KR20100015957A - 광지향 ｌｅｄ 장치 - Google Patents

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Abstract

선택된 사이드를 향해 조명하기 위한 LED 장치(10)는 베이스(22) 상에 적어도 하나의 LED를 갖춘 광 이미터(18), 광 이미터 위쪽에 위치하고 중심축(26)을 가진 제1 렌즈(16), 및 안쪽면이 제1 렌즈를 둘러싸도록 위치한 제2 렌즈(20)를 포함한다. 제2 렌즈는 중심축에 실질적으로 수직은 메인 평면을 형성하는 베이스 인접 아래 끝부, 및 중심축(26)과 평행한 기준축(44)을 형성하는 중간영역 기준점을 가진 컴파운드 외부 렌즈 표면(24)을 포함한다. 컴파운드 외부 렌즈 표면은 (A) 선택된 사이드 상에 중심을 가진 주둘레면(38), (B)기준점을 포함하고 그부근에 오목부를 가진 중간영역(50), 및 (C) 선택되지 않은 사이드 상에 중심을 가지고 중간영역 및 주둘레면과 연결된 비-주둘레면을 포함하며, 주둘레면은 (a) 중심축에 대하여 상당한 각도로 대하는 릿지라인까지 프로젝팅하고, (b) 릿지라인 안쪽에서 터미네이팅한다.
LED 장치, 선택된 사이드, 광 이미터, 제1 렌즈, 제2 렌즈, 컴파운드 외부 렌즈 표면, 릿지라인.

Description

광지향 ＬＥＤ 장치{LIGHT-DIRECTING LED APPARATUS}
본 발명은 일반적으로 조명 시스템 분야에 관한 것이고, 더욱 상세하게는 소정의 패턴의 광 강도로 영역을 조명하는 LED 광원을 사용하는 장치에 관한 것이다.
저비용이며 에너지 효율적인 조명 장치에 대한 필요가 존재한다. LED(광방출 다이오드)는 에너지 효율적인 광원을 제공하며, LED 기술의 발전은 시간이 흐름에 따라 훨씬 더 높은 효율을 제공하고 있다. 또한, 광원으로서 LED를 사용하는 한가지 장점은 간단히 말해 광원의 더 작은 패키지가 광원을 포함하는 고정물 내 재료 사용량을 훨씬 더 줄일 수 있어, 그에 따라 비용 효율성이 높아진다는 점이다. 기술이 발전하고 LED 패키지의 비용이 감소할수록 이러한 재료 사용 비용의 이점은 더욱 중요해 질것이다.
조명 시스템에 대한 전형적인 애플리케이션은 도로 및 주차장 조명이고, 이애플리케이션에는 광이 조명되어야 할 영역에는 균일하게 분산되면서, 인근 영역에는 조명 흘림으로부터 자유로워야 하는 성능 요구사항이 존재한다. 그러므로, 도로 및 주차장에서, 예컨대, 도로 또는 주차장에 일정한 조명을 제공하면서 이웃한 주택에 소위 침입 조명(trespass lighting)을 방지하기 위해, 옆으로 치우쳐진 방향으로 광을 지향시킬 수 있어야 한다는 필요가 존재한다.
다양한 LED 패키지는 광을 선택된 측방향으로 지향하는 것과 관계없는 다양한 목적으로 렌즈를 가지고, 몇몇은 제2 렌즈를 포함한다. 또한, 소형 LED 광 이미터 패키지 상에 소형 렌즈를 사용하고, 일부의 방출된 광을 선택적으로 한 사이드로 재지향시키고자 하는 렌즈를 사용하는 광지향 LED 장치를 개발하고자 하는 일부 제한적인 노력이 있었다. 그러나, 하나 이상의 프로젝팅 엘리먼트, 및 넓은 영역의 불연속성을 가진 렌즈 표면을 사용하는 이러한 렌즈들은 침입 조명을 피하고자 하는 요구사항을 충족시키지 못한다. 침입 조명의 측정은 선택되지 않은 사이드를 향하는 광에너지의 양은 물론, 선택되지 않은 영역으로 향하는 광이 도달하는 거리를 포함한다.
침입 조명을 피하고자 하는 요구사항은 선택되지 않은 사이드 상의 영역으로 광이 방출되도록 허용하지 않고, 광을 흡수하는 것이 바람직한 몇몇 애플리케이션에서도 나타날 수 있다.
(발명의 목적)
본 발명의 목적은, 조명 시스템 분야에서, 광을 장치에서부터 옆으로 치우쳐진 방향으로 지향하고, 종래기술의 문제점 및 단점의 일부를 극복한 LED 조명 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 광을 선택된 사이드로 지향하고, 소수의 광을 선택되지 않은(반대) 사이드로 지향하는 LED 광 지향 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 광이 지향되는 선택되지 않은 사이드 상의 영역으로의 거리를 최소화함으로써 침입 조명을 최소화하는 LED 광 지향 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 조명될 영역 위에 설치된 때 선택된 사이드 상의 영역에 광을 균일하게 분산시키는 LED 광 지향 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 지항된 광의 개선된 컨트롤을 달성하기 위해 단일 굴절율을 가지고 최대 크기의 광을 지향하는 LED 광 지향 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 더 큰 영역을 조명하기 위해 다른 장치와 결합하여 사용된 때, 이러한 복수의 장치의 선택된 사이드 상의 영역에 광을 균일하게 분산시키는 LED 광 지향 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 비용 효율적인 방법으로 상기 방식으로 광을 지향하는 LED 광 지향 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 이러한 목적 및 다른 목적들은 아래의 설명 및 도면으로부터 명백해질 것이다.
(발명의 설명)
용어 "아래쪽"은 본 발명 및 본 발명의 형태의 설명의 용이함을 위해 본 명세서에 사용되었으나, 임의의 방법으로 장치의 사용을 임의의 방향으로 지정하지는 않는다. 즉, "아래쪽"은 중력 방향으로 한정되지 않는다. 그러므로, 본 명세서에 개시된 본 발명의 광지향 LED를 통합한 조명 시설물이 아래쪽이 아니라 "위쪽으로" 또는 몇몇 옆으로 기울어진 방향이라면, 용어 "아래쪽"은 그러한 의미를 포함한다. 본 발명에 대한 하나의 주된 애플리케이션이 수직형 가로등으로부터의 지표면의 조명이기 때문에, 용어 "아래쪽"이 사용된 것이다. 도면은 주로 이러한 "아래쪽" 방향을 일반적으로 위쪽으로 도시하였는데, 이는 도면에서 제2 렌즈의 컴파운드 외부 렌즈 표면의 시각화가 이러한 방향에서 명료하게 가장 잘 보이기 때문임을 이해해야 한다. 이러한 방향이 도면에 대한 설명에 표시되어 있다.
용어 "기준축 반평면"은 기준축이 반평면의 에지에 있도록 하는 하나의 방향으로 기준축으로부터 뻗은 무한한 개수의 평면 각각을 의미한다.
본 명세서에 사용된 구문 "~에 대하여 상당한 각도로 대하는(subtend)"은 대략 150°보다 큰 각도가 다수의 조명 애플리케이션에 대하여 더욱 유용하지만, 대하는 각이 적어도 대략 90°임을 의미한다. 더욱 바람직한 것은, 도로 조명과 같은 애플리케이션에 대하여 특히, 대략 180의 각도이고, 180°보다 다소 더 큰 각도가 가장 바람직하다.
본 명세서에서 사용된 용어 "릿지라인"은 또한 한 라인의 점이 아니라, 그 세트 내의 점이 본 명세서에서 정의된 릿지라인의 정의를 충족한다면 영역 내의 한 세트의 점을 포함할 수 있다. 이러한 상황은 기준축으로부터/기준축으로의 방사 방향으로의 컴파운드 외부 렌즈 표면을 따른 기울기가, 단순히 이러한 곡선을 따른 하나의 점에서가 아니라 그 표면을 따른 이러한 곡선의 단면 내로 본 명세서에서 정의된 메인 평면과 평행할 때 발생한다. 즉, 이러한 영역 내의 점은 모두 컴파운드 외부 렌즈 표면의 이러한 영역 내의 메인 평면과 평행한 평면에 놓인다.
본 발명의 아래쪽 및 바깥쪽 방향으로 선택된 사이드를 향한 조명을 위한 LED 장치이다. 본 발명의 장치는 (1) 베이스 상에 적어도 하나의 LED를 갖춘 광 이미터; (2) 광 이미터 위쪽에 위치하고 중심축을 가진 제1 렌즈; 및 (3) 안쪽 표면이 제1 렌즈를 둘러싸는 위치의 제2 렌즈를 포함한다. 제2 렌즈는 중심축에 실질적으로 수직인 메인 평면을 형성하는 베이스 인접한 아래 끝부, 및 중심축과 평행한 기준축을 형성하는 중간영역 기준점을 가진 컴파운드 외부 렌즈 표면을 가진다. (베이스-인접 끝부에 대하여 사용된 용어 "아래"는 도 1-4, 8, 9, 11-17, 및 21에 도시된 렌즈 방향이 대부분의 구조보다 아래에 베이스를 가지기 때문에 선택된 것임을 이해해야 한다. 명백하게, 렌즈가 아래 방향으로 조명하기 위한 방향일 때(제품의 정상적인 사용인 경우에), 베이스-인접 끝부는 아래 위치가 아니라 위쪽 위치에 있다. 방향과 무관하게, 그 끝부는 "베이스-인접 끝부"라 불릴 수 있다. 그러나, 용어 "아래"는 주어진 이유로 인해 본 명세서에서 다수의 부분에서 사용된다.) 컴파운드 외부 렌즈 표면은 선택된 사이드 상에 중심을 가진 주둘레면을 포함하고, 주둘레면은 (a) 베이스-인접 끝부로부터, 아래쪽 및 안쪽으로, 기준점으로부터 이격되고 메인 평면으로부터 가장 먼 각각의 기준축 반평면 내의 외부 렌즈 표면 점의 세트에 의해 형성되는 릿지라인으로 프로젝팅하고, (b) 릿지라인에서 안쪽으로 터미네이팅하고, 이 릿지라인은 중심축에 대하여 상당한 각도로 대한다(subtend). 컴파운드 외부 렌즈 표면은 또한 릿지라인의 안쪽에 있는 중간영역을 포함하고, 중간영역 기준점을 포함하고, 그 부근에 오목부를 가진다. 컴파운드 외부 렌즈 표면은 선택되지 않은 사이드 상에 중심을 가진 비-주둘레면을 더 포함하고, 중간영역 및 주둘레면과 연결된다.
바람직한 실시예에서, 기준축은 선택되지 않은 사이드를 향해 중심축으로부터 갈라진다. (기준축이 중심축과 일치하거나, 선택된 사이드를 향해 갈라질 수 있으나, 기준축이 선택되지 않은 사이드를 향해 중심축으로부터 갈라진 것이 바람직하다.)
특정의 바람직한 실시예에서, 릿지라인은 중심축에 대하여 180°보다 더 큰 각도로 대한다.
몇몇 실시예에서, 주둘레면과 교차하는 각각의 기준축 반평면 내에 오직 하나의 릿지라인 점만 존재한다.
본 발명의 장치의 특정의 바람직한 실시예에서, 주둘레면은 좌우대칭이고, 몇몇 실시예에서, 비-주둘레면은 좌우대칭이다. 또한, 몇몇 바람직한 실시예에서, 컴파운드 외부 렌즈 표면은 좌우대칭이다.
몇몇 바람직한 실시예에서, 제1 렌즈와 제2 렌즈 사이에 공간이 존재하고, 그 공간은 광학용 겔로 채워진다.
특정 실시예에서, 제1 렌즈는 중심축을 중심으로 실질적으로 회전대칭인 조명 패턴을 가지고, 특정 실시예에서, 제1 렌즈는 실질적인 반구형이다.
더 바람직한 실시예에서, 컴파운드 외부 렌즈 표면은 (a) 기준축 반평면 내의 복수의 이격된 타겟 렌즈 설계 곡선, 및 (b)그 곡선 사이에 복수의 타겟 렌즈 설계 곡선을 매끈하게 매칭시키는 표면에 의해 형성된다. 타겟 렌즈 설계 곡선은 중간영역 기준점 및 아래 끝부에서 터미네이팅한다.
몇몇 실시예에서, 본 발명의 장치는 베이스 상에 적어도 하나의 LED를 갖춘 광 이미터, 및 광 이미터 위쪽에 위치하고 중심축을 가진 렌즈, 중심축에 실질적으로 수직인 메인 평면을 형성하는 베이스 인접 아래 끝부, 및 중심축과 평행한 기준축을 형성하는 중간영역 기준점을 가진 컴파운드 외부 렌즈 표면을 포함한다. 컴파운드 외부 렌즈 표면은 선택된 사이드 상에 중심을 가진 주둘레면을 포함하고, 주둘레면은 (a) 아래 끝부로부터 아래쪽 및 안쪽으로 메인 평면으로부터 가장 멀리 떨어져 있고, 기준점으로부터 이격된 각각의 기준축 반평면 내에 외부 렌즈 표면 점의 세트에 의해 형성된 릿지라인으로 프로젝팅하고, 그리고 (b) 그 릿지라인 안쪽으로 터미네이팅하고, 릿지라인은 중심축에 대하여 상당한 각도로 대한다. 컴파운드 외부 렌즈 표면은 또한 릿지라인의 안쪽에 있는 중간영역을 포함하고, 중간영영 기준점을 포함하고, 그부근에 오목부를 가진다. 컴파운드 외부 렌즈 표면은 또한 선택되지 않은 사이드 상에 중심을 가진 비-주둘레면을 더 포함하고, 중간영역 및 주둘레면과 연결된다.
본 발명의 장치는 원하는 조명을 달성하기 위해 조명 구조물 내에 하나 이상이 사용되는 사용되는 LED 모듈이라 불리는 것에 복수의 이러한 디바이스가 배열되어 있는 애플리케이션에 사용되는 것이 가장 전형적일 것이다. 도로 및 주차장 조명이 이러한 애플리케이션이지만, 이러한 디바이스에 대한 매우 많은 다른 애플리케이션이 존재한다.
도 1은 본 발명의 광지향 LED 장치의 하나의 실시예의 투시도이다.
도 2-4는 도 1의 장치의 3개의 상이한 도면이고, 그 각각의 단면도는 도 2C-4C에 도시되어 있다.
도 5는 도 1의 본 발명의 장치의 제1 렌즈의 투시도이다.
도 6은 도 1의 장치의 제1 렌즈의 조명 패턴의 도표이다.
도 7은 본 발명의 장치가 그위에 설치된 가로등의 개략적인 도면이고, 이 가로등은 도 1의 본 발명의 전형적인 애플리케이션으로서 투시도에서 도로측을 따라 위치한다.
도 8은 제2 렌즈의 컴파운드 외부 렌즈 표면을 주로 도시하는 도 1의 장치의 제2 렌즈의 투시도의 라인 드로잉이다.
도 9는 제2 렌즈의 컴파운드 외부 렌즈 표면 반대측을 주로 도시하는 도 1의 장치의 제2 렌즈의 투시도의 라인 드로잉이다.
도 10은 도 1의 장치의 제2 렌즈를 아래에서 올려다 본 도면(도 9에 비하여 "바닥")이다.
도 11-13은 다양한 각도로 봤을 때 도 1의 장치의 제2 렌즈의 CAD 생성 솔리드 모델 투시도이다.
도 14는 도 1의 장치의 제2 렌즈의 CAD 생성 프레임 모델 투시도이다.
도 15는 제2 렌즈 내에 위치된 광 이미터가 설치된 베이스를 도시하는 도 1의 장치의 CAD 생성 솔리드 모델 투시도이다.
도 16은 제2 렌즈의 외부 표면을 생성하기 위해 사용된 5개의 타겟 렌즈 설계 곡선을 도시하는 도 1의 장치의 제2 렌즈의 CAD 생성 솔리드 모델 투시도이다.
도 17-19는 도 1의 장치의 제2 렌즈의 3가지 도면이고, 각각의 도면은 하나 이상의 타겟 렌즈 설계 곡선에 의해 결정된 곡선 형상을 따라 제2 렌즈 컴파운드 외부 렌즈를 교차하는 단면의 평면을 도시한다.
도 17C-19C는 도 17-19에 형성된(제2 렌즈 컴파운드 외부 렌즈 표면에 관한 배경없는) 단면도이고, 각각 도 1의 장치의 보조 랜즈의 외부 표면의 5개의 타겟 렌즈 설계 곡선을 도시한다.
도 20은 도 1의 본 발명의 장치의 2차원 조명강도 분포이다.
도 21A-21C는 본 발명의 광지향 LED 장치의 제2 실시예의 도면쌍을 도시한다. 제2 실시예는 통합 렌즈를 포함한다. 각각의 도면쌍은 그 쌍에 도시된 단면의 평면을 형성하고, 그 도면은 본 발명의 장치의 제1 실시예의 도 17-19C의 도면에 대한 동등물이다.
본 발명의 광지향 LED 장치의 하나의 실시예가 도면에 장치(10)로 도시되어 있다. 도 1-5를 참조하면, 장치(10)는 베이스(22)에 설치된 LED 광 이미터(18)를 포함한다. 광 이미터(18)는 하나 이상의 LED를 포함한다. 이미터(18)로부터의 광은 광 이미터(18) 위쪽에 위치한 제1 렌즈(16)를 통해 밖으로 나간다. 장치(10)에서, 렌즈(16)는 반구형이며, 1.4 내지 1.6의 반사율을 가진 유리로 구성된다. 제1 렌즈(16)는 또한 제한하지는 않지만 광학용 실리콘과 같은 다른 적합한 재료로 만들어질 수 있다. 제1 렌즈(16)는, 광 이미터(18)에서부터 제1 렌즈(16)를 통해 밖으로 나가는 광이 중심축(26)에 대하여 실질적으로 회전대칭인 조명 패턴(28)(전형적으로 도 6에 도시된 단면)을 산출하도록, 베이스(22)와 대체적으로 수직인 중심축(26)을 가진다. 장치(10)는 조명 패턴(28)의 생성을 보조하기 위해 이미터(18) 로부터의 일부의 광을 반사하고 렌즈(16)를 포지셔닝하는 역할을 하는, 베이스(22) 상의 제1 렌즈(16) 둘레에, 바람직하게는 알루미늄으로 만들어진, 링(30)을 포함한다.
이제 도 7을 참조하면, 도로(11)가 개략적으로 도시되어 있고, 장치(10)는 도로(11)를 따라 설치된 가로등(15) 꼭대기에 설치되어 있다. 이러한 애플리케이션은, 제한하지는 않지만, 본 발명의 장치(10)가 사용될 방법의 전형이다. 참조번호(14)로 표시된 방향 화살표는 선택된 사이드(도로측)를 나타내고, 참조번호(14N)로 표시된 방향 화살표는 반대를 향하고, 선택되지 않은 사이드(주택측)를 나타낸다. 이러한 애플리케이션이 전형적일 것이므로, 용어 "도로측"은 선택된 사이드와 연관되고, 용어 "주택측"은 선택되지 않은 사이드와 연관된다. 용어 "도로측" 및 "주택측"은 제한적으로 해석되지 않아야 한다.
다시 도 7을 참조하면, 장치(10)는 도로(11)와 평행한 컬브라인(17, curbline) 바로 위쪽에 위치한다. 컬브라인(17)은 짧은 점선으로 표시된다. 본 명세서에 사용된 용어 "컬브라인"은 컬브의 실제 위치를 의미하는 것이 아니라, 도로(11)와 평행하고 선택된 사이드와 선택되지 않은 사이드를 구분하는 (도시되지 않은) 평면에 있는 상기 정의된 라인을 의미한다.
장치(10)는 또한 안쪽면(32)이 제1 렌즈(16)를 둘러싸는 제2 렌즈(20)를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 제1 렌즈와 제2 렌즈 사이에 작은 공간이 존재할 수 있다. 장치(10)에서, 제1 렌즈(16)와 안쪽면(32) 사이의 이러한 공간(19)(도 2 참조)은 제1 렌즈(16)와 제2 렌즈(20) 사이의 인터페이스에 걸친 반사 손실을 최소화 하기 위해 (도시되지 않은) 광학전 인덱스-매칭 겔로 채워진다. 장치(10)에서, 제2 렌즈(20)는 자외선에 안정하고, 1.51의 반사율을 가진 광학용 아크릴을 사용하여 몰딩된다. 광학용 겔의 목적은 제1 렌즈(16) 재료와 제2 렌즈(20) 재료의 반사율에 대한 대략적인 매칭을 제공하는 것이다. 하나의 적합한 겔은 미국 매사츄세츠 페어헤븐의 'Nye Optical Products'의 'SmartGel™ Nye Nyogel® OC431A'이다. 이 겔은 402nm(나노미터)의 파장에서 1.4995의 반사율을 가진 광학적으로 선명한 인덱스 매칭 겔이다. 모든 이러한 재료들은 광학 및 광 시스템 분야의 당업자들에게 주지되어 있다.
적합한 LED 광 이미터(18)는 미국 노스캐롤라이나 듀햄의 'CREE, Inc.'에서 생산하는 'XLamp 7090'이다. 이러한 광 이미터는 베이스(22) 상에 설치되어 있고, 제1 렌즈(16)는 패키지의 일부분이다. 제1 렌즈(16)는 0.17"의 직경을 가진 반구형이다.
장치(10)에서, 제2 렌즈(20)는 베이스(22)에 인접한 아래 끝부(34)를 포함한다. 아래 끝부(34)는 아래 끝부(34)와 평행한 메인 평면(34P)을 형성하고, 메인 평면(34P)은 도 3, 4, 10, 18, 및 19의 페이지의 평면과 평행하다. 제2 렌즈(20)는 또한 메인 평면(34P)에 평행한 플랜지(34F)를 포함한다. (메인 평면(34P)은 도면에 한번만 참조번호와 함께 표시된다, 도 16.) 도 1, 2C, 3, 4, 4C, 8, 및 14에 도시된 바와 같이, 제2 렌즈(20)는 참조번호(14)로 표시된 선택된 사이드를 형성한다. 렌즈(20)의 플랜지(34F)는 렌즈(20)의 선택된 사이드를 나타내는 두개의 절단된 코너(12a 및 12b)를 포함한다. 도 1은 또한 반대의 선택되지 않은 사이드(주택 측)를 향하는 방향을 참조번호(14N)로 표시하고 있다. 이러한 정의를 기초로 하여, 그 사용에 있어서, 장치(10)는 장치(10)의 선택된 사이드가 도 7에 도시된 바와 같이 애플리케이션의 선택된 사이드를 향하도록 배열된다.
제2 렌즈(20)는 컴파운드 외부 렌즈 표면(24)을 가진다. 도 8-15는 일반적인 형태의 제2 렌즈(20), 및 특히 다양한 각도에서 본 컴파운드 외부 렌즈 표면(24)을 도시한다. 도 8-15의 다양한 도면이 포함된 것은 컴파운드 외부 렌즈 표면(24)이 장치(10)의 원하는 광지향 광학 특성을 달성하기 위해 복잡한 형상을 포함하므로, 명료함을 위한 것이다. 다수의 도면은 컴파운드 외부 렌즈 표면(24)을 더 용이하게 시각화할 수 있는 컴파운드 외부 렌즈 표면(24)의 CAD 생성 솔리드-모델 리프리젠테이션이다. 도 8-15이 동일한 엘리먼트의 상이한 도면이므로, 소수의 참조번호만이 도 8-15에 적용되었다.
도 16-19C는 컴파운드 외부 렌즈 표면(24)의 더욱 상세한 묘사를 제공한다. 도 16은 컴파운드 외부 렌즈 표면(24)의 추가적인 CAD-생성 솔리드-모델 리프리젠테이션이다. 컴파운드 외부 렌즈 표면(24)은 중심축(26)과 평행한 기준축(44)을 형성하는 중간영역 기준점(48)(본 명세서에서 종종 간략함을 위해 기준점(48)이라 함)을 가진 주둘레면(38)을 가진다. 컴파운드 외부 렌즈 표면(24)은 방향 화살표(14)에 의해 지시되는 선택된 사이드 상에 중심을 가진 주둘레면(38)을 포함한다. 주둘레면(38)은 아래 끝단부(34)로부터, 메인 평면(34P)으로부터 가장 멀리 떨어지고, 그리고 기준점(48)으로부터 이격된 각각의 기준축 반평면 내에 외부 렌즈 표면점(컴파운드 외부 렌즈 표면(24)의 세트에 의해 형성된 릿지라인(42)까지 아래쪽 및 안쪽으로 돌출된다. 릿지라인(42)은 기준축(44) 둘레로 180°보다 큰 각도로 대하며, 이러한 각도는 방향 화살표(14)에 의해 지시된 선택된 사이드의 방향으로 라인 세그먼트(26a, 및 26b) 사이에서 측정된다(도 18 참조). 주둘레면(38)은 릿지라인(42)에서 안쪽으로 끝난다.
컴파운드 외부 렌즈 표면(24)은 또한 릿지라인(42) 안쪽에 중간영역(50)을 포함하고, 중간영역 기준점(48)을 가진다. 중간영역(50)은 기준점(48)에 대하여 오목부(46)를 가진다. 컴파운드 외부 렌즈 표면(24)은 방향 화살표(14N)로 지시된 선택되지 않은 사이드 상에 중심을 가진 비-주둘레면(39)을 더 포함한다. 비-주둘레면(39)은 중간영역(50), 및 비-주둘레면(38)과 연결된다.
도 16-19C는 상기 설명의 컴파운드 외부 렌즈 표면(24)를 도시한다. 컴파운드 외부 렌즈 표면(24)은 도 16에 도시된 5개의 타겟 렌즈 설계 곡선(40A-40E)을 사용함으로써 형성된다. 컴파운드 외부 렌즈 표면은 중심선(CL)을 기준으로 좌우대칭이다. 도 17-19, 및 도 17C-19C 내의 그 대응 단면은 또한 5개의 타겟 렌즈 설계 곡선(40A-40E)의 상세를 도시한다.
본 실시예에서, 단면 A-A는 (기준점(48)을 포함한) 기준축(44)과 중심선(CL)이 모두 놓인 평면을 형성하고, 이 평면은 메인 평면(34P)에 수직이다. 단면 B-B는 메인 평면(34P)에 수직이고, 단면 A-A에 수직이고, 기준축(44)과 기준점(48)을 포함한 평면을 형성한다. 단면 C-C는 메인 평면(34P)에 수직이고, 단면 B-B의 평면에 대하여 대략 38.7도(선택된 명세사항에 따른 tan-1(0.8))의 각으로 기울어진, 그리고 기준축(44) 및 기준점(48)을 포함하는 평면을 형성한다. 모든 5개의 타겟 렌즈 설계 곡선(40A-40E)은 기준점(48)에 하나의 종료점을 가진다.
기준점(48)은 기준축(44)을 형성하고, 중심선(CL)을 따라 중심축(26)으로부터 거리 Δ만큼 떨어진, 메인 평면(34P)에 수직인 라인 상에 위치한다. 본 특정 실시예에서, Δ는 대략 0.040 인치의 값을 가지고, 메인 평면(34P)에서의 제2 렌즈(20)의 외경은 0.5"이다. 도 17C, 18, 19, 및 19C에서, Δ는 문자 Δ로부터 기준선의 끝에 있는 라인 세그먼트의 단부(short portion)에 의해 표시된다. 거리 Δ는 또한 도 4에 지시되어 있다.
참조 화살표(h)는 5개의 타겟 렌즈 설계 곡선을 정의하는데 도움을 준다: 곡선 40A는 끝점 a 및 b을 가지고; 곡선 40B는 끝점 f 및 g를 가지고; 곡선 40C는 끝점 d 및 e를 가지고; 곡선 40D는 끝점 g 및 h를 가지고; 그리고 곡선 40E는 끝점 b 및 c를 가진다. 끝점 b, d, 및 g는 기준점(48)과 일치하고 기준점(48)에 위치하며, 끝점 a, c, e, f, 및 h는 아래 끝부(34)에서 메인 평면(34P) 내에 위치한다. 각각의 5개의 렌즈 설계 곡선(40A-40E)은 상술된 단면 A-A, B-B, C-C에 의해 정의된 방향을 따라 원하는 광의 지향을 달성할 수 있도록 성형된다. 즉, 각각의 타겟 렌즈 설계 곡선은 단일 방향을 따라 단일 또는 단순한 세트의 렌즈 성능 기준을 충족하도록 성형되고, 이는 광 엔지니어가 한 세트의 더욱 쉽게 정의되는 기준으로 매우 복잡한 렌즈를 특정할 수 있게 한다.
5개의 곡선(40A-40E)은 기준점(48)에서 만난다. 컴파운드 외부 렌즈 표면(24)은 그 다음 NURBS(non-uniform, rational B-splines), CAD 시스템 표면화를 위해 사용되는 수학적 평탄화 접근, 및 다른 컴퓨터 그래픽 애플리케이션을 사용하여, 5개의 타겟 설계 곡선(40A-40E) 사이에 매끈한 표면을 생성함으로써 계산되고, 이는 CAD 및 컴퓨터 그래픽 기술의 당업자들에게 주지되어 있다. 컴파운드 외부 렌즈 표면(24)은 5개의 타겟 렌즈 설계 곡선(40A-40E), (본 실시예에 대하여) 좌우대칭의 요구사항, 및 컴파운드 외부 렌즈 표면(24)이 주둘레면(38), 중간영역(50), 및 기준 축(44) 둘레에 오목부(46)를 가진 표면을 야기하도록 하는 메인 평면(34P)에 의해 잘-형성된다.
본 발명의 광지향 LED 장치의 다른 실시예는 다양한 특정 렌즈 설계 요구사항에 따른 컴파운드 외부 렌즈 표면을 생성하기 위해 NURBS를 사용하여, 5개보다 많거나 적은 타겟 렌즈 설계 곡선의 사용을 통해 구성될 수 있다.
타겟 렌즈 설계 곡선의 특정 형상에 따라(또는 다른 어떠한 방법이 본 발명의 제2 렌즈의 컴파운드 외부 렌즈 표면을 생성하기 위해 사용되더라도), 오목부(46)는 컴파운드 외부 렌즈 표면 내의 상대적인 크기 및 형상에 따라 변할 수 있다. 또한, 제2 렌즈를 제조하기 위해 사용된 기술에 따라, 기준점 둘레의 오목부의 영역은 매우 작을 수도 있다.
도 20은 하나의 광 이미터(18), 하나의 제1 렌즈(16), 및 하나의 제2 렌즈(20)을 포함하는 실시예에 대한 2차원 조명강도 분포(52)를 도시한다. 패턴(52)은 본 발명의 장치(10)로부터 발산된 조명강도를 시뮬레이션하기 위한 광선-추적 소프트웨어를 사용하여 생성되었다. "로컬 Y" 축은 컬브라인의 전후 거리를 나타내는데, 컬브라인은 "로컬 X" 축과 평행하고 Y=4 위치에 위치한다. 4보다 큰 Y의 값은 패턴(52)의 선택된 사이드(도로측)의 영역을 나타내고, 4보다 작은 Y의 값은 패턴(52)의 선택되지 않은 사이드(주택측)의 영역을 나타낸다. 이 시뮬레이션에서 장치(10) 바로 아래의 위치는 컬브라인(17)과 라인(54)의 교점을 나타내는 Y=4, 및 X=4에 위치된다. X 및 Y의 단위는 폴 길이로 간주될 수 있다. 즉, 폴이 20피트 높이이면, X-축 및 Y축의 전체 길이는 8×20피트, 또는 160피트이다.
도 20의 조명패턴(52)의 밝기는 상대적인 강도 분포를 도시하고, 이는 장치(10)로부터 발산된 광의 매우 높은 퍼센트의 광이 장치(10)의 제2 렌즈(20)에 의해 선택된 사이드를 향해 재지향되고, 소량의 침입 광만이 선택되지 않은 사이드를 향함을 보여준다.
도 21A-21C는 제1 렌즈에 통합된 제2 렌즈의 제2실시예를 도시한다. 도 21A-21는 제1 렌즈 및 제2 렌즈가 통합 렌즈(60)인 점을 제외하면 모든 측면에서 도 17-19C와 일치한다. 통합 렌즈(60)는 제1 렌즈와 제2 렌즈 사이의 광 매칭 겔에 대한 필요성을 제거하고, 이들 두 렌즈 사이에 인터페이스를 동반해야 하는 광학적 단점을 제거한다. 도 21A-21C는 통합 렌즈(60) 및 배경없이 형성된 단면의 3개의 도면을 도시한다.
도 21A-21C에 도시된 제2 실시예에서, 통합 렌즈(60)는 링(30)을 주변에 형성된다. 통합 렌즈(60)는, 바람직하게는 렌즈(60) 내에 형성된 알루미늄과 같은 반사 재료로 이루어진 링(30)과 함께 제조될 수 있고, 또한 렌즈(60)는 링(30) 둘레에 맞춤되도록 성형될 수 있다.
본 발명의 원리는 특정 실시예에 관하여 서술되었으나, 본 설명은 본 발명의 범위를 제한하고자 한 것이 아니라 단지 예시일 뿐임을 분명히 이해해야 한다.

Claims (38)

  1. 아래쪽 및 바깥쪽 방향으로 선택된 사이드를 향해 조명하는 LED 장치로서,
    · 베이스 상에 적어도 하나의 LED를 구비한 광 이미터;
    · 상기 광 이미터 위쪽에 위치하고, 중심축을 가진 제1 렌즈; 및
    · 안쪽면이 상기 제1 렌즈를 둘러싸도록 위치된 제2 렌즈를 포함하고, 상기 제2 렌즈는 (a) 상기 중심축과 실질적으로 수직인 메인 평면을 형성하는 베이스-인접 끝부, 및 (b) 상기 중심축과 평행한 기준축을 형성하는 중간영역 기준점을 가진 컴파운드 외부 렌즈 표면을 포함하고, 상기 컴파운드 외부 렌즈 표면은
    · 상기 선택된 사이드 상에 중심을 가진 주둘레면으로서, (a) 상기 베이스-인접 끝부로부터, 상기 메인 평면으로부터 가장 멀리 떨어져 있고 상기 기준점으로부터 이격된 각각의 기준축 반평면 내의 외부-렌즈-표면 점의 세트에 의해 형성된 릿지라인까지 아래쪽 및 안쪽으로 돌출하고, (b) 상기 릿지라인에서 안쪽으로 끝나는 주둘레면;
    · 중간영역 기준점을 포함하고 그 부근에 오목부를 가진, 릿지라인 안쪽의 중간영역; 및
    · 선택되지 않은 사이드 상에 중심을 가지고, 상기 중간영역 및 상기 주-둘레면과 연결된 비-주둘레면을 포함하고, 상기 릿지라인은 상기 중심축 둘레로 상당한 각도로 대(subtend)하는 것을 특징으로 하는 선택된 사이드를 향해 조명하는 LED 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 기준축은 상기 선택되지 않은 사이드 쪽으로 상기 중심축으로부터 오프셋된 것을 특징으로 하는 선택된 사이드를 향해 조명하는 LED 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 릿지라인은 상기 중심축 둘레로 180°보다 더 큰 각도로 대하는 것을 특징으로 하는 선택된 사이드를 향해 조명하는 LED 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 기준축은 상기 선택되지 않은 사이드 쪽으로 상기 중심축으로부터 오프셋된 것을 특징으로 하는 선택된 사이드를 향해 조명하는 LED 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 주둘레면과 교차하는 각각의 기준축 반평면 내에 오직 하나의 릿지라인 점만 존재하는 것을 특징으로 하는 선택된 사이드를 향해 조명하는 LED 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 주둘레면은 좌우대칭인 것을 특징으로 하는 선택된 사이드를 향해 조명하는 LED 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 비-주둘레면은 좌우대칭인 것을 특징으로 하는 선택 된 사이드를 향해 조명하는 LED 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 컴파운드 외부 렌즈 표면은 좌우대칭인 것을 특징으로 하는 선택된 사이드를 향해 조명하는 LED 장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 렌즈와 제2 렌즈 사이에 공간이 존재하고, 상기 공간은 광학용 겔로 채워져 있는 것을 특징으로 하는 선택된 사이드를 향해 조명하는 LED 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 렌즈는 상기 중심축 둘레로 실질적으로 회전대칭인 조명 패턴을 가지는 것을 특징으로 하는 선택된 사이드를 향해 조명하는 LED 장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 렌즈는 실질적으로 반구형인 것을 특징으로 하는 선택된 사이드를 향해 조명하는 LED 장치.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 컴파운드 외부 렌즈 표면은 (a) 상기 중간영역 기준점과 상기 베이스-인접 끝부에서 끝나는, 기준축 반평면 내의 복수의 이격된 타겟 렌즈 설계 곡선, 및 (b) 상기 곡선들 사이에 복수의 타겟 렌즈 설계 곡선을 매끈하게 매칭시키는 표면에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 선택된 사이드를 향해 조 명하는 LED 장치.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 기준축은 상기 선택되지 않은 사이드 쪽으로 상기 중심축으로부터 오프셋된 것을 특징으로 하는 선택된 사이드를 향해 조명하는 LED 장치.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 릿지라인은 상기 중심축 둘레로 180°보다 더 큰 각도로 대하는 것을 특징으로 하는 선택된 사이드를 향해 조명하는 LED 장치.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 기준축은 상기 선택되지 않은 사이드 쪽으로 상기 중심축으로부터 오프셋된 것을 특징으로 하는 선택된 사이드를 향해 조명하는 LED 장치.
  16. 제 12 항에 있어서, 상기 주둘레면과 교차하는 각각의 기준축 반 평면 내에 오직 하나의 릿지라인 점만 존재하는 것을 특징으로 하는 선택된 사이드를 향해 조명하는 LED 장치.
  17. 제 12 항에 있어서, 상기 주둘레면은 좌우대칭인 것을 특징으로 하는 선택된 사이드를 향해 조명하는 LED 장치.
  18. 제 12 항에 있어서, 상기 비-주둘레면은 좌우대칭인 것을 특징으로 하는 선택된 사이드를 향해 조명하는 LED 장치.
  19. 제 12 항에 있어서, 상기 컴파운드 외부 렌즈 표면은 좌우대칭인 것을 특징으로 하는 선택된 사이드를 향해 조명하는 LED 장치.
  20. 제 12 항에 있어서, 상기 제1 렌즈와 상기 제2 렌즈 사이에 공간이 존재하고, 상기 공간은 광학용 겔로 채워진 것을 특징으로 하는 선택된 사이드를 향해 조명하는 LED 장치.
  21. 제 12 항에 있어서, 상기 제1 렌즈는 상기 중심축을 기준으로 실질적으로 회전대칭인 조명 패턴을 가지는 것을 특징으로 하는 선택된 사이드를 향해 조명하는 LED 장치.
  22. 제 12 항에 있어서, 상기 제1 렌즈는 실질적으로 반구형인 것을 특징으로 하는 선택된 사이드를 향해 조명하는 LED 장치.
  23. 아래쪽 및 바깥쪽 방향으로 선택된 사이드를 향해 조명하는 LED 장치로서,
    · 베이스 상에 적어도 하나의 LED를 구비한 광 이미터;
    · 상기 광 이미터 위쪽에 위치하고, 중심축, 상기 중심축에 실질적으로 수 직인 메인 평면을 형성하는 베이스-인접 끝부, 및 상기 중심축과 평행한 기준축을 형성하는 중간영역 기준점을 가진 컴파운드 외부 렌즈 표면을 포함하고, 상기 컴파운드 외부 렌즈 표면은
    · 상기 선택된 사이드 상에 중심을 가진 주둘레면으로서, (a) 상기 베이스-인접 끝부로부터, 상기 메인 평면으로부터 가장 멀리 떨어져 있고 상기 기준점으로부터 이격된 각각의 기준축 반평면 내의 외부-렌즈-표면 점의 세트에 의해 형성된 릿지라인까지 아래쪽 및 안쪽으로 돌출하고, (b) 상기 릿지라인에서 안쪽으로 끝나는 주둘레면;
    · 중간영역 기준점을 포함하고 그 부근에 오목부를 가진, 릿지라인 안쪽의 중간영역; 및
    · 선택되지 않은 사이드 상에 중심을 가지고, 상기 중간영역 및 상기 주-둘레면과 연결된 비-주둘레면을 포함하고, 상기 릿지라인은 상기 중심축 둘레로 상당한 각도로 대하는 것을 특징으로 하는 선택된 사이드를 향해 조명하는 LED 장치.
  24. 제 23 항에 있어서, 상기 기준축은 상기 선택되지 않은 사이드 쪽으로 상기 중심축으로부터 오프셋된 것을 특징으로 하는 선택된 사이드를 향해 조명하는 LED 장치.
  25. 제 23 항에 있어서, 상기 릿지라인은 상기 중심축 둘레로 180°도 보다 큰 각도로 대하는 것을 특징으로 하는 선택된 사이드를 향해 조명하는 LED 장치.
  26. 제 25 항에 있어서, 상기 기준 축은 상기 선택되지 않은 사이드 쪽으로 상기 중심축으로부터 오프셋된 것을 특징으로 하는 선택된 사이드를 향해 조명하는 LED 장치.
  27. 제 23 항에 있어서, 상기 주둘레면을 교차하는 각각의 기준축 반평면 내에 오직 하나의 릿지라인 점만 존재하는 것을 특징으로 하는 선택된 사이드를 향해 조명하는 LED 장치.
  28. 제 23 항에 있어서, 상기 주둘레면은 좌우대칭인 것을 특징으로 하는 선택된 사이드를 향해 조명하는 LED 장치.
  29. 제 23 항에 있어서, 상기 비-주둘레면은 좌우대칭인 것을 특징으로 하는 선택된 사이드를 향해 조명하는 LED 장치.
  30. 제 23 항에 있어서, 상기 컴파운드 외부 렌즈 표면은 좌우대칭인 것을 특징으로 하는 선택된 사이드를 향해 조명하는 LED 장치.
  31. 제 23 항에 있어서, 상기 컴파운드 외부 렌즈 표면은 (a) 상기 중간영역 기 준점과 상기 베이스-인접 끝부에서 끝나는, 기준축 반평면 내의 복수의 이격된 타겟 렌즈 설계 곡선, 및 (b) 상기 곡선들 사이에 복수의 타겟 렌즈 설계 곡선을 매끈하게 매칭시키는 표면에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 선택된 사이드를 향해 조명하는 LED 장치.
  32. 제 31 항에 있어서, 상기 기준축은 상기 선택되지 않은 사이드 쪽으로 상기 중심축으로부터 오프셋된 것을 특징으로 하는 선택된 사이드를 향해 조명하는 LED 장치.
  33. 제 31 항에 있어서, 상기 릿지라인은 상기 중심축 둘레로 180°보다 큰 각도로 대하는 것을 특징으로 하는 선택된 사이드를 향해 조명하는 LED 장치.
  34. 제 33 항에 있어서, 상기 기준축은 상기 선택되지 않은 사이드 쪽으로 상기 중심축으로부터 오프셋된 것을 특징으로 하는 선택된 사이드를 향해 조명하는 LED 장치.
  35. 제 23 항에 있어서, 상기 주둘레면을 교차하는 각각의 기준축 반평면 내에 오직 하나의 릿지라인 점만 존재하는 것을 특징으로 하는 선택된 사이드를 향해 조명하는 LED 장치.
  36. 제 31 항에 있어서, 상기 주둘레면은 좌우대칭인 것을 특징으로 하는 선택된 사이드를 향해 조명하는 LED 장치.
  37. 제 31 항에 있어서, 상기 비-주둘레면은 좌우대칭인 것을 특징으로 하는 선택된 사이드를 향해 조명하는 LED 장치.
  38. 제 31 항에 있어서, 상기 컴파운드 외부 렌즈 표면은 좌우대칭인 것을 특징으로 하는 선택된 사이드를 향해 조명하는 LED 장치.
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