JP2015507817A - Ｌｅｄライト用の光コリメータ - Google Patents

Abstract

ＬＥＤライト５用の照明器具１及びコリメート光学系２が提供される。コリメート光学系２は、ＬＥＤライト５からの入射光がコリメータ３に入射できるようにするための第１のアパーチャ７と、出射光がコリメータ３を出ることできるようにするための第２のアパーチャ９と、を有する反射コリメータ３を含む。反射コリメータ３は、第１のアパーチャ７からの入射光を第２のアパーチャ９の方へ案内するための反射性内面を備えた壁１５を有する。第１の凸レンズ１１が、入射光を屈折させるために、第１のアパーチャ７から離れて配置され、第２の凸レンズ１３が、出射光を屈折させてコリメートするために、第２のアパーチャ９に配置される。開示されたコリメート光学系を用いれば、コリメート能力は、光学系のサイズを増加させることなく改善される。

Description

本発明は、一般に、光のコリメーションの分野に関する。特に、本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）ライト用のコリメート光学系に関する。

ハロゲンスポット照明ランプをＬＥＤによって取り替えることは、成長市場である。ＬＥＤによるハロゲンランプの取り替えは、ハロゲンランプ及びＬＥＤが異なる特性を有するので、かなり困難である。より具体的には、ハロゲンランプとＬＥＤとの間の差は、ＬＥＤが、ハロゲンランプと比較して制限されたフラックス出力を有するということである。従って、ＬＥＤスポットライトが、特定のビーム角度において、ハロゲンスポットライトと同じ最大強度を有するために、ＬＥＤスポットライトの光学系は、制限されたフラックス出力を補償するためにビームの中心において、単位フラックス当たりはるかに高い強度を提供する必要がある。ビームの中心における単位フラックス当たりの強度は、ルーメン値当たりのセンタービーム光度（ＣＢＣＰ）又は単にＣｄ／ｌｍ若しくはＣＢＣＰ／ｌｍと呼ばれることが多い。

従って、上記のことを考慮すると、特定のビーム角度に対して、より高いＣＢＣＰ／ｌｍ値を得るために、非常に制限されたスペースにコンパクトで効率的な光学系を設計することは、ＬＥＤスポット照明光学系において難題である。

ＬＥＤスポット照明光学系は、典型的にはＬＥＤを収容するための開口部を有する全内部反射（ＴＩＲ）コリメータ、及びＬＥＤが収容される開口部から離れて配置される中心凸レンズを含む。しかしながら、かかる配置を用いると、中心凸レンズを通って来る光をコリメートし再分配することは難しい。何故なら、レンズは、サイズが無視できるＬＥＤ光源に接近しすぎて配置されるからである。中心レンズのこの制限故に、出射光ビームの光強度分布は、望ましくなく裾が重くなり、そのために、特定の全幅半値（ＦＷＨＭ）ビーム角度において、高ＣＢＣＰ／ｌｍ値を有する或るビームパターンを得るのが難しい。ＦＷＨＭビーム角度は、光強度がビーム中心の光強度の半分になる、ビーム中心に対する角度によって定義される。

本発明の目的は、上記で論じられた問題を克服又は少なくとも緩和すること、及び改善されたルーメン当たりＣＢＣＰ性能を有するコリメート光学系及び照明器具を提供することである。特に、光学系のサイズを増加させずに、改善されたコリメート能力を有するコリメート光学系及び照明器具を提供することが目的である。

本発明の第１の態様によれば、これや他の目的は、発光ダイオード（ＬＥＤ）ライト用のコリメート光学系であって、ＬＥＤライトを収容するための、且つＬＥＤライトからの入射光がコリメータに入射できるようにするための第１のアパーチャ、及び出射光がコリメータを出られるようにするための第２のアパーチャを有する反射コリメータであって、第１のアパーチャから第２のアパーチャに延びる、且つ第１のアパーチャからの入射光を第２のアパーチャの方へ案内するための内側反射面を有する壁要素を更に有する反射コリメータと、入射光を屈折させるための、第１のアパーチャから離れて配置された第１の凸レンズと、出射光をコリメートするように出射光を屈折させるための、第２のアパーチャで配置された第２の凸レンズと、を含むコリメート光学系によって達成される。

好ましくは、第１の凸レンズは、第１の凸レンズが第１のアパーチャと第２のアパーチャとの間に配置されるように、第１のアパーチャから離れて配置される。第２のアパーチャに第２の凸レンズを設けることによって、第１の凸レンズによって屈折された光ビームは、第２の凸レンズによって更に屈折されコリメートされる。それによって、コリメート光学系のコリメート能力は改善されるが、コリメート光学系のサイズは増加されない。特に、フラックスの固定値に対して、最大強度値は、改善され得る。何故なら、第２の凸レンズは、第２の凸レンズが存在しない場合と比較された場合に光強度分布が光ビーム中心へより集中されるように、光を再分配するからである。最大強度値が改善されると同時に、ＦＷＨＭビーム角度は、ほぼ同じに維持される。換言すれば、ルーメン当たりのＣＢＣＰ性能は改善される。その結果、ＣＢＣＰが以前と同じレベルに維持されるべき場合に、より少数のＬＥＤランプ、即ちより低いフラックスが使用され得る。代替として、同数のＬＥＤランプが使用される場合には、より高いＣＢＣＰ値が達成され得る。

第１及び第２の凸レンズは、フレネルレンズであっても良く、それぞれは、複数のファセットを有しても良い。ファセットは、時にはフレネル帯と呼ばれる。単純な凸レンズが使用される場合に、ＬＥＤダイの形状のイメージが、コリメート光学系によってもたらされる照明スポットにおいて目に見える可能性がある。しかしながら、これは、フレネルレンズが用いられる場合には当てはまらない。何故なら、フレネルレンズが、インターレース方式で光を再分配するからである。より具体的には、第１の凸レンズに入射する光線束における光線の相互の順序は、光線束が第１及び第２の凸レンズを通過し、それらによって屈折されるときに変化する。その結果、コリメート光学系によってもたらされる照明スポットの視覚的な均一性は改善される。

視覚的な均一性は、フレネルレンズのファセット数と共に向上する。一実施形態において、第１の凸レンズ及び／又は第２の凸レンズのファセット数は、３、４又は５である。

コリメート光学系は、第２のアパーチャの少なくとも一部をカバーする表面プレートを更に含んでも良い。第２の凸レンズは、表面プレートに配置されても良い。これは、第２の凸レンズを配置する容易で柔軟な方法を提供するという点で有利である。更に、第２の凸レンズは、既存のコリメート光学系と容易に合体され得る。例えば、第２の凸レンズは、表面プレートの凹部に配置されても良い。代替として、第２の凸レンズは、表面プレートの外面に配置されても良い。更に代替として、第２の凸レンズは、表面プレートの内面に配置されても良い。

好ましくは、第１の凸レンズの光学軸及び第２の凸レンズの光学軸は、コリメート光学系の光学軸と整列され、反射コリメータの光学軸は、第１のアパーチャから第２のアパーチャの方へ延びる。これは、レンズが、反射コリメータの光学軸を実質的に横断して配置される場合に、達成され得る。これは、コリメート光学系が対称であり、光ビームのコリメーションが等方性であるという点で有利である。

反射コリメータの壁要素は、第１のアパーチャを含む第１の部分及び第２のアパーチャを含む第２の部分を更に含んでも良く、壁要素の第１の部分は、入射光を第２の凸レンズから離れるように案内するために、第１の部分に入射する入射光を分散するように配置され、壁要素の第２の部分は、入射光をコリメートするように配置される。これは、第２の凸レンズの直径が、反射コリメータの底部直径より大きい場合に特に有利である。かかる場合において、第２のアパーチャの方へ案内されるように反射コリメータによって反射される光線のかなりの部分が、第２の凸レンズによってブロックされ、光学効率の低下及びＣＢＣＰ値の損失に帰着する可能性がある。上記の配置を用いれば、第２の凸レンズによる光線のかかる妨害は回避され、従って効率及びＣＢＣＰ値は改善される。

本発明の第２の態様によれば、これや他の目的は、第１の態様による少なくとも１つのコリメート光学系、及び少なくとも１つのコリメート光学系の１つにおける第１のアパーチャを通して光を放射するように配置された少なくとも１つの発光ダイオードＬＥＤを含む照明器具によって達成される。

照明器具の各ＬＥＤは、対応するコリメート光学系を有しても良い。更に、各ＬＥＤは、その対応するコリメート光学系の第１のアパーチャを通して光を放射するように配置されても良い。これは、幾つかのＬＥＤを有することによってフラックスが増加するという点、及び各ＬＥＤからの光が、各ＬＥＤ用の改善されたＣＢＣＰ値を得るために個別にコリメートされるという点で有利である。

照明器具は、共通のコリメート光学系の第１のアパーチャを通して光を放射するように配置された少なくとも２つのＬＥＤを含んでも良い。共通のコリメート光学系を共有する少なくとも２つのＬＥＤを有することによって、照明器具は、よりコンパクトにされ得る。

本発明の第３の態様によれば、これや他の目的は、第１の目的によるコリメート光学系のパラメータを決定する方法であって、パラメータが、第１及び第２の凸レンズの形状に、且つ反射コリメータの壁要素の形状に関係付けられ、方法が、コリメート光学系の理論モデルに基づいて、パラメータの開始値を決定することと、決定された開始値を初期値として使用し、コリメート光学系のパラメータに関してメリット関数を最適化することであって、メリット関数が、所望の全幅半値ＦＷＨＭに関係する第１の目的関数、ビーム角度、及びコリメート光学系からの光ビーム出力の中心における最大の光強度に関係する第２の目的関数を含むことと、を含む方法によって達成される。

メリット関数は、所望のビームプロファイルに関係する第３の目的関数を更に含んでも良い。

壁要素の形状は、対応するベジェパラメータセットを有するベジェ曲線セットによって更にモデル化されても良く、コリメート光学系のパラメータは、第１の凸レンズの曲率半径、第２の凸レンズの曲率半径、及びベジェパラメータセットを含む。

第１の態様の利点及び特徴は、一般に第２及び第３の態様に当てはまる。

本発明が、特許請求の範囲で挙げられる特徴の全ての可能な組み合わせに関係することが注目される。

ここで、本発明のこれらや他の態様が、本発明の実施形態を示す添付の図面に関連して詳細に説明される。

実施形態によるコリメート光学系を含む照明器具の断面図である。 実施形態によるコリメート光学系を含む照明器具の断面図である。 実施形態による照明器具の照明スポットを示す。 実施形態による照明器具のビーム経路を示す。 実施形態による照明器具の照明スポットを示す。 実施形態による照明器具のビーム経路を示す。 実施形態による照明器具のビーム経路を示す。 実施形態による照明器具のビーム経路を示す。 実施形態による照明器具の断面図である。 図６ａの照明器具の上面図である。 実施形態による照明器具の断面図である。 視角の関数としての正規化された強度分布のグラフである。 実施形態による方法の流れ図である。

図に示されているように、層及び領域のサイズは、説明のために誇張され、従って本発明の実施形態の一般的構造を示すために提供される。同様の参照数字は、全体を通して同様の要素を指す。

ここで、本発明は、添付の図面に関連し以下でより完全に説明されるが、これらの図面には、本発明の現在の好ましい実施形態が示されている。しかしながら、本発明は、多くの異なる形態で具体化され得、本明細書で明らかにされる実施形態に限定されるものと解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、徹底性及び完全性のために提供され、本発明の範囲を当業者に十分に伝達する。

図１は、コリメート光学系２及びＬＥＤライト５を含む照明器具１００を示す。コリメート光学系２は、全内部反射コリメータなどの反射コリメータ３を含む。反射コリメータ３は、ＬＥＤライト５を収容するための、且つＬＥＤライト５からの入射光がコリメータ３に入射できるようにするための第１のアパーチャ又は開口部７を有する。更に、反射コリメータ３は、出射光が反射コリメータ３から出射できるようにするための第２のアパーチャ又は開口部９を有する。第２のアパーチャ９は、典型的には第１のアパーチャ７より大きいサイズ（直径）である。反射コリメータ３は、第１のアパーチャ７から第２のアパーチャ９に延びる壁要素１５を更に有する。壁要素１５の内面は、第１のアパーチャ７からの入射光を第２のアパーチャ９の方へ案内するために反射性であり、それによって、全内部反射コリメータを形成する。

反射コリメータ３は、第１のアパーチャ７の中心から第２のアパーチャ９の中心への方向に延びる反射コリメータ３の光学軸Ａを中心にして回転対称であっても良い。ここで、反射コリメータ３は、第１のアパーチャ７がカップの底部の中心に位置し、且つ第２のアパーチャ９がカップの上部開口部に対応する一般的なカップ状の形状を有する。

直径Ｄ_１を有する第１の凸レンズ１１は、第１のアパーチャ７からの距離Ｓ_１に配置される。距離Ｓ_１は、第１の凸レンズ１１の焦点距離とほぼ等しいか、又はそれに近くても良い。第１の凸レンズ１１は、曲率半径ｒ_１を有する。図示された第１の凸レンズ１１は、平凸レンズである。平凸レンズの平面は、第１のアパーチャ７の反対側を向いている。場合によっては、第１の凸レンズは円錐凸レンズであっても良い。更に、他の非球面レンズ構造が、第１の凸レンズ１１の球面に取って代わるために使用されても良い。

好ましくは、第１の凸レンズ１１の光学軸は、反射コリメータ３の光学軸Ａに対応する。その場合、第１の凸レンズ１１は、光学軸Ａを横断して配置されると言われる。

第１の凸レンズ１１は、一般に、保持手段１９を介して、反射コリメータ３に接続されるか又はそれによって支持されても良い。保持手段１９は、反射コリメータ３の一体部分であっても良い。例えば、第１の凸レンズ１１は、保持手段１９を介して反射コリメータ３に接続されても良く、保持手段１９は、反射コリメータ３に装着され、且つ第１のアパーチャ７から離れて第１の凸レンズ１１を保持するように配置される。図示された例において、保持手段１９は、反射コリメータ３の一部である、第１のアパーチャ７から第２のアパーチャ９の方向に延びる内壁要素１９によって実現される。内壁要素１９の上端部は、第１のアパーチャ７から距離Ｓ_１に位置する開口部を画定する。開口部は、第１の凸レンズ１１を収容し保持しても良い。代替実施形態において、保持手段１９は、反射コリメータ３に配置された、且つ第１の凸レンズ１１を保持するように適合されたフレームを含んでも良い。代替として、第１の凸レンズ１１は、ロッドを介して反射コリメータ３に接続されても良い。

直径Ｄ_２を有する第２の凸レンズ１３は、第１のアパーチャ７からの距離Ｓ_２における第２のアパーチャ９に配置される。より正確には、第２の凸レンズ１３は、第２のアパーチャ９の少なくとも一部をカバーするように配置される。第２の凸レンズ１３は、曲率半径ｒ_２を有する。図示された第２の凸レンズ１３は、平凸レンズである。平凸レンズの平面は、第２のアパーチャ９に面している。場合によっては、第２の凸レンズ１３は、円錐凸レンズであっても良い。更に、他の非球面レンズ構造が、第２の凸レンズ１３の球面に取って代わるために使用されても良い。第２の凸レンズ１３は、例えば、第１の凸レンズ１１と同じ屈折率ｎを典型的に有する。

好ましくは、第２の凸レンズ１３の光学軸は、反射コリメータ３の光学軸Ａに対応する。その場合、第２の凸レンズは、光学軸Ａを横断して配置されると言われる。

第２の凸レンズ１３を第２のアパーチャ９に配置する方法には多くの可能な代替がある。図示された実施形態において、コリメート光学系２は、表面プレート１７を含む。一般に、表面プレート１７は、第２のアパーチャ９の少なくとも一部をカバーしても良い。ここで、表面プレート１７は、第２のアパーチャ９の全体をカバーする。表面プレート１７は、半透明材料で作製されるのが好ましい。表面プレート１７は、第２の凸レンズ１３を保持するように適合される。より正確には、表面プレート１７は、好ましくは光学軸Ａを中心とする、且つ第２の凸レンズ１３が中に配置され得る凹部２１を含んでも良い。代替として、第２の凸レンズ１３は、表面プレート１７の上に配置されても良い。更に代替として、表面プレート１７は、第２の凸レンズ１３が中に配置され得る、光学軸Ａを中心とするホールを含んでも良い。

他の実施形態において、第２の凸レンズ１３は、表面プレート１７によって保持も支持もされない。例えば、第２の凸レンズ１３は、反射コリメータ３に装着されたフレームによって、又は反射コリメータ３から延びるロッドによって保持されても良い。

直径Ｄ_１及びＤ_２並びに曲率半径ｒ_１及びｒ_２は、所定のビーム角度及び所望のビームパターンが得られるように、変更されても良い。より正確には、直径Ｄ_１及びＤ_２並びに特に曲率半径ｒ_１及びｒ_２は、最適化手順によって決定されても良く、最適化手順は、次に、図９の流れ図に関連して説明される。

かかる最適化手順の第１のステップＳ１００において、直径Ｄ_１及びＤ_２並びに半径ｒ_１及びｒ_２用の開始値が決定される。例えば、開始値は、点光源モデル及び近軸条件に基づく理論計算に基づいて計算されても良い。より正確には、開始値は、次の式によって決定されても良い。
この式で、ｎは、第１の凸レンズ１１及び第２の凸レンズ１３の屈折率である。Ｄ_１の開始値は、第１の凸レンズ１１を通過する光エネルギと、反射コリメータ３の壁要素１５の方へ導かれる光エネルギとの間の所望の比率に基づいて決定されても良い。所望の比率は、幾つかの実際的な考察を考慮することによって決定されても良い。例えば、反射コリメータ３の壁要素１５は、第１の凸レンズ１１と比較して、高ＣＢＣＰを得るためにＬＥＤ光源のビームパターンを再分配することにおいてより効率的である。この理由で、光エネルギのできるだけ多くが、第１の凸レンズ１１を通らずに壁要素１５の方へ導かれるように、Ｄ_１が小さい場合には有利である。しかしながら同時に、Ｄ_１は、小さすぎるべきではない。何故なら、小さすぎる直径Ｄ１が、表面プレート１７においてエネルギ損失につながる可能性があるからである。より正確には、所与の光空間に対して、反射コリメータ３における壁要素１５の光再分配能力は、限られている。その結果、光は、表面プレート１７において全反射を受ける可能性がある。Ｄ_１の選択に影響を及ぼす他の要因は、使用される光源のサイズ及び本来のビームパターン並びに所与の光学サイズである。

全ての実際の光源が幾何学的な広がりを有するので、上記の開始値は、典型的には所望のビームパターンを提供しない。従って、次の方法ステップＳ１０２において、上記の開始値は、最適化アルゴリズムへの入力として用いられる。

最適化において用いられるメリット関数は、幾つかの目的関数を含む。例えば、メリット関数は、幾つかの目的関数の和であっても良い。第１に、メリット関数は、所望のＦＷＨＭビーム角度に基づいている。ＦＷＨＭビーム角度を考慮することは重要である。何故なら、ＦＷＨＷビーム角度をほぼ一定に保ちながらＣＢＣＰを増加させることが望ましいからである。

第２に、メリット関数は、ＣＢＣＰ／ｌｍ最大値に基づいている。同じメリット関数において所望のＦＷＨＭビーム角度及びＣＢＣＰ／ｌｍ値を組み合わせることによって、所望のＦＷＨＭビーム角度用のＣＢＣＰのローカル又はグローバル最適値が取得され得る。

第３に且つ任意選択的に、メリット関数は、所望のビームプロファイルに基づいても良い。例えば、所望のビームプロファイルは、ガウスビームプロファイルなどのパラメトリックなビームプロファイルであっても良い。好ましくは、メリット関数は、第１及び第２の目的関数に基づいた解決法を見つけるのが困難な場合にのみ、所望のビームプロファイルに基づく。

最適化パラメータは、２つのグループ、即ち第１及び第２の凸レンズ１１及び１３に関係するパラメータ、並びに反射コリメータ３の壁要素１５の形状に関係するパラメータに分割されても良い。

より正確には、最適化パラメータは、レンズ１１及び１３を通過する光エネルギのコリメーションを最適化するために、第１の凸レンズ１１の曲率半径ｒ_１及び第２の凸レンズ１３の曲率半径ｒ_２を含んでも良い。非球面レンズが使用される場合、最適化パラメータは、非球面レンズ用の対応するパラメータを代わりに含んでも良い。任意選択的に、最適化はまた、第１及び第２の凸レンズ１１及び１３の直径Ｄ_１及びＤ_２を含んでも良い。

第１の凸レンズ１１を通らずに反射コリメータ３によって反射される光エネルギのコリメーションを最適化するために、最適化パラメータは、反射コリメータ３における壁要素１５の形状に関係するパラメータを含んでも良い。これらのパラメータの開始値もまた、ステップＳ１００において決定されても良い。例えば、壁要素１５は、ベジェ曲線によってモデル化されても良い。その場合、最適化パラメータは、ベジェ曲線の係数を含んでも良い。ベジェ曲線が、壁要素１５の形状をモデル化するのに適していない場合、他のタイプの非球面プロファイル曲線が、壁要素１５の形状をモデル化するために使用されても良い。その場合、最適化パラメータは、非球面プロファイル曲線の係数を含んでも良い。

代替として、最適化は、逐次的方法で実行されても良い。例えば、第１に、パラメータは、第１の目的関数に関連して最適化され得る。次に、別個のステップにおいて、パラメータは、第２の目的関数に関連して最適化され得る。同様に、パラメータは、第３の目的関数に関連して別個に最適化され得る。

ここで、照明器具１００の機能が、図３ａ〜ｂ及び図８を参照して説明される。

図３ｂには、使用中の照明器具１００のビーム経路が示されている。ＬＥＤライト５から生じる入射光は、第１のアパーチャ７を介して反射コリメータ３に入射する。第１の凸レンズ１１の外側に入る入射光は、第２のアパーチャ９の方へ案内されるように、反射コリメータ３の反射面１５によって反射される。

第１の凸レンズ１１上に入る入射光は、第１の凸レンズ１１によってコリメートされる。ＬＥＤライト５が、第１の凸レンズ１１の焦点に位置する場合、第１の凸レンズ１１は、レンズに入射する光をほぼ平行な光線束にコリメートする。しかしながら、反射コリメータ３のサイズ制限故に、第１の凸レンズ１１は、典型的には、焦点距離より短い、ＬＥＤからの距離に位置する。その結果、第１の凸レンズ１１を出る光線束は、分散している。

次に、第１の凸レンズ１１によってコリメートされた光線束は、第２の凸レンズ１３上に入る。好ましくは、第２の凸レンズ１３のサイズは、第１の凸レンズ１１を通過した光線束における各光線が第２の凸レンズ１３に当たるように、第１の凸レンズ１１より大きい。第２の凸レンズ１３は、入射光線束を更にコリメートする。従って、第２の凸レンズ１３を設けることによって、コリメート光学系２のコリメート能力は、光学系のサイズを増加させずに改善される。

図８において、第２の凸レンズ１３を含むコリメート光学系２の性能が、第２の凸レンズ１３のないコリメート光学系の性能と比較される。図８は、第２の凸レンズ１３を備えた、及び第２の凸レンズ１３のないコリメート光学系２の正規化された強度分布２５及び２７をそれぞれ示す。両方の強度分布とも、２１度の全幅半値（ＦＷＨＭ）に対応する。グラフで分かるように、センタービーム光度（ＣＢＣＰ）、即ち中心最大強度は、第２の凸レンズ１３を有するコリメート光学系２において約２５％高い。更に、配置２５の裾は、分布２７の裾よりはるかに軽い。これは、第２の凸レンズ１３を有する光コリメータ２の光強度が、第２の凸レンズのない光コリメータの光強度と比較して、ビーム中心へより集中されることを意味する。従って、第２の凸レンズ１３を設けることによって、光強度は、ビーム中心へより集中された、且つより高い中心最大値を有する光強度分布が得られるように、再分配され得る。

実際には、第２の凸レンズ１３を設けることには、幾つかの結果がある。一方で、同じ光束に対して、第２の凸レンズのない光コリメータを用いるよりも高い中心最大強度が取得され得る。他方で、第２の凸レンズのないコリメート光学系に対してと同じ中心最大強度が、より低い光束で取得され得る。従って、後者は、より少数のＬＥＤが使用され得ることを意味する。

図３ａは、照明器具１００を表面の方へ向けることによって取得され得る照明スポット２９を示す。ビームスポット２９の中心は、正方形のような形状を有する。これは、ＬＥＤダイが、典型的には矩形形状を有し、且つこの形状が、第１及び第２の凸レンズ１１及び１３によって結像されるという事実故である。

図２は、コリメート光学系２及びＬＥＤライト５を含む照明器具２００を示す。照明器具２００のコリメート光学系２は、第１及び第２の凸レンズ１１及び１３がフレネルレンズであるという点で、照明器具１００のコリメート光学系２と異なる。第１及び第２の凸レンズ１１及び１３のそれぞれは、フレネル帯としてもまた知られている複数のファセット２３及び２４をそれぞれ含む。ファセット２３及び２４は、レンズ１１及び１３の同心環状セクションである。第１の凸レンズ１１及び第２の凸レンズ１３におけるファセット２３及び２４の数は、異なっても良い。一実施形態において、第１の凸レンズ及び／又は第２の凸レンズのファセット数は、３、４又は５である。図示された実施形態において、第１の凸レンズ１１は、４つのファセットを有し、第２の凸レンズ１３は、５つのファセットを有する。ファセット２３及び２４の数を変更すること、並びに第１の凸レンズ１１及び第２の凸レンズ１３のサイズを一致させることによって、出射光における中心ビームの強度値は、最適化され得る。従って、ファセット２３及び２４の数は、光コリメータ２の性能を最適化するために調整され得るパラメータである。

図１に関する開示と同様に、第２の凸レンズ１３は、第２のアパーチャ９に異なる方法で配置されても良い。図示された例において、第２の凸レンズ１３は、表面プレート１７の内面に配置される。好ましくは、コリメート光学系２の製造を単純化するために、第２の凸レンズ１３は、表面プレート１７と一体的に形成される。更に、コリメート光学系２の全体は、プラスチックなどのただ一種類の材料を含むワンピースで形成されるのが好ましい。

ここで、第１及び第２の凸レンズ１１及び１３としてフレネルレンズを含む照明器具の機能が、図４ａ〜ｂに関連して説明される。

図４ｂは、３つのファセット２３ａ〜ｃを備えたフレネルレンズである第１の凸レンズ１１及び３つのファセット２４ａ〜ｃを備えたフレネルレンズである第２の凸レンズ１３を有する照明器具４００を示す。

ＬＥＤ５から生じた入射光は、第１のアパーチャ７を介して反射コリメータ３に入射する。第１の凸レンズ１１上に入る入射光は、第１の凸レンズ１１によってコリメートされる。第１の凸レンズ１１のファセット構造故に、入射光線は、インターレース方式でコリメートされる。それは、入射光線束における光線の相互の順序が、出力束における光線の相互の順序と異なることを意味する。より正確には、入射光線の屈折は、光線が、どのファセット２３ａ〜ｃ上に入るかに依存する。

図示された例において、第１及び第２の凸レンズ１１及び１３は、第１の凸レンズ１１のファセット２３ａ上に入る光線が、第２の凸レンズ１３のファセット２４ａの方へ屈折され導かれるように、配置される。更に、第１の凸レンズ１１のファセット２３ｂ上に入る光線は、第２の凸レンズ１３のファセット２４ｃの方へ屈折され導かれる。同様に、第１の凸レンズ１１のファセット２３ｃ上に入る光線は、第２の凸レンズ１３のファセット２４ｂの方へ屈折され導かれる。次に、第１の凸レンズ１１によってコリメートされインターレースされた光線束は、凸レンズ１３によって更にコリメートされる。

フレネルレンズを含む照明器具２００及び４００の性能は、ビーム中心における最大光強度の点で照明器具１００の性能に匹敵する。しかしながら、照明器具２００及び４００は、次に、図４ａに関連して説明される更なる利点を有する。

図４ａは、両方ともフレネルレンズである第１及び第２の凸レンズ１１及び１３を含む照明器具２００又は４００を表面に向けることによって得られるビームスポット３１を示す。ビームスポット３１は、均一で円対称の外観を有する。特に、ビームスポット３１は、ＬＥＤダイの矩形形状のイメージを含まない。これは、フレネルレンズがインターレースする、即ち、上記で説明されたようにＬＥＤ５から生じる光路を再分配するという事実故である。

フレネル構造に適用されるファセット２３及び２４の数を増加させることによって、ビームスポット３１の均一性性能が改善され得る。これは、ファセット数の増加が、ＬＥＤ５からの光線の再分配又はインターレーシングのより高い能力に帰着するという事実故である。従って、ファセット２３及び２４の数は、出射光における中心ビームの最大強度を最適化するためと同様に、ビームスポット３１の均一性性能を最適化するために調整され得るパラメータである。

図５ａは、図１の照明器具と類似の照明器具５００ａを示す。特に、図５ａは、反射コリメータ３によって反射された光ビームのビーム経路を示す。内面１５によって反射されたビームは、第２のアパーチャ９の方へ案内される。しかしながら、第２の凸レンズ１３の直径が、反射コリメータ３の底部直径より大きい場合に、ビームの幾つかは、第２の凸レンズ１３の方へ向けられる。これは、望ましくない特徴である。何故なら、第２の凸レンズ１３上に入るビームが、強くコリメートされ、中心ビーム強度の低下につながる可能性があるからである。強度における低下は、どれくらいの光が、反射コリメータ３によって反射された後に上部中心レンズに当たるかに依存する。

図５ｂは、代替実施形態による照明器具５００ｂを示す。照明器具５００ｂは、２つの部分Ｐ_１及びＰ_２を有する壁要素を備えた反射コリメータ３を有する。部分Ｐ_１は、第１のアパーチャ７を含み、第２の部分Ｐ_２は、第２のアパーチャ９を含む。第１の部分Ｐ_１は、入射光を分散させるように配置される。より正確には、第１の部分Ｐ_１における壁要素の曲率は、入射光線束が、照明器具５００ｂの光学軸Ａに対して分散的に反射されるように、決定される。典型的には、第１の部分Ｐ_１における壁要素の曲率は、照明器具５００ａにおける壁要素の対応する部分の曲率より大きい。このように、入射光は、第２の凸レンズ１３から離れるように案内される。同様に、第２の部分Ｐ_２は、入射光をコリメートするように配置される。特に、第２の部分Ｐ_２における壁要素の曲率は、入射光線束が、照明器具５００ｂの光学軸Ａに対してコリメート方式で反射されるように、決定される。

実際には、第１の部分Ｐ_１における壁要素１５の形状は、第１のベジェパラメータセットを有する第１のベジェ曲線セットによってモデル化され得る。同様に、第２の部分Ｐ_２における壁要素１５の形状は、第２のベジェパラメータセットを有する第２のベジェ曲線セットによってモデル化され得る。第１のベジェパラメータセット及び第２のベジェパラメータセットは、上記で開示されたような最適化方法に従って最適化されても良い。特に、第１のベジェパラメータセットの最適化用の開始値は、第１の部分Ｐ_１上の入射光線束が、分散的に反射されるように、選択されても良い。同様に、第２のベジェパラメータセットは、第２の部分Ｐ_２上の入射光線束が、コリメートされるか又は収束的に反射されるように、選択されても良い。第１及び第２の部分Ｐ_１及びＰ_２が、それら自体のベジェパラメータセットを有するので、最適化は、２つの部分Ｐ_１及びＰ_２用に個別に実行されても良い。

図６ａ〜ｂは、幾つかのＬＥＤ及び幾つかのコリメート光学系を含む照明器具６００を示す。原則として、任意の数のＬＥＤ及びコリメート光学系が可能である。ここには、例示のために、４つのＬＥＤ５ａ〜ｄ及び４つのコリメート光学系３ａ〜ｄが示されている。

各ＬＥＤ５ａ〜ｄは、１つのコリメート光学系３ａ〜ｄに対応する。例えば、図示された例において、ＬＥＤ５ａは、コリメート光学系３ａに対応し、ＬＥＤ５ｂは、コリメート光学系３ｂに対応する。コリメート光学系３ａ〜ｄは、本明細書で開示されるタイプのいずれであっても良い。特に、ＬＥＤ５ａ〜ｄは、それらの対応するコリメート光学系３ａ〜ｄの第１のアパーチャに収容され、それによって、ＬＥＤが、それらの対応するコリメート光学系の第１のアパーチャを通して光を放射するように配置されるようにしても良い。

照明器具６００は、コリメート光学系３ａ〜ｄにおける第２のアパーチャ９ａ〜ｄの全てをカバーする表面プレート１７を更に含む。図示された表面プレート１７は、上から見られた場合に円形を有しても良い。

図７は、幾つかのＬＥＤを含む照明器具７００の代替実施形態を示す。照明器具７００は、複数のＬＥＤを含む。ここでは、例示のために、２つのＬＥＤ５ａ〜ｂが示されている。照明器具７００は、以前に開示された実施形態のいずれかによるコリメート光学系３を更に含む。複数のＬＥＤ５ａ〜ｂは、コリメート光学系３の第１のアパーチャ７に収容されるように配置される。従って、複数のＬＥＤは、共通のコリメート光学系３の第１のアパーチャ７を通して光を放射するように配置される。

当業者は、本発明が、上記で説明された好ましい実施形態に決して限定されないことを理解されよう。それどころか、多くの修正及び変形が、添付の請求項の範囲内で可能である。例えば、図６及び７に関連して開示された実施形態は、図６ａ〜ｂの実施形態と類似の幾つかのコリメート光学系を含む照明器具であって、しかし各コリメート光学系が、図７に示されているような幾つかのＬＥＤに関連付けられる照明器具に組み合わされることが可能である。

更に、開示された実施形態に対する変形は、図面、本開示、及び添付の特許請求の範囲に関する研究から、請求される発明を実施する際に当業者によって理解され達成され得る。特許請求の範囲において、単語「含む」は、他の要素もステップも排除せず、不定冠詞「ａ」又は「ａｎ」は、複数を排除しない。ある手段が、相互に異なる従属請求項に挙げられているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用され得ないことを意味しない。

Claims (15)

1. 反射コリメータであって、ＬＥＤライトを収容するための、且つ前記ＬＥＤライトからの入射光が前記反射コリメータに入射できるようにするための第１のアパーチャと、出射光が前記反射コリメータを出られるようにするための第２のアパーチャと、前記第１のアパーチャから前記第２のアパーチャに延びる、且つ前記第１のアパーチャからの前記入射光を前記第２のアパーチャの方へ案内するための内側反射面を有する壁要素とを有する反射コリメータと、
   前記入射光を屈折させるための、前記第１のアパーチャから離れて配置された第１の凸レンズと、
   前記出射光をコリメートするように前記出射光を屈折させるための、前記第２のアパーチャに配置された第２の凸レンズと、
   を含む発光ダイオード（ＬＥＤ）ライト用のコリメート光学系。
2. 前記第１及び前記第２の凸レンズは、フレネルレンズであり、それぞれは、複数のファセットを有する、請求項１に記載のコリメート光学系。
3. 前記第１の凸レンズ及び前記第２の凸レンズにおける前記ファセットの数は異なる、請求項２に記載のコリメート光学系。
4. 前記第１の凸レンズ及び／又は前記第２の凸レンズの前記ファセットの数は、３、４又は５である、請求項３に記載のコリメート光学系。
5. 前記第２のアパーチャの少なくとも一部をカバーする表面プレートを更に含み、前記第２の凸レンズは、前記表面プレートに配置される、請求項１に記載のコリメート光学系。
6. 前記第２の凸レンズは、前記表面プレートの凹部に配置される、請求項５に記載のコリメート光学系。
7. 前記第２の凸レンズは、前記表面プレートの外面に配置される、請求項５に記載のコリメート光学系。
8. 前記第１の凸レンズの光学軸及び前記第２の凸レンズの光学軸は、前記反射コリメータの光学軸と整列され、前記反射コリメータの光学軸は、前記第１のアパーチャから前記第２のアパーチャの方へ延びる、請求項１に記載のコリメート光学系。
9. 前記壁要素は、前記第１のアパーチャを含む第１の部分及び前記第２のアパーチャを含む第２の部分を含み、前記壁要素の前記第１の部分は、前記入射光を前記第２の凸レンズから離れるように案内するために、前記第１の部分に入射する入射光を分散するように配置され、前記壁要素の前記第２の部分は、前記入射光をコリメートするように配置される、請求項１に記載のコリメート光学系。
10. 少なくとも１つの請求項１に記載のコリメート光学系と、
    前記少なくとも１つのコリメート光学系の１つにおける前記第１のアパーチャを通して光を放射するように配置された少なくとも１つの発光ダイオード（ＬＥＤ）と、
    を含む照明器具。
11. 前記少なくとも１つのＬＥＤの各ＬＥＤは、対応するコリメート光学系を有し、各ＬＥＤは、自身の対応するコリメート光学系の前記第１のアパーチャを通して光を放射するように配置される、請求項１０に記載の照明器具。
12. 共通のコリメート光学系の前記第１のアパーチャを通して光を放射するように配置された少なくとも２つのＬＥＤを含む、請求項１０に記載の照明器具。
13. 請求項１に記載のコリメート光学系のパラメータを決定する方法であって、
    前記パラメータは、前記第１及び前記第２の凸レンズの形状に、且つ前記反射コリメータの前記壁要素の形状に関係付けられ、前記方法は、
    前記コリメート光学系の理論モデルに基づいて、前記パラメータの開始値を決定することと、
    前記決定された開始値を初期値として使用し、前記コリメート光学系の前記パラメータに関してメリット関数を最適化することであって、前記メリット関数が、所望の全幅半値ＦＷＨＭに関係する第１の目的関数、ビーム角度、及び前記コリメート光学系からの光ビーム出力の中心における最大の光強度に関係する第２の目的関数を含むことと、
    を含む方法。
14. 前記メリット関数は、所望のビームプロファイルに関係する第３の目的関数を更に含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記壁要素の前記形状は、対応するベジェパラメータセットを有するベジェ曲線セットによってモデル化され、前記コリメート光学系の前記パラメータは、前記第１の凸レンズの曲率半径、前記第２の凸レンズの曲率半径、及び前記ベジェパラメータセットを含む請求項１３に記載の方法。