JP5855314B2 - Ledおよび円柱レンズを有する照明装置 - Google Patents

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Description

本発明は、モジュール面にわたって分散された複数のLEDを有する少なくとも1つのモジュールを含む照明装置に関しており、このモジュールの長手方向には複数のLEDが1つの列に配置されており、上記の長手方向に対して垂直な、モジュールの横方向に、上記の複数の列が並んで配置されており、上記のLED照明装置には、LEDから放射される光を集束するための光学系が含まれている。
WO 2012/031703 A1には、チップオンボードモジュール用の製造方法が記載されており、ここでは複数のLEDを有するプレート状の支持体が基板に含まれており、この基板の表面には、オープンモールドにおいてこれを覆うように、光学系を形成するための層が設けられている。
本発明の課題は、定められた構造において均一な照度を達成することができるLED照明装置を提供することである。
この課題は、モジュール面にわたって分散された複数のLEDを有する少なくとも1つのモジュールを含む照明装置によって解決され、
このモジュールの長手方向には複数のLEDが1つの列に配置されており、
上記の長手方向に対して垂直な、モジュールの横方向に、複数の上記の列が並んで配置されており、
上記のLED照明装置には、これらのLEDから放射される光を集束するための光学系が含まれており、
この光学系には、長手方向に延在する少なくとも1つの第1の円柱レンズが含まれており、
上記の複数の列のうちの第1の列にある複数のLEDのうちの少なくとも一部のLEDの光は、上記の第1の円柱レンズにより、目標面上の1つのラインに集束される。
少なくとも複数のLEDにわたって延在する円柱レンズを使用することにより、効率的かつ少ない部材で、個々のLEDの光を均一に集束することができる。
本発明においてモジュールとは、複数のLEDの位置固定の任意の配置構成のことである。上記のモジュール面とは、全LEDを接続する面のことである。このモジュール面は、本発明において湾曲を有することも可能であり、例えば、横方向のドラム缶状の湾曲を有することも可能である。しかしながらこのモジュール面は有利には平坦である。
上記のモジュールは一般的に有利には、集積されたチップオンボード(COB=Chip On Board)モジュールとして構成されるが、必ずしもそうでなくてもよい。ここでは、LEDおよび場合によって存在する別の電子部材は、平坦な支持体上に配置される。
極めて一般的にいえば、本発明による照明装置は、殊に長手方向に任意の長さで延在することが可能である。横方向における長さはもっぱら、上記の目標面上のラインの個数、出力および輝度についての要求に依存する。横方向における長さについては、必要な長さに応じて、複数のモジュールを直に相前後して配置することができる。このことは、場合によっては使用される光学系にも同様に当てはまる。
一般的に有利な本発明の実施形態において、上記の光学系には、上記の長手方向に延在する少なくとも1つの第2の円柱レンズが含まれており、上記の複数の列のうちの第2の列にある複数のLEDのうちの少なくとも一部のLEDの光は、第2の円柱レンズにより、目標面上の1つのラインに集束される。これにより、モジュールの複数のLEDからなる複数の列を集束することができ、上記の光の1つずつの大きなビーム角を上記の横方向にも捕捉して伝送することができる。
有利ではあるが、必ずしもそうでなくもよい詳細な実施形態において、第1の円柱レンズおよび第2の円柱レンズは、上記の光を目標面上の同じラインに集束する。これにより、この目標面において殊に大きな輝度が得られる。このラインに沿った光の強度の均一性は、容易にさらに改善することでき、これは、例えば、2つの列の複数のLEDを上記の長手方向に互いにずらして配置することによって行われる。これとは択一的にまたはこれに補足的に、集束側の光学系の手段によって均一性をさらに最適化することができる。
本発明の有利な実施例において、上記の光学系には、放射された光を集束するための1次光学系が含まれており、この1次光学系には、上記のLED上に直接配置される複数のレンズが含まれている。このような1次光学系により、LEDによって多くの場合に大きな角度で放射される光の、殊に大きな立体角を伝送することができる。例えば、この1次光学系は、それぞれ1つのLED上に配置される複数の集束レンズとすることができる。基本的には上記の円柱レンズも1次光学系の構成部材とし、複数のLED上に直接配置することも可能である。
集束レンズまたは円柱レンズとは択一的またはこれに補足して上記の1次光学系は複数の反射器を含むことも可能である。これらの反射器は、LEDの直横に配置されており、伝送される光の有効立体角領域をさらに改善する。上記の反射器は、例えば、1つずつのLEDに割り当てられる回転対称の反射器とすることが可能である。
有利な発展形態において、上記の1次光学系は、モジュール上に載置される透明のポリマ層として形成されており、このポリマ層は、少なくとも複数のLEDを一体的に覆う。このようなポリマ層は、例えばWO 2012/031703 A1に記載されたタイプの光学系にしたがって構成することが可能である。この際にはLEDモジュールは、オープンモールドにより、UV耐性のシリコーンによって覆われる。
1次光学系の有利な発展形態において、上記のLED上に配置されるレンズは、LEDの中心に対し、上記の横方向に、側方のずれを伴って位置決めされている。これにより、上記の目標面のラインが、上記の列のLEDの幾何学的な放射方向にない場合に、横方向の大きなビーム角を良好に集束することができる。したがって有利な発展形態では、例えば、上記のLED列が横方向に上記のラインから遠くに離れるほど、上記のずれを大きくすることができる。殊に幾何学的な放射方向が上記のラインに交わる中央のLED列が存在することができ、この列の1つまたは複数のレンズはずれを有しない。
上記のLEDから放射される光の少なくとも50%は有利には、470nmよりも短い波長領域にある。これにより、上記の照明装置を少なくとも主にUV放射器として設計可能である。本発明による上記の特徴をさらに組み合わせることにより、このUV放射器をフレキシブルに技術的な装置に、例えば印刷装置に組み込むことができる。
これとは択一的に上記のLEDから放射される光の少なくとも50%は、780nmよりも長い波長領域にある。これにより、上記の照明装置を少なくとも主に赤外放射器として設計可能である。本発明による上記の特徴をさらに組み合わせることにより、この赤外放射器をフレキシブルに技術的な装置に、例えば印刷装置に組み込むことができる。
本発明の殊に有利な実施形態において上記の光学系には2次光学系が含まれており、この2次光学系は、モジュールから空間的に離間して上記の光のビーム路に配置されている。1次光学系の概念と区別するため、本発明において2次光学系とは一般的に、上記のLEDに直に載置されていない光学系のことである。したがって2次光学系を含むが、1次光学系を含まないかまたはその逆である実施形態も考えられる。殊に有利な実施形態では、1次光学系も2次光学系も共に上記の照明装置のビーム路に配置され、これによって大きくかつ均一な放射照度で、極めて小型の設計が得られる。
有利かつ詳細な実施形態において上記の2次光学系は、透明基板上の透明のポリマ層として形成される。この2次光学系は、WO 2012/031703 A1に記載されたタイプの光学系にしたがって作製することができ、ここではLEDモジュールの代わりに透明基板、例えばガラスが、オープンモールドにより、UV耐性のシリコーンで覆われる。
殊に有利かつ詳細な実施形態では、上記の円柱レンズが2次光学系に形成され、これによってLEDから放射される光の上記のラインへの均一な集束が殊に効率的に行われる。ここで殊に有利には2次光学系は、1つの平面内に並んで配置される複数の円柱レンズを含み得る。これにより、円柱レンズはそれぞれ、上記の複数のLEDからなる複数の列のうちの1つの列の光を集束し、または並んで配置されている複数の列の光も集束するため、合わせると多数のLED列が上記の照明装置の全体輝度に寄与することができる。殊に種々異なる円柱レンズにより、上記のLEDの光をそれぞれ同じラインに集束することができる。
本発明の考えられ得る実施形態において、上記の円柱レンズの平面は、モジュール面に対して相対的に、および/または目標面に対して相対的に傾けられている。これにより、上記のラインと、モジュールの位置との間の横方向のずれを簡単に補償することができる。したがって、例えば、横方向において上記のラインのどらちの側にもモジュールを設けることができ、これらのモジュールは、2次光学系に対してそれぞれ逆に設定された傾斜方向で立てかけられ、これによって上記のラインへの殊に効率的な集束が可能になる。目標面に対して2次光学系を傾けて配置することも、または上記のモジュールおよび2次光学系も傾けて配置することも可能である。
本発明の別の実施形態では、上記のLEDからなる列の中心面と、これに対して平行な、上記の列の光を集束する円柱レンズの光学的な中心面とは、横方向に互いにずれを有する。これによっても、大きなビーム角を上記のラインに簡単かつ効率的に集束することができ、殊に上記のラインが、LEDの中心面に対して横方向にずれて配置される場合に簡単かつ効率に集束することができる。さらなる最適化においては、上記のラインとLED列とが横方向にどのくらいの離れているかに応じて、上記のLEDの異なる列に対し、対応する円柱レンズの上記のずれの大きさを変えることができる。
一般的に有利には、LEDの長手方向における実装密度が、横方向における実装密度はよりも高くなるようにする。横方向における低い実装密度は、最適化された本発明による伝送光学系によって補償することができるため、全体として少ないLEDにより、同じ輝度を目標面上に得ることができる。例えば、上記のモジュールはCOBモジュールとすることが可能であり、この際には長手方向における実装密度は最大である。この実装密度は、このようなモジュールの技術的なアセンブリの可能性によって整然と制限される。長手方向の最大の実装密度は同時に、上記のライン上での輝度分布の均一性に対して最適である。の横方向の実装密度は、上記の長手方向における実装密度の、例えば80%の実装密度しか有さず、有利には60%未満である。
本発明の上記の課題はさらに、本発明による照明装置を含むコーティング乾燥装置によって解決される。本発明による照明装置は、このために殊に好適である。なぜならばこの照明装置により、高い放射照度と、フレキシブルかつ殊に小型の設計とが組み合わされるからである。
有利な発展形態では、乾燥すべきコーティングを有する平坦な基板と照明装置とは搬送方向に互いに運動可能であり、照明装置は、横断方向に少なくとも部分的に上記の基板の幅にわたって延在しており、かつ、所定の間隔で基板上に配置される。このことは、基板面をラスタ状に複数のコースにおいて移動することとも理解される。例えば、基板は印刷製品とすることが可能であり、この印刷製品は、印刷機械において、プリントされる塗料または別の物質によってコーティングされる。
本発明の上記の課題はさらに、有利には印刷法においてコーティングを乾燥させるために本発明による照明装置を使用することによって解決される。
本発明の別の利点および特徴は、以下で説明する実施例ならびに添付の特許請求の範囲に記載されている。
以下では、本発明の複数の有利な実施形態を示し、添付の図面に基づいて詳しく説明する。
本発明による照明装置の第1実施例の概略図である。 図1に示した照明装置のLEDモジュールに含まれる複数のLEDの概略配置構成を示す図である。 図1の照明装置の長手方向断面図である。 図1の照明装置の変形実施形態を示す図である。 本発明の第2実施例を示す図である。 本発明の第3実施例を示す図である。 本発明の第4実施例を示す図である。
図1に示した本発明による照明装置には、それぞれ複数のLED3を有するLEDモジュール1が含まれており、これらのLEDは、図の面に対して垂直に延びるモジュール面2にわたってラスタ状に分散されている。LED3は、(図示しない)別の電子部材と共に平坦な支持体4上に取り付けられており、これによって全体としてチップオンボード(COB Chip-On-Board)モジュールが形成されている。モジュール1は、図1において図の面に対して垂直に延在する長手方向Lおよび図1において左から右に延びる横方向Wに延在している。LED3の幾何学的な主放射方向Hは、上記の長手方向Lおよび横方向Wに対して垂直に延在している。
ラスタ状に配置されたLED3は、上記の長手方向の列R内で延在しており、この列においてLEDは、第1の繰り返し間隔aを有する。上記の横方向において複数の列Rは互いに平行であり、繰り返し間隔bを有する。ここではLEDの約10個の列Rが互いに並んで配置されているが、図面にはそのすべては示されていない。
上記の繰り返し間隔a,bの逆数により、各方向におけるLEDの実装密度が定められる。本発明では、間隔aは、細部の構成に応じて2mm〜5mmであり、LEDは、約1mm2のオーダの放射面積を有する。間隔bは一般的に5mmと10mmとの間であり、間隔aのおよそ2倍である。これによれば、横方向Wにおける実装密度は、長手方向Lにおける実装密度の約半分である。
殊に長手方向には、しかしながら必要であれば横方向にも、照明装置のサイズの要求に応じてそれぞれ複数のモジュール1を相前後して配置することができる。有利にこれらの連続するモジュールには、LEDの間隔が同じになるかないしはモジュール境界領域において放射される光の分布が可能な限りに変化しないように、LED3が取り付けられるかないしは上記の連続するモジュールは相前後して配置される。
モジュール1上には1次光学系5が配置されており、この1次光学系は、ここではモジュール1の全面を覆うコーティングとして構成されている。1次光学系5は、個々のLED3の直ぐ上にそれぞれ、ここでは平凸集束レンズである複数のレンズ6を有しており、これらのレンズにより、放射光の大きなビーム角が集束される。ここでは上記の放射の大部分は、(図示しない)目標面において上記の長手方向に延在するラインの形態の構造体に集束する。このライン上において上記の照明装置による放射照度は、2W/cm2よりも格段に大きい。
説明のため、図1にはエッジ側の2つの極端なビーム路7が書き込まれており、これらのビーム路は、集束しまたさらに上側の図示しないラインないしは目標面に当たる。
モジュール1には、(図示しない)冷却体に配置することができる。冷却体は有利には、液体の冷却媒体を出し入れするための接続部を有する。この冷却媒体は、熱を排出するために上記の冷却体を流れる。上記の冷却媒体は、閉じた循環路内に入れることができ、熱交換器を介して別の個所において上記の熱を放出する。この照明装置では、排出すべき熱出力は、1kWよりも格段に大きい範囲内で発生する。
1次光学系1に加えて2次光学系8がモジュール1の前方に設けられ、これによってLEDから目標表面上の上記の構造体に至る可能な限りに大きい出射角の集束がさらに改善される。2次光学系8はモジュール1の前方に離隔されているが、モジュール1と上記の目標面との間に配置される。2次光学系8とモジュール面2との間の間隔は、2次光学系8と目標面との間隔よりも格段に小さくして、可能な限りに早く集束の作用が上記のビーム路に及ぼされるようにする。
2次光学系8にはそれぞれ平行な複数の円柱レンズ9が含まれており、この円柱レンズは、長手方向Lに延在しており、横方向Wには互いに平行になっており、かつ、1つの面内に配置されている。これにより、少なくともLED3の各列の光は、複数の円柱レンズのうちの1つの円柱レンズ12によって捕捉され、(印刷製品)目標面10の構造体ないしはラインに集束される。図1には、例示的に2つのLEDからの相異なる光ビームが、それぞれ異なる放射角で書き込まれており、これらの光ビームは、すべての目標面における同じライン状の構造体に集束される。このラインは、LED3の外側の列Rの横方向における間隔よりも格段に小さい横方向の幅Bを有する。
簡略化された図示されていない本発明の1つの実施形態では、上記の2次光学系を省略することができ、上記の円柱レンズは、1次光学系に直接形成されており、かつ、LED3の個々の列Rにわたって延在している。
図1において書き込まれた複数の対称線によって識別できるように、横方向に見ると、ここではLED3の中心3aは、1次光学系5のそのレンズ6の中心6aに対して側方のずれV1を有する。
さらにレンズ6の中心6aも、LED3の列の中心面ないしは中心3aも共に、上記の列Rの光を集束する円柱レンズ9の光学的な中点面9aに対し、側方の間隔ないしはずれV1+V2を横方向に有する。ここでV2は、円柱レンズの光学的な中心面9aに対する1次光学系のレンズ6の中心6aのずれである。上記のずれV1+V2は、各列Rが、上記の目標面のラインと一致する中央の中心面Zを基準にして横方向にずれていればいるほど大きくなる。これに相応して中心面Zに対称に配置されている列R(図1の中央の列Rを参照されたい)に対し、ずれは生じない。
図1に書き込んだLED3の左側の外側の列Rのビーム路と、中心面Zに配置される中央の列Rのビーム路とを比較することにより、このことが説明される。縁部側のLEDのビーム路が目標面における上記のラインに当たるためには、このビーム路を主放射方向(モジュール面に対する垂直線)に対して所定の角度で集束しなければならない。
側方の各ずれV1,V2により、このビーム路において外側のLED3の可能な限りに大きなビーム角の集束が最適化される。
図4に示した変形実施形態では、LED3ないしはレンズ6,9のずれは存在しないため、列Rはそれぞれ、目標面上で並んでいるラインに集束される。しかしながら上記の集束の鮮明さに応じて、これらのラインが十分な強度で重なり合うことができ、これによって全体として横方向に良好な均一性を有し得る比較的幅の広いラインが生じ得る。
図5に示した本発明の実施例の場合、2次光学系8は、第1実施例と同様に形成されており、すべての円柱レンズ9は、目標面に対して平行な平面内にある。2次光学系の下では、1次光学系5を有する2つのモジュール1が横方向に並んで配置されており、これらのモジュールはそれぞれ、2次光学系に対し、同じ角度絶対値で逆方向に傾けられている。ここでは中心面Zは、2つの円柱レンズ9間に、ないしは、左側のモジュールの内側にある左側のLED3と、右側のモジュールの内側にある右側のLED3との間に対称に延在している。モジュール1の傾きは、第1実施例と同様に、LED Rからなるすべての列が上記の目標面内の同じラインに集束するように定められる。
図6に示した例では、図5に示した例とは異なり、中心面Z左側の第1の2次光学系8と、中心面Z右側の第2の2次光学系8とが設けられている。2つの2次光学系8は、1次光学系5と同様に逆方向に傾けて配置されており、これによってLED列Rの光が、同じラインに、同時に可能な限りに大きなビーム角で有利に集束するようにする。ここでも互いに対応する1次光学系5および2次光学系はそれぞれ互いに平行に延在しているが、最適化および要求に応じてここでは傾けた配置を行うことも可能である。
図7に示した実施例では、第1実施例とは異なり、付加的な反射器11がLED3の側面に隣接して配置されている。これにより、極めて大きな角度で放射された光も、有効なビーム路に曲げられる。ここでは複数の反射器11はプリズム体として、モジュール1の長手方向にわたって延在しており、その反射性の側壁は凹に曲げられて成形されている。
ここでは、基本的にWO 2012/031703 A1に記載された方法にしたがい、オープンモールドにおいてCOBモジュールをシリコーンによってコーティングすることにより、上記の1次光学系を作製している。上記の2次光学系は、類似の方法にしたがって作製され、ここではCOBモジュールの代わりに、透明の平坦な基板10をUV耐性のシリコーンによってコーティングして、光学的に有効な構造体9(円柱レンズ)を形成している。
ここで説明している実施例の照明装置は、ここではオフセット枚葉紙印刷機である印刷機械における塗料ないしはインキをUV乾燥するために使用される。長手方向におけるこの照明装置の長さは一般的に1メートルより大であり、この例では1.6メートルであり、これは印刷製品の枚葉紙の幅に相当する。このような長さを実現するため、一般的にはそれぞれ複数のモジュール1および2次光学系8を上記の長手方向に相前後して配置する。
上記の照明装置の、上で説明したコンポーネントは、設置スペースについて最適化された(図示しない)ケーシング内に収容される。
上記の目標面における長手方向についての放射強度は、ここでは1cm当たり約10ワットである。上記の光の大部分は、470nm未満の波長領域内にある。
極めて大きな光学的出力を有するLED照明装置を作製するためには、0.1〜200mm2の、一般的には1〜2mm2のサイズのLEDをチップオンボード法(COB)で形成する。その際には複数のLEDを、一般的に4〜200個のチップを、5〜50cm2のオーダの面積を有する共通の1つの基板上にアセンブルして1つのモジュールにする。LEDを取り付けた複数のモジュールを互いに接して並べることにより、上記の所望のランプサイズが形成される。

Claims (10)

  1. モジュール面(2)にわたって分散された複数のLED(3)を有する少なくとも1つのモジュール(1)を含む照明装置であって、
    前記モジュール(1)の長手方向(L)には複数のLEDが1つの列(R)に配置されており、
    前記長手方向(L)に対して垂直な、前記モジュール(1)の横方向(W)に、複数の前記列(R)が並んで配置されており、
    前記照明装置には、前記LEDから放射される光を集束するための1次光学系(5)が含まれており、
    前記照明装置には、前記LEDから放射される前記光を集束するための2次光学系()が含まれており該2次光学系(8)は、前記モジュール(1)から空間的に離間して前記光のビーム路に配置されており、
    前記2次光学系()には、1つの平面内に並んで配置され、前記長手方向に延在する少なくとも1つの第1の円柱レンズ(9)および少なくとも1つの第2の円柱レンズ(9)が含まれており、
    複数の前記列(R)のうちの第1の列にある複数の前記LED(3)の少なくとも一部のLEDの前記光が、前記第1の円柱レンズ(9)により、目標面上の1つのラインに集束され、かつ、前記列(R)のうちの第2の列にある複数の前記LED(3)のうちの少なくとも一部のLEDの前記光が、前記第2の円柱レンズ(9)により、前記ラインに集束され、
    複数の前記LEDからなる前記列(R)の、前記長手方向(L)に延在しかつ前記モジュール面(2)に対して垂直な中心面(3a)と、該中心面に対して平行な、前記列の前記光を集束する円柱レンズ(9)の光学的な中心面(9a)とは、前記ラインと一致する中心面(Z)を基準にして互いにずれ(V1+V2)を有し、該ずれ(V1+V2)は、各前記列(R)が前記中心面(Z)から離れているほど大きい、
    ことを特徴とする照明装置。
  2. 請求項1記載の照明装置において
    当該1次光学系には、前記LED上に直接配置される複数のレンズ(6)が含まれている、
    ことを特徴とする照明装置。
  3. 請求項1または2に記載の照明装置において、
    前記1次光学系(5)には複数の反射器(11)が含まれており、
    該反射器は、前記LED(3)の側面に隣接して配置されている、
    ことを特徴とする照明装置。
  4. 請求項1から3までのいずれか1項に記載の照明装置において、
    前記1次光学系(5)は、前記モジュール(1)上に載置される透明のポリマ層として形成されており、
    当該ポリマ層は、少なくとも複数のLED(3)を一体的に覆う、
    ことを特徴とする照明装置。
  5. 請求項1から4までのいずれか1項に記載の照明装置において、
    前記2次光学系(8)は、透明基板(10)上の透明のポリマ層として形成されている、
    ことを特徴とする照明装置。
  6. 請求項1から5までのいずれか1項に記載の照明装置において、
    前記円柱レンズ(9)の前記平面は、前記モジュール面(2)に対して相対的に、および/または、前記目標面に対して相対的に傾けられている、
    ことを特徴とする照明装置。
  7. 請求項1からまでのいずれか1項に記載の照明装置において、
    前記長手方向(L)における前記LEDの実装密度は、前記横方向(W)における実装密度よりも高い、
    ことを特徴とする照明装置。
  8. 請求項1からまでのいずれか1項に記載の照明装置を含むことを特徴とする、コーティングを乾燥するための装置。
  9. 請求項に記載の装置において、
    乾燥すべきコーティングを有する平坦な基板と前記照明装置とは、前記基板の搬送方向に互いに運動可能であり、
    前記照明装置は、前記基板の横断方向に少なくとも部分的に前記基板の幅にわたって延在しており、かつ、所定の間隔で前記基板上に配置されている、
    ことを特徴とする装置。
  10. 請求項1からまでのいずれか1項に記載の照明装置の使用方法において、
    印刷法におけるコーティングの乾燥に使用する、
    ことを特徴とする使用方法。
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