JP6585848B2 - 複合オーバーコーティング構造を有する光ファイバ光源 - Google Patents

Description

本特許出願は、２０１５年１２月１７日出願の米国特許仮出願第６２／２６８，８１５号の早期の出願日の利益を主張する。

本発明の一実施形態は、複合オーバーコーティング構造内に埋め込まれた、光ファイバベースの側方発光体を有する光源に関し、複合オーバーコーティング構造は、光ファイバの側方放出光の照明方式を修正し、光源のシステムへの組込みを容易にするように設計する。他の実施形態も記載する。

光ファイバは、一方のファイバ端部からもう一方のファイバ端部に、損失をそれほど伴わずに光信号をもたらすことが公知である。他の場合には、ファイバは、光信号の伝播方向に実質的に横断する方向に光信号を漏らすように設計される。この効果は、典型的に、光（光信号）と、ファイバ内に組み込んだ散乱領域（例えば穴）との相互作用の結果である。散乱領域は、ファイバを引き伸ばしながら要素を追加することによって実現することができるか、又はファイバに対する機械的処理、レーザー処理若しくは化学後処理を通して実現することができる。

他の場合には、ルミネセンス材料を、ファイバコア材料の内部、外装の内部、又はファイバ・コーティングの内部に組み込み、１次光又は伝播光を、１次光よりも低い又はより高い波長を有する２次光に部分的又は完全に変換する。

本発明の一実施形態は、光ファイバ側方放出光源であり、光ファイバ側方放出光源は、発光体として、ファイバコアを有する側方放出光ファイバを有し、ファイバコアを通して、１次光が、例えば光ファイバのファイバ外装から全体の内部反射により伝播する。ファイバの全長部のうちの長さ方向区分は、散乱領域を含み、散乱領域は、伝播１次光（１次光は、区分に入るまでファイバ内で伝播する）の方向を、ファイバから横向きに変えるように働く。活性光ルミネセンス材料は、例えばファイバの外装の外側面上に層又はコーティングとしてファイバと統合することもでき、方向を変えた１次光によって刺激され、波長変換された２次光を生成するようにする。一実施形態では、２次光は、光ルミネセンス材料が吸収しなかった、方向を変えた１次光の一部と組み合わされ、より広いスペクトル光、例えば白色光をファイバから横向きに出現させる。１次光と２次光とのそのような組合せは、白色光の発生に限定するものではない。しかし、光ルミネセンス材料及び１次光の波長は、代替的に、別の色、例えば青色、緑色、黄色、橙色、又は赤色の側方放出光を生じるように設計することができる。

実際の発光体である少なくとも長さ方向の区分を含む側方放出ファイバは、設計形状部を有する複合オーバーコーティング構造と統合する（設計形状部は、本明細書では成形オーバーコーティング構造とも呼ぶ）。用語「複合」は、本明細書では、物理的又は化学特性の点で異なる、少なくとも２つの異なる材料から作製した構造を説明するために使用し、これらの材料は、得られる組合せ構造の特性が、個々の構成部品の特性とは異なるように一緒に接合される。例えば、複合構造は、１つ又は複数の不活性光透過部又は層と、反射部又は層との組合せから作製することができる。

複合オーバーコーティング構造は、以下のように設計することができる：非対称的に成形し、複合オーバーコーティング構造が、ファイバからの側方放出光を好ましい「非対称」様式、例えば、指向性方向又は好ましい横断方向で反射するようにし、こうした方向は、全方向ではなく、方向を変えた光が、構造の周囲全体の一部分（本明細書では上面又は上層と呼ぶ）のみを通じてオーバーコーティング構造から出現するようなものである；（例えば複合オーバーコーティング構造を長手方向に挿入することによって）システムへの組付けを容易にするように、複合オーバーコーティング構造の外側底面を非対称的に成形するか又は不規則にする；選択的に不透明、透明又は半透明であるように選択した異なる材料から作製し、ファイバから出現する側方放出光に対し非対称に作製する；ファイバほど可撓性ではないように選択した異なる材料から作製することによって、外骨格を形成する；外部環境に対して不透過性又は密閉している（例えば防水又は防気）ように選択した異なる材料から作製する；システムへの組付けを容易にする更なる挿入体を備える異なる材料から作製する；機械式に構造化した外側又は内側面を呈し、複合オーバーコーティング構造が、ファイバからの側方放出光の方向を好ましい方向に変えるようにする。例えば、縦並びではなく、横並びに向けられた細長いプリズム・セルを有するプリズム構造。プリズム構造は、光ファイバの長手方向軸方向（長手方向）に一連のセルを形成する。

成形オーバーコーティング構造の不活性光透過材料を製造する方法は、一連の押出工程を含み、ファイバは、前もって形成しておき、ノズルに通して供給すると同時に流体形態の不活性光透過材料によって覆い、これにより、（押出後、光透過材料が固化すると）光透過部分への予備形状を与え、次に、選択的光若しくは熱重合化工程、又は機械的研磨工程が続き、押出成形した光透過部分の底面の正確な成形を達成する。成形オーバーコーティング構造を製造する他の方法は、一連のオーバーモールド工程であってもよく、ファイバを、最終又は所望の光透過部分の反対又は相補形状を呈する鋳型の内部に置き、選択的光又は熱重合化工程と組み合わせ、光透過部分の底面の正確な成形を達成する。いずれのケースであっても、光透過部の形成の後に、アルミニウム等の反射材料を堆積、スパッタリング、浸漬又は蒸着することによって、光透過部の底面上に反射部を製造する方法が続くことができる。別の実施形態では、反射層の代わりに、拡散層を底面上に形成することができる。このことは、拡散粒子混合物を底面上に堆積、スパッタリング又は蒸着することによって、又は光透過部分を拡散粒子混合物中に浸漬することによって行うことができる。

上記の概要は、全ての本発明の態様の網羅的なリストを含むものではない。本発明は、上記で概説した様々な態様の全ての適切な組合せから実施し得る全てのシステム及び方法、並びに以下の詳細な説明で開示し、特に特許請求の範囲及び添付の図面において示すものを包含し得ることが企図される。そのような組合せは、上記の概要には列挙しない特定の利点を有することができる。

本発明の実施形態は、添付の図面において限定としてではなく、例として示し、同様の参照番号は、同様の要素を示す。本開示の「１つ（ａｎ又はｏｎｅ）」の本発明の実施形態への言及は、必ずしも同じ実施形態に対するものではなく、少なくとも１つを意味することを留意されたい。また、簡潔さ及び図面の総数を減らすために、所与の図面は、本発明の２つ以上の実施形態の特徴を示すために使用することができ、図面の要素は、所与の実施形態でその全てを必要としなくてもよい。

複合オーバーコーティング構造を有する光源の一例の斜視図である。 横断面における放物線状複合オーバーコーティング構造の断面図である。 側方放出光の図であり、埋め込まれたファイバから出現し、図１ｂの複合構造によって方向を変えられている。 プリズム・レンズ上層を有する複合オーバーコーティング構造の長手方向面の断面図である。 光の方向を変え、再利用する、図２ａの複合構造の機能の一部の図である。 図２ａの複合構造の横断面における断面図である。 上面にマイクロレンズ・アレイを有する複合オーバーコーティング構造の横断面における断面図である。 図３ａの複合オーバーコーティング構造の長手方向面の断面図である。 単一レンズ構造を上面に有する複合オーバーコーティング構造の横断面の断面図である。 図４ａの複合オーバーコーティング構造の長手方向面の断面図である。 多角形底部と統合した複合オーバーコーティング構造の横断面の断面図である。 複合オーバーコーティング構造の横断面における断面図であり、複合オーバーコーティング構造は、多角形底部と統合し、多角形底部は、中に埋め込まれた１つ又は複数のノブを有し、ノブは、底部の外側に延在する。

次に、いくつかの本発明の実施形態を添付の図面を参照しながら説明する。実施形態で説明する部品の形状、相対位置及び他の態様は、明示的に定義するものではなく、本発明の範囲は、例示の目的で表すにすぎない図示の部品のみに限定されない。また、多くの詳細を示すが、本発明のいくつかの実施形態は、こうした詳細を伴わずに実行し得ることは理解されよう。他の例において、周知の構造及び技法は、本説明の理解を不明瞭にしないように、詳細に示していない。

本開示の光ファイバ側方放出光源を記載し、この光源のオーバーコーティング構造は、異なる材料から作製し、異なる材料は、オーバーコーティング構造に埋め込んだ光ファイバの側部から出現した光の方向を変え、作り変えることを支持するように設計、成形する。光源は、あらゆる照明システムの一部として使用することができる。

本発明の一実施形態によれば、図１ａを参照すると、ファイバベースの側方放出光源は、コア及び外装を有することができる光ファイバ６を有する。１次伝播光は、レーザー又は発光ダイオード（ＬＥＤ）等の発光体によって生成し、発光体は、ファイバ（図示せず）に結合している。１次光は、（例えばファイバ６のコアに形成される）散乱区域によってファイバ６の側部を通りファイバから出て散乱するまで、ファイバ６の中心長手方向軸２に沿って図示の下流方向に伝播する。散乱した放射光又は結合を外れた光は、ファイバ６の長手方向軸２に実質的に横断する方向で、（３６０°未満の径方向範囲を有する円錐又は葉状の光を形成する）指向性様式で、又は（ファイバの全周囲に等しい強度で放射する）等方性若しくは全方向様式のいずれかで生じる。そのような結果を生じる散乱区域の例は、２０１２年３月２８日出願の国際特許出願第ＰＣＴ／ＩＢ２０１２／０００６１７号（ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＦＯＲ ＩＬＬＵＭＩＮＡＴＩＯＮ ＳＹＳＴＥＭＳ）に見出すことができる。他のタイプの側方放出光ファイバを代替的に使用することができる。ファイバ６は、１次伝播光に対する波長変換を実施するように、光ルミネセンス材料層をその上に形成することもでき、これにより、１次光と異なる波長を有する２次光を含む側方放出光が生じる。得られた側方放出光は、１次光と比較してより広いスペクトル、例えば白色光を呈することができ、これは、吸収されなかった１次光と２次光の組合せに起因する。代替的に、光ルミネセンス材料及び１次光の波長は、ごくわずかな１次光のみが未吸収のままであるように選択することができ、ファイバ６から出現する側方放出光が、２次光、例えば赤色又は赤外光によって占められることになる。

更に図１ａを参照すると、ファイバ６の側面に一致する光透過部３、及び反射部４（反射支援部とも呼ばれる）があり、両方とも、単一の複合オーバーコーティング構造を形成する（ファイバ６は、複合オーバーコーティング構造の光透過部３内に「埋め込まれて」いる）。光透過部３は、単一の光透過不活性（即ち光ルミネセンスではない又は波長変換しない）材料、例えば、ポリカーボネートから作製することができ、ファイバ６の側面を完全に囲むことができ、ファイバと反射部４との間に空隙を残さないことができ、反射部４は、（図示のように）光透過部３の底面に一致する。光透過部３の全ては、同じ材料から作製することができるか、又は異なる材料の層から構成することができる。

図１ａのオーバーコーティング構造は、代替的に、中実体（例えば光透過部３）を有するものとして見ることができ、中実体は、不活性光透過材料から作製し、全体に円筒形である（近端又は面から遠端又は面まで延在する側面を有する）が、内部長手方向軸周りに回転対称又は中実体の背骨（例えば中心長手方向軸２）を有さない。外側反射器（例えば反射部４）は、中実体の側面の一部分に一致し、当接する湾曲光反射表面を有する一方で、中実体の別の部分（例えば上層又は上面７）は、反射器の光反射表面によって反射された後に照明光がこの部分から出現するように、覆われないままである。

オーバーコーティング構造は、特定の照明方式又は放射パターンの側方放出光を成形する、及び／又は光源をシステム内に統合することを容易にするように働く。オーバーコーティング構造は、光源の外骨格としても働く（光透過部３が、ファイバ６よりも硬質である材料から作製される場合）。

図１ｂは、例示的複合オーバーコーティング構造のいくつかの態様を示す。この図１ｂは、（ファイバ６の長手方向軸２に横断する）横断面における断面図であり、図１ｃは、埋め込んだファイバ６から出現する側方放出光を示す。本明細書に示す一態様は、光透過部３は、平坦又は完全に水平な上層７（又は上面７）を有し、上層７は、反射部４によって覆われず、上層７を通して、集中又は方向を変えられた側方放出光が、例えば、光源を囲む空気中に出現する。このことは、中心長手方向軸２周りの複合構造の「非対称形状」によって促進され、このことは、複合構造に、中心長手方向軸２周りの回転対称がないことに関係する。しかし、図１ｃで最適に示すように、オーバーコーティング構造は、（中心長手方向軸２がある）垂直長手方向面５にわたり左右反射対称を有することができる。

図１ｂ〜図１ｃの特定の例では、光透過部３は、「放物線状」形状を有し、反射部４は、光透過部３の底面を覆い、底面と一致する層として形成される一方で、光透過部３の上面（又は上層）７は、図示のように、覆われていない。しかし、複合照明構造の光収集機能は、この形状に限定するものではない。（例えば図１ｂのような）ファイバ６の側部から出現した光を好ましい方向で集中させる、反射部４（及び光透過部３の反射部４と一致する底面）のあらゆる代替形状が可能であり、例えば、Ｕ字形状（図１ａを参照）、半又は部分円筒形状、半又は部分楕円形状、双曲線形状、及び多区分形状（同じでも異なっていてもよい複数の直線又は湾曲線区分から構成され、より長い湾曲を形成するように端と端を接合する）等である。一実施形態では、（上記の形状のいずれか１つを有する）光透過部３の外側面の全体、又はその完全側方周囲は、２つの連続区分、即ち、上面又は上層７、及び本明細書では底面と呼ぶ、その残りに分割される。底面は、湾曲し、その全体を反射部４によって覆うことができるが、上面は、湾曲しておらず（平坦）、反射部４によって全く覆われない。

複合オーバーコーティング構造の非対称形状は、（ファイバ６から出現した）側方放出光を集中させ、好ましい外側横断方向に方向を変えるように働き、ここでの例のケースでは、光は、光透過部３の上面７（又は上層７）を通して外側に向けられる。図１ｂは、光ファイバの側部から出現した光と、オーバーコーティングとの、ファイバ６の長手方向軸２に横断する平面における相互作用を示す。この例における光ファイバ６の長手方向軸２は、実質的に、（垂直長手方向面５にある）放物線状形状の垂直対称軸上に、（底面によって画定される）放物線の焦点の近傍に配置される。図１ｃの斜視図からわかるように、ファイバ６の長さ方向区分９から出現した光は、特に反射部４の非対称形状のために、反射部４によって横断方向に方向を変えられる。一実施形態では、方向を変えられた光は、複合構造から、（底面の全体が反射部４によって覆われているために）複合照明構造の上層又は表面７のみから出現する。

図２ａ及び図２ｂは、長手方向面における別の複合構造を断面図で示すが、上層７は、機械式に「プリズム・レンズ」（又は単にプリズム）構造１０に構造化されている（機械式構造の光の方向を変える及び／又は再利用する機能は、プリズム・レンズに限定するものではない−例えば、図３ａ及び図４ｂを参照）。ここでの目的は、ファイバ６から横方向に出現し、光透過部３の上面に到達した光の方向を変え、再利用することであり、光が外側に出現する際に、ファイバ６の長さ部に沿ってより平行化するようにする。プリズム構造１０は、隣接して置いたプリズム・セル又は円錐セルのあらゆる適切な組合せを有することができ、セルのそれぞれは、垂直に対して傾斜し、例えば隣接して置いた１次元アレイの傾斜プリズム・セル、又は特定の光ビーム方向変更機能を達成するプリズム・レンズを形成するように配置した他のタイプのプリズム・セルに対して傾斜することができる。プリズム構造１０のこの実施形態では、各個のプリズム・セルは、図２ｃでわかるように、横断方向に細長く、プリズム・セルは、図２ａ及び図２ｂからわかるように、長手方向に（縦並びではなく）横並びに配置又は向けられている。他の実施形態では、プリズム・セルは、細長くなく、例えば正方形であってもよい。プリズム構造１０は、真下に接合する光透過部３の材料とは異なっていてもよい適切な光透過材料から作製することができる。プリズム構造１０は、個別部品（上面又は上層７は１部品である）として作製することができ、次に、光透過部３の平坦上面に接合する。図２ｂは、ファイバ６への平面長手方向における、光ファイバ６の側部から出現した光と、複合オーバーコーティングとの間の相互作用を示す。ファイバから出現した光は、空気−プリズム界面での反射によって直接方向を変え、これは、図では（１）として示され、また、光は、間接的に方向を変えることもできる、即ち、複合照明構造の内部で、この複合照明構造を離れる前にいくつかの反射を受け、これは、図では（２）として示す。図２ｃは、横断面における図２ａの複合構造を断面図で示す。

図３ａは、横断面における複合オーバーコーティング構造の断面図を示し、複合オーバーコーティング構造は、その上面７にマイクロレンズ・アレイ構造１２を有する。図３ｂは、垂直長手方向面における図３ａの複合オーバーコーティング構造の断面図を示す。この実施形態では、各個のマイクロレンズは、図３ａからわかるように、横断方向に細長く、マイクロレンズは、図３ｂからわかるように、長手方向に（縦並びではなく）横並びに配置又は向けられている。マイクロレンズ構造１２の個々のマイクロレンズは、オーバーコーティングから出た側方放出光を「完全に」合焦する図４ａ及び図４ｂに示す単一連続レンズ構造１４とは対照的に、オーバーコーティング構造から出た側方放出光を「選択的」に合焦又は均質化すると言える。マイクロレンズ・アレイ構造１２及び単一連続レンズ構造１４はそれぞれ、真下に接合する光透過部３の材料とは異なっていてもよい適切な光透過材料から作製することができる。各構造は、個別部品（上面又は上層７は１部品である）として作製することができ、次に、光透過部３の平坦上面に接合する。

図５及び図６は、複合構造の一実施形態の更なる態様を示し、より大きなシステムの一部として光源をより容易に固着させるように働くことができる複合構造の底部の異なる例を示す。図５は、多角形形状又は多角形底部１６を示し、多角形底部１６は、一方の側で反射部４の外面に一致する一方で、反対側では、多角形形状である（ここでは、直線区分によって右隅に接合した左隅を有するが、他の多角形形状が可能である）。多角形形状は、不規則構造として、光源を、システムの対合する不規則レセプタクルに嵌合するように底部１６の使用を可能にする。図６は、図５の構造といくつかのノブ１７（２つが見える）との組合せを示し、ノブ１７は、多角形底部１６の外面に固着され、外面から外側に延在する。ノブ１７は、光源をシステムに固着するように働くことができる。ノブは、多角形底部１６と同じ材料から作製することができ、ノブ及び多角形底部１６が、光源の単一又は一体部品を形成するようにする。代替的に、ノブ１７は、個別形成部品であってもよく、この個別形成部品を、例えば重合化工程の前に多角形底部１６に結合又は挿入し、多角形底部１６の外側面に対し正確な境界をもたらすことができる。

特定の実施形態を上記で説明し、添付の図面に示してきたが、そのような実施形態は、単に例示的であり、広範な本発明に対する制限ではなく、本発明は、図示、説明した特定の構造及び構成に限定するものではないことは理解されよう。というのは、当業者は、様々な他の修正を想起し得るためである。例えば、図２ａ〜図２ｃは、長手方向面に延在する一連に並べて配置した細長プリズム・セルから構成したプリズム・レンズ構造を示すが、一代替形態は、横断面に延在するプリズム・セルを一連に並べて向けることであり得る。従って、本説明は、限定するものではなく、例示的と見なされるべきである。

Claims (18)

1. 側方放出光ファイバを埋め込んだ複合構造であって、
   光ファイバであって、前記光ファイバは、前記ファイバ内の１次伝播光の方向を前記ファイバから横向きに変えるようにする散乱構造を中に形成した長さ方向区分、及び前記１次伝播光を２次光に波長変換する、前記光ファイバ内に組み込んだ活性光ルミネセンス層を有し、前記２次光は、前記ファイバの前記長さ方向区分の外側面から横向きに放出される、光ファイバ；並びに
   前記ファイバの前記長さ方向区分の前記外側面上に形成した複合オーバーコーティングであって、前記複合オーバーコーティングは、（ｉ）波長変換せず、前記ファイバの前記長さ方向区分の前記外側面上に形成し、前記外側面を完全に囲み、前記ファイバの長手方向中心軸周りに非対称形状を有する不活性光透過部分、及び（ｉｉ）前記不活性光透過部分の、上層を除いた外側面上に形成し、前記外側面に一致する光反射層を有する、複合オーバーコーティング
   を備え、前記ファイバから横向きに放出され、次に、前記反射層によって方向を変えられた前記光は、前記複合構造から前記上層を通して出現する、複合構造。
2. 横断面で取った前記光反射層の断面は、放物線状を画定し、前記ファイバの前記長さ方向区分は、前記放物線状の焦点の近傍に位置する、請求項１に記載の複合構造。
3. 横断面で取った前記光反射層の断面は、円、楕円又は双曲線の一部を画定する、請求項１に記載の複合構造。
4. 横断面で取った前記光反射層の断面は、異なる曲率の複数の線区分を含む線を画定する、請求項１に記載の複合構造。
5. 横断面で取った前記光反射層の断面は、端から端まで接合する複数の直線区分を含む線を画定する、請求項１に記載の複合構造。
6. 前記不活性光透過部分の前記上層は、複数のプリズムを備え、前記複数のプリズムは、前記光ファイバの前記長手方向軸方向に、端から端までではなく、並べて向けられる、請求項１に記載の複合構造。
7. 前記不活性光透過部分の前記上層は、長手方向面又は横断面に複数のマイクロレンズを備える、請求項１に記載の複合構造。
8. 前記不活性光透過部分の前記上層は、長手方向面又は横断面に単一の凸レンズを備える、請求項１に記載の複合構造。
9. 前記複合オーバーコーティングは、底部分を更に備え、前記底部分の一方の側は、前記光反射層の底面に一致し、前記底面と接触し、前記底部分の反対の側は、長手方向面又は横断面内に成形した多角形である、請求項１に記載の複合構造。
10. 前記底部分に固着し、前記底部分から突出する複数のノブを更に備える、請求項９に記載の複合構造。
11. 前記ノブは、前記複合オーバーコーティングの前記底部分と同じ材料から作製するか、又は前記底部分の一体部品として形成する、請求項１０に記載の複合構造。
12. 前記ノブは、前記底部分とは個別の部品として形成し、前記底部分に結合している、請求項１０に記載の複合構造。
13. 照明構造であって、
    中実体であって、前記中実体は、不活性光透過材料から構成し、全体に円筒形であるが、内部長手方向軸周りに回転対称を有さないか、又は中実体の背骨を有さず、前記中実体の近面から前記中実体の遠面まで延在する側面を有する、中実体；
    光ファイバであって、前記光ファイバは、前記ファイバ内の１次伝播光の方向を前記ファイバから横向きに変えるようにする散乱構造を中に形成した長さ方向区分、及び前記１次伝播光を２次光に波長変換する、前記光ファイバ内に組み込んだ活性光ルミネセンス層を有し、前記２次光は、前記ファイバの前記長さ方向区分の側面から前記中実体内に放出され、前記ファイバの前記長さ方向区分は、前記中実体の内部に位置し、前記中実体の前記長手方向軸と全体的に一致する、光ファイバ；並びに
    湾曲光反射表面を有する外側反射器であって、前記湾曲光反射表面は、前記中実体の前記側面の一部分に一致し、当接する一方で、前記中実体の別の部分は、覆われないままであり、前記反射器の前記光反射表面によって反射された後に、前記２次光が前記別の部分から出現するようにする、外側反射器
    を備える照明構造。
14. 前記長手方向軸に対して横断面に取った前記外側反射器の断面は、放物線を画定し、前記ファイバの前記横断面と前記長さ方向区分との交差部は、前記放物線の焦点にある、請求項１３に記載の照明構造。
15. 前記外側反射器は、前記中実体の前記側面の全体領域の大部分を覆う、請求項１３又は１４に記載の照明構造。
16. 前記外側反射器によって覆われていない前記中実体の前記別の部分は、平坦である、請求項１３〜１５のいずれか一項に記載の照明構造。
17. 前記外側反射器によって覆われていない前記中実体の前記別の部分は、全体的に平坦であり、マイクロレンズ層を有する、請求項１３〜１５のいずれか一項に記載の照明構造。
18. 前記外側反射器によって覆われていない前記中実体の前記別の部分は、全体的に平坦であり、プリズムの層を有し、前記プリズムの層を通して、前記２次光が方向を変えて出現する、請求項１３〜１５のいずれか一項に記載の照明構造。

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