JP6671377B2 - コリメータ及び小型レンズアレイを有する光学デバイス - Google Patents

Description

本発明は、一般に照明装置の分野に関する。より正確には、本発明はコリメータとコリメートされた光を受け取るように配されている第１の小型レンズアレイ及び第２の小型レンズアレイ（a first lenslet array and a second lenslet array）とを有する光デバイスに関し、このような装置を製造する方法に関する。

改善された効率を有する新しい光デバイスに対する関心が、エネルギー消費、色混合及び照明均一性の観点において高まっている。コリメータは、所望の照射パターン・ビーム角を生じるために多くの照明アプリケーションで使用されていることが知られている。

しかしながら、多くのコリメータは、光源の空間的構造の少なくとも一部を再現する傾向がある。従って、例えば、ダイオード（ＬＥＤ）のアレイ及び異なる色のＬＥＤのような非均一な光源は、コリメータと組み合わせられる際に結果として生じる光ビーム及びビーム・スポットにおいて可視的なアーチファクトを生じ得る。

従って、既存の光デバイスは、小型レンズ配置のような混合手段を有し得て、前記混合手段は、前記光を更に混合する及び前記光源によって生じるアーチファクトを低減するように前記コリメータに付加される。国際公開第２０１２／１０７０９７号は、このような小型レンズ配置の例を示しており、２つのほぼ鏡映対称の小型レンズ構造が、異なる色のＬＥＤから発される有色光の混合を改善するために設けられている。前記小型レンズ構造は、垂直方向（即ち発される光の方向）において互いに上方に配されており、即ち光ビーム内の何らかのアーチファクト的な不規則性を低減するように横方向において互いに僅かに相殺されている。

このような小型レンズ配置は混合光を提供できるが、向上された光強度を有する代替的な光学デバイスであって、より狭いビーム角を有する発される光ビームを可能にする光学デバイスに対する必要性が存在する。

米国特許出願公開第２０１１／０１８８２４２号は、光源からの光がコリメータによってコリメートされ第１及び第２の小型レンズ構造を有するレンズに透過される光学部品であって、前記光が第２の小型レンズ構造上の第１の小型レンズ構造により焦束される、光学部品を開示している。

Ｏ．Ｄｒｏｓｓらによる"

integrators embedded into illumination optics add functionality"（ＳＰＩＥ会誌、第７１０３巻（２００８年））においては、ケーラー（

）照明の概念及び異なる種類の光学部品に対するこの適用の概要が与えられている。

上述の不利な点を解決する又は少なくとも軽減する光学デバイスを達成することが有利である。特に、より狭い光ビームを形成すると共により高い光強度を有している光を発することができる光学デバイスを達成することが、望ましい。

これらの懸念の１つ以上に良好に取り組むために、独立請求項において規定されるフィーチャーを有する光学デバイスと光学デバイスを製造する方法とが提供される。好ましい実施例は、従属請求項において規定される。

従って、第１の見地によれば、光源から光をコリメートするコリメータと、複数の第１の小型レンズを有している第１の小型レンズアレイと、複数の第２の小型レンズを有している第２の小型レンズアレイとを有する光学デバイスが提供される。第１の小型レンズアレイ及び第２の小型レンズアレイは、第１の小型レンズアレイのモザイク（tessellation）がパターン及び小型レンズの大きさに関して第２の小型レンズアレイのモザイクと一致するように配されている。更に、第１の小型レンズアレイのモザイク・パターンは、第２の小型レンズアレイのモザイク・パターンと位置合わせされる。第１及び第２の小型レンズアレイは、コリメータによってコリメートされる光が光源の投射を提供するように配されており、前記投射の形状は少なくとも前記コリメータのメリジオナル方向に沿って見ると変化しており、この結果、前記光源の投射は、第１の小型レンズアレイによって第２の小型レンズアレイに集束される。第２の小型レンズの少なくとも一部（好ましくは大部分）は、光源の投射の変化する形状に適合するように、自身のサジタル及びメリジオナル寸法の比が第２の小型レンズアレイのメリジオナル方向に沿って少なくとも変化するように形成されている。

第２の見地によれば、光学デバイスを製造する方法が、提供される。当該方法は、
光源から光をコリメートするように適応化されている光学コリメータを設けるステップと、それぞれ複数の第１及び第２の小型レンズを有する第１及び第２の小型レンズアレイを配するステップとを有する。第１及び第２の小型レンズアレイは、第１の小型レンズアレイのモザイクが、パターン及び小型レンズの形状に関して第２の小型レンズアレイのモザイクと一致するように、かつ、第１の小型レンズアレイのモザイク・パターンが第２の小型レンズアレイのモザイク・パターンと位置合わせされるように配される。前記第１及び第２の小型レンズアレイは、前記コリメータによってコリメートされる光が光源の投射を提供するように配されており、投射の形状は、少なくとも前記コリメータのメリジオナル方向に沿って見られるように変化し、この結果、前記光源の投射が第１の小型レンズアレイによって第２の小型レンズアレイに集束される。第１の小型レンズの少なくとも幾つかの各々のサジタル及びメリジオナル寸法間の比は、投射の変化する形状に適して変化する。

第３の見地によれば、第１の見地による光源及び光学デバイスを有する照明装置が提供される。

本見地は、光源の投射又は光源により発される光の円錐角はコリメータの出口開口又は出口開口よりも高い所与の平面にわたって変化し得るという理解を利用している。前記光源の投射又は前記光源により発される光の円錐角は、コリメータの出口開口より上方又は出口開口における所与の平面にわたって変化し得る。この変化は、例えば、コリメータの対称性又は種類と光源の種類及び位置とに依存し得る。本発明者らは、第１の小型レンズアレイが、光源の投射が第１の小型レンズアレイに当たり第１の小型レンズアレイによって第２の小型レンズアレイに集束されるように、配されることができることを実現した。第２の小型レンズアレイを、（少なくともほぼ）前記第１の小型レンズアレイの焦点面内に配することによって前記第２の小型レンズを介して光源から発される光の均一性及び混合を改善できるケーラー統合が可能にされる。更に、第２の小型レンズの少なくとも幾つかの形状は、前記第２の小型レンズの各々によって見られる光源の投射の変化する形状に基づいて、コリメータの出口開口にわたって変化することができる。小型レンズのサジタル及びメリジオナル寸法間の比を調整することによって、当該小型レンズの形状は、前記光源の投射の外形に（モザイクにより設定される制限内で）採用される又は適合される。前記投射される光源の形状又は横方向の拡張又は範囲に、好ましくはできるだけ近く、合致している形状を有する小型レンズを設けることは、投射される光源の拡張内の各スポットが遠距離場ビームの比較的大きな部分に貢献するのを可能にする。同様に、各小型レンズの活性領域、即ち照明タスクに関与していない領域と比較して照明タスクに実際に関与している領域が、増大されることができる。これはエタンデュのダイリューション（

dilution）及びビーム幅を縮小できるという点で有利であり、これにより光学デバイスの光強度を増大し光の混合を改善する。従って光学デバイスにより生成される得られる光ビームは、少なくとも幾つかの第２の小型レンズの各々からの光の総和により形成されることができ、これら第２の小型レンズの各々からの寄与は、遠距離場において得られる比較的一様な光ビームを形成するために重ね合される又は重複されることができる。

理論的には、第２の小型レンズの形状と前記第２の小型レンズにより結像される光源と理想的な対応関係は、第１及び第２の小型レンズアレイによって完全に混合されるにもかかわらず、コリメータのエタンデュ及び光強度分布を保存するであろう。しかしながら、これは、モザイク化されたパターンの幾何学的な限定のために実現するのが困難である理論上の論拠であると強調されなければならない。しかしながら、本見地は、上述の従来技術の装置と比較して、理想状態により近い小型レンズ・コンフィギュレーションを有する光学デバイスを可能にする。しかしながら、幾つかの実施例において、第２の小型レンズの少なくとも幾つかは、前記投射される光源よりも大きい横方向の拡張を有することもでき、これにより比較的広い光ビームが前記照明装置から発されるのを可能にすることに留意されたい。

本見地は、第１の小型レンズアレイ及び第２の小型レンズアレイのケーラー配置が、前記光源の像が、少なくとも遠距離場における光ビームと交差する平面においては焦点をぼかされており、つまり前記光ビームに沿って拡散されることを可能にする点においても有利である。従って、前記光源の如何なる空間構造又は不均一性も、得られるビームにおいて低減されることができる。前記第１の及び第２の小型レンズアレイは、アーチファクトを低減させるために（さもないと前記アーチファクトは小型レンズアレイ内のエッジ、境界及び空間的な間隙によって強度パターン内に持ち込まれ得る）、それぞれ、（好ましくは間隙又は重複を伴わずに）緊密に一緒に嵌入されている第１及び第２の小型レンズにより形成されることができ。小型レンズは、例えば、一又は二次元の小型レンズアレイ内にモザイク化されることができる多角形の形状（例えば三角形、長方形、五角形及び六角形等）又は何らかの他の形状を有することができる。

前記第１及び第２の小型レンズアレイは、同じモザイクを備えることができ、即ち類似の形状であると共に類似のパターンにおいて配されている小型レンズを有する。第１及び第２の小型レンズアレイは、互いに側面から位置合わせされる、即ち光路の方向において重ね合されることができ、この結果、特定の形状の第１の小型レンズの光軸が同じ形状の対応する第２の小型レンズの光軸に（少なくとも実質的に）一致する。従って、第１及び第２の小型レンズアレイは、鏡映コンフィギュレーションにおいて配されることができる。同じモザイクを有する又は互いの鏡像である２つの小型レンズアレイの位置合わせは、光学損失のためのリスクと、第１の小型レンズアレイの隣接する小型レンズ間の境界から生じるアーチファクトを低減する点において有利である。モザイク化された第１の小型レンズは、モザイク化された第２の小型レンズと大きさにおいて一致することもあり得る。

第１及び第２の小型レンズアレイの各々は、それぞれ、第１及び第２の小型レンズアレイの中心から外方に延在する方向に拡張を有することもできる。この方向は、メリジオナル方向と称されることができる。更に、前記第１及び第２の小型レンズアレイは、前記メリジオナル方向に対して垂直な方向に拡張を有することもできる。この方向は、サジタル方向と称されることができる。従って、小型レンズの形状は、サジタル及びメリジオナル寸法の比によって少なくとも部分的に記述されることができる。

第１及び第２の小型レンズアレイが同じモザイクを備え得るので、第１の小型レンズアレイに関係する手段及びフィーチャーは、第２の小型レンズアレイにも適用可能であり、逆も同じであることに留意されたい。例えば、第１の小型レンズのサジタル及びメリジオナル寸法の比の調整は、第２の小型レンズのサジタル及びメリジオナル寸法の比と類似の調整に従っても良く、逆もまた同じである。

第１の小型レンズアレイによって第２の小型レンズアレイに集束されている光源の投射は、必ずしも、前記投射が第１の小型レンズアレイによって第２の小型レンズアレイ上に正確に集束されなければならないことを意味するものではないが、第２の小型レンズアレイに少なくとも近いことはいうまでもない。例えば、第１の小型レンズアレイと第２の小型レンズの湾曲された（又は光学的にコンフィギュレーションされた何らかの他の仕方における）表面との間の距離は、１０％未満だけ、第１の小型レンズアレイの焦点距離と異なり得る。

実施例によれば、第２の小型レンズの少なくとも幾つかのサジタル及びメリジオナル寸法のそれぞれは、前記少なくとも幾つか第２の小型レンズの各々において見られるように、前記光源の投射のサジタル及びメリジオナル寸法に、それぞれ、対応するように、変化されることができる。従って、第２の小型レンズは、当該小型レンズによって見られる光源の外側の輪郭が当該小型レンズの曲線内に適合するように形成されることができる。１つの例において、第２の小型レンズの最大サジタル及びメリジオナル寸法は、対応する光源投射の最大サジタル及びメリジオナル寸法に（少なくともほぼ）等しいものであり得る。本実施例は、前記第２の小型レンズの横方向の拡張全体が当該照明に関与するのを可能にし、これにより発された光の軸上強度を増大させる点において有利である。

実施例によれば、第１及び第２の小型レンズの少なくとも幾つかは、コリメータの光軸の周りに同心円を形成するように配されることができる。同心円は、回転対称なコリメータの回転対称性を共有するように配されることができるという点において有利である。対称性のこのような対応は、第２の小型レンズの形状をコリメータにより生成される光源投射の変化する形状に適応させるタスクを容易にすることができる。一例において、隣接する円の角度配向は、隣接する異なる円の小型レンズ間の境界が回転的に位置合わせされ、従って、強度パターンのアーチファクトを生じ得る位置合わせされた画像を形成するリスクを縮小するようにずらされる又は調整されることができる。

実施例によれば、同心円の第１のものを形成している第２の小型レンズの少なくとも幾つかのサジタル及びメリジオナル寸法は、同心円の前記第１のもの内で一定であることができ、前記同心円の他のもの内の第２の小型レンズのサジタル及びメリジオナル寸法と異なる。つまり、第２の小型レンズの第１の円は、同じ形状（又は少なくとも同じサジタル及びメリジオナル寸法）を有する小型レンズで形成されることができる。しかしながら、他の円は、第１の円の小型レンズの形状と異なっている形状を有する第２の小型レンズで形成されることができる。しかしながら、本実施例のコンフィギュレーションは、２つの円に限定されるものではない。逆に、このことは、複数の円又は第２の小型レンズアレイ全体にさえ当てはまり得る。即ち、第２の小型レンズは、各円内で（少なくとも殆ど）等しく成形されることができると共に異なる円間で異なり得る。

実施例によれば、同心円の第１のものを形成している第２の小型レンズのサジタル及びメリジオナル寸法の比は、同心円の前記第１のもの内で一定であり得ると共に、同心円の前記第１のものの外側に配される同心円の他のもの内の第２の小型レンズのサジタル及びメリジオナル寸法の比より低くあり得る。この実施例は、前記小型レンズのサジタル寸法が又は前記小型レンズのサジタル及びメリジオナル寸法の比が、前記コリメータの光軸からの距離が増大するにつれ増大され得ることを除いて、先の実施例に似ている。

実施例によれば、前記第２の小型レンズの少なくとも幾つかは、同じ数の前記第２の小型レンズを有する同心円内に配されることができ、前記第２の小型レンズの少なくとも幾つかは、同じメリジオナル寸法を有することができ、前記同じ数の第２の小型レンズを有する前記同心円間で変化するサジタル寸法を有することもできる。従って、当該第２のアレイは、前記同じ数の第２の小型レンズの２つ又は幾つかの同心円を有することができ、第２の小型レンズのサジタル寸法は、モザイクを維持するように前記第２の小型レンズアレイのメリジオナル方向において増大されることができる。

実施例によれば、前記第２の小型レンズの少なくとも幾つかは、前記同心円を一緒に形成する円環形セクタとして成形されることができる。１つの例において、（コリメータの光軸の方向において）垂直なステップは、隣接する第２の小型レンズ間の境界において形成されることができる。本実施例は、四角形の前記第２の小型レンズの数及び前記第２の小型レンズアレイの対称性が増大されることを可能にし、このことにより前記光源の投射の形状に適している小型レンズの数を増大する点において有利である。

実施例によれば、複数の第２の小型レンズの少なくとも幾つかの各々のサジタル及びメリジオナル寸法の比は、１と異なり得る。前記小型レンズは、例えば、光源の楕円形又は長円形の投射が前記小型レンズ内に嵌入されるのを可能にするようにメリジオナル又はサジタル方向において楕円形又は長円形であっても良い。

実施例によれば、第１及び第２の小型レンズアレイは、単一の光学体内に含まれることができる。前記光学体は、例えば、ガラス、プラスチック、セラミック又はポリマのような、少なくとも部分的な光透過材料を有することができる。当該材料は、好ましくは、所望の屈折率を達成するように選択されることができる。比較的高い屈折率は、例えば、第１及び第２の小型レンズアレイ間の距離又は厚さが、より小さい光学デバイスを提供するように減少されることを可能にする。

実施例によれば、第１及び第２の小型レンズアレイは、別個の光学体内に含まれることができる。前記第１の小型レンズアレイは、例えば、第１の基板上に配されることができ、前記第２の小型レンズアレイは第２の基板上に配されることができる。別個の光学体は、例えば空隙により分離されることができ、前記空隙の幅は光源の焦点及び／又は投射を前記第２の小型レンズアレイ上に調整するように調整されることができる。空隙の使用は、有利には前記光学デバイスの質量及び有り得る材料の費用を低減することができる。

実施例によれば、複数の前記第１の小型レンズ及び前記第２の小型レンズアレイの少なくとも幾つかの各々間の距離は、少なくとも前記第２の小型レンズアレイのメリジオナル方向に沿って変化できる。有利には、前記距離の変化は、第１の小型レンズアレイによって第２の小型レンズアレイに集束される光源の投射の変化する形状に基づく。１つの例において、前記距離は、小型レンズの大きさがメリジオナル及び／又はサジタル方向において維持されることができるように前記投射される光源の減少された角度の拡張を補償するように、１つの小型レンズから他の小型レンズまで増大されることができる。前記小型レンズの焦点距離は、前記第１及び第２の小型レンズアレイ間の距離に合うことができる。

実施例によれば、前記第１の小型レンズアレイは、前記コリメータと一体的に形成されることができる。第１の小型レンズアレイは、例えば、コリメータと同じ製造過程において製造されることができ、有利には、必要な処理ステップの数を縮小できる。

実施例によれば、前記第１及び第２の小型レンズアレイは、第１の小型レンズアレイ上の光源の投射のサジタル及びメリジオナル寸法を決定することによって及び前記投射の決定されたサジタル及びメリジオナル寸法に基づいて前記複数の第２の小型レンズの少なくとも幾つかの各々のサジタル及びメリジオナル寸法を変化させることによって、配される（例えば、製造される）ことができる。前記コリメータの出射開口における前記光源の光の円錐又は投射の、前記サジタル及びメリジオナル寸法（又はつまり前記サジタル及びメリジオナルの広がり）は、例えば、幾何学的な計算により又はコリメータのレイ・トレーシングにより決定されることができる。動作中、実施例によれば、光は前記光源により発されることができ、コリメータにおいてコリメートされ、ケーラー・インテグレータを形成するように配される第１の及び第２の小型レンズアレイにより混合されることができる。第１の小型レンズアレイは、光源の投射を前記第２の小型レンズアレイに焦束するように適応化された複数の第１の小型レンズを有することができ、第２の小型レンズアレイは、前記光源の投射の形状又は拡張に基づいた形状を有する複数の第２の小型レンズを有することができる。前記光源から発される光は前記第２の小型レンズアレイを透過され、光ビームの形態で光学デバイスから発されることができる。前記第２の小型レンズの形状を前記光源の（前記モザイクによって設定される幾何学的な規則に従う）投射の形状に適応させることによって及び同じモザイクに従って第１の小型レンズを配置することによって、光の混合は改善されることができ、エタンデュのダイリューション及び光学アーチファクトが低減されることができる。

本出願の状況において、「光源」なる語は、前記コリメータによって第１の小型レンズアレイ上に投射されることができる如何なる発光領域、装置又は要素も称している。これは、内部で光が発される興味がある特定の領域を称することもできる。このような領域は「統合ゾーン」と呼ばれることもでき、「統合ゾーン」は第２の小型レンズから見えるように、当該特定の小型レンズ内に内接することができるようにあるべきである領域と理解されたい。このような統合ゾーンは、光源又は光源を形成している全ての発光要素を囲んでいる周辺部又は表面により規定される領域以上の大きさを有することができる。前記統合ゾーンは、例えば、ディスク又は円筒の形状に合致する形状を有することができる。

前記光源はＬＥＤを有することができる。しかしながら、前記光源は、原則として、光を生成する及び発することができる如何なる種類の要素も有することができるものと理解されるであろう。ＲＧＢのＬＥＤは、有利には、前記照明装置からの動的なカラー光出力を可能にするように使用されることができる。前記光源は、同じ種類又は異なる種類のものであってもよい。

前記コリメータは、例えば、フレネルレンズ、全内部反射（ＴＩＲ）レンズ若しくはフレネルＴＩＲレンズを有していても良く、又はＲＸＩコリメータ、又はＵＦＯ、放物線状若しくは非球面コリメータを有していても良い。有利には、前記コリメータは、自身の光軸の周りに回転対称である。

第１の小型レンズアレイ及び第２の小型レンズアレイは、インテグレータ又はケーラー・インテグレータと称されることもできる。前記第１及び第２の小型レンズは、好ましくは、円形のディスクに一致する形状を有することができ、コリメータの出口開口を完全に覆うように配されることができる。特に、このような円形ケーラーは、当該光学デバイスの光軸の周りに回転対称であるコリメータと組み合わせられることが可能である。

前記小型レンズは、例えば、球面若しくは非球面小型レンズ又は円筒状若しくはフレネル小型レンズであっても良く、又は何らかの他の適切な曲率を備えていても良い。小型レンズアレイは、例えば、ガラス、プラスチック、セラミック又はポリマ材料により形成されることができ、例えば、成形されることができる。成形の技術の例は、例えばブロー成形、圧縮成形、射出成形及び母材成形を含む。成形は、大規模な製造に適し得る点において有利である。ひとたびツール（例えば型）が設けられれば、小型レンズアレイは比較的かなりのボリュームにおいて及び比較的低コストにおいて大量生産されることができる。

本発明の実施例は、添付の請求項において詳述されるフィーチャーの全ての可能な組合せに関することに留意されたい。更に、前記光学デバイスに関して記載されている様々な実施例は、全て、前記第２の見地により規定されている実施例の方法と組み合わされることができると理解されたい。

この見地及び他の見地は、ここで、実施例を示している添付の図面を更に詳細に記載される。

実施例による光学デバイスのコリメータの斜視図を示している。 実施例による照明装置の断面側面図を示している。 幾つかの実施例によるモザイク化されている小型レンズの異なる実施例を示している。 幾つかの実施例による第１及び第２の小型レンズアレイの側断面図を示している。 実施例による方法の概略図である。

全ての図は、模式的であり必ずしも縮尺で描かれているわけではなく、全体的に実施例を説明するのに必要な部分を示しているのみであり、他の部分は省略される又は単に示唆され得る。類似の符号は、明細書の全体にわたって類似の要素を参照している。

本見地は、現在好適な実施例が示されている添付の図面を参照して以下でより詳細に記載される。しかしながら、本発明は、多くの異なる形態において実施されることができ、本願明細書に記載される実施例に限定されるものであると解釈されるべきではなく、むしろ、これらの実施例は、徹底及び完全さのために提供されているものであり、本見地の範囲を当業者に完全に伝えるものである。

図１は、実施例による光学デバイスのコリメータ１１０の斜視図である。コリメータ１１０は、自身の光軸Ｏの周りに回転対称であっても良く、例えば、ＬＥＤ１２２を有する光源１２２からの光をコリメートするように配されている。光源１２２は、例えば、キャビティ１２０内に配されることができ、キャビティ１２０は、例えば、光屈折円筒側壁と、屈折上面であって、コリメータ１１０の出口開口１１２に面することができると共に当該屈折上面を介して出射する光を集束させるように構成される凸レンズとして形成されることができる屈折上面とを有する。コリメートされた光は、コリメータの出口開口１１２を通って出射し、第１及び第２の小型レンズアレイ（図１には示されていない）は、光源１２２の投射１５０を受け取り前記光学デバイスから発される光を混合するように配されることができる。光源１２２の像又は投射は、コリメータ１１０の出口開口１１２に平行な所与の平面上に生成されることができる。このような投射１５０の例示的な外形は、コリメータ１１０の出口開口１１２と一致している平面内に見られるように、コリメータ１１０のメリジオナル方向Ｍに沿った幾つかの位置に示されている。メリジオナル方向Ｍとは、光軸Ｏを通過すると共に光軸Ｏに対して垂直な平面内に延在している何らかの線として理解されるべきであるのに対し、サジタル方向Ｓとは、光軸Ｏに対して垂直な平面内に延在していると共にメリジオナル方向Ｍに対して正規直交している何らかの線として理解されるべきである。図１に示すように、光源１２２の投射１５０の外形又は形状は、コリメータ１１０のメリジオナル方向Ｍに沿って変化し得る。この特定の例において、投射１５０のサジタル寸法は、光源１２２の投射１５０のメリジオナル寸法に対するサジタル寸法の比が、光軸Ｏまでの距離が減少するに伴って増大するように、コリメータ１１０の光軸Ｏに向かう方向に進行するときに変化する。

図２は、一実施例による照明装置１であって、光源１２２と、図１を参照して記載された光学デバイスと同様に構成されることができる及び光学デバイス１００とを有する照明装置１の側断面図である。図２に示すように、光学デバイス１００は、コリメータ又はレフレクター１１０と、それぞれモザイク化された第１及び第２の小型レンズ１３２、１４２の第１の小型レンズアレイ１３０及び第２の小型レンズアレイ１４０とを有する。この例において、第１及び第２の小型レンズアレイ１３０、１４０は、例えば、プラスチックのディスク形状の基板１３５であり得る単一の光学体１３５内に含まれる。第１の小型レンズアレイ１３０及び第２の小型レンズアレイ１４０は、基板１３５の対向する面上に配されることができる。第１の小型レンズアレイ１３０は、モザイク化されている、即ち横方向の間隙又は重複を有さずに並んでいる複数の第１の小型レンズ１３２を有する。このことは、第２の小型レンズアレイ１４０にも当てはまり、第２の小型レンズアレイ１４０は、パターン及び小型レンズ形状に関して第１の小型レンズアレイ１３０のモザイクと一致するモザイクを有する。第２の小型レンズアレイ１４０は、光路（及び光軸Ｏ）の方向において、第１の小型レンズアレイ１３０より上方に垂直に配されると共に、第１及び第２の小型レンズ１３２、１４２の各々が重ね合わされるように、第１の小型レンズアレイ１３と横方向に位置合わせされる。光学デバイス１００の横方向とは、光学デバイス１００の光軸Ｏに対して正規直交の何らかの方向を意味している。

第１及び第２の小型レンズ１３２、１４２は、光源１２２の投射１５０が第１の小型レンズアレイ１３０によって第２の小型レンズアレイ１４０の外面上に集束されることを可能にするように形成されることができる。本実施例によれば、前記小型レンズは、例えば、球面又は非球面であることができ、屈折率及び光学体１３５の厚さに基づいて半径を有しても良い。

第１及び第２の小型レンズ１３２、１４２は、例えば、第２の小型レンズ１４２のそれぞれから見ると、光源１２２の投射又は像１５０の様々な形状によって変化するサジタル及びメリジオナル拡張を有する多角形として形成されることができる。第２の小型レンズ１４２のサジタル及びメリジオナル寸法の比をコリメータ１１０の出口開口１１２上のメリジオナル及びサジタル位置の関数として調整することによって、拡散及び／又は単一の小型レンズアレイに基づく光の混合と比較して、光学デバイス１００の低減されたエタンデュのダイリューションを可能にするモザイクが提供されることができる。

図３ａは、パターン状にモザイク化されている第２の小型レンズ３４２を有する第２の小型レンズアレイ３４０の概略上面図であり、メリジオナル及びサジタル寸法は、円錐角又は第１の小型レンズ３３２によって第２の小型レンズ３４２上に集束される光源の投射３５０に従って変化し得る。図３ａに示すように、第２の小型レンズ３４２は、第２の小型レンズアレイ３４０の中心の周りに同心円状に配されることができ、前記中心は、コリメータ３１０の光軸Ｏと一致するように配されることができる。第２の小型レンズ３４２は、横方向の間隙又は垂直なステップを伴うことなく並んで配されることができる。第２の小型レンズ３４２の各リングは、同じ形状を有する小型レンズで形成されることができる。更に、幾つかの隣接するリングは、同じ数の第２の小型レンズ３４２を有し、同じメリジオナル寸法を有することができる。従って、第２の小型レンズ３４２のサジタル寸法は、前記リングの変化する外周を補償すると共にモザイクを維持するために、同じ数の小型レンズを有する隣接するリング間において変化されることができる。

図３ｂは、図３ａ第２の小型レンズアレイ３４０の一部を示しており、光源３１０の投射の外形は、２つの異なる第２の小型レンズ３４２において示され、このサジタル及びメリジオナル寸法は投射される光源３１０の形状に調整されている。

図３ｃ及びｄは、図３ａを参照して記載されたものと類似の小型レンズアレイであって、角から角へと厳密に配されてはいないが円環形セクタとして成形された四角形の第２の小型レンズ３４２の同心リングを有し、垂直ステップが隣接する小型レンズ間で可能にされている、小型レンズアレイを示している。隣接する第２の小型レンズ３４２間の垂直ステップは、図３ｄの斜視図において示されている。結果として、投射される光源３１０の形状に良好に調整された第２の小型レンズ３４２の数が増大されることができる。

図４ａ―ｃは、図２及び３ａ―ｄを参照して記載されている小型レンズアレイと類似の第１の小型レンズアレイ４３０及び第２の小型レンズアレイ４４０の異なる例の断面を示している。矢印は、第１の小型レンズアレイ１３０に当たり第２の小型レンズアレイ４４０上に集束される光の経路を示している。

図４ａは、別個の光学体上に配されることができる第１の小型レンズアレイ４３０及び第２の小型レンズアレイ４４０を示している。第１の小型レンズアレイ４３０は、例えば、第１の基板４３３上に形成されることができ、第１の基板４３３は、第２の小型レンズアレイ４４０が形成される第２の基板４４３とは別のものである。第１及び第２の基板４３３、４４３は、空隙４３７により分離されることができる。この実施例において、第１の小型レンズアレイ４３０は、第２の小型レンズアレイ４４０からの外方に面している。

図４ｂにおいて、図４ａにおけるものと類似の配置が開示されているが、第１の小型レンズアレイ４３０はコリメータ４１０と一体的に形成されている。更に、第１及び第２の小型レンズアレイ４３０、４４０は、互いに面するように配されている。

図４ｃは、単一の光学体４３５内に含まれている第１及び第２の小型レンズアレイ４３０、４４０の更なる例を示している。この例によれば、光路（光軸）の方向における光学体４３５の厚さは、第１の小型レンズ４３２及び第２の小型レンズ４４２の少なくとも幾つか（好ましくは大部分）間の距離を変化させるように変化されることができる。当該厚さは、投射される光源のメリジオナル及びサジタルＭ、Ｓを変化させるように、例えば、前記第２の小型レンズアレイのメリジオナル方向Ｍに沿って及び／又はサジタル方向において変化することができる。

図５は、上述の図を参照して記載された装置と類似の光学デバイスを製造する方法の概略図である。本実施例によれば、光源から光をコリメートするのに適応化された光学コリメータが設けられる（１０）。コリメートされた光は、コリメータの出口開口に光源の投射を供給し、前記投射の形状は、前記第１の出口開口における少なくともメリジオナル位置に沿って変化する。更に、第１及び第２の小型レンズアレイが配され（２０）、第１及び第２の小型レンズアレイは、ぞれぞれ、複数の第１及び第２の小型レンズを有することができる。配置（２０）は、例えば幾何学的な計算又はレイ・トレーシングによって光源の投射のサジタル及びメリジオナル寸法を決定するステップ（２２）を有することができる。第１及び第２の小型レンズアレイ２４は、前記第２の小型レンズの各々のサジタル及びメリジオナル寸法の比が、前記光源の投射の決定されたサジタル及びメリジオナル寸法に基づいて変化されるように形成される。第１及び第２の小型レンズアレイは、第１の小型レンズアレイのモザイクがパターン及び小型レンズ形状に関して第２の小型レンズアレイのモザイクと一致すると共に、第１の小型レンズアレイのモザイク・パターンが第２の小型レンズアレイのモザイク・パターンと位置合わせされるように、モザイク化される。更に、第１の小型レンズアレイは、光源の投射を第２の小型レンズアレイに集束させるように配される。

再び図１を参照すると、動作中、光源１２２から発される光はコリメータ１１０によってコリメートされ、第１の小型レンズアレイ１３０の第１の小型レンズ１３２によって受け取られ、第２の小型レンズアレイ１４０の対応する小型レンズ１４２において集束され、第２の小型レンズアレイ１４０を介して光学デバイス１００から混合されて発されることができる。

当業者であれば、本発明が上述の好ましい実施例に決して限定されるものではないと理解するであろう。逆に、多くの変形及び変化は、添付の請求項の範囲内で可能である。例えば、第１及び第２の小型レンズアレイは、様々な形状、材料及び小型レンズの種類により提供されることができる。付加的な光学要素、例えば、合焦レンズ及びフィルタ等が、本発明の実施例と組み合わせられることもできる。

更に、添付図面、開示及び添付の請求の範囲の研究から、開示された実施例に対する変化は、特許請求項の範囲に発明を実施する際の当業者により理解され達成されることができる。添付の請求項において、「有する」なる語は他の要素又はステップを排除するものではなく、単数形は複数形を排除するものではない。特定の手段が、相互に異なる従属請求項において引用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なるように使用されることができないと示すものではない。添付請求項における如何なる符号も、この範囲を制限するものとしてみなしてはならない。

Claims (14)

1. 光源と光学デバイスとを有する照明装置であって、前記光学デバイスは
   前記光源からの光をコリメートする光軸を有する光学的なコリメータと、
   複数の第１の小型レンズを有する第１の小型レンズアレイと、
   複数の第２の小型レンズを有する第２の小型レンズアレイと、
   を有し、
   前記第１の小型レンズアレイ及び前記第２の小型レンズアレイは、前記第１の小型レンズアレイのモザイクがパターン及び小型レンズの形状に関して前記第２の小型レンズアレイのモザイクと一致するように配されており、
   前記第１の小型レンズアレイの前記モザイクのパターンは、前記第２の小型レンズアレイの前記モザイクのパターンと位置合わせされ、この結果、
   前記光学的なコリメータによってコリメートされる光が前記光源の投射を提供し、前記投射の形状は、少なくとも前記コリメータの前記光軸に対して規定されるメリジオナル方向に沿って見られると変化しており、
   前記光源の投射は、第１の小型レンズアレイによって第２の小型レンズアレイに集束され、
   前記第２の小型レンズの少なくとも一部の各々のサジタル及びメリジオナル寸法の比は、少なくとも前記投射の変化する前記形状に適応化された前記第２の小型レンズアレイの前記メリジオナル方向に沿って変化する、
   照明装置。
2. 前記第２の小型レンズの少なくとも幾つかの各々の前記サジタル及びメリジオナル寸法のそれぞれは、前記少なくとも幾つかの前記第２の小型レンズの各々において見られる前記光源の投射のサジタル及びメリジオナル寸法のそれぞれに対応するように、変化されている、請求項１に記載の照明装置。
3. 前記第２の小型レンズの少なくとも幾つかは、前記コリメータの光軸の周りに同心円を形成するように配される、請求項１又は２に記載の照明装置。
4. 前記同心円の第１のものを形成している第２の小型レンズのサジタル及びメリジオナル寸法は、前記同心円の前記第１のもの内で一定であり、前記同心円の他のもの内の前記第２の小型レンズのサジタル及びメリジオナル寸法とは異なる、請求項３に記載の照明装置。
5. 前記同心円の第１のものを形成する前記第２の小型レンズのサジタル及びメリジオナル寸法の比は前記同心円の前記第１のもの内で一定であり、前記同心円の前記第１のものの外側に配されている前記同心円の他のもの内の前記第２の小型レンズのサジタル及びメリジオナル寸法の比よりも低い、請求項３又は４に記載の照明装置。
6. 前記第２の小型レンズの少なくとも幾つかは、同じ数の前記第２の小型レンズを有する同心円内に配され、前記第２の小型レンズの前記少なくとも幾つかは、同じメリジオナル寸法を有すると共に、同じ数の前記第２の小型レンズを有する前記同心円間で変化するサジタル寸法を有する、請求項３乃至５の何れか一項に記載の照明装置。
7. 前記第２の小型レンズの前記少なくとも幾つかは、同心円を形成している円環形セクタとして成形されている、請求項３乃至６の何れか一項に記載の照明装置。
8. 前記第２の小型レンズの少なくとも幾つかの各々のサジタル及びメリジオナル寸法の比が１とは異なる、請求項１乃至７の何れか一項に記載の照明装置。
9. 前記第１及び第２の小型レンズアレイが単一の光学体内に含まれている、請求項１乃至８の何れか一項に記載の照明装置。
10. 前記第１及び第２の小型レンズアレイが別個の光学体内に含まれている、請求項１乃至９の何れか一項に記載の照明装置。
11. 前記第１の小型レンズの少なくとも幾つかの各々と前記第２の小型レンズアレイとの間の距離は、前記第２の小型レンズアレイ上に集束される前記光源の投射の変化する形状に基づいて、少なくとも前記第２の小型レンズアレイの前記メリジオナル方向に沿って変化する、請求項１乃至１０の何れか一項に記載の照明装置。
12. 前記第１の小型レンズアレイは前記コリメータと一体的に形成されている、請求項１乃至１１の何れか一項に記載の照明装置。
13. 光学デバイスを製造する方法であって、
    光源からの光をコリメートするために適応化された光学的なコリメータを設けるステップと、
    それぞれ複数の第１及び第２の小型レンズを有する第１及び第２の小型レンズアレイを、
    前記第１の小型レンズアレイのモザイクがパターン及び小型レンズ形状に関して前記第２の小型レンズアレイのモザイクと一致するように、配するステップであって、
    前記第１の小型レンズアレイのモザイク・パターンは、前記第２の小型レンズアレイのモザイク・パターンと位置合わせされ、この結果、
    前記光学的なコリメータによってコリメートされる光が前記光源の投射を提供し、前記投射の形状は、少なくとも前記コリメータのメリジオナル方向に沿って見ると変化するように、配するステップと、
    を有する方法において、
    前記光源の投射は、前記第１の小型レンズアレイによって前記第２の小型レンズアレイ上に集束され、
    前記第１の小型レンズの少なくとも幾つかの各々のサジタル及びメリジオナル寸法間の比は、少なくとも前記投射の変化する形状に適応化された前記第２の小型レンズアレイのメリジオナル方向に沿って変化する、
    方法。
14. 前記第１の小型レンズアレイ及び前記第２の小型レンズアレイを配するステップが、更に、
    前記コリメータのメリジオナル方向に沿った複数の位置に見られる前記投射の形状のサジタル及びメリジオナル寸法を決定するステップと、
    前記第２の小型レンズアレイを、前記第２の小型レンズの少なくとも幾つかの各々のサジタル及びメリジオナル寸法が前記投射の決定されたサジタル及びメリジオナル寸法に適応化されて変化するように形成するステップと、
    を含む請求項１３に記載の方法。

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