(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ランプ（１０）であって、
容積部分を包囲し且つその長手方向端部位置に開口を有する透明な電球（２０）と、
該電球内で前記開口に接近して配置され該電球内に光を放射する発光ダイオード（５０）と、
前記電球内で前記開口に近接して配置され前記発光ダイオードからの光を受ける透明な光パイプ（３１）にして、光が当該光パイプの近位端から入り、該近位端から光パイプの遠位端に向けて長手方向に伝播する光パイプと、
該光パイプ（３１）内で前記遠位端に隣り合って配置され、前記光パイプからの光を受け、受けた光を複数の出口角度範囲内に散乱させる体積散乱要素（３２）と、
を含み、
前記発光ダイオードの熱を消散させるヒートシンクが蝋燭のロウの滴りに似せた外観を有し、
前記散乱光は電球を貫いてランプから放出され、体積散乱要素は透明な基材（３３）と、該基材全体に配分した複数の粒状物（３４）とを含み、前記複数の粒状物の各々は透明であり且つ基材のそれとは屈折率が異なるランプ。
【請求項２】
体積散乱要素（３２）が球形である請求項１のランプ。
【請求項３】
光が光パイプ（３１）内を長手方向に伝達され且つ光パイプの横方向縁部からの全反射により伝播する請求項１のランプ。
【請求項４】
光パイプ（３１）が発光ダイオード（５０）から長手方向に分離される請求項１のラン
プ。
【請求項５】
反射性要素（４１）が、光パイプ（３１）の近位側端部に対して長手方向に直接隣り合い、かくして発光ダイオード（５０）からの高角度光を収集し、収集した高角度光を光パイプ（３１）の近位側端部内に反射する請求項４のランプ。
【請求項６】
体積散乱要素（３２）内の粒状物（３４）が、各方向での光の散乱量を決定する寸法分布及び屈折率分布を有する請求項１のランプ。
【請求項７】
体積散乱要素内の複数の粒状物（３４）の各々が全体に同じ寸法であり且つ全体に同じ屈折率を有する請求項６のランプ。
【請求項８】
体積散乱要素（３２）内の粒状物（３４）が、遠位側方向よりも近位側方向により多く光を散乱させる請求項７のランプ。
【請求項９】
光パイプ（３１）と、体積散乱要素（３２）の基材（３３）との屈折率が同一である請求項１のランプ。
【請求項１０】
光パイプ（３１）と、体積散乱要素（３２）の基材（３３）とがポリメチルアクリレート（ＰＭＭＡ）から作製され且つ波長５５０ｎｍでの屈折率が約１．４９である請求項１のランプ。
【請求項１１】
体積散乱要素（３２）内の粒状物（３４）の、波長５５０ｎｍでの屈折率が約１．５１〜約１．５９の範囲内のものである請求項１のランプ。
【請求項１２】
体積散乱要素（３２）内の粒状物（３４）が全体に丸形であり且つ公称直径が約１〜約１０ミクロンである請求項１のランプ。
【請求項１３】
体積散乱要素（３２）内の粒状物（３４）は、公称直径が約３ミクロン〜約６ミクロン、波長５５０ｎｍでの屈折率が約１．５６、１ｍｍ3当たりの粒状物密度が約１５０万粒〜約２００万粒である請求項１のランプ。
【請求項１４】
光パイプ（３１Ａ、３１Ｂ）の長手方向軸線を含む切断面が直線的側部を有する請求項１のランプ。
【請求項１５】
光パイプ（３１Ｃ）の長手方向軸線を含む切断面が傾斜側部を有する請求項１のランプ。
【請求項１６】
光パイプ（３１Ｂ、３１Ｃ）の長手方向軸線と直交する切断面が、該光パイプ（３１Ｂ、３１Ｃ）の全長手方向軸線に沿って円形であり、該円の直径が、該光パイプ（３１Ｂ、３１Ｃ）の近位側端部から遠位側端部にかけて減少する請求項１のランプ。
【請求項１７】
体積散乱要素（３２）の直径が光パイプ（３１）の断面直径の略１．５〜２．５倍である請求項１のランプ。
【請求項１８】
発光ダイオード（５０）に給電する発光ダイオード駆動体（８０）と、
発光ダイオード（５０）の発生する熱を消散させるヒートシンク（６０）と、
を更に含み、
前記発光ダイオード駆動体（８０）及びヒートシンク（６０）が透明な電球（２０）の外側に配置される請求項１のランプ。
【請求項１９】
発光ダイオード駆動体（８０）が、蝋燭に似せたハウジング内に配置される請求項１８のランプ。
【請求項２０】
体積散乱要素（３２）と光パイプ（３１）とが一体化される請求項１のランプ。
【請求項２１】
体積散乱要素（３２）と光パイプ（３１）とが光学的接触により装着される請求項１のランプ。
【請求項２２】
体積散乱要素（３２）と光パイプ（３１）とが接着剤で装着される請求項１のランプ。
【請求項２３】
光提供方法であって、
透明な電球（２０）の開口に近接して発光ダイオード（５０）を位置付けること、
前記電球（２０）の外側に配置した駆動体（８０）を用いて前記発光ダイオードを電気的に駆動すること、
前記電球（２０）の外側に配置され且つ蝋燭のロウの滴りに似せた外観を有するヒートシンク（６０）を用いて前記発光ダイオード（５０）からの発熱を消散させること、
前記電球（２０）内に配置した光パイプ（３１）の近位側端部を用いて前記発光ダイオードからの放射光を収集すること、
該収集した放射光を、前記光パイプ（３１）を通しての伝達と前記光パイプの横方向縁部からの全反射とにより光パイプの遠位側端部に送ること、
前記光パイプ（３１）の遠位側端部からの光を体積散乱要素（３２）位置で受けること、
受けた光を前記体積散乱要素（３２）を用いて複数の方向に散乱させること、
を含み、
前記体積散乱要素（３２）が、透明な基材（３３）と、該基材全体に配分した複数の粒状物（３４）とを含み、
前記複数の粒状物の各々は透明であり且つ前記透明な基材のそれとは異なる屈折率を有する光提供方法。
【請求項２４】
遠位側方向よりも近位側方向により多くの光が散乱される請求項２３の方法。
【請求項２５】
ランプ（１０）であって、
開口を有する透明な電球（２０）と、
該電球（２０）の前記開口に近接配置され電球内に光を放射する発光ダイオード（５０）と、
該発光ダイオード（５０）に近接し且つ熱接触する、蝋燭のロウの滴りに似せた外観を有するヒートシンク（６０）にして、前記発光ダイオードに面する遠位側縁部と、ランプの円周方向に沿って該遠位側縁部から長手方向に沿って遠い近位側に伸延する横方向縁部と、を含み、該横方向縁部及び遠位側縁部がヒートシンクの内側を構成するヒートシンクと、
該ヒートシンク（６０）の内側内に配置され発光ダイオードに給電する発光ダイオード駆動体（８０）と、
ランプから近位側に伸延されソケットからの給電を受け且つ受けた電力を発光ダイオード駆動体に供給する導伝性のベース部（１００）にして、前記ヒートシンク（６０）から断熱されたベース部と、
を含むランプ。
【請求項２６】
発光ダイオード駆動体（８０）の遠位側及び横断方向の各側を包囲し、ヒートシンク（６０）の遠位側及び横断方向の各側により包囲される駆動体インシュレータ（７０）と、  発光ダイオード駆動体（８０）の近位側側部に近接するベース部インシュレーター（９０）にして、ベース部（１００）をヒートシンク（６０）及び発光ダイオード駆動体（８０）の双方から熱的に絶縁するベース部インシュレーター（９０）と、
を更に含む請求項２５のランプ。
【請求項２７】
ヒートシンク（６０）が、伸縮性延長チューブ（１１０）の一部を半径方向に包囲し、
前記伸縮性延長チューブ（１１０）が駆動体インシュレータ（７０）の一部を半径方向に包囲する請求項２６のランプ。
【請求項２８】
ヒートシンク（６０）が、電球（２０）とベース部（１００）との間でランプ（１０）を円周方向に沿って横断する外側シェルを形成する請求項２５のランプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本件出願は、２００８年１０月１６日付で提出された同一発明名称の米国仮出願特許第６１／１０５，９８０号並びに、２００９年１月１日付で提出された同一発明名称の米国特許出願番号第１２／３５１，１９７号の優先権を主張するものである。
本発明は、電球内に体積散乱要素を有する、発光ダイオードベースのランプに関する。
【背景技術】
【０００２】
電球が発明されるまで、蝋燭は装飾的照明用の選択肢として最新のものであった。シャンデリアは部屋の天井から吊り下げられ、その円周方向に沿って数本の蝋燭が、しばしば華やかに飾り立てられる。
白熱電球が普及すると、多くの電気シャンデリアが蝋燭シャンデリアの外観を模倣するところとなった。これらの電気シャンデリアは、一連の蝋燭に代わる、蝋燭の炎を模した小型電球を各々支持する多数の長い円柱構造物を有する。
電気シャンデリアで使う電球は形がスマートで、蝋燭の細く高い炎に似せられることが多い。光は電球内の比較的小型のフィラメントで生成され、フィラメントを支承する細いワイヤが、電球のネジ付きベース内の電気接点にフィラメントを電気的に接続する。
【０００３】
最近になって照明マーケットに発光ダイオード（ＬＥＤ）が登場した。フィラメントベースのスタイリッシュな白熱電球を、１つ以上のＬＥＤを光源とする類似寸法形状の電球で代替させる試みがなされてきている。
図１９には、その１つとしてのＬＥＤベースのランプ２００が例示される。ランプ２００は、ユタ州Ｗｅｓｔ  Ｊｏｒｄａｎに本拠を置くＣａｏ  Ｇｒｏｕｐ社から市販入手可能である。ランプ２００は現在、Ｃａｏ  Ｇｒｏｕｐ社の登録商標名であるＤＹＮＡＳＴＹの商品名で販売されている。特定のランプは“Ｂ１０  ＬＥＤ  Ｃａｎｄｅｌａｂｒａ  Ｌａｍｐ”として販売される。“Ｂ１０”は、最大直径３２．０ｍｍ（１．２６インチ）、最大全長９８．３ｍｍ（３．８７インチ）、光中心長（ネジ溝先端部から発光点までの距離）５５．０ｍｍ（２．１７インチ）である電球の形状寸法を表す。“Ｃａｎｄｅｌａｂｒａ”とは、ランプをネジ込むベースのことである。標準の“Ｃａｎｄｅｌａｂｒａ”型ベースは“Ｅ１２”としても知られ、この“Ｅ１２”型ランプのベースを含むキャップはネジ山位置の直径が１２ｍｍである。このランプは代表的な白熱電球のワット数が２５、４０又は６０であるのに対して僅か１．７ワットでありユーザーにとって相当のエネルギー節約になる。
【０００４】
ランプ２００は外側ガラス球部２０１を有し、この外側ガラス球部２０１内の発光位置にはＬＥＤ２０２が配置され、電球内のヒートシンク２０３がＬＥＤ２０２からの発生熱を消散させ、電球内の制御エレクトロニクス２０４が、ライン電圧（ＡＣ１２０ボルト）を低電圧（ＤＣ５ボルトのオーダー）に変換すると共にＬＥＤ２０２を電気的に駆動させる。
ランプ２００には白熱ランプに勝る数多くの利点がある。例えば、消費電力が極めて小さく（１．７ワット）、寿命が極めて長く（Ｃａｏ  Ｇｒｏｕｐ社によれば３５０００時間）、多数の白熱ランプフィクスチャとの上位互換性がある。しかしながらこのランプには欠点も幾つかある。
【０００５】
その最たるものは、ランプ自体が外観的魅力に乏しいことである。ヒートシンク２０３は外側ガラス球部２０１を通して露呈される。制御エレクトロニクス２０４はシェルで隠されるとは言え、やはり外側ガラス球部２０１内に見える。この構造はランプ２００の外観全体を損なうものである。その主な用途がスタイリッシュなシャンデリアであることを考えればランプ２００を選びたくはない。
ＬＥＤベースの他のランプを、ヴァージニア州Ｃｈａｒｌｏｔｔｅｓｖｉｌｌｅに本拠を置くＷａｔｔ−Ｍａｎ社から市販入手可能である。このランプは“Ｗａｔｔ−Ｍａｎ  ＬＥＤ  Ｄｅｃｏｒ  Ｌａｍｐ  −Ｂ１０”として販売される。ランプは直径３１．７ｍｍ（１．２５インチ）、最大全長が１００ｍｍ（４．０インチ）である。このランプはキャンデラブラ（Ｅ１２）またはミディアム（Ｅ２６）のベース形式のものを入手可能である。このランプには図１９に示したランプ２００のそれと類似の利点及び欠点がある。
他にも、２００８年２月１２日付でＣｈａｖｅｓ他に対して発行された、“Ｏｐｔｉｃａｌ  ｄｅｖｉｃｅ  ｆｏｒ  ＬＥＤ−ｂａｓｅｄ  ｌａｍｐ”と題する米国特許第７，３２９，０２９号に開示されるランプが知られている。本願明細書に添付した図２０はＣｈａｖｅｓの図３４Ａからの写しである。
【０００６】
Ｃｈａｖｅｓの前記特許には、ＬＥＤからの光出力を受け、受けた光出力を主に球状パターンにて再配向させる光学要素が開示される。この光学要素は、その内部にＬＥＤからの光を受ける所謂“移行セクション”を含み、この移行セクションに隣り合って、移行セクションからの光を受け、受けた光を全体に球状に散乱させる所謂“放射セクション”が位置決めされる。移行セクションのベース部は随意的には、ＬＥＤの光が移行セクションに入るよう、ＬＥＤと整列及びまたは連結される。移行セクションは、全内部反射を介して動作する複合楕円面集光器であり得る。放射セクションは種々の形状を有し得る。
【０００７】
図２０にはＣｈａｖｅｓの前記特許に開示される多数の光学要素の１つが示される。ＬＥＤは図２０の底部位置に小矩形物として示され、ＬＥＤからの放射光は要素６００内部を上昇し、多様に内反射及びまたは屈折した後、要素６００の頂部付近から放出される。Ｃｈａｖｅｓの前記特許によれば、その図２０には要素６００としての仮想フィラメントが示され、このフィラメントが等角螺旋状の移行セクション６０１を含み、対向する位置６０１ｆにこの移行セクション６０１の中心が置かれ、立方体スプライン６０２が突出され、中央には、その近位点６０３ｆ位置に中心を置く等角螺旋６０３が配置される。
要素６００内部の光線が、スネルの法則（屈折率は、界面の両側における法線が一定であれば角度の正弦に比例する）及び反射の法則（入射角は反射角に等しい、何れも法線に関する）により支配される画定通路を辿る点に注目すべきである。要素６００内の光伝播に画定性があると幾つかの欠点が生じる。
【０００８】
先ず、要素６００は光学軸を持つため、正しく動作させるには相当に注意深い整合操作を要する。ＬＥＤがターゲット位置から少しでもずれると要素６００内の光パターンは劇的に移動し、出口角度による受光量の増減が発生する。
次に、要素６００が画定様式下に動作し、またその最適動作は全体に円滑な表面に依存することから、要素６００は欠陥に対して特に脆弱である。詳しくは、擦り傷等の表面欠陥、寸法又は形状的エラー等の構造的欠陥、屈折率変化又は汚染等の材料欠陥等により要素６００の性能劣化は深刻化され得る。
【０００９】
要素内の伝播特性に類似の画定性がある既知の別のランプでは、表面ディフューザーを取り付け、要素を離れる光線の出力方向をランダム化している。このランプは、Ｍｉｎａｎｏ  他に対して２００６年４月４日付で発行された“Ｏｐｔｉｃａｌ  ｄｅｖｉｃｅ  ｆｏｒ  ｒｅｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ  ａｎｄ  ｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｎｇ  ａｎ  ＬＥＤ’ｓ  ｌｉｇｈｔ”  と題する米国特許第７，０２１，７９７号に開示される。本件出願の図２１は当該米国特許の図７Ａの写しである。
図２１に示す既知のランプではＬＥＤからの光はレンズ２７０に直接入る。光は移行セクション２７１の底部から入り、全反射により移行セクション内で閉じ込められつつ上昇して放射セクション２７２に入る。放射セクション２７２はその表面上にディフューザーを有し、このディフューザーがその表面位置で、レンズ２７０を出る出口角度範囲内に光線を再配向させ得る。放射セクション２７２のディフューザー表面は、散乱面それ自体における光通路の１点のみにおいて光通路がランダム化され得ることから、“表面ディフューザー”または“表面散乱体”として参照され得る。
【００１０】
放射セクションの表面上の表面ディフューザーは、対欠陥脆弱性（上述した第２の欠点）を低減させる点でＣｈａｖｅｓの特許に勝る利点がある。しかしながら、この表面ディフューザーには尚、レンズ２７０内の伝播の画定性によりＬＥＤとレンズ２７０との間のアライメント誤差が相当厳しくなるという欠点がある。仮にＬＥＤがそのターゲット位置からずれると移行セクション２７２の一部に明暗差部分が生じる。
【００１１】
表面ディフューザーに良く似たものに、出口光線がガラスのフロスト処理部分により種々の角度に配向されるフロストガラス電球がある。先に議論した伝播の画定性の問題により、電球表面にその他部分よりも明るいまたは暗い部分が生じ得る。フロスト処理部分は表面ディフューザーであるとは言え、フロストガラス電球の表面上の明度変化を隠さないため、この明度変化は様々な角度から見える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】米国仮出願特許第６１／１０５，９８０号明細書
【特許文献２】米国特許出願番号第１２／３５１，１９７号明細書
【特許文献３】米国特許第７，３２９，０２９号明細書
【特許文献４】米国特許第７，０２１，７９７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
解決しようとする課題は、ヒートシンク及び駆動体エレクトロニクスが電球の外側に格納され、透明材料製の光学要素のみが電球内に配置され、かくして不整合や製造上の欠陥に対する光学性能耐性が向上したＬＥＤベースのランプを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の１様相によれば、ランプであって、容積部分を包囲し且つその長手方向端部位置に開口を有する透明な電球と、該電球内で前記開口に接近して配置され該電球内に光を放射する発光ダイオードと、前記電球内で前記開口に近接して配置され前記発光ダイオードからの光を受ける透明な光パイプにして、光が該光パイプの近位側端部から入り、該近位側端部から光パイプの遠位側端部に向けて長手方向に伝播する光パイプと、該光パイプ内で前記遠位側端部に隣り合って配置され、前記光パイプからの光を受け、受けた光を複数の出口角度範囲内に散乱させる体積散乱要素と、を含むランプが提供される。散乱光は電球を貫いて放出される。体積散乱要素は透明な基材と、この基材全体に配分した複数の粒状物とを含む。複数の粒状物の各々は透明であり且つ前記基材のそれとは屈折率が異なる。
【００１５】
本発明の他の様相によれば、光提供方法であって、透明な電球の開口に近接して発光ダイオードを位置付けること、電球の外側に配置した駆動体を用いて前記発光ダイオードを電気的に駆動すること、電球の外側に配置したヒートシンクを用いて前記発光ダイオードからの発熱を消散させること、前記電球内に配置した光パイプの近位側端部を用いて前記発光ダイオードからの放射光を収集すること、該収集した放射光を、前記光パイプを通しての伝播と前記光パイプの横方向縁部からの全反射とにより光パイプの遠位側端部に送ること、前記光パイプの遠位側端部からの光を体積散乱要素位置で受けること、受けた光を前記体積散乱要素を用いて複数の方向に散乱させること、を含み、前記体積散乱要素が、透明な基材と、該基材全体に配分した複数の粒状物とを含み、前記複数の粒状物の各々は透明であり且つ前記基材のそれとは異なる屈折率を有する光提供方法が提供される。
【００１６】
本発明の更に他の様相によれば、ランプであって、開口を有する透明な電球と、該電球の前記開口に近接配置され電球内に光を放射する発光ダイオードと、該発光ダイオードに近接し且つ熱接触するヒートシンクにして、前記発光ダイオードに面する遠位側縁部と、ランプの円周方向に沿って該遠位側縁部から長手方向に沿って遠い近位側に伸延する横方向縁部と、を含み、該横方向縁部及び遠位側縁部がヒートシンクの内側を構成するヒートシンクと、該ヒートシンクの内側内に配置され発光ダイオードに電力を供給する発光ダイオード駆動体と、ランプから近位側に伸延されソケットから電力を受け且つ受けた電力を発光ダイオード駆動体に供給する導伝性のベース部にして、前記ヒートシンクから断熱されたベース部と、を含むランプが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】ランプの斜視図である。
【図２】図１のランプの分解斜視図である。
【図３】図１及び図２のランプの組み立て状態における部分断面側面図である。
【図４】図１〜図３のランプの端面図である。
【図５】図１〜図４のランプの部分断面拡大図である。
【図６】図１〜図５のランプの二次光学系の断面図である。
【図７】図１〜図６のランプの、発光ダイオードから出て光パイプの近位側端部に入る光の例示図である。
【図８】例示的な光パイプを下方に伝播する光の状況の例示図である。
【図９】例示的な光パイプを下方に伝播する光の他の状況の例示図である。
【図１０】例示的な光パイプを下方に伝播する光の他の状況の例示図である。
【図１１】体積散乱要素の、基材及び種々の粒状物の詳細を示す例示図である。
【図１２】光パイプ及び体積散乱要素の略例次図である。
【図１３】光パイプ及び体積散乱要素の他の略例次図である。
【図１４】体積散乱要素に一体化した光パイプの略例次図である。
【図１５】光パイプを出て体積散乱要素に入る光の状況の例示図である。
【図１６】体積散乱要素から近位方向及び遠位方向に散乱さえる光の状況の例示図である。
【図１７】粒状物の密度及び粒状物の屈折率の関数としての、散乱対方向をシミュレートしたプロット図である。
【図１８】光の波長の関数としての、散乱対方向をシミュレートした追加のプロット図である。
【図１９】“Ｄｙｎａｓｔｙ  Ｂ１０  ＬＥＤ  Ｃａｎｄｅｌａｂｒａ  Ｌａｍｐ”の略図である。
【図２０】既知のＣｈａｖｅｓのランプの図３４Ａの写しである。
【図２１】既知のＭｉｎａｎｏのランプの図７Ａの写しである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
蝋燭様の外観を有し、１つ以上の発光ダイオード（以下ＬＥＤとも称する）を光源として用いるランプが提供される。蝋燭様の外観は、光が電球の中心または中心付近の小容積部分のみから放出されることによるものである。ヒートシンク及び制御エレクトロニクスはランプの電球の外側に位置付けられる。電球の内側には、１つ以上のＬＥＤからの光を電球の内側の所定の放射位置に案内する１組の二次光学系が配置される。二次光学系には、ＬＥＤの各チップから遠い側に光を案内する光パイプと、この光パイプからの光を受け、受けた光を種々の方向に散乱させる体積散乱要素とが含まれる。体積散乱要素は透明な基材から作製され、所定寸法及び屈折率を有する透明な粒状物を含む。ランプは代表的には、吊り下げ用シャンデリア等の頭上位置で使用するため、体積散乱要素内の粒状物の密度、粒状物の寸法及び屈折率は、上側よりも下側（電球のベース部側）に光をより多く配向する散乱パターンを生成しつつも妥当な効率（無事ランプを出た生成光の比率）を維持するよう選択される。シミュレーション結果が提示される。
【００１９】
以上は要約であっていかなる限定をも構成しない。以下に図面を参照して本発明を詳しく説明する。
以下の説明は大きく２つに分けられる。前段では図１〜図５を参照してランプ構造要素が説明される。中段では図６〜図１６を参照して、ＬＥＤを出、光パイプを通過して体積散乱要素に向かい、最終的にランプを出る光学通路が説明される。後段では図１７及び図１８を参照して光学的モデリング及び光学通路のシミュレーションが説明される。
【００２０】
先ず図１〜図５に種々示す実施例のランプ１０の構造要素について説明する。詳しくは、図１〜図５には斜視図、分解斜視図、部分断面側面図、端面図、部分拡大断面図、が夫々示される。以下にこれら第１〜５図との関連においてランプ１０を説明する。先ず図２の右側から左側に順に説明する。
【００２１】
電球２０はガラスまたはプラスチック製の内側が中空の透明な電球であって、その長手方向端部位置に開口を有する。電球は任意の好適な寸法及び形状を有し得る。ある用途では電球は所謂“Ｂ−１０”型電球である。“Ｂ−１０”とは電球の特定形状を表すもので、業界では既知であり且つ既存の装飾性電球において広範に市販入手可能である。“Ｂ−１０”型は細長または魚雷形状を有し、長手方向各端部は比較的小さく、中央部分は比較的広い。電球自体の形は蝋燭火炎のそれに幾分類似している。Ｂ−１０型電球の横断方向径は３２ｍｍ（１．２５ｉｎ）である。
【００２２】
電球組み立て状態において電球２０の内部を二次光学系３０が伸延する。二次光学系３０には、何れも以下に詳しく説明する光パイプ３１及び体積散乱要素が含まれる。
光学系マウント４０が、二次光学系３０を然るべく機械的に固定すると共にＬＥＤパッケージのカバーを構成する。ある用途では光パイプ３１は、ＬＥＤチップによる発熱から二次光学系を大きく引き離すべく、ＬＥＤパッケージから空間を置いて離間される。これらの用途では光学系マウント４０はＬＥＤパッケージと二次光学系４０との間のスぺーサとして作用し得る。光学系マウント４０は、真鍮、アルミニューム、またはスチール等の任意の好適な金属またはプラスチック材料から作製し得る。
【００２３】
ある用途では光学系マウント４０は内側円筒反射面４１を含み、この内側円筒反射面が、ＬＥＤからの高出口角度の放射光を反射し、この反射光を光パイプ３１の近位側フェース方向に戻す。前記内側円筒反射面は成型または研磨により円滑に仕上げ得る。内側円筒反射面は随意的には、その反射性を向上させる１つ以上の反射性薄膜を含み得る。
ＬＥＤパッケージ５０は、発光エリアとなるＬＥＤチップそのものと、このＬＥＤチップを支持する機械的パッケージとを含む。ある用途ではＬＥＤパッケージは、ＬＥＤチップを保護し且つＬＥＤチップからの光出口角度を随意的に変更させ得る、ＬＥＤチップを覆う１つ以上のレンズを含む。
【００２４】
市販入手可能なＬＥＤパッケージを任意数においてランプ１０で使用可能とすることが意図される。特定実施例において、使用可能なパッケージスタイルの１つは、Ｏｓｒａｍ  Ｏｐｔｏ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓの登録商標名の下、ＯＳＴＡＲの名称で販売されている。ＯｓｔａｒＬＥＤはＯｓｒａｍ  Ｏｐｔｏ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ社から市販入手可能である。
Ｏｓｔａｒ名称の照明用ＬＥＤはその発光色が、色座標（ｘ、ｙ）が（０．３３、０．３３）である“白”または（０．４２、０．４）である“温白色”であり得る。Ｏｓｔａｒ名称の照明用ＬＥＤは代表的には、単独のチップではなくむしろＬＥＤチップ列を有する。チップ列は、２個組に２個組を、または２個組に３個組を隣り合わせた列構成を約２．３１ｍｍ×１．９ｍｍの矩形領域に渡り全体的に伸延させた配列とし得る。Ｏｓｔａｒ名称の照明用ＬＥＤはＬＥＤチップ列を覆う光学レンズを有し得る。全Ｏｓｔａｒ名称の照明用ＬＥＤは、レンズ無しＬＥＤでは１２０°、レンズ付きＬＥＤでは１２０かまたは１３０°の何れかであるところの半値全幅（ＦＷＨＭ）で説明される出口角度を有し得る。
【００２５】
これらのＯｓｔａｒ名称の照明用ＬＥＤは蛍光物質ベース、つまり実際のＬＥＤチップ自体が比較的短波長の、代表的には青、紫、またはスペクトラムのＵＶ部分の光を放射する。蛍光物質は短波長光を吸収して所望のスペクトラム中にもっと波長の長い光を放射する。スペクトラムの幅、平坦度、等の正確な特性の大半は、蛍光物質のケミストリーや短波長光との相互作用により決定される。照明用途では一般にランプ放射光は、その色座標（ｘ，ｙ）が（１／３，１／３）である略“白色”に見えることが望ましい。
【００２６】
Ｏｓｔａｒ名称の照明用ＬＥＤの機械的パッケージは、パッケージ平面内において全体に六角形状であり、６つの各角部位置にはネジ頭を収受し得る窪みがある。その他好適なパッケージ形状をも使用できる。
Ｏｓｔａｒ名称の照明用ＬＥＤはＬＥＤチップに電気的に連結するパッドを含むが、ＬＥＤへの電流制御用の駆動体回路は含まない。以下に説明するこの駆動体回路はＬＥＤ駆動体８０を含む。
ＬＥＤパッケージ５０は発熱し、この発熱はヒートシンク６０によりＬＥＤパッケージから消散され且つ引き離される。ヒートシンク６０はアルミニューム等の伝熱性金属から作製されるが、任意の好適な材料を使用して良い。
【００２７】
ヒートシンク６０は、ＬＥＤパッケージ５０の近位側と全体に接面してＬＥＤパッケージ５０と良好に熱接触する遠位側フェースを含む。この遠位側フェースは、ＬＥＤパッケージ５０への電気的接続を収受する１つ以上のネジ穴及びまたは１つ以上の孔を含み得る。
ヒートシンク６０は全体がシェル状に賦形され、全体に中実でＬＥＤチップと接触する遠位側フェースと、全体に中実の横断方向の壁と、中空の内部とを有し、近位側を向く境界壁は持たない。ヒートシンク６０は、その外側部分の表面積が可能な限りにおいて広いことが望ましいため、その表面積を増大するストライプ模様または“フィン”を含み得る。ある用途ではヒートシンク６０は、ヒートシンクの円周方向に沿った長さが恐らくは変化する、装飾性ストリップ等の装飾的特徴部をも含み得る。ヒートシンクは随意的には、蝋燭の頂部から滴るロウに似せた特徴部を含み得る。ある用途ではヒートシンクはその表面に孔を含み得る。
【００２８】
ヒートシンク６０が金属製であり、従って導伝性を有し得ることから、ＬＥＤ駆動体をヒートシンク６０から電気的に絶縁することが望ましい。従って、駆動体インシュレーター７０がヒートシンクの内側の大半または全体に配置される。駆動体インシュレーター７０はプラスチック等の任意の好適な非導伝材から作製し得る。駆動体インシュレーター７０は随意的には、ヒートシンク６０が受ける如き若干の高温に耐え得るべきである。駆動体インシュレーター７０は全体に中空でもあり、近位側を向く壁は持たない。
【００２９】
ＬＥＤ駆動体８０は駆動体インシュレーター７０内に配置され、この駆動体インシュレーター７０は結局、ヒートシンク６０内に配置される。ＬＥＤ駆動体８０はＬＥＤチップに所定量の電力を供給し、ＡＣ１２０または２４０ボルト等のライン電圧を受けてこれをＤＣ５ボルト等の相当低い電圧に変換する回路を含み得る。ＬＥＤ駆動体８０は、ライン電圧変動でＬＥＤチップが損傷しないことを補償し得るフィルター回路を含み得る。上述したＯｓｔａｒ名称の照明用ＬＥＤ用の代表的な電流レベルは３５０ミリアンペアであるが任意の好適な電流レベルを使用できる。
ＬＥＤ駆動体８０は、駆動体インシュレーター７０及びヒートシンク６０の各孔を貫いて伸延してＬＥＤパッケージ５０に至る１つ以上の電線を有し得る。
ＬＥＤ駆動体８０の近位側には、駆動体インシュレーター７０と類似の機能を奏するベース部インシュレーター９０が配置される。ベース部インシュレーターは、ベース部への、ライン電圧を受ける電気的接続を収受し得る１つ以上の穴を含み得る。ベース部インシュレーター９０はプラスチック等の任意の好適な材料から作製し得る。
【００３０】
ベース部１００はソケットと接続する雄ネジ部分である。この雄ネジ部分は代表的にはライン電圧の一方に電気的に接続し、ベース部１００の長手方向端部（最も近位側の端部）が前記ライン電圧の他方に電気的に接続する。
任意の好適なネジ溝寸法のランプを入手可能である。一般的なネジ溝寸法としては、ネジ山位置での直径が１２ｍｍのキャンディラブラ（Ｅ１２）型または同２６ｍｍのミディアム（Ｅ２６）型の２つがある。
ランプ１０はその組み立て状態において、電球２０からベース部１００にかけての全ての要素を単一ユニットとして包含する。図１では要素１１０を除く全要素が単一ユニットとして包含され、ねじ溝付きのベース部１００がユニットの近位側端部から伸延される。
【００３１】
要素１１０は、ランプユニット（要素２０から要素１００までの）の一部ではなくむしろ、代表的にはソケットフィクスチャの一部であるところの伸縮性延長チューブである。伸縮性延長チューブ１１０は中空であり、重力作用下に全体に然るべく降下する。伸縮性延長チューブ１１０は任意の所望長さを有し得、蝋燭または燭台に似た装飾的デザインが施され得る。伸縮性延長チューブはプラスチック、金属、または任意の好適な材料から作製し得、随意的には、ランプ１０に品のあるスタイリッシュな外観を与える白または明るい色で着色し得る。
伸縮性延長チューブ１１０は代表的にはソケットホルダの一部と考えられる。ソケット自体は、図示しないがベース部１００の雄ネジ部と合致する雌ネジ部を含む。ある用途ではベース部１００とソケットとはネジ込み式ネジ部ではなくむしろ、非ネジ溝式の差し込み連結部が使用される。
以上によりランプ１０の構造要素を説明した。以下ではランプ１０の光学通路を説明する。詳しくは、前段で簡単に触れた二次光学系３０について詳しく説明する。
【００３２】
図６は図１〜図５のランプの二次光学系３０の側方断面図である。
二次光学系３０は、ＬＥＤパッケージ５０の出口表面５１を出る光を体積散乱要素３２に送る光パイプ３１を含む。光パイプ３１からの放射は僅かであるかまたは全く見えず、ランプ１０からの全てのまたはほぼ全ての光は体積散乱要素３２から放射するように見える。
この体積散乱要素３２は電球２０全体よりずっと小型である。光が電球中央部の比較的狭い範囲または容積部分から放射されるように見えるので、ランプ１０は、電球全体から光が放射されるフロストガラス電球またはフロスト処理電球を入れた小型蛍光灯等のランプよりも審美的な魅力がある。体積散乱要素の面積が比較的小さいので光が“きらめく”望ましい効果が得られしかも非常にスタイリッシュである。光の“きらめき”は電球内の比較的小さい放射範囲から出現し、また夜空の星の“きらめき”に似ている。光をその表面範囲全体から放射する大抵のフロスト処理電球ではこのように素敵な“きらめき”は出せない。
【００３３】
以上、二次光学系の特徴を、ＬＥＤを出、光りパイプを通り、体積散乱要素に入り、電球を出る光学通路に沿ってシーケンス的に説明した。
図７には、図１〜図６のランプの、ＬＥＤパッケージ５０の出口表面５１を出て光りパイプ３１の近位側端部に入る光経路が略示される。
光は特定の角度プロファイル下にＬＥＤパッケージ５０の出口表面５１から放出される。大抵の角度プロファイルは、電力対伝播角に余弦依存する完全散乱（Ｌａｍｂｅｒｔｉａｎ）プロファイルである。放射光強度はＬＥＤ平面と直交方向が最大（ピーク）となり、伝播光線との直交表面と当該伝播光線の角度との間の余弦として、角度に伴い前記Ｌａｍｂｅｒｔｉａｎ分布から減少変化する。Ｌａｍｂｅｒｔｉａｎ分布は２ｃｏｓ-1（０．５）または１２０°の半値全幅（ＦＷＨＭ）を持つ。つまり、前記直交表面から６０°離間した伝播光の光強度は、前記直交表面と平行方向に伝播する光強度の半分になる。分布は角度に伴い低下し、９０°でゼロになり、ＬＥＤのフェースと平行に伝播する光強度は事実上なくなる。一般に、ＬＥＤパッケージの角度プロファイルはＬＥＤチップ列の全放射位置において同じであるがそうである必要はない。
【００３４】
図７にはＬＥＤパッケージ５０を出る種々の光線が示される。ＬＥＤパッケージは、レンズ付きＬＥＤパッケージに相当する湾曲出口フェース５１を有するものとして示されるがそうである必要はない。平坦な出口フェースを使用しても良い。光はＬＥＤパッケージのレンズを出る際に屈折し、１．５のオーダーの高い屈折率から自由空間伝播に相当する低い屈折率１となる。
ＬＥＤパッケージを出るほとんどの光線は自由空間を通して伝播し、次いで光パイプ３１の近位側表面に入る。高角度の光線の幾分かは、先ず、レンズマウントの側部を構成する内側円筒反射面４１で反射されて光パイプ３１の近位側表面方向に戻る。
【００３５】
光パイプ３１の近位側表面は平坦状態で示されるが随意的には湾曲させ得る。近位側表面が平坦であると光パイプ３１は、この近位側表面が湾曲である場合よりもＬＥＤパッケージに関する不整合に対する感度が低下する。この感度低下は、アライメント誤差の幾分かを緩和し、従って組み立てプロセス上の歩留まりを改善するので望ましい。
前記近位側表面は随意的には、当該表面からの反射を減少させる誘電性薄膜コーティングを含み得、この誘電性薄膜コーティングは単層または複層化され得る。これらの抗反射性コーティングは斯界に周知であり、四分の一波長コーティング（“Ｖ”字型コーティング）、“Ｗ”字型コーティング、またはもっと複雑な構造を含み得る。
【００３６】
光パイプ３１に入った光線はＬＥＤに近い近位側端部から、体積散乱要素に近い遠位側端部に進む。光線の大半は光パイプの長手方向に沿った伝播のみによって、あるいは光パイプの長手方向軸に対してやや傾しつつ単純移動する。高角度の光線の幾分かは光パイプの横方向側部または両側部で反射する。この反射は入射角が光パイプ内の臨界角より大きい場合に生じ、全反射である。全反射では光は光パイプの横方向側部を通しては進まず、電球の外側からは光パイプの横方向側部から抜ける光は見えない。
【００３７】
光パイプ３１は、波長５５０ｎｍでの屈折率が約１．４９であるポリメチルメタクリルレート（ＰＭＭＡ）から作製される場合がある。この材料は比較的安価であり、比較的耐性があり、しかも成型性があるため光パイプ３１を成型可能である。他の例ではガラスまたはその他形式のプラスチック等の別の材料を使用できる。
ある光パイプ３１は、体積散乱要素３２内の散乱要素とは別に散乱要素を含み得る。光パイプ３１内の随意的な散乱要素は、光パイプ３１の基材のそれと屈折率のやや異なる、体積散乱要素３２内のそれらと構造上類似した小粒状物等であり得る。粒状物の屈折率、寸法分布及び密度の任意または全ては、体積散乱要素３２内の粒状物のそれと比較して同じかまたは異なり得る。
【００３８】
光パイプ３１はその大部分が円筒形状とされ、顕著な長手方向形状を有する。図８、図９、図１０には大半が円筒状となり得る幾つかの形状が示される。図８の光パイプ３１Ａは真円筒形状を有し、その長手方向軸と平行な断面は円形である。真円筒形状の場合、光パイプ３１Ａの前記円形断面の寸法は近位側端部と遠位側端部との間のどの位置でも同じである。図９の光パイプ３１Ｂはやや切頭円錐状を呈し、従ってその円形断面は近位側端部から遠位側端部にかけて小さくなる。円の大きさは光パイプ３１Ｂに沿った距離と共に直線的に変化する。図１０の光パイプ３１Ｃもまた、光パイプ３１Ｃの近位側端部から遠位側端部にかけて大きさが減少する円形断面を有するが、光パイプ３１Ｃに沿った距離と共に非直線的に変化する。つまり、光パイプの長手方向軸線を含むように薄切りした場合、光パイプ３１Ａ及び光パイプ３１Ｂの各側部は直線的であるが光パイプ３１Ｃの側部には傾斜がある。詳しくは、光パイプ３１Ｃの形状は外側テーパ付きとして参照され得る。このテーパは、光パイプ３１内に全反射が維持される限りにおいて任意の好適な形状とし得る。
【００３９】
あるいは、光パイプはその長手方向軸に関して厳密に回転対称である必要はない。光パイプは１方向または多方向に細長くし得、１方向または多方向にテーパ付けし得、あるいは異なる方向に異なるテーパを有し得る。それら全ての実施例に関し、その断面は楕円、長円、あるいはその他細長形状であり得る。
随意的には光パイプは、光パイプから随意的には所定位置で光を放射せしめる六角形等のもっと複雑な形状を有し得る。例えば光パイプは、擦り傷、溝、窪みまたは突起であり得る装飾性ストライプをその外面上に有し得、光の幾分かをそれらに沿って光パイプから放射させ得る。あるいは、光パイプの横方向縁部に沿って光を放射させ得る、点または星形様のもっと小さい特徴部分を設け得る。
【００４０】
光は光パイプ３１を長手方向に降下して体積散乱要素３２に入る。図１１には体積散乱要素３２の内側構造が略示される。
体積散乱要素３２は屈折率がｎである透明な基材３３を含む。基材３３には、所定の寸法形状及びを有し且つその屈折率が基材３３のｎとは異なるｎ’である多数の粒状物３４が混入される。大抵の場合、粒状物の所定形状は丸形または代表的な製造技法を使用して可能な限りにおいて丸形である。全ての粒状物は同じまたは可能な限りにおいて特定の所望寸法に近い場合が多い。例えば、粒状物の直径は３±０．１ミクロン範囲である。この範囲は、直径分布を２．９〜３．１ミクロンの範囲に略一様化するためのカットオフ点を表し得る。あるいはこの範囲は、分布の幅点を表し得る。例えば、特定製造プロセスでは直径は通常（Ｇａｕｓｓｉａｎ）分布を生じ、平均値が３．０ミクロン、標準偏差が０．１ミクロンとなり得る。その他の幅方向点には半値全幅（ＦＷＨＭ）、ｌ／ｅ半幅または全幅、ｌ／ｅ2半幅または全幅、四分位範囲、等があり得る。
【００４１】
上述例では、製造上の妥当な許容誤差範囲内に収めるべく粒状物寸法を故意に同一化する。他の例では、１つ以上の粒状物寸法を故意に用いる。それらの直径分布には１つ以上の個別寸法が含まれ得、また、特定寸法を中心とする寸法分布も含まれる。更に他の例では、粒状物の屈折率分布のみならず粒状物寸法の随意的分布が含まれ得る。以下に説明するシミュレーションに関し、粒状物は全て丸形で、全粒状物が特定分布を構成する直径を有し、特定の粒状物密度下に基材全体に一様に分布されたと仮定する。
図１１では体積散乱要素は球形またはボール形状として示されるが、部分球状、半球状、平坦側部が下方を向いた半球状、キノコ形状、楕円状、細長楕円状、立方体状、プレート状、プラミッド状、偏球状、サッカーボール形状、その他任意の形状を含む数多くのその他形状の１つであり得る。一般に、体積散乱要素の形状は、当該体積散乱要素内を伝播する光の特性上、上述した光線を形状付ける各要素の形状ほどには臨界的なものではない。以下にこの点を説明する。
【００４２】
発明の背景で説明した純粋に屈折性で且つ表面散乱性の構造の場合、光線はＬＥＤパッケージから画定通路を辿り、比較的数値の小さい屈折率及びまたは反射を介して構造体の表面上の特定位置に達する。この場合、“小さい”値の屈折率及びまたは反射とは、画定されたレイトレーシングソフトウェアで容易にシミュレートされる数値または５、１０、５０または１００のオーダーの数値であり得る。これらの構造の性能はその実際の形状に大きく依存する。例えば、Ｃｈａｖｅｓの特許では見た目の形状変化は小さいが性能に驚くほど大きな変化を生じさせる多数の目新しい要素形状が開示された。Ｃｈａｖｅｓの特許の各要素の製造上及びアライメント上の許容誤差が極めて厳しいものであることは明らかである。一般に、これらの厳しい許容誤差は、構造体内で光を画定的に伝播させる光再配向構造に特徴的なものである。表面ディフューザーは構造体を出る各光の方向をランダム化させ得るが、構造体からの各光の放出位置は変化しないため、一般に厳しい許容誤差は殆ど軽減されない。
【００４３】
対照的に、体積散乱要素は、当該要素を出るに際してのみ再配向するのではなくむしろ、当該要素に光線が入ると即座に再配向を開始させる。体積散乱要素内の数百万個の粒状物により、当該要素に入射し、次いで最終的に出るまでの間、光は数千または数百万回再配向され得る。これらの再配向はその殆どが、真に画定的な光トレースではなくむしろ、確率的または確率論に基づく分析により容易に取り扱える。幸いにも、光トレース用ソフトウェアパッケージの多くは従来の光トレースのフレームワーク内でこれらの確率論に基づく計算を実行可能であり、かくして体積散乱要素の外側の光線に対する画定的光トレースが実施され、確率論に基づく計算により体積散乱要素内の光の動作が処理される。
【００４４】
体積散乱要素がその表面だけでなくむしろその全体積内で光を再配向させることで、その表面プロファイルに関する許容誤差は先に議論したＣｈａｖｅｓの特許の各要素のそれよりは遙かに緩和されたものとなる。例えば、体積散乱要素表面の特定の一カ所が歪んでいても、平均すればこの歪んだ部分から再配向される光部分は僅かであると言う単純な理由から、放射光の分布への影響は殆ど無くまたは全く生じない。
ある実施例では体積散乱要素３２の基材３３は光パイプ３１と同じ材料であり得るポリメチルメタクリルレート（ＰＭＭＡ）である。この場合、材料が同じであるため屈折率は同じであり、光パイプ３１と体積散乱要素３２との間に界面は生じない。他の実施例では体積散乱要素及び光パイプの材料が相違され得る。
【００４５】
ある実施例では粒状物の５５０ｎｍの波長における屈折率は約１．５１〜約１．５９の範囲である。５５０ｎｍ波長での屈折率が約１．４９であるポリメチルメタクリルレート（ＰＭＭＡ）の代表的な基材の場合、粒状物と基材との間の屈折率の差は代表的には約０．０５〜０．０６の範囲であるが、当該範囲外の値でもあり得る。粒状物は代表的にはその寸法（直径）が約１〜約１０ミクロンの範囲のものである。粒状物は全体が丸形と考えられ、粒状物を丸形とした場合のシミュレーションで得られた結果は測定量と一致した。
基材３３が透明である場合、当該基材による吸収は無く、粒状物３４もやはり透明である点に留意されたい。他の実施例では一方または両方の材料が若干量を吸収する。
【００４６】
体積散乱要素３２が散乱体の内側に混入した蛍光性粒状物を含み得る場合がある。それらの蛍光性粒状物はＬＥＤからの比較的短波長の光を吸収し得、散乱体の内側内の各位置から蛍光体放射光を放射し得る。散乱体内部に蛍光体を位置付けたことで、ＬＥＤパッケージの一部としてその蛍光体を含む白色ＬＥＤではなくむしろ青色ＬＥＤ等の短波長ＬＥＤを使用できる。
あるいは、ＬＥＤパッケージ内の蛍光体に加え、散乱体内に混入した蛍光体が含まれ得る。この蛍光体はランプの演色の微調整または調整に使用され得る。例えば、ある特定の蛍光体がスペクトラムの赤部分において主に放射し、かくして散乱体内部に前記赤い蛍光体を追加することでランプの出力に赤味が付加され得る。その他実施例が可能であるのは言うまでもない。
【００４７】
更に他の例では、ＬＥＤパッケージの蛍光体及び／または体積散乱要素３２の内側の蛍光体に加えてまたはそれに代えて、体積散乱要素３２の外側に蛍光体が付加され得る。この蛍光体は特定体積内における個別の粒状物としてではなくむしろフィルムとして付加され得る。
更に他の例では体積散乱要素３２の頂部（遠位側端部側端部）に随意的な反射体が付加され得る。この反射体は完全または部分的反射性を有し得、散乱体の最遠部表面上に金属製のまたは誘電性のフィルムとして被着され得る。この随意的な反射体は遠位側方向への放射量を低減させ、近位側方向に光を再配向させて散乱体体積内に戻す。ある場合ではこの反射体は体積散乱要素３２の長手方向軸を中心とする回転対称性を有し得る。ある場合において、この反射体は体積散乱要素３２の半球全体を被覆し得る。他の場合において、この反射体は体積散乱要素３２の遠位側の藩部の一部のみを被覆し得る。ある場合においてこの反射体は種々の肉厚（または反射性）を有し得、表面の最遠位置が最も厚く（または反射性が最大）、この最遠位置から離れるに従い減少する。
【００４８】
光は、小粒状物を多数包含する材料を通過するとそれらの小粒状物の各々の表面位置で何度も小反射及び屈折して散乱される。この散乱には、Ｍｉｅ散乱、Ｒａｙｌｅｉｇｈ散乱その他等様々に称される。各用語に厳密に適用される粒状物寸法や波長範囲は特に考慮せず、以下の如く体積散乱要素の物理学を述べれば十分である。光線は体積散乱要素に入り粒状物に衝突する。光強度の大半が粒状物を通して進み、入り口角度から若干方向を変えて粒状物を出、次いで屈折により粒状物のフェースから放射される。入り口及び出口の各フェース位置では光強度の小部分が反射される。これらの反射及び屈折光線は次いで別の粒状物に衝突し、前記プロセスが反復される。結局、多数の粒状物との相互作用（即ち、屈折及び反射）の後、光線は統計的に決定し得る方向において体積散乱要素を離れる。言い換えると、一定の入力方向に対し、角度の関数としての出力分布が存在する。この分布は、分析（一般に非常に困難）または光線トレースプログラムに埋め込んだ確率論に基づくルーチン（一般にずっと簡単）により決定され得る。以下では出口分布に関するシミュレーションについて説明する。
【００４９】
光パイプ３１と体積散乱要素３２との間の界面は種々形状の任意の１つを取り得る。例えば、図１２には真球型の体積散乱要素３２Ａが示され、光パイプ３１が、球の湾曲と合致する凹型窪みをその遠位側端部位置に含んでいる。図１３には、隣り合う光パイプ３１の遠位側端部を平坦化させるべくその近位側側部を削除して平坦部分とした体積散乱要素３２Ｂが例示される。あるいは図１４には、光パイプ３１と一体化させた体積散乱要素３２Ｃが例示される。事実上、図１２、図１３、図１４に示す各例間の相違は体積散乱体内に粒状物３４が実際に存在する場所で生じ、球内のある部分の粒状物３４が不足する場合の処理も、光学系のシミュレーションにより容易である。
【００５０】
光パイプの遠位側端部が平坦で、体積散乱要素の相当部分が研磨または成型によりやはり平坦化される場合がある。この場合は光パイプ及び体積散乱要素の各平坦部分を、光学的接触、ＵＶ硬化または熱接着等の光学的接着、局所超音波溶解及びプラスチック部材装着、または任意のその他好適な取付け法を用いて相互取り付けし得る。光パイプと体積散乱要素とを、後装着する別個の部材としてではなくむしろ、単独の一体部材として製造し得る。例えば、一方の部材を成型し、次いで他方の部材を同じ型内の隣接部分内で成型し得る。
図１５には光パイプ３１を出て体積散乱要素３２に入る光線が示される。ある実施例では光パイプ及び体積散乱要素の屈折率は共に、それらの界面位置での光線の反射及び屈曲が生じないよう同一とされる。
【００５１】
図１６には体積散乱要素３２から放射される光線が例示される。各光線は大きくは“遠位”及び“近位”の各方向に伝播するものに分けられ、その分割線は光パイプ３１の長手方向軸線と直交する。光は本来、“遠位”及び“近位”の各方向の半分空間全体内で、各方向への伝播光量を決定する統計的分析に於て散乱する。前記統計的分析の実施を以下に説明する。
以上で二次光学系３０の説明を終え、以下にランプ１０における光学通路のコンピューターモデリング及びシミュレーションを説明する。
【００５２】
以下の説明は、当業者がなし得るシミュレーションのタイプ例を説明するものである。このシミュレーションは特定構成のランプ１０に関するものであってこれに限定するものではない。類似態様下にその他構成をモデル化し得る。以下の説明は図１７のプロット図にシミュレート表示される特定光学系に関する。
ＬＥＤパッケージは放射面積が２．３１×１．９ｍｍであるＯｓｔａｒ  Ｌｉｇｈｔｉｎｇ  ＬＥＤ列である。ＬＥＤは、全ＬＥＤ放射光が光パイプに入るよう、光パイプの近位側フェース位置に本来あると仮定する。光パイプ自体は長さ１２．７ｍｍ（０．５インチ）、直径８ｍｍのポリメチルメタクリルレート（ＰＭＭＡ）製であり、５５０ｎｍでの屈折率は１．４９である。体積散乱要素もやはりポリメチルメタクリルレート（ＰＭＭＡ）製であり、粒状物径は３ミクロンである。２つの量、即ち、粒状物の屈折率及び密度は式間で変更可能とした。これらの式の各組み合わせに関し、角度をプロットし、効率を算出した。得られた結果をＬＥＤの放射スペクトラムに相当する幾つかの波長に渡り平均化した。
【００５３】
角度のプロットは特定角度方向における光度を表す。図１６の符号規約を用いれば、“遠位側”方向は図１７のプロット図では上側であり、“近位側”は同下側となる。
効率は０％〜１００％の間の単一数であり、電球からの放射光量をＬＥＤ列からの放射光量で除算した値である。算出効率と全１００％との間の差は、散乱して光パイプ内に戻るまたは、ランプの近位側端部を跨ぐヒートシンク等の機械的物体で妨害された光部分を表す。効率の数値は高い方が好ましい。
実際の各モデルケースを検討する前に屈折率及び粒状物密度における幾つかの極値について考慮するのが有意義である。
【００５４】
屈折率が１．４９に近いと粒状物は基材内で事実上不可視化されるので散乱効果は大幅に減少すると見込まれる。その結果、全てのまたは殆どの光線は遠位側方向（プロット図の上方）に配向され、近位側方向（プロット図の下方）には本来全く配向されない。この傾向は粒状物密度をゼロに設定した場合でも生じ、散乱は消滅し、ほぼ全ての光が上方に配向される。これら２つの極値の場合でも尚、光パイプを通しての伝播及び光パイプの横方向側部からの反射による、各プロット部の頂部位置の“１８０度”地点を中心とする角度分布が存在する。この極端なケースでは光学系のどの位置でも光が妨害されないので効率は１００％となる。
【００５５】
他の極値では、粒状物密を増大し得及び／または粒状物の屈折率を任意の大きい値に増大し得る。これにより、体積散乱要素に対してミラー様特性が付与され、近位側（下方）に配向される光量が遠位側（上方）へのそれよりも多くなる。このシステムでは、ヒートシンク、光パイプその他の、近位側方向で電球の下流側に存在するその他要素により大半の光線が妨害を受けるので、その効率は１００％よりもずっと低下する。
実際上、これらのランプは代表的にはアイレベルよりも上方で吊り下げ用のまたは装飾性のシャンデリアに取り付けられるので、上方よりも下方への配向量が若干多い方が望ましい。全光線を下方に配向させる、または上方及び下方の各配向量を５０対５０に分割するのではなく、より多くの光が、部屋の天井側に向かうのではなく人に見えるよう、下方への配向量を上方への配向量よりも若干多くすることが好ましい。ランプから受ける明るさに直接影響する効率が妥当化されることも好ましい。
【００５６】
上述したシステムをカリフォルニア州パサディナのＯｐｔｉｃａｌ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓから市販入手可能な光トレースプログラムであるＬｉｇｈｔ  Ｔｏｏｌｓに導入した。その他光トレースプログラムとしては、ＡＳＡＰ、Ｃｏｄｅ  Ｖ、Ｏｓｌｏ、Ｚｅｍａｘまたはその他市販入手可能なまたは自作の光トレースプログラムを使用できる。
異なる９つのシミュレーションランを実行し、その結果を図１７の９つのプロットに示す。各プロットに関し、下の曲線を取り巻くぎざぎざの曲線が長手方向の１８０度を表す。この曲線は関心対象となる角度プロットであり、図１６に示す符号規約での、図面の平面における角度方向における光量を表す。左上のプロット図は屈折率が１．５４、粒状物密度が１５０万粒／ｍｍ3であり、上方に向かう光量が下方に向かう光量よりも多い場合である。
右最下段のプロット図は屈折率が１．５８、粒状物密度が２５０万粒／ｍｍ3であり、下方に向かう光量の方が上方に向かう光量よりも多い。
【００５７】
９つのプロット図の全てには横方向の９０度を表す近円形曲線も示されるが、当該曲線は、光パイプの長手方向軸線に直交する図の断面に関する角度方向の結果を表す。本願発明の光学系は長手方向軸線を中心とする対称性を有することから、この曲線はほぼ円形であり且つ当該円形方向での著しい変動が無いことが期待される。
各グラフに重ねて、９２％から８１％に低下する“効率”の数値が記載される。
グラフ全体の中央及び中央左側部分の各プロット図が、調査した９つのケースで最も望ましいと決定された。これらのプロット図は屈折率１．５６、粒状物密度が約１５０万〜２００万粒／ｍｍ3の場合に相当する。これらの場合、下方への配向光量は上方へのそれよりも多くなり、効率は約８８％〜約９０％である。
【００５８】
この結果は、特定の光パイプ及び体積散乱要素のジオメトリを含む特定ジオメトリと、粒状物の単独寸法におけるものである。異なるジオメトリ、異なる粒状物寸法、または体積散乱要素の異なる基材に対し、必要に応じて計算を反復し得る。
上述した如く、図１７の各プロット図は１つ以上の波長の性能の加重平均である。例えば、ＬＥＤからの発光は赤、緑、青、に分担され得、計算値は、光学系を通してトレースされる赤、緑、青の各光線の加重平均であり得る。
図１８は、１つの特定構成を異なる３つの波長においてプロットした場合を示す。最も左側のプロット図は波長４８６ｎｍの青色光に関するものであり、中央のプロット図は波長５５０ｎｍの緑色光に、右側のプロット図は波長６５０ｎｍの赤色光に夫々関するものである。実際、ＬＥＤ列からの白色光には４８６〜６５０ｎｍの範囲を含む連続及びまたは個別のスペクトラムが含まれ得、選択した３つの波長はこれらスペクトラムを略示し得るものである。
【００５９】
青色光は赤色光よりも上方伝播力が大きく、下方伝播力は赤色光のそれに劣る。言い換えると、ランプ直下、またはランプのベース部に近い位置ではランプ色はランプのベース部から離れた位置から見た場合よりも赤味がやや強い。同様に、天井に当たる光は下方に配向される光よりも青味が強くなる。
図１８に示す特定ケースの場合では、３つの全波長に関する定数とした粒状物の屈折率を用いて計算を実施する。実際は粒状物の屈折率は、基材の屈折率においてそうであるように、波長に従い変化する。波長に伴う屈折率変動は分散として既知であり、事実上全ての光学材料は十分に裏付けされた分散値を有している。分散の影響を計算に組み入れるのは容易であるが、図１８のプロット図では波長依存性の散乱効果を強調するべく意図的に省略された。
以上、本発明を実施例を参照して説明したが、本発明の内で種々の変更をなし得ることを理解されたい。
【符号の説明】
【００６０】
１０  ランプ
２０  電球
２０  要素
３０  二次光学系
３１  光パイプ
３１Ａ  光パイプ
３１Ｂ  光パイプ
３１Ｃ  光パイプ
３２  体積散乱要素
３２Ｂ  体積散乱要素
３２Ｃ  体積散乱要素
３３  基材
３４  粒状物
４０  二次光学系
４１  内側円筒反射面
５０  ＬＥＤパッケージ
５１  出口表面
６０  ヒートシンク
７０  駆動体インシュレーター
８０  ＬＥＤ駆動体
９０  ベース部インシュレーター
１００  ベース部
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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