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技術 光導波体およびこれを用いた照明器具

出願人 クリーインコーポレイテッド
発明者 ウィルコックスカートエスダーキージョンダブリュータルサエリックジェイ
出願日 2014年1月30日 (6年0ヶ月経過) 出願番号 2015-556139
公開日 2016年2月18日 (3年11ヶ月経過) 公開番号 2016-505209
状態 不明
技術分野
  • -
主要キーワード 電気接続コード 分布要素 端面正面図 屈曲要素 基本表面 テクスチャ加工表面 マスキング要素 湾曲基板
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図面 (20)

課題・解決手段

照明器具は、中央部分と、それぞれ第1および第2の方向に沿って中央部分から離れるように延伸した第1および第2の別個側方部分とを含む導波体を有する。中央部分は結合部を含み、結合部に隣接してLEDが配設され、結合部を介して導波体へと指向される光を発生させるように構成されている。LEDには電源回路により給電が行われ、導波体は、側方部分から光を抽出する複数の光抽出形体を含む。

概要

背景

光導波路は、1つまたは複数の発光ダイオードLED)等、1つまたは複数の光源により発せられた光を混ぜ合わせて指向させる。通常の光導波路は、1つまたは複数の結合要素、1つまたは複数の分布要素、および1つまたは複数の抽出要素という3つの主要な構成要素を含む。結合要素(複数可)は、光を分布要素(複数可)に指向させ、後続の構成要素と相互作用するように光を調整する。1つまたは複数の分布要素は、導波路中の光の伝搬状態を制御するものであるが、導波路の形状および材料に依存している。抽出要素(複数可)は、光が導波路から抜け出る場所および方向を制御することによって、光の除去状態を決定する。

結合要素(複数可)の設計において、第1に考慮すべきことは、光源から導波路への光伝送効率最大化、導波路に注入される光の位置の制御、および結合光学素子中の光の角度分布の制御である。光は、導波路の縁部にある表面および/または内部により規定された空隙および結合空洞を介して導波路に結合される場合がある。このような表面は、空気の相対的に低い屈折率導波路材料の相対的に高い屈折率との間に界面を備える。注入光の空間的および角度的拡がりの制御は、各光源に専用のレンズ適合させることによる。これらのレンズは、レンズと結合光学素子との間に空隙を設けて配設可能であるか、または導波路の分布要素(複数可)を規定しているものと同じ材料片から製造されていてもよい。

光は、導波路に結合された後、抽出位置へと案内および調整される必要がある。その最も簡単な例は、光ファイバケーブルであり、最小限の損失ケーブルの一端から他端に光を運ぶように設計されている。これを実現するため、光ファイバケーブルは、徐々にしか湾曲しておらず、導波路中の鋭角屈曲は回避されている。全反射の周知の原理によれば、導波路を伝搬する光は、導波路の外表面からその内部へとはね返される。これは、入射光が表面に対して臨界角を超えないことを前提としている。
抽出要素が導波路から光を除去するため、光は最初に、当該要素を含む形体と接触する必要がある。導波路の表面を適当に成形することによって、抽出形体(複数可)を横切る光の伝搬を制御可能である。具体的には、抽出形体の間隔、形状、および他の特性(複数可)を選択することによって、導波路の外観、その結果としての分布、および効率に影響が及ぶ。
Hulseの米国特許第5,812,714号は、光の伝搬方向を第1の方向から第2の方向に変更するように構成された導波路屈曲要素を開示している。導波路屈曲要素は、光源から発せられた光を収集して、当該導波路屈曲要素の入力面へと光を指向させる収集要素を含む。屈曲要素に入射した光は、外表面に沿って内部反射され、出力面で当該要素から抜け出る。外表面は、屈曲要素に入射した光が出力面に到達するまでにその大部分が内部反射されるように配向した傾斜角度表面または湾曲表面を備える。

Parkerらの米国特許第5,613,751号は、光入力表面光遷移領域、および1つまたは複数の光源を有する透明発光パネルを備えた発光パネルアセンブリを開示している。光源は、光遷移領域に埋設または接合されて、空隙を一切排除することにより、光損失を低減して発光を最大化するようになっているのが好ましい。光遷移領域は、各光源の周囲および背後に反射表面および/または屈折表面を含むことにより、当該光遷移領域を通って発光パネルの光入力表面まで、光をより効率的に反射および/または屈折ならびに集中させるようになっていてもよい。パネル部材の片面または両面には、光抽出変形部のパターン、またはパネル表面の形状もしくは幾何学形状の任意の変化、ならびに/または光の一部を発するコーティングが設けられていてもよい。光線は、その一部の内部反射角が、パネルから放出されるか、またはパネルを通ってはね返され、他方の面から放出されるのに十分な大きさとなるように、変形部の可変パターンによって分裂されるようになっていてもよい。
Shipmanの米国特許第3,532,871号は、発光時に突起研磨面上へと指向される光を発する2つの光源を有する組み合わせ伝搬光反射器を開示している。光は、円錐状の反射器上に反射される。また、光は、横方向に本体内部へと反射され、光を本体外へと指向させるプリズム衝突する。
Simonの米国特許第5,897,201号は、内部の半径方向コリメート光から分布される建築照明の様々な実施形態を開示している。疑似点光源半径方向外方コリメートされた光を発し、分布光学素子出射手段がコリメート光を光学素子外へと指向させる。

イリノイ州NilesのA.L.P. Lighting Components, Inc.は、厚端、狭端、および両者間の2つの主面を備えた楔状の導波路を製造している。両主面には、ピラミッド状の抽出形体が形成されている。この楔状導波路は、出口標識として使用され、標識の厚端が天井に隣接して位置決めされ、狭端が下方に延伸する。光は、厚端で導波路に入射し、ピラミッド状の抽出形体によって、導波路から下方に離れるように指向される。
近年、導波路要素の縁部へと指向された一連LED構成要素(「縁部照明」手法)を利用した薄型LEDベース照明器具(たとえば、General ElectricのETシリーズパネル反射板)が開発されている。ただし、このような照明器具は通常、LED構成要素等の略完全拡散発光源から発せられた光の導波面狭縁部への結合につきものの損失のために効率が低い。

概要

照明器具は、中央部分と、それぞれ第1および第2の方向に沿って中央部分から離れるように延伸した第1および第2の別個側方部分とを含む導波体を有する。中央部分は結合部を含み、結合部に隣接してLEDが配設され、結合部を介して導波体へと指向される光を発生させるように構成されている。LEDには電源回路により給電が行われ、導波体は、側方部分から光を抽出する複数の光抽出形体を含む。

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請求項1

中央部分と、それぞれ第1および第2の方向に沿って前記中央部分から離れるように延伸した第1および第2の別個側方部分とを含む導波体であって、前記中央部分が結合部を含む、導波体と、前記結合部に隣接して配設され、前記結合部を介して前記導波体へと指向される光を発生させるように構成されたLEDと、を備え、前記導波体が、前記側方部分から光を抽出する複数の光抽出形体を含む、照明器具

請求項2

前記第1および第2の側方部分がそれぞれ、上面および下面ならびに前記結合部に近接した第1の端部および前記結合部の遠位にある第2の端部を有し、前記第1の端部が、第1の厚さを有し、前記第2の端部が、第2の厚さを有し、前記第1の厚さが、前記第2の厚さよりも大きい、請求項1に記載の照明器具。

請求項3

前記結合部が、前記第2の端部側へ上方に湾曲した、請求項1に記載の照明器具。

請求項4

前記上面が、テクスチャ加工された、請求項2に記載の照明器具。

請求項5

前記上面が、複数の光抽出形体を含む、請求項2に記載の照明器具。

請求項6

前記複数の光抽出形体がそれぞれ、第1の表面と、前記第1の表面から第2の表面まで延伸した中間表面と、により規定された、請求項7に記載の照明器具。

請求項7

前記抽出形体が、外方に延伸した突起である、請求項2に記載の照明器具。

請求項8

前記外方に延伸した突起が、ドーム形状を有する、請求項7に記載の照明器具。

請求項9

前記下面が、テクスチャ加工された、請求項2に記載の照明器具。

請求項10

前記第1の厚さが、約6mm以下である、請求項2に記載の照明器具。

請求項11

前記第2の厚さが、約2mm以上である、請求項2に記載の照明器具。

請求項12

縦軸を有し、複数のLEDが前記結合部に隣接して前記縦軸に沿って配設された、請求項1に記載の照明器具。

請求項13

前記下面が、前記縦軸に垂直な平面中の軸に対して約+45°〜約−45°の角度で配設された、請求項12に記載の照明器具。

請求項14

前記下面が、前記縦軸に垂直な平面中の軸に対して約70°〜約90°の角度で配設された、請求項12に記載の照明器具。

請求項15

前記下面が、前記縦軸に垂直な平面中の軸に対して約85°の角度で配設された、請求項12に記載の照明器具。

請求項16

前記LEDが、白色の反射性印刷回路板上に搭載された、請求項1に記載の照明器具。

請求項17

前記結合部が、凹状の第1の表面を有し、前記凹状の第1の表面の反対側にV字状の第2の表面が配置された、請求項1に記載の照明器具。

請求項18

前記凹状の表面が、テクスチャ加工された表面である、請求項17に記載の照明器具。

請求項19

前記V字状の第2の表面が、鏡面で被膜された、請求項17に記載の照明器具。

請求項20

前記第1および第2の側部間のV字状の収束部に鏡面仕上げ反射器が配置された、請求項17に記載の照明器具。

請求項21

前記LEDから発生した光が、約3:1の単位面積当たり輝度最大/最小比で天井から反射される、請求項1に記載の照明器具。

請求項22

前記LEDから発生した光が、約2:1〜4:1の輝度最大/最小比で天井から反射される、請求項1に記載の照明器具。

請求項23

前記LEDから発生した光が、約3:1以下の輝度最大/最小比で天井から反射される、請求項1に記載の照明器具。

請求項24

前記LEDから発生した光が、約2:1以上の輝度最大/最小比で天井から反射される、請求項1に記載の照明器具。

請求項25

中央部分と、それぞれ第1および第2の方向に沿って前記中央部分から離れるように延伸した第1および第2の別個の側方部分と、前記中央部分に配置された結合部と、で構成された導波体。

請求項26

前記導波路に近接した光源により生成された発光を前記導波体の前記側方部分から抽出する複数の光抽出形体を含む、請求項25に記載の導波体。

請求項27

前記結合部が、前記第2の端部側へ上方に湾曲した、請求項25に記載の導波体。

請求項28

前記導波路が上面を有し、前記上面がテクスチャ加工された、請求項25に記載の導波体。

請求項29

前記抽出形体が、前記側方部分から外方に突出した、請求項26に記載の導波体。

請求項30

前記導波路が下面を有し、前記下面がテクスチャ加工された、請求項25に記載の導波体。

請求項31

前記結合部が、凹状の第1の表面を有し、前記凹状の第1の表面の反対側にV字状の第2の表面が配置された、請求項25に記載の導波体。

請求項32

前記V字状の第2の表面が、鏡面で被膜された、請求項25に記載の導波体。

請求項33

導波体用の結合光学素子であって、当該結合光学素子の入力領域に配設された第1の結合部分と、前記入力領域の遠隔にあり、前記第1の結合部分に入射する光を前記導波体へと反射させるように構成された第1の反射部と、前記入力領域で前記第1の結合部分と区別して配設され、入射する光を前記導波体へと直接屈折させるように構成された第2の結合部分と、を備えた、結合光学素子。

請求項34

前記結合部の中心から外方に湾曲した第1の表面を有し、前記結合部の前記中心から外方に湾曲した第2の表面を有し、前記第2の表面が、前記第1の表面の反対側にある、請求項33に記載の結合光学素子。

請求項35

前記中心の遠位にある端部表面を有し、前記端部表面に導波路が取り付けられた、請求項33に記載の結合光学素子。

請求項36

前記端部表面が、前記第1の表面および前記第2の表面と略垂直である、請求項33に記載の結合光学素子。

請求項37

前記第1の表面が、テクスチャ加工された表面である、請求項33に記載の結合光学素子。

請求項38

前記第2の表面が、テクスチャ加工された表面である、請求項33に記載の結合光学素子。

請求項39

導波体用の結合光学素子であって、少なくとも1つのLEDの遠位にある第1の入力表面であり、前記少なくとも1つのLEDからの光を受信するように構成された、第1の入力表面と、前記第1の入力表面から変位した第1の制御表面と、前記第1の制御表面に近接した抽出部であり、前記第1の入力表面が前記LEDからの光を前記第1の制御表面側に案内し、前記第1の制御表面が前記光を当該抽出部へと反射させる、抽出部と、を備えた、結合光学素子。

請求項40

前記第1の入力表面に隣接し、前記LEDに近接した第2の入力表面と、前記第1の制御表面の反対側にある第2の制御表面と、前記第1および第2の制御表面に近接した抽出部と、でさらに構成された、請求項39に記載の結合光学素子。

技術分野

0001

関連特許出願の相互参照
本願は、2013年1月30日に出願された米国仮特許出願第61/758,660号の題名「Optical Waveguide」(Cree整理番号第P1961US0号)の利益を主張し、2013年12月30日に出願された米国仮特許出願第61/922,017号の題名「Optical Waveguide Bodies and Luminaires Utilizing Same」(Cree整理番号第P2143US0号)の利益をさらに主張する。本願は、2013年3月15日に出願された米国特許出願第13/842,521号の題名「Optical Waveguides」(Cree整理番号第P1946US1号)の一部継続出願をさらに含み、2013年3月15日に出願された米国特許出願第13/839,949号の題名「Optical Waveguide and Lamp Including Same」(Cree整理番号第P1961US1号)の一部継続出願をさらに含み、2013年3月15日に出願された米国特許出願第13/841,074号の題名「Optical Waveguide Body」(Cree整理番号第P1968US1号)の一部継続出願をさらに含み、2013年3月15日に出願された米国特許出願第13/840,563号の題名「Optical Waveguide and Luminaire Incorporating Same」(Cree整理番号第P2025US1号)の一部継続出願をさらに含み、2013年7月10日に出願された米国特許出願第13/938,877号の題名「Optical Waveguide and Luminaire Incorporating Same」(Cree整理番号第P2025US2号)の一部継続出願をさらに含み、2013年12月9日に出願された米国特許出願第14/101,086号の題名「Optical Waveguides and Luminaires Incorporating Same」(Cree整理番号第P2126US1号)の一部継続出願をさらに含み、2013年12月9日に出願された米国特許出願第14/101,132号の「Waveguide Bodies Including Redirection Features and Methodsof Producing Same」(Cree整理番号第P2130US1号)の一部継続出願をさらに含み、2013年12月9日に出願された米国特許出願第14/101,147号の題名「Luminaires Using Waveguide Bodies and Optical Elements」(Cree整理番号第P2131US1号)の一部継続出願をさらに含み、2013年12月9日に出願された米国特許出願第14/101,099号の題名「Optical Waveguide Assembly and Light Engine Including Same」(Cree整理番号第P2129US1号)の一部継続出願をさらに含み、2013年12月9日に出願された米国特許出願第14/101,129号の題名「Simplified Low Profile Module With Light Guide For Pendant, Surface Mount, Wall Mount and Stand Alone Luminaires」(Cree整理番号第P2141US1号)の一部継続出願をさらに含み、2013年12月9日に出願された米国特許出願第14/101,051号の題名「Optical Waveguide and Lamp Including Same」(Cree整理番号第P2151US1号)の一部継続出願をさらに含み、これらすべてを本願の譲受人が所有しており、その開示内容を本明細書に援用する。

0002

本発明の主題は、照明器具に関し、より詳細には、一般照明用光導波路を用いた照明器具に関する。

背景技術

0003

光導波路は、1つまたは複数の発光ダイオードLED)等、1つまたは複数の光源により発せられた光を混ぜ合わせて指向させる。通常の光導波路は、1つまたは複数の結合要素、1つまたは複数の分布要素、および1つまたは複数の抽出要素という3つの主要な構成要素を含む。結合要素(複数可)は、光を分布要素(複数可)に指向させ、後続の構成要素と相互作用するように光を調整する。1つまたは複数の分布要素は、導波路中の光の伝搬状態を制御するものであるが、導波路の形状および材料に依存している。抽出要素(複数可)は、光が導波路から抜け出る場所および方向を制御することによって、光の除去状態を決定する。

0004

結合要素(複数可)の設計において、第1に考慮すべきことは、光源から導波路への光伝送効率最大化、導波路に注入される光の位置の制御、および結合光学素子中の光の角度分布の制御である。光は、導波路の縁部にある表面および/または内部により規定された空隙および結合空洞を介して導波路に結合される場合がある。このような表面は、空気の相対的に低い屈折率導波路材料の相対的に高い屈折率との間に界面を備える。注入光の空間的および角度的拡がりの制御は、各光源に専用のレンズ適合させることによる。これらのレンズは、レンズと結合光学素子との間に空隙を設けて配設可能であるか、または導波路の分布要素(複数可)を規定しているものと同じ材料片から製造されていてもよい。

0005

光は、導波路に結合された後、抽出位置へと案内および調整される必要がある。その最も簡単な例は、光ファイバケーブルであり、最小限の損失ケーブルの一端から他端に光を運ぶように設計されている。これを実現するため、光ファイバケーブルは、徐々にしか湾曲しておらず、導波路中の鋭角屈曲は回避されている。全反射の周知の原理によれば、導波路を伝搬する光は、導波路の外表面からその内部へとはね返される。これは、入射光が表面に対して臨界角を超えないことを前提としている。
抽出要素が導波路から光を除去するため、光は最初に、当該要素を含む形体と接触する必要がある。導波路の表面を適当に成形することによって、抽出形体(複数可)を横切る光の伝搬を制御可能である。具体的には、抽出形体の間隔、形状、および他の特性(複数可)を選択することによって、導波路の外観、その結果としての分布、および効率に影響が及ぶ。
Hulseの米国特許第5,812,714号は、光の伝搬方向を第1の方向から第2の方向に変更するように構成された導波路屈曲要素を開示している。導波路屈曲要素は、光源から発せられた光を収集して、当該導波路屈曲要素の入力面へと光を指向させる収集要素を含む。屈曲要素に入射した光は、外表面に沿って内部反射され、出力面で当該要素から抜け出る。外表面は、屈曲要素に入射した光が出力面に到達するまでにその大部分が内部反射されるように配向した傾斜角度表面または湾曲表面を備える。

0006

Parkerらの米国特許第5,613,751号は、光入力表面光遷移領域、および1つまたは複数の光源を有する透明発光パネルを備えた発光パネルアセンブリを開示している。光源は、光遷移領域に埋設または接合されて、空隙を一切排除することにより、光損失を低減して発光を最大化するようになっているのが好ましい。光遷移領域は、各光源の周囲および背後に反射表面および/または屈折表面を含むことにより、当該光遷移領域を通って発光パネルの光入力表面まで、光をより効率的に反射および/または屈折ならびに集中させるようになっていてもよい。パネル部材の片面または両面には、光抽出変形部のパターン、またはパネル表面の形状もしくは幾何学形状の任意の変化、ならびに/または光の一部を発するコーティングが設けられていてもよい。光線は、その一部の内部反射角が、パネルから放出されるか、またはパネルを通ってはね返され、他方の面から放出されるのに十分な大きさとなるように、変形部の可変パターンによって分裂されるようになっていてもよい。
Shipmanの米国特許第3,532,871号は、発光時に突起研磨面上へと指向される光を発する2つの光源を有する組み合わせ伝搬光反射器を開示している。光は、円錐状の反射器上に反射される。また、光は、横方向に本体内部へと反射され、光を本体外へと指向させるプリズム衝突する。
Simonの米国特許第5,897,201号は、内部の半径方向コリメート光から分布される建築照明の様々な実施形態を開示している。疑似点光源半径方向外方コリメートされた光を発し、分布光学素子出射手段がコリメート光を光学素子外へと指向させる。

0007

イリノイ州NilesのA.L.P. Lighting Components, Inc.は、厚端、狭端、および両者間の2つの主面を備えた楔状の導波路を製造している。両主面には、ピラミッド状の抽出形体が形成されている。この楔状導波路は、出口標識として使用され、標識の厚端が天井に隣接して位置決めされ、狭端が下方に延伸する。光は、厚端で導波路に入射し、ピラミッド状の抽出形体によって、導波路から下方に離れるように指向される。
近年、導波路要素の縁部へと指向された一連LED構成要素(「縁部照明」手法)を利用した薄型LEDベース照明器具(たとえば、General ElectricのETシリーズパネル反射板)が開発されている。ただし、このような照明器具は通常、LED構成要素等の略完全拡散発光源から発せられた光の導波面狭縁部への結合につきものの損失のために効率が低い。

課題を解決するための手段

0008

中央部分と、それぞれ第1および第2の方向に沿って中央部分から離れるように延伸した第1および第2の別個側方部分とを含む導波体を有する照明器具を開示する。中央部分に隣接してLEDが配設され、中央部分を介して導波体へと指向される光を発生させるように構成されている。LEDには、電源回路電力を供給し、導波体は、側方部分から光を抽出する複数の光抽出形体を含む。
導波体は、それぞれ第1および第2の方向に沿って中央部分から離れるように延伸した第1および第2の別個の側方部分をさらに含む。光抽出形体は、側方部分の上または中に配設されていてもよい。

0009

導波体用の結合光学素子を開示する。結合光学素子は、その入力領域に配設された第1の結合部分と、入力領域の遠隔にあり、第1の結合部分に入射する光を導波体へと反射させるように構成された第1の反射部と、入力領域で第1の結合部分と区別して配設され、入射する光を導波体へと直接屈折させるように構成された第2の結合部分とを含む。
また、少なくとも1つのLED近接した第1の入力表面を有し、前記入力表面が少なくとも1つのLEDからの光を受信するように構成された、導波体用の結合光学素子を開示する。第1の入力表面からは、第1の制御表面変位しており、第1の制御表面に近接して抽出部が配置され、第1の入力表面がLEDからの光を第1の制御表面側に案内し、第1の制御表面が光を抽出部へと反射させる。

図面の簡単な説明

0010

開示の照明器具の一実施形態を示した等角図である。
図1の実施形態の組み合わせ端面正面図およびブロック図である。
図1および図2の照明器具の分解等角図である。
図2の矢視線3−3で参照される中央部分の拡大部分側面図である。
中央部分の拡大部分側面図である。
2つの独立した光ビームを生成する照明器具の拡大部分側面図である。
図2の矢視線4−4で参照される抽出形体の拡大部分側面図である。
図1および図2の照明器具から発せられた所望の光分布を示したグラフである。
本開示の一実施形態において用いられる抽出形体の部分図である。
本開示の第2の実施形態において用いられる抽出形体の部分図である。
導波路の表面から外方に延伸した抽出形体の具体的な一実施形態を示した導波路表面の部分等角図である。
本開示の別の実施形態において用いられる抽出形体の部分図である。
図4Eの抽出形体の拡大部分断面図である。
本開示の別の実施形態において用いられる抽出形体の部分図である。
図4Gの抽出形体の拡大平面図である。
図4Gの抽出形体の拡大部分断面図である。
図1および図2の照明器具から発せられた別の所望の光分布を示したグラフである。
照明器具の別の実施形態の斜視図である。
端部キャップが除去された、図5Aに示す照明器具の改良型の端面正面図である。
図5Bの導波体の中央部分の拡大部分側面図である。
本明細書に記載の導波体のうちのいずれかの中央部分の拡大部分断面図であって、中央部分に近接して配置された光源および光源の反対側にある鏡面仕上げの上部反射器と示した、拡大部分断面図である。
導波体の第1および第2の側部間のV字状の収束部に配置された鏡面反射体を示した、中央部分の拡大部分端面図である。
第1の角度で配設されたファセットを有する導波体を伝搬する光線を示した図である。
図7のファセットよりも浅い第2の角度で配設されたファセットを有する導波路を伝搬する光線を示した図である。
開示の照明器具の別の実施形態における導波体を伝搬する光線を示した図である。
開示の照明器具のさらに別の実施形態において用いられる導波路の側面図である。
照明器具のさらに別の実施形態において使用可能な導波体の端面正面図である。
図11の導波体の等角図である。
開示の照明器具のさらに別の実施形態において使用可能な別の導波体の端面正面図である。
図13Aの導波体の等角図である。
照明器具のさらに別の実施形態において使用可能な導波体の端面正面図である。
図14Aの導波体の等角図である。
照明器具の別の実施形態において使用可能な導波体の端面正面図である。
図15Aの導波体の等角図である。
照明器具のさらに別の実施形態において使用可能なさらに別の導波体の等角図である。
照明器具の別の実施形態において使用可能なさらに別の導波体の等角図である。
照明器具のさらに別の実施形態において使用可能なさらに別の導波体の等角図である。
照明器具の別の実施形態において使用可能なさらに別の導波体の等角図である。
照明器具のさらに別の実施形態において使用可能なさらに別の導波体の等角図である。
照明器具の別の実施形態において使用可能なさらに別の導波体の等角図である。
照明器具のさらに別の実施形態において使用可能なさらに別の導波体の等角図である。
照明器具の別の実施形態において使用可能なさらに別の導波体の等角図である。
照明器具の一実施形態の端面図である。
本願に開示の導波路の中央部分の一実施形態の側面図である。
本願に開示の導波路と併用される抽出形体の一実施形態の部分等角図である。
本願に開示の導波路と併用される抽出形体の第2の実施形態の部分等角図である。
本願に開示の導波路と併用される抽出形体のさらに別の実施形態の部分等角図である。
本願に開示の導波路と併用される抽出形体の別の実施形態の拡大部分断面図である。
照明器具の別の実施形態において使用可能なさらに別の導波体の等角図である。
図23Aに示す導波体の第2の等角図である。
図23Aに示す導波体の側面図である。
開示の照明器具のさらに別の実施形態の下側正面図である。
図24Aに示す照明器具の断面図である。
図24Aに示す照明器具の等角図である。
開示の照明器具のさらに別の実施形態の下側正面図である。
図25Aに示す照明器具の側面図である。
図25Aに示す照明器具の構成要素のうちの1つの側面図である。
図25Aに示す照明器具の構成要素のうちの1つを破線で、当該構成要素の断面を実線で示した等角図である。
入力表面の反対にあるテクスチャ加工された表面を示した、本願に開示の導波体の中央部分の一実施形態の側面図である。
本願に開示の照明器具および当該照明器具の一方面の反対側にある反射器の一実施形態の側面図である。
図27の照明器具から発せられた別の所望の光分布を示したグラフである。
導波体の別の実施形態の側面図である。
図28の実施形態の分解等角図である。
導波体の別の実施形態の側面図である。
開示の照明器具のさらに別の実施形態において用いられる導波路の別の実施形態を示した図である。
図30の実施形態の中央部分の側面図である。

実施例

0011

以下の例は、本発明をさらに説明するものであるが、当然、その範囲を何ら制限するものと解釈されるべきではない。

0012

一般的に、特定の光抽出分布は、導波体の曲率および/もしくは他の形状ならびに/または抽出形体の形状、サイズ、および/もしくは間隔によって決まる。これらの選択肢はすべて、導波路の一端から他端までの視覚的均一性に影響を及ぼす。たとえば、表面が滑らかな導波体は、その湾曲部分で光を発することができる。湾曲が鋭くなると、より多くの光が抽出される。また、湾曲に沿った光の抽出は、導波体の厚さによって決まる。光は、臨界角に到達することなく、薄い導波体のきつい湾曲を伝搬可能であるが、厚い導波体を伝搬する光は、臨界角よりも大きな角度で表面に衝突して出射する可能性が高い。
導波体をテーパ状にすると、光が導波体の長さに沿って内部反射する一方、入射角が大きくなる。最終的に、この光は、出射するのに十分鋭い角度で一方面に衝突する。その反対の例すなわち長さ方向に徐々に厚くなる導波体によれば、光は、導波体表面との相互作用がほとんどない状態で長さに沿ってコリメートされる。これらの反応を用いることによって、導波路内で光を抽出および制御することができる。専用の抽出形体と組み合わせてテーパ状にすると、形体アレイの全体で入射角度分布を変更可能になる。これにより、光の抽出量および抽出方向が制御される。このように、湾曲、テーパ状表面、および抽出形体の選択組み合わせによって、所望の照明および外観を実現可能である。

0013

さらにまた、本明細書で検討する導波体は、所望の効果および/または外観を実現するため、アクリル樹脂材料シリコーンポリカーボネートガラス材料環状オレフィン共重合体、空気、または他の(1つもしくは複数の)適当な材料、あるいはそれらの組み合わせ等、任意適当な光学的透過性材料で構成されている。
一態様によれば、導波路は、少なくとも1つから無限数のビームまたは光線グループまで光を指向させ、各グループの光線は、互いにある角度範囲内で導波路を伝搬する。各範囲は、導波路材料のTIR限界内で狭くてもよいし、広くてもよい。

0014

別の態様によれば、導波路は、全反射(「TIR」)により導波路の内側で少なくとも1回、導波路の1つまたは複数の表面ではね返る複数のグループに光を構成する。各グループは、互いに狭い角度範囲または広い角度範囲内に配設された角度で伝搬する複数の光線を含む。
任意の実施形態において、この範囲は、光線グループの各光線が十分にコリメートしていると考え得るほどに狭くてもよいし、それに近い状態であってもよいし、光線グループの各光線がコリメートしていないと考え得るほどに広くてもよいし、それに近い状態であってもよい。このように光線の角度を制御することによって、光の制御を増強し、導波路のサイズおよび重量を低減し、照明器具のコストを低減することができる。

0015

図1図3は、中央部分18と、それぞれ第1および第2の方向に沿って中央部分18から離れるように延伸し、それぞれ第1および第2の外側端部20A、22A(図2)で終端している第1および第2の別個の側方部分20、22とを含む導波体12を有する導波路を備えた照明器具10を示している。図示の実施形態における側方部分20、22は、互いに鏡像であるのが好ましい。中央部分18は、結合部24と、図2に示すように結合部24に隣接して配設された1つまたは複数のLED素子26の形態の光源25とを含み、光源25は、結合部24を介して導波体12へと指向される光を発生させるように構成されている。光源25には、電源回路C(図2)が電力を供給し、導波体は12、たとえば図7および図8に示すように、側方部分20、22から光を抽出する複数の光抽出形体14を含む(図4図4B図4C図4D図4E、および図4Gは、このような形体14の様々な実施形態を示す)。

0016

より具体的には図2Aに見られるように、照明器具10は、基本表面28を有する基板27の形態の基本要素を含む。基本表面28は、所望により、白色材料または鏡面反射特性を示す材料が考えられる反射性材料被覆または被膜されていてもよい。LED素子26は、基本表面28上に搭載されている。基板27は、LED素子が好ましくは縦軸L(図2A)に沿って等間隔で、結合部24の空洞29(図3)へとさらに延伸するように、任意適当な様態で導波体12に固定されている。各LED素子26は、単一の白色LEDであってもよいし、複数の白色LEDであってもよいし、蛍光体被膜LEDを単独または緑色LED等のカラーLEDとの組み合わせで含む単一の基板またはパッケージ上に別個または一体的に搭載された複数のLEDを備えていてもよい。柔らかい白色照明を発生させる場合、各LED素子26は通常、1つまたは複数の青色シフト黄色LEDおよび1つまたは複数の赤色LEDを含む。当技術分野において知られている通り、他のLED組み合わせによって、異なる色温度および発色を行わせることも可能である。一実施形態において、光源は、いずれも本願の譲受人であるCree,Inc.が開発した、たとえばTrueWhite(登録商標)LED技術を組み込んだMT−GLEDモジュールまたは2012年10月10日に出願されたLowesらによる米国特許出願第13/649,067号の題名「LED Package with Multiple Element Light Source and Encapsulant Having Planar Surfaces」(Cree整理番号第P1912US1−7号)の開示等、任意のLEDを備えており、その開示内容を本明細書に援用する。本明細書に開示の実施形態のうちのいずれかにおいて、LED(複数可)は、必要または所望により、特定の発光分布を有する。たとえば、導波体の内側では、米国特許第8,541,795号に開示の側方発光LEDを利用してもよく、その開示内容を本明細書に援用する。より一般的には、任意の完全拡散、対称広角、側方優先、または非対称ビームパターンLED(複数可)を光源として使用するようにしてもよい。さらにまた、2013年12月9日に出願されたKellerらによる同時係属の米国特許出願第14/101,147号の題名「Luminaires Using Waveguide Bodies and Optical Elements」(Cree整理番号第P2131US1号))に開示のLED構成および光学素子のいずれかを使用してもよく、これを本明細書に援用する。

0017

電源回路Cは、基板27上に配設されていてもよいし、遠隔配置されていてもよいし、電源回路Cの一部が基板上に配設され、電源回路Cの残りの部分が遠隔配置されていてもよい。いずれにしろ、電源回路Cは、所望の様態で光源25をACまたはDC電力で動作させることによって、所望の明度および発色の光を発生させるように設計されている。また、必要または所望により、熱交換器(図示せず)を配置することで、熱を放散させてLEDと電源回路Cとの間の熱クロストークを取り除く。光源25は、ダウンライト、壁洗浄効果を生じるライト作業用ライト、反射板等で発生可能な光を含め、一般照明目的に適した光を発するのが好ましい。

0018

図1図3の実施形態において、第1および第2の側方部分20、22はそれぞれ、上面および下面30、32を有し、結合部24に近接した第1の端部20B、22Bおよび結合部24の遠位にある第2の端部20A、22Aを含む。第1の端部20B、22Bは第1の厚さT1を有し、第2の端部20A、22Aは第2の厚さT2を有し、第1の厚さT1が第2の厚さT2よりも大きいことから、側方部分20、22はテーパ状である。具体的な一実施形態において、たとえば、第1の厚さT1は約6mm以下であり、第2の厚さは約2mm以上である。また、一実施形態において、第1および第2の側方部分20、22それぞれの中心部は、たとえば約2mm以上という点で第2の端部20A、22Aと等しい厚さを有する。なお、最小厚さが構造強度の条件のみによって制限される一方、最大厚さは現在のところ、製造条件のみによって制限される。一実施形態において、導波体の最大/最小厚さ比は、10:1以下である。この実施形態のより具体的な一変形において、当該比はおよそ3:1である。具体的な一実施形態においては、図27に示すように、導波路12の上面30の上方に反射器53が配置されていてもよい。反射器53は、所望により、表面30上に配設された鏡面または反射コーティングで置き換え可能である(図27の実施形態においては、それ以前の図示の実施形態とは対照的に、表面30の上方に表面32が配設されている)。図27Aは、図27の実施形態の例示的な光分布を示しており、同心円が明度の大きさ(カンデラルーメンステラジアン)示し、中心から半径方向に延伸した線が出射光の角度を示しており、0°が真下、90°が右方、180°が真上を指す。また、他の所望の光分布を実現するようにしてもよい。
さらに別の実施形態においては、図5Bに示すように、第1の厚さT1が第2の厚さT2と等しい平坦な導波体12が用いられる。

0019

また、図1図3の図示の実施形態において、結合部24は、LED素子26から離れて第2の端部20A、22Aの一方または両方へと上方に湾曲している。第1および第2の部分20、22の上面30は、テクスチャ加工されていてもよい。各テクスチャ加工表面30は、複数の光抽出形体14を備えていてもよく、その1つを図4に示す。より具体的な一実施形態において、複数の光抽出形体14はそれぞれ、第1の表面38から第2の表面42まで延伸した中間表面40を備える。中間表面40のすべてまたは一部は、図4図4B図4C図4D図4E、および図4Gに示すように、平面状であってもよいし、湾曲していてもよい。一実施形態において、中間表面40の湾曲の角度は、10°〜80°の範囲であってもよい。この実施形態のより具体的な一変形において、湾曲の角度は、およそ30°〜60°である。この実施形態のさらに別の変形において、中間表面40の湾曲の角度は、およそ42.5°〜50°である。中間表面40は、一定の曲率半径を有していてもよいが、必ずしもその必要はない。さらに、結合部24の縁部47は、平面湾曲状、傾斜状、テーパ状等の任意の形状が可能であるが、これらに限定されない。

0020

また、図4に示すように、各第1の表面38は、関連の隣接する第2の表面42から特定の距離D1だけ変位しており、この距離D1は、一定であるか、または各表面30の長さおよび幅に沿って変化するのが好ましい。曲率半径の中心の配置、曲率半径の大きさ、および各中間表面40のアーチ状範囲は、導波体12からの光の分布に影響を及ぼす。別の実施形態においては、図7および図8に見られるように、中間表面40が平面状であり、そのすべてが互いに平行である。ただし、表面40のすべてが平面状または平行である必要はない。一実施形態において、第1の表面38と隣接する第2の表面42との間の垂直距離(すなわち、表面38からその下方の平面42の仮想投影まで垂直に延伸した線の長さ)は、100μm未満であるのが好ましく、約20〜約100μmであるのがより好ましい。別の実施形態において、中間表面40は互いに平行であり、関連する第1および第2の表面38、40に対して非ゼロの角度で配設されている。各中間表面40と、関連する隣接表面38または42が表面40と会合する場所での表面38または42に接する線との間の角度は、(たとえば、図7に見られるように)相対的に急峻であってもよいし、(たとえば、図8に見られるように)相対的に浅くてもよい。したがって、たとえば、各中間表面40と、関連する隣接表面38が表面40と会合する場所での表面38に接する線との間の角度は、約5°〜90°の範囲であってもよいし、より具体的には、約40°〜約60°であってもよいし、約50°であるのが最も好ましい。この角度(または、中間表面40と、関連する隣接表面42が表面40と会合する場所での表面42に接する線との間の角度等、その他任意の関連角度)および各中間表面40のサイズは、導波体12からの光の出力分布に影響を及ぼす。

0021

なお、抽出形体は、非対称発光分布が得られるように、導波体12の表面上(複数可)で異なるサイズ、形状、および/または間隔であってもよい。たとえば、抽出形体は、図22A図22Dに示すように、テーパ状の縁部となる切り欠きと段差とを組み合わせた抽出部を含んでいてもよい。図22Dに示す抽出形体は、以下の表に記載の寸法を有していてもよい。ただし、このような寸法は、ほんの一例に過ぎず、限定的なものではない。

0022

0023

また、2013年12月9日に出願されたKellerらによる同時係属の米国特許出願第14/101,086号の題名「Optical Waveguides and Luminaires Incorporating Same」(Cree整理番号第P2126US1号)に見られるように、抽出形体は、小さな窪みまたは突起を備えていてもよく、相対的に多数のこのような抽出形体が結合部24の左側に配設され、相対的に少数のこのような抽出形体が結合部24の右側に配設されていてもよい。このような実施形態において明らかなように、導波体12の左側から抽出される光が多く、導波体12の右側から抽出される光が相対的に少ない。

0024

別の実施形態においては、下面32がテクスチャ加工されている。このテクスチャ加工は、拡散効果を生じる粗面および/または複数の抽出形体14によってもたらされるようになっていてもよい。これらの抽出形体14は、上述の抽出形体と同一または類似であってもよい。

0025

図2および図2Aを再び参照して、図示の実施形態においては、導波体12が縦軸Lに平行な長さL1を有し、長さL1に直角な幅Wをさらに有する。幅Wは、約3インチと小さくすることもできるし、製造上、幅広にすることもできる。一実施形態において、幅Wは約12インチであり、別の実施形態において、幅Wは約24インチである。長さL1は、約2インチと小さくすることもできるし、製造上、長くすることもできる。一実施形態において、長さL1は、少なくとも約12インチであるのが好ましく、少なくとも約48インチであるのがより好ましい。図2に示す実施形態において、本明細書に開示の導波路は、以下の表に記載の寸法を有していてもよい。なお、以下の表の寸法は、ほんの一例に過ぎず、限定的なものではない。

0026

0027

図3に示すように、結合部24は、空洞29を規定する凹状の第1の表面44と、凹状の第1の表面44の反対側に配設された湾曲V字状の第2の表面46とを有する。図26に示すように、凹状の表面44は、光の色がより十分に混ざり合うように、テクスチャ加工されていてもよい。一実施形態において、V字状の第2の表面46は、滑らかで被膜されていない。図6に見られる別の実施形態においては、鏡面材料48の任意選択層がV字状の第2の表面46上に配設されている。図6Aに見られるこの実施形態のさらに別の変形においては、第1および第2の側部20、22間において、任意選択の鏡面反射体49がV字状の収束部に配置されている。材料48または鏡面反射体49は、本明細書に記載の実施形態のうちのいずれかにおいて使用してもよい。

0028

それぞれがある光線角度分布範囲を有する1つもしくは複数の光線グループまたはビームへと光源26の光線を再指向させるには通常、光源よりも実質的に大きな光学素子が必要であるが、このような再指向は、図3Aに示すように、厚い導波路12を用いることによっても実現可能である。ただし、コスト上の理由からは、相対的に薄い導波路を用いることによって、このような光の再指向を確保するのが好ましい場合がある。たとえば、図3Bに見られるように、光源26によって発せられた光は、2つの独立した光線セットへと再指向可能である。各光線セットは、非常に狭い分布範囲を有するか、または導波路12からの所望の光分布を実現するため、実質的または十分にコリメートされていてもよい。具体的に、図6を参照して、LED素子26(複数可)により発せられた1次的に完全拡散の光分布は、凹状の表面44を規定する壁に入射し、上面44aに入射した光が結合部24を伝搬して湾曲V字状の第2の表面46に衝突する。第2の表面46を構成する表面46a、46bは、TIR(および/または鏡面反射(鏡面反射体49上の材料48が存在する場合))により、図7図9に見られるように光線が導波体12の材料の臨界角を超えて出射するまで上面および下面30、32間の全反射によりはね返る光線グループ51a、51bの第1のセットとして光を側部20、22に再指向させる。凹状の表面44の下面44bに入射した光は、湾曲V字状の第2の表面46に衝突することなく、結合部24を伝搬して部分20、22に直接到達する。図3Bの実施形態において、下面44bは、当該表面44bを通過した光が光線グループ52a、52bの第2のセットとして再指向されるように湾曲している。この光についても、図7図9に見られるように光線が導波体12の材料の臨界角を超えて出射するまで上面および下面30、32間ではね返る。図3Bの図示の実施形態において、光線グループ51a、51b、52a、および52bは、狭い光線角度分布を有する(すなわち、この光線グループは、実質的または十分にコリメートされている)。いくつかの実施形態において、表面46a、46bは、形状が放物線状であり、光源26を中心としていてもよい。抽出形体14は、上面および下面30、32から指向されるように制御された様態で光を導波路12から出射させる。光線は、少なくとも実質的にコリメートされているため、導波体12を伝搬する際の拡がりが最小限に抑えられる。これにより、コリメートされた様態での抽出または広い分布への拡がりが可能である高度に制御されたビームが得られる。

0029

具体的に、図6図8に示すように、コリメートされた光線は、抽出形体14に衝突して導波路12へと再指向されるか、または、光の角度が臨界角を超えている場合には、照明を施す空間または室内へと出射するまで、全反射により、導波体12を通って繰り返しはね返る。抽出形体14に衝突して導波体12へとはね返された光は、対向する導波体表面に対する光の入射角に応じて、対向表面に衝突して導波体12から出射するようになっていてもよいし、対向表面でさらに反射して導波体12内を伝搬し続けるようになっていてもよい。光は最終的に、好ましくは外側端部20A、22Aに到達する前に、導波体12から離れる。この出射は、互いに平行な段差表面を有する抽出形体14によって促進される。この構成によって、側方部分20、22はテーパ状の外観となる。抽出された光は、図4Aまたは図4Kに示す光分布を有していてもよく、同心円が明度の大きさ(カンデラ:ルーメン/ステラジアン)示し、中心から半径方向に延伸した線が出射光の角度を示しており、0°が真下、90°が右方、180°が真上を指す。ただし、任意の所望の光分布を実現するようにしてもよい。

0030

一実施形態において、抽出形体14は、図4Dに示すように、外方に延伸した突起を構成している。このような抽出形体14を用いると、突起が導波体12のどの表面から延伸しているかに応じて、光の分布が上方または下方に制限される。たとえば、図4Dに示すように、導波体12の上面に配置されたドーム状等の外方に延伸した突起で構成された抽出形体14であれば、光は上方にのみ放出される。外方に突出した抽出形体が導波体12の下面に形成されている場合は、その逆が起こる。これらの抽出形体14は、上述の結合形体と組み合わせた場合に、特に有用である。
一実施形態において、LED26から発生された光は、約4:1以下の照度最大/最小比で天井から反射される。この光は、約1:1〜約3:1の照度最大/最小比で天井から反射されるのがより好ましい。この光は、約2:1以下の照度最大/最小比で反射されるのが最も好ましい。

0031

開示の照明器具に関して得られる照度は、一実施形態において、当該照明器具の使用が約1.3の間隔基準となり得るようにしている。言い換えると、一連の照明器具10はそれぞれ、照明を施す表面の上方7フィートの高さで10フィート離して搭載しながらも、許容レベルの照度が得られる。上方照明の間隔の範囲は、16以下の間隔基準であってもよい。言い換えると、天井から1フィートの距離で16フィート離して搭載した照明器具は、なお許容レベルの照度および均一性が得られることになる。本実施形態の上方間隔基準は、10以下である。下方照明の間隔の範囲は、2以下の間隔基準であってもよい。照明器具は、作業面から8フィートで16フィート離して搭載され、許容レベルの照度および均一性をもたらすものであってもよい。一実施形態において、照明器具の間隔基準は、1.3以下であってもよい。

0032

図5A図5C図10、および図29は、天井62から吊るされた完全な照明60に組み付けられた別の実施形態を示している。導波体64は、ハウジング68に固定された端部キャップ66A、66B間に配設されている。ハウジング68は、ドライバ回路を囲っているが、このドライバ回路は別の位置に配設されていてもよい。また、ハウジング68は、アルミニウム等の熱伝導材料で構成されていてもよく、ドライバ回路の構成要素から熱を放散させる放熱構造70を備えていてもよい。ハウジング68は、従来通り、ブラケット72およびワイヤロープ74によって、適当な天井搭載構造から吊るされていてもよい。照明器具60は、電気接続コード76を介して電力を受けるようになっていてもよい。

0033

導波体64は、任意の方向(たとえば、水平、垂直、または斜め)に配向していてもよい。図5Bおよび図5Cに見られるように、導波体64は、導波体12に対して逆になっている(すなわち、反転している)。したがって、V字状の表面46と類似または同一のV字状の湾曲表面86の上方には、結合部24と類似または同一の結合部84の空洞29と類似または同一の空洞82が配設されている。上記実施形態と同様に、V字状の表面は、滑らかで被膜されていなくてもよいし、鏡面材料で被膜されていてもよい。あるいは、上記実施形態と同様に、V字状の表面86に隣接および接触して鏡面反射体が配設されていてもよい。基板92上に搭載されたLED素子(複数可)(図5C)90は、空洞82内へと延伸するように、導波体64に対して固定されていてもよい。その他、側方部分20、22に対応する側方部分90、92が互いに実質的に180°で配設され、本明細書に開示の抽出形体14のうちのいずれかと類似または同一の抽出形体(図示せず)が結合部84に隣接した表面96に配設され、表面96の反対側にある表面98の横方向の範囲が表面96よりも大きいという点で、導波体64は導波体12と異なる。表面96は、滑らかであるのが好ましいが、表面32に関して記載した通り、テクスチャ加工されていてもよい。

0034

図面の様々な実施形態に示すように、導波体12または64の下面32は、縦軸Lに垂直な平面中で結合部24を二等分する軸B(図4)に対して、任意の角度Aで配設されていてもよい。この角度Aは、約45°〜約135°であるのがより好ましい(たとえば、図11図14B参照)。別の実施形態において、下面32は、軸Bに対して、約70°〜約90°の角度Aで配設されている。図1図4に示す実施形態において、下面32は、軸Bに対して、約85°の角度Aで配設されている。

0035

図15Aおよび図15Bは、側方部分20、22が異なる角度で配設された一実施形態を示しており、このため、この実施形態は非対称である。より具体的に、側方部分20、22それぞれの下面32−1および32−2は、軸Bに平行な線に対して、それぞれ角度CおよびDを成している。この好適な実施形態において、角度CおよびDはそれぞれ、約85°および約135°であるが、これらの角度は任意の大きさを有していてもよい。図15Aおよび図15Bの実施形態は、壁が天井と会合する領域に隣接して用いられる天井吊り下げ式の照明器具で使用すると、特に有用である。この場合、部分20は、表面30が壁と天井の交差部および室内を照らすように、当該交差部側へ指向されるようになっていてもよく、当該交差部から離れるように指向されて、天井の内側部分および室内の作業空間を照らすようになっていてもよい。

0036

次に図16Aおよび図16Bを参照して、導波体は、湾曲縦軸Lを規定するように一部または全部が湾曲していてもよい。たとえば、図16Aは、周囲で一部が湾曲した導波体12Aを示しているが、その他の部分は、本明細書に開示の実施形態のうちのいずれかの導波体12と同一である。図16Aの実施形態は、180°湾曲したものとして図示しているが、所望により、その他任意のアーチ状範囲で湾曲していてもよい。図16Bは、円形の縦軸L(図示せず)を規定して円筒を構成するように、導波体21Bが周囲で全体的に湾曲して接合された(すなわち、導波体が360°湾曲した)一実施形態を示している(なお、図16Aは、図16Bの導波体の断面も示している)。所望により、湾曲縦軸Lを含む平面中の部分円または全円以外を導波体12A、12Bのいずれかが規定していてもよい。したがって、たとえば、楕円形または他の形状が規定されていてもよい。その他、導波体21Bは、本明細書に開示の実施形態のうちのいずれかと同一であってもよく、照明器具に用いられていてもよい。このような場合、LED素子26は、湾曲基板27上に配設され、表面44により規定された空洞29内へとLED素子26が延伸するように任意適当な様態で、基板27が導波体12A、12Bに固定されていてもよい。

0037

図17A図20および図23A図25Dは、結合部24およびV字状の表面46を利用した導波路のさらに別の実施形態を示している(図16および図16Bの場合と同様に、図17Aおよび図18Aは、別の実施形態を図示するのみならず、それぞれ図17Bおよび図18Bの実施形態も示している)。これら図面の実施形態は、(図17Aおよび図17Bに見られる)結合部分の中心を通過する平面Pに関して対称であり、1つまたは高々数個のLED素子を収容可能な限られたサイズの結合部分24を有する。図17Aおよび図17Bがそれぞれ半円形および全円形の導波体12C、12Dを示す一方、図18Aおよび図18Bはそれぞれ、半分および完全な正方形の導波体12E、12Fを示している。図示の実施形態において、導波体12C〜12Fは、図1図4の実施形態と類似または同一の断面形状を有するが、所望により、これら実施形態のいずれかが異なる断面形状を有していてもよい。また、4分の1円もしくは4分の1正方形の形状、または円形もしくは正方形以外の形状等、他の類似形状も可能である。
これら別の実施形態は、図1図3に関連して記載した様態で光を分布させ、異なる導波体形状を収容するのに必要または望ましいと考えられる適当な改良を行うことにより、たとえば本明細書に開示するような任意の照明器具に使用するようにしてもよい。たとえば、本明細書に開示の導波体のうちのいずれかを照明器具60に使用してもよい。
また、開示の図1図2、および図2Aは、中央部分18と、それぞれ第1および第2の方向に沿って中央部分18から離れるように延伸した第1および第2の別個の側方部分20、22とを有する導波体12である。中央部分18は、当該中央部分18に配置された結合部24を含む。

0038

一実施形態において、導波体12は、導波体12に近接したLED光源により発生された放出光をその側方部分20、22から抽出する複数の光抽出形体14を含む。別の実施形態において、第1および第2の側方部分20、22はそれぞれ、上面および下面30、32ならびに結合部24に近接した第1の端部34および結合部24の遠位にある第2の端部20A、22Aを有する。第1の端部34は第1の厚さT1を有し、第2の端部は第2の厚さT2を有し、第1の厚さT1が第2の厚さT1よりも大きい。具体的な一実施形態において、たとえば、第1の厚さT1は約6mm以下であり、第2の厚さT2は約2mm以上である。

0039

さらに別の実施形態において、導波体12の結合部24は、第2の端部20A側へ上方に湾曲している。

0040

一実施形態において、導波体12の上面30は、テクスチャ加工されている。より具体的な一実施形態において、複数の光抽出形体14はそれぞれ、第1の表面38によって規定されており、図4B図4C図4E、および図4Gに示すように、第1の表面38から第2の表面42まで中間表面40が延伸している。中間表面40のすべてまたは一部は、平面状であってもよいし、それぞれが一定半径曲面を有して湾曲していてもよい。後者の場合、表面40は、図4Cに見られるように、断面が凸状であるのが好ましいが、必ずしもその必要はない。いくつかの実施形態において、表面40は、図4Eに示すように、平面部分および湾曲部分を含んでいてもよい。他の実施形態において、中間表面40のすべてまたは一部は、図4Gに示すように、上述の平面状または一定の曲率半径との組み合わせにより波形であってもよい。また、中間表面40のすべてまたは一部がテクスチャ加工されている一方、表面30、42の両方または一方が滑らかであってもよい。このようなテクスチャ加工は、多結晶ダイヤモンドによる表面の切削またはその他任意適当な手段により実現されていてもよい。表面40および/または抽出形体14は、導波路12の上面および下面30、32の一方または両方に成形、エンボス加工、あるいは形成されていてもよい。その代替または追加として、抽出形体を含むフィルム(図示せず)が上面および下面30、32の一方または両方に付着、積層、あるいは固定され、光抽出をもたらすようになっていてもよい。

0041

図4E図4F図4G、および図4Hに示す実施形態において、本明細書に開示の表面40は、以下の表に記載の寸法を有していてもよい。なお、以下の表の寸法は、ほんの一例に過ぎず、限定的なものではない。

0042

別の実施形態においては、図7および図8に見られるように、中間表面40が平面状であり、そのすべてが互いに平行である。ただし、表面40のすべてが平面状または平行である必要はない。別の実施形態において、中間表面40は互いに平行であり、関連する第1および第2の表面38、40に対して非ゼロの角度で配設されている。各中間表面40と、関連する隣接表面38または42が表面40と会合する場所での表面38または42に接する線との間の角度は、(たとえば、図7に見られるように)相対的に急峻であってもよいし、(たとえば、図8に見られるように)相対的に浅くてもよい。この角度(または、中間表面40と、関連する隣接表面42が表面40と会合する場所での表面42に接する線との間の角度等、その他任意の関連角度)および各中間表面40のサイズは、導波体12からの光の出力分布に影響を及ぼす。

0043

この実施形態のより具体的な一変形において、第1の表面38は、第2の表面42から特定の距離だけ変位しており、複数の光抽出形体それぞれの第1および第2の表面間の距離はすべて等しい。この実施形態のさらに具体的な一変形において、複数の光抽出形体14それぞれの各段差の中間表面40は、同じ角度で傾斜している。

0044

一実施形態において、導波体12の第1および第2の側方部分20、22の下面32は、テクスチャ加工されている。この実施形態の具体的な一変形において、下面32は、上述の通り、複数の抽出形体14を含む。
図3に示すように、結合部24は、空洞29を規定する凹状の第1の表面44と、凹状の第1の表面44の反対側に配設された湾曲V字状の第2の表面46とを有する。凹状の表面44は、光の色がより十分に混ざり合うように、テクスチャ加工されていてもよい。一実施形態において、V字状の第2の表面46は、滑らかで被膜されていない。さらに別の実施形態において、V字状の第2の表面46は、テクスチャ加工された表面であってもよく、より具体的な一実施形態においては、図6に示すように、鏡面材料48の任意選択層がV字状の第2の表面46上に配設されていてもよい。

0045

凹状の第1の表面44は、図21の符号102および108として示すように、湾曲部および線形部の両者を含んでいてもよい。また、V字状の第2の表面46の反対側にある中央部分18の表面は、たとえば図13A図15B図21、および図22に示すように、緩やかな放物線状に湾曲することによって、反射光線コリメーションに役立つようになっていてもよい。曲率が大きくなると、光線がより大きくコリメートされるためである。図21を参照して、第1の表面44は、湾曲部および線形部102b、108bそれぞれの反対側に湾曲部および線形部102a、108aを含む。このような表面102a、108aおよび102b、108bは、互いに鏡像であってもよいし、異なる形状を有していてもよい。
図30および図30Aに示す実施形態において、本明細書に開示の導波路12は、以下の表に記載の寸法を有していてもよい。なお、以下の表の寸法は、ほんの一例に過ぎず、限定的なものではない。

0046

0047

さらに別の実施形態において、導波体12は、透明アクリル樹脂で構成されていてもよい。

0048

また、導波体12用の結合光学素子100を開示する。図21に示すように、結合光学素子100は、その入力領域104に配設された第1の結合部分102と、入力領域104の遠隔にあり、第1の結合部分102に入射する光を導波体12へと反射させるように構成された第1の反射部106と、入力領域104で第1の結合部分102と区別して配設され、入射する光を導波体12へと直接屈折させるように構成された第2の結合部分108とを含む。

0049

一実施形態において、結合光学素子100は、結合部24の中心から外方に湾曲した第1の表面110と、結合部24の中心から外方に湾曲した第2の表面112とを有し、第2の表面112が第1の表面110の反対側にある。一実施形態において、第1および第2の表面110、112の両方または一方は、形状が放物線状であり、光源26を中心としていてもよい。別の実施形態において、第1および第2の表面110、112の一方または両方は、導波路12を通って指向される光線の角度またはコリメートされた光線グループの拡がりを制御するように具体的に設計された点において、「自由形成」であってもよい。他の実施形態において、第1および第2の表面110、112の一方または両方は、放物線形状および自由形成形状の組み合わせであってもよい。また、図21を参照して、結合光学素子100は、第1および第2の表面110a、112aそれぞれの反対側に第3および第4の表面110b、112bを含む。第1および第3の表面110a、110bは、互いに鏡像であってもよいし、異なる形状を有していてもよい。同様に、第2および第4の表面112a、112bは、互いに鏡像であってもよいし、異なる形状を有していてもよい。また、結合光学素子100は、結合部24の中心の遠位に端部114を有し、この端部114に導波路12が取り付けられている。この実施形態のより具体的な一変形において、第1および第2の表面110、112の端部114は、第1の表面110および第2の表面112と略垂直な線を規定している。第1および第2の表面110、112はそれぞれ、テクスチャ加工された表面であってもよい。

0050

動作時、LED素子26(複数可)から発せられた1次的に完全拡散の光分布は、第1の結合部分102を伝搬した後、第1の反射部106に衝突する。第1の結合部分102の表面は、TIRにより、光線が導波体12の材料の臨界角を超えて出射するまで導波路12の上面および下面間の全反射によりはね返る実質的にコリメートされた光線または平行光線のセットとして光を第2の表面112側または導波路12へと再指向させる。

0051

図28および図28Aは、基板206の表面204上に配設された導波体202および本明細書に開示の種類を含む任意適当な種類の一連のLED26を備えた導波路200を示している。表面204は、鏡面または白色反射表面で被膜されていてもよい。導波体202は、上述の結合部24と類似または同一の結合部208を含む。上記実施形態の側方部分は、上記開示の通り段差状(または他の形状の)抽出形体を含み得る単一の光抽出形体204で置き換えられている。他の実施形態と同様に、光線はグループに構成され、導波体材料のTIR限界内で、各グループの光線が互いに所望の範囲内の角度で伝搬することにより、導波体内で光線が少なくとも1回全反射するようになっていてもよい。

0052

以上のまとめとして、単色または多色のLED素子を照明器具に用いる場合は、照明器具によって発せられる明度および/または発色が均一となるように、LEDによって発せられた光出力を完全に混ぜ合わせるのが望ましいことが分かった。また、LED素子を導波路と併用する場合は、光結合および光案内中の上記混合または分布機能を実現する機会が存在することが分かった。具体的には、屈折により光線を曲げることによって、混合が改善され得る。このような場合は、屈折率が異なる材料間に導波路の界面を設けることによって、この屈折曲げが実現可能である。これらの界面は、導波路抽出形体との中間の部分あるいは(屈曲等によって)導波路から光が抽出される領域において、LED素子により発せられた光が導波路および/または光再指向形体に入射する結合形体を規定していてもよい。さらに、広範な屈折角へと光を指向させることによって、光の混合が促進されることが分かった。屈折光線の角度Arが入射光線と入射光線が衝突する界面との間の角度Aiの関数である(Aiがゼロに近づく場合すなわち界面に対して入射光線が平行状態に近づく場合に屈折角Arが大きくなる)ことから、入射光線に対する広範な角度を含むように界面を構成することによって、広範な屈折光線の角度が得られる。このことは、入射光線に対して平行に近い界面のほか、入射光線に対して他の角度で配設された他の表面の大きな範囲を上記界面が含むことも可能であることを意味する。導波路ならびに結合形体および再指向形体の全体形状として、湾曲状(凸状、凹状、ならびに凸状および凹状の表面の組み合わせを含む)、平面状、非平面状、テーパ状、セグメント状、連続または不連続平面、矩形または不規則形状表面、対称または非対称表面等が使用可能であり、一般的には、光路中に設ける界面の数および/または界面形状の複雑さを大きくすることによって、光の混合(光抽出に対する必要な制御と整合)がさらに改善可能である。また、結合形体および光再指向形体の間隔は、混合度に影響を及ぼす。いくつかの実施形態においては、所望の光混合度を実現するのに、単一の光結合形体および/または単一の光再指向形体で十分な場合がある。他の実施形態においては、複数の結合形体および/または複数の光再指向形体を用いることにより、所望の混合度を実現するようにしてもよい。いずれの場合も、複数の結合形体または複数の再指向形体の形状は、単純でもよいし複雑でもよく、同じ形状でもよいし異なる形状でもよく、等間隔でもよいし不等間隔でもよく、ランダムに分布していてもよいし1つまたは複数のアレイ(たとえば、アレイ自体が等間隔でもよいし不等間隔でもよく、同じサイズおよび/または形状でもよいし異なるサイズおよび/または形状でもよい)で分布していてもよい。さらには、導波路において界面が対称なパターンで配設されていてもよいし非対称なパターンで配設されていてもよく、導波路自体が対称でもよいし非対称でもよく、導波路がそれ自体に関して対称、非対称、中心、または非中心の光分布を発してもよく、光分布が軸内(すなわち、導波路の面に垂直)または軸外(すなわち、導波路の面に対して垂直以外)、単一ビームまたは分割ビーム等であってもよい。

0053

さらにまた、1つもしくは複数の結合形体または再指向形体、あるいはその両者は、導波路の内側の任意の場所、導波路の縁部表面もしくは主面等の任意の外側表面、および/または導波路の2つ以上の表面もしくは部分にわたって延伸した位置に配設されていてもよい。結合または光再指向形体が導波路の内側に配設されている場合、この形体は、導波路の全体に延伸した空洞の中に配設されていてもよいし、そのような空洞によって規定されていてもよいし、導波路の全体に延伸していない空洞の中に配設されていてもよいし、そのような空洞によって規定されていてもよい(たとえば、止まり穴の中または導波路の材料によって完全に囲まれた空洞の中)。また、本明細書に開示の実施形態のうちのいずれかの導波路は、平面状、非平面状、不規則形状、湾曲状、他の形状、浮遊状等であってもよい。

0054

形状、サイズ、位置、光源に対する配向、材料等、特定の結合形体および光再指向形体のパラメータを本明細書の実施形態として開示しているが、本発明は、開示の実施形態に限定されない。このようなパラメータの様々な組み合わせおよびすべての変形についても、本明細書において具体的に考えられるためである。したがって、本明細書に記載の結合空洞、プラグ部材、LED素子、マスキング要素(複数可)、再指向形体、抽出形体等のうちのいずれか1つを単独、1つまたは複数の別の要素との組み合わせ、または様々な組み合わせ(複数可)で照明器具に使用することによって、光混合および/または所望の光出力分布を得るようにしてもよい。より具体的に、米国特許出願第13/842,521号(Cree整理番号第P1946US1号)、米国特許出願第13/839,949号(Cree整理番号第P1961US1号)、2013年3月15日に出願された米国特許出願第13/841,074号の題名「Optical Waveguide Body」(Cree整理番号第P1968US1号)、米国特許出願第13/840,563号(Cree整理番号第P2025US1号)、2013年12月9日に出願されたKellerらによる米国特許出願第14/101,086号の題名「Optical Waveguides and Luminaires Incorporating Same」(Cree整理番号第P2126US1号)、2013年12月9日に出願されたYuanらによる米国特許出願第14/101,099号の題名「Optical Waveguide Assembly and Light Engine Including Same」(Cree整理番号第P2129US1号)、2013年12月9日に出願されたTarsaによる米国特許出願第14/101,132号の題名「Waveguide Bodies Including Redirection Features and Methodsof Producing Same」(Cree整理番号第P2130US1号)、2013年12月9日に出願されたKellerらによる米国特許出願第14/101,147号の題名「Luminaires Using Waveguide Bodies and Optical Elements」(Cree整理番号第P2131US1号)、2013年12月9日に出願されたTarsaらによる米国特許出願第14/101,129号の題名「Simplified Low Profile Module with Light Guide for Pendant, Surface Mount, Wall Mount, and Stand Alone Luminaires」(Cree整理番号第P2141US1号)、および2013年12月9日に出願されたYuanらによる米国特許出願第14/101,051号の題名「Optical Waveguide and Lamp Including Same」(Cree整理番号第P2151US1号)に記載および/または請求の特徴のうちのいずれかを本明細書に開示の装置に使用するようにしてもよく、これらを本明細書に援用するとともに、本願の譲受人が所有する。したがって、たとえば、本明細書に開示の導波路または照明器具のうちのいずれかは、必要または所望により、上記出願に開示の1つもしくは複数の結合形体もしくは光学素子、改良されたLED構成、1つもしくは複数の光再指向形体、1つもしくは複数の抽出形体、ならびに/または特定の導波路もしくは照明器具全体の形状および/もしくは構成を含んでいてもよい。また、本明細書に開示した以外の照明器具および導波路の形状因子も考えられる。

0055

本明細書に開示の結合形体は導波路に対して光を効率的に結合し、再指向形体は導波路内の光を均一に混ぜ合わせるため、導波路から均一に抽出されるように光が調整される。本明細書に開示の照明器具のうちの少なくとも一部は、交換または改造ランプ(たとえば、LED PAR電球)、屋外製品(たとえば、街灯ハイベイライトキャノピーライト)、および屋内製品(たとえば、ダウンライト、反射板、レイインまたはドロップイン用途、壁または天井への表面実装用途等)といった、好ましくは少なくとも約800lm以上の照明器具総出力、より好ましくは少なくとも約3,000lmの照明器具総出力、最も好ましくは約10,000lmの総出力が必要な設備での使用に対して特に適応されている。さらに、本明細書に開示の照明器具は、約2,500°K〜約6,200°Kの色温度を有するのが好ましく、約2,500°K〜約5,000°Kの色温度を有するのがより好ましく、約2,700°Kの色温度を有するのが最も好ましい。また、本明細書に開示の照明器具のうちの少なくとも一部は、少なくとも約100lm/Wの有効性を示すのが好ましく、少なくとも約120lm/Wの有効性を示すのがより好ましく、さらに、少なくとも約92%の結合効率を示すのが好ましい。さらに、本明細書に開示の照明器具のうちの少なくとも一部は、少なくとも約85%の全体効率(すなわち、導波路から抽出された光を導波路に注入された光で除した値)を示すのが好ましい。また、本明細書に開示の照明器具のうちの少なくとも一部によって、少なくとも約80の演色指数(CRI)が得られるのが好ましく、少なくとも約88のCRIがより好ましい。色域指数(GAI)は、少なくとも約65を実現可能である。上下両方の光分布または上下一方のみの分布等を含めて、チョウ型光分布等の任意の所望かつ特定の出力光分布を実現することも可能である。

0056

広い(たとえば、完全拡散の)角度分布で発光する相対的に小さな光源を使用する場合(LEDベース光源に一般的)、エタンデュを保存するには、当該技術分野において一般的に了解されている通り、放出面積が大きな光学系によって狭い(コリメートされた)角度の光分布を実現する必要がある。したがって、放物線状反射器の場合は一般的に、大型の光学素子によって、高度にコリメートさせる必要がある。より小型の設計で大きな放出面積を実現するため、従来技術では、屈折光学面を利用して光の指向およびコリメーションを行うフレネルレンズの使用に依拠していた。ただし、フレネルレンズは一般的に、本質的に平面状であるため、光源により発せられた高角光の再指向にはあまり適しておらず、光学効率の損失を招来する。これに対して、本発明においては、再指向およびコリメーションに1次TIRを用いて、光を光学素子に結合させる。この結合によって、高角光を含む光源からの全角度放出範囲の再指向およびコリメーションが可能となるため、より小型の形状因子でより高い光学効率が得られる。

0057

本明細書に開示の実施形態は、以下のように、従来技術と比べて改善された運用基準に適合可能である。

0058

本実施形態の少なくとも一部においては、導波路内の光の分布および方向がよく知られているため、光がより高度に制御および抽出される。標準的な光導波路において、光は、導波路を通って前後にはね返る。本実施形態においては、導波路を1回通過する間に可能な限り多くの光が抽出され、損失が最小限に抑えられる。
いくつかの実施形態においては、光線の少なくとも一部がコリメートされるように光線を制御したい場合がある一方、同じ実施形態または他の実施形態においては、他の光線またはすべての光線を制御することによって、光がコリメートされないようにその角度分散を大きくしたい場合もある。また、いくつかの実施形態においては狭い範囲にコリメートしたい場合がある一方、他の事例では、その逆を行いたい場合がある。

0059

本明細書に引用公開、特許出願、および特許を含むすべての参考文献は、それぞれが個別かつ明確に援用されるように示唆され、そのすべてが本明細書に記載されているかのように、本明細書において同じ程度に援用される。

0060

本発明を説明する中での(特に、以下の特許請求の範囲の文脈においての)用語「1つ(a、an)」および「前記(the)」ならびに類似の表現の使用は、本明細書における特段の指示または文脈による明確な否定のない限り、単数および複数の両者を網羅するものと解釈されるべきである。本明細書における値の範囲の記述は単に、本明細書において特段の指示のない限り、その範囲に含まれるそれぞれ別個の値を個別に表す簡単な方法としての役割を果たすことを意図しており、それぞれ別個の値は、本明細書において個別に引用されているかのように、本明細書に組み込まれている。本明細書に記載のすべての方法は、本明細書における特段の指示または文脈による明確な否定のない限り、任意適当な順序で実行可能である。本明細書におけるありとあらゆる例すなわち例示表記(たとえば、「〜等(such as)」)の使用は単に、本開示の理解を容易化することを意図しており、特段の主張のない限り、本開示の範囲に制約課すものではない。本明細書中の如何なる表記も、任意の非請求要素が本開示の実施に必須であることを示しているものとして解釈されるべきではない。

0061

本明細書においては、本発明者らが把握している本開示を実施するための最良の形態を含めて、本開示の好適な実施形態を説明している。図示の実施形態はほんの一例に過ぎず、本開示の範囲を制限するものとして捉えられるべきではないことが了解されるものとする。

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