JP2001512579A

JP2001512579A - 光ガイド用の球形多ポートイルミネータの光学的設計

Info

Publication number: JP2001512579A
Application number: JP53295798A
Authority: JP
Inventors: アンドリューピーライザー; ロナルドエフマーティス; ジョンエフフォークナー
Original assignee: リモートソースライティングインターナショナルインコーポレイテッド
Priority date: 1997-01-31
Filing date: 1998-01-21
Publication date: 2001-08-21
Also published as: US5892867A; US6086234A; WO1998034139A1; AU6246898A

Abstract

(57)【要約】中央の光源（１２）からの照明光を種々の遠く離れた場所に伝達させるのに使用される本発明のシステムは、ランプ（１２）または同様な光源から発せられた光をフレキシブルなマクロスコピックファイバ（２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、３１、９０）に効果的に結合する。本発明のシステムのいくつかの要素（２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４，４６，３６、４５ａ、４５ｂ、４５ｃ）の組み合わせにより、光源（１２）からマクロスコピックファイバ（２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、３１、９０）へのエネルギーの効果的な伝達を生じる。ランプ（１２）からの光はポートの球形構造（７６，８０）に供給され、各ポートは、それに結合された１以上のマクロスコピックファイバ（２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、３１、９０）を有している。

Description

【発明の詳細な説明】光ガイド用の球形多ポートイルミネータの光学的設計本願は、「セグメント形レンズを用いた光ファイバカプラー(FIBER COUPLER U SING SEGMENTED LENSES)」という名称に係る１９９５年１月１７日付の係属中の米国特許出願第08/374,163号の一部継続出願である。この米国特許出願第08/374 ,163号は１９９６年９月２４日付米国特許第5,559,911号として発行されかつ本件出願人が所有するものである。また、この米国特許の内容を本願に援用する。発明の背景１．発明の分野本発明は、広くはリフレクタに関し、より詳しくは、光源からの光を１つ以上の光ガイドに結合（カップリング）するリフレクタに関する。２．関連技術の説明しばしば「フレキシブルな光ガイド」と呼ばれている大径光ファイバは当該技術分野で良く知られており、一般に、クラッディング層およびシースすなわちシールド層により包囲された単一の中実コアの光ガイドを有している。コアは光を伝達する光ガイドの一部であり、一般に約２〜１２mmの直径を有している。コアは、Rohm & Haas Corporation（Philadelphia、ペンシルバニア州）により製造されているOPTIFLEXRのような非常に柔らかい半液状プラスチック材料で形成されている。クラッディング層は、一般に、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥまたはTEFLON：登録商標）等からなり、一方、外側シースはポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）等の材料で製造されている。比較的複雑な制御システムでの情報伝達に一般に使用されている小径の光ガイドとは異なり、これらの大径「光ガイド」は、一般に、直接照明の維持が困難であるか、危険であるかまたは破壊行為を受ける虞れのある種々の照明システムに使用されている。これらの例として、建築照明、ディスプレイケース、プールおよび温泉（水の近くでの電気的接続部を無くすため）、危険な物質ゾーン（密封照明の必要性をなくすため）および刑務所独房等がある。大径光ガイドは、単一集中照明システムのみを維持しなければならない点で、複数の個々の光よりも特に有効である。しかしながら、関連の米国特許出願第08/374,163号に記載されているように、単一照明源から複数の光ガイドを照射することは困難であるため、最新の光ガイド照明システムを使用するには幾つかの問題がある。初期の従来システムでは、光ガイドをできる限り密に束ねて、効率を高めかつ全面積に対するコア面積（実際に光を伝達する各光ガイドの部分）の比率を高めることを試みた。光ガイドは丸い断面を有し、従って、クラッディング層およびシールド層のための大きな空間が光ガイド間に存在する。コアに当たらない全ての光は光ガイドによって伝達されないため、無駄になりかつ効率損をもたらす。また、光ガイドを高密度でパッキングすると、照明システムの構成および収容時の機械的困難性および個々の光ガイド束のうちの１つの光ガイドを交換することの困難性等の問題を引き起こす。この設計はまた、特に対処しない限り、光ガイド間の光の変化を生じさせる。この問題を解決する１つの従来技術は、各光ガイドの回りのシース層およびクラッディング層を無くして、光を伝達しない光ガイドの束配列の面積を小さくすることである。しかしながら、光ガイドの断面は丸いため依然としてパッキングファクタの問題があり、これらの層を無くしても他の物理的な欠点がある。従って、この解決方法は、殆どの適用にとって満足できるものではない。従来技術の多くのアプローチは、照明源からの光を１つ以上の光ガイドに合焦させるリフレクタを使用するものである。米国特許第5,222,793号および第5,259 ,056号（両特許とも、Davenport等のものである）には、光伝達要素を照明する単一リフレクタ組立体を使用する照明システムが開示されている。 Saadatman-esh等の米国特許第5,396,571号には、光ビームからの光を４つの別々のビーム（各ビームは別々の光ファイバ上に合焦される）に分割する多セグメント形レンズが開示されている。Whiteheadの米国特許第4,912,605号には、２つのリフレクタ（各リフレクタは、それに対応する光ガイドに光を導く）の間に取り付けられた電気光源が開示されている。Cassarly等の米国特許第5,469,337 号には、光源と、光を、レンズに合焦させかつ次に複数の光ガイドに合焦させる複数の湾曲リフレクタが開示されている。光を光ガイドに結合するための従来技術によるリフレクタおよび多セグメント形レンズを使用すると、従来技術による結束形光ガイドに比べて幾つかの長所が得られるが、光源と複数の光ガイドとを適正かつ効率的に結合する必要性が依然として残っている。多くの場合、光源と複数の光ガイドとの適正かつ効率的な結合は、使用される特定光源に従って変化する。例えば、無電極で非常に明るく燃焼する現代の無電極ランプは、１つまたは２つの光ガイドのみに結合するには非常にパワフルである。非効率な結合を使用すると、光ガイドとの良好なマッチングが得られる有効光度(effectve luminosity)は低下されるが、この場合には、浪費エネルギの結果として、システムのランニングコストが非合理的に増大する。このような明るい照明源で高い光度を発生させることに付随するエネルギを完全に利用できる効率が依然として望まれている。従来技術の設計に付随する他の問題は、これらの設計に付随する多数の光学部品を必要とすることである。部品数を減少できる光学的設計は、いかなるシステムにおいても有効であると思われる。発明の概要本発明は、無電極ランプ（より詳しくは、1,000ワットのフュージョンランプ）のような光源から発する光を、多数のフレキシブル・マクロスコピック・光ガイド（flexible macroscopic light guides）に効率的に結合する。このようなシステムは、中央光源から種々の遠隔位置に光を伝達するのに使用される。本発明のシステムの幾つかの要素を組み合わせると、光源のエネルギを光ガイドに非常に効率的に伝達できる。本発明の一態様によれば、光ガイド照明システムは、光源と、多セクター形レンズと、光を受けるための少なくとも１つの出力光ガイドとを有している。本発明による光ガイド照明システムは、光を放射する照明源と、該照明源のほぼ周囲に配置される一定形状の合焦レンズとを有している。各合焦レンズは、照明源からの放射光を、照明源からほぼ半径方向外方に合焦させる。合焦レンズの形状は、照明源の周囲に配置される截頭球形構造を形成する。照明源はサルファ球で構成できる。各合焦レンズは、照明源からのほぼ等しい量の放射光を、照明源からほぼ半径方向外方に合焦させることができる。光ガイド照明システムは複数のミキシングロッドを更に有する。各ミキシングロッドは、合焦レンズのうちの対応する合焦レンズからの光を受けることができる。或いは、合焦レンズをトランスファレンズで構成することもできる。光ガイド照明システムには、トランスファレンズからの光を受ける複数のコンデンサーレンズを設けることもできる。本発明の他の態様によれば、球形光ガイド照明システムは、近位部分、遠位部分、および近位部分と遠位部分との間の中間部分を備えた照明源を有している。球形光ガイド照明システムは更に、照明源の近位部分の近くに配置された湾曲リフレクタと、照明源のほぼ遠位部分および中間部分の周囲に配置された半球形配列の合焦レンズとを有している。各合焦レンズは、照明源からの放射光を、照明源からほぼ半径方向外方に合焦させる。湾曲リフレクタおよび半球形配列の合焦レンズは、協働して照明源をほぼ包囲するように配置される。湾曲リフレクタは、近位方向を向いた光を、半球形配列の合焦レンズに再指向させる（光を、半球形配列の合焦レンズに向け直す）。照明源は1,000ワットの電球で構成し、湾曲リフレクタの周囲はほぼ円形にすることができる。球形光ガイド照明システムは更に、照明源の遠位部分および中間部分を包囲するワイヤケージを有している。本発明の更に別の態様によれば、レンズ組立体は、半径方向に湾曲した複数のレンズ群を有する。各レンズ群には複数の合焦レンズが形成されている。複数のレンズ群は、ほぼ照明源の周囲に取り付けられる。複数のレンズ群は、接触しかつ照明源の周囲で互いに隣接して取り付けられ、２つのレンズ群の間に少なくとも１つの空気ギャップを維持している。空気ギャップは、照明源により発生された熱を通すことができる。レンズの組立体は、照明源の周囲に配置される複数の側方レンズ群と、照明源の上方に配置される上方レンズ群とを有している。複数の側方レンズ群は５つの側方レンズ群で構成できる。５つの側方レンズ群の各々が１２個の合焦レンズで構成され、上方レンズ群は８つの合焦レンズで構成できる。５つの側方レンズ群の各々の１２個の合焦レンズの各々が５つの縁部を有する。上方レンズ群の８つの合焦レンズのうちの７つの各々が４つの縁部を有し、上方レンズ群の８つの合焦レンズのうちの８番目の合焦レンズは７つの縁部を有している。本発明および本発明の他の特徴および長所は、添付図面に関連して述べる以下の説明を参照することにより最も良く理解されよう。図面の簡単な説明図１ａおよび図１ｂは、本発明による光学系の概略平面図である。図２は、図１ａに示されたランプおよび四分円（クァッド）リフレクタの右側部分を示す拡大概略図である。図３は、図１ａに示された光学系の一部を形成する多セクターレンズを示す概略側面図である。図４は、図３に示された多セクターレンズを示す端面図である。図５は、本発明による球形多ポート光学照明器を示す概略図である。図６は、本発明による球形多ポート光学照明器を示す側面図である。図７は、本発明の好ましい実施形態による球形多ポート光学照明器を示す概略図である。図８は、本発明の好ましい実施形態による球形多ポート光学照明器を示す平面図である。図９は、本発明の好ましい実施形態による照明源に対する２つのレンズ群の縁部の位置を示す模式図である。図１０は、本発明の好ましい実施形態による３つのレンズ群を示す側面図である。図１１ａ〜図１１ｄは、本発明の好ましい実施形態による種々のトランスファレンズを示す平面図である。図１１ｅは、本発明の好ましい実施形態によるコンデンサーレンズを示す断面図である。図１２は、本発明の好ましい実施形態によるトランスファレンズおよびコンデンサーレンズを示す概略図である。図１３は、図１１ｅのコンデンサーレンズにより光ガイド内に合焦される光の強さを示す３次元プロット図である。図１４は、図１２のコンデンサーレンズにより光ガイド内に合焦される光の強さを示す３次元プロット図である。好ましい実施形態の詳細な説明今、図面をより詳細に参照すると、コンパクトな光源１２を含む光学系１０が示されており、光源はアークランプ又はこれと類似した光源であるのがよい。光学系１２は、四分円（クァッド）の形に湾曲したリフレクタ１４の焦点のところに配置されており、この四分円（クァッド）湾曲リフレクタ１４は、背中合わせに配置された４つのリフレクタ部分１６，１７，１８，１９を含む。リフレクタ部分１９〜１９の各々では、リフレクタの中心又は頂点部分は、図示のように省かれている。４つのリフレクタ部分１６，１９は、図で見ると交差点２０〜２３のところで接合された状態であることが分かる。光が光源１２から放出され、この光源は好ましくは、無電極ランプ、例えば、メリーランド州ボルチモアのフューュジョン・ライティング社により製造されているソーラー１０００（Solar 1000：登録商標）サルファランプである。しかしながら、光源１２は、光を放出する任意の従来手段であってもよい。この１０００Ｗの光源１２は、図１ａの入射光線で示すように四分円リフレクタ１４により４つの互いに異なる方向に反射され、次に、４つの平らなリフレクタ又はフォールドミラーの各々により約９０°の角度（又は任意他の所望角度）で差し向けられる。図１ａは、３つのリフレクタ１６，１８，１９に対応する３つのフォールドミラー２４，２４ａ，２４ｂを示している。３つのフォールドミラー２４，２４ａ，２４ｂだけが図１ａに示されているが、最高４つのフォールドミラーを用いることができ、フォールドミラーはそれぞれリフレクタ部分１６〜１９の各々に対応している。フォールドミラーは、光源１２によって発生する熱を反射する主要目的に適っており、かくして、高温光源１２が用いられる場合に有利である。かくして、図１ａのフォールドミラーの各々は、光源１２からの熱を反射してこれを光源１２から遠ざける目的に役立っている。現時点で好ましい実施形態のソーラー１０００（登録商標）硫黄ランプは高温状態に燃焼しないので、図１ｂに示すような現時点において好ましい実施形態は、フォールドミラーを用いていない。紫外線（ＵＶ）及び／又は赤外線（ＩＲ）遮断膜を出力レンズフェース３２に被着させるのがよく、これらはフォールドミラー２４を使用しない場合に好ましい。レンズフェース３２に被着される膜に代わる手段として、ＵＶ及びＩＲ放射線を反射するホットミラー２４’（図１ｂ）を用いてもよい。これらホットミラー２４’を光源と出力光ガイドとの間の任意のステージに配置するのがよく、しかも垂直又は軸外しの向きに配置するのがよい。光の合焦ビームは各々、円形のミキシングロッド２８，２８ａ，２８ｂ，２８ｃのそれぞれのレンズ端部に当たる。４つの円形ミキシングロッド２８，２８ａ，２８ｂ，２８ｃは各々、透明な材料、例えばガラス又は透明なプラスチックから成り、多数回の反射により光ビームをミキシングロッド内へ一まとめにするようになっている。ミキシングロッドは、本発明の変形例では省いてもよい。図１ａに示すように光学系の右側、即ち右側チャンネル３０では、光ビームが出力レンズフェース３２のところでミキシングロッド２８から出射する。次に、ミキシングロッド２８からの末広がりのビームは合焦され、マルチセクター形レンズ３６（図１、図３及び図４）によって多数の別々の合焦ビームの状態に分割される。レンズセクター３８（図４）は各々、光を対応関係にある出力光ガイド４０のコア上に合焦させる。従来の光学設計では、円形ミキシングロッド２８とマルチセクター形レンズ３６との間に恐らくは合焦レンズが必要になろう。しかしながら、本発明のマルチセクター形レンズ３６は、合焦レンズが不要になるように従来レンズと比べて改良が施されている。例えば、マルチセクター形レンズ３６は、マルチセクター形レンズ３６と円形ミキシングロッド２８との間に設けられる従来型の合焦レンズの場合に必要とされるサイズよりも大きい。変形例として、従来型の合焦レンズをマルチセクター形レンズ３６と併用してもよい。四分円リフレクタ１４によって上側チャンネル３１中へ合焦される図１ａの上側ビームの光学系は、右側チャンネル３０の光学系と本質的に同一である。四分円リフレクタ１４によって左側チャンネル４２中へ合焦される左側ビームの光学系は、右側チャンネル３０に関して説明した光学系と本質的には同じであるのがよく、或いは変形例として、別の特徴を左側チャンネル４２内に組み込んでもよい。例えば、右側チャンネル３０又は上側チャンネル３１は、１０個の出力光ガイドに適合するセクターレンズを有するのがよく、これに対し左側チャンネル４２は、単一の大径光ガイド又は多光ガイド束４４に結合するだけでよい。右側チャンネル３０、上側チャンネル３１及び左側チャンネル４２内に示された特徴の組合せを含む種々の特徴を結び付け、これらチャンネルの任意のものに種々の組合せの形で用いることができる。さらに、これら特徴の組合せを下側チャンネル４３に用いてもよい。下側チャンネル４３は、合焦レンズ４５ｃを備えているが、フォールドミラーが設けられていない状態で示されている。図１ｂの現時点における好ましい実施形態の場合と同様、図１ａの合焦レンズ４５ｃは、第２のリフレクタ部分１７からの光を円形ミキシングロッド２８ｃに向かって合焦させる。合焦レンズ４５ｃを、設計パラメータに応じて右側チャンネル３０、左側チャンネル４２及び上側チャンネル３１のそれぞれのフォールドミラー２４，２４ａ，２４ｂのうち任意のものに代え、或いはこれに加えて用いてもよい。ソーラー１０００（登録商標）無電極ランプを具体化した図１ｂの現時点において好ましい実施形態によれば、フォールドミラーは図１ａの構成態様では用いられておらず、４つのリフレクタ部分１６〜１９からの光が、ミキシングロッド内に直接合焦され、その後レンズ又はセグメント状レンズ内に合焦される。図１ａに示すように、回転式カラーホイール４６が、ミキシングロッド２８の出口のところに設けられており、或いは変形例として、この回転式カラーホイールをセクターレンズ３６の前に設けてもよい。カラーホイール４６が光ガイドの出口のところに設けられた場合、光ガイドの全てに対する光の色は、同一であり、ホイールの回転につれて同時に変化する。カラーホイールがセクターレンズ３６の入口近傍に設けられた場合には、各光ガイドに対する色は、互いに異なっており、ホイールのパターンに応じて互いに異なる速度で変化することができる。これら種々の色制御は、プールの照明、ネオンサイン及び他の用途で有用である。この照明システムの高い効率は、単独で又は組合せて使用される多数のその構成要素の特別な設計から得られている。無電極ランプを使用しない場合、光源１２は好ましくは、小さなアーク寸法を有するよう選択され、したがってこれは比較的小径（好ましくは、３mm〜１０mm）の光ガイド内に結合するようになっている。四分円湾曲リフレクタ１４は、４つの軸対称の湾曲半部又は部分１６〜１９から成り、光源１２はこれらの合致平面の中心に配置されている。この構成は、楕円形（又は、ほぼ楕円形）のリフレクタ形状の低倍率部分の非常に効率のよい集光特性を利用している。４つのリフレクタ部分１６〜１９の各々の中心に設けられた大きな穴４８の結果として、リング状横断面の合焦光ビームが得られることになる。各リフレクタ部分の穴に入った光は失われないで、反対側のリフレクタ部分に入り、そして第２の合焦ビームの状態に合焦される。このリフレクタ構成は、セクターレンズ３８（図４）の各々の所要半径方向アパーチュアを小さくするのに非常に役立つ横断面がリング状のビームを効率的に発生させる。図２は、リング状のビーム５０の発生の仕方を示す四分円リフレクタ１４の右側部分の断面図を示している。暗くなった中央部分５２が網目で表示されているリング状ビーム５０は、ミキシングロッド２８内に保持される。図３に最も良く示されているように、リング状ビームはセンターレンズ３６にも当たっており、ビーム５０の外側境界５４及びその内側境界５６はレンズのアパーチュアを半径方向に定めていることが分かる。かくして、リング状ビームは所要レンズアパーチュアを非常に効果的に制限するので、比較的短い焦点距離のレンズが使えるようになる。短い焦点距離のレンズを使えることにより、一層小径の光ガイド内へのより一層効率的な結合が可能となり、かくして光学系の効率が予期しないほど増大する。光ガイドの最小直径は、出力ビームの発散度を光ガイドの開口数にマッチさせる必要性によって制御される。本発明の別の特徴は、光源１２の向きにある。図２に特に示すように、光源１２は、デュアルリフレクタ１４の焦点のところに位置した状態で示されている。光源１２のアーク放電の長い方の寸法部分は、リフレクタの対称軸線に実質的に平行であって且つこれと一致するよう差し向けられており、このリフレクタ対称軸線は、光源１２を貫通すると共に、図２が印刷されている紙面に対して垂直である。大抵の用途では通常、出力左ガイド直径が小さいものであることが望ましい。また、小径の光ガイドの設計は一般に、大きなファイバの開口数が小さなファイバの開口数と同じか、或いはこれよりも大きければ、大径の光ガイドへの効率的な結合をもたらすことになる。現時点において好ましい実施形態では、出力光ガイドコア直径は公称１／２インチ（約１．２７ｃｍ）である。この大きな直径が必要である理由は、光源の高出力が小さな光ガイドを焼損させる場合があるからである。さらに、合焦レンズを不要にした本発明のセクターレンズは、標準的な光方程式を用いて特定できる非球面形状をしている。６つの互いに同一のレンズセクター３８が図４に示されているが、セクターレンズ３６は、２つという少ない数、或いは最高約１２個又はそれ以上のセクターから成っていてもよい。また、セクターは、面積は等しいものである必要はない。というのは、用途によっては、異なる量の光を異なる場所に送ることが望ましい場合があるからである。入射ビームを分割する手段としてのセクターレンズは、セクターレンズアレイが光ガイドを互いに分離し（図３及び図４）、それにより個々の光ガイドの着脱を容易にすることができるという点において現在用いられている束状光ガイドよりも顕著な利点を有している。上述のように、フォールドリフレクタ２４，２４ａ，２４ｂは、フォールドミラーと放熱ミラーの両方の受け持つことができる。フォールドミラーとしては、これらフォールドリフレクタは、高温の光源１２と併用して、或いはこれ無しで用いることができ、図１ａに最も良く示されているように出力光学系全体を機械的軸線６４，６４ａを中心として回転させることができる。この特徴は、ユニットからの光ガイドの出現方向の設定における融通性を大きくする上で非常に有用である。例えばランプの各側でフォールドミラー２４，２４ａを互いに独立して回転させることにより、出力光ガイドの位置設定の融通性が一段と大きくなる。上述したように、円形ミキシングロッド２８（ミキシングロッド２８ａ，２８ｂ，２８ｃも同様）は、ロッド軸線６６の回りの光の角度的分布状態を統合するのに用いられる。これは有利であるが、その理由は、これにより各光ガイドの光出力を同一にできる（このようにすることが通常は望ましい）ということにある。というのは、ランプからの角度的光分布状態は一般に不均一だからである。さらに、使用できる金属−ハロゲン化物タイプのアークランプは一般に、角度的分布状態において幾分かの色差を有し、これら色差も又、光ガイド相互間の出力における望ましくない色差を回避するために統合する必要がある。光をロッド内に開じ込めて光が全反射されるようにするために例えば視野レンズ３２をミキシングロッドの端部の各々に用いることが好ましい。機械的に言えば、ミキシングロッド２８の視野レンズ部分３２は、ロッド自体よりも直径が大きい。その理由は、ミキシングロッド２８を取り付ける手段として損失のないものが得られるようにするためである。もしミキシングロッドにクラッドを施さなければ、何かがミキシングロッドの表面に当たると、これが内面反射された光のうち幾分かを抜き取ることになる。ミキシングロッドにクラッドを施さないことは、その開口数を減少させると共にそのコストを増大させるので不利な対策である。本発明の一実施形態によれば、各ミキシングロッドを屈折率の小さな材料で被覆するのがよい。個々のレンズセクター３８（図４）は、ミキシングロッドの出力端部を光ガイドポート上に大雑把に結像させるリレーレンズ系を有している。レンズセクターは、収差を減らすと共に効率を向上させるために非球面形状をしているのがよく、そして、好ましくはこれには出力ビームがレンズセクターの平らな後方表面上に合焦されるような厚さが与えられている。これにより、通常タイプの光ガイドの軟質コアはレンズ表面を「ぬらす」ことができ、それによりこのインターフェースにおける反射損失が減少する。本発明の別の実施形態では、空隙を光ガイド４０とレンズセクター３８の表面との間に維持するのがよい。図１ａに示す四分円湾曲リフレクタ１４を拡縮すると、湾曲リフレクタを増減できる。たとえば、４つの湾曲リフレクタに代えて３つの湾曲リフレクタ又は８つの湾曲リフレクタを用いてもよい。湾曲リフレクタの数（ポート数）は、特定のシステム要件で決まることになる。ポートに対応している各湾曲リフレクタは、それ以外のポートとは無関係であり、したがって１又は数個の光ガイド、ミキシングロッド又は光ガイドに結合可能である。湾曲リフレクタ又はポートの最大数は、大抵の場合、合焦光学系、例えば合焦レンズの寸法上の制約によって定まる場合が多い。光源１２からの光を集めてこの光を光ガイド内へ発射するのに用いられるリフレクタ、例えば四分円の形に湾曲したリフレクタ１４は非効率的である。というのは、かかる構成は明らかに、エタンデュ変形（etendue variant）によって説明される原理に反しているからである。エタンデュ又はラグランジュの不変量は、光学系全体に関して不変量である光ビームの量である。エタンデュは、前後関係で見分けなければならない幾つかの互いに異なる方法で定義できる。最も簡単な定義は、半径ａの円形アパーチュアのところで２θの角度を張る遠くの物体からの光線に基づいている。近軸近似法によれば、エタンデュはθａで表される。もし円形アパーチュアが光学系への入力であり、しかも光学系にはビームの障害物がなく、従って吸収及び散乱を無視すれば、エタンデュ量は、光学系全体では不変である。この量θａの平方値は、θ²ａ²である。この平方値も又、光学系全体では不変であり、三次元エタンデュと呼ばれることが多い。エタンデュのこの三次元形態は、光学系中のパワーフローに比例するので役に立つ。非画像化用途（光ファイバ及び光ガイド照明装置）では、近軸近似法は有効ではなく、エタンデュのより一般的な定義を用いる必要がある。このより一般的な定義は、屈折率ｎの入口媒体中の点Ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）から屈折率ｎ’の出力媒体中の点Ｐ’（ｘ’，ｙ’，ｚ’）に伝搬する光線の微小変位で表される。点Ｐにおける方向余弦は（Ｌ，Ｍ，Ｎ）として示され、点Ｐ’における方向余弦は（Ｌ ’，Ｍ’，Ｎ’）として示される。点Ｐのところにおける光線の微小変位は、ｄｘ及びｄｙで表され、点Ｐ’のところにおける対応した変化はｄｘ’及びｄｙ’ で、同様に、方向余弦の微小変化は、ｄＬ、ｄＭ、ｄＬ’、ｄＭ’で表される。これらの定義を用いると、エタンデュ不変量関係式は次式で与えられる。ｎ’² ｄｘ’ ｄｙ’ ｄＬ’ ｄＭ’＝ｎ² ｄｘｄｙｄＬｄＭ上式において、Ｌ及びＭはそれぞれ、ｘ軸及びｙ軸に関する方向余弦に相当している。この結果を上述のエタンデュの第１の定義に適用すると、エタンデュはａ²ｓｉｎ²θ＝ａ²ＮＡ²（ここで、ＮＡは、開口数）に比例することが分かる。この結果では、不変係数が脱落するので屈折率は両点で同一であると見なされる。一般的な定義により、積分の値が求まれば任意の場合に計算が可能になる。ノンコヒーレント源からの光を集めてこれを光ガイド中へ発射するようにリフレクタを用いることは、非効率的である。というのは、この使用法は明らかにエタンデュ不変量で説明される基本原理に反しているからである。リフレクタは一般に光源に密接して配置され、光源は一般に焦点のところに位置し、リフレクタは大きな立体角を張り、その結果、エタンデュ不変量の値は大きくなる。これとは対照的に、光ガイドは比較的小さな開口（コア直径）を有するのが開口数が小さく、その結果エタンデュ不変量の値は比較的小さい。球形アレイ又は球形シェルの状態になっているレンズが、ノンコヒーレント源からの光を集める上では理想的である。というのは、光の実質的に全て（吸収、散乱等を無視する）を集めてこれをアレイ状の光ガイドに差し向けることができるからである。さらに、レンズの球形アレイ又は球形シェルを用いることは、エタンデュの原理に適っている。特定用途における制約としては、照明源のサイズ及び形状並びに光ガイドのサイズ及び開口数が挙げられる。変数としては、光ガイドの数を決定するレンズの数及びレンズの度が挙げられる。かかる設計は、第１に、光ガイドのコアのサイズにより定まる画像のサイズによって制約される。このペリメータにより倍率が定まる。倍率が一定であるとすれば、レンズの最大サイズは、光ガイドの開口数による制約を受ける。これにより、使用できるレンズ（及び光ガイド）の最小数が決定される。レンズを小さくすれば、使用数を多くすることが常に可能である。その理由は、この場合、光の角度の広がりは光ガイドの開口数よりも小さいからである。図５および図６は、球形のレンズが光源１２を実質的に囲む全体的な構造を図示している。光源１２はワイヤケージ８１で囲まれており、このワイヤケージ８１はマイクロウェーブキャビティを構成する。マイクロウェーブ源８３の中に配置されたモータ（図示せず）が光源１２を垂直軸線のまわりに回転させ、それによって、均等プラズマ（ユニフォーム・プラズマ）を容易にする。モータ、ワイヤケージ８１、マイクロウェーブ源８３、ワイヤケージ８１とマイクロウェーブ源８３との間に配置された平面リフレクタは、ソーラー１００（Solar 100：登録商標）サルファランプと関連して前述したように、メリーランド州、ボルチモアのフュージョン・ライティング社（Fusion Lighting）から入手することができる。本発明によれば、湾曲した半球形の再帰リフレクタ（レトロ・リフレクタ）８５が平面リフレクタの代わりに使用される。この再帰リフレクタ８５はフュージョン・ライティングによって提供される。湾曲した再帰リフレクタ８５は光源１２からの光を概ね後方にランプを通して合焦レンズ７６に向け直す。ミキシングロッド９０が各合焦レンズ７６に接続される。選択に応じて、システムのポートの全数を増大させるためにミキシングロッド９０の数を増大させてもよいし、システムのポートの数を減少させるためにミキシングロッド９０の数を減少させてもよい。また、ミキシングロッドを全く除去してもよいし、或いは、ミキシングロッドを他の光ガイドで全部または一部、置き換えてもよい。もちろん、ミキシングロッドの最大の数は球形組立体の合焦レンズ７６の数によって制限される。本発明の実施の形態の全てについて、セクターレンズ３６、アウトプット・光ガイド４０（図１ａ）、並びに、他の光学素子、それらの組み合わせをミキシングロッド９０とともに使用してもよいし、それらをミキシングロッド９０の代わりに使用してもよい。なお、フォールドミラー２４、２４ａ、２４ｂに対応するリフレクタを、これらの実施の形態に実施してもよい。湾曲リフレクタ８５の曲率はランプをそれ自身に合焦させるようにほぼ球形であるが、変形例として、光源１２からの反射を最大化するようにコンピュータで生成させて、経験的にテストしてもよい。図７を参照すると、球形多ポート照明器１０１の現在の好ましい実施の形態を概略的に図示する。球形多ポート光学照明器１０１は、光源１０３のまわりに配置された複数のトランスファレンズを備える。光源１０３は図５および図６の光源１２と同様であり、トランスファレンズは図５および図６の合焦レンズ７６と同様である。ワイヤケージ１０５が光源１０３を囲む。前に具体化したように、４列のトランスファレンズが光源１０３を取り囲み、トランスファレンズの上方層が光源１０３の上に配置される。第１トランスファレンズ１０７が第１列を形成し、第２トランスファレンズ１０９が第２列を形成し、第３トランスファレンズ１１１が第３列を形成し、第４トランスファレンズ１１３が第４列を形成する。上方トランスファレンズ１１５がレンズの上方層を形成し、コンデンサーレンズ１１７がトランスファレンズから光を受け入れるように位置決めされる。コンデンサーレンズ１１７を各トランスファレンズに接続することができる。選択に応じて、システムのポートの全数を増大させるためにコンデンサーレンズ１１７の数を増大させてもよいし、システムのポートの数を減少させるためにコンデンサーレンズ１１７の数を減少させてもよい。コンデンサーレンズ１１７の最大の数はトランスファレンズの数によって制限される。好ましくは、第１トランスファレンズ１０７、第２トランスファレンズ１０９、第３トランスファレンズ１１１、第４トランスファレンズ１１３は、レンズ群に一緒に成形される。好ましくは、側方レンズ群１２１は、３つの第１トランスフアレンズ１０７と、３つの第２トランスファレンズ１０９と、３つの第３トランスファレンズ１１１と、３つの第４トランスファレンズ１１３とを含む。好ましくは、上方レンズ群１２３は８つの上方トランスファレンズ１１５を含む。好ましくは、各側方レンズ群１２１および上方レンズ群１２３は、ガラスＢＫ−７で成形される。前に具体化したように、５つの側方レンズ群１２１の全ては、形状が実質的に同一であり、各側方レンズ群１２１を他の２つの側方レンズ群１２１の間に固定することができる。図８でわかるように、好ましくは、上方レンズ群１２３は各側方レンズ群１２１の第１トランスファレンズ１０７とわずかに重なる。図７の矢印Ａ１は空気流れ通路を図示し、この空気流れ通路により、光源１０３により生じた熱の逃げを容易にする。変形形態においては、上方レンズ群１２３を第１トランスファレンズ１０７の上に密閉してもよく、空気が閉鎖構造の中を循環することができる。好ましくは、光源１０３は、全てのトランスファレンズ１０７、１０９、１１１、１１３とコンデンサーレンズ１１７の焦点に配置される。図９に示すように、第１トランスファレンズ１０７の焦点１３０と、第２トランスファレンズ１０９の焦点１３３は、両方とも、第１トランスファレンズ１０７および第２トランスファレンズ１０９が正しく固定されたときに光源１０３に対して均等に位置決めされる。同様に、第３トランスファレンズ１１１の焦点１３５と、第４トランスファレンズ１１３の焦点１３７は、第３トランスファレンズ１１１および第４トランスファレンズ１１３が正しく固定されたときに光源１０３のまわりに均等に位置決めされる。図１０は、側方レンズ群１２１の断面図と、他の側方レンズ群１２１の側面図を図示する。図１０はまた、上方レンズ群１２３の断面図を図示する。図１１ａは、第１トランスファレンズ１０７の側面図を図示し、図１１ｂは、第２トランスファレンズ１０９の側面図を図示する。図１１ｃは、第３トランスファレンズ１１１の側面図を図示し、図１１ｄは、第４トランスファレンズ１１３の側面図を図示する。好ましくは、トランスファレンズ１０７、１０９、１１１、１１３、１１５の外面は、トランスファレンズ１０７、１０９、１１１、１１３、１１５が光源１０３のまわりに位置決めされたときに光源１０３から一定の半径であるように研削され、或いは、研磨される。しかしながら、好ましくは、トランスファレンズ１０７、１０９、１１１、１１３、１１５の内面は、非球面に形成される。図１１ｅは、コンデンサーレンズ１１７の断面図を図示する。トランスファレンズ１０７、１０９、１１１、１１３、１１５の各々は、それに対応するコンデンサーレンズ１１７の上に光源１０３から光を伝達するようになっている。次には、コンデンサーレンズ１１７は、それに対応する光ガイドの上に光を合焦させる。無電極を使用するとき、好ましくは、光ガイドは、適当なルーメンの出力に適するように定められたファイバで構成される。高いルーメンの出力の場合について、しばしば、ファイバ非プラスチック材料で構成される。図１２に示すように、例えば、第２トランスファレンズ１０９の上に衝突する光は、コンデンサーレンズ１１７の上に合焦される。コンデンサーレンズ１１７を通過する光は集光され、光ガイドの上に結像される。図１３および図１４は、光ガイドの入力端の表面領域上の光の強さの３次元プロットを図示する。図１３の領域に対する光の強さのプロットは、コンデンサーレンズ１１７を使用する図７〜図９の実施の形態に対応する。表面領域上の光のむらのない分布は、コンデンサーレンズ１１７’を使用する図１２の実施の形態に対応する。一般に、光ガイドの入力端の表面領域上の光の比較的むらのない分布の特徴は、コンデンサーレンズ１１７’の形状にあるとすることができる。好ましくは、トランスファレンズ１０７、１０９、１１１、１１３、１１５の各々は、それに対応するコンデンサーレンズ１１７’の上に光源１０３から、ほぼ等しい量の光を伝達するように形成される。コンデンサーレンズ１１７’は、図１１ｅのコンデンサーレンズ１１７’と比較したとき、形状が異なる。特に、現在の好ましいコンデンサーレンズ１１７’の各々は、光ガイドの入力端の表面領域上の光の比較的むらのない分布を容易にする複式湾曲（ダブル・カーブド）面をもっている。トランスファレンズ１０７、１０９、１１１、１１３、１１５は、上方レンズ群１２３の最上方のトランスファレンズを除いて、各々５つの縁部を有する五角形の形状で構成されるのが好ましいけれども、本発明のトランスファレンズは、実際上、いかなる形状で構成してもよい。これらのトランスファレンズの形状は、台形（不等辺四角形）（四角形、正方形を含む）であってもよいし、三角形であってもよいし、五角形であってもよいし、六角形であってもよいし、種々の形状の組み合わせであってもよいし、或いは、球の表面に一緒にちょうど合うような、自由裁量による不確定な形状であってもよい。一般的に、これらの形状は等しい長さの縁部をもたないから、これらの形状のいずれもが正多角形でないが、本発明は、正多角形に形成されたレンズを使用する実施の形態もカバーするつもりである。本発明によれば、すべてのレンズが同じ寸法であってもよいし、いくつかのレンズが同じ寸法であってもよいし、あるいは、いずれのレンズも同じ寸法でなくてもよい。本発明の五角形の形状のレンズは、形状が全く円形であり、したがって、最少の角度発散で、光の合焦を容易にする。しかしながら、本発明によれば、円形レンズと同様に、他の非円形レンズを使用してもよい。本発明は、全く正しく丸めた球形を包含するけれども、部分的、または、完全に光源を取り囲むレンズのいかなる組立体を実施してもよい。本発明の例示的な実施の形態を示し且つ説明したけれども、上記のパラグラフに記載した実施の形態に加えて、当業者は、本発明の精神および観点から逸脱することなしに、他の多くの変更、変形、置換を行うであろう。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者マーティスロナルドエフアメリカ合衆国カリフォルニア州 92065 ラモーナランチョーデカロルロード 17632 (72)発明者フォークナージョンエフアメリカ合衆国カリフォルニア州 92677 ラグナビーチフローレンスアベニュー 31661

Claims

【特許請求の範囲】１．光を放射する照明源と、該照明源の周囲に配置される一定形状の合焦レンズとを有し、合焦レンズの各々は、照明源からの放射光を、照明源からほぼ半径方向外方に合焦させることを特徴とする光ガイド照明システム。２．前記合焦レンズの形状は、照明源の周囲に配置された合焦レンズの球形構造で構成されていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の光ガイド照明システム。３．前記照明源はサルファ球で構成されていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の光ガイド照明システム。４．各合焦レンズは、照明源からのほぼ等しい量の放射光を、照明源からほぼ半径方向外方に合焦させることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の光ガイド照明システム。５．複数の合焦レンズは、５つの縁部を備えた五角形で構成されていることを特徴とする請求の範囲第４項に記載の光ガイド照明システム。６．複数のミキシングロッドを更に有し、各合焦レンズは、光を、複数のミキシングロッドのうちの対応するミキシングロッドに合焦させることを特徴とする請求の範囲第４項に記載の光ガイド照明システム。７．各合焦レンズはトランスファレンズを有していることを特徴とする請求の範囲第４項に記載の光ガイド照明システム。８．複数のコンデンサーレンズを更に有し、複数のトランスファレンズの各々が、対応するコンデンサーレンズに光を合焦させることを特徴とする請求の範囲第７項に記載の光ガイド照明システム。９．近位部分、遠位部分、および近位部分と遠位部分との間の中間部分を有する照明源と、照明源の近位部分の近くに配置された湾曲リフレクタと、照明源のほぼ遠位部分および中間部分の周囲に配置された半球形配列の合焦レンズとを備え、各合焦レンズは、照明源からの放射光を、照明源からほぼ半径方向外方に合焦させ、湾曲リフレクタおよび半球形配列の合焦レンズは、協働して照明源をほぼ包囲しており、湾曲リフレクタは、近位方向を向いた光を、半球形配列の合焦レンズに向け直すことを特徴とする球形光ガイド照明システム。 10．前記照明源はサルファ球で構成されていることを特徴とする請求の範囲第９項に記載の球形光ガイド照明システム。 11．前記照明源は1,000ワットのサルファ球で構成されていることを特徴とする請求の範囲第９項に記載の球形光ガイド照明システム。 12．前記湾曲リフレクタはほぼ円形の周囲を有することを特徴とする請求の範囲第１１項に記載の球形光ガイド照明システム。 13．半径方向に湾曲した複数のレンズ群を有し、各レンズ群には複数の合焦レンズが形成されており、複数のレンズ群は、ほぼ照明源の周囲に取り付けられることを特徴とするレンズ組立体。 14．複数のレンズ群は接触しかつ照明源の周囲で互いに隣接して取り付けられ、これにより、照明源をほぼ包囲していることを特徴とする請求の範囲第１３項に記載のレンズ組立体。 15．複数のレンズ群は接触しかつ照明源の周囲で互いに隣接して取り付けられ、２つのレンズ群の間に少なくとも１つの空気ギャップを維持していることを特徴とする請求の範囲第１４項に記載のレンズ組立体。 16．少なくとも１つの空気ギャップは、レンズ組立体が照明源をほぼ包囲するように組み立てられたときに、照明源からの熱を通すことができることを特徴とする請求の範囲第１５項に記載のレンズ組立体。 17．レンズ組立体は、複数の側方レンズ群および上方レンズ群を有していることを特徴とする請求の範囲第１４項に記載のレンズ組立体。 18．複数の側方レンズ群は５つの側方レンズ群で構成されていることを特徴とする請求の範囲第１７項に記載のレンズ組立体。 19．５つの側方レンズ群の各々が１２個の合焦レンズを含み、上方レンズ群が８つの合焦レンズを含むことを特徴とする請求の範囲第１８項に記載のレンズ組立体。 20．５つの側方レンズ群の各々の１２個の合焦レンズの各々が５つの縁部を有し、上方レンズ群の８つの合焦レンズのうちの７つの各々が４つの縁部を有し、上方レンズ群の８つの合焦レンズのうちの８番目の合焦レンズが７つの縁部を有することを特徴とする請求の範囲第１８項に記載のレンズ組立体。