JP4647029B2 - 照射方法および照射デバイス - Google Patents
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Description
1. この照射部品の効率は優れており、つまり、照射効率(分光透過効率)が50%を上回り、さらに80%を上回ることが可能である。
2. 照射が均一かつ矩形であるため、フライアイレンズ等の別々のビームホモジナイザ構成要素を必要としない(但し、使用してもよい)。
3. この照射部品は、多くの高輝度LEDチップのように、高い屈折率の材料に光源が囲まれる場合であっても、小空間で光源(LED)の周りの半球全体からの光の収集が可能であるという利点を有する。そのような材料に囲まれない光源用に設計される場合、この照射部品は、いかなる光学面も光源に近接近することを必要としないため、これも、いくつかの用途において重要な利点である(熱的問題および材料選択に関して)。
4. この照射部品は、光源の形状を有益に使用してビーム整形も実行する。例えば照射の形状は、光源の形状である。
5. 照射のエタンデュは、光源の元々のエタンデュの140%未満に保存可能であり、さらに光源の元々のエタンデュの105%未満に保存可能である。
6. この照射部品のサイズは非常にコンパクトである。この照射部品の直径は、エタンデュ法則によって決定され、その高さは、典型的には直径の半分である。具体的なサイズの例は以下に挙げられる。
7. この照射部品は、円形外形を有するため、小型LEDプロジェクタ用途における投射レンズと一致する優れた瞳が可能になる。これにより、光学エンジンの全体のサイズの小型化が可能になる。
8. この照射部品の出力ビームは非常にテレセントリックであることが可能であり、これは、この照射部品上で偏光再利用シート(polarization recycling sheet)を使用して、LCDまたはLCoSプロジェクタ用途において効率性を高めることが可能であることを意味する。
9. この照射部品が形成する均一なテレセントリックビームを、多種多様の光学構成および用途において使用してもよい。
10. この照射部品は、射出成形によって大量生産可能である。金型は、例えば、ダイヤモンド旋削または精密NC加工によって作製可能である。
11. この照射部品は、小型LEDプロジェクタに加え、例えば、カメラのフラッシュ、顕微鏡、ヘッドアップディスプレイを含む多種多様の様々な用途に使用可能である。
・ ソーラーディッシュ発電機の効率は、放物面集光器の集光比に比例する。しかしながら、回転放物面の集光効率は、理論的な最大集光効率にない。従って、これを改善することにより、ソーラー発電機の効率を高めることが可能である。
・ 既存の放物面集光器を使用して達成される受光器における放射フラックスは、受光器におけるビームの開口数が限られているため、最大値からは程遠い。放物面反射鏡を非常に深部に設置することも考えられるが、それは機械的に非常に困難な配置になる。
・ これらの従来技術の系における受光器は、反射器の上に存在する必要があり、これは、アクセスが困難であることを意味する。
・ 受光器は、系が太陽の移動を追跡する際に、反射器と共に移動する必要がある。
・ 上記の複雑な機械的構成によってコストが高くなる。
・ 集光効率が最大理論的集光効率に近い。
・ 受光器におけるビームの開口数を、集光器の高さを増加させずに、上述のものよりも大幅に増加させることが可能である。
・ 受光器を反射器の下に位置してもよく、メンテナンスのための受光器へのアクセスが容易になる。
・ 集光器が太陽の移動を追跡する際に、受光器は、静止可能である。
・ 機械的構造が単純であるため、システム全体のコストが低い。
1.物体から中間像への結像(径方向断面平面において)。
2.チャネルの径方向入射瞳から、チャネルの射出瞳への結像(径方向断面平面において)。
3.中間像から像への結像(径方向断面平面において)。
これらの3つの機能の全てが、環状光線案内部として具現化されてもよい。典型的には、機能1および2は、光線案内部によって具現化され、この光線案内部の任意の径方向断面平面における2次元断面は、正の光学的パワーを有する。機能3は、正、負、またはさらにゼロの光学的パワー(典型的には、正のパワーを有する)のいずれかを有する光線案内部として具現化可能である。各機能は、いくつかの光学面、屈折面、反射面、または回折面として具現化可能である。これらの面は、まとめて一体化されることも可能である。典型的には、最良の結果は、チャネル毎に少なくとも1つの非球面(つまり、断面が円弧状ではない光学面)を使用して達成される。
によって定義される。
式中、
は、回転対称軸方向を向く単位ベクトルであり、
は、光線の伝播方向を向き、光線が伝播する物質に依存する定数(つまり光学的放射における屈折率)に等しい強度を有するベクトルであり、また、
は、回転軸と光線とをつなぐ任意のベクトルである。図19を参照されたい。スキュー不変性(skew invariance)は、光線のスキュー不変量が、任意の回転対称な光線案内系において保存されることを言う。
とする。また、
軸方向に沿った単位ベクトルを
光軸と光線とをつなぐベクトルを
とする。すると、光線のスキュー不変量は、
と表すことができる。式中、
は、射出瞳における回転対称軸からの光線の距離であり、
は、射出瞳における光線の接線成分の強度である。ここで、
であるため、簡略化が可能である。同一の計算はを、入口開口部における光線にも行なうことができる。その後、射出瞳における光線の接線成分は、以下の関係式によって入射瞳において対応する光線の接線成分に関連付けられる。
式中、
および
は、結像チャネルの入射瞳における光線に関連付けられる。したがって、入射瞳から射出瞳へのマッピングを調整することによって、スキュー光線の接線成分を調整することができる。特に、この方式によって、接線方向の結像を径方向の結像に一致させることが可能であるため、結像チャネルの結像機能は、スキュー光線についても完成される。
Claims (31)
- 軸の周りに円筒対称的な少なくとも1つの光線案内部を備える装置であって、
前記少なくとも1つの光線案内部は、非点状物体から前記少なくとも1つの光線案内部の入射瞳に向かって放射される光線の少なくとも一部分を、事実上像に結像するように構成され、
さらに前記少なくとも1つの光線案内部は、前記軸及び前記入射瞳の一部を含む断面に規定される断面平面の各々において、
・ 前記軸に対して一方の側において、前記非点状物体から前記断面平面に沿って、該断面平面上且つ前記一方の側に位置する前記入射瞳の一部へと放射される前記光線のサブセットを、前記一方の側における前記断面平面上の中間像へと結像し、
・ 前記中間像からの前記光線の少なくとも一部を、前記断面平面の前記一方の側において、前記断面平面上の断面像に結像する、
ように構成され、従って、ある前記断面平面における前記中間像は、別の前記断面平面における前記中間像とは互いに交差しない、装置。 - 前記少なくとも1つの光線案内部は、
前記光線の前記サブセットのいずれもが、
前記断面平面の前記一方の側に位置する、前記少なくとも1つの光線案内部の入射瞳部と、
前記断面平面上の前記一方の側と同じ側に位置する、前記少なくとも1つの光線案内部の射出瞳部と
の間で、前記軸を交差しないように構成される、
請求項1に記載の装置。 - 前記少なくとも1つの光線案内部は、前記軸によって区切られる前記断面平面の半分部分において、前記入射瞳を前記射出瞳に実質的に結像するように構成される、請求項1に記載の装置。
- 前記少なくとも1つの光線案内部は、前記非点状物体から前記少なくとも1つの光線案内部の前記入射瞳に向かって放射される実質的に全ての光線を前記像に結像するように構成される、請求項1に記載の装置。
- 前記少なくとも1つの光線案内部は、前記入射瞳および前記射出瞳における共役点が、実質的に等しい距離分前記軸から離間するように構成される、請求項1に記載の装置。
- 前記少なくとも1つの光線案内部は、前記非点状物体から前記像へ実質的に結像される任意の点が、その2乗平均平方根スポットサイズが前記像の平均直径より実質的に小さくなるように、前記像におけるスポットを形成するように構成される、請求項1に記載の装置。
- 前記2乗平均平方根スポットサイズは、前記像の前記平均直径の4分の1よりも小さい、請求項6に記載の装置。
- 前記非点状物体から前記入射瞳への平均距離が、前記非点状物体から前記軸への平均距離より実質的に大きくなるように、前記少なくとも1つの光線案内部が配置される、請求項1に記載の装置。
- 前記非点状物体から前記入射瞳への前記平均距離が、前記非点状物体から前記軸への前記平均距離の少なくとも3倍である、請求項8に記載の装置。
- 前記光線は、紫外線波長および赤外線波長間の電磁放射の光線である、請求項1に記載の装置。
- 電磁放射の前記光線は、発光ダイオードから放射される光線である、請求項10に記載の装置。
- 像形成システムの照射構成要素である、請求項1に記載の装置。
- 前記少なくとも1つの光線案内部は、前記入射瞳と、前記非点状物体の平均点に最近接している前記軸上の点との間を結ぶ少なくとも1つの線が、前記軸と35度を上回る角度を形成するように配置される、請求項1に記載の装置。
- 前記少なくとも1つの光線案内部は、前記入射瞳と、前記非点状物体の平均点に最近接している前記軸上の点との間のあらゆる線が、前記軸と30度を上回る角度を形成するように配置される、請求項1に記載の装置。
- 前記少なくとも1つの光線案内部は、光線毎に少なくとも3つの箇所において、該光線の少なくとも一部の伝播方向を次々に変更するように構成される、請求項1に記載の装置。
- 前記少なくとも1つの光線案内部は、光線毎に5つ以下の箇所において、該光線の少なくとも一部の伝播方向を次々に変更するように構成される、請求項1に記載の装置。
- 前記少なくとも1つの光線案内部は、前記非点状物体の平均点に最近接している前記軸上の点の周りで、少なくとも0.1ステラジアンの立体角に前記入射瞳が及ぶように配置される、請求項1に記載の装置。
- 回転対称軸の周りに円筒対称的な少なくとも1つの光線案内要素を備える装置であって、
前記少なくとも1つの光線案内要素は、非点状物体から前記少なくとも1つの光線案内要素の入射瞳に向かって放射される前記光線の少なくとも一部を事実上像に結像するように配され、
さらに前記少なくとも1つの光線案内要素は、前記少なくとも1つの光線案内要素の前記入射瞳を射出瞳に実質的に結像するように、ただし、前記入射瞳上の各点が、前記射出瞳上で、前記回転対称軸に事実上沿う方向の点の投影に各々結像されるように、構成され、
さらに前記少なくとも1つの光線案内要素は、前記入射瞳の事実上全ての点が前記物体からほぼ同一の距離にあるように配され、
さらに前記少なくとも1つの光線案内要素は、前記入射瞳から前記射出瞳へ結像される任意のメリジオナル光線(meridional ray)の経路が、前記入射瞳と前記射出瞳間との間で前記回転対称軸を交差しないように構成される、
装置。 - 前記少なくとも1つの光線案内要素は、前記非点状物体から前記少なくとも1つの光線案内要素の前記入射瞳に向かって放射される実質的に全ての光線を、事実上前記像に結像するように構成される、請求項18に記載の装置。
- 前記少なくとも1つの光線案内要素は、前記非点状物体から前記像へ実質的に結像される任意の点が、その2乗平均平方根スポットサイズが前記像の平均直径より実質的に小さくなるように、前記像におけるスポットを形成するように配置される、請求項18に記載の装置。
- 前記2乗平均平方根スポットサイズは、前記像の前記平均直径の4分の1よりも小さい、請求項18に記載の装置。
- 前記非点状物体から前記入射瞳への平均距離が、前記物体から前記軸への平均距離より実質的に大きくなるように、前記少なくとも1つの光線案内要素が配置される、請求項18に記載の装置。
- 前記非点状物体から前記入射瞳への前記平均距離は、前記非点状物体から前記軸への前記平均距離の少なくとも3倍の大きさである、請求項22に記載の装置。
- 前記光線は、紫外線波長および赤外線波長間の電磁放射の光線である、請求項18に記載の装置。
- 電磁放射の前記光線は、発光ダイオードから放射される光線である、請求項24に記載の装置。
- 像形成システムの照射構成要素である、請求項18に記載の装置。
- 前記少なくとも1つの光線案内要素は、前記入射瞳と、前記非点状物体の平均点に最近接している前記軸上の点との間の少なくとも1つの線が、前記軸と35度を上回る角度を形成するように配置される、請求項18に記載の装置。
- 前記少なくとも1つの光線案内要素は、前記入射瞳と、前記非点状物体の平均点に最近接している前記軸上の点との間のあらゆる線が、前記軸と30度を上回る角度を形成するように配置される、請求項18に記載の装置。
- 前記少なくとも1つの光線案内部は、光線毎に少なくとも5つ以下の箇所において、次々に、前記光線の前記少なくとも一部の伝播方向を変更するように構成される、請求項18に記載の装置。
- 前記少なくとも1つの光線案内要素は、前記射出瞳の直径より小さい前記軸に沿った長さを有するように配置される、請求項18に記載の装置。
- 前記少なくとも1つの光線案内部は、前記非点状物体の平均点に最近接している前記軸上の点の周りで、少なくとも3ステラジアンの立体角に前記入射瞳が及ぶように配置される、請求項18に記載の装置。
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