特許 5909608 光誘導式ＬＥＤ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5909608

(24)【登録日】2016年4月8日

(45)【発行日】2016年4月27日

(54)【発明の名称】光誘導式ＬＥＤ装置

(51)【国際特許分類】

   F21S 8/08 20060101AFI20160414BHJP

   H01L 33/58 20100101ALI20160414BHJP

   F21V 5/04 20060101ALI20160414BHJP

   F21Y 115/10 20160101ALN20160414BHJP

【ＦＩ】

   F21S8/08 200

   H01L33/00 430

   F21V5/04 100

   F21Y101:02

【請求項の数】38

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2010-502112(P2010-502112)

(86)(22)【出願日】2008年3月25日

(65)【公表番号】特表2010-524175(P2010-524175A)

(43)【公表日】2010年7月15日

(86)【国際出願番号】US2008004189

(87)【国際公開番号】WO2008123960

(87)【国際公開日】20081016

【審査請求日】2011年3月9日

(31)【優先権主張番号】11/695,483

(32)【優先日】2007年4月2日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】509275046

【氏名又は名称】ルード ライティング，インコーポレーテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100094112

【弁理士】

【氏名又は名称】岡部 讓

(74)【代理人】

【識別番号】100085176

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 伸晃

(74)【代理人】

【識別番号】100104352

【弁理士】

【氏名又は名称】朝日 伸光

(74)【代理人】

【識別番号】100128657

【弁理士】

【氏名又は名称】三山 勝巳

(74)【代理人】

【識別番号】100160967

【弁理士】

【氏名又は名称】▲濱▼口 岳久

(72)【発明者】

【氏名】ウィルコックス，カート，エス．

【審査官】 栗山 卓也

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００６−２７７９７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−１２３５５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００４−５２６２２２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２１Ｓ ８／０８

Ｆ２１Ｖ ５／０４

Ｈ０１Ｌ ３３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

優先側に向かって照明するためのＬＥＤ装置であって、
基部上に少なくとも１つのＬＥＤを有する発光体と、
前記発光体上に位置決めされ、中心軸を有する主レンズと、
内側表面が前記主レンズを囲んで配置される二次レンズであって、前記中心軸にほぼ垂直な主平面を画定する前記二次レンズのタブ面と、前記中心軸と平行な基準軸を画定する中央領域基準点をもつ複合外側レンズ表面とを有する二次レンズと、
を備えるＬＥＤ装置において、
前記複合外側レンズ表面は、
前記主平面の法線方向に前記主平面より張り出し前記中心軸のまわりの任意の角度の領域内において稜線に至るよう形成される主要周囲表面であって、前記稜線は、前記中央領域基準点から離間していて前記主平面の法線方向に前記主平面からの距離が最も大きくなるような前記複合外側レンズ表面上の点の集合として画定され、前記主要周囲表面は、前記主平面の法線方向に前記主平面より張り出す距離が大きくなるにしたがって前記主平面に平行な方向の前記主要周囲表面と前記稜線との間の距離が徐々に小さくなるように形成される部分を有する前記主要周囲表面と、
前記稜線より前記中心軸の側にあり、前記中央領域基準点を含んで、前記中央領域基準点のまわりに凹面を有するように前記主要周囲表面と滑らかに結合するように延在する中央領域と、
前記優先側と反対である非優先側に中心があり、前記中央領域および前記主要周囲表面に隣接して滑らかに結合し前記タブ面まで延在する非主要周囲表面と、
を具備するＬＥＤ装置。

【請求項2】

請求項１に記載のＬＥＤ装置であって、
前記基準軸が前記中心軸から前記非優先側の方にオフセットしているＬＥＤ装置。

【請求項3】

請求項１に記載のＬＥＤ装置であって、
前記任意の角度は、１８０°よりも大きい角度であるＬＥＤ装置。

【請求項4】

請求項３に記載のＬＥＤ装置であって、
前記基準軸が前記中心軸から前記非優先側の方にオフセットされるＬＥＤ装置。

【請求項5】

請求項１に記載のＬＥＤ装置であって、
前記主要周囲表面と交差する基準軸半平面ごとに単一の稜線点だけがあるＬＥＤ装置。

【請求項6】

請求項１に記載のＬＥＤ装置であって、
前記主要周囲表面は線対称であるＬＥＤ装置。

【請求項7】

請求項１に記載のＬＥＤ装置であって、
前記非主要周囲表面は線対称であるＬＥＤ装置。

【請求項8】

請求項１に記載のＬＥＤ装置であって、
前記複合外側レンズ表面は線対称であるＬＥＤ装置。

【請求項9】

請求項１に記載のＬＥＤ装置であって、
前記主レンズと前記二次レンズとの間に空間があり、前記空間が光学グレードのゲルで充填されるＬＥＤ装置。

【請求項10】

請求項１に記載のＬＥＤ装置であって、
前記主レンズが前記中心軸のまわりで実質的に回転対称である照明パターンを有するＬＥＤ装置。

【請求項11】

請求項１に記載のＬＥＤ装置であって、
前記主レンズが実質的に半球であるＬＥＤ装置。

【請求項12】

請求項１に記載のＬＥＤ装置であって、
前記中央領域基準点を通り前記主平面に垂直な複数の面における前記複合外側レンズ表面のそれぞれの断面は、前記中央領域基準点および前記タブ面で終端する複数の目標レンズ設計曲線を構成し、
前記複合外側レンズ表面は、前記複数の目標レンズ設計曲線を滑らかに結合することによって形成されるＬＥＤ装置。

【請求項13】

請求項１２に記載のＬＥＤ装置であって、
前記基準軸が前記中心軸から前記非優先側の方にオフセットしたＬＥＤ装置。

【請求項14】

請求項１２に記載のＬＥＤ装置であって、
前記任意の角度は、１８０°よりも大きい角度であるＬＥＤ装置。

【請求項15】

請求項１４に記載のＬＥＤ装置であって、
前記基準軸が前記中心軸から前記非優先側の方にオフセットされるＬＥＤ装置。

【請求項16】

請求項１２に記載のＬＥＤ装置であって、
前記主要周囲表面と交差する基準軸半平面ごとに単一の稜線点だけがあるＬＥＤ装置。

【請求項17】

請求項１２に記載のＬＥＤ装置であって、
前記主要周囲表面は線対称であるＬＥＤ装置。

【請求項18】

請求項１２に記載のＬＥＤ装置であって、
前記非主要周囲表面は線対称であるＬＥＤ装置。

【請求項19】

請求項１２に記載のＬＥＤ装置であって、
前記複合外側レンズ表面は線対称であるＬＥＤ装置。

【請求項20】

請求項１２に記載のＬＥＤ装置であって、
前記主レンズと前記二次レンズとの間に空間があり、前記空間が光学グレードのゲルで充填されていることを特徴とするＬＥＤ装置。

【請求項21】

請求項１２に記載のＬＥＤ装置であって、
前記主レンズが前記中心軸のまわりで実質的に回転対称である照明パターンを有するＬＥＤ装置。

【請求項22】

請求項１２に記載のＬＥＤ装置であって、
前記主レンズが実質的に半球であることを特徴とするＬＥＤ装置。

【請求項23】

優先側に向かって照明するためのＬＥＤ装置であって、
基部上に少なくとも１つのＬＥＤを有する発光体と、
前記発光体上に位置決めされるレンズであって、中心軸と、前記中心軸にほぼ垂直な主平面を画定する前記レンズのタブ面と、前記中心軸と平行な基準軸を画定する中央領域基準点をもつ複合外側レンズ表面とを有するレンズと
を含むＬＥＤ装置において、
前記複合外側レンズ表面は、
前記主平面の法線方向に前記主平面より張り出し前記中心軸のまわりの任意の角度の領域内において稜線に至るよう形成される主要周囲表面であって、前記稜線は、前記中央領域基準点から離間していて前記主平面の法線方向に前記主平面からの距離が最も大きくなるような前記複合外側レンズ表面上の点の集合として画定され、前記主要周囲表面は、前記主平面の法線方向に前記主平面より張り出す距離が大きくなるにしたがって前記主平面に平行な方向の前記主要周囲表面と前記稜線との間の距離が徐々に小さくなるように形成される部分を有する前記主要周囲表面と、
前記稜線より前記中心軸の側にあり、前記中央領域基準点を含んで、前記中央領域基準点のまわりに凹面を有するように前記主要周囲表面と滑らかに結合するように延在する中央領域と、
前記優先側と反対である非優先側に中心があり、前記中央領域および前記主要周囲表面に隣接して滑らかに結合し前記タブ面まで延在する非主要周囲表面と
を具備するＬＥＤ装置。

【請求項24】

請求項２３に記載のＬＥＤ装置であって、
前記基準軸が前記中心軸から前記非優先側の方にオフセットされるＬＥＤ装置。

【請求項25】

請求項２３に載のＬＥＤ装置であって、
前記任意の角度は、１８０°よりも大きい角度であるＬＥＤ装置。

【請求項26】

請求項２５に記載のＬＥＤ装置であって、
前記基準軸が前記中心軸から前記非優先側の方にオフセットされるＬＥＤ装置。

【請求項27】

請求項２３に記載のＬＥＤ装置であって、
前記主要周囲表面と交差する基準軸半平面ごとに単一の稜線点だけがあるＬＥＤ装置。

【請求項28】

請求項２３に記載のＬＥＤ装置であって、
前記主要周囲表面は線対称であるＬＥＤ装置。

【請求項29】

請求項２３に記載のＬＥＤ装置であって、
前記非主要周囲表面は線対称であるＬＥＤ装置。

【請求項30】

請求項２３に記載のＬＥＤ装置であって、
前記複合外側レンズ表面は線対称であるＬＥＤ装置。

【請求項31】

請求項２３に記載のＬＥＤ装置であって、
前記中央領域基準点を通り前記主平面に垂直な複数の面における前記複合外側レンズ表面のそれぞれの断面は、前記中央領域基準点および前記タブ面で終端する複数の目標レンズ設計曲線を構成し、
前記複合外側レンズ表面は、前記複数の目標レンズ設計曲線を滑らかに結合することによって形成されるＬＥＤ装置。

【請求項32】

請求項３１に記載のＬＥＤ装置であって、
前記基準軸が前記中心軸から前記非優先側の方にオフセットされるＬＥＤ装置。

【請求項33】

請求項３１に載のＬＥＤ装置であって、
前記任意の角度は、１８０°よりも大きい角度であるＬＥＤ装置。

【請求項34】

請求項３３に載のＬＥＤ装置であって、
前記基準軸が前記中心軸から前記非優先側の方にオフセットされるＬＥＤ装置。

【請求項35】

請求項２３に載のＬＥＤ装置であって、
前記主要周囲表面と交差する基準軸半平面ごとに単一の稜線点だけがあるＬＥＤ装置。

【請求項36】

請求項３１に載のＬＥＤ装置であって、
前記主要周囲表面は線対称であるＬＥＤ装置。

【請求項37】

請求項３１に載のＬＥＤ装置であって、
前記非主要周囲表面は線対称であるＬＥＤ装置。

【請求項38】

請求項３１に載のＬＥＤ装置であって、
前記複合外側レンズ表面は線対称であるＬＥＤ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、一般に照明システムの分野に関し、より詳細には、所定のパターンの光強度で区域を照明するためにＬＥＤ光源を利用するための装置に関する。

【背景技術】

【0002】

低コストでエネルギー効率のよい照明装置が必要である。ＬＥＤ（発光ダイオード）はエネルギー効率のよい光源を提供し、ＬＥＤ技術の進歩によりそのような効率は次第により高いものになっている。さらに、ＬＥＤを光源として使用する１つの利点は、疑いなく、そのような光源のパッケージが小さくなるとそのような光源を含む取付具内での材料使用量が非常に少なくなり、それにより付随する高い費用効率がもたらされることである。技術が進歩し、ＬＥＤパッケージのコストが低下するにつれて、そのような材料使用量の費用便益はより重要になるであろう。

【0003】

照明システムの典型的な用途は道路および駐車場の照明であり、照明されるべき区域には光が一様に分配され、一方、隣接する領域には光の漏れがあるべきでないという性能要求がある。したがって、道路に沿っておよび駐車場において、例えば、道路または駐車場に一様な光を与えながら隣接の住宅へのいわゆる迷惑照明を避けるために横に偏った方向に光を誘導できることが必要である。

【0004】

様々なＬＥＤパッケージは様々な目的のために光の優先的な横方向誘導に関連しないレンズを有しており、あるものは二次レンズを含む。さらに、小さいＬＥＤ発光体パッケージに対して小さいレンズを使用し、放出された光のある量を一方の側に優先的に再誘導する目的のレンズを利用する光誘導式ＬＥＤ装置を開発することにある限定的な取り組みがなされてきた。しかし、１つまたは複数の突き出た要素および不連続の広い領域を有するレンズ表面を利用するそのようなレンズは、迷惑照明を避けるための要求にはほど遠い。迷惑照明の評価基準はただ単に非優先側の方に入る光エネルギーの量だけを含むのではなく、非優先側の区域中に光がどれくらいの距離だけ入るかも含む。

【0005】

迷惑照明を避けるための要求は、用途によっては、光が非優先側の区域に放出されるのを容認するのではなく光を吸収することが好ましいことを示すことさえもある。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明の目的は、照明システムの分野において、装置から横に偏った方向に光を誘導し、従来技術の問題および欠点のいくつかを克服するＬＥＤ照明装置を提供することである。

【0007】

本発明の別の目的は、非優先（反対）側の方に光をほとんど誘導しないようにしながら優先側の方に光を誘導するＬＥＤ光誘導装置を提供することである。

【0008】

本発明の別の目的は、優先側の方に誘導される光を最大化し、非優先側の方に誘導される光を最小化するＬＥＤ光誘導装置を提供することである。

【0009】

本発明の別の目的は、光が誘導される非優先側の区域への距離を最小化することによって迷惑照明を最小化するＬＥＤ光誘導装置を提供することである。

【0010】

本発明の別の目的は、照明されるべき区域上に取り付けられるとき優先側の区域に一様に光を分配するＬＥＤ光誘導装置を提供することである。

【0011】

本発明の別の目的は、誘導される光の制御改善を達成するために単一の屈折だけで最大量の光を誘導するＬＥＤ光誘導装置を提供することである。

【0012】

本発明のさらなる別の目的は、より大きい区域を照明するために他のそのような装置と共に使用されるとき、複数のそのような装置の優先側の区域に光を一様に分配するＬＥＤ光誘導装置を提供することである。

【0013】

本発明のさらなる別の目的は、コスト効率のよい方法で上述のように光を誘導するＬＥＤ光誘導装置を提供することである。

【0014】

本発明のこれらの目的および他の目的は以下の説明および図面から明らかになるであろう。

【課題を解決するための手段】

【0015】

「下向きに」という用語が本発明およびその態様を説明する際に便宜のために本明細書で使用されるが、いかなる方位での装置の使用も決して指定していない。言い換えれば、「下向きに」は重力の方向によって限定されない。したがって、本明細書に開示される本発明の光誘導式ＬＥＤ装置を組み込む光取付具が下向きではなく「上向きに」またはほぼ横向きの方向に向けられる場合、「下向きに」という用語はそのような意味を包含する。本発明の装置の１つの重要な用途が垂直な照明柱からの地面の照明であるので、「下向きに」という用語が使用されている。図は、大部分で、そのような「下向きの」方向を概して上向きで示しているが、それは、斜視画法で二次レンズの複合外側レンズ表面を視覚化するには、見やすさのためにはそのような方位で最もよく観察されるからであることに留意されたい。そのような方向が図の状況のなかで参照されるとき注意書きがなされる。

【0016】

「基準軸半平面（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ−ａｘｉｓ ｈａｌｆ−ｐｌａｎｅ）」という用語は、基準軸が半平面の縁部にあるように基準から一方向に延びる無限の数の平面の各々を指す。

【0017】

本明細書で使用されるとき、「〜のまわりの実質的な角度に対して境界をなす」という句は、約１５０°よりも大きい角度が多数の照明用途でより有用であるが、境界をなす角度は少なくとも約９０°であることを意味する。特に道路照明などの用途では、約１８０°の角度がさらにより好ましく、１８０°より多少大きい角度が最も好ましい。

【0018】

本明細書で使用されるとき、「稜線」という用語は、１組の点が本明細書で定義されるような稜線の定義を満たしている限り、単に１列の点ではなく領域中の１組の点も含むことができる。そのような状況が生じるのは、半径方向で複合外側レンズ表面に沿って基準軸へのまたはそれからの傾斜が、単にそのような曲線に沿った単一の点ではなく表面に沿ったそのような曲線の区間内で本明細書で定義されるような主平面と平行である場合である。言い換えれば、そのような領域の点はすべて複合外側レンズ表面のそのような領域内で主平面と平行な平面内にある。

【0019】

本発明は下向き方向および外向き方向に優先側に向かって照明するためのＬＥＤ装置である。本発明の装置は、（１）基部上に少なくとも１つのＬＥＤを有する発光体と、（２）発光体上に位置決めされ、中心軸を有する主レンズと、（３）内側表面が主レンズを囲んだ状態で配置された二次レンズとを含む。二次レンズは、中心軸に実質的に垂直な主平面を画定する基部隣接の下端部と、中心軸に平行な基準軸を画定する中央領域基準点をもつ複合外側レンズ表面とを有する。複合外側レンズ表面は優先側に中心がある主要周囲表面を含み、主要周囲表面は、（ａ）下端部から下向きで内向きに、主平面から最も遠くかつ基準点から離間している各基準軸半平面の外側レンズ表面の点の組によって画定され、中心軸のまわりの実質的な角度に対して境界をなす稜線まで張り出しており、（ｂ）稜線で内向きに終了する。複合外側レンズ表面は中央領域を含み、中央領域は稜線の内部にあり、中央領域基準点を含み、中央領域基準点のまわりに凹面を有する。非優先側に中心があり、中央領域および主要周囲表面と隣り合う非主要周囲表面を複合外側レンズ表面はさらに含む。

【0020】

好ましい実施形態では、基準軸は中心軸から非優先側の方にオフセットされる。（基準軸は中心軸と一致することもできるし、優先側の方にオフセットすることもできるが、基準軸は中心軸から非優先側にオフセットされることが好ましい。）

【0021】

いくつかの好ましい実施形態では、稜線は中心軸のまわりの１８０°よりも大きい角度に対して境界をなす。

【0022】

実施形態によっては、主要周囲表面と交差する基準軸半平面ごとに単一の稜線点だけがある。

【0023】

本発明の装置のいくつかの好ましい実施形態では、主要周囲表面は左右対称であり、いくつかの実施形態では、非主要周囲表面は左右対称である。さらに、いくつかの好ましい実施形態では、複合外側レンズ表面は左右対称である。

【0024】

いくつかの好ましい実施形態では、主レンズと二次レンズとの間に空間があり、その空間は光学グレードのゲルで充填される。

【0025】

いくつかの実施形態では、主レンズは中心軸のまわりで実質的に回転対称である照明パターンを有し、いくつかの実施形態では、主レンズは実質的に半球である。

【0026】

非常に好ましい実施形態では、複合外側レンズ表面は、（ａ）複数の基準軸半平面における複数の個別に離間した目標レンズ設計曲線と、（ｂ）その曲線間で複数の目標レンズ設計曲線と滑らかに整合する表面とによって形成される。目標レンズ設計曲線は中央領域基準点および下端部で終了する。

【0027】

いくつかの実施形態では、本発明の装置は、基部上に少なくとも１つのＬＥＤを有する発光体と、発光体上に位置決めされ、中心軸と、中心軸に実質的に垂直な主平面を画定する基部隣接の下端部と、中心軸と平行な基準軸を画定する中央領域基準点をもつ複合外側レンズ表面とを有するレンズとを含む。複合外側レンズ表面は優先側に中心がある主要周囲表面を含み、主要周囲表面は、（ａ）下端部から下向きで内向きに、主平面から最も遠くかつ基準点から離間している各基準軸半平面の外側レンズ表面の点の組によって画定され、中心軸のまわりの実質的な角度に対して境界をなす稜線まで張り出しており、（ｂ）稜線で内向きに終了する。複合外側レンズ表面は中央領域も含み、中央領域は稜線の内部にあり、中央領域基準点を含み、中央領域基準点のまわりに凹面を有する。非優先側に中心があり、中央領域および主要周囲表面と隣り合う非主要周囲表面を複合外側レンズ表面はさらに含む。

【0028】

本発明の装置は、最も典型的には、多数のそのようなデバイスがＬＥＤモジュールと呼ばれるものに配置される用途で使用され、１つまたは複数のそのようなデバイスが所望の照明を達成するために照明取付具内で使用される。道路および駐車場の照明はそのような用途であるが、そのようなデバイスに対して非常に多くの他の用途がある。

【図面の簡単な説明】

【0029】

【図1】本発明の光誘導式ＬＥＤ装置の一実施形態の透視図である。

【図2】図１の装置の３つの異なる図であり、図２Ｃ〜４Ｃにそれぞれの断面図を伴う。

【図3】図１の装置の３つの異なる図であり、図２Ｃ〜４Ｃにそれぞれの断面図を伴う。

【図4】図１の装置の３つの異なる図であり、図２Ｃ〜４Ｃにそれぞれの断面図を伴う。

【図5】図１の本発明の装置の主レンズの斜視図である。

【図6】図１の装置の主レンズの照明パターンのグラフ図である。

【図7】照明柱の概略図であり、本発明の装置はその上に取り付けられ、この柱は図１の本発明の装置の典型的な用途として斜視図において道路の側に沿って位置決めされる。

【図8】二次レンズの複合外側レンズ表面を主として示す図１の装置の二次レンズの斜視図の線画である。

【図9】二次レンズの複合外側レンズ表面と反対の側を主として示す図１の装置の二次レンズの斜視図の線画である。

【図10】図１の装置の二次レンズの底部正面図（図９に関連する「底部」）である。

【図11】様々な視野角からの図１の装置の二次レンズのＣＡＤ生成されたソリッドモデルの斜視図である。

【図12】様々な視野角からの図１の装置の二次レンズのＣＡＤ生成されたソリッドモデルの斜視図である。

【図13】様々な視野角からの図１の装置の二次レンズのＣＡＤ生成されたソリッドモデルの斜視図である。

【図14】図１の装置の二次レンズのＣＡＤ生成されたワイヤフレームモデルの斜視図である。

【図15】発光体が取り付けられている基部が二次レンズ内に位置決めされていることを示す図１の装置のＣＡＤ生成されたソリッドモデルの斜視図である。

【図16】二次レンズの外側表面を生成するために使用される５つの目標レンズ設計曲線を示す図１の装置の二次レンズのＣＡＤ生成されたソリッドモデルの斜視図である。

【図17】図１の装置の二次レンズの３つ図であり、各々は、その形状が多くの目標レンズ設計曲線のうちの１つによって決定される曲線に沿って二次レンズの複合外側レンズ表面を横切る断面平面を示す。

【図17C】それぞれ図１７〜１９で画定された断面図（二次レンズの複合外側レンズ表面に関する背景部のない）であり、図１の装置の二次レンズの外側表面の５つの目標レンズ設計曲線をさらに示す。

【図18】図１の装置の二次レンズの３つ図であり、各々は、その形状が多くの目標レンズ設計曲線のうちの１つによって決定される曲線に沿って二次レンズの複合外側レンズ表面を横切る断面平面を示す。

【図18C】それぞれ図１７〜１９で画定された断面図（二次レンズの複合外側レンズ表面に関する背景部のない）であり、図１の装置の二次レンズの外側表面の５つの目標レンズ設計曲線をさらに示す。

【図19】図１の装置の二次レンズの３つ図であり、各々は、その形状が多くの目標レンズ設計曲線のうちの１つによって決定される曲線に沿って二次レンズの複合外側レンズ表面を横切る断面平面を示す。

【図19C】それぞれ図１７〜１９で画定された断面図（二次レンズの複合外側レンズ表面に関する背景部のない）であり、図１の装置の二次レンズの外側表面の５つの目標レンズ設計曲線をさらに示す。

【図20】図１の本発明の装置の２次元照明強度分布を示す図である。

【図21A】本発明の光誘導式ＬＥＤ装置の第２の実施形態の対の図を示す。第２の実施形態は一体型レンズを組み込んでいる。各対の図は断面平面を画定し、断面平面は対で示されており、図は本発明の装置の第１の実施形態の図１７〜１９Ｃの図と等価である。

【図21B】本発明の光誘導式ＬＥＤ装置の第２の実施形態の対の図を示す。第２の実施形態は一体型レンズを組み込んでいる。各対の図は断面平面を画定し、断面平面は対で示されており、図は本発明の装置の第１の実施形態の図１７〜１９Ｃの図と等価である。

【図21C】本発明の光誘導式ＬＥＤ装置の第２の実施形態の対の図を示す。第２の実施形態は一体型レンズを組み込んでいる。各対の図は断面平面を画定し、断面平面は対で示されており、図は本発明の装置の第１の実施形態の図１７〜１９Ｃの図と等価である。

【発明を実施するための形態】

【0030】

本発明の光誘導式ＬＥＤ装置の一実施形態が装置１０として図に示される。図１〜５を参照すると、装置１０は基部２２に取り付けられたＬＥＤ発光体１８を含む。発光体１８は多くのＬＥＤのうちの１つを含むことができる。発光体１８からの光は発光体１８上に位置決めされた主レンズ１６を通って出て行く。装置１０において、レンズ１６は半球であり、１．４と１．６との間の屈折率をもつガラスで製作される。主レンズ１６は、限定はしないが光学グレードのシリコーンなどの他の好適な材料で製作することもできる。主レンズ１６は基部２２に対して一般に垂直な中心軸２６を有し、その結果、発光体１８からレンズ１６を通って出て行く光は、中心軸２６のまわりに実質的に回転対称である照明パターン２８（図６に示される典型的な断面）を生成する。装置１０は、基部２２上の主レンズ１０のまわりに好ましくはアルミニウムで製作されたリング３０をさらに含み、このリング３０はレンズ１６を位置決めし、発光体１８からのある程度の光を反射して照明パターン２８の生成を支援するのに役立つ。

【0031】

次に、図７を参照すると、道路１１が概略的に示され、装置１０が道路１１に沿って設置された照明柱１５の上部に取り付けられる。そのような用途は、限定はしないが、本発明の装置１０の使われ方の典型である。参照番号１４で表された方向矢印は優先側（道路側）を示し、参照番号１４Ｎで表された方向矢印は反対の非優先側（住宅側）の方を示す。そのような用途が典型的であるので、「道路側」という用語は優先側にも関連しており、「住宅側」という用語は非優先側に関連している。「道路側」および「住宅側」という用語は限定するものと解釈されるべきではない。

【0032】

再度、図７を参照すると、装置１０は道路１１と平行である縁石線１７の直上に位置決めされる。縁石線１７は短い点線によって表される。本明細書で使用されるとき「縁石線」という用語は縁石の実際の位置を指すのではなく、上述で定義したように、道路１１と平行で、優先側と非優先側とを分割する平面（図示せず）内の線を指す。

【0033】

装置１０は、主レンズ１６を囲む内側表面３２を有する二次レンズ２０をさらに含む。実施形態によっては、主レンズと二次レンズとの間に小さい空間がある場合がある。装置１０において、主レンズ１６と内側表面３２との間のそのような空間１９（図２を参照）は光学屈折率整合ゲル（図示せず）で充填され、主レンズ１６と二次レンズ２０との間の界面の全体にわたる屈折損失が最小化される。装置１０において、二次レンズ２０は１．５１の屈折率をもつ紫外線安定化光学グレードアクリルを使用して成型される。光学グレードのゲルの目的は、主レンズ１６の材料および二次レンズ２０の材料の屈折率にほぼ整合させるためである。１つの好適なゲルは、米国、マサチューセッツ州、フェアヘブンのＮｙｅ Ｏｐｔｉｃａｌ ＰｒｏｄｕｃｔｓからのＳｍａｒｔＧｅｌ（商標）Ｎｙｅ Ｎｙｏｇｅｌ（登録商標）ＯＣ４３１Ａである。このゲルは、４０２ｎｍ（ナノメートル）の波長で１．４９９５の屈折率をもつ光学的に透明な屈折率整合ゲルである。これらの材料はすべて光学装置および光学システムの当業者には周知である。

【0034】

好適なＬＥＤ発光体１８は、米国、ノースカロライナ州、ダーラムのＣＲＥＥ，Ｉｎｃ．によって製造されたＸＬａｍｐ７０９０である。そのような発光体は基部２２上にパッケージの一部としての主レンズ１６と共に与えられる。主レンズ１０は０．１７インチの直径をもつ半球である。

【0035】

装置１０において、二次レンズ２０は基部２２に隣接する下端部３４を含む。下端部３４は、下端部３４と平行な主平面３４Ｐを画定し、主平面３４Ｐは図３、４、１０、１８、および１９においてページの平面と平行である。二次レンズ２０は主平面３４Ｐと平行なフランジ３４Ｆをさらに含む。（主平面３４Ｐは、図中に１回だけ、図１６において、その参照番号で表されている。）図１、２Ｃ、３、４、４Ｃ、８、および１４に示されるように、二次レンズ２０は参照番号１４によって示される優先側を画定する。レンズ２０のフランジ３４Ｆは欠けた角１２ａおよび１２ｂを含み、それらはレンズ２０の優先側をさらに示す。図１は、参照番号１４Ｎによって反対の非優先側（住宅側）の方への方向も示す。これらの定義に基づいて、使用時に、装置１０は、図７に示されているように装置１０の優先側が用途の優先側の方に向けられるように位置合わせされる。

【0036】

二次レンズ２０は複合外側レンズ表面２４を有する。図８〜１５は、様々な角度から観察したときの二次レンズ２０および特に複合外側レンズ表面２４の形状を一般的な方法で示す。複合外側レンズ表面２４は装置１０の所望の光誘導光学性能を達成するために複雑な形状を含んでいるので、図８〜１５に様々な図が明確にするために含まれている。いくつかの図は複合外側レンズ表面２４のＣＡＤ生成されたソリッドモデル図であり、これらの図により複合外側レンズ表面２４をより容易に思い描くことができるようになる。これらの図は同じ要素の様々な図であるので、少数の参照番号だけが図８〜１５に適用されている。

【0037】

図１６〜１９Ｃは、複合外側レンズ表面２４のより詳細な描写を与える。図１６は、複合外側レンズ表面２４の追加のＣＡＤ生成されたソリッドモデル図である。複合外側レンズ表面２４は、中心軸２６と平行な基準軸４４を画定する中央領域基準点４８（本明細書では簡単のために基準点４８としばしば呼ばれる）と共に主要周囲表面３８を有する。複合外側レンズ表面２４は、方向矢印１４によって示される優先側に中心がある主要周囲表面３８を含む。主要周囲表面３８は、下端部３４から下向き（上記のように図では上向き）で内向きに、主平面３４Ｐから最も遠くかつ基準点４８から離間している各基準軸半平面の外側レンズ表面の点（複合外側レンズ表面２４上の点）の組によって画定された稜線４２まで張り出す。稜線４２は１８０°よりも大きい中心軸４４のまわりの角度に対して境界をなしており、そのような角度は方向矢印１４によって示される優先側の方向に関して線セグメント２６ａと２６ｂとの間で測定される。（図１８を参照。）主要周囲表面３８は稜線４２で内向きに終了する。

【0038】

複合外側レンズ表面２４は稜線４２の内側に中央領域５０をさらに含み、中央領域基準点４８を含む。中央領域５０は基準点４８のまわりに凹面４６を有する。複合外側レンズ表面２４は、方向矢印１４Ｎによって示される非優先側に中心がある非主要周囲表面３９をさらに含む。非主要周囲表面３９は中央領域５０および主要周囲表面３８に隣接する。

【0039】

図１６〜１９Ｃは、複合外側レンズ表面２４の上述の描写を示す。複合外側レンズ表面２４は、図１６に示されるような５つの目標レンズ設計曲線４０Ａ〜４０Ｅを利用することによって構成される。複合外側レンズ表面は中心線ＣＬのまわりで左右対称である。図１７〜１９およびそれらに対応して定義された図１７Ｃ〜１９Ｃの断面は５つの目標レンズ設計曲線４０Ａ〜４０Ｅの詳細をさらに示す。

【0040】

この実施形態では、基準軸４４（基準点４８を含む）および中心線ＣＬの両方が存在し、主平面３４Ｐに垂直な平面をセクションＡ−Ａは画定する。主平面３４Ｐに垂直であり、セクションＡ−Ａに垂直であり、基準軸４４および基準点４８を含む平面をセクションＢ−Ｂは画定する。主平面３４Ｐに垂直であり、セクションＢ−Ｂの平面に対して約３８．７度（選ばれた仕様に応じたｔａｎ^−１（０．８））の角度θで向けられており、基準軸４４および基準点４８を含む平面をセクションＣ−Ｃは画定する。５つの目標レンズ設計曲線４０Ａ〜４０Ｅはすべて基準点４８に１つの端点を有する。

【0041】

主平面３４Ｐに垂直で、基準軸４４を画定し、中心線ＣＬに沿って中心軸２６から距離Δだけ変位された線上に基準点４８は配置される。この特定の実施形態では、Δは約０．０４０インチの値を有し、主平面３４Ｐでの二次レンズ２０の外径は０．５インチである。図１７Ｃ、１８、１９、および１９Ｃにおいて、距離Δは、文字Δからの参照線の端部で線セグメントの短い部分によって表される。距離Δは図４にも示される。

【0042】

参照矢印ａからｈは、５つの目標レンズ設計曲線を定義するのに役立ち、曲線４０Ａは端点ａおよびｂを有し、曲線４０Ｂは端点ｆおよびｇを有し、曲線４０Ｃは端点ｄおよびｅを有し、曲線４０Ｄは端点ｇおよびｈを有し、曲線４０Ｅは端点ｂおよびｃを有する。端点ｂ、ｄ、およびｇは基準点４８に一致し、そこに配置され、端点ａ、ｃ、ｅ、ｆ、およびｈは下端部３４の主平面３Ｐに配置される。５つの目標レンズ設計曲線４０Ａ〜４０Ｅの各々は、上述のようにセクションＡ−Ａ、Ｂ−Ｂ、およびＣ−Ｃによって画定された方向に沿って、光の所望の誘導が達成されるように形成される。言い換えれば、各目標レンズ設計曲線は、単一の方向に沿って単一のまたは簡単な１組のレンズ性能基準が満たされるように形成され、それにより、光学技術者は非常に複雑なレンズを１組のより容易に定義された基準として規定することができる。

【0043】

５つの曲線４０Ａ〜４０Ｅは基準点４８で出会う。次に、複合外側レンズ表面２４は、ＣＡＤシステムサーフェイシング用途および他のコンピュータグラフィックス用途で使用され、ＣＡＤおよびコンピュータグラフィックス技術の当業者に周知のＮＵＲＢＳ（非一様有理Ｂ−スプライン）や数学的平滑化手法を使用して、５つの目標設計曲線４０Ａ〜４０Ｅの間に滑らかな表面を生成することによって完成される。複合外側レンズ表面２４が主要周囲表面３８、中央領域５０、および基準軸４４のまわりの凹面４６を有する表面をもたらすように、複合外側レンズ表面２４は５つの目標レンズ設計曲線４０Ａ〜４０Ｅ、左右対称の要件（この実施形態では）、および主平面３４Ｐによって適切に画定される。

【0044】

本発明の光誘導式ＬＥＤ装置の他の実施形態は、様々な指定のレンズ設計要件に応じて複合外側レンズ表面を生成するためにＮＵＲＢＳの力（ｐｏｗｅｒ）を利用して、５つよりも多いまたはそれよりも少ない目標レンズ設計曲線を使用することによって構成することができる。

【0045】

目標レンズ設計曲線の特定の形状に応じて（または、二次レンズの本発明の複合外側レンズ表面を生成するためにいかなる他の方法が使用されても）、凹面４６は、複合外側レンズ表面内で相対的なサイズおよび形状が変化することができる。さらに、二次レンズを製作するために使用される技術に応じて、基準点のまわりの凹面の領域をかなり小さくすることができる。

【0046】

図２０は、単一の発光体１８、単一の主レンズ１６、および単一の二次レンズ２０を含む実施形態の２次元照明強度分布５２を示す。パターン５２は、本発明の装置１０から発する照明強度をシミュレートするために光線追跡ソフトウェアを使用して生成された。「Ｌｏｃａｌ Ｙ」軸は、縁石線がＹ＝４の位置で「Ｌｏｃａｌ Ｘ」軸と平行に配置される状態で、縁石線の後ろおよびその前の距離を表す。４よりも大きいＹの値はパターン５２の優先側（道路側）の領域を表し、４よりも小さいＹの値はパターン５２の非優先側（住宅側）の領域を表す。シミュレーションでの装置１０の直下の位置は、縁石線１７と線５４の交差によって示されるＹ＝４およびＸ＝４に位置決めされる。ＸおよびＹの単位は柱の長さであると見なすことができ、すなわち、柱が高さ２０フィートである場合、Ｘ軸およびＹ軸のフルスパンは８×２０フィート、すなわち１６０フィートである。

【0047】

図２０の照明パターン５２の輝度は相対強度分布を示し、装置１０から発する大部分の光が装置１０の二次レンズ２０によって優先側の方に再誘導され、わずかな量の迷惑照明だけが非優先側に再誘導されることを例示している。

【0048】

図２１Ａ〜２１Ｃは、主レンズが合体されている二次レンズの第２の実施形態を示す。図２１Ａ〜２１Ｃは、主レンズおよび二次レンズが一体型レンズ６０であることを除いて、すべての点で図１７〜１９Ｃと関連している。一体型レンズ６０は、主レンズと二次レンズとの間の光学整合ゲルの必要性、およびこれらの２つのレンズ間の界面に付随する光学的欠点を排除する。図２１Ａ〜２１Ｃは一体型レンズ６０の３つの図を示し、画定された断面は背景を伴っていない。

【0049】

図２１Ａ〜２１Ｃに示された第２の実施形態では、一体型レンズ６０はリング３０のまわりに形成される。好ましくはアルミニウムなどの反射材料で製作され、レンズ６０内に形成されるリング３０を用いて一体型レンズ６０を製造することができ、あるいはレンズ６０はリング３０のまわりに適合するように形成することができる。

【0050】

本発明の原理が特定の実施形態に関連して説明されたが、これらの説明は単に例としてなされ、本発明の範囲を限定するものではないことが明確に理解されるべきである。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図17C】

【図18】

【図18C】

【図19】

【図19C】

【図20】

【図21A】

【図21B】

【図21C】