JP5591201B2 - 光学素子および照明装置 - Google Patents

Description

本特許出願は、ドイツ連邦共和国特許出願第１０２００７０５６４０２．５号の優先権を主張する。この文献の開示内容は、本願に参照として取り入れられている。

独立請求項の上位概念に記載されている光学素子および、光学素子を備えた照明装置が提示される。照明目的のために、しばしば、光源が使用される。この光源は、不均一な輝度分布（Leuchtdichtverteilung）の形または不均一な色部分の形で不均一な光印象を観察者に生起させる。不均一な輝度分布または色分布を均一にするために、この光源に後置接続されたコンポーネントが使用される。これらのコンポーネントは光源の光を表面散乱または体積散乱によって完全にまたは部分的に、拡散散乱させる。しかし、この拡散散乱によって、放射された出力における損失およびエテンデュ（Etendue）の悪化が生じる。すなわち放射面と、光が放射される空間角度との積である。

従って特定の実施形態の少なくとも１つの課題は、上述の欠点を低減させるまたは回避することができる光学素子および光学素子を有する照明装置を提供することである。

上述の課題は、光学素子であって、・第１の主表面（２）と、当該第１の主表面（２）に離反している第２の主表面（３）とを有している支持プレート（１）と、・前記第１の主表面（２）上の第１のレンズ構造（４）とを有しており、ここで、
・当該第１のレンズ構造（４）は、第１の多角形形状を備えた少なくとも１つの第１のレンズ素子（４１）と、第２の多角形形状を備えた第２のレンズ素子（４２）とを有しており、・前記第１のレンズ構造（４）は前記第１の主表面（２）を完全に覆っており、・前記第１のレンズ素子（４１）と前記第２のレンズ素子（４２）は相互に合同ではない、および／または前記支持プレート（１）の前記第１の主表面（２）上の配向において異なっており、・前記第１のレンズ構造（４）は、それぞれ多角形形状を備えた多数のレンズ素子を有しており、・前記第１の主表面（２）は中央点（７０）を有しており、
・前記多数のレンズ素子の各々は、中央点（７０）からの距離が増大するほど小さくなる前記第１の主表面（２）上の面積を占めている、ことを特徴とする光学素子および照明装置であって、・作動時に、制限された空間角度領域内で光を放射する光源（６）と、・前記光源（６）内のビーム路内の、請求項１から１２までのいずれか１項記載の光学素子を有しており：ここで・前記光源（６）は発光ダイオード（６１、６２、６３、６４）を備えた装置と、当該装置の後ろに配置されたコリメータ（７）とを有している、ことを特徴とする照明装置によって解決される。有利な実施形態および当該構成の発展形態は従属請求項に記載されており、さらに、後続の説明および図面から明らかである。

実施例に即した光学素子の概略図 実施例に即した光学素子の概略図 実施例に即した光学素子の概略図 別の実施例に即した光学素子の概略図 別の実施例に即した光学素子の概略図 別の実施例に即した照明装置の概略図

ある実施形態に相応する光学素子は殊に、
・第１の主表面と、当該第１の主表面に離反している第２の主表面とを備えた支持プレートと、
・前記第１の主表面上の第１のレンズ構造とを有しており、
・前記第１のレンズ構造は、第１の多角形形状を有している少なくとも１つの第１のレンズ素子と、第２の多角形形状を有している第２のレンズ素子とを有しており、
・前記第１のレンズ構造は前記第１の主表面を完全に覆っており、
・前記第１のレンズ素子と前記第２のレンズ素子とは相互に合同ではない、および／または前記支持プレートの第１の主表面上でのその配向において異なっている。

第１のレンズ素子と第２のレンズ素子が多角形の形状を有しているということは、以降では、第１のレンズ素子と第２のレンズ素子とがそれぞれ１つの湾曲面を有していることを意味している。この湾曲面は、第１ないし第２の多角形形状を有している制限線によって制限されている。

殊に、「多角形」とは以降では、第１の多角形形状および第２の多角形形状に関して次のことを意味している。すなわち、前記第１の形状および／または第２の形状が例えば規則的なまたは不規則なｎ角形であることを意味している。ここでｎは３以上である。ｎ個の角の間の結合線はここで直線状である、または湾曲している。このｎ‐角はここで平面であり、従って１つの面に位置している。択一的にこの多角形形状を、湾曲されている表面上に配置することができる。これは、多角形形状が、１つの面内に位置していない、少なくとも部分的に湾曲されている制限線によって形成されていることを意味する。

ここに記載されている光学素子は殊に次のことに適している。すなわち、光源を、スクリーン等の照明されるべき面上に結像し、ここで光源の不均一な光印象を均一にし、円形の光分布を、照明されるべき面上に生成するのに適している。円形の照明面を形成するために、これまでは円形のマイクロレンズが使用されてきた。しかしこれは、面を覆うように配置されない。従ってここでは、マイクロレンズによって覆われていない領域が生じ、これによって、いわゆる副次的画像またはゴースト画像が生じてしまう。このようなゴースト画像を回避するために、円形マイクロレンズによって覆われていない領域は光吸収性でなければならない。すなわち、黒にされなければならない。これによって同じように、放射されるパワーが低減される。この欠点は、本願に記載されている光学素子によって回避される。なぜなら殊に、レンズ素子の多角形形状によって例えば、円形マイクロレンズとは異なり、第１のレンズ構造によって支持プレートの第１の主表面を完全に覆うことが可能だからである。ここでこの場合には常に２つの隣接しているレンズ素子、すなわち例えば第１のレンズ素子と第２のレンズ素子とが、部分的に共通の境界線を有する。例えば第１の多角形形状および第２の多角形形状がそれぞれ部分的に共通の境界線を有する不規則な六角形であってよい。

以降で、「合同でない」とは、第１のレンズ素子と第２のレンズ素子に対して、第１の多角形形状と第２の多角形形状が次のように形成されていることを意味している。すなわち例えば第１のレンズ素子が回転および並進運動によっては、前記第１と第２の多角形形状が一致するよう配向されないように形成されていることを意味している。ここで回転は、殊に回転軸によって、前記第１の主表面の主延在面に対して相対的に定められる。従って、回転軸は、第１の主表面の主延在面の面に対する垂線である。並進運動は、この第１の主表面の主延在面に対して平行に定められる。第１の多角形形状と第２の多角形形状は、例えば相互に異なる数の角、角の間の異なる接続線、異なる大きさ、またはこれらの組み合わせを有していてもよい。さらに、第１の多角形形状は、第２の多角形形状に対して軸対称または点対称であってよい。この場合には、この第１の多角形形状および第２の多角形形状自体はそれぞれ軸対称性または点対称性を有していない。

付加的または択一的に「合同でない」とは、第１のレンズ素子および第２のレンズ素子に対して次のことを意味する。すなわち、第１のレンズ素子および第２のレンズ素子がそれぞれ湾曲された面を有していることを意味している。これらの面は上述の意味での合同ではない。すなわち第１のレンズ素子の湾曲面は、回転および並進運動によって、第２のレンズ素子の湾曲面と一致しない。

第１のレンズ素子と第２のレンズ素子は、支持プレート上の第１の主表面上のその配向において異なり、これは次のことを意味している。すなわち、第１のレンズ素子が第２のレンズ素子に対して相対的に、回転軸を中心に回転され、並進移動されて、第１の主表面上に配置されている、ということを意味している。例えば、第１のレンズ素子と第２のレンズ素子はここで合同であってもよい。回転軸はここで殊に、第１の主表面の主延在面に対して面垂線である。

光源の光が光学素子を通過する場合には、第１および第２のレンズ素子はそれぞれ、光源の結像を例えばスクリーン上に投影する。第１のレンズ素子と第２のレンズ素子とが合同でない、および／または、支持プレートの第１の主表面上のその配向において一致しないことによって、第１のレンズ素子の結像と第２のレンズ素子の結像は相異する。まさにこれによって、不均一に放射する光源の、光学素子によって生成された結像が、この光学素子を用いないで光源が生成するであろうそれよりも、より均一な光印象を形成することが可能になる。

光学素子は、殊に、光源のビーム路内に配置されるのに適している。この光源は、例えば単色または多色の光を放射する。しかし、ここで光源の選択は、光学素子に対して制限されない。「光」とは以降で、殊に、紫外〜赤外のスペクトル領域からの、殊に可視スペクトル領域からの１つまたは複数の波長を有する電磁ビームのことである。

さらに、第１の主表面または第２の主表面は光源の方を向いており、これによって相応に第１または第２のレンズ構造は光学素子のビーム入射面である。第１の主表面および第２の主表面の別の方は、光源と離反しており、第１および第２のレンズ構造の他方は光学素子のビーム出射面である。

光源は例えば、複数の発光素子の配置構成を有していてもよい。これらは例えばそれぞれ、観察者に、異なった光印象を与える。従って、光源自体は、光学素子無しに、不均一な輝度分布および／または不均一な色分布を有する。光学素子は、複数の発光素子の種々異なる光印象を重畳して、観察者に均一な光印象を与えるのに適している。これは次のことによって可能である。すなわち、光源によって放射される光、すなわち、殊に複数の発光素子の各々によって放射された光が第１のレンズ構造によって結像されることによって可能である。殊に光源の光は、第１のレンズ素子および第２のレンズ素子によって、第１のレンズ構造の後方で結像される。ここで、第１のレンズ素子による光源の光の結像と第２のレンズ素子による光源の光の結像は、第１のレンズ構造の後方で重畳して、結像される。第１の形状と第２の形状が合同でない、および／または支持プレートの第１の主表面上の配向において異なっていることによって、上述のように、第１のレンズ素子と第２のレンズ素子の各結像が同じではなくなり、これらの結像の重畳によってそれらを混合することになる。結像の混合によって、光源の不均一な光印象が低減される、または回避される。これによって例えば、個々のレンズ素子がそれぞれ多角形形状を有しているのにもかかわらず、円形の光分布がスクリーン上に、光学素子の後方で得られる。円形レンズを有するこれまでの既知のレンズアレイでは、円形の輝度分布が得られたが、この輝度分布は上述のように、副次的な結像またはゴースト結像も有してしまう。これらは、円形レンズによって覆われていない領域を黒くすることによって阻止されなければならい。これとは異なり、角を有する、同様かつ同じ配向のレンズを有するこれまでの既知のレンズアレイでは、円形の輝度分布を可能にせず、むしろ、レンズの形状を有している形状の、シャープに境界が定められた輝度分布だけが可能であった。

殊に、第１のレンズ構造の混合作用は次のことによって高められる。すなわち、第１のレンズ構造が多数のレンズ素子を有していることによって高められる。この場合にこれら多数のレンズ素子の各々は、多角形の形状を有する。第１のレンズ構造の多数のレンズ素子のレンズ素子はここで少なくとも部分的にそれぞれ対で、合同ではない、および／または、支持プレートの第１の主表面上のその配向において異なっている。殊に、第１のレンズ構造は次のように構成されている。すなわち、第１のレンズ構造の多数のレンズ素子の全てのレンズ素子が対で合同ではなく、および／または支持プレートの第１の主表面上のその配向において異なるように構成されている。

それぞれ、隣接するレンズ素子はここで、各多角形形状の部分的に共通の境界線を有している。従って、第１のレンズ構造の多数のレンズ素子、ひいては第１のレンズ構造自体は第１の主表面を完全に覆うことができる。上述のように、多数のレンズ素子の各々は、光源の結像を例えばスクリーン上に形成することができる。多数のレンズ素子がそれぞれ異なり、規則的かつ同様に第１の主表面上に配置されていないことによって、光源の重畳する、異なっている種々の結像がスクリーン上に形成される。これは結果として、円形かつ均一の輝度分布をスクリーン上に有する。

さらに、光学素子は第２の主表面上で、第２のレンズ構造を有している。これまでに、および以降に記載されている第１のレンズ構造に関する特徴は、個別にまたは組み合わされて、第２のレンズ構造に対しても有効である。

殊に、第２のレンズ構造は、第１の主表面上の第１のレンズ構造に対して鏡映反転である。これは次のことを意味する。すなわち、第２のレンズ構造が、第１のレンズ構造の鏡像と合同であることを意味する。換言すれば、第１のレンズ構造と第２のレンズ構造は相互に対称であり、第１および／または第２の主表面の主延在面に対して平行に対称面を有している。従って、第２のレンズ構造は少なくとも１つの第１および第２のレンズ素子を有している。これは、第２の主表面上で相互に鏡映反転の配置を、第１の主表面上の少なくとも第１のレンズ素子および第２のレンズ素子に対して有している。

殊に、第１のレンズ構造を有する支持プレートは一体的に構造されている。これは次のことを意味している。すなわち、第１の主表面が第１のレンズ構造の表面によって、ひいては第１のレンズ構造のレンズ素子の表面の全体によって形成される。ここでレンズ素子は殊に、球面または非球面の凸状レンズの一部として形成されている。換言すれば、第１の主表面上で、第１のレンズ構造を有する支持プレートは、多数の凸状レンズによって構成されている。これらは相互に受け入れられる。

球面レンズの一部として形成されているレンズ素子は、ここで簡単に製造可能である。非球面レンズの一部として形成されているレンズ素子は、高い開口数のときに生じる球面収差の修正を可能にする。

第１および第２のレンズ素子は、それぞれ焦点距離を有している。殊に、第１のレンズ素子と第２のレンズ素子が同じ焦点距離を有するのは有利である。従って第１のレンズ構造が多数のレンズ素子を有する場合には、全てのレンズ素子が同じ焦点距離を有するのは有利である。

さらに、第１のレンズ構造を有する支持プレート、または第１および第２のレンズ構造を有する支持プレートは次のような厚さを有している。すなわち、レンズ素子、殊に第１および第２のレンズ素子の焦点距離よりも小さい、または焦点距離と同じである厚さを有している。支持プレートの厚さがレンズ素子の焦点距離よりも小さい場合には、レンズ素子の各結像の焦点ずれが例えばスクリーン上で得られる。このような焦点ずれによって、輝度分布の均一性の向上がスクリーン上で得られる。

支持プレートおよび／または第１のレンズ構造および／または第２のレンズ構造は、光学的なプラスチックまたはポリマー、例えばポリカーボネート（ＰＣ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、シリコーンまたはエポキシド、ガラスまたは半導体材料、例えばＧａＰまたはＳｉＣまたはこれらの混合物または組み合わせを有する。支持プレートおよび／または第１のレンズ構造および／または第２のレンズ構造の製造は、上述したプラスチックのうちの１つを射出成形、トランスファ成形または圧縮成形することによって行われる。このために例えば、適切な成型工具が提供され、これは、第１および／または第２のレンズ構造を有する支持体の下型を有している。ここでレンズ素子の下型は成型工具の表面内に例えばフライス加工によって組み込まれる。さらに支持プレートおよび／または第１のレンズ構造および／または第２のレンズ構造はフライス加工、研磨、エッチング（例えばいわゆるリフローエッチング）によって、または上述の、提供された材料のうちの１つからの組み合わせによって形成される。

少なくとも１つの実施形態では照明装置は、
・作動時に、制限された空間角度領域において光を放射する光源、および
・上述の実施形態のうちの１つに従った光学素子
を含んでいる。

殊に光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）を備えた装置を有している。これは例えば、それぞれ赤、緑または青色の光を放射する。これらのＬＥＤから放射された各光の重畳から、白色の光印象が生成される。例えば、光源は４つのＬＥＤを有しており、これらは放射方向において相互に隣合って配置されている。ここで１つのＬＥＤは赤色スペクトル領域におけるビームを放射し、２つのＬＥＤは緑色スペクトル領域におけるビームを放射し、１つのＬＥＤは青色スペクトル領域におけるビームを放射する（「ＲＧＧＢ−ＬＥＤ」）。択一的に、有色ＬＥＤの別の組み合わせを使用することもできる。これは例えば１つの赤色発光ＬＥＤと１つの青色発光ＬＥＤと１つの緑色発光ＬＥＤまたは例えば１つの青色発光ＬＥＤと１つの黄色発光ＬＥＤである。さらに光源が、混合色光、例えば白色光を放射するＬＥＤを有していてもよい。ＬＥＤは例えば相互に隣り合って、光源内に配置されているので、光源によって単独で、不均一の光印象が不均一の輝度分布および／または不均一の色分布の形状で、観察者に与えられる。これはまさに、照明用途では望ましくない。

光源のＬＥＤは例えばエピタキシャル成長された半導体層列を有する。ここでこの半導体層列は例えば無機材料をベースにして構成されている。これは例えばＩｎＧａＡｌＮ、ＧａＮ薄膜半導体チップ等である。ＩｎＧａＡｌＮベースの半導体チップとは殊に、通常は種々異なる個別層から成る層列を有しているエピタキシャルに製造された半導体層列が、ＩＩＩ−Ｖ−化合物半導体材料系Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ここで０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１かつｘ＋ｙ≦１）からの材料を含有する少なくとも１つの個別層を有するものである。択一的または付加的に半導体層列が、ＩｎＧａＡｌＰベースであってもよい。すなわち半導体層列は種々異なる半導体層列を有しており、このうちの少なくとも１つの個別層が、ＩＩＩ−Ｖ−化合物半導体材料系Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ（ここで０≦ｘ≦１， ０≦ｙ≦１ かつｘ＋ｙ≦１）からの材料を含有する。択一的または付加的に半導体層列が別のＩＩＩ−Ｖ−化合物半導体材料系、例えばＡｌＧａＡｓベースの材料、またはＩＩ−ＶＩ−化合物半導体材料系も有していてもよい。

半導体層列は光生成のために例えば、従来のＰｎ接合部、二重ヘテロ構造、単一量子井戸構造（ＳＱＷ構造）または多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）を有していてもよい。半導体層列は活性領域の他に、別の機能層および機能領域を含むことができる。これは例えば、ｐ型ドーピングされたまたはｎ型ドーピングされた電荷担体搬送層、すなわち電子搬送層またはホール搬送層、ｐ型ドーピングされたまたはｎ型ドーピングされた閉じ込め（Confinement）層またはクラッディング（Cladding）層、バリヤ層、平坦化層、バッファ層、保護層および／または電極並びにこれらの組み合わせである。このような構造は活性領域または別の機能層および領域に関しており、当業者には殊に構成、機能および構造に関して既知であり、従ってここでは詳細に説明しない。

光源はさらにコリメータを有していてよい。これは、ＬＥＤを有する装置の後に配置される。このコリメータは、ＬＥＤによって放射された光を、制限された空間角度領域に偏向させるのに適しており、例えばレンズおよび／または中空ミラー、例えばパラボナミラーを含んでいる、またはそれらであってよい。

本発明の別の利点および有利な実施形態および発展形態を以下に、図１Ａ〜６Ｅに示された実施形態に関連して記載する。

実施例および図では、同じまたは同様の構成部材には同じ参照番号が付されている。図示の構成部材および、その相互の大きさの比は基本的に縮尺通りに示されていない。むしろ、個々の部材、例えば層、素子、構成部材および領域は、より良く示すためおよび／またはより良く理解するために過度に厚くまたは大きい寸法で示されている。

図１Ａ〜１Ｃには、光学素子１００に対する実施例が示されている。ここで図１Ｃは、図１Ａに示されている断面ＣＣに沿った、光学素子１００の断面を示している。図１Ａは、図１Ｃに示されている方向ＡＡからの、光学素子の正面図を示しており、図１Ｂは、図１Ｃに示されている方向ＢＢからの背面図を示している。以降の記載は、同様に図１Ａ〜１Ｃに関連している。

光学素子１００は、光学的なプラスチックから成る支持プレート１を示している。これは、円形の形状を有している。これとは択一的に、支持プレート１が、多角形または楕円形の形状またはこれらの組み合わせを有していてもよい。支持プレート１は、以降で説明する第１および第２のレンズ構造４、５とともに一体的に、成形プロセスによって製造されている。

支持プレート１は、第１のレンズ構造４を備えた第１の主表面２と、第２のレンズ構造５を備えた、第１の主表面２と離反しているに第２の主表面３とを有している。第１の主表面２は、第１のレンズ構造４によって構成されている。この第１のレンズ構造は第１の主表面２を完全に覆っている。また、第２の主表面は第２のレンズ構造５によって形成されており、第２のレンズ構造５は第２の主表面３を完全に覆っている。第１の主表面２はさらに、主延在方向２０を有しており、第２の主表面３はこれに対して平行な主延在方向３０を有している。主延在方向２０および３０によって、図１Ｃに示されているように面垂線２０が定められる。

第１のレンズ構造４は多数のレンズ素子を有している。これらのうちから例として第１のレンズ素子４１、第２のレンズ素子４２およびさらなるレンズ素子４３が示されている。ここで、図示されているレンズ素子の数は単に例であり、制限するものではない。図示されている実施例とは択一的に、支持プレートが例えば第１のレンズ素子と第２のレンズ素子４１、４２のみをレンズ構造４として有していてもよい。

第１および第２のレンズ素子４１、４２は、第１のレンズ構造４の全ての他のレンズ素子と同じように、多角形形状を有している。殊に、第１のレンズ素子４１は、第１の多角形形状を有しており、第２のレンズ素子４２は第２の多角形形状を有している。第１の多角形形状と第２の多角形形状はここで合同ではない。なぜなら例えば、第１のレンズ素子４１の第１の多角形形状は、面垂線２１に対して平行な、回転軸を中心とした回転によって、および並進運動によって第２の多角形形状にならないからである。第１の主表面２の縁部領域に直接的に接していない全てのレンズ素子の多角形形状はここでは六角形である。これによって、完全にかつ隙間なく、第１の主表面２を第１のレンズ構造４によって覆うことができる。

これとは異なり、例えば、第１のレンズ素子４１とさらなるレンズ素子４３は、支持プレート１の第１の主表面２上の自身の配向において異なっている。すなわち、第１のレンズ素子４１と別のレンズ素子４３は合同ではあるが、相互に、回転軸を中心に、面垂線２１に対して平行に回転されており、支持プレート１上で並進移動して配置されている。

さらに、第１のレンズ構造４のレンズ素子は渦巻き構造を有している。すなわち、レンズ素子は、第１の主表面の中央点７０に対する間隔が大きくなるにつれて、面垂線２１に対して平行に回転軸を中心により多く回転される。これによって、レンズ構造４の各レンズ素子は、自身の、直接的に半径方向で接しているレンズ素子に対して回転される。レンズ素子の非合同の形状の他に、この回転はさらに、レンズ素子の生じ得る対称性を破壊するのに寄与している。

さらに、各レンズ素子は面積を有しており、この面積はレンズ素子が主表面２上で占領し、中央点７０からの間隔が増大するにつれて小さくなる。これによって、光学素子の放射特性への作用が得られる。これを、図３に関連してより詳細に説明する。

さらに、光学素子１００は、第２の主表面３上で第２のレンズ構造５を有している。これは第１のレンズ構造４に対して鏡映反転している。すなわち、第２のレンズ構造は第１のレンズ構造に比べてそれぞれ、鏡映反転に形成され、鏡映反転に配置されたレンズ素子を有している。これは単純に例として、第２のレンズ構造５の第１のレンズ素子５１と第２のレンズ素子５２に基づいて示される。これらのレンズ素子は、第１のレンズ構造４の第１ないし第２のレンズ素子４１、４２に相応する。

光学素子１００は、光源と接続されて、円形形状を有する均一な輝度分布を遠距離場において形成するのに適している。レンズ素子が例えば、図示の実施例に対して択一的に、全ての相互に平行して配向された縦長の、多角形の、非合同の形状を有する場合には、楕円形を有する均一な輝度分布も遠距離場において形成可能である。

図１Ａ〜１Ｃに示された、レンズ素子の配置に対して択一的に、これらが全て対になって相互に異なっていてもよい。すなわち、合同でない。

図１Ｃに示されているように、各レンズ素子は、支持体１の２つの主表面２および３の各表面上で湾曲された表面を有する。図示の実施例では、さらに、全てのレンズ素子が、同じ湾曲ひいては同じ焦点距離を備えた表面を有している。図示の実施例では、レンズ素子は双凸状（bikonvexen）のレンズの部分に相応する。ここで、図１Ｃでは、基になる、想定されている双凸状レンズ１１、１２、１３は例えば、破線によって、支持体１内に示されている。従って支持体１および第１、第２のレンズ構造４、５は、交差しているレンズとして理解されたい。

光学素子の基になる想定されているレンズの構成に応じて、殊に、レンズ素子の中央点も、第１ないし第２の主表面２、３上の規則的な配置と異なっていてもよい。殊に、ランダムに分配された、レンズ素子の中央点の統計的な分布は、さらに、光学素子１００の遠距離場における、上述した均一な放射特性および輝度分布に寄与する。

図示の実施例に対して択一的に、支持プレート１が、交差している平坦凸状のレンズ１１、１２、１３によって形成されていてもよい。すなわち、支持プレート１は、この場合には、平らに構成されている第２の主表面３を有している。従って、第２の主表面３上では、第２のレンズ構造５は直接的に認められない。これに対して択一的に、第１および／または第２のレンズ構造４、５のレンズ素子が、球面または非球面に凹状に構成されていてもよい。

図２Ａおよび２Ｂには、光学素子２００に対する別の実施例が示されている。図２Ａおよび２Ｂはここでそれぞれ、光学素子２００の断面のみを有している。ここで図２Ａは、支持体１の三次元部分を示しており、図２Ｂは、第１のレンズ構造４を供えている第１の主表面２の部分の平面図を示している。

上述した実施例のように、光学素子２００は、第１の主表面２上に第１のレンズ構造４を備え、これに対して鏡映反転に構成されている、第２の主表面３上の第２のレンズ構造５を備えている支持体１を有している。第１および第２のレンズ構造４は、それぞれ多数のレンズ素子を有している。これらのうち、例として、第１のレンズ構造のレンズ素子４１、４２および４３が示されている。レンズ素子は全て多角形の形状を非合同の六角形の形態で有している。これらは直接的に相互に隣接しており、相互に接している。従って、光学素子２００の全体的な第１および第２の主表面２、３は、全て、光学的な結像のために寄与するレンズ素子によって覆われている。

レンズ素子は上述の実施例のように、渦巻き構造をレンズ素子相互の相対的な配置において有しており、レンズ素子の各面は、支持プレート１の第１の主表面２の（図示されていない）中央点に対する間隔に比例して小さくなる。

光学素子２００は例えば、１ｃｍ以上かつ数１０ｃｍ以下の直径を有する円形の形状を有している。支持プレート１の厚さは、所望の焦点合わせ特性または焦点はずれ特性に応じて、１００μｍ以上かつ数ｍｍ以下である。照明装置の場合には、例えば、約１０ｃｍの直径および約２ｍｍの厚さの支持体が有利である。ここでレンズ素子の平均直径は、約２ｍｍのレンズ素子の焦点距離の場合に約１ｍｍであり、第１ないし第２のレンズ構造４、５はそれぞれ約１００００個のレンズ素子を有している。

これに対して択一的に支持プレート１の厚さ１０が例えば約５００μｍであり、レンズ素子が約５００μｍの焦点距離を有していてもよい。

図３には、照明装置３００に対する実施例が示されている。照明装置３００は光源６を有している。これは、図示の実施例では４つのＬＥＤ６１、６２、６３、６４を支持体６０上に有している。ＬＥＤ６１はここで、作動時に赤色の光を放射し、ＬＥＤ６２および６３は緑色の光を放射し、ＬＥＤ６４は青色の光を放射する。担体６０上のＬＥＤ６１〜６４は、放射方向において、相互に隣り合って配置されているので、ＬＥＤ６１〜６４を備えた支持体６から放射される光は、不均一の輝度分布および色分布を有している。

光源６はさらに、コリメータ７を含んでいる。これはＬＥＤ６１〜６４の後ろに配置されており、ＬＥＤ６１〜６４から放射された光を制限された空間角度領域にコリメートする。コリメータ７には、これまでの実施例において示されているように、光学素子２００が後置配置されている。図３には、このうちの一部分のみが示されている。殊に、ＬＥＤ６１〜６４およびコリメータ７を備えた光源６および光学素子２００は、共通の光軸（図示されていない）に沿って配置されている。

コリメータ７は図示の実施例ではレンズとして構成されている。これは例えばフレネルレンズである。しかしコリメータ７から放射された光は、ＬＥＤ６１〜６４を備えた支持体６０から直接的に放射された光のように、不均一な輝度分布および色分布を有している。

支持体６０とコリメータ７との間の破線が示しているように、ＬＥＤ６１〜６４は、コリメータ７から見て、コリメータの中心で最大角度８３であらわれ、コリメータの縁部から見て、最小角度８２であらわれる。従来の結像システムでは、エタンデュが得られるので、ＬＥＤ６１〜６４の光は、コリメータ７の縁部で、コリメータ７の中央におけるよりも強くビーム化される。コリメータの縁部では、最小の開放角度８４を有する光が放射され、コリメータ７の中央部分において光は、最大角度８３で放射される。照明用途に対してはまさに、制限された空間角度領域におけるこのような配向された放射が望ましい。

光源６の放射特性は、開放角度を有する放射円錐によってあらわされる。これは例えば、光軸に沿って放射された光強度が半分に減る場合の開放角度に相応する。このように、光源がコリメートされた光を放射する、制限された空間角度領域を定める開放角度は、例えば、コリメータ７とＬＥＤ６１〜６４との間の間隔によって調整される。

外部に向かって小さくなる、コリメータ７から放射される光の開放角度を伴う、コリメータ７の上述した放射特性によって、光学素子２００の第１および第２のレンズ構造４、５のレンズ素子に対して、上述の実施例に関連して説明したように次のことが生じる。すなわち、支持プレート１の中央点から離れて配置されているレンズ素子の面が、支持プレート１の中央点の近くに配置されているレンズ素子の面よりも小さく構成される。

第１のレンズ構造４を備えた第１の主表面２はここで、光源６によって放射される光に対して、光学素子２００のビーム入射面を構成する。また第２のレンズ構造５を備えた第２の主表面３は、ビーム出射面を構成する。図３から分かるように、支持プレート１の厚さ１０と第１のレンズ構造４のレンズ素子の焦点距離は次のように選択されている。すなわち光源６から、光学素子２００へ入射する光ビームが、第１のレンズ構造４の各レンズ素子によって、第２のレンズ構造５のその後方に位置するレンズ素子上で、すなわち、ビーム出射面上で結像されるように選択されている。

光がさらにビーム出射面、すなわち第２のレンズ構造５のレンズ素子から放射される放射角度は、コリメータ７の放射角度と類似している。これは例として、角度９１および９２によって示されている。光源６の放射特性および第１および第２のレンズ構造４、５のレンズ素子の配置に基づいて、光は、支持プレート１の中央点から遠く離れて位置するレンズ素子によって、より強く、前進方向で放射される。すなわち、支持プレート１の中央点の近傍に位置しているレンズ素子よりも、より小さい開放角度で放射される。

ここに示されている光学素子３００はさらに、光源６によって放射された光の非常に良好な混合を特徴とする。ここに示された第１および第２のレンズ構造４、５は、レンズ素子の高い空間的な解像を可能にする。これは同じように、次のような効果を奏する。すなわち、不均一な輝度分布および／または色分布が、ビーム入射面を構成する第１のレンズ構造４上で、ビーム出射面ないし第２のレンズ構造５上の多数のレンズ素子によって、結像され、第２のレンズ構造５によって、遠距離場において重畳されるという効果を奏する。ここでこの重畳は、各個々のレンズ素子によって、ビーム出射面を構成する第２のレンズ構造５上で、またはその後方で生成された、光源６の全ての結像から成る。これは。

本発明は、実施例に基づく記載に制限されない。むしろ本発明はあらゆる新規の特徴ならびにそれらの特徴のあらゆる組み合わせを含むものであり、これには殊に特許請求の範囲に記載した特徴の組み合わせ各々が含まれ、このことはそのような特徴またはそのような組み合わせ自体が特許請求の範囲あるいは実施例に明示的には記載されていないにしても該当する。

１ 支持プレート、 ２ 第１の主表面、 ３ 第２の主表面、 ４ 第１のレンズ構造、 ５ 第２のレンズ構造、 ６ 光源、 ７ コリメータ、 １１、１２、１３ 双凸状レンズ、 ２０、３０ 主延在方向、 ２１ 面垂線、 ４１ 第１のレンズ素子、 ４２ 第２のレンズ素子、 ６１、６２、６３、６４ 発光ダイオード、 ７０ 中央点、 １００、２００、３００ 光学素子

Claims (13)

1. 光学素子であって、
   ・第１の主表面（２）と、当該第１の主表面（２）の側とは反対の側にある第２の主表面（３）とを有している支持プレート（１）と、
   ・前記第１の主表面（２）上の第１のレンズ構造（４）とを有しており、
   ここで、
   ・前記第１の主表面（２）の当該第１のレンズ構造（４）は、第１の多角形形状を備えた少なくとも１つの第１のレンズ素子（４１）と、第２の多角形形状を備えた第２のレンズ素子（４２、４３）とを有しており、
   ・前記第１の主表面（２）の前記第１のレンズ構造（４）は前記第１の主表面（２）を完全に覆っており、
   ・前記第１の主表面（２）の前記第１のレンズ素子（４１）と前記第２のレンズ素子（４２）は相互に合同ではない、または
   前記第１の主表面（２）の前記第１のレンズ素子（４１）と前記第２のレンズ素子（４３）は相互に合同であるが、前記支持プレート（１）の前記第１の主表面（２）上の配向において異なっており、
   ・前記第１のレンズ構造（４）は、それぞれ多角形形状を備えた多数のレンズ素子を有しており、
   ・前記第１の主表面（２）は中央点（７０）を有しており、
   ・前記多数のレンズ素子の各々は、中央点（７０）からの距離が増大するほど小さくなる面積を前記第１の主表面（２）上で占めており、
   ・前記第１のレンズ構造（４）は、それぞれ多角形形状を備えた多数のレンズ素子を有しており、全てのレンズ素子は各対で、合同ではない、または、前記支持プレート（４）の前記第１の主表面（２）上の配向において異なっている、
   ことを特徴とする光学素子。
2. ・前記多数のレンズ素子の各々と、当該レンズ素子に直接的に隣接しているレンズ素子とは相互に回転されている、請求項１記載の光学素子。
3. さらに
   ・前記第２の主表面（３）上に第２のレンズ構造（５）を有している、請求項１または２記載の光学素子。
4. ・前記第２の主表面（３）上の第２のレンズ構造（５）は、前記第１の主表面（２）上の第１のレンズ構造（４）に対して鏡映反転である、請求項３記載の光学素子。
5. 前記第１のレンズ素子（４１）と前記第２のレンズ素子（４２）は、相互に回転して前記支持プレート（１）上に配置されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の光学素子。
6. ・前記第１の主表面（２）の前記第１のレンズ素子（４１）の前記第１の多角形形状と前記第２のレンズ素子（４２）の前記第２の多角形形状とは異なって成形されている、または前記第１の主表面（２）の前記第１のレンズ素子（４１）の湾曲面と前記第２のレンズ素子（４２）の湾曲面とは異なって形成されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の光学素子。
7. 前記支持プレート（１）は、前記第１のレンズ構造（４）と一体成形されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の光学素子。
8. ・前記第１のレンズ素子（４１）は境界線によって前記第１の多角形形状を形成しており、かつ当該多角形形状は湾曲面を構成しており、
   ・前記第２のレンズ素子（４２）は境界線によって前記第２の多角形形状を形成しており、かつ当該多角形形状は湾曲面を構成している、請求項１から７までのいずれか１項記載の光学素子。
9. ・前記第１のレンズ素子（４１）と前記第２のレンズ素子（４２、４３）は同じ焦点距離を有している、請求項１から８までのいずれか１項記載の光学素子。
10. ・前記支持プレート（１）は、前記第１および第２のレンズ素子（４１、４２、４３）の焦点距離よりも短い厚さ（１０）を有している、請求項９記載の光学素子。
11. ・前記支持プレート（１）は、プラスチック、半導体材料およびガラスから成るグループからの材料を有している、請求項１から１０までのいずれか１項記載の光学素子。
12. ・前記第１の多角形形状および前記第２の多角形形状はそれぞれ六角形である、請求項１から１１までのいずれか１項記載の光学素子。
13. 照明装置であって、
    ・作動時に、制限された空間角度領域内で光を放射する光源（６）と、
    ・前記光源（６）内のビーム路内の、請求項１から１２までのいずれか１項記載の光学素子を有しており：
    ここで
    ・前記光源（６）は発光ダイオード（６１、６２、６３、６４）を備えた装置と、当該装置の後ろに配置されたコリメータ（７）とを有している、
    ことを特徴とする照明装置。

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