JP2590072B2 - 光の方向変換装置 - Google Patents

光の方向変換装置

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JP2590072B2 JP61221041A JP22104186A JP2590072B2 JP 2590072 B2 JP2590072 B2 JP 2590072B2 JP 61221041 A JP61221041 A JP 61221041A JP 22104186 A JP22104186 A JP 22104186A JP 2590072 B2 JP2590072 B2 JP 2590072B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [発明の属する技術分野] 本発明は、光の方向変換装置に係り、特に、ある範囲
のあらゆる方向からの光を取入れてそれを一定範囲内の
方向の光に変換する装置に関する。
[従来の技術] 入射方向が漸次変化する光、例えば太陽光を取入れて
利用する場合、その有効利用のためには、光が入射する
方向を向くように制御される光追尾装置が必要である。
このような光追尾装置の設置によって、光取入部を入
射光の方向に常に向けるようにすれば、入射光を最も有
効に取入れることができる。しかし、例えば太陽光の入
射方向は季節の変化により、また朝から夕方への時間の
経過により刻々変化するので、有効な光追尾装置は複
雑、高価なものとなり、実用的ではない。
この問題を解決するために、例えば特開昭49−84455
号公報および特開昭55−15164号公報に記載されている
ような光の方向変換装置が提案されている。この光の方
向変換装置は、光の入射面を有する光透過性材料のくさ
び状板体からなり、この板体は、前記光の入射面を経て
本体内に取入れられた光を板体内部で反復反射させるた
めの対向する反射面を有し、これらの反射面は、それに
より内部反射させられる光の向きを反復反射に伴い反射
面に対する臨界角に漸次近づけるように、入射面から取
出面へ向けて漸次接近するような形状を備え、臨界角ま
たはそれより小さい角度で内部反射光が到達する反射面
の部分およびその近傍の面が、方向変換された光の取出
面とされている。
光の入射面からくさび状板体の内部に入った光は、反
射面で全反射を反復するうちに、反射面の形状により、
反射面に対する入射方向が漸次立上り、遂には臨界角ま
たはそれを少し越える角度に達する。この状態になった
後、反射光は反射面により反射されることなく、反射面
を通ってくさび状板体外へ出る。そして、反射光がほぼ
臨界角の近傍で反射面へ達することにより、反射面を通
り抜けた光はくさび状板体外では反射面の外側面、すな
わちくさび状板体の外面に対しほぼ一定の角度をもっ
て、または一定範囲内の角度をもって射出される。した
がって、射出される光の方向はほぼ一定になる。
[発明が解決しようとする課題] 以上に述べたような光の方向変換装置のくさび状板体
を多数並列状に隣接配置した構成の組立体においては、
後で図面について詳細に説明するように、任意のくさび
状板体に光入射面から光が入射すると、それはくさび状
板体内部で反復的に全反射した後くさび状板体の外へ出
る。この板体の外へ出た光は、入射光より板体の長手方
向の成分の多い光に変換されるが、この光が、くさび状
板体を出た後それに隣接する他のくさび状板体へ向かっ
て順次入射していくような方向をもっている場合には、
順次隣接する板体を透過していくにつれ、光はくさび状
板体の長手方向の成分が漸次減少していく。この現象
は、光の射出方向をほぼ一定にしようとする光の方向変
換の目的に反することになる。
本発明の目的は、くさび状板体のような光透過性材料
本体のもつ光の方向変換装置において、各本体から出た
光が隣接する本体内部を通ることによって所望の射出方
向から漸次それていくことを防止することにある。
[課題を解決するための手段] 本発明によれば、上記目的は、隣接する光透過性材料
本体の間の、光取出側へ向かって広がる空間内に、その
空間とほぼ相補的な形状をもつ光透過性材料の挿入部材
を挿着した構成によって達成される。
[発明の実施の形態] 次に、本発明の実施形態を説明すると、第1図におい
て、2は、透明ガラス、透明プラスチック等の光透過性
材料からなる本体2を示す。この本体2は例えば第2図
に示すようなくさび状板体であって、その一端縁から他
端縁へ向かって厚さが漸次減少している。そして、一端
縁側の端面3は光入射面を構成しており、この入射面3
と他端縁側の端面4の間の対向する平面5a,5bが、本体
2の内部へ入射面3から導入された光の反射面を構成し
ている。なお、端面4はきわめて小さくするかまたはな
くしてもよい。
以上のように構成された本体2の光入射面3に第1図
に示すように光L1が入射すると、この光は反射面5a,5b
により点a,b,c,d,eで反復的に内部反射しつつ端面4の
方へ向かい、遂には点fにおいて本体2外へ出る。同様
にして、他方向から入射する光L2は点a1,b1,c1,d1,e1で
反復的に内部反射し、点f1において本体2外へ出る。こ
れらの内部反射は全反射である。
次に、以上の現象を第3図について考察する。反射面
5a,5bが本体2の中心面(光軸)O−Oに対してそれぞ
れ角度αをなしているものとし、反射面5b上の点Pに内
部反射光が達したと仮定する。点Pにおいて反射面5bと
直交する垂線に対し、内部反射光がなす角度が臨界角δ
より大きい時は、内部反射光は点Pで全反射して再び
対向する反射面5aへ向かう。一方、内部反射光の角度が
臨界角δに等しい時には、光は点Pから反射面5bの外
面に沿って放出される。また、内部反射光の角度が臨界
角δより小さい場合は、点線で示すように光は垂線に
対して角度χをなして外部へ放出される。このように、
反射面に向かう光が反射面に対しなす角度が小さい時
は、光は反射面で全反射され、反射面に対し光が漸次立
ってきて臨界角の状態になると、少くとも一部の光は反
射面を通り抜けて反射面の外側に沿って放出され、ま
た、反射面に対し光がさらに立ってくると、光は反射面
を突き抜けて放出される。
いま、本体2を構成する材料の屈折率をn1、本体2を
囲む雰囲気の屈折率をn2とすると、 n1・Sin(δ−Δδ)=n2Sinχ なる関係が成立する。
ところで、反射面5aまたは5bによって光が一度全反射
するごとに、次の反射面へ入射する光がその反射面に対
する垂線に対しなす角度は2αずつ減少し、入射光は反
射面に対し順次立ってくる。そして、光が臨界角δ
り小さくなったときに、その光の少くとも一部が反射面
を通過して本体の外部へ出るわけであるから、第3図に
おいて点Pを通って本体2の内部から外部へ抜ける点線
で示す光が臨界角より2αだけ小さい角度で点Pへ達
し、すべての外部へ放出されたとすると、 n1・Sin(δ−2α)=n2Sinχ なる関係が成立する。
いま、雰囲気が空気であるとすると、n2=1であり、
また=90゜−χとすると、 であるから、 =Cos-1{n1・Sin(δ−2α)} となり、 ではαが大となる程、は大とな2る。
また、臨界角より小さい角度になってもすべて外部へ
放出されないで、一部がもう一度全反射する場合は、 =Cos-1{n1・Sin(δ−4α)} となり、は益々大きくなる。
第3図についての以上の説明からわかるように、第1
図において点a,b,c,d,eおよびa1,b1,c1,d1,e1では反射
面の内部で全反射がなされ、点fおよびf1においてはじ
めて光が臨界角δまたはそれより小さい角度をとるこ
とにより本体2の外部へ放出されている。なお、本体2
の外部への光の放出は端面4をも通ってなされる。
入射面3から本体2内に取入れられる光があらゆる方
向から来る光であり、また反射面5a,5bおよび端面4か
ら放出される光が光軸O−Oに平行をなすかまたはそれ
に近い方向をとることが望ましい場合には、角度αは極
力小さい方がよいが、αを小さくすることは全長L(第
2図)が長くなることである。
これを解決するには入射面3の厚さd(第2図)をな
るべく小さくしなければならない。
厚さdを極力小さくした本体2を用いるに際し、本発
明では、第4図および第5図に示すように、本体2を多
数並列状に接して配置し、すべての本体2の入射面3が
広い面3Aをなすようにする構成が採られる。これによ
り、広い面3Aにあらゆる方向から入射する光は、本体内
部で方向変換を受け、面3Aにほぼ直交する方向に放出さ
れることになる。
入射面3から本体2内への光の取入れについて考えて
みると、第6図において、本体2を囲む雰囲気が空気で
n2=1であり、また本体2がアクリル樹脂でn1=1.491
であると仮定した場合、 n1・Sinδ=n2・Sin90゜ であるから、 1.491・Sinδ=1・Sin90゜ であり、 となる。
したがって、平面による断面でみた場合、空気中から
のあらゆる方向の光は δ×2=84.24゜の角度範囲で本体2内に取入れら
れ前述のように反射面5a,5bにより反射しつつ進むこと
になる。
第7図は、光の方向変換装置本体2の内部への光束の
取入れを容易にする装置を示す。この装置は、ムクの本
体2の材料の使用量をなるべく少くし、重量的な面およ
び経済的な面で有利になるようにしたもので、入射面3
の両端部に、入射面3へ向かって収れんする形状に設け
たミラー7からなっている。このミラー7の内面によっ
て、種々の方向の入射光は入射面3へ導かれる。
第8図に示す本体の実施形態では、本体2は光軸O−
Oより外側に向かって、本体を構成する材料の屈折率が
連続的または段階的に小さくなっている。これにより、
本体2内を反射しつつ進む光の経路は直線ではなくな
る。
第9図は、第4図および第5図に示すように多数の本
体2を並列状に配置した組立体の一部を拡大して示す原
理図である。既に述べたように、任意の本体2に光入射
面3から光Lが入射すると、それは本体2内部で反復的
に全反射した後本体2の外へ出る。本体2の外へ出た光
は、入射光Lより本体2の長手方向の成分の多い光に変
換されることは前述の通りであるが、この光が、本体2
を出た後それに隣接する他の本体2へ向かって順次入射
していくような方向をもっている場合には、順次隣接す
る本体2を透過していくにつれ、第9図に示すように、
光は本体2の長手方向の成分が漸次減少していく。この
現象が好ましくないことは明らかである。
このような好ましくない現象を防ぐために、本発明で
は第10図に示す構成をとる。この構成によれば、同じ方
向に突出する並列状の本体2cの隣接するものの間にあっ
て光取出側へ向かって広がる空間に、逆方向に突出する
並列状の本体2dが相補状態で挿入される。このような配
置により、任意の本体2cへ入射面3を経て入射した光L
は、本体2c内で全反射を繰返した後本体2c外へ出て、直
ちに隣接する逆方向の挿入部材2dの内部へ入り、挿入部
材2d内で全反射を繰返した後、挿入部材2dの底面部分を
経て放出される。これにより、第9図に示した現象の発
生を防ぐことができる。
第10図に示すように組合せた本体2cおよび挿入部材2d
を有する組立体の少なくとも一方の表面には、適当な光
制御素子を設けることができる。その例を示す第11図に
おいて、本体2cの入射面側の表面にはかまぼこ形レンズ
20が設けられている。また、挿入部材2dの底面側の表面
にはフレネル板21が設けられている。これらのレンズ20
およびフレネル板21の位置は相互に逆にしてもよいし、
一方を省略することも可能である。また、これらを複数
枚重ねて用いることもできる。さらにまた、これら以外
の他の光制御素子を設けることもできる。いずれにして
も、このような光制御素子を設けることにより、その素
子の固有の機能に応じた光の制御を付加的に行うことが
できる。
[発明の効果] 以上のように、本発明の光の方向変換装置を用いるこ
とにより、任意の異なる方向から来るある範囲の光を、
不動の入射面に受けることにより、それを内部で反復反
射させて所定の方向にほぼ平行な光として取出すことが
できる。そして、本発明では、隣接する光透過性材料本
体の間の空間内に、その空間とほぼ相補的な形状の光透
過成材料の挿入部材を挿着したことによって、出射光が
本体を出た後それに隣接する他の本体へ向かって順次入
射して本体の長手方向成分が漸次減少していく現象を無
くすことができ、並列状本体を出た光は、挿入部材内部
で反射を繰り返して、本体の長手方向に沿う向きに極力
近い出射光として取り出されることになる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の光の方向変換装置に用いる光透過性材
料本体の一実施形態の断面図、第2図は同実施形態の斜
視図、第3図は第1図の実施形態の作用の説明図、第4
図は第2図の本体を多数並列状に設けた光の方向変換装
置の斜視図、第5図は第4図のV部分の拡大図、第6図
は光の入射面の入射についての説明図、第7図は光の入
射を助ける装置の断面図、第8図は本発明で用いる本体
の他の実施形態を示す図、第9図は第4図および第5図
に示すように本体を多数並列状に設けた場合に生ずる現
象を説明する図、第10図は本発明による光の方向変換装
置の要部の拡大断面図、第11図は他の実施形態を示す拡
大断面図である。 2,2c……本体、2d……挿入部材、3……光の入射面、5
a,5b……反射面、δo……臨界角、L……入射光、20,2
1……光制御素子。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】光の入射面および取出面を有する光透過性
    材料の三次元形状の本体を多数並列状に隣接配置して構
    成され、各本体は、前記光の入射面を経て本体内に取入
    れられた光を本体内部で反復反射させるための対向する
    反射面を有し、これらの反射面は、それにより内部反射
    させられる光の向きを反復反射に伴い反射面に対する臨
    界角に漸次近づけるように、前記入射面から前記取出面
    へ向かって漸次接近するような形状を備え、臨界角また
    はそれより小さい角度で内部反射光が到達する反射面の
    部分およびその近傍の面が、方向変換された光の前記取
    出面とされており、すべての隣接する本体の入射面は共
    通の面上にあり、隣接する本体の間の、光取出側へ向か
    って広がる空間内に、その空間とほぼ相補的な形状を有
    する光透過性材料の挿入部材が挿着されていることを特
    徴とする光の方向変換装置。
  2. 【請求項2】各本体が一端縁から他端縁へ向けて漸次厚
    さが減少するくさび状の板体からなり、この板体の一端
    縁の端面が光の入射面とされ、板体の両端縁間の対向す
    る平面が反射面とされ、他端縁寄り部分が光の取出面と
    されており、隣接する板体は互いに平行に配置されてお
    り、前記相補的形状の光透過性材料の部材が、前記本体
    と逆方向に傾斜するくさび状板体により構成されている
    特許請求の範囲第1項記載の光の方向変換装置。
JP61221041A 1986-09-19 1986-09-19 光の方向変換装置 Expired - Lifetime JP2590072B2 (ja)

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JPS6375704A JPS6375704A (ja) 1988-04-06
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