JP5657679B2 - 非対称光ビーム生成のためのレンズ - Google Patents

Description

本発明は、非対称光ビームを生成するための光学装置に関する。この光学装置は、とりわけ、照明ガソリンスタンドに関連するが、この光学装置は、とりわけ、道路照明、エリア照明又は装飾照明のような屋内又は屋外照明ためのあらゆる他の応用分野に拡張され得る。

図１は、非対称光ビームを生成するための照明器具を備えている道路区域１の概略的な側面図を示している。照明灯又は枝付き照明は、照明灯支柱２及び照明灯頭部３を有する。

屋外照明灯から出力される非対称ビームを作成するために反射器を用いることは知られている。非対称ビームを供給するために様々な反射器システムが提案されている。このような反射器システムは、非常に大きい。

道路照明のための通常の光源は、ナトリウムランプ、蛍光バルーン（fluorescent balloon）又は蛍光灯のような高輝度放電ランプである。しかしながら、これらの種類の光源は、非常に大きく、それらは、頻繁な、時間のかかるメンテナンスを必要とする。この大きさの結果として、照明灯頭部も大きくなり、これは、風の強い状況下では不利な点となり得る。

確定した一定の照明効果を達成するよう成形された一次レンズと共に、発光ダイオード（ＬＥＤ）を光源として用いる他の照明灯が存在する。このようなタイプの一次レンズは、例えば、WO2008/122941、EP1621918、US2006/138437、WO98/33007に開示されている。

今日では、ＬＥＤをベースにした照明灯は、屋内用途と屋外用途との両方にとって、ますます望ましくなっている。それらには、従来の技術に勝る幾つかの利点があり、それらの中でも、特に、寿命及びより優れた光制御がある。これは、従来の光源によって達成される全応用範囲をカバーすることができる専用光学部品の必要性を誘発する。

例えば、ＬＥＤのための非対称レンズに、非対称ビームを生成するように光を向け直すための付加的なプリズム又は延長部を設けることは、US2007/0201225から知られている。

このようなレンズには、製造するのが難しく、製造コストが非常に高い複雑な形状を持つという不利な点がある。更に、この種のレンズは、様々な用途で用いられることはできない。

本発明の目的は、製造コストが低い道路照明灯を提供することである。

本発明の実施例の別の目的は、非対称光ビーム又は対称光ビームの生成を可能にする道路照明灯を提供することである。

本発明の実施例の別の目的は、滑らかな光(smooth light)を生成する道路照明灯を提供することである。

本発明の実施例の別の目的は、関心領域に入射する最適化された量の光を持つ道路照明灯を提供することである。

本発明の実施例の別の目的は、風に対する感受性の低い道路照明灯を提供することである。

本発明の実施例の他の目的は、あまりメンテナンスを必要としない道路照明灯を提供することである。運転コストの低い道路照明灯を提供することも、本発明の実施例の目的である。

この目的のため、本発明の実施例は、請求項１に記載の光学装置を提案する。この光学装置の随意の実施例は、請求項２乃至１４に記載されている。

本発明の他の実施例は、請求項１５又は１６に記載の照明灯頭部に関する。

下記の実施例を参照して、本発明のこれら及び他の態様を説明し、明らかにする。

ここで、一例として添付図面を参照して、本発明をより詳細に説明する。

道路照明灯を備えている道路区域の概略的な側面図を示す。 本発明による光学装置の第１実施例の上からの概略的な斜視図を示す。 本発明による光学装置の第１実施例の概略的な矢状断面図を示す。 本発明による光学装置の第１実施例の上からの概略的な平面図を示す。 本発明による光学装置の外側レンズによる反射光線の概略的な側立面図を示す。 本発明による光学装置のレンズからの光束の図を示す。 対称光ビームを生成する本発明による光学装置の第２実施例の上からの概略的な斜視図を示す。

この明細書においては、以下の定義が採用されている。「街路」、「道路」、「高速道路」などの用語は、同様の意味を持つものとして解釈されるべきである。

ジオプター(diopter)は、異なる屈折率を持つ２つの光伝搬媒体を分ける光学面である。光伝搬媒体の例は、例えば、空気、ガラス、ポリメタクリル酸塩又は他のプラスチックである。

レンズは、光を収束させる又は発散させる装置である。前記レンズは、ガラス、ポリメタクリル酸塩又は他のプラスチックなどの成形された材料から作成される。通常、レンズは、２つの面又はジオプターを持つ。面、又は前記面の一部は、（湾曲していない）平面、（レンズから外側に突き出る）凸面又は（レンズ内へくぼんだ）凹面である。

二次曲面は、二次の面である。例えば、球体は、二次曲面を持つ。

メタ面は、メタボールの面である。

メタボールは以下のように規定される。メタボールの各構成要素C_iは、三次元数学関数f_i(x,y,z)によって規定され得る。ここで、x、y、ｚは、空間中の点の座標である。しきい値Tが選ばれる。各点(x,y,z)のために、メタボールの各構成要素の寄与の合計S(x,y,z)が、計算され、しきい値Tと比較される。

この関数は、スカラー場を規定する。S(x,y,z)がしきい値Tより低い場合には、点(x,y,z)は、メタボールのボリュームの内部にある。S(x,y,z)がしきい値Tと等しい場合には、点(x,y,z)は、メタボールの面上、即ち、メタ面上にある。それ以外の場合には、点(x,y,z)は、メタボールの外部にある。換言すれば、以下の不等式は、構成要素C_iによって規定されるメタボールで囲まれるボリュームを表わす。

球体は、以下の式によって表わされ得る。ここで、(x_o,y_o,z_o)は、球体の中心の座標であり、rは球体の半径である。

更に、z軸を備える円柱は、以下の式によって表わされ得る。ここで、rは、円柱の半径である。

メタボール及びメタ面の計算速度を上げるために、S(x,y,z)が多項式関数で近似され得ることはよく知られている。メタボール及びメタ面に関する更なる発達の結果は、インターネット上で見つけられ得る。

上で示したように、本発明の実施例は、非対称光ビームを与えるための光学装置に関する。

図２乃至４を参照すると、前記光学装置は、入口ジオプター１１と、出口ジオプター１２とを持つレンズ１０を有する。好ましくは、レンズ１０は、球形光ビームを、ほぼ均一な光強度を持つ非対称光ビームに成形することができるように設計される。これは、通常、球形光ビームを放射する、発光ダイオード（ＬＥＤ）などの光源の使用を可能にする。他の光源も適切であり得る。しかしながら、ＬＥＤの利点は、ＬＥＤが小型光源であることである。従って、各ＬＥＤが、球形光ビームを細長い光ビームに成形するために、本発明による光学装置を備えている、複数のＬＥＤを組み込む薄い照明灯頭部を構築することが可能になる。例えば、ＬＥＤ及び前記ＬＥＤに関連する光学装置は、複数の行及び列に配設される。光ビームに適切な方角を与えることによって、照明頭部のまっすぐ下を照明するのではなく、細長い光ビームを道路の方へ向け、道路を照明することが可能である。更に、下に記載するように、ＬＥＤの後ろ（即ち、ＬＥＤを基準にして光学装置の反対側）の、ＬＥＤの２つの列の間に、照明灯頭部の厚さに最小限の影響しか与えない、ラジエータ(radiator)を収容することが可能である。更に、高い電力コストのため、高効率のＬＥＤは有益である。

レンズ１０は、凹面である入口ジオプター１１を持つ。それは、光源のための収容部として構成され得る。入口ジオプター１１の全体の形状は、レンズ２の本質的特徴ではない。しかしながら、入口ジオプター１１の全体の形状が、球形、又は少なくとも二次曲面であることは好ましい。実際、このような形状は、光線分布に最小限の影響しか与えない。これは、このような入口ジオプター１１、特に球形ジオプターを通過する際、光線分布は、ほとんど影響されないままであることを意味する。

図２及び３に図示されているように、各凹状収容部１３は、好ましくは、球体の中心から、0.1×rと0.8×rとの間に含まれる距離離れたところで平面によって切断された球体の一部である。ここで、rは、球体の半径である。図２乃至５に示されている例においては、切断面は、（例えばミリメートル単位で）4.9の半径に対して3.4のところに位置する。ベース面１４は、レンズ１０の基部に位置し、入口ジオプター１１と出口ジオプター１２との間に延在する。光源は、好ましくは、例えば収容部１３内で、入口ジオプター１１に対して、光源からベース面１４を通過する光がないように配設されるべきである。本発明によれば、他のタイプのＬＥＤも用いられ得る場合であっても、これは、ランバートＬＥＤを用いることによって改善され得る。これは、光がベース面１４を全く通過しないことを意味せず、単に、光源によって放射される光のほぼ全てが、好ましくは、入口ジオプター１１の方へ向けられることを意味する。好ましくは、ベース面１４は、基準面にほぼ内接する。これは、本発明による光学装置の製造、及び前記装置のより大きい照明装置への組み付けを容易にする。

好ましくは、図２に示されているように、本発明による光学装置は、ベース面１４が内接するベース面１４に対して垂直でもある少なくとも１つの垂直な対称面A、レンズ１０の矢状面を持つ。矢状面Aとベース面１４とは、レンズ１０の中心線１５上で交わる。好ましくは、光源は、レンズ２の中心線１５上に位置する。好ましくは、前記収容部１３は、前記光源を通過する対称軸を持つ。

前記収容部１３は、本発明の範囲から逸脱せずに、複数の光源を収容し得ることに注意されたい。更に、レンズ１０は、収容部１３の幾何学的中心が、レンズ１０の矢状面内にあり、光源の幾何学的中心も、レンズ１０の矢状面内にある複数の収容部１３を含み得る。

最も重要なのは、レンズ２の出口ジオプター４の形状、及び光源の位置である。実際、レンズ１０の出口における光線分布を調節するのは、主に、出口ジオプター１２の形状である。出口ジオプター１２は、第１凸状部１６と、レンズ１０の矢状面に対してほぼ垂直である平面部１７とを含む凸面を呈する出口面を有する。

好ましくは、前記第１凸状部１６及び平面部１７は、x軸及びy軸がレンズの矢状面内にあり、z軸がベース平面１４内にある正規直交デカルト座標系においてレンズ１０の中心線１５をマージする少なくとも１つの回転軸を中心に回転構成される連続面を規定する。

他の例においては、出口ジオプター１２全体が、回転対称面を含み得る。これは、Z位置において、対応する表面点の半径は、あらゆる角度位置に対して同じ値を持つことを意味する。即ち、これは、中心線１５のまわりに回転対称である。

本発明の好ましい実施例においては、出口ジオプター１２は、第１曲率を持つ湾曲後部１８と、第１曲率とは異なる第２曲率を持つ湾曲前部１９とを規定する凸面１６から成る出口面を有する。例えば図３及び５に示されているような、矢状面のような面における後部１８の輪郭は、少なくとも３次の第１多項式によって記述され、同じ面における前部１９の輪郭は、少なくとも５次の第２多項式によって記述される。ここで、多項式のパラメータx及びyは、矢状面内にある、互いに対して垂直なx軸及びy軸から規定され、前記x軸及びy軸の原点は、光源の幾何学中心である。

図２乃至５のレンズ１０は、（例えばミリメートル単位の）以下の第１多項式

及び、以下の第２多項式

から規定される。x軸及びy軸の原点は、（光源が１つしかない場合には）この光源の幾何学中心であり、（複数の光源がある場合には）これらの光源の幾何学中心である。

後部及び／又は前部の表面は、前記矢状面及びベース平面１４の間の交線として規定される軸１５のまわりに、多項式によって規定される輪郭から回転構成され得る。しかしながら、より複雑な構成も供給され得る。

前部の、後部から遠位の部分は、ベース平面１４に対して垂直な平面部１７である。前記平面部１７は、前部１９の輪郭を記述する第２多項式の漸近線に対応する。

光源、随意に、ランバートＬＥＤを収容する収容部１３は、レンズの矢状面内、即ち、前記レンズ１０の中心線上の、前記レンズ１０の後端部と前端部との間の距離の１／４のところに位置する。この方法においては、後部１８は、全内部反射を最大化するために最適化され、それ故、さもなければ後方に進むだろう光線を前部１９に送る。輪郭の前部１９は、可能な限り多くの光を透過するよう最適化され、それ故、後部１８へはね返される光線を最小限にする。この方法においては、レンズ１０は、光源によって直接的に放射された光の少なくとも５０％、好ましくは、少なくとも７５％が、湾曲後部１８において反射され、レンズの表面において反射された光又は光源によって直接的に放射された光の少なくとも５０％、好ましくは、少なくとも９０％が、前部１９を通して透過されるように構成されることに注意されたい。更に、レンズ１０は、出力ビームが、少なくとも矢状面内では互いに対して平行であるように構成されることに注意されたい。それ故、光学装置から出力される光は、照明されるべき領域を効率的に遠隔照明することができる。

更に、各々、後部及び前部の輪郭に依存して、入口ジオプター１１の収容部１３は、中心線１５に沿って、レンズ１０の後端部と前記レンズ１０の中央部との間に配置され得る。

図５は、ランバート点光源により放射される光線によって、図２乃至４において示されているような光学装置を通ってたどられる経路を２次元で図示している。このような光源は、通常、球形光ビームをもたらす。ＬＥＤ２０は、点光源として近似され得る。

図６は、図２乃至５に従うレンズ１０の、ランバートＬＥＤ２０によって放射される円錐形光ビームに対する効果を示している。後部１８は、全内部反射を最大化するために最適化され、それ故、さもなければ後方に進むだろう光線を前部１９に送り、輪郭の前部１９は、可能な限り多くの光を透過するよう最適化され、それ故、後部１８へはね返される光線を最小限にするように見える。

図６は、出口ジオプター１２における光ビームの極座標表現を示している。この表現は、光ビームが明らかに非対称であることを示している。

しかしながら、対称である出射光ビームを供給することが望まれる場合がある。

図７は、本発明による光学装置の別の実施例を示している。この実施例においては、２つのレンズ１０が共に向き合っており、第１レンズ１０の平面部１７が、第２レンズ１０の平面部１７に面している。これらのレンズ１０の矢状面Aはマージしており、前記レンズ１０は所与の距離d離れたところに配置される。このような構成は、対称光ビーム又は非対称光ビームを生成する照明灯の概念において前記レンズ１０が用いられ得るようにして、対称光ビームの生成を可能にする。

ＬＥＤは、道路照明のために用いられる標準的な光源の優れた代替物であることに注意されたい。十分な照明を供給するために、各照明灯頭部には多数のＬＥＤが取り付けられ得る。魅力的な製品を供給するためには、照明灯頭部の寸法は、適度に小さいままであるべきである。

ＬＥＤの利点の１つは小型化である。屋外機器において、これは、小型化された光学部品を備える厚さの薄い照明灯頭部を可能にする。本発明は、設計しやすく、広範囲の構成に適合させやすい、ＬＥＤのための光学部品を提案する。

通常、本発明によるレンズ１０は、よく知られている技術に従って、圧縮成形又は射出成形によって製造される。好ましくは、それらは、透明な材料で作成される。この材料は、望まれる用途に応じて、色付きであってもよく、又は無色であってもよい。例えば、適切な材料は、ポリメタクリル酸塩、より具体的には、ポリ（メチルメタクリル酸塩）である。ポリカーボネートなどの他の透明なプラスチックが用いられてもよい。

本発明の実施例による光学装置は、例えば、道路照明灯のために用いられ得る。このような道路照明灯は、照明灯支柱の上に設けられる照明灯頭部を有する。照明灯頭部は、照明灯頭部の支持物の下に配設され、地面の方へ向けられる複数の照明装置のための支持物を有する。

各照明装置は、図２乃至５の実施例のような少なくとも１つの光学装置の光伝搬に対して上流に少なくとも１つの発光ダイオード（ＬＥＤ）を有し、前記光学装置は、非対称光ビームを生成するためにほぼ同じ方角を持つ。

対称光ビームを生成する道路照明灯を供給するためには、照明灯頭部は、複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）を含むことができ、図２乃至５に記載されているような各光学装置の上流に少なくとも１つのＬＥＤが配設され、前記光学装置が、ペアであって、各ペアの２つのレンズ（１０）が共に向き合っており、第１レンズ（１０）の前部が、図７に示されているように、対称光ビームを生成するよう第２レンズ（１０）の前部に面しているペアで配設される。

本発明の更なる変形及び改善もまた、当業者には明らかであろう。従って、本願明細書において記載され、図示されている要素の特定の組み合わせは、本発明の或る特定の実施例を示すことしか目的としておらず、本発明の精神及び範囲内の他の装置の限定としての役割を果たすことを目的とはしていない。

以下の請求項内の如何なる参照符号も、請求項を限定するものとして解釈されるべきではない。「有する」という動詞及びその語形変化の使用は、いずれかの請求項において規定されている要素以外の要素の存在を除外するものでないことは明らかだろう。要素の単数形表記は、このような要素の複数の存在を除外するものではない。

Claims (15)

1. 非対称光ビームを与えるための光学装置であって、
   （ｉ） 湾曲後部及び湾曲前部を規定する凸面から成る出口面を有する出口ジオプターと、
   （ｉｉ）少なくとも１つの光源を収容するための少なくとも１つの凹状収容部を含み、前記凹状収容部の表面が少なくとも部分的に前記湾曲後部に面する入口ジオプターとを持つレンズを有し、
   前記光源によって直接的に放射された光の少なくとも５０％が、前記湾曲後部において全反射され、前記レンズの表面において反射された光及び前記光源によって直接的に放射された光の少なくとも５０％が、前記前部を通して透過されるように、前記レンズが構成される光学装置。
2. ベース平面が、前記凹状収容部を、前記出口ジオプターの前記後部及び前部に接続する請求項１に記載の光学装置。
3. 前記湾曲後部が、前記光源から直接来る光線の少なくとも７５％の内部反射を供給する輪郭を持ち、前部が、前記光源から直接来る光線及び反射された光線の少なくとも９０％を透過する輪郭を持つ請求項１に記載の光学装置。
4. 前記収容部が、前記レンズの後端部から、前記レンズの前記後端部と前端部との間の距離の１／４離れたところに位置する請求項１に記載の光学装置。
5. 各凹状収容部が対称軸を持つ請求項１に記載の光学装置。
6. 各凹状収容部が球体の一部である請求項５に記載の光学装置。
7. 各凹状収容部が、球体の一部であって、前記球体の中心から、0.1×rと0.8×rとの間に含まれる距離離れたところで平面によって切断された球体の一部であり、ここで、rが、前記球体の半径である請求項５に記載の光学装置。
8. 或る面における前記後部の輪郭が、少なくとも３次の第１多項式によって記述され、同じ面における前記前部の輪郭が、少なくとも５次の第２多項式によって記述され、ここで、前記多項式のパラメータx及びyが、前記面内にある、互いに対して垂直なx軸及びy軸から規定される請求項１に記載の光学装置。
9. 前記面が、前記レンズの矢状面である請求項８に記載の光学装置。
10. 前記後部及び／又は前記前部の表面が、x軸及びy軸が前記レンズの矢状面内にある正規直交デカルト座標系において、前記面と前記ベース平面との間の交線として規定される軸のまわりに回転構成される請求項２及び８に記載の光学装置。
11. 前記前部の、前記後部から遠位の部分が、前記ベース平面に対して垂直な平面部である請求項１に記載の光学装置。
12. 出力ビームが、前記矢状面において、互いに対して平行であるように、前記レンズが構成される請求項９に記載の光学装置。
13. 前記第１多項式が、
    

    

    であり、前記第２多項式が、
    

    

    であり、ここで、前記x軸及びy軸の原点が、前記光源の幾何学中心である請求項８に記載の光学装置。
14. 複数のＬＥＤを有する照明灯頭部であって、請求項１に記載の光学装置の少なくとも１つの上流に少なくとも１つのＬＥＤが配設され、前記光学装置がほぼ同じ方角を持つ照明灯頭部。
15. 複数のＬＥＤを有する照明灯頭部であって、請求項１に記載の光学装置の各々の上流に少なくとも１つのＬＥＤが配設され、前記光学装置が、ペアであって、各ペアの２つのレンズが共に向き合っており、第１レンズの前記前部が、対称光ビームを生成するよう第２レンズの前記前部に面しているペアで配設される照明灯頭部。

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