IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」

▶ アイディール インダストリーズ ライティング エルエルシーの特許一覧

特許7182608制御されたバックライト配光を行うハイブリッドレンズ
(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】
(24)【登録日】2022-11-24
(45)【発行日】2022-12-02
(54)【発明の名称】制御されたバックライト配光を行うハイブリッドレンズ
(51)【国際特許分類】
   F21V 5/00 20180101AFI20221125BHJP
   F21V 5/08 20060101ALI20221125BHJP
   F21V 5/04 20060101ALI20221125BHJP
   F21V 29/503 20150101ALI20221125BHJP
   F21V 29/70 20150101ALI20221125BHJP
   F21V 5/02 20060101ALI20221125BHJP
   G02B 5/00 20060101ALI20221125BHJP
   F21W 111/02 20060101ALN20221125BHJP
   F21Y 113/10 20160101ALN20221125BHJP
   F21Y 115/10 20160101ALN20221125BHJP
   F21Y 105/16 20160101ALN20221125BHJP
【FI】
F21V5/00 510
F21V5/08
F21V5/04 650
F21V29/503
F21V29/70
F21V5/02 150
F21V5/02 350
F21V5/04 500
G02B5/00 Z
F21W111:02
F21Y113:10
F21Y115:10
F21Y105:16
【請求項の数】 25
(21)【出願番号】P 2020506295
(86)(22)【出願日】2018-04-09
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2020-06-11
(86)【国際出願番号】 US2018026710
(87)【国際公開番号】W WO2018191168
(87)【国際公開日】2018-10-18
【審査請求日】2021-04-09
(31)【優先権主張番号】15/483,096
(32)【優先日】2017-04-10
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】519365355
【氏名又は名称】アイディール インダストリーズ ライティング エルエルシー
(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】100101498
【弁理士】
【氏名又は名称】越智 隆夫
(74)【代理人】
【識別番号】100107401
【弁理士】
【氏名又は名称】高橋 誠一郎
(74)【代理人】
【識別番号】100120064
【弁理士】
【氏名又は名称】松井 孝夫
(74)【代理人】
【識別番号】100182257
【弁理士】
【氏名又は名称】川内 英主
(74)【代理人】
【識別番号】100202119
【弁理士】
【氏名又は名称】岩附 秀幸
(72)【発明者】
【氏名】タルサ,エリック
(72)【発明者】
【氏名】ウィルコックス,カート
(72)【発明者】
【氏名】ホウ,ビン
(72)【発明者】
【氏名】ロウズ,テッド
【審査官】田中 友章
(56)【参考文献】
【文献】特開2014-191336(JP,A)
【文献】米国特許出願公開第2012/0287649(US,A1)
【文献】米国特許出願公開第2014/0192521(US,A1)
【文献】米国特許出願公開第2012/0039077(US,A1)
【文献】特開2012-145904(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
F21V 5/00
F21V 5/08
F21V 5/04
F21V 29/503
F21V 29/70
F21V 5/02
G02B 5/00
F21W 111/02
F21Y 113/10
F21Y 115/10
F21Y 105/16
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
エミッタ軸を有する光エミッタからの光を配光するレンズであって、
前記エミッタ軸の周囲に内部キャビティを画定する内側表面であって、前記光エミッタから受光された光をそれぞれ方向変換する複数の横断内側領域によって形成された内側階段状不連続部を備える、内側表面と、
方向変換された光を受光し、該受光された光をそれぞれ方向変換する複数の横断外側領域によって形成された外側階段状不連続部を備える外側表面と、
を備え
前記横断外側領域のうちの幾つかは、異なる角度で傾斜し、
前記横断内側領域のうちの少なくとも幾つかは、前記光エミッタから受光された前記光の全内部反射(TIR)を行うように構成されている、レンズ。
【請求項2】
前記内側表面からオフセットされた2次表面を更に備え、該2次表面は、前記内側表面から受光された光の全内部反射(TIR)を行うように構成されている、請求項1に記載のレンズ。
【請求項3】
前記2次表面は、前記内部キャビティからオフセットされた2次キャビティの境界を少なくとも部分的に定める、請求項2に記載のレンズ。
【請求項4】
前記2次表面は、反射階段状不連続部を形成する複数の横断反射領域を備える、請求項2又は3に記載のレンズ。
【請求項5】
前記内側階段状不連続部、前記外側階段状不連続部及び前記反射階段状不連続部のそれぞれにおいて、対応する隣接する横断領域が、それらの間の実質的に平行な交差領域まで延在する、請求項4に記載のレンズ。
【請求項6】
前記外側階段状不連続部のうちの少なくとも幾つかは、前記2次表面によって反射された光を受光し方向変換するように前記2次表面にわたって光学的に整列されている、請求項2~4のいずれか1項に記載のレンズ。
【請求項7】
前記横断内側領域のうちの少なくとも幾つかは非平坦である、請求項1~6のいずれか1項に記載のレンズ。
【請求項8】
前記内側階段状不連続部は、互いに隣接する前記横断内側領域の対をそれぞれ接合する湾曲領域を備える、請求項1~のいずれか1項に記載のレンズ。
【請求項9】
前記エミッタ軸に近接した前記横断内側領域は、前記光エミッタから遠位の前記横断内側領域よりも小さな断面寸法を有する、請求項1~のいずれか1項に記載のレンズ。
【請求項10】
前記内側表面は、内側階段状不連続部の別個のセットを形成する横断内側領域の少なくとも2つのセットを備える、請求項1~のいずれか1項に記載のレンズ。
【請求項11】
前記外側表面は、平滑な外側領域を備え、
前記内側階段状不連続部の前記セットのうちの少なくとも1つは、エミッタ光を前記平滑な外側領域に向けて方向変換する、請求項10に記載のレンズ。
【請求項12】
エミッタ軸を有する光エミッタからの光を配光するレンズであって、
前記エミッタ軸の周囲に内部キャビティを画定する内側表面であって、前記光エミッタから受光された光をそれぞれ方向変換する複数の横断内側領域によって形成された内側階段状不連続部を備える、内側表面と、
前記内側表面から外方にオフセットされた少なくとも2つの2次表面であって、前記内側表面から受光された光の全内部反射(TIR)を行うように構成されている、2次表面部分と、
方向変換された光を受光し、該受光された光をそれぞれ方向変換する複数の横断外側領域によって形成された外側階段状不連続部を備える外側表面と、
を備え
前記外側表面は、対応する前記2次表面によって反射された光を受光して該光を更に方向変換する前記2次表面のそれぞれに対応する外側階段状不連続部を備える、レンズ。
【請求項13】
前記2次表面は、互いに実質的に対向する分離した表面である、請求項12に記載のレンズ。
【請求項14】
前記2次表面のうちの少なくとも1つは、反射階段状不連続部を形成する複数の横断反射領域を備える、請求項12又は13に記載のレンズ。
【請求項15】
前記2次表面部分のうちの少なくとも1つは、反射階段状不連続部を形成する複数の横断反射領域を備える、請求項12~14のいずれか1項に記載のレンズ。
【請求項16】
前記外側表面は、前記対応する2次表面部分の対応する領域から光を受光する対応する数の別個の外側階段状不連続部を形成する横断外側領域の少なくとも2つのセットを備え、一方は他方の外方にある、請求項12~15のいずれか1項に記載のレンズ。
【請求項17】
複数の間隔を空けて配置されたLED光源と、該LED光源のうちの対応する1つとそれぞれ光学的に結合された複数のレンズとを備えるLED装置を支持する実装表面を有するヒートシンク構造体を備えるLED照明器具であって、前記レンズは、外側表面と、前記LED光源のエミッタ軸の周囲に内部キャビティを画定する内側表面とを備え、前記内側表面は、前記LED光源から受光された光をそれぞれ方向変換する複数の横断内側領域によって形成された内側表面階段状不連続部を備え、前記外側表面は、方向変換された光を受光し、前記受光された光をそれぞれ方向変換する複数の横断外側領域によって形成された外側表面階段状不連続部を備え
前記横断外側領域のうちの幾つかは、異なる角度で傾斜し、
前記横断内側領域のうちの少なくとも幾つかは、前記光エミッタから受光された前記光の全内部反射(TIR)を行うように構成されている、LED照明器具。
【請求項18】
各レンズは、前記内側表面からオフセットされた少なくとも1つの2次表面を更に備え、該少なくとも1つの2次表面は、前記内側表面から受光された光の全内部反射(TIR)を行うように構成されている、請求項17に記載の照明器具。
【請求項19】
前記少なくとも1つの2次表面は、反射階段状不連続部を形成する複数の横断反射領域を備える、請求項18に記載の照明器具。
【請求項20】
エミッタ軸を有する光エミッタからの光を配光するレンズであって、該レンズは、ファセット出力表面と、平滑な出力表面と、前記ファセット出力表面に向けて全内部反射(TIR)を通じて光を反射する少なくとも1つの反射表面とを備え、前記ファセット出力表面は、横断表面の対によって形成され、該横断表面の各表面は、合成照度パターンを提供するように前記受光された光を方向変換し、
前記エミッタ軸の周囲に光入力キャビティを少なくとも部分的に画定するファセット入力表面を更に備え、該ファセット入力表面は、横断表面の対によって形成され、該横断表面の各表面は、前記受光された光を方向変換し、
前記ファセット入力表面は、全内部反射(TIR)を通じて光を反射する表面部分を備える、レンズ。
【請求項21】
前記少なくとも1つの反射表面は、前記光入力キャビティからオフセットされた反射キャビティの境界を少なくとも部分的に定める、請求項20に記載のレンズ。
【請求項22】
前記ファセット出力表面は、主要表面及び非主要表面を備える、請求項20又は21に記載のレンズ。
【請求項23】
前記非主要表面は、前記主要表面の横断表面の断面寸法よりも小さな断面寸法を有する横断表面部分によって形成されている、請求項22に記載のレンズ。
【請求項24】
前記ファセット出力表面の前記横断表面は、互いに実質的に平行である実質的に直線状の交差領域まで延在する、請求項20~23のいずれか1項に記載のレンズ。
【請求項25】
前記ファセット出力表面の前記横断表面は、互いに実質的に平行である実質的に湾曲した交差領域まで延在する、請求項20~24のいずれか1項に記載のレンズ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、照明器具に関し、より詳細には、様々な共通の照明目的のためのLED照明器具に関する。更に具体的には、本発明は、LED照明器具における所望のLED配光を行うレンズの分野に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、様々な共通の照明目的に発光ダイオード(LED)を用いることが増加しており、この傾向は、LED及び「LEDモジュール」と呼ばれるLEDアレイ搭載デバイスが進歩するにつれて加速している。実際に、主として高輝度放電(HID)ランプ、ハロゲンランプ、コンパクト蛍光灯及び他の光源を用いた器具によって対応されてきた照明ニーズは、今日、LEDによってますます多く対応され始めている。LED開発の分野では、独創的な研究が続き、LEDからの発光を可能な限り多く有効利用する分野においても同様である。
【0003】
知られているように、通常、「1次レンズ(primary lens)」を有する基部又は有しない基部上にあるLED構成要素(又はLEDのクラスター)からなるLED「パッケージ」はそれぞれ、光をLEDパッケージから意図したとおりに方向付けるレンズをそれらのLEDの上に有する。(そのようなレンズは、用いられるパッケージが1次レンズを備えているとき、「2次(secondary)」レンズと呼ばれることがある。)そのようなレンズの分野では、特定の用途にとって望ましい照明パターンを形成するようにLED放出光の一部を方向変換することを意図して、開発努力がなされてきた。しかしながら、そのようなレンズは、一部のLED放出光が失われるか又は色及び/又は輝度の均一性等の所望の特性を欠いた照度分布を生み出すという点で、最も望ましい性能に達しない傾向があった。
【0004】
通常、LEDからの光のうちの一部は、LED照明器具が提供する照明パターンが望ましい照明パターン及び十分に効率的な照明パターンに及ばない角度で放出される。従来のレンズには、望ましくない光がレンズから出力されるのを防止するように構成されているものもあれば、そのような光がレンズから出力されると直ちに遮断するように構成されているものもある。これらの構成は、所望の照明パターンを達成し、いわゆる照明「トレスパス(trespass:光害)」を防止するのに必要であると考えられてきたが、LED照明器の光の喪失及び効率の低下をもたらす傾向があった。照明器具内のLEDによって放出された光の使用効率を改善することが非常に望ましい。
【0005】
通常のLEDは、このLEDからの光が、或る程度異なる角度でレンズの出力表面の特定のエリアに到達するように、広範囲の角度にわたって光を放出する。これは、そのような光の方向を制御することを非常に困難にしてきた。そのようなレンズから出力される光の方向の改善された制御を提供することが望ましい。
【0006】
トレスパス照明(trespass lighting)は、望ましくない方向に放出された光の量だけで評価することができるのではなく、そのような光が所望の方向からどれだけ離れて方向付けされるのかも考慮することができる。一般的な商用の用途において照明対象の空間に向けて放出された光の最大量を有する所望の照明パターンを生成する照明装置を提供することが非常に有益である。
【0007】
歩道、道路及び/又は駐車場の器具等の照明器具は、多くの場合、様々なエリアの照明要件を満たすために高角度照明配光を提供する。照明器具は、例えば、歩道、幹線道路のオンランプ及びオフランプ、並びに他の長く狭い通路に適したタイプII配光を提供することができる。他の実施形態では、照明器具は、より大きな照明面積が必要とされる道路照明及び駐車場に一般に用いられるタイプIII配光を提供することができる。或いは、タイプV照明配光を提供することもできる。タイプV照明配光は、円形又は矩形とすることができ、全ての外側角にわたって等方性輝度を有する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
許容可能な均一性及び制限されたグレアを有する高角度照明分布を達成することは、困難である可能性がある。高角度照明配光は、多くの場合、器具のグレアに起因した視覚的不快感を悪化させるだけの極端な明るいスポットを含む。その上、発光ダイオード(LED)等の高輝度の点光源は、器具の光放出面にわたって複数の明るいスポットをもたらす可能性がある。発光均一性及びグレア低減を改善するために、様々な光学機器が用いられてきた。しかしながら、そのような光学機器は、高輝度の点光源からの光を効果的に混合し、高配光角にわたって拡散することに苦闘している。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明は、エミッタ軸を有するとともにエミッタ面を画定する光エミッタからの光の改善された配光効率を有するレンズである。光エミッタからの光出力のそのような改善された効率は、所望の照明の方向に放出された光の屈折、反射及び有用な出力用に特に設計された本発明のレンズを用いて達成される。幾つかの特定の実施形態では、本発明のレンズは、エミッタからの光の大部分を優先側方向に方向付ける。この光の大部分には、従来、そのような光が喪失されていた角度で放出される光が含まれる。光使用のそのような効率は、このレンズの構成によってのみ提供される。
【0010】
幾つかの特定の実施形態では、レンズは、ファセット出力領域と、平滑な出力表面と、ファセット出力領域に向けて全内部反射(TIR)を通じて光を反射する少なくとも1つの反射表面とを有する。ファセット出力領域は、横断表面の対によって形成され、横断表面の各表面は、合成照度パターンを提供するように受光された光を方向変換する。
【0011】
レンズは、エミッタ軸の周囲に光入力キャビティを少なくとも部分的に画定するファセット入力表面を更に有することができる。ファセット入力領域は、横断表面の対によって形成され、横断表面の各表面は、受光された光を方向変換する。ファセット入力表面は、全内部反射(TIR)を通じて光を反射する表面部分を備えることができる。
【0012】
幾つかの実施形態では、少なくとも1つの反射表面は、光入力キャビティからオフセットされた反射キャビティの境界を少なくとも部分的に定める。
【0013】
ファセット出力表面は、主要表面及び非主要表面を備えることができる。非主要表面は、主要表面の横断表面部分の断面寸法よりも小さな断面寸法を有する横断表面部分によって形成することができる。
【0014】
ファセット出力表面の横断表面部分は、互いに実質的に平行である実質的に直線状の交差領域まで延在することができる。横断表面部分は、互い実質的に平行である実質的に湾曲した交差領域まで延在することができる。
【0015】
本発明のレンズは、内側表面及び外側表面を備える。内側表面は、エミッタ軸の周囲に内部キャビティを画定する。内側表面は、エミッタから受光された光を方向変換する内側階段状不連続部を形成する複数の横断内側領域であるファセット入力表面を有することができる。外側表面は、方向変換されたエミッタ光を受光し、受光された光を方向変換する外側階段状表面不連続部を形成する複数の横断外側領域のファセット出力領域を有する。
【0016】
本発明のレンズの幾つかの特定の実施形態では、内側表面及び外側表面のうちの少なくとも一方は、少なくとも1つの平滑な領域と、受光された光を方向変換する階段状不連続部を形成する複数の横断領域とを組み合わせたものを備える。そのような実施形態のうちの幾つかでは、外側表面は、平滑な外側領域を備える。内側表面の階段状不連続部を形成する横断領域は、平滑な外側領域に向けてエミッタ光を方向変換するように構成することができる。
【0017】
階段状不連続部を形成する横断領域のうちの少なくとも幾つかは、受光された光を屈折させるように構成することができる。階段状不連続部を形成する横断領域のうちの少なくとも幾つかは、受光された光の全内部反射(TIR)も行うように構成することができる。
【0018】
レンズの幾つかの実施形態は、内側表面からオフセットされた2次表面を有することができる。2次表面は、内側表面から受光された光の全内部反射(TIR)を行うように構成することができる。幾つかの実施形態では、2次表面は、内部キャビティからオフセットされた2次キャビティの境界を少なくとも部分的に定める。
【0019】
幾つかの代替の実施形態では、2次表面は、内部キャビティを少なくとも部分的に取り囲む外部表面の一部とすることができる。そのような代替の実施形態のうちの幾つかでは、2次表面は、内部キャビティから半径方向にオフセットされ、エミッタ面の近くからエミッタ軸に沿って遠ざかる方向に延在し、場合によっては、エミッタ軸から遠ざかる方向に延在する。取り囲むフランジを有するレンズのこれらの実施形態の幾つかの例では、フランジは、そのような外部2次表面から延在してもよい。
【0020】
2次表面は、反射階段状不連続部を形成する複数の横断反射領域を有することができる。
【0021】
内側階段状不連続部、外側階段状不連続部及び反射階段状不連続部のそれぞれにおいて、対応する隣接する横断領域は、隣接する交差領域に実質的に平行な交差領域まで延在してもよい。
【0022】
用語「反射(reflective)」は、2次表面の階段状不連続部を形成する横断領域の説明に便宜上用いられることに留意されたい。幾つかの特定の例では、そのような横断領域のうちの幾つかは、2次表面の少なくとも一部分が光にそのような領域を通過させるように屈折性を有するものとすることができる。
【0023】
幾つかの実施形態では、横断反射領域は、実質的に平坦な表面とすることもできるし、凸状/凹状断面を有することもできる。隣接する横断反射領域は、曲線とすることもできるし、断面が凹面/凸状表面部分とすることもできる交差領域まで延在することができる。交差領域は、長手方向に直線状とすることもできるし、曲面に沿って延在することもできる。隣接する交差領域は、互いに実質的に平行とすることができる。付加的又は代替的に、隣接する交差領域は、エミッタ面から遠ざかる方向に延在することができる。幾つかの例では、そのような隣接する交差領域は、エミッタ軸から遠ざかって延在することもできる。
【0024】
横断反射領域のうちの少なくとも幾つかの長手方向は、レンズの左右対称面に平行とすることができる。
【0025】
本発明によるレンズは、所望の照明パターンを達成する回転対称、四方(quad-lateral)対称又は他の対称といった、左右対称以外の対称性を有することができることが理解されるであろう。意図する照明パターンに応じて、本発明のレンズは、対称性を用いずに成形することができ、非対称表面を有することができる。
【0026】
幾つかの特定の実施形態では、外側階段状不連続部のうちの少なくとも幾つかは、2次表面によって反射された光が、外側階段状不連続部によって受光され、更に方向変換されるように、2次表面にわたって光学的に整列される。
【0027】
内側階段状不連続部及び外側階段状不連続部のうちの少なくとも一方において、対応する隣接する横断領域が、それらの間の交差領域まで延在する。内側階段状不連続部の交差領域は、互いに隣接する横断内側領域の対をそれぞれ接合する湾曲領域とすることができる。湾曲結合領域(curved merger region)は、凸状又は凹状とすることができる。内側表面及び/又は外側表面の横断領域は、実質的に平坦な表面とすることもできるし、凸状/凹状断面を有することもできる。隣接する交差領域は、互いに実質的に平行とすることができる。交差領域は、直線又は曲線とすることもできるし、凸状断面又は凹状断面を有することもでき、長手方向に直線状とすることもできるし、曲面に沿って延在することもできる。交差領域は、エミッタ軸に実質的に直交するか又は平行な面に存在することができる。付加的又は代替的に、交差領域の長手方向は、レンズの左右対称面に実質的に直交することもできるし、平行とすることもできる。
【0028】
横断外側領域のうちの幾つかは、異なる角度で傾斜することができる。隣接する横断外側領域の対において、対の少なくとも一方は、受光された光を屈折させる。
【0029】
横断内側領域のうちの少なくとも幾つかは、放出器から受光された光の全内部反射(TIR)を行うように構成することができる。付加的又は代替的に、横断内側領域のうちの少なくとも幾つかは、放出器から受光された光を屈折させる。
【0030】
幾つかの特定の実施形態では、横断内側領域のうちの少なくとも幾つかは非平坦である。そのような実施形態のうちの幾つかにおいて、エミッタ軸に近接した横断内側領域は、レンズの左右対称面に実質的に直交する面において実質的に凹状の断面を有する。
【0031】
横断内側領域のうちの幾つかは、エミッタ軸を少なくとも部分的に取り囲む弧に沿って長手方向に延在することができる。そのような横断内側領域のうちの幾つか又は全ては、凸状/凹状断面を有することができる。隣接する横断内側領域のうちの幾つかは、凹状/凸状断面を有することができる交差領域まで延在することができる。
【0032】
内側表面は、内側階段状不連続部に隣接する平滑な内側領域を有することができる。
【0033】
幾つかの特定の実施形態では、エミッタ軸に近接した横断内側領域は、光エミッタから遠位の横断内側領域よりも小さな断面寸法を有する。
【0034】
内側表面は、内側階段状不連続部の対応する数の別個のセットを形成する横断内側領域の少なくとも2つのセットを有することができる。
【0035】
外側表面は、平滑な外側領域を備えることができる。内側階段状不連続部の複数の別個のセットを有する内側表面も有するそのような実施形態のうちの幾つかでは、内側階段状不連続部の別個のセットのうちの少なくとも1つは、放出器光を平滑な外側領域に向けて方向変換する。
【0036】
本発明のレンズの幾つかの実施形態は、内側表面から外方にそれぞれオフセットされた少なくとも2つの2次表面部分を備える。そのような2次表面部分のうちの少なくとも1つは、内側表面から受光された光の全内部反射(TIR)を行うように構成することができる。
【0037】
幾つかの特定の実施形態では、2次表面部分は、互いに実質的に対向した分離した表面である。付加的又は代替的に、2次表面部分は、コーナーにおいて接続することができる。幾つかの例では、本発明のレンズは、3つ以上の2次表面部分を有することができる。そのような例のうちの幾つかでは、2次表面部分は、コーナーにおいて接続され、2次表面部分の数に対応する多角形を形成する。幾つかの代替の例では、複数の2次表面部分のうちの少なくとも幾つかは、隣接する2次表面部分から分離している。幾つかの他の例では、分離した2次表面部分と、接続された2次表面部分とを組み合わせることができる。さらに、幾つかの代替の例では、2次表面部分は、内部キャビティの周囲に実質的に環状の2次表面を形成することができる。付加的又は代替的に、そのような実質的に環状の2次表面は、連続的なものとすることもできるし、途切れた箇所を有することもできる。
【0038】
そのような実施形態のうちの幾つかでは、外側表面は、対応する2次表面部分から受光された光を受光し、光を更に方向変換する2次表面部分のそれぞれに対応する外側階段状不連続部を備える。
【0039】
2次表面部分のうちの少なくとも1つは、反射階段状不連続部を形成する複数の横断反射領域を備える。
【0040】
幾つかの特定の実施形態では、外側表面は、対応する数の別個の外側階段状不連続部を形成する横断外側領域の少なくとも2つのセットを備える。そのような別個の外側階段状不連続部のうちの少なくとも1つは、対応する2次表面の対応する領域によって反射又は別の方法で方向変換された光を受光する他のものの外方にある。
【0041】
そのような実施形態のうちの幾つかでは、別個の外側階段状不連続部のうちの少なくとも2つは、2次表面部分のそれぞれにわたって光学的に整列されている。
【0042】
横断外側領域によって形成された外側階段状不連続部のセットは、実質的に平坦な表面とすることができ、直線又は曲線とすることもできるし、断面が平坦又は凸状/凹状とすることもできる表面部分とすることもできる交差領域まで延在することもできる。交差領域のうちの幾つか又は全ては、互いに実質的に平行とすることができる。交差領域のうちの幾つか又は全ては、一般に、エミッタ軸に実質的に直交するか又は平行な面内に存在することができる。外側階段状不連続部の交差領域のそのような一般面は、レンズの左右対称面に直交するもの又は平行なものとすることができる。
【0043】
外側階段状不連続部のセットのうちの最も外方のものは、軸方向に平行な面において、外側階段状不連続部の最も外方のセットよりもエミッタ軸に近い外側階段状不連続部の他のセット(複数の場合もある)の横断外側領域の断面寸法よりも小さな断面寸法を有する横断外側領域によって形成することができる。幾つかの実施形態では、外側階段状不連続部の最も外方のセット(複数の場合もある)は、より多くの数の横断外側領域によって形成することができる。
【0044】
本発明の別の態様では、本発明によるレンズ(複数の場合もある)は、LED照明器具によって支持されたLED装置のLED光源に光学的に結合される。幾つかの特定の例では、LED照明器具は、LED装置を支持する実装表面を有するヒートシンク構造体を有する。LED装置は、間隔を空けて配置された複数のLED光源と、これらの光源のうちの対応する1つとそれぞれ光学的に結合された複数のレンズとを備えることができる。
【図面の簡単な説明】
【0045】
図1】本発明のレンズの1つの実施形態の光出力側からの拡大不透明斜視図である。
図2図1のレンズの光入力側からの拡大不透明斜視図である。
図3図1のレンズの拡大不透明光出力平面図である。
図4図1のレンズの拡大不透明光入力平面図である。
図5】レンズの左右対称面に沿った図1のレンズの光入力側からの拡大不透明斜視断面図である。
図6】レンズの左右対称面に沿った図1のレンズの概ね光出力側からの拡大不透明斜視断面図である。
図7】レンズの左右対称面に示される図1のレンズの拡大不透明断面図である。
図8図1のレンズの両側面の拡大不透明図である。
図9図1のレンズの両側面の拡大不透明図である。
図10図1のレンズの拡大不透明前面(優先側)図である。
図11図1のレンズの拡大不透明背面(非優先側5)図である。
図12】主としてレンズの左右対称面において図1のレンズを用いて達成される配光を示すレイファン(ray-fan)シミュレーションによる拡大簡略図である。
図13】レンズの左右対称面に直交する面において図1のレンズを用いて達成される配光を示すレイファンシミュレーションによる拡大簡略図である。
図14図1のレンズを用いて達成されるシミュレーションされた照度の例示的な図である。
図15図1のレンズを用いて達成されるシミュレーションされた照度の例示的な図である。
図16図1のレンズを用いて達成されるシミュレーションされた照度の例示的な図である。
図17図1のレンズを用いて達成されるシミュレーションされた輝度分布の例示的な図である。
図18図1のレンズを用いて達成されるシミュレーションされたカンデラプロットの例示的な図であり、グラフ1は、エミッタ軸を有する面又はエミッタ軸に実質的に平行な面等の垂直面を示し、グラフ2は水平円錐を示す。
図19図1のレンズを利用する発光体を有する例示的な作業面上で達成されるシミュレーションされた配光パターンの例示的な図である。
図20図1のレンズを用いて達成される色の均一性を示すシミュレーションされた色度の例示的な図である。
図21図7における図の反対側から示された図1のレンズの別の拡大不透明断面図である。
図22図1のレンズの厚さ分析を示す光出力側の斜視図である。
図23図1に示すレンズの照光されたレンダリングのシミュレーション又は照明された近視野外観を示す図であり、レンズがより大きなエリアにわたって光を拡散して近視野グレアの低減をもたらすこと示すために、レンズを直接見たときに照光されて見える又は明るく見えるエリアを表す。
図24】本発明のレンズの表面の階段状不連続部を利用しない従来のレンズの拡大不透明断面側面図である。
図25図23との比較のための図24のレンズの厚さ分析を示す光出力側の斜視図であり、最も明るいエリアは4mmを越える局所的な厚さを表す。
図26図24及び図25に示すレンズの照光されたレンダリングのシミュレーション又は照明された近視野外観を示す図であり、図23に示す本発明のレンズとの比較を示すために、レンズを直接見たときに照光されて見える又は明るく見えるエリアを表す。
図27】主としてレンズの左右対称面において図24図26のレンズを用いて達成される配光を示すレイファンシミュレーションによる拡大簡略図である。
図28】レンズの左右対称面に直交する面において図24図27のレンズを用いて達成される配光を示すレイファンシミュレーションによる拡大簡略図である。
図29図25のレンズの光出力側からの拡大透明斜視図である。
図30図29のレンズの拡大透明平面図である。
図31図29のレンズの光出力側からの拡大不透明斜視図である。
図32図29のレンズの光入力側からの拡大不透明斜視図である。
図33図24における図の反対側から示された、図25図32のレンズの別の拡大不透明断面図である。
図34図24図33のレンズの拡大透明側面図である。
図35図31のレンズを用いて達成されるシミュレーションされた照度の例示的な図である。
図36図31のレンズを用いて達成されるシミュレーションされた照度の例示的な図である。
図37図31のレンズを用いて達成されるシミュレーションされた照度の例示的な図である。
図38図31のレンズを用いて達成されるシミュレーションされた輝度分布の例示的な図である。
図39図31のレンズを用いて達成されるシミュレーションされたカンデラプロットの例示的な図であり、グラフ1は、エミッタ軸を含むか又はエミッタ軸に実質的に平行な面等の垂直面を示し、グラフ2は水平円錐を示す。
図40図31のレンズを利用した発光体を用いて例示的な作業面上に達成されるシミュレーションされた配光パターンの例示的な図である。
図41図31のレンズを用いて達成される色の均一性を示すシミュレーションされた色度の例示的な図である。
図42】本発明のレンズの別の実施形態の光出力側からの拡大不透明斜視図である。
図43図42のレンズの光入力側からの拡大不透明斜視図である。
図44図42のレンズの光出力側からの拡大透明斜視図である。
図45】主としてレンズの左右対称面において図42のレンズを用いて達成される配光を示すレイファンシミュレーションによる拡大簡略図である。
図46図42のレンズを用いて達成されるシミュレーションされた照度の例示的な図である。
図47】本発明のレンズの別の実施形態の光出力側からの拡大不透明斜視図である。
図48図47のレンズの光入力側からの拡大不透明斜視図である。
図49図47のレンズの拡大不透明光出力平面図である。
図50図47のレンズの拡大不透明光入力平面図である。
図51】レンズの左右対称面に沿った図47のレンズの光入力側からの拡大不透明斜視断面図である。
図52】レンズの左右対称面に示される図47のレンズの拡大不透明断面図である。
図53図47のレンズの両側面の拡大不透明図である。
図54図47のレンズの両側面の拡大不透明図である。
図55図47のレンズの拡大不透明前面(優先側)図である。
図56図47のレンズの拡大不透明背面(非優先側5)図である。
図57図47のレンズの入力表面及び出力表面の幾つかの特性を有するレンズを用いて、主としてレンズの左右対称面において達成される配光を示すレイファンシミュレーションによる拡大簡略図である。
図58図57のレンズを用いてレンズの左右対称面に直交する面において達成される配光を示すレイファンシミュレーションによる拡大簡略図である。
図59図47のレンズを用いて達成されるシミュレーションされた照度の例示的な図である。
図60図47のレンズを用いて達成されるシミュレーションされた照度の例示的な図である。
図61図47のレンズを用いて達成されるシミュレーションされた照度の例示的な図である。
図62図47のレンズを用いて達成されるシミュレーションされた輝度分布の例示的な図である。
図63図47のレンズを用いて達成されるシミュレーションされたカンデラプロットの例示的な図であり、グラフ1は、エミッタ軸を含むか又はエミッタ軸に実質的に平行な面等の垂直面を示し、グラフ2は水平円錐を示す。
図64図47のレンズを利用した発光体を用いて例示的な作業面上に達成されるシミュレーションされた配光パターンの例示的な図である。
図65図47のレンズを用いて達成される色の均一性を示すシミュレーションされた色度の例示的な図である。
図66】本発明のレンズの更に別の実施形態の光出力側からの拡大不透明斜視図である。
図67図66のレンズの光入力側からの拡大不透明斜視図である。
図68図66のレンズの拡大不透明光出力平面図である。
図69図66のレンズの拡大不透明光入力平面図である。
図70】レンズの左右対称面に沿った図66のレンズの光入力側からの拡大不透明斜視断面図である。
図71】レンズの左右対称面に沿った図66のレンズの光出力側からの拡大不透明斜視断面図である。
図72】レンズの左右対称面に示される図66のレンズの拡大不透明断面図である。
図73図66のレンズの左右対称面に沿った両側面の拡大不透明図である。
図74図66のレンズの左右対称面に沿った両側面の拡大不透明図である。
図75図66のレンズの左右対称面に実質的に直交する両側面の拡大不透明図である。
図76図66のレンズの左右対称面に実質的に直交する両側面の拡大不透明図である。
図77図66のレンズと類似し、実質的に平坦な横断内側領域を有するレンズの1つの例を用いて達成される配光を示すレイファンシミュレーションによる拡大簡略図である。
図78図77のレンズを用いて左右対称面に直交する面において達成される配光を示すレイファンシミュレーションによる拡大簡略図である。
図79図77及び図78に示すレンズの内側表面構成のタイプを有するレンズを用いて達成されるシミュレーションされた照度の例示的な図である。
図80図77及び図78のレンズを用いて達成される色の均一性を示すシミュレーションされた色度の例示的な図である。
図81】レンズの左右対称面に実質的に直交する面に示される、図77及び図78のレンズの拡大不透明断面図である。
図82】レンズの左右対称面に実質的に直交して示される、図66のレンズの拡大不透明断面図である。
図83】実質的に凹状の断面を有する軸方向に隣接する横断内側領域を示す、図82の不透明断面図の拡大軸方向隣接断片図である。
図84】レンズの左右対称面に実質的に平行な面において図66のレンズを用いて達成される配光を示すレイファンシミュレーションによる拡大簡略図である。
図85】左右対称面に直交する面において図66及び図82のレンズを用いて達成される配光を示すレイファンシミュレーションによる拡大簡略図である。
図86】外側表面の主要(major:メジャー)外側階段状不連続部における光出力を示す、左右対称面に実質的に直交する面において図66及び図82のレンズを用いて達成される配光を示すレイファンシミュレーションによる拡大簡略図である。
図87】外側表面の主要外側階段状不連続部における光出力を示す、左右対称面に実質的に平行な面において図66及び図82のレンズを用いて達成される配光を示すレイファンシミュレーションによる拡大簡略図である。
図88】外側表面の主要外側階段状不連続部の外方の非主要(minor:マイナー)外側階段状不連続部における光出力を示す、左右対称面に実質的に直交する面において図66及び図82のレンズを用いて達成される配光を示すレイファンシミュレーションによる拡大簡略図である。
図89】外側表面の主要外側階段状不連続部の外方の非主要外側階段状不連続部における光出力を示す、左右対称面に実質的に平行な面において図66及び図82のレンズを用いて達成される配光を示すレイファンシミュレーションによる拡大簡略図である。
図90】外側表面30Dの平滑な外側領域35Dにおける光出力を示す、左右対称面に実質的に平行な面において図66及び図82のレンズを用いて達成される配光を示すレイファンシミュレーションによる拡大簡略図である。
図91】外側表面30Dの平滑な外側領域35Dにおける光出力を示す、左右対称面に実質的に直交する面において図66及び図82のレンズを用いて達成される配光を示すレイファンシミュレーションによる拡大簡略図である。
図92図66及び図82のレンズを用いて達成されるシミュレーションされた照度の例示的な図である。
図93図66及び図82のレンズを用いて達成されるシミュレーションされた照度の例示的な図である。
図94図66及び図82のレンズを用いて達成されるシミュレーションされた照度の例示的な図である。
図95図66及び図82のレンズを用いて達成されるシミュレーションされた輝度分布の例示的な図である。
図96図66及び図82のレンズを用いて達成されるシミュレーションされたカンデラプロットの例示的な図であり、グラフ1は、エミッタ軸を含むか又はエミッタ軸に実質的に平行な面等の垂直面を示し、グラフ2は水平円錐を示す。
図97図66及び図82のレンズを利用した発光体を用いて例示的な作業面上に達成されるシミュレーションされた配光パターンの例示的な図である。
図98図66及び図82のレンズを用いて達成される色の均一性を示すシミュレーションされた色度の例示的な図である。
図99】本発明によるレンズの別の例示的な実施形態を用いて、そのようなレンズの左右対称面に実質的に平行な面において達成される配光を示すレイファンシミュレーションによる拡大簡略図である。
図100図99のレンズを用いて達成されるシミュレーションされた照度の例示的な図である。
図101図99のレンズを用いて達成される色の均一性を示すシミュレーションされた色度の例示的な図である。
図102】それぞれが図1に示すタイプの複数のレンズを有するLEDアレイモジュールの対を利用する照明器具の一例の光出力側からの斜視図である。
図103】LED装置を示す図102の一断片をより大きな縮尺で示す図である。
図104図103のLED装置の断片部分をより大きな縮尺で示す図である。
図105】回路ボード上に支持されたLED光源のうちの対応する1つとそれぞれ光学的に結合された複数の本発明のレンズを示す断片的な斜視図である。
図106】例示的なLEDアレイモジュールの光出力側からの斜視図である。
図107図106に示すタイプのLEDアレイモジュールを利用する照明器具の一例の光出力側からの平面図である。
図108図107の照明器具の光出力側からの断片的な斜視図である。
図109】鋭い交差領域を有する階段状表面不連続部を大幅に拡大した例を示す図である。
図110】凹面(「フィレット(fillet)」)交差領域及び凸面(「ラウンディング(rounding)」)交差領域を有する階段状表面不連続部を大幅に拡大した例を示す図である。
図111図110の断片をより大きく拡大した図である。
図112】サブマウント上に8個のLEDからなるアレイと、LEDアレイ上にオーバーモールドされた非対称1次レンズとを備えるLEDパッケージの1つの例の拡大斜視図である。
図113】サブマウント上に48個のLEDからなるアレイと、LEDアレイ上にオーバーモールドされた非対称1次レンズとを備えるLEDパッケージの別の例の拡大斜視図である。
図114】LED上にオーバーモールドされた半球1次レンズを有するサブマウント上に単一のLEDを有するLEDパッケージの更に別の例の拡大斜視図である。
図115図114のLEDパッケージの拡大側面図である。
図116図114のLEDパッケージの拡大上面図である。
図117】サブマウント上に4つのLEDからなるアレイと、1次レンズの軸がLEDアレイの軸からオフセットされるようにLEDアレイ上にオーバーモールドされた半球1次レンズとを備える別の例示的なLEDパッケージの拡大上面図である。
【発明を実施するための形態】
【0046】
図1図23及び図42図97は、本発明によるレンズ10の実施形態を示している。レンズ10は、エミッタ軸14を有するとともにエミッタ面15を画定する光エミッタ12からの光の改善された配光効率を有する。図1図23及び図42図65に示す実施形態では、レンズ10A、10B、10C及び10Dは、放出器12からの光の大部分を優先側方向4に方向付ける。この光の大部分には、従来、そのような光が喪失されていた角度で放出される光が含まれる。
【0047】
レンズ10は、内側表面20及び外側表面30を備える。内側表面20は、エミッタ軸14の周囲に内部キャビティ21を画定するエミッタ面15から延在する。内側表面20は、放出器12から受光された光を方向変換する内側階段状不連続部23を形成する複数の横断内側領域22を有する。
【0048】
外側表面30は、方向変換された放出器光を受光し、受光された光を方向変換する外側階段状不連続部33を形成する複数の横断外側領域32を有する。図示した実施形態では、レンズ10は、内側表面20からオフセットされた2次表面40を有する。図12図45図73図80図83及び図85に最も良く見られるように、2次表面40は、内側表面20から受光された光の全内部反射(TIR)を行うように構成されている。
【0049】
レンズ10の図示した実施形態のうちの幾つかでは、2次表面40は、内部キャビティ21からオフセットされた2次キャビティ41の境界を少なくとも部分的に定める。図5図7は、2次キャビティ41Aが、光エミッタ12に対してレンズ10Aを固定する、外側に延在するフランジ46を有する後部壁450の裏面45によって更に境界を定められていることを示している。
【0050】
図47図58に示すレンズ10Cにおいて、2次表面40Cは、反射階段状不連続部43を形成する複数の横断反射領域42を有する。そのようなTIR特徴部の主な目的は、光源12からの高角度の光をより垂直な方向(例えば、光学軸14又は光源の表面法線に平行な方向により近い方向)に方向変換することである。この「上向き」の光は、TIR反射器の上方の外側階段状不連続部33等の隣接する表面にファセット(facet)を追加することによって、若しくは、TIR表面自体(反射階段状不連続部43)にファセットを追加することによって、又は、それらの任意の組み合わせによって、横方向(例えば、道路に平行な方向)に方向変換又は拡散することができる。
【0051】
本明細書において用いられるような「ファセット(faceted)」面、「階段状(step-like)」表面又は「フレネル状(Fresnel-like)」表面は、隣接する平坦面部分の平面又は湾曲面部分の曲面と交差するそれぞれ平面又は曲面に沿って延在する複数の平坦面部分又は湾曲面部分によってそれぞれ形成された表面領域を指す。隣接する平面又は曲面のうちの幾つかは、一様でない傾斜部と交差する。このセクションにおいて更に説明するように、幾つかの特定の実施形態は、隣接する平坦面部分又は曲面部分の間に湾曲結合領域を備える。そのような湾曲結合領域は、隣接する表面部分の間の交差部を平滑にする機能を果たす。
【0052】
図48及び図50は、内部キャビティ21Cの後方境界を定めるとともに、放出器隣接表面27Cから横断内側領域222Cに向けてエミッタ面15から遠ざかって延在する第3の階段状不連続部233Cを有するレンズ10Cを示している。
【0053】
図3図4図42図49図50図68及び図69は、内側階段状不連続部23、外側階段状不連続部33及び反射階段状不連続部43において、隣接する横断領域対が、隣接する交差領域24、34、44と実質的に平行である対応する内部交差領域24、外部交差領域34及び反射交差領域44に延在していることを示している。
【0054】
図示したレンズの実施形態10Cでは、横断反射領域42Cは、図51及び図52に最も良く見られる凸状/凹状断面を有する。図48図50及び図51は、隣接する横断反射領域42Cが、曲線である交差領域44Cに延在していることを示している。隣接する交差領域44Cは、図51及び図52にも見られるように、互いに実質的に平行に示され、エミッタ面15及びエミッタ軸14から遠ざかる方向に延在する。図50は、横断反射領域42Cの長手方向が、レンズ10Cの左右対称の面16に平行であることを更に示している。
【0055】
図示したレンズの実施形態10A及び10Dでは、外側階段状不連続部33A、33Dのそれぞれは、2次表面40A、40Dによって反射された光が外側階段状不連続部33A、33Dによって受光され、更に方向変換されるように、対応する2次表面40A、40Dにわたって光学的に整列されている。
【0056】
図3及び図4図49及び図50、並びに図68及び図69は、湾曲領域としての内側階段状不連続部23の交差領域24がそれぞれ、互いに隣接する横断内側領域22の対を接合していることを示している。図2図4及び図5並びに図48図50及び図51は、エミッタ軸14とレンズ10A、10Cの左右対称の面16とに実質的に直交するとともにエミッタ面15に対して実質的に平行な面においてエミッタ軸14の回りに湾曲した交差領域24A、24Cを示している。図2図4並びに図48及び図50は、エミッタ軸14の回りに部分的に、長手方向に弧を描く横断内側領域223A、223Cを示している。
【0057】
図67図68及び図70図72は、エミッタ面15に対して実質的に横向きであるとともにレンズ10の左右対称の面16に対して実質的に平行な平面において湾曲した交差領域24Dを示している。
【0058】
内側階段状不連続部等のファセット面の追加によって、明度及び/又は色の可視ライン又は縞等の非均一性をもたらし得る鋭角が導入される場合があり、その結果得られた照度パターンは、図79及び図80に示されている。これらの非均一性は、図24図37に一例が示されている従来のレンズにおけるより平滑に変化するアナログ表面と比較することができる。
【0059】
そのような非均一性を低減するために、ファセット面に僅かな曲率を加えて、光を拡散することができる。図82及び図83は、エミッタ軸14に近接した実質的に凹状の横断内側領域224Dを示している
【0060】
輝度又は色のアーティファクトを「平滑除去(smoothing out)」する他の手法は、僅かな波形を様々な表面に追加すること、又は、僅かな粗度を追加することを含むことができる。加えて、光源の両側エッジから表面に入射する光の影響を低減するとともに、視覚アーティファクトを低減するには、LED構成要素等の光エミッタ12の真上にある横断領域のサイズを削減し、幾何形状を変更することが役立つ。
【0061】
図77図85は、ファセットに対して僅かな曲率と、丸みのあるファセットコーナーと、光エミッタ12の真上にあるファセットの縮小サイズとを有する、改善された照度及び色の均一性を提供するファセット(図82及び図83)を有するレンズ10D’及びレンズ10Dにおける横断領域(図81)の間の直線状の鋭い交差の一例の比較を示している。
【0062】
交差領域24、34、44は、凹状結合領域71又は凸状結合領域72とすることができる。付加的又は代替的に、交差領域24、34、44は、長手方向に直線的なものとすることもできるし、曲面に沿って延びることもできる。
【0063】
凹状結合領域71等の断面曲率を追加するものは、「フィレット」と呼ばれる場合がある。凸状結合領域72は、鋭いファセットエッジの「ラウンディング」と記載される場合がある。図109図111に見られるような鋭いファセットエッジの「フィレット」及び「ラウンディング」は、遠視野照度アーティファクトの削減を容易にすることができる。加えて、鋭いエッジのそのようなフィレット及びラウンディングは、機械加工上の制約及び応力集中特徴部を最小にしたいという要望から、射出成形等の標準的な製造プロセスを容易にする。そのようなフィレットの半径を、製造に必要とされるものを越えて意図的に増加させることによって、照度パターンの更なる「平滑化」を可能にすることができる。
【0064】
図12図13図78及び図85は、エミッタ12から受光された光を屈折させる横断内側領域22を示している。
【0065】
図48及び図50図52は、内側階段状不連続部23Cに隣接する平滑な内側領域25Cを有する内側表面20Cを示している。
【0066】
図2図4図7及び図48及び図50図52は、対応する数の別個の内側階段状不連続部のセット231A、232A及び231C、232Cをそれぞれ形成する2つの横断内側領域のセット221A、222A及び221C、222Cを有する内側表面20A、20Cを有するレンズの実施形態10A及び10Cを示している。
【0067】
図78及び図85は、隣接する横断外側領域の対32Dを示している。この対の一方の横断外側領域321Dは、受光された光を屈折させ、この対の他方の横断外側領域322Dは、TIRを通って受光された光を反射する。
【0068】
図1図3図5図9図47図49図51図54図66図68及び図70図74は、平滑な外側領域35A、35C、35Dを備える外側表面30A、30C、30Dを示している。図12は、レンズ10Aにおいて、内側階段状不連続部23Aの別個のセット231Aが平滑な外側領域35Aに向けてエミッタ光を方向変換することを示している。
【0069】
入力結合ファセット(横断内側領域22)を出力自由曲面(平滑な外側領域35)と組み合わせて用いることによって、光の方向を所望の照度パターンにすることが容易になる。図90及び図91は、光を拡散する入力ファセット及び出力自由曲面の組み合わせ効果を示すシミュレーションされたレイファンを示している。入力ファセット(横断内側領域22D)及び出力自由曲面(平滑な外側領域35D)の双方は、主として屈折を利用して光を所望のパターンに方向変換する。代替的に又は付加的に、入力ファセットのうちの幾つか又は全てが、TIRを利用して光を方向変換してもよい。自由曲面(平滑な外側領域35)は、所望の出力照度プロファイルに応じて、楕円形、円柱形等の幾何学的表面も有することができる。
【0070】
図67図69図70図74及び図77は、実質的に互いに対向する分離した表面であるとともに、それぞれ内側表面20Dから外方にオフセットされた2つの2次表面部分40Dを備えるレンズ10Dを示している。図77は、2次表面部分40Dが、内側表面20Dから受光された光の全内部反射(TIR)を行うように構成されていることを最も良く示している。
【0071】
対向するTIR反射器(2次表面40)を用いることは、タイプII道路光学機器の場合のように、狭い配光の達成に有益である。この特徴部は、対向するTIR反射器40Dが光を所望の狭い帯域に効果的に制限する機能を果たし、光がほとんど「オーバーフロー」も損失もしないという点で、単一のTIR反射器(2次表面40)を自由曲面(平滑な外側領域35)と組み合わせて利用するこの用途の通常の光学機器を上回る別の利点を有する。レンズ10D(図66図74に示す)におけるこの特徴部の一例は、レンズ10A(図1図9に示す)の片面TIR特徴部40Aと比較することができる。本発明のこの特徴部の幾つかの実施形態は、三角形、正方形、長方形、六角形又は他の配置に配置された3つ以上のTIR反射器を有することができる。そのような配置は、道路縁石等の特定の境界を越えた光の「オーバーフロー」の制限又は高角度の光に起因したグレアの低減が重要である場合の対称分布又は非対称分布を生成するのに有用である。それに応じて、円形、楕円形、半円形、半楕円形、放物線状等のプロファイルに長くなった単一のTIR表面は、より丸みのある照度分布を生成するのに望ましい場合がある。幾つかの特定の例示的な実施形態は、矩形パターンに配置された4つの直線状又は曲線状のTIR表面(コーナーにおいて接続されたもの又はコーナーにおいて別個のもの)、又は、円形のTIRリングを用いて、道路又はエリアの照明用のタイプV対称照度分布を生成することができる。
【0072】
図66図74は、図77図84図87及び図89に示すような対応する2次表面部分から光を受光し、受光された光を更に方向変換する、2次表面部分40Dのそれぞれに対応する外側階段状不連続部33Dを備える外側表面30Dを示している。
【0073】
図66図68及び図71図74は、対応する数の別個の外側階段状不連続部331及び332を形成する横断外側領域の2つのセット323及び324を有する外側表面30Dを示している。外側階段状不連続部331は、外側階段状不連続部332の外方にある。外側階段状不連続部331及び332のそれぞれは、図77図84図87及び図89に示すように、対応する2次表面40Dの対応する領域によって反射又は別の方法で方向変換された光を受光するために2次表面部分40Dのそれぞれにわたって光学的に整列されている。
【0074】
図84図89は、本発明が、縁石に平行な道路に沿って横方向に光を広げる働きをする2次表面40Dによって形成されたTIR反射器の真上に位置決めされたファセットのセット323及び324をどのように利用するのかを示している。この構成では、TIR反射器は、図86図89に示すように、ファセットに向けて「上向き」に光を方向変換する。各ファセットは、道路に沿って横方向に光を拡散するために異なる角度に傾斜された2つの側部(横断外側領域32Dとも呼ばれる)を有する。
【0075】
従来のフレネルファセットでは、ファセットの一方の側部は、通常、光と強く相互作用しないように意図されている(通常は、意図していない方向における光損失を最小にするように入射光線に対してほぼ平行に向けられる)。「アンダーカット」を回避する必要がある等の製造限界に起因して、この「不可視」のファセットは、一般に、幾つかの光線と相互作用し、性能に対して負の影響を有する。
【0076】
図66図71図85図86及び図88にも示されている説明した本発明のファセットの向きを有する本発明のレンズでは、各ファセットの両側部(横断外側領域32D)が、光を道路上に方向変換し、このため、損失を最小限にすることに光学的に有効であり得る。図66図68図71及び図86図89に更に示すような、エミッタ軸14に対して異なる位置にあるファセットの2つの分離したセットを用いることによって、TIR反射器40Dの上方のレンズ10Dの局所的な最大厚さが、上述したようなシングルショット成形に望ましい厚さを越えないことを確保することができる。
【0077】
個々のファセット(横断領域32D)は、照度の均一性及び色混合を改善する直線プロファイル又は湾曲プロファイルを有することができる。付加的又は代替的に、これらのファセットは、線形、すなわち「直線状」の突出要素である横断外側領域323を備えることもできるし、突出部の経路が(図70図72に見られる入力ファセットである横断内側領域22Dの場合のように)湾曲しているか又はセグメント化されて(例えば、各セグメントは異なる角度経路を有する)追加の配光制御若しくは光混合を提供する「後方に傾いた(swept)」要素を備えることもできる。
【0078】
図86図89は、TIR反射器(2次表面40D)の上方に位置決めされ、尾根部(交差領域34D)が道路の「縁石」に対して垂直になるように向けられた主要ファセット(階段状不連続部331)及び非主要ファセット(最も外方の外側階段状不連続部332)のセットによって最小限の損失を有する拡散する横方向の光を示すシミュレーションされた光線経路を示している。
【0079】
図66図68図71図86及び図88は、互いに平行な直線状交差領域34Dまで延在し、レンズ10Dの左右対称面16に実質的に平行な面に延在する実質的に平坦な表面としての外側階段状不連続部33Dのセット331及び332を示している。
【0080】
図66及び図68に最も良く見られるように、外側階段状不連続部331Dの最も外方のセット331は、面16に直交する軸方向に平行な面において、外側階段状不連続部331Dの最も外方のセット331よりもエミッタ軸12に近い外側階段状不連続部332Dのセット324の横断外側領域323の断面寸法よりも小さい断面寸法を有する横断外側領域323によって形成されていることが示されている。外側階段状不連続部331Dの最も外方のセット331は、より多くの数の横断外側領域324によって形成されていることも示されている。
【0081】
要約すれば、本発明は、ファセットフレネル状表面と、全内部反射(TIR)を行うように構成された表面と、平滑な表面(例えば、放物面、楕円面、自由曲面等)との「ハイブリッド」な組み合わせを利用して、街灯照明に必要とされる照度分布等の複合的な照度分布を生み出す。
【0082】
レンズ表面に関して本明細書において用いられる用語「平滑」は、ファセット、不連続部及び知覚できる突出部、突起又は窪みがない平らで整然とした表面又は一貫性を有することを意味する。平滑な表面は、例えば、放物面、楕円面、円柱面、自由曲面等とすることができる。
【0083】
本発明の潜在的な利点には、空間制約を有する用途向けの低プロファイルのよりコンパクトなレンズ幾何形状が含まれる。
【0084】
図42図45は、本発明のレンズの幾つかの態様におけるフレネル状表面と、図24図28に示すレンズ10Pの従来の幾何学的表面(放物面等)とを比較して見ることができるレンズ10Bを示している。レンズ10Bは、より少ない容積を占有するより多くの2次元構造体に「コラプス」されている。図27図28及び図45は、従来の幾何学的レンズ10P及びより薄い低プロファイルの「コラプス」されたハイブリッドレンズ10Bを用いて達成される同様の配光を示すレイファンシミュレーションによる簡略図を提示している。
【0085】
本発明の別の利点は、製造が単純化され、製造コストが削減されることである。フレネル状表面を組み込むことによって、レンズの局所的な最大厚さが4mm未満、好ましくは3mm未満のレンズを可能にすることができる。これによって、スランピング及び収縮を受け、このため、表面忠実度及び公差を維持しながら構造物を最終的な所望の寸法に作り上げるのに複数の成形ステップ又「ショット」を必要とするより厚い領域を有するレンズと比較して、単純化されたより低コストの「シングルショット」成形プロセスが可能になる。これは、全体的なレンズ寸法が、通常は光源のサイズとともに拡大縮小するので、より大きなLED構成要素(約3mm超)が用いられる場合に特に有益である。
【0086】
図21図22図24及び図25は、従来の幾何学的な街灯レンズ10P(図24図37に図示)と本発明を組み込んだ本発明のレンズ10Aとの間の比較を示している。関連する厚さ分析は、図22及び図25に示され、最も明るい領域は、厚さが最も大きい。図25における白色領域は、局所的な厚さが4mmを越えていることを表している。
【0087】
本発明の別の利点は、光学性能が改善されることである。追加の単純化された制御表面を組み込む(例えば、放物面を「コラプス」して一連の直線的なファセットにする、すなわち、横断領域が階段状不連続部を形成する)ことは、連続的な個別の各レンズ表面の最適化を可能にすることによってレンズ設計プロセスの単純化を容易にする。これによって、より良好な光学効率と、最終用途において改善された性能をもたらす照度分布に対するより多くの制御とを有する改善されたレンズ設計が得られる。
【0088】
本発明の更に別の利点は、色の均一性が改善されることである。多くのLED光源/構成要素は、全ての角度にわたって均一の発色を有しない。例えば、多くのLED構成要素は、高角度において「黄色」に大きく偏った光を放出する。これは、望ましくないカラーアーティファクト(例えば、道路等の照明された表面上に見える黄ばんだ筋又は縞)を引き起こす可能性がある。ファセット面を平滑な表面と組み合わせることによって、様々な角度で放出される光(対応する色変動を有する)の制御及び混合の改善が容易になる。
【0089】
本発明の更に別の利点は、近視野グレアが低減されることである。階段状不連続部のファセットフレネル状表面は、LED構成要素等の小さな光源から放出された光を「拡散する」効果を促進し、その光がより大きなエリアから到来しているように見せ、近視野グレアの低減をもたらす。
【0090】
図23及び図26は、従来のレンズ10P及び本開示において前述した本発明のハイブリッドレンズ10Aの「照光(lit)」又は照明された近視野外観を比較する、本発明のレンズ10A(図23に図示)及び従来のレンズ10P(図26に図示)のシミュレーションされたレンダリングを示している。より明るい領域は、レンズを直接見たときに照光されて又は明るく見えるエリアを表している。本発明のハイブリッドレンズ10Aは、より大きなエリアにわたって光を拡散し、近視野グレアの低減をもたらす。
【0091】
本発明の幾つかの特定の場合には、ファセット面は、例えば、特定の方向に光を方向付けること、照度の均一性を改善すること、又はLED光源によって異なる角度で放出された光線を混合して、幾つかの光源の固有の色及び角度の非均一性に起因したカラーアーティファクトを低減することを意図した、既存の平滑な表面への1つ以上のファセットの独自の追加とすることができる。各個々のファセット(本明細書において複数の横断領域のうちの1つの表面とも呼ばれる)は、主としてTIR又は屈折を用いて光を方向変換するように機能することができる。幾つかの場合には、ファセットは、到来する光線の入射角に応じて、TIR及び屈折の双方を意図的に利用するように設計することができる。
【0092】
図77は、レンズ10Dの左右対称面16に実質的に直交して平滑な外側領域35Dに延在する2つの横断外側領域325によって形成された外側表面30Dの単一のファセットを追加したものの一例を示している。図77は、2つのTIR表面40Dのうちの一方が、対向するTIR表面40よりもエミッタ軸の近くに配置されるように、レンズ10Dの光学結合が行われていることも示している。単一のファセット325は、エミッタ軸14から遠い側にあるTIR表面40に近接している。
【0093】
図102図108は、LED照明器具100A及び100Bの例を示している。これらの照明器具のそれぞれは、LED装置120を支持する実装表面111を有するヒートシンク構造体110を有する。図105及び図106は、回路ボード11上に支持されたLED光源12にそれぞれ光学的に結合された複数のレンズ10を有するLEDアレイモジュール121を有する例示的なLED装置120を最も良く示している。図示した実施形態では、LED装置120は、回路ボード11及び対応する光エミッタ12に対して本発明によるレンズ10を固定するフレーム部材17も有する。
【0094】
図102図104は、ヒートシンク110A上に支持された2つのLEDアレイモジュール121Aを利用する例示的な照明器具100Aを示している。図107及び図108は、ヒートシンク110A上に支持された1つのLEDアレイモジュール121Bを利用する例示的な照明器具100Bを示している。密閉室131を形成するハウジング部分130から延在するヒートシンク110が示されている。器具100は、空気又は水が器具を通流してヒートシンク110の放熱領域の対流冷却を行うことを可能にする通気開口部140を有することが示されている。このヒートシンクは、LED装置120の動作中に回路ボード11から熱を受ける実装表面111から熱を伝導除去するものである。
【0095】
図112図117は、少なくとも1つのLED220上に1次レンズ240を有するLEDパッケージ230の形態の光エミッタを示している。そのような実施形態では、本発明のレンズは、1次レンズ240上に配置された2次レンズである。光エミッタは、サブマウント260上に単一のLED220と、LED220にわたるサブマウント260上に同軸にオーバーモールドされた半球1次レンズ240Dとを有するLEDパッケージ230Dを示す図114図116に示すタイプのものとすることができる。
【0096】
図112及び図113は、1よりも大きなアスペクト比を有するLED装着エリア250上にLED220のアレイと、LED装着エリア250にわたるサブマウント260上にオーバーモールドされた1次レンズ240とをそれぞれ備える例示的なLEDパッケージ230A及び230Bを示している。図113では、アレイが、自然白色光を実現するために薄緑色又は他の色の光とともに赤色LED等を含めて、異なる色の異なる波長の光を放出するLED220を備えることができることが見て取れる。LEDパッケージ230A及び230Bのようなタイプの光エミッタは、2012年4月6日に出願された米国特許出願第13/441,558号及び2012年4月6日に出願された米国特許出願第13/441,620号に詳細に記載されている。いずれの出願の内容もその全体が、引用することによって本明細書の一部をなす。
【0097】
図112図113及び図117は、前方方向(すなわち、優先側Pに向かう方向)にLED放出光を屈折させるように構成されたLED光エミッタのバージョンを示している。各LEDパッケージ230A、230B及び230Cでは、各LEDアレイがエミッタ軸を画定する。図112及び図113は、LED放出光を前方に屈折させるように構成された1次レンズ240Aを示している。図117は、エミッタ軸14からオフセットされた中心線240を有する半球1次レンズ240Cを示している。より高い効率を得るために、LEDエミッタは、エミッタ軸からオフセットされた中心線と、LED放出光を優先側Pに向けて屈折させる形状との双方を有する1次レンズを有することができることが理解されるであろう。図112及び図113では、1次レンズ240Aは非対称として示されている。
【0098】
本明細書において説明したレンズは、照明器具からのタイプII照明配光、タイプIII照明配光又はタイプV照明配光の提供を援助することができる。したがって、本発明によるレンズを備える照明器具は、様々な屋外照明用途に用いることができる。これらの用途には、歩道照明並びに道路照明及び駐車場照明が含まれるが、これらに限定されるものではない。本明細書において説明した本発明によるレンズを備える照明器具は、幾つかの屋内照明用途にも用いることができる。例えば、照明器具は、建物又は家屋の通路、玄関及び/又は隅等の狭い空間に照明を提供することができる。屋内用途は壁洗浄も含む。照明器具によって提供される非対称照明配光は、1つ以上の壁の表面を照明することができる。幾つかの実施形態では、例えば、照明器具によって照明される複数の壁が交差して、コーナーを形成する。他の実施形態では、玄関又は通路等において、複数の壁が互いに向かい合っている。幾つかの実施形態では、照明器具は、壁を照明するために、天井の表面又は凹所に取り付けられる。或いは、照明器具は、壁を照明するために、本明細書において説明した方法に従って床の上又は凹所に取り付けることもできる。
【0099】
本明細書において説明したように、本明細書において説明したレンズを備える照明器具によって、高角度又は横方向の照明配光を提供することができる。これらの照明配光は、性質上、非対称にすることもできるし、対称にすることもできる。幾つかの実施形態では、光学機器アセンブリを備える照明器具によって提供される照明配光は、天底に対して30度よりも大きな角度においてピーク輝度を有する。本明細書において説明した照明器具によって提供される照明配光のピーク輝度は、表IIから選択される1つ以上の値も有することができる。
【0100】
【表1】
【0101】
照明器具は、光学機器アセンブリに加えて又はこれらに代えて、光方向変換光学機器も備えることができる。照明器具は、例えば、図に示されたものを含めて、フレネルアーキテクチャの全内部反射ファセットと屈折表面とを備える光方向変換光学機器を備えることができる。光方向変換光学機器も、本明細書において説明したレンズと類似の照明配光又は同じ照明配光を提供する任意の設計を有することができる。
【0102】
LED光源は、パッケージLEDチップ(複数の場合もある)又は非パッケージLEDチップ(複数の場合もある)を含むことができる。LED素子又はLEDモジュールは、同じ又は異なるタイプ及び/又は構成のLEDを用いることができる。LEDは、例えば、単色のものとすることもできるし、任意の所望の色を組み合わせたものとすることもできる。LEDは、単一又は複数の燐光体変換白色LED及び/又はカラーLED、及び/又は、例えば、少なくとも1つの燐光体被覆LEDチップを、単独で若しくは緑色LED、黄色LED、赤色LED等の少なくとも1つのカラーLEDチップと組み合わせて備える、単一の基板若しくはパッケージ上に個別に又はともに実装されたベアLEDチップ(複数の場合もある)を含むことができる。LEDモジュールは、燐光体変換白色LEDチップ若しくはカラーLEDチップ、及び/又は、プリント回路ボード上に直接実装された同じ又は異なる色のベアLEDチップ(例えば、チップオンボード)、及び/又は、メタルコアプリント回路ボード若しくはFR4ボード等のプリント回路ボード上に実装されたパッケージ燐光体変換白色LED若しくはカラーLEDを備えることができる。
【0103】
幾つかの実施形態では、LEDは、ヒートシンク又は別のタイプのボード若しくは基板に直接実装することができる。当業者によって理解されるように、実施形態に応じて、遠隔燐光体技術を用いたLED装置又は照明装置を用いることができ、遠隔燐光体技術の例は、米国特許第7,614,759号に記載されている。この米国特許は、本発明の譲受人に譲渡され、引用することによって本明細書の一部をなす。
【0104】
改善された演色を有する自然白色(soft white)照明が生成される場合、各LED素子若しくはモジュール又は複数のそのような素子若しくはモジュールは、米国特許第7,213,940号に記載されているように、1つ以上の青色シフト黄色(blue shifted yellow)LED及び1つ以上の赤色又は赤色/オレンジ色LEDを備えることができる。この米国特許は、本発明の譲受人に譲渡され、引用することによって本明細書の一部をなす。LEDは、所望に応じて、導波路本体の1つ以上のエッジに沿って、異なる構成及び/又はレイアウトに配置することができる。個別のパッケージにパッケージングされ、及び/又は、チップオンボード構成としてプリント回路ボードに直接実装された単一及び/又は複数のLEDチップの他のLEDの組み合わせを用いて、種々の色温度及び外観を生み出すことができる。
【0105】
1つの実施形態では、光源は、任意のLED、例えば、True White(商標)LED技術を組み込んだXP-Q LED、すなわち、Lowes他によって2012年10月10日に出願された「LED Package with Multiple Element Light Source and Encapsulant Having Planar Surfaces」という発明の名称の米国特許出願第13/649,067号(Cree整理番号第P1912US1-7号)に開示され、Cree, Inc.社によって開発及び製造されているものを含むことができる。この米国特許出願は、引用することによって本明細書の一部をなす。また、Cree, Inc.社は、本出願の譲受人である。別の実施形態では、光源は、Cree, Inc.社によって開発されたXQ-E LEDを含むことができる。
【0106】
LED光源を組み込んだ本明細書に開示された実施形態のいずれも、バックレギュレーター、ブーストレギュレーター、バックブーストレギュレーター、フライバックコンバーター、SEPIC電源等及び/又はこれらを利用する複数段パワーコンバーター等を有する電力回路部若しくはドライバー回路部を備えることができ、Hu他によって2014年5月30日に出願された「High Efficiency Driver Circuit with Fast Response」という発明の名称の米国特許出願第14/291,829号(Cree整理番号第P2276US1、代理人整理番号第034643-000618号)、又は、Hu他によって2014年5月30日に出願された「SEPIC Driver Circuit with Low Input Current Ripple」という発明の名称の米国特許出願第14/292,001号(Cree整理番号第P2291US1、代理人整理番号第034643-000616号)に開示されたドライバー回路を備えることができる。これらの米国特許出願は、引用することによって本明細書の一部をなす。この回路は、Pope他によって2014年5月30日に出願された「Lighting Fixture Providing Variable CCT」という発明の名称の米国特許出願第14/292,286号(Cree整理番号第P2301US1号)に開示されているような、本明細書に開示された実施形態の任意のものの色温度を制御する光制御回路部とともに更に用いることができる。この米国特許出願は、引用することによって本明細書の一部をなす。
【0107】
本発明の様々な目的を実現させる本発明の様々な実施形態が説明されてきた。これらの実施形態は、本発明の原理の単なる例示にすぎないことが認識されるであろう。本発明の趣旨及び範囲から逸脱しないそれらの実施形態の非常に多くの変更形態及び適応形態が、当業者には容易に明らかであろう。
【0108】
本発明の原理を特定の実施形態に関して図示及び説明してきたが、そのような実施形態は、例示であって限定ではないことが理解されるであろう。
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18
図19
図20
図21
図22
図23
図24
図25
図26
図27
図28
図29
図30
図31
図32
図33
図34
図35
図36
図37
図38
図39
図40
図41
図42
図43
図44
図45
図46
図47
図48
図49
図50
図51
図52
図53
図54
図55
図56
図57
図58
図59
図60
図61
図62
図63
図64
図65
図66
図67
図68
図69
図70
図71
図72
図73
図74
図75
図76
図77
図78
図79
図80
図81
図82
図83
図84
図85
図86
図87
図88
図89
図90
図91
図92
図93
図94
図95
図96
図97
図98
図99
図100
図101
図102
図103
図104
図105
図106
図107
図108
図109
図110
図111
図112
図113
図114
図115
図116
図117