(57)【要約】    【課題】  光源から出射される光を高効率で照明対象の表面に導く。    【解決手段】  光を光源２０９から表面５０５上に導くためのライトガイド３０１は、ライトガイド３０１と光源２０９とが結合されて単一の構成部品として形成される。ライトガイド３０１は、光入力のための入力端部と、光がライトガイド３０１を出て表面５０５に入射するための出力端部とを有する。光源２０９の背面側に向かう光は、反射カップ２１３で反射され、ライトガイド３０１の出力端部に向けて導かれる。ライトガイド３０１が成形可能な材料から製造される場合、光源２０９は、ライトガイド３０１自体の入力端部内に埋め込むことができる。あるいは、光源２０９は、ライトガイド３０１の入力端部の外側に導光性の接着剤により接着することができる。    【選択図】    図５
2005031667.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面を照明するためのライトガイドであって、
光入力のための入力端部と、
光出力のための出力端部と、
光を前記入力端部から前記出力端部方向に内面で全反射させる曲面と、
を有する光学的に透過性の材料から形成される本体と、
光が前記入力端部から前記本体を導かれ、前記出力端部から出射するように前記本体の前記入力端部に埋め込まれる光源と、
を備えることを特徴とするライトガイド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光デバイスに関連し、詳細には光を光源から効果的に捕捉し、表面上に導いて照明することを目的とする。
【背景技術】
【０００２】
光マウスは、照明された表面を光センサで走査し、その表面の一連の画像を取得して動作する。次に、光マウスは、複数画像間の相違を比較して、表面に対する光マウス自体の位置を決定する。表面を照明するために使用される光源は、一般に発光ダイオード（ＬＥＤ）である。ＬＥＤにより出射される光は広角度で分散するので、ＬＥＤからの光を表面上に導き、かつ集光するためにライトガイドが用いられる。
【０００３】
図１Ａは、従来の技術による光マウス１００の構成部品の抽象的な略図である。ＬＥＤ１０３から出射される光の一部分は、ライトガイド１０１内に導かれる。光は、内面全反射ユニットによりライトガイド１０１に沿って移動し、ライトガイド１０１から出て表面１０５に入射する。光は、表面１０５から反射してレンズ１０７を通り、光マウス１００内の画像センサ１０９上に達する。
【０００４】
図１Ｂは、従来の技術によるライトガイド１０１およびＬＥＤ１０３の斜視図を示す。ライトガイド１０１は、いくつかの理由で、表面１０５を照射する点であまり効率的ではない。第１に、ＬＥＤ１０３およびライトガイド１０１は、２個の別個の構成部品である。ＬＥＤ１０３により発光される光の大部分は、ＬＥＤとライトガイドとの間で散乱してしまうため、ライトガイド１０１により捕捉される光の量は減少する。さらにライトガイド１０１は、平坦な内側側面を有する。その結果、ライトガイド１０１内を透過する光の一部は、表面１０５に衝突する前に漏洩することになる。なぜなら、光は、ライトガイド１０１の内面に衝突して内面全反射するには適さない角度で内面に到達するからである。最後に、ＬＥＤ１０３の裏側（背面側）から発光する光線は散乱し、ライトガイド１０１により捕捉されない。従来の技術によるライトガイド１０１の最大効率は１０％と概算される。ここで効率とは、ライトガイド１０１により光源から表面に導かれる光出力の割合と定義される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の技術によるライトガイド１０１の効率は良くないので、ＬＥＤ１０３の電力は、表面１０５を適切に照明するために増加する必要がある。ＬＥＤの出力を増加することは、光マウスがコードを使ってデスクトップコンピュータシステムに取り付けられる場合は問題ない。しかし、電力消費量は、ラップトップのコードレスマウスまたはバッテリを動力源とするコードレスマウスなどの用途の場合は大きい問題になる。したがって、より効率の高いライトガイドが必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の好ましい実施態様では、光を光源から表面上に導くためのライトガイドは、ライトガイドを光源に結合して単一構成部品を形成することにより形成される。ライトガイドは、光入力のための入力端部と、光がライトガイドを出て表面に入射するための出力端部とを有する。ライトガイドが成形可能な材料から製造される場合、光源は、ライトガイド自体の入力端部内に埋め込むことができる。あるいは、光源は、ライトガイドの入力端部の外側に接着することができる。
【０００７】
別法による実施態様では、ライトガイド内の光源は、反射カップにより包囲される。反射カップは、光線が誤った方向に発光されるために、さもなければライトガイドから漏洩する光線を捕捉して、ライトガイドの出力端部方向に転送する。
【０００８】
別法による実施態様では、ライトガイドは、放物面の形状を有する。内面が放物面の曲面を有すると、平坦な表面よりも、光を収集して集中させる点で効率的である。
【０００９】
本発明のその他の特徴および利点、並びに本発明の好ましい実施態様の構造および動作は、添付の例示的な図面に関して以下に詳細に説明する。図中、参照符号は、同じかまたは機能的に類似する構成部品を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図２Ａは、本発明の示唆するところにより製造されるライトガイド２０１の斜視図である。ライトガイド２０１は、平坦な内面を有する４つの側壁２０３と、光入力のための入力端部２０５と、光出力のための出力端部２０７とを有する。ライトガイド２０１は、４個を超える側壁を有することができる。出力端部２０７は、一般に入力端部２０５より大きい。出力端部２０７は、入力端部２０５に平行な平坦な表面として示されているが、本体の他の部分に対して傾斜させて、ライトガイド２０１を出て行く光線の角度を変更することも可能である。端部表面は、収束および発散のために凹状または凸状でも良い。
【００１１】
ライトガイド２０１の屈折率ｎは、包囲媒体、一般に空気の屈折率より大きい。ライトガイド２０１の材料の可能な選択肢としては、アクリル樹脂、ポリカーボネート、光学的グレードのプラスチック、または可視および赤外スペクトル範囲の光を光学的に透過するその他の材料が挙げられる。
【００１２】
ＬＥＤなどの光源２０９は、ライトガイド２０１内に直接埋め込まれる。この構成では、従来の技術に比して多くの光が捕捉される。なぜなら、光源２０９から出射される光線は、この構成の場合にライトガイド２０１自体の内部から発するからである。ライトガイド２０１は、光源２０９が、材料が硬化および凝固する前にライトガイド内に挿入されるように、成形可能な材料から製造することが好ましい。臨界角θcより大きい角度Ａ１で内面に衝突する例示的な光線２１１などの光線は、内面で全反射する。θcは、スネルの法則、ｓｉｎθc＞ｎs／ｎで決定され、ここで、ｎsは包囲媒体の屈折率であり、ｎは、ライトガイド自体の屈折率である。
【００１３】
光２１１は、ライトガイド２０１に沿って移動し、側壁２０３の平坦な内面から出力端部２０７方向に反射する。光２１１は、臨界角より大きい角度で各々の壁部に衝突し、ライトガイド２０１内で逆方向に反射される。光２１１は、最後に出力端部２０７を通って出て行き、照明対象の表面に入射する。光源２０９およびライトガイド２０１は、この場合は一体型なので、光源２０９とライトガイド２０１との間の分離による光の損失はない。別法による実施態様（図示しない）では、光源２０９は、光学的に透光性の接着剤を使用して、入力端部２０５においてライトガイド２０１の外面に直接接着される。
【００１４】
光源２０９は、光をあらゆる方向に放射するので、その光線の多くは、出力端部２０７から離れた方向に放射され、その結果、光線は、出力端部２０７方向に内面全反射することなく、ライトガイド２０１から漏洩する。光源２０９を反射面で包囲して、こうした光線を捕捉および導光することにより、ライトガイド２０１の効率はさらに増加する。
【００１５】
図２Ｂは、光源２０９を包囲する反射カップ２１３の斜視図を示す。反射カップ２１３は、反射カップ２１３の開口部２１４を除くすべての側面で光源２０９を囲む。反射カップ２１３は、金、銀、銅、プラチナなどの反射材料によって作られるかまたはメッキされる。反射カップ２１３の側面は、鋭角Ａ２で配置される。４５°の角度Ａ２は光線を偏向させるのに十分だが、他の鋭角でもよい。反射カップ２１３に入射する、光源からの光線２１５は、反射カップ２１３の開口部２１４の方向に導かれる。
【００１６】
図２Ｃは、光源２０９が反射カップ２１３により包囲される実施態様におけるライトガイド２０１の側面を示す。反射カップ２１３は、開口部２１４が出力端部２０７に面するようにライトガイド内に埋め込まれ、配置される。反射カップ２１３は、反射カップ２１３に入射する光線２１７をライトガイド２０１の出力端部２０７方向に導く。反射カップ２１３は、光源２０９から出射される光の殆どを出力端部２０７方向に導き、ライトガイド２０１の効率を増加する。反射カップ２１３は、光源２０９と同時点にライトガイド２０１内に埋め込むと良い。
【００１７】
図３Ａは、ライトガイドが放物面３０１である本発明のもう１つの実施態様の斜視図を示す。放物面は、方程式ｙ＝Ａｘ2（Ａは定数）による放物線が、中心対称軸３０９の周囲で回転して３次元固体を形成する回転体の固体である。放物面３０１は、曲線状の表面が、平坦な表面よりも光を収集して集中させる点で効率的であるため、ライトガイド２０１より効率的である。
【００１８】
放物面３０１は、光入力のための入力端部３０５と、光出力のための出力端部３０７とを有する。反射カップ２１３により包囲される光源２０９は、反射カップ２１３の開口が出力端部３０７に面するように入力端部３０５内に埋め込まれる。実際の機能実施態様では、反射カップで包囲された埋め込み光源を有する放物面は、以前の効率に比べて６０％の増加である約１６％の効率を達成した。
【００１９】
図３Ｂは、中心対称軸３０９を通るライトガイドの断面スライスを示し、光源から発する光線の内面全反射を確保するために計算する必要がある適切な角度を示す。光源２０９から放物面の表面上の１点まで移動する光線３１１は、中心対称軸３０９に対して角度Ａ３を形成し、光線が放物面を出て行く時に放物面３０１の表面に対してもう１つの角度Ａ４を形成する。放物面３０１の包囲媒体が空気である場合、全内部反射が生じる角度Ａ３およびＡ４は以下の条件を満たさなければならない。
【００２０】
ｓｉｎ Ａ３≦１−（２／ｎ2）            （方程式１）
または
ｓｉｎ Ａ４≦ｎ−（２／ｎ）              （方程式２）
ここで、ｎは、放物面３０１の屈折率である。
【００２１】
一般に、曲線状の表面は、平坦な表面よりも光線を収集して集中させる点で効率的である。したがって、曲線を有するライトガイドは、平坦な側面を有するライトガイドよりも効率的である。その他の適切な表面は、表面の曲率がなお方程式１または２を充足する限り、放物線方程式、双曲線方程式、または二次もしくはより上位の何らかの方程式に適合する曲率を有する。たとえば、双曲面（双曲線をその対称軸の周囲で回転させて形成される回転体の固体）の形状のライトガイドは、平坦なライトガイドに比べて性能を改善した。
【００２２】
異なる曲率の組合せを使用しても良い。たとえば、図４には、曲率が異なる３つの部分を有するライトガイド４０１の側面図が示されている。第１の部分４０３では、ライトガイドは球面を有する。第２の部分４０５では、表面の曲率は放物線状である。第３の部分４０７では、表面の曲率は双曲線状である。この実施態様では、表面の曲率が方程式１または２に従う場合、全内部反射の条件に適合する。
【００２３】
表面の照明を促進するには、ライトガイドの適切な表面曲率を方程式１または２により決定した後、ライトガイドの入力端部と出力端部との間に段階的な屈曲部を導入すると良い。図５は、放物面状のライトガイド３０１が段階的な屈曲部５０３を有し、光を所望の表面５０５方向に屈曲させる別法による実施態様を示す。表面５０５の上方に位置するレンズ５０７は、表面５０５で反射された光線を光センサ５０９上に集光させる。ライトガイド３０１、レンズ５０７および光センサ５０９のすべては、光マウス５１１の筐体内に配置される。段階的な屈曲部５０３を追加する場合、曲率は、全内部反射の方程式１または２の制約を正確に充足しなくなるため、光の多少の損失が予想される。
【００２４】
本発明について、特定の好ましい実施態様に関して詳細に説明したが、本発明に関連する当業者は、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、様々な修正および強化が可能であることを理解するであろう。
【００２５】
なお、本発明は例として次の態様を含む。（  ）内の数字は添付図面の参照符号に対応する。
［１］  表面を照明するためのライトガイド３０１であって、
光入力のための入力端部３０５と、
光出力のための出力端部３０７と、
光を前記入力端部から前記出力端部方向に内面で全反射させる曲面と、
を有する光学的に透過性の材料から形成される本体と、
光が前記入力端部から前記本体内を導かれ、前記出力端部から出射するように前記本体の前記入力端部に埋め込まれる光源２０９と、
を備えることを特徴とするライトガイド。
［２］  光を前記光源から前記本体の前記出力端部方向に向けて導くため、前記光源を包囲する反射カップ２１３をさらに備えることを特徴とする、上記［１］に記載のライトガイド。
［３］  前記本体の前記曲面が放物面であることを特徴とする、上記［２］に記載のライトガイド。
［４］  前記本体が、異なる方程式で定義される複数の曲面の部分で構成されることを特徴とする、上記［２］に記載のライトガイド。
［５］  前記光源が発光ダイオードであることを特徴とする、上記［２］に記載のライトガイド。
［６］  前記本体は、前記出力端部が前記入力端部に対してある角度を有するように、段階的な屈曲部５０３を有することを特徴とする、上記［２］に記載のライトガイド。
［７］  前記光学的に透過性の材料が、アクリル樹脂、ポリカーボネートおよび光学的グレードのプラスチックから選択されることを特徴とする、上記［２］に記載のライトガイド。
［８］  筐体と、
表面５０５の画像を捕捉するための、前記筐体内の画像センサ５０９と、
前記筐体内の光源２０９と、
光学的に透過性の材料から製造され、光を前記光源から前記表面上に導くためのライトガイド３０１と、
光入力のための入力端部３０５と、
光出力のための出力端部３０７と、
光を前記入力端部から前記出力端部方向に内面で全反射する曲面状の内面と、
前記内面で反射される光を前記画像センサ上に集光するためのレンズ５０７と、
を備えることを特徴とする光マウス５１１。
［９］  前記光源が、前記ライトガイドの前記入力端部の外側に接着されることを特徴とする、上記［８］に記載の光マウス。
［１０］  前記光源が、前記ライトガイドの前記入力端部内に埋め込まれることを特徴とする、上記［８］に記載の光マウス。
［１１］  前記光源を包囲し、光を前記光源から前記ライトガイドの前記出力端部方向に向けて導くための反射カップ２１３をさらに備えることを特徴とする、上記［１０］に記載の光マウス。
［１２］  前記本体の前記曲面状の内面が放物面であることを特徴とする、上記［１１］に記載の光マウス。
［１３］  筐体５１１と、
表面の画像を捕捉するための前記筐体内の画像センサ５０９と、
光学的に透過性の材料から製造される前記筐体内のライトガイド２０１であって、光入力のための入力端部２０５と、光出力のための出力端部２０７と、光を前記入力端部から前記出力端部方向に向けて内面で全反射する内面２０３とを有するライトガイドと、
前記ライトガイドの前記入力端部内に埋め込まれる光源２０９と、
前記表面５０５で反射された光を前記画像センサ上に集光させるための、前記筐体内のレンズ５０７と、
を備えることを特徴とする光マウス。
［１４］  前記光源を包囲し、光を前記光源から前記ライトガイドの前記出力端部方向に向けて導くための反射カップ２１３をさらに備えることを特徴とする、上記［１３］に記載の光マウス。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１Ａ】従来の技術による光マウスの構成部品を示す概略的な図である。
【図１Ｂ】従来の技術によるライトガイドおよびＬＥＤを示す斜視図である。
【図２Ａ】ライトガイドを示す斜視図である。
【図２Ｂ】光源を包囲する反射カップを示す斜視図である。
【図２Ｃ】光源が反射カップにより包囲される実施態様におけるライトガイドの側面を示す図である。
【図３Ａ】ライトガイドが放物面の形状を有する例を示す斜視図である。
【図３Ｂ】ライトガイドの断面を示す図である。
【図４】異なる曲率を有する３つの表面からなるライトガイドを示す図である。
【図５】ライトガイドが、光出力を所望の表面方向に屈曲させるためのエルボ（屈曲部）を有する別法による実施態様を示す図である。
【符号の説明】
【００２７】
３１  光線
１００  光マウス
１０１  ライトガイド
１０３  ＬＥＤ
１０５  表面
１０７  レンズ
１０９  画像センサ
２０１  ライトガイド
２０３  側壁
２０５  入力端部
２０７  出力端部
２０９  光源（ＬＥＤ）
２１１  光、光線
２１３  反射カップ
２１４  開口部
２１５  光線
３０１  ライトガイド、放物面、放物面状ライトガイド
３０５  入力端部
３０７  出力端部
３０９  中心対称軸
４０１  ライトガイド
４０３  部分
４０５  部分
４０７  部分
５０３  屈曲部
５０５  表面
５０７  レンズ
５０９  光センサ
５１１  光マウス、筐体
【図１Ａ】
2005031667.tif 000003
【図１Ｂ】
2005031667.tif 000004
【図２Ａ】
2005031667.tif 000005
【図２Ｂ】
2005031667.tif 000006
【図２Ｃ】
2005031667.tif 000007
【図３Ａ】
2005031667.tif 000008
【図３Ｂ】
2005031667.tif 000009
【図４】
2005031667.tif 000010
【図５】
2005031667.tif 000011