JP2012517037A - 光混合光学装置および光混合系 - Google Patents

Abstract

一態様では、発光ダイオードなどの１つ以上の光源と共に使用するための光混合光学部品が説明されている。一実施形態では、例示的な光学部品は、光軸の周りに配置されかつ入射面、出射面、およびそれら２つの間に延在する周囲面を有する光学本体を含み得る。入射面は、光源自体を収容するのではないにしろ、光源からの光を受光するための中心キャビティを形成し得る。さらに、入射面は、１つ以上の光源から受光した光の実質的に全てを、光軸から離れて光学部品の周囲面の方へ屈折させ、そこでその光（例えば、その実質的に全て）が出射面へ（例えば、内部全反射または正反射によって）向きを変えられ得るように付形し得る。マイクロレンズアレイまたは他の表面特徴を出射面に形成し得る。さらなる実施形態、ならびに例示的な設計方法も説明されている。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２００９年２月３日出願の米国仮特許出願第６１／１４９，４７８号、「Ｌｉｇｈｔ Ｍｉｘｉｎｇ Ｌｅｎｓｅｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ」の優先権の利益を主張する。上述の特許出願の教示は、その全体が参照により援用される。

本特許出願は、一般的に光学装置および照明系、より詳細には、発光ダイオードなどの複数の光源からの光を混合する素子および方法を含む光混合および／または色混合用の光学装置および照明系に関する。

発光ダイオードなどの高出力光源用の光学装置は、様々な構成を有することができる。多くの場合、特定の構成は、光学装置が生成する照明パターン、光学装置が投影する光の干渉性、強度、効率および均一性によって、および／または他の方法によって特徴付けることができる。レンズおよび／または照明系の設計に応用するためには、これらの領域において高いレベルの性能が要求される可能性がある。

多くの用途において、複数の光源、例えば、異なる色の光を生成する光源からの光を混合する能力が必要とされている。さらに、光混合はまた、大きな光源を有するシステムにも有用である。どちらの場合も、均一に混合された光を生成すること、および光源像形成を低減することは困難である。これまで、光混合系は一般に、光源からの光を拡げるためにテクスチャー加工表面を提供してきた。そのような系の効率および能力には限界があり、それらの照明特性は一般に標準以下である。

従って、光混合光学装置および光混合系の改良が必要とされている。

例示的な一態様では、光軸の周りに配置され、かつ出射面、入射面、および入射面と出射面との間に延在する周囲面によって特徴付けられるレンズ本体を含む光混合レンズが提供される。入射面は、発光ダイオードなどの少なくとも１つの光源（あるいは、例えば、各々が異なる色の光を生成する２つ以上の光源）からの光を受光するキャビティを形成し得る。入射面は、少なくとも１つの光源からの、入射面で受光した光の実質的に全て（例えば、約９７％以上、約９８％以上、約９９％以上、または一部の実施形態では約１００％）を、光軸から離れて周囲面の方へまたはそれに向けて屈折させるように付形し得る。周囲面は、キャビティからそこに伝搬する実質的に全ての光を出射面へ内部全反射するように構成し得る。光は、出射面でレンズ本体から出射する。

様々な変形が可能である。例えば、一部の実施形態では、入射面を、光軸上のまたはその付近の点に向けて先細にし得る、および／または光源に対して凸面にし得る。他の実施形態では、入射面は、少なくとも１つの光源からの光を受光するためのキャビティを形成し、かつ光を屈折させる、例えば、その光の実質的に全てを周囲面に向けて屈折させるために、正の屈折力を提供し得る。一部の実施形態では、入射面は、入射する光の、周囲面への伝搬を最大にするように付形し得る。さらに別の実施形態では、入射面は、少なくとも１つの光源からの、そこで受光した光の実質的に全てを、光軸から離れるように屈折させ、光が光軸に対して約２５度以上の角度で伝搬するように付形し得る。

一部の実施形態では、入射面は、異なる曲率プロファイルの近位セクションと遠位セクションとを含み得る。例えば、近位セクションは、少なくとも１つの光源から受光した光に対して凹面であり、前記遠位セクションは、少なくとも１つの光源から受光した光に対して凸面であり得る。一部の実施形態では、近位セクションは、２つ以上の光源の各々からの光を周囲面の実質的に同様の領域（「第１の領域」）に向け得、遠位セクションは、それらの光源からの光を、第１の領域とは異なる実質的に同様の領域（「第２の領域」）に向け得る。

レンズの他の面もまた、様々な構成を有する。一部の実装例では、例えば、出射面は、小型レンズ、マイクロレンズ、マイクロプリズム、マイクロシリンダ、およびテクスチャー加工表面のいずれかを含み得る。一部の実装例では、レンズは、少なくとも１つの光源によって生成された光を約７０％以上の効率で入射面から出射面へ結合し、それは、少なくとも１つの光源（あるいは少なくとも２つの光源）からの光を効率的に混合するのに役立ち得る。

別の例示的な態様では、光軸の周りに配置され、前面、および後面によって特徴付けられるレンズ本体を含む光混合レンズが提供される。前記後面の中心部分（「中心後面」または「入射面」とも称す）が、発光ダイオードなどの少なくとも１つの光源（あるいは、例えば、各々が異なる色の光を生成する複数の光源）からの光を受光する中心キャビティを形成し得る。中心キャビティは、光軸上のまたはその付近の点に向けて先細になり、かつ少なくとも１つの光源からの、中心キャビティで受光した光の少なくとも約８０％（または他の実施形態では、例えば、約８５％以上、約９０％以上、約９５％以上、または実質的に全て）を、光軸から離れて後面の周囲部分へ屈折させるように付形し得る。後面の周囲部分は、入射光を内部全反射させて、中心キャビティからレンズ本体の前面に伝搬させ、そこで光がレンズ本体から出射するように構成し得る。

一部の実施形態では、中心後面は、異なる曲率プロファイルの近位セクションと遠位セクションとを含み得る。例えば、近位セクションは、少なくとも１つの光源から受光した光に対して凹面であり、遠位セクションは、少なくとも１つの光源から受光した光に対して凸面である。一部の実施形態では、小型レンズ、マイクロレンズ、マイクロプリズム、マイクロシリンダ、およびテクスチャー加工表面のいずれかを、例えば光を拡散させるために、前面に形成し得る。

別の例示的な態様では、発光ダイオードなどの少なくとも１つの光源から光を受光する光混合レンズの設計方法が提供される。そのような方法は、入射面、出射面および入射面と出射面との間に延在する周囲面によって、レンズ本体を備えるレンズを画成すること、および少なくとも１つの光源からの光を受光するために（あるいは、少なくとも１つの光源自体を収容するために）、レンズ本体にキャビティを形成するように入射面を構成することを含み得る。この方法は、入射面を複数の屈折セグメントにセグメント化すること、および少なくとも１つの光源によって放射されかつ入射面に入射した光の少なくとも約８０％（または一部の実施形態では少なくとも約９０％、または少なくとも約９５％）を周囲面へと向きを変えるように、屈折セグメントを付形することをさらに含み得る。他の実施形態では、方法は、少なくとも１つの光源によって放射されかつ入射面に入射した光の実質的に全て（例えば、光の約９７％以上、約９８％以上、約９９％以上、または約１００％）を前記周囲面へと向きを変えるように屈折セグメントを付形すること；および向きを変えられた光が周囲面で内部全反射して、出射面に向けられてレンズ本体から出射するように、屈折セグメントおよび前記周囲面を付形することを含む。

一部の実施形態では、入射面の各セグメントは、そこに入射する実質的に全ての光源光
線を実質的に互いに平行に屈折させるように、付形される。一部の実施形態では、入射面の各セグメントは、そこに入射する実質的に全ての光源光線を実質的に互いに平行であるが別のセグメントによって反射された光線とは異なる平均角度で屈折させるように、付形される。一部の実施形態では、方法は、出射面に小型レンズ、マイクロレンズ、マイクロプリズム、マイクロシリンダ、およびテクスチャー加工のいずれかを加えることをさらに含み得る。

方法はまた、２つ以上の光源からの光を受光する光学装置の設計に適用し得る。

別の例示的な態様では、光軸の周りに配置され、かつ入射面、出射面、およびそれらの間に延在する周囲面によって特徴付けられるレンズ本体を含む光混合レンズが提供される。入射面は、少なくとも１つの光源から（あるいは、少なくとも２つの光源から）の光を受光する中心キャビティを形成し得る。中心キャビティは、例えば、少なくとも１つの光源に面するかまたはそこに指向する物理的または光学的な頂点（例えば、光軸上にまたはその付近に位置し得る）を備える反射円錐体によって画成された反射部分を有し得る。反射円錐体は、例えば、金属化によって正反射するように構成し得る。中心キャビティはまた、例えば、反射円錐体に対向する外側壁によって画成されかつそこから反射された光を受光するように構成された光透過部分を有し得る。光透過部分は、入射光を周囲面の方へ結合させて、周囲面は、その光を内部全反射して、例えば、出射面へ向け、そこで光がレンズから出射するように構成され得る。出射面は、小型レンズ、マイクロレンズ、マイクロプリズム、マイクロシリンダ、およびテクスチャー加工表面のいずれかを含み得る。

さらに別の例示的な態様では、光軸の周りに配置され、かつ出射面と、少なくとも１つの光源からの（あるいは、２つ以上の光源からの）光を受光する複数の反射性入射面とを含む光学本体を含む光混合光学部品が提供される。複数の反射面は、その光の実質的に全てを光学本体の外側面へ反射するように構成し得る。反射性入射面には様々な構成が可能である。例えば、複数の反射性入射面は、例えば、（ｉ）少なくとも１つの光源からの光を、光軸を横切って光学本体へ反射させるための、光軸に面した第１の反射面、および（ｉｉ）少なくとも１つの光源からの光を、光軸から離れて光学本体へ反射させる、光軸からそれた方向に向いた第２の反射面を含み得る。一部の実施形態では、第１の反射面は、光軸の方向に関して、少なくとも１つの光源と第２の反射面との間に配置し得る。一部の実施形態では、第２の反射面は、頂点が複数の光源に向いた円錐面を含む。円錐面は、光軸上にまたはその付近に配置された物理的な頂点を有し得る。外側面は、第１および第２の反射面からそこに伝搬する光を、出射面に反射させ（例えば、正反射するように金属化し得る）、そこで光が光学部品から出射するように構成し得る。出射面は、小型レンズ、マイクロレンズ、マイクロプリズム、マイクロシリンダ、および表面テクスチャー加工のいずれかを含み得る。

さらに別の例示的な態様では、少なくとも１つの光源からの光を受光する近位端部と、その光を出射する遠位端部との間の光軸に沿って延在し、かつ光を（例えば、金属化面によって）反射するように構成された内部表面を有する反射本体を含む光混合光学部品が提供される。光学部品はまた、頂点が少なくとも１つの光源に向いている反射本体の近位端部と遠位端部との間に配置された反射性円錐体を含み得る。反射性円錐体は、光源からの光を受光し、かつその光の向きを（例えば、その金属化面からの反射によって）反射本体の内部表面へ変え、それにより、その光の向きを反射本体の遠位端部へ変えるように構成され得る。一部の実施形態では、反射性円錐体は、少なくとも１つの光源から放射されかつ光学部品によって受光される光の約５〜約３０％を受光しかつその向きを変えるようなサイズにされ、そのように配置し得る。一部の実施形態では、反射性円錐体は、少なくとも１つの光源から放射される光を受光しかつその向きを光軸に対して約１０〜約３０度の角度内で変えるようなサイズにされ、そのように配置し得る。光学部品はまた、反射本体
の遠位端部にわたって延在する出射面を含むことができ、その出射面は、小型レンズ、マイクロレンズ、マイクロプリズム、マイクロシリンダ、および表面テクスチャー加工のいずれかを含む。

さらに別の例示的な態様では、入射面、出射面、およびそれらの間に延在する周囲面を有するレンズ本体を含む光混合光学部品が提供される。入射面は、少なくとも１つの光源（あるいは、複数の光源）からの光を受光するように構成し得る。出射面には中心キャビティが形成されており、中心キャビティは、レンズ本体からキャビティまで延在する複数の突起を含み得る。一部の実施形態では、突起は、キャビティの近位端部から出射面まで延在し得る。突起は、光源から受光した光が内部全反射されかつ光の向きを周囲面へ変えられるように構成された面に存在し得る。周囲面は、突起から向きを変えられた光が、出射面へ内部全反射されてレンズ本体から出射するように、構成されている。

一部の実施形態では、突起は、突起において内部全反射する光が、突起を出るように向きを変えられかつキャビティの側壁において再びレンズ本体に入射するように構成され得る。一部の実施形態では、レンズ本体は、少なくとも１つの光源からの、入射面によって受光された光の実質的に全てが、少なくとも１つの光源から直接かまたは突起によって向きを変えられるかのいずれかによって周囲面で受光されるように構成し得る。

別の例示的な態様では、複数の光学素子から受光した光を受光しかつ拡散させるための、複数の光学素子に光学的に結合され拡散プレートを含む光学系が提供される。拡散プレートは、複数の光学素子からの光を受光するための入射面と、小型レンズ、マイクロレンズ、マイクロプリズム、マイクロシリンダ、および表面テクスチャー加工のいずれかが形成された出射面とを有し得る。拡散プレートは、上述の（例えば、光混合レンズ、反射本体など）および／または例えば図１−図１７に関連して以下説明する光学素子のいずれかと併用し得る。

例えば、一実施形態では、光学素子の１つ以上は、光軸の周りに配置されかつ出射面、入射面、および入射面と出射面との間に延在する周囲面によって特徴付けられるレンズ本体を備えるレンズを含み得る。入射面は、少なくとも１つの光源からの光を受光するキャビティを形成し、かつ光軸上のまたはその付近の点に向けて先細となり得る。入射面は、少なくとも１つの光源からの、入射面で受光した光の少なくとも約８０％を、光軸から離れて周囲面へ屈折させるように付形し得る。周囲面は、キャビティからそこへ伝搬する光を出射面へ内部全反射させてレンズ本体から出射するように構成する。

別の例としては、一実施形態では、光学素子の１つ以上は、少なくとも１つの光源からの光を受光する近位端部と、その光を拡散プレートへ出射させる遠位端部との間で、光軸に沿って延在する反射本体を含み得る。光学素子はまた、光の反射用に構成された内部表面を有し得る。光学素子はまた、頂点が少なくとも１つの光源に向いている、反射本体の近位端部と遠位端部との間に配置された反射性円錐体を含み得る。反射性円錐体は、光源からの光を受光しかつその光の向きを反射本体の内部表面へ変え、それにより、その光の向きを反射本体の遠位端部へ変え、そこで光が光学素子から出射するように構成し得る。

添付の図面と共に以下の詳細な説明を参照することによって、本出願の種々の態様がさらに理解される。

光混合レンズおよび２つの光源の一実施形態の断面を概略的に示す図であり、例示的な光線トレースは、右側の光源から放射された光を表す。 図１に示す光混合レンズの断面を概略的に示す図であり、追加的な例示的な光線トレースは、右側の光源から放射された光を表す。 図１に示す光混合レンズの断面を概略的に示す図であり、追加的な例示的な光線トレースは、左側の光源から放射された光を表す。 図１に示す光混合レンズの断面を概略的に示す図であり、追加的な例示的な光線トレースは、右側および左側の光源から放射された光を表す。 図１に示す光混合レンズの断面を概略的に示す図であり、追加的な例示的な光線トレースは、例示的な光線トレースは、右側および左側の光源から放射され中心キャビティの近位部分を通過する光を表す。 図１に示す光混合レンズの断面を概略的に示す図であり、追加的な例示的な光線トレースは、右側および左側の光源から放射され中心キャビティの遠位部分を通過する光を表す。 図１に示す光混合レンズの断面を概略的に示す図であり、追加的な例示的な光線トレースは、右側の光源から放射され、レンズを通過しかつ標的表面に当たる光を表す。 図１に示す光混合レンズの断面を概略的に示す図であり、追加的な例示的な光線トレースは、左側の光源から放射され、レンズを通過しかつ標的表面に当たる光を表す。 図１に示す光混合レンズの断面を概略的に示す図であり、追加的な例示的な光線トレースは、左側の光源および右側の光源から放射され、レンズを通過しかつ標的表面に当たる光を表す。 図１に示す光混合レンズの断面を概略的に示す図であり、追加的な例示的な光線トレースは、左側の光源および右側の光源から放射され、レンズを通過しかつ標的表面に当たる光を表す。 中心反射円錐体および２つの光源を備える光混合レンズの別の実施形態の断面を概略的に示す図である。 中心キャビティに配置された複数の光反射面と２つの光源とを備える光混合光学部品の例示的な実施形態の断面を概略的に示す図である。 ２つの光源を備える光混合光学部品の別の例示的な実施形態の断面を概略的に示す図である。 例示的な光線トレースが、左側の光源から放射された光を表す、図１３に示す光学部品の断面を概略的に示す図である。 例示的な光線トレースが、右側の光源から放射された光を表す、図１３に示す光学部品の断面を概略的に示す図である。 単一光源を備える光混合光学部品の別の例示的な実施形態の断面を概略的に示す図である。 外側面にデッドゾーンのある光混合レンズの例示的な実施形態を概略的に示す。 光混合レンズに光学的に結合された拡散体を備える光学系の例示的な実施形態の断面を概略的に示す図である。

本出願では、とりわけ、１つ以上の別個の光源から光を受光できる光学装置および照明系、および関連の方法について説明する。一般に、光学装置および照明系は、例えば、光を受光して、それをレンズから標的表面まで、例えば、均一に、パターン状に、または他の制御された方法で投影させることによって、２つ以上の別個の光源から受光した光を混合する。多くの場合、２つ以上の光源は、異なる波長（または異なる波長のセット）の光を生じてもよい。多くの場合、そのような違いが、異なる色の光を生成する光源、および混色器として機能するレンズおよび／または系をもたらす。しかしながら、本願明細書に記載する光学装置および照明系はまた、同じまたは類似の波長の光を生成する光源と使用することもできる。さらに、他の応用では、本願明細書に記載する光学装置および照明系
を単一光源と用いることができる。例えば、一部の実施形態では、例えば大型の単一光源を、本レンズおよび系と使用して、光源の各部分からくる光を混合する（例えば、場合によっては、光源のサイズは、点光源として扱うことができないことを意味するため）および／または光源像形成を低減することができる。さらに、一部の実施形態では、本発明の光学装置および系を、集合的に単一の大型光源を構成する、空間的に離れた個々の単一色光源によって生成された光を効果的に混合するために使用できる。

本願明細書に記載の素子および方法は、発光ダイオードおよび白熱電球、または他の干渉性もしくは非干渉性の光源を含め、様々な光源と使用できる。そのような素子および方法は、例えば、とりわけ、スポット照明、特別仕様の／調整可能な照明系、住宅照明、閃光灯、着用可能なヘッドランプまたは他の体に装着できる照明を含め、広範に応用できる。

本出願を通して、用語「例えば（ｅ．ｇ．）」は、非限定的な用語「例えば（ｆｏｒ ｅｘａｍｐｌｅ）」の省略形として使用する。明記するか否かにかかわらず、本願明細書に記載する光学装置の特性は全て一例にすぎず、必ずしも条件ではないことを理解されたい。図面は全て本発明の例示的な実施形態を示すにすぎない。

図１を参照すると、例示的な一実施形態では、レンズ１００は、光軸１０４の周りに配置されたレンズ本体１０２を含むことができる。この実施形態では、レンズ本体１０２は、中心部分１０８（「中心後面」）と周囲部分１１０（「周囲後面」）とで構成された後面１０６を有する。後面１０６は、入射面１０８と周囲面すなわち外側面１１０とを有することを特徴とするか、または本願明細書ではそれらを有するとみなすことができる。レンズ本体１０２はまた、前面１１２（本願明細書では出射面とも称す）を含む。小型レンズ１２８のアレイ（以下詳細に説明する）が、前面１１２に形成される。任意の数の光源を用いることができるが、図１には、レンズ本体１０２の近位端部にある発光ダイオードなどの空間的に離れた２つの光源１１４、１１６を示す（図示のように、図１のレンズ本体１０２は軸方向に対称であり、図１は、断面を示すにすぎないことを理解されたい）。

一般的に言えば、この実施形態では、中心後面１０８は、後面１０６に形成された凹部またはキャビティ１０９を形成する。キャビティ１０９は、キャビティ１０９内に光源１１４、１１６（例えば発光ダイオードパッケージ）自体を収容するように構成できる。他の実施形態では、光源１１４、１１６をレンズの近位に配置することができ、キャビティは、光源からの光のみを受光することができる。それとは関係なく、この実施形態では、中心後面１０８は光源１１４、１１６からの光を受光し、および光源１１４、１１６からの光をレンズ本体１０２へ結合させる。光源１１４、１１６によって放射された光は、中心後面１０８で屈折されてレンズ本体１０２に入射する。周囲後面１１０は、例えば、上面に金属被膜を形成することによって達成できるような内部全反射や正反射などの広範なメカニズムによって光を反射させるように適合できる。図１に示す実施形態では、周囲後面は、キャビティ１０９から受光した光を実質的に全て、内部全反射によって反射させる。内部全反射された光は前面１１２まで進み、前面１１２を通る光は、小型レンズアレイ１２８を通って（例えば、屈折により）レンズ本体１０２から出射し、そして標的表面の方へ伝搬する。

当該技術分野で公知のように、内部全反射は、屈折率の大きい媒体を通る光が、異なる屈折率を有する２つの媒体の間の境界面で、その法線に対し臨界角を超えるある角度で境界面に入射するときに、発生し得る。臨界角は、以下の式：

（式中、ｎ_１は、屈折率の大きい方の媒体の屈折率であり、ｎ_２は、屈折率の小さい方の媒体の屈折率である）
によって定義できる。

図１に戻ると、キャビティ１０９を形成する中心後面１０８は、中心後面に光を直接通さないようにするかまたはそれを減少させるように、例えば光軸１０４に平行に光を通さないようにするか、および／または投影光における光源１１４、１１６の像形成を回避または減少させるように、付形される。さらに、多くの実施形態では、中心後面１０８は、そこに入射する光が周囲面１１０へ伝搬するのを最大にするように付形され得る。図１に示すように、中心後面１０８は、光軸１０４に沿った遠位にある点１２６に向けて先細になるようにキャビティ１０９を形成する。一部の実施形態では、面１０８は、光源１１４、１１６に向けて凸面を有し、点１２６に向けて先細になることができる。他の実施形態では、面１０８は、正の屈折力、例えば、面１０８に入射する光を収束させ、それを周囲面１１０へ向けることを特徴とし得る。多くの場合、中心後面１０８は、入射面１０８で受光した光の少なくとも約８０％を、光軸１０４から離れて周囲後面１１０へ屈折させる（他の実施形態では少なくとも約９０％、または少なくとも約９５％）。場合によっては、中心後面１０８は、入射面１０８で受光した実質的に全ての光を光軸１０４から離れて周囲後面１１０へ屈折させる。

用語「屈折」は、例えば、光線が１つの媒体（例えば、レンズ本体１０２の外部の空気）から別の媒体（例えば、レンズ本体１０２を構成する材料）へ進むときに発生し得るような、光線が方向を変えることを示すことを意味する。当業者は理解するように、光源１１４、１１６からの光の一部は、例えば、面１０８に対して垂直な方向で中心後面１０８に当たる場合に、方向を変えることなくレンズ本体１０２に入射できる。表現「実質的に全ての」光が屈折されるは、レンズを用いる目的に対しては重要でないごくわずかな部分を除いて、光の全てが屈折される、例えば、場合によっては、約９７％以上の光が屈折される、または他の場合には、約９８％以上、約９９％以上、または約１００％の光が屈折されることを意味する。反対に、場合によっては、約３％以下、または２％以下、または１％以下の光が、例えばキャビティ１０９の先細点１２６の頂点を通過することによって、光軸１０４に平行な方向に中心後面１０８を通過する。

一部の実施形態では、中心後面１０８は、約２５度以上（または他の場合には、約３０度以上、約４５度以上、または約６０度以上）の角度で光軸１０４から離れてこの面に入射する光の少なくとも約８０％（または他の実施形態では、少なくとも約９０％、少なくとも約９５％、または実質的に全て）を屈折させる。

図１に示すように、この実施形態では、中心キャビティ１０９は近位セクション１１８と遠位セクション１２０にセグメント化され、周囲後面１１０は近位セクション１２２と遠位セクション１２４とを有する。中心後面１０８の近位セクション１１８は、両光源１１４、１１６からの入射光の少なくとも約８０％（または他の実施形態では、少なくとも約９０％、少なくとも約９５％、または実質的に全て）を、周囲後面１１０の近位セクション１２２へと向きを変える（例えば、屈折する）ように適合され得る。中心後面１０８の遠位セクション１２０は、両光源１１４、１１６からの入射光の少なくとも約８０％（または他の実施形態では、少なくとも約９０％、少なくとも約９５％、または実質的に全
て）を、周囲後面１１０の遠位セクション１２４へと向きを変える（例えば、屈折する）ように適合され得る。表現「実質的に全ての」光は、レンズを用いる目的に対しては重要でないごくわずかな部分を除いて、全ての光がそのように通過すること、例えば、種々の実施形態では、中心後面１０８によってそのように通過した光の部分が、例えば、（入射光の）約９７％以上、約９８％以上、約９９％以上、または約１００％であることを示すことを意味する。

近位セクション１１８および遠位セクション１２０の特定の曲率プロファイルは広範に変動し得るが、図１に示す実施形態では、中心後面１０８の近位セクション１１８は直円錐台形状である。近位セクション１１８は、円錐、放物線、または実質的に任意の円錐の断面（例えば、光軸１０４に対して）のプロファイルを取ることができる。一部の実施形態では、中心後面１０８の近位セクション１１８は、光源からの入射光に対して凹面にすることができる。

図１に示すように、中心後面１０８の遠位セクション１２０は、光源からの入射光に対して凸面にある。他の実施形態では、遠位セクション１２０は、円錐、放物線、または実質的に任意の円錐の断面（例えば、光軸１０４に対して）のプロファイルを取ることができる。

他の実施形態では、中心後面１０８は、例えば、放物線、円錐、またはそれ以外の単一断面でありかつ両光源１１４、１１６からの光を周囲後面１１０に通過させる単一断面のみを有することができることを理解されたい。

一部の実施形態では、周囲後面１１０の近位セクション１２２および遠位セクション１２４は、周囲後面１１０の部位の異なる領域を指しているにすぎないとする。周囲後面１１０は、全体的にＵ字形状であり、多くの実施形態では、円錐、放物線、または実質的に任意の円錐の断面（例えば、光軸１０４に対して）のプロファイルを取ることができる。

しかしながら、他の実施形態では、近位セクション１２２および遠位セクション１２４は、（例えば、中心面１０８のセクション１１８、１２０と同様に）２つの個別のセクションとすることができ、それらのプロファイルは互いに異なり得る。これらセクション１２２、１２４の各々は全体的にＵ字形状とすることができ、多くの実施形態では、円錐、放物線、または実質的に任意の円錐の断面（例えば、光軸１０４に対して）のプロファイルを取ることができる。一部の実施形態では、遠位セクション１２４および近位セクション１２２のプロファイルは、形状が類似しているが、サイズは異なり得る。

図１−図６は、レンズ１００を通過する光を表す例示的な光線トレースを含む。図面の光線トレースは（本願明細書の図１−図１１全てを含め）、必ずしも、本発明の教示によるレンズまたは照明系を用いることによって達成し得るまたは達成する必要のある最適な結果を示すものではないことに留意されたい。さらに、当業者には、いずれかの一図に示す光線トレースは、必ずしも、光源１１４、１１６によって生成されるまたはレンズ１００に存在する光線全てを表すものではないと理解されたい。

図１は、光源１１６から生じて中心後面１０８の近位セクション１１８に入射する光線を示す。一部の光線（例えば、多くの実施形態では、ごくわずかな部分）は向きを変えられることなく直接通過することも可能であるが、光線は、近位セクション１１８によって屈折されて、周囲後面１１０の近位セクション１２２まで伝搬される。一部の光線（例えば、多くの実施形態では、ごくわずかな部分）は、向きを変えられることなく直接通過することも可能であることを理解されたい。

光線は、周囲面１１０において（例えば、内部全反射および／または正反射によって）前面１１２へ反射され、そこで小型レンズアレイ１２８を経由してレンズ１００から出射する。出射光線および小型レンズアレイ１２８を、以下、図７−図１０の例示的な光線トレースに関連して詳細に説明する。

図２は、光源１１６から生じて中心後面１０８の近位セクション１１８および遠位セクション１２０の双方に入射する例示的な光線を示す。近位セクション１１８に入射する光線は、図１に関連して上述したように伝搬する。ここでも、一部の光線は屈折されずに直接通過し得るが、遠位セクション１２０に入射する光線は、遠位セクション１２０により屈折され、周囲後面１１０の遠位セクション１２４に伝搬する。しかしながら、図２に示すように、一部の光線（例えば、例示的な光線２００）は、中心後面１０８の遠位セクション１２０から直接前面１１２まで伝搬できる。周囲後面１１０の遠位セクション１２４に入射する光線は、それにより前面１１２へ反射され、そこで小型レンズアレイ１２８を経由してレンズ１００から出射する。

図３は、光源１１４から生じて、中心後面１０８の近位セクション１１８に入射する例示的な光線を示す。ここでも、一部の光線は屈折されずに直接通過し得るが、光線は、近位セクション１１８によって屈折され、周囲後面１１０の近位セクション１２２に伝搬する。光線は、この面で前面１１２へ反射され（例えば、内部全反射および／または正反射によって）、小型レンズアレイ１２８を経由してレンズ１００から出射する。

図４は、光源１１４から生じて、中心後面１０８の近位セクション１１８および遠位セクション１２０の双方に入射する例示的な光線を示す。近位セクション１１８に入射する光線は、図３に関連して上述したように伝搬する。ここでも、一部の光線は屈折されずに直接通過し得るが、遠位セクション１２０に入射する光線は、遠位セクション１２０により屈折され、周囲後面１１０の遠位セクション１２４に伝搬する。しかしながら、図４に示すように、一部の光線（例えば、例示的な光線４００）は、中心後面１０８の遠位セクション１２０から直接前面１１２に伝搬し得る。周囲後面１１０の遠位セクション１２４に入射する光線は、それにより前面１１２へ反射され、そこで小型レンズアレイ１２８を経由してレンズ１００から出射する。

図５は、両光源１１４、１１６から生じて、近位セクション１１８において屈折されて周囲面１１０の近位セクション１２２に向けられる例示的な光線（すなわち、各光源からの光が、周囲面の同じセクションに向けられる）であって、そこで、上述のようにかつ図１および図３に別々に示したように出射面１１２へ反射される光線を示す。

図６は、両光源１１４、１１６から生じて、遠位セクション１２０において屈折されて周囲面１１０の近位セクション１２４に向けられる例示的な光線（すなわち、各光源からの光が、周囲面の同じセクションに向けられる）であって、そこで、上述のようにかつ図２および図４に別々に示したように出射面１１２へ反射される光線を示す。

図７は、図２に関連して上述したように、光源１１６から生じて、中心後面１０８の近位セクション１１８および遠位セクション１２０の双方に入射する例示的な光線の経路を示す。加えて、図７は、小型レンズアレイ１２８を経由してレンズ１００の前面１１２から出射し、標的表面７００に入射する例示的な光線をさらに示す。小型レンズアレイ１２８は様々な構成とし得るが、図７に示すように、アレイ１２８は複数のマイクロレンズを含み、それぞれが凸面を有して、焦点を合わせる力を提供する。一部の実施形態では、焦点を合わせる力は、例えば、約０．０５Ｄ〜約０．１Ｄの範囲、または他の実施形態では、約０．４Ｄ〜約０．６Ｄの範囲とし得る。曲率半径は約１０ｍｍ〜約２０ｍｍの範囲、または他の実施形態では約２．５ｍｍ〜約１．７ｍｍの範囲とし得る。

前面１１２で光を拡げるまたは混合する他の光学構造はまた、小型レンズアレイ１２８の一部としてまたはその代わりに使用することができる。例えば、他のレンズ（例えば、発散レンズ、回折レンズ）、表面テクスチャー加工（例えば、金型（ｄｉｅ−ｍｏｌｄ）で作製されるテクスチャー加工、または化学もしくは機械的エッチングまたは粗化を使用する）などを、所望の出力パターンおよび／または特性によって決定づけられるように前面１１２に使用することができる。他の例としては、マイクロレンズ、マイクロプリズム、およびマイクロシリンダを含む。

図８は、図４に関連して上述したような、光源１１４から生じて中心後面１０８の近位セクション１１８および遠位セクション１２０の双方に入射する例示的な光線の経路を示す。加えて、図８は、小型レンズアレイ１２８を経由してレンズ１００の前面１１２から出射する例示的な光線をさらに示す。

図９は、図５に関連して上述したように、両光源１１４、１１６から生じて中心後面１０８の近位セクション１１８に入射する例示的な光線の経路を示す。加えて、図９は、小型レンズアレイ１２８を経由してレンズ１００の前面１１２から出射する例示的な光線をさらに示す。

図１０は、図６に関連して上述したように、両光源１１４、１１６から生じて中心後面１０８の遠位セクション１２０に入射する例示的な光線の経路を示す。加えて、図１０は、小型レンズアレイ１２８を経由してレンズ１００の前面１１２から出射する例示的な光線をさらに示す。

本出願はまた、光混合レンズを設計する例示的な方法を提供する。そのようなレンズの設計は、光学装置の設計および／またはそのような光学装置から生成される光のシュミレートにコンピュータ支援モデルを使用することを含み得る。例示的な一手法では、レンズの設計は、レンズの各面または光学素子のための一連の設計目標またはパラメータと見なし得る。参照しやすいように、以下の説明では、図１に関連して上記で使用されたものと類似の用語を使用するが、これは、図１に示すレンズが以下の原理に従って設計される必要があること、または図１が、この例示的な設計プロセスの全ての部分を実施した結果を表すことを意味するとみなされるべきではない。

一実施形態では、設計方法は、入射面および出射面）を有する光学本体を提供することを含み得る。中心キャビティは、（例えば、特定の製造者製の）光源または複数の光源を収容する入射面によって画成され得る。中心キャビティを形成する面は、１つまたは複数の光源から受光しかつ光学本体によって受光した光の少なくとも約８０％、少なくとも約９０％、少なくとも約９５％、または実質的に全ての（例えば、約９７％以上、約９８％以上、約９９％以上、または約１００％）を、反射性の周囲面すなわち外側面へと向きを変えるように形成できる。これは、キャビティの表面を、実質的に全ての光を光軸から離れて光学本体へ屈折させるように付形することによって達成できる。キャビティの表面は、単一の屈折面、または連続面（例えば、図１に示すセクション１１８、１２０のように）を形成するように接合された区分面のいずれかとしてモデル化し得る。あるセクションに当たる各光線（例えば、入射光線）に関して、対応する屈折された出射光線は、光学本体と、詳細には、所望の箇所で光学本体の周囲面すなわち外側面のある位置で交差するように決定または計算され得る。一部の実施形態では、各セクションが、互いに平行な（例えば、屈折）光を生成するように、各セクションを設計できる。他の実施形態では、セクションは、（各セクション内で屈折された光線は互いに平行し得るものの）一方のセクションによって屈折された光線が、別のセクションによって屈折された光線に平行していないように設計できる。

光学本体、またはより具体的にはその外側面（そこに向かって光線が屈折された）は、主に光を出射面へ進めるように設計できる。セクションが、平行光線を生成するように設計された場合、外側面は、単一の滑らかな曲線とし得る。セクションが、他の１つまたは複数のセクションの光線に平行でない光線を生成するように設計された場合（例えば、各セクションに対して異なる平均角度）、一部の実施形態では、原理上図１７に示されているように、外側面１７１０のデッドゾーン１７０４に至る、隣接セクションのエッジ光線１７０２と１７０３との間の角度のある領域１７００を通過し得る光線はほとんどまたは全くない。そのような実施形態では、外側面１７１０を、デッドゾーン１７０４の両側でもう２つのセグメント１７０６、１７０８に分割でき、各セグメントは、出射面に進めるように光の向きを変えるように構成される。

外側面は、中心キャビティから入射する光を出射面へ（例えば、内部全反射または正反射によって）反射させるように付形し得る。出射面は主に平面として設計し得る。テクスチャー、マイクロレンズ、マイクロプリズム、マイクロシリンダ、または他の光を制御する構造を出射面に加えて、所望の光学的効果を達成する、例えば、光の混合を改善するおよび／または均一性を高めることができる。

他の実施形態では、図１を参照すると、キャビティ１０９を形成する面１０８は、周囲面１１０へ伝える入射光の量を最大にするように付形され、それは、一部の例では放物線状または実質的に放物線状とし得る。面１０８の形状が一定に保持され、ならびに光学部品が所望の所与の高さおよび幅であるようにすることによって、レンズ本体（例えば、面１１０を含む）を、メリット関数を最適にするように付形し得る。メリット関数は、レンズの光軸から角度（例えば、立体角）θ内側のレンズによって生成される束を最大にし、（例えば、標的表面の）所望の照明領域を規定し、また標的平面の第四象限（または他の数のセクタ）で収集された束の差を最小にできる。

例示的なメリット関数Ｆは：

（式中、φ_ｔｏｔは、光軸から角度θ内側の全光束を表し、φ_ｉ（ｉ＝１、２、３、４・・・ｊ）は、角度θ内側の像形成平面の各セクタ（例えば、各象限、その場合、ｉ＝１、２、３、４）の束を表し、およびφ_ｏｕｔは、θ超の角度での全セクタからの全光束を表す）
とし得る。

図１１は、光軸１１０４の周りに配置された光学部品１１０２を含むレンズ１１００の代替的な実施形態を示す。この実施形態では、光学部品１１０２は、中心部分１１０８（「中心後面」）と周囲部分１１１０（「周囲後面」）とで構成された後面１１０６を有する。光学部品１１０２はまた、前面１１１２を含む。任意の数の光源を用いることができるが、図１は、光学部品１１０２の後面１１０６に近位の２つの空間的に離れた光源１１１４、１１１６を示す。

この実施形態では、中心後面１１０８は、キャビティを形成し、円錐形状の反射セクション１１１８（例えば、反射円錐体）を含む。反射セクションは、光源１１１４、１１１６に面しかつそれらの方に向いている頂点を有する。図１では、頂点は物理的な頂点であ
るが、他の実施形態では、反射円錐体は、光学的な頂点を有する直円錐台形状とし得る（例えば、延伸させると、頂点を形成するように交差する側面を有する直円錐台）。反射セクション１１１８は、正反射面を提供するように金属化し得る。

中心後面１１０８はまた、光透過性セクション１１２０（例えば、屈折によって入射光線の向きを変えるか、または屈折させずにそれらを直接通過させる）を画成する。光透過性セクションは、反射セクション１１１８に面しかつそこに反射した光を受光する壁によって形成し得る。使用時、光源１１１４、１１１６から生じる図１１に示す例示的な光線１１３０のような光線は、反射セクション１１１８に入射し、そこから、光透過性セクション１１２０へ反射される。光線は、例えば、屈折によって、光透過性セクション１１２０を通って光学部品１１０２に入射し、周囲後面１１１０に伝搬し、そこで前面１１１２へ反射される。図１１は、前面１１１２に小型レンズアレイ１１２８を用いることができることをさらに示す。小型レンズアレイ１１２８は、図７−図１０に関連して上述した実施形態のいずれかに従って構成し得る。

他の実施形態では、光透過性セクション１１２０は、例えば、図１の中心前面１０８の近位セクション１１８および遠位セクション１２０に関連して上述したように、複数のセクションを有し得る。さらに、周囲後面１１１０は、例えば、図１の中心前面１０８の近位セクション１２２および遠位セクション１２４に関連して上述したように、複数のセクションを有し得る。

さらなる例示として、図１２は、本発明による光混合光学部品１２００の実施形態の例示的な実装例を概略的に示す。この実施形態では、光学部品本体１２０２は、２つの光源１２０４、１２０６に結合され、それらの光源から生成された光を受光する。この実装例では、光学部品１２００は、光源からの入射光を光学部品の周囲反射面１２１４へ反射させる複数の反射セクション１２２２、１２２４を有する後面１２１２（入射面）を含む。多くの場合、周囲反射面は、正反射するように構成され得る。例えば、面１２１４を、正反射するために金属化されたカップ状または放物線状の反射本体として実装し得る。しかしながら、一部の実施形態では、光学部品本体１２１４を光学物質で満たし、反射面１２１４を内部全反射面として構成することができる。

それとは関係なく、周囲反射面１２１２（外側反射面）は、入射光を光学部品の前（出射）面１２１６へ反射させ、そこを通って、光は、小型レンズアレイ１２２０を通過後に光学部品から出射して、標的表面１２１８に入射する。後面１２１２に入射する一部の光線は、後面の下部反射セクション１２２２と上部反射セクション１２２４で反射し、周囲面の方へ向けられる。他の光線は、直接、すなわち反射せずに周囲面に到達し得る。上部反射面１２２４を、光軸１２２６から外方を向くような向きにして、光源１２０４、１２０６からの光を光軸から離れて、周囲反射面１２１４へ反射させるようにし得る。下部反射面１２２２を、光軸に面する向きにして、光源１２０４、１２０６からの光を光軸１２２６を横切って、周囲反射面１２１４へ反射させるようにし得る。

図１３は、光混合光学部品１３００のさらに別の例示的な実施形態を示す。この実施形態では、光学部品１３００は、光軸１３２６の周りに配置された反射本体１３１４を含む。反射本体１３１４は、放物線状、またはほぼ放物線状とすることができ、かつ１つ以上の光源１３０４、１３０６からの光を受光する近位端部１３０２と、対向する遠位端部１３０３とを有し得る。反射本体１３１４の内部表面１３１４ａは、例えば金属化によって正反射するように構成し得る。

挿入体１３０８が、反射本体１３１４の遠位端部に配置されかつそれにわたって延在して広範な表面特徴１３２０を含み得る出射面１３１８を提供し得る。それら表面特徴は、
出射面１３１８に形成された、例えば、小型レンズ、マイクロレンズ、マイクロプリズム、表面テクスチャー加工または上述のものである。挿入体１３０８はまた、光軸１３２６に沿って近位に延在し、円錐状反射本体１３１２となる。一部の実施形態では、反射本体１３１２は、円錐状でなくてもよいが、その代わり、複数の反射平面で形成される（例えば、光学部品１３００が回転対称でなく、矩形の反射本体である場合）。反射本体１３１２を、頂点１３１２ａが光源１３０４、１３０６に面するまたはそれらに向くように配置し得る。この実施形態では、頂点１３１２ａは光軸１３２６上に配置する。使用時、光源１３０４、１３０６から放射された光は円錐状反射本体１３１２に当たり、円錐状反射本体１３１２は、その光を反射本体１３１４の内部表面１３１４ａの方へと向きを変える。多くの実施形態では、光源１３０４、１３０６から放射されかつ光学部品１３００によって受光された光の約５〜約３０％は、反射本体１３１２によって反射本体１３１４へ向きを変えられる。

他の光は、光源から面１３１４ａに直接伝搬する。反射本体１３１２は、その光、ならびに反射本体１３１２によって面１３１４ａへ向きを変えられた光を出射面１３１８へと向きを変えて、光学部品１３００から出射させる。当業者は理解するように、一部の光は光源から放射されて、例えば、反射本体１３１２または反射本体１３１４の面１３１４ａから反射されることなく、出射面１３１８に直接到達する。しかしながら、多くの実施形態では、光源１３０４、１３０６から放射されて光学部品１３００によって受光される光の少なくとも約８０％、少なくとも約９０％、または少なくとも約９５％、または実質的に全て（例えば、９７％以上、９８％以上など）が、反射本体１３１２または内部表面１３１４ａのいずれかによって向きを変えられる。他の実施形態では、反射本体１３１２は、１つ以上の光源１３０４および／または１３０６から放射された光を受光しかつ光軸１３２６から約１０〜約３０度の角度内でその向きを変えるようなサイズにされ、かつそのように配置される。

図１４および図１５は、光源１３０４および１３０６によってそれぞれ放射される例示的な光線を示す。例えば、図１４では、光源１３０４から放射される一部の光線は、反射本体１３１２によって反射され、反射本体１３１４の上部または遠位部分１４００に当たる。一部の光線は光源１３０４から放射され、反射本体１３１４の下部または近位部分１４０２に直接進む。図１５では、一部の光線が、光源１３０６から放射され、反射本体１３１２によって反射され、および光源１３０４から放射され反射本体１３１４に直接進む光線と反射本体１３１４の実質的に同じ部分１４００に当たる。

本願明細書で記載する全実施形態と同様に、図１３−図１５では２つの光源を示すが、光学部品１３００は、単一光源、または他の実施形態では、３つ以上の光源から光を受光するように構成し得ることを理解されたい。

図１６は、光混合光学部品１６００のさらに別の例示的な実施形態を示す。この実施形態では、光学部品１６００は、近位端部に、光源１６１０（単一光源として示すが、他の実施形態では、光学装置１６００は、２つ以上の光源から受光するように適合し得る）からの光を受光するための入射面１６０８を有する光学本体１６０２を含む。この場合、入射面１６０８は凹面状であり、光の経路を著しく変更することなく光源１６１０からの光を受光する（および／または光源１６１０自体を収容する）ように構成される。光学本体１６０２はまた、遠位端部に出射面１６０４を有する。周囲面１６０６は、入射面１６０８と出射面１６０４との間に延在する。

この実施形態では、中心キャビティ１６１２は出射面１６０４に形成されて、出射面１６０４が中心キャビティ１６１２を取り囲むようにする。図１６では、中心キャビティ１６１２は、光軸１６２６上に中心を置かれ、出射面１６０８はキャビティ１６１２を取り
囲んで、レンズ本体１６０２の周囲部を形成する。中心キャビティ１６１２の底部（または近位端部）の表面は、レンズ本体１６０２からキャビティ１６１２に延出する複数の突起１６１４を形成する。突起１６１４は、光源１６１０から受光した光が突起１６１４の表面で内部全反射され、それによりキャビティ１６１２の側壁１６１２ａへ向きを変え、そこで光がレンズ本体１６０２に再び入射して、周囲面１６０６まで伝搬されるように付形される。光は、この経路を進むときに壁１６１２ａで屈折され得る。例えば、この実施形態では、突起１６１４は、光源１６１０から伝搬する光に対して角度の付けられた表面を示して、光がそれらに臨界角超で当たり、内部全反射されるようにする。その結果、この実施形態では、突起１６１４は、キャビティ１６１２の底部に鋸歯状面を形成する。

図１６に示すように、光源１６１０によって放射された一部の光は、光学部品本体１６０２に入射し、突起１６１４から向きを変えられずに周囲面１６０６に直接伝搬する。多くの実施形態では、入射面１６０８に入射した光の少なくとも約８０％が、これら２つの方法、すなわち、光源１６１０から直接かまたは突起１６１４によって向きを変えることによるかのいずれか一方の方法で周囲面１６０６に到達する。他の実施形態では、入射面１６０８に入射した光の少なくとも約９０％、または少なくとも約９５％、または実質的に全てが、これら２つの方法、すなわち、光源１６１０から直接かまたは突起１６１４によって向きを変えることによるかのいずれか一方の方法で周囲面１６０６に到達する。

周囲面１６０６は、周囲面１６０６に入射する光（光源１６１０から直接伝搬する光と突起１６１４によって向きを変えられた光を含む）が、その表面で内部全反射され、出射面１６０４の方へ向きを変えられるように構成する。出射面は、他の実施形態に関して上述したようにそこに種々の表面特徴（例えば、小型レンズ、マイクロプリズム、表面テクスチャー加工など）のいずれかを形成され得る。

上述の光学装置のいずれか（例えば、図１−図１７に関連して図示および／または説明した素子のいずれか）を、拡散体（例えば、拡散プレートまたはパネル）、または、光を拡げる、パターニングする、および／または混合する他の光学素子と併用し得る。例えば、図１８は、いくつかの点で、図１に関連して説明したものと同様に実装するレンズ１８０１を備える光学系１８００を示す。レンズ本体１８０２は、入射面１８０８と、周囲面１８１０を備える出射面（第１の出射面）１８１２とを含む。入射面１８０８は、光源１８１４および１８１６からの光を受光する。この実施形態では、出射面１８１２は、光学的にニュートラルであり、表面特徴（例えば、小型レンズ、マイクロレンズ、マイクロプリズム、マイクロシリンダ、および表面テクスチャー加工）が全く形成されていない（しかし、他の実施形態では、出射面１８１２はそのような特徴を含む）。拡散体１８３０は、レンズ１８０１に光学的に結合され、かつ、レンズ１８０１からの光を受光する入射面１８３１と、複数の小型レンズが形成された出射面１８３２（第２の出射面）とを有する。この実施形態では、拡散体１８３０は、レンズ１８００から離間して配置されている（しかし、他の実施形態では、拡散体１８３０は、例えば出射面１８１２に隣接させてまたはその上面に直接配置することによって、レンズ１８０１の出射面１８１２のすぐ上に配置するように構成し得る）。しかしながら、多くの場合、拡散体１８３０の位置をレンズ１８００から離すと（例えば、軸１８０４に沿って）、光学系１８００の光の現れ方および性能が向上し得る、例えば、光学系１８００からの光の均一性が向上し得る。図１８に示すように、拡散体１８３０は１つのレンズ１８０１に結合されるが、一部の実施形態では、拡散体１８３０は、複数のレンズ１８０１または他の光学素子に適したサイズにされかつそれらに光学的に結合され、それら各々は、拡散体１８３０を通過する光を放射するコリメート装置として構成できる。

本願明細書に記載する原理に従って作製された光学装置および照明系は、場合によっては、様々な利点をもたらし得る。例えば、一部の実施形態では、それらは、光源から放射
された光線が、（例えば、光軸に実質的に平行な）その中心部分を直接通過しないようにし得る。一部の実施形態では、それらは、標的表面での光源の像形成を低減または阻止でき、光源の相対する角（ａｎｇｕｌａｒ ｓｕｂｔｅｎｓｅ）を保持する、および／または遠視野に不均一な色を生成する。さらに、場合によっては、光に異なる組の制御面を使用することは（例えば、図１に示す近位セクション１１８および１２４は１組として働き、および／または遠位セクション１２０および１２２は別の組として働く）、各組の制御面によって光を個別に制御できる能力を提供することによって、設計の融通性が著しく向上し得る。本願明細書に記載する原理に従って作製された光学装置および照明系は、場合によっては、少なくとも約８０％の効率を提供し得る（効率は、全光源光対出射面から出射する全光の比として測定される）。他の実施形態では、そのような光学系および／または照明系は、少なくとも約５０％の効率、少なくとも約６０％の効率、少なくとも約７０％の効率、または少なくとも約７５％の効率を示し得る。

本願明細書に記載する原理に従って作製された光学装置および照明系は、場合によっては、標的表面上で、２つ以上の別個の光源からの空間的な混合光を生成することができる。例えば、一部の実施形態では、１つの光源によってレンズを通して生成された標的表面の位置での明るさは、第２の別個の光源によってレンズを通して生成された明るさとほぼ等しくし得る。この場合、各光源は、ほぼ等しい強度の照明を生成している。換言すると、各光源によってレンズを通して生成された特定の位置での明るさの比は、約１／１とし得る。ここでは明るさは、例えば、平方センチメートル当たりのカンデラ単位で測定される。他の実施形態では、明るさの比率は約１／１〜約１／１．５の範囲、または他の実施形態では、約１／１〜約１／１．２５の範囲とし得る。場合によっては、そのような明るさの比率は、照明された標的領域にわたって実質的に均一とし得ることを理解されたい。

上述の説明は、必ずしも、本発明の教示による光学系または照明系を用いることによって達成し得るかまたは達成される必要のある最適な結果を説明するものではなく、特定の応用で可能とし得る例示的な利点を説明するにすぎないことに留意されたい。

本願明細書で説明する例示的な実施形態では、二次元の断面の観点から光学装置が示されかつ本願明細書に記載されるが、これは、三次元装置を作製するように、例えば、回転可能に空間的に拡張され得ることに留意されたい。一般に対称的、例えば、光軸１０４の周りで回転対称な三次元の拡張を用いることができるが、本願明細書の教示は、例えば長円形、放物線などの場合の非対称的な回転にも同様に適用できる。加えて、本願明細書に記載する光学装置は、例えば矩形の光学部品を作製するために直線的に拡張できる。

上述のいずれかのレンズまたは他の光学装置は、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ガラス、ポリカーボネート、環状オレフィンコポリマーおよび環状オレフィンポリマー、または任意の他の好適な材料で作製し得る。一例として、レンズは、射出成形、原料物質の固まりから反射本体またはレンズを機械的に切削するおよび／またはそれを研磨すること、回転するマンドレル上で金属シートを形成すること、いずれかの局所的なファセットの詳細を含め最終的な表面形状を表す金型間で金属シートをプレスすることなどによって形成できる。反射面は、スピニング加工や成形加工によって高反射性金属基板を使用することによって反射性金属（例えば、アルミニウム）被膜を堆積させる真空めっきプロセスによって作製できる。反射面のファセットは、射出成形、原料物質の固まりから反射本体またはレンズを機械的に切削するおよび／またはそれを研磨すること、いずれかの局所的なファセットの詳細を含め最終的な表面形状を表す金型間で金属シートをプレスすることなどによって作製できる。

本願明細書で参照したいずれかの文献または特許出願、ならびに添付の特許請求の範囲は、参照により本願明細書に援用され、本出願の開示および詳細な説明の一部を表すとみ
なされる。さらに、いずれかの例示的な実施形態に関連して図示したまたは説明した特徴は、任意の他の実施形態の特徴を組み合わせ得ることを理解されたい。そのような修正および変形は、本特許出願の範囲内にあると意図される。

Claims (59)

1. 光軸の周りに配置され、かつ出射面、入射面、および前記入射面と前記出射面との間に延在する周囲面によって特徴付けられるレンズ本体、
   を含む光混合レンズであって、
   前記入射面は、少なくとも１つの光源からの光を受光するためのキャビティを形成し、
   前記入射面は、前記少なくとも１つの光源からの、前記入射面で受光した前記光の実質的に全てを、前記光軸から離れて前記周囲面の方へ屈折させるように付形されており、
   前記周囲面は、前記キャビティからそこに伝搬する光が、前記出射面の方へ内部全反射されて前記レンズ本体から出射するように構成されている、光混合レンズ。
2. 前記入射面が、前記光軸上のまたはその付近の点に向けて先細になっている、請求項１に記載のレンズ。
3. 前記入射面が、前記光源に対して凸面になっており、かつ前記光軸上のまたはその付近の点に向けて先細になっている、請求項１に記載のレンズ。
4. 前記入射面が、少なくとも１つの光源からの光を受光し、かつその光の実質的に全てを正の屈折力で屈折させるキャビティを形成している、請求項１に記載のレンズ。
5. 前記出射面が、小型レンズ、マイクロレンズ、マイクロプリズム、マイクロシリンダ、および表面テクスチャー加工のいずれかを含む、請求項１に記載のレンズ。
6. 前記入射面が、前記少なくとも１つの光源からの受光した前記光の少なくとも約９７％を、前記光軸から離れて前記周囲面の方へ屈折させる、請求項１に記載のレンズ。
7. 前記入射面が、前記少なくとも１つの光源からの受光した前記光の少なくとも約９９％を前記光軸から離れて前記周囲面の方へ屈折させる、請求項１に記載のレンズ。
8. 前記入射面が、入射光の、前記周囲面への伝搬を最大にするように付形されている、請求項１に記載のレンズ。
9. 前記中心キャビティを形成する前記入射面が、異なる曲率プロファイルを有する近位セクションと遠位セクションとを含む、請求項１に記載のレンズ。
10. 前記近位セクションが、前記少なくとも１つの光源から受光した光に対して凹面となるように構成され、および前記遠位セクションが、前記少なくとも１つの光源から受光した光に対して凸面となっている、請求項９に記載のレンズ。
11. 前記近位セクションが、前記少なくとも１つの光源の各々からの光を前記周囲面の実質的に同様の領域（「第１の領域」）に向け、および前記遠位セクションが、２つ以上の光源の各々からの光を、前記第１の領域とは異なる実質的に同様の領域（「第２の領域」）に向ける、請求項９に記載のレンズ。
12. 前記入射面が、前記少なくとも１つの光源から受光した前記光の実質的に全てを、前記光軸から離れるように屈折させ、光が前記光軸に対して約２５度以上の角度で伝搬するようにさせる、請求項１に記載のレンズ。
13. 前記レンズが、前記少なくとも１つの光源によって生成された光を、前記入射面から前記出射面へ、約７０％以上の効率で結合させて、前記少なくとも１つの光源からの前記光
    を混合する、請求項１に記載のレンズ。
14. 前記少なくとも１つの光源が発光ダイオードを含む、請求項１３に記載のレンズ。
15. 前記少なくとも１つの光源が複数の光源を含む、請求項１に記載のレンズ。
16. 前記出射面から受光した光を受光しかつ拡散させるための、前記出射面に光学的に結合された拡散プレートをさらに含み、前記拡散プレートは、小型レンズ、マイクロレンズ、マイクロプリズム、マイクロシリンダ、および表面テクスチャー加工のいずれかが形成されている、請求項１に記載のレンズ。
17. 光軸の周りに配置され、かつ前面および後面によって特徴付けられるレンズ本体、
    少なくとも１つの光源からの光を受光するための、中心キャビティを形成する前記後面の中心部分（「中心後面」）であって、
    前記中心キャビティは、前記光軸上のまたはその付近の点に向けて先細になっていて、前記中心キャビティは、前記少なくとも１つの光源から前記中心キャビティに受光される前記光の少なくとも約８０％を、前記光軸から離れて前記後面の周囲部分へ屈折させるように付形されている、中心部分、
    前記中心キャビティから伝搬して入射した光を前記レンズ本体の前記前面へ内部全反射させ、前記前面で光が前記レンズ本体から出射するように構成された前記後面の周囲部分を含む光混合レンズ。
18. 前記前面に形成された、光を拡散させるための、小型レンズ、マイクロレンズ、マイクロプリズム、マイクロシリンダ、およびテクスチャー加工表面のいずれかをさらに含む、請求項１７に記載のレンズ。
19. 前記中心後面が、前記少なくとも１つの光源からの、前記中心キャビティに受光された前記光の少なくとも約９０％を、前記光軸から離れて前記後面の前記周囲部分へ屈折させる、請求項１７に記載のレンズ。
20. 前記中心後面が、前記少なくとも１つの光源からの、前記中心キャビティに受光された前記光の少なくとも約９５％を、前記光軸から離れて前記後面の前記周囲部分へ屈折させる、請求項１７に記載のレンズ。
21. 前記中心キャビティを形成する前記中心後面が、異なる曲率プロファイルの近位セクションと遠位セクションとを含む、請求項１７に記載のレンズ。
22. 前記近位セクションが、前記少なくとも１つの光源から受光した光に対して凹面となっていて、および前記遠位セクションが、前記少なくとも１つの光源から受光した光に対して凸面となっている、請求項２０に記載のレンズ。
23. 前記少なくとも１つの光源が発光ダイオードを含む、請求項１７に記載のレンズ。
24. 前記少なくとも１つの光源が複数の光源を含む、請求項１７に記載のレンズ。
25. 前記出射面からの光を受光しかつ拡散させるための、前記出射面に光学的に結合された拡散プレートをさらに含み、前記拡散プレートは、小型レンズ、マイクロレンズ、マイクロプリズム、マイクロシリンダ、および表面テクスチャー加工のいずれかが形成されている、請求項１７に記載のレンズ。
26. 複数のレンズからの光を受光しかつ拡散させるための、複数のレンズに光学的に結合された拡散プレートであって、前記複数のレンズからの光を受光するための入射面と、小型レンズ、マイクロレンズ、マイクロプリズム、マイクロシリンダ、および表面テクスチャー加工のいずれかが形成されている出射面とを含む拡散プレート；
    を含む光学系であって、前記複数のレンズの１つ以上が：
    光軸の周りに配置され、かつ出射面、入射面、および前記入射面と前記出射面との間に延在する周囲面によって特徴付けられるレンズ本体
    を含み、
    前記入射面が、少なくとも１つの光源からの光を受光するためのキャビティを形成し、前記入射面が、前記光軸上のまたはその付近の点に向けて先細になっていて、かつ前記少なくとも１つの光源からの、前記入射面で受光した前記光の少なくとも約８０％を、前記光軸から離れて前記周囲面へ屈折させるように付形されており、
    前記周囲面が、前記キャビティからそこへ伝搬される光を前記出射面へ内部全反射させて、前記レンズ本体から出射させるように構成されている、光学系。
27. 複数のレンズからの光を受光しかつ拡散させるための、複数のレンズに光学的に結合された拡散プレートであって、前記複数のレンズからの光を受光する入射面と、小型レンズ、マイクロレンズ、マイクロプリズム、マイクロシリンダ、および表面テクスチャー加工のいずれかが形成されている出射面とを含む拡散プレート；
    を含む光学系であって、前記複数のレンズの１つ以上が：
    光軸の周りに配置され、かつ出射面、入射面、および前記入射面と前記出射面との間に延在する周囲面によって特徴付けられる、レンズ本体
    を含み、
    前記入射面は、少なくとも１つの光源からの光を受光するキャビティを形成し、前記入射面は、前記少なくとも１つの光源からの、前記入射面で受光した前記光の少なくとも実質的に全てを、前記光軸から離れて前記周囲面の方に屈折させるように付形されており、
    前記周囲面が、前記キャビティからそこへ伝搬される光を前記出射面へ内部全反射させて、前記レンズ本体から出射させるように構成されている、光学系。
28. 少なくとも１つの光源から光を受光する光混合レンズを設計する方法であって、
    入射面、出射面、および前記入射面と前記出射面との間に延在する周囲面によって、レンズ本体を有するレンズを画成すること；
    前記入射面を、少なくとも１つの光源からの光を受光するように前記レンズ本体にキャビティを形成するように構成すること；
    前記入射面を複数の屈折セグメントにセグメント化すること；
    前記少なくとも１つの光源から放射されかつ前記入射面に入射する前記光の実質的に全てを前記周囲面の方へと向きを変えるように前記屈折セグメントを付形すること；
    前記向きを変えられた光が前記周囲面で内部全反射し、かつ前記出射面の方へ向けられて前記レンズ本体から出射するように、前記屈折セグメントおよび前記周囲面を付形すること
    を含む方法。
29. 前記入射面を、前記少なくとも１つの光源を収容するように前記レンズ本体にキャビティを形成するように構成することをさらに含む、請求項２８に記載の方法。
30. 前記入射面の各セグメントが、そこに入射する光源光線の実質的に全てを、実質的に互いに平行に屈折させるように付形されている、請求項２８に記載の方法。
31. 前記周囲面が連続面である、請求項３０に記載の方法。
32. 前記入射面の各セグメントが、そこに入射する光源光線の実質的に全てを実質的に互いに平行であるが別のセグメントによって反射された光線とは異なる平均角度で屈折させるように付形されている、請求項３１に記載の方法。
33. 前記光源から放射され前記入射面に入射する前記光の少なくとも約９７％を前記周囲面の方へと向きを変えるように前記屈折セグメントを付形することを含む、請求項２８に記載の方法。
34. 前記光源から前記レンズ本体へ放射された前記光の少なくとも約９９％を前記周囲面の方へと向きを変えるように、前記屈折セグメントを付形することを含む、請求項２８に記載の方法。
35. 前記出射面に小型レンズ、マイクロレンズ、マイクロプリズム、マイクロシリンダ、およびテクスチャー加工のいずれかを加えることをさらに含む、請求項２８に記載の方法。
36. 前記少なくとも１つの光源が複数の光源を含む、請求項２８に記載の方法。
37. 光軸の周りに配置され、かつ入射面、出射面、およびそれらの間に延在する周囲面によって特徴付けられるレンズ本体、
    を含む光混合レンズであって、
    前記入射面は、少なくとも１つの光源からの光を受光するために中心キャビティを形成し、
    前記中心キャビティは、前記少なくとも１つの光源に面する物理的または光学的な頂点を有する反射円錐体によって画成される反射部分と、前記反射円錐体に対向しかつそこで反射した光を受光するように構成された、外側壁によって画成される光透過部分とを有し、
    前記光透過部分は、入射光を前記周囲面へ結合させ、前記周囲面は、その光を内部全反射するように構成されている、光混合レンズ。
38. 前記出射面が、小型レンズ、マイクロレンズ、マイクロプリズム、マイクロシリンダ、および表面テクスチャー加工のいずれかを含む、請求項３７に記載のレンズ。
39. 前記反射円錐体が前記光軸上にまたはその付近に物理的な頂点を含む、請求項３８に記載のレンズ。
40. 前記反射円錐体が、正反射のために金属化される、請求項３８に記載のレンズ。
41. 前記少なくとも１つの光源が複数の光源を含む、請求項３７に記載のレンズ。
42. 光軸の周りに配置され、かつ出射面と、少なくとも１つの光源からの光を受光しかつその光の実質的に全てを光学本体の外側面へ反射する複数の反射性入射面とを含む光学本体を含む光混合光学部品であって、前記複数の反射性入射面が：
    （ｉ）前記少なくとも１つの光源からの光を前記光軸を横切ってかつ前記光学本体へ反射させる、前記光軸に面する第１の反射面；
    （ｉｉ）前記少なくとも１つの光源からの光を前記光軸から離れて前記光学本体へ反射させる、前記光軸からそれた方向に向いた第２の反射面
    を含み、
    前記外側面が、前記第１および第２の反射面からそこに伝搬する光を前記出射面へ反射させ、そこで光が前記光学部品から出射するように構成されている、光混合光学部品。
43. 前記外側面が、前記第１および第２の反射面からそこに伝搬する光を前記出射面へ、正反射によって反射させ、そこで光が前記光学部品から出射するように構成されている、請求項４２に記載の光学部品。
44. 前記第２の反射面が、頂点が前記少なくとも１つの光源に向く円錐面を含む、請求項４３に記載の光学部品。
45. 前記円錐面が、前記光軸上にまたはその付近に配置された物理的な頂点を有する、請求項４４に記載の光学部品。
46. 前記第１の反射面が、前記光軸の方向に対して前記複数の光源と前記第２の反射面との間に配置される、請求項４３に記載の光学部品。
47. 前記出射面が、小型レンズ、マイクロレンズ、マイクロプリズム、マイクロシリンダ、および表面テクスチャー加工のいずれかを含む、請求項４３に記載の光学部品。
48. 少なくとも１つの光源からの光を受光する近位端部と、その光を出射する遠位端部との間に、光軸に沿って延在し、かつ光を反射させるように構成された内部表面を有する反射本体；
    頂点が前記少なくとも１つの光源の方に指向する、前記反射本体の近位端部と遠位端部との間に配置された反射性円錐体であって、前記光源からの光を受光しかつその向きを前記反射本体の前記内部表面へ変え、それにより、その光の向きを前記反射本体の前記遠位端部へ変えるように構成されている、反射性円錐体
    を含む光混合光学部品。
49. 前記反射性円錐体が、前記少なくとも１つの光源から放射されかつ前記光学部品によって受光された前記光の約５〜約３０％を受光しかつその向きを変えるようなサイズにされ、かつそのように配置されている、請求項４８に記載の光学部品。
50. 反射性円錐体が、前記少なくとも１つの光源から放射された光を受光しかつその向きを前記光軸から約１０〜約３０度の角度内で変えるようなサイズにされ、かつそのように配置されている、請求項４８に記載の光学部品。
51. 前記反射本体の前記遠位端部にわたって延在する出射面をさらに含み、前記出射面が、小型レンズ、マイクロレンズ、マイクロプリズム、マイクロシリンダ、および表面テクスチャー加工のいずれかを含む、請求項４８に記載の光学部品。
52. 前記反射本体の前記内部表面の１つ以上および前記反射性円錐体が金属化されている、請求項４８に記載の光学部品。
53. 複数の光学素子から受光した光を受光しかつ拡散するための、複数の光学素子に光学的に結合された拡散プレートであって、前記複数の光学素子からの光を受光する入射面と、小型レンズ、マイクロレンズ、マイクロプリズム、マイクロシリンダ、および表面テクスチャー加工のいずれかが形成されている出射面とを含む拡散プレート；
    を含む光学系であって、
    前記複数の光学素子の１つ以上が：
    少なくとも１つの光源からの光を受光する近位端部と、その光を前記拡散プレートの方へ出射する遠位端部との間で、光軸に沿って延在する反射本体であって、光を反射させるように構成された内部表面を有する反射本体；
    頂点が前記少なくとも１つの光源の方に指向する、前記反射本体の近位端部と遠位端部
    との間に配置された反射性円錐体であって、前記光源からの光を受光し、かつその向きを前記反射本体の前記内部表面へ変え、それにより、その光の向きを前記反射本体の前記遠位端部へ変え、そこで光が前記光学素子から出射するように構成されている反射性円錐体を含む、光学系。
54. 入射面、出射面、およびそれらの間に延在する周囲面を有するレンズ本体
    を含む光混合光学部品であって、
    前記入射面は、少なくとも１つの光源からの光を受光するように構成され；
    前記出射面は、そこに形成された中心キャビティを有し、前記中心キャビティは、前記レンズ本体から前記キャビティに延在する複数の突起を含み、前記突起は、前記光源から受光した光が、内部全反射して、前記周囲面へ向きを変えるように構成された面を有し；
    前記周囲面は、前記突起からの向きを変えられた光が、前記出射面の方へ内部全反射して前記レンズ本体から出射するように構成されている、光混合光学部品。
55. 前記突起が、前記突起において内部全反射する光が前記突起の外側へ向きを変えられて前記キャビティの側壁において前記レンズ本体に再び入射するように構成されている、請求項５４に記載の光学部品。
56. 前記レンズ本体が、前記少なくとも１つの光源からの、前記入射面によって受光された光の実質的に全てが、前記少なくとも１つの光源から直接かまたは前記突起によって向きを変えられるかのいずれかによって、前記周囲面で受光されるように構成されている、請求項５４に記載の光学部品。
57. 前記突起が、前記キャビティの近位端部から前記出射面の方に延在する、請求項５４に記載の光学部品。
58. 前記出射面が、小型レンズ、マイクロレンズ、マイクロプリズム、マイクロシリンダ、および表面テクスチャー加工のいずれかを含む、請求項５４に記載の光学部品。
59. 前記少なくとも１つの光源が複数の光源を含む、請求項５４に記載の光学部品。

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