(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバを通して光を伝播させるための光学的に滑らかな面を有する光ファイバコアと、該光ファイバの一部に沿って延在する発光領域とを有する光ファイバを具備する照明装置において、該発光領域は、
該光ファイバコアの該光学的に滑らかな面に沿って延在する第１の長手方向軸線を中心にして配置される第１群の複数の光学要素であって、各々が、該光ファイバコアの内方に延びる光学的反射面を有する第１群の光学要素と、
該光ファイバコアの該光学的に滑らかな面に沿って延在する第２の長手方向軸線を中心にして配置される第２群の複数の光学要素であって、各々が、該光ファイバコアの内方に延びる光学的反射面を有する第２群の光学要素とを備え、
該第１の長手方向軸線と該第２の長手方向軸線とが、互いに角度的にずれた位置にあること、
を特徴とする照明装置。
【請求項２】
前記第１の長手方向軸線と前記第２の長手方向軸線とが、前記光ファイバの中心軸線から見て５度〜１００度の間の角度で互いに角度的にずれた位置にある請求項１記載の照明装置。
【請求項３】
前記発光領域は、前記光ファイバコアの前記光学的に滑らかな面に沿って延在する第３の長手方向軸線を中心にして配置される第３群の複数の光学要素であって、各々が、該光ファイバコアの内方に延びる光学的反射面を有する第３群の光学要素をさらに備え、該第３の長手方向軸線が前記第１の長手方向軸線および前記第２の長手方向軸線から角度的にずれた位置にある請求項１記載の照明装置。
【請求項４】
前記光ファイバに光学的に連結された光源をさらに具備する請求項１記載の照明装置。
【発明の詳細な説明】
発明の分野
本発明は、光運搬機構として光ファイバを使用する照明装置に関する。特に、本発明は、光エネルギを運搬し分布するために光導波路を使用する照明装置に関する。
背景
ガラスまたはポリマー等の光透過材料を、光を伝播する光導波路として使用することができることは公知である。光導波路は一般に、光源からの光を受けるよう適合された少なくとも１つの面と、光導波路を伝播する光を反射するための光学的に滑らかな面と、を含む。光導波路の一般的な例として、データ通信業界で伝統的に使用される光ファイバが挙げられ、最近では照明目的に使用される光ファイバが挙げられる（米国特許第５，４３２，８７６号参照）。光ファイバの少なくとも１つの端面は、ファイバを軸線方向に伝播する光源からの光を受けるよう適合される。光ディスプレイ業界で使用される平坦な導波路は、光導波路の別の例である。平坦な導波路の少なくとも１つの端面は、光源からの光を受けるよう適合される。導波路内に射出された光は、導波路の２つの主要面の間を伝播する。
光ファイバは、照明装置の部品として使用することができることも公知である。光は、光ファイバの一端に射出されることが可能であり、ファイバに沿った所定の位置でファイバを出ることができる。光がファイバを出るのを奨励する技術は、一般にマイクロベンドとして知られているファイバを比較的鋭く曲げることを含み、（米国特許第４，１７１，８４４号、第４，８８５，６６３号、第４，９０７，１３２号、ドイツ特許第３８０１３８５号）、また、光ファイバのコアまたはクラッドの一部を取り除き、且つ／または丸くし、光が逃げることができる拡散面を提供することも含む（フランス特許第２６２６３８１号、日本実用新案登録第６２−９２０５号および第６２−９２０６号）。これらの技術はそれぞれ、非制御方式で光ファイバから光が漏れることができる基本的に受動抽出技術である。
米国特許第５，４３２，８７６号（’８７６号特許）は、ファイバを軸線方向に伝播する光の一部を半径方向に反射する光ファイバのコアに形成された複数の反射面を有する光ファイバに関する。係属中であり、本願の譲受人に譲渡された米国特許出願第０８／５１８，３３７号は、複数の反射面を有する光抽出オーバーレイが光ファイバに光学的に連結されて光ファイバから光を抽出する照明装置に関する。先の受動光抽出技術とは対照的に、これらの装置はファイバから光を能動的に反射する。
いずれの所与の光ファイバ照明用途において、少なくとも２つの変数を制御することが望ましい。第１の変数は、光ファイバから光パワーが抽出される速度である。反射面を使用して光を導波路から抽出する装置において、光ファイバの単位長さ当たりの光パワー抽出速度は、単位長さ当たりの光学要素反射面の総断面積の、単位長さ当たりの光ファイバの断面積に対する関数である。光ファイバの直径が長さに対して一定であると仮定すると、光ファイバの所与の長さにおいて反射面の総断面積が大きくなればなるほど、ファイバから光パワーが抽出される速度が大きくなる。光学要素が光ファイバ内に延在する深さが深くなると、または隣接する要素間の距離が減少すると、ファイバから光パワーが抽出される速度が上がる結果になる。
光ファイバから抽出された光エネルギの方向的分布を制御することも望ましい。’８７６号特許に記載された発明によると光ファイバから抽出された光は、出現角分布でファイバから出る。長手（たとえば、ダウンファイバ）方向および側（たとえば、クロスファイバ）方向の両方で光エネルギの角広がりを制御することが望ましい。出現角分布の光エネルギの長手方向（たとえば、ダウンファイバ）分布は、主に、光ファイバを伝播するテーパ角度の関数である。出現角分布の光エネルギの側方向（たとえば、クロスファイバ）分布は、主に、光学要素の反射面によって境界づけられた角の関数である。平坦な底部を有する光学要素にとって、光学要素の反射面によって境界づけられた角度は、反射面が光ファイバコア内に延在する深さの関数である。このようにして、光学要素が光ファイバ内に延在する深さが深くなると、出現角分布の光エネルギの側方向（たとえば、クロスファイバ）分布が増え、したがって、要素によってファイバから抽出される光パワーの量が増えると推論される。
反射した光の分岐円錐の側方向分布と抽出された光のパワーとの間の相互関係が、光照明装置の設計に制限を課す。たとえば、用途によっては、光エネルギの長手方向分布またはファイバからパワーが抽出される速度に劇的に影響を与えることなく、ファイバから抽出された光の分岐円錐に光エネルギの側方向分布を広げることが望ましい。
光エネルギの出現角分布内の光エネルギの空間的強度を制御することも望ましい。伝播軸線に沿って互いに空間的に密接に隣接する複数の光学要素を含んで導波路から光を反射する照明装置において、各光学要素は、そうしなければ次の要素に入射するであろう光の一部を阻止する。この適用のため、この現象は「陰影づけ」と称されるものとする。陰影づけは、導波路から反射した光の出現角分布にある光エネルギの空間的強度に変動性を導入する。設計によっては、陰影効果は、導波路から反射した光エネルギの角分布に、空隙または穴とも称される暗いスポットを生成するのに十分なほど厳しい。陰影効果によって導入された光エネルギの角分布における変動性は、一般に望ましくないものとみなされる。この変動性は、導波路が、たとえば、自動車の警告灯のように直接見るための光源とし使用される用途では特に望ましくない。
したがって、出現角分布における光エネルギの側方向分布が、光の長手方向分布とは無関係に、したがってパワー抽出速度とは無関係に、制御されることが可能である光導波路が業界では必要である。間隔あけが密接な光学要素によって生じる陰影効果を補償する光導波路も業界では必要である。
発明の開示
本発明は、ファイバを光が伝播するための光学的に滑らかな面と、ファイバの一部に沿って延在する発光領域とを含む照明使用を提供することによって、これらの問題および他の問題に対処する。発光領域は、光ファイバの光学的に滑らかな面に沿って延在する第１の長手方向軸線を中心にした少なくとも１つの好ましくは複数の光学要素を含む。発光領域は、光ファイバの光学的に滑らかな面に沿って延在する第２の長手方向軸線を中心にした少なくとも１つの好ましくは複数の光学要素をさらに含む。第２の長手方向軸線は、第１の長手方向軸線から角度的にずれている。
別の実施態様では、本発明は、所望の視角γで配置された軸線を中心にした視覚領域に導波路から反射した光の角強度において、目に見える変動を減じるよう適合された光導波路を提供する。導波路は、光源から光を受けるように適合された第１の面を有する実質的に光学的な透過材料から形成されたコアと、伝播軸線に沿って導波路を光が伝播するための少なくとも１つの光学的に滑らかな面と、を具備する。光学的な面は複数の光学要素を含み、各光学要素は、伝播軸線に垂直は平面に対して傾斜角θで配置された少なくとも１つの光学的反射面を有する。角度θは、下記式によって決定される。
0003987965.tif 000002
ただし、ξは、（α／２）から（β／２）まで、または（−β／２）から（−α）まで、延在する角度の群から選択され、
α＝陰影角度であり、
β＝光ファイバを伝播する光のテーパ角度であり、
γ’＝反射した光の所望の退出角度である。
【図面の簡単な説明】
図１は、ファイバを通る光の伝播を例示する光ファイバの断面図である。
図２は、本発明の態様による光ファイバのセグメントの斜視図である。
図３は、図２に示された光ファイバの光学的な面の平面図である。
図４は、図２に示された光ファイバの一部の、長手方向に沿って取った断面図である。
図５は、図２に示された光ファイバの一部の、長手方向に対して垂直に取った断面図である。
図６は、本発明の態様による光ファイバ照明装置の概略図である。
図７は、ファイバの陰影効果を例示する光ファイバの断面図である。
図８は、図６に示された反射面の一部に入射する光線の角分布のグラフである。
図９は、図８に類似した、光線の角分布のグラフである。
詳細な説明
本発明は、光を発することができ、照明装置の構造に特に有用である光導波路を提供することに関する。本発明を記載するにあたって、特定の実施態様および用語は明瞭にするために使用される。しかし、本発明は、特定の記載された実施態様および用語に限定されることを意図しない。特に、本発明は、断面が略円形である光ファイバ光導波路に関連して説明される。しかし、本発明の原理が異なる断面形状の光ファイバおよび平坦な導波路に適用されることを、当業者は理解する。
背景として、図１を参照すると、光ファイバ１０に射出された光は、ファイバ１０の長手方向軸線に実質的に一致した伝播軸線１２に沿ってファイバ１０を伝播する。光は、内部全反射に必要な臨界角によって決定される伝播軸線１２から測定された最大テーパ角度βで、ファイバを伝播する。角度βは、下記のように、スネルの法則から内部全反射に必要な臨界角（θc）をまず計算することによって導くことができる。
0003987965.tif 000003
ただし、η1は、光ファイバコア材料の屈折率であり、η2は、通常はクラッド材料または空気である囲繞する媒質の屈折率である。テーパ角度βは、臨界角θcの補角である。このようにして、コア材料屈折率のコアを囲繞する媒質の屈折率に対する比に比例するテーパ角度βで、光は光ファイバ１０を伝播する。
本発明の１つの態様によると、光ファイバには、ファイバから抽出された光エネルギの長手方向（たとえば、ダウンファイバ）分布に実質的に影響を与えることなく、ファイバから抽出された光エネルギの側方向（たとえば、クロスファイバ）分布を広げるように、ファイバから光を抽出するための反射要素が設けられる。好適な実施態様において、光がファイバを伝播するために光学的に滑らかな面を有する光ファイバコアと、少なくともその長さ方向の一部に沿った発光領域と、を有する光ファイバが設けられ、発光領域は、光ファイバコアの光学的に滑らかな面に沿って延在する第１の長手方向軸線を中心にした複数の光学要素と、光ファイバコアの光学的に滑らかな面に沿った第２の長手方向軸線を中心にした複数の光学要素と、を含むことが好ましい。各光学要素は、光学要素に当たる光の一部が光ファイバから反射されるように、光ファイバコアに延在する少なくとも１つの光学的反射面を含む。
本発明による光導波路の好適な実施態様は、図２〜６に示されている。図２は、本発明の態様による光ファイバ２０の一部の斜視図であり、図３はその一部の平面図である。光ファイバ２０は、第１の端面２４と、第２の端面２６と、ファイバ２０の長さ方向に沿って長手方向に延在する光学的に滑らかな面２８と、を有する光ファイバコア２２を含む。光学的に滑らかな面２８は、光ファイバコア２２の円周面に対応することが好ましい。本明細書に使用されるように、光学的に滑らかな面という用語は、面の丸みが光の波長に比較して小さいときに可能であるように、面に入射した光が最小の散乱または拡散で反射することができる面を称するものとする。図２に示されたファイバは「はだかの」ファイバであるが、ファイバは単数または複数のクラッド層および／または追加の外被層を含んでもよいことは光業界の当業者には理解される。
光ファイバ２０には、光ファイバ２０の光学的反射面２８に沿って延在する第１の長手方向軸線３８を中心にした複数の光学要素３０と、光ファイバ２０の第２の長手方向軸線４８を中心にした複数の光学要素４０と、が設けられる。本発明の１つの態様によると、第１の長手方向軸線３８は、第２の長手方向軸線４８からはずれる。大半の光ファイバにとって、第１の長手方向軸線３８と第２の長手方向軸線４８との間の角変位δ（図５）を測定することは便利である。しかし、２本の長手方向軸線の間の変位は、光ファイバ２０の反射面２８に沿った距離として測定することもできる。多角断面形状を有する光ファイバには距離測定が適切である。
図３、４を参照すると、光ファイバ２０には、ファイバ２０の光学的反射面２８に沿った第１の長手方向軸線３８を中心にした複数の光学要素３０が設けられる。各光学要素３０は、光ファイバ２０のコア２２内に延在する第１の光学的反射面３２を含むことが好ましい。光学的反射面３２は、実質的に光学的に滑らかな面であることが好ましく、散乱または拡散による最小の損失で光を反射することができることを意味する。面３２は、伝播軸線に垂直な軸線から０度〜９０度の間のいずれの有効角度に配置されることができる。各光学要素３０は、光学的反射してもしなくてもよい第２の面３４も含む。面３２および３４は、相交わり、光学要素３０の底部３６を規定する。光ファイバ２０には、ファイバ２０の光学的反射面に沿った第２の長手方向軸線４８を中心にした複数の光学要素４０も設けられる。各光学要素４０は、光ファイバ２０のコア２２内に延在する第１の光学的反射面４２を含むことが好ましい。光学的反射面４２は、実質的に光学的に滑らかな面であることが好ましく、散乱または拡散による最小の損失で光を反射することができることを意味する。面４２は、伝播軸線に垂直な軸線から０度〜９０度の間のいずれの有効角度に配置されることができる。各光学要素４０は、光学的反射してもしなくてもよい第２の面４４も含む。面４２および４４は、相交わって、光学要素４０の底部４６を規定する。
図４、５を参照すると、使用の際に、光ファイバコア２２を伝播する光の第１の部分は、光線５０によって表され、光学要素３０の光学的反射面３２に入射し、ファイバを連続伝播するのに必要な臨界角よりも大きな角度で、光ファイバ２０の光学的に滑らかな面２８に当たり、したがって光ファイバ２０から少なくとも部分的に屈折するように、光ファイバ２０に反射される。光ファイバ１０を伝播する光の第２の部分は、光線５８によって表され、光ファイバ１０の光学的に滑らかな面２８に当たり、光ファイバ１０を伝播し続ける。光ファイバコア２２を伝播する光の第３の部分は、光線６０によって表され、光学要素４０の光学的反射面４２に入射し、ファイバを連続伝播するのに必要な臨界角よりも小さな角度で、光ファイバ２０の光学的に滑らかな面２８に当たり、したがって光ファイバ２０から少なくとも部分的に屈折するように、光ファイバ２０に反射される。
図５は、光ファイバ２０の長手方向軸線に対して垂直に取った概略断面図であり、これは本発明の一態様を例示する。点線３６は、第１の長手方向軸線３８のまわりに配置された光学要素３０の底縁を表し、一方実線４６は、第２の長手方向軸線４８のまわりに配置された光学要素４０の底縁を表す。軸線３８、４８は、角度δだけ角度的にずれる。光線５２、５４は、第１の軸線３８のまわりに配置された光学要素３０によって光ファイバ２０から反射した限定光線を表す。したがって、光学要素３０から反射した光は、光線５２、５４によって規定された開先角度を延在するプロファイルに出現する。同様に、光線６２、６４は、第２の軸線４８のまわりに配置された光学要素４０によって光ファイバ２０から反射した限定光線を表す。したがって、光学要素４０から反射した光は、光線６２、６４によって規定された開先角度を延在するプロファイルに出現する。
図５に示すように、２つの別個の長手方向軸線のまわりに光学要素を配置することの実効果は、光ファイバ２０から反射した光の分岐プロファイルの光エネルギの側方向（たとえば、クロスファイバ）分布を広げることである。有利なことに、長手（たとえば、ダウンファイバ）方向の分岐プロファイルに実質的に影響を与えることなく、光エネルギの側方向分布は広げられる。このようにして、光ファイバの面に沿って２つ以上の別個の長手方向軸線のまわりに光学要素を配置することによって、分岐プロファイルの光エネルギの長手方向分布に実質的に影響を与えることなく、分岐プロファイルの光エネルギの側方向分布を制御することができる。これは、実質的に平坦な（たとえば、線状の）溝底部（たとえば、３６、４６）を有して、実質的にサイズと形状が同一である光学要素を使用して、達成することができる。そのような光学要素の特性は、より複雑な光学要素の特性よりも形作るのが容易であるため、これらの因子は、光ファイバ照明装置の設計および製造を容易にする。さらに、平坦な（たとえば、線状の）溝底部を有する光学要素は、より複雑な形状を有する光学要素よりも製造が容易である。
最小角変位δは０度よりもわずかに大きく、その場合、軸線はほぼ同一であり、最大角変位δは１８０度であることは、当業者には明らかである。実際、第１の長手方向軸線２０と第２の長手方向軸線２２との間の変位δは、主に関数問題によって支配される。特に、角変位δは、側方向（たとえば、クロスファイバ）寸法に反射した光の分岐円錐の所望の角広がりによって決定されるが、当業者に公知の光形成技術を使用して決定してもよい。光ファイバを使用して広い領域を照明する多くの用途にとって、広い角分布に出現する光を広げるために、１００度までの角変位が有用である。対照的に、たとえば、自動車の警告灯のような光ファイバが直接見られる用途では、出現する光の角分布の側方向寸法を狭めて所望の角範囲内に光を集中することが望ましい。そのような用途のためには、約５度〜２０度の角変位δが有用である。
光ファイバ２０の面に沿って延在する別個の長手方向軸線のまわりに光学要素を配置することに関連する別の利益は、ファイバの陰影効果に関する。陰影効果は下記に詳細に検討される。簡単に言うと、光ファイバの各光学要素は、光ファイバ２０を伝播する光線の一部から隣接する光学要素に影をつける。陰影づけの程度は、光学要素が光ファイバ２０内に延在する深さに比例する。本発明により光ファイバ２０の面上にある２つの別個の長手方向軸線のまわりに配置された光学要素を提供することは、単一軸線実施態様に必要なより深い光学要素に頼ることなく、より広い分岐円錐に光を広げることができることによって、陰影づけに関連する有害影響を減ずる。さらに、光学要素は互いにずれているため、陰影効果は、光ファイバ２０の外周のまわりにより均一に広がり、その効果はあまり目立たなくなる。
本発明の利益が、光ファイバ２０の面に沿って延在する３本以上の長手方向軸線のまわりに配置された光学要素で得ることができることを光業界の当業者は理解する。たとえば、光ファイバ照明装置は、光ファイバ２０の面に沿って延在する３本以上の別個の長手方向軸線に沿って配置された光学要素を組み込んでもよい。長手方向軸線の間の変位は、特定の光対物レンズを達成するために予め決めてもよく、あるいはランダムであってもよい。
光学要素３０、４０のそれぞれの反射面３２、４２は、これらの面に当たる光が正反射するように、正反射物質（たとえば、銀、アルミニウム）を塗布されてもよい。しかし、反射面３２、４２が正反射物質で塗布されていないならば、スネルの法則によって規定された臨界角よりも小さな角度で反射面に入射する光は、光学要素を透過する（且つ屈折する）。対照的に、スネルの法則によって規定された臨界角よりも大きな角度で反射面に入射する光は、線３０で表される光同様、内部全反射する。
上記に検討したように、光学要素によって光ファイバから抽出された光は、出現角分布でファイバを出る。分岐円錐の光エネルギの長手方向（たとえば、ダウンファイバ）分布は、主に光ファイバを伝播する光のテーパ角度の関数である。この分布は、光学要素１０の反射面に光パワーを設けることによって、たとえば、これらの面に湾曲を導入することによって、調節することができる。あるいは、光エネルギの長手方向分布は、光ファイバ２０を伝播する光のテーパ角度を変えることによって調節することができる。分岐円錐の光エネルギの側方向（たとえば、クロスファイバ）分布は、光学要素反射面が光ファイバ２０内に延在する深さの関数である。したがって、光学要素が光ファイバ内に延在する深さが深まると、分岐円錐の光エネルギの角の広がりが大きくなる。
光ファイバ２０は、実質的に光を透過する材料から形成されることが好ましい。好適な材料は、高光透過を呈し、比較的高い屈折率を有する。一般的な材料は、ポリメチルメタクリレート（屈折率１．４９）およびポリカーボネート（屈折率１．５８）を含む。任意に、光ファイバ２０は、ファイバのコアを囲繞するクラッド材料（図示せず）を含んでもよい。クラッド材料は、選択されたコア材料に適切な屈折率を有する当業界に公知のいずれの適切な材料を含むことができる。一般的な光ファイバクラッド材料は、ポリフッ化ビニリデン（屈折率１．４２）、パーフルオロアクリレート（屈折率１．３５）およびポリテトラフルオロエチレン（屈折率１．４０）を含み、さらにフッ化テトラフルオロエチレンヘキサフルオロプロピレンビニリデンを含み、フッ化テトラフルオロエチレンヘキサフルオロプロピレンビニリデンの屈折率はその構成成分の相対濃度で変動するが、一般におよそ１．３６とみなされる。
各光学要素３０、４０の形態は、たとえば、光学的反射面３２、４２が平坦であれ湾曲であれ、光学的反射面３２、４２の傾斜角度、およびそれよりは程度が低いが第２の面３４、４４の傾斜角度、各光学的反射面３２、４２の断面領域等は、その特定の点でファイバ２０から発する光の量および方向に影響を与えることが理解される。たとえば、米国特許第５，４３２，８７６号を参照のこと。この特許の開示内容全体を本願明細書に引用したものとする。結果として、ファイバから反射した光の量および方向は、適切なノッチ型を選択して、さらにファイバに沿ったノッチのパターンと間隔あけとを選択することによって、制御することができる。所与のファイバ上の各ノッチは通常は類似した形態であるが、光学要素のいずれの有用な組み合わせを使用してもよい。
図示の実施態様において、光学要素１８の第１の光学的反射面２４は、伝播軸線に垂直な軸線に対して約４５度の角度で傾斜するが、１０度〜８０度の間の角度も有用であり、２０度〜７０度が好ましく、３０度〜６０度がより好ましい。ファイバから出る光が進む所望の量および方向によって、０度〜９０度の間のいずれの有効角度を使用することができる。光導波路の特定の実施態様に特に好適な角度範囲を下記に述べる。
光学要素３０、４０の第２の光学的反射面３４、４４は、ファイバ２０の長手方向軸線に対して垂直であってもよく、または、ファイバ２０の長手方向軸線に垂直な平面に対して傾斜するかまたは離れてもよく、Ｖ字型のまたはアンダーカットの光学要素を規定する。さらに、光学要素３０、４０の光学的反射面３４、４４の一方または双方が、使用によっては湾曲していてもよいが、通常は実質的に平坦である。ノッチの表面は通常、光学特性を有するように製造され、すなわち、面が入射光を最小の散乱または拡散で反射することを意味する。
本明細書に使用される「光学要素」という用語は、光ファイバのコアに形成されたいずれの制御された中断または不連続を含み、ファイバの対向する壁を通ってインピンジする光の少なくとも一部を反射することができる１つ以上の面を規定する。そのような光学要素は、スクラッチおよび他の中断、さらに不完全および他の面むらとは識別されるべきものであり、これらは、制御された方法で形態的に形成されるため、光ファイバに時折発生し、要素の形態、パターンおよび間隔あけはファイバの意図された使用に相応しいように作られる。各光学要素の形態、すなわち、反射面の角度、湾曲および断面領域、さらにファイバに沿った要素のパターンおよび間隔あけを適切に制御することによって、光は、ファイバの側壁を通って選択的に発せられることが可能である。
図６は、本発明の原理による照明装置１１０の概略図である。照明装置１１０は、光ファイバ１１４に光学的に連結した光射出アセンブリ１１２を含む。光射出アセンブリ１１２は、光源（図示せず）を含み、光ファイバ１１４によって受け入れられる分岐円錐に光を視準するための視準アセンブリ（図示せず）を含むことが好ましい。光射出アセンブリ１１２の詳細は本発明には必要ではない。適切な市販の光射出アセンブリとして、アメリカ合衆国カリフォルニア州San Juan CapistranoのRemote Source Lighting International, Inc.が販売のライトポンプ１０５（Light Pump 150）と、アメリカ合衆国カリフォルニア州Costa MesaのLumenyte International Corporationが販売のパワーハウスTMメタルハライドイリュミネーター（Powerhouse（TM）Metal Halide Illuminator）と、が挙げられる。光ファイバ１１４はその長さ方向の一部に沿って延在する発光領域１１６を含む。発光領域１１６は、図１、２に示されるように、第１の長手方向軸線のまわりに配置された少なくとも１つの第１の光学要素１１８と、第２の長手方向軸線のまわりに配置された第２の光学要素１２８と、を含む。使用の際には、光源からの光は、スネルの法則にしたがって光が光ファイバ１１４を伝播するように、光ファイバ１１４内に射出される。上記に検討されたように、光ファイバ１１４を伝播する光の一部は、光学要素１１８、１２０の反射面に入射し、ファイバから反射される。本発明による照明装置は、タスク照明、乗物照明、派手なマーキング装置および看板を含む幅広い用途に使用することができる。
本発明の別の態様は、光ファイバから反射した光エネルギの角分布に対する陰影効果の衝撃を制御することに関する。上記に検討されたように、陰影効果は、光ファイバから反射した光エネルギの角分布に多様性を導入する。陰影効果を制御することは、間隔あけが密接な光学要素を有する光ファイバには特に有用である。本発明によると、反射面が光ファイバ内に形成する角度を修正して、ファイバへの陰影効果を制御することもできる。
本発明のこの態様は、図７〜９に最良に示される。図７を参照すると、光ファイバ７０は、光源（図示せず）からの光を受けるよう適合される第１の面と、光ファイバ７０を伝播する光を反射する光学的反射面７８とを有するコア７２を含む。光学的反射面７８は、光ファイバコア７２の円周面に対応することが好ましい。第１の光学要素８０は、第１の面７４から第１の距離ｄ1で配置され、第２の光学要素９０は、第１の面７４から、ｄ1よりも大きい、第２の距離ｄ2に配置される。第１の光学要素８０は、光ファイバ７０の長手方向軸線７３に対して垂直な軸線から角度θで配置された第１の光学的反射面８２と、第２の面８４とを含む。第２の光学要素９０も、光ファイバ７０の長手方向軸線７３に対して垂直な軸線から角度θで配置された第１の光学的反射面９２と、第２の面９４とを含む。
図１に関連して既に検討したように、光ファイバ７０に射出した光は、光ファイバコアと囲繞媒質との相対屈折率によって決定されたテーパ角度βを有する円錐にあるファイバ７０の長手方向軸線７３にほぼ同一の伝播軸線に沿って光ファイバを伝播する。本発明の開示のために、光は左から右へ光ファイバ７０を伝播すると仮定する。便宜のため、光ファイバ７０の長手方向軸線７３に平行な軸線より上で行った角測定は正とみなされ、伝播軸線に平行な軸線より下で行った角測定は負とみなされる。
隣接する光学要素８０、９０の間隔あけは、比較的密接しており（たとえば、０．０５ｍｍ〜５．０ｍｍ）、第１の光学要素８０は、そうしなければ第２の光学要素９０の反射面９２に入射するであろう光の一部に陰影をつける。第２の光学要素９０上の第１の光学要素８０の陰影効果は、隣接する光学要素によって陰影をつけられない第１の光学要素８０の反射面８２に入射する光線の角分布と、第１の光学要素によって陰影をつけられた第２の光学要素９０の反射面９２に入射する光線の角分布と、を比較することによって例示することができる。
第１の光学要素８０の反射面８２上の各点は、光ファイバ７０を伝播する光の角分布全体（たとえば、−β〜β）から光線を受ける。対照的に、光学要素８０の存在が、光ファイバ７０を伝播する入射光の角分布の一部が第２の光学要素９０の光学的反射面９２に入射するのを阻止する。
図７は、第２の光学要素９０の反射面９２の底縁９６の点における第１の光学要素８０の陰影効果を例示する。光は、テーパ角度βで光ファイバ７０を伝播する。陰影角度αは、第２の光学要素９０の底縁９６から第１の光学要素８０の頂部まで延在する第１の光路１００と、第２の光学要素９０の同一の点から第１の光学要素８０の底縁８６まで延在する第２の光路１０２と、の間の角度として規定することができる。陰影角度αによって規定される角度範囲内にあるすべての光線は、第１の光学要素８０によって第２の光学要素９０の光学的反射面９２に入射するのを阻止される。さらに、光路１０４は、第１の光学要素８０の底縁８６を通る限定光線の角度を表し、光ファイバ７０の面７８から反射し、第２の光学要素９０の底縁９６に入射する。したがって、光路１０４と光路１００との間の角度範囲内にあるすべての光線も、第１の光学要素８０によって阻止される。幾何光学の原理を適用すると、光路１０４および光路１００によって境界づけられる角度は、陰影角度αに等しいことを示すことができる。したがって、−β〜βの角度範囲から、０度（たとえば、伝播軸線に平行）から２αまで延在する角度範囲にある光線は、第１の光学要素８０によって阻止されるか、または陰影をつけられる。
図８は、第２の光学要素９０の反射面９２の底縁９６の点に入射する光線の角度範囲のグラフ図を表す。テーパ角度がβであると仮定すると（たとえば、伝播軸線から測定した−β〜βの光線の角分布）、第２の光学要素９０の反射面９２の底縁９６は、−βから０度まで、および２αからβ度までの角度範囲で伝播する光を受ける。しかし、０度から２α度までを延在する角分布でファイバを伝播する光は、第１の光学要素８０によって陰影をつけられる。
このようにして、陰影効果は、第２の光学要素９０の反射面９２の各点に入射する光の角分布に中断を形成する。光業界の当業者に公知の従来の光形成方法を使用すると、第２の光学要素９０の反射面９２全体にわたって陰影効果を統合することができる。図９は、第２の光学要素９０の反射面９２全体にわたる統合陰影効果を表す。−βからβまで延在する角分布内のファイバを光が伝播すると仮定すると、第１の光学要素は、０度から（たとえば、伝播軸線に平行）α度まで延在する角度範囲にある光を完全に陰影づける。−α度から０度まで、および、α度から２α度まで延在する角度範囲にある光は、第１の光学要素８０によって部分的に陰影をつけられる。対照的に、−βから−αまで、および、２αからβまでの角度範囲にある光は、第１の光学要素８０によって陰影をつけられない。
第２の光学要素９０によって反射した光の角分布の中断は、光ファイバ７０から反射した光の空間的強度に対応角変動を形成する。この変動は、結果として、ファイバから反射した光の出現角分布に「空隙」または「穴」を生ずる。この「空隙」または「穴」は、「空隙」または「穴」内の位置で光ファイバを見る観察者の裸眼には明らかである。これは、比較的低強度の光の領域として、または場合によっては、実質的に光が全くない領域として明らかにされてもよい。
したがって、本発明の別の態様は、光ファイバの陰影効果を補償するために光学要素の反射面用の好適な角度範囲を規定することに関する。この点に関して、本発明は、光源からの光を受ける第１の面を有するコアと、このコア材料を光が伝播するための光学的反射面とを具備する光ファイバを提供する。光学的反射面は、複数の光学要素を含む。各光学要素は、光ファイバ伝播軸線に垂直な平面に対して角度θで配置された反射面を含み、この角度θは、陰影づけによって生じる光学要素の反射面に入射する光の角分布における中断を補償するために好適な角度範囲から選択される。
背景として、ノッチ角度θは、所望の角度γから得られてもよく、これから光ファイバ７０を見ることができる。光ファイバを囲繞する媒質が空気（屈折率＝１．０）であると仮定すると、反射面７８から反射した光線は、下記のようにスネルの法則によって決定された退出角度γ’でファイバ／空気界面に交差しなければならない。
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ただし、η’は、光ファイバコア材料の屈折率である。光ファイバ７０が異なる屈折率のクラッド材料を含む場合には、同一手順をさらに繰り返して、所望の退出角度γ’を計算することができることは、光業界の当業者には理解される。角度γおよびγ’は、従来、光ファイバ７０の反射面７８に対して垂直な軸線から測定される。
光業界の当業者に公知の幾何光学の原理を適用すると、角度γ’で光ファイバ７０の反射面７８に交差するように、第２の光学要素９０の反射面９２から光を反射するのに必要な角度θは、下記式を使用して得ることができる。
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例として、反射面７８に実質的に垂直な軸線を中心にして光ファイバ７０から出る光の出現角分布のように、所望の退出角度を０度と仮定すると、上記式は、角度θが４５度になる。
本発明によると、角度θは、条件ξを加えることによって陰影効果を補償するように修正される。したがって、本発明によると、角度θは、下記のように計算される。
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条件ξは、退出角度を変えるように計算された角偏差を表し、ファイバを出る光エネルギの出現角分布はその退出角度を中心にする。光エネルギの出現角分布のより広いローブが所望の退出角度γ’を中心にするように、角度θが修正されることが好ましい。したがって、好適な実施態様において、誤差条件ξは、下記式から計算することができる。
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ただし、
α＝上記に規定された陰影角度であり、
β＝光ファイバを伝播する光のテーパ角度である。
例として、再度、所望の退出角度γ’を９０度と仮定すると、陰影角度は５度を測定し、光ファイバ７０を伝播する光のテーパ角度βは２５度を測定し、好適なノッチ角度は下記のように決定することができる。
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このようにして、本発明によると、光学要素９０の反射面９２が配置される角度θは、所与の退出角度γ’でファイバから光を反射するのに必要な、幾何光学が教示する角度から修正される。好適な実施態様において、角度θは、上記の式を使用して、光のより広いローブを所望の退出角度γ’を中心にして計算した条件ξによって修正される。しかし、多くの用途では、光エネルギの出現角分布を−βから−αまでまたは２αからβまでの範囲のいずれの角度に中心をおくことを受け入れることができる。このようにして、条件ξは、α／ｚからβ／ｚまで、または−β／ｚから−α／ｚまでの範囲の角度の群から選択されてもよい。
実施例
本発明による光ファイバの特定の実施態様は、自動車のCenter High Mount Stop Light（CHMSL）に使用されるように特に適合された照明装置と光導波路とを提供する。ＣＨＭＳＬ用の光度仕様は、自動車エンジニア協会（Society of Automotive Engineers）が述べた標準ＳＡＥ  Ｊ１８６  ＤＥＣ８９に述べられている。実質的に図２〜５に示された光ファイバが製造された。光ファイバは長さ５００ｍｍ、直径９．５ｍｍであった。光ファイバは光学要素の２つの列を含んだ。すなわち、第１の列は、第１の長手方向軸線のまわりに配置され、第２の列は、角度的に第１の長手方向軸線から１０度ずれた第２の長手方向軸線のまわりに配置された。
各列は、光ファイバコア内に約０．２５ｍｍ（２５０ミクロン）の深さで延在する１８９光学要素を含んだ。ノッチの間の間隔あけは、下記式を使用して、光ファイバから均一に光パワーを抽出するよう計算された。
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ただし、
Ｓn＝光学要素ｎと光学要素ｎ＋１との間の距離、
Ｓ1＝光学要素１と光学要素２との間の距離、
ｎ＝光学要素の逐次数、
Ｎ＝光学要素の総数（３７８）、および
ａ＝各ノッチの透過係数（０．９９３）である。
ノッチの反射面には、反射性銀物質が塗布された。ノッチの反射面は、５２．５の角度θで配置された。発光ダイオードが光ファイバの各端面に光学的に連結され、光がファイバ内に射出された。適切な発光ダイオードとして、たとえば、ヒューレッドパッカード社が販売のモデルＨＴＷＰ−ＭＨ００発光ダイオードが挙げられる。
出現する光分布は目で検分した。照明装置は、光ファイバの長手方向の広がりに沿って実質的に均一な照明を呈した。さらに、照明装置は、クロスファイバ寸法に実質的に均一な照明を呈した。
上記の検討および実施例は、コアと、コアから光を抽出するために２つの別個の長手方向軸線のまわりに配置された複数の光学要素と、を有する光ファイバを含む照明装置のいくつかの実施態様を開示している。本発明の複数の実施態様が例示され、記載されているが、同一の結果を達成するために計算されたささいな変更が、上記に開示された特定の実施態様およびステップに取って代わることができることを光業界の当業者は理解する。本願は、本発明のそのようないずれの適合例または変形例をカバーすることを意図する。したがって、本発明は、添付の請求の範囲およびその等価物によってのみ限定されることが意図される。
【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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