JP2020510286A - 警告灯用の光学システム - Google Patents

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Abstract

LED、レンズ、および反射器を備えるLED光学アセンブリ。レンズは、光入射面と、回転軸線を中心にして回転させた光放出面とで構成されている。反射器は、一対の第1の反射面と一対の第2の反射面を有する。第1の反射面は、第1の曲線を回転軸線を中心にして回転させることにより画定される。第2の反射面は、第2の曲線を回転軸線に沿って投影させることにより画定される。レンズと反射器は協働して、LEDから発せられた光を垂直にコリメートされた広角の光線にリダイレクトする。【選択図】 図3B

Description

[0001]本開示は、光源からの光を分配するための光学システムに関し、より詳細には、LEDの光出力を垂直にコリメートされた広角ビームにリダイレクトするための光学システムに関する。
[0002]市販のLEDは、発光ダイ(light emitting die)を通過する光軸に対して特徴的な空間放射パターンを有する。全てのLED放射パターンに共通する特性は、平面に直角であるLED光軸を取り囲むパターンの発光ダイを含む平面の一方の面から、光が放出されることである。LEDによって生成された光は、光軸を中心とする半球内で放射される。この半球内の光放射の分布は、LEDの発光ダイを覆うレンズ(存在する場合)の形状と光学特性によって決定される。したがって、LEDが生成する全ての光がデバイスの一方の側から放射されるので、LEDは「指向性」光源であると言うことができる。
[0003]特定の目的のために光源を設計する場合、生成された光の実質的に全てが、光源が組み込まれているデバイスの最終用途によって決定される照明のパターンまたはフィールドに配置されることを保証することにより、効率を最大化することが重要である。
[0004]警告灯および信号灯において、LEDを使用することはよく知られている。LEDの旧モデルは、LEDの光軸を中心とした比較的狭い視野角にわたって限られた量の光を生成していた。これらLEDは典型的には、小型のアレイにまとめられて、所与の照明領域を満たし、必要な光出力を提供していた。最近開発された高出力LEDは、構成要素当たり、大幅により大きな光束を生成し、多くの警告および信号用途に必要な光束を生成するためのLEDの数を減らすことが可能になっている。照明器具内に少数の高出力LEDを配置し、各高出力LEDに内面反射コリメーティングレンズを設けることは知られている。コリメーティングレンズは、LEDからの光を、LED光軸を中心とするコリメートビームにまとめる。そのような配置は、典型的には照明器具を満たさず、その結果、照らされていない背景に対して配置された輝点からなる望ましくない外観をもたらす。照明器具の外観を改善するために、外側レンズ/カバー上の光拡散用の光学フィーチャが用いられることが時々ある。また、照明器具が取り付けられている表面に対してLEDの配置を変更することにより、広角の発光パターンを形成することも知られている。垂直面に対してLEDに角度をつけるか、または間隔を空けることで、広範囲の視点から見えるように光を広げることができる。
[0005]本出願は、LEDから放出される光の軌跡を基準線または基準面に対して変更するための光学配置について議論する。本出願の目的のために、「コリメートされる」とは、「基準線または基準面と実質的に平行な軌跡にリダイレクトされる」ことを意味する。実質的に平行とは、基準線または基準面と5°以内で平行な軌跡を指す。平面に対する光のコリメーションについて議論する場合、基準面から発散した放出軌跡の成分が修正されて、軌跡の発散成分が基準面と5°以内で平行になり、一方で、基準面に平行な放出軌跡の成分は変更されないことが理解されるであろう。垂直面に取り付けられたLEDの場合、垂直面に直角であるLEDの光軸を中心とする半球パターンで光が放出され、すなわち、各LEDの光軸は水平方向である。LEDが一列に取り付けられている場合は、光軸は同じ水平面内に含まれ、これは典型的には水平基準面である。この状況では、「垂直にコリメートされる」とは、水平基準面(LED光軸を含む)から上方または下方に発散するであろう光が、水平面に実質的に平行な方向にリダイレクトされることを意味する。他の障害物または方向変化がないと仮定すると、各LEDからの垂直にコリメートされた光は、水平方向に約180°の弧にわたって分散されるであろう。互いに隣り合うLEDの光が重なり合って、LEDの任意の1つのピーク強度の何倍ものピーク強度を持つ水平方向ビームが形成される。
[0006]当該技術分野では、LEDから発せられた光を、垂直にコリメートされ水平に分散された光線にリダイレクトする光学要素が求められている。照明器具を満たし、取付け面に平行な平面に光源を取り付ける一方で、この光分散パターンを実現することが求められている。
[0007]本開示によるLED光学アセンブリの一実施形態は、発光ダイオード(LED)、レンズ、および反射器を備える。LEDは、第1の平面内に発光ダイを含み、発光ダイから第1の平面に直角をなして延びる光軸を有する。LEDは、第1の平面の一方の側の、光軸を中心とする半球内で光を放出する。レンズは、光入射面と、第2の平面内の回転軸線を中心にして回転させた光放出面とで構成されている。第2の平面は第1の平面に直角であり、光軸を含む。反射器は、第2の平面と交差する一対の第1の反射面と、第3の平面と交差する一対の第2の反射面とを有する。第1の反射面は、第1の曲線を回転軸線を中心にして回転させることにより画定される。第2の反射面は、第2の曲線を回転軸線に沿って投影させることにより画定される。第3の平面は光軸を含み、第1の平面および第2の平面に直角である。
[0008]光入射面と光放出面は協働して、LEDから放出され光入射面に入射した光を、第3の平面に平行な平面にリダイレクトする。第1の反射面は、LEDから放出され第1の反射面に入射した光を、第3の平面に平行な平面にリダイレクトする。第2の反射面は、LEDから放出され第2の反射面に入射した光を、第2の平面に平行な平面にリダイレクトする。
[0009]別の実施形態では、LED光学アセンブリは複数の光学セルを備え、各光学セルはLED、レンズ、および反射器を含む。各光学セルは、複数のLEDを含んでもよい。いくつかの実施形態では、第1の曲線は焦点(focal point)を含む第1のフォーカス(focus)を有し、第2の曲線は焦点を含む第2のフォーカスを有する。この焦点は、光軸と回転軸線との交点にあってもよい。
本開示の態様による警告灯アセンブリの等角図である。 図1の警告灯アセンブリで使用される光学システムの等角分解図である。 図1の警告灯アセンブリの等角分解図である。 図1の警告灯アセンブリの正面図である。 図3Aの破線の円で囲まれた光学システムの部分図である。 図3Aの警告灯アセンブリの線4−4に沿った断面図である。 図4Aの破線の円で囲まれた光学システムの部分図である。 図3Aの警告灯アセンブリの線5−5に沿った断面図である。 図5Aの破線の円で囲まれた光学システムの部分図である。 図1の警告灯アセンブリで使用されるレンズ群の正面図である。 図1の警告灯アセンブリで使用されるレンズ群の背面図である。 図3Aの光学セルの水平発光パターンのグラフ表示である。 図3Aの光学セルの垂直発光パターンのグラフ表示である。
[0023]次に、小型の多機能ライトヘッドの実施形態について、図を参照して説明するが、図1〜図6B全体を通して、同様の数字は同様の部分を表す。
[0024]図1〜図3Aは、開示された光学システム10を組み込んだ警告灯アセンブリ100を示す。図1は、消防車、救急車、または救助車両などの緊急車両の垂直面であってもよい取付け面12に固定された警告灯アセンブリ100を示す。図1に示すように、警告灯アセンブリ100は、ライトヘッド30と、ライトヘッド30を取り囲むベゼル16とを含む。ライトヘッド30は36個の光学セル24の矩形アレイを含み、各光学セル24は少なくとも1つのLED34を含む。光学セル24は、図3Aに示すように、6×6グリッドに配置されている。各光学セル24は、少なくとも1つのLED34からの光を所望の発光パターンにリダイレクトするための光学システム10を含む。
[0025]以下でより詳細に説明するように、望ましい発光パターンは垂直にコリメートされた広角ビームである。本出願で使用する場合、垂直にコリメートされるとは、図3Aおよび図3Bにおいて観察者の視点に対して「上」または「下」に向けられた軌跡でLED34から放出された光が、屈折および/または反射によって、図3Bで第3の平面P3として指定される水平面に実質的に整列する軌跡にリダイレクトされることを意味する。図3Aの観察者の視点に対して「右」または「左」に向けられた軌跡でLED34から放出された光は、図3Bで第2の平面P2として指定される垂直面に実質的に整列する軌跡に選択的にリダイレクトされる。第2の平面P2から発散する軌跡を有する、各LED34から放出された光の大部分は、第2の平面P2に対してリダイレクトされない一方で、一部の広角光(第2の平面P2から最も広く発散する軌跡を有する光)は、第2の平面P2に実質的に整列した軌跡にリダイレクトされる。結果として生じる発光パターンは、広い水平角度広がりを有して垂直にコリメートされ、緊急車両に対する位置のある範囲にわたって警告灯が視認されるようにする。
[0026]図2A、図2Bに示すように、ライトヘッド30は、カバー14、反射器70、シール32、レンズ群50、PC基板36、およびヒートシンク板38から構成される。図6Aおよび図6Bに最もよく示されるように、レンズ群50は後方に面する位置決めピン62を有し、これが、PC基板36の前面の対応する開口部に嵌合し、その光学セル24に対するLED34に対して各レンズ52を位置合わせする。図示した実施形態では、ヒートシンク板38は、PC基板36から後方に延びるワイヤ用の開口部、ならびにPC基板36を通って前方に延びて反射器70と係合する締結具とを含む。シール32は、反射器70の背面の周囲の溝内に収容され、ヒートシンク板38と係合して、レンズ52およびPC基板36を取り囲む風雨密シールを提供する。コーサーム(co−therm)ガスケット13がPC基板36とヒートシンク板38の間に挟まれ、当技術分野で公知なように、PC基板36をアルミニウムヒートシンク板38から電気的に絶縁し、一方でLED34からヒートシンク板38への熱経路を提供する。カバー14は、反射器70の対応する溝内に受容される、後方に面するリップを含む。カバーリップを溝内に挿入する前に、ビード状の接着剤が溝の中に注入される。図示した実施形態では、カバー14は、反射器70と係合するスナップフィーチャを含んで、接着剤が硬化する間に、反射器70に対してカバー14が固定された関係を維持する。完全に組み立てられたライトヘッド30は、PC基板36、レンズ群50、および反射器70のための密閉されたエンクロージャを提供する。
[0027]図3Aは、同一の光学セル24を含むアレイ22を示し、各光学セル24は光学システム10を有する。図3Bは、(図3Aの破線円で囲まれている)1つの光学セル24をより詳細に示す。各光学システム10はLED34(図4Bに示す)を含み、LED34は、レンズ52を通して光を放出し、第3の平面P3の上方および下方の一対の第1の反射面72と、第2の平面P2の左側および右側の一対の第2の反射面74とに取り囲まれている。レンズ52および反射器70の詳細が、以下の図4A〜図5Bを参照して、描かれた断面線4−4および5−5に沿って分析される。
[0028]図4Aは、図3Aの線4−4に沿ったライトヘッド30の断面を示す。レンズ52および反射器70を、図4Bにより詳細に示す。各LED34は、第1の平面P1に光軸40および発光ダイを有する。LED34は、第1の平面P1の一方の側の、光軸40を中心とする半球内で光を放出する。焦点42が、第1の平面P1内の光軸40と回転軸線44との交点に位置する。LED34はPC基板36に取り付けられ、PC基板36は電力を供給し、ヒートシンク板38(図示せず)への放熱を可能にする熱経路を有する。PC基板36は、第1の平面P1に平行である。第2の平面P2は回転軸線44を含み、第1の平面P1に直角である。第3の平面P3は光軸40を含み、第1の平面P1および第2の平面P2に直角である。
[0029]図4Bを参照すると、第1の反射面72は第2の平面P2と交差し、第1の曲線を回転軸線44を中心にして回転させることにより画定される。図示した実施形態では、第1の曲線は、焦点42に第1のフォーカスを有する。回転軸線44からα°未満でLED34によって放出された光は、第1の反射面72によってリダイレクトされる。図示した実施形態では、αは約40°である。レンズ52は、光入射面54、光放出面56、および移行面58によって画定される。図示した実施形態では、面が組み合わされて、回転軸線44を中心に回転させた固体光学系を形成する。レンズ52の表面54、56、58は協働して、LED34によって放出され光入射面54に入射した光の垂直成分を除去する。回転軸線44に対する移行面58の角度βは、光入射面54を通って屈折される光の軌跡と一致してもよい。図示した実施形態では、角度βは約68°である。
[0030]第1の反射面72およびレンズ52は、LED34によって放出された光の垂直成分を除去する。換言すれば、第1の反射面72とレンズ52は協働して、LED34によって放出された光を第3の平面P3に平行な平面にリダイレクトする。
[0031]図5Aは、図3Aの線5−5に沿ったライトヘッド30の断面を示す。この図では、第1の反射面72および第2の反射面74が明確に見え、図5Bにより詳細に示される。第2の反射面74は、第3の平面P3と交差し、第2の曲線によって画定される。第2の曲線は、回転軸線44に沿って投影されて、第2の反射面74を形成する。図示した実施形態では、第2の曲線は、焦点42と一致する第2のフォーカスを有する。第2の反射面74は、レンズ52によって屈折された光、または第1の反射面72によって反射された光を、第2の平面P2に実質的に平行な平面にリダイレクトする。前述したように、レンズ52によって屈折された光、または第1の反射面72によって反射された光は、第3の平面P3に平行な平面にリダイレクトされる。その結果、LED34から放出された光は、第2の反射面74によって最終的に反射され、光軸40に対して略コリメートされる。
[0032]図6Aおよび6Bを参照すると、レンズ群50は、ブレース60によって接続された複数のレンズ52を含む。図示したライトヘッド30は、PC基板36上の複数のLED34からの光をリダイレクトするために、3つの別個のレンズ群50を組み立てている。ブレース60は、レンズ52を互いに接続し、レンズ群50を反射器70とPC基板36との間に固定する(図4Aおよび図5Aに示すように)。レンズ群50の背面にあるピン62は、PC基板36の相補的な穴と係合し、レンズ52をLED34に対して位置決めする。
[0033]図示した実施形態は、各セル24に単一のLEDを有する。他の実施形態では、各セル24は、第1の平面P1および第3の平面P3内に、焦点軸46に沿った光軸40を有する3つの別個のLED34を含む。3つのLED34は、異なる色の光を放出してもよい。各光学セル内に複数のLEDが存在する結果として、1つのLEDのみが焦点42を含む光軸40を有することができる。アレイ22の各光学セル24は、焦点42を含む光軸40を有する、同じ色のLEDを有することができ、またはセルの互いに隣り合うグループがLED位置を交互に変えて各色のバランスをとることができ、その結果、LEDの各色に対して、実質的に同様の光分散パターンをもたらすことができる。
[0034]図示した実施形態では、レンズ52、第1の反射面72、または第2の反射面74のうちの少なくとも1つによるリダイレクトなしに、光がライトヘッド30から放出されることはない。反射面72、74およびレンズ52は協働して、ベゼル16を満たし垂直にコリメートされた広角ビームである光分散パターンを生成する。角度αまたはβのいずれかが、本開示の範囲から大きく逸脱しない範囲で異なっていてもよい。これにより、光はリダイレクトされずにライトヘッド30から出ることができる。
[0035]図7および図8は、それぞれ、光学セル24からの水平方向および垂直方向における発光パターンをグラフで表す。グラフは、広い水平角広がりを持つ垂直にコリメートされた光分散パターンを示す。水平方向の分散により、互いに隣り合うセル24が連続する水平方向の光の帯を形成することが可能になり、それにより、ライトヘッド30内の輝点が最小限に抑えられる。
[0036]図7は、水平方向の分散が広角の光線になることを示している。グラフで表す場合、水平方向に形成されたビームは、光軸40に対して最大約48°まで発散する角度範囲にわたって放出される光がはるかに多い。LED34から光学システム10を通ってくる水平方向での放出パターンの結果、第2の平面P2と整列した強い放出を伴う広角の発光パターンがもたらされる。
[0037]図8は、第3の平面P3と一致する0°の中心線に対して約15°の垂直方向にコリメートされたビームに対応する垂直コリメーションを示す。換言すると、LED34からの、光学システム10を通る放出パターンは、実質的に全ての光が第3の平面P3に対して15°以下の角度で垂直方向に放出されるビームをもたらす。光学セル24によって垂直方向に生成されるビームの最大強度は放出パターンの中心にあり、これは、グラフで表した場合に、第2の平面P2および第3の平面P3と整列する比較的鋭く狭いスパイクに似ている。
[0038]例示の目的で好ましい実施形態を説明したが、前述の説明は、本明細書における本発明の限定と見なされるべきではない。それに応じて、本発明の趣旨および請求項の適用範囲から逸脱しない範囲で、様々な修正形態、適合形態、および代替形態を当業者は思い付くことができる。

Claims (20)

  1. 第1の平面内に発光ダイを備え、前記発光ダイから前記第1の平面に直角をなして延びる光軸を有する発光ダイオード(LED)であって、前記第1の平面の一方の側の、前記光軸を中心とする半球内で光を放出する発光ダイオードと、
    光入射面と、前記第1の平面に直角であり前記光軸を含む第2の平面内の回転軸線を中心にして回転させた光放出面とを有するレンズと、
    前記第2の平面と交差する一対の第1の反射面と、第3の平面と交差する一対の第2の反射面とを有する反射器であって、前記第1の反射面が、第1の曲線を前記回転軸線を中心にして回転させることにより画定され、前記第2の反射面が、第2の曲線を前記回転軸線に沿って投影することにより画定され、前記第3の平面が、前記光軸を含み前記第1の平面および前記第2の平面に直角である、反射器と
    を備えるLED光学アセンブリであって、
    前記光入射面と前記光放出面は協働して、前記LEDから放出され前記光入射面に入射した前記光を、前記第3の平面に平行な平面にリダイレクトし、前記第1の反射面が、前記LEDから放出され前記第1の反射面に入射した前記光を、前記第3の平面に平行な平面にリダイレクトし、前記第2の反射面が、前記LEDから放出され前記第2の反射面に入射した前記光を、前記第2の平面に平行な平面にリダイレクトする、LED光学アセンブリ。
  2. 前記第2の反射面によってリダイレクトされた前記光が、前記光軸に対して実質的にコリメートされる、請求項1に記載のLED光学アセンブリ。
  3. 複数の光学セルを更に備え、
    前記光学セルの各々がLED、レンズおよび反射器を含む、請求項1に記載のLED光学アセンブリ。
  4. 前記光学セルの各々が複数のLEDを有する、請求項3に記載のLED光学アセンブリ。
  5. 前記複数のLEDが、前記光学セルの各々において少なくとも2つの異なる色の光を放出し、焦点軸から直角をなして延びる光軸に対して順番に配置されている、請求項4に記載のLED光学アセンブリ。
  6. 互いに隣り合う前記光学セルの前記焦点軸に沿った前記複数のLEDの前記順番が異なる、請求項5に記載のLED光学アセンブリ。
  7. 前記複数のLEDが、第1の発光パターンまたは第2の発光パターンを放出するように配置され、前記第1の発光パターンが、前記LEDから放出された前記光の実質的に全てを、前記光軸に平行な軌跡にリダイレクトし、前記第2の発光パターンが、前記LEDから放出された前記光の実質的に全てを、前記第3の平面に平行な平面にリダイレクトする、請求項4に記載のLED光学アセンブリ。
  8. 前記第1の曲線が、焦点を含む第1のフォーカスを有し、前記第2の曲線が、前記焦点を含む第2のフォーカスを有し、前記焦点が、前記光軸と前記回転軸線との交点にある、請求項1に記載のLED光学アセンブリ。
  9. 複数の互いに隣り合うセルであって、
    前記セルの各々が少なくとも1つのLED、レンズおよび反射器を含み、
    前記LEDが、第1の平面内に発光ダイを備え、前記発光ダイから前記第1の平面に直角をなして延びる光軸を有し、前記LEDが、前記第1の平面の一方の側の、前記光軸を中心とする半球内で光を放出し、
    前記レンズが、光入射面と、回転軸線を中心にして回転させた光放出面とを有し、
    前記反射器が、一対の第1の反射面と一対の第2の反射面とを有し、前記第1の反射面が、第1の曲線を前記回転軸線を中心にして回転させることにより画定され、前記第2の反射面が、第2の曲線を前記回転軸線に沿って投影することにより画定される、
    複数の互いに隣り合うセルを備える、警告灯であって、
    前記レンズおよび前記反射器が協働して、前記LEDから放出された前記光を前記第2の平面に平行な平面にリダイレクトする、警告灯。
  10. 前記第2の反射面によってリダイレクトされた前記光が、前記光軸に対して実質的にコリメートされる、請求項9に記載の警告灯。
  11. 前記セルの各々における複数のLEDを更に備える、請求項9に記載の警告灯。
  12. 前記複数のLEDが、前記セルの各々において少なくとも2つの異なる色の光を放出し、焦点軸から直角をなして延びる光軸に対して順番に配置されている、請求項11に記載の警告灯。
  13. 互いに隣り合うセルの前記焦点軸に沿った前記複数のLEDの前記順番が異なる、請求項12に記載の警告灯。
  14. 前記LEDから放出された前記光が、前記セルを実質的に満たすようにリダイレクトされる、請求項9に記載の警告灯。
  15. 第1の発光パターンまたは第2の発光パターンを放出するように配置された前記セルの各々における複数のLEDを更に備え、
    前記第1の発光パターンが、前記LEDから放出された前記光の実質的に全てを、前記光軸に平行な軌跡にリダイレクトし、前記第2の発光パターンが、前記LEDから放出された前記光の実質的に全てを、前記第2の平面に平行な平面にリダイレクトする、請求項9に記載の警告灯。
  16. 複数の発光ダイオード(LED)であって、前記発光ダイオードの各々が、第1の平面内に発光ダイを備え、前記発光ダイから前記第1の平面に直角をなして延びる光軸を有し、前記LEDが、前記第1の平面の一方の側の、前記光軸を中心とする半球内で光を放出し、前記光軸の各々が前記第1の平面内の焦点軸上に配置されている、複数の発光ダイオードと、
    光入射面と、前記第1の平面に直角であり前記光軸を含む第2の平面内の回転軸線を中心にして回転させた光放出面とを有するレンズと、
    一対の第1の反射面と一対の第2の反射面とを有する反射器であって、前記第1の反射面が、第1の曲線を前記回転軸線を中心にして回転させることにより画定され、前記第2の反射面が、第2の曲線を前記回転軸線に沿って投影することにより画定される、反射器と
    を備えるLED光学アセンブリであって、
    前記光入射面と前記光放出面が協働して、前記LEDから放出され前記光入射面に入射した前記光を、前記第3の平面に平行な平面にリダイレクトし、前記第1の反射面が、前記LEDから放出され前記第1の反射面に入射した前記光を、前記第3の平面に平行な平面にリダイレクトし、前記第2の反射面が、前記LEDから放出され前記第2の反射面に入射した前記光を、前記第2の平面に平行な平面にリダイレクトする、LED光学アセンブリ。
  17. 前記第2の反射面によってリダイレクトされた前記光が、前記光軸に対して実質的にコリメートされる、請求項16に記載のLED光学アセンブリ。
  18. 前記第1の曲線が、焦点を含む第1のフォーカスを有し、前記第2の曲線が、前記焦点を含む第2のフォーカスを有し、前記焦点が前記光軸と前記回転軸線との交点にある、請求項16に記載のLED光学アセンブリ。
  19. 前記複数のLEDが、少なくとも2つの異なる色の光を放出する、請求項16に記載のLED光学アセンブリ。
  20. 前記複数のLEDが、第1の発光パターンまたは第2の発光パターンを放出するように配置され、前記第1の発光パターンが、前記LEDから放出された前記光の実質的に全てを、前記光軸に平行な軌跡にリダイレクトし、前記第2の発光パターンが、前記LEDから放出された前記光の実質的に全てを、前記第3の平面に平行な平面にリダイレクトする、請求項16に記載のLED光学アセンブリ。
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