(57)【要約】光源を提供するための一つのシステムが開示される。一実施形態において、本装置は異なる屈折率を持つ幾つかの透明な層から作られた光のガイドを有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の光ガイドと、第１の光ガイドの最初の端に隣接して据えられた最初の光源と、を包含し、第１の光ガイドは、複数の第１の透明シートを有し、第１の透明なシートは、少なくとも2つの異なる屈折率を保有します。第１の透明シートは第１の最初の光ガイドの側面との間に角度をなしている、装置。
【請求項２】
第１の光源が偏光の光源である請求項１記載の装置。
【請求項３】
第１の光源が狭い円錐の角度で光を放出する請求項１記載の装置。
【請求項４】
第１の透明なシートの全高が光ガイド全体を通じて変化している請求項１記載の装置。
【請求項５】
第１の透明シートの屈折率が光ガイド全体を通じて変化している請求項１記載の装置。
【請求項６】
第１の光ガイドの第１の端とは反対側の端に隣接する反射板をさらに有する請求項１記載の装置。
【請求項７】
さらに、光ガイドの第１の端とは反対側の端に隣接する第2の光源を有する請求項１記載の装置。
【請求項８】
第1の光源が第2の光ガイドと、第2の光ガイドのひとつの端に隣接して位置する第3の光源と、を有し、第2の光ガイドは第2の複数の透明シートを有し、第2の透明シートは少なくとも2つの異なる屈折率を持ち、第2の透明シートは第2の光ガイドの側面との間に角度をなす、請求項１記載の装置。
【請求項９】
第１の光ガイドに隣接して位置する反射板をさらに有する請求項１記載の装置。
【請求項１０】
第１の光ガイドに隣接して位置する光吸収シートをさらに有する請求項１記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光源に関連する。より詳細には、本発明は透明な層を持った光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
照明は、物体を明るく点すことに用いたり、写真術、顕微法、科学上の目的、エンターテインメント製作(劇場、テレビ、および映画を含む)、画像の投射のために用いたり、そしてディスプレイのバックライトもしくはフロントライトとして使用される。
【０００３】
従来のシステムは、平面の形状を持って、光源として機能する。家庭照明用の蛍光灯群は、ギラつきを減少するために散布パネルでカバーされていることがある。これらのシステムはかさばる。これらは透明ではない。傘反射材のような散布材および散布反射材は、写真術および映画術のために、光源として使用されるが、これらは均一照明に対する近似値に過ぎない。
【０００４】
LCDスクリーンのようなフラット・パネル・スクリーンのバックライトは、均一の、もしくはおよそ均一の光を提供する。LCDスクリーンをバックライトするための従来の解決策は、光を抽出するための、幾つかの点やプリズムのような形を印刷したシート形状を持つ、光のガイドを使用する、というもであった。この光のガイドは、高屈折率素材を2つの低屈折率素材の間にサンドイッチ状に挟むことによって形成される。点の形と頻度は、平面上に均一の照明が得られるように構成されている。これらの方法は、平面に均一の照明をもたらすが、その照明は局所的には均一ではない---近くで見ると、その様相は、発光する光の点が、暗闇によって囲まれているのである。このような非均一性は目にとって心地が悪く、フラット・パネル・スクリーンのバックライトとして使用した場合には不快なモアレ・パターンを生じる。
【０００５】
先の局部的という意味において、平面に均一な照明を提供するシステム、すなわち、局部的に平面を均一に照明するシステムが存在する。このようなシステムは、光のガイドを使用し、またガイドする光の一部を抽出する方法を取るという意味において、上で解説されたシステムに類似する。しかしながら、光の抽出は点や幾何学的な形によって行なわれず、粒子を回折したり散布したりする、顕微的な光の四散によって行なわれる。このような粒子は、光のガイド全体を通じて均一に分配される。これにより、不連続に光が点ったものではなく、連続的に光の点った光源がもたらされる。一方、光はシートの片端からもうひとつの端へとガイドされるため、光の一部が抽出されることにより、抽出するのに残された光が次第に少なくなり、よって、次第に減少する照明に繋がる。ゆえに、これらのシステムは平面全体におよぶ照明の均一性を提供しない。およその均一性を提供するためには、光ガイド方端からもう片方の間での、光の総損失をあまり大きくしないことである。しかし、このことによって光ガイドの端における光の浪費をもたらし、それゆえ、システムのエネルギー効率は低下する。
【０００６】
幾つかのシステムは、偏光した光を発出する、平面形状の光源を、必要とする。例えば、液晶ディスプレイは、偏光した光を必要とする。幾つかのシステムは、視準された、もしくは一部視準された光を発出する、すなわち、狭い角度の中から出てくる光を発出する、平面形状を持った光源を必要とする。例えば、個人閲覧用のディスプレイにおいては、視ている人の存在しない方角で光が浪費されないように、光は狭い角度から出て来なければならない。また狭い角度での発出は、ディスプレイを見るように意図されていない人物が、光をまったく見ることができないか、もしくは非常に少量しか見ることができないため、閲覧のプライバシーを向上させる。視準された光を発出する光源は、このようなディスプレイのバックライト、もしくはフロントライトとして有用である。
【発明の概要】
【０００７】
光源を提供するためのシステムを開示する。一形態では、本器具は異なる屈折率を持つ幾つかの透明な層から作られた光のガイドを内包する。
【０００８】
上述の特徴、また、要素の実装や組み合わせの様々な詳細を含むその他の優先的な特徴は、付随する図への照会と共に更に詳細に解説され、特許請求の範囲の中に示される。ここにて解説される特定の方法やシステムは、図解という手段によって例示されているだけのものであり、限定を示すものではないとの理解が期待される。当業者によって理解されるであろうように、ここにて解説される原理と特徴は、本発明の範囲から離れることなく、数々の様々な形態において使用されることが想定される。
【０００９】
本明細書の一部として包含される添付図面は、本文における好適な形態を図解し、上記において呈示された一般的な解説、および下記にて呈示される好適形態の詳細な解説と共に、本文の発明の原理を説明し教示する役目を果たす。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】一実施形態による例示的な光源の側面図である。
【図２】一実施形態による例示的な光のガイドの側面図である。
【図３】一実施形態による光のガイドの例示的な光ガイド要素の図示である。
【図４】一実施形態による様々な容量の吸光係数を持つ光のガイドを持った例示的な光源の図示である。
【図５】一実施形態による2つの主要な光源を持つ典型的な光源の図示である。
【図６】一実施形態による反射処理された光のガイドを持つ典型的な光源の図示である。
【図７】一実施形態による典型的な光源の図示である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図1は、一実施形態による例示的な光源199の分解組立図を側面から見たように図解する。光源199は光のガイド150を保持する。光のガイド150は透明シート104と幾つかの屈折率を持った透明シート106とを保持する。一実施形態の中では、透明シート104は透明シート106よりも低い屈折率を持つ。一実施形態の中では、シート104はシート106と交互に据えられ、光のガイド199の側面108との間に特定の角度を作る。入射する光線100は光源(図示せず)によって発生した例示的な光線である。光源は光のガイド150の片端もしくは両端に存在すると考えられる。入射する光線100は光のガイド150を横切る。透明シート104と106との各接面において、光線100は部分的に光のガイド150の外へと反射され、部分的に次のシートの中へと屈折する。光線102は透明シート104と106との接面における部分的な反射によって光のガイド150の外へと発出する光線である。入射光線100の一部で、反射することなく光のガイド150の側面108もしくは側面110に到達する光線は、側面108もしくは側面110からの接面反射により光のガイドの中に留まる。この接面反射は完全な内部反射であってもよい。同様に、入射光100の複数の反射光によって形成される光112のような、光のガイド150の長辺に沿って移動する光は光のガイド150の側面108および110の内部反射によって光のガイド150の中に留まる。104および106のシートの個別な屈折率、勾配、厚みを変更することにより、発出する光線102の予め定められた光発出パターンを形成することができる。
【００１２】
光のガイド150は、一実施形態の中で、その側面108もしくは110に注ぐ光に対して主として透明である。一実施形態の中で、光のガイド150は光源199である。このケースでは光源199は透明な光源である。
【００１３】
一実施形態の中で、1枚のシート114が光のガイド150の片側上に付与される。一実施形態の中で、このシート114は反射板である。シート114は金属的な平面、分布ブラッグ反射板、ハイブリッド反射板、総内部反射板、全方角反射板、もしくは四散反射板を保持してもよい。反射板は光源150からそれに注ぐ光を反射することで、光源199の能率性を向上させる。光は透明な光のガイド150を通して反射し返され、平面110から発出される。ゆえに、反射板によってすべての光は光源199の片側からのみ発出する。
【００１４】
別の形態の中で、シート114は光を吸収する平面である。このケースにおいて、外周から光のガイド150の側面110へ、すなわち光源199の正面へと注ぐあらゆる光は光のガイド150の中を通過し、シート114によって吸収される。よって、光源199は外部の光に対して非常に低い反射性を持つ光源である。このような光源はいくつもの使用法を持つ。使用法のひとつは、液晶ディスプレイのような透過型ディスプレイのためのバックライトとしての使用法である。バックライト上に注ぐ周囲の光は主に吸収されるため、このようなディスプレイでは非常に高いコントラスト比を得ることができる。
【００１５】
一実施形態において、入射光100を発生させている光源は偏光した光を生ずる。よって、光100は偏光光線である。次に、光源199から出てくる光102もまた同様に偏光している。光100を発生させる光源はあらゆる偏光の光源であることができ、これには偏光器を持つ光源、反射的偏光器を持つ光源、本文における光源、偏光した光を発生させる光放射ダイオードなどが含まれる。
【００１６】
一実施形態の中で、入射光100を発生している光源は視準した光もしくは狭い円錐の角度で移動する光を生ずる。次に、光源199から発出する光はさらに狭い円錐の角度で移動する。光100を発生する光源はあらゆる視準光源であることができ、視準化レンズと光学品を持つ光源、プリズム・シートを含む光源、フォトニクス素材を持つ光源、本特許で公開されている光源などを含む。
【００１７】
図2は、一実施形態における例示的な光のガイド299を側面から見た分解組立図である。光のガイド299は異なる屈折率を持つ光のガイド299の側面との間に特定の角度を作る透明なシート206、208、210、212を保持する。一実施形態の中で、透明なシート206と210は同じ屈折率を持ち、透明208と212とは同じ屈折率を持つ。別の形態の中で、シート206と210は透明シート208、212より低い屈折率を持つ。光200はシート206と208と間の接面上への入射である。光200の一部は光202として反射し、一部は光204として次のシート208の中へと屈折する。屈折した光の強度は透明なシート間の各接面に入射する光よりも低い。光200はひとつもしくは幾つかの内部の反射および屈折を経て、光216として光のガイド299から発出する。透明なシート206、208、210、212の厚さはシート214の底端(図示せず)からの距離の特定の機能に従って変更される。一実施形態において、透明なシートの厚さは底から頂点に向けて低減している。206、208、210、212の各シートの屈折率、勾配、および厚さを変化させることによって、発出する光216は予め決定された光の発出パターンを形成する。一実施形態において、発出パターン216はシートの全体を通じて均一である。一実施形態において、発出パターン216は方向性を持っており、シート214から発出する全ての光は予め決定された方角へと向けられている。別の形態では、隣接するシート206、208、210、212の屈折率の度合いがシート214の底端からの距離の特定の機能に応じて変更される。ある形態においては、隣接するシートの屈折率の度合いは底から頂点に渡って増加している。
【００１８】
図3は、一実施形態における、光ガイドの例示的な光のガイド要素399の分解組立図である。光のガイド要素399はこの光ガイドの厚さ、横幅を持つがが、非常に小さな全高を持っています。光300はひとつもしくはそれ以上の内部反射と屈折を経て、光のガイド要素399から光302として発出され、残りの光304は次の光ガイド要素へと移動する。300に入る光の出力は発出する光302と次の要素304へ続く光との出力合計と一致する。発出する光302、光ガイド要素399に入る光300、対、光ガイド要素399の高さの分数比率は、光ガイド要素399の容量消散係数である。光ガイド要素399の高さが減少するに従って容量消散係数は定数に近づく。
【００１９】
光のガイド要素399は幾つかの異なる屈折率を持った層を含む。光ガイド要素399の全高が測定された方角と同じ方角で測定された層の平均的な全高の逆数は、光ガイド要素399における接面比重である。光ガイド要素399の容量消散係数は、光のガイド要素399における接面比重と一定の関係を持つ。関係は一定の程度まで直接的な割合として概算さる。関係は実験によって容易に評価することができる。よって、要素の接面比重を計ることにより、光ガイド要素399の容量消散係数の評価が可能となり、またその逆も可能となる。
【００２０】
ある接面における相対的な屈折率は、対応し合う2つの透明な層の屈折率の比率である。接面の相対的な屈折率は接面の反射性にフレスネルの反射法則によって関係している。光のガイド要素399における接面の平均的な反射性は光ガイド要素399の全接面に渡る平均反射性である。
【００２１】
一定の概算まで、光ガイド要素399における容量消散係数は光ガイド要素399における接面比重に、光ガイド要素399における平均接面反射性を掛けた値に一致する。
【００２２】
光ガイド要素399の全高が低減するごとに、発出する光302の出力も、比例して低減する。発出する光302の出力の、光ガイド要素399の全高に対する比率は、要素の全高が減少するに従って定数に収束するが、これは、光ガイド要素399における線形放射照度である。光ガイド要素399における線形放射照度は、容量消散係数、掛ける、出て来る光の出力(例えば要素の中を移動する光の出力)である。光ガイド304の中を移動する光出力の勾配は、負の線形放射照度である。これらの2つの関係は、微分方程式で表される。方程式は「dP/dh = -qP = -K」の形態で呈示される。ここでは、hは主要な光源の端からの光ガイド要素の全高である。Pはその要素の中を通してガイドされる光の出力。Qはその要素の容量消散係数。そしてKはその要素における線形放射照度である。この方程式は各要素において容量消散係数に対する発出した線形放射照度を見出すことに使用される。
【００２３】
また、この方程式は発出した線形放射照度に対する各要素の容量消散係数を見見出すことにも使用される。特定の発出線形放射照度とともに特定の光源をデザインする場合、上記の微分方程式は光ガイド304のような光ガイド中の各光ガイド要素における容量消散係数を決定するために用いられる。これによって、光ガイド中の各光ガイド要素の接面の比重が決定される。このような光ガイドは、光源の平面上に要求を満たす発出線形放射照度の光源を与える際に使用される。
【００２４】
光ガイドの中で均一の接面比重が使用されている場合、線形放射照度は指数関数的に全高に対して低下する。光源の端付近からもう片方の端への出力の低下を最小に抑えるように接面比重を選択することで、線形放射照度を均一に概算することができる。光は反対側の端にてガイドの中へ反射し戻され、これにより出力の損失は低減し、発出する出力の均一化を向上させている。別の形態においては、別の主要な光源が光を反対側の端へと供与している。
【００２５】
均一な照明を得るためには、容量消散係数それから派生する接面比重、接面反射性、もしくは、その双方が光ガイド表面上で変更されなければならない。これは上記の方法論を使用することによって達成することができる。一実施形態において、容量消散係数は式q=K/(A-hK)を使用して変更される。ここでは、Aは光のガイドの中に入る出力。Kは均一照明のための定数である各要素での線形放射照度である。もし光ガイドの総全高がHであるならば、H掛けるKはAよりも少ないことが想定される。例えば、発出する総出力は上の式が実行可能であるケースにおいて、光ガイドの中へ入って行く総出力よりも少なくならなければならない。もし光ガイドの中に入って行く全ての出力が照明のために利用された場合、H掛けるKはAに相当し、よって、容量消散係数qは、例えば、光ガイドの高い要素においてhがHに収斂するに従い無限へ近づきます。本発明の一実施形態において、H掛けるKは、ほんのわずかに、Aよりも少なく保持され、それにより、ほんの少しの出力のみが浪費され、容量消散係数も常に有限となる。
【００２６】
図4は、一実施形態における、変更した容量消散係数を保持する光のガイドを持つ例示的な光源499の分解組立図である。光源410は光ガイド404の光源の端406に隣接して据えられている。接面比重は光ガイド404の光源の端406から光ガイド404の反対の端408にわたって、粗から混へと変化する。別の形態において、光ガイド404の光源の端406から光ガイド404反対の端408にわたって、接面の反射性が増加する。別の形態において、接面反射性の産物と接面比重は、光ガイド404の光源の端406から光ガイド404の反対端408まで、増加する。
【００２７】
図5は、一実施形態における、2つの主要な光源を持つ例示的な光源599の図解である。2つの光源508、509を使用することにより、光ガイド中の容量消散係数に大きな変更は必要ありません。上に提供された微分方程式は、主要な光源508と509の各自に配分される線形放射照度を派生することに独立して使用される。これらの2つの出力比重の追加は、特定の光ガイド要素へと発出される光出力比重の総合を提供する。
【００２８】
光源500に対する均一な照明は容量消散係数q = 1/sqrt ((h-H/2)^2 + C/K^2)によって得られる。ここで、sqrtは平方根関数、^は指数に相当し、Kは主要な光源ごとの平均線形放射照度で、(数字的には、各要素の線形放射照度合計の半分に同等) C = A (A-HK)である。この容量消散係数は、異なる接面比重と接面反射性によって得られる。
【００２９】
図6は、一実施形態における、反射的光ガイドを持つ例示的な光源699の分解組立図である。反射的光ガイド620の使用することにより、光ガイド620の中の容量消散係数の高い変更は必要ない。光源620の頂点の端610は反射処理されており、光を光ガイド620の中に反射し流すようになっている。光源600の中で均一な照明を得るための容量消散係数は、q = 1/sqrt ((h-H)^2 + D/K^2)で、ここでD = 3A (A-HK)である。この容量消散係数は接面の比重と接面の反射性を変更することで得られる。
【００３０】
本形態によると、主要な光源の出力が変更されても発出の同じパターンが維持される。例えば、もし主要な光源699が計測出力の半分を提供した場合、光ガイド620の各要素は計測出力の半分を発出する。特に、均一な照明として機能するようにデザインされている光ガイド620は、ひとつのあるいは幾つかの主要光源の出力を変更することにより、いかなる出力計測においても均一な照明として機能する。2つの主要光源があるとき、この効果を得るためにこれらの出力は直列にて変更できる。
【００３１】
図7は、一実施形態による、光源799の分解組立図である。透明な層を持つ光ガイド702は光源704によって照明される。光源704はひとつもしくは複数の入射する光源、発光ダイオードのような、ソリッド・ステートの光源、蛍光灯、もしくは、上記されるような透明な層を持つ光源を保持することができる。一実施形態において、光源704は偏光した光を発出し、それゆえ、光ガイド702もまた偏光した光を発出する。
【００３２】
一実施形態において、光源704は視準した光もしくは狭い円錐の角度で発出する光を出する。よって、光ガイド702もまた偏光した光を発出する。偏光した光の出力角度は光ガイド702の透明な層と側面702との間に出来る角度に関係する。光ガイド702の透明な層と光ガイド702の側面との間にできる角度を選ぶことにより、偏光した光のあらかじめ決定された出力角度を得ることができる。光ガイド702の透明な層とガイド側面との間に出来る角度を光ガイド702上で変更することにより、光源799の異なる場所において、発出に異なる角度を与えることができる。
【００３３】
透明な層を持つ光源を開示している。ここで解説された形態は説明の目的のためであって、本特許の内容の限定とみなすべきでないと理解される。本発明の範囲と精神に含まれる、様々な変更、使用、代替、再混合、向上、製造の方法は当業者の目には明白となるはずである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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