JP2013502697A - 光学くさびによる効率的な光のコリメーション - Google Patents

Abstract

光コリメーターの実施例が開示される。例えば、１つの開示される実施例は、第１の端部、第１の端部に対向する第２の端部、第１の端部と第２の端部との間に少なくとも部分的に延在する表示面、及び表示面に対向する背面を有する光導波路を備える。表示面は内部反射の第１の臨界角を含み、背面は内部反射の第１の臨界角で反射するように構成される。さらに、端部反射器が光導波路の第２の端部に配置され、均一な光が第１の端部に入射される場合に表示面の大部分が均一に照らされ、且つ入射された光の大部分に表示面を出させるために、カットされたレンズ構造を含む。

Description

本発明は、光学くさびによる効率的な光のコリメーションに関する。

[0001]光コリメーターは、光バルブや発光ダイオードなどの点光源からの光線を収集し、それらの光線を表面から平行に出させる装置である。コリメーターの例は、レンズ又はフラシュライトもしくは自動車のヘッドライトに見られる曲面鏡を含む。これらの例においては、点光源と平行光が出力する表面との間に多くの空間が存在する。

いくつかの使用環境では、この空間がコリメーターを利用する光学装置の全体のサイズを増加させ得るので、この空間は不都合なものとなり得る。

[0002]したがって、光コリメーターに関連する様々な実施例が本明細書において開示される。例えば、１つの開示された実施例は、第１の光インターフェースを含む第１の端部を有する光導波路と、第１の端部に対向する第２の端部と、第１の端部と第２の端部との間に少なくとも部分的に延在する第２の光インターフェースを含む表示面（viewing surface）と、表示面に対向する背面とを備えた光コリメーターを提供する。表示面は、表示面の法線に対する内部反射の第１の臨界角を含み、背面は内部反射の第１の臨界角で反射するように構成される。さらに、端部反射器が光導波路の第２の端部に配置され、均一な光が第１の端部に入射される場合に表示面の大部分を均一に照らされるようにし且つ入射された光の大部分を表示面から出力させるように角度をつけられた複数のファセットを含むカットされた（faceted）レンズ構造を含む。

[0003]この概要は詳細な説明においてさらに以下に記載される概念のうち選択されたものを単純化された形式で紹介するために提供される。この概要は、特許請求された主題の重要な特徴又は不可欠な特徴を識別するようには意図されず、特許請求された主題の範囲を限定するために使用されるようにも意図されない。さらに、特許請求された主題は、本開示の任意の部分に記載される任意の又はすべての欠点を解決する実施例に限定されない。

[0004]光学装置及び当該光学装置内に配置された光学くさびの実施例を示す。 [0005]光学くさびの実施例を示す概略的な平面図である。 [0006]図２の実施例の断面図による光線追跡（レイトレース）を示す。 図２の実施例の断面図による光線追跡を示す。 [0007]図２の実施例の端部反射器の概略的な拡大された断面図を示す。 [0008]図２の実施例の複製の束を通るパスとして図２の光線追跡を示す。 図２の実施例の複製の束を通るパスとして図２の光線追跡を示す。 [0009]反射面を含む光学くさびの実施例の透視図によって光線追跡を示す。 反射面を含む光学くさびの実施例の透視図によって光線追跡を示す。 [0010]光をコリメートする方法の実施例を示す。

[0011]光コリメーターの様々な実施例が、くさび形の導光路又は光学くさびの形式で本明細書において開示される。光学くさびは、全反射によって、くさびの端部における１つの光インターフェースとくさびの面における別の光インターフェースとの間で光を導く導光路である。本明細書において開示された実施例は、それぞれ、光がコリメーションの前に所望のサイズへと広がることを可能にするために折り畳まれた（folded）光路を利用し、それは、光源と平行光が出る表面との間の体積のサイズの低減を可能にし得る。そのような光学くさびには、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）用のバックライトとしての用途を含むがこれに限定されない様々な用途がある。

[0012]本開示の主題は、例として、特定の図示された実施例に関してここに記載される。添付の図面において、示される実施例の図は縮尺どおりに描かれなくてもよく、いくつかの特徴の縦横比は選択された特徴又は関係を容易に見られるようにするために誇張されてもよい。

[0013]図１は、大型のタッチセンサー式の表示面１２を介して制御部１６に表示機能及び入力機能の両方を提供するように構成され得る光学系１０の実施例を示す。制御部１６は、光学系に表示データを提供し、光学系から入力データを受信するように構成された任意の装置であってもよい。いくつかの実施例において、制御部はコンピューターのすべて又は一部を含んでもよく、他の実施例において、制御部は有線又は無線の通信リンクを介してコンピューターに動作可能に結合された任意の装置であってもよい。制御部１６はメモリー１４及びプロセッサー１５を含む。メモリー１４は、光学系１０を制御するためのルーチンを含む、プロセッサー１５による実行のための命令を格納するのに使用されてもよい。

[0014]表示機能を提供するために、光学系１０は、タッチセンサー式表示面１２に可視画像を投影するように構成されてもよい。入力機能を提供するために、光学系は、タッチセンサー式表示面に配置された物体−例えば、指、電子装置、紙カード、食糧又は飲料−の少なくとも部分的な画像をとらえるように構成されてもよい。したがって、光学系は、そのような物体を照らし、物体から反射された光を検出するように構成されてもよい。このように、光学系は、タッチセンサー式表示面に配置された任意の適切な物体の位置、フットプリント、及び他の特性を登録してもよい。

[0015]光学系１０は、光学くさび１００、光導波器２０、光バルブ２２、拡散器２４及び光源１０２を含む。光源１０２及び光バルブ２２は、制御部１６に動作可能に結合され、タッチセンサー式表示面１２に視覚的な表示画像を提供するように構成されてもよい。光源１０２は、例えば１つ以上の発光ダイオードなどの、可視光線を放射するように構成された任意の光源であってもよい。光源１０２からの光は光学くさび１００を介して投影され、光導波器２０を介して光バルブ２２に向けられる。いくつかの実施例において、光導波器２０は、光バルブ２２に対して垂直な方向に光を向けるように構成されたプリズムの膜を含んでもよい。光バルブ２２の多数の光ゲート素子は、色及び強度に関して光導波器２０からの光を変調するために使用されてもよい。いくつかの実施例において、光バルブは液晶表示装置を含んでもよいが、他の光変調装置が同様に使用されてもよい。このように、光源と光バルブはともに表示画像を作成してもよい。表示画像は拡散器２４によって投影され、それによって、タッチセンサー式表示面１２へ提供される。

[0016]光学系１０は、制御部１６に入力機能を提供するようにさらに構成されてもよい。したがって、図示された光学系は、検出器３８、赤外線エミッター７２及び照明導光路７４を含む。検出器３８は、例えば赤外線感知可能なデジタルカメラなどのカメラ又は任意の他の適切なイメージ検知装置を含んでもよい。赤外線エミッター７２は、例えば、１つ以上の赤外発光ダイオード又は任意の他の適切な光源を含んでもよい。照明導光路は、１つ以上の入口ゾーン７６において赤外光の入射を受信し、出口ゾーン７８を介して表示画面に接する物体から反射される赤外光を送信するように構成された任意の光学素子であってもよい。

[0017]例えば、赤外光は赤外線エミッター７２によって照明導光路７４の入口ゾーン７６に入射されてもよい。赤外光は、全反射によって照明導光路７４を通じて移動し、物体４０などのタッチセンサー式表示面１２に接する１つ以上の物体にぶつかるまで、（例えば、タッチセンサー式表示面１２に沿って配置された、図示されない拡散要素のために）タッチセンサー式表示面１２に沿って漏れてもよい。赤外光の一部は、１つ以上の物体から反射して、出口ゾーン７８において照明導光路７４を出てもよい。赤外光は、拡散器２４及び光バルブ２２を介して出口ゾーン７８から移動し、光学くさび１００の表面を打ってもよく、それは、入射赤外光を検出器３８上へ向けるように構成されてもよい。しかし、多数の他の照明構成が可能であり本開示の範囲内にあることが理解されよう。

[0018]次に図２を参照すると、光学くさび１００は、光学くさび１００の薄い端部１１０に隣接して配置された光源１０２からの光を平行にするように構成されてもよく、その結果、図２において光線追跡によって示されるように、平行光は光学くさび１００の表示面１５０を出る。「表示面」という用語は、表面１５０が表示面１５０の反対にある背面（図２には見られない）よりも見ている人に近いことを示す。表示面及び背面の各々は、側面１３０及び１４０、薄い端部１１０及び厚い端部１２０によって境界が示される。図２において、表示面１５０は、ページを見る人に面し、背面は光学くさび１００のこの視界によって隠される。

[0019]薄い端部１１０の光インターフェースに入射された光線が端部反射器１２５を含む厚い端部１２０に接近するにつれて広がり得るように、光学くさび１００は構成される。光線は、表示面１５０及び背面からの全反射によって端部反射器１２５に伝えられる。好ましい実施例において、端部反射器１２５は、曲率中心２００を有する均一の曲率半径で湾曲し、光源１０２は端部反射器１２５の焦点で光を入射し、焦点は曲率半径の２分の１にある。厚い端部１２０において、光線の各々は、他の光線の各々と平行に、端部反射器１２５から反射する。光線が表示面１５０の反射の臨界角で表示面１５０と交差し、光線が平行光として出るまで、光線は薄い端部１１０に向かって厚い端部１２０から移動する。代替的な実施例において、端部反射器１２５は、放物線状であってもよく、又は光をコリメートするための他の適切なカーブを有してもよい。

[0020]他の実施例において、複数の光源が薄い端部１１０に隣接して及び薄い端部１１０に沿って配置されてもよい。複数の光源の使用は、単一の光源の使用と比較して、表示面１５０を出る平行光の明るさを増加させ得る。そのような実施例において、フィールド湾曲及び／又は球面収差（spherical aberration）を補正するために、中心線２１０の両側に対する光源が端部反射器１２５の焦点にとどまるように、光学くさび１００の側面１３０及び１４０をわずかに短くすることが望ましいかもしれない。曲線１１５によって示されるように、側面１３０及び１４０を短くすることにより薄い端部１１０が凸状になってもよい。適切な曲率は、光線が薄い端部１１０の近くの焦点へ来るまで光学くさび１００を戻って光学くさび１００の表示面１５０の反射の臨界角で光線を追跡するために光線追跡アルゴリズムを使用することによって見つけることができる。

[0021]図３及び図４は、光学くさび１００の概略的な断面図によって光線追跡を示す。図３は光学くさび１００を介した第１の光線３００の経路を示し、図４は光学くさび１００を介した第２の光線４００の経路を示し、光線３００及び４００は、光学くさび１００の薄い端部１１０に入力される光のコーンの対向面に位置する光線を表す。図３及び４に見られるように、光線３００が光学くさび１００の薄い端部１１０に隣接した表示面１５０を出る一方、光線４００は光学くさび１００の厚い端部１２０に隣接する表示面１５０を出る。

[0022]光線３００及び４００が表示面１５０の法線に対して内部反射の臨界角以下の角度で表示面１５０と一旦交差すると、光線３００及び４００は表示面１５０を出る。この臨界角は本明細書において「第１の臨界角」と呼ばれてもよい。同様に、光線が表示面１５０の法線に対して内部反射の第１の臨界角より大きな角度で表示面１５０と交差する場合、光線は光学くさび１００において内部反射する。さらに、光線が背面１６０の法線に対して内部反射の臨界角より大きな角度で背面１６０と交差する場合、光線は光学くさび１００において内部反射する。この臨界角は本明細書において「第２の臨界角」と呼ばれてもよい。

[0023]図５に関してより詳細に以下に説明されるように、第１の臨界角及び第２の臨界角が異なることが望ましく、その結果、第１の臨界角において背面１６０に入射する光は表示面１５０に向かって後ろに反映される。これは背面１６０を通じた光の損失を防ぐのに役立ち、したがって、光学くさび１００の光効率を増加させ得る。第１の臨界角が、光学くさび１００の屈折率及び表示面１５０に接する材料（例えば、空気又はクラッド層）の屈折率の関数である一方、第２の臨界角は、光学くさび１００及び背面１６０に隣接した材料の屈折率の関数である。図３−４に示されるものなどのいくつかの実施例において、クラッド層１７０は背面１６０のみに適用されてもよく、その結果、表示面１５０は空気とインターフェースする。他の実施例において、表示面１５０は、背面１６０とは異なる屈折率をもつクラッド層（図示せず）を含んでもよい。

[0024]光学くさびの表示面及び／又は背面についての内部反射の所望の臨界角を達成するために、任意の適切な材料がクラッド層として使用されてもよい。例示的な実施例において、光学くさび１００は、１．４９２の屈折率を備えたポリメチル・メタクリレート、すなわちＰＭＭＡから形成される。空気の屈折率はおよそ１．０００である。そのため、クラッドのない表面の臨界角はおよそ４２．１度である。次に、例示的なクラッド層は、テフロンＡＦ（デラウェア州ウィルミントンのＥＩデュポン・ド・ヌムール社）、１．３３の屈折率を備えたアモルファスフッ素重合体を含んでもよい。テフロンＡＦを備えたＰＭＭＡ表面の臨界角は６３．０度である。これらの例が例示の目的で記載されるものであり、任意の方法に限定するようには意図されないことが理解されよう。

[0025]他の実施例において、背面１６０はミラーを含んでもよい。限定的でない例として、ミラーは、背面１６０に反射コーティングを施すことにより又は背面１６０に隣接したミラーを配置することにより形成されてもよい。このように、背面１６０は、背面１６０と交差する入射光を反射してもよい。背面１６０がいくらか又はすべての入射光を反射するように構成される場合、背面１６０は本明細書において「反射背面」と呼ばれてもよい。反射背面の限定的でない例は、鏡面を有する背面、背面に隣接して配置されたミラー、背面の法線に対して内部反射の第２の臨界角を有する背面であって反射の第２の臨界角が反射の第１の臨界角未満である背面、又は背面が内部反射の第１の臨界角の内部入射光に反射する他の構成を含む。

[0026]光学くさび１００及び端部反射器１２５の構成は、均一な光が薄い端部１１０に入射される場合に表示面１５０の大部分を均一に照らし、かつ入射された光の大部分を表示面１５０から出させるように構成されてもよい。上述のように、薄い端部１１０において入射された光線が全反射によって反射器１２５を出るように移動するように、光学くさび１００はその長さに沿って先細になっている。端部反射器１２５は、表示面１５０及び背面１６０の各々に対する法線に関する光線角度を低減するように構成されたカットされたレンズ構造を含む。さらに、端部１１０の厚さを厚い端部１２０から薄い端部１１０に減少させることにより、光線角度は、光線が薄い端部１１０に向かって移動するにつれて各表面の法線に対して減少させられる。光線が第１の臨界角未満で表示面１５０に入射する場合、光線は表示面１５０を出る。

[0027]いくつかの実施例において、光源１０２は端部反射器１２５の焦点に位置してもよい。そのような実施例において、端部反射器１２５は、光学くさび１００の長さの２倍である曲率半径で曲げられてもよい。図３−４の実施例において、厚い端部１２０のコーナー（角）及び表示面１５０が直角を構成し、厚い端部１２０のコーナー及び背面１６０が直角を構成するように、光学くさび１００のテーパー角度が構成される。薄い端部１１０が端部反射器１２５の焦点にある場合、薄い端部１１０は厚い端部１２０の厚さの２分の１である。他の実施例において、これらの構造の各々は任意の他の適切な構成を有してもよい。

[0028]図示された実施例において、端部反射器１２５は、側面１３０から側面１４０へ、及び表示面１５０から背面１６０へ、球状に曲げられる。他の実施例において、端部反射器１２５は、表示面１５０及び背面１６０からの均一の曲率半径で、及び、拡張される場合に表示面１５０及び背面１６０が満たす曲率中心で、円筒状に曲げられてもよい。円筒状に曲がった端部反射器は、球状に曲がった端部反射器１２５よりたるみに対して強い耐性があり、これは大型の応用において有益となり得る。例えば、放物線などの、他の適切な湾曲が端部反射器１２５に使用されてもよい。さらに、側面１３０及び１４０に対して垂直な平面における端部反射器１２５の曲率は、側面１３０及び１４０と平行な平面における端部反射器１２５の曲率と異なってもよい。

[0029]上述のように、表示面１５０の反射の臨界角と背面１６０の反射の臨界角とが異なっていることが望ましいかもしれない。図５で示されるように、これは、背面１６０を介した光の損失を防ぐのに役立つ。図５は、図２−４の光学くさびの実施例の端部反射器１２５についての概略的な拡大された断面図を示す。端部反射器１２５は、厚い端部１２０の表面に対してある角度で配置された複数のファセットを含むカットされたレンズ構造を含む。ファセット５３０などの表示面１５０に面するファセットとファセット５４０などの背面１６０に面するファセットとの間で、複数のファセットが交互に存在する。端部反射器１２５は、曲率中心の方へ延在する端部反射器の法線５４２及び端部反射器の法線５３２で、上に記載されるように一般的な曲率に一致する。複数のファセットの各々は、端部反射器の表面の法線に対して、ある高さ及び角度を有している。例えば、表示面１５０に面するファセットのうちの１つは、端部反射器の法線５３２及びファセットの法線５３４に対してある高さ５３８及び角度５３６を有している．別の例として、背面１６０に面するファセットのうちの１つは、端部反射器の法線５４２及びファセットの法線５４４に対してある高さ５４８及び角度５４６を有している。

[0030]複数のファセットの各々の高さは、表示面１５０を出る平行光の均一性及び明るさに影響してもよい。例えば、より大きなファセットは、フレネル・バンディングを引き起こし得る理想的な焦点距離とは異なる光路を作成してもよい。そのため、そのようなバンディングが問題をもたらす実施例において、そのようなバンディングがあまり目に見えないように、複数のファセットの各々の高さを例えば５００ミクロン未満にすることが望ましいかもしれない。

[0031]同様に、複数のファセットの各々の角度はまた、表示面１５０を出る、平行光の均一性及び明るさに影響してもよい。光線５００は、ファセットの角度が光学くさび１００を介して光線の経路にどのように影響し得るかを示す。光線５００は、薄い端部１１０に入射され、光学くさび１００を通じて移動し、端部反射器１２５を打つ。光線５００の半分は表示面１５０に面するファセット５３０を打つ。ファセット５３０を打つ光線５００の一部は表示面１５０に向かう光線５１０として示される。光線５１０は、表示面１５０法線に関して内部反射の第１の臨界角以下の角度で表示面１５０と交差し、したがって、光線５１２として表示面１５０を出る。

[0032]光線５００の他方の半分は背面１６０に面するファセット５４０を打つ。ファセット５４０を打つ光線５００の部分は背面１６０へ向かう光線５２０として示される。表示面１５０の臨界角と背面１６０の臨界角との間の差のために、光線５２０は、背面１６０の法線に関する内部反射の第２の臨界角より大きな角度で背面１６０と交差し、したがって、表示面１５０に向かう光線５２２として反射する。その後、光線５２２は、表示面１５０の法線に関して内部反射の第１の臨界角以下の角度で表示面１５０と交差し、したがって、光線５２４として出る。このように、端部反射器１２５から反射する光の大部分（及びいくつかの実施例においては、実質的にすべて）は、表示面１５０を出る。

[0033]表示面１５０に面するファセット及び背面１６０に面するファセットによって別々に反射されている光のために、先端から後部に向かう方向に配置された、オーバラップする重ね合わせた第１及び第２の画像は、表示面１５０において形成されてもよい。これらの画像間のオーバーラップの程度はファセット５３０及び５４０の角度によって決定されてもよい。例えば、より詳細に以下に説明されるように、各ファセットが、９０度と反射の第１の臨界角との間の差の８分の３の端部反射器の表面の法線に対してある角度を有する場合、２つの画像は完全に重複している。この例では、光学くさび１００へ入力される実質的にすべての光が表示面１５０を出る。この値からファセットを変えることは画像間のオーバーラップの量を減少させ、その結果、２つの画像のうち一方又は他方のみが表示され、ファセットの角度は、９０度と反射の第１の臨界角との間の差の１／４又は１／２である。さらに、９０度と反射の第１の臨界角との間の差の８分の３からファセットの角度を変えることはまた、表示面１５０からではなく、光学くさび１００の薄い端部からある程度の光を出させることになる。ファセットの角度が９０度と反射の第１の臨界角との間の差の１／４又は１／２である場合、表示面も均一に照らされてもよいが、光の半分は光学くさび１００の薄い端部から出て、したがって失われる。所望の使用環境によって、平行光を生成するために、９０度と反射の第１の臨界角との間の差の８分の３以外のファセット角度を使用することが適切かもしれないことが理解されよう。そのような使用環境は、オーバラップしない光の任意の領域（オーバーラップする領域に対してより低い強度を有するように見える）がユーザーによって観察される視野内にない環境を含むが、これに限定されない。

[0034]代替的な実施例において、端部反射器１２５のカットされたレンズ構造は回折格子を含んでもよい。回折格子の式が、所与の入射角及び所与の光の波長に対する回折角を計算するために使用されてもよい。回折角が光の波長に依存するので、入射された光が単色の場合、回折格子を含む端部反射器が望ましいかもしれない。

[0035]図６及び７は、多くの光学くさびを介した光線の経路として、光学くさび１００を介した光の移動を示し、各光学くさびは、図５に示された概念をさらに示すための光学くさび１００の実施例の複製である。光学くさびの複製の束を介して光線をトレースすることは、光学くさび内で光線の経路をトレースすることと光学上等価である。したがって、このように、光線の各々の内部反射は、１つの光学くさびから隣接した光学くさびへの境界を介した光線の通過として示される。図６では、表示面は、光学くさび６００の束における最上部のくさびの表示面６２０として示される。背面は、光学くさび６００の束における一番下のくさびの背面６３０として示される。光学くさび６００の束の厚い端部は、おおよそ、すべての表面が集中する軸６１０に中心のあるカーブ６４０であるものを形成するように一緒になる。図６では、各くさびの厚い端部は同じ一般的な曲率を有しているものとして示される。しかし、各くさびの厚い端部は任意の他の適切な曲率を有してもよいことが理解されよう。

[0036]図６はまた、光学くさびスタック６００の薄い端部に入射される光のコーンの対向面に位置する２つの光線６５０及び６６０を示す。各光線６５０及び６６０について、端部反射器からの反射の後、光線の半分は、実線６５２及び６６２によって示されるように、光学くさびスタック６００の厚い端部の近くで（及び従って表された光学くさびから）現れ、また、光線の半分は、破線６５４及び６６４によって示されるように、光学くさびスタックの薄い端部から現れる。これらの２つの極端な場合の間の任意の角度で入射される光線もまた、端部反射器中のカットされたパタンによって分割され、同様にして、光学くさびの表示面及び背面から現れる。光線６５２及び６６２と平行な表示面６２０を出る光線は、斜線部分６０２によって表される。上述のように、光学くさびの背面６３０を介して放射されるものとして示された光線が、その代わりに、背面によって反射され、次いで、光学くさびの表示面上で利用されるクラッド（図示せず）より低い屈折率を有する光学くさびの背面上のクラッド（図示せず）を利用することにより、表示面から出てもよいことが理解されよう。このように、そのような光学くさびの薄い端部に入射される実質的にすべての光は、光学くさびの表示面から放射されてもよい。

[0037]表示面が均一に照らされるために（例えば、ファセット５３０及び５４０から反射された画像が完全に重複している）、薄い端部で入射され、端部反射器の方へ水平に移動し、端部反射器の法線と一致する光線は、表示面に面するファセットから反射し、表示面の中心に移動して、表示面の臨界角で表示面と交差する。図７は、光学くさび７００のスタックを介したそのような光線の経路の概略図を示す。光線７１０は光学くさびの薄い端部７０２において入射され、光線７１５として端部反射器７０４から反射する。光線７１５は、表示面７０６の中心に移動して、表示面の法線７２に対して反射の臨界角７３０で表示面７０６と交差する。角度７３２及び７３４の合計は、９０度及び反射の臨界角７３０の差である。光学くさびの薄い端部が光学くさびの厚い端部の厚さの２分の１である場合、くさびの中央点は光学くさびの厚さの３／４である。近軸近似を使用して、角度７３２は、９０度及び反射の臨界角７３０の差の４分の３である。水平線７２２は入射される光線７１０と平行であり、したがって角度７４０は角度７３２と等しい。反射の法則から、入射角は反射角と等しく、したがって、ファセットの角度は角度７４０の２分の１であってもよい。したがって、表示面が均一に照らされるために、上述のように、表示面に面する各ファセットは、９０度と反射の臨界角７３０との間の差の８分の３の端部反射器の表面の法線に対する角度を形成してもよい。

[0038]光学くさび１００に光を入射するために任意の適切な光源が使用され得る。例としては発光ダイオード（ＬＥＤ）を含むがこれに限定されない。光がランバートパターン中の露出した（bare）ＬＥＤから放射することに留意されたい。しかし、露出したＬＥＤに関する増加した光効率については、すべての光線が図６に示される２つの実線の光線６５０と６６０との間の角度、つまり、０度と９０度から臨界角を差し引いた差の半分との間である光学くさびの平面に対する角度であるように、光が光学くさびに入射されることが望ましいかもしれない。したがって、ＬＥＤは、集光器（コンセントレーター）の出口の厚さがくさびの薄い端部の厚さと等しく且つその放射の角度範囲が光線６５０及び６６０によって示された範囲とほぼ等しいように設計された、集光器の焦点に配置されてもよい。

[0039]いくつかの実施例において、出力される平行光の強度を増加させるために、複数の光源が、光学くさびの薄い端部に隣接して及びその端部に沿って配置されてもよい。そのような光源のアレイの光学くさび１００からの出力は、各々の光源を分析し、次いで重ね合せの原理を使用して結果を組み合わせることにより、分析されてもよい。例示的な光学くさびを介した光線の経路についての概略図を示す図８及び９によって示されるように、これは、そのような光源のアレイを使用して均一な平行光を生成するシステムの設計に有用となり得る。図８及び９における光学くさび１００は、薄い端部１１０、厚い端部１２０、側面１３０及び１４０、並びに中心線８５０を有する表示面１５０を含む。厚い端部１２０は端部反射器１２５を含む。側面１３０及び１４０は反射特性を有してもよい。光源８０２及び９０２は中心線８５０から等距離に、薄い端部１１０に隣接して配置される。

[0040]図８において、光線８１０及び８３０によって境界を設けられる光のコーンは光源８０２によって薄い端部１１０において入射される。光線８３０は端部反射器１２５と交差し、光線８４０として示される。光線８１０は端部反射器１２５と交差し、側面１４０からの追加の反射の後に光線８２０として反映される。図８に示されるように、表示面１５０から放射される平行光は、この構成において均一ではないかもしれない。例えば、「反射」とラベル付けされた、光線８２０と側面１４０との間の領域は、光線８２０と側面１４０との間の領域において端部反射器１２５から直接反射された光線に加えて表示面から放射される側面１４０から反射された光線のために、光線８２０と側面１３０との間の領域より明るいかもしれない。さらに、「影」とラベル付けされた、側面１３０と光線８４０との間の領域は、側面１３０から離れて反射される光線８４０によって引き起こされる影のために、８４０と側面１４０との間の領域より薄暗いかもしれない。

[0041]図９において、光源９０２は光源８０２と中心線８５０からの距離が同じであるが、中心線８５０の対向する側に配置される。光線９１０及び９３０によって境界を設けられる光のコーンは光源９０２によって薄い端部１１０において入射される。光線９３０は端部反射器１２５と交差し、光線９４０として反射される。光線９１０は端部反射器１２５と交差し、側面１３０からの追加の反射の後に光線９２０として反射される。図８に関して上に記載されるように、表示面１５０から放射される平行光はこの構成において均一ではないかもしれない。「反射」とラベルを付けられた、光線９２０と側面１３０との間の領域は、光線９２０と側面１４０との間の領域より明るいかもしれない。さらに、「影」とラベルを付けられた、側面１４０と光線９４０との間の領域は、８４０と側面１４０との間の領域より薄暗いかもしれない。

[0042]光源８０２及び９０２が中心線８５０から同様の距離に配置される場合、図８における「反射」領域の境界は、図９における「影」領域の境界に一致してもよい。同様に、図８における「影」領域の境界は、図９における「反射」領域の境界に一致してもよい。各光源によって薄い端部１１０において入射される光が同様に明るく均一であるように、光源８０２及び９０２の明るさが類似する場合、影と反射の領域は互いに相殺してもよい。

[0043]図１０は、光導波路を介して光をコリメートする例示的な方法１０００を示す。光導波路は、第１の端部、第１の端部に対向する第２の端部、複数のファセットを含む端部反射器、第１の端部と第２の端部との間に延在する表示面、及び表示面に対向する背面を含んでもよい。表示面は反射の第１の臨界角を有してもよく、背面は反射の第２の臨界角を有してもよく、反射の第１及び第２の臨界角は異なる。１つの実施例において、光導波路は図２の光学くさびであり、光学くさびの薄い端部は光導波路の第１の端部であり、光学くさびの厚い端部は光導波路の第２の端部である。代替的な実施例において、光導波路は一定の厚さを有してもよく、例えば第１の端部及び第２の端部は同じ厚さである。光導波路は、第１の端部と第２の端部との間で線形に変化する屈折率を有する、表示面及び／又は背面上のクラッドを含んでもよい。光が光導波路の第１の端部に入射される時、この実施例は光学くさびと同様に機能する。さらに別の実施例において、光導波路は、一定の厚さ、第１の端部と第２の端部との間で線形に変化する屈折率、及び一定の屈折率の表示面及び／又は背面上のクラッドを有してもよい。光が光導波路の第１の端部に入射される時、この実施例はまた、光学くさびと同様に機能する。

[0044]図１０に戻ると、１０１０において、光は光導波路の第１の端部に入射されてもよく、次いで、１０２０において、光は全反射によって端部反射器へと伝えられてもよい。１０３０において、光は、端部反射器から内部反射されてもよい。端部反射器から内部反射された光は、第１の組のファセット及び第２の組のファセットから反射されてもよく、第１の組のファセットの各々は表示面を少なくとも部分的に指す法線を有し、第２の組のファセットの各々は背面を少なくとも部分的に指す法線を有する。さらに、いくつかの実施例において、第１の組のファセットの各々は、９０度と反射の臨界角との間の差の８分の３の角度を有してもよく、第２の組のファセットの各々は、９０度と反射の臨界角との間の差の８分の３の角度を有してもよい。他の実施例において、ファセットは、光の強度における不適切な変化を引き起こさない他の適切な角度を有してもよい。

[0045]端部反射器上のファセットが角度をつけられた角度のために、１０４０において、光の第１の部分は表示面から放射されてもよく、光の第１の部分は、反射の第１の臨界角で表示面と交差する。１０５０において、反射の第２の臨界角が反射の第１の臨界角未満である場合、光の第２の部分は、反射の第１の臨界角と等しい角度で背面から内部反射されてもよい。１０６０において、光の第２の部分は、その後、背面から内部反射した後に、表示面から放射されてもよい。

[0046]そのような平面パネルコリメーターの潜在的な使用の中には、液晶パネルを照らすということがある。液晶ディスプレイは動画を表示する安価な方法であり、液晶パネルを備え、その後ろにバックライトが配置される。これまでのくさびのバックライトは、厚い端部に沿って光源を備えた薄い透明なくさびと、見る人が表示される画像を見ることができるように、液晶パネルを介して光を見る人へ導く膜を利用してきた。表示された画像を視界の広視野から見ることができるようにバックライトからの放射が十分に拡散していることを保証するために、相当な労力がなされる。例えば、いくつかの以前のくさびは分散した場所で満たされた。しかし、拡散した照明により、従来のディスプレイとして以外の方法で液晶パネルを使用することは難しい。

[0047]ビデオ画像を投影することが望ましい多くの用途が存在する。これは、液晶ディスプレイの前にレンズを配置することにより行われてもよい。しかし、照明が拡散している場合、レンズは大きくなければならず、したがって高価になる。平面パネルコリメーターは、小さな映写レンズによって凝縮され得る平行光によって小さな液晶パネル又は他の空間光変調器を照らす、スリムな方法になり得る。デジタルマイクロミラー装置の場合のように、空間光変調器が反射性である場合、ビームスプリッターも照明のための他の空間も必要ではない。したがって、映写レンズは、要求されるように、光変調器において近接するものとしてもたらされてもよい。

[0048]いくつかの用途において、画面に画像を数ミリメートルだけ投影することが望まれ得る。これは、太陽が地面に木の影を投影するのと同じ方法で行われてもよい：平行光で大きな液晶パネルを照らし、その影、例えば画像、は、液晶パネルから数ミリメートル離れて間隔を空けて配置された拡散器上に形成することができる。このための１つの応用は、キーボードのすべてのキー上にビデオ画像が存在することが望まれるような場合である。別個の表示画面が各キーボードキー上に形成されるべきであるならば、非常に多くの小さなディスプレイのコストは法外に高くなるかもしれない。しかし、上に記載されるような平行な光学くさびバックライトを使用して、拡散表面を備えた透明なキーを提供し、平行にされたバックライトを備えた液晶パネルにわたって配置することができる。このように、画像は、単一の大きいが低価格なパネルの異なる領域から各キーまで投影することができる。

[0049]影の投影のための別の例示的な応用は、拡散器に触れる指又は物体が後ろにある赤外線カメラによって検知されるようになっている拡散器上への画像の投影にある。ワシントン州レドモンドのマイクロソフト株式会社によって開発され販売されるマイクロソフトのＳＵＲＦＡＣＥなどの装置は、ビデオプロジェクター、赤外線ランプ、カメラ及び拡散器を含む。プロジェクターは拡散器上にビデオ画像を作成し、ランプは、拡散器から離れているときは物体がぼやけて見えるが触れる瞬間に鮮明に見えるように、ランプは近くの物体を照らす。撮像光学系は、上述の実施例などの光学くさびによって拡散器にカメラを向けることにより、スリムにすることができる。液晶ディスプレイが拡散光によって照らされる場合、投影される画像は拡散器と空間的に離れていてもよく、したがって、ぼかされてもよい。したがって、液晶パネルは、可視画像が拡散器においてぼかしなしに形成するように、上述のように平行光で照らされてもよい。いくつかの実施例において、平行な可視の照明を提供して赤外線画像を検出するためのパネルは同じであり、端部反射器は、可視光を反射するが赤外光を透過する、本開示による角度でのファセットを含み、これらのほか、赤外光を反射し単一の明白な画像を形成するように角度をつけられた、配置されたファセットやその均等物がある。

[0050]本明細書に記載された構成及び／又は手法が本来例示的なものであり、多数の変化が可能であるので、これらの特定の実施例又は例が限定的な意味で考慮されるべきでないことが理解されよう。本開示の主題は、本明細書に開示された、様々な処理、システム及び構成、他の特徴、機能、動作、及び／又は特性のすべての新規且つ非自明な組み合わせ及びサブコンビネーションのほか、それらの任意の及びすべての均等物を含む。

Claims (15)

1. 第１の光インターフェースを含む第１の端部と、
   前記第１の端部に対向する第２の端部と、
   前記第１の端部と前記第２の端部との間に少なくとも部分的に延在する第２の光インターフェースを含む表示面であって、前記第２の光インターフェースは前記表示面の法線に対して内部反射の第１の臨界角を有する、表示面と、
   内部反射の前記第１の臨界角において内部に入射される光に対して反射性であるように構成される、前記表示面に対向する背面と、
   前記光導波路の前記第２の端部に配置された端部反射器であって、均一な光が第１の端部に入射される場合に前記表示面の大部分が均一に照らされるようにし、前記入射された光の大部分に前記表示面を出させるように、角度をつけられた複数のファセットを含むカットされたレンズ構造を含む、端部反射器と
   を有する光導波路を備える光コリメーター。
2. 前記光導波路の第１の端部は薄い端部であり、前記光導波路の第２の端部は厚い端部である請求項１に記載の光コリメーター。
3. 前記端部反射器は球状に曲げられている請求項１に記載の光コリメーター。
4. 前記端部反射器の前記カットされたレンズ構造の前記複数のファセットが前記表示面に面する複数のファセット及び前記背面に面する複数のファセットを含み、前記表示面に面する各ファセットは前記背面に面するファセットに隣接して配置される請求項１に記載の光コリメーター。
5. 前記表示面に面する各ファセットは、９０度と前記第１の臨界角との間の差の８分の３の、前記端部反射器の表面の法線に対する角度を形成する請求項４に記載の光コリメーター。
6. 前記背面に面する各ファセットは、９０度と前記第１の臨界角との間の差の８分の３に等しい、前記端部反射器の表面の法線に関する角度を形成する請求項４に記載の光コリメーター。
7. 前記表示面に面する各ファセットは５００ミクロン未満の高さを有し、前記背面に面する各ファセットは５００ミクロン未満の高さを有する請求項４に記載の光コリメーター。
8. 前記背面は前記反射性の背面の法線に対して内部反射の第２の臨界角を含み、前記反射の第２の臨界角は前記反射の第１の臨界角未満である請求項１に記載の光コリメーター。
9. 前記光導波路の前記表示面はクラッドを含む請求項１に記載の光コリメーター。
10. 前記光導波路の前記背面はクラッドを含む請求項１に記載の光コリメーター。
11. 前記背面はミラーを含む請求項１に記載の光コリメーター。
12. 前記光導波路は第１の反射性の側面及び第２の反射性の側面をさらに含み、前記第１の反射性の側面は前記第２の反射性の側面に対向し、各々の反射性の側面は、前記第１の端部から前記第２の端部及び前記表示面から前記背面に延在する請求項１に記載の光コリメーター。
13. 光導波路を介して光をコリメートする方法であって、前記光導波路は、第１の端部、前記第１の端部に対向する第２の端部、端部反射器、前記第１の端部と前記第２の端部との間に延在する表示面、及び前記表示面に対向する背面を含み、前記方法は、
    前記光導波路の前記第１の端部へ光を入射するステップと、
    全反射によって前記端部反射器へ光を伝えるステップと、
    前記端部反射器から前記光を内部に反射するステップと、
    反射の臨界角で前記表示面からの光の第１の部分を放射するステップと、
    前記反射の臨界角と等しい角度で前記背面から光の第２の部分を内部に反射し、次いで、前記背面から光の前記第２の部分を内部に反射した後に前記表示面から光の前記第２の部分を放射するステップと
    を含む方法。
14. 前記端部反射器から光を反射する前記ステップは、第１の組のファセット及び第２の組のファセットから光を反射するステップを含み、前記第１の組のファセットの各ファセットは前記表示面を少なくとも部分的に指す法線を含み、前記第２の組のファセットの各ファセットは前記背面を少なくとも部分的に指す法線を含む請求項１３に記載の方法。
15. 前記第１の組のファセットの各々は９０度と前記反射の臨界角との間の差の８分の３の角度を有し、前記第２の組のファセットの各々は９０度と前記反射の臨界角との間の差の８分の３の角度を有する請求項１４に記載の方法。

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