JP2675677B2 - 効率的な方向性出力をするプリズム光案内照明器具 - Google Patents

効率的な方向性出力をするプリズム光案内照明器具

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Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の分野］ この発明は、特定方向に効率的に光を出射し、出射光
を特定の角度範囲内に制限するプリズム光案内照明器具
に関する。
［発明の背景］ プリズム光案内照明器具の基本的な概念は、whitehea
dによる、1986年10月７日に公布された米国特許番号4,6
15,579に記載されており、彼のプリズム光案内の概念
は、米国特許番号4,260,220に記載されている概念に基
づいていた。それから、改良された多くのプリズム光案
内照明器具が提案されてきたが、それらのすべては、プ
リズム光案内照明器具が案内照明器具の外表面での全内
部反射により、中空の隙間を通して光を効率的に導くと
いう原理に基づくものであった。
例えば、米国特許番号4,937,716（whieheadが考案）
には、プリズム光案内照明器具が、案内照明器具表面の
位置の関数として変化する規定の速度で光を出射する方
法を記載している。簡単に言うと、光線は全内部反射に
より案内器具内に閉じ込めることができない方向へ入射
光の基本的な部分を配向する、内部拡散反射面に対向す
る案内照明器具の受容角の範囲内にあるということであ
る。従って、このような配向された光線は、案内照明器
具から逃がることができる。
このような従来のすべてのプリズム光案内照明器具
は、出射した光がほとんど拡散してしまうという困難に
陥った。これは、別に蛍光灯を用いる多くの場合など
の、拡散光出力が望ましい状況において従来のプリズム
光案内照明器具の応用を制限する。しかし、光源が多少
平行な光を出射するのが好ましいという状況もある。例
としては、高い位置から照明面へ下向きに効率的に出射
する必要がある湾の高い照明、光を制限された角度範囲
で標識に上向きに効率的に出射しなければならない屋外
での標識照明などがあげられる。この発明の目的は、実
現可能な、ある意味で方向性のある光を効率的に出射す
るいことができるプリズム光案内照明器具を提供するこ
とである。
従来においても、プリズム光案内照明器具から方向性
のある光を出射しようと試みたが、成功した例は少な
い。１つの例が米国特許番号4,850,665（whiteheadが考
案）に記載されており、これでは、注意深く配置された
部分的に反射し、部分的に伝達する要素が案内照明器具
の中に取り付けられて、案内器具が全内部反射により閉
じ込めることができない方向へ通過する光の規定の部分
を反射させるため、この光を案内照明器具から逃がすこ
とができる。さらに、反射した光の方向は、逃げる光を
さらに規定の方向に転向する、案内器具の形成に用いて
いるプラスチック材の自然な反射効果のようになる。
上記とは異なる方法が米国特許番号4,984,144,と4,98
9,125（Cobb,Jr.他）に記載されている。プリズム光案
内壁は取り除かれ、代わりに、光を逃がし、逃げる光を
特定の所望の方向に転向するプリズム膜に置き換えてい
る。
上述した従来技術の解決方法は２つの基本的な問題に
直面している。第１は、複雑な製造と設計技術を必要と
することである。whiteheadが米国特許番号4,850,665に
記載した方法で要素を適切に配置、保持するには非常な
努力を必要とする。同様に、Cobb,Jr.他の発明により、
プリズム光案内壁材を分割するにはやはり非常な努力を
要求される。さらに、これらの従来技術の方法では、プ
リズム光案内照明器具自身内（代表値で30℃）の光の平
行度により実質的に大きい角度にまで逃げた光を平行に
することができない。案内照明器具の光出射領域は、通
常、光源から光案内照明器具に入射する領域よりさらに
大きいので、基本的な熱力的な熱力学的制限により出射
光のコリメーションを実質的に大きくすることができ
る。
［発明の要約］ 好適な実施例により、この発明は、選択した断面形状
を形成する不透明部分と光出射面部分を備えるプリズム
光案内照明器具を提供する。不透明面部分は光反射特性
を持っている。光出射面部分は、材料の受容角範囲内の
角度で材料に光線が入射する照明器具内に閉じ込めるプ
リズム光案内材である。照明器具は、プリズム光案内材
の受容角範囲外の角度で光を配向する規定の形状と位置
を占める光散乱領域も備えている。照明器具の断面形
状、不透明部分の光反射特性、および光散乱領域の形状
と位置は、（ｉ）散乱領域から光出射部分へ直接入ら
ず、この部分を通して逃げる光散乱領域により配向した
光は、プリズム光案内材により散乱領域へ効率的に戻り
反射をし（ii）散乱領域から光出射面部分へ光が直接入
るすべての光路は、２π未満の立体角を形成する。
１実施例において、光案内照明器具の断面形状は、略
円形で光散乱領域は光出射部分の長さに略等しい長さを
持つ細長いストリップであり、略円形形状の垂直軸の中
央に位置している。プリズム光案内材は、平坦面と直角
二等辺プリズム面とを備えている。この実施例におい
て、材料は平坦面が外側を向きプリズム面が外側を向く
ように配置されている。
別の実施例において、照明器具は、光出射面部分が半
円形状の湾曲した部分に位置している略半円断面形状に
なっている。光散乱領域は、光出射部分の長さに略等し
い長さを持ち、半円形状の平坦部分に対して位置してお
り、その垂直軸の中央に位置している。プリズム光案内
材料は、平坦面が外側に向きプリズム面が内側を向くよ
うに配置されている。
また別の実施例において、照明器具は、略楕円形の断
面形状を備え、光散乱領域は、略楕円形形状の焦点位置
であるラインの中心にそれぞれ位置しているストリップ
を備える、光出射面部分の長さに略等しい長さを持つ２
つの細長いストリップを含む。この実施例において、プ
リズム光案内は、平坦面が内側を向きプリズム面が外側
を向くように配置されている。略楕円断面形状の短軸に
対する長軸の比は、いずれかのストリップにより光出射
面部分の上に散乱された光が、その位置で光が材料の平
坦面に略垂直な一方方向にプリズム光案内材を通して反
射される角度でその部分に入射するように選択される。
さらに他の実施例において、照明器具は、光散乱領域
がそれぞれ光出射面部分の長さに略等しい長さを持つ２
つの細長いストリップを含む光散乱領域を備える、略半
楕円断面形状を持つ。この実施例において、ストリップ
は、半楕円形状の平坦面に位置付けられており、これら
は半楕円の焦点位置であるラインの中心に位置してい
る。プリズム光案内材は、平坦面が内側を向きプリズム
面が外側を向くように配置されている。略半楕円形状の
短軸に対する長軸の比は、いずれかのストリップにより
光出射面部分の上に散乱された光が、その点で材料の平
坦面が略垂直な一方方向に光が材料を通して反射する角
度がその位置に入射する比になっている。
この発明のどの実施例においても、光出射面部分は、
小さく、ほぼ一定の幅を持つ細長い領域にわたり光案内
照明器具に沿って好適に延びている。
どの実施例においても、線形フレネル・レンズが光案
内照明器具の光出射面部分の近くと外側に位置して、光
出射面部分の全範囲にわたり逃げた光をほぼ一定の好適
な方向に転向してもよい。
どの実施例においても、プリズム光案内器具の追加部
分は、追加部分の平坦面を内側に向け、追加部分のプリ
ズムを光出射面部材のプリズムとほとんど平行に配置し
て、光出射面部分と平行および外側に配置されているた
め、光出射面部材を通し２方向に逃げる光は、材料の追
加部分を通して材料のマクロ平面に垂直な一方方向に出
射される。好都合なことに、材料の追加部分は、選択し
た距離をあけて光出射面部材から分離され、選択した厚
さを持っているので、それにより、ほぼすべての光は、
プリズム光を通して追加部分の平行プリズム面に接触す
る光出射面部材のプリズム面に伝達される。
どの実施例においても、照明器具は、照明器具を通し
て伝播する光線の方向を相対的に小さく変更するための
偏向手段を備えうる。この手段により、ある種の光が照
明器具に「捕獲」されるのを防止する。光偏向手段は、
その垂直軸に沿った照明器具の曲率、数学的な理想の形
状に対する照明器具の断面形状のわずかな角偏移、また
は照明器具の垂直軸に垂直に設けられたスクリーンを含
むいくつかの異なる形状の１つをとりうる。
［図面の簡単な説明］ 図１は案内器具を制御して光を出射させる光抽出器を
備える従来のプリズム光案内照明器具の断面図である。
図２は従来技術により図１の照明器具を改良して、光
抽出器により反射され好適な方向にこれ以上反射光が逃
げることなく、案内器具から逃げるようにできる方法を
示す、また図２は光線が光抽出器により反射されるが、
反射光が好適でない方向へさらに逃げた後、案内器具か
らのみ逃げる様子も示している。
図３はプリズム光案内壁材の拡大断面図であり、光線
が正確な入射角で材料の平坦面に衝突した場合、材料を
通して伝達され平坦面に垂直な方向に別の側から出射
し、反射したすべての光が正反射または逆反射する様子
を示している。
図４は図３に似ているが、材料の平坦面に衝突するす
べての光線が正反射または逆反射をするように、プリズ
ム光案内壁材のプリズム面の近くに配置された正反対鏡
を示している。
図５は楕円とそのある数学的性質を示す。
図６（ａ）と図６（ｂ）は、この発明の第１実施例に
よる楕円状の断面を持つプリズム光案内照明器具の断面
図である。
図７はこの発明の別の実施例による半楕円状の断面を
持つプリズム光案内照明器具の断面図である。
図８は図７に似ているが、拡大された光出射部分と光
出射部分に取り付けられたフレネル・レンズを備えた照
明器具を示す。
図９はこの発明の別の実施例による円状の断面を持つ
プリズム光案内照明器具の断面図である。
図10は背中合わせに配置されたプリズム光案内壁材の
２つの部分の拡大断面図であり、平坦面に垂直な上部プ
リズム面に衝突する光は、転向され平坦面に垂直な低部
プリズム面から出射される。
図12は図11に似ているが、半円状の断面を持つ照明器
具を示す。
図13は図12に似ているが、拡大された光出射部分と光
出射部分に取り付けられたフレネル・レンズを備えた光
案内照明器具を示す。
図14（ａ）と14（ｂ）は図７と同じような照明器具を
示す断面図であり、その照明器具は光抽出器に送ること
なく、ある光線を繰り返し反射するため光は照明器具か
ら逃げない様子を示している。
図15は図７の照明器具が図14（ａ）と14（ｂ）に示す
問題に対処する方法を示す。
図16は図７の照明器具と同じ断面を持つプリズム光案
内照明器具の平面図と照明器具が図14（ａ）と14（ｂ）
に示す問題に対処する別の方法を示す。
図17は図７の照明器具と同じ断面を持つプリズム光案
内照明器具の平面図であり、図14（ａ）と14（ｂ）の問
題に対処する光案内照明器具のさらに別の方法を示す。
［好適な実施例の詳細な説明］ 図１に米国特許番号4,615,579,4,750,798、および4,7
87,708（whiteheadが考案）に記載された参考番号10で
示される従来の光プリズム案内照明器具100の断面図で
ある。光線は全内部反射により光案内器具12に沿って伝
播し制限される。案内器具12は、反射内部面と光出射開
口16を備える不透明カバー14の中に収容されている。光
散乱要素18は、案内器具12の中に取り付けられている。
光線は案内器具12に沿って伝播し、散乱要素18に時々衝
突して光の伝播方向、通常、全内部反射により制限でき
ない方向にランダムに変える。従って、その光を案内器
具12から逃がすことができる。例えば、点20から発する
光は、要素18により反射して光がさらに反射する角度で
案内器具12に衝突し、その結果、案内器具12の壁を通し
て逃げ、開口16を通して方向22へ出射される。同様に、
点24、26から発する光は、要素18に衝突し、案内器具12
と開口16を通して方向28、30にそれぞれ逃げる。光は開
口16を通して非常に広い方向に出射されるのを知ること
が重要である。
図２は、２つの副要素18a、18bに分割され、それぞれ
図１の要素18より狭い領域をカバーする点を除き、照明
器具10と同じである従来の別の照明器具32を示す。副要
素18aと18bは、光出射開口16の中心を通して引かれた垂
直ライン34のいずれかの側の角度Θｐでのオフセットで
ある点に中心が位置する薄いストリップ形をしている。
点36、38から発するような光線は、副要素18a、18b、に
より反射されるので、これらの光線が開口16に直接進む
と、案内器具内の壁を通して反射後、開口16でマクロ・
プリズム光案内壁面に垂直な好適な方向40、42へ逃げ
る。このような「直接逃げる」光は、コリメーション半
角を副要素18aまたは18bのいずれか１つの全幅に等し
く、開口16の幅を加え、照明器具32の直径で割って実質
的に平行にする。しかし、副要素18a、18bにより反射さ
れた光のほんの小さな部分は、この「直接逃げる」の範
疇に入る。点44から発する光などのようなほとんどの光
線は、副要素18a、18bにより反射した後、直接開口16が
通らないが、案内器具12の内部表面から離れた１つ以上
の追加反射をした後、開口16に間接的に到達する。この
ような光線は、方向46などのような開口16でマクロ・プ
リズム光案内壁面に垂直でない好適でない方向多へ開口
16を通して逃げる。
図３は、プリズム光案内壁材48の部分の拡大断面図で
あり、プリズム面50から光を材料の平坦な表面52にほぼ
垂直な方向へ出射するこの材料の垂直な特性を示してい
る（材料は、図に示すように平坦である必要はないが、
おそらくあるいは通常、湾曲した光案内構造を形成して
いる）。光線54は垂直に対して、角度Θｐで平坦面52に
入射する。光54が表面52に到達したとき、その光エネル
ギーの一部が光56として反射し、垂直方向に対し角度Θ
ｐをなす。光54の光エネルギーの他の部分が、プリズム
面から平坦面52に垂直な方向へ材料48を通し光58として
伝達される。より一般的に、光線58は表面52から垂直な
方向へ表面50から放射される。角度Θｐは次の式で求め
られる。
ここでｎは材料48の屈折率である。
光54の光エネルギーのさらに別の部分は、プリズム面
50を通し光58として伝達されるのではなく、プリズム面
50により光60として逆反射される。さらに別の光54の光
エネルギーは、平坦面52の内側で反射して、それから、
プリズム面50を通して光52として逃げる。プリズム光案
内壁材48の八角形状（米国特許番号4,260,220に定義さ
れているように）は、光56のように通常の正方向ではな
く、光54のように垂直な同じ側において垂直に対して角
度Θｐを形成するように光60が逆反射合することを保証
する。同様に、八角形状は、逃げる光62が光58のように
マクロ平坦面52に垂直になることを保証する。
図３は光54に対し上述した特性が光64にも適用される
ことを示す。すなわち、光64は光66のように平坦面52で
部分的に反射され、プリズム面50で２回内部反射した
後、光68として逆反射する。光70と72は、より複雑な光
路を通った後放射される。しかし、あらゆる場合におい
て、光64のすべての光エネルギーは、材料48を通して表
面52に垂直な方向に伝達されるか、表面52から反射する
か、または入射光64として断面表面（表面52）に対して
同じ角度で正方向あるいは逆方向に反射される。
図４はプリズム光案内壁材48のプリズム面50の近くに
配置された、平面反射鏡74を示す。反射鏡74は、そこに
入射する光の大部分を反射する。結局、ほとんどすべて
の光エネルギーは、光の光路76〜78（反射鏡74による正
反射）および光80〜82（プリズム面50による逆反射）に
示すように、この構造によりほとんど反射される。従っ
て、外部正反射鏡74を追加することにより、あらゆる角
度の入射光に対し、光エネルギーは断面において、正方
向または逆方向のいずれかに正味反射することを保証す
る。
図５は半分の長さＡの長軸と半分の長さのＢの短軸、
焦点距離Ｆ、および焦点f1,f2を持つ楕円を示す。A,Bお
よびＦには次の関係があることが知られている。
角度Θは次の式で与えられる。
この発明は、図６（ａ）、６（ｂ）にそれぞれ示す楕
円断面形状を持つプリズム光案内照明器具84、86に実現
しうる。照明器具84、86の外表面部分は、照明器具の各
短軸に位置している光出射面部分または開口88、90を除
き、不透明（すなわち、照明器具の不透明内部表面へ入
射した光は内側に反射する）である。光散乱領域は、２
枚のストリップ光散乱要素92、94および96、98である。
ストリップは、楕円の各焦点の中心に位置し、角度Θは
式（１）で与えられる値Θｐを持つ。屈折率ｎ＝1.6を
持つ代表的なプリズム光案内壁材に対し、式（２）と
（３）を適用したとき、役1.16の比A:Bを生成し、角度
Θ（約32゜）を持つ長軸の中心から0.52Aの位置に焦点
がある。
図６（ａ）の実施例において、プリズム光案内壁材10
0は光出射開口88のみに用いられる。照明器具84の内部
の残りは、不透明の正反射材102により形成され、この
材料は、磨いた金属またはプラスチック膜あるいは他の
適切な高い反射特性を持つ鏡面上に堆積された金属膜で
ある。要素92、94により散乱した後、プリズム光案内材
100へ直接入る光の場合、光案内器具84は、図２に関連
して上述した光案内器具32と基本的に同じように動作す
る。例えば、光線104は要素92により散乱されて、材料1
00に直接入り、ここから垂直方向に光106として出射さ
れる。
光案内器具32から光案内器具84を区別する主な機能
は、案内器具84が要素92、94により散乱した後、プリズ
ム光案内材100へ直接入射しない光線として扱う方法で
ある。例えば、光線108は要素92により、材料102の反射
内部表面上の点へ散乱され、この点において正反射され
る。楕円は、１方のまたは近くの焦点から発した正反射
光は、他方のまたは近くの焦点に反射されるという数学
的特性を持っている。それゆえ、図６（ａ）に示すよう
に、正反射光は他方の焦点の光散乱要素94へ直接進み、
そこで再び反射する。次に、光は材料100へ直接進み、
ここを通して垂直方向に光110として出射される。別の
場合において、正反射した光は要素94により散乱される
ため、材料102の反射内部表面の別の点において、さら
に中程度の短い正反射を行う。しかし、光エネルギー
は、結局不可避的に光出射開口88に到達して、ここを通
って垂直方向に出射される。
従って、図６（ａ）の実施例は２つの主要な機能を結
び付けている。第１に、光散乱要素92、94は開口88に対
し比較的小さな立体角を占め、プリズム光案内壁材100
の上述した幾何学的特性により、要素92、94により直接
材料100へ直接散乱した光は、プリズム光案内壁材100の
マクロ表面の中心に垂直に位置する狭い角度範囲で出射
される。第２に、案内器具84の楕円形状は、光線が材料
100を通して間接的に逃げるのを防止する。すなわち、
要素92、94から材料100へ直接入らない光は、光出射領
域（開口88内の材料100）に直接入る別の機会を持つ散
乱要素92、94に効率的に転向する。従って、非常に小さ
な光エネルギーが、光散乱要素92、94により、占有され
る領域から直接出射特性を持つ角度範囲外の角度で逃げ
る可能性がある。ほとんどの光エネルギーは、この所望
の角度範囲で効率的かつ優先的に出射される。
原則として、断面平面から見た逃げる光の角度範囲
は、プリズム光案内器具84を通して伝播する光の発散角
より実質的に小さい。事実、プリズム光案内器具８を通
して伝播する光の発散は、伝播されたすべての光の方向
特性が要素92、94によりランダムに散乱後、失われてし
まうので、出射光の分布角に対し何の影響も与えない。
実際、光の平行度を制限する考えられる主要な要因は、
表面102の反射率の実際的な制限である。光出射開口88
と散乱要素92、94の大きさが小さくなるにつれ、光学反
射数が大きくなるので、案内器具84から逃げる前に光線
が反射しなければならない。これは吸収による光の損失
量を増加させ、光が案内器具84の全長を通過し、光源に
戻り反射を損失される可能性が高くなる。実際、断面方
向において、出力角範囲を±20゜未満に制限することで
き、平行度は、一般的に光を下向きに照射する用途、お
よび屋外での標識の照明に非常に有用であることが分か
っている。
図６（ｂ）は、図６（ａ）の案内器具を応用して、上
述したように複数回の内部反射による吸収により、光の
損失を低減する方法を示している。図６（ｂ）におい
て、プリズム光案内壁材112は、楕円形状の内部全体を
囲み、正反射材114は、案内器具86の光を出射しない部
分の全範囲にわたり材料112の外側に配置されている。
図４に関して上述したように、正反射材とプリズム光案
内材の組合せにより、断面において部分的に正反射を
し、部分的に逆反射をする表面を形成する。これは案内
器具86の所望の挙動と完全に互換性がある。
特に、図６（ｃ）に示すように、光線14は最初に案内
器具86の光を出射しない点に進むように要素96により散
乱され、断面において要素96の部分に戻り逆反射をす
る。それから、光は要素96により再び散乱されて、この
とき案内器具86の光を出射しない部分の他の点118に進
み、逆反射ではなく正反射をし、それから要素98により
占有される別の楕円焦点領域に進む。従って、特定の光
が逆反射または正反射あるいは両方であるかどうかに係
わらず、光が要素96、98の１つから光出射開口90へ直接
入らない限り、すべての光エネルギーは、要素96、98に
より占有される光散乱領域に戻る。この場合、開口90を
通して垂直方向120に逃げる。プリズム光案内壁材112が
案内器具86の内部全体をカバーする構成において、より
効率的な光案内、光出射開口90へのより効率的な散乱光
の集中、および多くの状況において、製造するのにより
適した構成になる。
図６（ａ）と（ｂ）の実施例を正しく動作させるに、
光散乱要素92、94、96、98の形成に用いている材料は半
透明でなければならず、光出射開口に向いている材料面
に入射する光のみ散乱させる。また、他の面に正反射し
なければならない。材料散乱光が光出射開口から離れた
面に入射する場合、別の光出射開口が案内器具の反対側
（それぞれ開口80、90の反対）にない限り、案内器具か
ら光が逃げることはない。
上述した考慮事項は、図に示すこの発明の別の実施例
の利点の説明に役立つ。この図では光案内器具122の断
面形状は、湾曲していない部分124が楕円の長軸の上に
あり、楕円の焦点の長軸に対し位置している光散乱要素
126、128を持つ半楕円である。図に示すように、光案内
器具122は、プリズム光案内壁材130が光出射開口132に
のみ用いられ、案内器具122の内側の残りは、正反射材
により形成されているという点において完全な楕円案内
器具84に類似している。しかし、案内器具122は上述し
たように、正反射材とプリズム光案内壁材の組合せから
形成できる。光案内器具122の挙動は、上述したよう
に、完全な楕円光案内器具84、86に対し基本的に同じで
ある。図７に示すように、結果的に、光線134は光136と
して出射され垂直方向に進む。しかし、案内器具122に
おいて、光散乱要素126、128は完全に半透明であり、案
内器具84、86より浅い構成になっている。
案内器具122の光散乱要素126、128は伝達する必要が
ないので、いろんな形をとることができる。例えば、所
望の光散乱効果は、要素126、128に白い塗料を塗るか、
要素にシルク・スクリーンをプリントするか、または部
分的に白いまたは半透明な膜を要素に貼って達成でき
る。この発明のさらなる利点は、光案内器具84、86で必
要とするような、楕円の焦点に光散乱要素を位置付ける
個別の物理的手段を必要としないということである。
図８は、案内器具138の光出射開口140が案内器具122
の開口132より実質的に大きいという点を除き、案内器
具122に類似している別の半楕円光案内器具138を示す。
開口140にプリズム光案内壁材142が設けられている。材
料142のどのような小さな領域を通して出射される光も
適切に平行にする。しかし、材料142のプリズム面に対
する垂直方向は、案内器具138の楕円形状か広い領域に
わたり表面を湾曲にしてしまうので、表面全体に対して
変化する。場合により、この効果は望ましくう有用であ
るが、多くの場合においてそうではない。光出射開口を
大きくするのが好都合であるにもかからず、これは平均
内部反射数が減少するため、逃げる前に光エネルギーを
入力しなければならず、それゆえ、装置の効率が改善さ
れる。従って、図８に示すように、開口140を大きくし
ても線形フレネル・レンズ144を使用して、開口140の全
範囲にわたり逃げる光をほとんど一定の好適な方向に向
きを変えるのが望ましいこともある。
これは単純な方法である。というのは一般的に言っ
て、出力光の全角度範囲10゜以上が普通であるとする
と、高精度のフレネル・レンズ144を必要としないから
である。この低い許容範囲により、特定用途に設計され
たフレネル・レンズではなく、しばしば市販のフレネル
・レンズを使用できる。これとは別に、所望のフレネル
・レンズにほぼ近い形状にするため、抽し出しまたはエ
ンボスなどの比較的雑な成形技術を用いて、必要なフレ
ネル・レンズ形状から光案内照明器具用の外部保護カバ
ーを成形することも可能である。
上述した実施例では楕円形状を用いているが、この発
明の利益を得る唯一の手段ではない。一般に、この発明
により構成した光案内器具は特殊な数学的形状に一致す
る断面を持っており、特定の位置に光散乱領域を備えて
いるので、２つの基本的な条件が満足される。第１に、
光散乱領域から案内器具の光出射部分へ直接入る光は、
ほとんど拡散しないで出射される。第２に、光散乱領域
から案内器具の光出射部分に直接入らない光は、光散乱
領域へほとんど戻り反射されるため、光出射部分へ直接
入る別の機会があり、従って、拡散しないで望ましく逃
げる。
図９にこれらの基本的な設計思想を盛り込んだ別の構
成を示す。この場合、光案内器具146は、円柱形（断面
形状は円）で、光散乱要素148は、光出射開口150の長さ
と略等しい長さを持ち、円柱案内器具の軸の中心に位置
している１つの細長いストリップである。光出射開口15
0は、外側でなく内側を向いているプリズムを持つプリ
ズム案内壁材152を含む（これは「プリズム光案内器
具」の一般的定義の範疇に入る多くのプリズム構成のう
ち１つである）。光散乱要素148から材料152へ直接入る
光の実際の量を効率的に伝達できるように、この実施例
ではプリズムを内側に向かせる必要がある。
図９に示すように、光154は複数回の反射を繰り返
し、光散乱要素148から２つの異なる方向156、158へ出
射される光出射開口150へ入る。これら異なる方向であ
るが、両方とも材料152のマクロ表面への法線方向に対
し同じ角度Θｐである。この発明の利点は、円断面部分
の形成は楕円断面部分の形成より容易であると言う点に
ある。しかし、明確な不利益は、拡散しない出射光は案
内器具の軸を通して入り、開口150でマクロ・プリズム
光案内壁面に垂直な平面に対し、互いに鏡像である２つ
のん方向に集中することである。
図10は光案内器具146から２方向で出射された光が１
方向に転向する方向を示している。図10において、プリ
ズム光案内壁材160は図９に示す材料152を示している。
材料160の近くのプリズム光案内壁材の他の部分162を配
置することによって、逃げる光を効率的に「それない」
ないようにできる。さらに、内部表面で部分反射したど
の光も垂直方向に戻り、再利用するため光散乱要素に戻
る。図10の構成による光伝達は、図に示すように材料16
0、162が互いに隣接して配置されている場合、可能な限
り広い範囲になるよう選択した距離によりプリズム表面
を分割して、材料160のプリズム表面から材料162の他の
部分に対応する平行プリズム表面へ光線が直接進み、特
に効率的である。このような高精度の配置は必要ない
が、精度が悪い配置においても光線の大部分は、伝達さ
れ、再出射するため、ほとんどすべての反射光は光散乱
要素に戻る。
図11は図10の概念を図９の光案内器具146に応用し
て、光出射部分においてプリズム光案内壁材のマクロ平
面と垂直方向に方向性のある光を出射をする。光線166
は要素148により散乱され、そして直接光出射開口150に
入り、上述したように、材料152を通して２つの方向へ
逃げる。プリズム壁案内材162の追加部分は、図10に関
し上述したように材料152の近くに配置して、２つの逃
げる光を転向するため、光出射開口150で材料のマクロ
平面に垂直な方向166、168へ両方共出射される。
図７の半楕円の実施例に通ずる同じ考慮事項は円断面
にも適用される。従って、図12に示すように、半円断面
を持つ半円柱光案内器具170は、案内器具の円柱軸174の
上にある湾曲していない部分172と軸174に対して配置さ
れている光散乱要素176を備えている。図示したよう
に、光案内器具170は、プリズム光案内壁材178、180の
背中合わせの部分が光出射開口182にのみ用いて、案内
器具170の内部の残りは、正反射材により形成される点
において、完全な円柱案内器具に類似している。しか
し、上述したように、案内器具122は正反射材とプリズ
ム光案内壁材の組合せから形成されている点を理解され
たい。光案内器具170の挙動は、完全な円柱光案内器具1
46に記載した、図11について上述したように基本的に同
じである。図12に示すように、光184は結局光184として
出射され、垂直方向に進む。案内器具170において、案
内器具146と異なり、光散乱要素176は完全に不透明であ
る。案内器具170も案内器具146より浅い。
同様に、光出射開口を拡大し、次にフレネル・レンズ
により出射光の角偏移を補正する概念は、図13に示すよ
うに、半円の実施例に対して適用できる。図13の光案内
器具は、図13の案内器具は断面が半円で、光出射開口18
2にプリズム光案内壁材178、180の背中合せの部分を持
っている点を除き、図８の光案内器具に類似している。
光188は要素176により散乱され、光出射開口182に直接
進み、上述したように材料178を通り２つの方向へ逃げ
る。材料178の近くに配置されたプリズム壁案内材180の
追加部分は、光出射開口182で両方共材料のマクロ面へ
垂直方向に出射するように、２つの逃げる光を配向す
る。しかし、拡大された開口により課せられた湾曲によ
り、プリズム材に対する垂直方向は、開口182の両端で
変化するため、フレネル・レンズ190を設けて、開口182
の全領域にわたり、ほぼ一定の好適な方向に逃げる光の
方向を転向する。
フレネル・レンズを持つ上述した拡大した光出射開口
技術は、光案内器具の光を出射しない部分を形成するた
め、正反射材だけかプリズム光案内壁材と正反射材の組
合せのいずれかを用いて、この発明のすべての実施例に
適用できる点に注意することは重要である。これらの技
術の最適な組合せは、用いた材料の価格の注意深い分析
と得られる所望の効率による。
この発明により構成されたプリズム光案内器具の効率
に影響を与えるかもしれない他の要因は、図14（ａ）と
14（ｂ）に図示されている。図14（ａ）は、いくぶん半
楕円状の断面を持ち光案内器具196の内部で複数回の反
射を繰り返す光194を示しているが、光194は光散乱要素
198または200に常に到達しない。このような光の光路が
存在することは楕円の数学的な特性である。案内器具19
6のこの光路を通る光は効率的に出射されない。
図14（ｂ）は同じ半楕円光案内器具196と光散乱要素1
98または200に常に光が到達することなく、光が複数回
反射する別の例を示す。同様な問題は、完全な楕円、完
全な円柱または半円柱断面を持つ光案内器具にも存在
し、直接入射しないで案内器具の光出射部分から逃げる
場合において、ほとんどすべての散乱光を散乱領域から
散乱領域へ戻り反射される設計目標を完全に達成する他
のどのようの形状を持つ光案内器具に対してもおそらく
存在する。好都合なことに、この問題に対するいくつか
の解答があり、これらのすべては上述した光の配向の精
度をいくぶん低下させるが、ある程度までは基本的な動
作の妨害をほとんどしない。
図15は１つの解答を示す。この図では、光案内器具20
2の断面形状が、数学的な理想的な楕円、円、または上
述の設計目標を達成するためどのような数学的構成を用
いたものからいくらかずれる。偏移は図15に示すように
物理的な変形であるか、またはプリズム反射材の中、即
ち向きの角偏移から生じる。どの場合においても、偏移
は散乱後に逃げる光に対し必要な少ない反射後に対しわ
ずかであるため、設計目標は大幅の妥協を許すものでは
ないが（吸収により最小の光が損失するまたは好適な角
出力範囲の外側に出射される）、光が案内器具に沿って
伝播するとき、多くの反射を繰り返す。偏移は図14
（ａ）と14（ｂ）に示すように、光路に制限された光を
解放するのに充分な大きさである。従って。光線203は
ゆっくりと断面を通過して、結果的に光散乱要素205に
達し逃げる。
図16は図14（ａ）と14（ｂ）に示す半楕円断面、しか
し少し湾曲した垂直軸を持つプリズム光案内器具204の
平面図による別の解答を示す。光線206は図14（ａ）と1
4（ｂ）に示すあように別の方法で光路に制限され、図1
5に示すのと同じ方法で断面を横切り、結果的に光散乱
ストリップ208に到達して逃げる。
さらに別の解決方法が図17に示されている。この図で
は、光偏向スクリーン210、212がプリズム光案内器具21
0に沿って間隔をあけて配置されている。スクリーン21
0、212は、効率的に光を伝達するという特性をい持って
いるが、光の方向を少し変える光の伝播特性を効率的に
変え他の方法で捕獲した光を逃がす。スクリーン210、2
12は、Rohm＆Haas PLEXI−ＬTM接着剤を塗布したアクリ
ル・シートで、低後方散乱により小さな角偏移を起こ
す。
図15、16、および17は、図14（ａ）と14（ｂ）に示し
た問題に対する特殊な解答例を示しているが、必要なの
はすべて数多くの他の方法も使用可能である。案内器具
から効率的に出射できるように、捕獲した光を少しずつ
光散乱領域へ「放出」しながら、逃げる光の効率的な方
向性をほとんど妨害しない程度まで、光案内器具の所望
の断面形状の完全な形状を区別する手段である。
様々な種類の光学構成はこの発明の範疇に入る。光案
内器具の断面形状だけを決定する必要があり、この部分
に対し、プリズム光案内材の受容角範囲外の角度におい
て、光散乱領域から案内器具の光出射部分へ入る光は、
ほとんど拡散することなく放射され、光散乱領域へ充分
効率的に戻り反射をし、（ｉ）光は光散乱領域から光出
射部分へ直接入らず、（ii）光は光散乱領域から光出射
領域へ直接入らないが、プリズム光案内材により部分的
または全体的に反射される。
特に、いろんな状況において、選択した角度範囲にわ
たり光の方向性出力に対し、所望の各種パターンを得る
ため様々な構成を用いて光散乱領域を形成できることを
認識すべきである。ここで述べたように、光の方向を効
率的に転向されるように保証する必要があり、しかも光
散乱領域は、光出射部分から見たように光案内器具の内
部のほとんどを占有しない。言葉を代えれば、光が光散
乱領域から光出射部分へ直接入る角度範囲は、半球より
実質的に小さくなければならないか、あるいは数学的用
語で言うと、ベクトル光路のこの範囲に関連する立体角
は２π未満でなければならない。
このユニークな革新的な概念は、光学設計の当業者に
より、現在必ずしも熱考されていない用途を含む特殊な
用途の要求を十二分に満足させる構成の開発に適用でき
る。それゆえ、この発明の範囲は、次のクレームによっ
てのみ定義、制限される。

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】プリズム光案内照明器具は、選択した断面
    形状を形成する不透明（102）と光出射（88）面部分と
    からなり、前記不透明面部分は光反射特性を持ち、前記
    光案内照明器具は、 （ａ）前記光反射面部分が、前記材料の受容角範囲内の
    角度で前記材料に入射する光を閉じ込めるプリズム光案
    内材（100）からなり、 （ｂ）光散乱領域（92、94）が、前記受容角範囲外の角
    度に光を転向する光散乱手段を含み、前記領域は規定の
    形状と位置を占め、 前記断面形状、前記光反射特性、前記光散乱領域の形状
    と位置が、 （ｉ）前記散乱領域から前記光出射部分へ直接入らず、
    前記光出射面部分を通して逃げる前記光散乱領域により
    転向した光は、前記材料により効率的に前記散乱領域へ
    直接戻り反射をし、 （ii）前記散乱領域から前記光出射面部分へ直接入る光
    のすべての光路は、２π未満の立体角を形成する、 ように選択されることを特徴とするプリズム光案内照明
    器具。
  2. 【請求項２】請求項１に記載のプリズム光案内照明器具
    において、 （ａ）前記断面形状は略楕円であり、 （ｂ）前記光散乱領域形状は、それぞれ前記光出射面部
    分の長さに略等しい長さを持つ２つの細長いストリップ
    を含み、 （ｃ）前記ストリップは、それぞれ前記略楕円断面形状
    の焦点位置にあるラインの中心に位置しており、 （ｄ）前記材料は、平坦面と直角二等辺プリズム面を持
    ち、前記材料は、前記平坦面が内側を向いて、前記プリ
    ズムが外側を向いて配置されており、 （ｅ）前記略楕円断面形状の短軸に対する長軸の比は、
    前記光散乱領域ストリップのいずれかにより、前記光出
    射面部分へ散乱した光は、それらの点で前記平坦面に略
    垂直な一方方向へ前記材料を通して前記光が反射する角
    度で前記光出射面部分へ入射する、プリズム光案内照明
    器具。
  3. 【請求項３】請求項１に記載のプリズム光案内照明器具
    において、 （ａ）前記断面形状は略半楕円であり、 （ｂ）前記光散乱領域形状は、それぞれ前記光出射面部
    分の長さに略等しい長さを持つ２つの細長いストリップ
    を含み、 （ｃ）前記ストリップは、前記半楕円形状の平坦部分に
    対して位置し、それぞれ前記半楕円形状の焦点位置のラ
    イン上の中心に位置しており、 （ｄ）前記材料は平坦面と二等辺プリズム面を持ち、前
    記材料は平坦面が内側に向いて、前記プリズム面が外側
    を向いており、 （ｅ）前記略半楕円形状の短軸に対する長軸の比は、前
    記光散乱領域ストリップのいずれかにより、前記光出射
    面部分へ散乱した光は、それらの点で前記平坦面に略垂
    直な一方方向へ前記材料を通して前記光が反射する角度
    で前記光出射面部分へ入射する、プリズム光案内照明器
    具。
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