JP7182608B2 - 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 - Google Patents

Description

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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１のレンズの拡大不透明光出力平面図である。 図１のレンズの拡大不透明光入力平面図である。 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。 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。 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１のレンズの両側面の拡大不透明図である。 図１のレンズの両側面の拡大不透明図である。 図１のレンズの拡大不透明前面（優先側）図である。 図１のレンズの拡大不透明背面（非優先側５）図である。 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。 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。 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。 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。 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２５のレンズの光出力側からの拡大透明斜視図である。 図２９のレンズの拡大透明平面図である。 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２４～図３３のレンズの拡大透明側面図である。 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。 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４２のレンズの光出力側からの拡大透明斜視図である。 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。 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４７のレンズの拡大不透明光出力平面図である。 図４７のレンズの拡大不透明光入力平面図である。 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。 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４７のレンズの両側面の拡大不透明図である。 図４７のレンズの両側面の拡大不透明図である。 図４７のレンズの拡大不透明前面（優先側）図である。 図４７のレンズの拡大不透明背面（非優先側５）図である。 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。 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６６のレンズの拡大不透明光出力平面図である。 図６６のレンズの拡大不透明光入力平面図である。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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１０７の照明器具の光出力側からの断片的な斜視図である。 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。 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１１０の断片をより大きく拡大した図である。 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。 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。 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１１４のＬＥＤパッケージの拡大側面図である。 図１１４のＬＥＤパッケージの拡大上面図である。 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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

Claims (25)

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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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１～７のいずれか１項に記載のレンズ。
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１～８のいずれか１項に記載のレンズ。
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１～９のいずれか１項に記載のレンズ。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。

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