JP3328274B2 - 非映像放射エネルギーデバイス - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 本発明は米国エネルギー省との資金提供契約に従って
なされた。
なされた。
発明の背景 本発明は一般的に非映像光学、より詳細には非映像光
学に使用される放射エネルギーデバイスに関する。
学に使用される放射エネルギーデバイスに関する。
非映像光学は、光などの放射エネルギーの放射、集
中、及び／又は変換を取扱い、そこでは映像の生成は重
要でない。例えば望遠鏡システムおよびカメラシステム
のような映像システムでは、映像の生成が主に重要とな
る。非映像光学では、映像の生成を考慮することなく、
光などの放射エネルギーを最大の効率で伝達、放射また
は集中することが目標となる。非映像システムの全てで
ないとしてもその大部分において、視覚的にコヒーレン
トな映像は形成されない。非映像光学の応用例として、
繊維光学、照明、及び光学的検出があり、そこで主に重
要なのは光エネルギーの効率的な伝達である。
中、及び／又は変換を取扱い、そこでは映像の生成は重
要でない。例えば望遠鏡システムおよびカメラシステム
のような映像システムでは、映像の生成が主に重要とな
る。非映像光学では、映像の生成を考慮することなく、
光などの放射エネルギーを最大の効率で伝達、放射また
は集中することが目標となる。非映像システムの全てで
ないとしてもその大部分において、視覚的にコヒーレン
トな映像は形成されない。非映像光学の応用例として、
繊維光学、照明、及び光学的検出があり、そこで主に重
要なのは光エネルギーの効率的な伝達である。
多くの実用的な状態が応用光学に存在し、そこでは光
ビームのような放射エネルギー放出の角発散と断面積に
関する放射エネルギー変換を行うことが望ましい。例え
ば、光ファイバーシステムにおける光学パワーの発射お
よびファイバー同士の結合には、光エネルギーのそのよ
うな角度変換が通常必要である。同様に多くの照明の用
途では、放射光源を特定の空間強度と角発散の指向性ビ
ームに変換することが必要である。
ビームのような放射エネルギー放出の角発散と断面積に
関する放射エネルギー変換を行うことが望ましい。例え
ば、光ファイバーシステムにおける光学パワーの発射お
よびファイバー同士の結合には、光エネルギーのそのよ
うな角度変換が通常必要である。同様に多くの照明の用
途では、放射光源を特定の空間強度と角発散の指向性ビ
ームに変換することが必要である。
本発明の背景に重要なのは、米国特許No.4,114,592,N
o.4,240,692に図示されるような非映像放射エネルギー
変換デバイスである。これらのデバイスはエネルギー伝
達効率の点で映像デバイスより優れた光伝達特性を有す
るが、スキュー光線エネルギー損失を生じやすい。放射
エネルギーフローラインに基づく非映像放射エネルギー
デバイスが米国特許No.4,237,332に開示される。双曲線
状反射体の形状の、そのような放射エネルギーデバイス
とレンズとの組合せが、90度の角度への任意の角度θの
入力エネルギーの理想的変換体として提案されている。
ウィンストン等、「非映像光学における研究：微弱源の
検出、」エネルギー工学科学に関する第二回シンポジウ
ムの議事録（Winston,et al.,“Investigations in Non
−Imaging Optics:Detection of Faint Sources,"Proce
edings of the Second Symposium on Energy Engineeri
ng Sciences,頁110〜115（1984年４月10〜11日）及びオ
ーギャラファー等、「最大の理論的集中比を有する軸方
向に対称な非映像光束コンセントレーター、」アメリカ
光学協会誌Ａ、第四巻（O'Gallagher,et al.,“Axially
Symmetric Nonimaging Flux Concentrators With the
Maximum Theoretical Concentration Ratio,"Journal o
f the Optical Society of America A,Vol.4）頁66〜68
（1987年）を参照されたい。
o.4,240,692に図示されるような非映像放射エネルギー
変換デバイスである。これらのデバイスはエネルギー伝
達効率の点で映像デバイスより優れた光伝達特性を有す
るが、スキュー光線エネルギー損失を生じやすい。放射
エネルギーフローラインに基づく非映像放射エネルギー
デバイスが米国特許No.4,237,332に開示される。双曲線
状反射体の形状の、そのような放射エネルギーデバイス
とレンズとの組合せが、90度の角度への任意の角度θの
入力エネルギーの理想的変換体として提案されている。
ウィンストン等、「非映像光学における研究：微弱源の
検出、」エネルギー工学科学に関する第二回シンポジウ
ムの議事録（Winston,et al.,“Investigations in Non
−Imaging Optics:Detection of Faint Sources,"Proce
edings of the Second Symposium on Energy Engineeri
ng Sciences,頁110〜115（1984年４月10〜11日）及びオ
ーギャラファー等、「最大の理論的集中比を有する軸方
向に対称な非映像光束コンセントレーター、」アメリカ
光学協会誌Ａ、第四巻（O'Gallagher,et al.,“Axially
Symmetric Nonimaging Flux Concentrators With the
Maximum Theoretical Concentration Ratio,"Journal o
f the Optical Society of America A,Vol.4）頁66〜68
（1987年）を参照されたい。
本技術における上記及び他の開発にもかかわらず、例
えば、光ビームの第一の鋭角発散θ１から第二の鋭角発
散θ２への高効率での変換要求に応答する新規デザイン
のエネルギー変換体、および望ましい特性を有する他の
非映像放射エネルギーデバイスの必要性が依然として存
在する。
えば、光ビームの第一の鋭角発散θ１から第二の鋭角発
散θ２への高効率での変換要求に応答する新規デザイン
のエネルギー変換体、および望ましい特性を有する他の
非映像放射エネルギーデバイスの必要性が依然として存
在する。
発明の概要 一つの態様において発明は、入力角発散θ１の放射エ
ネルギービームを90度未満の任意に選択した出力角発散
θ２へ変換でき従って、例えば、繊維光学、照明および
光学的検出システムにおける結合体としての使用に適す
る、改良されたエネルギー伝達デバイスを提供する。
ネルギービームを90度未満の任意に選択した出力角発散
θ２へ変換でき従って、例えば、繊維光学、照明および
光学的検出システムにおける結合体としての使用に適す
る、改良されたエネルギー伝達デバイスを提供する。
この態様において本発明は、放射エネルギー入口部と
放射エネルギー出口部が有る反射壁を有する放射エネル
ギー変換体を指向する。反射壁は一対のレンズと連係し
て使用され、レンズの一個は放射エネルギー入口部に、
他の一個は放射エネルギー出口部に設けられる。レンズ
の焦点距離は、レンズが反射壁に作動的に結合される時
に共通の焦平面を共用するように特別に選択される。即
ち、二個のレンズのそれぞれの焦点距離の差は実質的に
二個のレンズ間の距離に等しい。反射壁は、第一の鋭角
内で放射エネルギー入口部においてレンズ上に当たる放
射エネルギーが、第二の鋭角内で放射エネルギー出口部
から全面的に出るように放射エネルギー出口部において
その壁により他のレンズへ反射される形状になってお
り、また第二の鋭角は第一の鋭角と異なる。
放射エネルギー出口部が有る反射壁を有する放射エネル
ギー変換体を指向する。反射壁は一対のレンズと連係し
て使用され、レンズの一個は放射エネルギー入口部に、
他の一個は放射エネルギー出口部に設けられる。レンズ
の焦点距離は、レンズが反射壁に作動的に結合される時
に共通の焦平面を共用するように特別に選択される。即
ち、二個のレンズのそれぞれの焦点距離の差は実質的に
二個のレンズ間の距離に等しい。反射壁は、第一の鋭角
内で放射エネルギー入口部においてレンズ上に当たる放
射エネルギーが、第二の鋭角内で放射エネルギー出口部
から全面的に出るように放射エネルギー出口部において
その壁により他のレンズへ反射される形状になってお
り、また第二の鋭角は第一の鋭角と異なる。
他の態様において本発明は、先ず放射エネルギー入口
部から中間部へ細くなり、次いで中間部から放射エネル
ギー出口部へ直径が増加する反射壁を有する放射エネル
ギー変換体を指向する。一個のレンズが放射エネルギー
入口部に、他のレンズが放射エネルギー出口部に設けら
れる。反射壁は、ある鋭角内で放射エネルギー入口部に
おいてレンズ上に当たる放射エネルギーが、第二の鋭角
内でもっぱら放射エネルギー出口部から全面的に出るよ
うにその壁により反射される形状になっている。
部から中間部へ細くなり、次いで中間部から放射エネル
ギー出口部へ直径が増加する反射壁を有する放射エネル
ギー変換体を指向する。一個のレンズが放射エネルギー
入口部に、他のレンズが放射エネルギー出口部に設けら
れる。反射壁は、ある鋭角内で放射エネルギー入口部に
おいてレンズ上に当たる放射エネルギーが、第二の鋭角
内でもっぱら放射エネルギー出口部から全面的に出るよ
うにその壁により反射される形状になっている。
本発明による変換体は、鏡面である反射壁を有し、そ
の反射壁の内部は中空であり、もしくは代わりに反射壁
は中実の誘電体の表面材でもよく、レンズは誘電体の対
向した曲面から構成される。
の反射壁の内部は中空であり、もしくは代わりに反射壁
は中実の誘電体の表面材でもよく、レンズは誘電体の対
向した曲面から構成される。
他の特徴において本発明は、第二の光学素子に光学的
に結合される中実の誘電体の第一の光学素子から構成さ
れる。第二の光学素子は、中実の誘電体を通る放射エネ
ルギーフローラインに実質的に対応する形状を有する反
射表面を有する。本発明のこの特徴は、非映像放射エネ
ルギーデバイス内の「有効光学距離」と以下で呼ばれる
新規の概念を利用する。有効光学距離のこの新しい概念
は、非映像システムにおける誘電素子を通る放射エネル
ギーフローラインを求めるのに使用できることが発見さ
れている。従来、放射エネルギーフローラインの判断
は、光路が空気のみを通過する非映像システムに限定さ
れた。
に結合される中実の誘電体の第一の光学素子から構成さ
れる。第二の光学素子は、中実の誘電体を通る放射エネ
ルギーフローラインに実質的に対応する形状を有する反
射表面を有する。本発明のこの特徴は、非映像放射エネ
ルギーデバイス内の「有効光学距離」と以下で呼ばれる
新規の概念を利用する。有効光学距離のこの新しい概念
は、非映像システムにおける誘電素子を通る放射エネル
ギーフローラインを求めるのに使用できることが発見さ
れている。従来、放射エネルギーフローラインの判断
は、光路が空気のみを通過する非映像システムに限定さ
れた。
本発明の他の態様、特徴および利点は、簡単な説明が
以下でなされる図面に関連して行われる好ましい数例の
実施例の下記の詳細な説明により明らかになる。
以下でなされる図面に関連して行われる好ましい数例の
実施例の下記の詳細な説明により明らかになる。
図面の簡単な説明 図１は、θ１から90゜への放射エネルギー変換のため
の放射エネルギー集中体を図示する。
の放射エネルギー集中体を図示する。
図２は、本発明による放射エネルギー変換体の第一実
施例を図示する。
施例を図示する。
図３は、凸レンズのｆ値目盛り絞りに対する本発明に
よる光ファイバー結合体の通過量のコンピュータシミュ
レーションである。
よる光ファイバー結合体の通過量のコンピュータシミュ
レーションである。
図４は、本発明による放射エネルギー変換体の第二実
施例を図示する。
施例を図示する。
図５は、本発明による放射エネルギー変換体の第三実
施例を図示する。
施例を図示する。
図６は、中実の誘電光学素子を通る放射エネルギー源
からの一対の放射エネルギーフローラインを図示する。
からの一対の放射エネルギーフローラインを図示する。
図７は、本発明の原理の証明に関して参照される線図
である。
である。
図８は、図６の原理による本発明の第一実施例の断面
図である。
図である。
図９は、本発明の第二実施例の断面図である。
好ましい数例の実施例の詳細な説明 ここで図１を参照すると、放射エネルギー集中体10が
断面で示される。集中体10は反射光学素子12と収斂レン
ズ14から構成される。反射素子12は、一対の双曲線16a,
16bで示されるように双曲線の形状を有する。反射素子1
2により、素子12の内部表面18に当たる放射エネルギー
光線が反射される。素子12の反射機能は、例えば鏡のよ
うな素子12の内部表面18または外部表面20上の反射皮膜
によってもよいし、または素子12は、クロームのような
高度に研磨した金属から構成してもよい。
断面で示される。集中体10は反射光学素子12と収斂レン
ズ14から構成される。反射素子12は、一対の双曲線16a,
16bで示されるように双曲線の形状を有する。反射素子1
2により、素子12の内部表面18に当たる放射エネルギー
光線が反射される。素子12の反射機能は、例えば鏡のよ
うな素子12の内部表面18または外部表面20上の反射皮膜
によってもよいし、または素子12は、クロームのような
高度に研磨した金属から構成してもよい。
素子12は、点線24で示すようにその上端部に第一の円
形開口部を有し、それは放射エネルギー入口部として作
用する。第一の円形開口部、従って放射エネルギー入口
部は、r1に等しい半径を有し、それは素子12を通る垂直
中心軸22からの水平距離である。素子12は、線26で示す
ようにその下端部に第二の円形開口部を有し、それは放
射エネルギー出口部として作用する。第二の円形開口
部、従って放射エネルギー出口部の半径はr2である。
形開口部を有し、それは放射エネルギー入口部として作
用する。第一の円形開口部、従って放射エネルギー入口
部は、r1に等しい半径を有し、それは素子12を通る垂直
中心軸22からの水平距離である。素子12は、線26で示す
ようにその下端部に第二の円形開口部を有し、それは放
射エネルギー出口部として作用する。第二の円形開口
部、従って放射エネルギー出口部の半径はr2である。
収斂レンズ14は素子12の放射エネルギー入口部に設け
られる。レンズ14の焦点距離は素子12の高さに等しいよ
うに選択され、その高さは図１にＦで示される。
られる。レンズ14の焦点距離は素子12の高さに等しいよ
うに選択され、その高さは図１にＦで示される。
上述したように、素子12は曲線16a、16bで示される双
曲線の形状を有する。具体的に、曲線16a、16bは水平軸
上の一対の焦点f1,f2に関する双曲線であり、焦点f1,f2
は素子12の放射エネルギー出口部と共面である。双曲線
の定義に従えば、曲線16aの各点はf2よりもf1に近い一
定の距離ｄに位置し、また曲線16bの各点はf1よりもf2
に近い同一の距離ｄに位置する。素子12の下部円形開口
部は焦点f1とf2と共面であるので、距離ｄは下部開口部
の直径に等しい。素子12は中心軸22の回りで回転対称に
してもよく、その場合、曲線16a又は16bの回転は反射素
子12の形状を形成することになる。
曲線の形状を有する。具体的に、曲線16a、16bは水平軸
上の一対の焦点f1,f2に関する双曲線であり、焦点f1,f2
は素子12の放射エネルギー出口部と共面である。双曲線
の定義に従えば、曲線16aの各点はf2よりもf1に近い一
定の距離ｄに位置し、また曲線16bの各点はf1よりもf2
に近い同一の距離ｄに位置する。素子12の下部円形開口
部は焦点f1とf2と共面であるので、距離ｄは下部開口部
の直径に等しい。素子12は中心軸22の回りで回転対称に
してもよく、その場合、曲線16a又は16bの回転は反射素
子12の形状を形成することになる。
反射素子12の双曲線形状は、レンズ14との組み合わせ
で、集中体10を通る放射エネルギーの通過に関連して特
定の機能を行う。特に、それにより、予め決められた鋭
角内で放射エネルギー入口部において入射する放射エネ
ルギーが、直接に又は内部表面18からの一回以上の反射
により、デバイスの放射エネルギー出口部へ伝達され
る。出口部26に達する放射エネルギーは集中体10から、
放射エネルギー出口部26の平面と直角な方向から出口部
26の平面に平行な方向までの範囲における、全方向に放
出される。
で、集中体10を通る放射エネルギーの通過に関連して特
定の機能を行う。特に、それにより、予め決められた鋭
角内で放射エネルギー入口部において入射する放射エネ
ルギーが、直接に又は内部表面18からの一回以上の反射
により、デバイスの放射エネルギー出口部へ伝達され
る。出口部26に達する放射エネルギーは集中体10から、
放射エネルギー出口部26の平面と直角な方向から出口部
26の平面に平行な方向までの範囲における、全方向に放
出される。
一般に、集中体10のようなデバイスの受入れ角度は、
放射エネルギーの光線が、反射素子12による反射なしに
集中体10を直接通るか又は素子12の内部表面18からの一
回以上の反射により、放射エネルギー入口部24から放射
エネルギー出口部26へ通過することが保証されるように
放射エネルギー入口部24へ入射しなければならない角度
と定義される。集中体10の垂直中心軸22又はそれに平行
な光線に関して定義される受入れ角度は、図１において
θで示される。定義によれば、受入れ角度未満またはそ
れに等しい角度で放射エネルギー入口部24に入射する放
射エネルギーは直接にまたは反射により出口部26へ達
し、また受入れ角度より大きい角度で入口部に入射する
エネルギーは出口部26へ達しないことになる。
放射エネルギーの光線が、反射素子12による反射なしに
集中体10を直接通るか又は素子12の内部表面18からの一
回以上の反射により、放射エネルギー入口部24から放射
エネルギー出口部26へ通過することが保証されるように
放射エネルギー入口部24へ入射しなければならない角度
と定義される。集中体10の垂直中心軸22又はそれに平行
な光線に関して定義される受入れ角度は、図１において
θで示される。定義によれば、受入れ角度未満またはそ
れに等しい角度で放射エネルギー入口部24に入射する放
射エネルギーは直接にまたは反射により出口部26へ達
し、また受入れ角度より大きい角度で入口部に入射する
エネルギーは出口部26へ達しないことになる。
集中体10のような光学デバイスの伝達比は、放射エネ
ルギー入口部24に入射する放射エネルギーの、集中体10
を通過して出口部で放出される放射エネルギーに対する
比と定義される。従って、集中体10の伝達比は、全放射
エネルギが受入れ角度内で放射エネルギー入口部24に入
射する時は一に実質的に等しく、また全放射エネルギー
が受入れ角度を越える角度で入射するときは実質的に零
である。
ルギー入口部24に入射する放射エネルギーの、集中体10
を通過して出口部で放出される放射エネルギーに対する
比と定義される。従って、集中体10の伝達比は、全放射
エネルギが受入れ角度内で放射エネルギー入口部24に入
射する時は一に実質的に等しく、また全放射エネルギー
が受入れ角度を越える角度で入射するときは実質的に零
である。
入射角度によって実質的に零又は一である伝達比を有
する光学デバイスは「理想的」デバイスとみなされる。
そのような理想的デバイスは必然的に厳密に定義された
受入れ角度を有する。勿論、多くの光学デバイスの伝達
比は、多くのデバイスがそのように厳密に定義された受
入れ角度を有しないので、零と一の間で異なりうる。
する光学デバイスは「理想的」デバイスとみなされる。
そのような理想的デバイスは必然的に厳密に定義された
受入れ角度を有する。勿論、多くの光学デバイスの伝達
比は、多くのデバイスがそのように厳密に定義された受
入れ角度を有しないので、零と一の間で異なりうる。
図１に示す集中体の構成方法は比較的簡明である。集
中体10は典型的には以下の三つの予め決められたパラメ
ータに従って作られる。１）放射エネルギー入口部24の
半径、２）受入れ角度θ、３）レンズ14の焦点距離。下
記の方法を使用して、集中体10は前記三パラメータの任
意の数値組合せに対して設計できる。しかし、任意の数
値組合せを使用しうるが、幾つかの実際的な検討事項を
考慮すべきである。
中体10は典型的には以下の三つの予め決められたパラメ
ータに従って作られる。１）放射エネルギー入口部24の
半径、２）受入れ角度θ、３）レンズ14の焦点距離。下
記の方法を使用して、集中体10は前記三パラメータの任
意の数値組合せに対して設計できる。しかし、任意の数
値組合せを使用しうるが、幾つかの実際的な検討事項を
考慮すべきである。
重要な検討事項はレンズ14の焦点距離を選択すること
である。或るレンズ直径に対して比較的短い焦点距離を
有するレンズが、比較的長い焦点距離を有するレンズよ
りも大きい固有の光学収差を有することは良く知られて
いる。そのような収差は一般的に受入れ角度の「ぶれ」
を生じる。そのようなぶれの結果、受入れ角度を越える
放射エネルギーの入射角に対して伝達比の非常に急激な
低下を生じず、その低下はより緩やかとなり、また伝達
比が零まで低下する前に数度の入射角変化を要しうる。
従って、受入れの厳密な角度を確保するために比較的長
い焦点距離を有することが一般に望ましい。
である。或るレンズ直径に対して比較的短い焦点距離を
有するレンズが、比較的長い焦点距離を有するレンズよ
りも大きい固有の光学収差を有することは良く知られて
いる。そのような収差は一般的に受入れ角度の「ぶれ」
を生じる。そのようなぶれの結果、受入れ角度を越える
放射エネルギーの入射角に対して伝達比の非常に急激な
低下を生じず、その低下はより緩やかとなり、また伝達
比が零まで低下する前に数度の入射角変化を要しうる。
従って、受入れの厳密な角度を確保するために比較的長
い焦点距離を有することが一般に望ましい。
しかし、レンズ14の焦点距離は前述のように反射素子
12の高さに等しいので、比較的長い焦点距離を有するレ
ンズ14の使用により、より高い素子12が必要となる。こ
れは材料が増加するため不利となるか、または小サイズ
のものが必要な用途では不利となることがある。従って
集中体10の性能と構成との間に直接的で適当な折り合い
がある。厳密な性能を要する用途では、長い焦点距離を
有するレンズ14が必要となるので、より高い素子12を設
けねばならない。
12の高さに等しいので、比較的長い焦点距離を有するレ
ンズ14の使用により、より高い素子12が必要となる。こ
れは材料が増加するため不利となるか、または小サイズ
のものが必要な用途では不利となることがある。従って
集中体10の性能と構成との間に直接的で適当な折り合い
がある。厳密な性能を要する用途では、長い焦点距離を
有するレンズ14が必要となるので、より高い素子12を設
けねばならない。
受入れ角度および放射エネルギー入口部24のサイズ
は、集中体10が使用される特定の用途により指定される
のが典型的である。
は、集中体10が使用される特定の用途により指定される
のが典型的である。
焦点距離、受入れ角度および放射エネルギー入口部24
のサイズが一旦選択されると、集中体10は下記の順序に
従って構成しうる。先ず、放射エネルギー出口部26の半
径が、選択された放射エネルギー入口部24の半径と選択
された受入れ角度に基づいて、下記の等式〔１〕に従
い、計算される。
のサイズが一旦選択されると、集中体10は下記の順序に
従って構成しうる。先ず、放射エネルギー出口部26の半
径が、選択された放射エネルギー入口部24の半径と選択
された受入れ角度に基づいて、下記の等式〔１〕に従
い、計算される。
r2＝r1＊sinθ， 〔１〕 ここでr2は放射エネルギー出口部26の半径、r1は放射エ
ネルギー入口部24の半径、またθは選択された受入れ角
度である。
ネルギー入口部24の半径、またθは選択された受入れ角
度である。
レンズ14の焦点距離、素子12の高さ、および放射エネ
ルギー入口部24と出口部26の半径は既に決められている
ので、集中体10の決定すべき唯一のパラメータは双曲線
素子12の形状すなわち偏心度であり、それは二つの焦点
を位置決めし且つ両焦点に関して壁を双曲線にすること
により決定される。
ルギー入口部24と出口部26の半径は既に決められている
ので、集中体10の決定すべき唯一のパラメータは双曲線
素子12の形状すなわち偏心度であり、それは二つの焦点
を位置決めし且つ両焦点に関して壁を双曲線にすること
により決定される。
第一の焦点は、集中体10の中心軸22に関し選択された
角度でレンズ14の中心を通過する光線が、放射エネルギ
ー出口部26により表される平面と交差する点を見出して
位置決めされる。その光線は、双曲線を構成する基準と
なるべき一焦点を通過することになる。他方の焦点は、
集中体10の中心軸22の反対側に同一距離で置くことによ
り簡単に決められる。このような光線は図１に番号32で
示される。光線32は左側焦点f1を通過し、また焦点f1と
f2は軸22から等距離にある。次いで壁は、これら二焦点
に関して双曲線に作られる。
角度でレンズ14の中心を通過する光線が、放射エネルギ
ー出口部26により表される平面と交差する点を見出して
位置決めされる。その光線は、双曲線を構成する基準と
なるべき一焦点を通過することになる。他方の焦点は、
集中体10の中心軸22の反対側に同一距離で置くことによ
り簡単に決められる。このような光線は図１に番号32で
示される。光線32は左側焦点f1を通過し、また焦点f1と
f2は軸22から等距離にある。次いで壁は、これら二焦点
に関して双曲線に作られる。
デバイスの実際の構成において、双曲線16aと16bの一
つが一旦決められると、素子12は通常の方法、例えば旋
盤により製造できる。
つが一旦決められると、素子12は通常の方法、例えば旋
盤により製造できる。
図１におけるデバイス10の動作理論は、レンズ原理と
非映像光学原理との相互作用により決まる。周知のよう
に且つ以下に詳述するように、空気中では双曲線であ
る、放射エネルギーフローラインに対応する形状を有す
る放射エネルギー集中体は、放射エネルギーの仮想源を
より小さい実際源に効果的に変換するので、集中効率を
向上する。図１において、エネルギーの実際源は放射エ
ネルギー出口部26に一致し、また仮想源はより大きく、
その縁部は二焦点f1とf2により表される。回転対称の実
施例においては、仮想源は円形となろう。従って、反射
素子12は、仮想源が反射されるように当たる全ての放射
エネルギー光線を実際源，すなわち放射エネルギー出口
部26に伝達するように作用する。
非映像光学原理との相互作用により決まる。周知のよう
に且つ以下に詳述するように、空気中では双曲線であ
る、放射エネルギーフローラインに対応する形状を有す
る放射エネルギー集中体は、放射エネルギーの仮想源を
より小さい実際源に効果的に変換するので、集中効率を
向上する。図１において、エネルギーの実際源は放射エ
ネルギー出口部26に一致し、また仮想源はより大きく、
その縁部は二焦点f1とf2により表される。回転対称の実
施例においては、仮想源は円形となろう。従って、反射
素子12は、仮想源が反射されるように当たる全ての放射
エネルギー光線を実際源，すなわち放射エネルギー出口
部26に伝達するように作用する。
レンズ14がその放射エネルギー入口部24において光学
的に反射素子12に結合されると、θより大きい角度でレ
ンズ14に入射する放射エネルギー光線は、f1とf2により
表される仮想源内に入射されないので、実際源，すなわ
ち放射エネルギー出口部26に反射されないことになる。
これは光学素子の二つの基本原理を知れば明らかであ
る。第一に、薄いレンズの中心を通過する光線は実質的
に偏向しない。第二に、完全レンズに当たる平行光線は
レンズの焦平面上の１点に収斂する。
的に反射素子12に結合されると、θより大きい角度でレ
ンズ14に入射する放射エネルギー光線は、f1とf2により
表される仮想源内に入射されないので、実際源，すなわ
ち放射エネルギー出口部26に反射されないことになる。
これは光学素子の二つの基本原理を知れば明らかであ
る。第一に、薄いレンズの中心を通過する光線は実質的
に偏向しない。第二に、完全レンズに当たる平行光線は
レンズの焦平面上の１点に収斂する。
これらの二つの基本原理に留意すれば、図１に示され
る光線32、及び光線32に平行な方向のレンズ14に当たる
全ての光線は、仮想源の端部f1で焦点を結ぶことにな
る。と言うのは、上述のようにf1はレンズ14の焦平面上
にあり、またレンズ14の中心に入射する光線32は偏向し
ないで通過するからである。
る光線32、及び光線32に平行な方向のレンズ14に当たる
全ての光線は、仮想源の端部f1で焦点を結ぶことにな
る。と言うのは、上述のようにf1はレンズ14の焦平面上
にあり、またレンズ14の中心に入射する光線32は偏向し
ないで通過するからである。
ここで、図１に示される角度θよりも大きい角度でレ
ンズの中心に入射する光線を想定する。そのような光線
は、偏向しないでレンズ14の中心を通過するので、f1の
左側、すなわち仮想源の外側に明らかに入射することに
なる。またそのような光線に平行な光線は、焦平面上の
同一点に収斂するので仮想源内には入射しないことにな
る。従ってθよりも大きい入射角度を有する全ての光線
は、仮想源内には入射しないことになる。これらの光線
は、仮想源内に入らないので、反射素子12により放射エ
ネルギー出口部へ反射されないことになり、また上述し
たように素子12はその仮想源内には入射した光線だけを
その出口部26へ反射する。
ンズの中心に入射する光線を想定する。そのような光線
は、偏向しないでレンズ14の中心を通過するので、f1の
左側、すなわち仮想源の外側に明らかに入射することに
なる。またそのような光線に平行な光線は、焦平面上の
同一点に収斂するので仮想源内には入射しないことにな
る。従ってθよりも大きい入射角度を有する全ての光線
は、仮想源内には入射しないことになる。これらの光線
は、仮想源内に入らないので、反射素子12により放射エ
ネルギー出口部へ反射されないことになり、また上述し
たように素子12はその仮想源内には入射した光線だけを
その出口部26へ反射する。
本発明の好ましい一実施例を図２に示す。この実施例
は放射エネルギー変換体40であり、鋭角θ以内でその放
射エネルギー入口部へ入射した放射エネルギーを、その
放射エネルギー出口部へ伝達する。しかし、図１で示さ
れるデバイスのように全方向にデバイスから放射エネル
ギーが放出される代わりに、放射エネルギーは変換体40
から、専ら、垂直軸に関する第二の鋭角θ２以内で、放
出される。
は放射エネルギー変換体40であり、鋭角θ以内でその放
射エネルギー入口部へ入射した放射エネルギーを、その
放射エネルギー出口部へ伝達する。しかし、図１で示さ
れるデバイスのように全方向にデバイスから放射エネル
ギーが放出される代わりに、放射エネルギーは変換体40
から、専ら、垂直軸に関する第二の鋭角θ２以内で、放
出される。
ここで図２を参照すると、放射エネルギー変換体40は
断面で示される。変換体40は、反射光学素子42、凸レン
ズすなわち収斂レンズ44、および凹レンズすなわち発散
レンズ46から構成される。反射素子42は、一対の双曲線
46aと46bで示されるように双曲線の形状を有し、また素
子42の内部表面48または外部表面50のいずれかに反射被
覆を施工できる。素子42は、その中心軸56の回りに回転
対称とすることができ、または互いに面するすなわち対
向する二つの反射側部を有するようにして、放射エネル
ギー用の方形の入口部と出口部を備えるトラフ状の構造
を形成でき、あるいは放射エネルギー用の方形の入口部
と出口部も備えた、ピラミッド状の構造を形成する四つ
の反射側部を有することができる。
断面で示される。変換体40は、反射光学素子42、凸レン
ズすなわち収斂レンズ44、および凹レンズすなわち発散
レンズ46から構成される。反射素子42は、一対の双曲線
46aと46bで示されるように双曲線の形状を有し、また素
子42の内部表面48または外部表面50のいずれかに反射被
覆を施工できる。素子42は、その中心軸56の回りに回転
対称とすることができ、または互いに面するすなわち対
向する二つの反射側部を有するようにして、放射エネル
ギー用の方形の入口部と出口部を備えるトラフ状の構造
を形成でき、あるいは放射エネルギー用の方形の入口部
と出口部も備えた、ピラミッド状の構造を形成する四つ
の反射側部を有することができる。
素子42は、回転対称とすることができるならば、点線
54で示すようにその上端部に第一の円形開口部を有し、
それは放射エネルギー入口部として作用する。第一の円
形開口部、従って放射エネルギー入口部54は、r3に等し
い半径を有し、それは中心軸56と放射エネルギー入口部
の円周端部との間の水平距離である。素子42は、点線58
で示すようにその下端部に第二の円形開口部を有し、そ
れは放射エネルギー出口部として作用する。第二の円形
開口部、従って放射エネルギー出口部の半径はr4であ
る。
54で示すようにその上端部に第一の円形開口部を有し、
それは放射エネルギー入口部として作用する。第一の円
形開口部、従って放射エネルギー入口部54は、r3に等し
い半径を有し、それは中心軸56と放射エネルギー入口部
の円周端部との間の水平距離である。素子42は、点線58
で示すようにその下端部に第二の円形開口部を有し、そ
れは放射エネルギー出口部として作用する。第二の円形
開口部、従って放射エネルギー出口部の半径はr4であ
る。
収斂レンズ44は素子42の放射エネルギー入口部54に設
けられ、また発散レンズ46は放射エネルギー出口部58に
設けられる。レンズ44は焦点距離F1を有し、またレンズ
46は焦点距離F2を有する。二個のレンズ44と46の焦点距
離は、その差、即ちF1マイナスF2が実質的に素子42の高
さに等しいように選択され、またレンズ44と46は、中心
軸56を横切る軸60により表される共通の焦平面を共有す
る。
けられ、また発散レンズ46は放射エネルギー出口部58に
設けられる。レンズ44は焦点距離F1を有し、またレンズ
46は焦点距離F2を有する。二個のレンズ44と46の焦点距
離は、その差、即ちF1マイナスF2が実質的に素子42の高
さに等しいように選択され、またレンズ44と46は、中心
軸56を横切る軸60により表される共通の焦平面を共有す
る。
レンズ44と46とで組み合わされた素子42の双曲線形状
により、予め決められた鋭角θ１内で放射エネルギー入
口部54に入射する放射エネルギーは、その表面から一回
またはそれ以上の反射により変換体40の放射エネルギー
出口部58に反射されるので、専ら軸56に関する第二の鋭
角θ２以内に、放射エネルギー出口部58から放出され
る。また放射エネルギーは反射素子42の内部表面48に当
たることなくデバイスを直接通過できる。
により、予め決められた鋭角θ１内で放射エネルギー入
口部54に入射する放射エネルギーは、その表面から一回
またはそれ以上の反射により変換体40の放射エネルギー
出口部58に反射されるので、専ら軸56に関する第二の鋭
角θ２以内に、放射エネルギー出口部58から放出され
る。また放射エネルギーは反射素子42の内部表面48に当
たることなくデバイスを直接通過できる。
素子42の双曲線形状は直線ではないが、双曲線はその
漸近線に近づくにつれて実質的に直線となるので、実質
的に直線とみなすことができる。従って素子42は実質的
に直線で、しかも双曲線であるように見えることがあ
る。
漸近線に近づくにつれて実質的に直線となるので、実質
的に直線とみなすことができる。従って素子42は実質的
に直線で、しかも双曲線であるように見えることがあ
る。
図２の変換体40を構成するために、放射エネルギー入
口部54の半径、レンズ44と46の焦点距離、ならびに受入
れ角θ１と発散角θ２が先ず選択される。変換体40は、
前述の任意の数値組合せに従って構成できる。
口部54の半径、レンズ44と46の焦点距離、ならびに受入
れ角θ１と発散角θ２が先ず選択される。変換体40は、
前述の任意の数値組合せに従って構成できる。
図１で示したデバイスに関連して上述したように、レ
ンズ44と46はレンズ収差を最小にするために比較的長い
焦点距離を有するように選択することが望ましい。しか
し、図２の変換体40に関しては、長い焦点距離を有する
レンズの選択は、高さの増加を必要とする欠点を伴わな
いことに注意すべきである。と言うのは、変換体40の高
さは焦点距離の差、F1マイナスF2、の関数であり、また
いずれの焦点距離にも直接関係しないからである。
ンズ44と46はレンズ収差を最小にするために比較的長い
焦点距離を有するように選択することが望ましい。しか
し、図２の変換体40に関しては、長い焦点距離を有する
レンズの選択は、高さの増加を必要とする欠点を伴わな
いことに注意すべきである。と言うのは、変換体40の高
さは焦点距離の差、F1マイナスF2、の関数であり、また
いずれの焦点距離にも直接関係しないからである。
前述のパラメータが選択された後、放射エネルギー出
口部58の半径が下記の等式〔２〕から求められる。
口部58の半径が下記の等式〔２〕から求められる。
r4＝r3＊sinθ1/sinθ2, 〔２〕 ここでr3は放射エネルギー入口部の望ましい半径、θ１
は望ましい受入れ角、θ２は望ましい発散角、またr4は
求められている放射エネルギー出口部の半径である。
は望ましい受入れ角、θ２は望ましい発散角、またr4は
求められている放射エネルギー出口部の半径である。
曲線46aと46bで表される双曲線を求めるために、レン
ズ44が横軸60上の高さF1の所に置かれ、次いで二つの焦
点が位置決めされる。第一の焦点f3は、選択された受入
れ角θ１でレンズ44の中心を通って引かれた光線と横軸
60との交差により位置決めされる。一つのそのような光
線62が図２に示される。他の焦点f4は、横軸60の他の側
で中心軸56から等しい距離を離してそれを置くことによ
り位置決めされる。光線62は左側の焦点f3を通過し、ま
た焦点f3とf4は中心軸56から等距離にある。
ズ44が横軸60上の高さF1の所に置かれ、次いで二つの焦
点が位置決めされる。第一の焦点f3は、選択された受入
れ角θ１でレンズ44の中心を通って引かれた光線と横軸
60との交差により位置決めされる。一つのそのような光
線62が図２に示される。他の焦点f4は、横軸60の他の側
で中心軸56から等しい距離を離してそれを置くことによ
り位置決めされる。光線62は左側の焦点f3を通過し、ま
た焦点f3とf4は中心軸56から等距離にある。
二つの焦点f3とf4が求められた後、一方の双曲線が焦
点に関して求められる。通常の方法で製造できる反射素
子は、第二のレンズ位置までにのみ延び、横軸60までは
延びない。
点に関して求められる。通常の方法で製造できる反射素
子は、第二のレンズ位置までにのみ延び、横軸60までは
延びない。
エネルギー入口部と出口部の半径は等式〔２〕で規定
するように関連するので、放射エネルギー出口部58の半
径を先ず求め、次いで入口部54の半径を求めることに注
意すべきである。どの半径を最初に求めるかは、デバイ
スが使用される特定の用途の制約条件によって決まるで
あろう。
するように関連するので、放射エネルギー出口部58の半
径を先ず求め、次いで入口部54の半径を求めることに注
意すべきである。どの半径を最初に求めるかは、デバイ
スが使用される特定の用途の制約条件によって決まるで
あろう。
図２に示す変換体40の動作理論は以下の通りである。
収斂レンズ44と反射素子42の組合せは、図１のレンズ14
と反射素子42の組合せと概ね同様に作用する。図２にお
いて、仮想源の縁部はf3とf4に一致し、また実際源は放
射エネルギー出口部58に一致する。仮想源内に入るよう
に受入れ角θ１以内でレンズ44に入射する全放射エネル
ギーは、放射エネルギー出口部58に反射される。
収斂レンズ44と反射素子42の組合せは、図１のレンズ14
と反射素子42の組合せと概ね同様に作用する。図２にお
いて、仮想源の縁部はf3とf4に一致し、また実際源は放
射エネルギー出口部58に一致する。仮想源内に入るよう
に受入れ角θ１以内でレンズ44に入射する全放射エネル
ギーは、放射エネルギー出口部58に反射される。
放射エネルギー出口部58における発散レンズ46は、仮
想源内に入るすべての光線を鋭角発散θ２を有するビー
ムに変換する。
想源内に入るすべての光線を鋭角発散θ２を有するビー
ムに変換する。
下記の表１は、１゜に等しい受入れ角および14゜に等
しい出口角を有し、図２の実施例による複数の放射エネ
ルギー変換体に対する実際のパラメータを提供する。
しい出口角を有し、図２の実施例による複数の放射エネ
ルギー変換体に対する実際のパラメータを提供する。
表１
変換体パラメータ
Ｆ値 ５ 10 16 50 F1 6.9 14.0 16.6 69.9 厚さ１ 7.1×10-1 3.5×10-2 2.1×10-2 7.0×10-3 r3 0.7 0.7 0.7 0.7 F2 0.48 0.97 1.61 4.84 厚さ２ 5.3×10-3 2.6×10-3 1.5×10-3 5.1×10-4 r4 0.05 0.05 0.05 0.05 屈折率＝1.5 表１により規定される三つの角度変換体のＦ値に対す
る伝達比のコンピュータシュミレーションを図３に示
す。レンズのＦ値は、レンズ直径で割った焦点距離と定
義される。図３からわかるように伝達比は、デバイスの
Ｆ値が約５から50まで増加するにつれて、約0.87から１
に向けて増加する。従ってＦ値、すなわち使用されるレ
ンズの焦点距離が長くなればなるほど、伝達比が大きく
なり、かくしてデバイスは一層「理想的」になる。
変換体パラメータ
Ｆ値 ５ 10 16 50 F1 6.9 14.0 16.6 69.9 厚さ１ 7.1×10-1 3.5×10-2 2.1×10-2 7.0×10-3 r3 0.7 0.7 0.7 0.7 F2 0.48 0.97 1.61 4.84 厚さ２ 5.3×10-3 2.6×10-3 1.5×10-3 5.1×10-4 r4 0.05 0.05 0.05 0.05 屈折率＝1.5 表１により規定される三つの角度変換体のＦ値に対す
る伝達比のコンピュータシュミレーションを図３に示
す。レンズのＦ値は、レンズ直径で割った焦点距離と定
義される。図３からわかるように伝達比は、デバイスの
Ｆ値が約５から50まで増加するにつれて、約0.87から１
に向けて増加する。従ってＦ値、すなわち使用されるレ
ンズの焦点距離が長くなればなるほど、伝達比が大きく
なり、かくしてデバイスは一層「理想的」になる。
例えば５のＦ値を有する変換体は、受入れ角以内でそ
の放射エネルギー入口部に入射する放射エネルギーの約
87％を、選択された鋭角以内でその出力部へ伝達する。
の放射エネルギー入口部に入射する放射エネルギーの約
87％を、選択された鋭角以内でその出力部へ伝達する。
本発明の他の好ましい実施例を図４に示す。この実施
例は図２に示されるものと同様であるが、図４の放射エ
ネルギー変換体は中実の誘電材料から構成される。
例は図２に示されるものと同様であるが、図４の放射エ
ネルギー変換体は中実の誘電材料から構成される。
ここで図４を参照すると、中実の誘電材料から構成さ
れる放射エネルギー変換体80は、一部が断面で示され、
また一部が立面で示される。変換体80は、その上部に凸
曲面82を、その下部に凹曲面84を、および一対の円周端
部88と90それぞれにおいて凸面82と凹面84に接続する中
間面86を有する。凸面82は放射エネルギー入口部として
作用し、また凹面84は放射エネルギー出口部として作用
する。
れる放射エネルギー変換体80は、一部が断面で示され、
また一部が立面で示される。変換体80は、その上部に凸
曲面82を、その下部に凹曲面84を、および一対の円周端
部88と90それぞれにおいて凸面82と凹面84に接続する中
間面86を有する。凸面82は放射エネルギー入口部として
作用し、また凹面84は放射エネルギー出口部として作用
する。
中間面86は、放射エネルギーを放射エネルギー入口部
から放射エネルギー出口部へ反射するように曲がってい
る。好ましくは中間面86は、双曲線である。この中間面
86により、放射エネルギーは全反射により反射されるの
で、デバイス上の反射被覆は不必要となる。
から放射エネルギー出口部へ反射するように曲がってい
る。好ましくは中間面86は、双曲線である。この中間面
86により、放射エネルギーは全反射により反射されるの
で、デバイス上の反射被覆は不必要となる。
スネルの法則によれば、全反射のための条件は、全て
の放射エネルギーが限界角θＣを越える角度で変換体80
の内部表面に入射することであり、ここでθＣは、外部
材料、例えば空気の反射率に対する変換体80の誘電材料
の反射率の比のアークサインである。図４に示される限
界角θＣは、誘電面86へ直角の光線に関して測定され
る。空気の反射率は約１であるので、誘電材料が約1.5
の反射率を有するガラスから構成される場合、限界角は
約42゜となる。放射エネルギー反射の仕方を除き、変換
体80は図２に関連して前述した変換体40と実質的に同一
の仕方で構成され且つ作用する。
の放射エネルギーが限界角θＣを越える角度で変換体80
の内部表面に入射することであり、ここでθＣは、外部
材料、例えば空気の反射率に対する変換体80の誘電材料
の反射率の比のアークサインである。図４に示される限
界角θＣは、誘電面86へ直角の光線に関して測定され
る。空気の反射率は約１であるので、誘電材料が約1.5
の反射率を有するガラスから構成される場合、限界角は
約42゜となる。放射エネルギー反射の仕方を除き、変換
体80は図２に関連して前述した変換体40と実質的に同一
の仕方で構成され且つ作用する。
図５に本発明の第三の実施例を示す。この実施例は、
二部分を有する放射エネルギー変換体100を指向するも
のであり、各部分は図１で示されかつそれに関連して説
明された集中体10と同様である。上方部分が横軸102の
上に示され、また下方部分が横軸102の下に示される。
上方部分は、反射素子106の放射エネルギー入口部に置
かれた凸レンズ104から構成される。放射エネルギー入
口部とレンズ104は半径r5を有し、また反射素子106はF3
に等しい高さを有し、その高さはレンズ104の焦点距離
に等しい。反射素子106の壁は、二つの焦点f5とf6に関
して双曲線の形状を有する。
二部分を有する放射エネルギー変換体100を指向するも
のであり、各部分は図１で示されかつそれに関連して説
明された集中体10と同様である。上方部分が横軸102の
上に示され、また下方部分が横軸102の下に示される。
上方部分は、反射素子106の放射エネルギー入口部に置
かれた凸レンズ104から構成される。放射エネルギー入
口部とレンズ104は半径r5を有し、また反射素子106はF3
に等しい高さを有し、その高さはレンズ104の焦点距離
に等しい。反射素子106の壁は、二つの焦点f5とf6に関
して双曲線の形状を有する。
変換体100の下方部分は、反射素子112の放射エネルギ
ー出口部に置かれた凸レンズ110から構成される。放射
エネルギー出口部とレンズ110は半径r6を有し、また反
射素子112はF4に等しい高さを有し、その高さはレンズ1
10の焦点距離に等しい。変換体100の高さはＬに等し
く、それはF3とF4の合計に等しい。軸102において素子1
06の壁と出会いかつそれと面一になる反射素子112の壁
も、二つの焦点f5とf6に関して双曲線の形状を有する。
ー出口部に置かれた凸レンズ110から構成される。放射
エネルギー出口部とレンズ110は半径r6を有し、また反
射素子112はF4に等しい高さを有し、その高さはレンズ1
10の焦点距離に等しい。変換体100の高さはＬに等し
く、それはF3とF4の合計に等しい。軸102において素子1
06の壁と出会いかつそれと面一になる反射素子112の壁
も、二つの焦点f5とf6に関して双曲線の形状を有する。
放射エネルギー変換体100は、予め決められた角θ３
以内でその放射エネルギー入口部において入射する放射
エネルギーを放射エネルギー出口部へ結合するように作
用するので、そのような放射エネルギーは専ら鋭角θ４
以内で出る。受入れ角である鋭角θ３は、変換体100の
中心軸120と、焦点f5およびレンズ104の中心を通る光線
122との間の角度に等しい。鋭角θ４は、中心軸120と、
焦点f5およびレンズ110の中心を通る光線124との間の角
度に等しい。
以内でその放射エネルギー入口部において入射する放射
エネルギーを放射エネルギー出口部へ結合するように作
用するので、そのような放射エネルギーは専ら鋭角θ４
以内で出る。受入れ角である鋭角θ３は、変換体100の
中心軸120と、焦点f5およびレンズ104の中心を通る光線
122との間の角度に等しい。鋭角θ４は、中心軸120と、
焦点f5およびレンズ110の中心を通る光線124との間の角
度に等しい。
変換体100を構成する一方法は以下の通りである。先
ず、変換体100の上方部分の特性は、特定の用途に基づ
いて、エネルギー入口部の望ましい半径r5、望ましい受
入れ角θ３、およびレンズ104の望ましい焦点距離を選
択して求められる。これら三パラメータが選択される
と、軸102における反射素子106の半径r7（わかりやすい
ように、軸102の少し上に示される）は下記の等式
〔３〕から求められる。
ず、変換体100の上方部分の特性は、特定の用途に基づ
いて、エネルギー入口部の望ましい半径r5、望ましい受
入れ角θ３、およびレンズ104の望ましい焦点距離を選
択して求められる。これら三パラメータが選択される
と、軸102における反射素子106の半径r7（わかりやすい
ように、軸102の少し上に示される）は下記の等式
〔３〕から求められる。
r7＝r5＊sinθ３ 〔３〕 素子106の双曲線壁の形状は、二焦点f5とf6を位置決
めし、次いでそれに関して壁を双曲線にすることにより
求められる。焦点f5は、望ましい受入れ角θ３でレンズ
104の中心を通って引かれる光線と横軸102との交点を見
出して位置決めされる。他の焦点f6は、焦点f5と中心軸
120との間の距離に等しい軸120からの距離で軸102上に
それを置いて求められる。焦点f5とf6が位置決めされる
と、双曲線壁はその焦点に関して求められる。
めし、次いでそれに関して壁を双曲線にすることにより
求められる。焦点f5は、望ましい受入れ角θ３でレンズ
104の中心を通って引かれる光線と横軸102との交点を見
出して位置決めされる。他の焦点f6は、焦点f5と中心軸
120との間の距離に等しい軸120からの距離で軸102上に
それを置いて求められる。焦点f5とf6が位置決めされる
と、双曲線壁はその焦点に関して求められる。
上方部分の特性が求められると、下方部分の特性は、
軸102における反射素子112の半径は軸102における反射
素子106の半径と同一であるという要件に従って求めら
れる。最初に、望ましい出口角θ４およびレンズ110の
望ましい焦点距離が選択される。次いでレンズ110の半
径r6は、下記の等式〔４〕に従い選択された角度θ４お
よび軸102における素子106の半径r7に基づいて求められ
る。
軸102における反射素子112の半径は軸102における反射
素子106の半径と同一であるという要件に従って求めら
れる。最初に、望ましい出口角θ４およびレンズ110の
望ましい焦点距離が選択される。次いでレンズ110の半
径r6は、下記の等式〔４〕に従い選択された角度θ４お
よび軸102における素子106の半径r7に基づいて求められ
る。
r6＝r7/sinθ４ 〔４〕 素子112の双曲線壁の形状は、二焦点を位置決めし、
次いで両焦点に関して壁を双曲線にすることにより求め
られる。第一の焦点は、出口角θ４でレンズ110の中心
を通って引かれる光線と横軸102との交点を求めて位置
決めされる。他の焦点は、今決められた焦点と軸120と
の間の距離に等しい軸120からの距離で軸102上にそれを
置いて位置決めされる。二焦点が位置決めされると、素
子112の双曲線壁は両焦点に関して求められる。
次いで両焦点に関して壁を双曲線にすることにより求め
られる。第一の焦点は、出口角θ４でレンズ110の中心
を通って引かれる光線と横軸102との交点を求めて位置
決めされる。他の焦点は、今決められた焦点と軸120と
の間の距離に等しい軸120からの距離で軸102上にそれを
置いて位置決めされる。二焦点が位置決めされると、素
子112の双曲線壁は両焦点に関して求められる。
本発明の他の重要な特徴は、非映像デバイスの最近発
見された特性に基づく。理想的な非映像デバイスは、放
射エネルギー源から放出される放射エネルギーフローラ
インに対応する形状を有する反射壁部分を備えるのが有
利であることが既に知られている。放射エネルギーフロ
ーラインの概念は周知であり、また下記の刊行物に説明
されている。
見された特性に基づく。理想的な非映像デバイスは、放
射エネルギー源から放出される放射エネルギーフローラ
インに対応する形状を有する反射壁部分を備えるのが有
利であることが既に知られている。放射エネルギーフロ
ーラインの概念は周知であり、また下記の刊行物に説明
されている。
１）ローランド・ウィンストン（Roland Winston）に発
行された「非映像放射エネルギー指向デバイス（Nonima
ging Radiant Energy Direction Device）という名称の
米国特許No.4,237,332 ２）ウィンストン等、「幾何ベクトル光束と若干の新規
非映像集中体、」アメリカ光学協会誌、第69巻、第４号
（Winston,et al,“Geometrical Vector Flux and Some
New Nonimaging Concentrators,"Journal of the Opti
cal Society of America,Vol.69,No.4）、頁532〜536
（1979年４月） ３）ウィンストン等、「幾何ベクトル光束場を妨害しな
い形状の理想的光束集中体：複合双曲線集中体の新規導
出、」アメリカ光学協会誌、第69巻、第４号（Winston,
et al.,“Ideal Flux Concentrators As Shapes That D
o Not Disturb the Geometrical Vector Flux Field:A
New Derivation of the Compound Parabolic Concentra
tor,"Journal of the Optical Society of America,Vo
l.69,No.4）、頁536〜539（1979年４月） ４）ギャラファー等、「パラボラディッシュ一次部を有
する『トランペット』型二次集中体、」太陽エネルギ
ー、第36巻、第１号（Gallagher,et al.,“Test of a
‘Trumpet'Secondary Concentrator With a Paraboloid
al Dish Primary,"Solar Energy,Vol.36,No.1）、頁37
〜44（1986年） ５）ギャラファー等、「最大の理論的集中比を有する軸
方向に対称な非映像光束集中体、」アメリカ光学協会誌
Ａ、第４巻（Gallagher,et al.,“Axially Symmetric N
onimaging Flux Concentrators With the Maximum Theo
retical Concentration Ratio,"Journal of the Optica
l Society of America A,Vol.4）、頁66（1987年１月）
これら五つの刊行物は引用により本書に編入する。
行された「非映像放射エネルギー指向デバイス（Nonima
ging Radiant Energy Direction Device）という名称の
米国特許No.4,237,332 ２）ウィンストン等、「幾何ベクトル光束と若干の新規
非映像集中体、」アメリカ光学協会誌、第69巻、第４号
（Winston,et al,“Geometrical Vector Flux and Some
New Nonimaging Concentrators,"Journal of the Opti
cal Society of America,Vol.69,No.4）、頁532〜536
（1979年４月） ３）ウィンストン等、「幾何ベクトル光束場を妨害しな
い形状の理想的光束集中体：複合双曲線集中体の新規導
出、」アメリカ光学協会誌、第69巻、第４号（Winston,
et al.,“Ideal Flux Concentrators As Shapes That D
o Not Disturb the Geometrical Vector Flux Field:A
New Derivation of the Compound Parabolic Concentra
tor,"Journal of the Optical Society of America,Vo
l.69,No.4）、頁536〜539（1979年４月） ４）ギャラファー等、「パラボラディッシュ一次部を有
する『トランペット』型二次集中体、」太陽エネルギ
ー、第36巻、第１号（Gallagher,et al.,“Test of a
‘Trumpet'Secondary Concentrator With a Paraboloid
al Dish Primary,"Solar Energy,Vol.36,No.1）、頁37
〜44（1986年） ５）ギャラファー等、「最大の理論的集中比を有する軸
方向に対称な非映像光束集中体、」アメリカ光学協会誌
Ａ、第４巻（Gallagher,et al.,“Axially Symmetric N
onimaging Flux Concentrators With the Maximum Theo
retical Concentration Ratio,"Journal of the Optica
l Society of America A,Vol.4）、頁66（1987年１月）
これら五つの刊行物は引用により本書に編入する。
空気を通る放射エネルギーフローラインは形状が双曲
線であることも知られている。従って、図１、２、４及
び５に示す本発明の好ましい実施例は、双曲線である反
射面を有する光学素子を備える。
線であることも知られている。従って、図１、２、４及
び５に示す本発明の好ましい実施例は、双曲線である反
射面を有する光学素子を備える。
放射エネルギーフローラインは、中実の誘電素子を通
過するときにその形状を変化することが発見されてい
る。誘電光学素子を非映像システムに組み込めば有用な
ことが多いので、誘電物質を通る放射エネルギーフロー
ラインの経路を求めることができるのは有利であろう。
過するときにその形状を変化することが発見されてい
る。誘電光学素子を非映像システムに組み込めば有用な
ことが多いので、誘電物質を通る放射エネルギーフロー
ラインの経路を求めることができるのは有利であろう。
誘電物質内での放射エネルギーフローラインを求める
方法を、図６に関連して以下に説明する。ここで図６を
参照すると、放射エネルギー源140は二つの縁部、すな
わち第一の縁部E1と第二の縁部E2を有するのが示され
る。直線源として示される放射エネルギー源140は、円
形源または他の形状のものでもよい。例えばレンズであ
る中実の誘電光学素子142は、放射エネルギー源140の右
に示される。光学素子142は一対の凸曲面144aと144bを
有する。
方法を、図６に関連して以下に説明する。ここで図６を
参照すると、放射エネルギー源140は二つの縁部、すな
わち第一の縁部E1と第二の縁部E2を有するのが示され
る。直線源として示される放射エネルギー源140は、円
形源または他の形状のものでもよい。例えばレンズであ
る中実の誘電光学素子142は、放射エネルギー源140の右
に示される。光学素子142は一対の凸曲面144aと144bを
有する。
一対の放射エネルギーフローライン146と148は、放射
エネルギー源140から空気を通って光学素子142の左表面
144aへ延び、次いで光学素子の誘電物質を通り右表面14
4bまで延び、次いで再び空気を通り表面144bの右側まで
延びる。放射フローラインは空気を通過するとき形状が
双曲線であるので、放射エネルギー源140と表面144aと
の間のライン146と148の部分は縁部E1とE2に関し双曲線
である。しかし、放射フローラインは誘電物質142に入
ると形状を変化する。
エネルギー源140から空気を通って光学素子142の左表面
144aへ延び、次いで光学素子の誘電物質を通り右表面14
4bまで延び、次いで再び空気を通り表面144bの右側まで
延びる。放射フローラインは空気を通過するとき形状が
双曲線であるので、放射エネルギー源140と表面144aと
の間のライン146と148の部分は縁部E1とE2に関し双曲線
である。しかし、放射フローラインは誘電物質142に入
ると形状を変化する。
フローラインが形状を変化する特定の仕方は発見され
ている。しかし、それが形状を変化する仕方を説明する
には新規の概念が必要となる。本発明の目的上、用語
「実光学距離」は光線が光学システム内を走る距離を意
味する。本発明の目的上、用語「有効光学距離」は、
１）実光学距離に、２）その距離に対する誘電媒体の誘
電定数を乗じた積の光路に沿った総量を意味する。より
具体的には、縁部ＡとＢを有する光線に対する有効光学
距離は下記の等式〔５〕による。
ている。しかし、それが形状を変化する仕方を説明する
には新規の概念が必要となる。本発明の目的上、用語
「実光学距離」は光線が光学システム内を走る距離を意
味する。本発明の目的上、用語「有効光学距離」は、
１）実光学距離に、２）その距離に対する誘電媒体の誘
電定数を乗じた積の光路に沿った総量を意味する。より
具体的には、縁部ＡとＢを有する光線に対する有効光学
距離は下記の等式〔５〕による。
有効長さ＝∫A Bn dS, 〔５〕 ここで有効長さは有効光学距離であり、ｎは特定点にお
ける特定の誘電定数であり、またＳは実際の光学距離を
表す。
ける特定の誘電定数であり、またＳは実際の光学距離を
表す。
一例として、図６に示される放射源140から点Ｐまで
の光線150の有効光学距離は、放射源140から表面144aま
でのその実際長さに空気に対する誘電係数を乗じたもの
に、表面144aから表面144bまでのその実際長さに誘電媒
体142に対する誘電係数を乗じたものを加え、それに表
面144bから点Ｐまでのその実際長さに空気に対する誘電
係数を乗じたものを加えたものである。
の光線150の有効光学距離は、放射源140から表面144aま
でのその実際長さに空気に対する誘電係数を乗じたもの
に、表面144aから表面144bまでのその実際長さに誘電媒
体142に対する誘電係数を乗じたものを加え、それに表
面144bから点Ｐまでのその実際長さに空気に対する誘電
係数を乗じたものを加えたものである。
誘電体を通る放射エネルギーフローラインを求める方
法を、図６を参照してここで説明する。空気中にある放
射源140から表面144aまでの部分は双曲線である。従っ
て双曲線の定義に従えば、ライン146上の各点につい
て、その点と一縁E1との間の実際距離とその点と他端E2
との間の実際距離における差は一定である。光線146は
誘電物質142に入ると実際にはもはや双曲線ではなくな
る。即ち、焦点E1とE2間の実際距離に関してもはや双曲
線ではなくなる。しかし、フローライン146は「有効な
双曲線」であることが発見されており、すなはちライン
146は、フローライン146と二焦点E1およびE2との間の先
に定義された有効距離が実際距離の代わりに使用される
ならば、誘電物質142内では双曲線である。またフロー
ライン146上の各点と二焦点すなわち縁部E1およびE2と
の間の直線距離を使用する代わりに、縁部E1およびE2と
フローライン146間の光路長が使用される。
法を、図６を参照してここで説明する。空気中にある放
射源140から表面144aまでの部分は双曲線である。従っ
て双曲線の定義に従えば、ライン146上の各点につい
て、その点と一縁E1との間の実際距離とその点と他端E2
との間の実際距離における差は一定である。光線146は
誘電物質142に入ると実際にはもはや双曲線ではなくな
る。即ち、焦点E1とE2間の実際距離に関してもはや双曲
線ではなくなる。しかし、フローライン146は「有効な
双曲線」であることが発見されており、すなはちライン
146は、フローライン146と二焦点E1およびE2との間の先
に定義された有効距離が実際距離の代わりに使用される
ならば、誘電物質142内では双曲線である。またフロー
ライン146上の各点と二焦点すなわち縁部E1およびE2と
の間の直線距離を使用する代わりに、縁部E1およびE2と
フローライン146間の光路長が使用される。
従って、二フローライン146と148上の各点について、
１）縁部E1からその点までの有効光学距離と、２）縁部
E2からその点までの有効光学距離との間の差は実質的に
一定である。例えば、ライン146上の点Ｐについて、縁
部E1から点Ｐまでの光路150に沿った先に定義された有
効距離は、縁部E2から点Ｐまでの光路152に沿った有効
距離よりも同一量だけ短い。
１）縁部E1からその点までの有効光学距離と、２）縁部
E2からその点までの有効光学距離との間の差は実質的に
一定である。例えば、ライン146上の点Ｐについて、縁
部E1から点Ｐまでの光路150に沿った先に定義された有
効距離は、縁部E2から点Ｐまでの光路152に沿った有効
距離よりも同一量だけ短い。
上記の説明に従った誘電物質内の放射エネルギーフロ
ーラインを求める方法の正確さは証明できる。
ーラインを求める方法の正確さは証明できる。
反射媒体内のフローラインは、提供される自由空間内
で、光路長をストリング長さの尺度として我々が使用す
るものと同様な仕方でストリング構成から求めることが
できるのをここで証明することにする。図７を参照し、
ＡとA'を放射エネルギー源の縁部とし、また我々は点Ｐ
におけるフローラインの方向を知りたいとする。P'をＰ
を通過するフローラインに沿った近い点とする。ＰとP'
の両方は反射素子の内側にあることに注意する。ストリ
ング構成により、〔A'P〕−［AP］は一定でありまた
［A'P'］−［AP'］に等しく、ここに括弧の［AP］は点
Ａから点Ｐまでの光路長を示し、また同様の表示は他の
括弧に使用される。ＷをＡからの光線の広がりのための
一定光路の曲線とし、またW'をA'からの光線の広がりの
ための一定光路の曲線とする（すなはちＷとW'は波面で
ある）。閉経路Ｐ→P'→W'→Ｐについて下記の線積分を
検討する。すなわち∫ ｎ.d＝０であり、これはヒ
ルベルト積分定理から得られる。ここでは単位光線方
向であり、またｄは積分である。これにより［WP'］
＝∫ ｎ.dであることがわかる（ここで「．」は点
乗積を示す）。同様に、閉経路Ｐ→P'→Ｗ→Ｐについて
線積分∫ ｎ.d＝０を検討すると、［W'P'］＝∫
ｎ'.dが得られる。［AP'］＝［AP］＋［WP'］であ
り、また［A'P'］＝［A'P］＋［W'P'］であることに注
意する。従って、我々がストリング構成により［A'P］
−［AP］＝［A'P'］−［AP'］を維持すれば、［WP'］＝
［W'P'］を保証できる。従って、点ＰとP'は互いに接近
しているので、ＰとP'との間の線分はに対して’に
対するのと同一角度を成す。これは、線分は，’間
の角度を二等分することを意味する。従って、この線分
はフローラインに沿って位置すると結論できる。と言う
のは、幾何ベクトル光束のフローラインの本来的定義
は、それは光束の平均方向であり、また二等分線は丁度
平均方向であるからである。
で、光路長をストリング長さの尺度として我々が使用す
るものと同様な仕方でストリング構成から求めることが
できるのをここで証明することにする。図７を参照し、
ＡとA'を放射エネルギー源の縁部とし、また我々は点Ｐ
におけるフローラインの方向を知りたいとする。P'をＰ
を通過するフローラインに沿った近い点とする。ＰとP'
の両方は反射素子の内側にあることに注意する。ストリ
ング構成により、〔A'P〕−［AP］は一定でありまた
［A'P'］−［AP'］に等しく、ここに括弧の［AP］は点
Ａから点Ｐまでの光路長を示し、また同様の表示は他の
括弧に使用される。ＷをＡからの光線の広がりのための
一定光路の曲線とし、またW'をA'からの光線の広がりの
ための一定光路の曲線とする（すなはちＷとW'は波面で
ある）。閉経路Ｐ→P'→W'→Ｐについて下記の線積分を
検討する。すなわち∫ ｎ.d＝０であり、これはヒ
ルベルト積分定理から得られる。ここでは単位光線方
向であり、またｄは積分である。これにより［WP'］
＝∫ ｎ.dであることがわかる（ここで「．」は点
乗積を示す）。同様に、閉経路Ｐ→P'→Ｗ→Ｐについて
線積分∫ ｎ.d＝０を検討すると、［W'P'］＝∫
ｎ'.dが得られる。［AP'］＝［AP］＋［WP'］であ
り、また［A'P'］＝［A'P］＋［W'P'］であることに注
意する。従って、我々がストリング構成により［A'P］
−［AP］＝［A'P'］−［AP'］を維持すれば、［WP'］＝
［W'P'］を保証できる。従って、点ＰとP'は互いに接近
しているので、ＰとP'との間の線分はに対して’に
対するのと同一角度を成す。これは、線分は，’間
の角度を二等分することを意味する。従って、この線分
はフローラインに沿って位置すると結論できる。と言う
のは、幾何ベクトル光束のフローラインの本来的定義
は、それは光束の平均方向であり、また二等分線は丁度
平均方向であるからである。
図８に、上述した原理を活用した本発明の第一の実施
例である放射エネルギーデバイス160の断面を示す。デ
バイス160は反射素子162とその反射素子162内の誘電光
学素子164を備える二つの基本的部分から構成される。
反射素子162は放射エネルギー入口部166と放射エネルギ
ー出口部168を備え、また素子162は三部分、すなわち第
一部分170、第二部分172および第三部分174から構成さ
れる。反射素子162の外部形状は、図６に示される放射
エネルギーフローライン146と148の形状に対応する。特
に部分170の形状は実際に双曲線であり、部分172の形状
は「有効な双曲線」であり、また部分174の形状は実際
に双曲線である。
例である放射エネルギーデバイス160の断面を示す。デ
バイス160は反射素子162とその反射素子162内の誘電光
学素子164を備える二つの基本的部分から構成される。
反射素子162は放射エネルギー入口部166と放射エネルギ
ー出口部168を備え、また素子162は三部分、すなわち第
一部分170、第二部分172および第三部分174から構成さ
れる。反射素子162の外部形状は、図６に示される放射
エネルギーフローライン146と148の形状に対応する。特
に部分170の形状は実際に双曲線であり、部分172の形状
は「有効な双曲線」であり、また部分174の形状は実際
に双曲線である。
誘電素子164は、形状が図６の曲面144aと144bにそれ
ぞれ対応する二曲面176と178を備える。
ぞれ対応する二曲面176と178を備える。
図８の放射エネルギーデバイスの構成方法は比較的簡
明である。最初に、第一部分170の双曲線形状は、図２
に関連して上述した方法に従って求められる。第一部分
172の双曲線形状は、図６に関連して説明したように表
面176と178の曲率を考慮して求められる。第三部分の形
状は、それを実際の双曲線にすることにより求められ
る。三部分170、172および174の形状が決まると、光学
素子は従来の方法、例えば旋盤により形成できる。
明である。最初に、第一部分170の双曲線形状は、図２
に関連して上述した方法に従って求められる。第一部分
172の双曲線形状は、図６に関連して説明したように表
面176と178の曲率を考慮して求められる。第三部分の形
状は、それを実際の双曲線にすることにより求められ
る。三部分170、172および174の形状が決まると、光学
素子は従来の方法、例えば旋盤により形成できる。
特定の用途によりデバイス160の変形を行うことがで
きる。例えば光学素子162の部分174の省略が望ましいこ
とがある。
きる。例えば光学素子162の部分174の省略が望ましいこ
とがある。
図９に示すのは、誘電体内の放射フローラインの経路
を利用する本発明の第二実施例である放射エネルギーデ
バイスの断面であり、それは一対の反射性で非直線状表
面184と186に光学的に結合される第一のレンズ182から
構成され、またそれぞれの表面は第二のレンズ188に光
学的に結合される。本発明の目的上、表面は断面が直線
状であれば「直線状」とみなされる。従って例えば、円
錐は直線状表面の一例であり、一方双曲線形状面は非直
線状面の一例である。レンズ182と188は収斂レンズであ
る。レンズ182は放射エネルギー源または入口部190に光
学的に結合され、またレンズ188は放射エネルギー受容
体すなわち出口部192に光学的に結合される。デバイス1
80は光学的に可逆であるので、源190は受容体を構成す
るこもあるし、またその逆もある。
を利用する本発明の第二実施例である放射エネルギーデ
バイスの断面であり、それは一対の反射性で非直線状表
面184と186に光学的に結合される第一のレンズ182から
構成され、またそれぞれの表面は第二のレンズ188に光
学的に結合される。本発明の目的上、表面は断面が直線
状であれば「直線状」とみなされる。従って例えば、円
錐は直線状表面の一例であり、一方双曲線形状面は非直
線状面の一例である。レンズ182と188は収斂レンズであ
る。レンズ182は放射エネルギー源または入口部190に光
学的に結合され、またレンズ188は放射エネルギー受容
体すなわち出口部192に光学的に結合される。デバイス1
80は光学的に可逆であるので、源190は受容体を構成す
るこもあるし、またその逆もある。
表面184と186は、放射エネルギー源190上の点と放射
エネルギー受容体192の対応する点との間の有効光学距
離が実質的に一定であるようにな空間的形状を有する。
特に放射源190の縁部E1からレンズ182、表面186、レン
ズ188および受容体192の縁部E3までの有効光学距離は、
任意の光路例えば経路196a、196b、196cおよび196dにつ
いて実質的に同一である。縁部E1とE3は点として示され
るが、それらは米国特許No.4,483,007で示されるように
分布する曲線でもよい。概念的には、一定の有効長さを
有するストリングが、縁部E1、E3間に取り付けられ、ま
た光路に沿って移動するように制約されたならば、スト
リングの移動は表面186に一致した経路を追跡すること
になろう。この追跡概念は、楕円の焦点にストリングの
二端部を固定し、鉛筆で楕円を追跡することにより楕円
が形成される周知の方法と同様である。
エネルギー受容体192の対応する点との間の有効光学距
離が実質的に一定であるようにな空間的形状を有する。
特に放射源190の縁部E1からレンズ182、表面186、レン
ズ188および受容体192の縁部E3までの有効光学距離は、
任意の光路例えば経路196a、196b、196cおよび196dにつ
いて実質的に同一である。縁部E1とE3は点として示され
るが、それらは米国特許No.4,483,007で示されるように
分布する曲線でもよい。概念的には、一定の有効長さを
有するストリングが、縁部E1、E3間に取り付けられ、ま
た光路に沿って移動するように制約されたならば、スト
リングの移動は表面186に一致した経路を追跡すること
になろう。この追跡概念は、楕円の焦点にストリングの
二端部を固定し、鉛筆で楕円を追跡することにより楕円
が形成される周知の方法と同様である。
表面184は、放射源190の縁部E2からレンズ182、表面1
84、レンズ188および受容体192の縁部E4までの有効光学
距離は、任意の光路例えば点線198で示されるものにつ
いて実質的に同一である。
84、レンズ188および受容体192の縁部E4までの有効光学
距離は、任意の光路例えば点線198で示されるものにつ
いて実質的に同一である。
上述した本発明の実施例の種々の変形は、本発明を依
然利用しながら行うことができる。特に、放射エネルギ
ーデバイスは対称的に作用できるので、用語「放射エネ
ルギー入口部」及び「放射エネルギー出口部」はそのよ
うなデバイスに関して互いに取り替えて使用できる。本
発明による放射エネルギーデバイスは、前述の明細で具
体的に述べなかった多くの用途に使用できる。
然利用しながら行うことができる。特に、放射エネルギ
ーデバイスは対称的に作用できるので、用語「放射エネ
ルギー入口部」及び「放射エネルギー出口部」はそのよ
うなデバイスに関して互いに取り替えて使用できる。本
発明による放射エネルギーデバイスは、前述の明細で具
体的に述べなかった多くの用途に使用できる。
上に示しかつ説明した放射エネルギーデバイスは、回
転対称にでき、トラフ状構造に構成でき、または四側面
付きピラミッド状構造に構成できる。例えば図２におい
て、曲線46aと46bがトラフの対向する壁を表したなら
ば、壁46aと46bは紙面に直角の方向に直線状に延びるで
あろう。円筒状レンズも使用されるであろうし、それは
トラフの長さ方向に延びる。
転対称にでき、トラフ状構造に構成でき、または四側面
付きピラミッド状構造に構成できる。例えば図２におい
て、曲線46aと46bがトラフの対向する壁を表したなら
ば、壁46aと46bは紙面に直角の方向に直線状に延びるで
あろう。円筒状レンズも使用されるであろうし、それは
トラフの長さ方向に延びる。
加えて、種々の変形はピラミッド状に作ることができ
るので、放射エネルギーデバイスはほぼ同一長さの四側
面を備えることになろう。その四側面は実質的に90度で
出会うことになろう。この場合の放射エネルギー入口部
と出口部は、使用されるレンズと同様に方形であろう。
このピラミッド状実施例は光学ディスプレイシステムで
は有用であろう。と言うのは、そのようなピラミッド状
デバイスの効率は、デバイスが光放射体として使用され
たときが、光集光体として使用されたときよりも高いか
らである。
るので、放射エネルギーデバイスはほぼ同一長さの四側
面を備えることになろう。その四側面は実質的に90度で
出会うことになろう。この場合の放射エネルギー入口部
と出口部は、使用されるレンズと同様に方形であろう。
このピラミッド状実施例は光学ディスプレイシステムで
は有用であろう。と言うのは、そのようなピラミッド状
デバイスの効率は、デバイスが光放射体として使用され
たときが、光集光体として使用されたときよりも高いか
らである。
本発明の別の変更および実施例の代案を実行できるこ
とは、前述の説明からみて技術に有能な者にとり明らか
である。従ってこの説明は、もっぱら説明上のものであ
り、また技術に有能な者に本発明実施の最善の態様を説
明するためのものである。構造の詳細は、本発明の精神
からはずれることなく実質的に変更できるものであり、
また添付の請求の範囲に入る全ての変更の排他的な使用
が保留される。
とは、前述の説明からみて技術に有能な者にとり明らか
である。従ってこの説明は、もっぱら説明上のものであ
り、また技術に有能な者に本発明実施の最善の態様を説
明するためのものである。構造の詳細は、本発明の精神
からはずれることなく実質的に変更できるものであり、
また添付の請求の範囲に入る全ての変更の排他的な使用
が保留される。
フロントページの続き (72)発明者 ニン，シャオウィ アメリカ合衆国 02904 ロード アイ ランド ノース プロビデンス スミス フィールド ロード 630 アパートメ ント 1218 (56)参考文献 特開 昭53−23648（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−134213（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02B 9/00 - 17/08 G02B 21/02 - 21/04 G02B 25/00 - 25/04
Claims (11)
- 【請求項１】第一の鋭角内で放射エネルギーを受入れ、
第二の鋭角内で前記放射エネルギーを射出する放射エネ
ルギー変換体であって、 放射エネルギー入口部と放射エネルギー出口部を有する
反射素子と、 前記放射エネルギー入口部において、前記反射素子へ放
射エネルギーを伝え、凸状をなし、第一の焦点距離を有
する第一のレンズ手段と、 前記放射エネルギー出口部において、前記反射素子から
の放射エネルギーが入射する、凹状をなし、第二の焦点
距離を有する第二のレンズ手段とを含み、 前記第一のレンズ手段の第一の焦点距離と前記第二のレ
ンズ手段の第二の焦点距離とに差があり、誤差は前記第
一のレンズ手段と前記第二のレンズ手段との距離に略等
しく、 前記反射素子の形状により、前記放射エネルギー入口部
に対する第一の鋭角内で前記反射素子に入射する放射エ
ネルギーが、前記放射エネルギー出口部に対する第二の
鋭角内で前記放射エネルギー出口部から射出されるよう
に反射される、放射エネルギー変換体。 - 【請求項２】前記反射素子が誘電材料で形成される本体
を有し、前記第一のレンズ手段が前記誘電材料で形成さ
れる本体の一端において凸状の面を有し、前記第二のレ
ンズ手段が前記誘電材料で形成される本体の前記一端に
対する他端において凹状の面を有する、請求項１に記載
の放射エネルギー変換体。 - 【請求項３】前記反射素子は鏡面を有してなり、該反射
素子が中空の空間を囲んでなる、請求項１に記載の放射
エネルギー変換体。 - 【請求項４】前記反射素子の形状は、その断面が双曲線
をなす、請求項１に記載の放射エネルギー変換体。 - 【請求項５】前記放射エネルギー変換体が回転対称をな
している、請求項１に記載の放射エネルギー変換体。 - 【請求項６】前記放射エネルギー変換体は、前記反射素
子が四つの側面を有して形成されており、 前記四つの側面の一端側の方形をなす周縁により、前記
放射エネルギー入口部が形成されており、 前記四つの側面の前記一端側に対する他端側の方形をな
す周縁により、前記放射エネルギー出口部が形成されて
おり、 前記四つの側面の一端側の方形をなす周縁と、他端側の
方形をなす周縁とは、大きさが異なっており、 前記放射エネルギー変換体の全体外観がピラミッド状を
なす、請求項１に記載の放射エネルギー変換体。 - 【請求項７】第一の鋭角内で放射エネルギーを受入れ、
第二の鋭角内で放射エネルギーを射出する放射エネルギ
ー変換体であって、 放射エネルギー入口部と放射エネルギー出口部を有する
反射素子と、 前記放射エネルギー入口部において、前記反射素子へ放
射エネルギーを伝える第一のレンズ手段と、 前記放射エネルギー出口部において、前記反射素子から
の放射エネルギーが入射する第二のレンズ手段とを含ん
でなり、前記第一のレンズ手段と前記第二のレンズ手段
とは、対照的な収束と発散の機能を有し、かつ焦平面が
共通しており、 前記反射素子の形状により、前記放射エネルギー入口部
に対する第一の鋭角内から前記反射素子に入射する放射
エネルギーが、前記放射エネルギー出口部に対する第二
の鋭角内で前記放射エネルギー出口部から射出されるよ
うに反射される、放射エネルギー変換体。 - 【請求項８】前記反射素子が、一対の曲面を有する、誘
電材料で形成された本体を有し、 前記第一のレンズ手段及び前記第二のレンズ手段が前記
本体の一対の曲面により構成される、請求項７に記載の
放射エネルギー変換体。 - 【請求項９】前記反射素子の形状は、断面が双曲線をな
す、請求項７に記載の放射エネルギー変換体。 - 【請求項１０】第一の鋭角内で入射した放射エネルギー
を、第二の鋭角内で射出させる放射エネルギー変換体で
あって、 伝わった放射エネルギーを反射させる反射面が非直線状
をなす非直線状反射面を備える反射素子と、 外部から入射した放射エネルギーを前記反射素子へ伝え
る第一のレンズ手段と、 前記反射素子より伝わった放射エネルギーを外部に射出
させる第二のレンズ手段とを有し、 当該放射エネルギー変換体に対する前記第一の鋭角及び
第二の鋭角が予め選択された特定の角度に設定されるも
のであり、 前記反射素子の非直線状反射面は、当該放射エネルギー
変換体に前記第一の鋭角内で入射して伝わった放射エネ
ルギーを、当該放射エネルギー変換体に対する前記第二
の鋭角内で射出させるように反射させる形状に形成され
ており、 当該放射エネルギー変換体に対して前記第一の鋭角内で
入射した放射エネルギーを、当該放射エネルギー変換体
に対して前記第二の鋭角内でのみ射出させるように構成
され、 前記反射素子が、中空に形成された本体と放射エネルギ
ー入口部と放射エネルギー出口部とを有し、 前記反射素子の前記非直線状反射面は、その中心軸に対
する内径が、前記放射エネルギー入口部及び前記放射エ
ネルギー出口部から該放射エネルギー入口部と放射エネ
ルギー出口部との間の中間部分に向かって減少するよう
に形成されている、放射エネルギー変換体。 - 【請求項１１】第一の鋭角内で入射した放射エネルギー
を、第二の鋭角内で射出させる放射エネルギー変換体で
あって、 伝わった放射エネルギーを反射させる反射面が非直線状
をなす非直線状反射面を備える反射素子と、 外部から入射した放射エネルギーを前記反射素子へ伝え
る第一のレンズ手段と、 前記反射素子より伝わった放射エネルギーを外部に射出
させる第二のレンズ手段とを有し、 当該放射エネルギー変換体に対する前記第一の鋭角及び
第二の鋭角が予め選択された特定の角度に設定されるも
のであり、 前記反射素子の非直線状反射面は、当該放射エネルギー
変換体に前記第一の鋭角内で入射して伝わった放射エネ
ルギーを、当該放射エネルギー変換体に対する前記第二
の鋭角内で射出させるように反射させる形状に形成され
ており、 当該放射エネルギー変換体に対して前記第一の鋭角内で
入射した放射エネルギーを、当該放射エネルギー変換体
に対して前記第二の鋭角内でのみ射出させるように構成
され、 前記反射素子は、放射エネルギー入口部及び放射エネル
ギー出口部を有し、 前記第一のレンズ手段が、放射エネルギー入口部におい
て、放射エネルギーを前記反射素子に伝えるように設け
られ、 前記第二のレンズ手段が、放射エネルギー出口部におい
て、放射エネルギーが前記反射素子から入射するように
設けられ、 前記反射素子が中空に形成された本体を有し、 前記反射素子の前記非直線状反射面は、その中心軸に対
する径が、前記放射エネルギー入口部及び前記放射エネ
ルギー出口部から該放射エネルギー入口部と放射エネル
ギー出口部との間の中間部分に向かって減少するように
形成されている、放射エネルギー変換体。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US348,056 | 1989-05-05 | ||
| US07/348,056 US5243459A (en) | 1989-05-05 | 1989-05-05 | Nonimaging radiant energy device |
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|---|---|---|---|
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|---|---|
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|---|---|---|---|
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