(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の照明要素固定具および第２の照明要素固定具を含んだアレイ筐体であって、
前記第１の照明要素固定具は、
第１の照明要素と、
少なくとも第２の照明要素の第２の照明の状態を検知するように構成された第１のセンサと、
第１の予め定められた規則を格納する第１のメモリと、
前記第１の照明要素、前記第１のセンサ、および前記第１のメモリと接続され、前記検知された第２の照明の状態を前記第１の予め定められた規則に適用して前記第１の照明要素の第１の照明の調整を決定し、さらに、前記第１の照明要素の照明を調整するために、前記第１の照明要素に対して前記決定された第１の照明の調整を適用する第１のプロセッサと、
前記第１の照明要素、前記第１のセンサ、前記第１のメモリ、および前記第１のプロセッサがその中に配置されている第１の筺体と
を含み、
前記第２の照明要素固定具は、
前記第２の照明要素と、
少なくとも前記第１の照明要素の第１の照明の状態を検知するように構成された第２のセンサと、
第２の予め定められた規則を格納する第２のメモリと、
前記第２の照明要素、前記第２のセンサ、および前記第２のメモリと接続され、前記検知された第１の照明の状態を前記第２の予め定められた規則に適用して前記第２の照明要素の第２の照明の調整を決定し、さらに、前記第２の照明要素の照明を調整するために、前記第２の照明要素に対して前記決定された第２の照明の調整を適用する第２のプロセッサと、
前記第２の照明要素、前記第２のセンサ、前記第２のメモリ、および前記第２のプロセッサがその中に配置されている第２の筺体と
を含み、
前記第２の照明要素の照明が前記第１の照明要素の前記照明から独立して制御され、前記第１の照明要素の前記照明が前記第２の照明要素の前記照明から独立して制御される
照明アレイ。
【請求項２】
請求項１に記載の照明アレイであって、
前記第１の照明要素固定具および前記第２の照明要素固定具の各々は、照明の状態を検知する少なくとも１つの追加のセンサを具備する照明アレイ。
【請求項３】
請求項２に記載の照明アレイであって、
前記第１のセンサおよび前記第２のセンサは、色を検知する
照明アレイ。
【請求項４】
請求項２に記載の照明アレイであって、
前記第１のセンサは、前記第１の筐体の周辺部に配置される
照明アレイ。
【請求項５】
請求項１に記載の照明アレイであって、
前記第１の照明要素および前記第２の照明要素は、少なくとも１つの発光ダイオードを含む
照明アレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、照明システムに関し、より詳細には、照明要素のアレイに関する。
【０００２】
［関連出願の相互参照］
本願は、２０１０年１２月３日付けの米国特許出願第１２／９５９，５５１号の継続出願であり、その利益を主張する。当該出願の全体が参照によって本明細書に援用される。
【背景技術】
【０００３】
様々な構成の照明が、長年に亘り、領域を照らしたり、そして／または、情報をユーザに提供したりするために、使用されてきた。そのような照明アプローチの１つは、発光ダイオードを使用することである。幾つかの例を挙げるならば、個々のダイオードの使用と同様に、複数の発光ダイオードをアレイにまとめて、一般的な照明、快適照明、建築照明、および光彫刻を提供するために使用できる。１つの例として、ＬＥＤアレイは自動車へしばしば応用されている。
【０００４】
従来のＬＥＤアレイは、集中制御アプローチに従って、制御されていた。より具体的には、中央コンピュータまたはコントローラが、アレイ内の各ＬＥＤの状態を決定していた。状態を決定するソフトウェアが状態を決定するために使用され、中央のコンピュータがアレイ内の個々のＬＥＤを制御するためのコマンドを発行していた。また、多数のコントローラが、アレイ内の個々のＬＥＤにコマンドを中継するために使用されていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００８／０２８３７３７号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００６／００３９０１７号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００９／００３３６８８号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２００９／０００１２５１号明細書
【特許文献５】米国特許第７１８０２５２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
残念ながら、従来のシステムには、様々な短所があった。１つの例を挙げると、何万ものＬＥＤを持つアレイでは、何千台ものコントローラが、個々のＬＥＤを制御するために必要であった。必要とされる多数のコントローラおよび他のハードウェア要素に加えて、制御信号のための大規模な配線が、中央コンピュータからすべてのコントローラへ命令を伝えるために必要であった。大規模な配線は、使用するためには高価であり、設置するのが厄介であり、修理が複雑であり、伝送、および／または、電気的な干渉の問題を引き起こしかねなかった。
【０００７】
上述した制限のため、従来のシステムは、設置し維持するには、複雑であると同時に高価なものであった。その結果、ユーザはしばしばこれらのアプローチに不満であった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明では、各固定具が１個以上の個々のＬＥＤを含む固定具のアレイ内で、個々のＬＥＤ固定具を制御するために、分散アプローチが提供されている。ここで記述するアプローチでは、ＬＥＤ固定具は、他のすべての固定具から独立して動作することができる。その結果、システムで必要な配線の量は、かなり減少する。さらに、特別なデータラインも、中央コントローラから情報を伝えるのに不要である。その観点では、既存の電力線が、中央コンピュータからすべての固定具へ情報を伝えるために使用されてもよい。この初期化後、固定具は、他の固定具から独立して動作してもよい。
【０００９】
これら実施形態の多くでは、照明要素は、照明要素のアレイ内に配置される。照明要素では、少なくとも１つの隣接する照明要素の照明の状態が検知される。検知した照明の状態を予め定められた規則に適用して、他のいかなる照明要素からも独立して、照明要素の照明の調整が決定される。そうして、照明の調整は、照明要素の照明を調整するために照明要素に対して行われる。
【００１０】
１つの例では、照明の状態は、少なくとも１つの隣接する照明要素の光の強度レベルであってもよい。１つの視点では、検知された光の強度レベルは、少なくとも１つの照明要素がオンであるかオフであるかを示す。この場合、検知された照明の状態を予め定められた規則に適用して、光強度の調整が行われる。そして、照明の調整には、照明要素の強度レベルの調整を含んでいる。
【００１１】
光強度の調整は、さまざまな種別の調整を含んでもよい。例えば、光強度の調整は、照明要素を活性化する調整または照明要素を非活性化する調整であってもよい。他の種別の調整も可能である。
【００１２】
幾つの隣接する照明要素が検知されてもよい。１つの例では、８つの照明要素が使用される。しかしながら、例えば、アレイ内の照明固定具の構成と次元、そして他の固定具との相対的な配置に基づいて、他の数を用いることも可能である。
【００１３】
これら実施形態の他のものでは、照明要素の固定具は、照明要素と、少なくとも１つの隣接する光源の照明の状態を検知するように構成された少なくとも１つのセンサと、メモリと、プロセッサとを含んでいる。メモリは、予め定められた規則を格納するように構成される。プロセッサは、照明要素、少なくとも１つの光センサ、およびメモリと結合している。プロセッサは、検知した照明の状態を予め定められた規則に適用することにより、照明要素の照明の調整を決定するように構成される。プロセッサは、さらに、照明要素の照明を調整するために照明要素に対して照明の調整を行うように構成される。単一の固定具筺体には、照明要素、センサ、メモリ、およびプロセッサが配置されている。
【００１４】
いくつかの視点では、少なくとも１つのセンサが、光の強度を検知するように構成される。他の視点では、少なくとも１つのセンサが、色を検知するように構成される。他の幾つかの視点では、少なくとも１つのセンサが、筐体の周辺部に沿って配置される。センサの他の配置も可能である。
【００１５】
他の視点では、規則により、光強度の調整が行われる。他の例では、色の調整が行われる。１つの例では、照明要素は発光ダイオードである。また、他の種別の照明要素が使用されてもよい。
【００１６】
これらの実施形態の他のものでは、照明アレイが提供される。アレイは、アレイ筐体とそのアレイ筐体内に配置された複数の照明固定具を含んでいる。それぞれの照明固定具は、他から独立した、コントローラと照明要素を含んでいる。独立したコントローラのそれぞれは、アレイ内の他の固定具のいずれの照明要素からも独立して、独立した照明要素の動作を制御する。
【００１７】
いくつかの視点では、それぞれの照明固定具は、光の強度を検知するように構成された少なくとも１つのセンサをさらに含む。他の視点では、少なくとも１つのセンサが、色を検知するように構成される。さらに他の視点では、少なくとも１つのセンサが、固定具の筐体の周辺部に沿って配置される。さらに他の視点では、独立したコントローラのそれぞれは、検知した光の状態を予め定められた規則に適用することにより、独立した照明要素の照明の調整を決めるように構成される。そして、独立したコントローラのそれぞれは、さらに、照明要素の照明を調整するために照明要素に照明の調整を行うように構成される。
【００１８】
ここに記載された例では、使用される照明要素は、発光ダイオードである。しかしながら、他の種別の照明要素が使用されてもよく、ここに記載されたアプローチでは、ＬＥＤの使用に限定されないことが理解されるだろう。また、固定具は筐体を含んでおり、固定具の要素(例えば、プロセッサ、ＬＥＤなど)は、固定具の内側、外部、または、固定具上に配置される。固定具の筐体は、他の固定具が結合されているアレイ筐体に結合される。１つの例を挙げると、アレイ筐体のソケットにより、個々の固定具をアレイにねじ込む事が出来てもよい。固定具とアレイ筐体の間の、他の結合方式も可能である。
【００１９】
これらの実施形態の多くでは、ＬＥＤアレイの制御は、アレイ内の各ＬＥＤの状態を決定することにより、アレイ内でパターンを生成する、分散制御アプローチを用いて達成される。ＬＥＤの状態は、例えば、白色ＬＥＤでは、オンまたはオフ、明るいまたは暗い、１または０であり得る。カラーＬＥＤでは、カラーコードまたはカラーコードと同等な数によって表された、異なった色またはスペクトルを利用できる。
【００２０】
その結果、ここに記載されたアプローチでは、従来のシステムの、多数のコントローラを配置しなければならない問題と配線の大変さとが解決される。ここに記載された分散制御アプローチが、ＬＥＤアレイおよびアレイ内に配置されたＬＥＤ固定具(１個以上のＬＥＤを含む)を制御するために使用されることが理解されるだろう。
【００２１】
個々のＬＥＤを、ＬＥＤ固定具に配置できる。ＬＥＤ固定具は、駆動回路、制御回路、スイッチング回路、および／または、色スペクトル回路と共に、ＬＥＤを収容する機械的な筐体ユニットである。複数のＬＥＤ固定具を、ＬＥＤアレイ内で一緒に配置することができる。単一のまたは複数のＬＥＤを、単一の固定具内に(駆動回路、制御回路、スイッチング回路、および／または、色スペクトル回路と共に)配置できる。
【００２２】
ここに記載されたアプローチでは、ＬＥＤアレイ制御システムは、ＬＥＤ固定具の中に実装され、設置される。言い換えれば、ＬＥＤ固定具は、メモリ内の規則に従って制御される独立したコントローラである。検知された情報が、規則に適用される。そして、適用の結果がコントローラから出力され、固定具において、光源(すなわち、ＬＥＤ)の状態が(潜在的に)変更される。
【００２３】
ここで使用されているように、「隣接するＬＥＤを検知する」という表現は、各ＬＥＤ固定具が照明の状態（例えば、オン、オフ、赤、青、白、暗い、など）を、フォトセンサまたはカラーセンサ（または他のセンサ）を用いて、または有線（または無線）通信（または信号）を用いて、隣接するＬＥＤ固定具から受信し取得することを意味する。ここに記載された例では、しかしながら、フォトセンサまたはカラーセンサの例だけを使用するが、他の例も可能であることは理解されるだろう。
【００２４】
ここで使用されているように、「タイミングパルスの生成」または「タイミングパルス生成」という表現は、ＬＥＤ固定具が、そのＬＥＤ固定具自体から（タイミングパルス生成器または他のアプローチを用いて）所望のタイミングパルスを生成するか、または、それ自体のタイミングパルスを生成する代わりに、タイミングパルス生成装置を含んでいるＬＥＤ固定具（または他の外部ソース）から、タイミングパルスを受信することを意味する。１次元制御アプローチ(ここで記述する)では、同じタイミング情報に基づいて同じ行の複数のＬＥＤが動作する。(すなわち、それらは同期している。）したがって、同じ行におけるＬＥＤの１つがタイミングパルス生成装置を持つなら、そのＬＥＤは、その同じタイミングパルスを、行内の他のＬＥＤへ、有線または無線の信号通信または通信により送信できる。もしこのタイミングパルスのこの信号通信が望まれないなら、すべてのＬＥＤにパルス生成器を含ませ、それ自体の生成器により生成されるタイミングパルスを使用するように決定することができる。
【００２５】
ここで使用されているように、「規則の選択」という用語は、特定の規則の下で動作中に、ＬＥＤ固定具に対して、別の規則への変更が望まれていることを意味する。１つのアプローチでは、規則の変更は、アレイ内のすべてのＬＥＤに適用される。すなわち、規則の変更は、すべてのＬＥＤ固定具に影響を与える。新しい規則のブロードキャストは、（規則番号または規則のロジックそれ自体の形で、）無線媒体または、ＬＥＤ駆動回路およびＬＥＤ自体に電力を供給する同じ電力線を通じた電力線通信により行うことが出来る。
【００２６】
ここで使用されているように、「初期状態の選択」という用語は、特定のＬＥＤ固定具が、１または０、明るいまたは暗い、赤または青などの特定の状態から開始されることを意味する。１次元アプローチ(ここで記載する)では、最初の行の１つまたは幾つかのＬＥＤが、例えば状態１で開始され、アレイ内の他のすべてのＬＥＤが状態０で開始され得る。２次元アプローチ(ここで記載する)では、制御開始時に、例えば、中央のＬＥＤまたは４隅のＬＥＤが、例えば、状態１または赤であり、他のすべてのＬＥＤが、例えば状態０または青であり得る。初期状態の選択の手段を必要とする、アレイ内のＬＥＤ固定具の数は、１つか、２、３個か、たぶん幾つかに、限られる。したがって、すべてのＬＥＤ固定具に、この機能が提供される必要があるわけではない。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の種々の実施形態による照明固定具の最上位層および最下位層を示す図である。
【図２】本発明の種々の実施形態による図１の最上位層および最下位層のＡ−ＢおよびＡ’−Ｂ’に沿った横断面図である。
【図３】本発明の種々の実施形態による複数の固定具を含む照明アレイを示す図である。
【図４】本発明の種々の実施形態による複数の照明固定具を含む照明アレイで生成された様々な照明パターンを示す図である。
【図５】本発明の種々の実施形態による複数の照明固定具を含む照明アレイで生成された様々な照明パターンを示す図である。
【図６】本発明の種々の実施形態による複数の照明固定具を含む照明アレイで生成された様々な照明パターンを示す図である。
【図７】本発明の種々の実施形態による複数の照明固定具を含む照明アレイで生成された様々な照明パターンを示す図である。
【図８】本発明の種々の実施形態による複数の照明固定具を含む照明アレイで生成された様々な照明パターンを示す図である。
【図９】本発明の種々の実施形態による複数の照明固定具を含む照明アレイで生成された様々な照明パターンを示す図である。
【図１０】本発明の種々の実施形態による複数の照明固定具を含む照明アレイで生成された様々な照明パターンを示す図である。
【図１１】本発明の種々の実施形態による複数の照明固定具を含む照明アレイで生成された様々な照明パターンを示す図である。
【図１２】本発明の種々の実施形態による複数の照明固定具を含む照明アレイで生成された様々な照明パターンを示す図である。
【図１３】本発明の種々の実施形態による複数の照明固定具を含む照明アレイで生成された様々な照明パターンを示す図である。
【図１４】本発明の種々の実施形態による複数の照明固定具を含む照明アレイで生成された様々な照明パターンを示す図である。
【図１５】本発明の種々の実施形態による複数の照明固定具を含む照明アレイで生成された様々な照明パターンを示す図である。
【図１６】本発明の種々の実施形態による複数の照明固定具を含む照明アレイで生成された様々な照明パターンを示す図である。
【図１７】本発明の種々の実施形態による複数の照明固定具を含む照明アレイで生成された様々な照明パターンを示す図である。
【図１８】本発明の種々の実施形態による複数の照明固定具を含む照明アレイで生成された様々な照明パターンを示す図である。
【図１９】本発明の種々の実施形態による複数の照明固定具を含む照明アレイで生成された様々な照明パターンを示す図である。
【図２０】本発明の種々の実施形態による複数の照明固定具を含む照明アレイで生成された様々な照明パターンを示す図である。
【図２１】本発明の種々の実施形態による複数の照明固定具を含む照明アレイで生成された様々な照明パターンを示す図である。
【図２２】本発明の種々の実施形態による複数の照明固定具を含む照明アレイで生成された様々な照明パターンを示す図である。
【図２３】本発明の種々の実施形態による複数の照明固定具を含む照明アレイで生成された様々な照明パターンを示す図である。
【図２４】本発明の種々の実施形態による複数の照明固定具を含む照明アレイで生成された様々な照明パターンを示す図である。
【図２５】本発明の種々の実施形態による複数の照明固定具を含む照明アレイで生成された様々な照明パターンを示す図である。
【図２６】本発明の種々の実施形態による複数の照明固定具を含む照明アレイで生成された様々な照明パターンを示す図である。
【図２７】本発明の種々の実施形態による複数の照明固定具を含む照明アレイで生成された様々な照明パターンを示す図である。
【図２８】本発明の種々の実施形態による複数の照明固定具を含む照明アレイで生成された様々な照明パターンを示す図である。
【図２９】本発明の種々の実施形態による照明固定具のブロック図である。
【図３０】本発明の種々の実施形態による照明固定具（例えば図２９の固定具）を動作させるための１つのアプローチを示すフローチャートである。
【図３１】本発明の種々の実施形態によるＬＥＤアレイ内のＬＥＤ固定具を示す図である。
【図３２】本発明の種々の実施形態によるＬＥＤアレイ内のＬＥＤ固定具を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
熟練した技術者は、図表の要素が簡単さと明快さのために図示されており、必ずしもそのままスケーリングされて描かれているというわけではないことを理解するだろう。例えば、図表のいくつかの要素の寸法および／または相対的な位置決めは、本発明の様々な実施形態の理解を向上させるのを助けるために他の要素に比例して誇張されることもあり得る。また、商業的に実現可能な実施形態において、役に立つかまたは必要な要素であって、一般的な、しかし、よく理解された要素は、本発明のこれらの様々な実施形態の妨げられない視点を容易にするために、しばしば描写されていない。ある動作および／またはステップが発生の特定の順序で説明されるか、描写されるかもしれないが、当業者は、順序に関するそのような特定性は実際には必要でないことが理解されるだろう。また、ここで使用された用語と表現が、特定の意味がそこで詳しく説明されたところを除いて、それらの調査と研究のそれぞれ対応する領域に関してそのような用語と表現に一致して、そのままで普通の意味を持っている事が理解されるだろう。
【００２９】
図１および図２を参照して、照明固定具100は、最上層102および最下層104を含んでいる。最上層102は、ＬＥＤ106、光センサ108、および光路110を含んでいる。最下層104は、電力線通信回路（ＰＬＣ）112、メモリ114、マイクロプロセッサ116、および駆動回路118を含んでいる。電源123は、ＰＬＣ112と結合される。また、電源123は固定具100の中に配置されてもよい。最上層102は、最下層104の上に配置される。様々な配線120が、電気部品どうしを連結する。筐体119は、最上層102および最下層104を収容する。この点では、筐体119は、様々な要素が筐体119内に(例えば、マイクロプロセッサ116)、または筐体119の周辺部に沿って(例えば、センサ108)配置される、金属またはプラスチック製の構造物であってもよい。筐体119は、照明という主目的のために、上部を通してＬＥＤ106からの光が放射されるように、そして、側面の光路110を通して隣接する照明固定具100へ光の状態の情報が示されるように、上部と側面が開いていてもよい。
【００３０】
ＬＥＤ106は、１個以上の発光ダイオードを含んでいる。これらの発光ダイオードは、パラメータの幾つかの例を挙げるならば、どのような形、色、構成、明るさのものであってもよい。
【００３１】
光路110により、隣接するＬＥＤ固定具100の光センサ108が光を検知できるように、光がＬＥＤ106から放射されることが可能になる。光センサ108は、光の強度、色、周波数、またはいかなる他の光のパラメータを検知する、いかなる種別のセンサでもある。１つの例では、光センサ108はフォトセンサである。光センサ108の他の例も可能である。
【００３２】
メモリ114は、マイクロプロセッサ116のために演算命令および規則を格納する。マイクロプロセッサ116は、メモリ114から取得した命令を実行する。駆動回路118は、マイクロプロセッサ116からの命令を、ＬＥＤ106を駆動する電気信号に変換するハードウェア、および／または、ソフトウェアを含んでいる。
【００３３】
ＬＥＤ106(または、ＬＥＤのグループ)は、ＬＥＤ固定具100の主な光源である。その状態(例えば、オン、オフ、色)は、駆動回路118により駆動されるが、マイクロプロセッサ116により制御可能である。新しい規則が必要なとき、マイクロプロセッサ116は、電力線通信回路112を介してコンピュータからブロードキャストされた規則を受信する。規則は、ＬＥＤ固定具100と、その固定具100が一部をなしているＬＥＤアレイ全体の他のすべての固定具100とにおいて、適用される。メモリ114は、マイクロプロセッサ116に接続され、コンピュータにより提供された規則を格納する。与えられた規則により、マイクロプロセッサ116は、ＬＥＤ固定具100に設置されたセンサ108を通して、隣接の状態(すなわち、隣接するＬＥＤ固定具100内の隣接するＬＥＤ106の状態)を読み込んで、規則に従って、ＬＥＤユニットを制御する。
【００３４】
ＬＥＤ固定具100内の電力線通信(ＰＬＣ)回路112は、ＬＥＤ106およびＬＥＤ駆動回路118へ電気を供給する同じ電力線にデータを供給する。また、中央コンピュータ125とマイクロプロセッサ116間の通信経路も同じように提供する。ＬＥＤ駆動回路118に電力を供給する、同じ電力線121を通じたＰＬＣベースのコミュニケーションを利用することにより、中央コンピュータ125からＬＥＤ固定具100まで独立したデータラインを設ける必要は全くない。
【００３５】
固定具100は、様々な機能を提供するように構成できる。例えば、１つの種別の固定具100は、オンオフを切り換える機能を持ち、ＬＥＤ106に電源123からの電流を供給する駆動ユニットを含んでいる。別の種別のＬＥＤ固定具100は、色の生成ができ、この色の生成のための、追加的な回路構成を含んでいる。さらに、各ＬＥＤ固定具100は、ＬＥＤアレイ制御のために、上述したマイクロプロセッサ116を用いたデータ／制御信号の転送のための通信回線を含んでもよい。ＬＥＤ固定具100は、主電源123から電力を受けるために、従来の電球ソケットまたは同様の標準化された端子に接続される構造内に、すべての要素を、機械的電気的に収容するように構成される。
【００３６】
ＬＥＤ固定具100の電力線通信回路112を用いて通信できる独立したコンピュータ(例えば、パーソナルコンピュータ125)は、所望であれば、ＬＥＤ固定具100に電力を供給する同じ電源線を通じてＬＥＤアレイ内のすべてのＬＥＤに新しい規則をブロードキャストできる。
【００３７】
ここの他の場所で説明したように、ＬＥＤ固定具100は、タイミングパルス生成器(または他のアプローチ)を使用してタイミングパルスを生成するか、または別のＬＥＤ固定具100(または他のソース)からタイミングパルスを受信する。これらのタイミングパルスは、タイミングの枠組みを提供するために、共通のクロックとして使用される。タイミングの枠組みにより、幾つかの固定具間と同様に、個々の固定具100内のＬＥＤ106を制御し、同期することが出来るので、ユーザに一貫性を持った照明パターンを提示できる。
【００３８】
いくつかの視点では、ここで記述した分散制御アプローチは、数学的にセルオートマトンに基づいている。セルオートマトンは、離散的な数式モデルの基礎である。自然系のモデル化では、微分方程式は、使用できるモデル化の基礎の一例である。基本的には、微分方程式は小数の連続した自由度を持ち、連続した方法で発展する系に適している。セルオートマトンは、Fnの代替（Fn alternative）であり、系の数学的モデルの補足的な基礎である。セルオートマトンは、多くの離散的な自由度を持つ系の振る舞いを記述する。言い換えると、セルオートマトンは、空間と時間が離散的であり、物理量が離散値の有限な組をとる物理的システムを数学的に理想化したものである。セルオートマトンは、局所的な生態的相互作用による、生物の成長や植物の固体群（populations）をモデル化するために、生物システムで用いられている。
【００３９】
より詳しく述べると、セルオートマトンは、サイト(「細胞」)の離散的な格子(「アレイ」)から成る。各サイトは、取り得る値の有限な組をとる。そして、それぞれのサイトの値は、離散的な時間ステップにおいて、同じ決定論的な規則に従って、同時に発展する。サイトの発展のための規則は、そのサイトの近隣のサイトのみに依存する。
【００４０】
セルオートマトンは、各サイトで同じ規則を利用でき、豊かで複雑なパターンの生成能力を提供できる。ここに記載されたＬＥＤアレイ照明制御アプローチでは、各ＬＥＤ106がセルオートマトンの「サイト」に対応する。セルオートマトンのアプローチでは、システムの挙動の制御を、本来的に分散した制御により行う。このアプローチでは、システムの各サイト(すなわち各照明固定具100)は、隣接するサイトの状態(例えば照明の状態)をチェックして動作することが出来る。そして、各サイトは、同じ規則を適用することにより、そのサイト自体における次の時間ステップの状態を決定することが出来る。この様に、各サイトは、他のサイトから独立して制御される。言い換えると、この独立し分散した状態のアプローチは、システムの状態が全体(すなわち、固定具100のアレイ)として、離散した時間ステップの進行に伴い、発展することを可能にする。
【００４１】
ＬＥＤアレイの照明制御における状態は、ＬＥＤの光の状態に対応している。状態は、例えば、白色ＬＥＤがオンまたはオフの状態であり得る。カラーＬＥＤの場合、状態は、ＬＥＤが発生させる色スペクトルの色であり得る。ＬＥＤアレイの照明制御におけるシステムは、ＬＥＤアレイ自体に対応している。そして、システムの挙動は、ＬＥＤアレイにおいて生成される照明のパターンに対応している。
【００４２】
一度、規則がすべてのＬＥＤ106に(ここの他の場所で記載したように、ＬＥＤ固定具100内のマイクロコントローラ116を用いて)伝送されると、各ＬＥＤ106は、その固定具100の外部にあるいかなる要素からも命令や制御を受けること無く、規則に従って、その状態を変更する。規則の属性は、隣接するＬＥＤ106の状態である。規則の１つの例は、「８つのうち２つの隣接する固定具100の状態が１であれば、固定具100の次の状態は１である」。規則の別の例は以下の通りである。「左の隣接するＬＥＤ106の状態が１であり、右の隣接するＬＥＤ106の状態が１であり、固定具100の現在の状態が１であれば、固定具100の次の状態は０である」。これらの例では、状態１は、オンの状態を意味し、状態０は、オフの状態を意味しうる。
【００４３】
規則のさらに別の例は、以下の通りである。「４つの隣接する固定具100のうち、西の隣接する固定具100が赤色であり、東の隣接する固定具100が黄色であり、北の隣接する固定具100が暗い場合、固定具100の次の状態は緑色である」。この規則が、アレイ内のすべてのＬＥＤ106に同時に適用され、アレイ内のＬＥＤ106の異なる状態により、アレイ内でのパターンが形成される。
【００４４】
本アプローチでは、「近隣」は、操作者またはユーザにより定義可能である。１つのＬＥＤ106の前にある２つまたは３つのＬＥＤ106のみが、近隣となり得る。別の例では、１つのＬＥＤ106を囲む８つのＬＥＤ106が、近隣となり得る。さらに別の例では、中央にあるＬＥＤ106を囲む4つのＬＥＤ106だけが、近隣となり得る。多くの異なる規則の例が可能であり、１つのＬＥＤ106が持ち得る異なった値と、ユーザが選択し得る異なった近隣とを分析することにより、それらの規則を決定することが出来る。異なった規則により、ユーザは、所望のパターンの生成を選択できる。
【００４５】
したがって、本アプローチの１つの利点は、アレイ内の各ＬＥＤ106の分散制御が、その隣接するＬＥＤ106の状態のみに依存した規則に従って、アレイ内の各ＬＥＤ106において行われるということである。アレイ内の他のすべてのＬＥＤ106のそれぞれもまた、これらのＬＥＤ106のそれぞれがアレイ内にある唯一のＬＥＤ106であるかのように、制御される。これらのＬＥＤ106の状態も同じ規則により決定される。したがって、多数のコントローラを要し、ＬＥＤアレイ内の各ＬＥＤ106への配線が大変な中央制御アプローチは必要ない。このように配線とコントローラを除くことにより、ＬＥＤアレイの設置に要する時間とコストがかなり削減される。
【００４６】
ＬＥＤ固定具100のセンサ108は、ＬＥＤアレイ内に配置された、隣接するＬＥＤ固定具100の状態を認識するように構成される。センサ108は、与えられた規則により検知すべき隣接するＬＥＤ固定具100が適切に観測出来る限り、固定具100内のどの位置にどれだけ配置されてもよい。例えば、近隣が１つのＬＥＤ106の斜め前にある２つの隣接するＬＥＤ106と決められているならば、隣接するＬＥＤ106の状態を検知するために、センサ108を、固定具100の北西（ＮＷ）方向および北東（ＮＥ）方向に配置してもよい。しかしながら、近隣が格子構造のアレイ内で中央のＬＥＤ106を囲む８つすべての隣接するＬＥＤ106で構成されるとき、正方形または長方形に形成されたＬＥＤ固定具100では、８つのＬＥＤ106が、中央のＬＥＤ106の、北、南、東、西、北西、北東、南東、および南西の位置に配置される。例えば、ＬＥＤ固定具100の形が六角形であれば、隣接する最大数のＬＥＤ固定具100に対応するために、６つのセンサ108を、六角形の各端に配置可能である。
【００４７】
もしアレイ内のＬＥＤ106が白色ＬＥＤであれば、センサ108の１つの機能は、隣接するＬＥＤ固定具100の光路110を通じて射出される光を観測することにより、白色光の有無を検知することである。もしＬＥＤアレイ内でカラーＬＥＤまたは異なる色を生成可能なＬＥＤのグループが使用されるならば、センサ108は、隣接するＬＥＤ106のオンオフ状態を検知するのみならず、異なる色も検知できなくてはならない。したがって、カラーＬＥＤのアレイを利用するために、カラーセンサがＬＥＤ固定具100に設置される。
【００４８】
複数の光路110(例えば、スリットの形の)が、ＬＥＤ106の状態を示す光を送るために使用される。その光は、固定具100から隣接する固定具100へ伝えられ、それらのセンサがＬＥＤ固定具100の状態を検知できる。光路110は、隣接するＬＥＤ固定具100のセンサ108と各光路110が一直線に並ぶように配置される。一直線に並べることにより、光路110と対応するセンサ108が互いに最も近く向き合って配置される。そのため、光路から放射された光が、センサ108により検知され、他の光源(例えば、他の光路または固定具)からの迷光はセンサ108により殆どまたは全く検知されない。したがって、１つの例では、センサ108と光路110が同じあるいは近い位置に配置される。そうして、ＬＥＤ固定具100内の１つのセンサは、同じまたは他の固定具からの光は受光せずに、隣接する１つのＬＥＤ106からの光のみを受光する。
【００４９】
自動・手動(オン・オフ・色)モード切替えボタン111(または、赤外線、無線、および他の外部ソースのセンサ)を使用することにより、ＬＥＤ固定具100は異なるモードで動作することが出来る。すなわち、初期状態オフのセルオートマトンアプローチの一般的なサイトＬＥＤ(「自動モード」)、初期状態オンのセルオートマトンアプローチの一般的なサイトＬＥＤ(「初期オンの自動モード」)、初期オン状態で、ある色を持つ状態の一般的なセルオートマトンアプローチ (「自動初期オン色あり」)、または、自身の状態を変えず初期状態を永久的に維持する独立したサイトＬＥＤ(「オフまたはオンモードの手動モード」）である。もし「オフまたはオンモードの手動モード」がＬＥＤ固定具100で選択されると、アレイ内のそのＬＥＤ106は、隣接する状態の前記規則により生成されるパターンから分離される。セルオートマトンアプローチでは、これにより、より様々な所望の照明パターンを得ることができる。切替えボタン111を押すことができるので(もしくは、それがセンサであれば、情報を受信できるので)、固定具100は、様々なモードで作動する。言い換えれば、モード選択または１つのモードから別のモードへの変更は、ＬＥＤ固定具100内の、ユーザが操作し易い位置に設置された手動押しボタンまたはスイッチにより行うことが出来る。または、無線遠隔検知システムやユーザのための遠隔モードセレクタに対応したセンサにより行うことが出来る。
【００５０】
図３を参照して、固定具のアレイ300の一例を説明する。アレイ300は、複数の固定具302を含んでいる。各固定具302は、ＬＥＤ304、センサ306、および光路308を含んでいる。固定具302は、アレイ内で、１，１や１，２などのようにナンバリングされる。最初の数が行に対応し、２番目の数が列に対応する。配列要素22は、さらに、方向ラベル、N(北)、S(南)、E(東)、W(西)、NE(北東)、SE(南東)、NW(北西)、およびSW(南西)によりラベルされる。
【００５１】
ＬＥＤアレイ300のサイトとしてのＬＥＤ固定具100の動作を、ここで図３を参照して説明する。図３では、複数のＬＥＤ304のアレイ300が、格子を形成するように配置されている。格子の２番目の行と２番目の列にあるＬＥＤ（ＬＥＤ22）を参照して、ＬＥＤ（固定具）を用いた、分散ＬＥＤアレイ制御のセルオートマトンの一例を説明する。ＬＥＤ22が動作を自動モードに設定されるとき、ＬＥＤ22は、照明パターン生成におけるＬＥＤアレイ300の一部である。ＬＥＤ固定具100のＰＬＣを通して、メインコンピュータまたはコントローラによるブロードキャストメッセージから特定の規則が受信される。そして、規則により、近隣が８つの隣接するＬＥＤ(N、S、E、W、NW、NE、S、およびSE)から構成されることが指定される。そうなると、特定の方向の８つすべてのセンサ306が、８方向に隣接するＬＥＤの状態を検知するために使用される。すなわち、N方向に隣接するＬＥＤ12、NW方向に隣接するLED11、S方向に隣接するLED32などである。
【００５２】
初期時間の期間または初期時間において、近隣の状態は、８つのセンサからＬＥＤ22のマイクロプロセッサ116に読み込まれる。そして、次の離散時間において、ＬＥＤ22の状態は、規則により決定され、その状態はＬＥＤ22内の駆動ユニットにより実現される。ＬＥＤ22で実行されるこのプロセスは、アレイ内のすべてのＬＥＤ固定具100において、各時間ステップにおいて、同時に行われる。そして、アレイ内のパターンが形成され、時間ステップが離散的に進行するに従い発展する。
【００５３】
図４を参照して、１次元(1-D)ＬＥＤアレイパターンの生成について説明する。１次元ＬＥＤアレイパターンの生成では、直前(例えば、上、左、下、または右)のＬＥＤ行の状態により、ＬＥＤの行が制御される。1-Dアレイパターンの生成では、ＬＥＤの近隣は、直前の行の(２つ、３つ、またはＬＥＤの検知能力が許容する限り多くの)ＬＥＤである。1-Dパターン生成は、行ごとの、時間による動作であるので、１つの行で近隣を検知しＬＥＤの状態を決定することは、直前の行での検知とＬＥＤ状態の決定後においてのみ行われる。各行でのタイミングは、行の各ＬＥＤのパルス生成器により生成される。パルスが高い期間(または、他の例では低い期間)が、検知に用いられる。パルスの立ち下がりエッジ(または他の例では立ち上がりエッジ)では、ＬＥＤが、ＬＥＤに適用される動作(例えば、オンするまたはオフする)を決定するために用いられる。
【００５４】
最初の行のリードタイムが最も短く、最後の行のリードタイムが最も長い。最後の行において、ＬＥＤの状態の検知と決定に時間が与えられた後、リードタイムと、パルスによる検知と決定とのタイミングシーケンスが、パターン生成ステップを続けるために繰り返される。リードタイム、検知と決定のためのパルスの継続時間、および最上行から最下行までの１つの完全なサイクルの期間は、アレイのサイズ、パターン形成遷移の速度、およびユーザの好みにより、選択可能である。アレイ内の各ＬＥＤにおいて、行数、リードタイム、検知と決定の継続時間、および完全な１サイクルの継続時間の選択は、ＬＥＤ固定具100に設置された、手動スイッチや遠隔通信モジュールにより行うことが出来る。さらに、ＬＥＤの初期状態、オン、オフ、またはカラーコードは、上記の手動スイッチの１つにより、またはＬＥＤ固定具100の前述の遠隔コントローラモジュールにより、決定できる。
【００５５】
図５を参照して、照明パターン生成の別の例について説明する。簡潔に示すために、この例(図６から図２８までの例と同様に)におけるアレイサイズは、10×10(10個の行と10個の列、その結果、合計100個のＬＥＤ)である。この説明では、各ＬＥＤは、（完全にまたは部分的に）塗りつぶされたか、または塗られていない正方形のセル、または数字の配置により示される。垂直な１次元ＬＥＤアレイパターンの生成では、最上行から最下行にかけてパターンが形成される。生成は、10×10のＬＥＤアレイにおいて、暗い（オフ）状態を状態番号０とし、明るい（オン）状態を１として、以下の様に実行できる。最初の行は、パターン生成のための初期状態として機能する。最初の行の１０個のＬＥＤのそれぞれが、１または０の状態を持つことができるので、初期状態の可能な数は、列０から列９までの順序を考えて、2*2*2*2*2*2*2*2*2*2=1024である。図示するために、最初の行の初期状態は、第５列のＬＥＤをオンし、行内の残りのＬＥＤをオフして設定されていると仮定できる。そうすると、リセットまたは電源オン後の最初の行のリードタイムの後、アレイの状態は、以下の通りである。すなわち、行０列５のＬＥＤを除き、すべてのＬＥＤがゼロである。この状態は、LED(0,5)=1およびr=0とc=5を除くすべてのrとcについてLED（r,c）=0として便利に表現できる。１／０の状態によるアレイのパターンを、図５のアレイにおける状態１のＬＥＤを*マークで示すことにより、右側に示す。
【００５６】
白色ＬＥＤを用いた１次元ＬＥＤアレイパターンの生成についてここで説明する。行１のリードタイム(行０のリードタイムより長い)が切れたとき、行１のＬＥＤが、行０の隣接するＬＥＤを検知し、状態を決定する。行内のＬＥＤに隣接するＬＥＤは、丁度上の１つのＬＥＤ(「北(N)方向」)でもよいし、45度斜め右上方および斜め左上方「北西(NW)方向」および「北東(NE)方向」それぞれの２つのＬＥＤでもよいし、N、NW、およびNE方向の３つのＬＥＤでもよい。ここで、隣接するＬＥＤの状態に基づいてＬＥＤの状態を決定するために適用可能な規則は、アレイパターンの生成が行われる前に、決定されなければならない。例えば、遷移の規則について説明するならば、隣接するＬＥＤは、N、NW、およびNE方向の3つのＬＥＤであると仮定される。列０および９のＬＥＤは、例外として、それぞれ、上の行の、隣接する２つのＬＥＤのみを持つ。例えば、LED(1,1)は、以下の隣接するＬＥＤを持つ。
LED(0,0)、LED(0,1)、およびLED(0,2)
他方、LED(2,5)は、隣接するＬＥＤとして、LED(1,4)、LED(1,5)、および LED(1,6)を持つ。一般に、それぞれ列０および９のＬＥＤを除いて、LED(i, j)は、以下の隣接するＬＥＤを持つ。
r = [1, 9] および c = [1, 8]について、LED(i-1, j-1)、LED(i-1, j)、およびLED(r-1, c+1)
【００５７】
LED(r,0)は、以下の隣接するＬＥＤを持つ。
r=[1,9]について、LED(r-1,0) および LED(r-1,1)
他方、LED(r,9)は、以下の隣接するＬＥＤを持つ。
r=[1,9]について、LED(r-1,8) および LED(i-1,9)
【００５８】
白色ＬＥＤの１次元ＬＥＤアレイパターンの生成のための規則の一例について説明する。３つのＬＥＤが隣接する場合、隣接するＬＥＤの状態として８つの状態が可能である。左からの各数字がNW、N、およびNE方向のＬＥＤの状態を示すとして、以下のとおりである。
000、001、010、011、100、101、110、および111。
８つの隣接する状態のそれぞれに対して、対象となるＬＥＤの決定すべき状態は、０および１の２つである。これにより、状態を決定する規則の取り得る数は、2*2*2*2*2*2*2*2*=256である。規則に付番することが出来る。付番は、000から111までの取り得る８つ隣接する状態それぞれに対する対象とするＬＥＤの状態を、左から右に、８ビットのパターンとして、形成し得る。付番では、８ビットのビットパターンを２進数として読んで相当する１０進数を括弧内に入れて規則番号として付す。00000000(0)は、ＬＥＤの状態は常に０であると読む。00000001(1)は、すべての隣接するＬＥＤが１の場合のみＬＥＤの状態が１であり他の場合は０であると読む。00000010(2)は、NWおよびN方向の隣接するＬＥＤが１であり、NE方向の隣接するＬＥＤが０であるならばＬＥＤの状態は１であり他の場合は０であると読む。そして、11111111(255)では、対象とするＬＥＤの状態は常に１である。規則番号72(01001000のパターン)が選ばれていると仮定して、パターン生成ステップをここに図示する。この規則は、NW、N、およびNW方向の隣接するＬＥＤの状態が、{001}または{100}の場合のみ、次の行のＬＥＤが１になり、それ以外の場合は０になることを示している。この例では、各行の、隣接するＬＥＤを２つのみ持つ２つのＬＥＤは、常に０の状態を維持する。
【００５９】
行１から始めて、２つの隣接するＬＥＤのみを持つので、LED(1,0)=LED(1,9)=0となる。行１におけるＬＥＤは、5を除いたすべてのcにおいてLED(0,c)=0のとき、以下の状態を持つ。
LED(1,0)=0 
LED(1,1)={LED(0,0),LED(0,1),LED(0,2)}={000}=0 
LED(1,2)={LED(0,1),LED(0,2),LED(0,3)}={000}=0 
LED(1,3)={LED(0,2),LED(0,3),LED(0,4)}={000}=0 
LED(1,4)={LED(0,3),LED(0,4),LED(0,5)}={001}=1 
LED(1,5)={LED(0,4),LED(0,5),LED(0,6)}={010}=0 
LED(1,6)={LED(0,5),LED(0,6),LED(0,7)}={100}=1 
LED(1,7)={LED(0,6),LED(0,7),LED(0,8)}={000}=0 
LED(1,8)={LED(0,7),LED(0,8),LED(0,9)}={000}=0 
LED(1,9)=0 
【００６０】
したがって、ＬＥＤアレイの最初の２行は、オンのＬＥＤを*マークで示して、図６に示すように形成される。
【００６１】
第２行のＬＥＤのリードタイムの後、同様の状態決定プロセスが開始される。現在、行１のＬＥＤは、LED(1, 4)=LED(1,6)=1であり、他のＬＥＤはすべて０の状態を持っている。行２のＬＥＤは、以下の状態を持つ。
LED(2,0)=0 
LED(2,1)={LED(1,0),LED(1,1),LED(1,2)}={000}=0 
LED(2,2)={LED(1,1),LED(1,2),LED(1,3)}={000}=0 
LED(2,3)={LED(1,2),LED(1,3),LED(1,4)}={001}=1 
LED(2,4)={LED(1,3),LED(1,4),LED(1,5)}={010}=0 
LED(2,5)={LED(1,4),LED(1,5),LED(1,6)}={101}=0 
LED(2,6)={LED(1,5),LED(1,6),LED(1,7)}={010}=0 
LED(2,7)={LED(1,6),LED(1,7),LED(1,8)}={100}=1 
LED(2,8)={LED(1,7),LED(1,8),LED(1,9)}={000}=0 
LED(2,9)=0 
こうして、ＬＥＤアレイの最初の３行が、オンのＬＥＤを*マークで示して、図７に示すように形成される。
【００６２】
そして、制御システムがリセットされるか、電源がダウンするか、新しい規則が選択されるまで、プロセスの実行が継続される。もし上述した例で規則パターン01001100が選択されると、隣接するＬＥＤのパターンが、{001}、{100}、または{101}の場合、対象のＬＥＤの状態は１となりそれ以外の場合は０となる。アレイの行０、１、２、および３は、以下の通り、異なる状態を持ち得る。
c=4および6では、LED(l,c)={LED(0,c-l),LED(0,c),LED(0,c+l)}=l、それ以外は0
c=3,5,および7では、LED(2,c)={LED(l,c-l),LED(l,c),LED(l,c+l)}=l、それ以外では0
c=2,4,6,および8では、LED(3,c)={LED(2,c-l),LED(2,c),LED(2,c+l)}=l、それ以外では0
図８にそのようにして生成されたパターンを示す。
【００６３】
行０のＬＥＤを初期化する1024の異なる方法が可能であり、ＬＥＤの状態を決定する256の異なる規則が可能なので、パターン生成で可能な数は200万以上に達する。カラーＬＥＤを考慮するなら、R(赤)-G(緑色)-B(青)の組み合わせだけでも、１つの隣接するＬＥＤは８つの異なる状態を持つことが出来るので、8*8*8=512の異なる隣接ＬＥＤ状態がある。対象のＬＥＤが持つことができる同じ８つの状態を考慮すると、規則の総数は、8の512乗に達する。これは、特定の初期状態に対して、2に462個の0が付いた非常に大きな数である。
【００６４】
モジュロ２規則を用いた白色ＬＥＤの１次元ＬＥＤアレイパターンの生成について説明する。具体的な白色ＬＥＤアレイ制御の場合、隣接するパターンのすべての組み合わせに代わり、簡単な規則を適用できる。１つの例では、この規則はモジュロ−２規則と呼ばれる。これは、例えば、左から右へ、ＮＷから、Ｎ、ＮＥの方向へ並んだ３つの隣接するＬＥＤの状態が、２進数として読んだときに、モジュロ２の数となるからである。３つの隣接するＬＥＤの状態は、モジュロ２の数でなければ０となる。例えば、パターン100、これは１０進数で４であるが、２で除することが出来る。そのため、これは、モジュロ２の数である。例えば、０を含むすべての偶数のパターン、すなわち、000、010、100、および110が、モジュロ２の数である。上記の例のモジュロ２規則を適用すると、最初の４行は、図９に示すように、決定される。
【００６５】
モジュロ２規則でのパターンのバリエーションは、主に、最初の行の初期状態で決定される。また、他のモジュロ数の規則、例えば、モジュロ８も可能である。ＬＥＤの状態が０および１のちょうど2種類より多くなる、カラーＬＥＤアレイの場合には、代替的なモジュロ数の規則が、より便利である。(R-G-Bの組み合わせでは)それは８であり得る。
【００６６】
カラーＬＥＤの１次元配列制御について説明する。簡略化するために、カラーＬＥＤの取り得る状態をさらに３つ、赤(状態２)、緑(状態１)、および青(状態０)に整理し、規則を適用する。状態の決定規則では、３つの隣接するＬＥＤの状態の合計値は最大で６であり、最小で０であることを考慮する。例えば、以下の通り規則を形成できる。
{NW-LED(t),N-LED(t),NE-LED(t)}の合計が、0、3、または6であれば、LED(t+l)=0
{NW-LED(t),N-LED(t),NE-LED(t)}の合計が、1または4であれば、LED(t+l)=1
{NW-LED(t),N-LED(t),NE-LED(t)}の合計が、2または5であれば、LED(t+l)=2
【００６７】
例えば、初期状態(t=0)では、LED(0,5)=2、そして、r=0およびc=5以外ではすべてのrとcに対して、LED(r,c)=0と設定される。したがって、t=0において、そしてリードタイムの間、10×10アレイの状態は、以下のテーブルおよびパターンを持つ。図１０に示すように、状態２を星(*)によって示し、状態１をバー(-)によって示し、状態０を空白によって示す。
【００６８】
行１のＬＥＤで時間t=1のパルスが生成されるとき、隣接する３つのＬＥＤの検知が開始され、パルスの立ち下がりエッジでは、状態の遷移が行われる。そうして、t=1の終わりでは、アレイパターンは図１１に示すようになる。
【００６９】
t=1で行われたのと同様に時間t=2では、時間t=2の終わりに、検知と状態の決定と遷移とが行われる。そしてアレイのパターンは図１２に示すように変化する。時間t=3、t=4、およびt=5におけるパターンを、図１３、図１４、および図１５に示す。
【００７０】
２次元パターン生成アプローチについて説明する。ＬＥＤアレイの２次元制御は、すべてのＬＥＤ固定具100に共通の同じタイミングパルスで、いずれの行いずれの列にあるすべてのＬＥＤでＬＥＤ状態の遷移が行われるように、適用される。リードタイム、パルスの継続時間(パルスが高い期間に検知を行い、立ち下がりエッジの時にＬＥＤの状態を変化させる)、および完全なサイクルタイムは、アレイ内のすべてのＬＥＤにおいて、同じである。そして、１つのＬＥＤの近隣は、８つすべての周囲のＬＥＤ(例えば、正方形の代わりに六角形のセル格子の場合、数は６になる)であってもよいし、４つだけでもよいし、ＬＥＤを直接取り囲む幾つの数のＬＥＤであってもよい。ここで挙げた例では、正方形セルのＬＥＤアレイを仮定する。そうすると、r行c列の格子において、１つのＬＥＤに隣接する８つのＬＥＤは以下のものを含む。なお、４つの境界線上にあるＬＥＤの状態は０または１の状態を維持してもよい。
LED(r-l,c)で表されるN方向LEDまたはN-LED。LED(r-l,c+1)で表されるNE-LED。LED(r,c+l)で表されるE-LED。LED(r+l,c+1)で表されるSE-LED。LED(r+l,c)で表されるS-LED。LED(r+l,c-l)で表されるSW-LED。LED(r,c-1)で表されるW-LED。LED(r-1,c-1)で表されるNW-LED。
もし幾つかのＬＥＤだけが１つのＬＥＤに隣接しているとして考慮されるなら、以下の４つが使用されるだろう。
N-LED、E-LED、S-LED、およびW-LED。
ＬＥＤアレイの２次元制御において、１つのＬＥＤの時間tにおける状態LED(r,c,t)は、時間(t-1)における隣接ＬＥＤの状態により決定される。時間単位は、２つの連続したパルスの間の時間である。このパルスにより、ＬＥＤの状態の検知と決定が、アレイ全体で実行される。
【００７１】
簡潔に図示するために、同じ10×10のアレイを用いて、N、E、S、およびWの方向に４つの隣接するＬＥＤを持つ各ＬＥＤには、２つの状態(１と０、オンかオフ、明るいか暗い)だけが許されると仮定する。初期状態は、どのような方法でも設定できる。すなわち、中央のＬＥＤをオンにするか、４つの隅すべてのＬＥＤをオンにするか、または無作為に選んだＬＥＤをオンにする方法がある。そして、理論的に初期状態が取り得る数は、2の100乗という非常に大きい数字である。時間(t-1)における隣接するＬＥＤの状態に基づいて時間tにおけるＬＥＤの状態の規則を説明するために、時間(t-1)における隣接する４つのＬＥＤの状態を、４桁の２進数で書き表す。４桁の２進数の各ビットは、左から右へ、N-LED(t-1)、E-LED(t-1)、S-LED(t-1)、およびW-LED(t-1)を表す。そうすると、総計１６個の異なる隣接するＬＥＤの状態がある。それらは、0000から1111までの４ビットの２進数である。時間(t-1)における隣接するＬＥＤの、１６個の異なる状態のそれぞれに対して、時間tにおける対象のＬＥＤの状態は、２である。したがって、2の16乗、6500万以上の規則が可能である。
【００７２】
２つの状態をとり、４つの隣接するＬＥＤがある、２次元パターンの生成アプローチについて説明する。図示するために、10×10の、４つの隣接するＬＥＤがあり、２つの状態をとる２次元パターンの生成を考える。２つの状態のＬＥＤとは、ＬＥＤがオン(1)またはオフ(0)の状態のみを有する白色であることを意味する。また、図１６に示すように、t=0における初期状態として、プロセスが開始される前に、LED(5,5)はオンであり、他のすべてのLED(r,c)はオフである。
【００７３】
非常に多くの規則のうち、例えば、時間(t-1)において隣接するＬＥＤのうち少なくとも１つが状態１であるならば、LED(t)=1とする規則を考える。この規則は、アレイ内の、N、E、S、およびWの４つの隣接するＬＥＤを持つすべてのＬＥＤに適用される。したがって、アレイの境界線上にあるＬＥＤは、常に、現在の状態を維持する。
【００７４】
時間t=1の最初のパルスにおいて、境界線上のＬＥＤ以外のすべてのＬＥＤが、パルスが高い状態にある間、その隣接する４つのＬＥＤの状態を同時に検知する。そして、パルスの立ち下がりエッジにおいて、状態１にあるＬＥＤが１つでもあれば、ＬＥＤは規則に従って状態を設定する。したがって、t=1パルスの後、アレイは、図１７に示す状態になるだろう。
【００７５】
そうすると、時間t=2のパルスにおいて、ＬＥＤアレイは、図１８に示す状態に変化する。t=3では、パターンは、図１９に示す状態へ、さらに外側に向かって拡張する。このパターン生成のアプローチは、生成されたパルスと、リードタイムと、アレイ内のＬＥＤの完全なサイクルタイムに従って、進行する。
【００７６】
図示した例は、与えられた初期状態および非常に多くの規則のうちの１つの規則を用いた１つの場合について示したに過ぎない。パターンの多様性は途方もないものである。したがって、使用する所望のパターンに関して、本発明のユーザは、どの規則およびどの初期状態を選択するかを決める前に、望ましくはコンピュータシミュレーションを使って、パターンの生成を試してもよい。しかしながら、ここで説明したアプローチは、通信、無線通信または電力線通信を通じて使用する規則の変更を行うので、コンピュータシミュレーションはここで説明したアプローチを実際に使用する際、必須ではない。
【００７７】
４つの隣接するＬＥＤを持つカラーＬＥＤに関する２次元パターン生成のアプローチについて説明する。もしR(赤)-G(緑色)-B(青)の組み合わせだけのカラーＬＥＤを考慮するなら、１つの隣接するＬＥＤは、８つの異なる状態を持つことが出来るので、8*8*8*8=4096個の異なった隣接するＬＥＤの状態がある。対象のＬＥＤが持ち得る同じ８つの状態を考慮すると、与えられた初期状態に対してだけでも、規則の総数は天文学的数字に達する。さらにカラーＬＥＤの取り得る状態を、赤(状態２)、緑(状態１)、および青(状態０)の３つに簡略化し、簡単な規則を適用すると、同じ10×10のアレイを用いて、アレイ制御を図示することが出来る。
【００７８】
状態決定規則は、合計の最大値が８であり最小値が０である隣接する４つのＬＥＤの状態を観測することから開始する。規則の簡単な例は、以下の通り、形成される。
{N-LED(t),E-LED(t),S-LED(t),W-LED(t)}の合計が1、2、3、または6ならば、LED(t+l)=0
{N-LED(t),E-LED(t),S-LED(t),W-LED(t)}の合計が0または7ならば、LED(t+l)=1
{N-LED(t),E-LED(t),S-LED(t),W-LED(t)}の合計が4、5、または8ならば、LED(t+l)=2
【００７９】
例えば、初期状態(t=0)として、LED(5,5)=2およびr=5とc=5を除くすべてのrとcに対してLED(r,c)=0を設定する。したがって、t=0において、リードタイムの間、10×10のアレイの状態は以下のテーブルとパターンを持つ。生成されるパターンでは、図２０に示すように、状態２は星(*)で示され、状態１はバー(-)で示され、状態０は空白で示されている。
【００８０】
時間t=1においてアレイ内のすべてのＬＥＤからパルスが生成され、隣接するＬＥＤの検知が同時に開始される。そして、パルスの立ち下がりエッジでは、すべてのＬＥＤにおいて同じ規則に従って状態の遷移が実行される。そうして、時間t=1の終わりでは、アレイパターンは、図２１に示す状態に達する。時間t=2の終わりでは、図２２のパターンが結果として生じる。時間の経過と共に、例えば、t=20では、パターンは図２３に図示されるパターンに発展する。
【００８１】
可逆的なパターンの生成について説明する。上述したように、ＬＥＤアレイパターンの生成は、１次元の制御方法であっても、２次元の制御方法であっても、２つの要因に強く依存している。すなわち、初期状態と規則の選択である。言い換えれば、ここで説明したアプローチを使用して、所望のパターンが初期状態として提供されるか、そのパターンが繰り返されるか、または、少なくとも一定数のタイミングパルスの後、定期的に再出現する。
【００８２】
可逆的なセルオートマトンを識別する１つのアプローチでは、パターンを理解し生成する２つの主要な方法が必要である。すなわち、機械学的な方法と直感的な方法である。最初のポイントのアプローチでは、どのようなパターンも原因と結果に分析することが出来、隣接するＬＥＤの状態による状態遷移の関係と、再帰的な妥当性の関係とを推論できると仮定する。２番目のアプローチでは、わずかの偶然を受け入れる創造的活動を非常に豊富にする機会が与えられる。しかしながら、幾つかの非常に簡単な可逆的セルオートマトンを、２次元制御アプローチにおいて適用したものと同様な普通の規則から生成することが出来る。
【００８３】
２次元制御アプローチにおける7×7のアレイの白色ＬＥＤへの可逆的セルオートマトンについて説明する。例えば、隣接する４つのＬＥＤを持つが実際には隣接する１つのＬＥＤだけが使用される可逆的なセルオートマトンは、人を誤らせる程に簡潔であり、以下の規則を持っている。
W-LED(t)    E-LED(t)    LED(t+1)
0            0            1
0            1            1
1            0            0
1            1            0
規則は、オリジナルのデザインを単純に左へシフトする。描いたパターンから分かるように、状態がひっくり返される。
【００８４】
初期状態を所望の状態とする。ここではアレイのセル(すなわちＬＥＤ)により形成された文字Ａを以下の様に描く。アレイの横にあるパターンは、図２４に示すように、０の状態を*マークで表し、１の状態を空白で表して形成される。
【００８５】
時間t=1において、簡単な可逆的なセルオートマトンがアレイ内のすべてのＬＥＤに適用される。そして、初期パターンは、図２５に示すように、乱雑に置かれた*と空白になる。t=2において、図２６のパターンが現れる。
【００８６】
時間t=11において、パターンは、図２７に示すように、設計したパターンであるＡの文字とはかけ離れたものになる。しかしながら、時間t=14において、パターンは、最終的に、設計したパターンであるＡの文字に発展する。そして、図２８に示すように、１４の倍数の時に、このパターンが繰り返される。
【００８７】
中央のコントローラからアレイ内のそれぞれのＬＥＤまでを接続する制御用配線を用いて中央の主コントローラにより個々のＬＥＤを制御する従来の方法を使用せず、セルオートマトンの考えを使用して局所的に照明のパターンを制御するアプローチを実施するためには、ハードウェアおよびソフトウェア・コンポーネントは、下記の基本的な機能を提供するためにＬＥＤごとに組み合わされなければならない。(1)隣接するＬＥＤの状態を検知する。(2)検知した隣接するＬＥＤの状態により選択された規則を実行する。(3)行ごとに（１次元制御アプローチの場合）またはアレイ全体に亘って（２次元制御アプローチの場合）規則の実行を同期させるタイミングパルスを生成（または受信）する。加えて、(1)規則選択機能、(2)初期状態選択機能、および(3)タイミングパルス選択機能が、一度アレイが設置されたら、手でＬＥＤを操作しなくてもよいように、利便性を提供する。
【００８８】
図２９に示すように、ＬＥＤ固定具2900の別の構造の例について説明する。固定具2900は、コンピュータシステムまたはマイクロコントローラ2902で構成される。それらは、初期化と更新情報受信のために、通信ポート2904とダウンロードポート2906を通して受信した情報を処理するように構成されている。また、マイクロコントローラ2902は、ＬＥＤ固定具2900に設置された手動スイッチのセットから情報を読むように構成される。各ＬＥＤ固定具2900のパターン制御を開始する前に決定すべき項目は、以下のものを含む。
行数（Ｎｒ）。この行数で、ＬＥＤ固定具2900がアレイ内に配置される。例えば、行２の場合、Nr=2である。1-D制御スキームでは必要としてもよい。
タイミングパルス2901のリードタイムまたは待ち時間(Tw)(例えば、0.3秒)。
タイミングパルス2901の高パルス期間(Tp)。この期間に、センサ2910からのセンサ情報が制御系に読み込まれる。(例えば、0.3)。
完全サイクル期間(Tc)。これは、ＬＥＤ2912のための検知と状態決定の１プロセスの全体の時間を示すものであり、特にアレイ内の行数に依存するものであり、例えば１分という値をとる。
プロセスで使用される規則番号または規則(規則番号)。
および、初期ＬＥＤ状態(L0)。これは、上述した１次元制御において、状態１または０、赤または青で開始される、（例えばアレイの第１行第５列の）ＬＥＤ固定具2900が持ち得る値である。
【００８９】
初期項目は、ＬＥＤ固定具2900に独立して配置された手動セレクタスイッチ2908により決定されるか、または、ＬＥＤ固定具2900には設置されていない独立したシステムである、規則タイミングプログラマ(RTP)2914からダウンロードして決定され得る。RTP2914は、プロセッサ2925を含んでおり、ＬＥＤ固定具2900で必要とされる項目を、有線、無線、またはＰＬＣ通信でダウンロードすることが出来るコンピュータシステムにより実現できる。項目の値は、RTP2914に取り付けられたキーパッド2916から入力するか、またはRTP2914中のメモリ2918に格納することが出来る。RTP2914は、通信ポート(無線またはＰＬＣでデータを受け取る)とアップロードポート2917(情報をダウンロードポート2906にアップロードする)を含んでいる。通信ポート2904を介して、規則2907がダウンロードされる。センサからの情報は、検知コンポーネント2913により処理される。規則実行出力2921は(ＬＥＤ2912をどのように駆動するかに関する指示と共に)、ＬＥＤ2912を制御するために、指示を電気信号に変換する駆動回路2923を駆動する。
【００９０】
上述した、手動セレクタスイッチ2908またはRTP2914による項目の初期化とは別のアプローチは、行番号（Ｎｒ）と、その行番号とその行番号でのタイミングパルスの情報のテーブルとを取得するものである。そのテーブルは、コントローラのメモリ内に格納され、項目すべてを別々に読み込む代わりに、コンピュータシステムへ設定可能なものである。この代替的アプローチは、初期設定値がRTP2914からダウンロードされるか、または通信される場合は、有利である。
【００９１】
タイミングパルス情報がパルス発生器2920へ供給されると、パルス発生器2900(ＬＥＤ固定具2900内に配置されている)が、タイミングパルスの生成と、固定具2900または別のＬＥＤ固定具2900（パルス発生器を有してもよいし有していなくてもよい）への供給を行い得る。また、パルス発生器2920のあるなしにかかわらず、ＬＥＤ固定具2900は、別のＬＥＤ固定具2900からのタイミングパルスを受信することができる。リードタイム(待機時間）の後に、高パルスがコンピュータシステムに到着した時、コンピュータシステムは、例えば８つすべてのセンサからの隣接するＬＥＤの状態に関するセンサ情報を読み込む。読み込みは、１次元制御アプローチか２次元制御アプローチかに依存し、隣接するＬＥＤの数に依存する。上述したように、「センサ情報」は、フォトセンサ、カラーセンサ、または異なるアプローチによる隣接するＬＥＤからのＬＥＤ状態情報の出力であり得る。高パルスが持続している限り、規則の実行や規則による出力を駆動回路に送出することは行わずに、センサ(または、状態)情報の監視が繰り返される。このアプローチにより、パルスがゼロになるとき（「立ち下がりエッジ」）、同じ行内のすべてのＬＥＤが、状態変更の動作により同期される。パルスの立ち下がりエッジにおいて、規則により生成されたコントローラの出力が、ＬＥＤ駆動回路に送出される。この出力により、ＬＥＤ(単一の発光ダイオードにより構成されてもよいし、発光ダイオードのグループにより単一のユニットが形成されてもよい)がオンしたりオフしたりするか、または出力により指定された色が生成されたりする。
【００９２】
図３０を参照して、ＬＥＤ固定具2900内のコンピュータシステム(例えば、図２９のシステム)を制御するためのアプローチの一例を説明する。このアプローチは、アレイ内に設置されたすべてのＬＥＤ固定具2900のそれぞれに適用される。
【００９３】
ステップ3002において、初期化が行われる。このステップでは、中央コンピュータから規則がダウンロードされてもよい。一度、初期化のプロセス（行番号、タイミングパルスのフォーマット、および初期状態の決定を含む）が完了すると、ステップ3003において更新のチェックを行うことが出来る。更新チェックでは、幾つかの例を挙げるならば、新しい規則や新しいタイミングパルスのフォーマットのために、通信ポート、ダウンロードポート、または手動スイッチセレクタの設定変更を通じてデータが受信された時に、割り込みが発生してもよい。１つの例では、更新チェックは割り込みにより行われるので、コンピュータシステムは、どのような処理を行っていてもその処理を停止し、各ＬＥＤ固定具2900への更新情報を受信することが出来る。
【００９４】
ステップ3004において、割り込みによる更新が無い時、コンピュータシステムはタイミングパルスを監視する。このタイミングパルスは、ステップ3006において検知される。タイミングパルスが高いとき、コンピュータシステムはステップ3006における、隣接するＬＥＤの状態の検知を継続する。タイミングパルスが高い状態である限り、この検知ループが、繰り返され、継続される。ステップ3004において、パルスがゼロに下がる時、規則の実行(検知情報に基づく)が行われる。これにより、ステップ3010においてＬＥＤ駆動回路がＬＥＤの状態を変更し、処理は、ステップ3004において再度検知と状態決定を行うために、パルス監視のステージに戻る。ＬＥＤ固定具2900のＬＥＤの状態は、ＬＥＤ自体の照明の状態(他のＬＥＤ固定具2900のセンサにより検知される)または通信(信号)媒体(すなわち、他のＬＥＤ固定具2900からの光路やフォトセンサ、カラーセンサを介さずに）を通じて送信される。
【００９５】
図３１および図３２を参照して、ＬＥＤアレイ内でのＬＥＤ固定具2900の接続について説明する。照明アレイ3101は、照明固定具3100を含んでいる。照明固定具は、ＬＥＤ3104とセンサ3102を含んでいる。電力線3106は、固定具3100に結合されている。ＬＥＤアレイコントローラ3108は、ＰＬＣカプラ3110を介して電力線3106と結合されている。
【００９６】
基本的には、固定具3100のＬＥＤ3104により生成された光が、その隣接する固定具3100に達することが出来、その固定具3100により検知されるが、特定の固定具(隣接する固定具の数は図３１および図３２では８つであり、別の例では４つである)に隣接しない固定具では検知されないように、固定具3100が配置される限り、固定具3100の機械的、幾何学的な配置とアレイ3101の編成における条件や制限は無い。言い換えれば、この例では、固定具3100は、いかなる方法でも機械的に接続も接合もされていない。代わりに、近隣において、これらは、光線と、光線を検知する検知装置(センサ)によってのみ、結合されている。あるいはまた、いくつかの例では、固定具の一部が物理的に結合されていてもよい。もちろん、固定具3100は、同じ電力線3106に結合されている。
【００９７】
すべての固定具3100が、ＬＥＤ照明3104と固定具内の回路を動作させる電源として、同じ電力線3106により電源を供給される。固定具3100の回路に格納された、予めプログラムされた規則が、隣接するＬＥＤの状態に基づいて、自身のＬＥＤの状態(例えば、白色ＬＥＤではオンまたはオフ、カラーＬＥＤでは赤、緑、青)を決定する。この規則により、各固定具は、状態を決定するために、そのＬＥＤを駆動する。アレイ3101のそれぞれの固定具3100のこの個々の動作は、一緒にまとめられ、アレイ3101内での照明パターンを生成する。
【００９８】
別のパターンのために新しい規則が望まれるなら、例えば、通信可能なコンピュータにより実現されるＬＥＤアレイコントローラ3108から、電力線通信(ＰＬＣ)カプラ3110を通して、その規則をアップロードするために、同じ電力線3106を使用することが出来る。あるいはまた、新しい規則をアップロードのために、無線通信により、それぞれの固定具3100とＬＥＤアレイコントローラ3108とをリンクすることも出来る。いずれのアプローチにおいても、各固定具3100は同じ規則を持つので、情報を個別化(すなわち、個別のメッセージをそれぞれの固定具に送らなければならない)する必要は無く、すべての固定具3100に同じ情報をブロードキャストすることにより、コミュニケーションの負荷は、より低減される。アレイ3101において、元の予めプログラムされた規則または新しい規則をアップロードできるので、従来のＬＥＤアレイ照明アプローチで見られたように、個々の固定具を別々に制御する個々の制御用配線やアプローチを採らなくてもよいことが理解されるだろう。
【００９９】
図３２を具体的に参照して、固定具近隣におけるリンク(すなわち、固定具の内部構造と、近隣でのその接続と、センサにより検知された近隣の状態に従ったその動作)について説明する。ここの他の場所で説明したように、各固定具3100は、同じ電力線3106により電力を供給される。その電力線は、発光ダイオード(ＬＥＤ)3104の集合と、隣接するＬＥＤの状態を検知しこれらのＬＥＤを決定された状態に駆動する回路とに電力を供給する。固定具に隣接するＬＥＤの状態は、近隣で隣接するただ１つの固定具の状態を各センサにおいて特定するように戦略的に配置されたセンサにより決定される。
【０１００】
例えば、第１のセンサ3202は、N方向に隣接する固定具の状態のみを特定するために、北(N)方向に隣接する固定具からの光線のみを受光するように配置される。第２のセンサ3204は、同様に、東(E)方向に隣接する固定具のみから光を受光しその固定具のみを特定するように、配置される。第３および第４のセンサ3206および3208は、それぞれ、SE方向およびS方向に隣接する固定具のみを検知するように配置される。他のすべてのセンサ3210、3212、3214、および3216は、割り当てられた1つの隣接する固定具からのみ受光し、特定を行うように、同様に配置される。マイクロプロセッサ3218、駆動回路3220、タイミングパルス生成器3213、通信ポート3224が、各固定具3100内に配置される。これらの要素の動作は、前述したので、ここでは繰り返さない。独立したＰＬＣカプラ3211は、各固定具3100を電力線3106と結合する。
【０１０１】
ＬＥＤ(および固定具)3104それ自体の状態は、例えば、８つすべての隣接する固定具に向かって、ＬＥＤにより生成された光により、光路ガイド、光出力を通して、1つの光路が１つの割り当てられた隣接する固定国対応するように、表示される。例えば、第１の光路ガイド3226は、ＬＥＤの光線がW方向に隣接する固定具のセンサのみに向けられ届くように配置される。同様に、第２の光路ガイド3228は、E方向に隣接する固定具のためだけに光を射出するように配置される。他のすべての光路ガイド(図面の可読性を高めるために固定具には付番していない)は、同様に、各ガイドから割り当てられた１つの隣接する固定具のみに、固定具の光線を送るために配置される。
【０１０２】
したがって、隣接する固定具間のリンクは、光線と、これらの光線を検知するセンサとによってのみ作られている事が理解されるだろう。言い換えれば、アレイ内の固定具間には、(電力線を除いて)どのような直接的、電気的、または機械的な接続もない。光線とセンサのリンクを使用して、固定具のマイクロプロセッサ(MP)3218は、MP3218内(または別のチップまたは装置内)のメモリにある規則により、固定具のＬＥＤ3104の状態を決定する。そして、タイミングパルス(TP)生成器3213によりタイミングを計り、決定した状態へＬＥＤ駆動回路を動かす。新しい規則が望まれる時、新しい規則は、同じ電力線3106を通じてダウンロード出来る。電力線は固定具の回路とＬＥＤに電力を供給する。ダウンロードは、例えば（各固定具の）マイクロプロセッサ3218へのＰＬＣカプラを経由して、各固定具回路の通信（ＣＯＭ）ポートを用いて行われる。規則は、同じ電力線3106を通じて、例えばコントローラの同様なＰＬＣカプラを経由して、ＬＥＤアレイコントローラ（図３２に図示せず）から送信される。
【０１０３】
特定の実施形態とその適用によりここで開示した発明について説明したが、当業者は、本発明の範囲から逸脱せずに、多数の変形およびバリエーションを作ることができるだろう。
【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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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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