(57)【要約】  レンズ本体２０４と、レンズ本体２０４の底部側において、その中央領域に形成された、結合ゾーン２０６に配置される光源を収容する凹部２０２であって、側部入射面２０８及び中央入射面２１０を有する凹部２０２と、レンズ本体２０４の側面に設けられた全内部反射面２１２であって、複数の第１のレンズレット２１６を含む全内部反射面２１２と、レンズ本体２０４の上部側に設けられた出射面２１４であって、複数の第２のレンズレット２１８を含む出射面２１４とを含む、ターゲットに対して均一な照明を生成する光学系であって、レンズ２００がターゲットに対して均一な照明を生成するように、第１のレンズレット２１６の各々は、第２のレンズレット２１８の各々とペア２２０を形成する、ペア２２０の第１のレンズレット２１６は、結合ゾーン２０６からの光をペア２２０の第２のレンズレット２１８上に集束させる、及びペア２２０の第２のレンズレット２１８は、ペア２２０の第１のレンズレット２１６上のターゲットに焦点を合わせる、光学系である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
本体と、
結合ゾーンに配置される光源を収容する、前記本体の底部側において、その中央領域に形成された凹部であって、側部入射面及び中央入射面を有する前記凹部と、
前記本体の側面に設けられた全内部反射面であって、複数の第１のレンズレットを含む前記全内部反射面と、
前記本体の上部側に設けられた出射面であって、複数の第２のレンズレットを含む前記出射面と、
を含む、ターゲットに対して均一な照明を生成する光学系であって、
前記光学系が前記ターゲットに対して均一な照明を生成するように、
前記第１のレンズレットの各々は、前記第２のレンズレットの各々とペアを形成し、
前記ペアの前記第１のレンズレットは、前記結合ゾーンからの光を前記ペアの前記第２のレンズレット上に集束させ、
前記ペアの前記第２のレンズレットは、前記ペアの前記第１のレンズレット上の前記ターゲットに焦点を合わせる、光学系。
【請求項２】
前記全内部反射面は、非球面回転面から成る、請求項１に記載の光学系。
【請求項３】
前記出射面は、平坦、傾斜及び非球面回転面を含む幾何学的形状の群から選択される、請求項１又は２に記載の光学系。
【請求項４】
前記凹部の前記中央入射面に配置された中心レンズ入射面であって、複数の第３のレンズレットを含む前記中心レンズ入射面と、
前記光学系の前記出射面上の中央に配置された中心レンズ出射面であって、複数の第４のレンズレットを含む前記中心レンズ出射面と、
を含む中心レンズを更に含み、
前記光学系が前記ターゲットに対して均一な照明を生成するように、
前記第３のレンズレットの各々は、前記第４のレンズレットの各々とペアを形成し、
前記ペアの前記第３のレンズレットは、前記結合ゾーンからの光を前記ペアの前記第４のレンズレット上に集束させ、
前記ペアの前記第４のレンズレットは、前記ペアの前記第３のレンズレット上の前記ターゲットに焦点を合わせる、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光学系。
【請求項５】
前記複数の第３のレンズレットの各々は、非球面外形を有する回転対称形状の面の軸外部分である、請求項４に記載の光学系。
【請求項６】
前記第２のレンズレット及び前記第４のレンズレットの各々が、光を無限遠に投影する際に、平行ビームとなるように光学媒体内の点に焦点を合わせる楕円外形を有した回転対称性を持つ、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光学系。
【請求項７】
各第１のレンズレットは、前記結合ゾーンの中心から生じた及び前記側部入射面で屈折させられた波面を、対応する第２のレンズレットの中心から生じた波面と結合させる一般化されたデカルトの卵形線である自由造形形状を有する、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光学系。
【請求項８】
前記自由造形形状は、球面、楕円体面、又は２つの交差した球面部分によって表されるトロイダル面によって近似される、請求項７に記載の光学系。
【請求項９】
前記結合ゾーンは、前記光学系の前記凹部内に配置される、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の光学系。
【請求項１０】
前記結合ゾーンは、平坦、ディスク形状又は回転楕円体である、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の光学系。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の光学系及び光源を含む、照明器具。
【請求項１２】
前記光源は固体光源である、請求項１１に記載の照明器具。
【請求項１３】
前記固体光源は、赤、緑、青、白、若しくはその他の色の内の１以上の色を有する単一チップ、マルチチップパッケージ、又は個々にパッケージされたＬＥＤのアレイである、請求項１２に記載の照明器具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学系に関し、特に、ターゲットに対して均一な照明を生成する光学レンズに関する。
【背景技術】
【０００２】
効率的な照明を提供するためには、光の集束及び分布を制御する能力が重要である。多くの光学系は、所望の光分布及び／又は所望の照明均一性を実現するために、１つ又は複数の光学素子を用いる。状況及び要件に応じて、白熱、蛍光、及び固体ベースの光源を含む様々な光源が用いられる。光学系のデザインは、一般的に、使用される光源に応じて変わる。しかしながら、均一な照明を生成する際に重要な、使用される光源の強度及び／又は色に関する空間的及び／又は強度変化を補償することは、解決が難しい。例えば標準的な全内部反射（ＴＩＲ：total internal reflection）コリメータの形態の光学系を使用した場合に一般的に直面する問題は、１）ファーフィールドにおいて異なる軸外角度での色の原因となる、光源の角度に対する色の変化、２）同様にカラーアーチファクトの原因となる、光源の位置に対する色の変化、及び３）暗領域（即ち、光を生成しない領域）をそれぞれの間に有する光源のアレイを使用した場合のコリメータの強度の大きな不均一性である。
【０００３】
これらの問題を抑制する方法の１つは、全内面反射（ＴＩＲ）コリメータ上の出射面上の拡散素子又はファセットを用いて光を分散及び再分布させる又は混合する技術を利用することである。米国特許出願公開第２０１３／００５８１０３号は、例えば、レンズ本体；レンズ本体の外側に設けられた全反射面であって、鱗状多面体の形態の反射面；ＬＥＤを収容するための、レンズ本体の底部側のその中央領域に形成された凹部であって、側面及び中央面を有する凹部；凹部の中央面に形成されたマイクロレンズアレイ；並びにレンズ本体の上部側に設けられた発光面を含み、実質的に均一な円形光点がレンズによって形成される、コリメータ（又は米国特許出願公開第２０１３／００５８１０３号においては所謂レンズ）を開示する。
【０００４】
しかしながら、米国特許出願公開第２０１３／００５８１０３号のコリメータを利用して上述された全ての問題を軽減することは、特に、光源が輝度に関して、位置に対して大きく変化する場合に、困難である。そのため、ファセッティング及び拡散素子は、光源の不均一性に関連する影響が不鮮明となるように光を混合するために、顕著でなければならない。その結果、均一な照明を提供することができるが、同時に、光学系を離れる光のビーム角が増加され、これは、光のコリメーションを妨げる及び光分布の制御を低下させる。
【０００５】
従って、より良い照明均一性及び光分布制御を提供する光学系を見つける必要性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、上記問題点を解決する又は少なくとも低減させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
具体的には、本発明の第１の局面によれば、ターゲットに対して均一な照明を生成する光学系が提供され、前記光学系は、本体と、結合ゾーンに配置される光源を収容し、本体の底部側において、その中央領域に形成された凹部であって、側部入射面及び中央入射面を有する凹部と、本体の側面に設けられた全内部反射面であって、複数の第１のレンズレットを含む全内部反射面と、本体の上部側に設けられた出射面であって、複数の第２のレンズレットを含む出射面とを含み、光学系がターゲットに対して均一な照明を生成するように、第１のレンズレットの各々は、第２のレンズレットの各々とペアを形成し、ペアの第１のレンズレットは、結合ゾーンからの光をペアの第２のレンズレット上に集束させ、ペアの第２のレンズレットは、ペアの第１のレンズレット上のターゲットに焦点を合わせる。
【０００８】
結合ゾーンという表現は、実質的に結合ゾーン内の各点からの光がターゲット全体を照明するように、光学素子との関連で配置された領域又は体積と解釈されるものである。結合ゾーンが光源よりも大きい場合、光源は、システムの性能に実質的に影響を与えること無く、結合ゾーン内で移動させることができ、これは、光学構成要素の配置許容差を緩和するのに役立つことに留意されたい。
【０００９】
レンズレットは、本出願において、光学系の本体の直径の一般的に１００分の１〜５分の１の直径の小型光学レンズとして理解されるものであり、レンズアレイの一部でもよい。各レンズレットは、同じ又は異なる焦点距離を有してもよい。以下に説明されるように、レンズレットは、更に、平面、曲面、又は自由造形面上に配置されてもよい。
【００１０】
本発明は、光学系の結合ゾーン内の光源又は光源の像の各点がターゲット全体を照明する場合には、結合ゾーン内の放射照度変化は、ターゲットに対する照明の均一性に限られた影響しか及ぼさないことが可能であるという洞察に基づく。しかしながら、これは、照明中にスペクトル又は強度変化が見られ得るので、単一素子、例えばレンズ又はミラーである、光源によって生成された光を集めるための単一素子等を用いて達成することができない。本発明の主題によれば、互いに焦点を合わせた単一のレンズペアを使用する代わりに、レンズレットのアレイが設けられる。全内部反射面上での複数の第１のレンズレット及び出射面上での複数の第２のレンズレットの使用は、所望の効果を実現する。従って、本発明の利点は、結合ゾーン内の光源が不均一である場合でも、均一な光を提供することができる点である。従って、均一な照明を生成するために使用される光源は、光が結合ゾーン内で発せられる限り、例えば、１つ若しくは異なる色の幾つかの光源、又は発光が少ない若しくは発光しない領域を持つ光源のアレイから構成されてもよい。
【００１１】
従来の光源は、実質的に全方向に光を発し、これは、固有の損失及び照明性能の低下につながる。発光ダイオード（ＬＥＤ）等の殆どの固体光源は、基本的に、１つの半球にのみ光を発するランバート光源である。殆どの場合、ＬＥＤビーム角は、放射角度を許容値に至らせることができるように何等かの二次光学素子を導入すること無く照明目的で使用されるには広過ぎる。
【００１２】
従って、本発明によれば、照明の効率を向上させることができるように、本体の側面に全内部反射面が配置される光学系が提供される。
【００１３】
全内部反射面という表現は、全内部反射（ＴＩＲ）が生じ得る面と解釈されるものである。ＴＩＲは、光線が、第１の媒体と、第２の媒体との境界に、境界面の垂線に対して、臨界角よりも大きい角度で達した場合に生じる光学効果である。ＴＩＲが生じるためには、即ち、光が境界を越えて伝搬しない、及び全ての光が実質的に境界で反射されるように光線が境界において完全に反射されるためには、第１の媒体の屈折率が第２の媒体の屈折率よりも大きいことが必要とされる。
【００１４】
光学系の既にデザインされた面上にレンズレットを追加することは、その元の機能は維持しながら、光学系の性能を更に向上させることができる。別の利点は、追加の光学素子が追加されないことである。従って、レンズからの光出力は、強度及びビームコリメーションに関してより効率的にさせる、並びに光源の特性への依存性を更に低下させることができる。
【００１５】
従って、ＴＩＲを利用した光学系は、光学系が結合ゾーンからの光をコリメートし、光学系から光のビームを送り出すように形成されたコリメータと見なすことができる。一般的なＴＩＲベースの光学系は、以下に記載されるように、光源を内部に配置することができる空隙又は凹部を有した実質的な円錐形状を有する。
【００１６】
第１のレンズレットの各々が第２のレンズレットの各々とペアを形成するようにレンズレットのペアを更に形成することによって、ペアの第１のレンズレットが、結合ゾーンからの光をペアの第２のレンズレット上に集束させ、ペアの第２のレンズレットは、ペアの第１のレンズレット上のターゲットに焦点を合わせるように、レンズレットが配置されてもよい。つまり、レンズレットの各ペア内のレンズレットは、各第１のレンズレットが第２のレンズレット上に光源の像を作る一方で、第２のレンズレットがターゲット上に第１のレンズレットの像を作るように形成される。光源像、即ち光源は、ターゲット上に投影されないので、結合ゾーン内の光源の照明不均一性及び誤配置は、ターゲット照明に影響を与えない。従って、この構成は、向上した照明の均一性を提供することができ、先行技術の解決策で一般的に利用されるようなシールド又はディフューザが使用されないので、高い照明効率及びコンパクトさを同時に得ることができる。
【００１７】
本発明の一実施形態によれば、全内部反射面は、非球面回転面から成る。このことは、それが光学系内で回転対称性を提供し、それが大抵は回転対称の照明をもたらすので有利である。
【００１８】
出射面は、平坦、傾斜及び非球面回転面を含む幾何学的形状の群から選択されてもよく、これは、コンパクトさを向上させるか、又は基本的コリメーション特性に影響を与えるように光学デザインを調節することができるターゲット照明エリアの幾何学的形状のデザインを可能にする。
【００１９】
光学系は、凹部の中央入射面に配置された中心レンズ入射面であって、複数の第３のレンズレットを含む中心レンズ入射面と、レンズの出射面上の中央に配置された中心レンズ出射面であって、複数の第４のレンズレットを含む中心レンズ出射面とを含む中心レンズを更に含んでもよく、レンズがターゲットに対して均一な照明を生成するように、第３のレンズレットの各々は、第４のレンズレットの各々とペアを形成し、ペアの第３のレンズレットは、結合ゾーンからの光をペアの第４のレンズレット上に集束させ、ペアの第４のレンズレットは、ペアの第３のレンズレット上のターゲットに焦点を合わせる。それによって、ターゲットに対する照明の均一性の向上を提供するために、光学系の中央領域に入射した光を効率的に利用することができる。
【００２０】
本発明の一実施形態によれば、複数の第３のレンズレットの各々は、非球面外形を有する回転対称形状の面の軸外部分である。非線形面上にレンズレットを積層する利点は、元のＴＩＲコリメータの寸法を維持することができる点である。
【００２１】
別の実施形態によれば、第２及び第４のレンズレットの各々は、光を無限遠に投影する際に、平行ビームとなるように光学媒体内の点に焦点を合わせる楕円外形を有した、対応する第１又は第３のレンズレットの中心を通る軸を中心とした回転対称性を持つ。
【００２２】
第３のレンズレットは、光源から第４のレンズレット上に光を投影する際に、光源内の点を第４のレンズレットの中心上に集束させる非球面デカルトの卵形線外形を有した、対応する第４のレンズレットの中心を通る軸を中心とした回転対称性を持つ。
【００２３】
全ての外径は、多くの実用例において、球面外形によって近似することができる。
【００２４】
従って、ある特別なケースとして、第２及び第４のレンズレットは、球面外形を有した回転対称性を持つ。
【００２５】
それによって、向上した均一な照明及び光学系を出射する光のコリメーションの制御を得ることができる。
【００２６】
各第１のレンズレットは、結合ゾーンの中心から生じた及び側部入射面で屈折させられた波面を、対応する第２のレンズレットの中心から生じた球面波面と結合させるように配置された一般化されたデカルトの卵形線である自由造形形状を有していてもよい。
【００２７】
自由造形形状という表現は、線若しくは回転対称性の軸を持たない任意の形状、又はその対称軸ではない任意の軸の周りで回転される対称面と解釈されるものである。これらの面は、光学素子のデザインの際に、更なる自由度を提供する。
【００２８】
自由造形形状は、球面、楕円体面、又は２つの交差した球面部分によって表されるトロイダル面によって近似されてもよい。このことは、一部の実施形態において、それが光学系のデザイン及び製造を簡単にするので有利となり得る。
【００２９】
デカルトの卵形線という用語は、２つの所定の波面間の光路長を一定にする光学面として理解されるものである。この文脈では、デカルトの卵形線の問題は、２つの球面波面を結合する光学面（屈折性又は反射性）を見つけることである。この問題は、波面が球面であることが必要とされない場合は、一般化されたデカルトの卵形線問題と名付けられる。一般化されたデカルトを決定する問題は、入射波面と出射波面との間に一定の路長を必要とすることによって解くことができる。
【００３０】
ある実施形態によれば、結合ゾーンは、光学系の凹部内に配置されてもよい。このことは、それが光学系及び光源の簡単な組み立てを容易にするので、光学系を簡単に光源の上に位置付けることができるので、有利である。
【００３１】
結合ゾーンは、平坦、ディスク形状又は回転楕円体でもよく、その形状は、光源の寸法の幾何学的形状及び配置許容差によって決まる。
【００３２】
本発明の別の実施形態によれば、照明器具が提供され、この照明器具は、光学系及び光源を含む。これは、照明用途の場合に、照明器具の簡単な実現を可能にする。
【００３３】
光源は、上述のように、より効率的な光源を提供することができるので、固体光源でもよい。固体光源の使用は、それらが従来の光源よりも小さな寸法を有し得るので、更に有利である。
【００３４】
固体光源は、赤、緑、青、白、若しくは任意のその他の色の内の１つ若しくは複数の色を有する単一チップ若しくはマルチチップパッケージ、又は個々にパッケージされたＬＥＤのアレイでもよい。これらの光源は、非常に効率的であること、及び例えば白色光を提供するために異なる色を使用することができることが知られている。これらの光源を本発明による光学系と組み合わせることによって、これらの光源の放射照度に空間的変化が存在し得るにもかかわらず、均一な照明を提供することができる。従って、ターゲットに対する効率的及び均一な照明をデザインする際に、より大きな自由が与えられる。
【００３５】
本発明のこの及び他の局面は、本発明の実施形態を示す添付の図面を参照して、より詳細にこれ以降説明される。図面に示されるように、層及び領域のサイズは、例示目的で誇張され、従って本発明の実施形態の一般的構造を示すために提供されるものである。同様の参照符号は、全体を通して同様の要素を指す。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】ケーラー結合レンズレットアレイの動作を示す。
【図２】本発明の一実施形態による光学系の模式図である。
【図３】本発明の一実施形態による光学系の模式図である。
【図４】本発明の一実施形態による光学系の模式図である。
【図５】図４による光学系のコンピュータシミュレーションを示す。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
本発明は、本発明の現在好ましい実施形態が示される添付の図面を参照して、より完全に以下に説明される。但し、本発明は、多くの異なる形態で具現化することができ、本明細書に記載される実施形態に限定されると解釈されるべきではなく、より正確に言えば、これらの実施形態は、徹底性及び完全性を目的として提供され、当業者に本発明の範囲を完全に伝える。
【００３８】
導入的説明として、図１は、前部レンズレットアレイ１０２及び同一であるが反対向きの後部アレイ１０４（それらの焦点距離に等しい距離だけ離されている）を含む基本的結合器１００の断面を示す。収差が小さいと仮定すると、垂直方向から半角１０６を有してアレイ１０４に衝突する全ての光線は、理想的には、角１０６に等しい半角１０８内でアレイ１０２を出射する全ての光線と結合される。この角１０６（及び１０８）は、遠い光源（不図示）の半角サイズにより与えられる。
【００３９】
図１は、１１０として、傾斜衝突する平行光線扇形を有する以外は同じ結合器１００も示す。垂直入射から角１０６までの平行光線扇形１１２の入射角の変更は、出射光線のファーフィールドに影響を与えない。発光点１１４のみがシフトされる。
【００４０】
従って、光結合器は、点光源（例えば、図１の平行光線を生成する遠い点光源）の横方向光源位置誤差、又はより一般的には、角許容範囲内の幅のある光源（図１では、最大許容角１０６内の非ゼロ角度範囲を有する光線束）にあまり影響を受けないことが可能な強度パターンを生成する特性を有する。正の角１０６から負の角１０６に含まれる光線を含む幅のある光源の場合、結合器１００は、出力におけるビームが同じ角度の広がりを有するので、光のコリメートも拡散も行わない。一般的に、このような結合器は、別個のコリメート又は集光光学部品と共に使用される。
【００４１】
以下では、我々は、本発明の主題に従った積層レンズレットを有する全内部反射（ＴＩＲ）コリメータの形態の光学系を説明する。図２は、光の生成に使用された光源が、空間強度及びスペクトル変化を示す場合でも、ターゲットに対する照明の向上した均一性及び色混合を提供する本発明の一実施形態を示す。ＴＩＲコリメータ２００（コリメートレンズとも呼ばれる）は、ＴＩＲの現象を上手く利用する。ＴＩＲは、光線が、屈折率ｎ１を有する第１の媒体と、屈折率ｎ２を有する第２の媒体との境界に、境界面の垂線に対して角度θ（臨界角θｃｒｉｔｉｃａｌ＝ａｒｃｓｉｎ（ｎ２／ｎ１）よりも大きい）で達した場合に生じる。そのような角度θでは、光線は、光がこの境界を越えて伝搬せず、従って実質的に全ての光が境界で反射されるように、境界において完全に反射される。従って、ここでは、光をコリメートする及び集中光ビームを生成するためのリフレクタが必要とされない。
【００４２】
ＴＩＲコリメータ２００は、本体２０４のほぼ半ばまで延在する凹部２０２を有した、実質的に円錐形状を有する。凹部２０２は、本体２０４の底部側の中央領域に形成される。ＴＩＲコリメータ２００は、光源又は光源の像が配置される結合ゾーン２０６を含む。凹部２０２は、側部入射面２０８及び中央入射面２１０を有する。ＴＩＲ面２１２は、本体２０４の側面に設けられ、出射面２１４は、本体２０４の上部側に設けられる。ＴＩＲ面２１２は、複数の第１のレンズレット２１６を含む。出射面２１４は、複数の第２のレンズレット２１８を含む。
【００４３】
結合ゾーン２０６は、本体２０４に対して、結合ゾーン２０６内の各点からの光がターゲット全体を照明するように位置付けられる。結合ゾーン２０６が照明を提供する光源（不図示）よりも大きい場合、光源は、システムの性能に影響を与えること無く、結合ゾーン２０６内で移動させることができ、これは、光学構成要素の配置許容差を緩和するのに役立つことに留意されたい。凹部２０２は、更に、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の光源上へのＴＩＲコリメータ２００の簡単な取り付けを可能にする。
【００４４】
本実施形態によれば、ＴＩＲ面２１２は、非球面回転面である。出射面２１４は、この場合、平坦である。光学レンズの既にデザインされた面上にレンズレットを追加することは、その元の機能は維持しながら、光学系の性能を更に向上させることができる。別の利点は、追加の光学素子及び従って損失が追加されないことである。従って、コリメータから出力される光は、強度及びビームコリメーションに関してより効率的にさせ、光源の特性への依存性を更に低下させることができる。これは、それが円形の均一な照明を容易にするので、更に有利である。当業者は、所望であれば、非球面回転又は傾斜面等の他の面を使用することができる（これが、ＴＩＲコリメータから出力される光をデザインする際の柔軟性を高めるので）ことに気付く。
【００４５】
次に、我々は、図２及び図３を参照して、本発明の主題に従って、ＴＩＲ面２１２及び出射面２１４上にそれぞれ設けられるレンズレット２１６及び２１８のアレイを説明する。第１のレンズレット２１６の各々は、それらが第２のレンズレット２１８の各々とペア２２０を形成するように更に配置される。
【００４６】
複数のレンズレット２１６、２１８を使用することによって、結合ゾーン２０６からの光を集める際に小さな立体角が利用され、これは、上述のように数個の光学素子のみを使用する場合と比較して、より均一な放射照度が得られることにつながる。ペア２２０の第１のレンズレット２１６が、結合ゾーン２０６からの光をペア２２０の第２のレンズレット２１８上に集束させる、及びペア２２０の第２のレンズレット２１８が、ペア２２０の第１のレンズレット２１６上のターゲット（不図示）に焦点を合わせ、レンズレットのペア２２０を更に形成することによって、ターゲットに対する均一な照明が、ＴＩＲコリメータ２００によって提供される。従って、均一な照明を生成するために使用される光源は、光が結合ゾーン内で発せられる限り、例えば、１つ若しくは異なる色の幾つかの光源、又は発光が少ない若しくは発光しない領域を持つ光源のアレイから構成されてもよい。
【００４７】
ＴＩＲコリメータ２００は、凹部２０２の中央入射面２１０に配置された中心レンズ入射面２２４、及び本体２０４の出射面２１４上の中央に配置された中心レンズ出射面２２６を含む中心レンズ２２２を更に含む。本体２０４の中央部分に入射する光も、この配置によって、ターゲットに対する均一な照明に利用することができる。
【００４８】
ＴＩＲ面２１２及び出射面２１４に関する上記の説明に対応して、中心レンズ入射面２２４及び中心レンズ出射面２２６は、更に、複数の第３のレンズレット２２８及び第４のレンズレット２３０をそれぞれ含む。第３のレンズレット２２８の各々は、第４のレンズレット２３０の各々とペアを形成し、ＴＩＲコリメータ２００が、ターゲットに対する均一な照明を提供するように、ペアの第３のレンズレット２２８は、結合ゾーン２０６からの光をペアの第４のレンズレット２３０上に集束させ、ペアの第４のレンズレット２３０は、ペアの第３のレンズレット２２８上のターゲットに焦点を合わせる。本実施形態の利点は、ＴＩＲ面２１２及び出射面２１４のレンズレットのペア形成に関連して記載されたものと同じである。
【００４９】
本発明の一実施形態によれば、レンズレットは、結合ゾーン２０６の中心から生じた及び側部入射面２０８で屈折させられた波面を、対応する第２のレンズレットの中心から生じた球面波面と結合させるように配置された一般化されたデカルトの卵形線である自由造形形状を有していてもよい。自由造形形状は、従来の回転対称面を用いた場合と比較して、より小さなシステムサイズを実現することができるので、光学素子のデザインの際に、更なる自由度を提供する。
【００５０】
上記に示された特性を持つレンズレット面を得る手順は、互いに結合する２つの波面に含まれる全ての光線に対して一定の経路長を保証する面を設ける数値計算に基づいてもよい。図４は、ＴＩＲコリメータ２００が複数の積層レンズレットを有する本発明の一実施形態を示す。ＴＩＲコリメータ２００上の各レンズレットのサイズは、結果として生じる出射面上の結合ゾーンの像サイズによって設定されることに留意されたい。図示された実施形態は、ＴＩＲ面及び出射面並びに２つの中心レンズ面に含まれるレンズレットを有する。出射面上のレンズレットのサイズは、結合ゾーンの範囲から得られる：結合ゾーンの端部から（中心レンズ入射面の）ＴＩＲ面上のレンズレットの中心点上へと光線を追跡すると、出射面上で、光線の円錐体が、全ての光が捕捉されることを保証するために出射面上で必要とされるレンズレットのサイズを示す。ＴＩＲ面上のレンズレットのサイズは、同じ方法であるが、結合ゾーンから光線を開始する代わりに、ＴＩＲコリメータの外側から光線を開始することによって得られる。図３に示されるような１列のレンズレットペアを構築すれば十分であり、次に、図４に示されるような固体を形成するように、それらをＣＡＤプログラムで配置する。本実施形態の利点は、その形状は、標準的なＴＩＲコリメータと似ているが、例えば米国特許出願公開第２０１３／００５８１０３号に開示されるように、通常のファセッティングのようにビームの幅を大きく広げること無く、ビーム均一性及び色混合に関して非常に大きな性能の向上が実現される点である。
【００５１】
コンピュータシミュレーションは、図４に開示されたＴＩＲコリメータ２００のデザインを使用することにより、結合ゾーン内の放射照度に関する大きな空間的変化が存在する場合でも、ターゲットに対する均一な照明が提供されることを明らかにする。図５は、結合ゾーン５０６内の２つの異なる場所５０２、５０４にそれぞれ配置された２つの同一の正方形光源（光源Ａ及び光源Ｂ）に関する光線追跡シミュレーションの結果を示す。光源Ｂは、結合ゾーン５０６の中心５０２に位置付けられる一方で、光源Ａは、結合ゾーン５０６の端部５０４の近くに位置付けられる。図５は、２つの位置５０２、５０４に関する光線追跡シミュレーションの結果を更に示す。グラフから、ファーフィールドにおける光度が、２つの位置で実質的に同じであると結論付けることができる。これらの計算は、結合ゾーン５０６内で顕著な空間強度変化が存在したとしても、ターゲットに対する照明の良好な均一性を提供することができることを示す。
【００５２】
当業者は、本発明が上記の好ましい実施形態に決して限定されないことに気付く。それどころか、多くの変更形態及び変形形態が、添付の特許請求の範囲内で可能である。
【００５３】
例えば、ＴＩＲコリメータは、プラスチック、ガラス、又はサファイア等の結晶材料等の任意の透明材料から成るものでもよい。
【００５４】
本発明の一実施形態によれば、複数の第３のレンズレット２２８の各々は、非球面断面の回転対称面の部分でもよい。非平坦面上にレンズレットを積層する利点は、光のコリメーションのための追加の光学素子の必要性が低減される点である。
【００５５】
別の実施形態によれば、第２のレンズレット２１８及び第４のレンズレット２３０の各々は、光を無限遠に投影する際に、平行ビームとなるように点に焦点を合わせる楕円外形を有した回転対称性を持つ。当業者にとって、ファーフィールドにおいて均一な強度を提供する代わりに、均一な照度を提供するために同じ手順をニアフィールドにおいて提供することができることは明白である。
【００５６】
より滑らかな光分布が望まれる場合、結合が急なカットオフを持つ光分布を生成する傾向があるので、第２のレンズレット２１８及び第４のレンズレット２３０の表面に対して幾つかの拡散特性を含めることも可能である。それによって、向上した均一な照明及びＴＩＲコリメータ２００を出射する光のコリメーションの制御を得ることができる。更に、本発明に従って提供されるＴＩＲコリメータは、１つ又は複数の光源の非均一性に関連する影響を本発明の主題に従って減らすことができるので、広範囲の光源又は光源アレイに適している。従って、本ＴＩＲコリメータは、ミッドパワー、マルチチャネル、又は間隔を空けたＲＧＢアレイ等の発光ダイオード（ＬＥＤ）を含む照明器具の形成に適している。当業者は、そのような光源が、スポットランプ、ＭＲ１６、ＧＵ１０、ＡＲ１１１、小売りライティング、ＰＡＲランプ、又は標準的なＴＩＲコリメータが非均一性（強度、色、若しくはその両方の点で）を有するビームパターンを生成するか、又は色及び／若しくは位置並びに角度に対する色の混合が重要である他の光源において使用されてもよいことを理解する。
【００５７】
加えて、開示された実施形態に対する変形形態は、図面、開示内容、及び添付の特許請求の範囲の研究から、請求項に係る発明の実施において、当業者によって理解され得る及びもたらされ得る。クレームにおいて、「含む」（“comprising”）という用語は、他の要素又はステップを排除しない、及び不定冠詞「a」又は「an」は、複数を排除しない。特定の手段が互いに異なる従属クレームに記載されているという事実だけでは、これらの手段の組み合わせを有利に使用できないことを意味しない。
【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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【国際調査報告】
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