(57)【要約】  光を均質化するように構成された細長い光学要素１００によって光線束１１０を均質化するための方法、光学システム、及び照明装置である。光線束は、光学要素の入射横断面１０１に指向され、及び（ａ）入射面の周縁の近傍；（ｂ）入射面の中心から頂点１２３の中点に延びる第１の直線線分Ｒ１の少なくとも一部分の近傍；（ｃ）入射面の中心から縁部１２２の中点に延びる第２の直線線分Ｒ２ａの少なくとも一部分の近傍の幾何学的領域の少なくとも１つに指向される。
2015515637.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光線束を均質化するための光学システムであって、
光を均質化する円柱形状を有する細長い光学要素を備え、前記光学要素が、入射横断面と、出射横断面とを備え、前記入射面が、ゼロ曲率の少なくとも２つの縁部と、前記少なくとも２つの縁部の任意の２つの隣接する端部の間の頂点とを備える周縁を有し、前記頂点の少なくとも１つが、正曲率を有する線分であり、前記線分の長さが、前記周縁の長さの少なくとも１％〜最大９０％を成し、
光学システムが更に、
前記入射面に配置され、前記光線束を前記入射面に指向する少なくとも１つの光源を備え、前記光線束が、
（ａ）前記入射面の前記周縁の近傍；
（ｂ）前記入射面の中心から頂点の中点に延びる第１の直線線分の少なくとも一部分の近傍；
（ｃ）前記入射面の中心から縁部の中点に延びる第２の直線線分の少なくとも一部分の近傍
のうちの少なくとも１つの幾何学的領域に指向される光学システム。
【請求項２】
領域（ｂ）が、偶数個の頂点を有する多角形として実質的に成形された入射面内に位置され、領域（ｃ）が、奇数個の頂点を有する多角形として実質的に成形された入射面内に位置される請求項１に記載の光学システム。
【請求項３】
前記光線束が、前記第２の直線線分の一部分の近傍に指向され、前記少なくとも一部分が、最長で、前記直線線分の中点と縁部の中点との間に延びる請求項１に記載の光学システム。
【請求項４】
前記光線束が、偶数の多角形の中心領域外に指向される請求項１に記載の光学システム。
【請求項５】
前記偶数の多角形の縁部の数が、４、６、又は８である請求項１に記載の光学システム。
【請求項６】
前記奇数の多角形の縁部の数が、３、５、又は７である請求項１に記載の光学システム。
【請求項７】
前記光線束が、奇数の多角形の中心領域外に指向され、前記奇数の多角形の縁部の数が、５又は７である請求項１に記載の光学システム。
【請求項８】
光線束を放出する少なくとも１つの光源を備える照明装置であって、前記少なくとも１つの光源が、
（ａ’）多角形の周縁；
（ｂ’）多角形の中心から頂点に延びる第１の直線線分の少なくとも一部分；及び
（ｃ’）多角形の中心から縁部の中点に延びる第２の直線線分の少なくとも一部分
のうちの少なくとも１つの幾何学的形状に沿って配置され、
前記多角形が、光学要素の入射面の形状と実質的に一致し、前記光学要素が、前記少なくとも１つの光源によって放出される光線束を均質化し、前記光学要素が、円柱形状を有し、入射横断面と、出射横断面とを備え、前記入射面が、ゼロ曲率の少なくとも２つの縁部と、前記少なくとも２つの縁部の任意の２つの隣接する端部の間の頂点とを備える周縁を有し、前記頂点の少なくとも１つが、正曲率を有する線分であり、前記線分の長さが、前記周縁の長さの少なくとも１％〜最大９０％を成し、それにより、前記少なくとも１つの光源が、
（ａ）前記入射面の前記周縁の近傍；
（ｂ）前記入射面の中心から頂点の中点に延びる第１の直線線分の少なくとも一部分の近傍；及び
（ｃ）前記入射面の中心から縁部の中点に延びる第２の直線線分の少なくとも一部分の近傍
のうちの少なくとも１つの前記光学要素の幾何学的領域に前記光線束を指向する照明装置。
【請求項９】
光を均質化する細長い光学要素によって光線束を均質化するための方法であって、
円柱形状を有する細長い光学要素の入射横断面に前記光線束を指向するステップを含み、前記入射面が、ゼロ曲率の少なくとも２つの縁部と、前記少なくとも２つの縁部の任意の２つの隣接する端部の間の頂点とを備える周縁を有し、前記頂点の少なくとも１つが、正曲率を有する線分であり、前記線分の長さが、前記周縁の長さの少なくとも１％〜最大９０％を成し、前記光線束が、
（ａ）前記入射面の前記周縁の近傍；
（ｂ）前記入射面の中心から頂点の中点に延びる第１の直線線分の少なくとも一部分の近傍；
（ｃ）前記入射面の中心から縁部の中点に延びる第２の直線線分の少なくとも一部分の近傍
のうちの少なくとも１つの幾何学的領域に指向され、
方法が更に、
前記光線束を前記光学要素の出射面から抽出するステップ
を含む方法。
【請求項１０】
領域（ｂ）が、奇数個の頂点を有する多角形として実質的に成形された入射面内に位置され、領域（ｃ）が、偶数個の頂点を有する多角形として実質的に成形された入射面内に位置される請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記光線束が、前記第２の直線線分の一部分の近傍に指向され、前記少なくとも一部分が、最長で、前記第２の直線線分の中点と縁部の中点との間に延びる請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記光線束が、長方形である入射面の中心領域外に指向される請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
前記偶数の多角形の縁部の数が、４、６、又は８である請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
前記奇数の多角形の縁部の数が、３、５、又は７である請求項９に記載の方法。
【請求項１５】
前記光線束が、奇数の多角形の中心領域外に指向され、前記奇数の多角形の縁部の数が、５又は７である請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、光学部品の分野に関する。より正確には、本発明は、光線束を均質化するための方法、光学システム、及び照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
様々な産業分野での多くのシステムが、照度及び／又は色などの特性に関して光ビームのスパンにわたって均質（均一）な光のビームの提供を必要とする。例えば、レーザ療法、レーザ生体刺激、及び光線力学的療法など多くの医療用途において、光ビームが、光ビームの出力プロファイルの均質な照度を有することが非常に望ましい。しかし、ほとんどの光源は不均質な光を放出するので、求められる光の均質性を得るために光フィルタリング及び／又は光補正デバイスが提案されている。
【０００３】
光が複数の光源（例えば、異なる色を有するＬＥＤ）から発生される場合、均質な光をレンダリングする狙いで、光の混合が行われ得る。光の混合は、複数の光源から光ガイドを通して光を案内することによって実施され得る。光ガイドの実施形態は、固体混合ロッド（例えば、ガラス／プラスチックファイバ、ロッド、管など）であり、界面での、周囲の媒体に向かう全反射（ＴＩＲ:total internal reflection）を利用し（前後への反射）、それにより、混合ロッド内部で反射された光は、混合ロッドから出るときには混合されている。
【０００４】
混合ロッドの構造が、光の好ましい混合を得るのに重要であり、この目的で、混合ロッドの様々な幾何学的構造が提案されている。実用から、正方形断面を有する混合ロッドが円形のものよりも優れているが、六角形断面を有するロッドが、均一な光を得る目的で更に良いことが知られている。六角形の混合ロッドは今日広く使用されているが、この幾何学的形状は、混合ロッドの出射面で、照度の適切な均質性をもたらさない。より特定的には、光線は、混合ロッドの遠視野では適切に混合されない。なぜなら、混合が光線の角度を十分には変えないからである。
【０００５】
更に、光を混合することができる混合ロッドの能力は、複数の光源からの光が混合ロッド内に指向される様式に依存する。より特定的には、混合ロッド内への光の指向は、混合ロッドの幾何学的形状に依存するが、混合効率と光入射点との間の正確な関係は、十分には研究されておらず、実用に至っていない。
【０００６】
このことに鑑みて、光の混合を改良することが望まれる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、光線束を均質化するための方法、光学システム、及び照明装置を提供することである。この目的及び他の目的は、独立請求項に記載されている特徴を有する方法、光学システム、及び照明装置によって実現される。好ましい実施形態は、従属請求項で定義される。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
従って、本発明の第１の態様によれば、光を均質化するように構成された細長い光学要素によって光線束を均質化するための方法が提供される。この方法は、円柱形状を有する光学要素の入射横断面に光線束を指向するステップを含む。入射面は、ゼロ曲率の少なくとも２つの縁部と、少なくとも２つの縁部の任意の２つの隣接する端部の間にある頂点とを備え、頂点の少なくとも１つは、正曲率を有する線分である。更に、この方法は、（ａ）入射面の周縁の近傍；（ｂ）入射面の中心から頂点の中点に延びる第１の直線線分の少なくとも一部分の近傍；及び（ｃ）入射面の中心から縁部の中点に延びる第２の直線線分の少なくとも一部分の近傍のうちの少なくとも１つの幾何学的領域に光線束を指向するステップを含む。更に、この方法は、光線束を光学要素の出射面から抽出するステップを含む。
【０００９】
本発明の第２の態様によれば、光線束を均質化するための光学システムが提供される。光学システムは、光を混合するように構成された円柱形状を有する細長い光学要素を備える。光学要素は、入射横断面と、出射横断面とを備える。入射面は、ゼロ曲率の少なくとも２つの縁部と、少なくとも２つの縁部の任意の２つの隣接する端部の間にある頂点とを備える周縁を有し、頂点の少なくとも１つは、正曲率を有する線分である。更に、光学システムは、入射面に配置された少なくとも１つの光源を備え、光源は、光線束を入射面に指向するように配置される。光学システムは、２つ以上の光源、例えば、１つの均質な光線束への混合が望まれる異なる特性を有する光を放出する光源を備えることがある。光線束は、上記の幾何学的領域（ａ）、（ｂ）、及び（ｃ）の少なくとも１つに指向される。
【００１０】
本発明の第３の態様によれば、光線束を放出するように適合された少なくとも１つの光源を備える照明装置が提供される。光源は、以下の幾何学的形状の少なくとも１つに沿って配置される：多角形の周縁；多角形の中心から頂点に延びる第１の直線線分の少なくとも一部分；及び多角形の中心から縁部の中点に延びる第２の直線線分の少なくとも一部分。多角形は、少なくとも１つの光源によって放出される光線束を均質化するように構成された光学要素の入射面の形状と実質的に一致する。光学要素は、円柱形状を有し、入射横断面と出射横断面を備える。入射面は、ゼロ曲率の少なくとも２つの縁部と、少なくとも２つの縁部の任意の２つの隣接する端部の間にある頂点とを備える周縁を有し、頂点の少なくとも１つは、正曲率を有する線分である。少なくとも１つの光源が、光学要素の幾何学的領域（ａ）、（ｂ）、及び（ｃ）の少なくとも１つに光線束を指向する。
【００１１】
従って、本発明は、円柱形状を有する細長い光学要素の入射面に光線束を指向することによって、光線束を均質化するという着想に基づく。縁部間の頂点は正曲率を有し、即ち、頂点は外方向に湾曲される／丸みを付けられる。本明細書では、用語「ゼロ曲率」によって、入射面の縁部が平坦／直線であり、即ち、入射面の平面内で湾曲されないことが意味される。更に、本明細書では、用語「頂点」によって、光学要素の入射面の縁部の間の角部／角が意味される。本明細書では、用語「正曲率」によって、少なくとも１つの頂点が周縁から外方向に丸められる（即ち、凸形に外方向に隆起する）ことが意味される。本明細書では、用語「多角形」によって、周縁が平坦／直線縁部によって定義されることが意味されるが、周縁の縁部間の角部／角は丸みを付けられる。光線が光学要素内に指向され、光学要素内で反射されるとき、光学要素の湾曲された頂点は、丸みを付けられた角部／頂点を有さない混合ロッドに比べて、光学要素内の光線の混合を改良する。光学要素の意図的に成形された周縁が、光学要素内部での光の混合の不規則性／カオスを向上／増加させる。
【００１２】
記載される本発明の光学要素に基づいて、光学要素の入射面に光を指向する方法であって、光がランダムな位置で入射面に入った場合よりも光学要素の出射面での光の均質性を高める方法を本発明者が実現したことが理解されよう。この光の均質性の増加は、光線束を幾何学的領域（ａ）、（ｂ）、及び（ｃ）の１つ又は複数に指向することによって実現される。
【００１３】
本発明は、光学要素の入射面の特定の幾何学的形状に応じて入射面の特定の幾何学的領域内に光線束を選択的に指向することによって、光の均質性を高めるという点で有利である。本発明者は、入射面の幾何学的形状に関して、光が入射面に入射する位置によって、光線束が光学要素を通過した後に非常に良く混合／均質化された光を提供することができることを認識した。更に、本発明者は、光線束が指向され得る入射面の他の領域が、光の不十分な混合／均質化しかもたらさないことを認識した。従って、本発明は、光学要素の入射面に光を意図的に指向することによって得られる光の改良された均質化という利点を提供する。更に、光の均質性を高めるために光が指向され得る入射面の幾何学的領域の位置は、光学分野の当業者には明白ではないことを理解されたい。対照的に、本発明は、光の混合を改良するという課題を与えられたときに当業者が想定しない光学要素の入射面の特定の領域に光を指向することを提案する。従って、本明細書で述べるような光学要素への光の指向は、光の均質化に関係付けられる意外な効果をもたらす。
【００１４】
光を均質化するように構成された細長い光学要素によって光線束を均質化するための方法は、光線束を光学要素の入射横断面に指向するステップを含む。本明細書では、用語「指向」によって、光線束が入射面に向けられることが意味される。例えば、１つ又は複数の光源が入射面に直に隣接して位置決めされてよく、それにより、光源からの光が入射面に直接指向される。代替として、光は、光学要素の入射面に向けて（光案内手段によって）案内され得る。
【００１５】
光線束は、幾何学的領域（ａ）、（ｂ）、及び（ｃ）の少なくとも１つに指向される。本明細書では、用語「周縁の近傍」によって、入射面の周縁部分（周縁）内の領域が意味される。更に、「直線線分の少なくとも一部分の近傍」は、直線線分のその部分の近くにある領域を表す。
【００１６】
更に、この方法は、光線束を光学要素の出射面から抽出するステップを含む。即ち、光線束が光学要素を通過した後、均質化された光が、入射面とは逆の光学要素の出射面から抽出される。
【００１７】
上述された幾何学的領域に関して、領域（ｂ）が、奇数の多角形として実質的に成形された入射面内に位置されることが好ましい。更に、領域（ｃ）は、好ましくは、偶数の多角形として実質的に成形された入射面内に位置される。同様に、本発明の実施形態による照明装置に関して、１つ又は複数の光源が、偶数の多角形の中心から縁部の中点に延びる第１の直線線分の少なくとも一部分に沿って配置されることが好ましい。代替として、そのような照明装置は、偶数の多角形の中心から縁部の中点に延びる第２の直線線分の少なくとも一部分に沿って配置された１つ又は複数の光源を備えてもよい。
【００１８】
本発明の一実施形態によれば、最も好ましくは、入射面が偶数の多角形である場合には、光線束が、第２の直線線分の中点と縁部の中点との間に延びる第２の直線線分の少なくとも一部分の近傍に指向され得る。従って、光線束は、直線線分の中点（即ち半径上の中点）から縁部の中点までの第２の直線線分の部分の近傍に指向され得る。これは、光学要素が、偶数の多角形として成形される入射面を有する場合に特に効率的である。この実施形態は、入射面が偶数の多角形の形状を有する場合に、光がこの特定の幾何学的領域に指向される場合に、光の均質性を高めるという点で有利である。
【００１９】
本発明の一実施形態によれば、光線束は、偶数の多角形の中心領域外に指向され得る。従って、光学要素が、長方形、特に正方形の形状での入射面を有する場合、光線束は、入射面の中心領域外に（即ち中心領域内にではなく）指向され得る。本発明者は、長方形の形状を有する入射面の中心領域に指向された光が、限られた程度でしか（又は全く）均質化されないという意外な結論に達した。従って、この実施形態は、記載される実施形態に従って、光線束を入射面の中心に指向せずに、入射面の他の領域に光を指向する場合に、光学要素の出射面から抽出される光が更に均質化され得るという点で有利である。
【００２０】
本発明の一実施形態によれば、偶数の多角形の縁部の数は、４、６、又は８で良い。同様に、本発明の別の実施形態によれば、奇数の多角形の縁部の数は、３、５、又は７で良い。
【００２１】
本発明の一実施形態によれば、光線束は、偶数の多角形の中心領域外に指向されてよく、ここで、奇数の多角形の縁部の数は、７である。偶数の多角形の入射面の場合と同様に、本発明者は、５つ又は７つの縁部を有する多角形の入射面の中心領域に指向された光が、限られた程度でしか又は場合によっては全く均質化されないことを認識している。従って、この実施形態は、記載される実施形態に従って、光線束を入射面のこの領域に指向せずに、入射面の他の領域に光を指向する場合に、より均質化された光を得ることができるという点で有利である。
【００２２】
本発明の一実施形態によれば、頂点の長さは、周縁の長さの少なくとも１％〜最大９０％を成すことがある。即ち、湾曲された頂点の長さは、縁部と、縁部の任意の２つの隣接する端部の間の頂点とによって画定される周縁の全長の１〜９０％である。この実施形態は、この細長い光学要素が、完全に鋭利な角部と、円形（又はほぼ円形）の入射面とを有する光学要素に比べて光線束の混合を改良するという点で有利である。従って、光線束が本発明の光学要素を通過した後に、既存の混合ロッドに比べてより均質な光が得られる。
【００２３】
本発明の光学要素の特徴は、その要素が、光線束が光学要素を通過した後に、既存の混合ロッドに比べてより均質な光が得られるように、光線束の混合を改良するという点で有利である。より特定的には、頂点が正曲率を有する光学要素の縁部及び頂点は、光学要素内部での光の散乱／反射の改良により、光の混合を向上させる。これは、湾曲された頂点の法線角度が連続的に変化するので、丸みを付けられた／湾曲された頂点を備える光学要素の周縁が光線反射／散乱の方向の数を増加させることにより実現される。直線縁部のみを備える横断面を有する光学要素において、光線方向は、概して、２π／ｎ（ｎは縁部の数）の倍数のみ変化することができることを理解されよう。対照的に、本発明の光学要素は、反射される光の安定な軌道、即ち、光学要素内部で周期的伝播を有する光線反射の軌道の数を減少させ、例えば、光度、色点、波長スペクトルなどの１つ又は複数に関して、光学要素の出射面で、従来技術での混合ロッドに比べてより均質な光（即ち光成分の均等な分散）を提供する。
【００２４】
本発明の光学要素の特徴は、光の混合の改良が、光学要素の幾何学的形状のみによって提供されるので更に有利である。即ち、光の均質性の向上は、光学要素の幾何学的特徴のみによって得られ、それにより、光の混合を改良する目的での追加の手段（例えば、光学要素の内側のコーティング又は他の処置、及び／又は反射率を改良する目的での光学要素への補助要素の提供）は不要になり得る。その結果、本発明の光学要素は、製造が容易である。なぜなら、光学要素は、光を案内及び混合する目的を有する材料（例えば、ガラスやプラスチックなどを含む透明材料）のみから製造されることができ、それにより、他の（補助）材料の必要をなくすからである。更に、追加の処置（例えば、内側コーティング）が行われなくてもよいので、本発明の光学要素の製造を比較的安価にする。要素は、単一材料から製造されることができるので、光学要素は容易にリサイクル可能である。
【００２５】
本発明の光学要素の特徴に関連付けられる別の利点は、光学要素の横断面の幾何学的形状が更に、光学要素の入射面から出射面への方向で、既知の混合ロッドに比べてより早くに光線束の均質性を提供することである。即ち、本発明の光学要素による横断面の最適化された周縁により、光学要素の入射面に導かれる光線束は、細長い光学要素に沿って迅速に混合される。光学要素は、初めは均質でない光線束を均質化された光に混合するという課題を、光学要素の長さに沿って、従来技術での混合ロッドに比べてより早くに実現することが可能である。従って、本発明の光学要素は、この与えられた課題を実現するために、従来技術での他の混合ロッドよりも比較的短い長さで良い。これは非常に有利である。なぜなら、それにより、この光学要素は、光学要素の更に低い製造コスト、より低い重量、より簡便な取扱い及び／又は輸送、及び／又は光学要素が光学システムに取り付けられる場合の簡略化された手順を示唆するからである。
【００２６】
本発明による特徴を有する円柱形状の光学要素は、例えば押出成形を使用して容易に製造されるという点で有利である。更に、光学要素の円柱形状は、光学要素の長さが変更される必要がある場合に有利である。例えば、光学要素が短縮される場合、出射面の断面、及び入射面と出射面の間の断面は同じままである。従って、光学要素の長さは、要求される／求められる光の混合に従って、より容易に適合され得る。
【００２７】
光学要素の頂点の少なくとも１つは、円弧の線分で良い。即ち、少なくとも１つの頂点は、円の円周の一部である。この実施形態は、頂点が、連続的で対称的な丸みを有する点で有利であり、これは、光の混合に更に寄与する。
【００２８】
光学要素の円弧の半径は、少なくとも２つの縁部の少なくとも１つの長さと等しくてよい。この実施形態は、数値シミュレーションによって検証され得るように、光学要素の横断面内での光線反射の安定な軌道の数を減少させるという点で有利である。例えば、光学要素の断面が、奇数個の縁部を有する多角形状を有する場合、円弧の線分と、円弧の半径と同じ長さを有する向かい合う縁部との間に、ただ１つの安定な軌道が存在する。従って、この実施形態は、光の混合の更なる改良に寄与する。
【００２９】
光学要素の円弧の半径は、少なくとも２つの縁部の少なくとも１つの長さより大きくてよい。この実施形態の利点は、それが、光学要素内部での光線反射の安定な軌道の数を更に減少することである。例えば、光学要素の横断面が、奇数個の縁部を有する多角形状を有し、円弧の半径が、向かい合う縁部よりも大きい場合、円弧の線分と向かい合う縁部との間に安定な軌道はない。従って、この実施形態は、光の混合の改良に更に寄与する。
【００３０】
光学要素の少なくとも２つの縁部の全てが等しい長さで良く、頂点の全てが等しい長さである。即ち、光学要素の横断面は、その縁部に関して等辺であり、縁部の任意の２つの隣接する端部の間の頂点は、等しい長さである。この実施形態は、光学要素が、ｎ回回転対称性（ｎは縁部の数）を提供するという点で有利である。従って、例えば光学要素を光学システム内に取り付けるときに、光学要素の位置合わせが容易にされる。
【００３１】
少なくとも１つの頂点の勾配、及び光学要素の縁部の任意の２つの隣接する端部の勾配は、少なくとも１つの頂点と、任意の２つの隣接する端部との間の少なくとも１つの交点で等しくすることができる。即ち、２つの隣接する端部間の頂点は、縁部間の滑らかな丸み／接続／連接を提供し、頂点での任意の点の勾配は、２つの隣接する端部の勾配によって定められる間隔内にあり、交点ではそれらの端部の勾配に等しい。
【００３２】
光学要素の周縁は、６つの縁部を備えることがある。即ち、６つの縁部は、光学要素の六角形断面を構成し、更に、縁部間に、丸みを付けられた頂点を備える。この実施形態は、この実施形態の光学要素による光の混合が、丸みを付けられた角部を有さない六角形断面を単に有する従来技術での混合ロッドによって実現される混合よりも優れているという点で有利である。これは、この実施形態の六角形断面での丸みを付けられた頂点が、光学要素内部の可能な／異なる光線反射の数を増加させることにより実現される。更に、六角形断面を有する混合ロッドは従来技術で知られているので、この実施形態は、従来技術からの混合ロッドの製造用の機器が、この実施形態による光学要素の製造に容易に変更されるという点で更に有利であり、この実施形態による光学要素では、六角形断面は、丸みを付けられた頂点を更に備えて、光の混合を改良する。
【００３３】
光学要素の周縁は、３つの縁部によって画定されることがあり、２つの縁部が垂直であり、等しい長さであり、頂点は、等しい半径の３つの円弧であり、半径は、２つの縁部の一方の長さに等しい。即ち、光学要素の横断面は、直角三角形として成形され、底辺と高さとしての２つの垂直縁部と、斜辺としての１つの縁部を有するが、頂点は、鋭利な角部が存在しないように丸みを付けられる。更に、頂点は、同じ半径を有する円弧であり、半径は、２つの縁部（底辺と高さ）の一方の長さに等しい。光線反射の安定な軌道は、ｎ回回転対称性（ｎは整数）を有する任意の横断面で存在することが知られているので、この実施形態で定義されるような周縁を有する光学要素内では、ただ１つの安定な光線反射軌道が存在する。従って、この実施形態に伴う利点は、光学要素の出射面での光の均質性が更に高められることである。方法に関して上で述べられた特定の実施形態及び任意の追加の特徴が、本発明の第２の態様による光学システム、及び本発明の第３の態様による照明装置にも同様に適用可能及び組合せ可能であることを理解されたい。
【００３４】
本発明の更なる目的、特徴、及び利点は、以下の詳細な開示、図面、及び添付の特許請求の範囲を検討すれば明らかになろう。当業者は、本発明の異なる特徴が、以下に述べられるもの以外の実施形態を形成するように組み合わされ得ることを理解されよう。
【００３５】
以下、本発明のこれら及び他の態様が、本発明の実施形態を示す添付図面を参照して、より詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の一実施形態による細長い光学要素の概略図である。
【図２ａ−ｂ】光学要素の横断面の概略図である。
【図３ａ−ｆ】光学要素の様々な入射面の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
図１は、細長い光学要素１００の概略図である。ガラスやプラスチックなどの透明材料から形成され得る光学要素１００は、円柱体として成形され、入射面１０１と、出射面１０２とを備える。動作時、光線束１１０が入射面１０１に向けて指向され、光線束１１０は、界面で、周囲の媒体に向けて全反射（ＴＩＲ）を受ける。光学要素１００内部で反射された後、光線束１１０は、出射面１０２を通って光学要素１００から出る。
【００３８】
図１での光学要素１００の輪郭は、光学要素１００の横断面１２１の周縁１２０が、ゼロ曲率の６つの縁部１２２と、縁部１２２の隣接する任意の２つの端部間にある６つの頂点１２３とによって画定されるように設計される。この実施形態では、縁部１２２は長さが等しく、頂点１２３も長さが等しい。頂点１２３は、正曲率を有する線分（丸みを付けられた線分）であり、図１での頂点１２３の長さは、周縁１２０の長さの３０〜５０％を成す。光源１３０からの光線束１１０が光学要素１００内に指向されるとき、光学要素１００の湾曲された／丸みを付けられた頂点１２３は、丸みを付けられた角部／頂点を有さない混合ロッドに比べて、光学要素１００内の光線の角度及び位置の混合を改良する。角部／頂点１２３は、代替として、光学要素１００内で長手方向に延在する丸みを付けられた稜部１２３と呼ばれることもある。丸みを付けられた縁部により、光学要素１００は、光線束１１０が出射面１０２で光学要素１００から出るときに、光線束１１０の均質性を高める。
【００３９】
光源１３０は、例えば、異なる色を有する複数のＬＥＤ（例えば、１つ又は複数の白色ＬＥＤ。更に、カラーレンダリングインデックス（ＣＲＩ:colour rendering index）を改良するために赤色ＬＥＤが提供され得る）を備えていてよく、ＬＥＤは、調整可能なＬＥＤスポットライト内に更に含まれてよい。更に、光学要素から出た光線束を要求される／望まれる形状のビームにコリメートするために、コリメート手段が光学要素の出射面１０２に配置され得る。コリメート手段の例は、レンズ、Sollerコリメータ、又はＴＩＲコリメータで良い。
【００４０】
図２ａは、従来技術による混合ロッドの横断面２００の概略図であり、断面２００は、六角形であり、６つの縁部２０１と６つの角部２０２とを備える。しかし、開示されるような断面２００の幾何学的形状は、混合ロッドの出射面で所望の照度均質性をもたらさない。より特定的には、光線は、混合ロッドの遠視野では適切に混合されない。なぜなら、混合が光線の角度を十分には変えないからである。
【００４１】
図２ｂは、図１による光学要素１００の横断面１２１の概略図である。図２ａに示されるような断面２００の鋭利な角部２０２に比べて、光学要素１００の頂点１２３は、正曲率を有する線分である。その結果、頂点１２３を備える断面１２１は、断面２００を有する光学要素の使用に比べて、光学要素１００内に指向された光線束の混合を改良する。
【００４２】
図３ａ〜３ｆは、本発明の光学要素１００の様々な入射面３０１〜３０６の概略図である。入射面３０１は、３つの縁部１２２（ｎ＝３）を備え、入射面３０２は、４つの縁部（ｎ＝４）を備え、以下同様であり、入射面３０６は、８つの縁部（ｎ＝８）を備える。入射面３０１〜３０６は、更に、縁部間に、丸みを付けられた頂点１２３を備える。見やすくするために、縁部１２２及び頂点１２３は、入射面３０１においてのみ参照番号を付されている。
【００４３】
前述のように、光学要素１００の入射面での光源１３０（例えばＬＥＤ）の最適な位置決めは、入射面の幾何学的形状に依存することが理解されよう。この観察に関連して、図３ａ〜３ｆは、光線束が指向され得る各入射面３０１〜３０６の幾何学的領域を示し、ここで、暗い／黒色領域及び明るい／白色領域は、それぞれ最小の均質性及び最大の均質性に対応する。従って、図３ａ〜３ｆでの明るい／白色領域は、光線束１１０が光学要素１００を通過した後に非常に良く混合／均質化された光を出射面１０２で提供するために、光線束が指向され得る各入射面３０１〜３０６の幾何学的領域を示す。同様に、暗い／黒色領域は、光線束が指向され得るが、その領域内では光が効率的には混合／均質化されない各入射面３０１〜３０６の幾何学的領域を示す。光の高い／低い均質化のパターンを提供する幾何学的領域は、実験的に求められた。
【００４４】
すべての入射面３０１〜３０６に関して、光線束が少なくとも周縁の近傍に（即ち周縁部分内の領域に）指向される場合に、光学要素１００を使用して、非常に均質な光が得られる。
【００４５】
更に、奇数の多角形（それぞれｎ＝３、５、７）の形状を有する入射面３０１、３０３、３０５での陰影パターンは、入射面３０１、３０３、３０５の中心から頂点１２３の中点に延びる第１の直線線分Ｒ１の近傍に光線束が指向される場合に、光が非常に良く均質化され得ることを示す。更に、入射面３０１に関して、光線束は、光の高い均質性のために、入射面３０１の中心領域に指向され得る。
【００４６】
更に、偶数の多角形（それぞれｎ＝４、６、８）の形状を有する入射面３０２、３０４、３０６での陰影パターンは、入射面３０２、３０４、３０６の中心から縁部１２２の中点に延びる第２の直線線分Ｒ２ａの近傍に光線束１１０が指向される場合に、光が非常に良く均質化され得ることを示す。より特定的には、光線束は、第２の直線線分Ｒ２ａの中点（即ち半径上のほぼ中点）から縁部１２２の中点までの第２の直線線分Ｒ２ａの部分Ｒ２ｂの近傍に指向され得る。
【００４７】
更に、長方形として成形された入射面３０２を有する光学要素１００の場合、入射面３０２の中央領域内に指向される光は効率的には均質化されないので、光線束は、中心領域外に（即ち中心領域内にではなく）指向されても良い。ここで、光が指向された場合に、限られた程度でしか光の均質化に寄与しない入射面３０２の中心領域は、半径Ｒ２ａの１／３〜１／２の間の半径を有する中心円形領域にほぼ対応する。同様に、入射面３０３又は入射面３０５（即ちｎ＝５又は７）を有する光学要素１００の場合にも、光線束は、光の高い均質性のために、その中心領域外に指向され得る。
【００４８】
図３ａ〜３ｆにプロットされる実験データから、更なる有利な実施形態を当業者が導き出すことができると考えられる。これらの図では、より明るい陰影領域は、入射光束がより効率的に混合され、当業者が選好する入射面の領域に対応する。しかし、より暗い陰影領域は、効率的な光混合が望まれる場合に入射領域としてあまり適していない入射面領域に対応する。従って、本発明の範囲は、特許請求の範囲の範囲に限定されず、以下のものに関する保護も求められる：図３に示される実験データに基づいて開発される更なる光混合方法；本明細書で述べられる幾何学的特性を有する光混合光学要素；図３での実験データに鑑みて特定の光混合光学要素に適するように適合された光源の配置；並びに、少なくとも１つの光混合光学要素と、効率的な光混合を保証するように光混合要素に対して固定した空間関係で装着される又は装着可能な光源の配置とを備える光学システム。
【００４９】
本発明を、その特定の例示的実施形態を参照して説明してきたが、この説明を検討した後に、当業者には多くの異なる変更や修正などが明らかであろう。従って、上記の実施形態は、本発明の範囲を限定することは意図されておらず、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲のみによって定義される。例えば、図１で、入射面１０１の直径と、細長い光学要素１００の長さとの関係は、図示されるものと異なっていて良い。例えば、光学要素１００は、入射面１０１に対してより細い（より長い）ことも、より太い（より短い）こともあり、従って、光学要素１００と入射面１０１との長さの比は、それぞれ、より大きく、又はより小さくなる。更に、図２ｂで、頂点１２３は、図示されるものに比べて、周縁１２０の長さのうちのより大きい部分又はより小さい部分を成しても良い。また、図示／説明された要素の数が異なっていても良いことも理解されたい。例えば、図１での３つの光源１３０は、代替として、任意の数の光源で良い。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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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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【国際調査報告】
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