JPH08512166A - 効率的な方向性出力をするプリズム光案内照明器具 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 プリズム光案内照明器具（８４）は、不透明（１０２）と光出射（８８）面部分を供え、これらは共に選択した断面形状を形成している。不透明面部分は光反射特性を持っている。光放射面部分は、照明器具内に閉じ込めるプリズム光案内材（１００）であり、光は材料の受容角範囲内の角度で材料に衝突する。光照明器具内において、規定の形状と位置を占める光散乱領域（９２、９４）は、材料の受容角範囲外に光の方向を転向する。光照明器具の断面形状、不透明面部分の光反射特性、および光散乱領域の形状と位置は、（ｉ）光散乱領域から光出射面部分へ直接入らず、この部分を通して逃げる光は、プリズム材により効率的に散乱領域へ直接戻り反射をし、（ｉｉ）光が散乱領域から光出射面部分へ直接入るすべての光路は、２π未満の立体角を形成するように選択する。

Description

【発明の詳細な説明】 効率的な方向性出力をするプリズム光案内照明器具 ［発明の分野］ この発明は、特定方向に効率的に光を出射し、出射光を特定の角度範囲内に 制限するプリズム光案内照明器具に関する。 ［発明の背景］ プリズム光案内照明器具の基本的な概念は、ｗｈｉｔｅｈｅａｄによる、１ ９８６年１０月７日に公布さた米国特許番号４，６１５，５７９に記載されてお り、彼のプリズム光案内の概念は、米国特許番号４，２６０，２２０に記載され ている概念に基づいていた。それから、改良された多くのプリズム光案内照明器 具が提案されてきたが、それらのすべては、プリズム光案内照明器具が案内照明 器具の外表面での全内部反射により、中空の隙間を通して光を効率的に導くとい う原理に基づくものであった。 例えば、米国特許番号４，９３７，７１６（ｗｈｉｔｅｈｅａｄが考案）に は、プリズム光案内照明器具が、案内照明器具表面の位置の関数として変化する 規定の速度で光を出射する方法を記載している。簡単に言うと、光線は全内部反 射により案内器具内に閉じ込めることができない方向へ入射光の基本的な部分を 配向する、内部拡散反射面に対向する案内照明器具の受容角の範囲内にあるとい うことである。従って、このような配向された光線は、案内照明器具から逃がる ことができる。 このような従来のすべてのプリズム光案内照明器具は、出射した光がほとん ど拡散してしまうという困難に陥った。これは、別に蛍光灯を用いる多くの場合 などの、拡散光出力が望ましい状況において従来のプリズム光案内照明器具の応 用を制限する。しかし、光源が多少平行な光を出射するのが好ましいという状況 もある。例としては、高い位置から照明面へ下向きに効率的に出射する必要があ る湾の高い照明、光を制限された角度範囲で標識に上向きに効率的に出射しなけ ればならない屋外での標識照明などがあげられる。この発明の目的は、実現可能 な、ある意味で方向性のある光を効率的に出射することができるプリズム光案内 照明器具を提供することである。 従来においても、プリズム光案内照明器具から方向性のある光を出射しよう と試みた が、成功した例は少ない。１つの例が米国特許番号４，８５０，６６５（ｗｈｉ ｔｅｈｅａｄが考案）に記載されており、これでは、注意深く配置された部分的 に反射し、部分的に伝達する要素が案内照明器具の中に取り付けられて、案内器 具が全内部反射により閉じ込めることができない方向へ通過する光の規定の部分 を反射させるため、この光を案内照明器具から逃がすことができる。さらに、反 射した光の方向は、逃げる光をさらに規定の方向に転向する、案内器具の形成に 用いているプラスチック材の自然な反射効果のようになる。 上記とは異なる方法が米国特許番号４，９８４，１４４，と４，９８９，１ ２５（Ｃｏｂｂ，Ｊｒ．他）に記載されている。プリズム光案内壁は取り除かれ 、代わりに、光を逃がし、逃げる光を特定の所望の方向に転向するプリズム膜に 置き換えている。 上述した従来技術の解決方法は２つの基本的な問題に直面している。第１は 、複雑な製造と設計技術を必要とすることである。ｗｈｉｔｅｈｅａｄが米国特 許番号４，８５０，６６５に記載した方法で要素を適切に配置、保持するには非 常な努力を必要とする。同様に、Ｃｏｂｂ．Ｊｒ．他の発明により、プリズム光 案内壁材を分割するにはやはり非常な努力を要求される。さらに、これらの従来 技術の方法では、プリズム光案内照明器具自身内（代表値で３０°）の光の平行 度より実質的に大きい角度にまで逃げた光を平行にすることができない。案内照 明器具の光出射領域は、通常、光源から光案内照明器具に入射する領域よりさら に大きいので、基本的な熱力学的制限により出射光のコリメーションを実質的に 大きくすることができる。 ［発明の要約］ 好適な実施例により、この発明は、選択した断面形状を形成する不透明部分 と光出射面部分を備えるプリズム光案内照明器具を提供する。不透明面部分は光 反射特性を持っている。光出射面部分は、材料の受容角範囲内の角度で材料に光 線が入射する照明器具内に閉じ込めるプリズム光案内材である。照明器具は、プ リズム光案内材の受容角範囲外の角度で光を配向する規定の形状と位置を占める 光散乱領域も備えている。照明器具の断面形状、不透明部分の光反射特性、およ び光散乱領域の形状と位置は、（ｉ）散乱領域から光出射部分へ直接入らず、こ の部分を通して逃げる光散乱領域により配向した光は、プリズム光案内材により 散乱領域へ効率的に戻り反射をし（ｉｉ）散乱領域から光出射面部分へ 光が直接入るすべての光路は、２π未満の立体角を形成する。 １実施例において、光案内照明器具の断面形状は、略円形で光散乱領域は光 出射部分の長さに略等しい長さを持つ細長いストリップであり、略円形形状の垂 直軸の中央に位置している。プリズム光案内材は、平坦面と直角二等辺プリズム 面とを備えている。この実施例において、材料は平坦面が外側を向きプリズム面 が外側を向くように配置されている。 別の実施例において、照明器具は、光出射面部分が半円形状の湾曲した部分 に位置している略半円断面形状になっている。光散乱領域は、光出射部分の長さ に略等しい長さを持ち、半円形状の平坦部分に対して位置しており、その垂直軸 の中央に位置している。プリズム光案内材料は、平坦面が外側に向きプリズム面 が内側を向くように配置されている。 また別の実施例において、照明器具は、略楕円形の断面形状を備え、光散乱 領域は、略楕円形形状の焦点位置であるラインの中心にぞれぞれ位置しているス トリップを備える、光出射面部分の長さに略等しい長さを持つ２つの細長いスト リップを含む。この実施例において、プリズム光案内材は、平坦面が内側を向き プリズム面が外側を向くように配置されている。略楕円断面形状の短軸に対する 長軸の比は、いずれかのストリップにより光出射面部分の上に散乱された光が、 その位置で光が材料の平坦面に略垂直な一方方向にプリズム光案内材を通して反 射される角度でその部分に入射するように選択される。 さらに他の実施例において、照明器具は、光散乱領域がそれぞれ光出射面部 分の長さに略等しい長さを持つ２つの細長いストリップを含む光散乱領域を備え る、略半楕円断面形状を持つ。この実施例において、ストリップは、半楕円形状 の平坦面に位置付けられており、これらは半楕円の焦点位置であるラインの中心 に位置している。プリズム光案内材は、平坦面が内側を向きプリズム面が外側を 向くように配置されている。略半楕円形状の短軸に対する長軸の比は、いずれか のストリップにより光出射面部分の上に散乱された光が、その点で材料の平坦面 が略垂直な一方方向に光が材料を通して反射する角度がその位置に入射する比に なっている。 この発明のどの実施例においても、光出射面部分は、小さく、ほぼ一定の幅 を持つ細長い領域にわたり光案内照明器具に沿って好適に延びている。 どの実施例においても、線形フレネル・レンズが光案内照明器具の光出射面 部分の近 くと外側に位置して、光出射面部分の全範囲にわたり逃げた光をほぼ一定の好適 な方向に転向してもよい。 どの実施例においても、プリズム光案内器具の追加部分は、追加部分の平坦 面を内側に向け、追加部分のプリズムを光出射面部材のプリズムとほとんど平行 に配置して、光出射面部分と平行および外側に配置されているため、光出射面部 材を通し２方向に逃げる光は、材料の追加部分を通して材料のマクロ平面に垂直 な一方方向に出射される。好都合なことに、材料の追加部分は、選択した距離を あけて光出射面部材から分離され、選択した厚さを持っているので、それにより 、ほぼすべての光は、プリズム光を通して追加部分の平行プリズム面に接触する 光出射面部材のプリズム面に伝達される。 どの実施例においても、照明器具は、照明器具を通して伝播する光線の方向 を相対的に小さく変更するための偏向手段を備えうる。この手段により、ある種 の光が照明器具に「捕獲」されるのを防止する。光偏向手段は、その垂直軸に沿 った照明器具の曲率、数学的な理想の形状に対する照明器具の断面形状のわずか な角偏移、または照明器具の垂直軸に垂直に設けられたスクリーンを含むいくつ かの異なる形状の１つをとりうる。 ［図面の簡単な説明］ 図１は案内器具を制御して光を出射させる光抽出器を備える従来のプリズム 光案内照明器具の断面図である。 図２は従来技術により図１の照明器具を改良して、光抽出器により反射され 好適な方向にこれ以上反射光が逃げることなく、案内器具から逃げるようにでき る方法を示す、また図２は光線が光抽出器により反射されるが、反射光が好適で ない方向へさらに逃げた後、案内器具からのみ逃げる様子も示している。 図３はプリズム光案内壁材の拡大断面図であり、光線が正確な入射角で材料 の平坦面に衝突した場合、材料を通して伝達され平坦面に垂直な方向に別の側か ら出射し、反射したすべての光が正反射または逆反射する様子を示している。 図４は図３に似ているが、材料の平坦面に衝突するすべての光線が正反射ま たは逆反射をするように、プリズム光案内壁材のプリズム面の近くに配置された 正反射鏡を示している。 図５は楕円とそのある数学的性質を示す。 図６（ａ）と図６（ｂ）は、この発明の第１実施例による楕円状の断面を持 つプリズム光案内照明器具の断面図である。 図７はこの発明の別の実施例による半楕円状の断面を持つプリズム光案内照 明器具の断面図である。 図８は図７に似ているが、拡大された光出射部分と光出射部分に取り付けら れたフレネル・レンズを備えた照明器具を示す。 図９はこの発明の別の実施例による円状の断面を持つプリズム光案内照明器 具の断面図である。 図１０は背中合わせに配置さたプリズム光案内壁材の２つの部分の拡大断面 図であり、平坦面に垂直な上部プリズム面に衝突する光は、転向され平坦面に垂 直な低部プリズム面から出射される。 図１２は図１１に似ているが、半円状の断面を持つ照明器具を示す。 図１３は図１２に似ているが、拡大された光出射部分と光出射部分に取り付 けられたフレネル・レンズを備えた光案内照明器具を示す。 図１４（ａ）と１４（ｂ）は図７と同じような照明器具を示す断面図であり 、その照明器具は光抽出器に送ることなく、ある光線を繰り返し反射するため光 は照明器具から逃げない様子を示している。 図１５は図７の照明器具が図１４（ａ）と１４（ｂ）に示す問題に対処する 方法を示す。 図１６は図７の照明器具と同じ断面を持つプリズム光案内照明器具の平面図 と照明器具が図１４（ａ）と１４（ｂ）に示す問題に対処する別の方法を示す。 図１７は図７の照明器具と同じ断面を持つプリズム光案内照明器具の平面図 であり、図１４（ａ）と１４（ｂ）の問題に対処する光案内照明器具のさらに別 の方法を示す。 ［好適な実施例の詳細な説明］ 図１に米国特許番号４，６１５，５７９，４，７５０，７９８、および４， ７８７，７０８（ｗｈｉｔｅｈｅａｄが考案）に記載された参照番号１０で示さ れる従来の光プリズム案内照明器具１００の断面図である。光線は全内部反射に より光案内器具１２に沿って伝播し制限される。案内器具１２は、反射内部面と 光出射開口１６を備える不透明カバ ー１４の中に収容されている。光散乱要素１８は、案内器具１２の中に取り付け られている。光線は案内器具１２に沿って伝播し、散乱要素１８に時々衝突して 光の伝播方向、通常、全内部反射により制限できない方向にランダムに変える。 従って、その光を案内器具１２から逃がすことができる。例えば、点２０から発 する光は、要素１８により反射して光がさらに反射する角度で案内器具１２に衝 突し、その結果、案内器具１２の壁を通して逃げ、開口１６を通して方向２２へ 出射される。同様に、点２４、２６から発する光は、要素１８に衝突し、案内器 具１２と開口１６を通して方向２８、３０にそれぞれ逃げる。光は開口１６を通 して非常に広い方向に出射されるのを知ることが重要である。 図２は、２つの副要素１８ａ、１８ｂに分割され、それぞれ図１の要素１８ より狭い領域をカバーする点を除き、照明器具１０と同じである従来の別の照明 器具３２を示す。副要素１８ａと１８ｂは、光出射開口１６の中心を通して引か れた垂直ライン３４のいずれかの側の角度Θｐでのオフセットである点に中心が 位置する薄いストリップ形をしている。点３６、３８から発するような光線は、 副要素１８ａ、１８ｂ、により反射されるので、これらの光線が開口１６に直接 進むと、案内器具内の壁を通して反射後、開口１６でマクロ・プリズム光案内壁 面に垂直な好適な方向４０、４２へ逃げる。このような「直接逃げる」光は、コ リメーション半角を副要素１８ａまたは１８ｂのいずれか１つの全幅に等しくし 、開口１６の幅を加え、照明器具３２の直径で割って実質的に平行にする。しか し、副要素１８ａ、１８ｂにより反射された光のほんの小さな部分は、この「直 接逃げる」の範疇に入る。点４４から発する光などのようなほとんどの光線は、 副要素１８ａ、１８ｂにより反射した後、直接開口１６を通らないが、案内器具 １２の内部表面から離れた１つ以上の追加反射をした後、開口１６に間接的に到 達する。このような光線は、方向４６などのような開口１６でマクロ・プリズム 光案内壁面に垂直でない好適でない方向へ開口１６を通して逃げる。 図３は、プリズム光案内壁材４８の部分の拡大断面図であり、プリズム面５ ０から光を材料の平坦な表面５２にほぼ垂直な方向へ出射するこの材料の垂直な 特性を示している（材料は、図に示すように平坦である必要はないが、おそらく あるいは通常、湾曲した光案内構造を形成している）。光線５４は垂直に対して 、角度Θｐで平坦面５２に入射する。光５４が表面５２に到達したとき、その光 エネルギーの一部が光５６として反射し、垂直方向に対し角度Θｐをなす。光５ ４の光エネルギーの他の部分が、プリズム面から平坦 面５２に垂直な方向へ材料４８を通し光５８として伝達される。より一般的に、 光線５８は表面５２から垂直な方向へ表面５０から放射される。角度Θｐは次の 式で求められる。 ここでｎは材料４８の屈折率である。 光５４の光エネルギーのさらに別の部分は、プリズム面５０を通し光５８と して伝達されるのではなく、プリズム面５０により光６０として逆反射される。 さらに別の光５４の光エネルギーは、平坦面５２の内側で反射して、それから、 プリズム面５０を通して光５２として逃げる。プリズム光案内壁材４８の八角形 状（米国特許番号４，２６０，２２０に定義されているように）は、光５６のよ うに通常の正方向ではなく、光５４のように垂直な同じ側において垂直に対して 角度Θｐを形成するように光６０が逆反射することを保証する。同様に、八角形 状は、逃げる光６２が先５８のようにマクロ平坦面５２に垂直になることを保証 する。 図３は光５４に対し上述した特性が光６４にも適用されることを示す。すな わち、光６４は光６６のように平坦面５２で部分的に反射され、プリズム面５０ で２回内部反射した後、光６８として逆反射する。光７０と７２は、より複雑な 光路を通った後放射される。しかし、あらゆる場合において、光６４のすべての 光エネルギーは、材料４８を通して表面５２に垂直な方向に伝達されるか、表面 ５２から反射するか、または入射光６４として断面表面（表面５２）に対して同 じ角度で正方向あるいは逆方向に反射される。 図４はプリズム光案内壁材４８のプリズム面５０の近くに配置された、平面 反射鏡７４を示す。反射鏡７４は、そこに入射する光の大部分を反射する。結局 、ほとんどすべての光エネルギーは、光の光路７６〜７８（反射鏡７４による正 反射）および光８０〜８２（プリズム面５０による逆反射）に示すように、この 構造によりほとんど反射される。従って、外部正反射鏡７４を追加することによ り、あらゆる角度の入射光に対し、光エネルギーは断面において、正方向または 逆方向のいずれかに正味反射することを保証する。 図５は半分の長さＡの長軸と半分の長さのＢの短軸、焦点距離Ｆ、および焦点 ｆ１，ｆ２を持つ楕円を示す。Ａ．ＢおよびＦには次の関係があることが知られ ている。 角度Θは次の式で与えられる。 この発明は、図６（ａ）、６（ｂ）にそれぞれ示す楕円断面形状を持つプリ ズム光案内照明器具８４、８６に実現しうる。照明器具８４、８６の外表面部分 は、照明器具の各短軸に位置している光出射面部分または開口８８、９０を除き 、不透明（すなわち、照明器具の不透明内部表面へ入射した光は内側に反射する ）である。光散乱領域は、２枚のストリップ光散乱要素９２、９４、および９６ 、９８である。ストリップは、楕円の各焦点の中心に位置し、角度Θは式（１） で与えられる値Θｐを持つ。屈折率ｎ＝１．６を持っ代表的なプリズム光案内壁 材に対し、式（２）と（３）を適用したとき、約１．１６の比Ａ：Ｂを生成し、 角度Θ（約３２°）を持つ長軸の中心から約０．５２Ａの位置に焦点がある。 図６（ａ）の実施例において、プリズム光案内壁材１００は光出射開口８８ にのみ用いられる。照明器具８４の内部の残りは、不透明の正反射材１０２によ り形成され、この材料は、磨いた金属またはプラスチック膜あるいは他の適切な 高い反射特性を持つ鏡面上に堆積された金属膜である。要素９２、９４により散 乱した後、プリズム光案内材１００へ直接入る光の場合、光案内器具８４は、図 ２に関連して上述した光案内器具３２と基本的に同じように動作する。例えば、 光線１０４は要素９２により散乱されて、材料１００に直接入り、ここから垂直 方向に光１０６として出射される。 光案内器具３２から光案内器具８４を区別する主な機能は、案内器具８４が 要素９２、９４により散乱した後、プリズム光案内材１００へ直接入射しない光 線として扱う方法である。例えば、光線１０８は要素９２により、材料１０２の 反射内部表面上の点へ散乱され、この点において正反射される。楕円は、１方の または近くの焦点から発した正反射光は、他方のまたは近くの焦点に反射される という数学的特性を持っている。それゆえ、図６（ａ）に示すように、正反射光 は他方の焦点の光散乱要素９４へ直接進み、そこで再び反射する。次に、光は材 料１００へ直接進み、ここを通して垂直方向に光１１０として出射される。別の 場合において、正反射した光は要素９４により散乱されるため、材料１ ０２の反射内部表面の別の点において、さらに中程度の短い正反射を行う。しか し、光エネルギーは、結局不可避的に光出射開口８８に到達して、ここを通って 垂直方向に出射される。 従って、図６（ａ）の実施例は２つの主要な機能を結び付けている。第１に 、光散乱要素９２、９４は開口８８に対し比較的小さな立体角を占め、プリズム 光案内壁材１００の上述した幾何学的特性により、要素９２、９４により直接材 料１００へ直接散乱した光は、プリズム光案内壁材１００のマクロ表面の中心に に垂直に位置する狭い角度範囲で出射される。第２に、案内器具８４の楕円形状 は、光線が材料１００を通して間接的に逃げるのを防止する。すなわち、要素９ ２、９４から材料１００へ直接入らない光は、光出射領域（開口８８内の材料１ ００）に直接入る別の機会を持つ散乱要素９２、９４に効率的に転向する。従っ て、非常に小さな光エネルギーが、光散乱要素９２、９４により、占有される領 域から直接出射特性を持つ角度範囲外の角度で逃げる可能性がある。ほとんどの 光エネルギーは、この所望の角度範囲で効率的かつ優先的に出射される。 原則として、断面平面から見た逃げる光の角度範囲は、プリズム光案内器具 ８４を通して伝播する光の発散角より実質的に小さい。事実、プリズム光案内器 具８４を通して伝播する光の発散は、伝播されたすべての光の方向特性が要素９ ２、９４によりランダムに散乱後、失われてしまうので、出射光の分布角に対し 何の影響も与えない。実際、光の平行度を制限する考えられる主要な要因は、表 面１０２の反射率の実際的な制限である。光出射開口８８と散乱要素９２、９４ の大きさが小さくなるにつれ、光学反射数が大きくなるので、案内器具８４から 逃げる前に光線が反射しなければならない。これは吸収による光の損失量を増加 させ、光が案内器具８４の全長を通過し、光源に戻り反射をし損失される可能性 が高くなる。実際、断面方向において、出力角範囲を±２０°未満に制限するこ とでき、平行度は、一般的に光を下向きに照射する用途、および屋外での標識の 照明に非常に有用であることが分かっている。 図６（ｂ）は、図６（ａ）の案内器具を応用して、上述したように複数回の 内部反射による吸収により、光の損失を低減する方法を示している。図６（ｂ） において、プリズム光案内壁材１１２は、楕円形状の内部全体を囲み、正反射材 １１４は、案内器具８６の光を出射しない部分の全範囲にわたり材料１１２の外 側に配置されている。図４に関して上述したように、正反射材とプリズム光案内 材の組合せにより、断面において部分的に正 反射をし、部分的に逆反射をする表面を形成する。これは案内器具８６の所望の 挙動と完全に互換性がある。 特に、図６（ｃ）に示すように、光線１４は最初に案内器具８６の光を出射 しない点に進むように要素９６により散乱され、断面において要素９６の部分に 戻り逆反射をする。それから、光は要素９６により再び散乱されて、このとき案 内器具８６の光を出射しない部分の他の点１１８に進み、逆反射ではなく正反射 をし、それから要素９８により占有される別の楕円焦点領域に進む。従って、特 定の光が逆反射または正反射あるいは両方であるかどうかに係わらず、光が要素 ９６、９８の１つから光出射開口９０へ直接入らない限り、すべての光エネルギ ーは、要素９６、９８により占有される光散乱領域に戻る。この場合、開口９０ を通して垂直方向１２０に逃げる。プリズム光案内壁材１１２が案内器具８６の 内部全体をカバーする構成において、より効率的な光案内、光出射開口９０への より効率的な散乱光の集中、および多くの状況において、製造するのにより適し た構成になる。 図６（ａ）と（ｂ）の実施例を正しく動作させるに、光散乱要素９２、９４ 、９６、９８の形成に用いている材料は半透明でなければならず、光出射開口に 向いている材料面に入射する光のみ散乱させる。また、他の面に正反射しなけれ ばならない。材料散乱光が光出射開口から離れた面に入射する場合、別の光出射 開口が案内器具の反対側（それぞれ開口８０、９０の反対）にない限り、案内器 具から光が逃げることはない。 上述した考慮事項は、図に示すこの発明の別の実施例の利点の説明に役立つ 。この図では光案内器具１２２の断面形状は、湾曲していない部分１２４が楕円 の長軸の上にあり、楕円の焦点の長軸に対し位置している光散乱要素１２６、１ ２８を持つ半楕円である。図に示すように、光案内器具１２２は、プリズム光案 内壁材１３０が光出射開口１３２にのみ用いられ、案内器具１２２の内側の残り は、正反射材により形成されているという点において完全な楕円案内器具８４に 類似している。しかし、案内器具１２２は上述したように、正反射材とプリズム 光案内壁材の組合せから形成できる。光案内器具１２２の挙動は、上述したよう に、完全な楕円光案内器具８４、８６に対し基本的に同じである。図７に示すよ うに、結果的に、光線１３４は光１３６として出射され垂直方向に進む。しかし 、案内器具１２２において、光散乱要素１２６、１２８は完全に半透明であり、 案内器具８４、８６より浅い構成になっている。 案内器具１２２の光散乱要素１２６、１２８は伝達する必要がないので、い ろんな形をとることできる。例えば、所望の光散乱効果は、要素１２６、１２８ に白い塗料を塗るか、要素にシルク・スクリーンをプリントするか、または部分 的に白いまたは半透明な膜を要素に貼って達成できる。この発明のさらなる利点 は、光案内器具８４、８６で必要とするような、楕円の焦点に光散乱要素を位置 付ける個別の物理的手段を必要としないということである。 図８は、案内器具１３８の光出射開口１４０が案内器具１２２の開口１３２ より実質的に大きいという点を除き、案内器具１２２に類似している別の半楕円 光案内器具１３８を示す。開口１４０にプリズム光案内壁材１４２が設けられて いる。材料１４２のどのような小さな領域を通して出射される光も適切に平行に する。しかし、材料１４２のプリズム面に対する垂直方向は、案内器具１３８の 楕円形状が広い領域にわたり表面を湾曲にしてしまうので、表面全体に対して変 化する。場合により、この効果は望ましくかつ有用であるが、多くの場合におい てそうではない。光出射開口を大きくするのが好都合であるにもかからず、これ は平均内部反射数が減少するため、逃げる前に光エネルギーを入力しなければな らず、それゆえ、装置の効率が改善される。従って、図８に示すように、開口１ ４０を大きくして線形フレネル・レンズ１４４を使用して、開口１４０の全範囲 にわたり逃げる光をほとんど一定の好適な方向に向きを変えるのが望ましいこと もある。 これは単純な方法である。というのは一般的に言って、出力光の全角度範囲 が１０°以上が普通であるとすると、高精度のフレネル・レンズ１４４を必要と しないからである。この低い許容範囲により、特定用途に設計されたフレネル・ レンズではなく、しばしば市販のフレネル・レンズを使用できる。これとは別に 、所望のフレネル・レンズにほぼ近い形状にするため、抽し出しまたはエンボス などの比較的雑な成形技術を用いて、必要なフレネル・レンズ形状から光案内照 明器具用の外部保護カバーを成形することも可能である。 上述した実施例では楕円形状を用いているが、この発明の利益を得る唯一の 手段ではない。一般に、この発明により構成した光案内器具は特殊な数学的形状 に一致する断面を持っており、特定の位置に光散乱領域を備えているので、２つ の基本的な条件が満足される。第１に、光散乱領域から案内器具の光出射部分へ 直接入る光は、ほとんど拡散しないで出射される。第２に、光散乱領域から案内 器具の光出射部分に直接入らない光は、光散 乱領域へほとんど戻り反射されるため、光出射部分へ直接入る別の機会があり、 従って、拡散しないで望ましく逃げる。 図９にこれらの基本的な設計思想を盛り込んだ別の構成を示す。この場合、 光案内器具１４６は、円柱形（断面形状は円）で、光散乱要素１４８は、光出射 開口１５０の長さと略等しい長さを持ち、円柱案内器具の軸の中心に位置してい る１つの細長いストリップである。光出射開口１５０は、外側でなく内側を向い ているプリズムを持つプリズム案内壁材１５２を含む（これは「プリズム光案内 器具」の一般的定義の範疇に入る多くのプリズム構成のうちの１つである）。光 散乱要素１４８から材料１５２へ直接入る光の実際の量を効率的に伝達できるよ うに、この実施例ではプリズムを内側に向かせる必要がある。 図９に示すように、光１５４は複数回の反射を繰り返し、光散乱要素１４８ から２つの異なる方向１５６、１５８へ出射される光出射開口１５０へ入る。こ れらは異なる方向であるが、両方とも材料１５２のマクロ表面への法線方向に対 し同じ角度Θｐである。この発明の利点は、円断面部分の形成は楕円断面部分の 形成より容易であると言う点にある。しかし、明確な不利益は、拡散しない出射 光は案内器具の軸を通して入り、開口１５０でマクロ・プリズム光案内壁面に垂 直な平面に対し、互いに鏡像である２つの方向に集中することである。 図１０は光案内器具１４６から２方向で出射された光が１方向に転向する方 法を示している。図１０において、プリズム光案内壁材１６０は図９に示す材料 １５２を示している。材料１６０の近くのプリズム光案内壁材の他の部分１６２ を配置することによって、逃げる光を効率的に「それない」ないようにできる。 さらに、内部表面で部分反射したどの光も垂直方向に戻り、再利用するため光散 乱要素に戻る。図１０の構成による光伝達は、図に示すように材料１６０、１６ ２が互いに隣接して配置されている場合、可能な限り広い範囲になるよう選択し た距離によりプリズム表面を分割して、材料１６０のプリズム表面から材料１６ ２の他の部分に対応する平行プリズム表面へ光線が直接進み、特に効率的である 。このよう高精度の配置は必要ないが、精度が悪い配置においても光線の大部分 は、伝達され、再出射するため、ほとんどすべての反射光は光散乱要素に戻る。 図１１は図１０の概念を図９の光案内器具１４６に応用して、光出射部分に おいてプリズム光案内壁材のマクロ平面と垂直方向に方向性のある光を出射をす る。光線１６６は 要素１４８により散乱され、そして直接光出射開口１５０に入り、上述したよう に、材料１５２を通して２つの方向へ逃げる。プリズム壁案内材１６２の追加部 分は、図１０に関し上述したように材料１５２の近くに配置して、２つの逃げる 光を転向するため、光出射開口１５０で材料のマクロ平面に垂直な方向１６６、 １６８へ両方共出射される。 図７の半楕円の実施例に通ずる同じ考慮事項は円断面にも適用される。従っ て、図１２に示すように、半円断面を持つ半円柱光案内器具１７０は、案内器具 の円柱軸１７４の上にある湾曲していない部分１７２と軸１７４に対して配置さ れている光散乱要素１７６を備えている。図示したように、光案内器具１７０は 、プリズム光案内壁材１７８、１８０の背中合わせの部分が光出射開口１８２に のみ用いて、案内器具１７０の内部の残りは、正反射材により形成される点にお いて、完全な円柱案内器具に類似している。しかし、上述したように、案内器具 １２２は正反射材とプリズム光案内壁材の組合せから形成されている点を理解さ れたい。光案内器具１７０の挙動は、完全な円柱光案内器具１４６に記載した、 図１１について上述したように基本的に同じである。図１２に示すように、光１ ８４は結局光１８４として出射され、垂直方向に進む。案内器具１７０において 、案内器具１４６と異なり、光散乱要素１７６は完全に不透明である。案内器具 １７０も案内器具１４６より浅い。 同様に、光出射開口を拡大し、次にフレネル・レンズにより出射光の角偏移 を補正する概念は、図１３に示すように、半円の実施例に対して適用できる。図 １３の光案内器具は、図１３の案内器具は断面が半円で、光出射開口１８２にプ リズム光案内壁材１７８、１８０の背中合わせの部分を持っている点を除き、図 ８の光案内器具に類似している。光１８８は要素１７６により散乱され、光出射 開口１８２に直接進み、上述したように材料１７８を通り２つの方向へ逃げる。 材料１７８の近くに配置されたプリズム壁案内材１８０の追加部分は、光出射開 口１８２で両方共材料のマクロ面へ垂直方向に出射するように、２つの逃げる光 を配向する。しかし、拡大された開口により課せられた湾曲により、プリズム材 に対する垂直方向は、開口１８２の両端で変化するため、フレネル・レンズ１９ ０を設けて、開口１８２の全領域にわたり、ほぼ一定の好適な方向に逃げる光の 方向を転向する。 フレネル・レンズを持つ上述した拡大した光出射開口技術は、光案内器具の 光を出射しない部分を形成するため、正反射材だけかプリズム光案内壁材と正反 射材の組合せのい ずれかを用いて、この発明のすべての実施例に適用できる点に注意することは重 要である。これらの技術の最適な組合せは、用いた材料の価格の注意深い分析と 得られる所望の効率による。 この発明により構成されたプリズム光案内器具の効率に影響を与えるかもし れない他の要因は、図１４（ａ）と１４（ｂ）に図示されている。図１４（ａ） は、いくぶん半楕円状の断面を持ち光案内器具１９６の内部で複数回の反射を繰 り返す光１９４を示しているが、光１９４は光散乱要素１９８または２００に常 に到達しない。このような光の光路が存在することは楕円の数学的な特性である 。案内器具１９６のこの光路を通る光は効率的に出射されない。 図１４（ｂ）は同じ半楕円光案内器具１９６と光散乱要素１９８または２０ ０に常に光が到達することなく、光が複数回反射する別の例を示す。同様な問題 は、完全な楕円、完全な円柱または半円柱断面を持つ光案内器具にも存在し、直 接入射しないで案内器具の光出射部分から逃げる場合において、ほとんどすべて の散乱光を散乱領域から散乱領域へ戻り反射される設計目標を完全に達成する他 のどのような形状を持つ光案内器具に対してもおそらく存在する。好都合なこと に、この問題に対するいくつかの解答があり、これらのすべては上述した光の配 向の精度をいくぶん低下させるが、ある程度までは基本的な動作の妨害をほとん どしない。 図１５は１つの解答を示す。この図では、光案内器具２０２の断面形状が、 数学的な理想的な楕円、円、または上述の設計目標を達成するためどのような数 学的構成を用いたものからいくらかずれる。偏移は図１５に示すように物理的な 変形であるか、またはプリズム反射材の中、即ち向きの角偏移から生じる。どの 場合においても、偏移は散乱後に逃げる光に対し必要な少ない反射後に対しわず かであるため、設計目標は大幅の妥協を許すものではないが（吸収により最小の 光が損失するまたは好適な角出力範囲の外側に出射される）、光が案内器具に沿 って伝播するとき、多くの反射を繰り返す。偏移は図１４（ａ）と１４（ｂ）に 示すように、光路に制限された光を解放するのに充分な大きさである。従って。 光線２０３はゆっくりと断面を通過して、結果的に光散乱要素２０５に達し逃げ る。 図１６は図１４（ａ）と１４（ｂ）に示す半楕円断面、しかし少し湾曲した 垂直軸を持つプリズム光案内器具２０４の平面図による別の解答を示す。光線２ ０６は図１４（ａ ）と１４（ｂ）に示すように別の方法で光路に制限され、図１５に示すのと同じ 方法で断面を横切り、結果的に光散乱ストリップ２０８に到達して逃げる。 さらに別の解決方法が図１７に示されている。この図では、光偏向スクリー ン２１０、２１２がプリズム光案内器具２１０に沿って間隔をあけて配置されて いる。スクリーン２１０、２１２は、効率的に光を伝達するという特性を持って いるが、光の方向を少し変える光の伝播特性を効率的に変え他の方法で捕獲した 光を逃がす。スクリーン２１０、２１２は、Ｒｏｈｍ＆Ｈａａｓ ＰＬＥＸＩ− ＬTM接着剤を塗布したアクリル・シートで、低後方散乱により小さな角偏移を起 こす。図１５、１６、および１７は、図１４（ａ）と１４（ｂ）に示した問題に 対する特殊な解答例を示しているが、必要なのはすべて数多くの他の方法も使用 可能である。案内器具から効率的に出射できるように、捕獲した光を少しずつ光 散乱領域へ「放出」しながら、逃げる光の効率的な方向性をほとんど妨害しない 程度まで、光案内器具の所望の断面形状の完全な形状を区別する手段である。 様々な種類の光学構成はこの発明の範疇に入る。光案内器具の断面形状だけ を決定する必要があり、この部分に対し、プリズム光案内材の受容角範囲外の角 度において、光散乱領域から案内器具の光出射部分へ入る光は、ほとんど拡散す ることなく放射され、光散乱領域へ充分効率的に戻り反射をし、（ｉ）光は光散 乱領域から光出射部分へ直接入らず、（ｉｉ）光は光散乱領域から光出射領域へ 直接入らないが、プリズム光案内材により部分的にまたは全体的に反射される。 特に、いろんな状況において、選択した角度範囲にわたり光の方向性出力に 対し、所望の各種パターンを得るため様々な構成を用いて光散乱領域を形成でき ることを認識すべきである。ここで述べたように、光の方向を効率的に転向され るように保証する必要があり、しかも光散乱領域は、光出射部分から見たように 光案内器具の内部のほとんどを占有しない。言葉を代えれば、光が光散乱領域か ら光出射部分へ直接入る角度範囲は、半球より実質的に小さくなければならない か、あるいは数学的用語で言うと、ベクトル光路のこの範囲に関連する立体角は ２π未満でなければならない。 このユニークな革新的な概念は、光学設計の当業者により、現在必ずしも熟 考されていない用途を含む特殊な用途の要求を十二分に満足させる構成の開発に 適用できる。それゆえ、この発明の範囲は、次のクレームによってのみ定義、制 限される。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．プリズム光案内照明器具は、選択した断面形状を形成する不透 明（１０２）と光出射（８８）面部分とからなり、前記不透明面部分は光反射特 性を持ち、前記光案内照明器具は、 （ａ）前記光反射面部分が、前記材料の受容角範囲内の角度で前記材料 に入射する光を閉じ込めるプリズム光案内材（１００）からなり、 （ｂ）光散乱領域（９２、９４）が、前記受容角範囲外の角度に光を転 向する光散乱手段を含み、前記領域は規定の形状と位置を占め、 前記断面形状、前記光反射特性、前記光散乱領域の形状と位置が、 （ｉ）前記散乱領域から前記光出射部分へ直接入らず、前記光出射 面部分を通して逃げる前記光散乱領域により転向した光は、前記材料により効率 的に前記散乱領域へ直接戻り反射をし、 （ｉｉ）前記散乱領域から前記光出射面部分へ直接入る光のすべて の光路は、２π未満の立体角を形成する、 ように選択されることを特徴とするプリズム光案内照明器具。 ２．請求項１に記載のプリズム光案内照明器具において、 （ａ）前記断面形状は略楕円であり、 （ｂ）前記光散乱領域形状は、それぞれ前記光出射面部分の長さに略等 しい長さを持つ２つの細長いストリップを含み、 （ｃ）前記ストリップは、それぞれ前記略楕円断面形状の焦点位置にあ るラインの中心に位置しており、 （ｄ）前記材料は、平坦面と直角二等辺プリズム面を持ち、前記材料は 、前記平坦面が内側を向いて、前記プリズムが外側を向いて配置されており、 （ｅ）前記略楕円断面形状の短軸に対する長軸の比は、前記光散乱領域 ストリップのいずれかにより、前記光出射面部分へ散乱した光は、それらの点で 前記平坦面に略垂直な一方方向へ前記材料を通して前記光が反射する角度で前記 光出射面部分へ入射する、 プリズム光案内照明器具。 ３．請求項１に記載のプリズム光案内照明器具において、 （ａ）前記断面形状は略半楕円であり、 （ｂ）前記光散乱領域形状は、それぞれ前記光出射面部分の長さに略等 しい長さを持つ２つの細長いストリップを含み、 （ｃ）前記ストリップは、前記半楕円形状の平坦部分に対して位置し、 それぞれ前記半楕円形状の焦点位置のライン上の中心に位置しており、 （ｄ）前記材料は平坦面と二等辺プリズム面を持ち、前記材料は平坦面 が内側に向いて、前記プリズム面が外側を向いており、 （ｅ）前記略半楕円形状の短軸に対する長軸の比は、前記光散乱領域ス トリップのいずれかにより、前記光出射面部分へ散乱した光は、それらの点で前 記平坦面に略垂直な一方方向へ前記材料を通して前記光が反射する角度で前記光 出射面部分へ入射する、 プリズム光案内照明器具。