JP2008529251A - 平板レンズ - Google Patents

Abstract

入出力面（２，３ａ）を有する光導波路は第１の面（２）に関して極対称性であり、第１の面に入射する光線の角度によって第２の面（３ａ）から放射される光線の位置が決定されるか、或いは反対の方向に機能する場合、第２の面に入射する光線の位置によって第２の面から放射される光線の角度が決定される。光導波路はテーパ状の透明なシート（３）を備えており、このシートの厚端には第１の面からの光が入射し、第２の面はテーパ状のシートの１つの面を形成する。入力／出力厚板（４）は、第１の面（２）からテーパ状のシートへの光の拡散用のテーパ状のシート（３）に隣接し、遷移領域（８）は平坦シートとテーパ状のシートとの間に配置される。極対称性であることは、光線が常にテーパ方向に沿って進むことを意味し、これによってバンド化が抑制される。好適には、光導波路は、平坦シート及びテーパ状のシートがお互いの上に折りたたまれることが可能であるように、光を折り曲げるためのプリズム装置（２０）をさらに備える。そうしたプリズムを製造する方法も開示される。

Description

本発明はレンズに関する。より詳細には、本発明はレンズとその焦点との間に通常必要とされる空間を除去することに関する。

レンズは、一般的には、カメラにおけるように平行化された光を一点に合焦させるために用いられるか、或いは自動車のヘッドライトにおけるように、一点から放射される光を平行化するために用いられる。焦点はレンズの幾らか後方に存在するので、光線を焦点からレンズ径にまで広げるには、或いは逆にレンズ径から焦点に集中させるには、空間が必要である。このことが従来の光学系を嵩高いものとしている。

この問題の一例は、リアプロジェクションテレビの設計である。リアプロジェクションテレビは、プラズマディスプレイ又は液晶ディスプレイほど高価ではないものの、嵩高い。特許文献１には、ビデオプロジェクターをくさび形の光導波路の厚端へ向けることによって薄いプロジェクションディスプレイを製造する方法が記載されている。光は、細端に向かって進むにつれて、くさびの両面の間で内面全反射され、次第により急な角度で跳ね返される。一定の点にて、ＴＩＲはもはや起こらずに、光が放出される。光線の入射角と臨界角との間の差が大きいほど、光線が光導波路の面に反射されることの必要な回数は多くなるため、光線が放射される前に薄端に向かって進む距離は大きくなる。したがって、光導波路の面上に拡大版の投影像が現われるように、入射角によって、光線が光導波路の面から放射されるときに入射点からどれくらいの距離にあるかが決定される。

光線の経路は相反性であるため、特許文献２に記載のように、上述のディスプレイは反対に平板カメラとして機能することが可能である。適切な角度で光導波路の面に衝突した光線は内面全反射によって厚端に向かって案内され、その光線が光導波路に入射する位置によって、光線が厚端から放射される角度が決定される。光線は、光導波路に入るときにはほぼ平行であるので、光導波路の厚端へ向けられている従来のカメラは、光導波路の面の前にあるものが何であれ、その平行投影を取り込む。

ｎ回跳ね返った光線によって生成される影像の部分と、ｎ＋１回跳ね返った光線によって生成される影像の部分との間には間隙が存在する場合があるため、テーパ状での光導波路を通過するときに影像がバンド状になることがある。特許文献３には、バンド化を回避するために、単純な直線テーパではなく光導波路を成形する方法が記載されている。この形状を有する光導波路から放射される光線はほぼ平行化されるため、この光導波路を粗い平板レンズとして用いることが可能である。例えば、光導波路の厚端にスポットライトが配置される場合、自動車における平板ヘッドライトとして用いることが可能である。この形状に関する問題は、スキュー光線、即ち、光導波路のテーパ軸と反射面に対する垂直との両方に対し垂直な方向の成分を有する光線を用いると、あまりよく機能しないことであり、スキューの程度が大きい場合、像はバンド化する。入射する光の拡散角度を小さく保持することによって、スキューの程度を許容可能に保持することが可能であるが、しかしながら、これによってディスプレイの重量及び厚さはさらに大きくなる。第２の問題は、放出された光線は、光導波路の断面が一様である軸に平行な軸に沿って発散する成分を有するため、光が真に平行化されないことである。
国際公開第０１／７２０３７号パンフレット 国際公開第０２／４５４１３号パンフレット 国際公開第０３／０１３１５１号パンフレット

したがって、本明細書では、光の入射点又は放出点に関して極対称性（ｐｏｌａｒ−ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ）であるテーパ状の光導波路を備える、平板レンズについて記載する。

好適には、この平板レンズは、テーパ状の出力部、点光源からレンズの幅に光を広げるための平坦な平行面の厚板状の入力部、及び遷移部からなる。これらの部分が全て一体化されてもよい。入力部（カメラ型の装置における出力部）は、平面図に見られる、プロジェクター、光源又はカメラの配置され得る小端部から、テーパ状の導波路の幅（平面図における）と一致する幅広部まで延在する部分の形で存在してよい。不連続を回避するため、両者の間には遷移領域が存在する。好適には、レンズをより小型化するために、入力部が出力部の上に「折りたたまれる」。これは、極対称性を考慮するように長さに沿って厚さの変化する、特別なプリズムによって実施され得る。このレンズは、プロジェクター、ランプ、カメラ又は他の任意の光学機器において用いられ得る。

図１には、一般に１で表す平面レンズを示す。この平面レンズは、扇形の入力領域４と、テーパ状の出力領域３とからなる。反対に使用する場合、例えばカメラでは、これらの２つの部分の役割は逆転するが、簡単のため、「入力」及び「出力」を標識として用いる。光は、入力領域４の先端上の小さな傾斜面である、一般に２で表す点で入力される（又は、方向によっては出力される）。この領域は平行面の厚板であり、平面図では二等辺三角形又は扇形の形状を有する。出力面３ａを有する出力領域３は、この入力領域と隣接しており、最初は同じ厚さを有するが、断面図に示すように、入力点２からの半径距離ｒにしたがって漸減する。このテーパは、特許文献１に記載のように一様であってもよい。或いは、好適には、特許文献３に記載のように、総跳ね返り数を一定に保持するようなプロファイルであってもよい。入出力領域４，３は、ガラス又はアクリルなど、同じ材料からなる１つの部品から形成されてもよく、適切に連結された別々の部品であってもよい。

実際には、出力導波路３は、その中を伝播する光線の跳ね返り角度を次第に増大する効果を有するのであれば、幾何学的にテーパ状である必要はない。これは、例えば、屈折率の変化により「光学的なテーパ」を得るＧＲＩＮ手法によって、達成することができる。

影像が乱れることを回避するために、平坦又は一様な入力領域４からテーパ状の出力領域３へと緩やかな遷移が存在する。この遷移領域を一般に８で示す。
光線は点光源から放射状に自然に広がるので、図１に弧５によって示すように、テーパ状の光導波路を光の入射点に関して極対称性とすることによって、光線がテーパの軸に対して傾いた角度に進むことはない。点線は、等しい厚さの線、即ち、等高線を表すために用いられる。少なくとも矩形の影像が所望される場合には、極対称性によって幾らかの歪みが生じるが、しかしながら、その歪みは投影される映像を光学的又はデジタル的に予め歪めることによって相殺することが可能である。

入射点２にてレンズ１の面に対して様々な入射角で入射された光線は、内面全反射（ＴＩＲ）によって拡散部分、即ち、入力部分４に沿って進み、漸減を開始するレンズ若しくは導波路の上面又は下面である遷移領域８に到達する。遷移領域８は導波路の全長のうちの５〜１０％の領域であることが可能である。テーパ状の部分３を進むにしたがって、各光線が跳ね返る面は以前よりもわずかに急な角度になる。最終的に、角度が急になり過ぎてＴＩＲは起こらなくなり、光線は、最初の入射角に完全に依存する一定の距離を面上で進んだ後、放射される。最初に急な角度で入射された光ほど入力部分４の近くで放射され、より緩い浅い角度で入射された光ほど、遠端部、即ち、テーパの薄端の近くで放射され
る。反対に機能する場合、テーパの薄端で入射される光は、最も緩い角度で起点２から放射されると言える。

光線は、極対称性のくさびから放出されるとき、垂直に放射されるのではなく、くさびの面からわずかにのみ上方へ分岐するか、或いはくさびに入射した点から前方へ放射され続ける。図２に示すように、プリズムフィルム１０は、光線をスクリーンに対して垂直となるように屈折させるために用いられる。また、光が適切に平行化される場合、図２に示すように、極対称性のくさびでは、プリズムの軸は光の入射点を中心とする曲線に従う。プリズムフィルムの一代替は、同じ角度によって光を屈折させるように構成されたホログラフィーフィルムである。このシステムも、カメラにおける使用では反対に機能する。

また、図２には、起点、即ち、第１の面２に関連した光学デバイスを、ごく概略的に１５に示す。このデバイスは、点光源（例えば、ＬＥＤ又はレーザ装置）、ビデオプロジェクター又は他の影像プロジェクター、或いはカメラ用途では、第１の面２から光を受け取る小型カメラ装置として機能する、単純な光源であり得る。

実用に際しては、空間的な理由から装置を折りたたむことが望まれるため、特許文献１に記載のように、入力領域４は出力領域３の背後にある。これは２枚の厚板を分離するとともに、三角形の棒状プリズムを用いて、光を２つの９０°角を回って「屈折させる」ことによって行われる。しかしながら、くさびは極対称性であるため、一方のくさび形導波路と、光線がくさびの幅に広がる平坦な圧板との間には曲がった境界が存在する。特許文献１に記載のプリズムは平行な側面を有する厚板のみを折りたたむことが可能であるため、曲がった境界の下部はくさびの下部に隣接している必要があり、表示される影像の下には曲がった境界の上部までの空間による余白が生成されるが、これは望ましくない。

図３，４，５には、くさび形の光導波路を折りたたむプリズム２０ａ，２０ｂを設計する方法を示す。１枚の紙の上に、前部が欠け後部が切り取られたくさび形状を描き、その形状を切り取ると、図３に示すようにその形状を折りたたむことが可能である。切り取られた領域は、欠けた領域によって表されるくさびの両半分部分の間で光を折り曲げる、２つのプリズムの断面を形成する。２つの折りたたみプリズム間の境界は、くさびの両半分部分の間の境界の延長である。

図４には、図３の設計手法をより精密に規定する。両折りたたみプリズム２０ａ，２０ｂは直角プリズムであり、くさびが角度αで漸減する場合、プリズムの残りの角度は（９０°＋α）／２及び（９０°−α）／２となり、プリズムの側面の長さは間隙又は重なりがないように設計される。

図５には、プリズムの斜辺が反射するように作成されており、プリズムの屈折率が充分に高く、かつ、プリズム間及び（随意では）プリズム／くさび界面に低屈折率の層が存在する場合、折りたたまれたプリズムの曲部を折りたたまれていないくさびと同じように光線が進む様子を示す。詳細な屈折率の要件は、特許文献１に記載の折りたたみプリズムと同じである。

折り目は、図１に示す断面の軸に対し垂直な線６に沿ったテーパ状の部分の下部に挿入される。図１の等高線５は、折り目の線６に沿ってテーパ状部分３の厚さが変化することを示す。これにしたがって、プリズムの厚さも変化する。

折りたたまれていない線形のくさびの厚さｔは、ｔ＝ｔ_０−αｒにしたがって変化する。ここで、ｔ_０は始部の厚さであり、αはラジアン単位でのくさびのテーパの角度であり、ｒは光の入射点からの距離である。この式は、形状を有するテーパの場合にも、妥当な
近似として用いられる。くさび板が光の入射点から距離ｒ_０に対し垂直な直線に沿って切断され、ｚが厚さ最大の点からその直線に沿っての距離である場合、次式が成り立つ。

したがって、次式が成り立つ。

ここで、ｔは切断されたくさびの露出した端部に沿った厚さである。図４の上側の折りたたみプリズムは、露出したくさびの端部に適合するように配置されるので、折りたたみプリズムの断面は常に図４に一致する三角形であるが、プリズム断面の寸法又は厚さは、その中心ｚからの距離とともに変化する。下側の折りたたみプリズム２０ｂは、光の入射点からさらにわずかに離れているくさび板の部分を置き換えるのに適切である、より大きなｒ_０の値を用いて、同じように設計される。

そうしたプリズムは一様な直角三角形の断面を備えたプリズムを研磨し、次いで、直角の外縁部が図６に示すチャック３０の溝に適合するように、吸引又は熱で弛ませること（ｔｈｅｒｍａｌ ｓａｇｇｉｎｇ）によりプリズムを屈折させることによって製造される。平坦部は露出した側で研磨されるので、溝が高さ方向に適切な変位を有する場合、解放されたプリズムは厚さ方向に必要な変位を有する。

極対称性のプロファイルによって、くさび板の厚端にて点光源から入射された光はプリズムのフィルムから単一の平行化された方向に放射される。さらに、この単一の方向からくさび板に入射する光線は、一点に集中される。したがって、極対称性のプロファイルを有するくさびは、レンズの機能のうちの多くを実行することが可能であり、平板内で平行化又は合焦が得られるという利点を有する。

こうして、入出力面２，３ａを有する光導波路が脱着される。この光導波路は第１の面２に関して極対称性であり、第１の面に入射する光線の角度によって第２の面３ａから放射される光線の位置が決定されるか、或いは反対の方向に機能する場合、第２の面に入射する光線の位置によって第２の面から放射される光線の角度が決定される。光導波路はテーパ状の透明なシート３を備えており、このシートの厚端には第１の面からの光が入射し、第２の面はテーパ状のシートの１つの面を形成する。入力／出力厚板４は、第１の面２からテーパ状のシートへの光の拡散用のテーパ状のシート３に隣接し、遷移領域８は平坦シートとテーパ状のシートとの間に配置される。極対称性であることは、光線が常にテーパ方向に沿って進むことを意味し、これによってバンド化が抑制される。好適には、光導波路は、平坦シート及びテーパ状のシートがお互いの上に折りたたまれることが可能であ
るように、光を折り曲げるためのプリズム装置２０をさらに備える。

点線によって一定の厚さの等高線を示す、展開状態におけるテーパ状の光導波路の平面及び側面図。 極対称性のプリズムシートを有する、展開状態におけるテーパ状の光導波路の平面及び側面図。 くさびの断面を有する１枚の紙を折りたたむ方法を示す図。 テーパ状の光導波路を折りたたむように１対のプリズムにおける角度を設計する方法を示す図。 折りたたまれたテーパ状の光導波路の周囲の光線の経路を示す図。 極対称性のテーパ状の光導波路を折りたたむために必要な可変厚折りたたみプリズムを研磨するために用いることの可能なチャックを示す図。

Claims (15)

1. 入力部及び出力部として機能する第１及び第２の面（２，３ａ）を備える平坦な光導波路（１）であって、第１の面（２）は光導波路の幅に対して小さいことと、第１の面に入射する光線の角度によって第２の面（３ａ）から放射される光線の位置が決定されるか、或いは第２の面に入射する光線の位置によって第２の面から放射される光線の角度が決定されるような光学特性を有することと、光導波路の光学プロファイルは第１の面（２）に関して極対称性であることと、からなる光導波路。
2. 第２の面は光学的にテーパ状の透明シート（３）によって形成されていることと、第１の面（２）はこのシートの厚端と光学的に連絡していることと、を含む請求項１に記載の光導波路。
3. 第１の面（２）からテーパ状のシートへの光の拡散のためにテーパ状のシート（３）に隣接する入力／出力厚板（４）を含む請求項２に記載の光導波路。
4. 平坦シートとテーパ状のシートとの間の遷移領域（８）を含む請求項３に記載の光導波路。
5. 平坦シート及びテーパ状のシートが互いの上に折りたたまれるように光を折り曲げるためのプリズムデバイス（２０）を含む請求項３又は４に記載の光導波路。
6. 垂直な方向へテーパ状のシートから光を放出する又はテーパ状のシートへ光を入射するための光方向転換シート（１０）を含む請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光導波路。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光導波路と、光導波路の第１の面（２）に光を入射するように構成された点光源（１５）と、からなる面光源。
8. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光導波路と、第２の面（３ａ）を通じて影像を見ることが可能であるように光導波路の第１の面（２）に影像を入射するように構成されたプロジェクター（１５）と、からなるディスプレイ。
9. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光導波路と、第２の面（３ａ）にて受け取られる平行な影像に対応する影像を生成するように光導波路の第１の面（２）から光を受け取るように構成された小型カメラ（１５）と、からなるカメラ装置。
10. 角度βによってテーパ状の光導波路を折りたたむためのプリズムであって、角度１８０°−β、（β−α）／２及び（β＋α）２を有する三角形と等しい断面を有することと、αは光導波路のテーパの角度であることと、プリズムに入射する光から光が光導波路に戻ることを防止するのに充分高い屈折率であることと、を含むプリズム。
11. βは９０°である請求項１０に記載のプリズム。
12. プリズムの断面の寸法はその中心のいずれかの側で減少している請求項１０又は１１に記載のプリズム。
13. 前記寸法は次式にしたがって変化する請求項１２に記載のプリズム。
    

    

    ［ここで、ｚは中心（２）からの断面の距離であり、他の文字は定数である。］
14. プリズム製造用の型（３０）であって、断面は全ての点において一致するが、断面の寸法はプリズムの長さに沿って変化する型。
15. 請求項１４に記載の型を用いてプリズムを製造する方法であって、プリズムは型へ押し込まれ、型の基部の上で平坦部が研磨される方法。

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