(57)【要約】  本発明は、光学モジュールの対称軸の周りに位置決めされた２つ以上のセグメントを有する光学モジュールに関する。各セグメントは、モジュールから出射する光の既定の配光を提供するための光コリメート構造と、光コリメート構造内のキャビティに取付けられた光源とを備える。キャビティの中心が、光コリメート構造の光軸と一致し、且つモジュールの対称軸から距離（ｄ）にある。各セグメントがそのセグメント自体の光源を備えるような２つ以上のセグメントを有することにより、１つの光源のみを有する従来の照明器具と比較して、より高いルーメン出力を得ることができ、各キャビティの中心が、セグメントのコリメート構造の光軸と一致するようにセグメントを配置することにより、モジュールから出射される光の狭幅ビームのコリメーションを維持できる。
2013543215.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つ以上のセグメントを有する光学モジュールであって、前記セグメントが、当該光学モジュールの対称軸の周りに位置決めされており、各セグメントが：
当該光学モジュールから出射される光について既定の配光を提供するための光コリメート構造と；
該光コリメート構造内のキャビティに取付けられた光源、好ましくは、発光ダイオードと；を備え、
前記キャビティの中心軸ＣＡが、前記光コリメート構造の光軸と一致し、
前記キャビティの中心軸が、当該光学モジュールの対称軸から距離（ｄ）にある、光学モジュール。
【請求項２】
前記２つ以上のセグメントの各々について、前記光源によって供給された光を前記光コリメート構造に向けて案内するように構成されたミラー配列をさらに含む、請求項１に記載の光学モジュール。
【請求項３】
前記ミラー配列は、複数の前記キャビティのうちの少なくともいくつかの上部を少なくとも部分的に覆う１つ以上のミラーを含む、請求項２に記載の光学モジュール。
【請求項４】
前記ミラー配列は、複数の前記キャビティのうちの少なくともいくつかの側壁を少なくとも部分的に覆う１つ以上のミラーを含む、請求項２又は３に記載の光学モジュール。
【請求項５】
１つ以上の前記側壁のうちの少なくともいくつかが、ミラー箔を含む、請求項４に記載の光学モジュール。
【請求項６】
前記光コリメート構造が、光導波路とリダイレクト層とを備える、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光学モジュール。
【請求項７】
前記光導波路は、光入射面を含む光入射部と、光反射面を含むテーパ部と、光出射面とを含み、
前記光入射部は、前記光入射面から第１の方向（ｘ）に前記光反射面に向けて光を案内するように配置されており、
前記光反射面は、前記光入射部からの入射光が、前記光出射面に向けて反射されるように第１の方向（ｘ）に関して配置されている、請求項６に記載の光学モジュール。
【請求項８】
光を散乱して透過するように適合されるとともに前記光導波路の前記光入射面の少なくとも一部を覆うように配置された光透過層をさらに含む、請求項７に記載の光学モジュール。
【請求項９】
前記光透過層が、前記光源、好ましくは蛍光体層からの光による励起に応答して光を放射するように適合される、請求項８に記載の光学モジュール。
【請求項１０】
前記光源が、前記光透過層を直接的に又は間接的に照明するように配置されるとともに、前記光源による照明に応答して前記光透過層を照明するように配置された再透過光源をさらに有する、請求項８又は９に記載の光学モジュール。
【請求項１１】
前記光透過層が、前記光入射面と光学的に接触している、請求項８乃至１０のいずれか一項に記載の光学モジュール。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の光学モジュールを有する光出力装置又は照明器具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、一般に照明系の分野に関連し、より具体的には、狭ビームサイズと高ルーメン出力とを有する光出力を提供するための光学モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ）の効率（ワット当りのルーメンで測定される）が増加し、価格が下がるにつれて、ＬＥＤ照明及びＬＥＤベースの照明器具が、間もなく、今まで普及している発光管（ＴＬ）ベースの照明器具の代替実施形態になり、且つこの発光管（ＴＬ）と競争力のあるレベルに到達すると予想される。
【０００３】
特許文献１には、照明器具が記載されており、この照明器具は、同照明器具から既定の配光を提供するために配置されたコリメート構造においてソース（光源）・キャビティ内に位置決めされた光源を有する。この光源は、複数のＬＥＤを備える。ソース・キャビティ内に含めることができるＬＥＤの数は、キャビティの大きさに依存する。同様に、この照明器具によって生成される光の強度は、キャビティ内に含まれるＬＥＤの数に依存する。従って、このような照明器具のルーメン出力を増大させるために、より多数のＬＥＤを収容可能なより大きなソースキャビティを使用しなければならない。
【０００４】
提案された構造の１つの不利点は、ソースキャビティの大きさを増大させると、出力光のビーム幅も増大することである。図１には、ソースキャビティの直径と出力光のビーム幅との関係が示されている。図１から推測されるように、狭幅ビームを有する光出力を得るためには、ごく少数のＬＥＤダイしか、そのような構造のソースキャビティ内に設置できない。例えば、実現可能な最も狭いビーム幅は、２×５［度］の角度範囲を有している。次に、対応するソースキャビティは、２×３．５ｍｍの直径を有する。ＬＥＤダイは、通常は１ｍｍ×１ｍｍとして測定されるので、そのようなキャビティは、辛うじて４つのダイのみを収容するスペ−スを有する。典型的には、今日のＬＥＤダイは、温白色の色温度について、ダイ当たり１００ルーメンを供給でき、冷白色に対する昼白色の色温度について、ダイ当り最大１６０ルーメンを供給できる。記載される照明器具の構造の概算の効率が約８５％である状態では、このことは、絶対値で、最大３４０から５４０程度のルーメン出力を意味する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２００８／１２６０２３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
これらの光レベルの絶対値は、例えば外科用照明、屋外照明、エンターテイメント等の高光出力を有する狭ビームスポットライトが必要とされる用途範囲においてはあまりにも低く過ぎる。従って、狭幅ビームと高ルーメン出力との両方を有する光を供給可能な照明器具を提供することが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様によれば、光学モジュールが開示される。このモジュールは、同モジュールの対称軸の周りに位置決めされた２つ以上のセグメントを有する。各セグメントは、光学モジュールから出射される光について既定の配光を提供するための光コリメート構造と、この光コリメート構造内のキャビティに取付けられた光源、好ましくは、ＬＥＤ又はレーザダイオードとを備える。キャビティの中心が、光コリメート構造の光軸と一致し、且つ光学モジュールの対称軸から距離（ｄ）にある。
【０００８】
本明細書において用いられる用語「キャビティの中心」は、対称点（例えば、円や正多角形の中心、すなわち、対称軸）、又は対称軸等の上に位置する焦点（例えば、楕円や放物線の焦点の１つ）を指称する。
【０００９】
２つ以上のセグメントを含み且つ各セグメントがそのセグメント自体の光源を備える光学モジュールを提供することによって、１つの光源のみを有する従来の照明器具と比較して、より高いルーメン出力を得ることが可能になる。各セグメント内では、光源が、その光源自体のソースキャビティ内に位置決めされている。各ソースキャビティの中心が、セグメントのコリメート構造の光軸と一致するようにそのセグメントを配置することによって、光学モジュールから出射される光の狭幅ビームのコリメーションを維持することが可能になる。
【００１０】
本発明の別の態様によれば、光出力装置又は光学モジュール等を備える照明器具が提供される。
【００１１】
請求項２〜５の実施形態によれば、有利に、それぞれの光源によって供給される光を対応するセグメントの光コリメート構造に向けて案内することが可能になる。特定の重要な位置（例えば、キャビティの背面等）に鏡面反射性ミラーを設置することによって、対応する適切なコリメート光学系へ各光源からの光を導くことを支援することができ、その結果、照明器具の効率の劇的な増加をもたらす。
【００１２】
請求項６の実施形態によれば、コリメート構造は、例えばくさび形状の光導波路等の光導波路と、例えばリダイレクト（光の再方向付け又は方向転換）箔等のリダイレクト層とを含み得ることが規定される。一実施形態では、光導波路は、キャビティの中心と一致する光導波路の対称中心において、面内で実質的に回転対称となり得る。この回転対称性によって、大抵の場合ダウンライト用途等の照明用途において所望される対称性光ビームの供給を可能にする。
【００１３】
請求項７の実施形態によれば、光導波路の有利な構造が規定される。
【００１４】
請求項８の実施形態によれば、光学モジュールが、光を散乱して透過するように適合され、且つ光導波路の光入射面の少なくとも一部を覆うように配置された光透過層をさらに有することが規定される。この光透過層によって、比較的大きな領域から透過された散乱光を光導波路内で制御し、効率的に結合する（incoupling）ことが可能になる。光導波路の寸法を設定することにより、光導波路から出るときに、例えば、角度分布、グレア（glare）等の照明器具の要件を充足することができる既定の特性を有する光ビーム内に結合された光を形成することが可能になる。光透過層は、入射光を散乱するように適合された光透過層であってもよく、光入射面と対向する層の側から散乱された光を出力する。こうして、光源の明るさに関係する問題は、照明器具の出力においてディフューザを使用せずに改善又は軽減できる。
【００１５】
請求項９に記載の実施形態によれば、光透過層が、励起に応答して光を放射するように適合された光放射層とすることもできることが規定される。この光放射層は、従って、光を生成できる層であるが、この層を介して光を単に送り出す透過層でない。この光放射層は、光、好ましくは、蛍光体層の光の励起に応答して光を放射するように適合された層であってもよい。効率性の向上が、均一で「非グレア」な光の供給が望まれるスリムな照明器具（厚さに比べて大きな光出力領域を有する器具）に特に所望され／必要とされている。このような照明器具において、光を再生するための蛍光体活性領域は、（グレア要件の範囲内でコリメートされた光を供給し、且つさらに照明器具を薄く保つために、）照明器具の光出力の全領域と比較して相対的に小さくなる。
【００１６】
請求項１０の実施形態よれば、光源が、光透過層を直接又は間接的に照明するように配置され、光学モジュールが、光源の照明に応答して光透過層を照明するように配置された再透過性光源をさらに含み得ることが規定される。この再透過性光源は、光、好ましくは、蛍光体材料を含む光の励起に応答して光を放射するように適合できる。これは、例えば、光入射面を覆うように蛍光体を配置することなく、例えばＬＥＤからの照明によって光を生成するように使用されることを可能とし、こうして蛍光体が、光出射面を介して視覚可能状態から遮蔽される。この１つの利点は、例えば光学装置を有する照明器具がオフ状態にあるときに、黄色等の色が現れることを回避できるということである。
【００１７】
請求項１１の実施形態によれば、光透過層は、光入射面から好ましくは実質的に等距離であり、１ｍｍ未満として配置され、より好ましくは、光学的に接触することなく、光入射面に可能な限り近く配置されることが規定される。光学的に非接触である利点は、光放射層によって放射され且つ光導波路内で結合された光線が、コリメート効果によって屈折されるということである。
【００１８】
あるいはまた、光透過層は、光入射面と光学的に接触することがある。これは別の利点を有する、すなわち、光入射面での反射を回避することができるので、光をより効率的に光導波路内で結合することができる。
【００１９】
以下、本発明の実施形態がさらに詳細に説明される。しかしながら、この実施形態は、本発明の保護範囲を限定するものとして解釈されるべきでないことは、十分認識されたい。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、従来技術のある形式の照明器具の光出力のビーム幅とソースキャビティの大きさとの関係を示す。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の実施形態による光学モジュールに使用されるある照明装置のセグメントの側断面図を示す。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図２Ａの照明装置の平面図を示す。
【図３Ａ】図３は、本発明の実施形態による光学モジュールに使用される別の照明装置のセグメントの側断面図を示す。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図３Ａの照明装置の平面図を示す。
【図４】図４は、本発明の実施形態による図２Ａ−２Ｂで説明された照明装置又は図３Ａ−３Ｂで説明された照明装置のいずれかのセグメントを使用する光学モジュールを設計するための方法ステップのフロー図を記載する。
【図５Ａ】図５Ａは、図４に記載されたステップを立案する概略図を提供する。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図４に記載されたステップを立案する概略図を提供する。
【図５Ｃ】図５Ｃは、図４に記載されたステップを立案する概略図を提供する。
【図５Ｄ】図５Ｄは、図４に記載されたステップを立案する概略図を提供する。
【図６Ａ】図６Ａは、それぞれの光源によって放射される光を、対応するセグメントのコリメート構造に向けて導くための実施形態を示す。
【図６Ｂ】図６Ｂは、それぞれの光源によって放射される光を、対応するセグメントのコリメート構造に向けて導くための実施形態を示す。
【図６Ｃ】図６Ｃは、それぞれの光源によって放射される光を、対応するセグメントのコリメート構造に向けて導くための実施形態を示す。
【図６Ｄ】図６Ｄは、それぞれの光源によって放射される光を、対応するセグメントのコリメート構造に向けて導くための実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
全ての図面において、スケッチされる寸法は、説明のためにのみ描かれており、実際の寸法や比率を反映していない。全ての図面は概略であり、実寸大ではない。特に厚さは、他の寸法との関係で誇張されている。さらに、例えばＬＥＤチップ、ワイヤ、基板、ハウジング等の詳細は、明確にするために、図面から省略されている。
以下の説明において、多数の具体的な詳細が、本発明のより完全な理解を提供するために記載される。しかしながら、本発明は、これらの詳細な説明のうちの１つ以上がなくても実施できることが当業者には明らかであろう。他の例では、公知の特徴は、本発明が不明瞭になることを避けるために説明されていない。
【００２２】
図２Ａ〜２Ｂは、本発明の実施形態による光学モジュールに使用される照明装置１００の扇形部分の側断面図及び平面図を示す。示される照明装置は、平面Ｙ−Ｘで円形対称である光導波路１０１を含む。この光導波路１０１は、円筒形貫通孔１０２を有しており、この貫通孔の内側が光放射層１１３で覆われた光入射面１０５であり、この光放射層が、照明、好ましくは、蛍光体層上に光を放射する層である。光放射層１１３は、光入射面１０５と直接には接触していないが、代わりに光入射面１０５と光放射層１１３との間に等距離の小さな空隙がある。この空隙は、光入射層１０５と光放射層１１３との間のいかなる光学的接触がないように可能な限り小さくすることが好ましく、好ましくはこの空隙は１ｍｍ未満である。光放射層１１３は、光学的接触がない限り、光入射面１０５と機械的に接触することもできる。図２Ａにおいて、光放射層１１３と光入射面１０５との間に示される空隙が、誇張されていることに留意されたい。ほとんどの実施品では、光放射層は、貫通孔１０２の中心軸ＣＡから同じ距離に位置する光入射面として考慮される。
【００２３】
示される実施形態では、中心に円筒状の貫通孔１３２を有し、円筒形貫通孔１０２に同心円状に設置された、管又はシリンダとして成形された第２の光導波路１５７がある。この第２の光導波路１５７は、貫通孔１３２の中心と対向する光入射面１５８と、光放射層と対向する光出力面１６８とを有する。第２の光導波路は、外側面１５９を有する、すなわち、光入射面１５８と光出力面１６８とに垂直なシリンダの端面を有する。これらの端面は、好ましくは、隣接する物体と光学的に接触しないが、代わりに光学的に低い密度の媒体、好ましくは空気と相互作用する、すなわち、第２の光導波路１５７よりも低い屈折率の媒体と光学的に接触している。光放射層１１３が、光出力面１６８から一定の距離として示されている、すなわち、第２の光導波路と光学的に非接触であるが、代替実施形態では光学的に接触することもある。
【００２４】
第２の光導波路１５７は、効率を増加させるコリメート効果を提供する。しかし、第２の光導波路が、図２Ａ〜２Ｂの照明装置等の機能を実現するために必要とされないことに留意されたい。従って、別の実施形態では、第２の光導波路が省略される。
【００２５】
円筒状の貫通孔１３２の下部又は底部において、全方向性の光源１１７、好ましくは、発光ダイオード（ＬＥＤ）がある。この光源は、プリント回路基板等の基板（図示せず）に取り付けられてもよい。他の実施形態では、混合キャビティ１３２の様々な位置等の、さらに他の位置に、１つ又は複数の光源が存在することもある。例えば、白色光を生成するために、青色ＬＥＤ又は複数の青色ＬＥＤ１１７が、黄色やオレンジ色の蛍光体層１１３と組み合わせて使用される。
【００２６】
光源１１７と反対側の、円筒状の孔１０２の上端部には、シリンダの開口部を覆うミラー１１５がある。このミラー１１５は、光源１１７からの光を光放射層１１３に向けて反射するための傾斜面を提示し、シリンダの開口部を介して光が抜け出る。この光源が、さらに光放射層を直接的に照明するように配置されているので効率が増大するが、ミラー１１５は必ずしも必要ない。あるいはまた、このミラーは、平坦であり（傾斜されていない）及び／又は光発散のための散乱反射特性を有してもよい。図２Ａには、光源１１７が、第２の光導波路１５７の光入射面１５８に光を直接又は間接的に供給するとき、この光が貫通孔１３２による空気界面を通過し、そのため、第２の光導波路である光学的に密度の高い媒質内で屈折される。その結果、第２の光導波路１５７に入射される光のコリメート効果を生じさせ、外側面１５９の全内部反射（ＴＩＲ）によって光出力面に案内される光の量が増加する。好ましくは、第２の光導波路の屈折率が、少なくとも約１．４であり、この外側面が、同様の又はより低い屈折率を有する空気又は他の媒体とさらに相互作用するという条件で、光入射面１５８上の入射光に対する外側面１５９のＴＩＲが、事実上入射角に独立となることを可能としている。なお、第２の光導波路１５７は、光出力面１６８を介して入射される光放射層からの後方散乱光を案内するために有用で効率的であり、それによって、光が、低損失で、別の位置に、例えば貫通孔１３２の反対側において光放射層１１３上に入射されることを理解されたい。実装例では、照明器具の中心に存在する第２の光導波路１５７を用いることによって、光放射層を通過した光が７０％から８７％に増加されたことが分かった。この種類の照明器具の厚みが減少したときに（損失を引起こすが、より多くの反射が、薄い構造に必要とされているため）、効率が低下するので、第２の光導波路１５７を追加することによって、効率を維持した状態で厚さを減少するように使用できる。光放射層１１３が、光源１１７による照明からの応答として光を放射するとき、光導波路１０１の光入射面１０５の外側に向けて光が放射される。光放射層１１３は、光入射面１０５を覆い、且つこの光入射面に非常に近くに配置されることに起因して、光は、小さな空隙を介して、実際に全ての可能な入射角で、すなわち、光入射面１０５に垂直な関係において約−９０度〜９０度の範囲で光入射面１０５上に入射される。この空隙は、より高い屈折率に対するより低い屈折率の相互作用があることを意味し、スネル則が、光導波路１０１に入射する光の最大入射角（＜９０度）を決定する、すなわち、第２の光導波路に入射する光の場合と同様な状況である。これにより、光導波路１０１に入射する光の制御が提供され、例えば、光の角度分布に関連する要件を充足することを容易にさせる。そのいくつかの詳細を以下に説明する。
【００２７】
光入射面１０５を介して光導波路１０１に入射する光は、最初、光導波路１０１の厚さｔｌｇに等しい、一定の厚さからなる光入射部１０３に案内される。光導波路１０１の内面１０９，１１０におけるＴＩＲの条件を充足する光が、光導波路１０１のテーパ部１０７に向けて案内される。このテーパ部１０７は、光入射面１０５の方向に傾斜され且つ対向する反射面１１１を提示する。この反射面１１１は、光入射面１０５と光導波路のＸ−Ｙ平面とに垂直な関係で角度［β］として配置されている。
【００２８】
この反射面１１１は、光入射部１０３から、すなわち、図２Ａのｘ方向から、光入射面１０５に垂直な関係にある光出射面１０９に向けて入射光を反射する。言い換えれば、光入射面１０５を包囲することにより、光入射面１０５を介して入射され且つ光導波路１０１のＸ−Ｙ平面内を伝播する光は、反射面１１１によってリダイレクト（再方向付け又は方向転換）され、したがって、光出射面１０９を介して「面外」（図２Ａのz方向）に光導波路１０１を逃がしている。「屈折」コリメート効果により、光が、光入射面１０５を介して光導波路１０１に入射されるとき、及び／又は、「反射」コリメート効果により、光が、一定の厚さの最初の光入射部１０３に案内されるとき、反射面１１１は、限られた角度範囲で、すなわち、既定のコリメーションの角度で、入射光のみを処理するように設計できる。角度［β］は、所望されるビーム幅（半値全幅：ＦＷＨＭ）を有する均一な光ビームが実現されるように選択される。最も実用的な用途では、角度［β］は、例えば１度〜１５度の範囲で比較的小さくされる。
【００２９】
光が、屈折を介して反射面１１１から出ないことを確実にするために、ミラー層１１９は、反射面１１１の外側を覆うように設けられてもよい。好ましくは、ミラー層１１９は、光学的な接触がないように、導光面からわずかな距離に配置される。
【００３０】
光導波路１０１の（Ｘ−Ｙ）平面において、光の角度分布が存在する。光放射層１１３が、中心軸ＣＡからＲ１の周りに一定の距離に、光入射面１０５を介して光導波路内に光を放射するので、円筒状の孔がなく、代わりに光導波路の中心軸ＣＡ上の「点状の」光源があるような場合に、全ての光が、Ｘ−Ｙ平面において９０度で反射面１１１に入射されることがない。これは、示されるＸ−Ｙ平面に適用され、このＸ−Ｙ平面に含まれない方向から反射面に光が入射することがないことに留意されたい。光放射層からの光が、中心から距離Ｒ１で光導波路に入射されるときに、光導波路の面内における反射面上の入射光の最大角度［φ］が、テーパ部１０７と反射面１１１とが開始する場所、すなわち、中心軸ＣＡから距離Ｒ２に現れる。光放射層１１３と光入射面１０５との間の光学的非接触は、光が入射面１０５を介して光導波路１０１内に屈折されるときに、通常、図面に示される角度［φ］よりも小さい、最大の角度を形成することに留意されたい。
【００３１】
さらに図２Ａ〜２Ｂを参照すると、透過性リダイレクト層１２１が、光導波路１０１の光出射面１０９を覆うように配置されている。このリダイレクト層１２１は、配光の最終調節とチューニングの調整を行うことがある。リダイレクト層１２１は、光導波路１０１の光出射面１０９と対向する層の表面に形成された三角形要素１２３を有する。この三角形要素１２３は、Ｘ−Ｙ平面内において光導波路の中心軸ＣＡを取り囲む、突起部、又は隆起部の形態である。各三角形要素１２３は、光導波路１０１の中心の方向に対向する第１の面１２５、すなわち、光が光入射面１０５を介して光導波路に入射する面と、光入射面１０５から離れる方向に対向する第２の面１２７とを提示する。この第１の面１２５は、層の面に垂直な関係において第１の角度［α１］で配置され、第２の面１２７は、第２の角度［α２］で配置されている。これらの面１２５，１２７は、光出射面１０９と接触しているが、好ましくは、光学的に接触していない、三角形要素１２３の先端を満たすように形成される。当業者によって認識されるように、機械的接触は、必ずしも光学的な接触をもたらすものではないことに留意されたい。大抵の場合、光導波路と直接的に対向する複数の三角形要素１２７の間に谷部の形態の「エアポケット」がある。
【００３２】
光導波路１０１の光出射面１０９を出る光線は、従って、最初に、光導波路／空気界面に対して屈折され、隣接する三角形要素の間の「谷部」に充填された空気を通過し、三角形要素１２３の第１の面１２５の空気／リダイレクト層界面に対して屈折され、その後、三角形要素１２３の第２の面１２７のリダイレクト層／空気界面に対してＴＩＲによって反射される。最後の反射は、リダイレクト層１２１の反対側の面に向けて光線を導き、リダイレクト層において空気界面に対して屈折によって通過する。リダイレクト層は、従って、光導波路からの光についてコリメート及び／又はフォーカス効果を有している。
【００３３】
図２Ａに示されるリダイレクト層１２１は、ミラー１１５の上方に形成されたキャビティを有することに留意されたい。しかしながら、そのキャビティ領域内のリダイレクト層の厳密な設計は、光のリダイレクトに関与していないので、通常さほど重要ではない。
【００３４】
さらに、図２Ａにおいて、トレース１４３は、光源１１７による照明に応答して光放射層１１３によって放射される典型的な光線の経路を示している。第１の実施形態に基づく第１の詳細な例では、光導波路１０１は、ＰＭＭＡからなり、約１．５の屈折率を有し、リダイレクト層は、ＰＣからなり、約１．６の屈折率を有する。
【００３５】
光導波路１０１と第２の光導波路１５７の材料は、一般的にまた有利には、０．３／ｍ未満の光吸収を有し、低ヘイズと散乱を提供し、２００ｎｍより小さい粒子を含有し、摂氏７５度より高い動作温度を維持できる。光導波路の光路は、通常比較的大きい（約５０ｍｍ等）ので、材料は、好ましくは、高い光透過性を有し、その光吸収が依然として低くなるように良好な光学的品質を有しなければならない。リダイレクト層１２１の材料は、一般にまた有利には、４／ｍ未満の光吸収を有し、低ヘイズと散乱を提供し、２００ｎｍより小さい粒子を含有し、摂氏７５℃よりも高い動作温度を維持できる。リダイレクト層は、３Ｍからヴィクチ（Vikuti）（登録商標）という名称の下で現在利用可能である透過性直角フィルム（ＴＲＡＦ）等の、いわゆるリダイレクト箔と同様のフィルムとすることができる。
【００３６】
さらに、第１の詳細な例では、光導波路１０１は、厚さｔｌｇ＝５ｍｍであり、リダイレクト層１２１は、厚さｔｌ１＝３ｍｍである。光入射面１０５は、光導波路の中心軸ＣＡから距離Ｒ１＝２０ｍｍに位置しており、テーパ部１０７と反射面１１１とが、中心軸ＣＡから距離Ｒ２＝３０ｍｍにおいて始端され、光導波路１０１と反射面１１１とが距離Ｒ３＝５５．５ｍｍにおいて終端する。反射面１１１の角度［β］は、従って、約１１度であり、光入射面１０５とそれを覆う光放射層の面積は、約６００ｍｍ２である。光源１１７は、３ｍｍ２の面積を有する１０Ｗ未満のＬＥＤである。光放射層は、光学的に接触することなく光入射面１０５に可能な限り近く配置されたＹＡＧ：Ｃｅ（セリウムをドープしたイットリウム・アルミニウム・ガーネット）等の蛍光体層である。光導波路１０１の中心軸ＣＡの周りに同心円状に配置された約１００個の隣接する三角形要素がある。各三角形要素１２３の第1の角度［α１］は、９度であり、第２の角度［α２］は、３１度である。第1の詳細な例は、約２×３０度のビーム幅を持つ光ビームをもたらす。
【００３７】
第２の詳細な例では、第1の詳細な例と違って、Ｒ２＝８０ｍｍであり、Ｒ３＝１５１ｍｍであり、それによって［β］は約４.０度となる。第２の詳細な例では、約２×１０度のビーム幅を有する光ビームをもたらす。第３の詳細な例では、第1の詳細な例と違って、各三角形要素１２３の第1の角度［α１］は、２度であり、第２の角度［α２］は、３６度である。第1の詳細な例の光ビームと比較して、第３の詳細な例では、低減された「尾部(tail)」、すなわち、ハーフビーム幅（ＦＷＨＭで）とカットオフ角との間の角度においてより小さい光束を有する光ビームをもたらす。さらに、線形システムでは、２度〜１５度の間隔で角度［β］を有する反射面の範囲において少なくとも、提供されるビーム角は、経験則からの設計として、角度［β］の５倍であることが判明している。
【００３８】
複数の三角形要素１２３が、光導波路１０１の中心と周囲との間に、すなわち、Ｘ−Ｙ平面内の任意の半径方向に沿って配置され、この三角形要素１２３の数は、一般的に重要ではないが、この三角形要素１２３（一定の層厚さｔｌｇで）の数が多くなれば、この要素１２３の寸法が小さくなることを意味し、これらの要素がより個別化され実際上見えなくなるという利点を有する。一方、寸法が小さくなりすぎる場合には、三角形の面１２５，１２７の例えば製造に起因する不完全性は、増大され且つ供給される光ビームに最終的に不利な影響を与えるだろう。したがって、三角形要素の数を増やし且つ小型化するとき注意が必要である。
【００３９】
別の実施形態では、光放射層１１３の代わりに透過性散乱層１１３がある。ディフューザを通過する光が散乱される、すなわち、内側の入射光は、光入射面と対向する側から出る散乱光となる。このディフューザは、光放射層によって提供される方向に対応した方向に光を散乱させ、この散乱層は、光放射層と同様に光入射面に関して配置されてもよい。さらに別の実施形態では、ミラー１１５の代わりに、蛍光体層のような光放射層があり、光入射面を覆う光放射層１１３の代わりに、散乱層が光入射面１０５を覆うように配置される。この実施形態では、光源１１７は、円筒形の孔１０２の上端において光放射層によって再放射効果として変換される光を放射し、従って、再透過光源を形成する。再透過された光は、次に、散乱層に入射される。散乱層は、光源１１７の直接光から遮蔽される。
【００４０】
図３Ａ〜３Ｂは、別の照明装置１６９の側断面図及び平面図を示し、本発明の実施形態による光学モジュールに使用される扇形部分を示している。
【００４１】
照明装置１００と１６９とは、殆んど同じである。しかし、その差異は、第２の光導波路１５７が存在せず、さらに、ミラー層１１９は、光導波路の反射面１１１の外側だけでなく、光入射部１０３の面１１０、１１２の外側面及び円筒形の孔１０２の底面の開口部も覆う反射層１１８に置き換えられていることである。しかしながら、第２の光導波路が、照明装置１６９ともに使用されてもよいことが理解される。さらに、光源１１７は、貫通孔１０２と対向する反射層１１８の側に配置される。反射層１１８は、ミラー又は光導波路１０１と対向する鏡面性反射面を有しており、好ましくは、光導波路１０１と光学的に接触していない。
【００４２】
図２及び図３の実施形態の間の別の相違は、照明装置１６９の光入射部１０３が、傾斜を有するとともに光入射表面１０５からテーパ部１０７に向けて厚みが増加される第１のサブ部分１０６を有しているということである。このサブ部分１０６の傾斜は、好ましくは、光入射面１０５に垂直な関係で３５度〜４５度の範囲である。この傾斜角度が小さ過ぎる場合に、光の漏出につながる可能性があるが、少しの漏出は許容される。実質的に４５度よりも大きい傾斜角は、通常、望ましいことではない。１つのアプロ−チは、屈折率に応じて、約４５度の傾斜角から開始し、光入射面から離れる方向により小さい角度を使用することである。
【００４３】
サブ部分１０６が、中心軸ＣＡからの距離Ｒ２'において、光導波路１０１のｔｌｇの厚さに到達したときに、中心軸ＣＡからの距離Ｒ２'とＲ２との間で、テーパ部１０７が開始する前に、一定の厚さからなる第２のサブ部分１０８がある。第１のサブ部分１０６の厚さが増加する理由は、光導波路から出てくる望ましくない屈折のリスクを低減することである。サブ部分１０６の傾斜面１１２は、光入射面１０５からの入射光の角度を直接的に減少させ、その結果、ＴＩＲを促進する。傾斜した第１のサブ部分１０６は、光放射層が光入射面と光学的に接触しているときに、特に有利であるかもしれない。（光学的接触を有し且つ傾斜された第１のサブ部分１０６を有しない状況では、多少の光が、面１０９，１１０において約９０度で入射することになる。）
【００４４】
光導波路の面内における角度分布に関するいくつかの関係が、ここで、上記の２つの実施形態を参照しながら説明される。光入射面と光放射層との間の光学的接触を有した状態では、次式が光導波路の設計に使用され得る。：
ｓｉｎ［φ］＝Ｒ１／Ｒ２                （式２Ａ）
【００４５】
角度［φ］は、経験則からの推定値のカットオフ角について良好な近似値として考慮される。Ｒ１，Ｒ２及び［φ］は、図２Ａ及び図３Ａに従ったものである。
【００４６】
光入射面と光放射層との間で光学的に接触していない状態では、次式が式２Ａに置き換えられる。：
ｓｉｎ［φ］＝Ｒ１／（ｎｌｇ×Ｒ２）      （式２Ｂ）
ここで、ｎｌｇは光導波路の屈折率である。
【００４７】
しかしながら、リダイレクト層１２１は、カットオフ角に小さいながらも不利な寄与を与えることがあるので、上記の式を用いて光導波路を設計する際に、ある程度の余裕を持つことを勧める。
【００４８】
例えば、空気中で１０度のカットオフ角、屈折率１．５の光導波路、中心からＲ１＝２０ｍｍに配置された光入射面の条件での設計において、式２Ｂは、Ｒ２が約７７ｍｍとなるべき計算結果をもたらす。実際に、Ｒ２は、１０度を超えないカットオフ角を達成するために、この数値よりも大きくする必要がある。これは、角度［β］が、角度［φ］の方向と直交する方向にビーム幅を決定するように考慮され、従って、両方の角度［φ］と［β］とが、狭ビームを有するために考慮される、すなわち、狭ビームのために、［φ］と［β］との両方を小さくしなければならないことに留意されたい。上記において、光導波路とリダイレクト層との屈折率が、約１.５であった。他の屈折率は、好ましくは、１.４〜１.８の範囲が使用される。しかしながら、当業者に認識されるように、これまで説明された寸法、角度等は、当業者が本明細書に開示された情報に基づいて実施可能なように、同様に適合する必要がある。
【００４９】
上記で説明された回転対称の照明装置の扇形のセクション、又はセグメントは、本発明の実施形態による光学モジュールの取付けに有利に使用できる。以下では、用語「キャビティ」は、上述の貫通孔１０２を指称し、用語「光源」は、上述の光源１１７を指称し、用語「コリメート構造」は、キャビティの外側にある（すなわち、光導波路１０１、リダイレクト層１２１等）、図２Ａ〜２Ｂと３Ａ〜３Ｂに示される照明装置の全ての要素を指称する。
【００５０】
図４は、本発明の種々の実施形態による、図２Ａ〜２Ｂにおいて説明された照明装置又は図３Ａ〜３Ｂにおいて説明された照明装置のいずれかのセグメントを使用した光学モジュールを設計するための方法ステップのフロー図を記載する。この方法ステップは、図２Ａ〜２Ｂと図５Ａ〜５Ｄとが一緒に記載されているが、当業者であれば、本方法ステップを実行するように構成された任意のシステムが、どのような順序でも、本発明の範囲内であることを認識するであろう。従って、以下では、照明装置１００のセグメントが説明されるが、同様の教示は、例えば照明装置１６９等のコリメート構造のキャビティ内に位置決めされた光源を有する他の照明装置にも適用できる。
【００５１】
図５Ａ〜５Ｄは、図４に記載された各ステップを立案する概略図を提供し、照明装置、セグメント、及び光学モジュール（図２Ｂ及び図３Ｂと同様）の上面図を示す。図５Ａ〜５Ｄにおいて、図２Ａ〜２Ｂに示された同じ参照符号と同じ名称を有する要素は、図２Ａ〜２Ｂと同一の要素を示している（例えば、キャビティの光入射面１０５面、キャビティの半径Ｒ１等のように）。さらに、点線１９１〜１９５は、Ｘ−Ｙ平面に垂直な平面を示し、面１９１と面１９３との交差が、光学モジュールの対称軸を形成し、面１９２と面１９３との交差が、セグメント内のキャビティの中心において（すなわち、中心軸ＣＡと等しい）対称軸を形成する。
【００５２】
図４に示されるように、本方法は、ステップ１８０において開始し、その後成形される光学モジュールに使用されるべき照明装置１００の「セグメント」が規定される。図５Ａは、どの様にセグメントが規定されるかを説明する。図５Ａに示されるように、セグメント１９７は、このセグメント１９７が、平面１９３に関して鏡面対称となるように選択された平面１９４と平面１９５との間の照明装置１００の一部である。セグメント１９７内のキャビティは、円形として示されているが、他の実施形態では、キャビティは、セグメント１９７が平面１９３に関して鏡面対称性を維持する限り他の形状であってもよい。例えば、キャビティは、線１９３（２Ｄでのｘ軸に平行である）と一致する楕円の２つの主軸のうちの１つによって、楕円形のキャビティとなってもよい。
【００５３】
図５Ａにコーナ１９８として示されるように、平面１９４と平面１９５とが交差するセグメント１９７のコーナ軸は、キャビティの中心から距離「ｄ」にある。平面１９４と平面１９５とが、角度・［γ］を形成する。この角度は、［γ］と距離ｄとが、次のように選択される。
【００５４】
最初に、その後成形される光学モジュール内に存在すべきセグメントの数が選択される。本明細書で前述したように、セグメントの数が、光学モジュールに存在する光源の数を規定する。光学モジュールの全光出力は、各光源の光出力の重ね合わせであるため、光源の数が多いほど、光学モジュールのルーメン出力は大きくなる。以下に詳述するように、セグメントが、光学モジュールの対称軸の周りに「ヒナギク状」のパタ−ンとして配置されるので、Ｎ個のセグメントが光学モジュールに含まれるように選択される場合に、各セグメントは、３６０／Ｎ度の角度に広がる：
・［γ］＝３６０°／Ｎ
【００５５】
図５Ａ〜５Ｄにおいて、このセグメントは、光学モジュールが、合計６つセグメントを含む例示的な実施として示されている。当然、他の実施形態では、Ｎは２つ以上である限り、他の任意の数のセグメントが使用され得る。
【００５６】
距離ｄは、セグメント１９７が、キャビティ全体を包含するように選択される。したがって、Ｎ個のセグメントについて、最小の距離ｄは次のように決定される。
ｄｍｉｎ＝Ｒ１／ｓｉｎ（１８０°／Ｎ）
【００５７】
ｄｍｉｎよりも大きい任意の距離ｄを選択できる。距離ｄが大きくなれば、光学モジュールの直径も大きくなる。一実施形態では、例えば照明器具の全体の設置領域を可能な限り小さく保つために、可能な限り小さい距離ｄを選択することが望ましい。他の実施形態では、照明器具を貫通する追加の中心孔が、例えば医療用照明機器の中心カメラ等の追加の光学機器の配置を可能にするため、より大きな距離ｄを選択することが好ましい。
【００５８】
ステップ１８２において、前のステップで規定されたセグメント１９７と同数のＮ個のセグメント（そのようなセグメントの１つが図５Ｂに示される）が提供される。そのようなセグメントは、１つの照明装置１００から各セグメントを切出すことにより製造される。あるいはまた、セグメントが、照明装置１００のそのセグメント部分について説明されたものと同じ単一の光セグメントの光学設計を継続することによってそのセグメント上に製作できる。
【００５９】
ステップ１８４において、第１のセグメントは、その第１のセグメントのキャビティの対称軸（すなわち、平面１９２との平面１９３の交差部、図２Ａ及び図３Ａの中心軸ＣＡに等しい）が、その後成形される光学モジュールの対称軸（すなわち、平面１９１と平面１９３との交差部）から距離ｄとなるように配置される。これは、図５Ｃに示されている。
【００６０】
方法が終了するステップ１８６では、他の（Ｎ−１）のセグメントが、光学モジュールの対称軸の周りに配置され、それによって、各セグメントについて、そのセグメントのキャビティの対称軸は、光学モジュールの対称軸から距離ｄとなる。このように配置され完成した光学モジュール２００が、図５Ｄに示されている。光学モジュール２００は、モジュールの対称軸の周りに３６０／Ｎ度の整数倍の回転に対して回転対称となる。
【００６１】
上記のような光学モジュールを配置することが可能になり、各セグメントについて、リダイレクト層１２１上に回転対称プリズム構造によって中心決めされたキャビティを維持することができる。そのようにして、くさび形状の光導波路１０１から抜け出る光線のみが、次のリダイレクト層１２１に関してある傾斜角度を有することになる。それらの方位角（平坦なリダイレクト層１２１の面内の角度）は、実質的にゼロである。したがって、出力光ビームの幅は、光線の傾斜角度の［プリズム］コリメート作用によって決定され、結果として、出力光ビームのビーム幅が減少される。
【００６２】
光線の角度の方位部分がゼロとは異なる場合に、リダイレクト層１２１は、光線の方位角の部分についてコリメート作用を提供しないので、それは、同様な出力光ビームの角度に直接的に変換される。したがって、一実施形態では、方位角の部分は、目的とする最終の出力光ビームの角度よりも小さい、好ましくは有意に小さくすべきである。
【００６３】
随意に、光学モジュールは、それぞれのセグメントについて、光源によって生成された光［のうちの少なくともいくつか］をそのセグメントのコリメート構造に向けて導くように構成された少なくとも部分的な反射構造（ミラー）をさらに含むことができる（すなわち、各光源の光が、そのセグメント自体の光学系によってのみ案内されるように）。図６Ａ〜６Ｄは、コリメート構造に向けて光を導くために、光学モジュール２００Ａ〜２００Ｄのミラーをそれぞれ配置するための様々な方法を示している。光学モジュール２００Ａ〜２００Ｄの各々は、上述した光学モジュール２００となり得る。
【００６４】
一実施形態では、ミラーは、全てのキャビティの上部を閉じるために使用され、図６Ａ〜６Ｄに示される、例えば平坦な円形（散乱反射）ミラー２０２とともに実施できる。他の実施形態（図６Ａ〜６Ｄには示されていない）では、各キャビティは、そのキャビティ自体のミラー（図２Ａ及び図３Ａに示されるミラー１１５と同様）とともに上部で閉じられる。全てのキャビティの上部を閉じるために使用するミラーに追加して又は代替して、光学モジュールは、セグメントの外側部分に向けて光を反射するように構成された側壁部のミラー（複数を含む）を含んでもよい。様々な実施形態において、これは、例えば、図６Ａに示される中心に歯車形状を含む側壁ミラー２０４Ａ、図６Ｂに示される中心に円筒形状を含む側壁ミラー２０４Ｂ、又は図６Ｃに示される中心に正多角形状を含む側壁ミラー２０４Ｃとともに実施してもよい。さらに別の実施形態では、各セグメントが、例えばキャビティの背面に屈曲された箔となるミラー２０４Ｄとともに図６Ｄに示されるような、そのセグメント自体の側壁ミラーに設けられてもよい。当業者は、各セグメントのそれぞれのコリメート構造に向けて光源によって生成された光を導くためのミラーを提供する、多くの他の方法があることを認識するであろう。
【００６５】
上述した実施の形態は、Ｘ−Ｙ平面に円形の断面を有するキャビティを示しているが、他の実施形態では、そのようなキャビティの断面は、例えば、正多角形、楕円や放物等の他の形状を有してもよい。
【００６６】
本発明の１つの利点は、高ルーメン出力並びに狭い帯域幅を有する光出力ビームが提供されることである。従って、上記で説明される光学モジュールは、特に外科用照明で、ダウンライトの用途で有利に使用される。
【００６７】
上記は、本発明の実施形態を対象としているが、本発明の他の実施形態及びさらなる実施形態が、その基本的な発明の範囲から逸脱することなく創作できる。したがって、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって決定される。
【図１】
2013543215.tif 000003
【図２Ａ】
2013543215.tif 000004
【図２Ｂ】
2013543215.tif 000005
【図３Ａ】
2013543215.tif 000006
【図３Ｂ】
2013543215.tif 000007
【図４】
2013543215.tif 000008
【図５Ａ】
2013543215.tif 000009
【図５Ｂ】
2013543215.tif 000010
【図５Ｃ】
2013543215.tif 000011
【図５Ｄ】
2013543215.tif 000012
【図６Ａ】
2013543215.tif 000013
【図６Ｂ】
2013543215.tif 000014
【図６Ｃ】
2013543215.tif 000015
【図６Ｄ】
2013543215.tif 000016
【国際調査報告】
2013543215.tif 000017
2013543215.tif 000018
2013543215.tif 000019