JP3064018B2 - コンフォーカルな放物線断面を備えた高効率プリズム・ライト・ガイド - Google Patents
コンフォーカルな放物線断面を備えた高効率プリズム・ライト・ガイドInfo
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- JP3064018B2 JP3064018B2 JP9514588A JP51458897A JP3064018B2 JP 3064018 B2 JP3064018 B2 JP 3064018B2 JP 9514588 A JP9514588 A JP 9514588A JP 51458897 A JP51458897 A JP 51458897A JP 3064018 B2 JP3064018 B2 JP 3064018B2
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- Optical Fibers, Optical Fiber Cores, And Optical Fiber Bundles (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 技術分野 本出願は、相対向するコンフォーカルな放物線部分か
らなる断面を有するプリズム・ライト・ガイド（prism
light guide）構造物に関する。そのようなガイドは光
線の横方向の動きを局在化することを可能にし、それに
より、放物線の交差部分における継ぎ目は、ガイド内に
伝搬される光線をほとんど減衰しない。
らなる断面を有するプリズム・ライト・ガイド（prism
light guide）構造物に関する。そのようなガイドは光
線の横方向の動きを局在化することを可能にし、それに
より、放物線の交差部分における継ぎ目は、ガイド内に
伝搬される光線をほとんど減衰しない。
発明の背景 種々の照明工学装置には、光をある地点から別の地点
へ移動させるために、かつ、光を線形に拡大する方向に
沿って分配するために、プリズム・ライト・ガイドが組
み込まれている。例えば、1982年３月30日発行の、ホワ
イトヘッド（Whitehead）による米国特許第4,260,220号
「オクタチュア（Octature）にある表面を有するプリズ
ム・ライト・ガイド」及びホワイトヘッド、エル．エ
ー．（L.A.）、ノッドウェル、アール．エー．（Nodwel
l,R.A.）、カーゾン、エフ．エル．（Curzon,F.L.）に
よる「内部照明のための新しい効率的なライト・ガイ
ド」、応用光学（Applied Optics）、21巻、15号、1982
年８月１日を参照されたい。本質的に、そのようなガイ
ドは透明材料より形成される中空のパイプであり、同パ
イプの一つ又は複数の表面は、パイプの最も外側の表面
に遭遇するたびごとに全内反射によって反射されるパイ
プの内部空間内に光を優先的に伝達させる長手プリズム
を含む。
へ移動させるために、かつ、光を線形に拡大する方向に
沿って分配するために、プリズム・ライト・ガイドが組
み込まれている。例えば、1982年３月30日発行の、ホワ
イトヘッド（Whitehead）による米国特許第4,260,220号
「オクタチュア（Octature）にある表面を有するプリズ
ム・ライト・ガイド」及びホワイトヘッド、エル．エ
ー．（L.A.）、ノッドウェル、アール．エー．（Nodwel
l,R.A.）、カーゾン、エフ．エル．（Curzon,F.L.）に
よる「内部照明のための新しい効率的なライト・ガイ
ド」、応用光学（Applied Optics）、21巻、15号、1982
年８月１日を参照されたい。本質的に、そのようなガイ
ドは透明材料より形成される中空のパイプであり、同パ
イプの一つ又は複数の表面は、パイプの最も外側の表面
に遭遇するたびごとに全内反射によって反射されるパイ
プの内部空間内に光を優先的に伝達させる長手プリズム
を含む。
そのようなガイドのほとんどは、内部表面が滑らか
で、かつ外側面のプリズムの、ガイドの軸に平行に走行
する断面が直角二等辺三角形である。一般的に、そのよ
うなガイドは可撓性のプリズム・シートから形成されて
おり（サックス、エス．ジー．（Saxe,S.G.）、ホワイ
トヘッド、エル．エー．、カッブ ジュニア、エス．
（Cobb Jr.,S.）による「プリズム・ライト・ガイドの
開発における進歩」、エスピーアイイープロシーディン
グス（SPIE Proceedings）、692巻、235−240頁、1984
年）、かつガイド自身は、清浄に維持されると共に光学
的な品質を備える表面の摩耗を回避するために保護用外
側構造体内に収容されている。
で、かつ外側面のプリズムの、ガイドの軸に平行に走行
する断面が直角二等辺三角形である。一般的に、そのよ
うなガイドは可撓性のプリズム・シートから形成されて
おり（サックス、エス．ジー．（Saxe,S.G.）、ホワイ
トヘッド、エル．エー．、カッブ ジュニア、エス．
（Cobb Jr.,S.）による「プリズム・ライト・ガイドの
開発における進歩」、エスピーアイイープロシーディン
グス（SPIE Proceedings）、692巻、235−240頁、1984
年）、かつガイド自身は、清浄に維持されると共に光学
的な品質を備える表面の摩耗を回避するために保護用外
側構造体内に収容されている。
プリズム・ライト・ガイドは種々の断面形状を備える
ように形成され得、同ガイドのすべては、ガイド軸から
の角度偏差θが以下の式にて示す値θｃ（ここで、θｃ
は、パイプ材料の屈折率ｎに依存する）より小さい入射
光線の全てを損失の少ない状態にて導くことを可能にす
る。
ように形成され得、同ガイドのすべては、ガイド軸から
の角度偏差θが以下の式にて示す値θｃ（ここで、θｃ
は、パイプ材料の屈折率ｎに依存する）より小さい入射
光線の全てを損失の少ない状態にて導くことを可能にす
る。
期待されるように、プリズム・ライト・ガイドの主要
な特性は損失率であり、壁材から離れる光線の平均反射
当たりの案内された光の減衰として最適に表現される。
唯一の避け難い損失は回析に起因するものであるが、同
損失は10-3のオーダーであると考えられている。しかし
ながら、これは未だ確認されていない。現在のプリズム
・ライト・ガイドにおいて、反射当たりの本質的な損失
は約２％であり、プリズムの形状におけるほんの僅かな
不完全性に起因する。この損失は、主として照明に使用
され得る漏出光からなるので、プリズム・ライト・ガイ
ドは、光の分布における効率的かつ有用な手段である
（ホワイトヘッドによる1986年10月７日発行の米国特許
第4,750,798号「プリズム・ライト・ガイド照明器
具」、ホワイトヘッドによる1988年11月１日発行の米国
特許第4,787,708号「プリズム・ライト・ガイドから連
続的に制御された放出光のための装置」、及びホワイト
ヘッド、エル．エー．、スコット、ジェイ．イー．（Sc
ott,J.E.）による「プリズム・ライト・ガイドを用いた
光の分布」アイイーエス（IES）プロシーディングス、1
984年８月を参照されたい）。
な特性は損失率であり、壁材から離れる光線の平均反射
当たりの案内された光の減衰として最適に表現される。
唯一の避け難い損失は回析に起因するものであるが、同
損失は10-3のオーダーであると考えられている。しかし
ながら、これは未だ確認されていない。現在のプリズム
・ライト・ガイドにおいて、反射当たりの本質的な損失
は約２％であり、プリズムの形状におけるほんの僅かな
不完全性に起因する。この損失は、主として照明に使用
され得る漏出光からなるので、プリズム・ライト・ガイ
ドは、光の分布における効率的かつ有用な手段である
（ホワイトヘッドによる1986年10月７日発行の米国特許
第4,750,798号「プリズム・ライト・ガイド照明器
具」、ホワイトヘッドによる1988年11月１日発行の米国
特許第4,787,708号「プリズム・ライト・ガイドから連
続的に制御された放出光のための装置」、及びホワイト
ヘッド、エル．エー．、スコット、ジェイ．イー．（Sc
ott,J.E.）による「プリズム・ライト・ガイドを用いた
光の分布」アイイーエス（IES）プロシーディングス、1
984年８月を参照されたい）。
ほとんどの場合において、プリズム・ライト・ガイド
は、その製造が最も容易なことから、単純な断面形状の
ものが形成される。例えば、円形の断面が一般的であ
り、同様に、長方形、三角形及びそれらの種々の組み合
わせが挙げられる。一般的に、プリズム・ライト・ガイ
ドは平坦なプリズム・フィルムから形成され、同フィル
ムは湾曲されるか、又は所望の形状に組み立てられる。
残念なことに、最も簡単な製造方法は、時として、得ら
れる継ぎ目において不完全性をきたす場合がある。本発
明は、そのような不完全性による減衰を低減するととも
に、それにより光が導かれ得る有効距離を増大させるこ
とにある。
は、その製造が最も容易なことから、単純な断面形状の
ものが形成される。例えば、円形の断面が一般的であ
り、同様に、長方形、三角形及びそれらの種々の組み合
わせが挙げられる。一般的に、プリズム・ライト・ガイ
ドは平坦なプリズム・フィルムから形成され、同フィル
ムは湾曲されるか、又は所望の形状に組み立てられる。
残念なことに、最も簡単な製造方法は、時として、得ら
れる継ぎ目において不完全性をきたす場合がある。本発
明は、そのような不完全性による減衰を低減するととも
に、それにより光が導かれ得る有効距離を増大させるこ
とにある。
発明の開示 好ましい実施形態に従って、本発明は、コンフォーカ
ルな放物線断面形状を有する、相対向する第一及び第二
の並行部分を備えた中空のライト・ガイドを提供する。
ライト・ガイドはプリズム・ライト・ガイドであり得る
か、又は例えば、金属ミラー・ライト・ガイド（metall
ic mirror light guide）若しくは誘電多層膜ライト・
ガイド（multi−layer dielectric light guide）のよ
うな他の中空ライト・ガイドであり得る。
ルな放物線断面形状を有する、相対向する第一及び第二
の並行部分を備えた中空のライト・ガイドを提供する。
ライト・ガイドはプリズム・ライト・ガイドであり得る
か、又は例えば、金属ミラー・ライト・ガイド（metall
ic mirror light guide）若しくは誘電多層膜ライト・
ガイド（multi−layer dielectric light guide）のよ
うな他の中空ライト・ガイドであり得る。
断面形状は、その形状の焦点距離の約３倍（好ましく
は、約2.5倍）を超えない距離によって分離される頂点
を有効的に備えている。
は、約2.5倍）を超えない距離によって分離される頂点
を有効的に備えている。
本発明は更に、ライト・ガイドの壁材が第一及び第二
のライト・ガイド部分から形成され、同部分の各々が放
物線断面形状を備える中空のライト・ガイドを形成する
方法を提供する。同部分は互いに接合されるとともに、
放物線断面形状は、互いに対してコンフォーカルである
ように維持されている。連結工程時に、形状の放物線の
頂点は、形状の焦点距離の約３倍（好ましくは、約2.5
倍）を超えない分離距離にて維持される。
のライト・ガイド部分から形成され、同部分の各々が放
物線断面形状を備える中空のライト・ガイドを形成する
方法を提供する。同部分は互いに接合されるとともに、
放物線断面形状は、互いに対してコンフォーカルである
ように維持されている。連結工程時に、形状の放物線の
頂点は、形状の焦点距離の約３倍（好ましくは、約2.5
倍）を超えない分離距離にて維持される。
図面の簡単な説明 図１（ａ）及び１（ｂ）は、それぞれ、円形の断面を
備える従来技術におけるプリズム・ライト・ガイドの断
面図及び等角図である。
備える従来技術におけるプリズム・ライト・ガイドの断
面図及び等角図である。
図２は、縁部の本質的な不完全性、間隙及び結合材料
による損失を示す、従来技術におけるプラズマ・フィル
ムの継ぎ目を拡大した例を示す。
による損失を示す、従来技術におけるプラズマ・フィル
ムの継ぎ目を拡大した例を示す。
図３は、従来技術による円形金属ミラー・ライト・ガ
イド内を伝搬される光線の横方向の動きを示す図形であ
る。
イド内を伝搬される光線の横方向の動きを示す図形であ
る。
図４は、従来技術によるプリズム・ライト・ガイド壁
に当たる光線の横方向の動きにおける二つの異なる反射
方向を示す図形である。
に当たる光線の横方向の動きにおける二つの異なる反射
方向を示す図形である。
図５は、コンフォーカルな放物線断面を備えたライト
・ガイド内における光線の横方向の動きを示す。
・ガイド内における光線の横方向の動きを示す。
図６（ａ）及び６（ｂ）は、それぞれ、円形、及びコ
ンフォーカルな放物線断面形状を備えたプリズム・ライ
ト・ガイド内を伝搬する光線の横方向の動きを示す図形
である。
ンフォーカルな放物線断面形状を備えたプリズム・ライ
ト・ガイド内を伝搬する光線の横方向の動きを示す図形
である。
図７（ａ）及び７（ｂ）は、それぞれ、コンピュータ
にてシミュレートされた比較においてモデリングされた
理想的な円形、及びコンフォーカルな放物線断面を備え
たプリズム・ライト・ガイド部分の断面のレイアウトを
示す。
にてシミュレートされた比較においてモデリングされた
理想的な円形、及びコンフォーカルな放物線断面を備え
たプリズム・ライト・ガイド部分の断面のレイアウトを
示す。
図８は、図７の理想的な円形、及びコンフォーカルな
放物線のプリズム・ライト・ガイド部分を横断する光線
の距離の関数としてコンピュータでシミュレートされた
光強度の減衰を示すグラフのプロットである。
放物線のプリズム・ライト・ガイド部分を横断する光線
の距離の関数としてコンピュータでシミュレートされた
光強度の減衰を示すグラフのプロットである。
図９は、周縁部に二つの20mmの間隙を備える、幅100m
mのコンフォーカルな放物線状ライト・ガイドを横断す
る光線の距離の関数として光強度の減衰を示すグラフの
プロットであり、同一のガイドのモンテカルロ光線追跡
モデルにおいて推定された減衰が対応させてある。
mのコンフォーカルな放物線状ライト・ガイドを横断す
る光線の距離の関数として光強度の減衰を示すグラフの
プロットであり、同一のガイドのモンテカルロ光線追跡
モデルにおいて推定された減衰が対応させてある。
発明を実施するための最適な形態 図１（ａ）及び１（ｂ）は、円形の断面を備える従来
技術による簡単なプリズム・ライト・ガイドを示す。既
に述べたように、そのようなガイドは従来技術において
は平坦なプリズム・フィルムによって形成されており、
同フィルムは、湾曲させるか、又は、プリズム・フィル
ム材料の相対向する縁部を継ぎ目に沿って連結すること
によって所望の形状にアセンブリされる。図２は、その
ような継ぎ目を拡大して示し、縁部の本質的な不完全
性、間隙及び結合材料による損失を表している。特に、
光線10,12は、プリズム壁材部分13a,13bによって全内反
射され、継ぎ目連結部14は光線16を吸収し、光線18は、
壁材13aの不完全な縁部における散乱によりライト・ガ
イドから漏出し、かつ、光線20は、連結部14と壁材13b
の縁部との間にある間隙より漏出する。そのような損失
による影響を低減するためのステップを採用することは
可能であるが、それにより複雑さが増し、かつアセンブ
リに係る費用が増大するのみならず、完全なものが得ら
れることもない。そのような継ぎ目の光学的な影響を最
小にすることは非常に好ましいことである。
技術による簡単なプリズム・ライト・ガイドを示す。既
に述べたように、そのようなガイドは従来技術において
は平坦なプリズム・フィルムによって形成されており、
同フィルムは、湾曲させるか、又は、プリズム・フィル
ム材料の相対向する縁部を継ぎ目に沿って連結すること
によって所望の形状にアセンブリされる。図２は、その
ような継ぎ目を拡大して示し、縁部の本質的な不完全
性、間隙及び結合材料による損失を表している。特に、
光線10,12は、プリズム壁材部分13a,13bによって全内反
射され、継ぎ目連結部14は光線16を吸収し、光線18は、
壁材13aの不完全な縁部における散乱によりライト・ガ
イドから漏出し、かつ、光線20は、連結部14と壁材13b
の縁部との間にある間隙より漏出する。そのような損失
による影響を低減するためのステップを採用することは
可能であるが、それにより複雑さが増し、かつアセンブ
リに係る費用が増大するのみならず、完全なものが得ら
れることもない。そのような継ぎ目の光学的な影響を最
小にすることは非常に好ましいことである。
この点において、光線がライト・ガイドに沿って進行
する際、横断面方向における光線の伝搬の主要な光学的
特性を理解することが必要である。図３は、反射する壁
部を備える円形ガイド内を伝搬する光線の横方向の動き
をプロットする。図から明らかなように、ガイド軸から
離間した位置から開始する通常の光線は、ガイドの断面
の周りに「ドリフト（drift）」して屈折した経路をた
どる。従って、光線がガイドに沿って伝搬されると、ガ
イド外周の全ての部分と相互に作用する。
する際、横断面方向における光線の伝搬の主要な光学的
特性を理解することが必要である。図３は、反射する壁
部を備える円形ガイド内を伝搬する光線の横方向の動き
をプロットする。図から明らかなように、ガイド軸から
離間した位置から開始する通常の光線は、ガイドの断面
の周りに「ドリフト（drift）」して屈折した経路をた
どる。従って、光線がガイドに沿って伝搬されると、ガ
イド外周の全ての部分と相互に作用する。
プリズム・ライト・ガイドの場合、図４に示すよう
に、光線に対して二つの反射方向が存在する。これらの
方向の一方は、光線の横方向の動きに対する逆反射であ
るが、実際には反射エネルギーのほぼ半分は非逆反射
（non−retro−reflective）方向にある。従って、図３
に観察されるような横方向のドリフトは依然として発生
するが、その速度は幾分遅くなる。
に、光線に対して二つの反射方向が存在する。これらの
方向の一方は、光線の横方向の動きに対する逆反射であ
るが、実際には反射エネルギーのほぼ半分は非逆反射
（non−retro−reflective）方向にある。従って、図３
に観察されるような横方向のドリフトは依然として発生
するが、その速度は幾分遅くなる。
進行する光線の横方向のドリフトは上述の継ぎ目が実
質的な損失を引き起こすという事実に大きく支配され
る。仮に光線が横断面の周りにてドリフトしなければ、
ガイドにおけるほんの僅かな部分の光のみが継ぎ目に遭
遇する。仮にそのような状態が起こりうるとすれば、た
とえそのような（継ぎ目に遭遇する）光線の全てがガイ
ドより漏出したとしても、それらの損失は光束全体から
すればほんのわずかの部分となり、残りの光線は継ぎ目
に遭遇することなく効率的に進行する。実際には横方向
のドリフトが起こるので、継ぎ目の影響により、全ての
光線の継続的な減衰が引き起こされ、光が導かれ得る有
効距離が低減させられる。
質的な損失を引き起こすという事実に大きく支配され
る。仮に光線が横断面の周りにてドリフトしなければ、
ガイドにおけるほんの僅かな部分の光のみが継ぎ目に遭
遇する。仮にそのような状態が起こりうるとすれば、た
とえそのような（継ぎ目に遭遇する）光線の全てがガイ
ドより漏出したとしても、それらの損失は光束全体から
すればほんのわずかの部分となり、残りの光線は継ぎ目
に遭遇することなく効率的に進行する。実際には横方向
のドリフトが起こるので、継ぎ目の影響により、全ての
光線の継続的な減衰が引き起こされ、光が導かれ得る有
効距離が低減させられる。
図５は、コンフォーカルな（即ち、共通の焦点ｆを共
用する）２つの放物線部分からなる別のライト・ガイド
の断面を示す。図に示すように、軸から僅かに離れる光
線は断面の周りをドリフトすることなく、代わりに、最
初の経路を再びたどる。これは、従来の反射型壁部及び
プリズム・ライト・ガイド壁材のいずれにも当てはま
る。プリズム・ライト・ガイドの場合、横方向の逆反射
された光線は自動的に同光線の経路を再びたどり、そし
て、従来の反射光線も、図５に示す挙動と同様の挙動を
示す。
用する）２つの放物線部分からなる別のライト・ガイド
の断面を示す。図に示すように、軸から僅かに離れる光
線は断面の周りをドリフトすることなく、代わりに、最
初の経路を再びたどる。これは、従来の反射型壁部及び
プリズム・ライト・ガイド壁材のいずれにも当てはま
る。プリズム・ライト・ガイドの場合、横方向の逆反射
された光線は自動的に同光線の経路を再びたどり、そし
て、従来の反射光線も、図５に示す挙動と同様の挙動を
示す。
従って、図５に示す断面を備えるライト・ガイドは２
つの放物線部分の連結点における不完全な継ぎ目による
減衰がほぼ存在しない状態となる。しかしながら、実際
に、図５に示す簡略化された近軸光線追跡分析は、ライ
ト・ガイドの中央長手軸から極くわずかに移動された光
線に対してのみ正確にあてはまることを明記することは
重要である。軸から実質的に離れて発生する光線に対し
ては、光線が、その断面経路を再び正確にたどることを
回避する、光線経路における不完全性を誘導するため
に、放物線リフレクタに関連する公知の収差を考えるこ
とができる。
つの放物線部分の連結点における不完全な継ぎ目による
減衰がほぼ存在しない状態となる。しかしながら、実際
に、図５に示す簡略化された近軸光線追跡分析は、ライ
ト・ガイドの中央長手軸から極くわずかに移動された光
線に対してのみ正確にあてはまることを明記することは
重要である。軸から実質的に離れて発生する光線に対し
ては、光線が、その断面経路を再び正確にたどることを
回避する、光線経路における不完全性を誘導するため
に、放物線リフレクタに関連する公知の収差を考えるこ
とができる。
しかしながら、光線が軸から離れた位置に源を有する
場合でさえも、元々継ぎ目に遭遇しない光線は永久に遭
遇しないように、得られる横方向の偏向を束縛すること
が可能である。本発明のこの態様は、以下に説明される
ように、コンピュータによりシミュレートされたライト
・ガイドのコンピュータ化された光線追跡を行うことに
よって、容易に分析される。
場合でさえも、元々継ぎ目に遭遇しない光線は永久に遭
遇しないように、得られる横方向の偏向を束縛すること
が可能である。本発明のこの態様は、以下に説明される
ように、コンピュータによりシミュレートされたライト
・ガイドのコンピュータ化された光線追跡を行うことに
よって、容易に分析される。
従来技術のミラー−壁部ライト・ガイドにおいて、任
意の標準的な光線追跡法が使用され得る。しかしなが
ら、プリズム・ライト・ガイドの場合には、プリズム・
ライト・ガイド壁材の実際の挙動を考慮することが重要
である。光線と壁材との接触が起こるたびごとに同様の
エネルギーを有する複数の光線が発生するので、追跡す
る必要のある光線の数は指数関数的に増大する。解決に
はモンテカルロ法が使用され、同法において各接触後に
おいて１つの光線のみを追跡し、選択される与えられた
光線の確立はそのエネルギーに比例する。この手法を用
いて、コンフォーカルな放物線状、及び円弧状の断面を
備えたプリズム・ライト・ガイドのいずれもモデル化さ
れた。更に、ライト・ガイドを形成する断面間の僅かな
空間の変動が、軸から実質的に離れた光線に対してより
良好に実施されうるか否かを検討するためにモデル化さ
れた。
意の標準的な光線追跡法が使用され得る。しかしなが
ら、プリズム・ライト・ガイドの場合には、プリズム・
ライト・ガイド壁材の実際の挙動を考慮することが重要
である。光線と壁材との接触が起こるたびごとに同様の
エネルギーを有する複数の光線が発生するので、追跡す
る必要のある光線の数は指数関数的に増大する。解決に
はモンテカルロ法が使用され、同法において各接触後に
おいて１つの光線のみを追跡し、選択される与えられた
光線の確立はそのエネルギーに比例する。この手法を用
いて、コンフォーカルな放物線状、及び円弧状の断面を
備えたプリズム・ライト・ガイドのいずれもモデル化さ
れた。更に、ライト・ガイドを形成する断面間の僅かな
空間の変動が、軸から実質的に離れた光線に対してより
良好に実施されうるか否かを検討するためにモデル化さ
れた。
そのような研究より、コンフォーカルな放物線断面は
円弧に基づく断面より実質的に優れていることが示され
た。更に、二つの放物線はそれらの間隔において正確に
コンフォーカルである必要はないことも明らかにされ
た。放物線の頂点間の距離が焦点距離の３倍を超えない
限り（コンフォーカルである場合、焦点距離の２倍であ
ることと比較して）、挙動はほとんど変化することな
く、実質的には、放物線の頂点間の距離が焦点距離の約
2.5倍を超えなければ変化しない。二つの放物線の動作
については、放物線の一方が所定の地点からの光を平行
光線へと発散する光に変化させ、その後、放物線の他方
がこれらの光を軸の他方の側と等距離にある地点へ集束
させ、その結果、このプロセスが繰り返されることが直
感的に考えられる。これは、放物線がコンフォーカルで
あるか否かに関わらず当てはまるが、両放物線がコンフ
ォーカルな状態に近づくと、ある種の収差が相殺される
ので、より良好な性能が得られる。放物線の間隔が焦点
距離の３倍を超えると、光線は横方向の伝搬において不
安定になる。これは特に驚くべきことでもない。その理
由は、間隔が焦点距離の４倍となる場合には、円形の場
合と光学的に類似した状態となるからである。
円弧に基づく断面より実質的に優れていることが示され
た。更に、二つの放物線はそれらの間隔において正確に
コンフォーカルである必要はないことも明らかにされ
た。放物線の頂点間の距離が焦点距離の３倍を超えない
限り（コンフォーカルである場合、焦点距離の２倍であ
ることと比較して）、挙動はほとんど変化することな
く、実質的には、放物線の頂点間の距離が焦点距離の約
2.5倍を超えなければ変化しない。二つの放物線の動作
については、放物線の一方が所定の地点からの光を平行
光線へと発散する光に変化させ、その後、放物線の他方
がこれらの光を軸の他方の側と等距離にある地点へ集束
させ、その結果、このプロセスが繰り返されることが直
感的に考えられる。これは、放物線がコンフォーカルで
あるか否かに関わらず当てはまるが、両放物線がコンフ
ォーカルな状態に近づくと、ある種の収差が相殺される
ので、より良好な性能が得られる。放物線の間隔が焦点
距離の３倍を超えると、光線は横方向の伝搬において不
安定になる。これは特に驚くべきことでもない。その理
由は、間隔が焦点距離の４倍となる場合には、円形の場
合と光学的に類似した状態となるからである。
図６（ａ）及び６（ｂ）は、それぞれ、円形、及びコ
ンフォーカルな放物線断面構造内において伝搬される光
線の実際の断面における放散の典型的なプロットを示
す。図より明らかなように、放物線断面は、光線の横方
向のドリフトを実質的には低減している。
ンフォーカルな放物線断面構造内において伝搬される光
線の実際の断面における放散の典型的なプロットを示
す。図より明らかなように、放物線断面は、光線の横方
向のドリフトを実質的には低減している。
図７（ａ）及び７（ｂ）は、それぞれ、円形の断面を
備えるプリズム・ライト・ガイド及びコンフォーカルな
放物線断面を備えるプリズム・ライト・ガイドの断面の
レイアウトを示し、各々が、２つの継ぎ目において同一
の間隙を備えている。図に示すように、いずれのガイド
も同一の幅と光進入開口部を備える。いずれの場合にお
いても、モンテカルロモデルは、軸方向から15度の角度
内にて部分的にコリメートされ（collimated）、種々の
高いアスペクト比を有するライト・ガイドの適用におい
て典型的であり、入射光をシミュレートするために使用
された。図８は幅に対する距離の比（即ち、アスペクト
比）の関数としてガイド内に留まる光束の自然対数のグ
ラフである。図から明らかなように、いずれのガイドも
直後に間隙に遭遇することによる光線の損失に関連し
て、光束において初期の下降を呈するが、その後、放物
線ガイドの損失率は円形のガイドと比較して、実質的に
低減される。
備えるプリズム・ライト・ガイド及びコンフォーカルな
放物線断面を備えるプリズム・ライト・ガイドの断面の
レイアウトを示し、各々が、２つの継ぎ目において同一
の間隙を備えている。図に示すように、いずれのガイド
も同一の幅と光進入開口部を備える。いずれの場合にお
いても、モンテカルロモデルは、軸方向から15度の角度
内にて部分的にコリメートされ（collimated）、種々の
高いアスペクト比を有するライト・ガイドの適用におい
て典型的であり、入射光をシミュレートするために使用
された。図８は幅に対する距離の比（即ち、アスペクト
比）の関数としてガイド内に留まる光束の自然対数のグ
ラフである。図から明らかなように、いずれのガイドも
直後に間隙に遭遇することによる光線の損失に関連し
て、光束において初期の下降を呈するが、その後、放物
線ガイドの損失率は円形のガイドと比較して、実質的に
低減される。
これらの結果は有用ではあるが、上述のコンピュータ
シミュレーションは実際のライト・ガイドにおいて起こ
りうるある種の不完全性に対しては説明していない。例
えば、実際のプリズム・ライト・ガイドの断面形状はガ
イドの長さに沿って幾分変化し、正確な放物線とはなら
ない。そのような誤差の大きさは、推定されるよりはむ
しろ、以下に説明されるように、直接的に評価される。
シミュレーションは実際のライト・ガイドにおいて起こ
りうるある種の不完全性に対しては説明していない。例
えば、実際のプリズム・ライト・ガイドの断面形状はガ
イドの長さに沿って幾分変化し、正確な放物線とはなら
ない。そのような誤差の大きさは、推定されるよりはむ
しろ、以下に説明されるように、直接的に評価される。
図７（ｂ）に示すように、コンフォーカルな放物線断
面を備えるライト・ガイドが構成されており、その幅
（即ち、2f）は100mmであり、上端及び下端の間隙は20m
mである。放物線の表面は、剛性材料からなる放物線状
に形成された縁部に対して平坦なプリズム・シート・フ
ィルム材を変形することによって形成される。これらの
放物線縁部はガイドに沿って1.25m毎に配置され、得ら
れる断面は約±1mmの寸法誤差を有する。同誤差は、通
常の適用において見られる一般的な誤差であると考えら
れる。図９は、ガイドに沿った距離の関数として、実験
的に観察される光束の自然対数のグラフを示す。図９は
更に、モンテカルロコンピュータシミュレーションによ
る光線追跡モデルから得られる予測値を示す。同モデル
において、包含される唯一の非幾何学的損失はプリズム
・ライト・ガイド壁材による光の散乱である。これら二
つの結果から示される適切な見解としては、デザインの
概念が妥当であり、かつプリズム・ライト・ガイドのア
センブリの正確性における適度な不完全性に対して比較
的鈍感であるということである。
面を備えるライト・ガイドが構成されており、その幅
（即ち、2f）は100mmであり、上端及び下端の間隙は20m
mである。放物線の表面は、剛性材料からなる放物線状
に形成された縁部に対して平坦なプリズム・シート・フ
ィルム材を変形することによって形成される。これらの
放物線縁部はガイドに沿って1.25m毎に配置され、得ら
れる断面は約±1mmの寸法誤差を有する。同誤差は、通
常の適用において見られる一般的な誤差であると考えら
れる。図９は、ガイドに沿った距離の関数として、実験
的に観察される光束の自然対数のグラフを示す。図９は
更に、モンテカルロコンピュータシミュレーションによ
る光線追跡モデルから得られる予測値を示す。同モデル
において、包含される唯一の非幾何学的損失はプリズム
・ライト・ガイド壁材による光の散乱である。これら二
つの結果から示される適切な見解としては、デザインの
概念が妥当であり、かつプリズム・ライト・ガイドのア
センブリの正確性における適度な不完全性に対して比較
的鈍感であるということである。
従って、表面の断面が相対向するコンフォーカルな放
物線部分からほぼ構成されるプリズム・ライト・ガイド
は重要な利点を有することが明らかにされる。そのよう
なガイドは光線の横方向の動きを局在化させることを可
能にし、それにより、放物線の交差部分における継ぎ目
はガイド内に伝搬される光線にほとんど影響を与えな
い。このことは、従来技術のライト・ガイドの断面のデ
ザインと比較して特に有利である。従って、本発明は、
製造を容易にするために、プリズム・ライト・ガイド壁
材の部分間のより大きな継ぎ目及び／又は連結部に関す
るライト・ガイドのアセンブリ技術を容易にする。
物線部分からほぼ構成されるプリズム・ライト・ガイド
は重要な利点を有することが明らかにされる。そのよう
なガイドは光線の横方向の動きを局在化させることを可
能にし、それにより、放物線の交差部分における継ぎ目
はガイド内に伝搬される光線にほとんど影響を与えな
い。このことは、従来技術のライト・ガイドの断面のデ
ザインと比較して特に有利である。従って、本発明は、
製造を容易にするために、プリズム・ライト・ガイド壁
材の部分間のより大きな継ぎ目及び／又は連結部に関す
るライト・ガイドのアセンブリ技術を容易にする。
既に開示された光に関して当業者には明らかなよう
に、本発明を実施するにあたり本発明の精神又は範囲か
ら逸脱することなく各種の別例及び変更が可能である。
例えば、プリズム・ライト・ガイドの適用に加えて、本
発明は、金属製ミラーのライト・ガイド、又は誘電多層
膜ライト・ガイドのような他の中空ライト・ガイドにも
適用され得る。別例として、ほぼ等しい焦点距離を有す
る二つの放物線ライト・ガイド部分が一般的には望まし
いが、焦点距離における僅かの変動は許容される。更
に、本発明に従って構成されるライト・ガイドは正確に
コンフォーカルである必要はなく、そして、正確に放物
線断面を備える必要もない。即ち、特筆すべき利点は、
ほぼコンフォーカルな形状及び／又はほぼ放物線状の断
面形状であっても達成され得る。従って、本発明の範囲
は以下に示す請求の範囲に定義される本質に基づいて解
釈される。
に、本発明を実施するにあたり本発明の精神又は範囲か
ら逸脱することなく各種の別例及び変更が可能である。
例えば、プリズム・ライト・ガイドの適用に加えて、本
発明は、金属製ミラーのライト・ガイド、又は誘電多層
膜ライト・ガイドのような他の中空ライト・ガイドにも
適用され得る。別例として、ほぼ等しい焦点距離を有す
る二つの放物線ライト・ガイド部分が一般的には望まし
いが、焦点距離における僅かの変動は許容される。更
に、本発明に従って構成されるライト・ガイドは正確に
コンフォーカルである必要はなく、そして、正確に放物
線断面を備える必要もない。即ち、特筆すべき利点は、
ほぼコンフォーカルな形状及び／又はほぼ放物線状の断
面形状であっても達成され得る。従って、本発明の範囲
は以下に示す請求の範囲に定義される本質に基づいて解
釈される。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−308802（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−131934（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−165603（ＪＰ，Ａ) 米国特許4120565（ＵＳ，Ａ) 米国特許5309544（ＵＳ，Ａ) 米国特許5339382（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02B 6/00 F21V 8/00
Claims (13)
- 【請求項１】相対向する第一及び第二の並行部分を有す
る中空のライト・ガイドであって、前記並行部分は、光
が導かれる領域に重なるようにその領域を囲むととも
に、ほぼコンフォーカルであり、かつほぼ放物線状の断
面形状を有し、前記断面形状は、前記並行部分を横切る
任意の面においてほぼ一定の断面積を有するライト・ガ
イド。 - 【請求項２】前記ライト・ガイドがプリズム・ライト・
ガイドである請求項１に記載のライト・ガイド。 - 【請求項３】前記断面形状は、前記形状の焦点距離の約
３倍を超えない距離によって分離される頂点を有する請
求項２に記載のライト・ガイド。 - 【請求項４】前記第一及び第二の部分は、一つ又は複数
の継ぎ目によって連結される請求項３に記載のライト・
ガイド。 - 【請求項５】前記断面形状は、前記形状の焦点距離の約
2.5倍を超えない距離によって分離される頂点を有する
請求項２に記載のライト・ガイド。 - 【請求項６】前記第一及び第二の部分は、一つ又は複数
の継ぎ目によって連結される請求項５に記載のライト・
ガイド。 - 【請求項７】前記第一及び第二の部分は、一つ又は複数
の継ぎ目によって連結される請求項２に記載のライト・
ガイド。 - 【請求項８】中空のライト・ガイドを形成する方法であ
って、 前記方法は、 （ａ）第一及び第二のライト・ガイド部分内にライト・
ガイド壁材を形成する工程と、前記部分の各々がほぼ放
物線断面形状を備えることと、前記形状は前記並行部分
を横切る任意の面においてほぼ一定の断面積を備えるこ
とと、 （ｂ）互いに対してほぼコンフォーカルである前記放物
線断面形状を維持しながら、光が導かれる領域に重なる
ようにその領域を囲むために前記第一及び第二のライト
・ガイド部分を互いに連結する工程とを含む方法。 - 【請求項９】前記連結工程時に、前記形状の放物線の頂
点間に同形状の焦点距離の約３倍を超えない分離距離を
維持することを更に含む請求項８に記載の方法。 - 【請求項１０】前記ライト・ガイドがプリズム・ライト
・ガイドであり、前記壁材がプリズム壁材である請求項
９に記載の方法。 - 【請求項１１】前記連結工程時に、前記形状の放物線の
頂点間に同形状の焦点距離の約2.5倍を超えない分離距
離を維持することを更に含む請求項８に記載の方法。 - 【請求項１２】前記ライト・ガイドがプリズム・ライト
・ガイドであり、前記壁材がプリズム壁材である請求項
11に記載の方法。 - 【請求項１３】前記ライト・ガイドがプリズム・ライト
・ガイドであり、前記壁材がプリズム壁材である請求項
８に記載の方法。
Applications Claiming Priority (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US542,164 | 1995-10-12 | ||
| US08/542,164 US5715347A (en) | 1995-10-12 | 1995-10-12 | High efficiency prism light guide with confocal parabolic cross section |
| US08/542,164 | 1995-10-12 | ||
| PCT/CA1996/000678 WO1997014065A1 (en) | 1995-10-12 | 1996-10-10 | High efficiency prism light guide with confocal parabolic cross section |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10512976A JPH10512976A (ja) | 1998-12-08 |
| JP3064018B2 true JP3064018B2 (ja) | 2000-07-12 |
Family
ID=24162614
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9514588A Expired - Fee Related JP3064018B2 (ja) | 1995-10-12 | 1996-10-10 | コンフォーカルな放物線断面を備えた高効率プリズム・ライト・ガイド |
Country Status (9)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5715347A (ja) |
| EP (1) | EP0855044B1 (ja) |
| JP (1) | JP3064018B2 (ja) |
| KR (1) | KR100306516B1 (ja) |
| AU (1) | AU7123396A (ja) |
| CA (1) | CA2231795C (ja) |
| DE (1) | DE69606056T2 (ja) |
| NO (1) | NO981610D0 (ja) |
| WO (1) | WO1997014065A1 (ja) |
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| JP2002511633A (ja) * | 1998-04-15 | 2002-04-16 | ミネソタ マイニング アンド マニュファクチャリング カンパニー | 光導管照明装置用取付組立体 |
| US6130976A (en) | 1998-04-15 | 2000-10-10 | 3M Innovative Properties Company | Coupling system for a light conduit |
| US6285814B1 (en) | 1999-09-30 | 2001-09-04 | 3M Innovative Properties Company | Light guide luminaire |
| KR100356505B1 (ko) * | 2000-01-22 | 2002-10-31 | 엘지전자 주식회사 | 에피사이클로이드형 광 가이드 및 조명 장치 |
| US6481882B1 (en) | 2000-05-04 | 2002-11-19 | 3M Innovative Properties Company | Light pipe fixture with internal extractor |
| US7064740B2 (en) * | 2001-11-09 | 2006-06-20 | Sharp Laboratories Of America, Inc. | Backlit display with improved dynamic range |
| US20030156819A1 (en) * | 2002-02-15 | 2003-08-21 | Mark Pruss | Optical waveguide |
| US6915062B2 (en) * | 2002-03-06 | 2005-07-05 | Federal-Mogul World Wide, Inc. | Illuminating waveguide |
| KR100875326B1 (ko) * | 2003-12-18 | 2008-12-22 | 샤프 가부시키가이샤 | 액정 디스플레이 응답 특성 결정 방법 및 프리젠테이션 방법 |
| US7532192B2 (en) * | 2004-05-04 | 2009-05-12 | Sharp Laboratories Of America, Inc. | Liquid crystal display with filtered black point |
| US7872631B2 (en) * | 2004-05-04 | 2011-01-18 | Sharp Laboratories Of America, Inc. | Liquid crystal display with temporal black point |
| US7777714B2 (en) * | 2004-05-04 | 2010-08-17 | Sharp Laboratories Of America, Inc. | Liquid crystal display with adaptive width |
| US7602369B2 (en) * | 2004-05-04 | 2009-10-13 | Sharp Laboratories Of America, Inc. | Liquid crystal display with colored backlight |
| US7612757B2 (en) * | 2004-05-04 | 2009-11-03 | Sharp Laboratories Of America, Inc. | Liquid crystal display with modulated black point |
| US8395577B2 (en) * | 2004-05-04 | 2013-03-12 | Sharp Laboratories Of America, Inc. | Liquid crystal display with illumination control |
| US7505018B2 (en) * | 2004-05-04 | 2009-03-17 | Sharp Laboratories Of America, Inc. | Liquid crystal display with reduced black level insertion |
| US7023451B2 (en) * | 2004-06-14 | 2006-04-04 | Sharp Laboratories Of America, Inc. | System for reducing crosstalk |
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| US7898519B2 (en) * | 2005-02-17 | 2011-03-01 | Sharp Laboratories Of America, Inc. | Method for overdriving a backlit display |
| US8050512B2 (en) | 2004-11-16 | 2011-11-01 | Sharp Laboratories Of America, Inc. | High dynamic range images from low dynamic range images |
| US7525528B2 (en) * | 2004-11-16 | 2009-04-28 | Sharp Laboratories Of America, Inc. | Technique that preserves specular highlights |
| US8050511B2 (en) * | 2004-11-16 | 2011-11-01 | Sharp Laboratories Of America, Inc. | High dynamic range images from low dynamic range images |
| US9143657B2 (en) * | 2006-01-24 | 2015-09-22 | Sharp Laboratories Of America, Inc. | Color enhancement technique using skin color detection |
| US8121401B2 (en) * | 2006-01-24 | 2012-02-21 | Sharp Labortories of America, Inc. | Method for reducing enhancement of artifacts and noise in image color enhancement |
| US8941580B2 (en) * | 2006-11-30 | 2015-01-27 | Sharp Laboratories Of America, Inc. | Liquid crystal display with area adaptive backlight |
| WO2014205027A1 (en) | 2013-06-19 | 2014-12-24 | Bright View Technologies Corporation | Microstructure-based optical diffusers for creating batwing and other lighting patterns |
| US10302275B2 (en) | 2013-06-19 | 2019-05-28 | Bright View Technologies Corporation | Microstructure-based diffusers for creating batwing lighting patterns |
| EP3014173A4 (en) | 2013-07-26 | 2017-01-11 | Bright View Technologies Corporation | Shaped microstructure-based optical diffusers |
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| US3923381A (en) * | 1973-12-28 | 1975-12-02 | Univ Chicago | Radiant energy collection |
| US4120565A (en) * | 1977-06-16 | 1978-10-17 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Prisms with total internal reflection as solar reflectors |
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| US4750798A (en) * | 1983-08-29 | 1988-06-14 | Canadian Patents And Developement Limited | Prism light guide luminaire |
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| CA1268969A (en) * | 1986-01-15 | 1990-05-15 | Sanford Cobb, Jr. | Totally internally reflecting light conduit |
| US4787708A (en) * | 1987-05-08 | 1988-11-29 | Tir Systems Ltd. | Apparatus for continuously controlled emission of light from prism light guide |
| US4834495A (en) * | 1987-05-08 | 1989-05-30 | Minnesota Mining And Manufacturing Company | Collapsible light pipe |
| US5309544A (en) * | 1992-03-31 | 1994-05-03 | Minnesota Mining And Manufacturing Company | Light pipe having optimized cross-section |
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