(57)【要約】　　　（修正有）【課題】指向性及び均一性という点で比較的調節されていない光源から、伝搬方向に関して画成された２つの直交する軸線に対して空間的に調整された分散光を放出させる光学構造体を得る。【解決手段】プリズムの幾何学的配置は、平面に対して直交方向に、あるいは、直交方向の所望の角度で、出射光線を導くように、最適化することができる。この光学構造体は、１つの縁部又は複数の縁部に沿って入射する光線を受け入れ、その光線は、本構造体に対して直交方向に、あるいは、直交方向以外のある所望の角度で出射される。入射光線の分布及び均一性には何等制限がないにも拘わらず、出射光線は、強度が調節された指向性の光源になる。本構造体を可能性のある幾つかの異なる光線分配パターンにするための幾つかの形態が開示される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光線を所望の方向に指向させるための装置であって、
光源に結合するための縁部を有し、屈折率ｎ１を有している導波管であって、該導波管の周囲は屈折率ｎ０を有し、ｎ０のｎ１に対する比率がｒ１であり、そして第１及び第２の側部を有する導波管；
それぞれが屈折率ｎ２を有する複数のプリズムであって、ｎ０のｎ２に対する比率がｒ２であり、そして各々のプリズムが少なくとも第１、第２及び第３の面を有している複数のプリズム；であって
各プリズムの該第１の面が前記導波管に光学的に結合され；各プリズムの該第２の面が実質的に平坦であり、そして前記第１の面に対してある傾斜角を形成し；各プリズムの第３の面が所望の光線出射方向に実質的に直交する平面に対して接線方向の部分を有し、該比率ｒ２がｒ１にほぼ等しいことにより特徴付けられる、複数のプリズム；
を含む装置。
【請求項２】
導波管の第１及び第２の側部が平行である、請求項１の装置。
【請求項３】
導波管及びプリズムが同じ物質から一体的に形成されている、請求項１の装置。
【請求項４】
各々のプリズムの第２の面が平坦である、請求項１の装置。
【請求項５】
各々のプリズムの第３の面が平坦である、請求項１の装置。
【請求項６】
各々のプリズムの第３の面が凸レンズである、請求項１の装置。
【請求項７】
各々のプリズムの第３の面が凹レンズである、請求項１の装置。
【請求項８】
各々のプリズムの第３の面が非球面レンズである、請求項１の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
関連出願の相互参照
本件出願は、１９９３年１１月５日出願の米国特許出願Ｎｏ．０８／１４９，９１２、１９９４年５月１３日出願の米国特許出願Ｎｏ．０８／２４２，５２５、及び、１９９４年１０月１１日出願の米国特許出願Ｎｏ．０８／３２１，３６８の一部継続出願であり、上記各米国特許出願は、参照により本明細書に組み込まれている。
発明の背景
概略的に言えば、本発明は、指向性及び均一性という意味において比較的調節されていない光源から光線を受け取って、該光源の伝播方向に関して画成された２つの直交する軸線に対して空間的に調節された分散光を放出する光学構造体に関し、より詳細に言えば、住居用、商業用及び産業用の照明の用途で利用される上述の如き光学構造体に関する。
【０００２】
点源又は２つの直交する軸線についての分散光源の如き種々の光源からの分散光を調節する機能を一体構造で達成することは、成功していない。例えば、蛍光照明を用いる代表的なオフィス照明の用途においては、単一の要素で２つの軸線についての分散光を同時に調節することはできない。蛍光灯は、単一のリフレクタを保持しており、このリフレクタは一つの軸線に沿う指向性しか与えることができない。そうではなく、現在の技術を用いて二軸方向の調節を行おうとすると、リフレクタと発光体とが必要になる。しかしながら、そのような組み合わせは、効率上の損失を生じ、均一性を損なうという不利益を招き、更に、複雑で嵩高の構造を生ずる。
【０００３】
小さい波形率（ｆｏｒｍ　ｆａｃｔｏｒ）の範囲内に容易に入り、且つ、あらゆる光線発生手段から光線を受け取ることのできる、比較的頑丈で軽量で効率的な光学構造体を提供することが望ましい。そのような構造は、種々の照明用途に関して指向性の分散光をもたらすための新規で有用な方法を可能とするであろう。
発明の概要
本発明は、特定の用途で必要とされるような、２つの直交する方向に沿って空間的に指向される出射光線をもたらす一体型の光線指向構造体を提供する。
【０００４】
本発明は、導波管要素を含む光学構造体と組み合わされた光源を含み、該導波管要素が該光源により発せられる光線を受け取って該光線を内部全反射（ＴＩＲ）を介して送り出す。複数のプリズムが、導波管の表面に光学的に接合されるか、あるいは、該表面と一体的に形成されている。各々のプリズムは、その屈折率によって開口を提供し、そこでは、光線は、内部全反射によって閉じ込められるのではなく、導波管から逃げることができる。導波管から逃げた光線は、プリズムの側面から反射して、所望の出射方向に再指向される。
【０００５】
このプリズムの幾何学的配置は、出射光線を導波管の表面から所望の角度で指向させるように最適化することができる。光線指向構造体として特徴づけることのできる本光学構造体は、幅の狭い輪郭を有するのが効果的であり、その導波管構造体は、１つの光線入射縁部に沿って又は幾つかの光線入射縁部に沿って光線が一緒になるのに適している。更に、その導波管に入射する光線の分布及び均一性には何らの制限も無い。
【０００６】
本発明の利点を享受することのできる多くの照明用途がある。そのような用途は、商業用及び住居用の市場に存在し、また、自動車産業及び航空宇宙産業の如き種々の産業に存在する。住居用及び商業用の例には、スポットライト、室内照明又はオフィス照明、及びアクセント照明の如き、目立たない屋内照明及び屋外照明が含まれる。自動車用途の例には、自動車の目立たないヘッドライト及びテールライト、読書灯及びマップライトの如き自動車の目立たない室内灯、並びにダッシュボード・ディスプレイ及び計器パネル用の光源が含まれる。
詳細な説明
本発明の装置の１つの基本的な構成ブロックは、導波管に光学的に接続されたプリズムである。本装置は、一般的には、あるパターン又はアレイで配置された数百個又は数千個のプリズムを備えることができるが、１つのプリズムを詳細に説明する。
【０００７】
図１を参照すると、光線１１０及び１１１で例示した光線が、導波管４０を通って内部全反射する。導波管４０は、光導体、光ウエッジ、又は当業者には周知の他の任意の構造とすることができる。それは、平坦な表面を有しても、図１Ａに示すように平坦ではない断面を有する表面を有してもよい。事実上、限定する意図は全く無いが、図面を簡単にするためにそして説明の便宜上、導波管４０は平坦であるとして説明され、そして後に説明する微小プリズム４２は、平坦な導波管と境界を接する。当業者には周知のように、内部全反射は、媒体の中の光線が境界面に当たってその媒体の中に跳ね返る場合に生ずる。そのような反射が起こるためには、媒体の届折率は、境界面の他方の側の物質の屈折率よりも大きくなければならず、そしてその反射角はスネルの法則に従わなければならない。解析を簡単にするために、導波管４０の外側の物質は空気であって、１の屈折率を有するものと仮定する。しかしながら、本発明は、そのような条件を必要とするものではなく、導波管の外側の物質を空気以外の物質として実施することができる。
【０００８】
光源３７から放射される光線は、導波管４０の中で、スネルの法則によって決定される「臨界角」だけ跳ね返る。光線１１０又は１１１は、プリズム４２が存在しない場合には、導波管４０の中で内部全反射されるだろう。プリズム４２は、導波管４０の屈折率にほぼ等しいかあるいはそれよりも大きい屈折率を有しているので、光線１１０及び１１１は導波管４０から出てプリズム４２に入ることができる。この状態は、プリズム４２が導波管４０と一体的に形成されているか、それが別個に形成されてから接着剤又は他の適宜な手段を用いて導波管４０と一体化されているかに拘らず存在する。光線１１１は、プリズム４２に入った後に内部反射して光線１１２を形成する。同様に、光線１１０も反射して光線１１３を形成する。１１２及び１１３の如き光線の角度範囲は、導波管４０の中の光線の角度の分布に関係する。導波管の中の光線は拘束されるので、プリズムから出る光線の大部分は、かなり狭い角度範囲に制限されていることが分かる。従って、このことが比較的非指向性の光線が導波管４０の中で一緒にされてその光線のかなりの部分が指向光源としてプリズム４２から出てゆくという結果をもたらす。
【０００９】
当業者は、プリズム４２の面の幾つかは臨界的なものであるということが理解できよう。第１の面１１４は、好ましくは、平坦（しかしながら、図１Ａに示す導波管に当てはまらない）であるので、導波管４０の平坦面と親密に光学的に結合している。第２の面３２は完全に平坦である必要はなく、幾分湾曲していても多面体になっていても、依然として上述の興味のある結果をもたらす。この理由から、第２の面３２は、単に、実質的に平坦であると表現することができる。第３の面３６も同様に、完全に平坦である必要はない。この第３の面は、凸レンズにも凹レンズにも形成することができ、また、上述の結果から逸脱することなく、非球面レンズとすることさえできる。広帯域の光源に関しては、第３の面３６の表面は、所望の光線出射方向に対して多少直交するのが望ましい。これにより、出射光線の屈折が極めて少なくなり、それによって白色光の有色光への変化が極めて少なくなる。望ましい向きを表現する１つの方法は、第３の面３６は、所望の光線出射方向に直交する平面に接するある領域を有しているということであり、この表現は、その面が平坦であってもレンズであってもよいという可能性を含んでいる。当業者は、この説明において、第４の面１１５に対して如何なる特定の形状も要求されないことを理解するであろう。この態様においては、出射光線の調節は１つのビューイング方向においてだけ行われている。しかしながら、好ましい態様においては、面３２と同じ原理を利用して、第４の面１１５を用いて導波管４０からの光線を反射させることもできる。最も好ましい態様においては、第５の面１２０及び第６の面１２２も、導波管４０から出る光線を反射させる。そのような好ましい態様のプリズム４２の断面図が図４Ａ及び図４Ｂに示されており、そして参照米国特許出願Ｎｏ．０８／２４２，５２５に詳細に開示されている。この最も好ましい態様においては、導波管４０の中で種々の方向に進む光線がプリズム４２に入って総てのプリズム面を反射する。この状況は、複数の光源を用いた場合か又は図６及び図７に示すように反射材料が光線を導波管にリサイクルする場合に生ずる。この態様は、図２に示す２つのビューイング軸ｘｚ及びｙｚに関して分散光の強度及び方向の両方を調節できるようにし、かつ導波管４０から光線を効率的に取り出せるようにするので好ましい。更に、上記説明のいずれも、例えば、製造技術上の何等かの事情で、各面の間の縁部の接続部を面取りしたり又は丸くする（これは、本発明から逸脱しない）ことが必要とされる場合でも、プリズム４２のいずれかの面を単純な縁部で接続することを要求するものではない。加えて、第１の面１１４及び第３の面３６を平行にする必要もない。当業者は、幾つかの用途においては、プリズム４２からの出射光線を分散させるには若干のテーパ形状にすることが好ましい場合があることを理解することができよう。
【００１０】
製造の容易化又は特定の光線パターンの採用以外では、総てのプリズム４２を同一の形状又は均一な形状にする必要はない。参照米国特許出願に記載されるように、プリズム４２の間隔は、光源からのプリズム４２の距離を確保するために導波管の長さにわたって変えることができる。更に、上記米国特許出願に示されるように、プリズム４２を導波管の選択された領域に取り付けて、導波管４０の選択した望ましい箇所だけから光線が逃げれるようにすることができる。また、プリズム４２の角度にある分布を設けて、ある特定の出射角度においてより多くの光線を発するが他の出射角度においてはより少ない光線しか発しないように、あるいは、意図的に非対称にした出射光線の空間的な分布を生ずるようにしてもよい。
【００１１】
本発明は、自動車のヘッドランプから美術館の照明まで、種々の用途に応用することができるので、導波管４０に対するプリズム４２の向きを変えて、所望の特定の分散光を出すことができるようにするのが望ましい。次に、図３を参照する。説明を簡単にするために、プリズム４２の屈折率は、導波管４０の屈折率に等しいものと仮定する。スネルの法則は、臨界角θｃに関して導波管４０の中で伝播する光線の角度の広がりを決定する。好ましくは、４００〜７００ｎｍと定義される広帯域光源の場合には、光線２０は、出射光線分布の中位の光線を表す。単に説明の便宜上、中位光線２０は、第２の面３２を反射して、第３の面３６の接線に対して直交する角度で及び第２の面３２に対して角度βでプリズム４２から出る。中位光線２０の指向出射光線は、導波管４０の表面３３に対して角度θも形成する。角度θは、何等かの出射光線分布パターンを規定する、特定の照明用途の関数である。０°からθｃまでの総ての角度からの光線を有する導波管については、出射光線の所望の角度θと第２の面３２が導波管４０の表面と形成する傾斜角φとの間に簡単な関係が存在する。角度θ＝２φ−４５＋（θｃ／２）であり、ここにおいてθｃはスネルの法則で定義される臨界角でｓｉｎ−１（ｎ２／ｎ１）に等しく、ｎ１は導波管４０の屈折率に等しく、ｎ２は導波管４０の外側の物質の屈折率に等しい（例えば、空気の場合には、ｎ２＝１．００）。導波管４０及びプリズム４２の屈折率が合致しない場合に同様な関係を誘導することができる。
【００１２】
更に、第３の面すなわち頂面３６は、好ましくは、出射光線が屈折して有色光になるのを防止するために光線の出射方向に対して直交している。しかしながら、光源が、ＬＥＤ又はレーザのように実質的に狭帯域である場合には、角度θについての上の式を適用することができない。というのは、中位光線２０が第３の面３６の接線に対して直交する角度でプリズム４２から出るように制限されないからである。
【００１３】
図４は、図１の断面とは別のプリズムの形状４２Ａ、４２Ｂを示している。これらの図から、プリズムの第１の面（導波管４０に接続されている）は平坦であるが、第２の面３２Ａ及び３２Ｂは、実質的に平坦であるだけで良いことが理解されるべきである。製造技術及び所望の光線出射パターンに応じて、第２の面３２Ａ及び３２Ｂは、本発明から逸脱することなく、若干異なる２つの隣接する平面において湾曲していても平坦であってもよい。
【００１４】
図５は、対応する凹レンズ３９と光学的に協働するプリズム４２の断面を示している。明らかなように、複数のプリズム４２をある特定のパターンで配列すると、レンズ３９が各々のプリズム４２に対応する。そのような態様においては、プリズム４１から出る光線は、特定のパターンの要件に合致するように広げられる。例えば、１．４５の屈折率を有し、出射光線分布が±３５°であり、そして凹レンネ３９の如き非収束要素を適正に位置させたプリズムは、より大きな角度的な広がりを分散光に与えるであろう。この態様は、好ましい分散光の角度が±６０°である商業的な照明の用途に効果的に使用することができる。また、プリズム４２の内側又は外側に設けられる散乱要素を用いて出射分布を広げることができるが、効率が低下する。
【００１５】
本発明の別の態様が図６に示されている。それは、１つの縁部２１においてメタルハライドランプの如きレフレクタアーク光源４４と光学的に接続されている導波管４０に取り付けられた光指向プリズム４２のアレイを平面的に表している。ランプ４４は、縁部から離れた焦点距離にほぼ位置していて、収束された光線が導波管の中に効率的に入れるようになっている。好ましくは、ランプ４４は、該ランプの種々のスペクトル成分を選択的に伝送したり反射させたりする濾光装置も備えている。例えば、導波管４０がプラスチック材料である場合には、赤外光が、望ましくない熱を発生し得る。加えて、正反射板又は拡散反射板の如き光反射手段４５が、縁部２１に沿って窓４７を形成している。好ましくは、反射手段４５を導波管４０の対向する縁部に沿って設けて、プリズム４２に入らなかった光線を導波管４０にリサイクルする。
【００１６】
導波管４０から出る光線の均一性を向上させるために、好ましくは、導波管４０と同じ材料から形成された光源ホモジナイザー４６が、点光源４４からの光線を図７に示す導波管４０の幅に均一に満たす。この態様は、導波管４０の中の光線の明るさが不均一になるのを防止して、導波管４０からの光線がプリズム４２によってより均一に取り出されるようにする。光源ホモジナイザー４６は、台形又は他の適宜な形状にすることができる。実質的に正反射性又は拡散反射性の光反射材料４５を、光源４４から離れている方の端部に設けて、光線をリサイクルすることもできる。光源は、双曲線状に収束される短いアーク光源とすることができる。また、光源リフレクタの形状は、ホモジナイザー４６を必要としないでも導波管構造体４０を均一に満たすように変更することができる。
【００１７】
図７Ａは、図７の台形部の正面の入射面４３を示している。この入射面４３は、方形である必要はなく、双曲線状のリフレクタからの光線のスポットよりも大きくなるように選択するだけで良い。
【００１８】
図８は、２つの長い光源３７と凹レンズのアレイを台形プリズム入射構造体４８と弧状リフレクタ４９とを一緒に用いる本発明の浅い固定照明具を示している。また、台形プリズム入射構造体４８、光源３７及びリフレクタ４９から成る２つの複合体の一方をある反射材料に代えて、導波管４０の中の光線をリサイクルさせることができる。この台形プリズム４８は、導波管４０と光学的に結合されたテーパ形状の部分であって、長い光源からかなり大きな領域を介して光線を集め、そしてその光線はＴＩＲを介して、薄いメイン導波管４０の中に案内される。商業的に入手可能な最も小さい蛍光管は１０〜１２ｍｍであるので、このテーパ形状の構造は、導波管４０がその光源の直径により決まる厚さよりもかなり小さい厚さを有するように、その導波管４０の厚さを小さくする必要がある。導波管の中への光線の伝送効率を極力大きくするために、インボリュート形又は弧状のリフレクタ４９が光線を再反射して光源に戻るのを防止するのに好ましい。リフレクタ４９は、プリズム４８の中に直接入らなかった光線を再び方向付けし、そしてその光線に一回又は二回の反射を介してプリズム４８に入る追加の機会を持たせる。当業者には分かるだろうが、リフレクタ４９の別の形態が可能である。負のレンズ構造体３９から成るアレイを用いて、プリズム４２から出る光線を効率的により広い分布角度に広げることができる。光源３７の直径をｄＬとし、台形プリズム４８の入射面の高さをＤとすれば、代表的な比率Ｄ：ｄＬは約２：１である。導波管の厚さｄＷはｄＬよりもずっと小さくて２ｍｍであってもよい。
【００１９】
この構造が、従来得ることのできなかった建築上の機会を与えることが理解されるべきである。例えば、この固定照明具は極めて浅いので厚みのある天井を必要としない。ドロップ型の天井を用いる場合には、そのようなドロップ型の天井をそれよりも高い位置にある固定天井から下方へ大きく離して位置決めする必要がなく、従って、固定照明具が嵩高であるために従来得ることのできなかった原価効率の良好な建築技術を提供する。他の利点としては、２方向にわたる光線の均一性が改善されること、照明されている空間における周辺視のまぶしさが少ないこと、適宜な形状のプリズム及びレンズを用いることにより特定の領域に光線を導くことができるので光線をより効率的に使用するこでること等を挙げることができる。更に、プリズムがカバーする範囲及び大きさを導波管を横切って変化させて、目標領域に均一な照明を与えることができる。
【００２０】
上述のように、一つの態様は２つの長い光源を備えることができるが、図９に示す別の態様を用いることができる。そこでは、複数の導波管構造体４０が、共通の光源３７を共有している。この配置は、光源３７からのより多くの光線が一方又は他方の隣接する導波管４０に直接入るので光線の効率を向上させる。好ましくは、リフレクタは、迷光になる光線を一回又はそれ以上の回数の反射によって導波管に導けるように、光源３７を囲んでいる。当業者には明らかなように、追加の導波管４０を光源３７に接続することができ、また、追加の光源を導波管４０の使用可能な別の縁部に接続することができる。
【００２１】
図１０は、光線指向構造体５３として示された導光プリズム４２のアレイに導波管４０が組み合わされたもの、並びに光源５５に光学的に結合された追加の導波管構造体５４を示している。これは、光源５５を構造体５３から遠くに離すことを可能とする。例えば、構造体５３をユーザにとって比較的接近しずらいものとする一方で、光源５５は接近可能なものとすることができる。そのような状況は、構造体５３が天井のなかにあり、そして光源５５が該光源のメンテナンスを容易にするためにフロアレベルにある場合に生じ得る。別の例は、構造体５３が道路の上方の高い位置にある沿道看板を照明する道路標識である。この場合には、光源５５を路面に設けることができる。一つの利点は、ランプ５５を交換しなければならない時に保守が容易なことである。別の利点は、照明源から熱源が取り除かれることである。追加の導波管構造体５４の１つの例は、導波管４０の縁部に沿って設けられた光ファイバの束である。光ファイバの束は、場合によっては、内部全反射によって少ない損失で光線を伝送する他の導波管構造体で置き換えることができる。光源によっては、１を超える光線指向構造体を光源に接続することができる。これは、自動車の照明並びに商業的な室内照明において有用である。光源からの光線の好ましくは少なくとも６０％、より好ましくは少なくとも７０％が所望の位置に分配声れる。
【００２２】
図１１は、壁の上の大きく平坦な対象物２２を天井から照明するために最適化された本発明の光源を示している。殆どの固定照明具は、そのような対象物に適正な照明を与えることができない。本発明は、そのような用途が必要とする非対称の光分散を可能にする。これは、フィルムの形状のプリズムを選択し、そして各々の形状のプリズムを幾つそのフィルムの上に設けるかを選択することにより達成される。「ｄ」インチの幅という小さな垂直方向の寸法しかもたない構造体５３でも、ｄよりずっと大きい「Ｄ」インチの高さの対象物（例えば、絵画）に均一な照明を与えることができる。
【図面の簡単な説明】
幾つかの図から成る図面との関連で本発明を以下に説明するが、図面において、
【図１】図１は、導波管に光学的に接続された単一のプリズムの図であって、光線の特性を示している。図１Ａは、導波管の別の態様であり、
【図２】図２は、２つの直交する軸線に関する本発明の分散光出射を示しており、
【図３】図３は、プリズム及び導波管の幾何学的配置を示す断面図であり、
【図４】図４Ａ及び図４Ｂは、プリズムの別の態様であり、図４Ｃは、プリズムの更に別の態様であり、
【図５】図５は、負のレンズ構造と組み合わされた導波管及びプリズムを示しており、
【図６】図６は、図面を単純化するために、プリズムが点光源と組み合わされた単一のシートとして示されている本発明の平面図であり、
【図７】図７は、点光源及び光源ホモジナイザーと組み合わされた本発明の平面図であり、図７Ａは、光源ホモジナイザーの入射面における立面図であり、
【図８】図８は、テーパ形状の入射導波管、インボリュート形状のリフレクタ及び負のレンズのアレイと組み合わされた本発明を示しており、
【図９】図９は、２つの光線指向構造体と組み合わされた単一の光源の立面図であり、
【図１０】図１０は、光源から離れて設けられた光線指向構造体の平面図であり、
【図１１】図１１は、壁の上の大きく平坦な対象物を天井から照明するように最適化された本発明の立面図である。
同様な要素は、可能な限り、同様な参照符号で示されている。
【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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