(57)【要約】  本発明は、例えば光源のアレイの上での使用のための、ビーム成形システムを提供する。ビーム成形ユニットのアレイは、略平面に配置され、各ビーム成形ユニットは、中央の屈折領域と、中央の領域の下にある光源からの光を処理するための、中間の内部全反射領域と、最も近い光源及び隣接する光源からの光を処理するための、外側の内部全反射領域とを含む。この外側の領域は本質的に、隣接するビーム成形ユニットの有用なサイズを拡張し、ビーム成形性能及び／又は光学的効率を改善する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
略平面に配置されるビーム成形ユニットのアレイを含むビーム成形システムであって、前記ビーム成形ユニットの各々は、
中央領域の下にある光源からの光を屈折することによってビーム通過機能を提供するための当該中央領域と、
前記中央領域の下にある前記光源からの光の内部全反射を提供することによってビーム成形機能を提供するための中間領域と、
前記中央領域の下にある前記光源からの光の内部全反射を提供することによってビーム成形機能を提供し、また、隣接する前記ビーム成形ユニットの前記中央領域の下にある光源からの光の内部全反射を提供するための外側領域と、
を含み、
前記ビーム成形ユニットの各々は、光源のアレイに対向する起伏表面を有し、前記中間領域及び前記外側領域内の前記起伏表面は、光偏向プリズム素子である歯のセットを含み、当該光偏向プリズム素子である歯の各々は、前記光源に向いて面する第１の面と、前記光源から離れて面する第２の面とを有し、
前記第１の面は前記略平面から第１の角度αで延在し、前記第２の面は前記略平面から第２の角度βで延在し、
前記中間領域の前記歯に対し、α＜８５°、β＞５０°、｜α−β｜＞５°であり、
前記外側領域の前記歯に対し、５０°＜α、β＜６０°、且つ｜α−β｜＜５°である、
ビーム成形システム。
【請求項２】
前記ビーム成形ユニットが配置されるプレート又はフォイルを含む、請求項１に記載のビーム成形システム。
【請求項３】
前記外側領域に対し、α＝βである、請求項１又は２に記載のビーム成形システム。
【請求項４】
前記中間領域に対し、α＞β、好ましくはα−β＜３０°である、請求項１乃至３の何れか一項に記載のビーム成形システム。
【請求項５】
前記中央領域は、前記光偏向プリズム素子である歯のセットを含み、前記中央領域に対し、α＞８０°且つβ＜５０°、好ましくはα−β＞３５°である、請求項１乃至４の何れか一項に記載のビーム成形システム。
【請求項６】
前記プレート又はフォイルの材料は、１．４〜１．７の範囲内の屈折率を有する、請求項５に記載のビーム成形システム。
【請求項７】
前記光偏向プリズム素子は突起であり、好ましくは、前記突起は同心円として配置される、請求項１乃至６の何れか一項に記載のビーム成形システム。
【請求項８】
前記ビーム成形ユニットの各々は六角形の外形を有し、前記中央領域と前記中間領域との間の境界は、円形、六角形、又は丸みを帯びた角を有する六角形であり、前記中間領域と前記外側領域との間の境界は、円形、六角形、又は丸みを帯びた角を有する六角形である、請求項１乃至７の何れか一項に記載のビーム成形システム。
【請求項９】
前記中間領域及び前記外側領域の前記ビーム成形機能は、コリメーション機能である、請求項１乃至８の何れか一項に記載のビーム成形システム。
【請求項１０】
前記中央領域によって提供される前記ビーム通過機能は、コリメーション機能である、請求項１乃至９の何れか一項に記載のビーム成形システム。
【請求項１１】
前記中央領域はフレネルレンズを含む、請求項１０に記載のビーム成形システム。
【請求項１２】
前記ビーム成形ユニットのアレイの上の略平面に配置される第２のビーム成形ユニットの第２のアレイを含み、前記ビーム成形ユニットのアレイの前記中央領域によって提供される前記ビーム通過機能は、パススルー機能を提供する、請求項１乃至９の何れか一項に記載のビーム成形システム。
【請求項１３】
光源のアレイと、
請求項１乃至１２の何れか一項に記載のビーム成形システムと、
を含み、前記ビーム成形ユニットの各々の前記中央領域は、対応する光源の上に設けられる、照明システム。
【請求項１４】
前記光源はＬＥＤを含む、請求項１３に記載の照明システム。
【請求項１５】
スポットライト照明システムを含む、請求項１３又は１４に記載の照明システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、照明システムのためのビーム成形光学系に関し、また、当該ビーム成形光学系を用いた照明システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ビーム成形は、多くの照明アプリケーションにおいて不可欠である。ビーム成形光学素子の例は、反射器やコリメータ等の従来の素子を含む。スポット照明のアプリケーションに対して多くの場合当てはまるように、斯様な光学系のアレイが必要とされるときは特に、斯様な光学素子はかなり大きな体積を占め、また、比較的高価である。
【０００３】
ユーザによって、より大きな光出力領域が所望される一方で、ＬＥＤの出力光プロファイルは、非常に小さくて明るい光出力領域を有するので、これらＬＥＤの光出力プロファイルを再形成するために、ビーム成形が通常用いられる。
【０００４】
ＬＥＤスポット照明のアプリケーションに対して、ＬＥＤによって放射される光は、集光され、ある程度コリメートされなければならない。コリメーションの程度はアプリケーションに依存するが、典型的には、狭いビームに対して１０°から広いビームに対して４０°まで幅がある。
【０００５】
集光機能及びコリメーション機能のために、内部全反射（ＴＩＲ）コリメータが通常用いられる。ＴＩＲコリメータは、コリメータの中央部での屈折と、コリメータの外側部での内部全反射との組合せを用いる。斯様なコリメータは、比較的大きくて高価である。
【０００６】
ＴＩＲコリメータと同様の機能性を提供するための代替的なオプションとして、薄膜マイクロ光学系の利用が広く研究されている。これらマイクロ光学系は、一方の面又は両面にマイクロ構造化表面を有するスラブ材料の形式を取る。
【０００７】
ほとんどのアプリケーションに対して、単一のＬＥＤは十分な光を提供しない。この場合ＬＥＤのアレイが用いられ、各々が当該ＬＥＤ自体のコリメータを有する。従来の光学系を用いるとき、このオプションは費用がかかるだけでなく、顧客の視点からは、光源の方を向いて又は光源の中を見るときに、シャワーヘッドの印象をもたらす。このシャワーヘッドの印象は、美的観点から好まれない。
【０００８】
薄膜マイクロ光学系を傾斜させることは、これらの欠点を有さず、傾斜した構造体は略平面の外観を有する。しかしながら、高い光学的効率と併せて小さなビーム広がりを達成することにおいて困難が残る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、この問題に対処することを目的とする。
【００１０】
日本国特許出願公開第２００２３５２６１１Ａ号は、略平面に配置されるビーム成形ユニットのアレイを含む表示装置であって、各ビーム成形ユニットが、中央の屈折領域Ｓと、ＴＩＲを提供する１つの外側領域Ｍとを含む、当該表示装置を開示する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、請求項によって規定される。
【００１２】
一態様によると、略平面に配置されるビーム成形ユニットのアレイを含むビーム成形システムであって、各ビーム成形ユニットは、
中央領域の下にある光源からの光を屈折することによってビーム通過機能を提供するための当該中央領域と、
中央領域の下にある光源からの光の内部全反射（ＴＩＲ）を提供することによってビーム成形機能を提供するための中間領域と、
中央領域の下にある光源からの光の内部全反射（ＴＩＲ）を提供することによってビーム成形機能を提供し、また、隣接するビーム成形ユニットの中央領域の下にある光源からの光の内部全反射を提供するための外側領域と、
を含み、
各ビーム成形ユニットは、光源のアレイに対向する起伏表面を有し、中間領域及び外側領域内の起伏表面は、光偏向プリズム素子（歯）のセットを含み、各々の光偏向プリズム素子（歯）は、光源に向いて面する第１の面と、光源から離れて面する第２の面とを有し、
第１の面は略平面から第１の角度αで延在し、第２の面は略平面から第２の角度βで延在し、
中間領域の歯に対し、α＜８５°、β＞５０°、｜α−β｜＞５°であり、
外側領域の歯に対し、５０°＜α、β＜６０°、且つ｜α−β｜＜５°である、
ビーム成形システムが提供される。
【００１３】
ビーム成形システムは例えば、限定されたビーム広がりを有するビームを形成するために、光源のアレイからの光を処理するのに用いられ得る。ビーム成形ユニットは、対応する光源の上に中心を置くようにデザインされる。好ましくは、中央領域、中間領域、及び外側領域は、中心の下にある関連する光源と同心状に当該中心の周りに配置される。外側領域は、隣り合うビーム成形ユニット（ひいては隣り合う光源）の間に重複領域を提供する。この重複領域は、隣り合う光源からこの重複領域に達する光の受け入れ及び成形を可能にする。結果は、光学的効率の向上若しくはビーム成形（例えばコリメーション）の程度の向上、又は両方の組合せである。
【００１４】
システムは、（略平面に延在する）プレート又はフォイルを含み、当該プレート又はフォイルは、光源のアレイに対向する起伏表面を有するビーム成形ユニットを備え、中間領域及び外側領域の起伏表面は歯のセットを含み、各歯は、光源に向いて面する第１の面と、光源から離れて面する第２の面とを有する。歯は、比較的大きな角度の（すなわち略平面に近い）入射光を受ける。（空気対プレートの境界である）第１の面は通常、入射光の屈折を実行する一方で、光は（プレート対空気の境界での）第２の面に内部全反射によって反射する。
【００１５】
プレート又はフォイルの材料は、好ましくは１．４〜１．７の範囲内の屈折率を有する。
【００１６】
第１の面は、略平面から第１の角度αで延在するものとして規定され、第２の面は、略平面から第２の角度βで延在するものとして規定される。外側領域の歯に対し、α及びβは、５０°〜６０°の範囲内で存在する。
【００１７】
この態様では、歯が両側からの光を同様に処理し得るように、歯はかなり対称性がある。対称性は、｜α−β｜＜５°であるようにされる。完全に対称な一実現形態では、α＝βである。
【００１８】
各ビーム成形ユニットは六角形の外形を有し、中央領域と中間領域との間の境界は、円形、六角形、又は丸みを帯びた角を有する六角形であり、中間領域と外側領域との間の境界は、円形、六角形、又は丸みを帯びた角を有する六角形である。したがって、最も外側の形状が六角形である外側領域は別として、歯は中心の周りに環状に広がる。このとき外側の歯は、円形状から六角形状へと融合するような形状とされるか、又は外側の歯は、不連続な円形の一部分であってもよい。代替的に、歯は全て六角形の経路に従い、このとき境界は六角形であるものとみなされるか、又は円形と六角形との間の経路を有してもよい。
【００１９】
したがって、各ビーム成形ユニットは、フレネル構造に類似し、内部全反射の歯は、完全に回転対称とはいえない形状を有してもよく、円形と六角形との間の何らかの形状を有してもよい。例えば、内部領域は外側領域よりも、より円形の対称であってよい。円形の対称構造体は、製造するのに容易なので好ましい。
【００２０】
実施形態では、ビーム成形ユニットは、次の好ましい特徴：
-わずかに傾斜した光偏向プリズム素子（歯）に囲まれる、比較的大きな湾曲した中央光偏向素子であって、この点でわずかに傾斜したとは、α＞８０°且つβ＜５０°を意味し、好ましくはα−β＞３５°である、
-中間領域の歯に対し、α＞β、好ましくはα−β＜３０°である、
-外側領域の歯に対し、α＝βである、
のうちの少なくとも１つを含む。
【００２１】
中間領域及び外側領域のビーム成形機能は、好ましくはコリメーション機能である。同様に、中央領域によって提供されるビーム通過機能も、コリメーション機能を含む。したがって、単一のプレートが、当該プレートの全領域に亘りコリメーションを提供し得る。所望のコリメーションの程度に依存して、ビーム成形ユニットは上述の好ましい特徴のうちの１以上を含む。
【００２２】
代替は、光源の真上の中央領域をコリメートするためと、周辺領域（隣接する光源に対してコリメーションが実行される場所を含む）をコリメートするためとで、別々の構造体を用いることである。この目的で、第２のビーム成形ユニットの第２のアレイが、ビーム成形ユニットの（第１の）アレイの上の略平面に配置され、ビーム成形ユニットの（第１の）アレイの中央領域によって提供されるビーム通過機能は、パススルー機能を提供する。
【００２３】
また、本発明は、
光源のアレイと、
本発明のビーム成形システムと、
を含み、各ビーム成形ユニットの中央領域は、対応する光源の上に設けられる、
照明システムを提供する。
【００２４】
光源はＬＥＤを含み、例えば共にスポットライト照明システムを含む。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
本発明の実施例は、添付の図面を参照して、詳細に説明される。
【００２６】
【図１】出願人によって提案されるビーム成形ユニットのシステムと、関連するＬＥＤとを示す。
【図２】ＬＥＤのアレイが用いられるときに、図１のＬＥＤからの一部の光が、隣接するビーム成形ユニットにどのように向けられるかを示す。
【図３】システムの光学性能に影響を与える設計パラメータを示す。
【図４】あるＬＥＤから隣接するビーム成形ユニットに達する光の問題点を示す。
【図５】本発明のシステムの第１の実施例の光学的挙動を示す。
【図６】各ビーム成形ユニットを構成する様々な領域を示す。
【図７】ビーム成形ユニットの歯の好ましい角度関係を説明するために用いられる。
【図８】入射ビームがビーム成形ユニットの歯の両面ともに当たらない場合に起こる問題点を示す。
【図９】所望の角度設定が選択されることを可能にするグラフを示す。
【図１０】複数のＬＥＤ及びビーム成形ユニットが、どのように六角形のグリッドに形成され得るかを示す。
【図１１】両側のＬＥＤからの光を処理するために非対称な歯が用いられ得ることを示す。
【図１２】２つのＬＥＤの間の非対称な歯に対するビーム追跡を示す。
【図１３】ビーム成形ユニットの外側ゾーンがどのくらい大きいかは、ＬＥＤとビーム成形ユニットとの間の離間に依存することを説明するための関係を示す。
【図１４】本発明のシステムの第２の実施例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明は、例えば光源のアレイの上での使用のための、ビーム成形システムを提供する。ビーム成形ユニットのアレイは、略平面に配置され、各ビーム成形ユニットは、中央の屈折領域と、中央の領域の下にある光源からの光を処理するための、中間の内部全反射領域と、最も近い光源及び隣接する光源からの光を処理するための、外側の内部全反射領域とを含む。この外側の領域は本質的に、隣接するビーム成形ユニットの有用なサイズを拡張し、ビーム成形性能及び／又は光学的効率を改善する。
【００２８】
上述のとおり、ビームのコリメーション（又は他のビーム成形機能）のために薄膜マイクロ光学系を用いるときに、高い光学的効率と併せて小さなビーム広がりを達成するのは困難であるという問題がある。この問題の原因が最初に説明される。
【００２９】
図１は、ＬＥＤ１２によって放射される光をコリメートするための薄膜マイクロ光学プレート／フォイル１０として具現化される、ビーム成形ユニット１０の一部分の断面図により、動作の原理を概略的に示す。薄膜マイクロ光学プレート／フォイル（「光学素子」とも呼ばれる）は、ＬＥＤの近くに（数ｍｍの距離で）設置される。ＬＥＤによって放射される光は、典型的にはランバーシアン分布を有する。ＬＥＤによって放射される光線の角度は、光学素子に対して垂直から光学素子に対して平行まで、幅がある（光線は２πの立体角を囲む）。
【００３０】
中央部分１４は屈折に依存し、基本的にフレネルレンズの形式であり、すなわち中央部分１４は、わずかに傾斜した光偏向プリズム素子に囲まれる、比較的大きな湾曲した中央の光偏向素子を含む。この点でわずかに傾斜したとは、α＞８０°且つβ＜５０°を意味し、好ましくはα−β＞３５°である。光学素子の法線方向に対して大きな角度でＬＥＤを離れる光線は、屈折によってコリメートされることはできない。このために、光学素子の中間部分１５及び外側部分１６は、内部全反射（ＴＩＲ）に依存する。これらの領域では、各光線は、図１の拡大された部分に示されるように、光学素子の下部表面と２回相互作用する。
【００３１】
例として、中間領域１５の光偏向プリズム素子との光線の相互作用が示され、示されるプリズム素子に対してα＝７０°且つβ＝５５°である。１回目に、光線は第１の表面１７によって（空気から光学プレートへと通過して）屈折され、２回目に、光線は（プレート対空気の境界での）第２の表面１８から内部全反射によって反射される。この態様で、ＬＥＤを大きな角度で離れる光線がコリメートされ得る。
【００３２】
図２は、図１と同様の構造体を示し、ＬＥＤをあまりに大きな角度で離れる光線２０は、光学素子に全く当たらないことを示す。光線が遮断される最大角度は、θｍａｘ＝ｔａｎ−１（Ｒ／ｈ）であり、ここでＲは光学素子の半径であり、ｈはＬＥＤから光学素子までの距離である。ランバーシアンエミッタに対して、この態様で遮断される光線（又はエネルギ）の割合ｆは、ｆ＝ｓｉｎ（θｍａｘ）２である。
【００３３】
遮断されるエネルギの割合は、距離ｈを最小化するか、又は半径Ｒを最大化することによって最大化され得る。
【００３４】
実際には、Ｒを最大化するには限界があり、利用可能な限られた空間に一定の数のＬＥＤが収容されなければならない。更に、費用の理由のために、高電力ＬＥＤから脱却して中電力ＬＥＤに向かう傾向があり、各ＬＥＤに対して利用可能な空間は更に低減されることを意味する。
【００３５】
また、ｈを最小化するにも限界がある。
【００３６】
図３は、図１と同様の構造体を示し、ＬＥＤ光源のサイズの重要性を説明するために用いられる。図３に示されるように、ＬＥＤと薄膜光学素子との組合せから得られるコリメーションの程度（ビーム広がり）は、距離ｈと光源のサイズ（ＬＥＤダイのサイズ）ｓとによって決定される。典型的には、ビーム広がりΔθは、式Δθ＝ｔａｎ−１（ｎ・ｓ／ｈ）によって与えられ、ここでｎはＬＥＤのドームの屈折率（ドームがない場合にはｎ＝１）である。これは、ＬＥＤから光学素子までの小さな距離は、大きなビーム広がりを示唆することを意味する。
【００３７】
これは、ビーム広がりと光損失との間にトレードオフがなされなければならないことを意味する。
【００３８】
図４は、ＬＥＤ１２ａ、１２ｂのアレイがあり、各々が当該ＬＥＤ１２ａ、１２ｂの最密充填構成で並べられた光学素子１０ａ、１０ｂを有するときの状況を示す。例えば、各ＬＥＤは六角形の光学素子を備え、このとき光学素子はテセレーション（モザイク加工）される。テセレーションは、例えば三角形、長方形、又は正方形を有し、オプションで鋭い若しくは丸みを帯びた角又は境界として円形外周を有する、合同な形状の光学素子によって行われてもよい。
【００３９】
ＬＥＤ１２ａから生じ、このＬＥＤと関連付けられた光学素子１０ａに当たらない光線（図４における光線ｂ）は、隣の光学素子１０ｂへと横切り、考慮されるアプリケーションに対して大きすぎる可能性がある制御されない出射角度となってしまう。言い換えると、これらの光線は、所望のビームの範囲外となってしまい、低減された光学的効率につながる。この光学的効率は、所望のターゲットビームの範囲内となる光線の割合として規定される。
【００４０】
本発明は、薄膜マイクロ光学素子のアレイが設けられるデザインを提供する。各光学素子は、対応する光源との位置合わせ用である。光学素子のアレイは単一のシートを形成するが、複数のシートが用いられてもよい。
【００４１】
各光学素子は３つの領域に分けられる。中央領域を通過する光線は、屈折の原理によってコリメートされる。中央領域と外側領域との間の領域を通過する光線は、ＴＩＲによってコリメートされる。（プリズム素子の構造体すなわち歯を有する）ＴＩＲマイクロ構造体は、実質的に非対称である。
【００４２】
外側領域もＴＩＲに依存し、略対称な構造を有するか、あるいはこれらは非対称であってもよい。しかしながら、この外側領域のＴＩＲの歯の角度は、対応するＬＥＤからの光線、及び隣のＬＥＤからの光線がコリメートされる（又は他の態様で成形される）ように選択され、すなわち、αとβとはほぼ等しく、すなわち｜α−β｜＜５°であるか、又は等しく、α＝βでさえある。
【００４３】
第１の実施形態が図５に示され、図５は、ＬＥＤのアレイの一部を形成する２つのＬＥＤ１２ａ、１２ｂを示す。各ＬＥＤは、関連する薄膜マイクロプレート／フォイルを光学素子１０ａ、１０ｂとして備え、これらの間の境界は線５０として示される。
【００４４】
（薄膜）光学素子は、単一のシートの光学素子をもたらすように平面充填される。
【００４５】
この第１の実施例では、光学素子は境界５０の近くで、内部全反射表面が対称であるように修正される。第１の表面１７、第２の表面１８を示す図１を参照すると、これらの表面はα≒β、すなわち光学プレートの略平面に対して同一の角度で配置される。このことはもちろん、表面が法線方向に対して同一の角度で延在することも意味する。
【００４６】
境界領域で光が処理される態様は図５に示される。ＬＥＤから生じ、２つの隣り合うＬＥＤの間の境界を横切る光線（図５においてｂとラベルされた光線）は、光線が境界にかなり近いままであることを前提に、依然としてコリメートされる。
【００４７】
図６に示されるように、各光学素子１０ａ、１０ｂは（少なくとも）３つの領域を有する。
【００４８】
第１の領域Ａ１４は、半径ＲＡを有し、光は屈折を用いて処理される。これはフレネルレンズとして機能する。
【００４９】
第２の領域Ｂ１５は、半径ＲＡと半径ＲＢとの間に規定され、光線は内部全反射に基づいてコリメートされ、α≠βであり、α及びβは、最も高い効率と併せて、最も近いＬＥＤに対して最も高いコリメートの程度をもたらすように最適化され、すなわちα＜８５°、β＞５０°、且つ｜α−β｜＞５°である。また、好ましくはα＞βであり、更に好ましくはα−β＜３０°である。
【００５０】
第３の領域Ｃ１６は、半径ＲＢと半径Ｒとの間に規定され、α≒βである。好ましくは、５０°＜α＜６０°（且つ５０°＜β＜６０°）且つ｜α−β｜＜５°である。また、好ましくは６０°＜ｔａｎ−１（ＲＢ／ｈ）＜８５°である。
【００５１】
中央領域から中間領域への移行及び中間領域から外側領域への移行は、それぞれ半径ＲＡ及びＲＢにおいて生じる。ＲＡ、ＲＢ及びＲは、相互に０．１５＊Ｒ≦ＲＡ≦０．４＊Ｒ、及び１．５＊ＲＡ≦ＲＢ≦０．９Ｒに従って関連する。この関係は一般的に当てはまり、したがって図６に示される実施形態に対してだけ当てはまるわけではない。したがって外側領域はＲＢとＲとの間に延在する。
【００５２】
図７は、これらの所望の関係を説明するために用いられ、プレートを法線方向に離れる入射ビーム６０を示す。用いられる定義は、θ２が（法線の反対側で）負であることも許容することに留意されたい。
【００５３】
対称的な（すなわちα＝βである）「歯」に対して、以下の関係
【数１】
2017509117.tif 000003
に従う場合、斯様な歯に当たる光線がコリメートされることが少なくとも保証される。
【００５４】
この関係では、θは入射光線の角度であり、ｎは光学素子の材料の屈折率である。
【００５５】
図７は、光学素子の平面に垂直な出力光を提供するための角度の関係を示す。式［１］は屈折率の式であり、式［２］は三角形７０の角度の合計である。これらの式は、組み合せられるときに上記の関係を与える。
【００５６】
図８は、入射角度が低すぎる場合、入射光線は第２の表面に当たらない恐れがあることを示す。
【００５７】
これは、２つの所望の関係を与える。
【００５８】
図９の左のプロットは、上記の関数を、２つの屈折率の値（１．５及び１．６）に対するαとθとの間の関係として示す。このプロットは、α（ひいてはβ）の値の所望の範囲の５０°〜６０°を示す。したがって、典型的なｎの値且つ大きな角度の入射に対しては、典型的にはα≒５５°±５°である。屈折率は、典型的には１．４〜１．７の範囲内である。
【００５９】
図９における右のプロットは、ビームが第２の表面に当たらない量（図８における値ΔＺ）を、角度θの関数として、やはり２つの異なる屈折率の値に対して示す。光線をコリメートするのに用いられることとなる対称な歯に対して、６０°より小さな角度に対しては一部の光線が第２の表面に当たらないので、入射角度は、好ましくは６０°を超える。
【００６０】
対称な内部全反射表面を有する第３の領域を有することの利点は、２つの光学素子の間の境界を横切る光線が、依然として良好な程度にコリメートされることである。事実上、各光学素子の有効半径は、ＲからＲ＋（Ｒ−ＲＢ）へと増大される。このことは、より大きな割合の光線がコリメートされるので、光学的効率を向上させる。また、このことは、ＬＥＤと光学素子との間の距離ｈが増大されることも可能にし、結果として、ビーム広がりを低減させる。この態様で、コリメーションの程度と効率との間の、より良好なトレードオフが可能である。
【００６１】
図１０は、テセレーションされた六角形のセットとして形成される光学プレートを有するＬＥＤ１０のアレイを示す。図６に示される３つの領域Ａ、Ｂ、Ｃ（すなわち１４、１５、１６）は、複数のＬＥＤのうちの１つに対して示されている。
【００６２】
第２の実施形態では、光学素子は、図６で既に示されたように、やはり３つの領域に分けられる。しかしながら、第３の領域（領域Ｃ）の反射表面は、今度は非対称である。この領域の各個別の歯の角度α及びβは、対応するＬＥＤ及び隣のＬＥＤからの入射光線を同時に考慮に入れて計算されるが、等しい角度を有する必要はない。これは、角度α及びβの選択における多少の自由のおかげで可能である。
【００６３】
しかしながら、両側からの光を同様に処理するためには、同じく小さな差｜α−β｜＜５°がやはり好ましい。
【００６４】
この自由は、光線は、構造体を形成する各歯の第１の光学表面及び第２の光学表面の両方と相互作用するという事実から生じる。
【００６５】
図１１は、両側から入射する両方の光線に対して内部全反射を実行する第３の領域のコリメート歯の動作の原理を説明するために用いられる。図１１は、わずかに異なる入射角度を有する両側からの光に対して、反射が後に続く屈折が、垂直に向けられるビームをどのようにもたらすかを概略的に示す。
【００６６】
図１２は、隣接する２つのＬＥＤが第３の領域から異なる距離にあり、したがって入射角度が同一ではないにも関わらず、第３の領域によってコリメートされる、当該２つのＬＥＤからの光線を示す、光線追跡シミュレーションを示す。
【００６７】
光学構造体の各歯は、１つのＬＥＤからの光に対する単一のＴＩＲ機能、又は２つの隣接するＬＥＤからの光に対する二重のＴＩＲ機能を実行するものとみなされる。歯の機能は、これらＬＥＤまでの距離、及びこれらＬＥＤから光学素子までの距離に依存する。
【００６８】
図１３は、第３の領域、すなわち二重のＴＩＲの歯の領域の相対的なサイズ（Ｒ−ＲＢ）／２Ｒを、光学素子までの距離ｈに対するＬＥＤのピッチ２Ｒの比率の関数としてプロットする。これはプロット「ＴＩＲｄｏｕｂｌｅ」である。ＴＩＲ領域全体（Ｒ−ＲＡ）／２Ｒも、プロット「ＴＩＲ」として示されている。
【００６９】
第１の実施形態におけるように、二重のＴＩＲ領域を有することの利点は、２つの光学素子の間の境界を横切る光線が、依然として良好な程度にコリメートされることである。
【００７０】
事実上、各光学素子の有効半径は、やはりＲからＲ＋（Ｒ−ＲＢ）へと増大される。
【００７１】
上記の実施例に関して示された断面は線状構造体であるか、あるいは断面は、回転対称構造体の断面であってもよい。しかしながら概念は、回転非対称構造体にも拡張され得る。
【００７２】
両側からの光を処理するための外側（第３の）領域の利用は、５度未満であるαとβとの差、並びに、各々が５０度〜６０度の間であるα及びβの好ましい範囲が当てはまるように、当該領域が限定された非対称性を有することを必要とする。２つのＬＥＤの間の境界では、対称な歯が好ましい（α＝β）。徐々に境界から遠ざかる程、α及びβを選択して同等の結果を得るために、より大きな自由がある。したがって、境界からの様々な距離において、非対称性の程度は異なる。
【００７３】
第３の実施形態は、図１４を参照して説明される。
【００７４】
この実施形態では、構造はＬＥＤ１２ａ、１２ｂのアレイからなり、各々のＬＥＤは、今度は、一方のＬＥＤ１２aに対して１３０ａ、１３２ａ、他方のＬＥＤ１２ｂに対して１３０ｂ、１３２ｂである２つの光学素子のスタックを有する。ＬＥＤに近い方の光学素子１３０ａ、１３０ｂは、ＬＥＤによって放射される光線を集光し、均一な態様で第２の光学素子１３２ａ、１３２ｂを照射する。
【００７５】
第２の光学素子は、ビーム成形（例えば狭いスポットへのコリメーション）を提供する。また、この場合、第１の光学素子１３０ａ、１３０ｂは、上述の態様で３つの区別された領域に分けられる。
【００７６】
ビーム成形は第２の光学素子１３２ａ、１３２ｂによって完成され得るので、下側の光学素子１３０ａ、１３０ｂの中央領域は、屈折による不完全なビーム成形を提供するにすぎない。
【００７７】
上記の実施例におけるように、マイクロ構造体は必ずしも回転対称である必要はない。
【００７８】
上記の実施例は、光のコリメーションのためにデザインされるものとして一般的に説明された。しかしながら、同様の光学素子を用いて、より複雑な他のビーム成形も可能である。
【００７９】
上記の実施例は、ＬＥＤを利用する。しかしながら、ビーム成形は、他の小領域光源にも当てはまる。一般的に、本発明は、固体照明装置に対して特に関心が持たれる。
【００８０】
システムは、一般的に小さな光出力領域を有する光源に対して関心が持たれる。典型的には、ＬＥＤダイのサイズ（図３におけるパラメータｓ）は、０．１ｍｍ〜２ｍｍの範囲である。
【００８１】
ＬＥＤ間の離間（図２における半径Ｒ）は、典型的には５ｍｍ＜Ｒ＜２５ｍｍ、例えば１０ｍｍ〜１５ｍｍの範囲内である。通常、離間の値（図３におけるパラメータｈ）は、典型的には１ｍｍ＜ｈ＜１０ｍｍ、例えば１．５ｍｍ〜２．５ｍｍの範囲内である。通常、全ての実施形態に対して、Ｒ／ｈは好ましくは、４≦Ｒ／ｈ≦１０の範囲内の比率を有する。
【００８２】
光学プレートのための適切な材料は、ＰＭＭＡ及びポリカーボネート等のプラスチックである。これらは照明アプリケーション用の光学部品に最もよく用いられる材料である。
【００８３】
本発明はとりわけ、スポット、ダウンライト、及びオフィス照明用の照明器具等の、限定された角度広がりを有するビームを必要とする照明アプリケーションに適用される。
【００８４】
上記の実施例は、各ビーム成形ユニットの下部の個別の物理的光源を利用する。しかしながら、これら光源は、遠隔の物理的光源から例えば鏡又は光ガイドによって送られた光である光源であってもよい。したがって、光源は仮想であって現実の元の光源は別の場所にあってもよい。「光源」の用語はこれにより理解されるべきである。この場合、例えば仮想光源のアレイを作り出すためにＬＥＤの周りに鏡のセットを有した当該ＬＥＤといったように、共有される物理的光源は、複数の仮想光源を提供する。
【００８５】
当業者によって、特許請求された発明を実施するにあたり、図面、明細書、及び添付の請求項の研究から、開示された実施形態の他のバリエーションが理解され達成されることができる。請求項で、「含む」の文言は他の要素又はステップを除外するものではなく、不定冠詞「ａ」又は「ａｎ」は複数を除外するものではない。特定の手段が、相互に異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、これらの手段の組合せを有利に使用できないことを意味するわけではない。請求項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３】
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【図４】
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【図５】
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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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【手続補正書】
【提出日】平成28年9月1日(2016.9.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
略平面に配置されるビーム成形ユニットのアレイを含むビーム成形システムであって、前記ビーム成形ユニットの各々は、
中央領域の下にある光源からの光を屈折することによってビーム通過機能を提供するための当該中央領域と、
前記中央領域の下にある前記光源からの光の内部全反射を介してビーム成形機能を提供するための中間領域と、
前記中央領域の下にある前記光源からの光の内部全反射を介してビーム成形機能を提供し、また、隣接する前記ビーム成形ユニットの前記中央領域の下にある光源からの光の内部全反射を提供するための外側領域と、
を含み、
前記ビーム成形ユニットの各々は、光源のアレイに対向する起伏表面を有し、前記中間領域及び前記外側領域内の前記起伏表面は、光偏向プリズム素子のセットを含み、当該光偏向プリズム素子各々は、前記光源に向いて面する第１の面と、前記光源から離れて面する第２の面とを有し、
前記第１の面は前記略平面から第１の角度αで延在し、前記第２の面は前記略平面から第２の角度βで延在し、
前記中間領域の前記光偏向プリズム素子のセットに対し、α＜８５°、β＞５０°、｜α−β｜＞５°であり、
前記外側領域の前記光偏向プリズム素子のセットに対し、５０°＜α、β＜６０°、且つ｜α−β｜＜５°である、
ビーム成形システム。
【請求項２】
前記ビーム成形ユニットが配置されるプレート又はフォイルを含む、請求項１に記載のビーム成形システム。
【請求項３】
前記外側領域に対し、α＝βである、請求項１又は２に記載のビーム成形システム。
【請求項４】
前記中間領域に対し、α＞βである、請求項１乃至３の何れか一項に記載のビーム成形システム。
【請求項５】
前記中央領域は、前記光偏向プリズム素子のセットを含み、前記中央領域に対し、α＞８０°且つβ＜５０°である、請求項１乃至４の何れか一項に記載のビーム成形システム。
【請求項６】
前記プレート又はフォイルの材料は、１．４〜１．７の範囲内の屈折率を有する、請求項５に記載のビーム成形システム。
【請求項７】
前記光偏向プリズム素子は突起である、請求項１乃至６の何れか一項に記載のビーム成形システム。
【請求項８】
前記ビーム成形ユニットの各々は六角形の外形を有し、前記中央領域と前記中間領域との間の境界は、円形、六角形、又は丸みを帯びた角を有する六角形であり、前記中間領域と前記外側領域との間の境界は、円形、六角形、又は丸みを帯びた角を有する六角形である、請求項１乃至７の何れか一項に記載のビーム成形システム。
【請求項９】
前記中間領域及び前記外側領域の前記ビーム成形機能は、コリメーション機能である、請求項１乃至８の何れか一項に記載のビーム成形システム。
【請求項１０】
前記中央領域によって提供される前記ビーム通過機能は、コリメーション機能である、請求項１乃至９の何れか一項に記載のビーム成形システム。
【請求項１１】
前記中央領域はフレネルレンズを含む、請求項１０に記載のビーム成形システム。
【請求項１２】
前記ビーム成形ユニットのアレイの上の略平面に配置される第２のビーム成形ユニットの第２のアレイを含み、前記ビーム成形ユニットのアレイの前記中央領域によって提供される前記ビーム通過機能は、パススルー機能を提供する、請求項１乃至９の何れか一項に記載のビーム成形システム。
【請求項１３】
光源のアレイと、
請求項１乃至１２の何れか一項に記載のビーム成形システムと、
を含み、前記ビーム成形ユニットの各々の前記中央領域は、対応する光源の上に設けられる、照明システム。
【請求項１４】
前記光源はＬＥＤを含む、請求項１３に記載の照明システム。
【請求項１５】
スポットライト照明システムを含む、請求項１３又は１４に記載の照明システム。
【国際調査報告】
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