JP2022515684A - 照明デバイス - Google Patents

Abstract

光発生要素と、焦点面（ＦＰ）を有するマイクロレンズアレイ（４）とを含む照明デバイス（１）であって、光発生要素は、第１の光発生コンポーネント（２）及び第２の光発生コンポーネント（３）を含み、第１の光発生コンポーネント（２）は、拡散光出力成分を提供するように構成される発光面（２８）を含み、第２の光発生コンポーネント（３）は、指向性光出力成分を提供するように構成される少なくとも１つの光源のアレイ（３）を含み、光発生要素は、マイクロレンズアレイ（４）に向けて光出力を発するように配置され、光出力は、拡散光出力成分と指向性光出力成分との重ね合わせによって形成され、光源のアレイ（３）は、マイクロレンズアレイ（４）の焦点面（ＦＰ）に位置する、照明デバイス。

Description

本発明は、異なる視野角において動く光源を模倣する照明デバイスに関する。とりわけ、本発明は、光発生要素と、焦点面を有するマイクロレンズアレイとを含む照明デバイスに関する。

本明細書で用いられる場合、開口ピッチ(aperture pitch)という表現は、開口のアレイにおける開口の形態の２つの隣り合う光抽出要素の中心間の距離を指すことが意図されている。

本明細書で用いられる場合、マイクロレンズピッチ(micro-lens pitch)という表現は、マイクロレンズアレイにおける２つの隣り合うレンズの中心間の距離を指すことが意図されている。

本明細書で用いられる場合、光源という用語は、広く解釈され、ＬＥＤ等の「実際の」光源だけでなく、導光体(light guide)内の光抽出構造、層(layer)内の開口及び／又は光抽出要素等の「仮想の」光源も包含することが意図されている。

照明デバイスの中には、照明の機能性と驚くべき視覚的外観（surprising visual appearance）とが混在した照明デバイスという、ほとんど検討されていないカテゴリがある。とりわけ、照明デバイスの光源自体、すなわち、光源の輝度分布(luminance distribution)を見ることが、自然な光の体験に貢献できることが示唆されている。これにより、例えば、昼光又は太陽光が模倣され得る。太陽のような光源の仮想的なプレゼンスは、自然環境のような快適感を与える。

自然光源をシミュレートする既存のこのような照明デバイスの一例は、ＣｏｅＬｕｘ社によって「ＣｏｅＬｕｘ ６０ＨＣ」という名称で販売されている照明デバイスである。この照明デバイスは、強い指向性の白色光ビームに加えて、青空効果を模倣する低輝度の拡散青色領域を作り出す天井照明デバイスである。

しかしながら、ＣｏｅＬｕｘ ＨＣシリーズで利用可能なデータシートは、この照明デバイスは非常に複雑で高価格なシステムであり、（例えばホスピタリティを除いて）市場に出回る方法を実際には見出していないことをはっきりと明らかにしている。０．５ｍ^２の光源の４５ＨＣシステムの総厚さ（組み込み深さ）は、０．７ｍであり、総重量は３００ｋｇである。設置（隠）面は、光源よりもはるかに大きく、２．３×１．７ｍである。それゆえ、このタイプのシステムでは、手ごろな価格の大きな発光面積を実現することが困難である。

それゆえ、本発明の大志は、妥当な価格帯で、軽量且つ限られた厚さ（ｃｍの範囲）を有する標準的な照明デバイスに同等の光効果が組み込まれる概念を定義することである。

ＵＳ ２０１８／２５９１５５ Ａ１は、太陽と空からの自然光に似た自然光を生成する人工照明装置を開示している。装置は、主要光から、低い発散で直接光方向に第１の放射面を出射する直接光を生成するように構成される直接光源を備える。直接光源は、第１の放射面の上流に位置し、主要光を放射するように構成される第１の光放射デバイス及び直接光方向に沿って第１の光放射デバイスによって放射される主要光をコリメートするように構成されるコリメータの複数の対を備える。装置はまた、第２の放射面において拡散光をもたらすように構成される拡散光発生器を備える。直接光源及び拡散光発生器は、直接光方向に沿って低発散円錐内を伝搬する第１の光成分と、低発散円錐の外側の方向に沿って伝搬する第２の光成分とを有する外側光を外側放射面において形成するように協働する。第１の光成分は、第２の光成分の相関色温度よりも低い相関色温度を有する。第１の放射面に目を向ける場合、観察者は、空を模倣する青みがかった背景によって囲まれる明るいスポットを見る。

ＵＳ ２０１６／００１０８１１ Ａ１は、１つの壁に開口のアレイを有する混合チャンバと、混合チャンバ内に光を供給する光源と、混合チャンバの外側にある光学要素のアレイとを含む照明デバイスであって、各光学要素は、混合チャンバからの光をビームとして放出するために開口のそれぞれの１つと協働するように位置付けられている。出力光ビームの形状、大きさ、及び／又は方向は、各開口の、関連する光学要素に対する形状、大きさ、及び／又は位置を制御することにより制御可能に変えられる。

しかしながら、このような照明デバイスは、強い指向性の光ビームを発生するためのものであり、直接のぞき込む(directly look into)ためのものではない。

また、一部の観察者は、自身の左眼及び右眼の像を無限遠において単一の像に融合させることに困難を感じるようである。

したがって、より表面に近いところで虚像(virtual image)が作り出され、より広い視野範囲で効果を観察することを可能にし、妥当な価格帯で、軽量且つ限られた厚さを有する標準的な照明デバイスに同等の光効果が組み込まれる概念を定義する、照明デバイスを提供することが望まれている。

本発明の目的は、この問題を克服することであって、より表面に近いところで虚像が作り出され、より広い視野範囲で効果を観察することを可能にし、妥当な価格帯で、軽量且つ限られた厚さを有する標準的な照明デバイスに同等の光効果が組み込まれる概念が定義される、照明デバイスを提供することである。

本発明の第１の態様によれば、この及び他の目的は、光発生要素と、焦点面を有するマイクロレンズアレイとを含む照明デバイスであって、光発生要素は、第１の光発生コンポーネント及び第２の光発生コンポーネントを含み、第１の光発生コンポーネントは、拡散光出力成分を提供するように構成される発光面を含み、第２の光発生コンポーネントは、指向性光出力成分を提供するように構成される少なくとも１つの光源のアレイを含み、光発生要素は、マイクロレンズアレイに向けて光出力を発するように配置され、光出力は、拡散光出力成分と指向性光出力成分との重ね合わせ(superposition)によって形成され、光源のアレイは、マイクロレンズアレイの焦点面に位置する、照明デバイスによって達成される。

これにより、動作時に、反射性シートの各開口が、マイクロレンズアレイのレンズと共に、開口の半径とレンズの焦点距離によって決定される角度広がり(angular spread)を有する光ビームを作り出す照明デバイスが提供される。照明デバイスを見ている人は、１つ又はいくつかの(a few)光抽出要素、斯くして、１つ又はいくつかの光ビームのみを見ることになる。なぜなら、他のすべての光抽出要素からの光は、当該人の眼に届かないからである。当該人が視点を変える場合、異なるサブセットの光ビームが見えるようになり、これによって動く光源(moving light source)の錯覚(illusion)を生み出す。

とりわけ、第１の光発生コンポーネントは、拡散光出力成分を提供するように構成される発光面を含み、第２の光発生コンポーネントは、指向性光出力成分を提供するように構成される少なくとも１つの光源のアレイを含み、光発生要素は、マイクロレンズアレイに向けて光出力を発するように配置され、光出力は、拡散光出力成分と指向性光出力成分との重ね合わせによって形成され、とりわけ、光源のアレイは、マイクロレンズアレイの焦点面に位置する、発光デバイスを設けることにより、結果として生じる虚像が、見ている人(viewer)にとって非常に説得力のある表現(very convincing representation)になる発光デバイスが提供される。さらに、このような発光デバイスは、従来技術と比較して非常に改善された効率を有する。

例として、このような発光デバイスは、観察者の動き及び発光デバイスに対する該観察者の相対的な位置につれて、太陽、月又は星が空を動いていくように見える自然な効果を模倣することにより旅する太陽（追従する太陽）効果(travelling sun (follow-you sun) effect)を提供し得る。これは、自然界では準無限の(quasi-infinite)距離でしか得られない効果を生み出す。

斯くして、妥当な価格帯で、軽量且つ限られた厚さを有する標準的な照明デバイスに同等の光効果が組み込まれる概念が定義される照明デバイスがが提供される。

一実施形態では、照明デバイスはさらに、動作時に、伝搬方向に光を発するように構成される少なくとも１つの光源を含み、第１の光発生コンポーネントは、少なくとも１つの光源が配置される光混合要素を含み、発光面は、光混合要素の一部を形成するカバー層であり、カバー層は、伝搬方向において少なくとも１つの光源の下流に配置され、マイクロレンズアレイは、伝搬方向においてカバー層の下流に配置され、光源のアレイは、少なくとも１つの光抽出要素のアレイであり、光混合要素のカバー層は、拡散性透明層であり、少なくとも１つの光抽出要素のアレイは、拡散性透明層に配置される。

これにより、上述の利点を実現する、とりわけシンプルな構造を有する発光デバイスが提供される。

一実施形態では、光抽出要素は開口であり、カバー層は、異なる開口ピッチＰ_Ａｉを有する少なくとも２つの開口のアレイを含み、ｉは、開口のアレイの番号を示し、ｉは、１以上の整数である。

２つ以上の開口のアレイを設けることにより、結果として生じる虚像は、照明デバイスを見ている人によって見られる場合、照明デバイスの後方の異なる深さに存在するように見える。これは、照明デバイスのコンパクト性及び軽量を妥協することなく、強い３Ｄ効果を提供し、斯くして、像におけるより高い詳細度も提供する。

さらなる実施形態では、光抽出要素は開口であり、マイクロレンズアレイは、マイクロレンズピッチＰ_Ｌを有し、開口のアレイ又は各アレイは、開口ピッチＰ_Ａｉを有し、開口ピッチ又は開口ピッチの各々、及びマイクロレンズピッチは、Ｐ_Ａｉ≦Ｐ_Ｌの関係を満たすように選択され、ｉは、開口のアレイの番号を示し、ｉは、１以上の整数である。

これにより、そうすることに困難を感じる観察者であっても、自身の左眼及び右眼の像を単一の像に融合させることができ、この効果が、十分に広い視野範囲で見えることができることが保証される。

一実施形態では、光抽出要素は開口であり、マイクロレンズアレイは、マイクロレンズピッチＰ_Ｌを有し、開口のアレイ又は各アレイは、開口ピッチＰ_Ａｉを有し、開口ピッチ又は開口ピッチの各々、及びマイクロレンズピッチは、（Ｐ_Ｌ－Ｐ_Ａｉ）≦ｒ_ｉの関係を満たすように選択され、ｒは、開口の半径であり、ｉは、開口のアレイの番号を示し、ｉは、１以上の整数である。

これにより、光ビームの角度広がりが、光ビーム間の分離(separation)以上であることが提供される。これは、動く光源のより滑らかな視覚体験を提供する効果を有する。

一実施形態では、マイクロレンズアレイは、透明な背景に像を画定する不透明領域を有するカバー層によってカバーされる。

これにより、移動視差の錯覚が増強されることができる照明デバイスが提供される。例えば、木の像の例では、観察者が通っていくと、葉及び枝が光を動的にブロックすることになる。

一実施形態では、ハニカムグリッド及びスクエアグリッドのいずれかが、光抽出要素とマイクロレンズアレイとの間に配置される。特定の実施形態では、前記グリッドは、黒色グリッド及び／又は低高グリッドである。このようなグリッドを設けることは、クロストークの原因となる光の少なくとも一部をブロックすることによりクロストークを防止する。代替的な実施形態では、この効果は、十分に強いレンズを備えるマイクロレンズアレイを設けることにより得られてもよい。

一実施形態では、照明デバイスは、少なくとも２つの光源を含み、少なくとも２つの光源は、基板上で異なる位置に異なる相関色温度（ＣＣＴ：correlated color temperature）を有するＬＥＤである。

これにより、照明デバイスを見ている人は、色温度の変化を伴う動く光源の効果を体験することになる。

一実施形態では、少なくとも１つの光源は、光混合要素内のカバー層とは反対側の位置に配置され、少なくとも１つの光源は、拡散透過層でカバーされる。

これにより、少なくとも１つの光源によって発せられる光のより均等な広がりが得られる照明デバイスが提供される。

一実施形態では、光抽出要素は、円形光抽出要素又は円形開口である。

これにより、とりわけシンプルな光抽出要素のアレイが提供される。

一実施形態では、光抽出要素は、鏡面光抽出要素又は光抽出フィーチャである。

一実施形態では、光抽出要素は、少なくとも２つの相互に異なる形状を有する。代替的又は追加的な実施形態では、光抽出要素は、少なくとも２つの相互に異なる大きさを有する。

これにより、さらに強化され、改善された３Ｄ効果が提供される。

光混合要素は、光混合チャンバであってもよく、これは、特に、光抽出フィーチャが開口である場合に適している。代替的に、光混合要素は、導光体であってもよく、この場合、鏡面光抽出要素又はフィーチャが特に適している。

一実施形態では、照明デバイスはさらに、光抽出要素のアレイを含む半透明カバー層とマイクロレンズアレイとの間に配置されるスペーサガラス要素を含む。

これにより、少なくとも１つの光源によって発せられる光の角度広がり及びマイクロレンズアレイの焦点の位置のさらなる調整を可能にするコンポーネントを備える照明デバイスが提供される。

一実施形態では、光抽出要素のアレイを含む半透明カバー層は、コリメートガラス要素を含むコリメート要素である。

これにより、少なくとも１つの光源によって発せられる光の角度広がりの改善された制御が提供される。

一実施形態では、光発生要素は、マイクロレンズアレイの方に向いている前面、マイクロレンズアレイから離れている後面、及び前面と後面を隔てるエッジ面を有する導光体、及び、エッジ面を介して導光体内に光を発するための第１の複数のＬＥＤを含み、導光体は、拡散光出力成分を提供するための第１の光発生コンポーネントを表す第１の光アウトカップリング構造(light outcoupling structure)のセットを有し、導光体は、指向性光出力成分を提供するための第２の光発生コンポーネントを表す第２の光アウトカップリング構造のセットを有する。

これにより、上述の利点を実現する、とりわけシンプルな構造を有する代替的な発光デバイスが提供される。

一実施形態では、第１の光アウトカップリング構造のセットは、導光体に埋設される光散乱粒子によって形成され、第２の光アウトカップリング構造のセットは、導光体の前面及び後面のうちの少なくとも一方に設けられる鏡面光抽出要素のアレイによって形成される。

これにより、上述の利点を実現する構造のさらなるシンプル化が提供される。

一実施形態では、光発生要素は、マイクロレンズアレイの方に向いている前面、マイクロレンズアレイから離れている後面、及び前面と後面を隔てるエッジ面を有する導光体、及び、エッジ面を介して導光体内に光を発するための第１の複数のＬＥＤを含み、導光体は、拡散光出力成分を提供するための第１の光発生コンポーネントを表す第１の光アウトカップリング構造のセットを有し、光発生要素はさらに、導光体の前面及び後面のうちの少なくとも一方に設けられる第２の複数のＬＥＤを含み、第２の複数のＬＥＤの各々は、マイクロＬＥＤ又はミニＬＥＤであり、第２の複数のＬＥＤは、指向性光出力成分を提供するための第２の光発生コンポーネントを表す。

これにより、上述の利点を実現する、とりわけシンプルな構造を有する別の代替的な発光デバイスが提供される。

また、このような透明導光体を設けることは、さらなる照明効果を提供し得る照明デバイスを提供する。このような導光体のさらなる利点は、背景光の色及び量が変えられることができることである。通常は、均質な色が要求されるが、このアプリケーションでは、色は多少変わり、斯くして、青空及びいくつかの雲を模倣してもよい。このようにして得られる太陽のような光は、この非常に僅かな散乱材料を、わずか数ｍｍの材料しか見ないためビームの散乱がそれほど多くなく通過する。側面から結合される光は、アウトカップリングに十分であるこの材料の１００～１０００ｍｍを見る。

透明導光体は、散乱材料で作られてもよい。透明導光体は、青色光を発するＬＥＤによって側方照射されてもよい。

この実施形態に適した導光体は、Ｅｖｏｎｉｋ社によって販売されているタイプのＥｎｄＬｉｇｈｔｅｎシート又は導光体である。これにより、青空のような照明効果を提供し得る照明デバイスが提供される。

また、本発明は、照明器具、オフィス天井照明デバイス、壁照明デバイス、ホスピタリティ照明デバイス、小売照明デバイス、廊下、エレベータ等の外景(outside view)のない閉鎖空間のための照明デバイスのうちのいずれか１つである又はいずれか１つとして用いられる照明デバイスに関する。

本発明は、特許請求の範囲に列挙されている特徴のすべての可能な組み合わせに関する。

本発明のこの及び他の態様が、本発明の実施形態を示す添付の図面を参照して、より詳細に述べられる。
本発明による照明デバイスの第１の実施形態の断面図を示す。 本発明による照明デバイスの第２の実施形態の断面図を示す。 本発明による照明デバイスの第３の実施形態の断面図を示す。 本発明による照明デバイスの第４の実施形態の断面図を示す。 本発明による照明デバイスの第５の実施形態の断面図を示す。 本発明による照明デバイスの第６の実施形態の断面図を示す。 本発明による照明デバイスの可能なアプリケーション及び移動視差光学系、並びに、本発明による、さらにカバーを備える発光デバイスを概略的に示す。 無限遠において虚像又は焦点を提供するように構成される本発明による照明デバイスを概略的に示す。 無限遠とは異なる距離Ｚにおいて虚像又は焦点を提供するように構成される本発明による照明デバイスを概略的に示す。 様々な複数の深さにおいて虚像を提供するように構成される本発明による照明デバイスを概略的に示す。

図に示されているように、レイヤ及び領域のサイズは、例示の目的で誇張されている場合があり、斯くして、本発明の実施形態の一般的な構造を例示するために提供されている。同様の参照数字は、全体を通して同様の要素を指す。

本発明は、本発明の現在好ましい実施形態が示されている添付図面を参照して、以下にさらに完全に述べられる。しかしながら、本発明は、多くの異なる形態で実施されてもよく、本明細書で述べられている実施形態に限定される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ており、本開示の範囲を当業者に完全に伝える。

図１は、本発明の第１の実施形態による照明デバイス１を示している。一般的に、実施形態にかかわらず、照明デバイスは、光発生要素と、マイクロレンズアレイ４とを含み、光発生要素は、第１の光発生コンポーネント２及び第２の光発生コンポーネント３を含み、第１の光発生コンポーネントは、拡散光出力成分を提供する表面２８を含み、第２の光発生コンポーネントは、指向性光出力成分を発生する光源３１～３３のアレイを含む。斯くして、照明デバイス１の光発生要素は、一般的に、実施形態にかかわらず、拡散光出力成分と指向性光出力成分との重ね合わせとして形成される光出力を発するように配置される。また、依然一般的に、実施形態にかかわらず、第２の光発生コンポーネント３は、マイクロレンズアレイ４の焦点面Ｆ_Ｐに、例えば、第２の光発生コンポーネント３の平面がマイクロレンズアレイ４の焦点面Ｆ_Ｐと一致するように配置される。

図１に示される特定の実施形態では、照明デバイスはさらに、少なくとも１つの光源２１～２６を含む。典型的には、１つ以上の光源２１～２６は、ＬＥＤである。とりわけ、図１の特定の例では、６つの光源２１～２６が設けられる。光源２１～２６は、動作時に、発光方向に光を発するように構成される。少なくとも１つの光源２１～２６によって発せられる光の発光方向又は伝搬方向は、一般に、光抽出要素のアレイ３及びマイクロレンズアレイ４に向いている。光源２１～２６は、拡散層又はコーティングで部分的又は完全にカバーされてもよい。また、エッジに光源及び表面に光抽出要素を有する導光体が、混合要素として機能してもよい。

一般的に、実施形態に関わらず、光源は、同じ色の若しくは１つ以上の異なる色のＬＥＤ、又は同じ色温度若しくは異なる相関色温度を有するＬＥＤ等、ＬＥＤであってもよい。

第１の光発生コンポーネント２は、光混合要素２であり、光混合要素２は、典型的には、底面又は壁２７及びカバー層２８を含むボックスの形態のチャンバとして設けられる。壁２７及びカバー層２８は、光混合要素２の相互に対向する部分である。光源２１～２６は、光混合要素２において、カバー層２８に対向する壁２７に配置される。カバー層２８は、少なくとも１つの光源２１～２６により発せられる光の伝搬方向で見た場合、少なくとも１つの光源２１～２６の前方又は下流に配置される。底面又は壁２７は、反射性であってもよく、又は、反射性コーティング、フィルム若しくは表面層を備えてもよい。代替的に、第１の光発生コンポーネント２は、導光体であってもよい。

カバー層２８は、拡散性透明層である。カバー層２８は、厚さｔを有する。カバー層２８は、光抽出要素３を形成する、少なくとも１つの開口３１～３３のアレイ３を含む。また、光抽出要素３は、開口以外の他の適切な光抽出フィーチャであってもよい。特に、第１の光発生コンポーネント２が導光体である場合、第２の光発生コンポーネント、又は光抽出要素は、鏡面光抽出要素又はフィーチャであることができる。

斯くして、カバー層２８の拡散性透明部分は、拡散光出力成分を提供するように構成され、少なくとも１つの開口３１～３３のアレイ３は、指向性光出力成分を提供するように構成される。少なくとも１つの開口のアレイ３は、開口ピッチＰ_Ａを有する。カバー層２８は、追加的又は代替的に、反射層であってもよい。このような反射層は、光発生の効率を高めるために設けられてもよい。

開口のアレイ３は、円形、楕円形、長方形又は任意の他の形状等、同じ形状を有してもよい。代替的に、開口のアレイ３は、円形、楕円形、長方形若しくは任意の他の形状、又はこれらの組み合わせ等、異なる形状を有する開口を含んでもよい。代替的に、又は追加的に、開口のアレイ３は、異なる大きさを有する開口を含んでもよい。

マイクロレンズアレイ４は、複数のマイクロレンズ４１～４３を含む。マイクロレンズアレイ４は、少なくとも１つの光源２１～２６により発せられる光の伝搬方向で見た場合、カバー層２８の前方又はカバー層２８の下流に配置される。マイクロレンズアレイ４は、マイクロレンズピッチＰ_Ｌを有する。各マイクロレンズ４１～４３は、曲率半径Ｒを有する。マイクロレンズアレイ４は、適切なガラス材料４４（図１及び図３）又はポリマー材料４５（図２）で作られてもよい。さらに、マイクロレンズアレイ４は、焦点距離ｆ、焦点Ｆ、及び焦点Ｆが位置する焦点面Ｆ_Ｐを有する。光抽出要素３１～３３は、マイクロレンズアレイ４の焦点面Ｆ_Ｐに、すなわち、光抽出要素３１～３３の平面がマイクロレンズアレイ４の焦点面Ｆ_Ｐと一致するように配置されてもよい。

光混合要素２は、言い換えれば、開口の形態の小さい(tiny)光抽出要素３１～３３のアレイを有する拡散性透明シート２８によってカバーされる。光抽出要素３１～３３は、マイクロレンズアレイ４の焦点面Ｆ_Ｐに配置されてもよい。開口３１～３３及びレンズ４１～４３の各対は、以下の式によって述べられるような開口３１～３３の半径ｒ_ｉ及びマイクロレンズ４１～４３の焦点距離ｆ_ｉによって決定される角度広がりαを有する狭い指向性光ビームを作り出す。

この式は、ビーム半値角(beam half-angle)αを、屈折率ｎ_１（空気）とｎ_２（レンズアレイ）、開口半径ｒ_ｉ及びレンズ焦点距離ｆ_ｉの関数として表している。この式は、マイクロレンズが厚いマイクロレンズである状況を前提とすることに留意されたい。空気スペーサを有する薄いマイクロレンズ又は（任意選択的に異なる屈折率を有する）追加のガラス若しくは導光体スペーサを有する薄いマイクロレンズを用いる実施形態は、この式では述べられない。

斯くして、本発明のすべての実施形態に対して一般的に、動作時に、光源２１～２６によって発せられる光は、光混合要素２において混合され、任意選択的に、光抽出要素のアレイ３においてβ／２のビーム広がり(beam spread)を得るようにコリメートされる。このビーム広がりは、例えば、ビーム広がりを制限する垂直ラメラのアレイの使用によって、鏡面光抽出フィーチャを有する導光体を混合要素として使用することによって、又は、当業者に既知である他の手段によって実現されることができる。一実施形態では、β／２は、１３度以下に等しい。光抽出要素のアレイ３を有するカバー層２８において、カバー層２８の拡散性透明部分を伝搬する光は、拡散出力照明成分を形成し、少なくとも１つの光抽出要素のアレイ３の光抽出要素３１～３３を伝搬する光は、ビーム半値角αを有する指向性出力照明成分を形成する。一実施形態では、ビーム半値角αは、２度以下に等しい。その後、レンズアレイ４は、２つの出力照明成分を、見ている人によって体験される像に形成する。本明細書で用いられる場合、αは、デバイスから出る(emerge)光のビーム角を示し、βは、光がマイクロレンズ（開口数）によって集光されるビーム角を示す。

図２は、本発明の第２の実施形態による照明デバイス１０を示している。図２の照明デバイス１０は、カバー層２８及び光抽出要素のアレイ３の構造のみが図１のものとは異なる。この場合、照明デバイス１０は、それぞれ光源２１～２６及びマイクロレンズアレイ４の方を向く２つの対向面の各々に層又はコーティング２８、３６を備えるコリメートガラス要素３６を含む。コリメートガラス要素３６は、例えば、その面に塗布されるコーティングパターンとの組み合わせにより、光コリメーション機能を提供する、ガラスプレート／スペーサであってもよい。

光源２１～２６の方を向いているコーティング２８はカバー層２８を形成し、マイクロレンズアレイ４の方を向いているコーティング３６はコリメータコーティングである。コーティング２８及び３６は両方とも、光抽出要素３１～３３のアレイを備える。カバー層２８及びコリメータコーティング３６のそれぞれの光抽出要素３１～３３のアレイは、位置及び／若しくは形状及び／若しくは大きさが同一であってもよく、又は、位置及び／若しくは形状及び／若しくは大きさが異なってもよい。

図３は、本発明の第３の実施形態による照明デバイス１００を示している。図３の照明デバイス１００は、以下のフィーチャによってのみ図１のものとは異なる。

照明デバイス１００は、光抽出要素のアレイ３が形成されるコーティング又は層２８を有するガラス材料２９の形態の光混合要素２を含む。さらに、スペーサガラス材料５が、光抽出要素のアレイ３とマイクロレンズアレイ４との間に配置される。スペーサガラス材料５は、開口３１及びマイクロレンズ４１の焦点面が一致するのを保証する。スペーサガラス材料５は、第２の光源からの光を分配及び抽出するための導光体として使用されてもよい。

図４は、本発明の第４の実施形態による照明デバイス１００'を示している。図４の照明デバイス１００'は、第１の光発生コンポーネント２が導光体であり、第２の光発生コンポーネント３が鏡面光抽出要素のアレイである点で図１のものとは異なる。さらに、図４の照明デバイス１００'は、黄色光（矢印５２）を反射し、青色光（矢印５１）を透過するコーティングが設けられる点で図１のものとは異なる。これは、指向性ビームの効率を高めつつ、散乱青空(diffuse blue sky)を模倣する。この目的のために、照明デバイス１００'は、青色光に対して透明であり、黄色光を反射する層３７を含み、層３７は、光抽出要素３１、３２、３３を含む。さらに、層３７は、透過される青色光に拡散効果を与えてもよい。例えば、１つ以上の単純なダイクロイックコーティングの層３７は、青色光を透過し、黄色光を反射し得る。光抽出要素３１、３２、３３を透過される光は、指向性白色光（矢印５０）として発せられる。

図５は、本発明の第５の実施形態による照明デバイス１０２を示している。図５の照明デバイス１０２は、第１の光発生コンポーネントが透明導光体２であり、第２の光発生コンポーネント３が透明導光体２上に配置される光アウトカップリング構造３１０、３２０、３３０のアレイである点で図１のものとは異なる。さらに、導光体２は、散乱材料で作られる壁２８０を含む。言い換えれば、導光体２の一部は、この実施形態では、散乱材料２８０で作られる。また、導光体２は側方照明され、これは、実際には、導光体２の側壁２７１又は２７２に複数の光源２１、２２、典型的にはＬＥＤを配置することにより得られる。図５に示されるように、光源２１、２２は、導光体２の下側の側壁２７１に配置されている。

図６は、本発明の第６の実施形態による照明デバイス１０３を示している。図６の照明デバイス１０３は、主に、ここでは第２の光発生コンポーネント３がマイクロＬＥＤ又はミニＬＥＤ３１１～３３１のアレイとして設けられる点で図５のものと異なる。マイクロＬＥＤ又はミニＬＥＤ３１１～３３１のアレイは、マイクロレンズのアレイ４の方を向いた導光体２の壁２７３上に配置される。さらに、図６に示されるように、光源２１、２２は、導光体２の上側の側壁２７２に配置されている。

図７は、本発明の第７の実施形態による照明デバイス１０１を示している。図７の照明デバイス１０１は、上述の又は以下に述べられる実施形態のうちのいずれか１つによる照明デバイスであってもよい。さらに、照明デバイス１０１は、透明領域７１及び不透明領域７２を備えるカバー７を備える。カバー７は、マイクロレンズアレイ４上に配置される。カバー７は、プレート、層又はコーティングであってもよい。代替的に、カバー７は、導光体に置き換えられてもよい。このような導光体は、透明導光体であってもよい。追加的に、透明導光体は、散乱材料で作られてもよい。また、導光体は、限定されるものではないが、青色光等、光を発するＬＥＤによって側方照射されてもよい。

図７はさらに、見ている人の眼６４～６７が４つの異なる位置から本発明による照明デバイス１０１を観察するのを示している。見ている人は、１つ（又はいくつか）の開口のみを見ることになり、他のすべての光抽出要素からの光は眼に届かない。視点を移動させる、例えば、眼６４の視点から眼６６の視点に移動させる場合、異なる開口が見えるようになり、最初の開口は見えなくなる。これは、９４で示されるような動く光源(moving light source)の錯覚(illusion)、例えば、動く太陽／月／星の効果や、９３で示されるような増強した３Ｄ効果を作り出す。照明デバイスが、例えば、ポスターボックスのように、９４で示されるような着色透明体(colored transparency)によりカバーされる場合、移動視差の錯覚が増強されることができる。例えば、木の像９４の例では、観察者が通っていくと、葉及び枝が光を動的にブロックすることになる。

９１では、さらなるアプリケーションが示されている。見ている人（眼６１～６３）が、本発明による発光デバイスによって得られる強くコリメートされる光源によって後ろから照らされる透過型ディスプレイである、着色透明体９１を観察する場合、結果として生じる像は、観察者の位置及び動きに依存して現れたり消えたりする、動く太陽の錯覚をディスプレイすることになる。

図８は、光抽出要素のアレイ３及びマイクロレンズアレイ４を含み、無限遠において虚像９８、９９又は焦点を提供するように構成される本発明による照明デバイスを概略的に示している。図９は、光抽出要素のアレイ３及びマイクロレンズアレイ４を含み、無限遠とは異なる距離Ｚにおいて虚像９８又は焦点を提供するように構成される本発明による照明デバイスを概略的に示している。図８及び図９の照明デバイスはそれぞれ、上述の又は以下に述べられる実施形態のうちのいずれか１つによる照明デバイスであってもよい。

一部の見ている人（眼６８、６９）によって体験される最初に述べられた問題が、図８に示されている。光抽出要素のアレイ３のピッチＰ_ＡがマイクロレンズアレイのピッチＰ_Ｌと等しく選ばれている場合、虚像は無限遠に作り出される。観察者の２つの眼６８、６９は２つの像を受け、眼が無限遠に収束する場合、すなわち、平行である場合にのみ、これらを１つに融合する。しかしながら、眼をより近い距離に合焦する、すなわち、眼は無限遠よりも短い距離に収束する自然な傾向がある。斯くして、観察者は、２つの像を１つに融合させることに困難を感じる可能性がある。また、無限遠に虚像を作り出すという設計上の選択は、図１に描かれるような光ビームが、デバイスの真正面に立つ場合にのみ見られることができ、ある角度から見る場合には見られないことを意味する。

これに対して、図９に示されるように、光抽出要素を形成する開口のアレイ３のピッチＰ_Ａが、マイクロレンズアレイ４のピッチＰ_Ｌよりも小さく選択される場合、以下が当てはまる。等角度から、以下の関係が成り立つ。
（ｍ＊Ｐ_Ａ）／（Ｚ－ｆ_ａ）＝（ｍ＊Ｐ_Ｌ）／Ｚ
ここで、ｍは任意の整数であり、Ｐ_Ａは開口アレイのピッチであり、Ｐ_Ｌはマイクロレンズアレイのピッチであり、ｆ_ａは空気中のマイクロレンズアレイの焦点距離であり、Ｚはマイクロレンズアレイから虚像までの距離である。上記の式から、虚像は、距離
Ｚ＝ｆ_ａ＊１／（１－（Ｐ_Ａ／Ｐ_Ｌ））
に現れることになる。

このことが、図９に示されている。また、観察者が発光デバイスの多少右又は左に立つ場合にも、像は見られることができる。これは、すべての光ビームがデバイスに対して垂直に出て、斜めから観察される場合光が眼に届かない、いくつかの従来技術のソリューションとは対照的である。

例として、Ｐ_Ａ＝Ｐ_Ｌである場合、Ｚは無限大になる。Ｐ_Ａｉ＝０．９９＊Ｐ_Ｌである場合、Ｚは焦点距離ｆの１００倍である。最後に、Ｐ_Ａｉ＝０．９８＊Ｐ_Ｌである場合、Ｚは焦点距離ｆ_ａの５０倍である。

照明デバイスを横切る像の滑らかな動きの滑らかな視覚体験をもたらすために、指向性光ビームの角度広がりαは、マイクロレンズアレイのマイクロレンズの各々の後伝搬する個々の光ビーム間の角度距離以上である必要がある。そのためには、以下の関係が満たされる必要がある。
（Ｐ_Ｌ－Ｐ_Ａ）≦ｒ_ｉ

それゆえ、開口ピッチ及びマイクロレンズピッチは、一部の実施形態では、Ｐ_Ａｉ≦Ｐ_Ｌの関係を満たすように選択される。

図１０は、光抽出要素を形成する２つの開口のアレイ、すなわち、第１の開口のアレイ３及び第２の開口のアレイ３'と、マイクロレンズアレイ４とを含む本発明による照明デバイスを概略的に示している。図１０の照明デバイスは、上述した実施形態のうちのいずれか１つによる照明デバイスであってもよい。第１の開口のアレイ３は、マイクロレンズアレイ４のピッチに等しいピッチを有し、したがって、結果として生じる像は無限遠に現れる。第２の開口のアレイ３'は、マイクロレンズアレイ４のピッチよりも小さいピッチを有し、結果として生じる像はより近くに現れる。斯くして、図１０の照明デバイスは、第１の開口のアレイ３によって、無限遠に等しい距離Ｚにおいて虚像９８、９９又は焦点を提供し、第２の開口のアレイ３'によって、無限遠とは異なる距離Ｚにおいて虚像９７又は焦点を提供するように構成される。したがって、図１０は、どのようにして様々な像９７、９８、９９が異なる深さに作り出されることができるかということを示している。

斯くして、図１０に示される実施形態では、発光デバイスのカバー層は、異なる開口ピッチＰ_Ａｉを有する少なくとも２つの開口のアレイを含み、ｉは、開口のアレイの番号を示し、ｉは、１以上の整数である。マイクロレンズアレイは、マイクロレンズピッチＰ_Ｌを有する。開口ピッチ及びマイクロレンズピッチの各々は、Ｐ_Ａｉ≦Ｐ_Ｌの関係を満たすように選択される。

さらに、開口ピッチ及びマイクロレンズピッチの各々は、（Ｐ_Ｌ－Ｐ_Ａｉ）≦ｒ_ｉの関係を満たすように選択されてもよく、ここで、ｒは開口の半径であり、ｉは開口のアレイの番号を示し、ｉは１以上の整数である。

色温度の変化を伴う動く太陽の効果（例えば、大きな角度から見た場合低い相関色温度（ＣＣＴ：correlated color temperature）、照明デバイスの真正面から見ると高いＣＣＴ）を生み出すために、光混合要素２は、一実施形態では、不均一ではあるが滑らかな空間的な色又はＣＣＴ分布を備えてもよい。これは、例えば、ＰＣＢ等の基板上で異なる位置に異なるＣＣＴを有し、拡散プレートでカバーされるＬＥＤを採用することにより実現されることができる。

また、３Ｄ効果が生成されてもよい。すべて同じ形状の単純な円形開口を用いる場合、このような３Ｄ効果は得られない。しかしながら、３Ｄオブジェクトのプリントされた３Ｄビューのような、形状のアレイ(array of shapes)を用いると、各々の眼は異なる３Ｄビューを見ることになり、３Ｄ像が結果として生じる。

当業者は、本発明が決して上記の好ましい実施形態に限定されるものではないことを認識する。それどころか、多くの修正及び変形が、添付の特許請求の範囲内で可能である。

さらに、図面、本開示、及び添付の請求項の検討によって、開示される実施形態に対する変形形態が、当業者により理解されることができ、また、特許請求される発明を実施する際に実行されることができる。請求項では、単語「含む（comprising）」は、他の構成要素又はステップを排除するものではなく、不定冠詞「１つの（a）」又は「１つの（an）」は、複数を排除するものではない。特定の手段が、互いに異なる従属請求項内に列挙さ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示すものではない。

可変の大きさ(size)のリスト
α 開口及びレンズの対を伝搬した光ビームのビーム半値角（角度広がり）
β マイクロレンズアレイのマイクロレンズの受光角
ｆ_ａ 空気中のマイクロレンズアレイの焦点距離
ｆ_ｉ マイクロレンズアレイの焦点距離
Ｆ マイクロレンズアレイの焦点
Ｆ_Ｐ マイクロレンズアレイの焦点面
ｉ 整数、ｉ≧１
ｍ 任意の整数
ｎ_１ 空気の屈折率
ｎ_２ マイクロレンズアレイの屈折率
Ｐ_Ａｉ ｉ番目の開口のピッチ
Ｐ_Ｌ マイクロレンズアレイのピッチ
ｒ_ｉ 開口の半径
ｔ 光抽出要素／コリメータのアレイの厚さ
Ｒ マイクロレンズアレイのレンズの曲率
Ｚ 虚像までの距離

参照数字のリスト
１、１０、１００、１００'、１０１ 照明デバイス
２ 光混合要素
２１～２６ 光源
２７ 光混合要素の底部
２７１～２７３ 導光体の側部
２８ 光抽出要素を有する拡散層
２８０ 散乱材料
２９ 開口ガラス
３、３' 光抽出要素のアレイ
３１～３３ 光抽出要素
３１０～３３０ 光アウトカップリング構造
３１１～３３１ マイクロＬＥＤのアレイ
３４ コリメータ
３５ コリメータガラス
３６ コリメータコーティング
３７ 層
４ マイクロレンズアレイ
４１～４３ マイクロレンズ
４４ マイクロレンズガラス
４５ マイクロレンズポリマー
５ スペーサガラス
５０～５２ 矢印
６１～６７ 見ている人の眼
６８ 見ている人の左眼
６９ 見ている人の右眼
７ カバー層
８ 導光体
９１ ディスプレイ
９２ 見ている人によって見られるディスプレイ
９３ 照明デバイスによって作り出される３Ｄ虚像
９４ 木の像
９７～９９ 虚像

Claims (15)

1. 光発生要素と、
   焦点面を有するマイクロレンズアレイと、
   を含む照明デバイスであって、
   前記光発生要素は、第１の光発生コンポーネント及び第２の光発生コンポーネントを含み、
   前記第１の光発生コンポーネントは、拡散光出力成分を提供するように構成される発光面を含み、
   前記第２の光発生コンポーネントは、指向性光出力成分を提供するように構成される少なくとも１つの光源のアレイを含み、
   前記光発生要素は、前記マイクロレンズアレイに向けて光出力を発するように配置され、前記光出力は、前記拡散光出力成分と前記指向性光出力成分との重ね合わせによって形成され、
   前記光源のアレイは、前記マイクロレンズアレイの前記焦点面に位置する、照明デバイス。
2. 当該照明デバイスは、動作時に、伝搬方向に光を発するように構成される少なくとも１つの光源を含み、
   前記第１の光発生コンポーネントは、前記少なくとも１つの光源が配置される光混合要素を含み、
   前記発光面は、前記光混合要素の一部を形成するカバー層であり、前記カバー層は、前記伝搬方向において前記少なくとも１つの光源の下流に配置され、
   マイクロレンズアレイは、前記伝搬方向において前記カバー層の下流に配置され、
   前記光源のアレイは、少なくとも１つの光抽出要素のアレイであり、
   前記光混合要素の前記カバー層は、拡散性透明層であり、前記少なくとも１つの光抽出要素のアレイは、前記拡散性透明層に配置される、請求項１に記載の照明デバイス。
3. 前記光抽出要素は開口であり、前記カバー層は、異なる開口ピッチＰ_Ａｉを有する少なくとも２つの開口のアレイを含み、ｉは、開口のアレイの番号を示し、ｉは、１以上の整数である、請求項２に記載の照明デバイス。
4. 前記光抽出要素は開口であり、前記マイクロレンズアレイは、マイクロレンズピッチＰ_Ｌを有し、開口のアレイ又は各アレイは、開口ピッチＰ_Ａｉを有し、前記開口ピッチ又は前記開口ピッチの各々、及び前記マイクロレンズピッチは、Ｐ_Ａｉ≦Ｐ_Ｌの関係を満たすように選択され、ｉは、開口のアレイの番号を示し、ｉは、１以上の整数である、請求項２又は３に記載の照明デバイス。
5. 前記光抽出要素は開口であり、前記マイクロレンズアレイは、マイクロレンズピッチＰ_Ｌを有し、開口のアレイ又は各アレイは、開口ピッチＰ_Ａｉを有し、前記開口ピッチ又は前記開口ピッチの各々、及び前記マイクロレンズピッチは、（Ｐ_Ｌ－Ｐ_Ａｉ）≦ｒ_ｉの関係を満たすように選択され、ｒは、開口の半径であり、ｉは、開口のアレイの番号を示し、ｉは、１以上の整数である、請求項２乃至４のいずれか一項に記載の照明デバイス。
6. 前記少なくとも１つの光源は、前記光混合要素内の前記カバー層とは反対側の位置に配置され、前記少なくとも１つの光源は、拡散層でカバーされる、請求項２乃至５のいずれか一項に記載の照明デバイス。
7. 前記光抽出要素は、
   少なくとも２つの相互に異なる形状、及び／若しくは
   少なくとも２つの相互に異なる大きさ、
   を有する、並びに／又は、
   前記光抽出要素は、円形である、請求項２乃至６のいずれか一項に記載の照明デバイス。
8. 光抽出要素のアレイを含む前記カバー層は、コリメートガラス要素を含む半透明コリメート要素である、請求項２乃至７のいずれか一項に記載の照明デバイス。
9. 前記光発生要素は、
   前記マイクロレンズアレイの方に向いている前面、前記マイクロレンズアレイから離れている後面、及び前記前面と前記後面を隔てるエッジ面を有する導光体、及び
   前記エッジ面を介して前記導光体内に光を発するための第１の複数のＬＥＤ、
   を含み、
   前記導光体は、前記拡散光出力成分を提供するための前記第１の光発生コンポーネントを表す第１の光アウトカップリング構造のセットを有し、
   前記導光体は、前記指向性光出力成分を提供するための前記第２の光発生コンポーネントを表す第２の光アウトカップリング構造のセットを有する、請求項１に記載の照明デバイス。
10. 前記第１の光アウトカップリング構造のセットは、前記導光体に埋設される光散乱粒子によって形成され、
    前記第２の光アウトカップリング構造のセットは、前記導光体の前記前面及び前記後面のうちの少なくとも一方に設けられる鏡面光抽出要素のアレイによって形成される、請求項９に記載の照明デバイス。
11. 前記光発生要素は、
    前記マイクロレンズアレイの方に向いている前面、前記マイクロレンズアレイから離れている後面、及び前記前面と前記後面を隔てるエッジ面を有する導光体、及び
    前記エッジ面を介して前記導光体内に光を発するための第１の複数のＬＥＤ、
    を含み、
    前記導光体は、前記拡散光出力成分を提供するための前記第１の光発生コンポーネントを表す第１の光アウトカップリング構造のセットを有し、
    前記光発生要素は、前記導光体の前記前面及び前記後面のうちの少なくとも一方に設けられる第２の複数のＬＥＤを含み、前記第２の複数のＬＥＤの各々は、マイクロＬＥＤ又はミニＬＥＤであり、前記第２の複数のＬＥＤは、前記指向性光出力成分を提供するための前記第２の光発生コンポーネントを表す、請求項１に記載の照明デバイス。
12. 前記マイクロレンズアレイは、透明な背景に像を画定する不透明領域を有するカバー層によってカバーされる、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の照明デバイス。
13. 当該照明デバイスは、前記光抽出要素のアレイを含む前記発光面と前記マイクロレンズアレイとの間に配置されるスペーサガラス要素を含む、請求項２乃至１２のいずれか一項に記載の照明デバイス。
14. 当該照明デバイスは、少なくとも２つの光源を含み、前記少なくとも２つの光源は、基板上で異なる位置に異なる相関色温度を有するＬＥＤである、請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の照明デバイス。
15. 当該照明デバイスは、照明器具、オフィス天井照明デバイス、壁照明デバイス、ホスピタリティ照明デバイス、小売照明デバイス、及び外景のない閉鎖空間のための照明デバイスのうちのいずれか１つである、請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の照明デバイス。

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