JP5795713B2 - 改善された導光器及び光出力装置 - Google Patents

Description

本発明は、対向して配置された第１及び第２面と、光源からの光を入力結合（導入）する入力結合部と、該入力結合部に隣接して配置された出力結合（導出）部とを有する平らな導光器（光ガイド）に関する。

本発明は、更に、このような導光器と少なくとも１つの光源とを含む光出力装置にも関する。

今日のところ、オフィス照明のために選択する照明システムとして蛍光灯照明が普通に使用されている。

しかしながら、建築家及びインテリアデザイナが或る建物を他のものから明確に区別するようなインテリア形式を作成するのを可能にするために、照明を可能な限り目立たないようにインテリアに統合しようとする要求が増加している。

蛍光灯照明に基づく従来の照明器具は、約５０ｍｍの最小厚を有することが知られている。一方、複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）及び斯かるＬＥＤから放出された光を混合及び分散させるための導光器（光ガイド）を含む照明システム等の、薄い照明器具を可能にするような代替光源に基づく照明システムは、照明器具を設計する場合に一層多くの自由度を提供する。

導光器内で十分な程度の光の混合を達成することは、導光器に基づく照明器具の改善された視野特性を得るための重要な要因である。このような改善は、例えば、導光器から出力結合（導出）された光の均一性の増加及び最大輝度の減少を含み得る。

国際特許出願公開第WO2006/034831号は、斯様な混合を達成する一方法を開示しており、該方法によれば、導光器は、出力結合面に対して、当該導光器内において略平行な光が出力結合される前に数回の反射を受けるような角度を形成する四角錐状の出力結合ファセットを備える。

国際特許出願公開第WO2006/034831号に記載された導光器の問題点は、該導光器が、適切に機能するためには入力結合（導入）された光が高度に平行化（コリメート）されていることを要することである。

従って、本発明の一つの目的は、従来技術の問題点の少なくとも幾つかを軽減して、改善された導光器を提供し、一層多様な光源の使用を可能にすることである。

本発明によれば、上記及び他の目的は、第１及び第２の対向して配置された面と、光源からの光を入力結合（導入）するための入力結合部と、該入力結合部に隣接して配置された出力結合（導出）部とを有する導光器により達成される。上記出力結合部は、上記入力結合部内の位置から向けられた伝搬方向を持つ一次光ビームを、当該導光器内の上記入力結合部外の位置から向けられた伝搬方向を持つ二次光ビームよりも低い出力結合効率で出力結合（導出）するように構成される。

当該導光器は、例えば、単一の誘電体材料又は誘電体材料の組み合わせの厚板から形成することができる。好適な誘電体材料は、種々のタイプのガラス、ポリ・メチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）等の種々の透明材料を含む。該導光器は、平坦、平らとすることができるか、又は湾曲した外観を有することができる。厚板型の導光器は、典型的には、当該導波器内に入力結合された光を収容する（内部に留める）ために、全内部反射（ＴＩＲ）に依存する。

当該導光器の特定の出力結合部において、二次光ビームは、当該導光器に含まれ得る他の入力結合部から生じることができるか、又は元々は該特定の出力結合部に対応する入力結合部から到来したものであるが、該ビームの伝搬方向を例えば反射により変化させた光でもあり得る。

或る出力結合部において一次光ビームである光ビームは、典型的には、もしあるなら、他の入力結合部に対応する他の出力結合部における二次光ビームとなることに注意すべきである。

上記出力結合部を、該出力結合部が一次光ビームを二次光ビームより低い出力結合効率で出力結合（導出）するように構成することにより、入力結合（導入）された光のかなりの部分が、二次光ビームとして出力結合される前に当該導光器の対向する面内において複数回の反射を受けることを保証する。これは、例えば、上記出力結合部を、ＴＩＲ（全内部反射）条件が一次光ビームに対しては満たされるが、二次光ビームに対しては満たされないように構成することにより達成することができる。

このようにして、当該導光器内での光の良好な混合を、入力結合された光の平行化に対して特別な要件を課すことなく達成することができる。

本発明による導光器は、前記一次光ビームを再指向させ（向きを変化させ）、これにより前記一次光ビームを二次光ビームに変換する再指向手段を更に有することができる。

このような再指向手段は、能動的及び／又は受動的手段を有することができる。能動的手段は、例えば、制御可能な屈折率及び／又は反射率を持つ光学素子を含むことができる一方、受動的手段は、例えば、固定反射構造体及び／又は異なる屈折率を持つ物質の間の界面を含むことができる。

入力結合部から向けられた伝搬方向で伝搬する一次光ビームは、例えば、１個又は数個の反射器により反射され得、斯かる反射器は当該導光器の縁部、又は当該導光器のセグメントの境界に配置することができる。このようなセグメント境界の反射器は、例えば、空隙（air gap）若しくは低屈折率を持つ他の物質により、半透明反射器被覆（コーティング）により、又は実質的に完全な反射性の被覆の選択的な配設により形成することができる。このようなセグメントは複合導光器を形成するように組み合わされた複数の導光器とすることができ、又は導光器を、例えば、該導光器を経て適切な位置で部分的に延びるスリットを形成することによりセグメントに部分的に分割することができる。

元々は入力結合部から向けられた光ビームが、上記反射構造における反射に続いて、当該出力結合部を介して異なる方向で進行する場合、該光ビームは、より一層、出力結合されそうである。このようにして、単一の入力結合部しか有さない導光器の場合でさえ、改善された均一性が得られる。従って、再指向手段の配設は、当該導光器における光ビームの空間的及び角度的混合を改善する。これは、当該導光器に複数の異なる色の光源が使用される状況において特に有利であり得る。

本発明による導光器は、前記入力結合部に形成された入力結合構造を更に有することができる。

このような入力結合構造は、光源から当該導光器への光の入力結合（導入）を可能にするように構成されると共に、当該導光器の縁部に、当該導光器の対向して配置された面の一方に沿う何処か、又は当該導光器の内部に等の種々の位置に配置することができる。

更に、上記入力結合構造は、入力結合された光を平行化（コリメート）するビーム整形手段を有することができる。

光を平行化するとは、ここでは、光源により放出された光の角度分布を制限することと理解されたい。

このようなビーム整形手段を設けることにより、適切に設計された導光器との組み合わせで、平行化された光を当該導光器から出力結合（導出）することができる。これは、眩しさを防止又は少なくとも制限しなければならないオフィス照明にとり特に重要である。

上記ビーム整形手段は、例えば反射性ファンネル（漏斗）又はＴＩＲエレメント等の従来の平行化光学エレメントを有することができる。代わりに、又は斯様な光学エレメントとの組み合わせで、該ビーム整形手段は前記入力結合構造自体の適切な幾何学構造により設けることができる。

前記入力結合構造は、更に、前記第１又は第２の面から当該導光器内に形成された凹部（recess）を有することができる。

該凹部は、当該導光器を介して部分的に延在することができるか、又は貫通孔として形成することができる。

これにより、光源は当該導光器の面の何れかから該導光器内に都合良く挿入することができる。

複数の入力結合部を有する導光器の場合、これらは、一方の又は両方の面にわたり分散された凹部として有利に形成することができ、当該導光器にわたる光源の一様な分布を可能にする。

更に、上記凹部は有利には当該導光器に平行な面内で長方形の断面を持つことができ、これにより、入力結合された光の当該導光器に平行な面内での平行化を可能にする。

長方形断面を持つ入力結合凹部は、例えば全方向的（無指向性）ＬＥＤ等の全方向に光を放出する光源により放出された光の、当該導光器に平行な面内の２つの直交する軸に沿う別個のビームへの分割を可能にする。

このような凹部構造は、結果的に、当該導光器に平行な面内での一次光ビームの方向を制限する。かくして、これは、特に出力結合部に関して当該導光器の製造を容易にする。

更に、本発明による導光器は、有利には、前記出力結合部により出力結合された光の角度的広がりを減少させる平行化層を更に有することができる。

"平行化層"とは、該層を通過する光を平行化する、即ち該光の角度的広がりを減少させる層と理解されたい。

平行化層の配設により、眩しさの量を減少させることができ、これは、当該導光器が汎用照明目的の照明器具に使用される場合に特に有利である。

上記平行化層は、当該導光器の何れかの面に設けることができ、当業者により既知の如何なる種類の平行化光学素子を有することもできる。例えば、上記平行化層は、漏斗状の平行化構造が形成されるように、実質的に三角形の断面を有する離隔された構造体を有することができる。他の例として、平行化を更に改善するために、所謂、同心型放物面集光器（ＣＰＣ：concentric parabolic concentrator）を使用することもできる。

平行化構造は、上述した三角形断面を有するか、又は上述したＣＰＣ等の何らかの他の平行化形状を有するかに拘わらず、例えば、押出成形及び当該構造体への後の反射性コーティングの塗布を用いて製造することができる。上記コーティングは、有利には当該平行化構造体の全ての面に塗布され得るが、特に当該導光器と該平行化構造体との間に光学的な接触がない場合は、当該構造体における該導光器に対面する面上の反射性コーティングは省略することができる。

更に、前記出力結合部は複数の出力結合構造を有することができる。

これらの出力結合構造は、当該導光器の前記面の何れかに又は当該導光器の内部に設けることができ、方向依存性出力結合特性を示す如何なる構造とすることもできる。出力結合構造の配設の代替として又は斯かる配設との組み合わせとして、該方向依存性出力結合は、例えば当該導光器の屈折率の適切な空間的変化により実現することができる。

これらの出力結合構造は、有利には、当該導光器の前記第１及び第２の面の少なくとも一方上に形成された複数の溝を含むことができ、これら溝の各々は、実質的に、当該導光器の面への前記一次光ビームの対応するものの投影に沿って延在する。

上記面のうちの少なくとも一方に、前記入力結合部から向けられた光の主方向に平行に走る出力結合溝を形成することは、該光が、出力結合されるまでに或る距離を進行し、従って或る面積にわたり広げられることを保証する。該光は、反射に続いて、該光が発生された光源に対応する出力結合部において出力結合（導出）され得るか、又は隣接する出力結合部において出力結合され得る。

上記溝は、例えばＶ字状とすることができ、有利には反射性被覆（コーティング）を設けることが可能な側面又はファセットを有することができる。

１つの例示的な平行化保存構造によれば、上記溝は、約９０°の開口角を持つ実質的にＶ字状の断面を有することができる。

このような平行化保存構造の代替として、又は斯かる構造の補足として、当該導光器には、前記出力結合構造に整列された平行化構造を有する平行化層を設けることができる。溝の形態で設けられる出力結合構造の場合、該平行化構造は、該溝により出力結合される光を平行化するために、該溝と平行に延在することができる。

出力結合構造と整列された斯かる平行化構造を設けることにより、十分に低いレベルの眩しさを、該出力結合構造を斯様な平行化保存性とすることなしに達成することができる。従って、より多様な出力結合構造を使用することができ、これは、製造を容易にし得、かくして、当該導光器のコストの低減となり得る。

上記平行化構造の最適な性能のために、これら平行化構造は上記出力結合構造と良好に整列されなければならない。好ましくは、上記平行化構造と実質的に平行な出力結合構造との間の横方向の整列誤りは、隣接する出力結合構造の間の距離（出力結合構造ピッチ）の１０％より小さくすべきである。更に、上記平行化構造の角度変位（ラジアンでの、出力結合構造に対する回転）は、好ましくは、隣接する出力結合構造の間の距離と当該導光器の長さとの間の比の１０％よりも小さくなければならない。

一実施例によれば、前記出力結合部は、入力結合部からの距離が増加するにつれて厚さが増加するような、当該導光器の部分を更に含むことができる。

入力結合部に対し外側に向かって広がる斯様な構造を設けることにより、当該導光器に垂直な面内で或る方向を持つ光ビームの、該導光器の面に対する入射角は、該導光器の面内における該光ビームの方向に依存するようになる。入力結合部から向けられた一次光ビームは、他の方向を持つ二次光ビームよりも低い出力結合効率で出力結合されるであろう。

このような構造は、前述した溝の代替として、又は斯かる溝との組み合わせで設けることができる。

導光器からの光の高効率な出力結合を達成するために、当該導光器は更に該導光器の一方の面に配設された反射層を含むことができる。

前記出力結合部が当該導光器の一方の面に出力結合構造を有する場合、上記反射層は、当該出力結合構造の構成に応じて同一の面又は反対の面上に設けることができる。

上記出力結合構造が溝である場合、上記反射層は斯かる溝の幾つかの又は全てのファセット上に設けることができる。他の例として、該反射層は、当該導光器の出力結合部において該導光器と実質的に平行に配置された反射膜の形で設けることができる。

溝のファセット上に反射層を塗布する代わりに上記のような反射層を使用することにより、当該導光器の製造は容易になり得るが、典型的には、出力結合される光の平行化の程度が減少する。

従って、このような反射膜は、有利には前述した平行化層との組み合わせで使用することができる。

有利には、斯様な反射膜と当該導光器との間の光学的接触は、該反射膜内での不必要な反射に起因する光の損失を回避するために、実質的に防止され得るようにする。従って、実質的に当該導光器から該導光器の出力結合部により出力結合される光のみが該反射膜に当たるようにするのが好ましい。

光学的接触は、上記反射層を当該導光器から離隔させることにより防止することができる。更に、反射膜が導光器と機械的接触状態で配置された場合、典型的には、これらの間には殆ど如何なる光学的接触も存在しないことに注意すべきである。

有利には、本発明による導光器は、複数の入力結合部と複数の出力結合部とを有することができ、前記複数の入力結合部の各々は対応する光源から光を入力結合するように構成され、前記複数の出力結合部の各々は、前記複数の入力結合部のうちの対応するものに隣接すると共に、前記対応する入力結合部内の位置から向けられた伝搬方向を持つ一次光ビームを、当該導光器における該対応する入力結合部外の位置から向けられた伝搬方向を持つ二次光ビームより低い出力結合効率で出力結合するよう構成される。

好適なオフィス用及び家庭用照明を得るために、導光器から放出される光が均一に分布されると共に、不快な高い最大値の局部的輝度が防止されることが望ましい。光の均一な分布は、光を複数の光源から発するようにさせることにより得ることができる。しかしながら、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の光源は、典型的に、ビニング問題（binning problem）として知られているように、僅かに異なる色及び光束特性を有している。このように、異なる光源により放出される光は、出力結合された光の均一な分布を達成するためには、好ましくは出力結合される前に導光器内で良好に混合されねばならない。一次ビームは、大きな割合で、或程度の距離を進行するように当該導光器内に含まれ（留まり）、従って二次光ビームとして出力結合される前に或る程度の面積にわたり拡散される故に、光の良好な混合が得られる。

導光器内で混合する、複数の入力結合部からの光は、光源のうちの幾つかの故障に対する強さにも更に貢献する。

当該導光器は、更に、有利には隣接する出力結合部の間のクロストークを防止するために、これら出力結合部の間に配置された少なくとも１つの導光部を有する。

導光器の一方の又は両方の面上に設けることが可能な、反射性側面を持つ溝等の幾つかのタイプの出力結合構造の場合、光ビームは２以上の溝の側面における連続する反射により出力結合され得る。典型的には出力結合された光ビームの望ましくない再指向（向きの変化）を生じる斯様な連続的反射は、少なくとも隣接する出力結合部の選択された部分の間に構造化されていない導光部を設けることにより防止することができる。

更に、入力結合部は長方形格子パターンを形成するアレイ状に配置することができる。

該格子パターンは、正方形又は非正方形の長方形により形成することができる。

更に、本発明による導光器は、更に、光ビームを、当該導光器に平行な面内での斯かる光ビームの方向に無関係に、実質的に等しい出力結合効率で出力結合するように構成された少なくとも１つの全方向的出力結合部を有することができる。

このような全方向的出力結合構造を、好ましくは隣接する入力結合部に対応する出力結合部の間等の、当該導光器にまたがる適切な位置に設けることにより、他の入力結合部に対応する出力結合部における一次ビームの方向と一致する（又は全く正反対の）方向をたまたま有するような或る入力結合部から生じる光ビームが、実際に、当該導光器から出力結合され、入力結合部において吸収され又は散乱されるように進むことがないことが保証される。

上記の全方向的出力結合構造は、当該導光器の面内での光の方向に無関係に光を出力結合する如何なる従来の出力結合構造の形態でも設けることができる。

更に、本発明による導光器は、各々が２つの隣接する入力結合部の間における長方形格子パターンアレイの対角線上に位置するような、複数の全方向的出力結合部を有することができる。

更に、格子状アレイで配置された複数の入力結合部を有する平らな導光器は、有利には、複数の入力結合凹部を有することができ、各入力結合凹部は前記入力結合部の対応するものに設けられると共に当該平らな導光器と平行な長方形断面を有し、これら長方形の入力結合凹部の各々における対向する角部は前記格子パターンにおける対応する格子線に実質的に一致し、複数の出力結合部の各々は、各組内で実質的に平行な４組の溝を有し、これら４組の溝は前記第１又は第２の面の少なくとも一方に設けられ、各組の溝は前記長方形入力結合凹部の対応する辺に対して略垂直に延在する。

この構成において、上記長方形入力結合構造は光を平行化し、２つの主方向にのみ延びる単純化された出力結合構造を設けることを可能にする。

前述したように、上記入力結合凹部は正方形又は非正方形の格子状アレイに設けることができる。非正方形格子を選択することにより、出力結合溝は隣接する入力結合構造に直接向けられることはない。これにより、隣接する入力結合部における吸収又は散乱により僅かな光しか失われない。

本発明による導光器は、更に、有利には、前記入力結合部に配置された少なくとも１つの光源を更に有する照明器具等の光出力装置に含まれ得る。

本発明の他の態様、利点及び有利な特徴は、下記の説明及び請求項から明らかとなるであろう。

本発明の上記及び他の態様を、本発明の現在のところ好ましい実施例を示す添付図面を参照して詳細に説明する。

図１ａは、正方形格子アレイに配置された複数の光源を有する、本発明による照明器具の一実施例の概略上面図である。 図１ｂは、或る入力結合部における部分光ビームが考察された場合の、図１ａの照明器具により放出される光を概念的に示す。 図１ｃは、或る入力結合部における部分光ビームが考察され、且つ、出力結合部の間にエアスリットが設けられた場合の、図１ａの照明器具により放出される光を概念的に示す。 図１ｄは、異なる色の光源を有すると共に、異なる光源に関連する出力結合部の間に設けられた半透明鏡を有する、図１ａの照明器具の平面図である。 図１ｅは、異なる色の光源及び半透明鏡を有する他の照明器具の平面図で、該照明器具の縁部は出力結合された光の色の均一性を改善するために変形されている。 図２ａは、例示的な長方形の入力結合凹部の平面図であり、該凹部の平行化特性が概念的に示されている。 図２ｂは、図２ａの入力結合凹部の寸法を示している。 図２ｃは、変更された入力結合凹部を示し、該凹部の角部を接続する辺は平行化の更なる改善を達成するために湾曲されている。 図３ａは、図１ａの照明器具に垂直な断面に沿う概略断面図であり、導光器に垂直な方向に光を平行化するための例示的なビーム整形構造を示している。 図３ｂは、図１ａの照明器具に垂直な断面に沿う概略断面図であり、導光器に垂直な方向に光を平行化するための例示的なビーム整形構造を示している。 図４ａは、図１ａの照明器具の断面図であり、隣接する出力結合部の間を進行する場合の光の伝搬を示す。 図４ｂは、図１ａの照明器具の断面図であり、当該導光器からの出力結合を制御するための出力結合構造設計パラメータを概略図示する。 図４ｃは、図１ａの照明器具の変形例の断面図であり、出力結合部の間に構造化されていない導光部を更に含む。 図５ａは、Ｖ字状の溝の形態の出力結合構造を有する照明器具の断面を概略示し、溝のファセットは反射層により被覆されている。 図５ｂは、ファセットにおける被覆の代わりに当該導光器に隣接して設けられた反射膜、及び平行化層を有する図５ａの断面を概略図示する。 図５ｃは、図５ｂの実施例と比較して当該導光器の反対側の面に設けられた出力結合構造を有する他の実施例を概略図示する。 図６は、異なる実施例に関して出力結合された光の角度分布を概略図示するグラフである。 図７は、本発明による照明器具の他の実施例の概略上面図であり、非正方形格子アレイに配置された複数の光源を有する。 図８は、本発明による照明器具の更に他の実施例の概略上面図であり、隣接する入力結合部の間の対角線上に配置された全方向的出力結合構造を有する。 図９ａは、本発明による更なる実施例の概略上面図である。 図９ｂは、本発明による更なる実施例の概略上面図である。 図９ｃは、本発明による更なる実施例の概略上面図である。 図１０ａは、導光器の縁部での反射を介しての光の再指向を利用する他の実施例を概略図示する。 図１０ｂは、導光器の縁部での反射を介しての光の再指向を利用する他の実施例を概略図示する。 図１１ａは、他の出力結合構造を持つ例示的照明器具を概略図示する斜視図である。 図１１ｂは、図１１ａの照明器具の断面図である。

本詳細な説明は、主に、平らな導光器と、該導光器の面の１つに設けられた入力結合凹部又は開口（recess）内に配設された１個又は数個の発光ダイオードとを有する照明器具に関するものである。

しかしながら、これは、決して本発明の範囲を限定するものではなく、半導体レーザ等の他の形式の光源、及び例えば鏡、プリズム等を含む他の種類の入力結合構造にも等しく適用可能であることに注意されたい。

以下、複数の好ましい実施例を説明する。

最初に、図１ａ〜１ｅを参照して、正方形格子アレイに配置された複数の光源を持つ照明器具の基本的構成を説明する。図１ａには、例示的照明器具１０が図示され、該照明器具は、導光器１１と、対応する入力結合部１３ａ〜１３ｆに配置された、ここでは全方向性ＬＥＤの形態の複数の光源１２ａ〜１２ｆとを有し、これら入力結合部の各々には、図１ａでは、導光器１１の面内で正方形の断面を有する凹部１４（図１ａでは、図の明瞭化のために、これら凹部のうちの１つのみが特別に示されている）の形態の入力結合構造が設けられている。各入力結合部１３ａ〜１３ｆに隣接して、対応する出力結合部１５ａ〜１５ｆが設けられている。これらの出力結合部の各々は、中央に位置する入力結合部１３ｅに対して４５°、１３５°、２２５°及び３１５°の方向に延びる溝状出力結合構造１７を持つ４つの領域１６ａ〜１６ｄを有している。

入力結合構造を導光器１１の面内に長方形／正方形断面を持つ凹部１４として形成することにより、全方向性ＬＥＤ等の非平行化光源１２ｅにより放出された光は、該導光器１１の面内で平行化され、かくして、図１ａに概念的に示すように２つの直交する軸に沿う４つの別個のビーム１８ａ〜１８ｄに分割される。入力結合凹部１４の該平行化特性は、図２ａ〜２ｃに関連して詳細に説明する。

図１ａに見られるように、入力結合凹部１４は、上記ビーム１８ａ〜１８ｄの方向が出力結合部１５ｅの４つの領域１６ａ〜１６ｄにおける出力結合構造１７の方向と実質的に一致するような向きとされる。これにより、入力結合部１３ｅにおいて当該導光器１１に入力結合（導入）された光ビーム１８ａは、該光を出力結合（導出）することがない平行な溝１７、又は該光を出力結合する垂直に向けられた溝２０、２１に遭遇するであろう。これが、図１ｂにビーム１８ａのみに関して図示されており、光は当該照明器具１０の図示された部分２２ａ〜２２ｄを介して出力結合される。

特定の光源により放出された光の出力結合は、必ずしも、図１ｂに示されたように当該導光器の他の光源に関連する出力結合部において生じる必要はない。代わりに、或る光源からの光は、該光源により放出された光が当該導光器の面内で方向を変えるような反射に続いて、該光源に関連する出力結合部において出力結合することもできる。結果として、実施例１ｃを参照し、光源１２ｅのみにより放出される一次光ビームの１つ１８ａを考察した場合、この一次光ビーム１８ａは、ここでは当該導光器１１に設けられるエアスリット２３ａ〜２３ｂ（図の明瞭化のために、ここでは、これらのエアスリットのうちの２つのみが示されている）の形態の反射構造部における反射により二次光ビームに変換することができる。これらの二次光ビームは、次いで、図１ｃに大きな矢印で示されるように、光源１２ｅに関連する出力結合部１５ｅの区域（セグメント）１６ａにおける出力結合構造１７により（及び、より少ない程度ではあるが、図１ｃに小さな矢印により示されるように、当該導光器１１における他の出力結合構造により）出力結合される。

このような効果は、種々の方法で達成することができる。例えば、導光器１１は、例えば上述した出力結合に一致し得る別個の導光器を有することができる。これらの別個の導光器は、例えば、エアスリットにより互いに分離することができる。

図１ｃに概念的に示されるように、この場合、当該照明器具にわたる光の分布は、導光器セグメントの間の境界における反射により完全に変化される。図１ｃに示すエアスリット２３ａ〜２３ｂの代わりに、各導光器セグメントを低反射率接着剤により一緒に接着することができ、その場合、セグメント境界で反射され及びセグメント境界を横断する光の各割合がずれ、図１ｂ及び１ｃに示した状況の間の中間となるような出力結合光の分布が得られる。他の代替例によれば、例えばエアスリットの形態の反射構造は、一体的導光器における選択された箇所に形成することができる。

図１ｃに関連して上述した再指向（向きの変更）は、図１ｄ〜１ｅを参照して後述するように、異なる色の光源が使用される場合に特に有利である。

図１ｄは、反射構造の形態の再指向手段が当該照明器具の出力結合部１５ａ〜１５ｆの間の境界にのみ設けられ、出力結合部内の出力結合セグメントの間の境界には設けられない点を除き、図１ｃに図示したものに実質的に対応する照明器具１０の概略平面図である。更に、内部境界における上記反射構造は半透明鏡２５の形態で設けられる一方、外部境界における反射構造は実質的に完全に反射する鏡２６の形態で設けられている。

図１ｄの照明器具１０において、上記光源の半分１２ａ、１２ｃ、１２ｅは暖白色光を放出する一方、残りの光源１２ｂ、１２ｄ、１２ｆは冷白色光を放出する。斯かる状況においては、異なる色の光源により、前記出力結合部間に反射構造が設けられていない場合、使用者により異なる色の光の帯が知覚され得る。

このような色のついた帯が現れる理由は、照明器具１０の特定の位置を見つめた場合に、各々が異なる位置にあるように見える特定の光源だけが見えるからである。

図１ｄに示すように、上記出力結合部間の境界に半透明鏡２５を設けることにより、各光源（例えば光源１２ｂ）の鏡像が、隣接する光源１２ａ、１２ｃ、１２ｅの位置に形成される。図１ｄに"Ｗ"及び"Ｃ"により各々示されるように、異なる色の光源が隣接する位置に配置された場合、良好な色混合を達成することができる。

しかしながら、更に一層改善された色混合を達成するためには、当該照明器具の縁部における特別な条件を考慮すべきである。

これが図１ｅに概念的に図示されており、該図には、当該照明器具の内側に配置された２個の光源２８ａ〜２８ｂ及び該照明器具の外側境界に配置された１０個の光源２９ａ〜２９ｊを有する小さな例示的照明器具１０が示されている。図１ｅを見て理解されるように、当該照明器具の外側境界における光源２９ａ〜２９ｊは、対称性の理由により、交互の色を有するのみならず、該照明器具１０の内側に位置する光源２８ａ〜２８ｂと比較して、縁部に沿う光源２９に関してはサイズが半分であって、約半分の光量を放出し、当該照明器具の角部の光源２９ａ、２９ｃ、２９ｆ、２９ｈに関してはサイズが約四分の一であって、四分の一の光量を放出しなければならない。

更に、照明器具１０の外側境界に沿って、実質的に完全に反射性の鏡２６が存在しなければならない。半分のサイズ及び四分の一のサイズの光源の代わりとして、半分及び四分の一の輝度を持つ完全なサイズの光源を使用することもできる。光源２８ａ〜２８ｂ、２９ａ〜２９ｊが発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いて実現された場合、１つの選択枝は、内部に配置される光源２８ａ〜２８ｂの各々を４個のＬＥＤの形で設ける一方、境界に沿う光源を、各々、２個のＬＥＤ及び１個のＬＥＤの形で設けることである。この場合、斯かるＬＥＤの各々は実質的に同一の光量を放出しなければならない。

図１ｄ及び１ｅにおける出力結合部１５ａ〜１５ｆの間の半透明鏡２５は、例えば、適切な寸法のエアスリットによる実質的に連続的な半透明反射層の形態で、又は境界面の一部（例えば半分）を覆う実質的に完全な反射構造の形態で設けることができる。この場合、反射が約１００％及び約０％である領域は、理想的には、当該光源又は適用可能な場合は該光源に含まれるＬＥＤの広がり（extension）より小さいものとする。

更に、図１ｄ及び１ｅに示す照明器具は、ビームを事前平行化すると共に、これらを出力結合部１５ａ〜１５ｆの対角線に一層沿って指向させることにより、２より多い色に拡張することができる。

上述した照明器具１０及び以下に述べる他の例示的照明器具は、簡略化され且つ概念的な態様で図示されていることに注意されたい。特に、実際の照明器具は、典型的には大幅に多数の光源を有する。しかしながら、本明細書で開示される実施例は当業者が本発明を作製及び使用するのを可能にするのに十分なものであろう。図２ａ〜２ｃを参照して、光源１２ａ〜１２ｆにより当該導光器の面内に放出される光を平行化するための凹部（recess）の形態の例示的入力結合構造を説明する。

図２ａ〜２ｂには、長方形の（ここでは、正方形の）入力結合凹部１４の形態の入力結合構造が概念的に示されている。図２ａに矢印で示されるように、当該凹部の壁に衝突する光のビームは、全方向性光源により放出された光が４つの異なる光ビームに分割されるように、凹部１４の壁の法線に向かって屈折される。

図２ｂを参照して、図１ａの導光器１１の面内で許容可能な程度の平行化を達成するための図２ａの長方形凹部１４の寸法を説明する。点光源の場合、４つのビーム１８ａ〜１８ｄの各々は（空気で）２ｘ４５°内で平行化される。しかしながら、有限の光源の場合、凹部１４の辺３０ａ〜３０ｄ（正方形断面を仮定する）の長さＤは、図２ｂに概念的に示されるように、６０°のカットオフ角度を生じさせるために、光源直径ｄの約２.５倍でなければならない。導光器１１の面内で２ｘ４５°より狭い平行化を達成するためには、従来のコリメータ・ファンネル（collimator funnels）等の追加のビーム整形手段を使用することができる。

シミュレーション及び実験は、導光器の面内での改善された平行化は、図２ｃに概念的に示されたように、凹部１４の壁３０ａ〜３０ｄを凹状にすることにより達成することができることを示している。事実、図２ｃに示されるもののような入力結合構造を使用すると、２ｘ４５°より狭い平行化を達成することができる。

図３ａ〜３ｂを参照して、導光器１１に垂直な面内での平行化を達成するための２つの例示的ビーム整形手段を簡単に説明する。

図３ａには、導光器１１における入力結合凹部１４内に挿入された平行化ＴＩＲ（全内部反射）エレメント３６を含む側面放出ＬＥＤパッケージ３５が示されている。ＬＥＤ３７により放出された光は、ＴＩＲエレメント３６内に、該ＴＩＲエレメントの入力結合面３８において導入され、次いで、該ＴＩＲエレメントの幾何学構造により内部的に反射され、当該導光器１１に対し垂直な方向において平行化されたビーム３９（ここでは、１つの方向においてのみ示されている）として放出される。

図３ｂは他の例示的ビーム整形手段を概念的に示しており、該ビーム整形手段は、ＬＥＤ３７により放出された光を、図３ｂに描かれたビームにより示されるように、再指向させる（向きを変化させる）反射性ファンネル（漏斗）４０の形態である。

以上、図２ａ〜２ｃ及び図３ａ〜３ｂに関連して種々の入力結合構造を説明したので、以下、図４ａ〜４ｃ及び図５ａ〜５ｃを参照して種々の例示的出力結合構造の構成を説明する。

図４ａには、導光器１１の断面が、図１ａにおける入力結合部１３ｅにおいて入力結合（導入）された光ビーム４２に対し平行に示されている。この光ビーム４２は、該光ビーム４２の方向（導光器１１の面内における）に対して実質的に平行な出力結合溝１７を持つ出力結合部１５ｅから、該光ビーム４２の伝搬方向に対して略垂直な出力結合溝２１を持つ出力結合部１５ｆへと通過する。

図４ａから明らかなように、光ビーム４２は、該光ビームを発した入力結合部１３ｅに関連する出力結合部１５ｅ内に留まる限り、該導光器内に含まれ、垂直な溝状出力結合構造２１における反射に続いて当該導光器１１の上面を経て出力結合（導出）される。

図１ａに概略図示したようなＶ字状の出力結合溝２１の適切な構造により、光は、平均として、当該導光器１１に略垂直に出力結合され得る。更に、斯かる出力結合構造は入力結合された光の平行化を保存するように構成することができ、これにより眩しさを防止する。このような好適な構造の一例は、出力結合構造を、図１ａに示すように当該導光器において４５°に向けられ、且つ、図４ａに図示されたように２ｘ４５°の対称な開口角を有するような反射性溝として設けることである。

図４ｂに概念的に図示したように、溝４５の反射性側面４４ａ、４４ｂは距離ｗ_１だけ離隔されてもよい。更に、溝４５は相互に距離ｗ_２だけ離隔されてもよい。これらの距離ｗ_１、ｗ_２は重要な設計パラメータであり、これらパラメータの適切な選択により、導光器１１の対応する部分の出力結合効率を制御することができる。距離ｗ_１及びｗ_２を増加させることにより、出力結合効率を徐々に減少させることができる。

図４ｃには、図１ａの照明器具の変形例が概念的に示されており、この場合、出力結合部１５ｅ、１５ｆの間に、構造化されていない導光部４３が設けられている。この導光部４３は、隣接する出力結合部１５ｅ、１５ｆにおける出力結合構造１７、２１の間のクロストークを低減させる。

前述したように、照明器具１０の使用者により知覚される眩しさは、導光器１１内での光の平行化を保存するような出力結合構造を設けることにより低減することができる。このような平行化保存出力結合構造の一例は、図４ａ〜４ｃに示された反射性側面又はファセット４４ａ、４４ｂを持つ溝２１である。

反射性ファセット４４ａ、４４ｂを持つ出力結合溝２１を備える斯様な構成と、反射性ファセットを持たない構成との間の比較を、図５ａ〜５ｃ及び図６を参照して行う。

図５ａ〜５ｃの各々において、照明器具１０の対応する部分は、例えば長方形凹部１３ａ内の光源１２ａ、及びＶ字状の溝２１の形態の出力結合構造を持つ出力結合部１５ａの一部を有するように示されている。

図４ａと実質的に等価な図５ａにおいて、溝２１のファセット４４ａ、４４ｂは反射層により被覆（コーティング）され、当該照明器具１０から出力結合された光の主方向が矢印５０により示されている。

図５ｂに概念的に示される照明器具部分においては、Ｖ字状溝２１は被覆されておらず、その代わりに、当該導光器１１には該導光器１１における該Ｖ字状溝２１を有する面に反射膜５２が設けられている。当該導光器は、更に、該導光器における上記反射膜５２とは反対の側に平行化層５３を有している。溝２１内の反射性被覆の、図５ｂに示されたような反射膜５２による置換により、当該導光器の平行化保存能力は、図５ａに示された構成と比較して低下される。これは、図５ｂにおいて例示的な出力結合光ビーム５５により示されたように、平行化層５３の配設により部分的に治癒される。

図５ｂに示された例示的な平行化層５３は、三角形断面を持つロッド５４ａ、５４ｂの形態の複数の平行化構造を有する。これらのロッド５４ａ、５４ｂは、図５ｂに示されるように溝２１と整列され、好ましくは導光器１１に取り付けられる。導光器１１とロッド５４ａ、５４ｂとの間には、好ましくは、何らかの反射手段が設けられる。このような手段は、反射性の層、空隙（air gap）又は導光器１１の材料より低い屈折率を持つ接着剤とすることができる。これは、ロッド５４ａ、５４ｂを介しての導光器１１からの光の望ましくない出力結合を防止するためである。

平行化層５３は、別個のロッド５４ａ、５４ｂの形態で、又は複数のロッドを有するシートとして設けることができる。例えば、隣接するロッドは垂直に延びるロッドにより連結することができる。

図５ｃは図５ｂの構成の代替例を示し、該代替例において、反射層５２は導光器１１における溝２１とは反対の側に設けられ、平行化層５３は溝２１と同一の側に設けられる。平行化層５３の機能は、図５ｃにおいて例示的な出力結合された光ビーム５６により概念的に示されている。

図５ａ〜５ｃに示した種々の構成の平行化保存特性を示すために、下記の測定値を有する導光器に対してコンピュータシミュレーションがなされた：
出力結合部１５ａの長さ：７２ｍｍ；
出力結合部１５ａの幅：４８ｍｍ；
導光器１１の厚さ：４ｍｍ；
Ｖ字状溝２１のピッチ：４ｍｍ；
溝２１の幅：１ｍｍ；
溝２１の深さ：０.５ｍｍ；
基部におけるロッド５４ａ、５４ｂの間の距離：２ｍｍ；
ロッドのピッチ：４ｍｍ；
ロッドの高さ：４ｍｍ；
糸巻き状入力結合凹部の辺の長さ：８.５ｍｍ；
辺の曲率半径：８ｍｍ；及び
光源：側面放出ＬＥＤ。

図６は、異なる出力結合構造に対する、照明器具１０により放出される光線の相対輝度対角度の半径方向プロットを示す。

図５ａの構成に対する半径方向プロット６０から理解されるように、４０°を超える角度での輝度は極めて低い。

溝２１のファセット４４ａ、４４ｂ上の反射性被覆を、平行化層を追加することなしに単に反射膜５２により置換した場合、半径方向プロット６１により示されるように、一層大きな角度においても、かなりの輝度が存在する。

図６の最後のプロット６２から明らかなように、図５ｂに示したように平行化層を追加することにより結果は大幅に改善される。正方形状格子アレイに配置された複数の光源を持つ図１ａに示したもののような照明器具１０により放出される光の角度分布を分析すると、格子の対角線に対応する方向（図１ａに関する説明で使用された表記によれば、４５°、１３５°、２２５°、３１５°）に関して極小点が見つかる。これらの極小点は、入力結合部の間を幾らかの光が、斯かる光は該光に平行な溝にしか遭遇しない故に、出力結合されずに進行するという事実によるものである。当該光の該（小さい）割合は、関連する対角線に沿う隣接する入力結合部において最終的に失われる。

このような効果から生じる角度的不均一さを改善する１つの方法が図７に概念的に示されている。該図は、照明器具７０の上面図であり、該照明器具７０は図１ａの照明器具１０とは、光源が非正方形の長方形格子アレイにおける格子点に配置される点で相違している。各光源により放出される光は、図１ａにも図示されたように、４つの直交するビーム７１ａ〜７１ｄに分割される。しかしながら、図７からも明らかなように、光のピーク分布は当該対角線の反対側上の入力結合部を最早狙ったものではなく、結果として、より少ない光しか当該対角線に沿う隣接する入力結合部において吸収により失われることがない。

隣接する入力結合部における光の吸収の結果として生じる上述した角度的不均一性を改善する他の方法が、図８に概念的に示されている。

図８は照明器具８０の上面図であり、該照明器具８０は図１ａの照明器具１０とは、隣接する入力結合部８２ａ〜８２ｆの間の対角線上に全方向性出力結合構造８１ａ、８１ｂが設けられる点で相違する。

これらの全方向性出力結合構造は、前述した主方向（図１ａに関連する説明で使用された表記によれば、４５°、１３５°、２２５°、３１５°）の何れか１つで進行する光を出力結合することができる。

本発明の上述した実施例に加えて、多数の変形例が可能であり、利用分野に依存して使用するのが有利であり得る。

図９ａ〜９ｃは、２つの追加の実施例を概略示している。ここで説明する実施例は単なる例であって、多数の更なる変形例が添付請求項内に存在すると理解されたい。実施例９ａには照明器具９０が概念的に示されており、該照明器具においては光源が一層密に分散されており、部分的に方向依存性出力結合部を共有している。この実施例によれば、光ビーム９１ａ〜９１ｄの主方向における隣接する入力結合部において一層多くの光の損失が存在する。しかしながら、これは、光源の間に十分に大きな距離がある場合には許容され得る。

今までに説明した実施例では、光が当該導光器に４つの主方向で或るビーム幅で入力結合（導入）される状況を説明した。明らかなことに、光源（又は複数の光源）及び／又は入力結合構造は、他の例として、光が一層少ない方向で入力結合されるような形に構成することができる。これによれば、隣接する入力結合部の間の相互作用が低減され得るか又は完全にさえ除去され得る。２つの主方向のみで入力結合される光を利用する例示的照明器具が、図９ｂに概念的に図示されている。

図９ｂには例示的照明器具９３が概念的に図示されており、該照明器具は、導光器９４と、２つの主方向のみに光を放出するよう構成された複数の光源９５ａ〜９５ｆとを有している。これらの光源９５ａ〜９５ｆの各々は、例えば、携帯電話用のバックライトに普通に使用されている日亜の側面発光（side-firing）ＬＥＤ等の２つの単一方向サイドエミッタを有することができる。

隣接する光源の間の相互作用を低減するために、使用されない入力結合ファセット９７ａ、９７ｂには、反射器又は出力結合ファセットを設けることができる。

図９ｃには他の例示的照明器具９８が概念的に図示され、該照明器具は、図９ｂの照明器具９３とは、光源９５ａ〜９５ｆが光を２つの反対方向に向けられた主方向９９ａ、９９ｂにのみ放出するように構成されている点で相違する。

図１０ａ〜１０ｂを参照して以下に述べるように、単一の出力結合部、及び反射を介しての一次光の再指向（向きの変更）を利用して、バックライト等の均一に発光する照明装置又は１つの光源のみを有する照明器具を得ることができる。他の例として、以下に述べるように、同じ原理を複数の光源で実施化することもできる。

図１０ａには照明装置１００が概略図示されており、該照明装置は導光器１０１と、単一方向側面発光ＬＥＤ等の単一の側面発光光源１０２とを有する。当該導光器の面のうちの少なくとも１つには、方向依存性出力結合構造１０３が設けられ、該出力結合構造は、光源１０２により放出された主方向の光を、他の方向を持つ光よりも低い出力結合効率で出力結合（導出）するように構成されている。

上記の結果、実際上、如何なる光も、導光器１０１の反射性縁部１０４ａ〜１０４ｄにおける反射以前に出力結合されることはない。出力結合構造１０３を、反射性縁部１０４ａ〜１０４ｄからの距離及び導光器１０２の全体的幾何学構造に対して適切に調整することにより、当該照明装置１００にわたる光の均一な出力を、単一の光源１０２により達成することができる。

出力結合される光の均一性は、拡散反射性縁部１０４ａ〜１０４ｄを使用することにより更に改善することができる。しかしながら、これは、出力結合される光の角度分布を増加させ得る。

図１０ｂには同様の照明装置１０５が概略図示され、該照明装置は図１０ａの照明装置１００とは、数個の単一方向光源１０６ａ〜１０６ｃが使用される点で相違する。

上述した実施例において実施化される溝状の出力結合構造は、本発明による導光器に含まれ得る方向依存性出力結合構造の一例に過ぎない。

上述したＶ字状溝の代わりとして又は斯かるＶ字状溝との組み合わせで実施化することが可能な他の例示的な出力結合構造を、図１１ａ、１１ｂを参照して説明する。

図１１ａには例示的な照明器具１１０が概略図示され、該照明器具は導光器１１１と、対応する入力結合部に配置された光源１１２ａ〜１１２ｆとを有している。導光器１１１は、各入力結合部に隣接する出力結合部１１３ａ〜１１３ｆを有している。これらの出力結合部の各々には、傾斜ファセット１１４ａ〜１１４ｄの形態の肉眼で見える（macroscopic）出力結合構造が設けられている。

これらの出力結合構造１１４ａ〜１１４ｄの方向依存性出力結合を、照明器具１１０のＡ−Ａ'線に沿う断面図である図１１ｂを参照して説明する。

図１１ｂは、光源１１２ｅにより放出された光ビーム１１５が、何故、該光源に関連する出力結合部１１３ｅにおいて出力結合（導出）されないかを示し、その理由は、ＴＩＲ条件が導光器１１１の局部傾斜面１１４ｃにより満たされるからである。しかしながら、上記光ビーム１１５が隣の出力結合部１１３ｆに入ると、該光ビームは、図１１ｂに示されるように導光器１１１の面の入射角により、該導光器１１１から出力結合（導出）される。

当業者であれば、本発明は上記好ましい実施例に決して限定されるものではないと理解するであろう。例えば、導光器の放出面における透明側面を有する出力結合溝は、前述した反射性側面を持つ溝の代わりに、又は斯かる反射性側面を持つ溝との組み合わせで設けることができる。更に、上記出力結合構造は、各入力結合部から放射方向に延びる溝として設けることもできる。更に、当該導光器の面内で円柱状断面を有する凹部（recess）又は開口（孔）を含む多くの他の入力結合構造が可能である。

Claims (10)

1. 第１及び第２の対向して配置された面と、複数の光入力導入部の各々が、関連する光源からの光を導入する前記複数の光入力導入部と、複数の光出力導出部の各々が、前記光入力導入部の対応する光入力導入部に隣接して配置された前記複数の光出力導出部であって、
   前記複数の光出力導出部の各々が、一次光ビーム及び二次光ビームを出力し、一次光ビームは、前記対応する光入力導入部内の位置から前記光出力導出部へ向けられた伝搬方向を持ち、二次光ビームは、前記対応する光入力導入部外の導光器における位置から前記光出力導出部へ向けられた伝搬方向を持ち、前記複数の光出力導出部の各々は、全内部反射のための条件が一次光ビームに対しては満たされるが、二次光ビームに対しては満たされていないので、一次光ビームが二次光ビームより低い光出力効率で出力される前記複数の光出力導出部と、一次光ビームを反射させ、これにより一次光ビームを二次光ビームに変換する反射手段とを有する当該導光器であって、
   前記複数の光出力導出部の各光出力導出部が、前記光入力導入部から４つの角度、すなわち４５度、１３５度、２２５度及び３１５度の方向に延在する複数の光出力導出構造を有し、前記光出力導出構造が当該導光器の前記第１及び第２の面の少なくとも一方に形成された複数の溝を含み、これら溝の各々が、当該導光器の当該面における、光入力平面に垂直な方向である伝搬方向を持つ一次光ビームの投影に沿って実質的に延在する、導光器。
2. 前記光入力導入部に形成された光入力導入構造を更に有する請求項１に記載の導光器。
3. 前記光入力導入構造が前記入力された光を平行化するビーム整形手段を有する請求項２に記載の導光器。
4. 前記光入力導入構造が前記第１又は第２の面から当該導光器内に形成された凹部を有する請求項２又は請求項３に記載の導光器。
5. 前記凹部が当該導光器に平行な面内で長方形断面を有し、これにより、入力された光の当該導光器と平行な面内における平行化を可能にする請求項４に記載の導光器。
6. 前記複数の光出力導出構造の対応するものに整列された複数の平行化構造を有する請求項１ないし５の何れか一項に記載の導光器。
7. 隣接する光出力導出部の間の干渉を防止するために、これら光出力導出部の間に配置された少なくとも１つの導光部を更に有する請求項１に記載の導光器。
8. 前記複数の光入力導入部が長方形格子パターンを形成するアレイ状に配置された請求項１に記載の導光器。
9. 平らな形態の請求項１ないし８の何れか一項に記載の導光器と、前記複数の光入力導入部と関連する少なくとも１つの光源とを有する、照明器具等の光出力装置。
10. 隣接する光出力導出部の間に配置された再指向手段を備える請求項１ないし８の何れか一項に記載の導光器を有する光出力装置であって、該光出力装置が、各々が前記複数の光入力導入部のうちの対応するものに配置された複数の光源を更に有し、これら光源のうちの隣接するものは異なる色の光を放出し、これにより当該光出力装置により出力される光の色の均一性を改善する光出力装置。

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