JP6266750B2 - Ｌｅｄユニットモジュール、発光装置及び光源システム - Google Patents

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Description

本発明は、照明及び表示技術分野に関し、特に、ＬＥＤユニットモジュール、発光装置及び光源システムに関する。
従来技術におけるハイパワー照明装置、光照明設備は、一般的にメタルハライド放電灯が光源として用いられている。メタルハライド放電灯は、白色光源であるため、カラーの光が必要とされる場合、メタルハライド放電灯の前にフィルタを設置する必要があり、異なる色の光を出力するようにする。このような光源には、メタルハライド放電灯の使用寿命が単に数百時間から数千時間までと異なっており、フィルタにより投影されたカラー光の飽和度が低く、鮮やかではなく、得られた光の色も豊かではないという欠陥がある。
ハイパワー発光ダイオード（ＬＥＤ、Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）は、安全で汚染がなく、使用寿命が長いなどのメリットを有するため、照明分野において、開発応用における優先的な装置になっており、その使用寿命は十万時間に達することができる。現在、ハイパワーＬＥＤは、舞台照明光源として用いられることが既に可能になっており、それは使用寿命が長く、安全で汚染がなく、色の飽和度が高いなどのメリットを有する。しかしながら、現在、単独のＬＥＤチップは、光透過量が限られており、高輝度のカラーの光の出力を得るために、通常異なる色のＬＥＤチップをアレイに配列し、高輝度の光を出力するようにする。
よく用いられている方案は、ダイクロイックフィルターを用い、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）との３原色のＬＥＤアレイが発した光に対して波長による光合成を行うことである。しかしながら、幾つかの色の光の間において一部のスペクトルが重なることがあり、且つ、フィルタの濾過曲線は、加工プロセス及びコストの問題により急曲線とすることができず、波長による光合成を用いると、上述した重なった部分のスペクトルは濾過されて損失してしまい、特に、呈色指数を向上させるために、他の色のＬＥＤが追加される場合、ダイクロイックフィルターにより幾つかの重要なスペクトルが濾過されるため、光の損失は大きく、且つ、システムの呈色性能は高くない。
上述した問題について、よく用いられているもう１つの方案は、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）、白（Ｗ）との４色のＬＥＤチップが１つのアレイに交差配列されることであり、図１に示すように、図１は、従来技術における１つのＬＥＤアレイの構造概念図である。当該方案は、異なる色のＬＥＤに対して幾何学的光合成を用い、スペクトルの損失を避ける。しかしながら、このような方案において、各ＬＥＤチップについて１つのコリメータ装置を設置する必要があるため、異なる色のＬＥＤチップは、空間位置において一定の距離を隔ており、このような空間位置の違いは、出力光束における異なる色の光束の空間的な角度分布が異なるようにし、後続光路におけて均光されたとしても、投影光束は、像面からずれた位置において光スポットの色が均一ではないという問題が生じる。
本発明が主に解決しようとする技術課題は、エテンデューが大きくなることを避け、且つ、混合光が均一であるＬＥＤユニットモジュールを提供することである。
本発明の実施例はＬＥＤユニットモジュールを提供する。前記ＬＥＤユニットモジュールは基板と、前記基板上に位置するＬＥＤチップ群とを備え。当該ＬＥＤチップ群は互いに緊密に配列された少なくとも５つのＬＥＤチップを含み、且つ、当該ＬＥＤチップ群は、発光面の輪郭が略正六角形である。
前記ＬＥＤチップ群は、赤色、青色、緑色及び琥珀色との少なくとも４種類の色のＬＥＤチップを備える。
好ましくは、前記ＬＥＤチップ群は、さらにシアン色、濃青色、オレンジ色及び白色／黄色のうちの少なくとも１つの色のＬＥＤを備える。
好ましくは、前記ＬＥＤチップ群は、４つの白色／黄色ＬＥＤ、２つの赤色ＬＥＤ、２つの琥珀色ＬＥＤ、１つの青色ＬＥＤ、１つの濃青色ＬＥＤ、１つの緑色ＬＥＤ及び１つのシアン色ＬＥＤを備える。
好ましくは、同じ色のＬＥＤの配列は、前記正六角形の中心に対称となり、前記青色ＬＥＤ及び濃青色ＬＥＤは、前記正六角形の中心に対称となり、前記緑色ＬＥＤ及びシアン色ＬＥＤは、前記正六角形の中心に対称となる。
好ましくは、前記４つの白色／黄色ＬＥＤは、互いに緊密に矩形アレイに配列され、残りの８つのＬＥＤは、当該矩形アレイを取り囲むように配列され、ここで、ＬＥＤチップは２つずつ平行に当該矩形アレイの１つの辺における２つの白色ＬＥＤチップにすぐ隣接する。
好ましくは、前記ＬＥＤチップ群は、１２個のＬＥＤチップを備え、ここで、４つのＬＥＤチップは互いに緊密に矩形アレイに配列され、残りの８つのＬＥＤチップは当該矩形アレイを取り囲むように配列され、ここで、ＬＥＤチップは２つずつ平行に当該矩形アレイの１つの辺における２つのＬＥＤチップにすぐ隣接する。
好ましくは、各色のＬＥＤチップは、少なくとも１つの正極接続部材及び負極接続部材を備え、各ＬＥＤチップの正極接続部材がいずれも前記基板の第１側辺に配列されることにより、正極接続部材群が形成されており、各ＬＥＤチップの負極接続部材がいずれも前記基板の第２側辺に配列されることにより、負極接続部材群が形成されている。
前記矩形アレイにおけるＬＥＤチップの回線が、前記基板の表面に沿って第１側辺及び第２側辺まで引き出され、正負極接続部材に形成されるように、前記ＬＥＤユニットモジュールにおける外側に位置する８つのＬＥＤチップのうち、それぞれ前記基板の第１側辺と第２側辺に最も近い２行のＬＥＤチップにおける各行の２つのＬＥＤチップ間においては、一定の間隔が隔てられている。
好ましくは、前記２行のＬＥＤチップにおける各行のＬＥＤチップは、１つの赤色光ＬＥＤ及び１つの琥珀色ＬＥＤである。
本発明の実施例はさらに、複数の上述したＬＥＤユニットモジュールからなるＬＥＤユニットモジュールアレイを備える発光装置を提供する。
好ましくは、前記ＬＥＤユニットモジュールアレイは、同心に設置された少なくとも１つの円環からなり、各ＬＥＤユニットモジュールは、各円環において反時計回り方向に沿って回転する角度が、等差数列であり、当該等差数列の公差の絶対値が６０°である。
本発明の実施例はさらに光源システムを提供し、前記光源システムは、
前記発光装置と、
コリメータ装置アレイと、
複眼レンズペアと、
フォーカスレンズとを備え、
前記コリメータ装置アレイにおけるコリメータ装置は前記ＬＥＤユニットモジュールアレイにおけるＬＥＤユニットモジュールと一対一で対応し、それに対応するＬＥＤユニットモジュールが発した光をコリメートし、
前記複眼レンズペアは２つの複眼レンズを備え、前記コリメータ装置アレイが出射した光を均光し、ここで、前記コリメータ装置のレンズアレイに遠く離れた複眼レンズにおけるそれぞれのマイクロレンズは正六角形であり、前記フォーカスレンズは前記複眼レンズペアが出射した光を所定の平面に収集する。
好ましくは、前記コリメータ装置アレイは、コリメータレンズアレイであり、各コリメータレンズは正六角形であり、且つ、各コリメータレンズは互いに緊密に接続されている。
従来技術に比べ、本発明は、下記のような有益な効果を有する。
少なくとも４種類の色の少なくとも５つのＬＥＤチップを備えるＬＥＤチップ群は、いずれも同じ基板に位置するため、後続光路において各ＬＥＤチップ群について１つのコリメータ装置を設置することができ、ＬＥＤが発した光がランバーシアン分布であるため、１つのＬＥＤチップ群内における複数の色の光がコリメータ装置により１つの平行光束に収集・コリメートされると共に、均一に混光されることもでき、当該平行光束における異なる色の光束は、空間において互いに重なり、それが対応する角度分布もほぼ同じであり、光源が発した光の均一性の向上に役立ち、それとともに、ＬＥＤユニットモジュールにおけるＬＥＤチップ群は発光面の輪郭が略正六角形であり、後続光路における複眼レンズペアのうち第２枚の複眼レンズにおける正六角形であるレンズユニットとマッチングし、光束が第２枚の複眼レンズにより出射された後、エテンデューが大きくなることを避けるようにする。
図１は、従来技術における１つのＬＥＤアレイの構造概念図である。 図２は、本発明における光源システムにかかる１つの実施例の構造概念図である。 図３は、図２に示された光源システムにおけるＬＥＤユニットモジュールの構造概念図である。 図４は、図３に示されたＬＥＤユニットモジュール内における１つの配線概念図である。 図５は、図２に示された光源システムにおけるＬＥＤユニットモジュールアレイの１つの構造概念図である。 図６は、図２に示された光源システムにおけるコリメータレンズアレイの配列概念図である。
説明の便宜上、以下、「上」、「下」、「左」及び「右」を用いて各部材間の位置関係を示し、ここの「上」、「下」、「左」及び「右」は、それぞれ図における上、下、左及び右である。図面及び実施形態と合わせて、本発明の実施例について詳しく説明する。
実施例１
図２に示すように、図２は、本発明の光源システムにかかる１つの実施例の構造概念図である。光源システムは、発光装置１と、コリメータ装置アレイ２と、複眼レンズペア３と、フォーカスレンズ４とを備える。
発光装置１は、複数のＬＥＤユニットモジュール１１からなるＬＥＤユニットモジュールアレイ１２を備える。図３に示すように、図３は、図２に示された光源システムにおけるＬＥＤユニットモジュール１１の構造概念図である。ＬＥＤユニットモジュール１１は、基板１３と、基板１３上に位置するＬＥＤチップ群１４とを備える。本実施例においては、基板１３は、熱伝導基板であることが好ましく、当該熱伝導基板としては、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム等の熱伝導セラッミクを選択的に用いることができ、十分に高い熱伝導率を有すると共に、絶縁表面層を有すれば良い。
当該ＬＥＤチップ群１４は、１２個のＬＥＤチップを備え、各ＬＥＤチップは互いに緊密に配列され、且つ、当該ＬＥＤチップ群１４は発光面の輪郭が略正六角形１５である。
ＬＥＤチップが互いに緊密に配列される理由は、次の通りである。光源システムのエテンデューを低減する。一方で、各ＬＥＤチップ間における隙間をできるだけ小さくし、これにより、光源システムが発した光の光スポットの均一性に役立つ。実際の操作においては、ＬＥＤパッケージプロセスの制限により、ＬＥＤチップの間隔は通常ゼロにすることができず、だいぶ小さい距離であり、例えば、０．１〜０．２ｍｍである（１ｍｍのＬＥＤチップについて）。
説明しなければならないのは、実際の運用の中で、ＬＥＤチップの形状は、一般的に方形であり、複数のＬＥＤチップからなるＬＥＤチップ群は、発光面の輪郭が通常ちょうど１つの正六角形とすることができない。本発明に記載の発光面の輪郭が１つの正六角形に近いとは、当該発光面の輪郭における、当該正六角形を超えた領域の面積及び当該正六角形における、当該輪郭に充満されていない領域の面積は、それぞれ当該発光面の輪郭面積の３０％を超えず、発光面の輪郭は隣接する２つのＬＥＤチップ間における間隔を含む。
ＬＥＤチップ群１４は、７種類の色のＬＥＤチップを備え、ここで各種類の色のＬＥＤチップは、少なくとも１つの正極接続部材及び負極接続部材を備える。各ＬＥＤチップは、基板１３において設置され、且つ、各ＬＥＤチップの正極接続部材は、いずれも基板１３の第１側辺１３ａにおいて配列設置され、正極接続部材群１４１に形成され、各ＬＥＤチップの負極接続部材は、いずれも第１側辺１３ａに対向する第２側辺１３ｂにおいて配列設置され、負極接続部材群１４２に形成される。当然ながら、実際の運用の中で、各ＬＥＤチップの正負極接続部材としては、他の配列方法が用いられても良い。
具体的には、本実施例において、ＬＥＤチップ群１４は、１２個のＬＥＤチップを備え、それらはそれぞれ４つの白色ＬＥＤ（図において、「Ｗ」と示す）、２つの赤色ＬＥＤ（図において、「Ｒ」と示す）、２つの琥珀色ＬＥＤ（図において、「Ａ」と示す）、１つの青色ＬＥＤ（図において、「Ｂ」と示す）、１つの濃青色ＬＥＤ（図において、「ｄＢ」と示す）、１つの緑色ＬＥＤ（図において、「Ｇ」と示す）及び１つのシアン色ＬＥＤ（図において、「Ｃ」と示す）である。ここで、赤色ＬＥＤの主波長は、７２０ｎｍ〜７７０ｎｍであり、琥珀色ＬＥＤの主波長は、５８０ｎｍ〜６００ｎｍであり、緑色ＬＥＤの主波長は、５２０ｎｍ〜５５０ｎｍであり、シアン色ＬＥＤの主波長は、４９０ｎｍ〜５２０ｎｍであり、青色ＬＥＤの主波長は、４６０ｎｍ〜４９０ｎｍであり、濃青色ＬＥＤの主波長は、４４０ｎｍ〜４６０ｎｍである。
４つのＬＥＤチップは、互いに緊密に内側矩形アレイに配列され、残りの８つのＬＥＤチップは、当該内側矩形アレイを取り囲むように配列され、ここでＬＥＤチップは２つずつに平行に当該内側矩形アレイの１つの辺における２つのＬＥＤチップにすぐ隣接し、１つの外側矩形アレイに形成され、ＬＥＤチップ群１４の発光面の輪郭が略正六角形１５であるようにする。
好ましくは、同じ色のＬＥＤの配列は、正六角形１５の中心に対称となり、青色ＬＥＤと濃青色ＬＥＤとの色収差が小さく、緑色ＬＥＤとシアン色ＬＥＤとの色収差が小さいため、青色ＬＥＤと濃青色ＬＥＤは、正六角形１５の中心に対称となり、緑色ＬＥＤとシアン色ＬＥＤは、正六角形１５の中心に対称となる。
白色ＬＥＤは、青色ＬＥＤの発光表面上に黄色い蛍光体層を設置することにより得られ、他の色のＬＥＤに比べ、白色ＬＥＤは、耐熱性能が良く、中間に位置する４つのＬＥＤは、放熱性能が最も悪いため、中間の４つのＬＥＤチップは白色ＬＥＤであることが好ましく、他の色のＬＥＤは、当該白色ＬＥＤを取り囲むように配列される。また、４つの白色ＬＥＤチップを用いることにより、発光装置の輝度を大幅に向上させることができる。赤色及び琥珀色ＬＥＤは、熱安定性が悪いため、当該２つの色のＬＥＤは、ＬＥＤチップ群における外側の周に配列されることが好ましい。
当然、実際の運用の中で、各色のＬＥＤは他の位置に設置されても良い。例えば、内側矩形アレイにおける４つのＬＥＤチップは、時計回り方向において順に青色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、濃青色ＬＥＤ及びシアン色ＬＥＤであり、外側矩形アレイに位置する８つのＬＥＤチップのうち、４つの白色ＬＥＤは、それぞれ外側矩形アレイの４つの辺に位置し、正六角形１５の中心に対称となる。当然ながら、放熱及び光均一の効果を考慮しない場合、各色のＬＥＤの配列位置は、任意であってもよい。
本実施例においては、ＬＥＤチップ群における輝度を向上させる白色ＬＥＤは、黄色ＬＥＤであっても良く、黄色ＬＥＤの主波長は、５４０ｎｍ〜５７０ｎｍであり、且つ、スペクトルは、白色を除いた他の色のＬＥＤのスペクトルよりも広く、ＬＥＤチップ群に含まれるＬＥＤの色は、他の数であっても良い。例えば、光源の呈色性能に対する要求がそれほど高くない場合、ＬＥＤチップ群は、単に赤色、緑色、青色、白色／黄色、琥珀色との５種類の色を含む。具体的には、ＬＥＤチップ群には、４つの白色／黄色ＬＥＤが含まれ、他の色のＬＥＤについて、それぞれ２つが含まれてもよい。光源の輝度に対する要求がそれほど高くない場合、ＬＥＤチップ群は、単に赤色、緑色、青色及び琥珀色との４つの色を含んでも良い。当該４つの色のＬＥＤの合成光のスペクトルは、太陽光のスペクトルに非常に近くなっているため、呈色性能が高くなっており、多くの場合における応用の要求を満たすことができる。各色のＬＥＤの具体的な数は、光源の色温度に対する要求に応じて確定することができる。または、赤、青、緑、及び琥珀との４つの色に加え、必要な色に応じて追加され、例えば、シアン色が必要とされると、シアン色ＬＥＤが追加され、濃青色が必要とされると、濃青色ＬＥＤが追加され、オレンジ色が必要とされると、オレンジ色ＬＥＤが追加され、当該オレンジ色ＬＥＤの主波長は、７１０ｎｍ〜７２０ｎｍである。
本実施例においては、ＬＥＤチップ群におけるＬＥＤチップの数は、他の数であっても良く、各ＬＥＤチップが互いに緊密に配列され、且つ、当該ＬＥＤチップ群の発光面の輪郭が略正六角形であるようにすればよい。例えば、ＬＥＤチップ群は、５つのＬＥＤチップを備えることができ、そのうち、１つのＬＥＤチップは中間に位置し、残りの４つのＬＥＤチップはそれぞれ当該ＬＥＤチップの周りに位置する。または、ＬＥＤチップ群は、７つのＬＥＤチップを更に備えることができ、そのうち、１つのＬＥＤチップは中間に位置し、残りの６つのＬＥＤチップは円形を呈し、当該中間におけるＬＥＤチップを取り囲んでおり、または、ＬＥＤチップ群は、２１個のＬＥＤチップを備え、そのうち、１５つのＬＥＤチップは３×５矩形アレイで配列され、残りの６つのＬＥＤチップのうち、ＬＥＤチップは３つずつそれぞれ当該矩形アレイの２つの長辺の外側に位置する。５つよりも少ないＬＥＤチップにより配列形成された図形は、略正六角形ではないため、本実施例におけるＬＥＤチップ群は、少なくとも５つのＬＥＤチップを備える。
図４に示すように、図４は、図３に示されたＬＥＤユニットモジュール内における１つの配線概念図である。基板１３の第１側辺１３ａにおいては、左から右へ濃青色、緑色、赤色、白色、琥珀色、青色及びシアン色の正極接続部材は１つずつ順に配列され、第２側辺１３ｂにおいては、左から右へ濃青色、緑色、赤色、白色、琥珀色、青色及びシアン色の負極接続部材は１つずつ順に配列されている。ここで、同じ色のＬＥＤは、基板１３において互いに直列接続されており（例えば、２つの赤色ＬＥＤ、２つの琥珀色ＬＥＤ及び４つの白色ＬＥＤ）、このように、各色のＬＥＤはそれぞれ、基板１３の第１側辺１３ａ及び第２側辺１３ｂにおいて１つの正極接続部材及び負極接続部材のみが設置されれば良く、ＬＥＤユニットモジュールにおける構造のコンパクト性に役立ち、基板１３の面積も小さい。
当然ながら、実際の運用の中では、同じ色のＬＥＤは、基板１３において互いに並列接続されても良く、又は、一部の同じ色のＬＥＤは、互いに直列接続され、残りの一部の同じ色のＬＥＤは、互いに並列接続されても良い。ひいては、ＬＥＤユニットモジュールの大きさに対する要求がない場合、各ＬＥＤチップは、いずれも基板の両側にそれぞれ正負極接続部材が設置されても良い。
本実施例においては、配線の便宜上、それぞれ基板１３における第１側辺１３ａ及び第２側辺１３ｂに最も近い２行のＬＥＤチップのうち（ＬＥＤチップ１１１及び１１２、ＬＥＤチップ１１３及び１１４）、各行における２つのＬＥＤチップの間隔は少し空けており、正六角形の中心に位置する４つの白色ＬＥＤの回線が基板１３の表面に沿って第１側辺及び第２側辺における正負極接続部材にまで引き出されるようにする。このように、全体のＬＥＤチップ群においては、当該４つのチップが隣接するチップとの間隔が大きく、放熱に役立つため、当該４つのＬＥＤチップは赤色ＬＥＤ及び琥珀色ＬＥＤとすることが好ましい。
当然ながら、実際の運用の中で、中心領域に位置するＬＥＤの正負極は、基板１３の表面に配線された回線に沿って第１側辺１３ａ及び第２側辺１３ｂにおける正負極接続部材に接続されなくてもよく、ジャンパー線により当該２つの側辺における正負極接続部材に接続されている。このように、それぞれ当該２つの側辺に最も近い２行のＬＥＤチップのうち、各行における２つのＬＥＤチップの間隔は空けなくてもよく、当該２つのＬＥＤチップは緊密に配列されても良い。ひいては、当該２行のＬＥＤチップに対してそれぞれ１つのＬＥＤチップを追加しても良い。
図５に示すように、図５は、図２に示された光源システムにおけるＬＥＤユニットモジュールアレイの１つの構造概念図である。ＬＥＤユニットモジュールアレイ１２は、複数のＬＥＤユニットモジュールを備える。ＬＥＤユニットモジュールアレイは、少なくとも２列のＬＥＤユニットモジュール１１が平行並列に配列されることにより、円形又は正多角形を呈したアレイに形成されることが好ましく、ＬＥＤユニットモジュールアレイの後続光路に設置された円形のレンズとマッチングするようにし、光の使用率を向上させる。当然ながら、円形のレンズとマッチングすることを考慮しない場合、ＬＥＤユニットモジュールアレイ１は、円形または正多辺形ではなくても良い。本実施例においては、ＬＥＤユニットモジュールアレイ１は、３列のＬＥＤユニットモジュール１１が平行に配列されることにより略正六角形である１つのアレイに形成される。
本実施例においては、ＬＥＤユニットモジュールアレイ１における各ＬＥＤユニットモジュールは、いずれも同じであり、即ち、モジュールにおけるＬＥＤチップ群の配列位置、負極接続部材群の配列順番及びＬＥＤチップ群における正負極接続部材群に対する各色のＬＥＤの位置は、いずれも一致している。また、同じ列に位置するＬＥＤユニットモジュール１１の正極接続部材群がその負極接続部材群へ指す方向は一致しており、同じ列におけるＬＥＤユニットモジュール１１に沿って直列配線することができるようにする。一方、任意の隣接する２列のＬＥＤユニットモジュール１１の正極接続部材群がその負極接続部材群へ指す方向は逆であり、当該隣接する２列の同じ側における末端において当該２列のＬＥＤユニットモジュールを直列接続することができるようにする。
具体的には、赤色ＬＥＤを例とすると、左側からの第１列及び第３列における赤色ＬＥＤの正極接続部材がその負極接続部材へ指す方向はいずれも下に向けており、第２列における赤色ＬＥＤの正極接続部材が負極接続部材へ指す方向はいずれも上に向けている。このように、すべての赤色ＬＥＤを直列接続するとき、第１列、第３列における回線により、いずれも下に向けた方向に沿って順に各赤色ＬＥＤの正極接続部材及び負極接続部材は接続され、第２列における回線により、いずれも上に向けた方向に沿って順に各赤色ＬＥＤの正極接続部材及び負極接続部材は接続されるが、第１列及び第２列の赤色ＬＥＤは、第１列の下側の末端に位置するＬＥＤユニットモジュール１５１内における赤色ＬＥＤの負極接続部材及び第２列の下側の末端に位置するＬＥＤユニットモジュール１５３内における赤色ＬＥＤの正極接続部材により接続される。他の任意の隣接する２列も当該方法により直列接続される。
他の６つの色のＬＥＤの配線方法は、いずれも赤色ＬＥＤの配線方法とと一致している。各ＬＥＤユニットモジュールにおける正負極接続部材群の配列順番は、いずれも一致しており、また、隣接する２列のＬＥＤユニットモジュールの正極接続部材が負極接続部材へ指す方向は逆であり、隣接する２列の極接続部材群が、左右対称であるようにするため、当該４つの色のＬＥＤが直列接続された回線は、隣接し、また、互いに平行に１束の回線に形成され、且つ、当該１束の回線は、自身との交点がなく、配線を簡便にする。
コリメータ装置アレイ２は、複数のコリメータ装置２１を備え、それらは各ＬＥＤユニットモジュール１１と一対一で対応し、それに対応するＬＥＤユニットモジュールが発した光をコリメートする。具体的には、本実施例においては、当該コリメータ装置アレイ２は、コリメータレンズアレイである。
複眼レンズペア３は、第１複眼レンズ３１と、第２複眼レンズ３２とを備え、それらはコリメータレンズアレイ２の出射光路に位置し、コリメータレンズアレイ２によりコリメートされた光束を均光し、ここで、第１複眼レンズ３１はコリメータレンズアレイ２に隣接する。本実施例においては、複眼レンズペアの２つの複眼レンズにおける各マイクロレンズは、正六角形の構造であり、隣接するマイクロレンズ間における隙間のない配列を確保することができ、一方で、その投影像を、円形の投影光スポットとマッチングするようにする。第１複眼レンズ３１における各マイクロレンズは、第２複眼レンズ３２におけるマイクロレンズと一対一で対応する。好ましくは、コリメータレンズアレイ２における各コリメータレンズのサイズは、複眼レンズペア３における複眼レンズの各マイクロレンズのサイズの４倍以上である。明らかに、複眼レンズにおける各マイクロレンズのサイズは小さいほど、その均光効果はよくなる。
フォーカスレンズ４は、複眼レンズペア３の出射光路に位置し、複眼レンズペア３により均光された光束を所定の平面に収集する。実際の運用の中で、当該所定の平面は、通常フォーカスレンズ４のフォーカルプレーンである。
本実施例においては、コリメータレンズ２１は、ＬＥＤユニットモジュール１１が出射した光をコリメートすると共に、ＬＥＤユニットモジュール１１における複数の色のＬＥＤが発した光を混合させる。各ＬＥＤユニットモジュールについては、ＬＥＤチップ群における異なる色のＬＥＤチップは、いずれも同じコリメータレンズに対向し、ＬＥＤが発した光は、ランバーシアン分布であるため、ＬＥＤチップ群が発した複数の色の光束が当該コリメータレンズにより収集・コリメートされ、１束の平行光となる（理想的な平行光束ではなく、一定の発散角を有するが、その発散角がだいぶ小さく、例えば、±９°であるため、略平行光束として扱ってもよい）と共に、均一に混光することができる。
当該平行光束における異なる色の光束は、空間において互いに重なり、その対応する角度分布もほぼ同じであり、複眼レンズペア３により均光された後、フォーカスレンズ４により絞り（図示せず）に収集され、投影レンズ（図示せず）により絞りの像が遠いところに投影結像される。光束の全伝播過程においては、異なる色の光束は、常に結合しているため、光源システムにより最後に出力された光束のうち、異なる色の光束は、空間位置及び出射角度がほぼ同じである。本質的に、ＬＥＤチップ群における各チップは、緊密に配列されても、それらの空間位置は、依然として異なり、このような空間位置の違いにより、それらは発した異なる色の光束がコリメータレンズ２１によりコリメートされた後の空間角度分布もやや異なるが、各ＬＥＤチップの面積がだいぶ小さく（通常、単に１ｍｍ×１ｍｍ）、且つ異なるチップは互いに間隔がだいぶ近いため、このような空間位置の違いによる異なる色の光束の角度分布の違いは、無視しても良い。
本実施例においては、ＬＥＤユニットモジュールアレイにおける各ＬＥＤユニットモジュールが発した光はコリメートされた後、第１複眼レンズ３１における一部のマイクロレンズに入射し、各マイクロレンズは、受け取った光を発したＬＥＤユニットモジュールにおけるＬＥＤチップ群を、第２複眼レンズ３２における当該マイクロレンズと対応するマイクロレンズに結像し、そのため、第２複眼レンズ３２における、結像を有するマイクロレンズの総面積は、第２複眼レンズ３２が出射した光の発光面を構成する。発光面は、一定であるため、第２複眼レンズ３２が出射した光の発光角度は小さいほど、当該出射光のエテンデューも小さくなる。エテンデューの保存からわかるように、第１複眼レンズ３１における各マイクロレンズにより、第２複眼レンズ３２における当該マイクロレンズと対応するマイクロレンズに結像された像は大きいほど、第２複眼レンズ３２における各マイクロレンズが出射した光の発光角度は、小さくなる。しかしながら、第２複眼レンズ３２におけるマイクロレンズ上の像が当該マイクロレンズの面積を超えた場合、その超えた部分の光は、迷光となり損失してしまう。そのため、ＬＥＤチップ群により第２複眼レンズ３２における各マイクロレンズに結像された像が当該マイクロレンズに内接されることが好ましい。
従来技術においては、ＬＥＤユニットモジュールにおいては、１つのＬＥＤチップのみが設置され、ＬＥＤチップの面積は、通常方形であり、第２複眼レンズ３２におけるマイクロレンズは、正六角形であるため、当該方形により当該マイクロレンズに結像された像は、マイクロレンズ全体を充填することができないが、マイクロレンズが出射した光の発光面は、マイクロレンズ全体であり、これにより、ＬＥＤユニットモジュールアレイのエテンデューが大きくなる。本実施例においては、各ＬＥＤユニットモジュールにおけるＬＥＤチップ群の発光面の輪郭は、略正六角形であるため、第２複眼レンズ３２における各マイクロレンズに結像された像は、ほぼマイクロレンズ全体を充満し、ＬＥＤユニットモジュールアレイのエテンデューが大きくなることを避けることができる。幾つかの場合においては、ＬＥＤチップ群の発光面の輪郭は、１つのマイクロレンズをより多く充填するようにするために、当該ＬＥＤチップ群の発光面の輪郭は、正六角形を少し超えても良く、当該超えた部分の面積が当該発光面の輪郭の面積の３０％以下であれば良い。
図６に示すように、図６は、図２に示された光源システムにおけるコリメータレンズアレイの配列概念図である。本実施例においては、好ましくは、コリメータレンズアレイ２における各コリメータレンズ２１は、正六角形を呈し、且つ互いに緊密に配列され、隣接するコリメータレンズ２１間において隙間がないようにする。このように、各ＬＥＤユニットモジュールにおける同じ色のＬＥＤチップが発した光は、各コリメータレンズ２１によりコリメートされて出射された際に互いにつなぎ合わせ、一面になり、これらのコリメート光束も、投影レンズにより投影されて出射された際にも互いにつなぎ合わせ、一面になり、且つ発光面全体を充満する。当然ながら、公差及び設置を考慮する場合、隣接するコリメータレンズ間において一定の隙間を空けても良く、これも本発明の保護範囲に属する。コリメータレンズアレイ２においては、当該コリメータレンズアレイ２が内接する円環Ｃ１に比べ、残りの少しの余白があるため、コリメータレンズアレイ２の発光面を１つの円形により近くし、後続光路における円形のレンズとマッチングさせるために、コリメータレンズアレイ２は、前記残りの余白に位置する複数の小さいコリメータレンズ２２を更に備えることが好ましい。対応的に、発光装置１は、複数の単独チップまたは２個のチップによりパッケージされたＬＥＤ（図示せず）を更に備え、ここで、各ＬＥＤは各小さいコリメータレンズ２２と一対一で対応する。これにより、発光装置１が発した光はコリメータレンズアレイ２によりコリメートされた後、光束の断面は１つの円形により近くなる。
本実施例においては、投影光スポットの空間的な面の分布の均一性をさらに改善するために、ＬＥＤユニットモジュール１１とコリメータ２１装置との間にインテグレータロッド（図示せず）を設置することもでき、ＬＥＤチップが出射した光束を均光する。インテグレータロッドは、入光口と、出光口とを備える。入光口は、ＬＥＤユニットモジュールにおけるＬＥＤチップの発光面に緊密に隣接するように設置され、ＬＥＤにが出射したほとんどの光は、いずれも当該インテグレータロッドに入るようにする。出光口は、コリメータ２１のフォーカルプレーンの付近に設置され、それが出力した光束を、コリメータ装置２１によりコリメートされた後、比較的理想な平行光とする。このとき、インテグレータロッドの出光面は、システムの光源面に相当することになる。光に対するインテグレータロッドの混合作用により、ＬＥＤ光源システムが発した光をより均一にする。
実際の応用の中で、インテグレータロッドは、出光口の面積が入光口の面積よりも大きいテーパ角棒であっても良い。テーパ角棒の出光口は、十分に大きく、互いに隣接して一面につなぎ合わせるほど大きくなると、テーパ角棒の出光口から出射した光束も一面につなぎ合わせる。テーパ角棒が出射した光の発光角度は小さくなるため、後続のコリメータレンズを設置しなくても良く、即ち、当該インテグレータロッドがコリメータ装置として用いられても良い。しかしながら、このとき、優れる混光効果を得るためにテーパ角棒は、十分な長さを有する必要がある。
ＬＥＤユニットモジュールアレイにおける複数の種類の色の光により所定の面に形成された混合光スポットをより均一にするために、異なるＬＥＤユニットモジュールにおける異なる色のＬＥＤチップの位置を設定することにより、。ＬＥＤユニットモジュールにおける、少なくとも白色を除いた任意の１つの色のＬＥＤチップの位置が略同じ分布を有するようにする。
具体的に例を挙げると、光源平面に対して各ＬＥＤユニットモジュールを異なる角度で回転させ固定する。好ましくは、各ＬＥＤユニットモジュールが各自の中心に対して回転する角度をそれぞれ６０°の１，２，３，４，５，６倍とする。以下、当該実施例を詳しく説明する。
本実施例が図５に示された実施例との相違点は、次の通りである。
本実施例においては、ＬＥＤユニットモジュールアレイは、７つのＬＥＤユニットモジュールを備え、そのうち６つのＬＥＤユニットモジュールは１つの円環に配列され、残りの１つのＬＥＤユニットモジュールは円環の円心に設置される。
当該円環においては、一つ目のＬＥＤユニットモジュールの正極接続部材群がその負極接続部材群へ指す方向は水平方向において左に偏る。当該一つ目のＬＥＤユニットモジュールから、当該円環の反時計周り方向に沿い、各ＬＥＤユニットモジュールは、その前の１つのＬＥＤユニットモジュールに比べ、反時計周り方向に沿って回転する角度が６０°と大きくなる。
本実施例においては、配線時、電源の正極は、円環における一つ目のＬＥＤユニットモジュールの正極接続部材群に接続され、当該円環に沿って反時計周り方向で順に当該円環におけるＬＥＤユニットモジュールを直列接続する。当該円形ループにおける最後の１つのＬＥＤユニットモジュールの負極接続部材群は、円心に位置するＬＥＤユニットモジュールの正極接続部材群と接続され、当該ＬＥＤユニットモジュール５５の負極接続部材群における回線は、ジャンパー線により当該円環の外部と接続され、電源の負極に接続される。
本実施例においては、各円環において、ＬＥＤユニットモジュールは、異なる角度で回転し、且つ、これらの異なる回転角度は０〜３６０°の範囲内において均一に分布する。これにより、ＬＥＤユニットモジュールにおける白色を除いた他の各色のＬＥＤは、いずれも当該モジュール内における正六角形の０°、６０°、１２０°、１８０°、２４０°、３６０°との方向において２回現れる。これにより、各ＬＥＤユニットモジュールにおける、各色のＬＥＤチップの各位置は、略同じ分布を有する。それとともに、配線時、各円環における任意の隣接する２つのＬＥＤユニットモジュールの正負極接続部材群は、隣接するため、配線を簡便にし、形成された回線は、交点が少ない。
また、本実施例においては、円環における、各ＬＥＤユニットモジュールは、自身に対する回転角度が６０°の倍数であり、各ＬＥＤユニットモジュールにおけるＬＥＤチップ群の配列は、略正六角形であるため、６０°で回転した後でも自身と重畳することができる。複眼レンズペアにおける第２複眼レンズのマイクロレンズの設置方向は、いずれも一致しており、本実施例において、円環における各ＬＥＤユニットモジュールは、回転したが、各ＬＥＤユニットモジュールが回転した後、ＬＥＤチップ群により第２複眼レンズにおける各マイクロレンズに結像された像は、依然として当該マイクロレンズとマッチングすることができる。そのため、同心に設置された少なくとも２つの円環からなるＬＥＤユニットモジュールアレイにおいて、各ＬＥＤユニットモジュールは、各円環において反時計周り方向で回転する角度が等差数列であることが好ましく、ここで、当該等差数列の公差の絶対値は、６０°である。これにより、各ＬＥＤユニットモジュールにより第２複眼レンズのマイクロレンズに結像された像は、当該マイクロレンズとマッチングすると確保することができる。
上述した実施例においては、各色のＬＥＤチップは、いずれも単独の１種のＬＥＤチップを指す。実際には、少なくとも１つの色のＬＥＤチップが混合色ＬＥＤチップであっても良く、当該混合色ＬＥＤチップは、２種類の主波長のＬＥＤチップを備え、且つ、２種類の主波長の差は１０ｎｍより大きく且つ３０ｎｍより小さい。このような２種類の主波長のＬＥＤチップが発した光については、人の目でその発光色の違いを区分けすることができるが、人の目で見てもこのような色の違いはそれほど著しくない。
上述した実施例に関する説明から分かるように、本発明を用いて色が均一であるＬＥＤ光源システムを実現することができる。実験において、発明者は当該ＬＥＤ光源システムにおいては、色が十分に均一であるため、混合色ＬＥＤチップを用いても人の目で当該混合色ＬＥＤチップによる色の違いにより与えられた影響が察知できないと発見した。それとともに、混合色ＬＥＤチップを用いることで、ＬＥＤ光源システムの発光スペクトルがカバーする範囲をより大きく、呈色指数をより高くすることができる。
好ましくは、ＬＥＤ光源システムはさらに色調整モージュルを備え、当該色調整モージュルは混合色ＬＥＤチップが対応する色調整信号を受け取り、当該色調整信号に組み込まれた目標色の情報に基づき、混合色ＬＥＤに含まれた２種類の主波長のＬＥＤチップの発光パワーを制御する。例えば、赤色については、６１８ｎｍ及び６３５ｎｍとの２種類の波長の赤色ＬＥＤチップを含むことができ、色の違いはあるが、著しくない。このとき、色調整モジュールにより両者の相対強度を調整することによって、主波長が異なる赤色投影光束を生成することができる。
一方で、混合色ＬＥＤチップが対応する２種類の主波長のＬＥＤチップがそれぞれ所在するＬＥＤユニットモジュールは、互いに交互に配列されるようにし、これにより、この２種類の主波長の光の混合をより均一にし、人の目でより簡単に察知できなくする。
本実施例においては、さらに異なる色温度の白色光ＬＥＤチップを含むことができ、例えば、３２００Ｋと６５００Ｋとの２種類の色温度であり、当該２種類の色温度のＬＥＤチップが所在するＬＥＤユニットモジュールが互いに交互に配列されるようにすることにより、混合光が均一であると確保することができれば、調整モジュールにより両者の相対強度を調整することもでき、異なる色温度の投影光スポットを生成する。当業者にとっては、これは周知の常識であるため、ここで繰り返し述べない。
本明細書における各実施例を累進の形式で説明し、各実施例については、主に他の実施例との違いを説明したが、各个実施例における同様又は類似の部分について、互いに参照すればよい。
本発明の実施例は、さらに光源システムを含む投影システムを提供し、該光源システムは上述した各実施例における構造及び機能を有することができる。当該投射システムにおいては、各種投影技術を採用することができ、例えば、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ，Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）投影技術、デジタルライトプロセッサ（ＤＬＰ，Ｄｉｇｉｔａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）投影技術が挙げられる。なお、上述した発光装置は、照明システムにおいて、応用することもでき、例えば、舞台灯照明が挙げられる。
上述したのは、本発明の実施形態であり、本発明の特許範囲を限定するものではなく、本発明の明細書及び図面の内容を用いて実現した等価構成又は等価変換フロー、又は他の関連する技術分野における直接又は間接運用は、全て同様に本発明の特許保護範囲内に含まれる。

Claims (10)

  1. 基板と、前記基板上に位置するＬＥＤチップ群を備え、当該ＬＥＤチップ群は互いに緊密に配列された少なくとも５つのＬＥＤチップを含み、且つ、当該ＬＥＤチップ群は発光面の輪郭が略正六角形であり、
    前記ＬＥＤチップ群は、赤色、青色、緑色及び琥珀色の少なくとも４種類の色のＬＥＤチップを備え、
    前記ＬＥＤチップ群は、さらにシアン色、濃青色、オレンジ色、白色及び黄色の中の少なくとも１つの色のＬＥＤを更に備え、
    前記ＬＥＤチップ群は、４つの白色又は黄色ＬＥＤ、２つの赤色ＬＥＤ、２つの琥珀色ＬＥＤ、１つの青色ＬＥＤ、１つの濃青色ＬＥＤ、１つの緑色ＬＥＤ及び１つのシアン色ＬＥＤを備えることを特徴とするＬＥＤユニットモジュール。
  2. 同じ色のＬＥＤの配列は、前記正六角形の中心に対称となり、前記青色ＬＥＤ及び濃青色ＬＥＤは、前記正六角形の中心に対称となり、前記緑色ＬＥＤ及びシアン色ＬＥＤは、前記正六角形の中心に対称となることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤユニットモジュール。
  3. 前記４つの白色又は黄色ＬＥＤは、互いに緊密に矩形アレイに配列され、残りの８つのＬＥＤは、当該矩形アレイを取り囲むように配列されており、
    ＬＥＤチップは２つずつ平行に当該矩形アレイの１つの辺における２つの白色ＬＥＤチップにすぐ隣接することを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤユニットモジュール。
  4. 前記ＬＥＤチップ群は、１２個のＬＥＤチップを備え、そのうち４つのＬＥＤチップは互いに緊密に矩形アレイに配列され、残りの８つのＬＥＤチップは当該矩形アレイを取り囲むように配列され、ＬＥＤチップは２つずつ平行に当該矩形アレイの１つの辺における２つのＬＥＤチップにすぐ隣接することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１つに記載のＬＥＤユニットモジュール。
  5. 各色のＬＥＤチップは、少なくとも１つの正極接続部材及び負極接続部材を備え、
    各ＬＥＤチップの正極接続部材がいずれも前記基板の第１側辺に配列されることにより、正極接続部材群が形成されており、
    各ＬＥＤチップの負極接続部材がいずれも前記基板の第２側辺に配列されることにより、負極接続部材群が形成されており、
    前記矩形アレイにおけるＬＥＤチップの配線が、前記基板の表面に沿って第１側辺及び第２側辺における正負極接続部材にまで引き出され、前記ＬＥＤユニットモジュールにおける外側に位置する８つのＬＥＤチップのうち、前記基板の第１側辺と第２側辺に最も近い２行のＬＥＤチップにおける各行の２つのＬＥＤチップ間には、所定の間隔が隔てられていることを特徴とする請求項４に記載のＬＥＤユニットモジュール。
  6. 前記２行のＬＥＤチップにおける各行のＬＥＤチップは、１つの赤色ＬＥＤ及び１つの琥珀色ＬＥＤであることを特徴とする請求項５に記載のＬＥＤユニットモジュール。
  7. 複数の請求項１乃至請求項６の何れか１つに記載のＬＥＤユニットモジュールからなるＬＥＤユニットモジュールアレイを備えることを特徴とする発光装置。
  8. 前記ＬＥＤユニットモジュールアレイは、同心に設置された少なくとも１つの円環からなり、各円環において、反時計周り方向に沿って、各ＬＥＤユニットモジュールの回転角度は、等差数列であり、当該等差数列の公差の絶対値が６０°であることを特徴とする請求項７に記載の発光装置。
  9. 請求項７又は請求項８に記載の発光装置と、
    コリメータ装置アレイと、
    複眼レンズペアと、
    フォーカスレンズとを備え、
    前記コリメータ装置アレイにおけるコリメータ装置は前記ＬＥＤユニットモジュールアレイにおけるＬＥＤユニットモジュールと一対一で対応し、それに対応するＬＥＤユニットモジュールが発した光をコリメートし、
    前記複眼レンズペアは２つの複眼レンズを含み、前記コリメータアレイが出射した光を均光し、前記コリメータ装置のレンズアレイに遠く離れた複眼レンズにおける各マイクロレンズは正六角形であり、
    前記フォーカスレンズは前記前記複眼レンズペアが出射した光を所定の平面に収集することを特徴とする光源システム。
  10. 前記コリメータ装置アレイは、コリメータレンズアレイであり、各コリメータレンズは正六角形であり、且つ各コリメータレンズは互いに緊密に接続されていることを特徴とする請求項９に記載の光源システム。
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