JP2015518175A - マイクロレンズアレイのための多数多角形のタイリング - Google Patents

Abstract

所望の照明パターンを得るための種々の形状を有する、複数の屈折および／または反射性の光学素子、例えばレンズおよびミラーを使用する、光学部品、光学デバイスおよび光学系システムが開示される。様々な態様において、少なくとも２つのレンズが互いに異なる境界形状を有する複数のレンズが、例えば所定のパターンに従って配置され、１以上の光源からの光を受光し、受光した光の方向を変えて所望の遠視野照明パターンを集合的に形成する。例えば、レンズは、遠視野照明パターンがレンズから個別にもたらされうる遠視野照明パターンの境界形状と異なる境界形状を有するように、構成することができる。【選択図】図１

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１２年３月２９日に出願された米国仮出願第６１／６１７，１４３号に対する優先権を主張し、その仮出願の内容は、参照によりその全体が本明細書に援用される。

本発明は、一般的に、種々の形状を有する複数の光学素子、例えばレンズおよび／またはミラーが、例えば所望の遠視野照明パターンを得るために使用される、光学部品、光学デバイスおよび光学系システムに関する。

マイクロレンズアレイは、光学部品から出射される光を拡散するために使用される。このような多くの光学部品においては、マイクロレンズアレイにより生成される遠視野照明パターンが、マイクロレンズの形状によって強度のバラツキを呈しうる。さらに、遠視野照明パターンの境界形状は、マイクロレンズの形状を担持しうる。用途によっては、マイクロレンズアレイが強度分布および遠視野照明パターンの全体形状に及ぼすこのような影響が、望ましくない場合がある。

ある態様では、本教示は、複数の異なる形状の光学素子、例えばレンズ、を用いることで、所望の遠視野照明パターンを生成することを可能とする、光学部品、光学デバイス、光学系システムおよび方法を対象とする。ある実施形態では、複数のレンズが、所望の遠視野照明パターンを創出するために様々な構成および密度で、多数の多角形のタイリングとして配置されうる。多数の多角形タイリングの多くの変形例は、例えば、特定の用途や、製造、コストなどについての検討に基づいて採用することができる。例えば、ある場合には、単純なタイリング・パターンによって製造を容易にすることができ、一方、より複雑なパターンによってより均一な、および／または丸いビームの外観をもたらすこともできる。多くの実施形態では、複数のレンズの境界形状を表す多角形の数、種類およびタイリング・パターンを、所望のビーム外観、例えば所望の遠視野照明パターンを創出するために変化させることができる。例えば、ある実施形態では、異なる多角形の境界形状を有する複数のレンズにより集合的に生成される遠視野照明パターンが、レンズの形状の部分的な重複に相当する形状を有しうる。多くの実施形態では、このような異なる形状の重複により、所望の境界形状、例えば、実質的に円形形状、を、遠視野照明パターンのために生成することが可能となる。ある実施形態では、異なる多角形の数およびこれらの多角形をレンズに関連するタイリング・パターンに配向する種々の方法を増やすことを活用して、所望の遠視野照明パターンとレンズを用いることにより得られる各パターンとの間の差異を最小化することができる。ある実施形態では、各レンズの１つ以上の光学パラメータ、例えば焦点距離、を所望の遠視野照明パターンを得るために変化させることができる。例えば、異なる形状および焦点距離を有するレンズを用いることができる。例えば、ある実施形態では、同じ境界形状を有するレンズのうち、いくつかが他と異なる焦点距離を有することができる。

１つの態様では、所定のパターンに従って互いに相対的に配置され、かつ、光源からの光を受光するように構成された複数のレンズを備える光学系システムであって、レンズのうち少なくとも２つが互いに異なる境界形状を有する光学系システムが開示される。

ある実施形態では、レンズは、異なる境界形状を有する少なくとも２つのレンズにより生成される遠視野照明パターンが重複するように、配置される。

ある実施形態では、レンズは、これらのレンズにより集合的に生成される遠視野照明パターンが、レンズの何れかにより個別に生成される遠視野照明パターンの各境界形状とは異なる境界形状を呈するように、配置される。

ある実施形態では、レンズは、これらのレンズにより集合的に生成される遠視野照明パターンが、光伝搬の中心軸と垂直な平面において２つの直交方向に沿ってスーパーガウシアン強度分布を呈するように、配置される。

ある実施形態では、レンズは、少なくとも１つの面への投影が、その１つの面にタイリング・パターンをもたらすように、配置される。ある場合には、このようなタイリング・パターンは、多角形のタイリング・パターンであってもよい。

ある実施形態では、レンズは、これらのレンズそれぞれが隣接するレンズと接触するように、配置される。

ある実施形態では、レンズのうち少なくとも１つが多角形の境界形状を有する。例として、多角形の境界形状は、六角形、八角形、長方形、正方形および三角形の何れかでよい。

更なる態様では、光源からの光を受光するように構成された入力面と、光学部品から出射する光が通る出力面と、を備える光学部品であって、出力面は、複数のレンズを、これらのレンズのうち少なくとも１つのレンズの境界形状がレンズのうち少なくとも１つの他のレンズの境界形状とは異なるように備える、光学部品が開示される。

ある実施形態では、レンズは、異なる境界形状を有する少なくとも２つのレンズにより生成される遠視野照明パターンが重複するように、配置される。ある場合には、レンズは、これらのレンズにより集合的に生成される遠視野照明パターンが、レンズの何れかにより個別に生成されうると推定される遠視野照明パターンの各境界形状とは異なる境界形状を呈するように、配置されうる。

ある実施形態では、遠視野照明パターンは、光伝搬の中心軸と垂直な平面において２つの直交方向に沿ってスーパーガウシアン強度分布を呈する。

ある実施形態では、レンズは複数のマイクロレンズを備える。ある実施形態では、レンズのうち少なくとも１つは多角形の境界形状、例えば六角形、八角形、長方形、正方形または三角形、を有する。

ある実施形態では、光学部品は光軸を備え、前記光軸に垂直な面へのレンズの投影が、当該面上にレンズの境界形状のタイリング分布をもたらす。ある実施形態では、このような分布は多角形のタイリングでもよい。

更なる態様では、光源からの光を受光するように構成された入力面と、出力面とを有し、入力面または出力面のうち少なくとも一方は複数のレンズを備える、レンズ本体を備える光学部品であって、レンズのうち少なくとも１つのレンズは、レンズのうち少なくとも１つの他のレンズの各境界形状とは異なる境界形状を有する光学部品が開示される。

ある実施形態では、レンズは多角形の境界形状を呈する。ある実施形態では、レンズは、タイリング・パターンを提供するように互いに相対的に配置される。ある実施形態では、タイリング・パターンは所定の格子状のパターンに基づく。

ある実施形態では、レンズは、これらのレンズにより集合的に生成される遠視野照明パターンが、レンズの何れかにより個別に生成される遠視野照明パターンの各境界形状とは異なる境界形状を呈するように、レンズが構成される。

ある実施形態では、レンズを備える面は基本曲率を有する。

更なる態様では、１つ以上の光源からの光を受光するように構成された複数の光学素子、例えばレンズおよび／またはミラーを備える光学系システムであって、光学素子は、複数の異なる境界形状を有するように構成され、かつ、光学素子により集合的に生成される遠視野照明パターンが、光学素子の何れかにより個別に生成される遠視野照明パターンの各境界形状とは異なる境界形状を呈するように、配置される、光学系システムが開示される。

発明の様々な態様についての更なる理解は、関連する図面とともに以下の詳細な説明を参照することで得られる。

当業者は、以下に説明する図面は例示のみの目的のためのものであることを理解するであろう。図面は例示的なものであり、本教示の範囲を何ら限定するものではない。

複数のマイクロレンズを有する発明の実施形態に従う例示的な光学部品の断面図である。 切頭された四角形のタイリング・パターンに配置された複数のマイクロレンズを有する発明の実施形態に従う例示的な光学部品の一部側面図である。 光学部品の光軸と垂直な平面上の投影図である。 図１Ａおよび１Ｂに示される光学部品の例示的なプロトタイプの実装により得られた遠視野照明パターンを示す図である。 均一の形状を有する複数のマイクロレンズを含む従来の光学部品を概略的に示す図である。 光学部品の光軸に垂直な平面上の図４Ａの光学部品の投影図である。 均一の形状を有する複数のマイクロレンズを含む他の従来の光学部品を概略的に示す図である。 光学部品の光軸に垂直な平面上の図５Ａの光学部品のマイクロレンズの投影図である。 図４Ａの光学部品により生成された実質的に六角形の遠視野照明パターンを示す図である。 図５Ａの光学部品により生成された実質的に四角形の遠視野照明パターンを示す図である。 発明の教示に従う光学部品のある実施形態に利用可能なねじれ四角形のタイリング・パターンを示す図である。 ねじれ四角形のタイリング・パターンに従って配置された複数のマイクロレンズを有する本教示の実施形態に従う光学部品を示す図である。 図９の光学部品のプロトタイプの実装を用いることで得られる遠視野照明パターンを示す図であり、遠視野照明パターンが実質的に円状の境界形状を呈することを例示している。 レンズと、別個のユニットとして形成された切頭された四角形のタイリング・パターンを有する複数のマイクロレンズと、を含む実施形態に従う光学部品を概略的に示す図である。 光軸の周囲に配置された複数の反射素子（例えば複数の平面または湾曲ミラー）を有する例示的な光学系システムを概略的に示す図であり、あるミラーは六角形の境界形状を有し、またあるミラーは四角形の境界形状を有する。

本発明は、一般的に、所望の照明パターンを得るための種々の形状を有する、屈折および／または反射する複数の光学素子、例えばレンズおよびミラーを使用する、光学部品、光学デバイスおよびシステムに関する。例えば、ある場合には、少なくとも２つのレンズが互いに異なる境界形状を有する複数のレンズが、例えば所定のパターンに従って配置され、１つ以上の光源からの光を受光し、受光した光の向きを変えて、所望の遠視野照明パターンを集合的に形成する。例えば、レンズは、遠視野照明パターンがレンズから個別にもたらされうる遠視野照明パターンの境界形状と異なる境界形状を有するように、構成することができる。ある実施形態では、本教示は独立型レンズの配列として実装することができ、他の実施形態では、レンズは、光学部品の少なくとも表面を形成することができ、または光学部品の表面に配置することができる。

例として、図１Ａおよび１Ｂは、光源１４から光を受光するように構成された入力面１２と、レンズ本体から出射する光が通る出力面１６とを有する光軸（ＯＡ）の周りに配置されたレンズ本体１０ａを含む本教示の実施形態に従う光学部品１０を概略的に示している。光学部品１０は、入力面１２と出力面１６との間に延在する外側面１８を更に含む。

この実施形態では、出力面１６は、レンズ本体から出射する光が通る複数のレンズ２０の表面によって形成されている。この実施形態では、レンズ２０は２つの異なる境界形状：八角形の境界形状および四角形の境界形状を呈する。本明細書で用いられる光学素子（例えばレンズ）の「境界形状」とは、光学素子の光軸に垂直な平面内への当該光学素子の投影形状のことをいう。「光軸」とは、本技術分野においてよく知られ、本明細書においても本技術分野における通常の意味と同様に用いられる。例えば、レンズの光軸は、レンズがある程度の対称性、例えば鏡映対称性を呈する軸であってもよい。ある場合には、光学素子、例えばレンズ、の光軸は、その光学素子を通過する光伝搬の中心軸と一致する。

例示として、図２は、光軸（ＯＡ）に対して垂直な平面上へのレンズ２０の投影が、レンズ２０に関連する２つの境界形状２２のタイリング分布を提供することを概略的に示している。すなわち、境界形状２２は、隣り合った境界形状２２間に隙間なく、平面の一部を覆うように並んで配置される。このタイリング分布は、本明細書では、切頭された四角形のタイリング・パターン（ｔｒａｎｃａｔｅｄ ｓｑｕａｒｅ ｔｉｌｉｎｇ ｐａｔｔｅｒｎ）と称される。

使用時、光源１４からの光が入力面１２を介してレンズ本体１０ａに入射する。レンズ本体１０ａに入射した光の少なくとも一部は外側面１８に当たり、外側面１８により、例えば全内面反射（ＴＩＲ）または鏡面反射を介して、レンズ２０の方向に向きが変えられる。レンズ本体に入射した光の他の一部は、外側面１８に当たることなく、直接レンズ２０に到達する。

この実施形態では、レンズ２０は、複数の集束マイクロレンズの形態である。各レンズ２０は、その入射光をそれぞれの焦点に導く。各レンズ２０によりそれぞれの焦点に集光された光は、少なくとも一つの隣接するレンズによって導かれたそれぞれの光線と、遠視野において少なくとも部分的に重複するように、その焦点を超えて発散する。このように、レンズ２０は、所望の遠視野照明パターンを集合的に生成する。本明細書で用いられる「遠視野」とは、出力面からの最小距離が閾値よりもはるかに大きく、例えば、出力面１６の直径（ＯＤ）の少なくとも約１０倍、少なくとも約２０倍、または少なくとも約１００倍である領域をいう。

異なる境界形状を有するレンズを使用することで、各レンズにより個別に、または例えば全てのレンズが上記２つの境界形状のうちの一つを有するレンズ群に相当する均一の境界形状を有する類似のレンズ群により、得られると推定される遠視野照明パターンの境界形状とは異なる境界形状を有する遠視野照明パターンを有利に生成することができる。すなわち、多くの実施形態において、異なる境界形状を有する少なくとも２つのレンズにより導かれる光の重複により、遠視野光強度分布において、個別のレンズの境界形状の痕跡を減少させ、ある場合には排除することができる。

例えば、図３は、図１Ａおよび１Ｂに示される光学部品１０のプロトタイプの実装により得られた遠視野照明パターン３０を示している。プロトタイプの光学部品１０は、図１Ｂに示されるように、内部反射する外側面１８、および、出力面１６の全体に分布した複数のマイクロレンズ２０を有する直径２１ｍｍの出力面１６を含む。このプロトタイプの光学部品では、八角形レンズの数は４７個であり、四角形レンズの数は５２個であった。遠視野照明パターン３０は、米国カリフォルニア州サンノゼのフィリップス・ルミレッズ・ライティング・カンパニー社によりレベル（Ｒｅｂｅｌ）の商品名で製造された発光ダイオード（ＬＥＤ）を使用することで得られた。図３に示されるように、光軸（ＯＡ）に対して垂直の平面上に呈される遠視野照明パターン３０は、個別のマイクロレンズ２０の境界形状、すなわち、八角形および四角形とは異なる実質的に円形の境界形状３２を有する。さらに、この例示的な実施例では、ｘ軸およびｙ軸それぞれに沿う遠視野の光強度分布３４，３６が、それぞれスーパーガウシアン分布を呈する。よって、光強度分布は、マイクロレンズのパターンに関連する構造上のバラツキに相当するバラツキを担持しない。

比較として、図４Ａおよび５Ａは、それぞれ、上記光学部品１０に構造上類似しているが、その出力面として均一の形状を有する複数のマイクロレンズ４２，５２を含む、２つの従来の光学部品４０および５０を概略的に示している。光学部品４０の場合、全てのマイクロレンズ４２は六角形の境界形状４４を有し、光学部品５０の場合、全てのマイクロレンズ５２は四角形の境界形状５４を有する。図４Ｂおよび５Ｂは、光学部品４０および５０それぞれに配置されたマイクロレンズ４２，５２の光軸に垂直な平面上に投影された光景を示している。図６に示されるように、光学部品４０により生成された遠視野照明パターン６０の境界形状４４は、実質的に六角形である。図７に示されるように、光学部品５０により生成された遠視野照明パターン７０の個別の境界形状５４は、実質的に四角形である。つまり、これら従来の光学部品では、遠視野照明パターンは、レンズの形状に相当する痕跡を担持する。

様々な境界形状およびタイリング構造、並びに様々なレンズの数および／または密度が、本教示に従う様々な実施形態で利用されうる。例示として、図８は、複数のレンズ、例えば光学部品の入力面または出力面を形成する複数のマイクロレンズのための、ある実施形態で利用可能なねじれ四角形のタイリング・パターン（ｓｎｕｂ ｓｑｕａｒｅ ｔｉｌｉｎｇ ｐａｔｔｅｒｎ）８０を示す。他の例として、図９は、ねじれ四角形のタイリング・パターンに従って配置された複数のマイクロレンズ９２を有する本教示の他の実施形態に従う光学部品９０を図示する。光学部品９０は、光源（図示せず）から光を受光するための入力面９４、ＴＩＲ面として機能するように構成される外側面９６、および光学部品９０から出射する光が通る複数のマイクロレンズ９２を含み、マイクロレンズ９２はねじれ四角形のタイリング・パターンに従って配置されている。出力面の直径は２１ｍｍであり、マイクロレンズの数は８１個であった。図１０は、光学部品９０のプロトタイプ実装により得られる遠視野照明パターン１００を示し、遠視野照明パターン１００が実質的に円形の境界形状１０２を呈することを例示している。すなわち、遠視野照明パターンはマイクロレンズ９０の形状を担持しない。

複数のマイクロレンズは、光学部品と一体的に形成されてもよく、光学部品とは別個に形成され、かつ、光学的に結合されてもよい。例として、図１１は、光源１１４から光を受光するための入力面１１２と、光学部品１１０から出射する光が通る出力面１１６と、入力面および出力面の間に延在し、かつ、入射光を出力面１１６の方へ向きを変えるように構成された外側面１１８と、を有する光学部品１１０を含む、実施形態に従う光学デバイスを概略的に示している。この実施形態では、切頭された四角形のタイリング・パターンを有する複数のマイクロレンズ１２０が、個別ユニット１２２として形成され、かつ、光学部品１１０の出力面１１６に光学的に結合される。

ある実施形態では、レンズの多角形形状だけでなく、レンズの分布パターン（例えばタイリング・パターン）やレンズの面密度をも変化させることができるので、所望の遠視野照明パターンを有利に生成することができる。

ある実施形態では、本教示は複数の反射素子を含む光学デバイスまたは光学系システムに適用することができる。例として、図１２は、光軸の周囲に配置された複数の反射素子１３２（例えば、複数の平面または湾曲ミラー）を有する光学系システム１３０を概略的に示し、あるミラー１３２は六角形の境界形状を有し、またあるミラー１３２は四角形の境界形状を有する。この実施形態では、ミラー１３２は、図２に示されるように、切頭された四角形のタイリング・パターンで配置される。ミラー１３２は、光源１３４、例えば外部の光源、から光を受光し、受光した光を検出器１３６の方に集合的に反射させるように構成される。その後、分析器１３８は、検出放射を分析することができる。異なる形状を有するミラー１３２により反射された光が重複することで、反射鏡１３２の形状を担持しない反射光の遠視野照明パターンがもたらされる。

本教示に従う光学部品、光学デバイスおよび光学系システムは、様々な異なる材料および製造技術を用いて製造することができる。例えば、いくつかの好適な材料としては、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ガラス、ポリカーボネート、環状オレフィン共重合体および環状オレフィン重合体を含み、かつこれらに限定されない。いくつかの好適な光学部品製造技術としては、射出成形および圧縮成形を含み、かつこれらに限定されない。

本発明の範囲から逸脱しない限り上記実施形態に様々な変更を加えることができることを、当業者なら理解するであろう。

Claims (25)

1. 所定のパターンに従って互いに相対的に配置され、かつ、光源からの光を受光するように構成された複数のレンズ、
   を備える光学系システムであって、
   前記レンズのうち少なくとも２つは互いに異なる境界形状を有する、
   光学系システム。
2. 前記レンズは、前記少なくとも２つのレンズにより生成される遠視野照明パターンが少なくとも部分的に重複するように、配置される、請求項１に記載の光学系システム。
3. 前記レンズは、これらのレンズにより集合的に生成される遠視野照明パターンが、前記レンズの何れかにより個別に生成される遠視野照明パターンの各境界形状とは異なる境界形状を呈するように、配置される、請求項１に記載の光学系システム。
4. 前記レンズは、これらのレンズにより集合的に生成される遠視野照明パターンが、光伝搬の中心軸と垂直な平面において２つの直交方向に沿ってスーパーガウシアン強度分布を呈するように、配置される、請求項１に記載の光学系システム。
5. 前記レンズは、少なくとも１つの面への前記レンズの投影が、前記１つの面にタイリング・パターンをもたらすように、配置される、請求項１に記載の光学系システム。
6. 前記タイリング・パターンは、多角形のタイリング・パターンである、請求項５に記載の光学系システム。
7. 前記レンズは、これらレンズのそれぞれが隣接するレンズと接触するように前記レンズが配置される、請求項１に記載の光学系システム。
8. 前記レンズのうち少なくとも１つが多角形の境界形状を有する、請求項１に記載の光学系システム。
9. 前記多角形の境界形状は、六角形、長方形、正方形および三角形の何れかである、請求項８に記載の光学系システム。
10. 光源からの光を受光するように構成された入力面と、
    前記光学部品から出射する光が通る出力面と、
    を備える光学部品であって、
    前記出力面は、複数のレンズを、前記レンズのうち少なくとも１つのレンズの境界形状が前記レンズのうち少なくとも１つの他のレンズの境界形状とは異なるように備える、
    光学部品。
11. 前記レンズは、前記少なくとも２つのレンズにより生成される遠視野照明パターンが少なくとも部分的に重複するように、配置される、請求項１０に記載の光学部品。
12. 前記レンズは、これらのレンズにより集合的に生成される遠視野照明パターンが、前記レンズの何れかにより個別に生成される遠視野照明パターンの各境界形状とは異なる境界形状を呈するように、配置される、請求項１１に記載の光学部品。
13. 前記遠視野照明パターンは、光伝搬の中心軸と垂直な平面において２つの直交方向に沿ってスーパーガウシアン強度分布を呈する、請求項１１に記載の光学部品。
14. 前記レンズは複数のマイクロレンズを備える、請求項１０に記載の光学部品。
15. 前記レンズのうち少なくとも１つは多角形の境界形状を有する、請求項１０に記載の光学部品。
16. 前記多角形の境界形状は、六角形、長方形、正方形および三角形の何れかである、請求項１５に記載の光学部品。
17. 前記光学部品は光軸を備え、前記光軸に垂直な面への前記レンズの投影が、前記面上に前記レンズの境界形状のタイリング分布をもたらす、請求項１０に記載の光学部品。
18. 前記タイリング分布は、多角形のタイリングを含む、請求項１７に記載の光学部品。
19. 光源からの光を受光するように構成された入力面と、出力面とを有し、前記入力面または前記出力面のうち少なくとも一方は複数のレンズを備える、レンズ本体を備えている光学部品であって、
    前記レンズのうち少なくとも１つは、前記レンズのうち少なくとも１つの他のレンズの各境界形状とは異なる境界形状を有する、
    光学部品。
20. 前記レンズは多角形の境界形状を呈する、請求項１９に記載の光学部品。
21. 前記レンズは、タイリング・パターンを提供するように互いに相対的に配置される、請求項２０に記載の光学部品。
22. 前記タイリング・パターンは所定の格子状のパターンに基づく、請求項２１に記載の光学部品。
23. 前記レンズにより集合的に生成される遠視野照明パターンが、前記レンズの何れかにより個別に生成される遠視野照明パターンの各境界形状とは異なる境界形状を呈するように、前記レンズは構成される、請求項１９に記載の光学部品。
24. 前記レンズを備える前記面は基本曲率を有する、請求項１９に記載の光学部品。
25. １つ以上の光源からの光を受光するように構成された複数のレンズを備える光学系システムであって、
    前記レンズは、複数の異なる境界形状を有するように構成され、かつ、前記レンズにより集合的に生成される遠視野照明パターンが、前記レンズの何れかにより個別に生成される遠視野照明パターンの各境界形状とは異なる境界形状を呈するように、配置される、
    光学系システム。

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