(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
進行方向がばらばらで平行ではない光源からの光を含む光を採集して選択的に観察者に対して出力する光学装置であって、
前面から均一な光出力を行う層手段と、
前記前面に重なるとともに、前記層手段と光学的に連結された光進行方向変更手段を備え、前記光進行方向変更手段は、観察者への角度に均一に発散される光出力と、調節可能に変更される重複した照度出力との少なくともいずれか一方を提供するために、位置によって規則的に異なる複数のファセット面角度を有するファセット部を備えてなる光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は照明を選択するための照明装置に関し、更に詳細にはバックライト並びに照明及び光の密度全体の角度調節のためのウェッジ形又はディスク形のテーパ状照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
照明装置には液晶表示装置のような種々の用途がある。フラットパネル形液晶表示装置では、コンパクトな照明源を保持するとともに適正にバックライトすることが肝要である。一般的に照明を目的とする場合にはウェッジ形光装置を用いることが周知である。この装置の大きい方の端部に光が入力され、次に反射インターフェースの臨界角に達するまで光は内部にてウェッジ面から反射され、この後、光はウェッジ装置から出力される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、一般的にこの種の装置は平行でない照明出力の透過のみに使用され、空間及び角度上の出力分布が不適切な場合が多い。例えば、この装置の中には平行でない出力光を発生させるのに拡散リフレクタとして白塗り層を用いるものがある。
【０００４】
従って、本発明の目的は改良した光学装置及びその製造方法を提供することにある。本発明の別の目的は新規の３次元式照明装置を提供することにある。本発明の更に別の目的は、角度出力のバックライトを調節するような光学上の目的のための改良多層テーパ状照明装置を提供することにある。本発明の更に別の目的は、光の透過又は濃度を調節するための新規のテーパ状照明装置を提供することにある。本発明の更に別の目的は装置から平行照明をするための新規の光学装置を提供することにある。本発明の更に別の目的は干渉エアギャップ層を有する改良テーパ状照明装置を提供することにある。本発明の更に別の目的は、出力照明を調節するとともに集束させ、或いは密度の点から角度入力を調節することを可能にする新規の照明装置を提供することにある。本発明の更に別の目的は、複合放物線集信装置、蛍光管状光源又は可変パラメータ機能源のような光源が出力を発生させるための多層光学装置に結合された改良照明システムを提供することにある。本発明の更に別の目的は、照明装置の空間パラメータに対して可変屈折率を有する新規の照明光学装置を提供することにある。本発明の更に別の目的は、選択空間パラメータに沿って、光学的出力のばらつきの補正を可能にする非線形の厚さ変動及び可変ウェッジ角φを有する改良照明ウェッジ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の目的を達成するために、本発明の一形態は、進行方向がばらばらで平行ではない光源からの光を含む光を採集して選択的に観察者に対して出力する光学装置であって、前面から均一な光出力を行う層手段と、前記前面に重なるとともに、前記層手段と光学的に連結された光進行方向変更手段を備え、前記光進行方向変更手段は、観察者への角度に均一に発散される光出力と、調節可能に変更される重複した照度出力との少なくともいずれか一方を提供するために、位置によって規則的に異なる複数のファセット面角度を有するファセット部を備えてなる光学装置を要旨とする。
【０００６】
本発明の他の目的、特徴及び効果については以下の好ましい実施の形態及び以下の添付図面から容易に明らかである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の一形態に基づいて構成された多層照明装置を図２に示し、概略的に符号１０で示す。図１に先行技術のウェッジ１１を概略的に示す。このウェッジ１１において、ウェッジ１１の内部の光線は入射角が臨界角（ｓｉｎ−１１／ｎ）を下回るまで面から反射する。ここで、ｎはウェッジ１１の屈折率である。光はグレージング角にて発散すると同時に、ウェッジ１１の上面及び底面の双方から均一に発散することが可能である。
【０００８】
図２Ａに示す多層照明装置１０（以下、「装置１０」と称する）は特徴的な光学屈折率ｎ１を有するウェッジ層１２を備えている。「ウェッジ層」という用語は、ウェッジ形断面を有し、かつ上面及び底面が収束するあらゆる幾何学的形状を包含するように用いることにする。図２Ａ及び図２Ｃにｘ軸、ｙ軸及びｚ軸が示され、「ｙ」軸は図面に対して垂直である。通常、ウェッジ層１２に有用な材料は透明材であればほぼ如何なる材料でもよく、例えばガラス、ポリメチル・メタクリレート、ポリスチレン、ポリカーボネート、塩化ポリビニール、メチル・メタクリレート／スチレン共重合体（ＮＡＳ）及びスチレン／アクリロニトリルがある。図２Ａにおけるウェッジ層１２は上面１４、底面１６、側面１８、エッジ２６及び同上面、底面及び側面に跨る厚さＡ０の背面２０を更に有している。管状蛍光２２のような光源は背面２０を介してウェッジ層１２に光２４を入射する。光２４は種々のウェッジ層面から内部にて反射され、ウェッジ層１２に沿ってエッジ２６方向に指向される。他の光源を使用することも考えられ、以下に説明する。一般的に、従来の光源は実質的に非コヒーレントな非平行光線を供給するが、本発明によりコヒーレントな平行光線も処理可能である。
【０００９】
面１４及び面１６が平面である場合、上面１４及び底面１６により線形ウェッジの１つの傾斜角φが画定される。非線形ウェッジの場合、連続角φを画定可能であり、光学的出力又は光密度を適切に調節するように非線形ウェッジを設計することが可能である。この種の非線形ウェッジについては更に詳細に後述する。
【００１０】
図２Ａの実施の形態では、エアギャップが介在することなく、第１の層２８がウェッジ層１２に結合され、この第１の層２８は光学屈折率ｎ２を有し、底面１６に光結合されている。第１の層２８の厚さは僅かな光波長から遥かに長い波長に及び、第１の層２８は所望の機能性を果たすことが可能である。この結果生じるウェッジ層１２と第１の層２８との間の誘電インターフェースは、ウェッジ層１２と周囲との間のインターフェースより臨界角が大きい。以後明らかになるように、この特徴により装置１０からの光２４の選択的角度出力及び平行化が可能になる。
【００１１】
第１の層２８に結合されているのは光学的屈折率ｎ３を有する第２の層３０である。この屈折率ｎ３はｎ２より大きく、実施の形態によってはｎ１より大きいのが好ましい。この構成により光２４が第１の層２８を離脱し、第２の層３０に入射することが可能になる。図２Ａの実施の形態では、第１の層２８と第２の層３０との間に介在するエアギャップは殆ど存在しない。図２Ａに示す本発明の好ましい一形態では、ｎ１は約１．５であり、ｎ２＜１．５、ｎ３≧ｎ１である。最も好ましいのはｎ１が１．５であり、ｎ２＜１．５（約１となるように）、ｎ３≧ｎ１である。
【００１２】
このような図２に示す装置１０の多層形状では、ウェッジ層１２により、上面１４からの反射の各サイクルタイムに対する入射角が傾斜角２φだけ（底面１６の平面に対する垂線に対して）縮小する。底面１６に対する入射角がウェッジ層１２と第１の層２８との間のインターフェースの特徴を示す臨界角を下回る時、光２４は第１の層２８に結合される。従って、第１の層２８及びこれに連動する光インターフェース特性は、θ＜θｃ＝ｓｉｎ−１（ｎ２／ｎ１）という条件を満たす時、光２４の通過を許容する角度フィルタを形成する。即ち、説明した臨界角は空気とウェッジ層１２との間のインターフェースの場合より大きい。従って、２つの臨界角が６φを上回るほどに異なれば、ほぼ全ての光２４は上面１４を介してウェッジ層１２から発散する前に、ウェッジ層１２と第１の層２８との間のインターフェースに横切るように入射する。この結果、２つの臨界角がφを下回るほどに異なれば、上面１４から発散可能な光は半分以下である。２つの角度がφを上回るとともに６φを下回るほどに異なれば、光の全てではないもののほぼ半分以上は上面１４を貫通してウェッジ層１２から発散する前に、ウェッジ層１２及び第１の層２８に横切るように入射する。従って、装置１０はまず底面１６に対して条件θ＜θｃが満たされるように構成され得る。次に、離脱光２４（層２８に入射した光）は、例えばｎ３＞ｎ２であれば第２の層３０に入射する。次に、光２４は第２の層３０において、ウェッジ層１２に結合されるとともに屈折率間の適正な関係を有する第１の層２８により供給された平行光２５になる。
【００１３】
装置１０から光２４を出力するために、第２の層３０は図２Ｅに示す塗層３３或いは図２Ｂ及び図２Ｃの双方に示すファセット面３４のような光拡散手段を有している。塗層３３は像又は他の視覚情報を選択的に投射するのに使用可能である。塗層３３は、例えば特徴的な屈折率を有する粒子の可変分布を備えている。適正に選択することにより、光の進行方向を変更してウェッジ層１２を貫通させて周囲に戻し（図２Ａ及び図２Ｃ中の光２９を参照されたい。）、或いは第２の層３０から直接周囲に出力することも可能である（図２Ｆ中の光２９′を参照されたい。）。
【００１４】
本発明の他の形態では、関連「ｎ」値を有する更なる複数の層を設けることが可能である。本発明の好ましい実施の一形態では、最低指数層の指数は開口数及び出力角に対して等式中のｎ２と置換え可能である（後述する）。このような更なる層は、例えばウェッジ層１２と第１の層２８との間に介在し、第１の層２８と第２の層３０との間に介在し、或いはウェッジ層１２又は第２の層３０の上部層とすることが可能である。
【００１５】
実施の形態の中には、好ましい幾何学的形状によりウェッジ層１２を貫通して反射して戻されることなく、光が周囲に出力される場合がある。例えば、図２Ｆでは、装置１０は透光層３７を有し得る。図２Ｇに示すこの実施の形態の別の形態にて屈折層３８を示す。屈折層３８は平行出力を供給するためのフラットファセット３９を有し得る。図２Ｇにおいて、横向きレンズ形拡散器８３も極細線にて示すが、これについては以下に詳述する。拡散層８３は本発明のいずれの幾何学的形状に対しても使用可能であり、図６Ａに示すように、上方にウェッジ層１２を有している。
【００１６】
図２Ｈに示す更に別の例では、屈折層３８は所望の角度分布にわたって滑らかに拡散した出力を供給するための湾曲ファセット４１を有し得る。図２Ｉに示す更なる例では、屈折層３８は可変角ファセット４２を有している。これらファセット４２は出力光を適切に集束させるように、ファセットアレイにわたって位置によって異なるファセットの角度及び／又は曲率を有している。湾曲形ファセットにより、視野スクリーン全体が照明されるような低集束度の領域を生成することが可能になる。コンピュータスクリーンの照明に適用した例を以下に説明する。図２Ｊ及び図２Ｋに、出力光を集束させるための１つの屈折プリズムエレメント４３及び一体式レンズ４４を有するプリズムエレメント４３をそれぞれ示す。図２Ｌ及び図２Ｍは光の出力分布を調節するようにファセットが角配置されたファセット面３４を示す。図２Ｋ及び図２Ｌでは光は焦点「Ｆ」に出力され、図２Ｍにおいては出力は近似視野領域４５上である。図２Ｎ及び図２Ｏは平行光又は集束された光学的出力を供給するためのフラット形反射ファセット４８及び湾曲形反射ファセット４９をそれぞれ示す。
【００１７】
図２Ａ及び図２Ｃに示すように、ファセット面３４は第２の層３０、第１の層２８を貫通させ、次にウェッジ層１２を貫通させて周囲に光２９を光学的に反射し、かつその進行方向を変更する。各ファセットは一部分のみ照明され、ある程度小規模にて観視した時、出力は明・暗状態を交互に呈する。通常、このパターンは望ましくないため、図２Ｂに示す好ましい実施の形態において、各ファセット面３４の間隔サイクルは回折効果を回避するほどに大きく、かつ個々のファセットが使用観視手段により検出されないほどに小さいことが好ましい。この間隔は、液晶表示装置又はＣＣＤ（荷電結合素子）アレイのような照明される装置の特徴により、モアレ干渉パターンが生成されるのを回避するようにも選択される。間隔上のある程度の不規則性により不要な回折モアレ効果を軽減できる。通常のバックライト表示においては、約０．００１〜０．００３インチ（０．０２５〜０．０７６ｍｍ）の間隔周期により所望の目的を達することが可能である。
【００１８】
図２Ｂ及び図２Ｃにおけるファセット面３４は、例えば進行方向を変更される光２９が装置１０から出力される角度領域を調節するように大体調整可能である。層３０における出力角の最小分布は、
Δθ＝２φ［（ｎ１２−ｎ２２）／（ｎ３２−ｎ２２）］１／２
にほぼ等しい幅を有している。
【００１９】
従って、φは相当小さくなり得るため、装置１０は極めて効果的なコリメータとなり得る。従って、線形ファセット面３４では、離脱して方向変更される光２９は空中にて約
Δθａｉｒ＝ｎ３Δθ＝２φ（ｎ１２−ｎ２２）／［１−（ｎ２／ｎ３）２］１／２
だけの最小角度幅を有している。
【００２０】
前記のように、かつ図２Ｈ，２Ｉ，２Ｋ，２Ｌ，２Ｍ及び図３に示すように、ファセットの幾何学形状は最小角を越える角出力を調節するとともに、出力光の方向を集束させ、かつ調節するのに用いることが可能である。
【００２１】
種々のインターフェースからのフレネル反射も上記値を越える出力角を拡大し得るが、図２Ｂに示すように、１つ又は複数の内部インターフェースに反射防止膜３１をあてがうことにより、この効果を低減できる。
【００２２】
図示した実施の形態の輝度（「ＢＲ」）はエテンデューマッチ（etendue  match）により、かつ図２Ｄを参照することにより確定可能であり、ＢＲは、
Ｂ．Ｒ．＝出力輝度／光源輝度
或いは、Ｂ．Ｒ．＝照明領域／全領域
Ｂ．Ｒ．＝［１−（ｎ２／ｎ３）２］１／２＝０．４−０．６５（大部分の透明誘電材において）
と表すことができる。
【００２３】
例えば、ウェッジ層１２はアクリルであり（ｎ１＝１．４９）、第１の層２８はフルオロポリマー（ｎ２＝１．２８−１．４３）、ゾル−ゲル（ｎ２＝１．０５−１．３５）、フッ化物塩（ｎ２＝１．３８−１．４３）或いはシリコーンベースのポリマー又は接着剤（ｎ２＝１．４−１．４５）であり、第２の層３０はポリカーボネート（ｎ３＝１．５９）、ポリスチレン（ｎ３＝１．５９）、エポキシ（ｎ３＝１．５−１．５５）又はアクリル（ｎ３＝１．４９）のようなエアーインターフェースにおいて金属化されたファセットリフレクタである。
【００２４】
例えば図２Ｂ及び図２Ｃに示すフラット形又は線形ファセット面３４は、光学的出力の方向を変更するとともに、角度フィルタリング効果（例えば、図４Ｄを参照されたい。）により第２の層３０に結合される光Δθの角度分布を実質的に保つように、入射光２４の進行方向を変更可能である。例えば、図２Ｌに示す好ましい実施の形態では、ファセット面３４は出力光を集束させるように、位置により異なるフラットファセット角により光を反射する。図２Ｍでは、ファセット面３４は全スクリーンが照明される様相を呈する低集束度の視野領域４５を生成するように、位置によって異なる湾曲ファセット角を有している（例えば、図４Ｆ及び図４Ｇも参照されたい。）。同図２Ｍにおいて極細線にて示すのは、本発明とともに使用可能な液晶表示装置４７の例である。図３Ａ及び図３Ｂに更に示すように、湾曲ファセット３６も入射光２４の進行方向を変更するが、ファセットの湾曲により、方向変更される光２９の角出力の生成範囲が拡大する（図２Ｄにおけるフラットファセットと比較対照されたい。）。例えば、凹状トラフは実像を生成でき、凸状トラウは虚像を生成可能であることは周知である（例えば、図３Ｂを参照されたい。）。いずれの場合でも、像は所望の角度出力範囲にわたり均等に光を放射する電源電圧と等価である。この結果、この種のトラウ形ファセット３６のアレイは第１の層２８からの平行光２５の入射形態を変更することが可能であり（図２Ｃを参照されたい。）、複数の電源電圧像が進路変更された光２９を生成する。湾曲ファセット３６の間隔を人間の眼の解像度以下に設けることにより、生成される電源電圧のアレイは観視者には非常に均一に映る。前記のように、１インチ当たり約３００〜５００本の線又はファセットの間隔サイクルを０．００２〜０．００３インチ（０．０５１〜０．０７６ｍｍ）に選択することにより、この結果が得られる。一般的なＬＣＤでは、従来、表示視野距離は約２０インチ（５１ｃｍ）或いはそれ以上である。
【００２５】
別の効果的なファセット形状の例には、放物線状（Parabolic）、楕円状（Elliptical）、双曲状（Hyperbolic）、円形状（Circular）、指数状（Exponential）、多項式状（Polynominal）、多角形状（Polygonal）及びこれらの組合せが含まれる。従って、使用者はファセットの異なるデザインを使用することによって照明の平均輝度に関する任意の分布を形成できる。例えば、多角形ファセットは複数のピークを備えた出力角度分布を形成すべく使用可能である。
【００２６】
湾曲ファセットを備えたリフレクタを使用した各種の角出力に対する輝度分布の例を図４Ａ〜図４Ｃ、図４Ｆ及び図４Ｇに示す。図４Ｃ及び図４Ｅは直線状ファセット及びディフューザ・エレメント４０を有するリフレクタを使用した場合の輝度分布を示す（図２Ｃにおいて破線で示す）。予測性能出力を各種の角度範囲（図４Ａ〜図４Ｃ参照）について示すとともに、同予測性能出力を例えば“ウェッジ・ライト”（ディスプレイ・エンジニアリング社の商標）等の市販光源における光線の実測角出力と比較した。好ましい角度範囲は以前にφ、ｎ１，ｎ２及びｎ３を使用した式において詳述した最低角度Δθ（空気）まであらゆる特定の視界及び視準条件に適応すべく変更可能である。この変更は前記したように湾曲ファセット３６の曲率を図２Ｍに示すように連続的に変更することによって実現される。前記した垂直視角範囲（Vertical viewing angular range）の制御に加え、水平視角範囲（Horizontal viewing range）の変更は湾曲ファセット３６の形状の適切な変更により実現し得る。図４Ａ〜図４Ｉに示す前記の角度分布は装置１０を使用して光線２４を開口率ＮＡ＝（ｎ１２・ｎ２２）１／２ の範囲内において処理する場合に対応している。光線がこの範囲外である場合、角出力範囲の制御を補助すべく別の技術を使用できる。
【００２７】
更に、図９Ａ及び図９Ｂは高密度で多重フォーカスされた照明出力（Tightly overlapping focused illumination output）及び更に低い密度で多重フォーカスされた照明出力（Less overlapping focused illumination output）をそれぞれ提供する光進行方向変更手段の使用をさらに示している。一般的なポータブル・コンピュータ・スクリーン８７における通常の視距離“Ｄ”が５００ｍｍである一方で、同コンピュータ・スクリーン８７の垂直長さ“Ｖ”が約１５０ｍｍであることを考慮した場合、これらの概念の実用が可能である。コンピュータ・スクリーン８７の垂直中心から延びる垂線上の距離“Ｄ”に位置する観視者はスクリーン８７の頂部において計測された−８．５度から、スクリーン８７の底部において計測された＋８．５度まで複数の角度においてスクリーン８７の異なる範囲を視ることになる。しかし、この視角の変化は、前記のスクリーン照明を備えたシステムを使用する際に望ましくない影響を及ぼす。スクリーン８７の限定された照明角度は観視者が完全な照明の施されたスクリーン８７を視認し得る位置の範囲を制限する（図９Ａ参照）。スクリーン８７の中心からの角度及び距離によって観視者の位置を限定した場合、有効角度範囲は実質的に公称照明角度（Nominal illumination angle）以下に低減される。例えば、公称照明範囲が各ファセットにおける測定において±２０度であった場合、有効視角は図９Ａに示す一般的なフラット・パネル・イルミネータにおいて±１２度まで低減される。スクリーン８７の中心の両側における１２〜２０度の範囲の照明は観視者にとって不均一である。
【００２８】
本発明はファセット面３４の配向を制御することにより前記の不均一性を解消すべく使用できる。例えば、図２Ｍに示すように、装置１０の複数層をそれぞれ形成する平面の端縁に対してフラット・ファセット面（Flat facet surfaces）が３５．６〜３３．３度の範囲で変化するか、または同端縁に対して平行となるようにファセットの両面が連続的に回動される。スクリーン８９（図９Ｂ参照）の頂部から底部までの規則正しい変化により、前記の光進行方向を変更した出力が生じる。ファセット面３４は制御可能な可変照明出力分布を形成すべくディフューザ８３等との組合せが更に可能である。更に、フラット・ファセット面１６８はディフューザ１７０との組合せが可能である。従って、図９Ｂに示すように、スクリーン８９上の異なる位置において光線の角度分布を回動させる能力は、位置とともに視角の変化の補償を可能にする。ファセット面３４における規則正しい変化には、ファセットの１つ以上の角度の変化、ファセット３８の間隔の変化、並びに各ファセット３８の深度及び幅の変化のうちのいずれか１つが更に含まれ得る。別の実施例において、ファセットを備えた全ての光進行方向変更層からの出力をフォーカスすべく同一の原理を使用できる。この例は図２Ｉ及び図２Ｌに示す。
【００２９】
照明の不均一性を解消する別の例において、ファセット面３４としてマイクロ・プリズムのアレイ（Array of micro-prisms）を従来の拡散バックライト１０１上に配置可能である（図１８Ａ参照）。このファセット面３４では、層を通過した光線が限定された角度範囲内で環境へ出力されるように屈折及び全内反射の組合せが用いられている。この角度範囲はファセット角度に依存している。アクリル・フィルム（ｎ＝１．４９）の場合、一般的に最大輝度は９０〜１００度の夾角を備えたプリズムの使用により実現される。そして、これにより約±３５度の視角が得られる。このジオメトリを使用したバックライトはシャープなカーテン効果（"Curtaining" effect） を示す。同カーテン効果は多くの観視者を混乱させる。この効果はフォーカシング効果を実現すべくファセット３８をスクリーンの頂部から底部まで回動させることによって改善される（図１８Ｂ参照）。簡単な光線追跡により、１００〜１１０度の夾角に対して、角度Θだけ回動されたファセットは約Θ／２だけ回動された角度分布を形成することが確認されている。図１８に示す実施例では、ファセット面の角度の連続的な変化はファセット３４に沿った位置ｘとして変化し得るものであり、その例として以下の式が挙げられる。
Ψ１＝３５°−（０．１３３°／ｍｍ）・ｘ
Ψ２＝３５°＋（０．１３３°／ｍｍ）・ｘ
この連続的なファセット角度の変化は角度分布を形成し、同角度分布はスクリーン８９を横切って約１０度変化するとともに、前記の一般的な制約を満たす。
【００３０】
ファセット面３４（図２Ｄ参照）は成形または他のフライス加工等の従来のプロセスによって形成されることが好ましい。製造の詳細を以下に示す。
非線形ウェッジ
本発明の別の形態において、一次ライトガイドであるウェッジ層１２を前記した直線形状以外の形状としてもよい。これらの形状は各種の選択された光分布の実現を可能にする。他の形状は図２Ｂ及び図２Ｃに示すウェッジ軸“ｚ”（小さいか又は鋭利な端縁２６に向かって光入射端縁から延びる座標軸）の関数としてのウェッジ層１２の厚さによって更に一般的に説明できる。直線状ウェッジでは以下の式が成立する。
Ａ（ｚ）＝Ａ０−Ｃ・ｚ                    （１）
Ａ０＝最大ウェッジ厚（図２Ａ参照）
Ｃ＝コンスタント＝ｔａｎφ
所望の空間分布及び角度分布の大きな範囲を光出力（第２の層３０に入力された出力）について実現できる。従って、この光出力は適切なファセット面３４若しくは３６、または拡散リフレクタ３３（図２Ｅ参照）等を介して環境に出力し得る光線である。
【００３１】
例えば、Ｌ及びＭがそれぞれｘ軸及びｙ軸に沿った方向余弦である場合、Ｌ０及びＭ０はそれぞれ厚い端縁（ｚ＝０）におけるＬ及びＭの値である。この初期分布は明確に限定された角度範囲内におけるランベルト分布であり、同範囲の外側には僅かな光が存在するかまたは全く光が存在しない。理想的な非結像光学エレメントは限定されたランベルト出力分布（Lambertian output distributions）を備えていることから、この分布は特に重要である。重要な関係としては断熱不変量であるＡ（ｚ）ｃｏｓ（θｃ）が挙げられ、同断熱不変量はＡ０Ｌ０とほぼ同一であって、かつ脱出位置（ｚ）を潜在的に示す。この概念を示すために、例えば均一な照射を望んだとする。この場合、ｄＰ／ｄｚ＝コンスタントとなる。初期位相空間が以下の式及び図によって示される楕円を均一に満たしたとする。
【００３２】
【数１】
0004727625.tif 000002
この場合、ｄＰ／ｄＬ＝コンスタント・［１−Ｌ２／σ２］１／２となる。しかし、ｄＡ／ｄｚ＝［Ａ０／Ｌｃ］ｄＬ０／ｄＺとなる。ここで、Ｌｃ＝ｃｏｓθｃである。従って、［１−（ＬｃＡ）２／Ａ０σ）２］１／２ｄＡ＝コンスタントにｄｚを乗じた値となる。好ましい実施例においてσ＝Ｌｃであったとする。この結果はＡ／Ａ０＝ｓｉｎ uの代入により解釈され得る。従って、Ａ＝Ａ０ｓｉｎ ｕ及びｕ＋１／２ｓｉｎ（２ｕ）＝（π／２）（１−ｚ／Ｄ）であり、Ｄはウェッジ層１２の長さを示す。
【００３３】
単位長さ当たりの所望の出力がｄＰ／ｄｚである場合、ウェッジ層１２の所望の形状は以下の微分方程式によって決定される。
【００３４】
【数２】
0004727625.tif 000003
ここに示す全ての場合において、出力分布はフレネル反射（Fresnel  reflections）によって変更されている。このため、出力分布はほぼ所望の形状を有する。ウェッジ装置１０が湾曲している場合であっても、同湾曲の曲率が大き過ぎなければ、これはシステムを質的に特徴づける平均角度φを形成するのに効果的である。
【００３５】
本発明の別の態様において、前記の例のジオメトリはそれぞれ屈折率ｎ１，ｎ２を有する２つの屈折媒体の間に１つのｘ，ｙインターフェースを含む。成分ｎＭ，ｎＮはｘ，ｙインターフェースを横切って維持されている。従って、ｎ１Ｍ１＝ｎ２Ｍ２，ｎ１Ｎ１＝ｎ２Ｍ２となる。ｘ，ｚ面への入射角度はｓｉｎθｅｆｆ＝Ｎ／（Ｌ２−Ｎ２）１／２によって与えられる。次いで、前記の関係からｓｉｎθ２ｅｆｆ／ｓｉｎθ１ｅｆｆ＝（ｎ１／ｎ２）［１−Ｍ１２］１／２／［１−（ｎ１／ｎ２）２Ｍ１２］１／２＝（ｎ１／ｎ２）ｅｆｆとなる。例えば、ｎ１＝１．４９、ｎ２＝１．３５及びＭ１＝０．５の場合、有効屈折率比は１．０３５（ｎ１／ｎ２）となり、同屈折率比は実際の屈折率比より僅かに大きいだけである。
【００３６】
空間パラメータに対する屈折率の変化
テーパ状ライトガイドの一般的なケースでは、ウェッジ層１２の長さはｚ軸に沿って延びており、同ウェッジ層１２の厚さはｘ軸に沿って延びている（図２Ａ参照）。Ｌ、Ｍ、Ｎがそれぞれｘ、ｙ、ｚに沿った幾何学的方向余弦であり、ｎが空間位置とともに変化する屈折率である光学的方向余弦（ｎＬ、ｎＭ、ｎＭ）を導入したとする。ウェッジ層１２内に位置する誘導光線の場合、ｘに沿った移動はほぼ周期的であり、１つの周期における量φｎＬｄｘは光線がｚに沿って伝搬される際にほぼ一定である。この特性は断熱不変性と称され、さらにはライトガイド特性の分析における効果的な枠組みを提供する。
【００３７】
第１の例において、図２Ａに示すウェッジ装置１０はウェッジ層１２に均一な屈折率を有し、かつ幅Ａ（ｚ）＝Ａ０−Ｃ・ｚとともにｚに沿って直線状に延びるテーパを備えている。Ｌ（ｚ）Ａ（ｚ）は断熱不変性に基づいてほぼ一定の値をジグザグ状光路に沿って示す。光線がＬ＝Ｌ０をともなってｚ＝０から出発した場合、（Ａ０−Ｃ・ｚ）Ｌ（ｚ）はＬ０Ａ０とほぼ同一となる。光線はＬ＝ｃｏｓθｃである場合にウェッジ層１２から出射し、前記の式においてθｃは臨界角＝［１−（ｎ２／ｎ１）２］１／２である。この結果、ウェッジ層１２から出射するための条件はＡ０−Ｃ・ｚ＝Ｌ０Ａ０／ｃｏｓθｃとなる。これはｚ＝（Ａ０／Ｃ）（１−Ｌ０／ｃｏｓθｃ）において生じる。従って、ｚに現れる光線の密度は初期方向余弦Ｌ０における光線の密度に比例する。例えば、Ｌ０における初期分布が均一である場合、光線の密度は均一になる。
【００３８】
第２の例では、屈折率プロフィールは均一ではなく、寧ろｘ及びｚにおいて減少する。ｚにおける減少速度がｘにおける減少速度より遅い場合、光路は依然として周期的であり、かつ前記の断熱不変性が適用される。次いで、光線２４がｚに沿って伝搬された場合、ｘ，ｎＬ空間内の光路はほぼ周期的となる。従って、Ｌ（ｚ）の最大値は増大し、ｚの或る値において脱出するための臨界値に達し得る。脱出のためのｚ値は屈折率（ｎ）プロフィールの詳細に依存している。このプロフィールが特定された場合、分析は前記の第１の例と同様に進行する。従って、放物線屈折率プロフィール（Parabolic index profile）の場合、屈折率プロフィールは−ρ＜ｘρにおいてｎ２（ｘ）＝ｎ２０［１−２Δ（ｘ／ρ）２］のフォームを備え、かつ｜ｘ｜＞ρにおいて＝ｎ１２＝ｎ２０［１−２Δ］を備える。そして、ｘ＝０における臨界角度は依然としてｓｉｎ２θｃ＝２Δ＝１−（ｎ１／ｎ０）２によって与えられている。ｚのゆっくりと減少する関数であるｎ０を有する場合、θｃが減少する一方で、ｘ＝０における勾配θはφｎＬｄｘの断熱不変性により徐々に増加する。この結果、光線は脱出する。光線分布の詳細は屈折率（ｎ）がｚとともにいかに変化するかに依存している。
【００３９】
非ウェッジ・テーパ状ジオメトリー
最も一般的なケースにおいて、光線をあらゆる形状の層（例：平行六面体、円筒または非均一ウェッジ）に入射させ得る。そして、ここに示す原理を同様に適用できる。これに加えて、光線を環境に対して出射させる手段との組合せにおいて、屈折率は適切な結果を実現すべく（ｘ，ｙ，ｚ）において望み通りに変化させ得る。
【００４０】
例として、図５に示す半径方向ｒにテーパーが形成されたディスク形ライトガイド４６に基づいて詳述する。円筒状極座標（Cylindrical polar coordinates）における方向余弦はｋｒ、ｋθ、ｋｚである。ガイド４６内を伝搬される光線４８は以下の関係を満たす。
φｎｋｚｄｚ〜コンスタント（断熱不変性）        （４）
ｎｒｋθ＝コンスタント（角度運動量保存）        （５）
断熱不変性条件はウェッジ装置１０の場合と同一である。この結果、ウェッジ装置１０に関する前記の事項はライトガイド４６に対しても適応される。角度運動量保存条件は、半径の増加とともに光線が光源４７から外側へ向けて伝搬されるのにともなって、ｋθ値が減少することを必要とする。従って、光線は半径が大きくなった場合に平行となる。これは基本的にウェッジ装置１０と同一の特性を形成する。そして、光線４８は選択された角度で面５１上に入射した際に光線５２としてｚ方向に沿って平行に出射する。
【００４１】
例示する意味において、ガイド材料が一定の屈折率ｎを有するものとする。このようなジオメトリにおいて、光線４８は５Ｂ−５Ｂ線に沿った２次元の縦断面に沿って前記のウェッジ装置１０の場合と同様に伝搬される。同様に、別の層５４，５６及び他の手段は所望の光線取扱い特性を実現すべく使用可能である。例えば、ディスク形ライトガイド４６において、好ましいファセット・アレイ５６はディスク４６と同心をなす一連の複数の環である。従って、ファセット５６の横断面が直線状である場合、光線５２は前記した装置１０の場合と同様に２φに屈折率の関数を乗じた全角度（full angle）内において平行に出射する。
【００４２】
低い屈折率を備えた２つの層を有するテーパー状照明装置
図６Ａに示す本発明の別の形態において、装置１０は光学的屈折率ｎ１を備えた第１の層６１を有している。第１の層６１は少なくとも１つの入射角度φを形成すべく互いに収束する頂面６２及び底面６４を有している。更に、第１の層６１は頂面６２及び底面６４を結ぶ背面６５を備えている。
【００４３】
第１の層６１に隣接して底部透明層手段などの層手段が存在する。底部透明層手段の例としては、底面６４に隣接するか、または同底面６４の真下に位置する屈折率ｎ２を備えた第１の中間層６６が挙げられる。これに加えて、層手段は頂部透明層手段を含むことができ、同頂部透明層手段は屈折率ｎ２の第２の中間層８１を頂面６２に隣接して有している。層６６，８１のうちの少なくとも１つは空隙、空気以外のガスが充填されたギャップまたは透明誘電性ギャップ（Transparent dielectric gap）であり得る。
【００４４】
空隙は従来の手段を用いて形成できる。例えば、層を張力によって支持するような外部サポート（図示略）を使用するか、またはスペーサ６８を第１の層６１及び隣接する光進行方向変更層７０の間に配置するなどして空隙を形成できる。同様に、スペーサ６８を第１の層６１及び第２の光進行方向変更層８２の間に配置できる。これに代えて、層６１，８１を形成すべく固形材料を透明誘電体として使用できる。固形材料は構造的完全性、構造的強度及び組立易さを改善し得る。固形材料の例には、ゾル−ゲル（ｎ２＝１．０５〜１．３５）、フッ素重合体（ｎ２＝１．２８〜１．４３）、フッ化物塩（ｎ２＝１．３８〜１．４３）、並びにシリコンをベースとしたポリマー及び接着剤（ｎ２＝１．４０〜１．４５）のうちのいずれか１つが含まれる。透明誘電体に使用する前記の固形材料は自身を支持するために別の手段を必要としない。しかし、同固形材料は自身の屈折率が空隙の屈折率より高いことに起因して更に低い開口率許容値を形成し得る。
【００４５】
層６６，８１は第１の層６１から入射した光線の伝搬を許容する。この実施例において、光線の一部は頂面６２に対して最初にθｃを形成する。そして、光線は光進行方向変更層８２による更なる処理を実施すべく層８１内に入射する。従って、残りの光線は底面６４に対して最初にθｃを形成し、次いで光進行方向変更層７０による更なる処理を実施すべく層６６内に入射する。
【００４６】
本発明の好ましい態様では、層６６，８１の両方が存在する。層６６，８１は互いに類似するが、しかし大きく異なる屈折率ｎ２ａ，ｎ２ｂをそれぞれ有し得る。これらの屈折率は同屈折率がインターフェース６２，６４において臨界角を形成した際に互いに類似すると考えられ、前記の臨界角の大きさはウェッジ角度φに類似しており、例えば以下の式で表される。
｜ａｒｃ  ｓｉｎ（ｎ２ａ／ｎ１）−ａｒｃ  ｓｉｎ（ｎ２ｂ／ｎ１）｜＜６φ  （６）   この場合、光線の大量、かつ不均一なフラクションが光進行方向変更層７０，８２における更なる処理を実施すべく層６６，８１のそれぞれに入射する。大きい方のフラクションは２つの屈折率ｎ２ａ，ｎ２ｂのうちの高い方を有する層内に入射する。光進行方向変更層７０は層６６内に入射するフラクションのみを処理する。従って、光線の出力角分布に対して光進行方向変更層７０が及ぼす影響は、屈折率ｎ２ａ及び屈折率ｎ２ｂの間の関係を変化させることにより変更できる。
【００４７】
本発明の別の好ましい態様では、層６６，８１は屈折率ｎ２＜ｎ１を備えた同一の透明材料であり得る。一般的に、ｎ２で表された低い方の値は、光入射面６５における開口率を増加させることにより装置１０の効率を高める。従って、層６６，８１が空気または他のガス（ｎ２＝１〜１．０１を備えたガス）によって充填されたギャップである場合に捕集率（Collection efficiency）を最大にできる。
【００４８】
層６６，８１の厚さは装置１０の出力空間分布を制御するか、または視覚的均一性を高めるべく選択的な変更が可能である。例えば、層１８の厚さを０．００２〜０．００３インチ（約０．０５〜０．０８ｍｍ）増加させることにより、装置１０の厚い方の端縁に発生し易い不均一性を鋭く減少できる。層６６，８１の厚さは、出力された光線の所望の空間分布を制御すべく位置とともに円滑に変化させ得る（図１２Ｌ参照）。
【００４９】
図６Ａに示す本発明の好ましい態様において、光進行方向変更層７０は反射層７１を有している。反射層７１は光線を層６６及び第１の層６１を介して反射する。次いで、光線は頂面６２を介して第１の層６１内へ入射する。そして、光線は更なる処理を受けるべく光進行方向変更層８２内に入射する。例えば、反射層７１は平坦な正反射リフレクタ（Planar specular reflector）、部分的若しくは完全な拡散リフレクタ（Partially or completely diffuse reflector）、及びファセット・リフレクタ（Faceted reflector）のうちのいずれか１つであり得る。
【００５０】
平坦な正反射リフレクタは層８１内において最も狭い角度分布の形成を招来する。従って、リフレクタにおける所望の出力角度分布が単峰形である場合に、光進行方向変更層８２のデザインを簡略化できる。拡散リフレクタまたはファセット・リフレクタは広範な角度分布（図４Ｈ及び図４Ｉ参照）を実現するか、または均一性（図４Ｎ参照）を高めるべく層７１に使用できる。所望の角度分布が大きな“尾（Tails)”（図４Ｉ参照）を有する場合、拡散リフレクタの使用が好ましい。ファセット・リフレクタは層８１内において２頂形をなす角度分布を形成できる（図４Ｈ参照）。従って、所望の出力角度分布が２頂形である場合、ファセット・リフレクタの使用が好ましい。例えば、眩しさを低減することから、室内照明では照明装置からコウモリの翼の形のような２頂形をなす分布を得ることが好ましい。
【００５１】
一般的に、層７１の各ファセットは光進行方向変更層８２による更なる処理を実施するために、層６６及び第１の層６１を通って反射して戻ってきた光線の角度分布を制御する形状を備え得る。装置１０内における角度分布は光進行方向変更層８２から環境へ出力される光線の角度分布に影響を及ぼす。例えば、湾曲ファセットは角度分布を円滑に広げるとともに、均一性を高める拡散効果を提供すべく使用できる。反射層７１は出力空間分布及び角度分布に対して影響を及ぼし得る。所望の出力分布を実現すべく反射層７１の反射性、正反射性（Specularity）またはジオメトリを位置とともに変更できる。例えば、位置に対する関数としての反射層７１の各エレメントの勾配（図１２Ｌ参照）における小さな変化は光出力分布を大きく変化させる。
【００５２】
光進行方向変更層８２は屈折率ｎ２より大きな屈折率ｎ３を有するとともに、非常に透明であるか又は半透明である。低屈折層８１における光は層８２に入射すると、外部へ進行方向が変更される。また、透過的な光進行方向変更層８２は、光進行方向変更層７１の反射により処理された光の進行方向を変更し、その光は低屈折層６６及び第１の層６１を通過して逆反射される。層８２の透明度又はジオメトリーは装置１０の出力の空間的分布にさらに影響を与えるために、その位置が様々に変更される。図６Ａに示すように、本発明の好ましい一実施形態において、光進行方向変更層８２は低屈折層８１との境界にファセット面を有している。層８２に入射する光は、ファセット面８５における第１のファセット８４によって屈折される。そして、その光はファセット面８５における第２のファセット８６によって、全体的に内部から反射される。本発明の一形態において、光進行方向変更層８２は３Ｍ社の商標である”透明右角フィルム”（以下、ＴＲＡＦとする）であってもよく、この製品は３Ｍ社から商業的に購入できる。このＴＲＡＦは屈折作用を有し、全ての内部反射をほぼ９０度屈折させ、一般的なＬＣＤの後部ライト装置に適している。従来のＴＲＡＦの受入れ角はおよそ２１度であり、その角度は低屈折層８１に入射する光７５の反射角を大きくするには充分な角度である。本発明のさらに望ましい実施の形態において、ファセット角は、上述した屈折機構及び全内部屈折によって、低屈折層８１に入射したさらに多くの光７５の進行方向を変更する。１つ又は両方のファセット８４，８６の表面は、反射角分布を調節するために、形成される。例えば、湾曲ファセットの使用は滑らかに分布を広くするとともに、均一性を改善する光拡散効果を提供する。
【００５３】
本発明のさらに望ましい実施の形態において、光進行方向変更層８２のファセット角の表面は、一般的な観測距離から観測されたとき、位置に基づく観測角度による変化を補償するために、次第に変化される。そのような補償効果は上記の図２Ｍに示す実施の形態において、反射ファセット層の形状を参照して詳述されている。同様の原理は、屈折層や内部屈折層を含むいかなるファセット光進行方向変更層の形状に応用できる。そのように、次第に変化するファセット層を有する実施の形態は、図１２Ｅ（層１４０）、図１２Ｇ（層１５２）、図１２Ｈ（層１６６）、図１２Ｋ（層１８６）、図１２Ｎ（層２１０）、図１２Ｏ（層２２８）、図１２Ｐ（層２４６）に示されている。
【００５４】
本発明の別の形態において、層６６及び層８１は、それぞれわずかに異なる屈折率ｎ２及びｎ２’を有している。第１の層及び２つの層６６，８１の間の境界面と係わる臨界角が第１の層のコンバージェンス角φ以上にならなければ、装置１０の主要効果は非常に似ている。
｜arcsin(n２’/n１)-arcsin(n２/n１) ｜＜φ      （７）
従って、この場合、各光進行方向変更層７０，８２によりさらに処理をするため、ほぼ同量の光が層６６，８１に入射する。
【００５５】
本発明の全ての実施形態は、さらに図２Ｃにて鎖線で示す出力拡散層４０、或いは図６Ａに示す透過な又は半透明な拡散層８３を含んでいる。一般的に、この拡散層４０は面ディフューザ、立体ディフューザ、又は少なくとも１つの円筒部（”レンズ型列”として知られる）を有する少なくとも１つのマイクロレンズ列である。これらの層４０，８３は光の均一性を向上させ、外部への角度分布を広くすることができる。レンズ型列は、表面分散体又は体積分散体と比較して後方分散が低いとともに、平行な光によって照射される際、より鋭角な出力角カットオフを有しているため、レンズ型列は有効である。また、好ましくはレンズ型列は、各円筒マイクロレンズの主軸方向に延びる上記の特徴を有する光のみを拡散する。
【００５６】
図１０に示すように好ましい一実施形態において、光進行方向変更層１１０は出力光を非常に平行にする平ファセット１１１を使用している。望ましい出力角分布は、ｙ軸とほぼ平行に延びる円筒のマイクロレンズ及び適切な焦点比を有するレンズ型ディフューザ１１２を備えることにより、さらに調節される。また、レンズ型ディフューザ１１２はｙ軸の主軸方向に延びる非均一な光を拡散する。この実施の形態において、第２のレンズ型ディフューザはｚ軸の主軸方向に延びる非均一な光を拡散するために備えられる。この第２のレンズ型ディフューザマイクロレンズはｚ軸とほぼ平行に延びている（図１２Ｈ及び図１２Ｎ参照）。なお、ディフューザ１１２，１１３の配置順序は光学的効果を損失することなく交換してもよい。同様に、レンズ型ディフューザ１２２，１１３は逆に配置されてもよく、図１０に示すように、ディフューザ１２２，１１３は凸状の外形に代えて、凹状の外形に変更してもよい。このような変更は効果に若干の影響を及ぼすが、拡散層１１２，１１３が上記の基本的な効果を奏する。
【００５７】
図１１に示すように、別の望ましい実施形態において、平ファセット光進行方向変更層８２層１１０及び図１０にて示す平行なレンズ型ディフューザ１１２の作用は、ともに湾曲ファセット（例えば、図２Ｈ、図２Ｍ、図３Ａを参照）を有する光進行方向変更層１１４によって奏される。これらのファセット曲率は光の進行方向を変え、適切な曲率面を有することにより出力角を制御するとともに、ｙ軸の主軸方向に延びる非均一な光のためのディフューザとして作用する。１つの層に、上記の作用を結合することにより、多くの部品を減らし、厚さ、製造コスト、生産性を改善している。この形態において、１つのレンズ型ディフューザ１１５は、ｚ軸の主軸方向に延びるとともに、残存する非均一な光を拡散するために備えられる。この種のレンズ型ディフューザマイクロレンズはｚ軸とほぼ平行に延びている。なお、レンズ型ディフューザ１１５を逆に配置したり、図１０に示す凸状の外形を凹状の外形に変更したりすることもできる。上述したように、このような変更は効果に若干の影響を及ぼすが、層１１４，１１５が意図したような効果を奏する。
【００５８】
複数のマイクロ構造層を有する全ての形態において、上述したこれらの層におけるファセットやレンズレット（lenslet)空間は望ましくないモアレ縞を避け、不合理比率を有するために選択される。同様に、各層における特徴空間は、液晶表示装置（ＬＣＤ）又は電荷結合素子（ＣＣＤ）列のように照射される装置において、不合理比率を有するために設計される。各レンズ型拡散層１１２，１１３，１１５は、液晶表示装置における層の間のモアレ相互作用を減少させるために、図に示す配置から約２０度まで傾けられる。
【００５９】
同様に、レンズ型ディフューザは、仮にそのフューザの断面がほぼ図１０及び図１１に示すような断面であれば、くさび型の切断面を有する非くさび型ジオメトリーを同様の効果とともに使用される。その一例は図５に示すような先細の円板である。この場合、図１０に示す層１１２と相似であるレンズ型ディフューザはマイクロレンズを有し、そのマイクロレンズの軸は円板の回転軸と同心上に延びている。図１０にて示す層１１３及び図１１にて示す層１１５と相似であるディフューザはマイクロレンズを有し、そのマイクロレンズの軸は円板の中心軸から放射状に光を発生する。
【００６０】
光源及び連結器
図２Ａ及び図２Ｂに示すように、本発明のより好ましい別の実施形態において、ファセット層３０は光の進行方向を光学的に変えるために備えられている。ファセット３４は層３０又は離間したファセット層に必ず必要なものである。そのようなファセット層の作用については、上記に詳述されている。さらに、図６Ａに示すように、入力ファセット層７４は光源７６と第１の層６１との間に配置される。ファセット層７４は角柱のファセット列であり、そのファセットは、外部へ出力光をより明るく、より均一にするためにコリメーティング効果を奏する。
【００６１】
ｙ軸と平行な直線状の角柱は、入力開口数をより近くに合わせるため、入力角分布を調節することにより均一性を改善する。ｘ軸と平行な直線状の角柱は横出力角分布を制限するとともに、蛍光灯の光源に使用される際、出力光の明るさを改善する。本発明の他の実施形態において、入力光の拡散は、ディフューザ７９が光の均一性を改善し、光を広げて光分布を拡散するために使用して行われるのが望ましい。ディフューザ７９は好ましくは、ｙ軸と平行な円筒型レンズレットを伴うレンズ型列である。また、そのディフューザ７９は標準の面ディフューザ、立体ディフューザまたは離散形フィルムであるとともに、或いはくさび型層６１に必ず接続される。複数の角柱状フィルムまたはディフューザフィルムが結合して使用される。そのようなディフューザ７９のフィルム形状とファセットフィルム７４とは、効果を変化させるために配置が交換される。
【００６２】
本発明の別の実施形態において、内部に全反射するＣＰＣ（複数の放射状捕集器）１００の絶縁部は、光源７６と第１の層６１との間に挿入される（図２Ｌ、図１２Ｏ及び図１２Ｐを参照）。ＣＰＣ部１００は、入力光をさらに開口数に近く合わせるために調節する。好ましくはＣＰＣ部１００は、必ず第１の層とともに形成されることが好ましい。
【００６３】
図７及び図８に示すように、各反射部９２，９４は、光源７６から光管開口への光の通過量を最大にするために、形成されるとともに配置される。これは、光源７６への光の逆反射を最小にすることと同じであり、光源はいくらかの反射光を部分的に吸収する。一般的に、光源７６は円筒型であるとともに、透明なガラス膜によって覆われ、それぞれが図７及び図８に示すような円形断面である。そのような光源の典型的な例は、蛍光管及び長いフィラメントの白熱ランプである。光源７６の外径はガラス膜９３の直径と同じか、それ未満である。図７に示すように、従来技術のＵ字形反射部９２は光源７６の周囲を鏡面反射高分子フィルムで包み、そのフィルムの両端にくさび型層１２を接触させることにより形成される。反射部９２は一般的に、くさび型層１２と対向して光源７６の側面において、ほぼ円弧状に形成され、そのくさび型層１２における円弧の各端部に直線部が結合されている。この反射部９２をくさび型層に結合する方法は、反射部の断面が鋭角でなければ最も容易に行われる。一般的に、光源７６は、ランプ効率を下げる熱的及び電気的結合を最小にするため、くさび型層１２又は反射フィルムのいずれにも接触してはならない。
【００６４】
図８に示すように、本発明の一実施形態において、光源７６への光逆屈折量を最小にすべく反射部９４は効果的に設計され、光源７６は効果的に配置されているため、効率が向上している。本発明の好ましい実施形態において、少なくとも反射部９４は、その反射部９４の表面の各点に対して描かれる法線が、光源７６の断面に対して接線となるように形成される。その結果、反射部の形状は光源７６のインボリュートとなる。
【００６５】
インボリュートが最大の効果を奏する時、一般的に他の形状は容易に製造される。
高分子フィルムは、上記したように予め滑らかな、ほぼ半円弧を含む曲線に折り曲げられる。それは光源７６の断面と半円弧状の反射部９２とが図７に示すように同心状である時、見られる。そして、反射部９２の半円部がすべての入射光線を光源７６に逆反射させるため、効率が悪くなる。そのような効率の悪さは、自己吸収する円状の光源と同心状の半円反射部との固有性質である。この固有性質は簡単な光線追跡またはスキュー不変性の原理から分かる。反射部９２が完全に円状でなくとも、光源７６の断面が反射部の曲率の中心付近にあっても、その反射部９２の各部は光を光源７６に逆屈折させる傾向がある。
【００６６】
別の好ましい実施の形態において、図８にて示す反射部９４の断面は一以上のほぼ半円弧を含み、反射部９４の曲率の中心から光源７６の中心をずらすことにより効率が向上する。光線追跡及び実験は、そのような好ましい実施の形態が、以下の設計規則を用いて行われたことを表している。
１．反射部９４の断面はｘ次元において、最大範囲すなわち、くさび型層１２又は光管）の最大厚さを有する。
２．反射部９４の断面は鋭角な角を有していない。
３．反射部９４の曲率半径は可能な限り大きい。
４．光源７６はくさび型層１２から可能な限り遠いが、最悪の製造状態において接触を避けるために、反射部９４から充分離れている。
【００６７】
図８に示すように、上記の設計規則を満足する結合器の一例は、内径は２ｍｍ、外径は３ｍｍ、くさび型層１２（又は光管）の厚さは５ｍｍ、反射部９４とガラス層９３との間の製造誤差範囲は０．２５ｍｍである。この例のさらに好ましい実施形態は反射部９４の曲率半径は２．５ｍｍであり、光源７６の中心はくさび型層１２の開口から０．７５ｍｍずらされている。この設計に基づいて構成される結合器は、図７に示す従来の同心状結合器と比較して、１０〜１５％程明るいことが判明した。
【００６８】
先に説明した内巻きの反射部材９２、及びＵ字状の反射部材９４は、くさび層１２の孔に向けて、孔の表面放線に関してほぼ±９０度の角度で光を出力するように設計されている。
【００６９】
他の好ましい発明の実施の形態では、反射部材９４は、装置１０の開口数に近い角分布の光を出力するよう形成されている。
図６Ｂ、６Ｃに示すように、反射部材９４としての形状には、複合放物光源反射器８６、非像照明光源反射器８８といった他の幾何学的構造物も含まれる。光源反射器８８の例は、出願と同時に譲受人に譲渡された同時係属中の出願番号０７／７３２、９８２の出願において詳述されており、本願は、これを参照することにより具体化される。
【００７０】
図６Ｄ、１２Ｃ、１２Ｎ、１２Ｏには、本願に係る他の発明の実施の形態が示されている。くさび層９０は、くさび状断面のいたるところにおいて非単調に変化する断面厚さを有している。この断面を制御することにより出力される光の分布を制御できることが分かっている。さらに、光学境界効果、固有光源効果は、望ましくない偏差の出力光の分布を与えるよう結合できることが分かっている。その結果、たとえば、通常、入射光を受光する厚端部の近くのくさび層９０の実際の寸法として、非直線的に変化するくさび断面を与えることで、これら偏差に対する補正を行う。
【００７１】
これらの寸法を調整することにより、光分布全体を調整するための他の自由角を有すること、及び、あらゆる境界効果あるいは光源構造に対する補正のための仮想的な形態を与えることができる。さらにまた、光分布を改善し、また所望の光分布出力を与えるために光の入力偏差を補正する前述の方法により、くさび層９０の屈折率を変更することができる。
【００７２】
照明装置の製造
本願の一発明の実施の形態では、装置１０の製造は、選択された接着剤及び積層プロセスを注意深く使用することにより達成される。たとえば、屈折率ｎ１  のくさび層１２は、屈折率ｎ２の第１層２８と接着により接合され得る。接着層６０（図３Ｂ参照）は、第１層２８の上側表面に液状のまま塗布され得る。そして、第１層２８は、くさび層１２の底面１６と接着される。一般的に、各層の接着の順序は、どのような順序であっても良い。
【００７３】
層１２を層２８及び他の層に接触させる際に、製造プロセスは、実質的に平滑な界面の表面である内側層界面の構成を好適に適応させる。もし、適切に準備されていない場合には、異なる屈折率を有する層の間の各界面が、特有の臨界角を備えた反射面として機能するので、そのような内側層は性能に不利な影響を及ぼすおそれがある。もし界面の表面が実質的に平滑であるならば、平坦でない表面の不利な効果は無視し得る。その結果、装置１０の様々な層の積層化を実現する際には、方法論は、上記した平滑な界面層を与える接着剤及び接合技術を用いるべきである。積層プロセスの例は、付加的な接着層を用いないで制限的に接合し、一の層に薄膜を接触させ、接着層を伴う第２層を薄膜に接着し、２つの接着層を伴うフィルム層を接触させる（各層表面は、他の層と接合されている）。
【００７４】
好ましい発明の実施の形態では、積層化は、ポテンシャル界面のばらつきが光分布を歪ませるであろう、いかなる付加的な内側層をも用いることなく行われる。装置１０に関する幾何学的配置の例は、くさび層１２と第２層３０との間の層が液層であり得る。この方法は、第１層（たとえば、液層）が接着剤として作用する場合に、最もよく機能する。接着剤の養生は、装置１０の各層の一部、あるいは全部が互いに接合される前、あるいは後のいずれかを選択することができる。光学界面は、くさび層１２の下側表面と第２層３０の上側表面とによって区画される。
【００７５】
他の発明の実施の形態では、被膜は接着層と共に用いられ、第１層２８は、第２層３０に塗布された被膜となり得る。そして、被膜されたフィルムは、被膜されたフィルムとくさび層１２との間に接着剤を塗布することにより第２ステップにおいてくさび層１２に対して積層され得る。連続フィルムロールの形で供給されることが一般的であるから、低屈折率被膜は、直接くさび層１２に塗布するよりも、第２層３０に塗布することが好ましい。実際の製造時には、このような連続フィルムロールによって覆うことは、個別片のフィルムによって覆うよりもコスト面でより効果的である。この方法論によれば、塗布されることにより形成される低屈折率層の厚さを簡易に調整することができる。
【００７６】
他の発明の実施の形態では、第２層３０が追加の接着剤を用いることなく直接、第１層２８と接着する方法によって形成されている。たとえば、第２層３０は、高分子材料を第１層２８に塗布し、それから、所望の幾何学的配置を得るためにこの材料を除去することにより形成される。他の例では、第１層２８は、第２層３０にエンボス加工が施されている間に搬送フィルムとして供給され得る。適切な温度によってエンボス加工を実行している間に、第２層３０は、第１層２８に熱融着する。このような熱融着は、従来のＦＥＰを第１層フィルムとして用いた場合には、約５００Ｆ°以上でエンボス加工を行うことにより実現することができる。
【００７７】
さらに１枚のフィルムと２つの接着層を用いる他の発明の実施の形態では、第１層２８は、押出成形され、あるいは、２種類の界面間に接着層を用いることにより、くさび層１２、または、くさび層１２と第２層３０間に積層されたフィルムを除去することにより形成される。前述した光散乱による不都合を最小限にするために、接着層は平らで、平滑であるべきである。フィルムは、高くない形で、工業的に得られる低屈折材料として得られる。付加的な接着層は、各層の間に接着剤を有する多層構造の効果によって、強度を増すことができる。
【００７８】
一般的に接着剤を使用する際には、くさび層と第１層の間の接着剤の屈折率が第１層２８の屈折率に可能な限り近似している時に装置１０の性能は最適化される。くさび−接着層の界面における臨界角が可能な限り低い場合には、光は装置１０をでていく前に低級フィルム界面において反射した最小の影響を受ける。加えて、第１層フィルムの表面における屈折率の変化は、フィルム表面の粗さ効果を減少させることにより最小化される。
【００７９】
切子面（ファセット）のある表面の製造は、原型として用いる精密機械加工によって得られるモールドによって達成される。機械加工は、適切に形成されたダイヤモンド工具を用いて設定に基づいて実行される。原型は、電解法、または、鋳造といった公知の技術によって複製することができる。それぞれの複製のステップは、所望の表面形状と反対の表面形状を生み出す。モールドまたはモールドの複製の結果は、第２層３０における所望形状のエンボスの形成にも用いられる。直接、線織面を用いることもできるが、上記したエンボス形成の方法が好ましい。公知のフライスプロセスは、化学エッチング技術、イオンビームエッチング、レーザビームフライスを含む。
【００８０】
他の機械製造方法では、ファセット表面３４（たとえば、図２Ｂ、２Ｍ参照）は、エンボス、鋳造、所望のファセット表面３４のプロフィールと逆の表面を有する硬工具を用いた溶接プロセスによって製造される。この結果、製造上の問題は、適切な型による機械加工によって減少する。一般的に、機械加工により得られた型は、鋳造、エンボスプロセスにおいて用いられる型を形成するためのテンプレートとして用いられる。型は通常、電解法によって複製される。電解法は表面プロフィールを逆にするので、また電解法は他の電解法により形成されるので、いくつもの逆型が得られ、また、直接機械加工されたマスタは、ファセット表面３Ａまたはその逆表面の形状を有する。
【００８１】
ファセット表面３４のための型作りは、切削工具とワークとの間の距離が所望のプロフィールに沿って変更されるシングルポイントダイヤモンド加工によって製造することができる。ダイヤモンド切削工具は、非常に鋭利である必要があるが、潜在的に所望のプロフィールを形成し得る必要がある。与えられた形態は、切削工具の０でない半径に適合させるために詳細な調整が要求される。もし湾曲ファセット表面が必要な場合には、円形アークが製作を簡単にする上で好ましい。切削工具は、切削された基盤を介して移動させられ、また、ほぼ工具の形を有する溝を切削する。すべての片が単一のダイヤモンド工具によって加工されることが好ましい。この方法が焦点型のファセット表面の形成に用いられる際には、可変溝プロフィールは、種々の溝プロフィールが同一の工具によって加工され得るように形成されるべきである。必要な形態のバリエーションは、ツールの角度、溝の配置、溝の深さを変更することによって得られる。要求された形のありエーションは、工具の角度を変更することにより、及び溝の配置及び深さを変更することにより実現できる。
【００８２】
ファセット表面３４の形態はいくつかの一般的な制約を満足させることが好ましい。
１．照射角度分布の中央において位置関数としてほぼ線状の変化。一般的なコンピュータ画面の上辺から下辺までの１１度の角度変化（±５．５°）が効果的。
２．出力された光の可変角度分布の幅は、見る者に対してほぼ均一の照度を与えるために、局所的な照度がほぼ均一であるべきである。以下に示す例は、空間分布がほぼ単一なので、角度コーンがほぼ単一の幅を有している。
３．各ファセット３８の溝間隔は、非屈折効果をさけるため十分大きく、あるいは、十分不規則であるべきである。また、ＬＣＤパネルとともに用いられる際にモアレをさけることができるよう選択されるべきである。現実には、これら制約が空間的バリエーションの許容を制限する。
【００８３】
たとえば、装置１０の製造の際には、視角は各ファセット３８の傾き、屈曲に依存している。焦点あわせは、位置関数としてのファセット構造の回転によって実行される。５００ｍｍ離れたところから１５０ｍｍスクリーンを見る例では、照射コーンは上辺から下辺まで１７度（±８．５度）だけ変化させられる。一般的な材料としては、アクリル、ＦＥＰがスクリーン８９（図９Ｂ参照）の上辺から下辺まで５．７度だけ回転するファセット構造であることを要求する。
【００８４】
意図された制約は、単一の工具による可変湾曲溝加工の必要性と制限（１）−（３）が結合されたときに得られる。たとえば、一定の切削深さにおける一定角度幅の維持（制約（１））は、溝の配置あるいは溝の深さにおける変化の補正を要求する。溝を工具によって切削したときには、各湾曲ファセット（図２Ｍ参照）の一尾は、近接するファセットの上側エッジの陰に覆われるので、特に、溝配置の線形変化は、焦度のばらつきを無視できる程度まで低減することができる。この配置の変化は、制約３を満足させるよう充分小さくなる。
【００８５】
さらに製造方法は、第１層２８の蒸着、スパッタリング、イオンビーム打ち込みを含む。この層は、前述したように極めて薄いので。同様に、第２層３０は、図２Ｂに示すファセット層３０（マスキングと層析出による）を形成するように調整可能である。
【００８６】
簡易コリメータ装置としてのくさびライトパイプ
最も一般的な発明の実施の形態では、くさび層１２は光学要素として結合の環境として機能する。実質的な透明なくさび層１２は、光学屈折率ｎ１ を有しており、また、徐々に集まる少なくともある傾斜角φに収束するよう設置された上側表面１４と下側表面１６を有している。くさび層１２は、また、上側表面１４と下側表面１６とにかかる裏側表面２０を有している。くさび層１２は、空気ギャップを含み屈折率ｎ２  の透明な第１層２８に隣接している。第１層２８は、第２層３０のファセット表面３４のような反射層に隣接している。
【００８７】
実質的に非平行な光は、裏側表面２０を通って光源２２に導かれる。光は、くさび層１２内に伝達され、各光線は、入射角が臨界角θｃ以下となるまでその上側表面１４及び下側表面１６に関する入射角を減少する。一旦、入射角がθｃ以下となると、光線は外部環境に現れる。下側表面１６を介して現れた光線は、反射によって再びくさび層１２に戻され、そして外部環境に現れる。上述した角濾過効果の効果により、出力光はコーンの角度幅と平行にされる。
Δθ≡２φ１／２（ｎ２−１）４  （フレネル反射は、Δθを増加させる。）（８）
照射範囲９９は、くさび層１２の端部を越えて、また、実質的に上記規定された幅Δθのコーンの内部に位置している。
【００８８】
他の好ましい発明の実施の形態では、光進行方向変更手段は、くさび層１２の端部を越えて、また、実質的に上記規定された幅Δθのコーンの内部に位置し得る。光進行方向変更手段は、レンズ、平面反射器、湾曲反射器であってもよい。光進行方向変更手段は、光を照射範囲に向けて反射、あるいは、屈折させる。さらなる詳細及び光進行方向変更手段、レンズ状拡散器の使い方をいかに述べる。
【００８９】
２つのエアギャップ、もしくは透明な誘電層を有する図６の各実施の形態においては、光の進行方向変更層は独立している。従って、違う種類の層を有する装置を構成することができる。例えば、光が装置１０の両側から放射される場合、もしくは最高視準が望まれる場合には２つの透過光進行方向変更層を使用することが望まれる。２つの光進行方向変更層に関する全ての発明において、光進行方向変更層８２は図１２にある次の例を含むことができる。（ａ）図１２Ａにあるように、回折格子１２０、もしくはホログラム１２２。（ｂ）図１２Ｂにあるように、ディフューザー１２６を有する２つの屈折ファセット層。（ｃ）ウェッジ層１２からの光出力を屈折するとともに内部反射するように形成されたファセット１３０を有する２つのファセット層１２８。このようなファセット１３０は屈折のみの場合と比較して光の出力をより大きな角度で曲げることができる。（ｄ）２つの屈折単独ファセット層１３２（プリズム）。（ｅ）焦点合わせ用の湾曲出力面１３６を有する屈折単独ファセット層１３４を備えたウェッジ層１２の最上面光進行方向変更層。下面１３８は、ファセット層１４０を使用して、光を屈折及び内部反射するための光進行方向変更層を含む。出力光１４２をＦにて焦点合わせするためにファセット角度は位置に変えられる。（ｆ）屈折ファセット層１４６及び光を狭い角度で出力する屈折／内部反射層１４８からなる最下部光進行方向変更層を含む最上面光進行方向変更層１４４とディフーザー層１５０を加えることにより光出力角度配分の広がりを円滑にすることができる。（ｇ）出力角度配分を拡散するために凸状に湾曲された屈折面１５４を有する屈折／内部反射ファセット層１５２の最上面光進行方向変更層。ファセット角度は位置により変更することができるため、有限の距離がある位置において好ましい視覚区域を形成するために、選択的に光出力の円錐の進行方向を導くことができる。この配置は更に湾曲されたファセット層１５２により取り除かれない不均一性を拡散するための横向きレンズ形ディフーザー１５６を含むことができる。最下部光進行方向変更層は、制御された状態にて光出力角度の配向を拡散するために凹状に湾曲された反射面１６０を有する屈折／内部反射ファセット層１５８を含む。（ｈ）出力角度配分を制御された状態にて広げるとともに、不均一性を向上させるための湾曲されたファセット１６４を有する屈折ファセット層１６２を含む最上光進行方向変更層。狭角出力のための平なファセット１６８を有する屈折／内部反射ファセット層１６６を含む最下部光進行方向変更層。ファセットの幾何学的配置は、有限な距離のある位置において出力光を焦点合わせするために位置により変更される。平行なレンズ形ディフューザー１７０は、制御された状態にて出力角度を円滑に広げ、不均一性を向上させるために使用することができる。仮想線の透明なイメージはレンズ形ディフューザーにプリントもしくは粘着されている。横向きレンズ形１７２は平行なレンズ形ディフーザー１７０にて取り除かれない不均一性を拡散するために使用される。焦点が合わされた平らなファセット層１６６とディフューザー１７０の組み合わせにより、焦点の合わせられた湾曲ファセットと同様に、有限な距離のある位置において好ましい視覚区域が形成される。また、図に示されたＬＣＤ要素１７３（仮想線）は、照明を目的としたこの装置１０やこの装置のその他のあらゆる形態に利用することができる。
【００９０】
他の構成として、１つの透過光進行方向変更層及び１つの反射光進行方向変更層を利用することができる。これらは、上述した多種の透過光進行方向変更層と反射光進行方向変更層との組み合わせである。反射光進行方向変更層は正透過、部分拡散、拡散、ファセット状、或いはこれらの何れかの組み合わせであってもよい。これらの構成は片側からのみの光の出力が好ましい場合、もしくはコストを最小限にすることが重要である場合に使用される。このような構成の例として次のものがある。（ｉ）最上層透過回折格子、もしくは透過ホログラム１７６と最下面正透過反射材１７４との組み合わせ。（ｊ）ディフューザー１８２（図１２Ｊにおける仮想線で示されている）及びその中に介在するイメージ形成層１７１を有する最上面屈折ファセット層１８０と最下面正透過反射材１７８との組み合わせ。（ｋ）最上層屈折／内部反射ファセット層１８６を有する最下部層正透過反射材１８４。ここでは、ファセットの幾何学的配置は、有限な距離にて出力光を焦点合わせするため、位置により変更される。ディフューザー１８８は仮想線にて示されている。（ｌ）最上層屈折／内部反射ファセット層１９２を有する最下部層正透過反射材１９０。ここでは、制御された状態にて光の出力角度を円滑に広げ、不均一性を向上させるために湾曲されたファセット１９４が使用される。光の出力空間分配を影響させるために、ウェッジ層１２及び最上面と最下面との低屈折率層１９６（即ち、エアギャップ）の厚さは変更される。（ｍ）最下部反射材１９８は不均一性を向上させるために部分的に正透過であり、部分的に拡散されている。内部レンズ形ディフューザー２００を加えることにより制御可能となる初期反射区域が図１２Ｍに示されている。ディフューザー２００は厚い方の端の近くで、ほぼｙ軸の方向に沿って現れる不均一性を選択的に減少させるために形成されている。屈折／内部反射するとともに湾曲された反射面を有する最上光進行方向変更層２０２も含まれている。（ｎ）不均一性を向上させるために部分的に正透過であり、部分的に拡散された最下部反射層２０４。図１２Ｎに示すように、正透過性を減少させるために初期反射区域は若干荒くされている。このことにより、厚い方の端２０８の近くに不均一性が現れるのを回避している。平らなファセット層２１２により屈折／内部反射する最上光進行方向変更層２１０が使用される。有限な距離のある位置の共通焦点へ光を各ファセットから進行方向を変更するためにファセットの幾何学的配置は変更される。横向きレンズ形ディフューザー２１３は仮想線にて示されている。平行なレンズ形ディフューザー２１４は制御された状態にて出力角度配分を円滑に広げるために使用され、平らなファセット層２１２の焦点区域をより広い好ましい視覚区域に変換する。レンズ形ディフューザー２１３は不均一性をも向上させる。ＬＣＤ表示装置２１６またはその他の透明なイメージは仮想線にて示されている。（ｏ）好ましい実施の形態では偏芯カップラ２１８は、図１２Ｏの仮想線に示される不均一性を向上させるレンズ形ディフューザー２２０を利用する。収束テーパ部２２２、つまりＣＰＣ（ウェッジ層と一体）は出力角度配分をウェッジ層１２の入力ＮＡに更に近づけさせて一致させるため出力角度配分を変換させる。ウェッジ層１２の厚さは出力空間配分を影響させて不均一性を向上させるため円滑に変更される。最下部最配向層２２４は正透過、もしくは部分的に拡散された反射材である。最上光進行方向変更層２２６は、制御可能な状態にて出力角度を円滑に広げる凸状に湾曲された反射面２３０を有する屈折／内部反射のファセット層２２８である。ファセットの幾何学的配置は、有限距離のある位置において、好ましい視覚区域２３２を形成するため、各ファセットから選択的に光の円錐の進行方向を導くために位置により変更される。横向きレンズ形ディフューザー２３４は仮想線に示されている。ＬＣＤ表示装置２３６或いはその他の透明なイメージも仮想線に示されている。進行方向変更層及び低屈折率層はより収束された区域の上方に重ねられる必要がないため、より収束されたＮＡ一致区域はファセット光進行方向変更層との組み合わせにおいて有利である。従って、装置１０の入力開口（つまり効率）は装置全体の厚さの増加を最小にして増加される。（ｐ）ＬＣＤ背面照明の別の好ましい実施の形態としては、図１２Ｐの仮想線に示される不均一性を向上させるディフューザーを有する偏芯カプラを利用する。収束半テーパ部２４０、もしくは半ＣＰＣ（ウェッジ層と一体）は、ウェッジ層１２の入力ＮＡをより一致させるためカプラ出力角度配分を変換させる。ディフューザー２３９（仮想線）は光源２１７とウェッジ層１２との間に介在させることができる。効率的に円錐状に形成された半ＣＰＣ２４０は単なるテーパ部である。部分的に正透過であり、部分的に拡散された最下部反射材２４２は不均一性を向上させるために利用される。図１２Ｐは、正透過性を減少させるために若干荒くされたか、或いは、平行な反射溝が形成された初期反射部２４４を示す。これにより厚い方の端の近くに現れる不均一性が選択的に減少される。最上光進行方向変更層２４６は屈折／内部反射ファセット層２４８であり、制御可能な状態にて出力角度を円滑に広げるため凸状に湾曲された屈折面２５０を有する。ファセットの幾何学的配置は、有限距離のある位置において、好ましい視覚区域を形成するため、各ファセットから選択的に光の円錐を導くために位置により変更される。横向きレンズ形ディフューザー２５２は仮想線に示されている。仮想線に示されているＬＣＤ表示装置２５４、或いはその他の透明なイメージも含まれている。
【００９１】
進行方向変更層及び低屈折率層はより収束された区域に上方に重なる必要がないため、より収束されたＮＡ一致区域（例えば半テーパ部２４０）はファセット光進行方向変更層との組み合わせにおいて有利である。従って、装置１０の受光開口は全体の厚さを増さないで増加される。この利点は図１２Ｏに示された完全テーパ部２２２にも享受されている。しかしながら、図１２Ｐの半テーパ部２４０と比較すると、等しいＮＡ一致効果のためにテーパ方向においてより長くなるものの、厚さがより大きく減少される。不均一性を向上させるために最上面低屈折層をより厚く形成することが可能なことにより、図のように、片側に厚さの減少を集中させることができる。コーナーに反射フィルムを折り曲げることなく、最下部反射層をカプラ反射空間と一体にすることができるため、この形状はより簡単に製造することができる。（ｑ）更に別の形態（図１２Ｑ参照）で最下部正透過、または、拡散反射層２５６を単一ファセット屈折の最上層２５８と組み合わせることができる。（ｒ）内部照明として使用する場合、２方式の「こうもりの翼」の角度のある光配分２６０が好ましい。図１２Ｒでは、ファセット２６４を有する最上屈折層２６２が示されており、出力角度を広くして不均一性を向上させるための湾曲前面２６６を備え、出力光が基本的に前の象限に配向される。下部反射層２６８は基本的に最上光進行方向変更層の後面を通して光を反射し、出力は後ろの象限へ実質的に配向される。
【００９２】
この発明から明らかなように、各図に示された種々の要素はテーパ状の照明装置の要素と組み合わせて使用することができる。このような組み合わせの構造の２つの例が図１３及び図１４に示され、これら各図はそれぞれの構造に含まれる構造を示す。図１３に示すように、２つのウェッジ２７６を組み合わせて一体的に形成することができる。この組み合わせは２つの光源から同じ箇所に光が供給されるのを許容するため、同じ大きさを有する単独のウェッジより明るい光度を提供することができる。この装置において、光度が高くなるものの、２つの光源は１つの光源の倍の力を必要とするため、効率は同じである。図に示すように、ファセット２７４を有する光進行方向変更フィルム２７２は、両側から光を受けられるよう、単一で対称的な形状であってもよい。逆に、光進行方向変更フィルム２７２は蝶のそれぞれの羽根として異なった形状であってもよい。
【００９３】
図１４は、図５と同様にテーパ状のディスク２７０を立体的に示していて、種々の層の形状を示している。ファセット光進行方向変更層２８０はテーパ状の光パイプ部分２８４の上方に重ねられた同心の円形ファセット２８２を含む。光源２８８のすぐ上において、光パイプ部２８４における空間の上方に重なるように光進行方向変更層２８０はレンズ状（例としてフレネルレンズ２８０が示されている）に形成される。光源２８８のすぐ下に反射材２９０が位置決めされ、光が漏れるのを防止するとともに、光を光パイプ部２８４もしくはレンズを通して進行方向を変更する。少なくとも１つの開口が反射材に備えられ、ワイヤや光パイプのような要素の通過を許容する。
【００９４】
イメージ或いは色彩層の使用
本発明の実施の形態は全て、イメージを形成するため可変透過を有するか、角度のある出力の少なくとも一部に色彩を伝達する１つもしくは複数の層を利用することができる。イメージ形成層は従来の透明な表示装置のような静電イメージ、もしくは液晶表示装置のように選択的に制御されたイメージを含むことができる。イメージ形成層、もしくは色彩伝達層は、光進行方向変更層の上方に重ねることができる。或いは、低屈折率層とそれに対応する光進行方向変更層もしくは光進行方向変更層の内部要素の間に中間層を含むことができる。例えば、上方に重ねられたイメージ形成層１２９は図１２Ｃ及び図１２Ｇの仮想線示されている。内部イメージ形成層１７１の例は図１２Ｈ及び図１２Ｊに示されている。
【００９５】
１つの実施形態において、イメージ形成層（例えば１２９と１７０）は分散ポリマー液晶（ＰＤＬＣ）層である。層の適当な配置により、出力角度配分の選択された部分内において装置からイメージもしくは色彩は投影が可能である。イメージもしくは選択色彩は出力角度配分の残りの部分から実質的に欠如していてもよい。
【００９６】
ＬＣＤパネル照明用の２方式反射ウェッジ
用途によっては外部の光もしくは動的な背面照明により選択的に単独のＬＣＤパネルを照明することが望ましい。これらの用途において表示装置による電力消費を最小限に抑えるため、明るい環境では外部照明が選択される。適当な表示装置の質を供給するのに環境照明が不足している場合には動的背面照明が選択される。この選択的な２方式操作モードは動的モードにてＬＣＤを十分背面照明することができるとともに、もう一方の外部モードにて外部の光を十分に反射することのできる背面照明ユニットを必要とする。
【００９７】
最も広く普及している二方式液晶表示装置としては、図１６Ｂに示す「透過反射装置」１０１がある。この装置では従来の背面照明１０２及び部分的に透過性、部分的に反射性のある中間層１０４を有する透過性ＬＣＤパネル１０３を使用している。適当な外部モード性能を発揮するには、特に中間層１０４が８０％から９０％の反射性を有することが必要である。その結果、透過性が低くなる透光反射装置１０１は動的モードにおいて、その性能を十分に発揮できなくなる。
【００９８】
図１７においては、別の実施形態が示されている。この実施の形態は従来の透過反射装置と比較して、動的モードにおいて優れた性能を発揮し、外部モードにおいてほぼ同様の性能を発揮する。この実施形態においては最下部面１６を有するウェッジ層１２（屈折率＝ｎ１）は屈折率がｎ２＜ｎ１の透明層２８に連結される。透明層はエアギャップであってもよい。ｎ２層は部分拡散反射層１０５に連結される。この反射層１０５は好ましくは、例えば、図１６Ａに示す外部モードのみに使用される従来のＬＣＤパネルに使用される。ｙ軸とほぼ平行なマイクロレンズを有するレンズ形ディフューザーのようなファセット光進行方向変更層１０６がウェッジ層最上面１４の上方に重ねられている。液層表示装置パネル１０７はファセット光進行方向変更層１０６の上方に重ねられている。ウェッジ層１２の後面２０は光源２２に連結されている。
【００９９】
外部モードにおいて、装置１０は従来の外部モードのみの表示装置とほぼ同様な状態で機能するように、レンズ形光進行方向変更層１０６とウェッジ層１２は入射及び反射光に対してほぼ透明である。動的モードが選択されると、光源２２は点灯されるとともに、前述のように層の屈折率と収束角度との関係により複数の層は装置１０においてほぼ均一に光を拡散させる。その結果として起きる均一な照明はウェッジ層１２の最上面１４から放射される。好ましい実施形態においては、外部モード性能を最高にするため反射層１０５はほぼ正透過である。この好ましい実施形態では、最上面から放射される光は、グレージング角で多くが放射され、ＬＣＤ表示パネル１０７による透過に適しない。前述のように、光進行方向変更層１０６は、屈折及び全内部反射の組み合わせによりこの光の一部の進行方向を変更させる。光進行方向変更層１０６は、光の１０％から２０％がＬＣＤ法線に対し３０度以下の角度に進行方向が変更される。その理由は、この角度範囲においてＬＣＤ透過が最も高いからである。従来の透過反射表示装置は動的モードにおいて十分に機能しないため、背面照明の一部のみを適当な角度に導けば十分である。
【０１００】
本発明の好ましい実施形態が詳述されてきたものの、クレームにある発明の範囲から逸脱しない範囲において変更が可能であることは当業者において明白である。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】先行技術のウェッジ形装置を示す。
【図２Ａ】本発明に基づいて構成された多層テーパ状照明装置を示す。
【図２Ｂ】図２Ａのウェッジ層、第１の層及び第２のファセット層の接合部の拡大部分図である。
【図２Ｃ】大きく拡大された第２のファセット層を示す図２Ａを強調した形態である。
【図２Ｄ】輝度を確定するための幾何学的形状を示す三層の接合部の部分図である。
【図２Ｅ】光の進行方向を変更して内部にて透過させる層を底部において有する多層ウェッジ装置である。
【図２Ｆ】底面の透光層を有するウェッジ装置を示す。
【図２Ｇ】底面の屈折ファセット層を有するウェッジ層を示す。
【図２Ｈ】底面の屈折層及びこれに接する湾曲ファセットを有するウェッジ層を示す。
【図２Ｉ】可変ファセット角を有するファセットの屈折層を有するウェッジ層を示す。
【図２Ｊ】ウェッジ層に結合された１つの屈折プリズムを示す。
【図２Ｋ】ウェッジ層に結合されるとともに一体型レンズを有する１つの屈折プリズムを示す。
【図２Ｌ】ウェッジ装置に結合された反射ファセット層を示す。
【図２Ｍ】湾曲ファセット角を有するとともにウェッジ装置に結合された反射ファセット層を示す。
【図２Ｎ】ウェッジ層に接するフラット形反射ファセットを示す。
【図２Ｏ】ウェッジ層に接する湾曲形反射ファセットを示す。
【図３】図３Ａは第２の層の周囲側に湾曲ファセットを有する多層ウェッジ装置を示し、図３Ｂは装置の色々な層の接合部の拡大部分図を示す。
【図４Ａ】照明の非対称的角度範囲の角度に対する輝度性能を計算して示す。
【図４Ｂ】より対称的な角度範囲の角度に対する輝度分布性能を計算して示す。
【図４Ｃ】図４Ｂの対称的角度に対する輝度性能を計算して示し、外部拡散器エレメントを付加している。
【図４Ｄ】フラット形反射ファセットを使用し、かつ並列拡散器を使用せずに出力を示し、全幅半値（ＦＷＨＭ）輝度は７度である。
【図４Ｅ】ほぼ対称的な出力分布の例を示し、並列レンズ形拡散器とともにフラットファセットを使用して測定し、ＦＷＨＭは３４度である。
【図４Ｆ】非対称的な出力分布の例を示し、湾曲ファセットを使用して測定し、ＦＷＨＭは３２度である。
【図４Ｇ】非対称の出力分布の例を示し、湾曲ファセットを使用して測定し、ＦＷＨＭは２６度である。
【図４Ｈ】二方式出力分布の例を示し、１つのファセット反射層及び１つのファセット屈折層を使用して測定した。
【図４Ｉ】大きい「テール」を有する出力分布の例を示し、拡散反射用底部光進行方向変更層及び屈折／内部反射用上部光進行方向変更層を使用して測定した。
【図５】図５Ａはディスク形ライトガイドの平面を示し、図５Ｂは図５Ａの５Ｂ−５Ｂに沿った断面を示す。
【図６Ａ】エアギャップ層を有する多層テーパ状照明装置の断面を示す。
【図６Ｂ】複合放物線光源／集信装置を有する別のテーパ状照明装置の断面を示す。
【図６Ｃ】可変パラメトリックプロファイル形光源及びレンズ形拡散器を有する別のテーパ状照明装置の断面を示す。
【図６Ｄ】非均一的な厚さのウェッジ層を有する別のテーパ状照明装置の断面を示す。
【図７】光源の周囲に同心配置された反射エレメントを示す。
【図８】リフレクタの湾曲中心部と光源の中心部との間に最大変位が生じる光源の周囲に配置された反射エレメントを示す。
【図９】図９Ａはほぼ同様の角度分布が装置の全部分から放射するように、光進行方向変更層を使用する様子を示す。図９Ｂは装置の異なる部分から放射する角度分布を変化させ、即ち種々の角度分布を集束させ、選択目標距離においてその重なりを促進するように、光進行方向変更層を使用する様子を示す。
【図１０】照明装置の一対のレンズ形アレイの一形態を示す。
【図１１】照明装置のレンズ形拡散器アレイ及び湾曲ファセット層を示す。
【図１２Ａ】一対の回折格子又はホログラム層を有するウェッジ形照明装置を示す。
【図１２Ｂ】一対の屈折ファセット及び拡散器を有するウェッジ形照明装置を示す。
【図１２Ｃ】一対のファセット層を有するウェッジ形照明装置を示す。
【図１２Ｄ】２つの屈折単一ファセット層を有するウェッジ形照明装置を示す。
【図１２Ｅ】屈折単一ファセット層及び底面の光進行方向変更層を有するウェッジ形照明装置を示す。
【図１２Ｆ】上面の屈折ファセット層の光進行方向変更層及び底面の屈折／内部反射層を有する照明装置を示す。
【図１２Ｇ】上面の屈折／内部反射ファセット層及び底面の屈折／内部反射層を有する照明装置を示す。
【図１２Ｈ】上面の屈折ファセット層及び底面の屈折／内部反射層を有する照明装置を示す。
【図１２Ｉ】底面の鏡面リフレクタ並びに最上層の透過回折格子又は透過ホログラムを有する照明装置を示す。
【図１２Ｊ】底面の鏡面リフレクタ並びに上面の屈折ファセット層及び拡散器を有する照明装置を示す。
【図１２Ｋ】最下層の鏡面リフレクタ及び最上層の屈折／内部反射ファセット層を有する照明装置を示す。
【図１２Ｌ】底部の鏡面リフレクタ及び最上層の屈折／内部反射ファセット層を有する照明装置を示す。
【図１２Ｍ】一体型レンズ形拡散器を備えた初期リフレクタ部分を有する照明装置を示す。
【図１２Ｎ】層の凹凸初期リフレクタ部分を有する照明装置を示す。
【図１２Ｏ】偏心光結合器を有し、ウェッジ形部分に収束する照明装置を示す。
【図１２Ｐ】偏心光結合器、拡散器並びに凹凸形又はレンズ形リフレクタを有する照明装置を示す。
【図１２Ｑ】底部の鏡面性又は拡散性の反射層並びに上部の屈折層を有する照明装置を示す。
【図１２Ｒ】「コウモリの翼形」光学的出力を生じさせるための照明装置を示す。
【図１３】一体式に形成されるとともに２つの光源を用いた２つのウェッジ形部分の組合せを示す。
【図１４】ファセット光進行方向変更層を有するテーパ状ディスク形照明装置を示す。
【図１５】図１５は平行な光学的出力分布を与えるように動作する照明装置を示す。
【図１６】図１６Ａは先行技術の周囲モードＬＣＤを示し、図１６Ｂは先行技術の透過反射性（transflective）ＬＣＤユニットを示す。
【図１７】図１７はファセット光進行方向変更層及びレンズ形拡散器を有し、周囲及び活性モードにて動作する照明装置を示す。
【図１８】図１８は拡散バックライト上に設けられたファセット面にマイクロプリズムのアレイを有する照明装置を示す。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図２Ｆ】
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【図２Ｇ】
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【図２Ｈ】
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【図２Ｉ】
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【図２Ｊ】
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【図２Ｋ】
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【図２Ｌ】
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【図２Ｍ】
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【図２Ｎ】
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【図２Ｏ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図４Ｆ】
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【図４Ｇ】
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【図４Ｈ】
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【図４Ｉ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１２Ｄ】
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【図１２Ｅ】
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【図１２Ｆ】
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【図１２Ｇ】
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【図１２Ｈ】
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【図１２Ｉ】
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【図１２Ｊ】
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【図１２Ｋ】
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【図１２Ｌ】
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【図１２Ｍ】
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【図１２Ｎ】
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【図１２Ｏ】
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【図１２Ｐ】
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【図１２Ｑ】
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【図１２Ｒ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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