしながら、背景技術の欄で説明したように、再方向付け構造体７１５をできるだけ薄く作製することが望ましい場合がある。そのために、ドーム形状の内面７９１（すなわち、ＬＥＤ７１０の周りにドームを成形するために形成された内面７９１）を用いることによって、依然としてＴＩＲ条件を満たしながら、図９で説明した埋没したＬＥＤと比較して、再方向付け構造体７１５の全体の厚さを減少させることができる。これは、図１１に例示されており、ＬＥＤ７１０が、このＬＥＤ７１０を包含するドーム形状チャンバを形成する内面７９１を有する拡張光源放射体であると考えられるときに（図１１中の一点鎖線）、ＴＩＲ条件を満たす外面７９２の断面形状についてのシミュレーション結果が提供される。比較のために、図８のシミュレーション結果（すなわち、ＬＥＤ７１０が、点光源放射体であるとみなされる）と、図９のシミュレーション結果（すなわち、ＬＥＤ７１０が、拡張光源エミッタ放射体であるとみなされる）とが、図１１に含まれている。（図１１に実線と点線とで、それぞれ示されている）。
【０１０８】
ＬＥＤ７１０が、ドーム形状の内面７９１によって包含されるとみなされる場合に、再方向付け構造体７１５の最大厚さについての解は、もはや解析的に表すことはできない。その代わりに、全ての入射ビームについてＴＩＲ条件を満たすであろう外面７９２についての式は、数値的に解く必要のある内面７９１のドーム形状が与えられる条件で、以下のように示されるだろう。
【数６】
2014502022.tif 000008
【０１０９】
式（６）では、（ｘｃ，ｙｃ）は、（ｘ，ｙ）において外面に入射する前のドーム形状の界面との交差する光線の座標である。
【０１１０】
図１１から明らかなように、ドーム形状の内面７９１を用いることによって、埋没された拡張光源シナリオについて必要な最小厚さ（図１１の点線）と比較して、再方向付け構造体７１５の全体の厚さを減少させることができるが、全体的な厚さは、点光源のシナリオについての必要な最小厚さよりも依然としてはるかに大きくなる（図１１の実線）。ドーム形状を超えて７９１内面を成形することにより、すなわち、ＬＥＤ７１０の上方にピーク部を形成することにより、光ビームは、外面７９２においてＴＩＲによって反射させるべく、内面の境界において十分に屈折することができ、制御不能な漏出がなく、再方向付け構造体７１５の厚さの最小増加量を有している。内面７９１が、図６Ａに示されるように形成されるときに（そのような表面を「ピーク形状」面と呼称することがある）、次に、図１１に示されたシミュレーションと同様の数値シミュレーションは、点光源シナリオの外面７９２の形状に最も近接する外面７９２の形状をくぼませる、すなわち、再方向付け構造体７１５の全体に亘って最小厚さとなる。
【０１１１】
ドーム形状の内面と同様に、ピーク形状の内面７９１の再方向付け構造体７１５の最大厚さについての解は、解析的に表現することができないが、数値解として求めることができる。
【０１１２】
チャンバ内側の形状を計算するために、内面の勾配は、光源の表面の縁部から放射された光線を（外側ＴＩＲ面がその位置で最初に設計されるような）中心から伝搬される光線の方向に「回転」させるように向き合わせされる。換言すれば、内面の勾配は、それら光線が光源の放射面の中心から放射されたかのように現れるような角度で、光源の放射面の縁部から放射される光線が内面によって屈折されるように、向き合わせされるべきである。本明細書で使用されるように、放射面の縁部から放射される光線の「回転」の文脈における用語「回転」は、それら光線が、内面の形状の変化に起因する内面を有した状態で、境界面において屈折された後の光線の方向の変化を説明するために使用されている。
【０１１３】
対応する式は次のようになる。
【数７】
2014502022.tif 000009
【０１１４】
式（７）では、αｉｎｎｅｒは、座標（ｘｉｎｎｅｒ，ｙｉｎｎｅｒ）における内側界面の勾配がｘ軸に形成される角度であり、αｔａｒｇｅｔは、屈折率ｎの媒質中の光源の縁部の光線の目標角度である（すなわち、光源の中心位置から放射された光線によって規定されるような角度である）。内面の形状は、次式のように統合することができる。
【数８】
2014502022.tif 000010
【０１１５】
式（８）では、ｙ０は、ここで説明されるような両面タイプの再方向付け構造体についてのＬＥＤの中心の上方のチャンバ内部の出発高さである（すなわち、ｙ軸の方向に、ｘ軸からピーク部６３８等のチャンバ内部のピーク部にかけて測定された距離である）。全体の光源サイズ／光学素子厚さの比に依存して、光源の縁部に近づくと、チャンバがゼロの厚さに低減されるように勾配は増加することに留意されたい。このことを回避するために、勾配が必要以上に小さく選択することができ、外面は光学素子に少し厚めの解をもたらすように、修正する必要がある。しかしながら、厚さの増加分は、ドーム形状の内面よりも遥かに小さく、外面の出発勾配として、光源の中心の上方で大幅に減少されている。
【０１１６】
これは、図１２に例示されており、ＬＥＤ７１０が、このＬＥＤ７１０を包含するピーク形状のチャンバを形成する内面７９１を有する拡張光源放射体であると考えられるときに、ＴＩＲ条件を満たす外面７９２の断面形状のシミュレーション結果が提供される（図１２中の一点鎖線、式（７）と（８）との解）。比較のために、図８のシミュレーション結果（すなわち、ＬＥＤ７１０は、点光源放射体であるとみなされている）と、図９のシミュレーション結果（すなわち、ＬＥＤ７１０は、拡張光源放射体であるとみなされている）とが、図１２に含まれている（図１２中に、それぞれ実線と点線とで示されている）。この数値シミュレーションは、従って、点光源シナリオについての外面７９２の形状に最も近接する外面７９２の形状をくぼませる、すなわち、再方向付け構造体７１５の全体に亘って最小厚さとなる。
【０１１７】
当業者は、例えば、最終的な放射パターン及び機械的制約に依存して、再方向付け構造体が、ここでの例示的な実施形態に例示した形状とは異なる形状によって表すことができることを認識するであろう。しかし、再方向付け構造体の特定の形状に関係なく、ＬＥＤ上方の中心において別の急峻なエンボス角度を減少させることは、ＬＥＤが拡張光源であると考えられる場合には、再方向付け構造体の最終的な厚さのために最も重要な考慮事項である。ピーク形状の内面は、再方向付け構造体の外面においてより容易にＴＩＲ条件を満たすことができるような方向に光源の縁部から伝搬される光線を「回転」させることによってこの角度の減少に効率的に寄与する。ピーク形状の内面は、図６Ａに１つが示されるような断面図において、ピーク部６３８とＬＥＤダイ６１２の縁部との間に引かれた直線が内面６９１を横断しないような平均開き角度（例えば図６Ａに例示されるような開き角度６３９等）を有することとなる。内面の出発高さｙ０について、この条件は次のように表せる。
開き角度＝２αｉｎｎｅｒ（０，ｙ０）＝２ａｔａｎ（光源サイズ／２／ｙ０）
【０１１８】
さらに、光源の縁部から放射されるビームの「回転」を可能にするために、内面の角度は、光源サイズに等しい出発高さを有する内面に対して中心に配置され、ｎ＝１．４９の屈折率となる。
２αｉｎｎｅｒ（０，光源サイズ）＝７４°（ドーム形状の解に対して与えられた条件１８０度の代わりに）
【０１１９】
実際には、再方向付け構造体が、例えば射出成形により製造されるときに、上述したように設計された開き角度を含む鋭いピーク部を有する代わりに、内面のピーク部が、実際に（図１６に例示されるいくつかの例示的な構造体に示されるように）その頂点で丸められる。このような場合に、開き角度が、実際には、（ピーク部自体が、再方向付け構造体の内面の中心にドームを形成するため）１８０度に等しくすることができる。しかしながら、当業者はさらに、ピーク部が実際に丸みを帯びている場合に、適切なピーク部を導入することに関して本発明に開示された教示を再方向付け構造体の内面にどのように適用するかを認識するであろう。
【０１２０】
内面の第２の部分は、最終的な目標方向にＬＥＤから既に放射された光線の機械的制約及び最小フレネル反射によってむしろ与えることができる。これらの出発点を考慮に入れて、光線追跡用ソフトウェを、全体的な妥協点を見つけるために用いることができる。
【０１２１】
図１３Ａ〜１３Ｄには、再方向付け構造体７１５が同一の最大厚さ及び同一の出発厚さを有し、外面７９２が同一形状を有する条件下において、ＬＥＤ７１０の放射面の縁部付近から放射された光ビームが、ドーム形状の内面７９１が用いられる場合に、どのように漏出するかを例示する（図１３Ｂ及び図１３Ｄを参照）。対照的に、ピーク形状の内面７９１が用いられる場合に、同一の光ビームは、ＴＩＲによって外面７９２において反射される（図１３Ａ及び１３Ｃ参照）。従って、外面７９２に対する内面７９１の形状によって、内面７９１において屈折された全ての光ビームと外面７９２上の入射光とが、ＴＩＲによって外面７９２において反射されることを実現することを可能にする。
【０１２２】
図６Ａに例示される光学ユニットを再び参照して、光の一部が光学ユニット６００から漏出することを必要とするアプリケーションにおいて、追加の構造体を、本発明の一実施形態に従って、ＬＥＤ６１０に対して予め定められた位置において光漏出を制御することを可能にするモジュール６１５に導入することができる。そのために、図１４には、光学ユニット６００と同様である光学ユニット１４００の面２５０の側断面図が例示されている。光学ユニット１４００は、上述したＬＥＤ６１０とモジュール６１５と同様に、ＬＥＤ１４１０とモノリシック・モジュール１４１５をそれぞれ含む。従って、簡潔にするため、ＬＥＤ１４１０とモジュール１４３０との説明はここでは繰り返さない。図６Ａに図示される光学ユニット６００と光学ユニット１４００との主な相違は、光学ユニット１４００が、モジュール１４１５の外面１４９２上にリング１４０３をさらに含むことが挙げられる。このリング１４０３は、ＬＥＤ１４１０によって放射された光ビームの一部の漏出を制御するように適合されている。或いはまた又はさらに、再方向付け構造体からの光の制御された漏出は、図１５に模式的に示されるように、モジュールの外面に異なる波形を導入することによって達成することもできる。
【０１２３】
上述した実施形態は、ドームで覆われた発光ダイ含むＬＥＤの全てを説明した。光学ユニット６００と１４００とはまた、ドーム６１４と１４１４とを含むことなく実装することもできる。代わりに、モノリシック・モジュール自体を、発光ダイの上方にドームの機能を果たすために使用することができる。このような実施形態では、モノリシック・モジュールは、「一次」光学ユニット部品と呼称することができる。
【０１２４】
さらに、上述した光学ユニットは、全ての角度に対して回転対称とすることもできるが及び／又は、例示された実施形態が、上面発光ＬＥＤと共に使用するのに特に有利になるが、本発明の教示は、側面発光ＬＥＤと共に使用するために適用することもできる。
【０１２５】
さらに、本明細書に説明されている実施形態は、全てモノリシック・モジュールの内面に鋭いピーク部を含むが、異なる形状のピーク部の内面を有する実施形態は、本発明の範囲内である。図１６は、本発明の様々な実施形態による、様々な形状のピーク部を含む内面を有するモノリシック・モジュールを例示する。
【０１２６】
モノリシック・モジュールの内面を変更することについての説明は、光学ユニット２００Ａを参照して上述しているが、図６Ａ〜１６に対して提供されているそれらの実施形態と同様な考慮事項は、それらの内面にもピーク部が含まれるように、光学ユニット２００Ｂ及び３００を変更するために適用することができる。当業者であれば、図６Ａ〜１６に対して提供された考慮事項をモノリシック・モジュールの他の形状にどのように適合させるかを容易に理解するであろうことから、そのような適合の詳細な考察は、ここでは必ずしも必要ではない。
【０１２７】
前述した説明は、本発明の実施形態に向けられているが、本発明の他の実施形態及びさらなる実施形態は、その基本的な発明の範囲から逸脱することなく創作することができる。従って、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によって決定される。
【図１】
2014502022.tif 000011
【図２Ａ】
2014502022.tif 000012
【図２Ｂ】
2014502022.tif 000013
【図２Ｃ】
2014502022.tif 000014
【図３Ａ】
2014502022.tif 000015
【図３Ｂ】
2014502022.tif 000016
【図４Ａ】
2014502022.tif 000017
【図４Ｂ】
2014502022.tif 000018
【図４Ｃ】
2014502022.tif 000019
【図４Ｄ】
2014502022.tif 000020
【図４Ｅ】
2014502022.tif 000021
【図４Ｆ】
2014502022.tif 000022
【図４Ｇ】
2014502022.tif 000023
【図５】
2014502022.tif 000024
【図６Ａ】
2014502022.tif 000025
【図６Ｂ】
2014502022.tif 000026
【図７】
2014502022.tif 000027
【図８】
2014502022.tif 000028
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2014502022.tif 000032
【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１３Ｄ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【手続補正書】
【提出日】平成25年5月31日(2013.5.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学ユニットであって、当該光学ユニットが：
表面上に配置された発光ダイオード（ＬＥＤ）と；
前記ＬＥＤを包含するとともに、再方向付け部及び第１の散乱部を含むモノリシック・モジュールと；を備え、
第１の散乱部は、入射光を散乱させるように構成されており、
前記再方向付け部は、第１の散乱部に入射させるべく、前記ＬＥＤによって放射される光の少なくとも第１の部分を再方向付けするように構成されており、
前記再方向付け部はさらに、第１の散乱部に入射させないように、前記ＬＥＤによって放射される光の第２の部分を再方向付けするように構成されている、
光学ユニット。
【請求項２】
光の第２の部分は、前記ＬＥＤによって放射される光の４５％未満を含む、
請求項１に記載の光学ユニット。
【請求項３】
前記モノリシック・モジュールはさらに、第２の散乱部を含み、
前記再方向付け部はさらに、第２の散乱部に入射させるべく、前記ＬＥＤによって放射される光の第３の部分を再方向付けするように構成されており、それによって、表面上への再方向付けされた光の第１の部分の投影と表面上への再方向付けされた光の第３の部分の投影とが、０度と１８０度との間の角度を形成する、
請求項１又は２に記載の光学ユニット。
【請求項４】
前記モノリシック・モジュールは、前記ＬＥＤのビームパターンの対称軸と一致するような前記モノリシック・モジュールの対称軸と回転対称である、
請求項１〜３のいずれか一項に記載の光学ユニット。
【請求項５】
前記ＬＥＤは、発光ダイと、該発光ダイの上に配置されたドームとを含み、前記モノリシック・モジュールが、前記ドーム上に配置されている、
請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学ユニット。
【請求項６】
前記ＬＥＤは、発光ダイを備え、前記モノリシック・モジュールが、前記ダイの直上に配置されている、
請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学ユニット。
【請求項７】
前記再方向付け部が、内部全反射によって光を再方向付けするように構成されている、
請求項１〜６のいずれか一項に記載の光学ユニット。
【請求項８】
第１の散乱部が、再方向付け部の一部に塗布された散乱材料を含む、
請求項１〜７のいずれか一項に記載の光学ユニット。
【請求項９】
第１の散乱部に入射光を透過散乱するように構成された散乱カバーを備え、
第１の散乱部が、前記散乱カバーに入射させるべく、入射光の少なくとも一部を乱反射するように構成されている、
請求項１〜８のいずれか一項に記載の光学ユニット。
【請求項１０】
前記モノリシック・モジュールは、内面と外面とを備え：
前記内面は、チャンバを形成するように適合され、該チャンバは、前記ＬＥＤを少なくとも部分的に包含するように適合され、
前記内面は、前記外面に入射させるべく、前記ＬＥＤによって放射される光の第１の部分のうちの少なくとも第１部を屈折するように適合され、
前記外面は、内部全反射により入射光の第１の部分のうちの第１部を反射するように適合され、
前記内面は、ピーク部を含む、
請求項１〜９のいずれか一項に記載の光学ユニット。
【請求項１１】
前記内面は、前記ＬＥＤのビームパターンの対称軸と一致するように適合された前記内面の対称軸と回転対称であり、又は前記モノリシック・モジュールが、前記ＬＥＤのビームパターンの対称軸と一致するように適合された前記モノリシック・モジュールの対称軸と回転対称である、
請求項１０に記載の光学ユニット。
【請求項１２】
前記モノリシック・モジュールの断面、前記ＬＥＤのビームパターンの対称軸を含む断面において、前記ピーク部が、前記ＬＥＤのビームパターンの対称軸に沿った位置にある、
請求項１１に記載の光学ユニット。
【請求項１３】
照明器具は、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の光学ユニットを２つ以上含む。
【請求項１４】
照明器具であって、当該照明器具が：
表面上に配置された第１の及び第２の発光ダイオード（ＬＥＤｓ）と；
第１の及び第２の発光ダイオード（ＬＥＤｓ）を包含するとともに、再方向付け部及び第１の散乱部を含むモノリシック・モジュールと；を備え、
第１の散乱部は、入射光を散乱させるように構成されており、
再方向付け部は、第１の散乱部に入射させるべく、第１の及び第２のＬＥＤの各々によって放射される光の少なくとも第１の部分を再方向付けするように構成されており、
前記再方向付け部はさらに、第１の散乱部に入射させないように、第１の及び第２のＬＥＤの各々によって放射される光の第２の部分を再方向付けするように構成されている、
照明器具。
【国際調査報告】
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