JP2003515779A - 放射状のエネルギーを集中するまたは平行にするための装置 - Google Patents

放射状のエネルギーを集中するまたは平行にするための装置

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Abstract

(57)【要約】 本発明は、条件によってレシーバへの、または、エミッタ１４からの放射を集中する、または、平行にするための非結像用装置にある。上記装置は、上記レシーバを囲むと共に非球面表面２１を備えるレンズ５０と、レンズ１５とからなり、このレンズ１５は、上側屈折面１６は非球面である一方、下側表面は、中央部分（点１８と１９の間）が非球面１７であり、外側部分に不連続斜面２０を有する構造を備え、この構造では、原理として、面２２が光を屈折させる一方、面２３がその光を完全内部反射させる。この設計方法によって、装置の集中／平行化の特性を、既存の発明よりも顕著に優れたものにできる。このレンズの適用可能なものには、放射物センサ、ＬＥＤを用いた照射システム、ワイヤレス光学通信および光起電性太陽エネルギーなどがある。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （技術分野） 本発明は、光学系の範疇に含まれ、特に、非結像用光学レンズの範疇に含まれ
る。
【０００２】 （背景技術） 本発明に関する先行技術としては、全て互いに関係があり、種々の特許が取得
されている発明（米国特許第７３３７７５９号、米国特許第５４０４８６９号、
米国特許第５５７７４９３号）がある。一般的に、本発明の可能な構成のうちの
幾つかは、それらの従来技術と実質的に同種である一方、本発明を新規とし、他
の発明とのいかなる抵触も妨げる幾つかの根本的な相違点がある。この相違点は
、それらの設計において課された条件が異なり、その結果、光学的な性能が異な
ることによって、本発明の光表面に実質的な差違をもたらす。特に、ここで開示
される発明は、集中／コリメーションの熱力学的限界に非常に接近（９５％より
も大きい）して働き得る。一方、従来の発明では、非結像光学（Nonimaging Opt
ics）の道具（tool）に基いていないので、いずれの光学的表面を通過する際に
おいても、光束の広がり角度は大きい（１０°よりも大きい）にもかかわらず、
上記限界よりもずいぶん小さい（８０％よりも小さい）。
【０００３】 関連する特許は、ポポビッチなどによる米国特許第４３３７７５９号，７／１
９８２と、ダブリュ・エイ・パーキンジュニアなどによる米国特許第５４０４８
６９号，４／１９９５と、最後に、ダブリュ・エイ・パーキンジュニアなどによ
る米国特許第５５７７４９３号，１１／１９９６がある。
【０００４】 上記に挙げられた発明の全ての設計は、非結像光学の縁光線（edge-ray）原理
に基いておらず、したがって、これらの機能は、経験的に用いられ、多数の放射
側と受け取り側とで形成されて、広がる束に限られる。米国特許第４３３７７５
９号，７／１９８２と、米国特許第５４０４８６９号，４／１９９５とは、設計
において束のうちの中央の光線のみを考慮している。米国特許第５５７７４９３
号，１１／１９９６は、中央の光線（ルーネブルク、１９６４）の周りのいわゆ
る第１次光学を考慮し、これは、先述の装置よりも優れた近似の次数を提供する
が、たとえそうでも、一定の放射度を形成するための性能は、その発明者によっ
て、非常に小さい角度で広がる束に対してのみ正確であるとされている。
【０００５】 さらに、米国特許第５５７７４９３号，１１／１９９６で保護されている発明
は、線対称であり、出力束は、出口の開口において３次元において一様の放射度
を形成すると考えている。この束は、本発明で考慮されるうち、単に特殊なケー
スであるに過ぎない。
【０００６】 （発明の開示） 本発明は、２つの非球面レンズからなる非結像の集中またはコリメート装置に
あり、そのうちの１つは不連続の斜面（例えばファセット）を有する構造を含み
、状況に応じて、レシーバ（receiver）に入射する放射物を集め、あるいは、エ
ミッタからの放射物を平行にする。この集中装置の設計方法は、同時並列面、す
なわちＳＭＳ（ミニャーノ、ゴンサレス、１９９２）の非結像設計法に基いてい
る。
【０００７】 本発明の設計（design）のため、２つの広がる（例えば点（punctual）ではな
い）光線束が、２次元幾何（２Ｄ）的に結合されている。実際の３次元（３Ｄ）
装置が、回転対称（線対称）や、平行移動対称（円筒）で得られ、その演算は後
時的（posteriori）に解析される。光線束の一般的な例（図１）は、線分（１）
に衝突し、その線分の直角方向に対して所定の角度（２）（光束の受光角度とい
う）よりも小さい角度をなす光線によって形成される（タイプ１）と、２つの所
定の線分（３）を遮る光線によって形成される（タイプ２）とがある。光束の両
方のタイプは、上記線分が任意の曲線で置き換えられれば、さらに一般的な方法
（タイプ３）で定義できる。図１は、タイプ１とタイプ２の２つの光束に加えて
、矩形（４）と半円周（５）を遮る光で形成されたタイプ３の光線束（この光線
束はＬＥＤやＩＲＥＤをモデリングするのに便利である）を示している。他の光
線束（タイプ４）は、タイプ１や２よりも（それらを特定の場合として含む）さ
らに一般的な特性によって表され、それは、線分において、その線分の各々の端
に向かって２つの所定の角度の間の範囲の角度をなして衝突する光線によって形
成される。
【０００８】 本発明の設計は、エミッタとレシーバに関連する２つの光束を結合するには、
２つの縁光線の下位セット（subset）を結合することが必要かつ十分であるとい
う、いわゆる、非結像光学（ウェルフォード、ウィンストン、１９８９）の縁光
線定理に基いている。上記定理の使用は、光束で広い角度に広がり、熱力学的限
界に非常に接近した状態で作動する装置を得る手掛りとなる。例えば、図１の光
束の縁光線は、タイプ１の光線束では、光束の受光角と等しい範囲の角度をなし
て線分に衝突し、その線分の端６，７を通過するものであり、タイプ２の光線束
では、２つの所定の線分の端８，９，１０，１１のいずれかを通過するものであ
り、タイプ３の光線束では、上記矩形に接するものであり、半円周の端１２，１
３を通過するものである。
【０００９】 発明された装置の可能な構成は、図２に示すようなものであり、これは、また
、レシーバ１４への放射物の集中器としての基本的な動作原理を示している。レ
ンズ１５Ｌ１は、概略非球面であってＳ１として参照される上側屈折面１６と、
中央部分（点１８と１９の間であり、夫々ＰおよびＰ’という）にあって他の屈
折非球面の表面１７からなる下側屈折面Ｓ２との２つの変化を生じさせる面と、
外側部分に、不連続の斜面２０を備える構造とを有する。レンズ５０Ｌ２はレシ
ーバを囲み、Ｓ３と呼ばれる屈折力を有する非球面表面２１を備える。中央部１
７に衝突して集められた光線は、レシーバに到達するまでに、３つの連続する屈
折を経る。一方、さらに外側の部分２０に衝突した集光線は、レシーバに到達す
るまでに、次のような入射を経る。つまり、表面Ｓ１での第１の屈折、Ｓ２の歯
の面２２（面Ｖという）での（可能であれば）完全な内部反射、歯の面２３（面
Ｔという）での完全な内部反射、面Ｖでの第２の屈折、そして最後に、Ｓ３での
第３の屈折である。上記完全な内部反射は、表面に垂直な面に対する光線の入射
角が、界面のいわゆる臨界角よりも大きい場合に生じる。この界面の臨界角は、
ｎがレンズＬ１の屈折率であるとして、ｓｉｎ−１（１／ｎ）によって求められ
る。
【００１０】 特別な場合、Ｓ１の輪郭は円形または平坦である。後者の場合、光起電の集中
のような所定の適用において、特別な利益が得られる。例えば平坦なガラスのよ
うに、誘電性の板に固定された一組の装置を群れにすることができ、上記平坦な
ガラスは、装置の間に平行を提供する参照や、要素に対する保護や、紫外線放射
のためのフィルタとして働くからである。
【００１１】 上記設計では、表面Ｓ２とＳ３は、表面Ｓ１の輪郭と、入力および出力束との
明細から計算される。入力束の定義はＳ１での屈折よりも前になされる。なぜな
ら、その定義が、その表面の定義に対して独立するためである。例えば、その入
力束は、受光αで、線分の端が表面Ｓ１の先端の部分に一致するタイプ１の光線
束になり得る。他の可能性では、実際問題として興味を起こさせるのは、Ｓ１で
の屈折の後に入力束を定義することであり、例えば、光線束に横切られた線分が
、表面Ｓ２の２つの先端によって定義された線分であるとすることができる。こ
れは、束と表面との特性は互いに依存することを意味しており、束を、Ｓ１での
屈折の前に入射α以内で衝突する光線からなり、線分の端が表面Ｓ２の２つの先
端に一致すると定義する場合、一般的に、表面Ｓ１における光線追跡を実行する
必要が生じるであろう。上記表面Ｓ１が平坦である場合は、この光線追跡は不要
である。なぜなら、この光屈折による屈折作用は些細であり、そのため、屈折の
後の光束の特性は、スネルの法則を適用して直接求められるからである。その光
束は、ｎがレンズＬ１の屈折率であるとして、α’＝ｓｉｎ−１（１／ｎ・ｓｉ
ｎα）に等しい入射角のタイプ１の光束になる。
【００１２】 図３に示すように、説明を簡単にするため、実例を用いて、Ｓ１は平面であり
、入力および出力束はいずれもタイプ１であり、２つの束は軸に関して対称であ
ると仮定する。他のタイプの束において、その手順は類似する。入力束（Ｓ１で
屈折した後で明記される）は、入射角２４によって値α’で、そして、表面Ｓ２ の端２５，２６によって定義される。上記端２５，２６はＩ，Ｉ’と呼び、これ
によって、入射開口と呼ぶ線分を定義する。出力束は、各々ＲおよびＲ’と呼ば
れる端２７，５１の線分であるレシーバと、値βの受光角２８に限定される照明
の角度とで定義される（フォトダイオードや太陽電池などにおいて通常であるよ
うに、標準的な考慮である）。表面Ｓ３の端Ｏ，Ｏ’は、対称の点２９，３０で
ある。この図は、レシーバの中心に原点が配置されて説明のために用いられるデ
カルト座標３１系が示されている。
【００１３】 入力設計パラメータ（表面Ｓ１の側面を除いて）は、角度αとβ、距離ＲＲ’
、用いられる誘電性材料の屈折率（レンズＬ１ではｎであり、レンズＬ２ではｎ
’である）、点Ｉの縦座標、点Ｏの横座標および点Ｐの横座標である。しかしな
がら、点Ｉの横座標と点Ｐの縦座標の計算結果は、設計の結果として、後に得ら
れる。
【００１４】 設計手順は、３つの段階からなる。第１の段階では、表面Ｓ２の歯の設計条件
（集中と放射とで異なる）が、微小の寸法であると仮定して、選択される。その
条件で、歯の中央の法線ベクトルに関して範囲が異なる角度を求めるために、歯
の各々の設計を構成する式の計算がされる。第１の段階で計算された式が考慮に
入れられ、出力と入力の束を連結する表面Ｓ２とＳ３が、ＳＭＳ法を用いて同時
に設計される。最後に、第３の段階で、先の段階で計算された微小の歯に基いて
、表面Ｓ２の歯が（実際に製造されるように）限定された寸法で生成される。
【００１５】 上記第３段階の設計時と製造時との両方において、上記表面Ｓ２の限定された
寸法の歯についての複雑さのレベルに応じて、実行可能で互いに異なる設計方法
がある。例えば、Ｔの面の側面が直線である基本的方法と、これらの側面が円弧
である標準的方法と、それらが非球面である先進的方法とに定義できる。この３
つの方法は、歯の寸法が非常に小さい場合に互いに収束するが（機能の品質が、
算定された微小の歯と一致する場合には）、歯の寸法が大きくなると、それらの
性能の品質は異なり、低下する。品質が向上する順番に並べると、基本的方法、
標準的方法、そして、先進的方法である。標準的および先進的方法は、基本的方
法から実行されるので、他の方法の説明を続ける前に、この基本的方法について
述べる。
【００１６】 図４（ａ）に示すように、第１の象限で設計されて集中器として働く歯の説明
を、第１の段階として考慮する。歯の寸法が微小である（図では拡大されている
）と仮定すると、図の縮尺において、隣り合う歯は等しくなり、縁光線に付随す
る波面は平坦になる。ｔと呼ぶベクトル３２は、表面Ｓ２の巨視的な接線ベクト
ルである。端３４，３５による線分３３を通り、各々ｅ（＋）とｅ（−）と呼ぶ
光３６と３７の間の傾斜をなして入射した光は、各々ｉ（＋）とｉ（−）と呼ぶ
光線４１と４２の間の傾斜をなして、端３９と４０による線分３８を通って最適
に伝達する。そのために、以下の設計の特性が課される。（１）不要な入射が起
こらず、また、（２）歯を去る際の放射ができるだけ一様である。両方の特性が
、以下の２つの状況を要求する際に得られる。一方では、面Ｖは、衝突する光束
の２等分線に平行であり、光束のいわゆる流れ線に一致する（ウェルフォード、
ウィンストン、１９８９）。このように位置する面Ｖは、光束を、その幾何構造
を変更することなく（完全な内部反射を通して）反射するという特質を有する。
他方で、面Ｔにおける完全内部反射と面Ｖにおける屈折の後、点３４で衝突する
光線ｅ（−）は、点４０を通過する光線ｉ（−）に変換される。光線ｅ（＋）と
ｅ（−）から変換される光線ｉ（−）は、線分３８の全ての点を通過するが、光
線ｉ（＋）は線分３８の一部のみから出射される（この理由によって、状況（２
）で要求されるようにできるだけ一様であるとしても、その放射は３８では一様
ではない）。それにもかかわらず、第２段階では、光線ｉ（＋）とｉ（−）は、
線分３８の全体から出射されたとして用いられ、これは、集中／コリメーション
の熱力学的限界に到達できないことを意味する（本発明は、大いにそれに近いこ
とができるが）。
【００１７】 上記微小歯の設計のためのこれらの２つの条件は、上記微小歯の最適な機能を
保証し、上述の関連する特許に関して新たな革新性を構成し、上述の関連する特
許はいずれも上記条件を有していない。
【００１８】 図４（ｂ）は、コリメータとして働く基本的設計のための歯を示している。見
て分かるように、集中器として設計された図４（ａ）の場合に関する違いは、２
番目に課された条件にある。この場合、点４０を通過し、光線ｉ（＋）に変換さ
れ、３４に衝突するのは、光線ｅ（＋）である。
【００１９】 上述の２つの条件を課すにおいて、面Ｖは鉛直であることと、三角関数の計算
によって、角度に関して必然的に伴われる以下の式が得られることが、推論され
る。
【００２０】
【数１】
【００２１】
【数２】
【００２２】
【数３】
【００２３】 ここで、φ，φ’，δおよびγは、夫々、図４に示された角度５４，５５，５
６および５７であり、ｎはレンズの屈折率であり、集中器においてΨ≡φであり
、コリメータにおいてΨ≡φ’である。
【００２４】 第２の段階では、表面Ｓ１とＳ２の側面が設計され、次の処置が続けられる。
【００２５】 ａ）点Ｉの横座標のための値を選択する（この値は、後に再計算される）。
【００２６】 ｂ）スネルの法則の（逆の）適用によって、Ｉから衝突した光線はＯでＲに向
って屈折する条件の下で、点ＯでＳ３に接するベクトルを計算する。
【００２７】 ｃ）歯に関する光線ｉ（＋）がＯの方に向けられる条件の下で、点Ｉに位置す
る微小歯の角度δを計算する。これは、式（Ｅｃ．１．ｃ）を用いて、角度φ’
が点ＩおよびＯから計算されることによって実行される。また、式（Ｅｃ．１．
ｂ）を用いて角度φを求め、式（Ｅｃ．１．ａ）を用いて角度γを求め、そして
、これから、ＩにおけるＳ２に接する巨視的なベクトルであるｔ１＝（−ｃｏｓ
γ，ｓｉｎγ）を計算する。
【００２８】 ｄ）Ｉから進む光線が、入射角βをなしてレシーバに向って屈折されるという
条件の下で、Ｏの上方にあるＳ３の第１の部分を探す。この問題に対する解（so
lution）は、点Ｉから角度βで傾斜した平坦な波面に向う光路の定常性によって
与えられ、それは楕円形をなす。これは、いわゆるデカルト楕円である特殊な状
況を構成する。これらが一旦計算されると、ステップａ）でのスネルの法則の（
逆向きの）適用によって、これらの点におけるＳ３への接線が見つけられる。こ
の部分の最後の点が、屈折の後にＲ’を通過する光線によって記録される。
【００２９】 ｅ）Ｉから進む光線が点Ｒ’に向って屈折するという条件を有するＳ３に続く
部分を探す。再び、２つの点の間の光路の定常性によって解が与えられ、デカル
ト楕円の特異な場合を構成し、そして、これらの点でのＳ３への接線がスネルの
法則の（逆向きの）適用によって見つけられる。この部分の最後の点は、Ｈ０と
呼ばれ、その接線はｔＨ０であり、その計算のために、Ｉから来る光線ｉ（−）
が用いられる。
【００３０】 ｆ）Ｉ，ｔＩ，Ｏおよびｔ０を、夫々Ｆ０，ｔＦ０，Ｇ０およびｔＧ０と、名
前を改める。ｄ）とｆ）とで計算されたＳ３の部分から、一様に分配される点の
数字Ｍを選び（例えばＭ＝５００）、そして、それらにＦ１からＦＭまでの名前
をつけ、接線にはｔＦ１からｔＦＭまでの名前をつける。Ｈ０≡ＦＭ（ｙｔＨ０ ≡ｔＦＭ）であることに注意する。
【００３１】 ｇ）表面Ｓ２について、ベクトルｔＧ０の方向に通る直線Ｇ０と、Ｒから進ん
でＦ１で屈折する光線の軌跡（逆方向に追跡される）との交点のような次の巨視
的な点Ｇ１を見つける。この光線は、その点でもまた角度φ’をなすように、Ｇ １ での微小歯に結合された光線ｉ（＋）である。式（Ｅｃ．１．ｃ），（Ｅｃ．
１．ｂ）および（Ｅｃ．１．ａ）を用いて、角度δ，φおよびγが各々計算でき
、これらの最後のものを用いて、Ｇ１においてＳ２に接する巨視的ベクトルであ
るｔＧ１＝（−ｃｏｓγ，ｓｉｎγ）が計算できる。
【００３２】 ｈ）表面Ｓ３の次の点Ｈ１であって、ベクトルｔＨ０の方向に向ってＨ０を通
る直線と、Ｇ１の微小歯に結合された光線ｉ（−）との交点としての点を計算す
る。Ｈ１でのＳ３への接線ｔＨ１は、スネルの法則の（逆方向の）適用によって
、もう１度見出される。Ｈ１≡ＦＭ＋１（かつｔＨ１≡ｔＦＭ＋１）であること
を確認する。
【００３３】 ｉ）点Ｇｎの横座標が点Ｐの横座標（エントリパラメータとして選択される）
よりも大きくなるまで、下付指数を１単位ごと増やしながらステップｇ）とｈ）
を繰り返す。選択された点Ｐの横座標の精度は重要でなく（しかも、この精度は
ステップｆで選択されるパラメータＭの値によって決定される）、それは、Ｐ≡
Ｇｎに続くもののために考慮される。
【００３４】 Ｓ２の中央領域（ＰとＰ’との間）の側面の形状が、再度、縁光線定理に基い
て、光線ｅ（＋）をＲ’に向って、そして光線ｅ（−）をＲに向って進めるよう
に（この割り当ては、Ｓ２の外側部分のためにステップｇ）とｈ）とで実行され
たものと逆であることに注意すべきである）、（Ｓ３の残りの部分と共に）計算
される。表面が連続であるとすれば、光路Ｒに至る光線ｅ（−）に結合された波
面からのものと同じように、Ｒ’に至る光線ｅ（＋）に結合された波面からの光
路は不変であることを意味する。表面Ｓ２とＳ３が、各々の頂点で不連続点を有
しないように、設計の対称性によって、２つの光路は（対称の波面に関して測定
された場合）、そのうえ、強制的に等しくされる。この条件によって、点Ｉの横
座標の初期値が求められる。
【００３５】 ｊ）衝突する光線ｅ（−）が、屈折の後、ステップｉ）で点Ｐで計算された光
線ｉ（＋）に変換されるように、ＰにおけるＳ２への接線を探す。Ｐにおける屈
折の後の光線ｅ（＋）を計算する。ステップｉ）で計算された点Ｐにおいて、接
線が水平線となす角度が角度φよりも大きい場合、点Ｐの横座標として小さい値
を選ぶように最初に戻る。
【００３６】 ｋ）ステップｉ）において見つけられた点Ｈｎに隣り合うＳ３の部分を、点Ｐ
から来る光線が、その部分でＲ’に向って屈折されるという条件で計算する。も
う１度、２つの点の間で光路が不変であることによって解が与えられ、これらの
点におけるＳ３への接線がスネルの法則の（逆方向の）適用によって見出される
。この部分の最後の点は、この点の計算のために、点Ｐで屈折した後の光線ｅ（
＋）が用いられる。一様に分配される点の数字Ｍ’を選び（例えば、Ｍ’＝５０
）、そしてそれらに、以前の数字と相対的な方法で名前をつける。つまり、Ｈｎ ＋１ からＨｎ＋Ｍ（また、ＦＭ＋ｎ＋１からＨＭ＋ｎ＋Ｍ）までの名前をつける
。
【００３７】 ｌ）Ｒ’に至る光線ｅ（＋）と、Ｒに至る光線ｅ（−）とに各々関連する光路
Ｃ（＋）とＣ（−）を計算する。
【００３８】 ｍ）点Ｉの横座標の値を逐次反復しながら、｜１−Ｃ（＋）／Ｃ（−）｜＜ε
を達成するまでステップａ）からｌ）までを繰り返す。ここで、εは予め固定さ
れた誤差の余裕値である（例えば、０．０００１）。
【００３９】 ｎ）Ｒから来るＦｎ＋１で屈折された光線の軌跡（逆方向に追跡される）が望
ましい点で光線ｅ（−）に変換されるという条件の下で、次のＳ２の点Ｇｎ＋１ を計算する。もう１度、光路Ｃ（−）が既知になったので方程式の解が計算され
て、点Ｇｎ＋１におけるＳ２への接線が、スネルの法則の（逆方向の）適用によ
って求められる。
【００４０】 ｏ）点Ｇｎ＋１で屈折した光線ｅ（＋）の軌跡が、その望ましい点で屈折した
後にＲ’に向うという条件の下で、次のＳ３の点Ｈｎ＋Ｍ＋１が計算される。光
路Ｃ（＋）が既知になるので、再度、解が計算されて、Ｈｎ＋Ｍ＋1におけるＳ
３への接線が、スネルの法則の（逆方向の）適用によって求められる。
【００４１】 ｐ）対称軸に到達するまで、つまり、計算された点ＧとＨの横座標が負になる
まで、ステップｎ）とｏ）が繰り返される。
【００４２】 最後に、基本的設計を完結させるため、第３の段階のみが残っている。この段
階で、（実際に製造可能な）定形の寸法を有するＳ２の歯と、巨視的な表面に基
いた直線の形状と、最も近い段階で計算された微小な歯とを持った面との生成が
伴われる。処理は、下記のステップが行なわれながら、レンズの縁から中央に向
って進む。
【００４３】 ａ）例えば、定形の歯の水平方向の突出寸法Ｄを選択する。この寸法は、次の
光線追跡で、Ｄ／２の寸法で得られる装置については、装置の機能において重大
な減損がないことが示されるような寸法であるべきである。
【００４４】 ｂ）ＰとＩとの間の巨視的な表面の点Ｇｉであって、横座標が、点ＩからＤ／
２の奇数倍よりも小さい値の差を有するような点を、定形の歯の中心として定め
る。
【００４５】 ｃ）微小な歯によってＧｉで定義される面Ｔの傾きとしてＧｉに属するような
定形の歯の面Ｔの傾きを定義する。この定形の歯の面Ｔは、その点に関して対称
になるように延在している。
【００４６】 ｄ）面Ｖが、点ＩからＤの整数倍ごとに異なる横座標に位置される。
【００４７】 基本的な集中器の設計が完成する。この最後の段階では、定形の歯を生成する
ために、例えば歯の上側と下側の伸開線の間の距離がＤの値をとるなどの異なる
基準に従うことができる。生成の手順は、記述されたものに似ており、各々の歯
の中央点Ｇｉの調節が繰り返しの方法で実行できる。
【００４８】 標準的な方法は、基本的な方法と３番目の段階が異なり、定形の歯の面Ｔは、
側面が円弧をなしている。この方法の設計手順は、基本的方法のものに似ている
。２段階目では、設計は結果として等しくなるが、標準的方法は、（第３段階で
の後に使用するための）微小歯の面Ｔの曲率の計算が付加される。これは、基本
的方法で採用されたよりも高いオーダーの精度を構成する。この計算を行うため
、次の式が用いられ、これは、表面の曲率半径と、入射および屈折／反射の波面
の曲率半径とに関連する。
【００４９】
【数４】
【００５０】 ここで、下付指数ｉ，ｒおよびｓは、入射波面、屈折／反射波面および表面を
夫々示し、ｎは屈折率を意味し、θは水平方向に対する光線の角度を意味し、ρ
は曲率半径を意味する。式（Ｅｃ．２）は、θｒ＝θｉおよびｎｒ＝−ｎｉとす
ることによって、反射に適用される。
【００５１】 微小歯の面Ｔの曲率半径ρｓＴを計算するために、第２段階のステップｄ）と
ｅ）の計算中に、点Ｆ１からＦＭでのＳ３の曲率半径を予め見出す必要がある。
このために、式（Ｅｃ．２）が、Ｉから来る光線のこれらの点における屈折に適
用される。この場合、各々の点Ｆｋにおいて、端ＡとＢとの線分の長さを
【数５】 で表示し、ステップｄ）において、
【数６】 およびρｒ＝∞とし、ステップｅ）において、
【数７】 とする。
【００５２】 ステップｆ）で、点Ｇｋが点Ｆｋに基いて計算され、ρｓＴの望ましい値が計
算される。ＲからＦｋに向って（逆方向に）進む光線によってなされる３つの継
続的な入射のために、式（Ｅｃ．２）の使用した計算が必要とされる。ステップ
ｆ）において、点と表面への法線が計算されたとすると、上記３つの入射につい
て、入射角と屈折／反射角は、屈折率のように既知の変数である。まず第１に、
曲率半径ρｓは既知であり、
【数８】 であるので、式（Ｅｃ．２）より、屈折した波面ρｒ１の曲率半径が得られる。
２番目の入射は、Ｇｋで計算された歯の面Ｖで生じるので、入射波面の曲率半径
は
【数９】 であり、表面の曲率半径は既知である（ρｓＶ＝∞）ので、式（Ｅｃ．２）から
、屈折した波面ρｒ２の曲率半径を得る。最後に、３番目の入射は、歯の面Ｔで
生じ、ρｉ＝−ρｒ２かつρｒ３＝∞が既知であるので、望まれる値の曲率半径
ρｓＴを未知として、式（Ｅｃ．２）が解かれる。
【００５３】 ステップｇ）で、最初はＨｋと呼ばれた新しい点Ｆｊが計算されたとして、こ
の点Ｆｊはステップｈ）で示すように繰り返すときにステップｆ）で再び用いら
れるが、これらの点でＳ３の曲率半径を計算することが必要である。そのため、
この手順は、Ｇｋに衝突する光線ｅ（＋）であるＨｋを計算するのに用いられた
光線の軌跡を用いることによって、また、ρｓＴは既知であることを利用するこ
とによって、先に示されたρｓＴの計算の手順と類似している。
【００５４】 標準的方法の第３段階は、定形寸法の歯を生成することに関し、Ｔ表面は、直
線でなく、円弧として生成される点が基本的方法と異なる。歯を生成する手順は
、基本的方法で見られるものに類似しており、定形の歯の中央点Ｇｉが属する定
形の歯の表面Ｔが、その微小な歯に結合された傾きと曲率半径を有して上記点を
通過し、かつ、上記点について対称に延在する円弧である点のみが異なる。
【００５５】 最後に、先進的設計方法は、曲面の形状を有する歯の表面Ｔによって特徴づけ
られる。これらの形状の計算は、完了した（定形の歯を有する）基本的設計を用
いてなされ、次のステップが行なわれる。
【００５６】 ａ）ＲおよびＲ’から出発してＳ３と定形歯の面Ｖとで屈折した変数が１つの
光線を、逆方向に追跡する。
【００５７】 ｂ）中央点がＧｉである各々の歯について、Ｇｉを通過してその点Ｑが以下の
ようなものである表面Ｔの非球面形状を計算する。点Ｑは、ａ）で計算されて点
Ｑを通過する変数が１つの光線を２分する方向に従って、垂直に衝突する光線が
反射する点である。この問題は、１次の微分方程式の形で表されるが、１つの光
線、および各々の束のうちの１つが、各々の点Ｑを通る場合、１つのみの解を有
する。
【００５８】 先進的設計方法が完了した。図１１は、先進的設計の一例を示す図である。上
述のように、切子面の非球面外形５４は、基本的および標準的方法によるよりも
大きい寸法に形成でき、しかも熱力学的限界に近く、いっそう卓越した性能を保
持する。
【００５９】 ３つの方法（基本的、標準的、先進的）の設計手順の説明は完了する。
【００６０】 表面Ｖの外形が鉛直線でなくて、予め定められた傾斜を有する直線か、円弧か
、または、非球面形状である場合には、設計は本質的に同じである。実際に、設
計の説明で考慮されなかった面で、完全に垂直の面Ｖを有する歯を製造すること
は（プラスチック射出によるレンズ製造の場合、モールドからその部分を除去す
ることが難しい点で）実行不可能であるという事実がある。この点は、例えば、
所定の角度（０．５°から１°の範囲で十分である）で傾斜させた面Ｖの設計を
考慮することで改善可能であり、その設計は、式（Ｅｃ．１）の適切な修正が必
要とされる。上記傾斜は、歯の頂点に丸味がつくことによって現実に生成する好
ましくない効果を回避できる。否定的な結果としては、傾斜した面Ｖは入射光束
の流線に平行でないことを意味し、それによって、その面における反射は光束の
幾何構造を（僅かに）変更する。これは、垂直面Ｖに対応することについては、
角伝達の特性が低下する（すなわち、進歩性が減少する）。一方、面Ｖの外形は
、例えば面Ｔの形状のために必要な曲率を低減することによって、その製造を容
易にするために（モールドの製造を難しくするという犠牲を払って）円弧や非球
面カーブに形成されてもよい。
【００６１】 これまで扱わなかった新たな点は、微小歯の設計に集中して課されていて、点
３４に衝突する縁光線ｅ（−）を、点４０を通過する光線ｉ（−）に変換するよ
うに強制する条件が、深刻な機能の低下を生じることなく、緩和される（つまり
、上記光線が、上記点の多少上、または下を通過することを許す）ことである。
【００６２】 これらの状況の全てを考慮して、面ＶまたはＴが、各々の点で２度よりも小さ
い角度で調整された斜面を有するような形状の可能性の有用性が肯定できる。
【００６３】 レシーバで放射物を集中させるための説明された装置は、線対称または円筒形
であり、入力されて拡張された光線束の縁光線が、出力されて拡張され、レシー
バを照らす光線束の縁光線に変換されることを特徴とし、両方の束は、断面（線
対称の場合は対称軸を含んだ面であり、円筒形の場合は対称方向の直角方向であ
る）で、以下のレンズによって規定される。すなわち、（ａ）入力束が衝突する
屈折性非球面が一面Ｓ１に形成されると共に、他方の面Ｓ２に、中央の領域に他
の屈折性非球面が形成され、その外側の領域に不連続斜面の構造が形成されてお
り、この構造の断面は、２つの非球面によって形成された複数個の歯で形成され
、この２つの非球面のうちの１つの面Ｖは、屈折光学Ｓ１によって伝達された光
束の流線に平行であり、他の面Ｔは、光束を完全内部反射によって面Ｖに向って
反射し、この面Ｖで、光線が隣の歯を遮らないように、かつ、そうするのに最も
近接した縁光線は、その歯に接するように形成されているレンズＬ１と、（ｂ）
レンズＬ１で伝達された光束が衝突する屈折性非球面で形成され、レシーバを取
り囲むレンズＬ２。
【００６４】 一方、エミッタによって生成された放射物をコリメートするために用いられる
装置は、線対称または円筒形であり、エミッタによって生成され、入力の拡張す
る光線束の縁光線を、出力の拡張する光線束の縁光線に変換することで特徴づけ
られ、両方の束は、断面で、以下のレンズによって規定される。すなわち、（ａ
）エミッタを取り囲み、入力束が衝突する屈折性非球面で形成されたレンズＬ２ と、（ｂ）１つの面に、出力束が出射する屈折性非球面Ｓ１が形成されていると
共に、他方の面Ｓ２に、中央に他の屈折性非球面が形成され、その外側領域に不
連続斜面の構造が形成されており、この構造の断面は、２つの非球面によって形
成された複数個の歯で形成され、この２つの非球面のうちの１つの面Ｖでは、屈
折光学Ｓ３によって伝達された光束が、他の面Ｔで完全内部反射によって全ての
光線が反射されるように、また、反射されない状態に最も近い状態の縁光線が歯
の輪郭に接するように屈折され、上記面Ｖは、Ｓ１に向って伝達される光束の流
線に平行になっているレンズＬ１。
【００６５】 米国特許第５５７７４９３号，１１／１９９６は、本発明に似た軸対称の装置
を説明しており、エミッタによって生成された放射物を平行にするのに用いられ
、出力開口で３次元において一様の放射度を提供するために光束が選択される。
しかしながら、この装置は、設計方法の制限によって、いずれの光学面を通過す
る光線束の拡張角度が小さい（＜１０°）場合にのみ、そのような性能を提供す
る。さらに、本発明で用いられた微小歯の設計条件（式１．ａ，１．ｂおよび１
．ｃ）は、歯の光学的な性能を保証し、現存する特許では用いられておらず、こ
のことは、本発明の光学面をそれらの発明と実質的に異ならせて、それらの発明
の光学的性能を劣らせる結果に導いている。
【００６６】 ３つの設計方法のために説明された手順は、図５に示される状況に等しく適用
でき、図５では、球面または非球面の屈折面４３で分けられた２つの異なる誘電
性材料を備えるレンズＬ２を備え、上記屈折面は、上記手順の間に縁光線の屈折
が考慮されて予め定められている。
【００６７】 これまで述べられてきた構成の変形には、例えば図６に示すように平坦で水平
なＳ１のように、屈折面Ｓ１を不連続斜面のフレネル構造４４で置き換えること
にある。こうして少ない誘電性材料を使うことができて、これによって重量と吸
収を減らすことができる。２つの表面は、不連続でも連続でも同じ様に働く。実
際に、その２つの設計において、残りの光学面は全く同じである。光線の軌跡に
関してただ１つの相違点は、これらは、階段の鉛直面であって入射光束の流線に
一致する面にも衝突できる点である。これは、再び、これらの面が鏡である場合
、それらでの光線の反射は変換された光束の幾何構造を変更しないことを意味す
る。上記入射が上記誘電性材料の内側面から生じた場合であっても、この中間面
は、完全内部反射の現象にによって全く鏡のようにふるまい、これは空気からの
入射の場合と異なり、少ない損失に導く。それにもかかわらず、小さい受け取り
角度α（＜５°）では、それらの損失は、以下の２つの効果の組み合わせによっ
て無視できる。この中間面の反射力は、１００％ではないとは言えども、大きな
角度の入射光（そして、このケースでは、９０°−αよりも大きい）に対して非
常に高く、空気から垂直面に衝突する光線の破片が、受光角が中位であっても少
ないからである。
【００６８】 不連続傾斜面構造としての面Ｓ１は、図７に示すように他の用途を有する。こ
の場合、図２の平坦な屈折光学面が、鋸歯状の外形４５を有する不連続構造に置
き換えられており、この不連続構造は、入力光束をそらして流線４６の方向を変
更する。レンズは、誘電性プレートに、レンズの屈折率とわずかに異なる屈折率
を有する接着剤によって取付けられている。この構造は、入射束の光線を、Ｓ２ に向ってわずかに発散する方向に進むように屈折させる。これは、Ｓ２の外側領
域の歯の面Ｖは、製造を容易にするように０でない傾斜角度に設計されたとして
も、発散する流線に近づく（または全く一致する）ことによって光学性能の低下
が少ないことを意味する。一方、Ｓ１の垂直面は、（光線の軌跡を遮ることによ
って）性能の低下を生じるので、ここでの面Ｖの傾斜角度は、性能の低下が最小
になるように、それぞれ光束の発散角度に最適な角度になっている。
【００６９】 （先のもののいずれとも組み合わせることができる）他の可能性は、図８に示
すように、中央部分Ｓ２を不連続傾斜のフレネル構造４７にすることである。
【００７０】 他の可能な形状は、表面Ｓ１とＳ２を置き換えてレンズを設計することにあり
、図９に示すように、歯４８が逆向きに現れる。回転対称である場合は、その製
造はモールドによるので、モールドおよびレンズのいずれも柔軟である必要があ
り、そのため、レンズがモールドから抜き取られる。平行対称の場合は、押し出
しで製造できるので、これは不要である。光学面の設計手順は、示された全ての
形態において共通である。
【００７１】 提案された発明では、レシーバに放射物を集中するために用いられた場合、こ
のレシーバは、フォトダイオード、フォトトランジスタおよび太陽電池などの光
電子機器である。一方、エミッタで生成された放射物をコリメートするために用
いられた場合、このエミッタは、ＬＥＤ、ＩＲＥＤおよびレーザなどの光電子機
器である。
【００７２】 本発明の集中器の製造は、アクリル（ＰＭＭＡ）などのプラスチック材料に、
数値制御（ＣＮＣ）を備えるダイヤモンドチップ旋盤を用いて実行することがで
きる。言及するに足る他の可能性は、適切なモールドでのＰＭＭＡの射出であり
、これによって、製品がこの特許によってカバーされ、これは図１０に示されて
いる。この装置は、２つのレンズを連結する光学的に不活性な部分４９で製造さ
れ、そのようにして、これらは、内部空間５３を囲う１つの部分を構成する。上
記連結は、最後の注入部分の凝固の前に接触することや、その後に続く接着によ
って実行される。これは、１つの部品であるので、レンズの間の空間は、塵や湿
気から守られる。この空間は、真空にされるか、あるいは、望むなら注入ガスで
満たされてもよい。レシーバやエミッタの第２のレンズへの接着は、透明エポキ
シ樹脂での鋳造によって実行される。
【００７３】 言及された従来技術に対する本発明の改良点と差違は、以下のようにまとめら
れる。
【００７４】 （ａ）言及された装置の表面と歯は、光束の中央の光線のみ、あるいはその１
次の環境を結合するのに対して、この装置は、設計された表面と歯の面で、２つ
の拡張された光線束の縁光線を２次元で結合する。
【００７５】 （ｂ）エミッタで生成された放射物をコリメートするための線対称の装置の場
合、設計の光線束は、特殊な場合として、出口開口で一様な発散を生成する光線
束も含み、米国特許第５５７７４９３号，１１／１９９６でも考慮されているが
、その特許で示されている設計では、光学面の全面を通過する光線束の広がる角
度が小さい（＜１０°）ときに適切なだけである。
【００７６】 （ｃ）本発明で用いられた微小歯の面の設計のための条件（式１．ａ，１．ｂ
，１．ｃで与えられ、歯の面は、１つが光束を流線として導き、歯の出口で放射
照度を最大に均等にし、隣り合う歯への望ましくない入射を防止する条件を提供
する）は、従来技術では用いられておらず、このことは、本発明の光学面との実
質的な差を導き、それによる光学的な特性の違いを導く。
【００７７】 （ｄ）レシーバの集中器としての使用目的 （ｅ）適切な円筒対称形状 （ｆ）内部空間を有した１つの部品としての製造の可能性 （ｇ）誘電性プレートに固定されて１つの装置としてまとめること。 （ａ）と（ｃ）の差は、特に、いずれの光学面を通過する光線束の広がり角度も
大きい（＞１０°）場合に、本発明の光学的性能を、以前の発明の光学的性能よ
りも顕著に優位にしている。
【００７８】 （産業上の利用の可能性） 本発明は、放射物センサ、ＬＤＥを用いた照射システム、ワイヤレス光学通信
および光起電性太陽エネルギーなどの多種の分野に直接の適用性がある。
【００７９】 センサの分野では、提案された発明は、装置の単純さや小型さに影響を与える
ことなく、高い感度の達成ができ、熱力学的限界に接近できる。また、ＬＥＤを
用いた照明機器の分野においても、本発明は、最新の製品技術にたやすく適合す
る幾何構造を有するように適切にコリメートされた光束を提供できる。
【００８０】 無線光通信においては、エミッタおよびレシーバ装置の応答角度の制御と、設
計における殆ど全ての放出／受容可能な方向の使用が、信号−雑音関係が可能な
最大の値に接近した接続を可能にする。受容器に用いられた場合、提案された発
明は、レシーバとして光電子工学センサに使用でき（例えば、フォトダイオード
やフォトトランジスタ）、伝送器に用いられた場合、上記発明は光電子工学エミ
ッタ（ＬＥＤ，ＩＲＥＤまたはレーザ）に使用できる。
【００８１】 最後に、光起電性の装置において、本発明は、高い集光性の太陽電池のための
適切な装置を構成できる。論理的な限界に接近した特性は、所定の集光ファクタ
ーにおいて、装置の角度の受け入れが可能な最高の値に接近していることを意味
し、これは、装置そのものの製造の際、および、複数の装置でモジュールを構成
するとき（それらを平坦なガラスに接着するだけで容易に作られる）の調整の際
に、高い公差が許されるので便利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 一般に用いられた拡張された光線束である。左はタイプ１の束で
あり、端６と７の線分１に衝突する光線からなり、線分の直角に対して光束の受
光角度よりも小さい角度をなしている。中央はタイプ２の束であり、２つの所定
の線分３を遮る光線によって形成される。この光束の縁光線は、２つの所定の線
分のいずれの端（８，９，１０および１１）を通過する光線である。右はタイプ
３の束であり、矩形４と、端１２および１３の円弧４とを遮る光線で形成される
。
【図２】 レシーバ１４への放射物の集中器としての本発明の基本的な動作
原理である。屈折性の非球面２１で形成され、レシーバを囲むレンズ５０と、上
側が屈折性の非球面であり、下側が、中央の領域（点１８と１９の間）が他の屈
折性の非球面１７であると共にその外側領域に不連続斜面構造２０が形成された
第２のレンズ１５とで形成され、上記構造の面２２は、基本的に光線を屈折する
と共に、面２３は光線を完全内部反射する。
【図３】 デカルト系座標３１と、レシーバに光線を集中させるために選択
された設計を実行するための初期の幾何構造パラメータである。入力束は入射角
２４と、表面Ｓ２の端２５と２６で定義された入射開口とによって定義される。
出力束は、端２７と５１の線分で定義され、これはレシーバであり、表面Ｓ３か
ら照らされ、その端は２９と３０であり、照射の角度は受光角度２８に限定され
る。
【図４】 集中器またはコリメータとして働く装置のために第１段階で設計
された表面Ｓ２の歯である。これらは微小な寸法であるので（図では拡大されて
いる）、隣り合う歯は同一であり、縁光線束は平行である。光が端３４と３５の
線分３３を通って光線３６と３７の間の傾斜をなして入射し、端３９と４０の線
分３８を通過し、水平線に対して各々角度５４および５５をなす光線４１と４２
の間の傾斜を有するように、最適に変換される。巨視的な接線ベクトル３２に対
する歯の幾何構造は、角度５６と５７で定義される。
【図５】 レンズＬ２は、球面または非球面表面４３によって分けられた２
つの異なる誘電性材料によって形成できる。
【図６】 表面Ｓ１は、不連続斜面フレネル構造４４によって置き換えられ
、重量と吸収が削減される。
【図７】 鋸歯形状を有する不連続斜面構造４５としてのＳ１の設計は、面
Ｖが連続面Ｓ１から伝達された束の流線４６と一致しないとき、伝達損失が最小
化できる。
【図８】 Ｓ２の中央部分は、不連続斜面フレネル構造４７によって置き換
えることができる。
【図９】 レンズを、歯が逆向きに現れるように、表面Ｓ１とＳ２を入れ換
えて設計してなる構成である。
【図１０】 装置は、２つのレンズを結合する光学的に不活性な部分４９で
製造され、内部空間５３を包含する１つの部品が構成される。
【図１１】 先進的方法では、装置は、非球面５４がより大きい寸法で、な
お優れた特性を保持している非球面５４を有するように設計される。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 33/00 Ｈ０１Ｌ 31/04 Ｇ Ｈ０１Ｓ 5/022 Ｇ０２Ｂ 27/00 Ｅ (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ， ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ， ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，Ｃ Ｈ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＥＥ ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ， ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，Ｋ Ｐ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ， ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，Ｓ Ｇ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 パブロ・ベニテス・ヒメネス スペイン、エ−28040マドリッド、アヴェ ニダ・シウダッド・ユニヴェルシタリア、 シン・ヌメロ、エツィ・テレコムニカシオ ン、デペテオ・エレクトロニカ・フィシカ Ｆターム(参考） 2H087 KA00 KA22 KA27 KA29 LA25 PA02 PA17 PB02 RA01 RA47 UA01 5F041 AA06 EE12 FF11 FF14 5F049 NA20 NB01 TA12 5F051 BA11 JA13 JA14 5F073 AB27 BA02 EA19

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 放射状のエネルギーを集中するための装置であって、 軸対称形状または円筒形状であり、 入力されて拡張された光線束の縁光線を、出力されて拡張され、レシーバを照
    射する光線束の縁光線に変換し、上記光線束の両方が、 （ａ）上記入力の光線束が衝突する屈折性非球面が一面Ｓ１に形成されると共に
    、他方の面Ｓ２に、中央の領域に他の屈折性非球面が形成され、その外側の領域
    に不連続斜面の構造が形成されており、この構造の断面は、２つの非球面によっ
    て形成された複数個の歯で形成され、この２つの非球面のうちの１つの面Ｖは、
    屈折光学Ｓ１によって伝達される光束の流線に平行であり、他の面Ｔは、光束を
    完全内部反射によって面Ｖに向って反射し、この面Ｖで、光線が隣の歯を遮らな
    いように、かつ、隣の歯を最も遮りそうな縁光線は上記歯に接するように形成さ
    れているレンズＬ１と、 （ｂ）上記レンズＬ１で伝達された光束が衝突する屈折性非球面で形成されてお
    り、上記レシーバを取り囲むレンズＬ２と によって、断面において定められることを特徴とする、放射状のエネルギーを集
    中するための装置。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の放射状のエネルギーを集中するための装置
    において、 光電子工学のレシーバに用いることを特徴とする放射状のエネルギーを集中す
    るための装置。
  3. 【請求項３】 請求項１または２に記載の放射状のエネルギーを集中するた
    めの装置において、 上記光電子工学のレシーバは、フォトダイオード、フォトトランジスタ又は光
    起電性セルであることを特徴とする放射状のエネルギーを集中するための装置。
  4. 【請求項４】 放射状のエネルギーを平行にするための装置であって、 線対称形状または円筒形状であり、 エミッタによって生成され、入力されて拡張された光線束の縁光線を、出力さ
    れて拡張された光線束の縁光線に変換し、上記光線束の両方が、 （ａ）エミッタを取り囲み、入力された光束が衝突する屈折性非球面で形成され
    たレンズＬ２と、 （ｂ）１つの面が、出力束が出射する屈折性非球面Ｓ１で形成されていると共に
    、他方の面Ｓ２が、中央の領域に形成された他の屈折性非球面と、その外側の領
    域に形成された不連続斜面の構造とで形成され、この構造の断面は、２つの非球
    面によって形成された複数個の歯で形成され、この２つの非球面のうちの１つの
    面Ｖで、屈折光学Ｓ３によって伝達される光束が、他の面Ｔで完全内部反射によ
    って全ての光線が反射されるように、また、反射されない状態に最も近い状態の
    縁光線が歯の輪郭に接するように屈折され、上記面Ｖは、Ｓ１に向って伝達され
    る光束の流線に平行になっているレンズＬ１と によって、断面において定められることを特徴とする、放射状のエネルギーを平
    行にするための装置。
  5. 【請求項５】 放射状のエネルギーを平行にするための装置であって、 線対称形状または円筒形状であり、 エミッタによって生成され、入力されて拡張された光線束の縁光線を、出力さ
    れて拡張された光線束の縁光線に変換し、 全ての光学面を通過するときの光束の広がり角度が１０°よりも小さいときに
    、光線の束が、出口開口で３次元において一様な放射を提供するように選択され
    る線対称形状の場合を除いて、上記光線束の両方は、 （ａ）エミッタを取り囲み、入力された光束が衝突する屈折性非球面で形成され
    たレンズＬ２と、 （ｂ）１つの面が、出力束が出射する屈折性非球面Ｓ１で形成されていると共に
    、他方の面Ｓ２が、中央の領域に形成された他の屈折性非球面と、その外側の領
    域に形成された不連続斜面の構造とで形成され、この構造の断面は、２つの非球
    面によって形成された複数個の歯で形成され、この２つの非球面のうちの１つの
    面Ｖで、屈折光学Ｓ３によって伝達される光束が、他の面Ｔで完全内部反射によ
    って全ての光線が反射されるように、また、反射されない状態に最も近い状態の
    縁光線が歯の輪郭に接するように屈折され、上記面Ｖは、Ｓ１に向って伝達され
    る光束の流線に平行になっているレンズＬ１と によって、断面において定められることを特徴とする、放射状のエネルギーを平
    行にするための装置。
  6. 【請求項６】 放射状のエネルギーを平行にするための装置であって、 線対称形状または円筒形状であり、 エミッタによって生成され、入力されて拡張された光線束の縁光線を、出力さ
    れて拡張された光線束の縁光線に変換し、 光線の束が、出口開口で３次元において一様な放射を提供するように選択され
    る線対称形状の場合を除いて、上記光線束の両方は、 （ａ）エミッタを取り囲み、入力された光束が衝突する屈折性非球面で形成され
    たレンズＬ２と、 （ｂ）１つの面が、出力束が出射する屈折性非球面Ｓ１で形成されていると共に
    、他方の面Ｓ２が、中央の領域に形成された他の屈折性非球面と、その外側の領
    域に形成された不連続斜面の構造とで形成され、この構造の断面は、２つの非球
    面によって形成された複数個の歯で形成され、この２つの非球面のうちの１つの
    面Ｖで、屈折光学Ｓ３によって伝達される光束が、他の面Ｔで完全内部反射によ
    って全ての光線が反射されるように、また、反射されない状態に最も近い状態の
    縁光線が歯の輪郭に接するように屈折され、上記面Ｖは、Ｓ１に向って伝達され
    る光束の流線に平行になっているレンズＬ１と によって、断面において定められることを特徴とする、放射状のエネルギーを平
    行にするための装置。
  7. 【請求項７】 請求項４乃至６のいずれか１つに記載の放射状のエネルギー
    を平行にするための装置において、 光電子工学のエミッタに用いることを特徴とする放射状のエネルギーを平行に
    するための装置。
  8. 【請求項８】 請求項４乃至７のいずれか１つに記載の放射状のエネルギー
    を平行にするための装置において、 上記光電子工学のエミッタは、ＬＥＤ、ＩＲＥＤ又はレーザであることを特徴
    とする放射状のエネルギーを平行にするための装置。
  9. 【請求項９】 請求項１乃至８のいずれか１つに記載の放射状のエネルギー
    を集中するまたは平行にするための装置において、 上記歯の面の外形は、各々の点において、２°よりも小さい角度で変更された
    斜面を有することを特徴とする放射状のエネルギーを集中するまたは平行にする
    ための装置。
  10. 【請求項１０】 請求項１乃至９のいずれか１つに記載の放射状のエネルギ
    ーを集中するまたは平行にするための装置において、 上記面Ｓ１の外形は、円形または平坦であることを特徴とする放射状のエネル
    ギーを集中するまたは平行にするための装置。
  11. 【請求項１１】 請求項１乃至１０のいずれか１つに記載の放射状のエネル
    ギーを集中するまたは平行にするための装置において、 上記レンズの表面Ｓ１とＳ２が交換されて、上記歯が逆側に現れていることを
    特徴とする放射状のエネルギーを集中するまたは平行にするための装置。
  12. 【請求項１２】 請求項１乃至１１のいずれか１つに記載の放射状のエネル
    ギーを集中するまたは平行にするための装置において、 上記面Ｓ１は、流線の方向を変更するように、入力された光束をそらせる鋸歯
    の形状を有することを特徴とする放射状のエネルギーを集中するまたは平行にす
    るための装置。
  13. 【請求項１３】 請求項１乃至１２のいずれか１つに記載の放射状のエネル
    ギーを集中するまたは平行にするための装置において、 上記面Ｓ１または面Ｓ２の中央部分の屈折性の表面、あるいはその両方は、不
    連続斜面のフレネル構造であることを特徴とする放射状のエネルギーを集中する
    または平行にするための装置。
  14. 【請求項１４】 請求項１乃至１３のいずれか１つに記載の放射状のエネル
    ギーを集中するまたは平行にするための装置において、 上記レンズＬ２は、球面または非球面の表面で分けられた２つの互いに異なる
    誘電性材料を備えることを特徴とする放射状のエネルギーを集中するまたは平行
    にするための装置。
  15. 【請求項１５】 請求項１乃至１４のいずれか１つに記載の放射状のエネル
    ギーを集中するまたは平行にするための装置において、 上記面Ｓ２の歯の断面は、円形または直線の外形を有する面を備えることを特
    徴とする放射状のエネルギーを集中するまたは平行にするための装置。
  16. 【請求項１６】 請求項１乃至１５のいずれか１つに記載の放射状のエネル
    ギーを集中するまたは平行にするための装置において、 内部空間を包含する１つの部分を構成するように、２つのレンズを連結する光
    学的に不活性な部分を有するように製造されていることを特徴とする放射状のエ
    ネルギーを集中するまたは平行にするための装置。
  17. 【請求項１７】 請求項１乃至１６のいずれか１つに記載の放射状のエネル
    ギーを集中するまたは平行にするための装置の一組が、誘電性プレートに固定さ
    れて構成されていることを特徴とする装置。
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