JP2012514835A - 制御出力を有する光ガイドに関する光学系 - Google Patents

Abstract

光学素子を備えた光ガイドは、ガイドを出ている光を導く。装置は、光ガイドの限られた領域から光を抽出することによって反射光の正確な制御を達成する。選択的な抽出のために使用される反射器の構成は、出力光の性質を決定する。反射器は、光ガイドの出力側の反対側の光ガイドの側にあることができる。

Description

関連出願に対する相互参照
[0001] 本出願は、2009年1月2日に出願の米国特許出願番号第12/319,172号「Optic System for Light Guide With Controlled Output（制御出力を有する光ガイドの光学系）」および2009年1月2日に出願の米国特許出願番号第12/319,171号「TIR Switched Flat Panel Display（TIRスイッチ・フラットパネルディスプレイ）」の優先権を主張し、いずれも本願明細書においてリファレンスとして組み入れられる。

技術分野
[0002] 本発明は、一般に光学ディスプレイデバイスに関し、特に、光が光ガイドを出るときに方向を制御する光学系を含む。

[0003] 多くの製品は、光がシステムを出るときに、光学系が、光を広域に広げ、光の方向を制御することを必要とする。製造の費用の並列の引き下げに連結して、ＬＥＤの性能の最近の改良は、ＬＥＤに多くのアプリケーションのためのより現実的なオプションを作った。しかし、LCDバックライト、バックライトを備えたサイン、オーバーヘッド照明、車両照明のような多数のアプリケーションは、光の方向を依然として制御しながら、ＬＥＤによって発生する集中した光を要求する。これらのアプリケーションは、改良された光学系が所望の光制御を提供することを必要とする。

[0004] LCD技術に基づくディスプレイは、何十年も進化していた。基本的技術に対する改良に基づく多数の特許参考文献を、現在利用できる。しかし、現在の技術ディスプレイは、まだいくつかの欠点を有する。現在の技術装置の主要な欠点は、過剰なエネルギー消費である。対角線が65”のHDTV LCD TVは、概して1キロワットの半分ほどを要求する。これは、低い効率の技術の結果である。

[0005] LCDディスプレイの効率を改善するひとつの方法は、視者によって最も容易に見られる領域の方の光源から、できるだけ多くの利用できる光を差し向けることである。携帯表示装置については、電力消費が明らかに重要な点である所、視者に向けられる狭い角度の光が要求される。

[0006] 現行のアプリケーション（例えばTV）において、ディスプレイの表面に対して垂直な方向において放射される光の最高の強度セグメントを有することは望ましい。垂直の左右に光の有意な量を提供することはまた、重要である。最適視聴（スクリーンに垂直な）位置にない視聴者のために、これは必要である。スクリーンに垂直な角度の上下に放射される光の量を減らすことはまた、これらの用途で望ましい。垂直方向から離れるように典型的に差し向けられた光が好適な角度にリダイレクトされる場合、好適な方向に伝送される光の強度は、より大きい。

[0007] ３つのグループの従来技術は、ＬＣＤタイプ・ディスプレイの光の制御について述べた。これらの中で、プリズム・タイプ「フィルムを強化する明るさ」（BEFs）は、最も一般のクラスから成る。BEFデバイスのある実施形態は、コカワショウゾウ等による米国特許第5,467,208号「液晶ディスプレイ」であり、1995年11月14日に発行された。このリファレンスは、プリズム・タイプ・フィルムの従来技術を議論し、技術の改良を開示する。プリズム・フィルムに対するある欠点は、それらが光出力の角度の制御を制限するだけだったということである。プリズム機能に対する変化は、光出力におけるわずかな変化だけに結果としてなる。プリズム・フィルムはまた、二次元の構造に限られている。アプリケーションが3次元の光の制御を必要とする場合、少なくとも2つのBEFが配備されなければならない。

[0008] 従来技術の第２のクラスは、2002年7月16日発行のヤマグチアキラによる米国特許第6,421,103号「Liquid Crystal Display Apparatus...」によって例証される。ヤマグチのリファレンスは、光が液晶表示パネルに入るように、光を制御するための他の装置を開示する。該特許は、光源、（光ガイドとして使われない）基板、アパーチャ、および、基板上の反射領域を開示する。光は、反射面によって反射されるか、または、アパーチャを介して通過するかのいずれかである。アパーチャを通過する光は、光の方向を制御するのに用いられレンズによって捕えられる。ヤマグチは、液晶タイプ・ディスプレイの視者で、直接より多くの光を集中するように出力光の角度の制限を教示する。ヤマグチのデバイスは、BEF装置で備えることができるより、非常に大きな出力光の制御を提供する。しかし、ヤマグチのデバイスに対する欠点は、それが極めて非効率的であるということである。光がアパーチャを出る前に、光は、何回も反射面で離れて反射しなければならない。反射面が高い反射率材料によって作られるときでも、強度の損失は相当である。したがって、本発明を備えた光の制御がBEF装置のそれより優れる間、効率は非常により低い。

[0009] 1995年3月7日に発行されたKarl Beesonによる米国特許第5,396,350号「Backlighting Apparatus...」、および、2008年3月18日に発行されたNeil Lubartによる米国特許第7,345,824号「Light Collimating Device」は、ＬＥＤ光源デバイスに関する光制御光学系の第３のクラスのデバイスを開示する。BeesonおよびLubartのリファレンスは、光ガイド側の反射構造を開示する。これらの反射構造の制御の範囲は、限定され、ヤマグチのような装置によって提供される制御と均等ではない。更に、反射構造体は液晶表示パネルの非常に近くに配置され、それによってそれらの出力の欠点がディスプレイの視者によって容易に見られることができる。

[0010] さまざまな態様は、光を導くための光ガイドを含む。いくつかの実施形態は、光がシステムを出る光の角度を制御する光ガイドの光学系を含む。それは、LCDからオーバーヘッド照明まで多くの用途で使われることができる。液晶ディスプレイは、携帯電話、ラップトップ・コンピュータ、コンピュータ・モニタ、TVおよび商用のディスプレイにおいて使用されるタイプのものである。光ガイドは、離散的なポイント、および／または、領域で光ガイドから光を伝送することができる。反射器と組み合わせて摘出要素を使用することにより、装置の出力光は、平行、発散または収束であるように制御されることができる。反射器は、二次元または３次元であってよい。

[0011] 本発明の光学系の利点は、出力光の角度を正確に制御するということである。
[0012] 本発明の光学系の他の利点は、従来技術装置より、電力消費に関してより能率的に光を伝送するということである。

[0013] さらに別の本発明の光学系の他の利点は、構造上、単純であり、それゆえ、製造するのが容易で経済的であるということである。
[0014] 図面にて図示したように、本願明細書において記載されているように、これらの、そしてまた他の目的および本発明の効果は、発明を実施する最も周知の方法の記述からみて、当業者にとって明らかであろう。

[0015] 図1は、本発明の光学系を有する光ガイドの斜視図である。 [0016] 図２は、図１に示される光学系を有する光ガイドの部分的に、拡大された側面図である。 [0017] 図3は、3次元タイプ反射器を例示する。 [0018] 図4は、二次元タイプ反射器を示す。 [0019] 図5は、光ガイド、LCDおよび端反射器の破断側面図である。 [0020] 図６は、光学系の異なる構成の部分的に、拡大された側面図である。 [0021] 図7は、光学系の他の構成の拡大された側面図を示す。 [0022] 図８は、発散タイプ反射鏡を利用している光学系を例示する。 [0023] 図9は、光学系の他の構成の拡大された側面図を示す。 [0024] 図10は、実施形態を例示する。 [0025] 図11は、実施形態を例示する。

[0026] 図１を参照すると、本発明の光ガイドアセンブリ１は、平坦面を有する光ガイド2と複数のＬＥＤ 3とを備える。ＬＥＤ３は、光ガイド2の下側エッジのような表面に沿って配置することができる。ＬＥＤ 3の色の数およびＬＥＤ 3が位置する光ガイド2の側は、サイズ、形状および光ガイド2の用途のファンクションであってもよい。ＬＥＤ３は、光ガイド2の複数の側に位置していることができる。ＬＥＤ３は、電子機器が適当なレベルでそれらを駆動することを必要とすることができる。ＬＥＤドライバ・エレクトロニクスの当業者は、このタスクを達成するために多くの異なる回路を考案することができる。図1において例示される実施形態は、光ガイド2の端縁に沿って、略等間隔に設置されて示される合計27のＬＥＤ 3から成る。他の種類の光源（例えばレーザー、白熱光、蛍光または自然の光）がＬＥＤ 3の場所において十分であると認識されなければならない。

[0027] 光ガイド２は、図２の拡大された側面図に示される。図２は、ＬＥＤ３から放射している光線17のサンプリングを示す。上の光線10は、光ガイド2の上側表面11にぶつかることとして描かれる。光ガイド2の表面との光線10のコンタクトまたは入射角度が浅いときに、光は光ガイド2の表面の中で、離れてる方に反射する。この反射は、以下の式によって支配される：
A = arcsine ( Ns / NIg )
ここで、NIgは、光ガイドの屈折率であり、Nsは、光ガイドの外側の媒体の屈折率である。角度「A」は、垂直から光ガイドの表面への角度であり、NsおよびNIgによって定義される。入射角は、90度−Ａとして定義されることができる。空気または他の小さい屈折率材料に関して、Nsは1.35の以下であってもよい。プラスチックまたはガラスの光ガイド2では、NIgは1.5であるかもしれない。これらの値のための角度Ａは、ほぼ64度であってもよい。光が全反射されることができる入射角は、ほぼ26度であるかもしれない。

[0028] 光が、Aより大きい（または90度−Ａより小さい）角度で、光ガイド2の表面にぶつかる場合、光は表面から離れて全反射（TIR）で反射する。入射角が90度−Aより大きい場合、少なくとも一部の光が、表面（例えば、上部光ガイド表面11）を通ることができて、屈折することができる。ここに示した例では、反射光13は、それが接触ドーム14に配置されている反射器に対するウインドウに遭遇する下方への方向に続く。接触ドーム14は、好ましくは、光ガイド2の屈折率と同じかそれより大きい。光ガイド2および接触ドーム14の屈折率が同じである場合、光13は、実質的に全ての入射角で接触ドーム内に光ガイドのボディから進む。屈折率が僅かに異なる場合、光13は屈折することができる。屈折率が非常に異なり、接触ドーム14により小さい屈折率がある場合、光は「ウインドウ」領域から反射するかもしれない。大半の用途に対して、接触ドーム14が光ガイド2と接触するウインドウにおいて、いかなる光TIRを有することは望ましくない。光ガイド2のもの以上の屈折率を有する接触ドーム14を選ぶことは、光ガイド2から接触ドーム14まで光の通過を助けることができる。光ガイドのボディのものと同じ屈折率を有する接触ドーム14を選択することは、光ガイドのボディの中へ戻るように、接触ドームによって反射される光の通過を助ける。

[0029] 上部反射光13は、接触ドーム14を通過し続けて、反射器15にぶつかる。実施形態によっては、反射材15の表面は、光を反射するような反射材料で被覆されることができる。反射材料は、アルミニウム、銀、誘電干渉タイプミラーまたは他の反射材料または方法であってよい。反射器15が、上述したTIRの式に当てはまる角度で構成される場合、反射器15はコーティングしてなくてもよい。入射光13は、反射材15の表面を離れて反射する。

[0030] 実施形態によっては、反射器15の構造は、少なくとも部分的に光学的に光ガイド2と接触ドーム14と間の接触ウインドウ以外の領域から光ガイド2から通過している光から分離される。図2において例示される構成では、隔離は、光ガイド2と反射器15から成る構造との間のわずかなエアギャップ16を提供することによって達成される。（図9に関して後述する別の方法は、光ガイド2と反射器15の構造との間の低屈折率材料の層を取り付けることである。）かかる場合、反射の角度依存は、小さな角度の光が、エアギャップを有する表面の部分を離れて反射するように生成され、その一方で、接触ウインドウは実質的に全ての入射光を接触ドーム14に伝送する。

[0031] 反射器15の形状は、光が光ガイド2内に戻るように反射される方向を決定し、かくして、出力光の特徴は光ガイド2によって出力される。図2は、反射器15を全体的に楕円として例示する。楕円形状の反射器15は、多数の角度で反射器15を出るように光を集中させ、または、ポイントに光を焦点合わせさせる。反射器15が放物線状に形成される場合、光ガイド2を出る光は、反射器の「点光源」にアプローチする接触ウインドウに関して、全体的に平行でもよい。楕円反射器または放物線状の反射器が選択される場合、反射器の焦点は接触ドーム14および光ガイド2が合う接触ウインドウに配置されることができる。多くの他の形状が反射器15のために使われることができ、選択は、光の所望の角度の出力に依存する。

[0032] 次いで、図３を参照すると、反射器15は3次元タイプ反射器として示される。反射器15は、図４に示されているような二次元の、線形タイプ反射器しても容易に選択可能である。また、反射器15のタイプが使われる選択は、考慮されている用途に依存する。ユーザはまた、反射器形状の多くの組合せを選ぶことができ、２次元または3次元のタイプ構成のそれらを使用することができる。二次元および3つの次元の双方の反射器は、図3および4の反射器15のアレイとして示される。当業者は、多くの他の種類の反射器アレイがまた、配備されることができると認識する。

[0033] 図5は、光ガイド2、ＬＥＤ 3および端反射器20および21の拡大された側面図を示す。光は、ＬＥＤ 3から光ガイドを介してしばしば移動し、正しい位置にある接触ドーム14を離れて、反射せず、そして、光ガイド2から光を抽出する。その状況において、光は光ガイド2の全長を進む。光が、光ガイド2の末端（ＬＥＤ 3の反対側の端）に到達するとき、光は端反射器21を離れて反射される。反射は、光ガイド2を介して反対方向の光を、オリジナルＬＥＤ 3の方へ戻すようにリダイレクトする。好ましくは、端反射器21は、高い反射率を有する材料から形成される。干渉タイプまたは金属反射器は、端反射器21の2つの可能性のある別の実施形態である。第３の可能性は、湾曲された、レトロなタイプの反射器である。

[0034] 光が、接触ドーム14のうちの1つと接触することなく光ガイド2を進み続ける場合、光は、光ガイド2のオリジナルの端（ＬＥＤ３が位置する端）に達する。光ガイド2のこの端で、光は、ＬＥＤ３の間の領域にぶつかり、または、それはＬＥＤ３を打つことができる。光がＬＥＤ3の間の領域にぶつかるときに、それは端反射器20によって反射されることができる。光ガイド２がほんの少数のＬＥＤ３だけを備えている場合、光は、高い反射率端反射器20から離れて殆ど反射されることができる。ＬＥＤ３を離れて反射している光のケースでは、ＬＥＤ３は一部の光を吸収するかもしれず、光の剰余は反射される。接触ドーム14によって抽出される前に、光は、何度も光ガイド2の上下に進むことができる。特定の光ガイドアセンブリ１のほんの少数の接触ドーム14だけがあるケースであろう。接触ドーム14の多数が光ガイド2に存在する場合、光ガイド2に沿って１、２のパスを超えるようになっている光の可能性は小さくてもよい。光ガイド2に沿って多数のパスを形成する光を多数の反射をする場合でさえ、光の損失は、小さい。端反射器20、21は、98%以上の反射率効率を有し、良好な上質の光ガイド材料はごくわずかな光しか吸収しない。

[0035] 光ガイドアセンブリの別の構成を図6に示し、反射器15は、固体材料から形成されるよりもむしろ、中空であるのが典型的なケースである。この構成では、接触ドームがその正しい位置にあるとき、上部反射光１３は接触ドーム１４を通過し、反射器１５の表面に向かって全体的にまっすぐな通路に沿って続くように、接触ドーム１４は、テーパーを備え、または、球状表面２２を採用する。図6において例示される光ガイドアセンブリ1の機能は、図2において例示されるガイド・アセンブリ1に関するものと同じであり、唯一の違いは中空の反射器15’の利用である。

[0036] 光ガイドアセンブリ１の別の構成を、図7において例示する。図7に示される構成では、接触ドーム14の特徴は、光ガイド2の表面で切られる。実質的に、この構成は、図2において例示される構成の否定である。図6に示されるアセンブリ1と同様に、図7に示される光ガイドアセンブリ1の機能は、図2に示されるものと同様である。製造の容易さおよび所望の出力効果が、反射器構造が所定のアプリケーションのための選択を制御する。

[0037] 図8は、出力光が焦点に差し向けられるように反対に広げられる光ガイドアセンブリ１の構成を示す。上記のように、反射器15の形状は、光の出力効果を制御する。図８では、反射器15の形状は、光を焦点にあてるの対向するように、反射された光線18を散乱させるように選ばれる。

[0038] 図９は、反射器15の構造を光ガイド2から光学的に分離するための別の方式を開示する。図9において例示される構成において、低い屈折率を有する材料の薄い層30は、光ガイド2を反射器15を支持している構造から切り離す。接触ドーム14'=は、薄い、低い屈折率層30の単純なアパーチャである。

[0039] 図9の低い屈折率層30の厚みは、必ずしも一定の比率であるというわけではない。実際問題として、低い屈折率層30は、厚いミクロンであるかもしれない。薄い層30は、リソグラフィプロセスによって堆積することができる。反射器15および接触ドーム14”は、光ガイド2および薄い層30と直接接触して（例えば、溶接されて）成形されるかもしれない。接着剤が、低屈折率材料30として使われることができる。接着剤を低屈折率材料30に選ぶことは、製造プロセスに有益である。

[0040] 図10は、実施形態を例示する。光1000は、光ガイド1010によって伝送されることができる。光ガイド1010は、第１の屈折率を有することができ、光ガイド1010と第２の屈折率を有している他の媒体（例えば、固体、液体、空気または真空）と間に一つ以上の表面を含むことができる。表面は、実質的に平面、湾曲、（例えば、一方の寸法が、他方の寸法よりも、例えば10倍またはより大きな100倍のような非常に大きな寸法を有する）細長および他の形状であってもよい。光ガイド1010は、光源（図示せず）から光を受け取るように構成される第１表面1020、（例えば、光が光ガイド1010を出ることができる）第２表面1030、および、さまざまな光制御装置と関連する第３の表面1040を含むことができる。光ガイド1010は、一つ以上の第4の表面1050を含むことができる。場合によっては、第4の表面1050は、光源から光を受け取ることができる。場合によっては、第4の表面1050は、少なくとも部分的に反射することができる。特定の実施形態では、第4の表面1050は、全反射ミラーを含むことができ、それは光ガイド1010へと戻るように、光ガイド1010内から第4の表面1050上の光入射を反射することができる。

[0041] 光・ガイド1010は、一つ以上の長さ（例えば長さ1012および厚み1014）によって特徴づけられることができる。長さは、さまざまな用途仕様（例えば、携帯電話スクリーン、家庭用の光のフォームファクタ、TVサイズなど）によって選択されることができる。長さは、さまざまな材料特性（例えば、厚み1014は、光ガイド1010の屈折率、光ガイド1010のTIRと関連する角度、良質な出力光の光ガイド1010に関する仕様（例えば、光が第２表面1030に対する垂線から2、3度の範囲内に存在する要求）などによって選択されることができる。

[0042] 光源からの光は、光ガイド1010内に第一表面1020によって伝送されることができる。第一表面1020は、少なくとも部分的に反射し（例えば、ハーフミラー）、光ガイド1010の中へ戻るように、光ガイド1010内から第一表面1020に到着する光を反射するように構成されることができる。第一表面1020は、平坦、湾曲または他の形態でもよい。第一表面1020は、光ガイド1010の一つ以上の他の表面に関して、角度1022で配置されていてもよい。角度1022は、45から135度の間、70から110度の間、および／または、80乃至100度の間にあってもよい。場合によっては、角度1022は、光ガイド1010の範囲内で内部反射のさまざまな予測された角度によって選択されることができる。

[0043] 光源からの光は、光ガイド1010に第4の表面1050によって伝送されることができる。第4の表面1050は、少なくとも部分的に反射することができ（例えば、ハーフミラー）、光ガイド1010へ戻し、光ガイド1010内から第4の表面1050に到達している光を反射するように構成されることができる。第４の表面1050は、平坦、湾曲、または他の形態でもよい。第４の表面1050は、光ガイド1010の一つ以上の他の表面に関して、角度1052で配置されていてもよい。角度1052は、45から135度の間、70から110度の間、および／または、80乃至100度の間にあってもよい。場合によっては、角度1052は、光ガイド1010の範囲内で内部反射のさまざまな予測された角度によって選択されることができる。

[0044] ある表面（例えば、第１表面1020、および／または、第４の表面1050）は、一つ以上の好適な方向で光ガイド1010に戻るように（光ガイド1010内から表面への入射）光を反射するように構成されることができる。場合によっては、表面は、光ガイド1010から外に反射された光の望ましくない伝送を最小化する方法で光を反射することができる。特定のケースでは、光は、他の表面（例えば、第２表面1030、および／または、第３の表面1040）から、TIRと関連する入射角度より少ない角度で反射されることができる。

[0045] ある表面（例えば、第３の表面1040、および／または、任意の第２の表面1030）は、反射が入射光（例えば、光ガイド1010内から）の入射角に依存する「鏡」を含むことができる。反射の角度依存は、表面の両側の屈折率の制御を介して生成され得る。反射の角度依存は、表面のナノストラクチャリング（nanostructuring）、表面コーティングの使用などの他の方法を介して生成され得る。場合によっては、低い入射角（例えば、45度以下、30度以下、20度以下または10度以下さえ）の入射光が反射されるように、表面は設計される。場合によっては、高い入射角度（例えば、表面に対して垂直、垂直から2度の範囲内、垂直から5度の範囲内、垂直から10度の範囲内、および／または、垂直から20度の範囲内）で入射光が表面を通過することができるように、表面を設計することができる。

[0046] 光ガイド1010の表面は、一つ以上のウインドウ1060を含むことができる。図10に示される実施形態では、ウインドウ1060は第３の表面1040に配置され、光は第２表面1030を介して光ガイド1010を出る。ある実施態様は、数十、数百、数千、数100万または何億ものウインドウ1060さえも含む。特定の実施態様は、1つか、2つか、3つか、5つか10のウインドウ1060を含む。ウインドウ1060は、一つ以上の寸法1062（例えば、長さ、幅、半径および／またはウインドウ1060のさまざまな態様を特徴づけている他の寸法）によって特徴づけられることができる。Windows 1060は、実質的に全ての入射角に対して「透明」として特徴づけられることができ、他の構造体（例えば、接触ドーム、反射器など）に、光ガイド1010の「ボディ」内から光の伝送を許容することができる。

[0047] 反射器は、様々な形状（放物線状、楕円、直線、湾曲、平坦および他の形状）であってもよい。ウインドウは、入射光の異なる方向と関連して異なる反射器を有する。例えば、反射器1070の形状は、第１表面1020と関連する方向からの入射光の優先的な受光によって選択されることができ、反射器1072は、第４の表面1050と関連する方向からの光入射の優先的受光によって選択されることができる。ウインドウ1060は、一つ以上の反射器にウインドウによる光の通過を提供する。図10に示される実施形態では、反射器1070および1072は、入射光を反射するように配置される。反射器は、一般に完全な鏡（例えば、完全におよび／または鏡面反射）であってもよい。反射器は、一つ以上の寸法によって特徴づけられることができる。図10に示される実施形態では、反射器は、寸法1074、1076および1078によって特徴づけられ、他の寸法（例えば、ページに垂直）によって、任意に特徴づけられることができる。

[0048] 図10に示される実施形態では、第３の表面1040は、表面の両側に異なる屈折率によって誘導される反射を介して角度依存鏡として機能する。この種の実装は、光ガイド1010と同じ材料から作られる接触ドーム1080に配置されている反射器1070および1072を含むことができる。第３の表面1040の反射部分はエアギャップを含むことができ、すでに記載されているように、ウインドウ1060は、接触ドーム1080と光ガイド1010の「ボディ」と間に光学的に透明な接合材料を含むことができる。第３の表面1040上の浅い入射角度を有する（すなわち、垂直な表面に対してＡより大きな角度を有する）光は、第３の表面1040を離れて反射することができる。

[0049] ウインドウ1060を通過している光（例えば光1000）は、表面（例えば、第３の表面1040）の方へ戻る反射器（例えば、反射器1070）によって反射されることができる。例えば、反射は、第３の表面1040および／または第２の表面1030に関して大きい入射角を有する反射光1000に結果としてなり、それは光ガイド1010から外への（例えば、第２表面1030を介した）光の通過に結果としてなる。かかる角度は、ＴＩＲ角度Ａよりも、表面垂直から小さな角度を介して、図１０に概略的に示される。

[0050] 種々の寸法（例えば1062、1070、1074、1014など）が、用途要求によって選択される。例えば、円いウィンドウ1060の半径1062が減少するにつれて、あたかも「点光源」から反射器1070に到達するかのように、ウインドウ1060を通過している光はますますふるまうことができ、それは第２表面1030に対して実質的に垂直な角度で第２の表面1030を介して光ガイド1010を出る光に結果としてなる反射器1070（例えば、放物線状）に関する特定の幾何学の利用を提供することができる。

[0051] 図11は、実施形態を例示する。光1100は、光ガイド1110によって導かれることができる。光ガイド1110は、表面1130および表面1140を含むことができる。表面1140は、少なくとも部分的に反射してもよく、TIRと関連する角度Aのより浅い入射角度（表面に近い角度）またはより大きな入射角度（表面に垂直な角度）で到達する入射光を反射することができる。

表面1140は、ウインドウ1160を含み、それは反射器1170と光学的に連なる。反射器1170は、寸法1172によって特徴づけられることができる。実施形態によっては、寸法1172は、光ガイド1110によって案内した光を表示するように構成される表示装置のピクセルの寸法（の10%、の5%、の2%、または、の1%などのように）とほぼ等しい。実施形態によっては、光源は、光ガイド1110によって導かれる光を提供する。特定のケースでは、表示装置と関連する各々のピクセルは、ウインドウ1160および／または反射器1170と関係していてもよい。

[0053] 表面1130は、表面1130を介した光の伝送と関連する「レンズ」または他の形状を含むことができる。場合によっては、このレンズの形状は、表面1130から光の伝送の角度を修正するために選ばれることができる。例えば、緩やかに発散する光は、光ガイド1100と関連する平面に垂直、および／または、平行になるように修正されることができる。

[0054] 上記の開示は、限定することを意図しない。当業者は直ちにその多数の変更態様を観察し、本発明の教示を保持すると共に、装置の変更がなされることができる。したがって、添付の請求の範囲の限定だけによって限定されるように、上記の開示は解釈されなければならない。

Claims (38)

1. 光源から光１０００を受けるように構成された第1の表面１０２０と、
   第２の表面１０３０と、
   反射器１０７０と光学的に連なるようにウインドウ１０６０を備えた第３の表面１０４０と、
   を有し、
   前記反射器１０７０が、第２の表面１０３０を介して反射された光の少なくとも一部の伝送を生じる角度で光ガイド１０１０内から反射器１０７０に入射する光１０００の少なくとも一部を反射するように構成された形状を有することを特徴とする、光ガイド１０１０。
2. 第１の表面１０２０および第３の表面１０４０のいずれもが、表面によって光ガイド１０１０内の光の全反射に関する角度よりも小さい入射角で光ガイド１０１０内から到達する光を反射することを特徴とする請求項１に記載の光ガイド１０１０。
3. 前記ウインドウが、いかなる角度からもウインドウに到達する光に対して透明であることを特徴とする請求項１または２に記載の光ガイド１０１０。
4. 第１の寸法１０１２が、第２の寸法１０１４よりも１０倍以上大きいことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光ガイド１０１０。
5. ウインドウ１０６０に関する第１の寸法が、ウインドウ１０６０に関する第２の寸法よりも１０倍以上大きいことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光ガイド１０１０。
6. 反射器１０７０に関する第１の寸法が、反射器１０７０に関する第２の寸法よりも１０倍以上大きいことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光ガイド１０１０。
7. 第１の寸法が、第２の寸法よりも１００倍以上大きいことを特徴とする請求項５または６に記載の光ガイド１０１０。
8. 前記ウインドウ１０６０が円いことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光ガイド１０１０。
9. 反射器１０７０の湾曲少なくとも一部が放物線形状で特徴付けられることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光ガイド１０１０。
10. 反射器１０７０の湾曲少なくとも一部が楕円形状で特徴付けられることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光ガイド１０１０。
11. 反射器１０７０の湾曲少なくとも一部が平面形状で特徴付けられることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光ガイド１０１０。
12. 前記反射器１０７０に関する第１の寸法１０７８が、光ガイド１０１０と関連する第１の寸法１０１２よりも１０倍以上小さいことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の光ガイド１０１０。
13. 前記反射器１０７０に関する第１の寸法１０７４が、光ガイド１０１０と関連する第１の寸法１０１４の１０倍以内であることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の光ガイド１０１０。
14. 前記反射器１０７０と光学的に連なる２つ以上のウインドウ１０６０を更に有し、
    前記反射器１０７０が、第２の表面１０３０を介して反射された光の少なくとも一部の伝送を結果として生じる角度で光ガイド１０１０から反射器１０７０に入射する光１０００の少なくとも一部を反射するように構成された形状を有することを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の光ガイド１０１０。
15. 前記反射器１０７０が、第１の形状を備えた第１の部分と、第２の形状を備えた第２の部分とを包含することを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の光ガイド１０１０。
16. 表面が、第２の屈折率を備えた領域に対する界面を包含することを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の光ガイド１０１０。
17. 前記第２の屈折率が、第１の屈折率よりも小さいことを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の光ガイド１０１０。
18. 前記第２の表面１０３０を介して伝送される光が、第２の表面１０３０に対して垂直から２０度以内の角度で伝送されることを特徴とする請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の光ガイド１０１０。
19. 前記角度が、垂直から１０度以内であることを特徴とする請求項１８に記載の光ガイド１０１０。
20. 前記角度が、垂直から５度以内であることを特徴とする請求項１９に記載の光ガイド１０１０。
21. 寸法が、光ガイド１０１０を組み入れるディスプレイスクリーンと関連するピクセルの寸法とほぼ等しいように選択されることを特徴とする請求項１乃至２０のいずれか１項に記載の光ガイド１０１０。
22. 光源と、
    請求項１乃至２１のいずれか１項に記載の光ガイドと
    を有することを特徴とする光ガイドシステム。
23. 請求項１乃至２１のいずれか１項に記載の光ガイドを有するディスプレイデバイス。
24. 請求項１乃至２１のいずれか１項に記載の光ガイドを使用することを包含する光をガイドする方法。
25. 光ガイドを製造する方法であって、
    第１の屈折率を備えた材料から第１のボディを形成するステップと、
    前記第１のボディに１またはそれ以上の第２のボディを取り付けるステップと、
    を有し、
    各第２のボディが、
    第２の屈折率と、
    第１のボディと第２のボディとの間のコンタクトのウインドウによって画定される第１のボディに対して光学的に透明な接続と、
    前記第１のボディを介して反射された光の伝送を生じる入射の角度で第１のボディ内に戻るようにウインドウを介して第２のボディ内に第１のボディから伝送された光の少なくとも一部を反射するように構成された形状を備えた反射器と、
    を有することを特徴とする方法。
26. 前記第１及び第２の屈折率が同じであることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
27. 光が全反射によって移動する光ガイドと、
    前記光ガイドから光の選択的な抽出を提供する少なくとも１つの光学素子と、
    前記光学素子と前記光ガイドとの間にウインドウを除く光ガイドから少なくとも部分的に光学的に分離された光学素子の少なくとも１つの反射器と、
    を有し、
    前記光ガイドから光が抽出されたとき、前記光が所定の方向及びパターンに差し向けられることを特徴とする光ガイドシステム。
28. 前記光の抽出が、前記光ガイドと光学素子の物理的接触によって可能になることを特徴とする請求項２７に記載の光ガイドシステム。
29. 前記反射器の形態が、所定の方向及びパターンを制御することを特徴とする請求項２７に記載の光ガイドシステム。
30. 前記反射器が中空エレメントであることを特徴とする請求項２９に記載の光ガイドシステム。
31. 前記光学素子の接触部分が、光ガイドのボディと一体であることを特徴とする請求項２７に記載の光ガイドシステム。
32. 前記反射器が、出力光を広げるように形成されることを特徴とする請求項２７に記載の光ガイドシステム。
33. 前記光学的な分離が、エアーギャップによって達成されることを特徴とする請求項２７に記載の光ガイドシステム。
34. 前記光学的な分離が、低屈折率の材料の薄い層によって達成されることを特徴とする請求項２７に記載の光ガイドシステム。
35. 反射器を離れた後に、前記反射器から反射された光が、光ガイドを通過することを特徴とする請求項２７に記載の光ガイドシステム。
36. 前記反射器が、２次元タイプの反射器であることを特徴とする請求項２７に記載の光ガイドシステム。
37. 前記反射器が、３次元タイプの反射器であることを特徴とする請求項２７に記載の光ガイドシステム。
38. 請求項２５の方法を有する、ディスプレイデバイスを製造する方法。

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