JP2017510850A - 光のコリメーションのための光学系 - Google Patents

Abstract

入射光をコリメーションするための光学系であって、ボディ１０２と、ボディ１０２の第１の側１０４に形成された凹部１１０であって、中央光入射面１１４及び側方光入射面１１２を有する、凹部１１０と、ボディの第２の側１０８に設けられた中央光出射面１１８であって、第２の側１０８は第１の側１０４の反対側であり、中央光入射面１１４に投射される入射光が中央光出射面１１８に向かうよう、中央光入射面１１４が中央光出射面１１８に対して設けられる、中央光出射面１１８と、ボディ１０２の側面に設けられた全内部反射面１１６であって、凹部１１０の側方光入射面１１２に投射される入射光は全内部反射面１１６に向かい、ボディ１０２の第２の側１０８に向けて全内部反射される、全内部反射面１１６と、中央光入射面１１４を囲う除外領域１２０であって、入射光が第２の側１０８を介してボディ１０２から出ることを防ぐ、除外領域１２０とを含む、光学系である。

Description

本発明は、光源からの光をコリメートするための光学系に関する。

照明デバイスでは、光源から発せられた光の方向を制御する光学系の利用がしばしば望まれる。このような光学系のうちよく使用される１つの例は、全内部反射（ＴＩＲ）を利用するコリメータ、いわゆるＴＩＲコリメータである。

図１には、全内部反射を利用するレンズボディ２の形態の従来技術のＴＩＲコリメータ１が示されている。図１に示されるように、面光源４は、レンズボディ２の中央部６を通過する光線７については、非常に広い円錐角を生成し、一方、ＴＩＲ面５に衝突する光線８は、ほとんどの領域でかなり狭い円錐角を生成する。したがって、図１に係る従来技術のＴＩＲコリメータ１の問題は、光出射面３の異なる部分によって放射される円錐角の不均一さが顕著なことである。したがって、軸から外れた所定の角度範囲からＴＩＲコリメータを見返すと、中央部を除き、ＴＩＲ面から観察者に向けて光が発せられず、よって、ＴＩＲコリメータ１を含む照明デバイスを観察すると輝点が見られる。

したがって、ＴＩＲコリメータ１からの光の放射円錐角は、通常、ＴＩＲコリメータ１のレンズボディ２の中央コリメーション部６を通過する光の方が、ＴＩＲ面５において全内部反射される光よりも著しく大きい。これは、ＴＩＲコリメータからの光の方向の主軸から外れた角度では、中央コリメーション部６から出射される光と、全内部反射される光との間にはっきりと視認可能な照度差があることを意味する。したがって、このような軸から外れた角度では、出射光は、より暗い領域内の輝点として観察される。複数の光源及びＴＩＲコリメータアレイを使用するスポットライトの場合、出射光は顕著に斑点状に知覚され、個々の光源は輝点として周囲の暗領域から明瞭に判別可能である。

したがって、上記斑点状挙動を最小化するよう、ＴＩＲコリメータからの照明を改良するニーズが存在する。

本発明の一課題は、上記問題を少なくとも部分的に克服し、上記斑点状挙動を最小化する光学系からの照明を可能にすることである。

特に、本発明の第１の側面によれば、入射光をコリメーションするための光学系が提供される。光学系は、ボディと、ボディの第１の側に形成された凹部であって、中央光入射面及び側方光入射面を有する、凹部と、ボディの第２の側に設けられた中央光出射面であって、第２の側は第１の側と反対側であり、中央光入射面に投射される入射光が中央光出射面に向かうよう、中央光入射面が中央光出射面に対して設けられる、中央光出射面と、ボディの側面に設けられた全内部反射面であって、凹部の側方光入射面に投射される入射光は全内部反射面に向かい、ボディの第２の側に向けて全内部反射される、全内部反射面と、中央光入射面を囲う除外領域であって、入射光が第２の側を介してボディから出ることを防ぐ、除外領域とを含む。

本発明によれば、除外領域において光学系に入る入射光は、光学系のボディの光出射面を介して出射することを防がれる。光学系は、中央光入射面に入射する光が、所望の特性で光学系から出射される制御を実現するようデザインされ得る。中央光入射面は除外領域によって囲われているため、所望の特性を提供する光学系のデザインは、入射光の外側部分に対する作用が、光学系のデザインの達成結果に影響を及ぼすことなく実行され得る。

特に、光学系は、入射光が中央光入射面を介して光学系に入り、狭い放射角で中央光出射面から出るよう誘導されることを可能にする。したがって、光学系は、よくコリメートされた光がＴＩＲレンズから供給され、光学系の中央部で発生する輝点が排除されるＴＩＲレンズを形成することを可能にする。

本発明の一実施形態によれば、除外領域は光偏向部を含み、光偏向部は、光偏向部に入る入射光を、全反射臨界角より大きい角度で第２の側に向ける。これは、光偏向部が、第２の側面で発生する全内部反射により、光が第２の側を介してボディから出ることを防ぐよう光を制御することを意味する。したがって、中央光入射面は、光が第２の側を介してボディから出ないよう入射光を制御する部分によって囲われる。これは、光学系が、中央光入射面に入射する光が所望の特性で光学系から出射される制御を実現するようデザインされ得ることを担保する。

一実施形態によれば、光偏向部は、凹部からボディ内に入り込む入れ込みを有する。入れ込みは、実質的に入射光の光路に沿って伸びるよう構成され得る。これは、光が斜角で入れ込みの面に衝突し、入射光が中央光入射面から離れる大きい角度で曲げられることを意味する。これは、光が全内部反射角より大きい角度で第２の側に向けられることを容易化する。

入れ込みは、中央光入射面を囲うよう構成され得る。これは、入射光線の外側部分が入れ込みに入射し、よって、ボディの第２の側から出射しない態様で曲げられることを意味する。したがって、中央光入射面に入射する光から、光出射面を介して出射されるよくコリメートされた光線が形成され得る。

入れ込みは凹面を含み得る。これは、入れ込みに入る入射光が確実に斜角で入れ込みの面に衝突することを意味し、光が全内部反射角より大きい角度で第２の側に向かうことを容易化する。

他の実施形態によれば、光偏向部は、凹部の側壁部を含む。これは、中央光入射面を囲う凹部の側壁部が、光が全反射臨界角より大きい角度で第２の側に衝突するよう誘導されるよう、側壁部に衝突する入射光を曲げることを意味する。本実施形態では、凹部は、ボディの奥深くまで伸びるよう構成され得る。これは、中央光入射面が光源から離れた位置に配置され得るため、中央光入射面が小さい円錐角を有する光を受け取るよう構成され得ることを意味する。したがって、中央光入射面から入る入射光は小さい円錐角を有するため、光学系は、光出射面からよくコリメートされた光線を発するよう構成され得る。また、凹部の側壁部は、入射光の光軸に対して小さい角度を形成する方向に伸び得る。これは、光が中央光入射面から離れる大きな角度で曲げられるよう、入射光が斜角で側壁部に衝突し得ることを意味し、これにより、光が全反射臨界角より大きい角度で第２の側に向かうことが容易化される。

一実施形態によれば、中央光出射面は平面であり得る。これは、中央光入射面に入射する光が小さい円錐角を有するよう、凹部がボディの奥深くまで伸びる場合に特に適し得る。狭い円錐角を有する入射光は、よくコリメートされた光線が中央光出射面を介して出射されることを容易化し得る。

他の実施形態によれば、中央光出射面は凸面であり得る。凸状中央光出射面は、中央光入射面に入射し、小さい放射角で中央光出射面から出射される光を形成するよう機能し得る。したがって、凸状中央光出射面を設けることにより、ボディからよくコリメートされた光線が出射され得る。

一実施形態によれば、除外領域は、入射光を吸収し、散乱し、又は鏡面反射する材料の層を含み、層は、中央光入射面を囲う面に設けられ得る。したがって、材料の層は、吸収性、散乱性、又は鏡面反射性の材料に衝突する入射光が第２の側を介してボディから出ることを防ぎ得る。入射光は、光がボディ内に進行することを防ぐために、よって、材料に衝突する光が第２の側を介してボディから出ることを防ぐために吸収され得る。入射光の吸収に加えて又は代わりに、材料の層は拡散散乱性であってもよい。したがって、光の一部は材料内の粒子に衝突して後方散乱され、層が適切な厚さを有すれば、入射光が材料の層を介してボディに入ることが防がれる。入射光の吸収及び／又は散乱に加えて又は代わりに、材料の層は入射光を鏡面反射してもよく、入射光は層の面で反射され、材料の層を介してボディに入ることを防がれ得る。

一実施形態によれば、中央光入射面及び中央光出射面は、ケーラー統合レンズを形成するよう互いに対して配置される。このような構成は、光学系が、光源の輝度及び色のむらによるアーチファクトによって限られた程度しか影響されない照明を提供し得ることを意味する。

一実施形態によれば、ボディは、それぞれが入射光を受け入れる中央光入射面を有する複数の凹部と、それぞれが中央光入射面を囲う複数の除外領域とを含む。これは、ボディが、複数の光源を収容し得る単一のユニットとして提供され得ることを意味する。したがって、光学系からの照明を供給するために複数の光源が望まれる場合、全ての複数の光源の上方に単一のボディが配置され得る。

本発明の第２の側面によれば、照明デバイスが提供される。照明デバイス、本発明の第１の側面の光学系と、光学系の凹部に関連付けられた光源とを含む。これは、照明用途における光学系の実装を可能にする。

一実施形態によれば、照明デバイスは、光学系のボディの側面及び第１の側のまわりに配置された反射筐体をさらに含み得る。これは、除外領域からの散乱又は反射によって、又は第２の側からのＴＩＲによってボディから後方に出射され得る光が、筐体によって反射されてボディ内に戻され、実質的にコリメートされていない態様で光学系から供給される光にさらに寄与し得ることを意味する。したがって、より優れた光効率が達成され得る。

本発明は、特許請求の範囲に記載される特徴のあらゆる可能な組み合わせに関することに留意されたい。

以下、本発明の実施形態を示す添付図面を参照しながら、本発明の上記及び他の側面をより詳細に説明する。図中、層及び領域のサイズは説明のために誇張され、よって、本発明の実施形態の一般的構造を説明するために提供される。類似する参照番号は、一貫して類似する要素を指す。

図１は、全内部反射を利用するレンズを有し、光学系の中央部から出射される大きい円錐角の問題を表す従来技術の光学系を示す。 図２は、全内部反射を利用するレンズを有し、かかる光学系のデザイン制限を表す光学系を示す。 図３は、本発明の第１の実施形態に係る光学系を示す。 図４は、本発明の第２の実施形態に係る光学系を示す。 図５は、本発明の第３の実施形態に係る光学系を示す。 図６は、本発明の第３の実施形態に係る光学系の特定の変形例を示す。 図７は、本発明の第３の実施形態に係る光学系を利用する照明デバイスを示す。

以下、本発明の現在の好適な実施形態を示す添付図面を参照しながら、本発明をより詳細に説明する。しかし、本発明は多様な形態で具現化され、本明細書に記載される実施形態に限定されると解釈されるべきではない。反対に、これらの実施形態は徹底さ及び完全さのために提供され、当業者に本発明の範囲を十分に伝える。

図２は、入射光をコリメートする光学系１００の断面図を示す。光学系１００は、光の通過を可能にする材料から形成されるボディ１０２を含む。典型的には、ボディ１０２は、ポリカーボネート（ＰＣ）、又は光学用途に適し得る任意の他のプラスチック材料等のプラスチック材料から形成され得る。ガラス等の他の材料も考えられ得る。

ボディ１０２は、入射光を供給する光源１０６に面する第１の側１０４を有する。ボディ１０２は、さらに、第１の側１０４と反対側の第２の側１０８を有する。ボディ１０２は、ボディ１０２の第１の側１０４を介して入射光を受け取り、ボディ１０２の第２の側１０８を介して光を出射する。

ボディ１０２は、ボディ１０２の第１の側１０４に形成された凹部１１０を含む。凹部１１０は、ボディ１０２の内側に伸びる側壁１１２を有する。また、凹部１１０の底部には、凹部１１０の中央底面１１４が形成される。凹部１１０は、側壁１１２の回転対称な形状を有し、側壁１１２は、凹部１１０の円周にわたって入射光に等しく作用し得る。例えば、凹部１１０は、円柱形状、又は円柱断面を有する円錐台形状を形成し得る。

ボディ１０２は、凹部１１０が光源１０６の上方に配置されるよう、光源１０６に対して配置される。したがって、光源１０６から発せられた光は、凹部１１０を介してボディ１０２に入射する入射光を形成し得る。これに関して、凹部１１０の側壁１１２は、凹部１１０の側方光入射面１１２を形成し、一方、底面１１４は、凹部１１０の中央光入射面１１４を形成し得る。

凹部１１０は、ある領域にかけて光を発し得る面光源１０６を収容するのに十分な大きさを有し得る。しかし、光学系１００は、点光源に関しても等しく良好に機能し得る。

中央光入射面１１４を介してボディ１０２に入射する入射光は、ボディを通過して中央光出射面１１８を形成する第２の側１０８の部分に進むよう方向付けられる。中央光入射面１１４及び中央光出射面１１８は、合わせて、光学系１００の中央コリメーションレンズを形成する。光学系１００の中央コリメーションレンズは入射光と相互作用し、狭い放射角を有する出射光線を形成する。

中央コリメーションレンズを形成するには、中央光入射面１１４及び中央光出射面１１８の曲面の異なる組み合わせが考えられ得る。例えば、中央光入射面１１４は凸状である一方、中央光出射面１１８も凸状であるか又は平面であってもよい。あるいは、中央光入射面１１４は平面である一方、中央光出射面１１８は凸状であってもよい。実際には、一部の実施形態では中央光入射面１１４は凹状でさえあり、一方、中央光出射面１１８は凸状であり得る。

中央光入射面１１４及び中央光出射面１１８は、実質的に互いに平行であり得る。これは、中央光入射面１１４を介して入射する入射光が、中央光入射面１１４及び中央光出射面１１８の曲面によって影響され得るが、中央光入射面１１４と中央光出射面１１８とが互いに対して角度を付けられることによって光の主な伝播方向がずれず、又はずれが最小化されることを意味する。

ボディ１０２は、さらに、側面１１６を有する。側面１１６は、第１の側１０２から第２の側１０８まで伸び得る。側面１１６は、側壁１１２を介してボディ１０２に入る光が、側面１１６において全内部反射（ＴＩＲ）されるよう構成される。これは、光が、側面１１６とボディ１０２の周囲の媒体との間の境界面において９０°より大きな角度に屈曲されるような大きな角度で側面１１６に入射することを意味し、すなわち、光は側面１１６を介してボディ１０２から出ず、全反射され得る。ＴＩＲが起こるためには、ボディ１０２の屈折率が周囲媒体の屈折率よりも大きいことが必要であり、これにより、境界面の法線に対してある入射角でボディ１０２の境界面に入射する光は、入射角よりも大きい出射角に屈折される。そして、光が境界面の法線に対してちょうど９０°の角度に屈折される臨界角よりも大きい角度で境界面に入射する光は全反射する。したがって、側面１１６はＴＩＲ面１１６を形成する。ボディ１０２は、ＴＩＲに失敗する面の部分の反射を改良するために、面１１６の外側にコーティングを有し得る。

ＴＩＲ面１１６において反射された光は、反射によって第２の側１０８の周縁光出射面１１７の方向に向けられる。ＴＩＲ面１１６は、ＴＩＲ面１１６でＴＩＲされた光が第２の側１０８を介して出射される主に平行な光線を形成し、よって、ＴＩＲされた光がよくコリメートされた光線を形成するよう、周縁光出射面１１７に対して配置され得る。これは、反射後に光をよくコリメートされた光線にするＴＩＲ面１１６における反射によって達成され得る。その後、光は第２の側１０８の法線に沿って、又は少なくとも法線に対して小さい角度を形成して周縁光出射面１１７に入射するよう方向付けられる。これは、ボディ１０２から出射される際によくコリメートされた光線を維持するために、第２の側１０８を通過するとき、光が全くそらされず、又は少ししかそらされないことを意味する。しかし、ＴＩＲ面１１６から反射された光をそらすよう第２の側１０８が例えば凹状に湾曲させられ、ボディ１０２から出る際に光がコリメートされてもよい。

上記したように、光学系１００は、入射光に対して２つの異なる態様で相互作用して出射光線を形成するよう構成される。入射光のある部分は、光学系１００の中央コリメーションレンズを通過し、入射光のある部分は、ＴＩＲ面１１６においてＴＩＲされ、光学系１００の出射光線に寄与する。ボディ１０２から出射される光は、中央コリメーションレンズの一部として機能する中央光出射面１１８と、ＴＩＲ面１１６からのコリメートされた光を供給する周縁光出射面１１７とを含む第２の側１０８から出射される。すなわち、第２の側１０８は、中央コリメーションレンズの一部として機能する部分と、ＴＩＲ面１１６からのコリメートされた光を供給する部分との２つの異なる部分を含む。しかし、ＴＩＲされた光線が中央光出射面１１８を介して第２の側１０８から出る場合、光線は望ましくない態様で曲げられ得る。このような効果は、一部の光が第２の側１０８から広い角度で出射されることを引き起こし得る。したがって、中央光出射面１１８のサイズは、ＴＩＲされた光が中央光出射面１１８を通過することを防ぐよう制限され得る。一方、これは、中央光入射面１１４を介してボディ１０２に入射する光が、中央光出射面１１８の外側の周縁光出射面１１７を介して第２の側１０８から出射され得ることを意味する（図２の光線１３を参照されたい）。したがって、中央コリメーションレンズを通過するはずの光線が周縁光出射面１１７を通過して第２の側１０８から出る場合、光線は望ましくない態様で曲げられ得る。

したがって、本発明の洞察は、中央光入射面１１４を介してボディ１０２に入る出射光の制御、及びボディ１０２の側面１１６によって全内部反射される光の制御における対立が存在するということである。図２に概略的に示されるように、中央光出射面１１８は凸状で、面１１４よりも大きく、出射光の狭い円錐角を形成し得る（図１の光線１１を参照されたい）。しかし、このような大きな凸状中央光出射面１１８は、全内部反射面１１６との関係において、サイズを制限されなければならない。中央光出射面１１８は、光学系からのコリメートされた光の方向の主軸から光を曲げ得るため、全内部反射された光は中央光出射面１１８を通ってボディ１０２から出るべきではないからである。したがって、光線１２によって示されるように、ＴＩＲ面１１６の下端から放たれる光は、中央光出射面１１８のサイズを制限する。このサイズの制限は、一方で、中央光入射面１１４に入射する光線の外側の部分が、中央光出射面１１８の外部においてボディ１０２の第２の側１０８に衝突するよう方向付けられることをもたらす（光線１３によって示されるように）。したがって、この光は主軸から離れるよう屈折され、結果として、この光は光学系から広い角度で出射される。

したがって、本発明の異なる実施形態を示す図３−図７に示されるように、光学系１００は、中央光入射面１１４を囲うように構成された除外領域１２０を有する。除外領域１２０は、除外領域１２０に入射する入射光が第２の側１０８を介してボディ１０２から出ることを防ぐよう構成される。したがって、除外領域１２０は、さもなければ第２の側１０８において望ましくない態様で曲げられていた可能性がある光が、第２の側１０８を介してボディ１０２から出ることを防ぎ得る。これは、光学系１００が、中央コリメーションレンズを通過する光の寄与と、ＴＩＲ面１１６においてＴＩＲされる光の両方を有するよくコリメートされた光を提供するよう、入射光に対して作用するようデザインされ得ることを意味する。このデザインは、入射光が中央光入射面１１４を介してボディ１０２に入り、中央光出射面１１８の外部の第２の側１０８を介してボディ１０２から出ることを除外領域１２０が防ぎつつ達成され得る。また、側方光入射面１１２を介してボディ１０２に入り、ＴＩＲ面１１６においてＴＩＲされる入射光は、中央光出射面１１８を介してボディ１０２から出ない。したがって、上記洞察に基づき、本発明に係る光学系１００は、光源１０６からの光線が光学系１００から広い角度で出射されることを防ぐために除外領域１２０を有する。したがって、除外領域１２０は、狭い出射角で光学系１００から出射される光線を提供する光学系１００をデザインすることを容易にする。

しかし、光学系１００がボディ１０２から所望の出射光を供給するために、除外領域１２０は必ずしも中央光入射面１１４を完全に囲わなくてもよい。例えば、除外領域１２０が中央光入射面１１４の周囲で非連続的であって、入射光が中央光入射面１１４を介してボディ１０２に入り、中央光出射面１１８の外部の第２の側１０８を介してボディ１０２から出ることを防がない部分が存在してもよい。したがって、除外領域１２０内にはいくつかの小さな開口部が存在してもよく、これらの開口部が十分に小さい場合、出射光への影響は、ユーザーによってほとんど観察できないほどに小さい可能性がある。言い換えれば、除外領域１２０は、光学系１００に所望の正味の効果を提供するのに十分に大きな中央光入射面１１４の周囲の部分において所望の機能を提供し得る。

また、したがって、本願のコンテキストにおいて、たとえ除外領域１２０が必ずしも中央光入射面１１４を完全に包囲しないとしても、除外領域１２０は中央光入射面１１４を「囲う」ものと考えられるべきである。

第１の実施形態によれば、図３に示されるように、除外領域１２０は、入射光と相互作用する材料の層１２２を含み得る。材料は、光が層１２２を通過できないよう入射光を吸収し得る。代替的に又は追加で、材料は、入射光を散乱させるよう構成され得る。したがって、入射光は材料の層１２２によって拡散散乱され得る。材料は、光を主に後方に散乱させるよう構成され得る。これは、材料の層１２２が、光が層１２２を通過できない十分な厚さを有し得ることを意味する。さらなる変形例では、層１２２は、光を後方に鏡面反射するよう構成され得る。

材料の層１２２は、側壁１１２に最も近い凹部１１０の底部に設けられてもよい。凹部１１０は、凹部１１０の側壁１１２と底面との間に遷移部を有し、遷移部は底面に対して角度を付けられていてもよい。また、遷移部は、凹部１１０内に角ばった部分が形成されないよう、湾曲されてもよい。材料の層１２２は、その後かかる遷移部に設けられ得る。材料の層１２２は、中央光入射面１１４を包囲する環状の形状を有し得る。

層１２２における光の吸収、散乱、又は鏡面反射によって、入射光が中央光入射面１１４からボディ１０２に入り、中央光出射面１１８の外部で第２の側１０８を介してボディ１０２から出ることが防止される。光線２１によって示されるように、中央光入射面１１４の層１２２への端部に入射する光は、中央光入射面１１４によって中央光出射面１１８の端部に向かうよう曲げられ得る。材料の層１２２に入射する光線２２は、ボディ１０２に入ることを防がれる。

第２の実施形態によれば、図４に示されるように、除外領域１２０は、凹部１１０の底部における凹部１１０の側壁部１２４を有し得る。これらの側壁部１２４は、光偏向部を形成し得る。側壁部１２４に入射する入射光は、ボディ１０２の第２の側１０８の周縁光出射面１１７に向けて曲げられ得る。しかし、光は、周縁光出射面１１７のＴＩＲ臨界角より大きい角度で周縁光出射面１１７に入射するよう曲げられる。これは、光が周縁光出射面１１７において全内部反射され、第２の側１０８を介してボディ１０２から出射されないことを意味する。

凹部１１０の側壁部１２４は、入射光の光軸に対して小さい角度を形成する方向に伸びるよう構成され得る。これは、入射光が側壁部１２４に斜角で衝突し、光が中央光入射面１１４から離れる大きい角度で曲げられ得ることを意味し、これにより、光が全反射臨界角よりも大きい角度で第２の側１０８の周縁光出射面１１７に向けられることが容易化される。側壁部１２４は、凹部１１０の側方光入射面１１２の延長であり得る。また、側壁部１２４は、側方光入射面１１２に対して角度を付けられてもよく、側壁部１２４及び側方光入射面１１２への光の入射角が、それぞれ、入射光に対して所望の効果を与えるよう個別に構成され得る。

側壁部１２４の使用は、特に、凹部１１０がボディ１０２の奥深くまで伸びることを促し得る。これは、中央光入射面１１４が光源１０６からより遠くに配置され得るため、中央光入射面１１４が小さい円錐角を有する光を受け取るよう構成され得ることを意味する。したがって、中央光入射面１１４に入射する光は小さい円錐角を有するため、光学系１００は、中央光出射面１１８からよくコリメートされた光線を発するよう構成され得る。

小さい円錐角を有する入射光が提供され得るので、よくコリメートされた光を発するために中央光出射面１１８が凸状でなくともよい可能性がある。したがって、ボディ１０２の奥深くに伸びる側壁部１２４及び凹部１１０の使用により、平坦な中央光出射面１１８を有することが特に有利な可能性がある。したがって、中央光出射面１１８は、第２の側１０８が完全な平面であるボディ１０２の第２の側１０８の一部を構成し得る。中央光入射面１１４を介してボディ１０２に入る光は中央光出射面１１８を介してのみボディ１０２から出る一方、側方光入射面１１２を介してボディ１０２に入る光は第２の側１０８の周縁光出射面１１７を介してのみボディ１０２から出るので、中央光出射面１１８はいずれにせよ第２の側１０８の明確に異なる部分であり得る。周縁光出射面１１７は、中央光出射面１１８の外部に設けられる。

側壁部１２４によって、光が中央光入射面１１４を介してボディ１０２に入り、周縁光出射面１１７を介してボディ１０２から出ることが防がれる。光線３１によって示されるように、側壁部１２４に入射する光は、ＴＩＲ角より大きい角度で周縁光出射面１１７に入射するよう曲げられ得る。したがって、光線３１は、周縁光出射面１１７で反射され、ＴＩＲ面１１６を介してボディから後方に出射され得る。

第３の実施形態によれば、図５に示されるように、除外領域１２０は、凹部１１０の底部において中央光入射面１１４を囲う、ボディ１０２に入り込んだ入れ込み１２６を含み得る。入れ込み１２６は、光偏向部を形成し得る。入れ込み１２６に入射する光は、入れ込みの面において、ボディ１０２の第２の側１０８の周縁光出射面１１７に向かうよう曲げられ得る。しかし、光は、周縁光出射面１１７のＴＩＲ臨界角よりも大きい角度で周縁光出射面１１７に入射するよう曲げられる。これは、光が周縁光出射面１１７で全内部反射され、第２の側１０８を介してボディ１０２から出られないことを意味する。

入れ込み１２６は凹面を含み得る。これは、入れ込み１２６に入る入射光が、入れ込み１２６の面に対して確実に斜角で入射することを意味する。したがって、光は中央光入射面１１４から離れる大きい角度に曲げられ、光が全反射臨界角より大きい角度で周縁光出射面１１７に向けられることを容易化する。

入れ込み１２６によって、入射光が中央光入射面１１４を介してボディ１０２に入り、周縁光出射面１１７を介してボディ１０２から出ることが防がれる。光線４１によって示されるように、中央光入射面１１４に最も近い入れ込み１２６の内側面に入射する光は、ＴＩＲ角より大きい角度で周縁光出射面１１７に入射するよう曲げられ得る。また、光線４２によって示されるように、中央光入射面１１４から最も遠い入れ込み１２６の外側面に入射する光も、ＴＩＲ角より大きい角度で周縁光出射面１１７に入射するよう曲げられ得る。したがって、光線４１及び４２は、周縁光出射面１１７で反射され、ＴＩＲ面１１６を介してボディから後方に出射され得る。

図６に示されるように、光学系１００の中央コリメーションレンズは、凸状中央光入射面１１４及び凸状中央光出射面１１８から形成されてもよい。凸状中央光入射面１１４は、光線５１によって示されるように、中央光出射面１１８上に光源１０６を映すよう構成され得る。中央光出射面１１８は、光線５２によって示されるように無限遠に中央光入射面１１４の像を形成し得る。このような構成では、中央光入射面１１４及び中央光出射面１１８は、ケーラー統合レンズを形成する。この構成は、狭い放射角を有する出射光線の形成を容易化するだけでなく、光源１０６の輝度及び色のむらによるアーチファクトを排除するよう機能し得る。

図７は、照明デバイス２００を開示する。照明デバイス２００は、均一な照明を形成するようアレイ状に配置され得る複数の光源１０６を含む。光源１０６は、六角形のアレイ状に配置されてもよく、これは、各光源１０６からの寄与の間において照明に暗いボイドが生じない照明デバイス２００からの均一の照明を提供するために有利であり得る。

光学系１００は、複数の凹部１１０を含むボディ１０２を含み得る。したがって、光学系１００は、複数の光源１０６の上方に配置され得る単一の一体的ボディ１０２として形成され得る。したがって、ボディ１０２の各凹部１１０は、対応する光源１０６から入射光を受け取るための中央光入射面１１４を有し得る。さらに、各凹部１１０の中央光入射面１１４を囲う除外領域１２０が設けられ得る。第１、第２、及び第３の実施形態に関して上記した除外領域１２０のうち任意の種類が設けられ得る。

ボディ１０２の第２の側１０８は複数の中央光出射面１１８を有し、各中央光出射面１１８は、対応する中央光入射面１１４とともに中央コリメーションレンズを形成するよう構成される。中央コリメーションレンズは、上記実施形態のうち任意のものに従って形成され得る。

光偏向部を含む除外領域１２０は、第２の側１０８に形成された複数の中央光出射面１１８の間の第２の側１０８の周縁光出射面１１７に光が入射するよう、第２の側１０８に入射する光を曲げ得る。除外領域１２０の光偏向部で曲げられた光は、その後、周縁光出射面１１７において全内部反射され、ボディ１０２内に返される。

ボディ１０２は、さらに、側方光入射面１１２を介してボディ１０２に入る光を全内部反射するＴＩＲ面１１６を各凹部１１０のまわりに有し得る。隣接する凹部１１０に関連付けられたＴＩＲ面１６は、ボディ１０２が単一のユニットとして形成されるよう互いに結合され得る。

照明デバイス２００は、さらに、光学系１００のボディ１０２の側面１１６及び第１の側１０４のまわりに配置された鏡面又は拡散反射筐体２０２を含み得る。筐体２０２は、光源からの光がボディ１０２に入射し得るよう、各光源１０６のための開口部を有し得る。あるいは、筐体２０２は、光源１０６が筐体２０２内に搭載されるよう、光源１０６のまわりに配置されてもよい。反射筐体２０２は、第２の側１０８以外からボディ１０２を出るあらゆる光を反射し得る。これは、光がボディ１０２内に反射され、最終的に第２の側１０８を介してボディ１０２から出射され得ることを意味し、これは、光学系１００からの出射光へのバックグラウンドレベル寄与を提供する。

図７で光線６１によって示されるように、入れ込み１２６によって曲げられる光は、周縁光出射面１１７でＴＩＲされ、場合によっては他の光源１０６に関連付けられたボディ１０２の部分と相互作用した後、筐体２０２に到達し得る。光はその後、筐体２０２によってボディ１０２の内部に反射され、ボディ１０２から出射される光に寄与し得る。これに関して、除外領域１２０によって曲げられた光は、照明デバイス２００によって提供される全体的照明に寄与し、曲げられた光は、いわば照明デバイス２００内でリサイクルされる。

代わりに、光学系１００は、それぞれが対応する光源１０６に関連付けられた複数のボディ１０２を有してもよい。この場合、複数のボディ１０２及び光源１０６は、複数の光源１０６から照明を供給する照明デバイス２００を形成するアレイとして構成され得る。

当業者は、本発明は如何ようにも上記の好適な実施形態に限定されないことを認識する。反対に、添付の特許請求の範囲から逸脱することなく、多くの改変例及び変形例が実現可能である。例えば、入射光と相互作用する材料の層１２２は、光偏向部と組み合わせて使用されてもよい。したがって、材料の層１２２は、例えば、光偏向部の一部、光偏向部によって囲われる中央光入射面１１４の一部、又は光偏向部と側方光入射面１１２との間の遷移部の上に設けられ得る。

さらに、図７に関して上記した反射筐体２０２は、単一の光源１０６及び付属する光学系１００について使用されてもよい。

当業者は、図面、開示、及び添付の特許請求の範囲を分析することにより、開示の実施形態の他の変形例を理解及び実施することができる。請求項中、「含む」等の用語は他の要素又はステップを除外せず、要素は複数を除外しない。単にいくつかの手段が互いに異なる従属請求項に記載されているからといって、これらの手段の組み合わせを利用することができないとは限らない。

Claims (12)

1. 入射光をコリメーションするための光学系であって、
   ボディと、
   前記ボディの第１の側に形成された凹部であって、中央光入射面及び側方光入射面を有する、凹部と、
   前記ボディの第２の側に設けられた中央光出射面であって、前記中央光入射面に投射される入射光が前記中央光出射面に向かうよう、前記中央光入射面が前記中央光出射面に対して設けられる、中央光出射面と、
   前記ボディの側面に設けられた全内部反射面であって、前記凹部の前記側方光入射面に投射される入射光は前記全内部反射面に向かい、前記ボディの前記第２の側に向けて全内部反射される、全内部反射面と、
   前記中央光入射面を囲う除外領域であって、入射光が前記第２の側を介して前記ボディから出ることを防ぐ、除外領域と
   を含む、光学系。
2. 前記除外領域は光偏向部を含み、前記光偏向部は、前記光偏向部に入る入射光を、全内部反射臨界角より大きい角度で前記第２の側に向ける、請求項１に記載の光学系。
3. 前記光偏向部は、前記凹部から前記ボディ内に入り込む入れ込みを有する、請求項２に記載の光学系。
4. 前記入れ込みは凹面を含む、請求項３に記載の光学系。
5. 前記光偏向部は、前記凹部の側壁部を含む、請求項２に記載の光学系。
6. 前記中央光出射面は平面である、請求項５に記載の光学系。
7. 前記中央光出射面は凸面である、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光学系。
8. 前記除外領域は、入射光を吸収し、散乱し、又は鏡面反射する材料の層を含み、前記層は、前記中央光入射面を囲う面に設けられる、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の光学系。
9. 前記中央光入射面及び前記中央光出射面は、ケーラー統合レンズを形成するよう互いに対して配置される、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の光学系。
10. 前記ボディは、それぞれが入射光を受け入れる中央光入射面を有する複数の凹部と、それぞれが中央光入射面を囲う複数の除外領域とを含む、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の光学系。
11. 請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の光学系と、前記光学系の前記凹部に関連付けられた光源とを含む照明デバイス。
12. 前記光学系の前記ボディの前記側面及び前記第１の側のまわりに配置された反射筐体をさらに含む、請求項１１に記載の照明デバイス。
    

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