(57)【要約】【課題】ＬＥＤまたは白熱光源から放射された光を効率的にズーム焦点調節して、光のビームとして投射する。【解決手段】ＬＥＤまたは白熱光源から周辺部前方立体角内に放射された光を反射鏡で反射して第一の指向ビームとし、ＬＥＤまたは白熱光源から中央部前方立体角内に放射された光をレンズで屈折して第二の指向ビームとし、第一の指向ビームと第二の指向ビームのエネルギ配分をズーム焦点調節により変化させる。その際、第一の指向ビーム内の光の方向は、影響を受けない。【選択図】図５
2010171024.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源から周辺部前方立体角内に放射された光を反射して第一の方向付けられたビームとする反射鏡と、
前記光源から中央部前方立体角内に放射された光を方向付けて第二の方向付けられたビームとするレンズと、
ズーム焦点調節のときに、前記第一の方向付けられたビームから前記第二の方向付けられたビームへまたは前記第二の方向付けられたビームから前記第一の方向付けられたビームへと光をシフトし、その場合、前記第一の方向付けられたビームと前記第二の方向付けられたビームとの間で光をシフトした後も、常に前記第一の方向付けられたビーム内にある光の方向は、影響を受けないように構成されたシフト手段と
を備えてなる装置。
【請求項２】
光源と、
前記光源から周辺部前方立体角内に放射された光を反射して第一の方向付けられたビームとする反射鏡と、
前記光源から中央部前方立体角内に放射された光を方向付けて第二の方向付けられたビームとするレンズとを備えてなり、
前記レンズと前記光源との間には、他の光学素子は配置されておらず、
前記光源、反射鏡およびレンズは、ズーム焦点調節のときに、前記反射鏡および前記光源の一緒に対する前記レンズの相対移動または前記レンズに対する前記反射鏡および前記光源の一緒の相対移動が、前記第一の方向付けられたビームから前記第二の方向付けられたビームへまたは前記第二の方向付けられたビームから前記第一の方向付けられたビームへと光をシフトし、その場合、前記第一の方向付けられたビームと前記第二の方向付けられたビームとの間でエネルギをシフトした後も、常に前記第一の方向付けられたビーム内にある光の方向は、影響を受けないように取り合わされ配置構成されている
ことを特徴とする装置。
【請求項３】
光源から光を放射するステップと、
前記光源から周辺部前方立体角内に放射された光を反射して第一の方向付けられたビームとするステップと、
前記光源から中央部前方立体角内に放射された光を方向付けて第二の方向付けられたビームとするステップと、
ズーム焦点調節のときに、前記第一の方向付けられたビームから前記第二の方向付けられたビームへまたは前記第二の方向付けられたビームから前記第一の方向付けられたビームへと光をシフトし、その場合、前記第一の方向付けられたビームと前記第二の方向付けられたビームとの間でエネルギをシフトした後も、常に前記第一の方向付けられたビーム内にある光の方向は、影響を受けないようにしてあるステップと
を含んでなる方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いた光源の分野に関し、特に、発光ダイオードから放射するエネルギを集める装置および方法に関する。該デバイスは、一般的なライティング、装飾用や建築用のライティング、携帯用や非携帯用のライティング、非常時用のライティング、光ファイバ照明その他の数多くの用途に使用可能である。
【背景技術】
【０００２】
先行技術ＬＥＤ光源においては、典型的に、レンズか反射鏡を使用して、ＬＥＤから放射する光の２πステラジアンの前方立体角の光、すなわち前方半球波面の光の大部分を集光する。曲面Ｓを見る立体角Ωは、単位球面上への当該曲面の投影が覆う（占める）単位球面の表面積Ωとして定義されることを、思い起こされたい。これは、次の式［数１］によって表される。
【０００３】
【数１】
2010171024.tif 000003
【０００４】
ここに、ｎ（「ｎ」の文字の真上に符号「＾」が付いた記号）は、原点からの単位ベクトル、ｄａは、積分する曲面小片の面積の増分、ｒは、原点から曲面小片までの距離を示す。余緯度（極角）φと経度（方位角）θを用いた球座標で表すと、これは、次の式［数２］のようになる。
【０００５】
【数２】
2010171024.tif 000004
【０００６】
立体角は、ステラジアンで測られ、空間全体を見る立体角は、４πステラジアンである。
【０００７】
ＬＥＤからのエネルギが、第一レンズの反射鏡形状の内面と第一レンズの外側または内側の面に形成された第二レンズとの両方によって集められる場合、全内部反射（ＴＩＲ）もまた用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第４９５９７５９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
典型的には、反射鏡のみを用いるデバイスは、二つの部分から成るビームを発し、そのビームの一つの部分は、反射鏡によって反射され制御され、そのビームの他の部分は、ＬＥＤからの直接放射であって、制御されない、すなわち、他の何らかの素子によって反射されたり屈折されたりしない。この二部分ビームが向けられる表面上では、直接光は、反射ビームの周りに大きな円光となって現れる。従来のＬＥＤパッケージでは、ボールレンズが円柱棒の前に設置され、ＬＥＤからの側面放射エネルギは、チップ内の発光接合から外へ発せられるため、実質的に制御されず、すなわち実質的に全部が放射される。ＴＩＲシステムでは、ＬＥＤ接合から放射されたエネルギの一部は、パッケージの壁部を通って漏洩し、制御されないままである。加えて、バルク損失および形状損失も同じく存在する。ＬＥＤを凹面反射鏡の方に向けて後ろ向きにしたシステムにおいては、ＬＥＤからの中心部分エネルギが、ＬＥＤのパッケージ自体によって遮られ、そのエネルギは典型的に失われ、すなわち有益なビームに集められない。
【００１０】
必要なのは、ＬＥＤの放射エネルギのほぼ全部を効率的に集めることができて、実用的であるために必要な照明分布を有する指向ビームに投射することができる、何らかのタイプの設計である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明は、ＬＥＤ光源と、反射鏡によって画定される周辺部前方立体角内にＬＥＤ光源から放射されたＬＥＤ光源からの光を反射する位置に置かれた当該反射鏡と、レンズによって画定される中央部前方立体角内にＬＥＤ光源から放射された光を所定のパターンに集光するようにＬＥＤ光源の縦方向前方に配置された当該レンズとを備えてなり、それにより、中央部前方立体角内および周辺部前方立体角内に放射された光で構成された光ビームを投射する装置、と定義される。光源は、ここに具体的に詳解する実施形態では、ＬＥＤとして説明されているが、白熱灯その他の光源によって完全な等価性（＝均等性）をもって代替可能であると、正にそのように理解されたい。したがって、この明細書において「光源」を用いているいかなる箇所においても、それには、ＬＥＤや白熱灯、アーク灯、蛍光灯、プラズマアークライト、またはいかなる同等の現在知られているかまたは後に案出される光源が、可視スペクトル内か否かを問わず、含まれる、と理解しなければならない。さらに、光源は、そのようなＬＥＤや白熱灯、アーク灯、蛍光灯、プラズマ光源、または他の現在知られているかまたは後に案出される光源の複数個をアレイ状の編成に集めて構成してもよい。
【００１２】
中央部前方立体角と周辺部前方立体角は、光源の光軸を中心とするおおよそ半角４５°の回転面（約０．６πステラジアンの立体角の所）で互いに区画されている。光源は、ＬＥＤ発光体と、中にＬＥＤ発光体が配置されるパッケージとを備えて構成されている。パッケージは、ＬＥＤ発光体から放射された光がパッケージにより屈折されるのを最小限に抑えるためのパッケージレンズを備えて構成されている。レンズは、パッケージレンズの縦方向前方に配置される。
【００１３】
一つの実施態様では、レンズは、パッケージレンズの前にスパイダによって懸架されている。
【００１４】
レンズは、ＬＥＤ光源によって中央部前方立体角内に放射された光を概ね平行光線化し、反射鏡は、ＬＥＤ光源によって周辺部前方立体角内に放射された光を概ね平行光線化する。この発明の一つの実施態様では、二つの別々に形成されたビームがあたかも一つのビームであるかのように現れる。しかしながら、設計者は、個々のビームに対して制御し、ビーム出力を個々にまたは一緒に調整して所望の結果を得ることもできる。別の好適な実施態様では、一つのビームまたは複数のビームが可変であり、どちらか一方または両方を調整することによって、ズームや拡大といった所望のビーム効果が得られる。
【００１５】
別の実施態様では、レンズはパッケージレンズ上に配置される。そのレンズは、第一の曲率半径ｒ1 を有する周辺環状部分と第二の曲率半径ｒ2 を有する中心部分とで構成され、ここに、ｒ1 ＞ｒ2 である。周辺環状部分は、ＬＥＤ光源から放射された光を、起こったとしても、最小限度しか屈折させない。そして、中心部分は、ＬＥＤ光源から放射された光を屈折させて所定の光パターンを形成する。
【００１６】
反射鏡には焦点があり、反射鏡の焦点は、ＬＥＤ光源に中心合わせしてある。
【００１７】
具体的に詳解する実施態様では、レンズは、中央部前方立体角が光軸を中心としておおよそ半角４５°の回転面（約０．６πステラジアンの立体角）まで広がるように、ＬＥＤ光源に対して取り合わせ配置構成されている。反射鏡は、周辺部前方立体角が光軸を中心としておおよそ半角４５°の回転面（約０．６πステラジアンの立体角）からおおよそ半角９０°の回転面（２πステラジアンの立体角）まで広がるように、ＬＥＤ光源に対して取り合わせ配置構成されている。より具体的には、反射鏡は、周辺部前方立体角が光軸を中心とするおおよそ０．６πステラジアンの立体角から、光軸を中心とするおおよそ２πステラジアンの立体角まで広がるように、ＬＥＤ光源に対して取り合わせ配置構成されている。
【００１８】
一つの実装された実施態様では、レンズは、中央部前方立体角が光軸を中心とした０．６πステラジアンを超える立体角まで広がるように、ＬＥＤ光源に対して取り合わせ配置構成されており、そして、反射鏡は、周辺部前方立体角が中央部前方立体角から光軸を中心とした２πステラジアンを超える立体角まで広がるように、ＬＥＤ光源に対して取り合わせ配置構成されている。
【００１９】
この発明は、ＬＥＤ光源から光を放射するステップと、ＬＥＤ光源から周辺部前方立体角内に放射された光を反射して第一の所定のビーム部分にするステップと、ＬＥＤ光源から中央部前方立体角内に放射された光を集光して第二の所定のビーム部分にするステップとを含んで構成される方法とも定義される。中央部前方立体角と周辺部前方立体角とは、光軸を中心としたおおよそ０．６πステラジアンの立体角の所で互いに区画されている。光源がＬＥＤ発光体と中にＬＥＤ発光体が配置されるパッケージとを備えて構成される場合、当該方法は、さらに、ＬＥＤ発光体からパッケージを通って周辺部前方立体角内に放射された光が屈折されるのを最小限に抑えるステップを含んで構成される。光を集光して第二の所定のビーム部分にするステップは、ＬＥＤ光源によって中央部前方立体角内に放射された光を概ね平行光線化するステップを含んで構成される。光を反射して第一の所定のビーム部分にするステップは、ＬＥＤ光源によって周辺部前方立体角内に放射された光を概ね平行光線化するステップを含んで構成される。
【００２０】
レンズがＬＥＤパッケージ上に配置される実施態様では、光を集光して第二の所定のビーム部分にするステップは、ＬＥＤ光源上に設けられたレンズを配置するステップと、ＬＥＤ光源から放射された光を第一の曲率半径ｒ1 を有するレンズの周辺環状部分を通って周辺部前方立体角の中へと透過させるステップと、ＬＥＤ光源から放射された光を第二の曲率半径ｒ2 を有するレンズの中心部分を通って中央部前方立体角の中へと透過させるステップとを含んで構成される。ここに、ｒ1 ＞ｒ2 である。ＬＥＤ光源から放射された光をレンズの周辺環状部分を通して出すステップは、ＬＥＤ光源から放射された光を、起こったとしても、最小限度しか屈折させない。ＬＥＤ光源から放射された光をレンズの中心部分を通して出すステップは、ＬＥＤ光源から放射された光を屈折させて所定の光パターンを形成する。
【００２１】
光を反射して第一の所定のビーム部分にするステップは、反射鏡の焦点をＬＥＤ光源に中心合わせするステップを含んで構成される。光を集光して第二の所定のビーム部分にするステップは、中央部前方立体角を光源の光軸を中心としたおおよそ０．６πステラジアンの立体角まで広がるように形成するステップを含んで構成される。光を反射して第一の所定のビーム部分にするステップは、光軸を中心としたおおよそ２πステラジアンの立体角まで広がる周辺部前方立体角の中へと反射光を生じさせるステップを含んで構成され、より具体的には、光軸を中心としたおおよそ０．６πステラジアンの立体角から光軸を中心としたおおよそ２πステラジアンの立体角まで広がる周辺部前方立体角の中へとＬＥＤ光源からの光を反射させるステップを含んで構成される。
【００２２】
一つの実施態様では、光を集光して第二の所定のビーム部分にするステップは、光軸を中心とした０．６πステラジアンを超える立体角まで広がる中央部前方立体角の中に集光ビーム部分を生じさせるステップを含んで構成され、そして、光を反射して第一の所定のビーム部分にするステップは、中央部前方立体角から光軸を中心とした２πステラジアンを超える立体角まで広がる周辺部前方立体角の中に反射ビーム部分を生じさせるステップを含んで構成される。
【００２３】
この発明の装置および方法は、文法的な流暢さのために作用面からの説明でもって記述してきたし、また記述していくが、各請求項は、米国特許法第１１２条でことさらに規程されていない限り、いかなる形でも「手段」または「ステップ」の限定解釈により必然的に限定して解釈されるべきでないこと、各請求項により規定される定義の意味および等価（＝均等）の全範囲が司法上の均等論の下に与えられるべきであること、そして、各請求項が米国特許法第１１２条の下で明言的に規定されている場合は、米国特許法第１１２条の下で全法定等価物（＝均等物）が与えられるべきであることを、正にその旨理解されたい。ここで、図面に移ることにより、この発明はよりよく思い描くことができ、そこでは同じ要素は同じ番号で参照されている。
【発明の効果】
【００２４】
第一の指向ビームと第二の指向ビームのエネルギ配分をズーム焦点調節によって、変化させることができる。その場合、第一の指向ビーム内の光の方向は、影響を受けない。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】この発明のＬＥＤデバイスの第一の実施態様の斜視図である。
【図２】図１の実施態様の側面断面図である。
【図３】この発明の第二の実施態様の側面断面図である。
【図４】図３の実施態様の斜視図である。
【図５】この発明の一実施態様の側面断面図であり、デバイス内の種々の素子の相対的な動作によってズーム制御が行われ、広角ビームが形成される態様を示す。
【図６】図５の実施態様の側面断面図であり、狭角ビームが形成される態様を示す。
【図７】図５および図６の実施態様の側面断面図であり、遠隔制御用または自動ズーム制御用のモータ歯車列を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
次に、請求の範囲に定義されるこの発明の具体的な詳解例として提示する好適な実施態様についての以下の詳細な説明に移ることにより、この発明およびその種々の実施態様をよりよく理解することができよう。請求の範囲により定義される発明は、以下に記述する具体的に詳解された実施態様よりも範囲が広くあり得ると、ここでは正にそのように理解されたい。
【００２７】
図１〜図４において、この発明を組み入れたデバイスが全体的に参照番号２４により示されている。ＬＥＤ光源１が、従来のパッケージ内に収容されて示されており、それは、中に発光接合が画成されて、発光接合またはチップを覆う前部半球形前部ドームまたはレンズを提供する透明なエポキシまたはプラスチック製容器に収容された基板で構成されている。多数の異なるタイプや形状のパッケージがＬＥＤ製造業者によって採用可能で、それら全てのタイプおよび形状のものは、この発明の範囲に含まれる。以降、この明細書では、「ＬＥＤ光源１」および別の実施態様では「ＬＥＤ光源１８」とする用語は、中に発光接合またはチップが収容されたパシベーションパッケージを含むと理解されたい。図１は、この発明の好適な実施態様を示し、反射鏡３内の切込み２６に取り付けたアーム９によってＬＥＤ光源１の上方に第二レンズ２が懸架されている。レンズ２は、複合レンズや光学的レンズ組立体などの複数のレンズをも含む意味であるので、正にそのように理解されたい。反射鏡３の表面は、特別な処理を施されて、ＬＥＤ光源１から放出される光の波長に対して高度な鏡面または反射面とすることができる。具体的に詳解する実施態様において、レンズ２は、図１〜図４では半球形の前面２０を有して示されており、そして、図１および図２の実施態様では平面状背面２２を有し、図３および図４の実施態様では曲面状背面２３を有して示されている。さらにまた、レンズ２は、半球形の前面２０を有するものに限定される必要はなく、種々の配置構造の多レンズの組合せで置換してもよいと、正にそのように理解されたい。反射鏡３は、外装容器２８を含むか、または、外装容器２８に接続されていてもよく、外装容器２８は、中にデバイス２４が搭載される装置（図示されていない）への支持および接続を提供する。ＬＥＤ光源１は、ＬＥＤ光源１、反射鏡３およびレンズ２の共通の光軸上で、外装容器２８その他の手段（図示されていない）によって反射鏡３の中心に配置されている。レンズ２は、反射鏡３から放射されまたは反射鏡３へ放射される光を可能な限り遮らない要領で、スパイダ９によって反射鏡３およびＬＥＤ光源１の上方に懸架されている。図１および図２の実施態様は、三脚のスパイダ９を示しているが、多くの他の手段を全く等価（＝均等）であるとして採用することができる。
【００２８】
図２において、ＬＥＤ光源１は、凹面反射鏡３のほぼ焦点に配置されていて、ＬＥＤ光源１の中心線または光軸上のおおよそ前方０．６πステラジアンの立体角（側面断面図では半角４５°）と中心線または光軸上のおおよそ前方２．２πステラジアンの立体角（側面断面図では半角９５°）の間の領域の中に放射されたＬＥＤ光源１からのエネルギの本質的に全部を集めるようになっている。この領域内のエネルギは、図２の光線追跡図に光線７で代表されているが、光線５で図解するように反射される。中心線または光軸からおおよそ４５°離れたところの光線４で図解されているＬＥＤ光源１から直接放射した光は、反射鏡３によって反射されるかレンズ２によって集光されるかして、図２で光線４を辿る線分で記述されるように引き続き外へ出ることはない。
【００２９】
ＬＥＤ光源１から放射される光の内で、光線８で図解されるように、中心光軸から半角約４５°と０°の角度内に含まれる光線は、図２に光線６で図解されているように、レンズ２によって集められ、レンズ２の光学特性によって制御される。レンズ２をＬＥＤ光源１の上方に懸架するために、アーム９は、図１および図２に示すようであってもよいし、他の多数の配置構成で設けてもよい。アーム９に対する唯一の制約は、光の伝播への干渉を最小限に抑えながら、この発明の教示に合致する所望の縦方向位置で光軸上にレンズ２を支持することである。この発明の目的に合致する如何なるアーム９の配置構成も、この発明の意図の範囲内であるというつもりである。
【００３０】
したがって、この発明は、ビームのズームまたは可変焦点式に適用されることが理解できよう。例えば、図２の実施態様において、図７に分かりやすく描写されているように、電動式手段３０、３１をスパイダ９に結合し、したがって、レンズ２に結合して、レンズ２を反射鏡３の光軸に沿って縦方向に移動してズームを行ったり、生成されるビームの発散や収束を加減したりする。図７は、モータ３０を歯車列３１に結合して、ズーム制御のための原動力を提供するものを示す。手段３０および３１は、現在知られまたは今後案出される如何なるタイプの原動機構にしてもよく、例えば、回転可能なリング（図示せず）上に設けた複数の傾斜カムまたは傾斜路を備えて構成してもよく、そのカムは、一つの向きに回転させたとき、ばねで付勢されたスパイダ９を縦軸に沿って前向きに駆り立て、そして、リングを反対の向きに回転させたとき、ばねで付勢されたスパイダ８を縦軸に沿ってばね（図示せず）によって引き戻させる。リングは、手動で回転させることができるし、または、好ましくは、電気モータもしくはソレノイドで回転させことができる。それは、懐中電灯本体に取り付けられたスイッチ（図示せず）で制御されて、懐中電灯を把持する同じ手でのズーム焦点調節の片手操作を可能にする。手動で制御される手動式または電動式ズームが図解されているが、光学回路または無線周波回路がモータ３０に結合されて遠隔操作を可能にした場合も、この発明の範囲に含まれる。
【００３１】
ズーム焦点調節の可変は、レンズ２、反射鏡３および／またはＬＥＤ光源１のいずれかの組合せでの相対的な動きによって実現可能である。ここでは、レンズ２および反射鏡３を一つのユニットとして、固定のＬＥＤ光源１に対して縦方向に変位させることができる。または、その逆に、つまりレンズ２および反射鏡３を一つのユニットとして固定して、ＬＥＤ光源１を移動させる。同様に、上述したように一つのユニットとした固定されたＬＥＤ光源１および反射鏡３に対して、レンズ２を縦方向に変位させることもできる。または、その逆に、つまりレンズ２を固定しておいて、ＬＥＤ光源１および反射鏡３を一つのユニットとして移動させる。さらにまた、レンズ２、反射鏡３およびＬＥＤ光源１の移動を各々段階的にかつ独立して行わせることができる場合も、この発明の範囲に入る。そのようなこれら要素の相対的移動を可能とし、この発明の趣旨内で動かすための原動力を提供する手段は、従来の設計原理を応用することによって得られる。
【００３２】
図５において、光線５は、反射鏡３から反射されてレンズ２には当たらない光線と定義される。図５の広角ビームの場合、光線５は、図６の狭角ビーム配置構成の場合の光線２９が取る第一の位置に示されている。図６では、光線５は、半径方向外側へ移動する。これにより、エネルギは、図６のビームの反射され平行化された狭い部分から取り出されて、図５の広角ビーム配置構成におけるビームの発散する屈折された部分へ入れられる。この手段によって、広角ビームの強度は、それぞれ図６と図５との間の狭角ビーム配置構成から広角ビーム配置構成へとズーム移行する間にエネルギシフトが発生しない場合に比べて、より一層均一に保たれる。
【００３３】
図４は、この発明のさらなる実施態様の斜視図である。ＬＥＤ光源１８および第二レンズ１０（ＬＥＤ光源１８上に接して設けられている）は、図３の側面断面図に分かりやすく示された凹面反射鏡１７の内部に位置している。図３の実施態様では、レンズ１０は、ＬＥＤ光源１８自体とは別の素子である。図３の実施態様では、レンズ１０は、ＬＥＤ光源１８のパッケージの前面に合致する背面２３を有するとして示されている。レンズ１０の前面は、二つの部分２５および２７で形成された複合曲面となっていて、表面２７が発光体１２を概ね中心とした第一の曲率半径ｒ1 を有する球面の周辺リングまたは方位角リングと、第二の小さい曲率半径ｒ2 の面を有し表面２７から突き出た中央半球面部２５とで構成されている。ここに、ｒ2 ＜ｒ1 である。レンズ１０は、これに代わって、ＬＥＤ光源１８のパッケージの中に内蔵させることもできる。
【００３４】
ＬＥＤチップによって吸収されないＬＥＤ発光体１２から放射された光エネルギの本質的に全部が、図３の光線図において光線１１、１６または１４で代表されている。光線１６で代表されるＬＥＤ発光体１２から放射する光エネルギは、ＬＥＤ光源１８の中心軸または光軸からおおよそ４５°離れて、すなわち、前方０．６πステラジアンの立体角内に示されている。光線１４は、光線１６によって区画された前方０．６πステラジアンの立体角の外側に、中心軸または光軸から９０°を超えて離れて、すなわち、前方２πステラジアンの立体角の外側に放射する複数の光線を代表している。中を光線１４が通過するレンズ１０の部分は、如何なる有意な程度にも光線１４の方向に影響を与えたり屈折させたりしないように、ＬＥＤ発光体１２を中心として本質的に球形である。光線１５は、反射鏡１７から反射された複数の光線を代表している。光線１１は、ＬＥＤ光源１８の中心光軸から光線１６までの間のＬＥＤ発光体１２を中心とする円錐体の中、すなわち、前方０．６πステラジアンの立体角の中に存在する複数の光線を代表している。光線１３は、レンズ１０の表面２５により屈折させられた複数の光線を代表している。中を光線１３が通過するレンズ１０の部分２５は、光線１３の方向を屈折させまたは変更する。図３に示す光線１６および図２に示す光線４は、それぞれ光源１または光源１８から直接放射されるように図示されているが、実際には、光線４および光線１６は、それぞれ反射されて光線５および光線１５となるか、または、屈折させられてそれぞれ光線６および光線１３となるかのいずれかになるように、幾何学的構造が選択されている。
【００３５】
この発明は、ＬＥＤ光源１または１８から照明のために放射された光エネルギをほぼ完全な、すなわち、１００％の集光効率を提供し、集光したエネルギの制御された画定可能なビームパターンへの分配を提供する。ＬＥＤは、チップまたは基板の表面上に実装された発光領域である点に留意されたい。発光接合からの光は、主にチップの表面から前方へ向けられ、極僅かな量がチップの横方向および基板面より僅かに下方へ向けられる。接合から基板の中へ放射した光は、一部は反射され、一部は屈折され、一部は熱として吸収される。この発明は、ＬＥＤ光源１または１８から放射された光すなわちエネルギで、それが取り付いている基板に吸収されないものをほぼ全部集光し、そして以下に述べるように、二つの別個の光ビームに向け直す。設計により、これらのビームは、主に単一の方向へ向けることができるが、異なる分布が望まれる用途においては、この限りではない。
【００３６】
この発明は、二つの領域または二つのビームにおけるＬＥＤエネルギの全部を集める。第一の領域は、おおよそ前方０．６πステラジアンの立体角（側面断面図における４５°半角）であり、第二の領域は、例えば、おおよそ前方０．６４πステラジアンと２．１７πステラジアンの間の立体角（それぞれ、側面断面図における４７°半角と９５°半角の間）にＬＥＤ光源１または１８から放射されたエネルギである。二つのビームの間の正確な角度分割線は、当面の用途によって変わる。このように、この発明は、ＬＥＤ光源１または１８から放射するエネルギのほぼ全部を、表面の僅かの形状損失および半球形ボールレンズ２のための懸架手段９による損失のみで、制御する。形状損失(figure losses)は、光学系のある観点での不完全さによる光損失であり、これには、光路中の継ぎ目(seams)、辺縁(edges)、平縁(fillets)その他の機械的欠陥(disruptions)が数学的な鋭さで完璧に定義されないで、波長程度またはそれより大きい顕微鏡的凹凸または物理的公差を有する三次元物質から出来ているという事実から生じる不完全さによる光損失がある。無限に鋭くはないフレネルレンズの辺縁、すなわち、光の波長より大きい規模で少なくとも部分的に鋭さの欠損を少なくとも有するフレネルレンズの辺縁に起因する損失が、そのような形状損失の一例である。
【００３７】
例えば、図１および図２の実施態様では、第一の領域のエネルギは、ＬＥＤ１の上方に懸架されたレンズ２を介して集められる。第二の領域のエネルギは、反射鏡３を介して集められる。集光角が僅かに重なっているのは、ＬＥＤ発光体が点光源より大きことにより、発光体からのエネルギが２つの領域の間から漏れ出ないようにするためである。主要素子であるレンズ２および反射鏡３のいずれか一方または両方を変更することによって、システムの諸要件を満たすように最終ビームを設計することができる。この発明によれば、表面２０および２２のいずれかを変更して最終ビームを制御することができる。
【００３８】
反射鏡３は、平行進行するビーム、収束するビーム、または発散するビームを提供するように設計することができる。反射鏡３は、一般的な円錐形をしていてもよいし、していなくてもよく、また、所望のビームパターンを提供するように、切子面が刻まれたり小さな窪みが作られたり、その他の変更を加えてもよい。採用随意であるが、該デバイス２４は、反射鏡３およびレンズ２から放射する光をさらに制御しまたは変更する少なくとも一つの追加のレンズおよび／またはＬＥＤパッケージの一部としての追加の表面を有していてもよい。
【００３９】
したがって、発光体１２に対する縦方向の位置決めを含むレンズ２および１０の光学的設計は、この発明の目的を達成するために、この発明の教示に従って変更することが可能であることが理解できるであろう。例えば、二つの部分から成るビームの中央部立体角内における照明の特性を、レンズ２および１０の光学的設計、例えば平行光線化の程度によって操作することができる。さらに、ビームの二つの部分、すなわちビームの中央部立体角と周辺部立体角の間の区分線および遷移部は、発光体１２に対するレンズ２およびレンズ１０の縦方向位置および半径の大きさ、つまり広がりによって操作することができる。
【００４０】
多数のデバイス２４を配列したアレイを複数設けて追加の機能性を持たせてもよい。これらの配列には、この発明を二つ以上の実現形態で含ませて、個々にレンズ２および反射鏡３の各独特な組を備えることにより最適化することもできる。例えば、上述したデバイスのアレイを使用すれば、単一のセルまたはユニットよりも多くの光を提供することができる。そのようなアレイにおけるこの発明に従った種々の光源を、選択された方向に向けることができ、それは、当面の照明用途に応じた各光学素子それぞれの設計によって異なる。それらの素子は、個々にフォーカスまたはビームパターンを異ならせてもよいし、または、クラスごとに異なるフォーカスまたはビームパターンを有する少なくとも二以上のクラスの素子で構成してもよい。例えば、この発明を街灯に適用した場合、街灯をアレイ状に設計して、ランプアレイの直下には広がったビームを投射し、照明パターンの周縁へはより絞ったまたはより特定にフォーカスしたスポットまたはリングで光を投射するようにしてもよい。
【００４１】
多くの変更や修正が、この発明の精神および範囲から逸脱することなしに、当業者によってなし得るであろう。例えば、具体的に詳解したこの発明の実施態様は、携帯型の懐中電灯について説明してきたが、潜在的な応用範囲はもっと広く、具体的には、ヘッドライト、バイク灯、戦術用閃光灯、医科用ヘッドライト、車両用前照灯または尾灯、オートバイ用照明、飛行機用照明、海上および潜水船舶用照明、非携帯型ランプなど、これらに限定されないが、ＬＥＤ光源が望まれる他のいかなる用途にも応用できる、と理解されなければならない。
【００４２】
さらに、この発明が懐中電灯として実現された場合、スイッチやフォーカスのオプションや組合せを複数用意することができる。例えば、テールキャップスイッチを、懐中電灯頭部または他の部分をねじることによって手動で操作されるフォーカスやズームの手段と組み合わせてもよい。テールキャップスイッチは、ねじり式オンオフスイッチ、摺動式スイッチ、揺動式スイッチまたは押ボタン式スイッチとして実現することができ、フォーカス用の電子スイッチと組み合わせれることができる。スイッチの性質、形態および位置ならびにその操作制御は、現在知られまたは今後案出されるいかなる形態をも取ることができ、また、手動、電動または自動のフォーカス手段および現在知られまたは今後案出されるいかなる形態をとることもできるフォーカス手段と組み合わせることもできる。
【００４３】
したがって、ここに具体的に詳解した実施態様は、単に例示の目的で記載されたものであり、前掲の特許請求の範囲により定義される発明を制限するものと受け取ってはいけないと理解されなければならない。例えば、ある請求項の複数要素が一つの特定の組合せで記載されているという事実に拘わらず、この発明は、より少ない要素、より多い要素、または異なる要素での他の組合せをも、たとえそのような組合せが当初請求されていなくても、ここに開示されているものは含むものであると、正に理解しなければならない。
【００４４】
この発明およびその各種実施態様を記述するためにこの明細書で使用された用語は、その一般的に定義された意味においてだけでなく、この明細書における特別の定義により、その一般的に定義されている意味の範囲を超えた構造、材料または働きを含むと理解すべきである。したがって、一つの要素がこの明細書の文脈の中で二つ以上の意味を包含すると理解できる場合には、特許請求の範囲でのその使用は、この明細書およびその用語自体により裏付けられる全ての可能な意味について包括的であると理解しなければならない。
【００４５】
したがって、前掲の特許請求の範囲の用語および要素の定義は、この明細書において、文言どおりに記載された要素の組合せだけでなく、実質的に同一の要領で実質的に同一の作用をして実質的に同一の結果を得る全ての等価な（＝均等な）構造、材料または働きを包含するものとして、定義されている。したがって、この意味で、前掲の特許請求の範囲におけるどの一つの要素を二つ以上の要素で等価的に（＝均等的に）置換してもよいこと、または、特許請求の範囲における二つ以上の要素を単一の要素で置き換えてもよいことを、筆者は意図している。複数の要素が特定の組合せで働くように上述され、そのように当初請求されているかも知れないが、請求された組合せからの一つまたは複数の要素は、場合によっては、その組合せから外すことができ、また請求項された組合せは部分的組合せにまたは部分的組合せの変形に向けられてもよいことを、篤と理解されたい。
【００４６】
当業者から見て、請求された主題からの非実質的な変更は、現在知られているものでも今後案出されるものでも、特許請求の範囲の等価物（＝均等物）であると意識的に意図している。したがって、当業者にとって現在知られており今後知られる自明な置換は、定義された要素の範囲内であるものと定義されている。
【００４７】
したがって、特許請求の範囲は、上記に具体的に図解および記述されたもの、概念的に等価な（＝均等な）もの、自明に置き換えできるもの、およびこの発明の必須の思想を本質的に取り込んでいるものを包含していると理解されるべきである。
【符号の説明】
【００４８】
１、１８  …  光源
２、１０  …  レンズ
３  …  反射鏡
３０  …  モータ
３１  …  歯車列
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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