(57)【要約】【課題】光学装置から引き出された光が望ましい表面を経て出て予定された方向に拡がるやり方で、光学装置中に入力される光の実質的にすべてを引き出すために頂部の表面および／または底部の表面を有する照明を導くための光学装置の提供。【解決手段】複数の前側の出口面を提供する１つの階段状構造または複数の鋭角の傾斜構造を有する表面をもつ本体からなる照明を導くための光学装置であって、光を装置の１つの末端で入力したとき、光が該前側の出口面により分散され、そして該傾斜構造のそれぞれの前側の出口面から分散されるまで、該光の少なくとも実質的な部分が該本体の内部で反射される。【選択図】図４
2009526368.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の前側の出口面を提供する１つの階段状構造または複数の鋭角の傾斜構造を有する表面をもつ本体からなる照明を導くための光学装置であって、光が装置の１つの末端で入力したとき、該前側の出口面により分散され、そして該傾斜構造のそれぞれの前側の出口面から分散するまで、該光の少なくとも実質的な部分が該本体の内部で反射することを特徴とする照明を導くための光学装置。
【請求項２】
複数の鋭角の傾斜構造を有する表面をもつ本体；および
該光を分散するための前側の出口面を有する該傾斜構造のそれぞれからなる照明を導くための光学装置であって、光が該装置の１つの末端で入力したとき、該傾斜構造のそれぞれの前側の出口面から分散するまで、光が該本体内で実質的にすべて内部的に反射することを特徴とする照明を導くための光学装置。
【請求項３】
該前側の出口面の末端が、該表面に沿って次の傾斜構造の開始と接触する請求項２の装置。
【請求項４】
該表面を第１の表面とし、該本体が第２の表面を有し、その場合、該第１および第２の表面が、それぞれ装置の頂部の表面および底部の表面であり、そして該第２の表面が実質的に平らである請求項２の装置。
【請求項５】
該傾斜構造のそれぞれ隣接する組が、該第２の表面に実質的に平行であってしかも面している平らな面により分けられている請求項４の装置。
【請求項６】
該本体が、光を入力するための該１つの末端に相当する第１の末端および第２の末端を有し、該傾斜構造のそれぞれが、該第１の表面に沿ってサイズが等しく、そして該傾斜構造が、それぞれ、該第１の末端と第２の末端との間で該第２の表面に向かって逐次テーパーを付けられて装置の厚さが漸次薄くなる請求項４の装置。
【請求項７】
該第２の末端での厚さが実質的に零であり、そして該本体中に入力する該光の実質的にすべてが、該傾斜構造の該前側の出口面から分散する請求項６の装置。
【請求項８】
該本体が、光を入力するための該１つの末端に相当する第１の末端および第２の末端を有し、該傾斜構造が、装置の軸に相当する該第１の末端と第２の末端との間の次元に沿って延在し、その場合、該傾斜構造が、それぞれ該軸に対して鋭角の傾斜表面を有し、そして該傾斜構造のそれぞれの前側の出口面が、該軸の垂直方向に対して鋭角の面である請求項２の装置。
【請求項９】
ΘＲが該軸に対する傾斜表面の角度を表し；
ΘＥＦが該軸の垂直方向に対する該構造のそれぞれの該前側の出口面の角度を表し；
該本体が屈折率（ＮＡ）を有する物質からなり；
Ｒｎが該本体の材料の屈折率対該本体を囲む媒体の屈折率の比であり；そして
該角度ΘＲおよびΘＥＦが、少なくとも式
【数１】
2009526368.tif 000065
に従って選択される請求項８の装置。
【請求項１０】
該傾斜構造のそれぞれの前側の出口面から分散される該光が、或る角度の範囲にわたって該本体から該光を分散する請求項２の装置。
【請求項１１】
該構造のそれぞれの下り面から分散された該光が、広い角度にわたって該本体から該光を分散する請求項２の装置。
【請求項１２】
該傾斜構造のそれぞれの該前側の出口面が曲がっている請求項２の装置。
【請求項１３】
該傾斜構造のそれぞれの該前側の出口面が平らである請求項２の装置。
【請求項１４】
本体が、光を入力するための該１つの末端に相当する第１の末端および第２の末端を有し、該傾斜構造が、該第１の末端と第２の末端との間の次元に沿って延在し、そして該本体が、該第１の末端と第２の末端との間の該次元に沿って曲がっている請求項２の装置。
【請求項１５】
本体が、光を入力するための該１つの末端に相当する第１の末端および第２の末端を有し、該傾斜構造が、装置の長さに相当する該第１の末端と第２の末端との間の次元に沿って延在し、そして該本体が該装置の幅に沿って曲がっている請求項２の装置。
【請求項１６】
該本体が、該傾斜構造の該最初の１つと光を入力するための該１つの末端との間に入力部分を有する請求項２の装置。
【請求項１７】
該入力部分が、該１つの末端から該傾斜構造を有する該本体への光の伝達を助けるように成形されている請求項１６の装置。
【請求項１８】
本体が、光を入力するための該１つの末端に相当する第１の末端および第２の末端を有し、該傾斜構造が、装置の軸に相当する該第１の末端と第２の末端との間の次元に沿って延在し、そして該入力部分が、該軸の少なくとも１つまたは該軸に垂直な次元に沿って、該第１の末端への該傾斜構造の最初の１つの方向にテーパーが付けられている請求項１６の装置。
【請求項１９】
該本体が円筒である請求項２の装置。
【請求項２０】
該表面が頂部の表面であり、該傾斜構造が第１の傾斜構造であり、該本体が第１の部分と第２の部分とを有し、その場合、該第１の傾斜構造は該第１の部分の該頂部の表面に沿って設けられ、該装置は、さらに互いに交互する該底部の表面に沿う第２の傾斜構造および下り構造からなり、そして光が該本体の該第１の部分から受容されるとき、該第２の傾斜構造のそれぞれの傾斜面から反射により分散されて該頂部の表面を出るまで、または該傾斜面から伝達されて次の隣接する下り構造に戻されるまで、光が該本体の該第２の部分内で完全に内部で反射される請求項１の装置。
【請求項２１】
該第２の傾斜構造のそれぞれが、該軸に対して鋭角である昇り表面からなり、そして該下り構造のそれぞれが、該軸の垂直方向に対して鋭角である下り表面従って該頂部の表面に実質的に平行な表面からなる請求項２０の装置。
【請求項２２】
該下り構造のそれぞれの該下り表面がプリズム状の表面である請求項２１の装置。
【請求項２３】
最初の平らな表面が、該１つの末端から該第２の傾斜構造の最初のものへ延在している裏面より低く、そして最初の平らな表面の後の下り構造のそれぞれの平らな表面が、光学装置の長さに沿ってその前の平らな表面より高いレベルにあり、それにより光学装置の厚さを薄くする請求項２１の装置。
【請求項２４】
該第２の傾斜構造および該下り構造のそれぞれのサイズが、該底部の表面に沿う厚さの減少に比例して増加する請求項２３の装置。
【請求項２５】
第２の傾斜構造のそれぞれの昇り表面が、該軸に対して次第に鋭くなる鋭角の複数の面に分節される請求項２１の装置。
【請求項２６】
傾斜構造のそれぞれの昇り表面が、連続して変化するスロープを有する請求項２１の装置。
【請求項２７】
少なくとも該第２の傾斜構造および下り構造に沿う底部の表面が、反射性材料を有する請求項２１の装置。
【請求項２８】
装置の該頂部の表面からの光の分散が、該傾斜構造のそれぞれの傾斜表面の高さ、該傾斜構造のそれぞれの傾斜表面の角度、該傾斜構造のそれぞれの前側の出口面の角度および該傾斜構造の隣接するものの間の間隔の１つ以上による請求項８の装置。
【請求項２９】
傾斜表面の高さ、傾斜表面の角度および前側の出口面の角度が、該頂部の表面に沿って傾斜構造のそれぞれについて同じであり、そして該傾斜構造の隣接するものの間の間隔が、該表面に沿って同じである請求項８の装置。
【請求項３０】
傾斜表面の高さ、傾斜表面の角度および前側の出口面の角度が、該表面に沿って該傾斜構造の１つ以上について変化する請求項８の装置。
【請求項３１】
該傾斜構造の隣接するものの間の間隔が、該表面に沿って該傾斜構造の１つ以上について変化する請求項３０の装置。
【請求項３２】
さらに、該装置の該１つの末端中に入力される光に関する源を含む請求項２の装置。
【請求項３３】
該源が、ランプ、シングルＬＥＤ、ＬＥＤの列または光ファイバー光源である請求項３２の装置。
【請求項３４】
該源および該装置が、ハウジングに配置される請求項３２の装置。
【請求項３５】
該ハウジングが、表面に設置可能である請求項３４の装置。
【請求項３６】
該装置がハウジングに配置され、そして該源が、照明を受容するための該ハウジングの外の入力末端および該装置に光を伝達するための該ハウジング中に延在する出力末端を有する光ファイバーからなる請求項３２の装置。
【請求項３７】
一連の構造体を有しかつ頂部の表面および底部の表面を有する本体からなる照明を導くための装置であって、該一連の構造体は装置の軸に相当する次元に沿って装置の１つの末端から延在し、
該構造体のそれぞれは、昇り表面とそれに続く下り表面をもち、該昇り表面および該下り表面は、該軸に対して傾斜して、光が該構造体の昇り表面および該底部の表面に沿ってそのすべてまたは実質的部分が内部的に反射される間、該構造体の該下り表面のそれぞれから該１つの末端で光が該本体に入力されるとき、光の分散を可能にすることを特徴とする照明を導くための装置。
【請求項３８】
複数の傾斜構造および下り構造を有する底部の表面および頂部の表面を有する本体からなる照明を導くための装置であって、該傾斜構造および下り構造が該底部の表面に沿って互いに交互し、そして該傾斜構造および下り構造は、該頂部の表面と実質的に平行な装置の軸に相当する次元に沿って延在し、そして光が該本体の１つの末端から受容されるとき、該傾斜構造の１つから該頂部の表面からの出口へ反射により分散されて該頂部の表面から出るまで、または該下り構造の隣接する１つを経て該傾斜構造の１つを通って伝達されて該本体中に戻されるまで、光が該本体内ですべて内部的に反射されることを特徴とする照明を導くための装置。
【請求項３９】
該傾斜構造のそれぞれが、該軸に対して鋭角の昇り表面からなり、該下り構造のそれぞれが、該軸の垂直方向に対して鋭角である下り表面からなる請求項３８の装置。
【請求項４０】
該下り構造のそれぞれの該下り表面がプリズム状の表面である請求項３９の装置。
【請求項４１】
最初の平らな表面が、該１つの末端から該傾斜構造の最初のものに延在する裏面よりも低く、最初の平らな表面の後の下り構造のそれぞれの平らな表面が、光学装置の長さに沿ってその前の平らな表面より高いレベルにあり、それにより光学装置の厚さを薄くする請求項３９の装置。
【請求項４２】
該傾斜構造および該下り構造のそれぞれのサイズが、該底部の表面に沿う厚さの減少に比例して増加する請求項３８の装置。
【請求項４３】
傾斜構造のそれぞれの昇り構造が、該軸に対して次第に鋭くなる鋭角の複数の面に分節される請求項３９の装置。
【請求項４４】
傾斜構造のそれぞれの昇り構造が、連続して変化するスロープを有する請求項３９の装置。
【請求項４５】
該底部の表面が反射性材料を有する請求項３８の装置。
【請求項４６】
さらに、該装置の該１つの末端中に入力される光を入力するための源を含む請求項３８の装置。
【請求項４７】
該源が、ランプ、シングルＬＥＤ、ＬＥＤの列または光ファイバー光源である請求項４６の装置。
【請求項４８】
該源および該装置がハウジングに配置される請求項４６の装置。
【請求項４９】
該ハウジングが表面に設置可能である請求項４８の装置。
【請求項５０】
該装置がハウジングに配置され、該源が照明を受容するための該ハウジングの外の入力末端および該装置へ光を伝達するために該ハウジング中に延在する出力末端を有する光ファイバーからなる請求項３８の装置。
【請求項５１】
頂部の表面および底部の表面、並びに装置の長さに沿って光を入力するための入力末端からの複数の連続する部分を有する本体からなる照明を導くための光学装置であって；
該部分の少なくとも１つの頂部の表面は、前側の出口面を有する複数の第１の傾斜構造を有し、その場合、光は、該頂部の表面に沿って該前側の出口面からの分散のために該部分の該１つ内で反射されることができ；
該部分の少なくとも１つ以外の中の少なくとも１つの底部の表面は、複数の第２の傾斜構造を有し、その場合、光は、該第２の傾斜構造の１つからの反射により分散されて該頂部の表面から出るために該部分の少なくとも１つ以外の中の該１つ内で反射されうることを特徴とする照明を導くための光学装置。
【請求項５２】
光が、或る光の分散をもたらすために組み合わされた該第１の傾斜構造および該第２の傾斜構造から該光学装置を出る請求項５１の光学装置。
【請求項５３】
頂部の表面および底部の表面を有する光誘導装置および該光誘導装置中に光を入力するための光源からなる照明装置であって；
該頂部の表面および底部の表面の少なくとも１つは、該頂部の表面に沿って照明をもたらす鋭角の傾斜構造のパターンからなり、その場合、該傾斜構造が底部の表面に沿って存在するとき、該傾斜構造は該頂部の表面から光を導き、そして該傾斜構造が該頂部の表面に沿って存在するとき、該傾斜構造は該傾斜構造の鋭角の出口面から光を導くことを特徴とする照明装置。
【請求項５４】
さらに、少なくとも該光誘導装置を有するハウジングを含む請求項５３の装置。
【請求項５５】
該ハウジングが、さらに該光源を有する請求項５４の装置。
【請求項５６】
該ハウジングが、表面に設置可能である請求項５４の装置。
【請求項５７】
該光源が、ランプ、シングルＬＥＤ、ＬＥＤの列または光ファイバー光源である請求項５３の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学照明誘導装置例えば光ガイドに関し、さらにそれらの頂部の表面から光を分散するために、それらの頂部の表面に沿って階段状または鋭角の傾斜構造および／またはそれらの底部の表面に沿って鋭角の傾斜構造を有する照明を導くための光学装置に特に関し、その場合、光は、これらの構造により装置の外に分散されるまで、装置の内で少なくとも実質的に完全に内部で反射される。本発明の光学装置は、完全な内部の反射のプロセスを経て光を導き、それにより予定された空間への分散および角度をもった分散へ有効に伝達される。本発明の光学装置は、種々の照明の応用、例えば建築物の照明、ディスプレイ、バックライト、ソリッドステートライトニング、信号または消費財に有用である。本発明は、また、これらの光学装置を使用して、本明細書では照明器具とよぶ照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
非常に多くの照明の使用は、或る源から空間の特定の目標または域に光の放射を運ぶために光学的光ガイドを用いる。例えば、光ガイドは、バックライトディスプレイシステム、一般の照明（例えば照明器具）および医学用装置例えば内視鏡に使用されている。例えば、特許文献１−８参照。これらの文献に記載された光ガイドすなわち光を導く光学要素は、光を引き出すために、三角形または台形のいずれかの形状の表面、マイクロプリズムまたはマイクロレンズの列、波形のリボン様構造、プリズム状の表面の刻み、または円いノッチに依存する。それらの個々の応用でそれらのそれぞれの光源について有用であるが、これらの光を導く光学要素は、本発明の構造から実現されるような、光を導くための完全に内部の反射を有効に用いることがない。
【０００３】
【特許文献１】米国特許６７７５４６０
【特許文献２】米国特許５９４９９３３
【特許文献３】米国特許６４７４８２７
【特許文献４】米国特許６００２８２９
【特許文献５】米国特許６９４８８３２
【特許文献６】米国特許５１３６４８０
【特許文献７】米国特許５６１３７５１
【特許文献８】米国特許６９１０７８３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って、光学装置から引き出された光が望ましい表面を経て出て予定された方向に拡がるやり方で、光学装置中に入力される光の実質的にすべてを引き出すために頂部の表面および／または底部の表面を有する照明を導くための光学装置を提供するのが、本発明の特徴である。
【０００５】
種々の照明装置および応用において１つ以上の光源により利用できる頂部の表面および／または底部の表面に構造を有する照明を導くための光学装置を提供するのが本発明の他の特徴である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
簡単に説明すると、本発明を具現化する光学装置は、これら構造の前側の出口面から光を分散するために前側の出口面をそれぞれ有する複数の階段状または鋭角の傾斜構造を有する頂部の表面および光入力末端を有する光学物質の本体を有する。入力される光のすべてまたは少なくとも実質的な部分は、前側の出口表面から分散されるまで、本体内ですべて内部的に反射される。
【０００７】
構造は、装置の長さを規定する軸に平行な方向で頂部の表面に沿って延在する。装置の底部の表面は、この軸に実質的に平行している。このような光学装置が鋭角の傾斜構造を有するとき、傾斜構造は、それぞれこの軸に対して鋭角の傾斜（または昇り）表面を有し、そして傾斜構造のそれぞれの前側の出口面は、この軸の垂直方向に対して鋭角の表面に相当する。それぞれの傾斜構造の前側の出口面は、次の隣接する傾斜構造の傾斜表面の開始と接触するか、または隣接する傾斜構造のそれぞれの組が、軸に実質的に平行な表面により分けられているかの何れかである。傾斜構造は、それぞれ底部の表面に向かって光入力末端から離れて連続してテーパーが付けられ、それにより装置の厚さを徐々に薄くする。光入力末端に反対の装置の他の末端の厚さは、実質的に零であって、本体中に入力される実質的にすべての光を、傾斜構造の前側の出口面から分散できるようにする。
【０００８】
光学装置の本体は、光入力末端と構造の最初のものとの間に入力部分を有し、それは開口数を減少させるおよび／または装置の幅に沿う本体の次元に沿って平行になるように成形される。
上記の光学照明誘導装置は、上側の構造の装置である。本発明は、さらに、底部の表面に沿って互いに交互する傾斜構造および下り構造を有する底部の表面をもつ下側の構造の装置に相当する照明を導くための光学装置を具現化する。このような傾斜構造および下り構造は、装置の軸に平行な次元に沿って延在する。装置の本体の頂部の表面は、この軸に実質的に平行である。光が装置の本体の１つの末端から受容されるとき、光は、傾斜構造の１つから反射により分散されて装置の頂部の表面から出るまで、または下り構造の隣接する１つを経て傾斜構造の１つを通って伝達されて本体中に戻されるまで、本体内ですべて内部的に反射される。
【０００９】
下側の構造の装置のそれぞれの傾斜構造は、装置の軸に対して鋭角の昇り表面を有する。それぞれの下り構造は、装置の軸の垂直方向に対して鋭角の下り表面従って頂部の表面に実質的に平行な表面を有する。それぞれの下り構造の下り表面は、傾斜構造から光の向きを変えて光学装置中に戻すのを助けるために、プリズム状の表面である。下り構造の最初の平らな表面は、装置の光入力末端から該傾斜構造の最初のものへ延在する後ろの表面より低く、最初の平らな表面の後の下り構造のそれぞれの平らな表面は、装置の長さに沿って、その前の平らな表面より高いレベルにあり、それにより装置の厚さを薄くする。所望により、傾斜構造および下り構造のサイズは、このような底部の表面に沿って厚さを薄くすることに比例して増加する。その上、傾斜構造のそれぞれの昇り表面は、角度が次第に鋭くなる複数の表面に分節されるか、単一の角度のついた平らな表面になるか、または連続して変化するスロープを有する。
【００１０】
下側の構造の正面誘導装置は、別の光学装置であるか、または上記のような上方および下方の構造の表面を有する照明を導くための光学装置を提供するための上側の構造の照明誘導装置と同じ本体の一部である。このような組み合わされた光学装置は、連続する部分を有する本体を有し、それぞれの連続する部分は、前の部分から光を受容する。このような部分の少なくとも１つは、上側の構造の光学照明誘導装置に相当し、このような部分の少なくとも１つ以外のものの中の少なくとも１つは、下側の構造の光学照明誘導装置に相当する。部分の１つの構造により分散されない光は、装置の本体の次の連続する部分により受容され、そして以下同様である。本体の構造の部分から分散された光は、光学装置の頂部の表面から組み合わされた照明をもたらす。
【００１１】
本発明は、さらに、本明細書で照明器具とよばれる照明装置を具現化し、それは、光源、および上側、下側またはその両者の上方および下方の側面の上記の光学装置を有する。例えば、光源は、ランプ、シングル発光ダイオード（ＬＥＤ）、ＬＥＤの列、または光ファイバー光源である。このような照明器具は、特別な照明の用途に従って表面に設けることができるハウジング内に設けられ、そのような表面は部屋または乗り物（例えば自動車または航空機）の壁、階段、床、棚、天井、または照明が必要な他の用途を意味する。照明器具は、また、ハウジングの有無にかかわらず提供され、そして器具、装置に設けられ、ヒトの身体例えば手首、衣類の物品例えば帽子に着けられるか、または他の装置例えばＬＣＤディスプレイのハウジングに含まれる。ハウジングおよびそのなかのコンポーネントは、特別の照明の用途に応じてサイズおよび形が決められる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明は、光のコントロールされた分散を可能にするための種々の構造上の表面を有する光学照明装置１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆおよび１０ｇを記述する。これらの光学装置１０ａ−ｆのそれぞれは、本発明の異なる態様として以下に記述されるが、単一の光学装置は、例えば光学装置１０ｇにおけるように、同じ表面または異なる表面について画かれた、装置１０ａ−ｆの１つ以上からの構造を有する。光学装置１０ａ−ｆは、装置内の全内部反射のプロセスを経て光の誘導を可能にするように、周囲の媒体例えば材料または気体例えば空気のそれよりも高い屈折率を有する光学材料例えばプラスチック、ガラス、ポリカーボネートまたはシリコーンからなる。以下に記述されるように、光学装置１０ａ−ｆの本体の１つ以上の表面上に、装置の外に漏れる照明の分散をコントロールすることと組み合わされて光を有効に引き出すように、リリーフ構造が表面に設けられる。
【００１３】
光学装置１０ａ−ｇの構造は、光学材料の１つ以上の表面上に構成され、従来のミリング、旋盤またはダイアモンド旋削によりこれら装置の本体が用意される。これらの技術は、また、例えばこれら装置の大きな平らなシートのための押し出しまたは非平面の形の製造のために、これら装置の射出成型または押し出し成型、または射出成型次にスランピングまたは加熱成形のための型を提供するのに使用できる。
【００１４】
光学装置１０ａ−ｇは、ほとんど透明な絶縁材料からつくられる平行な形状の構造を主として有する。光学装置１０ａ−ｇおよびそれらのそれぞれの構造の大きさは、光の波長に比べて大きく、回折の効果はほとんど無視され、光に関する光線のモデリングを可能にする。光学装置１０ａ−ｇは、隣接する面へ光をカップリングする目的で構造の１つの面中にカップリングされる光のための導管として作用する。これは、ほとんどの使用で、光が１つの末端中にカップリングされそして反対の末端から出る光ファイバーとは逆である。
【００１５】
光学装置１０ａ−ｇの表面は、反射と屈折との両者を利用して光をコントロールし、装置からすべての光をカップリングするか、または装置に残る光の開口数を維持するかまたは減らしつつ光の一部をカップリングするかのいずれかを行う。光学装置は、テーパーを付けられた光ガイド（光ガイドに関する厚さが薄くなるとき、開口数が、それに応じて増加する）とは反対に、不連続な段により光学装置の大きさを小さくすることによってのみ、それらの装置内の光の開口数を維持する原理に基づいて動作する。これは、装置内を通る光の開口数を増加することなく、光学装置の大きさを小さくしながら、出力のカップリングを可能にする。
【００１６】
図１−４５に示された光学装置１０ａ−ｅの操作の原理を理解するために、先ず、光ガイドの次元とその中に拡がる光の開口数との積として式（１）の光学的不変量を考える。
【００１７】
【数１】
2009526368.tif 000003
ただし、Ｘは光ガイドの次元であり、ＮＡｘは、式（２）
【００１８】
【数２】
2009526368.tif 000004
【００１９】
（ただし、装置の光学物質の屈折率はｎでありそして装置の軸に対して光の伝播の最大角はΘＲａｙ−ｍａｘである）により与えられるｘ方向の光の開口数である。式（１）および（２）は、もし装置の次元が小さくなると、光学装置内の光の角度が、それに応じて増加することを示す。この原理は、断熱的テーパーデザインに伴う開口数の増加を防ぐための光をカップリングしつつ、光学装置の次元を小さくすることにより避けられる。これは、残存する光の角度の増加なしに、光学装置の構造の厚さを減らすことを可能にする。これは、それ自体で側面から外へ漏れるか、または実際に反射して源に向かって戻るかの何れかの点に光学装置の次元を小さくすることがしばしば可能であるため、重要である。
【００２０】
光学装置１０ａ−ｅに関する光学デザインのルールは、目的とする表面からの１００％有効なカップリング（フレネル反射を除く）について、以下に示される。示されるように、装置の表面に入射する実質的にすべての光は、所望の表面を通って外へカップリング（射出）され、装置に残る光の開口数を維持または減少させつつ、この光を外へカップリングする。その上、光学装置から射出される引き出された光の出力の角度の分散をコントロールすることができる。光学装置のいくつかの特徴は、以下の通りである。
【００２１】
（１）肉眼で見える光ガイド＞＞波長
（２）厚さに比べて長い長さ（典型的な例では、厚さの＞１０倍）
（３）光ガイドに残る光の開口数の維持または減少
（４）開口数を維持するために光を外にカップリングすることによる光ガイドの次元の減少
（５）光線の角度を操作するための屈折および完全な内部反射の両者の使用
（６）前面および裏面の両者のデザインのルール
（７）ほぼ１００％のカップリング能率のために開発されたデザインルール
（８）出力光の角度のついた分散の最大のコントロール
【００２２】
図１について、上部の表面１４ａに沿って階段状の構造１１を設ける一連の段を有する光学材料の本体１２ａをもつ第１の態様の光学装置１０ａが示される。段のそれぞれは、同じ間隔をおいて配置されていることが示される。以下の理論上の説明により示されるように、光学装置１０ａは、前面の出力カップリングを用意し、光が装置１０ａの１つの末端１６ａ中に入力すなわち入射するとき、その光は段のそれぞれの前側の出口面１１ａにより分散され、そして光の実質的な部分は、これらの前側の出口面から分散されるまで、本体１２ａ内で内部で反射される。
【００２３】
光学装置１０ａは、本発明の概念を示すために主として提供され、そして光学装置１０ｂ−ｅに加えられる特徴が、前面に入射する実質的にすべての光のアウトカップリングをもたらすことができ、一方光学装置を出ない光の開口数を増大させないことから、記載された態様のなかで好ましい態様の最低のものと考えられる。この出力カップリングは、予定された方向に装置から光をカップリングしつつ、光学装置の次元を小さくする。光学装置からカップリングされた光は、装置の内側に伝播する光のそれに等しいかまたはそれよりも低い開口数を有する。これは、それを通って光が光学装置中にカップリングされた領域（末端面１６ａ）よりも実質的に広い領域（光学装置の前側表面）を通って光を発することによって光学不変量（式（１））に反することなく達成される。
【００２４】
光学装置１０ａの前側表面１４ａは、光を外へカップリングするために前側の末端表面１１ａおよび平行な表面１１ｂを用意する不連続の段を有し、そして装置の内側に伝播する光の開口数を大きくすると思われる角度のついたテーパーを用いることなく、本体１６の厚さを薄くする。光学装置１０ａの断面は、図２に示される。この態様は、断熱的テーパーデザインの場合におけるように、装置の厚さを薄くして零にしながら、光学装置内に伝播する光線の開口数が増加しないことを確実にするために、装置の次元を段々に小さくさせるとともに、光を外へカップリングする。この態様の目的は、前側の表面１４ａの構造の前側の出口面１１ａから光をカップリングすることである。残念ながら、この構造１１は、また、いくらかの光が裏面１５ａからカップリングすることを可能にする。
【００２５】
図２は、光が入力末端面１６ａを通って装置中に入射する光線の形態を示している。内部の光は、Ｒａｙ  ａ、Ｒａｙ  ｂ、Ｒａｙ  ｃおよびＲａｙ  ｄと名付けられた４つの光線により画かれる。Ｒａｙ  ａと名付けられた光線は、光学装置１０ａの表面に向かって図では上方に伝播しつつある。それは段の面に入射し、垂直方向から離れて段の面を通って屈折し、うまく装置を出ることを示している。Ｒａｙ  ｂと名付けられた光線は、光学軸１７ａと平行して進行している。この光線は、出口面１１ａの１つに入射し、そして媒体対空気の界面を通って伝播しそして軸１７ａと平行して装置から出ることが示されている。Ｒａｙ  ｃと名付けられた末端の光線は、装置の頂部の表面と反射して離れ、次に出口面１１ａの１つと衝突することが示されている。この光線は、スネルの法則に従って出口面の垂直方向から屈折して離れ、次に装置に再び入り、垂直方向に向かって屈折する。この光線は、装置に再び入ると、装置内に保持されない角度で伝播し、望ましくない方向に裏面１５ａから出る。光学装置１０ａの構造は、従って、所望の方向に光をアウトカップリングするのに有効ではない。Ｒａｙ  ｄは、裏面１５ａからの全内部反射を行う非常に下方を進行する光線を画いている。Ｒａｙ  ｄに関するこの状態は、光学装置材料の屈折率対周囲の媒体の屈折率の比が入射する光の開口数を支持するのに適切である限り、生ずる。
【００２６】
図２のＲａｙ  ｄのような最大角の光線の全内部反射を支持するための裏面１５ａおよび任意の平行な前側の表面１１ｂ（または装置の軸に平行な任意の他の表面）からの反射に関する有効性の条件は、以下に記述される。
表面の臨界角は、式（３）
【００２７】
【数３】
2009526368.tif 000005
（ただし、屈折率比は、式（４）
【００２８】
【数４】
2009526368.tif 000006
（ただし、変数ｎｌｇおよびｎｍは、それぞれ光学装置１０ａの材料および媒体の屈折率である）である）
により規定される。
光学装置１０ａの内側の光の最大角は、式（５）
【００２９】
【数５】
2009526368.tif 000007
【００３０】
（ただし、ＮＡは、入射される光線（空気中）の開口数の正弦である）
により規定される。ガウス分布光線の開口数は、分布の１／ｅ２強度値での角度の正弦である。ガウスのビームについて、１／ｅ２限界の外側のパラメーターにより伝播するエネルギーはほとんど無く、そしてこれは限界光線として使用できる。前側の出口面１１ａ上のこの光線の入射角は、式（６）
【００３１】
【数６】
2009526368.tif 000008
により与えられる。
完全な内部反射でこれらの光線を保持する光学装置１０ａでは、条件は、式（７）
【００３２】
【数７】
2009526368.tif 000009
を満足しなければならない。入射された光の開口数を保持するのに必要な要求される率の比Ｒｎは。図３に示される。屈折率比Ｒｎ＞１．４１は、光学装置１０ａ中に入射される１．０に等しい値の開口数を保持するだろう。屈折率比Ｒｎが図３に画かれた限界よりも大きい条件は、導かれた光の完全な内部反射を保持するために光学装置１０ａについて必要である。
【００３３】
図４について、本発明の第２の態様の光学装置１０ｂが示されている。光学装置１０ｂは、前側の表面１４ｂに沿って一連の反復する（または周期的な）鋭角の傾斜（またはつめ車）構造１８を有する光学材料の本体１２ｂを有する。それぞれの傾斜構造１８は、鋭角の昇り（または傾斜）表面１８ａおよび鋭角の前側の出口面（またはファセット）１８ｂを有する。前側の出口面１８ｂは、光が末端１６ｂで入力したとき、光を分散し、そしてこの光は、傾斜構造１８の前側の出口面１８ｂにより分散されるまで、本体１２２ｂ内で完全に内部で反射されることによって装置に導かれる。光学装置１０ｂは、前側の表面１４ｂに入射する実質的にすべての光を能率的に引き出し（フレネルの損失を除く）、後方に傾斜したその出口面１８ｂの直前に離れて傾斜しているその昇り表面１８ａを有するそれぞれの傾斜構造１８を有する。図５は、傾斜構造１８の３つの前側の表面構造の断面図である。昇り１８ａおよび出口面１８ｂは、有効であるために鋭角を形成する。この鋭角は、上記の第１の態様の光学装置１０ａの短所を避けるのに必要である。
【００３４】
光学装置１０ｂの軸１７ｂに対する昇り表面１８ａの角度は、ΘＲとして表される。軸１７ｂの垂直方向に対する出口面１８ｂの角度は、ΘＥＦとして表される。それぞれの傾斜構造１８と底部の表面１５ｂとの間の本体１２ｂの厚さは、光学装置１０ｂの長さに沿って同じである。底部の表面１５ｂは、実質的に平らで光学軸１７ｂと平行しており、そして式（７）の関係により提供されるように、光学装置１０ｂ中に入射されるすべての光線に完全な内部の反射をもたらす。前側の出口面１８ｂに入射する光のすべては、光学装置１０ａのＲａｙ  ｃ（図２）の場合のように、光学装置１０ｂに再び入る光を有することなく外へカップリングできる。これは、所定の開口数ＮＡおよび屈折率比ＲｎについてパラメーターΘＥおよびΘＥＦを適切にコントロールすることにより傾斜構造１８について達成される。すべての光が引き出されるとは限られない場合、反射されて光学装置１０ｂ中に戻る光線の角度が小さくなり、そのため残る光の有効な開口数を小さくするように、装置を最適にすることができる。光は、出口面１８ｂを通って屈折することにより光学装置１０ｂを直接出るか、または光は、昇り１８ａの頂部から反射し次に出口面１８ｂを通って屈折する。どちらの場合でも、光は、出口面１８ｂを通って光学装置１０ｂの外へカップリングされる。傾斜構造１８の出口面１８ｂに向かって上方に伝播した光線のみが、外へカップリングできる。それは、水平方向に伝播し下方方向に伝播する光線が、出口面１８ｂと決して相互作用しないからである。これは、光の半分のみが、傾斜構造１８とアウトカップリングし、そして出る光の開口数が、光学装置１０ｂ中に初めにカップリングされる光のそれよりも小さいことを意味する。光学的不変量（式（１）および（２））は、光が光学装置１０ｂの入射面１６ｂよりも大きな面積にわたって発されるため保存される。
【００３５】
光学装置１０ｂをデザインするためのフリーのパラメーターは、昇り角ΘＲ、昇り長さＬＲおよび出口面ΘＥＦのカットバック角である。昇り表面１８ａの長さは、それらの面が肉眼でほとんど区別できる点まで短くでき、発された照射の予定された角度のスペクトルを有する延長された光源を提供する。昇り高さＨは、関係、式（８）；
【００３６】
【数８】
2009526368.tif 000010
により与えられる従属変数である。
【００３７】
前側の表面１８ｂとの相互作用の目的は、以下の何れかである。
（ａ）装置の外への光のカップリング、または
（ｂ）その初めの値に等しいかまたはそれより小さい角度の大きさで、反射された光を再循環して装置中に戻すこと。この重要な特徴は、装置中に伝播する光の開口数を小さくする。
【００３８】
これを行うために、図６および７に明らかにされている４つの臨界光線限界を考える必要がある。図６では、構造１８の出口面１８ｂに直接入射する２つの極端な角度の光線が示されている。Ｒａｙ  １は、式（５）により規定されるようなΘＲａｙ−ｍａｘで伝播する最大角の光線である。Ｒａｙ  ２は、昇り表面１８ａから反射することなく出口面１８ｂに直接入射する最も下方を進行する光線である。これらの図において、Ｒａｙ  ２は、軸１７ｂに平行に進行し出口面１８ｂの底部で入射する角度零の光線である。光学装置１０ｂを出るにあたって、いずれの光線も、次の昇り表面１８ａを通って再び入らないという条件が、出口面１８ｂの角度ΘＥＦに課されている。
【００３９】
図７は、出口面１８ｂにあたる前に、構造１８の昇り表面１８ａからの完全な内部反射を行う光線の２つのケースに相当する。これらは、図７において光線３および４である。Ｒａｙ  ３では、開口数および昇り表面角度ΘＲが、示されたように、反射された光線が負の角度を有しそして出口面１８ｂの底部にあたることができる。一般に、出口面１８ｂの底部にあたる光線は、昇り表面１８ａの底部と頂部との間の昇り上の位置から反射する。Ｒａｙ  ４は、光の開口数および昇り表面１８ａの角度が、昇り表面１８ａの底部から反射する光線が、上方に進行しそして零ではない高さＨＲａｙで出口面１８ｂにあたるようなものであるケースに相当する。Ｒａｙ  ３およびＲａｙ  ４の相互作用に関する反射された光線の角度は零に近づくため、これらの２つのケースは、昇りの底部に入射する両方の光線および出口面１８ｂの底部に入射するそれらの反射された対応物により、少なくなる。
【００４０】
図８について、光学装置１０ｂに対する第１のデザインの制限は、光線の角度を広げるかまたはそれを後方に反射して源に向かわせるかの何れかができる角度で完全な内部の反射を避けるために出口面の角度になされる。この条件は、最大の上方への角度ΘＲａｙ−ｍａｘで伝播する光線が、光学装置１０ｂの光学材料に関する臨界角より小さい角度で出口面１８ｂに入射することである。まず、図８の命名を使用して、表面の垂直方向に対する光線の入射角は、式（９）
【００４１】
【数９】
2009526368.tif 000011
により規定される。
入射角は、以下の式（１０）のように、光学装置１０ｂの光学材料の臨界角よりも小さいことが要求される。
【００４２】
【数１０】
2009526368.tif 000012
（ただし、光学装置１０ｂの臨界角は式（３）および（４）の式により与えられる）。
この点で、これらの極端な上方へ進行する光線は、以下の式（１１）のように出口面１８ｂでの完全な内部の反射を行う。
【００４３】
【数１１】
2009526368.tif 000013
臨界角および最大光線角に関する定義を使用してこの不等式を書き換えると、以下の式（１２）のようになる。
【００４４】
【数１２】
2009526368.tif 000014
この制限を視覚化すると、この制限の条件のプロットは、屈折率比Ｒｎの種々の値について図９に示される。もし出口面角ΘＥＦが、所定の開口数および屈折率比Ｒｎについてプロットされる値より小さいならば、最大角の光線であるＲａｙ  １は、出口面１８ｂで完全な内部の反射を行わないだろう。これは、厳しくない制限であり、出口面のカットバック角度の選択にあたって、いくらかのデザインの自由度を可能にする。逆に、もし出口面１８ｂの角度が、それに入射する光線のいくらかまたは全部が、完全な内部の反射を行う点に拡大するならば、光線は、昇り表面１８ａに向かい、そして次に源に向かって戻る角度の方向で光ガイドを出るだろう。この条件は、前側の表面の構造１８が、より大きな角度の照明を作り出すことを可能にする。装置は、これにより、実質的により広い範囲の角度を照明する。
【００４５】
光学装置１０ｂに関する次のデザインルールは、Ｒａｙ  ２の挙動例えば角度ΘＥＦおよびΘＲを考えることにより誘導され、Ｒａｙ  ２は、次の昇り１８ａの頂部を通って光学装置に再び入ることはない。光線の角度の命名は、図１０で規定される。限界光線が装置の軸１７ｂと平行しているため、光線の角度ΘＲａｙ＝０である。式（９）の入射光線の角度の表現は、以下の式（１３）のようになる。
【００４６】
【数１３】
2009526368.tif 000015
昇り表面１８ａを通って屈折する光線の出る角度Θｅｘｉｔは、スネルの法則を使用して計算される。式（１４）；
【００４７】
【数１４】
2009526368.tif 000016
式（１４）は、表面の垂直方向に対する出る光線の角度を示している。軸１７ｂに対する伝播の新しい角度は、以下の式（１５）の通りである。
【００４８】
【数１５】
2009526368.tif 000017
伝播のこの新しい角度は、昇りの角度より大きくなくてはならないか、または光線は、光学装置１０ｂに再び入りそしてその初めの伝播角より大きい角度に屈折する。この条件を避けるために、新しい伝播角は、昇りの角度よりも大きいことが要求される。式（１６）；
【００４９】
【数１６】
2009526368.tif 000018
関連する定義を書き換えると、昇りの角度と出口面カットバック角度値との間の関係は、以下の式（１７）の通りである。
【００５０】
【数１７】
2009526368.tif 000019
【００５１】
この条件が満足されるとき、図１０に示される極端なＲａｙ  ２は、出口面１８ｂを通って出るが、光学装置１０ｂに決して再入しない。昇りの角度と出口面の角度との間のこの関係を立証するために、昇りの角度対出口面の角度のプロットは、光学装置１０ｂの屈折率対まわりの媒体の屈折率の種々の比に関して、図１１に示される。このプロットは、出口面の角度が、所定の昇りの角度に関する最低値よりも大きくなければならないか、または逆に、昇りの角度が、所定の出口面の角度に関する最大値よりも小さくなければならないことを示す。これらの曲線は、これらの前側の表面１８ｂを通る高能率の出力カップリングのための解空間を制限する。解は曲線の下および右側にあるので、屈折率比Ｒｎを増加すると解空間のサイズは増大する。
【００５２】
次に、図７に示されているＲａｙ  ３および４について示されるように、昇り１８ａを反射して離れ次に出口面１８ｂを通って出る光線に関するケースを考える。この検討について、このケースの詳細なダイアグラムは、図１２に示され、その場合、より一般的なＲａｙ  ４の相互作用が示されている。光線の第１の相互作用は、昇り１８ａからの反射にある。光線は、式（１８）
【００５３】
【数１８】
2009526368.tif 000020
により与えられる新しい方向をとる。もし光線が出口面１８ｂに入射するならば、それは、光学装置１０ｂから外にカップリングし、ΘＲａｙ−ｏｕｔにより表される角度で屈折する。この角度を決めるために、式（１９）
【００５４】
【数１９】
2009526368.tif 000021
のように、出口面の垂直方向に対して出口面１８ｂの入射角を示すのが有用である。次に、スネルの法則を用いて、出口面の垂直方向に対して出口面を通って伝達される光線の角度は、式（２０）
【００５５】
【数２０】
2009526368.tif 000022
により与えられる。軸１７ｂに対する出る光線の角度は、式（２１）
【００５６】
【数２１】
2009526368.tif 000023
【００５７】
として表される。出る光線の角度に関する式により、光線が光学装置１０ｂに再入することを防ぐ条件が規定できる。もし反射された光線の角度が、昇り１８ａの或る部分から反射する光線がΘ′Ｒａｙ＜０で出口面１８ｂの底部にあたるほど十分に小さいならば、極端な角度の光線は、図７のＲａｙ  ３のケースのように、出口面１８ｂの底部に入射するだろう。出口面１８ｂを通って屈折した後、それは、光学装置１０ｂへの再入を避けるために、昇りの角度よりも大きい角度を有しなければならない。この条件は、式（２２）
【００５８】
【数２２】
2009526368.tif 000024
により与えられる。式（１４）−（１８）で与えられる関係を組み合わせそして式（５）の光線の角度に関する限界値を用いて、光学装置１０ｂの他のデザインパラメーターを定義するのに必要な関係は、以下の式（２３）の通りである。
【００５９】
【数２３】
2009526368.tif 000025
式（２３）は、昇り表面１８ａから反射して離れそして出口面１８ｂの底部で出口面１８ｂを通って屈折する光線に関する式である。もし、一方、昇りの角度が、昇り表面１８ａの底部から反射して離れる極端な角度の光線（ΘＲａｙ−ｍａｘ）が正の角度（Θ′Ｒａｙ＞０）を有するほど十分に大きいならば、光線が昇り表面１８ａに入射する点はＨＲａｙ＞０である（図５および１０のＲａｙ  ４におけるように）。出口面１８ｂでの光線の高さは、式（２４）
【００６０】
【数２４】
2009526368.tif 000026
（ただし、光線が出口面１８ｂに全距離ＬＲを実際に進行するため、近似が生ずる）により与えられる。光線は、この距離よりわずかに短く進行するが、適度に小さい出口面および昇りの角度にとって、かなり正確である。出る光線が次の昇り１８ａの頂部に達することなく光学装置１０ｂ中への再入を避ける条件は、式（２５）
【００６１】
【数２５】
2009526368.tif 000027
により与えられる。ＨおよびＨＲａｙに関する定義を使用して、この最後の式は、式（２６）
【００６２】
【数２６】
2009526368.tif 000028
【００６３】
と書き換えられる。ただし、それぞれΘ′ＲａｙおよびΘＲａｙ−ｏｕｔに関する式（１８）および（２３）の定義が、なお適用される。式（２３）および（２６）は、昇り表面１８ａの角度と出口面１８ｂのカットバック角度との間の関係に下方の限界を課する。高能率の出力カップリングに必要なこの最後のデザイン条件を視覚化するために、境界条件が、ＲｎおよびＮＡの種々のパラメーターについて図１３および１４にプロットされる。図１３は、屈折率比が固定された開口数について低下するにつれ、最低の角度の制約が大きくなり、従って解空間のサイズを小さくする。図１４は、入力照明の開口数が固定した屈折率比について低下するにつれ、最低の角度の制約も低下し、従って解空間のサイズを大きくする。このデザインの制約のこの解釈は、出口面１８ｂおよび昇り１８ａの角度の両者が、これらの曲線により規定される点の軌跡よりも大きくなければならないことである。
【００６４】
次に、式（１２）、（１７）、（２３）および（２６）で示された３つのデザインのルールは、一緒にして所望に応じ光学装置１０ｂに関するパラメーターの選択を可能にする。図１５および１６は、屈折率比Ｒｎがそれぞれ１．５９および１．４に等しいケースについて、光学装置１０ｂの３つの境界デザインルールにより支配されるこのようなパラメーターの選択に関する解空間を示す。解空間は、式（１７）により頂部から限られている。解空間は、式（１２）により示される臨界角の限界により右側から限られている。解空間は、式（２３）および（２６）で示されている反射−屈折の相互作用のケースにおける制限光線により底部から限られている。０．１、０．３および０．５の開口数値のケースに関する解は、これらの図において指示されたラベルのついた陰影のある領域である。
【００６５】
例えば、図１５で示したように１．５９の屈折率比（空気中のポリカーボネート）、１８度の出口面１８ｂ角度値および約１０度の昇り表面１８ａの角度値を有する光学装置１０ｂが用意される。他の例では、図１６で示したように１．４の屈折率比（空気中のシリコーン）、〜２４度の出口面１８ｂ角度値および約１０度の昇り表面１８ａの角度値を有する光学装置１０ｂが用意される。これらの角度により規定される傾斜構造１８は、装置の頂部表面１４ｂに沿って反復して図４に示されるような光学装置を提供する。
【００６６】
出口面１８ｂおよび昇り表面１８ｂの次元は、典型的な例では、光学装置１０ｂの全厚さに比べて小さい。それらは、通常、光学装置１０ｂの元来の厚さの１／１０−１／１００の範囲にある。そのため、その厚さが５ｍｍである装置１０ｂの例では、出口面１８ｂの高さＨは、０．００５−０．５ｍｍの範囲にある。昇り１８ｂの長さは、その角度および昇りの高さＨにより決められる。現在の例では、これは、構造１８の長さＬが長さ０．０１−１ｍｍの範囲にあることを意味する。これらは、近似の範囲であり、これらの範囲外で操作することも可能である。例えば、大きな構造１８は、粗い、滑らかさの少ない照明を生ずるが、一方小さい構造１８は、光学装置の表面１４ｂに近い滑らかなしかも均一な照明を生ずる。構造１８が高さ０．０５ｍｍ以下に小さくなると、構造の自由度は、より厳しいものになる。
【００６７】
これらの例は、屈折率比が低下するにつれ、解空間が狭くなることを示す。増加した屈折率比および低下した入力開口数の照明は、光学装置１０ｂに関する可能なパラメーターのサイズを増やす。これらの例では、光学装置を出る光線の角度は、これらの２つの角度を顕著な角度の範囲に同調することにより、調節できる。例えば、図１６に示されているようなＮＡ＝０．１および率比Ｒｎ＝１．４の場合の角度の範囲では、５度と４０度との間の出口面角度が選択できる。大きな出口面角度は、プリズムのように作用して、光を光学装置から離れるように導く。この効果は、以下に記述される図３５Ａおよび３５Ｂで示されており、それらは、出口面角度が２０度から４０度に変化するように調節された光の分散を示す。
【００６８】
光が所望の方向に光学装置１０ｂの外へ有効にカップリングされる間、装置の厚さを零に小さくすることなく、または装置の末端１９ｂ（図４）で最後の出口面１８ｂを有することなく、光のすべてを外にカップリングすることはできない。末端１９ｂでの出口面１８ｂは、この域から発する光の同じ角度のスペクトルを提供するために、前の出口面角度とほぼ同じでなければならない。末端１８ｂでの出口面は、また、この面からの光線の角度のスペクトルを改変する構造をもつ。図１７の光学装置１０ｃについて以下に記述されるように、末端１６ｂからまたは１９ｂへ光学装置の厚さを薄くすることは、光学装置の末端の外への光の残りをカップリングする別の方法として使用できる。
【００６９】
光学装置１０ｂの他の例で、図１５について、ＮＡ＝０．５およびＲｎ＝１．５９に関する解空間の中心は、ΘＲ＝１０度の昇りの角度およびΘＥＦ＝１８度の出口面角度でのものである。もし発光の角度が光学装置の軸に垂直の方向に対して選ばれるならば、全部の光は、出口面角度と昇りの角度の余角との間、すなわち光学装置の軸に垂直な方向から１８度と８０度との間に出る。これらの角度は、入射された光のこの伝播方向に沿ってほとんど前方への方向の照明をもたらす。
【００７０】
さらなる例では、図１６について、ＮＡ＝０．３およびＲｎ＝１．４０で、昇りの角度ΘＲ＝１０度および出口面角度ΘＥＦ＝３０度を選択できる。このケースでは、昇り表面角度は、最大光線角度より大きく、昇り表面からの光の反射はなく、光ガイドを出るすべての光は、出口面に直接入射する。すべての光は、出口面と昇り表面角度の余角との間、すなわち、このケースでは光学装置の軸の垂直方向の３０度と８０度との間で発する。もう一度、光は、入射する光の伝播方向により規定されるように、ほとんど前方の方向に発する。
【００７１】
図１７について、本発明の第３の態様の光学装置１０ｃが示される。光学装置１０ｃは、昇り（傾斜）表面２０ａおよび出口面２０ｂを有する頂部の表面１４ｃに沿って傾斜構造２０を有する。傾斜構造２０は、光学装置１０ｂの傾斜構造１８に類似しているが、光学装置１０ｂとは異なり、光学装置の本体１２ｃの厚さは薄くなり、そして光が光学装置の外へカップリングする速度は、コントロールされる。これは、また、光学装置１０ｂの第２の態様で生ずるような装置の末端の外へ残りの光がカップリングする問題を軽減する。光学装置１０ｃの厚さを末端１９ｃで零に薄くすることにより、末端１６ｃから入力される実質的にすべての光は、傾斜構造２０の出口面２０ｂから引き出される。図１８は、光学装置１０ｃの前側の表面構造の断面図である。出口面の高さＨＥＦは、式（８）の関係により昇りの角度ΘＲにもはや直接関係しない変数である。その代わり、出口面２０ｂは、出口面角度ΘＥＦで式（２７）
【００７２】
【数２７】
2009526368.tif 000029
（ただし、無次元のスケールのパラメーターαが導入されそして式（２８）
【００７３】
【数２８】
2009526368.tif 000030
で制約される）
として示される出口面の高さＨＥＦに対して下方および裏側に向かって続く角度を有する。この厚さの低下に加えて、光学装置１０ｃの厚さが薄くなる率は、式（２９）
【００７４】
【数２９】
2009526368.tif 000031
として示すことができる。
昇りの角度ΘＲの正接により測られる量（１−α）は、光学装置１０ｃの軸１７ｃに対して有効なスロープを導入するように働く。図６に画かれたＲａｙ  １の相互作用がこの装置と同じであるので、Ｒａｙ  １の相互作用について誘導された式（１２）による出口面角度ΘＥＦに関する制約は、なお適用される。光学装置１０ｃについて光線Ｒａｙ  ２′、Ｒａｙ  ３′およびＲａｙ  ４′において規定された制約は、図１９−２２に関連して決められる。
【００７５】
図１９は、光学装置１０ｃにおけるＲａｙ  ２′の相互作用を示す。下方へ屈折する光線を制限することは、式（３０）
【００７６】
【数３０】
2009526368.tif 000032
（ただし、高さＨは、なお式（１）により定義される）によりΘＲａｙとして示される。ＨおよびＨＥＦに関する定義を使用して、式（２２）は、式（３１）
【００７７】
【数３１】
2009526368.tif 000033
と書き換えられる。これは、式（２９）により与えられる有効なテーパー角と同じである。Ｒａｙ  ２′が下方に進行するので、光線の入射角は、式（３２）
【００７８】
【数３２】
2009526368.tif 000034
により与えられる。スネルの法則および既に規定された定義を使用して、装置１０ｃを出る光線の角度に関する式は、式（３３）
【００７９】
【数３３】
2009526368.tif 000035
である。この出る光線は、光学装置１０ｃに再入することはなく、その角度は昇りの角度より大きくなければならない。すなわち、以下の式（３４）の通りである。
【００８０】
【数３４】
2009526368.tif 000036
式（３４）は、光学装置１０ｃを出て次の昇り表面２０ａを通って再入しないＲａｙ  ２′に関する基準である。もしα＝１ならば、式（３４）は、第２の態様の光学デザイン１０ｂに関する式（１７）の式に戻る。この関係への解は、図２０でプロットされる。パラメーターαが増加すると、上方の角度の制限は下方に移動し、解空間を狭くする。α＝１．３のケースでは、昇りの角度は、２０度の出口面角度について８度よりも小さくなければならない。例えば、α＝１．３に関する８度の昇りの角度は、式（２９）に記述したように、約２．４度の有効な厚さの低下をもたらす。
【００８１】
光学装置１０ｃに関する前側面２０ｂへの極端な反射−屈折の光線の相互作用により課されるデザインの制約を、以下に記述する。この検討のため、図２１は、Ｒａｙ  ４′の相互作用を示す。出口面２０ｂにおける光線の高さＨＲａｙは、以下の式（３５）
【００８２】
【数３５】
2009526368.tif 000037
（ただし、もう一度、これは近似の関係である）により与えられる。出る光線が光学装置１０ｃに再入してはならない制約は、光線が、次の昇り２０ａの先端の高さを達成しなければならないものとして、以下の式（３６）のように言い換えることができる。
【００８３】
【数３６】
2009526368.tif 000038
ＨおよびＨＲａｙの定義を置換して、この条件は、以下の式（３７）に示されるものになる。
【００８４】
【数３７】
2009526368.tif 000039
この式は、α＝１について式（２６）に書き換えられ、すなわち厚さの減少がない。この条件は、出口面２０ｂでの光線の位置が、以下の式（３８）の条件
【００８５】
【数３８】
2009526368.tif 000040
を満足するときに適用され、それは、これがＲａｙ  ４′の相互作用であることを意味する。この条件は、反射された光線の角度Θ′Ｒａｙに対する条件として示すことができる（式（３９））。
【００８６】
【数３９】
2009526368.tif 000041
Ｒａｙ  ３′の相互作用では、光線の角度は、それがこの関係を満足させず、出力光線の角度ΘＲａｙ−ｏｕｔが条件；式（４０）
【００８７】
【数４０】
2009526368.tif 000042
を満足するのに必要であるようなものである。出力光線の角度ΘＲａｙ−ｏｕｔは、もう一度、式（４１）
【００８８】
【数４１】
2009526368.tif 000043
により規定される。式（４１）の条件は、式（２３）と同じである。式（３７）および（４１）は、光学装置１０ｃについてパラメーターを選択するための解空間に関する下方の境界の条件をともに形成する。この境界の条件は、図２２において、率比Ｒｎ＝１．５９、開口数０．５およびαの種々の値についてプロットされる。パラメーターαは、この境界条件に強く影響しない。
【００８９】
図２３および２４において、光学装置１０ｃの３つのデザインの制約がプロットされて、パラメーターαのいくつかの値について解空間を示す。解空間は、同じ率比について図１３および１４からのそれと比較できる。解空間は、厚さの低下により狭くなっている。例えば、図２４では、選ばれたパラメーターについて、１．４の率比および０．５の開口数に関し出口面の外へ１００％カップリングするための解空間は狭い。
【００９０】
例えば、光学装置１０ｃは、示されたα＝１．３のケースについて、２０度の出口面角度値および８度の昇りの角度値に中心をもつ０．５の開口数、１．５９の率比Ｒｎに関して、図２３からパラメーターを有するように選択できる。０．３および０．１の開口数値は、パラメーターのこのセットでは、なお極めて大きい。この例について式（２９）により与えられるような有効なテーパー角（厚さの低下を規定する）は、約２．４度である。もしパラメーターが光学装置１０ｃの長さ方向にわたって変化しないならば、厚さは、入力末端面１６ｃまたは入力面に対する第１の傾斜構造２０の開始における光学装置の厚さの約２４倍の長さにわたって零に低下できるだろう。この例では、光は、末端１６ｃからの入射する光の伝播方向に沿って前方の方向に、光学装置１０ｃの軸１７ｃ（図１８）に垂直な方向から２０度から８２度の角度で発するだろう。
【００９１】
他の例では、光学装置１０ｃは、示されるα＝１．２のケースについて、２４度の出口面角度値および８度の昇りの角度値に中心をもつ０．５の開口数、１．４の率比Ｒｎに関して、図２４からパラメーターを有するように選択できる。０．３および０．１の開口数値は、パラメーターのこのセットでは、極めて大きい。この例について式（２９）により与えられるような有効なテーパー角は、約１．６度である。もしパラメーターが光学装置１０ｃの長さ方向にわたって変化しないならば、厚さは、入力末端面１６ｃまたは入力面に対する第１の傾斜構造２０の開始における光学装置の厚さの約３６倍の長さにわたって零に低下できるだろう。この例では、光は、末端１６ｃからの入射する光の伝播方向に沿って前方の方向に、光学装置１０ｃの軸１７ｃに垂直な方向から２４度から８２度の角度で発するだろう。
【００９２】
図２５について、本発明の第４の態様の光学装置１０ｄが示されている。光学装置１０ｄは、光学装置１０ｃに類似する末端１６ｄから１９ｄへその長さに沿って段々にまたは漸次低下した厚さを有する前側の表面１４ｄに傾斜構造２２をもつ光学材料の本体１２を有する。それぞれの傾斜構造２２は、それぞれ光学装置１０ｂおよび１０ｃの傾斜構造１８および２０に類似した昇り（または傾斜）表面２２ａおよび前側の出口面２２を有する。傾斜構造２２の隣接する組は、装置の光学軸１７ｄに平行な前側の表面１４ｄ上の平らな表面２４により分けられている。このような平らな表面２４の追加は、光学装置１０ｃに関して検討されたすべてのパラメーターの範囲について解空間を広げる。第４の態様の光学装置１０ｄの断面図は、図２６に示される。
【００９３】
出口面角度ΘＥＦ、昇りの角度Ｒおよび出口面の高さＨＥＦのデザインの変数に加えて、パラメーターＳが加えられ、それはそれぞれの平らな表面２４の長さに相当する。この平らな表面の目的は、光学装置１０ｄからの光のアウトカップリングの率を規制し、それにより光学装置の外へカップリングしない光の開口数を維持しつつ、パラメーターの解空間を広げるように作用することである。パラメーターＳは、以下の式（４２）の定義
【００９４】
【数４２】
2009526368.tif 000044
（ただし、βは式（４３）
【００９５】
【数４３】
2009526368.tif 000045
により制約される無次元で測られるパラメーターである）により昇り表面ＬＲの長さに関係している。平らな表面２４の追加とともに、光学装置１０ｄのテーパーの有効な角度に関する式は、式（４４）
【００９６】
【数４４】
2009526368.tif 000046
である。もう一度、式（１２）で与えられる臨界角の条件は、なお有効である。最小および最大の角度の制約が、次に決定される。平らな表面２４の追加は、パラメーターの所定のセット、すなわちＲｎおよびＮＡについて昇りおよび出口面の角度を調節するのに、より広いデザインの自由度を可能にする。
【００９７】
図２７について、出口面２２ｂの高さは、式（２７）および（２８）により、なお与えられる。限界の下方へ進行する光線（Ｒａｙ  ２′）は、出口面２２ｂに入射する。その伝播角度は、出口面２２ｂを通って屈折した後、式（３３）により、なお正確に記述される。このとき、限界出口角度は、光線が次の昇り２２ａに遭遇するために追加の距離を進行する必要があるため、ΘＲより小さい。出る光線の角度に関する制限角度は、式（４５）
【００９８】
【数４５】
2009526368.tif 000047
により制限される。Ｈ、ＬＲおよびＳに関する式を置換することにより、式（４５）は、式（４６）
【００９９】
【数４６】
2009526368.tif 000048
と書き換えられる。式（３３）に示されるΘＲａｙ−ｏｕｔに関する式を使用して、光学装置１０ｄに関する上方の角度の制限デザインの制約は、式（４７）
【０１００】
【数４７】
2009526368.tif 000049
である。この式は、条件β＝０について式（３４）に戻る。このデザインの制約は、図２８において種々のパラメーターについてプロットされる。図は、厚さが薄くなるにつれ、パラメーターαは増加し、最大の角度の制約は低下し、デザインの空間をせまくすることを示す。しかし、平らな表面２４は、βが０から２に増加するにつれ、α＝１．５の値について角度の制約を顕著に緩めることになる。
【０１０１】
図２９について、光学装置１０ｄについて反射および屈折の両者を行う限界光線により課される制約が記述される。まず、Ｒａｙ  ４′の相互作用に関する式（３７）を満足する反射された光線の角度について考える。次の昇り２２ａの頂部を通って光学装置１０ｄ中への再入を避けるために、出る光線の角度は、式（４８）
【０１０２】
【数４８】
2009526368.tif 000050
により制限され、それは種々のパラメーターについて値を置換した後、式（４９）
【０１０３】
【数４９】
2009526368.tif 000051
になる。逆に、光線の角度が式（３６）に規定された制限より小さいとき、光線の相互作用は、図５に示されるＲａｙ  ３の相互作用に似ており、境界条件は、式（５０）
【０１０４】
【数５０】
2009526368.tif 000052
になり、それは式（５１）
【０１０５】
【数５１】
2009526368.tif 000053
と書き換えられる。式（４９）および（５１）は、低下した厚さおよび平らな表面の特徴を有する光学装置１０ｄについて解空間の小さい角度の制限を示す。この小さい角度の制限は、図３０にプロットされる。最小の角度は、平らな表面２４のサイズを大きくすることにより実質的に小さくなり、それはパラメーターβの増加と同じである。
【０１０６】
図３１は、パラメーター値、α＝１．５、β＝１．０、Ｒｎ＝１．５９および開口数０．５、０．３、０．１に関する光学装置１０ｄの３つのデザイン制約のすべてのプロットを示す。例えば、光学装置１０ｄのパラメーターは、率比Ｒｎ＝１．５９（約８度の昇りの角度にある）および約１８度の出口面角度について選択される。式（４４）について、この例の有効なテーパー角は約２度である。もしパラメーターが光学装置１０ｄの長さにわたって変化しないならば、光学装置の長さは、厚さを零にうすくするために最初の厚さの約２９倍であろう。この例では、末端面１６ｄから入射されるすべての光は、入射された光の伝播の方向に対して前方の方向で装置の軸１７ｄ（図２６）の垂直方向について前側の表面１４ｄから１８度と８２度との間の角度で発する。
【０１０７】
図３２は、パラメーター値、α＝１．５、β＝１．０、Ｒｎ＝１．４０および開口数０．５、０．３、０．１に関する光学装置１０ｄの３つのデザイン制約のすべてのプロットを示す。他の例では、光学装置１０ｄのパラメーターは、０．５のＮＡ、約８度の昇りの角度および約２４度の出口面角度について選択される。この例の有効なテーパー角は約２度である。この例の光の分散は、軸１７ｄの垂直方向に対して２４度と８２度との間である。
【０１０８】
光学装置１０ｂ、１０ｃおよび１０ｄの前側の鋭角の傾斜構造からの光の分散が、次にさらに詳細に記述される。すべての３つの装置１０ｂ、１０ｃおよび１０ｄは、光の分散の２つの制限するケースを可能にする。第１のケースは、出口面および昇り表面の両者に対して垂直方向を含む平面に沿って、出口面および昇り平面により画成される角度の間に分散される広角の照明を生ずる。第２のケースは、出口面角度を調節することによって導かれる、より狭い分散を生ずる。第１のケースは、０．３以上に近づく開口数に関連する。第２のケースは、典型的な例として０．３より低い開口数のような、より低い値について有効である。両方のケースにおいて、源のコリメーションをもたらすことにより、図４１−４５に関連して以下に記述されるように光学装置の幅が改変されない限り、光は、最初の源の分散に同じ方法で、光学装置１０ｂ、１０ｃおよび１０ｄの幅に沿って分散する。
【０１０９】
大きな角度の分散のケースでは、この第１の光の分散の例を成功させる条件は、光学装置１０ｂ、１０ｃおよび１０ｄのそれぞれの傾斜構造１８、２０、２２の角度が、昇りの角度が最大の光線の角度ΘＲａｙ−ｍａｘのほぼ半分でありそして出口面角度ΘＥＦが、光の適切な開口数に関する臨界角の制限により規定されるように最大角またはその付近であるように選択される。例えば、図２５の光学装置１０ｄのケースでは、要求を満足するパラメーターは、約８度の昇りの角度値および約１８度の出口面角度に近い。この例に関する光の分散は、図３４Ａに画かれそして図３４Ｂにプロットされる。水平軸は、光学装置の軸の垂直方向に対する光の方向である。零度の照明角度は、従って、光学装置の表面に対して垂直方向であり、そして９０度の照明角度は、従って、光学装置の軸に直接平行している。図３４Ｂのプロットは、光が、出口面角度（１８度）と昇り表面角度の余角（８２度）との間の角度の範囲にわたって分散している。ほとんどの光は、表面の垂直方向の６０度と８０度との間に入る。同様な例は、開口数および屈折率比Ｒｎのいくつかの値について他の鋭角の光学装置１０ｂおよび１０ｃに関して存在する。
【０１１０】
光の開口数が小さく、そのため光学装置本体内部の角度の分散が小さいとき、光ガイドを出る光の分散をコントロールするように、昇りおよび出口面の角度を調節することができる。図３５Ａおよび３５Ｂにおいて、小さい開口数ＮＡ＝０．１、１．４の率比Ｒｎおよび２度の昇り表面角度のケースに関する光の分散がプロットされる。昇り表面およびＮＡのこの値について、光は出口面角度を通って直接出るとともに昇り表面を反射して離れ、そして出口面表面を通って出る。図３５Ａにおいて、出口面角度は２０度であり、そしてほとんどの光は、光学装置の垂直方向に対して約８０度の角度の付近で分散する。図３５Ｂでは、出口面角度は４０度であり、照明は、光学装置の垂直方向に対して約６５度の角度に集中する。このＮＡおよびＲｎを利用する他の鋭角の光学装置１０ｃおよび１０ｄは、図３５Ａおよび３５Ｂのこのような光の分散を同様に有する。
【０１１１】
より狭い分散のケースでは、光学装置１０ｂ、１０ｃおよび１０ｄに入射する光の開口数は、図３３の曲線により規定されるような光ガイドにおける光の最大角ΘＲａｙ−ｏｕｔを昇り表面の角度が超えることを可能にするほど十分に小さい。昇りの角度は、限界光線の角度ΘＲａｙ−ｏｕｔよりも大きいように選択される。これは、どんな光線も昇り表面を反射して離れないが、その代わり出口面に直接入射することを確実にする。このケースでは、光の分散は、出口面と昇り表面との間の角度よりも小さく、そして分散が、出口面および昇り表面の両方に垂直な表面を含む平面に沿って導かれる。誘導は、図３３の曲線に存在する角度により限られる値と、所定のデザインの態様に関する最大角の制約との間の出口面角度ΘＥＦを調節することにより達成される。例えば、図１０の光学装置１０ｂのケースにおいて、ＮＡ＝０．１で、最大光線角度ΘＲａｙ−ｍａｘは、率比Ｒｎ＝１．４について図３３で分かるように、約４度である。図１６について、出口面角度は、１０度と４１度との間でなければならない。図３６では、出口面角度ΘＥＦのいくつかの値に関する光の分散のプロットが提供されている。プロットは、いくつかのパラメーターについてこの例の光学装置１０ｂから発する光の正常化された強度の分散を示す。この解は、４度の昇りの角度の余角により限られる角度で、または８６度の照明角度で、光が出ることを可能にするに過ぎないことを記憶しておく必要がある。また、図３６は、出口面角度が増加するとき、光の分散が、比較的狭いままであるが、光学装置の軸の垂直方向すなわち９０度に向かって誘導されることを示す。同様な例は、開口数および屈折率比のいくつかの値に関して他の鋭角の光学装置１０ｃおよび１０ｄについて存在する。
【０１１２】
所望により、光学装置１０ａ、１０ｂ、１０ｃおよび１０ｄのそれぞれの前側の出口面１１ａ、１８ｂ、２０ｂまたは２２ｂは、それらのそれぞれの頂部表面１４ａ、１４ｂ、１４ｃおよび１４ｄに沿ってそれらの弓形の角度の隆起に沿い断面で曲線の表面である。例えば、図３７は、前側の出口面１８ｂが、図５に示されているように直線状であるよりもむしろ凹形である光学装置１０ｂの部分的な断面を示す。前側の出口面の湾曲は、図６、８および１０へ直線で入射するとき、それらに相当する光Ｒａｙ  １および２に比べて、図３７の曲がった出口面１８ｂへ入射する光Ｒａｙ  １′′′および２′′′により示されるように、装置の厚さに沿って発された照射の角度に影響する。傾斜構造１８は、反射を避けるのに十分なほど大きな昇り１８ａ角度を有する。曲がった前側の出口面１８ｂは、誘導された開口数の少ない照明をもたらすように、装置１０ｂの頂部表面１４ｂからの光の分散を変化させる。光学装置１０ａ、１０ｃおよび１０ｄのそれぞれ前側の出口面１１ａ、２０ｂおよび２２ｂは、同様に曲がった表面であるか、または前側の出口面１１ａ、１８ｂ、２０ｂまたは２２ｂは、他の形状を有してそれらのそれぞれの装置１０ａ、１０ｃおよび１０ｄについて所望の光の分散をもたらす。
【０１１３】
所望により、光学装置１０ａ、１０ｂ、１０ｃおよび１０ｄのそれぞれの前側の出口面１１ａ、１８ｂ、２０ｂまたは２２ｂは、装置の幅に沿って弓形の路をたどり、それぞれの頂部表面１４ａ、１４ｂ、１４ｃおよび１４ｄからの光の分散を行う。例えば、図３８は、それぞれの昇り（傾斜）表面１８ａおよびそれぞれの前側の出口面１８ｂの前方の端が、図４に示されるように直線状であることよりもむしろ、装置の幅に沿って曲がっている、図４の光学装置１０ｂを示す。光学装置１０ａ、１０ｃおよび１０ｄのそれぞれの前側の出口面１１ａ、２０ｂおよび２２ｂは、同様に曲がった表面であるか、または前側の出口面１１ａ、１８ｂ、２０ｂまたは２２ｂは、装置の幅に沿って他の形状を有して、それぞれの装置１０ａ、１０ｂ、１０ｃおよび１０ｄについて所望の光の分散を提供する。また、前側の出口面１１ａ、１８ｂ、２０ｂまたは２２ｂは、装置の幅に沿って成形され（例えば図３８）しかもそれらのそれぞれの頂部表面に沿ってそれらの鋭角の隆起（例えば図３７）に沿って断面で成形される。
【０１１４】
それらの光学軸がそれらのそれぞれの裏面と平行な平面とほぼ一致している上記の光学装置１０ｂ、１０ｃおよび１０ｄが示されているが、光学装置の本体は、図３９に示されるように装置の軸に垂直な軸のまわりに曲がっているか、または図４０に示されているように装置の軸に平行な軸のまわりに曲がっているか、または図４１に示されているように円筒を形成するために装置の軸に平行な軸のまわりを完全に曲げられている。図３９−４１は、光学装置１０ｂについて示されているが、光学装置１０ｃおよび１０ｄは、同様な形状を形成できる。さらに、光学装置１０ｂ、１０ｃおよび１０ｄは、特定の照明の用途に必要なこれらの図に示されているものに限定されず、他の形状またはそれらの組み合わせを形成できる。
【０１１５】
それぞれの光学装置１０ｂ、１０ｃおよび１０ｄに関する図１５、１６、２３、２４、３１および３２のプロットは、能率的な出力カップリングについて、開口数が０．５の値を越えて大きく増加するとき、パラメーターの選択は小さくなるかまたは屈折率比Ｒｎのより小さい値について全く消失することを示す。しばしば、空気中のポリカーボネートのケースよりも高い屈折率比Ｒｎを有するか、または光学的デザインにおいて、いくらかの自由度を可能にするために源の開口数を改変するかの何れかが望ましい。
【０１１６】
図４２−４５について、光学装置１０ｂ、１０ｃまたは１０ｄの本体は、能率的な出力カップリングの解を得るかまたは所定の源の開口数について選択できる光学装置のパラメーターを広げる目的で、光学装置における光の開口数を減らすように、光を入力するためのそれらの末端面とそれらの最初の鋭角をもつ傾斜構造との間に成形した入力部分２８ａ−ｃを有する。これは、光学装置の次元を増やすことが、式（１）から明らかなように、光学装置における光の開口数を減らすために生ずる。例えば、光は、図３に示されるように、その率比Ｒｎが少なくとも１．４である光学装置中に、ＮＡ＝１までの開口数を支持するためにカップリングできる。一度高いＮＡの光線が光学装置中にカップリングされると、光学装置は、導かれた光線の開口数を減らすように成形できる。光の開口数の減少は、光学装置の前側表面および裏面に垂直な方向にある。
【０１１７】
例えば、図４２および４３は、光学装置の入口面に沿って末端１６ｄから最初の傾斜構造２２の開始へ増加する入力部分２８ａの厚さを有する光学装置１０ｄを示す。図４２は、長い入口末端面１６ｄ例えばＬＥＤの線状の列のような線源からの光のカップリングを示す。光の急速なコリメーションをもたらすために放物線の軌線で増加する光学装置の厚さが示される。図４３は、小さい光源からカップリングの光のためのような、よりコンパクトな末端面１６ｄを示し、その場合、厚さは、再び増加されて光学装置の光のコリメーションをもたらす。一度装置の厚さが適切に増加すると、傾斜構造２２は、光学装置の外へ光を能率的にカップリングする。光学装置の厚さを零またはその付近に減らすことは、望むように、すべての光の能率的な分散をもたらす。入力部分２８ａでの光学装置の厚さは、所望の開口数が達成されるまで、増加されねばならない。図４２および４３は光学装置１０ｄを示しているが、他の光学装置１０ｂおよび１０ｃも同様に成形された入力部分を有して所望のコリメーションをもたらす。
【０１１８】
図４４および４５では、入力部分２８ｂおよび２８ｃは、それぞれ、幅の方向に減少した開口数の光を発するように、幅の方向に光学装置１０ｂの開口数を減らすように成形される。幅の次元に沿って光学装置から発されそして光学装置内の照射のＮＡを減らしそして光学装置の幅を増やすために、幅の次元で最初の傾斜構造１８と末端１６ｂとの間で、図４４は、放物線状のテーパーを有する入力部分２８ｂを示し、そして図４５は、線状のテーパーを有する入力部分２８ｃを示す。照明の分散を整えるかまたは光学装置の面での強度を低下させるかの何れかで、これは、大きな面積から一層コリメーションされた光を伝達する目的のため、単一の小さい源から、より広い照明を生成するのに使用できる。図４４および４５は光学装置１０ｂを示しているが、他の光学装置１０ｃおよび１０ｄも、同様に成形された入力部分を有して所望のコリメーションを提供する。また、図４２−４５に示された光学装置の本体が、それらのそれぞれの入力部分２８ａ−ｃを提供するのに成形されるが、所望により、光学要素が、このような入力部分の代わりにまたはそれと組み合わされて提供されて、光学装置に照明の大きさおよび／または調整をもたらすおよび／または増加させる。
【０１１９】
図４６Ａについて、その頂部表面から発光する構造をもつ裏側の表面を有する本発明の５番目の態様の光学装置１０ｃが示される。光学装置１０ｃは、装置の底部表面３４に沿って互いに交互する傾斜構造３２および下り構造３６を有する光学材料の本体３０を有する。傾斜構造３２および下り構造３６は、装置の軸３７に相当する次元に沿って延在し、それは、図４８で最も良く示されているように、装置の頂部表面３３に実質的に平行している。それぞれの傾斜構造３２は、軸３７に対して鋭角の昇り表面（または隆起）３２ａを有する。それぞれの下り構造は、軸３７の垂直方向３７ａに対して鋭角の下り表面を有し、そして頂部表面に実質的に平行な表面３６ｂを有する。装置の本体は、傾斜構造３２が末端３８から末端３９へ装置に沿って延在する下り構造３６と交互するとき、次第にその厚さを薄くする。以下の理論上の検討により示されるように、光が３８の末端から受容されるとき、光は、傾斜構造の１つから装置の頂部の表面からの出口への反射によって分散されるか、または下り構造の隣接する１つを経て傾斜構造の１つを通って伝達されて本体中に戻るまで、本体３０内で完全に内部で反射される。
【０１２０】
説明を目的として、図４６Ｂの２つの平らな表面４１ａおよび４１ｂを有する一般的な光学要素４１を考える。光は末端４１ｃで入射し、そして光は軸４０に対して今後規定される角度のある空間中に発せられ、そして式（５２）
【０１２１】
【数５２】
2009526368.tif 000054
（ただし、ｎは、光が伝播する周囲の媒体の屈折率であり、Θｍａｘは、このケースでは軸４０である任意の軸に対する光の最大角である）により規定される光学要素４１の光学材料の開口数（ＮＡ）を特徴とする。光は源から入り、そしてもし角度Θｍａｘが十分に小さいならば、光は光学装置の材料の臨界角を越えることなく、そしてその伝播角度を変更する構造に遭遇するまで、完全な内部の反射を通って光学装置に閉じ込めたままであり、そして光ガイドから放出または発せられる。源からの光（矢印４２により示される）は、表面の垂直方向および軸４０に対して空気中で角度θ′で光学要素４１の入口面４１ｃにあたる。光線は、スネルの法則に従って表面４１ｃで屈折し、ｎｓｉｎθ＝ｓｉｎθ′であり、そして角度θで光学要素１４中を伝播する。
結局、それは、軌跡の垂直方向に対して角度βで頂部表面４１ａにあたる。もしβが、式（５３）
【０１２２】
【数５３】
2009526368.tif 000055
により規定される臨界角よりも大きいならば、光線は、完全な内部の反射（ＴＩＲ）を経験し、そしてどんな光も表面を通って伝達されない。これは、光ガイドの基本的な原理である。ＴＩＲに関するθおよびθ′の条件は、以下の式（５４）である。
【０１２３】
【数５４】
2009526368.tif 000056
√２より大きいｎについて、９０°までの角度ですべての光線が光学要素４１に入りそして完全に内部で反射することに注意すべきである。
【０１２４】
図４６Ａの光学装置１０ｃでは、傾斜構造３２は、光の伝播角度を変えて、規定された角度の空間中に前側の表面３３から光が発するようにする。図４７は、光学装置１０ｅの使用の例を示し、その場合、源４４からの光は、発光する（矢印４６により示される）頂部の表面３３を有する末端３８から光学装置１０ｅ中に入射される。傾斜構造３２は、裏面または底面３４に沿って、頂部の表面３３から外への発光のために、光学装置１０ｅの内側に光を再び導く。装置１０ｅは、平面の基体として画かれているが、装置は、光学装置１０ｂ−ｅについて前述したそれに類似して曲がったまたはカーブしている。
【０１２５】
図４８は、図４６Ａの構造を有する裏面３４を詳細に示す部分的な断面図を示す。前述のように、構造は、下り構造３６を伴う反復する傾斜構造３２からなる。下り構造３６は、プリズム状の構造または構造を有する表面に相当する下り表面（すなわち段階的に減少する傾斜）３６ａおよび平らな領域または表面３６ｂを有する。傾斜構造および下り構造の反復の複数の倍数は、光学装置１０ｅのサイズおよび光が発されるべき面積により決定される。
【０１２６】
図４８に記述された角度について、まず、単一の昇り３２ａにあたる光線４７ａを考える。光線は、軸３７に対して角度θで伝播する。図において、すべての角度は、θを除いて正として示される。それは、昇りの垂直方向に対して角度βで昇り３２にあたる。もしβが臨界角度より大きいならば、光線は、ＴＩＲを経験しそして装置の頂部の表面３３に向かって上方に反射する。光線は、角度θｏｕｔで頂部の表面３３から発する。これらの角度と昇りの角度θｒとの関係は、以下の式（５５）に示される。
【０１２７】
【数５５】
2009526368.tif 000057
θｏｕｔに関する正の値は、表面の垂直方向に対して時計回りの角度を示す。
【０１２８】
例えば、光学装置１０ｅの光学材料が、屈折率ｎ＝１．５、並びに０．５または３０°の空気中の開口数を有する光源を有すると仮定する。装置では、最大の角度の拡がりは、装置の軸に対してθｍａｘ＝１９．４７°であろう。式（５５）をプロットすることにより昇りの角度の関数として出力角度の範囲は、θｒの特定の値すなわちθｍａｘ、０および−θｍａｘについて決定できる。図４９では、プロットは、この例からの結果を示す。任意の所定の昇りの角度について、θ＝θｍａｘおよび−θｍａｘに関する曲線の間の垂直の間隔により決定される出力角度の範囲が存在する。例えば、昇りの角度４０°では、出力角度は、垂直の点線により示されるように、−θｍａｘについて−１４．３°からθｍａｘについて４７．６°に及ぶ。屈折率を増加することは、θの曲線をさらに垂直にし、ともに密になり、そして出力角度の範囲を広げる。図４９では、例えば、４０°の昇りの角度は、−１４°から４８°の出力角度をもたらす。
【０１２９】
もし昇りの角度が４５°ならば、θ＝０の光線は、真っ直ぐ上方に反射して表面に垂直な出力面から生じ、そして反射した光線の他の出力角度は、約０°で対称であり、入力光と同じＮＡで出射する。
【０１３０】
もし傾斜角度が浅いように選ばれ、出力角度θ′ｏｕｔは、頂部の表面で臨界角より大きく、光線のいくつかは、θ＝θｍａｘの曲線で出発し、頂部の表面でＴＩＲを経験し、そしてθｍａｘより大きい角度で光学装置を下方に伝播し続け、それにより光学装置内の光の開口数を増大させる。これは、それが光学装置の裏側から顕著な損失を生じさせるため、望ましくない状態である。図４９の例では、最低の昇りの角度は３３．８°で生じ、それは、曲線θ＝θｍａｘに関して９０°である点である。そのため、反射して昇りを離れるすべての光線が前側の表面を出るのに十分に大きな昇りの角度を選ぶことが望ましい。
【０１３１】
ほとんどのケースでは、すべての光線が、昇りにあたるとき、ＴＩＲを経験しないだろう。もし図４８のβが式（５３）で与えられる臨界角よりも小さいならば、光線は、反射光と伝達光とに分裂する。反射された光は、上記のように行動し、頂部の表面から射出される。伝達された光は、昇り表面３２ａの外へ屈折し、裏面３４の外へ伝播し続ける。昇りの角度および光線角度の両者は、この条件が生じそして点線の曲線の下方の領域により図４９の例でグラフで示されるとき、決定される。これは、もし裏面３４が鏡面であるならば、避けられ、そしてすべての光線は、角度に関係なく、出力表面３３に向かって反射される。裏面を鏡面にすることは、すべての用途にとり、好ましいものではないが、特に、この光を捕らえそしてそれを出力表面３３に向かって再び誘導するのに必要なデザインの基準を考えるのに、有益であろう。それは、伝達された光線がエネルギーのほとんどを運ぶからである。
【０１３２】
昇り３２ａを通って伝達される光線に関する極限の条件は、昇りの底面にあたる、θ＝−θｍａｘでの光線で生ずる。これは、図５０で示される。屈折した光線４７ｂは、軸３７に対して角度θｔｒａｎｓで射出して、下り構造３２のプリズム状表面３６ａをさえぎる。それが下り表面３６ａにあたる高さｈおよび位置Δχは、光学装置１０ｅのテーパーのファクターを決定し、それは、装置の厚さの漸次の低下をもたらす。これらのパラメーターは、式（５６）
【０１３３】
【数５６】
2009526368.tif 000058
により示される関係がある。もしθｔｒａｎｓが極端な光線の角度について正ならば、θ＝−θｍａｘ、テーパーの高さｈは正でありそして光学装置１０ｅの厚さは、光学装置の長さに沿って最初の傾斜構造３２および下り構造３６を単純に二重にすることによって発光領域の長さに沿って薄くなる。もしθｔｒａｎｓが負ならば、下り構造３６ａのプリズム構造は、この光線を捕らえるために、裏面の平面を越えて延在すべきである。テーパーを付けることは、第２すなわち次の傾斜構造３２の長さを長くすることによっても達成できる。この例は、図５８に関連して以下に示される。図５０から、任意の光線の角度θに関する昇り入射角βは、式（５７）
【０１３４】
【数５７】
2009526368.tif 000059
により与えられる。伝達される角度θｔｒａｎｓは、式（５８）
【０１３５】
【数５８】
2009526368.tif 000060
（ただし、角度θ′はスネルの法則によりβに関連し、ｓｉｎβ′＝ｎｓｉｎβである）により与えられる。従って、屈折した光線の角度と昇りおよび入射光線の角度との間の関係は、式（５９）
【０１３６】
【数５９】
2009526368.tif 000061
である。この式は、θの同じ３つの値、すなわちθｍａｘ、θおよび−θｍａｘに関して図５１で前の例についてプロットされる。θｔｒａｎｓの最大値は、図の点線である昇りの角度θｒであり、それは昇り３２ａの臨界角で生ずる。２８．７°より小さい昇りの角度に関するこの例では、すべての光線は、昇りでＴＩＲを経験するが、しかし図４９で示されるように、このような昇りの角度は、これらの反射した光線について頂部の表面でＴＩＲに導かれ、その状態は、われわれが光学装置１０ｅ内で光のＮＡを維持するために避けることを望む状態である。妥協しなければならず、いくつかの光線は、昇り表面３２ａを通過できるようにされなければならない。昇りの角度は、昇り３２ａからのＴＩＲ光線に適切な反射角度を付与するように選択されて、それらは、頂部の表面３３を出る一方伝達角度で他の光線を屈折させて、そのため、それらは、下り表面３６ａのプリズム状構造により捕らえられそして再循環されて光学装置１０ｅに戻る。
【０１３７】
次に、傾斜構造３２に隣接する下り（または下方にスロープする）構造３６のプリズム状構造に関して、その目的は、昇り３２ａを通過する光線を捕らえそして屈折させて±θｍａｘの間の角度で光学装置１０ｅ中に戻すことである。これは、それにあたる光線の角度のスペースおよび捕らえた屈折した光線を伝播するのを望む角度スペースに依存して、正または負のスロープを有する表面である。これらの光線が光学装置に再入する角度θｒｅｆは、図５２の助けにより決定され、それは、下り表面３６ａのプリズム状構造を詳細に示す。下り表面３６ａの入口面は、垂直方向に対して角度αを形成し、そして伝達された光線４７ｃは、表面に垂直な方向に対して角度βを形成する。この光線は、それが光学装置１０ｅに再入して装置の軸３７に対して角度θｒｅｆを形成するとき、垂直方向に対して角度β′で屈折する。これらの角度間の関係は、式（６０）
【０１３８】
【数６０】
2009526368.tif 000062
により与えられる。注意すべきは、図中のすべての角度が、正の方向付けで示されていることである。αおよびθｔｒａｎｓでθｒｅｆを解くと、式（６１）
【０１３９】
【数６１】
2009526368.tif 000063
となる。図５３では、この式の結果は、零に等しい、零より大きいそして零より小さいαについてそしてｎ＝１．５についてプロットされる。
【０１４０】
昇り間の間隔Ｌ、昇りの長さΔχおよび昇り３２ａの数は、頂部表面３３からの発光領域の長さを決定する。図５４Ａ−Ｃでは、Ｌに関する３つの可能性が、最初の昇り３２ａを外した１つの極端な光線θ＝−θｍａｘが、光ガイドの次の表面にあたる場所に基づいて示される。図５４Ａでは、この極端な光線４７ｄは、昇りの底部から上方の位置で第２の昇り３２ａにあたる。次の伝達された光線は、最初の昇り３２ａについてよりも高い位置ｈ２で次のプリズム状の下り表面３６ａにあたる。別に、もしｈが同じままであるならば、長さΔχ２は短くなるだろう。このケースでは、Ｌは零に近づき、それぞれの昇り３２ａは、前のプリズム状の下り表面３６ａの底部で始まる。
【０１４１】
図５４Ｂでは、最初の昇り３２ａを外した極端な光線４７が第２の昇り３２ａの底部にあたる特殊なケースが示されている。光学装置の光のＮＡ、昇りの角度、プリズム角度、昇り長さ、Δχおよびテーパー高さｈは、すべてＬの値を決定する。
【０１４２】
図５４Ｃは、Ｌが図５４Ｂのそれより大きな任意の値であるケースを示す。このケースでは、極端な光線４７ｆのいくつかは、軸３７に平行な平らな表面３６ｂにあたる。これらの光線４７ｆおよびこの表面３６ｂにあたるすべての光線は、ＴＩＲを経験し、そして光学装置を下方に伝播する。このやり方で、頂部表面３３からの発光領域の長さは、延在できる。これは、昇り３２ａのそれぞれの点が光の完全な内部のＮＡにより照明される。もし長さＬが光学装置１０ｅの他のパラメーターに関連して大きくなるならば、頂部表面３３での発光の空間の分散は、均一にならず、バンディング効果を示す。これは、ユーザーが出力表面３３を直接見るディスプレイのような用途に問題となるだろう。しかし、多用途の照明のような用途では、これは問題ではなく、放出領域の長さを延長するために、望ましい。
【０１４３】
或るケースでは、伝達光線θｍａｘが負であるとき、光学装置をテーパーにする能力は、図５４Ａ−Ｃに示される光学デザイン１０ｅにより制限される。
図５５Ａについて、装置１０ｅに類似しているが別の下り構造を有し、そして装置１０ｅおよび１０ｆのエレメントと同じ参照番号を有する本発明の第６の態様の光学装置１０ｆが示される。装置１０ｆにおいて、それぞれの下り構造３６は、下り表面３６ａと平らな表面３６ｂとの間に昇り表面３６ｃを有する。昇り表面３６ｃは、軸３７に対して角度γを有する。この昇り３６ｃは、光の最初のＮＡ内に保ちつつ、伝達された光線のいくらかを再誘導し、そして平らな表面３６ｂを点（昇り３２ａの最高の点をまさに外した最初の極端な光線４７ｇをさえぎる）に置くことを可能にすることにより、光学装置１０ｆの厚さを減らす手段を提供する。光学装置１０ｆの裏側の最初の平面に関するこの平らな表面３６ｂの高さは、変化できる。これは、光学装置１０ｆの長さに沿って昇り３２ａと下り表面３６ａとの間の長さＬを変える大きな自由度である。
【０１４４】
図５５Ｂでは、極端な光線４７ｈは、θ＝−θｍａｘでたどられる。それが角度θｒｅｆで光学装置に再入する点でプリズム状下り表面３６ａにあたるまで、それは、角度θｔｒａｎｓで最初の昇り３２ａを通過する。光線は、それが角度θｒｅｆｌに完全に内部で反射される昇り３６ｃに伝播し、そして光学装置を下方に伝播し続ける。昇り３６ｃの反射角θｒｅｆおよび昇りの角度γにより、反射された角度は、式
【０１４５】
【数６２】
2009526368.tif 000064
により与えられる。この角度は、光学装置１０ｆの光の最大角すなわちθｍａｘより小さいことを要求する。一度γが設定されると、テーパー高さｈおよび昇り３６ｃの長さδの最大値は、図に示されるように、昇り３６による極端な光線の交差により決定される。
【０１４６】
θｒｅｆｌがθｍａｘより小さい要件は、反射して昇り３６ｃを離れるすべての光線が、光学装置１０ｆの頂部表面３３にあたる前に次の昇り３２ａの表面にあたるならば、緩和される。頂部表面３３で、それらは、臨界角よりも小さく、放出されそして完全には内部で反射されない。
【０１４７】
図４６Ａの光学装置１０ｅの１つの例が、以下に記述され、傾斜構造３２および下り構造３６は、図５４Ａで示されたのと同じであり、下りのプリズム状面３６ａは、昇り３２ａを通って伝達される光線を捕らえるほど十分に大きく、そして平らな表面３６ｂは、昇り３２ａのそれぞれの組の間に存在する。この例では、光学装置に入力される光は、０．５の空気中の開口数を有し、そして屈折率１．５の材料からなる。光学装置内で、光の角度は、光学装置の長さに対して−１９．７４°から＋１９．７４°に及ぶ。頂部表面３３からの出力は、図４７および４８に画かれているように、表面の垂直方向のまわりに、この例では、対称であることが望まれる。望ましい出力光の分散が対称であるため、４５°の昇りの角度が選ばれ、頂部表面３３から出る光の出力角度の範囲を±３０°にする。このような昇りの角度は、図５１のグラフで示されているように、負の角度すなわち軸３７の下の角度で昇り３２ａを通って伝達される光線に導く。
【０１４８】
下りのプリズム状表面３６ａでの光線は、捕らえられる必要があり、そして屈折されて光学装置１０中に戻される。図５６Ａでは、この例による光学装置１０ｅが示され、図５６Ｂは、初めの３つの傾斜構造３２および交互する下り構造３６の詳細な断面を示す。構造３２および３６による光に対する効果は、画かれた光線により示される。最初の昇り３２ａで、２つの伝達された光線４８ａおよび４８ｂは、極端な光線θ＝−θｍａｘから生ずる１つの光線４８ａ、およびまさに臨界角の下で昇り３２ａにあたりそして昇りの角度θｒで伝達される光線を生ずる他の光線４８ｂであると考えられる。これらは、下りのプリズム状の表面３６ａに関する角度の範囲を決めることになるだろう。極端な光線は、角度−４．７°で４５°の昇りを通って伝達される。この光線４８ｂを捕らえるために、下りのプリズム状表面３６ａは延在して裏面３４ａをもたらし、それは、初めの裏面３４のレベルより下にある。α＝−９．３°のプリズム角は、この光線３８ｂを屈折して光学装置の内側でθ＝０°である。しかし、第２の光線４８ａも、また考慮されねばならない。θｔｒａｎｓ＝θｒおよびθｒｅｆ＝θｍａｘのときの下りのプリズム状表面の角度αについて式（６１）を解くと、角度α＝１６．３°を生ずる。この角度で、最初のθ＝−θｍａｘの光線４８ｂは、−８．６°の角度でプリズム構造に再入し、それは十分に光の最初のＮＡ内である。この例では、昇りの角度θｒおよび下りのプリズム状表面の角度αは、光学装置の長さ全体にわたって一定である。光学装置１０ｅの他の例では、昇りおよびプリズムの角度は、特定の照明の用途について所望により変化できる。
【０１４９】
次の昇り３２ａへの間隔Ｌは、いくつかのファクターにより決定される。テーパーにするために、次の下り構造３６の底部は、裏面３４よりも高くなければならない。これは、最低の極端な光線４８ｃが、図５６Ｂにおける変数ｈにより示されるように、昇り３２ａの底部の上の場所で第２の昇り３２ａにあたることを要する。間隔Ｌが小さければ小さいほど、あたる場所は高くなる。もし第２および次の昇り３２ａの高さＨが高さｈに等しいならば、すべての昇りおよび間隔は、同じであろう。もしＨがｈより大きければ、距離Ｌは光学装置１０ｅの長さに沿って長くなる。昇り３２ａは、サイズを大きくし、例えば図５８で示されるが光学装置１０ｅにおいて示されるように、間隔をさらに空けることになるだろう。
【０１５０】
図５６の例の出力光の分散は、Ｈ＝ｈでありそして昇り３２ａ間の間隔が光ガイドの長さ全体に沿って均一であるときのケースについて、図５７で示される。図５７のグラフは、出力頂部表面３３の次の平面における光学装置の軸に沿う相対的な光の分散を示す。位置χ＝０は、裏側の表面の構造３２および３６の開始を記録する。光の分散は、この位置で最大であり、徐々に減少しながら光学装置の長さ方向に下がる。光の分散の均一性は、装置を下方に移動するとき昇りの間隔Ｌを減少させ、それにより、より多くの光が引き出されるにつれ単位長さあたりの昇りの数を増加させることにより、またはＨをｈより大きくし、それにより図５８の例について示されているように、光ガイドを下方に移動するにつれ昇りの表面積を増加させることにより、改善される。
【０１５１】
図５５Ａ−５５Ｂの追加の昇り表面３６ｃを利用する光学装置１０ｆの例が、以下に記述される。図５９Ａは、この例による光学装置１０ｆを示し、図５９Ｂは、初めの３つの傾斜構造３２およびそれらの間の交互する下りの構造３６の詳細な断面を示す。すべての傾斜構造および下り構造は、同一であり、そしてそれらの間の間隔は一定である。この例の出力光の分散は、図６０に示される。グラフは、出力頂部表面３３にわたって光学装置の長さに沿う光の分散を示す。この例は、前の例よりも良好な均一性を示し、昇り３２ａの間隔Ｌの変化により改善される。図６１のグラフは、間隔Ｌが最初の昇り３２ａでの最大値から最後の昇り３２ａでの零の値へ線状の形で減少する光の分散の結果を示す。この例の他のパラメーター、すなわち昇りの角度、昇りの長さおよび二次的な昇りの角度は、同じままである。昇り３２ａ間の間隔におけるこの減少は、光の分散の均一性に顕著な改善に導く。図６１、並びに図３４Ａ、３４Ｂ、３５Ａ、３５Ｂ、５７および６０に示される出力の分散は、Ｔｕｃｓｏｎ、ＡｒｉｚｏｎａのＢｒｅａｕｌｔ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ，Ｉｎｃ．から売り出されているＡＳＡＰのような光学モデルコンピューターソフトウエアを使用してシミュレーションされた。
【０１５２】
多くの用途で、単一の昇りの角度を用いそして特定の光源から通常利用できるものを超えて出力光の分散の角度の拡がりを増加させることが望まれる。図４９は、所定の光源の開口数および光ガイドの屈折率について、出力角度の範囲が、式（５５）により与えられるような昇りの角度により制限されることを示す。その近くのものに関して１つの昇りの角度を変えることにより個々に、またはそれぞれの昇りを分節しそしてそれぞれのセグメントに僅かに異なる角度を与えることによるかの何れかにより、複数の昇りの角度を組み入れることによって出力の角度の範囲を増加できる。
【０１５３】
このようなそれぞれの昇り表面３２ａのセグメント化は、図６２で示され、昇り３２ａは、次第に鋭くなる不連続の角度で３つのセグメント４９ａ、４９ｂおよび４９ｃに分割される。昇りの角度、出力角度、プリズム面角度および二次的昇りの角度間の関係を確定するデザインの基準は、それぞれの昇りのそれぞれのセグメントに適用される。昇りの最初のセグメント４９ａは、浅い角度であって、このセグメントから現れる任意の伝達される光線は、最大の正のスロープの角度を有し、そして下りのプリズム状表面３６ａにより、より容易に捕らえられる。そのため、この表面３６ａは、図５８の例の最初の下りの構造３６に関するケースのように、裏面の平面の下に延在しない。
【０１５４】
出力角度を広げることは、また、図６３に示されているように、昇りのスロープの連続する変化により達成できる。不連続のスロープを有する分節された昇りの代わりに、昇り３２ａは、連続する曲線５９ｄになり、スロープの範囲は、アウトカップリングする光の出力角度における所望の範囲により決定される。
【０１５５】
所望により、光学装置１０ｅまたは１０ｆの底部の表面３４（構造３２および３６を含む）は、反射性の材料例えば絶縁物または金属の層または被覆を有することができる。例えば、有効な材料は、従来の金属処理法、例えば鏡または半導体の製造に使用されている方法を使用して適用される。これらの反射性材料を使用するにあたって、底部の表面３４に沿う内部の反射全体は、すべての光が反射されるので、もはやデザインの相違がなく、そのため、下り構造の角度は、光学装置のデザインにおいて厳密を要しない。
【０１５６】
図６４Ａ−Ｃについて、本発明の第７の態様による光学装置１０ｇの例が示され、それは、光学装置１０ｂ−ｄの参照番号５０により一般に示される上側の構造、並びに光学装置１０ｅ−ｆの参照番号５１により一般に示される下側の構造を有する光学材料の単一の本体を有する。装置１０ｇは、頂部の表面５３ａに沿って上側の構造５０を有する第１の本体部分５２ａおよび底面の表面５３ｂに沿って下側の構造５１を有する第２の本体部分５３ｂを有する本体５２を有する。末端５４に沿って入力されるとき、第１の部分５２ａの構造５０により分散されない光は、第２の本体部分５２ｂにより受容され、そして構造５１により分散される。第１の本体部分５２ｂから分散される光５４および本体の第２の部分５２ｂから分散される光は、装置１０ｇの頂部表面５３ａから組み合わされた照明５６をもたらす。２つの本体部分５２ａおよび５２ｂのみが示されているが、装置１０ｇは、装置の長さに沿って光を入力するための入力末端から連続する部分の任意の数を有し、該部分の少なくとも１つは、複数の構造５１を有し、そしてこれら部分の他のものの少なくとも１つは、複数の構造５２を有する。光学装置１０ｂ−１０ｆの従来の態様におけるように、光学装置１０ｇは、装置の光学材料の屈折率および装置１０ｂ−１０ｆに関するこのような光の分散を選ぶために前述のこれらのパラメーターに従って予定された光の分散に沿って提供する。
【０１５７】
光学装置１０ｂ−１０ｅを画いた図は、それらのそれぞれの頂部表面１４ｂ−ｅに沿って一定の周期を有する反復する周期的なパターンに相当する構造を示す。これは、これらの装置から均一な光の分散を得るのに望ましい。しかし、いくつかの用途では、均一ではない分散が望ましく、構造の周期および／または高さは、装置のすべてまたは部分にわたって異なる。例えば、図６５は、図２５の光学装置１０ｄを示し、傾斜構造２２の高さおよび平らな表面２４を有する傾斜構造２２の周期は、頂部表面１４ｄに沿って変化して、装置の種々の域からの光の分散をコントロールし調節する。この例では、入力末端１６ｄから装置の長さに沿って比例して増加する周期および高さが示されているが、周期および／または高さにおける他の均一でない変化は、同様に使用されて、特定の用途に所望に応じて装置を出る光の強度および分散をコントロールする。また、例が光学装置１０ｄを使用して説明されているが、他の光学装置１０ｂ、ｃ、ｅも、同様にそれらのそれぞれの前側の表面の構造の変化した周期および高さを有することができる。さらに、図５８の光学装置１０ｅの例は、末端３８から末端３９へ入力末端１６ｄから比例して増加する周期および高さを有する構造３２および３６を示すが、光学装置１０ｆは、また周期および高さが同様に増加する構造３２および３６を有するか、または光学装置１０ｅまたは１０ｆは、特定の用途について所望に応じて装置を出る光の強度および分散をコントロールするために周期および／または高さが変化する１つ以上の構造３２および３６を有することができる。
【０１５８】
使用にあたって、光は、種々の源例えば光ファイバーケーブル、ファイバー束、発光ダイオード（ＬＥＤ）または任意の他の同様な光源の１つから光学装置１０ａ−ｇ中に末端に沿って入射される。延在する光源を有する照明器具５８は、例えば図６６で示される。図６６では、照明器具５８は、光学装置６２を有するハウジング５９および延在する光源６０を有し、光学装置６２の幅に沿って照明をもたらし、それは、装置６２に沿って発光域６３（点線により示される）からの出力についてこのような照明を運ぶ。例えば、延在された光源６０は、光学装置６２の入力面６２ａの方向に光をもたらすように妨げられた蛍光管に相当する。光学装置６２は、発光域がこの装置の頂部表面に沿う光学装置１０ｂ−ｇの１つまたは組み合わせに相当する。
【０１５９】
発光ダイオード（ＬＥＤ）光源７０を有する照明器具６４は、例えば図６７で示されている。図６７では、照明器具６４は、構造６８に沿って発光域６９（点線により示される）からの出力について照明を運ぶためのＬＥＤ光源７０および光学装置６８を有するハウジング６６をもつ。光学装置６８は、テーパー付きの入力末端６８ａを有し、それは、小さい単一のＬＥＤ源７０からの照明を、光学装置のより大きな幅にわたって平均して広げることを可能にする。これは、ディスプレイのための照明のような一般の照明の目的に有用である。入力末端６８ａは、図４５の入力末端２８ｃに類似している。光学装置６８は、発光域がこの装置の頂部表面に沿う光学装置１０ｂ−ｇの１つまたは組み合わせに相当する。
【０１６０】
光源の列を有する照明器具７２が、例えば図６８に示される。図６８では、照明器具７２は、光学装置７６およびＬＥＤ光源の列７８を有するハウジング７４を有し、それは、装置７６に沿って発光域７７（点線により示される）からの出力について照明を伝達するために、光学装置７６の入力面７６ａの幅にわたって平均した照明をもたらす。好ましくは、光学装置７６は、その入力面７６ａから装置の長さに沿ってテーパーが付けられ、漸次の厚さの減少は、この方向に開口数を低下させる。列７８のＬＥＤは、同じカラーまたはマルチカラー例えば赤（Ｒ）、緑（Ｇ）または青（Ｂ）のものであって、有効な建築およびディスプレイの用途にカラーが混合した白色照明をもたらすことができる。混合したＲＧＢ  ＬＥＤ光源は、白色のＬＥＤより有効である。さらに、列７８は、ＬＥＤの１次元または２次元の列であるか、またはＬＥＤの複数の列であり、それぞれの列は、異なるカラーのチャンネル、例えば赤（Ｒ）、緑（Ｇ）または青（Ｂ）またはこれらの組み合わせの照明をもたらして、望ましいカラーの照明効果を得る。この例の照明器具７２は、入力面７６ａからその長さに沿って厚さがテーパーになっており、この方向に、より狭い角度の照明を提供し、それゆえ、照明器具は、ＬＣＤディスプレイについてバックライトのユニットに相当し、その場合、伝播方向は、垂直の視聴方向に一致し、そのため低下した開口数は、ほとんどのディスプレイ装置の垂直方向に必要な低下した視聴角度と一致する。光学装置７２は、発光域がこの装置の頂部表面に沿っている光学装置１０ｂ−ｇの１つまたは組み合わせに相当する。
【０１６１】
光ファイバー光源を有する照明器具８０は、例えば図６９で示される。図６９では、照明器具８０は、光学装置８３を有するハウジング８０を有し、光学装置は、ハウジング８２へ延在する出力末端８６ｂおよび入力末端８６ａを有する光ファイバー８６並びに光（またはランプ）の源８５に相当する光ファイバー光源８４の末端からの光を受容する。光源８５からの光は、次に例えば遠隔の場所のような外部からハウジング８２に提供される。この例の照明器具８０は、ソーラー、レーザーまたは単一のランプの源８４ｂから遠方の源の照明に有用である。単一の遠方の源は、多目的に分散される照明のために照明器具８０の１つまたはいくつかに照明を提供できる。光学装置８３は、発光域８１（点線により示される）がこの装置の頂部表面に沿っている光学装置１０ｂ−ｇの１つまたは組み合わせに相当する。
【０１６２】
図６６−６９のハウジング５９、６６、７４、８２およびそれらのコンポーネントは、望まれる照明の用途によりサイズおよび形状が決められ、そのため、図に示されているそれらに限定されない。ハウジング５９、６６、７４のケースでは、照明源６０、７０および７８は、それぞれケーブルまたはコネクター５９ａ、６６ａまたは７４ａを経る電気接続によって、それぞれ電力が供給される。この電力は、またハウジング中の電池から供給される。また、このような５８、６４、７２または８０は、それらのそれぞれのハウジングなしに使用できるか、または望まれる用途例えばＬＣＤディスプレイのための他の電気および／または光学のコンポーネントとの大きなハウジングまたはアセンブリの一部である。
【０１６３】
図６６−６９により説明されるように、任意の光源は、光学装置１０ａ−ｇの光入力末端からの光をカップリングするのに使用でき、そしてそれ自体光学装置は、本明細書で照明器具とよばれる照明装置の一部として１つ以上の光源とカップリングされ、その場合、光は、光学装置の前側の表面および裏面に垂直な方向にコリメーションでまたはコリメーションなしで光学装置中にカップリングされる。例えば、このような照明装置は、予定された方向に光を伝播するための照明器具であり、１つ以上の蛍光源を利用する蛍光装置、ソリッドステートＬＥＤ源を利用するＬＥＤ光装置、１つ以上のレーザー源からの光を使用するレーザー光装置、１つ以上の白熱光源を利用する白熱光または照明装置、ソーラー照射装置例えば天空光または窓の一部、ハイブリッド源例えばソーラーおよびソリッドステートＬＥＤ源照明装置、または遠隔の蛍光、白熱光、ＬＥＤまたはソーラー源からの他の光ガイドまたは光ファイバーを経て伝達される遠隔の源からの照明装置がある。
【０１６４】
例えば、建築物の照明の用途では、光学装置１０ａ−ｇは、壁に設けられたまたは天井に設けられた光のための平らな照明器具の一部、個人のオフィスの作業スペースの光のための照明器具例えば小部屋の机の上の照明、天井に取り付けられた蛍光灯の置換品である。他の用途は、光を誘導するための照明装置、例えば非常用照明、暗い公共の場所例えば劇場、博物館の通路、アートまたは特別な陳列物、棚、階段の蹴込みを示す光を照らすことによる階段、クローゼット照明のための衣料の吊り棒である。
【０１６５】
光学装置１０ａ−ｇは、また、液晶ディスプレイ用のバックライト照明、この技術を用いるバックライト信号灯または光ガイド技術を使用する箱文字（チャンネルレター）信号灯で使用できる。
光学装置１０ａ−ｇは、また、医療用、歯科用および獣医用の装置および器具、例えば手術用の手首に着用される照明源、または医療技術者用の頭部に着用される照明を提供するのに使用できる。他の用途は、光力学治療用の投与量の光の伝達、他のタイプの光治療用の患者の身体の部分への光の伝達例えば髪の成長および皮膚の治療、ＬＥＤ源からの精密な照明の伝達、または照明による概日リズムのコントロールのための精密なカラー温度の照明の伝達のためのカラー混合の提供を含む。
【０１６６】
また、光学装置１０ａ−ｇは、乗り物の照明の用途（例えば、フラットパネル照明例えば装飾用照明およびドーム照明、航空機および自動車用の読書用照明を導く航空機のための間接照明、および航空機の非常用出口のための直接照明）、個人の照明の用途（例えば、帽子のつば中への照明源および光学装置の埋め込み、頭部に設ける照明源、プロジェクトチームのための手首または頭部に設けるための着用の光源）、器具照明の用途（例えば、器具のハンドル中への光学装置および光源の埋め込みによるハンド器具、ヘルメットおよび手袋のような安全部材中への光ガイドの提供による個人使用のための安全を目的とする照明、照明付き定規、水準器、電動工具ハンドルおよびシールド）、スポーツの照明の用途（例えば、照明付きスポーツ器具例えばバスケットボールバックボード、スポーツ器具杖例えば野球のバット、ホッケーのスティック、ラクロスのスティックおよびテニスのラケット、または例えばホッケー、フットボールおよびサッカーのようなスポーツのゴールおよびネット用の照明付きの構造をもつ管）、料理用の照明の用途（例えば、バーベキュー用具のハンドル中への光ガイドの埋め込みによるバーベキュー用品のための照明、または料理用電動工具のハンドル）に使用される。
【０１６７】
前述から、光学照明誘導装置並びにこれらの装置を使用する証明器具が提供されることが明らかになった。本明細書に記述された本発明の光学装置および照明器具における変化および改変は、疑いもなく、当業者にそれら自身で示唆している。従って、前述は、例示として考え、本発明を制限するものとして考えてはならない。
【図面の簡単な説明】
【０１６８】
【図１】前側の垂直な段または階段構造を有する本発明の光学照明誘導装置の第１の態様の斜視図である。
【図２】光線ダイアグラムを示す図１の装置の一部断面図である。
【図３】図１の装置の前側表面、裏面および側面の平行な未構造化の域での全内部反射を支持するのに必要な入射光の屈折率比対開口数のプロットである。
【図４】装置の頂部表面に沿って鋭角の傾斜構造を有する本発明の光学照明誘導装置の第２の態様の斜視図である。
【図５】光線ダイアグラムを示す図４の装置の一部断面図である。
【図６】装置の前側の表面で２つの限界屈折光線の相互作用、Ｒａｙ  １および２を説明する光線ダイアグラムを示す、図４の装置の他の一部断面図である。
【図７】装置の前側の表面で２つの主要な限界屈折光線の相互作用、Ｒａｙ  ３および４を説明する光線ダイアグラムを示す、図４の装置の他の一部断面図である。
【図８】装置の出口面の１つを通って屈折する第１の限界屈折光線Ｒａｙ  １を詳細に説明する光線ダイアグラムを示す、図４の装置の他の一部断面図である。
【図９】図４の装置の出口面の１つを通って屈折する第１の制限光線Ｒａｙ  １について誘導される最大出口面角度のプロットである。
【図１０】装置の出口面の１つを通って屈折する第２の制限光線Ｒａｙ  ２を詳細に説明する光線ダイアグラムを示す、図４の装置の他の一部断面図である。
【図１１】図４の装置の出口面の１つを通って屈折する第２の制限光線Ｒａｙ  ２について誘導される最大昇り（傾斜）角度対最小出口面角度の限界、並びに屈折率比Ｒｎの３つの異なる値のプロットである。
【図１２】昇り（傾斜）表面の１つとの第４の限界光線Ｒａｙ  ４の反射相互作用および装置の出口面の１つを通る次の屈折を詳細に説明する光線ダイアグラムを示す、図４の装置の他の一部断面図である。
【図１３】屈折率比Ｒｎの異なる値について０．５のＮＡを有する装置中に入力される光により、図４の装置で、昇り（傾斜）表面の１つとの第３および第４の限界光線Ｒａｙ  ３および４の反射相互作用、並びに出口面の１つを通る次の屈折について誘導される最小出口面および昇り（傾斜）角度限界を示すプロットである。
【図１４】装置に入力される光の開口数ＮＡの異なる値および１．４の屈折率比Ｒｎについて、昇り（傾斜）表面の１つとの第３および第４の限界光線Ｒａｙ  ３および４の反射相互作用および図４の装置について出口面の１つを通る次の屈折について誘導される最小出口面および昇り（傾斜）角度限界を示すプロットである。
【図１５】装置中に入射される光について、１．５９の屈折率比Ｒｎおよび０．１、０．３および０．５の開口数ＮＡ値のケースで、図４の装置に関して出口面を通る有効な光の引き抜きのための解空間を説明する、すべて３つのデザインの制約を示すプロットである。
【図１６】装置中に入射される光について、１．４の屈折率比Ｒｎおよび０．１、０．３および０．５の開口数ＮＡ値のケースで、図４の装置に関して出口面を通る有効な光の引き抜きのための解空間を説明する、すべて３つのデザインの制約を示すプロットである。
【図１７】装置の長さに沿って漸次または不連続な厚さの減少を伴う、図４の装置に類似した鋭角の傾斜構造を有する本発明の光学照明誘導装置の第３の態様の斜視図である。
【図１８】光線ダイアグラムを示す図１７の装置の一部断面図である。
【図１９】傾斜構造の１つの出口面を通る限界屈折光線Ｒａｙ  ２′を詳細に説明する光線ダイアグラムを示す、図１７の他の一部断面図である。
【図２０】１、５９の屈折率比Ｒｎおよび厚さ減少（比）パラメーターαの異なる値について、図１７の装置の傾斜構造の１つの出口面を通って屈折する、第２の限界光線Ｒａｙ  ２′について誘導された最大昇り（傾斜）角度対最小出口面角度限界のプロットである。
【図２１】昇り（傾斜）表面の１つとの第４の限界光線Ｒａｙ  ４′の屈折相互作用および傾斜構造の１つの出口面を通る次の屈折相互作用を説明する光線ダイアグラムを示す、図１７の装置の他の一部断面図である。
【図２２】１、５９の屈折率比Ｒｎ、０．５の入射した光の開口数および厚さ減少（比）パラメーターαの異なる値のケースについて、昇り（傾斜）表面との第３および第４の限界光線の反射相互作用および図１７の装置の傾斜構造の１つの出口面を通る次の屈折について誘導される最小出口面および昇り（傾斜）角度限界を示すプロットである。
【図２３】１、５９の屈折率比Ｒｎ、厚さ低下比α＝１．３および０．１、０．３および０．５の入射光の開口数値のケースについて、図１７の装置に関して有効な光の引き抜きのための解空間を説明する３つすべてのデザイン制約を示すプロットである。
【図２４】１、４の屈折率比Ｒｎ、厚さ低下比α＝１．２および０．１、０．３および０．５の入射光の開口数値のケースについて、図１７の装置に関して有効な光の引き抜きのための解空間を説明する３つすべてのデザイン制約を示すプロットである。
【図２５】隣接する傾斜構造の組間に平らな表面を有する、図１７の装置に類似した、鋭角の傾斜構造および漸次の厚さの減少を有する本発明の光学照明誘導装置の第４の態様の斜視図である。
【図２６】これらの構造間に課された平らな表面および傾斜構造の２つに関する光線ダイアグラムを示す図２５の装置の一部断面図である。
【図２７】傾斜構造の１つの出口面を通る第２の限界光線Ｒａｙ  ２′′の相互作用を説明する光線ダイアグラムを示す図２５の装置の一部断面図である。
【図２８】１、５９の屈折率比Ｒｎおよびパラメーターαおよびβのケースについて、図２５の傾斜構造の１つの出口面を通る第２の限界光線Ｒａｙ  ２′′相互作用に関して誘導される最大昇り（傾斜）角度対最小出口面角度のプロットである。
【図２９】昇り（傾斜）表面の１つとの第４の限界光線Ｒａｙ  ４′′の反射相互作用および傾斜構造の１つの前側の出口面を通る次の屈折相互作用を説明する光線ダイアグラムを示す、図２５の装置の一部断面図である。
【図３０】昇り（傾斜）表面の１つとの第３および第４の限界光線の反射相互作用および図２５の傾斜構造の１つの出口面を通る次の屈折について誘導される最小出口面および昇り（傾斜）角度限界を示すプロットである。
【図３１】１、５９の屈折率比Ｒｎ、厚さ低下比α＝１．５および０．１、０．３および０．５の入射光の開口数値のケースについて、図２５の装置に関して有効な光の引き抜きのための解空間を説明する３つすべてのデザイン制約を示すプロットである。
【図３２】１、４の屈折率比Ｒｎ、厚さ低下比α＝１．５、フラットパラメーターβ＝１．０および０．１、０．３および０．５の入射光の開口数値のケースについて、図２５の装置に関して有効な光の引き抜きのための解空間を説明する３つすべてのデザイン制約を示すプロットである。
【図３３】屈折率比Ｒｎの異なる値について、図４の装置の光の最大伝播角度θＲａｙ−ｍａｘ対入射光の開口数ＮＡを示すプロットである。
【図３４−Ａ】１８度のΘＥＦおよび８度のΘＲおよび０．５の入射光の開口数ＮＡをもつ傾斜構造を有する図４、１７および２５の装置からの光の分散の例の例示である。
【図３４−Ｂ】図３４Ａの例に関する光の分散に関する照明の強度のプロットである。
【図３５−Ａ】２０度のΘＥＦおよび２度のΘＲおよび０．１の入射光の開口数ＮＡをもつ傾斜構造を利用するこれらの装置の光の分散を表す、図４、１７および２５の装置の例の光の分散に関する照明の強度のプロットである。
【図３５−Ｂ】４０度のΘＥＦおよび２度のΘＲおよび０．１の入射光の開口数ＮＡをもつ傾斜構造を利用するこれらの装置の光の分散を表す、図４、１７および２５の装置の例の光の分散に関する照明の強度のプロットである。
【図３６】１０、２０、３０および４０度の出口面角度ΘＥＦについて、４度の昇りの角度ΘＲおよび０．１の入射光の開口数ＮＡ、１．４の屈折率比Ｒｎをもつ図１７の装置の例に関する光の分散のプロットである。
【図３７】図６に類似しているが、凹形の形状を有するような曲がった前側の出口面を有する図４の装置の一部断面図である。
【図３８】図１７に類似しているが、装置の幅に沿って発せられる照射の角度に影響する弓形の前側の出口面を有する図１７の装置の斜視図である。
【図３９】装置の本体が装置の軸に垂直な軸のまわりに曲がっている、図１７に類似した装置の斜視図である。
【図４０】装置の本体が装置の軸に垂直な軸のまわりに曲がっている、図１７に類似した装置の斜視図である。
【図４１】装置の本体が円筒状の殻を形成する、装置の軸に平行な軸のまわりに完全に曲がった、図１７に類似した装置の斜視図である。
【図４２】装置の本体の入力部分の始まりが、厚さ方向に装置内で照射の開口数を減らすために、より大きな厚さにテーパーを付けられる、図２５に類似した装置の斜視図である。
【図４３】本体の入力部分の始まりが、厚さ方向に装置内で照射の開口数を減らすために、より大きな厚さにテーパーを付けられる、図２５に類似した装置の斜視図である。
【図４４】本体の入力部分の始まりが、装置の幅に沿って装置内で照射の開口数を減らすために、テーパーを付けられる、図４に類似した装置の斜視図である。
【図４５】本体の入力部分の始まりの幅が、装置の幅に沿って装置内で照射の開口数を減らすために、テーパーを付けられる、図４に類似した装置の斜視図である。
【図４６】Ａは、傾斜構造が、傾斜構造を通って伝達される光を捕らえるために傾斜構造を裏面の下り構造と交互する、前側の表面を通って光を反射するための装置の裏面に沿って傾斜構造を有する本発明の光学照明誘導装置の第５の態様の斜視図である。Ｂは、表面による全内部反射（ＴＩＲ）を説明するために頂部の表面および底部の表面を有する理論上の光学要素に入る光線の形を示す、光線ダイアグラムである。
【図４７】装置の頂部表面から発する光および光源を有する図４６Ａの光学装置の１つの応用を示すブロックダイアグラムである。
【図４８】装置の前側表面への装置の傾斜構造の１つの昇り表面の反射を説明する光線ダイアグラムを示す図４６Ａの装置の一部断面図である。
【図４９】装置の内側で光のＮＡにより規定された空間について、昇りの角度θｒに対する図４６Ａの装置の頂部表面からの出力角度θｏｕｔのプロットであり、点線の曲線は、光線およびこの曲線の上の昇りの角度がＴＩＲを生ずることを示す、昇り表面でのＴＩＲに関する境界である。
【図５０】傾斜構造の１つの昇り表面からの伝達された光線角度θｔｒａｎｓを説明する光線ダイアグラムを示す図４６Ａの装置の一部断面図である。
【図５１】図５０の光線ダイアグラムに関する極端な光線角度−θｍａｘからθｍａｘについて伝達される光線角度θｔｒａｎｓ対昇りの角度θｒのプロットである。
【図５２】図４６Ａの装置の傾斜構造の昇り表面の１つに関する光線ダイアグラムであり、昇り表面から伝達される光は、プリズム角度に沿って装置の隣接する下り構造の下りのプリズム状表面に入射する。
【図５３】図５２の光線ダイアグラムに関する傾斜構造の１つに関する昇り表面を通過する光線に関する伝達される光線角度に対する下りのプリズム状表面による屈折する光線のプロットである。
【図５４】Ａ，ＢおよびＣは、隣接する傾斜構造の昇り表面間の間隔について３つの条件を説明するための、図４６Ａの光学装置の一部断面図に関する光線ダイアグラムを示す。
【図５５】Ａは、図４６Ａの装置に類似しているが、二次的な昇り（または傾斜）表面を有する下り構造をもつ、本発明の光学照明誘導装置の第５の態様の一部断面図である。Ｂは、Ａに類似した他の一部断面図である。
【図５６】Ａは、図４６Ａの装置の例の断面図である。Ｂは、光線ダイアグラムを示すための、Ａの楕円により示されたＡの一部断面図である。
【図５７】図５６Ａの例に関する装置の頂部表面からの光の出力分散のプロットである。
【図５８】装置の長さに沿って漸次増加する交互する下り構造および傾斜構造のサイズを示す図４６Ａの光学装置の例である。
【図５９】Ａは、図５５Ａの装置の他の例の断面図である。Ｂは、より詳細に装置を示す図５９Ａの一部断面図である。
【図６０】図５９Ａの例について装置の頂部表面からの光の出力分散のプロットである。
【図６１】図５９Ａの例について装置の頂部表面からの光の出力分散の他のプロットであり、傾斜構造の間隔Ｌは、最初の傾斜構造でのその最大値から最後の傾斜構造での零に線状に低下する。
【図６２】図４６Ａの装置の一部断面図であり、それぞれの傾斜構造は、漸次鋭くなる角度で複数の表面に分節される昇り表面を有する。
【図６３】図４６Ａの装置の一部断面図であり、それぞれの傾斜構造は、連続的に変化するスロープを有する昇り表面を有する。
【図６４】Ａ、ＢおよびＣは、頂部表面から照明を分散するために頂部および底部の表面に沿って傾斜構造を有する、本発明の光学照明誘導装置の第７の態様による光学装置の、それぞれ平面斜視図、底面斜視図および正面斜視図である。
【図６５】図２５の光学装置の例の斜視図であり、傾斜構造および平らな表面の周期および深さは、装置の長さに沿って変化する。
【図６６】図４、１７、２５、４６Ａ、５５Ａまたは６４Ａ−Ｃの光学装置で使用される異なるタイプの光源を有する照明器具のブロックダイアグラムである。
【図６７】図４、１７、２５、４６Ａ、５５Ａまたは６４Ａ−Ｃの光学装置で使用される異なるタイプの光源を有する照明器具のブロックダイアグラムである。
【図６８】図４、１７、２５、４６Ａ、５５Ａまたは６４Ａ−Ｃの光学装置で使用される異なるタイプの光源を有する照明器具のブロックダイアグラムである。
【図６９】図４、１７、２５、４６Ａ、５５Ａまたは６４Ａ−Ｃの光学装置で使用される異なるタイプの光源を有する照明器具のブロックダイアグラムである。
【符号の説明】
【０１６９】
１０ａ    光学照明装置
１０ｂ    光学照明装置
１０ｃ    光学照明装置
１０ｄ    光学照明装置
１０ｅ    光学照明装置
１０ｆ    光学照明装置
１０ｇ    光学照明装置
１１      階段状構造
１１ａ    前側の出口面
１１ｂ    平行な前側の表面
１２ａ    本体
１２ｂ    本体
１２ｃ    本体
１２ｄ    本体
１４ａ    頂部表面
１４ｂ    前側の表面
１４ｃ    頂部表面
１４ｄ    前側の表面
１５ａ    裏面
１５ｂ    底面
１６      本体
１６ａ    １０の１つの末端
１６ｃ    末端
１６ｄ    末端
１７ａ    光学軸
１７ｂ    光学装置の軸
１７ｃ    光学装置の軸
１７ｄ    光学軸
１８      傾斜構造
１８ａ    昇り表面
１８ｂ    前側の出口面
１９ｃ    末端
１９ｄ    末端
２０      傾斜構造
２０ａ    昇り表面
２０ｂ    出口面
２２      傾斜構造
２２ａ    昇り
２２ｂ    出口面
２４      平らな平面
２８ａ    入力部分
２８ｂ    入力部分
２８ｃ    入力部分
３０      本体
３２      傾斜構造
３３      頂部表面
３６      下り構造
３６ａ    下りのプリズム状表面
３６ｂ    平らな表面
３６ｃ    昇り表面
３７      装置の軸
３７ａ    ３７の垂直方向
３８      末端
３９      末端
４０      軸
４１      光学要素
４１ａ    平らな表面
４１ｂ    平らな表面
４１ｃ    入口表面
４２      矢印
４４      光源
４７ａ    光線
４７ｂ    屈折光線
４７ｃ    伝達される光線
４７ｄ    極端な光線
４７ｅ    極端な光線
４７ｆ    極端な光線
４７ｇ    極端な光線
４８ａ    伝達される光線
４８ｂ    伝達される光線
４９ａ    セグメント
４９ｂ    セグメント
４９ｃ    セグメント
５０      上側の構造
５１      下側の構造
５２      本体
５２ａ    第１の本体部分
５２ｂ    第２の本体部分
５３ａ    頂部表面
５３ｂ    底部表面
５６      照明
５８      照明器具
５９      ハウジング
６０      光源
６２      光学装置
６２ａ    入力面
６３      発光域
６４      照明器具
６６      ハウジング
６８      光学装置
６８ａ    入力末端
６９      発光域
７０      ＬＥＤ光源
７２      照明器具
７４      ハウジング
７６      光学装置
７６ａ    入力面
７７      発光域
７８      ＬＥＤ光源列
８０      照明器具
８１      発光域
８２      ハウジング
８３      光学装置
８４      光ファイバー
８４ｂ    光源
８５      光源
８６      光ファイバー
８６ａ    入力末端
８６ｂ    出力末端
【図１】
2009526368.tif 000066
【図２】
2009526368.tif 000067
【図３】
2009526368.tif 000068
【図４】
2009526368.tif 000069
【図５】
2009526368.tif 000070
【図６】
2009526368.tif 000071
【図７】
2009526368.tif 000072
【図８】
2009526368.tif 000073
【図９】
2009526368.tif 000074
【図１０】
2009526368.tif 000075
【図１１】
2009526368.tif 000076
【図１２】
2009526368.tif 000077
【図１３】
2009526368.tif 000078
【図１４】
2009526368.tif 000079
【図１５】
2009526368.tif 000080
【図１６】
2009526368.tif 000081
【図１７】
2009526368.tif 000082
【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
2009526368.tif 000093
【図２９】
2009526368.tif 000094
【図３０】
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【図３１】
2009526368.tif 000096
【図３２】
2009526368.tif 000097
【図３３】
2009526368.tif 000098
【図３４Ａ】
2009526368.tif 000099
【図３４Ｂ】
2009526368.tif 000100
【図３５Ａ】
2009526368.tif 000101
【図３５Ｂ】
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【図３６】
2009526368.tif 000103
【図３７】
2009526368.tif 000104
【図３８】
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【図３９】
2009526368.tif 000106
【図４０】
2009526368.tif 000107
【図４１】
2009526368.tif 000108
【図４２】
2009526368.tif 000109
【図４３】
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【図４４】
2009526368.tif 000111
【図４５】
2009526368.tif 000112
【図４６Ａ】
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【図４６Ｂ】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４Ａ】
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【図５４Ｂ】
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【図５４Ｃ】
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【図５５Ａ】
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【図５５Ｂ】
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【図５６Ａ】
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【図５６Ｂ】
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【図５７】
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【図５８】
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【図５９Ａ】
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【図５９Ｂ】
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【図６０】
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【図６１】
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【図６２】
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【図６３】
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【図６４Ａ】
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【図６４Ｂ】
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【図６４Ｃ】
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【図６５】
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【図６６】
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【図６７】
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【図６８】
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【図６９】
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【国際調査報告】
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