JP2002506268A - レンチキュラー照明システム - Google Patents

レンチキュラー照明システム

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ダブリユ． ビーソン，カール
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Abstract

(57)【要約】 光を受容し内部全反射により光を伝達する導波管（１６）を備えるシステム（２）。レチキュラーミクロプリズム（２８）からなるアレイが導波管（１６）の片面に付設され、光入射面（３０）を有する各ミクロプリズム（２８）が導波管（１６）及び光出力面（３２）と光連結される。光入射面（３０）は多くのテーパ付けされた溝（３４）により形成され、溝により導波管（１６）からの光の漏れが防止され、更にミクロプリズム（２８）内に光が再配向される。導波管（１６）から漏れる光はテーパ付けされた溝（３４）の側壁（３６、３８）で反射され、空間的に配光される光源としてミクロプリズム（２８）から出る。レチキュラーマイクロレンズ（６０）からなるアレイはミクロプリズム（２８）の出力を受容しマイクロレンズ（６０）から送出される光が実質的に平行な光源とするように配置可能である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （技術分野） この発明は平行光用の光学照明システム、特に複数のレチキュラー光マイクロ
プリズム及びマイクロレンズを有し、非平行光源から放出された光を再配光し別
個にあるいは組み合わせて非拡散あるいは実質的に平行な光源出力を与える照明
システムに関する。
【０００２】 （背景技術） 多くの光照明の用途においては非拡散あるいは平行な光の光源を製作して効果
的な光出力を与える必要がある。平行光を生じる光源をコンパクトな設計あるい
は狭い領域内に配置する場合の代表的な問題として、（１）不均等な光分布、（
２）制御された方向への光出力の不足、（３）平行な光出力の量対非平行光に入
力量に関する不足、及び（４）平行な光光源を与える装置の製造法が挙げられる
。
【０００３】 従って光照明業界では均等な光分布を有し且つ狭い分布を維持するエネルギ効
率の良い光源を与える照明装置を提供することが求められている。
【０００４】 従来の欠点が含まれた代表的な照明システムとしては全て本願と同一の譲受人
に譲渡され参考にここに供される米国特許第５，５５５，３２９号、第５，５２
１，７２５号、第５，４２８，４６８号、及び第５，３９６，３５０号が挙げら
れている。
【０００５】 （発明の開示） 本発明はエネルギ効率の良い非拡散あるいは実質的に平行光の光源（以下にお
いて“空間的に配光される光源”とも呼ぶ）を与える照明システムに関する。更
に本発明は低い分布で空間的に配光される光源をなす点灯装置に関する。
【０００６】 本発明は屈折率ｎ１を有する光伝達手段を備え、光伝達手段は光伝達手段から
光を除去する手段の光入力面と光学的に協動して光を伝達し、この光を出力面に
対し反射させ且つ屈折率ｎ２を有し、ここに光入力面の導通が屈折率ｎ３（ｎ３
＜ｎ１，ｎ２）を有する領域により中断されるように構成される。
【０００７】 更に詳述するに、本発明は伝達用の非拡散入力光源を導波管あるいは他の光伝
達手段内に収納するよう構成された照明システムである。この反射手段は光伝達
手段と光学的に連係されており、光伝達手段から光を除去してその光を出力面へ
と再配向する。また付加的構成として、低い屈折率の層が光伝達手段と光反射手
段との間に配設される。光反射手段は導波管と光学的に協動する光入力面を有す
るレチキュラーマイクロプリズムからなるアレイとして構成され得、またレチキ
ュラーマイクロプリズムアレイは更にマイクロレンズからなるアレイと光学的に
協動し、これによりマイクロプリズムは光伝達手段とマイクロレンズとの間に動
作可能に配設される。光入力面は多くの破断部により形成され、これにより導波
管からマイクロプリズムへ光が逃げることが防止される。本発明の光反射手段に
より、低い分布装置内に設けられた空間的に配光される光源のエネルギ効率の良
好な分布を与える。
【０００８】 本発明の他の利点及び新規な特徴は以下の説明で延べ、その一部は本発明の以
下の実施形態あるいは本発明の実施の際に理解できることが当業者に明らかであ
ろう。本発明の目的及び利点は添付の特許請求の範囲の項で詳記された構成素子
およびその組合せにより実現できる。
【０００９】 本発明の他の目的及び利点は添付図面に添い下述する詳細な説明から明らかと
なろう。
【００１０】 （発明を実施するための最良の形態） 本発明の好ましい実施形態は図面を参照することにより当業者により良く理解
されよう。図示した本発明の好ましい実施形態は本発明を開示する正確な形態と
して限定したり制限するものではない。これらの実施形態は本発明の原理若しく
はその使用可能な用途または使用を説明するとき選択され、当業者が本発明を最
良の利用を可能にし得る。
【００１１】 本発明の好ましい一実施形態を図１に示す。図示のシステム２は光発生手段１
４と、受光面１７を有する導波管１６と、導波管１６と光学的に協動する透明な
反射手段１８とを含む。光学的に協動するとは、光が導波管１６から反射手段１
８へ反射可能にする導波管１６と反射手段１８との間の関係を意味することを企
図する。有用な光発生手段１４とはレーザー、蛍光管、発光ダイオード、白熱ラ
ンプ、日光等を指す。
【００１２】 反射手段１８は接着促進層としても機能する低屈折率層２６と、レチキュラミ
クロプリズム２８でなるアレイとからなる。ミクロプリズム２８の長さは導波管
１６を経、ほぼ光移動方向に対し整合される。一例として示す光線１５ａ−１５
ｃにより明らかなように、光は導波管１６を通り全内部反射（ＴＩＲ）によって
ほぼＸ軸方向に反射し光入射面３０を経てミクロプリズム２８に導入され、光出
力面３２を経てミクロプリズム２８から送出される。光入射面３０は選択された
面の空隙３４により区画され、空隙は光入力面に沿って存在する場合、光線１５
ｃにより示される如く導波管から反射手段への光の伝達を禁止する。空隙３４は
導波管１６あるいは屈折率層２６の屈折率より小さな屈折率を有する材料により
溝として形成されることが特徴的であり、光入射面３０の連続性が中断される。
【００１３】 また図２を参照するに、空隙３４は側壁３６、３８により区画される割れ目領
域であり、またミクロプリズム２８と空隙３４との屈折率間の境界部をなす。空
隙３４は形状がテーパー付けされ長手の形状を有し、導波管の近傍の空隙の「底
部」の幅が空隙の「頂部」の幅より広く構成される。面３６、３８は、平担、湾
曲あるいは切り子面状にできる。ここでは一例として空隙３４が側壁３６、３８
を有するＶ型溝として図示される。側壁３６、３８を有する空隙３４はミクロプ
リズム２８を貫通してＸ軸の光線移動方向に対しほぼ垂直な方向に延びている。
好ましくは空隙３４はミクロプリズム２８の全幅に亙り延びているが、必ずしも
その構成に限られる必要はない。側壁３６、３８が平担な場合、側壁のなす角度
は光入射面３０の法線に対しそれぞれθ、θ′である。導波管１６あるいは屈折
率層２６と空隙３４との間の屈折率の差のため空隙３４により、図１に示すよう
に光がミクロプリズム２８に導入されることが防止される。空隙３４の割れ目領
域の屈折率は導波管１６あるいは屈折率層２６の屈折率より小さくする要がある
。空隙３４の好ましい材料としては、１．００の屈折率を有する空気、及び約１
．１６〜約１．４０の屈折率を有するフルオロポリマー材料が挙げられる。最良
の材料は空気である。更に側壁３６、３８により光線の一部が再配向され光入射
面３０を経てミクロプリズム２８に導入される。
【００１４】 図２を参照するに角度θ、θ′は等しくする必要がない。角度θ、θ′により
ミクロプリズムから漏れる光の方向が制御され、この角度は出力光の平行度を決
定するために重要である。これら角度は光の所望の出力角度及び所望の平行度に
より広範囲に亙り変化可能である。単一の光源が図１に示すような用途で使用さ
れると、角度θの値のみが再配向するために重要である。側壁３６、３８が平担
であり所望の出力角度が導波管の平面に対し垂直である特殊な場合、角度θの所
望値は約１５度〜約５０度の範囲内にある。より好ましい値は約２０度〜約４０
度の範囲内である。光線がＸ軸方向の両方に移動する場合、角度θ′の値は重要
である。これは例えば反射手段２５が受光面１７と反対の導波管１６の面に塗布
されたり（図１参照）、あるいは第２の光源１４ａが図４に示すように使用され
る場合、可能である。反射手段２５は鏡、反射テープあるいは他の高反射材料を
使用可能である。
【００１５】 導波管１６は光を通過させる材料であればどのような材料でも使用できる。導
波管１６は好ましくは約４００〜約７００ｎｍの範囲内の光を通過させる。導波
管１６の好ましい屈折率は約１．３０より大きい。より好ましい屈折率は約１．
４０〜約１．６５の範囲内である。好ましい材料としては、透明なポリマ、ガラ
ス及び溶融シリカが挙げられる。これらの材料の所望の特性としては、装置の代
表的動作温度で機械的及び光学的に良好な安定性が含まれる。最良の材料はガラ
ス、アクリル、ポリカーボネート及びポリエステルである。また導波管は光入力
面を区画する領域以外反射面を有する空洞部とすることができる。空洞部の反射
率はアルミニウム被覆の平滑面を用いて得られる。
【００１６】 ミクロプリズム２８は透明な固形材料から構成可能である。好ましい材料は屈
折率が約１．４０〜約１．６５の間であり、ポリメチルメタクリレート、ポリカ
ーボネート、ポリエステル、ポリ（４−メチルペンテン）、ポリスチレン、アリ
ルジグリコールカーボネート、ポリ（スチレンーコーアクリロニトリル）、ポリ
（スチレンーコーメチルメタアクリレート）、シリコーン、アクリレートモノマ
ー類の光重合により形成されるポリウレタン類及びポリマー類を含む。
【００１７】 図４を参照するにミクロプリズム２８は光入射面３０及び光出力面３２を有す
る６個の側壁を有する幾何学形状をなすよう構成され、この場合光出力面３２の
表面積は光入射面３０の表面積より大きい。ミクロプリズム２８は更に２対の対
向配置される側壁４６、４８及び５０、５２を含む。側壁５０、５２はミクロプ
リズム２８を経て伝播する光を効果的に反射し再配向する。多くの場合側壁４６
、４８は光学的機能を有していない。一方側壁４６、４８を傾斜させて空隙３４
から反射する光が側壁４６、４８に当たらないようにする必要がある。
【００１８】 図５を参照するに側壁５２、５０は導波管１６の表面の法線に対し傾斜角Φを
なす。側壁５２、５０により、出力平行度が光伝達手段の入力部１７に対し平行
な方向へ制御される。傾斜角Φの所望値は約０度〜約３０度の範囲内にある。傾
斜角Φのより好ましい値は約５度〜約２０度の範囲内にある。好ましくは、側壁
５２、５０と連係する傾斜角Φは等しいが必ずしも等しくする必要はない。
【００１９】 高さ５４は表示装置若しくは点灯用途の寸法及び解像度により広く変化可能で
ある。即ち、ラップトップコンピュータの表示装置及び航空電子工学の表示装置
のような小さな表示装置は大きなスクリーンの平担パネルテレビ装置のような大
きな表示装置に比べ寸法が大幅に減少され得る。
【００２０】 図１を参照するに低屈折率層２６は導波管１６の屈折率より小さな屈折率を有
し、透光性である材料で造られる。低屈折率層はふっ化マグネシウムのような無
機材料あるいはシリコーンのような有機材料を使用可能である。低屈折率層２６
がまた接着促進層である場合、これによりミクロプリズム２８が特にポリマーか
ら造られるマイクロプリズムが導波管１６に対し強固に接着する。低屈折率層２
６の厚さは重要ではなく広い範囲で変化可能である。本発明の好ましい実施形態
では低屈折率層２６の厚さは約７５マイクロメータより小さい。
【００２１】 また図４を参照するにミクロプリズム２８はＹ方向に反復した距離４０を持た
せることができることは当業者には明らかであろう。更に空隙３４の反復距離４
２はＸ方向に変化可能である。距離４０、４２は電子表示装置の解像度及び寸法
あるいは点灯用途のルーメン出力条件により変化可能である。また図３ａに示す
ような単一光源としての用途の場合、光発生手段１４からの距離が増加するに応
じ導波管１６の内側の光の強さの減少を補償するため、距離４２は導波管１６を
横切り広く変化可能である。この場合距離４２は受光面１７に接近させてより小
さく光源１４から離れるに伴い次第に移動が増加する。本質的には接近させて離
間された空隙３４により受光面１７と近接する光入力面面積量が減少され、一方
広く離されて接近された空隙３４により受光面１７から離れた光入力面面積量が
増加される。また光入力面は図３ｂに示すように中断部３４の深さ４１を変化さ
せることによりミクロプリズム２８を横切り変化可能である。
【００２２】 別の実施形態の場合、反射手段１８は図６に示すように円筒状マイクロレンズ
６０のレチキュラーアレイとして構成される。またレチキュラーマイクロレンズ
の湾曲形状は例えば断面が楕円若しくは放物線のような円筒状以外のものにでき
る。マイクロレンズ６０はミクロプリズム２８に近接して配置される。マイクロ
レンズ６０の屈折率は好ましくはミクロプリズム２８の屈折率と等しい。一方マ
イクロレンズ６０はミクロプリズム２８と分離した工程で製造され、任意の透明
材料、例えば当初で掲示した材料が使用可能である。別の工程を用いてマイクロ
レンズ６０を製造する場合、マイクロレンズ６０の屈折率がミクロプリズム２８
の屈折率と等しいかあるいは実質的にに等しいことが好ましい。マイクロレンズ
間の中心から中心への距離はミクロプリズム２８の反復距離４０と関連付けられ
る。即ち各ミクロプリズム２８では、各ミクロプリズム２８の光出力面３２と整
合する対応マイクロレンズ６０が存在する。
【００２３】 スペーサ６２によりマイクロレンズ６０とミクロプリズム２８とが分離される
。スペーサ６２の厚さは最適化され、ミクロプリズム２８からの光がマイクロレ
ンズ６０により平行にされる。好ましくはスペーサ６２はミクロプリズム２８及
びマイクロレンズ６０の成形に使用されるものと同じ工程で成形される。一方一
般にスペーサ６２は透明材料とは別に製造可能である。好ましい材料としては透
明のポリマ、ガラス及び溶融シリカが挙げられる。好ましくはスペーサ６２の屈
折率はミクロプリズム２８及びマイクロレンズ６０の屈折率に等しいかあるいは
実質的に等しい。これらの材料の望ましい特性として、装置の代表的な動作温度
での機械的及び光学的な安定性が含まれる。より好ましい材料はガラス、アクリ
ル、ポリカーボネート及びポリエステルである。
【００２４】 マイクロレンズ６０とは別個、あるいは組み合わせたミクロプリズム２８のア
レイは、射出成形、圧縮成形、鋳造、ホットローラプレス鋳造、型内の光重合、
及び型に採用しない光重合工程を含む成形法のような当業者に周知な多様の方法
により製造可能である。本発明の従来例より優れている一の利点は型内の自由な
樹脂の流れを容易にすることにより製造工程が容易となるレチキュラー構成が得
られることにある。好ましい製造法とはミクロプリズム２８の一のアレイ、マイ
クロレンズ６０の一のアレイ及びスペーサ６２からなる反射手段１８が単一の一
体ユニットとして製造可能な製造法である。この方法の利点は、アレイが別個に
製造され、次に上述した環形で付設された場合マイクロプリズム及びマイクロレ
ンズのアレイ間の整合誤差を除去できることにある。好ましくは反射手段１８は
射出成形あるいは圧縮成形により製造され得る。
【００２５】 実験例： ポリエチレン部品は図６に示すように円筒状レンズと組み合わせたレチキュラ
ープリズムと共に射出成型した。レチキュラープリズムの幅はプリズムの基部で
０．０１２５インチ（約０．０３１ｃｍ）、プリズムの頂部で０．０２０インチ
（約０．０５０ｃｍ）にした。プリズムの高さは０．０１９インチ（約０．０４
８ｃｍ）にした。円筒状レンズは厚さ０．０２５インチ（約０．０６３ｃｍ）の
ポリスチレンスペーサ層によりプリズムの頂部から分離した。各レチキュラープ
リズムに対し１個の円筒状レンズを設けた。円筒状レンズは曲率半径が０．０２
４インチ（約０．０６０ｃｍ）で、プリズムの頂部と整合した。レチキュラーレ
ンズはプリズムの長手方向に沿って０．０１６インチ（約０．０４０ｃｍ）毎に
配置されるＶ型溝あるいは空隙を有していた。溝の深さは０．００９７インチ（
約０．０２４ｃｍ）にした。
【００２６】 ポリスチレン部品は厚さ０．００１インチ（約０．００２ｃｍ）のシリコーン
感圧接着層を用いて透明アクリル導波管に付設した。シリコーン感圧接着層の屈
折率は１．４１であり、これはアクリル導波管の屈折率（屈折率＝１．４９）及
びポリスチレン成形部品（屈折率＝１．５９）の両方より低かった。２個の蛍光
ランプからの光はアクリル導波管の対向する２端部内へ向かって結合された。光
の全体の方向はレチキュラープリズム及び付設された成形部品のレンズの方向に
対し平行（視準）であった。導波管内の光はシリコーン層を通過し成形部品が感
圧接着層と接触する領域で成形部品内に導入可能であった。空隙（屈折率＝１．
００）により示される導波管上の表面積により光が導波管から通過できないもの
とした。空隙の壁部によりレチキュラープリズム内で光が再配向された。成形部
品から出た光は導波管の平面に対しほぼ垂直な方向に極めて平行な光であった。
この光の平視準角（最大半点（ｈａｌｆ ｍａｘｉｍｕｍ ｐｏｉｎｔｓ）での
ピークの全幅）は１方向で±１４度、その垂直方向で±１３．７度であった。２
つの垂直方向での光分布の断面が図７に示される。
【００２７】 上述した特定の実施形態は本発明の原理を単に説明するためのものであり、各
種の設計変更が本発明の範囲及び精神から離れることなく当業者により実行可能
であり、本発明は添付の請求項によりのみ限定されることは理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は単一の入力光源に関連する本発明の１実施形態の説明図である。
【図２】 図２は図１の実施形態の説明図である。
【図３ａ】 図３ａは本発明の別の実施形態の説明図である。
【図３ｂ】 図３ｂは本発明の別の実施形態の説明図である。
【図４】 図４は図１の実施形態の斜視図である。
【図５】 図５は図１の実施形態の別の説明図である。
【図６】 図６は本発明の別の実施形態の斜視図である。
【図７】 図７は図６の実施形態により光が平行にされるとき２垂直方向への光出力分布
を示すグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，Ｅ Ａ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ， ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，Ｎ Ｏ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ， ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者 ビーソン，カール ダブリユ． アメリカ合衆国 ニユー ジヤージイ州 08540，プリンストン，クリストフアー ドライブ 269

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 屈折率ｎ１を有する光伝達手段を備え、光伝達手段は光伝達
    手段から光を除去する光除去手段の光入力面と光学的に協動して光を伝達し、こ
    の光を出力面に対し反射させ且つ屈折率ｎ２を有し、ここに光入力面の導通が屈
    折率ｎ３（ｎ３＜ｎ１，ｎ２）を有する領域により中断されるように構成されて
    なる照明システム。
  2. 【請求項２】 光除去手段がレチキュラーである請求項１記載の照明システ
    ム。
  3. 【請求項３】 屈折率ｎ３を有する領域がテーパ付けされた容積部を形成し
    てなる請求項１記載の照明システム。
  4. 【請求項４】 屈折率ｎ２とｎ３との間の境界部により光除去手段内で光が
    反射されるように構成されてなる請求項３記載の照明システム。
  5. 【請求項５】 テーパ付けされた容積部がＶ形状を有する請求項３記載の照
    明システム。
  6. 【請求項６】 屈折率ｎ１及び光入力を受ける第１の受光面を有する光伝達
    手段とレチキュラーマイクロプリズムからなるアレイとを備え、マイクロプリズ
    ムアレイはｉ）屈折率ｎ２（ｎ２＜ｎ１）の所定の割れ目領域を有し光伝達手段
    から光を受ける光入力面と、ｉｉ）光入力面の表面積おり大きな表面積を有する
    光出力面とを含んでなる空間的に配光される光源を構成してなる照明装置。
  7. 【請求項７】 光出力面が光入力面に対し平行にされてなる請求項５記載の
    照明装置。
  8. 【請求項８】 光出力面が湾曲して構成されてなる請求項５記載の照明装置
    。
  9. 【請求項９】 ａ）屈折率ｎ１及び光入力を受ける受光面を有する光伝達手
    段と、ｂ）光伝達手段からの光を受ける長さ及び幅の光入力面を有するレチキュ
    ラーマイクロプリズムからなるアレイとを備え、光入力面は屈折率ｎ２（ｎ２＜
    ｎ１）の所定の割れ目領域を有し、光出力面が光入力面の表面積より大きな表面
    積を有し、各マイクロプリズムの長さが光伝達手段を経る光の実質的に移動方向
    に整合され、割れ目領域が光移動方向に対し垂直な方向に全体に整合されてなる
    、空間的に配光される光源を構成してなる照明装置。
  10. 【請求項１０】 光出力面が湾曲されてなる請求項９記載の照明装置。
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