JP2010500735A - 照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】広角にわたって均一な照明、または場合に応じた他の照明パターンを提供するために、領域全体にわたって光を効率的に分配するための照明装置（１０）を提供する。
【解決手段】各照明装置は、少なくとも１つの光源１４と、光源からの光を部分的にコリメートするための少なくとも１つのコリメータ１６と、コリメータからの光を拡散させるための少なくとも１つのディフューザ１８とを有する。ディフューザ１８は、装置１０から所定の照明パターンが提供されるように、コリメータ１６から出力される光の角度強度分布に応じて、角度に依存した強度を有するディフューザから領域全体にわたる拡散光を提供する。光源１４およびコリメータ１６は一次元または二次元アレイに設けることができ、単一のディフューザ１８を各コリメータ１６上に形成することも、またはディフューザ１８をコリメータ１６から離隔して配置することもできる。
【選択図】図１

Description

本発明は、多くの場合照明器具と呼ばれる照明装置に関し、特に、所望の領域を効率的に制御して照らすために発光ダイオード（ＬＥＤ）など小さい光源を用いた照明装置に関する。本発明の照明装置は、住宅および商業用建築物内外の汎用照明に利用することができ、また建築用および工業用照明用途において使用することもできる。

白熱体、ＬＥＤなど小さい光源からの光を収集しコリメートするための装置が開発されている。多くの場合、このような装置では、光源の発散性のために反射体の焦点に設置した点光源からの光をコリメートするように設計されている反射性放物状構造を使用する。この構造に突き当たる光は、放物線の軸と平行に方向が変えられ、反射体の開口端から出射し、うまく拘束された（ｗｅｌｌ−ｃｏｎｆｉｎｅｄ）細いビームとして伝播する。実際には、光源は一点ではなくいくらかの空間広がりを有し、その結果、この反射ビームの実際の発散は、反射体の寸法によって、また光源の有限の、すなわち、ゼロでない寸法によって決まる。また、遠視野における光線の質が悪く、光源によってふさがれている反射体のベースよって引き起こされるリング構造が形成される。反射性放物状構造設計の追加の欠点は、反射体に突き当たらない光源からの光が、反射体の開口端からコリメートされずに伝播することである。これらの問題を是正するために、多くの場合フラッシュライトにおいて使用されるような一部の設計では、反射体の開口端にレンズ素子が組み込まれる。このレンズは、光源からの直接光も反射体からの光も共に捕獲する。このレンズが直接光をコリメートするように作製されている場合には、反射光をかなり発散させることになる。このような配置からの光すべての真のコリメーションを実現することはできないため、このような設計では、光の発散と結果として得られるビームの均一性との間で妥協する。

多くの場合放物状または円錐形構造を用いて全内部反射（ＴＩＲ）によって作動する、単一の光学部品に反射も屈折も組み込んだカタディオプトリック設計が提案されている。たとえば、Ｂｉｔｔｎｅｒは米国特許第２，２１５，９００号明細書において、非球面と、小さいフラッシュライト球などの光源の位置決めのための片側にある陥凹部または空洞とを有する、複数の表面がある回転対称性を有する光学素子について説明している。Ｍａｒｓｈａｌｌらは米国特許第６，５４７，４２３号明細書において、光源の底部にくぼみ（ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ）がある単一の材料から形成される、回転対称性を有するボウル形のコレクタレンズについて説明している。米国特許第６，８１９，５０５号明細書においては、Ｃａｓｓａｒｌｙらは、光源からの光のコレクタとして類似の設計を有するが、この設計は光をコリメートしない。代わりに、この設計では、コレクタ部分からの光が遷移区域を通って投影レンズへと透過する。次いで、コレクタ部分は遷移区域ないに光の焦点をあわせて、円形の配光を生成する。次いで、この光を投影レンズ区域によって屈折させて、高度にコリメートされたビームを生成する。

米国特許第２，２１５，９００号明細書 米国特許第６，５４７，４２３号明細書 米国特許第６，８１９，５０５号明細書

これらの設計は、小さい光源からかなりうまくコリメートされた光線を生成するよう働く。これにより、ディフューザまたは他の光制御装置の使用なしでは、全般照明用途へのこれらの設計の使用が限られる。ディフューザは、蛍光灯用拡散パネルや白熱照明器具における拡散面などの全般照明用途において領域全体にわたって光を平滑化するために使用されているが、ＬＥＤなど小さい発散光源と共に働くようになされてはいない。しかしながら、上で引用した特許に記載されているようにコリメートされた小さい発散光源などの光を、典型的な全般照明用ディフューザに通すと、悪い結果がもたらされることになる。というのは、光源からの光を効率的に収集するために必要とされるコリメーションにより、望ましくない輝点を有する不均一な光パターンを生じることになるからである。したがって、建築用および工業用照明などにおいて、場合に応じた照明用途において使用することもできる、所望の角度にわたって均一な光を提供するように設計されているディフューザと組み合わせることによって、全般照明用途においてＬＥＤなどの低電力光源からのコリメートされた光を使用することが望ましい。

したがって、本発明の１つの特徴は、他の場合に応じた照明パターンを提供するために使用することもできる全般照明用途に適した実質的に均一な光を提供するために、コリメーティングおよびディフュージング光学系と組み合わせてＬＥＤなど小さい広角光源を利用する照明装置を提供することである。

本発明の別の特徴は、高効率ディフューザ素子および低電力光源を用いて全般照明用途向けの照明装置を提供することである。
本発明のさらなる特徴は、規定の空間領域にわたって実質的に均一である配光パターンを生成することができる小さい広角光源の一次元または二次元アレイを利用する照明装置を提供することである。

本発明の別の特徴は、このような小さい広角光源からの光をコリメートするためのコリメータのアレイと共にハウジングを有する低背型照明器具を提供することである。この低背型照明器具においては、ディフューザは、異なる照明パターンを生成する照明器具を提供するために、このようなハウジング内で交換可能な複数のディフューザの１つを表す。

簡単に述べると、本発明は、ＬＥＤなど少なくとも１つの広角光源と、光源よりも狭い角度強度分布を提供するために光源からの光を部分的にコリメートするための少なくとも１つのコリメータと、コリメータからの光を拡散させるための少なくとも１つのディフューザとを有する照明装置を具体化する。ディフューザは、ディフューザから所定の照明パターンが提供されるように、コリメータからの光の角度強度分布に応じて、角度に依存した光出力強度を領域全体にわたって提供する光拡散特性を有する。

コリメータの角度強度分布は、コリメートされた明るい中央部分と、中央部分からの角度が増加するにつれて光強度が減少するコリメートされていない光の部分を有するものと見なすことができる。角度全体にわたって照明装置から実質的に均一な領域照明を提供するために、ディフューザは、コリメータからの部分的にコリメートされた光の角度強度分布に対して補完的な、角度に依存した光出力強度を提供する。

好ましくは、コリメータは、平坦な光出射端と、球状側面ならびに双曲線または楕円形状の中央部分を有する空洞を有する光入射端とを有する放物状本体と、放物状外面とを有する。光源は、空洞の入口中央に配置されている。放物状外面は、空洞の球状側面を介して受信した光を光出射端に向けて完全に内側に反射し、中央部分によって受信された光は光出射端に向けてコリメートされる。放物線は回転対称性を有するが、線対称性であってもよい。空洞は、好ましくは空気で満たされているが、コリメータ本体の形状の効果をもたらす屈折率を有する材料で充てんすることもできる。広角光源からの光をディフューザへとコリメータするための他の光学系を使用することもできる。

ディフューザは、コリメータからの部分的にコリメートされた光から領域全体にわたって所望の所定の照明パターンを提供するために、参照により本明細書中に援用される米国特許第６，８５９，３２６号明細書または米国特許第７，０３３，７３６号明細書に記載されているような、ランダムに選択したマイクロレンズアレイ構造を有する。ディフューザのマイクロレンズ構造は、成形するなど、コリメータの光出射端の材料に、またはコリメータから離隔された板の表面に沿って、形成することができる。

単一のコリメータおよびディフューザを、または一体化されたディフューザもしくはコリメータの光出射端から離隔されたディフューザを有するコリメータの一次元または二次元アレイに対して複数の光源を有する照明装置を提供する。このようなコリメータは、光源の電子機器を支持する板に取り付けることができ、この場合、コリメータは、コリメータを板に取り付けるための平坦なベースまたは延在するカラーリングもしくはポストを有する。

本発明の照明装置の一例は、異なる照明パターンを生成する照明器具を製造するために複数の交換可能なディフューザのうちの１つを伴う、小さい広角光源からの光をコリメートするためのコリメータのアレイと共にハウジングを有する、低背型照明器具の照明装置である。任意選択で、コリメータとディフューザとを一体化して、単一モノリシック構造とすることもできる。

本発明は、所与の光源からの光を最も効率的に活用し、特定の空間領域にわたって光を実質的に分配する必要性に対処する。本発明の多用性（ｖｅｒｓａｔｉｌｉｔｙ）は、単一の光源−コリメータ配置を様々な用途に使用することができることである。タスクの必要性を満たすためにディフューザを取り換えることだけが必要となる。
本発明の上記特徴および利点は、以下の説明を添付図面と併せ読むことでより明らかとなる。

照明器具のハウジングの一部が切り取られた、本発明の照明装置の一例の斜視図である。 図１の照明装置のコリメータの１つの斜視切断図である。 原点にある理想的な点光源から光線が追跡される図２のコリメータの光路図である。 図２および図３のコリメータの一例における上面真上の光出力分布のプロットである。 図２および図３のコリメータの同一例における上面真上の光角度分布のグラフである。 放物状表面を越えて外側へ延在する取付けフランジの形成を可能にするためにコリメータの上面が広げられた、図３と類似の光路図である。 取付け表面として働く平坦な領域を可能にするためにその放物状本体のベースが広げられたコリメータの例についての、図３と類似の光路図である。 取付け表面として働くカラーリングまたはポストを可能にするためにその放物状本体のベースが広げられたコリメータの例についての、図３と類似のコリメータの光路図である。 充てん材料の屈折率ｎ_０がコリメータの屈折率ｎよりも小さい、コリメータのベースにある充てんされた空洞の場合についての追跡光線を伴う図３と類似のコリメータの光路図である。 充てん材料の屈折率ｎ_０がコリメータの屈折率ｎよりも大きい充てんされた陥凹部の場合についての追跡光線を伴う図３と類似の光路図である。 ＬＥＤ源からの光をコリメートする図２および図３のコリメータの例における、強度の測定された角度出力分布のグラフである。 図１１のコリメータに補完的な角度に依存した出力強度を提供するマイクロレンズアレイ構造を有するレーザ光源によって照らされた場合の、図１のディフューザの例における強度の角度出力分布のグラフである。 ディフューザから角度範囲にわたって実質的に均一な領域照明を出力するように、図１１および図１２のグラフをそれぞれ提供した一連のコリメータおよびディフューザによって作動されるＬＥＤ光源からの光の強度の角度出力分布のグラフである。 図２および図３のコリメータの材料に一体化されたディフューザを示す光路図である。 ディフューザの拡散面がコリメータに面している、図２および図３のコリメータから離隔されたディフューザを示す光路図である。 ディフューザの拡散面がコリメータと離れた側に面している、図２および図３のコリメータから離隔されたディフューザを示す光路図である。 図１４Ａに示すようなコリメータ−ディフューザアセンブリの一次元アレイを有する、本発明の照明装置の別の例の斜視図である。 ディフューザが単一構造の一部である、図１５Ａの照明装置の類似の斜視図である。 交差軸方向にコリメーションを提供し、光源軸に沿って一部コリメーションを提供するように、図１４Ａに示すようなコリメータ−ディフューザアセンブリを有する図１５Ａの照明装置の類似の斜視図である。 ディフューザが図１４Ａに示すように各コリメータの上面で一体化されている、光源アレイの交差軸方向にコリメーションを提供するようにそれぞれが線対称性を有する一次元アレイコリメータを有する本発明の照明装置の別の例の斜視図である。 ディフューザが図１４Ａに示すように各コリメータの上面で一体化されている図１４Ａの個々のコリメータ−ディフューザアセンブリの二次元アレイを有する本発明の照明装置の別の例の斜視図である。 単一モノリシック構造で設けられたコリメータの多角形の二次元アレイを有し、ディフューザがこのようなモノリシック構造の上面に一体化されている、光源なしで示す本発明の照明装置の別の例の上面斜視図である。 単一モノリシック構造で設けられたコリメータの多角形の二次元アレイを有し、ディフューザがこのようなモノリシック構造の上面に一体化されている、光源なしで示す本発明の照明装置の別の例の下面斜視図である。

図１を参照すると、ハウジング１２内に入った本発明の照明装置１０の一例が示してある。この照明装置１０は、回路板１５上に取り付けられたＬＥＤなど複数の広角光源１４を有し、これら広角光源１４は、ハウジング内部に沿って配置された放物状コリメータ１６の二次元アレイに光を提供するように配置されている。コリメータ１６はそれぞれ、それぞれの光源１４ごとに光を部分的にコリメートし、このような部分的にコリメートされた光を、コリメータのアレイからギャップ１９によって離隔されたディフューザ１８に提供する。部分的にコリメートされた光とは、光源１４よりも狭い角度強度分布（ａｎｇｕｌａｒ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）を有する光を表し、特に、コリメートされたまたは明るい中央部分と、角度が、たとえば中央部分から±１０°増加するにつれて光強度が減少するコリメートされていない光の部分とがある角度強度分布を有する光を指すことがある（図５または図１１のコリメータの強度分布の例を参照のこと）。各コリメータ１６は部分的にコリメートされた光の提供のみを必要とするため、コリメータは、より理想的または実質的なコリメーションを提供するコリメータ素子とは対照的に寸法がより小さくてよい。この例では、ディフューザ１８は、その表面にコリメータ１６に面するランダムに選択したマイクロレンズを有する板またはシートを表す。このような拡散面は、各コリメータ１６によって出力されたコリメートされた光とコリメートされていない光とを共に考慮する（たとえば、図１２に示すディフューザの補完的な拡散特性を参照のこと）。ディフューザ１８のマイクロレンズアレイ構造は、図１における矢印で示したような装置１０から、実質的に均一な照明または他の所定の照明パターンが領域全体にわたって提供されるべく、コリメータ１６のそれぞれから出力される光の角度強度分布に応じて、領域全体にわたって角度に依存した拡散光強度を提供する。

電池であっても外部電源であってもよい電源２０は、光源に電力を提供し、通常光源に電力を供給するために使用される電子機器を備えることができる。発散光源１４は低電力ＬＥＤとして記載されているが、ハロゲンバルブ、ＯＬＥＤ、レーザ（たとえば、固体レーザ光源）、ハロゲン、アーク灯、太陽などの遠隔光源によって照らされた光ファイバなど、他の光源を使用することもできる。ハウジングは、スロットをそれぞれが提供するフランジ１２ａおよび１２ｂ、あるいはクランプやスナッピングフィーチャ（ｓｎａｐｐｉｎｇ ｆｅａｔｕｒｅ）など他の機械的取付け手段を有することができ、これらフランジまたは他の機械的取付け手段に沿ってディフューザ１８がスライドしてハウジング１２内に捕獲される。コリメータ１６のアレイは、フランジ１２ａおよび１２ｂの下に捕獲される共通フランジ３２（図６参照）を設けるために、成形光学材料製などのモノリシック構造として示してある。任意選択で、アレイの各コリメータ１６を互いに分離し、位置合わせし、それぞれの光源の上に取り付けることもできる。異なる用途向けに異なる照明装置１０を提供するために、ディフューザ１８は、ハウジング１２にフランジ１２ａおよび１２ｂによって画定されるスロットを介して１つまたは複数の異なるディフューザと交換可能であってよく、その場合ハウジング内に位置する場合の異なるディフューザは、コリメータ１６からの部分的にコリメートされた光について異なる領域照明パターンを提供する。

板１５からのコリメータの高さは、たとえば１〜４０ｍｍでよく、ディフューザの厚さは、たとえば０．５〜３．０ｍｍであり、ハウジング全体は、たとえば２〜４５ｍｍでよいため、ハウジング１２は、低背型装置を設ける壁または天井に、表面１２ｃに沿って取り付けることができる。必要に応じて、ハウジングの側壁に沿ったスロットまたは開口によって光源からの熱を通気させることができる。また、必要に応じて、光源からの熱の十分な通気を伴うその特定の用途によっては、ハウジング１２を天井または壁の陥凹部に設置することもできる。他の多角形形状であってもよい光源、コリメータおよびディフューザを支持するために、他のハウジングを使用することもできる。たとえば、携帯電話または他の携帯機器についての照明は、そのハウジングの一部として、たとえば高さ１〜２ｍｍのコンパクトなコリメータと、たとえば０．５〜１ｍｍの薄いディフューザ板とを有することができ、一方フラッシュライトまたは全般照明もしくは建築照明には、より大きいハウジングを使用することができる。照明装置１０の他の
例については、図１５Ａ、図１５Ｂ、図１６Ａ、図１６Ｂ、図１７、図１８Ａおよび図１８Ｂに関して後述する。

コリメータ１６の１つの断面を図２示す。コリメータ１６は、４つの表面要素２４、２５、２６および２７で構成される、屈折率ｎの透明光学材料の単一モノリシック構造を表す本体２１を有する。たとえば、光学材料は、所望の形状の本体２１を提供するように成形することができる、アクリルなどのプラスチックでよい。ＬＥＤまたは類似の光源１４が、本体２１のベース端部１６ａで図３に示すように、空洞または陥凹部２２への入口で底部に位置する。本体の下側外面２４は放物形状を有する。空洞２２は球状である凹内面２５を有し、光源真上の表面２６は双曲線状である。これらの表面２５および２６は、それぞれ光線２８および２９によって示すように、光源１４からの光をコリメートし、本体２１の上端部１６ｂの第４の表面２７に向けて方向付けるよう作用する。この第４の表面２７は平滑かつ平坦でよく、分離型の交換可能なディフューザ１８に向けてコリメートされた光線を透過させるように作用するが、ディフューザ１８は、以下で説明するとおり、本体２１の上面２７上に直接一体化された拡散面を表すこともできる。いずれの場合にも、ディフューザ１８は、幅広い所望の形状および輪郭にコリメートされた光を再分配する。

ここで、コリメータ１６の光学設計について説明する。図３を参照して、＋ｚ方向上方に光を放つ図示した座標系の原点に位置する点光源を検討する。光源から放出された光は、球状区域２５ａまたは双曲線状区域もしくはレンズ２６ａの、空気で満たされた陥凹部２２を備える２つの表面２５または２６の一方に突き当たる。球状区域に突き当たる原点からの光が、垂直入射で表面に衝突し、屈折による角度偏向（ａｎｇｕｌａｒ ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）を経験することなく本体２１内へと透過する。装置のこの球状表面２５を定義する方程式は以下の通りである。

式中、Ｄは球の直径、ｄは中央の双曲線状区域の直径である。この光は、放物状表面２４に衝突し、全内部反射（ＴＩＲ）を経験するまで本体２１の材料中を伝播する。放物線はその焦点が原点にある。したがって、光線は原点、放物線の焦点から直通直線経路（光線２９が示すように）を有するため、放物状表面２４によってコリメータ１６の軸と平行に上方へと反射される。このような光線３０を数本図中に示す。放物線の表面２４は、下記式によって与えられる。

式中、Ｌは本体２１の直径である。

球状区域２５ａに突き当たらない点光源からの光は、光源１４の位置の真上の双曲線レンズ２６ａに衝突する。双曲線レンズ区域の機能は、そうでなければ放物状表面２４に突き当たることがない光をコリメートすることである。レンズ２６ａもやはりその焦点が原点にあり、その結果表面２６に突き当たる点光源からの光（光線２８が示すような）は、屈折して本体２１の光学材料に入り、本体の軸と平行に上方へと進む。このような光線３１を２本図中に示す。レンズ表面２６の方程式は下記によって与えられる。

式中の変数ａ、ｂおよびｚ_０は下記式によって与えられる。

ｎは、本体２１の光学材料の屈折率、Ｒ_Ｈは双曲線のベース曲率半径である。

コリメータ１６の幾何学的形状、コリメータの直径Ｌおよび球直径Ｄを完全に特定するために、方程式が２つだけ必要となる。それらの方程式から他の方程式が導かれる。端部１６ａおよび１６ｂ間の端部放物線の高さＨは、放物線の焦点が原点にあることを知ることによって決まり、表面はｚ＝Ｈ、ｘ＝Ｄ／２である点を通る。したがって、Ｈについての式は以下の通りである。

あるいは、Ｈが既知である場合、直径Ｌは下記式によって与えられる。

双曲線レンズの直径ｄは、球状区域または表面２５を通り、放物線表面２４の上端部に突き当たってから垂直方向に反射する光線の位置によって決まる。双曲線レンズ２６ａは、放物状表面２４に突き当たることはない光源１４からの光（光線２８で示す）をコリメートし、その光を表面２７へと方向付ける（光線３１で示すように）。双曲線レンズ２６ａを備えることにより、光源１４から放出される光すべてについて最高のコリメーションを提供しながらもコリメータ１６の高さを低減することが可能となる。双曲線状区域２６ａの直径ｄは、下記式によって与えられる。

特定すべき最終的な量は、双曲線のベース曲率半径Ｒ_Ｈである。本体２１の高さＨが増大するにつれて、放物線状レンズ区域２６ａに対する角度が減少し、原点から離れる。したがって、この半径は増大することになる。この半径は、（ｘ^２＋ｙ^２）^１／２＝ｄ／２である場合には、方程式（３）におけるｚを方程式（１）におけるｚ_Ｓについての式に置き換えることによって決定される。結果は以下のようになる。

この式はまた、Ｒ_Ｈが負となることはできないため、Ｄに関しＨに対して制限する関係を与える。下記式のようになることがわかっている。

等式ではＲ_Ｈがゼロとなる。双曲線についての最大半径は、Ｈ＞＞Ｄでは下記のようになる。

点光源が原点にあると、この設計により、本体２１の出口表面２７で完全なコリメーションが提供される。ＬＥＤまたは他の類似の光源１４は広範な領域にわたって光を放出するため、コリメーションの程度が低下することになる。最終的に、コリメータ１６の最終寸法は、光源１４の寸法および望まれるコリメーションの程度によって決まることになる。

以下の表は、コリメータ１６のいくつかの例について実現されるコリメーション量を示す。これらの例においては、コリメータ１６が５ｍｍの直径Ｄを有し、屈折率１．５の材料製であり、ＬＥＤ光源の中心が面積１ｍｍ×１ｍｍの原点にある。コリメータ１６のパターンのない上面２７から出射する光の半値全幅（ＦＷＨＭ）を決定するために、Ｂｒｅａｕｌｔ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ，Ｉｎｃ．ｏｆ Ｔｕｃｓｏｎ，Ａｒｉｚｏｎａ，ＵＳＡによって販売されているＡＳＡＰなど、市販の光線追跡ソフトウエアを用いてシミュレーションを行った。光源１４の寸法に対してコリメータ１６が大きくなればなるほど、コリメーションはより良くなることがわかった。

照明装置１０から所望の強度分布を実現するためにコリメータ１６の上に配置しようとするまたはコリメータの上面２７に一体化させようとするディフューザ１８を設計するには、コリメーションの程度を知ることが必要である。図４には、Ｄ＝５ｍｍ、Ｈ＝１０ｍｍ、屈折率１．５である場合についてのコリメータ１６の上面真上の空間光分布が示してある。フレームの寸法は１５ｍｍ×１５ｍｍである。図５には、同じ例からの水平および垂直方向における光の角度分布が示してある。半値全幅は６°である。コリメータ１６の角度強度分布は、コリメートされた明るい中央部分と、中央部分からウィングに沿って角度が増加するにつれて光強度が減少するコリメートされていない光の部分有するものと見なすことができる。表中のこれらの例により、光がよりコリメートされればされるほど（すなわち、コリメーションのＦＷＨＭが低いほど）、コリメータの必要となる高さＨおよび長さＬが大きくなる関係が実証される。

コリメータ１６を変更して、上面２７を外側へ拡張することによって性能の損失なしに取付け表面３２を盛り込み、方程式（５）によって必要とされる値を超えるＨの値を増大させることができる。追加の高さを使用して、コリメータの放物状表面２４を越えて外側へ延在するフランジ３２ａを製造する。図６に一例を示す。この取付けフランジ３２は、成形によってなど、たとえば図１に示すように、２つ以上のコリメータをモノリシックユニットとして同時に設ける際に有用である。

コリメータ１６に対する別の取付け表面３４は、放物状表面２４の寸法を増大させ、それにより放物状表面２４を外側へ拡張し、したがって直径Ｌおよびその焦点距離が増大するためのものとなる。これにより、陥凹部２２と放物状表面２４との間のコリメータ１６のベース端部１６ａに遷移領域が提供される。この遷移領域は、光源１４と面一でコリメータを取り付けるための、図７に示すような平坦な環形取付け表面３４でよい。または、図８に示すように、この平坦な領域を下方に押し出して、光源１４の平面よりも下にコリメータ１６を取り付けるための取付けカラーリングもしくは一連のポスト３６を形成することもできる。光源１４はその焦点にとどまるので、放物状表面２４の性能は本質的には変化のないままである。双曲線レンズ２６ａの直径もまた、コリメータ１６の直径の増大に適応させるために増大しなければならない。

任意選択で、コリメータ１６の陥凹部２２を接着材料で充てんして、光源１４にコリメータ１６を接着する、またはＬＥＤダイに使用するなど光源をカプセル化するために使用する同じ材料を使用することができる。このような場合、充てん材料の屈折率がコリメータを構成する材料の屈折率と実質的に異なるのであれば、解が存在する。充てん材料３７ａの屈折率がｎ_０で、コリメータの屈折率ｎ未満である場合、双曲線レンズ表面２６ａの形状からの一般解は下記の形をとなる。

ここで、式中の変数ａ、ｂおよびｚ_０は下記式によって与えられる。

ここで、双曲線のベース曲率半径Ｒ_Ｈは下記式によって与えられる。

この式が有効となるためには、充てん材料の屈折率が下記式に従う必要がある。

一例として、Ｄ＝２ｍｍ、Ｈ＝１０ｍｍ、屈折率１．５のコリメータ、ｎ_０≦１．３６とする。１．３５の値を選択すると、双曲線レンズ表面２６ａについてのベース半径が０．０１ｍｍとなる。コリメータ１６の基本形状を図９に示す。双曲線レンズ構成部品の形状は、材料の屈折率の差によって決まる。空気以外の材料を加えることによってこの差を減らすことにより、レンズが強制的に光源１４のより近くまで拡張され、ベース曲率半径がより小さくなる。これは、原点にある点光源からの光が完全にコリメートされるようレンズの屈折力（ｏｐｔｉｃａｌ ｐｏｗｅｒ）を維持するためである。しかし、これにより、拡張された光源１４から放出される軸外光についての双曲線レンズのコリメーション能力が低下し、コリメータの性能全体が低下する。

充てん材料２７ｂの屈折率ｎ_０がコリメータ１６の屈折率を超えている場合には、もはや双曲線状ではくむしろ楕円形状のレンズ２６ｂを設け、方程式（１１）および（１２）の式を以下のように少し変更する。

ここで、式中の変数ａ、ｂおよびｚ_０は下記式によって与えられる。

Ｒ_Ｈはやはり方程式（１３）によって与えられるが、負の値を有する。ｎ_０についての制限は以下のとおりである。

Ｄ＝２ｍｍ、Ｈ＝１０ｍｍ、屈折率１．５のコリメータ、ｎ_０≧１．６５である上記の例について。１．６５の値を選択すると、双曲線レンズ２６ｂについてのベース半径が−０．１７４ｍｍとなる。この例についてのコリメータ１６の形状を図１０に示す。

コリメータ１６の光源側で屈折率がより高い材料２７ｂを使用すると、光源１４の軸外領域から放出される光について、コリメータと充てん材料２７ｂとの間の界面における全内部反射の危険可能性がある。これにより、コリメータ１６の側面から現れる迷光が生じることになる。好ましくは、このような迷光を軽減するために、コリメータ１６の陥凹部２２中にエアギャップを設ける。

本発明の照明装置１０のコリメータ１６を、配光を制御して特定のタスクまたは用途の需要を満たすことができるようにディフューザ１８と組み合わせる。一例として、ディフューザ１８は、テーブルまたはカウンタートップを照らすために、光を再分配して均一な円形ビームとすることができる。別の例においては、ディフューザ１８は、廊下または細い歩道を照らすために長く細い照明を生成することができる。さらなる例として、ディフューザ１８は、アートワーク用のアクセント照明を生成することができる。ディフューザ１８を使用してコリメータ１６からの光を調整し、また任意の配光を生成することができる。したがって、汎用照明向けの他の多くの他の用途が照明装置１０の恩恵を享受することができる。

ここで、ディフューザ１８の光学設計について説明する。屈折率が明確に異なる２つの媒体を分離する、ランダムに選択したフィーチャを組み込んだ表面構造は、一般にディフューザ素子として作動する。光均一化および配光を提供する任意のディフューザ構造を本発明と共に利用することができる。例としては、すりガラス、マイクロレンズアレイ、スペックルのホログラフィ記録および回折素子に見られるようなディフューザ表面が挙げられる。たとえば体積が大きい乳白ガラスなどのディフューザでさえも、本発明に従って利用することができる。しかしながら、このようなディフューザは、光の限られた制御しか提供せず、したがって用途の範囲が狭い。ディフューザを作り出すための好ましい方法は、先に参照により援用した米国特許第６，８５９，３２６号明細書および米国特許第７，０３３，７３６号明細書に記載されているように、領域全体にわたって角度に依存した光出力強度を提供する光拡散特性方法である。要約すると、これらの特許に従って製造したディフューザにより、処方が異なるマイクロレンズのアレイが提供され、これらの処方は、このようなマイクロレンズの結合出力全体が所望の角度拡散分布を提供するように相対的に決定される。したがって、Ｕ字型の角度分布（図１２のような）、またはコリメータ１６からの光の角度分布に従う他の分布を提供することができる。

これにより、これらのディフューザは、光源コリメーションの角度分布におけるコリメートされていない光のウィングを補償することが可能となる。図５の例に見られるように、６°を超えてある量のコリメートされていない光が依然として存在する。たとえば、フラットトップ強度分布を提供するためには、ディフューザはこの光を補償するまたは清算する必要がある。その一例を、図１１、図１２および図１３のデータプロットに示す。コリメートされたＬａｍｂｅｒｔｉａｎのＬＥＤからの光の角度分布が図１１に示してある。図１１は、この例において、１０°を超えてかなりの量の光を示している。＋／−１０°の角度範囲にわたってフラットトップ強度分布を提供するためには、レーザで照らした場合に図１２に示す散乱パターンを提供するディフューザ１８を使用する。このようなディフューザ１８は、参照により援用した特許に記載されているように作製することができる。図１１のコリメートされたＬＥＤと組み合わせると、このディフューザは、図１３に示すように角度範囲にわたって実質的に均一な所望のフラットトップ強度分布を生成する。コリメータからの光で照らされた場合に異なる所定の照明パターンを提供すために、光の異なる角度分布を有する照明装置１０においては、他のディフューザ１８を使用することもできる。たとえば、異なるディフューザ１８は異なる角度範囲を有することができ、その角度範囲にわたって、援用された特許に従って実質的に均一な光を提供することができる。

コリメータ−ディフューザアセンブリ１７を提供するために、図１４Ａに示すようにディフューザ１８をコリメータ１６の出力上面２７へと一体化させることができるが、このような一体化は図６のコリメータフランジ３２の上面に沿っていてもよい。好ましくは、一体化が、光拡散マイクロレンズ表面１８をコリメータ１６と共に成形することによるものである。ディフューザ１８は、図１４Ｂおよび図１４Ｃに示すようにコリメータ１６から離隔された、板など別個の構成部品であってもよい。図１４Ｂのディフューザ１８は、コリメータ１６に面するマイクロレンズアレイ拡散面１８ａと、平坦な表面１８ｂとを有する。図１４Ｃにおいて、マイクロレンズアレイ拡散図１８ａはコリメータ１６と離れた側に面しており、平坦な表面１８ｂはコリメータに面している。図１４Ｂまたは図１４Ｃのディフューザ１８は、コリメータ１６の光学材料と同じまたは異なる光学材料でよい。これら３つの場合いずれにおいても、ディフューザは、装置のコリメータ１６部分からのコリメートされた光を、所望の光強度分布に配分配する。ディフューザは、この所望の強度分布用に設計されている。図１４Ｂのディフューザの方向が好ましい。というのは、図１４Ｂのディフューザの方向は、特に、図１４Ａおよび図１４Ｃの拡散面では一部の光線でＴＩＲが起こることがある大きい角度（±１５°、すなわち全３０°）においてコリメートされていない光を拡散させるために、図１４Ａおよび図１４Ｃのディフューザ方向の性能よりも優れた性能を提供することができるからである。さらには、コリメータ１６のアレイ１６が、図１に示すように共通フランジ３２を有するモノリシック構造として形成されている場合、アレイに沿った共通フランジの上部に沿って直接ディフューザ１８を一体化することができる。

単一光源で十分な輝度が提供されない用途では、本発明の照明装置１０を、様々なアレイ構成において複数の光源と共に実施することができる。これらのアレイ構成の１つは先に図１に示した。光源の一次元アレイでは、個々の一体化コリメータ−ディフューザアセンブリ１７（図１４Ａ）を図１５Ａに示すように各光源１４の上に配置する、または図１４Ｂもしくは図１４Ｃのコリメータ−ディフューザアセンブリを図１５Ｂに示すように使用する。これらの場合、隣接するコリメータ１６が互いに等間隔に離隔されている。コリメータ１６とディフューザ１８とは別個の構成要素であってもよく、単一のストリップ、板またはシートとしてのディフューザを、図１５Ｂに示すようにコリメータ１６のアレイの上に設置することができる。図１５Ａおよび図１５Ｂの照明装置においては、光源１４およびコリメータ１６を板または取付具３８に取り付けられている。図１５Ｂの照明装置１０のためのハウジングを提供するために、２つの端部キャップ４０をそれぞれ、照明装置の端部の一方を覆って設置する。この場合、このような端部キャップ４０はそれぞれ、ディフューザ１８の一端を受けるためのスロットを有する。説明する目的で、端部キャップ４０の一方のみを示してある。図１のようなこの構成は、所望の用途および所要の配光パターンに基づきディフューザ板が容易に交換可能であるという利点を有する。図１５Ａまたは図１５Ｂのコリメータ１６は、コリメータ端部１６ａをそれらそれぞれの光源１４と共に板３８に取り付けるためにこのような取付け手段３４または３６を有することができる。説明する目的で、コリメータ１６のうちの１つのみについての陥凹部２２および光源１４を、図１５Ａおよび図１５Ｂに点線で示してある。図１４Ａ、図１４Ｂおよび図１４Ｃのコリメータ−ディフューザアセンブリの二次元アレイを、光源１４と共に板３８に沿って同様に形成することができる。

光源１４が狭い間隔で配置されている場合、隣接するコリメータ１６の放物状表面２４が、図１６Ａおよび図１６Ｂに示すように、互いに部分的に融合して単一モノリシック構造となることができる。したがって、一次元線状アレイに垂直な最善のコリメーションが、アレイに沿ったコリメーションをほんのわずかに低下させながらも維持される。光源１４が近接すればするほど、よりコリメータ１６を融合または１つにまとめなければならず、したがってその方向におけるコリメーション量が減少する。

光源間隔が小さすぎてアレイの軸方向に沿ったコリメーションを考慮することができない場合、図３のコリメータ１６の断面を、図１６Ｂに示すようにアレイの長さに沿って押出し成形するなど形成し、一次元コリメータ１６（端部キャップの有無にかかわらず）を形成することができる。この構成は、アレイ軸と垂直な方向に光源をコリメートし、ディフューザが一方向に照明を調整することに関与する廊下の照明や歩道の照明などの用途における使用に適したものとなる。図１６Ｂのコリメータ１６は、他の図におけるような回転対称性ではなく線対称性を有する。

十分な間隔で離隔されている光源の二次元配置においては、個々のコリメータ−ディフューザアセンブリ１７が、図１７に示すような六角形配置で、または四角、矩形、全体的にランダムであるなど他の構成で可能である。この場合もやはり、ディフューザ１８を直接コリメータ１６に一体化させることができる。任意選択で、ディフューザは、コリメータ１６のアレイの上面から離隔され、板３８、そこに取り付けられたコリメータおよびディフューザ１８を受けるようになされたハウジング内に保持された板またはシートでよい。

さらに間隔が狭い光源１４では、個々のコリメータ１６を融合して単一の二次元構造とし、図１８Ａおよび図１８Ｂに示すようなコリメータ構造を提供して、その上にディフューザ１８が一体化されている連続上面を提供することができる。多角形形状の構成を示しているが、四角、矩形、全体的にランダムであるなど他の構成を設けることもできる。コリメータ構成とディフューザとは、成形したアセンブリであってもよい。このタイプの構成により、実現することができるコリメーション量が低減し、ディフューザの光成形性能が低減する。しかしながら、本明細書中に記載されている照明装置１０すべてと同様に、この構成効率は高いままである。

上記説明から、小さい光源を用いる照明装置が提供されたことが明らかである。本明細書中に記載されている本発明による照明装置の変形形態および変更形態が、明らかに当業者には示唆される。したがって、上記説明は例示的なものとして受け取るべきであり、限定的に受け取るべきではない。

Claims (43)

1. 少なくとも１つの光源と、
   前記光源からの光を部分的にコリメートして、前記光源よりも狭い角度強度分布を形成する少なくとも１つの第１の光学素子と、
   前記第１の光学素子からの光を拡散させるための少なくとも１つの第２の光学素子とを含み、
   前記第２の光学素子は、所定の照明パターンが得られるように、前記第１の光学素子からの前記部分的にコリメートされた光の前記角度強度分布に応じて、領域全体にわたって角度に依存した光出力強度をもたらす光拡散特性を具備することを特徴とする照明装置。
2. 前記第２の光学素子の前記光拡散特性が、前記第１の光学素子の前記角度強度分布と補完的な、角度に依存した光出力強度を提供し、角度範囲にわたって実質的に均一な光である前記照明パターンを前記第２の光学素子が提供することを可能にしたことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記第２の光学素子が、領域全体にわたって前記光強度角度分布を拡散させるためのマイクロレンズアレイ構造を有することを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
4. 前記マイクロレンズ構造が、ランダムに選択したマイクロレンズアレイ構造を表す、請求項３に記載の照明装置。
5. 前記第２の光学素子が、前記マイクロレンズ構造を有する第１の表面と、第２の表面とを有する板またはシートである、請求項３に記載の照明装置。
6. 前記第２の光学素子の前記第１の表面が、前記第１の光学素子からの光に面し受光する、請求項５に記載の照明装置。
7. 前記第２の光学素子の前記第１の表面が前記第１の光学素子から離れた側に面し、前記第２の表面が前記第１の光学素子からの光に面し受光する、請求項５に記載の照明装置。
8. 前記第２の光学素子が前記第１の光学素子の表面に沿って一体化されて、前記第２の光学素子が前記部分的にコリメートされた光を拡散させることを可能にする、請求項１に記載の照明装置。
9. 前記第２の光学素子が、前記第１の光学素子から離隔されている、請求項１に記載の照明装置。
10. 前記光源が、ＬＥＤ、遠隔照明光ファイバ、ハロゲン源、ＯＬＥＤまたはレーザのうちの１つである、請求項１に記載の照明装置。
11. 複数の前記光源と、
    複数の前記光源からの光をそれぞれ受けるようにアレイ状に配列された複数の前記第１の光学素子とで構成され、
    前記第２の光学素子が、前記第１の光学素子からの光を拡散するように構成したことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
12. 前記第１の光学素子からなる前記複数の第１の光学素子のそれぞれからの光を拡散させるためにそれぞれ配置された、前記第２の光学素子からなる複数の第２の光学素子をさらに備える、請求項１１に記載の照明装置。
13. 前記第２の光学素子が、前記第１の光学素子からなる前記複数の第１の光学素子から受信した光を拡散させるように寸法調整されている、請求項１１に記載の照明装置。
14. 前記アレイが二次元アレイである、請求項１１に記載の照明装置。
15. 前記アレイが一次元アレイである、請求項１１に記載の照明装置。
16. 前記複数の第１の光学素子が、モノリシック構造として前記アレイ状に形成されることを特徴とする請求項１１に記載の照明装置。
17. 前記第１の光学素子からなる前記複数の第１の光学素子がそれぞれ、前記部分的にコリメートされた光を出すための端部を有し、前記第１の光学素子からなる前記複数の第１の光学素子のそれぞれが、前記モノリシック構造を提供するために前記接続部にフランジを有する、請求項１６に記載の照明装置。
18. 放物状側面を有する前記第１の光学素子が互いに合体して前記モノリシック構造を形成する、請求項１６に記載の照明装置。
19. 第１の光学素子が、
    平坦な光出射端と、球状側面ならびに双曲線または楕円形状の中央部分を有する空洞を有する光入射端とを含む放物線回転対称本体と、
    前記空洞の前記球状側面を介して受信した光を前記光出射端に向けて完全に内側に反射するための放物状外面とを備え、
    前記中央部分によって受信された光が、前記光出射端に向けてコリメートされることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
20. 前記双曲線状の中央部分が、前記光源に面するレンズを提供するように成形される、請求項１９に記載の照明装置。
21. 前記楕円状の中央部分が、前記光源から離れた側に面するレンズを提供するように成形される、請求項１９に記載の照明装置。
22. 前記光源は前記空洞の入口に中心がある、請求項１９に記載の照明装置。
23. 前記空洞が、前記第１の光学素子に前記光源を取り付けるための媒体で充填されていることを特徴とする請求項１９に記載の照明装置。
24. 前記本体が、平坦なベースを提供するように前記光入射端で延在している、請求項１９に記載の照明装置。
25. 前記本体が、カラーリングまたは１つもしくは複数のポストを提供するように前記光入射端で延在している、請求項１９に記載の照明装置。
26. 前記空洞が、前記第１の光学素子の材料よりも開口数が小さい材料で充填されている、請求項１９に記載の照明装置。
27. 前記空洞が、前記第１の光学素子の材料よりも開口数が大きい材料で充てんされ、前記中央部分が楕円形である、請求項１９に記載の照明装置。
28. 第１の光学素子が、
    平坦な光出射端と、球状側面ならびに双曲線または楕円形状の中央部分を有する空洞を有する光入射端とを有する放物状線対称本体と、
    前記空洞の前記球状側面を介して受信した光を前記光出射端に向けて完全に内側に反射するための放物状外面とを備え、前記中央部分によって受信された光が前記光出射端に向けてコリメートされる、請求項１に記載の照明装置。
29. 前記光源を有するハウジングと、前記第１の光学素子と、前記第２の光学素子とをさらに備える、請求項１に記載の照明装置。
30. 前記ハウジングが低背型である、請求項２９に記載の照明装置。
31. 平坦な光出射端と、球状側面ならびに双曲線または楕円形状の中央部分を有する空洞を含む光入射端とを有する放物状本体と、
    前記空洞の前記球状側面を介して受信した光を前記光出射端に向けて完全に内側に反射するための放物状外面とを備え、
    前記中央部分によって受信された光が前記光出射端に向けてコリメートされることを特徴とするコリメータ光学素子。
32. 前記放物状本体が、回転対称性を有することを特徴とする請求項３１に記載のコリメータ光学素子。
33. 前記放物状本体が線対称性を有する、請求項３１に記載のコリメータ光学素子。
34. 部分的にコリメートされた照明から実質的に均一な光を生成するための光拡散光学素子であって、
    角度範囲にわたって実質的に均一である受信した部分的にコリメートされた光から照度を分配することができるマイクロレンズアレイ構造を有する本体を備えることを特徴とする拡散光学素子。
35. 前記マイクロレンズ構造が、ランダムに選択したマイクロレンズアレイ構造を表す、請求項３４に記載の拡散光学素子。
36. 板上に配置された複数の光源と、
    第１の光学素子のアレイとを含み、前記第１の光学素子のそれぞれが、前記光源の１つからの光を実質的にコリメートし、更に、
    前記第１の光学素子アレイからの光を拡散させるための第２の光学素子であって、前記第１の光学素子の角度強度分布に応じて、角度に依存した光出力強度をもたらし、所定の光パターンを出力することを可能にする第２の光学素子と、
    前記第１の光学素子のアレイを有するハウジングとを備え、
    前記板が、前記光源を有し、それぞれの前記光源が、前記第１の光学素子の１つと前記第２の光学素子とに光を提供するように配置されたことを特徴とする照明器具。
37. 前記ハウジングが低背型である、請求項３６に記載の照明器具。
38. 前記アレイが一次元または二次元アレイを表す、請求項３６に記載の照明器具。
39. 前記光源がそれぞれ、ＬＥＤ、遠隔照明光ファイバ、ハロゲン源、ＯＬＥＤまたはレーザのうちの１つである、請求項３６に記載の照明器具。
40. 前記第２の光学素子が、表面がマイクロレンズ構造を有する板またはシートであり、前記第２の光学素子が、前記第１の光学素子の前記角度強度分布に応じて、角度に依存した光出力強度をもたらす、請求項３６に記載の照明器具。
41. 前記第１の光学素子のそれぞれが、
    平坦な光出射端と、球状側面ならびに双曲線または楕円形状の中央部分を有する空洞を有する光入射端とを有する放物状本体と、
    前記空洞の前記球状側面を介して受信した光を前記光出射端に向けて完全に内側に反射するための放物状外面とを備え、前記中央部分によって受信された光が前記光出射端に向けてコリメートされる、請求項３６に記載の照明器具。
42. それぞれ光を拡散して異なる所定の光パターンを提供することができる、前記第２の光学素子からなる複数の第２の光学素子であって、前記ハウジング内で互いに交換可能である、前記第２の光学素子からなる複数の第２の光学素子をさらに備える、請求項３６に記載の照明器具。
43. 前記アレイの前記第１の光学素子の１つまたは複数が、モノリシック構造として形成されている、請求項３６に記載の照明器具。

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