(57)【要約】  本発明は、コリメートされた光出力の非円形領域を可能にする、又はコリメータのテッセレーションを可能にする様々なデザインを提供する。第1の態様では、コリメータ構成物は、複数のコリメータを備え、各コリメータは、円形の全体的外形があり、該円形の全体的外形内への1つ以上の刻みがあり、各刻みは、内角で交わる一対の縁部を含み、各刻みは、当該カットアウトが円形の全体的外形と交わる一対の外角を画定する。これらコリメータは、各内角が、隣接するコリメータの外角の1つに隣接してテッセレーションされる。別の態様では、コリメート光学構造は、第1の径を有する第1のコリメータレンズデザインの1つ以上の部分を含む第1のセクションと、より大きい第2の径を有する第2のコリメータレンズデザインの1つ以上の部分を含む第2のセクションとを含む。これらの部分は、光軸を中心とした、光軸から一定ではない半径を有する環状形状を一緒に形成するセクタを含む。図16。
2019504455.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光軸を有する光入口開口部と、
前記光軸を中心に配置されたコリメート光学構造であって、少なくとも2つのセクションを含むコリメート光学構造と、
第1の径を有する第1のコリメータレンズデザインの1つ以上のセクタを含む第1のセクションと、
より大きな第2の径を有する第2のコリメータレンズデザインの1つ以上のセクタを含む第2のセクションと、
を有するコリメータであって、
前記セクタは一緒に、前記光軸を中心とした、前記光軸から一定ではない半径を有する環状形状を形成する、コリメータ。
【請求項２】
前記セクタは、それぞれの側壁で互いに接触する、請求項1に記載のコリメータ。
【請求項３】
当該コリメータは、1つ以上のさらなるセクションを含み、全てのセクションは、異なる径のコリメータデザインの1つ以上のセクタを含む、請求項1又は2に記載のコリメータ。
【請求項４】
コリメータの外形は、多角形であり、前記第2のセクションは、多角形の各角にセクタを含む、請求項1、2又は3に記載のコリメータ。
【請求項５】
複数のコリメータを備えるコリメータ構成物であって、各コリメータが、請求項1乃至4の何れか一項に記載のコリメータである、コリメータ構成物。
【請求項６】
各コリメータの外形は、他のコリメータとテッセレーションされることができる多角形である、請求項5に記載のコリメータ構成物。
【請求項７】
当該コリメータ構成物の外形は、円形又は楕円形であり、各コリメータは、直線状の縁部に近似する内側面及び当該円又は楕円の一部に近似する外側面を有する、請求項5に記載のコリメータ構成物。
【請求項８】
当該コリメータ構成物は、円形の外形を有し、4つのコリメータを備える、請求項7に記載のコリメータ構成物。
【請求項９】
複数のコリメータを備えるコリメータ構成物であり、当該コリメータ構成物の周辺部の各コリメータは、それぞれの出口窓において、円形の全体的外形を有し、該円形の全体的外形内への1つ以上のカットアウトがあり、各カットアウトは、内角で交わる一対の縁部を含み、各カットアウトは、当該カットアウトが前記円形の全体的外形と交わる一対の外角を画定し、1つ以上のカットアウトを有する各コリメータは、前記内角が、隣接するコリメータの前記外角の1つに隣接するテッセレーションを形成するよう前記カットアウトにより組み合される、コリメータ構成物。
【請求項１０】
各カットアウトは、80〜100度の内角を画定する、請求項9に記載のコリメータ構成物。
【請求項１１】
各コリメータは、中央部分と外側リフレクタ部分とを含み、前記カットアウトは、前記リフレクタ部分に形成され、任意に、前記カットアウトは、鏡面反射側壁を含む、請求項9又は10に記載のコリメータ構成物。
【請求項１２】
各コリメータは、全反射コリメータを含む、請求項9又は10に記載のコリメータ構成物。
【請求項１３】
各コリメータは、それぞれの光源からの光を受けるための入口開口部を有し、前記入口開口部は、当該コリメータのカットアウト領域から離れる方に光を向けるための部分を有する、請求項9乃至12の何れか一項に記載のコリメータ構成物。
【請求項１４】
各々が1つのカットアウトを有する4つのコリメータ及び4つのカットアウトを有する1つのコリメータ、又は
各々が2つのカットアウトを有する4つのコリメータ、又は
各々が4つのカットアウトを有する2つのコリメータ、各々が2つのカットアウトを有する4つのコリメータ及び各々が1つのカットアウトを有する2つのコリメータ、又は
各々が4つのカットアウトを有する4つのコリメータ及び各々が2つのカットアウトを有する8つのコリメータ、
を含む、請求項9乃至13の何れか一項に記載のコリメータ構成物。
【請求項１５】
請求項1乃至4の何れか一項に記載のコリメータ又は請求項5乃至14の何れか一項に記載のコリメータ構成物と、
各コリメータの光入力部に光を結合するよう構成されるそれぞれの光源と、
を備える照明ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、照明装置に関し、とりわけ、1つ以上のコリメータを用いる照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
コリメータ、例えば、発光ダイオード（LED）アプリケーションに用いられるコリメータは、通常は円形である。いくつかのLEDが必要とされる場合、複数の円形コリメータが典型的には設けられ、「シャワーヘッド(shower head)」アレイとして知られるアレイに配置される。コリメータの形状は、円形コリメータのテッセレーション(tessellation)の欠如の結果として、アレイが非照明領域(unlit area)を含むことを意味する。
【０００３】
いくつかのLEDの代わりに、単一の光源（例えば、チップオンボード（COB）LED）が、単一のコリメータと共に用いられることができる。しかしながら、COB LEDを設けることは、多数の分離されたLEDを設けることよりも高価であり、単一の複合光源(single combined light source)のための光学系は、小さなコリメータのアレイよりも深さが深くなる。多くのLEDデバイスでは、ヒートシンクやドライバなどのデバイスの他の部分が利用可能なスペースのかなりの部分を占めるため、COB LEDに必要な深さが利用できない。
【０００４】
図1は、下側からの4つのコリメータ10の典型的なアレイを示す。コリメータは、例えば、全反射レンズを含み、各コリメータは、関連するLEDによって光が供給される入射開口12を有する。
【０００５】
図2は、4つのコリメータが可能な限り接近しているが、円形領域10のみが照明されることを示す。残りのスペースは照明されずにいる。
【０００６】
この問題に対処するための既知のアプローチは、コリメータ同士が互いに切れ始めるように、コリメータ同士を互いに近づけるよう移動させることである。このようにして、コリメータ間の照明されない領域は減少するが、取り除かれることはない。さらに、重なり合うコリメータを設けることによって、LEDからの光の一部はコリメートされない。通常、全反射面の除去された部分によって捕捉されない光は、少なくとも部分的に失われ、これにより、効率が急激に低下する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、複数のLEDを含む装置によって生成される光をコリメートするための改善された方法を提供する、又は非円形コリメート光出力を生成するための効率の良い方法を提供する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、特許請求の範囲によって規定される。
【０００９】
本発明の第1の態様による例によれば、
光軸を有する光入口開口部と、
光軸を中心に配置されたコリメート光学構造であって、少なくとも2つのセクションを含むコリメート光学構造と、
第1の径を有する第1のコリメータレンズデザインの1つ以上のセクタを含む第1のセクションと、
より大きな第2の径を有する第2のコリメータレンズデザインの1つ以上のセクタを含む第2のセクションと、
を有するコリメータであって、
セクタは一緒に、光軸を中心とした、光軸から一定ではない半径を有する環状形状を形成する、コリメータが提供される。
【００１０】
このデザインは、異なる径の（少なくとも）2つの異なるコリメータデザインを用いる。異なるデザインに作られた異なるセクタを組み合わせることによって、外形は、小径部と大径部を有することにより、より良好にテッセレーションするよう作られることができる。
【００１１】
これらの部分は、それぞれの側壁によって互いに接触するので、ギャップは存在しない。
【００１２】
コリメータの外形は、多角形であってもよく、第2のセクションは、多角形の各角にセクタを含んでもよい。第2のセクションは、例えば、正方形又は長方形の全体的なデザインのための4つの部分を含んでもよい。この場合、4つの部分は、各角にあるので、外形は、正方形又は長方形に近くなり、より良いテッセレーションを可能にする、又は単に、単一のコリメータが、方形の光出力窓が望まれる製品デザインにより良好に整合することを可能にする。
【００１３】
本発明の第2の態様による例は、複数のコリメータを備えるコリメータ構成物(collimator arrangement)であり、当該コリメータ構成物の周辺部(periphery)の各コリメータは、それぞれの出口窓において、円形の全体的外形(circular general outer shape)を有し、該円形の全体的外形内への1つ以上のカットアウトがあり、各カットアウトは、内角で交わる一対の縁部を含み、各カットアウトは、当該カットアウトが円形の全体的外形と交わる一対の外角を画定し、1つ以上のカットアウトを有する各コリメータは、内角が、隣接するコリメータの外角の1つに隣接するテッセレーションを形成するようカットアウトにより組み合される(interlock)、コリメータ構成物が提供される。
【００１４】
カットアウトを含むコリメータの構成物を提供することによって、形状をテッセレーションすることが可能になる。カットアウトは、全領域の中央部分において組み合うが、コリメータ構成物の外形は、個々のコリメータデザインの概して円形の部分(generally circular part)によって画定されてもよい。このようにして、カットアウトは、回転対称ビームにおいて方形のアーチファクトを生じないことが分かった。構成物は、4つ以上のコリメータを有してもよい。あるデザインでは、個々のコリメータデザインのすべてが同じであってもよく、他のデザインでは、異なるデザインが、テッセレーションを可能にするために用いられてもよい。
【００１５】
全体的円形外形(general circular outer shape)は、カットアウトによって中断される。カットアウトという用語は、材料が除去されてコリメータ形状を形成することを意味するものではなく、コリメータは、実際には自身の最終形状に成形されてもよいことに留意されたい。この用語は、円形状と比べた違いを伝えることを意図している。カットアウトは、外形が、刻み(indentation)によって中断された1つ以上の円弧部分のセットを有することを意味する。これらの刻みは、内側に方向付けられた一対の径方向面を持つ。1つのカットアウトでは、1つの円弧部分と1つの刻みがある。カットアウトが追加されるたびに、追加の円弧部分が加わる。円弧部分は、単一の共通回転対称デザインの一部である。
【００１６】
例えば、コリメータは、光源と組み合わせて、半値全幅（FWHM）が60度未満の光出力を生成するようデザインされる。
【００１７】
各コリメータは、光源入力部における中央部分と、リフレクタ部分とを含み、カットアウトは、リフレクタ部分に形成される。
【００１８】
各カットアウトは、好ましくは80度〜100度、最も好ましくは90度の内角を画定する。これは、カットアウトが、テッセレーションを形成するよう組み合され得ることを意味する。
【００１９】
各コリメータは、全反射コリメータを含んでもよい。代替的に、各コリメータは、径方向外方への直接光のための中央部分と、径方向外側のリフレクタ部分とを含み、カットアウトは、鏡面反射側壁を含んでもよい。
【００２０】
好ましくは、各コリメータは、それぞれの光源からの光を受けるための入口開口部を有し、入口開口部は、コリメータのカットアウト領域から離れる方に光を向けるための部分を有する。このようにして、光は、歪みのないコリメータ形状に優先的に向けられる。これらの部分は、入口開口部における刻みを含んでもよい。
【００２１】
種々の異なる可能な構成がある。
【００２２】
第1の例では、各々が1つのカットアウトを有する4つのコリメータ及び4つのカットアウトを有する1つのコリメータがある。このデザインでは、4つの周囲のコリメータの単一のカットアウトに突き出るアームを備えた中央十字がある。
【００２３】
第2の例では、各々が2つのカットアウトを有する4つのコリメータがある。これは、個々のコリメータの単一のデザインが、4つの光源のためのより大きな全体的コリメータを作り出すために用いられ得ることを意味する。
【００２４】
第3の例では、各々が4つのカットアウトを有する2つのコリメータ、各々が2つのカットアウトを有する4つのコリメータ及び各々が1つのカットアウトを有する2つのコリメータがある。これは、8個の光源のためのより大きな概して円形の全体構成を提供する。
【００２５】
第4の例では、各々が4つのカットアウトを有する4つのコリメータ及び各々が2つのカットアウトを有する8つのコリメータがある。これは、12個の光源のためのより大きな概して円形の全体構成を提供する。
【００２６】
これらの構成物は、単一のコリメータベースデザインを用い、形状を変更してテッセレーションを可能にする。代替案は、ベースデザインを変更することである。
【００２７】
本発明はまた、上述したようなコリメータと、光を光入力部に結合するよう構成される光源とを備える照明ユニットを提供する。これは、単一の光コリメータとして用いられてもよい。
【００２８】
本発明はまた、各々が上述したようなコリメータである、複数のコリメータを備えるコリメータ構成物を提供する。外形を制御することにより、より良いテッセレーションが可能になる。
【００２９】
各コリメータの外形は、他のコリメータとテッセレーションされることができる多角形であってもよく、第2のセクションは、多角形の各角にセクタを含む。より大きな径の角のセクタは、デザインが多角形をより良好に満たし、そして、これら多角形が、テッセレーションされ得る（例えば、三角形、四角形、又は六角形など）ことを意味する。
【００３０】
一例では、各コリメータの第2セクションは、正方形又は長方形内の4つのセクタを含み、コリメータは、正方形又は長方形のグリッドアレイに配置される。この場合、全体的な外形は、概して正方形又は長方形とされ得る。
【００３１】
コリメータ構成物の外形は、上記に代えて、円形又は楕円形であってもよく、各コリメータは、（コリメータ構成物を形成するためにコリメータをテッセレーションする際にそれらが当接する(butt together)ように）直線状の縁部に近似する内側面及び当該円又は楕円の一部に近似する外側面を有してもよい。
【００３２】
コリメータ構成物は、とりわけ、円形の外形を有し、4つのコリメータを備えてもよい。
【００３３】
この場合、各コリメータは、
3つのセクタを有する第1のセクションと、
2つのセクタを有する第2のセクションと、
を有し、第2のセクションの2つのセクタは、径方向内方向の各側に90度と105度との間にある。
【００３４】
これら4つのコリメータは、2×2グリッドで形成されるようデザインされているが、全体的な外形は、正方形ではなく概して円形のままである。
【００３５】
第2のセクションのセクタは、例えば、径方向内方向の各側に100度である。これは、4つの小さい円のテッセレーションによって形成される大きな円のギャップを埋めるための最適な方法を提供する。
【００３６】
本発明はまた、
上述したようなコリメータ構成物と、
コリメータ構成物の各コリメータの光入力部に光を結合するよう構成されるそれぞれの光源と、
を備える照明ユニットを提供する。
【００３７】
全てのデザインにおいて、各個別のコリメータは、異なる径を有する第3のセクション又はさらなるセクションを含んでもよい。このようにして、所望の外形のギャップが、より効果的に埋められる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
以下、本発明の例を添付の図面を参照して詳細に説明する。
【図１】図1は、複数のコリメータの第1の既知の構成物を示す。
【図２】図2は、図1の構成物の光出力領域を示す。
【図３】図3A〜図3Gは、全反射を用いる既知のコリメータデザインの例の第1のセットを示す。
【図４】図4A〜図4Eは、鏡面反射を用いる既知のコリメータデザインの例の第2のセットを示す。
【図５】図5A〜図5Cは、第1の例によるコリメータデザインのセットを示す。
【図６】図6は、図5のコリメータデザインを用いた第1のテッセレーションを示す。
【図７】図7は、図5のコリメータデザインを用いた第2のテッセレーションを示す。
【図８】図8は、図5のコリメータデザインを用いた第3のテッセレーションを示す。
【図９】図9は、図5のコリメータデザインを用いた第4のテッセレーションを示す。
【図１０】図10は、図7のデザインについての光出力分布の1つの表現を示す。
【図１１】図11は、図7のデザインについての光出力分布の別の表現を示す。
【図１２】図12は、カットアウト及びカットアウトに面するスロットを有するコリメータを示す。
【図１３】図13は、第2の例によるコリメータデザインを平面図で示す。
【図１４】図14は、図13のコリメータデザインを斜視図で示す。
【図１５】図15は、第3の例によるコリメータデザインを示す。
【図１６】図16は、第4の例による4つのコリメータの構成物に用いられるコリメータデザインを平面図で示す。
【図１７】図17は、図16のコリメータ構成物を斜視図で示す。
【図１８】図18は、図17のデザインについての光出力分布の1つの表現を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
本発明は、コリメートされた光出力の非円形領域を可能にする、又はコリメータのテッセレーションを可能にする様々なデザインを提供する。第1の態様では、コリメータ構成物は、複数のコリメータを備え、各コリメータは、円形の全体的外形を有し、該円形の全体的外形内への1つ以上の刻みがあり、各刻みは、内角で交わる一対の縁部を含み、各刻みは、当該カットアウトが円形の全体的外形と交わる一対の外角を画定する。これらコリメータは、各内角が、隣接するコリメータの外角の1つに隣接してテッセレーションされる。別の態様では、コリメート光学構造は、第1の径を有する第1のコリメータレンズデザインの1つ以上のセクタを含む第1のセクションと、より大きい第2の径を有する第2のコリメータレンズデザインの1つ以上のセクタを含む第2のセクションとを含む。これらセクタは、光軸を中心とした、光軸から一定ではない半径を有する環状形状を一緒に形成する。
【００４０】
本発明は、広くは、コリメータデザインの外形に関する。本発明は、多くの異なる既知のコリメータタイプの任意のものを用いてもよい。
【００４１】
図3は、全反射を用いる既知のコリメータタイプの例の第1のセットを示す。各々の場合において、光源30は、全反射コリメータ32への（図3Aにのみ示されている）光軸方向13を中心とした入口開口部12に光を供給する。光は、コリメート光学体に入射し、屈折率角度変化を受ける。光は、次いで外部の材料、典型的には空気との界面が存在する光学体の表面に到達し、次いで全反射を受ける。光は、次いで光学体から出るか、又は先ず一連の全反射を受け得る。このデザインはすべて、光軸13（すなわち、中心軸）に関して回転対称である。図示されているように、あるデザインは、内部反射が生じない屈折部を用いる。例えば、図3Gのデザインは、歯付きデザインを用いる中央屈折区域及び側方全反射（TIR）区域を有する。
【００４２】
異なるデザインは、所望のコリメーションを実現するために屈折及び反射がどのように用いられるかで異なる。
【００４３】
図4は、鏡面反射を用いる既知のコリメータデザインの例の第2のセットを示す。全ての場合において、光は、コリメータの中央部分42を形成する屈折光学体を有するコリメータ40に進み、さらに、径方向外側のリフレクタ部分44が用いられる。これらのデザインは、例えば、コリメートされたビームの面積を増大させる。ここでも、光は、（図4Aのみに示されている）光軸方向13を中心とした入口開口部12に供給される。
【００４４】
斯くして、適切なコリメータタイプには、サイドエミッションレンズとリフレクタとの組み合わせと共に、TIRレンズ、TIRフレネルレンズ、屈折フレネルレンズ、（屈折（R）、反射（X）及び全反射（I）を組み合わせた）RXIレンズを含む。一般に、コリメータは、別個のリフレクタ部分並びにLED及びコリメータの入口部分が位置する中央部分を有する。
【００４５】
本発明の第1の態様は、テッセレーションを可能にするためのコリメータの外部形状の変更を提供する。「外部形状(external shape)」とは、光出力方向に沿ってコリメータを見た場合の外形、すなわち、図2のように正面向きに見たコリメータの出力形状を意味する。
【００４６】
LED照明のコリメータは、通常は丸い。審美的理由から、又はより均一な外観を作り出すためにギャップのない複数のコリメータを配列するために、他の形状のコリメータが望まれる。この態様は、コリメータが、それらの間の照明されないギャップの減らされた領域と組み合わされ得るように、カットアウトセグメントの使用を伴う。
【００４７】
図5は、複数のコリメータの出口窓49a、49b、49cのテッセレーションされた配置で用いるための、3つの異なるコリメータデザイン48a、48b、48cを示す。各々の場合、コリメータは、コリメータの出口窓の円形の全体的外形を有し、該円形の全体的外形内への1つ以上のカットアウト（又は刻み又は凹部）がある。
【００４８】
図5Aは、出口窓49に4つのカットアウト50を有するデザイン48aを示す。各カットアウトは、内角56で交わる一対の縁部52、54を含み、各カットアウトは、カットアウト50が円形の全体的外形と交わる一対の外角58、60を画定する。内角は90度であることが好ましく、これにより、当該形状は、最小ギャップでもって噛み合うことができる。しかしながら、80〜100度の角度は十分である。
【００４９】
図5に示される形状は、平面図形状、すなわち、コリメータの光出力面に正面向きに見ている。縁部52、54は平面であり、図5に出入りする平面、すなわち、一般的な光出力方向、すなわち、コリメータの光軸と平行である。
【００５０】
図5Bは、出口窓49bに2つのカットアウト50を有するバージョン48bを示し、図5Cは、出口窓49cに1つのカットアウト50を有するバージョン48cを示す。カットアウトは、概して、光軸に向かって、それゆえ、光源の光出力に向かって延びるが、完全には径方向ではない。なぜなら、図5Aに見られるように、カットアウトは中心に到達しないからである。カットアウトは、全反射コリメータの中央キャビティの部分を除去しない。なぜなら、この場合、コリメータは、カットアウトで光を漏らすからである。
【００５１】
コリメータは、各々の内角56が、隣接するコリメータの外角58、60の1つに隣接してテッセレーションされるようデザインされる。各コリメータは、例えば、全反射コリメータを含む。図3及び図4の例では、カットアウトは、中央光学部分を含まない、外側反射部分に限定される。とりわけ、図3Cのデザイン及び図4のデザインには、光を中に留めるためにカットアウトの縁部に鏡面リフレクタを設けてもよい。全反射光学コリメータの場合、カットアウト縁部は、全反射を通じて自動的に反射する。斯くして、カットアウト部分は、コリメータデザインのリフレクタ又は全反射部分用である。
【００５２】
各コリメータは、図5には示されていないが（図5は、形状の詳細を説明するためだけに用いられている）、それぞれの光源からの光を受けるための入口開口部を有する。例えば、入口開口部は、図1に見られる。
【００５３】
図6は、図5Cに示されるような1つのカットアウトを有する4つのコリメータ及び図5Aに示されように4つのカットアウトを有する1つのコリメータを用いる、第1の可能なテッセレーションを示す。全体的円形外形は、テセレーションされるコリメータのすべてで同じである。一緒に、これらコリメータは、コリメータ構成物60を形成する。
【００５４】
図6に示されるように、カットアウトは、全領域の中央部分において組み合うが、コリメータ構成物の外形は、個々のコリメータデザインの概して円形の部分によって画定されてもよい。図6のデザインの場合、外形は、1つのカットアウトを有するコリメータによってのみ画定され、4つのカットアウトを有するコリメータは、中央にある。
【００５５】
図7は、すべて同じデザイン、すなわち、2つのカットアウトを有する図5Bのデザインである4つのコリメータを用いてコリメータ構成物60を形成する、第2の可能なテッセレーションを示す。図7のデザインの場合、外形は、4つのコリメータの湾曲した外側部分によってのみ画定され、カットアウトは、すべて中央にある。
【００５６】
図8は、コリメータ構成物60を形成する、8つのコリメータのためのデザインを示す。2つは、図5Aに示されるように4つのカットアウトを有するコリメータであり、4つは、図5Bに示されるように2つのカットアウトを有するコリメータであり、2つは、図5Cに示されるように1つのカットアウトを有するコリメータである。これは、8個の光源のためのより大きな概して円形の全体構成を提供する。ここでも、全体的な外形は、曲面からのみ形成される。
【００５７】
図9は、コリメータ構成物を形成する、12個のコリメータのためのデザインを示す。4つは、図5Aに示されるように4つのカットアウトを有するコリメータであり、8つは、図5Bに示されるように2つのカットアウトを有するコリメータである。これは、12個の光源のためのより大きな概して円形の全体構成を提供する。
【００５８】
これらのデザインは、ギャップのない密集したコリメータのアレイ(close-packed array of collimators)を可能にする。これは、コリメータを互いに切る既知の方法とは異なる外観を作り出す。
【００５９】
カットアウトは、回転対称ビームにおいて方形アーチファクトを生じないことが分かった。とりわけ、図7に示される4つのコリメータのデザインは、レイトレーシングソフトウェアを用いてシミュレートされた。既存のMR16スポットコリメータが用いられ、カットアウトは、シミュレーションツールにおいて矩形ブロックの直接的なブール減算(straightforward Boolean subtraction)により作られた。
【００６０】
図10は、光軸を含む1つの断面平面に対する強度対角度を示す。分布は対称である。様々な断面における類似の強度スライスは、強度分布が円対称であることを示す。
【００６１】
図11は、表面上に投影された強度を示す。左の部分は画像としての強度を示し、右の部分はパターンに対する異なる光強度の寄与を示す。出力ビームの回転対称性がはっきりとわかる。
【００６２】
ピーク強度は、コリメータ出口窓領域の損失に比例するファクタにより低減され、これは予想される。カットアウトのある領域がカットアウトのない元のコリメータ出口領域に拡大縮小される場合、元のピーク強度は回復され得る。しかしながら、同様のファクタにより高さの望ましくないスケーリングも存在する。ピーク強度を回復する他の方法は、より多くのコリメータを用いることであり、これは、円形コリメータと比較してカットアウトを持つコリメータのテッセレーションが改善されるため可能である。
【００６３】
コリメータの入口開口部の直角のスロットをカットアウトすることによっても、効率の改善が得られる。これらは、光を優先的に光源からコリメータの非カットアウト部分に方向付ける働きをする。これらのスロットは、コリメータのカットアウト領域から離れる方に光を向けるためための部分として機能する。他の光方向付けメカニズムが、光をカットアウト部分から遠ざけるために用いられてもよい。
【００６４】
図12は、コリメータが単一のカットアウト50を有し、スロット120がカットアウトに面する例を示す。これは、カットアウト50に向けられた光が、カットアウトから遠ざかる、スロット面の法線方向に向かって屈折されることを意味する。2つ以上のカットアウトを有するデザインの場合、カットアウトごとに1つのこのようなスロットが存在してもよい。
【００６５】
本発明の第2の態様は、光軸を中心に配置されたコリメート光学構造を含み、コリメート光学構造は少なくとも2つのセクションを含む、コリメータデザインを提供する。第1のセクションは、第1の径を有する第1のコリメータレンズデザインの1つ以上の部分を含み、第2のセクションは、より大きな第2の径を有する第2のコリメータレンズデザインの1つ以上の部分を含む。これらの部分は、環状形状の異なるセクタである。しかしながら、1つのセクションの部分は、単一の回転対称デザインの一部である。異なるセクションは、全体形状が非円形であるように異なる径を有する。
【００６６】
図13は、上方から見たコリメータ122の一例を示す。斯くして、コリメート面が見え、光源はコリメータの下に配置されることになる。
【００６７】
第1のセクション130は、4つの部分130a〜130dを含む。これらは、中央開口部の結果として中心まで完全には延びていないが、本質的にセクタである。第2のセクション132は、やはりセクタの形態の4つの部分132a〜132dを含む。第2セクションは、より大きな径を有する。各セクションの4つのセクタが等角度間隔で配置され、結果として、4つの拡張されたコーナ134のセクタが存在し、全体形状は正方形に近似する。これらの部分はすべて、（この例では位数4の）回転対称のままであって、各コリメータセクションの寄与が中心からの異なる径方向距離に対して同じ比率のままであるように、本質的にセクタである。
【００６８】
セクタ間の接合部は、側壁133を形成する。
【００６９】
斜視図が、図14に示されている。
【００７０】
このデザインは、正方形のグリッドアレイとしてより良いテッセレーションを可能にし、又は、正方形の光出力ウィンドウが望ましい場合に、単一のコリメータが用いられ得る。とりわけ、コリメータの外形は多角形（図13の例では正方形）であり、第2の部分132は多角形の各角134にセクタを含む。
【００７１】
図13及び図14のコリメータデザインは、2つの別個のコリメータデザインを組合せることに基づいている。しかしながら、より多くの個別のコリメータデザインが組み合わされてもよい。各個別のデザインは、回転対称であるが、異なる径のものである。（例えば、図3A及び図3Cに示されるように）出口面が平坦である場合、連続した滑らかな出口面を維持しながら、複数のコリメータが組み合わせられてもよい。
【００７２】
これは、図15に示されている。図15においては、3つの異なる径の部分150a、150b、150cが、共通の平坦な出口面152と共に示されている。3つの異なる半径は、r1、r2及びr3として示されている。
【００７３】
異なるセクタは、垂直又は（例えば、射出成形のための小さな抜き勾配を持つ）ほぼ垂直な側壁でもって接続されている。ここで、垂直とは、中心光軸に平行であることを意味する。斯かる側壁は、効率又は配光に悪影響を及ぼさない。
【００７４】
セクションの組み合わせの効率は、セグメントに用いられる基本的なコリメータデザインの効率と同じである。これは、セグメント化されたコリメータが、（反射、フレネル及び吸収損失を無視し）100％の幾何学的効率を持つことができることを意味する。
【００７５】
図16は、4つのコリメータ122を用いるコリメータ構成物158のデザインの別の例を示し、コリメータのうちの1つが他のものより明確に示されている。
【００７６】
各コリメータ122は、3つのセクタ160a、160b、160cを有する第1の最小径部分160を含む。これらは、第1の、最も小さい径の円形デザインのセクタである。
【００７７】
第2の最大径部分162は、2つのセクタ162a、162bを有する。第2のセクションの2つのセクタは、全体のデザインの中心に向かう径方向の各側で90度と105度の間（角度θ）である。これらは、第2の、最も大きい径の円形デザインのセクタである。
【００７８】
4つのコリメータは、2x2のグリッドにあるが、全体の外形は、正方形ではなく概して円形のままである。θ= 100度（有効数字3桁まで）の角度は、部分160a、162bが90度離れた円形の全体的外形の点に向けられていることに対応する。斯くして、第2のセクションの2つのセクタは、例えば、径方向の各側で100度である。これは、4つの小さい円のテッセレーションによって形成される大きな円のギャップを埋めるための最適な方法を提供する。
【００７９】
斯くして、各コリメータは、直線状の径方向縁部に近似する2つの縁部166と、外側で90度の円弧168とを有する、90度のセクタに近似する。
【００８０】
各コリメータは、第3のセクションをさらに備えてもよく、ここで、第3のセクションは、5つのセクタ164a〜164eを備える。1つは、第2のセクションの2つのセクタ162a、162bの各側にあり、第5のセクタ164eは、径方向内向きに向けられている。第3のセクションは、第1の径と第2の径との間の第3の径を有する第3のコリメータレンズデザインのセクタを含む。これは、所望の90度セクタ形状により近く近似することを意味する。
【００８１】
図16は、1つの具体例を示す。しかしながら、デザインに対する一般的なアプローチは、他の例にも適用され得る。とりわけ、コリメータの外形が最初に選択される（例えば、正方形）、又はコリメータのテッセレーションから導出される（例えば、図16のように円の四分の一）。
【００８２】
少なくとも2つの異なる径のコリメータが、角度θの関数としてコリメータの外形の所望の径に応じて（概念的に）切断される。異なる径のセクタは、完全なコリメータを満たすように配置される。異なる径がより多く選択されるほど、外形により近く追従することができる。
【００８３】
より大きな円又は他の形状のギャップは、複数の径のセクタを用いる場合より効果的に満たされる。
【００８４】
このデザインでは、4つのコリメータが組み合わされて、円形出口開口部を満たし、ほぼすべての表面から光を放射する。これは、マーケティングによって高く評価されている単一オプティックの外観に似ている。
【００８５】
4つのコリメータの各々は、互いに組合される（異なる径の）3つの異なるデザインからなる。3つのデザインの各々は、異なる径／高さを有する。3つの異なるデザインは、同じキャビティ、同じ中心及び同じ出口面を共有する。
【００８６】
図17は、図16のデザインを斜視図で示す。コリメータ構成物は、平坦な出力面を有し、全反射コリメータに基づいている。
【００８７】
より多くのセクションを用いることにより、所望の正方形又は長方形のアパーチャのさらに良い近似を達成することができる。レイトレーシングモデルは、全反射面のセグメンテーションに起因するアーチファクトがほとんどなく、配光が依然として円形であることを示している。必要に応じて、ビーム拡大、平滑化又は混色のために、既知の方法でファセット又はテクスチャを追加することができる。
【００８８】
図18は、表面上に投影された図16及び図17のレンズの強度分布を示す。左の部分は画像としての強度を示し、右の部分は1つの断面に対する角度の関数として強度を示す。セグメンテーションから生じる目に見えるアーチファクトはない。
【００８９】
あるデザインでは、（例えば、図3A、3B、3D、3E、3F及び3Gのデザインにおける）中央のLEDキャビティは、すべてのセクションにおいて同一であり得、残りの光学面のうちの1つ又は2つだけがセグメント間で変化する必要がある。しかしながら、1つのセクションの全ての表面が隣接するセクションの対応する表面から不連続であるようなデザインを提供することも可能である。
【００９０】
図4A及び図4Eに示されているようなサイドエミッション一次レンズの場合、サイドエミッションレンズはセグメント間で同じであり得、各セグメントに異なる径を提供するため径方向外側のリフレクタ部分42のみが径方向にセグメント化される必要がある。
【００９１】
上記の異なる例におけるカットアウト又はセグメントは、鏡面反射側壁又は縁部を有することが好ましい。全反射に基づくデザインは、反射側壁を自動的に画定するが、光をそれぞれの領域に閉じ込める反射側壁コーティングを備えた他のデザインが提供されてもよい。
【００９２】
斯くして、単一のコリメータへのコリメータデザインの組み合わせを実現するための種々異なる方法がある。
【００９３】
コリメータの製造は、当業者にはありきたりであろう。一例として、本デザインは、透明なプラスチック材料から射出成形されてもよい。
【００９４】
各コリメータは、例えば、5mm〜25mmの範囲の径を有する。個々のコリメータのサイズ及び（例えば、図6〜図9に示されるように）用いられる数を適切に選択することにより、全体のサイズが選択されてもよい。全体的なサイズの最大寸法は、例えば、より大きいサイズも可能であるが、5mm（図13のような単一コリメータの場合）〜100mmの範囲である。個々の光源に複数のコリメータを用いることにより、高さを最小限に抑えることができ、例えば、25mm未満、好ましくは10mm未満に抑えることができる。一般に、高さは、各コリメータの径の半分未満又は好ましくは1/3未満に抑えられてもよい。
【００９５】
より良いテッセレーションを可能にする2つの異なるアプローチが上記で概説されている。しかしながら、これらは、同じ概念的アプローチを共有している。すべてのデザインにおいて、各個別のコリメータは、光軸に本質的に平行な平面内の内方に延びる側壁の対によって中断される、円形コリメータの1つ以上のセグメントを含む。側壁は、射出成形型から製品を解放するために僅かな傾斜角を持つことも可能である。これらの側壁は、全体的な外側円形形状(general outer circular shape)内に完全に延び、これにより、中断区域(interrupted zone)を形成するようコリメータの領域を減らす。側壁は、180度未満、例えば、90度以下の内角で交わる。内角は、円の中心にあってもよく、コリメータの中央部分が保たれるようにオフセットされてもよい。
【００９６】
斯くして、本発明はまた、（中心軸である）光軸を有する光入口開口部と、光軸を中心に配置されたコリメート光学構造とを有するコリメータであって、コリメート光学構造は、円形コリメータデザインの1つ以上のセグメントを有し、セグメントは各々、光軸に平行な平面内の内方に延びる側壁の対によって中断され、側壁は、全体的な外側円形形状内に完全に延び、これにより中断区域を形成し、側壁は、180度未満の内角で交わる、コリメータを提供する。
【００９７】
コリメータ構成物において、中断区域は、別のコリメータとのテッセレーションによって満たされるか、異なる円対称コリメータデザインの一部である、コリメータ自身の別の部分によって満たされる。このようにして、中断区域は、少なくとも部分的なテッセレーションが当該区域を満たすことが可能になるようなカットアウトであるか、又は外形が非円形になるよう適合されるように、異なるコリメータデザインのセクタで満たされる。斯くして、あるデザインのセットでは、中断区域は、へこみを形成し、別のデザインのセットでは、径方向突起(radial projection)を形成するように別のデザインで満たされる。すべての場合において、結果としての外形は、より容易にテッセレーションされるが、本デザインの単一のコリメータが、単独で用いられてもよい。
【００９８】
本発明は、一般的なスポットランプ（例えば、MR16、GU10、AR111）、店舗照明、パラボラ状アルミニウム製リフレクタ（PAR）ランプ、及びプロフェッショナルスポットライトのために興味深いものである。
【００９９】
開示された実施形態に対する他の変更は、図面、開示、及び添付の特許請求の範囲の研究から、クレームされた発明を実施する際に当業者によって理解され、達成され得る。特許請求の範囲において、「含む（comprising）」という単語は他の要素又はステップを排除するものではなく、不定冠詞「a」又は「an」は複数を除外しない。特定の手段が相互に異なる従属請求項に列挙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使用できないことを示すものではない。特許請求の範囲内のいかなる参照符号も、範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図３Ｆ】
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【図３Ｇ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【国際調査報告】
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