(57)【要約】【課題】所定の照明表面パターンと光源の所定のエネルギ分布パターンとの間の最適な光学的伝達関数求めて、レンズを設計し、無用な方向へ光ビームが放射されないような、照明装置を提供する。【解決手段】街路灯パターンのような所定の照明表面パターンと、ＬＥＤからのような光源の所定のエネルギ分布パターンとの間の光学的伝達関数を提供することを特徴とする装置および方法である。前記光学的伝達関数で定義される形状を有してレンズが形作られる。光学的伝達関数は、光源の所定のエネルギ分布パターンを用いてエネルギ分布パターンを生成することによって導出される。次いで、照明される表面上へのエネルギ分布パターンの投影が生成される。該投影は、次いで所定の照明表面パターンと比較され、それが許容可能な程度に合致しているか決定される。このプロセスは、許容可能な合致が達成されるまで、繰り返して続ける。あるいはまた、レンズの形状は、その形状と、所定の照明表面パターンおよび光源の所定のエネルギ分布パターンとの関数関係を入力値として、数値的または分析的に決定される。【選択図】なし
2009528556.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源の所定の光源エネルギ分布パターンから所定の照明表面パターンを提供する方法であって、
レンズ形状の予想光学的伝達関数を定義する段階と、
レンズ形状の前記予想光学的伝達関数を用いて前記所定の光源エネルギ分布パターンから或る一つのエネルギ分布パターンを生成する段階と、
照明される表面に前記一つのエネルギ分布パターンの投影を生成する段階と、
前記一つのエネルギ分布パターンの投影を前記所定の照明表面パターンと比較する段階と、
前記レンズ形状の前記予想光学的伝達関数を修正する段階と、
前記レンズ形状の前記予想光学的伝達関数を用いて前記所定の光源エネルギ分布パターンから前記一つのエネルギ分布パターンを生成する段階、前記照明される表面に前記一つのエネルギ分布パターンの投影を生成する段階、および前記一つのエネルギ分布パターンの投影を前記所定の照明表面パターンと比較する段階を、前記一つのエネルギ分布パターンの投影と前記所定の照明表面パターンの間に許容可能な一致が得られるまで繰り返す段階と、
最終に得られた予想光学的伝達関数を用いてレンズを製造する段階と
を含んでなる方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、
前記所定の照明表面パターンが道路照明パターンであり、
前記所定の光源エネルギ分布パターンがＬＥＤランベルトパターンであり、
そして前記最終に得られた予想光学的伝達関数を用いてレンズを製造する段階が街路灯に用いるレンズを製造する段階を含む
ことを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法であって、さらに、
複数の光源をそれぞれ前記製造したレンズと光学的に組み合わせて組み立てて、それぞれが同一のエネルギ分布パターンを持つ対応する複数個のデバイスを形成し、もって前記所定の照明表面パターンを作り出す線形的に加法的なデバイスアレイを提供する段階を含んでなる
ことを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項３に記載の方法であって、
前記各アレイがモジュールユニットとして製造されており、
さらに、アレイをモジュール単位で増減して大型または小型の集合体にすることによって、照明パターンを実質的に変更せずに目標表面上の照明パターンの強度を増減する段階を含んでなる
ことを特徴とする方法。
【請求項５】
所定の照明表面パターンと所定の光源エネルギ分布パターンの間の光学的伝達関数を提供するための改良された装置であって、
前記所定の光源エネルギ分布パターンを用いて或る一つのエネルギ分布パターンを生成し、次いで当該一つのエネルギ分布パターンから照明される表面への前記一つのエネルギ分布パターンの投影を生成することによって導出された光学伝達関数によって定義される形状を有するレンズを備えてなり、
前記投影が前記所定の照明表面パターンに許容可能な程度に合致している
改良された装置。
【請求項６】
請求項５に記載の改良された装置において、
前記所定の照明表面パターンが道路照明パターンであり、
前記所定の光源エネルギ分布パターンがＬＥＤランベルトパターンである
ことを特徴とする装置。
【請求項７】
請求項５に記載の改良された装置であって、さらに、
前記レンズと組み合わされた光源を備えてなる
ことを特徴とする装置。。
【請求項８】
請求項５に記載の改良された装置であって、さらに、
それぞれが対応するレンズと光学的に組み合わされて、それぞれが同一のエネルギ分布パターンを有する複数のデバイスを形成し、もって前記所定の照明表面パターンを作り出す線形的に加法的なデバイスアレイを提供する
ことを特徴とする装置。
【請求項９】
請求項８に記載の改良された装置であって、
前記各アレイがモジュールユニットとして製造されており、
さらに、アレイをモジュール単位で増減して大型または小型の集合体にすることによって、照明パターンを実質的に変更せずに目標表面上の照明パターンの強度を増減するための、アレイの集合体を備えてなる
ことを特徴とする装置。
【請求項１０】
光源の所定の光源エネルギ分布パターンから所定の照明表面パターンを提供するための装置に使用する改良されたレンズであって、
レンズ上に画定されるアンダーカット面を備えてなり、
該レンズは、前記光源に隣接する基部、レンズ軸および前記基部とレンズ軸の間の表面を有し、前記アンダーカット面は、該レンズの前記基部から少なくとも一部がレンズの表面に沿って前記レンズ軸に向って延びており、前記アンダーカット面は、前記所定の光源エネルギ分布パターンを用いて一つのエネルギ分布パターンを規定し、当該一つのエネルギ分布パターンを照明される表面上に投影し、当該投影が前記所定の照明表面パターンと許容可能な程度に合致している
ことを特徴とするレンズ。
【請求項１１】
請求項１０に記載の改良されたレンズにおいて、
前記アンダーカット面は、光を屈折する部分と、前記光源からの光を全て内側に反射して前記エネルギ分布パターンにする部分とを備えてなる
ことを特徴とするレンズ。
【請求項１２】
請求項１１に記載の改良されたレンズにおいて、
前記アンダーカット面が、前記光源からの光を方向付けして幅広く放散したビームにする部分を備えてなる
ことを特徴とするレンズ。
【請求項１３】
所定の照明表面パターンと所定の光源エネルギ分布パターンの間の光学的伝達関数を提供するための改良された装置であって、
前記所定の光源エネルギ分布パターンを用いて一つのエネルギ分布パターンを生成し、次いで当該一つのエネルギ分布パターンから照明される表面に前記一つのエネルギ分布パターンの投影を生成することによって導出され、前記光学伝達関数によって定義される形状を有するレンズのアンダーカット面を備えてなり、
前記投影が前記所定の照明表面パターンに許容可能な程度に合致している
改良された装置。
【請求項１４】
所定の光源エネルギ分布パターンから所定の照明表面パターンを提供するための装置に使用する改良されたレンズ表面であって、
該レンズは、対向する二つの側を持つエネルギ分布パターンを特徴とし、前記レンズ表面の一部として定義される複合プリズムを具備し、前記複合プリズムは、前記エネルギ分布パターンの一つの側から対向する側にエネルギを伝達して、二つの対向する側に関して前記エネルギパターンを非対称にするように、配置されて構成されている
改良されたレンズ表面。
【請求項１５】
所定の照明表面パターンを提供するためのアレイであって、
各デバイスが前記所定の照明表面パターンを作り出す同一のエネルギ分布パターンを有し、前記所定の照明表面パターンを提供する複数の発光デバイスと、
前記デバイスの各々に結合された回路ドライバと、
中に前記複数の発光デバイスが配置されていて、全体で前記所定の照明表面パターンに合致する線形的に加法的な照明パターンを作り出すように、前記アレイの空間的編成を提供する平面の担持体と
を備えてなるアレイ。
【請求項１６】
請求項１５に記載のアレイであって、
各アレイは、同じアレイと容易に組み合わすことができるモジュールユニットであり、  そして、さらに、アレイをモジュール単位で増減して大型または小型の集合体にすることによって、照明パターンを実質的に変更せずに目標表面上の照明パターンの強度を増減するためにアレイの集合体を備えてなる
ことを特徴とするアレイ。
【請求項１７】
請求項１５に記載のアレイであって、さらに、
各デバイスに一つの割合で複数の回路ドライバを備えてなり、
該複数の回路ドライバは前記担持体の上に取り付けられている
ことを特徴とするアレイ。
【請求項１８】
請求項１７に記載のアレイにおいて、
前記担持体は、前記複数の回路ドライバおよびデバイスが接続されるプリント配線板と、前記ブリント配線板、回路ドライバおよびデバイスをカバーと担持体の間に密封するためのカバーとを備えてなる
ことを特徴とするアレイ。
【請求項１９】
請求項１８に記載のアレイにおいて、
前記デバイスには割り出し用フランジが設けられていて、前記デバイスが前記割り出し用フランジによって前記カバーおよび担持体に対して角度をもって配向される
ことを特徴とするアレイ。
【請求項２０】
請求項１９に記載のアレイにおいて、
前記プリント配線板、回路ドライバ、およびデバイスは、前記カバーと担持体の間に配された注封用化合物によって前記カバーと担持体の間に密封され、前記回路ドライバおよびデバイスが、プリント配線板に接続された状態で該注封用化合物の中に包まれていて、前記アレイが水中で作動可能になっている
ことを特徴とするアレイ。
【請求項２１】
道路面上に所定の照明パターンを提供する街路灯用の照明装置であって、
照明取付具と、
前記照明取付具内に配され、アレイのそれぞれが道路面上に前記所定の照明パターンを提供する発光デバイスの複数のアレイと
を備えてなる照明装置。
【請求項２２】
請求項２１に記載の照明装置において、
前記所定の照明表面パターンを提供するためのアレイは、
各デバイスが前記所定の照明表面パターンを作り出す同一のエネルギ分布パターンを有し、前記所定の照明表面パターンを提供する複数の発光デバイスと、
前記デバイスの各々に結合された回路ドライバと、
中に前記複数の発光デバイスが配置されていて、全体で前記所定の照明表面パターンに合致する線形的に加法的な照明パターンを作り出すように、前記アレイの空間的編成を提供する平面の担持体とを備えている
ことを特徴とする照明装置。
【請求項２３】
請求項２１に記載の照明装置において、
前記発光デバイスの各々は、光源およびレンズ表面を有するレンズを具備し、該レンズは、光源の所定の光源エネルギ分布パターンから前記所定の照明表面パターンを提供するためのレンズであり、該レンズは、対向する二つの側を持つエネルギ分布パターンを特徴とし、前記レンズ表面は、そのレンズ表面の一部として定義される複合プリズムを具備し、該複合プリズムは、前記エネルギ分布パターンの一つの側から対向する側にエネルギを伝達して、二つの対向する側に関して前記エネルギ分布パターンを非対称にするように、配置され構成されている
ことを特徴とする照明装置。
【請求項２４】
請求項２１に記載の照明装置において、
前記発光デバイスの各々は、光源およびレンズ表面を有するレンズを具備し、該レンズは、光源の所定の光源エネルギ分布パターンから前記所定の照明表面パターンを提供するためのレンズであり、該レンズは、前記所定の照明表面パターンと前記所定の光源エネルギ分布パターンの間の光学的伝達関数を提供するためのものであり、該レンズは、前記光学的伝達関数により定義される形状を持つアンダーカット面を有し、該形状は、前記所定の光源エネルギ分布パターンを用いて一つのエネルギ分布パターンを生成し、次いで該一つのエネルギ分布パターンから照明される表面に前記一つのエネルギ分布パターンの投影を生成し、前記投影が前記所定の照明表面パターンに許容可能な程度に合致しているようにすることによって導出される
ことを特徴とする照明装置。
【請求項２５】
請求項２１に記載の照明装置において、
前記発光デバイスの各々は、光源およびレンズ表面を有するレンズを具備し、該レンズは、光源の所定の光源エネルギ分布パターンから前記所定の照明表面パターンを提供するためのレンズであり、該レンズは、アンダーカット面を有し、該レンズは、前記光源に隣接する基部、レンズ軸および前記基部と前記レンズ軸の間の表面を有し、前記アンダーカット面は、該レンズの前記基部から少なくとも部分的にレンズの表面に沿って前記レンズ軸に向かって延びていて、前記所定の光源エネルギ分布パターンを用いて一つのエネルギ分布パターンを生成し、次いで前記照明される表面上への前記一つのエネルギ分布パターンの投影を生成し、当該投影が前記所定の照明表面パターンと許容可能な程度に合致している
ことを特徴とする照明装置。
【請求項２６】
請求項２１に記載の照明装置において、
前記発光デバイスの各々は、光源およびレンズ表面を有するレンズを具備し、該レンズは、所定の光源エネルギ分布パターンから前記所定の照明表面パターンを提供するためのレンズであり、該レンズは、前記所定の光源エネルギ分布パターンを用いて一つのエネルギ分布パターンを生成し、次いで当該一つのエネルギ分布パターンから照明される表面への前記一つのエネルギ分布パターンの投影を生成し、その場合前記投影が前記所定の照明表面パターンに許容可能な程度に合致しているようにすることによって導出された光学的伝達関数によって定義される形状を有している
ことを特徴とする照明装置。
【請求項２７】
水平線が定義されている所定の照明パターンを道路面上に提供する街路灯用の照明装置であって、
照明取付具と、
前記照明取付具内に配され、アレイの各々が、照明装置から前記水平線以上に向けられる光を実質的に減じて、道路面上に前記所定の照明パターンを提供する発光デバイスの複数の平面アレイと
を備えてなる照明装置。
【請求項２８】
中心線を有する照明パターンで表面を照明するための装置であって、
光源と、
前記光源からの光を滑らかな幅広のビームとして方向付け、照明される表面へ投影されたときに、そのビームが前記照明パターンの中心線から１５度を超える角度において最大フートキャンドル測定値の５０パーセントを有することを特徴とするレンズと
を備えてなる装置。
【請求項２９】
請求項２８に記載の装置において、
前記レンズは、透明または半透明の窪みのあるパドル形状を具備し、高角度の幅広ビームを生成し、レンズを配備しない場合に前記光源で発生する損失を実質的に上回る損失を出すことなしに前記光源のほぼ全てのエネルギが前記ビームへと向けられる
ことを特徴とする装置。
【請求項３０】
請求項２８に記載の装置において、
前記レンズは、該レンズと光源の組合せの所望の主要ビーム向け構造に沿って形成される小さな集光ゾーンである「小球」ゾーンによって特徴付けられる
装置。
【請求項３１】
請求項３０に記載の装置において、
前記小球ゾーンは、前記光源が放射する光線を集め、該光線を所望のビーム角度に応じて所定の方向に沿って向けるレンズの表面部分を具備し、そして前記光源近くのレンズ表面部分も、前記光源からの光を集めてその光を所定の方向に向ける
ことを特徴とする装置。
【請求項３２】
請求項３１に記載の装置において、
前記小球ゾーンは、光を方向付けられたゾーンから前記レンズの中心線の方に向かって徐々に振り分ける中央前方断面を具備する
ことを特徴とする装置。
【請求項３３】
請求項２９に記載の装置において、
前記光源から伝達された光を前記レンズの中心から離れて周辺の方向へと集めるレンズの表面部分が、該光を所定方向に向けるか、および／またはその光線を前記レンズの前方表面を通して内部へ反射させる
ことを特徴とする装置。
【請求項３４】
請求項２８に記載の装置において、
前記レンズは、該レンズの中心線の回りの方位角セグメントに対応するセグメントゾーンに応じた仰角の関数でビームを向ける
ことを特徴とする装置。
【請求項３５】
請求項３４に記載の装置において、
前記関数は、仰角に対して複数のローブを持つ
ことを特徴とする装置。
【請求項３６】
請求項２８に記載の装置において、
前記レンズが前記ビームを、該レンズの中心線から逸れた一つまたは複数の方向に向ける
ことを特徴とする装置。
【請求項３７】
請求項２８に記載の装置において、
前記レンズは、レンズ表面を有し、そして前記照明パターンの一方の側から前記照明パターンの他方の側へエネルギを伝達するレンズ表面部分として複合プリズムを具備する
ことを特徴とする装置。
【請求項３８】
請求項２８に記載の装置において、
前記レンズ表面は、中心線で分割される二つの周辺部分表面を具備し、該部分表面は、前記ビームの少なくとも一つの方位角セグメントを中心線から外向きに広げる
ことを特徴とする装置。
【請求項３９】
光源の所定の光源エネルギ分布パターンから照明される表面上への所定の照明表面パターンを提供するための装置に使用するための改良されたレンズであって、
前記光源は、近接場を有していて前記光源からの光の少なくとも一部分は周辺前方の立体角内に伝達され、前記レンズは、レンズ上に定義されたアンダーカット面を具備し、該レンズは、前記光源に隣接する基部を有し、レンズ軸を有し、前記基部と前記レンズ軸の間にアンダーカット面および小球ゾーンを含む表面を有し、該アンダーカット面は、前記レンズの前記基部から少なくとも部分的にレンズ表面に沿って前記レンズ軸に向かって延びており、該アンダーカット面は、光源からの光の周辺前方立体角内に前記光源の前記近接場内で光を遮る位置に置かれ、そして該アンダーカット面は、該レンズの該基部において該レンズ軸から定義される外径が前記小球ゾーンにおける前記レンズの外径より小さいくて、前記レンズの前記アンダーカット面は、前記レンズの基部に近づくにつれて、或る点でなくなるかまたは狭まっている
ことを特徴とするレンズ。
【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）または他の光源を用いるための装置および方法に関し、対応する幅広のプロフィールを持つビームを提供するように光学的に修正された光源、またはそのように修正された複数光源の平坦なアレイを用いて、所定の幅広のプロフィールを持つ二次元照明パターンを生成するための装置および方法の分野に関する。
【０００２】
この出願は、２００６年２月２７日出願の米国仮特許出願第６０／７７７，３１０号、２００６年８月１５日出願の米国仮特許出願第６０／８３８，０３５号、および２００６年１１月２９日出願の米国仮特許出願第６０／８６１，７８９号に関連し、それぞれをここに援用し、かつそれぞれについて米国特許法第１１９条に従って優先権を主張する。
【背景技術】
【０００３】
ＬＥＤ照明の初期投資コストは、ルーメン当たりのコストを基準にした場合、従来の照明手段に比べて高い。この状況は、時が経てば変わるであろうが、このコスト高のためにＬＥＤ光学システムでは集光と配光の効率が肝要である。効率の高いシステムほど、白熱灯、蛍光灯、およびネオンのような従来の照明手段に比べて対費用便益が高くなる。
【０００４】
ＬＥＤを用いて幅広のビームを生成するための従来の解決策は、一つまたは複数の反射器および／またはレンズを使用して、ＬＥＤのエネルギを集めてから所望のビーム形状に拡げる方法、およびそのようなＬＥＤを湾曲した取付具に角度を付けて並べたアレイを提供する方法である。道路照明のパターンは、慣例的には５つのカテゴリ、すなわちタイプＩ〜Ｖに分けて定義されている。タイプＩは、路上のパターンが長円形で、ライトが長円形の中心の上方にあるパターンである。タイプＩＩは、対称な４つのローブのパターンで、ライトがローブパターンの中心の上方にあるパターンである。タイプＩＩＩは、平たくつぶした長円形のパターンで、ライトが長円形の平たくつぶれた側の近くにあるパターンである。タイプＩＶは、基部が平たくつぶれた放物線のパターンで、ライトが平たくつぶれ基部の近くにあるパターンである。タイプＶは、円形のパターンで、ライトがその円の中心の上方にあるパターンである。これらの分類パターンの任意の非対称的な態様が、光源を湾曲した取付枠(armature)または取付具(fixture)内に取り付けることによって得られる。取付具を湾曲させるかまたは斜めにするかして、ＬＥＤまたは光源を、道路などの面上に幅広のまたは拡がったビームを作り出すのに必要な方向に向けると、光の一部は、必然的に道路から離れて上向きとなり空へと向けられる。その結果、夜間着陸時に照明に照らされた街の景観は、全ての飛行機搭乗者に馴染み深いものになっている。多くの場合、このしばしばまばゆい景観は、街路灯、より詳しくは、拡がったビームを作り出すための傾斜取付具を有し、それにより相当量の光をまとめて空に向けて着陸態勢に入った飛行機の方に向けている街路灯によるものである。効率的に照明された街の場合、街路灯は、路上だけを照明し、空を照らさなくしてあるため、街は、航空機に遙かに暗く見えると思われる。航空機や丘の上から見るこのまばゆい街の灯は、ロマンチックではあろうが、大きなエネルギの損失、不要な燃料消費、そしてこの無駄な光のための電気を発電するために必要な発電所からの大量の不要な温室効果ガスの排出を表している。
【０００５】
もう一つの技術は、コリメータレンズおよび／または反射器、ならびに Physical Devices Corporation が製造しているようなエネルギを所望のビームに拡げるための光学シートを使用するものである。反射器には、用いられた金属化技術に基づく所定の表面損失がある。反射防止膜でコーティングされていないレンズにも、それに伴う表面損失がある。Phisical Optics 製のシート材料の損失率は、約８％である。
【０００６】
高効率システムに近い従来技術の一例は、Lumileds がそのＬＥＤパッケージングとして売り出した一部である「サイド・エミッタ」デバイスである。しかしながら、「サイド・エミッタ」は、殆ど９０度の放射パターンを持つビームを作り出すためのものであり、前向きビームを作り出すものではない。それには、そのうえ、１５％と予測される内部損失もある。ロードーム(low dome)またはバットウイング(bat wing)ＬＥＤと一般的に呼ばれる別の Lumileds のＬＥＤは、光を向け直すためにＬＥＤパッケージを覆うレンズを有しているが、それは周辺部前方の立体角内に在るＬＥＤからの光を向け直すためのアンダーカット表面をレンズ内に有していないことに、注目すべきである。同様に、ＬＥＤ用に提供されている従来の５ｍｍのドームレンズまたはパッケージングには、そのドーム内に全くアンダーカット表面がないことにも注目すべきである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
必要とされているのは、広角のビームを作り出すデバイスであり、非放射対称形のビームの可能性さえあり、それは光学設計者が従来技術に内在する欠点に左右されない滑らかな曲線のビームプロフィールを達成できる設計方法でもって作り出すことができる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明の具体的に詳解する実施態様には、光源の所定の光源エネルギ分布パターンから所定の照明表面パターンを提供する方法であって、レンズ形状の予想光学的伝達関数を定義する段階と、レンズ形状の前記予想光学的伝達関数を用いて前記所定の光源エネルギ分布パターンから或る一つのエネルギ分布パターンを生成する段階と、照明される表面に前記一つのエネルギ分布パターンの投影を生成する段階と、前記一つのエネルギ分布パターン投影を前記所定の照明表面パターンと比較する段階と、前記レンズ形状の前記予想光学的伝達関数を修正する段階と、前記レンズ形状の前記予想光学的伝達関数を用いて前記光源の前記所定のエネルギ分布パターンから前記一つのエネルギ分布パターンを生成する段階、前記照明される表面に前記一つのエネルギ分布パターンの投影を生成する段階、および前記一つのエネルギ分布パターン投影を前記所定の照明表面パターンと比較する段階を、前記一つのエネルギ分布パターンの投影と前記所定の照明表面パターンの間に許容可能な一致が得られるまで繰り返す段階と、最終に得られた予想光学的伝達関数を用いてレンズを製造する段階とを含んでなる方法が含まれている。
【０００９】
一つの実施態様では、所定の照明表面パターンは、道路照明パターンであり、所定の光源エネルギ分布パターンは、ＬＥＤランベルトパターンであり、製造対象物は、街路灯用のレンズである。
【００１０】
この方法は、さらに、複数の光源をそれぞれ前記製造されたレンズと光学的に組み合わせて組み立てて、それぞれが同一のエネルギ分布パターンを持つ対応する複数個のデバイスを形成し、もって前記所定の照明表面パターンを作り出す線形的に加法的なデバイスのアレイを提供する段階を含んでなる。
【００１１】
一つの実施態様では、各アレイは、モジュールユニットとして製造され、この方法は、さらに、アレイをモジュール単位で増減してより大きなまたはより小さな集合体にすることによって、照明パターンを実質的に変更させずに目標表面上の照明パターンの強度を増減する段階を含んでなる。
【００１２】
この発明の具体的に詳解する実施態様は、また、所定の照明表面パターンと所定の光源エネルギ分布パターンの間の光学的伝達関数を提供するための改良された装置であって、前記所定の光源エネルギ分布パターンを用いて或る一つのエネルギ分布パターンを生成し、次いで当該一つのエネルギ分布パターンから照明される表面への前記一つのエネルギ分布パターンの投影を生成することによって導出された光学伝達関数によって定義される形状を有するレンズを備えてなり、前記投影が前記所定の照明表面パターンに許容可能な程度に合致している装置である。
【００１３】
一つの実施態様では、所定の照明表面パターンが道路照明パターンであり、所定の光源エネルギ分布パターンがＬＥＤランベルトパターンである。
【００１４】
請求項に係る発明の実施形態には、レンズと組み合わされた光源も含まれる。
【００１５】
ここに具体的に詳解する実施形態は、光源の所定の光源エネルギ分布パターンから所定の照明表面パターンを提供するための装置に使用する改良されたレンズでもあり、それは、レンズ上に画定されるアンダーカット面を備えてなり、そのレンズは、前記光源に隣接する基部、レンズ軸、および前記基部とレンズ軸の間に表面を有し、前記アンダーカット面は、該レンズの前記基部から少なくとも一部がレンズの表面に沿って前記レンズ軸に向って延びており、前記所定の光源エネルギ分布パターンを用いて或る一つのエネルギ分布パターンを生成し、次いでそれが前記エネルギ分布パターンの照明される表面への投影を生成し、その投影は前記所定の照明表面パターンと許容可能な程度に合致している。
【００１６】
当該アンダーカット面は、光を屈折する部分と、前記光源からの光を全て内側に反射して前記エネルギ分布パターンにする部分とを備えている。
【００１７】
当該アンダーカット面は、前記光源からの光を方向付けして幅広く放散したビームにする部分を備えている。
【００１８】
ここに具体的に詳解する実施形態は、また、所定の照明表面パターンと所定の光源エネルギ分布パターンの間の光学的伝達関数を提供するための改良された装置であって、前記所定の光源エネルギ分布パターンを用いて一つのエネルギ分布パターンを生成し、次いで当該一つのエネルギ分布パターンから照明される表面に前記一つのエネルギ分布パターンの投影を生成することによって導出され、前記光学伝達関数によって定義される形状を有するレンズのアンダーカット面を備えてなり、前記投影が前記所定の照明表面パターンに許容可能な程度に合致している装置でもある。
【００１９】
ここに具体的に詳解する実施形態は、また、所定の光源エネルギ分布パターンから所定の照明表面パターンを提供するための装置に使用する改良されたレンズ表面であって、該レンズは、対向する二つの側を持つエネルギ分布パターンを特徴とし、前記レンズ表面の一部として定義される複合プリズムを具備し、前記複合プリズムは、前記エネルギ分布パターンの一つの側から対向する側にエネルギを伝達して、二つの対向する側に関して前記エネルギパターンを非対称にするように配置され構成されているレンズ表面でもある。
【００２０】
ここに具体的に詳解する実施形態は、また、所定の照明表面パターンを提供するためのアレイであって、各デバイスが前記所定の照明表面パターンを作り出す同一のエネルギ分布パターンを有し、前記所定の照明表面パターンを提供する複数の発光デバイスと、前記デバイスの各々に結合された回路ドライバと、中に前記複数の発光デバイスが配置されていて、全体で前記所定の照明表面パターンに合致する線形的に加法的な照明パターンを作り出すように、前記アレイの空間的編成を提供する平面の担体と、を備えてなるアレイでもある。
【００２１】
各アレイは、同じアレイと容易に組み合わすことができるモジュールユニットであり、そして、さらに、アレイをモジュール単位で増減して大型または小型の集合体にすることによって、照明パターンを実質的に変更せずに目標表面上の照明パターンの強度を増減するためにアレイの集合体を構成している。
【００２２】
このアレイは、さらに、各デバイスに一つの割合で複数の回路ドライバーを備えてなり、その複数の回路ドライバーは前記担持体上に取り付けられているか、または担持体へと取り付けられている。その担持体は、前記複数の回路ドライバおよびデバイスが接続されるプリント配線板と、そのプリント配線板、回路ドライバおよびデバイスをカバーと担持体の間に密封するためのカバーとを備えている。各デバイスには、採用随意にフランジまたは割り出し用フランジが設けられていて、そのデバイスが前記割り出し用フランジによってカバーおよび担持体に対して角度をもって配向される。プリント配線板、回路ドライバー、および装置は、場合によっては、カバーと担持体の間に配された注封用化合物によってカバーと担持体の間に密封され、この場合、回路ドライバーおよびデバイスが、プリント配線板に接続された状態で該注封用化合物の中に包み込まれていて、前記アレイが水中で作動可能になっている。
【００２３】
この発明の別の実施形態は、道路面上に所定の照明パターンを提供する街路灯用の照明設備であって、照明取付具と、その照明取付具内に配され、アレイのそれぞれが道路面上に前記所定の照明パターンを提供する発光デバイスの複数のアレイとを備えてなる。
【００２４】
所定の照明表面パターンを提供するための照明設備の中のアレイは、各デバイスが前記所定の照明表面パターンを作り出す同一のエネルギ分布パターンを有し、前記所定の照明表面パターンを提供する複数の発光デバイスと、前記デバイスの各々に結合された回路ドライバと、中に前記複数の発光デバイスが配置されていて、全体で前記所定の照明表面パターンに合致する線形的に加法的な照明パターンを作り出すように、前記アレイの空間的編成を提供する平面の担持体とを備えている。
【００２５】
一つの実施形態では、照明設備内の各発光デバイスは、光源およびレンズ表面を有するレンズを具備し、該レンズは、光源の所定の光源エネルギ分布パターンから前記所定の照明表面パターンを提供するためのレンズであり、該レンズは、対向する二つの側を持つエネルギ分布パターンを特徴とし、前記レンズ表面は、そのレンズ表面の一部として定義される複合プリズムを具備し、該複合プリズムは、エネルギ分布パターンの一つの側から対向する側にエネルギを伝達して、二つの対向する側に関して前記エネルギ分布パターンを非対称にするように、配置され構成されている。
【００２６】
別の実施形態では、照明設備内の各発光デバイスは、光源およびレンズ表面を有するレンズを具備し、該レンズは、光源の所定の光源エネルギ分布パターンから所定の照明表面パターンを提供するためのレンズであり、該レンズは、前記所定の照明表面パターンと前記所定の光源エネルギ分布パターンの間の光学的伝達関数を提供するためのものであり、該レンズは、前記光学的伝達関数により定義される形状を持つアンダーカット面を有し、該形状は、前記所定の光源エネルギ分布パターンを用いて一つのエネルギ分布パターンを生成し、次いで該一つのエネルギ分布パターンから照射される表面に前記一つのエネルギ分布パターンの投影を生成し、前記投影が前記所定の照明表面パターンに許容可能な程度に合致しているようにすることによって導出される。
【００２７】
一つの実施形態では、照明設備内の各発光デバイスは、光源およびレンズ表面を有するレンズを具備し、該レンズは、光源の所定の光源エネルギ分布パターンから所定の照明表面パターンを提供するためのレンズであり、該レンズは、アンダーカット面を有し、また該レンズは、前記光源に隣接する基部、レンズ軸および前記基部と前記レンズ軸の間の表面を有し、前記アンダーカット面は、該レンズの前記基部から少なくとも部分的にレンズ表面に沿って前記レンズ軸に向かって延びていて、前記所定の光源エネルギ分布パターンを用いて一つのエネルギ分布パターンを生成し、次いで前記照明される表面上へ前記一つのエネルギ分布パターンの投影を生成し、当該投影が前記所定の照明表面パターンと許容可能な程度に合致するようなものである。
【００２８】
別の実施形態では、照明設備内の発光デバイスの各々は、光源およびレンズ表面を有するレンズを具備し、該レンズは、所定の光源エネルギ分布パターンから所定の照明表面パターンを提供するためのレンズであり、該レンズは、前記所定の光源エネルギ分布パターンを用いて一つのエネルギ分布パターンを生成し、次いで当該一つのエネルギ分布パターンから照射面上へのエネルギ分布パターンの投影を生成し、その場合前記投影が前記所定の照明表面パターンに許容可能な程度に合致しているようにすることによって導出された光学的伝達関数が定義する形状を有している。
【００２９】
具体的に詳解する別の実施形態は、水平線が定義されている所定の照明パターンを道路面上に提供する街路灯用の照明設備であって、照明取付具と、前記照明取付具内に配され、アレイの各々が、照明設備から前記水平線以上に向けられる光を実質的に減じて、道路面上に前記所定の照明パターンを提供する発光デバイスの複数の平面アレイとを備えてなる照明設備である。
【００３０】
この発明の具体的に詳解する実施形態は、発光ダイオード（ＬＥＤ）などの光源およびレンズで構成される。この明細書の目的のためには、「レンズ」とは、全体を通して、屈折、内部全反射面による反射、またはそれら両方が可能な光学要素と理解するものとする。それ故に、より一般的な用語の「光学（的）」を、この明細書において用語「レンズ」と互換的に用いることもできる。レンズは、光源からの光を滑らかな幅広のビームとして方向付け、照明される表面へ投影されたときに、そのビームが照明パターンの中心線から１５度を超える角度において最大フートキャンドル測定値の５０パーセントを有すること、すなわち全幅３０度の半値幅を有することを特徴とする。レンズは、プラスチックまたはガラスなどの透明または半透明の「小球型」または小さな窪みのあるパドル型の形状を含み、それが光源すなわちＬＥＤ発光素子を取り囲んでおり、好適な実施形態では、この発明のこの構成においてＬＥＤ自体が生じさせるであろう損失を上回る反射または屈折の表面損失なしに、高強度の広角ビームを発生させる。ＬＥＤの殆ど全てのエネルギが、レンズを配備されない場合にＬＥＤで発生する損失を大きく上回る損失を出さずに当該ビームへと向けられる。
【００３１】
レンズは、透明または半透明の「小球型」または小さな窪みのあるパドル形を含み、これが、発明のこの構成においてＬＥＤ自体が生じさせるであろう損失を上回る反射または屈折の表面損失なしに、高強度の広角ビームを発生させる。ＬＥＤの殆ど全てのエネルギが、レンズを配備されない場合にＬＥＤで発生する損失を大きく上回る損失を出さずに当該ビームへと向けられる。
【００３２】
一つの実施形態では、レンズは、ＬＥＤとは別体であって、光源またはＬＥＤ源の保護ドームの上に屈折率の合った材料を使って接着、取付け、または配置されて、二者間の繋ぎ目またはいかなる光学的不連続をも事実上排除されている。別の実施態様では、レンズは、ＬＥＤの保護ドームとして製造される。
【００３３】
レンズは、レンズ付き光源の所望の主要ビーム向け構造に沿って形成される小さな集光ゾーンである「小球」ゾーンによって特徴付けられている。小球ゾーンは、ＬＥＤが放射する光線を集め、それらを所望のビーム角度に応じて所定方向に沿って送るレンズの表面部分を含む。近辺を囲むレンズ表面部分も、ＬＥＤ発光素子からの光を集めて、それを優先方向に向けて曲げる。
【００３４】
小球ゾーンは、光を方向付けられたゾーンから中心線に滑らかに配分する中央前方断面を含む。ＬＥＤ発光素子の周辺光を集めるレンズ部分は、光線を周辺方向に曲げるか、および／または光線をレンズ前面を通して内部へ反射させる。
【００３５】
一つの実施形態では、レンズは、ビームの方位角の関数であるビームを作り出し、それ故に、レンズは、光軸の回りの方位角の関数として変化する断面を有する。具体的に詳解する実施形態では、方位角光パターンは、複数のローブのある強度分布を呈する。
【００３６】
このタイプの一つの実施形態では、レンズは、ビームを、そのデバイスの投影中心線から外れた一つまたは複数の方向に向ける。レンズは、ビーム構成をさらに制御する追加の表面形状または複雑な形状をしたプリズムを含む。このような追加の表面形状としては、切子面(facets)、形状またはプリズムの多面フレネル型の平板化、ディフュージョン技法、またはその他レンズ表面の向上、変更、または処理が挙げられる。
【００３７】
この発明のデバイスの一つの主要な利点は、大概の場合に道路または床面に平行であろう平坦なまたは平面状のプレートに装着したＬＥＤのアレイで必要なビームパターンを作り出せることである。こうして、複雑な取付枠の必要性を排除する。具体的に詳解する実施形態は、さらに、上述したような複数の光源またはＬＥＤ、および対応するレンズをバーまたはプレートの平らなアレイ状に組み合わせて、ＬＥＤに要求される熱的および電気的な分布状況を提供するとともに環境からの損傷からアレイを密封するための手段を提供している。この装置は、さらに、アレイ内に収められたＬＥＤを駆動する回路を備える。各レンズは、個々に回転させられて、平坦なアレイのために、あらゆる自由度、例えば、各レンズについて別々に決定された平行移動、傾け、および偏揺れを含むデバイス自体に固有のビームパターンを作り出す。アレイは、同じような色の複数のＬＥＤを具備することもでき、白色または他の色でもよいし、あるいは場合によっては様々な色の複数のＬＥＤを具備することもできる。
【００３８】
バーまたはプレートは、その各々が、複数のＬＥＤを直接取り付けるアルミニウムその他の熱伝導性の材料で出来た押出成形またはダイカストで製造したバーと、複数のＬＥＤを電源に接続するプリント配線板を備えてなる。一つの実施形態では、回路板は、押出し成形またはダイカストのバーに積層されている。
【００３９】
各ＬＥＤは、場合によっては、スカート部を組み入れてあり、そのスカート部は、カバー、注封化合物、または他の被覆手段と一緒に密封されたアレイを提供するのに利用される。
【００４０】
この発明は、さらに、上述したデバイスまたはアレイのうちの任意の一つを用いて光のパターンを提供する方法を含む。
【００４１】
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条でことさらに規定されていない限り、いかなる形でも「手段」または「段階」の限定解釈により必然的に制限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。ここで後掲の図面に移ることにより、この発明を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】
【００４２】
所与の光源エネルギ分布パターンを持つ光源に対して、無要な方向へ光を漏らさない目標の照明表面パターンを得るための光学的伝達関数を求め、その光学的伝達関数に応じてレンズを作り、当該光源に当該レンズを組み合わせて、目標の照明表面パターンで照明できる、街路灯などの照明設備を得ることができる。光源の発する光ビームを効率よく照明に利用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
次に、各請求項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。各請求項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している。
【００４４】
図面に示した具体的に詳解された実施例に移る前に、我々は、この発明の様々な実施形態についてより一般的な用語で考察する。この発明の具体的に詳解される実施形態は、発光ダイオード（ＬＥＤ）または他の光源を、ＬＥＤからのエネルギを滑らかな幅広のビームに向けるデバイス中に使用する。幅広のビームは、照明しようとする表面（例えば、道路、歩道、壁等）上に、照明パターンの中心線から１５度より大きな角度の所で最大フートキャンドル測定値の５０パーセントを有する照明パターンを提供するビームとして最もよく記述することができる。これは、照明の分野では、半値点と称される。１５度の半値幅の測定値を持つ光源は、また、３０度ＦＷＨＭ（Ｆｕｌｌ  Ｗｉｄｔｈ，  Ｈａｌｆ  Ｍａｘｉｍｕｍ：半値全幅）光源とも記載される。
【００４５】
光エネルギは、光源からの距離の２乗で散逸し、加えて照明平面に対する入射角度に基づいてコサイン減衰するので、光の広角ビームは、その中心線の所よりもその中心線から大きい角度の所で、相当により高い強度を必要とする。必要な強度の分析に使用する良い測定基準は、等カンデラマップである。この放射方向マップは、光源または照明装置の中心線からの角度に対する強度を示す。
【００４６】
この発明の好ましい実施形態は、ＬＥＤからの光を光学的に変更する透明な「小球様」または複雑な形状のレンズ（最もあり得るのはプラスチックまたはガラス製のレンズ）を有し、ＬＥＤパッケージング自体が起こすもの以外の反射または屈折の表面損失が、たとえあるとしても、多くは生じないで、幅広のビーム角に必要とされる高い角強度を発生させる。レンズの複雑な形状は、以下に開示する伝達関数によって決まる。この発明の好ましい態様が非常に効率的であるのは、追加の表面損失がないからである。しかしながら、この発明の範囲は、経済的に製造するため人工品または他の妥協物の製造を受け入れるために、この効率標準から離れるかも知れない設計も意図していると、正にそのように理解されたい。この発明の好ましい実施形態では、レンズは、元々のＬＥＤ保護カバーに、両者間の継ぎ目を事実上なくすように、屈折率の整合する材料で「接合」される。この発明の別の好ましい実施形態では、レンズは、ＬＥＤパッケージの保護ドームまたはカバーとして一体に製造される。
【００４７】
「小球」ゾーンは、デバイスの所望の主指光方向(primary director)に沿って形成される小型の集光レンズゾーンである。レンズのこの小球ゾーンは、ＬＥＤが発した光線を集めて、光学設計者が望むビーム角度に応じて、それらを所定の方向、すなわち主指光方向に沿って送る。具体的に詳解する実施形態では、レンズは、まず、ＬＥＤの光パターンの中心線に整列した中心線または軸を持つ回転面であると考えられる。しかしながら、この方位角対称性が崩れた別の実施形態も開示する。小球ゾーンに対してレンズの近傍を取り囲む表面も、また、ＬＥＤ発光素子からの光を集め、それを優先方向に屈折させる。レンズの中央前方断面の形状によって、エネルギは、方向付けされた小球ゾーンから中心線までのセグメント内に一様に配分される。ＬＥＤ発光素子の周辺エネルギが貫通するレンズの内部断面は、好ましい態様では、光線を優先方向に屈折させるか、および／または光線を反射してレンズ前面を通すかするようにアンダーカットされている。レンズのアンダーカット面は、レンズ基部においてレンズ中心線から定義される外径が、小球内のレンズの外径よりも小さいことを特徴とする。換言すれば、レンズの表面は、レンズの基部に近くなるにつれて或る点で陥没または狭くなっている。典型的には、アンダーカット面の場合、単体型で作ることはできず、取り外しのため多分割型を必要とすることになる。この発明の好ましい実施形態では、この発明が配備されない場合にＬＥＤが発生するであろう損失を上回る損失を発生することなく、ＬＥＤの殆ど全部のエネルギが放射ビームになる。ここでも、このことは、この発明を限定すると理解してはならず、この発明は、様々な経済的または製造上の都合から、元々のＬＥＤ損失を超える損失が許される実施形態を含んでもよい。
【００４８】
この発明の好ましい実施形態の一つは、角度の差異、したがって強度の差異を有するビームを、その二本の主軸内に発生させる。この例では、レンズの「小球型」の断面は、中心線軸の回りの方位角の関数として変化する。この実施形態は、街路灯および歩道灯での使用、または非対称なまたは歪像のビームを必要とするいかなる使用をも意図している。このような照明設備の等カンデラ図は、その軸に関し一様でない。異例ではあろうが、それにも拘わらず、３本、４本、またはそれより多い「小球」軸などの、対向する複数軸に沿って２本より多いローブがあっても、この発明の範囲内であると意図している。
【００４９】
一つのＬＥＤが街路灯または駐車場灯として十分であることは殆どなく、したがって、複数のデバイスをアレイにして利用するというのが、この発明の好ましい実施形態である。そのようなアレイは、二種類以上の「小球型」の光学的配置形状でもって工夫して、全体のビームパターンが一層よくなることも期待される。好ましい実施形態では、そのアレイは、簡単にいろんな大きさに設計できるモジュールとして平らなまたは平面的な取合せに配置されている。
【００５０】
デバイスは、一般的な照明イルミネーションの分野で使用されるものとして一般的に説明するが、照明やイルミネーションの分野の隙間市場でも同様に使用することができる。この発明の使用としては、道路照明、駐車構造物照明、通路照明、または光の幅広ビームを所望する屋内もしくは屋外の会場が挙げられるが、これらに限定されず、また、方位角的に対象であってもよいし、一つまたは複数の軸方向に偏っていてもよい。具体的に詳解する実施形態は、自動車、飛行機、鉄道車両、船舶等の移動照明においても効果的に使用することができる。使用が可能な用途の数および多様性は、リストアップしようにもできないほど数多い。
【００５１】
図面は単純なコンセプトと思われるものを描くが、比較的大型の発光素子から小さな表面までの距離が短いことは、多くの設計上の挑戦を提供する。表面位置もしくは曲率の極めて小さな、０，０５ｍｍ（０．００２インチ）の変化、または小さな角度、０．０５度の変化でさえ、意図したビームを乱して、得られるビームの中に好ましくない視覚的アーチファクトまたは「リング」を生じる。
【００５２】
この発明の別の実施形態では、一つまたは複数の軸内に、デバイスの投影中心線から外れたビームを発生させる。得られたビームは、例えば、その主指光方向がその天底から外れているビームパターンを必要とするタイプＩＩＩの道路照明設備の作製に用いることができる。レンズは、ビームの個々の光線を斜めに屈折させる、傾斜したローブおよび表面を有するかも知れない断面を持つ自由形式の形状であると考えられる。ビームの大部分を定義する表面に加えて、その実施形態は、合成ビームの構成成分にさらなる制御を加える、複合プリズムなどの、追加の表面形状をも含む。切子面、表面形状を複合プリズムの形にするフレネル型の扁平化、散乱技術、または他の表面強化をレンズに加えて、ビーム内に何らかの特定の効果を得ることもできる。
【００５３】
用語「ビーム」は、高度に発散型の照明装置とはあまり関連することがないが、この明細書では、デバイスの集めて形作られた出力を記述するのに用いられており、必ずしも幅の狭い光ビームに限定されない。
【００５４】
ここで図１〜４に目を向けると、そこに描かれているこの発明の具体的に詳解する実施形態の細部は、方位角的に対称である。図１は、デバイスの直交座標系上面図であり、全体を参照番号１０で示している。図２は、ＬＥＤ１の上に配置されたデバイス１０を断面図で示し、このＬＥＤは、通常のパッケージＬＥＤである。ＬＥＤ発光素子２は、デバイス１０の軸上に位置決めされてり、図示の実施形態では、発光素子２は、デバイス１０の透明な半球状の保護ドーム１９の中に画定された半球の空洞（図示されていない）の中心に置かれている。この実施形態では、半球の空洞は、ＬＥＤ１の保護ドーム１９の屈折率に合致する屈折率を持つ材料で満たされていて、ドーム１９の内表面を画定する空洞が事実上いかなる損失も生じずまたはいかなる屈折も起こさないようになっている。図２では、３つの立体角、すなわち関心対象のゾーンＡ、Ｂ、Ｃが描写されている。これらのゾーンは、単なる参考のためのものであり、この発明のいくつかの実施形態は、これより多い、または少ないゾーンを有することがある。図示の様に、ゾーンＡは、レンズ２１の表面５を表しており、その中にＬＥＤ発光素子２から発せられた前方立体角のエネルギ（光線１１および１２で表されている）が集められる。光線１１は、レンズ２１内を発光素子２からレンズ２１の表面へ伝達され、光線１２は、レンズ２１の表面を通って屈折してゾーンＡの中へと入る。ゾーンＢは、「小球」ゾーンと呼ばれるレンズ２１の表面４を表す。この表面４は、意図された主指光方向６の各側に、ビームの最高の所望強度のおおよその角度に位置している。ゾーンＣは、光線７、８および９で表されるＬＥＤ発光素子２からの残りの周囲前方立体角のエネルギを集めるアンダーカット面３を表す。光線７は、レンズ２１内を発光素子２から表面３へと伝達され、光線８として全てが内側に反射され、次いで表面５によって光線９として屈折させられる。しかしながら、表面３に入射する発光素子２からの光線の或る部分または、所望ならば大部分は、内側に反射されないで、表面３を通って意図的に屈折させられて周辺光として出る、と理解しなければならない。
【００５５】
採用随意なフランジ１３は、殆どいかなる望ましい形状にもすることができ、デバイス１０および／または以下に記載するようなこのデバイスを用いて作られる光モジュールの任意の手前部分を密封するために利用される。フランジ１３の形状は、図１〜４のデバイス１０または特にその放射パターンが方位角的に対称でない図５〜９のデバイス２０を、中に固定する取付具に、割出しまたは方位角合せを提供するような構造でもよいし、または取付具の中へデバイス１０をスナップ留めする接続構造にしてもよい。
【００５６】
図２では、この発明の描かれた実施形態１０の表面３は、全反射（ＴＩＲ）性でも、または屈折性でも、あるいはその両方でも設計することができる。表面４および５は、主に屈折性に意図されている。
【００５７】
図示の実施形態を設計するのに用いる方法は、最初に、図３の極座標グラフに点１４として示す最高強度のための主指光方向６を選択することである。この指光方向の角度が中心線から６０〜６２度をはるかに超えた所を通ると、その結果生じることは、図３の点１４によって示される軸から外れたエネルギの等カンデラ線グラフにおける有意な増加をもたらすというデバイスの主要な役目を果たしつつ、かつ滑らかで有用なビームを得る目標を達成するための、デバイス１０の性能を制限することになる、ということが経験的試行によって分かってきている。図３の実施形態では、最大強度は、軸から約５２度外れた所に生じている。
【００５８】
断面図では、ゾーンＢの表面４は、その中心が指光方向６に沿って配置される弧として定義される。表面４を定義する弧の半径ならびに開始および終止の角度は、ゾーンＡおよびＣの表面の定義を繰り返すことによって定義される変数である。表面５は、この実施形態では、ＬＥＤ発光素子２からのエネルギの中心立体角を中心線から外側に向けて「広げる」ことを目的とした凹形の屈折表面として定義される。ゾーンＡとＢの間の表面４と５の融合点は、構造により見出される。図示の態様では、表面４および５は、融合点の所で互いに同じ接線に接しており、つまり平滑である。しかしながら、それらが同じ接線に接することは、この発明の要件ではない。ゾーンＣの表面３も、また、図示の実施形態では、接弧が作り出す表面として定義される。しかしながら、それは、任意の形状または勾配の回転線によって作り出すことができる。ゾーンＣの表面３に接弧を用いることによって、発光素子２か表面３へ入射する放射光線の一部は、外向きに屈折し、一部は、内部へ全反射されて、ゾーンＡおよＢの前面４および５を通って進む。表面３の弧の半径および扇形の角度を制御することによって、結果として得られるビームを全体的に定義することができ、ＬＥＤ発光素子２が放射したエネルギの殆ど全部を含むことになろう。測定により、結果として得られるビームは、レンズ２１のない元々のＬＥＤと事実上同じルーメン数を積分球内へ含ませることができる。
【００５９】
図２の表面３、４および５の形状の遣り繰りは、図３に描かれたような設計のカンデラ分布の極座標グラフに所望の強度比および強度の角度が表れるまで行うことができる。表面３、４および５は、描かれているようなゾーンごとの幾何学形状ではなく、むしろ点として定義される１つまたは複数を含む任意の数の異なる形状の表面によって表すこともできる、と理解しなければならない。表面３、４および５のプロフィールの形状を、カンデラ分布の極座標グラフに定義される所望のビームプロフィールおよび放射対称形の設計の場合に回転面として用いられる最終平面プロフィールの関数として、コンピュータ計算によって導出することもできることは、この発明の範囲内である。
【００６０】
図４は、図１および２のデバイス１０の光線追跡の結果を示す。光線の数は、上述したゾーンＡ、ＢおよびＣそれぞれの表面３、４および５に反応する際の光線の効果をよりよく示すために、追跡した内の少ない割合に減らしてある。もちろん、光線追跡からの光線は、光源からの光エネルギの効果をシミュレーションしているだけである、と理解している。
【００６１】
図６は、この発明の別の好ましい実施形態２０の４分の３斜視図であり、結果的に得られるビームのエネルギパターンは、方位角に対して対称でない。図６〜９の環状の縁部は、ライト取付具またはアレイ内に組み込まれたときに、場合によっては、デバイス２０を密封できるようにする密封構造を表す。図９の断面図は、図５の切断線Ｄ−Ｄで切って見た図である。デバイス２０の上面図には、直径方向に対向する「小球」セグメント１４および小球セグメント１４と方位角的に直交して直径方向に対向するより緩やかな側のセグメント１５が示されている。これらの輪郭形状は、図７および８そして図６を見れば、より容易に理解でき、図７および８は、セグメント１４および１５のプロフィールをそれぞれ水平方向および垂直方向の２方向から示しており、図６は、デバイス２０を回転させた斜位像で示し、その細長いプロフィールを示している。図７では、この図に具体的に詳解されたプロフィールが図１および２に示したデバイス２０に似ていると見える。しかしながら、方位角で直交する図８のプロフィールをよく見ると、その類似性は失われる。図７の実施形態の「小球」の形状は、中心線２３の回りを回転させたセグメント１４および１５の複数断面によって定義され、レンズ２１の表面は、ちょうどボート船体のせり上がりと似た形でセグメント１４および１５の断面の間にせり上がっている。セグメント１４および１５の断面形状を遣り繰りすることによって、「小球」またはローブ形（丸い突出部形）のセグメント１４が画定され、併せて、直径方向に対向する「小球」またはローブ１４同士の間の表面セグメントを平滑にする。
【００６２】
図９を見ると、「小球」またはローブ形セグメント１４が図２に示すデバイス１０に類似して定義されることが分かる。図９の態様のゾーンＡ、ＢおよびＣは、光線２５、２６および光線３２〜３４がそれぞれ図２の類似の１２、１１および７、８、９に類似しているように、図２に類似している。図示したアンダーカット面３１は、平坦であるが、それは所望する結果を提供するいかなる形状または角度でもよい。図５〜９のアンダーカット面３１または図１〜４の表面３は、従来の全反射器（ＴＩＲ）の表面がＬＥＤから遠い領域ともいえる所に位置し、その近い領域に位置していないという点で、従来の全反射器（ＴＩＲ）に見られるアンダーカット面とは異なる。この発明では、表面３および３１は、
ＬＥＤ源に光学的に近接して結合しており、理想的にはＬＥＤと表面３または３１との間に空隙が全く存在しないか、または少なくとも実質的に存在しないという点で、近い領域の表面である。さらには、従来のＴＩＲでは、アンダーカット面は、概して反射面として用いられているのであり、そのような面を通って放射される屈折光線があるとしても、その程度では、その光線はもはや有用なビームや意図した光ビームではない。この発明では、アンダーカット面３および３１は、そこに入射する反射光線に加えて屈折光線の両方において、意図するビームに対して重要に影響する程度に光学的に寄与する。
【００６３】
ＬＥＤ発光素子２９は、図７および８の半球形の表面１７の中心近くに配され、その表面１７は、ドーム１９の形状に合致している。ＬＥＤパッケージ２８とデバイス２０は、レンズ２１の表面１７およびＬＥＤパッケージ２８のドーム１９の所で屈折率の合った材料を用いて結合される場合もある。この発明は、別の態様でデバイス２０をＬＥＤパッケージ２８の製造に組み入れ、そうすることによりＬＥＤの製造者はＬＥＤに別体のレンズ２１を接着しなくて、デバイス２０のレンズ２１がそれ自体ＬＥＤパッケージ２８の保護ドームとなることも意図している。いずれの場合も、出来上がったデバイス２０は、光学的には非常に似たものとなる。デバイスの基部の所の機械的な構造は、採用随意であるし、また利用してもしなくてもよい。
【００６４】
図１０は、図５〜９に示すデバイス２０の出力の二次元等フートキャンドル線のグラフを示す。それは、図１〜４の実施形態の方位角的に対称なビームの殆ど二倍の長さ／幅比を持つ歪像(anamorphic)形状の出力ビームを示す。図１１は、カンデラ角度のデータを重ねた極座標での等カンデラ線のグラフを示す。プロット線３５は、図７の水平面で見られる強度分布であり、プロット線３８は、図８の方位角的に直交する面に見られる強度分布であり、プロット線３６は、４５度の面すなわち図７と図８の眺めの中間の面に見られる強度分布である。強度分布パターンの最大値は、プロット線３５、３６および３８に示すように図７の面から図８の面に向かって眺めが回転すると、そして軸から外れる角度が約５２度から約４０度に小さくなりつまり上向きに回転すると、減少する。
【００６５】
図１２および１３は、図５〜９のデバイスの光線追跡をプロットした線である。これらのプロット線は、それぞれ、図７および８に対応する平面内で、ＬＥＤ発光素子２９からのエネルギの進路をグラフ的に示している。図１および２のデバイス１０におけるように、発明のこの実施形態では、図９のゾーンＣの表面は、屈折性および全反射性の両方である。
【００６６】
図１４および１５は、この発明のさらなる実施形態を具体的に詳解するもので、この実施形態は、この発明のデバイス２１または２０を複数個組み入れ、それにより光モジュール４０を提供している。光モジュール４０は、個々にまたは多数の複製で、道路照明、通路照明、駐車場構造物照明、装飾照明およびその他あらゆるタイプの拡張ビーム応用に使用される平らな照明装置の基礎となることができる。光モジュール４０は、長方形の平らなバーとして示されているが、正方形、円、六角形、三角形、または任意の自由形状などの任意の二次元の平面形状を呈することができる。光モジュール４０が平坦であるので、それは、道路、歩道、または床といった照明しようとしている二次元の平面に平行な対応する取付具の中に、取り付けることができる。その結果、光は、それが目的されている有用な二次元パターンへ向けて拡張ビームになるように向けられ、空の方やその他無用な方向には向けられない。光モジュール４０は、照明装置メーカーにＬＥＤ照明を提供する非常に簡素かつ低コストな手段であり、そこでは光モジュール４０は、一個の「電球」として設計図の中で扱うことができる。ヒートシンクを追加し、そしてモジュール４０の上または中に電源を組み込めば、光モジュール４０は、容易に既存の照明装置に組み入れることができ、または新規デザインの中に一体化することができる。
【００６７】
図１４の光モジュール４０の分解図は、分解された従来のＬＥＤパッケージ２８およびＬＥＤパッケージ２８上に配される「小球」レンズ２１を示す。図１４および１５は、さらに、ＬＥＤ２８が取り付けられる平らな放熱担持体４１を示す。その平らな担持体４１は、典型的には熱伝導性のアルミニウム合金のような金属で出来ていて、適切に設計されたヒートシンクまたは他の放熱手段を追加して、ＬＥＤに適度な冷却をもたらすための十分な熱放散および熱伝導を提供することもでき、または担持体４１がそれ自体で全体的なヒートシンクまたは他の熱放散手段であることもできる。プリント配線板４６が、ＬＥＤ２８に電力を供給するための便利な手段として示されているが、それは省略することもでき、ＬＥＤが相互に直接配線されていてもよい。ＬＥＤ２８に電力を供給する追加の手段が、この発明で意図されている。図示の配線４２は、光モジュール４０に電力を提供するための一手段に過ぎない。コネクタ、ソケット、プラグ、直接配線、および他の手段も均等な代替物である。光モジュールは、成型された部品４３または一緒に成型されたカバー４３、または注封化合物のような封止材を提供する任意の他の手段でカバーされているか、または場合によっては、封止材を全く設けてない。採用随意の注封化合物は、カバー４３と担持体４１の間に押し込まれまたは配されて、光モジュール４０のための封止材を提供して、そのような実施形態においてそれを防水性または水中作動可能にする一手段に過ぎない。図１５に示す組み立てられたモジュール４０は、照明装置の中へ実装するのに望ましい、吊り下げ構造、位置合わせ構造、その他の便利な構造を備えることができる。
【００６８】
図１６〜２０は、この発明の別の好ましい実施形態を描写するもので、この実施形態では、得られる光エネルギの「ビーム」が、デバイス２０の中心線に対して斜めに向けられている。ビームは、デバイス２０の主要軸に一致しない強度の「ローブ」を有するものと定義できる。図１６に示すデバイスは、第一にレンズ２１の頂部に複雑な形状のプリズム５０が設けられていること、および第二に以下に記載することの２つの点を除き全ての点で図６に同じである。図１７の上面図に最もよく示されるように、ローブ１４は、図５のローブ１４に類似しているが、平坦側１５が僅かに半径方向に突き出して、中央部が膨らんでいる。プリズム５０は、ゾーンＡ内の光を中心線２３に関してより大きく斜めに外れる方向に向ける手段を提供するために複雑な形状をしている。これに加えて、図２０に最もよく示されているように、頂部表面５は、光をプリズム５０が向けられている同じ概括的方向に光をさらに逸らすために、軸から外れて傾けられている。プリズム５０は、少なくとも４つの別々に定義できる表面を有しており、それらは、平面図で漠然とトイレおよび洗面所の上面に似ている。表面は、所望の逸れた極座標カンデラグラフから試行錯誤しながら経験的に決められ、それに強く依存する。それ故に、プリズム５０の表面は、正味の効果が、レンズ２１内からプリズム５０へ入射する光を中心線２３に対し逸れた光パターンの一つの側に向け直すことである、ということ以上に詳細には説明しない。
【００６９】
ここで、この発明の別の実施形態が描かれている図２１〜２６に目を転じる。図２１は、参照番号１０で全体を表示するデバイス１０の斜視図である。図２２は、デバイス１０を別の斜視図で示している。採用随意のフランジ３０は、アセンブリまたは取付具（図示してない）の中でレンズ２１を回転方向に割り出しできるようなキー付きの形状を持つことが示されている。フランジ３０は、また、フランジ３０と連係または連動する嵌合部（図示してない）によって、レンズ２１内に収納されたＬＥＤをアセンブリ内に密封するのに用いることもできる。採用随意の密封部１８が、フランジ３０の一部として示されており、多くの異なる手段によってフランジ内に組み入れることもできる。
【００７０】
レンズ２１の表面５７および５８は、ＬＥＤ発光素子の平面と平行な水平面からＬＥＤ発光素子の垂直中心線からおおよそ４５度の角度までの立体角ゾーンに放射されるエネルギと定義されるＬＥＤの周辺ビームからのエネルギを方向付けするのに用いられるのに対し、表面５１、５２および５９は、ＬＥＤの中心線から該中心線よりおおよそ４５度の角度までの間の立体角ゾーン（ＬＥＤの主指光方向）の中のエネルギを方向付けする。この発明の一つの重要な要素は、表面５１および７０で描かれたレンズ２１のゾーンである。表面５１および７０は、レンズ２１の表面の上の複雑プリズムの主要部分を形作っており、そこは「法王の帽子(Pope`s hat)」と呼ばれる。表面５１および７０で出される光の立体角ゾーンは、ＬＥＤの「縁石」側の一次指向ビームからのエネルギを受けて、それを「道路」側に向け直す。
【００７１】
採用随意の表面５３は、表面５２と５８の間の混合せ輪郭である。表面５７は、図２３の交点５４を跨いで左右対称であり、図示の実施形態では、せり上がっていて、ＬＥＤの中心線エネルギを「縁石」方向へと下向きに向け直す。表面５７は、光パターンの道路側および縁石側の両方でレンズ２１について非常に高い効率を見込んだものである。
【００７２】
図２３では、表面５２は、１８５度の方位角にわたって定義された方位角対称の表面として描かれている。このことは、いくつかの応用には望ましいが、表面５２およびその隣接表面が方位角的に非対称であってもよいということは、十分にこの発明の範囲内である。表面５９は、ＬＥＤの中心線エネルギを向け直すための採用随意の構造である。表面５９は、設計者が自由にビームを形作ることができるように、多くの異なる形を取ることができる。図２１〜２６の実施形態では、表面５９の形状を利用して、表面５２の光を広げる効果の連続性を見込むことができるが、デバイス１０の厚みが製造能力内に留まるべく制約される。
【００７３】
図２４では、レンズ２１がＬＥＤから光学的に別体の成形光学素子であるならば、ドーム１９とレンズ２１の間の境界面６２が利用される。デバイス１０のレンズ２１がＬＥＤ発光素子の上に直接成形されるか、または製造者によって組み立てられるのであれば、境界面６２は、存在しない。境界面６２は、ＬＥＤドーム１９とレンズ２１の内側との二つの嵌合面から成る。これは、境界面が屈折率の合ったセメントで接着されるか、または境界面６２内に揺変性の屈折率合致材料が保持される場合に最も望ましいと思われる。屈折率が合致した材料を用いると、組み立てられたデバイス１０から得られるビームが、レンズ２１がない元々のＬＥＤ２１が持つのと事実上同じ数のルーメンを積分球内に含めることができる、ということが光学的測定から示されている。
【００７４】
デバイス１０の鉛直真下７４が図２７に示されており、同じく水平７２および「道路」側角度マーカーも示されている。結果として得られるビームの最大カンデラの光線７０は、図面の最も右側部分に図解されている。図２８は、図２７と同じカンデラマップの回転させた三次元の眺めであり、図の底部分の所にパターンの縁石側から見たときに見えるようにプロットした線図を示している。図２１〜２６に記載されたレンズ２１の様々な表面の、従来のＬＥＤのランバート出力の一つの側から照明パターンの一つの側にエネルギを投じるまたは移す能力がグラフィック的に図解されている。全ての光線が図２７では下向きに向けられており、あったとしてもごく僅かのエネルギが水平７２または上向き方向に向けられていることにも注目されたい。空方向の光線は、事実上なくしてある。
【００７５】
図２１〜２３に示されたレンズ２１を定義する表面５２、５３、５８、５７、５４、５１、７０その他の形状および位置は、図２７および２８に描かれたデザインのまたはこの発明の教示に従ったその変更の光線追跡に、カンデラの所望の強度比および角度が現れるまで、遣り繰りし修正することができる。レンズの表面は、幾何学的なセグメント形状というよりもむしろ、点ごとの伝達関数によって定義される、一つまたは複数を含む任意の数の別々の表面によって表すこともできる、と理解されなければならない。レンズ表面の輪郭形状を、所定のビームプロフィールからコンピュータ計算によって導出することもでき、その得られたレンズ表面の輪郭を、この発明が教示に従ってレンズ２１の様々な部分の断面として使用するもできる、ということは、全てこの発明の範囲内である。
【００７６】
図２９は、エネルギがデバイス１０の下にある「道路」の表面に当たったときの、エネルギの二次元分布をプロットした図である。このプロット図は、一般には、フートキャンドルまたはルックスといったエネルギの単位で、等光度の等高線を用いて描かれる。デバイス１０は、図２９の図面では中心に置かれており、「道路」側が中心の右に、「縁石」側が中心の左になっている。プロット図は、縁石側から道路側に引いた水平線に関して対称であり、図面の上部分と下部分とで同一の強度パターンになっている。
【００７７】
図３０は、
図２５に示した側とは反対側から見たときの図２１〜２６のデバイス１０の光線追跡である。光線の数は、レンズ２１の表面によって、レンズ２１内に収められたＬＥＤのランバートパターンから方向変更される際の、光線の効果をよりよく示すために、追跡可能な内の少ない割合に減らしてある。光線８２は、表面５２により方向付けられた光線に対応する。光線８３は、アンダーカット面５８により方向付けられる。図２４〜２６は、レンズ２１の基部の周囲に部分的に突き出している表面５８の小さなアンダーカット部分を示す。図２５の眺めにおける表面５７には、アンダーカットは全く無いかまたは殆ど無いのに対して、表面５８の基部には、表面５７へと滑らかに移行する小さなアンダーカットがある。図３０では、表面５１から方向変更された光線８０から、表面５１が「縁石」側にあるＬＥＤからのビームエネルギのＴＩＲ反射器として働き、エネルギを「道路側」に移しているのが分かることに注意すべきである。光線８１は、ＬＥＤビームパターンの中心線から遠のく方向に屈折させられたＬＥＤエネルギである。迷光８１は、ビームパターンを弄った結果としてレンズ２１内で生じる損失である。
【００７８】
ＬＥＤ内の発光素子２９は、上記においてランバート発光素子であると見なしている。レンズ２１の「道路」側に光を反射するために、レンズ２１の「縁石」側に「浮動」反射面を使用するという考え方は、異なる放射パターンを有するＨＩＤまたはその他光源を使用する場合も、この発明の範囲内に含まれる旨、ここに明言する。現在知られまたは今後考案されるいかなる種類の光源も、この発明の教示に従って適切に変更して、ここに開示された発明の組み合わせの中で採用してもよい。この記述の中で「道路」側または「縁石」側といった街路灯に関連付けた用語を用いた場合でも、それら用語は、一般的に偏心したビームパターンを記述する別の用語で置き換えることもできる。
【００７９】
図３１は、図２１〜２６の態様の光線追跡の別の断面図であり、図２６の正面から見た図である。図２６の側面図から放射する光線は、道路面に向けて屈折させられる。光線９１は、図２１〜２６の表面５２によって外向きに屈折させられた主ゾーン内のＬＥＤからのエネルギを表す。この場合も、水平方向に向けられる光線は、あったとしても極めて僅かである。
【００８０】
図３２は、図２３の線Ｆ−Ｆで見たデバイス１０の中実の断面図である。図３２は、レンズ２１を、採用随意であるが、境界面６２または継ぎ目が屈折率の合ったセメントで接着されて、所定位置に接着した発光素子２９付きのＬＥＤを示す。採用随意のフランジ３０は、アセンブリの追加の部品（図示してない）と嵌まり合うための密封構造と見ることもできる。表面５７は、レンズ２１の「道路」側のプロフィールと「縁石」側のプロフィールの間の移行部を表しており、この部分が主に光をＬＥＤの周辺ランベルトビームから道路に向けて屈折させる。より詳しくは、表面５７は、図２１、２３および２４の実施形態では、中心線５４によって２つの半表面に分けられ、これら半表面は、ビーム中の光を中心線５４から外側により大きな角度に広げる。例えば、もし、一つの実施形態で、街路灯内に据え付ける場合に、中心線５４が縁石に対して直交方向に向いていたとすると、前記半表面は、表面５７を通って伝達されたビームを、縁石に対してより平行で中心線５４から遠く離れる方向に広げることになる。表面５１は、主に、ＬＥＤの主光方向からのエネルギを「縁石」側から「道路」側へと反射する。
【００８１】
図３３は、この発明の方法論の全体的な概念化をまとめたものである。この発明により解決される問題は、２つの境界条件、すなわち２段階１００で選択される光源の光パターンと、段階１０６で照明されるべく意図されている表面の上に投影される二次元等フートキャンドルのプロットとである。具体的に詳解する態様では、幅広ビームの街路灯パターンを提供するという問題が段階１０６の境界条件について想定され、境界条件１００においてはＬＥＤのランバートパターンが想定される。ということで、段階１００および１０６の境界条件を様々に特徴付けすることによって定義される同じ問題が、請求項に係る発明の範囲内に正に含まれているということが容易に理解できるであろう。例えば、境界条件１００は、ＬＥＤのランバートパターンを呈する必要がなく、高強度放電（ＨＩＤ）ランプの三次元エネルギ分布パターンを境界条件としてもよい、ということをすでに明言してきている。
【００８２】
そこで、問題は、段階１００および１０６の２つの境界条件間に必要な伝達関数を提供するレンズまたは光学素子２１の形状をいかにして決めるか、すなわち目標表面のための投影された二次元照明パターンに対する、光源の三次元エネルギパターンをどうやって決めるか、が再び投げかけられる。この問題は、重大である。
【００８３】
非対称の幅広または拡げられたビームに対する回答は、上記の図１〜３２および関連の明細書に関連づけながら開示してきた。図１〜９、１６〜２０および２１〜２６に示すように、段階１０２でレンズの三次元形状が決定されれば、図１１、２７および２８に示し、図１２、１３、３０および３１の光線追跡により示唆されるような三次元のカンデラプロットを、光源の三次元エネルギ分布、例えば、ＬＥＤの場合、ランバート分布を想定しながら、コロラド州デンバーにある Lighting Technologies 社が販売する Photopia（登録商標）のような従来の光学分野のコンピュータ支援設計プログラムを使って数学的に導出することができる。
【００８４】
三次元のカンデラプロットが与えられれば、図１０および２９の二次元の等フートキャンドル線のプロットは、従来の光学関連コンピュータ支援設計プログラムを用いて数学的に導き出すことができる。得られた結果は、次に段階１０６の境界条件と比較される。段階１０６の境界領域が満たされない限りは、光学設計者は、試行錯誤を通して段階１０２でレンズ２１の三次元形状を修正することができ、再び、段階１０４および１０６を、目標とする二次元の等フートキャンドルのプロットグラフに対して所望の一致が得られるまで、反復行程の中で再度繰り返すことができる。
【００８５】
この発明は、必要なレンズ形状を、分析過程を通して数学的に得るか、またはこの発明の教示に一致する数値入力として段階１００および１０６の境界条件でもって数値的推定過程の繰返しを通して数値的に得るかする、方法論も含んでいる。
【００８６】
このようにして、複数のこのようなデバイスを組み合わせて、複数デバイスの一つのアレイにできることも理解できるだろう。アレイの中の各デバイスは、目標表面または道路上に意図された同じ二次元照明パターンをもたらす同一の三次元エネルギ分布パターンを有する。このようなデバイスの複数個がアレイの中で、目標表面または道路上の照明パターンのサイズに比べて狭い間隔で配置されている場合は、それぞれの照明パターンは、互いにほぼ線形的に重ね合わせられて、単一のデバイスで作り出されたような同じ照明パターンを、アレイの中の複数のデバイスの増加された強度でもって、目標表面または道路の上に提供する。同様に、アレイは、モジュール形式に製造することもでき、その場合、一緒に組み合わせられた複数のアレイは、それでも目標表面または道路上の照明パターンまでの距離またはそのサイズに比べると比較的サイズが小さく、各アレイの照明パターンは集められた他の全てのアレイの同一の照明パターンと実質的に重なり合う。したがって、集められたアレイからの目標表面への照明パターンの強度は、アレイのモジュールを大きい集まりにするか小さい集まりにするかによって、照明パターンを実質的に変えることなく、強くしたり弱くしたりすることができる。
【００８７】
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。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いうことを、篤と理解しなければならない。
【００８８】
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、ひと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、請求項でのその使用は、この明細書およびその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。
【００８９】
したがって、前掲の請求項の語または要素の定義は、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、前掲の請求項におけるどの一つの要素を二つ以上の要素で等価的に置換してもよいこと、または請求項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。
【００９０】
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、請求項の範囲内の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または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。
【００９１】
したがって、請求項は、上記に具体的に図解および記述されたもの、概念的に均等なもの、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も包含していると理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】この発明の一つの実施形態の上面図であり、図中に切断線Ｂ−Ｂが定義されている。この実施形態は、放射対称である。
【図２】図１の切断線Ｂ−Ｂで切った側面断面図である。
【図３】図１および図２に記載したこの発明の実施形態のカンデラ極座標グラフである。ゼロ方向がデバイスの中心線である。
【図４】図１〜３に記載したこの発明の実施形態の側面図であり、ＬＥＤ発光源からデバイスの光学部分を通って追跡した光線群の一例を示す。
【図５】デバイスが放射対称でない別の実施形態の上面図である。この図は、「小球」レンズの水平方向に対向する２つのローブを有する態様を図解している。
【図６】図５のデバイスの等角図であり、その非放射対称形状をより明瞭に描いてある。
【図７】図５のデバイスを切断線Ｄ−Ｄに平行に見た側面図であり、レンズの外形に反転部すなわちアンダーカットを示している。
【図８】図７の側面図から９０°回転させた側面図である。
【図９】図５に記載したデバイスの切断線Ｄ−Ｄを通る断面図である。この断面図は、レンズに加えてＬＥＤも示している。
【図１０】図５〜９のデバイスの二次元の等フートキャンドルグラフである。この図は、デバイスの非放射対称形の出力を図解している。
【図１１】図５〜９のデバイスの等カンデラグラフであり、異なる平面での多重グラフを示している。
【図１２】図５〜９のデバイスの光線追跡の側面図であり、ＬＥＤ発光素子からレンズを通って追跡した光線を示す。
【図１３】図１２に示したものと同じ光線追跡の側面図であり、図１２の眺めから９０°方位角を回転させて見た図である。
【図１４】この発明の好ましい態様のデバイスを複数個具備してなるライトモジュールの分解斜視図である。
【図１５】図１４のデバイスを組み立てた、平らなモジュール式のライトバーの斜視図である。
【図１６】デバイスが非対称性で、ＬＥＤの中線から外れた光パターンを作り出す、この発明の別の好ましい実施形態の斜視図である。
【図１７】図１６のデバイスの平面図である。
【図１８】図１６および１７のデバイスの側面断面図であり、図１７の切断線Ｅ−Ｅで見た図である。
【図１９】図１７〜１８のデバイスの側面図である。
【図２０】図１７〜１９のデバイスの側面図であり、図１９の面に対して直角な平面で見た図である。
【図２１】複雑な形状のプリズムを用いる、この発明の別の態様の斜視図である。この態様は、街路灯および類似の用途のためのものである。これは、方位角に対して非対称であり、図では街路灯の「縁石」側または光がより少なく向けられる側を示すように向けられている。
【図２２】図２１に描かれているデバイスを回転させた斜視図であり、デバイスの「道路」側または光がより多く向けられる側を示している。
【図２３】図２１および２２のデバイスの「底面」図であり、図の右側に「道」側を示し、図の左側に縁石側を示す。
【図２４】図２１〜２３に記載したこの発明の態様の側面図であり、上にデバイスのレンズが装着されるＬＥＤを仮想線で示している。
【図２５】図２１〜２４のデバイスを回転させた側面図であり、図２４に対して直角な眺めの図である。
【図２６】図２１〜２５のデバイスを回転させた側面図であり、図２５に対して直角の眺めの図である。
【図２７】図２１〜２６のデバイスの出力を描いた三次元等カンデラグラフを横から見たものであり、デバイスの出力が方位角に対して非対称であることを明瞭に示している。図では、ビームの「道」側を右側に描き、縁石側を左側に描いてある。このグラフは、この発明が道路および屋外照明についてのＩＥＳ規格が求める全遮断ビーム型を生じるビームプロフィールを作り出せることを図解している。
【図２８】図２７の等カンデラグラフを回転させた斜視図であり、縁石側からおよびデバイスの上方から見たときの、デバイスの出力を示している。この図は、ビームが道路に向かい縁石線に向かって下向きに偏っていることを示している。
【図２９】この発明のデバイスから「道路」上に投影された光ビームの二次元等フートキャンドルグラフである。この図は、図２１〜２６のデバイスの出力が非放射対称形であることを示す。設計者は、レンズの形状を自由にコントロールするして、照明に求められる条件に合わせて出力を変えることができる。
【図３０】ＬＥＤ発光素子から放射されたエネルギのサンプル光線追跡に、図２１〜２６のデバイスの断面図を重ねたものである。図３０の眺めは、図２５の眺めの鏡像である。この眺めは、上下逆で、「道路」側が左上を向いており、レンズの様々な表面の屈折および反射を示している。
【図３１】ＬＥＤ発光素子から放射されたエネルギのサンプル光線追跡に、図２１〜２６のデバイスの断面図を重ねたものである。この図は、図２４の眺めに似た眺めである。図３１は、デバイスの縁石側の断面図である。
【図３２】図２３の切断線Ｆ−Ｆで見た図２１〜２６のデバイスの断面図である。この図は、図２１〜２６のデバイスのＬＥＤと一緒のアセンブリを図解している。
【図３３】伝達関数を利用する方法の各段階を示すブロック線図である。
【符号の説明】
【００９３】
１  …  ＬＥＤ
２  …  ＬＥＤ発光素子
１０  …  デバイス
１４  …  ローブ
１９  …  ドーム
２０  …  デバイス
２１  …  レンズ
２８  …  ＬＥＤパッケージ
２９  …  ＬＥＤ発光素子
【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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【図３３】
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【国際調査報告】
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