JPH10501073A

JPH10501073A - 反射体アレーで形成されるレンズ

Info

Publication number: JPH10501073A
Application number: JP8500085A
Authority: JP
Inventors: ロード，アンドレー，ヴラディミロヴィッチ
Original assignee: ジオーストラリアンナショナルユニバーシティー
Priority date: 1994-05-31
Filing date: 1995-05-31
Publication date: 1998-01-27
Also published as: AUPM597794A0; WO1995033220A1; EP0769157A1; US5982562A; EP0769157A4

Abstract

(57)【要約】平面反射要素すなわちスラット(11,12)のアレーで構成される放射光を方向付けるためのレンズ。各反射要素(12,22)は不均一な大きさまたは表面積ｔを有し（図１）且つ／又は互いに隣接する要素との間に不均一な間隔ｄを有する（図２）。各要素は平行（図１、図２）か非平行（図３）にすることができる。各要素(12，22)は間隔ｄ_nと長さｔ_nとの比がｎ番目の要素への入射角γ_nを用いた下記関係式(a)で与えられるように位置決めされる：（ここで、ｄ_nはレンズの互いに隣接するｎ番目とｎ＋１番目の要素の間の間隔であり、ｔ_nはｎ番目の要素の長さ、Ｍはレンズの倍率である）。

Description

【発明の詳細な説明】反射体アレーで形成されるレンズ技術分野本発明はレンズ、コリメータおよび放射光の収集器として使用される光学要素に関するものであり、特に、フォーカシング（合焦点）、コリメーティング、放射光の集光に適した反射スラット(slat)アレー（鎧板の列）によって形成されるレンズに関するものである。発明の背景ＰＣＴ／ＡＵ93／00453号明細書に記載の放射光制御装置(放射光偏光器、集光器およびレンズを含む)の集合体では各装置が実質的に同一な反射要素のアレーで作られている。また、このＰＣＴ／ＡＵ93／00453 号の明細書には、細長い反射体のアレーが放射光の一次元フォーカシング（ラインフォーカシング）に使用できるということ、そして、こうした反射体アレーを２つ直角に交差させると各チャネルが四角形断面（各アレーの平行な反射体が等間隔に配置されている場合には正方形断面）の反射チャネルアレーと等価なものができるときうことが記載されている。すなわち、２列の反射ストリップまたはスラットを用いることによって二次元フォーカシングアレイすなわちレンズが構成できる。反射スラットアレー（上記の“90°に交差するスラット”レンズを含む）によって形成される光学装置の１つの利点は、反射体アレーを組み立てて光学装置を製作する前に細長い反射体の表面を磨いて傷を調べることができる点にある。このことによって、上記ＰＣＴ／ＡＵ93／00453 号明細書にも記載されているように、反射スラットの反射表面が所定波長を選択的に反射するように反射表面にコーティングをすることができる。この形式の“90°に交差したスラットレンズは、Ｘ線（および波の特性を有する他の放射線）を焦点領域に集光するために利用されている従来の装置に比べて、さらに別の利点もあるということを本発明者は見出した。この追加の利点とはレンズまたはフォーカシング装置の“強度の利得”が大幅に増加することである。なお、当該分野でのレンズまたはフォーカシング装置の利得Ｇは下記関係式で定義される：（ここで、Ｉ_dはその装置の焦点または焦点領域での放射光強度、Ｉ_oはフォーカシング装置を用いない場合の同じ位置での放射光強度）発明の開示スラットレンズ(slatted lens)およびクロススラットレンズ(closs-slats len s)の改良研究中に、本発明者達は、レンズの各反射体すなわちスラットが基本的に互いに同一でなく、レンズの軸からスラットまでの距離が増加するにつれてスラットの表面積を徐々に変化させると、フォーカシング効率が 100％に近い改良されたスラットレンズが得られるということを見出した。このレンズは、(i)スラットが平面で、(ii)レンズの軸からの距離とともにスラット表面積が減少するように変化するのが好ましい。しかし、このレンズの製造ではレンズの各スラットをグループに分け、フロントツーバック長(front-to-back、以下、前後長)ｔを等しくし且つ一つのグループ内のスラント間の間隔ｄを違えるのが便利である。その比ｄ_n／ｔ_n はレンズ軸上の点源からのレンズのｎ番目のスラットへの放射光の入射角γ_nで決まり、倍率１の時には近似的に下記の関係式：で与えられ、より正確には下記の式で与えられる：（ここで、ｄ_nはレンズの n番目とn+1 番目のスラットの距離（間隙）であり、ｔ_nはレンズの軸に平行な方向での n番目スラットの大きさ(extent)であり、Ｍはレンズの倍率を示す）レンズを構成するスラットの間隔（すなわちレンズを構成する互いに隣接するスラット間の間隔または平均間隔）はレンズ軸線上の所定位置にある点源からの放射によってスラットすなわち反射体がレンズの互いに隣接する外側の反射体上に“影”を作らないようにするのが好ましい。これは一般に互いに隣接するスラット間の距離ｄがレンズの軸線からスラットまでの距離とともに次第に広くなることを意味し、点源から放射されるエネルギーが隣接するスラット間の空間内で多重反射される可能性は最小になる。フォーカシングレンズの場合には、レンズによって集められるエネルギーが最大になり、レンズの利得が増加する。本発明は、レンズの軸線に対して対称に互いに間隔を介して配置された複数のスラットで構成され、各スラットはレンズの軸線の方を向いた１つの面を有し、この面が反射表面を備えている改良型スラットレンズにおいて、(i)スラットの長さｔと、(ii)互いに隣接するスラット間の距離ｄと、(iii)レンズの軸線からｎ番目にあるスラットでのレンズ軸線上にある点源からの放射光の入射角γが下記で与えられることを特徴とするスラットレンズを提供する：本発明の新規なスラットレンズのこの定義は、各スラットの片面のみが反射表面を有することを要求しているが、多くの場合（例えば細長い放射光源に対してレンズを使用する場合または部分的に拡散した放射光を集光するためにレンズを使用する場合）、スラットの両面が反射表面を有するのが好ましい。平らな反射体（スラット）を用いたレンズの母線（すなわち各反射体に直角な線）は、(i)レンズを平行ビームを集光するために使用する場合または点源から平行なビームを得るために使用する場合には放物線型であり、収束ビームを集光する場合または点源から発散ビームを作る場合には楕円形であり、(iii)発散ビームを集光する場合には双曲線型、特に焦点での強度利得を高くするには凸面の双曲線型（デマグニフィケーション）にし、マグニフィケーションを行うためには凹面の双曲線型にすることができる。オフアクシス角（軸線からの角度）が小さい場合には放物線、双曲線または楕円は全て円に近づくので、角度の狭いレンズでは母線は円筒の一部の形状を有する。スラットレンズのスラットの先端または後端のエンベロープがほぼレンズの軸線と直交する平面の場合には、２つのスラットレンズをそれらのほぼ平らなスラット端縁を互いに近接させた状態（好ましくは互いに当接させた状態）でそれらのスラットが“90°で交わる”ように配置して２つの一次元レンズが共通の湾曲 (curvature)中心を有する改良されたクロススラットレンズを構成することができる。この種のレンズは上記ＰＣＴ／ＡＵ93／00453 号明細書に記載されており、この明細書の詳細は参考として全て本明細書の一部を成すということは当業者には理解できよう。本発明の１つの広い概念で提供される平面反射要素のアレーからなる放射光を方向付けるためのレンズは、各平面反射要素がそれぞれ不均一な大きさまたは表面積を有し、および／または隣接する要素が不均一な間隔を有することを特徴とする。各要素の表面積はレンズの軸線から各要素までの距離が増大するにつれて隣接する要素よりも小さくなるのが好ましい。あるいは、各要素の大きさを一定とし、レンズの軸線からの距離が増大するにつれて各要素間の距離が増加するのが好ましい。各要素は外側にある隣接する要素の上に影を作らないような間隔および／または表面積を有するのが好ましい。ｄ_n／ｔ_nの比は下記関係式で与えられるようにレンズの各要素への放射光の入射角γ_nによって決めるのが好ましい：（ここで、ｄ_nはレンズ内の互いに隣接するｎ番目とｎ＋１番目の要素の間隔であり、ｔ_nはｎ番目の要素の長さである）より好ましくは、ｄ_n／ｔ_nは下記関係式で示されるようにレンズの各要素への放射光の入射角γ_nによって決定される：（ここで、ｄ_nはレンズ内の互いに隣接するｎ番目とｎ＋１番目の要素の間隔、ｔ_nはｎ番目の要素の長さ、Ｍはレンズの倍率を表す）好ましい形態では、要素の片面または両面に反射表面を有している。レンズの母線は単純にするか、複合型、双曲線（凹型双曲線または凸型双曲線）、放物線、楕円または円形にするのが好ましい。好ましい形態では、クロススラットレンズは上記のように２つのレンズで構成され、各レンズの要素は、ほぼ平らな各端縁を互いに近接させた状態（好ましくは互いに当接させた状態）で各レンズの要素が“90°に交わり”、２枚のレンズが湾曲中心を共有するように配置される。クロススラットレンズはＰＣＴ／ＡＵ93／00453 号に記載のような改良されたクロススラットレンズを構成するのが最も好ましい。上記反射要素は透明な材料を用いて平坦な溝状に形成され、それ故反射が全内部反射に起因するようになっているのが好ましい。別の好ましい形態では、反射要素が結晶または多層ミラーであり、反射はブラッグ反射による。さらに別の好ましい形態では、マルチレンズが上記記載の２つのレンズによって構成され、マルチレンズがビームプロフィールホモジナイザーとして第１の形式のビームを第２の形式のビームにアレンジするために使用される。一つの好ましい具体例では、レンズが太陽光エンハンサとして使用される。もう１つの好ましい具体例では、上記レンズが単純または複合双曲線型の太陽光集光装置として使用される。上記およびその他の本発明の特徴は添付図面を参照した下記の本発明の実施例の説明から明らかとなろう。しかし、下記の実施例は単なる例示に過ぎない。図面の簡単な説明図１は本発明に従って構成された平面反射体を有する倍率１のスラットレンズの概念的断面図。図２は図１のレンズの変形例を示す概念図。図３は倍率が（レンズの用途に応じて）１以上または１未満である図１に示すレンズのさらに別の変形例の図１と類似の図。図４ａは、平面反射体から成るレンズの母線（すなわち各反射体に直角な線）が放物線である平行ビーム集光用レンズのさらに別の変形例を示す図３と類似の図。図４ｂは、平面反射体から成るレンズの母線が楕円形である収束ビームの集光用レンズのさらに別の変形例を示す図。図４ｃは、平面反射体から成るレンズの母線が双曲線である発散ビームの集光用レンズのさらに別の変形例を示す図。図４ｄは、平面反射体からなるレンズの母線が凹状の双曲線である拡大用レンズのさらに別の変形例を示す図。図５は、屈折率が１よりも大きい透明材料を用い、反射が内部全反射に起因する、平面スラット状に形成された反射体を備えた図３に類似のレンズを示す図。図６は反射体が結晶または多層ミラーであり、反射がブラッグ反射に起因する図３に類似のＸ線の集光用レンズを示す図。図７は図１〜３に示した一次元スラットレンズを２つ互いに直角に交差させた改良型直交スラットレンズを示し、図７ａ〜図７ｄは異なる方向から見た図である。図８はガウスビームを“シルクハット”ビームにアレンジするためのビームプロフィールホモジナイザーとして設計したアレーの例を示す図。図９は内部全反射用スロットまたは反射体を備えた透明プラスチック材料のブロックで構成される二次元の太陽光エンハンサの形をした、本発明に従って作られたレンズの実用例を示す図で、図９ａはその断面立面図、図９ｂはその平面図を示す。図10は放物線型、双曲線型および／または楕円形に形成可能な反射体アレイからなるトラフ（樋）状の太陽光集光装置の側部断面図。図11は複合双曲線の集光装置で、図11ａ、図11ｂは側部断面図。実施例の詳細な説明図１は、複数の平らなスラット12がレンズの軸線11の上下に対称に設置されたスラットレンズ10の断面図である。各スラット12の軸線11側の面は反射表面を有する。各スラット12の反対側の面も反射表面を有することができる。通常、各スラット12は図と直交する平面内で互いに同じ長さだけ延びている。放射光の点源13はレンズ10の軸線上にある。一連の光路によって示されるように、レンズ10は点源13からの放射光を焦点領域14に集光する。この焦点領域は細長い領域または線状領域で、図１の平面と直交する方向へ延びている。明瞭にするために、図１ではレンズの軸線11の両側にそれぞれ５つの反射体すなわちスラットのみが示してあるが、実際、特に点源13がＸ線源の場合等では、より多くの反射スラットを用いてスラットレンズを構成するのが一般的である。他の図面に示したレンズでも同様のことがいえる。図１に示すレンズでは、レンズの軸線11に最も近いスラット12がレンズの軸線 11から離れた遠いスラット12よりも広い表面積を有し、レンズの軸線11からスラットまでの距離が変化するにつれてスラットの表面積も徐々に変化していることに注意されたい。さらに、レンズの軸線11から遠い所にあるスラット12の間隔はレンズの軸線に隣接したスラットの間隔よりも広い。こうした寸法の変化は、(i )レンズ10に入射する点源13からの放射線が全て、レンズを構成するスラット12 の反射表面によって焦点領域14へ向かって反射される、(ii)点源13からの放射光がレンズを構成する互いに隣接する２つのスラット間のチャネルを通過する間に１回以上反射されることがないように選択される。すなわち、スラットレンズ10 に入射する点源13からの放射光のほぼ全部が焦点領域14へ向い、それによってレンズ10の利得が最大となる。図１のレンズはレンズを構成するスラットが全てレンズの軸線11に対して平行であるので、倍率は１であるということは光学装置の当業者には理解できよう。すなわち、レンズの軸線に対してα°を成す点源13からの放射光はレンズのスラットによって１回反射され、この反射放射光もレンズの軸線11に対してα°を成す。図１は倍率１のスラットレンズに関する理想的な構造を示すもので、スラットの前後長ｔがレンズの軸線からスラットまでの距離が増加するにつれて徐々に変化している。実際には、多数のスラットをレンズに組み込む場合には、通常、図２に示すようなレンズ構成が適用される。図２に概念的に示すレンズは３種類の寸法のスラットのみが必要で、各スラットは同じ寸法のスラット群に分けて配置される。しかし、各グループ内のスラット間の間隔は、（図１のレンズと同様に）レンズの軸線からｎ番目のスラットへの点源13からの放射光の入射角がγ_nの場合、比ｄ_n／ｔ_nが下記関係式で定義されるように少しづつ変えられる（図１、図２に示すレンズの実際の構成ではより多くの反射スラット12が使用されるので、実際には角度γ_nはｎ番目のスラットの反射表面全体で大きく変化することはない）：（ここで、ｄ_nはレンズのｎ番目とｎ＋１番目のスラットの間隔、ｔ_nはｎ番目の要素のレンズ軸線11方向の大きさ）図３のレンズ20は図１のレンズの別の変形例で、この場合の主たる違いはスラット22の平らな表面をレンズの軸線21に対して傾斜させた点である。点源13からの放射光の場合、これによって焦点領域24の寸法が小さくなり、結果的にレンズ 20の利得および倍率が増加する。放射光源が24に位置し、画像が13に結ばれる場合にはレンズの利得は依然として高いが、その倍率は１未満になる。図４ａ〜ｄは異なる形状の母線を有する典型的なアレイを示す図である。母線は各反射体に対して直角な線と定義される。図４ａ〜図４ｄは平らな反射体またはスラットより成る各レンズを示し、図４ａはレンズの母線が放物線状で、平行ビームを集光するか、点源から平行なビームを得るためのアレイである。図４ｂはレンズの母線が楕円で点源から発散ビームを得るためのアレイを示す。発散ビームを集光するためにはレンズの母線を双曲線にすることが必要である。図４ｃに示すように焦点での高い強度利得を得る（すなわちデマグニフィケーションを行う）ためにはレンズの母線は凸面の双曲線でなければならず、図４ｄに示すようにマグニフィケーションを行うためには凹面の双曲線でなければならない。角度の小さいレンズでは、母線は放物線、双曲線または楕円にすることができ、これらは全てオフアクシス角度が小さい場合には円に近づく。図５は、可視スペクトル光、紫外線または赤外線放射のような電磁放射線に対して使用する場合に、図１、３、４に示す形式のレンズを構成するのに都合のよい機構を具体的に示すものである。図５のレンズは、レンズが用いられる放射線に対して透明な光学品質の材料で構成される。透明材料は放射線に対する屈折率ｎが１以上でなければならない。可視スペクトル放射光の場合には複数のプラスチック材料およびガラスを用いて上記のようなレンズ構造にすることができる。スラットレンズに必要な形状を有する透明材料のブロックにスロット（溝）80を切る。各溝80は所望のスラットレンズのスラットの位置に付ける。レンズの軸線に最も近い溝の面は優れたレンズ性能を確保するために磨きをかけなければならず、用途によっては溝の両面を磨く必要がある（このことは、平面スラットを有するレンズに均等なレンズは溝面が光学的に平坦であることを意味する）。溝80はプラスチックブロック全体を貫通している必要はない。溝と溝との間の透明材料の正面85および背面86は優れたレンズ性能を出すために光学的に平らな面でなければならない。図５にはレンズ軸線上にある点源13からの数個の光路が示されている。各オフアクシス光線は光学品質の透明材料の正面85に当たって屈折した後、（内部全反射によって）適当な溝80の面で反射され、その後にレンズの透明材料を出る時に面86で屈折するということは理解できよう。上記の方法すなわち(i)屈折率が１よりも大きく且つ(ii)所望のスラット形状を有する磨かれた表面を有する光学品質の透明材料の一連のブロックを組み合わせる（隣接するブロックを狭い間隔を介して配置する）ことによって、上記以外の他の形状のアレイを構成するスラットレンズ（例えば図４のレンズ）も構成できるということは理解できよう。図６はＸ線を集光するための図３のレンズに類似のレンズを示すが、この場合の反射体は結晶または多層ミラーで、反射はブラグ反射である。本発明者達は以下に示すような本発明の各種の実際の用途を考えている。 (i) ＵＶ、ＶＵＶおよびＸ線レンズおよび高効率コリメータ正方形チャネルを有する光学レンズの集光効率はレンズ構造を変更することによって向上でいるということは分かっている。この変更にはプレートをいくつかの部分に分けか、チャネルの幅を変えるか、レンズの厚さを局部的に変化させることが含まれる。図７は図３に示す形式のレンズを２つ用い、２つのレンズが共通の湾曲中心を有するようにした直交スラットレンズ60の具体例を示している。この直交スラットレンズ60は点源からの入射放射光を焦点領域に集める役目をする。図７ａはｙ −ｚ平面の側面図、図７ｂは平面図（ｘ−ｙ平面）、図７ｃはｘ−ｚ平面の側面図、図７ｄはレンズの三次元表示である。収束効率が 100％に近いのは、チャネル長ｔ_nとチャネル幅ｄ_nとが下記に従って変化するレンズである：（ここで、 γ_nはｎ番目の反射体とｎ番目のチャネルに進入する光線との間の角度）焦点は最大チャネル幅ｄ_nのＭ＋１倍の幅を有する正方形である。従って、狭い収束且つ高い強度利得を達成するには上記条件を満たすようにｔ_nを変化させるのが有利である。100 ％効率は点源と画像距離との一つの特別な組だけで達成される。 (ii) ＵＶ、ＶＵＶおよびＸ線ビームホモジナイザー図８は材料加工でガウスビームを“シルクハット”ビームにアレンジするためのＵＶ、ＶＵＶおよびＸ線のビームプロフィールホモジナイザーとして構成した２重アレイレンズの例を示す。要求される条件は材料の表面ができるだけ均一に照射されることすなわち材料の表面が特定の製造条件に準じた強度を得るように加工されていることである。ビーム形状を変えることが可能な光学装置のアレイができればパワー損失を最小限にした低コストのビームホモジナイザーを開発することができる。図８には、特定のサンプル平面内で、強度分布がガウスプロフィールを示すような平行なビームを均質強度を有する収束ビームへ変換するために考えられる概念を示している。１つ目のレンズはビームを拡張させるビームで（ビームが平行であれば凸面放物線、発散ビームの場合には双曲線）、２つめのレンズは収束レンズ（双曲線）である。このようなビームホモジナイザーを設計するには最初のビーム拡散、近視野分布、反射体端縁への屈折効果およびサンプル上に所望の強度分布を実現するための実際のビーム寸法を考慮に入れる必要である。 (iii) 反射体アレイで構成される太陽光エンハンサー図９ａ、図９ｂは二次元太陽光(sky light)エンハンサーとして構成した本発明のアレイの実用的な具体例の側部断面図および平面図である。このエンハンサーはプラスチック、その他の材料より成る透明材料のブロックで構成され、内部全反射用の反射体としてスロットを備えている。通常の反射体を用いて類似の構造に構成することもできる。 (iv) 太陽光集中装置用の楕円および双曲線反射体アレイ図10はトラフ（樋状）の太陽光集中装置の断面図を示し、これは本発明の別の実用的用途である。この太陽光集中装置は放物線、双曲線または楕円型のアレイで構成することができる。 (v) 複合双曲線集中装置図11ａは複合放物線集光装置として構成したアレイの例を示す。これは別々の放物線の左半分と右半分とで構成され、各放物線はそれぞれの放物線の軸線に対して平行なビームの放射光を焦点に集中させる。この構成の目標は異なる角度から進入する放射光の集中を最大にすることにある。そのための方法としては放物線曲線の軸線の傾斜を大きくして受け入れ角内の両端に位置する放射光が所定の面積で吸収体を照らすようにする。図11ｂは、複合双曲線集中装置として構成されたアレイの例を示す。これは別々の双曲線の左半分と右半分とで構成され、それぞれの双曲線が受入れ角内に進入してくる放射線を焦点に集める。この構成の目標は集中装置の開口に進入してくる放射光の集中を最大にすることにある。そのための方法としては、双曲線カーブの軸間の距離を大きくして、両端の平行な光線が所定の面積で吸収体を照らすようにする。添付図に示した上記の本発明実施例は単なる例に過ぎなず、図示したレンズは本発明の精神を逸脱することなく変更および改良することができる。

【手続補正書】特許法第１８４条の７第１項【提出日】１９９５年１０月１６日【補正内容】請求の範囲１．平面反射要素アレーで構成され、各要素が不均一な大きさまたは表面積を有し且つ／又は互いに隣接する要素との間に不均一な間隔を有する放射光の方向付けを行うためのレンズにおいて、ｄ_n／ｔ_nの比が、下記関係式で与えられるように、レンズの各要素への放射光の入射角γ_nによって決定されることを特徴とするレンズ：（ここで、ｄ_nはレンズの互いに隣接するｎ番目と（ｎ＋１）番目の要素の間隔、ｔ_nはｎ番目の要素の長さである）２．ｄ_n／ｔ_nの比が、下記関係式で与えられるように、上記レンズの各要素への放射光入射角γ_nによって決定される請求項１に記載のレンズ：（ここで、ｄ_nはレンズの隣接するｎ番目とｎ＋１番目の要素の間隔であり、ｔ_n はｎ番目の要素の長さ、Ｍはレンズの倍率を示す）３．レンズの軸線から各要素までの距離が増加しても各要素の大きさまたは表面積が隣の要素よりも増加しない請求項１または２に記載のレンズ。４．レンズの軸線から各要素までの距離が増加するにつれて互いに隣接する要素間の間隔が広くなり且つ各要素の大きさが不変である請求項１または２に記載のレンズ。５．別の要素上にできるだけ影を作らないように設計および配置された請求項１〜４のいずれか一項に記載のレンズ。６．要素の片面または両面に反射表面を有する請求項１〜５のいずれか一項に記載のレンズ。７．レンズの母線が単純であるか、複合型、双曲線、放物線、楕円または円形である請求項１〜６のいずれか一項に記載のレンズ。８．請求項１〜７のいずれか一項に記載のレンズを２つ用いて構成されるクロススラットレンズであって、各要素が、ほぼ平坦なその端縁部を互いに近接させた状態（好ましくは互いに当接させた状態）で各要素が“90°に交わる”ように配置されていることを特徴とするクロススラットレンズ。９．国際特許出願ＰＣＴ／ＡＵ93／00453 号の明細書に記載の改良されたクロススラットレンズを構成する請求項８に記載のクロススラットレンズ。 10．反射要素が透明材料に平坦な溝として形成され、反射が内部全反射で起こることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のレンズ。 11．反射要素が結晶または多層ミラーであり、反射がブラグ反射で起こる請求項１〜９のいずれか一項に記載のレンズ。 12．請求項１〜11のいずれか一項に記載の２つのレンズよりなる多重レンズにおいて、上記多重レンズが第１の形式のビームを第２の形式のビームにアレンジするためのビームプロフィールホモジナイザーとして使用されることを特徴とするレンズ。 13．レンズが太陽光エンハンサーとして使用される請求項１〜12のいずれか一項に記載のレンズ。 14．レンズが太陽光集中装置として使用される請求項１〜13のいずれか一項に記載のレンズ。 15．添付図面を参照して実質的に記載したレンズ。 16．上記の反射要素のアレーを用いて放射光の方向付けを行う方法。【手続補正書】特許法第１８４条の８【提出日】１９９６年４月２２日【補正内容】び波の特性を有する他の放射線）を焦点領域に集光するために利用されている従来の装置に比べて、さらに別の利点もあるということを本発明者は見出した。この追加の利点とはレンズまたはフォーカシング装置の“強度の利得”が大幅に増加することである。なお、当該分野でのレンズまたはフォーカシング装置の利得Ｇは下記関係式で定義される：（ここで、Ｉ_dはその装置の焦点または焦点領域での放射光強度、Ｉ_oはフォーカシング装置を用いない場合の同じ位置での放射光強度）発明の開示スラットレンズ(slatted lens)およびクロススラットレンズ(closs-slats len s)の改良研究中に、本発明者達は、レンズの各反射体すなわちスラットが基本的に互いに同一でなく、レンズの軸からスラットまでの距離が増加するにつれてスラットの表面積を徐々に変化させると、フォーカシング効率が 100％に近い改良されたスラットレンズが得られるということを見出した。このレンズは、(i)スラットが平面で、(ii)レンズの軸からの距離とともにスラット表面積が減少するように変化するのが好ましい。しかし、このレンズの製造ではレンズの各スラットをグループに分け、フロントツーバック長(front-to-back、以下、前後長)ｔを等しくし且つ一つのグループ内のスラント間の間隔ｄを違えるのが便利である。その比ｄ_n／ｔ_nはレンズ軸上の点源からのレンズのｎ番目のスラットへの放射光の入射角γ_nで決まり、倍率１の時には近似的に下記の関係式：で与えられ、より正確には下記の式で与えられる：（ここで、ｄ_nはレンズの n番目と n+1 番目のスラットの距離（間隙）であり、ｔ_nは n番目スラットの大きさ(extent)であり、Ｍはレンズの倍率を示す）レンズを構成するスラットの間隔（すなわちレンズを構成する互いに隣接するスラット間の間隔または平均間隔）はレンズ軸線上の所定位置にある点源からの放射によってスラットすなわち反射体がレンズの互いに隣接する外側の反射体上に“影”を作らないようにするのが好ましい。これは一般に互いに隣接するスラット間の距離ｄがレンズの軸線からスラットまでの距離とともに次第に広くなることを意味し、点源から放射されるエネルギーが隣接するスラット間の空間内で多重反射される可能性は最小になる。フォーカシングレンズの場合には、レンズによって集められるエネルギーが最大になり、レンズの利得が増加する。本発明は、レンズの軸線に対して対称に互いに間隔を介して配置された複数のスラットで構成され、各スラットはレンズの軸線の方を向いた１つの面を有し、この面が反射表面を備えている改良型スラットレンズにおいて、(i)スラットの大きさｔと、(ii)互いに隣接するスラット間の距離ｄと、(iii)レンズの軸線からｎ番目にあるスラットでのレンズ軸線上にある点源からの放射光の入射角γが下記で与えられることを特徴とするスラットレンズを提供する：本発明の新規なスラットレンズのこの定義は、各スラットの片面のみが反射表面を有することを要求しているが、多くの場合（例えば細長い放射光源に対してレンズを使用する場合または部分的に拡散した放射光を集光するためにレンズを使用する場合）、スラットの両面が反射表面を有するのが好ましい。平らな反射体（スラット）を用いたレンズの母線（すなわち各反射体に直角な線）は、(i)レンズを平行ビームを集光するために使用する場合または点源から平行なビームを得るために使用する場合には放物線型であり、収束ビームを集光する場合または点源から発散ビームを作る場合には楕円形であり、(iii) 要素への放射光の入射角γ_nによって決めるのが好ましい：（ここで、ｄ_nはレンズ内の互いに隣接するｎ番目とｎ＋１番目の要素の間隔であり、ｔ_nはｎ番目の要素の大きさである）より好ましくは、ｄ_n／ｔ_nは下記関係式で示されるようにレンズの各要素への放射光の入射角γ_nによって決定される：（ここで、ｄ_nはレンズ内の互いに隣接するｎ番目とｎ＋１番目の要素の間隔、ｔ_nはｎ番目の要素の大きさ、Ｍはレンズの倍率を表す）好ましい形態では、要素の片面または両面に反射表面を有している。レンズの母線は単純にするか、複合型、双曲線（凹型双曲線または凸型双曲線）、放物線、楕円または円形にするのが好ましい。好ましい形態では、クロススラットレンズは上記のように２つのレンズで構成され、各レンズの要素は、ほぼ平らな各端縁を互いに近接させた状態（好ましくは互いに当接させた状態）で各レンズの要素が“90°に交わり”、２枚のレンズが湾曲(curvature)中心を共有するように配置される。クロススラットレンズはＰＣＴ／ＡＵ93／00453 号に記載のような改良されたクロススラットレンズを構成するのが最も好ましい。上記反射要素は透明な材料を用いて平坦な溝状に形成され、それ故反射が全内部反射に起因するようになっているのが好ましい。別の好ましい形態では、反射要素が結晶または多層ミラーでもので、スラットの前後の大きさｔが軸線からスラットまでの距離が増加するにつれて徐々に変化している。実際には、多数のスラットをレンズに組み込む場合には、通常、図２に示すようなレンズ構成が適用される。図２に概念的に示すレンズは３種類の寸法のスラットのみが必要で、各スラットは同じ寸法のスラット群に分けて配置される。しかし、各グループ内のスラット間の間隔は、（図１のレンズと同様に）レンズの軸線からｎ番目のスラットへの点源13からの放射光の入射角がγ_nの場合、比ｄ_n／ｔ_nが下記関係式で定義されるように少しづつ変えられる（図１、図２に示すレンズの実際の構成ではより多くの反射スラット12が使用されるので、実際には角度γ_nはｎ番目のスラットの反射表面全体で大きく変化することはない）：（ここで、ｄ_nはレンズのｎ番目とｎ＋１番目のスラットの間隔、ｔ_nはｎ番目の要素のレンズ軸線11方向の大きさ）図３のレンズ20は図１のレンズの別の変形例で、この場合の主たる違いはスラット22の平らな表面をレンズの軸線21に対して傾斜させた点である。点源13からの放射光の場合、これによって焦点領域24の寸法が小さくなり、結果的にレンズ 20の利得および倍率が増加する。放射光源が24に位置し、画像が13に結ばれる場合にはレンズの利得は依然として高いが、その倍率は１未満になる。図４ａ〜ｄは異なる形状の母線を有する典型的なアレイを示す図である。母線は各反射体に対して直角な線と定義される。図４ａ〜図４ｄは平らな反射体またはスラットより成る各レンズを示し、図４ａはレンズの母線が放物線状で、平行ビームを集光するか、点源から平行なビームを得るためのアレイである。図４ｂはレンズの母線が楕円な点源から発散ビームを得るためのアレイを示す。発散ビームを集光するためにはレンズの母線上記の方法すなわち(i)屈折率が１よりも大きく且つ(ii)所望のスラット形状を有する磨かれた表面を有する光学品質の透明材料の一連のブロックを組み合わせる（隣接するブロックを狭い間隔を介して配置する）ことによって、上記以外の他の形状のアレイを構成するスラットレンズ（例えば図４のレンズ）も構成できるということは理解できよう。図６はＸ線を集光するための図３のレンズに類似のレンズを示すが、この場合の反射体は結晶または多層ミラーで、反射はブラグ反射である。本発明者達は以下に示すような本発明の各種の実際の用途を考えている。 (i) ＵＶ、ＶＵＶおよびＸ線レンズおよび高効率コリメータ正方形チャネルを有する光学レンズの集光効率はレンズ構造を変更することによって向上でいるということは分かっている。この変更にはプレートをいくつかの部分に分けか、チャネルの幅を変えるか、レンズの厚さを局部的に変化させることが含まれる。図７は図３に示す形式のレンズを２つ用い、２つのレンズが共通の湾曲中心を有するようにした直交スラットレンズ60の具体例を示している。この直交スラットレンズ60は点源からの入射放射光を焦点領域に集める役目をする。図７ａはｙ −ｚ平面の側面図、図７ｂは平面図（ｘ−ｙ平面）、図７ｃはｘ−ｚ平面の側面図、図７ｄはレンズの三次元表示である。収束効率が 100％に近いのは、チャネルの大きさｔ_nとチャネル幅ｄ_nとが下記に従って変化するレンズである：（ここで、 γ_nはｎ番目の反射体とｎ番目のチャネルに進入する光線との間の角度）請求の範囲１．平面反射要素アレーで構成され、各要素が不均一な大きさまたは表面積を有し且つ／又は互いに隣接する要素との間に不均一な間隔を有する放射光の方向付けを行うためのレンズにおいて、ｄ_n／ｔ_nの比が、下記関係式で与えられるように、レンズの各要素への放射光の入射角γ_nによって決定されることを特徴とするレンズ：（ここで、ｄ_nはレンズの互いに隣接するｎ番目と（ｎ＋１）番目の要素の間隔、ｔ_nはｎ番目の要素の大きさ、Ｍはレンズの倍率である）２．倍率Ｍ＝１の時に、ｄ_n／ｔ_nの比が、下記関係式で与えられるように、レンズの各要素への放射光の入射角γ_nによって決定される請求項１に記載のレンズ：３．レンズの軸線から各要素までの距離が増加しても各要素の大きさが隣の要素よりも増加しない請求項１または２に記載のレンズ。４．レンズの軸線から各要素までの距離が増加するにつれて互いに隣接する要素間の間隔が広くなり且つ各要素の大きさが不変である請求項１または２に記載のレンズ。５．別の要素上にできるだけ影を作らないように設計および配置された請求項１〜４のいずれか一項に記載のレンズ。６．要素の片面または両面に反射表面を有する請求項１〜５のいずれか一項に記載のレンズ。７．レンズの母線が単純であるか、複合型、双曲線、放物線、楕円または円形である請求項１〜６のいずれか一項に記載のレンズ。８．請求項１〜７のいずれか一項に記載のレンズを２つ用いて構成されるクロススラットレンズであって、各要素が、その端縁部を互いに近接させた状態（好ましくは互いに当接させた状態）で各要素が“90°に交わる”ように配置されていることを特徴とするクロススラットレンズ。９．国際特許出願ＰＣＴ／ＡＵ93／00453 号の明細書に記載の改良されたクロススラットレンズを構成する請求項８に記載のクロススラットレンズ。 10．反射要素が透明材料に平坦な溝として形成され、反射が内部全反射で起こることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のレンズ。 11．反射要素が結晶または多層ミラーであり、反射がブラグ反射で起こる請求項１〜９のいずれか一項に記載のレンズ。 12．請求項１〜11のいずれか一項に記載の２つのレンズよりなる多重レンズにおいて、上記多重レンズが第１の形式のビームを第２の形式のビームにアレンジするためのビームプロフィールホモジナイザーとして使用されることを特徴とするレンズ。 13．レンズが太陽光エンハンサーとして使用される請求項１〜12のいずれか一項に記載のレンズ。 14．レンズが太陽光集中装置として使用される請求項１〜13のいずれか一項に記載のレンズ。 15．添付図面を参照して実質的に記載したレンズ。 16．添付図面を参照して実質的に記載した反射要素のアレーを用いて放射光の方向付けを行う方法。

Claims

【特許請求の範囲】１．平面反射要素アレーで構成される放射光の方向付けを行うためのレンズにおいて、上記要素がそれぞれ不均一な大きさまたは表面積を有し、および／または、隣接する要素との間に不均一な間隔を有することを特徴とするレンズ。２．レンズの軸線から各要素までの距離が増加しても各要素の大きさまたは表面積が隣の要素よりも増加しない請求項１に記載のレンズ。３．レンズの軸線から各要素までの距離が増加するにつれて互いに隣接する要素間の間隔が広くなり且つ各要素の大きさが不変である請求項１に記載のレンズ。４．別の要素上にできるだけ影を作らないように設計および配置された請求項１〜３のいずれか一項に記載のレンズ。５．ｄ_n／ｔ_nの比が、下記関係式：（ここで、ｄ_nはレンズの互いに隣接するｎ番目と（ｎ＋１）番目の要素の間隔、ｔ_nはｎ番目の要素の長さである）で与えられるように、レンズの各要素への放射光の入射角γ_n によって決定される請求項１〜４のいずれか一項に記載のレンズ。６．ｄ_n／ｔ_nの比が、下記関係式：（ここで、ｄ_nはレンズの隣接するｎ番目とｎ＋１番目の要素の間隔、ｔ_nはｎ番目の要素の長さ、Ｍはレンズの倍率を示す）で与えられるように、レンズの各要素への放射光の入射角γ_nによって決定される請求項１〜５のいずれか一項に記載のレンズ。７．要素の片面または両面に反射表面を有する請求項１〜６のいずれか一項に記載のレンズ。８．レンズの母線が単純であるか、複合型、双曲線、放物線、楕円または円形である請求項１〜７のいずれか一項に記載のレンズ。９．請求項１〜８のいずれか一項に記載のレンズを２つ用いて構成されるクロススラットレンズであって、各要素が、ほぼ平坦なその端縁部を互いに近接させた状態（好ましくは互いに当接させた状態）で各要素が“90°に交わる”ように配置されており、２つのレンズが共通の曲率中心を有することを特徴とするクロススラットレンズ。 10．国際特許出願ＰＣＴ／ＡＵ93／00453 号の明細書に記載の改良されたクロススラットレンズを構成する請求項９に記載のクロススラットレンズ。 11．反射要素が透明材料に平坦な溝として形成され、反射が内部全反射で起こることを特徴とする請求項１〜10のいずれか一項に記載のレンズ。 12．反射要素が結晶または多層ミラーであり、反射がブラグ反射で起こる請求項１〜10のいずれか一項に記載のレンズ。 13．請求項１〜12のいずれか一項に記載の２つのレンズよりなる多重レンズにおいて、上記多重レンズが第１の形式のビームを第２の形式のビームにアレンジするためのビームプロフィールホモジナイザーとして使用されることを特徴とするレンズ。 14．レンズが太陽光エンハンサーとして使用される請求項１〜13のいずれか一項に記載のレンズ。 15．レンズが太陽光集中装置として使用される請求項１〜14のいずれか一項に記載のレンズ。 16．添付図面を参照して実質的に記載したレンズ。 17．上記の反射要素のアレーを用いて放射光の方向付けを行う方法。