JP6291506B2

JP6291506B2 - バットウィング配光用のレンズ−リフレクタの組み合わせ

Info

Publication number: JP6291506B2
Application number: JP2015546495A
Authority: JP
Inventors: チンニア，ジェヤチャンドラボーズ; ヨーダー，ベンジャミン・リー; アレン，ゲイリー・ロバート
Original assignee: ジーイー・ライティング・ソルーションズ，エルエルシー
Priority date: 2012-12-10
Filing date: 2013-11-20
Publication date: 2018-03-14
Anticipated expiration: 2033-11-20
Also published as: WO2014092948A1; TW201428208A; CN104823095A; MX343233B; CN104823095B; BR112015014051A2; JP2016506595A; US20140160766A1; CA2893838A1; MX2015007419A; EP2929389A1; US8864346B2; TWI619900B

Description

本発明の主題は、照明に関するものである。より具体的には、本発明の主題は、ＬＥＤ（発光ダイオード）ベースのランプ、関連するレンズ、リフレクタ組立体、及び方法に関するものである。

現在、バットウィング配光は、照射領域全体にわたって一様な強度を生成するため、部屋、街路、及び商業店舗に望ましい。いくつかの従来技術の特許は、レンズ及び／又はリフレクタの組み合わせを有するＬＥＤ光源を使用している。代表的な例には、米国特許出願公開第２００９／０２２５５４３号明細書、米国特許出願公開第２０１０／０１６５６３７号明細書、米国特許出願公開第２０１１／０１４１７２９号明細書、及び米国特許出願公開第２０１１／０１４１７３４号明細書がある。

米国特許出願公開第２００９／０２２５５４３号明細書

しかし、これらの多くの場合において、ＬＥＤが光方向を向き、レンズを介して直接光線を送るので、点灯しているＬＥＤを観察者に視認されるという問題が生じている。

したがって、これらの既知の課題に鑑み、ＬＥＤランプの直接的な観察を回避しつつ、ＬＥＤランプを使用して均一な照明動作を可能にするレンズとリフレクタの構成を提供することが有効だろう。

本発明の態様及び利点は、以下の説明において部分的に述べられ、又は当該説明から明らかであり、又は本発明の実施を通して分かるだろう。

本発明の主題は、ＬＥＤランプ、レンズ、リフレクタ構成に関し、ＬＥＤは、光方向とは反対の方向を向くように配置されており、いくつかの実施形態では、例えば、支持フレーム又はヒートシンクによって完全に隠される。ＬＥＤ光源からの光の一部は、曲面からの全内部反射により、かつレンズの第２面による屈折により送られて、配光のバットウィング部を形成する。ＬＥＤ光源からの光の残りは、レンズを通して高反射性リフレクタに送られる。高反射性リフレクタは、バットウィング配光の中心部に向けて光を拡散させる。

本発明の主題の、第１の例示的な実施形態では、第１及び第２面を有するレンズを備えている配信システムが提供される。ＬＥＤ光源は、ＬＥＤからの光を第１面に向けるように構成されている。第１面に向かう光は、レンズを通過し、少なくとも部分的に、第２面から反射されて戻された、ＬＥＤからの光の初期方向とほぼ反対方向にバットウィング配光を生成する。レンズの構成によっては、第２面からの全内部反射を得ることができるので、第２面を通る光漏れ（迷光）を回避する。

本発明の主題の、他の実施形態では、リフレクタは、レンズの第２面の反対側（例えば、ＬＥＤ光源から離れた第２面の他方側）に配置され、それによって、レンズを通過して、第２面及びレンズの側面に対応する部分である第３面から出射する光の少なくとも一部は、リフレクタで反射されて戻され、レンズで生成されたバットウィング配光の中央領域に補助光を提供する。

本発明の主題の、選択された他の実施形態では、第２面は、中心線に沿って２つの対称部分に分けられており、それによって対称バットウィング配光を生成する。このような実施形態の特定の例では、第２面は、中心線に沿って２つの非対称部分に分けられており、それによって、非対称バットウィング配光を生成する。いくつかの実施形態では、２つの非対称部分の各々は、中心軸からピーク強度の点に定義される角度を有しており、それぞれの角度の差異が、約５°〜３０°の範囲であり、特定の実施形態では、ピークの差異が約１０°である。他の実施形態において、第１部分と第２部分との光量の相対比率が、約２０：８０〜４０：６０となるように、ＬＥＤからの光束が、第１部分に向けられるように、表面が中心線に沿って２つの非対称部分に分けられている。このような実施形態の具体的な例では、この比率は約３０：７０である。

本主題のさらなる実施形態では、レンズは軸対称であるか、直線状に細長くすることができる。本発明の主題の、選択された実施形態では、レンズの第１面はほぼ平坦であり、第２面は２つに分かれている。このような実施形態の他の例では、分けられた面が非対称であるのに対し、このような実施形態の特定の例では、分けられた面が対称である。特定の実施形態では、第１面は、ＬＥＤ光源を少なくとも部分的に受ける凹部を含む。

本発明の主題はまた、バットウィング配光を生成する方法に関するものである。このような方法によれば、照明光の一部が、第１面に当たり、第２面から、光源の光の初期方向とほぼ反対の方向に、レンズ内で内部反射するように、光源が、第１面と第２面とを有するレンズを初期の光の方向に照射する。いくつかの実施形態では、この方法は、第１面に向かう方向の直接の視界から光源を隠す。

他の実施形態では、本方法は、さらに、第２面、及び第１面と第２面の間の側面に対応する第３面を通過する照射光の一部を、光の初期方向とほぼ反対の方向に反射する。例えば、レンズの側面は、第１及び第２面を接続することができるので、このような方法で、側面を第１面と第２面の間とすることができる。そのような実施形態の特定の例では、第２面は、中心線に沿って２つの対称部分に分けられ、それによって対称バットウィング配光を生成する。そのような実施形態の他の例では、第２面は、中心線に沿って２つの非対称部分に分けられ、非対称バットウィング配光を生成する。特定の実施形態では、本方法は、２つの非対称部分が、中心軸に沿った点からの５°〜３０°のピークの差異を有し、一方、他の実施形態では、本方法は、２つの非対称部分が、約２０：８０〜４０：６０の範囲の比率で、第１部分と第２部分とに光を分配する。

本発明のこれら及び他の特徴は、以下の説明及び添付の特許請求の範囲を参照することによってよりよく理解されるであろう。添付の図面は、本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成し、本発明の実施形態を示し、説明と共に、本発明の原理を説明するのに役立つ。

最良の態様を含む、当業者に向けられた本発明の、完全、かつ可能な開示は、添付の図面を参照する本明細書に記載されている。

本発明による第１の例示的なレンズを通るＬＥＤからの光を示す。本発明の主題による、第１の例示的なレンズ及びリフレクタを通る、ＬＥＤからの光を示す。本発明の第１実施形態による、レンズ−リフレクタ及び支持フレームの組み合わせからの典型的な配光のグラフ表示である。本発明の主題による、非対称のレンズの第１変形例を示す図である。支持フレームの効果と関係して、第１変形例の非対称レンズを通るＬＥＤからの光が、関連するリフレクタから反射される様子を示す。本発明の主題の、第１変形例の非対称レンズによる、レンズ−リフレクタと支持フレームの組み合わせからの、配光のグラフ表示である。本発明の主題による、非対称のレンズの第２変形例を示す図である。第２変形例の非対称レンズを通るＬＥＤからの光が、関連するリフレクタから反射される様子を示す。本発明の主題の、第２変形例の非対称レンズによる、レンズ−リフレクタと支持フレームの組み合わせからの、配光のグラフ表示である。本発明の主題の、押出成形レンズの実施形態の図である。それぞれ、本発明の主題の、さらなる実施形態による軸対称レンズの、ファントム断面図及び等角図である。本発明の主題の、回転レンズの実施形態を示す。

本明細書及び添付図面全体を通して、参照文字を繰り返し使用することは、本発明の、同じ又は類似の特徴又は要素を表すことを意図している。

ここで、本発明の実施形態について詳しく説明するが、１以上の実施形態が図面に示されている。各実施形態は、本発明を限定するものでなく、例示として提供される。実際、本発明の範囲又は趣旨から逸脱することなく、本発明において様々の修正形態及び変更形態が、当業者には明らかであろう。例えば、一実施形態の一部として図示説明される特徴を、別の実施形態と共に使用して、さらに別の実施形態を得ることができる。したがって、添付の特許請求の範囲及びその均等物の範囲内に入るような、修正形態及び変形形態は、本発明に含まれることが意図されている。

図１は、本主題に係る第１の例示的なレンズ１００を通る、ＬＥＤ１１０からの代表的な光路１０２、１０４、１０６、１０８を示している。本主題のこの第１実施形態によれば、ＬＥＤ１１０によって生成された光が、レンズ１００に向けられ、支持フレーム１３０によってほぼ遮断され（隠され）るように、ＬＥＤ１１０が支持フレーム１３０に取り付けられている。このようにして、ＬＥＤ１１０からの光が、観察者によって直接見えないのが望ましいが、ＬＥＤ１１０により生成された光は、レンズ１００を通って拡散される（屈折反射する）。

本主題によれば、レンズ１００だけでなく本明細書に記載した他のレンズは、押出成形プロセスによって、例えば、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート、及び他の公知の材料等の、硬質光ポリマーから形成することができる。一般に、レンズの他の実施形態は、他の透明ポリマー、シリコーン、ガラス、又はセラミックスから、機械加工や研磨、出射成形、及び鋳造を含む他のプロセスによって形成することができる。より一般的には、本発明の主題の実施に用いられるレンズは、公知の材料から、知られており、かつ受け入れられている構成技術に従って、又は既存の、もしくは新しく発見された材料を用いて今後開発される技術を用いて構成することができる。

図１から分かるように、初期方向にＬＥＤ１１０から進行する光は、レンズ１００の第１面１５０に入射し、レンズ１００の、ほぼ平坦な側面１４６、１４８からの光路１０２、１０４として出射することができる。光路１０２、１０４は、ＬＥＤ１１０からの光のほぼ初期方向に、出射させる。他の光路、例えば、光路１０６、１０８は、レンズ１００の湾曲面１４２、１４４に対応する第２面１５２から内部反射し、レンズ１００の側面１４６、１４８に対応する第３面１５４を通って出射する。さらに他の光路、例えば、迷光路１３２、１３４は、部分的にレンズ１００内で屈折し、湾曲面１４２、１４４から、ＬＥＤ１１０からの光のほぼ初期方向に出射する。このように、支持フレーム１３０は、ＬＥＤ１１０を支持するだけでなく、観察者からの、ＬＥＤ１１０の直接の視界を遮断する（隠す）ことが望ましい状態で、レンズ１００は、ＬＥＤ１１０からの光の初期方向とほぼ反対方向にバットウィング配光を提供するように構成される。ＬＥＤ１１０は、実際には、例えば、直線状に並んだ一連のＬＥＤ等の、ＬＥＤのアレイ又はグループに対応していてもよく、レンズ１００は、例えば、以下で詳細に示す、図１０に示すような、線形デバイスに対応していてもよいことを理解されたい。１つのＬＥＤへの言及は、適宜、複数のＬＥＤにも言及することがあり、又は単一のＬＥＤのみに言及することもあることを理解されたい。

図２は、第１の例示的レンズ２００を通るＬＥＤ２１０からの光路と、本主題に係るリフレクタ２２０からの光路を示す図である。図１にすでに示したように、支持フレーム１３０は、観察者の方向の光を、ほぼ遮断する（隠す）。これは、ＬＥＤ２１０を隠す目的のために有益であるが、結果として光の分布が、より不均一になる。ＬＥＤ２１０から、レンズ２００の反対側に配置されたリフレクタ２２０を備えるため、特定の光路、例えば、図１では観察者から離れる経路に沿った光路２０２、２０４は、ここでは、ＬＥＤ２１０から、レンズ２００を通ってリフレクタ２２０に向かう経路に沿う。リフレクタ２２０では、光路２０２、２０４を、ＬＥＤ２１０からの初期光路とほぼ反対方向にリダイレクトするために、光路２０２、２０４を反射させる。また、図１に迷光路１３２、１３４として示す光路２３２、２３４が、ＬＥＤ２１０からの初期光路とほぼ反対の方向にリダイレクトされることが理解されよう。このように、反射光路２０２、２０４、２３２、２３４は、同様なこのような光路と共に、リフレクタがない場合には、部分的には、ＬＥＤ２１０から支持フレームによって遮られた光（ここでは個別に符号を記さない）の結果として、あまり照射されなかった領域２２２を「満たす」ことができる。

図３は、本発明の第１実施形態に従った、例示的なレンズ−リフレクタと支持フレームとの図２に示すような組み合わせからの、例示的な配光パターンのグラフ表示３００である。図３から分かるように、配光は、断面図においてバットウィング配光として断面図に表されており、バットウィング配光は、ＬＥＤ１１０の領域と支持フレーム１３０からの光を示す原点３１０を有し、主ローブ３０６、３０８が半径方向に沿って照明強度を示している。ただし、リフレクタ２２０が存在しない場合（図２）に、ＬＥＤ光源からの初期光方向、及びＬＥＤ支持構造による遮断に起因して、著しく少ない照明が提供されたであろう照明３２２の領域も含まれる。リダイレクトしなければ、その初期経路に沿い続けるであろうこの光を、リダイレクトすることにより、リフレクタは、システム全体の光効率を向上させる。

ここで図４〜６を参照して、本発明の主題の、第２の例示的実施形態について説明する。これに関して、図４は、本主題に係る、第１のタイプの非対称レンズ４００の図である。図１のように、光線と、支持フレームと、ＬＥＤとを重畳して図示していないが、レンズ４００を通る光路、及びレンズ４００からの光路は、レンズ４００の非対称形状に基づいて、バットウィング配光がわずかに非対称であること以外は、図１に示したものと非常に似ていることを理解されたい。例えば、図４に示すレンズ４００の例示的な構成では、ピーク位置４０２、４０４における差異は、ローブ６０６、６０８と、基準線６２０との間の角度差、すなわち角度θ₁とθ₂との差が、約１０°であるようになっている。他の実施形態において、この差は、配光のさらなる制御のために約５°〜約３０°の範囲とすることができる。本発明の主題のこの実施形態では、図６においてタイプ１として示されるレンズ４００によって生じる非対称性は、他方のローブ６０８（θ₂）と比較した場合に、中心軸６２０から異なる角度（θ₁）にある強度分布の一方のローブ６０６を含むことを理解されたい。

図５に示すように、リフレクタ５２０を追加すると、ＬＥＤ５１０から非対称レンズ５００を通る光路が形成されるが、これらの光路の一部は、関連づけられているリフレクタ５２０から反射され、他の一部は支持フレーム５３０によって遮断され、さらに他の一部は、レンズ５００内で反射されて、リフレクタ５２０から反射されたこれら光路に沿って、ＬＥＤ５１０からの光の初期方向とほぼ反対の光の方向に、ＬＥＤ５１０からのバットウィング配光を生成する。

図６は、図５に示すレンズ−リフレクタ及び支持フレームの組み合わせからの、例示的なバットウィング配光６０６、６０８のグラフ表示６００である。図４〜６の検査から明らかなように、レンズ４００、５００は、配光を制御するための機構として、バットウィング配光６０６、６０８を斜めに一側（図６の６０８）に対して少なくとも部分的に傾けるように非対称に形成される。

ここで図７〜８を参照して、本発明の主題の、第３実施形態について説明する。これに関して、図８は、ＬＥＤ８１０からの非対称レンズ８００を通る光路を示し、その一部は、関連するリフレクタ８２０から反射され、その他の一部は、支持フレーム８３０により遮断されるが、図７は、本発明の主題に係る第２のタイプの非対称レンズ７００の図である。図９は、図８に示すレンズ−リフレクタ及び支持フレームの組み合わせからの、ほぼバットウィング配光９０６、９０８のグラフ表示９００である。

図７〜９の検査から明らかなように、レンズ７００、８００は、配光を制御するための機構として、バットウィング配光９０６、９０８を斜めに一側（図９の９０８）に対して少なくとも部分的に傾けるように非対称に形成される。図７〜９の例示的な構成では、強度分布の２つのローブのピークを示す角度θ₁とθ₂が、中心軸９２０の両側にほぼ均等となるように中心に配置されているという事実にもかかわらず、図９にタイプ２として示されるレンズ７００の、ピーク位置７０２、７０４の差異が、領域７０６におけるレンズ７００のさらなる非対称部の形成とともに、左側９０６と右側９０８との間の、光の分布の相対比率が３０：７０となるように、かなり多くの光束が右側９０８に向けられる構成を提供する。他の実施形態では、この割合は、配光のさらなる制御のために、約２０：８０〜４０：６０の範囲とすることができる。

図１０を参照すると、本主題の直線状に細長い押出レンズ１０００の実施形態が示されている。図１０を図４と比較した結果から分かるように、これらのレンズの各々の、図１０の端面図１００２に見られる断面は、ほぼ同じである。図１のレンズ１００及び図７のレンズ７００のようなレンズは、押出成形されてもよいことを理解されたい。このように、ＬＥＤの線形アレイは、例えば、図２、５、８の２２０、５２０、８２０に示されているような断面を有する同様の直線リフレクタを収容することができる。もちろん当業者であれば、図４及び図７に示されるレンズ４００、７００の変形例に対応する様々なレンズ構成と共に、例えば、パラボラ状リフレクタ、自由曲面リフレクタ、プリズムリフレクタを含む、他のリフレクタタイプも、用いることができることを理解するであろう。本明細書に開示されるＬＥＤとレンズの組み合わせも、街路灯リフレクタに加え、多くの公知のトロファを含むトロファと共に使用してもよい。

図１１Ａ及び１１Ｂは、レンズ断面が、３６０°完全に軸回転する軸対称レンズを用いた本発明の主題の、別の実施形態を示す図である。図１１Ａに最もよく見られるように、断面において、レンズ１１００は、図１のレンズ１００と同様である。本実施形態では、レンズ１１００は、単一のＬＥＤ、又はほぼ円形に構成された、もしくはグループ化構成されたＬＥＤのグループと共に使用することに特に適している。

図１２Ａ〜１２Ｄは、レンズ断面図が１８０°だけ回転する、本発明の主題の３次元レンズ実施形態を示している。図１２Ａ及び１２Ｄに最も容易に見ることができるように、レンズ１２００の下面１２０２は、ほぼ平坦であり、１以上のＬＥＤ光源（個別には図示せず）を少なくとも部分的に受ける凹部１２０４を有する。さらに、図１２Ｂ及び図１２Ｃに最もよく見られるように、上部表面１２１０、１２１２は、図１〜９を参照して前述したものと同様の配光の変化を提供するように構成された、ほぼ楕円形状の２つに分かれた部分として形成されている。この点に関し、レンズの２つの回転部は、対称又は非対称の配光パターンを得るために、図１、４、７に示されるレンズと同様に、対称又は非対称に構成されてもよい。

本明細書は、最良の態様を含む本発明の主題を開示し、かついかなる当業者も、任意の装置又はシステムの製造及び使用、並びに任意の組み込まれた方法の実行を含む、本主題の実施をすることができるように、例を使用している。本発明の特許性のある範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者に想起される他の例を含み得る。このような他の例が、特許請求の範囲の文字通りの文言と異ならない構造要素を含む場合、又は特許請求の範囲の文言と実質的な差異のない均等の構造要素を含む場合、そのような他の実施例は特許請求の範囲内にあることが意図されている。

１００レンズ
１０２光路
１０４光路
１０６光路
１０８光路
１１０ＬＥＤ
１３０支持フレーム
１３２迷光路
１３４迷光路
１４２湾曲面
１４４湾曲面
１４６側面
１４８側面
１５０第１面
１５２第２面
１５４第３面
２００レンズ
２０２光路
２０４光路
２１０ＬＥＤ
２２０リフレクタ
２２２領域
２３２光路
２３４光路
３００グラフ表示
３０６主ローブ
３０８主ローブ
３１０原点
３２２照明
４００レンズ
４０２ピーク位置
４０４ピーク位置
５００レンズ
５１０ＬＥＤ
５２０リフレクタ
５３０支持フレーム
６００グラフ表示
６０６バットウィング配光
６０８バットウィング配光
６２０中心軸
７００レンズ
７０２ピーク位置
７０４ピーク位置
７０６領域
８００レンズ
８１０ＬＥＤ
８２０リフレクタ
８３０支持フレーム
９００グラフ表示
９０６バットウィング配光
９０８バットウィング配光
９２０中心軸
１０００押出レンズ
１００２端面図
１１００レンズ
１２００レンズ
１２０２下面
１２０４凹部
１２１０上部表面
１２１２上部表面

Claims

第１面（１５０）及び第２面（１５２）を有するレンズ（１００，２００，４００，５００，７００，８００，１０００，１１００，１２００）と、
少なくとも前記第１面に向けて初期方向に光を導くように構成されたＬＥＤ光源（１１０，２１０，５１０，８１０）とを備える配光システムであって、
前記第１面に向かう光が、前記レンズを通り、少なくとも一部が前記第２面で反射して戻され、前記ＬＥＤ光源からの光の前記初期方向とほぼ反対方向にバットウィング配光が生成され、
前記第２面（１５２）の反対側に配置され、前記ＬＥＤ光源（１１０，２１０，５１０，８１０）からの光を反射するリフレクタ（２２０，５２０，８２０）をさらに備え、
前記レンズ（１００，２００，４００，５００，７００，８００，１０００，１１００，１２００）が、前記第１面（１５０）と前記第２面との間に側面を形成する第３面（１５４）を含み、前記第３面を光が通過し、前記ＬＥＤ光源（１１０，２１０，５１０，８１０）からの光の、ほぼ前記初期方向に出射し、
前記レンズを通過して前記第３面から出射する光の少なくとも一部が、前記リフレクタによって反射されて、前記レンズによって生成されたバットウィング配光の中央領域に補助光を提供する、配光システム。
前記第２面（１５２）が、中心線２に沿って２つの対称部分または非対称部分に分けられており、それによって、対称バットウィング配光または非対称バットウィング配光を生成する、請求項１に記載の配光システム。
前記第２面（１５２）が、中心線２に沿って２つの非対称部分に分けられており、それによって、非対称バットウィング配光を生成し、
前記２つの非対称部分の各々が、中心軸からピーク光強度の点に定義される角度を有しており、それぞれの前記角度の差異が、約５°〜約３０°であり、
前記第２面（１５２）が、中心線に沿って２つの非対称部分に分けられており、第１部分の光量と第２部分の光量の相対比率が、約２０：８０〜４０：６０となるように、前記ＬＥＤからの光束が、前記第１部分に向けられている、請求項１に記載の配光システム。
前記レンズ（１１００）が軸対称であり、
前記レンズ（１０００）が直線状に細長い、請求項１乃至３のいずれかに記載の配光システム。
前記第１面（１５０）が、前記ＬＥＤ光源（１１０，２１０，５１０，８１０）を少なくとも部分的に受ける凹部領域を含む、請求項１乃至４のいずれかに記載の配光システム。
バットウィング配光を生成する方法であって、
ＬＥＤ光源（１１０，２１０，５１０，８１０）で、第１面（１５０）と第２面（１５２）を有するレンズ（１００，２００，４００，５００，７００，８００，１０００，１１００，１２００）を、光の初期方向に照射することであって、照明光の一部が、前記レンズの前記第１面に当たり、前記レンズの前記第２面から、前記光源の光の前記初期方向とほぼ反対の方向に、前記レンズ内で内部反射するように、照射することを含み、
前記レンズ（１００，２００，４００，５００，７００，８００，１０００，１１００，１２００）が、前記第１面（１５０）と前記第２面（１５２）との間に側面を形成する第３面（１５４）を含み、前記第３面を光が通過し、前記ＬＥＤ光源（１１０，２１０，５１０，８１０）からの光の、ほぼ前記初期方向に出射し、前記方法が、
前記第２面（１５２）と反対側に位置するリフレクタ（２２０，５２０，８２０）によって前記第３面を通過する照明光の一部を光の前記初期方向とはほぼ逆方向に反射することをさらに含む、方法。
前記第２面（１５２）が、中心線に沿って２つの対称部分または非対称部分に分けられており、それによって対称バットウィング配光または非対称バットウィング配光を生成する、請求項６に記載の方法。
前記第２面（１５２）が、中心線に沿って２つの非対称部分に分けられており、それによって非対称バットウィング配光を生成し、
前記２つの非対称部分の各々が、中心軸からピーク強度の点に定義される角度を有しており、それぞれの前記角度の差異が、約５°〜約３０°であり、
前記２つの非対称部分が、約２０：８０〜４０：６０の光量の相対比率で第１部分と第２部分とに光を分配する、請求項６または７に記載の方法。