JP2008521232A - 少なくとも一つの発光素子を有する光源および照明装置 - Google Patents

Abstract

少なくとも一つのＬＥＤおよび／または少なくとも一つのレーザ発光素子を備える光エンジン（10）を有する光源であって、さらに光ガイド（11）および外部結合構造（12）を有する光源である。これにより、ＬＥＤまたはレーザ系のシステムの光源寸法および放射特性を調整するための、柔軟な方式が得られる。外部結合構造（12）の寸法および位置は、白熱電球、ハロゲン電球もしくはガス放電バーナーのような、従来の光源のフィラメントまたはアークの寸法および位置と対応するように選択することができる。示されたＬＥＤ／レーザ光源は、光学的な観点で改良されており、これは、白熱電球、ハロゲン電球もしくはガス放電電球またはバーナーのような、従来の照明装置内の光源と置換することができる。

Description

本発明は、特に、少なくとも一つのＬＥＤおよび／または少なくとも一つのレーザ発光素子を備える光エンジンを有する光源であって、特に、白熱電球、ハロゲン電球、ガス放電電球または照明装置のバーナーのような、少なくとも一つの従来の光源と置換される光源に関する。さらに本発明は、特に前記従来の光源の少なくとも一つの代替としての、そのような光源を備える第1の光学系と、発生光を放射して、所望の光放射特性を得るための第2の光学系とを有する照明装置に関する。

ＬＥＤおよびレーザ発光素子は、白熱電球、ハロゲン電球、ガス放電電球またはバーナーのような従来の光源に比べてかなり有意である。これらの利点は、特に、寿命が長く、エネルギー消費が少ないことである。しかしながら、両者の間にはいくつかの差異があり、従来の光源を備える照明装置に比べて、そのようなＬＥＤおよび／またはレーザ発光素子を用いて照明装置を設計する場合、あるいは所与の照明装置において、従来の光源が、少なくとも一つのＬＥＤおよび／または少なくとも一つのレーザ発光素子で置換される場合には、考慮すべき問題がある。

まず、これらの光源の光放射の特性は、相互に大きく異なっている。従来の光源は、ほぼ全ての方向に光を放射するのに対して、ＬＥＤは、一つの半球内にのみ光を放射し、通常レーザ発光素子は、狭小のビーム状の光を放射する。その結果、これらの3つの場合のそれぞれにおいて、同じ第2の（予備的な）光学系の光放射特性は、相互にかなり異なってしまう。

第2に、前記従来の光源を用いた場合、光源に適用されるエネルギーのうち、光に変換されない余分なエネルギーは、主として熱放射および熱伝達により、環境側に移動してしまう。これに対して、ＬＥＤおよびレーザ発光素子の場合、余分なエネルギーは、主として、素子のホルダまたはソケットを介した熱伝達により、環境側に移動する。このため、従来の反射器にこれらの素子を使用した場合、過熱によって照明装置が早い段階で損傷を受けてしまう。

米国特許出願第2002／0021573Ａ1には、白熱電球の代わりにＬＥＤを用いた照明装置が示されている。一つのＬＥＤ電球と組み合わされた異なる色の複数のＬＥＤダイスを有する多色のＬＥＤフラッシュライトが、半球（ボウル）状で表面にＬＥＤを有し、ボウル内に電子回路基盤を有するランプとともに、示されている。

また前述の問題に加えて、これらの照明装置は、放射される光の強度を高めようとした場合、これに応じてＬＥＤの数を増やさなければならないという欠点を有する。しかしながら、これにより、空間の制約、ならびに全てのＬＥＤを関連する反射器の焦点に置くことができなくなり、効率と放射特性が低下するという熱および他の問題が生じる。
米国特許出願第2002／0021573Ａ1公報

本発明の課題は、特に、ＬＥＤおよび／またはレーザ発光素子のような少なくとも一つの発光素子を備える光エンジンを有する光源を提供することであり、この光源は、特に前述の従来の光源用に設計された、反射器および／またはレンズのような従来の第2の光学系と組み合わせて使用されるように改良され、前述の問題、特に過熱の問題によって、光の放射特性および／もしくは強度ならびに／または寿命を実質的に劣化させることなく、従来の光源と置換することができる。

また、特に、ＬＥＤおよび／またはレーザ発光素子のような少なくとも一つの発光素子を備える光エンジン有する光源は、従来の光源の光放射特性および／もしくは光強度と少なくとも実質的に同等の、またはこれより良い光放射特性および／もしくは光強度が、それぞれ得られるように提供される。

また、少なくとも一つのそのような光源を有する照明装置が提供され、この照明装置は、容易に設計、構成され、所望の放射特性および／または所望の光強度が得られる。

前記課題は、請求項1に記載の、少なくとも一つのＬＥＤおよび／または少なくとも一つのレーザ発光素子（または別の適当な発光素子）を備える光エンジンを有し、少なくとも一つの光ガイド内で内部結合光を発生させる光源であって、前記光ガイドは、外部結合光用の少なくとも一つの外部結合構造を備え、前記光ガイドおよび／または前記外部結合構造は、外部結合光を指定の第2の光学系の方に誘導するように寸法化されて提供され、所望の光放射特性が得られることを特徴とする光源によって、達成される。

また、前記課題は、請求項9に記載の少なくとも一つのそのような光源と、発生光を放射して、所望の光放射特性を得るための、少なくとも一つの反射器および／または少なくとも一つのレンズと、を有する照明装置によって、達成される。

これらの解決策の一つの有意な利点は、従来の光源（放電アークまたはフィラメント）
の発光領域の寸法に応じて、ほぼ正確に外部結合構造の寸法が提供されること、または第2の光学系の焦点（または焦点ライン）に設置された際に、これが極めて微細なドット（または線）状に提供され、放射特性が有意に改善されることである。

特定の用途用に必要な分だけ増加されたＬＥＤおよび／またはレーザ発光素子を備える光エンジンを用いることにより、光強度を増大させることができる。注意深い設計によって、発光領域（外部結合構造）の寸法は、エネルギー保存則の範囲で極めて小さく抑制することができる。

また、外部結合構造の適当な寸法化によって、光源の（例えば、特定の方向または半球での）光放射特性は、ある光放射特性および／または光強度を有するように設計された所与の反射器に、容易に適合させることができる。

従属請求項には、本発明の有意な実施例を示す。

請求項2および3による実施例は、好適用途、すなわち従来の光源との置換の点で、特に有意である。

請求項4に記載の実施例では、単純な方法で、いくつかの発光素子を使用する可能性が広がり、これは、極めて高輝度の光源が必要な場合に特に有意である。

請求項5には、好適な種類の光ガイドが示されており、この光ガイドは、可撓性があり、小型で経済的で軽量である。

請求項6乃至8は、各種外部結合構造に関し、この構造は、光源の特定の用途に応じて選択することができる。

本発明の更なる詳細と利点は、添付図面を参照した一例としての以下の記載および好適実施例に示されている。

図1には、本発明による照明装置の第1の実施例の縦断面図を示す。照明装置は、光を発生して、この光を第2の光学系に供給する第1の光学系を有し、第2の光学系は、光を放射し、所望の放射特性を得るために設けられる。

第1の光学系は、光エンジン10、光ガイド11および外部結合構造12を備える光源1を有する。第2の光学系は、反射器2を有する。

光エンジン10は、ＬＥＤおよび／またはレーザ発光素子のような、少なくとも一つの発光素子を有する。光エンジン10で生じた光は、光エンジン11の第1の端部で結合され、光ガイド11の第2の端部で外部結合構造12に供給され、これにより、光は反射器2の方に誘導される。外部結合構造12は、反射器2の焦点領域（例えば、焦点または焦点ライン）に設置されることが好ましく、放射特性は、反射器の形状および寸法に適合され、光の損失を最小限に抑制した状態で、外部結合光が反射器2に照射される。

図2には、光エンジン10の第1の実施例の縦断面図を示す。光エンジン10は、ＬＥＤ101のような発光素子と、第1の小さな開口Ｄ1および第2の大きな開口Ｄ2を有する円錐状のコリメータ102とを有する。

第1の開口Ｄ1の寸法および形状は、発光素子101の寸法および形状に適合されており、発光素子101は、放射光がコリメータ102内でほぼ完全に結合されるように、第1の開口に挿入することができる。既知のＬＥＤ素子の場合、第1の開口Ｄ1の通常の直径は、約1ｍｍである。

第2の開口Ｄ2の寸法および形状は、光ガイド11の第1の端部の断面の寸法および形状に適合されており、コリメータ102によって放射される光の角度分布が、光ガイド11のＴＩＲ角度内になるように寸法化されている。ＴＩＲ角度が45゜の場合、第2の開口Ｄ2の直径は、約1.4ｍｍである。

光エンジン10を設置することにより、特に発光素子101を反射器2の外側に（および離して）設置することにより、ヒートシンクを用いた十分な熱伝達により、これらの素子の余分なエネルギーを排除することができ、前述の熱損失に関する問題を回避することができる。

図3には、光エンジン10の第2の実施例の縦断面図を示す。この光エンジン10もまた、第1および第2の開口Ｄ1、Ｄ2を有するコリメータ102を有する。コリメータ102の第1の開口Ｄ1の一つの表面には、光学的に透明な立方体103が設けられる。立方体103の他の5面には、発光素子101が配置され、この発光素子101は、立方体103内に光を放射し、この光は、コリメータ102内で結合される。

発光素子101が蛍光体で覆われている場合、この実施例により、光ガイド11の入力部に、より高い輝度が得られる。

コリメータ102の第2の開口Ｄ2の寸法および形状もまた、光ガイド11の第1の端部の断面の寸法および形状に適合されており、コリメータ102によって放射される光の角度分布は、光ガイド11のＴＩＲ角度内となるように寸法化され、可能な限り多くの光が光ガイド11に結合される。

5つの光放射素子101を有するこの実施例を使用した場合、光源の強度が増大し、関連する照明装置の強度が増大する。発生光の強度をさらに高める場合、5つのＬＥＤ素子101は、青色ＬＥＤ素子とされ、立方体103の開口内には、黄色蛍光体層が設置される。

図4（Ａ）乃至（Ｅ）には、それぞれ、5つの異なる外部結合構造121乃至125が示されており、各々は、光ガイド11の全長に沿って、光ガイド11の周囲の少なくとも一部を覆うように延伸し、または好ましくは、光ガイド11の第2の端部の領域に延伸している。

外部結合構造121乃至125の全長は、例えば、特に所与の反射器内で置換される従来の光源のフィラメントまたはアークの全長および寸法に従って、寸法化される（または、円筒状反射器の場合は、焦点ラインの長さに従って寸法化される）。一方、前述のように従来の光源を置換する場合、ドット状の光源を得ることが望ましい場合がある。

さらに外部結合構造121乃至125は、ある光放射特性を有するように、例えば、指定された第2の光学系（2；3）に適合するように構成され、この場合、関連する照射ユニットに所望の放射特性が得られる。

ある用途では、所与の反射器内で、指定の反射器またはレンズのみに照射されるように、または全ての方向に光が同じ強度で放射されるように、例えば円錐形状のような他の放射特性が好ましい場合がある。

図4（Ａ）乃至（Ｅ）による外部結合構造121乃至125は、これらのもしくは他の寸法および／または放射特性が得られるように適用される。

図4（Ａ）による第1の外部結合構造121は、反転された集光器型の実質的にテーパ状の端部を有し、光ガイド11内を伝播する光は、実質的に円錐状の光ガイド11から遠ざかるように、あるいは一つの半球内に放射されるように誘導される。

図4（Ｂ）による第2の外部結合構造122は、光ガイド11の全長の一部、または光ガイド11の一区画に設けられ、光ガイド11の表面は、拡散性となる。これにより、フィラメントの放射特性と同様の、実質的に球状の拡散光放射が得られる。

図4（Ｃ）による第3の外部結合構造123は、光ガイド11を、全長方向に沿って延びる2つの半分の平行部に分割する。第1の半分部分は、発光および外部結合用として提供され、例えば、図4に示す他の外部結合構造の一つの形状で構成される。第2の半分部分は、例えば、ある材料でコーティングされ、あるいは別の方法で処理され、この部分は、光放射に対して不透明である。これにより、主に光ガイド11の全長方向に対して垂直な方向に延伸する空間に光が放射されるような放射特性が得られる。当然のことながら、この空間の角度を増加または減少させる場合、第1および第2の半分部分を、それぞれ、光ガイド11の周囲に対して、180゜よりも広げたり狭めたりしても良い。

この実施例は、図5に示すように、光ガイド11および外部結合構造12が、反射器2の軸方向に対して実質的に垂直な方向で、反射器2内に延伸しているような適用例では、特に好ましい。

図4（Ｄ）による第4の外部結合構造124は、光ガイド11内に傾斜切り込み部を有し、光は、これらの切り込み部での反射および／または屈折によって外部結合され、光ガイド11から放射される。切り込み部と反射器の光学軸との間の角度を選択することにより、この選択と、反射器により放射される光の角度との組み合わせによって、所望の放射特性が得られる。別の利点は、光ガイド内を伝播する光の角度特性が維持されることである。

また同様に、図4（Ｅ）による第5の外部結合構造125は、シェブロン状ラインを有し、これらのラインでの光の屈折によって、外部結合および発光が行われる。これらのラインは、例えば、光ガイドのいくつかの区画の対応するテーパ状端部を相互に接着することによって形成される。光の外部結合を高める場合、接着剤の屈折率は、光ガイドに使用される材料とは異なっている必要がある。この実施例では、第4の実施例と実質的に同じ利点が得られるが、この実施例は、機械的にはより安定である。

図5には、本発明による照明装置の第2の実施例の縦断面図を示す。この照明装置は、反射器2（第2の光学系）と、光ガイド11および外部結合構造12を備える光源（第1の光学系）とを有する。外部結合構造12は、特に、図4（Ｃ）による第3の実施例123の形態で提供され、この場合、光は、反射器2のみによって放射状に広がる。

図1に示す第1の実施例とは対照的に、光源1および反射器2は、相互に非対称に配置され、非対称な放射特性が得られる。これとは別にまたはこれに加えて、反射器2は、外部結合構造12に対して非対称に構成されても良い。

外部結合構造12の光放射特性を、反射器2の形状および寸法に適合させることにより、いかなる放射特性を有する照明装置、およびいかなる光強度分布を有する照明装置においても、ほとんどの場合、光の損失を最小限に抑制することができる。

図6には、本発明による照明装置の第3の実施例の縦断面図を示す。この照明装置もまた、第2の端部に外部結合構造12を備えた光ガイド11を有する。外部結合構造12は、特に、図4（Ａ）に示すような第1の実施例121の形態を有し、その放射特性に関しては、この場合レンズ3のような、第2の光学系の形態および形状に適合される。

一般に、従来の光源のフィラメントまたはアークの寸法に応じた外部結合構造12の寸法化によって、所与の照明装置の光放射特性に影響を及ぼさずに、光学的に改良され、従来の光源との置換に適した独創的な光源が得られる。

また図1に示すように、反射器2の外側に、光エンジン10、特にＬＥＤおよび／またはレーザ発光素子を設置することにより、前述の熱損失に関する問題が有効に回避される。

例えば、図4に示すように、ある反射器2またはレンズ3に対応した外部結合構造12を設計し、構成することにより、事実上、いかなる光放射特性をも有する照明装置が得られ、光損失を最小限に抑制することができる。

なお、光エンジン10は、前述のＬＥＤおよび／またはレーザ発光素子以外の発光素子を有しても良いことに留意する必要がある。光ガイド11および外部結合構造12によって得られる利点のみを特定の用途に適用する場合、従来の光源を使用することも可能である。

照明装置の第1の実施例の縦断面図である。 光エンジンの第1の実施例の縦断面図である。 光エンジンの第2の実施例の縦断面図である。 いくつかの外部結合構造の図である。 照明装置の第2の実施例の縦断面図である。 照明装置の第3の実施例の縦断面図である。

Claims (10)

1. 少なくとも一つのＬＥＤおよび／または少なくとも一つのレーザ発光素子を備える光エンジンを有し、少なくとも一つの光ガイド内で内部結合光を発生させる光源であって、
   前記光ガイドは、外部結合光用の少なくとも一つの外部結合構造を備え、
   前記光ガイドおよび／または前記外部結合構造は、外部結合光を指定の第2の光学系の方に誘導するように寸法化されて提供され、所望の光放射特性が得られることを特徴とする光源。
2. 前記外部結合構造は、前記光ガイドの全長に沿って、前記光ガイドの周囲の少なくとも一部を覆うように延伸していることを特徴とする請求項1に記載の光源。
3. 前記外部結合構造は、特に白熱電球、ハロゲン電球、ガス放電電球またはバーナーのような、従来の光源と少なくとも実質的に等しい放射特性を有するように提供され寸法化され、
   あるいは前記外部結合構造は、放射光が実質的に指定の第2の光学系に排他的に照射するように提供され寸法化されることを特徴とする請求項1に記載の光源。
4. 前記光エンジンは、第1の開口および第2の開口を有するコリメータを有し、
   前記第1の開口は、少なくとも一つのＬＥＤおよび／または少なくとも一つのレーザ発光素子からの光を受光するように設置され、前記第2の開口は、前記光ガイドに前記光を結合するように設置されることを特徴とする請求項1に記載の光源。
5. 前記光ガイドは、ガラスファイバまたはロッドであることを特徴とする請求項1に記載の光源。
6. 前記外部結合構造は、前記ガラスファイバのテーパ状端部の形態で提供されることを特徴とする請求項5に記載の光源。
7. 前記外部結合構造は、拡散光を放射するため、前記ガラスファーバの粗い表面を有することを特徴とする請求項5に記載の光源。
8. 前記外部結合構造は、前記ガラスファーバの表面に、切り込みまたはノッチを有することを特徴とする請求項5に記載の光源。
9. 前記請求項1に記載の少なくとも一つの光源と、
   発生光を放射して、所望の光放射特性を得るための指定の第2の光学系として、少なくとも一つの反射器および／または少なくとも一つのレンズと、
   を有する照明装置。
10. 前記少なくとも一つの反射器の外部には、前記光源の光エンジンが設置され、前記少なくとも一つの反射器の焦点領域に、少なくとも実質的に、前記光源の外部結合構造が設置されることを特徴とする請求項9に記載の照明装置。

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