JP2013511811A - Ｌｅｄ用の内部集光反射器光学部品 - Google Patents

Abstract

ＬＥＤ光源を用いる光学系が開示される。光源は、高屈折率の材料で形成された光学素子に結合される。光を高屈折率材料に結合することによって、光の円錐角が大幅に減少する。本系は、ＬＥＤが生成する光のほぼすべてが意図される対象に方向付けられるという点で非常に効率的である。

Description

発明の背景
発明の分野
本発明は概して発光ダイオード（ＬＥＤ）からの光の集光および制御に関する。より具体的に、本発明は、ＬＥＤからの広角発光を制御して、高度に制御された光ビームを形成することに向けられる。

光源からの光の効率的な集光および制御が必要な製品は多数ある。ライブパフォーマンス、特別イベント、および高層建築物を照らすために用いるサーチライトに必要な種類の平行ビームを形成するためには、高度の制御が必要である。サーチライトは、光源としてのキセノンアークランプおよび放物面反射器を用いて集光し、光の方向およびビーム角を制御する。この方法は、白熱電球が発明される前から長年にわたって用いられてきた。

この種類の先行技術のサーチライトは一般的に、そのアークギャップよりもはるかに多い反射器を必要とする。１０００ワットのキセノンランプが生成する光の大部分は、直径１ｍｍの球の内部にある。高度に平行化されたビームを形成するためには、直径２０インチの反射器が典型的に用いられる。キセノン光源は小さな領域に膨大な量の光を形成するが、これらの種類のランプは効率が悪い。１０００ワットのランプは、電気エネルギーに対して３５ルーメン毎ワットしか生成し得ない。これらのランプの別の欠点は、数千時間しかない寿命の長さである。最後に、キセノン光源は高圧気体で充填される。キセノンランプを交換する人間は、サーチライトを整備する際に防護服および顔面シールドを着用しなければならない。

キセノン光系の別の欠点は、光学面上にごみが堆積する結果、性能が低下することである。この堆積は、光が典型的に強制空冷を必要とするという事実によって悪化する。キセノン系は、ごみが堆積して出力を減少させ得る面を少なくとも４つ有する。これらのうちの第１の面は、ランプ自身の表面である。第２の面は、反射器の表面である。第３および第４の面は、ウインドウの内側および外側である。これら４つの面のいずれかに少量のごみが存在するだけで、系の光出力が大幅に減少する。

サーチライト製造業者が深い放物面反射器を使用することによって、系全体の効率がさらに低下する。ランプから生成される光の多くは放物面反射器の開放端の前部を出て、反射器にぶつかる光によって形成される平行ビームに寄与しない。

サーチライトの製造業者は、サーチライトの光源としてＬＥＤを使用することを望んでいる。ＬＥＤは、キセノン光源ほど高強度の光を生成しない。ＬＥＤ光は強度が低いため、キセノン系と同じ出力を得るためには、はるかに大きい反射器が必要となる。場合によっては、ＬＥＤを用いると、キセノン光源を有する系が用いる反射器の１０倍のサイズの反射器が必要となる。要約すれば、現在のキセノンベースの光系の主な欠点は、短寿命、系の整備の危険性、および低効率である。

ＬＥＤからの光を集光および制御する光学系は一般に、従来の反射器と屈折光学部品を組合せている。この種類の系の典型的な例を図１に示す。この種類の系はＬＥＤからのすべての光を集光するのに効率的であるが、出力を制限する能力は限られている。系の反射器部分によって集光される光は、反射器を出るときに全体的に均一の円錐角を有する。この例では、円錐角は３．９度から４．５度である。屈折光学部品（すなわちレンズを透過した光）の円錐角ははるかに大きく、４１度である。したがって、サーチライト系では、屈折光学部品からの光はサーチライトビームに寄与せず、漏光を形成する。

図１の先行技術の系に固有の別の欠点は、出力光が２つの光源、すなわちレンズおよび反射器から出てくることである。レンズからの光の性質は、反射器からの光の性質とは全く異なる。したがって、両光源からの出力を同時に最適化することは非常に困難である。レンズから出力された光に良い影響を及ぼす出力制御方法は、反射器から出力された光に悪影響を及ぼす傾向があり、逆もまた同様である。

従来の反射器光学部品の別の種類は、放物面反射器の焦点にＬＥＤが配置されたランプである。ＬＥＤの表面に垂直な出力は、放物面の軸に沿って方向付けられる。ＬＥＤからの光は、法線から＋および−９０度で半球方向に放射される。放物線はすべての放射光を集光し、光の大部分を意図された方向に方向付ける。ＬＥＤおよびその装着によって、妨げられなければ意図された方向に行ったはずの光の一部が吸収されてしまう。この吸収が起こるのは、放物線によって反射される光の出力経路にＬＥＤがあるためである。

光を生成するためにＬＥＤに電気を供給しなければならず、これによって熱が発生する。ＬＥＤを冷却するために、熱パイプを用いて、ＬＥＤからの熱を反射器後方のヒートシンクに伝導する。これらの構成部品も光の一部を吸収するため、照明系の効率がさらに低下する。

ＬＥＤ光系の反射器は、ＬＥＤからの半球状の、±９０度出力を集光するために大きい必要がある。円錐角を±４５未満に減少させることができれば、反射器をはるかに小さくすることができる。先行技術製品の反射器の出力ビーム角は、反射器の中心から反射器の縁までの距離の関数として大きく変化する。ビーム角の変化のため、反射器は、反射器の直径にわたるビーム角の変化が小さくなった場合に必要とされる反射器よりも大きい必要がある。

したがって、高効率で、ごみやほこりの影響を受けにくく、出力ビーム角が高度に制御され、コンパクトなパッケージに収められた照明系が必要である。

請求項に記載された発明の要約
本発明のさまざまな実施例は、出力が方向付けられた光学系を開示する。本系は、光源を提供する少なくとも１つのＬＥＤを含む。本系はさらに、光源の光出力の円錐角を減少させる光学素子を含む。光が反射面から鋭角で反射する。そして、反射光は出力光ビームを形成する。

本発明の他の実施例は、光学系のアレイを含む、出力が方向付けられた照明系を開示する。光学系の各々は、光源を提供する少なくとも１つのＬＥＤと、光源の光出力の円錐角を減少させる光学素子とを含む。光が反射面と接触し、反射面から鋭角で反射する。そして、反射光は出力光ビームを形成する。光学系のアレイの光ビームは合成されて、照明系出力ビームを形成する。

本発明のさらに他の実施例は、光源を提供する少なくとも１つのＬＥＤを含む、出力が方向付けられた光学系を開示する。光源は、系の出力光路に位置決めされる。光学素子は、光源の光出力の円錐角を減少させる。反射面は、光源からの光を鋭角で反射する。反射光は系の出力光ビームを形成する。

先行技術の側断面図である。 例示的な光学系の等角図である。 例示的な光学系の側断面図である。 光線を示す例示的な光学系の側断面図である。 別の例示的な光学系の側面図である。 例示的な光学系のアレイの等角図である。

発明の詳細な説明
本発明のさまざまな実施例は、光出力の方向および角度を制御する系を開示する。系の出力は、１つ以上のＬＥＤによって生成される光の非常に高い割合分を、照らされるように設計された目標に特に方向付けることによって、消費電力を減らす。

まず図２および図３を参照して、光学系２００は、光パイプ２２０に結合されたＬＥＤアセンブリ２１０を含む。ＬＥＤアセンブリ２１０の種類およびサイズは所与の用途に用いられる特定の光学系によって変わり得ることが、当業者によって理解されるであろう。ＬＥＤアセンブリ２１０は、ＬＥＤダイ３１０（図３参照）からの熱を伝導するヒートシンクプレート２３０と共に示される。

ＬＥＤダイ３１０は概して、図中の複数の図面において単一の要素として描かれているが、ＬＥＤダイ３１０は複数のダイで形成されてもよい。複数のダイを用いてＬＥＤダイ３１０を形成する場合、複数のダイは互いに接着され得る。

光パイプ２２０は少なくとも部分的に、反射材料、光ファイバ、中空の光ガイド、蛍光ベースの系、および／または光を搬送するのに好適な別の装置で裏打ちされた管として実現され得る。光パイプ２２０はＬＥＤダイ３１０に結合され得、ＬＥＤダイ３１０はヒートシンクプレート２３０に結合され得る。光パイプ２２０は、ＬＥＤダイ３１０の放射面に光学的に結合され得る。光パイプ２２０とＬＥＤダイ３１０の放射面とがゲルまたは接着剤で光学的に結合された場合、光パイプ２２０とＬＥＤダイ３１０の接合面における反射損と同様に、ＬＥＤダイ３１０の本体からの反射損が減少する。反射損が非常に重要であると見なされない場合、ＬＥＤアセンブリ２１０は、ＬＥＤダイ３１０と光パイプ２２０の第１の端との間に狭い空隙が存在するように構成され得る。

光パイプ２２０の第２の端は、光学素子２４０に光学的に結合され得る。光学素子２４０は、断面が円筒形であり得る。光パイプ２２０がＬＥＤダイ３１０および光学素子２４０に光学的に結合されているため、光パイプ２２０の両端における光損失が減少する。

光パイプ２２０の内部を進む光は、光パイプ２２０の中心線に対して約＋４２度から約−４２度の範囲内で進み得る。光進行の実際の角度は、光パイプ２２０の屈折率およびＬＥＤダイ３１０の具体的な出力に依存する。

光パイプ２２０は、光学素子２４０に光を伝導する。光学素子２４０は断面が円筒形であり得るが、他の形状も使用され得る。光学素子２４０の屈折率は、光パイプ２２０と同じであってもよいし、同じでなくてもよい。光学素子２４０は、１に非常に近い空気の屈折率よりもはるかに大きい屈折率を有し得る。アクリルに対する屈折率は約１．４９であり、ポリカーボネートについては約１．５８である。さらに高い屈折率を有するプラスチックもあり、ガラス材料はさらにはるかに高い屈折率を有し得る。光学素子２４０を形成するのに用いる材料の屈折率が高いほど、光パイプ中心線４１０（図４参照）に対する光の円錐角が狭くなる。ポリカーボネートから形成された光学素子については、円錐角は約±３９度となる。

次に図４を参照して、光パイプ中心線４１０に沿って方向付けられたＬＥＤアセンブリ２１０からの光は、光学素子２４０に入るときに同じ方向に進む。光学素子２４０の内部で、光は最終的に内部反射面２５０と交差する。平行ビームについては、反射面２５０は放物線状である。

内部反射面２５０の形状は、出力ビームの所望の特性に従って変化し得る。出力ビームは平行化されてもよいが、異なる種類の出力ビームが望まれることもある。反射面２５０は、出力ビームに異なる効果を提供するために楕円形または非球面状であってもよい。

反射面２５０は、光学素子２４０の内部で内部反射効果を生み出す。反射面２５０は、光学素子２４０の表面を高反射率材料でコーティングすることによって形成され得る。高反射率材料はたとえば、銀、アルミニウム、または高性能干渉コーティングであり得る。用途に適切なコーティングに具体的な材料を選択することは、特定の用途の要件およびプロジェクトの予算制約を考慮に入れる技術決定である。

光パイプ中心線４１０と反射面２５０の交差点は、反射面２５０の中点の近くであり得る。中心線４１０が反射面２５０の中点の近くにあるように系２００を構成すると、反射面２５０に当たる光の量が最大化される。

なお、本系で用いる光学素子が高屈折率材料で形成されない場合、光パイプを出る光の円錐角は±９０度の範囲になる。この大きい円錐角は、光パイプの出力面で屈折される光の結果である。光パイプがアクリル製であり、屈折率が高くない光学素子が空気で充填された中空素子である場合にも、円錐角は大きくなる。

光学系２００の形状は、光が光学素子２４０に入るときに、当該光が光学素子２４０を出る位置の近くに入るようなものであり得る。入口を出口の近くに配置することによって、出力中心線４３０と光パイプ中心線４１０との間の角度は最小になり得る。２本の中心線４１０と４３０との間の角度が小さいほど、光パイプ中心線４１０から正の角度を有する光線である正の内部光線４４０の長さと、光パイプ中心線４１０から負の角度を有する光線である負の内部光線４５０の長さとの差が小さくなる。

光線４４０、４５０の長さおよび形状は、それらの形状による出力ビーム円錐角を決定する。光パイプ中心線４１０と出力中心線４３０との間の角度を減少させると、系２００のサイズが減少し得る。光パイプ中心線４１０と出力中心線４３０との間の角度が大きいほど、同じ出力ビーム円錐角を達成するための系２００が大きくなり得る。

図４に示す系では、光路長は公称長（nominal length）から約±３０％異なり得る。２本の中心線４１０と４３０との間の角度がさらにはるかに大きい場合、たとえば６０度である場合、公称長における差は約±６０％に近づく。同じ出力ビーム円錐角を維持するためには、反射器の全体サイズをさらにはるかに大きくしなければならない。要約すれば、光学素子２４０の屈折率が高いほど、系２００がさらにコンパクト化され得る。また、中心線４１０と４３０との間の角度が小さいほど、系２００がさらにコンパクト化され得る。

当業者であれば、出力面４２０で高屈折率光学素子２４０を出る光は、出力面４２０を過ぎた光が光学素子２４０内部の光よりも円錐角が大きくなるように屈折させられ得ることに気付くであろう。

出力面４２０は平坦であり得る。出力面４２０は他の形状であってもよい。出力面４２０の形状は、系全体の要件および所望の照明効果に基づいて選択され得る。他の光学素子を、出力面４２０の下流で系２００に加えてもよい。

所与の設置に望まれるのであれば、光パイプ２２０を光学系２００から除去してもよい。この場合、ＬＥＤアセンブリ２１０は光学素子２４０に直接、光学的に結合され得る。系２００の光学性能は、ヒートシンクプレート２３０のサイズを減少させることによって、またはヒートシンクプレート２３０を再構成することによって維持され得る。光パイプ２２０を用いる場合、光パイプ２２０の長さは、ＬＥＤアセンブリ２１０のサイズおよびそのヒートシンクプレート２３０に依存する。

図５は、別の例示的な光学系５００の側面図である。光学系５００では、ＬＥＤダイ５１０は出力光路内に配置される。この構成では、入力光路および出力光路の中心線は一致しており、それらの間の角度はゼロである。したがって、この構成によって最小サイズの系５００がもたらされ得る。ＬＥＤ５１０へ、およびＬＥＤ５１０から電気および熱を伝導する必要がある。伝導構成部品が大きければ、かなりの光量を吸収可能である。したがって、高出力系は一般的に、ＬＥＤを出力経路に有して構成され得ない。

図６は、光学系２００の例示的なアレイ６００の等角図である。アレイ６００は、高出力サーチライトなどの大量の光が必要とされる系に用いられ得る。光学系２００のアレイを用いることによって、放熱がより単純になり得る。単一の大型ＬＥＤとは対照的に、より小さな光学モジュールのアレイを利用することによって、生成される熱がより大きい面積に広がるため、放熱がより容易になる。光学系２００のアレイ６００の深さは、単一の大型ＬＥＤまたは光学素子を用いる同等の系に必要な深さよりも浅くすることができる。アレイ６００は本明細書中に記載のいずれかの構成で実現され得ることが当業者によって認識されるであろう。

上記の開示内容は限定的であることが意図されない。当業者であれば、本発明の教示内容を維持しつつ装置の多数の修正および変更がなされ得ることに容易に気づくであろう。したがって、上記の開示内容は、添付の請求項の限定によってのみ制限されると解釈されるべきである。

Claims (23)

1. 出力が方向付けられた光学系であって、
   光源を提供する少なくとも１つのＬＥＤと、
   前記光源の光出力の円錐角を減少させる光学素子と、
   反射面とを備え、
   前記光出力は前記反射面から鋭角で反射され、反射光は出力光ビームを形成する、光学系。
2. 前記反射面に方向付けられた光の中心線と前記反射面から反射された光の中心線との間の角度は６０度以下である、請求項１に記載の光学系。
3. 光パイプが、前記光源を前記光学素子に光学的に結合する、請求項１に記載の光学系。
4. 前記反射面は放物線状の輪郭を有する、請求項１に記載の光学系。
5. 前記反射面は楕円形の輪郭を有する、請求項１に記載の光学系。
6. 前記反射面は非球面状の輪郭を有する、請求項１に記載の光学系。
7. 前記光学素子の反射率は１．３以上である、請求項１に記載の光学系。
8. 前記光源は複数のＬＥＤダイで形成される、請求項１に記載の光学系。
9. 出力が方向付けられた照明系であって、
   光学系のアレイを備え、前記光学系の各々は、
   光源を提供する少なくとも１つのＬＥＤと、
   前記光源の光出力の円錐角を減少させる光学素子と、
   反射面とを備え、
   前記光源からの光は前記反射面から鋭角で反射され、反射光は出力光ビームを形成し、前記光学系の前記出力光ビームは合成されて、照明系出力ビームを形成する、照明系。
10. 前記反射面に方向付けられた光の中心線と前記反射面から反射された光の中心線との間の角度は６０度以下である、請求項９に記載の照明系。
11. 光パイプが、前記光源を前記光学素子に光学的に結合する、請求項９に記載の照明系。
12. 前記反射面は放物線状の輪郭を有する、請求項９に記載の照明系。
13. 前記反射面は楕円形の輪郭を有する、請求項９に記載の照明系。
14. 前記反射面は非球面状の輪郭を有する、請求項９に記載の照明系。
15. 前記光学素子の反射率は１．３以上である、請求項９に記載の照明系。
16. 前記光源は複数のＬＥＤダイで形成される、請求項９に記載の照明系。
17. 出力が方向付けられた光学系であって、
    光源を提供する少なくとも１つのＬＥＤと、
    前記光源の光出力の円錐角を減少させる光学素子と、
    反射面とを備え、
    前記光出力は前記反射面から鋭角で反射され、反射光は出力光ビームを形成し、前記光源は出力光路に配置される、光学系。
18. 前記反射面に方向付けられた光の中心線と前記反射面から反射された光の中心線との間の角度は零度である、請求項１７に記載の光学系。
19. 前記反射面は放物線状の輪郭を有する、請求項１８に記載の光学系。
20. 前記反射面は楕円形の輪郭を有する、請求項１８に記載の光学系。
21. 前記反射面は非球面状の輪郭を有する、請求項１８に記載の光学系。
22. 前記光学素子の反射率は１．３以上である、請求項１８に記載の光学系。
23. 前記光源は複数のＬＥＤダイで形成される、請求項１８に記載の光学系。

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