JP2012505498A - フラットパネルディスプレイのためのキャビティ反射器光注入 - Google Patents

Abstract

本発明は、反射端面を有する透明なスラブ導波路と、反射端面に隣接する対向する側端面の対と、反射端面と反対側の光伝達端面と、スラブ導波路の内部に形成される複数のキャビティとを含み、側端面の少なくとも１つは、受取った光が透明なスラブ導波路の上面および底面によって内部全反射されるように光を１つ以上の光源から受取るために構成される光混合導波路を記載する。光が光伝達端面を通って対象の光学システムに入る前に、受取った光と、キャビティと、反射端面との相互作用により受取った光が混合される。

Description

関連出願への相互参照
本願は、２００８年１０月６日に出願された「フラットパネルディスプレイのためのキャビティ反射器光注入（Cavity Reflector Light Injection for Flat Panel Displays）」という名称を有する米国仮特許出願第６１／１０３，１９３号に対して優先権を主張し、当該仮特許出願は本願明細書において参照により援用される。

技術分野
本願は、フラットパネルディスプレイの分野に関し、より詳細には、表示面上で画像変調を行う画素シャッター機構に光を供給するよう端面入射型透明スラブ導波路を用いる透過型フラットパネルディスプレイの視覚性能を向上させる光混合手段を設けることに関する。本開示の利用可能性の範囲は、フラットパネルディスプレイまたは導波路バックライトといった直接的な表示システムに限定されず、投射ベースの表示技術にも展開され得る。

背景情報
この数十年にわたってさまざまなフラットパネルディスプレイシステムが開発されてきた。それらの中には、Ｓｅｌｂｒｅｄｅに付与された米国特許番号第５，３１９，４９１号（その内容は本願明細書において全文援用される）において開示される時分割多重化光学シャッターおよびその変形例がある。当該変形例は、米国特許番号第５，３１９，４９１号の後出願され、共通に所有される米国特許番号第７，０４２，６１８号、第７，０５７，７９０号、第７，２１８，４３７号、第７，４８６，８５４号、および米国特許公開番号第２００８／００７５４１４号におけるものである。このような装置は、注入された光の全内部反射（total internal reflection；ＴＩＲ）が導波路内に得られるように光（通常は単色光）が透明な長方形状のスラブ導波路の中に端面注入されるということを根本的な前提としている。導波路内を進む光線が最大限通過するのを保証するよう当該光は１つ以上の側面の上で反射され得る。スラブ導波路に亘って分散配置される複数の画素のうちの任意の画素に対する動作の原理は、導波路内に拘束される光の全内部反射を局所的、選択的、かつ制御可能なように減衰させて光を当該画素位置に発することを伴う。１つの画素構造では、導波路内に拘束されるＴＩＲ光の減衰は、光学的に好適な材料を微小なギャップに亘って推進させる（すなわち動かす）ことによって達成される。この推進は、活性位置において当該材料がスラブ導波路の表面と接触またはほぼ接触する一方、非活性位置においては、ギャップに亘る光および／またはエバネッセント結合が無視可能なように当該材料が導波路の表面から十分に変位するように行われる。推進される（すなわち動かされる）この光学的に好適な材料（本願明細書では「活性層」と呼ぶ）は、接触／ほぼ接触がなされる間の光の結合を最適化するよう選択される屈折率を有するポリマー材料（たとえば、エラストマー）の弾性的に変形可能な薄シート（薄層または薄膜）であり得る。不活性位置と活性位置との間での活性層の切替は非常に高速で行われ得る。これは、動画フレーム速度にて複数の原色光（たとえば、連続する原色光である赤−緑−青）に対して適切な階調レベルの生成を可能にして過度の動的および色割れアーティファクトを避けるとともに、スムーズな動画生成を維持するためである。したがって、フラットパネルディスプレイは複数の画素から構成され、各画素は、スラブ導波路と接触またはほぼ接触するように微小なギャップに亘って、好適な屈折率を有する活性層を局所的に推進することに関して個々にかつ選択的に制御され得るディスプレイの離散的なサブセクションである。この推進は、ポリマー材料の薄シートを電気機械的および／または動重力的に変形させることにより達成され得る。当該シートは、画素が静止非動作状態にある際にスラブ導波路に対して好適に間隔を空けてシートを維持する隔離部によって個々の画素形状の周辺部につながれる。スラブ導波路上または内に配置される第１の導体および活性層上または内に配置される第２の導体の両端に適切な電位を加えると、スラブ導波路の表面に向かう活性層の高速運動が引き起こされる。活性層が（それ自体または導波路との物理的接触によって）スラブ導波路に近づくことができなくなると、作動が完了したと考えられる。随意であるが、光抽出を促進するために（錐台またはピラミッド形の断面などといったさまざまな可能な形状の）微小光学構造の配列が、画素の作動によってこれらの微小光学構造が導波路と接触またはほぼ接触することが保証されるように活性層において導波路に面する側上に配置される。これにより、抽出光の視聴者への再方向付けが最適化されるような態様でＴＩＲ光を減衰する。微小光学構造のさらに詳細な説明は、「光抽出および制御のための光学微小構造（Optical Microstructures for Light Extraction and Control）」という名称を有する、本願明細書において全文参照により援用される米国特許番号第７，４８６，８５４に開示されている。

他のあるディスプレイシステムは同様の（全く同じではない）動作原理を用いている。通常、各画素にて不透明なＭＥＭＳベースのシャッター要素を導波路の主面（たとえば、上面）と平行に横方向に運動させることにより、画素が文字通り光を遮断するバックライトシステムを用いるものがある。この導波路は、Ｓｅｌｂｒｅｄｅに付与された’４９１特許における内部を進む光のＴＩＲ拘束条件が与えられる真のバックライトではないＴＩＲベースの導波路とは反対に、適切な真のバックライトシステムとして構成される。バックライトシステムの場合、スラブ導波路内の光は、導波路の内部に永続的に拘束されないようにＴＩＲ準拠状態に維持されるべきではない。したがって、導波路の底面は、散乱面にされ得るか、導波路の上面に対して平行に間隔を空けた関係からはずれ得るか、またはその両方となり得、これにより光が連続的にスラブ導波路の上面から離れて、スラブ導波路の上面にまたは上面の上に配列される画素シャッター機構を照射することを保証する。横型ＭＥＭＳシャッターベースのシステムのためにスラブ導波路を用いることの利点は、シャッター機構における導波路に面する部分を名目上反射するように構成することによって未使用の光を再利用する機能による。開いたシャッターを通らない光は、導波路に再び戻り得、システム内の他の所で用いられ得る。

Ｓｅｌｂｒｅｄｅに付与された’４９１特許に基づく装置では、光源がスラブ導波路の一端面上に配列されるとともに、上記端面とは反対の端部にミラーが（端部に配置される金属反射器を用いるか、またはさらにより良好な反射率を得るための完全な誘電体ミラーを組付けることによって）設けられる。当該装置の場合、スラブ導波路の厚さが十分に厚いときにのみディスプレイの発光均一性が保証されると判断される。スラブ導波路に用いられ得る最小スラブ導波路厚さｔは、導波路の長さｌと、導波路の臨界角θ_c（それ自体が導波路の屈折率の関数である）と、表示面上の画素の、εで示される個々の光学効率との関数である。光源での起点から導波路内での９９％の減少までの所与の光子集合の平均自由行程はギリシャ文字λで示されるが、この文脈においては当該光の光学波長と混同されることはない。有効な個々の画素効率εを低下させるとともに、得られた９９％の減少前の光子集合の平均自由行程λを用いることにより、λ＝３ｌ以上の場合、均一性は容易に最適化されると実証された。これによりスラブ厚みの下限を以下の式により設定する。

この制約をスラブ導波路の厚さに適用することにより、このような導波路に基づくディスプレイが６０％を超える光学効率（光束入力と光束出力との比）を達成する一方、同時に全表示面に亘って１ｄＢよりずっと小さい明るさの変動（典型的に０．２ｄＢを下回る変動）を保証することを可能にする。

多くの適用例の場合、この制限は最小限の影響しか与えない。しかしながら、年々ディスプレイサブシステムが薄くなる産業傾向にある適用例については、これは退歩となる。携帯電話の場合、顕著な発光均一性を保証するためには、当該厚さの制限により導波路は２ｍｍ以上の太さにする必要があり得る。その一方、携帯電話のディスプレイ構成要素の傾向では、ディスプレイの総厚みを１ｍｍを下回るようにするようになっている。実際、導波路の厚さは、ＬＣＤマザーガラスおよびＴＦＴアクティブマトリクスガラスの標準厚さである０．７ｍｍが望ましい。しかしながら、このように薄い導波路は、上述した厚さｔの制限に反しており、表示面に亘って明るさの不均一性が弱まるという深刻な危険性がある。符号ｔは以下、最小の発光均一性しきい値に対応する最小のスラブ導波路の厚さを示す。

明るさの非均一性を解消するよう、最近の同時係属出願では、導波路の端面に照射手段を方向付けおよび構成する（たとえば、導波路の端面に沿って光源の分散配置を変動させる）さまざまなアポダイゼイション（補償）手段が開示されている。しかしながら、ディスプレイシステムの光抽出面（たとえば、スラブ導波路の上面）上に配置される画素および／または微小光学構造の周期性と、照射手段（たとえば、複数の離散的なＬＥＤ）の点光源の性質とにより、他の光学的に望ましくない効果が引き起こされる。当該光学的に望ましくない効果には、モアレパターン、バンディング、ヘッドライティング（ディスプレイシステムを照らす個々の光源を分解する能力）、および導波路に光を供給するよう離散的な光源（たとえばＬＥＤ）を用いることによって作り出される他の光アーティファクトがある。これらの光アーティファクトは、これらの光アーティファクトがなければ妥当なマクロレベルの均一性を示し得たディスプレイに障害を作り出すほど十分に重大となり得る。本願の目的は、個々の光源からの元々の光の周期的な強度がそれ以上個々に分解され得ないように導波路に入る光を十分に（たとえば、均一に）拡散することによって、照射源にてこれらのアーティファクトに対処することである。

概要
上述した問題は、本願明細書に記載される技術のいくつかの実施例において少なくとも部分的に解決され得る。以下、開示される主題のいくつかの局面の基本的な理解を提供するよう、開示される主題の簡略化した概要を提示する。この概要は、開示される主題の網羅的な概要ではない。開示される主題の主要または重要な要素を特定すること、または開示される主題の範囲を詳述することを意図していない。その目的は単に、以下で論じられるより詳細な説明の前置きとして単純な形態でいくつかの概念を提示することである。

本開示の実施例は、個々の（離散的な）光源から光混合ガイド（light mixing guide（ＬＭＧ））に挿入される光が個々にそれ以上分解され得ないように（本願明細書では「混合光」と称する）、混合光が目標表示システムの一次導波路（primary waveguide（ＰＷ））に注入される前に当該挿入される光を十分に拡散（すなわち混合）し得るＬＭＧを提供する。本発明のさまざまな実施例が、対象のディスプレイのＰＷにその後注入され得る光の強度の出力プロファイル（たとえば線形、非線形など）を対象のディスプレイの特定の明るさの要件に従ってカスタマイズする手段を提供する。本開示のＬＭＧは、反射端面を有する透明なスラブ導波路と、反射端面に隣接する対向する側端面の対と、反射端面の反対側の光伝達端面と、スラブ導波路内に形成される複数の中空キャビティと含み、側端面の少なくとも１つは、受取った光が透明なスラブ導波路の上面および底面から内部全反射されるように光を１つ以上光源から受取るよう構成される。受取った光と、中空キャビティの１つ以上および反射端面との相互作用により、受取った光が光伝達端面を通って対象の光学システムに入る前に、受取った光が混合される。

上記の記載では、以下の詳細な説明がよりよく理解され得るように１つ以上の実施例の特徴および技術的利点をかなり広く概説した。付加的な特徴および利点を以下で説明する。

以下の詳細な説明を添付の図面と併せて考慮すると、特許請求される主題がよりよく理解され得る。

本開示の実施例に従った、全内部反射一次導波路に隣接する光混合導波路を示す概略上面図であって、複数のキャビティが隣接するキャビティ同士の間で実質的に一定のキャビティ間隔距離を有する図である。 本開示の実施例に従った、全内部反射一次導波路に隣接する光混合導波路を示す概略斜視図であって、複数のキャビティが隣接するキャビティ同士の間で実質的に一定のキャビティ間隔距離を有する図である。 光源の１つの近傍の光混合導波路の部分の概略平面図であって、光が中空キャビティ構造およびＬＭＷの反射端面と相互作用する際の光線分離（屈折反射）と、分離した光線が通り得る路とを示すことによって光混合を例示する図である。 光混合導波路内の個々のキャビティの概略平面図であって、キャビティとの全内部反射光線の相互作用と、同じキャビティとの屈折反射光線分離相互作用との両方を例示して、受取った光を混合するよう両方の種類の相互作用が光混合導波路の内部で連続的に発生することを示す図である。 光混合導波路の斜視図であって、ある形状を有する複数の中空キャビティを示し、さらに当該キャビティが貫通穴キャビティであり得、各キャビティがＬＭＷの上面からＬＭＷの底面まで延びることを示す図である。 光混合導波路の斜視図であって、ある形状を有する複数の中空キャビティを示し、さらに当該キャビティが貫通穴キャビティであり得、各キャビティがＬＭＷの上面からＬＭＷの底面まで延びることを示す図である。 光混合導波路の斜視図であって、ある形状を有する複数の中空キャビティを示し、さらにＬＭＷ内に当該キャビティが埋込まれ得ることを示す図である。 本開示の別の実施例に従った、全内部反射一次導波路に隣接した、角度付けされた側端面を有する光混合導波路を示す概略上面図である。 本開示の別の実施例に従った、２つの側端面に隣接して配置される反射器を有する光混合導波路を示す概略上面図である。 本開示の別の実施例に従った、ＬＭＷ内に埋込まれる光源を有する光混合導波路を示す概略上面図である。 本開示の別の実施例に従った、隣接するキャビティ同士の間の多様なキャビティ間隔距離を有する光混合導波路を示す概略上面図である。 本開示の別の実施例に従った、全内部反射一次導波路に隣接する光混合導波路を示す概略上面図であって、ＬＭＷとＰＷとの間の介在領域はＰＷに入る光の強度（光束）を調節するよう１つ以上の屈折率を有し得る図である。 本開示の別の実施例に従った、全内部反射一次導波路に隣接する光混合導波路を示す概略斜視図であって、ＬＭＷとＰＷとの間の介在領域はＰＷに入る光の強度（光束）を調節するよう１つ以上の屈折率を有し得る図である。

詳細な説明
以下の説明では、本願明細書で記載される実施例の完全な理解を提供するよう、多くの特定の詳細が記載される。しかしながら、当業者ならば、記載される技術はこのような特定の詳細がなくても実施されてもよいということを理解するであろう。他の例では、当該技術を本願明細書に不必要に詳細に記載して不明瞭にしないように詳細な物理的特徴は理想化されている。ほとんどの部分について、形状に対する考慮などに関する詳細は省略される。なぜならば、このような詳細は特許請求される主題の完全な理解を得るために必要がなく、かつ当業者の技能の範囲内であるからである。

さらに本開示は、所望の光強度（光束）プロファイルを有する光を端面入射型スラブ導波路に挿入する光混合手段を提供する。これにより、いくつかの異なる種類の表示技術の表示効率における明確な利点を提供するとともに、スラブ導波路に光を供給する離散的な光源と、このようなディスプレイから光を抽出するのにしばしば用いられる光学シャッター（たとえば、画素）または微小光学構造の周期的な配列との相互作用に起因する種類の望ましくない光学アーティファクトを回避する。本開示において、光混合手段および光挿入手段は、ディスプレイの端面入射型スラブ導波路の中に混合光を挿入する前に離散的な光源からの光を混合することにより、離散的な光源（たとえば、原色光源）を覆うように記載される。たとえば、光混合および挿入手段は、導波路内部を進む光の局所的および選択的な減衰全内部反射（Frustration of Total Internal Reflection（ＦＴＩＲ））により画素が光を変調するディスプレイにおいて用いられ得る。ＦＴＩＲベースのディスプレイシステムでは、光混合手段は、バンディング効果、ヘッドライティング、モアレパターンおよび／または他の望ましくない光学効果を引き起こすのに十分な周期性を示す周期的な離散的な光源および他の光学機構（たとえば、光シャッター画素）から発される不均一な強度の光の相互作用によって起こる有害な光学アーティファクトの凝集を防止し得る。

本開示の光混合手段は、元々の光をディスプレイに供給するよう離散的な光源（すなわち点光源）を用いるディスプレイシステムにおいて用いられ得る。光混合手段は、有害な周期性に基づく光学アーティファクトを発現させることなく、これらのディスプレイシステムが（番組内容にかかわらず）表示面に亘って良好な発光均一性で固有の高出力効率を提供するのを可能にし、これにより、このようなディスプレイシステムの競争力をより高め、市場において成功させ得る。たとえば光混合手段は、発光均一性を向上させるとともに光学アーティファクトを最小化することによってディスプレイ構造の光学性能を向上させるよう、端面入射型スラブ導波路を用いるあるディスプレイ構造において用いられ得る。端面入射型スラブ導波路は、いくつか例を挙げるとたとえば、ＦＴＩＲベースのディスプレイと、ＬＣＤパネルのためのＦＴＩＲベースのバックライトと、横型光学シャッターまたは等価の画素シャッター機構を用いて光を変調するディスプレイのための光再利用バックライトサブコンポーネントとして機能するＦＴＩＲベースのバックライトとに全内部反射（ＴＩＲ）光を供給するよう用いられる。さらに、光混合手段は、ＴＩＲベースのディスプレイシステムの用途を超える他の光学用途においても有用であり、一般的な光混合手段としても同様に有益であり得る。

本開示は、離散的な光源（たとえば、発光ダイオード（ＬＥＤ）または同様の近点光源）からの光を混合して他の光学サブシステム（たとえば、液晶ディスプレイのバックライト、または減衰全内部反射の原理を用いて画素をオンおよびオフするＦＴＩＲベースのディスプレイのコアに存在するＴＩＲ導波路）に挿入され得る等方性またはぼぼ等方性の所望の光束（たとえば、等方性の光束）を作り出す光混合導波路を提供する。例示のために、本開示に記載される光混合導波路は、ＦＴＩＲベースのディスプレイの全内部反射（ＴＩＲ）導波路に関連して用いられるよう例示される。しかしながら、本願明細書において記載される本開示の光混合導波路の利用可能性の範囲を限定するよう当該記載をＦＴＩＲベースのディスプレイのこの特定のＴＩＲ導波路に限定することは意図しておらず、光混合導波路はその光混合特性から利益を得る多くの他の光学システムに統合され得るということは理解されるべきである。

本開示において開示される光混合導波路により向上されることになる例示的なＦＴＩＲベースのディスプレイ技術は、本願明細書において参照により全文援用される米国特許番号第５，３１９，４９１号に元々開示されるディスプレイ技術の現行版である。背景のセクションで前述したこの例示的なディスプレイシステムでは、フィールドシーケンシャル色生成およびパルス幅変調階調生成の原理を活用するディスプレイ構造内で画素が減衰全内部反射の原理を用いて光を発する。光は少なくとも１つの光注入端面を通って平らなスラブ導波路の中に端面注入され、導波路内において全内部反射（ＴＩＲ）し、これにより光注入端面とは反対のスラブ導波路の端面上の反射コーティングと、その上面、下面、およびその他の端面上におけるＴＩＲとにより光を導波路内に捕捉する。ＴＩＲ光は、２の平方根（すなわち、約１．４１４２）よりも高い屈折率を有する導波路と、スラブ導波路を取囲むクラッド層（たとえば、空気）とにより導波路内に閉じ込められる。ＴＩＲ導波路は、拡散または「混合光」（たとえば、等方性の光束）がその端面（すなわち光注入端面）の１つ以上にて注入される必要があるガラスまたは好適なポリマーのいずれかから通常形成される透明な直方体である。導波路に亘って画素の配列が分散配置される。当該画素の配列は視聴者に向かって選択的に光を発するよう個々に制御され得る。複数の画素の各々は、相対的に高い屈折率の薄膜層（以下「活性層」という）を推進（すなわち移動）させる、静電制御されたＭＥＭＳ構造である。当該推進は、少なくとも活性層の一部が弾性的に変形するとともに微小ギャップ（たとえば、典型的に空気で満たされた４５０ｎｍから１０００ｎｍの間のギャップ）に亘って移動してＴＩＲ導波路の上面に接触またはほぼ接触するように活性層を制御可能に変形させることによってなされる。その際、光は、直接接触伝播および／またはエバネッセント結合のいずれかによって導波路から活性層へと通過する。随意であるが、活性層は、活性層において導波路に面する表面上に微小光学構造の配列を含んでもよい。これにより、画素の配列のいずれかの画素が活性化状態に動作される際に導波路からのＴＩＲ光の抽出および再方向付けが向上する。

この例示的なＦＴＩＲベースのディスプレイシステムと連動して、光混合導波路（ＬＭＷ）は、「混合光」を当該例示的なディスプレイシステムのスラブ導波路の中に注入するよう用いられる。これにより、光混合導波路（ＬＭＷ）がなければ離散的な光源と画素の規則的な分散配置（すなわち周期性）との相互作用に関連する望ましくない光学アーティファクトを回避し得る。「混合光」とは、離散的な光源から放射される周期的な光の強度をもはや示していない十分に拡散された光を指す。離散的な光源からの光は、本開示のＬＭＷにより混合され、これにより光学ディスプレイの一次導波路（ＰＷ）の中への挿入のために所望の光強度プロファイルが与えられる。ＬＭＷは、周期性に基づく有害な光学アーティファクトを発現させることなく、（番組内容にかかわらず）表示面に亘って良好な発光均一性を提供するために一次導波路の１つ以上の光注入端面にて所望の光強度プロファイルを提供するよう用いられ得る。これにより、このようなディスプレイシステムの競争力をより高め、市場において成功させ得る。光混合導波路の有用性は、特に約２ｍｍ（たとえば、０．５ｍｍ〜１．５ｍｍ）未満のＰＷ厚さを有するディスプレイにおいて発光均一性を向上させるとともに望ましくない光学アーティファクトを最小化するのに有益である。

図１Ａおよび図１Ｂはそれぞれ、本開示の一実施例に従って、対象のディスプレイの一次導波路１３０、たとえば、例示的なＦＴＩＲベースのディスプレイシステムのＴＩＲ導波路に隣接する光混合導波路１００を示す概略上面図および概略斜視図である。当該別個の光混合導波路（ＬＭＷ）１００は、一次導波路（ＰＷ）１３０の光注入端面１３２に隣接して、間にギャップ１０８が形成されるように間隔を空けて配置され得る。上述したように、ＰＷ１３０は、選択された画素機構によって全内部反射（ＴＩＲ）が減衰されるまで、注入された光を閉じ込める平らな導波路として機能するよう設計される透明な直方体であり得る。典型的に、ＰＷ１３０は約０．５ｍｍ〜４ｍｍの範囲の厚さ（ｚ）を有する。

ＬＭＷ１００は、反射端面１０２を有する透明スラブ導波路１０１と、反射端面１０２に隣接する対向する側端面１０３の対と、反射端面１０２とは反対側の光伝達端面１０４と、スラブ導波路１０１内に形成される複数のキャビティ１０５とを含む。導波路１０１は、光学用グレードガラスまたはポリマーを含む狭い長方形状のスラブであってもよい。側端面１０３の少なくとも１つは、受取った光がスラブ導波路１０１の上面１０６および底面１０７から全内部反射されるように１つ以上の光源１２０（すなわち離散的な光源）から光を受取るよう構成される。一般的に、ＬＭＷのすべての表面は、互いに直交または平行であり、（ＴＩＲを損なう光を引き起こす過度の散乱を防止するよう）機械的に平滑である。ＬＭＷはさらに反射器１１２を含んでもよい。反射器１１２は、ＬＭＷから反対側の光伝達端面１０４を通ってＰＷ１３０の光注入端面１３２の中に混合光を方向付けするのを補助するよう反射特性を反射端面１０２に与える。図１Ａおよび図１Ｂは、さらにより詳細に記載することになる基本的な要素を示すとともに、本願明細書で記載されるさまざまな実施例のための参照を提供する。

例示したように、ＬＭＷ１００は、ＰＷ１３０の高さまたは厚さ（ｚ）とほぼ等しい高さまたは厚さ（ｚ’）を有し得る。一般的に、導波路１０１の厚さ（ｚ’）はＰＷ１３０の厚さ（ｚ）以下であってもよい。しかしながら、ＰＷ１３０において光効率および明るさを向上させるために、導波路１０１の厚さ（ｚ’）はＰＷ１３０の厚さ（ｚ）と等しいか、またはほぼ等しいのが好ましい。なお、導波路１０１の厚さ（ｚ’）はＰＷ１３０の厚さ（ｚ）よりも太くてもよいが、太いＬＭＷ１００から薄いＰＷ１３０へ光が伝達する際に、この厚さの差によって何らかの光損失が導入され、ディスプレイシステムの効率が損なわれる場合がある。好適な導波路１０１の厚さ（ｚ’）は、好ましくはＰＷ１３０の厚さ（ｚ）（たとえば、約４ｍｍ未満の厚さ）と同様である。上述したように、ＬＭＷは、約２ｍｍ未満の厚さを有するより薄い一次導波路に関連する光学アーティファクトを最小化するのに特に有用である。したがって、厚さ（ｚ’）の好ましい範囲は、約２ｍｍ未満であり得、より好ましくは約０．２ｍｍ〜１．５ｍｍである。

ＬＭＷは、図１Ａおよび図１Ｂに示されるように、光伝達端面１０４と光注入端面１３２とがギャップ１０８によって分離され、それら端面の厚さ（すなわち高さ）および長さ寸法に沿って整列するようにＰＷに搭載され得る。ＬＭＷ１００の光伝達端面１０４は、その長さ寸法（ｘ’）が光注入端面１３２の全長寸法（ｘ）にわたるようにＰＷ１３０の光注入端面１３２に隣接するように位置決めまたは整列され得、これによりＬＭＷの光伝達端面１０４をＰＷの光注入端面１３２と対にする。一般的に、導波路１０１の長さ（ｘ’）は、ＰＷ１３０の長さ（ｘ）以下であり得る。しかしながら、ＰＷ１３０における光効率および明るさを向上するために、導波路１０１の長さ（ｘ’）はＰＷ１３０の長さ（ｘ）と等しいか、またはほぼ等しいのが好ましい。なお、導波路１０１の長さ（ｘ’）はＰＷ１３０の長さ（ｘ）よりも長くてもよいが、この長さの差が大きくなりすぎると、長いＬＭＷ１００から短いＰＷ１３０へ光が伝達する際に何らかの光損失が起きる場合があり、これによりディスプレイシステムの効率が損なわれ得る。要約すると、光伝達端面１０４の高さ（ｚ’）および長さ（ｘ’）寸法を光注入端面１３２の高さ（ｚ）および長さ（ｘ）寸法に一致および揃えることにより、効率的な光伝達が促進される。これらの基準が与えられた場合、拡散され完全に混合された光をＬＭＷ１００が供給するＰＷ１３０と厚さが一致する（またはＰＷよりも若干薄い）にもかかわらず、導波路１０１を形成するガラスまたはポリマーの物理的なスラブは原理上非常に薄い長方形となり得る。

好ましくは、ＬＭＷ１００の光伝達端面１０４は、光注入端面１３２からギャップ１０８によって分離される。光伝達端面１０４を光注入端面１３２から分離するギャップ１０８の距離は、約１ミクロン〜約１００ミクロンの範囲内であり得る。しかしながら、混合光が光伝達端面１０４から光注入端面１３２に進む際の光漏れ（すなわち光損失）を最小化するために、ギャップ１０８の距離は約１ミクロン〜５０ミクロンであるのが好ましい。理想的には、光損失を最小化するために、ギャップ１０８は約１ミクロン〜１０ミクロンの範囲であってもよいが、実際は、端面１０４、１３２の全長（ｘ’、ｘ）の間のこのギャップの距離を一定にするのは製造上の困難さのため難しい場合がある。ギャップ距離１０８は、光伝達端面１０４から光注入端面１３２までの光のエバネッセントトンネルを避けるよう約１ミクロンよりも大きい。光のエバネッセントトンネルは、望ましくないことに、かなりの量の光が混合機構（すなわち複数のキャビティ１０５）を避けることを可能にし、これによりＰＷ１３０への挿入の前に光が完全には混合されなくなる。なお、動作のために組立てられた際にＬＭＷ１００の光伝達端面１０４はＰＷ１３０の光注入端面１３２と接触（すなわちギャップ距離１０８がほぼ０に等しい）してもよいが、この構成でも同様に、望ましくないことに、かなりの量の光が混合機構（すなわち複数のキャビティ１０５）を避けることを可能にし、これによりＰＷ１３０への挿入の前に光が完全には混合されなくなる。

一般に、光源１２０（たとえば、ＬＥＤ）からの光は、側端面１０３からＬＭＷ１００の中に注入される。光源１２０と側端面１０３との間のギャップ１０９により、ＴＩＲ準拠の光のみがＬＭＷに入ることが保証され得る。光源１２０が搭載される側端面１０３は、２つの長い端面、すなわち反射端面１０２および光伝達端面１０４よりも寸法がはるかに小さくなり得ることが考えられるが、光効率のために、行き過ぎた光損失を避けるよう光源注入表面（すなわち側端面１０３の表面領域）が光源自身の実質的な活性表面と少なくとも同じ大きさであるのが適切であると通常考えられる。なお、光源１２０は概念上の目的のために一体型の光源として示したが、端面１０３に沿ったそれらの正確な位置は設計事項である。１つより多い光源１２０が側端面１０３上に配列され得るが、説明の簡潔さのために、１個の光源１２０が示される。この点において、（たとえば発光ダイオードすなわちＬＥＤであり得る）光源１２０からの光は、ギャップ１０９を通って側端面１０３の中に入り得、その結果、ＬＭＷ１００に挿入された光は、直方体のスラブ導波路１０１の上面１０６および底面１０７に対してＴＩＲ準拠の角度で進むということが理解され得る。

実際の光混合は、ＬＭＷ１００を形成する物理的なスラブ導波路１０１の中に統合された機構として形成される複数のキャビティ１０５によって達成され得る。ＬＭＷ１００の目的は、（光線がＰＷ１３０に入る前にＬＭＷ１００の中を進む角度を制限する）厳密なＴＩＲ方式の光を乱すことなしに、所望の光束のプロファイルをＬＭＷの光伝達端面１０４を介してＰＷ１３０の光注入端面１３２に与えるよう、受取った光を混合することである。この基準を与えると、光源１２０からＬＭＷ１００の中に挿入された光線は、ＴＩＲ準拠から角度を逸脱させる当たりを実質的に避けるはずである。複数のキャビティ１０５は、光混合を達成するコア手段として機能する。一実施例では、当該複数のキャビティ１０５は、導波路１０１に形成される複数の中空キャビティであってもよい。キャビティ１０５は、中空（たとえば、空気充填、真空）であってもよく、または光混合導波路１０１の屈折率よりも低い屈折率を有する何らかの他の材料（たとえば、エアロゲル、シリコーン）を含んでもよい。これらの中空キャビティの１つの重要な局面は、（以下で論じる図３Ａに示される）キャビティ壁３１０が、ＬＭＷの上面１０６および底面１０７に垂直であり、したがって反射端面１０２と、光伝達端面１０４と、光源１２０が搭載され得る２つの側端面１０３とに平行であるということである。さらに、キャビティ壁３１０は、光がＬＭＷ１００を通って伝わるときにキャビティに当たる際の散乱を低減または実質的に防止するよう可能な限り物理的に平滑である。図１Ａおよび図１Ｂに示されるように、本開示の実施例に従うと、このようなキャビティ１０５の直線状の並びは、ＬＭＷ１００の反射端面１０２の近傍に、当該端面１０２と平行に分散配置され得るとともに、隣接するキャビティ同士の間で実質的に一定のキャビティ間の間隔（ｄ）距離を有する。

以下に詳細に記載するさまざまな実施例では、キャビティ１０５同士の間の間隔は、均等（等距離）であるか、または側端面１０３にある光源１２０からの距離の関数として決定されるかのいずれかであり得る。キャビティ１０５は、光混合を最適化するよう選択され得る広い範囲の断面形状であってもよい。さらに、キャビティ１０５は、導波路１０１の上面１０６から底面１０７まで延びる貫通穴キャビティであってもよい。代替的には、キャビティは、導波路１０１内に全体的に埋め込まれてもよい。キャビティの特定のサイズおよび断面形状は、混合処理を最適化するよう設計され得る。さらに、ＬＭＷ１００内のこれらのキャビティ１０５の分散配置は、単純な直線配列から、混合処理を最適化するとともに特定のＰＷ１３０に伝達される必要がある所望の光束のプロファイルを与えるよう設計された綿密な分散配置までの範囲にわたる。

反射器１１２は、図１Ａおよび図１Ｂに示されるように、反射端面１０２の表面に隣接して配置され、ギャップ１１３によって反射端面１０２の表面から分離され得る。反射器１１２はかなりの厚さを有するように図示されるが、これは単に例示的な目的であり、実際には、反射器１１２は、好ましくはギャップ１１３を間に形成する反射端面１０２と間隔をおいて位置決めされるアルミニウムまたは他の金属元素の薄シートであってもよい。端面１０２にてさらにより効率的な反射器を作り出すよう、反射器１１２は、異なる厚さおよび屈折率を有する層の連なりから形成される実質的に完全な（すなわち選択される許容差内の）誘電体ミラーであってもよい。代替的には、反射器１１２は、反射端面１０２の表面上に直接的に配置されてもよい（図示せず）。この実施例では、反射器１１２は、反射端面１０２と接触するアルミニウムの非常に薄い層または他の金属被覆であってもよい。さらに、反射器１１２は、反射端面１０２と密接する誘電体ミラーであってもよい。したがって、両変形例（端面１０２の表面に直接的に配置される反射器１１２、または端面１０２の表面と間隔を空ける反射器１１２）はともにこの開示のさまざまな実施例を構成する。

ＬＭＷ１００および複数のキャビティ１０５の動作原理は、側端面１０３上の離散的な光源（たとえばＬＥＤ）から（大抵、ＴＩＲ準拠を保証するよう小さい空気のギャップ１０９を通って）ＬＭＷ１００の導波路１０１の中へと光が通り得るということである。光線は、キャビティ（たとえば、中空キャビティ）に当たると、導波路１０１の屈折率と、キャビティ表面（すなわちキャビティ壁３１０）に交わる点にて光線が有した入射角とに依って反射または枝分かれ（反射および屈折）する。純粋な反射はＴＩＲがキャビティ境界で保存される角度で起こる。その一方、他の光線は、（すべての光線がＬＭＷ１００の上面１０６および底面１０７（ならびにＰＭ１３０の上面および下面）に対してＴＩＲ準拠になるように意図されるが）横方向ではＴＩＲ準拠ではなくなり得る。本願明細書では、これを方位角的にＴＩＲ準拠と呼ぶ。本開示の一実施例に従えば、光線は、より多くのキャビティに当たってキャビティおよびＬＭＷの反射端面１０２と相互作用すると、光伝達端面１０４を通ってＰＭ１３０の中に入る光線の完全な混合が起こることになる。これによりＬＭＷの光伝達端面１０４に亘って非常に拡散し、かつ均一な光束が作り出される。ＬＭＷの光伝達端面１０４を通ってＰＭの中に入る光は、横方向ではＴＩＲ非準拠（および方位角的にＴＩＲ準拠）であるので、光源の光線と複数のキャビティおよび反射端面１０２との相互作用の結果、非常に混合された状態（すなわち拡散光）になる。

図２Ａは、光注入側端面１０３と間隔を空けた光源１２０の１つを含む、光混合導波路１００の遠位端の拡大図である。多くの異なる角度および位置にて側端面１０３に沿って無数の光線が連続的に注入されるが、光線とこの実施例で示されるキャビティ１０５および反射端面１０２とのさまざまな相互作用がよりよく理解され得るように、これらの光線のうちの１つの光線が取り得る軌道が例示的な目的で示される。光源１２０から発せられる当該光線のうちの１つの光線は光線２０１として示され、導波路１０１の側端面１０３を通り、屈折（すなわち屈曲）して新しい光線路２０２をたどる。屈折の程度は、光混合導波路１０１を構成する透明材料の屈折率によって決まる。光線２０２は次いで、反射端面１０２に当たり、中空キャビティ構造１０５のうちの１つに当たるまで光線２０３として進み続ける。キャビティに当たるところで、単一の光線が、キャビティ１０５の境界（すなわちキャビティ壁３１０）にて有効な光学の法則に基づき、潜在的に一様でない強度の２つの光線２０４、２０６に分離される（すなわち反射屈折光線分離）。元々の光線２０３の一部は、光線２０４としてキャビティ１０５を通り、次いでキャビティの反対の壁に当たり、これにより光線２０５として再び屈折する。光線２０５は最後に、光伝達端面１０４を通り抜ける作用が端面１０５での入射角（すなわち横方向の非ＴＩＲ角度）によって可能になれば、ＰＷ１３０の光注入端面１３２へ入るのに備えて光伝達端面１０４を通り抜ける。それぞれの光線が進む間に各キャビティ壁（すなわち境界）に当たり、その結果光線分離が起こる場合があるが、明確さのためこれらは示さない。光線２０３が部分的に光線２０４および２０５として屈折して導波路１０１から出るだけでなく、光線２０３の残存するエネルギーも反射されて反射端面１０２（または反射器１１２）に向かって戻るよう示される光線２０６を形成し、上記反射端面１０２および／または反射器１１２と再び相互作用して光線２０７を形成する。光線２０７は別のキャビティ１０５ａに当たり、光線２０８としてキャビティ１０５ａによって屈折し、最後に光線２０９となる。光線２０９は、側端面１０３にて全内部反射した後、光伝達端面１０４を通り抜ける光線２１０になる。付加的な反射屈折光線分離、または光線分離の発生は示されていないが、これらは、全内部反射が発生する境界（すなわち、スネルの法則の正弦値が１より大きい値を取り、固有の形状および境界にて示される屈折率の比に基づき関連する境界にて屈折が起こっておらず、反射のみが発生していることを示す境界）を除いて、キャビティ壁によって導入される各境界にて発生するということは知られている。結果、元々の光線２０１は光線２０５および２１０として導波路１０１を出ることになる。図２ａでは省略された、光線分離の発生により作り出された付加的な光線は元々の光線２０１から生成されたさらなる光線の組を提供する。光線と、キャビティ構造１０５ならびに反射端面１０２および／または反射器１１２との相互作用によって横方向に光線を分離するこのプロセスは、非常に良好な光混合を生じさせ、光伝達端面１０５の表面を通る非常に均一な光束を作り出す。

図２Ｂは、例示の容易さのために、単一のキャビティ構造１０５に当たる２つの異なる光線２１１、２１３の拡大平面図である。光線２１１は、キャビティ壁の表面境界にて全内部反射が起こるような角度でキャビティ１０５の壁に入射する。その結果、元々の光線２１１と同じ強度の反射光線２１２が得られる。入射光線２１３は、光線２１１とは異なる入射角でキャビティ１０５の表面壁に当たり、これにより当該光線は上記表面にて、反射屈折の発生により分離する。当該光線の反射部分は、当該表面から離れる新たな光線２１４を形成し、元々の光線２１３の屈折部分は、キャビティ容量の中を進む新しい光線２１５を形成し、キャビティの反対の壁を通ってキャビティの近傍から離れる光線２１６を生じさせる角度で当該キャビティの反対の壁に当たる。これらのキャビティ壁の境界ではさらなる反射屈折の発生があるが、説明を簡潔にするためと、キャビティ構造の境界（すなわちキャビティ壁の表面）にて起こり得る２種類の光線の相互作用の間の基本的な違いを明確にするために例示を省略している。これら２つの光線の相互作用は、異なり得る強度の反射および屈折光線もしくはサブ光線に光線が分離する（それらの強度は、加えられると、この態様で分離された入射波の元々の強度に実質的になる）ことか、または元々の光線のエネルギーが、全内部反射された光線２１２を形成するようキャビティ１０５の壁から反射する入射光線２１１のような新しい反射光線へと向けられるように、入射光線が全内部反射し得るが分離はしないことかのいずれかである。なお、前述のように、反射屈折の発生は、娘光線（daughter ray）として公知のものを生じさせ得、当該娘光線は、その後当たる他のキャビティ１０５の存在と、光混合導波路を構成する材料とにより、キャビティ壁（すなわち境界）に当たると孫娘光線（granddaughter ray）を生成し得る。

反射器１１２が反射面１０２に直接的に適用されず、ギャップ１１３の距離だけ端面１０２の表面に対して間隔を空けている適用例では、反射端面１０２の表面は、光混合導波路１０１の内部から入射する光について全内部反射するか、または端面１０２の表面にて反射屈折の発生により光線分離し得る。これにより、このような光線分離が行われる間に端面１０２にて導波路から出る光は、ギャップ１１３を横切るように進み得、その後、反射器１１２に当たり、導波路１０１へ再び入るよう端面１０２に向かって進路を変えられる。反射器１１２が端面１０２の表面から取外されて端面１０２と間隔を空けるように配される場合には、多重光線分離が端面１０２にて可能である。しかしながら、導波路１０１から端面１０２を通ってギャップ１１３へと出る光（たとえば、横方向において非ＴＩＲ準拠の光）は、反射器１１２に当たり、導波路１０１に戻る。空気、真空、または導波路１０１よりも屈折率が低い他の何らかの物質（たとえば、エアロゲル、シリコーン）で充填され得るこの随意のギャップ１１３の存在により、金属ろう付けされた反射器上に入射された光線をしばしば減衰させる光束損失（たとえば、光吸収）が低減され得る。さらに、上記ギャップ１１３を導入することによって端面１０２の光学的挙動に導入される角度の選択性によって、さらに光混合が向上し得る。したがって、両変形例（端面１０２に直接的に配置される反射器１１２、または端面１０２と間隔を空ける反射器１１２）はこの開示で包含される主題をともに含むが、反射器１１２が反射端面１０２の表面に接触して配置される場合のすべての光（ＴＩＲおよび非ＴＩＲ光）と比較して、非ＴＩＲ光のみが金属反射器１１２に衝突するように反射器１１２を反射端面１０２と間隔を空けて任意に位置決めすることによって、金属層（たとえば、金属反射器１１２）に衝突する光の相互作用による如何なる光損失も最小化するのが好ましい場合がある。

図３Ａは、導波路１０１に形成され得る貫通穴状の複数のキャビティ１０５をより詳細に示す図である。さらに、キャビティ１０５は、導波路１０１の上面１０６から底面１０７に延びる貫通穴キャビティであってもよい。キャビティ１０５の内側表面は、キャビティ内側表面とキャビティ対称軸とに垂直な導波路１０１の上面または底面１０６、１０７からの過度の散乱を引き起さないよう十分に平滑なキャビティ壁３１０である。キャビティ内側表面とキャビティ対称軸とは、反射端面１０２の表面および光挿入端面１０３と実質的に平行である。さらに、キャビティ１０５は円形断面（すなわち導波路１０１を貫通する円筒状の中空キャビティ）に限定されない。これらの理想例は、記載を簡潔にするために用いられたものであり、限定を意図していない。

さらに、キャビティ１０５の断面形状の選択にかかわらず（ここでは説明のため円形で示される）、キャビティの壁３１０は、端面１０３、１０２、および１０４の導波路表面に平行であり、表面１０６、１０７に垂直であるべきである。この場合には、光源１２０から導波路１０１に入る光が表面１０６、１０７に対して非ＴＩＲ角度への実質的な乱されないが、任意の所与のキャビティ１０５に当たるとともに光学的に相互作用した後で表面１０３、１０２、および１０４に対して非ＴＩＲ角度に乱され得る。さらに、これらの光線は、光線がキャビティ壁３１０に当たる際のキャビティ壁３１０上の入射角に基づくとともに、導波路１０１を構成する物質と、キャビティ１０５の内部にありキャビティ１０５を充填する空気、真空、または他の低屈折率材料もしくは材料合成物との間の屈折率の比に基づいて中空キャビティ１０５の境界にて全内部反射する。または、当該光線は反射屈折分離し、この光線の一部がキャビティ１０５を通って進み、光線の別の部分はキャビティの境界にて反射する。いずれの場合でも、光線と複数のキャビティ１０５との連続的な相互作用により、上記で特定したＴＩＲ反射または俗称では光線分離として知られる現象である反射屈折分離のプロセスを通じて光がさらに混合されるとともにより等方性を有するようになる。このような光はさらに反射器１１２および複数のキャビティ１０５と相互作用することになる。そのため、光分布は、光伝達端面１０４を通り光注入端面１３２を介してＰＷ１３０の中に進む十分に混合されるとともに等方性を有する形態に近づく。上述したように、明らかな空気のギャップもしくは他のこのようなギャップによって構成される１０４と１３２との間の好適な境界か、または１０４と１３２とが互いに当接する場合の両者の屈折率の重大な相違によって定まる境界のいずれかが存在する。このような境界は、最良の光混合の挙動を提供し、したがって好ましい実施例を構成する。なぜならば、当該境界は、光をキャビティ１０５に戻し、そのため複数のキャビティ１０５の１つ以上との相互作用により混合された光のみ１０４と１３２との間の境界を最終的に通ることが可能になるからである。しかしながら、１０４と１３２との間に大きな境界の差が存在しないようにすることも可能であるが、このような構成は光源１２０から光混合導波路に注入される光の約半分しか混合しない。なぜならば、挿入された光の約半分は、所望の光混合挙動を生じさせるキャビティ構造１０５との相互作用を完全に回避することになるからである。

図３Ｂは、本願明細書に記載される技術は、ＴＩＲ反射または反射屈折分離を行い、したがってＬＭＷ１０１で処理される光の所望の混合を達成する中空キャビティについて、如何なる特定の断面形状または形に縛られないという事実を示す。この場合、中空キャビティの断面領域は正方形であり、それぞれ正方形の柱状のキャビティ３０２となる。中空キャビティの断面形状についての他の可能な形状には、三角形、長方形、楕円形、六角形、五角形、八角形、または他の断面形状がある。しかしながら、作製および製造要件においては、導波路１０１を通る円筒形状の中空キャビティを提供する円形断面が好まれることが多い。キャビティ１０５は、光混合を最適化するよう選択され得る広い範囲の断面形状およびサイズであり得る。たとえば、キャビティ１０５のサイズは約０．１ｍｍから約５ｍｍの範囲であってもよい。

図３Ｃは、キャビティ３０３が導波路１０１内に完全に埋込まれ得ることを示す図である。導波路１０１に埋込まれるキャビティの他の構成も可能である。これらの代替的な構成は、光混合をさまざまな態様で最適化するよう機能し得るとともに、キャビティの実際寸法も同様に最適化される。

同様に、示される実施例は、同じ材料（たとえば、空気、真空、または比屈折率の材料）で充填される複数のキャビティを含むキャビティ１０５、３０２の各々を有することに限定されない。キャビティごとにキャビティの中身の構成を変化させることによって、光混合導波路１０１内の位置の関数として光学的挙動を変化させることにより混合プロセスの光学的利点が生じ得るということが考えられ得る。さらに、示される実施例は、任意の所与のキャビティを充填する等方性の材料を有することによって限定されない。任意の所与のキャビティは、（材料同士の間の離散的な境界または１つの屈折率から別の屈折率への勾配のいずれかによって）所望のように配された１つより多い屈折率材料を、このようなキャビティ内部の構成の変化がなければキャビティ３０１の等方性の内部から得ることができない最適な光学的な光混合性能が与えられる場合に、内部に有してもよい。

出力要件に依って変動され得る導波路４０１における光の角度分布を変化または最適化するために、光注入に用いられる側端面を角度付けする代替的な実施例も存在する。たとえば、図１Ａにおける長方形状の導波路１０１は、図４に示されるように台形状であるか、または他の多角形構造を形成してもよい（たとえば、正方形、五角形、六角形など）。なぜならば、その場合でも光混合は発生することになるからである。狭い長方形状の導波路１０１は、例示的な目的と、このようなＬＭＷ１００のために利用可能な空間がもっとも少なくなるという理由とにより選択される。図４は、側端面４０３が角度付けされ得る（すなわち台形の角度付けされた辺）ことを示す。さらに、角度付けされた側端面４０３に垂直に光を注入するとともに離散的な光源２０１からの元々の光を１つ以上のキャビティ１０５に向かうように導波路４０１の中に方向付けするよう１つ以上の光源４２０が当該角度付けされた側端面４０３に隣接して角度付けされ得、これによりＬＭＷ４００の混合効率が増加することを示す。しかしながら、角度付けされた光源４２０は、角度付けされた側端面４０３に垂直に光を注入する必要はない。たとえば、図４に示される角度付けされた光源４２０が、図１Ａに示される光源１２０を代用してもよい。これにより、側端面１０３の表面に垂直な法線に対してある角度で光が長方形状の導波路１０１の側端面１０３の中に注入される。離散的な光源１２０からの光がＬＭＷ１００に導入されると、注入された光は効率または光束の分布を向上または変更させるよう角度付けされ得る。

なお、任意の光混合手段の効率も光漏れの関数であり、側端面１０３のようにＬＭＷ１００において漏れが起こり得る位置が存在する。そのため、スラブ導波路１０１の中へ光を注入する任意の光源を遮るような態様でなく、反射手段がこのような表面上に組付けられるか、または光源１２０自体に関連付けられてもよい。これにより、混合光の主な出発経路が、図５に示されるように光伝達端面１０４を通って端面１３２を介してＰＷ１３０を入るように導波路１０１の中に可能な限り多くの光が閉じ込められる。別の局面では、光源５０２は両方の端面１０３上に配置される必要はなく、１つの端面１０３上にのみ加えられてもよい。その反対側の端面は、図５に示されるように、反射要素５０１によって反射を行うようにされる。単一の光源を側端面の１つと対にする場合は、その反対側の側端面も反射面となる。なお、１つの端面のみに入射させる場合、このような光注入状況の元で等方性の光束を保証するようキャビティ同士は、密度、分布、サイズ、および相互間隔が調節され得る。

さらに、図６に示されるように、光源がＬＭＷ６００内に埋込まれることを可能にする代替的な実施例が存在する。光源６２０は、図１Ａおよび図１Ｂについて前述したように空気のギャップにより間隔を空けてＬＭＷの外側に配されるのではなく、図６に示されるように導波路６０１内（たとえば、側端面１０３の近傍またはＬＭＷ内のどこか）に埋込まれてもよい。必要ならば、埋込まれた光源６２０の各々の少なくとも一部を取囲む反射シールドが、このような注入光のＴＩＲ準拠にされるのを保証するように導入されてもよい（図示せず）。

別の局面では、図６はさらに反射器１１２が、表面１０２に対して間隔を空けるのではなく、表面１０２に直接的に適用され得ることを示す。表面１０２と接触する反射器１１２は、良好な反射特性を表面１０２に与え得るが、金属ろう付けされた反射器上に入射する光線によりある量の光減衰（すなわち光損失）が発生する。光損失を最小限化するよう、反射器１１２は、随意のギャップ１１３によって、表面１０２に対して間隔を空けてもよく、これにより、図１Ａおよび図１Ｂについて前述したように、金属ろう付けされた反射器上に入射する光線をしばしば減衰させる光束損失を低減させる。

別の実施例では、ＬＭＷにおいて複数の中空キャビティは、導波路内における発光均一性を向上させるよう機能し得る何らかのレベルのアポダイゼイションを与えるよう構成される。ＬＭＷ１００は光前処理部であり、表示要件が要求するにつれてＰＷ１３０の１つより多い端面には、関連するＬＭＷ１００が搭載され得るということが理解される。アポダイゼイションのためにＬＭＷ１００を構成すると、その結果、ＰＷ１３０に入る光束（すなわち光の強度）はもう空間的に等方性でなくなり得るが、勾配または他の所望のプロファイルを示し得る。勾配は、ＬＭＷ１００からＰＷ１３０の中に注入される光が、配列を通って、活性化された画素に当たる際に減少するので望ましい。アポダイゼイションは、このような減少効果を補償し得る。このようなアポダイゼイションが適用されるのが望ましい場合、ＬＭＷは好適な態様で複数の中空キャビティの形状を構成することによって所望のアポダイゼイションを達成するよう構成され得る。（線形で、指数関数的で、表示面などに与えられる画素効率に調節された）アポダイゼイションの勾配の特定の性質は、任意の所与の表示設定において均一性を最大化するよう調節される。これらは、この実施例について異なる最適化スキームを示し、発光均一性を最適化する任意の所与のディスプレイシステムの性能を調節するよう意図される変形例である。

ここで図７を参照して、光伝達端面１０４を通るようＬＭＷ１０１または７０１によって発せられる光のアポダイゼイションは、上で規定したような形状決めの方法によって、光伝達端面１０４のいくつかの部分において作り出される光束が多くなり、かつ光伝達端面１０４の他の部分では作り出される光束が少なくなるようキャビティの位置およびサイズを好適に選択することによって達成され得る。これは、表示面に亘って光を減少させる傾向にある減衰ＴＩＲに基づくディスプレイシステムにおいて求められ得る特徴である。このような光の減少は、光源のアポダイゼイションによって補償され得る。この場合、アポダイゼイションは離散化された点光源には適用されず、光源（１２０、または７２０、７２１、および／または７２２など、必要に応じて）からＬＭＷの中に注入される元々の光から導波路７０１が作り出す非常に混合された光束に適用される。したがって、アポダイゼイションは、ＰＷ１３０に入る光に対して光束強度の補正を行うよう用いられ得、これにより光源からの距離と、完全な減少の前に注入された光が当たる作動された画素の数との関数として光の減少を示す表示の発光均一性を向上させる。

キャビティ同士の間の間隔（ｄ）は均一（等距離）であるか、または側端面１０３での光源１２０からの距離の関数として変化し得るかのいずれかである。図７は、光源（たとえば、ＬＥＤ）と、導波路７０１の端面１０４に沿ったそれらの分布とに対して、かつ導波路７０１の中に形成されるキャビティ７０５、７０６、７０７、７０８の相互間隔および空間分布に対して異なる可能な構造上の配置を示す。たとえば、図１Ａおよび図１Ｂに示される複数のキャビティ１０５は、導波路１０１の中に形成される複数のキャビティ１０５の相対位置を示す１つの可能な実施例を例示する。キャビティ１０５は、等距離のキャビティ間の間隔（ｄ）で同一直線上に分散配置され、かつ光伝達端面１０４に対してよりも反射端面１０２（およびその関連する反射器１１２）に近くなるよう示される。代替的な実施例では、複数のキャビティの他の配置を用いてもよい。代替的な実施例は、このキャビティの形状配置に限定されず、またこれらの実施例は、光線分離によって目的の量の光混合が生じる限り、如何なる所与の量またはサイズのキャビティ１０５にも限定されない。たとえば、図７に示される光混合導波路７００は、遠位終点端面１０３に対してさらに間隔を空け、ともに導波路７０１の中心に向かって近いキャビティ７０５（たとえば、中空であって空気が充填されたキャビティ）を有する透明な導波路７０１を例示する。キャビティは、同一直線上にあるように示されるが、同一直線上にある必要はなく、良好な光混合を与える任意の方位に分散配置されてもよい。さらに、光を反射器１１２および／または他のキャビティ７０８に向かってより有利に再び方向付けするよう機能し得るあるキャビティ７０７を導波路７０１内の他の位置に位置決めすることも可能である。

キャビティ７０５、７０６、７０７、７０８の内部構成は、キャビティ内の屈折率の異方性が光混合について光学的な利点につながる場合には、等方的かつ均一である必要はない。また、示された実施例は、同じ形、同じサイズ、または同じ内部構成および／もしくは屈折率を有するキャビティの各々を有することに限定されない。さらに、好ましい実施例では、上記キャビティに当たる入射光線がスラブ導波路７０１の内部での全内部反射に準拠している角度から離れるよう乱れないことを保証する目的でキャビティ７０５、７０６、７０７、７０８の壁を導波路７０１の上面１０６に垂直に、したがって１０３および１０４と平行にしているが、このような形状的な制限に限定されず、光線の乱れによってシステムのノイズレベルまたはコントラスト比の劣化について著しく有害な副作用が発生しない場合には代替的な実施例が求められてもよい。

図７は、図１Ａおよび図１Ｂに示される端面１０４に隣接する単一の光源１２０を置換えるよう用いられ得る複数の光源７２０、７２１、および７２２を示す。いくつかの状況では、光源７２０が１つの原色に対応し、７２１が別の原色に対応し、７２２が別の原色に対応することも可能である。または、端面１０３を充填するよう、より小さいＬＥＤの使用を規定する形状、光学、機械、および／または熱の考慮により、当該光源はすべて端面１０３内で始まりかつ端面１０３に沿って配列される複数の光源システムであり得る。当該技術において、オーバーシュートおよび他の損失効果を回避するよう、ＬＥＤの挿入面を、光が挿入されることになる導波路の端面に嵌込むようにすることは一般的である。本願明細書で記載される技術は、１つまたは３つのＬＥＤに限定されず、側端面１０３に沿って配列される任意の種類の任意の照明源であってもよい。ＬＭＷ１００および７００の両方に示される例はただ例示を目的とし、すべての実施例をこれらの具体的に量が定められた複数の光源に限定することを意図しておらず、また端面１０３に沿った光源７２０、７２１、および／または７２２もしくは１２０の如何なる具体的な位置にすべての実施例を限定するものではない。

図８は、光伝達端面１０４とＰＷ１３０の光注入端面１３２との間の空気のギャップが１つ以上の比屈折率を有する介在領域８００で充填される代替的な実施例を示す。領域８００はＰＷ１３０と導波路１０１との間に介在する領域を示す。当該領域は、特に導波路１０１の屈折率に対する領域８００の屈折率の比と、ＰＷ１３０の屈折率に対する領域８００の屈折率の比とを参照して屈折率に関して構成され得る。なお、領域８００は、自身の屈折率について均一および等方性であり得るが、これはすべての実施例に対する限定ではなく、領域８００が３つの離散領域８０１、８０２、および８０３に分割されるよう示される（随意であり、例示目的のみ）という事実の重要性を示す。この例では、要素８００の離散領域８０１および８０３は、中間のサブ要素８０２よりも屈折率が低く、その結果、導波路１０１から光伝達端面１０４を通って領域８００の中に入る光は、低屈折率領域８０１および８０３を通る光束よりも高屈折率領域８０２へより多くの光束が伝達することになる。この端面１０４から８００のそれぞれの離散領域（離散領域８０１、８０２、および８０３）までの境界に亘る伝達効率の差は、導波路１０１を通った後に１０４と８００との間の境界に当たる光に与えられる異なる臨界角に基づいている。領域８００を異なる屈折率を有する離散的なサブ領域に細分化することの考えられる利点は、このような変動し得る屈折率領域が、光が入る端面１３２に沿った位置に基づいてＰＷ１３０に入る光の強度をアポダイズおよび調節するよう機能し、これにより最終的な適用例（ＴＩＲベースの導波路、ＬＣＤシステムのためのバックライト、または他の適用例）で使用される一次導波路に利用可能な光の発光均一性を向上させるよう機能し得ることである。なお、領域８００を３つの離散的なサブ領域に分割することは純粋に任意であり、領域８００は任意の数の領域に分割され得る。代替的には、領域８００内の離散領域の代わりに、領域８００内において屈折率の平滑な勾配が用いられてもよい。これにより、光が光伝達端面１０４を通って領域８００に入り、潜在的にアポダイズされ、次いで光注入端面１３２を通ってＰＷ１３０の中に入ると、導波路１０１からＰＷ１３０の中に伝わる光のアポダイゼイションが達成される。したがって領域８００は、その臨界角に対して選択される均等な屈折率を有し得るか、個々に調節された屈折率を有する異なる分割されたサブ領域を有するか、または屈折率の構成において目的の勾配を有するよう製造され得る。光伝達端面１０４と光注入端面１３２との間の空間を充填する際の領域８００の厚さは任意であり、実用上の理由により小さいことが期待されるが、代替的な実施例では、１０４と１３２との間に任意の所与の間隔（結果、どのように構成されようとも、領域８００の任意の所与の厚さ）が用いられてもよい。

本願明細書において記載される、光混合を促進するよう光線分離を達成する一般的な原理、すなわちキャビティ１０５の使用は、原色（たとえば、それぞれ光源７２０、７２１、７２２に例示的な目的で対応し得る赤、緑、および青）を混合することにのみ好適であるわけではなく、自動車用途、航空用途、一般照明用途、表示用途などを含む、光混合が必要とされる一般的な光学的用途にも好適であり得るということは理解されるべきである。離散化された光源と画素または微小光学構造の配列との相互作用に関連する光学アーティファクトを取除くことの価値は、当該技術の特定の一領域においては重要であるが、これは本願明細書で記載される技術の利用可能性の範囲を限定しない。与えられた特定の詳細は、ただ例示を目的とするのみであって、特許請求される主題の範囲を限定するよう解釈されるべきではない。

本願明細書で記載される技術の実施例は、点光源と、画素作動機構に関連する画素または微小光学構造の配列との形状上の相互作用による望ましくない光学アーティファクトを招くことなく、均一性のしきい値（ｔ）よりも薄い端面入射型スラブ導波路から構成されるディスプレイシステムの発光均一性を向上させ得る。本願明細書で記載されるさまざまな実施例は、端面発光スラブ導波路および／または関連する光再利用バックライトサブシステムもしくはＦＴＩＲベースのディスプレイ技術を用いるよう考えられ得るディスプレイシステムのホスト上で実現され得るので、非常に望ましく、このような平らな照明構造に基づくシステム構造によって画像生成を向上させる。これらの実施例はさらに、原色光（たとえば、赤、緑、および青）の混合を促進し得るとともに、点光源（たとえばＬＥＤ）の光を光伝達端面の表面を通る均一な光束または他の所望の光束のプロファイルになるよう円滑に混合することが望ましいより一般的な光学および光の用途にまで拡張することもできる。

様々な具体的な形態を取るとともに変更、置換、および修正を反映する多くの実施例が、この発明の精神および範囲から逸脱することなしになされ得るということは、当業者ならば理解するであろう。したがって、記載された実施例は例示であって、特許請求の範囲を限定するものではない。

Claims (20)

1. 反射端面を有する透明なスラブ導波路と、前記反射端面に隣接する対向する側端面の対と、前記反射端面と反対側の光伝達端面と、前記スラブ導波路の内部に形成される複数のキャビティとを含み、前記側端面の少なくとも１つは、受取った光が前記透明なスラブ導波路の上面および底面から内部全反射されるように光を１つ以上の光源から受取るために構成され、前記受取った光が前記光伝達端面を通って対象の光学システムに入る前に、前記受取った光と前記キャビティの１つ以上および前記反射端面との相互作用により前記受取った光が混合される、光混合導波路。
2. 前記キャビティは中空円形断面を有し、これにより円筒状の中空キャビティを前記透明なスラブ内に形成する、請求項１に記載の光混合導波路。
3. 前記キャビティは多角形断面を有する、請求項１に記載の光混合導波路。
4. 前記キャビティの１つ以上に当たる前記受取った光の少なくとも一部は、反射屈折光線分離する、請求項１に記載の光混合導波路。
5. 前記受取った光は、前記光と前記反射端面およびキャビティとの相互作用により混合される異なる原色を含む、請求項１に記載の光混合導波路。
6. 前記複数のキャビティは互いに等距離にある、請求項１に記載の光混合導波路。
7. 前記複数のキャビティは同一直線上にある、請求項１に記載の光混合導波路。
8. 前記複数のキャビティは、前記光伝達端面よりも前記反射端面に近い、請求項１に記載の光混合導波路。
9. 前記複数のキャビティは、前記光伝達端面を通って発せられる光束の等方性の均一性を提供するように、前記透明なスラブの全体に亘って変動可能に間隔を空けられる、請求項７に記載の光混合導波路。
10. 前記複数のキャビティは、前記光伝達端面を通るよう発せられる光束の非等方性の均一性を提供するよう前記透明なスラブの全体に亘って変動可能に分散配置される、請求項１に記載の光混合導波路。
11. 前記光混合導波路の形は、長方形、多角形、台形、または平行四辺形のうちの少なくとも１つである、請求項１に記載の光混合導波路。
12. 前記反射端面に対して空間を空けている反射器をさらに含み、これにより前記反射端面と前記反射器との間にギャップを形成する、請求項１に記載の光混合導波路。
13. 光漏れを低減するよう、前記透明なスラブ導波路の前記反射端面、側端面、上面、および底面の少なくとも１つに隣接して配置される反射要素を含む、請求項１に記載の光混合導波路。
14. １つ以上の光源が前記透明なスラブ導波路の中に埋込まれる、請求項１に記載の光混合導波路。
15. 少なくとも１つの側端面が、前記少なくとも１つの側端面の面に対する法線軸から離れて傾斜または角度付けされる１つ以上の光源から光を受取るように構成される、請求項１に記載の光混合導波路。
16. 前記キャビティには、前記側端面、前記反射端面、および前記光伝達端面に実質的に平行であるとともに前記導波路の上面および底面に実質的に垂直である壁によって境界が設けられる、請求項１に記載の光混合導波路。
17. 前記壁は、各キャビティを通る任意の所与の点での前記キャビティの断面積が前記キャビティにおける位置によって異なるように断面の等方性または対称性を示さない、請求項１６に記載の光混合導波路。
18. 前記対象の光学システムは、ギャップによって前記光混合導波路から分離される一次導波路である、請求項１に記載の光混合導波路。
19. 前記ギャップは、前記光混合導波路と前記一次導波路との間のギャップを充填する、比屈折率を有する介在領域を含む、請求項１８に記載の光混合導波路。
20. 前記介在領域は、前記光混合導波路から前記一次導波路まで通過する光が前記介在領域と前記光混合導波路との境界に沿った位置の関数として異なる伝達効率を示すよう、屈折率が異なった異なる離散領域から構成される、請求項１８に記載の光混合導波路。

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