JPH06509210A

JPH06509210A - 非結像光照明システム

Info

Publication number: JPH06509210A
Application number: JP5503005A
Authority: JP
Inventors: ウインストン、ローランド
Original assignee: ミネソタ　マイニング　アンド　マニュファクチャリング　カンパニー
Priority date: 1991-07-19
Filing date: 1992-07-17
Publication date: 1994-10-13
Anticipated expiration: 2013-06-11
Also published as: US5289356A; DE69232264T2; WO1993002320A1; EP0596004B1; IL102530A0; CA2113357C; IL102530A; DE69232264D1; EP0596004A4; JP2763679B2; TW232724B; AU670035B2; AU2382992A; EP0596004A1; ATE210263T1; CA2113357A1

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】６、前記光反射面の空間位置が、次式即ち、Ｒｉ　＝　（定数）　ｅｘｐ　ｆｆｔａｎ［（Φｉ−＆ｉ）／２コｄΦ１）Ｏｉ　＝Ｃｔｌｏｇ　（Ｉ　Ｃ＊Φｉ）　］ｄΦ１）に従う前記半径ベクトルＲｉによって決定されるように、前記出力強度が、０１の関数として指数関数的な挙動となる請求項１に記載の非結像光照明装置。

７、前記光反射面の空間位置が、次式即ち、Ｒｉ　＝ｅｘｐ　（、ｒｔａｎ［（ Φ１−０１）　／２コｄΦｌ）Ｏｉ　＝ＣＩＥｒｆ−’　（Ｃ＊Φｌ）（ここで、Ｅｒｒ−’は、Ｅｒｆ（ｘ）＝ｆｅ　ｘ　ｐ　（−ｘ”／２）　ｄｘという誤差関数の逆関数であり、ＣＩ及びＣｍは定数である）に従う前記半径ベクトルＲ１によって決定されるように、前記出力強度が、Ｏｉの関数としてガウス関数的な挙動となる請求項１に記載の非結像光照明装置。

８、前記光反射面の空間位置が、次式即ち、Ｒｉ　＝ｅｘｐ　（ｆｔｉｎ［（Φ ｌ−θｉ）／２］ｄΦ１）Ｏｌ　＝Ｃ，５ｉｎ−’　（ＣｍΦｌ）（ここで、　３ｉｎ−’は、アークサイン関数であり、Ｃ１及びＣ３は定数である）に従う前記半径ベクトルＲｉによって決定されるように、前記出力強度が、Φｉの関数としてコサイン関数的な挙動となる請求項１に記載の非結像光照明装置。

９、前記選択的な出力強度は、Ｏｌを立体角とする開数Ｐ（Ω１）に応じた挙動をすると共に、Ａｉｌ記光反射反射空間位置は１次式即ち、Ｒｉ　＝ｅｘｐ　［ｆｔａｎ［（Φ ｉ−Ｏｉ）　／　２コｄΦｉ１．及びＣｏ３Φｌの線形関数であるＪＰｃΩｉ）　ｄ（ｃｏｓ（ｌ　ｉ）に従うＡｒｔ記半径ベクトルＲｉによって決定される請求項１に記載の非結像光照明装置。

１０、　０°１−０１−δ （δは、前記光反射面における前記光源によって画定される角度）、となるように、エツジ線法に従って計算される角度θ′１において、１１６前記光源は、 δ＝ａｒｃ　５ｉｎｅ　（ρ／Ｒｉ）Ｒ＝ｅｘｐ　［ｆｔａｎ（Φ１−Ｏｉ＋ａｒｅ　ｓｉｎ　（ρ／Ｒｉ）　ｄΦ冨）に従う半径ρの円形状を備える請求項１０に記載の非結像光照明装置。

１２、前記光反射面の前記空間位置は、前記光源に対してインボリュートな別の表面部位を含む請求項１０に記載の非結像光照明装置。

１３、前記選択された光出力は、二つの直交面において異なるプロフィールを有しており、前記プロフィールは、次式即ち、Ｒｉ　＝ｅｘｐ　ｆｆｔａｎ［（Φｉ−０’ｉ）／２コｄΦｌ）（ここで、角度０１は、δを前記光反射面における前記光源によって画定される角度とした場合、　Ｏ’１＝（７ｉ−δ　となるように、エツジ線法に従って計算される）によって定義される前記半径ベクトルＲ１によって、前記直交平面の各々と個々に関連して決定される前記光反射面の少なくとも一部に応じ、前記直交面において決定されてなる請求項１０に記載の非結像光照明装置。

１４、Φｌに対するＯｉの関数的依存関係は、前記平面の各々において出力角度Ｏ１にわたって相対的に一様な出力を達成するように最適化される請求項１３に記載の非結像光照明装置。

１５、前記平面の各々におけるΦｌに対するＯｌの関数的依存関係は、指数的、ガウス的及びコサイン的な性質の少なくとも−・つを含む角度θ１にわたって予め選択された出力を達成するように最適化される請求項１３に記載の非結像光照明装置。

１６、前記光反射面の前記部分は、前記光源に対しインボリュート的である請求１１１１３に記載の非結像光照明装置。

１７、角度範囲０１にわたり電磁放射用の選択的な出力強度を発生するための非結像光照明装置であって、特定の寸法を有する電磁放射源と、前記放射源及び当該反射面の開口部の反対側に位置する放射源のあたりに少なくとも部分的に位置決めされた電磁放射反射面と、を備え、前記反射面は、当該反射面を描く特徴的な表面輪郭パラメータなもっており、前記？ｌｔｌ放磁源の１１１１記特定ＸＩ法は、ｎｆＩ記放射源から前記反射面までの距離、特徴的な角度及び半径へりトルによって定義された前記光源によって定められた角度、往びに、前記反射面の関数形状及び縦断面線長のうちの少なくとも一つを備える寸法パラメータに比して、小さいことと、前記反射面の空間位置が、前方直射照明と、前記特徴表面輪郭パラメータの少なくども一つの関数と１−ての角度（ｌｉでｎ１■記反射面から一旦反射された前記電磁エネルギー放射線との間の角度Ｏ１によって、前記放射源に起因する電磁エネルギー放射線に対して定義されてなる非結像光照明装置。

１８、ｉｆｌ記特徴表面輪郭パラメータは、Ａｌｌ記電磁放射源の表面から前記反射面までの半径ベクトルＲｌ　、　＋’＋ｆｉ記゛１１径ベクトルＲ１と当該装置から出力される前方直射照明の１８０”　方向との間の角度Φｌ、及び、前記反射表面に沿っての距離の測定＋１４−（Ｉγのうちの少なくとも一つを３んでなる請求項１７に記載の非結像光照明装置。

１９、Ｏｌは、前記反射面が三次元に広がった状態での立体角である請求項１７に記載の非結像光照明装置。

２０、角度範囲θ１にわたり均一な効率で前記放射線を収集する非結像電磁放射収集装置であって、電磁放射線を受けとめるコレクターと、前記コレクター及び当該光反射面の開１」部と反対側に配置されたコレクターのあたりに少なくとも部分的に位置決めされた光反射面と、を備え、前記光反射面の空間位置は、前記コレクターの表面からの半径ベクトルＲｉによって、電磁エネルギー放射線を受けるための前記コレクターに対して決定されると共に、前記半径ベクトルＲ１は、当該半径ベクトルＲ１と当該装置から出力される前方直進照明から１８０°の方向との間の角度Φ１、及び、前方直進照明と前記コレクターに対し前記光反射面から一旦反射された前記電磁エネルギー放射線との間の角度θｌと関連しており、次式即ち、Ｒｉ　−（定数）ｅＸｐ（ｆｔａｎ［（ Φｌ−θ’ｉ）／２コｄΦ）θ’１＝Ｏｉ−δ　（δは、反射器での線源の近くで区画された角度）に従う前記角度Φｌの関数として変化する非結像電磁放射収集装置。

２１、前記コレクターはエネルギー変換器を備えており、Φ１に対するΦｌの関数的依存関係は、角度０１にわたる相対的に一様な出力を達成するように最適化されている請求項２０に記載の非結像電磁放射収集装置。

２２、前記光反射面の空間位置は、前記光源に対してインボリュート的な別の部分を含んでなる請求項２０に記載の非結像電磁放射収集装置。

２３、＋ｉｆｌ記コレクターはエネルギー変換器を備えており、Φ１に対する０１の関数的依存関係は、指数的、ガウス的及びコサイン的分布のうちの少なくとも一つを有する予め選択された入力を達成するように最適化されている請求項２０に記載の非結像電磁放射収集装置。

２４、前記コレクターはエネルギー変換器を備えており、Φｌに対する（ｌｉの関数的依存関係は、指数的、ガウス的及びコサイン的分布のうちの少なくとも一つを有する予め選択された入力を達成するように最適化されている請求項２０に記載の非結像電磁放射収集装置。

２５、立体角Ｑの関数としての本質的に均一な出力強度を生み出すための非結像光照明装置であって、点光源と、前記光源及び当該光反射面の開口部の反対側に位置する光源のあたりに少なくとも部分的に位置決めされた光反射表面と、を備え、前記本質的に均一な出力強度を生み出す前記光反射面の空間的な位置は、前記光源の表面からの１り径ベクトルＲｉによって、　ｔ’ｉｆｌ記光源から生ずる光線に対して決定されると共に、Ｃｆ１ｌ記゛ｒ゛径ベクトルＲ１は、当該半径ベクトルＲ１と当該装置から出力された前方直進照明から１８０°方向との間の角度Φｌ、及び、前方直進照明と半径ベクトルＲ１でｉｔｉ前記九反射表面から一旦反射された光線との間の角度 θ１と関連しており、次式即ち、Ｒｉ　＝ｅｘｐ　（ｆｔａｎ［（Φ１−Ｏｉ）／２］ｄΦｌ）（ここで、ｃｏｓＯｉは、ｃｏｓΦｌの線形関数である）に従って、１ｉｆｉ記角度Φｌの関数として変化する前記光反射面の前記空間位置ブロワ・イールを決定する非結像光照明装置。

明細書非結像光照明システムこの発明は一般に、限定的だが広がりの少ない電磁エネルギー源からの選択された非結像光出力を使用者に提供するための方法及び装置に関するものである。

より詳細には、この発明は、小さく限定的な光源用の光学装置のデザインプロフィールが、光学的表面からの光線の反射の受入れ角度を調節可能なものとなり得る方法及び装置に関するものである。そのような機能上の依存性を許容することにより、非結像出力が適切に制御されることになる。

限定された範囲の光源による照明に関する方法及び装置が、米国特許第３，９５７゜０３１号、　４，２４０，６９２号、４，３５９，２６５号、４，３８７，９６１号、４，４８３，００７号、４，１１４，５９２号、４，１３０，１０７号、４，２３７，３３２号、４，２３０，０９５号、　３，９２３，３８１号、４，００２，４９９号、４．０４５，２４６号、４，９１２，６１４号及び４，００３，６３８号を含む多くのアメリカ特許において述べられている。それらの全てがここで参照することにより組み入れられている。これら特許の一つにおいては、光学的デザインに、光源の放射表面上で始まるようにさせられた反射鏡を備えることをめることにより、非結像照明の性能が高められている。しかしながら、実際にはそのようなデザインは、赤外線ランプのような光源によってもたらされる非常な高温のために、及び、光源に要求される厚い保護層又はガラス外被のために、非実用的である。他のデザインにおいては、光源が相当な距離前れていることが必要とされる。加えて１問題の他のパラメータに比較して光源が小さいときは、限定されたサイズの光源用に設計された解決法を用いる従来の方法は、十分にコントロールされていない非結像出力を供給し、このことは理想的な照明よりも劣った結果をもたらす、従って、本質的な困難さは、光学的デザインが次のような状態、即ち、（１）光源サイズがいかなる反射又は屈折コンポーネントへの接近の至近距離よりもずっと小さい状態、または、（２）反射又は屈折コンポーネントにおける光源での角度が、光線の発散角度より小さい状態、を伴うときに起こる。

故に、本発明の目的は、使用者に選択的な非結像光出力を供給する改良された方法及び装置を提供することにある。

本発明の別の目的は、使用者に小さいが限定的な電磁エネルギー源を用いた光学的デザインからの電磁エネルギーの選択的な非結像光出力を与える新規な方法及び装置を提供することにある。

本発明の更なる目的は、電磁光線に対する光学的受入れ角度が２次元及び３次元光学装置のプロフィールパラメータの関数となる、改良された光学装置及びデザイン方法を提供することにある。

本発明の更なる目的は、放射線の収集用の改良された光学装置及びデザイン方法を提供することであり、さらには、使用者に選択された強度出力をある角度範囲にわたり生み出す新規な光学装置及び方法を提供することである。

本発明の更に他の目的は、出力角度の広い範囲にわたってほぼ均一な先出力を発生させる非結像光照明システムを供給するための改良された方法及び光学装置を提供することにある。

本発明の他の目的、特徴及び利点は、以下に記述された好ましい実施例に関する以下の記述から明らかになるであろう、好ましい実施例は、添付した図面と関連しており、図面を通じ一〇同じ要素は同じ参照番号を有している。

−吋画Ω虚哩− 図１は、非結像出力を与える２次元光学装置を示す。

図２は、図１の光学装置の一部を、光源及び該装置の直接反射面と関連して示す。

図３Ａは、光学システムの底部を図示し、図３Ｂは、反射面のインボリュート部（回旋部）を、光源と関連して選択された臨界デザイン寸法及び角度デザインパラメータとともに示す。

図４Ａは、非結像照明用の３次元光学システムの透視図であり、図４Ｂは、図４Ａの光学システムの一部を図示する。

図５Ａは、本発明の実施例における強度等高線を示し、図５Ｂは、従来の光学デザインからの非結像強度出力の等高線を示す。

しい　のき　を普他のシステムパラメータに比して小さな光源を用いた非結像照明を提供する光学システムの設計に際しては、光源が広がりを持たないという制限的事情を考慮するべきである。このことは、光源の有限サイズ及び特定の形状がデザインを決定する上での重大事になるという通常の非結像の問題とはある意味で正反対である。すべての実際的な状態において、有限であるが小さな光源は、従来技術にある有限の光源デザインによるよりも、ここに記載された小光源の非結像デザインによってより適用され得る。

我々は光源を無視できるような直径の線または点によるものであると理想化して考えることができるとともに、非結像光学の伝統的な「エツジ線法」と類似した、一つの反射の解決をめることができる（例えば、Ｗ、　Ｔ、ウェルフォード及びＲ，ウィンストン著「高収集非結像光学Ｊ　アカデミツクプレス、ニューヨーク・ニューヨーク（１９８９年）を参照）０図３に示すように、原点としての光源及び反射光線の角度としてＯと共に極座標Ｒ１Φが用いられる０図３の幾何学図形は、光源の角度と反射角度との間に次の関係が成り立つことをに示す。

ｄ／ｄΦ（ｌｏｇＲ）＝ｔ　ａｎα、　（１）ここで、αは法線に対する入射角である。

故に、 α＝（Φ−ｆ））　／２　（２）式（１）は容易に積分されて、ｌｏｇ　（Ｒ）＝ｆｔ　ａｎｃＬｄΦ＋（定数）　（３）となり、そして、Ｒ＝（定数）　・ｅｘｐ　ＣｆｔａｎαｄΦ）　（４）が得られる。

この式（４）は、要求される関数的依存性Ｏ（Φ）のための反射プロフィールＲ（Φ）を決定するｂここで、軸対称なものとする線源から特定の角度分布ｐ　ｃｏ＞を有する出力（Ｐ）を放射したい場合を考える０例えば、θ＝０〜θｌにおいて、Ｐ　（Ｏ）　＝一定で、かつこの角度範囲外ではＰ　（１？）はほぼＯであるとする。エネルギーの保存によって、Ｐ　（（Ｊ）　ｄＯ＝Ｐ　（Φ）ｄΦ（実質的な反射損失を無視する）であり、所望の放射光線プロフィールを得るためには、ｄ（ＪｄΦ ＝ｐ（Φ）／Ｐ（θ）　（５）を確保することのみが必要となる。その方法を例証するために、上記線光源における一定のＰ　（Ｏ）の例を４察する。線光源が回転対称であることによって、ｄＰ／ｄΦ＝定数となり、そのため、式（４）に従い、θ＝ａΦのように０がΦの線型関数であることが必要となる。そして、式（３）の解は、Ｒ＝Ｒ＋＋　／ｃｏ　ｓ”　（Φ／ｋ）　（６）ｋ＝２／　（１ −ａ）　（７）となる、ここで、ＲｏはΦ＝０のときのＲの値である。

ａ　＝Ｏ（ｋ　＝２）の場合には、棒形式での放物線が与えられることが分かる。

Ｒ＝Ｒａ／ｃｏｓ”　（Φ／２）　（８）一方、０−一定＝０１の場合には、軸から離れた放物線が与えられることが分かる。

Ｒ＝Ｒｏ　ｃｏｓ’　（０１／２）／ｃｏｓ”　［（Φ−ｅｏ）／２］（９）ここで、代わりに特定の強度分布をもつように面を照明することを望む場合を想定する。このとき、面の位置と角度Ｏとが関係づけられるとともに、上記のようにして処理される。

球面対称な点線源の旋回において、Ωが放射立体角であるＰ（Ω）が一定の場合が考えられる。ここで、エネルギー保存によって、Ｐ（Ω）ｄΩ＝Ｐ（Ω。）ｄ Ω。　（１０）が得られる。Ω・は放射源の放射立体角である０点線源が球面対称性によって、Ｐ（Ω。）＝一定となる。更に、ｄΩ＝　（２ｍ）ａｃｏｓＯｌ及び、ｄΩｅ　＝　（２ｙｃ）ａｃｏｓΦを得る。従って、ＣＯ３θをｃｏｓΦの線型関数、即ち、ｃｏｓθ＝ａ　ｃｏｓΦ＋ｂ　（１１）にする必要がある。

境界条件が、Φ＝０のとき０＝０で、Φ＝Φ。のときθ＝０１であれば、ａ＝　（１−ｃｏｓ（１１）／　（１−ｃｏｓΦ。）　（１２）ｂ＝　（ｃｏｓＯｌ− ｃｏｓΦ。）／（１−ｃｏｓΦ０）　（１３）を得る。

［例えば、θ１く１で、かつ、Φ。＝約π／２であるとすると、０はおよそ、１２０．　ｓ　ｉ　ｎ　（（＋／２）Φ）　となる、］この関数的従属性は、通常の数値法によって積分された式（４）に適用される。

反射器のプロフィールＲ（Φ）を描くための有効な方法は、反射線ｒ（Φ）の包絡線（大面）に換算することである。これは、反射光線ｔ＝（−ｓｉｎ（＋。

ｃｏｓｔ）の方向に換算することで最も簡単に得られる。ｒ（Φ）が反射線に沿って位置しているため、ｒ　＝Ｒ＋Ｌ　ｔ、　（１４）の形式となり、Ｒ＝Ｒ（ｓ　ｉｎΦｒ　ＣｏｓΦ）となる。

更に、ＲｄΦ＝Ｌｄθ　（１５）であり、これは反射の法則の結果である。故に、ｒ　＝Ｒ＋　ｔ　／　（ｄ　＆／ｄΦ）　（１６）０が線形関数ａΦであると上記した場合において、大面曲線は特に簡単な式、大面に換算する際、ぴんと張った糸の軌跡のように反射器のプロフィールＲをち察することができる。糸は一端が起点に固定された状態で入面【から解かれる。

全ての実用的なデザインでは、小さいが有限サイズの光源は、上記のようにして得られた少量の「点のような」又は「線のような」角度分布によって不鮮明となろう。放射線が光源へ戻るのを防止するために、虚像光源に対するインボリュー・トを有するＯ＝０の付近におｌする解決を図りたいかもしれない、このように、反射器の設計は［アイスクリームコーンＪ状の虚像光源に対してインボリュート的であるべきである。

この結果を遂行する方法は技術的によく知られている（例えば、Ｒ，ウィンストン著、　「応用光学」　１７巻、第１６６頁（１９７８年）を参照）、また、ここで参照することで組み込まれている米国特許第４２３００９５号を参照されたし。

同様に、光源の有限サイズは、光源からの光線を非結像デザインの「エツジ線」のやり方で中心からではなく周囲から生ずるように配慮することによって、よりよく適用され得る。この方法が実行されると添４＝１書類（及び図２参照）のコンピュータプログラムを使って計算されたプロフィールになる。線光源及びプロフィールの例が図１に示されている。光線パターン及び／又は光源が回転対称でない場合においても、通常の閉鎖放物線形状の反射面と類似した閉鎖二次元反射器を用いることができる。どんな場合でも、上記した方法は、光源が問題となる他のパラメータと比較して小さい場合に最も有用である。

多くの実用的な光源は、軸線的に対称な線光源に近似させることができる長いアーク光源を含むことができる。そのとき、式（５）〜（９）及び本文において説明されているように、上記のようにして決定された反射器のブロブイールＲ（Φ ）を利用することができる。この解析は光学装置の二次元及び三次元反射面プロフィールに等しく適用される。

他の実用的な光源は、球面対称な点光源に近似させることができる短いアーク光源である。光学的なプロフィールを決定する際の詳細は、式（１０）〜（１３）％式％非結像光学システム２０の々Ｉまｌ〜い形態は図４Ａにおいて示され、図５Ａには代表的な非結像出力が示されている。そのような出力は典型的には、通常の赤外線光源２２（図４Ａ参照）、例えば高強度アークランプ又はグラファイトグローバーを用いることにより得ることができる０反射側壁２４及び２６は光源２２から放射された赤外線を収集するとともに、反射側壁２４及び２６から光学的に遠い領域へその赤外線を反射する。理想的な赤外発生機は、特定の角度範囲（代表的には約１５度の円錐体）内、又は垂直面に対して６度で水平面に対して２０度の非対称範囲において、光源２２からの放射を集中させる０図５Ｂの等廃線に示すように、従来技術における放物面反射体システム（図示せず）は一様でない出力強度をもたらすが、光学システム２０は図５Ａに示すように、はぼ一様な強度の出力をもたらす、従来技術の複合放物線集中機（ｃｐｃ）のデザインからの、強度プロフィールにおける優れた改善に注目されたし、各種の改善点は、以下の表■において表形式で要約されている。

好ましい実施例において、実際の光学的なプロフィールをデザインするには。

４つのパラメータの仕様を必要とする１例えば、コンセントレータ（集中機）をデザインする場合、これらのパラメータは。

１、ａ＝　円形アブソーバの半径；２、　ｂ＝　ギャップのサイズ；３、　ｃ−式０＝ｃ　（Φ−Φ。）における０とΦ−Φ。との間の比例定数；４、　ｈ−最大高である。

コンピュータプログラムはその計算を実行するために用いられ、これらの数値はユーザーから得られる（明細書の一部として含まれるコンピュータソフトウェア付属１類として添付されたプログラムの第６行〜第１３行を参照）。

図３ＢにおいてΦ＝０からΦ＝Φ。まで、反射体の輪郭（プロフィール）は、最接近したときにｂと等しくなるような距離を有する円のインボリュ−１・（伸開線）である。この曲線のパラメータ式は、角度αによってパラメータ表示される（図３Ａ参照）。図３Ｂから、ΦがＯからΦ。に変化するにつれて、αはα０から９０度に変化することが分かる。角度α、はａ及びｂに従属しているとともに、コンピュータソフトウェアプログラムの第１４行において計算される。第１５行と第１０１行との間において、インボリュートの５０ポイントが、パラメータ方程式を介して極座標で計算される。　（ｒ、ｆｌｙ）ポイントはそれぞれｒ　（ｉ）及びシータ（１）の配列で読み取られる。

Φの数値がΦ。よりも大きな場合、プロフィールは微分方程式、即ち、ｄ（ｌｎｒ）、’ｄ　Φ＝　ｔｉｎ　［１／２　［Φ−θ十ａｒｃ　５ｉｎ（ａ／ｒ）コ　）の解である。ここで、０はφの関数である。このことはプロフィールｒ（φ ）をＯの関数にする。ザンブル計算が実行されたとき、０はステップ４におけるようにΦの線型関数となるようにとられる。他の関数の形式は本明細書において記述されているにの領域においては１５０の（ｒ、シータ）点を得ることが望ましい。加えて、プロフィールは最大高りを有する切形でなければならない、この高さに相当する（ｒ、シータ）点は定がでないが、最大高の条件が満たされるまでΦ。を越えてΦを増加させることによって、上記方程式を解かなければならない。

この計算は、第１０２行及び第１１５行の間における慣例的な４次数のルンゲークッタの数値解法を用いることによって行われる。最大高さの条件は第１１６行と第１２０行との間においてチェックされる。

最大高さの（ｒ、シータ）点が分かれば、Φ。と最大高さポイントとの間で、１５０の（ｒ、シータ）点を正確に計算するためのステップサイズを設定することができる。この設定は、第２０１行と第３００行との間において、同じ数値解法を用いることによってなされる。又、そのポイントはｒ（ｉ）、シータ（ｉ）の配列で読み取られる。

最後にｒ　（ｉ）及びシータ（１）の２つの配列が残っており、各々は反射器表面の２００の（ｒ、シータ）点を特定する２００の構成要素を有している。これらの配列は、デザイン仕様、及び、光線トレースの応用例のために用いることができる。

一様な光線のデザインプロフィール（Ｐ　（Ｏ）　＝一定）の場合、代表的なパラメータのセントは、θ　（Φ）＝Ｃ（Φ−Φ。）に対して、ａ＝　０．０５５　インチｂ＝　０．１００　インチｈ＝１２．３６　インチｃ＝　０．０５１３６となる（図１も参照されたし）。

指数的な光線プロフィール（Ｐ　（θ）　＝　ｃ−ｅｘｐ（−ａθ））の場合、代表的なパラメータのセットは、ａ＝はぼＯｈ＝５．　２５ｂ＝０．１００　ｃ＝４．６９４０　（Φ）　＝０．１３１１　ｎ　（１−Φ／ｃ）となる。

図１の光学装置に対する一様な光線のプロフィールの光線トレースは、以下の表１１において、出力表形式で示されている。

付録　ＤＩＸ−コンピュータソフトウェアプログラムＩ　ｐｒｏｇｒｌ１ｗ＋　ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓ２　ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ　ｒ（１：２００）、　ｔｈｅｔａ（１：２００）、　ｄｘｄｘ（１：２００）３　ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ　ｘｘ（Ｃ２００）、　ｘｘ（１２００）４　ｒｅａｌ　Ｉ、　ｋｌ、　ｋ２．　ｋ３．　ｋ４５　ｐａｒａｒａｅｔｅｒ　（ｄｅ（ｔｏｒａｄ＝３．Ｉ４１５９２７／１８０．０）６　ｗｒｉｔｅ（＊、＊）’Ｅｎｔｅｒ　ｒａｄｉｕｓ　ｏｆ　ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ　ａｂｓｏｒｂｅｒ、　’７　ｒｅａｄ（牢、ネ）＆８　ｗｒｉｔｅ（傘、＊）’Ｅｎｔｅｒ　ｇａｐ　ａｉｔｅ、’９　ｒｅａｄ（傘、ネ）ｂｌｏ　ｗｒｉｔｅ（率、＊）’Ｅｎｔｅｒ　ｃｏｎｓｔａｎｔ、’ＩＩ　ｒｅａｄ（傘、＊）Ｃ１２ｗｒｉｔｅ（本、すＥｎｔｅｒ　ｍｉｘｉｍｕｍ　ｈｅｉｇｈｔ、’１３　ｒｅａｄ（＊、＊）ｈｃ　ＧＥＮＥＲＡＴＥ　５０　ＰＯＩＮＴＳ　ＯＦ　ＡＮ　ＩＮＶＯＬＵＴＥ１４　ａｌｐｈａ（１＝ａｃｏｓ（ａ／（ａ　＋　ｂ））１５　ｄｏ　１００　ｉ＝１．５（１，１１６ａｌｐｈａ＝　（（９０傘ｄｅｌｔｏｒａｄ−ａ　１ｐｈａ□）／４９．０）＊ｆｌｏａｔ（ｉ−５０）　＋９Ｄ＊ｄｅｇｔｏｒａｄ１７　ｄ＝　（ａｌｐｈａ　−１１ｐｈｉＯ）＊ａ　＋　５ｑｒｔ（（ａ　＋　ｂ）本＄２　−　ａ＊本２）＋８　ｘ＝　ａ傘５ｉｎ（ａｌｐｈａ）　−ｄｏｃｏｓ（ａｌｐｈａ）１９　ｚ＝　−ａ＊ｃｏｓ（ａｌｐｈａ）　−ｄ＊５ｉｎ（ｉｌｐｈｉ２０　山）＝ｓｑｒＬ（ｘ本＊２＋　ｚ＊＊２）２１　ｔｈｅｖａ（ｉ）＝　ａｔａｎ（ｚ／ｘ）２２　ｐｈｉ＝　ｔｈｅｔａ（ｉ）　＋　（９０，Ｏ＊ｄｃ４ｔｏｒａｄ）１００　ｃｏｎｔｉｎｕｅ＋０１　ｔｈｅｔｉ（１）＝　−９０，Ｏ＊ｄ＋４ｔｏｒａｄｃ　ＧＥＮＥＲＡＴＥ　１５０　ＰＯＩＮＴＳ　ＯＦ　ＴＩＩＥ　ＷＩＮＳＴＯＮ−ＴＹＰＥ　Ｃ０ＮＣＥＮＴＲＡＴＯＲ１０２ｖ＝　０．０１０３　ｈ＝ｏ、ｏｏｌ１０４　ｐｈｉｏ＝ｔｈｅｔａ（５０）　＋　（９０，Ｏ＊ｄｅｇｔｏｒａｄ）　＋　０．００１１０５　ｐｈｉ−ｐｈｉ。

１０６　ｆ＝　ａｌｏｇ（ｒ（５０））＋０７　ｄｏ　２００　ｗｈｉｌｅ（ｖ、ｅｑ、０．０）１０８　ｐｈｉ＝　ｐｈｉ　十ｈ１０９　ｋｌ＝　ｈ机ａｎ（０５＊（（１，０−ｒ）＊ｐｈｉ　＋　ｃ＊ｐｈｉｏ　＋　ａｓｉｎ（ｉ／ｅｘｐ（ｆ））））１１０　ｋ２＝　ｈｃｔａｎ（０，５＊（（１，０−ｃ）＊（ｐｈｉ＋０．５＊ｈ）＋ｃ＊ｐｈｉＯ＋＆　ａｓｉｎ（ａ／ｅｘｐ（ｆ＋ｏ、５＊ｋｌ））））ＩＩＩ　ｋ３＝　ｈ傘ｊａｎ（０，５本（（１，０−ｃ）＊（ｐｈｉ　＋〇、５＊ｈ）＋ｃ＊ｐｈｉＯ＋＆　ａｓｉｎ（ａ／ｅｘｐ（ｆ＋０．５本に２））））１１２　ｋ４−ｈｃｔａｎ（０，５＊（（１，０−ｃ）”（ｐｈｉ　＋ｈ）十ｃ傘ｐｈｉＯ＋＆　ａｓｉｎ（ａ／ｅｘｐ（ｆ＋に３））））！＋３　ｆ＝　ｆ　＋　（ｋｌ／６．０）　＋　（ｋ２／３．０）　＋（ｋ３／３．０）　＋　（ｋ４／６．０）１１４　ｒａｄ＝ｅｒｐ（ｆ）＋１５　ｚ−ｒａｄ傘５ｉｎ（ｐｈｉ　−（９Ｄｄｅ（ｔｏｒａｄ））１１６　ｉｆ（ｘｇｃ、ａ）　ｔｈｅｎ１１７　ｐｈｉｍａｘ＝ｐｈｉ１１ｇ　ｗｒｉｔｅ（（＊）’ｐｈｉｍａｘ＝’、ｐｈｉ／ｄｅｇｔｏｒａｄ１１９　ｖ＝　１．０＋２０　ｅｎｄｉ［２００ｃｏｎｔｉｎｕｅ２０１　ｆ＝　ａｌｏｇ（ｒ（５０））２０２　ｐｈｊ−（−１，０／１４９．０）＊（ｐｈｉｍａｘ−ｐｈｉＯ）　＋ｐｈｉ０２０３　ｈ＝　（ｐｈｉ＋ｎａｘ−ｐｈｉｏ）／１４９．０２０４　ｄｏ　３００　ｉ＝Ｉ、夏５０．１２０５　ｐｈｉ＝　ｐｈｉ　＋　ｈ２０６　ｋｌ＝　ｈｃｔａｎ（０，５＊（（１，０−ｃ）傘ｐｈｉ＋ｃ＊ｐｈｉＯ＋ａｇｉｎ（ａ／ｅｘｌｌ（ｆ））））２０７　ｋ２＝　ｈｃｔａｎ（０，５＊（（１，０−ｃ）傘（ｐｈｉ　＋０．５傘ｈ）＋ｃ＊ｐｈｉＯ＋＆　ａｓｉｎ（ａ／ｅｘｐ（ｆ＋０．５１ｋｌ））））２０８　ｋ３＝　ｈｃｔａｎ（０，５＊（（１，０−ｃＤ（ｐｈｉ　＋０．５＊ｈ）＋ｃ申ｐｈｉＯ＋＆　ａｓｌｎ（ａ／ｅｘｐ（ｆ＋０．５傘に２））））２０９　ｋ４＝　ｈｃｔａｎ（０，５中（（１，０−ｃ、Ｍ（ｐｈｉ　＋ｈ）＋ｃ＊ｐｈｉＯ＋＆　ａｓｉｎ（ａ／ｅｘｐ（ｆ＋に３））））２１Ｏｆ＝　ｆ　＋　（ｋｌ／６．０）　＋　（ｋ２／３．０）　＋（ｋ３／３．０）　＋　（ｋ４／６．０）２１１　ｒ（ｉ　＋５０）＝　ｅｘｐ（ｆ）２１２　ｔｈｅｔａ（ｉ　＋５０）；ｐｈｉ　−（９０，０＊ｄｅｇｔｏｒａｄ）３００　ｃｏｎｔｉｎｕｅ３０１　５ｔｏｐ３０２　ｅｎｄ

Claims

【特許請求の範囲】

１．ある角度範囲０にわたり選択的な出力強度を生み出す非結像光照明装置であって、特定の寸法を有する光源と、前記光源及び当該反射面の開口部の反対側に位置する光源のあたりに少なくとも部分的に位置決めされた光反射表面と、を備え、前記光源の前記特定の寸法は、前記光源から前記光反射面までの距離及び前記光反射面での光源によって範囲を定められた角度のうちの少なくとも一方に比して小さくなっており、前記選択された出力強度を生み出す前記光反射面の空間的な位置は、前記光源の表面からの半径ベクトルＲｉによって、前記光源から生ずる光線に対して決定されると共に、前記半径ベクトルＲｉは、当該半径ベクトルＲｉと当該装置から出力された前方直進照明から１８０°方向との間の角度Φｉ、及び、前方直進照明と半径ベクトルＲｉで前記光反射表面から一旦反射された光線との間の角度θｉと関連しており、次式即ち、Ｒｉ＝（定数）ｅｘｐ｛∫ｔａｎ［（Φｉ−θｉ）／２］ｄΦｉ｝に従って、前記角度Φｉの関数として変化する前記光反射面の前記空間位置プロフィールを決定してなる非結像光照明装置。
２．次式即ち、Ｒｉ＝ＲｏＣＯＳｘ（Φｉ／ｋ）ｋ＝２／（１−ａ） θｉ＝ａΦｉ（ここで、Ｒｏは前方直進照明から１８０°方向におけるベクトルＲの長さ、ａは定数）に従う前記半径ベクトルＲｉによって前記光反射面の空間位置が決定されるように、θｉの関数として、前記出力強度は一定である請求項１に記載の非結像光照明装置。
３．特定の角度範囲θｉにわたり予め選択された出力強度を有する光を選択的に出力するための非結像光照明装置であって、少なくとも二次元的な寸法を有する光源と、前記光源及び当該反射面の開口部の反対側に位置する光源のあたりに少なくとも部分的に位置決めされた光反射面と、を備え、前記光反射面の空間的な位置は、前記光源の表面からの半径ベクトルＲｉによって、前記光源からの光線の源に対して決定されると共に、前記半径ベクトルＲｉは、当該半径ベクトルＲｉと当該装置から出力された前方直進照明から１８０°方向との間の角度Φｉ、及び、前方直進照明と半径ベクトルＲｉで前記光反射面から一旦反射された光線との間の角度θｉと関連しており、次式即ち、Ｒｉ＝（定数）ｅｘｐ｛∫ｔａｎ［（Φｉ−θ１）／２］ｄΦ｝に従って、前記角度θｉの関数として変化する非結像光照明装置。
４．前記予め選択された出力強度は、前記特定の角度範囲にわたり、ほぼ一定強度をなす請求項３に記載の非結像光照明装置。
５．前記出力強度は、当該照明装置の開口に比して大きい当該照明装置からの距離に配置された参照面における照度分布を生み出してなる請求項１に記載の非結像光照明装置。
６．前記光反射面の空間位置が、次式即ち、Ｒｉ＝（定数）ｅｘｐ｛∫ｔａｎ［（Φｉ−θｉ）／２］ｄΦｉ｝θｉ＝Ｃ１ｌｏｇ（１−Ｃ２Φｉ）］ｄΦｉ｝に従う前記半径ベクトルＲｉによって決定されるように、前記出力強度が、θｉの関数として指数関数的な挙動となる請求項１に記載の非結像光照明装置。
７．前記光反射面の空間位置が、次式即ち、Ｒｉ＝ｅｘｐ｛∫ｔａｎ［（Φｉ− θｉ）／２］ｄΦｉ｝θｉ＝Ｃ１Ｅｒｆ−１（Ｃ２Φｉ）（ここで、Ｅｒｆ−１は、Ｅｒｆ（ｘ）＝∫ｅｘｐ（−ｘ２／２）ｄｘという誤差関数の逆関数であり、Ｃ１及びＣ２は定数である）に従う前記半径ベクトルＲｉによって決定されるように、前記出力強度が、θｉの関数としてガウス関数的な挙動となる請求項１に記載の非結像光照明装置。
８．前記光反射面の空間位置が、次式即ち、Ｒｉ＝ｅｘｐ｛∫ｔａｎ［（Φｉ− θｉ）／２］ｄΦｉ｝θｉ＝Ｃ１ｓｉｎ−１（Ｃ２Φｉ）（ここで、ｓｏｎ−１は、アークサイン関数であり、Ｃ１及びＣ２は定数である）に従う前記半径ベクトルＲｉによって決定されるように、前記出力強度が、Φ ｉの関数としてコサイン関数的な挙動となる請求項１に記載の非結像光照明装置。
９．前記選択的な出力強度は、Ωｉを立体角とする関数Ｐ（Ωｉ）に応じた挙動をすると共に、前記光反射面の空間位置は、次式即ち、Ｒｊ＝ｅｘｐ｛∫ｔａｎ［（Φｊ−θｉ）／２］ｄΦｉ｝、及びｃｏ３Φｉの線形関数である∫Ｐ（Ωｉ）ｄ（ｃｏｓθ ｉ）に従う前記半径ベクトルＲｉによって決定される請求項１に記載の非結像光照明装置。
１０．θ′ｉ＝θｉ−δ （δは、前記光反射面における前記光源によって画定される角度）となるように、エッジ線法に従って計算される角度θ′ｉにおいて、θｉ＝０′ｉとなる請求項１に記載の非結像光照明装置。
１１．前記光源は、 δ＝ａｒｃｓｉｎｅ（ρ／Ｒｉ）Ｒ＝ｅｘｐ｛∫ｔａｎ（Φｉ−θｉ＋ａｒｃｓｉｎ（ρ／Ｒｉ）６Φｉ｝に従う半径ρの円形状を備える請求項１０に記載の非結像光照明装置。
１２．前記光反射面の前記空間位置は、前記光源に対してインポリュートな別の表面部位を含む請求項１０に記載の非結像光照明装置。
１３．前記選択された光出力は、二つの直交面において異なるプロフィールを有しており、前記プロフィールは、次式即ち、Ｒｉ＝ｅｘｐ｛∫ｔａｎ［（Φｉ−θ′ｉ）／２］ｄΦｉ｝（ここで、角度θｉは、δを前記光反射面における前記光源によって画定される角度とした場合、θ ′ｉ＝θｉ−δとなるように、エッジ線法に従って計算される）によって定義される前記半径ベクトルＲｉによって、前記直交平面の各々と個々に関連して決定される前記光反射面の少なくとも一部に応じ、前記直交面において決定されてなる請求項１０に記載の非結像光照明装置。
１４．Φｉに対するθｉの関数的依存関係は、前記平面の各々において出力角度 θｉにわたって相対的に一様な出力を達成するように最適化される請求項１３に記載の非結像光照明装置。
１５．前記平面の各々におけるΦｉに対するθｉの関数的依存関係は、指数的、ガウス的及びコサイン的な性質の少なくとも一つを含む角度θｉにわたって予め選択された出力を達成するように最適化される請求項１３に記載の非結像光照明装置。
１６．前記光反射面の前記部分は、前記光源に対しインポリュート的である請求項１３に記載の非結像光照明装置。
１７．角度範囲θｉにわたり電磁放射用の選択的な出力強度を発生するための非結像光照明装置であって、特定の寸法を有する電磁放射源と、前記放射源及び当該反射面の開口部の反対側に位置する放射源のあたりに少なくとも部分的に位置決めされた電磁放射反射面と、を備え、前記反射面は、当該反射面を描く特徴的な表面輪郭パラメータをもっており、前記電磁放射源の前記特定寸法は、前記放射源から前記反射面までの距離、特徴的な角度及び半径ベクトルによって定義された前記光源によって定められた角度、並びに、前記反射面の関数形状及び縦断面線長のうちの少なくとも一つを備える寸法パラメータに比して、小さいことと、前記反射面の空間位置が、前方直射照明と、前記特徴表面輪郭パラメータの少なくとも一つの関数としての角度θｉで前記反射面から一旦反射された前記電磁エネルギー放射線との間の角度θ１によって、前記放射源に起因する電磁エネルギー放射線に対して定義されてなる非結像光照明装置。
１８．前記特徴表面輪郭パラメータは、前記電磁放射源の表面から前記反射面までの半径ベクトルＲｉ、前記半径ベクトルＲｉと当該装置から出力される前方直射照明の１８０°方向との町の角度Φｉ、及び、前記反射表面に沿っての距離の測定単位のうちの少なくとも一つを含んでなる請求項１７に記載の非結像光照明装置。
１９．θｉは、前記反射面が三次元に広がった状態での立体角である請求項１７に記載の非結像光照明装置。
２０．角度範囲θｉにわたり均一な効率で前記放射線を収集する非結像電磁放射収集装置であって、電磁放射線を受けとめるコレクターと、前記コレクター及び当該光反射面の開口部と反対側に配置されたコレクターのあたりに少なくとも部分的に位置決めされた光反射面と、を備え、前記光反射面の空間位置は、前記コレクターの表面からの半径ベクトルＲｉによって、電磁エネルギー放射線を受けるための前記コレクターに対して決定されると共に、前記半径ベクトルＲｉは、当該半径ベクトルＲｉと当該装置から出力される前方直進照明から１８０°の方向との間の角度Φｉ、及び、前方直進照明と前記コレクターに対し前記光反射面から一旦反射された前記電磁エネルギー放射線との間の角度θｉと関連しており、次式即ち、Ｒｉ＝（定数）ｅｘｐ｛∫ｔａｎ［（Φ ｉ−θ′ｉ）／２］ｄΦ｝θ′ｉ＝θｉ−δ（δは、反射器での線源の近くで区画された角度）に従う前記角度Φｉの関数として変化する非結像電磁放射収集装置。
２１．前記コレクターはエネルギー変換器を備えており、Φｉに対するΦｉの関数的依存関係は、角度θｉにわたる相対的に一様な出力を達成するように最適化されている請求項２０に記載の非結像電磁放射収集装置。
２２．前記光反射面の空間位置は、前記光源に対してインポリュート的な別の部分を含んでなる請求項２０に記載の非結像電磁放射収集装置。
２３．前記コレクターはエネルギー変換器を備えており、Φｉに対するθｉの関数的依存関係は、指数的、ガウス的及びコサイン的分布のうちの少なくとも一つを有する予め選択された入力を達成するように最適化されている請求項２０に記載の非結像電磁放射収集装置。
２４．前記コレクターはエネルギー変換器を備えており、Φｉに対するθｉの関数的依存関係は、指数的、ガウス的及びコサイン的分布のうちの少なくとも一つを有する予め選択された入力を達成するように最適化されている請求項２０に記載の非結像電磁放射収集装置。
２５．立体角Ωの関数としての本質的に均一な出力強度を生み出すための非結像光照明装置であって、点光源と、前記光源及び当該光反射面の開口部の反対側に位置する光源のあたりに少なくとも部分的に位置決めされた光反射表面と、を備え、前記本質的に均一な出力強度を生み出す前記光反射面の空間的な位置は、前記光源の表面からの半径ベクトルＲ１によって、前記光源から生ずる光線に対して決定されると共に、前記半径ベクトルＲｉは、当該半径ベクトルＲｉと当該装置から出力された前方直進照明から１８０°方向との間の角度Φｉ、及び、前方直進照明と半径ベクトルＲｉで前記光反射表面から一旦反射された光線との間の角度θｉと関連しており、次式即ち、Ｒｉ＝ｅｘｐ｛∫ｔａｎ［（Φｉ−θｉ）／２］ｄΦｉ｝（ここで、ｃｏ５θｉは、ｃｏ５Φｉの線形関数である）に従って、前記角度Φｉの関数として変化する前記光反射面の前記空間位置プロフィールを決定する非結像光照明装置。