JP2011521293A - 非対称な光分布のための光学要素 - Google Patents

Abstract

本発明は、光源３からの光をコリメートする光学要素２に関し、当該光学要素２は、前記光を受けるように構成された内部結合面５と、コリメートされた光の放射を可能にするように構成された外部結合面６と、前記内部結合面５から前記外部結合面６まで延在する要素本体部とを有し、前記要素本体部は、互いに直交するｘ軸及びｙ軸により規定された光学軸ｚと直角をなす断面をもち、当該光学要素２は、前記ｘ軸に沿ったｘ曲率と前記ｙ軸に沿ったｙ曲率とをもち、前記ｙ曲率は、前記ｘ曲率よりも大きく、これにより、前記外部結合面６から放射された前記コリメートされた光の光分布が、前記光学軸ｚと直角をなす非対称形状ＣＥの断面をもつことを可能にする。また、本発明は、斯様な光学要素２を有する照明システム１に関する。本発明の利点は、２つの直交する視野方向において増大したビーム幅の差をもつ非対称の光分布を提供することである。

Description

本発明は、光源からの光ビームをコリメートするための光学要素に関し、この光学要素は、光ビームを受けるように構成された内部結合面、コリメートされた光の放射を可能にするように構成された外部結合面、及び、内部結合面から外部結合面まで延在する要素本体部をもつ。

また、本発明は、斯様な光学要素を有する照明システムに関する。

近年、発光ダイオード（ＬＥＤ）の輝度を増大させることについての発展が目覚ましい。結果として、ＬＥＤは、十分な輝度で安価であり、例えば、調整可能な色をもつランプのような照明システム、直視型液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、及び、正面及び背面投影型ディスプレイにおける光源として機能する。異なって着色されたＬＥＤ、例えば赤色、緑色及び青色ＬＥＤの強度を混合及び制御することにより、様々な色が生成され得る（例えば白色）。

しばしば広範囲に広がって放射された光に影響を与えるために、コリメート特性をもつ光学要素が一般にＬＥＤと組み合わせて設けられる。コリメータの利用は、例えば、光の方向が、特定の方向により整列されるか、又は、光の空間的横断面がより小さくなることを可能にする。米国特許第５，５５５，３２９号明細書は、例えば、所望の方向に光を再指向することに関する、照明システムを形成する光源と一緒に使用する光指向光学構造について述べている。この構造は、プリズムを用いた、２つの直交する視野軸に沿った、強度及び方向の双方についての光分布の制御を提供する。しかしながら、開示された光指向光学構造は、２つの視野方向おいて異なる制限されたビーム幅を可能にするだけである。

ビーム幅のような光学効果に更に影響を与えるために、一般に、フロスティング（frosting）又はレンズ構造体が、コリメータの放射面に付与される。例えば、一の視野軸と直交する比較的狭い光ビーム（又は光線）を達成するために、円柱レンズ構造体が利用され得る。しかしながら、円柱レンズ構造体は、一般に、第１の視野方向のビームよりも、第２の直交する視野方向と比較して、１０°〜２０°だけ広いビームを提供し得る。更に、ビーム角の更なる差は、斯様な光学構造体を用いた照明システムの低い効率をもたらすだろう。

従って、２つの直交する視野方向の増大したビーム幅の差をもつ非対称光分布を提供するための新規な構成が必要とされる。

従って、本発明の目的は、従来の問題の少なくとも１つを少なくとも軽減する光学要素を提供することにある。

本発明によれば、前記目的は、光源からの光をコリメートする光学要素であって、当該光学要素は、前記光を受けるように構成された内部結合面と、コリメートされた光の放射を可能にするように構成された外部結合面と、前記内部結合面から前記外部結合面まで延在する要素本体部とを有し、前記要素本体部は、互いに直交するｘ軸及びｙ軸により規定された光学軸ｚと直角をなす断面をもち、当該光学要素は、前記ｘ軸に沿ったｘ曲率と前記ｙ軸に沿ったｙ曲率とをもち、前記ｙ曲率は、前記ｘ曲率よりも大きく、これにより、前記外部結合面から放射された前記コリメートされた光の光分布が、前記光学軸ｚと直角をなす非対称形状の断面をもつことを可能にする、光学要素により対処される。

異なる曲率をもつ一方で好ましくは全内部反射（ＴＩＲ；total internal reflection）の条件を満たす光学要素のｘ軸及び直交するｙ軸により、本発明は、それ故、コリメートされた光が非対称の横断面で放射されることを可能にする。つまり、外部結合面から放射されたコリメートされた光は、任意の横断面、必ずしも任意ではないが、ｚ軸と直角をなす光学要素からの距離が、非対称の形状、好ましくは楕円形をもつ光分布を形成することを可能にする。楕円形状は、この出願において広い意味で理解されるべきであり、同様に、楕円形であると把握されるような本質的な楕円形状を含む。また、光、光ビーム及び光線という表現は、同等の意味をもつこと留意されるべきである。

非対称という表現は、この発明の意味において、ｘ軸及びｙ軸に対して非対称な形状、例えば楕円形状を規定することに留意されるべきである。非対称又は幾つかの実施形態に関しての楕円形状は、対称よりもむしろ非対称の光分布がより効果的であるアプリケーションにおいて望ましい。例えば、長い列の植物をもつ園芸のアレンジメントを効果的に照射するために、一の視野方向において狭いビーム幅をもち、直交する視野方向においてより広いビーム幅をもつ光分布が望ましい。一又は好ましくは複数の光学要素をマトリクス照明システムに設けることにより、園芸のアレンジメントは、高い均一性により高効率で照射され得る。好ましくは、本発明の光学要素は、光源を有する照明システムに含まれ得る。斯様な照明システムにおいて、光学要素の内部結合面は、ＬＥＤであり得る光源により放射された光を受けるように適合される。

ｘ曲率及びｙ曲率のような、光学要素の形状は、依存パラメータとして、好ましくは最適な効率をもたらす関係で選択される。例えば、ｘ曲率及びｙ曲率は、ｘ軸に沿った光の最大発散角度が、ｙ軸に沿った対応する最大発散角とよりも大きい、少なくとも１５度、好ましくは少なくとも３０度になるように、互いに関連して規定され得る。それ故、２つの直交する視野方向の斯様な広範囲に及ぶビーム幅の差の可能性により、本発明は、斯様な機能を要求するアプリケーションのためのより効果的な光分布を可能にする。

好ましくは、光学要素は、外部結合面から放射された光分布の横断面の形状がｙ軸に沿った幅よりも大きいｘ軸に沿った幅をもつことを可能にするように構成される。この態様において、放射されたコリメートされた光分布の好ましくは楕円形状を規定するｘ軸及びｙ軸に沿ったｘ曲率及びｙ曲率の割合は、光学要素を規定する曲率と比較して反転される。換言すれば、ｘ曲率よりも大きなｙ曲率をもつ光学要素を照射するときには、放射されたコリメートされた光分布の楕円形のｘ曲率は、対応するｙ曲率よりも大きくなるだろう。つまり、光学要素がｙ方向においてより広くなる一方で、コリメートされた光の分布の楕円形状は、ｘ方向においてより広くなるだろう。放射された曲率が反転されるような光学要素の設計は、比較的簡単な構造を表す。

光学要素の外部結合面は、異なる態様で設計されてもよい。この表面は、光学要素を比較的簡素にする、平坦、例えば平滑及び平面的なものであってもよく、又は、オプション的に、ビーム幅の調整を可能にするフロスティング面を有してもよい。光学要素に更にもっと影響を与えるために、外部結合面は、レンズ構造体を有してもよい。光学要素に円柱レンズ構造体を与えることで、円柱軸、即ち円柱レンズの軸と直交する方向において追加の光発散をもたらし得る。それ故、円柱レンズは、外部結合面から放射されたコリメートされた光を所望のビーム幅に調整するために用いられ得る。

コリメータであり得る光学要素は、更に好ましくは、固体であり透明である。これは、ポリカーボネート（ＰＣ）若しくはポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）又はこれらの組み合わせで形成され得る。しかしながら、当業者は、光学要素が、半透明であってもよく、あるいは着色されてもよく、及び、他の適切な材料を用いて形成され得ることを理解する。

前述されたように、本発明の光学要素は、結果として、２つの直交する視野方向の増大したビーム幅の差をもつ非対称光分布を提供する。しかしながら、光学要素の外部結合面から放射されたコリメートされた光は、述べられた非対称形状とは異なる形状をもってもよいことが留意されるべきである。例えば、述べられたｘ曲率及びｙ曲率よりも大きい曲率が発散するように規定されるべき場合には、外部結合面から放射されたコリメートされた光の光学軸と直角をなすより複雑な光分布の横断面が可能である。

本発明のこれら及び他の態様は、本発明の現時点で好ましい実施形態を示す添付図面を参照して、より詳細に説明されるだろう。

本発明の好ましい実施形態の照明システムを示すブロック図である。 図１に示された実施形態のコリメータの詳細な図を提供する。 レンズ構造体を有する代替の外部結合面をもつ、図２ａのコリメータを示す。 好ましい実施形態の例となる照明システムにおけるｘｚ平面及びｙｚ平面の光進行の発散角を示す。 図１の実施形態の照明システムから放射された典型的な光分布を示す極性分布のグラフを示す。 図１の実施形態の照明システムから放射された典型的な光分布を示すデカルト分布のグラフを示す。 図１の実施形態の照明システムから放射された典型的な光分布を示す極性等高線プロットのグラフを示す。 図１の実施形態の照明システムから放射された典型的な光分布を示すデカルト等高線プロットのグラフを示す。 園芸のアレンジメントのためのマトリクス照明で使用する、好ましい実施形態の例となる実施を示す。

本発明は、本発明の現時点で好ましい実施形態が示された添付図面を参照して以下に更に十分に説明されるだろう。しかしながら、この発明は、多くの異なる形式に組み込まれ、ここに記載された実施形態に限定されるものとして考慮されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、徹底及び完全性のために与えられ、本発明の範囲を当業者に十分に伝える。同様の参照文字は全体を通して同様の要素に言及する。

図１は、本発明の例となる実施形態の照明システム１の立体図である。本システム１は、取付筺体４を有し、この取付筺体４の上に、光学要素２によりカバーされた光源３が取り付けられる。示された実施形態における光源１はＬＥＤであるが、しかしながら本発明はこれに限定されるものではない。光学要素２は、本例においてはコリメータであるが、本発明の範囲は、他の適用可能な代替物を同様にカバーする。図１のコリメータ２は、必須というわけではないが、固体であり透明であることが好ましい。ここで、コリメータ２は、１．５８の屈折率をもつポリカーボネート（ＰＣ）を有する。１．４９の屈折率をもつポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）又はＰＣ及びＰＭＭＡの組み合わせのような、他の適用可能な材料が同様に実現可能である。コリメータ２を囲む媒体、好ましくは１．０の屈折率をもつ空気よりも高いコリメータ２の屈折率により、コリメータ２は、結果的に、ＬＥＤ３から受けた光に対して一般に知られた光学現象、即ち全内部反射（ＴＩＲ）を与える。

例となる実施形態のコリメータ２は、ＬＥＤ３をカバーする内部結合面５をもち、これにより、コリメータ２は、ＬＥＤ３から供給された光を受けるように構成される。反対側において、コリメータ２は、コリメートされた光の放射を可能にするように設けられた外部結合面６をもつ。前述されたように、光、光ビーム及び光線という表現は同等の意味をもつことに留意されるべきである。

図２ａにおいて、図１のコリメータ２のより詳細な図が示される。示されるように、コリメータ２は、一般に知られたコリメータとは異なる形状をもつ。示されたコリメータ２の光学軸（ｚ軸）と直角をなす少なくとも１つの任意の横断面は円形ではない。本発明によれば、斯様な横断面に沿った曲率は、これ以降、一定ではなく、むしろ、非対称である。ｚ軸と直角をなす横断面は、どこの場所においても、互いに直交するｘ軸及びｙ軸により規定される。例となる実施形態において、ｙ曲率と呼ばれるｙ軸に沿ったコリメータ２の曲率は、ｘ曲率と呼ばれるｘ軸に沿った曲率よりも大きい。従って、これは、ｘ軸に沿った幅Ｗ_ｘよりも広いｙ軸に沿った幅Ｗ_ｙをもつ、ｚ軸と直角をなす卵型形状をもつ横断面をもたらす。示された例において、コリメータ２の高さＨ_ｚは、５．５ｍｍであり、外部結合面６での幅寸法Ｗ_ｙ，Ｗ_ｘは、それぞれ、１４ｍｍ及び１０ｍｍである。しかしながら、言うまでもなく、他の寸法が実現可能であることに留意されたい。ｘ曲率及びｙ曲率のような寸法は、依存パラメータであり、好ましくは、ＴＩＲに適合するように選択され、その一方で、２つの直交する視野方向の増大したビーム幅の差をもつ非対称の光分布の後に求められる。

コリメータ２の外部結合面６は、例となる実施形態においては、平滑面をもつ平面であり、好ましくはｚ軸と直角をなす。しかしながら、外部結合面は、オプション的に、フロスティング面を有し、コリメータ２の光学特性に追加的に影響を与える。他の代替手段は、図２ｂに示されるように、コリメータ２の外部結合面にレンズ構造体７を有させることである。図２ｂの示されたレンズ構造体は、円柱であり、これにより、これを通るように放射される光の、ｘ軸に沿った、即ち円柱軸（ｙ軸）と直交する方向における追加の光分散を支援する。

使用中、例となる実施形態のコリメータ２は、ＬＥＤ３から光を受ける。図３は、例となる光ビームbeam_x1，beam_x2，beam_y1，beam_y2がどのようにＬＥＤ３からコリメータ２を介してコリメータ２の内部結合面５に進み、コリメートされた光として外部結合面６を通って出るかを示している。beam_x1は、例えば、ＬＥＤ３からｘｚ平面の内部結合面５を通って進み、コリメータ２の境界に到達したときに、ＴＩＲの結果として、beam_x1が通過する外部結合面６に向かって反射される。屈折の一般に知られた法則の結果として、即ち、外部結合面６の境界の他の面での媒体が異なる屈折率をもつので、光ビームbeam_x1の速度（即ち光の速度）が変化し、光ビームbeam_x1は、ｚ軸からの或る角度θ_ｘで外部結合面６を出る。同一の態様において、beam_y1は、yz平面を進み、或る角度θ_ｙで外部結合面６を通過する。外部結合面６から放射された複数のコリメートされた光、即ちこれらの間における示された光beam_x1，beam_x2，beam_y1，beam_y2は、ｚ軸と直角をなすコリメータ２からの任意の距離での横断面が楕円形状Ｃ_Ｅをもつ光分布を形成する。楕円形状は、さらに、楕円形であると認識される本質的な楕円形状であってもよいことに留意されたい。図３に示された例において、コリメートされた光の分布の楕円形状Ｃ_Ｅは、ｙ軸に沿った幅よりも大きなｘ軸に沿った幅をもつ。それ故、コリメートされた光の分布の楕円形状Ｃ_Ｅを規定するｘ軸及びｙ軸に沿ったｘ曲率及びｙ曲率の割合は、光学要素２を規定する曲率と比較して反転される。つまり、その間、コリメータ２はｙ方向において広くなり、コリメートされた光の分布の楕円形状Ｃ_Ｅはｘ方向において広くなる。

コリメータ２のｘ曲率及びｙ曲率がｚ軸と直角をなして湾曲される範囲は、当然ながら、ｚ軸と直角をなすコリメートされた光分布の横断面Ｃ_Ｅのｘ曲率及びｙ曲率が湾曲される範囲に影響を与える。示された実施形態において、コリメータ２のｘ曲率及びｙ曲率は、ｘｚ平面における光beam_x1，beam_x2の最大発散角度θ_ｘが、ｙｚ平面における光beam_y1，beam_y2の最大発散角度θ_ｙよりも約３０〜３５°大きくなるような関係をもつ。換言すれば、放射された光の分布は、２つの直交する視野方向において、即ちｘ軸及びｙ軸にそれぞれ沿って、異なるビーム幅をもち、約３０〜３５°の最大発散角度の差に対応する。互いに関連するコリメータ２のｘ曲率及びｙ曲率、即ち幅Ｗ_ｘ及びＷ_ｙを規定することにおいて、後に、放射されたコリメートされた光の分布の楕円形状Ｃ_Ｅを規定する対応する所望のｘ曲率及びｙ曲率が規定され得る。例となる実施形態において、最大発散角度θ_ｘは、最大発散角度θ_ｙよりも３０〜３５°大きいが、本発明はこれに限定されるものではない。幾つかのアプリメーションのために、１５°又はおそらく２５°の最大発散角度の差が望ましい場合がある。コリメータ２の外部結合面６上へのフロスティング面又はレンズ構造体７の提供は、前で述べられたように、ビーム幅の追加の調整を提供する。

図４ａ〜４ｄは、例となる実施形態の放射されたコリメートされた光の分布のグラフを示している。図４ａは、角度に応じた強度をもつｘ及びｙの視野方向のそれぞれの極光分布（distribution_x，distribution_y）を示し、図４ｂは、同様に、デカルト光分布を示している。放射されたコリメートされた光の分布の対応する極性及びデカルト等高線プロットは、それぞれ、図４ｃ及び図４ｄに示されている。

図１〜４に示された例となる実施形態のための実現可能なアプリケーションを示すために、図５は、マトリクス照明システム９に含まれる複数の照明システム１を示している。マトリクス照明システム９は、比較的狭い幅をもつ一方で縦方向に延在する園芸アレンジメント８を照射するために設けられる。斯様なアレンジメント８の照射のために、２つの直交する視野方向における広いビーム幅の差の提供が効果的である。示されるように、複数の照明システム１は、それぞれ、本発明のコリメータ２を有する。従って、最適な光分布を提供することが可能であり、園芸アレンジメント８は、高い均一性により高効率で照射され得る。

前述された本発明の例となる実施形態において、光源はＬＥＤである。しかしながら、本発明の範囲内において、異なるタイプの光源、例えば従来において知られた異なるタイプの半導体光源を用いることが可能であるだろう。同様に、複数の光源を用いることが可能である。

更に、当業者は、本発明は、決して前述された好ましい実施形態に限定されるものではないことを理解する。一方、当業者は、多くの変更及びバリエーションが特許請求の範囲可能内で可能であることを理解する。例えば、光学要素の外部結合面から放射されたコリメートされた光の分布が楕円形とは異なる形状であってもよい。例えば、述べられたｘ曲率及びｙ曲率よりも大きな曲率が発散するように規定されるべき場合に、外部結合面から放射されたコリメートされた光のｚ軸と直角をなすより複雑な光分布横断面が可能である。

Claims (12)

1. 光源からの光をコリメートする光学要素であって、
   当該光学要素は、
   前記光を受けるように構成された内部結合面と、
   コリメートされた光の放射を可能にするように構成された外部結合面と、
   前記内部結合面から前記外部結合面まで延在する要素本体部とを有し、
   前記要素本体部は、互いに直交するｘ軸及びｙ軸により規定された光学軸ｚと直角をなす断面をもち、
   当該光学要素は、前記ｘ軸に沿ったｘ曲率と前記ｙ軸に沿ったｙ曲率とをもち、前記ｙ曲率は、前記ｘ曲率よりも大きく、これにより、前記外部結合面から放射された前記コリメートされた光の光分布が、前記光学軸ｚと直角をなす非対称形状の断面をもつことを可能にする、光学要素。
2. 前記外部結合面から放射された前記コリメートされた光の光分布は、前記光学軸と直角をなす楕円形状の断面をもつ、請求項１に記載の光学要素。
3. 前記光学要素は、前記形状が、前記ｙ軸に沿った幅よりも大きい前記ｘ軸に沿った幅をもつことを可能にするように構成される、請求項１又は請求項２に記載の光学要素。
4. 互いに関連する前記ｘ曲率及び前記ｙ曲率は、前記ｘ軸に沿った光ビームの最大分散角度が、前記ｙ軸に沿った対応する最大分散角度よりも、少なくとも１５度、及び好ましくは少なくとも３０度大きくなるように規定される、請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の光学要素。
5. 当該光学要素は、コリメータである、請求項１〜４のうちいずれか一項に記載の光学要素。
6. 当該光学要素は、固体であり透明である、請求項１〜５のうちいずれか一項に記載の光学要素。
7. 当該光学要素は、ポリカーボネート（ＰＣ）若しくはポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）又はこれらの組み合わせを有する、請求項１〜６のうちいずれか一項に記載の光学要素。
8. 前記外部結合面は平坦である、請求項１〜７のうちいずれか一項に記載の光学要素。
9. 前記外部結合面はレンズ構造体を有する、請求項１〜８のうちいずれか一項に記載の光学要素。
10. 当該光学要素は、マトリクス照明システムに含まれる、請求項１〜９のうちいずれか一項に記載の光学要素。
11. 請求項１〜１０のうちいずれか一項に記載の光学要素と光源とを有する照明システムであって、
    前記光学要素の内部結合面は、前記光源により放射された光を受ける、照明システム。
12. 前記光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）を有する、請求項１１に記載の照明システム。

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