JP5026969B2 - Ｌｅｄ照明システム - Google Patents

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Description

本発明は、方向づけられた、好ましくは可変の照明放射線(illumination radiation)を生成するためのコリメート構造を備えるＬＥＤ照明システム、及びＬＥＤランプユニットに関する。
近年、無機固体ＬＥＤの設計及び製造に関する技術は、効率が４０ルーメン／ワットより高い無機白色発光ＬＥＤが製造され得る開発段階まで急速に進歩している。 この効率は、疑いようもなく、従来の白色白熱灯の効率(１６ルーメン／ワット)及び大抵のハロゲンランプの効率(３０乃至３５ルーメン／ワット)を上回る。こうしている間にも、単一のＬＥＤ素子の効率は、実質的に１００ルーメン／ワットを上回るレベルまで増大している。
ＬＥＤ技術の不利な点は、依然として、比較的高いコスト、及び動作中にＬＥＤが熱くなるための温度管理の要求である。現在と将来との両方においてＬＥＤの幅広い使い勝手に影響を及ぼすであろう別の主要な問題は、相対的に限られているＬＥＤ素子１つ当たりの光量である。これは、高い輝度を持つ光源が必要とされる場合には、例えば、放射される光が、大きさの小さい反射器において集束される必要があることから、問題となる。この用途のよく知られている例は、自動車のヘッドライトである。この用途に対しては、通常、約１５００ルーメンを放射するＨ７ハロゲンランプ（５５Ｗ）が用いられる。この光量は、30Mcd/m2を上回る輝度で放射される。キセノンＨＩＤランプの場合には、輝度は、約80Mcd/m2という値にも達する。それに対して、1mm2 の放射面及び５０ルーメンの白色光の放射を備えるＬＥＤ素子は、8Mcd/m2の輝度しか達成せず、これは、ハロゲンランプの輝度より何倍も低く、従来のＨＩＤランプの輝度よりずっと低い。
米国特許公報第US6,402,347号は、個々のＬＥＤ素子が共通プレート上に配設され、各素子が、コリメートする上部を具備する装置を記載している。各々のＬＥＤに接続されるフレネルレンズが、各ＬＥＤからのビームが共通の二次光学系に案内されることを可能にする。前記装置はプロジェクタに用いられる。このシステムの不利な点は、とりわけ、該システムが、様々な光学界面(optical interface)からの反射によってもたらされる、約６０％に達する高い損失を呈することにある。
更に、米国特許公報第US6,547,400B1号から、ＬＥＤ素子などの点光源のマトリックス状配列及び反射内壁部を備える中空体の形の光伝導ブロックを有する照明装置が既知である。点光源によって放射される光ビームの大部分は、ガイドブロック内に案内され、そこで集束される。しかしながら、点光源によって放射されるビームの少なからぬ部分が、光伝導ブロックによって集められない。これは、装置の発光効率をかなり低下させる。更に、私の見解では、この装置は、例えば車両用ヘッドライトに必要とされるような特定の輝度パターンを生成することは出来ない。
それと比べて、本発明の目的は、特に自動車用途のためのＬＥＤ照明システムであって、該ＬＥＤ照明システムによって、所与の輝度パターンが、生成されることができ、必要であれば変えられることが出来るＬＥＤ照明システムを提供することにある。
この目的は、方向づけられた照明放射線を生成するためのＬＥＤ照明システムであって、ＬＥＤ素子が割り当てられているコリメータを１つずつ備える複数のＬＥＤランプ素子を持つＬＥＤ照明システムによって達成される。前記ＬＥＤランプ素子は、例えば異なる照明領域の、所与の輝度パターンを生成するために、境界がはっきりしたパターン(definite pattern)に配列される。二次光学装置は、照明されるべき空間に前記輝度パターンを映す(image)。このようにして、このような光放射装置においては、各ＬＥＤ素子にコリメータが１つずつ割り当てられる。複数のＬＥＤランプ素子は、該複数のＬＥＤランプ素子が、共に、好ましくは１つの共通の二次光学装置しか照射しないように、一緒に、二次元に、例えばマトリックス又はハニカムパターンに配列される。
以下、前記ＬＥＤ素子は無機固形物であるとみなされる。なぜなら、現在、十分な強度を備えるそれらが利用可能であるからである。それにもかかわらず、他の例においては、性能が満足いくようなものである限り、例えば、レーザーダイオード、他の発光半導体素子又は有機ＬＥＤといった他のエレクトロルミネッセント素子を用いることは当然可能である。それ故、ＬＥＤ又はＬＥＤ素子という用語は、この明細書においては、あらゆる種類の対応するエレクトロルミネッセント素子と同義語として理解されるべきである。
割り当てられたコリメータを備える単純なＬＥＤ素子の代わりに、他のＬＥＤランプ素子、例えば、チャンバ内へ放射するＬＥＤ素子を持つＬＥＤランプ素子が用いられ得る。この場合には、前記チャンバの放射開口部にコリメータが配設される。しかしながら、本発明で重要なのは、輝度パターン全体において、各ＬＥＤランプ素子が、照明に、厳密に境界を定められた寄与(exactly defined contribution)をすることで、複数のＬＥＤランプ素子が、一緒に、輝度パターンを形成することだけである。
従って、本発明は、従来の設計であって、該従来の設計によれば、複数のＬＥＤ素子が、共に、拡散放射線を生成し、前記拡散放射線が、一部しか、二次光学系によって集められず、集束されない従来の設計から離れる。従って、本発明は、光の束(light bundles)を重ね合わせることによって輝度パターンが形成される、これまで従ってきた開発トレンドから離れる。本発明は、むしろ、各々のＬＥＤランプ素子に割り当てられる個々の発光面から前記輝度パターンを構成する原理に従う。本発明は、個々のＬＥＤランプ素子の放射線を個々のコリメータの助けを借りてコリメートすることによってこれを達成する。従って、早くも前記光源において放射線損失の発生が防止される。その場合、このようにしてコリメートされた前記放射線は、ずっと高い収量（yield）で二次光学系に案内される。
本発明の有利な実施例によれば、前記ＬＥＤランプ素子は、更に、該ＬＥＤランプ素子から放射される光が、前記二次光学系に高精度につなげられることが出来るようにして配置及び／又は構成される。その目的のため、前記コリメータの全アウトカップリング開口部（outcoupling aperture）、即ち、それらの光放射開口部の焦点が、共通の場所、例えば、二次光学系のレンズのカップリング開口部に合わせられる配列が選択され得る。この目的のため、前記コリメータの長手方向軸は、前記ＬＥＤランプ素子のベース面における垂線に対して傾斜しているよう設計され得る、又は複数のＬＥＤランプ素子は、該複数のＬＥＤランプ素子のベース面が曲面を形成するようにして互いに隣接して配列され得る。
本発明による配列は、他の設計の選択肢も与える。本発明の有利な実施例は、制御装置であって、該制御装置によって、個々のＬＥＤランプ素子及び／又はＬＥＤランプ素子のグループが、前記輝度パターンを設定する目的のために、前記配列内で別々に制御されることが出来る制御装置を提案する。従って、前記ＬＥＤランプ素子又は該ＬＥＤランプ素子のグループの様々な接続によって、例えば、ＬＥＤランプ素子のスイッチを入れる若しくは切ることによって、又はそれらの輝度を変えることによって、可変の輝度パターンが生成され得る。別の設計の可能性、即ち、前記ＬＥＤ照明システム内に、ＬＥＤランプ素子であって、関連ＬＥＤランプ素子によって放射される光の異なる放射特性を持つＬＥＤランプ素子を配列する設計の可能性がある。前記放射特性は、例えば、放射される波長領域に関して異なり得る。例えば、色は、紫外線から、人間の目によって知覚可能な色を通して、赤外線まで変わり得る。異なる放射特性の別の可能性は、前記ＬＥＤ素子に印加される電圧への光度の依存である。同様にして、前記放射特性は、前記ＬＥＤ素子上の蛍光層の厚さを選択することによって設定され得る。好ましくは、区域により又はグループとして、同じ放射特性を持つ装置が配列される。前記ＬＥＤランプ素子が配列されるグリッドの必要とされる細かさに依存して、ＬＥＤランプ素子内に複数のＬＥＤ素子を持つことは有利であり得る。このようにして、コリメータのための構造上のコスト(constructional expenditure)の削減が達成され得る。その上、同じ及び異なる放射特性を持つＬＥＤ素子が、１つのＬＥＤランプ素子にまとめられ得る。
ＬＥＤランプ素子の区域をベースにした配列も、設計及びメンテナンスにおいて利点を供給する。これは、本発明の別の有利な実施例によれば、複数のＬＥＤランプ素子が１つの組立ユニットにまとめられるからである。これは、前記ＬＥＤランプ素子を制御するのに必要な手間及び前記ＬＥＤランプ素子とコンタクトするのに必要な手間を簡単にするだけでなく、少なくとも一部を損傷した組立ユニットの交換も容易にする。
このような本発明によるＬＥＤ照明システムの適用範囲は多種多様である。本発明の有利な実施例によれば、前記ＬＥＤ照明システムは、車両のための照明システムである。従って、自動車の分野においては、上記の利点が有利に用いられ得る。
例えば、発明された前記ＬＥＤ照明システムによって、前記輝度パターンを用いて、明確な明暗境界(defined bright-dark boundary)（「カットオフ」）を持つロービームを生成するすることが可能である。それによって、高価な、アンチグレアのレンズ又は反射システムが不要にされる。それどころか、特定の区域に依存するようにして前記ＬＥＤ照明システムを制御することによって、ロービーム、又は必要に応じてハイビーム若しくはフォグライトが生成され得る。このシステムの付加的な利点は、前記システムを構成するのに特別な二次光学系が不可欠ではなく、従来のランプを備えるプロジェクタシステム又は従来の反射システムにおいて用いられる非球面レンズなどの二次光学部品が用いられ得ることである。
本発明の別の有利な実施例によれば、前記輝度パターンの或る領域において赤外線放射線が放射されるようにして前記ＬＥＤランプ素子が構成され、配列される。前記赤外線放射線は、好ましくは、暗領域において、即ち、明暗境界より上で生じ、赤外線暗視装置をサポートするのに用いられ得る。他の例においては、又は更に、フォグ及び／又はハイビームのためのＬＥＤランプ素子もそこに配列され得る。
本発明の別の有利な実施例は、前記光放射装置又は組立ユニットの前記コリメータが、透明な材料で少なくとも部分的に満たされることを提案する。前記透明な材料は、ここでは、前記ＬＥＤ素子の光学接着剤(optical cement)の役割を果たし得る。どんな場合でも、それは、前記コリメータに安定性を与え、従って、区域ベースの交換も容易にする。更に、前記透明な材料の上又は中には、前記ＬＥＤランプ素子によって放射される前記光放射線によって励起される蛍光物質が加えられ得る。
本発明の別の有利な実施例は、複数のＬＥＤランプ素子を有するＬＥＤ照明システムのためのＬＥＤランプユニットであって、前記ＬＥＤランプ素子が、各々、各ＬＥＤランプ素子に１つのコリメータが割り当てられるように、１つのＬＥＤ素子を備える１つのコリメータを有し、前記ＬＥＤランプ素子が、所与の輝度パターンを生成するために、境界を定められた配列において、互いにしっかりとつなげられるＬＥＤランプユニットから成る。このようなＬＥＤランプユニットは、前記ＬＥＤ照明システムの設計及び組立てを容易にする。なぜなら、それは、前記ＬＥＤ照明システムへの組立てのために、コンタクトインタフェースを1つしか必要とせず、前記二次光学系とのインタフェースを１つしか必要としないからである。ここでも、１つのＬＥＤランプ素子内に複数のＬＥＤ素子が配設され得る。
更に、有利なことには、前記ランプユニットは、複数のサブユニットから構成され得る。これは、有利なことには、同じ機能を持つ複数のＬＥＤランプ素子を前記サブユニットにまとめることによって達成され得る。このような機能的なグループ分けの利点は、それが、多数の特に機能的に同等のＬＥＤランプ素子に対して１つの機械的及び／又は電気的インタフェースしか持たないことにある。これは、個々の区域、例えば、特にストレスを受ける区域の交換を容易にし、前記ＬＥＤランプユニットの修理コストを低減する。
一例であって、これに限定されない一例として、下記の実施例を参照して、本発明のこれら及び他の面を説明し、明らかにする。
図１は、４３個の別個のＬＥＤランプ素子２を有するランプユニット１を示している。前記ＬＥＤランプ素子２は、動作中、該ＬＥＤランプ素子２が明確な明暗領域を生成するようにして、指定された輝度パターンに従って、二次元アレイに揃えられる。この目的のため、得てして黄色である光スペクトルを放射する３つのＬＥＤランプ素子３が中央に配列される。前記ＬＥＤランプ素子３は、図１においては、目の粗いクロスハッチングパターンによって表わされている。それに対して、高い青色含有率(blue content)を備えるＬＥＤランプ素子４は、縁区域に配列され、密なハッチングによって表わされている。前記ＬＥＤランプ素子の間且つ下には、黄色と青色との両方の中間の放射特性を備えるＬＥＤランプ素子５が一まとまりにされている。ランプユニット１は、黄色ＬＥＤランプ素子３及び青色ＬＥＤランプ素子４の並びの上に、即ち、線６の上に、明暗境界を形成し、そしてそこで、線６より上に配列されるＬＥＤランプ素子７は、如何なる可視光も放射しない。前記ＬＥＤランプ素子７は、赤外線光を放射することができ、暗視装置をサポートするのに用いられ得る。
本発明によって与えられる設計の可能性を例示するために、ランプ素子２のベース面は、図示しているランプユニット１の中心軸を形成する縦列８において、菱形をしているように形成されている。線６の偏向路(deflected path)は、このようにして、実現され得る。
ＬＥＤランプ素子３、４及び５は、車両のヘッドライトに必要とされる輝度パターンであって、明暗境界の直上に高輝度の中央領域を備える輝度パターンを一緒に生成する。ＬＥＤランプ素子３、４、５の各々が、パターン全体のうちのそれ自身の区域を形成することによって、その分担に寄与する。自動車のヘッドライトのために規定されている輝度パターンは、このようにして、複数の照明システムからの光円錐を重ね合わせることによって形成されるのではなく、別々の空間領域を照明する厳密に境界を定められた光円錐が、輝度パターンを形成するよう基本的に互いに隣接して付加されることで形成される。
図２は、ランプユニット１の、８個のＬＥＤランプ素子２で構成される区域を示している。各ＬＥＤランプ素子２はＬＥＤ素子９を有し、前記ＬＥＤ素子９にはコリメータ１０が割り当てられる。原則的には、コリメータ１０は、如何なる形状もとることが出来る。ＬＥＤランプ素子が、好ましくは各々の側において、互いに直に接し得るようなベース面又は断面を持つ角錐台形状を備えるコリメータがとりわけ好ましい。これらは、とりわけ好ましくは、空間を節約するために、ＬＥＤランプ素子２を互いのすぐ隣りに配列することが出来るよう、長方形又は平行四辺形の断面を備える、図２に示されているような角錐台形状のコリメータ１０である。その場合、隣接するＬＥＤランプ素子２の複数のコリメータ１０は、更に、容易に、グリッドを形成するように組み合わされ得る。
本発明による構成においては、各ランプ素子２に別個の放射特性を与えることが可能であるだけでなく、動作中でも、各ＬＥＤ照明素子２を別々に制御し、その輝度を別々に調節することも可能である。これは、可変の輝度パターンの作成を可能にする。その上、各ＬＥＤランプ素子２は、一緒に小さいサブユニットを形成するランプ素子のグループの一部として、又は別々に、交換され得る。これは、主に、例えば或る赤外線サブユニットを形成する、複数のＬＥＤランプ素子２の機能的なグループ分けをする場合に行なわれる。
当然、ここで示されているＬＥＤランプ素子２の代わりに、別の設計のＬＥＤランプ素子も配列され得る。例えば、チャンバ及びコリメータを備えるＬＥＤランプ素子であって、該ＬＥＤランプ素子内に１つ以上のＬＥＤ素子が配設されるＬＥＤランプ素子のチャンバの出射面は、ＬＥＤ素子９の代わりになり得る。
図３は、二次光学系としてのレンズ１１と、ランプユニット１との相互作用を示している。ランプユニット１によって生成される像(image)は、水平軸のまわりでミラー(mirror)されるようにして、照明されるべき空間にレンズによって投影される。それ故、ランプユニット１は、図１に対して水平軸のまわりに１８０°だけ回転された位置に配設される。
要約すると、図及び明細書に示されているこれらのシステム及び方法は、当業者によって本発明の枠組みを外れることなしに大いに変更され得る実施の例でしかないこと再度指摘する。
更に、完全を期すために、単数形表記は、関連アイテムの複数の存在を除外しないことを指摘する。
本発明によるランプユニットを示す。 ランプユニットの構成要素としてＬＥＤランプ素子の配列を示す。 ランプユニットと、二次光学系との相互作用を示す。

Claims (12)

  1. 方向づけられた照明放射線の生成のためのＬＥＤ照明システムであって、
    各々がＬＥＤ素子及びコリメータを有する複数のＬＥＤランプ素子であって、指定された輝度パターンを生成するために、発光面において、別々の空間領域を照明する厳密に境界を定められた錐体が前記輝度パターンを形成するよう基本的に互いに隣接して付加されることで形成されるようにして配列される前記複数のＬＥＤランプ素子と、
    照明されるべき空間に前記輝度パターンを映す二次光学装置としてのレンズとを有するＬＥＤ照明システム。
  2. 前記複数のＬＥＤランプ素子によって放射される光が、とりわけ、前記二次光学装置に方向づけられ、つなげられることが出来るようにして、前記複数のＬＥＤランプ素子が、配列及び／又は設計されることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ照明システム。
  3. 制御装置であって、該制御装置によって、前記配列内の個々のＬＥＤランプ素子及び／又はＬＥＤランプ素子のグループが、前記輝度パターンを設定するために、別々に制御されることが出来る制御装置を特徴とする請求項１又は２に記載のＬＥＤ照明システム。
  4. 前記複数のＬＥＤランプ素子は、様々な放射特性をもつ光を放射することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のＬＥＤ照明システム。
  5. ＬＥＤランプ素子内に複数のＬＥＤ素子が配設されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のＬＥＤ照明システム。
  6. 複数のＬＥＤランプ素子が１つの組立ユニットにまとめられることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のＬＥＤ照明システム。
  7. 前記ＬＥＤ照明システムが、車両の照明システムであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載のＬＥＤ照明システム。
  8. 前記輝度パターンによって、明確な明暗カットオフを備えるロービームが生成されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載のＬＥＤ照明システム。
  9. 前記輝度パターンの或る領域において赤外線放射線が放射されることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載のＬＥＤ照明システム。
  10. 前記ＬＥＤランプ素子の前記コリメータが、透明な材料によって少なくとも部分的に満たされることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載のＬＥＤ照明システム。
  11. 各々がＬＥＤ素子及びコリメータを有する複数のＬＥＤランプ素子を有し、前記複数のＬＥＤランプ素子が、指定された輝度パターンを生成するために、境界がはっきりした配列において連結される、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のＬＥＤ照明システムのためのＬＥＤランプユニット。
  12. 前記ＬＥＤランプユニットが、複数のサブユニットであって、各々が別々の機械的及び／又は電気的なインタフェースを持つ複数のサブユニットに細分されることを特徴とする請求項１１に記載のＬＥＤ照明システムのためのＬＥＤランプユニット。
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