JP2567552B2 - 屈折レンズ要素を備えた発光ダイオードランプ - Google Patents

屈折レンズ要素を備えた発光ダイオードランプ

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JP2567552B2 JP4189589A JP18958992A JP2567552B2 JP 2567552 B2 JP2567552 B2 JP 2567552B2 JP 4189589 A JP4189589 A JP 4189589A JP 18958992 A JP18958992 A JP 18958992A JP 2567552 B2 JP2567552 B2 JP 2567552B2
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    • F21V5/04—Refractors for light sources of lens shape
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21W—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO USES OR APPLICATIONS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS
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    • F21—LIGHTING
    • F21Y—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO THE FORM OR THE KIND OF THE LIGHT SOURCES OR OF THE COLOUR OF THE LIGHT EMITTED
    • F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources
    • F21Y2115/10—Light-emitting diodes [LED]
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S362/00—Illumination
    • Y10S362/80—Light emitting diode

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の技術分野】本発明はランプ（灯具）および他
の照明装置に関し、さらに詳細には、最小の電力により
特定の範囲を照明するための、発光ダイオードを基本と
するランプに関する。
【０００２】
【従来技術】照明装置の分野においては、長いあいだ明
るさと電力節約との間の関係を考えることはなかった。
発光ダイオード（ＬＥＤ）の消費電力が発熱電球よりだ
いたいにおいて少ないことは知られている。しかし、一
般に、発光ダイオードの放射する出力は限定されたもの
であり、盤の指示灯や屋内標識のような初期段階的な短
距離の用途に用いられてきた。発光ダイオードは、近距
離から目視されるので、距離が重要な要素でない場合は
役にたつことが証明されてきた。しかし残念ながら、高
レベルの周囲光が原因となって、交通灯のような屋外の
用途においては、発光ダイオードの使用は限定されてい
た。たとえ「超高輝度」（”ｕｌｔｒａｂｒｉｇｈ
ｔ”）の発光ダイオードが出現しても、適切な目標規模
を定め達成するためには、大きな集合体の発光ダイオー
ドが必要となる。既に知られたシステムにおいて、多数
の発光ダイオード集合体の要求があるが、その理由は主
として、屋外照明装置、高輝度周囲光条件、および人の
目の解像力の関係から生ずるさらに長い距離の需要に基
づいている。しかし、これら集合体は高価であり、著し
く多量の電力を消費する。
【０００３】既に知られた各種システムにたいし光源を
光学的に強化することについて取り組みが行なわれてき
た。例えば、米国特許第２、０８２、１００（Ｄｏｒｅ
ｙｅｔ ａｌ. ）は光拡散レンズを開示しており、この
中で点光源からの放射光はいくつかのプリズム形レンズ
（角柱形レンズ）を備えたプレートを通過し、ほぼ平行
の状態で放射される。米国特許第２，４０１，１７１
（Ｌｅｐｐｅｒｔ）は交通信号を開示し、ランプ光は装
置から放射される前に複数のレンズを通過する。さら
に、米国特許第４，４２５，６０４（Ｉｍａｉ ｅｔ
ａｌ.） および第４、６８４、９１９（Ｈｉｈｉ）は、
光が放射される前に、楕円形表面、または複数のプリズ
ム面を反射し放射される照明装置をそれぞれ開示してい
る。
【０００４】しかし、既知の装置のいづれにおいても、
屋外標識または交通信号にたいし充分なる輝度を可能に
しかつ電力消費を最小とするために、発光ダイオードの
ビーム角内における光の最適な利用について取り組むこ
とは行なわれていない。
【０００５】本発明は、上述した問題を解決するもので
ある。第１発明は、所望の出力ビームとして電磁放射を
発生するための装置において、 a)電磁放射の発生ビームを生成するための少なくとも１
個の発光装置と、 b)各発光装置に対し、 1) 上記発生ビームが屈折してレンズ内ビームとなるよ
うに形成された入口表面と、 2) 上記レンズ内ビームが屈折して上記必要な出力ビー
ムとなるように形成された少なくとも２個の放射面を有
する出口表面とを備えるレンズとを包含し、上記発光装
置が上記入口表面の焦点に位置することを特徴とする所
望の出力ビームとして電磁放射を発生するための装置で
ある。第２発明は、ａ） 発生光ビームを生成する少な
くとも１個の発光ダイオードを具備し、上記発光ダイオ
ードの上記発生ビームはそれぞれビーム拡散とビーム軸
とを有し、 ｂ） 上記少なくとも１個の発光ダイオードが設けられ
た基板を具備し、 ｃ） １） 発光ダイオードの数に対応する多数の双曲
面表面を備える入口表面を備え、上記双曲面表面は各発
光ダイオードのそれぞれのビーム軸に中心を位置しかつ
各発光ダイオードの上記それぞれのビーム幅に一般的に
対応する双曲面表面の縁を有し、上記双曲面表面は各発
生ビームを受け、各双曲面表面は上記発生ビームを屈折
させて実質的に平行な経路を進む成分をもつレンズ内の
光ビームとなるように形成され、 ２） 上記レンズ内の光ビームを屈折させて必要な出力
ビームとなるように形成した少なくとも１個の放射面を
備える出口表面を備え、上記各放射面は各小集合体の放
射面にグループ化され、上記各小集合体は上記双曲面表
面のそれぞれ１個からのレンズ内光を屈折させて必要な
出力ビームとするように配置されたレンズ要素を具備
し、 ｄ） １） 実質的に上記発光ダイオードの側面を囲ん
で上記発光ダイオードに入射する光の総量を低減するよ
うに、各発光ダイオードの周囲と上記基板の近傍とに方
向を与えられたバッフルの配置と、 ２） 上記発光ダイオードが装着された上記基板に上記
ハウジングを装着するための第１の組の装着構造と、 ３） レンズ要素が上記ハウジングに固着されるよう
に、上記レンズ要素上の対応するレンズ装着構造にはめ
合い状に嵌合するための第２の装着構造とを備えるハウ
ジングを具備することを特徴とするランプである。
【０００６】
【実施例】図面に示した本発明の実施例の記述を明確に
する目的で、指定用語を採用する。しかし、本発明はこ
こで選択採用されたような指定用語に限定しようとする
ものではない、各々の指定された要素は同様な目的を達
成するために同様な方法で操作する全ての技術的均等物
を包含することは容易に理解されよう。さらに、上
部（”ｔｏｐ”）、下部（”ｂｏｔｔｏｍ”）、左（”
ｌｅｆｔ”）、右（”ｒｉｇｈｔ”），Ｎ、Ｓ，Ｅ，
Ｗ，ＮＷ，ＮＥ，ＳＷ，ＳＥ，その他の指定手段は、本
発明の代表的実施例において特別な構成要素または構成
要素間の関係を参照するときに読者に便利なように採用
されたものである、しかし、いかなる場合にも本発明を
そのような指定または形態に限定するものではない。
【０００７】図において、特に図１および図２に、本発
明による実施例の動作の構成および原理を示す。同図に
示した実施例において、４個の発光ダイオード１０１、
１０２、１０３、および１０４（特に図６参照）がプリ
ント回路基板２０２（図４）に設けられている。プリン
ト回路基板にほぼ平行でかつ発光ダイオードの主軸に垂
直に、レンズ要素１０６が配置されている。
【０００８】レンズ要素１０６は図１および図２の各縁
（ふち）から確認されるような四角体１０８を備えてい
る。双曲面部表面１１１、１１２、１１３、および１１
４は各発光ダイオード１０１、１０２、１０３、および
１０４からの放射光にたいする入射表面を形成する。レ
ンズ要素１０６の外部（出口）表面は行および列を配置
した放射面の配列を備えている。列１１０Ａおよび１１
０Ｂ（図１および図７）は発光ダイオード１０１および
１０３のために、また、放射面の列１１０Ｃおよび１１
０Ｄは発光ダイオード１０２および１０４のために設け
られている。同様にして、放射面１１０ー１から１１０
ー６までの行は（図２および図７）発光ダイオード１０
１および１０２のために、また、放射面１１０ー７から
１１０ー１２までの行は発光ダイオード１０３および１
０４のために設けられる。
【０００９】好ましくは、本発明の実施例は、指定のビ
ーム角を有し、そのビーム角は一般に発光ダイオードの
発光エネルギーの大部分が通る円錐形空間を形成するよ
うな発光ダイオードを採用するのがよい。また、発光ダ
イオードからの発光エネルギーの僅かな部分はビーム角
の外側を通るのがよい。図１および図２において、発光
ダイオード１０１、１０２、および１０３にたいするビ
ーム角はそれぞれ線１２１、１２２、および１２３によ
り決まる。
【００１０】双曲面表面１１１ないし１１４は、発光ダ
イオードが焦点に向いているときビーム幅の縁を通るよ
うに寸法を定める。これにより、最大量の発光エネルギ
ーがレンズ要素１０６に入る。各発光ダイオードはその
各双曲面表面の第２枝の焦点にある。このようにして、
開口数として知られている双曲面表面の受け入れ角およ
びレンズ要素１０６の屈折率とにより、放射光は、レン
ズ要素に受け入れられたのち、屈折し一連の平行レンズ
内ビームとなる。さらに詳細には、図１に示したよう
に、発光ダイオード１０２からの放射光が双曲面表面１
１２を通過した後、そのビームの各部はほぼ平行とな
り、双曲面表面１１２、四角体１０８、および放射面１
１０を備える固体レンズ要素体を通過する。上述の実施
例において、双曲面表面１１２、四角体１０８、および
放射面１１０がレンズ１０６に一体に形成されている、
但し、このことは本発明の全ての実施例において必ずし
も必要とはしない。
【００１１】発光ダイオードのビーム幅が狭いと、開口
部全体を照明するためにさらに長い双曲面焦点を選択す
る必要がある。逆に、発光ダイオードのビーム幅が広い
と、放射光エネルギーの全てまたは大部分を捕足するた
めに、双曲面の焦点を短くする必要がある。したがっ
て、発光ダイオードの選択とレンズ要素の設計とは、相
互に関連させて検討するものであり、設計者にはランプ
の構成について自由度が与えられている。
【００１２】説明のために、レンズ要素１０６からの伝
播光については、上面図（図１）に基づき記述する、同
様な原理が側面図（図２）にも適用されることがわか
る。図１に示したように、各放射面１１０Ａないし１１
０Ｄはそれぞれビーム中心１２０Ａないし１２０Ｄを有
するビームを通過する。放射面は凸面であるので、レン
ズ要素１０６を通過する平行ビームはそれぞれのビーム
中心に向かって集束し、平面１２５において互いに交差
する。その後、ビーム中心は、一般に１２６で示した発
散帯域に入り、目視者１２７に向かって伝播する。
【００１３】当業者によく知られた原理により、放射面
１１０の曲面の総量により目視者が入手する出力ビーム
パターンが決まる。例えば、放射面１１０への曲面に適
用される半径が小さくなると、ビームはレンズ要素にさ
らに接近した平面１２５に集束し、それから大きな角度
で発散し、さらに広くさらに放散したビームとなる。こ
れとは逆に、放射面１１０の曲面の半径を増やすと、光
はレンズ要素からそれだけ離れたところに集束し、それ
から、さらにゆっくりと発散し、さらに狭くさらに集中
したビームとなる。
【００１４】上記に説明した実施例において、放射面１
１０の外側表面は凸面であり、その垂直高さより大きい
水平幅を有する。上から見ると（図１）、放射面は水平
角３６゜４２´を通る球面の一部を構成し。横から見る
と（図２）、放射面は垂直角１２゜２´を通る球面の一
部を構成する。その結果、必要な出力ビームは水平面で
約１８゜垂直面で約６゜の投射角を示している。この設
計は、多くの応用において必要とされるように、その高
さよりは大きな値の広さをもつ発散ビームパターンを実
現している。例えば、視力表示標識（視力検査表）の場
合、標識を見る人の移動範囲は垂直方向より水平方向が
大きいので、水平ビーム幅は垂直ビーム幅よりは広くす
る必要がある。
【００１５】本発明によれば、また、放射面は図３に示
したように、中心から離れるようにすることもできる。
図中どのようにして上面図あるいは側面図と見なすかと
いうことについて、図３の上部および下部に各放射面を
示したが、その原理は放射面の物理的方向とは無関係に
応用可能である。第１の放射面１１０の曲面１４０の中
心は放射面の物理的な中心線１４０上に示されている、
その中心線１４０は、第１および第２の放射面の縁１４
６および１４８から等距離でありかつレンズ要素内の光
と平行に構成されている。この第１の形態の場合は、レ
ンズ要素内の光に平行な中心線１４４を有する発散光ビ
ームとなる。この場合、光はレンズ要素から「真っ直ぐ
に」（”ｓｔｒａｉｇｈｔ”）に進み、その状態は図１
および図２に示したとおりである。
【００１６】これとは対照的に、第２の放射面１１０’
の曲面１５２の中心は放射面の物理的中心線１５０から
離れて示されている、中心線１５０はここでも、第１お
よび第２放射面の縁１５６および１５８からは等距離で
あり、かつ、レンズ要素内の光に平行に構成されてい
る。この第２の形態の場合は、レンズ要素内の光にたい
して斜傾した中心線１５４を有する発散光ビームとな
る。このように、光はレンズ要素の一方に「向けられ」
（”ｐｏｉｎｔｅｄ”）、ランプから「真っ直ぐ
に」（”ｓｔｒａｉｇｈｔ ｏｕｔ ｏｆ”）進むこと
はない。
【００１７】図３は一方向に斜傾された発散光ビームを
示す２次元図であるが、本発明によれば、曲面の中心は
水平垂直の両方向において中心から変位して設計されて
いる。この設計では、発散ビームは、特殊なランプ内の
放射面の水平垂直のいずれの縁の方向とも無関係にいか
なる方向にも斜傾することができる。したがって、本発
明によれば、非対称分布パターンを必要とするような応
用にも適合することができる。例えば、交通標識を見る
人は全て交通灯それ自身と同じ高さかまたはそれより低
い位置にあるので、一般に、交通灯を上方に向けて投射
する必要がない。これにより、交通灯については、光エ
ネルギーが使われないで空に向けて放射され無駄になる
ことがないように、ビームを水平または下方に向けて投
射することが要求される。光が適切に水平または下方に
投射されると、与えられる電力消費で最大の輝度が得ら
れる。
【００１８】放射面１１０が凸面の代わりに凹面である
場合を本発明の検討事項として述べる。放射面が凹面で
あると、レンズを出る光ビームは発散の前に交差する平
面１２５において集束するよりは直接発散を始めるであ
ろう。しかし、最適実施例では、太陽光フードあるいは
ビームのすぐ上または下に設置された他の物理的物体が
レンズ要素を出る光の一部を阻止するので、図示のよう
に、凸レンズを備えている。
【００１９】特に図４において、本発明による照明装置
の最適実施例を分解側面図で示す。発光ダイオード１０
１および１０３が標準設計のプリント回路基板２０２に
組み込まれている。レンズ要素１０６は図４の、上記と
相対する側に示されており、ハウジング２０４は発光ダ
イオードとレンズ要素との間に配置して示してある。ハ
ウジング２０４の左部分は、４個の掛けがね（ラッチ）
部材２１０Ｎ，２１０Ｅ，２１０Ｓ，および２１０Ｗ
（図５参照）によりプリント回路基板２０２に装着して
ある。掛けがね部材２１０Ｎ，２１０Ｅ，２１０Ｓ，お
よび２１０Ｗには、ハウジング（図５）への取付点にお
いて両側に０.８５×０.０９インチのスロット（細隙）
が設けられてあり、それらにたいし物理的自由度を与
え、装置の組み立てを容易にしている。掛けがね２１０
は、はめ合い状にプリント回路基板２０２の対応する穴
に噛み合う。プリント回路基板とハウジングとの関係位
置を安定にするために、合いくぎ２１２ＮＷ、２１２Ｎ
Ｅ，２１２ＳＥ，および２１２ＳＷ（再び図５参照）が
設けられている。円筒形の合いくぎはプリント回路基板
内の円筒状穴にフィットし、ハウジングの回転方向の動
きを防止する。
【００２０】ハウジング２０４はバッフル部（buffle a
rea）２０１を有する。バッフル部２０１は、各発光ダ
イオードのビームパターン軸に平行に配列した４個の
「トンネル」（"tunnels" ）を一組として備えている。
バッフルは「トンネル」として機能し、発光ダイオード
がオフの状態にあるとき発光ダイオードに入射して実際
にはそれらを見かけ上オンに見えるような光を最小にす
る。バッフルはしたがって、ランプのオンーオフ対比を
改善する。
【００２１】ハウジングはまた、バッフルに平行に位置
決めし、ハウジングの外側壁から内方向に延在する内部
リブ（骨状部）２２０Ｎ、２２０Ｅ、２２０Ｓ，および
２２０Ｗを備えている。レンズ要素１０６は、そのリブ
の先端に達するまで、ハウジング２０４（図４で見て）
の右側に挿入される。ハウジング２０４の上部表面２２
０Ｎおよび下部表面２２０Ｓにはリブ２２０Ｎおよび２
２０Ｓ（図４）の先端部に穴が設けられ、それぞれレン
ズ要素（図７）の上部および下部に設けられた小片２３
０Ｎおよび２３０Ｓを受ける。このようにして、レンズ
要素はハウジングの定位置に着脱可能に保持される。
【００２２】図５は、図４のプリント回路基板の位置か
ら見た図であって、ハウジング２０４とレンズ要素１０
６とが図示されている。４個の掛けがね２１０と４個の
合いくぎ２１２とが、紙面から突出し、対応する穴がそ
れらを受けるプリント回路基板上のどこに位置するかを
示して描かれている。４個の双曲面表面１１１、１１
２、１１３、および１１４はバッフルを通じて目視可能
である。
【００２３】図６は、目視方向矢印６（図４参照）で示
したようにハウジングをとおして見た回路基板上の発光
ダイオードの図である。図６にさらに明確に示すよう
に、４個の発光ダイオード１０１、１０２、１０３、お
よび１０４は各バッフル３０１、３０２、３０３、およ
び３０４内に配列される。各バッフルは、プリント回路
基板２０２の平面に垂直で、かつ、発光ダイオードビー
ムの軸と平行な４つの表面をそれぞれ備えている。ハウ
ジングがプリント回路基板に装着されるとき、光が横か
らハウジングに入射することのないように、プリント回
路基板の表面に相対してバッフルの位置が決定される。
発光ダイオードへ入射光があると、発光ダイオードがそ
の入射光を反射し、暗く制御された発光ダイオードが見
かけ上発光しそこからレンズ要素を通過して見えるよう
になるが、このような現象は、前述のバッフルの位置決
めにより確実に防止することができる。
【００２４】図６はまた、それぞれリブ２２０Ｎ、２２
０Ｗ、２２０Ｓ，および２２０Ｅの先端部３２２Ｎ、３
２２Ｗ、３２２Ｓ，および３２２Ｅを示す（図４）。レ
ンズ要素１０６（図４）は、その入射面の縁がこれら表
面３２２に接触するに至るまでハウジング内に挿入され
る。図７は目視方向矢印７から見た（図４）レンズ要素
の外側の図であり、最適実施例に採用されている放射面
１１０の配列を示す。既に簡単に説明したように、図１
および図２について、放射面は４個の列１１０Ａないし
１１０Ｄおよび１２個の行１１０ー１ないし１１０ー１
２に配置されている。したがって、レンズ要素の本実施
例は４８個の放射面を具備する。４個の発光ダイオード
のそれぞれから到来する光は各象限の１２個の放射面そ
れぞれを通過する。特に、発光ダイオード１０１から放
射される光は双曲面１１１に入り、１２個の放射面１Ａ
ないし６Ａおよび１Ｂおよび６Ｂから放射される。同様
に、発光ダイオード１０２からの放射光は双曲面１１２
に入り、１２個の放射面１Ｃないし６Ｃおよび１Ｄない
し６Ｄから放射される。最後に、発光ダイオード１０３
および１０４からは、それぞれ、双曲面１１３および１
１４に入射し、放射面７Ａないし１２Ａ、７Ｂないし１
２Ｂ、および７Ｃないし１２Ｃ、７Ｄないし１２Ｄから
光を放射する。
【００２５】本明細書の記述は当業者の理解するところ
であろうが、放射面から出る出力光ビームの形状は下記
のような多くの設計パラメータにより決定される、即
ち、１. 放射面の合計数は、発光ダイオードが何回にわ
たって「繰り返し発光し」（”ｒｅｐｒｏｄｕｃｅ
ｄ”）均一な発光表面の印象を伝え得るかを決める。均
一な発光表面は特に交通信号のような応用において必要
である。２. 放射面の比較的形状（先端部から見て、直
線的な水平サイズと垂直サイズとの比）は、与えられた
全てのレンズ要素サイズと曲面の半径とにたいし発光ダ
イオードが効果的に「繰り返し発光」する度数に影響を
与え、このことは、上記の均一な発光状態に直接影響を
与える。さらに、与えられた曲面の半径について考える
と、ビーム高さにたいするビーム幅の比は放射面の寸法
の水平と垂直との比に直接関係し、ランプとして目視さ
れるときのビーム拡散パターンを決定する。放射面（水
平垂直両平面）の曲面半径は、発散光ビームを構成する
うえでの主な要因となる。与えられた放射面の直線的寸
法については、曲面の半径を小さくすると、これに対応
して、より広い出力ビームが得られる。
【００２６】放射面の出口表面の曲面半径を放射面の物
理的中心から離して心合わせをすることにより、垂直方
向（高度）または水平方向（方位）または両方向におい
て、発散ビームは、上方に、下方に、いずれかの側に、
または高度と方位のあらゆる組合せで、必要に応じ、ビ
ームに「方向を与え」（”ｐｏｉｎｔ”）斜傾すること
ができる。
【００２７】同じ装置内で異なる特性の放射面を採用す
ると、光強度パターンを角度の関数として構成すること
が可能である。このようにして、レンズ要素から如何な
る距離にあっても、目視者から見たビーム幅は、水平
（図１）および垂直（図２）のいずれにおいても、また
各種の角度（図３）においても独立に制御可能である。
【００２８】本発明は、物理的かつ光学的構造について
広い範囲の変化を予測的に述べたものと理解されよう。
しかし、さらに説明を加えると、本図面に示された実施
例はつぎに述べるような諸元および材料を採用し実施さ
れているものである。発光ダイオードは、ＨＬＭＰー３
９５０（Hewlett-Packard, またはVCH-chicago Miniatu
re と同等なもの）で、発表されているビーム角２４゜
を有するもの、但し本出願では、想定ビーム角３５゜な
いし３６゜を有用とする。最大（尖頭）波長５６５ｎｍ
は人の明所視曲線（５５５ｎｍ）の中心に近いものであ
る。
【００２９】レンズ要素は、透過率９２％（コーティン
グ無し）ないし９８％（反射防止コーティング付き）の
範囲の光学的透明さを有する第１級の透明アクリルで製
作される。なお、さらに強力な対衝撃性材料を必要とす
るときは、ＵＶ抑制体つきポリカーボネートを採用する
ことができる。本明細書に記述した実施例における屈折
率は１. ４９１、曲線は想定した波長５６５ナノメータ
を正常値としてこれに合わせてある。ＡＢＢＥ値（Ｖ）
は５７. ２である。双曲面表面１１１ないし１１４は、
頂点半径０. ９６６７８インチ、円錐曲線定数ー２. ２
２３０８１、ＦＦＬ＝ー１. ９６９インチである。四角
体１０８は、厚さ０. １インチ、２. ２２インチ角で、
四角体の双曲面１１１ないし１１４は一方向に０. ２２
６インチ突出し、各放射面１１０は四角体から反対方向
に０. ０４５インチ突出している。先端を前にして見る
とき、各双曲面表面は１インチ角である、したがって、
４個の双曲面表面とレンズ要素の反対側の４８個の各放
射面とは２インチ×２インチの面積を有し、かつ、各放
射面の高さは０. １６６６インチで幅は０. ５インチと
なる。レンズ要素をハウジングに固着するために、４個
の側面全ての周囲の０. １インチの境界面に、その面か
らさらに０. ０４インチ外側に突出したタブ（小片）２
３０を設ける。凸面の各放射面の水平および垂直部分
は、それぞれ３６゜４２´および１２゜２´の角度を成
し、０. ７９４インチ半径の球面である。
【００３０】バッフル部２０１は長さ０. ７インチ、リ
ブ２２０は長さ２. １９５インチがよい。ハウジング２
０４の全長は４. ４８２インチで、上部および下部の各
縁２２２Ｎおよび２２２Ｓは厚さ０. ０５インチで、ハ
ウジング本体から延伸角度１゜で離れる方向に延長して
いる。バッフル部に形成された「トンネル」は断面図で
（図５および図６）正方形がよく、内側長さ０. ６５イ
ンチ、バッフルの壁の厚さ０. ０５インチが適当であ
る。合いくぎ２１２は直径０. ２４６インチで、プリン
ト回路基板に接触するハウジングの表面の四隅に配置さ
れ、ハウジングの縁から０. ２インチのところに中心を
位置決めするのがよい。縦０. ５５インチ、横０. １０
５インチのスロットが、ハウジングのプリント回路基板
の先端部から２. １９５インチの距離にあるハウジング
の上部２２２Ｎおよび下部２２２Ｓに設けてあり、０.
０３０インチ小片２３０Ｎおよび２３０Ｓを受ける。プ
リント回路基板上には、発光ダイオードが１インチの辺
を有する四角形の各隅に位置している。最適実施例にお
いて、ハウジングは１０％のガラスで満たされたポリカ
ーボネイトで作られる。
【００３１】本発明による上述の実施例の修正または変
化は可能なものであり、本明細書の記述に照らし当業者
により認められるものであろう。例えば、多数の双曲面
表面について４個を超える発光ダイオードを使用するこ
とは本発明の思考の範囲に包含されるものである。同様
に、単一のＩｎＡｌＧａＡｓ発光ダイオードのような、
より少ない発光ダイオードを使用することは、単一の双
曲面表面をもって可能である。さらに、発光ダイオード
の異なる配置、例えば、異なる数および/または幅を有
する列および行の発光ダイオードも本発明の思想を逸脱
するものではない。さらに、人にとって目視可能のスペ
クトル以外の電磁気的放射の形式のような、異なる色彩
の発光ダイオードを使用することも考えられる。各放射
面について、異なる量、形、サイズ、曲面、および方向
を本発明の範囲内において使用することができる。した
がって、本発明が、この明細書の特許請求範囲の記載お
よびそれらの同等の範囲内に包含されるものとして本明
細書の記述にとらわれることなく実行できるものである
ことは容易に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
本明細書を通じて同一符号は同様な構成要素を示すもの
とする。
【図１】本発明による屈折レンズ要素の実施例において
照明を行う４個の発光ダイオードの上面図である。
【図２】本発明による屈折レンズ要素の実施例において
照明を行う４個の発光ダイオードの側面図である。
【図３】曲面の中心が放射面の中心線上に位置する場合
の放射面と、曲面の中心が放射面からのビーム発散を斜
傾させるように位置している場合の放射面とをそれぞれ
説明する二つの断面図である。
【図４】プリント回路基板上の発光ダイオード、ハウジ
ング、および屈折レンズ要素を示す分解側面図である。
【図５】矢印５（図４）の方向から見たハウジングと屈
折レンズ要素とを示側面図である。
【図６】矢印６（図４）の方向から見たハウジングとプ
リント回路基板の側面図である。
【図７】矢印７（図４）の方向から見た屈折レンズ要素
の側面図であり、特に屈折レンズ要素の出口側表面を形
成する放射面の行および列を示す。
【符号の説明】
１０１、１０２、１０３、１０４ 発光ダイオー
ド １０６ レンズ要素 １１０ 第１の放射面 １１１、１１２、１１３、１１４ 双曲面表面 １１０’ 第２の放射面 ２０２ プリント回路基板 ２０４ ハウジング

Claims (19)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 所望の出力ビームとして電磁放射を発生
    するための装置において、 a)電磁放射の発生ビームを生成するための少なくとも１
    個の発光装置と、 b)各発光装置に対し、 1) 上記発生ビームが屈折してレンズ内ビームとなるよ
    うに形成された入口表面と、 2) 上記レンズ内ビームが屈折して上記必要な出力ビー
    ムとなるように形成された少なくとも２個の放射面を有
    する出口表面とを備えるレンズとを包含し、上記発光装
    置が上記入口表面の焦点に位置することを特徴とする所
    望の出力ビームとして電磁放射を発生するための装置。
  2. 【請求項２】 上記発光装置のうち少なくとも１個が発
    光ダイオード（ＬＥＤ）であるこばことを特徴とする請
    求項１に記載の装置。
  3. 【請求項３】 上記入口表面は上記発光装置のうち１個
    が位置する焦点を有する双曲面の一部分を備えることを
    特徴とする請求項１に記載の装置。
  4. 【請求項４】 上記入口表面は上記発生ビームが屈折し
    てレンズ内ビームになるよう形成され、実質的に上記レ
    ンズ内ビームの電磁エネルギーの全ては本質的に平行な
    方向に進むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
  5. 【請求項５】 上記出口表面の少なくとも１個の放射面
    は凸面であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
  6. 【請求項６】 上記出口表面の少なくとも１個の放射面
    は凹面であることを特徴とする請求項１記載の装置。
  7. 【請求項７】 上記出口表面の少なくとも１個の放射面
    は上記各放射面の相対する縁の間の中間を通りかつ上記
    相対する縁をつなぐ線に垂直な想定中心線に位置する曲
    面の想定中心をもって形成し、上記必要な出力ビームは
    実質的に上記レンズ内ビームの方向の軸上にあることを
    特徴とする請求項１の記載の装置。
  8. 【請求項８】 上記出口表面の少なくとも１個の放射面
    は上記各放射面の相対する縁の間の中間を通りかつ上記
    相対する縁をつなぐ線に垂直な想定中心線から外れて位
    置する曲面の想定中心をもって形成し、上記必要な出力
    ビームは上記レンズ内ビーム方向にたいし傾斜している
    ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
  9. 【請求項９】 上記曲面の想定中心は第１の組の上記放
    射面相対する縁の間の中間を通りかつ上記相対する縁を
    つなぐ線と垂直な想定中心線から外れて位置し、上記必
    要な出力ビームは上記レンズ内ビームの方向にたいし第
    １の方向に斜傾していることを特徴とする請求項８に記
    載の装置。
  10. 【請求項１０】 上記曲面の想定中心は第２の組の上記
    放射面相反する縁の間の中間を通りかつ上記第２の組の
    相反する縁をつなぐ線と垂直な想定中心線から外れて位
    置し、上記必要な出力ビームは上記レンズ内ビームの方
    向にたいし第２の方向に斜傾していることを特徴とする
    請求項９記載の装置。
  11. 【請求項１１】 上記出口表面は、 第１の方向の第１の角を通る第１の外側表面を有する第
    １の放射面を具備し、 上記第１の放射面は第１のビーム拡散を有する電磁エネ
    ルギーを放射し、そして第３の方向の第３の角と第４の
    方向の第４の角とを通る第２の外側表面を有する第２の
    放射面を具備し、上記第２の放射面は第２のビーム拡散
    を有する電磁エネルギーを放射し、 上記第１および第２の角のうち少なくとも１個は上記第
    ３および第４の角のうちの対応する１個と同じではな
    く、これにより上記第１のビーム拡散は上記第２のビー
    ム拡散とは異なることを特徴とする請求項１に記載の装
    置。
  12. 【請求項１２】 さらにハウジングを具備し、 上記ハウジングは実質的に上記発光装置の側面を囲み上
    記発光装置に入射する上記電磁放射の総量を最小にする
    ように方向を与えられ各発光装置のためのバッフルの配
    置を備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。。
  13. 【請求項１３】 上記装置が、さらに ａ） 上記少なくとも２個の発光装置が設置されている
    基板と、 ｂ） １） 実質的に上記発光装置の側面を囲み上記発
    光装置に入射する上記電磁放射の量を低減するように成
    された、各発光装置の周囲と上記基板の近傍に方向を定
    められたバッフルの配置と、 ２） 上記発光装置が装着された上記基板に上記ハウジ
    ングを装着するための第１の組の装着構造と、 ３） 上記レンズ要素が上記ハウジングに固着されるよ
    うに、上記レンズ要素上の対応するレンズ装着構造には
    めあい状に嵌合するための第２の装着構造とを備えるこ
    とを特徴とする請求項１に記載の装置。
  14. 【請求項１４】 上記装置において、 ａ） 上記少なくとも２個の発光装置は発光ダイオード
    を備え、上記発光ダイオードの発生ビームはそれぞれビ
    ーム拡散とビーム軸とを有し、 ｂ） 上記レンズ要素は １） 上記レンズ要素入口表面が発光ダイオードの数に
    対応する多数の双曲面表面を備え、上記双曲面表面は各
    発光ダイオードのそれぞれのビーム軸に中心を位置しか
    つ上記各発光ダイオードの上記それぞれのビーム拡散に
    一般的に対応する双曲面表面の縁を有し、上記双曲面表
    面は各発生ビームを受け、 ２） 各双曲面表面は上記発生ビームを屈折させてほぼ
    平行な経路を進む成分をもつレンズ内ビームとするよう
    に形成され、 ３） 上記各放射面は放射面の各小集合体にグループ化
    され、上記各小集合体は双曲面表面のそれぞれ１個から
    レンズ内ビームを受けるように配置されるように、 構成され配置されていることを特徴とする請求項１に記
    載の装置。
  15. 【請求項１５】 上記装置において、正確に、４個の発
    光ダイオードと、４個の双曲面表面と、それぞれ１２個
    の放射面からなる４個の小集合体を含む放射面の４個の
    行と１２個の列とを具備することを特徴とする請求項１
    ４に記載の装置。
  16. 【請求項１６】 上記各放射面は、水平角約３６゜４２
    ´垂直角約１２゜２´を通る外側表面を有し、得られた
    必要出力ビームは投射角度約水平１８゜垂直６゜を示す
    ことを特徴とする請求項１５に記載の装置。
  17. 【請求項１７】 上記発光装置は人の可視光スペクトル
    内にある電磁エネルギーを発生するための装置を備える
    ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
  18. 【請求項１８】 ａ） 発生光ビームを生成する少なく
    とも１個の発光ダイオードを具備し、上記発光ダイオー
    ドの上記発生ビームはそれぞれビーム拡散とビーム軸と
    を有し、 ｂ） 上記少なくとも１個の発光ダイオードが設けられ
    た基板を具備し、 ｃ） １） 発光ダイオードの数に対応する多数の双曲
    面表面を備える入口表面を備え、上記双曲面表面は各発
    光ダイオードのそれぞれのビーム軸に中心を位置しかつ
    各発光ダイオードの上記それぞれのビーム幅に一般的に
    対応する双曲面表面の縁を有し、上記双曲面表面は各発
    生ビームを受け、各双曲面表面は上記発生ビームを屈折
    させて実質的に平行な経路を進む成分をもつレンズ内の
    光ビームとなるように形成され、 ２） 上記レンズ内の光ビームを屈折させて必要な出力
    ビームとなるように形成した少なくとも１個の放射面を
    備える出口表面を備え、上記各放射面は各小集合体の放
    射面にグループ化され、上記各小集合体は上記双曲面表
    面のそれぞれ１個からのレンズ内光を屈折させて必要な
    出力ビームとするように配置されたレンズ要素を具備
    し、 ｄ） １） 実質的に上記発光ダイオードの側面を囲ん
    で上記発光ダイオードに入射する光の総量を低減するよ
    うに、各発光ダイオードの周囲と上記基板の近傍とに方
    向を与えられたバッフルの配置と、 ２） 上記発光ダイオードが装着された上記基板に上記
    ハウジングを装着するための第１の組の装着構造と、 ３） レンズ要素が上記ハウジングに固着されるよう
    に、上記レンズ要素上の対応するレンズ装着構造にはめ
    合い状に嵌合するための第２の装着構造とを備えるハウ
    ジングを具備することを特徴とするランプ。
  19. 【請求項１９】 ａ）上記少なくとも１個の発光装置
    が、それぞれ特有の光束の拡散と光軸を有し、光束は概
    ね円錐状の領域を形成し、電磁放射をその内部に集束さ
    せかつその外部への電磁放射を実質上減少させるか除去
    し、 ｂ） 上記レンズ要素が、上記発光装置に対して配置さ
    れ、入口表面の縁が上記特有の光束の拡散の縁に実質上
    対応していることを特徴とする請求項１に記載の装置。
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