(57)【要約】導波管（１２）は第二の端と反対側に第一の端を有する縦長の構造体を備える。該導波管は、第一の端に隣接して該構造体上に形成された溝つきの表面（１４）を有する。溝つきの表面（１４））が入力光線を整形して垂直方向への光線の拡散を減少させ、水平方向への光線の拡散を増すが、縦長の構造体の幾何学的な大きさは実質的に不変である。
2005527841.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第二の端と反対側に第一の端を有する縦長の構造体を有し、溝つきの表面が第一の端に隣接して該構造体上の上面と底面に形成されている導波管。
【請求項２】
請求項１による導波管であって、溝つきの表面がさらにそれらの間に溝を形成している一連の突起を含む。
【請求項３】
請求項２による導波管であって、突起が実質的に三角形である導波管。
【請求項４】
請求項１による導波管であって、縦長の構造体は光学的に透明な光学材料から形成される導波管。
【請求項５】
請求項２による導波管であって、溝が入力光線の１つの方向の出力拡散を減少させる導波管。
【請求項６】
請求項５による導波管であって、前記方向が垂直方向である導波管。
【請求項７】
請求項６による導波管であって、溝が入力光線の水平方向の拡散を増加させる導波管。
【請求項８】
第二の端の反対側に第一の端を有する縦長の構造体と；
第一の端に隣接して構造体の上に形成された溝つきの表面と；
を有してなり、
溝つきの表面が入力光線を整形して、第一の方向への光線の拡散を減少させ、そして第二の方向への光線の拡散を増すが、縦長の構造体の幾何学的な大きさは実質的に不変である導波管。
【請求項９】
請求項８による導波管であって、第一の方向が垂直方向であって、第二の方向が水平方向である導波管。
【請求項１０】
請求項９による導波管であって、溝つきの表面がさらに複数の突起を有し、それらの間に溝が形成されている導波管。
【請求項１１】
請求項１０による導波管であって、前記突起の各々が傾斜した表面を有する導波管。
【請求項１２】
請求項８による導波管であって、縦長の構造体が光学的に透明な材料から形成されている導波管。
【請求項１３】
請求項８による導波管であって、溝つきの表面が、縦長の構造体の上面および底面に形成されている導波管。
【請求項１４】
ファイバー光源から看板ディスプレイまで入力光線を伝送する照明システムであって、
第二の端の反対側にある第一の端と、それらの間に設けられ上面および底面を有する縦長の厚板状物とを有するコリメーティングガイドと、
第一の端に隣接して上面および底面に形成された溝つきの表面；
を備える上記照明システム。
【請求項１５】
請求項１４による照明システムであって、溝つきの表面が入力光線を整形して、光線の第一の方向への拡散を減少させ、第二の方向への拡散を増加させるが、縦長の厚板状物の幾何学的な大きさが実質的に不変である上記照明システム。
【請求項１６】
請求項１５による導波管であって、第一の方向が垂直方向であって、第二の方向が水平方向である導波管。
【請求項１７】
請求項１４による導波管であって、溝つきの表面がさらに複数の突起を有し、それらの間に溝が形成されている導波管。
【請求項１８】
請求項１７による導波管であって、前記突起の各々が傾斜した表面を有する導波管。
【請求項１９】
請求項１４による導波管であって、縦長の板は光学的に明確な資料から形成される。
【請求項２０】
請求項１８による導波管であって、前記突起の各々が実質的に三角形である導波管。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
−発明の分野−
本発明は光ガイドに関し、特に光線を整形する溝形の導波管に関する。
【背景技術】
【０００２】
−背景技術−
従来の技術は主に光ガイドを可能な限り遠くに光を転送するために使う。この点に関して、光エネルギーを方向付ける１つの方法は、透明材料から作られている固体の棒状体を備える誘電体導波管を使うことである。光線はその棒状体の表面で内方に反射される（例えば、全反射）。もう１つの光エネルギーを方向付ける方法は、光を主に空気を通して伝播させ、周期的に光を方向を直して限定付けるようにし、そして正しい方向に進ませることを含む。
【０００３】
従来の導波管は、典型的には、光学式ライティングフィルム、後方リフレクターおよび外部ケーシングを有する円形断面を有する。後方リフレクターはしっかり外部ケーシングの内表面の１部に対してはめられ、そしてフィルムは後方リフレクターに当接する連続シートである。そのために、後方のリフレクターは外部ケーシングおよび光学式照明フィルムの間にはさまれている。
【０００４】
従来の技術に開示されたこれらの光導波管は、アクリルのプラスチックか、あるいは光学的に透明なガラス、あるいはマルチプレーヤーの光学式フィルムのような透明な誘電材料をはじめとするいろいろな材料を使っていろいろな断面形状で構成されている。
【０００５】
しかし、ある特定の用途では、目的は、可能な限り遠くに光を伝えるのではなく、導波管の幾何学的な大きさを増さずに光を整形することである（例えば、円形の入口ビームから必要とされる楕円形の出力に光を整形する）いで光を整形することである。それで、現在の導波管システムはシステムの大きさを修正しないで顕著に光を整形することはできないので、導波管の大きさを増やさないで光を整形することができる導波管を提供することが望まれる。
【発明の開示】
【０００６】
−発明の要旨−
この発明の目的は、第二の端と反対側に第一の端を有する縦長の構造体を有する導波管を提供することである。溝つきの表面が第一の端に隣接して該構造体の上に形成されている。
【０００７】
さらに、第二の端の反対側に第一の端を有する縦長の構造体を有する導波管を提供することもこの発明の目的である。導波管はさらに第一の端に隣接して構造体の上に形成された溝つきの表面を有する。溝つきの表面が入力光線を整形して、第一の方向への光線の拡散を減少させ、そして第二の方向への光線の拡散を増すが、縦長の構造体の幾何学的な大きさは実質的に不変である。
【０００８】
ファイバー光源から看板ディスプレイまで入力光線を伝送する照明システムを提供することもこの発明のさらにもう１つの目的である。この照明システムは、第二の端の反対側にある第一の端と、それらの間に設けられ上面および底面を有する縦長の厚板状物(plank)とを有するコリメーティングガイドを備えてなる。溝つきの表面が第一の端に隣接して上面および底面の上に形成されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
−図面の簡単な説明−
発明の望ましい例である実施形態を添付の図面に示す。図中、同じ参照数字は全体を通して同じパーツを示す。ここで：
図 1A は、横溝導波管を使用しない場合の軸周りのビームスプレッドを示す図である；
図 1B はは、本発明による横溝導波管を使用した場合の非等方の軸周りのビームスプレッドを示す図である；
図 2A は横溝導波管のないコリメーティング構造体を示す図である；
図 2B は本発明による横溝導波管を有するコリメーティング構造体を説明する図である；
図３は本発明による横溝導波管の立体的な斜視図である；
図４は本発明による横溝導波管の平面図である；
図５は本発明による横溝導波管の端面図である；
図６は本発明による横溝導波管の一番上の平面図である；
図７は本発明による天井ディスプレーシステムの図である；
図８は本発明による横溝導波管の溝構造体の部分図である；
図９は本発明による横溝導波管の溝での反射を示す図である；
図１０は横溝導波管がない場合の反射を示す図である；
図１１が、本発明による横溝導波管を使いる、出力角の減少を示す図である；そして、
図１２は本発明による横溝導波管を備える直方体状の棒状体の斜視図である。
【００１０】
−好適な実施形態の詳細な説明−
光方向性および光線コリメーションは、結像系および非結像系の光学の両方で、光整形およびディスプレイの進歩に欠かせない。後者はバックライトする（背後から照らす）ことおよび他の光整形用途にとり重要である。なぜなら、非結像系の光学のみが最大の光のコリメーションと濃縮との理論的限界を達成することができるからである。この点に関して、光線のコリメーションは常に断面積の増加という代償を払って成り立つ。
【００１１】
図 1A は通常の対称的な導波管についてＮＡ’からＮＡへの軸周りのビームスプレッドを示す。しかし、図 1B で示されるように、光線は横溝導波管構造体を使用して非等方的にも広がって、歪像のコリメーションをもたらし、鉛直方向を犠牲にして水平方向の光線方向性を増すことができる（例えば、円から楕円に）。
【００１２】
図 1A のビームスプレッドに対応する、横溝導波管がないコリメータ系１０が図 2A に示されている。溝つき表面１４を持っているコリメータ系１２が、図 1B で示された水平なビームスプレッドに対応する。
【００１３】
図３で示されるように、本発明の好適な実施形態では、方形導波管１４は、第一の端１６、第二の端１８、上面２０、底面２２、ならびに第一の端１６に隣接して配置された溝部２４を有する。溝構造体と共に水平方向の拡散を増すために、ガイド１４の幅は第一の端１６から第二の端１８まで大体に次第に減少して先細になっている。第一の端１６は第二の端１８に平行である。溝部分２４は上面２０および底面２２両方の上に形成されることが望ましい。
【００１４】
図５で示されるように、溝部分２４は、一連の溝２８を形成する一連の大体において三角形の突起２６（例えば、表面２０と２２の各々の上の３つの突起）を備える。本発明において、突起２６の高さはおよそ０.３ｍｍであり、導波管１４の厚さはおよそ２ｍｍであり、そして第一の端１６の長径さおよそ４ｍｍである。図６で示されるように、第二の端１８の長さはおよそ２.５ｍｍである、そして導波管１４の第一の端１６から第二の端１８までの長さはおよそ５０ｍｍである。
【００１５】
導波管１４は光学的に透明なアクリルから形成され、そして入力溝２８が結合効率(coupling efficiency)を改善し、垂直方向の出力拡散を減らす。溝２８が第一の端１６において導波管１４の入口に置かれ、そのために高拡散入力光線のみに影響を与える。傾いている溝の表面においての反射は垂直方向の拡散を減少させ、これらの光線の水平方向の拡散を増す。テーパは水平方向の光出力拡散の特定の増加をもたらす。
【００１６】
導波管１４は、ファイバー光源からの光エネルギーをディスプレイに配送するために該光エネルギーを入力する手段を提供する。本発明のこの好適な実施形態では、導波管１４が看板ディスプレイに光エネルギーを届ける。代替方法では、導波管１４がハイウェーインフォメーションディスプレイ（緊急通報、交通状況、複雑で危険な交差点用のより良い標識マーク）および道路わき広告（電子広告板）をはじめとするいろいろな他のディスプレイに光エネルギーを配送することができる。
【００１７】
導波管１４は、１つのエリアでは明るさを高め、別のエリアでは低レベルの照明にとさまざまに変えることができる天井照明によって強化された、映画館、会議／製品展示会エリア、デパート、自動車ショールームおよびその他の公的／半公的エリアのための特別な照射システムにも使用することができる。
【００１８】
図７を見ると、３０のディスプレイシステムが大ホール、ロビーおよび他のファシリティでビジターに情報を配信し広告を届けるために天井ディスプレイである。システム３０はホールの天井にある多数の配信ファイバー３２に結合された導波管１４を備える。フロアの高さ３６においてビジター３４はディスプレイシステム３０から情報を見る。出力の明るさを保持するために、光は観測セクター３８に、ロビー通路を通して±αに集中されなければならない。この好適な実施形態では、αのおよその値は±５０°であり、そして直行する方向への拡散は±２０°である。
【００１９】
システム３０で横溝導波管１４を使用しない場合には、該プラスチックファイバからの原拡散は±３０°である。観測セクター３８で拡散を±５０°まで増すためには、導波管１４の出力をこの方向で減少させなければならない。この点に関し、拡散を±２０°に減らすためには、その方向の出力の大きさを増やされなければならない。残念ながら、導波管１４の幾何学的な大きさの増加を妨げる制約（例えば、包装問題）がある。
【００２０】
そのために、拡散を減らすために、溝２６が導波管１４の横幅で成形される。それによって溝２６が導波管１４の幾何学的な大きさを増やさないで光を再整形する。
【００２１】
特に、図８が光の形に対する溝２６の効果を示す。光が溝２８に入射するとき、反射光線、
【００２２】
【数１】
2005527841.tif 000003
と、軸線、Ｙ、との間の角度が増加する。したがって、出射する拡散角γ１は減少する。
図９は、ポイントＡにおける入射光線のこの反射をより詳細に示す。
【００２３】
角αは軸線、Ｙと入射光線、
【００２４】
【数２】
2005527841.tif 000004
との間の角である。
角βは平面ＺＡＹにおいて溝表面および軸線Ｙに対する通常の角である。
溝がない場合には、図９での角βは０である。
【００２５】
【数３】
2005527841.tif 000005
が各軸の固有ベクトルである場合は、
【００２６】
【数４】
2005527841.tif 000006
である。
【００２７】
反射の法則は、
【００２８】
【数５】
2005527841.tif 000007
である。
【００２９】
Ｎｒのスカラー積は(-cosαcosβ)である。
【００３０】
したがって、
【００３１】
【数６】
2005527841.tif 000008
または
【００３２】
【数７】
2005527841.tif 000009
である。
【００３３】
β＝０、即ち、反射が溝なしで起きる場合は、反射光線
【００３４】
【数８】
2005527841.tif 000010
は、
【００３５】
【数９】
2005527841.tif 000011
である。これは図１０に示される（横溝導波管１４がない反射）。
【００３６】
しかし、横溝導波管１４を使う場合は、軸線ｙとの
【００３７】
【数１０】
2005527841.tif 000012
の方向余弦(direct cosine)は、(1-2cos2β)cosαに減少し、図８および図１１における角γは、
【００３８】
【数１１】
2005527841.tif 000013
である。
【００３９】
したがって、
【００４０】
【数１２】
2005527841.tif 000014
である。
【００４１】
図８での出力角γ'は、図１１で示されるように減少する。
図１２に、横溝導波管１４を備える直方体状のアクリル製棒状体４０を示す。出射角γ’とδ’との間のトレードオフを最適にするために、溝２８の具体的な形および幾何学的配置は変えることができる。この点に関して、溝２８の幾何学的配置は図９で角βによって決定される。溝２８の形は拡散角、δ’、を少々増加させる。
【００４２】
応用の範囲は上に記述した好適な実施形態の説明によって制限されるべきではなく、続く特許請求の範囲の記載によってのみ制限されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】横溝導波管を使用しない場合の軸周りのビームスプレッドを示す図である。
【図２】本発明による横溝導波管を使用した場合の非等方の軸周りのビームスプレッドを示す図である。
【図２Ａ】図 2A は横溝導波管のないコリメーティング構造体を示す図である。
【図２Ｂ】本発明による横溝導波管を有するコリメーティング構造体を説明する図である。
【図３】本発明による横溝導波管の立体的な斜視図である。
【図４】本発明による横溝導波管の平面図である。
【図５】本発明による横溝導波管の端面図である。
【図６】本発明による横溝導波管の一番上の平面図である。
【図７】本発明による天井ディスプレーシステムの図である。
【図８】本発明による横溝導波管の溝構造体の部分図である。
【図９】本発明による横溝導波管の溝での反射を示す図である。
【図１０】横溝導波管がない場合の反射を示す図である。
【図１１】本発明による横溝導波管を使いる、出力角の減少を示す図である。
【図１２】本発明による横溝導波管を備える直方体状の棒状体の斜視図である。
【図１ａ】
2005527841.tif 000015
【図１ｂ】
2005527841.tif 000016
【図２ａ】
2005527841.tif 000017
【図２ｂ】
2005527841.tif 000018
【図３】
2005527841.tif 000019
【図４】
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【図５】
2005527841.tif 000021
【図６】
2005527841.tif 000022
【図７】
2005527841.tif 000023
【図８】
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【図９】
2005527841.tif 000025
【図１０】
2005527841.tif 000026
【図１１】
2005527841.tif 000027
【図１２】
2005527841.tif 000028
【国際調査報告】
2005527841.tif 000029