JP2987521B2 - 透光性が可変な光案内照明を与える照明装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） 本発明は照明装置、殊に照明灯のような屋内用の照明
構造体を持つ照明装置に関する。光は透光性を有する１
つあるいは複数の光案内装置により照明構造体内で分布
され得、透光性は円周角の関数および光案内装置の長手
方向の距離の関数（即ち光案内装置の面上の位置の関
数）として変化する。

（背景技術） 照明灯のような屋内の照明構造体を有する照明装置は
広範囲に利用されている。この場合屋内の照明構造体の
発光部分の光強さが正確に制御されて分散され、多くの
場合均等に分散されるように構成することが望まれる。
従来このような所望の光強さの分布を得るには２つの方
法がある。第１の方法は所望の分布が照明構造体内に多
数の光源を配設すると共に照明構造体の厚さを少なくと
も光源間の間隙と同様にし、光強さが照明構造体の、光
源近傍の発光部分上において大幅に弱化しないように構
成することによつて達成される。

光の強さの分布を制御する第２の方法においては、19
90年６月26日付けで“非吸光性で可変の透光性カバーを
有する照明装置”と題して出願されたローネ・エイホワ
イトヘツドによる米国特許第4,937,716号に開示される
ような照明構造体の内面に可変透光性フイルタが設置さ
れる。フイルタの透光性は位置関数として変化され、反
射光が強くなるような場所での光の強さが減少され、光
強さを増大することが望まれるときは反射光の一部の光
が照射される。

広範な光源を採用し得ることが好ましく、特に直接光
源と光案内源の２種類が適用される。直接光源の場合光
は光源から構造体の発光面へ直接放射され、一方光案内
源の場合に光は先ずソリツド誘電型の光案内装置あるい
はプリズム光案内装置のような１個または複数の光案内
装置により少なくとも一方向に配光される。原理上光源
のサイズおよび形状は屋内照明構造体自体のサイズおよ
び形状と合致され、この場合照明構造体の発光部分で均
一照明を得ることは問題とはならない。また原理上照明
構造体の発光面全体に上述したような可変透光性のフイ
ルタが覆設される場合も均一性が得られよう。一方これ
らの２つの方法は、照明装置に従前から使用されている
ものと比べると、特注の光材料あるいは大幅に異なる組
み立て技術を必要とするため、必然的に高価となる。

本発明によれば、照明構造体内におけるの光強さの分
布が従来の照明装置の組み立て技術程度をもつて容易に
制御可能に構成される。

（発明の開示） 本発明の好ましい実施例によれば、透光性の発光面を
有する中空構造の照明装置が提供され、少なくとも１個
の光案内装置が照明構造体内に延設される。光源は光が
光案内装置内で発光するように配設される。光案内装置
の透光性は光案内装置の面上の位置の関数（即ち光案内
装置の仮想軸と交わる２平面間の円周角の関数、且つ光
案内装置の長手方向の距離の関数）として変化される。
従つて光案内装置から発光される光の角度および空間分
布により、発光面上の位置の関数として所定の光の強さ
の分布が得られる。この所定の光強さの分布は発光面上
の全ての位置で実質的に均一にされることが好ましい。

光案内装置は当初平坦な状態から湾曲されて組み立て
られ得る形状に変形可能な材料でなるシート部材である
ことが望ましい。また光案内装置は90度を越える円弧に
相応するように湾曲された発光面を有することが好まし
い。

パターン形成されたメタルフイルムを光案内装置上に
配設せしめ、所望の透光性を与えることが好ましい。

光源は容易に接近し交換できるよう構造体の外側に配
置される。この場合光源からの光は照明構造体内に設け
られた透明窓を経て光案内装置内へ送られる。

（図面の簡単な説明） 図1Aは従来の代表的な薄手の照明構造体の断面図、図
1Bは図1Aの従来の照明構造体の位置の関数としての代表
的な光束の分布を示すグラフ、図1Cは図1Aの照明構造体
のような構造体内に好ましく得られる位置関数として理
想的な均一の光束分布を示すグラフ、図２は図1Aの従来
の照明構造体内に使用される光源の光強さ対角度の極グ
ラフ、図３は一部が平坦なプリズム面を有する円形プリ
ズム光案内装置の断面図、図4Aは図３の円形プリズム光
案内装置の上部から放出される光強さ（光度）対角度の
極グラフ、図4Bは図３の円形プリズム光案内装置の左側
から放出される光強さ対角度の極グラフ、図4Cは図３の
円形プリズム光案内装置の底部から放出される光強さ対
角度の極グラフ、図5Aおよび図5Bは夫々、光案内装置の
長手方向の距離の関数として変化する光エスケープ構成
を有する光源光案内装置を使用した、図1Aの照明構造体
と同様な構成の照明構造体の上部および側部の断面図、
図5C、図5Dおよび図5Eは夫々図5Aおよび図5Bの照明構造
体の発光部分における均一な照明を得るに必要な所定位
置での透光性対円周角のグラフ、図６は本発明の好まし
い実施例により構成された、光源が外部に設けられる内
部照明構造体の一部を切開いて示す図、図７は当初平坦
な状態から湾曲されて組み立てられ得る形状に変形可能
なシート材料でなる光案内装置を使用する、本発明の好
ましい実施例により構成された内部照明構造体の断面
図、図８は通過して漏洩する光の量を制御可能で変形可
能な光案内装置のシート材料の部分拡大図、図９は光案
内装置内の実質的に光を漏出しない領域に光線が制限さ
れるときの効率の低下を示す円形光案内装置の断面図、
図10は図９の円形光案内装置内での効率低下を避ける非
円形の光案内装置の断面図、図11は光案内装置内の所定
の位置を一意的に決める円周角フアクタおよび距離フア
クタの関係を示す円形光案内装置の説明図である。

（発明を実施するための最良の形態） 図1Aおよび図1Bは照明装置あるいは照明灯のような従
来の中空の照明構造体16の内部を照明するに光案内装置
10、12、14のような少数の従来の光源を使用するときに
生じる問題点を説明する図である。光案内装置10、12、
14は照明構造体16の発光部分18（通常透明な光拡散体）
の内面を照明する。照明構造体16の他の内面20は不透明
で光を反射する。図1Bのグラフには照明構造体16の発光
部分18に沿う位置Ｘの関数として代表的な光束発散度分
布Ｉを示す。発光部分18の前面の視認者は光案内装置1
0、12、14に最至近の位置で最大明るく、光案内装置1
0、12、14から最違の位置で最大に暗く、その間の位置
ではその中間の明るさで光強さが変化することが理解さ
れよう。多くの場合図1Cに理想的な例として示されるよ
うに、照明構造体16の発光部分18全体に亘り光強さが均
一に分布されるように構成されることが好ましい。

図２には発光部分18の平面と光案内装置10、12、14の
任意の一から発光される光の方向とのなす角度θの関数
として光案内装置10、12、14の光強さＩの極グラフが示
される。光案内装置10、12、14の光強さの角度分布は光
案内装置および他の発光体に対し比較的均一であること
は理解されよう。制御操作を行つていない、この光強さ
の角度分布は図1Bに示す高速分布の変化に対応する。均
一な光強さ分布を有する任意の光案内装置により、図1B
に示す構成に相応する発光部分18上の可変光束分布が得
られる。

本発明によれば、光案内装置の長手方向の距離の関数
および角度の関数の両方の関数として、光強さの分布を
効果的に変化させ、光源として機能する光案内装置を内
部に配設した中空の照明構造体の発光部分からの所望の
光束分布（好ましくは図1Cに示すように実質的に均一な
分布）を与える光案内装置の所定の基本特性が利用され
る。以下これについて説明する。

中空の光案内装置の反射内面により光が光案内装置に
沿つて伝播される。このような光案内装置が光源として
使用される場合、光案内装置から光を発するに使用する
光案内装置の種類に応じて特殊の技術が必要である。例
えばプリズム光案内装置において通常使用される光分布
技術によれば、光案内装置内に光拡散材が配設される。
この光拡散材はプリズム光案内装置の壁部から反射され
ない方向に光線を向け、この光線を光案内装置の壁部を
通して発散させるよう構成される。プリズム光案内装置
からの光の分散程度を制御する技術は1986年10月７日付
け出願のローネ・エイ・ホワイトヘツドの“プリズム光
案内照明装置”と題した米国特許第4,615,579号および1
989年７月25日付け出願のローネ・エイ・ホワイトヘツ
ドの“プリズム光案内装置からの光放出量を制御する方
法および装置”と題して米国特許第4,850,665号に開示
される。

一般に、光案内装置から放出する光強さの分布は複雑
であり、一意的に定義することは困難であるが、殆ど全
ての場合分布を制御可能にする規則性を持つ。特殊の態
様として、光案内装置のプリズム面24、26、28等の頂点
を一部平坦にすることにより光の円滑な放出を行う図３
に示す円形光案内装置22の場合を考える。光案内装置22
の頂点の全てが均一に平坦にされている場合、光案内装
置22の総合光束分布は図２に示されるようになる。一方
光案内装置22の特定の一部の光強さ分布を考える場合に
は事情が異なる。

図4A、図4Bおよび図4Cには、光案内装置22の頂面、左
側面および底面上のそれぞれの位置から放出される光強
さの分布が示される。図4A,図4Bおよび図4Cにおいて、
Ｉは任意の方向の照明強さのベクトルを示し、且つθは
この方向と図３の平面Ｐとのなす角度を示す。これらの
分布は、３つの場合光案内装置の面の垂直ベクトルの方
向がそれぞれ異なるため、等方性も同一性も有していな
いことが理解されよう。光案内装置22が照明構造体16内
に光源として使用される場合、各位置における照明構造
体16の発光部分18の内面上の光分布が異なる。これらの
光分布は実質的に重なつているが、光案内装置22の円周
の各部を離れる光量を制御することにより、角度の関数
として光案内装置の総合有効光強さを制御可能にし、延
いては照明構造体16の発光部分18の内面上の光線の分布
を制御可能にすることは当業者には理解されよう。

本発明によれば、上述の技術思想が採用され得る。即
ち円周角の関数として光案内装置の光放出機構が変化さ
れ、更に円周依存性自体が光案内装置の長手方向の距離
の関数として変化される。図11にはほぼ中空の光案内装
置60の円周角θおよび光案内装置60の長手方向の距離ｄ
により光案内装置の面上の任意の所望位置62が決定され
る態様が示される。更に詳述するに、光案内装置の長手
軸68と交わる２つの平面64、66に対し角度θを決定し、
次に光案内装置の一端部に対し光案内装置の長手方向の
距離ｄを決定することによつて、光案内装置の面上の任
意の位置62が一意的に決定され得る。これらの２つの関
数に依存した組み合わせを選択することにより、照明構
造体16の発光部分18の内面で所望の均一照明が得られ
る。

図5Aおよび図5Bは図1Aの従来の照明構造体16と同一の
構造を有する照明装置の頂部および側部の断面図である
が、この照明装置は光案内装置の長手方向の距離の関数
として変化する光放出機構を有した光源の光案内装置と
して採用される。図5C、図5Dおよび図5Eは照明装置の発
光部70において均一の照度を得るに必要な、図5Bに示す
位置ａ、ｂ、ｃに対する透光性対円周角の関係を示すグ
ラフを示す。図5C,図5Dおよび図5Eは角度および位置
（すなわち光案内装置の長手に沿つての距離）に関する
光分布の上述した２つの関数の依存性を明らかにしてい
る。各グラフは円周角の関数として透光性が異なり、こ
れは光案内装置の光放出機構が円周角の関数として好適
に変化することに起因する。両グラフの相違により、円
周角に関する光強さの上述した関数依存性が光案内装置
に沿つた距離の関数として変化することが理解されよ
う。

本発明の利点は光が効果的に利用されることにある。
即ち光案内装置22の面上の任意の位置を通らない光は光
案内装置内に封じ込められ、最終的に光案内装置の壁部
によつて吸収されて実質的に浪費されることなく、他の
位置を通過し光案内装置22に沿つて伝播されることによ
り利用され得る。従つて、本発明によれば少数の光案内
装置において均一の照度を与える実用的な照明装置が提
供され、また入手できる光エネルギを最大限に利用で
き、効果的である。

光案内装置を利用して中空の照明構造体内に光を分布
する多大な利点は照明構造体が外部に装着された照明灯
によつても照明され得ることである。図６には光を夫々
光案内装置36、38、40内に照射する外部ランプ30、32、
34を利用する態様が示される。光案内装置36、38、40は
中空の照明構造体42内に延設され、上述の態様に準じて
光が放出され、照明構造体42の発光部分44の内面を均一
に照明するよう構成される。望ましくは外部ランプ30、
32、34の光は照明構造体42の壁部46に設けた透明の窓を
経て光案内装置内に送られる構成が取られ、これにより
照明構造体42が埃あるいは他の異物が侵入しないよう、
且つ修理ないしは交換のため照明灯に容易に接近可能に
して密封される。

図７に示すように光案内装置36は柔軟な平坦シート材
で作られ、この場合シート材は所定の形状に曲げられ
得、シート材の保持クリツプ48、50が照明構造体42内に
配設されている。シート材は当初は好適な平坦な形状を
有しているが、組み立時には迅速且つ容易に所望の湾曲
された光案内装置への組み込み形状に曲げることができ
る。この方法の利点の一は、薄く柔軟な材料が光材製造
現場から照明装置組み立て現場へ経済的に運搬できるこ
とである。この材料はまた最終的に組み立てられる光案
内装置が実用上妥当に低いアスペクト比（即ち光案内装
置のその平均直径に対する比が通常僅かに10）になるよ
う十分に低廉にできる。このような低いアスペクト比は
光効率が好適なレベルに減少され、従つて光案内装置に
使用する反射材料のコストが低減され、望ましい。

図８には、高品質のプリズム光案内装置に比べ効率の
低い柔軟なシート材からなる光案内装置の部分拡大断面
図が示されるこの場合位置の関数として光放出が相対的
に容易に制御可能にされ得る。この材料は透明物質基板
52であり、この上に薄手のアルミニウムフイルム54が蒸
着される。このフイルムの一部は除去されて、材料上の
位置の関数として変化し、従つて位置の関数として材料
の平均透光性を変化させる所定の繊細なパターンに形成
される。材料が上述したように変形され、光案内装置が
形成されると、光案内装置の透光性も同様に変化され
る。従つて基板から所定のパターンのメタルフイルムを
除去し、次に図７に示すような形状に基板を変形するこ
とにより、光案内装置の円周角の関数および長手方向の
距離の関数の両方の関数として変化する透光特性を有
し、これにより照明構造体42のような照明構造体の発光
部分で容易に且つ均一に照明する光案内装置が製造でき
ることは理解されよう。

特にパツケージ産業ないしはプリント基板産業におい
てはメタルフイルムにパターンを形成する多くの周知技
術が存在する。位置の関数として透明基板を透過させ光
放出を制御するこの種の方法の主な利点の一は、任意の
位置での部分光放出速度が完全に基板から除去すべくメ
タルの面積部分により決定され、これを極めて正確に制
御し得ることにある。これは位置の関数として放出光の
分布を正確に制御でき、これは本発明にとつても重要で
あり、極めて有用でもある。

多くのフアクタは本発明に採用される光案内装置の断
面形状の選択に関連しており、これらのフアクタの一部
は既に組み立てに関する課題として開示されている。工
学的な見地から、考慮すべき主要点が２つある。第１の
点は、光案内装置の発光面が実質的に湾曲されこの湾曲
の円弧が大きい（即ち通常90度以上）ことが好ましいこ
とにある。この場合アジマス角の関数として光案内装置
の光強さの分布が容易に制御され、照明構造体の発光面
上において所望の光分布が得られる。第２の点は、全て
の光案内装置と同様に、光案内装置の有効アスペクト比
をできるだけ低い妥当レベルに維持することが望ましい
ことにある。実際上光案内装置の断面形状をほぼ円形を
提案する傾向にある。一方以下に説明するように、円
形、楕円形あるいは同一焦点を持つような形状にするに
は潜在的に問題がある。従つて好適に開口され円形状か
らそれほど大きく離れておらず、しかも図７の変形され
たシート材の場合の如くそれほど一定でない形状を選択
することが望ましい。

図９は発光部分82を有する円形の光案内装置80を示し
ている。図９に沿つて円形の光案内装置における問題点
を説明するに、多くの場合光放出を殆ど行わない領域84
のような円形断面を有する領域が存在する。この結果こ
の領域から反射される光線86は光案内装置の、この領域
に沿つて伝播されても効率よく利用される機会がなく、
効率が低下することになる。この問題は光案内装置が楕
円形状を含む多くの断面形状を有する場合にも問題とな
る。図10には本発明の好ましい実施例に採用され得る、
均一性を持たせない形状を採用することにより上述の問
題を解決する構成が示される。円形の光案内装置80から
は実質的に光線が放出されないことに比べ、発光部分94
を透過して光を迅速に且つ高い確率で放出させる構成と
なり得、特に特殊な形状の光案内装置90により光線92が
有効に反射され得る。

上述した構成の、主たる設計上の問題点は、光案内装
置の円周角および光案内装置に沿つた距離の両方の関数
として透光性パターンを選択することにある。ある構成
では確かにある関数依存性と面上の光強さの結果として
の分布との相関関係は１対１になるものの、この問題の
数学的な“転換”はある分布の最適透光関数を計算する
とき、極めて複雑になつている。一方正しい関数依存性
の２つの主な特徴は一般的に言つて正しい。即ち光レベ
ルが比較的低い方向での面での透光性は高く、また光源
から離間した個所での面も高くなる必要がある。この一
般的な２つの設計基準に留意して、多くの試験的分布か
ら選択し、所望の分布に近いものを採用することが行わ
れる。この見地から反復技術を利用し理想的なパターン
を開発することが出来る。反復技術は透光関数に対する
種々の変化により、光案内装置内の光強さの分布および
方向が変化され、従つて所望の均一出力を得るに必要な
パターンが変化されるから重要である。この反復法が複
雑であることは明らかであるが、通常５回以内で高い均
一性を示す光出力分布を（±20％以内あるときそれより
高い精度範囲内にする）得ることが可能である。

以上の説明から、本発明は本発明の技術的思想および
範囲から離れることなく、多様の設計変更を実施可能で
あることは当業者には明らかであろう。しかして本発明
は添付の特許請求の範囲に含まれる態様を採用し得る。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】（ａ）照明構造体内に延びる少なくとも１
   つの中空円筒状または中空部分円筒状の光案内装置（3
   6、38、40）と、（ｂ）光を光案内装置内に放出する光
   源（30、32、34）とを備え、光案内装置の透光性が光案
   内装置の面上の位置の関数として変化され、光案内装置
   から放出される光の角度および空間分布が発光面上の位
   置の関数として所定の光強さ分布にされてなることを特
   徴とする透光性の発光面（44）を有する中空の照明構造
   体（42）。
2. 【請求項２】所定の光強さの分布が発光面上の全ての位
   置で実質的に均一にされてなる請求の範囲項１の照明構
   造体。
3. 【請求項３】光源が構造体の外側に配置されてなる請求
   の範囲項２の照明構造体。