(57)【要約】  ステージ照明用の光学装置が開示されている。該光学装置の一実施例において、ＬＥＤチップ３０は複数の光源Ｇ、Ｒ、Ｂ、Ｗを設ける。混合管３２であり得る導光体３２は、複数の光源Ｇ、Ｒ、Ｂ、Ｗから受光される光を混合するためにＬＥＤチップ３０上に配置される。導光体３２を通過した後、混合された光は、該導光体３２に結合された複合放物集中器３４に入射する。該複合放物集中器３４は、導光体３２から受光された光を、均一な瞳として放出されるように平行化する。
2012522348.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステージ照明の分野における光学装置であって、
第１断面積（πｒ１２）の入力開口及び第２断面積（πｒ２２）の出力開口を有し、前記入力開口において光を受光すると共に自身を経て前記出力開口へ光を伝搬させ、前記第１断面積（πｒ１２）が前記第２断面積（πｒ２２）に実質的に等しい導光体と、
前記入力開口を前記出力開口と接続し、前記入力開口から前記出力開口への前記光の混合を可能にする複数の伝達経路を定める第１反射性材料からなる第１壁部と、
第１端に第３断面積（πｒ３２）の入口開口が形成されると共に、第２端に第４断面積（πｒ４２）の出口開口が形成され、前記入口開口が前記導光体の出力開口と交わり、前記入口開口が前記出口開口へ前記光を供給するように配置され、前記第３断面積（πｒ３２）が前記第２断面積（πｒ２２）と実質的に等しく、前記第４断面積（πｒ４２）が前記第３断面積（πｒ３２）より大きいボディと、
前記入口開口を前記出口開口と接続すると共に、前記第３断面積（πｒ３２）から前記第４断面積（πｒ４２）へと広がり、前記入口開口から前記出口開口への前記光の単一反射の平行化された伝達を可能にする第２反射性材料からなる第２壁部と、
を有する光学装置。
【請求項２】
前記導光体の長軸が前記ボディの長軸に整列される請求項１に記載の光学装置。
【請求項３】
前記第１壁部が、概ね円筒を形成する回転面を更に有する請求項１に記載の光学装置。
【請求項４】
前記第２壁部が、概ね円錐形を形成する回転面を更に有する請求項１に記載の光学装置。
【請求項５】
前記導光体及び前記第１壁部が、組み合わせで、光パイプを有する請求項１に記載の光学装置。
【請求項６】
前記導光体及び前記第１壁部が、組み合わせで、アクリル製光パイプを有する請求項１に記載の光学装置。
【請求項７】
前記導光体及び前記第１壁部が、組み合わせで、ポリカーボネイト製光パイプを有する請求項１に記載の光学装置。
【請求項８】
前記ボディ及び前記第２壁部が、組み合わせで、複合放物集中器を有する請求項１に記載の光学装置。
【請求項９】
前記第２反射性材料が金属化された反射器を有する請求項１に記載の光学装置。
【請求項１０】
ステージ照明の分野における光学装置であって、
複数の光源から受光される光を混合する導光体と、
前記導光体に結合されて、該導光体から受光される前記光を平行化する複合放物集中器と、
を有する光学装置。
【請求項１１】
前記導光体が、前記光を入力開口から当該導光体と前記複合放物集中器との結合部における出力開口へ伝搬させる反射性材料を更に有する請求項１０に記載の光学装置。
【請求項１２】
前記光が前記複合放物集中器に入口開口において入射すると共に、出口開口において前記複合放物集中器から出射する前に該複合放物集中器の内側表面により１回反射される請求項１０に記載の光学装置。
【請求項１３】
前記導光体がロッドを更に有する請求項１０に記載の光学装置。
【請求項１４】
前記導光体が管状形状を更に有する請求項１０に記載の光学装置。
【請求項１５】
前記導光体がファセット化された形状を更に有する請求項１０に記載の光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広くは人工光又は照明光の形成に係り、更に詳細には、個別に使用する又は共通基板上にアレイとして配置することができる発光ダイオード（ＬＥＤ）平行化光学モジュール、及び斯かる光学モジュールを用いた照明器具に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在のＬＥＤチップパッケージは、パッケージ当たり複数のＬＥＤチップを含むことができる一方、パッケージ自体上には相対的に簡素な光学系しか有さず、該光学系は如何なる所要の色（カラー）混合、平行化（コリメーション）又は他のビーム整形を行うためにも二次光学系を必要とする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
これらの既存のＬＥＤチップパッケージは、電力と、平行化及び色混合を含むビーム整形要件とのバランスをとらねばならない。例示として、演劇、舞踊、オペラ及び他の演芸の制作に関係するもののようなステージ照明用途においては、所要の輝度及び照明されるべき領域からの距離並びに照明器具のビーム又は視界角が、当該ＬＥＤチップパッケージが巨大な電力を有することを強いる。更に、用途の性質上、良好に整形されたビームも必要とされる。輝度要件は多数のＬＥＤの使用により満たされるが、このことは、光の単一の一様且つ均一な瞳への集光を一層困難にさせる。時には、電力が均一さのために犠牲にされるか、又はその逆となり得る。一方における電力と、他方における平行化及び色混合との間の取り引き（妥協）に対処する解決策が依然として必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
ＬＥＤ平行化光学モジュール、斯かるモジュールを使用する照明器具及び光学装置が開示される。ここに提示される解決策は、一方における電力と他方における平行化及び色混合との間の伝統的な妥協を軽減するものである。当該ＬＥＤ平行化光学モジュールの一実施例において、ＬＥＤチップは複数の光源を設ける。例えば、光パイプ、管又はロッドとすることが可能な導光体が、上記光源から受光される光を混合するために当該ＬＥＤチップ上に配置される。上記導光体を通過した後、上記の混合された光は、該導光体に結合された複合放物集中器（ＣＰＣ）に入射する。このＣＰＣは、上記導光体から受光された光を、実質的に均一な瞳が放出されるように平行化する。上記照明器具の一実施例においては、複数のＬＥＤ平行化光学モジュールが基板上に各々配置される。ハウジングは、上記基板及びＬＥＤ光学モジュールを収容するように構成される。該照明器具は、種々の用途のための完成した照明用具を提供する。
【０００５】
ステージ照明の分野における当該光学装置の一実施例は、例えば管、光パイプ又はロッドであり得る導光体を含み、該導光体は入力開口において光を受光すると共に、当該導光体を介して光を上記入力開口の断面積と実質的に等しい断面積を持つ出力開口へと伝搬する。第１壁部が、上記入力開口を上記出力開口と接続し、反射性材料を用いて、当該導光体の上記入力開口から出力開口への光の混合を可能にするような複数の伝達経路を定める。円錐体とすることができる胴部は、断面積が、上記導光体の出力開口と交わる入口開口から出口開口へと増加する。放物状壁部とすることが可能な第２壁部は、上記入口開口を出口開口と接続すると共に、上記入口開口の断面積から上記出口開口に属する一層大きな断面積へと広がる。該第２壁部は、上記入口開口から出口開口への光の平行化された伝達を可能にする。
【０００６】
本発明のフィーチャ及び利点の一層完全な理解のために、本発明の詳細な説明を添付図面と共に参照するが、これら図面において異なる図における対応する符号は対応する構成部分を示している。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１Ａ】図１Ａは、本明細書で提示された教示によるＬＥＤ平行化光学モジュールを組み込んだ照明器具の一実施例の斜視図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、図１Ａに示した照明器具の、内部構成部品を一層良好に示すために一部が切除された斜視図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、図１Ａ及び１ＢのＬＥＤ平行化光学モジュールのアレイを一層詳細に示す斜視図である。
【図１Ｄ】図１Ｄは、図１Ｃに示したＬＥＤ平行化光学モジュールのアレイの上面図である。
【図２】図２は、ＬＥＤ平行化光学モジュールのアレイの他の実施例の上面図である。
【図３】図３は、ＬＥＤ平行化光学モジュールのアレイの更に他の実施例の上面図である。
【図４Ａ】図４Ａは、ＬＥＤ平行化光学モジュールの一実施例の前面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図４Ａに示したＬＥＤ平行化光学モジュールの縦断面図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、図４Ａに示したＬＥＤ平行化光学モジュールの上面図である。
【図４Ｄ】図４Ｄは、図４Ａの４Ｄ−４Ｄ線に沿って見たＬＥＤチップパッケージの上面図である。
【図５Ａ】図５Ａは、図４Ａに示したＬＥＤ平行化光学モジュールを通過する単一の光ビームを示す縦断面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図４Ａに示したＬＥＤ平行化光学モジュールを通過する複数の光ビームを示す縦断面図である。
【図６】図６は、ＬＥＤ平行化光学モジュールの他の実施例を通過する複数の光ビームを示す縦断面図である。
【図７】図７は、ＬＥＤ平行化光学モジュールの更に他の実施例を通過する複数の光ビームを示す縦断面図である。
【図８】図８は、本明細書で提示されるＬＥＤ平行化光学モジュールで使用される導光体の一実施例の上断面図である。
【図９】図９は、本明細書で提示されるＬＥＤ平行化光学モジュールで使用される導光体の他の実施例の上断面図である。
【図１０】図１０は、本明細書で提示されるＬＥＤ平行化光学モジュールで使用される導光体の更に他の実施例の上断面図である。
【図１１】図１１は、本明細書で提示されるＬＥＤ平行化光学モジュールで使用される胴部の一実施例の上断面図である。
【図１２】図１２は、本明細書で提示されるＬＥＤ平行化光学モジュールで使用される胴部の他の実施例の上断面図である。
【図１３】図１３は、本明細書で提示されるＬＥＤ平行化光学モジュールで使用される胴部の更に他の実施例の上断面図である。
【図１４】図１４は、本明細書で提示されるＬＥＤ平行化光学モジュールで使用される導光体の一実施例の上断面図である。
【図１５】図１５は、本明細書で提示されるＬＥＤ平行化光学モジュールで使用される導光体の他の実施例の上断面図である。
【図１６】図１６は、本明細書で提示されるＬＥＤ平行化光学モジュールで使用されるＣＰＣの一実施例の上断面図である。
【図１７】図１７は、本明細書で提示されるＬＥＤ平行化光学モジュールで使用されるＣＰＣの他の実施例の上断面図である。
【図１８】図１８は、図５Ａ〜５ＢのＬＥＤ平行化光学モジュールに関する、ベースライン輝度を表す輝度対鉛直角のグラフである。
【図１９】図１９は、ＬＥＤ平行化光学モジュールに関する、最適化されたベースライン輝度を表す輝度対鉛直角のグラフである。
【図２０】図２０は、ＬＥＤ平行化光学モジュールの円形の離隔詰めアレイに関する、ベースライン輝度を表す輝度対鉛直角のグラフである。
【図２１】図２１は、ＬＥＤ平行化光学モジュールの円形の離隔詰めに関する、発光効率及びピーク光束対電流密度のグラフである。
【図２２】図２２は、ＬＥＤ平行化光学モジュールの円形の離隔詰めに関する、ｕ'，ｖ'カラー面に対する琥珀色ダイ色度図である。
【図２３】図２３は、ＬＥＤ平行化光学モジュールの円形の離隔詰めに関する、ｕ'，ｖ'カラー面に対する白色ダイ色度図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下では本発明の種々の実施例の作製及び使用が詳細に説明されるが、本発明は多様な固有の状況において具現化することが可能な多数の適用可能な発明概念を提供するものであると理解されるべきである。ここで説明する固有の実施例は、本発明を作製し及び使用するための固有の方法を単に解説するものであり、本発明の範囲を限定するものではない。
【０００９】
最初に図１Ａないし１Ｄを参照すると、ここで提示される教示による照明器具の一実施例が示されており、該照明器具は概略的に図示されると共に全体として符号１０により示されている。ハウジング１２は、基部１４及び集合的に符号１６が付されたＬＥＤ平行化光学モジュールを収容するように構成され、これらはハウジング１２内に固定されている。上記ＬＥＤ平行化光学モジュールは、個別のＬＥＤ平行化光学モジュール１６−１、１６−２、１６−３、１６−４、１６−５、１６−６及び１６−７を含んでいる。基部１４に取り付けられると共にハウジング１２内に収容されたヒートシンク・サブアセンブリ１８は、上記発光ダイオード平行化光学モジュール１６により発生される熱を吸収及び放散させる。一実施例において、ヒートシンクの数と発光ダイオード平行化光学モジュール１６の数の間には１対１の対応が存在する。更に、一実施例において、ヒートシンク・サブアセンブリ１８は事実上無音のファンを含み、該ファンは発光ダイオード平行化光学モジュール１６を含む内部部品のための強制空冷を提供する。
【００１０】
ハウジング１２は、支持構造体２２に旋回可能に接続されたヨーク２０により定位置に取り付けられる。ハウジング１２、ヨーク２０及び支持構造体２２を通して配置される電子回路サブアセンブリ２４は、照明器具１０の電動動作及び電子回路を提供する。該電子回路サブアセンブリ２４は、診断及び自己校正機能並びに内部テストルーチン及びソフトウェア更新能力を提供する複数のオンボード・プロセッサを含むことができる。また、照明器具１０は、電源に対する接続等の如何なる他の所要の電子回路を含むこともできる。図示されたように、終端効果を追加するために仕上げレンズ２６が含まれている。
【００１１】
ＬＥＤ平行化光学モジュール１６は、ＬＥＤ平行化光学モジュール１６−１〜１６−６が中心に配置された光学モジュール１６−７と接触するようにして六角形の位置取りに配置された、単一層の密集詰め構成に配置されている。周方向のＬＥＤ平行化光学モジュール１６−１〜１６−６の各々は、２つの隣接する周方向のＬＥＤ平行化光学モジュール及び内側に配置されたＬＥＤ平行化光学モジュール１６−７に接触する。例示として、ＬＥＤ平行化光学モジュール１６−１は、隣接するＬＥＤ平行化光学モジュール１６−２及び１６−６並びに内部に配置された平行化光学モジュール１６−７と接触する。ＬＥＤ平行化光学モジュール１６−１〜１６−７のアレイは、一実施例では、８インチ（８.３２ｃｍ）の直径を有することができる。ＬＥＤ平行化光学モジュール１６−４に関しては、ＬＥＤチップパッケージ３０は、光を混合する導光体３２に光を供給する。ＣＰＣ３４が上記導光体３２に結合されて、該導光体３２から受光される光を平行化する。平行化に続いて、光は当該照明器具１０を実質的に均一な瞳として出射する。照明器具１０の構成部品又は全体は、ステージ照明又は関連する用途用の光学モジュールと考えることができる。
【００１２】
図２及び３は、ＬＥＤ平行化光学モジュール１６の他の実施例を示す。図２に関する場合、ＬＥＤ平行化光学モジュール１６は単一層の円形の離隔詰め構成３６に配置されている。この構成において、ＬＥＤ平行化光学モジュール１６−１〜１６−６は、中心に配置されたモジュール、即ちＬＥＤ平行化光学モジュール１６−７の周りの周方向の点上に各々中心を合わされている。一構成例において、各ＬＥＤ平行化光学モジュール１６の間の間隔は、約０.１９インチ（３ｍｍ）である。
【００１３】
図３に関しては、ＬＥＤ平行化光学モジュール１６−１〜１６−３は直線的な単一層構成３８に配置され、内側のＬＥＤ平行化光学モジュール１６−２は外側のＬＥＤ平行化光学モジュール１６−１及び１６−３の各々に接触するように配置されている。尚、当該ＬＥＤ平行化光学モジュールは、図１Ａ〜１Ｄ、図２及び図３に示されたもの以外のアレイとして配置することができると理解されるべきである。また、一つのアレイには如何なる数のＬＥＤ平行化光学モジュールも使用することができ、斯かるアレイは、ＬＥＤ平行化光学モジュールの間に密な接触をもたらすもの、ＬＥＤ平行化光学モジュールの間に間隔を呈するもの、及びこれらの組み合わせとなるものさえ含み、別の形態をとることもできる。更に、ＬＥＤ平行化光学モジュール１６は、角度的態様、直線的態様又はこれらの組み合わせで配置することができる。
【００１４】
図４Ａないし４Ｄは、ＬＥＤ平行化光学モジュール１６−４を図示する。ＬＥＤチップパッケージ３０は、光源を提供するものであり、単一の長尺ベース部材４４上にアレイ４２として配設された複数の有色ＬＥＤチップＧ、Ｒ、Ｂ及びＷを含んでいる。上記ベース部材４４は、リード線を結合する手段（図示略）を含むことができる。図示されたように、ＬＥＤチップＧ、Ｒ、Ｂ、Ｗは、色混合を増加させるために導光体３２及びＣＰＣ３４に対して所望の角度的放射パターンをもたらすように配置されている。しかしながら、用途に依存して、ＬＥＤチップＧ、Ｒ、Ｂ、Ｗは他のタイプのアレイとして配置することもできると理解されるべきである。
【００１５】
アレイ４２のＬＥＤチップＧ、Ｒ、Ｂ、Ｗは、緑色、赤色、青色及び白色の光を各々が放出する通常の緑色、赤色、青色及び白色ＬＥＤチップを有している。このようなＬＥＤチップは、導光体３２への効率的な入射を促進し、色混合を強力に向上させる。図示されたように、当該ＬＥＤチップパッケージにより発生される白色光の品質を更に向上させるために、１つの赤色ＬＥＤチップ（Ｒ）、１つの緑色ＬＥＤチップ（Ｇ）、１つの青色ＬＥＤチップ（Ｂ）及び１つの白色ＬＥＤチップ（Ｗ）を含む４つのＬＥＤチップが使用されている。しかしながら、ＬＥＤチップの設計が進歩するにつれて、当該ＬＥＤチップパッケージ３０により発生される光の品質を最適化するために当該アレイには異なる数のＬＥＤチップ及び／又は異なる色のＬＥＤチップを使用され得ることが考えられる。例示として、一実施例においては、１つの赤色ＬＥＤチップ（Ｒ）、１つの緑色ＬＥＤチップ（Ｇ）、１つの青色ＬＥＤチップ（Ｂ）及び１つの琥珀色ＬＥＤチップ（Ａ）を含む４つのＬＥＤチップが使用される。例示として、更に他の実施例では、１つの赤色ＬＥＤチップ（Ｒ）、２つの緑色ＬＥＤチップ（Ｇ１，Ｇ２）、１つの青色ＬＥＤチップ（Ｂ）を含む４つのＬＥＤチップが使用される。ＬＥＤチップパッケージ３０に低電力及び高電力の両方のＬＥＤチップが使用されることも更に考えることができる。
【００１６】
本明細書で提示される教示の一実施例において、前記長尺のベース部材４４は、例えばプラスチック又はセラミックから形成される電気的に絶縁なハウジング４６を有することができ、該ハウジングはシリコン・サブマウントが上に配置された金属ヒートシンクを収容する。上記金属ヒートシンクは、該ヒートシンク上に配置されたＬＥＤチップパッケージ３０の熱放散を行う。更なる熱放散はヒートシンク・サブアセンブリ１８によりもたらされるが、該ヒートシンク・サブアセンブリは、暗示されるように、前記金属ヒートシンクに近接した強制空冷を提供する実質的に無音のファンを含む。上記長尺のベース部材４４は更にリード線を含み、これらリード線は前記ハウジングにより上記金属ヒートシンク及びＬＥＤチップＧ、Ｒ、Ｂ、Ｗから電気的に絶縁される。ボンドワイヤがＬＥＤチップＧ、Ｒ、Ｂ、Ｗを上記リード線に電気的に接続する。
【００１７】
導光体３２は、第１端に第１断面積πｒ12の入力開口４８を有し（半径がｒ１である）、第2端に第２断面積πｒ22の出力開口５０を有する（半径がｒ２である）。導光体３２は、入力開口４８において光源からの光を受光すると共に該光を出力開口５０に供給するように、ＬＥＤチップパッケージ３０及びＬＥＤチップＧ、Ｒ、Ｂ、Ｗ上に配置される。上記第１断面積πｒ12は上記第２断面積πｒ22に実質的に等しいものとすることができ、かくして、入力開口４８及び出力開口５０は実質的に等しい直径を有し、ｒ１はｒ２と等しくなり得る。円筒状の壁部であり得る壁部５２は、上記入力開口４８を出力開口５０と接続すると共に、概ね円柱を形成するような回転面を含むことができる。上記壁部５２は、入力開口４８から出力開口５０までの内部空間５６内において光の混合を可能にするような複数の伝達経路を定める反射性材料５４を含む。一構成例において、壁部５２は、入力開口４８を出力開口５０に接続する光を混合するための壁手段であり得る。導光体３２の長さｌ１は、当該光源により放出される光の混合に関連する設計パラメータにより決定される。更に、導光体３２の長さｌ１は、ＬＥＤチップパッケージ３０の水平軸に対して実質的に直交する、該導光体３２の長軸に沿って測定されるものである。
【００１８】
ＣＰＣ３４は、上記導光体３２に結合されている。ＣＰＣ３４の場合、一実施例では円錐状ボディであるボディ６０は、第１端において断面積πｒ32の入口開口６２が形成される一方（半径はｒ３である）、第２端において断面積πｒ42の出口開口６４が形成されている（半径はｒ４である）。上記入口開口６２は前記出力開口５０と交わり、円錐状ボディ６０は当該光を出口開口６４に供給するように配置されている。入口開口６２の断面積πｒ32は前記出力開口５０の断面積πｒ22に実質的に等しく、出口開口６４の断面積πｒ42は入口開口６２の断面積πｒ32より大きい。従って、この構成例では、ｒ４＞ｒ３＝ｒ２＝ｒ１である。上記第２端における縁部（lip）７２は、一連の隣接するアーチを含むような図示のアーチ状エッジを含む種々の形態を有することができる。このタイプの縁部の実施例は、ＬＥＤ平行化光学モジュールが密集詰め構成において相互に当接した状態で配置されるのを可能にする。
【００１９】
湾曲した壁部とすることが可能な壁部６６は、入口開口６２を出口開口６４と接続する一方、断面積πｒ32から断面積πｒ42へと広がる。壁部６６は、入口開口６２から出口開口６４への光の平行化された伝達を可能にする反射性材料６８を含んでいる。該壁部６６は、入口開口６２を出口開口６４に接続すると共に断面積πｒ32から断面積πｒ42へと広がる壁手段であり得る。該壁部６６は、概ね円錐形を形成する回転面を有するような放物状壁部を含むことができる。ＣＰＣ３４の長さｌ２は、例えば所望の平行化及び光混合の程度に関係する設計パラメータにより決定される。更に、ＣＰＣ３４の長さｌ２は、ＬＥＤチップパッケージ３０の水平軸に対して直交すると共に前記導光体３２の長軸に実質的に整列された該ＣＰＣ３４の長軸に沿って測定されるものである。また、用途に依存して、長さｌ１とｌ２との間の関係は、図示されたものから変化し得る理解されるべきである。
【００２０】
一実施例において、ＣＰＣ３４は、当該デバイスに小さい方の開口、即ち入口開口６２において入射する光線が、大きい方の開口、即ち出口開口６４において出射する前に湾曲壁部６６の内側表面から１回だけ反射されるという事実を特徴とする。この構成においては、ＣＰＣ３４は、入口開口６２において受光される所与のエネルギの光束を平行化するように設計されている。
【００２１】
この実施例において、放物状又は他の幾何学構造を有するか否かによらずＣＰＣと称される本明細書で開示される集中器は、プリズム的で透明な低透過損失誘電体物質からなる反射性材料６８を有している。図１１〜１３において説明されるように、他の幾何学構造も、ここに提示される実施例の範囲内に入る。ＣＰＣ３４の内側表面７０の反射性材料６８を形成することができる上記誘電体物質は、これらに限られるものではないがアクリルポリマ又はポリカーボネイト系ポリマ等の高屈折率を持つ透明ポリマを含む。
【００２２】
図５Ａは、ＬＥＤ平行化光学モジュール１６−４を通過する単一の光ビームを図示している。光混合ロッド又は光パイプであり得る導光体３２は、光源により当該導光体内に伝達される光束を均一化する。該光束の輝度中心は入力開口４８から出力開口５０へ長手方向に移動する。当該光混合ロッドに沿って配置された反射性材料５４の反射面は、該光混合ロッドを経る光の移動の長手方向又は軸方向に対して垂直な又は傾斜された面法線を含む。該反射性材料は、光ビームが進行する経路８０、８２等の経路を提供し、これにより、これら光ビームを相互に混合させる。ＬＥＤチップ（Ｇ、Ｒ、Ｂ、Ｗ）は、導光体３２の内部空間５６に向かう部分的向きの方向を有している。
【００２３】
ＣＰＣ３４はθｉ／θｏに関して示されており、ここで、θｉは入力角を示し、θｏは出力角を示している。一実施例の幾何学構造は、焦点Ｑを持つ放物線ＰＲの区画をとり、この区画を、ＬＥＤチップパッケージ３０を通る水平軸ｘに対して垂直な、当該放物線のｚ軸に対して角度θｉの回転軸の周りに回転することにより、より良好に理解され得るであろう。ｚ軸の周りの回転軸は、前記入口開口及び出口開口の中心を定める。このようなＣＰＣの構造は、ｚ軸に対して±θｉより小さな角度で前記入口開口に入射する全ての光線が、ｚ軸に対して±θｏの角度内の単一の反射を越えない反射の後に当該ＣＰＣを出射するであろうことを特徴とする。
【００２４】
図示されているように、光ビーム８４、８６はＬＥＤチップパッケージ３０のＬＥＤチップＲから送出される。光ビーム８４の入射角は、該光ビーム８４が導光体３２の内部空間５６に接触しないようなものである。他の実施例では、導光体３２の位置により、光ビームの全て又は略全てが内側表面５６に接触する。しかしながら、光ビーム８６は内部空間５６に接触し、その後、ＣＰＣ３４に入射するまでに導光体３２の反射材料５４により６回反射され、ＣＰＣ３４において、該光ビーム８６は当該ＣＰＣ３４の内部表面７０による単一の反射により平行化される。図示されているように、導光体３２における複数の反射は、光ビーム８６が該導光体３２の長軸ｚを横切るようにさせ、これにより光混合に貢献するようにさせる。
【００２５】
図５Ｂは、当該ＬＥＤ平行化光学モジュールを通過する複数のビームを図示している。導光体３２は、ＬＥＤチップ３０上に、入力開口４８においてＬＥＤ光源Ｇ、Ｒ、Ｂ、Ｗから光を受光するように配置されている。ＬＥＤ Ｇ、Ｒ、Ｂ、Ｗは、少なくとも部分的に導光体３２の内部空間５６に向けられている。図示されたように、ＬＥＤ Ｇ、Ｒ、Ｂ、Ｗの間には横方向のオフセットが存在し、これらＬＥＤと反射を提供する前記反射性材料との間に入射角を設ける。導光体３２は、集合的に光束８８となる複数の光ビームにより通過される複数の経路８９を設ける。これら複数の経路８９は、受光された光ビームを混合し、光束８８の輝度中心が入力開口４８から出力開口５０へと長手方向に移動するようにさせる。当該導光体の反射性材料は、光を入力開口４８から出力開口５０へと伝搬させるように配向され、上記出力開口において、混合された光はＣＰＣ３４の入口開口６２により受光される。次いで、上記入口開口６２から出口開口６４への光の平行化された伝達が生じ、ＣＰＣ３４内における単一反射の平行化された伝達から実質的に均一な瞳を形成する。かくして、光束は上記出口開口６４から実質的に均一な瞳９０として出射する。
【００２６】
図６及び７は、ＬＥＤ平行化光学モジュールの他の実施例を示している。図６の場合、ＬＥＤ平行化光学モジュール１６−８は、図５において形成される光とは異なるプロファイルを持つ実質的に均一な瞳の光９２を形成する。図７において、円形のポリカーボネイト光パイプ９４とＣＰＣ９６として示される中空の金属化された反射器内の約８０％の反射度との組み合わせを有するＬＥＤ平行化光学モジュール１６−９は、他の実質的に均一な光の瞳９８を形成する。尚、図５Ａないし図７に図示されたＬＥＤ平行化光学モジュールの構造は、変化し得るものであると理解されるべきである。例えば、上記導光体及びＣＰＣは、一体的に形成され得るか、又は一体ユニットを形成するように結合することができる。用途固有の特徴及びコスト等の要因が、好ましい製造技術を決定し得る。
【００２７】
図８〜１０は、ＬＥＤ平行化光学モジュール１６に使用する導光体３２の種々の実施例を示す。図８において、導光体３２は壁部５２を有している。しかしながら、導光体３２は円筒状壁部に限定されるものではないと理解されるべきである。導光体３２は、異なる壁部及び対応する内部空間５６を形成するような、非円筒状の形状も同様に有することができる。例示として、図９を参照すると、導光体３２は、六角形壁部１００として示された、６つの面を有するファセット状壁部を含んでいる。例示として、図１０には、八角形壁部１０２として示された、８つの面を備えた壁部を有している。導光体３２は、如何なる数の面又はファセット（小面）を含むこともでき、更に、円形の又は円筒状の壁部を含むこともできる。
【００２８】
図１１〜１３は、ＣＰＣ３４のボディ６０の種々の実施例を示す。一構成例において、発光ダイオード平行化光学モジュール１６は、図１１に示されるような湾曲した壁部６６を有する円錐状ボディ６０に限定されるものではない。むしろ、図１２及び１３に示されるように、発光ダイオード平行化光学モジュール１６は、図１２のボディ６０又は図１３のボディ６０のように、如何なる数の面又はファセットを有するボディを含むこともできる。これらの実施例では、湾曲した壁部というよりは、図１２及び１３に各々提示された壁部１０４及び１０６等の、面又はファセットを備える壁部が用いられる。ボディ６０は、如何なる数の面又はファセットを含むこともでき、更に前述した湾曲した壁部を有することもできる。
【００２９】
図１４〜１５は、本明細書に提示されたＬＥＤ平行化光学モジュールで使用するための導光体３２の実施例を示す。前述したように、導光体３２は種々の形状を有することができる。種々の形状を有することに加えて、導光体３２は、例えば側壁を有する管体（tubular）又は混合管体（例えば、図８）、ロッド（例えば図１４）、内部に本体を有する管体（例えば図１５）、又はこれらの組み合わせとすることができる。特に、図１４を参照すると、導光体３２は、反射性材料５４を有する壁部５２を備えるようなロッド（棒体）である。図１５を参照すると、導光体３２は、内部に本体３２ｂを有すると共に、関連する壁部５２ａ、５２ｂ及び反射性材料５４ａ、５４ｂを有する管状部材３２ａを含む。
【００３０】
図１６〜１７は、本明細書で提示されるＬＥＤ平行化光学モジュール１６で使用するためのＣＰＣ３４のボディ６０の実施例を示す。導光体３２と同様に、ＣＰＣ３４のボディ６０は、例えば、側壁を有するボディ６０（例えば図１１）、壁部６６及び反射性材料６８を備えた中実部材であるボディ６０（例えば図１６）、壁部６６ａ、６６ｂ及び反射性材料６８ａ、６８ｂを備えた側壁部材６０ａ及び該側壁部材内に配置された中実部材６０ｂを有するボディ６０（例えば図１７）、又はこれらの組み合わせを含む種々の形態を有することができる。
【００３１】
図１８は、六角形位置を持つ単層密集詰め構成のベースライン輝度を表す輝度対鉛直角のグラフを示す。この場合、光入射の鉛直角は度で表され、輝度は曲線１１０により示されている。図１９は、発光ダイオード平行化光学モジュールの六角形アレイのベースライン輝度を表す輝度対鉛直角のグラフを示す。曲線１２０は、輝度と鉛直角との間の関係を表す。この実施例において、最適化されたベースライン輝度モデルは、色の均一性を妥協せずに可能な最狭の角度分布を生成する。このモデルの角度分布は、光パイプの入力面のサイズを減少させるか又は光パイプの出力面を増加させることにより更に減少させることができる。最後に、図２０は、発光ダイオード平行化光学モジュールの単層円形離隔詰め構成のベースライン輝度を表す輝度対鉛直角のグラフを示す。この図において、曲線１３０は輝度対鉛直角の関係を示す。これらのグラフにより表された設計は、10,000ルーメンなる光束要件を越えるものである。六角形＋ＣＰＣの実施例（図１８）は、より良好な色の均一性を伴う６９％の効率であり、円形＋中空ＣＰＣ反射器の実施例（図２０）は、中空の金属化されたＣＰＣ反射器を備える円形のポリカーボネイト光パイプを含む２部品構成で４９％の効率である。
【００３２】
図２１は、相対発光効率及びピーク光束を電流密度の関数として示すグラフである。発光効率の曲線１４０は、ワット当たりのルーメン（lm/W）での放射フラックスに対する光束の比を、電流密度（A/mm2）の関数として表している。
更に、ピーク光束の曲線１５０は、ルーメン（lm）での光束を電流密度（A/mm2）の関数として表している。
【００３３】
図２２は、前述した単層円形離隔詰め構成を持つ発光ダイオード平行化光学モジュールの円形アレイに関する琥珀色ダイの色度図をｕ'、v'測色色空間座標に関して示す。図示されたCIELUV色空間、ＣＩＥ 1976（L*，u*，V*）はアダムス色価色空間であり、ＣＩＥ 1964色空間（CIEUVW）の更新版である。相違点は、僅かに修正された明度スケール、及び修正された均一色度スケール（例えば、座標のうちの１つｖ'は、１９６０の先のものにおけるｖより１.５倍大きい）を含む。表示された波長は、ナノメートル（ｎｍ）で表されている。
【００３４】
下記の変換及び転換が適用可能である：
L* = 116(Y/Yn)1/3 - 16,            Y/Yn > (6/29)3
(29/3)3(Y/Yn),                 Y/Yn <= (6/29)3
u* = 13L*(u' - u'n) 
v* = 13L*(v' - v'n) 
u' = 4X(X + 15Y + 3Z) = 4x/(-2x + 12y + 3) 
v' = 9Y(X + 15Y +3Z) = 9Y/(-2x + 12Y + 3) 
(u',v')から(x,y)への変換に関しては：
x = 9u'/(6u' - 16v' + 12) 
y = 4v'/(6u' - 16v' + 12) 
u' = u*/13L* + u'n 
v' = v*/13L* + v'n 
Y = YnL*(3/29)3,                  L* <= 8 
Yn(L* + 16)/116)3,               L* > 8 
X = Y(9u'/4v')
Z = Y((12 - 3u' - 20v')/4v')
である。
【００３５】
逆Ｕ字状の軌跡境界１５０は、単色光、又はスペクトル色若しくは緩やかな虹色を表す。該軌跡の下側境界は、紫色のラインを提示すると共に、赤及び青の波長の光を混合することにより得られる比スペクトル色を表す。実際には、可視スペクトルの極端では目の受容体の感度の減衰により色は益々不鮮明となるので、この境界は厳しいものではないと理解されるべきである。上記軌跡の周囲の色は飽和し、色は当該プロットの中央の何処かでは益々彩度が減少し、白に向かう。しかしながら、当該プロットの外側の色は色域外であり、色度図は知覚的に均一とはならない。即ち、当該プロットの如何なる領域の区域も、該領域における知覚的に区別可能な色の数とは全く良好には相関しない。更に、異なるＬＥＤ光源は、本来的に異なる色域を有し得る。
【００３６】
図２３は、単層円形離隔詰め構成を持つ発光ダイオード平行化光学モジュールの円形アレイに関する白色ダイの色度図をｕ'、v'測色色空間座標に関して示す。図２２と同様に、表示された波長はナノメートル（ｎｍ）で表され、逆Ｕ字状の軌跡境界１６０は単色光を表す。図示されたように、逆Ｕ字状の軌跡境界１６０は人の目にとり区別不可能なｕ'，ｖ'におけるずれを表し、平均色度値は０.０６のオーダである。
【００３７】
以上、本発明を図示の実施例を参照して説明したが、この説明は限定するもの見なされることを意図するものではない。図示の実施例の種々の変更及び組み合わせ、並びに本発明の他の実施例も、当業者により上記説明を参照すれば明らかとなるであろう。従って、添付請求項は如何なる斯様な変更及び実施例も含むことを意図するものである。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【国際調査報告】
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