JP2009509296A - 平坦なパネル光ガイドのスタックを備えた照明器 - Google Patents

Abstract

【解決手段】透明な光ガイド構造物（２）を備え、透明で平坦なパネル光ガイド（３）を備えている照明器である。それぞれのパネル光ガイドは、前記光源から光を受けて、この光を光ガイドに結合するように構成されている入射カップリング縁部（４）と、光ガイドから出る光に結合するように構成されている少なくとも一つの出射カップリング面（１０，１０ａ）とを有し、出射カップリング面は、前記光ガイド構造物の延長部の平面に沿って分配されている。本発明によるスタックされた光ガイド構造物は、大きなサイズについても製造が容易であり、主として既存の要素（平坦なパネル光ガイド）から構成される。また、このデザインでは、改良された透明度が達成される。
【選択図】図１ａ

Description

本発明は、少なくとも一つの光源から光を受けるように構成されている光ガイドを備えている照明器に関する。

透明材料（例えば、ガラス又はＰＭＭＡ）の平坦な光ガイドは、平坦で透明な照明器を、すなわち、主として屋内における照明目的のための光源を作るために使用できる。このことは良く知られており、ＬＥＤのバックライト及びフロントライトに一般的に適用されている。ＣＣＦＬ、ＨＣＦＬ、又はＬＥＤからの光が光ガイドに結合される。光学的な出射カップリング構造物、例えば、楔又は適当なコーティングを、光ガイドの表面に配置して、内部全反射の条件を取り除き、光ガイドから光を出す。

このような照明器に関する問題点は、均一な分布の光を、光ガイドから出すことである。光源の最も近くに配置される構造物（又はコーティング）は、最も多くの光を出す傾向があり、一方、光源から最も遠くにある構造物は、より少ない光を出す傾向がある。この問題点は、構造物の適切な分配によって減少させられる。

しかしながら、これは、光の効率と透明度との間のトレードオフになる。光ガイドにおけるいくつかの領域において、充分な量の光を出すには、多くの数の出射カップリング構造物が必要になる。しかしながら、これは、照明器を不透明にする。

自動車の照明装置の分野、例えば、テールランプやウィンカーなどにおいても、同様の問題点がある。一つの解決策は、米国特許公開公報第２００３／０２３５０４６号明細書に提案されており、プラスチック材料から作られた射出成形された光ガイド体が開示されている。光ガイド体は、片端において光に結合するように構成され光ガイド体の平面に対して角度を形成した表面を有する、複数の凸部にて光を出す。凸部は、本質的に互いに等間隔になっていて、出射する光が均一分布になるように確保している。光ガイド体は、円形のディスクでも良く、光源は、光ガイド体の周辺に配置される。

米国特許公開公報第２００３／０２３５０４６号明細書

自動車における照明装置としては適当であるとしても、射出成形されたプラスチックの本体は、照明器に適当なサイズに製造することができない。さらに、このようなプラスチックの本体を透明に作るのは難しい。

従って、本発明の目的は、出射光を均一に分布させることができる、改良された透明な照明器を提供することである。

本発明の第１の観点によれば、この目的及びその他の目的を達成するための照明器は、少なくとも一つの光源から光を受けるように構成されている、本質的に透明な光ガイド構造物を備えている。光ガイド構造物は、透明で平坦なパネル光ガイドのスタックを備え、それぞれのパネル光ガイドは、前記光源から光を受けて、この光を光ガイドに結合するように構成されている入射カップリング縁部と、前記光ガイドから出る光を結合するように構成されている少なくとも一つの出射カップリング面とを有している。出射カップリング面は、光ガイド構造物の延長部の平面に沿って、好ましくは均一に分配され、前記光ガイド構造物の透明度を改善している。

「本質的に透明」という表現は、出射カップリング面は、実際には、局所的には不透明であることを意味している。上述したように、これは従来技術における問題点であって、均一に分布した光を提供するためには、出射カップリング面は、光源から離れた領域では密に配置することを必要とし、透明度の低下をもたらしている。本発明によれば、多層の光ガイドのおかげで、光ガイド構造物の透明な印象を確保するように、出射カップリング面を充分に分配できる。

米国特許公開公報第２００３／０２３５０４６号明細書に開示されている射出成形された本体と比較すると、本発明による光ガイド構造物のスタックは、大きなサイズでも製造が容易であり、主として既存の要素（平坦なパネル光ガイド）から構成されている。また、米国特許公開公報第２００３／０２３５０４６号と比較すると、このデザインにおいては、改良された透明度が達成される。

さらに、光の分配は、米国特許公開公報第２００３／０２３５０４６号明細書の光ガイドと比較すると、より効率的に制御することができ、というのは、一つの特定のパネル光ガイドに入射する光は、このパネルにおける出射カップリング面から出射するためである。

薄い光ガイドのスタックを使用することで、一つの光ガイドを使用する場合と比較して、光源は、光ガイドから去る前に、多くの回数だけ反射する。これは、光の混合を改善し、特に、多色の光源（例えば、複数の異なる色のＬＥＤ）の場合に有利である。

追加的な利点は、コリメーションが保存されることである。入口側で光ガイドに入射する角度の広がりは、光ガイドから去る角度の広がりと同一である。従って、追加的な散乱又は光の斜行は生じない。

複数の平坦な光ガイドをスタックするという概念は、それ自体知られていて、例えば、透明な表示板におけるバックライトとして使用されている。しかしながら、このようなバックライトは、表示板の背面に配置され、透明である必要はない。従って、出射カップリング構造物は、透明度を低下させる懸念無しに、出射の均一分布を達成することに関して最適なやり方で、配置することができる。多層の光ガイドを使用する理由は、代表的に、バックライトから様々なタイプの光、例えば、異なる偏光の光又は異なる色の光を提供することに関連している。このような従来技術による光ガイドは、照明器の分野に存在する、透明度の問題点を解決するものとは考えられない。

パネル光ガイドは、異なるサイズを有し、すべてのパネル光ガイドにおける入射カップリング縁部は、本質的に互いに隣接するように整列されている。それぞれのパネル光ガイドは、入射カップリング縁部とは反対側の縁部を有し、これは、前記出射カップリング面の一つを形成するように構成されている。これにより、スタックされた光ガイド構造物は、片端から光を受けて、この端部とは反対側の縁部から、光を出射する。パネル光ガイドは異なるサイズを有しているので、これらの反対側の縁部は、構造物の長さに沿って分配される。好ましくは、反対側の縁部が、構造物の長さに沿って均一に分布するように、サイズが選択される。

反対側の縁部にてすべての光を出射させることで、光ガイド構造物は光効率的になる。すべての光は、それぞれの光ガイドの端部にて出射して、斜めの角度での光の再循環又は光の出射は存在しない。

パネル光ガイドは、好ましくは、形状が等しくて、例えば、矩形又は円形である。これは、個別のパネル光ガイドの製造について、及び、スタックされた光ガイド構造物の組立について、製造をさらに容易にする。

パネルは、さらに好ましくは、サイズの順に、すなわち最も大きなものから最も小さいものへとスタックられ、それぞれのパネル光ガイドは、スタックにおける別のパネル光ガイドによって被覆されていない片端を有してなる自由部分を有している。これは、反対側の縁部が楔の斜面に段を形成する場所では、粗い楔形状になる。

それぞれのパネル光ガイドの自由部分における出射カップリング面は、被覆されていない側での光の出射に構成されている。この側における光の出射カップリングによって、プレートのスタックを通り抜ける光のフレネル損失が生じる境界は少なくなる。

反対側の縁部は、光ガイドの幅を横切って本質的に直線状であり、平行に整列されるか、または、曲線状であり、等間隔に整列される。このようなデザインは、これらの反対側の縁部から出射した光を、均一に分布させることを可能にする。

光の出射カップリングは、様々な方法によって確保される。例えば、それぞれの出射カップリング縁部は、斜めに形成され、パネル光ガイドの延長部の平面によって、光ガイドに結合された光は、出射カップリング縁部における反射によって光ガイドから出るように導かれる。この効果は、出射カップリング縁部に反射面を適用することで高められる。反対側の端部に沿って光が出射するのを確保するために、他の出射カップリング構造物を採用しても良い。

本発明のさらの別の実施形態によれば、光ガイド構造物は、少なくとも２つの光源からの光を受けるように構成されている。これらの光源は、例えば、光ガイド構造のいずれかの側に配置される。

構造物のパネル光ガイドは、第１の光源から光を受けるように構成されている、第１の組の光ガイドと、第２の光源から光を受けるように構成されている、第２の組の光ガイドとを備えている。

変形例としては、少なくとも一つのパネル光ガイドは、２つの入射カップリング縁部を有し、それぞれ、光源の一つから光を受けるように構成されている。このようなパネル光ガイドは、２つの光源の間に延びて、これに沿って、出射カップリング面を分配されて有している。

出射カップリング面はさらに、入射カップリング縁部と反対側の縁部との間に配置されてなる、中間出射カップリング面を備えている。このような中間面は、光の一部分の通過を許容し、光ガイドの反対側の縁部によって出射させるために、１未満の屈折率を有するべきである。これらの余分な出射カップリング面は、照明器のまぶしさを減少させるように働くが、というのは、輝度が大きな領域に広がり、均一な出射を作るように使用されるためである。

本発明の第２の観点によれば、複合照明器は、２つの照明器を備え、それぞれ、光源と、異なるサイズのパネル光ガイドを備えている光ガイド構造物とを有している。前記照明器における光ガイド構造物は並列位置に配置され、第１の光ガイド構造物における出射カップリング縁部は、第２の光ガイド構造物における出射カップリング縁部に対して、直面して整列されている。これにより、光ガイド構造物は、２つのスタックから形成され、それぞれ、好ましくは、互いに合致するように楔形状になっている。

本発明のこの観点及びその他の観点については、本発明の現時点における好ましい実施形態を示した添付図面を参照しつつ、以下に、より詳細に説明する。

図１ａは第１の実施形態を示していて、光源１と、異なるサイズの平坦なパネル光ガイド３のスタック２とを備えている。光源は、ＬＥＤで良く、あるいは色の付いたＬＥＤで良いが、ＲＧＢのＬＥＤの組合せ、ＣＣＦＬ、または、任意の他のタイプの適当な光源で良い。それぞれの光ガイドは、単一の誘電性材料のスラブか、または、誘電性材料の組合せから作られている。適当な誘電性材料には、異なった透明材料、例えば、様々なタイプのガラス、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）などが含まれる。また、導波管は、導波管反射鏡によって少なくとも部分的に取り囲まれた空気でも良い。誘電性材料のスラブを備えた導波管は、その機能を、内部全反射（ＴＩＲ）、反射鏡、または、ＴＩＲと、縁部及び／又は上部及び／又は底部の表面の反射鏡との組合せに頼っている。

それぞれの光ガイドは、光源１から光を受けて光５と入射結合するように構成されてなる一つの縁部４を有し、反対側の縁部６に沿って出射カップリング面１０が設けられている。光ガイドにおける残りの縁部は、適当な角度にて光ガイドに入射した光に内部全反射を提供するように構成されている。

パネルのサイズの選択は、これらの出射カップリング面５が、パネルの延長部の平面に沿って分配され、出射光に均一な分布を提供するように定められる。図１ａの模式的な平面図において、これは、方向Ａにおける均一な分布によって指示されている。

図示の実施形態においては、パネルはさらに、サイズの順に配置され、それぞれのパネル３の端部部分７は、片側に隣接するパネルだけによって被覆されている。従って、この部分は、他のパネルによって覆われていない、自由側部８を有している。

光ガイドのスタックに入る光は、適当な入射結合構造物９によって、事前にコリメートされる。実用的な用途においては、照明器から去る光が、限られた角度範囲を有することが、しばしば必要とされる。代表的に、角度の広がりは、±３０度に制限される。事前のコリメーションにおける光の角度の広がりが、（光が光ガイドに入る前に）±３０度に制限されるならば、照明器から去る光は、同一の角度の広がりを有し、照明器は自動的に、この境界条件を満足する。

光ガイドは、適当な接着剤１１を用いて、互いに取り付けられる。接着剤の選択は、スタックの透明度を劣化させない屈折率を有するように、また、これと同時に、入射光の充分な角度範囲について、内部全反射の状態を確保するような光ガイド間の境界を提供するように、定められる。概して、低い屈折率を有する接着剤が有利である。

光が事前にコリメートされている場合には、約１．４以下の屈折率を有するグルーを使用して、光ガイドを互いに取り付けても良い（±３０度、及び光ガイドの屈折率が１．５であると仮定する。）。この場合には、一つの光源によって供給される単なるプレートの代わりに、すべてのプレートがグルーで一緒に付けられる。

実用的な実施形態においては、光ガイドのスタックは、埃及び引っかき傷に対して保護される必要がある。このためには、外側のプレートに、引っかき傷防止コーティングを塗布するか、または、光ガイドのまわりに透明な箱（図示せず）を設ける。

一つの例によれば、反対側の縁部は、パネルの延長部の平面に対して角度をなすように形成される。角度は、光ガイドから光が出射カップリングできるように選択され、好ましくは、およそ４５度である。縁部は、図１ａに示したように向けられ、光は、スタックの中へ反射される。変形例としては、図１ｂに示すように、反対側の縁部６の角度は、端部部分７の自由側８に光を出射するように適合しても良い。

表面には、追加的に、反射向上コーティング、例えば、ＥＳＲホイル（３Ｍ）、多層反射材、誘電性又は金属製の反射膜などを設けても良い。表面を完全に反射的にする（反射係数を１に等しくする）ことで、光ガイドに入射したすべての光は、出射カップリング面１０から出射する。

それぞれの光ガイドには、追加的に、１又は複数の中間出射カップリング面１０ａを、入射カップリング縁部４と反対側の縁部６との間に設けても良い。これらの中間出射カップリング面１０ａは、延長部の平面に対して角度を形成し、反対側の縁部６に沿った出射カップリング面と同様な機能を有する。しかしながら、表面１０ａは、光ガイドに沿って光の一部分が続くように、１未満の反射率を有しなければならない。中間面１０ａは、上述した材料の一つ、低い屈折率のグルー、または、単に空気の隙間を含むことができる。

中間面１０ａは、必ずしも、光ガイドの全幅にわたって延びているわけではない。逆に、光ガイドを一体的な部品として形成するために、断面の一部分に沿って中間面を提供することが有利である。中間面が、光ガイドの全幅にわたって延びて形成されるならば、パネル光ガイドは複数の部品から形成され、傾斜した境界に沿って互いに取り付けられ、これらの境界は、一体的な出射カップリング面を形成する。

本発明の第２の実施形態によれば、図２に示すように、照明器は、２つの光源１０１ａ，１０１ｂと、２つのスタック１０２ａ，１０２ｂとを備えている。前述したように、それぞれのスタックにおける光ガイド１０３は、互いに取り付けられ、これに加えて、２つのスタック１０２ａ，１０２ｂは、部分的にグルーで一緒に付けられて、より堅固な構造物を形成している。

図２の照明器は、基本的には、図１に示した２つの照明器の組合せである。光は、両側から入射し、それぞれの光ガイドにおけるそれぞれの出射カップリング面から出射する。好ましくは、それぞれの光ガイド１０３における反対側の縁部１０６に沿った出射カップリング面１１０は、すべての入射光を反射するように適合していて、一つの光ガイドのスタックから別のスタックへと逃げる光は存在しない。

本発明の第３の実施形態によれば、図３ａ及び図３ｂに示すように、照明器は、２つの光源２０１ａ，２０１ｂと、等しいサイズのパネル光ガイド２０３からなる一つのスタック２０２とを備えている。図２の照明器と比較して、図３の照明器は、２つの別々のスタックを備えていない。代わりに、スタックにおけるそれぞれのパネル光ガイド２０３は、２組の出射カップリング面２１０を有し、スタックの延長部の平面に対して、異なる角度を形成している。図示の事例においては、これらの角度は、±４５度である。

図３ａに示した実施形態においては、出射カップリング面２１０は、光ガイド中に形成され、図１を参照して説明した、中間出射カップリング面１０ａに類似している。原則として、出射カップリング面２１０は、図２の組み合わせられたスタックにおける出射カップリング面１１０と同様に配置され、図２の組み合わせられたスタックと同様な特性を有するスタックが得られている。

すべての出射カップリング面が部分的に反射的（１未満の反射率）であるならば、一つの光源からの光の一部分は、光を下向きに反射するように配置された、すべての出射カップリング面を通り抜ける。この一部分は、他の光源からの光を反射するように構成されている出射カップリング面の裏側に入射し、その一部分は、上向きに反射する。準反射的な出射カップリング面の数と、それらの反射率とを適合させることで、光源からの光は、所望の特性において、下向きと上向きとに分割できる。

変形例としては、図３ｂに示すように、楔形の溝部２１２を、それぞれのパネル光ガイド２０３に形成し、これにより、２つの出射カップリング縁部２０６を作っている。それぞれのパネル光ガイドにこのような溝部を形成してから、連続するパネルを上部に配置することで、図２の組み合わせられたスタックに極めて類似したスタックを、別の方法で製造して形成することが可能である。

図１乃至図３に示した照明器の形状は、矩形であって、光は、片側から又は２つの反対側から入射される。しかしながら、本発明は、矩形の形状の照明器に限定されない。図４に示すように、様々なその他の形状が可能であり、光源は、中央に又は周辺に配置される。図４ａは、中央に光源を備えた円形の照明器を示し、図４ｂは、周辺に光源を備えた円形の照明器を示し、図４ｃは、中央に光源を備えた４つの三角形の照明器であって、矩形又は正方形の照明器を形成するように配置されるものを示している。

本発明は、いかなる意味でも、上述した好ましい実施形態に制限されない。逆に、特許請求の範囲の範囲内において、多くの変形例及び改変例が可能であることがわかる。例えば、パネル光ガイドは、異なる順に配置でき、また、斜めの縁部に加えて又は代えて、様々な他の出射カップリング構造物を採用することができる。

図１ａは、本発明の第１の実施形態による照明器を示した側面図である。 図１ｂは、図１ａの照明器の変形例を示した側面図である。 図２は、本発明の第２の実施形態による照明器を示した側面図である。 図３ａは、本発明の第３の実施形態による照明器を示した側面図である。 図３ｂは、図３ａの照明器の変形例を示した側面図である。 図４ａ乃至図４ｃは、本発明による照明器の可能な形状の例を示している。

Claims (16)

1. 少なくとも一つの光源から光を受けるように構成されている本質的に透明な光ガイド構造物（２；１０２ａ，１０２ｂ；２０２）を備えた照明器であって、
   前記光ガイド構造物は、透明で平坦なパネル光ガイド（３；１０３；２０３）のスタックを備え、それぞれのパネル光ガイドは、前記光源から光を受けて、この光を光ガイドに結合するように構成されている入射カップリング縁部（４）と、前記光ガイドから出る光に結合するように構成されている少なくとも一つの出射カップリング面（１０，１０ａ；１１０；２１０）とを有し、
   前記出射カップリング面は、前記光ガイド構造物の延長部の平面に沿って分配され、前記光ガイド構造物の透明度を改善している、
   ことを特徴とする照明器。
2. 前記パネル光ガイド（３；１０３；２０３）は、異なるサイズを有し、すべてのパネル光ガイドにおける入射カップリング縁部（４）が本質的に互いに隣接して配置されるように構成され、それぞれのパネル光ガイドは、前記入射カップリング縁部とは反対側に、前記出射カップリング面の一つを形成するように構成されている縁部（６；１０６；２０６）を有している、
   請求項１に記載の照明器。
3. 前記パネル光ガイド（３；１０３；２０３）は、本質的に同様な形状を有している、
   請求項２に記載の照明器。
4. 前記パネル光ガイドは、サイズの順にスタックされ、それぞれのパネル光ガイドの端部部分（７）は、スタック（２）における別のパネル光ガイドによって被覆されていないような一つの側部（８）を有している、
   請求項２又は３に記載の照明器。
5. それぞれの光ガイドの端部部分（７）における出射カップリング面は、前記被覆されていない側部（８）の方向に、光を結合して出すように構成されている、
   請求項４に記載の照明器。
6. 前記反対側の縁部（６；１０６；２０６）は、本質的に直線状であり、平行に整列されている、
   請求項２乃至５のいずれか１項に記載の照明器。
7. 前記反対側の縁部（６；１０６；２０６）は、曲線状であり、等距離に整列されている、
   請求項２乃至５のいずれか１項に記載の照明器。
8. それぞれの反対側の縁部は、パネル光ガイドの延長部の平面に対して形成している角度は、光ガイドに入射した光が、前記反対側の縁部における反射によって、光ガイドから出射して導かれるようになっている、
   請求項２乃至７のいずれか１項に記載の照明器。
9. 前記反対側の縁部（６；１０６；２０６）は、反射面を備えている、
   請求項８に記載の照明器。
10. 前記光ガイド構造物（１０２ａ，１０２ｂ，２０２）は、少なくとも２つの光源（１０１ａ，１０１ｂ；２０１ａ，２０１ｂ）からの光を受けるように構成されている、
    請求項１に記載の照明器。
11. 前記光ガイド構造物は、第１の光源（１０１ａ）から光を受けるように構成されている、第１の組の光ガイド（１０２ａ）と、第２の光源（１０１ｂ）から光を受けるように構成されている、第２の組の光ガイド（１０２ｂ）とを備えている、
    請求項１０に記載の照明器。
12. 少なくとも一つのパネル光ガイド（２０２）は、２つの入射カップリング縁部（２０４ａ，２０４ｂ）を有し、それぞれ、前記光源（２０１ａ，２０１ｂ）の一つから光を受けるように構成されている、
    請求項１０に記載の照明器。
13. 請求項２乃至９のいずれか１項に記載の２つの照明器から構成される複合照明器であって、
    前記照明器における光ガイド構造物（１０２ａ，１０２ｂ）は並列位置に配置され、第１の光ガイド構造物における出射カップリング縁部は、第２の光ガイド構造物における出射カップリング縁部に対して、対面して整列されている、
    ことを特徴とする複合照明器。
14. 前記出射カップリング面は、１未満の屈折率を備えた、中間出射カップリング面（１０ａ；２１０）を備えている、
    請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の照明器。
15. 前記入射カップリング縁部（４）に光を結合するように構成されてなる、少なくとも一つの光源（１）をさらに備えている、
    請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の照明器。
16. それぞれのパネル光ガイドは、所定範囲の入射角度を有する光について、内部全反射状態を提供するように構成されている、
    請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の照明器。

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