JP2014517441A - 昼光外観を得るための光学素子、照明システム、及び照明器具 - Google Patents

Abstract

光源１０２の前方で使用される、天空光外観を得るための光学素子１００、照明システム、及び照明機器が提供される。光学素子１００は、透光性チャネル１１６、光入射窓１０６、光出口窓１１０、及び壁１０８を有する透光性セルを備える。透光性チャネル１１６は、光源１０２によって放射された光１０４の一部を平行にする。光入射窓１０６は、透光性チャネル１１６の第一側に配置され、光源１０２から光１０４を受ける。光出口窓１１０は、天空光外観を有する光を放射する。光出口窓１１０の少なくとも一部は、前記透光性チャネル１１６の第一側とは反対の第二側に配置される。壁１０８は、光入射窓１０６と光出口窓１１０の前記一部との間に挟まれる。壁１０８は、透光性チャネル１１６を囲う。壁１０８の少なくとも一部は、光出口窓１１０の前記一部の法線に対して比較的大きな光出射角で青色光出射を得るよう、予め定義されたスペクトル域において反射性及び／又は透過性である。

Description

本発明は、昼光外観をつくり出すために使用される光学素子に関する。

米国公開特許出願ＵＳ２００８／０２７３３２３Ａ１は、ユーザーが心地よい光として感じる光を発するための特定の照明器具デザインを開示する。この照明器具は、メイン光源と付加的光源とを有する。付加的光源は、メイン光源の色分布とは異なる色分布の光を発する。メイン光源及び付加的光源の光は、照明器具のメイン光出口窓を通って出射される前に混合される。また、付加的光源によって出射された光の一部は、照明器具の側面や背後にある付加的光出口窓を通って出射されるよう照明器具の側面や背後に導かれる。このような照明器具は、メイン光出口窓を通じて白色光を出射し、また付加的光出口窓を通じて異なる色、例えば青色光を出射する機会を与える。

上記参考文献に係る照明器具は複雑な構成を有し、比較的多数の光学素子、例えば、それぞれ異なる色分布の光を発する少なくとも二つの光源、両光源の光を混合する手段、及び付加的光源の光を付加的光出口窓に向けてガイドするための導光構造等を要求する。このため、魅力的な発光をつくり出すための周知の照明器具は、比較的高価である。

本発明の目的は、よりコスト効率が良い、昼光外観をつくり出すための光学素子を提供することである。

本発明の第一の側面は、請求項１に記載の光学素子を提供する。本発明の第二の側面は、請求項１２に記載の照明システムを提供する。本発明の第三の側面は、請求項１４に記載の照明器具を提供する。有利な実施形態は独立請求項で定義される。

本発明の第一の側面に係る、天空光（スカイライト）外観を得るために光源の前方で使用される光学素子は、透光性セルを有する。透光性セルは、透光性チャネル、光入射窓、光出口窓、及び壁を有する。透光性チャネルは、光源によって出射された光の一部を平行にする。光入射窓は、透光性チャネルの第一側に配置され、光源からの光を受ける。光出口窓は、天空光外観を有する光を出射する。光出口窓の少なくとも一部は、透光性チャネルの第一側とは反対の第二側にある。壁は、光入射窓と光出口窓の前記一部との間に挟まれる。壁は、透光性チャネルを囲う。壁の少なくとも一部は、光出口窓の前記一部の法線に対して比較的大きな光出射角で青色光出射を得るよう、予め定義されたスペクトル域において反射性及び／又は透過性である。

生物にとっての昼光の重要性は、広く認識されている。昼光は、例えば人々の幸福、身体的及び精神的健康、並びに生産性に影響する。建物内では、昼光が建物の全ての空間で常に得られるとは限らず、そのような空間では人工的な昼光光源が広く利用されている。周知の昼光光源は、主に光強度、色温度及び／又は色点、色分布、並びに昼／夜リズムを再現するためのスローダイナミクスのパラメーターに焦点を当てている。発明者達は、昼光の他の特徴が重要であるという見識を持っている。昼光は、一つの光出射角で受けられる実質的に白色光である直射日光を含み、また昼光は、複数の光出射角のより青味がかった光を含む。本発明に係る光学素子は、この特徴に基づき昼光外観を生成する。

光入射窓から受けられた光は、少なくとも部分的には壁に衝突することなく光出口窓に向かって透光性チャネルを通過する。壁に衝突することなく光学素子を通過した部分は、光源によって出射される光分布と比較すると、光入射窓の法線に対して比較的小さい光放射角を有する光分布である。光源の光のこの部分は、平行光線になる。平行光線は、光源のスペクトルの光を有し、光源から出射された元の光と比べると、角光放射分布の角度だけしか変えられていない。

光入射窓によって受けられる光の他の部分は、壁に衝突し、反射、拡散、及び／又は通過する。光が衝突する又は通過する壁の少なくとも一部は、予め定義されたスペクトル域において反射性又は透過性である。予め定義されるスペクトル域は、壁に反射及び／又は壁を通過する光の色が青色光に変わるように選択される。言い換えれば、壁の予め定義されたスペクトル域で反射性及び／又は透過性な部分は、青の相補的な色の光を吸収する。特に、壁に衝突する光の光線の角度は、一般的に光入射窓の垂直軸に関して比較的大きく、一般的に壁に衝突しない光線の角度より大きい。壁に衝突し、反射又は通過する光線の垂線に関する角度は、平均では光出口窓の法線に対して比較的大きい。したがって、光出口窓では、色が青色に変わった光は比較的大きな出射角で出射され、一方で壁に衝突しなかった光は平行にされ、比較的小さな出射角で出射される。なお、光源が比較的大きな表面に沿って光を出射する場合、比較的小さい光出射角で進み、壁付近で透光性チャネルに入るいくらかの光線も壁に衝突する。したがって、壁に衝突する光線は平均的には比較的大きな光出射角で出射され、また、光源により比較的小さい光出射角で出射された光線は平均的には壁に衝突しない。

したがって、本発明に係る光学素子は、比較的小さい光出射角の、光源の光の特徴を有する光を含み、且つ比較的大きい光出射角の、より青色の光を含む光出射分布を光出口窓から出射する。特に、光源がＣＩＥ色空間において黒体線に近い色点を有する実質的白色光を出射する場合、比較的低い光出射角の光は、直射日光としてユーザーに感じられ、比較的幅広い光出射角の光は、昼光に存在するより青い拡散光としてユーザーに感じられる。したがって、天空光外観が得られる。

光学素子は、透光性チャネルを囲う、（少なくとも）部分的に青い壁から主に構成される構造を有する。したがって、光学素子は低コストで製造することができ、光源又は照明器具を変更することなく、既存の光源及び／又は照明器具の前方に配置することができる。したがって、この解決策は効果的、効率的、且つ比較的安価である。

なお、壁が透明な場合、壁の光が通過して出射される部分は光出口窓の一部となるため、光出口窓は第二側に配置された部分より大きくてもよい。光出口窓の第二側に配置された部分は、平行にされた光源の光を出射し、また、この部分から青味がかった光も出射されてもよい。光出口窓が第二側に配置されていない部分も有する場合、この部分から少なくとも青味がかった光が出射される。

透光性とは、透光性体に衝突した光の少なくとも一部は透光性体を通過することを意味する。本発明においては、透光性チャネルは平行にされた光源の光の色を変えないが、これは透光性チャネルが定義として完全に透明でないことを示唆しない。

一実施形態においては、透光性チャネルは透明である。透光性チャネルは、空気、又はガラス若しくは透明合成材料のような他の透明材料で充填されてもよい。さらなる実施形態においては、透光性チャネルは、透明な流体で充填された完全閉鎖空間である。

一実施形態においては、光入射窓は、光出口窓と平行に配置される。また、光入射窓から光出口窓へ延びる壁の仮想中心線は、光入射窓に対して垂直に配置される。

一実施形態においては、光学素子は、複数の透光性セルを備える。光学素子が複数の透光性セルを有する場合、光学素子は、比較的大きな光出射表面を有する光源又は照明器具の前方に用いられる。異なる透光性セルは、空間上に分布され、光源又は照明器具の光出射表面の他の部分の光を受ける。したがって、天空光外観をより広い表面に沿って得ることが可能であり、また、天空光も局所的な現象ではないので、これにより天空光外観もよりよいものになる。また、透光性セルの寸法は、光源の光のコリメーションに強く影響する。光源が点源ではない場合、昼光外観を得るためには透光性セルの寸法も拡大しなければならない。複数の透光性セルを並べて配置することで、各透光性セルは光源の限定された部分領域から光を受け、これにより透光性セルの寸法を縮小することができる。したがって、透光性セルの長さを減少することができ、比較的薄い層の透光性セルを、比較的大きい光出射表面を有する光源又は照明器具の前方に当てることができる。したがって、光源又は照明器具と光学素子との組み合わせの寸法は、許容可能範囲内に維持される。

さらなる実施形態においては、複数の透光性セルは、ラスター構造で配置される。これは、透光性セルが規則的なパターンで組み合わされるよう配置され、各透光性セルが複数の隣接する透光性セルを有し、全ての光入射窓は特定の方向を向き、したがって、全ての光出口窓は前記特定の方向とは反対の他の方向を向き、したがって、光学素子は隣接する透光性セルによって構成される層となることを意味する。光源が全ての透光性セルに同じ種類の光を供給すると仮定すると、透光性セルのラスター構造を有する光学素子は、比較的広範囲にわたり均質な光を提供する。さらに、隣接する透光性セルが壁を共有できる、すなわち、壁の一方の側面は第一の透光性セルに面し、他方の側面は第一の透光性セルに隣接する第二の透光性セルに面するので、光学素子は、非常に効率的に製造することができる。

他の実施形態においては、壁の厚さは、ラスター構造の間隔の１／３より小さい。ラスター構造の間隔は、ある透光性チャネルの中心点から隣接する透光性チャネルの中心点までの距離によって定義される。壁の厚さは、透光性チャネルに面する壁の表面から、隣接する透光性チャネルに面する壁の他の表面までの最短距離として定義される。壁の透光性セルの光入射窓側の端面は、光源から受ける光の一部をブロックする。言い換えれば、これらの端面に衝突する光は、透光性セルの透光性チャネル内に通されず、したがって透光性セルの光出口窓から出射されない。これは、光学素子の非効率性に寄与する。壁の厚さとラスター構造の間隔との比を１／３より小さく維持することで、非効率性は許容可能な境界内に維持される。また、壁の他の端面は、光出口窓側にいる観察者（光を見る人）に見える。見える壁の端面は、一様な天空光外観を阻害する可能性がある。このため、壁の厚さを許容可能な範囲内に維持すると都合がよい。

一実施形態においては、壁の厚さは、ラスター構造の間隔の１／５より小さい。これは、より高い効率性及びより良い天空光外観をもたらす。さらなる実施形態においては、壁の厚さは、ラスター構造の間隔の１／１０より小さく、これはさらに良い有利な効果をもたらす。

一実施形態においては、光源に面する壁の端面は、反射性、拡散反射性、又は、端面が拡散反射性の場合は白色である。この実施形態によれば、光入射窓側の壁の端面に光が衝突すると、光は反射及び吸収されず、光源又は照明器具により光学素子に反射し返される可能性がある。したがって、光源に面する壁の端面は、光を吸収せずに光のリサイクルに寄与する。

他の実施形態においては、複数の透光性セルのサブセットは、前記光出口窓の法線に対して、比較的大きな視野角で光学素子のほうを見ているユーザーに画像を提示するための、青色ではないスペクトル域で反射性及び／又は透過性である壁の部分を有する。壁の青色でない部分は、光源の光が衝突する部分領域、又は光源の光が通過する壁の部分空間である。したがって、複数の透光性セルのうちのいくつかの透光性セルは天空光外観に寄与し、他のいくつかの透光性セルは画像、例えば、非常サインを提示する。提示される画像が、例えば雲の画像、又は飛んでいる鳥の画像であった場合、画像もまた天空光外観に寄与することができる。なお、比較的大きい視野角は、光出口窓の法線に対して４５度より大きい角度である。任意で、一つの透光性セルの壁の異なる部分に異なる色を与えることで、観察者が異なる方向から光学素子のほうを見ると異なる画像を見ることができる。

他の実施形態においては、光学素子は、複数の伸長された層の伸長スタック（積み重ね）である。連続する層のペアは複数の点で結合される。連続する層の連続するペアは、異なる点で結合される。層は、透光性チャネルの壁を形成し、透光性チャネルは、伸長された層の伸長スタックの二つの連続する層の間の空間によって形成される。層の点状結合は、接着剤によって行われてもよい。このような光学素子は非常に効率的に製造することができる。青色材料の伸長された短冊（ストライプ）は、連続する層の連続するペアの接着点が、伸長された層をたどる方向で異なるように連続的に貼り合わされ、接着後、伸長された層のスタックは、光学素子を得るために伸ばされる。また、このような構造が効率的に製造できるという事実に加えて、この実施形態は、光学素子の流通及び保管において、さらなる利益をもたらす可能性がある。つまり、必ずしも層を貼り合わせた直後に層のスタックを伸ばさなくてもよい。これは、光学素子が光源又は照明器具の前方に配置される直前に行われてもよい。したがって、層を貼り合わせた後、スタックを最もコンパクトな形状で保管又は流通することができる。

一実施形態においては、透光性チャネルに面する壁の一側面は、拡散反射性である。このような壁は、壁に衝突する光を透光性チャネルに反射して戻し、そして壁が青色であるため、青色光が反射し戻される。この反射光のほとんどは、光出口窓の透光性チャネルから、直接又は一回若しくはそれ以上の追加反射の後、出射する。さらに、壁の拡散反射性側面は、青味がかった光の光出射角の有利な広がりをもたらす。この特徴を有する壁は、大きな材料の組みから製造することができる。二つの可能な例は、青色の色素を有するプラスチック、又は青色の反射性若しくは青色の拡散反射性コーティングが施された金属である。

他の実施形態においては、壁は透光性である。光が壁に衝突して、（青い）壁を通過する場合、比較的大きい出射角で光学素子から出射される光は、透光性壁を通過した光を含み、結果としてより青い（より飽和した青色である）。したがって、天空光外観に寄与する。青色透明合成材料などの様々な材料を使用することができる。複数の透光性セルがラスター構造で配置された場合において、観察者が青色の透光性壁を有する光学素子のほうを見ると、青味がかった光は、大きい視野角でより（飽和した）青色になる。光は、光入射窓の法線に対して比較的大きい光出射角で衝突し、連続する透光性セルのいくつかの青色透光性壁を一回以上通過し、これにより青色は、そのような壁の通過毎に強化される。この効果は、ユーザーにより心地よい天空光外観として感じられる。

一実施形態においては、透光性チャネルの直径と透光性チャネルの長さとの間の比は、０．２より大きい。透光性チャネルの直径は、光入射窓に平行な仮想平面に沿う、透光性チャネルの中心点を通る全ての可能な仮想直線の、壁の一方の点から壁の他の点までの距離の平均として定義される。透光性チャネルの長さは、壁に平行な直線に沿って測定される、光入射窓と光出口窓との間の距離の平均として定義される。過度のグレア（ぎらつき）を防ぐため、６０度より大きい光出射角の光を過度に出射すべきではない（例えば、１０００ニット又はカンデラ／平方メートルより少ない）。上記比が０．２より大きい場合、すなわち、透光性チャネルが比較的平坦である場合、あまり多くの光が壁に衝突せず、結果として、あまり多くの光が反射又は拡散反射されず、６０度、又はさらに小さい光出射角、例えば３０度より大きい角度で光出口窓から出射される。なお、比較的大きい光出射角での光出射は、光源の特徴にも依存する。光源が比較的大きい光出射角の光を少量しか出射しない場合、壁にはあまり多くの光がぶつからない。光源が、出射する光のうち、かなりの量を比較的大きい光出射角で出射する場合、壁は相対的にはるかに多い光を反射する。したがって、上記比は光源の特徴にも適合されるべきである。

他の実施形態においては、透光性チャネルの直径と透光性チャネルの長さとの比は、０．５より大きい。

一実施形態においては、透光性チャネルの最長直線距離と透光性チャネルの高さとの比は、１．０より大きい。

他の実施形態においては、光入射窓に平行な仮想平面に沿う透光性チャネルの断面形状は、円、楕円、三角形、正方形、長方形、及び六角形のうちの一つである。透光性チャネルがこの実施形態に係る形状を有する場合、空間効率の良い光学素子を作成することができる。また、複数の透光性セルがラスター構造で配置され、透光性セルがこのような形状の透光性チャネルを有する場合、透光性セルの間で多くのスペースを失うことなく、複数の透光性セルを非常に効率的に配置することができる。

一実施形態においては、光学素子は、光拡散体及び／又は他の光拡散体をさらに有する。光拡散体は、光出口窓から出射される光を拡散するために、透光性セルの光出口窓に配置される。他の光拡散体は、光入射窓から出射される光を拡散するために、光入射窓に配置される。光拡散体及び／又は他の光拡散体は、光を弱く拡散すべきである。弱い光拡散体は、光源から直接発せられる（白色）光と、より青味がかった光との間のより滑らかな遷移に寄与し、複数の透光性セルのラスターの前方で用いられた場合、より一様な光出射及び壁の端面を隠すことをもたらすことができる。

なお、拡散体は、出口窓から限定された距離に配置されてもよい。光は空気中で混合する距離を有するため、これはセルの壁のよりよい遮蔽をもたらす。拡散体は、チャネルに積層されてもよく、この場合、拡散体のための機械的に硬い基板が必要ないため、低コストである。

なお、ＬＥＤのような点光源が付加的な光学素子なく用いられる場合、拡散体は、光源の点状且つ非常に眩しい外観を隠すことを助ける。また、透光性チャネルが透過性壁を有する場合、透光性チャネルと壁との間の境界面における光の多数の反射及び通過のため、大きい角度では個々の点光源はほとんど見えなくなる。これは相当な利点である。

他の光拡散体は、点光源の非常に眩しい点状という性質を隠すために、透光性セルの光入射窓に配置してもよい。

光出口窓又は光入射窓にそれぞれ直接当てられる光拡散体又は他の光拡散体の利益は、拡散体がさらに透光性セルに機械的な剛性を提供することである。他の実施形態においては、光拡散体及び／又は他の光拡散体は、光拡散体を通過する角光出射分布の半値全幅（ＦＷＨＭ）角度を２０度以下増加させる。

光拡散体が過度に拡散する、すなわち、角光分布の角度が過度に増加された場合、光源から直接発せられた（白色）光と、より青味がかった光とが全ての光出射角で過度に混合されるため、光学素子によって生成された天空光外観は解消される。したがって、拡散は許容範囲内に維持されるべきであり、このため角光分布のＦＷＨＭ角度の最大増加は２０度である。

光拡散体及び他の光拡散体は、異方性拡散体であってもよく、これはＦＷＨＭ角度の増加がいくつかの方向で他の方向より大きい、例えば、ｘ方向で５度、ｙ方向で１０度であってもよいことを意味する。

一実施形態において、光拡散体及び／又は他の光拡散体は、弱い光拡散体を通過する角光出射分布の半値全幅（ＦＷＨＭ）を１０度以下増加させる。

他の実施形態において、光拡散体及び／又は他の光拡散体は、弱い光拡散体を通過する角光出射分布の半値全幅（ＦＷＨＭ）を５度以下増加させる。

本発明の第二の側面によれば、光源と、本発明の第一の側面に係る光学素子とを有する照明システムが提供される。光源は、光学素子の光学セルの光入射窓に向けて光を出射するよう構成されている。

本発明の第二の側面に係る照明システムは、本発明の第一の側面に係る光学素子と同じ利益を提供し、光学素子の対応する実施形態と同様な効果を有する同様な実施形態を有する。

一実施形態においては、光源はある色点の光を出射するよう構成されている。色点は、色空間の黒体線に近い点である。したがって、光源は白色光を発する。直射日光も、色空間の黒体線に近いある色点の光である。黒体線上の色点の光は白色光に対応するため、好適な実施形態において、色点は黒体線上の点である。大気を通り抜けた太陽光の色点は、正確に黒体線上にある色点の光からわずかにずれる可能性もあるため、この実施形態において、色点は黒体線付近でもよい。色空間は、例えば、ＣＩＥｘｙｚ色空間である。

本発明の第三の側面によれば、本発明の第一の側面に係る光学素子を有する、又は本発明の第二の側面に係る照明システムを有する照明器具が提供される。

本発明の第三の側面に係る照明器具は、本発明の第一の側面に係る光学素子と同じ利益を提供し、また、対応する光学素子の実施形態と同様な効果を持つ同様な実施形態を有する。

本発明のこれら及びその他の側面は、以下に説明される実施形態から明らかであり、それらの実施形態を参照して説明される。

本発明の上記実施形態、実施、及び又は側面の二つ又はそれ以上が、有用であると見なされる任意の態様で組み合わされうることは、当業者によって理解される。

光学素子の改良例及び変形例、並びに、説明された光学素子の改良例及び変形例に対応する照明システム又は照明器具の改良例及び変形例は、本明細書に基づき当業者によって実施できる。

図１は、本発明の第一の側面に係る光学素子を概略的に示し、また、本発明の第二の側面に係る照明システムを概略的に示す。 図２は、本発明の第一の側面に係る光学素子の他の実施形態を概略的に示す。 図３は、複数の透光性セルを含む光学素子の断面図を概略的に示す。 図４ａは、光学素子の代替的な実施形態を概略的に示す。 図４ｂは、光学素子の他の代替的な実施形態を概略的に示す。 図５ａは、ラスター構造の複数の透光性セルを含む光学素子の実施形態を概略的に示す。 図５ｂは、他のラスター構造の複数の透光性セルを含む光学素子の他の実施形態を概略的に示す。 図６ａは、複数の透光性セルを含む光学素子の実施形態の光入射窓に平行な平面に沿う断面図を概略的に示す。 図６ｂは、複数の透光性セルを含む光学素子の他の実施形態の断面図を概略的に示す。 図６ｃは、複数の透光性セルを含む光学素子のさらなる実施形態の断面図を概略的に示す。 図７は、本発明の第三の側面に係る照明器具を概略的に示す。

なお、異なる図で同じ参照番号によって示された項目は、同じ構造的特徴及び同じ機能を有する、又は同じ信号である。そのような項目の機能及び／又は構造が説明された場合、発明の詳細な説明において、重複する説明の必要はない。

図は完全に図示的であり、縮尺通りではない。特に明瞭さのために、いくつかの寸法は強く誇張されている。

発明の詳細な説明

光学素子１００の第一実施形態を図１に示す。光学素子１００は、光源１０２とともに照明システム１１８を形成する。光学素子１００は、光入射窓１０６、光出射窓１１０、透光性チャネル１１６、及び壁１０８を有する透光性セルを備える。壁１０８は、透光性セル１１６を囲い、光入射窓１０６と光出射窓１１０との間に挟まれる。光入射窓１０６は、光源１０２からの光１０４を受ける。光源１０２によって放射される光１０４は、色空間（例えば、ＣＩＥｘｙｚ色空間）中の特定の色点のような特定の特徴を有し、光１０４は、特定の角発光分布内で放射される。壁１０８によって形成される透光性チャネル１１６は、光源１０２から光入射部１０６を通じて受ける光１０４の平行に（コリメート）された部分を通過させる。この部分は、光源１０２によって放射された光１０４と同じ色の光を有するコリメート光線１１４として、光窓出口１１０から出射される。光源１０２から光入射窓１０６を通じて受ける光１０４の他の部分は、透光性チャネル１１６に面する壁の表面に衝突する。光が衝突又は通過する壁１０８の一部は、予め定義されたスペクトル域において、少なくともそれぞれ反射性又は透過性である。予め定義されたスペクトル域は、比較的大きい光出射角度で光出口窓から透光性セルによって出射される光の部分が、青色のようなものである。光出射角度は、光出口窓の法線に対して定義される。したがって、光源１０２によって放射される光１０４が白色の場合、予め定義されたスペクトル域は、主に青色を含む。したがって、壁１０８の内側表面が反射性である場合、壁１０８の内側表面は青色である。壁が（部分的に又は全面的に）透過性である場合、壁１０８の内側表面は青色である、又は壁１０８の内部は青色である。したがって、壁の内側表面に衝突する光は、青色光として壁に反射される、又は青色光として壁を通過し、その結果、青色光１１２は比較的大きい光出射角度で出射される。

したがって、光学素子１００は、光源１０２の光１０４と同じ色点の光１１４を、光出口窓１１０の法線に対して比較的小さい出射角で出射し、青色光１１２を、光出口窓１１０の法線に対して比較的大きい出射角で出射する。このような光は、天空光外観として人に感じられる。平行光線１１４は、直射日光として感じられ、より青色の光１１２は、同様に昼光に存在するより散乱した青色光として感じられる。

光源１０２は、特定の色分布の光を出射する、言い換えれば、光源は特定の色点の光を出射する。ある実施形態においては、光源１０２の特定の色点は、色空間内の黒体線に近い色空間内の点である。直射日光も黒体線上又は近くの色点を有する。よって、光源１０２が黒体線近くの色点の光を出射する場合、観察者は、平行光線１１４を直射日光として感じる。

透光性チャネル１１６は、光入射窓１０６から光出射窓１１０までの壁１０８に沿う最短距離である長さＬを有する。透光性チャネル１１６は、光入射窓１０６に平行な仮想平面内において測定された透光性チャネル１１６の平均直径である直径ｄを有する。直径ｄと長さＬとの間の比は、光源１０２から受ける光１０４の一定のコリメーションを得るため、及び比較的大きい光出射角の青色光１１２を一定量得るためには０．２より大きい。特に、過度のグレア（ぎらつき）を防ぐため、６０度より大きい光出射角で出射される光の量は制限されるべきである。

図２は、光学素子２００の断面図を概略的に示す。光学素子２００は、光入射窓１０６、光入射窓１１０、壁１０８、及び透光性チャネル１１６を備える。壁１０８の内側表面２０６は、拡散光反射性であり、青色を有する。内側表面２０６の特定の点に光線が衝突すると、光はフィルタリングされて青色になり、拡散的に反射される。内側表面２０６の特定の点は、図に示されるように局所的なランバート青色光源として作用する。このように、拡散反射された光のほとんどは、比較的大きな光出射角２０８で光出口窓１１０から出射される。比較的小さい光出射角２１０では少量の青色光しか出射されない。光学素子２００は、ある領域に沿って光２０４を放射する光源２０２の光２０４を受ける。光源２０２の発光領域の各点が点源としてはたらく。光源２０２及び光学素子２００は、照明システム１１８を形成する。

図３は、複数の透光性セル３０２を備える光学素子３００の断面図を概略的に示す。複数の透光性セル３０２は、壁２０８を共有し、透光性チャネル１１６は共有される壁２０８の間に存在する。透光性セル３０２の各々は、図１又は図２の光学素子と同様に作用する。光学素子３００は、複数のセルを有する層であり、半値全幅（ＦＷＨＭ）角α_１を有する特定の角光出射分布内の光２０４を放射する平面光源２０２の前方に配置されてもよい。透光性セル３０２は、平面光源２０２から受ける光２０４の一部を平行にして、ＦＷＨＭ角α_２の平行光線１１４にする。なお、α_２＜α_１である。また、光学素子３００は比較的大きい光出射角で青色光１１２を放射する。青色光１１２の角光出射分布は、低光出射角では比較的少量の光を有してもよく、また角光出射分布は最大光出射角βを有する。なお、β＞α_１である。平行光線１１４及び高光出射角の青色光１１２の組み合わせの光は、心地よい人工的天空光として感じられる。

各透光性チャネル１１６は、長さＬ及び平均直径ｄを有する。前述したように、直径ｄと長さＬとの間の比は０．２より大きいべきである。一実施形態においては、該比は０．５より大きい。他の実施形態においては、該比は１．０より大きい。

複数の透光性セル３０２は、互いに一定の間隔ｐで配置されている。間隔ｐは、透光性セル３０２の中心点３０４から隣の透光性セル３０２の中心点３０４までの最短距離として定義される。壁２０８は特定の厚さｔｈを有する。壁２０８の厚さｔｈは、特定の透光性チャネル１１６に面する壁２０８の表面から、隣の透光性チャネル１１６に面する壁２０８の他の表面までの最短距離として定義される。壁２０８の厚さｔｈは、複数の透光性セル３０２が配置されたラスター構造の間隔ｐの１／３より小さいべきである。光源２０２に対向する壁２０８の端面３０６に衝突する光源２０２の光２０４は、光学素子３００を通過しないため、壁２０８が光学素子３００の比効率性に寄与するので、壁２０８の厚さｔｈは制限されなければならない。さらに、観察者に対向する壁２０８の他の端面３０８は、観察者の目に入り、光学素子３００によってつくり出される天空光外観を妨害する。

一実施形態においては、壁２０８の厚さｔｈはラスター構造の間隔ｐの１／６より小さい。他の実施形態においては、壁２０８の厚さｔｈはラスター構造の間隔ｐの１／９より小さい。

一実施形態においては、光源２０２に対向する壁２０８の端面３０６は、反射性又は白色拡散反射性である。この場合、この光は光源２０２に反射して戻され、そして光源２０２がこの光を光学素子３００に反射し戻す可能性があるという意味では、リサイクルされる可能性がある。

図３の光学素子３００においては、透光性セルは開放された透光性チャネルを有し、これは光入射窓又は光出口窓には特定の物質が置かれていないことを意味する。これは、吸音のさらなる利点を提供する。光学素子３００は、例えばオフィス内の騒音レベルを制限するためにオフィス環境で用いることもできる。

図４ａは、青色透明壁４０２を有する一つの透光性セルを備える光学素子４００を概略的に示す。点源として描かれている光源１０２は、実質的に白色の光を透光性セル内に出射する。図示される角度α内の光出射角度を有する光は、妨害されることなく透光性セルを通過する。角度α外の光源１０２からの光は、青色透明壁４０２に衝突し、青色に相補的な色成分を吸収する該壁を通過する。光４０４は、強化された青色成分を有し、これは光４０４が、光源１０２から受ける光より飽和した青色を有することを意味する。したがって、前述の実施形態と同様に、光学素子４００は比較的低光出射角で白色光４０６を出射し、また、比較的高光出射角で青色光４０４を出射し、これにより天空光外観をつくり出す。

なお、光出口窓の一部は光入射窓に対向し、光出口窓の一部は透明壁４０２によって形成されている。光入射窓に対向する部分を通って光源から直接発生した光４０６が通過し、光出口窓の透明壁４０２によって形成される部分から青色光４０４が通過する。さらに、壁４０２は一部が反射性で一部が透過性でもよく、その場合、光入射窓に対向する光出口窓の部分からも青色光が通過する。ただし、比較的大きい光出射角で光出口窓から出射される光は青色である。さらに、図３の光学素子のような光学素子において、全ての壁が青色スペクトル域で透光性である場合、各光出口窓も（隣接するセルの壁を通じて受ける）青色光を出射する。この状況においても、青色光は主に比較的大きい光出射角で出射される。

図４ｂは、代替的な光学素子４５０を概略的に示す。光学素子４５０の透光性セルの壁４５２は、光入射窓から光出口窓への方向に次第に細くなる。光学素子４５０に向かって見る場合、観察者は壁４５２の端面を見ないため、これは有利である可能性がある。また、他の実施形態においても示されているように、壁４５２の中心線４５８は光入射窓４５６に対して実質的に垂直である。透光性セルのもう一方側には、光入射窓４５６に実質的に平行な光出口窓４６０がある。光出口窓４６０は拡散層４５４によって覆われている。拡散層４５４は弱い拡散体であり、これは拡散層４５４を通過する角光出射分布の半値全幅（ＦＷＨＭ）角を２０度より大きく増加しないことを意味する。光源１０２から直接発せられた光１０４が、壁４５２によって反射された青味がかった光と過度に混同されるのを防ぐため、拡散は弱いべきである。しかし、拡散層４５４の弱い拡散は、光源１０２から直接発せられた光１０４と壁４５２によって反射された青味がかった光との間で滑らかな遷移を有する光出射分布４６２を得るためには有利である。また、光拡散板４５４を光出口窓の近くに配置してもよい。

図５ａは、ラスター構造で複数の透光性セル５０２を有する光学素子５００を示す。透光性セル５０２の断面形状は正方形である。また、透光性セル５０２の壁は青色であり、合成青色材料からなるものでもよい。光学素子５００は、射出形成工程によって製造されてもよい。また、前述した間隔ｐ、壁の厚さｔｈ、及び透光性チャネルの長さＬ等のラスター構造及び透光性セル５０２のパラメーターも示されている。

なお、光学素子５００の壁は透明、反射性、又は拡散反射性でもよい。壁が透明の場合、大きい視野角（光入射窓に対向する光出口窓の部分の法線に対して定義される）における光線は複数の連続する壁を通過し、各壁で青色が強化されるため、観察者は、大きい視野角ではより濃い青色を見る。

図５ｂは、ラスター構造で複数の透光性セル５５２を有する他の光学素子５５０を示す。透光性セル５５２の断面形状は六角形である。また、透光性セル５５２の壁は青色であり、合成青色材料からなるものでもよい。光学素子５５０は、射出成型工程によって製造されてもよい。また、前述した間隔ｐ、壁の厚さｔｈ、及び透光性チャネルの長さＬ等のラスター構造及び透光性セル５５２のパラメーターも示されている。

一実施形態においては（図示なし）、光学素子５５２のほうを見る観察者に画像を提示するために、壁のいくつかの表面は青色とは異なる色を有する。言い換えれば、複数のセル５５２のいくつかのセルは、異なる色の壁を有する。光学素子５５２に向かって、例えば６０度で見る観察者は、比較的大きい視野角であるために主にセル５５２の壁を見ることになり、光源からの直接光を全く受けない。したがって、観察者は異なる色のセルの異なる色を見て、それらの組み合わせを画像として感じる。画像は、例えば非常出口を示す非常サインであり、また、天空光外観を強める空の雲の画像でもよい。

他の実施形態においては（図示なし）、壁は色のグラデーションを有し、例えば、光入射窓付近の白色から光出口窓での青色である。これは、観察者が光学素子に向かって大きな視野角で見た場合、より飽和した青色への滑らかな遷移をつくり出す。

図６ａは、複数の透光性セル６０２、６０４を備える光学素子６００の他の実施形態の断面図を示す。光学素子６００は、青色のチューブの断片（セクション）を接着して合わせることにより製造されてもよい。チューブの小さな断片内の空間は円形の透光性セル６０２になり、青色のチューブの複数の断片の間のスペースは他の形状を有する透光性セル６０４になる。断面で見て、円柱状の形状、又は他の形状を有するチューブの断片を用いた場合にも、同様の光学素子を得ることができる。

図６ｂは、複数の透光性セル６３４を有する光学素子６３０のさらなる実施形態の他の断面図を示す。光学素子６００は、青色合成材料の板６３２に穴をあけることにより製造されてもよい。穴は透光性セル６３４を形成する。

図６ｃは、ラスター構造で複数の透光性セル６７４を有する光学素子６６０の他の実施形態のさらなる断面図を示す。光学素子６６０は、青色の層６６０、６６２、６６４、６６６、６６８のスタック（積み重ね）から製造される。青色の層６６０、６６２、６６４、６６６、６６８は、透明又は拡散反射性であってもよい。光学素子６００は、第二の青色の層６６２が上に配置される第一の青色の層６６０から始めに製造される。第一の青色の層６６０及び第二の青色の層６６２は、例えば、６７０で示さる位置で局所的に貼り合わされる。その後、第三の青色の層６６４が第一及び第二の青色の層６６０、６６２の上に配置される。第三の青色の層６６４は、第一の青色の層６６０と第二の青色の層６６２とが貼り合わされた点とは異なる特定の位置で、第二の青色の層６６２に局所的に接着される。そのような異なる位置は、例えば、６７２で示される。これが続く層６６６、６６８にも繰り返される。連続する層を貼り合わせた後、層のスタックは図６ｃの構造を得るために伸ばされる。なお、伸長の作業は連続する層を貼り合わせる作業とは別々に行ってもよく、そのようにした場合、伸長されていない層のスタックの中間生成物は比較的小さい体積を有し、効率的に保管することができる。

図７は、本発明の第三の側面に係る照明器具７００の実施形態を概略的に示す。照明器具７００は、前述の実施形態のうちの一つに係る光学素子を有する。光学素子は、照明器具７００の光出射面にあるラスター構造とともに図７に概略的に示されている。照明器具は、さらに比較的大きな表面に沿って光を出射する平面光源を有する。

上記の実施形態は本発明を限定ではなく説明し、当業者は、添付の特許請求の範囲を逸脱することなく多数の代替的な実施形態を設計しうることに留意されたい。

特許請求の範囲において、括弧内のいかなる参照符号も特許請求の範囲を制限すると解釈されるべきではない。「有する（又は含む、備える）」という動詞及びその活用形の使用は、請求項内に記された以外の要素又は工程の存在を除外しない。要素は複数を除外しない。いくつかの手段を列挙する装置クレームにおいては、それらの手段のうちのいくつかは、ハードウェアの同一の項目によって実現されてもよい。いくつかの手段が互いに異なる独立請求項に記載されているからといって、それらの手段の組み合わせを好適に使用できないとは限らない。

Claims (14)

1. 光源の前方で使用される天空光外観を得るための光学素子であって、前記光学素子は透光性セルを有し、前記透光性セルは、
   前記光源によって出射された光の一部を平行にするための透光性チャネルと、
   前記透光性チャネルの第一側にある、前記光源からの光を受けるための光入射窓と、
   少なくとも一部が前記透光性チャネルの前記第一側とは反対の第二側に配置された、前記天空光外観を有する光を出射するための光出口窓と、
   前記光入射窓と前記光出口窓の前記一部との間に挟まれる壁とを有し、前記壁は、前記透光性チャネルを囲い、前記壁の少なくとも一部は、前記光出口窓の前記一部の法線に対して比較的大きな光出射角で青色光出射を得るために、予め定義されたスペクトル域において反射性及び／又は透過性であることを特徴とする、光学素子。
2. 複数の透光性セルを有する、請求項１に記載の光学素子。
3. 前記複数の透光性セルは、ラスター構造で配置されている、請求項２に記載の光学素子。
4. 前記壁の厚さは前記ラスター構造の間隔の１／３より小さく、前記ラスター構造の前記間隔は、透光性チャネルの中心点から隣接する透光性チャネルの中心点までの距離によって定義され、前記壁の前記厚さは、前記透光性チャネルに面する前記壁の表面から隣接する透光性チャネルに面する前記壁の他の表面までの最短距離として定義される、請求項３に記載の光学素子。
5. 前記複数の透光性セルのサブセットは、前記光出口窓の法線に対して比較的大きな視野角で前記光学素子のほうを見るユーザーに画像を提示するために、青色ではないスペクトル域で反射性及び／又は透過性である前記壁の一部を有する、請求項２に記載の光学素子。
6. 前記光学素子が、複数の伸長された層の伸長スタックであって、連続する層のペアは複数の点で結合されており、連続する層の連続するペアは異なる点で結合されており、前記層は透光性チャネルの前記壁を形成し、前記透光性チャネルは、伸長された層の前記伸長スタックの二つの連続する層の間の空間によって形成される、請求項２に記載の光学素子。
7. 前記透光性チャネルに面する前記壁の側面は、拡散反射性である、請求項１に記載の光学素子。
8. 前記透光性チャネルの直径と前記透光性チャネルの長さとの間の比は、０．２より大きい、請求項１に記載の光学素子。
9. 前記光入射窓に平行な仮想平面に沿った前記透光性チャネルの断面形状は、円、楕円、三角形、正方形、長方形、及び六角形のうちの一つである、請求項１に記載の光学素子。
10. 前記光出口窓を通って放射される光を拡散するための光拡散体を前記光出口窓にさらに有し、及び／又は、前記光入射窓を通って放射される光を拡散するための他の光拡散体を前記光入射窓に有する、請求項１に記載の光学素子。
11. 前記光拡散体及び／又は前記他の光拡散体は、前記光拡散体を通過する角光出射分布の半値全幅角を２０度以下増加させる、請求項１０に記載の光学素子。
12. 光源及び請求項１に記載の光学素子を備える照明システムであって、前記光源は、前記光学素子の前記透光性セルの前記光入射窓に向けて光を出射する、照明システム。
13. 前記光源は、ある色点の光を出射し、前記色点は、色空間の黒体線に近い点である、請求項１２に記載の照明システム。
14. 請求項１に記載の光学素子、又は請求項１２に記載の照明システムを備える照明器具。

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