JP4083231B2 - 照明ユニット - Google Patents

Description

技術分野：
本発明は、請求項１に記載した形式の照明ユニットに関する。
背景技術：
米国特許第５３９０２７６号明細書に基づいて既に公知の照明ユニットの核心部分は、透明な物質（たとえばプレキシガラス）から製作された導波路であり、該導波路は、大雑把に云えば、直方体状プレートの形状を有している。１つの端面が光入射面として使用され、残りの端面は、例えば反射コーティングによって、導波路の端面から光を出射させないように処理されている。前記プレートの大きな両広幅カバー面の一方は光出射面として構成されており、他方の広幅カバー面には、複数の小さなプリズムが設けられている。前記プリズムは全て等しい横断面形状と等しい横断面積を有しかつ全て光入射面に対して平行に延在している。光入射面の直ぐ近くにランプが位置している。ランプとして冷陰極蛍光灯が使用され、該冷陰極蛍光灯は細長い管の形状を有している。ランプは、該ランプによって発生された照射光のできるだけ大きなパーセンテージを導波路へ入力結合するように、光入射オリフィスの前に配置されている。前記導波路とは反対の側のランプ側には、付加的に反射鏡が設けられており、該反射鏡は、導波路内へ直接入射されなかった光を、同様に導波路に供給する。
導波路の下側に配置されたプリズムによって、導波路内に位置している光の格別効果的な出力結合が得られ、これに基づいて光は、一方の広幅カバー面に装着されたプリズムから、対向する広幅カバー面へ向かって反射され、次いで該対向広幅カバー面から出射することができる。勿論このユニットでは、全導波路における出力結合効率が等しいことを考慮する必要がある。要するに棒状のランプに代えて例えばＬ字形又はＵ字形の蛍光灯管が使用され、従って複数の端面が光入射面として使用される場合には、導波路内に光り強度の不均質な分布が生じる。従って一様な出力結合効果に基づいて不均質な照明が得られる。しかしながら他面においてＬ字形又はＵ字形の蛍光灯管は、これが特に効果的であるので使用に価する。
発明の開示：
請求項１の特徴部に記載した構成手段を有する本発明の照明ユニットは、従来技術に対比して、極度に均質な強度分布を同時に有する一層高い強度の光を供給できるという利点を有している。これは例えば自動車用の液晶ディスプレーに組込む場合に有利である。
請求項２以降に記載した手段に基づいて、請求項１に記載した照明ユニットの有利な構成及び改良が可能である。プリズムは同一の横断面形状を有しているのが特に有利である。それというのは、全ての点における光度が、目線角度に関して等しい従変性を有しているからである。
【図面の簡単な説明】
図１．１，図１．２及び図１．３は第１の照明素子を示す図である。
図２．１，図２．２及び図２．３は第２の照明素子を示す図である。
図３．１，図３．２及び図３．３は第３の照明素子を示す図である。
図４．１，図４．２，図４．３，図４．４及び図４．５は第４の照明素子を示す図である。
図５は照明素子用のミラーを示す図である。
発明を実施するための最良の形態：
次に図面に基づいて本発明の実施例を詳説する。
図１．１は第１の照明素子を示す。この照明素子は導波路プレート１０を有しており、該導波路プレートは、プレキシガラスから成るほぼ直方体状のプレートとして構成されている。しかし導波路プレートのためには、所要の高い透明度を有している限り、別の材料も考えられかつ設けることが可能である。導波路プレート１０はその３つの狭幅側面に沿って１つのＵ字形の光源１２によって包囲されている。該光源自体は、やはりＵ字形の反射鏡１３によって囲まれている。導波路プレート１０は、ここで選んだ図示方式によって看取できる下面１６に複数のプリズム１７を有している。該プリズム１７は全て、等しい横断面形状と等しい横断面寸法を有している。全てのプリズムはリニアである（つまり尾根線は直線である）。プリズムの配列はほぼ放射状であり、しかも放射中心点は、導波路プレート１０の寸法範囲外で、Ｕ字形光源１２の中央部分を通る中心垂線上に位置している。
図１．２には、図１．１に示したＡ−Ａ′断面線に沿って断面した照明ユニットの第１の横断面図が図示されており、この場合同一の構成部分には、同一の符号を付した。
図１．３には、やはり図１．１に示したＢ−Ｂ′断面線に沿って断面した照明ユニットの第２の横断面図が示されている。この場合も同一の構成部分には同一の符号を付した。
光源１２から放射される光は、導波路プレート１０における光出射面１４に対してほぼ平行に運動する。この光は光出射面に衝突すると全体的に反射され、対向する狭幅側で出射すると該光線は反射器１３によって再反射される。しかしながらこの光がプリズム１７の１つに衝突すると、この光は偏向され、従って全反射のためのクリティカル角度よりも小さい角度で、光出射面１４に投射する。従ってプリズム１７に当たる照射光の確率は、導波路プレート１０からの光の出力結合効率の尺度でもある。光源１２のＵ字形構成に基づく導波路プレート１０における光度の不均質分布は、図１に示した本実施例では、光度の比較的小さな導波路プレート部分における出力結合効率がより大きいことによって、補償される。
本発明にとってこの場合、前記プリズムがリニアであることは重要なことではない。特に、プリズムの尾根線を、導波路プレートにおける光度の勾配にほぼ追従させるようにすることも可能である。同じくプリズムが三角形の横断面形状を有していないようにすることも可能である。二重放物線状の横断面形状が特に有利である。それというのは該横断面形状は、出力結合光の視準を可能にするからである。本発明の照明ユニットのその他の変化実施態様は、導波路の寸法全体にわたって出力結合効率を変化することにより、照明の不均質性を完全には補償しないようにすることによって得られる。これは、照明ユニットを液晶ディスプレーを照明するために使用する場合、かつ該液晶ディスプレーが全体的に等しい光度であってはならない場合に、特に使用に価する。
別の実施例が図２．１〜図２．３に図示されている。図２．１は照明ユニットの下面図である。この場合も照明ユニットは、透明な材料、例えばプレキシガラスから成るほぼ直方体状の導波路プレートを有している。図１．１と同様に、導波路プレート１０はその３つの端面側に沿って１つの光源１２によって囲まれており、該光源の後方に反射鏡１３が位置している。図２．１に示した導波路プレート１０の下面１６は複数の直線的なプリズム１７を有し、該プリズムは全て縦軸線に沿って（要するにＵ字形光源１２の両脚片に対して平行に）配置されている。複数のプリズム１７は直線的なプリズムであり、かつ相互に、かつ縦軸線に沿って至る所で等しい横断面形状を有している。しかしながら該プリズムの横断面積は、個々のプリズム間でも、１つのプリズムの内部でも縦軸線に沿って変化している。該横断面積は、導波路プレート１０の、光源を有していない端面の中点において最大であり、其処から全ての方向に連続的に減少する。
このプリズム横断面積の変化は、図２．２及び図２．３に示した２つの横断面図から明らかである。
図２．２は、図２．１に示した照明ユニットを、やはり図２．１に示した断面線Ｃ−Ｃ′に沿って断面した横断面図であり、その場合同等の構成部分には、同一符号を付した。
図２．３は、図２．１に示した照明ユニットを、この場合はやはり図２．１に示した断面線Ｄ−Ｄ′に沿って断面した別の横断面図である。
図２．１に示した照明ユニットの機能説明については、図１．１に示した照明ユニットの説明を参照されたい。やはり照明ユニットからの出射光は、導波路プレート１０からの出力結合効率が、光度が最小である所で最大になることによって、均質化される。しかしながら図２．１に示した照明ユニットでは、出力結合効率はプリズムの個数によってではなく、プリズムの寸法によって決定され、しかも出力結合効率は、プリズム横断面積の増大に伴って上昇する。しかしこの場合に考慮すべき点は、隣り合ったプリズムがオーバーラップする場合に出力結合効率が飽和範囲に入ることである。
プリズムの配列は、ランプ、反射鏡及びプリズムを有していない導波路プレートに少なくとも等しい対称要素を有しているのが有利である。この場合は比較的僅かな経費で、出射光の高い均質度が得られる。しかし又、特に照明ユニットの縦軸線に関して非対称的なプリズム配列を選択することも可能である。この場合は、照明ユニットからの出射光の強度分布も完全には均質でない。このようにして、光源１２によって発生される不均質性に代わる不均質性を意図的に発生させることも可能である。同じく又、横断面積の適当な選択によって、照明ユニット自体が均質光を出射するようにプリズムの非対称的分布を補償することも可能である。
更にまた、湾曲した尾根線を有するプリズムとしてプリズム１７を構成することも可能である。
更に別の実施例が図３．１〜図３．３に図示されている。図３．１は照明ユニットの下面図である。該照明ユニットはやはり、透明の材料、例えばプレキシガラスから成るほぼ直方体状の導波路プレート１０を有している。図１．１の場合と同様に導波路プレート１０はその３つの端面側に沿って１つの光源１２によって囲まれており、該光源の後方に反射鏡１３が位置している。先行の図面とは異なって前記光源１２は導波路プレート１０の１つの長側面と２つの短側面とを囲んでいる。導波路プレート１０の、図３．１に示した下面１６は、Ｖ字形の尾根線を有する複数のプリズム１７を備えており、しかも複数のプリズムの鏡軸は光源１２の縦軸線に対して合同（要するにＵ字形光源１２の両脚片に対して平行）に配置されている。複数のプリズム１７は相互に、またその縦軸線に沿っても（横断面形状がより複雑な折曲域を除けば）等しい横断面形状及び等しい横断面積を有している。
プリズムの相互間隔は、光源１２から最も離隔した導波路プレート１０の領域において小さくなる。
これは図３．２及び図３．３の両横断面図にも示される。
図３．２は、図３．１に示した照明ユニットを、やはり図３．１に示した断面線Ｈ−Ｈ′に沿って断面した横断面図であり、しかも同等の構成部分には同一符号を付した。
図３．３は、図３．１に示した照明ユニットを、この場合はやはり図３．１に示した断面線Ｉ−Ｉ′に沿って断面した横断面図である。
図３．１に示した照明ユニットの機能説明については、図１．１に示した照明ユニットの説明を参照されたい。やはり照明ユニットからの出射光は、導波路プレート１０からの出力結合効率が、光度が最小である所で最大になることによって、均質化される。図１．１に示した実施例ですでに述べたように、出力結合効率は、プリズム相互の間隔の減少によって高められる。図１．１に示した実施例とは異なって、本実施例ではプリズムの尾根線は、光度の勾配に対してほぼ垂直に（所謂「等強度線」に沿って）導波路プレート１０内に配置されており、しかも勾配に沿っての出力結合効率はプリズム密度の増大によって向上される。
図３．１に示した実施例の変化態様として、等強度線に沿ってプリズムのより狭い案内を得るためにプリズムの尾根線を湾曲することも可能である。
図４．１には、本発明の照明ユニットの別の実施例の光出射面１４が平面図で図示されている。該照明ユニットはやはり、透明な材料から製作されたほぼ直方体状の導波路プレート１０を有している。複数のプリズム１７はこの図４．１には図示されていない。それというのは該プリズムは導波路プレートの下面に位置しているからである。該導波路プレート１０はやはり３辺に沿って１つのＵ字形の光源１２によって囲まれており、該光源自体は１つの反射鏡１３によって囲まれている。光源１２を備えていない導波路プレート１０の端面側には、反射層１５が被着されている。図４．１に示した照明ユニットは次のように４つの異なった断面図で図示されている。
図４．２は、図４．１に示した照明ユニットを、前記反射層１５に最も近く位置する断面線Ｅ−Ｅ′に沿って断面した第１横断面図である。
図４．３は、図４．１に示した照明ユニットを、前記断面線Ｅ−Ｅ′に対して平行に延びていて導波路プレート１０のほぼ中心に位置する断面線Ｆ−Ｆ′に沿って断面した第２横断面図である。
図４．４は、やはり断面線Ｅ−Ｅ′に対して平行であるが、Ｕ字形の光源１２の頂点の傍で導波路プレート１０の縁部近傍に延びる断面線Ｇ−Ｇ′に沿って断面した第３横断面図である。
図４．５は、断面線Ｈ−Ｈ′に沿った縦断面図であり、前記断面線Ｈ−Ｈ′は照明ユニットの縦軸線に合致している。
全ての図面から判るように導波路プレート１０はその端面に沿って１つの光源１２を備え、該光源は部分的に１つの反射鏡１３によって囲まれている。上向きの光出射面１４は扁平であるのに対して、導波路プレート１０の下面１６は内向きに湾曲されているので、図４．２〜図４．４では凹面状の横断面が生じる。導波路プレート１０の下面１６には複数のプリズム１７が配置されており、該プリズムは全て等しい横断面積と等しい横断面形状を有しかつ断面線Ｅ−Ｅ′に対して平行に、要するに照明ユニットの縦軸線に対して垂直に延びている。
導波路プレート１０の湾曲は、導波路プレートが湾曲部で肉薄になり、こうして光度が幾分弱くなるように選択されている。従って光は、弱くなる光度の領域においては、いわばプリズム１７上を案内され、これによって出力結合効率は向上されることになる。
図４．１に示した実施例の変化態様も可能である。例えば光出射面１４に湾曲を設けかつ下面１６に複数のプリズムを設けるように導波路プレート１０を構成することも可能である。これによって導波路プレート１０の一層簡便な製作可能性が得られる。
同じく又、導波路プレート１０における複数のプリズム１７を約９０°回動して、該プリズムの尾根線を照明ユニットの縦軸線に対してほぼ垂直に延在させるように構成することも可能である。
導波路プレート１０の下面の下にミラーを装着することによって、より多量の光を光源から光出射面へ方位づけることも可能である。図５は、導波路プレート１０の下に組付けるために特定されているようなミラー１８を示す。更に図５では、導波路プレート及び光源に対する前記ミラーの組付け位置を明確にするために光源１２は破線で図示されている。ミラー１８は若干の部位に、ミラーの反射能をこの部位で低下させる複数の黒化部１９を有している。従ってやはり出力結合効率の低下が得られる。導波路プレートにおける光度が特に大きい部位に前記黒化部１９を設ければ、該黒化部１９によって出射光の均質化が得られる。
上記で使用される黒化部という概念は、黒色塗料の塗布を意味するばかりでなく、むしろこれに関連した黒化部は、これらの部位における反射を低下させるための適当な表面処理を意味している。この表面処理は例えば鏡面のエッチング、ミラーの金属薄膜の除去、吸収作用又は拡散作用を及ぼす或いはアンチ反射層として働く付加的な層の成膜によって行なうことができる。
本発明のその他の変化態様は、前記の種々異なった実施例のコンビネーションによって得られる。例えば図２．１〜図４．５に示した実施例においても二重放物線状のプリズム横断面形状を使用することが可能である。それというのは、このプリズム横断面形状は、出力結合光の視準を可能にするからである。また湾曲した尾根線を使用することもでき、該湾曲尾根線は、光のより正確に調整可能な均質化を可能にする。
出力結合効率を改善するために、プリズムに鏡面層を付加的に配備することも可能である。同じく又、特に効率的な全反射の下で出力結合を行なわせるようにプリズムの屋根角を選ぶことも可能である。しかしながらこの場合、光出射面を通って進出する光を面法線に対して平行に方位づけることが必要である。これは、照明ユニットに後続する付加的な箔によって簡単に行なうことができる。
更にまたＬ字形又はＯ字形のランプを使用すること、或いはプリズムを光出射面上に装着することも可能である。
光出射面上のプリズムは、若干の機能を果たすことができる。一方では材料及び屋根角を適当に選択することによってプリズムは、光出射面における反射を逆に導波路プレート内へ戻して低下させ、従って出力結合効率を向上させる。他方ではプリズム側面における光の屈折によって、光を所望の範囲内で平行に方位づけることが得られる。
有利な実施形態ではプリズムは、その尾根線が、下面側に配置されたプリズムの尾根線にほぼ垂直に直交するように光出射面上に配置されている。また、下面側に配置されたプリズムに類似して、可変横断面又は可変密度を有するプリズムを光出射面上に設けるのも同じく有利である。

Claims (12)

1. 少なくとも２つの広幅カバー面（１４，１６）と少なくとも２つの狭幅辺（１１）とを有する長方形の導波路プレート（１０）を備えた、面状均質照明用の照明ユニットにおいて、光源（１２）、特に冷陰極蛍光灯が、少なくとも２つの隣接した狭幅辺に配置されており、前記光源の光が導波路プレート（１０）内へ光学的に入力結合可能であり、前記導波路プレート（１０）が少なくとも１つの広幅カバー面（１６，１４）に複数のプリズム（１７）を備えており、前記導波路プレート（１０）の、光の強さが弱くなる領域、しかも光が此処で出力結合される導波路プレート領域内に、単位面積当り比較的多数のプリズム及び比較的大きな寸法のプリズムが設けられていることを特徴とする、照明ユニット。
2. 光源（１２）がＵ字形である、請求項１記載の照明ユニット。
3. プリズム（１７）が尾根線を有している、請求項１又は２記載の照明ユニット。
4. 各プリズムが、それぞれ尾根線に沿って等しい横断面形状を有している、請求項３記載の照明ユニット。
5. 全てのプリズム（１７）が等しい横断面形状を有している、請求項４記載の照明ユニット。
6. 全てのプリズムが等しい三角形の横断面形状を有している、請求項５記載の照明ユニット。
7. 三角形の辺ラインが湾曲、特に放物線状に湾曲されている、請求項６記載の照明ユニット。
8. 尾根線が部分的に、光の強さの勾配方向に対してほぼ平行に配置されている、請求項３から７までのいずれか１項記載の照明ユニット。
9. 尾根線が部分的に、光の強さの勾配方向に対してほぼ垂直に配置されている、請求項３から７までのいずれか１項記載の照明ユニット。
10. 尾根線が部分的にほぼ平行に配置されており、前記プリズムの奥行き及び／又は幅が、出力結合可能な光の強さが弱くなる導波路プレート領域内では比較的大きくなる、請求項３から８までのいずれか１項記載の照明ユニット。
11. プリズム（１７）の尾根線が、導波路プレート（１０）の長手方向中心軸線に対してほぼ平行に方位づけられている、請求項１０記載の照明ユニット。
12. プリズム（１７）の面が、鏡映層を有している、請求項１から１１までのいずれか１項記載の照明ユニット。

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