JP4394839B2 - 所定の強度パターンを産み出す照明装置 - Google Patents

Description

【０００１】
発明の背景
本発明は、概して照明装置に関するものであり、そして特に、車両における使用などに適した所定の強度パターンを産み出すべく、内部に光抽出構造物が形成されている光導体照明装置に関するものである。
【０００２】
ガラスやポリマーなどの光透過物質は、光を伝えるための光導体として用いられることがある。典型的な光導体は、光源から光を受けるに適した、少なくとも一つの面及び光導体を通過して或いは光導体に沿って伝わる光を反射するための、光学的に滑らかな一つの面を含んでいる。一般的な光導体の例には、データ通信産業で従来から用いられているオプティカル・ファイバー及び照明目的で最近用いられているライト・ファイバーが含まれる。例えば、米国特許第５，４３２，８７６号（‘８７６号特許）には、ライト・ファイバーを用いた照明装置が開示されている。この装置においては、ライト・ファイバーの少なくとも一端から光が導入され、ファイバーに沿った所定の１箇所または複数箇所からの光が出て、均一な照明パターンが産み出される。光抽出構造物、即ちノッチがライト・ファイバーのコアの中に形成されている。これらの光抽出構造物は、第１反射面と第２反射面の範囲を定め、そしてこれらの反射面が、ファイバーを通して軸方向に伝わる光の一部を半径方向に反射する。反射光は、全内反射の原理によるところの、ファイバーに沿う伝播に必要な臨界角より小さい角度に差し向けられる。その結果、反射光がファイバーから抽出される。従来の技術、例えばファイバーを比較的きつく曲げて光を抽出する技術とは対称的に、このシステムは、制御されたやり方でファイバーから光を抽出する。
【０００３】
ライト・ファイバー照明装置は、自動車やその他の車両における使用に提案されている。例えば、ライト・ファイバー照明装置は、１個の点光源を、スポイラーの中で用いることができ、或いはリヤウィンドウの縁やトランクリッドのカーブに沿わせて用いることができる１本の長くて狭い線の中に均一に分布させるべく用いることができる。そのような装置の例は、例えば米国特許（第５，２２２，７９４号、４，８１１，１７２号、４，８６８，７１８号、及び４，９４９，２２７号の中で見出すことができるであろう。
【０００４】
ライト・ファイバー照明装置は、車幅灯、非常時点滅灯、中央の高い位置に取り付けられる制動灯としても用いることができ、そしてこれらのランプが車両の全長、全幅、全高のような特徴の表示器として機能し得る。これらの装置は、特定の規格の要件を満たすことをしばしば要求される。例えば、自動車技術者協会（ＳＡＥ）は、自動車の照明装置に関する性能要件を推奨する、様々な規格を策定しており、これらの規格においては、自動車の照明装置が発すべき光の量、方向、分布が定められている。例えば、ある種の装置は、最小限度の車両顕著性を確保すべく、＋／−４５度程度の角度範囲にわたる光出力を要求される。
【０００５】
発明の概要
既知のライト・ファイバー照明装置は強度分布の限定セットを産み出し、それらの限定セットが個々の規格（即ち、ＳＡＥなど）を満たすことは概してないので、上述の要件を既知のライト・ファイバー照明装置で満たすことは、しばしば困難又は不可能である。この限界は、当業界で既知の照明装置が間隔と深さだけが多様である光抽出構造物から成っていることによる。
【０００６】
従って、本発明は、所定の照明パターン、例えばある角度範囲にわたって均一な照明パターン或いは特定の角度にピーク角度を有する照明パターンを産み出すべく適切に形成された光抽出構造物を備えた照明装置を提供するという課題に向けられている。
【０００７】
本発明は、様々に異なる形状の光抽出構造物を備えた光導体照明装置を提供することによって、この課題を達成するものである。各光抽出構造物のノッチ角を個別に設定することによって、望ましい照明パターンを達成することができる。
【０００８】
本発明は、光導体コア及び同コアを通して光を伝えるための光学的に滑らかな面を有する光導体を備える照明装置を提供する。発光域がコアの一部に沿って延びており、そしてこの発光域は、光学的に滑らかな面に沿って配された、複数の光抽出構造物を備える。光抽出構造物から反射された光が光学的に滑らかな面を通って光導体から放出されるように、光抽出構造物が形成されている。複数の光抽出構造物の内の、少なくとも二つが互いに異なる形状を有している。
【０００９】
本発明の一態様においては、各光抽出構造物が光反射面を備えており、前記光反射面は、光導体コアの中へ延び、そして臨界角未満の角度で光を反射すべく、前記光反射面にノッチ角が与えられており、かくて光が光学的に滑らかな面を通して光導体から放出される。ノッチ角とは、光学的に滑らかな面に直交する直線と光反射面との間の角度である。
【００１０】
本発明のもう一つの態様によれば、光抽出構造物の様々に異なる形状が様々に異なるノッチ角に対応している。
【００１１】
本発明の更なる態様によれば、光導体がライト・ファイバーであってもよい。更に、光導体の横断面が円形であっても非円形であってもよい。更には、光導体が平らな横断面を有する導波体であってもよい。
【００１２】
本発明の更にもう一つの態様によれば、放出された光が所定の照明パターンを形成するように、複数の光抽出構造物に様々に異なった形状が与えられる。所定の照明パターンとは、例えば＋／−４５度の角分布域にわたって実質的に均一なパターン、或いは約＋／−１０度以下の角分布域において相対的により強い光が与えられる、実質的に不均一なパターンである。「角分布」は、ライト・ファイバーのような、本質的に線形の照明装置に関して定義され、そしてある固定方向への、角度の関数としての、光線の分布を意味している。本ケースにおいては、光抽出構造物が形成されている側の反対側へ光が放出され、これがゼロ角度方向と定義されている。更に、本発明は主として、ゼロ角度方向とファイバー軸線を含む平面内の角度分布に関するものである。観察者が観察する時に所定の強度レベルを有する照明源を提供することに加えて、所定の照明パターンが目標を均一な又は不均一な照らし方で照らしてもよい。従って、利用可能な光が効率的に目標に向けて分配される、或いは利用可能な光が一規格を満たすために効率的に分配される。車両の照明装置として用いられる時、前記所定の照明パターンが車両用照明装置に関する一規格を満たすであろう。
【００１３】
本発明のもう一つの態様によれば、複数の光抽出構造物が光学的に滑らかな面に沿って、等間隔で配されるであろう。或いは又、複数の光抽出構造物が光学的に滑らかな面に沿って、不均一な間隔で配されるであろう。
【００１４】
本発明の更なる態様によれば、１本の光導体の、複数の長手方向軸線に沿って、複数の光抽出構造物が配されるであろう。２本の長手方向軸線を有する１本のライト・ファイバーの形態の光導体の前記２本の長手方向軸線に沿って、不均一なノッチ角の光抽出構造物が不均一なノッチ間隔で配されることが好ましい。
【００１５】
一つの特に好都合な実施形態においては、光導体がアクリル酸エステル、シリコーン、ウレタンなどの重合可能物質から形成される。
【００１６】
詳細な説明
光導体照明装置
図１は、既知の照明装置の一部の側面図である。この照明装置は、光導体３０から成っている。前記光導体３０は、周面１６を有し、そして前記周面１６の中に一つ又は複数の光抽出構造物１８_１、１８_２、１８_３．．．が形成されている。典型的な光導体３０は、更にコア３４とそれを取り囲む被覆３６を有している。各抽出構造物は、少なくとも一つの光学的に滑らかな面２０_１、２０_２、２０_３．．．を有している。使用中、光線４０は、光抽出構造物１８によって占拠されていない、周面１６上の一部分２４に衝突し、そこで光導体の臨界角より大きい角度で光導体の中へと反射され、かくて光線４０は、ファイバーに沿って伝わり続ける。対照的に、光線４２は、光抽出構造物１８_１の光学的に滑らかな面２０_１に衝突し、そして光導体３０に沿う連続伝播に必要な臨界角より小さい角度で光導体３０の中へと反射される。それによって、光線４２は、光抽出構造物１８_１の位置と反対の位置において、光導体３０の反対側の面３２を通過して伝播する。本発明の典型的な実施形態においては、臨界角未満の光が光学的に滑らかな面２０_１、２０_２、２０_３．．．を通して失われないように前記光を反射すべく、光学的に滑らかな面２０_１、２０_２、２０_３．．．を覆っている被覆３６が例えばアルミニウムや銀のような反射材３８でコーティングされている。
【００１７】
光抽出構造物１８の形状は、光導体３０内への深さ１２及び周面１６と直角をなす直線１７と光学的に滑らかな面２０の間のノッチ角１４によって特徴付けられるであろう。ノッチ角１４は、光導体３０の面３２を通過して伝播する光の方向を決定する。既知の光導体照明装置は、同一ノッチ角の光抽出構造物を用いている。しかしながら、この配置によれば、照明装置が産み出せる照明パターンが限定される。
【００１８】
本発明は、様々に異なるノッチ角を有する、一連の光抽出構造物を備えることによって、既知の照明装置の前記限界を克服するものである。即ち、本発明においては、光抽出構造物１８のノッチ角１４が全て同一ではない。本発明によれば、それぞれの光抽出構造物のノッチ角が個別に設定され、その結果、照明装置が様々に異なる光抽出構造物からの光を統合して、所定の照明パターンを産み出す。
【００１９】
図２は、図１の光導体照明装置の斜視図である。説明の目的のために、光導体３０の長手方向の軸線が水平方向、即ちｘ方向に延びていると定義されるであろう。従って、光の角分布は、上で定義されたように、＋／−ｘ方向において測定される。ｙ方向は、垂直方向と定義され、照明装置の上下の点を示す。従って、光の径方向の分布は、＋／−ｙ方向において測定される。従って、ｚ方向は、光の放出方向を定義しており、そして照明装置の光度が図２の線５０によって表されているように、ｘ−ｚ平面において、ｚ方向からの角度の関数として測定される。かくて、本照明装置は、照明パターンをｘ−ｚ平面に形成するように、光を放出する。
【００２０】
上述のごとく、車両用照明装置は、照明装置が産み出す照明パターンに関する厳格な規格を満たすことをしばしば要求される。例えば、垂直（ｙ）方向において比較的狭く限定され、水平（ｘ）方向において概して均一な強度である照明パターンをｘ−ｚ平面内に産み出すことを要求される照明装置もある。例えば、車両の車幅灯として用いられる、ある特定の照明装置は、水平方向の光の強度が＋／−４５度にわたって概して均一であることを要求する。均一に形成された一連の光抽出構造物を備えた照明装置は、そのような強度パターンを産み出さないであろう。しかしながら、本発明は、様々に異なる形状の一連の光抽出構造物を備えることによって、多数の異なる強度パターンが産み出されるであろうことを開示する。特に、本発明は、幾つかの異なるノッチ角を有する複数の光抽出構造物を備えることによって、強度パターンを特定の用途に適合させ得ることを教示する。即ち、本発明においては、ノッチ角が今、望ましい照明パターンを産み出すべく、様々に変えることができる、調節可能なパラメーターになる。例えば、上述の車両用車幅灯に必須の強度パターンを産み出す、本発明の一実施形態が図３に示されている。
【００２１】
図３に示され、そして以下に記述される、本発明の特定の実施形態は、ライト・ファイバーから成っているが、本発明がライト・ファイバーに限定されず、むしろ如何なる形態の光導体にも適用可能であることが明らかであろう。更に、光導体の断面が円形である必要はなく、望ましい如何なる形状であってもよい。例えば、本発明の幾つかの実施形態においては、平らな導波体が用いられている。
【００２２】
図３に示される照明装置は、長さ１００ｍｍで、２０個の光抽出構造物４８_１、４８_２、４８_３．．．４８_２０がその上に配されるライト・ファイバー４０を用いる。ライト・ファイバー４０の直径は７ｍｍである。６個の異なって構成された光抽出構造物が用いられ、それらは完全に３度繰り返される所定の配列によりライト・ファイバーに沿って延在する。表１に示されるように、面２０と、抽出構造物４８_１、４８_２、４８_３、４８_４、４８_５、４８_６に向かう正方向１７との間に形成されるノッチ角θ_１、θ_２、θ_３．．．θ_２０は、それぞれ、３６、６８、４０、５６、４７．５および６３度である。抽出構造物４８の深さは均一である。第１の光抽出構造物４８_１の中心は、ライト・ファイバー４０の入光端４５から５０ｍｍの位置にある。残りの光抽出構造物は互いに不均等な距離を置いて配置されている。表１は、また、ライト・ファイバー４０の第１ノッチから計測した各抽出構造物の中心の位置を示す。
【００２３】
【表１】

【００２４】
反射体４３が光源から離れて位置するライト・ファイバー４０の端に組み込まれてもよい。最初にライト・ファイバーを通る際に光抽出構造物４８の一つから放出されない任意の光が、それが光抽出構造物４８から放出される別の機会を有するように反射されるであろう。かくて、ライト・ファイバー４０内に差し向けられる光全体のより多くの部分が照明用に使われる。
【００２５】
図４は、図３に示される照明装置によりｘおよびｙ方向につくられる照明パターンを示す。図５は、同装置によりつくられる光強度対（ｘ−ｚ平面における）ｚ方向に対する角度のグラフを示す。図５が示すように、強度は、約＋／−４５度の角度範囲にわたり概ね均一である。ｙ（すなわち縦）方向において、強度は、約＋／−１５度の角度範囲内に集中している。
【００２６】
本発明の別の実施形態が車両の非常時点滅灯として用いられてもよい。自動車技術者協会により示される非常時点滅灯の強度パターンは、ｘ（すなわち横）方向の比較的狭い角度にわたって延びるピーク強度を伴い、ｙ（すなわち縦）方向に狭く焦点が定められるべきである。非常時点滅灯は、その上に２００個の光抽出構造物が配される、長さ４００ｍｍ、直径６．３５ｍｍのライト・ファイバーを用いる。４通りの異なる構成の光抽出構造物が使用される。表２は、光導体の面と、抽出構造物の各々に対する正方向との間で形成されるノッチ角を示す。抽出構造物の深さは均一である。表２は、また、例２においてノッチ０として言及されたライト・ファイバーの第１ノッチから計測される各抽出構造物の中心の位置を示す。先に議論された本発明の実施形態におけるように、ライト・ファイバー内に差し向けられる光の大部分が結果として得られる照明パターンに表れるように、反射体が、ライト・ファイバーの一方の端に組み込まれてもよい。
【００２７】
【表２】

【００２８】
図６は、前述の非常時点滅灯によりｘ−ｙ平面において形成される照明パターンを示す。図７は、光強度対同装置によりつくられる（ｘ−ｙ平面における）ｚ方向の角度のグラフを示す。図７が示すように、水平方向におけるピーク強度は、概ね、約＋／−１０度の角度範囲に制限される。本意匠においては、水平方向の配光は、＋／−６０度で延び、装置の際だち度数を付加することが好都合である。
【００２９】
概して、本発明の照明装置は、重なる光線が一緒に統合されて所定の照明パターンを生成する少なくとも２つの異なって構成される光抽出構造物を有する任意の光導体を含む。光抽出構造物の特定の構成及び光導体上での配列は、望まれる照明パターンによる。照明パターンは、一方、概して照明装置が用いられるべき適用形態により決定される。光抽出構造物の構成と配置が任意の照明パターンに対して経験的に決定されてもよいが、一方で、この工程において以下の指針が役立つことが分かるであろう。
【００３０】
光は、ローブあるいは円錐部内の、強度と光線角度の組がノッチ角（例えば、図１における角１７）により決定される任意のノッチ面から反射される。隣接するノッチ面から反射される光のローブはある程度まで重なり、それらが重なるときに本質的に相加的である。各ノッチ面からの光角度分布は、照明装置からの集成遠視野出光結果に貢献する。ノッチ角の特定の設定の設計と照明装置の間隔を置いた配置は遠視野出光の調整を可能にする。「遠視野」とは、光源のサイズ、すなわち長さの２０倍よりも大きい光源からの距離を意味する。
【００３１】
前述のように、光導体に沿った光抽出構造物の配置は、また、望ましい照明バターンによって指図されるであろう。例えば、隣接する光抽出構造物間の間隔は一定である必要はなく、光導体に沿って様々に異なってもよい。加えて、特定の一続きのノッチ角により画成される一連の光抽出構造物は、光導体に沿って一回あるいはそれ以上繰り返されてもよい。最後に、米国特許第５，４３２，８７６号に記載され、参照により本明細書に組み入れられているように、光抽出構造物の光導体内への深さは様々であってよい。ノッチの深さが多様であることは発せられた光の径方向（＋／−ｙ）の分布の変化を生じさせる。本発明の光抽出構造物は、光導体の発光域の一本の縦の軸線に沿って配置されてもよいし、あるいは一本以上の縦の軸線に沿って配置されてもよい。光導体の少なくとも２本の軸線に沿って配置された少なくとも２組の光抽出構造体を有する光導体が米国特許第５，８４５，０３８号に記され、参照により本明細書中に組み入れられている。
【００３２】
光導体照明装置の製造
本発明の照明装置は任意の望ましい技術により製造可能である。一つの方法において、光抽出構造物は直接的にミクロ機械加工により光導体そのものとして製造される。別の方法においては、二個構成金型などの従来の金型を使用する成型工程が用いられる。あるいは、金型は、米国特許出願第０９／０２６，８３６号に開示され、「伸長式金型を用いる継目なしマイクロ複製のための方法と装置」と題されたタイプの伸長式金型であってもよい。簡潔に言えば、伸長式金型は、望ましい完成品（すなわち光導体）の形状に合う略中空部分を有する可撓性材料より形成される。中空部分は少なくとも一つの開口を通じてアクセス可能である。この中空部分は、金型の中空部分の形状で硬化する硬化性材料により充たされる。ひとたび硬化すれば、金型の壁が成型品の取り外しを容易にすべく伸長するように、金型の内部と外部の間に差圧機を使用することにより完成品が取り外される。伸長式金型の更なる詳細は前述の特許申請に記されており、本明細書において繰り返されるがごとく、図面と共にその全体がここに参照により組み入れられている。
【００３３】
用いられる金型のタイプに関わらず、完成品を形成する硬化性材料は硬化して実質上光学的に透明な材料となり金型の中に導かれ、金型と反対方向に作用する影響を与える温度条件及び／又は圧力条件において硬化する。硬化性材料は、熱、放射あるいはその他の既知の工程により硬化してもよい。適当な硬化性材料には重合可能な化合物や混合物が含まれる。アクリル酸エステルは、その透明性ゆえに好ましい硬化性材料の一つの種類である。ウレタン樹脂も、また、硬化性材料の望ましい種類である。なぜならば、望ましい透明性を有するのは特定の配合物のみであるが、硬化中におけるそれらの収縮は最小限度に留められる傾向があるからである。さらに、使用できるであろう他の硬化性材料はシリコーンである。
【００３４】
他の技術も本発明の照明装置を製造するために用いられてもよい。例えば、米国特許第５，６３１，９９４号は抽出構造物を組み入れる被覆層が供される方法に向けられている。光学的に透明な基材から形成される被覆層は、成形工程などの従来の製造工程により製造される。接着性基材が、それがファイバーのコアに接着するように被覆層に貼付される。
【００３５】
本明細書中において様々な実施形態が具体的に例示され記載されているが、本発明の修正および変更が本発明の精神と範囲から逸脱することなく上記の教示により実施され、添付の請求項の範囲内にあることが理解されるであろう。例えば、本発明は、特に車両の照明装置に適用するものとして記載されているが、当業者は、本発明が等しくタスク照明が必要とされる多くの他の状況において適用できることを認識するであろう。特に、本発明は、所定の照明基準を設ける数多の組織のいずれによっても必要とされる照明パターンを供するのに用いられてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 光抽出構造物の作用を例示する、既知の照明装置の概略断面図である。
【図２】 図１の光導体の斜視図である。
【図３】 本発明に従って構成された照明装置の概略平面図である。
【図４】 図３の照明装置によって産み出された照明パターンである。
【図５】 図３の照明装置によって産み出された水平方向の強度分布である。
【図６】 本発明の照明装置のもう一つの実施形態によって産み出された照明パターンである。
【図７】 図６で用いられた照明装置によって産み出された水平方向の強度分布である。

Claims (6)

1. 光を伝播するための光学的に滑らかな周面を有する光導体コアと、前記光の一部を抽出するために、前記光導体コアの長軸方向に沿って前記周面に形成された複数の光抽出ノッチ構造と、前記複数の光抽出ノッチ構造を含み、前記光導体コアの一部分に沿って延在する発光域と、を有する光導体を備え、
   前記光抽出ノッチ構造で抽出された光が前記光導体コアの前記光抽出ノッチ構造が形成された周面と反対側の周面を通して前記光導体から放出されるように構成された照明装置において、
   前記複数の光抽出ノッチ構造の各々は、ノッチ下端部の両側に第１のノッチ面と第２のノッチ面を有し、該第１のノッチ面は光学的に滑らかな光反射性を有する面であり、前記周面に直交し、前記ノッチ下端部を通過する軸線と前記第１のノッチ面との間の角度として規定されるノッチ角を有し、
   前記複数の光抽出ノッチ構造の少なくとも１つのノッチ角は他の少なくとも１つのノッチ角と互いに異なり、
   前記複数の光抽出ノッチ構造は、異なる光度パターンを含む特定の照明パターンを形成するように設定された特定の一続きのノッチ角で画定される一連の光抽出ノッチ構造を含み、前記一連の光抽出ノッチ構造は前記光導体コアの光学的に滑らかな周面に沿って所定回数繰り返し配列されることを特徴とする照明装置。
2. 前記光導体がライト・ファイバーを備えることを特徴とする、請求項１に記載の照明装置。
3. 前記光導体が円形断面を有することを特徴とする、請求項１又は２に記載の照明装置。
4. 前記光抽出ノッチ構造が前記発光域に沿って互いに等間隔に配置されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の照明装置。
5. 前記コアが重合可能物質より形成されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の照明装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の照明装置を用いて所定の照明パターンを生成する方法であって、
   前記一連の光抽出ノッチ構造の前記ノッチ角をそれぞれ異なるように調整することにより、前記光抽出ノッチ構造のノッチ面に入射した光が、前記ノッチ面で反射して、前記光学的に滑らかな周面を通過し、所定の照明パターンで放出されることを特徴とする方法。

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