JP2672761B2 - 光学照明システム - Google Patents

光学照明システム

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JP2672761B2 JP5064909A JP6490993A JP2672761B2 JP 2672761 B2 JP2672761 B2 JP 2672761B2 JP 5064909 A JP5064909 A JP 5064909A JP 6490993 A JP6490993 A JP 6490993A JP 2672761 B2 JP2672761 B2 JP 2672761B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、複数の光導体への高輝
度光源の光学的結合に関し、更に詳しくは、内部反射の
数を増大し、結合効率を改良した、逆向きに広がった光
学結合部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】単一の光源を使用して、光学管、棒また
はファイバのような複数の光導体を介して多くの離れた
位置に光出力を供給するセントラル照明システムが自動
車、ディスプレイおよび家庭の照明を含む多くの異なる
用途のために提案されている。例えば、米国特許第４，
９５８，２６３号は自動車用にセントラル照明システム
を使用することを開示している。
【０００３】このようなセントラル照明システム用の光
源は、離れた位置に充分な光出力を確保するために高輝
度特性を有する光出力を有することができなければなら
ない。そのため、１平方センチメートル当り５０，００
０ルーメン以上の高輝度特性測定値を有するような光源
が適当である。このような光源は、楕円体形状を有する
ような適当な反射器およびこの反射器の光学焦点面に設
けられた光ファイバの端部に光出力を集束させる鏡要素
とともに使用された場合、光ファイバの端部に物理的損
傷を生じ得る非干渉性の高輝度集束光出力を発生するこ
とができる。光ファイバの端部に対する損傷を避けるた
めに、比較的長さが短いワンピース型の円筒形光学結合
棒の形状の光結合部材が光学焦点と光ファイバの端部と
の間に設けられる。光出力は光結合部材を通る多くの内
部反射を行って光学焦点から光ファイバに進む。
【０００４】また、光源から発生し、楕円体形の反射器
で集束された非干渉性の高輝度光出力像は光出力の中心
において最も明るくなって青い色が多くなり、光出力の
外側縁部の周りにおいて薄暗くなって赤い色が多くなる
傾向がある。光出力が円筒形の光学結合部材に入ると、
多くの内部反射によって光の混合が達成される傾向があ
り、これにより光ファイバに入る光出力の外側縁部と中
心とにおける強度および色の差が低減する。
【０００５】より均一な光強度および色を達成するため
に、従来、光はほぼ一定の寸法を有する管状の光結合部
材を通って伝送されていた。このような結合部材の１つ
の重要な欠点は、光強度および色の所望の均一性を達成
するために長さが比較的長いことを必要としていたこと
である。適当な光混合を達成するのに充分な長さを有す
る円筒形の光結合部材は自動車の照明用のセントラル照
明システムにとっては長すぎるものである。
【０００６】従って、結合部材の長さを実質的に低減し
ながら光混合を増大する光学結合部材の設計を改良する
必要性がある。
【０００７】
【発明の概要】本発明は、上述した必要性を満たすよう
に設計された逆向きに広がった光学結合部材を提供す
る。本発明のこの光学結合部材は単位長当りの内部反射
の数を増大し、これにより従来のより大きな軸方向の長
さを有する円筒形管状結合部材によって達成されるもの
に比較して光強度の更に均一な分布および改良された色
混合を達成する。また、本発明の結合部材はそれに入力
される光の縦軸に対する立体角よりも小さい立体角で光
を出力して、従来のより大きな軸方向の長さを有する円
筒形の管状結合部材によって達成されるものに比較して
光結合効率を改良する。更に、結合部材の広がりの小さ
い方の前側入端部に比較して、結合部材の広がりの大き
い方の後側出端部は光源からの光入力に比較してより大
きな面積の光出力を発生する。
【０００８】従って、本発明は、焦点面に集束された光
源からの非干渉性光を複数の光導体に結合するのに使用
される光学結合部材を対象とする。結合部材は中心縦軸
を有し、光源の焦点と複数の光導体の先端との間に配設
されている細長い光透過性本体部を有する。細長い本体
部は縦軸に沿って直列に設けられた一対の逆向きに広が
った前側および後側端部ならびに中央部を有し、中央部
は前側および後側端部の間に伸びて両者に接続され、光
強度分布の均一性、光の色混合および光結合の効率を改
良する。
【０００９】結合部材の本体部は中実または管状（中
空）のいずれかの構造を有する。結合部材の本体部の中
央部は円筒形状を有し、断面の大きさが均一である。中
央部の断面の大きさは前側端部の入端部および後側端部
の出端部のそれぞれの断面の大きさよりも小さい。一実
施例においては、結合部材の本体部の前側端部は第１の
円錐台形状を有し、後側端部は前側端部の第１の円錐台
形状とは逆方向に向いた第２の円錐台形状を有する。他
の実施例においては、結合部材の本体部の前側端部は第
１の放物面形状を有し、後側端部は前側端部の第１の放
物面形状とは逆方向に向いた第２の放物面形状を有す
る。両実施例において、後側端部は前側端部よりも大き
い軸方向の長さを有し、後側端部の出端部は前側端部の
入端部よりも大きさが大きい。
【００１０】また、本発明は、焦点面に集束された非干
渉性高輝度光源、複数の光導体、および光学結合組立体
を有する光学照明システムも対象とする。光学結合組立
体は上述した結合部材と、光導体の先端に結合するよう
に結合部材を保持する手段とを有する。本発明のこれら
および他の特徴および利点および達成しようとするもの
は図面とともに次の詳細な説明を閲読することにより本
技術分野に専門知識を有する者に明らかであろう。図面
においては、本発明の例示的実施例が示され記載されて
いる。
【００１１】
【実施例の記載】次に示す説明では、同じ符号はいくつ
かの図面を通して同じまたは対応する構成要素を示して
いる。また、次の説明において、「前方」、「後方」、
「左」、「右」、「上方」、「下方」などのような用語
は便宜上の用語であって、制限の意味として解釈される
べきものでないことを理解されたい。
【００１２】次に、図面、特に図１−４を参照すると、
全体的に１０で示されている光学照明システムが図示さ
れており、この光学照明システムは本発明の光学結合組
立体１２を有し、この光学結合組立体１２は光源１４を
照明システム１０の複数の光導体１６の先端１６Ａに結
合している。好ましくは、必ずしもというわけではない
が、光源１４は非干渉性の高輝度光出力Ｌを発生するこ
とができる電球１８、楕円体形状を有するような反射器
要素２０、および平面形状を有するような鏡要素２２を
有し、これらはともに非干渉性の高輝度光出力Ｌの像を
発生するように動作して、光学結合組立体１２の入端部
１２Ａに位置ぎめされた光学焦点面Ｐに集束するように
構成されている。「高輝度」という用語は１平方センチ
メートル当り約５０，０００ルーメンの有効輝度の出力
を有する光源を意味しているが、本発明は高輝度光源に
限定されず、どのような輝度の光源にも同様に適用する
ことができる。
【００１３】図１−図４を参照すると、光学結合組立体
１２は基本的に中心縦軸Ａを有し、光源１４と光導体１
６の先端１６Ａとの間に配設された本発明の細長い結合
部材２４、および光導体１６の先端１６Ａに光学的に結
合するように結合部材２４を保持する保持手段２６を有
している。結合部材２４は石英または適当なプラスチッ
クのような適当な光透過性材料で構成されている。図示
の実施例では、保持手段２６は互いに光学的に結合した
関係で光学部材２４および光導体１６の先端１６Ａを受
け入れて保持することができる中空のスリーブ形状の部
材である。代わりに、光導体１６の先端１６Ａは隣接す
る面相互間に適当な接着材を塗布することによって結合
部材２４の出端部に接着することもできる。別の実施例
として、以下に説明するような結合部材２４の管状構造
において、光源１４および光導体１６の先端１６Ａを結
合部材２４の両端内に配置して、これにより別個の保持
手段２６の必要性を除去することができる。
【００１４】細長い結合部材２４の４つの異なる実施例
がそれぞれ図５、図９、図１３および図１７に示されて
いる。各異なる実施例の結合部材２４は、中心縦軸Ａに
沿って直列にかつその回りに対称に配設された一対の逆
向きに広がった前側および後側端部２８、３０ならびに
中央部３２を有している細長い光透過性本体部２７の形
になっている。本体部２７の各異なる実施例において、
中央部３４は円筒形であり、前側および後側端部２８、
３０の間に伸びて、一体に接続されている。本体部２７
の各異なる実施例において、後側端部３０は前側端部２
９よりも軸方向の長さが大きくなっている。また、本体
部２７の各実施例において、後側端部３０の出端部３０
Ａは前側端部２８の入端部２８Ａよりも寸法が大きくな
っていて、光入力の面積と比較して光出力の面積を大き
くしている。結合部材２４を逆方向に広がった前側およ
び後側端部２８、３０ならびに均一な太さの中央部３０
で構成したことにより、この結合部材２４よりも軸方向
の長さが大きな円筒形の結合部材を使用した場合と比較
して、光強度のより均一な分布、光結合効率の増大、お
よび光の色混合の増大を達成することができる。
【００１５】図５−図８に示す結合部材２４の本体部２
７の第１の実施例は中実の構造を有している。図９−図
１２に示す結合部材２４の本体部２７の第２の実施例は
管状の構造を有している。細長い管状本体部２７は好ま
しくは高反射材を塗布された内周面２７Ａを有してい
る。結合部材２４の本体部２７の第１および第２の実施
例の各々の前側端部２８は、直径が入端部２８Ａから出
端部２８Ｂまで低減している第１の円錐台形状を有して
いる。結合部材２４の本体部２７の第１および第２の実
施例の各々の後側端部３０は、本体部２７の前側端部２
８の第１の円錐台形状とは逆方向に向いている第２の円
錐台形状を有している。そして、本体部２７の後側端部
３０の直径は入端部３０Ａから出端部３０Ｂに向かって
大きくなっている。
【００１６】図１３−図１６に示されている結合部材２
４の本体部２７の第３の実施例は中実の構造を有してい
る。図１７−図２０に示されている細長い結合部材２４
の本体部２７の第４の実施例は管状の構造を有してい
る。ここで同様に、細長い管状本体部２７は好ましくは
高反射材を塗布された内周面２７Ａを有している。結合
部材２４の本体部２７の第３および第４の実施例の各々
の前側端部２８は、放物面形状（または複合放物面構
造）を有し、これらの実施例の各々の本体部２７の後側
端部３０は、本体部２７の前側端部２８の前記放物面形
状と逆の方向に向いている放物面形状（または複合放物
面構造）を有している。本体部２７の前側端部２８の直
径は入端部２８Ａから出端部２８Ｂに向かって低減して
いるのに対して、本体部２７の後側端部の直径は入端部
３０Ａから出端部３０Ｂに向かって増大している。本体
部２７の前側端部２８の円錐台形状および放物面形状の
それぞれの角度および湾曲度は本体部２７の後側端部の
円錐台形状および放物面形状のそれぞれの角度および湾
曲度と異なっていることを理解されたい。
【００１７】上述した４つの実施例のいずれかの構造を
有する結合部材２４の本体部２７において、単位長当り
の内部反射の数は円筒形結合部材の場合と比較して実質
的に増大していることが容易に明らかであり、これによ
り色の差を結合組立体１２の出端部１２Ｂにおいて顕著
でない点まで実質的に低減するように外側部分の光と中
心部分の光との混合を増大する。
【００１８】本発明およびその付随する利点の多くは上
述した説明から理解されたものと考えられ、また本発明
の精神および範囲から逸脱することなく、またはその実
質的利点の全てを犠牲にすることなく、本発明の各部の
形状、構造および構成に対して種々の変更を行うことが
できることは明らかであろう。上述した形態は単なる好
適または例示的な実施例にすぎない。
【図面の簡単な説明】
【図１】高輝度集束光源を複数の光導体に光学的に結合
する光学結合部材を有する本発明の光学結合組立体の部
分縦断面正面図である。
【図２】図１の線２−２に沿って取った結合組立体の拡
大横断面図である。
【図３】図１の線３−３に沿って取った結合組立体の別
の拡大断面図である。
【図４】図１の線４−４に沿って取った結合組立体の更
に別の拡大断面図である。
【図５】図１の光学結合部材の第１の実施例の拡大縦正
面図である。
【図６】図５の線６−６に沿って取った結合部材の前側
端部の拡大横断面図である。
【図７】図５の線７−７に沿って取った結合部材の中央
部の拡大横断面図である。
【図８】図５の線８−８に沿って取った結合部材の後側
端部の拡大横断面図である。
【図９】光学結合部材の第２の実施例の拡大縦正面図で
ある。
【図１０】図９の線１０−１０に沿って取った結合部材
の前側端部の拡大断面図である。
【図１１】図９の線１１−１１に沿って取った結合部材
の中央部の拡大横断面図である。
【図１２】図９の線１２−１２に沿って取った結合部材
の後側端部の拡大横断面図である。
【図１３】光学結合部材の第３の実施例の拡大縦正面図
である。
【図１４】図１３の線１４−１４に沿って取った結合部
材の前側端部の拡大横断面図である。
【図１５】図１３の線１５−１５に沿って取った結合部
材の中央部の拡大横断面図である。
【図１６】図１３の線１６−１６に沿って取った結合部
材の後側端部の拡大断面図である。
【図１７】光学結合部材の第４の実施例の拡大縦正面図
である。
【図１８】図１７の線１８−１８に沿って取った結合部
材の前側端部の拡大断面図である。
【図１９】図１７の線１９−１９に沿って取った結合部
材の中央部の拡大横断面図である。
【図２０】図１７の線２０−２０に沿って取った結合部
材の後側端部の拡大横断面図である。
【符号の説明】
１０ 光学照明システム １２ 光学結合組立体 １４ 光源 １６ 光導体 ２４ 結合部材 ２６ 保持手段 ２７ 光透過性本体部 ２８ 前側端部 ３０ 後側端部 ３２ 中央部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ケネス・スティーブン・キング アメリカ合衆国、オハイオ州、ウイルビ ー・ヒルズ、ナンバー116ビー、ビショ ップ・パーク・ドライブ、28245番 (72)発明者 ジョン・ウィリアム・マンク，ジュニア アメリカ合衆国、オハイオ州、チェスタ ーランド、ホベイ・ドライブ、12665番 (72)発明者 リチャード・チャールズ・ナグル アメリカ合衆国、オハイオ州、ユークリ ッド、ゴラー・アベニュー、20931番 (56)参考文献 特開 昭60−86513（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−97446（ＪＰ，Ａ) 実開 昭58−11717（ＪＰ，Ｕ)

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 非干渉性光源、複数の光導体および光学
    結合組立体を有する光学照明システムにおいて、 前記光学結合組立体が、（ａ）中央縦軸を有し、前記光
    源と前記複数の光導体の先端との間に配設される細長い
    光透過性結合部材と、（ｂ）前記光導体の前記先端と光
    学的に結合するように前記結合部材を保持する保持手段
    とを有し、 前記結合部材は、前記縦軸に沿って該縦軸の回りに対称
    に配設されている一対の反対方向に広がった前側および
    後側端部ならびにほぼ円筒形形状の中央部を有し、前記
    前側端部は入端面を持ち、前記後側端部は出端面を持
    ち、前記中央部は前記前側および後側端部の間に伸びて
    両者に接続されていて、光強度分布の均一性、光の色混
    合および光結合の効率を改良するのに有効な長さを持
    ち、前記後側端部の長さが前記前側端部より長いことを
    特徴とする光学照明システム。
  2. 【請求項２】 前記保持手段は互いに光学的に結合する
    ように前記細長い結合部材および前記光導体の先端を受
    け入れて保持することができる中空のスリーブ形状部材
    である請求項１記載の照明システム。
  3. 【請求項３】 前記細長い結合部材の前記中央部は断面
    の大きさがほぼ均一な寸法である請求項１記載の照明シ
    ステム。
  4. 【請求項４】 前記細長い結合部材は中実の構造を有し
    ている請求項１記載の照明システム。
  5. 【請求項５】 前記細長い結合部材は管状の構造を有し
    ている請求項１記載の照明システム。
  6. 【請求項６】 前記細長い結合部材は高反射材を塗布さ
    れた内周面を有している請求項５記載の照明システム。
  7. 【請求項７】 前記細長い結合部材の前記中央部は前記
    前側端部の入端面および前記後側端部の出端面のそれぞ
    れの断面寸法よりも小さい断面寸法を有している請求項
    １記載の照明システム。
  8. 【請求項８】 前記前側端部は円錐台形または放物面形
    の形状を有し、 前記後側端部は前記前側端部の形状とは逆方向に向いて
    いる円錐台形または放物面形の形状を有している請求項
    ７記載の照明システム。
  9. 【請求項９】 前記後側端部の前記出端面は前記前側端
    部の前記入端面よりも寸法が大きい請求項８記載の照明
    システム。
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