JPH02105103A

JPH02105103A - 高反射率光ガイド

Info

Publication number: JPH02105103A
Application number: JP1211529A
Authority: JP
Inventors: John F Waymouth; ジョン・エフ・ウェイマウス
Original assignee: GTE Products Corp
Current assignee: Osram Sylvania Inc
Priority date: 1988-08-22
Filing date: 1989-08-18
Publication date: 1990-04-17
Also published as: US4895420A; CA1327286C; EP0355727A3; EP0355727A2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は光反射器に関し、特に光ガイドに使用される光
反射器に関する。詳しくいうと、本発明は多重の物質及
び空気より形成された反射表面を有する光ガイドに関す
る。

［従来の技術］ある源において光を発生し、この光を光ガイドによって
光を使用する遠方の場所に伝送することは従来より知ら
れている。光ガイドは一般に、中空の構造体の形式を有
し、そして反射表面がガイドの内壁に沿って形成されて
いる。中空の空胴内に光を発生することによって５この
光は内壁に沿って反射によって伝送される。光は目標領
域にガイドを向けることによって、或は壁に孔を開けて
光を反射して目標領域に送り出すことによって、伝送さ
れる。米国特許第４，４５９，６４２号にその一例が示
されている。この例では反射性内表面を有する同軸の複
数の管体と、内部反射によって導かれる光を放出させる
ようにこれら管体に沿って設けられた多数の開口が示さ
れている。光ガイドによって光を分配することはいくつ
かの利点がある。

多数の効率の悪い源を使用する代りに単一の効率のよい
源が使用できる。源が少なくなることは電気接続が少な
くなることであり、従って関連する電気設備も少なくな
る。

［発明が解決しようとする課題］２つの重要な条件が光ガイドの効率のよい伝送に影響を
与える。源は、ビームの半分の角度が数置と解釈するこ
とができる狭いビームで光を発生しなければならない、
広いビームは入射角の小さな光を有し、その結果多数の
反射を生じ、従って各反射毎に損失が生じるから、光の
損失が太き（なる、ガイドにおいて軸線方向に指向され
る狭いビームは、グレージング角と呼ばれる大きな入射
角を有するので、反射が少なくなる。かくして、好まし
いビームは狭く、おおむねガイド壁に平行で、グレージ
ング反射をなし、従って可能な限り反射が少ないもので
ある。

第２の影響の大きい面は壁の反射率である。各反射で損
失が生じるから、グレージング角での大きな反射率が重
要である。残念ながら、金属の反射器はグレージング角
において大きな反射率を有さない、大部分の金属化フィ
ルム、並びに磨いた陽極酸化アルミニウムでさえ、垂直
方向の入射において反射率が９５％より少なく、そして
グレージング入射においては反射率のパーセントはさら
に低下し、７０又は８０パーセントにさえ低下する。特
定の波長の光に関して精密な厚さを有する透明な層で金
属化フィルムが覆われている改良された反射器が知られ
ている。この金属化フィルムを透明層で覆った光ガイド
は通常の入射に対して９５％より高い反射率を得ること
ができる。グレ−ジング角度に対する反射率をさらに改
善することは理論的には可能であるけれど、この改善は
通常、１つの色、及び１つの入射角だけに限られている
。金属化フィルムを透明層で覆った改善された光ガイド
は大部分の放射源によってもたらされるグレージング角
の範囲では、また通常発生されかつ所望される白色光の
スペクトルに対してはあまり有効でない、それ故、グレ
ージング角の範囲にわたって有効な改善された反射器を
提供する必要があり、かつ広範囲の波長に対して改善さ
れた反射率を持つ光ガイドを提供する必要がある。さら
に、グレージング角において高い反射率を有する光ガイ
ドシステムにおいて使用するための壁材料が経済的であ
り、かつ簡単な製造工程で製造できる必要がある。

［課題を解決するための手段］本発明によれば、グレージング角において高い反射率を
有する壁材料は高い屈折率及び低い屈折率を有する２つ
の材料の交互する透明な層から形成できる。２つのプラ
スチックシート形式の、或はプラスチックシートと空気
との交互する層は高い反射率を有する光ガイドに容易に
、経済的に形成することができる。

［実施例］第１図は光ガイドの好ましい一実施例を横断面で示す。

この好ましい光ガイドは開口した中心部の空胴１４を取
囲む内部反射壁１２を有する管体１２として形成されて
いる。この反射壁１２は管体軸線とおおむね平行であり
、かつ同心である。

好ましい管体は管体軸線に関して円形形状で同心的に湾
曲した反射壁１２を有する。空胴の直径１６は製造の好
便さ、及び実際の設置状況によって実質的に決定できる
。一般に、管体ｌＯに沿って所定の距離進む際に、空胴
の直径１６が大きければ大きい程、反射は少なく、従っ
て光の損失は少なくなる。空胴の直径１６が大きいこと
は源の光をより大きな横断面領域にわたって放敗させ。

その結果低強度のビームが出力として得られることにな
る。また、空胴の直径１６が大きければ大きい程、ガイ
ド全体によって占有される物理的空間は大きくなり、従
ってガイドを製造し、使用するのが一層面倒になる。空
胴の直径１６が小さい管体ｌＯを製造すれば、多数の反
射が生じ、従って損失が太き（なるが、それにも拘らず
、初期の光強度を保持する傾向があり、かつコストを軽
減し、製造を容易にし、そして適用範囲を広げることに
なる。反射器の壁１２の反射率を増大させると、細い管
体におけるより多くの反射によって生じる光の損失を減
少させることができる。

管体１０は、同じく製造の好便さ、及び実際の適用状況
によっておおむね決定される全長１８を有する。許容で
きる管長１８は源のビーム幅、管体壁１２の反射率、及
び管体の直径１６に関係する。少な（とも１００或はそ
れ以上の種々の長さの空胴の直径１６を有する光ガイド
が現在の方法で可能であることは予期されることである
。これらの情勢はこの技術分野では一般に理解されてお
り、これ以上の説明は不要と思われるので、省略する。

管体壁１２は壁厚２０を有し、そして第１の屈折率Ｒ１
及び第１の層厚２４を有する第１の材料よりなる多数の
第１の１２２から形成される。第１の材料は１．３より
大きな、かつ一般的にはできるだけ大きな屈折率Ｒ１を
有することが好ましい。第１の層２２は、第２の層厚２
８及び第２の屈折率Ｒ２を有する第２の材料よりなる第
２の層２６に隣接し、かつこの層２２と交互している。

第１の屈折率Ｒ６は第２の屈折率Ｒ２と等しいようには
選択されない、第２の屈折率Ｒ３は第１の屈折率Ｒ，と
可能な最大の差を生じるように可能な限り小さくするべ
きである。屈折は２つの眉間の界面において生じる。第
１の層２２及び第２の１２６は両方とも固体材料でよく
、そして両層の材料が可撓性であると好便である。

好ましい実施例においては、第１の１２２の材料は可撓
性でかつ実質的に透明なプラスチック材料の薄い層であ
る。可撓性であると、プラスチックのシート材料が管状
の形状に都合よく丸くできる。勿論、可撓性のあまりな
い材料を使用し、積み重ね或は他の手段によって多数の
層を形成することも可能であるが、そのようなプロセス
はここでは上述の好ましい管体以外の形状を有する反射
器形状に対して予期されることである０反射は界面で生
じ、一方、吸収は内部で生じるから、これら層は材料の
吸収深さと比較してできるだけ薄くなければならず、吸
収材料の定量当り最大数の反射界面をもたらすべきであ
る。許容できる最も薄い層は反射される最長の許容でき
る波の１波長又は２波長より若干長いと信じられ、それ
によって特定の波長の積極的な又は破壊的な干渉を回避
するものである。これら層の厚さはここではダイクロイ
ックコーティングにおいて見られるような４分の１波長
の反射器ではない、結果として、特定波長の選択的反射
率ではなくて一般的な反射率である。実際には、現在製
造できかつ処理できる最も薄いプラスチックのシートの
厚さは約６ミクロンであり、これは垂直方向の入射にお
いてさえ可視光の波長の約１０倍である。

他の方向においては、これら層は機能的に有用な厚さで
よい。層が厚くなるにつれて、次第に多（の光が材料に
おいて吸収され、その結果所定の管体壁厚２０に対して
相対的により少ない反射層が存在することになる。か（
して、反射壁１２は効率の悪い反射器である。第１の層
の厚さ２４は材料の吸収深さに関して薄くすべきであり
、１つの層を通過する際に光の１．０％を吸収するよう
な厚さであってはならない、従って、効率のよい反射器
は最少量の材料と１層を干渉層となる程の薄さにするこ
となしに、可能である最大数の層を有する。現在好まし
い材料は、約６．３５Ｘ１０”ｆｆ１ｍ（２，５Ｘ１０
−’インチ＝　０．２５ミル）の厚さを有する透明包装
材料として商業的に入手できる薄いプラスチックのポリ
エステルシート（商品名マイラー）である。このプラス
チックのシートは約１．６の屈折率を有する。材料は空
気中で５０或はそれ以上の層に丸められる。それぞれが
約６．３５Ｘ　Ｉ　Ｏ−”ｍｍの厚さを有する材料と空
気の５０の層よりなる管体は空気を含む厚さが約０．６
３５ｍｍである。プラスチックの層は互いに吸引、粘着
、或はくっついたすせず、そのためにプラスチック層の
間に空気の層を保持する。プラスチックの第１の層２２
が互いに吸着した場合には、空気の第２の層２６は追い
出され、吸着点には殆ど或は全く反射界面が存在しなく
なる。

好ましい第２の層２６の材料はほぼ均一の薄い気体の層
である。中間の第２の層２６は、所望ならば他の気体が
使用できるけれど、空気の層として好都合に形成される
。一般の気体は、特に空気はプラスチックよりも小さな
屈折率を有し、従って反射は各プラスチックと空気の界
面において生じる。第２の層の厚さ２８は、第２の層の
材料が気体であるときには、勿論、最も薄い第１の層よ
りも薄くてよい。

第２の層の材料は第１の層２２の屈折率Ｒ５よりも小さ
い屈折率Ｒ３を持つプラスチックのシートであってもよ
い、２つの異なるプラスチック材料を使用することはプ
ラスチックと空気を使用する場合と同等に有効であると
は考えられない。何故ならば、これらの屈折率は恐らく
類似することになり、その結果界面での反射が少なくな
るからである。吸収は恐らく増大する。管体の強度は勿
論強化されよう。

引続く層は、一般に、平均して平行に配向されるべきで
ある０次に、丸められるプラスチックの眉間に空気が引
き込まれることを可能にするのに十分なテンシロンで、
空気中でプラスチックのシートを丸めることによって管
体１０が好都合に形成できる。この巻かれた管体ｌＯに
おいて、各層は前後の層とおおむね平行である。眉間の
正確な平行から若干の変動−があるかもしれない、しか
しながら、そのような変動は光ガイドの全体の性能に悪
影響を与えるとは考えられない。

反射層の数は適度の重要性を持つ、各追加の層は伝送さ
れた光のある量を反射して管体空胴１４に戻し、光のあ
る量を次の層に透過し、そして光の少量を吸収する。１
つの層だけでは被覆された管体以上の利点はない０層の
数が増大するのにつれ、管体の空胴へ戻される反射の合
計のパーセントは増大する。各追加の層は少量の追加の
反射を加えるだけであるが、多くの層が使用されると、
最終的には高いパーセントの反射が達成できる。

合計の反射量は１つの層の反射率を層の数だけ累乗した
ものを１から減算したものにほぼ比例する。各表面にお
いて、少量の反射が生じる。プラスチックと空気の層が
十分に薄いと、層を通過して次の界面に達する際に殆ど
又は全く吸収が生じない、各空気とプラスチックの界面
が５％の反射率を有する場合には、１つの層の透過率（
＝１−Ｒ１吸収がない場合）の合計のパーセントは、２
つの界面が存在するので、９０％である。５０の反射界
面を有する２５のそのような層の積み重ね体は、吸収が
ない場合には、約７％（０，９５”）の透過率、又は約
９３％（１−０，９５”）の反射率を有する。１００の
反射界面を持つ５０の層の積み重ｔ２体＋！９９．５％
　（１−０，９５１ｏ’　）　（７）反射率を有するこ
とになる。吸収が０の材料又は物質はなく、実際の壁１
２の構造体の性能は恐らく上述した値より若干落ちるこ
とになる。

多層プラスチックフィルム反射器の利点は、金属フィル
ムの場合とは異なって、空気とプラスチックの界面にお
ける反射率がグレージング入射において増大することで
ある。かくして、グレージングに近づけば近づく程、反
射率のパーセントは高くなる。一般に、第５０番目の及
び後続の層によって提供される反射率は取るに足らない
ものと感じられる。それにも拘らず、追加の層の使用は
管体１０の全体の強度を高めるという点では有益である
。

巻かれた光ガイドは構造的に有用であるのに十分な強度
を有することが分った。追加の強度を与えるため、取付
けのため、結合するため、或は装飾の目的で、外部殻体
、又は被覆を使用して巻かれた管体を取囲んでもよい。

代りに、巻装体の最後の層間に、空気で分離する代りに
、接着剤、或は硬化剤を適用し、より強固な外側表面を
形成してもよい、露出された層のすり切れ、はぐれを防
止するために、管体の両端部、及び他の管体の開口部を
同様に処理してもよい０巻装体に内部支持体を含ませて
もよい、そのような支持体は薄い横リング、同軸のらせ
ん体、或は軸方向のロッドでよい、かかる補強体は管体
ｌＯの反射効率を最大にするために、可能な限り内部反
射表面からずらすべきである。

次に、高反射率光ガイドの一興体例について説明する。

まず、厚さ約０．１０１０ｌ６＋（４ミル）のポリエス
テルフィルムのスリップ層が、直径１７゜７８ｃｍ（ツ
イフチ）、長さ１２１．９ｃ＋ｓ（４フイート）のマン
ドレルに巻回された。商業的に入手できるポリエステル
の包装フィルム（商品名マイラー）が第１の層の材料と
して選択された。この時点で観察すると、緊密に巻回さ
れたポリエステルフィルムのロールは表面から数インチ
の間内部まで透明に見えた。このフィルムの透明な深さ
は数千層と推定され、材ｉが実質的に透明である以上に
透明であるということを示していた６次に、厚さ２．３
３６　ｘ　１０−”ｆｆ１ｍ　（０，９２ミル）のポリ
エステルフィルムがスリップ層上に手でゆる＜５０層巻
回され、厚さ約２．５４ｍｍ（０，１インチ）の反射壁
を形成した。このポリエステルフィルムの巻回はフィル
ム厚とほぼ等しいと推定される空気がポリエステルフィ
ルムの反射層間に取り込まれるように十分にゆるく行な
われた。次に、３又は４層の片面波形板紙（片面段ボー
ル）が光ガイドの反射層の外側に巻かれ１反射層を補強
した０次に、これら反射層及び段ポール層がマンドレル
及びポリエステルフィルムのスリップ層から取り外され
た。それぞれが１０個の孔を持つ４つの円形のリングが
ガイドの長さ方向に沿って形成された。２つのリングは
ガイドの各端部から約１０．１　ｃｍ　（４゜０インチ
）の位置に置かれ、一方他の２つのリングは管体の長さ
方向の中点に関して対称的にがり等距離の位置に置かれ
た。Ｔ形状の端部を有する可撓性のプラスチック部片が
リングの孔を介して光ガイドの内部空胴にはめ込まれた
０次に、これらプラスチックの部片には、Ｔ形状の端部
が反射層を段ボール層に対して放射方向に引き寄せるよ
うに、張力が与えられた。上記具体例によれば、２°の
グレージング角に対して９５％より大きな反射率が得ら
れた。上述の動作条件、寸法、形状及び形態、並びに具
体物は単に例示に過ぎず、他の適当な形状及び形態、並
びに関係が本発明を実現するために使用できることはい
うまでもない。

現在本発明の好ましい実施例であると考えられるものを
図示し、かつ記載したが、特許請求の範囲によって定め
られる本発明の範囲から逸脱することなしに、種々の変
形及び変更がなし得ることはこの分野の技術者には明ら
かであろう。

４、　　　の　　な１日第１図は高反射率の管状光ガイドの好ましい一実施例を
示す横断面図、第２図は高反射率表面の好ましい一実施
例を示す概略横断面図である。

ｌＯ：管体１２：反射壁１４：空胴１６：空胴の直径１８：管体の全長２０：反射壁の厚さ２２；第１の層２４：第１の層の厚さ２６：第２の層２８：第２の層の厚さ

Claims

【特許請求の範囲】

（１）第１の屈折率及び第１の層厚を有し、互いに実質
的に平行に隣接して整列された第１の可撓性の実質的に
透明な材料の多数のシートと、前記第１の屈折率とは等
しくない第２の屈折率及び第２の層厚を有し、入射光を
反射する交互する層の積み重ね体を形成するように前記
シート間に配置された第２の可撓性の実質的に透明な材
料の層とからなることを特徴とする光反射器。
（２）前記材料層の数が２より多い特許請求の範囲第１
項記載の光反射器。
（３）前記層が軸線に関して同心的に配列されている特
許請求の範囲第１項記載の光反射器。
（４）前記層が軸線に関して同心的に湾曲している特許
請求の範囲第１項記載の光反射器。
（５）前記層が軸線に関して同心的に円形に配列されて
いる特許請求の範囲第１項記載の光反射器。
（６）前記第１の材料の屈折率が１．３より大きい特許
請求の範囲第１項記載の光反射器。
（７）前記シートがプラスチック材料である特許請求の
範囲第１項記載の光反射器。
（８）前記シートがポリエステルフィルム材料である特
許請求の範囲第７項記載の光反射器。
（９）前記シートの厚さが約６×１０＾−＾３ｍｍ乃至
約０．１ｍｍである特許請求の範囲第１項記載の光反射
器。
（１０）前記第２の層の材料が気体である特許請求の範
囲第１項記載の光反射器。
（１１）前記気体が空気である特許請求の範囲第１項記
載の光反射器。
（１２）前記第１の層の材料が中間の気体の層を排除す
るように同じ材料の次の層に引き付けられないプラスチ
ック材料である特許請求の範囲第１０項記載の光反射器
。
（１３）前記第１の層の厚さが前記第２の層の厚さにほ
ぼ等しい特許請求の範囲第１項記載の光反射器。
（１４）前記第１の層の厚さが反射されるべき最長の波
長の光の波長より大きく、かつ前記第１の層の材料の１
．０％の吸収深さより小さい特許請求の範囲第１項記載
の光反射器。
（１５）ほぼ同じ厚さの薄い空気の層によって離間され
た高度に透明な薄いプラスチックフィルムの複数の層よ
り構成された壁を有することを特徴とする光ガイド反射
器。
（１６）前記壁が前記プラスチックフィルム層の１０倍
乃至１０００倍の合計の厚さを有する特許請求の範囲第
１５項記載の光ガイド反射器。
（１７）前記壁が前記プラスチックフィルム層の２５倍
乃至１００倍の合計の厚さを有する特許請求の範囲第１
５項記載の光ガイド反射器。
（１８）第１の屈折率及び第１のシート厚を有する実質
的に透明な可撓性のプラスチック材料よりなる多数の層
を、互いに平行に、隣接するように、かつ前記第１の屈
折率とは等しくない第２の屈折率及び前記プラスチック
材料層の厚さとほぼ等しい層厚を有する気体の層によっ
て互いに分離されるように整列させるとともに、軸線に
関して同心的に湾曲した形状に配置して取囲まれた空胴
を形成し、それによって前記形成された空胴内に入射光
を反射させる交互する層の積み重ね体を形成したことを
特徴とする光ガイド。