JP5469597B2

JP5469597B2 - エタンデュ制限を回避するコリメーターを含む、鏡面再帰反射を介したｌｅｄの輝度増強

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Publication number: JP5469597B2
Application number: JP2010509379A
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Inventors: ワキディ・ファリコフ; ジュリオ・シー・シャベス; ジュアン・カルロス・ミナノ; ウィリアム・エイ・パーキン・ジュニア; パブロ・ベニテス
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Priority date: 2007-05-21
Filing date: 2008-05-21
Publication date: 2014-04-16
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Description

本発明は一般に、ビームを形成する照射システムに関し、詳しくは、出力ビームの立体角がコリメーターと称するに十分狭い照射システムに関する。コリメーターの例としてはフラッシュライト及びサーチライトがある。

コリメーターの性能は主に、エタンデュが不変であること、つまり光源が半球内に放射する場合のビームの角半径θは光源径ｄ対開口径Ｄの比により決定される：ｓｉｎθ＝ｄ／Ｄ、ことにより制限される。ビーム幅は角半径の２倍であり、通常は半値全幅（ＦＷＨＭ）として定義される。
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、そうした半球光源の１例である。ＬＥＤはサイズが小さくしかも発光効率が向上し続けていることで、照明の広汎な分野において市場を独占しつつある。ＬＥＤはその半球状放射角が大抵の照明用途には広すぎるため、出力角度がずっと狭い照明光学装置に組み込まれる。今のところＬＥＤフラッシュライト市場におけるその優位性は高く、天井レセプタクルにはＬＥＤダウンライトが組み込まれる。市場からエタンデュの定理に反しての小型化を強いられる装置分野の例には特に自動車用ヘッドライトがある。本発明の照明光学装置はＬＥＤ輝度を増強可能であり、その幾つかの実施例では全出力光束をそれほど犠牲にすることなく、エタンデュ制限サイズの僅か半分の開口幅が実現され得る。

米国特許第６,６３９,７３３号明細書米国特許第６,８９６,３８１号明細書米国特許第７,１５２,９８５号明細書米国特許第７,１８１,３７８号明細書米国特許第７,００６,３０６号明細書米国特許第５,６８４,３５４号明細書米国特許第１１／９８２，４９２号明細書米国特許第５,８９２,３２５号明細書米国特許第６,０４３,５９１号明細書米国特許第６,４９６,２３７号明細書米国特許第６,９６０,８７２号明細書米国特許第６,８６９,２０６号明細書米国特許第７,０２５,４６４号明細書米国特許第７,０４０,７７４号明細書

高い一様性下に開口部を横断するビーム幅を持つ状態で集光する照明光学装置を提供することである。

本発明は、一般に、集光照明光学系に関し、詳しくは、これに限定しないが、集光照明光学系の、高い一様性下に開口部を横断するビーム幅を持つ系部分に関する。出力ビームにおける異なる各部分は、光源からの軸外れ角が異なる照射光により発生される。パラボラレンズやフレネルレンズのようなコリメーターは色収差を有し、出力開口部の中心部におけるビーム幅はエッジ部におけるそれよりも広くなる。対照的に、開口部を横断するビーム幅が一定である複合パラボラ状集中器（ＣＰＣ）を含む幾つかのコリメーターがある。ここに引用することにより本明細書の一部とする以下の３つの米国特許、即ち、米国特許第６,６３９,７３３、米国特許第６,８９６,３８１（その後に出願された米国特許第７,１５２,９８５及び米国特許第７,１８１,３７８を含む）、米国特許第７,００６,３０６、ではそうした一定ビーム幅型コリメーターを主題としている。

本発明の照明光学装置では外部照明に関する発光ダイオード（あるいはその他光源）の反射が利用される。詳しくは、ＬＥＤは、当該ＬＥＤの発光の再帰反射光を拡散反射させる。参照した各コリメーターでは、開口から外側に向かう光は鏡面反射の如く再帰反射してＬＥＤに戻る。長波長での燐光変換白色ＬＥＤの反射率は９０％にも達し得る。青色ＬＥＤにおける青色光の反射率は代表的には７０％前後であり得る。再帰反射光の光源位置での反射と、当該反射による放射輝度の増大とは、幾つかの理由、中でもＬＥＤ全体が非平衡及び非黒体性を有することにより、キルヒホフの熱輻射の法則には矛盾しない。

ＬＥＤの拡散反射性により再帰反射光が再利用され、光の一部が狭い出口開口部を通して外に出、残余分は再度再帰反射する。再帰反射の各サイクルにより、ＬＥＤ本来の輝度は反射が減りつつも尚、加増される。
ＬＥＤの再利用では従来は白壁キャビティにおける如き近傍表面の拡散反射性が利用され、ＬＥＤ自体の反射性の利用度は小さい。しかしながら本発明の照明光学装置では鏡面反射、つまり全反射（ＴＩＲ）を介して機能する再帰反射により、ＬＥＤのみに又は他の光源に光が戻される。ＬＥＤ又はその他光源は、戻り光を多様な形態で拡散散乱様式下に反射し、戻り光の幾分かを狭い開口内に散乱させる。従来技術の鏡面的光再利用には、光源、特に白熱灯のフィラメントコイル巻き線又はアーク灯の透明ガスを介して光を反射する大型光学ミラーの使用が関与される。対照的に、もっと小型で、半球作動するＬＥＤの場合は本明細書に開示する新規形態が必要となる。

ビーム幅一定型のコリメーターの開口を本来の直径の半分に切断すると、開口を直接通過するＬＥＤの光束はその略１／４のみとなる。これを通過フラクションｆ_Tとすると再帰反射量は１−ｆ_Tとなる。実際のコリメーターの効率がそもそも１００％でないことは勿論であり、普通は光線の本来のエネルギーの、先に挙げた各コリメーターでは８５％であるところの透過率Ｔにおいて残余光が出口開口を通して出る。再帰反射用の金属コーティングの反射率は、少なくとも市販入手出来る標準的な第２面ミラーコーティングでは代表的には最大でも８８％である。この反射率をρ_rと称する。もっと高価な多層ミラーコーティングでは反射率を９８％とすることも可能であるから、その価値は有ると言える。

再帰反射の反射率の他に、色々の光学的エラーによって光の幾分かがＬＥＤを外れ、代表的には約９０％までの妨害率ρ_Iを生ずる。ここに開示する好ましい実施例の幾つかでは妨害率はほぼ１００％となる。再帰反射光は、白色ＬＥＤの場合はＬＥＤ拡散反射ρ_L＝８５％においてＬＥＤからの本来の放射にオーバーレイされ、ＬＥＤの見かけの輝度を増大させる。
ＬＥＤの創成する各ルーメンに対し、第１パスの開口からフラクションＴｆ_Tが放出される。フラクション（１−ｆ_T）_ρrρIがＬＥＤに戻り、このフラクションが反射され、フラクションＦ_R＝（１−ｆ_T）_ρrρIρL＝５０．５％が本来の発光に加入される。周知の恒等式、即ち、

に従う、当該再利用の無限級数の和によれば、開口部を出る発光合計量Ｆ_e＝Ｔｆ_T／（１−Ｆ_R）＝４０％となる。これは、開口直径を半分に切断すると相当量の光量が失われ、光量が望ましからざる程に減少することを示唆している。例えば、開口直径（面積の５０％）を２９％に減らすとｆ_T＝５０％、Ｆ_e＝６４％となって多少改善される。

ρ_r＝９８％、ρ_I＝９８％、であれば、開口面積を本来の２５％（本来の直径の５０％）とした場合はＦ_R＝６１％、Ｆ_e＝５４％、開口面積を５０％とした場合はＦＲ＝４１％、Ｆ_e＝７１％となり、更に良好な結果を得られる。このように効率が改善されれば、優れた再帰反射効率に対する高い費用も支払う意味がある。
光の再利用によるＬＥＤへの追加熱負荷量は９％又は合計で９％／（１−Ｆ_R）＝１８％であるが、ＬＥＤの出発熱負荷は発光負荷の約２．５倍であるのでそうした追加熱負荷は考慮しなくて良い。主たる考慮事項はＦ_eで表されるコストであることは言うまでもない。しかしながら、ＬＥＤ効率における最近の傾向によれば、昨年は４０〜６０ルーメンであったワット当たり光束（ＬＰＷ）は現在１００ＬＰＷに押し上げられており、ＬＥＤ製造業者はＬＰＷは２００９年には１４０になると予想している。従って、エタンデュ不変性エリアが半分となる自動車用ＬＥＤ前照灯は、当該エリアの１／３を失った場合でも、その消費電流はもっと大型の白熱ランプを発光させる場合よりずっと少ない。

本発明における照明光学装置の多くは２つの主要なコリメーター装置タイプにカテゴライズされ得る。第１のタイプのコリメーターは、光源の実効輝度（及び装置の出口開口のエタンデュ）が増大するが、再帰反射特徴部を含む光学系の全体サイズ又は直径が、同じ光源を持つ標準的コリメーターのそれとほぼ同じものである。第２のタイプのコリメーターは、光源の実効輝度が増大するが、“標準の”光学系と比較して光学系の直径が小さいものである。この場合の光学系の直径は、同じ光源を使用した場合に同じ集光度を達成する標準の光学系のそれより小さくなる。これら２タイプの装置は何れも伝統的なエタンデュ制限を回避するものであるが、第２のタイプのものは、システム全体（光の出口開口部だけでなく）が小径化される点で第１のタイプの装置よりも有益性がある。従って、第２のタイプの装置は、フロント側の“余地”は少ないが輝度効率を減らせない自動車の前照灯又は尾灯の如き用途に有益であると言える。ここに開示する実質的に全ての実施例は第２タイプのものであるが、本発明の原理は第１タイプのそれらに対しても適用し得るものとする。

２つのタイプの各コリメーター装置は更に２つのサブカテゴリーに分割され得る。再帰反射特徴部が光源に近く（又は近接し）、集光特徴部は光源から遠い場合がある。このタイプの装置は図９に示される。この場合、レンズ２２は再帰反射体２３よりも光源から遠い位置にある。当該第２のサブカテゴリーでは再帰反射体は光源には近接せず、レンズの出口面における最近点よりも遠い位置に離間され得る。このタイプのコリメーター例が図２１に示される。

ある実施例では、半分を超えて拡散反射する光源を含む集光性照明光学装置が提供される。コリメーターは光源からの放出光を妨害する。コリメーターは出口開口を横断する、好ましくは実質的に一様幅のビームを創成し、再帰反射体系が放出光の一部を反射して光源に戻す。再帰反射体により、出口開口の外側部分を取り外し可能となるため、出口開口の残余部分は、ビーム幅のための、件のエタンデュ制限を受ける開口よりもずっと小さくなる。

他の実施例によれば、半分以上の拡散反射性を持つ光源を含む集光性照明光学装置であって、出口開口を画定し、光源から当該出口開口の外側への放出光を妨害する集光性照明光学装置が提供される。当該照明光学装置には、少なくとも略楕円状凹部を成し、光源からの放出光の一部を光源に戻す再帰反射体が少なくとも１つ含まれる。
更に他の実施例では、半分以上の拡散反射性を持つ光源を含む集光性照明光学装置であって、光源からの放出光を妨害する集光性照明光学装置が提供される。当該照明光学装置は、その出口開口を横断して実質的に一様幅のビームを創成し、前方の反射体系が放出光の一部を出口開口に戻す。反射体系により、出口開口の外側の一部を除去可能となるため、出口開口は、ビーム幅のための、件のエタンデュ制限を受ける開口よりもずっと小さくなる。

他の実施例では、好適な光源と組み合わせることにより本発明を具体化する照明光学装置を形成し得る、コリメーター及び再帰反射体の組み合わせ体が提供される。
楕円状凹部をなす再帰反射体を画定する楕円の少なくとも一方の焦点が、光源から当該再帰反射体に達する光ビームの少なくとも略エッジ部に位置付けられる。次いで、楕円の少なくとも一方の焦点が、光源の少なくとも略エッジ部に位置付けられる。

楕円の少なくとも一方の焦点が、光ビームをカットオフする不透明オブジェクトの少なくとも略エッジ部に位置付けられ得る。照明光学装置が少なくとも２つの再帰反射体を含む場合は、第１の再帰反射体を画定する楕円の少なくとも一方の焦点を第２の再帰反射体の、光源と第１の再帰反射体との間の少なくとも略エッジ部に位置付け得る。
照明光学装置は、妨害された光を、出口開口を通して当該出口開口を横断する実質的に一様のビーム幅を創成する如き様式下に差し向けるように位置決めした少なくとも１つの前方反射体を含み得る。前記出口開口は、ビーム幅のための、エタンデュ制限を受ける開口よりも小さい。

少なくとも１つの前方反射体は少なくとも略双曲線状凹部を成し得る。双曲線状凹部を成す前方反射体を画定する双曲線の少なくとも１つの焦点は、次いで、光源から当該前方反射体に達する光ビームの略エッジ部に位置付け得られる。曲線の少なくとも一方の焦点は光ビームをカットオフする半透明オブジェクトのエッジ部の少なくとも略エッジ部に位置付け得、当該半透明オブジェクトは前記再帰反射体の、光源と前方反射体との間のエッジ部であり得る。再帰反射体は空気中で動作し得る。再帰反射体は絶縁体内で動作し得る。
再帰反射体はマイクロリニア溝により反射し得る。再帰反射体は薄膜積層体により反射し得る。薄膜積層体は当該積層体に対する公称波長の２倍に略等しい厚さの低屈折率材料からなる初期層を有し得る。

開口部を高い一様性下に横断するビーム幅を持つ状態に集光する照明光学装置が提供される。

図１は、フラットランベルト光源における双曲線の流れ線図と、全位置で流れ線に対して直交する曲線であるところの、楕円を成す“直交流れ線”の例示図である。図２は、流れ線が交互しない反射体の例示図である。図３は、楕円状の反射体の別態様の例示図である。図４は、楕円状の反射体の他の別態様の例示図である。図５は、距離ｄ離間する、半径Ｒの円エリアＡ₁及び半径ｒの円エリアＡ₂の例示図である。図６は、図１の実施例における例示的な楕円状反射体における、ＬＥＤ反射の関数としての輝度の理論的増大状況を示すグラフである。図７は、図６のグラフの作成に用いた例示的な楕円状反射体の断面図である。図８は、図７の楕円状反射体の焦点位置を示す平面図である。図９は、楕円状ミラー列の上方の集光レンズの例示図である。図１０は、ミラーコーティングされ、外側に溝付けした円筒状の再帰反射体を具備する集光レンズの例示図である。図１１は、反射光の拡大図を含む、再帰反射体を具備するフレネルレンズの例示図である。図１２は、流れ線及び直交流れ線を持つＣＰＣの例示図である。図１３は、エタンデュ制限を受けるビーム幅を変えずにＣＰＣの開口を制限した状況を示す例示図である。図１４は、ＣＰＣの幅を減少した状況を示す例示図である。図１５は、誘電体全内部反射集光器（ＤＴＩＲＣ）の例示図である。図１６は、３連式再帰反射体における境界線を示す、一定縮尺でのＤＴＩＲＣの別態様での一群の流れ線及び直交流れ線の例示図である。図１７は、流れ線型の４連式再帰反射体を有するＤＴＩＲＣの例示図である。図１８は、３連式再帰反射体を有するＤＴＩＲＣの斜視図である。図１９は、５連式再帰反射体を有する別態様のＤＴＩＲＣの斜視図である。図２０は、米国特許第６，８９６，３８１号に示されるそれと類似の実施例の例示図である。図２１は、再帰反射体による端部切除型の、図２０に示す装置と類似の装置の例示図である。図２２は、米国特許第７，００６，３０６に示されるそれと類似の実施例の例示図である。図２３は、再帰反射体による端部切除型の、図２２に示す装置と類似の装置の例示図である。図２４は、米国特許第７，００６，３０６に示されるそれと類似の更に他の実施例の例示図である。図２５は、Ｖ字溝型再帰反射体による端部切除型の、図２４の装置の例示図である。図２６は、マッシュルーム形レンズを使用してビーム幅を減少させた、図１１の装置と類似の装置の例示図である。図２７は、各溝を流れ線に対して直交方向に湾曲させたマイクロリニヤ型再帰反射体材料から作製した楕円形反射体の斜視図である。図２８は、流れ線に対して直交するマイクロリニヤ型再帰反射体を具備する楕円形再帰反射体の断面図である。図２９は、入射角０°での第２表面薄膜反射体の、波長の関数としての反射率を示すグラフである。図３０は、２連式再帰反射体の境界線を示す、別態様の照明装置の一群の流れ線及び直交流れ線の一定縮尺での例示図である。

流れ線は非イメージング光学系の分野では既知のものであり、光源からの光を受ける任意のポイント位置に画定される。光線は、幾つかのポイント位置で見ると光源の向こう側から受けられ、光源のエッジ部からの光線が光源イメージのエッジ部を画定する。以下に図示される状況では各流れラインは、光源の２つのエッジ部からの光線の形成する角度の二等分線に対する全位置で正接する。
図１には光源１を横断する二次元図が示され、当該光源がポイントＡ及びＢ間で上向きに発光している。流れ線２はポイントＡ及びＢを夫々の焦点とする共焦点双曲線を成す。流れ線２の全てのポイント位置において、局所正接はポイントＡ及びＢの二等分線を成す。“直交流れ線”と称する、番号３で示すラインは、流れ線２と全ての位置で直交する一群のラインとして定義される。図１では直交流れ線３は共焦点楕円を形成する。一般に、直交流れ線は流れ線の形状及び分布により決定される。詳しくは、共焦点楕円３の内の１つの楕円セグメント４が、光源１の平面から延びる光バリヤを形成する。点線５は各バリヤセグメント４間の中央開口を示す。

図２には、ポイントＡ及びＢを伸延する光源１が示され、楕円状の光反射体６及び８が図１の共焦点楕円の２つに載置され、図１の双曲線型流れ線上に配置される双曲線状光反射体７により連結されている。反射体６、７、８は流れ線上に配置されていることから、光源１の光学場の基本的特性を変更させることなく、光源１からの放射の幾分かを光源１に単に戻す。光源１が反射性のものでありしかも拡散反射性を有する場合、戻り光の幾分かは上方に放射されて反射体６、７、８から外れ、かくして開口５を通して出る光源１の輝度を加増させる。発光ダイオードは拡散反射性を有し、本発明の照明装置を可能とし得るものである。

図３には、ポイントＡ及びＢ間を伸延する水平型光源１が示され、垂直方向の点線９が、ポイントＢから上方に進むように例示されている。楕円円状光反射体１０がポイントＡ及びＢに各焦点を有し、点線９のポイントＣの位置でその内側端部が終端している。楕円円状光反射体１０の上方に、ポイントＡ及びＣ位置に各焦点を有する楕円円状光反射体１１が配置され、当該楕円円状光反射体１１は点線９のポイントＤ位置でその内側端部が終端している。楕円円状光反射体１１の上方に、ポイントＡ及びＤ位置に各焦点を有する楕円円状光反射体１２が配置され、当該楕円円状光反射体１２は点線９のポイントＥ位置でその内側端部が終端している。この反射体系は図２のそれよりも製造誤差に関する影響を受けにくい。
図４にはポイントＡ及びＢ間を伸延する光源１と、図３における各ポイントＣ、Ｄ、Ｅに類似する終端ポイント及び各焦点のポイントＦ、Ｇ、Ｈ、を有する反射体１３、１４、１５とが示される。しかしながら、ポイントＦ、Ｇ、Ｈは図３のポイントＣ、Ｄ、Ｅとは異なり共直線性を有さない。

図５には半径Ｒの円エリアＡ₁及び半径ｒの他の円エリアＡ₂が示される。円エリアＡ₁及びＡ₂は同中心を有し且つ距離ｄ離間する。ポイントＡ及びＢは円エリアＡ₁の境界線上で直径位置において対向する。ポイントＣ’、Ｄ’は円エリアＡ₂の境界線上で直径位置において対向し、ポイントＤ’はポイントＢに、またポイントＣ’はポイントＡに夫々最も近い。円エリアＡ₁を光源、円エリアＡ₂を円エリアＡ₁からの光が貫く開口部とすると、光のエタンデュはＵ＝ｎ²（π／４）（［Ａ、Ｄ’］−［Ａ、Ｃ’］）²と表される。ここで［Ｘ、Ｙ］はＸ及びＹ間の距離、ｎは、円エリアＡ₁及び円エリアＡ₂を埋設する媒体の屈折率とする。円エリアＡ₁がランベルト光源である場合、当該光源の発光のエタンデュはＵ１＝πｎ²Ａ₁となる。円エリアＡ₁の発光が円エリアＡ₂を通して出現せしめられるように円エリアＡ₁を通して再利用される理想光学系では、放射のエタンデュもまた係数Ｕ／Ｕ₁において減少する。

図６には図１の実施例に基づく楕円状反射体における理論的輝度増大が示される。図６のグラフ１６では、横軸１７が０〜１００％の間で変動する％でのＬＥＤの反射率を表し、縦軸１８がＬＥＤ光源の輝度の増大分を表す。楕円状反射体の表面における平均反射率は９８％と仮定する。ＬＥＤの平均反射率が７０％であると、輝度は本来のＬＥＤよりも丁度２だけ増大する。最新のＬＥＤの可視光領域における反射率は約７０％であるから、この増大は輝度が２倍になることを意味する。

図７には、図６に示す結果を生じた光線トレースモデルで使用した装置の軸方向断面図が示される。図７の楕円状反射体１７’の出口開口のサイズはｄ₁で示される。当該出口開口のＬＥＤ１８’から上方への高さはｈで表される。図８には図７の楕円状反射体のＬＥＤに関する焦点１９’の位置が平面図で示される。
図９には更に他の実施例における集光システム２０が示され、フラット型光源２１と、米国特許第６，６３９，７３３に示される実施例と類似し得るレンズ２２と、光を光源２１に戻して、レンズ２２から見える光源２１の輝度を増強する楕円状ミラー２３と、を含んでいる。

図１０には軸対称の集光システム３０が示され、フラット型ＬＥＤ光源３１と、レンズ３２と、ミラーコーティングを有する再帰反射用の外部小面を有する円筒状スリーブ３３と、を含んでいる。スリーブ３３はレンズ３２に対する光源３１の輝度を増強させる。
図１１には類似の集光ステム４０が示され、フラット型ＬＥＤ光源４１と、集光用のフレネルレンズ４２と、円筒状スリーブ４３とを有している。図１１にはエッジ光線４４を含む２つの部分拡大図も示され、当該部分拡大図にはエッジ光線が内面４３ｉで屈折され、第２表面ミラーである外側小面４３ｆにより再帰反射される状況が示される。詳しくは、光線４４ｄは光源４１のエッジ部から外側方向に進み、光線４４ｒとして反射して反対側のエッジ部に戻る。

図１２には、フラット型光源５１及び流れ線５２を有する複合パラボラ状集熱器（ＣＰＣ）５０が示される。環状の反射体５３がＣＰＣの出口の一部を覆い、光を光源５１に戻す。エッジ光線５９は、反射体５３によって減少される以前のＣＰＣ５０のビーム幅の角度を表す。
図１３は、流れ線カーブに直交するラインを環状の反射体５５が追随する、端部切除型のＣＰＣ５４を示す。図１３における光源５１及び反射体５５間のパラボラ状反射面５６は、図１２のパラボラ表面の底部の半分に相当する。図１３のエッジ光線５９は図１２のエッジ光線５９と同じ角度のビーム幅を有するが、反射体５５の中央開口を通過する実際のビーム幅を境界付けている。
図１４には、図１３の円滑なパラボラ状反射面５６をフレネル状再帰反射体５８で置き換えた、先端を更に切除したＣＰＣ５７が示される。エッジ光線５９は、合計３つの各構造部分が本来のＣＰＣと同じビーム幅を有することを示す。

図１５には誘電体全内部反射集光器（ＤＴＩＲＣ）６０の断面図が示され、埋め込んだＬＥＤ光源６１と、非球面の出口表面６２と、疑似切頭円錐状を有し全内部反射する側壁６３と、を含んでいる。エッジ光線６４は出口表面６２位置でエタンデュ制限されたビーム幅６５に屈折される。
図１６には、一定縮尺での、誘電媒体内における流れ線群を有する図１５のＤＴＩＲＣが示される。図１５には３連式の再帰反射体を境界付ける曲線を構成するように流れ線群から選択した流れ線及び直交流れ線も示される。再帰反射体を境界付ける６本の曲線は、本来のＤＴＩＲＣの断面の頂部から出発し、番号６０ａ（直交流れ線）、６０ｂ（流れ線）、６０ｃ（直交流れ線）、６０ｄ（流れ線）、６０ｅ（直交流れ線）、６０ｆ（流れ線）で表される。これらの曲線は図１８に示す再帰反射体を創成する上で使用される。図１８に示す再帰反射体は、ＤＴＩＲＣの中心軸の周囲を境界付ける曲線セットを除去して創成させる。境界を表す全曲線は相互接合（ａｔｔａｃｈｅｄｔｏｅａｃｈｏｔｈｅｒ）している。図１６に示すＤＴＩＲＣの内側に別の流れ線及び直交流れ線を創成しても良い。本来の光学系の長手方向に沿って連結接合する境界曲線の任意の一組（１本の流れ線と、当該流れ線と接合する直交流れ線）を選択することにより、新たな直交ラインセットを創成し得る。このように柔軟な仕方による任意数のデザインソリューションが可能となる。

図１７には４連式の誘電再帰反射集光システム７０が示され、埋め込んだＬＥＤ光源７１と、非球面の出口表面７２と、再帰反射用のミラーコーティングした小側壁７３と、を有している。ビーム幅７５は、出口表面７２の開口が出口表面６２のそれと比較して狭くなっているが、図１５のビーム幅６５と同じである。
図１８には、図１６のＤＴＩＲＣにおける流れ線及び直交流れ線に基づく３連式の集光システム７７の斜視図が示される。集光システム７７の軸方向セクションの境界曲線は図１６では太線で示される。本構成での境界曲線の座標は表１及び表２に従い提供される。表１は、夫々表の左から右にかけて境界曲線６０ａ、６０ｂ、６０ｃ用のｘｙ（ｙ値を垂直方向に取る）座標を示す。表２は夫々表の左から右にかけて境界曲線６０ｄ、６０ｅ、６０ｆ用のｘｙ座標を示す。

図１９には５連式の誘電再帰反射集光システム７０’が示され、埋め込んだＬＥＤ光源７１と、端部切除型の非球面の出口表面７２と、再帰反射用のミラーコーティングした小側壁７３’と、を有している。ビーム幅７５は、出口表面７２の開口が出口表面７２と比較して狭くなっているが、図１５のビーム幅６５と同じである。上方の４連部分は図１７に示す集光システム７０と類似のものである。ＬＥＤ光源７１に最も近い連部は楕円状を有し、図１を参照して説明したように光源７１上でセンタリングされ得る。図１９の実施例では小側壁７３’はＬＥＤのエッジ部を横断せず、製造が容易である。
図１２〜図１６の装置は図１９に類似する楕円状の底部連部を追加する改変をなし得る。

図２０には、米国特許第７，００６，３０６に示す実施例と類似のエアギャップＲＸＩ型集光システム８０の断面が示される。ＬＥＤパッケージ８１が集光レンズ８２の中心には位置される。ＬＥＤパッケージ８１は扇形光線８４を放出し、放出された扇形光線はエタンデュ制限された集光ビーム８５に変換される。集光レンズ８２は、扇形光線８４を受ける内面８２ｉと、光を全内部反射して折返し通路に沿って下方に戻す前面８２ｆと、光を上方に戻す方向に送って前面８２ｆから出るようにするミラーコーティングした後面８２ｒとを含む。
図２１には、同一のＬＥＤパッケージ９１と、垂直は位置した再帰反射体９６と共に動作する、端部切除型のエアギャップＲＸＩ型集光システム９０の断面が示される。扇形光線９４の、再帰反射体９６に直接当たる部分が、レンズ９２の内面９２ｉの反射体コーティング９７により再利用される。このため、内面９２ｉは図２０の内面８２ｉとは形状が異なっている。内側反射面９２ｆ及び９２ｒは図２０の前面８２ｆ及び８２ｒに相当する。かくして再帰反射体９６は、内側反射面９２ｆの外側部分からの光を再利用する。あるいは、ＬＥＤ９１の外面の相当部分をミラー化し得る。出力ビーム９５は、海溝がずっと狭いにも拘わらず、図２０のビーム８５と同じビーム幅を有する。

図２２には米国特許第７，００６，３０６に示すと類似の集光システム１００が示され、ＬＥＤ光源１０１と、集光レンズ１０２とを含んでいる。例示的な光線１０３が、各小面水平方向の下面と、円錐状に傾斜する上面とを有する内側小面１０２ｉに向けて進行する。光線１０３は上昇して下面を通過し、関連する円錐面により横方向に全内部反射され、外側の外側傾斜面１０２ｆの１つに当たる。光線１０３は外側傾斜面１０２ｆにより上方に全内部反射され、水平面１０２ｅから出る。レンズ１０２は、下方の光線を水平方向で最下方の傾斜面１０２ｆに差し向ける屈折用ドラムレンズ１０２Ｄをも含む。レンズ１０２は、内側小面１０２ｉ上の色々の位置から光源１０１までの見かけ上の角度距離がほぼ一定になるような全体形状を有する。

図２３には端部切除型の集光システム１１０が示され、ＬＥＤ光源１１１と、集光レンズ１１２とを含んでいる。内側小面１０２ｉに当たる光線は図２２に示すように外側及び上方に配向される。しかしながら、下方の傾斜面１０２ｆは、再帰反射するＶ字溝を形成する、相対する傾斜面１１４対により置換される。例示的な光線１１３が図２２に於けるように内側小面１０２ｉにより外側に配向されるが、再帰反射性のＶ字溝に反射して光源１１１内に戻される。各Ｖ字溝を反射性コーティングする必要はない。レンズ１１２は、海溝がずっと狭いにも拘わらず、図２２のレンズ１０２と同じビーム幅を有する。
図２４には、米国特許第７，００６，３０６に示すそれと類似の他の実施例における集光システム１２０が示され、ＬＥＤ光源１２１と、ドーム型の集光レンズ１２２Ｌを除き図２３のレンズ１１２と類似の集光レンズ１２２と、を含んでいる。
図２５には端部切除型の集光システム１３０が示され、光をＬＥＤ光源１３１に戻す再帰反射用の横型のＶ字溝１３４を含んでいる。

図２６には図１１のそれと類似の照明装置が示されるが、マッシュルームレンズ１４３が追加され、当該レンズの中央凹部がＬＥＤ光源１４１のイメージを縮小させ、かくしてそのエタンデュ制限値からのビーム幅の出力を低減させる凹レンズとして作用する点で異なっている。
図２７には、各溝が嶺部１５３又は谷部１５４の何れかである流れ線と直交するラインを構成するマイクロリニア再帰反射体１５２からなる楕円状反射体１５０が示される。反射体１５０の内部のどこかに当たった光は、嶺部１５３の何れかの側の２つの小面により再帰反射される。輝度増強された光は中央開口１５５を通して出る。再帰反射体の内側部分は誘電性を有し、屈折率はＬＥＤ表面又はその他好適な光源から入射する光線のＴＩＲによる再帰反射を創成するに十分高い。楕円状の空間全体は誘電体で充填し得、又は反射体は空気（ｎ＝１）を充填した別の楕円状空間を含み得る。後者の場合、内面はマイクロ溝の無い楕円状を有する。そうしたマイクロリニア再帰反射体は、楕円状の空間のみならず、少なくとも、それらの各曲線と交差する各流れ線が平坦面を形成するのであれば、それらの流れ線と直交する曲線から創成される任意の表面で使用し得る。これは、各楕円と交差する流れ線が、その楕円に含まれる半径及び軸方向の各平面を形成する、図１に示す放物線楕円の場合に該当する。そうした直線的再帰反射体を使用する場合の利点として、金属被覆プロセスが回避されることによる反射率増大がある。一般に、流れ線を含む反射面はＴＩＲにより作用させ得る。

マイクロリニア再帰反射体の表面を算出するに際しては以下の手順を使用し得る。即ち、Ｐ＝Ｃ（ｕ）を、流れ線と直交するラインのパラメーター式（ｕは曲線に沿ったパラメーター）とすること。ｔ_pをＰにおける曲線に対する単位接線とし、ｊ_pをＰを通過する流れラインに対する単位接線とすること。ｊ_p・ｔ_p＝０である（即ち、これら２つのベクトルが直交する）。以下のパラメーター式、即ち、Ｐ＝Ｃ（ｕ）＋ｖ（ｊ_p±ｊ_p×ｔ_p）、（ここで×は２つのベクトルのクロス積、ｕ及びｖは表面上の各パラメーターとする）により、溝の２つの勾配が得られる。ベクトルｊ_p及びｔ_pはパラメーターｕに依存する。この表面は少なくともｖ＝０の位置で流れ線に直交する表面と一致する。溝の各側部は隣の溝と交差することで限界付けされる。表面があまりに大きいものでない場合は、溝の局部的挙動は軸ｔ_pに関するリニア再帰反射体の挙動となる。

これらの再帰反射体は図２３に示すような、回転対称性の再帰反射体１１４とは異なるものである。
図２８は楕円状反射体１５０を中立平面に沿って切断した断面図であり、円盤状の光源１５１が露呈され、直径１５６により、反射体１５０の底部が光源１５１と共平面とされることが示される。反射体１５０からの戻り光を拡散反射して再利用させる。
再帰反射体の反射率は、輝度を十分に加増すると同時に、高効率を維持するよう、可能な限り高いことが望ましい。反射体が空気中における入力光線及び反射光線に関して作動され、コーティングの不作用側における中実支持体を使用する場合に、誘電性のマルチコーティング又はハイブリッド型のメタル／誘電性コーティング（メタルがアルミニューム又は銀の何れかである場合の）を使用して反射率を向上させる方法は薄膜工業界において周知である。こうした所謂第１表面反射体は、特定範囲の光線入射角及び波長範囲内で動作するように設計し得る。しかしながら従来技術では、本発明の、図１８に示す設計形状の如き各実施例の多くを有効実施するために必要な第２表面反射体を高性能化するための設計には限界があった。従来技術の代表的なものでは平均反射率の９０％が達成されるに過ぎない。以下に表３に示す薄膜設計によればこうした問題が解決され、可視光及び近赤外線範囲の反射率が９５％以上である前方構成の第２表面反射体に対する式が提供される。

この反射体の設計上使用する重要な原理は２００７年１１月２日付で提出された“ＷｉｄｅｂａｎｄＤｉｃｈｒｏｉｃ−ＦｉｌｔｅｒＤｅｓｉｇｈｆｏｒＬＥＤ−ＰｈｏｓｐｈｏｒＢｅａｍ−Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ”と題する米国特許出願番号第１１／９８２，４９２号（本件発明の発明者の一人による）に開示される。反射率を向上させるために、二酸化珪素のような初期低屈折層を、光学系の誘電性媒体に付着させる積層体の第１層として使用する。この第１層は、光源の、強く反射させるべき最短波長の２倍程度とすべきである。公称厚さ１０００ｎｍ〜１１００ｎｍの場合、可視光源に対して良好に作用する。当該設計に関するメリットマトリクスが確立された後、ＥｓｓｅｎｔｉａｌＭａｃｌｅｏｄのような薄膜設計ソフトウェアパッケージを用いて厚さを最適化する。以下の表には、誘電性媒体（アクリルと仮定する）から下方の空気までの好ましい設計が示される。各材料は第２表面上への付着順に、二酸化珪素、五酸化タンタル、二酸化珪素、銀、銅（銀を劣化から保護する）、インコネル（ニューヨーク州ニューハートフォードのＳｐｅｃｉａｌＭｅｔａｌｓ社の有標メタル）、である。最後の相は銀及び銅の各層を保護する。積層体の全厚は１．７ミクロンを僅かに下回る。第１の二酸化珪素は１１００ｎｍよりも若干薄い。

反射率の値（平均偏光状態での）はＭａｃｌｅｏｄターゲットマトリクスにおける全ての波長に対して１．０に設定した。図２９には、３５０ｎｍ〜７００ｎｍの帯域の波長（横軸）に対する入射角が０°での第２表面薄膜反射体の反射率（縦軸）％を示すグラフ１６０である。反射率は４１０ｎｍにおける９５％から出発し、約４２５ｎｍ〜７００ｎｍに至る全ての波長に対しては９７％を超えている。薄膜設計業界において当業者に既知の共役勾配最適化法又はその他の最適化フォームを使用すれば更なる高性能化が見込める。最高性能を得るためには、入射角及び波長をメリット関数として使用すべきである。設計上、二酸化珪素及び五酸化タンタルの交互層を更に加えれば、広範囲の入射角及び波長に対する反射率を９９％以上に向上させ得る。大きな入射角（臨界角以上の）に対する反射率は、厚い二酸化珪素層が全内部反射を介して光を反射するので理論的には１００％となる。

図３０には図１６におけると類似する軸方向断面が示され、更に他の実施例における照明装置３００に関する流れライン及び直交流れラインのセットを含んでいる。照明装置３００は、光源３０１と、集光用及び再帰反射用の光学系３０２とを含み、当該光学系は屈折性の出口面３０４と、反射性の側面３０６、３０８、３１０とを含む。各表面は図３０において中心軸の周囲に各線を回転して形成されるものである。反射性の側面３０６は屈折性の出口面３０４のエッジ部からの流れ線に沿って光源３０１の方向に伸延する。再帰反射用の側面３０８は、反射性の側面３０６の禁異端からの直交流れ線に沿って照明装置３００の軸方向に伸延する。反射性の側面３１０は、反射性の側面３０８の内側エッジ部からの流れ線に沿って光源３０１の周囲部分に伸延する。

幾何形状を明瞭化するため、側面３１０を配置する流れ線及び出口面３０４は合致するまで引き延ばされている。延長した各線は、図３０の照明装置３００と比較し得る抽象化した従来の集光照明器具を表す。再帰反射性の側面３０８は、出口開口３０４のサイズを許容し、光学系３０２の全体サイズは前記抽象化した従来の集光照明器具に関して減少され、他方、ビーム幅３１２の角度は前記抽象化した従来の集光照明器具のそれと等しい値に維持される。
光学系３０２の有効表面形状は表４及び５において各表面３０４、３０６、３０８、３１０に関する各ラインに沿ったｘｙ座標の一連のプロットとして示される。光源３０１の平面をｙ＝０とし、中心軸をｘ＝０とした。

以上、本発明を実施例を参照して説明したが、本発明の内で種々の変更をなし得ることを理解されたい。
例えば、放射光源を各実施例ではフラット型、四角形、又は円形の発光ダイオード（ＬＥＤ）として説明した。高い発光効率と、放出光と同じ周波数の光の拡散反射率とを含む所望特性のＬＥＤ光源を容易に市販乳趣旨得ることからＬＥＤ光源を説明した。しかしながら、他の光源を現在入手可能であり、又は将来入手して代用可能である。フラット型、又は円形の光源を、そうした形態のＬＥＤ光源を容易に市販入手し得ることから、また、各例において得られる簡易な最終幾何学的構成が基本原理を理解する上で役立つと考えて説明した。しかしながらその他形状の光源を使用可能である。
例えば、ある実施例では“上部”及び“底部”の如き相対用語を使用して図中の方向を参照した。しかしながら、説明した照明装置はその他の方向において使用できる。
本発明の全範囲は請求の範囲を参照して決定されるべきである。
以下の米国特許文献は本発明を理解する上で明示されるべきと考えられ、ここに引用することにより本明細書にその全てを含むものとする。
米国特許第５,６８４,３５４号
米国特許第５,８９２,３２５号
米国特許第６,０４３,５９１号
米国特許第６,４９６,２３７号
米国特許第６,９６０,８７２号
米国特許第６,８６９,２０６号
米国特許第７,０２５,４６４号
米国特許第７,０４０,７７４号

１光源
３共焦点楕円
４楕円セグメント
５開口
６反射体
７双曲線状光反射体
１０、１１、１２楕円円状光反射体
１３反射体
１７横軸
１８縦軸
２０集光システム
２１フラット型光源
２２レンズ
２３楕円状ミラー
３０集光システム
３１フラット型ＬＥＤ光源
３２レンズ
３３円筒状スリーブ
４０集光ステム
４１フラット型ＬＥＤ光源
４２フレネルレンズ
４３円筒状スリーブ
４３ｉ内面
４３ｆ外側小面
４４エッジ光線
４４ｄ、４４ｒ光線
５１フラット型光源
５３、５５反射体
５６パラボラ状反射面
５８フレネル状再帰反射体
５９エッジ光線
６０ａ、６０ｄ境界曲線
６１ＬＥＤ光源
６２、７２出口表面
６３側壁
６４エッジ光線
６５ビーム幅
７０誘電再帰反射集光システム
７１ＬＥＤ光源
７２出口表面
７３小側壁
７５ビーム幅
７７集光システム
８０エアギャップＲＸＩ型集光システム
８１ＬＥＤパッケージ
８２集光レンズ
８２ｉ内面
８２ｆ前面
８２ｒ後面
８４扇形光線
８５集光ビーム
９０エアギャップＲＸＩ型集光システム
９１ＬＥＤパッケージ
９２レンズ
９２ｉ内面
９２ｆ内側反射面
９４扇形光線
９５出力ビーム
９６再帰反射体
９７反射体コーティング
１００集光システム
１０１ＬＥＤ光源
１０２集光レンズ
１０２ｉ内側小面
１０２ｆ外側傾斜面
１０２ｅ水平面
１０２Ｄ屈折用ドラムレンズ
１０３光線
１１０集光システム
１１１ＬＥＤ光源
１１２集光レンズ
１１３光線
１１４再帰反射体
１２０集光システム
１２１ＬＥＤ光源
１２２集光レンズ
１２２Ｌ集光レンズ
１３０集光システム
１３１ＬＥＤ光源
１３４Ｖ字溝
１４１ＬＥＤ光源
１４３マッシュルームレンズ
１５０楕円状反射体
１５１光源
１５２マイクロリニア再帰反射体
１５３嶺部
１５４谷部
１５５中央開口
１５６直径
３００照明装置
３０１光源
３０２再帰反射光学系
３０４屈折性
３０６、３０８、３１０反射性
３１２ビーム幅

Claims

集光照明装置であって、半分を上回る拡散反射率をそれ自体が有するＬＥＤ光源と、該ＬＥＤ光源からの発光を妨害する集光照明装置にして、該集光照明装置の出口開口を横断する実質的に一様幅のビームを形成する集光照明装置と、前記ＬＥＤ光源からの発光の一部を該ＬＥＤ光源に戻す再帰反射体システムにして、前記出口開口の外側部分を除去可能とし、かくして該出口開口が、前記ビーム幅のための、エタンデュ制限される開口よりも小さい再帰反射体システムとを含み、
前記ＬＥＤ光源に戻される発光の一部が、前記ＬＥＤ光源の前記拡散反射率により前記出口開口方向に戻る集光照明装置。
集光照明装置であって、半分を上回る拡散反射率をそれ自体が有し、且つ出口開口を画定するＬＥＤ光源と、該ＬＥＤ光源から前記出口開口の外側に向かう発光を妨害する集光照明装置にして、該集光照明装置の出口開口を横断する実質的に一様幅のビームを形成する集光照明装置と、前記ＬＥＤ光源からの発光の一部を前記出口開口に戻す前方反射体システムにして、前記出口開口の外側部分の除去を可能とし、かくして該出口開口が、前記ビーム幅のための、エタンデュ制限される開口よりも小さく、
少なくとも１つの、少なくとも楕円状凹部をなす再帰反射体にして、前記発光の一部を前記ＬＥＤ光源に戻す再帰反射体を含み、
前記ＬＥＤ光源に戻される発光の一部が、前記ＬＥＤ光源の前記拡散反射率により前記出口開口方向に戻る集光照明装置。
ＬＥＤ光源からの発光を該ＬＥＤ光源に戻す、少なくとも楕円凹型の再帰反射体を少なくとも１つ含む請求項１の集光照明装置。
半分を上回る拡散反射率をそれ自体が有するＬＥＤ光源を含む集光照明装置であって、出口開口を画定し、ＬＥＤ光源から該出口開口の外側に向かう発光を妨害し、ＬＥＤ光源からの発光を該ＬＥＤ光源に戻す、少なくとも楕円状凹部を成す再帰反射体を少なくとも１つ含み、
前記ＬＥＤ光源に戻される発光の一部が、前記ＬＥＤ光源の前記拡散反射率により前記出口開口方向に戻る集光照明装置。
楕円状凹部を成す再帰反射体を画定する楕円の少なくとも一方の焦点が、ＬＥＤ光源から該再帰反射体に達する光のビームの少なくともエッジ部に位置付けられる請求項３又は４の集光照明装置。
楕円の少なくとも一方の焦点がＬＥＤ光源の少なくともエッジ部に位置付けられる請求項５の集光照明装置。
出口開口を画定し且つＬＥＤ光源から前記出口開口方向への発光を妨害する少なくとも第１の再帰反射体と、
前記ＬＥＤ光源と前記少なくとも第１の再帰反射体との間の第２の再帰反射体にして、前記ＬＥＤ光源からの発光がそこを通過して前記少なくとも第１の再帰反射体及び前記出口開口に達する第２の開口を画定する第２の再帰反射体と、
を含み、
前記第１の再帰反射体を画定する楕円の少なくとも一方の焦点が、前記第２の再帰反射体の少なくともエッジ部に位置付けられる請求項５の集光照明装置。
少なくとも１つの再帰反射体が空気中で作動する請求項１〜７の何れかの集光照明装置。
少なくとも１つの再帰反射体が誘電体内で作動する請求項１〜８の何れかの集光照明装置。
マイクロリニア溝により反射する再帰反射体を含む請求項９の集光照明装置。
薄膜積層体により反射する少なくとも１つの再帰反射体を含む請求項１〜１０の何れかの集光照明装置。
薄膜積層体が、該積層体に対する最小波長の２倍に等しい厚さの低屈折率材料の初期層を有する請求項１１の集光照明装置。
ＬＥＤ光源と組み合わせることにより請求項１〜１２の何れかに従う集光照明装置を形成し得るコリメーター及び再帰反射体。