JP2008270222A - 照明デバイス - Google Patents
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Abstract
【解決手段】光線を収集して、その光線を選択的に出力する又は集中する光デバイスである。1つの層が屈折率n1を有し、頂部表面と、底部表面と、側部表面と、が傾斜角度(φ)を定める。背部表面が、頂部表面、底部表面及び側部表面にわたっている。第1層は前記の層の底部表面にカップリングされ、屈折率n2を有する。第1層の屈折率n2によって、前記の層の背部表面から入射された光線が好ましくは第1層に出力される。第2層は前記の第1層の底部にカップリングされて、光線を選択的に周辺に出力する。光線偏光層、偏光変換層、LCD後方拡散器層などの追加の層を用いて、LCD層を通過した拡散光線の内の偏光光線を好ましく用いて、出力光線の視覚を向上させることが可能である。
【選択図】図33
Description
本発明の別の目的は、新規な三次元照明器具を提供することである。
本発明のさらに別の目的は、光偏光を制御して利用するなどの光学的目的のために改良された多層の照明器具を提供することである。
本発明のさらに別に目的は、光線の透過又は集中を制御するための新規でテーパー付きの照明デバイスを提供することである。
本発明のさらに別の目的は、デバイスから平行な偏光光線照射を提供する新規な光デバイスを提供することである。
本発明のさらに別の目的は、偏光フィルタ層を有する改良型のテーパー付き照明器具を提供することである。
本発明のさらに別の目的は、偏光光線を変換して本発明物からの照射を向上させることである。
本発明のさらに別の目的は、偏光フィルタと、偏光変換層と、LCD後方拡散層と、の合成物を用いて光デバイスからの光照射を向上させる新規な照明光デバイスを提供することである。
本発明のさらに別の目的は、LCD層が基礎を成すLCD後方拡散層に隣接して配置され、これによって、光出力や映像品質の損失を伴うことなくより広い角度で当たって光分布を制御することを可能とする改良型の照明光デバイスを提供することである。
本発明のさらに別の目的は、照明光線を照射利得が向上した1つの偏光状態に変換するための内部偏光用空洞を有する改良型の照明光デバイスを提供することである。
本発明のさらに別の目的は、照射効率を向上させるために偏光ビームスプリッタを持つ選択された配置の構造化された背部反射体層を有する新規な照明光デバイスを提供することである。
本発明のさらに別の目的は、照射効率を向上させるために、構造体背部反射体層と相互作用する偏光変換層を有する改良型の照明光デバイスを提供することである。
本発明のさらに別の目的は、照射利得を向上させるために、偏光ビームスプリッタと、1/4波長変換層と、微小構造背部反射体層と、を有する新規な照明光デバイスを提供することである。
本発明のさらに別の目的は、(a)空気層を間に持ち背部反射体と照明器具基底層間に配置され、(b)空気層を照明器具基底層と直接カップリング層間に持つ背部反射体に直接にカップリングされ、(c)空気層を変換素子と金属製背部反射体層又はBEFタイプの背部反射体間に持つ照明器具基底層に直接にカップリングされ、(d)一方の側で照明器具基底層に、他方の側で高効率ミラーに直接にカップリングされ、(e)基底層の一方の側で照明器具基底層に、他方の側で背部反射体に直接にカップリングされた、1群の選択可能装置の内の1つ中の1/4プレート偏光変換素子を含む新規な照明光デバイスを提供することである。
本発明のさらに別の目的は、照射特定を向上させるためにテクスチャ基底層を有する改良型の照明光デバイスを提供することである。
本発明のさらに別の目的は、コンバータ層とBEFタイプの背部反射体と組み合わせて薄膜基底式反射偏光子を利用するシンクな照明光デバイスを提供することである。
本発明のさらに別の目的は、基底層の上方及び/又は下方に配置された偏光スプリッタ層、リダイレクト層、コンバータ層及び背部反射休層を持つさまざまな空気層で分離されている基底層を有する改良型照明光デバイスを提供することである。
本発明のさらに別の目的は、基底層に隣接する背部反射体と、基底層の頂部表面に隣接するリダイレクト層と、リダイレクト層の上方に置かれた反射偏光子及びリダイレクト/拡散層と、を含む新規な照明光デバイスを提供することである。
(1) 光源からの光線によって動作し看者に対して選択的に光線を出力する光デバイスであって、少なくとも第1表面と第2表面を有する基底層であって、該基底層がさらに前記第1表面と前記第2表面にわたる背部表面を含み、内部で反射している光線の、前記第1表面と前記第2表面の内の少なくとも一方に対する入射点における垂線に対する角度が減少し、前記表面上での入射点での垂線に対する角度が臨界角度θC未満である場合に前記光線が前記基底層から出ていく基底層と、前記基底層に対して前記第1表面と前記第2表面の内の少なくとも一方を越えて配置された第1層手段であって、前記基底層中の前記光線が前記基底層と前記第1層間の境界に特有の前記臨界角度θC未満の入射角を成す場合に、前記光線が前記基底層から出力された後に第1層手段に入射し、その中を通過することができる第1層手段と、第2偏光状態に対する第1偏光状態を持つ光線を好ましくは出力する第2層手段であって、前記基底層の前記背部表面と光源キャビティとの間に配置されており、さらに前記第2偏光状態を有する光線の少なくとも1部分の反射を可能とする第2層手段と、前記第1層手段から出力されるリダイレクト光線と拡散光線の内の少なくとも一方に対し光線制御を行い、これによって角度分布が制御された光線を提供する光線制御層手段と、前記看者に示すために前記第1偏光状態の光線から画像を形成する結像層手段と、を備えた光デバイス。
(2) リダイレクト光線のための前記光線制御手段が、前記光デバイスから出力される光線の角度分布を制御するためのファセット付き層を備えることを特徴とする(1)に記載の光デバイス。
(3) 拡散光線のための前記光線制御層手段が、(a)前記基底層と前記結像層間と(b)前記看者と前記結像層間との少なくともどちらかに配置されていることを特徴とする(1)に記載の光デバイス。
(4) 前記第2偏光状態の光線を前記第1偏光状態の光線に変化させる変換手段をさらに備えることを特徴とする(1)に記載の光デバイス。
(5) 前記変換手段が、(a)前記結像層手段と前記基底層の間と(b)前記第2表面に関して前記第1表面から離れて配置された前記結像層手段と共に前記第1表面に対して前記第2表面からさらに離れて、のどちらかのように配置されていることを特徴とする(4)に記載の光デバイス。
(6) 前記基底層が、楔形状の層と、ディスクと、偏球面形状と、平行六面体と、円筒形との内の少なくとも1つを含むことを特徴とする(1)に記載の光デバイス。
(7) 前記結像層手段が、透明表示部と、ホログラム映像と、液晶層と、CCD層の内の少なくとも1つを備えることを特徴とする(1)に記載の光デバイス。
(8) 散乱を減少させるために反射防止層をさらに含むことを特徴とする(1)に記載の光デバイス。
(9) 前記光線制御層手段が、可変ファセット角度を持つファセット付き層を含むことを特徴とする(1)に記載の光デバイス。
(10) 前記第2層手段が、光学的干渉層と、ブルースタースタックと、干渉コーティング及びブルースタックの合成物と、粗面化された表面と、鏡面反射層と、ダイクロイック層と、複屈折層とから成るグループから選択されることを特徴とする(1)に記載の光デバイス。
本発明の1形態に従って構成された多層照明デバイスを図2中で一般的に参照符号10で示す。先行技術による区座微11は図1で一般的に図示されている。
この楔11中には、楔11内の光線が、入射角が臨界角度(sin-11/n)(ここでnは楔11の屈折率)未満になるまで表面から反射する。光線は楔11の頂部と底部双方から等しく、しかもグレージング角度で出る。
図2Aに示す多層照明デバイス10(以後「デバイス10」と呼ぶ)は、特徴的な光学屈折率n1を有する基底層又は楔層12を含んでいる。「楔層」という用語は本書では、楔形状の断面を持つ収束する頂部と底部を有するあらゆる形状を含むものとして用いるものとする。x、y及びz軸は図2Aと図2Cでは紙に対して直角な「y」で示してある。楔層12として一般的に有用な材料には、ガラス、ポリメチルメタクリレート、ポリエステル、ポリカーボネート、塩化ポリビニル、メチルメタクリレート/スチレン共重合対(NAS)、スチレン/アクリロニトリルなどが含まれる。図2Aの楔層12はさらに、頂部表面14と、底部表面16と、側部表面18と、エッジ26と、頂部に至る厚さtOの背部表面200と、底部表面と、側部表面と、を含んでいる。管状蛍光灯22などの光源は、光線24を背部表面20から楔層12に入射する。光線24はさまざまな楔層表面から内部で反射し、楔層12に沿ってエッジ26に向かって放出される。
表面14と16が平坦である場合は、線形楔の単一傾斜角度φは頂部表面14と底部表面16によって定められる。非線形楔の場合、角度φの連続体を定めることが可能であり、非線形楔を、光線の出力又は集中を所望のように制御するように設計することが可能である。このような非線形楔を後で詳細に説明する。
図2Aの実施態様では、第1の層28は、間に空気層を持つことなく楔層12にカップリングされており、第1の層28は屈折率n2を持ち底部表面16に光学的にカップリングされている。第1の層28の厚さは光線の波長の数倍から遙かに大きい値に及び、所望の機能性を遂行する。その結果生じる楔層12と第1の層28の間の誘電性表面は楔層12と周辺との間の境界より大きい臨界角度を有する。以降で明らかになるように、この特徴は好ましい角度出力とデバイス10からの光線24の平行化を可能とする。
第1の層28には、n2より大きく1部の実施態様では好ましくはn1より大きい屈折率n3を有する第2の層30(図2Bに最もよく示される)がカップリングされている。この構成によって、光線24は第1の層28を出て第2の層30に入ることができる。図2Aの実施態様では、第1の層28と第2の層30の間にはなにも介在する空気ギャップは存在しない。図2Aに示す本発明の好ましい形態では、n1は約1.51、n2<1.5、n3≧n1である。n1=1.5、n2<1.5(例えば1)、n3 n1であれば最も好ましい。
本発明の他の形式においては、関連する”n”値を有するさらに多くの層が存在できる。本発明の望ましい1つの形式においては、最低屈折率層の屈折率で数値開口と出力角度(下文に規定される)の式の中のn2を置換できる。そうしたさらに多くの層は、例えば、楔層12と第1層28との間に介在すること、第1層28と第2層30との間に介在すること、または楔層12または第2層30の上張り層となることが可能である。ある具体化においては、望ましい結合構造は楔層12での反射後退を生じることなく環境への光の出力をもたらす。例えば、図2Fのデバイス10は透光性の層37を含むことができる。この具体化の別の形式として図2Gに示す例には屈折層38を示す。屈折層38は平行出力をもたらすために平らなファセット39を含むことができる。図2Gには横断レンズ形拡散層83を仮想線で示し、その詳細を下文で説明する。拡散層83は図6Aの楔層12より上を含めて本発明のいかなる結合構造にも使用可能である。
図2AとCとに示すように、ファセット付きの面34は光29を光学的に反射し、第2層30、第1層28、をそれから楔層12を通じて環境へリダイレクトする。各ファセットの一部分のみが照射され、十分に細かいスケールで観察すると出力の明暗が交互に現われる。このパターンは典型的に望ましくないので、図2Bに示される望ましい具体例においてはファセット付き面34の各々の間の間隔周期は回析効果を避けるため十分に大きく、しかし個々のファセットが意図される観察手段により検出されないため十分に小さいことが望ましい。この間隔はまた液晶表示器またはCCD(電荷結合素子)アレイのような、照射されるデバイスの特長によって変わるモアレの干渉パターンの形成を避けるように選ばれる。間隔のある種の不規則性は望ましくないモアレの回析効果を軽減する。典型的な背光表示器においては、約0.001−0.003インチの間隔周期が望ましい目的を達成可能とする。
図示の具体例における輝度の比(”BR”)は図2Dへ参照付けることやetend
uematchにより測定可能であり、BRは次式で示すことができる。
B.R.=出力の輝度/光源の輝度
または、
B.R.=照射面積/合計面積
B.R.=[1−(n2/n3)2]1/2=0.4−0.65(最も透過性の大きい誘電体物質の場合)。例えば、楔層12はアクリル(n1=1.49)とすることができ、第1層28はフルオロポリマー(n2=1.28〜1.43)またはゾル・ゲル(n2=1.05〜1.35)、フッ化塩(n2=1.38〜1.43)またはシリコンポリマーまたは接着剤(n2=1.4〜1.45)とすることができる;そして第2層30は空気界面で金属化されたポリカーボーネート(N3=1.59)ポリスチレン(N3=1.59)エポキシ(N3=1.5〜1.55)またはアクリル(N3=1.49)のようなファセット付き反射面とすることができる。
他の有用なファセット形状には、例えば、放物線、楕円、双曲線、円、指数、多項式、多角形、およびそれらの組合せを含む。ユーザーはしたがってさまざまなファセット設計を使って平均された輝度の事実上自由な分布を作ることができる。例えば、多角形ファセットは多くのピークを有する出力角分布を生じるために使用できる。
図9Aと9Bとにはさらに重なりの大きい収束照射出力や重なりの少ない収束照射出力をもたらすリダイレクト方法の使用を示す。典型的なポータブルコンピュータ画面87が約150mmの縦の長さ”V”を有し、典型的な視距離”D”が500mmである
ことを考慮するときこれらの概念は実用的に適用可能である。コンピュータ画面87の縦の中心と垂直に視距離”D”離れた観察者は画面87の別の領域を画面87の頂部で
測った−8.5°から画面87の底部で測った+8.5°以下の角度で視るであろう。この視角の変動はそうした画面照射を有するシステムの使用へ望ましくない影響を生じる。画面87のそうした制限された照射角は観察者が照射された画面87全体を視ることができる位置範囲に制限を生じる(図9Aを参照)。観察者の位置を角と画面87中心からの距離とで定義すると、有効な角範囲は呼びの照射角以下へ大幅に減らされる。例えば、各個別ファセットで測定して呼びの照射範囲が±20°であるならば、有効視の範囲は図9Aに示す典型的なフラットパネル照射で±12°に減らされる。その結果として、画面87の中心の片側で12°−20°間の照射が観察者にとって不均一に見える。
望ましいファセット形状が何であるかにかかわらず、ファセット付き面34(図2D)は成形またはよく知られているフライス削り工程のような通常の工程によって望ましく形成される。製造の詳細を下文に述べる。
発明の別の形では、主光導体である楔層12は、本書中で先に想定した直線型とは異なるものであってよい。これらの形によって多種類の選択された光の配分を達成することが出来るようになる。他の形は第2B及びC図に示した楔軸「z」(光入力端から小又は尖鋭な端26へ走る座標軸)の機能として楔層12の厚さで一層一般的に記述することが出来る。直線の形をした楔に対しては、
C=定数=tanφ
大きい範囲の所望の空間及び角度の分布は光の出力電力(第2層30に連結した力)に対して達成され得る。この光の出力電力は略ファセット付きの表面34又は36、或いは拡散反射板33(第2図参照)又は他の手段によって周囲への出力に対して得られる光である。
そこで、dP/dL=定数・[1−L2/σ2]しかしdA/dz[A0/LC]dL0/dZ、そこでLC=cosθCとなる。それゆえ、(式)[1−(LCA)2/(A00)2]1/2dA=定数倍のdzとなる。好ましい実施態様でσ=LCと想定する。この結果は代入A/A0=sin uによって解釈され得る、それゆえ、A=A0sin u、そしてu+1/2 sin(2u)=(π/2)(1−z/D)、ここにDは楔層12の長さである。
もし、単位長さ当たりの所望の電力がdP/dzであれば、一層一般的には、楔層12の望ましい形は異なった等式によって定められる。
先細りになった光導体の一般的なケースでは、楔層12は概してx軸に沿う狭い寸法を持ったx軸に沿っている(例えば,第2A図を参照)。もし我々が光学方向コサイン(nL,nM,nM)ここにL,M,Nはx,y,zに沿う幾何学的方向コサインである、そこでnは空間位置と共に変化することがある屈折率である。楔層12に導かれた光線に対しては、xの動作は殆ど周期的であり、そして1周期に対する量φnLdxは光線がzに沿って伝播するときに殆ど恒常的である。この性質を断熱的不変性と呼び、光導体の性質を分析するための有用な枠組みを与える。
最初の例では第2A図に示した楔装置10は楔層12に均一な屈折率を持っており、そして幅A(z)A0−CZで直線的に先細りになっている。次に、ジグザクの光路に沿って、L(z)A(z)が断熱的不変性により定数に略等しくなっている。光線はL=cosθC、ここでθCは臨界角=[−(n2/n1)2]1/2、のとき楔層12から漏れ出る。それゆえ、楔層12を出る条件はA0−C・z=L0A0/cosθCとなる。これは、Z=(A0/C)(1−L0/cosθC)のときおこる。その結果、zを出る光線の密度は最初の方向コサインL0の光線の密度に比例する。例えば、もしL0の最初の分布が均等であれば密度は均一となる。
第2の例では、屈折率のプロフィルはもはや均等ではなくて、xでもzでも落ちる。もしzでの落ちがxでの落ちよりもずっと遅いならば、光路は殆ど周期的であり続けるが、そして上記の断熱的不変性がなおあてはまる。そこで、光線24がz中に広がるにつれて、x,nL空間の光路は殆ど周期的となる。それゆえ、L(z)の最大値は増大し、あるzではエスケープの臨界値に達することがある。エスケープのz値は屈折率(n)のプロフィルの詳細に依存する。これが特定されれば、分析は上記の例1のように進行する。それゆえ、パラボラ式屈折率のプロフィルには、屈折率プロフィルは、−ρ<xのとき、n2(x)=n2 0[1−2△(x/ρ)2]の形を有する。|x|>ρのとき、ρ=n1 2=n0 2[1−2Δ]である。そして、x=0での臨界角は依然としてsin2θc=2Δ=1−(n1/n0)2で与えられる。次に、もしn0がゆっくり減少するzの関数である、x=0でのスロープθはφnLdxの断熱的不変性によってゆっくりと増大する。一方、θCは減少するので、光線はエスケープする。光線の分布の詳細は屈折率(n)がどのようにzと共に変化するかによる。
最も一般的なケースでは光はどのような形の層にでも入る(例えば、平行四辺形、円筒型又は不均等な楔)、そしてここに記述した原理は同様に適用される。
更に、屈折率は(x,y,z)で希望するように変えて、光を周囲へ出力する手段に連結したとき生じる適当な最終結果を達成することができる。
例えば、第5図に示すような半径方向rに先細りになったデイスク型の光ガイド46を考えてみる。円筒形の偏光コーデイネートの方向コサインはkr,kθ,kzであり、このガイド46に伝播する光48は以下の関係を満たす。
φknzdz≒定数(断熱的不変性) (4)
nrkθ=定数(角度運動量保存) (5)
断熱的不変性の状態は楔装置10のものと同様であって、楔装置10に関する以前の議論もまた光ガイド4に適用される。角度運動量保存の状態は、半径を増大して源泉47から外方向へ光が流れるに連れて、kθの値は減少する。それゆえ、増大する半径方向に光は平行に照準される。これによって性質を楔装置10と基本的に同様にし、そして光48は光52としてz方向に沿って照準された面に選択された角度で出るようにすることができる。
説明のために、我々はガイド材料が一定の屈折率nを持ったものと見なす。そのような幾何に対しては5B−5Bに沿って取った2次元の横断面の平面に沿った光線48は丁度先に記述した楔装置10の対応物の場合のように働く。同様に、所望の光取扱いの特徴を達成するため種々の追加の層54及び56及びその他の手段も用いることができる。例えば、デイスクの光ガイド46には好ましいファセット・アレイ56はデイスク46と同心の一連の円形である。それゆえ、もしファセット56が横断面が直線であれば、光線52は上に記述した装置10でのような屈折率の機能の2φ倍の全角内に照準された方向に出る。
第6A図に示した発明の別の形では、装置10は屈折率n1を持った第1層と、第1又は頂部層表面62及び第2の底部層表面64とを持ち、少なくとも一つの傾斜角φ)を確立するように集中するものを含む。第1層61はまた頂部層表面62と底部層表面64とに亙る背面65を含む。第1層61に隣接し、底部層表面64に隣接し、或いはその下にある、屈折率n2の、第1の中間層66のような、底部の透明な層手段のような、層手段がある。更に、層手段は頂部層表面62に隣接して配置された屈折率n2の第2の中間層81である、頂部の透明な層手段を形作ることもできる。層66及び81の少なくとも一つは空気ギャップであるか、又は他のガス又は透明な誘電体のギャップであってよい。
層66及び81によって第1層61から受けた光の伝送が出来るようになる。この実施態様では、光の一部が頂部層表面62に比例して最初にθCを達成し、そして光は層81へ入って光再ダイレクト層82によって更にプロセスされるようになる。残りの光はそれによって底部層表面64に比例して先ずθCを達成し、こうして層66に入って光再ダイレクト層70によって更にプロセスされる。
層66及び81の厚さは装置10の出力パワー空間分布を制御するため、或いは視覚的均一性を高めるために選択的に変えることができる。例えば、層81の厚さを0.002〜0.030だけ増すと、装置10の厚い端部で見られる傾向のある不均一が著しく低減する。層66及び81の厚さは、出力される光の所望の空間分布に影響を与えるように位置によっても滑らかに変化させることができる(図12L参照)。
図6Aに示す本発明の1つの好適な形態では、光転送層70は光を層66及び第1層61に反射させる反射層71を有する。その後、光は頂部層面62を介して第1層61に出力され、最終的に光転送層82を通過して更に処理される。反射層71は例えば平面の鏡面反射体、部分的或いは完全な拡散反射体、或いはファセット反射体の何れかの組合せでも良い。
平面の鏡面反射体を使用することにより層81内で最も狭い角度の分布となる。従って、反射体は所望の出力角度分布が単峰である場合、光転送層82の設計を簡素化することができる。拡散或いはファセット反射体は、より広い角度分布を得るために(図4H及び41参照)、或いは均一性を高めるために(図4N参照)、層71に使用することもできる。所望の角度分布が大きな「テール」を有する場合には拡散反射体が好ましい。ファセット反射体は層81内に2モード(二峰)角度分布を作ることができる(図4H参照)。従って、所望の出力角度分布が2モードの場合にはファセット反射体が好ましい。例えば、2モードの「コウモリの翼状(バットウイング状)」分布はぎらつきを低減させるため、部屋の照明用の照明器具に適している。
光転送層82は屈折率n3>n2を有し、実質的に透明か半透明である。屈折率の低い層81における光は層82に入り、周囲に転送される。透過性転送層82も転送層71により処理されてその後、低い屈折率の層66及び第1層61を介して送り返された光を転送する。層82の透明度或いは寸法形状は装置10の出力空間分布に更に影響を与えるべく位置により変化させることができる。本発明の1つの好適な形態では、転送層82は図6Aに示すように低い屈折率の層81との境界面にファセット面を有する。層82に入った光は、それが入った時点で各ファセットの1つの面84により屈折され、次いで各ファセット85の第2面86により全体が内方に反射される。本発明の1つの形態では、転送層82は3M社の商標である「Transparent Right−Angle Film」(以下、TRAFと称す)でも良く、この製晶は3Mコーポレーションにより市販されている。このTRAFは、典型的なLCDの逆光の応用で好まれるように、屈折及び全体的な内方への反射により入射光を約90度の角度に曲げるよう作用する。従来のTRAFの許容できる角度は約21度であり、これは低い屈折率の層81に入る大きな屈折光を転送するには充分な大きさである。本発明の更に好適な形態では、ファセット角度は、屈折及び全体的な内方への反射の上述の機構により低い屈折率の層81に入る光75をより多く転送するように選択される。ファセット面84及び86の一方或いは両方を出力角度分布を制御するような形状とすることができる。例えば、湾曲したファセットを使用することで、角度分布を滑らかに広げると共に、均一性を高めることのできる拡散効果が得られる。
本発明の別の形態では、層66及び81には類似しているが僅かに異なる屈折率n2及びn2’をそれぞれ設けることができる。第1層61及び2つの層66、81が第1層収束角度よりも異なっていない限り、装置10の作動原理は実質的に同じである。
本発明の全ての形態には、図2Cに二点鎖線で示した出力拡散層40と、図6Aに示した透過性或いは半透明な拡散層83を更に設けることができる。一般に、この拡散層40は、面ディフューザー、容積ディフューザー、或いは少なくともシリンダの断面を有する少なくとも1アレイのマイクロレンズ(「レンズアレイ」として知られている)であっても良い。これらの層40及び83は光の均等性を増したり、周囲への角度分布を広げることができる。レンズアレイは、面ディフューザーや容積ディフューザーに比べて後方散乱が低く、また平行光により照射された時に出力角度の遮断がより鋭いため便利である。レンズアレイはこれらの特徴だけを優先して拡散するが、そうしない場合には、円筒状の角マイクロレンズの軸の全体的な方向に走ってしまうであろう。
マルチマイクロ構造層を使用した全ての実施態様において、ファセット或いは上述のこれらの層の小型レンズの間隔は、層同士或いはLCD間のモアレ相互作用を避けるために非合理的な率を有するように選択することができる。
類似するレンズディフューザーは、ディフーザーの断面が図10及び11に示したようなものであれば、類似した利点の楔状断面を有する非楔状形状で使用することができる。1つの例は図5に示した先細のディスクである。この場合、図10における層112に類似したレンズディフューザーは、軸がディスクの回転軸と同心の円内に延びるマイクロレンズを有する。図10の層113及び図11の層115に類似したディフューザーはディスクの中心軸から半径方向に発散した軸を有するマイクロレンズを備える。
図2AとBの中で示されている本発明のより好ましい形態の中で、工学的に光の方向を変えるために、ファセット付き層30が挿入された。ファセット面34を、層30に組み込んだり、あるは別個のファセット付き層にすることもできる。該ファセット付き層の操作は、本明細書の前記で解説されている。図6Aのなかで更に示されているとおり、入力ファセット付き層74を、光源76と第1層61との間に配設することができる。該入力ファセット付き層74を、大気に対してより明るく均一の出力光線80を照射させることができるようにするために、入力光線78に対して光を並行にする効果を与えるプリズム式ファセット列とすることができる。
入力角配光を調整して、入力開口数にできるだけ合わせることで、Y軸に並行の線形プリズムの均一性を改善することができる。蛍光灯の光源を利用しているとき、X軸に並行の線形プリズムで、出力横断角配光を制限して、また出力光の明るさを改善することかできる。本発明のもう一つの形態の中で、入力光線の拡散が好ましい場合は、拡散体79を使用して、光線を拡散して、光を広げて光線の均一性を改善する。該拡散体79は、できれば、Y軸に並行の筒状の小型レンズを有するレンズ型列であることが好ましい。該拡散体79を、また標準の表面あるいは容積拡散体とすることができ、また、離散した薄膜あるいは一体化されて楔型層61に連結することもできる。多重プリズムあるいは拡散薄膜を、組み合わせて使用することもできる。該薄膜形態の拡散体79、とまたファセット面がある薄膜74を、その場で交換して、該効果を変えることができる。
図7と8の中で示されている反射鏡92と94の形と位置を変えて、光源76から光導波路の開口部への通過量を最大限とすることができる。該変更は、部分的に全ての帰還光を吸収する、光の光源76への反射を最低限度とすることと等しい。光源76は、一般的に筒状であり、透明のガラス覆い93により囲まれており、該光源の各々は、図7と8の中に示されているとおり、円形の断面を有している。該光源の典型的な例は、蛍光チューブと長フィラメントの白熱灯から成る。光源76の外径を、ガラス覆い93の直径と等しくするかあるいはそれ以下にすることができる。図7は、光源76の周りを鏡面式ポリマー・薄膜で包んで、各該薄膜の端の所で楔型層12と接触させて形成されている、従来の技術のU型反射体92を示している。反射体エレメント92は、一般的に、弧の各終端を楔型層12と連結しているほぼ直線の部分により、該楔型層12の反対側の光源76の側面上の所で、ほぼ円の弧に近い形状で形成されている。該反射体のエレメント92を該楔型層12に連結する該方法は、反射体エレメントの断面に、尖った角が無い場合は、最も簡単に完成させることができる。一般的に、ランプの効率を下げる恐れがある熱的と電気的連結を最小限度に抑えるために、光源76を、楔型層12にも反射薄膜にも触れさせることができない。
漸伸線が、最大の効率を提供するが、他の形態をも、容易に製造することもできる。ポリマー・薄膜は、前記で説明されている半円形の弧を含むスムースなカーブに容易に曲げることができる。図7の中で、光源76と反射体92のぼ円形の部分の断面が、同心である場合に、この反射体92の半円形の部分が、全ての入射光線を光源76に返し、効率を下げる結果となることが分かる。このような非効率は、一般的に、自己吸収円形光源と同軸の半円形の反射体の特性である。この一般的特性は、単純な光線追跡あるいは非対称不変性(skew invariance)の原理に起因する可能性がある。反射体エレメント92が、仮に完全な円形でなかったとしても、光源76の断面が該反射体部分のカーブの中心に置かれている場合は、該反射体エレメント92の各部分は、該光源76に光を返す傾向がある。
1. 反射体エレメント94の断面が、楔型層12(あるいは光導波路)の最大の厚みに等しいx寸法の最大の伸びを有している。
2. 反射体エレメント94の断面が、光学的に鋭い角を有していない。
3. 反射体エレメント94のカーブの半径が、できるだけ大きい。
4. 光源76を、楔型層12からできるだけ遠くするが、最悪の場合の製造上のばらつきを避けるために、反射体エレメント94からあまり離し過ぎないようにする。
図8は、内径2mmと外径3mmを有する光源76、厚み5mmの楔型層12(あるいは光導波路)、と製造許容誤差限度か0.25mmの、反射体エレメント94とガラス覆い93の外径との間隔に対する前記の設計条件を満たすカプラーの例を示している。
好ましい実施態様の該例の中で、反射体エレメント94のカーブの半径は、2.5mmであり、光源76の中心は、楔型層12の中心から0.75mmずらさせられている。該設計に従って構築されたカプラーは、図7の中で示されているカプラーと比較して、10−15%明るいことが分かった。
図6D、12L、12Nと12Oの中で示されている本発明のもう一つの実施態様の中で、楔型層90は、楔型断面の種々の部分にわたって非単調で変化する断面の厚みを有する。我々が、該断面の制御により入力される配光を制御できることは決定的な事実である。更に、光学的境界効果、とまた固有光源効果が結合されて、不本意な異常で出力配光を与えることができることは決定的な事実である。我々は、従って、楔型層90の実際の寸法の中で、例えば、一般的に入力光線を受けるより厚い端の近くで、非直線の変化を有する楔の断面を設けることで、これ等の異常を補正できる。該寸法の制御により、我々は、従って、配光に対して制御を実施するためにもう一つのある程度の自由を有し、また事実上、全ての境界効果あるは光源人工品を補正するための如何なる設計をも提供することができる。更に、我々は、配光を変更し、また光入力異常を補正し、希望する配光出力を提供するための本明細書の前記の中で説明されている方法で、楔型層90の中で折率を変化させることができる。
本発明の形態の一つの中で、選択された接着と積層加工の注意深い使用で、デバイス10の製造を達成できる。例えば、屈折率n1を有する率楔型層12を屈折率n2を有する第1層28に接着できる。接着層60(図3B参照)を、液状で該第1層28の上面に塗布して、該層28を、該楔型層12の底面16に接着方式で連結できる。一般的に、各種の層の連結の順序は、如何なる与えられた順序とすることもできる。
該楔型層12を層28あるいは他の同様な層に当てがうとき、製造工程で、できれば、ほぼ滑らかな接合面を有する内側の層の接合点の形成を施すことが好ましい。適切に加工されていないと、屈折率が異なる層の間の接合が、特有の臨界角により反射面の役割を果たすので、各接合点該内側の層が、性能に悪影響を及ぼす可能性がある。接合面が、ほぼ滑らかであれば、不均一な表面の悪影響は、無視できる程度である。従って、デバイス10の各種の層の積層の施工に当たって、前記で説明されている滑らかな接合層を提供するための接着あるいは接合あるいはその双方の技術に関する方法論を使用しなければならない。積層加工の例には、これに限られるわけではないが、追加の接着層無しの結合、一方の層にコーティングを塗布してから、接着剤で他方の層に結合する方法、とまた2枚の接着層(他の層に結合されるべき各層の表面の上に各1枚)を有する薄膜層を当てる方法がある。
接着層でコーティングが使用されているもう一つの実施態様の中で、第1層28を、第2層30に塗布されたコーティングとすることができる。ここで被覆された薄膜を、第2段階で、被覆された薄膜と楔型層12の間に接着剤を塗布することで、楔型層12に積層させることができる。第2層は、一般的に、連続薄膜・ロール状で供給されるので、第2層には、直接楔型層12に施す代わりに、屈折率の低いコーティングを施すことが好ましい。事実、このような連続ロールにコーティングするほうが、シート状のものにコーティングするより経済的である。該方法で、低い屈折率の層の厚みを管理し易くなる。
薄膜と2枚の接着材を使用する更にもう一つの実施態様の中で、第1層28を、後で楔型層12、あるいは二つのタイプの接合点の間に接着材を使用して楔型層12と第2層30の間に積層される、押し出しあるいは型に入れて流し込む薄膜とすることができる。本明細書の前記に説明されている有害な光の散逸を最低限度に抑えるために、接着層は、平面で滑らかでなければならない。屈折率が低く、廉価な該薄膜を、一般市場で入手できる。各層の間に接着を有する多層構造で、該追加接着層の強度を増やすことができる。
ファセットがある面の製造は、親工具を使用して、型を精密加工することで達成できる。機械加工は、適切な形状になっているダイヤモンド工具で定規を当てて実行することができる。親工具は、電鋳法あるいは型に流し込むような公知の技術で複製することができる。各複製段階は、希望する表面の形を逆にする。結果として作られた型あるいはその複製品を、第2層30の中に希望する形のエンボスを行うのに使用できる。直接定規を当てて加工された表面を作ることもできるが、前記で説明されたエンボス加工が好ましい。従来の“削り”加工に、化学的エッチング技術、イオン・ビーム・エッチングとレーザー・ビーム削りも含めることができる。
ファセット付き表面34のためのツーリングは、単独点ダイヤモンド加工で製造でき、該加工の中でカフツールと加工される品物との間の距離が、変えられて、希望するプロフィールを辿る。ダイヤモンド・カフツールは、非常に鋭利でなければならないが、原則として、ほぼ任意のプロフィールを作ることができる。与えられた設計に対しては、またカフツールの非ゼロ半径を納めることができるようにするための特定の適応が必要である。カーブしたファセット付き面が必要な場合は、製造をよういにするために円形の弧が好ましい。カフツールは、切削基板に沿って移動して、工具とほぼ同じ形状を有する溝を彫る。単一のダイヤモンド工具を使用して、加工物全体を加工することが好ましい。“焦点”タイプのファセット付き面34を作るために該方法が使用される場合は、各種の溝を同じ工具で加工できるようにするために、各種の溝プロフィールが、従って設計されなければならない。求められる形状の変化も、工具の角度、溝の間隔と深さを変化させることで達成できる。
1. 位置に対する照明各配光の中心のほぼ直線の変化。一般的コンピュータの画面の頂上から底の11度(±5.5度)のばらつきは、有効である。
2. 光の出力の可変角配光の幅は、観察者に対してほぼ均一の明るさを達成するために、ほぼ局部照度と比例していなければならない。下記に記載されている例は、空間配光が、ほぼ均一であることを示しているので、角円錐が、ほぼ均一の幅を有している。
3. ファセット38の溝と溝との間の幅は、回折効果を避けるのに充分に広いかあるいは不規則でなければならないが、LCDパネルと使用されるときは、波紋模様(モアレ)を避けるように選択しなければならない。実用面では、これ等の必要条件は、許容される空間のばらつきを制限する。
デバイス10の製造に当たって、例えば、視角は、ファセット38の各々の傾きとカーブに左右される。焦点合わせは、位置に対するファセットの構造を回転することで達成される。500mmの距離から見た150mmの画面の例を使用して、照明円錐を、頂上から底に向かって17度(即ち±8.5度)変化させることができる。一般的な材料である、アクリルとFEPに対しては、ファセット構造物を画面89の頂上から底に向かって約5.7度回転させる必要がある(図9B参照)。
上記の制限(1)−(3)が、可変カーブの溝を単一の工具で加工する必要性と結合されるとき、設計の制約が、生ずる可能性がある。例えば、一定の切削の深さで、一定の角度幅(制約#1)を維持することで、溝の間隔あるいは溝の深さを変えて補正する必要が生ずる。具体的には、溝を切削する成型工具が、カーブされた反射体ファセットの部分(図2M参照)が、隣接するファセットの縁で影になる形状であるとき、溝の間隔の中での直線の変化が、僅かなレベルではあるが、明るさの変化を減らす可能性がある。該間隔のばらつきを、制約#3をクリアするのに充分なものとすることができる。
製造方法に更に、第1層28が、本明細書の前記の中で説明されたとおり非常に薄いので、該第1層28の蒸着、スパッタリングあるはイオンビーム溶着を含めることができる。同様に、第2層30を、図2Bの中で示されているファセット付き層30に形成させるのに、制御可能な該方法(マスキングあるいは層付着のような)を適用できる。
最も一般的な実施態様の中で、楔型層12を、単純な並行光束用光学エレメントとしての組合せの意味で機能させることができる。ほぼ透明な楔型層12は、光学的屈折率n1を有し、また上面14と底面16は、収束して、少なくとも傾斜φの角度を設定する(図15参照)。該楔型層12は、また上面14と底面16に広がっている背面20から成る。楔型層12に隣接している第1層28は、空間間隙を含む屈折率n2を有している。該第1層28に隣接して、第2層30のファセット付き表面34のような、鏡面層がある。
ほぼ並行束にされない光は、背面20を経由して、光源22により導かれる。該光は、各光線が、上面と底面14と16に対して入射角を減らしながら、該入射角が、臨界角θc以下となるまで、楔型層12の中で伝搬する。該角度が、一度θc以下になると、光線は、大気に出る。底面16を経由して大気に出た光線は、楔型層12に対して反射させられてから、大気に発光させられる。前記で説明された角濾過効果により、出力光は、下記のとおり角円錐の幅の範囲内で並行光束にされる。
2個の空気間隙あるいは透明の誘電層を有する図6の実施態様の中で、光のリダイレクト層は、独立しているので、我々は、種々のタイプの層を有するデバイスを構築することができる。例えば、光が、デバイス10の両側から発射されなければならないとき、あるいは最大の並行光線束が、好ましいときはいつでも、2枚の透過可能なリダイレクト層が、好ましい。2枚の方向を変えるための一般的に全ての発明に対するリダイレクト層82の例に、括弧の中のアルファベットが、下記のとおり図12の各々該当する図に対応するものとして、該諸図12の例を含めることができる。
(b)図12Bの中の、拡散体126を有する2枚の屈折ファセット層124。
(c)楔型層12から光の出力を屈折してから内側に反射するファセット130を有する2毎のファセットがある層128。該ファセットは、光出力を屈折のみで可能な角度より大きな角度を経由して向けることができる。
(d)2毎の屈折単独ファセット層132(プリズム)。
(e)焦点を合わせるために湾曲した出力表面136が付いた屈折単独ファセット層134を有する楔型層12に対する上面のリダイレクト層。底面138は、ファセットがある層140を使用して光を屈折させて、内部に反射するためのリダイレクト層から成る。ファセットの角度は、出力光がFで焦点が合うような位置と共に変わる。
(f)上面のリダイレクト層144は、屈折ファセット層146から成り、底面のリダイレクト層は、光に対して狭照角が付いた屈折/内部反射層148から成り、滑らかに光の出力角拡散を広げるために、拡散層150を加えることができる。
(g)出力角拡散を広げるために、凸面で湾曲している屈折面154を有する屈折/内部反射ファセット付き層152の上面のリダイレクト層。ファセットの角度を、位置と共に変化させ、該構造で、選択的に光出力角円錐を向けて、好ましい可視領域を有限距離で作り出すことができる。該配設で、湾曲したファセット層152により取り除かれない非均一性を拡散するためにレンズ型拡散体156を含めることができる。底のリダイレクト層は、制御できる方法で光出力の角拡散を広げるために凹面状にカーブしている、反射表面160を有する屈折/内部反射のファセット付き層158から成る。
(h)制御できる方法で光出力の角拡散広げ、また均一性を改善するための、湾曲したファセット164を有する屈折ファセット付き層162を含む頂上のリダイレクト層。ファセットの形状が、有限の距離の所で出力光の焦点を合わせるために位置と共に変化する、狭照出力のための該ファセット168を有する屈折/内部反射ファセットがある層166から成る底のリダイレクト層。並列のレンズ型拡散体170を使用して、滑らかに制御できる方法で光出力の角拡散広げ、均一性を改善するとができる。仮想線で示されている透明の画像を、レンズ式拡散体に印刷したり接着したりすることができる。横断レンズ式拡散体172は、並列レンズ式拡散体170で取り除かれない非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面ファセット層166と拡散体170の組合せは、焦点が合わされた湾曲したファセットを使用するのと同様に、協力して好ましい可視領域を有限距離で作り出す。また照明目的のために、該デバイスと他の如何なる形態のデバイス10と共にも使用できるLCD173構成部品(仮想線)が示されている。
もう一つの構築の中で、1枚の透過可能なリダイレクト層と1枚の反射性のリダイレクト層を、組み合わせることができる。これ等は、前記で解説された、反射性のリダイレクト層と種々のタイプの透過可能なリダイレクト層との組合せである。反射性のリダイレクト層を、鏡面、部分的拡散、拡散、ファセット付あるいは該構造の全ての組合せとすることができる。発光が、一方の側からか、あるは場合によっては、コストが最優先のときは、該構築が、好ましい。該構築の例は、下記の諸図12の中にある。
(j)上面屈折ファセット層180、拡散体182(図12Jに仮想線で示された)
と間に挿入された画像形成層171と組み合わされた底面鏡面反射体178。
(k)頂上層屈折/内部反射ファセットがある層186を有する、位置と共に変化して、有限距離で出力光を焦点に合わせるためのファセット形状を有する低面層鏡面反射体184。拡散体188は、仮想線で示されている。
(l)頂上層屈折/内部反射ファセットがある層192を有する底面層鏡面体190、とまた湾曲したファセット194は、スムースに各光出力を制御可能な方法で広げ、均一性を改善するために使用される。楔型層12と上面の厚みと底面の低屈折率層196(即ち空気空間)は、変化して、光出力の空間拡散に影響を与える。
(m)底面反射休198は、部分的に鏡面、部分的に拡散して、均一性を改善する。図12Mは、一体化されたレンズ型拡散体200により制御可能に拡散するように出来ている初期の反射体部分を示している。該拡散体200は、より厚い端で出力の中で現れ、一般的にy軸の方向に走る可能性がある非均一性を選択的に減らすように設計されている。また屈折/内部で反射し、また湾曲した反射面を有する上面のリダイレクト層202が含まれている。
(n)部分的に反射し、部分的に拡散して、均一性を改善する底面反射体層204。図12Nは、やや粗くなっていて鏡面性を減らし、該構造で、208の厚い所の近くの出力の中に現れる非均一性を、選択的に減らすようになっている初期反射体206を示している。平面ファセットがある層212を有する屈折/内部反射である上面のリダイレクト層210が、使用されている。またファセットの外形は、光の方向を、各ファセットから有限の距離の所にある共通の焦点に変えるように変化している。横断しているレンズ型拡散体213が、仮想線で示されている。並行のレンズ型拡散体214は、平面ファセットがある層212をより広い好ましい可視領域に転換しながら、焦点領域をスムースに出力各拡散を制御された方法で広げるために使用されている。レンズ型拡散体213は、また均一性を改善する。LCD216あるいは透明の画像は、仮想線で示されている。
LCD236あるいは他の透明の画像は、また仮想線で示されている。より収束するN.A.合わせの部分は、方向を変え、また低い屈折率の層が、これ以上の収束部分を極端に必要が無いので、ファセット付きリダイレクト層と組み合わせることで有利である。従ってデバイス10の有効口径(従って効率)は、デバイスの全体の厚みを最小限度に抑えて、増大することができる。
より収束するN.A.−合わせる部分(例えば、半先細り部分240)は、方向を変え、また低い屈折率の層が、これ以上の収束部分を極端に必要が無いので、ファセット付きリダイレクト層と組み合わせることで有利である。従ってデバイス10の有効口径(と従って効率)は、デバイスの全体の厚みを最小限度に抑えて、増大することができる。該利点は、また図12Oの中に示されている完全に先細りになっている部分222により説明されているが、図12Pの中の半先細り部分240は、部分222と比較して、同じN.A.整合効果に対して、先細りの方向でより長くなる欠点があるが、一方の側でより大きな厚みの削減を提供する。上面の低い屈折率の層を、より厚く作って、均一性を改善できるので、示されているとおり一方の側で厚みの削減に重点を置くことが好ましい。底面反射体層を、反射薄膜を角の周りで曲げることを要しないで、カプラー反射体空洞と一体化することができるので、該形態を、より容易に製造することができる。
(r)室内照明に使用する場合、二峰状の“こうもりの翼の形をした(bat−wing)”光の角度拡散260が好ましい。図12Rの中で、ファセット264を有する上面屈折層262が、示されており、また湾曲した前面266を有しており、主に前の四分円形に向けられる出力光を有する該面で、スムースに角出力を広げ、均一性を改善することができる。底面反射層268は、ほぼ後ろの四分円形に向けられた出力と共に、主に上面にあるリダイレクト層の背面を経由して光を反射する。
当該技術で理解されるとおり、これらの図の中で示されている各種のエレメントを、先細りした照明デバイスのエレメントと組み合わせて利用することができる。2個の該組合せ形状の例は、図13と14の中に示されており、該各図は、またに示されている形状に特定の特徴から成る。図13に示されているとおり、2枚の楔276を、組み合わせて一体化させて形成することができる。2個の光源を、同じ領域全体に供給することができるので、この組合せで、同じ程度の明るさを有する単独の楔より高い明るさを提供することができる。明るさが、該デバイスに対して増やされる一方で、2個の光源が、また1個の光源と同様の出力を必要とするので、効率は同じである。図示されているとおり、ファセット274を有する方向を変える薄膜272を、双方の方向から来る光を受け入れる左右対称設計で、単独とすることができる。代案として、方向を変える薄膜272を、各蝶の羽根に対して異なる設計とすることができる。
図14の中に、図5の中に示されているとおりの3枚の縮尺された先細りのディスク270が、示されており、種々の層の外見をしめすために分割されている。ファセットがあるリダイレクト層280(方向を変える層、redirecting layer)は、先細りしている光導波路部分284に重なっている同心円形ファセット282から成る。光源288の直上に、光導波路部分284の軸の所の間隙に重なって、リダイレクト層280は、レンズを形成している(例として、フレネルレンス280が示されている)。光源288の直下は、反射体290であり、該反射体の位置は、光の逃げを防ぎ、光の方向を、光導波路部分284に、あるいはレンズを経由するように変えるようになっている。反射体の中に少なくとも1個の開口部が設けられて、ワイヤーあるいは光導波路のようなエレメントが通過できるようになっている。
本発明の全ての実施態様に、画像を形成するための可変透過を有するか、あるいは色を少なくとも角出力の一箇所に与える、1枚あるいはそれ以上の層を組み込むことができる。画像形成層に、従来の透明ディスプレーのような靜的画像、あるいはLCDのような選択的に制御できる画像を含めることができる。該画像形成と色授与層を、リダイレクト層の一つに重ねることができる。あるいは代案として、該層に、低い屈折率の層と関連するリダイレクト層との間に中間層、あるいはリダイレクト層の内部の構成部品を含めることができる。例えば、重ねられている画像形成層129は、図12Cと12Gに仮想線に示されている。画像形成層171の例は図12Hと12Jの中に示されている。
一つの好ましい実施態様の中で、画像形成層(129と170のような)は、ポリマー分散型LCD(PDLC)層である。層の適切な配設で、画像あるいは色を、出力角拡散の選択された部分の範囲内でデバイスから投射できる。
一部の応用の中で、単独のLCDを、周囲光あるいはアクティブな背面光により発光させることが好ましい。該応用の中で、周囲光照明は、ディスプレーによる電力消費を最小限度に抑えるために光線環境が良好の時に選択される。得られる環境の照明が適切なディスプレーの質を提供するのに低く過ぎるときは、アクティブ背面光が選択される。該選択可能な2モード操作には、アクティブモードでLCDを効果的に後ろから照し、代案としての周囲光モードで、効果的に周囲光を反射する背面照明装置が必要となる。
最も普及している従来の技術のLCDは、図16Bの中に示されているような“透過反射”(Transflective)ディスプレー101である。この方式は、部分的に反射し部分的に透過する中間層104とともに、従来のバックライト102と透過LCDパネル103を使用している。適切な周囲光モードの性能を達成するために、一般的に、反射率が80−90%の中間層104を挿入することが必要である。結果として生ずる低い透過率のため、透過反射ディスプレー101は、アクティブモードの操作で、効率が落ちる。
該レンズ状のリダイレクト層106と楔型層12は、入射と反射光に対してほぼ透明であるので、周囲光モードでは、デバイス10は、従来の周囲光モードのみのディスプレーと同様に作動する。前記で説明されたとおり、アクティブモードが選択されたとき、光源22は、作動し、また多重層は、該諸層の屈折率と収束角度の間の関係により、デバイス10上でほぼ均一に光を広げる役割を果たす。結果として生ずる均一の照明は、楔型層12の上面14を経由して放射される。好ましい実施態様の中で、反射体層105は、ほぼ鏡面であり、該構造で周囲光モードでの性能を最大限度とすることができる。該好ましい実施態様の中で、上面から放射される光は、LCDパネル107による透過に不向きなすれすれの角度で大きく放射される。前記で説明されたとおり、リダイレクト層106(redirecting layer)は、屈折と全内部反射の組合せにより該光の一部の方向を変える。リダイレクト層106は、LCDの透過率が、一般的に垂線から30度までの幅で最高となるので、できれば、光の少なくとも10−20%が、方向を、該LCDの垂線から30度以下に変えるように設計されることが好ましい。従来の技術のディスプレーが、アクティブモードの作動において、きわめて非効率的であるので、背光の一部を、適している角度に放出するだけで充分である。
本発明のもう一つの面の中で、光学デバイス10により処理される光は、特有の偏光(直線、円形あるいは楕円のような)を有しており、該偏光を、LCDシステム、あるいは偏光された光の利用に頼る他の出力からの照明の改善に利用できる。LCDを使用するシステムの中で、偏光308の一つのタイプを取り除いて、LCD層にその他の偏光された光のみを渡す必要がある。図30の中の例に対して、従来の偏光層312は、できれば光源306からの入力光の約半分までの量の一つの偏光を吸収して、好ましい偏光された光が、LCD層に透過されることが好ましい。正しい偏光の偏光された光は、希望する方法で液晶と第2偏光子314で処理されて、必要な特徴を表示させる。該在来のシステムの中で、光源からの約半分の光は“望ましくない”ものであるので、必要なLCD出力のみを提供する目的で失われる。従って、両方のタイプの偏光された光を利用する手段が発見された場合は(望ましくない偏光された光を取り除かないで)、実質的な効率の利得と明るさを、LCDのために生み出すことができる。本発明の目的は、これを目指すものであり、下記の実施態様は、この目標を達成するための好ましい構造と方法である。
(1)コーティング、押し出し、あるは非復屈折あるいは復屈折のまた光学的に干渉する被覆として作動するように設計された他の工程で作られた薄い皮膜層。
(2)必要とするスペクトル帯のなかのどこかにおいて四分の一の波長以上の光学的厚さの“厚い”層であって、積み重ね、コーティング、押し出し、積層あるいは他の工程で作られ、また、角度と屈折率が、正確にBrwester角度条件と合っていなくても、Brewster積み重ねとして作動するように設計された皮膜層。
(3)薄い皮膜と厚い皮膜を用いたやり方の組み合わせ。
(4)エッチング、エンボス、精密加工、あるいは他の方法により作られた、相関関係がある、部分的に相関関係があるかあるいは相関関係が無い表面の粗さあるいはプロフィールであって、該構造が、偏光により拡散を生み、エッチング、エンボス、精密加工、あるいは他の方法を含む全ての方法で作られるものであり、また該諸層が、二色性材料であるもの。一般的に、1枚あるいはそれ以上の前記のタイプの形成された積層は、該層が、前記に説明されている偏光フィルター層としての一般的な性能仕様を満たしている場合は、偏光フィルター層307の適した形態である。
偏光フィルター層307の実施を、薄いか厚い皮膜の復屈折あるいは非復屈折の層で構成させることができる。復屈折層の特定の例と解説は、本明細書の、表題の付いた項に記載されている。
偏光フィルター層307の実施を、薄いか厚い皮膜の復屈折あるいは非復屈折の層で構成させることができる。復屈折層の特定の例と解説は、本明細書の、表題の付いた項に記載されている。
各種の好ましい実施態様は、少なくとも2個の異なる屈折率から成る。該配設は、nHとnLを有し、nH/nL>1.15として、幅広い偏光の選択性に必要な層の枚数を最低限度に抑えるようになっている。更に、光学的干渉には、屈折率nと厚みtを50mm/(n2−1)1/2<t<350mm/(n2−1)1/2のようにしたものを有する、少なくとも1枚の層を使用することで性能を高めるのに最も好ましい。該関係は、前記に記載されているtLとtHに関する、波長が、可視光範囲の400mmから700mm、入射角度が、n sinθ≒1と光学的干渉効果が、波長の1/8と1/2の間の光学的厚みを有する層により促進されるように、臨界角度であることに注意して、方程式から派生する。該層の材料と製造方法は従来の多層誘電コーティングとして知られている。
同じ屈折率の関係を、図19Bの変形であるが、屈折率n2の第1層214が、基底層206から見て偏光フィルター層216より遠くに配設されていることを除き、19Aに適用できる。図19Bの実施態様の中で、第1層214は、偏光フィルター層216より基底層206に近い。
(1)射出光線の少なくとも25%に対してnc(rcxu)がni(rixu)に等しくない(12)
(2)射出光線の少なくとも90%に対してrc=ri−2(u・ri)u (13)
光のリダイレクト層224は、次の条件に従って光の方向を変えることができる、即ち、(a)光が、荒い光学的表面と相互反応した場合、(b)光が、入射表面と異なる傾斜を有する光学的表面と相互反応した場合、(c)光のリダイレクト層224が、適切な角度に回折する場合、方程式(12)の中の条件(1)。例えば、該条件(1)に従った光の方向を変える手段を、透過あるいは反射、拡散あるいは非拡散、とまたプリズムあるいはテクスチャ層の如何なる組合せともすることができる。更に、光の方向を変える手段を、回折格子、ホログラム、あるいは二元光学層とすることができる。
方程式(13)の条件(2)に従って光の方向を変える光の方向を変える手段は鏡面反射体である。該鏡面反射体の例を、金属コーティング(即ち、図20Aの中の光反射体層222を、金属コーティングとすることができる)、多層誘電コーティングあるいは該組合せとすることができる。各々の場合、内面と外面は、できれば、滑らかで、互いに並行であることが好ましい。
例えば図20Bと20Cの中で分かるように、光のリダイレクト層224の位置を、異なる場所とすることが出来、各々の層224に、異なる特性を持たせて、特定の応用に必要な異な光の特性を達成することができる。光の方向を変える手段のもう。一つの例、とまた特定の実施態様は、残りの諸図の中に示されており、下記に詳しく説明される。
偏光転換層226は、偏光を90度(π/2)回転させるような偏光状態を変化させる機能を有している。更に、該転換は、斜光入射で行われることが好ましい。一つの例として、我々は、光学的軸に垂直な屈折率が、方向に無関係である場合の、屈折率が、非軸方向の復屈折のための該転換の性格を説明する。伸ばされたふっ化ポリマーフィルムのようなものが、多くの好ましい材料が、該タイプである。屈折率が、全ての方向で異なる、より一般的な復屈折材を、本明細書の中で説明されている下記の一般的方法に使用することができる。偏光転換プロセスを理解するために、我々は、最初に垂線入射の場合を検討する。
図30Eの中に示されているとおり、復屈折材のプレート229は、ベクトルKに沿った横軸を有しており、光学的軸は、ベクトルIに沿っている(図30Fのベクトル参照)。伸ばされた復屈折フィルムに対して、伸びの方向は、ベクトルIに沿っている。ベクトルI、J、Kは、x、y、z軸に沿った装置のベクトルの直交三対である。垂線の入射に対して、波の垂線は、ベクトルKに沿っている。我々は、電磁波の偏波を、ベクトルDを変位させることで説明できる。D′を常光線の偏光とし、D″を異常光線とし、n′を通常の屈折率と、n″を異常な屈折率として、我々は、復屈折プレート229の光学的軸の向きを入射偏光ベクトルD0に対して45度(/4)にできる。該ベクトルは、D0x=(1/2)D0cosωtとD0y=(1/2)D0cosωtの成分を有する。復屈折プレート229から現れると、直ちに、Dべクトルは、δ′=(2/λ)n′h、δ″=(2/λ)n″h、h=プレートの厚みとしてD0x=(1/2)D0cos(ωt−δ″)とD0y=(1/2)D0cos(ωt−δ′)を有する。従って、導入された位相の差は、δ′−δ″=|(2/λ)(n″−n′)λ|hである。特に、現れる光が、初期の偏光ベクトルD′に対して直角の所で偏光ベクトルDを有してる場合は、我々は、mが整数の何れかであるとして、δ′−δ″=(あるいはより一般的にδ′−δ″=(2m+1)を必要とする。これは、厚みhが、|(2m+1)/(n″−n′)|λ/2として選択されなければならないことを意味する。
要約すれば、我々は、前記の関係に従って厚みhを選択を選択してから、光学的軸を、入射偏光に対して45度に向ける。図26Bのような好ましい本発明の形態の中で、光は、転換層226、復屈折プレート229を二度横断しているので、実際の厚みが、前記で指定されているものの半分でなければならない。言い替えれば、厚みは、良く知られているλ/4プレートである。金属鏡231からの全ての反射は、双方の成分に近い追加の大体の位相のずれを起こし、結論を変えない。
復屈折プレート229の単軸方向の形態の斜角入射の外形は、やや複雑であり、従って、説明を簡素化するために、我々は、図30Fの中で示されているとおり、オイラー角を導入する。(i、j、k)三次ベクトルと(I、J、K)三次ベクトの間の関係は、表3から読み取ることができる。
(1)異なる偏光状態の、システム204上の全ての点でのほぼ明確なビームへの分離。
(2)希望する偏光に影響を与えない偏光転換。
(3)光の出力の偏光解消なしでの光拡散
本明細書で説明されたとおり、各種の方法を使用して、システム204の中の異なる偏光状態を分割することができる。例えば低い屈折率の層214を、図31A−Cの中で示されているとおり、例えばり復屈折とすることができる。層214を、例えば、向けられたふっ化ポリマーの転換体層として、システム202に沿った全ての点から現れる直交偏光の2本の光ビーム218と220を作ることができる。該方法を、2個の条件を満足するために使用できる。第1条件では、層214の復屈折が、実質的に2本の偏光されたビーム218と220の間の重なりを防ぐのに充分である必要がある。該条件は、Cが、少なくとも1であり、できれば4より大きいことが好ましい、方程式(15)−(17)で要約できる。第2条件は、第1層214復屈折の方向(伸びの方向)が、Y軸にほぼ並行であることである。
φ=1−1.5度に対して、復屈折は、少なくとも0.03−0.05として、方程式(15−17)を満足していなければならない。種々の市販のふっ化ポリマー・フィルムの復屈折の計測は、下記のデータ(平均屈折率、復屈折)から得られる。
Tcfzcl 250 zh:(1.3961,0.054)
Tcfzcl 150 zm:(1.3979,0.046)
Teflon PFA 200pm:(1.347,0.030)
250zh材でラミネートされた楔型層206は、フレネル反射部分が重ならなかった場合でも、単に分割された偏光ビームだけを作りだした。
偏光状態の分割に対する第3の方式は、図30GとHの中で示されている復屈折/透明層427の交互の構造から成るポリマーシートのビーム分割器を使っている。該層427の列を、収束バックライト428の上面に載せて、選択的全内部反射により偏光させることができる。入射光の平面に並行名ポリマーのフィルム層429の屈折率は、透明な層430より低く、光の面に垂直な屈折率は、ほぼ透明層430に整合されるので、バックライト428(ビーム分割器層427に向けて傾いている)から入って来る並行収束された光のビーム431は、分割される。並行する偏光されたビーム431は、完全に内部で反射されるが、垂直の成分は透過される。
該配設の一つの例を、マイラー/レクサン層とすることができる。マイラーの屈折率は、(1.62752,1.6398,1.486)。レクサンの屈折率は、1.586である。臨界角度の余角は、20度であるので、ビーム分割器層427は、入射角の余角が、20度以下(レクサンで)である限り機能するが、視斜角で、フレネル反射は、偏光の度合を減らす。例えば、13度に対して、フレネル反射垂直成分は、9%である。
層427の該配設のもう一つの例は、単軸ナイロン/レクサンである。ナイロンの屈折率は、(1.568,1529,1.498)である。ここで、垂直と並行にそれぞれ対して、余角が9と19度の2個の臨界角度がある。従って、作動可能な偏光に対する傾斜は、この角度の範囲内でなければならない。マイラーに対するフレネル反射の場合を取ると、フレネル反射された垂直の成分は、屈折率の整合がより良好であるので、たった5%である。
これ等の例の何れに対しても、各々のビーム分割器層427には、ビーム431の全ての光線が、的確にフィルム/レクサンの接合点と相互反応を有する適切なアスペクト比が必要である。
偏光転換を実行するための一つの方法は、交互ウエーブプレートのレンズあるいはレンズの列との組合せである。単レンズの方法では、光ビーム218と220は、焦点平面の所の直交偏光の2本の光のストリップに焦点が合わされたレンズの上に落ちる。交互ウエーブプレートは、90度まで、たった一つのビーム(220)の偏光を回転させる役割を果たし、現れる光は、完全に光218に転換される。これは、1個の偏光の光220のみを捕らえるために置かれている半波遅れ装置により実行できる。該構造は、大きなレンズで、プラスチックの遅延プレートとポラロイドフィルター(ポラロイドはポラロイド社の登録商標である)で、目視で実証された。
レンズ型列を使用する第2の方式の中で、レンズの薄いシートと交互ウエーブプレート構造(レンズの周波数と同じ周波数で)が使用され、該場合、遅延は、レンズに対して180度変わった。1mmの厚みの該レンズ型列に対して、各々の映像を、各サイズで1インチの5千分の一とすることができたので、レンズ型列のウエーブプレートに対する位置決めは、精密にして、千分の一以下の重なりエラーを防がなければならない。
図21Aの中に示されている好ましい実施態様の中で、転換層226は、偏光フィルター216に対して基底層206の反対側に配設されている。図21Bの実施態様の中で、転換層216は、偏光フィルター層216同じ側に配設されている。図21AとBを引用して分かるように、転換層226を、光218と220をもう一つの第3偏光状態の光227に転換できるようにすることができる。前記で説明されているとおり、該光227を、例えば、第3状態の光、あるは第1と第2偏光状態の変化、あるいは組合せとすることができる。結果として生じた光の偏光は、転換層226の特性に対応して変化する。該転換層226を、必要に応じて対応して、希望する出力偏光状態の光を作れるように設計することができる。また適切な該層226の位置を組み合わせることで、出力光を、必要な偏光特性を有する希望する方向に作ることができる。
図22C−Eの実施態様の中で、光反射子層222形態の光の方向を変える手段が、追加されて、光220を偏光フィルター層216に返すようになっている。図20Aの実施態様に対して前記で説明されているとおり、挿入層223は、調整して、層224に遭遇する光の拡散と角配光を行うことができるいようになっている屈折率n3を有している。図22C−Eの中で示されている本発明の好ましい形態の中で、屈折率n2とn3の層は、空間間隔を設けることができ、本発明の最も好ましい形態の中では、屈折率2の層は、空間間隔である。
図23A−Cの中で、LCD層230と組み合わされた他の形態の偏光された光の照明装置204が示されている。図23Aの一般的な実施態様の形態の中で、層234が設けられている。例えば図23のような本発明のより具体的な形態の中で、好ましいn2の数値は、約1である(例えば図23BとC参照)。図23−Aの一部の形態の中で、n2>1を、また使用できる。代案として、屈折率の中からの好ましい関係の選択は、方程式(9)と(10)に記載されている。
図28と29の実施態様は、できれば、第1層手段として空気間隙層260を使用することが好ましい。該層260で、光212が、基底層206と空気間隙層260の間の接合点に特有の臨界角度3σより小さい入射角度を達成した後で、光を該層260に入れることができる。図28Bの実施態様は、基底層206と拡散器層264との間の第1光のリダイレクト層262、とまた該基底層206の反対側上にある第2光のリダイレクト層265から成る。該第1光のリダイレクト層262は、屈折/内部反射プリズム266から成る一方で、該第2光のリダイレクト層265は、屈折プリズム268から成る。2枚の偏光層216は、基底層206の何れかの側に配設されており、該各々は、関連する光のリダイレクト層262と265をそれぞれ通過させられる、適切な光218あるいは220を透過する。図28Cは、より好ましい実施態様であり、該実施態様の中で、光のリダイレクト層246は、比較的小さいプリズム247を有する屈折/内部反射層から成る。プリズム247各々の表面角度を、前記で説明された方法で、光のリダイレクト層264の図示されている寸法を横断して変化させることができる。該角度の変化で、プリズム247を各種の光の円錐を好ましい可視領域258に収束させることができる(図27B参照)。前記で説明されたとおり、光反射子層222を、金属コーティングとすることができる。
該光反射子層222を、従来の真空蒸着技術あるいは他の適する方法で、転換層226に応用できる。光のリダイレクト層226のような他の諸層を、透明なポリマー材を直接整合層232に注型形成することで形成させることができる(図24C−Fと28CとD)。偏光フィルター層216を、同様に、多数の薄い層の直接基底層206への溶着のような従来の方法で製造することができる。また該実施態様に含まれているものは、背面211に連結されている角変換層274である(図28C参照)。該角変換層274は、入力光212の角配光を基底層206に広げて、LCD層230への出力光218の形態のより空間の均一性を与えるのに役立たせるプリズム276から成る。角変換層274の他の形態を、粗い層、とまた空気間隙を挿入しないで、背面211(あるいは他の入力層)に連結されるホログラム(図示されていない)とすることができる。
図28Eの好ましい実施態様の中で、光のリダイレクト層251は、屈折マイクロ・プリズム253から成る。偏光フィルター層296は、転換層298に隣接して配設されており、横断拡散器層252の位置は、光のリダイレクト層251とLCD層302との間であるいる。並行拡散器304は、光242をLCD層302を経由して好ましい角度に向けて、LCD層302の映像形成質(コントラスト、色の忠実な再現とレスポンス時間)のための光301を最適にするために、LCD層302の光出力側に配設されている。
一般的な従来の技術のLCD層の配設310は、偏光フィルター312の第1形態、とまた偏光フィルター314の第2形態から成り、該双方のフィルター層の間に、LCD層316が挟まれている。該LCD層の配設310の中で、第1偏光フィルター312は、高い偏光率を備えていなければならない。即ち、該フィルターは、LCD層316への入力に対して好ましくない第2偏光状態の非常に低い光の透過率を持たせて、LCD層配設310に適切なコントラストを与えなければならない。実際には、該偏光フィルター312は、また、第1偏光状態の好ましい光のために、高い光学濃度を有している。該従来の技術310とは対照的に、本発明は、LCD層配設312にとって好ましいより高いパーセントの光を提供し、該機能により、好ましくない第2偏光の光の大部分を利用し、また第1偏光状態の好ましい光のロスを最小限度に抑える。
図28Aの実施態様の中で、LCD層316のための光218と光220の該有利な処理は、転換層226の位置を、基底層206に隣接させることで達成される。該換層226に隣接された配設されたものは、偏光フィルター層216である。光のリダイレクト層224は、配光の角度をxz面で広げ、照明システム204からの配光出力の均一性を改善するための湾曲したマイクロ・プリズムのファセット318から成る。横断拡散器320は、できれば光のリダイレクト層224に貼り付けられているか、あるいは1枚のポリマー層(図示されていない)の反対側に形成できることが好ましい。
偏光フィルター層216を、直接転換層226に貼り付けるかあるいは配設し、次に該転換層を第1表面208の上に張り付けるか溶着させることができる。
図29Bの好ましい実施態様の中で、利点は、1枚の偏光フィルター層248のみを使用して、その結果、照明システム204に対するコストを削減し、光の透過を増加することにより達成される。該実施態様の中で、整合層232を経由する光の出力は、できれば少なくとも90%の好ましい偏光状態のLCDの光218で構成されていることが好ましい。背面211に連結された角変換器334は、yz面で配光の角度の幅を減らし、該減らされた角度の配光は、更にLCDの映像を作る照明装置204からの入力光の質を改善する。
該基底層400は、前記で説明されているとおり、できれば、アクリル楔であることが好ましい。該入力光402は、図33の中に示されているとおり2個の偏光状態“a”と“b”から成る。一般的な用語“a”と“b”は、線“s”と“p”、左右の円形、とまた第1状態に対する直交の第2状態を有する楕円偏光のような全ての異なる偏光の組合せを包含するために使用されている。下記に説明されているように、“a”と“b”状態は、できれば、下記で干渉層411あるいは反射偏光器層480として引用されている偏光ビーム分割器により操作されることが好ましい。光405は、従って、下記に詳しく説明されている必要条件に従って選択された光学的条件の下で、基底層400から空気層407への出力である。偏光“a”を有する光405の一部は、更に光409として透過され、ガラス・プレート412の上に配設されている干渉層411を通過し、空気層414を通過してから、光のリダイレクト層416の上で作用する。該層416は、前記で説明されているとおり、できればプラズマ層であり、また偏光状態“a”の光409の出力角度を制御するのに使用されることが好ましい。光のリダイレクト層416は、できれば、一般的に光が、基底層460から出る角度である垂線から約74度に集中された光の上で作動するように設計され、該設計により、光の方向を、基底層400の特定の出口面に対してほぼ垂直のものに変えることが好ましい。該層416を、また他の実施態様の中のホログラム層のような性格で回折とすることができる。光のリダイレクト層416からの出力光409を、更に後部拡散器層(図示されていない)、とまた前記に詳しく説明されている他の適切な諸層で処理することができる。
第2のタイプの層411は、多層ポリマー・フィルムと同じものを使用した。例えば、ポリマー・フィルムを、スリーエム社により製造されたDBEF(スリーエム社の商標)層とすることができる。市販の製品に関する詳細は、PCT国際公開公報WO95/17303とWO96/19347の中に記載されている。このフィルムは、光の垂線入射とまた幅広い入射角に対して使用できるという利点を有し、フィルムで画される偏光軸を有し、また該フィルムを、量産することができる。該諸属性を生かした、垂線入射のタイプのシステム以外の角度、あるいは狭く画されている斜角、とまたフィルムの通過軸の種々の方向で実験することができる。
これに限られるわけではないが、拡散(双極拡散のような)、二重屈折、collesteric(コロイド状エステル系)液晶からの反射、とまた厚いフィルムのBrester分割器を含む、該諸実施態様の中で使用されている偏光分割効果を作ることができる、他の複数の良く知られた方式がある。
転換層422の該諸薄膜は、複数の形態に使用された。該薄膜が、接着材で貼り付けられたので、該薄膜は、“貼り付けられない”単独のフィルムとして使用するときに必要な、低い復屈折を有するトリアセテート・セルローズ(“TAC”)フィルムで、貼り合わされた。反射を減らし、性能を向上させ、また安定性を増すために、フィルムが、直接デバイス10の他の構成部品に貼り付けられる場合に、多くのアーキテクチュアーで構築させることができる。
[第5表]リダイレクト・フィルム414のプリズム特性に対して、透過光を測定し、その他すべての部分に対して、反射光を測定した。表にこの変換効果を図示する。
それぞれの透過あるいは反射は正確な周囲状況によって偏光の変化の程度が異なり、補償変換および偏光変換を行うフィルムは変換を増加し、性能を改良して、さまざまなエレメントの性質の影響に対して、偏光を特別に制御するのに都合よく使用することができる。さらに、分割層の角度は、実現する方法の偏光変換を強める重要なパラメータとして使用することができる。
研究するために選んだ構造例は(1)変換が少なく、偏光の制御性が良好である基層400およびリダイレクト層414を作るシステムに関してTEまたはTM偏光の照明器具の中心線または、(2)別々の変換全部の影響全体は偏光空洞を通る光再循環の変換と偏光の解消の総量位である、近傍でそれぞれ互いに偏光を変換する45°のどちらかである。45°構造以外の場合ですんでいるので、45°で偏光変換プロセスを制御できることも理解したほうがよい。
さらに、第35図の別の実施態様で、変換層422および干渉層440は第33図の実施態様と比較すると、取り除かれている。この実施態様はランプ空洞404からの光402入力の偏光していない形態を含む。この実施態様はこのように、基層400の中の光の伝播方向にそって高い照度を有するランダムの約6%以上のみの偏光レベルを示す。この実施態様の性能を第4表に示す。
第36図に示す別の望ましい実施態様で、層配置は第33図の実施態様と完全に類似で、一般にさまざまな偏光空洞エレメントを有する特定の偏光の光線の同じ類を処理することになる。原理的な違いは反射層であり、介在する空気層のない変換層422にラミネートしたメタリック背面反射器層446である。この層446は商業的に利用できる、アルミニウムまたは他の適当な支持材のような基盤にラミネートした銀メッキ・ポリマ・フィルム(たとえばここ、および前に参照しているSilverlux)から成る。この実施態様の性能を第4表に示す。
第38図の別の実施態様で、層の配置は第35図のそれと完全に類似であるが、背面反射層はメタリック・背面反射器層446である。光線の経路は図のそれとまったく同様である。偏光度は約4%で、第35図のデバイス10に非常によく類似している。第38図のこの実施態様の性能を第4表に示す。
第40図の別の望ましい実施態様で、異なる偏光循環および変換配置を示す。この実施態様で、偏光循環空洞は基層400および内部反射全体(これ以後TIR)で光線を封じ込める変換層422のラミネート形状で形成する。このデバイス10で、光線402は楔を形成した基層400の厚さが薄くなっているのを伝播し、入射光402は連続的に変換層422で偏光に変換される。上端表面432に対してp偏光された(この実施態様でaの状態)光線402のこの成分はa状態の光線の反射がs偏光(b状態)に比較して少ないので、基層400から結合され、それで光線角度は、θc(これ以前の関連のクリティカル角度の検討を参照のこと)を通過するので、光線402は基層400を離れ始める。さまざまな光線経路例が図に示されている。1例として、偏光aとbの光線402は上端面432および底面454から、θcになるまで反射される。偏光aの光線456は空気層407を通り、観察者に対しての角度の範囲を制御リダイレクト層416を通って出力される。偏光状態bの光線458の残りの成分は反射されて、基層400を通り、光線458は変換層422に結合される。層422の反射と横断で、光線458は偏光状態aの光線460になり、空気層407とリダイレクト層416を通って出力される。プロセスの例は、光線458が変換層422を一度通過し、空気層448に出力で結合され、メタリック反射器層446で反射され、変換層422をもう一度通過し、偏光aの光線462になり、観察者の方へ出力されることである。
しかし、一般に好ましい出力はやはり「a」偏光の光である。従って、「a」及び「b」状態の反射間の差は偏光効果を向上させることができる。また、その結果得られた偏光は約13%であった。本実施態様の性能を表4に示す。
図40及び41の実施態様の別の変形において、図42はベース層400の底面層454に積層された変換層442に直接結合されたバック反射体層466を示す。
図43に示される更に別の実施態様では、変換層422は頂面432上のベース層400の他方の面に配置されている。この構成もベース層400に沿って光りが走行する時に、その光を制限する目的を達成するものである。幾つかの光線路の例が示されるが、主な違いは「a」及び「b」の偏光状態の光であり、これは頂面432からアウトカップルされ、次いで「b」の状態の構成要素が四分の一波長板変換層422により「a」の状態の光468に変換される。
図43の実施態様の更なる変更では、図44のベース層400が横屈折偏光変換材料より形成され、ベース層400に図43の変換層422の偏光変換機能を与えるように作動する。図44に示すように、光402は偏光状態「a」の光468として空気層407にアウトカップルされる。
表4の性能測定を考察するにあたり、偏光効果を増加させても必ずしもシステム化された利得が増す訳ではなかった。これは、種々の層を結合するため或いは及び四分の一波長フィルムに使用した接着剤の種類と質から散乱及び吸収損失から生じたと思われる。
図40の実施態様の更なる変形では、図46のバック反射体層は金属バック反射体466ではなくBEFタイプのバック反射体層426である。光線路は非常に似ており、表4にその性能を示す。
本発明の別の形態を図47に示す。偏光分割層470はベース層400の入力で付着している。この実施態様では、ランプキャビティ404及び偏光分割層470により偏光リサイクル「キャビティ」が形成される。
従って、入力光402は光キャビティ404及び偏光分割層470により所有されて偏光状態「a」の光476を生成する。この結果を得るために、偏光分割層470をその通過軸がベース層400の対称軸の方向と略平行或いは垂直になるよう位置決めするのが最も好ましい。この構成により、層400における光はベース層400の下方を走行するため、その光は一方の偏光状態においてベース層400内に維持される。従って、入力光402(ランプ406により放射される光)はランプ406を偏光されない状態のままとし、最終的に偏光分割層470に遭遇する。光402の実質的な部分は偏光状態「a」の光476として透過し、偏光状態「b」の残りは反射されるかランプキャビティ404にリサイクルされて結局は変換されて偏光「a」の光476として出力される。装置10の性能を表4に示す。
図47の実施態様の変形において、図48の構成は偏光分割層470のランプキャビティ側の偏光変換層478の特徴を更に有する。本実施態様の光線路は図46のものと非常に似ている。表4にその性能結果を示す。
図49の実施態様の別の形態では、図51の装置10はBEFタイプのバック反射体層426の代わりに金属バック反射体446を使用している。また、層426は空気層なしに変換層422に照射される。光線路は図49のものと非常に似ており、比較性能を表6に示す。
図51の実施態様の変形では、図52の装置10は表面模様の付いたベース層400を使用しない。光線路は非常に似ており、比較性能を表6に示す。
図33の実施態様の別の形態では、図53の装置10は干渉層411の代わりに反射偏光層480を使用し、ベース層400の形態の表面模様を使用している。光線路は非常に似ており、比較性能を表6に示す。
図53の実施態様の他の変形では、図56の装置10は、基底層400に積層化される変換層422を有する。したがって光線路は全く同じであり、この実施態様の性能は表6に示されている。
図35の実施態様の他の形式では、図の装置10は基底層400のテクスチャ形を使用する。光線路は、全く同じであり、性能は表6に示されている。
図58には、その角度が増加し、最上部表面432あるいは最下部表面457の中の1つでθcを超えるまで、基底層400に沿って移動する実質的に未偏光光486を有する装置10が示されている。それから、光486は空気層407、光486の角度を変えるプリズム状のリダイレクト層416を通過し、空気層487を通過した後、他のリダイレクト/拡散器層488は光486の角度分布を広くする。それから、光486は、空気層489を通過し、偏光分割層の役目を果たす反射偏光子層490に当たる。この偏光子層490は、通過軸がこの特定の場合において装置10の主要伝搬方向である装置10の対称軸に対して45°にあるように配置されている。偏光子層490は、光486を2つの成分に分割する。すなわち、一方の状態“a”の光492は、通過されることが好ましく、状態“b”の光494は反射されるのが好ましい。したがって、光494は、リダイレクト/拡散器層488を通過させることによって広い角度分布で元に再循環される。光494のこの広い角度分布はいろいろな再循環路を有する。例えば、光489のわずかは、図54に示された一般的な方法でリダイレクト/拡散器層488を通って再循環する。この場合の偏光変換は、基底層400の面からのフレネル反射、リダイレクト/拡散器層488における全内反射、リダイレクト/拡散器層488における複屈折による変換、金属反射効果およびランプ空洞404による拡散散乱による相互作用によって生じ得る。
この経路を移動する光494は、最終的にはリダイレクト/拡散器層488を通しておよび装置10の他の構成要素を通して後方にカップリングできる。いろいろな再循環光線は、最終的には、システム利得を生じる累積された若干の偏光変換を有する偏光子層490に達する。この装置10の性能は表6に示されている。
図58の実施態様の変形では、図59の装置10は、光線が図58の実施態様にある広角拡散効果なしで図54の実施態様の光線と同様な一般的な方法で再循環するようにリダイレクト/拡散器層488の下に置かれた偏光子層490を有する。図59のこの実施態様は、オフアングル反射および散乱も利用し、図54の明確な偏光変換層422よりもむしろ光486の偏光状態を変換する。この実施態様の性能は表6に示されている。
図53の実施態様と同様な他の実施態様において、図60の装置10は、反射偏光子層480は装置10の対称軸に対して45°であるので、オフアングル反射による偏光変換を行う。したがって、この装置10は、変換層422を含まないで、介在空気層491を有するリダイレクト/拡散器層488を追加する。この装置10の性能は表6に示されている。
複屈折層の材料は、上記に記述されている偏光照明器具システム204に役に立つように使用されることが可能である。図31Aに示されているこの実施の形態において、第一の層214は、2つの異なる偏光状態“a”と“b”の光線212の2つの異なる光学屈折率n2aとn2βを有する屈折率n2の複屈折材料であることが可能であり、2つの屈折率は、1より小さい。この光線212は、これら2つの偏光状態のそれぞれの臨界角近くの層214と出会う。
図31Bは、図31Aと類似するが、リダイレクト層224が追加されている。好ましい実施の形態は、屈折率n3を有する層207の空気を使用する。光線218と光線220とは、異なる角度でシステム214から出力される。
図31Cは、図31Aおよび図31Bの別の変形を示しているが、リダイレクト層224が、平坦なファセット付き反射層340を含んでいる。光線218とさらに光線220とは、実質的に偏光状態を変更しないで光線218を透過させるコンバータ層346に放出されるが、コンバータ層346は、光線220を、所望の第一の偏光状態の光線218に変換する。図31Cに示されるコンバータ層346は、光線220によって占有される角範囲内でのみ光の偏光を変換するように作動する構造を有している。コンバータ層346は、このように光線218と光線220との概略的に図示される角分離を利用し、光線218を光線220に変換しないで光線220を光線218に変換する。
図31Fの実施の形態において、システム204は、図31Dの実施の形態に類似しているが、リダイレクト層224が、ファセット311の層を含んでいる。図31Gの実施の形態において、システム204は、さらにLCD層302と、整合層232とを含み、拡散体層304は、光線218がLCD層302を通過後、空間位置に配置される。リダイレクト層224は、ハイライト反射力のために平坦な面と金属被膜342とを有するマイクロプリズム層251を含んでいる。さらに、システム204から出力される光線253の空間分布をコントロールする角変形層238も示されている。図31Hの実施の形態は、図31Gの実施の形態に類似しているが、システム204は、出力光線250を好ましい視野ゾーンに収束するために、異なる空間位置で調整されるファセット角を有するリダイレクト層224の曲線状ファセットを使用している。角変形器238は、CPCとして図示されている。
図12Nおよび図12Oに示される実施の形態において、LCDディスプレイ216または236は、視聴者に出力光線を供給する。さらに、これら実施の形態の改良において、ポスト拡散体層350が、LCD層302から出力される光線250の通路に配置されている(図32Aおよび図32Bを参照)。これらの図に示される好ましい実施の形態において、一般作動は、図26Bと、図28Dと、図28Eと、図29Aと、図29Bと、図31Gとに図示される実施の形態に類似しているが、偏光フィルタ層216のいずれをも有していない。上記に記述されるように、出力される映像を最も効果的にするために、光線を、平行角範囲のLCD層302に、好ましくは、実質的にLCD層302に垂直に供給することが有利な点である。ポスト拡散体層350を使用することにより、出力光線253に、光のコントラストと色の忠実度とを平衡にすることなく、広域角範囲を越えて視聴者に映像を供給させる。
この実施例において、方程式(8)は、18℃の出力角分布を示している。
図32Bに示される別の実施の形態において、屈折/内部への反射層360は、LCD層350を通して放出される光線364のxz平面への角分布を減ずるために、曲線状のファセット362を含んでおり、それによって、ポスト拡散体層350のパララックスを減少して映像品質を改善する。この実施の形態は、曲線状反射ファセット362を有するが、平坦な屈折ファセットでは、図32Cに示されるように、所望の機能を達成することが可能である。いずれの場合にしても、曲線状のファセット362が、ファセット362同士の間の繰り返し周期より少ない焦点距離を有することが好ましい。xz平面への角分布は、方程式(8)に示される幅以上に減じられることが好ましく、上記の方程式に示される幅以上に減じられることが最も好ましい。さらに、リダイレクト層224のファセット角が、システム204の異なる部分から好ましい視野ゾーンに出力される光線を収束するように配列されている。この図も、マイクロプリズム角変形層274を示している。
図32Cには、図32Bの実施の形態の変形が示されている。システム204において、LCD層配列370は、図30に図示される先行技術のLCD層配列372とは異なる。特に、平行光線拡散体層372(ホログラフィック拡散体など)は、LCD層302(図30の層316)と第二の偏光フィルタ層322(図30の層314)との間に配置される。この配列により、第二の偏光フィルタ層322が、普通なら拡散体層372によって反射される周囲光線に起因する可能性が有るグレアを減少することができる。さらに、図32Cは、図32Bに示される曲線状の反射ファセット362と同じ角減少機能を行う曲線状の屈折ファセット376を有する光線リダイレクト層374を示している。
下記の実施例は、デバイス10の様々な物に対する測定システムと方法とを図示している。
様々なデバイス10の性能は、有用なシステムの利得の概念を導入して量が計られる。デバイス10からの光線出力分布は、拡散ランベルトのバックグラウンドの量にまで近づけられ、一次元の平行ビームは、限定角のランベルト分布からなる。この方法において、照明デバイス10から限定角(ILimited)に放射される照度は、式中、全分布のピーク輝度(Lmax)と、拡散ランベルトのバックグラウンド(α)の照度の分数と、制限角(θ+,θ-)によって明記される限定角ランベルトの分布の幅とによって表わされる。
この考えが、式に明記される+/−角が、スポット測光器498を用いて測定される半輝度ポイントであるということを仮定して本デバイス10に応用されたのである。測定のそれぞれのセットに対して、最大の明るさと、半輝度ポイントとの角位置とを測定した。測定を行うために用いられたシステム500は、図61Aおよび図61Bに示されている。同じ照度を維持するのに、半輝度ポイントの位置を変更するために少し異なる拡散体を使ってみた。この方法をデータにフィッティングして、拡散バックグラウンドに力の分数値を生じた。実験に用いたデバイス10の基本形状で60.1%の値を見出した。図62は、デバイス10の基本形状での測定データとフィットされた曲線を示している。
表に報告されている最終値を得るために、観測される値が、同一構造の2つの半照明器具502と504を製造して測定される利得によって集められた。これは、観測した依存状態を幾分補正したものである。これらの補正利得(gcorrected)は、測定サンプル(gmeasured)の利得から計算され、また較正利得(gcalibration)は、十分根拠の有る gcorrected=gmeasured/gcalibrationによる参照構成の半照明器具502の両側で測定された。
測定の大部分に対して、この方向は、デバイス10と機器に対して水平または垂直であったので、内部偏光子が、これらの場合機器には使用された。これら半分用には、最大の明るさを形成して、回転軸回りにデバイス10を回転して半分の明るさの地点の角位置を形成した。
本発明の実施の形態について示し、説明しましたが、請求の範囲に記載される広い形態において本発明からはずれることなく様々な変化および修正を実行できることは当業者であれば明らかであろう。
実施態様1. 光源からの光線によって動作し看者に対して選択的に光線を出力する光デバイスであって、少なくとも第1表面と第2表面を有する基底層であって、該基底層がさらに前記第1表面と前記第2表面にわたる背部表面を含み、内部で反射している光線の、前記第1表面と前記第2表面の内の少なくとも一方に対する入射点における垂線に対する角度が減少し、前記表面上での入射点での垂線に対する角度が臨界角度θC未満である場合に前記光線が前記基底層から出ていく基底層と、前記基底層に対して前記第1表面と前記第2表面の内の少なくとも一方を越えて配置された第1層手段であって、前記基底層中の前記光線が前記基底層と前記第1層間の境界に特有の前記臨界角度θC未満の入射角を成す場合に、前記光線が前記基底層から出力された後に第1層手段に入射し、その中を通過することができる第1層手段と、第2偏光状態に対する第1偏光状態を持つ光線を好ましくは出力する第2層手段であって、前記基底層に関して前記第1と前記第2表面の内の少なくとも一方を越えて配置されており、さらに前記第2偏光状態を有する光線の少なくとも1部分の反射を可能とする第2層手段と、前記第1層手段から出力されるリダイレクト光線と拡散光線の内の少なくとも一方に対し光線制御を行い、これによって角度分布が制御された光線を提供する光線制御層手段と、前記看者に示すために前記第1偏光状態の光線から画像を形成する結像層手段と、を備えた光デバイス。
実施態様2.リダイレクト光線のための前記光線制御手段が、前記光デバイスから出力される光線の角度分布を制御するためのファセット付き層を備えることを特徴とする実施態様1記載の光デバイス。
実施態様3.拡散光線のための前記光線制御層手段が、(a)前記基底層と前記結像層間と(b)前記看者と前記結像層間との少なくともどちらかに配置されていることを特徴とする実施態様1記載の光デバイス。
実施態様4.前記第2偏光状態の光線を前記第1偏光状態の光線に変化させる変換手段をさらに備えることを特徴とする実施態様1記載の光デバイス。
実施態様5.前記変換手段が、(a)前記結像層手段と前記基底層の間と(b)前記第2表面に関して前記第1表面から離れて配置された前記結像層手段と共に前記第1表面に対して前記第2表面からさらに離れて、のどちらかのように配置されていることを特徴とする実施態様4記載の光デバイス。
実施態様6.前記基底層が、楔形状の層と、ディスクと、偏球面形状と、平行六面体と、円筒形との内の少なくとも1つを含むことを特徴とする実施態様1記載の光デバイス。
実施態様7.前記結像層手段が、透明表示部と、ホログラム映像と、液晶層と、CCD層の内の少なくとも1つを備えることを特徴とする実施態様1記載の光デバイス。
実施態様8.散乱を減少させるために反射防止層をさらに含むことを特徴とする実施態様1記載の光デバイス。
実施態様9.前記光線制御層手段が、可変ファセット角度を持つファセット付き層を含むことを特徴とする実施態様1記載の光デバイス。
実施態様10.前記第2層手段が、光学的干渉層と、ブルースタースタックと、干渉コーティング及びブルースタックの合成物と、粗面化された表面と、鏡面反射層と、ダイクロイック層と、複屈折層とから成るグループから選択されることを特徴とする実施態様1記載の光デバイス。
実施態様11.光源からの光線によって動作し、光線を看者に対して選択的に出力する光デバイスであって、少なくとも第1表面と第2表面を有する基底層であって、該基底層がさらに前記第1表面と前記第2表面にわたる背部表面を含み、光線が前記第2表面上の入射点における垂線に対して臨界角度θC未満の入射角を達成する場合に光線が前記基底層から出ていく基底層と、前記基底層に対して前記第1表面を越えてと、前記基底層に対して前記第2層表面を越えてとの少なくともどちらかで配置され、前記基底層から受け取られた光線が透過できるような屈折率を有する第1層手段であって、前記基底と前記第1層間の境界固有のθCが達成されると、前記光線が前記基底層から出力される第1層手段と、好ましくは第2偏光状態に対する第1偏光状態の光線を透過させ、前記第2偏光状態の光線の少なくとも1部分を反射する第2層手段であって、前記第2層手段が(a)前記第1層手段よりさらに前記第1表面から離れてと、(b)前記基底層に対して前記第2表面と前記第1層手段とよりも前記第1表面の近くでと、(c)前記第1表面より前記第2表面の近傍で、しかも前記第1層手段よりも前記基底層からさらに離れてと、(d)前記第1層手段より前記第2表面の近くでとの内の少なくともどれかの条件で配置されている第2層手段と、前記第2層手段から反射された前記光線によって動作して前記光線を前記第2層手段に送出し返す、前記第1層手段の上に位置する状態と前記第1層手段の下に位置する状態の少なくとも一方の状態の光線リダイレクト手段と、前記第2偏光状態の前記光線の少なくとも1部を前記第1状態の光線に変換する第3層手段と、前記第3層手段から出力された第1偏光状態の前記光線を受け入れるように配置された表示層と、を備えた光デバイス。
実施態様12.好ましくは光線を透過する前記第2層手段が、(a)前記表示層と前記基底層の間と、(b)前記基底層と次に前記表示層からさらに離れてとの少なくともどちらかの条件で配置されることを特徴とする実施態様11記載の光デバイス。
実施態様13.光線を変換する前記第3層手段が、(a)前記表示層と前記基底層との間と、(b)前記表示層が前記第2表面より前記第1表面に近く配置されている状態で前記第1表面より前記第2表面に近くとの少なくともどちらかに配置されることを特徴とする実施態様11記載の光デバイス。
実施態様14.変換用の前記第3層手段が、前記表示層に対して好ましい偏光状態を提供する整合層を備えることを特徴とする実施態様11記載の光デバイス。
実施態様15.前記光線リダイレクト手段が、(a)光線を反射することが可能な反射層と、(b)自身を通過する光線の角度分布を修正することが可能な透過性層と、(c)可変ファセット角度を有するファセット付き層と、の内の少なくとも1つを備えることを特徴とする実施態様11記載の光デバイス。
実施態様16.前記表示層が、(a)液晶層と、(b)透明な表示部と、(c)媒体中に埋め込まれたホログラム映像と、(d)CCD層との内の少なくとも1つを備えることを特徴とする実施態様11記載の光デバイス。
実施態様17.前記表示層から出力された光線を拡散して前記光線の制御角度範囲を広げ、これによって視野角度の範囲にわたって前記看者に光線を提供する光線拡散手段をさらに含むことを特徴とする実施態様11記載の光デバイス。
実施態様18.前記基底層が、楔形状層と、ディスクと、偏球面と、平行六面体と、円筒との内の少なくとも1つを備えることを特徴とする実施態様13記載の光デバイス。
実施態様19.光源からの光線で動作し、光線を看者に選択的に出力する光デバイスにおいて、第1表面と第2表面を有する基底層であって、前記基底層がさらに前記第1表面及び前記第2表面にわたる背部表面を含む基底層と、前記光デバイスの前記基底層中での光伝搬角度を増分的に変化させる手段であって、光線の入射点において前記第1と前記第2表面の内の少なくとも一方に対する垂線に対して臨界角度θC未満の入射角を成し、これによって前記光線が前記基底層からでる手段と、前記基底層から前記光線を受け取り、好ましくは第2偏光状態に対する第1偏光状態の光線を出力する層手段であって、好ましくは前記第1偏光状態の光線を通過させて前記第2偏光状態の光線の少なくとも1部を反射する手段を含み、さらに前記第2偏光状態の光線を前記第1偏光状態の光線に変化させる変換手段を含む層手段と、前記第1偏光状態の光線を受け取るように配置された液晶表示層と、を備えた光デバイス。
実施態様20.光線角度を増分的に変化させる前記手段が前記基底層内での可変の屈折率を有することを特徴とする実施態様19記載の光デバイス。
Claims (10)
- 光源からの光線によって動作し看者に対して選択的に光線を出力する光デバイスであって、
少なくとも第1表面と第2表面を有する基底層であって、該基底層がさらに前記第1表面と前記第2表面にわたる背部表面を含み、内部で反射している光線の、前記第1表面と前記第2表面の内の少なくとも一方に対する入射点における垂線に対する角度が減少し、前記表面上での入射点での垂線に対する角度が臨界角度θC未満である場合に前記光線が前記基底層から出ていく基底層と、
前記基底層に対して前記第1表面と前記第2表面の内の少なくとも一方を越えて配置された第1層手段であって、前記基底層中の前記光線が前記基底層と前記第1層間の境界に特有の前記臨界角度θC未満の入射角を成す場合に、前記光線が前記基底層から出力された後に第1層手段に入射し、その中を通過することができる第1層手段と、
第2偏光状態に対する第1偏光状態を持つ光線を好ましくは出力する第2層手段であって、前記基底層の前記背部表面と光源キャビティとの間に配置されており、さらに前記第2偏光状態を有する光線の少なくとも1部分の反射を可能とする第2層手段と、
前記第1層手段から出力されるリダイレクト光線と拡散光線の内の少なくとも一方に対し光線制御を行い、これによって角度分布が制御された光線を提供する光線制御層手段と、
前記看者に示すために前記第1偏光状態の光線から画像を形成する結像層手段と、
を備えた光デバイス。 - リダイレクト光線のための前記光線制御手段が、前記光デバイスから出力される光線の角度分布を制御するためのファセット付き層を備えることを特徴とする請求項1記載の光デバイス。
- 拡散光線のための前記光線制御層手段が、(a)前記基底層と前記結像層間と(b)前記看者と前記結像層間との少なくともどちらかに配置されていることを特徴とする請求項1記載の光デバイス。
- 前記第2偏光状態の光線を前記第1偏光状態の光線に変化させる変換手段をさらに備えることを特徴とする請求項1記載の光デバイス。
- 前記変換手段が、(a)前記結像層手段と前記基底層の間と(b)前記第2表面に関して前記第1表面から離れて配置された前記結像層手段と共に前記第1表面に対して前記第2表面からさらに離れて、のどちらかのように配置されていることを特徴とする請求項4記載の光デバイス。
- 前記基底層が、楔形状の層と、ディスクと、偏球面形状と、平行六面体と、円筒形との内の少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項1記載の光デバイス。
- 前記結像層手段が、透明表示部と、ホログラム映像と、液晶層と、CCD層の内の少なくとも1つを備えることを特徴とする請求項1記載の光デバイス。
- 散乱を減少させるために反射防止層をさらに含むことを特徴とする請求項1記載の光デバイス。
- 前記光線制御層手段が、可変ファセット角度を持つファセット付き層を含むことを特徴とする請求項1記載の光デバイス。
- 前記第2層手段が、光学的干渉層と、ブルースタースタックと、干渉コーティング及びブルースタックの合成物と、粗面化された表面と、鏡面反射層と、ダイクロイック層と、複屈折層とから成るグループから選択されることを特徴とする請求項1記載の光デバイス。
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