JP2021518634A - 光学デバイス - Google Patents

Abstract

光伝搬のために構成されたライトガイド媒体（１０１）と、光学機能内部キャビティ（１２）として設けられた複数の埋め込み特徴部によって透光性キャリア媒体（１１１）内に形成された、少なくとも１つの光学機能特徴部パターン（１１）を備える、少なくとも１つの光学機能層（１０）と、を備える透明光学デバイス（１００）であって、前記少なくとも１つの特徴部パターン（１１）は、入射光制御機能および少なくとも光アウトカップリング機能を実行するように構成されており、そのことにより迷光が最小にされ、前記デバイス（１００）の光学透明度が確立される。

Description

発明の分野
一般に、本発明は、透光性基板光学系に関する。特に、本発明は、ライトガイドなどの光学的に透明な配光素子およびその製造方法に関する。本発明はさらに、配光素子を備える光学的に透明な照明装置に関する。

背景
透明照明装置は、一般照明器具、ウィンドウおよびファサード照明、反射および透明ディスプレイ照明、道路および交通標識等の様々な用途で重要性を増している。良好な透明ソリューションを提供するためには、以下の４つの主要な課題が存在する。すなわち、１．表面レリーフ光学パターン、オープン構造、２．配光分布管理、３．迷光制御、４．高い透明度である。過去にいくつかのフロントライトソリューションが開発されたが、それらのほとんどは様々な理由で失敗し、市場に浸透することはなかった。

オープン光学構造は、汚染や物理的欠陥のリスクに起因する問題を引き起こす。このソリューションは、ほとんどの実際の産業用アプリケーションには適していない。完全に一体化された積層型照明装置は、表面レリーフパターンソリューションを利用することができない。さらに、オープン構造は、迷光として発生する光漏れを常に有している。

光学的な要求や仕様にもよるが、輝度上昇フィルム（ＢＥＦ）などの光学シートを一切追加せずに配光制御を行うことは、常に非常に困難を極めていた。透明デバイスは、透明度を低下させることなしには余分なシートを利用することができない。さらに、好ましい光取り出しは依然として課題である。さらに、完全に一体化されたデバイスの提供（例えば、積層による）では、別個の光学シートを追加することはできない。非常に高度な光学ソリューションのみがこの問題を解決することができる。

いかなる表面照明装置（視覚的観察性能を有するディスプレイ照明であるサイネージなど）も、観察方向での迷光を最小限に抑えることが求められている。これは視覚的なコントラスト比を大幅に低下させ得るからである。この特徴は、ほぼ全ての用途で大きな課題となっている。その理由は、光学パターン自体が光漏れおよびフレネル反射によって迷光を引き起こす可能性があるからである。入射角の大部分で光学パターン（ライトガイド内）に到達した光線は、第１の光学パターン面（光入射面）で取り出されるが、特定の入射角で到達した光線の一部はパターンを透過してしまい、望ましくない迷光およびフレネル反射を引き起こす可能性がある。さらに、ノンラミネート型デバイスソリューションは、常にその外面によってフレネル迷光を引き起こしていた。

最後に、光学透明度は、周囲光の有無に関わらず、常に光学パターン化特徴部とその特性および可視性に依存する。当然ながら、より大きな特徴部はより可視的になる。しかし、デバイスが照明されている場合には、より小さな特徴部であっても可視化してしまう。これは、パターン密度が低いと、可視的な輝点（典型的にはある視野角に対しての迷光の原因となる）を形成し得るからである。

図１ａ〜１ｂは従来のライトガイド１ソリューションを示し、図１ａは開放面ライトガイド、図１ｂはライトガイド媒体２に形成されたエアキャビティ１２Ａを有するライトガイドである。

図１ａ〜１ｂは、従来のソリューションが直面する、フロントライト、バックライト、および一般照明コンセプト用のライトガイドにおける、望ましくない迷光の基本的な問題を示している。光漏れの問題は、オープン構造として構成された従来の表面レリーフパターン、および高度なキャビティパターン構造において発生する。これは一般的な問題であり、これまで合理的なソリューションが提示されていなかった。

図１ｃは、米国出願公開第２０１８／００８８２７０号（Ｔｕｏｈｉｏｊａ ｅｔ ａｌ．）から公知であるキャビティ光学系を用いたフロントライトソリューションを示している。上記公報の図４Ａ〜４Ｃを表す図１ｃは、特に、配光角度の断面図を表している。迷光が発生していることは、図４Ｃのコノスコープ上の円で示されている（ナンバリングは引用している公報のものに該当）。上述の公報は、迷光の問題を最小にする方法を教示せず、また、ディスプレイの観察性能（例えばコントラスト）を低下させる迷光のない好ましい照明を達成するために、第１のパターン面設計とともにインカップリングされた配光分布を最適化する方法も教示していない。また、この公報は、フレネル反射によるコントラスト性能および透明度の低下に対処するための示唆を欠いている。

実際、公知のソリューションは、パターンプロファイル（光が最も適切な入射角で前記プロファイルに到達するような）によって光を取り出することを一般に包含する。これらのソリューションはいずれも、迷光の発生をともなう難しい入射角には対処していない。

いくつかの最新のソリューションは、上述した問題のいくつかを解決し、またライトガイドの外面上の反射防止層（ＡＲ層）の一般的な理解は、数年前から存在していた。しかしながら、これらの最新のソリューションは、すべての望ましくない特性に対処しているわけではなく、したがって、多くの産業用アプリケーションに対して確かなソリューションが欠如している。透明照明用のキャビティ光学系は、これまで、最終的な品質性能目標のための光漏れの低減および迷光の改善の実際のソリューションが無いまま、提示されてきた。本開示は、いくつかのエンドユーザ製品構成のための利用モデルを含み、好ましい透明照明ソリューションを達成する方法という、多くの実際の問題に対処するものである。

この点で、光学パターンにおける散乱および／または迷光の発生の解消または少なくとも最小化に関連する課題に対処するという観点から、基本的に透明な照明装置の製造分野における技術の更新が依然として望まれている。

本発明の目的は、少なくとも関連技術の制約および欠点から生じる各問題を緩和することである。この目的は、独立した請求項１に定義される内容に従って、透明光学デバイスの様々な実施形態により達成される。

一実施形態において、光伝搬のために構成されたライトガイド媒体と、光学機能内部キャビティとして設けられた複数の埋め込み特徴部によって透光性キャリア媒体内に形成された、少なくとも１つの光学機能特徴部パターンを備える、少なくとも１つの光学機能層と、を備える透明光学デバイスであって、前記少なくとも１つの特徴部パターンは、前記パターンにおいて所定のインカップリング配光分布を確立すること、および／または前記光学デバイス内およびその間の界面に設けられた材料および素子の屈折率を変更することにより、入射光制御機能および少なくとも光アウトカップリング機能を実行するように構成されており、そのことにより迷光が最小にされ、前記デバイスの光学透明度が確立される、透明光学デバイスが提供される。

一実施形態において、 前記透明光学デバイスにおいて、前記光学機能層の光学機能（単数または複数）が、前記特徴部パターン内の前記キャビティの寸法、形状、周期性および配置のうち少なくとも１つおよび前記特徴部パターンのフィルファクター値によって確立されている。

一実施形態において、 前記透明光学デバイスにおいて、前記少なくとも１つの特徴部パターン中の前記キャビティが入射面および出射面を備え、前記入射面はそこに到達する入射光をインカップリングし、かつ光線を前記キャビティ内へそして前記出射面に向けて導くように構成されており、前記出射面が、そこに到達する光線を受光し、前記光線を前記キャビティの外に、そして前記透光性キャリア媒体の中へ透過することによって、伝搬させ、かつ／またはアウトカップリングするように構成されている。

一実施形態において、 前記透明光学デバイスにおいて、前記出射面は、光を少なくとも屈折機能によって透過するように構成されている。

一実施形態において、 前記透明光学デバイスにおいて、前記入射面は、そこに到達する光を、表面法線に対する臨界角よりも小さい所定の入射角または入射角範囲でインカップリングするように構成されており、そのことによってフレネル反射がアウトカップリングされることが回避される。

一実施形態において、 前記透明光学デバイスにおいて、前記入射面は、コリメーション機能により、そこに到達する光をインカップリングし、光線を前記キャビティ内に導くようにさらに構成されていることにより、光が前記出射面以外の他の表面に当たることを回避しながら前記キャビティ中を伝搬するようにする。

一実施形態において、 前記透明光学デバイスにおいて、.前記少なくとも１つの特徴部パターン１１の前記キャビティが、内部全反射（ＴＩＲ）機能を介して、前記入射面に到達する入射光をアウトカップリングするように構成されている。

一実施形態において、 前記透明光学デバイスにおいて、前記少なくとも１つの特徴部パターン中の前記キャビティが、前記キャビティの内部の前記入射面に配置された反射防止層を備えている。一実施形態において、前記少なくとも１つの特徴部パターン中の前記キャビティが、前記キャビティの内部の前記出射面に配置された反射防止層をさらに備えている。

一実施形態において、 前記透明光学デバイスにおいて、前記キャビティが気体媒体、好ましくは空気で充填されている。

一実施形態において、前記透明光学デバイスに設けられた前記特徴部パターンにおいて、前記埋め込みキャビティ特徴部が、複数の関連する光通路と交互に配置されている。

一実施形態において、 前記埋め込み特徴部パターンが、前記キャリア媒体のパターン化層に対して配置された前記キャリア媒体の完全に平坦で平面的な層によって形成されるラミネート構造によって、前記透光性キャリア媒体の中に確立され、それによって、複数の光学機能内部キャビティが層の間の界面に形成される。

一実施形態において、 前記透明光学デバイスは、前記透光性キャリア媒体によって形成された層の間の界面に配置された反射防止層をさらに備える。

一実施形態において、 前記透明光学デバイスにおいて、前記埋め込み光学キャビティ特徴部が、溝、凹部、ドット、およびピクセルからなる群より選択され、前記キャビティ特徴部が、バイナリ、ブレーズ、傾斜、プリズム、台形、半球形プロファイルその他から選択される横断方向プロファイルを有し、前記特徴部が、直線状、曲線状、波状、正弦波状その他から選択される長さ方向の形状を有する。

一実施形態において、 前記透明光学デバイスにおいて、前記少なくとも１つの特徴部パターンが、複数の離散的な特徴部プロファイルおよび／または複数の少なくとも部分的に連続的な特徴部プロファイルを含むハイブリッドパターンである。

一実施形態において、 前記透明光学デバイスにおいて、前記少なくとも１つの特徴部パターンが、前記透光性キャリア媒体内に完全に一体化されている、および／または埋め込まれている。

一実施形態において、 前記透明光学デバイスは、前記光学機能層上に配置された少なくとも１つの反射防止層をさらに備え、それにより、前記特徴部パターンは、その光学機能（単数または複数）の面において、前記反射防止層と協働してフレネル反射を回避するように構成されている。

一実施形態において、 前記透明光学デバイスにおいて、前記ライトガイド媒体および前記光学機能層が、光学ポリマーおよび／またはガラスである。

一実施形態において、 前記透明光学デバイスは、前記ライトガイド媒体の少なくとも１つの表面上に配置され、その表面カバレッジ全体または所定のエリアにおいて少なくとも１つの光学機能を与えられた少なくとも１つの光学フィルタ層をさらに備え、ここで、前記光学フィルタ層の少なくとも１つの光学機能は、少なくともそれが形成されている材料に関して、反射、透過、偏光、および屈折から選択される。

一実施形態において、 前記光学フィルタ層が、前記光学機能層を構成する材料の屈折率よりも低く、好ましくは前記ライトガイド媒体を構成する材料の屈折率よりも低い屈折率を有する基材で形成されていることを特徴とする

一実施形態において、 前記光学フィルタ層は、反射性内部全反射層構造として構成される。

一実施形態において、 前記透明光学デバイスにおいて、前記光学フィルタ層は前記ライトガイド媒体の両方の表面に配置されている。一実施形態において、 前記光学フィルタ層は、前記ライトガイド媒体と前記光学機能層との間に配置されている。

一実施形態において、 前記透明光学デバイスにおいて、前記光学フィルタ層が、光の透過を可能にするための複数の光学開口部を備え、前記開口部は、前記光学フィルタ層の所定の位置内に配置されるか、または前記光学フィルタ層の表面全体に沿っておよび／またはこれを横切って延びている。

一実施形態において、 前記透明光学デバイスは、照明面の少なくとも一部と光学的接合（optical bonding) を確立するように構成された光学コンタクト層をさらに備える。

一実施形態において、前記光学コンタクト層が、複数の光学機能特徴部を含む少なくとも１つの特徴部パターンを任意に備えた均一な層である。

一実施形態において、 前記光学コンタクト層が、前記照明面との非恒久的な光学的係合（optical joint) を確立するように構成されている。一実施形態において、前記光学コンタクト層が、前記照明面との恒久的な接続を確立するように構成されている。

一実施形態において、前記透明光学デバイスはさらに少なくとも１つの光源を備える。一実施形態において、前記透明光学デバイスにおいて、前記少なくとも１つの光源から得られる照明の存在下および非存在下で光学透明度が確立される。

一実施形態において、前記透明光学デバイスは、フロントライト照明装置またはバックライト照明装置として構成されている。

別の局面において、請求項３７の記載に基づき、上記実施形態による透明光学デバイスを備える、透明な被照明物が提供される。

さらに別の局面において、請求項３９の記載に基づき、上記実施形態による透明光学デバイスの使用が提供される。

本発明の有用性は、各特定の実施形態に応じて様々な理由から生じる。第一に、本発明は、以下を含む新規な光取り出しパターンソリューションに関する。

いくつかの好ましい実施形態では、本明細書で提供されるソリューションは、一体化された（内部の）キャビティ光学系として有利に実現される。光学キャビティを含む典型的なソリューションでは、光はしばしば部分的に前記キャビティ内に透過され（侵入）、それによって望ましくない屈折およびフレネル反射が引き起こされて、完全な配光制御が達成できない。これに対して、本明細書に提示されたソリューションでは、対応する光学機能特徴部パターンのＴＩＲ取り出し機能性により、取り出し配光分布（したがって反射ならびに屈折角および方向）を最終的に高精度で制御することができる。

本発明のデバイスの光学透明度は、例えばフレネル反射による散乱光および迷光を回避するかまたは少なくとも量を最小にすることを可能にするいくつかの構造的特性に起因する。本ソリューションは、例えば、曇り、ゴースト、迷光による二重画像の形成、カラー表示の「ウォッシュアウト」を排除し、表示コントラストの低下を回避することにより、ディスプレイデバイス上の画像の視覚的品質を向上させることを可能にする。

このソリューションは、フロントライトおよびバックライト、ウィンドウおよびファサード照明、サイネージおよび信号照明、太陽光アプリケーション、装飾照明、ライトシールドおよびマスク、ルーフライティングなどの公共照明および一般照明などに利用することができる。これらの特殊で高度な透明ライトガイドソリューションを必要とするいくつかの用途と市場動向があり、異なる特徴部とその最適化が必要とされている。

本開示は、ライトオフおよびオンモードにおいて顕著に改善された透明度を有し、有害な迷光およびフレネル反射を解消するかまたは少なくとも最小にすることをさらに可能にする、前記光学デバイスを提供することに焦点を当てている。

従来のソリューションでは、光学パターン化された構造に大部分の角度で入射した光は第１の光学パターン面（光入射面）で取り出されるが、特定の入射角で到着した一部の光線はパターンを透過してしまい、望ましくない迷光およびフレネル反射を引き起こす可能性があることを強調すべきである。

本明細書に提示した光学デバイスは、主に光カップリングと照明の目的のために構成されている。徹底した材料の選択と素子設計により透明度を実現し、また全体として様々な方法で迷光を最小限に抑え、これによりフレネル反射も最小限に抑えることを目標としている。

用語「光学的（optical）」および「光（light）」は、特に明示しない限り、概ね同義語として使用され、電磁スペクトルの特定の部分中の電磁放射、好ましくは、可視光を指すが、これに限定されない。

その最も広い意味において、用語「光学フィルタ（optical filter）」または「光フィルタ（light filter）」は、本開示では、そこに入射する電磁放射のスペクトル強度分布または偏光の状態を変化させるために使用されるデバイスまたは材料を指す。フィルタは、透過、反射、吸収、屈折、干渉、回折、散乱および偏光から選択される様々な光学機能の実行に関与し得る。

その最も広い意味において、「ライトガイド」または「導波路」という用語は、本開示では、（例えば、光源から光取り出し面へ）光を透過させるように構成されたデバイスまたは構造を指す。この定義には、ライトパイプタイプの部品、ライトガイドプレート、ライトガイドパネルなどを含むが、これらに限定されない、任意のタイプのライトガイドが含まれる。

「キャリア」または「キャリア媒体」という用語は、概して、光伝搬のために構成され、オプションとして層状構造を構成してもよい基材からなる、平坦で平面的な部材を指す。

「素子」という用語は、本開示において、実体の一部を示すために使用される。

「いくつかの（a number of）」という表現は、本明細書では、例えば１、２または３などの、１から始まる正の整数を意味し、「複数の」という表現は、本明細書では、２から始まる正の整数、例えば、２、３または４を意味する。

用語「第１」および「第２」は、いかなる順序、量、または重要性を示すことをも意図したものではなく、むしろ、単に１つの要素を別の要素から区別するために使用される。

本発明の異なる実施形態は、詳細な説明と添付の図面を考慮することで明らかになるであろう。
図１ａは、従来のライトガイドソリューションを示す。 図１ｂは、従来のライトガイドソリューションを示す。 図１ｃは、従来のライトガイドソリューションを示す。 図２は、ある局面における透明照明装置、すなわち透明光学デバイスのための多くのソリューションに導入される様々な特徴を定義するチャートである。 図３ａは、光学的特徴部の様々な構成およびそこを通る光透過を示す。 図３ｂは、光学的特徴部の様々な構成およびそこを通る光透過を示す。 図３ｃは、光学的特徴部の様々な構成およびそこを通る光透過を示す。 図３ｄは、光学的特徴部の様々な構成およびそこを通る光透過を示す。 図３ｅは、光学的特徴部の様々な構成およびそこを通る光透過を示す。 図３ｆは、光学的特徴部の様々な構成およびそこを通る光透過を示す。 図３ｇは、光学的特徴部の様々な構成およびそこを通る光透過を示す。 図３ｈは、光学的特徴部の様々な構成およびそこを通る光透過を示す。 図３ｉは、光学的特徴部の様々な構成およびそこを通る光透過を示す。 図３ｊは、光学的特徴部の様々な構成およびそこを通る光透過を示す。 図３ｋは、光学的特徴部の様々な構成およびそこを通る光透過を示す。 図３ｌは、図３ｉ〜３ｋのように実現される、いくつかの光学的特徴部を有する光学機能層の例示的な構成を示す。 図４ａは、いくつかの実施形態における、フロントライト照明として構成された透明光学デバイスを模式的に示す。 図４ｂは、いくつかの実施形態における、フロントライト照明として構成された透明光学デバイスを模式的に示す。 図４ｃは、いくつかの実施形態における、フロントライト照明として構成された透明光学デバイスを模式的に示す。 図５は、光学パターンプロファイル設計により意図される、光取り出しおよび迷光への効果を例示するグラフである。 図６は、光学パターンプロファイル設計により意図される、光取り出しおよび迷光への効果を例示するグラフである。 図７は、ある実施形態において実施されるソリューションと、従来のフロントライトとの比較図である。 図８は、反射防止層の配置により意図される、迷光への効果を例示する。 図９は、いくつかの実施形態における透明光学デバイスを、フレネル反射を最小にする観点について模式的に示す。 図１０は、いくつかの実施形態における透明光学デバイスを、フレネル反射を最小にする観点について模式的に示す。 図１１は、いくつかの実施形態における透明光学デバイスの積層体を模式的に示す。 図１２は、いくつかの実施形態における透明光学デバイスの積層体を模式的に示す。 図１３は、いくつかの実施形態における透明光学デバイスの積層体を、照明面とともに模式的に示す。 図１４は、いくつかの実施形態における透明光学デバイスの積層体を、照明面とともに模式的に示す。 図１５は、特徴部パターン内に設けられる光学機能特徴部プロフィールの、例示的な構成を示す。 図１６は、特徴部パターン内に設けられる光学機能特徴部プロフィールの、例示的な構成を示す。 図１７は、光学キャビティパターン表面プロファイルの主要な設計方法を例示する。

本発明の詳細な実施形態が、添付図面を参照して本明細書に開示される。図面全体を通して、同じ部材を参照するために、同じ参照文字が使用されている。以下の引用が部材について使用される。
１、２−従来のライトガイド媒体を有するライトガイド。よって、
１０−配光分布層構造；
１１−光学的特徴部パターン；
１１１、１１１Ａ、１１１Ｂ−透光性キャリア媒体；
１２−光学（パターン化）特徴部；
１２１、１２２−個々の光学的特徴部の光入射面および光出射面。よって、
１２Ａ−光学（パターン化）特徴部（先行技術）；
１３−光通路；
２１、２１１−反射防止層；
３０−接着剤；
３１−光学コンタクト接合（optical contact bonding）；
４０−低屈折率を有する層（先行技術）；
４１−開口部４１Ａを有する光学フィルタ層；
４２−開口部を有しない光学フィルタ層；
５１−照明／観察面；
６１−光吸収面；
６２−カバー；
１００、１００A−透明光学デバイス；
１０１−光学的に透明な基板；
７１−光源；
７１１−入射光；
７１２−取り出し（アウトカップリング）光；
７１３−迷光単体；
７１４−フレネルによる迷光

光学デバイス１００、１００Ａとして実施された完全に透明なライトガイドソリューション（以下、光学デバイス１００、１００Ａ）について以下に述べる。図２は、透明ライトガイドソリューションを達成するための特徴付けの、異なる段階を定義するチャートである。

このように本開示は、特に、透明度が照明モードに依存しないライトガイドソリューションを提供する。光学デバイス１００、１００Ａは、光がオンのときおよびオフのときに透明である。本ソリューションは、さらに、所定の角度での光アウトカップリング（取り出し）のコンセプトを利用しており、それにより、望ましくない迷光を回避することができる。

例示的な透明ライトガイド素子が照明目的で利用されない場合、素子はパッシブモードにあり、それにより、素子を介した視覚的な透明度が典型的に必要とされる。例えば、反射ディスプレイは、周囲光条件（例えば、太陽光条件）では照明を必要としない。したがって、前記ディスプレイの視覚特性を低下させることなくフロントライト照明を確立するためには、ライトガイドソリューションは完全に透明でなければならない。ある角度から入射する太陽光は、フレネル反射または後方反射による曇り、色の歪み、またはコントラストの低下を引き起こす可能性がある。上述の欠点は、本発明の実施形態によれば、光学デバイス１００、１００Ａでは解消されている。

アクティブモードでは、光学デバイス１００、１００Ａは、照明面の片側（ディスプレイまたはポスターなど）または両側（ファサードまたはウィンドウなど）に照明を提供するように構成することができる。特にディスプレイおよびファサード照明において、望ましくない迷光を解消するかまたは少なくとも最小にするために最も有益な方法で光学デバイスを構成するためには、好ましい照明分布、視覚的角度範囲等を考慮して、それぞれのケースでの照明目的を特定することが重要である。

ステータス（パッシブまたはアクティブ）に基づいて、光学デバイスソリューションの基本的な基準を以下のように分類することができる。

Ｉ．パッシブモード（非照明状態）の透明度基準：ａ）最小にされた曇り度、散乱のないこと、色の歪みのないこと、ｂ）最小にされたフレネル反射、ｃ）非可視的な光学パターン化特徴部、ｄ）非可視的な光学パターンの密度の変化。

ＩＩ．アクティブモード（照明状態）の透明度基準：ａ）光学パターンによる迷光の最小化、ｂ）光学的界面によるフレネル反射の最小化（表面反射または層反射）、ｃ）光学パターンによるフレネル反射の最小化（内部反射）、ｄ）光学的取り出しの質、散乱のないこと（反射、内部全反射）。

当然のことながら、透明照明は、機能層のための高度な光学材料を必要とし、それは、非散乱性であり、カラーシフトのないものでなければならない。これは、特に、ライトガイド媒体、例えば光学透明接着剤（ＯＣＡ）などの接着剤、および低Ｒｉクラッドなどの接着剤について重要な問題である。 例えば、非物理的な開口部を有する連続的な低Ｒｉクラッドは、散乱のリスクおよびより大量の迷光を回避するための重要なソリューションである（図４ａ参照）。クラッドに設けられた物理的な開口部が、異なる屈折率を有する材料からなる層とラミネートされていると、光散乱、曇り、およびコントラスト比低下の原因となることが観察されている。本開示は、局所的な屈折率の変化によって定義される光学開口部を有する、連続的な低Ｒｉクラッドとして提供される、改善されたソリューションを可能にする。これは、インクジェット印刷、逆オフセット印刷、レーザーまたは電子ビーム処理などを利用したより高屈折率の材料吸収を介して実現することができる。このように、光散乱の原因となるエッジを有するような物理的な開口部を有する必要はない。また、ＯＣＡなどの材料は、散乱特性やカラーシフト特徴を有していてはいけない。

各々の異なる製品ソリューションに最適な透明照明装置を製造するためには、基本的な基準およびソリューションを理解して進めることが重要である。本発明は、特に、プロファイル表面での迷光漏れを低減し、内部フレネル反射を解消するかまたは少なくとも最小にすることにより、内部キャビティ性能を改善するという観点から、基本的な問題に対処する。最良の結果は、２つ以上の特徴を組み合わせることによって達成され得る。透明度を達成し、迷光/望ましくないフレネル反射を低減するためのいくつかの主要なソリューションを以下に示す。

１．光学的プロファイルが、人間の目によっては捉えられない比較的小さな特徴部（２５μｍを超えない）によって形成される、光学キャビティパターンソリューション。より大きな特徴部を、反射防止（ＡＲ）コーティングやプロファイル表面に配置されＡＲパターン（ハイブリッドパターン）と組み合わせて利用することができ、基本的なパターンが人間の目にはより不可視的になる。表面の品質は、散乱を起こさない光学グレードのものでなければならず、したがって迷光の原因とならない。

２．光学パターン設計が一定のパターン密度または勾配パターン密度によって区別されることができ、パターン密度のためのフィルファクターは低い（例えば、総面積１０〜５０％）ように保持する必要がある、光学キャビティパターンソリューション。また、異なる領域間の高低フィルファクター変動によるパターンの可視性を回避または最小にするために、隣接する局所領域間のフィルファクターの変動範囲は約（±）３％であり、両コーナー領域間のフィルファクターの変動範囲は約（±）２０％とすることが必要である。

３．キャビティパターンプロファイルの第１表面が、内部全反射（ＴＩＲ）または屈折に基づいてすべての光を取り出／アウトカップリングするように構成されている光学キャビティパターンソリューション。したがって、迷光およびフレネル反射を回避および最小にするため、光は光学キャビティ内を透過しない（図３ａ、３ｉ）。典型的には、このタイプの単独光管理および配置は、光源または少なくとも垂直方向における光インカップリングコリメーションを必要とし、これにより、ライトガイド素子に入射する角度の範囲を制限することができる。

４．キャビティパターンプロファイルの第１表面が、光漏れなく、かつキャビティ界面表面の底、すなわちキャビティの底面での屈折による迷光の発生なしに、第２表面に出会うように、キャビティ内で取り出しおよびリダイレクトを行う、光学キャビティパターンソリューション。このような回避はソリューションを必要とし、ここで、（キャビティ）パターンプロファイルの第１表面は、漏れた迷光の回避のために、所定の入射角、特に、表面法線に対する臨界角よりも小さい入射角で入射した光を受けるように構成されている。入射光は、光学的コリメーション（光学系）によって制限されるか、または、光インカップリングエッジにおいて、より大きな角度（すなわち、臨界角を超える）で入射した光を受光するための吸収層を設けること（図３ｅ〜３ｈ）によって制限され得る。

５．第１表面が光を取り出し、第２表面がアウトカップリングなしに光を透過またはリダイレクトするように構成された対称光学キャビティパターンソリューションであって、ライトガイド素子から望ましくないフレネル反射を直接アウトカップリングしないように構成されている（図３ｂ、図３ｊ、図３ｃ）。周期的パターンが利用される場合、第２表面は、改善された光の方向および取り出し／アウトカップリング効率の点で、次のパターン面と協働するように構成される。

６．第１表面が光を取り出し、第２表面がアウトカップリングなしで光を透過またはリダイレクトし、それによってフレネル反射の望ましくない方向が最小にされる、対称光学キャビティパターンソリューション（図３ｃ）。

６．第１表面および／または第２表面に、反射防止コーティングまたは反射防止構造、好ましくは、例えばフレネル反射を最小にするために、ＡＲパターン、または多層コーティングまたは低Ｒｉコーティングによる広帯域反射防止（ＡＲ）を設けることができ得る、光学キャビティパターンソリューション（図３ｄ、３ｇ）。パターンおよびＡＲ構造／コーティングは、多機能のハイブリッド構造を形成する。

７．光学キャビティパターンプロファイルは、バイナリ、ブレーズ、傾斜、マイクロレンズ、台形などであってもよい（図３ａ〜３ｌ）。プロファイルは三次元であり、ドット、直線状または非直線状の線、ピクセル、可変パターンを含む複数形状を有する特徴部を形成することができる。エアキャビティソリューションにおけるこれらのプロファイルは、コーティングやサブパターンなしで、単独で利用することができるが、主要な光学的プロファイル上に設けられたＡＲコーティングや提供されるＡＲパターンの特徴部を利用することができる。なぜなら、これらＡＲコーティング／構造は、パターンをより不可視にするからである。

８．光学キャビティパターンプロファイルを形成する際に、完全に平坦な表面を有するサブ層（図３ｌ参照）のうちの１つには、ＡＲコーティングまたはＡＲパターンを設けることができ、これは、２層のラミネート、接合の後に、エアキャビティパターン内にのみ残ることになる。２層の接合は、光学的界面は消滅し、ＡＲ機能は終了するものとする。キャビティエリアのみＡＲ表面を有している（図３ｌ）。

９．反対方向への望ましくないフレネル反射を最小にするために、ＡＲ層（ＡＲコーティングまたはＡＲパターン）を外側にして、一方の面が周囲照明用の光取り出し面（片側）である光学キャビティパターン素子（図９）。両側光取り出しの場合は、ＡＲ層は不要である。

１０．一方の面が、反対方向の望ましくないフレネル反射を最小にするために、表示面上に光学的接合材料による光学コンタクトを有する、ディスプレイラミネーション用の光取り出し面（片側）である、光学キャビティパターン素子（図１０）。さらに、同じ取り出し面が、ライトガイドと接合層との間の界面フレネル反射を最小にするために、ＡＲコーティングまたはＡＲパターンを有していてもよい。

１１．一方の面が光フィルタリング面であって、光学的接合によって表示面上に好ましい照明を提供するために、非物理的な開口部によって光がそれを通過する、光学パターンを有しないライトガイド素子。光フィルタリング面は、光学透過コンタクト、開口部を有する低屈折率クラッドで形成されている（図４ａ、４ｂ）。

１２．光学キャビティパターンソリューションを使用することで、それにより、すべての光学層は透明および非散乱性であり、カラーシフトが無い。例えば、低Ｒｉクラッド層、ＯＣＡ層（すなわち物理的な光散乱特徴部を持たない層）などである。

１３．パターンプロファイルが回折歪みの散乱を最小にするように最適化されており、鋭い先端部および形状は最小にされ、丸みを帯びているか、または平坦化されている、光学キャビティ素子。

透明ライトガイドおよび透明キャビティ光学系には、多くの用途がある。典型的には、光学パターン自体は、ケースバイケースで設計され、最適化されなければならない。

いくつかの構成において、光学機能層内に提供される少なくとも１つの光学パターンは、溝、凹部、ドット、およびピクセルからなる群より選択されるレリーフ形状によって確立され、ここで、前記レリーフ形状は、バイナリ、ブレーズ、傾斜、プリズム、台形、半球形その他から選択される横断方向の凹状または凸状プロファイルを有し、ここで、前記レリーフ形状は、直線状、曲線状、波状、正弦波状その他から選択される長さ方向の形状を有している。

図１１は、場合によって「透明照明装置」と呼ばれる透明光学デバイスの、様々な実施形態の根底にあるコンセプトを示している。用語「透明」とは、材料の表面に到達した光子が、散乱、吸収、または後方反射などされることなくそのまま材料を通過することを可能にするような、材料の物理的特性として一般に定義される光学的透明さの機能を指す。本デバイス１００の光学透明度は、フレネル反射による散乱光および迷光を回避するかまたは少なくとも量を最小にすることを可能にするいくつかの構造的属性によって確立されており、例えば、迷光および色の「ウォッシュアウト」などによる視覚的曇り、ゴースト、および／または二重画像の形成をさらに解消することが可能になる。

異なる製品構成（例えば、フロントライト、バックライト、様々な被照明ターゲット用の照明プレート）について透明照明装置１００、１００Ａを最適化するためには、最終製品によって意図される基本的な基準および要求を理解して進めることが重要である。本開示は、特に、プロファイル表面を介した光漏れおよび／または内部フレネル反射によって生じる迷光を回避するという観点から、最適化された内部キャビティ性能を有する透明光学デバイスのための包括的なソリューションを提供する。以下に示す異なる構成は、透明度を達成し、迷光を回避することに向けられた２つ以上の特性の組み合わせを含む。

透明光学デバイス１００（以下、光学デバイス１００）は、ライトガイド媒体１０１と少なくとも１つの光学機能層１０と備える。ライトガイド媒体は、光の伝搬のために構成されることが有利であり、一方光学機能層１０は、そこに入射する光に対する制御機能、少なくとも光アウトカップリング機能を介して、デバイス１０１の光学透明度を確立するように構成されている。

上記光学機能は、限定しないが、少なくとも１つの光学機能特徴部パターン１１を設けることに帰せられる（図９）。

図９は、ある基本的な実施形態による光学機能層１０の断面図である。このように、層１０は配光分布構造を形成し、複数の埋め込まれた光学的特徴部によって透光性キャリア媒体１１１内に確立された、少なくとも１つの特徴部パターン１１を構成する。光学的特徴部は、複数の内部光学キャビティ１２（すなわち、内部、埋め込まれた、または一体化されたキャビティ光学系）によって形成される。後者は、さらに、「キャビティ」または「キャビティプロファイル」と呼ばれる。

図３ｌに層構造１０中の内部組織を示しており、キャリア媒体の完全に平坦で平面的な層１１１Ａがキャリア媒体のパターン化層１１１Ｂに対して配置され、そのようなパターン化層１１１と平面的な層１１１Ａとの間の界面に、内部（すなわち、埋め込まれたまたは一体化された）特徴部パターン１１が確立されている。キャリア層１１１Ａ、１１１Ｂの間の境界は、完成した構造体１０の基本的に「一体」の性質を強調するために、図示されていない。完全な構造体１０は、単一の層として提供される。

いくつかの場合において、光学機能層１０はフィルム、シートまたはコーティングの形態で、導波路媒体１０１に設けられる。

いくつかの実施形態において、透明光学デバイス１００は、このように、光伝搬のために構成されたライトガイド媒体１０１と、光学機能内部キャビティ１２として設けられた複数の埋め込み特徴部によって透光性キャリア媒体１１１内に形成された、少なくとも１つの光学機能特徴部パターン１１を含む、少なくとも１つの光学機能層１０とから構成される。前記少なくとも１つの特徴部パターン１１は、さらに、パターン１１に所定のインカップリング配光分布を確立することにより、かつ／または、光学デバイス内に設けられた材料および素子の屈折率およびその間の界面を変更することにより、入射光制御機能および少なくとも光アウトカップリング機能を実行するように構成されており、これによって迷光を最小にし、デバイス１００の光学透明度を確立することができる。

いくつかの実施形態において、光学機能層１０の光学機能（単数または複数）は、特徴部パターン１１内のキャビティ１２の寸法、形状、周期性および配置、のうち少なくとも１つおよび前記特徴部パターンのフィルファクター値によって確立される。

キャビティ１２などの光学的特徴部は、パターン１１を有する光学機能層内などの基準領域内に設けられる。前記基準領域内において、フィルファクターおよび／または密度、ならびに周期、ピッチ、高さ、長さ、角度、曲率、局所的ピクセルサイズ、位置などの前記光学的特徴部についての設計パラメータが変化してもよい。フィルファクター（ＦＦ）（fill factor またはfilling factor）は、単位面積に対する光学的特徴部１２のパーセント（％）比率によって定義され、光学ソリューションを設計する際の重要なパラメータの１つである。従って、ＦＦは、基準領域における特徴部１２の相対的な部分を定義する。

光学キャビティパターンを有する光学機能層１０は、典型的には、透明バックライト、フロントライトおよび照明パネルのための専用用途として設計され、これにより、光学パターン設計は、一定パターン密度または勾配パターン密度を有することができる。ここで、パターン密度のフィルファクター値は、総面積の１０〜５０％のような比較的低いレベルでなければならない。

また、異なる領域間の高低フィルファクター変動によるパターンの可視性を回避または最小にするために、隣接する局所領域間のフィルファクターの変動範囲は約（±）３％、両コーナー領域間のフィルファクターの変動範囲は約（±）２０％とする必要がある。達成された透明度は最終的な効率に影響を与え、ソリューションが透明であればあるほど、より大きな効率が得られる。連続的な周期的プロファイルおよびピクセルなどの局所的プロファイルの両方で、最大の効率が達成可能である。透明ソリューションについては、透明度、曇りおよび迷光の観点から最大のフィルファクターを最適化することができる。１つの重要な利点は、複数の用途に利用できる一定かつ効率的な３Ｄ光学パターン（ソリッドフィルファクター設計）を有することである。これにより、マスタリングおよび製品コストが削減され、比較的大きなサイズ、例えば０．５〜１．５ｍ²（平方メートル）より大きな光学デバイスの製造が可能になる。

図３ａ〜３ｋを参照し、キャリア媒体１１１（図３ｌに示す）内に設けられる光学キャビティ１２のための様々な構成を示す。記載した構成では、前記キャリア媒体１１１の屈折率値（ｎ１）は、埋め込みキャビティ１２を充填する媒体の屈折率値（ｎ２）を超える。キャビティ１２は少なくとも、入射光を受けるための入射面として構成された第１表面１２１と、キャビティを出射した光が媒体１１１内を透過してターゲット面を照明するために通る出射面として構成された第２表面１２２とを有する。所定の経路をたどる光のみが、本開示のキャビティパターンによって導かれることによって、照明目的のために利用され得る。

したがって、透光性キャリア媒体１１１は、光学ポリマーまたはガラスとして設けられる。例示的な構成では、キャリア媒体１１１は、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）である。

いくつかの構成では、キャビティ１２は気体媒体で充填される。前記キャビティ１２が空気で充填されていることがさらに好ましい。しかしながら、任意の他の気体媒体、および任意の流体、液体、ゲルまたは固体を、前記キャビティの充填材料として用意することができる。

図３ａおよび３ｉは、実施形態によれば、第１の（入射）表面１２１に入射した光が、内部全反射（ＴＩＲ）または屈折を介してアウトカップリング（取り出し）される構成を例示している。光はキャビティ内を透過しないので、迷光およびフレネル反射を回避または少なくとも最小にすることができる。典型的には、このタイプの単独光管理および配置は、少なくとも垂直方向において狭められた配光分布または光インカップリングコリメーションを有することにより、ライトガイド素子に入射する角度範囲を制限する、特別な光源を必要とする。このソリューションでは、ＴＩＲ機能を達成するために、例えば約１０°の垂直方向の光のコリメーションが必要となる。光インカップリングには特別な光学的配置が必要であり、これは光源またはライトガイドエッジに一体化され得る。そのような配置は、インカップリング領域のライトガイドの両表面に光学素子および／またはリダイレクト用リフレクタ層を有していてもよい。また、吸収層を利用して、より大きな入射光角をすべて排除することができる。

図３ｂおよび３ｊは、非対称キャビティ光学系ソリューションおよびその遭遇する基本的なフレネル反射問題を例示している。光は、このような角度（単数または複数）でパターン（キャビティ１２）に入射し、このとき、光がキャビティ１２内でリダイレクトされると、フレネル反射を介して有害な迷光を形成する。フレネル反射された（迷）光７１４は、表示面でパターン（破線）からさらにアウトカップリングされ得る。

図３ｃは、対称光学キャビティソリューションを示す。第１の（入射）表面１２１が、そこに到達する入射光をインカップリングし、光線をキャビティ内へそして第２表面１２２に向けて導くように構成されており、第２表面１２２が、そこに到達する光線を受光し、前記光線をキャビティの外に、そして透光性キャリア媒体１１１の中へ透過することによって、前記光線を前記媒体１１内で伝搬させ、かつ／またはアウトカップリング（層１０／デバイス１００を出て照明面に向けて）するように構成されている。図３ｃの構成では、第２表面１２２によって引き起こされるフレネル反射は、キャビティからアウトカップリングされない（トラップされる）。このようなパターン設計は、望ましくない迷光を最小にする。さらに、周期的パターンソリューションが利用される場合、光を透過およびリダイレクトするように構成された第２表面１２２は、後続のキャビティ１２の第１表面１２１と協働し、それによって、各（後続の）キャビティに入射する光線の方向を最適化することにより、光取り出し／アウトカップリング効率を改善することができる。

図３ｄおよび３ｋは、一実施形態において、さらに後述するように、第１表面１２１（図３ｄ）または第２表面１２２（図３ｋ）上に、反射防止層などの追加的な光学機能性を有する層２１を設けることを介して、フレネル反射を解消することにより迷光を最小にするための構成を示す。フレネル反射の回避は、十字の矢印で示されている。

図３ｅは、キャビティ光学系ソリューションとその遭遇する迷光の問題を示している。したがって、入射光は、第１表面１２１で受光され、キャビティ１２内でリダイレクトされ、そこから、キャビティの底面、すなわち、キャビティ（ｎ２）と周囲の媒体（ｎ１）との間の界面での屈折によって、光漏れ（迷光、図３ｅ）が発生する。

図３ｆおよび３ｇに示された構成では、望ましくない光の迷走および／またはフレネル反射は、所定の角度または角度範囲でそこに到達する光をインカップリングするために少なくとも第１表面１２１を設けることによって回避または少なくとも最小にすることができる。

図３ｆ、３ｇに示す構成では、入射面１２１は、表面法線に対する臨界角よりも小さい所定の入射角または入射角範囲で入射した光を結合させ、さらに配光するように構成されているため、フレネル反射がアウトカップリングされることを回避することができる。

臨界角とは、表面法線に対する光の入射角で、内部全反射の現象が起こる角である。屈折角が表面法線に対して９０度になると、入射角は臨界角となる（臨界角と等しくなる）。典型的には、光が（より）高い屈折率（Ｒｉ）を持つ媒体から（より）低いＲｉを持つ媒体、例えば、プラスチック（Ｒｉ１．４〜１．６）またはガラス（Ｒｉ１．５）から空気（Ｒｉ１）または基本的に低い屈折率を持つ他の媒体へと通過するとき、ＴＩＲが発生する。高Ｒｉ媒体から低Ｒｉ媒体へ進む光線については、入射角（例えば、ガラス−空気界面での）が臨界角よりも大きい場合、媒体の境界は非常に良好なミラーとして機能し、光は（ガラスなどの高Ｒｉ媒体に戻って）反射される。TIRが発生した場合、境界を介したエネルギーの伝達は無い。一方、臨界角未満の角度（単数または複数）で入射した光は、部分的に高Ｒｉ媒体から出るように屈折し、また部分的に反射する。反射光対屈折光の比率は、主に入射角と媒体の屈折率に依存する。

臨界角は式（１）に従って計算する。

臨界角は、基材−空気界面（例えば、プラスチック−空気、ガラス−空気など）によって変化することに注意する必要がある。例えば、ほとんどのプラスチックとガラスの臨界角は、約４２度をなす。したがって、例示的な導波路では、ＰＭＭＡシートなどの透光性媒体と空気との間の境界に入射した光は、４５度の角度（表面法線に対して）で、おそらく反射してライトガイド媒体に戻され、光アウトカップリングが発生しないことになる。

したがって、図３ｆは、光学パターン（キャビティ１２）を介した光の透過を可能にするソリューションを示しており、第１表面１２１における入射角（θ_max）を制限することにより、光の迷走が回避または少なくとも最小にされる。これは、ソリューションを必要とする。すなわち、キャビティプロファイルの第１表面が、底面の界面を通って漏れた迷光を回避するために、表面法線に対する臨界角未満の値に入射角の範囲を制限するように構成されている。入射角は、表面１２１（光インカップリングエッジ）において光学コリメーション素子、リダイレクト用リフレクタ、または吸収層（図示せず）を設けることによって制限され得るが、ここで、垂直方向の配光分布は、約（±）１５°の範囲内にあることが要求される。

インカップリング配光分布パラメータに基づき、キャビティの第１表面１２１は、光学パターンを介した光の適切な（さらなる）アウトカップリングおよび透過を可能にするように構成／設計することができる。これにより、迷光は限られた入射角(θ_max)で最小にされる。

入射角θ_maxは、式（２）に従って決定される。

ここで、ｎ３は、ライトガイドの外側（すなわち、透光性キャリア１１１の外側；図１７のＡ参照）の外部媒体の屈折率（Ｒｉ）である。

コリメートされたインカップリング光が少ない場合には、第１表面１２１は、入射光をインカップリングし、このようにしてインカップリングされた光を反対側の壁１２２の所定の単一の焦点（好ましくは、底面（界面）の近く）にリダイレクトするように変更されなければならず、それによって迷光を回避することができるようになる。

図３ｇに示された構成において、入射面１２１は、コリメーション機能により、そこに到達する光をインカップリングし、光線をキャビティ内に導くようにさらに構成されていることにより、光が出射面１２２以外の他の表面に当たることを回避しながらキャビティ中を伝搬するようにする。

図３ｇは、少なくとも第１表面プロファイル（破線三角形で示され図３ｈでさらに拡大する）を変更することによって、光学パターン（キャビティ１２）を通した光の透過を可能にするソリューションをさらに示している。このソリューションは、入射光の屈折角（破線で示される）を修正することによって、光の迷走を回避するかまたは少なくとも最小にすることを可能にする。

パターン表面プロファイル１２の最適化された部分は、高度な式（３）によって定義され得る。式（３）によって、迷光が無い状態において光を屈折して背壁１２２を通って透過させるために、パターン化特徴部プロファイル１２が変更される。

ここで、ｎ３は、ライトガイドの外側（すなわち、透光性キャリア１１１の外側）の外部媒体の屈折率（Ｒｉ）であり、αは、表面プロファイルの関数としての可変角度である。

図３ｇに示されたソリューションでは、第１表面１２１は、そこに到達する光をインカップリングして（プレ）コリメートするように構成されており、それにより、インカップリングされた（プレ）コリメートされた光の分布がキャビティ内で確立され、その光はさらに第２の（出射）表面に導かれる（底面には当たらない）。

つまり、図３ｆ、３ｇ は、キャビティ１２内を伝搬する光が前記キャビティの底面に当たらないようにすることで、迷光問題（図３ｅ）を回避するソリューションを示している。

図３ｌを参照し、光学機能層１０を示している。いくつかの構成では、層構造１０は、透光性キャリア媒体１１１によって形成されたサブ層１１１Ａ、１１１Ｂの間の界面に配置された反射防止層２１をさらに含む。埋め込み特徴部パターン１１において、複数の埋め込まれた（内部の）キャビティ特徴部１２が、このように、複数の関連する光通路１３と交互に配置される。前記光通路１３は、透光性キャリア媒体材料１１１である。

このような配置により、その出射面に反射防止層２１を有するキャビティを形成することができる（図３ｋ）。

いくつかの実施形態において、キャビティは、その第１の（入射）および／または第２の（出射）表面に反射防止層２１を備えることができる。反射防止層２１は、例えばフレネル反射（図３ｄ、３ｋ）を最小にするために、好ましくは、ＡＲパターン、または多層コーティングまたは低屈折率（Ｒｉ）コーティングによる広帯域反射防止（ＡＲ）として構成することができる。ＡＲ構造（コーティング）と組み合わせたキャビティパターンは、複数の光学機能を持つハイブリッド構造を形成する。

いくつかの実施形態において、少なくとも１つの特徴部パターン１１中のキャビティ１２は、したがって、キャビティの内部の入射面１２１に配置された前記反射防止層２１を有する（図３ｄ）。いくつかの実施形態において、キャビティはさらに、キャビティの内部の出射面１２２に配置された前記反射防止層２１を有する（図３ｋ、３ｌ）。

したがって、図３ｌは、例えばラミネーションによってキャビティパターンサブ層１１１Ｂへ接合された平坦なサブ層１１１Ａの表面である平坦な底面（第２表面１２２）上にＡＲコーティングまたはＡＲパターン層を採用する構成に関するものである。このような配置により、ＡＲ層２１は、キャビティ１２の内部（その底面）のみに確立される。前述の２層の接合の間、（光通路１３によって提供される）光学的界面は、キャビティ１２で中断される。したがって、ＡＲ機能は、光通路１３（エアキャビティ光学系の間）で終了する。

埋め込まれた光学機能キャビティ特徴部１２は、様々な構成を有することができる。したがって、特徴部１２は、溝、凹部、ドット、およびピクセルからなる群より選択される。前述のキャビティ特徴部１２は、バイナリ、ブレーズ、傾斜、プリズム、台形、半球形プロファイルその他から選択される横断方向プロファイルを有することができ、さらに、キャビティ特徴部は、直線状、曲線状、波状、正弦波状その他から選択される長さ方向の形状を有することができる。

いくつかの実施形態では、光学機能層１０は、基本的にブレーズ化、曲線状、または波状のプロファイルのうちの１つから選択された三次元プロファイルを用いて確立された光学キャビティ１２を構成するようにさらに構成され得る。いくつかの場合では、光学キャビティ１２が、対称または非対称な正弦波形として設けられる三次元プロファイルを用いて確立されることが好ましい。

全体的に、少なくとも１つの光学的特徴部パターン１１は、溝、凹部、ドット、およびピクセルからなる群より選択される光学的特徴部によって確立することができ、ここで、前記特徴部は、バイナリ、ブレーズ、傾斜、プリズム、台形、半球形、マイクロレンズその他から選択される横断方向の凹状または凸状プロファイルを有し、かつ前記構造は直線状、曲線状、波状、正弦波状その他から選択される長さ方向の形状を有する。前記少なくとも１つの光学的特徴部パターン１１は、周期的グレーティング構造、マイクロおよびナノ光学的プロファイル、離散的パターン、グレーティングピクセルパターン（局所周期的）、その他として構成することができる。パターン周期は、用途に応じて、０．１マイクロメートル（μｍ）から数センチ（ｃｍ）まで変化することができる。光学パターンは、追加的な層の接合またはラミネーションのため、およびキャビティ形成のための平坦なエリアをさらに含むことができる。光学パターン内の個々の（特徴部）プロファイルの長さは、ドット／１ピクセルから無限大までの範囲であり得る。実際、離散的な光学パターンプロファイルは、具体的な設計および／または最も好ましい光学機能性の提供の観点から、任意の三次元フォーマットで実施することができる。

最小のパターン化特徴部（キャビティ）１２は、さらに最適化され、最小にされ得る。特に、鋭い先端部は、特定の散乱を最小にするために、切り落とし、丸め、または平らにすることによって最適化され、最小にされ得る。このような配置は、従来のソリューションに共通する問題を解決する。すなわち、光学パターンプロファイルが、レインボー効果として知られる回折歪みの散乱を引き起こし得るという問題であり、これは望ましくない性能を引き起こし得る。

透明照明のための例示的なパターンソリューションを、図１５および図１６にさらに示す。

いくつかの場合において、光学キャビティパターンソリューションは、人間の目によって捕捉されない比較的小さなパターン化特徴部（２５μｍを超えない）からなるものを提供することができる。より大きな特徴部が利用されるかどうかにかかわらず、ＡＲコーティングまたはＡＲパターンがさらにプロファイル表面に設けられることが好ましい（ハイブリッドパターン；図３ｄ、３ｋ、３ｌ）、これによりパターンを人間の目に見えにくくする。キャビティ表面の品質は光学グレードであることが好ましく、それによって散乱、ひいては迷光を効果的に回避することができる。

光学機能層１０における基本的な光学的プロファイルは、従来の表面レリーフパターンであってもよいし、キャビティ光学系パターンであってもよい。後者のソリューションは、光学キャビティ内に気体、流体または固体材料を含んでもよく、最も好ましくは空気であり、これは光学表面にＴＩＲ効果を形成する。異なるプロファイルを利用することができ、例えば、回折格子または屈折光学系に基づくバイナリ、傾斜、ブレーズ、プリズム、マイクロレンズなどがある。光角取り出し（light angular extraction）は、狭角、広角、楕円、対称、非対称などの分布に合わせて設計することができる。

図１５は、このような、透明照明、特に「（人間の目には）不可視」パターンサイズのための、例示的なパターン化特徴部１２を示す。パターン特性は、以下の表１に与えられる。

プロファイルは、例えば、高速工具サーボ（ＦＴＳ）加工によって製造することができる。上記で示されたプロファイルパラメータは、所望の性能を達成するために調節可能である。さらに調節可能なパラメータは、プロファイルの配向、単一パターンまたは周期的パターンを設けること、離散的（ピクセル）パターンまたは連続的パターンを設けることなどを含む。

上述したキャビティプロファイルを構成する光学的特徴部パターン１１は、一般に、複数の離散的な特徴部プロファイルおよび／または複数の少なくとも部分的に連続的な特徴部プロファイルを含む「ハイブリッド」パターンと呼ばれ得る。従って、前記ハイブリッドパターンは、離散的パターン（例えば、ピクセル）として、または連続的パターンとして構成することができる。したがって、前記ハイブリッドパターンは、離散的プロファイルまたは少なくとも部分的に連続的なプロファイルとして設けられる複数の光学的特徴部１２を含むように構成することができる。

いくつかの実施形態では、光学機能層１０は、少なくとも１つの光学的特徴部パターン内において、複数の光学キャビティ１２が、前記特徴部パターン（図示せず）によって占有されるエリア全体に沿っておよび／またはこれを横切って延びるアレイ（単数または複数）状に配置されるように、さらに構成され得る。

一実施形態において、透明光学デバイス１００は、さらに、ライトガイド媒体１０１の少なくとも１つの表面上に配置された少なくとも１つの光学フィルタ層４１、４２（光フィルタ層）を含み、その表面カバレッジ全体または所定のエリアにおいて少なくとも１つの光学機能を与えられている。前記光学機能は、少なくとも以下から選択される：反射、透過、偏光、および屈折。いくつかの実施形態では、光学フィルタ層４１、４２は、ライトガイド媒体１０１の両方の表面上に配置される。

光フィルタ層４１、４２は、好ましくは、０．２〜５０マイクロメートル（μｍ）の範囲内の層（膜）厚（ｈ＞λ）を有する薄膜として構成される。いくつかの特定の実施形態では、層の厚さは、０．２〜５０マイクロメートル（μｍ）の範囲内で、好ましくは０．２〜１０μｍの範囲内で変化し得る。

光フィルタ層４１、４２は、いわゆる低屈折率材料として提供され、１．１０〜１．４１の範囲内の屈折率を有する基材で構成される。いずれの場合においても、光フィルタ層の屈折率は、１．５以下、好ましくは、１．４以下で提供される。

いくつかの構成では、光フィルタ層は、メソポーラス膜中にナノシリカ材料を含有する。このような場合には、屈折率値を維持するために、低Ｒｉクラッド中間相を低（アウト）ガス化剤でコーティング、ラミネート、または接合する。

いくつかの実施形態では、光フィルタ層４１、４２は、内部全反射層構造として構成される。したがって、フィルタ層１４１は、Ｔｉ０₂、ＢａＳ０₄、Ｓｉ０₂、Ａｌ₂０₂、Ａｌ、Ａｇ、誘電体材料、高反射（ＨＲ）コーティング材料などの利用可能なＴＩＲ材料に基づいて、反射性ＴＩＲソリューションとして実施することができる。

いくつかの実施形態では、光フィルタ層４１、４２は、光学機能層１０、１１１および／または光学的に透明な（ライトガイド）基板１０１（第１の媒体、ｎ１、図４ａ）を構成する材料の屈折率よりも低い屈折率（Ｒｉ）を有する基材（第２の媒体、ｎ２、図４ａ）で形成されており、つまりｎ１＞ｎ２（図４ａ）である。光フィルタ層の屈折率（Ｒｉ）値と、平均輝度（ニット）や取り出し効率（％）などのライトガイド関連パラメータとの関係は、以下の表２に示されている。なお、「低Ｒｉ層」という表現は、光フィルタ層４１、４２を指す。

一実施形態では、光学フィルタ層は、クラッド、コーティングまたはフィルムである。

光学フィルタ層は、連続的で均一な層４２として構成することができる。または、光学フィルタ層（４１）は、光の透過を可能にするための複数の光学開口部４１Ａを有することができ、前記開口部は、前記光学フィルタ層の所定の位置内に配置されるか、または前記光学フィルタ層の表面全体に沿っておよび／またはこれを横切って延びている（図４ａ〜４ｃ）。

光学開口部４１Ａは、その寸法、サイズおよび／または形状に関して調節可能に構成されている。いくつかの構成では、開口部は、基本的に円形または長方形であり得、いずれのフォーマットにおいてもそのサイズは、０．５〜５０μｍ、好ましくは１〜３０μｍの範囲内で設けられる。基本的に長方形の開口構造の場合、前記範囲は、長さおよび／または幅のパラメータのうちの任意の１つを示す。基本的に円形の開口構造の場合、前記範囲は、個々の開口直径を示す。深さパラメータは、光フィルタ層４１の厚さによって定義され、上述に定義されているように、０．２〜５０μｍの範囲内で設けられる。

しかしながら、開口部４１Ａは、連続的構造として設けられてもよく、（上述に比較して）より大きなエリアにわたって延び、任意の形状を有していてよい。開口部密度および／またはフィルファクター（表面積単位あたり）は、一定（０．１％〜１００％の範囲内）であってもよい。

好ましくは、開口部は、所定の態様で光フィルタ層４１に設けられる。このように、いくつかの構成では、開口部は、ライトガイドなどの配光素子の全長にわたって、すなわち光源（例えばＬＥＤ）側の端部から反対側の端部に至るまで、均一に（一定のサイズ、形状、および周期性を有する）設けられる。代替的な構成では、開口部は、ＬＥＤ側の端部から反対側の端部まで、少なくともサイズ、形状、または周期性の点で可変的に設けられ得る。したがって、開口部は、漸進的なフィルファクターを利用した可変密度で配置することができる。特に、配光素子は、前記ＬＥＤ側端部から反対側に向かって徐々にサイズが大きくなる開口部を有する光フィルタ層１４１を含むように構成することができる。

パターン１１を有する光学機能層は、主に、そこに入射する光を伝搬し（アウト）カップリングするように構成されているが、光フィルタ層は、そこに入射するかつ／またはライトガイドを介して伝搬する光を選択的に制御し、フィルタリングするように構成されている。

しかしながら、寸法、サイズおよび／またはその形状に関して、光フィルタ層４１の機能性は、変更することができる。したがって、開口部４１Ａは、個々にまたは集合的に、光透過、散乱、屈折、反射などの様々な機能を実行するようにさらに構成することができる。いくつかの場合において、開口部（単数または複数）は、光アウトカップリング機能を提供するように構成することができる。

光学フィルタは、光学的屈折率、非反射性材料、より高い光学密度、異なる光学的コントラストなどを含むがこれらに限定されない、様々な光学機能性を有する開口部をさらに含むことができ、これらは、光を透過させることを可能にし、光チャネルとして形成され、かつ、照明目的のため所定の光／信号の数値、分布、および効率を達成するための光および波の制御および／またはフィルタリング特性を有する。

光フィルタ層の開口部には、光学的に透明な（ライトガイド）基板１０１が形成されている材料の屈折率と比較して、同じかそれ以上の屈折率を有する充填材をさらに充填することができる。

図４ａおよび４ｂを参照して、１００Ａに、光学パターンを有しないライトガイド素子として具現化された、光学デバイスを示す。

図４ａ、４ｂに示すように、透明光学デバイス１００Ａは、したがって、光伝搬のために構成されたライトガイド媒体１０１と、ライトガイド媒体の少なくとも１つの表面上に配置され、少なくとも前記光学フィルタ層が形成されている材料により、その表面カバレッジ全体または所定のエリアにおいて確立された少なくとも１つの光学機能を与えられた、前記光学フィルタ層４１、４２と、を備える。前記光学フィルタ層は、前記ライトガイド媒体を構成する材料の屈折率よりも低い屈折率を有する材料で形成された連続層であり、前記光学フィルタ層４１、４２は、反射、透過、偏光、および屈折から選択される少なくとも１つの光学機能によって、前記透明光学デバイスを伝搬する光線の散乱を最小にするように構成されている。

図４ａは、このように、光学パターン（単数または複数）１１を有しないライトガイドのコンセプトを示している。図４ａに示すフロントライトソリューションは、光学フィルタ層４１、４２の間にラミネートされたライトガイド媒体１０１からなる。図４ａに示す例では、下側の光学フィルタ層４１が光学開口部４１Ａを有し、上側の光学フィルタ層４２が開口部の無い均一な層として構成されている。ライトガイド１０１は、プラスチック（ＰＭＭＡ、ＰＣ）またはガラス製であってもよい。積層体は、照明面５１（例えば、ペーパー状ディスプレイまたは印刷されたポスター）上に配置されており、例えば、光学透明接着剤（ＯＣＡ）などの接着剤層３０を用いて、カバー６２（ここでは、例えば、プラスチックまたはガラス製のトップカバー）でさらに覆うことができる。

図４ａ、特に拡大した四角枠（オプション１、オプション２）を参照して、光が、ライトガイド媒体１０１（ｎ１、第１の媒体）から、第１の媒体とほぼ同じ屈折率を有する（ただしより高いまたはより低いＲｉ値であることを排除しないが）下側層３０（ｎ１、第２の媒体）へと、開口部４１Ａを介して伝搬する。ライトガイド１０１と、ここでは下側層３０（図４ａ）または上側層（図示せず）との間の界面に形成された開口部の屈折率は、典型的には、第１の媒体および／または第２の媒体のＲｉ値ｎ１と一致し、一方、前記開口部を備える光学フィルタ（ｎ２）のＲｉ値は、一般的には、ｎ１よりも低い。

オプションＡはクラッド除去法による開口部４１Ａの製造を例示しているのに対し、オプションＢは高密度化法による開口部４１Ａの製造を示している。

光フィルタ層４１、４２は、光学的に透明な（ライトガイド）基板１０１の少なくとも片側またはその両側（頂面および底面）に形成された、透明で低屈折率のフィルタ層として、または反射性ＴＩＲ層（例えば、拡散性または鏡面性ＴＩＲ層）として構成することができる。前記光学フィルタは、ａ）平坦面上に直接塗布されたもの、ｂ）接着剤層によってラミネートされたもの、またはｃ）ＶＵＶ（真空紫外線）、大気プラズマ処理またはマイクロ波アシストボンディングのような化学的表面処理によって接合されたものであってもよい。

いくつかの場合において、光フィルタ層４１、４２は、開口部が無い場合でも好ましい配光分布を提供するために、徐々に変化する低Ｒｉ値を有する。

光フィルタ層４１内の開口部４１Ａは、光学的に変調することができ、それにより、光フィルタ層によって生成される様々な配光分布パターンを達成することができる。これには、均一、対称、離散的、または非対称配光分布パターンが含まれるが、これらに限定されるものではない。

このように、光学開口部４１Ａを含む光学フィルタ層４１は、ライトガイド媒体の少なくとも少なくとも片側に設けられる。光学フィルタはしたがって、光学的屈折率、非反射性材料、より高い光学密度、異なる光学的コントラストなどを含むがこれらに限定されない、様々な光学機能性を有する開口部を含むことができ、これらは、光を通過させることを可能にし（光チャネルなど）、かつ、照明目的のため所定の光／信号の数値、分布、および効率を達成するための光および波の制御および／またはフィルタリング特性を有する。

所定の図柄/画像または信号を形成する光学開口部による配光分布は、例えば、ディスプレイ、サイネージやポスターなどでは、均一、不均一または離散的であることができる。それにより、均一、不均一または離散的な画像／図柄または信号を形成することができる。開口部は、均一／連続的または離散的なエリアを形成する光学フィルタ層の両側に設けることができる。開口部は、光学フィルタ層の表面全体にわたって、またはその所定のエリアに設けることができる。開口部の主な機能は、光アウトカップリングなしで第１の媒体から第２の媒体に伝搬する入射光の量を制御することであり、これは、すべての入射光角が媒体における臨界角より大きいか、または同じであることを意味する。特に、光の均一性制御は、このように、光学パターンなしで達成することができる。

光学開口部は、第１の媒体から第２の媒体へ光の透過をさせるなどの多くの主要な機能を有し、これにより所望の配光分布および／または均一性が決定される。第１および第２の媒体における配光分布は、空気または低Ｒｉフィルタ／クラッドが界面を形成している場合、典型的には、媒体界面に対して臨界角（これを超えるとＴＩＲが発生する入射角）未満の入射光角を有する。その結果、光は媒体からアウトカップリングされない。

図４ｂは、ライトガイド１０１が積層体の上に配置されている（すなわち、層間にラミネートされていない）フロントライトソリューションとして構成された光学デバイス１００Ａを示す。構成は、開口部を有する低Ｒｉクラッドとして構成された単一の光学フィルタ層４１を備える。ライトガイドの最頂面には、頂面の汚染または欠陥時の光漏れを防止するために、好ましくは低Ｒｉ値のハードコーティングをさらに堆積させることができる。

図４ｃは、キャビティ光学系ライトガイドとして構成された光学機能層１０と、透光性キャリア媒体１１１の両側に設けられた均一な光学フィルタ層（低Ｒｉクラッド層）４２とを有する、フロントライト照明のための光学デバイス１００のソリューションを図示している。前記光学フィルタ層４２は、媒体１１１の表面に直接または間接的に（すなわち、接着剤を用いて、または接着剤を用いないで）塗布することができる。

図４ｃに示す構成は、このように、開口部を有さず、アウトカップリングパターンなどの光学パターンを有する光フィルタを備える。光学パターン１１は、ライトガイド媒体１１１の内部に完全に一体化されており、マイクロレンズ、ブレーズまたは傾斜状の形態、離散的パターンまたは複数パターンのピクセル形態などの異なる形態または形状を有していてもよく、周期的かつグレーティングである特徴部を有している。ライトガイド素子は、ラミネートされ、低Ｒｉクラッド４２よりも高いＲｉを有し、好ましくはライトガイド媒体１１１が有する屈折率と同じ屈折率を有する、光学透明接着剤（ＯＣＡ）または液体光学透明接着剤（ＬＯＣＡ）などの接着剤３０で接合される。図４ｃは、このように、その両側の光学フィルタ層４２を備えた光学機能層１０が、表示面５１（ここでは、反射ディスプレイまたはポスター）とプラスチックまたはガラス製のトップカバー層６２との間にさらにラミネートされた、積層体ソリューションを示している。

図４ｃに示す構成では、光学機能層１０は、非同一の形状を有するキャビティ特徴部１２を構成する。同一形状を有する同じ構成をさらに備えることができる。

図４ｃに示すように構成された光学素子１００では、低Ｒｉクラッド４２を通って第２の媒体に向かって光を透過させるために、入射光は、光学キャビティパターン（単数または複数）１１によって第１の媒体１１１に結合されることにより、臨界角よりも小さい入射角（表面法線に対して）を達成する。また、第２の媒体は、好ましい配光分布および照明を形成するような光アウトカップリングのために構成された、光学パターンソリューション（図示せず）を構成してもよい。さらに、第２の媒体は、導光のために特別に構成された光学パターンを有していなくてもよく、それにより、光学パターンは、好ましい角度分布を有する光をアウトカップリングするものとする。

下層としての光学フィルタ層４２（開口部なし）を有し、光学機能層１０をさらに上部に有する光学デバイスを提供することの利点として、そのような構造は、底部リフレクタから反射された光を結合して第１の媒体１１１に戻すことができ、それによって好ましい配光分布が確立されるということがある。

このように、図４ｃに示す光学デバイスは、インカップリングされた光伝搬用のライトガイド媒体１１１と、配光分布均一性制御用の光学フィルタ４２とを備える。この構成では、キャビティパターンは、パターンに光が入射する角度が、媒体における臨界角（≧θｃ）と等しいか、またはそれを超えるように構成されている。光学パターン１１は、好ましくは、一定のフィルファクターを有する均一なパターンであり、フルな充填または離散的な充填を有する。可変フィルファクターは、好ましい照明または信号表示目的をサポートし得る。

図９をさらに参照して、照明面と光学的に接していない光学デバイス１００の光取り出し面（取り出し光７１２）に反射防止層２１１を設けることにより、フレネル反射による迷光を最小にすることを目的とした、基本的なソリューションを例示している。なお、ＡＲ層は、単層もしくは多層コーティング、またはＡＲナノ構造層によって形成される。

単一素子の場合、一方の頂面が片側周囲照明のための光取り出し面である場合、前記頂面には、反対方向への望ましくないフレネル反射を最小にするために、その外側にＡＲ層２１１（ＡＲコーティングまたはＡＲパターン）を設けることができる。

両側照明ソリューションでは、ＡＲ層２１１を設けることを避けてもよい。

本実施形態では、透明光学デバイス１００はさらに、光学機能層１０上に配置された少なくとも１つの反射防止層２１１を含むことにより、特徴部パターン１１は、その光学機能（単数または複数）の面において、前記反射防止層２１１と協働してフレネル反射を回避するように構成されている。

例えばディスプレイと一体化された素子の場合、一方の面が片側ディスプレイの光取り出し面である場合、反対方向への望ましくないフレネル反射を最小化するために、表示面上に光学コンタクトを有するラミネーションを光学的接合材料によって得ることができる。図１０は、表示面などの照明面５１の少なくとも一部と光学的接合を確立するように構成された光学コンタクト層３１を設けることにより、フレネル反射による迷光を最小にすることを目的とした基本的なソリューションを示している。

光学コンタクト層は、例えば一般的な光学コンタクトによって、照明面または少なくとも一部との光学コンタクトを確立するように構成されており、表面どうしが接着剤または機械的な取り付けなしで接合されている。

光学コンタクト層３１は、表面５１の全体に、または前記表面の一部に設けられ得る。いくつかの構成では、光学コンタクト層３１は、均一な層として設けられる。他のいくつかの構成では、光学コンタクト層３１は、複数の光学機能特徴部（例えば、光学パターン、取り出し特徴部など）からなる少なくとも１つの特徴部パターンをさらに備えることができる。前記パターンが接触していない場合には、前記パターンは、前記被照明面５１に可能な限り近接して適用されることが好ましい。前記光学コンタクトにおける前記パターンは、寸法的に、人間の目には不可視のままであるように小さく構成されていることが好ましい。

いくつかの場合において、光学デバイスはさらに、ライトガイド１１１と光学的接合３１（図示せず）との間など、すべての界面で追加的なＡＲ層を備えることができる。これは、フレネル反射をさらに最小にすることができる

このように、図１０は、ライトガイド素子の光取り出し面への光学的接合により、フレネル反射迷光を最小にするソリューションを示したものである。光学的接合はディスプレイなどの照明面との光学コンタクトを形成し、照明面の全エリアまたは部分エリアにおいて利用することができる。光学コンタクトは、光学パターン、取り出し特徴部によっても形成することができる。ライトガイドと接合との間など、あらゆる界面にAR層、ARコーティング、ARパターンを追加することで、フレネル反射を最小にすることができる。

いくつかの実施形態において、光学コンタクト層３１は、照明面５１との非恒久的な光学的係合を確立するように構成されている。別の実施形態では、光学コンタクト層３１は、照明面５１との恒久的な接続を確立するように構成されている。

図１１は、周囲照明用の透明照明素子として構成された透明光学デバイス１００を例示する。図１１に示すデバイス１００は、ライトガイド媒体１０１と、ライトガイド媒体１０１の片側にラミネートされた光学取り出し層１０と、外側の反射防止層２１１とを備える。

光学機能層１０は、一定密度または漸進的な密度を有する少なくとも１つの取り出しパターン有する。層１０は、接着剤層３０によってライトガイド媒体１０１にラミネートすることができ、好ましくは開口部を有する光学フィルタ層４１として構成された光学フィルタ層（低Ｒｉ層）を任意に備え得る。

図１２は、周囲照明用の透明照明素子として構成された透明光学デバイス１００を例示する。図１２に示すデバイス１００は、ライトガイド媒体１０１と、前記媒体１０１の片側にラミネートされた光学取り出し層１０と、前記媒体１０１の他の側に設けられたカバー６２とを備える。カバーには、さらに、外側（光取り出し面）にＡＲ層２１１が設けられている。ライトガイド媒体は、光学フィルタ層４１、４２（開口部の有無にかかわらず）と最適に設けられた接着剤層３０によって、前記カバー６２にラミネートすることができる。

図１３は、ディスプレイ照明用透明光学デバイス１００を例示する。積層体はライトガイド媒体１０１を有しており、ライトガイド１０１の片側に光学的取り出しのための光学機能層１０を備え、ライトガイドの他の側に開口部４１、４２を有するかまたは有していない光学フィルタ層とを備えている。いくつかの構成では、積層体は、例えば光学透明接着剤（ＯＣＡ）として構成された接着剤層３０とともに、やはり光学機能層１０とライトガイド媒体１０１との間に、低Ｒｉクラッドとして構成された、あるいは好ましくは開口部を有するクラッド（層４１）として構成された光学フィルタ層を含むことができる。

積層体は、低Ｒｉクラッド層４１／４２とともに設けられる照明側の光学コンタクト層３１をさらに備えてもよい。前記光学コンタクト層３１は、好ましくは、弾力的で基本的に柔らかい光学材料によって形成された非恒久的な接合層として構成されている。

図１４は、ディスプレイ照明用の透明光学デバイス１００を示す。構成は、図１３に示されたソリューションに概して従うが、図１４に示された積層体は、光学機能層１０にラミネートされたカバーガラスなどのカバー６２をさらに含む。このソリューションはさらに、光学機能層１０とカバーガラス６２との間に設けられた光学フィルタ層４１、４２（開口部の有無にかかわらず）を含む。図１３と同様に、積層体は、弾力的で基本的に柔らかい光学材料によって形成された非恒久的な接合層として構成された光学コンタクト層３１を含む。

ライトガイド１１１、１０１と照明面５１（ディスプレイ、サイネージ、またはポスター）との間の光学コンタクト３１はさらに、剛性の高い光学材料として設けることができる。

迷光を最小にし、コントラスト比を高く保つために、光学的接合３１が被照明面５１に接触することが重要である。層３１は、いくつかもの開口部上で信頼性を得るために（非恒久的なソリューションのため）、耐久性のある材料から製造されていることが好ましい。

したがって、いくつかの実施形態において、透明光学デバイス１００は、ライトガイド媒体１０１と光学機能層１０との間に配置された光学フィルタ層４１、４２を備える。

さらなる一局面において、光伝搬のために構成されたライトガイド媒体１０１と、光学機能内部キャビティ１２として設けられた複数の埋め込み特徴部によって透光性キャリア媒体１１１内に形成された、少なくとも１つの光学機能特徴部パターン１１であって、少なくとも光アウトカップリング機能を実行するように構成されている少なくとも１つの特徴部パターン１１を備える少なくとも１つの光学機能層１０と、照明面５１との間に非恒久的で再開放可能な(re-openable)光学的係合を確立するように構成された光学コンタクト層３１とからなる、透明光学デバイス１００が提供されている。

いくつかの実施形態において、デバイス１００、１００Ａはさらに、発光ダイオード（ＬＥＤ）、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）、レーザダイオード、ＬＥＤバー、ＯＬＥＤストリップ、マイクロチップＬＥＤストリップ、および冷陰極管から選択される少なくとも１つの光源７１を含む。

いくつかの実施形態において、前記光学デバイスの光学透明度は、前記少なくとも１つの光源７１から得られる照明の存在下および非存在下で確立される。

いくつかの実施形態において、透明光学デバイスは、フロントライト照明装置またはバックライト照明装置として構成される。このようにして、透明なフロントライトとバックライトとのハイブリッド照明を達成することができ、これは、異なるモード、すなわち、被照明面５１／ディスプレイ上に透明な指向性ライトガイドを有する透明モード（遠ざかる照明）と、ディスプレイの裏側に透明なライトガイドを有するライトマスクを有する非透明モード（向かう照明）との間で切り替えることが可能である。

図５は、パターンプロファイルおよび入射光の角度制御が光取り出し効率および迷光の発生に影響を与えることを説明したものである。

図５は、このように、パターンキャビティプロファイル１２の第１表面１２１が、表面法線に対する臨界角よりも小さい限られた入射角で受光した光を組み合わせて迷光などの光漏れを効果的に回避する、ハイブリッドソリューションによる迷光の最小化を示している。

図５の上側の図は、図３ｅに示すソリューションの例示とも言え、下側の図は、図３ｆに示すソリューションの例示と言える。

光学キャビティ１２は、特に、その第１表面１２１に関して、前記表面に到達する入射光の角度または角度範囲を制御することを可能にするように設計され得る。図５から、入射光角を狭くすることにより、平坦な底面からの迷光を顕著に変化減少させることができることをわかる。角度２６．５°で入射した光（強い迷光）を示す上の図と、角度１９．４°で入射した光（最小化された迷光）を示す下の図を比較すると、迷光を最小にするという点で顕著な改善を示している。これは、光の取り出しおよび迷光の低減の改善を生み出す上で、非常に重要な設計基準となる。

同じ改善を、式によるキャビティプロファイルの最適化、特に、キャビティプロファイルの底面側／またはおよび形状を最適化するための高度な式によって達成することができる（図３ｇ、３ｈ）。前記キャビティプロファイルの第１表面は、上記に示された式２、３によって定義することができる。

ライトガイドにおける入射光角の範囲の制限は、インカップリング光を（第１表面１２１において）少なくとも部分的にコリメートすることによって、またはインカップリング領域における入射光のより大きな角度（臨界角と比較して）で到達する光を吸収することによって、達成され制御され得る。後者は、表面１２１に反射防止層２１を設けることによって達成される（図３ｄ）。

図６は、パターンキャビティプロファイルの設計が光取り出し効率と迷光発生に影響を与えることを説明するための図である。図６は、キャビティの接触角（マイクロレンズソリューションとして実現）と光取り出し効率および迷光発生の関係を示すもので、接触角が光の強度と取り出し分布に与える影響を示し、ＭＬの接触角を変えた場合の基本的なシミュレーション結果を示し、光の取り出しと強度分布（空間依存性なし）のチャートを示す。

光学キャビティプロファイル１２、特に、その第１の（入射）表面は、最適化された光取り出しおよび迷光率を考慮しながら、設計されなければならない。エアキャビティマイクロレンズ（図３ｉ〜３ｌ）は、従来のマイクロレンズソリューションと比較して、迷光の発生が少なく、より高い取り出し効率とより良い（取り出し光）分布を有するという点で有益である。取り出し角度値、取り出し効率、迷光レベルの観点から、ＭＬプロファイルの接触角をシミュレートしている。

図７は、光学デバイス１００（マイクロレンズエアキャビティ設計）と従来のフロントライトとを、マイクロレンズの光取り出しと迷光の低減の観点から比較している。

光学デバイス１００は、接着剤３０、好ましくは、光学透明接着剤（ＯＳＡ）によって光吸収面６１にラミネートされたキャビティ１２を有する光学機能層１０として構成されたエアキャビティライトガイドを備える積層体として構成され、さらに光学フィルタ４１または４２（開口部を有するまたは有しない低Ｒｉクラッド）を構成する。

図７において、従来のマイクロレンズフロントライトソリューションとエアキャビティマイクロレンズフロントライトソリューションとを、その角度分布との光取り出し効率および迷光率の両方を分析することにより比較している。各分析において底面と頂面に吸収層を適用した。エアキャビティマイクロレンズフロントライトとして構成されたソリューション１００は、従来のソリューションと比較して、２．５倍以上の高い光取り出し、より良い配光角度、１４倍以上のより良い迷光率を有する。

図７は、パターンプロファイルが最終結果に与える影響を示す例である。ここでの主な目的の一つは、臨界入射角を介してのパターンプロファイル内への光の侵入を回避することである（これは反射による迷光をより多く発生させる可能性がある）。

図８は、反射防止（ＡＲ）層２１、２１１が迷光の発生に影響を与えることを説明するための図である。Ａに、フレネル反射による迷光を示す。Ｂに、フレネル反射が最小にされたことによる迷光の改善を示している。

フレネル迷光を最小にする観点から、パターン設計、および内部（２１）および外部（２１１）ＡＲ層の配置、例えば、キャビティ（２１）の内部表面または接合界面（２１１）において、改善を提供することができる。光学デバイス１００、１００Ａによって、達成可能な迷光値は、２０倍以上低くすることができる。

光学パターンキャビティプロファイル１２、およびそれらの第１の取り出し面および第２の透過面は、改善された光取り出しおよび迷光レベルを達成するために内部ＡＲ層２１と組み合わせて設計することができる（図３ｄ、３ｋ、３ｌ）。

ＡＲ層２１は、単層コーティングにより、または多層コーティングによって形成することができる。また、ＡＲナノ構造を、特にキャビティ光学系において利用することができ、１つの傾斜した表面により合理的な離型および複製を提供することができる。ＡＲ層は、このように表面において2つの方向について機能する。そしてパターンプロファイルはハイブリッド構造を有することにより、光の屈折と反射防止を実現することができる（図３ｄ、３ｋ、３ｌ）。

図１７はさらに、パターン表面プロファイル１２、特にその底面エリアのための設計方法を、迷光、前記底面（単数または複数）からの光漏れを最小にするような光のリダイレクトの観点から示す。計算（単数または複数）は、高度な式（３）（図３ｈにも示されている）に従って実行される。レイトレーシングモデル（図１７、Ｃ）は、さらに、反対側の表面を通る光の透過を表す。

さらなる一局面において、上述のような透明光学デバイス１００、１００Ａを備える透明な被照明物が提供される。前記透明な被照明物は、ウィンドウ、ファサード照明および／または表示素子、天井照明および／または表示素子、サイネージ、看板、ポスター、マーケティングボード、広告ボード照明および／または表示素子、および太陽光アプリケーション用に構成された照明素子として構成することができる。

さらなる局面において、光学デバイス１００、１００Ａの使用は、照明および表示ソリューションにおいて提供される。特に、デバイス１００、１００Ａの使用は、装飾照明、ライトシールドおよびマスクの照明、ウィンドウ、ファサードおよび天井照明、サイネージ、看板、ポスター、マーケティングボードおよび／または広告ボード照明および表示を含む公共および一般照明、ならびに太陽光アプリケーションにおいて提供される。

技術の進歩に伴い、本発明の基本的な考え方は、その様々な改変をカバーすることが意図されていることは、当業者には明らかである。
したがって、本発明およびその実施形態は、上記の例に限定されるものではなく、むしろ、添付の特許請求の範囲の範囲内で概して変化することができる。

Claims (39)

1. 光伝搬のために構成されたライトガイド媒体（１０１）と、
   光学機能内部キャビティ（１２）として設けられた複数の埋め込み特徴部によって透光性キャリア媒体（１１１）内に形成された、少なくとも１つの光学機能特徴部パターン（１１）を備える、少なくとも１つの光学機能層（１０）と、を備える透明光学デバイス（１００）であって、
   前記少なくとも１つの特徴部パターン（１１）は、前記パターン（１１）において所定のインカップリング配光分布を確立すること、および／または前記光学デバイス内およびその間の界面に設けられた材料および素子の屈折率を変更することにより、入射光制御機能および少なくとも光アウトカップリング機能を実行するように構成されており、そのことにより迷光が最小にされ、前記デバイス（１００）の光学透明度が確立される、透明光学デバイス（１００）。
2. 前記光学機能層（１０）の光学機能（単数または複数）が、前記特徴部パターン（１１）内の前記キャビティ（１２）の寸法、形状、周期性および配置のうち少なくとも１つおよび前記特徴部パターンのフィルファクター値によって確立されている、請求項１に記載の透明光学デバイス（１００）。
3. 前記少なくとも１つの特徴部パターン（１１）中の前記キャビティ（１２）が入射面（１２１）および出射面（１２２）を備え、前記入射面（１２１）はそこに到達する入射光をインカップリングし、かつ光線を前記キャビティ内へそして前記出射面（１２２）に向けて導くように構成されており、前記出射面（１２２）が、そこに到達する光線を受光し、前記光線を前記キャビティの外に、そして前記透光性キャリア媒体（１１１）の中へ透過することによって、伝搬させ、かつ／またはアウトカップリングするように構成されている、請求項１または２のいずれか１項に記載の透明光学デバイス（１００）。
4. 前記出射面（１２２）は、光を少なくとも屈折機能によって透過するように構成されている、前記請求項のいずれかに記載の透明光学デバイス（１００）。
5. 前記入射面（１２１）は、そこに到達する光を、表面法線に対する臨界角よりも小さい所定の入射角または入射角範囲でインカップリングするように構成されており、そのことによってフレネル反射がアウトカップリングされることが回避される、前記請求項のいずれかに記載の透明光学デバイス（１００）。
6. 前記入射面（１２１）は、コリメーション機能により、そこに到達する光をインカップリングし、光線を前記キャビティ内に導くようにさらに構成されていることにより、光が前記出射面（１２２）以外の他の表面に当たることを回避しながら前記キャビティ中を伝搬するようにする、前記請求項のいずれかに記載の透明光学デバイス（１００）。
7. 前記少なくとも１つの特徴部パターン（１１）の前記キャビティ（１２）が、内部全反射（ＴＩＲ）機能を介して、前記入射面（１２１）に到達する入射光をアウトカップリングするように構成されている、請求項１または２のいずれか１項に記載の透明光学デバイス（１００）。
8. 前記少なくとも１つの特徴部パターン（１１）中の前記キャビティ（１２）が、前記キャビティの内部の前記入射面（１２１）に配置された反射防止層（２１）を備えている、前記請求項のいずれかに記載の透明光学デバイス（１００）。
9. 前記少なくとも１つの特徴部パターン（１１）中の前記キャビティ（１２）が、前記キャビティの内部の前記出射面（１２２）に配置された反射防止層（２１）をさらに備えている、前記請求項のいずれかに記載の透明光学デバイス（１００）。
10. 前記キャビティが気体媒体、好ましくは空気で充填されている、前記請求項のいずれかに記載の透明光学デバイス（１００）。
11. 前記特徴部パターン（１１）において、前記埋め込みキャビティ特徴部（１２）が、複数の関連する光通路（１３）と交互に配置されている、前記請求項のいずれかに記載の透明光学デバイス（１００）。
12. 前記埋め込み特徴部パターン（１１）が、前記キャリア媒体（１１１）のパターン化層（１１１Ｂ）に対して配置された前記キャリア媒体（１１１）の完全に平坦で平面的な層（１１１Ａ）によって形成されるラミネート構造によって、前記透光性キャリア媒体（１１１）の中に確立され、それによって、複数の光学機能内部キャビティ（１２）が層（１１１Ａ、１１１Ｂ）の間の界面に形成される、前記請求項のいずれかに記載の透明光学デバイス（１００）。
13. 前記透光性キャリア媒体によって形成された層（１１１Ａ、１１１Ｂ）の間の界面に配置された反射防止層（２１）をさらに備える、請求項１２の透明光学デバイス（１００）。
14. 前記埋め込み光学キャビティ特徴部が、溝、凹部、ドット、およびピクセルからなる群より選択され、前記キャビティ特徴部（１２）が、バイナリ、ブレーズ、傾斜、プリズム、台形、半球形プロファイルその他から選択される横断方向プロファイルを有し、前記特徴部が、直線状、曲線状、波状、正弦波状その他から選択される長さ方向の形状を有する、前記請求項のいずれかに記載の透明光学デバイス（１００）。
15. 前記少なくとも１つの特徴部パターン（１１）が、複数の離散的な特徴部プロファイルおよび／または複数の少なくとも部分的に連続的な特徴部プロファイルを含むハイブリッドパターンである、前記請求項のいずれかに記載の透明光学デバイス（１００）。
16. 前記少なくとも１つの特徴部パターン（１１）が、前記透光性キャリア媒体（１１１）内に完全に一体化されている、および／または埋め込まれている、前記請求項のいずれかに記載の透明光学デバイス（１００）。
17. 前記透明光学デバイス（１００）は、前記光学機能層（１０）上に配置された少なくとも１つの反射防止層（２１１）をさらに備え、それにより、前記特徴部パターン（１１）は、その光学機能（単数または複数）の面において、前記反射防止層（２１１）と協働してフレネル反射を回避するように構成されている、前記請求項のいずれかに記載の透明光学デバイス（１００）。
18. 前記反射防止層が偏光子を包含する、請求項１７に記載の透明光学デバイス（１００）。
19. 前記ライトガイド媒体（１０１）および前記光学機能層（１０）が、光学ポリマーおよび／またはガラスである、前記請求項のいずれかに記載の透明光学デバイス（１００）。
20. 前記ライトガイド媒体（１０１）の少なくとも１つの表面上に配置され、その表面カバレッジ全体または所定のエリアにおいて少なくとも１つの光学機能を与えられた少なくとも１つの光学フィルタ層（４１、４２）をさらに備え、ここで、前記光学フィルタ層の少なくとも１つの光学機能は、少なくともそれが形成されている材料に関して、反射、透過、偏光、および屈折から選択される、前記請求項のいずれかに記載の透明光学デバイス（１００）。
21. 前記光学フィルタ層（４１、４２）が、前記光学機能層（１０）を構成する材料の屈折率よりも低く、好ましくは前記ライトガイド媒体（１０１）を構成する材料の屈折率よりも低い屈折率を有する基材で形成されていることを特徴とする、前記請求項のいずれかに記載の透明光学デバイス（１００）。
22. 前記光学フィルタ層はクラッド、コーティング、またはフィルムである、前記請求項のいずれかに記載の透明光学デバイス（１００）。
23. 前記光学フィルタ層（４１、４２）は反射性内部全反射層構造として構成される、前記請求項のいずれかに記載の透明光学デバイス（１００）。
24. 前記光学フィルタ層（４１、４２）は前記ライトガイド媒体（１０１）の両方の表面に配置されている、前記請求項のいずれかに記載の透明光学デバイス（１００）。
25. 前記光学フィルタ層（４１、４２）は、前記ライトガイド媒体（１０１）と前記光学機能層（１０）との間に配置されている、前記請求項のいずれかに記載の透明光学デバイス（１００）。
26. 前記光学フィルタ層（４１）が、光の透過を可能にするための複数の光学開口部（４１Ａ）を備え、前記開口部は、前記光学フィルタ層の所定の位置内に配置されるか、または前記光学フィルタ層の表面全体に沿っておよび／またはこれを横切って延びている、前記請求項のいずれかに記載の透明光学デバイス（１００）。
27. 照明面（５１）の少なくとも一部と光学的接合を確立するように構成された光学コンタクト層（３１）をさらに備える、前記請求項のいずれかに記載の透明光学デバイス（１００）。
28. 前記光学コンタクト層（３１）が、複数の光学機能特徴部を含む少なくとも１つの特徴部パターンを任意に備えた均一な層である、前記請求項のいずれかに記載の透明光学デバイス（１００）。
29. 前記光学コンタクト層（３１）が、前記照明面（５１）との非恒久的な光学的係合を確立するように構成されている、前記請求項のいずれかに記載の透明光学デバイス（１００）。
30. 前記光学コンタクト層（３１）が、前記照明面（５１）との恒久的な接続を確立するように構成されている、前記請求項１〜２８のいずれかに記載の透明光学デバイス（１００）。
31. 発光ダイオード（ＬＥＤ）、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）、レーザダイオード、ＬＥＤバー、ＯＬＥＤストリップ、マイクロチップＬＥＤストリップ、および冷陰極管から選択される少なくとも１つの光源（７１）をさらに備える、前記請求項のいずれかに記載の透明光学デバイス（１００）。
32. 前記少なくとも１つの光源（７１）から得られる照明の存在下および非存在下で光学透明度が確立される、前記請求項のいずれかに記載の透明光学デバイス（１００）。
33. フロントライト照明装置またはバックライト照明装置として構成されている、前記請求項のいずれかに記載の透明光学デバイス（１００）。
34. 光伝搬のために構成されたライトガイド媒体（１０１）と、
    前記ライトガイド媒体の少なくとも１つの表面上に配置され、少なくとも前記光学フィルタ層が形成されている材料により、その表面カバレッジ全体または所定のエリアにおいて確立された少なくとも１つの光学機能を与えられた、光学フィルタ層（４１、４２）と、
    を備えた透明光学デバイス（１００Ａ）であって、
    前記光学フィルタ層（４１、４２）は前記ライトガイド媒体を構成する材料の屈折率よりも低い屈折率を有する材料で形成された連続層であり、
    前記光学フィルタ層（４１、４２）は、反射、透過、偏光、および屈折から選択される少なくとも１つの光学機能によって、前記透明光学デバイスを伝搬する光線の散乱を最小にするように構成されている、透明光学デバイス（１００Ａ）。
35. 前記光学フィルタ層（４１）が、光の透過を可能にするための複数の光学開口部（４１Ａ）を備え、前記開口部は、前記光学フィルタ層の所定の位置内に配置されるか、または前記光学フィルタ層の表面全体に沿っておよび／またはこれを横切って延びている、請求項３４の透明光学デバイス（１００Ａ）。
36. 光伝搬のために構成されたライトガイド媒体（１０１）と、
    光学機能内部キャビティ（１２）として設けられた複数の埋め込み特徴部によって透光性キャリア媒体（１１１）内に形成された、少なくとも１つの光学機能特徴部パターン（１１）であって、少なくとも光アウトカップリング機能を実行するように構成されている少なくとも１つの特徴部パターン（１１）を備える少なくとも１つの光学機能層（１０）と、
    照明面（５１）との間に非恒久的で再開放可能な光学的係合を確立するように構成された光学コンタクト層（３１）と、
    を備える、フロントライト照明用の透明光学デバイス（１００）。
37. 請求項１〜３６のいずれか１項に記載の前記透明光学デバイス（１００、１００Ａ）を備える、透明な被照明物。
38. ウィンドウ、ファサード照明および／または表示素子、天井照明および／または表示素子、サイネージ、看板、ポスター、マーケティングボード、広告ボード照明および／または表示素子、および太陽光アプリケーション用に構成された照明素子として構成された、請求項３７に記載の前記透明な被照明物。
39. 装飾照明、ライトシールドおよびマスク、ウィンドウ、ファサードおよび天井照明、サイネージ、看板、ポスター、マーケティングボードおよび／または広告ボード照明および表示を含む公共および一般照明、ならびに太陽光アプリケーションからなる群より選択される、照明および表示における、請求項１〜３６のいずれか１項に記載の前記透明光学デバイス（１００、１００Ａ）の使用。

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