JP4031533B2 - 照明源及び照明装置 - Google Patents

Description

発明の背景
深さが極めて浅いバック照明装置は、ある用途にとって、極めて望ましいものである。かかる装置は、１つ以上の光源と、光を光源から集め且つ分配する導波管と、光を導波管から引き出すコリメータ装置とを備える共通の形態とされている。光源を導波管の端縁を通じて結合することにより、深さを著しく浅くすることが可能となる。
この装置から引き出された光の量は、導波管の厚さに逆比例する、導波管内にて生じる反射又ははね返りの数に比例する。最大の光の出力を得るためには、厚さが薄い導波管であることが好ましい。しかしながら、その結果、表面積の小さい端縁となり、導波管の端縁を直接、接続することのできる光源の寸法が制限されることになる。他方、端縁の表面積が大きくなるならば、導波管の引き出し効率は低下することになる。
厚さは薄いが、最大の光源入力を提供する導波管が利用可能であることは、極めてめて望ましいことである。更に、極めて反射的で且つ強力な光源であることも望ましい。
【図面の簡単な説明】
本発明は、本発明の以下の詳細な説明及び添付図面を参照することにより、より完全に理解され且つ更に有利な点が明らかになるであろう。添付図面において、
図１は、反射材料に埋め込まれた光源列を有する照明源の概略図である。
図２は、図１の照明源及び導波管を利用する照明装置の概略的な断面図である。
図３は、反射材料に埋め込まれた二次元的な光源列を有する図１の照明源の概略図である。
図４乃至図７は、厚さが異なる拡散反射材料及び正反射材料及びその組み合わせ材料の反射挙動の図である。
図８及び図９は、図３の照明源を利用する照明装置のそれぞれ断面図及び平面図である。
図１０は、図３の照明源を利用する１つの代替的な照明装置の平面図である。
発明の説明
光源から導波管の端縁の寸法部分まで下方にテーパーが付けられた結合構造体（例えば、第二の導波管）を通じて、１つの大きい光源又は多数の光源を結合することにより、光の入力を犠牲にすることなく、厚さの薄い導波管を使用することができる。結合構造体に対する広い入力面は、多数の光源（又は１つの大きい光源）を導波管内に結合することを可能にする。
拡散反射材料及び正反射材料の双方の反射特性を組み合わせた高反射性基層を使用することにより、照明装置の性能を更に向上させることができる。組み合わせて使用したとき、複合的基層の厚さは著しく薄くし、反射率を増大させることができる。更に、平面状光源を基層内に埋め込むことにより、高効率をもたらす優れた照明源を実現することができる。
図１に図示するように、上述した照明装置と共に使用することのできる照明源１０は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、平坦な蛍光灯、エレクトロルミネセンス源又は高拡散反射性材料の基層４０内に埋め込む用途に適したその他の何らかの平面状光源のような、１つ以上の光源３０の列２０を保持している。図２の導波管５０に隣接する２つの照明源１０の端面図で示すように、該照明源１０は、導波管に結合することができる。矢印６０は、導波管５０内の照明源１０から受け取った光線の分散状態を示す。
典型的に、光源３０は、基層４０の全表面積の一部、すなわち約１０％乃至約７０％、好ましくは約１０％乃至約３０％の範囲を構成する。図１及び図２の線形の配置に加えて、光源３０は、図３の二次元的列７０のようなその他の配置の形態とすることができる。当業者に容易に理解し得るように、その他の形状及び形態（例えば、三角形、円形、六角形等）を利用することも可能である。５ｍｍの間隔が具合良く採用されているが、この間隔は、採用する光源の強さに対応して、約０．２５ｍｍ乃至約３ｃｍの範囲とすることができる。
この光源は、銅被覆したガラス繊維板のような任意の適当な表面に取り付け且つ所望の輝度を達成し得るように隔てることができる。当業者に容易に理解し得るように、熱管理の必要性に対応して、ダイアモンド又はサファイア膜のようなその他の取り付け構造体を使用することができる。
当業者に容易に理解し得るように、光源３０は、はんだ付け又は何らかのその他の適当な手段により下方の板に付着させる。次に、該基層４０には、光源３０の外形に適合する開口部を設け、光源３０により発生された光が基層４０を貫通して進むのを許容するようにする。これと代替的に、光源３０は、基層４０の頂部に配置し、電気接続部を形成してもよい。
当業者に容易に明らかであるように、その他の型式及び寸法のＬＥＤを選択することもできるが、光源として、１平方ｍｍの寸法を有する表面取り付けＬＥＤを採用することができる。適当なＬＥＤは、ニュージャージー州、マナスキャンのダイアライト・コーポレーション（Ｄｉａｌｉｇｈｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）、ヒューレット・パッカード（Ｈｅｗｌｅｔｔ−Ｐａｃｋａｒｄ）、及びニチア・ケミカル（Ｎｉｃｈｉａ Ｃｈｅｍｉｃａｌ）から市販されている。用途に対応して、単一の色（例えば、赤、緑、黄、青）又は多色の光源を採用することができる。
所望の程度の反射率を得るためには、基層４０は、十分な深さを有する必要がある。極めて高反射率、すなわち可視光に対して１００％近い反射率を呈する材料は、可視光範囲内にて殆ど又は全く吸収されない拡散反射媒質から成っている。十分な深さを有する基層の一例は、図４の概略図的な断面図に示した拡散反射材料の厚い層１００である。拡散反射材料の層１００の厚さが約０．５１ｍｍ以上である場合、光の少なくとも約９５％は面１０２にて反射される。
材料が十分に厚くないならば、光エネルギの一部分は、反射されずに層を透過して進む。例えば、厚さが０．２ｍｍ以下の場合、拡散反射材料の反射率は小さく、典型的に９０％以下である。図４の層と比較したとき、図５の拡散反射材料の比較的薄い層１１０が反射する量は、入射光線の僅かなパーセントに過ぎない。図６の薄い反射層１２０の正反射材料は入射光線の約８０乃至９５％を反射するが、この正反射材料は鏡のように振る舞うから、入射光線を拡散させる点で拡散射材料の方が好ましい。
多くの用途にてスペースは制限されているため、拡散反射材料の拡散効果を正反射材料の浅い深さと組み合わせることが望ましい。かかる１つの組み合わせは、薄い拡散反射層１３４の後方に薄い正反射裏当て層１３２を有する、図７に示した複合的反射器１３０である。２つの層１３２、１３４は、表面張力、結合、接着又は積層を利用して、単に共に配置するだけで接続することができる。この積層がその２つの層を接続する好適な方法である。これと代替的に、正反射層１３２は拡散反射層１３４にスパッタリングし、又は拡散反射層１３４上の被覆として提供することもできる。
拡散反射層１３４の後方に正反射層１３２を提供することの利点は、拡散反射層１３４の厚さが約０．５ｍｍ以下のときに必ず実現される。かかる状況において、採用する特定の材料に依存して、正反射層１３２を追加すれば、反射率は少なくとも約９７％、増大させることができる。厚さ０．２ｍｍのＰＴＦＥ材料の拡散反射層と、厚さ０．０７６ｍｍの銀薄膜の正反射層とを有する複合的反射器１３０でも同等の結果が得られた。正反射層１３２の厚さは、使用する材料及び製造方法（例えば、スパッタリング）に依存して、約０．２５μｍ乃至約０．１ｍｍの範囲とすることができる。
当業者に容易に明らかであるように、その他の厚さ及び相対的な比を採用することが可能であることを理解すべきである。図１及び図２の照明源１０内の基層４０に代えて、図７の複合的反射器１３０を採用することができ、その結果、完全な拡散基層と比較したとき、基層が必要とする物理的な深さは浅くなる。
本明細書に記載した用途に適した拡散反射材料は、ラブスフィア・インコーポレーテッド（Ｌａｂｓｐｈｅｒｅ，Ｉｎｃ．）からのスペクトラロン（Ｓｐｅｃｔｒａｌｏｎ）及びフロン（Ｆｕｒｏｎ）又はイー・アイ・デュ・ポント・デ・ネモス・アンド・カンパニー（Ｅ．Ｉ．ｄｕ Ｐｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ ＆ Ｃｏ．）からのＰＴＦＥ（テフロン）フィルムである。正反射材料には、スリーエム（３Ｍ）の製品であるシルバーラックス（Ｓｉｌｖｅｒｌｕｘ）（登録商標名）及びアルミニウム、金及び銀並びに当業者に容易に案出可能なその他の材料のような、その他の高反射性（すなわち、反射率が９０％以上のもの）の材料が含まれる。ニューヨーク州、ニューウィンザのマクベスＮｏ．７１００分光光度計、又はコネチカット州、ダンベリーのパーキンエルマＮｏ．３３０分光光度計のような幾つかの市販の計測器を使用して、上述した任意の材料の反射性を測定することができる。正反射材料は、化学的蒸着、電子ビーム蒸着、スパッタリング等のような技術によって第二の面に蒸着するか、又は拡散反射材料に直接、蒸着することができる。
テーパー付き結合導波管を通じて光を結合することにより、図３の照明源７０の出力を照明装置内で使用することができる。図８の概略図的な断面図に示した照明装置２００において、二次元的列の光源を有する照明源７０は、テーパー付き結合導波管２１０の入力面２１２に隣接する位置に配置されている。光は、出力面２１４を通ってテーパー付き結合導波管２１０から去り、端縁の入力面２２２を通って出力導波管２２０に入る。一方、出力導波管２２０は、光コリメート組立体２３０に光エネルギを提供する。図８の図面は正確な縮尺で描いたものではなく、実際の相対的な寸法は用途に応じて変更可能である。
テーパー付き結合導波管２１０と出力導波管２２０の端縁入力面２２２との間に配置された光学的に透明な接着層２４０は最大の光の伝送を確実にする。該層２４０は、導波管２１０、２２０の屈折率に略等しいことが好ましい屈折率を有する光学的に透明な任意の材料で形成することができる。これと代替的に、２つの導波管２１０、２２０を当該技術分野にて周知の材料及び技術を使用して熱により融合させ又は溶剤で融合させてもよい。照明装置２００の他の構成要素の間、例えば、出力導波管２２０と光コリメート組立体２３０との間に、所望に応じて且つ適当であるように、接着層を採用することができる。出力導波管２２０と光コリメート組立体２３０との間に同様の接着層２５０が設けられる。この場合にも、出力導波管２２０及び光コリメート組立体２３０は、熱により融合させ又は溶剤で融合させることができる。
照明源７０とテーパー付き結合導波管２１０との接続部にて、光がテーパー付き結合導波管２１０に入るとき、その光の屈折を最大にし得るように空隙２６０が設けられている。該空隙２６０は、照明源７０からテーパー付き結合導波管２１０内に進む光屈折を許容し得るように少なくとも数波長の厚さであることが好ましい。
導波管２１０、２２０、及び接着層を含む、関係する構造体は、次の米国特許に開示された方法に従い、ポリカーボネート、アクリル樹脂、ポリスチレン、ガラス、透明なセラミック及びモノマー混合体を使用して製造することができる。すなわち、マイクロプリズムのアレーを採用する後方照明装置に関して、１９９５年３月７日付けでビーソン（Ｂｅｅｓｏｎ）及びその他の者に発行された米国特許第５，３９６，３５０号、マイクロプリズムのアレーを採用する照明装置に関して、１９９５年６月２７日付けでジマーマン（Ｚｉｍｍｅｒｍａｎ）及びその他の者に発行された米国特許第５，４４８，４６８号、テーパー付きの光重合導波管のアレーを製造する方法に関して、１９９５年１０月３１日付けでビーソン及びその他の者に発行された米国特許第５，４６２，７００号、テーパー付き導波管のアレーを備える直接視ディスプレイに関して、１９９６年１月２日付けでジマーマン及びその他の者に発行された米国特許第５，４８１，３８５号である。上記特許の全ては引用して本明細書に含めてある。
出力導波管２２０の厚さＤは、出力面２１４から入る光の反射又は撥ね返りの数を最大にし得るように薄く保たれている。この厚さＤは、約0.5乃至約10ｍｍの範囲とすることができる。典型的に、約６乃至約８ｍｍの厚さが採用されている。光が１つの端縁を通ってのみ入るならば、はね返り数を最適にし、従って、出力導波管の処理能力を向上させ得るように、コリメート組立体２３０から離れる面における出力導波管２２０に僅かなテーパーを付けることを望むであろう。このテーパー角度は約０．２５°乃至約２．０°の範囲とすることができる。実際の角度は導波管２２０の長さによって決まる。
光学的に、全内部反射（ＴＩＲ）は、テーパー付き結合導波管２１０に入る全ての光を出力面２１４に伝送する。最大量の光を受け取るため、テーパー付き結合導波管２１０の入力面２１２は、可能な限り大きく形成する。しかしながら、入力面２１２の面積が出力面２１４に対して増大し、テーパー角度Θ_tを増大させるに伴い、特に、個々のＬＥＤが広い出力角度の分布状態を有する場合、テーパー付き結合導波管２１０のテーパー付き面２１６の１つを貫通する光の量が増す可能性がある。これが生じる理由は、テーパー付き面２１６に対して直角なΘ_cがΘ_c＝ｓｉｎ^-1（ｎ₁／ｎ₂）として規定される場合、入射光線は、臨界角度以下の角度にてこれらの面に衝突するからである。この場合、ｎ₂はテーパー付き結合導波管２１０の屈折率、及びｎ₁はテーパー付き結合導波管２１０の外側の材料（例えば、空気）の屈折率である。ＴＩＲの故障による光の損失を回避するため、テーパー角度Θ_tは、十分な面積の入力面２１２を提供する一方にて、可能な限り最小にしなければならない。
テーパー角度Θ_tを選択するためには、設計者は、光源の出力の分布角度（±Θ_d）、テーパー付き結合導波管２１０及びその周囲の媒体の屈折率、許容可能な最大の光の損失を考慮しなければならない。テーパー角度Θ_tは、スネルの法則及び臨界角度の等式から誘導することができる。
ＬＥＤが±Θ_dの出力を有すると想定する。ＬＥＤからの光線がテーパー付きの結合導波管２１０に入るとき、スネルの法則に規定されたように、伝播角度は比屈折率に従って修正される（±Θ_d′）。
ｎ₁ｓｉｎΘ_d＝ｎ₂ｓｉｎΘ_d′
Θ_d′を求めるならば、次式となる。
Θ_d′＝ｓｉｎ^-1（ｎ₁／ｎ₂ｓｉｎΘ_d）
Θ_d′が極端な角度の場合、光線は法線（テーパー付き面２１６に対する）から90゜−（Θ_t＋Θ_d′）の入射角度にてテーパー付き面２１６に衝突する。反射した後、この光線は、法線（その他のテーパー付き面２１６に対する）から９０°−（２Θ_t＋Θ_d′）の入射角度にて反対側のテーパー付き面２１６に衝突する。その双方の場合、入射角度は、臨界的な反射角度よりも大きくなければならない。
上記に基づいて、入射角度を決定するため、次の一般的な等式を設定することができる。
Θ₁＝９０°−［（２（ｒ−１）＋１）Θ_t＋Θ_d′］
ここで、ｒは光線の反射数である。Θ₁に対する等式に基づいて、光がテーパー付き結合導波管内に確実に止まるようにするためには、Θ_tは、次のように選択しなければならない。
Θ_t＞Θ_c
又は、
９０°−［（２（ｒ−１）＋１）Θ_t＋Θ_d′］＞ｓｉｎ^-1（ｎ₁／ｎ₂）
Θ_tを求めると、
Θ_t＜［90°−Θ_d′−ｓｉｎ^-1（ｎ₁／ｎ₂）］／［（２（ｒ−１）＋１）］
この最後の関係により、採用されるＬＥＤ、比屈折率、生じる可能性のある反射数に基づいて、テーパー角度を選択することができる。
やり繰りの打開策として、ＬＥＤ光線パターンの外端部の特定の部分が喪失される程度まで入力面の寸法を拡張することができる。このように、ＬＥＤの光出力の一定の割合がテーパー付き結合導波管２１０外に直接、進む一方、ＴＩＲは光線の大部分をテーパー付き結合導波管２１０内に保ち、その光線を出力導波管２２０に伝送する。上述した関係は、臨界角度の損失を防止すべくテーパー付き結合導波管２１０の入力面２１２の寸法を大きくすることにより達成される光の入力を最適にするため使用することができる。
照明装置２００は、再度、図９の平面線図に示してある。１乃至３つという多数の追加的な照明源７０及び関係するテーパー付き結合導波管２１０を追加することにより、図１０に図示するように、出力導波管２２０に対し更に多くの光エネルギを提供することができる。図８、図９及び図１０から、テーパー付き結合導波管２１０は、例えば、ｘ方向及びｙ方向のような１つ以上の方向に向けてテーパーを付けることができる。
ＬＥＤの各々の上方に集束レンズを配置することにより、ＬＥＤの分配角度を最小にすることができる。かかるレンズは、典型的に、ＬＥＤの製造メーカにより提供される。ある場合には、該レンズは、ＬＥＤ実装体の一体の部分である。
図８、図９及び図１０の照明装置の１つの代替的な実施の形態において、テーパー付きの結合導波管２１０は、導波管２１０内にて反射を実現すべく鏡状の正反射面を有する中空の構造体としてもよい。該面は、被覆法、又はスパッタリング法、或いは当業者に容易に案出される幾つかのその他の方法により製造することができる。別の代替的な実施の形態において、中実又は中空のテーパー付き結合導波管２１０に代えて、市販のテーパー付き光ファイバ束を使用してもよい。
本発明は商業用、オフィス、住宅、野外、自動車及び器具の用述用の照明を含む直接照明装置のような多岐に亙る装置に適用可能であることを理解すべきである。また、本発明は、コンピュータ、自動車、軍事、航空宇宙、消費者、商業用及び工業的用途及び効率的な照明源を得るために改良された反射材料を必要とするその他のあらゆる装置用のディスプレイにも適用可能である。
本発明の好適な実施の形態と考えられる内容について説明したが、当業者は、本発明の精神から逸脱せずに、その他の更なる改変例を具体化することが可能であり、本発明の真の範囲に属するかかる全ての実施の形態を請求の範囲に含めることを意図するものであることが認識されよう。

Claims (8)

1. （ａ）基層（４０）及び（ｂ）該基層に付着させた発光ダイオード（３０）の列（２０）を含む照明源（７０）であって、
   前記基層は、（ｉ）拡散反射材料からなる第１の層（１３４）及び（ii）該第１の層に隣接する正反射材料の第２の層（１３２）を含み、第１の層が第２の層に結合される照明源。
2. 前記拡散反射材料からなる第１の層（１３４）が前記正反射材料の第２の層（１３２）に、表面張力又は接着を用いて結合される請求項１に記載の照明源。
3. 前記拡散反射材料からなる第１の層（１３４）が前記正反射材料の第２の層（１３２）に、積層を用いて結合される請求項１に記載の照明源。
4. （ａ）基層（４０）及び（ｂ）該基層に埋め込まれた発光ダイオード（３０）の列（２０）を含む照明源（７０）であって、
   前記基層は、（ｉ）拡散反射材料からなる第１の層（１３４）及び（ii）該第１の層に隣接する正反射材料の第２の層（１３２）を含み、第１の層が第２の層に結合される照明源。
5. 前記基層の開口部が少なくとも１つの前記発光ダイオードの外形に整合する請求項１又は４に記載の照明源。
6. 前記少なくとも１つの前記発光ダイオードの光が前記基層を少なくとも部分的に貫通して進む請求項１又は４に記載の照明源。
7. 前記発光ダイオード（３０）が二次元的な列に配置された請求項１又は４の照明装置。
8. 請求項４に記載の照明源（７０）及び導波管（２２０）を含む照明装置であって、該導波管が出力面及び該出力面に対して略垂直な少なくとも１つの端縁入力面（２２２）を有し、該端縁入力面（２２２）が前記照明源に隣接する照明装置。

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