(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の照明強度分布で面（５）を照明するためのＬＥＤ照明システムであって、
ＬＥＤ素子（２；１２ａ〜ｃ）の主放射方向（９）に関して対称に光を放射する少なくとも１つのＬＥＤ素子（２；１２ａ〜ｃ）を有する形式のＬＥＤ照明システムにおいて、
前記少なくとも１つのＬＥＤ素子（２；１２ａ〜ｃ）と前記照明されるべき面（５）との間に、放射された光（６）を前記ＬＥＤ素子（２；１２ａ〜ｃ）の主放射方向（９）に関して非対称に偏向する照明光学系（４；１４）が配置されており、ここで該照明光学系（４；１４）は少なくとも１つの個別レンズによって形成されており、かつ該少なくとも１つの個別レンズの、前記ＬＥＤ素子（２；１２ａ〜ｃ）を向いている方の側の面（４１）は全体が凹面でありかつ該個別レンズの、前記照明されるべき面（５）を向いている方の側は全体が凸面である
いることを特徴とする、ＬＥＤ照明システム。
【請求項２】
前記システムは前記面（５）を均一に照明するよう調整及び決定されている、請求項１記載のＬＥＤ照明システム。
【請求項３】
前記システムは曲面（５）、例えば凸面又は凹面を均一に照明するよう調整及び決定されている、請求項１又は２に記載のＬＥＤ照明システム。
【請求項４】
前記照明光学系はたった１つの個別レンズ（４；１４）により形成されている、請求項１から３のいずれか１項に記載のＬＥＤ照明システム。
【請求項５】
前記照明されるべき面（５）の方を向いた、前記個別レンズの面（４２）は放物線状に凸である、請求項４記載のＬＥＤ照明システム。
【請求項６】
前記照明光学系は１つ又は複数のフレネルレンズ（１４）により形成されている、請求項１から５のいずれか１項に記載のＬＥＤ照明システム。
【請求項７】
前記ＬＥＤ素子（２；１２ａ〜ｃ）のうちの１つは、ＧａＮ半導体材料，ＩｎＧａＮ半導体材料，ＡｌＧａＮ半導体材料，ＩｎＡｌＧａＮ半導体材料，ＺｎＳ半導体材料，ＺｎＳｅ半導体材料，ＣｄＺｎＳ半導体材料又はＣｄＺｎＳｅ半導体材料を含んでいる、請求項１から６のいずれか１項に記載のＬＥＤ照明システム。
【請求項８】
前記ＬＥＤ素子（２；１２ａ〜ｃ）のうちの１つは、作動時に可視光、赤外電磁放射線又は紫外電磁放射線を放射する、請求項１から７のいずれか１項に記載のＬＥＤ照明システム。
【請求項９】
前記システムは、様々なスペクトル領域で放射する複数のＬＥＤ素子（１２ａ〜ｃ）を有する、請求項１から８のいずれか１項に記載のＬＥＤ照明システム。
【請求項１０】
前記ＬＥＤ素子（１２ａ〜ｃ）の放射光は白色光へ補完される、請求項９記載のＬＥＤ照明システム。
【請求項１１】
前記ＬＥＤ素子（２；１２ａ〜ｃ）の少なくとも１つと前記照明光学系は、照明モジュールを形成しており、共通のモジュールハウジング（７；１７）内に配置されている、請求項１から１０のいずれか１項に記載のＬＥＤ照明システム。
【請求項１２】
前記照明光学系は、前記モジュールハウジング（１７）を形成するフレネルレンズ（１４）を有する、請求項１１記載のＬＥＤ照明システム。
【請求項１３】
前記ＬＥＤ素子は、ＬＥＤプラスチックハウジングを備えた表面取付可能なＬＥＤ素子である、請求項１から１２のいずれか１項に記載のＬＥＤ照明システム。
【請求項１４】
前記ＬＥＤプラスチックハウジングは、ＬＥＤ半導体本体内にある反射装置を有する、請求項１３記載のＬＥＤ照明システム。
【請求項１５】
前記ＬＥＤプラスチックハウジングは、放射方向において前記ＬＥＤ半導体本体に後置された例えば前記ＬＥＤプラスチックハウジング上に取り付けられた集束レンズを有する、請求項１３又は１４に記載のＬＥＤ照明システム。
【請求項１６】
前記ＬＥＤ素子（２；１２ａ〜ｃ）は、ハウジングを備えていない少なくとの１つのＬＥＤ半導体チップによって形成されており、該ＬＥＤ半導体チップはチップ支持体（３）に直接取り付けられている、請求項１から１２のいずれか１項に記載のＬＥＤ照明システム。
【請求項１７】
前記個別レンズは、中央領域において、縁領域におけるより大きな厚みを有しており、かつ前記個別レンズは対称軸線を有していない、請求項１から１６のいずれか１項に記載のＬＥＤ照明システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＬＥＤ素子の主放射方向に関してとりわけ対称に光を放射する少なくとも１つのＬＥＤ素子を有する、所定の照明強度分布で面を照明するためのＬＥＤ照明システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
特許文献１には、複数の光源と、放射された光をその長手方向に沿って導き、照明される物体へ放射する１つの光導体とを有する照明装置が記載されている。光導体の放射面はレンズの形態で実施されており、そのため比較的強度の高い光は照明される物体の位置に集束することができる。
【０００３】
この種の照明装置は、多少なりとも広がりをもった対象物の照明、例えば対象物のスキャン又は模写のための照明に適している。したがって光は、要求された照明を最小の光量で供給できるように、対象物上でできるだけ広く集束する。
【０００４】
これに対して、広い面の照明に使用される照明システムでは、異なることが要求される。この目的のために、照明システムは、照明される面をある一定の予め定められた照明強度分布で照射することができなくてはならない。例えば、照明される面上のテクスト又は色表現は、テクストの読み取りが過度に阻害されないように、又は実際には存在しない色の違いが色表現内に存在するように見せるために、広範囲に亘って面が均一に照明されることを必要とする。
【０００５】
しかし、従来の照明システムは不満足な結果をもたらすか、又はその構造にコストがかかり、高価である。
【０００６】
【特許文献１】
ＥＰ−Ａ−１  ０１７  ２２２
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、照明される面を所定の照明強度分布で、とりわけ均一な照明強度分布で照明することができ、しかも単純な構造を有し、安価に製造され得る冒頭に述べた形式のＬＥＤ照明システムを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、少なくとも１つのＬＥＤ素子と照明されるべき面との間に、放射された光をＬＥＤ素子の主放射方向に関して非対称に偏向する照明光学系が配置されており、ここで該照明光学系は少なくとも１つの個別レンズによって形成されており、かつ該かつ該少なくとも１つの個別レンズの、前記ＬＥＤ素子を向いている方の側の面は全体が凹面でありかつ該個別レンズの、前記照明されるべき面を向いている方の側は全体が凸面である、ＬＥＤ照明システムにより解決される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明によれば、ＬＥＤ照明システムにおいて、少なくとも１つのＬＥＤ半導体本体と照明される面との間に、放射された光をＬＥＤ半導体の主放射方向に関して非対称に偏向する照明光学系が配置されている。
【００１０】
非対称的偏向は、面の形状とは無関係に、目的に合った面の照明の調整を可能とする。それゆえ、任意の形状の面において、対称に放射された光の非対称的偏向により、光源から表面上の点までの可変の距離及び光線が面に当たるときの可変の角度を配慮することが可能である。
【００１１】
１つの実施形態では、照明システムは面の均一な照明に適応するよう定められている。特に、照明システムを、曲面の均一な照明に、とりわけ凸面又は凹面の均一な照明に適応させてもよい。
【００１２】
しかしながら、照明システムを目的に合わせて面の非均一な照明に使用することも可能である。例えば、所定の面領域を光学的に強調又は目立たなくさせるために使用することも可能である。
【００１３】
有利な実施形態では、照明光学系はたった１つのレンズ素子により形成されている。
【００１４】
しかし、有利には、相応の照明光学系は１つ又は複数のフレネルレンズにより形成されていてもよい。
【００１５】
有利な実施形態では、照明システムは、様々なスペクトル領域で放射する複数のＬＥＤ半導体本体を有する。
【００１６】
これに関して次のような実施形態が特に実用的である。すなわち、様々なスペクトル領域で放射されるＬＥＤ半導体本体の光が補完し合って白色光となるような実施形態、例えば３つのＬＥＤ半導体本体が設けられており、これらのＬＥＤ半導体本体から赤、緑及び青の光が放出される実施形態が特に実用的である。
【００１７】
有利には、１つ又は複数のＬＥＤ半導体本体は、ＧａＮ半導体材料，ＩｎＧａＮ半導体材料，ＡｌＧａＮ半導体材料，ＩｎＡｌＧａＮ半導体材料，ＺｎＳ半導体材料，ＺｎＳｅ半導体材料，ＣｄＺｎＳ半導体材料又はＣｄＺｎＳｅ半導体材料を含んでおり、目的に合わせて可視光、赤外電磁放射線又は紫外電磁放射線を放射する。
【００１８】
代替案においては、照明システム内で白色光を発生させるために、放射方向で見て半導体本体に後置され、かつ有利には半導体本体とレンズとの間に配置された１つ又は複数のルミネセンス変換素子が使用される。これには、例えば青色光を放射する半導体本体の場合、青色光の一部を黄色光又は緑色光又は赤色光に変換し、半導体本体の青色光と混合するルミネセンス変換素子が適している。
【００１９】
１つの実施形態では、ＬＥＤ半導体本体と照明光学系は照明モジュールを形成しており、共通のモジュールハウジング内に配置されている。
【００２０】
モジュールハウジングの壁は、照明光学系の構成部材であるフレネルレンズで形成してもよい。もちろん、このフレネルレンズが照明光学系に必要な唯一のレンズであってもよい。その場合、特に単純でコンパクトな照明システムの構造が得られる。
【００２１】
本発明の有利な実施形態によれば、ＬＥＤ素子は、ハウジングを備えていない少なくとの１つのＬＥＤ半導体チップによって形成されており、該ＬＥＤ半導体チップはチップ支持体に直接取り付けられている。
更に別の有利な実施形態によれば、個別レンズは、中央領域において、縁領域におけるより大きな厚みを有しており、かつ個別レンズは対称軸線を有していない。
本発明の別の有利な実施形態、特徴及び詳細は、従属請求項、実施例の説明及び図面から明らかとなる。
【００２２】
以下、本発明を実施例に基づいて図面と関連させてより詳細に説明する。そのつど、本発明の理解にとって重要な要素だけが図示される。
【００２３】
【実施例】
図１に断面で概略的に示されている実施例によるＬＥＤ照明システム１は、例えば、曲面５の広範囲に亘る均一な照明のためのものである。なお、曲面５は例えばグラフである。
【００２４】
支持体上に取り付けられたＬＥＤ素子２は作動時に照明に必要な光を放射する。放射された光を補正しないと、専門家にとっては直ちに明らかであるように、複数の理由から、曲面５の均一な照明は得られない。
【００２５】
第１に、ＬＥＤ素子２の放射特性は、曲面５の占める立体角Ωの全体に亘って一定なのではなく、主放射方向９回りの角度領域内に最大の強度を有している。第２に、ＬＥＤ素子２から曲面５までの距離は可変であり、第３に、長手方向の広がりに沿った面５の曲率とともに、面に当たる光線の入射角も変化する。
【００２６】
それでも曲面５の広範囲に亘る均一な照明を達成するために、この曲面５とＬＥＤ素子２との間に、照明光学系として、放射光をＬＥＤ素子２の主放射方向９に関して相応に非対称的に偏向するレンズ４が配置されている。
【００２７】
図１において矢印による幾何学的光線６として表されたＬＥＤ素子２からの放射光の強度分布は、主放射方向９に関して少なくとも近似的に対称である。照明光学系４は光線６を偏向し、光線６が非対称的に分布した光線８として曲面５に当たるようにする。このために、照明光学系４は非対称的な形のレンズ４であり、ＬＥＤ素子２の方を向いた面４１は凹であり、曲面５の方を向いた面４２は凸、例えば放物線状に凸である。
【００２８】
偏向の程度は、ちょうど、曲面５の不均一な照明をもたらす上記の効果及び場合によっては別の効果が補償されるように決められており、その結果、曲面５の表面には均一な照明強度が生じる。この補償は、例えばそれ自体従来技術において公知であるように、外側レンズ面４２及び内側レンズ面４１の曲率を選択することにより行われる。
【００２９】
ＬＥＤ素子２及び照明光学系４の全体構成は、有利には共通のモジュールハウジング内に収納されている。
【００３０】
図１の実施例は簡略化のために１つのＬＥＤ素子２しか有していないように描かれているが、専門家にとっては、ただ１つのＬＥＤ素子の代わりに、複数のＬＥＤ素子が照明システム内に設けられてもよいことは明らかである。とりわけ、ＬＥＤ素子は、放射される面５に所望の色の印象を得るために、様々なスペクトルの色を発するようにすることができる。
【００３１】
これは、本発明の別の実施例を示す図２の照明システム１１において実現されている。３つのＬＥＤ素子１２ａ，１２ｂ，１２ｃは、全体として白色光が放射されるように、赤（６５０ｎｍ）、緑（５３０ｎｍ）ないし青（４７０ｎｍ）のスペクトル領域で放射する。代替的には、白色光の放射のために、青色発光ダイオードを、青色光をより長い波長の放射線に変換する変換物質とともに使用してもよい。
【００３２】
３つのＬＥＤ素子１２ａ〜ｃは支持体３上に取り付けられており、照明システム１と同様に、図２には示されていない面を照明するよう定められている。
【００３３】
照明されるべき面に所望の照明強度を生じさせる照明光学系は、この実施形態では、フレネルレンズ１４により形成されている。フレネルレンズ１４をほぼ同じ最大厚の放射状ゾーンに分割することにより、非常に平らなレンズが実現される。
【００３４】
これにより、フレネルレンズ１４はモジュールハウジング１７の壁を形成することができ、コンパクトで独立した照明システムの実施が可能になる。また、フレネルレンズ１４は、照明強度の他の分布パターンが望まれるときには、相応に適合されたフレネルレンズにより単純に交換可能である。
【００３５】
上記実施例及び本発明全般にとって有利なＬＥＤ素子２，１２ａ〜１２ｂとして、市販の表面取付可能なＬＥＤ素子が使用されている。図３にはこのようなＬＥＤ素子が概略的に示されている。この図では、ＬＥＤプラスチックハウジング２１内にそれぞれ少なくとも１つのＬＥＤ半導体本体２０が配置されている。有利には、ＬＥＤ半導体本体２０はＬＥＤプラスチックハウジング２１の反射装置２２内にある。なお、反射装置２２は、有利には、ＬＥＤ半導体本体２０から放射された光を集束させるものである。反射装置２２に代わって又は付加的に、ＬＥＤ半導体本体２０から放射された光を集束させるために、集束レンズ２３をＬＥＤ半導体本体２０に後置してもよい。集束レンズ２３は、有利にはＬＥＤプラスチックハウジング２１に固定されている。
【００３６】
これに代わって、照明モジュール内において、ＬＥＤ素子として、ハウジングを備えていない１つ又は複数のＬＥＤ半導体チップをチップ支持体３上に取り付けてもよい。しかし、モジュールハウジング７は、例えば密度に関して、例えば上で図３に関連して説明したようなハウジングを備えたＬＥＤ素子を使用した場合よりも、高い要求を満たさなければならない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例によるＬＥＤ照明システムの断面を概略的に示す。
【図２】本発明の第２の実施例によるＬＥＤ照明システムの断面を概略的に示す。
【図３】照明システムでの使用に有利なＬＥＤ素子の断面を概略的に示す。
【符号の説明】
１  ＬＥＤ照明システム
２  ＬＥＤ素子
３  支持体
４  照明光学系
５  照明される面
６  光線
７  モジュールハウジング
８  光線
９  主放射方向
１１  照明システム
１２ａ〜１２ｃ  ＬＥＤ素子
１４  照明光学系
１７  モジュールハウジング
２０  ＬＥＤ半導体本体
２１  ＬＥＤプラスチックハウジング
２２  反射装置
２３  集束レンズ
４１  ＬＥＤ素子の方を向いたレンズ素子の面
４２  曲面の方を向いたレンズ素子の面
Ω  曲面の占める立体角
【図１】
0004285981.tif 000002
【図２】
0004285981.tif 000003
【図３】
0004285981.tif 000004