(57)【要約】  入射孔及び出射孔３０２を有するコリメータ１１２と、交差ビームスプリッタ１０６、２０６と、少なくとも４つの照明ユニットとを備える照明デバイス１００。各照明ユニットは、光源１０２と、光源１０２からの光を受光するように配置された入射孔３０８及び出射孔３０４を有する集束要素１０４とを備える。集束要素１０４は、光をビームスプリッタ１０６、２０６に向けて集束させるように構成され、交差ビームスプリッタは、各照明ユニットからの光を受光するように配置され、各光源からの光を４つのビームに分割するように構成される。また、ビームスプリッタ１０６、２０６は、４つのビームをコリメータ１１２の入射孔に向かわせるように配置及び構成される。コリメータ１１２は、ビームと相互作用し、各照明ユニットからの光を４分の１ずつ含む４つの像を提供するように構成される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射孔及び出射孔を有するコリメータと、
第１の表面要素と前記第１の表面要素に対して垂直に配置された第２の表面要素とを備える交差ビームスプリッタであって、前記第１の表面要素及び前記第２の表面要素は、前記第１の表面要素及び前記第２の表面要素にそれぞれ入射する光の略同量を透過及び反射する交差ビームスプリッタと、
少なくとも４つの照明ユニットとを備え、
前記照明ユニットそれぞれが、
光源と、
前記光源からの光を受光する入射孔、及び出射孔を有し、ビームスプリッタに向けて光を集束させる集束要素とを備え、  前記交差ビームスプリッタは、前記照明ユニットの各々からの光を受光し、各光源からの光を４つのビームに分割し、
前記交差ビームスプリッタは、さらに、前記４つのビームを前記コリメータの入射孔に向かわせ、
前記コリメータは、前記４つのビームと相互作用し、各照明ユニットからの光を４分の１ずつ含む４つの像を提供する、
照明デバイス。
【請求項２】
前記光源は、異なる波長の光を発する、請求項１に記載の照明デバイス。
【請求項３】
前記集束要素はＴＩＲ要素である、請求項１又は２に記載の照明デバイス。
【請求項４】
前記光源は発光ダイオードである、請求項１乃至３の何れか一項に記載の照明デバイス。
【請求項５】
前記コリメータはパラボラリフレクタである、請求項１乃至４の何れか一項に記載の照明デバイス。
【請求項６】
前記コリメータはＴＩＲフレネルレンズである、請求項１乃至５の何れか一項に記載の照明デバイス。
【請求項７】
前記コリメータの出射孔は円形である、請求項１乃至６の何れか一項に記載の照明デバイス。
【請求項８】
前記コリメータの出射孔は拡散要素を備える、請求項１乃至７の何れか一項に記載の照明デバイス。
【請求項９】
前記集束要素の前記出射孔は拡散要素を備える、請求項１乃至８の何れか一項に記載の照明デバイス。
【請求項１０】
前記光源の各々は、４６５ｎｍ、５２０ｎｍ、５７５ｎｍ又は６３０ｎｍのグループからなる波長の光を発する、請求項１乃至９の何れか一項に記載の照明デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の光源からの混合光を提供する照明デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ）を備えるランプ又は照明デバイスは、色調整を可能にする、又は演色評価数（ＣＲＩ）を高めるために、複数の色のＬＥＤを含む。かかるデバイスには、例えばかかるデバイスによって照らされている表面、物体又は部屋等の遠方場においても、例えば観察者がデバイスを見ているとき等の近接場においても、色及び強度が均一な光を提供したいという要求がある。しかし、異なる色の複数のＬＥＤを使用して効率的なＣＲＩを得るためには、複数のリフレクタ又はコリメータを使用するのが一般的であるが、近接場では異なる色が観察されてしまう。この特定の問題に対する解決策は、複数のＬＥＤからの光を付加的な混合手段を用いてコリメートする単一のコリメータを使用することである。１つの知られている解決策は、光を拡散するために出射孔にファセットを有する全内部反射（ＴＩＲ）コリメータから構成され、これで十分でない場合には、ファセットが内部反射面で使用されるか或いはＴＩＲコリメータの本体内部に拡散要素を含む。
【０００３】
しかし、単一のコリメータを使用するデバイスにあっても、色の混合は不完全であるため、例えばコリメータをのぞき込む等、近接場を観察する場合に異なる色が見えてしまう。また、ファセットは、コリメータから広いビームを提供し、狭い混合光線をもたらさない。すなわち、強いエタンデュ減少がある。
【０００４】
米国特許第６，１３９，１６６号は、異なる色の光を発するＬＥＤからの光を混合するビームスプリッタを使用することを提案する。しかし、複数の光源の色混合には２つ以上の混合段が必要であり、提案されるデバイスは、損失を招くおそれのあるミラーを含むプリズムブロックを使用する。
【０００５】
したがって、近接場及び遠方場の両方で複数の光源からの光を混合すると同時に、狭いビームを提供可能な照明デバイスが必要である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
照明デバイスの上述の所望の特性に関して、複数の光源からの光の均一な混合体を含む狭いビームを提供可能な照明デバイスを提供することが本発明の一般的な目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様によれば、これら及び他の目的は、第１の表面要素と前記第１の表面要素に対して垂直に配置された第２の表面要素とを備える交差ビームスプリッタであって、前記第１の表面要素及び前記第２の表面要素は、前記第１の表面要素及び前記第２の表面要素にそれぞれ入射する光の略同量を透過及び反射する交差ビームスプリッタと、少なくとも４つの照明ユニットとを備え、前記照明ユニットそれぞれが、光源と、前記光源からの光を受光する入射孔、及び出射孔を有し、ビームスプリッタに向けて光を集束させる集束要素とを備える照明デバイスにより達成される。前記交差ビームスプリッタは、前記照明ユニットの各々からの光を受光するように設けられ、各光源からの光を４つのビームに分割するように構成され、前記交差ビームスプリッタは、さらに、前記４つのビームを前記コリメータの入射孔に向かわせるように配置され構成される。前記コリメータは、前記４つのビームと相互作用し、各照明ユニットからの光を４分の１ずつ含む４つの像を提供するように構成される。
【０００８】
照明デバイスに関して、デバイスの目的は、全般照明又はスポット照明用の照明を提供することであることが理解されるべきである。
【０００９】
本明細書における各表面要素は、照明ユニットからの入射光を略同じ比率の透過部分及び反射部分に分割できるものと解釈されるべきである。同じ比率に関して、ビームスプリッタに入射する光のうち、約半分は透過され、残りの半分は反射されることが理解されるべきである。
【００１０】
コリメータは、入射孔からコリメータに入射する光を反射及び混合し、コリメート又は集束された光を出射孔から放出するものと理解されるべきである。また、コリメータは、コリメータを出た光が、各光源からの光の略同量を出射孔の各点で有し、遠方場で観察される場合に異なる光源からの光の均一な混合体となるように構成される。したがって、コリメータが、１つの照明ユニットからの光の透過部分が残りの照明ユニットからの光の反射部分と混合されるように構成されるため、異なる光源からのビームスプリッタで分割された透過部分及び反射部分はコリメータに到達し混合されることが理解されるべきである。これにより、出射孔の各点において各光源からの略同量の光が得られる。即ち、近接場における光の強度分布が均一ではなくても、近接場のあらゆる点が各光源からの同量の光を含んでいなければならない。コリメータの構成によって、遠方場の強度分布は、略均一な強度分布、さらに、異なる光源からの光の均一な混合を示す。
【００１１】
照明ユニットは、光源及び集束要素を備える。光源は、使用時に光を放出及び供給するデバイスのコンポーネントである。光源は、より小さな光源のアレイでもよい。集束要素は、光源からの光を受光し、その光をビームスプリッタに向けて集束させる。
【００１２】
本発明は、光の透過部分及び反射部分の両方が、透過部分及び反射部分を混合するように構成されたコリメータの入射孔に向かうように配置されたビームスプリッタに光源からの光を集束させる集束要素を使用することにより、異なる光源からの光の混合体を含む狭い光ビームを供給できるという認識に基づいている。したがって、本発明によって、光源により生成された光の混合体を含む狭い光ビームが遠方場で観察可能となり、近接場では、各光源からの同量の光を出射孔の各点で観察することができる。したがって、光源により生成される光の混合体は近接場でも観察されることになる。また、照明デバイスは、光が光束及び／又は輝度を失いかねない複数回の反射を受けることを要しない。本発明の別の利点は、照明ユニット及びビームスプリッタが、照明デバイスを標準的なＰＡＲランプ固定具又はエジソンねじ込み式基部（Ｅ１７，Ｅ２７等）といった現在の照明固定具のレトロフィット部品として使用できるように十分に小さいことである。さらに別の利点は、光の混合がコリメータで行われるため、混合デバイスやコンポーネントを追加する必要がないことである。
【００１３】
表面に入射する光の略同量を透過及び反射する表面要素を含むビームスプリッタを提供することにより、薄型で単純なビームスプリッタ設計が提供される。これにより、低コストかつ安価な材料でビームスプリッタを製造することができる。
【００１４】
有利には、本発明はさらに、ビームスプリッタの第１の表面に垂直な第２の表面を追加することにより、４つの照明ユニット、したがって４つの異なる光源からの光の混合体をもたらす。４つの光源によって、より高いＣＲＩ又は所望の色が得られる。さらに、４つの照明ユニットは、より多くの光を提供し、コリメータの出射孔の大部分を照らす。コリメータの出射孔の大部分を照らすことにより、より高い軸上強度が照明デバイスからもたらされる。
【００１５】
本発明の別の実施形態によれば、光源は、異なる波長の光を発する。異なる波長、即ち、色の光源を使用することにより、各光源からの光の混合によって、光は光源の色の混合体となり得る。したがって、照明デバイスは、遠方場及び近接場の両方で望ましい色を有する。
【００１６】
本発明の一実施形態によれば、集束要素はＴＩＲ要素である。ＴＩＲ要素は、使用時に光源から発せられる光の小さな領域への効率的な誘導及び集束を達成する光源用の集束要素として使用される。
【００１７】
本発明の別の実施形態によれば、光源は発光ダイオードである。発光ダイオードは、エネルギー効率が良いために光源として使用される。発光ダイオードは、ＬＥＤダイ、ＬＥＤサブアセンブリ又はパッケージＬＥＤと理解されるべきである。
【００１８】
本発明の一実施形態によれば、コリメータはパラボラリフレクタである。ビームスプリッタから入射する入射孔からの光を遠隔ターゲットに集束指向させるパラボラリフレクタは、よく知られた特性を備えた単純な構成であり、したがって、一定の距離又は集束の程度に構成される。
【００１９】
本発明の別の実施形態によれば、コリメータはＴＩＲフレネルレンズである。ＴＩＲフレネルレンズは薄いため、照明デバイスの小型化が可能になる。さらに、ＴＩＲフレネルレンズは、照明デバイスを全般照明に使用したい場合に有利な大きな口径を有する。ＲＸＩ光学系、ＵＦＯレンズ、屈折フレネルレンズ又はスラットコリメータといった他の種類の光学素子も本発明のコリメータを具現化するために使用され得る。
【００２０】
本発明の一実施形態によれば、コリメータの出射孔は円形である。円形の出射孔は、照明装置又はデバイスが、現在使用されているスポットライトや同様のランプに代わるものとして機能できるように使用されることが好ましい。
【００２１】
本発明の別の実施形態によれば、コリメータの出射孔は拡散要素を備える。拡散要素は、照明デバイスにより発せられた光をさらに混合するために、コリメータの出射孔に設けられる。
【００２２】
本発明の一実施形態によれば、集束要素の出射孔は拡散要素を備える。異なる色の光源の照度分布は異なる。拡散要素を集束要素の出射孔に設けることにより、より良好な混合が達成される。
【００２３】
本発明の別の実施形態によれば、各光源は、４６５ｎｍ、５２０ｎｍ、５７５ｎｍ又は６３０ｎｍのグループからなる波長の光を発する。上記の波長が均一に混合されることによって、見た目に美しく、高いＣＲＩをもたらし得る光が生成される。
【００２４】
本発明のさらなる特徴及び利点は、添付の特許請求の範囲及び下記の説明を精査するときに明らかになるだろう。当業者は、本発明の異なる特徴は、下記に説明される実施形態以外の実施形態を作り出すために、本発明の範囲から逸脱することなく、組み合わせられることを理解する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
本発明のこれらの及び他の態様は、本発明の異なる実施形態を示す添付の図面を参照して、ここでより詳細に説明される。
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態による照明デバイスの側面断面図である。
【図２】本発明の別の実施形態による照明デバイスの上断面図である。
【図３】本発明の別の実施形態による照明デバイスの分解斜視図である。
【図４Ａ】近接場及び遠方場のそれぞれにおける、本発明の一実施形態による照明デバイスからの光の照度分布を示す。
【図４Ｂ】近接場及び遠方場のそれぞれにおける、本発明の一実施形態による照明デバイスからの光の照度分布を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
詳細な本明細書では、本発明による照明デバイスの実施形態は、主として、レトロフィット部品として設計される照明デバイスを参照して考察される。これは、決して本発明の範囲を限定するものではなく、例えば他の種類又はデザインの照明デバイスと使用する他の状況にも適用可能であることに留意されたい。また、本発明は、主として、コリメータとしてパラボラリフレクタを用いた考察が行われているが、本発明は、スポット照明又は全般照明を提供する照明デバイスに適した任意の他の種類のコリメータの場合にも適用可能である。さらに、添付の図面に示される光源の配列は、模式的な表現に過ぎない。使用中、数、集中度及び他のこのような詳細は、各アプリケーションによって決定される。
【００２８】
以下では、第１に構造が注目され、次に機能が注目される添付の図面を参照して本発明が説明される。
【００２９】
図１は、照明デバイス１００の側面断面図である。照明デバイス１００は、パラボラリフレクタの形態をとる、入射孔及び出射孔を有するコリメータ１１２を備える。ＴＩＲフレネルレンズ、ＲＸＩ光学系、ＵＦＯレンズ、屈折フレネルレンズ又はスラットコリメータといった他の種類の光学素子も、コリメータ１１２を具現化するために使用され得る。照明デバイス１００はまた、コリメータ１１２の入射孔に配置されたビームスプリッタ１０６を備える。さらに、照明デバイス１００は、集束要素１０４及び光源１０２をそれぞれ備えた２つの照明ユニットを備える。集束要素１０４は、例えばＴＩＲ要素である。光源１０２は、ＬＥＤダイ、ＬＥＤサブアセンブリ又はパッケージＬＥＤの形態をとる発光ダイオード等の任意の固体光源でもよい。集束要素１０４は、光源１０２からの光をビームスプリッタ１０６に向けて集束させる。
【００３０】
ビームスプリッタ１０６は、各照明ユニットからの光を受光するように配置され、その光を透過部分１１０及び反射部分１０８に分割するように構成される。ビームスプリッタ１０６は、光の略半分ずつを透過部分１１０及び反射部分１０８に分割するように構成される。本明細書におけるビームスプリッタ１０６は、表面要素に入射する光の略同量を透過及び反射する略平面の表面要素により具現化される。ビームスプリッタ１０６は、反射領域の部分及び透過領域の部分からなる半反射層により実現され得る。反射領域は、入射する光を反射し、透過領域は、入射する光を透過できるため、結果として、ビームスプリッタ１０６に入射した光の反射部分及び透過部分が生じる。したがって、半反射層は、透明な背景に対して隔離された反射領域の配列を備え得る。また、ビームスプリッタ１０６は、部分的に鏡面化された後に透明担体に積層されたプラスチック等のビームスプリッティングホイルによっても実現され得る。さらに、ビームスプリッタ１０６は、薄い担体プレートをアルミニウム又は銀で直接コーティングした後、コーティングに適当なスリットを設けることにより実現されてもよい。
【００３１】
ビームスプリッタ１０６及び照明ユニットは、各照明ユニットからの透過光１１０及び反射光１０８の両方をコリメータ１１２の入射孔に向かわせるように配置及び構成される。即ち、各光源１０２から発せられた光は、集束要素１０４によりビームスプリッタ１０６に向けて集束され、ビームスプリッタ１０６は、入口に配置される、又はビームスプリッタにより透過及び反射された光、即ち、光源１０２により発せられた光がコリメータ１１２の入射孔に到達するように配置される。光の透過部分及び反射部分は、コリメータ１１２のパラボラ形状によって、一方の照明ユニットからの光の透過部分１１０が他方の照明ユニットからの光の反射部分１０８と同じ方向に発せられるように供給されるため、コリメータ１１２で混合される。したがって、コリメータ１１２を出た光は、各光源からの略同量の光を出射孔の各点で有し、遠方場で観察される場合に異なる光源１０２からの光の均一な混合体となる。
【００３２】
したがって、光源１０２は、使用時に、集束要素１０４によりビームスプリッタ１０６に向けて集束される光を発する。それから、ビームスプリッタ１０６に入射する光は、ビームスプリッタ１０６により透過部分１１０及び反射部分１０８に分割される。これは、照明デバイス１００の両方の照明ユニットで起こるため、結果として、一方の照明ユニットからの透過部分１１０が他方の照明ユニットからの反射部分１０８とコリメータ１１２で混合されるため、コリメータ１１２を出た光は、各光源からの略同量の光を出射孔の各点で有することに留意されたい。
【００３３】
次に、照明デバイス２００の上断面図である図２を参照する。照明デバイス２００は、照明ユニットが２つ追加されている、即ち、集束要素１０４及び光源１０２を有する全部で４つの照明ユニットがある点で、既に述べた照明デバイス１００と異なる。また、ビームスプリッタ２０６は、第１の表面要素の各側に垂直に配置された第２の表面要素を備える点で異なる。したがって、第１及び第２の表面要素は、以後、交差ビームスプリッタ２０６と呼ばれる十字形に配置されたビームスプリッタを形成する。交差ビームスプリッタ２０６は、コリメータ１１２を出た光が、各光源からの略同量の光を出射孔の各点で有するため、したがって、遠方場で観察される４つの照明ユニットからの光の均一な混合体を得るために必要である。集束要素１０４は、使用時に、光源１０２から発せられた光の集束ビームを交差ビームスプリッタ２０６の中心に向かわせる。交差ビームスプリッタ２０６の各交点２０４において、ビームの略半分が透過され、残りの半分が反射される。これについては、光源１０２からの単一の光ビームの場合が図２に示されている。したがって、交差ビームスプリッタ２０６は、光源１０２からの光を、光のビームがコリメータ１１２の入射孔に到達する基本的に垂直な方向の４つのビームに分割する。４つの光ビームは、複数の点２０８でコリメータに到達して相互作用し、これらのビームは、照明デバイス２００からコリメータ１１２の出射孔を通って反射され放出される。説明されたプロセスは、４つのすべての照明ユニットについて同じであり、したがって、各照明ユニットからの光を４分の１含む４つの像がコリメータ１１２から提供される。各像は、光源１０２から発せられた光の均一な混合体を含む。遠方場では、４つの像が集束され、すべての光源１０２からの均一な混合体がもたらされる。
【００３４】
図３には、図２にも示された照明デバイス２００の分解斜視図が示されている。示されている４つの照明ユニットは、光源１０２及び集束要素１０４を備える。各集束要素１０４は、光源１０２から光を受光する入射表面３０８を有し、出射孔３０４から交差ビームスプリッタ３０６に向けて光を集束させる。即ち、集束要素１０４は、光源１０２に１つの焦点があり、交差ビームスプリッタ３０６の中心位置を示す４つのすべての楕円ミラーの共通の焦点に第２の焦点がある楕円ミラーと基本的に同じ機能を果たす。コリメータ１１２は、回転対称のパラボラリフレクタ１１２として示されている。屈折若しくはＴＩＲフレネルレンズ又は任意の他の種類のコリメーションデバイスといった他の種類のコリメータ１１２も、本発明による照明デバイス２００と共に使用可能である。本発明は、コリメータ１１２の円形出射孔をもたらし、これは、照明デバイス２００を標準的な照明固定具にレトロフィット部品として取り付けることを可能にすることに留意されたい。
【００３５】
コリメータ１１２の出射孔３０２はまた、コリメータ１１２から出た光をさらに混合するために拡散要素を備えることができる。同様に、集束要素１０４の出射孔３０４は、異なる色を有する光源１０２からの照度分布の違いを調整するために拡散要素を備えることができる。
【００３６】
図４Ａには、近接場、即ち、照明デバイス２００の出射孔３０２における照度分布が示されている。交差ビームスプリッタ２０６は、各照明ユニットからの光の４分の１ずつである４つの像を提供するため、４つの照度ピーク領域を出射孔３０２内に見ることができる。これらの照度ピーク領域の光は、各照明ユニットからの略同量の光を含むことに留意されたい。したがって、光源１０２が異なる色の光を発する場合、異なる色の混合体を４つの強度ピーク領域のそれぞれに見ることができる。
【００３７】
図４Ｂには、照明デバイス２００の遠方場における光の強度分布が示されている。コリメータ１１２は、光をコリメートしている又は集束させているため、遠方場における強度分布は、略均一な強度分布、及び異なる光源からの光の均一な混合体を示す。したがって、図４Ｂには、強度ピーク領域が１つしかない。
【００３８】
また、開示された実施形態に対するバリエーションは、図面、開示内容、及び添付の請求項の精査から、特許が請求された発明を実施する場合に、当業者により理解され実施され得る。当業者であれば、例えば、第１の表面に垂直な第２の表面を備えたビームスプリッタを有しない３つ以上の照明ユニットを使用することを検討するだろう。他の種類の光源も当然考えられるが、固体発光体が好ましい。固体発光体の例としては、発光ダイオード（ＬＥＤ）、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）、又は、例えばレーザーダイオード等がある。述べられたもの以外の他の波長も考えられ、本発明の範囲内にある。請求項において、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という単語は、他の要素又はステップを除外するものではなく、不定冠詞「ａ」又は「ａｎ」は、複数を除外するものではない。特定の手段が相互に異なる従属請求項に列挙されるという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に用いられないことを示すものではない。
【図１】
2017526112.tif 000003
【図２】
2017526112.tif 000004
【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
2017526112.tif 000007
【国際調査報告】
2017526112.tif 000008
2017526112.tif 000009
2017526112.tif 000010