JP6173329B2 - 光整形用光学要素 - Google Patents

Description

本発明は、光学要素に関し、特に散乱能力及び光線整形能力をもつ散乱部材を有する光学要素に関する。

室内照明製品のための光学設計においては、光源輝度及び光線の整形を考慮する必要がある。照明製品において高すぎる輝度は望まれない。高すぎる輝度は、散乱及び光線整形の問題をもたらし得る、照明製品からの不均一な配光の原因となり得る。従来技術による一般的な照明製品（１）が、図１に示される。照明製品（１）は、光源（２）及び光源から距離（６）の位置に配置された散乱シート（４）を有する。立体角（８）は、散乱シートによって覆われた光源からの光の角度を代表する。

一般的に、室内照明製品においては、光源輝度と照明製品の光線整形能力との間にトレードオフが存在する。高い光源輝度を有する場合に、光線を所望の方法で整形することに問題が存在し得る。さらに、低い光源輝度は、照明製品の有効性に影響し得る。

照明製品において光線形状と調和した適切な輝度レベルに到達する課題を解決する一つの方法は、第一に、例えば光源の近くに配置された拡散部材又は散乱部材を追加することによって、光源からの光の輝度を下げることである。それに次ぐものは、例えば大きな反射器又は白色カップによって、整形された光線である。

そのような解決策の一つの例は、特許出願公開第２０１０−１１３９７５号公報に開示されている。そこでは、拡散シートが複数の発光体の上に配置されている。光線を整形するために、例えば反射器のような光線整形器が追加される必要がある。

一つの代替的な方法において、光線は、第一に、例えば全内部反射（TIR（Total Internal Reflection）コリメータ又は小型の反射気によって整形され、続いて、例えば光線のための限定的拡散出口窓を導入することによって光の輝度が低減される。

さらに、照明製品の最小の物理的サイズを達成する必要がある。図１ｂに見られるように、散乱シート（４）は、より小さい光源（２）への距離（６’）に配置され、それによってより大きな立体角（８’）及びより小さな製品の両方をもたらしてもよい。しかしながら、反射器と散乱シートを持つ照明製品を小型化し得る程度には限度がある。なぜなら、最大輝度を超えることなく散乱シートを光源の近くに配置しうる程度に限度があるからである。そのような配置は、散乱シートの中央部分における高すぎる輝度レベル及び散乱シートの周縁部分における優位に低い輝度レベルの原因となり得る。これは、照明製品の光線整形能力に負の影響を与える、不均一な配光の原因となり得る。

故に、より小型で、適度に緩和された輝度と光線整形能力を併せ持つ照明製品のための、代替的な解決策の必要性が存在する。

特許出願公開第２０１０−１１３９７５号公報

本発明の一つの課題は、前述の課題を克服し、小型で散乱機能及び光線整形機能を有する発光アレンジメントを提供することである。

本発明の第一の態様によれば、この目的又は複数の他の目的は、光源及び散乱部材を有する発光アレンジメントによって達成される。散乱部材は、光出力方向において、光源の前に三次元形状で配置される。散乱部材の複数の異なる領域は、複数の異なる幾何学的光学構造の形態で、異なる光学的特徴（optical characteristics）を有する。

光出力方向において光源の前に三次元形状で配置された散乱部材は、散乱部材の複数の異なる領域の異なる光学的特徴と相まって、輝度低減機能、光散乱機能、そしてまた、光線整形機能を提供することができる。散乱部材を光源の前に配置することによって、光源の大きな立体角が散乱部材によって覆われる。さらに、光源と散乱部材との間の最小の距離が維持され得る。これは、意図されるその光学的構成要素についての最大輝度レベルを超えないために十分なある距離において、その光学的構成要素が、光源からの最大限の光のアレイを捕らえられることを意味する。これは、発光アレンジメントのまぶしさの問題を回避するためであってもよい。散乱部材によって捕らえられる全ての光は、光源からの光の輝度を低減する散乱部材の領域全体にわたって散乱される。このことは、発光アレンジメントが、従来技術と比較してより小型化し得ることを更に提供する。散乱部材の三次元の形状によって、散乱部材は、輝度の問題の恐れなく光源の近くに配置されることができる。

“の前に”は、配光の方向において光源の前、又は光源と発光アレンジメントの意図されるビューアーとの間を意味する。

散乱部材の複数の異なる領域を、異なる光学的特徴を有するように設計することによって、光学的構成要素の光線の形状を含む全体の光学特性及び発光特性が、ある種の目的のために最適化され得る。そのような最適化は、散乱部材の前方散乱を最大化し、散乱部材の後方散乱を最小化するために実行されてもよい。全体としての配光が設計されてもよく、すなわち、光源からの光線は整形されてもよい。本発明による発光アレンジメントは、容易にカスタマイズされるという利点を有し得る。散乱部材を交換するだけで、発光アレンジメントの全体としての配光が変更され得る。複数の異なるアプリケーション（応用）は、異なる輝度レベル及び異なる形状を要求し得る。本発明は、多種多様な設計のための光学的構成要素を提供する可能性をもたらす、費用効果的な解決策を提供することができる。そのような発光アレンジメントは、家庭用アプリケーション及び業務用照明アプリケーションの両方に適切であり得る。

散乱及び光線整形の両方のための全ての要求される光学要素は、発光アレンジメントの内部に統合されているため、それはモジュラー製品構造に適切であり得る。散乱部材の三次元形状は、コーン形状、ボックス形状、筒形状、半球形状、ドーム形状などであってもよい。

一つ実施形態において、散乱部材の面の複数の異なる領域は、異なる光学的特徴を有してもよい。

散乱部材の面の複数の異なる領域に異なる光学的特徴を提供することによって、発光アレンジメントからの全体としての配光が制御され得る。発光アレンジメントからの光線は、散乱部材の面の複数の異なる領域の光学的特徴をそれ相当に設計することによって、特定の方法で整形され得る。散乱部材の面を設計することによって、そのような散乱部材は容易に製造され得る。

一つの更なる実施形態において、散乱部材の面は、リップル構造、屈折性構造、レンズ配列構造及びそれらの組合せのグループの中から選択された少なくとも一つの光学構造を有してもよい。

散乱部材の複数の異なる領域の光学構造を設計することによって、その複数の異なる領域における散乱部材の機能が、効果的な方法で制御及び設計され得る。これは、発光アレンジメントの全体としての配光に貢献し、散乱部材の複数の異なる領域の散乱機能及び光線整形機能の設計における新たな可能性を与える。散乱部材は更に、複数の異なる種類の構造の組合せを持つ領域を有し得る。そのような領域は、一つの構造から他の構想に進行する傾斜領域を提供する、異なる構造を持つ二つの領域の間の移行領域であってもよい。散乱部材の複数の異なる領域は、それによって互いの間の流動的な境界を有し得る。領域の光学構造は、散乱機能を有する如何なる構造であってもよい。光学構造は、リップル構造、屈折性構造又はレンズ配列構造のグループの中から選択され得る。上記のクループの中から選択された異なる光学構造を有する複数の異なる領域は、同一種類の光学構造であるが異なる特性を持つ、複数の異なる領域として設けられてもよい。

他の実施形態において、散乱部材の二つの反対を向く面は、リップル構造、屈折性構造、レンズ配列構造及びそれらの組合せのグループの中から選択された光学構造をそれぞれ有し得る。

散乱部材は、三次元形状の状態で配列された散乱シートで作られ得る。その結果、二つの反対を向く表面は散乱シートの二つの面であり得る。散乱部材の両面の複数の異なる領域において異なる光学構造を設けることによって、それぞれの面については比較的複雑でない構造設計によって、散乱部材の複数の異なる領域の振る舞い（behavior）が設計され得る。なぜなら、その二つの面は、その領域の全体としての光学的振る舞いに対して、協働するものであるからである。散乱部材のある特定の領域は、類似の種類の光学構造が設けられた二つの反対側の面上であり得る。代替的に、ある領域は、異なる種類の光学構造が設けられた二つの反対側の面を有してもよい。例えば、その領域は、一方の面上のリップル構造及び他方の面上の屈折性構造を有してもよい。二つの面の光学構造は、非対称であってもよく、又は対称的であってもよい。

一つの実施形態において、屈折性構造は、全内部反射ファセットを含み得る。

散乱部材の面の屈折性構造内に全内部反射ファセットを含むことによって、散乱部材は、該散乱部材内の後方散乱を更に最小化するように設計され得る。ファセットの設計は、光源に対するファセットの位置に基づいて選択されてもよい。

一つの実施形態において、散乱部材の異なる各領域の光学的特徴は、各領域の面に直角な方向と、その同一の領域から前記光源に向かう方向との間の角度によって選択され得る。

ある領域の光学的特徴又は光学構造を、その領域の面に直角な方向と比較したその領域から光源への角度に基づいて設計することによって、その領域内での後方散乱が最小化され得る。さらに、そのような領域は、その領域について所望の光線形状を提供するために、屈折に関して最適化され得る。

一つの実施形態において、散乱部材の複数の異なる領域の光学的特徴は、散乱部材のそれぞれの領域の、光源への相対距離によって選択され得る。

ある領域と光源との間の相対距離は、その領域に到達する光の強度に影響し得る。したがって、その領域の光学的特徴の設計は、前述の相対距離によって影響され得る。発光アレンジメントからの所望の全体としての配光を達成するために、各領域は、前述の距離を意識して設計される必要があり得る。一つの例として、ある種類及び／又はある特性の光学構造は、前述の距離によって、各領域について選択されてもよい。

一つの実施形態において、光学構造は、約５−５０μｍの深さを有する。

その深さは、散乱部材の複数の異なる領域について、異なっていてもよい。散乱部材の複数の異なる領域には、同一の種類であるが、異なる構造深さの光学構造が設けられてもよい。構造深さによって、散乱部材の面の浮き彫り構造内の上端と下端との間の距離を意味してもよい。

一つの実施形態において、散乱部材は、曲げられて三次元形状にされた散乱シート又は折り畳まれて三次元形状にされた散乱シートであってもよい。

その散乱部材は、曲げられ、又は折り畳まれて三次元形状にされた、二次元の散乱シートであってもよい。この構成は、製造者にとって費用効率が高い発光アレンジメント及び散乱部材を提供し得る。それはさらに、立体の（solid）三次元散乱部材と比較して、製造が容易であり得る。

一つの更なる実施形態において、散乱シートは、異なる光学的特徴を持つ複数の異なる領域が設けられた上面及び底面を有してもよい。

散乱部材の三次元形状に応じて、三次元形状の散乱部材を形成する散乱シートは、ある種の方法で設計され得る。複数の異なる領域の光学的特徴は、三次元の散乱部材における各領域の位置によって選択されてもよい。それにより、その二つの面には、散乱シートが三次元形状に整えられる前に、複数の異なる領域における異なる光学的特徴が与えられてもよい。

一つの実施形態において、散乱部材は、光源からの光が散乱部材によって少なくとも二つの方向に向けて方向を変えられるように、三次元形状で配置されてもよい。

散乱部材の三次元形状は、光源からの光が複数の異なる方向に向けて方向付けられることを提供してもよい。それにより、発光アレンジメントからの光線は、所望の方法で設計され得る。光は、単一の散乱部材を使用して、同一の発光アレンジメントから複数の方向に向けて方向付けられてもよい。

本発明の第二の態様によれば、発光アレンジメントの製造方法が提供される。その方法は、散乱シートを製造するステップであって、該散乱シートに、該散乱シートの複数の異なる領域において異なる幾何学的光学構造を設けることにより、散乱シートの複数の異なる領域は、異なる光学的特徴を有する、製造ステップ；及び散乱シートを、三次元形状で、光出力方向において光源の前に配置する、配置ステップを含む。

散乱シートは、該シートの複数の二次元領域において異なる光学構造を持つ二次元のシートとして製造され得る。これは、散乱シート及び発光アレンジメントのための費用効率が高い製造方法を提供する。散乱部材はその後、三次元形状で光源の前に配置され得る。散乱部材は、コーン形状、ボックス形状、筒形状、半球形状、ドーム形状又は同種の形状で配置されてもよい。本明細書において記述される、本発明による発光アレンジメントについての全ての特徴は、前述の方法によって製造される発光アレンジメントに適用され得る。

一つの更なる態様において、本発明は、本明細書において記述される発光アレンジメントを有する照明器具に関する。

本発明は、特許請求の範囲に記載の特徴の全ての可能な組合せに関係することが留意される。

その具体的な特徴を及び利点を含む、本発明の様々な態様は、以下の詳細な説明及び添付の図面から容易に理解されるであろう。

図１ａ及び図１ｂは、既知の技術による発光アレンジメントを示す。 図１ａ及び図１ｂは、既知の技術による発光アレンジメントを示す。 図２ａは、本発明の一つの実施形態による発光アレンジメントを示す。 図２ｂは、本発明の一つの実施形態による全光出力を提供する、異なる複数の光形状を示す。 図２ｃは、本発明の一つの実施形態による発光アレンジメントを示す。 図３は、本発明の一つの実施形態による複数の散乱部材表面のための光学構造を示す。 図４は、本発明の一つの実施形態による方法の流れ図を示す。 図５ａ‐図５ｄは、本発明の複数の実施形態による散乱部材を示す。 図５ａ‐図５ｄは、本発明の複数の実施形態による散乱部材を示す。 図５ａ‐図５ｄは、本発明の複数の実施形態による散乱部材を示す。 図５ａ‐図５ｄは、本発明の複数の実施形態による散乱部材を示す。

これから、現時点において好ましい本発明の実施形態が示される添付の図面を参照して、以下本明細書において本発明がより詳細に説明される。この発明は、しかしながら、多くの異なる形式において具体化されることができ、本明細書において説明される実施形態に限定されるものと解釈されるべきではなく、むしろ、これらの実施形態は、徹底性及び完全性のために提供されており、当業者に本発明の範囲を十分に伝える。同じ参照文字は全体を通して同様の要素を指す。

図１ａは、従来技術による発光アレンジメント１を示す。発光アレンジメント１は、光源２及び散乱シート４を有する。散乱シート４は、光源２からの距離６の位置に配置される。散乱シート４と光源２との間の距離６及び散乱シート４の寸法は、発光アレンジメント１に立体角８を与える。立体角８は、光源２からの光が散乱シート４によって散乱されることによって、どの程度発光アレンジメント１によって利用されるかを決定する方法である。

より小型の、図１ａの発光アレンジメント１のような光学的アレンジメントを提供する必要がある。図１ａの発光アレンジメント１をより小型化するために、従来技術において図１ｂのような発光アレンジメント１’が提供されている。この発光アレンジメント１’は、散乱シート４と光源２との間の比較的小さな距離６’を持ち、比較的大きな立体角８’をもたらしている。それによって、より多量の光源２からの光が、発光アレンジメント１’において利用される。しかしながら、最大輝度レベルを超えることなく、散乱シート４を光源２の近くに配置しうる程度には限度がある。

ここから本発明に移ると、図２は、本発明による発光アレンジメント２０を示す。発光アレンジメント２０は、光源２２及び散乱部材２４を有する。散乱部材２４の中央領域２７ｂは、光源２２から距離１６の位置に配置されている。光源２２からの光は、光源２２から散乱部材２４に向かって、光出力方向Ａに広がっている。散乱部材２４は、三次元形状の状態で、光出力方向Ａにおいて光源２２の前に配置されている。これは、最大輝度レベルを超えることなく、従来技術と比較してより大きな立体角１８を与える。

図２ａに見られるように、光源２２は、散乱部材２４に向かって光２６を発する。散乱部材２４は、異なる光学的特徴を持つ異なる複数の領域２７ａ乃至２７ｃを有する。図２ａによる実施形態において、その複数の光学的特徴は、散乱部材２４の上面２５ａ及び／又は下面２５ｂの光学構造（optical structures）として与えられる。異なる光学構造を持つ複数の異なる領域２７ａ乃至２７ｃは、光源２２からの光が、散乱部材２４の複数の異なる領域２７ａ乃至２７ｃ内で、異なって散乱されることをもたらす。発光アレンジメント２０からの出力光は、散乱部材２４の異なる複数の領域において、異なる複数の形状２８ａ乃至２８ｃで提供される。図２ｂに示されるように、異なる複数の領域の異なる複数の形状２８ａ乃至２８ｃは、発光アレンジメント２０からの所望の全光出力２９を提供するようにデザインされている。

散乱部材２４のある領域２７ｃについての光学的特徴の選択は、光源２２に対する領域２７ｃの位置に依存してもよい。図２ｃに見られるように、その位置は、領域２７ｃの面２５ｂに直角な方向Ｂと、光源２２から領域２７ｃに向かう方向Ｃとの間の角度Ｄによって決定されてもよい。この角度Ｄはまた、光２６の光源２２から散乱部材２４への入射角としても説明され得る。領域２７ｃについての光学的特徴の選択は更に、領域２７ｃと光源２２との間の距離に依存して選択されてもよい。

図３に示されるように、散乱部材２４の面又は面２５は、散乱部材２４の複数の異なる領域２７ａ乃至２７ｃにおいて、異なる散乱特性をもたらす異なる複数の種類の光学構造を有してもよい。散乱部材２４には、片面のリップル構造３２、両面のリップル構造であって、その上面のリップル構造は底面の構造と比較して直角な方法で配列され得る両面のリップル構造３３、片面の屈折性構造３４、両面の屈折性構造３５、片面のレンズ配列構造３６又は両面のレンズ配列構造３７が設けられてもよい。如何なる両面の構造配列も、一方の面の構造が、他方の面の構造と比較して直角な方法で配列されて設けられてもよい。これらの構造の一つ又はいくつかは、同一の散乱部材２４に設けられてもよい。異なる種類及び異なる寸法の構造が、散乱部材２４の複数の異なる領域に設けられてもよい。異なる種類の光学構造３２乃至３７は、異なる散乱特性をもたらす。散乱部材２４のある領域２７ａ乃至２７ｃについての光学構造は、その特定の領域についての散乱機能及び光線整形機能を最適化するように選択される。この選択は、光出力を最適化するために、そしてまた、発光アレンジメント内の後方散乱を低減するために行われる。

図４は、一つの実施形態による方法１００を示す。方法１００は、散乱シートの複数の異なる領域において異なる光学的特徴を有する散乱シートを製造する、ステップ１０２を含む。それによって、散乱シートは二次元のシートとして製造される。その光学的特徴は散乱シートの少なくとも一方の面上の光学構造であってもよく、そのような光学構造はシート材料にエンボス加工又はフライス加工されてもよい。代替的に、光学構造は付着された層又はフィルムとして散乱シート材料に追加されてもよい。

更なるステップ１０４において、散乱シートは三次元形状で光源の前に配置される。それによって、光源の前に三次元的に配置された散乱部材を有して、発光アレンジメントは製造され、その散乱部材は、部材の複数の異なる領域において異なる光学的特徴を有する。

上述したような、そのような方法１００及びアレンジメント２０が、図５ａ乃至図５ｄに更に示される。図５ａ乃至図５ｄにおいて、シートの形態の二次元の散乱部材４０，５０，６０，７０が、三次元の形状４２，５２，６２，７２の状態で、光源４４，５４，６４，７４の前に配置されている。図５ａに見られるように、散乱部材４０は、コーン形状４２の状態で配置されている。図５ｂに見られるように、散乱部材５０は、ボックス形状５２の状態で配置されている。散乱部材はまた、曲線状の形状を有してもよい。図５ｃに見られるように、散乱部材６０は、トンネル形状又は部分円筒形状６２の状態で配置されている。図５ｄに見られるように、散乱部材７０は、ドーム形状７２の状態で配置されている。

当業者は、本発明は決して上述された複数の好ましい実施形態に限定されないことを明確に理解する。それどころか、添付の特許請求の範囲に含まれる範囲で、多くの修正及び変形が可能である。例えば、散乱部材は、本発明に基づいて、如何なる三次元形状の状態で発光アレンジメントの光源の前に配置されてもよい。

加えて、本明細書において開示された複数の実施形態の様々な変形が、特許請求された発明の実践において、図面、開示及び添付の特許請求の範囲の検討から、当業者によって理解され、もたらされ得る。特許請求の範囲において、用語“有する”又は“含む”は他の要素又はステップを排除しない。また、不定冠詞“一つ”又は“ある”は複数であることを排除しない。単一のプロセッサ又は他のユニットが、特許請求の範囲において列挙された、いくつかの項目のうちの複数の機能を満たしてもよい。ある複数の手段が互いに異なる従属請求項において列挙されたという単なる事実は、これらの手段の組合せが有利に使用されることができないことを示唆しない。

Claims (13)

1. 光源、及び
   光出力方向において、該光源の前に三次元形状で配置された散乱部材であって、当該散乱部材の複数の異なる領域は複数の異なる光学的特徴を有し、当該散乱部材の前記複数の異なる光学的特徴は、複数の異なる幾何学的光学構造であり、前記複数の異なる領域に前記光源から直接光が入射するように配置される、散乱部材、
   を有する、発光アレンジメント。
2. 前記散乱部材の面の複数の異なる領域は、異なる光学的特徴を有する、請求項１記載の発光アレンジメント。
3. 前記散乱部材の面は、リップル構造、屈折性構造、レンズ配列構造及びそれらの組合せのグループの中から選択された少なくとも一つの光学構造を有する、請求項１記載の発光アレンジメント。
4. 前記散乱部材の二つの反対を向く表面は、リップル構造、屈折性構造、レンズ配列構造及びそれらの組合せのグループの中から選択された光学構造をそれぞれ有する、請求項１記載の発光アレンジメント。
5. 前記屈折性構造は、全内部反射ファセットを含む、請求項３又は請求項４記載の発光アレンジメント。
6. 前記散乱部材の異なる各領域の光学的特徴は、各領域の面に直角な方向と、同一の領域から前記光源に向かう方向との間の角度によって選択される、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の発光アレンジメント。
7. 前記散乱部材の複数の異なる領域の光学的特徴は、前記散乱部材のそれぞれの領域の、前記光源への相対距離によって選択される、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の発光アレンジメント。
8. 前記光学構造は、約５−５０μｍの深さを有する、請求項１記載の発光アレンジメント。
9. 前記散乱部材は、曲げられ又は折り畳まれて三次元形状にされた散乱シートである、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の発光アレンジメント。
10. 前記散乱シートは、異なる光学的特徴を持つ複数の異なる領域が設けられた上面及び底面を有する、請求項８記載の発光アレンジメント。
11. 前記散乱部材は、前記光源からの光が該散乱部材によって少なくとも二つの方向に向けて方向を変えられるように、三次元形状で配置される、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の発光アレンジメント。
12. 散乱シートを製造するステップであって、該散乱シートに、該散乱シートの複数の異なる領域において異なる幾何学的光学構造を設けることにより、該散乱シートの複数の異なる領域は、異なる光学的特徴を有する、製造ステップ、及び
    前記散乱シートを、三次元形状で、光源からの直接光が前記複数の異なる領域に入射するように、前記光源の前に配置する、配置ステップ、
    を含む、発光アレンジメントの製造方法。
13. 請求項１による発光アレンジメント又は請求項１２の方法によって製造された発光アレンジメントを有する、照明器具。

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