(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の最大長さを有する光抽出機構を用いて該所定の最大長さ以下の長さを有する光ガイドを製造する方法において、
前記光抽出機構は、該光抽出機構の所定の端部からの距離に伴って変化する発光特性を備え、
前記光抽出機構を、製造される光ガイドの長さに一致するように前記所定の端部側から取出したものを光抽出機構セグメントとし、該光抽出機構セグメントを光ガイドに組込み、その際、前記所定の端部が製造される光ガイドの光入射端とは反対側の端部に常に一致するように該光抽出機構セグメントを光ガイドに組込むことにより、得られた光ガイドの発光表面は、常に均一な明るさの光を発することを特徴とする方法。
【請求項２】
所定の端部及び所定の最大長さを有する光抽出機構を用いて光ガイドを製造する方法において、
前記光抽出機構は、該光抽出機構の所定の端部からの距離に伴って変化する発光特性を備え、
前記光抽出機構を複数のセグメントに分割して光抽出機構セグメントを形成する工程と、分割時には、光抽出機構の前記所定の端部から相対向する端部までの順序が維持されることと、
前記光抽出機構セグメントの各々に対して、該光抽出機構セグメントと等しい長さを有するとともに発光表面を有する対応する光ガイドセグメントを設け、該光ガイドセグメントの各々に、対応する光抽出機構セグメントを組込む工程と、その際、前記所定の端部からの前記順序が維持されることと、
前記光抽出機構セグメントが組込まれた光ガイドセグメントを任意の数だけ選択して、前記所定の端部からの前記順序を維持した状態にて接続し、光ガイドを形成する工程と、を含み、
得られた光ガイドに前記所定の端部を含むセグメントと相対向するセグメント側から光を入射した場合、該光ガイドの発光表面から均一な明るさを有する光が発せられることを特徴とする方法。
【請求項３】
前記発光表面を有する光ガイドセグメントの任意の選択された隣接対の間に、非発光の光ガイドセグメントを挿入する工程を更に含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記非発光の光ガイドセグメントは一定の長さを有することを特徴とする請求項３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
技術分野
本出願は、光ガイドからの光の抽出方法に関する。該方法は、光ガイドの発光表面で所望の程度の均一性をもって光が抽出され、同じ光抽出機構を有する異なる長さの光ガイドは同程度の均一性を示すような方法である。
【０００２】
背景
通常は、光ガイドの発光表面が均一に照射されるように光ガイドを設計するために、面倒な試行錯誤方法を用いる必要がある。典型的には、例えば、所望の寸法の光ガイドを製造し、操作して、発光表面の別々の場所での発光の均一性を測定する。光ガイドの光抽出機構は種々の形態をとりうる。その種々の形態の一つは、例えば、米国特許第４，７８７，７０８号であるＷｈｉｔｅｈｅａｄ の“ プリズム光ガイドからの連続的に制御される発光のための装置”に記載されている。光ガイドの光抽出機構は、照射の光ガイドの均一性を改良すると期待されるように改変される。許容できる程度の均一性が得られるまで、上述のステップが繰り返される。
【０００３】
上述の従来技術により、抽出機構が開発された光ガイドと同じ大きさの光ガイドでのみ再使用できる光抽出機構が得られる。同じ抽出機構が、実質的に異なる大きさの新しい光ガイドで使用される場合、その新しい光ガイドは、抽出機構が開発された光ガイドと同程度の均一性をもっては発光しないようである。
【０００４】
異なる適用に適するように、光ガイドの長さを変えることは、最も典型的である。光ガイドの他の寸法を変えることは、ずっと典型的ではない。本発明は、所望の均一性の発光の特徴を有する、所定の最大長さの“標準”光ガイドのための光抽出機構の構築を容易にする。各々が標準光ガイドと同じ均一性の発光の特徴を有する（しかし、光ガイドの長さと明るさの反比例のために明るさは異なる）より短い光ガイドは、そのより短い光ガイドの所望の長さと等しいセグメントを、標準光ガイドに必要な光抽出機構と同一の標準光機構の適切な末端から取り出すことによって構築されることができる。このことから、このようなより短い光ガイドの各々毎に異なる光抽出機構の面倒な試行錯誤的開発の必要性が無くなる。本発明はまた、光ガイドの発光均一性は、光ガイドの長さとは無関係に一定であるような、標準単位長さの複数倍でありうる長さのモジュール光ガイドの構築を容易にする。
【０００５】
発明の概略
本発明は、所定の発光特性と所定の最大長さを有する光ガイド光抽出機構の形成を容易にする。最大長さの抽出機構の所定末端から取出されたより短い長さのセグメントであって、そのより短い長さの光ガイドに設置された上記セグメントは、そのより短い長さの光ガイドがほぼ均一の表面明るさを示すようにさせる。
【０００６】
本発明はまた、隣接する複数の光ガイドモジュールから形成される光ガイドの形成を容易にする。各モジュールの発光表面が所望の均一な表面明るさを有するような特定の発光特性を有する光抽出機構を、各モジュールは有する。光ガイドの一端から選択される、任意の数のモジュールの発光表面は、表面明るさの同一の均一性を示す。
【０００７】
本発明は、所定の最大長さ未満の所望の長さの光ガイドの製造方法を提供する。抽出機構が、同じ最大長さを有する光ガイドに設置されたとき、長さの関数としての抽出機構の発光特性が均一な表面明るさを生じさせるような、所定の最大長さの光抽出機構が最初に提供される。最大長さ未満の所望の長さを有する光ガイドは、最大長さの抽出機構の複製の所定の末端から、所望の光ガイド長さと等しい長さを有するセグメントを取出し、光ガイドにそのセグメントを組込むことによって形成されることができる。
【０００８】
別の方法において、光ガイド最大長さが選択され、下位長さに分割される。発光表面を有する複数の光ガイドセグメントが形成される。各セグメントは、前記下位長さの一つと等しい長さを有する。光抽出機構は、各光ガイドセグメント毎に提供される。各抽出機構は、対応する光ガイドセグメントの長さの関数として変わる発光特性を有するように設計される。従って、放射された光の明るさは、接続されている任意の選択された数の光ガイドセグメントにわたって一定に維持され、光ガイドの一端を形成することができる。
【０００９】
別の方法において、光ガイドの最大長さが選択される。光抽出機構は、その最大長さを有する光ガイドのために設計される。光ガイドの発光表面を通り放射された光は、発光表面の全ての点において均一な表面明るさを生じさせるように、光抽出機構の発光特性は長さの関数として変わる。次いで、光抽出機構は、抽出機構の一端からその反対端へ配列された（即ち、光ガイドの光源から最も遠い末端から光源に最も近い末端へ）複数の下位長さに分割される。光ガイドセグメントは、抽出機構の各下位長さ毎に形成され、それに接続される。次いで、選択された数の光ガイドセグメントは接続されて所望の長さの光ガイドが形成されるが、一方、抽出機構の下位長さの順序は維持され、光源から最も遠い抽出機構の末端を形成した抽出機構の下位長さが含まれる。
【００１０】
発明の説明
図１Ａは、単位長さｘの理想化光ガイドモジュール１０を示す。光源１２は、通常の様式でモジュール１０内に平行光を放射する。入射光はモジュール１０に沿って分配される。入射光は、モジュール１０の光抽出機構の設計のために発光表面１４を通し均一に放射される。モジュール１０は、“発光特性”Ｅ＝１．００を有するものとして定義される。このことは、入射光の全部が発光表面１４の全長にわたって放射され、表面の明るさＢ＝１．００を与えることを意味する。内部損失が起るのは避けられないので、上記のことは現実には不可能な単純化である。しかし、このような損失は、本解析にあまり影響を与えない。
【００１１】
図１Ｂを考察する。図１Ｂは、２単位の長さのモジュール１８、１０から形成される長さ２ｘの理想化光ガイド１６を示す。モジュール１８の光抽出機構は、発光特性Ｅ＝０．５０を与えるような形状である。このことは、光源１２によるモジュール１８内への入射光の半分は、モジュール１８の発光表面２０を通し均一に発光し、モジュール１８の発光表面２０は表面の明るさＢ＝０．５０を有することを意味する。モジュール１８内への入射光の残りである半分は、モジュール１８によってモジュール１０内に伝達される。モジュール１０は図１Ａのモジュール１０と同一である。光ガイド１６内への入射光の全部が、発光表面２０、１４を通し放射されるべきであるならば、モジュール１０は、光源１２によるモジュール１８内への全入射光の半分を放射する必要がある。これは、正確にモジュール１８からモジュール１０内に伝達される光量であるので、モジュール１０はその入射光の全部を放射する必要がある。言換えれば、図１Ｂの実施の形態では、モジュール１０は、それが図１Ａの実施の形態で有したように、発光特性Ｅ＝１．００を有する必要がある。
【００１２】
図１Ｃは、３つの単位長さモジュール２４、１８、１０から形成される長さ３ｘの理想化光ガイド２２を示す。該光ガイドは再び、モジュール発光表面２６、２０、１４上で均一な発光を行うことができる。従って、モジュール２４、１８、１０の各々は、光源１２によるモジュール２４内への全入射光の１／３を発光するはずである。従って、モジュール２４、１８、１０の各々は、光源１２によるモジュール２４内への全入射光の１／３を放射すべきである。従って、モジュール２４の光抽出機構は、発光特性Ｅ＝０．３３を与えるような形状である。このことは、光源１２によるモジュール２４内への入射光の１／３が、モジュール２４の発光表面２６を通り均一に発光し、表面の明るさＢ＝０．３３を与えることを意味する。モジュール２４内への入射光の残りである２／３は、モジュール２４によってモジュール１８内に伝達される。モジュール１８は図１Ｂのモジュール１８と同一である。上記のように、モジュール１８の発光特性はＥ＝０．５０なので、モジュール１８の発光表面２０の表面明るさＢは０．６６７×０．５０＝０．３３である。これは、所望の均一発光を達成するために必要である。上記のように、モジュール１８は、モジュール１０内にその入射光の半分を伝達する。モジュール１０は、図１Ａのモジュール１０と同一である。モジュール１８は、モジュール２４内への最初の入射光の２／３を入射光として受取るので、モジュール１８は、モジュール１０に、モジュール２４内への最初の入射光の１／３を伝達する。光ガイド２２内への入射光の全部は、発光表面２６、２０、１４を通し発光するべきであるならば、モジュール１０は、光源１２によるモジュール２４内への全入射光の１／３を発光する必要がある。これは、モジュール１８によってモジュール１０内に伝達される量なので、モジュール１０は、その入射光の全部を発光する必要がある。従って、図１Ｃの実施の形態では、モジュール１０は、それが図１Ａと１Ｂの実施の形態で有していたように、発光特性Ｅ＝１．００を有する必要がある。
【００１３】
前記の例は、連続的な複数のモジュールｎ１、ｎ２、ｎ３、…ｎｊから形成される光ガイドとして一般化できる。ｎ１は光源から最も遠いモジュールであり、ｎ２は光源から最も遠いものの隣のモジュールであり、一般的に、ｎｉは、光源からのそのモジュールの遠さでｉ番目のモジュールである。各モジュールは発光特性Ｅ＝１／ｉを有する。例えば、一連の１０個のモジュールから形成される光ガイドにおいて、モジュールのそれぞれの発光特性は、１／１０、１／９、１／８、１／７、１／６、１／５、１／４、１／３、１／２、１である。発光特性１／１０を有するモジュールは、光源に最も近く位置し、発光特性１を有するモジュールは光源から最も遠く位置する。
【００１４】
前記の意義は、以下のことである。即ち、最長と予想される光ガイドを形成するのに十分な別個の数のモジュールの各々毎に光抽出機構を設計する（公知の従来技術を用いることによって）ことのみが必要である。各々が均一の発光特性を有するより短い光ガイドは、光源から最も近い光ガイドの末端から１つ以上のモジュールを単に取り除くことによって形成されることができる。これは非常に有利である。その理由は、必要なモジュールの異なる型（各モジュールの光抽出機構の設計は独特である）の数を最小とし、より効率的な高体積製造を容易にするからである。
【００１５】
前記の事項は、本発明の基本的概念を説明するために有用であるが、３つの理由のためにあまりに単純化しすぎている。第１に、光ガイドの発光特性Ｅは長さの連続的関数であるにちがいなく、前記は連続的計算にまで一般化される必要がある。第２に、側面発光光ガイドは一般的に、末端鏡、即ち、対称的に反対の光ガイドと光源（光学的に末端鏡と等価である）で終わる。このことは、光源に対し戻る光成分を考慮する必要があるということを意味する。第３に、特定の光抽出機構の発光特性Ｅ（ｘ）は、光ガイドにおける光の角度分布の関数である。この分布は光入射条件に依存し、ガイドに沿って光が進むにつれ変化する。一定の光源と光ガイド断面の形状のために、下記のように、より洗練された設計方法を用いることによって、これらの因子の全部を大いに考慮することができる。
【００１６】
発光特性Ｅ（０）が光源から最も遠い光ガイドの末端における光の抽出率を特徴付けるということを仮定することによって、上記方法は始まる。Ｅ（０）は、例えば、光抽出機構の密度又は幅を変化させることによって、又は、長さの関数として便利にも制御できる他のパラメータを変化させることによって、制御されることができる。Ｅ（０）が容易に制御されえ、光抽出機構が容易に作出されるのならば、一般的に、Ｅ（０）は、光源から最も遠い光ガイドの末端においてできるかぎり高いことが望ましい。
【００１７】
図２Ａは、平行光の光源３２、末端鏡３４、発光特性Ｅ（０）を有する上記のような光ガイド３０の非常に短い長さｘを示す。光ガイド３０は、明確な表面明るさＢ（０）を示すために十分に長い。光ガイド３０は非常に短いので、入射光の大部分は末端鏡で反射され、光源３２に戻る。このような短い長さを有する光ガイドを使用することは実際的ではないので、上記の事項は問題ではない。図２Ａは、光抽出機構の設計の概念形成に簡明にも役立つ。この理想化考察のために、光源３２はこのような戻り光の実質的な部分を、光ガイド３０中に反射して戻さないことを仮定することを注意しておくことも重要である。
【００１８】
図２Ｂを考える。図２Ｂでは、図２Ａの光ガイドの長さは、光源３２に最も近い光ガイドの末端において長さｄｘの小さなセグメントを加えることによって延長され、新しいガイド３０′が形成される。加えられたセグメントが、図２Ａの光ガイド３０と同じ発光特性をもって形成されるならば、加えられたセグメントは、光ガイド３０′の残りよりも明るい。その理由は、加えられたセグメントを通過し、光ガイド３０′の残りから抽出のために利用できる光の量は、加えられたセグメントそれ自体から光を抽出するプロセスによって長さの関数として減少するからである。従って、光ガイド３０′の発光表面３６全体上の均一発光を維持するために、加えられたセグメントは、光ガイド３０′の残りよりも小さい発光特性Ｅ（ｘ）を有する必要がある。ここで、ｘは、光源から最も遠い光ガイドの末端からの距離である。
【００１９】
前記技術を連続的に外挿することによって、各々が光ガイドの発光表面全体上で均一な発光を有する連続的に長い光ガイドを設計できる。勿論、光ガイドから抽出できる光の明るさは、光ガイドの長さに反比例して減少する。このことは、エネルギー保存によって予測される。更に、均一発光が達成されることができる長さを制限する、光ガイドに特徴的な発光に実際的な下限制限がある。しかし、キーポイントは、所望の長さの光ガイド用の光抽出機構の設計は、できるだけ長い光ガイドの末端からとられる光抽出機構の等しい長さ部分の設計と同一であるということである。例えば、図３Ａは、長い光ガイドの光抽出機構の、長さの関数としての発光特性Ｅ（ｘ）を示す。図３Ｂは、やや短い光ガイドの光抽出機構の発光特性Ｅ（ｘ）を示す。図３Ｃは、更に短い光ガイドの光抽出機構の発光特性Ｅ（ｘ）を示す。図３Ｃで示された抽出機構の発光特性は、図３Ａと３Ｂで示された抽出機構の等しい長さの部分の発光特性と同一であることを観察できる。図３Ｂで示した抽出機構の発光特性は、図３Ａで示した抽出機構の等しい長さの部分の発光特性と同一であることを観察できる。
【００２０】
このような一般化された光抽出機構の更なる使用は、光ガイドの選択された領域における均一光抽出と、光ガイドの残りの領域における非常に小さい抽出とを容易に、かつ費用的に有効に達成することである。このことは、図４Ａ、４Ｂ、４Ｃで示されるように達成されることができる。詳細には、図４Ａは、光ガイド光抽出機構の発光特性Ｅ（ｘ）を示す。図４Ａの特徴は、４つの概念的セグメント４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄである。図４Ｂは、セグメント４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄが、非発光光ガイドセグメント４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄによって挿入されている光ガイド光抽出機構の発光特性を示す。図４Ｂの特徴を作出する抽出機構は、図４Ａの特徴を作出する抽出機構をセグメント４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄに対応する４つの分離部分に分け、該部分を分離し、それらの部分の間に非発光光ガイドセグメントを挿入することによって容易に得られる。図４Ｃは、図４Ｂの光抽出機構を有する光ガイドの発光表面の表面明るさＢ（ｘ）を示すグラフである。ここで、ｘは、光源から最も遠い光ガイドの末端からの距離である。４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、４４ｄによって示されるように、光ガイドは、セグメント４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄに対応する抽出機構部分領域をそれぞれ有する領域において、均一の明るさを有する光を放射する。更に、光ガイドは、非発光光ガイドセグメント４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄをそれぞれ有する領域４６ａ、４６ｂ、４６ｃ、４６ｄにおいて発光しない。セグメント４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄ、及びセグメント４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄの各々は、所望の長さでありうる。
【００２１】
図５に示すように、微細構造フィルムの形態として所定の最大長さの光抽出機構５２を提供することによって本発明は実施されうる。該微細構造フィルムは、最大長さを有し、光源４８を備える光ガイド５０に光学的に結合できる。微細構造の特徴は、光ガイド５０に所望の発光特性と均一な表面明るさを与えるのに必要なように、長さの関数として変化する。抽出機構５２の最初の設計と作出は面倒で比較的高価でありうるが、その後、抽出器機構５２を複製するために比較的簡単で安価になる。このことは、以下の点で非常に有意義で利点がある。即ち、光ガイド５０よりも短く、光ガイド５０と同一の均一発光特性を有する光ガイドは、抽出機構５２を複製し、光源４８から最も遠い末端（図５に示す）から、より短い光ガイドの所望の長さと長さが等しいセグメントを取出すことによって、容易に製造されることができる。
【００２２】
従来技術では、異なる長さ（より短い）の光ガイドを製造しようとするたびごとに、前記の試行錯誤的方法を繰り返し、異なる抽出機構を作出する必要があったであろう。本発明によってこのような繰り返しは必要なくなる。前記と同一の、一連の所定の最大長さの抽出器機構を維持し、その後、一連の抽出機構の一つから必要な長さのセグメントを取出すことによって、所望の長さ（より短い）の光ガイドを注文製造できる。該抽出機構の残りの部分は、それ自体、光ガイドを形成するために実際的な価値が無いという意味で無駄になる。しかし、上記のことは、本発明によって提供される非常に重要な製造上の単純化と比較して些細な因子である。
【００２３】
前記開示から当業者に自明のように、本発明の思想又は範囲を逸脱することなしに、本発明の実施において、多数の改変や修正が可能である。例えば、本発明は、制限なしに、プリズム光ガイド、光学ファイバー光ガイド、平面誘電体光ガイド、又は抽出機構がガイドから光を抽出するために使用される任意の光ガイドに適用されることができる。従って、本発明の範囲は、請求の範囲に基づき理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】長さにおいて１単位である理想的モジュール光ガイドの概略図。
【図１Ｂ】長さにおいて２単位である理想的モジュール光ガイドの概略図。
【図１Ｃ】長さにおいて３単位である理想的モジュール光ガイドの概略図。
【図２Ａ】明るさレベルＢ（０）で、長さＸの光ガイドモジュールからの光の理想的均一抽出を示す、長さｘの光ガイドモジュールの概略図。
【図２Ｂ】明るさレベルＢ（ｘ）で光が抽出される長さｄｘという延長を有する図２Ａの光ガイドモジュールの概略図。
【図３Ａ】長さの関数として種々の光ガイドの光抽出機構の発光特性Ｅ（ｘ）を示すグラフ。
【図３Ｂ】長さの関数として種々の光ガイドの光抽出機構の発光特性Ｅ（ｘ）を示すグラフ。
【図３Ｃ】長さの関数として種々の光ガイドの光抽出機構の発光特性Ｅ（ｘ）を示すグラフ。
【図４Ａ】長さの関数として光ガイドの光抽出機構の発光特性Ｅ（ｘ）を示すグラフ。
【図４Ｂ】図４Ａの光抽出機構のセグメントの発光特性Ｅ（ｘ）を示すグラフ。
【図４Ｃ】図４Ｂの光抽出機構を有する光ガイドの発光表面の表面の明るさＢ（ｘ）を示すグラフ。
【図５】微細構造フィルム光抽出器機構が光学的に結合している光ガイドの概略図。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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