JP2024516923A - 特定の光分布を提供するためにマルチファセット表面およびレンズで覆われた表面を組み合わせた拡散器 - Google Patents

Abstract

受けた光を事前定義された光分布の領域または一部に再方向付けするために、平坦面分または外向きの表面が配向および透過角（法線の方向余弦によって定義されてもよい）を有する、セルまたはセット内に配置された多数のファセットを含むよう設計され製造された光学的拡散器または光拡散器（または単に「拡散器」）。前記拡散器の前記ファセットを設計または定義する方法は、また、新たな拡散器（微小ディスプレイおよび照明部品等）を含む拡散器および装置または製品を製造する方法である。拡散器は、光のユーザ指定分布を生成するよう光学的に設計される。拡散器は、ほぼ任意の種類の光分布または形状を生成するように、その前面または外面（光透過面）上のファセットの構成を介してエンジニアリングされ得、拡散器設計により、押出工程および他の製造技術を用いたそれらの製造が容易になる。【選択図】図１

Description

［関連出願への参照］
本願は、米国仮特許出願第６２，８８０，７７６号（２０１９年７月３１日出願）の優先権を主張する米国特許出願第１６／８９４，４８９５号（２０２０年６月５日出願）の分割出願である米国特許出願第１７／１４４，５０４号（２０２１年１月８日出願）の一部継続出願（ＣＩＰ）である米国特許出願第１７／１８５，６８０号（２０２１年２月２５日出願）の優先権を主張し、これらのすべてが参照により本明細書に援用される。

［背景］
１．本記載の分野
本記載は、概して、光の透過および投影、照光式ディスプレイにおける光の透過および投影の使用に関し、ならびに、関連するデバイスまたは製品に関する。より具体的には、本記載は、所望の方向を光で狙う多数のファセット(facet)（または微小構造またはレンズ）の使用を介して、空間内で特定のまたは事前定義された光分布を生成するよう設計された光学的拡散器に関する。本記載は、新たな光学的拡散器を作製するために用いられる設計および製造方法にも関し、光学的拡散器（微小ディスプレイ等（発光ダイオード（ＬＥＤ）スクリーン等）、多種の発光デバイス（たとえば自動車業界、インドアおよびアウトドア発光用途、等において用いられる光を含む）、投影スクリーン、等）を含むかまたはこれを利用する装置（製品またはデバイス）にも関する。

２．関連する背景
点光源から到来したように見えなくするように、光を和らげたり広げたりする等の望ましい態様で、光を拡散または散乱させて光を透過させる光学的拡散器（または光拡散器、あるいはより簡単に「拡散器」）に対する大きな需要が継続して存在する。このニーズに起因して、また、微小ディスプレイを含むより多くのデバイスにおいて光を拡散するニーズに起因して、拡散光または和らいだ光に対する需要は、光源としてＬＥＤ、レーザ、等の源への大きな依存に起因して、これから数年成長する可能性が高い。

微小ディスプレイ（スマートフォン、コンパクトコンピューティング、ゲーミングデバイス、等におけるもの）に用いられる拡散光は、しばしば、すりガラス、ポリエステルフィルム、ポリカーボネート基板、乳白ガラス、グレーガラス、等の半透明材料から形成された拡散器を有するコンパクトな光学系によって提供される。従来の拡散器は、すべての方向および角度に光の分布を生成する光散乱材料を用いて製造される。これらの種類の拡散器は、乳白ガラスから形成されたものを含んでおり、また、拡散器を通過する透過光を散乱させるためのランダム表面を作製するためのすりガラスおよびサンドブラストガラスから形成された拡散器を含み得る。これらの拡散器は、光源からのコヒーレント光または非コヒーレント光を和らげるのに有用であるが、角度的な光分布または透過に対する制御をまったく提供せず、光透過効率は比較的低くなりがちである（これらの拡散器はしばしば内部全反射（ＴＩＲ）を生じるからである）。

フィラメント、アーク、ＬＥＤ、光ファイバ、レーザ光源、および他の光源に関連するホットスポットの問題および不均一な光分布を解決しようとした結果、他の種類の拡散器が作製された。これらの代替的設計の拡散器は、光源を平滑化し均一化することに比較的成功したと同時に、他の用途（液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）バックライト、ＬＥＤディスプレイ、マシンビジョン、自動車照明、閲覧スクリーン、等）にも均一光を提供している。このような拡散器は、主に所与のＸＺ平面またはＹＺ平面において光を拡散させるために透明材料において断面形状を規定することで作製されるが、他のケースでは、拡散器に簡素なレンチキュラー設計が用いられる。他の、より洗練された拡散器（「光形成(light-shaping)拡散器とも呼ぶ）には、回折光学素子（ＤＯＥ）を用いるものがあり、レーザ光源とともに用いられる場合がある。これらの拡散器は、しばしばＤＯＥで光線を特定の方向へと回折させるために基板内で生成される位相差を用い、ＤＯＥは、ホログラフィ的に記録されランダム化された表面構造であり得、光透過効率を増大させ得（たとえば８０パーセント以上）、ビーム形成を提供し得、出力光を均一化し得る。

従来の拡散器に伴ういくつかの問題は解決されたが、これらのより洗練された光学的拡散器を用いても依然としていくつかの問題がある。たとえば、高度にエンジニアリングされたホログラフィック拡散器の問題の一つとして、それは高価であって記録が面倒である。別の問題は、その構造（またはＤＯＥ）が非常に細かいので、その構造の小さいサイズのため、押出エンボスの際に材料が「弛緩」しやすく、好適な低コスト製造方法である押出成形ができないということである。したがって、ホログラフィック拡散器は、一般的に、紫外線（ＵＶ）鋳造および硬化（キャストアンドキュア）環境（または押出より高価な工程）において作製される。ホログラフィック拡散器の別の問題は、構造が非常に小さい（たとえば５ミクロン未満）ので、それらを利用できなくするか少なくとも効率を低下させ所望の散乱の効率を低下させ得る塵、ユーザの手からの油、等にとくに敏感であるということである。

既存の拡散器の、これらのおよび他の問題に対処する新たな光拡散器または光学的拡散器に対するニーズが残る。多くの場合、拡散器はよくエンジニアリングされておらず、かなり粗雑かつ非効率的な態様で、光を浪費しつつ動作し（たとえば低い光透過効率）、光を適切に拡散せず、ホットスポットが残り得る。これは、とくにＬＥＤ拡散器およびＬＥＤ照明に当てはまる。ＬＥＤは、非常に明るい「スポット」または光点を提供しがちであるので、それらは拡散が困難であり拡散器の表面上に非常に熱い領域またはスポットを生成し得る。他のケースでは、ＬＥＤ拡散器が提供する拡散が非常に「重い」ので、光のほとんどまたは大部分を遮蔽し、そのような低い光透過効率は、ディスプレイバックライトにおける使用等の多くの用途において望ましくない。ＬＥＤ照明は、ＬＥＤ光源に関連するエネルギー効率および総合的製造コストのため照明市場をほぼ奪うと多くが予想しており、非常に近い将来、拡散ＬＥＤ照明に関連する問題を解決することが非常に望ましい。

［サマリー］
簡潔に言えば、本明細書にて、空間内にユーザ選択の光分布を提供することにおける使用のための、ＬＥＤ光源およびホットスポットを持たないコヒーレント光源を含む多様な光源からの拡散器が説明される。拡散器は、ユーザの入力または所望の光分布（ガウス分布、非ガウス分布、エンジニアリングされた形状（製品ロゴ等）、画像、文字、等）を処理することと、拡散器の前面または光透過面に対してファセットまたは微小構造を画定することとにおいて効率的な、新たな設計方法を用いて設計される。これらのファセットは、事前定義された光分布内の様々な領域（または輝度レベル）に関連付けられたセット内またはセル内でこの前面にわたってランダムに分布する。各セットまたはセルの輝度レベルを実現するために、当該セット内のファセットの数を設定するために割当処理が実行される（たとえば、より高い輝度レベルのセルには、これに比例して、低い輝度レベルのものよりも多くの数のファセットが割り当てられる）。さらに、ホットスポットを回避するために、各領域（たとえば分布の一角度範囲）に割り当てられたファセットは、そのような領域の中心だけでなく、その領域内で光を方向付けるためにランダムに方向付けられる。

より具体的には、空間内で事前定義された光分布を生成するために装置が提供される。装置は、光を出力するよう動作可能な光源を含む。装置は、また、基板を有する拡散器を含み、基板は、光源から出力された光を受ける後面と、後面の反対側の前面であって拡散器から事前定義された光分布で拡散光を出力するために後面上に受けた光を再方向付けし透過させる前面と、を有する。基板は、光透過性の材料（たとえば「クリアな」ポリカーボネート、ＰＥＴ、ガラス、セラミック、等）から形成される。前面は、前面を通って透過する間に光を散乱または再方向付けする複数のファセットを含むよう形成されており、光源が提供した光をこれによって拡散する。複数のファセットはそれぞれ、複数のセットの１つにランダムに割り当てられ、複数のセットのそれぞれは、事前定義された光分布の一領域に関連付けられる。

いくつかの実施形態では、複数のセットのそれぞれにおけるファセットのそれぞれは、後面上に受けた光を、複数のセットのうちそれらが割り当てられた１つのセットに関連付けられた事前定義された光分布の領域内の方向に再方向付けるように向けられた平坦面分を有する。さらに、事前定義された光分布の各領域は、それぞれ１つの角度範囲に関連付けられ、各領域内の方向は、ファセットのそれぞれにランダムに割り当てられる（たとえば、あるセットの各ファセットは、その光を厳密に同一方向には方向付けないが、光分布形状の特定領域またはエリアの輝度には貢献する）。一部のケースでは、ファセットはそれぞれ、拡散器の前面上の平坦面分の座標によって、および、平坦面分に対する法線ベクトル方向によって、定義される。

これと同じまたは別の実施形態において、ファセットのセットのそれぞれは、事前定義された光分布を画定する輝度セルに関連付けられる。ファセットのセットのそれぞれに割り当てられるファセットの数（または利用可能なファセットの一部）は、各輝度セルに割り当てられた輝度値に基づいて選択される。いくつかのケースでは、事前定義された光分布はガウス分布であり、他のケースでは、事前定義された光分布は線状焦点であり、エンジニアリングされた形状であり、１つ以上の文字を含み、または、１つ以上の画像を含む。光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）光源、コヒーレント光源、フィラメント光源、蛍光光源、またはハロゲン光源であってもよい。

いくつかの好適な実装では、装置はさらに、出力された拡散光を受けるよう配置された少なくとも１つの追加光学素子を含み、装置は、ディスプレイ、投影スクリーン、劇場またはフィルムプロダクション照明、自動車照明、インドアまたはアウドドア照明、または光硬化（light curing）ユニットとして機能するよう構成される。装置のための拡散器は、ファセットの、押出工程、射出成形、紫外線（ＵＶ）を用いた鋳造および硬化、またはＥビーム硬化を介して形成されてもよい。

本記載の「ファセット」またはマルチファセット拡散器を有する装置（微小ディスプレイ、照明デバイス、等）の概略的または機能的なブロック図。 図１の装置において使用可能な、本記載の例示的な拡散器の断面図。 図１および２を参照して提示されるような、本記載の光学的拡散器を設計し製造するためのシステムの機能的ブロック図。 各輝度セル内の光線の数を示す拡散器設計モジュールによって、図３のシステムのユーザに対して提供されるユーザ入力ページまたはＧＵＩのスクリーンショットを示す図。 本記載のファセット生成アルゴリズムの動作によって用いられおよび／または生成されるデータを示すヘッダファイルの内容のスクリーンショットを示す図。 本記載のファセット生成アルゴリズムの動作によって用いられおよび／または生成されるデータを示すヘッダファイルの内容のスクリーンショットを示す図。 図４～５Ｂのうち１つに示すような設計された拡散器のための相対的な輝度対偏向角をプロットしたグラフまたはプロット。 図４～５Ｂのような本記載によって設計された拡散器から透過する光線の方向を示すグラフまたはプロット。 本明細書において説明されるソフトウェアによって生成され得る例示的な輝度の幾何学的配置（輝度曲線の正投影側面図および当該曲線の等角投影図を含む）であり、値レベルはグレー値で示される。 図８の輝度曲線に対するレイトレーシングの結果を示すグラフ。 設計された拡散器による光のガウス型分布に関連付けられた値を有する輝度セルを表示する、本明細書に記載のソフトウェアによって提供されるＧＵＩのスクリーンショット。 各輝度セルまたはセットに関連付けられまたは割り当てられたファセットの総数を、拡散器の特定の輝度分布について表示する、本記載の設計モジュールによって提供されるＧＵＩのスクリーンショット。 本明細書において説明されるソフトウェアによって生成され得る第２の例示的な輝度の幾何学的配置（輝度曲線の正投影側面図および当該曲線の等角投影図を含む）であり、値レベルはグレー値で示される。 図１２の輝度曲線に対するレイトレーシングの結果を示すグラフ。 図１および２に示す装置と同様の装置の簡素化された端面図であるが、拡散器の基板または本体の受光面上または後面上の複数のレンズを含む。 図１４の装置の部分拡大図であり、拡散器を通って進行する光を示す図。 図１４に示す装置と同様の装置の簡素化された端面図であるが、受光面として作用する拡散器のマルチファセット表面で拡散器が配向されている点と、レンズで覆われた表面が拡散器の前面または光透過面として作用する点とが異なる。 図１６の装置の部分拡大図であり、拡散器を通って進行する光を示す図。 光源に対して所望の光分布を提供するよう設計された、図１４～１７に示す装置と同様の装置の側面図。 図１４～１８に示す拡散器のような、本記載の拡散器の小部分によって提供される拡散のレイトレーシング。

簡潔に言えば、本明細書に記載される実施形態は、セル内またはセット内に配置された多数のファセット（そこにおいて、平坦面分または外側に対向する表面は、整合する配向または透過角（各ファセット面を含む平面に対する法線の方向余弦によって定義可能である）を有する）を含むよう設計され製造された、光学的拡散器または光拡散器（または単に「拡散器」）に向けられる。本記載は、拡散器のファセットを設計または定義する方法、拡散器を製造する方法、および、新たな拡散器（微小ディスプレイ、照明部品、等）を含むかまたはこれを利用する装置または製品、にも向けられる。本明細書に記載されるマルチファセット拡散器またはファセット拡散器は、単一の方向または複数の方向において、ユーザ指定の光分布を生成するよう光学的に設計される。拡散器は、ほぼ任意の種類の光分布または形状を生成するために、その表面または外面（光透過面）上にファセットを構成することを介してエンジニアリングされ得る。拡散器の設計によって、押出工程または他の製造技法（ＵＶまたはＥビーム技法等の、鋳造および硬化手法等）を用いたその製造が容易となる。

図１は、本記載のマルチファセット拡散器設計を利用した装置１００を示す。装置１００は光源１１０を含む。光源１１０は、ほぼ任意の波長の光ストリーム１１５を生成するよう動作可能である。光ストリーム１１５は、光源１１０がレーザベースの光源である場合にはコヒーレントであってもよく、光源１１０がフィラメント光源、ＬＥＤ、アーク光源、光ファイバ光源、等である場合には非コヒーレントであってもよい。光源１００の実装は、多くが点またはスポットストリーム１１５を提供するので、装置１００において、装置１００がディスプレイ装置である場合にはディスプレイスクリーン１５０をバックライトするため等の所望の用途のために、空間内で分布した出力光１４０を提供するために、拡散が望まれる。

この目的のために、装置１００は、光源１１０と装置１００の出力との間（たとえば、光源１００と、任意追加の光学部品１５０との間）に配置された、光学的拡散器または光拡散器（または「ファセット」拡散器）１２０を含む。拡散器１２０は、半透明から透明な材料（たとえば５０～９０パーセント以上光透過性の材料。クリアなポリカーボネート、ＰＥＴ、等）の、基板または本体（たとえばフィルムまたはシート）から形成される。拡散器１２０（またはその本体／基板）は、後面１２２を有し、後面１２２は平坦であってもよく、光源１１０からの光ストリーム１１５を受けるために光源１１０に対向し、表面１２２は、ストリーム１１５の方向軸または進行軸に対して垂直または他の配向で配置されてもよい。

さらに、そして重要には、拡散器１２０（またはその本体／基板）は、後面１２２の反対側の（かつ典型的にはこれに平行な）前面１２４を含む。これは、拡散出力光１４０を生成するために、拡散器１２０を通過する光１１５を散乱し再方向付けするために用いられる。前面１２４は、複数のセット／セル１２６、１２７（それぞれが複数のファセットを持つ）を含むよう形成される。これは、ファセット１２６の、前面１２４上のある定義された位置（たとえば、面分／表面１２８の中心のＸ－Ｙ座標１２９）において平坦面分／表面１２８をそれぞれ持つ例示的な第１セットまたは第１セルで見ることができる。セット／セル１２６の各ファセットは、特定の配向および透過角１３０（面分／表面１２８を含む平面に対する法線の方向余弦によって定義され得る）を有するよう構成される。光１４０が、単一方向または複数方向において光１４０のユーザ指定可能な分布を有するように、各セット／セル１２６は、拡散出力光１４０を提供するために異なる態様で、前面１２４から透過する光を散乱または方向付けるよう構成されてもよい。

装置１００は、さらに、装置１００が他の目的を充足できるようにするために、任意追加の光学部品１５０を含んでもよい。たとえば、光学部品１５０は、ＬＣＤまたは他のディスプレイスクリーンであってもよく、それによって、光源１１０と拡散器１２０との組み合わせが、拡散出力光１４０を持つスクリーン／部品１５０を伴うバックライトとして作用する。他のケースでは、光学部品１５０は、装置１００が照明デバイス（たとえば、自動車のヘッドライト、テールライト、等）の形態を取る場合には、レンズおよび／または光学的カバーを含む。他のケースでは、装置１００は、ＬＥＤ照明、ＬＣＤ／ＬＥＤディスプレイ、投影システム、サイン／ディスプレイ、前面投影スクリーン、携帯電話／スマートフォン、バーコードスキャナ、検査システム、アウドドアまたはインドア照明、医療器具、光ファイバ照明デバイス、等の形態を取ってもよい。

図２は、図１の装置１００の拡散器１２０として使用可能な、本記載の光学的拡散器２００の超拡大断面図を示す。図示のように、拡散器２００は、後側または第１側２０２（図示のように平坦であってもよい）を持つ本体または基板２０４を有する。後側２０２は、多数の平行光線からなるものとして（または非拡散光として）図示される到来光２２０を受けるように、光源（図２には示さないが、図１の光源１１０から理解される）の出力に対して露出する。本体／基板２０４は、光に対して高度に透過的な材料（クリアなポリカーボネート、ＰＥＴ、または他のプラスチック、ガラス、セラミック、等であり、７０～９０パーセント以上透過性であってもよい（光２２０を透過させるのに完全に効率的ではないが、本明細書で「クリアな」と称する場合がある））から形成される。

到来光２２０は、後面２０２を介して受けられ、拡散器２００の前面または第２面２０６に到達するまで基本的に阻害されず進行する。前面または第２面２００は、後面または第１面２０２とは反対側であり、拡散光２３０を提供するために、前面２０６から透過する光２３０を散乱させるよう固有に配向され（透過角に）角度付けられた面分をそれぞれ持つ多数のファセット２１０を有するよう固有に形成される。図示の便宜上、各ファセット２１０について１つの光線を示すが、実際には、それぞれが到来光２２０の多数の光線を受けて散乱する。拡散器２００の、この簡素化されたバージョンから分かるように、各ファセットは異なる配向および透過角を有し、これは、単一方向または複数方向において所望の光形状を持つ拡散出射光２３０において到来光２２０の所望の分布を提供するように、各ファセット２１０の面分／外面を含む平面に対する法線の方向余弦によって定義可能である。

拡散器２００は、小ファセット２１０（正方形等の矩形形状であってもよく、それらの面分／外面上で実質的に平坦であってもよく、６～３５０ミクロンの範囲内の寸法（たとえば側面）であってもよい）を含むことを介して拡散光２３０の透過を実現する。ファセット２１０のより好適なサイズは、１２～１００ミクロン（側面に沿って計測）であるが、一部の実施形態は、より大きいまたはより小さいファセットを用いてもよい。一部の実施形態では、拡散器２００のファセット２１０は、すべてが整合するサイズおよび形状を有してもよい（たとえば、すべてのファセット２１０が正方形形状であり、１２～３０ミクロンの範囲（または他の有用な範囲）から選択される等しい側面長さを有する）。他の実施形態は、互いに（セット内またはセル内で、あるいは、異なるセット／セル間で）異なるサイズのファセット２１０を用いてもよい。

各ファセット２１０は、平行な到来光２２０の所望の方向（複数可）への屈折を生成するために、その法線の方向余弦を計算し、前面２０６に関する位置に配置することによって、設計および製造工程の間に画定される（後に詳述する）。そのようなファセット２１０の多くは、ファセット２１０のサイズおよび拡散器２００のサイズに依存して、数十万から数百万のように設計されまたは計算される。各ファセットの配向および透過角（または法線の方向余弦）は、空間内で光２３０をユーザ指定エリアに方向付けるよう選択される。この拡散光２３０の選択可能な分布により、ユーザは、拡散光２３０によって照射される空間またはエリア内で、画像またはメッセージを投影することができる。

拡散器２００の新たな設計によれば、従来の拡散器と同等またはそれ未満のコストで、高度にエンジニアリングされ精緻化された拡散器を製造できるようになるので、拡散器２００の新たな設計の全体的なインパクトは非常に大きく破壊的である。さらに、拡散器２００は、シミュレーションにおいて、一部の従来の拡散器の５０パーセント未満と比較して、従来の拡散器よりはるかに高い光透過効率（たとえば９０パーセント以上）を有することが示された。

図３は、図１および２を参照して提示されたような、本記載の光学的拡散器を設計し製造するためのシステム３００の機能的ブロック図である。図示のように、システム３００は、ユーザ指定の光分布を提供するために拡散器を設計するために、オペレータまたは設計者によって使用可能な、ワークステーションまたはコンピューティングシステム３１０を含む。ワークステーション３１０は、本明細書に記載の機能を実行するのに有用なほぼ任意のコンピューティングシステム（デスクトップ、ラップトップ、ノートブック、パッド、スマートフォン、等）とすることができる。ワークステーション３１０は、拡散器設計モジュール３２０の本明細書に記載する機能を実行または提供するための、コード、命令、および／またはソフトウェアを処理または実行するプロセッサ３１２（複数可）を含む。とくに、設計モジュール３２０は、ユーザ選択可能な光分布を実現するために、拡散器に対するファセットの定義を生成するためのファセット定義アルゴリズム３２２を用いる。

また、プロセッサ３１２は、システム３１０を用いるオペレータまたは設計者が、データを入力してモジュール３２０が提示する情報を閲覧できるようにする、システム３１０の入出力（Ｉ／Ｏ）デバイス３１４（モニタまたはディスプレイ、キーボード、マウス、タッチスクリーンまたはパッド、等）の動作を管理する。この目的のために、モジュール３２０は、Ｉ／Ｏデバイス３１４内に提供されるシステム３１０のモニタ上に表示可能なグラフィカルユーザインタフェース（ＧＵＩ）３１６を生成するよう構成されてもよい。また、オペレータは、ＧＵＩ３１６と相互作用して、プロセッサ３１２によってシステム３１０のメモリ／データストレージ３５０に格納されるユーザ入力３４２のセットを提供してもよい。

ユーザ入力３４２は、他の情報（拡散器の前側または前面のサイズおよび形状、拡散器を形成するために用いられる材料の透過率、等）とともに、プロセッサ３１２によってメモリ３４０に格納され得る設計ファイル３５０を拡散器のために生成するためのファセット定義アルゴリズム３２２によって、入力として用いられる。このファイル３５０は、その後、破線矢印３６０で示すように（たとえば有線または無線通信によって）、出力として拡散器製造システム３７０（押出システム、鋳造および硬化システム、等）に受け渡される。

各設計ファイル３５０は、ファセット形状３５４（長方形、正方形、等）、ファセットサイズ３５２（たとえば正方形状のファセット表面／面分について１２ミクロン×１２ミクロン）、およびファセット数３５６を含む情報を含み得、これらは、ユーザ入力３４２において提供され得るか、または、より頻繁には、ファセットサイズ３５２と拡散器の前面または外面のサイズおよび形状とに基づき、その面をファセットで実質的に覆うように、モジュール３２０によって計算される。さらに、各拡散器の設計ファイル３５０は、ファセット設計アルゴリズム３２２によって生成されたファセット定義３５８を含み、これらは、各ファセットの位置（たとえば平坦面分／表面の中央点のＸ－Ｙ座標）およびその法線に対する方向余弦（または、そのファセットの面分／平坦表面の配向および透過角）を含んでもよい。

本発明者らは、ファセット定義アルゴリズム３２２を有する拡散器設計モジュール３２０を実装するためにコンピュータプログラムを作成した。このプログラムは、拡散器のための、設計者の（または顧客の）設計を取得するよう構成される。さらに、このプログラムにより、設計者は、自身の設計をプログラムでき、および／または修正でき、プログラムが生成した設計（たとえば、拡散器の前面または外面上の各ファセットの定義を含む）に従って拡散器を製造するために使用可能な設計ファイル（たとえば図３のファイル３５０）を生成するために、それらを実行できる。

本記載のこの点において、いくつかの例示的な（ただし限定的ではない）実装において、プログラムが拡散器設計を作成するためにどのような入力（たとえば図３のユーザ入力３４２）を要求し、または使用するか、および、設計者／ユーザがそれをどのようにして入力できるかを、案内することが有用であろう。一例では、ユーザが、自身のコンピューティングデバイス上でプログラムを用いる際に、２つの角度のそれぞれについて角度位置を表すデータを入力する。第１の角度はＸ軸に沿ったものであり、他方はＹ軸に沿ったものである。ユーザには、（自身のモニタまたはディスプレイデバイス上のＧＵＩ等において）輝度セルが提示され、ユーザは、各セルについて所望の輝度値（たとえば数分の一またはパーセンテージで）を入力することができる。プログラムは、過去に設計されたいくつかの拡散器に対するデフォルトまたはハードコーディングされた値を有してもよく、それらは、プログラムが輝度セルにそれらの値を自動的に入力するために用いてもよく、その後、設計者／ユーザがそれらを修正（または受容）してもよい。

各セルは、設計中の拡散器のファセットが光線を狙う合成角を表す。ユーザ入力エントリは、所望の方向に対する、中央セルに対する分数または光線の数であってもよい。プログラムは、セルサイズと、回折基板（およびそのファセットを含む外面または前面）の全体的なサイズとに基づき、光源から入力光が各セルに向かう光線の数を自動的に計算してもよい。たとえば、各ファセットは（デフォルト設定またはユーザ入力により）１２ミクロン平方の面分／表面を有するサイズであり得、拡散器は（これもデフォルト設定またはユーザ入力により）その前面または透過面に４０，０００ミクロン平方の面積を有するよう定義されており、プログラムは、この表面上に総数１１，１１１，１１１個のファセットが提供可能であって定義が必要であると判定する。プログラムは、ユーザ入力と、利用可能なファセットの総数とに比例して、自動的にセルを充填する。図４は、プログラムによってユーザに対して表示されるユーザ入力ページまたはＧＵＩのスクリーンショット４００を示し、これは、光源から受ける光を、ユーザ指定の態様で拡散器のマルチファセット前面から分布させるために用いられるプログラムによって、各セルに配置される光線の数を示す。

コンピュータプログラムは、ユーザ設計情報を取得し、設計された経路（プログラムによってそれらが割り当てられるセルに関連付けられる）に沿って光線を屈折させる各ファセットの法線を生成するよう構成される。重要なことは、プログラムはさらに、設計中の拡散器の前面または外面上で、ランダムな位置にファセットが生成されるように構成されるということである。これによって、その設計に従って複製された拡散基板のエッジを互いに接合し、より大きな拡散器を形成することができる（たとえば、拡散器設計に従って形成された１個からＮ個の拡散器が、当接する態様で組み立てられて、各サブ各拡散器またはサブ基板の構成によって定義される光分布を持つ単一の拡散器を形成し得る）。これは非常に重要であり得、本記載に固有であり得る。小さいファセットアレイ（小さい表面積の拡散基板または拡散器の前面のもの）の加工コストはかなり高額になり得るからである。ファセット位置のランダムな性質により、出力された拡散光または出力された光分布において目立つような、製造された拡散器におけるジャンプまたは繋ぎ目を生成することなく、より小さい拡散器／基板を順に並べるかまたは再結合することができる。

以下は、コンピュータプログラム（たとえば図３のファセット定義アルゴリズム３２２）のファセット生成サブルーチンを実装するために使用可能なコードの一部であり、コードの各部分に対する機能および出力の注釈を伴う。

これらの計算で用いられる数およびデータの詳細は、ヘッダファイルに出力されてもよく、それは、ワークステーション使用中の拡散器設計者によって閲覧され得るように、図５Ａおよび５Ｂのスクリーンショット５００に示すデータを含んでもよい。このヘッダは、計算の詳細を追跡するためにベンダーファイルのトップにも載せられる。最終的な出力ファイルは、この例では、１１，１１１，１１１個のファセットそれぞれの方向余弦を含む非常に長いファイルである。このファイルは長すぎて、本明細書に添付するには非現実的である。しかしながら、図６は、図４～５Ｂのうち１つに示すような設計された拡散器のための相対的な輝度対偏向角をプロットしたグラフまたはプロット６００を示し、図７は、図４～５Ｂのような本記載によって設計された拡散器から透過する光線の方向を示すグラフまたはプロット７００を示す。図７では、全体のＸ方向の広がりは６０度であり、全体のＹ方向の広がりは１６度であるということがわかる。

拡散器設計モジュールおよびそれに関連するアルゴリズムの上述の検討から、本発明者らのアイデアは、データファイルを生成するソフトウェア（および／またはファームウェア）を用いて実装可能であるということが理解される。光源（複数可）からの到来光の光線を、所望の方向および所望の輝度（いずれもソフトウェアへのユーザ入力を介してユーザ選択可能である）で送る、拡散器表面の屈折要素またはファセットを作成するために、データファイルは、拡散器設計者によって用いられる。ソフトウェアは、ユーザによって、最終的な出力（たとえば定義されたファセットを伴う拡散器設計ファイル）を定義するために様々な入力が使用可能であるように構成され、これらは以下を含んでもよい：（ａ）ファセットサイズ、（ｂ）アレイサイズ（たとえば拡散器の前面または透過面に関連付けられ得る総合的な最終出力キャンバス）、（ｃ）ファセットおよびファセットが存在するフィルム双方の屈折率（またはフィルムの厚さに沿っていずれの透過的材料が用いられるかの指標）、（ｄ）所望の光拡散の角度（典型的には度単位で与えられる）、および（ｅ）最終的に製品の面する方向（光源に向かってまたは光源から離れる方向に面する）。

これらの一般的なパラメータが、（入力またはプログラムによって格納および／またはアクセスされる値を介して）定義された後、プログラムは、光拡散の定義された角度分布を介してどのように光源の光の輝度が分布するかを定義するための「セル」ベースのシステムまたは手法をユーザが使用できるようにするユーザインタフェースを提供する。一部のケースでは、プログラムのユーザにとって、輝度値を手入力するのは面倒な可能性がある。この潜在的な問題に対処するために、本発明者らは、各セルに対する輝度情報（たとえば、ユーザによって受容または修正可能な開始輝度またはデフォルト輝度）を含むデータファイルの入力ができるようにする機能をプログラムに追加した。

具体的な一プロトタイプ実装では、各セルに予め記入するために用いるデータファイルは、３Ｄソフトウェア（たとえばＡｕｔｏＤｅｓｋ（登録商標）Ｍａｙａ（登録商標））を用いて生成された。図８は、この３Ｄソフトウェアによって生成され得る例示的な輝度の幾何学的配置であり、輝度は頂点の高さおよびグレー値で視覚的に指定可能である。図８では、表現８１０は輝度曲線の正投影側面図であり、表現８２０は当該曲線の等角投影図であり、値レベルはグレー値で表される。要するに、３Ｄ「輝度」曲線が、３Ｄソフトウェアによって曲線に沿った各点とともに生成され、その後、ソフトウェアによって読み込み可能な形式に変換され、適切な輝度値として用いられる。本発明者らは、さらに、設計された拡散器のレイトレーシングを実行するソフトウェアルーチンを採用した。図９は、図８の輝度曲線８１０、８２０に対するレイトレーシングの結果を提供するグラフ９００を示す。グラフ９００からわかるように、ユーザ指定の設定に向かって光拡散の角度が増大するにつれて、光線カウントは徐々にゼロにまで減少する。

輝度値ファイル（ユーザ入力）が生成されソフトウェア／設計モジュールに入力されると、ソフトウェアによって各輝度セルが最大輝度１を特徴とするように正規化される。そのような輝度分布は、図１０に示すユーザインタフェースＧＵＩ１０００のスクリーンショットでわかるようなものであり、これは、図８に示すような「ガウス」曲線に基づいて各セルの輝度値を表示するセルチャートを含む。各セルは、所望の最終的な分布角度に基づく特定の度範囲を表す。各セル内の数字は、その特定の度範囲に対する輝度値を表す。たとえば、拡散器が３０度×３０度の分布を有するように設計されている場合、１５個のセルが存在し、各セルは拡散光の最終出力の２度×２度の領域を表す。この例で意図される分布は楕円形状であるため、図１０では、隅のセルは０個のファセットを含み、したがって０の輝度を有する。

ユーザ／設計者がこれらの輝度値を満足できるものと考える場合には、彼らはアルゴリズムに、設計中の拡散器上の利用可能なファセットの総数を反映させるために輝度値の計算を調節することを継続するよう指示できる。最終的な計算処理は、小数を整数に変換する（分数のファセットを製造することは現実的でない可能性があるので）。ファセットの総数は、ファセットサイズ（デフォルト値であってもよく、ユーザ入力を介してユーザ／設計者によって事前に定義された範囲から選択されたものであってもよい）によって、および、全体的なキャンバスサイズ（または設計中の拡散器前面／透過面のサイズ）によって決定される。

図１１は、各輝度セルまたはセットに関連付けられたファセットの総数（たとえば輝度セルに関連付けられた方向および／または位置における分布光に割り当てられたファセットの数）を示す、設計中の拡散器の輝度分布を提供するＧＵＩのスクリーンショット１１００を示す。各セルに含まれる数字は、そのセルの指定された度範囲に割り当てられるファセットの総数を反映し、到来光をその度範囲のどこかへと屈折させるよう製造時に傾けられる（または配向される）（セル／セット内の各ファセットの面分／表面の法線の方向余弦は類似する）。

ユーザ／設計者がこれらの値を満足できるものと見なす場合には、その後、ソフトウェアは、ファセットをセルに割り当てることによってアルゴリズムを進める。１つのセルに割り当てられた各ファセットの傾斜角は、光の滑らかな分布を可能にするように、そのセルに対して許容可能な範囲に収まりながらもランダム化されている。しかしながら、一部の実施形態では、単一のセルのすべてのファセットがそのセルに対する直接的な中間角度値を向いてもよいが、一部のケースでは、これは結果として各セルの度範囲に対するホットスポットを生じ得る（これは多くの光分布用途に適さない可能性がある）。さらに、拡散器の面分／表面にわたるファセットの割り当てが、ランダムであってファセットの位置またはセル角度によっては決定されないように、アルゴリズムは構成される。このセル／セットに対するランダムなファセットの分布は、微小なファセットサイズと組み合わせられて、光源からの到来光が拡散器の後面に接触する場所（したがって、拡散器の前面上または透過面上のファセットアレイ）に関わらず、特定の分布を実現するのに適切な態様で拡散器を透過する光を屈折させる拡散器を製造すると、本発明者らによって証明された。

ソフトウェアがセル／セットに対して利用可能なすべてのファセットを割り当てた後、ソフトウェアは、各ファセットについて、Ｘ－Ｙ座標データと、ｄＸ／ｄＹ／ｄＺ傾斜（または配向）データを含むテキストデータ（拡散器設計ファイル）を出力する。このテキストファイルは、その後、光源からの光のユーザ定義分布を提供するために、光学装置内に提供され得るそのようなファセットのセルまたはセットを有する表面を持つ拡散器を製造するのに用いるレジストまたは道具を製造するのに用いられ得る。たとえば、テキストファイルを用いてマスタ（ガラスマスタ等であってもよい）に平坦なアレイ精密工具を作成してもよく、このマスタを用いてシム（たとえばニッケルシム等）を成長または形成してもよい。シムは、ＵＶ硬化可能流体を用いる等の透明な鋳物を作製するのに用いてもよいし、最終的な鋳物（たとえば拡散器）の品質が最初の工具に厳密にまたは少なくとも非常に高い精度で一致してもよい。したがって、これらの透明または半透明な鋳物を通して光を照射することにより、結果として、ユーザ／設計者によるソフトウェアへの（たとえば上述のセルＣＵＩを介しての）初期輝度分布入力が得られる。

理解されるように、上述の各技法は、ほぼ任意のユーザニーズに適合するための拡散器による光分布を生成するために使用可能であり、図８および図９に示す幾何学的配置には限定されない。一例として、図１２は、３Ｄソフトウェアによって生成され得る例示的な輝度の幾何学的配置であり、輝度は頂点の高さおよびグレー値によって視覚的に指定され得る。図１２において、表現１２１０は輝度曲線の正投影側面図であり、表現１２２０は当該曲線の等角投影図であり、値レベルはグレー値で示される。これらの入力曲線は、「リング」輝度減少を持つ光分布を生成するために有用である。図１３は、図１２の輝度曲線１２１０、１２２０に対するレイトレーシングの結果を提供するグラフ１３００を示す。

本記載のこの点において、本発明者らによって対処され克服された数学的な困難のいくつかとともに、拡散器を設計するのに用いたソフトウェア／コンピュータプログラムによって実行されたアルゴリズム（複数可）の追加の詳細を提供することが有用であろう。第一に、本発明者らは、現代的な拡散器のほとんどはホログラフィック拡散器であるかまたはレンズ構造を利用すると理解した。本ケースでは、目的は、ソフトウェアで生成され（定義され）、迅速かつ効率的に加工可能なガウス拡散器または非ガウス拡散器を作成できるようにすることであった。また、これらの種類の拡散器が、光源を拡散器の中心に対して正確位置合わせしたり、または拡散器の後ろで静止させたりする必要がないように、光源（たとえばＬＥＤ、レーザベースの光源、等）からの到来光が透過モードで（および、望ましい場合には反射されて）拡散器を通過するエリアに関わらず、拡散器が機能する（たとえば設計者の入力通りに光を適切に拡散する）ように、設計され製造されることも目的であった。光学および光伝送技術の人材によって理解されるように、この新たな拡散器のための透過モードは、極めて困難であるとわかった。

そのような目的を念頭に置き、拡散器の新たな新たな前面／透過面を作製するために、本発明者らは、構造またはファセットが前面／透過面上のそれらの位置においてランダム化されるべきであると決定した。光をある方向（たとえば上述のような度範囲）に向けるファセットのセットまたはセルのランダム化された位置は、レーザを使ってもＬＥＤ光を使っても同じ形状の光（または分布）が発生するようにするのに有用である（たとえば、新たな拡散器設計はある特定の入力ストリームを要しない）。これは、また、構造のサブセット内のランダムな構造を要する（たとえば、到来光の特定の再方向付けを提供するよう割り当てられた各輝度セルまたはファセットの各セット内で）。このため、より小さい工具（またはそのような小さい工具で製造された拡散器）が作成可能であり、その後、それらを、光源が構造にわたって移動するにつれて光の視認可能なジャンプを結果として発生させずに構造を重ねることによってステップ・アンド・リピート環境で一緒にする。短時間で任意の角度でプログラム可能なファセットベースの構造の利点は、劇的かつ予想外であった。たとえば、本記載による拡散器設計のためのプログラミングおよび加工は比較的高速である。さらに、新たな拡散器設計によれば、従来のホログラフィックタイプの拡散器が置換でき、高価かつ作製困難なホログラフィックマスタをショットしたり使用したりする必要がない。

本発明の困難性および一つのユニークな側面は、この問題を解決する数学が普通でなく従来のものでもないとわかったということである。以下の検討は、本発明者らによって提供された貢献の一部（または功績）と、本明細書に記載されるソフトウェア／プログラムによって実行されるアルゴリズムの背後にある基本的論理とを説明する。通常、表面に垂直な法線が既知である場合には、スネルの法則を用いることができる。本ケースでは、所望の位置への光線の屈折を実現するためのファセットの平坦表面／面分に対する法線ベクトルは未知である。言い換えると、光線を所望の位置へと屈折させる表面法線を実現するための屈折表面を初期光線に与えるように、本発明者らはスネルの法則を数学的に書き換える必要があった。

これを行うために、本発明者らは、スネルの法則をベクトル形式に書き直しまたは修正した。この書き直しは、２つのベクトルのクロス積が、光線の所望の位置にヒットする第３のベクトルを形成することを要した。書き直しの数学において、２つのベクトルの間の角度の正弦は、クロス積に比例する。本発明者らの初期の努力において、ソフトウェア（またはそのアルゴリズム）の一部として解ける一つの方程式（またはいくつかの方程式）を作成するための解は存在しないかもしれないように見えた。本ケースでは、しっかりした解(firm solution)なしで最適化された解を計算するよう構成可能であると推測され、本記載は、各ファセットに対する法線ベクトルを発見し定義することに対するそのような最適解を用いるソフトウェアを含むということが理解されるべきである。

しかしながら、本発明者らによる意義深い努力の間、そのうち、方程式（複数可）は解くことができ、ソフトウェア（または拡散器設計モジュール／プログラム）によって実行されるアルゴリズムに対するより好適な実施形態は、正規化された形式（２つのベクトルの間の角度の正弦がこれに比例する）でクロス積を生成することを含むということが発見された。方程式（複数可）を解くことによって、拡散器は、高い効率で設計された所望の任意の形状または光分布（さらには文字または記号）へと光を曲げる／方向付けるために注意深く配向された、非常に多くの数（数十万から数百万）のファセットを含むよう設計され得る。重要なことは、到来光はコリメートする必要はなく、任意の到来ベクトル（さらには到来光ベクトルの平均）として入力可能であり、依然として、拡散器の前面／透過面上のファセットによって所望の位置へと屈折／再方向付けされるということである。過去において、ほとんどの拡散システムについて、これは不可能ではないにしても極めて困難であることがわかっていた。

上述のように、拡散器に対して定義されたファセットは、形状およびサイズが多様であり（たとえば丸い、正方形、長方形、六角形、等）、よくある寸法（長方形（一部の実施形態では正方形）の辺等）は約６～８μから１０００μ、または一部のケースではこれより大きい。定義されたファセットのサイズ、形状および数（ファセットおよび拡散器の前面／透過面の、サイズおよび形状に基づく）をもって、ファセット定義アルゴリズムは、輝度ビーム／セット（これは定義された光分布全体のうちある特定の範囲の分布角度に関連付けられてもよい）に対する割り当てのためのファセットのランダム選択を用い、さらにアルゴリズムは、このセル内およびその分布角度範囲内での（または所定の領域内での）透過角のランダム割り当てを用いてホットスポットを回避する（たとえば、所定の領域の中央に、すべてのファセットが向けられるわけではなく、さらにはいかなるファセットも向けられない）。

光分布は、ホットスポット（本発明を用いることなく光源としてＬＥＤ光を用いた場合に発生するもの等）を除去するための線状焦点またはエンジニアリングされた分布を生成するためのもののようなほぼ任意の所望の光分布を実現するためにユーザ入力によって定義可能である。さらに、光分布は、文字または画像等のエンジニアリングされた形状として定義可能であり、ファセットは拡散器の前面／透過面から距離を隔てた空間内でこれらの形状を提示するよう光分布を定義可能である。さらに、ユーザ入力は、光源からの到来光ストリームの方向および／または位置を定義可能であり、アルゴリズム（または拡散器設計モジュール）は、所望の光分布のためのファセットを定義することの一部として、拡散器が必要とする解のために、到来光の方向を操作しまたはこれに応答するよう構成可能である。アルゴリズムはさらに、プログラムにおいて、（ユーザ入力等を介して）材料の屈折率を変更することによってファセットを操作する能力を提供するよう構成されてもよい（たとえば、ユーザ入力によって設定される１つのパラメータは拡散器の材料および／または拡散器を形成するのに用いられる基板／フィルムのための屈折率であってもよい）。

新たな拡散器は、広範な光源（たとえば、ＬＥＤ、蛍光、レーザおよびハロゲン照明または光源）とともに使用可能である。１つの具体的な実装では、本明細書に記載される光拡散器を有する装置は、ＬＥＤ光源とともに実装され、印刷および加工産業において、エネルギー硬化性のインクおよびコーティングの硬化の適切な光分布のためのＬＥＤ照明硬化ユニットとしてまたはこれにおける使用のために構成され得る。他の実装における装置は、投影スクリーンを提供することにおいて、または提供するために用いられる。他のケースでは、装置は、劇場照明またはフィルムプロダクションのための照明を提供するための新たな拡散器を含む。新たな拡散器を有するさらに他の有益な装置の例では、本明細書において教示される装置は、すべての種類の微小ディスプレイまたはスクリーン（たとえばＬＥＤスクリーン）の形態を取ってもよい（たとえば、ＰＤＡ、ＴＶ、スマートフォンまたは携帯電話、コンピューティングデバイス（パッド、タブレット等）、等のためのディスプレイまたはスクリーン、あるいはディスプレイまたはスクリーンを有する他の電子デバイス）。さらに他のユースケースでは、新たな装置は、自動車のヘッドライト、テールライト、およびインテリアにおける光拡散のために拡散器を用いる。他の装置は、インドアおよびアウトドア照明用途のための新たな拡散器を含み、これを用いてもよい。

拡散器のファセットを定義するファイルは、様々な製造プロセスのために使用可能である（たとえば工具を作製するために）。たとえば、本明細書に記載されるソフトウェアによって出力される設計ファイルは、拡散器を製造する方法において、押出工程において使用可能であり、また、ファセットの鋳造および硬化（ＵＶまたはＥビーム）の硬化において製造する方法において使用可能である。さらに、設計ファイルは、本明細書で教示される処理されたランダム選択の使用に起因するより大きい工具およびシームレスな工具を作製する方法のための入力として使用可能である。

本発明は、特定の度合いの具体性をもって説明され図示されてきたが、本開示は例示のみによってなされ、組み合わせおよび各部の配置における多数の変更が、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、添付の特許請求の範囲に記載されるように、当業者によって再現されるということが理解される。

たとえば、拡散器の受光面（たとえば光源に対向する後面）はファセットを含むよう構成されてもよく、前面は平坦であってもよい。この、上述の記載とは反対の配向は、図示はされないが、当業者によって容易に理解される。

上述のように、拡散器およびそのファセットは、しばしば、様々な波長の光を拡散するために構成される。たとえば、ファセットは、白色光のための事前定義された光分布（光の特定の散乱または拡散）、および、ＩＲ、より低い波長、等の様々な用途のための特定の波長範囲を提供するためにエンジニアリング可能である。これと同じまたは異なる例において、設計のプログラミングは、タッチレススクリーン等のために実行可能である。言い換えると、拡散器は、本明細書に教示されるように非常に特定された波長で機能するよう作製可能であり、容易な拡張によって当業者に理解される。

一部の実施形態では、拡散器は金属化された反射性拡散器として構成され、反射性金属の薄い膜または層が拡散器の平坦表面上に提供され、光源からの出力光は、本明細書に記載の光散乱での反射に先立って、まず、ファセットを含む表面を通過する。本明細書に記載の拡散器は、上述のように多数の方法（さらにモールドガラスおよび射出成形プラスチックプロセスを介するものを含む）で製造可能である。

一部の実施形態では、拡散器（図１の拡散器１２０または図２の拡散器２００等）は、拡散器の「後面」（あるいは、拡散器の「前面」またはファセット含有面とは反対側の表面）上に複数のレンズを含むよう設計され製造される。上述のように、拡散器の基板または本体のファセット含有面は、拡散器の光透過面であってもよく、拡散器の受光面であってもよく、いずれの配置でも、図１の装置１００のようなマルチファセット拡散器を有する装置において有用である。たとえば、拡散器１２０の後面１２２が複数のレンズを含むか、または拡散器２００の後面２０２が複数のレンズを含むことが有用であり得る。これらのレンズは、１以上の軸において、拡散光（図１の光１４０または図２の光２３０）においてより広い分布を可能にするかまたは作成するのに有用であり得、これはいくつかの用途では非常に望ましい。

図１４は、図１および２に示す装置と同様の装置１４００の簡素化された端面図であるが、拡散器１４１０の基板または本体１４１１の受光面上または後面１４１４上の複数のレンズ１４１５を含む。図１５は、図１４の装置１４００の部分拡大図１５５０であり、拡散器１４１０を通って進行する光を示す。この例示的な装置１４００において、基板１４１１の後面またはレンズで覆われた表面１４１４へと方向付けられる到来光（または光源の光ストリーム（複数可））１５６０を生成するための複数のＬＥＤ１４２２を含む光源１４２０が提供される。装置１４００の他の実装では、コリメートされたまたはコリメートされない光１５６０を提供するために、上述のように、光源１４２０についての別の構成が利用可能である。

図示のように、この装置１４００の受光面１４１４は、到来光１５６０を受けて合焦または成形する（その後、到来光１５６０は、矢印１５６５で示すように、光透過面または「前」面１４１２へと、基板または拡散器本体１４１０を通過する）よう作用する複数のレンズ１４１５を含むよう製造される。ファセット１４１３は、上に詳述したように、出射拡散光１５７０で示すように、特別に構成されたセルまたはファセットのセット１４１３の使用を介して光を拡散させるよう構成される。レンズ１４１５は、典型的には、ファセット１４１３および基板１４１０と同じ材料から、しばしばファセット１４１３と同じまたは同様の方法で形成される。

レンズ１４１５は、装置１４００を実現するために広範な形状を取り得る（一つの有用な例として丸いレンズを示すが、非限定的な例である）。他のケースでは、レンズ（ほぼ任意の光学的構造を含むよう意図される）１４１５は、正方形、六角形、楕円形、角錐形、レンズ形(lenticular)、または所望の量の光成形を得るための任意の他の有用な（たとえば、拡散光１５７０の１以上の軸においてより広い所望の分布を実現するための）構成であってもよい。図示のように、レンズ１４１５のサイズおよび数は、ファセット１４１３のそれと同様に選択されている（たとえば、レンズの数および／または外寸法がファセットのそれと整合するか、またはファセットの数の±１０～２０パーセントの範囲内である）が、これは装置１４００を実装するための必要条件ではない。レンズ形レンズ（lenticular lenses)（レンズ１４１５のために用いる場合）は、典型的には１５ミクロン（翼弦長）から約５００ミクロンの範囲内であり、他の種類のレンズ１４１５および光学要素１４１３がしばしば同様の寸法（またはサイズ）を有し、一部のケースでは、要素／ファセット１４１３およびレンズ１４１５について１５～約１００ミクロンの範囲内であることが好適であると考えられる。

図１６は、図１４に示す装置と同様の装置１６００の簡素化された端面図であり、拡散器１４１０のための同じ構成を使用する。しかしながら、装置１６００では、受光面として作用する拡散器１４１０のマルチファセット表面１４１２（またはファセット１４１３を有する基板１４１１の表面）で拡散器１４１０が配向されている。装置１６００では、レンズで覆われた表面１４１４（またはレンズ１４１５を有する基板１４１１の表面）が拡散器１４１０の前面または光透過面として作用する。

図１７は、図１６の装置１６００の部分拡大図１７５０であり、拡散器１４１０を通って進行する光を示す。とくに、ＬＥＤ１４２２からの到来光１５６０は、まずファセット１４１３に衝突し、矢印１７６５で示すように、本体または基板１４１１を介して、拡散され透過する。この光１７６５は、その後、出射拡散光１７７０として、所望の成形または合焦を伴ってレンズ１４１５を通過する。

本記載のこの点において、ファセットを伴う光コリメートおよび成形の要素としてボクセルを用いる新たな拡散器設計の使用の簡単なレビューまたは概要を提供することが有用であろう。その後、本記載は、本発明者らによって開始された１つの拡散器の設計および製造プロジェクトにおいて知得された概念または教訓の短い概要に切り替わる。

光管理において、とくにＬＥＤ等の点光源の場合、しばしば、様々な方法で光を成形し、また、光をコリメートし、標的に対する輝度を増加または減少させることが望ましい。たとえば、ボクセルを提供するファセットは、（基板の上部または基板の底部の）照明要素の下の様々なレベルに設定可能である。これらのファセットは、グループ化されランダムに選択されており、非常に小さいエリア（たとえば１ｍｍ^２未満）が様々なレベルでボクセルを作成するいくつかの合焦ファセットを含み得る。言い換えると、ファセットを透過して照射される１本のレーザ光が、ボクセルにおいて３個以上の焦点距離を有し得る。

ボクセルは、交差点に光の点を生成し、これはその後、所望の円錐角において所望のエリアへと広がる。ボクセルは光学要素の下でより深く生成される（より長い焦点距離）ので、結果として得られる円錐角は狭くなり、結果として、いくらかコリメートされるまたは狭められた角度となる。焦点距離またはボクセルは、結果として得られる円錐角における輝度レベルを増大させるために、ファセットの、より大きい数で重み付けされてもよい。これを行うことにより、以下の動作例における標的の通りに照明を成形可能である。明らかに、これらのファセットのセットは、共にランダム化されており、装置は、ＬＥＤまたは照明に対する位置合わせを必要とせずにこれを実行する。しかしながら、特定の用途について、必要または好ましい場合には、ファセットを位置合わせすることにより、より正確な分布が得られる。

ボクセルに対する焦点距離は、数ミクロンから数フィートであり得る。ファセットは、約１５ミクロンから約５，０００ミクロンまでのような様々なサイズを有し得る。ファセットは、基板の上部にあってもよく、底部にあってもよく、双方にあってもよく、ファセットは、拡散器基板上に、押出エンボス、射出成形、または鋳造および硬化されてもよい。

この例示的な拡散器設計プロジェクトは、初期には２つの固有の拡散表面を作成することを含み、これらはＬＥＤベースの１つの光源からの２つの異なる光分布を特徴づけようとするものであった。しかしながら、高度に具体的な光分布は、特定のＬＥＤ光源位置にファセットアレイを位置合わせすることを介してのみ実現可能であると判明した。また、後のデータは、対称な、正規の(regular)角度分布を示した。この新たな測光データを手に、位置合わせを要しないシステムまたは装置を有することが好ましいという本発明者らによる理解をもって、本発明者らは、新たな手法が望ましいと判断した。

照明装置／システムの実験および解析により、ベースの照明器具または光源は、軸外焦点を有する１２０°ＬＥＤを有する光源またはＬＥＤボードを含み、既存の拡散要素は、主に（たとえば、拡散要素の約１０ｍｍ下の点に）合焦／コリメートする「合焦」フレネルレンズのアレイであるということが示された。この場合、光線は、約６０度の円錐角を形成するように交差する。結果として得られる拡散光は、光が壁から外れるように成形を維持してまぶしさを低減するよう照明器具の上部の光をわずかにコリメートさせる形状の分布を有する。しかしながら、この照明器具またはオリジナルの照明器具の設計の制限は、Ｚ軸内の様々な層の「重み付け」も、標的の底部における標的の所望の「平坦さ」も、可能ではないということを含む。

図１８は、光源１８１０（この非限定的な例ではＬＥＤボード）に対して所望の光分布を提供するよう設計された、図１４～１７に示す装置と同様の装置１８００の側面図である。図示のように、装置１８００は、１２０°光分布１８１４を出力する複数のＬＥＤの形態の光源１８１０を含む。この光１８１４は、（たとえばＬＥＤボード１８１０から離れる方向に向く前面または光透過面上の）多数のファセットと、（たとえばＬＥＤボード１８１０に対向する後面または受光面上の）レンズとの使用を組み合わせるよう構成された拡散器１８２０によって受けられる。拡散器１８２０は、図１４および１５を参照して上述された形態を取り得るか、または、一部のケースでは、図１６および１７を参照して上述された形態を取り得る。

本明細書に教示されるレンズおよびファセットを有するこの拡散器１８２０を用いることにより、装置１８００は、所望の標的角度分布を実現するよう動作でき、また、出力曲線に対して改善（上述のフレネルレンズ拡散器と比較して）を提供できた。拡散器１８２０の新たなファセットアレイ設計は、拡散器１８２０のレンズによって提供される合焦手法と組み合わせられて、ほぼ１２０°のＬＥＤ出力１８４０を取得し、これを、高度に制御された角度分布１８４０で示すような所望の態様で再方向付けする。拡散器１８２０から透過する光線は、拡散面から交差レベル１８３０で示す距離の点において交差してボクセルを形成し、結果として、エンジニアリングされた角度の分布を生じる。

図１９は、図１４～１８に示す拡散器のような、本記載の拡散器１９１０の小部分によって提供される拡散のレイトレーシング１９００を示す。図示のように、拡散器１９１０らの拡散光または出力光１９１４は、拡散器１９１０の光透過面からある距離だけ隔てられた同様の数のボクセル（たとえば１～３個またはこれより多い）を提供する複数の交点を有する。いくつかの実施形態では、拡散器１９１０から所望の距離をおいて複数の交点１９１８を知的にまたは選択的に配置するように、設計システムのユーザに対して、（たとえば設計最適化モジュールへの入力を介して）より高いレベルの制御が提供される。

交点１９１８のそれぞれは、この態様では、照明器具または光源（図示しないが、少なくとも図１８から理解される）の下の（またはある距離だけ隔てられた）複数のボクセル焦点を生成することによって、固有の、ユーザ制御可能な角度分布およびファセットカウントを特徴付け得る。この「ボクセル」手法は、照明装置１９００によって生成されるまぶしさの量を制限するために、多くのケースにおいて有用である。この例では、光源は、到来する１２０度の入力または光ストリームを提供するＬＥＤを含む。任意の面積（たとえば数平方ミリメートル等）においてレイトレーシング１９００の様々なレベルにおいて複数のボクセルまたは焦点１９１８をファセットが生成するように、拡散器１９１０のファセットは混合され、ランダム化される。ボクセル１９１８のそれぞれは、結果としての各円錐角（たとえば４５度、６０度および９０度に設定されてもよく、または他の所望の円錐角に設定されてもよく、これらは３個のボクセル１９１８のそれぞれについて同じであってもよいし異なってもよい）の輝度を変化させるように、上述の通り、拡散器の設計者が望むように重み付け可能である。

照明装置１９００において、３個のボクセル１９１８が示されているが、所望の拡散器を実現するために、１個、２個、またはより多くのボクセル１９１８をそれぞれ有する層を１層、２層、３層またはより多くの層を生成するために、１個、２個、３個、４個またはより多くのボクセル１９１８が提供されてもよい。これらのボクセルを生成する拡散器１９１０におけるファセットのセットの幅は、０．５ｍｍ未満のパターンであってもよく、１ｃｍまたはより大きいサイズまで繰り返されまたはいくつかあってもよい。また、これらのパターンのセットはすべてランダム化されてもよく、これによって光分布における同じ結果のためのボクセルではなくベクトルが生成される。ファセット自体は、望ましくないパターニングを避けるために、位置においてランダム化されてもされなくてもよい。

結果として得られる円錐角は、図１９に示す照明装置１９００におけるボクセル１９１８のためのもののように、多くの用途において異なる。たとえば、ボクセル１９１８が深くなる（たとえば、拡散器１９１０の光透過面からさらに離れる）と、結果として得られる円錐角はより狭くなり、より多くの光が中央に位置するようにできる（たとえば、この３ボクセルのデバイス１９００の例では、最も近いボクセル１９１８に対して９０度、中間のボクセル１９１８に対して６０度、最も離れたまたは最も深いボクセル１９１８に対して４５度）。ここで、この技術は、拡散器としてのみならず、コリメータとしても使用可能であるということに留意すべきである。さらに、光を屈折させるファセットは、選択された円錐角に向かってより多くの光を方向付けるように重み付けすることが可能である（より大きい重みの結果として、拡散器１９１０のより多くのファセットが、その特定のボクセル１９１８へと割り当てられる）。

Claims (33)

1. 空間内に事前定義された光分布を生成するための装置であって、
   光を出力するよう動作可能な光源と、
   拡散器であって、前記拡散器は、
   前記光源から出力された光を受ける後面と、
   前記後面と反対側の前面であって、前記拡散器から前記事前定義された光分布を持つ拡散光を出力するために、前記後面上で受けた前記光を再方向付けして透過させる前面と、
   を有する基板を有する、拡散器と、
   を備え、
   前記基板は、光透過性の材料から形成され、
   前記後面は、前記後面上で受けた前記光を前記前面上に合焦させる複数のレンズを備え、
   前記前面は、前記光の前記拡散を提供する複数のファセットを備え、
   前記複数のセットは、それぞれ、前記事前定義された光分布の領域に関連付けられる、
   装置。
2. 前記複数のファセットのそれぞれは、ランダムに複数のセットの１つに割り当てられ、
   前記複数のセットのそれぞれにおける前記ファセットのそれぞれは、前記複数のセットのうちそれらが割り当てられた１つのセットに関連付けられた前記事前定義された光分布の前記領域内の方向に前記後面上で受けた前記光を再方向付けするよう配向された平坦面分を有する、
   請求項１に記載の装置。
3. 前記事前定義された光分布の前記領域のそれぞれは、角度範囲に関連付けられ、
   前記領域内の前記方向は、前記ファセットのそれぞれにランダムに割り当てられる、
   請求項２に記載の装置。
4. 前記ファセットのそれぞれは、前記拡散器の前記前面上の前記平坦面分の座標によって、および、前記平坦面分に対する法線ベクトル方向によって、定義される、請求項２に記載の装置。
5. 前記ファセットの前記セットのそれぞれは、前記事前定義された光分布を定義する輝度セルに関連付けられ、
   前記ファセットの前記セットのそれぞれに割り当てられる前記ファセットの数は、前記輝度セルのそれぞれに割り当てられた輝度値に基づいて選択される、
   請求項１に記載の装置。
6. 前記光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）光源、赤外線（ＩＲ）光源、白色光源、コヒーレント光源、フィラメント光源、蛍光光源、またはハロゲン光源である、請求項１に記載の装置。
7. 出力された前記拡散光を受けるよう位置する、少なくとも１つの追加の光学要素をさらに備え、
   前記装置は、ディスプレイ、投影スクリーン、劇場またはフィルムプロダクション照明、自動車照明、インドアまたはアウドドア照明、または光硬化ユニットのうち１つである、請求項１に記載の装置。
8. 前記ファセットのそれぞれは平坦面分を有し、
   前記平坦面分は、円形、長方形、正方形、または六角形の形状であり、６～１０００ミクロンの範囲内の最大外寸法を有する、
   請求項１に記載の装置。
9. 前記レンズのそれぞれは、６～１０００ミクロンの範囲内の最大外寸法を有する、請求項１に記載の装置。
10. 前記レンズのそれぞれは、レンズ形、正方形、丸い形、六角形、楕円形、または角錐形の形状を有する、請求項１に記載の装置。
11. 空間内に事前定義された光分布を生成するための装置であって、
    光を出力するよう動作可能な光源と、
    拡散器であって、前記拡散器は、
    前記光源から出力された光を受ける後面と、
    前記後面と反対側の前面であって、前記拡散器から前記事前定義された光分布を持つ拡散光として、前記後面上で受けた前記光を透過させる前面と、
    を有する基板を有する、拡散器と、
    を備え、
    前記基板は、光透過性の材料から形成され、
    前記後面は、前記光を拡散させる複数のファセットを備え、
    前記前面は、前記拡散光を生成するために、前記後面上で受けた前記光を前記前面上に成形する複数のレンズを備え、
    前記複数のセットは、それぞれ、前記事前定義された光分布の領域に関連付けられる、
    装置。
12. 前記複数のファセットのそれぞれは、ランダムに複数のセットの１つに割り当てられ、
    前記複数のセットのそれぞれにおける前記ファセットのそれぞれは、前記複数のセットのうちそれらが割り当てられた１つのセットに関連付けられた前記事前定義された光分布の前記領域内の方向に、前記後面上で受けた前記光を再方向付けするよう配向された平坦面分を有する、
    請求項１１に記載の装置。
13. 前記事前定義された光分布の前記領域のそれぞれは、角度範囲に関連付けられ、
    前記領域内の前記方向は、前記ファセットのそれぞれにランダムに割り当てられる、
    請求項１２に記載の装置。
14. 前記ファセットのそれぞれは、前記拡散器の前記前面上の前記平坦面分の座標によって、および、前記平坦面分に対する法線ベクトル方向によって、定義される、請求項１２に記載の装置。
15. 前記ファセットの前記セットのそれぞれは、前記事前定義された光分布を定義する輝度セルに関連付けられ、
    前記ファセットの前記セットのそれぞれに割り当てられる前記ファセットの数は、前記輝度セルのそれぞれに割り当てられた輝度値に基づいて選択される、
    請求項１１に記載の装置。
16. 前記光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）光源、赤外線（ＩＲ）光源、白色光源、コヒーレント光源、フィラメント光源、蛍光光源、またはハロゲン光源である、請求項１１に記載の装置。
17. 出力された前記拡散光を受けるよう位置する、少なくとも１つの追加の光学要素をさらに備え、
    前記装置は、ディスプレイ、投影スクリーン、劇場またはフィルムプロダクション照明、自動車照明、インドアまたはアウドドア照明、または光硬化ユニットのうち１つである、請求項１１に記載の装置。
18. 前記ファセットのそれぞれは平坦面分を有し、
    前記平坦面分は、円形、長方形、正方形、または六角形の形状であり、６～１０００ミクロンの範囲内の最大外寸法を有する、
    請求項１１に記載の装置。
19. 前記レンズのそれぞれは、６～１０００ミクロンの範囲内の最大外寸法を有する、請求項１１に記載の装置。
20. 前記レンズのそれぞれは、レンズ形、正方形、丸い形、六角形、楕円形、または角錐形の形状を有する、請求項１１に記載の装置。
21. 光学的拡散器であって、
    少なくとも５０パーセントの光透過効率を有する材料から形成された本体と、
    光源からの出力光を受けるとともに、前記後面上で受けた前記出力光を散乱させて拡散光を提供するための後面と、
    前記本体上の前記後面とは反対側の、前記本体上の前面であって、前記前面は、前記後面によって散乱した前記出力光を、事前定義された光分布を持つ拡散光として透過させる、前面と、
    を備え、
    前記後面および前記前面のうち第１のものは、６～３５０ミクロンの範囲内の最大外寸法を持つ平坦面分をそれぞれ有する複数のファセットを備え、
    前記後面および前記前面のうち第２のものは、複数のレンズを備え、
    前記複数のファセットのそれぞれは、複数のセットのうち１つにランダムに割り当てられ、
    前記複数のセットのそれぞれは、前記事前定義された光分布の領域に関連付けられ、
    前記セットのそれぞれに輝度値が割り当てられる、
    光学的拡散器。
22. 前記レンズのそれぞれは、６～１０００ミクロンの範囲内の最大外寸法を有する、請求項２１に記載の光学的拡散器。
23. 前記レンズのそれぞれは、レンズ形、正方形、丸い形、六角形、楕円形、または角錐形の形状を有する、請求項２１に記載の装置。
24. 前記セットのそれぞれに割り当てられた前記複数のファセットのサブセットは、前記セットの前記輝度値に基づいて数がサイジングされ、
    前記セットのそれぞれに割り当てられた前記ファセットの前記平坦面分のそれぞれは、前記複数のセットのうちそれらが割り当てられた１つのセットに関連付けられた前記事前定義された光分布の前記領域内の方向に、前記後面上で受けた前記光を再方向付けするよう配向され、
    前記事前定義された光分布の前記領域のそれぞれは、角度範囲に関連付けられ、
    前記領域内の前記方向は、前記ファセットのそれぞれにランダムに割り当てられる、
    請求項２１に記載の光学的拡散器。
25. 前記ファセットのそれぞれは、前記拡散器の前記後面上の前記平坦面分の座標によって、および、前記平坦面分に対する法線ベクトル方向によって、定義される、請求項２１に記載の光学的拡散器。
26. 前記事前定義された光分布はガウス分布であり、
    前記拡散器は、押出工程、前記ファセットの紫外線（ＵＶ）またはＥビーム硬化を用いた鋳造および硬化、モールドガラス、または射出成形プラスチックプロセスを介して形成される、
    請求項２１に記載の光学的拡散器。
27. 前記事前定義された光分布は、線状焦点であるか、エンジニアリングされた形状であるか、１以上の文字を含むか、または１以上の画像を含み、
    前記拡散器は、押出工程、前記ファセットの紫外線（ＵＶ）またはＥビーム硬化を用いた鋳造および硬化、モールドガラス、または射出成形プラスチックプロセスを介して形成される、
    請求項２１に記載の光学的拡散器。
28. 光学的拡散器であって、
    光に対して少なくとも半透明である材料から形成された本体と、
    光源からの出力光を受けるとともに、前記後面上で受けた前記出力光を散乱させて拡散光を提供するための後面と、
    前記本体上の前記後面とは反対側の、前記本体上の前面であって、前記前面は、前記後面によって散乱した前記出力光を、事前定義された光分布を持つ拡散光として透過させる、前面と、
    を備え、
    前記後面および前記前面のうち第１のものは、平坦面分をそれぞれ有する複数のファセットを備え、
    前記ファセットの少なくとも１セットは、事前定義された円錐角で前記拡散光の一部を透過させるために、前記前面から事前定義された距離においてボクセルを生成するよう構成される、
    光学的拡散器。
29. 前記ファセットの第２のセットは、事前定義された第２の円錐角で前記拡散光の第２の一部を透過させるために、前記前面から事前定義された第２の距離において第２のボクセルを生成するよう構成される、請求項２８に記載の光学的拡散器。
30. 前記事前定義された第２の距離は、前記事前定義された距離より大きく、
    前記事前定義された第２の円錐角は、前記事前定義された円錐角とは異なる、
    請求項２９に記載の光学的拡散器。
31. 前記第２のボクセルを提供する前記ファセットの前記第２のセットは、前記ボクセルを提供する前記ファセットの前記セットより多い数の前記ファセットを有し、
    それによって、前記拡散光の前記第２の一部は、前記拡散光の前記一部より大きい輝度を有する、
    請求項２９に記載の光学的拡散器。
32. 前記後面および前記前面のうち第２のものは、複数のレンズを備え、
    前記平坦面分のそれぞれは、６～３５０ミクロンの範囲内の最大外寸法を持つ、
    請求項２８に記載の光学的拡散器。
33. 前記複数のファセットのそれぞれは、ランダムに複数のセットの１つに割り当てられ、
    前記複数のセットのそれぞれは、前記事前定義された光分布の領域に関連付けられ、
    前記セットのそれぞれに輝度値が割り当てられる、
    請求項２８に記載の光学的拡散器。

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