JP7446531B2 - 発光デバイス - Google Patents

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Description

本発明は、動作時に、光を発する少なくとも１つの光源と、発光デバイスによって照らされるべき表面に向かう第１の方向に少なくとも１つの光源によって発せられる光を向けるように構成される少なくとも１つの自由形状屈折レンズ要素であって、自由形状屈折レンズ要素は、照らされるべき表面に向かう方向に向く第１の端部と、照らされるべき表面から離れる方向に向く第２の端部とを含む、自由形状屈折レンズ要素とを含む、発光デバイスに関する。
本明細書で使用される場合、「下方(downward)」という用語は、一般に、垂直の両側に、３０度の角度内、とりわけ１０度又は５度の角度内の任意の方向を包含することを意味する。「垂直(the vertical)」という用語は、例えば鉛直線(plumb line)で具体化されるように、上又は下に、重力の力の方向と整列する方向を指すことが意図される。
街路(street)及び道路(road)照明では、光の有効利用のために、光のほとんどが街路又は道路に向けられることが望ましい。他の方向への光はすべて、グレア(glare)、光トレスパッシング(light trespassing)、スカイグロー(sky glow)等の望ましくない効果をもたらす可能性があるため、典型的には、無駄(waste)、ましては光害とみなされる。
ＬＥＤ照明器具の場合、典型的な道路照明アーキテクチャは、ＰＣＢ上に配置されるＬＥＤアレイと、好ましい方向に光を方向付けるためにＬＥＤごとに自由形状レンズを含む光学プレートから成る。このようなＬＥＤ照明器具の一例は、いわゆる自由形状ピーナッツレンズ(free-shape peanut lens)である、ＤＭ１０レンズを備えるＣｌｅａｒｗａｙ道路照明照明器具である。この自由形状ピーナッツレンズは、道路に沿った２つのピーク強度方向に光を向け、さらに、様々な標準化された分布のために、残りの角度空間において滑らかな強度勾配を有する配光を作り出す。ＤＭ１０ピーナッツレンズは、最大強度Ｉｍａｘ＝６２９ｃｄ／ｋｌｍを提供する。光出力比（ＬＯＲ：Light Output Ratio）の観点での光学効率は、８７．２％である。前方方向（道路に向かう方向）のスピル光(spill light)は、シャープな強度カットオフでよく制御されるが、大量の光（約３２％）が、（歩道(pavement)又は沿道(roadside)に向かう）後方方向にこぼれる(spilled)。
この特定の設計では、自由形状レンズは、裏側に小さな突出部分を含む。この小さな構造は、後方方向の光をＰＣＢ表面に反射して戻す。この場合、白色ＰＣＢ表面は、ポールの周囲に拡散照明を提供するのに対し、黒色ＰＣＢ表面は、効率が低下することを犠牲にして、厳しい光害制約が後方光に課される場合、後方に方向付けられる光を吸収するために使用され得る。
屈折自由形状レンズオプティクスは、道路に向かう方向の光を制御するのに非常に適しているが、ポールの後ろの方向の光を制御するのには適していない。現在知られている解決策は、光害の制約に依存して、後方光を拡散させるか、吸収するかのいずれかである。光を道路に向けてリダイレクトするためのＴＩＲファセットを有する自由形状レンズも知られている。これらは一般的方向を向上させ、それゆえ、光の有効利用を向上させるが、このリダイレクトされた光は、所望のピーク強度分布を生成するために必要な高度(high degree)に制御されることはできない。
ＵＳ ９，２００，７６５ Ｂ１は、光源と、突出部を有するオプティック（レンズ）とを含む街路照明システムであって、突出部は、２つの反射構造、典型的には全反射（ＴＩＲ）構造を含む、街路照明システムを開示している。光源は、２つの主方向、すなわち、照らされるべき街路から離れる方向である、ハウス側に向かう方向、及び、照らされるべき街路に直接向かう方向である、街路側に向かう方向に光を発する。２つの反射構造は単純面であり、ハウス側に向かって光源から発せられる光をリダイレクトするように構成される。ハウス側に向かって発せられる光が２つの反射面によって反射される場合、街路側に向けて方向付けられるが、街路側に向かう方向に光源から発せられる光の主方向とは異なる方向の単一のリダイレクトビーム(single redirected beam)という結果になる。また、この解決策では、反射面によってリダイレクトされず、斯くして失われる、ハウス側に向かって発せられるある量の光が依然として存在する。
斯くして、光損失が低減され、効率が増大され、また、所望のピーク強度分布を生成するために必要な高度にリダイレクト光(redirected light)を制御することが可能である、街路及び道路照明で使用するためのＬＥＤ照明器具を提供することが望まれている。
本発明の目的は、この問題を克服し、光光損失が低減され、効率が増大され、また、所望のピーク強度分布を生成するために必要な高度にリダイレクト光を制御することが可能である、街路照明を目的とした発光デバイスを提供することである。
本発明の第１の態様によれば、この及び他の目的は、発光デバイスであって、動作時に、光を発する少なくとも１つの光源と、当該発光デバイスによって照らされるべき表面に向かう第１の方向に少なくとも１つの光源によって発せられる光を向ける(aim)ように構成される少なくとも１つの自由形状屈折レンズ要素(free-shape refractive lens element)であって、自由形状屈折レンズ要素は、照らされるべき表面に向かう方向に向く第１の端部及び照らされるべき表面から離れる方向に向く第２の端部を含む、自由形状屈折レンズ要素と、少なくとも１つの第１の全反射（ＴＩＲ：total internal reflection）要素であって、第１のＴＩＲ要素は、照らされるべき表面から離れる第２の方向に少なくとも１つの光源から発せられる光を平行且つ下方方向に伝搬する光にコリメート及びリダイレクトするように構成されるコリメーティングＴＩＲ要素(collimating TIR element)であり、第１のＴＩＲ要素は、光インカップリング面(light incoupling surface)及び光アウトカップリング面(light outcoupling surface)を含み、第１のＴＩＲ要素の光インカップリング面は、自由形状屈折レンズ要素の第２の端部に配置される、第１のＴＩＲ要素と、第１のＴＩＲ要素によってコリメートされ、リダイレクトされる光を、照らされるべき表面に向かう方向に伝搬し、自由形状屈折レンズ要素によって向けられる(aimed)光の強度ピークとアラインされる(aligned)広角に２つの強度ピークを有する強度分布を有する光にリダイレクトするように構成される少なくとも１つの第２のＴＩＲ要素であって、少なくとも１つの第２のＴＩＲ要素は、第１のＴＩＲ要素の光アウトカップリング面に配置され、光アウトカップリング面は、第１のＴＩＲ要素が終わり、第２のＴＩＲ要素が始まる位置を示す、第２のＴＩＲ要素とを含む、発光デバイスによって達成される。
これにより、特に、上記のように配置及び構成される第１のＴＩＲ要素及び第２のＴＩＲ要素の両方を設けることにより、光光損失が低減され、効率が増大され、また、所望のピーク強度分布を生成するために必要な高度にリダイレクト光を制御することが可能である、発光デバイスが提供される。
また、このような発光デバイスは、照らされることが望まれる表面以外の表面及びエリアに向けて光が不注意に(inadvertently)発せられることに起因するグレア、光トレスパッシング及びスカイグロー等の悪影響を低減又は完全に排除することにより、光の無駄(light waste)及び光害を大幅に低減、ましては回避することを可能にする。
さらに、場合によっては、自由形状レンズは、必要に応じて、他の方向へ光をリディストリビュートする(redistribute)ように適合されてもよい。
それゆえ、このような発光デバイスは、上述したような悪影響を避けるために光の大きな方向制御(large degree of directional control)が必要とされる街路照明目的及び他の照明目的に特に適している。
一実施形態において、少なくとも１つの第２のＴＩＲ要素は、非対称要素(asymmetric element)又は傾斜プリズム状要素(tilted prism-shaped element)である。
このような光学アーキテクチャを有する第２のＴＩＲ要素を設けることは、光リダイレクティング特性がとりわけ良好である発光デバイスを提供する。これにより、とりわけ低い光損失及びとりわけ高い効率が得られる。
原理的に、自由形状レンズ要素によって形成される２つの強度ピークは、照らされるべき表面の長手方向に沿って対称に分布するが、照らされるべき表面を横切る方向には非対称に分布する。代替的に、自由形状レンズ要素によって形成される２つの強度ピークは、照らされるべき表面を横切る方向において対称に分布してもよい。いずれにせよ、照らされるべき表面を横切る方向における非対称性は、第１のＴＩＲ要素から生じる平行ビームを垂直方向に対して傾斜させることによって（この場合、プリズムは対称的であってもよい）、又は傾斜プリズムを介して垂直平行ビームを曲げることによって作り出されてもよい。
斯くして、特定の実施形態において、第２のＴＩＲ要素は、照らされるべき表面に垂直な垂直平面において鏡面対称であり、照らされるべき表面を横切る直交方向において非対称である要素である。
一実施形態において、少なくとも１つの第２のＴＩＲ要素は、複数の光アウトカップリング要素を含み、光アウトカップリング要素は、プリズム状、円錐状、又はプリズム状及び円錐状の組み合わせである形状を有する。
このような光学アーキテクチャを有する光アウトカップリング要素（ファセット）を有する第２のＴＩＲ要素を設けることは、光リダイレクティング特性が最適化される発光デバイスを提供する。これにより、とりわけ低い光損失及びとりわけ高い効率が得られる。
一実施形態において、少なくとも１つの第２のＴＩＲ要素は、複数の光アウトカップリング要素を含み、光アウトカップリング要素は、三角形、非対称三角形(asymmetric triangular)及び二等辺三角形のいずれかである断面形状を有する。代替的に、又は追加的に、光アウトカップリング要素は、湾曲(curvature)又はスプライン形状(spline shape)を有する。
このような光学アーキテクチャを有する光アウトカップリング要素（ファセット）を有する第２のＴＩＲ要素を設けることは、光リダイレクティング特性がとりわけ良好であるシンプルな構造の第２のＴＩＲ要素を有する発光デバイスを提供する。これにより、とりわけ低い光損失及びとりわけ高い効率が得られる。
一実施形態において、少なくとも１つの第２のＴＩＲ要素は、表面テクスチャ(surface texture)、表面コーティング又は反射防止コーティングを備える。
コーティングを有する第２のＴＩＲ要素を設けることは、光損失をさらに低減し、発光デバイスの効率をさらに高めることを可能にする。
一実施形態において、少なくとも１つの自由形状屈折レンズ要素は、２つの強度ピークを有する強度分布を提供するように構成されるピーナッツ状レンズ要素(peanut-shaped lens element)である。
このような自由形状レンズ要素は、道路等の矩形エリアを照らすために設計され、とりわけ、矩形エリアの遠方を均一に照らすように設計される。これを得るために、自由形状レンズ要素は２つの強度ピークを生成する必要があり、結果として、自由形状レンズ要素は２つの膨らみサイド(bulging side)を有することが多い。それゆえ、このような自由形状レンズ要素は、ピーナッツレンズと呼ばれることもある。それゆえ、ピーナッツ状レンズ要素は、好適な自由形状レンズ要素の一例である。これにより、照らされるべき表面に向かう第１の方向における少なくとも１つの光源によって発せられる光の照準(aiming)が特に高精度且つ効率的である発光デバイスが提供される。
一実施形態において、少なくとも１つの自由形状屈折レンズ要素、少なくとも１つの第１のＴＩＲ要素及び少なくとも１つの第２のＴＩＲ要素は、一体に(in one piece)設けられている。
これにより、とりわけシンプル且つロバストな構造を有し、製造がシンプルで比較的安価である発光デバイスが提供される。
一実施形態において、少なくとも１つの自由形状屈折レンズ要素、少なくとも１つの第１のＴＩＲ要素及び少なくとも１つの第２のＴＩＲ要素は、射出成形(injection molded)又は鋳造(cast)又は成形(molded)又は３Ｄ印刷(3D printed)又は圧縮成形(compression molded)又はエンボス加工(embossed)されている。
これにより、大量の製造がシンプル且つ比較的安価である発光デバイスが提供される。
一実施形態において、当該発光デバイスは、光源のアレイと、光源のアレイの各光源に関連付けられる、自由形状屈折レンズ要素、第１のＴＩＲ要素及び第２のＴＩＲ要素とを含む。
これにより、上述した利点を得ながら、とりわけシンプルなやり方で発光デバイスの総光出力(total light output)の強度の増加が得られ得る発光デバイスが提供される。
一実施形態において、当該発光デバイスはさらに、ユニットのアレイを含むレンズプレートを含み、各ユニットは、自由形状屈折レンズ要素、第１のＴＩＲ要素及び第２のＴＩＲ要素を含む。
これにより、上述した利点を得ながら、とりわけシンプルなやり方で発光デバイスの総光出力の強度の増加が得られ得、さらに、とりわけシンプル且つロバストな構造を有し、製造がシンプル且つ比較的安価である発光デバイスが提供される。
一実施形態において、レンズプレートは、一体に設けられている。
これにより、とりわけシンプル且つロバストな構造を有し、製造がシンプル且つ比較的安価であり、また、アセンブルがとりわけシンプルである発光デバイスが提供される。
本発明はさらに、上記クレームのいずれかによる発光デバイスを含む照明器具に関する。照明器具は、ポール、スタンド又は吊り下げ構成(suspension arrangement)を含んでもよい。照明器具は、産業照明器具(industry luminaire)、トンネル照明器具(tunnel luminaire)、道路照明照明器具(road lighting luminaire)、ウォールウォッシング照明器具(wall washing luminaire)又は街路照明照明器具(street lighting luminaire)であってもよい。
本発明は、特許請求の範囲に列挙されている特徴のすべての可能な組み合わせに関する。
本発明のこの及び他の態様が、本発明の実施形態を示す添付の図面を参照して、より詳細に述べられる。図に示されているように、レイヤ及び領域のサイズは、例示の目的で誇張されている場合があり、斯くして、本発明の実施形態の一般的な構造を例示するために提供されている。同様の参照数字は、全体を通して同様の要素を指す。
光源、自由形状屈折レンズ要素、第１のＴＩＲ要素、及び第２のＴＩＲ要素を含む、本発明の第１の実施形態による発光デバイスの透視側面図を示す。 図１による発光デバイスの上面図を示す。 図１による発光デバイスの斜視図を示す。 図１による発光デバイスのアレイを含む、本発明の第２の実施形態による発光デバイスの斜視図を示す。 図４による発光デバイスから生じる強度分布を図示するデカルトプロットを示す。 図４による発光デバイスから生じる強度分布を図示するポーラプロットを示す。 図３の線ＶＩＩに沿って見た図１～３による発光デバイスの第１のＴＩＲ要素及び第２のＴＩＲ要素の断面側面図を示す。 第１のＴＩＲ要素及び第２のＴＩＲ要素から生じる強度分布の部分のみを図示し、自由形状屈折レンズ要素から生じる強度分布の部分を図示していない、図１～３及び７による発光デバイスから生じる強度分布を図示するデカルトプロットを示す。 第１のＴＩＲ要素及び第２のＴＩＲ要素から生じる強度分布の部分及び自由形状屈折レンズ要素から生じる強度分布の部分の両方を図示する、図１～３及び７による発光デバイスから生じる総強度分布を図示するデカルトプロットを示す。 本発明による発光デバイスのアレイの性能を図示する４つの異なるプロットを示す。上側の２つのプロットは、２つの異なる角度から見た本発明による発光デバイスのアレイの様相を図示し、右側は、ピーク強度方向におけるものである。下側の２つのプロットは、同じ２つの異なる角度から見た従来技術の発光デバイスのアレイの様相を図示、ここでも、右側は、ピーク強度方向におけるものである。 本発明による発光デバイスを含む照明器具の実施形態を概略的に図示する。 本発明による発光デバイスを含む照明器具の実施形態を概略的に図示する。
本発明は、本発明の現在好ましい実施形態が示されている添付図面を参照して、以下にさらに完全に述べられる。しかしながら、本発明は、多くの異なる形態で実施されてもよく、本明細書で述べられている実施形態に限定されると解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、徹底性及び完全性のために提供されており、本開示の範囲を当業者に完全に伝える。
まず、図１～３を参照すると、図１は、本発明の第１の実施形態による発光デバイス１の透視側面図を示している。図２は、発光デバイス１の上面図を示し、図３は、発光デバイス１の斜視図を示している。
一般に、実施形態にかかわらず、本発明による発光デバイス１は、少なくとも１つの光源２、自由形状屈折レンズ要素３、第１のＴＩＲ要素４及び第２のＴＩＲ要素５を含む。
少なくとも１つの光源２は、動作時に、光７、９を発するように構成される。図１に示されるように、少なくとも１つの光源２によって発せられる光の第１の部分７は、一般に、路面等、照らされるべき表面２２に向かう第１の方向に発せられ、光の第２の部分９は、一般に、照らされるべき表面２２から離れ、照らされるべき表面２２の隣の表面又はエリア２３に向かう第２の方向に発せられる。表面又はエリア２３は、例えば、ディッチ(ditch)、トレンチ(trench)又は路面の隣の他の表面であってもよい。少なくとも１つの光源２は、光７、９が発せられる光出口面６を含む。少なくとも１つの光源２は、原則として、任意の実現可能なタイプの光源であってもよいが、典型的にはＬＥＤ光源である。
表面２２は、原則として、照らされることが望まれる任意の表面であってもよいが、とりわけ、道路、街路、サイクリング道路、歩行者道、駐車場、又は任意の他の通行表面(traffic surface)である。表面又はエリア２３は、ディッチ、一区画の土地(piece of land)、区画(plot)等のエリア、又は照らすことが望まれない表面２２の隣の任意の他のエリア２３であってもよい。
自由形状屈折レンズ要素３は、一般に、実施形態にかかわらず、第１の方向に少なくとも１つの光源２によって発せられる第１の光７を発光デバイス１によって照らされるべき表面２２に向かって伝搬する光７'に向け、集束させるように構成される。
自由形状屈折レンズ要素３は、第１の方向を向き、第１の光７を光７'に向け、集束させるように構成される第１の端部又は面１１を含む。さらに、自由形状屈折レンズ要素３は、第２の方向に向く第２の端部又は面２０を含む。第２の光９は、第２の面２０を通って自由形状屈折レンズ要素３を出る。自由形状屈折レンズ要素３は、２つの強度ピークを有する強度分布を提供するように構成されるレンズ要素又はピーナッツ状レンズ要素であってもよい。
第１のＴＩＲ要素４は、第２の方向に少なくとも１つの光源２から発せられる第２の光９を平行な、下方方向に伝搬する光９'にリダイレクト及びコリメートするように構成されるコリメーティングＴＩＲ要素４である。第１のＴＩＲ要素４は、光インカップリング面１９、ＴＩＲ面１２、及び光アウトカップリング面１３を含む。光アウトカップリング面１３は、物理的な面ではなく、第１のＴＩＲ要素４が終わり、第２のＴＩＲ要素５が始まる位置を示す仮想的な面として理解されるべきである。第１のＴＩＲ要素４の光インカップリング面１９は、自由形状屈折レンズ要素３の第２の端部２０に配置される。斯くして、第１のＴＩＲ要素４は、光インカップリング面１９において第２の光９を受ける。ＴＩＲ面１２は、第２の光９を光９'にリダイレクト及びコリメートする。コリメート及びリダイレクトされた光９'は、光アウトカップリング面１３において第１のＴＩＲ要素４を出る。
発光デバイス１は、１つ以上の第２のＴＩＲ要素５を含む。いずれにせよ、少なくとも１つの第２のＴＩＲ要素５は、第１のＴＩＲ要素４によってコリメートされ、リダイレクトされる光９'を、照らされるべき表面２２に一般に向かう方向に伝搬し、自由形状屈折レンズ要素３によって向けられ、集束される光光７'の強度ピークとアラインされる広角に２つの強度ピークを有する強度分布を有する光９''にリダイレクトするように構成される。少なくとも１つの第２のＴＩＲ要素５は、光インカップリング面２１及び１つ以上の光アウトカップリング要素１４を含む。光アウトカップリング要素１４は、ファセット(facetted)光アウトカップリング要素１４であってもよい。少なくとも１つの第２のＴＩＲ要素５は、第１のＴＩＲ要素４の光アウトカップリング面１３に配置される。少なくとも１つの第２のＴＩＲ要素５は、光インカップリング面２１においてコリメート及びリダイレクトされた光９'を受ける。斯くして、光インカップリング面２１は、物理的な面ではなく、第２のＴＩＲ要素５が始まり、第１のＴＩＲ要素４から光を受ける位置を示す仮想的な面として理解されるべきである。リダイレクトされた光９''は、光アウトカップリング要素１４において、とりわけ、光アウトカップリング要素１４の表面を通って第２のＴＩＲ要素を出る。少なくとも１つの第２のＴＩＲ要素５は、第１のＴＩＲ要素４の光アウトカップリング面１３全体を覆ってもよいことに留意されたい。
一般に、少なくとも１つの第２のＴＩＲ要素５は、非対称要素又は傾斜プリズム状要素であってもよい。一般に、とりわけ、図１に示されるように、第２のＴＩＲ要素５の１つ以上の光アウトカップリング要素１４は、ＴＩＲが生じ、入射光９'を光９''にリダイレクトする第１の面又はＴＩＲ面１５を含む。さらに、第２のＴＩＲ要素５の１つ以上の光アウトカップリング要素１４は、第２の面１６、第３の面１７、及び第４の面１８を含む。１つ以上の光アウトカップリング要素１４は、図１～３に示される実施形態では、第１の面１５に沿って延び、第１の面１５とそれぞれ隣接する第２の面１６との間の遷移を定義するそれぞれの線に対して垂直な仮想線が、非対称三角形の第１の最も長いカテーテル(catheter)を形成し、第２の面１６に沿って延び、第２の面１６とそれぞれ隣接する第１の面１５との間の遷移を定義するそれぞれの線に対して垂直な仮想線が、非対称三角形の第２のより短いカテーテルを形成する、非対称三角形の形状である断面形状を有する。斯くして、図１～３に示される実施形態において、少なくとも１つの第２のＴＩＲ要素５は非対称要素であり、とりわけ、傾斜プリズム状要素である。
図１では、仮想平面Ｐが示されている。平面Ｐは、光源２の光出口面６に対して垂直に且つ第１のＴＩＲ要素４の光インカップリング面１９に対して平行に延びている。この仮想平面Ｐを基準として、本明細書で使用される「照らされるべき表面に向かう方向(direction towards the surface to be illuminated)」という用語は、図１に見られるように、光源２の光出口面６の任意の点から離れ、照らされるべき表面２２に最も近い仮想平面Ｐの第１の側８におけるエリア又はボリューム(volume)に向かって延びるように定義される任意の方向として定義されてもよい。また、本明細書で使用される用語「照らされるべき表面に向かう方向」は、光源２の光出口面６の任意の点から離れ、自由形状屈折レンズの表面１１に向かって延びるように定義される任意の方向として定義されてもよい。
同様に、本明細書で使用される「照らされるべき表面から離れる方向(direction away from the surface to be illuminated)」という用語は、図１に見られるように、光源２の光出口面６の任意の点から離れ、照らされるべき表面２２から遠い、第１の側８とは反対側の仮想平面Ｐの第２の側１０におけるエリア又はボリュームに向かって延びるように定義される任意の方向として定義されてもよい。また、本明細書で使用される用語「照らされるべき表面から離れる方向」は、光源２の光出口面６の任意の点から離れ、第１のＴＩＲ要素４に向かって延びるように定義される任意の方向として定義されてもよい。
最後に、本明細書で使用される「平行な、下方方向(parallel, downward direction)」という用語は、仮想平面Ｐに対して平行な方向、又は仮想平面Ｐと数度、例えば１～５度の角度をなす方向として定義されてもよい。また、用語「平行な、下方方向」は、照らされるべき表面２２に対して垂直な方向、又は照らされるべき表面２２に対して垂直の数度以内、例えば１～５度の方向に延びる方向として定義されてもよい。発光デバイスがさらにポール２６（図１２参照）を含む実施形態では、「平行な、下方方向」という用語は、ポール２６の長手方向延在部(longitudinal extension)に対して平行、又はポール２６の長手方向延在部に対して数度、例えば平行と１～５度の角度をなすものとして定義されてもよい。最後に、「平行な、下方方向」という用語は、垂直に対して平行、又は垂直に対して数度、例えば平行と１～５度の角度をなすものとして定義されてもよい。ここで、「垂直」という用語は、例えば鉛直線で具体化されるように、上又は下に、重力の力の方向と整列する方向を指すことが意図される。
自由形状屈折レンズ要素３、第１のＴＩＲ要素４及び第２のＴＩＲ要素５は、射出成形によって製造されてもよい。代替的な製造方法としては、圧縮成形、エンボス加工、鋳造、押出成形、３Ｄ印刷等が挙げられる。自由形状屈折レンズ要素３、第１のＴＩＲ要素４及び第２のＴＩＲ要素５は、一般に、一体に設けられる。代替的に、自由形状屈折レンズ要素３、第１のＴＩＲ要素４及び第２のＴＩＲ要素５は、例えば適切な光学接着剤を用いて、互いに接続される別個の要素として設けられてもよい。
ここで、図４に目を向けると、本発明の第２の実施形態による発光デバイス１００の斜視図が示されている。発光デバイス１００は、光源２のアレイ（図４では見えない）を有する光源プレート１０２と、レンズプレート１０１とを含む。光源プレート１０２及びレンズプレート１０１は、一緒に、図１～３に関連して上述したタイプの５×５個の発光デバイス１のアレイを形成する。斯くして、レンズプレート１０１は、各々が自由形状屈折レンズ要素３、第１のＴＩＲ要素４及び第２のＴＩＲ要素５を含む５×５個のユニットを含む。このようなユニットの別の数を含むアレイを有するレンズプレートも実現可能である。本発明による他のタイプの発光デバイス又は本発明によるいくつかの互いに異なる発光デバイスを形成する光源プレート１０２及びレンズプレートも実現可能である。
光源プレート１０２及びレンズプレート１０１は、光源プレート１０２の各光源がレンズプレート１０１の自由形状屈折レンズ要素３、第１のＴＩＲ要素４及び第２のＴＩＲ要素５を含むユニットに関連付けられるように互いにかぶせられる又は接続される。図４に示されるように、レンズプレートは、例えば、押出成形、成形、鋳造又は３Ｄ印刷によって、一体に設けられてもよい。
図５及び図６は、図４による発光デバイスから生じる強度分布を図示する２つの異なるプロットを示している。とりわけ、図５は、図４による発光デバイスから生じる強度分布のデカルトプロット(cartesian plot)を示し、図６は、ポーラプロット(polar plot)を示している。
ＤＭ１０タイプの従来技術のレンズプレートを含む参照発光デバイスと比較して、プロットは、ピーク強度が１０００ｃｄ／ｋｌｍである又は１５９％増加され、光出力比（ＬＯＲ）が８６．１４％である又は１％だけ減少され、照らされるべき表面２２の隣の表面又はエリア２３上の望ましくないスピル光が全光束の３２％から全光束の２３％に低減されることを明らかにしている。このように、本発明による、図１～３に示されるような光学アーキテクチャは、道路照明において重要な性能パラメータである、ピーク強度を改善し、本質的に効率のペナルティ(efficiency penalty)なしに、スピル光を低減させることが明らかである。
図７は、図３の線ＶＩＩに沿って見た図１～３による発光デバイス１の第１のＴＩＲ要素及び第２のＴＩＲ要素の断面側面図を示している。
図７に示されるように、少なくとも１つの第２のＴＩＲ要素５の光アウトカップリング要素１４の１つ以上は、任意選択的に、表面テクスチャ又は表面コーティング２５を備えてもよい。表面テクスチャ又は表面コーティング２５は、例えば、表面の一部又はすべてを覆う小さな表面粗さであってもよく、モールドの彫刻(engraving)又はエッチング又は放電加工(spark erosion)によって作られてもよい。代替的に、表面テクスチャ又は表面コーティング２５は、例えば、反射防止コーティングであってもよい。
図８は、図１～図３及び図７による発光デバイスから生じる強度分布を図示するデカルトプロットを示している。図８に示される強度分布は、第１のＴＩＲ要素及び第２のＴＩＲ要素から生じる強度分布の部分のみを図示し、自由形状屈折レンズ要素から生じる強度分布の部分を図示していない。図８に示される強度分布では、光のより小さな部分がピーク以外の方向（主に発光要素の下の方向）にも方向付けられているが、最終的に滑らかな配光を生成するために、自由形状屈折レンズ３の屈折部は再設計されることができる。図１～図３及び図７による発光デバイス１でも、道路照明の重要な性能パラメータである、ピーク強度が改善され、光こぼれ(light spill)が、本質的に効率のペナルティなしに、低減されることが図８のプロットから明らかである。
ここで、図９に目を向けると、本発明によるさらに別の発光デバイスから生じる強度分布を図示するデカルトプロットが示され、この場合の発光デバイスは、円錐及び傾斜プリズムの組み合わせとして成形される光アウトカップリング要素１４を有する少なくとも１つの第２のＴＩＲ要素５を備えている。図９は、図１～図３及び図７による発光デバイスから生じる総強度分布、斯くして、第１のＴＩＲ要素及び第２のＴＩＲ要素から生じる強度分布の部分及び自由形状屈折レンズ要素から生じる強度分布の部分の両方を図示する総強度分布を図示している。光アウトカップリング要素１４は、ファセット光アウトカップリング要素１４であってもよい。斯くして、このような第２のＴＩＲ要素５は、本質的に、円錐及び傾斜プリズムの組み合わせである形状を有する光アウトカップリング要素１４を備える。ＤＭ１０タイプの従来技術のレンズプレートを含む参照発光要素と比較して、図１０のプロットは、ピーク強度がピーク方向（Ｃ２３ガンマ７２）において４３２０ｃｄであり、光出力比（ＬＯＲ）は８６．２％であることを明らかにしている。このように、円錐及び傾斜プリズムの組み合わせである光学アーキテクチャを含む発光デバイスでも、道路照明の重要な性能パラメータである、ピーク強度が改善され、光こぼれが、本質的に効率のペナルティなしに、低減されることが明らかである。
最後に、図１０は、本発明による発光デバイスのアレイの性能を図示する４つの異なるプロットを示している。上側の２つのプロットは、２つの異なる角度から見た本発明による発光デバイスのアレイの様相(appearance)を図示し、左側はＣ＝０ガンマ１０で示される方向であり、右側はピーク強度方向、Ｃ＝２３ガンマ７２におけるものである。下側の２つのプロットは、同じ２つの異なる角度から見たＤＭ１０タイプのレンズプレートを採用する従来技術の発光デバイスのアレイの様相を図示、ここでも、右側はピーク強度方向におけるものである。本発明による発光デバイスの光学アーキテクチャは、アレイ内のＬＥＤの数の２倍の明るいエリアを生成するため（図１０の右上の画像プロット参照）、改善された様相を有することが見て分かる。効果は、元の明るいエリアの間に追加の明るいエリアが存在する、ピーク方向（Ｃ２３ガンマ７２）において最も顕著である。遠くから見ると、これはより均一に見え、目に心地よく知覚されることになる。
本発明による発光デバイス１又は１００は、屋外照明器具、例えば、街路照明照明器具、又は高められたピーク強度が望まれる屋内又は屋外用途の産業照明器具等、照明器具に採用されてもよい。図１１及び図１２は、このような照明器具の２つの異なる例示的な実施形態を概略的に示している。図１１及び図１２にも示されるように、本発明による発光デバイス１又は１００は、ハウジング２９を含む又はハウジング２９内に配置されてもよい。ハウジング２９は、透明カバー及びリフレクタ又は反射内面を含んでもよい。
とりわけ図１１を参照すると、このような照明器具はポール２６を含んでもよい。第１のＴＩＲ要素４によって形成されるコリメート及びリダイレクトされた光９'が伝搬する下方方向は、ポール２６の長手方向延在部に対して平行なものとして定義されてもよい。
代替的に、とりわけ図１２に示されるように、このような照明器具は、吊り下げ照明器具(suspended luminaire)であってもよく、例えば、２つの建物、ポール２７等の間に延びるラインシステム２８から吊り下げられてもよい。第１のＴＩＲ要素４によって形成されるコリメート及びリダイレクトされた光９'が伝搬する下方方向は、垂直に対して平行なものとして定義されてもよい。ここで、垂直は、例えば鉛直線で具体化されるように、上又は下に、重力の力の方向と整列する方向を指すことが意図される。
別の代替例として、このような照明器具は、壁等、別のタイプの固定構造物に取り付けられてもよい。
当業者は、本発明が決して上記の好ましい実施形態に限定されるものではないことを認識する。それどころか、多くの修正及び変形が、添付の特許請求の範囲内で可能である。
さらに、図面、本開示、及び添付の請求項の検討によって、開示される実施形態に対する変形形態が、当業者により理解されることができ、また、特許請求される発明を実施する際に実行されることができる。請求項では、単語「含む」は、他の構成要素又はステップを排除するものではなく、不定冠詞「１つの（a）」又は「１つの（an）」は、複数を排除するものではない。特定の手段が、互いに異なる従属請求項内に列挙されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが、有利に使用され得ないことを示すものではない。

Claims (14)

  1. 発光デバイスであって、
    動作時に、光を発する少なくとも１つの光源と、
    当該発光デバイスによって照らされるべき表面に向かう第１の方向に前記少なくとも１つの光源によって発せられる光を向けるように構成される少なくとも１つの自由形状屈折レンズ要素であって、前記自由形状屈折レンズ要素は、前記照らされるべき表面に向かう方向に向く第１の端部及び前記照らされるべき表面から離れる方向に向く第２の端部を含む、自由形状屈折レンズ要素と、
    少なくとも１つの第１のＴＩＲ要素であって、前記第１のＴＩＲ要素は、前記照らされるべき表面から離れる第２の方向に前記少なくとも１つの光源から発せられる光を平行且つ下方方向に伝搬する光にコリメート及びリダイレクトするように構成されるコリメーティングＴＩＲ要素であり、前記第１のＴＩＲ要素は、光インカップリング面及び光アウトカップリング面を含み、前記第１のＴＩＲ要素の前記光インカップリング面は、前記自由形状屈折レンズ要素の前記第２の端部に配置される、第１のＴＩＲ要素と、
    前記第１のＴＩＲ要素によってコリメートされ、リダイレクトされる光を、前記照らされるべき表面に向かう方向に伝搬し、前記自由形状屈折レンズ要素によって向けられる光の強度ピークとアラインされる広角に２つの強度ピークを有する強度分布を有する光にリダイレクトするように構成される少なくとも１つの第２のＴＩＲ要素であって、前記少なくとも１つの第２のＴＩＲ要素は、前記第１のＴＩＲ要素の前記光アウトカップリング面に配置され、前記光アウトカップリング面は、前記第１のＴＩＲ要素が終わり、前記第２のＴＩＲ要素が始まる位置を示す、第２のＴＩＲ要素と、
    を含む、発光デバイス。
  2. 前記少なくとも１つの第２のＴＩＲ要素は、非対称要素又は傾斜プリズム状要素又は前記照らされるべき表面に垂直な垂直平面において鏡面対称であり、前記照らされるべき表面を横切る直交方向において非対称である要素である、請求項１に記載の発光デバイス。
  3. 前記少なくとも１つの第２のＴＩＲ要素は、複数の光アウトカップリング要素を含み、前記光アウトカップリング要素は、プリズム状、円錐状、又はプリズム状及び円錐状の組み合わせである形状を有する、請求項１又は２に記載の発光デバイス。
  4. 前記少なくとも１つの第２のＴＩＲ要素は、複数の光アウトカップリング要素を含み、前記光アウトカップリング要素は、三角形、非対称三角形及び二等辺三角形のいずれかである断面形状を有する、又は前記光アウトカップリング要素は、湾曲又はスプライン形状を有する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の発光デバイス。
  5. 前記少なくとも１つの第２のＴＩＲ要素は、表面テクスチャ、表面コーティング又は反射防止コーティングを備える、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の発光デバイス。
  6. 前記少なくとも１つの自由形状屈折レンズ要素、前記少なくとも１つの第１のＴＩＲ要素及び前記少なくとも１つの第２のＴＩＲ要素は、一体に設けられている、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の発光デバイス。
  7. 前記少なくとも１つの自由形状屈折レンズ要素、前記少なくとも１つの第１のＴＩＲ要素及び前記少なくとも１つの第２のＴＩＲ要素は、射出成形又は鋳造又は成形又は３Ｄ印刷又は圧縮成形又はエンボス加工されている、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の発光デバイス。
  8. 当該発光デバイスは、光源のアレイと、前記光源のアレイの各光源に関連付けられる、自由形状屈折レンズ要素、第１のＴＩＲ要素及び第２のＴＩＲ要素とを含む、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の発光デバイス。
  9. 当該発光デバイスは、ユニットのアレイを含むレンズプレートを含み、各ユニットは、自由形状屈折レンズ要素、第１のＴＩＲ要素及び第２のＴＩＲ要素を含む、請求項８に記載の発光デバイス。
  10. 前記レンズプレートは、一体に設けられている、請求項９に記載の発光デバイス。
  11. 請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の発光デバイスを含む、照明器具。
  12. 当該照明器具は、ポールを含み、前記平行な、下方方向は、前記ポールの長手方向延在部と平行、前記ポールの長手方向延在部と５度の角度内、又は前記ポールの長手方向延在部と３０度の角度内である、請求項１１に記載の照明器具。
  13. 当該照明器具は、吊り下げ構成を含み、前記平行な、下方方向は、垂直と平行、垂直と５度の角度内、又は垂直と３０度の角度内である、請求項１１に記載の照明器具。
  14. 当該照明器具は、産業照明器具、トンネル照明器具、道路照明照明器具、ウォールウォッシング照明器具又は街路照明照明器具である、請求項１１乃至１３のいずれか一項に記載の照明器具。
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