JP6868016B2 - 照明システム及び光出力を生成する方法 - Google Patents

Description

本発明は、屋内照明システムに関する。

人々は、一般に、照明の主要光源として人工光よりも昼光を好む。誰もが私たちの日常生活における昼光の重要性を認識している。昼光は人々の健康と幸せにとって重要であることが知られている。

一般に、人々は自分の時間の90％以上を屋内で使い、自然の昼光から離れていることが多い。したがって、家庭、学校、店舗、オフィス、病室、バスルームなどを含む自然の昼光が不足している環境で、人工光で納得のいく昼光を作り出す人工昼光源の必要性がある。

市場の人工昼光源は、主に高輝度、調整可能な色温度、及びゆっくりとしたダイナミクス（昼／夜のリズム）に焦点を当てている。ディスプレイやフォイルを使用して天井に空の景色を作成することも知られている。

昼光をより忠実にエミュレートしようとする照明システムの重要な開発が行われている。

昼光の作用を作り出すために使用される現在の技術は、しばしば上に強いディフューザーを有する蛍光ソリューションに基づいている。このアプローチを使用して、調整可能な強度及び調整可能な色温度ソリューションを作成することが可能である。しかしながら、これらのソリューションの多くは、鮮明な影を提供する直接光がほとんどないため、現実的な昼光体験を提供しない。正に、良くエミュレートされていない自然の昼光の特徴の1つは、拡散光と直接光の関係である。直接光は鮮明な影を与え、拡散光はそれほど強くない。直接光成分と拡散光成分が組み合わされる場合、自然な昼光の印象がより強くなる。この問題は認識されており、例えば、青色の拡散光及び白色の直接光を用いて空の外観を含む、多くの昼光フィーチャをシミュレートする人工天窓(skylight)システムが提案されている。

例えば、ユーザが天窓を或る角度（典型的には典型的な天窓に対する視野角範囲である法線下方向から40〜90°オフセットしている）で見る場合に、青色（すなわち、晴天）の外観を作り出すが、天窓表面の法線から0〜40°の角度範囲、すなわち下方に主に白色の光を依然として放射することが提案されている。この白色光は機能的な照明を提供する。このアプローチは、以下の2つの主要な要素の組み合わせに基づいている。
（ｉ）均一な白色光の領域を生成するための面光源(area light source)、
（ｉｉ）出射窓に垂直な方向の面光源の白色光を変更せず通過させる一方、垂直方向から逸脱する方向に対して程度を増加することにより光をフィルタリングする、青色の管状グリッド。フィルタリングは、光を青くする。

面光源に関して、1つのアプローチは、光を成形するためにマイクロレンズ光学（MLO）プレートと組み合わせて均一な白色光源を生成するために、直接照明混合ボックス(direct lit mixing box)を使用することである。別のアプローチは、均一なバックライトを生成するために、アウトカップリング構造を有するエッジ照明ライトガイドを使用することである。

このアプローチの1つの問題は、広くは、使用される均一な面光源がかなり広いビーム(wide beam)を有し、結果として青色グリッドによって吸収されるビームの大部分を生じるので、光学効率が低い可能性があることである。その結果、これを補って所望の光レベルに達するようにLEDの過剰な設置を招く。この問題は、均一な面光源と、コリメートもされる光源の両方を生成することが困難であるために生じる。

別の問題は、白色光が、例えば約2×30°のおおよそのビーム幅で、非常によくコリメートされず、したがって、室内の直射日光の印象を与えないことである。

すべてのソリューションの追加の要件は、建物の構造を大幅に変更することなく既存の建物に取り付けられ得るように、システムの全体的な深さが限られることである。

したがって、照明器具へのグレージング角で見た場合に青色の外観を提供することができると共に、比較的高度にコリメートされた暖かい白色光出力が、照明器具の形状に対応する高度に均一なスポットを生成する、タスクライトのために提供される、照明システムデザインが必要である。限られた深さ、例えば10cm未満でもってこれらの目的を達成することができるシステムが必要である。

本発明は、請求項によって定義される。

本発明によれば、
ＬＥＤ、
ＬＥＤからビーム状出力を生成するためのＬＥＤの上のレンズ、
ビーム状出力を部分的にコリメートするよう構成されるコリメータであって、全反射フレネルレンズを含む、コリメータ、及び
法線に対して比較的大きな角度で青色光を供給するための青色光発生器、
を含み、
コリメータは、狭いコリメートされた比較的高い強度のビーム及び広い比較的低い強度のビームを含む出力を供給し、
青色光発生器は、コリメータの上のフィルタ構成(filter arrangement)を含み、フィルタ構成は、青色光を供給するため法線に対して比較的大きな角度のコリメータからの光をフィルタリングするよう構成され、
フィルタ構成は、法線に対して比較的小さな角度のコリメータからの光をフィルタリングしない、
照明モジュールが提供される。

この構成は、高度にコリメートされる、限られた深さ内の均一な面光源を生成する ことができる。これは、光効率を改善し、例えば、所与の領域に対してより少ないLEDの使用を（したがって、より大きなピッチで）可能にする。青色光は、法線に対して大きな角度で提供される。

「法線」とは、LEDの光出射面の平面に対する法線、すなわち、LEDの光軸を意味する。「法線に対して比較的大きな角度」とは、法線から離れている、例えば、法線から少なくとも40°又は少なくとも45°離れている（すなわち、法線よりもLED光出力面の平面に近い角度における）ことを意味する。これらは、照明器具がユーザによって直接見られる、急勾配(steep)のいわゆる「グレージング」アングルである。「法線に対して比較的小さな角度」とは、法線から離れている、例えば、法線から40°未満又は45°未満離れている（すなわち、LED光出力面の平面よりも法線に近い角度における）ことを意味する。

青色光発生器は、例えば、青色光を供給するため法線に対して比較的大きな角度におけるコリメータからの光をフィルタリングするよう構成される、コリメータの上のフィルタ構成を有し、フィルタ構成は、法線に対して比較的小さな角度におけるコリメータからの光をフィルタリングしない。このようにして、白色出力を有するLEDなどの単一の光源からの光が、コリメートされた白色光及びより大きな角度の青色光の両方を生成するために使用される。フィルタ構成は、法線方向に平行に延びる青色フィルタセルのアレイを含んでもよい。

LEDは、例えば、レンズ要素によって変換されるべきランバート強度分布(Lambertian intensity distribution)を持つ出力を生成する。これは、標準的なLEDパッケージが、他のビーム成形光学部品なしで用いられ得ることを意味する。例えば、 モジュールの出力強度は、バットウイング状の分布(batwing distribution)を持つ。これは、平面上に均一な照明を生成するために特に重要である。

レンズは、内面及び外面を含み、内面及び外面のうちの一方は、ビーム成形機能を提供するビーム成形面であり、内面及び外面のうちの他方は、パススルー機能を提供するパススルー面であってもよい。

このデザインでは、一方の表面はパススルー面として機能し、ビーム成形機能を全く又は実質的に行わない。真のパススルーモードは、実際には、LEDが点光源であると仮定される場合にのみ適用され、実際のLEDの有限のサイズは、パススルー面で屈折するいくつかの光線があろうことを意味することに留意されたい。しかしながら、その表面の光学的機能は、LED光源の近似である点光源から生じる光線に対するビーム成形を提供しないように本質的に最小化される。

ビーム成形面は、例えば、光軸に沿って放たれた光線が、少なくとも5°光軸から離れるように屈折され、光軸に対して90°に近い光線が、少なくとも5°光軸に向かって屈折されるように成形される。これは、バットウイングプロファイルを生成するのに必要な光学的機能である。

一例の組では、内面はビーム成形面であり、外面はパススルー面である。この場合、外面は、サイズを縮小するため内面の方にもたらされてもよい。これは、外面が追加の光学的機能を行わないので、内面が従来の手法によって設計され得ることを意味する。この場合、レンズは、バブルレンズを含んでもよい。

しかしながら、他の例の組では、外面はビーム成形面であり、内面はパススルー面である。この場合、内面は、サイズを縮小するため外面の方にもたらされてもよい。これは、内面が追加の光学的機能を行わないので、外面が従来の手法によって設計され得ることを意味する。この場合、レンズは、いわゆるピーナッツレンズを含んでもよい。ビーナッツレンズは、長さ方向に細長く、両端部に拡大部分があり、両端部をつなぐ中央に凹部がある。このようにして、LED光モジュールからの出射光ビームは、例えば、楕円形の周辺部の形状で細長く、その配光曲線(distribution curve flux)は、バットウイング形状である。レンズは、長軸について、また垂直軸についても対称であってもよいが、必ずしもそうである必要はない。

例えば、パススルー面は、階段状プロファイルを持ち、階段状プロファイルの段の各々は、蹴上げ部(riser portion)及び出力部を含み、蹴上げ部は、ＬＥＤの点出力から生じる光線方向と平行であり、出力部は、光線方向に垂直である。

階段状の面の使用は、レンズの厚さ、すなわち、内面と外面との間の厚さを減少させることができることを意味する。段差に起因する厚みのばらつきを無視すると、厚みは全体的に実質的に一定になるようにすることができる。

レンズの出力強度は、例えば、バットウイング強度分布を有する。

コリメータは、例えば、全反射（TIR）フレネルレンズを含んでもよい。これは、薄いプロファイルされたシートとして形成され得るよく知られたコリメータデザインである。レンズは、それらの間に階段状の不連続性を有する同じ曲率の一連の表面を含んでもよい。レンズは、各セクションにおいて異なる角度を有する一連の平坦な表面を含んでもよい。このようなフレネルレンズは、プリズムのアレイと見なされてもよく、これらプリズムは、端部に急なプリズムを備え、平坦又はわずかに凸の中央部分を備えるように配設されてもよい。プリズムは、同じ端部、平坦な面、及びその長さに沿った同じ断面を持つソリッドオブジェクトである。プリズムは多面体と考えることもできる。

コリメータは、狭いコリメートされた比較的高い強度のビーム及び広い比較的低い強度のビームを含む出力を提供してもよい。ここで、「比較的(relatively)」の用語は、狭いコリメートされたビームが、広いビームの強度に対して高い強度を有し、広いビームが、狭いコリメートされたビームに対して低い強度を有することを意味すると解釈される。コリメータは、コリメートされた光を生成するように設計される。迷光は、例えば、フレネル反射等のために通常存在する広いビーム照明を提供する。コリメーションの程度は、光ビームの相対強度を変化させ、例えば、近似ビーム角が10°である場合、近似ビーム角が50°である場合よりも高い強度を有するように見える。これは、より多くの光線が、10°の例においてより鋭い(tighter)ビーム内に存在するためである。コリメーションの程度は、プリズムの数、プリズム面の角度、又は隣接するプリズム間の距離を調整することによって変更されることができる。この迷光は、必要に応じて、白色塗面によってさらに増加させることができる。

照明モジュールは、広いビームの青色光出力を供給するためのコリメータの出力部における青色光源を含んでもよい。コリメータによって生成された光出力が非常に高度にコリメートされる場合、上述のようなフィルタ構成を使用して所望の青色効果を生成するためには急峻な角度で光が不十分である恐れがある。したがって、追加の光源が、急峻な角度の照明を増加させるために用いられてもよい。

代替的に、コリメータは、有色領域及び無色領域を含んでもよい。このコリメータは、フレネルレンズを備えてもよく、レンズは、プリズムのアレイを備えてもよい。レンズの中心領域に近いプリズムは、着色されずに、そのようなものとして、当該領域を通過する光に色を付与しなくてもよい。コリメータの端部に近いプリズムは、着色されてもよく、例えば、青色に着色されてもよい。これは、有色のプリズムを通過する光が、例えば、青色に着色され得ることを意味する。LEDの光出射面の平面の法線に対して大きな角度で見た場合のコリメータの外観は、端の周りで青く、中心に向かって白い領域を有してもよい。

本発明はまた、上述した照明モジュールを含む人工天窓を提供する。

本発明はまた、上述した照明モジュールにおける使用に適したフレネルレンズを提供する。

本発明の他の態様による例は、光出力を生成する方法であって、
ＬＥＤから光出力を供給するステップ、
ビーム状出力を生成するためレンズを用いて光出力をビーム成形するステップ、
ビーム状出力を部分的にコリメートするステップ、及び
法線に対して比較的大きな角度で青色光を供給するステップ、
を含む、方法を提供する。

青色光を供給するステップは、例えば、部分的にコリメートされたビーム状出力をフィルタリングし、これにより、青色光を供給するため法線に対して比較的大きな角度のコリメータからの光をフィルタリングし、法線に対して比較的小さな角度のコリメータからの光はフィルタリングしない、ステップを含む。

ビームを成形するステップは、例えば、バットウイング分布を生成するステップを含む。これは、部分コリメーション(partial collimation)のために用いられるコリメータの均一な面照明を提供するために使用される。

以下、本発明の例を添付の図面を参照して詳細に説明する。
既知のバットウイング強度分布を示す。 ピーナッツレンズの形状を簡略化した形態で示す。 バブルレンズの形状を簡略化した形態で示す。 既知のバブルレンズの内面及び外面の形状をより明確に示し、レンズを通る光線経路、出力における強度分布、及び表面上に投射された場合の強度分布を示す。 照明モジュールを示す。 図5の照明モジュールを通るビーム経路を示す。 変形されたバブルレンズの第1の例の内面及び外面の形状を示し、レンズを通る光線経路、出力における強度分布、及び表面上に投射された場合の強度分布を示す。 光学的に不活性な表面を有するバブルレンズの第2の例の内面及び外面の形状を示し、レンズを通る光線経路、出力における強度分布、及び表面上に投射された場合の強度分布を示す。 光学的に不活性な表面を有するバブルレンズの第3の例の内面及び外面の形状を示し、レンズを通る光線経路、出力における強度分布、及び表面上に投射された場合の強度分布を示す。 バブルレンズについて段差部の形状をより詳細に示す。 ピーナッツレンズについて段差部の形状をより詳細に示す。 適切な急峻な角度の光を確保するためのコリメータからの修正された出力を示す図である。 人工昼光天窓として形成される照明システムを示す。 照明モジュールでの使用に適したフレネルレンズの断面を示す。

本発明は、ＬＥＤ、ＬＥＤからビーム状出力を生成するためのＬＥＤの上のレンズ及びビーム状出力を部分的にコリメートするよう構成されるコリメータを持つ照明モジュールを提供する。青色光が、法線に対して大きな角度で、例えば、法線に対して比較的大きな角度のコリメータからの光をフィルタリングするよう構成される、コリメータの上のフィルタ構成を用いて提供される。フィルタ構成は、法線に対して比較的小さな角度のコリメータからの光をフィルタリングしない。斯くして、照明モジュールは、法線方向に白色のタスクライトを提供し、急峻な角度で青色のアンビエントライトを提供する。全体的なシステムは、コンパクトにでき、照明効率を良くすることができる。代替例は、有色領域及び無色領域を含むコリメータを提供することである。着色された領域は、着色されたプリズムのアレイを含んでもよく、これらの着色されたプリズムは、端部に最も近いコリメータの領域を形成する一方、コリメータの中央領域を形成するプリズムは、非着色であってもよい。これは、コリメータの中央領域を通過する光がLEDによって放射されるのと同じ色のままであり得る一方、着色された領域を通過する光が着色され得ることを意味する。

本発明は、面にわたって均一な光出力を生成するための光学システムと、光出力を少なくとも部分的にコリメートするコリメートユニットとの組み合わせに基づく。好ましい例では、（部分的に）コリメートされた光出力は、急峻な角度で所望の青色効果を生成するためにフィルタ構成を通される。代替的に、他の例では、コリメータは、急峻な角度で所望の青色効果を生成するために、端部の近くに青色領域を含む。

表面エリアの均一な照明を達成するための1つの既知のアプローチは、（広ビーム強度分布(wide beam intensity distribution)とも呼ばれる）いわゆるバットウイング強度分布を使用することである。「バットウイング」という用語は、極座標プロットにおける強度分布の非常に尖った形状(highly peaked shape)を指す。

図1は、極座標プロットとしてのバットウイング強度分布の一例を示す。この例の2つのウイング10,12は、法線の各側で60°のピーク強度を有し、その目的は、完全な120°の範囲にわたって均一な表面照明を提供することである。単位角度当たりに照射される表面積が急激に増加するため、強度はグレージング角度においてより高い。

リング14は、垂直方向の光強度である。回転対称の光分布の場合、これはバットウイング分布でもある。線状光源の場合、これは、例えば円（すなわち、ランバート）分布である。

LEDから所望のバットウイングプロファイルを作り出すために、光学部品が、ランバート点光源に適用するよく知られたコサイン４乗測（これにより、照度は、cos⁴θの関数に従って落ちる）を補償するために必要とされる。従って、光学設計は、LED出力強度からのランバート強度分布をバットウイング分布に変更する必要がある。

バットウイングの光分布は、例えば、最大140°のビーム角度でさえ、平坦な表面の均一な照明を可能にする。このような配光、したがってレンズ設計は、例えば、街灯、駐車場及びウォールウォッシャアプリケーションに用いられ得る。これらの例では、バットウイング分布は、ファーフィールドの平面をターゲットにしている。照明される面は、照明モジュールの寸法よりもはるかに大きな距離に位置する。しかしながら、配光は、例えば、照明器具の出口窓など照明器具ハウジングの内部を照らすため、短距離照明のために適用されてもよい。これは、空間的に均一な発光パネルを作り出すであろう。

発光パネルの空間的均一性を高めるための既知の代替的なアプローチは、光ガイド上のよく設計された白色のペイントドットパターン又はケーシングの内側における反射マットの白色表面を用いる広範な散乱によるものである。散乱ベースのソリューションは、典型的には、効率及び／又はフォームファクタを犠牲にして高い空間均一性を可能にする。さらに、出射窓での配光は、表面の各位置においてランバート分布に限定されるが、バットウイングデザインを有する光学素子が、代わりに、既知の方向、すなわち、光源位置からの各位置に一定の光束を割り当ててもよい。これにより、出射窓位置でのさらなるビーム成形が可能になる。

ランバート強度分布をバットウイング強度分布に変化させることができるレンズの2つの既知のデザインがある。

第1の例は、図2に示されるいわゆるピーナッツデザインであり、第2の例は、図3に示されるいわゆるバブルオプティックである。ピーナッツレンズは、両端に拡大部分を有する細長い外形を有し、細長い出力プロファイルを生成するが、バットウイング強度プロファイルを有する。バブルオプティックは、本質的にドーム形状の外面を有する。

形状の違いは、光線偏向面の選択によって決定される。ランバート分布をバットウイングに変化させる表面は、ピーナッツオプティックの場合は外側レンズ面であり、バブルオプティックの場合は内面である。

図4は、既知のバブルレンズデザインを示す。図4（a）は、レンズ45の断面の形状を示している。レンズ45は、内面40及び外面42を有する。LED44は、内面の真下の空隙に取り付けられる。レンズは、ポリカーボネート（PC）又はポリ（メチルメタクリレート）（PMMA）等の屈折率の適切な材料から形成される。他の可能な材料は、シリコン、ポリエチレンテレフタレート（PET）、ポリエチレンナフタレート（PEN）、及び環状オレフィンコポリマ（COC）である。

内面40は、主レンズ機能を果たし、図示されるように、法線に近い光線は、法線から離れるように曲げられ、側方の光線は、法線に向かって曲げられる。これは、バットウイングプロファイルを定める。一例として、ビーム成形面は、光軸に沿って放射された光線が、光軸から少なくとも5°又は少なくとも10°屈折され、光軸に対して90°に近い光線は、少なくとも5°又は少なくとも10°だけ光軸に向けて屈折されるように成形される。

この従来のバブルオプティックデザインでは、外面42は、半球によって近似され得るように十分大きな距離に位置付けられ、ある限定された追加のビーム成形を行う。

図4（b）は、バットウイング強度プロファイルを示す。

図4（c）は、照明の円が半径10.7cmで形成されるようなLEDからの距離における平面上の強度分布を示す。実施された分析のために、光源から5cmに配置された平面受信機を備えた100lmのLEDパッケージが使用され、遠距離場受信機が、強度分布を計算するために使用された。光学的に活性な表面40は、5cmの距離で130°の全角まで平面受信機を均一に照明するように、すなわち、半径10.7cm（=5cm×tan65°）の均一に照らされる円形スポットを生成するように設計されている。均一照度値は、2770ルクス（＝スポット面積で割った100lm）となる。

実際には、全領域にわたって照明があるが、異なる半径に異なる強度のバンドがある。これは、図4（c）の画像において異なる陰影によって示されている。光強度分布は、図4（c）の鍵(key)の役割を果たす図4（d）に示されている。

図4（c）の各陰影の深さは、図4（d）の左側にプロットされ、図4（d）の右側は、その特定の強度値を有する照明された表面のピクセルの数の尺度を提供する。x軸はカウント値であり、y軸は輝度値である。例えば、完全に一様に照明される領域の場合、1つの特定の光強度に対して1つのピークのみが存在し、カウントはピクセルの全数になる。

図4（d）に見られるように、強度値の範囲と、2つの一般的なピーク（約4000ルクスと2800ルクス）がある。

本発明は、図4に示される一般的なタイプのレンズを、コリメータ及び青色フィルタ構成と組み合わせたシステムを提供する。図5は、照明システムを示す。照明システムは、LED44、及びプリコリメータとして機能する図4に示される一般的なタイプのレンズ45を含む。第2のコリメータ50の表面が照らされ、よりコリメートされた出力を供給する。第2のコリメータ50の出力側には、青色フィルタ56のグリッド54がある。

レンズ45は、上述のタイプの概してドーム形状のレンズであり、第2のコリメート要素50を概して均一に照らすように、光源44から放射された全ての光線をリダイレクトする。この第1の要素45を使用することにより、均一な外観を提供するために光源の数を減らすことが可能になる。

第2のコリメート要素50は、直射日光を模倣するように全ての光線をコリメートする。一例では、第2のコリメート要素は、全反射（TIR）フレネルレンズを含む。システムをシミュレートするために使用された例では、ピーク強度は2500cd/m²であり、ビーム角（半値全幅）は0.64°であり、画角（1/10値全幅(full width tenth maximum)）は1.8°である。

実際の昼光の経験のため、ピーク強度はできるだけ高く、ビームと画角はできるだけ小さくすべきである。

直射日光は、約0.5°の全幅を有し、1.6×10⁹cd/m²ほどの明るさであり得る。最低限の日光の経験を達成するため、少なくとも（平均的な曇天の輝度に等しい）2000 cd/m²及び20°のビーム角度が必要である。

材料吸収及びフレネル反射を無視すると、光学効率は100％である。

グリッド54は、青色の外観がこれらのグレージング角度から得られるように急峻な角度の光線をフィルタリングする。角度が急になればなるほど、より多くの青色フィルタが光の経路にあるので、フィルタリングの効果は角度の関数である。

使用可能なグリッドのタイプは、国際出願公開WO 2012／140579号に詳細に述べられている。

フィルタは、（半）透明の青色材料からなる壁を有するセル構造(cellular structure)である。セルの壁に平行でない光源からの（すなわち、コリメータから来る）光は、セル壁を通過し、スペクトルの非青色成分を除去（すなわち吸収）することによって部分的にフィルタリングされる。より大きな角度でコリメータを出る光は、複数のセル壁を通過し、したがって、よりフィルタリングされる。したがって、透過光は、より大きな角度でより青みがかったものとなる。

グリッドは、典型的には、規則的な構成であり、例えば、垂直壁を有するセルの六角形アレイ又は矩形アレイである。セルは、円形、六角形、正方形などの異なる形状を持つことができ、典型的には両端で開いている。

半透明壁に対する変形は、不透明な青色の壁を有する同様のグリッド構造である。セル壁に入射するコリメータから来る光の青色成分は、壁によって反射（鏡面又は散乱）され、非青色スペクトル成分は吸収される。

図5は、六角形セル構造の形態のグリッド構造の一例を示す。フィルタ56は、セル壁の厚さ"th"を持ち、長さL（すなわち、グリッドの厚さ）及びピッチpを有する。一例として、長さLは10mm程度（例えば、5mm〜20mmの範囲）であり、ピッチpは約7mm（例えば、5mm〜20mmの範囲内）であってもよい。壁厚"th"は、約0.5mmであってもよい。

図6は、レンズ45及び第2のコリメート要素50を通るビーム経路を示す。

光がエテンデュ保存デザイン(etendue conserving design)を用いて偏向され、発光面（第2の要素50）の表面積が、例えば、（1mm²のLED面積及び半径10.7cmの照射領域に基づいて）LEDの表面積よりも3.6×10⁴倍大きい場合にコリメーションの度合いは並外れて大きくなり得る。

この並外れたコリメーションの度合いは、直射日光を模倣するアプリケーション要件に適合し、青いグリッドによって引き起こされる損失を最小限に抑える。

このソリューションのシンプルなタイリング(tiling)が、より大きく均一な、コリメートされた光源の作成を可能にする。潜在的なタイリングアーチファクトを軽減するために、（典型的には10°未満のディフューザ角度を持つ）適度に制御されたディフューザが付加されることができる。これは、タイリングアーチファクトを隠すと同時に、コリメーションをほんの僅かだけ低下させる。

全体的なデザインにより、アレイ内のLEDの数を減らすことができる。適切なLEDのピッチは、LED44の平面とコリメータ50の平面との間の高さの間隔をhとし、φを（法線の一方の側への）レンズの最大抽出角度とすると、2×h×tanφと見積もられることができる。この高さhは、例えば、10〜200mmの範囲であり、φは、45°〜75°の範囲である。この場合、ピッチは、20mm〜1500mmの範囲である。

システムのサイズを縮小するために、図4のデザインは、（図4では外面42であるが、デザインに応じて内面又は外面であってもよい）光学的にそれほど活性でない表面を光学的に活性な面40にできる限り近くすることにより変形されてもよい。

図7は、図4のデザインに基づくバブルレンズの第1の変形例の内面及び外面の形状を示し、図4と同じ情報を示す。

図7において、バブルオプティックは、厚さが減少した半球状のドームを有する。LEDの真上の厚さは、例えば0.8mm、0.6mm又は0.5mmのように、1mm以下に縮小される。

内面は、再び主要な光学機能を提供する。図示されているように、外面も同様に、あるレンズ機能を果たす。

図7に示されるように外側の半球面のサイズを単純に小さくすると、ビームスポットの外径にさらに顕著なピーク光分布を生じる。したがって、サイズの縮小は、劣化する光ビーム成形機能を犠牲にして成り立つ。

図7（d）はまた、かなり広い範囲の光強度が存在し、したがって全体的な光強度がそれほど均一でないことを示している。

図8は、より明確に光学的に不活性な外面を有するバブルレンズの第2の変形例の内面及び外面の形状を示し、レンズを通る光線経路、出力における強度分布、及び表面上に投射された場合の強度分布を示す。図8はまた、所望の光学的に不活性な表面を提供するために、外側形状が半球形状からわずかに円錐形状に変換されていることを示す。

光学的に不活性な外面を作成するために、表面は、（LEDが点光源であり、ゆえに、外面の各位置を通る光線方向が1つしかないと仮定し）各位置で光線進行方向に垂直である。

外面の形状を定めるために、形状は、光線がこの面を偏向なく横切るように選択される。このために、光線が外面にどの角度で入射するかが計算され、それに応じてその位置での面の向きが計算される。

光抽出面側では、抽出面(extracting surface)42が集光面(collecting surface)40から十分に離れている場合、光線は、内面とは対照的に、単一の点から来るものとして近似されることができる。

外側抽出面42を近づけることによって、この近似を補正する必要が生じる。これにより、図8の円錐形状の外面42が生じる。したがって、内側集光面40は、依然として点光源近似によって近似されることができる。

円錐面は、材料の体積を、あるポイントでレンズの厚さが例えば1mmの最小値に達したときある限界まで減少させることができる。この最小のレンズ厚さは、図8において光軸に位置するように見られる。

図8（d）は、このデザインが約2800ルクスに本質的に1つのピークを有する、より均一な配光を可能にすることを示している。

内面40は、50mmの距離で65°まで均一なように、ランバートエミッタからの光線を平面スクリーンに偏向させる。レンズ要素45の高さ及び幅はそれぞれ10mm及び18mmであり、光源の径は1mmとして選択される。

レンズ体積の更なる縮小は、例えば、レンズ領域全体にわたって同じ最小厚さを適用することによってレンズ体積を減少させることによって可能である。第2の表面42における無光学的効果(no optical effect)を維持しつつ大きさをさらに低減することを可能にするために、外面は、もはや平滑な表面ではないように適合される。代わりに、一連のファセットを有する階段状のプロファイルで形成される。

第1の例が図9及び図10に示されている。図9は、段差面がバブルレンズに適用された場合の内面及び外面の形状を示し、再び、レンズを通る光線経路、出力における強度分布、及び表面上に投影された場合の強度分布を示す。図10は、階段状の面をより詳細に示している。

階段状プロファイルの段の各々は、蹴上げ部及び出力部を含み、蹴上げ部は、ＬＥＤの点出力から（すなわち、ＬＥＤの出力を表すと仮定される点光源から）生じる光線方向と平行であり、出力部は、該光線方向に垂直である。斯くして、蹴上げ部は光の方向に平行であるため光が当たらず、出力部は垂直な関係に起因して光を曲げない。

内面40は、入射光度及び目標光度によって完全に決定される。一般に、入射強度はランバートであり、コサイン依存性を有する。バットウイング分布のため、内面40は、0°で放射された光線が光軸から離れるように屈折する一方、90°に近い光線は光軸に向かって屈折するように成形される。その結果、光学的アクティビティ（視度(dioptric power)）がほぼゼロである表面位置が常に存在する。このような光線記述が、内面形状を決定する。

外面42に適用される階段状プロファイルは、総レンズ体積を最小限にするためである。これは、出射光線に平行な各ファセット要素を内面に向かってできる限り近くにシフトすることによって実現されることができる。外面は光学的アクティビティがないので、ドラフトファセット（各段の直立部分）は光線と平行のままであり、光束を集めることができず、効率的なデザインになる。

外面42が進行する光線に対して垂直である限り、各段のドラフトファセットが光線と完全に平行に向けられるので、内面と外面との間の距離を減少させることが可能である。

図9及び図10のデザインでは、レンズの周りの各位置において、内面と外面との間の全般距離(general distance)が、必要な材料の量を減らすために最小距離まで減少される。厚さはやはり1mm以下、例えば0.8mm未満又は0.6mm未満であってもよい。このデザインはベル形状のレンズと考えられてもよい。

図9（d）は、単一の強度ピークが保たれ、ゆえに、比較的均一な出力照明が維持されることを示している。

上述したように、図9のデザインは、階段状のレンズ表面を利用する。これは、図9のレンズデザインについて図10において誇張された形態で示されている。

図10は、ファセット80の組をより明確に示し、蹴上げ部81及び出力部82を示す。蹴上げ部81は入射光線方向に平行であり、出力部はその光線方向に垂直である。

階段状表面の離散化は、集められるルーメン(collected lumen)に基づく。

ファセットが十分に短い場合、ファセットは、光学性能に大きな影響を与えることなく、直線状、すなわち平面状であり得る。代わりに、ファセットは、より粗いグリッドが選択される場合、局所的な曲率が図6における階段状でない円錐面形状によって定められるように湾曲されてもよい。任意の所望の離散化レベルが選択されてもよい。

一例として、10及び500段の間、例えば20及び400段の間、例えば20及び200段の間であってもよい。段は、レンズの周りの輪郭に従う。段は、例えば（回転対称デザインのための）環状円、又は楕円若しくはより複雑な形状（例えば、ピーナッツレンズ形状の周りの経路）である。一般的には、10段以上、より好ましくは20段以上、さらに好ましくは50段以上であってもよい。

滑らかな表面の表面忠実度は、従来の製造技術について、階段状表面の表面忠実度より高い。従って、階段状表面デザインは、表面品質に対する材料コストとサイクル時間との間のトレードオフにおいて異なる最適値を有する。離散化の異なるレベルは、レンズ形状の体積と製造の容易性／精度との間に異なるトレードオフを与える。

限界では、デザインは、必要最小限の厚さで材料の量を最小限に抑えることを可能にする。例えば、内面及び外面の全領域にわたる内面と外面との間の最大厚さは、最小厚さの3倍未満又は2倍未満であってもよい。したがって、比較的一定の厚さが提供される。厚さの変化は、全般的な全体的形状からではなく、階段状の特徴からのみ生じ得る。したがって、段を平均化して、それらが一定の厚さの領域になるようにすることによって、全体的なデザインの厚さが一定になる。したがって、各段は同じ平均厚さが生じる、又は、各段の平均厚さはレンズ全体の平均厚さから25％未満だけずれ、若しくは、該平均厚さから10％未満だけずれる。

図9及び図10に示されるのと同じアプローチが、図11に示されるようにピーナッツレンズに適用されてもよい。

図11は、ドーム状の外面を有する1つの拡大部分を示す。レンズは、図11の垂直軸の周りに対称であり、ゆえに、他方の側に同様の拡大部分があり、図示の断面は、長さ方向の対称軸を通過する垂直面である。このタイプのいわゆるピーナッツレンズのさらなる詳細は、例えば、米国特許第US 8293548号に述べられている。「ピーナッツレンズ」という用語は、一般に、ピーナッツ形状、すなわち、細長い長さ方向の各端に1つずつ、2つの拡大部分を有する形状を指す。

図10と同様に、図11はファセット80の組を示し、蹴上げ部81及び出力部82を示す。蹴上げ部81は入射光線方向に平行であり、出力部はその光線方向に垂直である。ファセット面は内面40であり、上述したのと同じように厚さの均一性を達成するために外面42の方にもたらされる。

上記の例は、所望のバットウイング出力強度分布が維持されていることを示している。

上記のバブルレンズデザインはすべて、法線（光軸）方向について回転対称であると仮定されていることに留意されたい。したがって、レンズはLEDの周りに円形のベースを有し、フレネルプレートは回転対称のプレートである。しかしながら、円形デザインは必須ではない。例えば、同じアプローチが、押出対称デザイン、すなわち、線状光源(line source)に採用されてもよい。ピーナッツレンズデザインも完全に回転対称ではない。

光学構成は、高度にコリメートされる光源を生成するように設計されてもよい。しかしながら、これは、ほとんどの光がフィルタグリッドを変更されずに通過することを意味し、ある角度の下で照明器具を見る場合、青色光の光レベルが低すぎるので、その効果は暗い空のものとなる場合があるかもしれない。

この潜在的な問題に対処するにはいくつかのオプションがある。

コリメータ50は、図12に示されているように、ビームがより広く、又は大きな低レベルのテイルを有するように設計されてもよい。

代替例は、青（空）成分用の第2の光源を追加することである。これは、散乱粒子を含む端部照明の透明光ガイドであり得る。光ガイドは、光源として青色LEDを用いてコリメータ50の前に配置されることができる。コリメートされた光は、（光ガイドの厚さのみを横切るため）光ガイドを通過するときにほとんど影響を受けない。青色のエッジLEDからの青色光は、全方向に均一に青色のエリア光をもたらすように、全方向に光ガイド全体にわたって均一に散乱される。

法線方向の青い部分は、直接的な白色照明によって実質的に排除されるが、より大きな角度で見えるようになる。これにより、空と太陽の成分を独立して制御できるという追加の利点がある。LEDの他の色が、もちろん、異なる色の空（例えば、日没、日の出...）を作成するために使用されてもよい。

レンズは、例えば、光源の直径Dに応じて選択される寸法を有する。例として：
光軸における光源と集光面との間の距離は、典型的にはDの1〜20倍の範囲にあり、
レンズの高さは、典型的には、Dの1〜20倍に最小レンズ厚さを加えた範囲にあり、
レンズの幅は、典型的には、レンズの高さ（Dの1〜20倍）の0.5〜3倍の範囲にあり、Dの0.5〜60倍を生じる。

これらの寸法は、LEDが理想的な点光源ではないという事実を考慮する。例えば、LEDの光出力面積は、1mm×1mm（すなわち、D=1mm）であってもよい。集光面（表面40）までの距離を1mmと20mmとの間に維持することにより、光出力機能は、LEDの非点サイズにもかかわらず維持される。この範囲の上限は、より良好な光学性能を生じさせるが、範囲の下限は、材料の減少及び小型化のためのより良好な機会を与える。

一例として、階段状デザインでは、蹴上げ部がLED光源から離れているほど、光の角度範囲は所望の平行方向に近づく。同様に、光出力部がLED光源から離れているほど、光の角度範囲は所望の垂直方向に近づく。

これはLEDサイズの一例に過ぎない。例えば、Dは、典型的には、0.2mm〜5mmの範囲にある。

本発明は、人工天窓照明器具にとって特に重要である。図13は、埋込型天窓又は埋込型人工天窓の形態の照明パネル90を示す。照明パネル90は、昼間の窓の印象を与えるために、天井92内に埋め込まれるか、天井と面一に取り付けられてもよい。フルモジュールは、好ましくは、追加のくぼみを必要とせずに天井の一部として取り付けられ得るような厚さを有する。フルモジュールは、10cm未満の厚さを有してもよい。パネル領域を作成するために、各々が上述した光学システムを有するLEDのアレイが用いられてもよい。

図14は、フレネルレンズ50の断面を示しており、レンズの外側領域のプリズム51は着色されてもよく、レンズの中央のプリズム52は着色されなくてもよい。中央領域を通過する光は、LEDによって放射されるのと同じ色のままであり、着色されたプリズムの外側領域を通過する光は着色されてもよく、好ましくは、光は青色になってもよい。

照明器具は、下方に光を放射するように水平に配向されてもよいが、これは必須ではない。照明器具は、異なる向きで取り付けるためのものであってもよい。

開示された実施形態に対する他の変更は、図面、開示、及び添付の特許請求の範囲の研究から、クレームされた発明を実施する際に当業者によって理解され、達成され得る。特許請求の範囲において、「含む（comprising）」という単語は他の要素又はステップを排除するものではなく、不定冠詞「a」又は「an」は複数を除外しない。特定の手段が相互に異なる従属請求項に列挙されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用できないことを示すものではない。特許請求の範囲内のいかなる参照符号も、範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

Claims (11)

1. ＬＥＤ、
   前記ＬＥＤからビーム状出力を生成するための前記ＬＥＤの上のレンズ、
   前記ビーム状出力を部分的にコリメートするよう構成されるコリメータであって、全反射フレネルレンズを含む、コリメータ、及び
   法線に対して比較的大きな角度で青色光を供給するための青色光発生器であって、該比較的大きな角度は、前記法線から離れる方向に４０°より大きい、青色光発生器、
   を含み、
   前記コリメータは、狭いコリメートされた比較的高い強度のビーム及び広い比較的低い強度のビームを含む出力を供給し、
   前記青色光発生器は、前記コリメータの上のフィルタ構成を含み、
   前記フィルタ構成は、青色光を供給するため前記法線に対して前記比較的大きな角度の前記コリメータからの光をフィルタリングするよう構成され、
   前記フィルタ構成は、前記法線に対して比較的小さな角度の前記コリメータからの光をフィルタリングせず、該比較的小さな角度は、前記法線から離れる方向に４０°より小さい、照明モジュール。
2. 前記フィルタ構成は、前記法線の方向に平行に延びる青色フィルタセルのアレイを含む、請求項１に記載の照明モジュール。
3. 前記ＬＥＤは、ランバート強度分布を持つ出力を生成する、請求項１又は２に記載の照明モジュール。
4. 前記レンズは、内面及び外面を含み、前記内面及び前記外面のうちの一方は、ビーム成形機能を提供するビーム成形面であり、前記内面及び前記外面のうちの他方は、パススルー機能を提供するパススルー面である、請求項１、２又は３に記載の照明モジュール。
5. 前記ビーム成形面は、光軸に沿って放たれた光線が、少なくとも５°該光軸から離れるように屈折され、該光軸に対して９０°に近い光線が、少なくとも５°該光軸に向かって屈折されるように成形される、請求項４に記載の照明モジュール。
6. 前記内面は、前記ビーム成形面であり、前記外面は、前記パススルー面であり、前記レンズは、バブルレンズを含む、請求項４又は５に記載の照明モジュール。
7. 前記パススルー面は、階段状プロファイルを持ち、前記階段状プロファイルの段の各々は、蹴上げ部及び出力部を含み、前記蹴上げ部は、前記ＬＥＤの点出力から生じる光線方向と平行であり、前記出力部は、前記光線方向に垂直である、請求項４、５又は６に記載の照明モジュール。
8. 前記レンズの出力強度は、バットウイング状の分布を持つ、請求項１乃至７の何れか一項に記載の照明モジュール。
9. 前記青色光発生器は、広いビームの青色光出力を供給するための前記コリメータの出力部における青色光源を含む、請求項１乃至８の何れか一項に記載の照明モジュール。
10. 請求項１乃至９の何れか一項に記載の照明モジュールを含む人工天窓。
11. 光出力を生成する方法であって、
    ＬＥＤから光出力を供給するステップ、
    ビーム状出力を生成するためレンズを用いて前記光出力をビーム成形するステップ、
    全反射フレネルレンズを用いて前記ビーム状出力を部分的にコリメートするステップ、
    法線に対して比較的大きな角度で青色光を供給するステップであって、該比較的大きな角度は、前記法線から離れる方向に４０°より大きい、ステップ、
    青色光を供給するため前記法線に対して前記比較的大きな角度のコリメータからの光出力をフィルタリングするステップ、及び
    フィルタを介してフィルタリングされない前記法線に対して比較的小さな角度の前記コリメータからの光出力を通過させるステップであって、該比較的小さな角度は、前記法線から離れる方向に４０°より小さい、ステップ
    を含む、方法。

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