JP5415539B2

JP5415539B2 - 均一コリメート光を生成するための小型光学システム

Info

Publication number: JP5415539B2
Application number: JP2011524462A
Authority: JP
Inventors: パスカルジェイエイチブローメン; エマヌエルエヌエイチジェイスタッサル
Original assignee: Koninklijke Philips NV; Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2007-09-06
Filing date: 2008-09-09
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2028-09-09
Also published as: US7967477B2; RU2011113163A; KR101565609B1; TWI510738B; WO2009031128A1; KR20110056405A; EP2334980B1; EP2334980A1; JP2012502409A; CN102149964A; CN102149964B; US20090067170A1; RU2475672C2; TW200925501A

Description

本発明は、十分にコリメートされた照明を生成する小型光源に関する光学システム及びレンズに関し、特に、出口平面にわたり十分にコリメートされた狭いアスペクト比及び均一な照明を有する低い高さの光学システムに関する。

多くの光源応用例は、空間及び照明の制限を有する。発光ダイオードなどの、小さな光の供給源は、空間節約の目的に関して使用され得、これらの装置は、所望な照明を生成するために追加的な光学システムを必要とする。例えば、特定の応用例において、光源に、十分にコリメートされた光又はある領域にわたりほぼ均一な照明を備えさせることが望ましくあり得る。

均一な照射表面領域から、十分にコリメートされた光を生成し得るが、大きな面積を必要としない光学システム及びレンズを提供することが望ましい。

本発明の一つの実施例に従うと、光学システムは、ほぼ均一に照らされる出口平面に前方向に十分にコリメートされた光を生成するために、円筒状側部放射レンズ、反射器、及び円筒状フラネルレンズを含む。円筒状側部放射レンズは、直線上に配置されたある数の発光ダイオードなどの光源からの光を、出口平面と並行である光学軸に沿った側部放射光へ方向転換させる。反射器は、光源への表面距離及び高さに基づいて異なる焦点長を有する多重の反射器表面を含む段付き反射器であり得、これにより、出口平面を照らし且つ前方向にある１つの軸に沿って光をコリメートするために円筒状側部放射レンズからの光を方向転換させる。円筒状フラネルレンズは、前方向にある直交軸に沿って光をコリメートするために使用される。

本発明の別の実施例に従うと、円筒状側部放射レンズは、光学軸と並行である底部表面と、１つ又は複数の光源が配置され得る空洞と、を含む。空洞の内部表面は、２つの平面表面及び１つの本質的に球状表面からなる。レンズの外側表面は、全反射（ＴＩＲ）反射表面と、平面でもあり且つ当該レンズの中央軸に対して斜めに角度付けられる第１屈折表面と、からなり、中央軸は、光学軸に対して直交である。第２屈折表面は、前記底部表面から前記第１屈折表面へ延在する。前記空洞から前記レンズへ入り直接前記反射表面へ入射する光は、前記第１屈折表面へ反射され、そして、屈折され、これにより、前記光学軸とほぼ並行な方向へ前記レンズから抜け出る。より更に、前記空洞から前記レンズへ入り直接前記第２屈折表面へ入射する光は、屈折され、これにより、同様に前記光学軸とほぼ並行な方向へ前記レンズから抜け出る。当該円筒状側部放射レンズは、前記中央軸及び前記光学軸によって規定される平面において断面形状を有し、且つ、前記光学軸及び前記中央軸と直交する水平軸に沿う各点において同一の断面形状を有する。

本発明の別の実施例において、段付き多焦点長反射器は、光源から異なる様々な距離に配置され且つ光学軸に対して異なる様々な高さに配置される多重の反射器表面を用いる。光源に最も近い反射器表面は、光学軸において最も低い高さを有し、光源から最も離れた反射器表面は、光学軸において最大高さを有する。各反射器表面は、光源に対する反射器表面の距離に、及び、光学軸における反射器表面の高さに基づく異なる様々な焦点長を有する。各反射器表面の焦点長は、光源からの光を、前方向へ方向転換させ、出口平面にわたりほぼ均一な照明を生成し、光学軸に沿って光をコリメートするように構成される。

図１は、本発明の一つの実施例に従う、発光ダイオード（ＬＥＤ）などの小型光源と使用され得る光学システムの斜視図を例示する。図２は、直交軸に沿った、図１の光学システムの側面図である。図３は、直交軸に沿った、図１の光学システムの側面図である。図４は、円筒状側部放射レンズの一つの実施例の斜視図を例示する。図５は、一体に結合された図１の多重光学システムを斜視図で例示する。

図１は、本発明の一つの実施例に従う、発光ダイオード（ＬＥＤ）などの小型光源と使用され得る光学システム１００の斜視図を例示する。確認され得るように、光学システム１００は、低いアスペクト比、例えば3:1を有するが、この値は望まれるように変えられ得る。図２及び３は、それぞれ長軸１０１_long及び短軸１０１_shortに沿った、図１の光学システム１００の側面図である。長軸１０１_long及び短軸１０１_shortは、互いに直交である。光学システム１００は、光源から発される光を、光学システム１００の出口窓１０６にわたりほぼ均一に分布させ、十分にコリメートさせる、すなわち出口窓１０６の平面にほぼ直角な方向へ方向転換される。コリメートされた光は、完全にコリメートされないが、ある程度の角度広がりを有し得ることは、当業分野において十分に理解される。

図３に例示されるように、光学システム１００は、ある数の光源、例えば、同一の平面にあり、光学システム１００の短軸１０１_shortに並行な直線上にある４つのＬＥＤ１０２など、を用いられ得る。いかなる従来のＬＥＤ１０２又は他の光源も、本発明とともに使用され得る。一つの実施例において、ＬＥＤ１０２は、実質的なランバート放射パターンを生成し、白色光又はいずれかの色の光を生成する蛍光体変換青色ＬＥＤであり得る。好ましくは、光学システム１００と使用される光源は、短軸１０１_shortに沿ってほぼ均一な放射を生成する。ほぼ均一な照明は、例えば、邪魔をするような何の強い光変動も目によって観察され得ないように十分に均一であり得る。照明のある程度の変動は存在し得るものの、この変動は、目によって検出され得ない又は邪魔をするものではないことを理解されるべきである。

光学システム１００は、本発明の一つの態様に従うと、ＬＥＤ１０２からの光を、長軸１０１_long及び出口平面１０６と並行な方向に方向転換させる円筒状側部放射レンズ１１０を含む。図４は、円筒状側部放射レンズ１１０の一つの実施例の斜視図を例示する。円筒状側部放射レンズ１１０は、本文書に参照として組み込まれる米国特許第6,679,621号等に記載の、回転可能対称的な従来型側部放射レンズに形状が類似し得る、レンズ１１０の光学軸１１２及び中央軸１１３によって規定される平面に沿って断面を有する。この断面に沿って、円筒状側部放射レンズ１１０は、反射（例えば全内部反射）表面Ｉ及び屈折表面Ｈを有する「Ｖ」形状上部分１１０topを含む。反射器表面Ｉ及び屈折表面Ｈは、平面を形成し、屈折表面は、中央軸１１３に対して斜めに角度付けられている。下部分１１０lowerは、屈折表面Ｈからレンズ１１０の底部表面１１８への平滑曲線として延在する屈折表面１１６を有する。

ＬＥＤ１０２は、レンズ１１０の空洞１２０内に位置される。空洞１２０の内部表面は、２つの平面表面１２１及び１つの本質的に球状表面１２２からなる。空洞１２０は、気体を含み得る、真空下であり得る、又は、光抽出の助力になり得る固体、液体若しくはゲルなどの非気体材料を含み得る。空洞１２０の外側、すなわち反射及び屈折表面Ｉ・Ｈ・１１６に直交する側は、レンズ１１０又は光学システム１００の側面において、反射フィルムで覆われ得る。反射表面Ｉに入射する光の小部分は透過され、出口平面１０６を照らすのに使用され得る。空洞１２０からレンズ１１０へ入り直接反射表面Ｉへ入射する光は、第１屈折表面Ｈへ反射され、屈折されて、これにより、光学軸１１２にほぼ並行な方向でレンズ１１０から抜け出る。空洞１２０からレンズ１１０へ入り直接第２屈折表面１１６に入射する光も、屈折されて、これにより、光学軸１１２にほぼ並行な方向でレンズ１１０から抜け出る。

図４において確認され得るように、光学軸１１２及び中央軸１１３によって規定される平面に沿った円筒状側部放射レンズ１１０の断面形状は、光学軸１１２に直交する水平軸１１４に沿った各点において同一の断面形状である。したがって、従来型の側部放射レンズとは異なり、円筒状側部放射レンズ１１０は、回転可能に対称ではない。側部放射レンズ１１０の断面形状は例示的であり、他の断面形状の側部放射レンズは、望まれる場合に使用され得ることを理解されるべきである。レンズ１１０は、例えば、ポリカーボネート、ＰＭＭＡ又は他の適切な材料などの材料を用いて真空鋳造又はインジェクションモールディングなどを使用して作製され得る。

図１に示されるように、反射器１３０は、円筒状側部放射レンズ１１０からの側部放射光を、長軸１０１_long及び短軸１０１_shortに直角な前方向１００_forwardへ方向転換させるために、光学システム１００内に存在する。光学システム１００は、円筒状側部放射レンズ１１０の対向する側に位置される、２つの段付き多焦点長反射器１３０ａ・１３０ｂを含み、これらはまとめて反射器１３０と示される。望まれる場合、１つの反射器１３０のみが使用され得、円筒状側部放射レンズ１１０は、光学システム１００の一端に配置される。円筒状側部放射レンズ１１０は、短軸にわたり対称である必要はなくあり得る。別の実施例において、反射器１３０は、側部放射光を、前方向へ向けられた光へ方向転換させるために、全長にわたり、例えば、スプラインなどの、適切な形状を有する連続的な反射器であり得る。

反射器１３０は、円筒状側部放射レンズ１１０から異なる様々な距離で位置されるある数の反射器表面１３２を含む。追加的に、反射器表面１３２は、前方向１００_forwardに対して測定されると異なる様々な距離に位置される。確認され得るように、最も高い高さ反射器表面１３２topは、円筒状側部放射レンズ１１０から最も離れており、最も低い反射器表面１３２bottomは、側部放射レンズ１１０から最も近い。反射器表面１３２は、例示されるように段１３４などにより互いに接続され得る、又は代替的に光学システム１００の側壁１０４によって分離及び支持され得る。更に、図２に示される側面図においてより明確に確認され得るように、反射器表面１３２は、放物線形状である。各放物線状反射器表面１３２の焦点長は、反射器表面１３２と円筒状側部放射レンズ１１０との間の距離に対応するように選択される。反射器表面１３２の構成、すなわち放物線状形状並びに高さ及び円筒状側部放射レンズ１１０からの距離を含む位置は、側部放射光を前方向に向けられた光へ方向転換させ、この光は、円筒状側部放射レンズ１１０によって前方へ発される光の一部分と組み合わせて、長さに沿って、すなわち出口平面１０６の長軸１０１_longに沿って、ほぼ均一な照明を生じさせる。ほぼ均一な照明は、例えば、邪魔をするような何の強い光変動も目によって観察され得ないように十分に均一であり得る。照明のある程度の変動は存在し得るものの、この変動は、目によって検出され得ない又は邪魔をするものではないことを理解されるべきである。

反射器１３０は、円筒状側部放射レンズ１１０のように、例えば、ポリカーボネート、ＰＭＭＡ又は他の適切な材料などの材料を用いて真空鋳造又はインジェクションモールディングなどを使用して作製され得る。

組み合わせられた円筒状側部放射レンズ１１０及び段付き多焦点長反射器１３０ａ・１３０ｂを用いて、光は、光学システムの長さに沿ってほぼ均一であり、前方向１００_forwardに十分にコリメートされる。図２に例示されるように、長軸及び前方向１００_forwardに対して、光は、ほぼコリメートされる、すなわち、光は、前方向１００_forward及び長軸１０１_longによって規定される平面における前方向の周囲に±15度以下の角度広がりαを有する。

光学システム１００は、更に、図３に示されるように、前方向１００_forward及び短軸１０１_shortによって規定される平面において前方向１００_forwardの周囲に光をコリメートするために、出口平面１０６において円筒状フラネルレンズ１５０を含む。図３は、短軸に沿って光学システム１００を例示するが、簡素化のために反射器１３０を示さないことを理解されるべきである。円筒状フラネルレンズ１５０は、図３に例示される短軸に沿った断面において見られる場合、従来型のフラネル構成を有する。円筒状フラネルレンズ１５０は、この同一の断面を長軸に沿った各点において有する。円筒状フラネルレンズ１５０は、短軸に対して前方向１００_forwardにおいて光をほぼほぼコリメートする、すなわち、光は、前方向の周囲に±15度以下の角度広がりβを有する。

円筒状フラネルレンズ１５０は、円筒状側部放射レンズ１１０のように、例えば、ポリカーボネート、ＰＭＭＡ又は他の適切な材料などの材料を用いて真空鋳造又はインジェクションモールディングなどを使用して作製され得る。

円筒状フラネルレンズ１５０、段付き多焦点長反射器１３０ａ・１３０ｂ及び円筒状フラネルレンズ１５０を使用すると、光学システム１００の高さは、最小化される一方で、良好な程度のコリメーションが実現される。例として、90mm×30mmのアスペクト比を有する光学システム１００について、光学高さは、10mmより低い。特定の実施例において、光学システム３００は、図５に例示されるように、一体に結合される複数の光学システム１００を含み得る。

本発明は、紹介の目的に関して特定の実施例に関して例示されているが、本発明は、これらに制限されない。様々な適合態様及び修正態様は、本発明の範囲を逸脱することなくなされ得る。したがって、添付の請求項の精神及び範囲は、上述の記載に制限されるべきでない。

Claims

ほぼコリメートされた光を前方向へ生成する光学システムであって、当該光学システムは、互いに直交する長軸及び短軸を有し、前記前方向は、前記長軸及び前記短軸に直角であり、当該光学システムは、
少なくとも１つの光源と、
前記少なくとも１つの光源に光学的に結合される側部放射レンズであって、当該側部放射レンズは、前記少なくとも１つの光源から発される光の一部を、前記前方向と直角であり且つ前記長軸とは平行である側部放射光にするように、方向転換させるように構成される、側部放射レンズと、
前記側部放射レンズから前記側部放射光を受け且つほぼ前記前方向へ前記光を方向転換させるように配置される少なくとも１つの反射器であって、当該反射器は、ほぼ均一の照明が前記光学システムの出口平面にわたり生成され且つ前記光が前記前方向及び前記短軸によって規定される平面に対して前記前方向においてほぼコリメートされるように、構成される、反射器と、
前記少なくとも１つの反射器から前記前方向に方向転換された光を受けるように結合されるフラネルレンズであって、前記フラネルレンズは、前記前方向及び前記長軸によって規定される平面に対して前記前方向に方向転換された光をほぼコリメートする、フラネルレンズと、
を有し、
前記側部放射レンズは、前記前方向及び前記長軸によって規定される平面に沿って側部放射レンズの断面形状を有し、前記側部放射レンズは、前記短軸に沿う各点において同一の断面形状を有し、
前記フラネルレンズは、前記前方向及び前記短軸によって規定される平面に沿ってフラネルレンズの断面形状を有し、前記フラネルレンズは、前記長軸に沿う各点において同一の断面形状を有する、光学システム。
請求項１に記載の光学システムであって、２つの反射器が存在し、前記側部放射レンズは当該２つの反射器の間に配置される、システム。
請求項１に記載の光学システムであって、前記少なくとも１つの光源は、前記短軸と平行に配置される複数の光源である、光学システム。
請求項３に記載の光学システムであって、前記光源は、発光ダイオードである、光学システム。
請求項１に記載の光学システムであって、前記側部放射レンズの前記断面形状は、上部分及び底部分を含み、前記上部分は、「Ｖ」形状を有し、前記「Ｖ」形状の各腕は、前記「Ｖ」形状の内部に反射表面及び前記「Ｖ」形状の外側に屈折表面を含み、前記底部分は、前記「Ｖ」形状の前記屈折表面から平滑な曲線として延在する屈折表面を有し、前記側部放射レンズの前記断面形状は、更に、前記光源が配置される空洞を含む、光学システム。
請求項１に記載の光学システムであって、前記少なくとも１つの反射器は、前記側部放射レンズから異なる距離に且つ前記前方向に対して異なる高さで位置される複数の反射器表面を有する少なくとも１つの段付き多焦点反射器であり、前記複数の反射器表面は、各反射器表面の前記距離及び高さに基づき変化を有する異なる焦点長を有し、前記焦点長の構成、前記側部放射レンズからの前記距離、及び各反射器表面の高さは、当該光学システムの前記出口平面にわたりほぼ均一な照明を生成し、前記前方向に前記光をほぼコリメートする、光学システム。
請求項６に記載の光学システムであって、前記複数の反射器表面は、互いに結合される、光学システム。
請求項１に記載の光学システムであって、前記反射器によってほぼコリメートされる光は、±15度以下の角度広がりを有し、光をほぼコリメートする前記フラネルレンズは、±15度以下の角度広がりで光を生成する、光学システム。