JP3078365U - Light pipe used in rapid prototype of lighting equipment - Google Patents

Light pipe used in rapid prototype of lighting equipment

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来、照明システム用プロトタイプの作成に
は極めて多くの時間を必要とする欠点があった。 【解決手段】 本考案の照明装置用プロトタイプの急速
作成装置に用いる光パイプは、メタライズされている複
数のマイクロプリズムと、メタライズされていない複数
のスペーサとより成り、上記複数のスペーサが上記複数
のマイクロプリズム間に配置され、上記複数のスペーサ
と上記複数のマイクロプリズムが交互に並ぶようにさ
れ、上記光パイプを通る光の伝達が全内部反射によって
成され、上記出力面からの光の反射が上記複数のメタラ
イズされたマイクロプリズムによって成される。
(57) [Summary] [PROBLEMS] Conventionally, there has been a disadvantage that it takes an extremely long time to create a prototype for a lighting system. SOLUTION: The light pipe used in the rapid prototype of the lighting device of the present invention includes a plurality of metallized microprisms and a plurality of non-metallized spacers. Arranged between microprisms, the plurality of spacers and the plurality of microprisms are arranged alternately, transmission of light through the light pipe is performed by total internal reflection, and reflection of light from the output surface is This is accomplished by the plurality of metallized microprisms.

Description

【考案の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

【0001】[0001]

【考案の属する技術分野】[Technical field to which the invention belongs]

本考案は照明装置用プロトタイプの作成装置に用いる光パイプに関するもので ある。 The present invention relates to a light pipe used for a prototype of a lighting device.

【0002】[0002]

【従来の技術】[Prior art]

従来、背景照明装置としては米国特許第5,390,276号,第5,359,691号,5,534, 386号, 第5,609,939号、米国特許出願第08/595,307号,08/601,133号,08/618,5 39号,08/782,962号がある。 Conventionally, as background lighting devices, U.S. Pat. Nos. 5,390,276, 5,359,691, 5,534,386, 5,609,939, and U.S. Pat. There is 782,962.

【0003】 一般に、多面光学装置は多数の小さな光学素子を有している。この多面光学装 置には、合成ミラーと万華鏡とを含む。折り曲がり光路装置では光線が多数の方 向(または折り曲がり光路)を通り、光線の基本的方向が1つのみである単軸装 置に対比される。(ここで「折り曲がり」は「多軸」と交換して用いられる。) 例えば、従来の潜望鏡は多軸であるが多面ではない。背景照明装置例えばラップ トップ コンピュータ スクリーンに用いられるものは多面で且つ多軸である。In general, a polygon optical device has many small optical elements. The polygonal optical device includes a synthetic mirror and a kaleidoscope. In a folded optical path device, the light beam passes through multiple directions (or a bent optical path), as opposed to a uniaxial device in which the light beam has only one fundamental direction. (Here, "bend" is used interchangeably with "multi-axis.") For example, a conventional periscope is multi-axis but not multi-plane. Background lighting devices, such as those used in laptop computer screens, are multifaceted and multiaxial.

【0004】 光トレースは照明装置のモデル化のために知られている。多数のコンピュータ プログラムが光トレースを行なうため作られており、コードV,OPTICAD ,ラジアンス等を含む。[0004] Optical traces are known for modeling lighting devices. Numerous computer programs have been created for performing optical tracing, including the code V, OPTICAD, radiance, and the like.

【0005】 多軸または多面またはその両方の照明装置のため光トレースが実行されるとき は、照明装置を正確にトレースするため多数の光線(少なくとも10,000 、時に は1,000,000 以上)が望まれる。When light tracing is performed for multi-axis and / or multi-sided lighting devices, a large number of rays (at least 10,000, and sometimes 1,000,000 or more) are desired to accurately trace the lighting device.

【0006】 複雑な光トレースの課題を実行するためには光トレースプログラムによって望 まれる計数時間が本質的なものとなる。例えば、100,000 本の光線を含む光トレ ースを実行するためには、OPTICADには単一のコンピュータを用いて1〜 10時間の計数時間が必要である。[0006] In order to perform the complicated optical tracing task, the counting time desired by the optical tracing program becomes essential. For example, to perform an optical trace containing 100,000 rays, OPTICAD requires a counting time of 1 to 10 hours using a single computer.

【0007】 光トレースを実行するために望まれる計数時間は、より複雑な多軸及びまたは 多面照明装置の場合より長くなる。かかる装置は、ラップトップ コンピュータ スクリーンのための背景照明、自動車のドームライト及びイグニションキー照 明装置のために用いられるトーランス照明構造を含む。このようなより複雑な照 明装置の総べては、正確な光トレースを実行するため1,000,000 のオーダーの数 の光線を必要とする。かかる光トレースを実行するためには約1日の計数時間が 必要とされる。[0007] The counting time desired to perform optical tracing is longer than for more complex multi-axis and / or multi-sided lighting devices. Such devices include background lighting for laptop computer screens, dome lights for automobiles and torrance lighting structures used for ignition key lighting devices. All of these more complex illuminators require on the order of 1,000,000 rays to perform accurate optical tracing. Approximately one day of counting time is required to perform such an optical trace.

【0008】 同様の各工業界においては、個々の顧客のための量産できない種々の特殊製品 がある。例えば、ラップトップ コンピュータ スクリーンのための背景照明装 置では、ラップトップ コンピュータの各製造者は各タイプのコンピュータのた めの僅かに異なる背景照明仕様書を作ることから始める。この結果、ラップトッ プ コンピュータの総てのタイプを同一の背景照明装置に正確に用いることはで きない。むしろ、背景照明装置はサイズ及びまたは実行パラメータで僅かに異な る。従って、量産が依然としてなされているが、従来の製造における“総べてに 合致する1つのサイズ”という考えからは離れるようになっている。In each of the same industries, there are various special products that cannot be mass-produced for individual customers. For example, in a background lighting device for a laptop computer screen, each laptop computer manufacturer starts by creating a slightly different background lighting specification for each type of computer. As a result, not all types of laptop computers can be used accurately with the same background lighting device. Rather, background lighting devices vary slightly in size and / or execution parameters. Therefore, while mass production is still being carried out, it is moving away from the idea of "one size that fits all" in conventional manufacturing.

【0009】 製品のより特殊化によってプロトタイプ(試作)の急速作成に向かっている。 プロトタイプ(試作品)は製品を量産する前に製品デザインをテストするため開 発された製品として知られている。プロトタイプは製品が受け入れられるものと なり、顧客の要求を満足するものとするために作られる。従来、プロトタイプ作 成プロセスには、十分な時間が必要であった。製品が開発された場合にはこれを “総べてに合致する1つのサイズ”のものとして特別な要求に最適となるように 特別に開発した製品を望まない顧客に販売していた。特殊な製品に対するプロト タイプ作成プロセスに多くの時間を費やすことはもはや許されない。製品デザイ ンは急速に変化しており、所定のデザインのものの“維持期間”はより短かくな る傾向にある。顧客から見れば現在のものに比べて特別に開発された製品を買う 場合にはプロトタイプ作成のために時間遅れを伴なうため利益はない。製造者は 自己の製造スケジュールを合致せしめる必要がある。[0009] More specialized products have led to the rapid creation of prototypes. Prototypes are known as products that have been developed to test the product design before mass production. Prototypes are created to make the product acceptable and satisfy customer requirements. Traditionally, the prototype creation process has required ample time. When a product was developed, it was sold as "one size that fits all" to customers who did not want the specially developed product to be optimal for their particular needs. Spending too much time on the prototyping process for special products is no longer allowed. Product designs are changing rapidly, and the “sustainability period” for a given design tends to be shorter. From the customer's point of view, there is no benefit in purchasing a specially developed product compared to the current one, because of the time delay associated with prototyping. Manufacturers need to match their manufacturing schedules.

【0010】 照明装置の例では、各製品の変化のプロトタイプを作成する必要がある。製品 は十分に複雑であり、1つのパラメータを僅かに変化しても製品全体に影響を及 ぼすことになる。In the example of a lighting device, it is necessary to create a prototype of the variation of each product. The product is complex enough that a small change in one parameter will affect the entire product.

【0011】 製品の特殊化に伴ないプロトタイプ作成プロセスをできるだけ短時間のものと する必要がある。従って、急速プロトタイプ作成のため単一照明装置用プロトタ イプを1日かけて光トレースする光トレースプログラムを使用することは好まし くない。顧客の要求に完全に合致する照明装置用プロトタイプを得るためのプロ トタイプ作成プロセスには通常約100回の反復が必要である。1つのプロトタイ プの光トレースに1日かかり、プロトタイプ作成プロセスの反復回数が100回で あれば、プロトタイプ作成プロセスには少なくとも100日必要とする。これは最 終デザインを1日または1週間で1月を越えないように作るプロトタイプ急速作 成とは矛盾する。[0011] The prototyping process associated with product specialization needs to be as short as possible. Therefore, it is not desirable to use an optical tracing program that optically traces a single illuminator prototype over a day for rapid prototyping. The prototyping process to obtain a lighting fixture prototype that perfectly matches the customer's requirements typically requires about 100 iterations. If an optical trace of one prototype takes one day and the prototyping process is repeated 100 times, the prototyping process requires at least 100 days. This is inconsistent with rapid prototyping, where the final design does not exceed one month in one day or one week.

【0012】 従って、多軸及びまたは多面照明装置のプロトタイプを急速に作成するために は、プロトタイプ作成プロセスを1回反復するために要求される時間を100のオ ーダーに減少する必要がある。実際上、満足されるプロトタイプを作るためには 100回以上の反復を必要とするためこれを減少することが望まれている。Thus, in order to rapidly prototype a multi-axis and / or multi-sided lighting device, the time required to repeat the prototyping process once needs to be reduced to the order of 100. In practice, it is desirable to reduce this since more than 100 iterations are required to produce a satisfactory prototype.

【0013】 更に、プロトタイプ作成/デザインステージは1つのみとすべきである。換言 すれば、コンピュータによるプロトタイプ作成が完成したとき、作られたプロト タイプは顧客の要求を総べて満足するものとするべきである。従って、ここには 1つの製造ステージがあるのみである。物理的プロトタイプ、製造プロセスはコ ンピュータによるプロトタイプ作成に比べて多くの時間と費用を要するため、隠 れた欠陥を知るため物理的にプロトタイプを製造することは好ましくない。Further, there should be only one prototyping / design stage. In other words, when computer prototypes are completed, the prototypes produced should satisfy all customer requirements. Therefore, there is only one manufacturing stage here. Physical prototyping and the manufacturing process require more time and money than computer prototyping, so it is not desirable to physically manufacture prototypes to find hidden defects.

【0014】 従って、一般に照明装置開発及び特別な光トレースにはプロトタイプの急速作 成は適用されていない。コードVのような現在の光トレースプログラムは極めて 正確な単一光トレース手段である。光学的ラジアンスのような他のプログラムを 従来の満足する方法(例えばモンテカロル法)とすれば統計学的多数光トレース アルゴリズムが得られる。これらプログラムの総べては遅く、更に、好ましいフ ォーマットに作られたデータを転送するプログラムは実現されていない。例えば 、これらプログラムは光座標、方向及び密度情報を作るが、この情報はデザイナ ーが最終製品の品質に関する実行パラメータを容易に算定できる測光量には変換 されない。更に、可視表面像が得られないとき、光トレース情報を三次元可視像 に変換する方法は知られていない。更に、計数時間を短縮するため光トレースを 行なうコンピュータネットワークに適用される方法も知られていない。[0014] Therefore, rapid development of prototypes is not generally applied to lighting device development and special light tracing. Current optical tracing programs, such as Code V, are extremely accurate single optical tracing means. Other programs, such as optical radiance, can be used as conventional satisfactory methods (eg, Monte Carlo method) to provide a statistical multi-optical tracing algorithm. All of these programs are slow, and no programs have been implemented that transfer data in the preferred format. For example, these programs produce optical coordinates, direction, and density information, which is not translated into photometric quantities that allow the designer to easily determine running parameters for the quality of the final product. Furthermore, there is no known method for converting optical trace information into a three-dimensional visible image when a visible surface image cannot be obtained. Furthermore, there is no known method applied to a computer network for performing optical tracing to reduce the counting time.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】[Means for Solving the Problems]

従来の上記欠点は計数された位相空間密度によってその出力パワーが定められ る折り曲がり路及び多面の少なくとも1つである照明装置用プロトタイプ急速作 成装置によって除くことができる。好ましくは、出力パワーは測光量(即ち、フ ラックス,輝度等)を用いて定める。放射量と異なり測光量は人間の目で見られ るものであり好ましい。輝度は基本的測光量であり位相空間形式によって直接計 数できる。位相空間形式を使用すれば、照明装置用プロトタイプに関する有用な 情報を作るために望まれる計数時間を減少でき、プロトタイプを急速作成できる 利益がある。 The above disadvantages of the prior art can be obviated by a prototype rapid-producing apparatus for a lighting device which is at least one of a bent path and a multi-facet whose output power is determined by the counted phase space density. Preferably, the output power is determined using light intensity (ie, flux, brightness, etc.). Unlike the amount of radiation, the photometric amount can be seen by human eyes and is preferable. Luminance is a basic photometric quantity and can be directly measured by the phase space format. The use of the phase space format has the advantage that the counting time desired to produce useful information about the lighting fixture prototype can be reduced and the prototype can be rapidly created.

【0016】 本考案のプロトタイプ急速作成装置に用いる光パイプは、複数のスペーサによ って分離した複数の分離マイクロプリズムにより形成し、このマイクロプリズム をメタライズし、上記複数のスペーサはメタライズしない。この光パイプ内では 光の伝達は全内部反射によってなされ、光の反射はメタライズによってなされる 。従って、金属吸収によるロスは最小となり、マイクロプリズムの形状許容度は 最大となり、装置モジュールの数は最小となる。The light pipe used in the prototype rapid manufacturing apparatus of the present invention is formed by a plurality of separation microprisms separated by a plurality of spacers, and the microprisms are metallized, and the plurality of spacers are not metallized. In this light pipe, the light is transmitted by total internal reflection, and the light is reflected by metallization. Therefore, the loss due to metal absorption is minimized, the shape tolerance of the microprism is maximized, and the number of device modules is minimized.

【0017】 本考案の他の目的及び特徴は以下図面の説明と共に明らかならしめる。Other objects and features of the present invention will become apparent from the following description of the drawings.

【0018】[0018]

【考案の実施の形態】[Embodiment of the invention]

以下図面によって本考案の実施例を説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

【0019】 位相空間形式は輝度(輝き)、強度(放射率)、及びフラックス(パワー)等 の測光量をモデル化する光トレースに適用される。測光光トレースは準均質光源 光強度と空間コヒーレンスをベースとする入射光トレースの構成を容易とする。 以下説明するように、測光トレースモデルは空間座標(x,y)と方向ユニット ベクトル座標(kx,ky,ky)によって定められる四次元(4−D)位相空間 に拡がる。ここでkx 2 +ky 2+ky 2=1である。空間座標(x,y)は空間エ リアを定める一方、方向座標(kx,ky)は通称フーリエ(方向)エリアを定め る。The phase space form is applied to optical traces that model photometric quantities such as brightness (brightness), intensity (emissivity), and flux (power). Photometric light traces facilitate the construction of incident light traces based on quasi-homogeneous light source light intensity and spatial coherence. As explained below, metering trace model spreads spatial coordinates (x, y) to the direction unit vector coordinates (k x, k y, k y) four-dimensional defined by (4-D) phase space. Here is a k x 2 + k y 2 + k y 2 = 1. Spatial coordinates (x, y) whereas defining a space d rear direction coordinate (k x, k y) is shall be determined the called Fourier (direction) area.

【0020】 測光量と4−D位相空間間の基礎的結合は、輝度(輝き)が4−D位相空間輝度 であることをベースとする。従って、所定の面(x,y)を通過する光の任意の 拘束を位相空間内の複数の点として示すことができる(即ち、単一の光が位相空 間内の単一点によって同形状に示される)。特に、ランバーテン光源が位相空間 内の均一4−D分布によって示される。The basic coupling between photometric and 4-D phase space is based on the fact that the brightness (brightness) is 4-D phase space brightness. Thus, any constraint on light passing through a given plane (x, y) can be shown as multiple points in the phase space (ie, a single light becomes identically shaped by a single point in the phase space). Shown). In particular, the Lambertian light source is indicated by a uniform 4-D distribution in the phase space.

【0021】 基本的測光物理量はcd/m2内の輝度である。本考案は均等な測光物理量、即ちW/m 2 内の輝度(輝き)に協同して用い得る。同様にして輝度は放射測定において放 射強度やフラックスなどによって置換できる。本考案は測光ユニットとして説明 する。The basic photometric physical quantity is cd / mTwoIs the luminance within the range. The present invention provides a uniform photometric physical quantity, that is, W / m. Two Can be used in conjunction with the brightness (brightness) within. Similarly, luminance can be replaced by radiation intensity or flux in radiometry. The present invention will be described as a photometric unit.

【0022】 輝度と位相空間密度または4−D光強度間の基本的関係は、選択された位相空間 ドメーンを通過する多くの光を数値的に計算することによって測光量を評価する ために用い得る。例えば、輝度は、ハイゼンンベルグの不安定関係によって定め られる位相空間エレメンタリセル内に位置される光の数として計算できる。他方 、放射率は、方向ベクトル空間(kx,ky)を通るエレメンタリセルを集積する ことによって計算できる。この結果、説明した形式により基本的測光(ラヂオメ トリック)量に対する多数の光のためのモンテカロル光トレースの正確な結合が 可能となる。The basic relationship between luminance and phase space density or 4-D light intensity can be used to evaluate photometry by numerically calculating the amount of light passing through a selected phase space domain. . For example, the luminance can be calculated as the number of lights located in the phase space elementary cell defined by the Heisenberg instability. On the other hand, the emissivity may be calculated by integrating the elementary cell through the direction vector space (k x, k y). As a result, the described format allows for accurate coupling of Monte-Carol optical traces for multiple lights to the basic photometric amount.

【0023】 (物理的または非物理的な)所定の面を通過する複数の光を考える。この光は異 なる座標で異なる方向で、面と交差して通過する。この面を通過する各光は、4 つの座標(x,y;kx,ky)によって独特に示すことができる。ここでx,y は面に交差する点、kx,kyは交差点における光の方向を示す方向的コサインで ある。これらの光の全体は座標の全セット(x,y;kx,ky)で示し得る。座 標(x,y;kx,ky)は四次元位置空間を示す。Consider a plurality of lights passing through a given surface (physical or non-physical). This light passes through the surface at different coordinates and in different directions. Each light passing through this plane, four coordinates; can be uniquely indicated by (x, y k x, k y). Here x, y is the point of intersection on the surface, k x, k y is the direction cosine indicating the direction of the light at the intersection. The totality of these lights can be represented by the full set of coordinates (x, y; k x , k y ). Coordinates (x, y; k x, k y) indicates a four-dimensional position space.

【0024】 方向と位置は従って同一四次元空間にある。この座標装置は主要な観察から離れ たアブストラクトである。The directions and positions are therefore in the same four-dimensional space. This coordinate system is an abstract away from the main observations.

【0025】 図1には所定の面を通る光の交差を示す。この光の交差は,空間座標xとy(こ れは光が交差する面内の点を示す)と、方向的コサインユニットベクトルkxと ky(これは光が平面に交差するときの角度を示す)によって特有な形で示され る。FIG. 1 shows the intersection of light passing through a predetermined plane. Angle when intersecting the light, the spatial coordinates x and y (This is indicates the point in the plane where the light crosses), the direction cosine unit vector k x and k y (this is the light intersects the plane Is shown in a special form.

【0026】 この光はx軸に対し角αであり、y軸に対し角βであり、Z軸に対し角θをなす 。上記のパラメータは数1で示される。This light has an angle α with respect to the x-axis, an angle β with respect to the y-axis, and an angle θ with respect to the Z-axis. The above parameters are shown in Equation 1.

【0027】[0027]

【数1】 (Equation 1)

【0028】 平面を通過する光の全体は、空間座標(x,y)と方向的座標(kx,ky)の全 セットによって示される。The total light passing through the plane is represented by the full set of spatial coordinates (x, y) and directional coordinates (k x , k y ).

【0029】 座標kxとkyはユニットベクトル成分である。そこには3つの座標コサイン(k x ,ky,kz)があり、その2乗の合計は1に等しいため、そこには唯一の自由 度がある。従って、光の方向は方向的コサイン座標kxとkyによって特有な形で 示される。The coordinate kxAnd kyIs a unit vector component. There are three coordinate cosine (k x , Ky, Kz) And the sum of its squares equals 1, so there is only one degree of freedom. Therefore, the direction of the light is directional cosine coordinate kxAnd kyIs shown in a unique way by

【0030】 空間座標だけでは光の交差を示すのには十分でない。2つの光が同一点で平面に 交差するが、その方向は等しくない。この例では、デカルト座標は同一であるが 、方向的座標は異なる。The spatial coordinates alone are not enough to indicate the intersection of light. The two lights intersect the plane at the same point, but in different directions. In this example, the Cartesian coordinates are the same, but the directional coordinates are different.

【0031】 図2はx,y面に交差する3つの光を示す。第1の光は座標(x1,y1;kx1, ky1)を有する。第2の光は座標(x2,y2;kx2,ky2)を有する。第3の光 は座標(x3,y3;kx3,ky3)を有する。第2と第3の光は同一の座標(即ち 、x2=x3及びy2=y3)を有するが方向的座標は異なる。従って、これらは四 次元位相空間内の異なる位置にある。FIG. 2 shows three lights that intersect the x, y plane. The first light coordinates; having (x 1, y 1 k x1 , k y1). The second light coordinates; having (x 2, y 2 k x2 , k y2). Third light coordinates; having (x 3, y 3 k x3 , k y3). The second and third lights have the same coordinates (ie, x 2 = x 3 and y 2 = y 3 ) but different directional coordinates. Therefore, they are at different positions in the four-dimensional phase space.

【0032】 四次元座標装置においては、各光は独特な位置を有する。たとえ第2と第3の光 が同一位置でx,y面と交差したとしてもそれらの方向的座標空間は異なるため 、それらは方向的座標空間内では異なる位置にある。(同一位置及び方向)が同 一の2つの光のみが4−D位相空間内で同一点を有する。In a four-dimensional coordinate system, each light has a unique position. Even if the second and third lights intersect the x and y planes at the same position, they are at different positions in the directional coordinate space because their directional coordinate spaces are different. Only two lights with the same (same position and direction) have the same point in the 4-D phase space.

【0033】 3つの光の夫々のためy=0とky=0とすることによって図2の四次元位相 空間図を二次元図に減じたものを図3に示す。四次元空間を説明するのは不可能 であるため上記二次元座標空間に減少して説明する。FIG. 3 shows the four-dimensional phase space diagram of FIG. 2 reduced to a two-dimensional diagram by setting y = 0 and k y = 0 for each of the three lights. Since it is impossible to describe a four-dimensional space, the description is reduced to the two-dimensional coordinate space.

【0034】 図3に示す光の二次元図を図4に示す。第2及び第3の光はx軸に沿った同一 の座標を有するがkx軸に沿っては異なる座標となる。第2の光は左に傾斜して いるため、第2の光はkxに沿って負の座標を有するが、第3の光は右に傾斜し ているため第3の光はkx軸に沿って正の座標を有する。FIG. 4 shows a two-dimensional view of the light shown in FIG. The second and third lights have the same coordinates along the x axis, but different coordinates along the k x axis. Since the second light is tilted to the left, the second light has negative coordinates along k x , while the third light is tilted to the right so that the third light has a k x axis Along with positive coordinates.

【0035】 勿論、実際の照明装置では光の数は1万から1千万のオーダーである。各光の 通路を個々に計数することは極めて高価となる。然しながら、光の密度(単位面 積当りの光の数)は決定できる。照明装置の出力面の総表面積を分割し、光の総 数と総面積から単位面積当りの光の密度を得る。面を通過する光の総数はパワー (主体または目標ユニットの何れか)に比例するため四次元空間における光の密 度を以下説明するように輝度と結合できる。Of course, in an actual lighting device, the number of lights is on the order of 10,000 to 10 million. Counting each light path individually is extremely expensive. However, the density of light (number of lights per unit area) can be determined. The total surface area of the output surface of the lighting device is divided, and the density of light per unit area is obtained from the total number and total area of light. Since the total number of light passing through the surface is proportional to the power (either the subject or the target unit), the light density in four-dimensional space can be combined with luminance as described below.

【0036】 最も多く存在する光のトレースプログラムが空間及び方向的情報を作るため位 相空間を用いる照明装置の解析は容易に成し得る。The analysis of lighting devices that use phase space for the most abundant light tracing programs to produce spatial and directional information can be easily accomplished.

【0037】 然しながら、光トレースプログラムが無い場合には、空間及び方向的情報を単 一の座標装置内に結合する。然しながら、位相空間解析は存在する光トレースプ ログラムに協同して容易にできる。However, in the absence of an optical tracing program, spatial and directional information is combined in a single coordinate device. However, phase space analysis can be facilitated in coordination with existing optical trace programs.

【0038】 光トレース測光の目的で3つの基本的測光(フラックス(P)量、輝度強度( J),及び輝度(B))を四次元位相空間(x,y;kx,ky)に関して定める 。ここで位相空間内の光の配置を図5に示す。図5に示すように(x,y)は( 物理的または非物理的)所定面の空間座標(kx,ky)は方向的コサイン空間の 方向的座標であって、方向的ユニットベクトルは外1、方向的コサイン(kx, ky,kz)は数2で示される。For the purpose of optical trace photometry, three basic photometry (flux (P) amount, luminance intensity (J), and luminance (B)) are described with respect to a four-dimensional phase space (x, y; k x , k y ). Determine. Here, the arrangement of light in the phase space is shown in FIG. As shown in FIG. 5 (x, y) is a directional coordinates (physical or non-physical) spatial coordinates of a predetermined plane (k x, k y) is the direction cosine space, the directional unit vector outer 1, the direction cosine (k x, k y, k z) is represented by the number 2.

【0039】[0039]

【外1】 [Outside 1]

【0040】[0040]

【数2】 (Equation 2)

【0041】 位相空間表記を用いて基本的測光量は数3〜数11に示す幾つかの等価式によ って定め得る。Using the phase space notation, the basic photometry can be determined by several equivalent equations shown in Equations 3 to 11.

【0042】[0042]

【数3】 (Equation 3)

【0043】[0043]

【数4】 (Equation 4)

【0044】[0044]

【数5】 (Equation 5)

【0045】[0045]

【数6】 (Equation 6)

【0046】[0046]

【数7】 (Equation 7)

【0047】[0047]

【数8】 (Equation 8)

【0048】[0048]

【数9】 (Equation 9)

【0049】[0049]

【数10】 (Equation 10)

【0050】[0050]

【数11】 [Equation 11]

【0051】 ここでdωは立体角エレメント,dΩ=dAdkxdky,dΩは処理量(位相空 間)エレメント,dA=dxdyである。[0051] Here dω solid angle element, dΩ = dAdk x dk y, dΩ is throughput (between phases empty) element, dA = dxdy.

【0052】 数3は輝度及び立体角の関数として定めたパワーのための一般式である。数4は 位相空間座標の関数としての輝度のパワーを定める。重要なことは、以上の式か ら輝度(即ち、B(x,y;kx,ky))が位相空間密度に等しいことが判るこ とである。この結果、四次元(dx,dy;dkx,dky)に亘り、集積した位 相空間密度がフラックス(パワー)を作る。Equation 3 is a general equation for power defined as a function of luminance and solid angle. Equation 4 determines the power of luminance as a function of phase space coordinates. Importantly, the above formula or et luminance (i.e., B (x, y; k x, k y)) is the arc seen to be equal to the phase-space density. Consequently, four-dimensional (dx, dy; dk x, dk y) over the integrated the position phase space density to make the flux (power).

【0053】 理解を助けるため数4を質量のためのより普通な数12に比較する。To aid understanding, compare Equation 4 to the more common Equation 12 for mass.

【0054】[0054]

【数12】 (Equation 12)

【0055】 数12において質量密度はρ(x,y,z)である。このパラメータを容量エレ メントdx,dy,dzで積分したとき質量が得られる。In Equation 12, the mass density is ρ (x, y, z). The mass is obtained when this parameter is integrated with the capacitance elements dx, dy, dz.

【0056】 同様にして、数4をdx,dy,dkx,dkyで積分したとき、X−Y面を通過 する光の総数が得られる。数4から、光の数は輝度に比例することが判る。これ は、光を個々に計数する必要性をはぶくための極めて有効な手段である。光の数 は数24によって測光量で特定される。[0056] Similarly, the number 4 dx, dy, dk x, when integrated over dk y, the total number of the light passing through the X-Y plane are obtained. From Equation 4, it can be seen that the number of lights is proportional to the luminance. This is a very effective means to obviate the need to count light individually. The number of lights is specified by the photometric amount according to Equation 24.

【0057】 数5、cosθの項をkyで置換することを除いて数3と同一である。cosθは、Z 方向(即ち、kz=cosθ)における方向的コサインであるため上記置換をなし得 る。[0057] Equation 5, is equal to the number 3 except replacing the term cosθ in k y. Since cos θ is a directional cosine in the Z direction (that is, k z = cos θ), the above substitution can be made.

【0058】 数6は、放射の関数としてパワーを定める。数6によって方向(dkx,dky) の積分は既に達成される。放射はルーメン/m2であり、X−Y面の単位面積を通 過する光の数に等しい。Equation 6 defines power as a function of radiation. Direction by the number 6 (dk x, dk y) integration is already achieved. The radiation is lumens / m 2 and is equal to the number of light passing through the unit area of the XY plane.

【0059】 数7はdx,dyの積分と、cosθの掛け算を含む。数7は数3の右辺を数10 で置換することによって得られる。Equation 7 includes the integration of dx and dy and the multiplication of cos θ. Equation 7 is obtained by replacing the right side of Equation 3 with Equation 10.

【0060】 装置の処理量Ωは数13で示される。The processing amount Ω of the apparatus is represented by Expression 13.

【0061】[0061]

【数13】 (Equation 13)

【0062】 質量に対する上記比較を参照して処理量は体積ユニット∫∫∫dxdydzと相 似である。dx,dy,dkx,dkyはエレメンタリ位相空間体積限界である。 (ここで“体積”は数学的な意味で用いており物理的意味ではない)。Referring to the above comparison for mass, throughput is similar to volume unit ∫∫∫dxdydz. dx, dy, dk x, dk y is an elementary phase space volume limit. (Here, "volume" is used in a mathematical sense, not a physical meaning.)

【0063】 測定面(x,y)は、物理的または非物理的に(放射)源面または受光面、また は他の面とする。ランバーテン面(x,y)の例では、空間及び方向的座標内の 面全体に亘り、輝度(B)が一定である。The measurement surface (x, y) is a physical or non-physical (radiation) source surface or light receiving surface, or another surface. In the example of the Lambertian plane (x, y), the brightness (B) is constant over the entire plane in space and directional coordinates.

【0064】 この場合、数10と数11は数14と数15に示すように(ランバート法)減少 する。In this case, Equations 10 and 11 decrease as shown in Equations 14 and 15 (Lambert method).

【0065】[0065]

【数14】 [Equation 14]

【0066】[0066]

【数15】 (Equation 15)

【0067】 ここでJ0=B0ΔA,及びE=BΔΩ=πBである。Here, J 0 = B 0 ΔA and E = BΔΩ = πB.

【0068】 総処理量は全立体角(2π)の半分に等価でありπに等しい。従ってP=BΔΩ に等しい。The total throughput is equivalent to half of the total solid angle (2π) and equal to π. Therefore, it is equal to P = BΔΩ.

【0069】 数13からエレメンタリ処理量と立体角間の基本的な関係はdΩ=cosθdωd Aとして得られる。From Equation 13, the basic relationship between the elementary processing amount and the solid angle is obtained as dΩ = cosθdωdA.

【0070】 従って輝度を定めるには数16または数17がある。Therefore, there are Expression 16 and Expression 17 for determining the luminance.

【0071】[0071]

【数16】 (Equation 16)

【0072】[0072]

【数17】 [Equation 17]

【0073】 数16ではcosθが表面エレメントΔAに接しており(従って表面垂直エレメン トΔA1がつくられ)、一方数17ではcosθが立体角エレメントに接している 。代表的に数16,好ましくは数17が用いられる。この理由は、輝度が位相空 間密度として定義され、ρ:ρ(x,y;kx,ky)または数18を最も直接な 手段で測光光トレースに適用できるからである。In equation (16), cos θ is in contact with the surface element ΔA (therefore, a surface perpendicular element ΔA1 is created), whereas in equation (17), cos θ is in contact with the solid angle element. Typically, Equation 16, preferably Equation 17 is used. This is because the brightness is defined as the phase spatial density, [rho: [rho; is (x, y k x, k y) from applicable to metering light trace in the most direct means or several 18.

【0074】[0074]

【数18】 (Equation 18)

【0075】 ここでρ(x,y;kx,ky)=B(x,y;kx,ky),dΩ=dx dy d kx dkyでこれは位相空間エレメンタリ容積である。 A; (k x, k y x , y), dΩ = dx dy d k x dk y in this phase space elementary volume; [0075] where ρ (x, y k x, k y) = B.

【0076】 上記のようにランバーテン面の例では輝度Bが、空間及び方向的座標の双方にお ける全面に亘り一定である。従って光は空間及び方向的座標双方に均一に分布さ れる。As described above, in the example of the Lambertian surface, the brightness B is constant over the entire surface in both spatial and directional coordinates. Thus, light is uniformly distributed in both spatial and directional coordinates.

【0077】 レーザーを除く総べての光源はランバーテンである。従って、光源の出力が既知 であれば光の分布を容易に決定できる。輝度情報は容易に光の分布に変え得る。 照明装置における(物理的または非物理的な)他の面に対しても同様である。)All light sources except the laser are Lambertian. Therefore, if the output of the light source is known, the light distribution can be easily determined. The luminance information can easily be converted to a light distribution. The same applies to other aspects (physical or non-physical) of the lighting device. )

【0078】 エレメンタリ四次元体積ユニットdΩの定義が繰り返され、空間及び方向的エリ アを区画する。ここでdΩ=dx dy dkx dky、dx dy=エレメンタリ 空間エリア、dkx dky=エレメンタリフーリエ(方向的)エリアである。The definition of the elementary four-dimensional volume unit dΩ is repeated, defining a spatial and directional area. Here is a dΩ = dx dy dk x dk y , dx dy = elementary space area, dk x dk y = elementary Fourier (directional) area.

【0079】 kzが0のとき(非エレメンタリ)フーリエエリアが最大となる。この例ではフ ーリエエリア(kx y)はπに等しい。従って、任意方向の光に対しては光の 座標(kx,ky)は常にkx,ky面上の単位サークル内にある。更に、光源はラ ンバーテンであるから総べての光の方向的座標はkx,ky単位サークル内に等し く分布される。これは完全ランバーテンの例であり、図6Aに対応する。When k z is 0 (non-elementary), the Fourier area is maximized. In this example off Rieeria (k x k y) is equal to [pi. Thus, for any direction of light light coordinates (k x, k y) is always k x, in the unit circle on the k y plane. Furthermore, the light source direction coordinates of the light of all because it is La Nbaten is k x, is equal rather distributed k y units in the circle. This is an example of a complete run bar ten, corresponding to FIG. 6A.

【0080】 制限されたランバーテンの例を図6Bに示す。この例では光の分布は均一である が、曲率が1より小さいためエリアは制限される。この例では光は均一に分布さ れているが方向の範囲のみは制限されている。従って、図6Aと図6Bにおいて 光源は等方性でありランバーテンであるが、図6Bでは光源がランバーテンに制 限されているのみである。An example of a restricted run bar ten is shown in FIG. 6B. In this example, the light distribution is uniform, but the area is limited because the curvature is smaller than one. In this example, the light is uniformly distributed, but only the range of directions is limited. Thus, in FIGS. 6A and 6B, the light source is isotropic and Lambertian, while in FIG. 6B, the light source is limited to Lambertian.

【0081】 異方性の例を図6Cと図6Dに示す。この例では光の方向の分布は各方向で同一 ではない。Examples of the anisotropy are shown in FIGS. 6C and 6D. In this example, the distribution of light directions is not the same in each direction.

【0082】 図6A〜図6Dに示すようにフーリエエリアのパラメータは以下のようになる。As shown in FIGS. 6A to 6D, the parameters of the Fourier area are as follows.

【0083】 図6Aの例:ランバーテン,F(a)=πExample of FIG. 6A: Lambertian, F (a) = π

【0084】 図6Bの例:制限されたランバーテン,F(b)=πsin2αExample of FIG. 6B: Limited Lambertian, F (b) = πsin 2 α

【0085】 図6Cの例:矩形−異方性,F(c)=πsinαx sinαy Example of FIG. 6C: rectangle-anisotropic, F (c) = π sin α x sin α y

【0086】 図6Dの例:楕円−異方性,F(d)=πsinαx'sinαy' Example of FIG. 6D: ellipse−anisotropy, F (d) = π sin α x ′ sin α y ′

【0087】 図6Aの例は数13によっても得られるが、上記の手段はより容易に得られる。Although the example of FIG. 6A can be obtained by Expression 13, the above-mentioned means can be obtained more easily.

【0088】 図7は、ランバーテン光源直線セグメントにおける均一な輝度分布の2−D位相 空間を示す。このランバーテン光源は、長さLx,全方向角(kx max=±1), エレメンタリセル(Δx,Δkx)を有する。FIG. 7 shows a 2-D phase space with a uniform luminance distribution in the linear segment of the Lambertian light source. This Lambertian light source has a length L x , an omnidirectional angle (k x max = ± 1), and an elementary cell (Δx, Δk x ).

【0089】 ランバーテン光源の例では、数14によって輝度は位相空間内で一定とされる。 これに対し図7に示すように各光線は、4−D位相空間における単一で独特な点 によって示され、位相空間密度ρはリウビイルの定理に応じて損失のない光学装 置のための不変量となる。これは4−D空間では説明できない。輝度点は2−D 位相空間(x、kx)のみを用いて説明できる。図8Aはランバーテン光源直線 における2−D輝度分布を説明する。然しながらランバーテン法則によればこの 分布は1つのエレメンタリセル(Δx,Δkx)について均一でなければならな い。In the example of the Lambertian light source, the luminance is made constant in the phase space according to Expression 14. In contrast, as shown in FIG. 7, each ray is represented by a single, unique point in the 4-D phase space, and the phase space density ρ is improper for lossless optics according to Riubiru's theorem. It becomes a variable. This cannot be explained in 4-D space. The luminance point can be described using only the 2-D phase space (x, k x ). FIG. 8A illustrates a 2-D luminance distribution in a Lambertian light source straight line. However, according to Lambert's law, this distribution must be uniform for one elementary cell (Δx, Δk x ).

【0090】 図7に示すように均一な位相空間分布を規則的光トレースに変換するため図8A 内のランバーテン点光源を考える。外1分布は方向的(kx)空間で均一であり 、角度空間(J=J0cosθ)では均一ではない。これと全く反対に、図8Bに示 すように均一な角度分布はランバーテン光源を示さなさい。図8Aはランバーテ ン光源に対応し、図8Bは放射強度が均一な光源に対応する。Consider the Lambertian point light source in FIG. 8A to convert a uniform phase space distribution into a regular optical trace as shown in FIG. The outer 1 distribution is uniform in the directional (k x ) space and not uniform in the angular space (J = J 0 cos θ). On the contrary, a uniform angular distribution as shown in FIG. 8B indicates a Lambertian light source. FIG. 8A corresponds to a Lambertian light source, and FIG. 8B corresponds to a light source having a uniform radiation intensity.

【0091】 このことは表1からより容易に了解できる。This can be understood more easily from Table 1.

【0092】[0092]

【表1】 [Table 1]

【0093】 表1から明らかなように、kx軸に沿った均一分布は均一な角度分布とならない 。例えば、kx=0.8とkx=1.0間の角度差は11.5度のみである。従って意外なこ とにランバーテン点光源は図8Aに示すように空間座標でプロットしたとき光の 均一分布は得られない。As is clear from Table 1, a uniform distribution along the k x axis does not result in a uniform angular distribution. For example, the angle difference between k x = 0.8 and k x = 1.0 is only 11.5 degrees. Therefore, surprisingly, the Lambertian point light source cannot obtain a uniform light distribution when plotted in spatial coordinates as shown in FIG. 8A.

【0094】 以上の発見はランバーテン筒状光源にも適用できる。これらの光源は蛍光源のよ うな多くの実用的用途を有する。この場合には、光源は局部的にランバーテンで あり、湾曲面にもかかわらず輝度は所定の方向で一定となる。(従って、ランバ ーテン筒状光源とランバーテン平坦光源間には差がない)。例えば、太陽と月は ランバーテン球形光源である。従って、両者はランバーテン平板として観察され る。実際上、図9に示すように、Z方向のフラックスエレメントまたは輝度エレ メントは数15に応じて表面エレメントdAとcosθに比例する。The above findings can be applied to a Lambertian cylindrical light source. These light sources have many practical uses, such as fluorescent sources. In this case, the light source is locally Lambertian, and the luminance is constant in a predetermined direction despite the curved surface. (Therefore, there is no difference between a Lambertian cylindrical light source and a Lambertian flat light source). For example, the sun and moon are Lambertian spherical light sources. Therefore, both are observed as Lambertian flat plates. In practice, as shown in FIG. 9, the flux element or the luminance element in the Z direction is proportional to the surface element dA and cos θ according to equation (15).

【0095】 ここで、dJ0=BcosθdA、また図9に示すようにdx=dAcosθである。Here, dJ 0 = Bcos θdA, and dx = dAcos θ as shown in FIG.

【0096】 従って、数19がxの関数として均一になる。Therefore, Equation 19 becomes uniform as a function of x.

【0097】[0097]

【数19】 [Equation 19]

【0098】 光の密度としての測光量を示すため数4を数20の形に量子化する。Expression 4 is quantized into Expression 20 in order to indicate the measured light amount as the light density.

【0099】[0099]

【数20】 (Equation 20)

【0100】 ここで、Bijklはエレメンタリ四次元セルΔΩ内の平均輝度値であり、数21と 数22の形である。Here, B ijkl is the average luminance value in the elementary four-dimensional cell ΔΩ, and has the form of Equation 21 and Equation 22.

【0101】[0101]

【数21】 (Equation 21)

【0102】[0102]

【数22】 (Equation 22)

【0103】 量子化ルールを適用することによって数23が得られる。Equation 23 is obtained by applying the quantization rule.

【0104】[0104]

【数23】 (Equation 23)

【0105】 ここでNは、光線の総数、nijklはエレメンタリセルΔΩ(i,j,k,l)を通る光 線の数である。換言すれば、所定の面(x,y)を通る各光は4−D位相空間内 の単一点によって示されるためnijklはエレメンタリセルの内側の光点の数とな る。同様にして光線の数としての他の測光量は数24及び数25で示す放射とし て示すことができる。Here, N is the total number of light rays, and nijkl is the number of light rays passing through the elementary cell ΔΩ (i, j, k, l). In other words, each light passing through a given plane (x, y) is represented by a single point in the 4-D phase space, so that nijkl is the number of light points inside the elementary cell. Similarly, the other photometric amounts as the number of light beams can be represented as the radiation shown in Expressions 24 and 25.

【0106】[0106]

【数24】 (Equation 24)

【0107】[0107]

【数25】 (Equation 25)

【0108】 この関係を2−Dの例のため図10に示す。ここで光線のセットは同一セグメン トを通るがその方向は種々異なるものとする。位相空間内の点によって示される これらの光線は、次いで同一x座標を有するエレメンタリセル内に位置される。 次いで、各エレメンタリセル(ijkl)内で光点数を数え、これらの数を位相空間 垂直i番欄に沿って加算する。この欄における光の総数は数21に応じて数Nij に等しくなる。加えられる光線の数は任意であるが計数時間を長くすることを避 けるためには上記の数はあまり大きくできない。また、滑らかな集積を行なうた めには上記の数はあまり小さくできず、(好ましくはnijkl〜10)とする。This relationship is shown in FIG. 10 for a 2-D example. Here, the set of rays passes through the same segment, but in different directions. These rays, indicated by points in phase space, are then located in elementary cells having the same x coordinate. Next, the number of light spots is counted in each elementary cell (ijkl), and these numbers are added along the i-th column in the phase space vertical. The total number of lights in this column is equal to the number N ij according to the equation ( 21). The number of light beams to be added is arbitrary, but the above number cannot be too large to avoid lengthening the counting time. Also, in order to perform smooth integration, the above number cannot be so small, and is preferably set to nijkl to 10.

【0109】 図11に背景照明装置を示す。この背景照明装置はラップトップコンピュータに 主として用いられるもので光エンジンLEと、光パイプLPと、スクリーン出力 面とを有する。光エンジンLEはランバーテン筒状光源LSと、コリメータCと を有する。光パイプLPは、光エンジンLEからの光を出力面に指向せしめるマ イクロプリズム列をその底部に有する。出力面の頂部にユーザーに示されるべき 情報を示す信号をベースとして出力面からの光を変調する空間光変調器(SLM )を設ける。更に、SLMの頂面上の拡散体、光エンジンLEと光パイプLP間 のフィルム、及びSLMの下側のフィルムを必要に応じて設ける。FIG. 11 shows a background lighting device. This background illumination device is mainly used in a laptop computer, and has a light engine LE, a light pipe LP, and a screen output surface. The light engine LE has a Lambertian cylindrical light source LS and a collimator C. The light pipe LP has at its bottom a row of microprisms for directing light from the light engine LE to the output surface. At the top of the output surface is provided a spatial light modulator (SLM) that modulates light from the output surface based on signals indicating information to be presented to the user. Further, a diffuser on the top surface of the SLM, a film between the light engine LE and the light pipe LP, and a film below the SLM are provided as necessary.

【0110】 プロトタイプを急速に作成するため上記変調器(モジュール)の夫々を分離して 解析する。通常は1つのモジュールを一度に変調する。その結果、デザインを変 えた場合、変調されたモジュールを再解析する必要があるのみであり、不変のモ ジュールの解析は不要である。この結果計数時間を節約できプロトタイプの作成 を速めるようになる。In order to rapidly create a prototype, each of the modulators (modules) is separated and analyzed. Normally, one module is modulated at a time. As a result, if the design changes, it is only necessary to re-analyze the modulated module, not the unchanged module. This saves counting time and speeds up the creation of prototypes.

【0111】 上記の位相空間形式は背景照明装置の1つのエレメント、例えば、光パイプの出 力パワーを急速に予想するため用いることができる。この手段は下記の通りであ る。先ず、ハイパーキューブの形状を定める。ハイパーキューブは四次元の立方 体であり四次元位相空間座標装置内のエレメンタリセルである。ハイパーキュー ブを定めるため、x、y面がx値の定められた範囲を有し、方向的コサインkx とkyの双方が+1〜−1に変化するものとする。従って、x,y,kx,kyの 予想値の総べてが既知である。次に、ハイパーキューブを均一エレメンタリセル に分割する(数21参照)。次いで光線の総数とセルの総数を仮定する。光線の 総数とセルの総数は少なくとも幾つかの(好ましくは約6〜8の)光線が各エレ メンタリセルを通過するように選択する。光線の総数は100,000〜1,000,000の範 囲であり、セルの総数が約10,000の範囲であることが判明した。最後に、輝度が 位相空間密度に等しいという関係を出力パワーの予想に適用した。以下の例はそ の詳細を説明するものである。The above phase space format can be used to quickly predict the output power of one element of a background lighting device, for example, a light pipe. The means are as follows. First, the shape of the hypercube is determined. A hypercube is a four-dimensional cube and is an elementary cell in a four-dimensional phase space coordinate system. For determining the hypercube, x, y plane has a range defined with x values, it is assumed that both the direction cosine k x and k y is changed to +1 to-1. Therefore, x, y, k x, all the expected values of k y are known. Next, the hypercube is divided into uniform elementary cells (see Equation 21). Then assume the total number of rays and the total number of cells. The total number of rays and the total number of cells are selected such that at least some (preferably about 6-8) rays pass through each elementary cell. The total number of rays was found to be in the range of 100,000-1,000,000, and the total number of cells was in the range of about 10,000. Finally, the relationship that the luminance equals the phase space density was applied to the output power prediction. The following example illustrates the details.

【0112】 (例1)(Example 1)

【0113】 下記のパラメータを想定して数26を得た。ランプ輝度B0=39,000 cd/m2(ラ ンバーテン);光源直径D=2R=2mm;光源長さL=30cm。入射フラックスP 0 =(筒状面の表面積)(ランプ輝度)(全ランバーテン光源のためのフーリエ エリア)Equation 26 was obtained assuming the following parameters. Lamp brightness B0= 39,000 cd / mTwo(Lambertian); light source diameter D = 2R = 2 mm; light source length L = 30 cm. Incident flux P 0 = (Surface area of cylindrical surface) (Lamp brightness) (Fourier area for all Lambertian light sources)

【0114】[0114]

【数26】 (Equation 26)

【0115】 次に各光線に重み(ルーメン/光)を付した。この入力パワーが総数100,000の 光線(即ち、N0=100,000)に等しければ光密度が数27で得られる。Next, each light beam was given a weight (lumen / light). If this input power is equal to a total of 100,000 rays (ie, N 0 = 100,000), then the light density is given by Equation 27.

【0116】[0116]

【数27】 [Equation 27]

【0117】 数27に応じてパワー率を各光線に付す。光線は、従来の光トレースプログラム によって定められたように多くのインターフェースを通して進む。各インターフ ェースにおいて反射ロス等の材料ロスがある。然しながら、各光線に付されてい る重みがこれらのロスによって減少する。説明のためには統計的平均を用い得る 。A power factor is assigned to each ray according to Equation 27. Light rays travel through many interfaces as defined by conventional optical tracing programs. There is material loss such as reflection loss at each interface. However, the weight given to each ray is reduced by these losses. Statistical averages can be used for illustration.

【0118】 次に装置の光学的効率をη=P/P0=70%と仮定する。Next, assume that the optical efficiency of the device is η = P / P 0 = 70%.

【0119】 N=70,000の光線が端部を通れば(各光線のロスが100%または0%の何れかで あると仮定すれば)出力パワーは0.002 lm/光 で P=ηP0=162 lmとなる。If N = 70,000 rays pass through the end (assuming that each ray has a loss of either 100% or 0%), the output power is 0.002 lm / light and P = ηP 0 = 162 lm Becomes

【0120】 次にL=W=30cm,エレメンタリセルの総数がM=10×10×10×10=104と仮定 する。Next, it is assumed that L = W = 30 cm and the total number of elementary cells is M = 10 × 10 × 10 × 10 = 10 4 .

【0121】 図12は、10×10の空間座標装置を示し、図13は方向的座標装置を示す。図1 2に示す10×10エレメンタリセルの夫々はそれ自体kxyプロット(図13)を 有する。FIG. 12 shows a 10 × 10 spatial coordinate device, and FIG. 13 shows a directional coordinate device. Each of the 10 × 10 elementary cell shown in FIG. 1 2 has its own k x k y plot (Figure 13).

【0122】 この例では、エレメンタリセルの形が方向的座標と空間座標に亘り等しく配分さ れているものと仮定する。換言すれば、10×10セルは方向的座標に示し、10×10 セルを空間座標に示す。然しながら、セルを空間座標と方向的座標間に配分する 手段には融通性があり、従って異なる配分となし得る。例えば、以下の配分を用 い得る。M=20×20×5×5(即ち、方向的座標空間に示された20×20セル及び 空間座標スペースに示された5×5セル)。このことは方向的座標装置内の精度 を増大することになる。kx=0.8とkx=1.0間の範囲は37度の差を与えるが、 これは多くの場合で極めて大きいものである。In this example, it is assumed that the shapes of the elementary cells are equally distributed over the directional coordinates and the space coordinates. In other words, 10 × 10 cells are shown in directional coordinates and 10 × 10 cells are shown in spatial coordinates. However, the means of allocating cells between spatial and directional coordinates is flexible and can therefore be different. For example, the following allocation may be used: M = 20 × 20 × 5 × 5 (ie, 20 × 20 cells shown in the directional coordinate space and 5 × 5 cells shown in the spatial coordinate space). This will increase the accuracy in the directional coordinate system. The range between k x = 0.8 and k x = 1.0 gives a difference of 37 degrees, which is often quite large.

【0123】 M=10×10×10×10をベースとして位相空間エレメンタリセルΩ0は、Ω0=0.2 ×0.2 ster×3cm×3cmであり、このエレメンタリセルを通る光線の平均数<n >は<n>70,000 光線/10,000セル=7光線/セルとなる。Based on M = 10 × 10 × 10 × 10, the phase space elementary cell Ω 0 is Ω 0 = 0.2 × 0.2 ster × 3 cm × 3 cm, and the average number of light rays passing through this elementary cell <n > Is <n> 70,000 rays / 10,000 cells = 7 rays / cell.

【0124】 従って、セル毎の平均フラックスPBはPB=7×0.00231 lm/光=0.02 lmとなり 、平均出力輝度<B>は数28のようになる。Therefore, the average flux P B for each cell is P B = 7 × 0.00231 lm / light = 0.02 lm, and the average output luminance <B> is as shown in Expression 28.

【0125】[0125]

【数28】 [Equation 28]

【0126】 また、輝度効率xはX=555/39,000=1.5%となる。The luminance efficiency x is X = 555 / 39,000 = 1.5%.

【0127】 この例では、この出力は極めて暗いものとなり、視角は不必要に大きい。In this example, this output is extremely dark and the viewing angle is unnecessarily large.

【0128】 (例2)(Example 2)

【0129】 この例では、例1と同様のパラメータを仮定する。然しながら、この場合には出 力光の平均がx角αx=±11.5°と同一y角αy=±11.5°内に制限されるよう、 上記出力光をコリメートする。その結果、(SIN-1 (11.5)=0.2であり、光線 がkx=−0.2,0または+0.2でky=−0.2,0または+0.2を有するセルからの み放射されるため)占有エレメンタリセルの数は5×5=25−ファクターに減少 し、平均出力輝度は<B2>=555×25=13,875 cd/m2となる。In this example, the same parameters as in Example 1 are assumed. However, in this case, the output light is collimated so that the average of the output light is limited to within the same y angle α y = ± 11.5 ° as the x angle α x = ± 11.5 °. As a result, (SIN -1 (11.5) = 0.2, since the light is seen emitted from the cell with k y = -0.2,0 or +0.2 with k x = -0.2,0 or +0.2 ) The number of occupied elementary cells is reduced to 5 × 5 = 25-factor, and the average output luminance is <B 2 > = 555 × 25 = 13,875 cd / m 2 .

【0130】 この例では、出力は極めて明るく、視角は極めて小さい。In this example, the output is extremely bright and the viewing angle is extremely small.

【0131】 (例3)(Example 3)

【0132】 この例では、例1と同様のパラメータを仮定する。然しながら、この場合には出 力光の平均がx角αx=±30°と同一y角αy=±30°内に制限されるよう、上記 出力光をコリメートする。その結果、平均出力輝度は<B3>=555×4=2,220 c d/m2となる。これはラップトップコンピュータスクリーンのための代表的な輝度 値に合致する。In this example, the same parameters as in Example 1 are assumed. However, in this case, the output light is collimated so that the average of the output light is limited within the same y angle α y = ± 30 ° as the x angle α x = ± 30 °. As a result, the average output luminance is <B 3 > = 555 × 4 = 2,220 cd / m 2 . This matches the typical brightness values for laptop computer screens.

【0133】 図14A,図14B,図15に示すように位相空間座標装置に応じて組織された 空間及び方向的光情報を、照明装置の実行特性を示す二次元グラフを作るために 用いる。The spatial and directional light information organized according to the phase space coordinate device as shown in FIGS. 14A, 14B and 15 is used to create a two-dimensional graph showing the performance characteristics of the lighting device.

【0134】 図14Aは出力面x,yを有する背景照明装置の例である。背景照明のための位 相空間座標装置はM=20×20×5×5座標装置に組織されている。従って、空間 座標スペースは5×5セルを消費し(即ち、既に説明したように出力面x,yは 5×5=25エレメンタリセルの出力面に分割されている)、方向的座標空間は20 ×20エレメンタリセルを消費する。10,000のエレメンタリセルのセットのため の位相空間座標B(x,y;kx,ky)の完全なセットが背景照明装置のため得 られている。上述のように、この情報は、(従来の光トレースプログラムが位相 空間座標装置の情報として組織されていないとしても)従来の光トレースプログ ラムを用いて得られる。例えば、模範的なセルx4y3の出力特性を知ることも望 ましいと仮定すれば、セルx43を励起する光の異なる出力方向αのため輝度の 変化具合を知るのが好ましい(角αは上述のようにx軸に関連して定められ、こ れは変化するパラメータkxである)。FIG. 14A is an example of a background lighting device having output surfaces x and y. The phase space coordinate system for background lighting is organized in a M = 20 × 20 × 5 × 5 coordinate system. Therefore, the spatial coordinate space consumes 5 × 5 cells (ie, the output plane x, y is divided into 5 × 5 = 25 elementary cell output planes as described above), and the directional coordinate space is Consumes 20 x 20 elementary cells. Phase space coordinates B for a set of 10,000 elementary cell (x, y; k x, k y) complete set of is obtained for background illumination device. As mentioned above, this information is obtained using a conventional optical tracing program (even though the conventional optical tracing program is not organized as phase space coordinate system information). For example, assuming that it is also desirable to know the output characteristics of the exemplary cell x 4 y 3, preferably to know a change state of the luminance for cell x 4 y 3 different output directions of excitation light the alpha ( The angle α is defined in relation to the x-axis as described above, which is a changing parameter k x ).

【0135】 図14Bは模範的なセルx43のための方向的座標空間B(x4,y3;kx,ky )を示す。(方向的座標空間B(x4,y3;kx,ky)はセルx43のためのみ のものであるが、他の各セルxi,yiは同様の方向的座標空間B(xi,yi;k x ,ky)を有する)。(異なる出力方向αとβに対抗して)異なる出力方向αの ための輝度の変化具合を知る事のみが望ましいため、二次元グラフのみが望まれ 、方向的座標kyが一定に保持される。中間範囲値を選択する目的で値ky=0が 選択される。kx=−1.0〜+1.0のための座標B(x4,y3;kx,0)のシーケ ンスは図14B中のハイライト部分である。FIG. 14B shows an exemplary cell xFouryThreeCoordinate space B (xFour, YThree; Kx, Ky ). (Directional coordinate space B (xFour, YThree; Kx, Ky) Is cell xFouryThree, But for each other cell xi, YiIs a similar directional coordinate space B (xi, Yi; K x , Ky)). Since it is only desirable to know the degree of change in luminance for different output directions α (as opposed to different output directions α and β), only a two-dimensional graph is desired and the directional coordinates kyIs kept constant. Value k for the purpose of selecting an intermediate range valuey= 0 is selected. kx= Coordinate B (x for −1.0 to +1.0Four, YThree; Kx, 0) is the highlighted portion in FIG. 14B.

【0136】 図15はB(x4,x3;kx,0)の二次元グラフを示す。このグラフにはkxの 20の値の夫々のための輝度値を示す。このデータ点は滑らかなカーブを得るた め補間されている。FIG. 15 shows a two-dimensional graph of B (x 4 , x 3 ; k x , 0). This graph shows the luminance values for each of the 20 values of k x . These data points have been interpolated to get a smooth curve.

【0137】 図15は、パラメータkxが−1.0から+1.0に変化したとき輝度変化のky=0の 点で得た断面を示す。kyの20の異なる値の夫々のための同様のグラフを作り 、これら20のグラフを組合せることによってセルx43のためのkxとkyの関 数として輝度変化の三次元グラフを得ることができる。滑らかな面を形成するた めデータ点を再び補間する。説明した背景照明装置の出力面を区画する24個の セルを残すために同様の二次元及びまたは三次元輝度グラフを得ることができる 。FIG. 15 shows a cross section obtained at the point of change of luminance k y = 0 when the parameter k x changes from −1.0 to +1.0. made a similar graph for each of the 20 different values of k y, three-dimensional graph of the change in luminance as a function of k x and k y for cell x 4 y 3 by combining the graphs of these 20 Can be obtained. Interpolate the data points again to form a smooth surface. Similar two-dimensional and / or three-dimensional luminance graphs can be obtained to leave the 24 cells that define the output surface of the described background lighting device.

【0138】 測光光トレース情報を得るため以下の好ましい手段を用い得る。第1に(例えば 、光源の形状,輝度,吸収定数,屈折率,マイクロプリズムの形状等)のカタロ グタイプデータを光源表示のために選択する。次に、位相空間方式を用いて光源 面に対し光のランバーテン分布を作る。次いで、光トレースルールをコンピュー タプログラムを用いて各信号光のために作る。次に、セル当りに幾つかの光線が あるとして光の入力数と出力エレメンタリセルの数を仮定する。次いで、光線当 りの重みまたはパワーの減少を計数する。次に、測光データ獲得装置を定め、出 力光の位相空間座標をセル配置に変換する。換言すれば、光に出力座標(xi, yi;kxk,kyl)を与え、この装置によって光を特別なエレメンタリセルに割 り当てる。次いで、各セルのため光の合計重量を計数し、エレメンタリセル当り の出力パワーの量を求める。次に、所定のセルのため全セル出力パワーをセルの 処理量によって分割する(数28参照)。この分割結果は所定のセルのための平 均輝度となる。次いで、この操作を総べてのセルについて繰り返しセルの範囲の ためセル当りの輝度分布を得る(数23参照)。例えば、セル数が10,000のとき 夫々に輝度出力を示す10,000の値がある。結局、上述のようにデータは二次元ま たは三次元グラフの形で示される。The following preferred means can be used to obtain photometric light trace information. First, catalog type data (eg, light source shape, luminance, absorption constant, refractive index, micro prism shape, etc.) is selected for light source display. Next, a Lambertian distribution of light is created on the light source surface using the phase space method. Next, an optical trace rule is created for each signal light using a computer program. Next, let us assume the number of light inputs and the number of output elementary cells, assuming that there are several rays per cell. The weight per light or power reduction is then counted. Next, a photometric data acquisition device is determined, and the phase space coordinates of the output light are converted into a cell arrangement. In other words, output to the optical coordinate (x i, y i; k xk, k yl) gave, assign light to special elementary cell by the device. The total weight of light for each cell is then counted to determine the amount of output power per elementary cell. Next, for a given cell, the output power of all cells is divided by the throughput of the cell (see equation 28). The result of this division is the average luminance for a given cell. Next, this operation is repeated for all cells to obtain a luminance distribution per cell for the range of cells (see Equation 23). For example, when the number of cells is 10,000, there is a value of 10,000 indicating the luminance output. Eventually, as described above, the data is presented in the form of a two-dimensional or three-dimensional graph.

【0139】 位相空間座標装置に応じて組織された空間及び方向的光情報がコスト関数と共に 用いられる。例えば、数29で示す最小2乗平均誤差(MMSE)を用いる。The spatial and directional light information organized according to the phase space coordinate system is used together with a cost function. For example, the least mean square error (MMSE) shown in Expression 29 is used.

【0140】[0140]

【数29】 (Equation 29)

【0141】 ここでBMAX(i,j)はkxとkyの総べての値のための所定のセル(x=i, y=j)のための最大輝度出力、BAVGは総べてのセルのための最大平均輝度出 力である。この関数は出力面の輝度分布を均一とするため用いられる。輝度出力 が均一であれば、総べての例でBMAX(i,j)=BAVGであり、コスト関数の出 力Cは零に等しい。輝度出力が全体的に均一でなければ、BMAXは総べて等しく なく、コスト関数の出力は零とならない。出力Cを最小とすることによって均一 な輝度出力が得られる。[0141] Here, B MAX (i, j) is the maximum luminance output for a given cell for all values of k x and k y (x = i, y = j), B AVG total The maximum average brightness output for all cells. This function is used to make the luminance distribution on the output surface uniform. If the luminance output is uniform, then in all cases B MAX (i, j) = B AVG and the output C of the cost function is equal to zero. If the luminance outputs are not entirely uniform, then B MAX will not be all equal and the cost function output will not be zero. By minimizing the output C, a uniform luminance output can be obtained.

【0142】 上記コスト関数を用いて最適ならしめたパラメータの例を図16に示す。図16 は、光パイプのマイクロプリズム(溝)MPMを示す。マイクロプリズムは三角 形が理想的である。然しながら、製造上の不完全さによってその隅の一つが丸く なる。この丸みの程度は距離gに対する高さhで測定する。他の2つの隅は角α 1 とα2で測定する。パラメータh,g,α1,α2を変え上記のコスト関数を加え ることによって光パイプの性能が最適となる。FIG. 16 shows an example of parameters optimized by using the above cost function. FIG. 16 shows a microprism (groove) MPM of a light pipe. Ideally, the microprism is triangular. However, manufacturing imperfections round one of the corners. The degree of the roundness is measured by the height h with respect to the distance g. The other two corners are the corner α 1 And αTwoMeasure with Parameters h, g, α1, ΑTwoBy changing the above and adding the above cost function, the performance of the light pipe is optimized.

【0143】 測光光トレースを幾何学的−光学的に関連する問題に適用できる。然しながら、 測光光トレースは、物理的−光学的に関連する現象がソフト手段で明らかにされ るエリアのような他の手段でも適用できる。このような例では、光学的干渉(及 び回折)能力が極めて低く、一方光学的強度が波長に関連して次第に変化するべ きである。このような弱い空間コヒーレンス源は準均質源と呼ばれる。これらは 自然界及び工業界で極めて共通であり、総べての熱源,蛍光源,LED,半導体 レーザの大部分,プラズマ源等を含む。The photometric light trace can be applied to geometrically-optically related problems. However, photometric traces can be applied by other means, such as areas where physically-optically relevant phenomena are revealed by soft means. In such an example, the optical interference (and diffraction) capability is very low, while the optical intensity should change gradually with wavelength. Such a weak spatial coherence source is called a quasi-homogeneous source. These are very common in nature and industry, and include all heat sources, fluorescent sources, LEDs, most of semiconductor lasers, plasma sources, and the like.

【0144】 図17は、ランバーテンの法則によって定められたものとは異なる角度特性を有 する非ランバーテン拡散体を示す。この非ランバーテン拡散体は光を散乱せしめ るために用いられる。従って、光線の数が2または3倍とされる他の光学装置と 異なり、非ランバーテン拡散体は光線の数を約100倍とする。FIG. 17 shows a non-Lambertian diffuser with angular properties different from those defined by Lambertian's law. This non-Lambertian diffuser is used to scatter light. Thus, unlike other optical devices where the number of rays is doubled or tripled, a non-Lambertian diffuser increases the number of rays by about 100 times.

【0145】 従来の光トレース技術は散乱効果を無視して非ランバーテン拡散体に適用されて いる。然しながら、光線の数が驚くほど増加するため光トレース問題の複雑さが 驚くほど増加する。例えば、100万の光線のトレースの代わりに1億の光線のト レースが必要となる。即ち、計数時間がより長くなる。Conventional optical tracing techniques have been applied to non-Lambertian diffusers ignoring scattering effects. However, the complexity of the optical tracing problem increases surprisingly because the number of rays increases surprisingly. For example, a trace of 100 million rays would be required instead of a trace of one million rays. That is, the counting time becomes longer.

【0146】 然しながら、(以下述べるように)例えば拡散体の入力面が光学的に空間光変調 器の出力面に結合している場合で、上記空間光変調器が光パイプの出力面に結合 している入力面を有し、上記光パイプが光エンジンの出力端に結合した入力端を 有する場合には、他のアプローチを用い得る。一般に、この異なるアプローチで は空間光変調器の出力に対して光源から光トレースを行なう。積分方程式を空間 光変調器の出力に適用できる。これら方程式は実験的に定めた情報に関連付けら れ、拡散体を通して光トレースを行なう必要が除かれるため照明装置をモデル化 する速度が大きく増加する。この速度増加によりプロトタイプ作成速度が大きく なる。However, if, for example, the input surface of the diffuser is optically coupled to the output surface of the spatial light modulator (as described below), the spatial light modulator is coupled to the output surface of the light pipe. Another approach may be used if the light pipe has an input face coupled to the output end of the light engine. Generally, this different approach involves optical tracing from the light source to the output of the spatial light modulator. Integral equations can be applied to the output of the spatial light modulator. These equations are linked to empirically defined information, which greatly speeds up the modeling of illuminators by eliminating the need for optical tracing through diffusers. This increase in speed increases the speed of prototyping.

【0147】 B′(x,y;kx,ky)の形の(拡散体なしの)出力輝度分布と、B(x,y ;kx,ky)の形の(拡散体を通した後の)最終輝度分布を考える。均質直線装 置理論によれば、これら2つの輝度間の関係は数30のような渦巻き形となる。 Passing; (k x, k y x , y) in the form of a (diffuser; [0147] B 'and (x, y k x, k y) of the form (without diffuser) output brightness distribution, B Consider the final luminance distribution). According to the homogenous linear device theory, the relationship between these two luminances is a spiral like Equation 30.

【0148】[0148]

【数30】 [Equation 30]

【0149】 ここでh(kx,ky)は装置の点応答で均質拡散体のためには位置(x,y)に 依存しない。数30は、h(kx,ky)の関数として輝度入力に対する拡散体の 輝度出力に関連する。関数h(kx,ky)は実験的に定める。従って、拡散体に 輝度入力が加えられたときの輝度出力は数30を用いて決定できる。Here, h (k x , k y ) is the point response of the device and does not depend on the position (x, y) for a homogeneous diffuser. The number 30 is related to the luminance output of the diffuser with respect to the luminance input as a function of h (k x, k y) . Function h (k x, k y) is determined experimentally. Therefore, the luminance output when a luminance input is applied to the diffuser can be determined using Equation 30.

【0150】 関数(h)の点応答特性はデイラック デルタ関数分布を数31に示すようにB ′−輝度に置換することによって容易に変え得る。The point response characteristic of the function (h) can be easily changed by replacing the Dirac delta function distribution with B′-luminance as shown in Expression 31.

【0151】[0151]

【数31】 (Equation 31)

【0152】 ここでδ(...)はデイラック デルタ、F(x,y)は平滑関数である。数3 1を数30に置換することによって数32が得られる。Here, δ (...) is a Dirac delta, and F (x, y) is a smoothing function. By substituting Equation 31 for Equation 30, Equation 32 is obtained.

【0153】[0153]

【数32】 (Equation 32)

【0154】 従って、h関数は実際上装置点応答となる。ロスのない拡散体(フレネルロスを 無視)のためのエネルギ保存の法則から均等放射が数33〜数35で得られる。Accordingly, the h function is actually a device point response. From the law of conservation of energy for a lossless diffuser (ignoring Fresnel losses), a uniform radiation is obtained in equations 33-35.

【0155】[0155]

【数33】 [Equation 33]

【0156】[0156]

【数34】 (Equation 34)

【0157】[0157]

【数35】 (Equation 35)

【0158】 数30を数34に置換することによって及び数33と数35を用いて数36に示 す標準化関係が得られる。By substituting equation (30) for equation (34) and using equations (33) and (35), a standardized relationship shown in equation (36) is obtained.

【0159】[0159]

【数36】 [Equation 36]

【0160】 従って、h点関数が単位値に標準化される。数34の積分が均質変化に制限され るため、即ち、kx 1+ky 2 ≦1のとき均等性が維持される。従って、積分操作 が無限に広がり、論議(kx →kx−kx')のシフトを無視できる。Accordingly, the h-point function is standardized to a unit value. Because it restricted to the integral homogeneous changes in the number 34, namely, uniformity when k x 1 + k y 2 ≦ 1 is maintained. Therefore, the integration operation extends indefinitely, and the shift of the discussion (k x → k x -k x ' ) can be ignored.

【0161】 角度空間(kx,ky)内の点応答として関数h(kx,ky)を、図17に示すよ うに均質拡散体を通過する入射面波を有する光の角度特性を測定することによっ て実験的に得ることができる。この特性は数36によって標準化できる。The function h (k x , k y ) as a point response in the angular space (k x , k y ) is represented by the angle characteristic of light having an incident surface wave passing through a homogeneous diffuser as shown in FIG. It can be obtained experimentally by measuring. This characteristic can be standardized by Equation 36.

【0162】 準均質源の為の光源輝度は数37及び数38の形となる。The light source luminance for the quasi-homogeneous source has the form of Equations 37 and 38.

【0163】[0163]

【数37】 (37)

【0164】[0164]

【数38】 (38)

【0165】 I0は光学的強度、ωは角周波数、cは真空中における光速、外2は空間コヒー レンスの複雑度の2−Dフーリエ変換、外3は数39の形である。I 0 is the optical intensity, ω is the angular frequency, c is the speed of light in vacuum, 2 is the 2-D Fourier transform of the spatial coherence complexity, and 3 is the form of Equation 39.

【0166】[0166]

【外2】 [Outside 2]

【0167】[0167]

【外3】 [Outside 3]

【0168】[0168]

【数39】 [Equation 39]

【0169】 ここでd2r=dxdyである。数37と輝度強度デフニションとの比較によっ て数40が得られる。Here, d 2 r = dxdy. Expression 40 is obtained by comparing Expression 37 with the luminance intensity definition.

【0170】[0170]

【数40】 (Equation 40)

【0171】 例えば、B=一定(ランバート法)であれば数38によって Jがcosθとなり、Bが1/cosθとなる。一般にBがcosnθであれば表2に示す ようにJはcos(n+1)θ、外2はcos(n+1)θとなる。For example, if B = constant (Lambert's method), J becomes cos θ and B becomes 1 / cos θ according to Expression 38. Generally, if B is cos n θ, as shown in Table 2, J is cos (n + 1) θ, and outer 2 is cos (n + 1) θ.

【0172】[0172]

【表2】 [Table 2]

【0173】 表2はコヒーレンス(μ)の複雑度のフーリエ変換と、輝度(B)と輝度強度( J)のための典型的角度特性を示す。Table 2 shows the Fourier transform of the coherence (μ) complexity and typical angular properties for luminance (B) and luminance intensity (J).

【0174】 代表的な光源はランバーテン光源であるが、代表的な輝度面は、その角度特性が ランバーテン光源よりより狭いため非ランバーテンである。A typical light source is a Lambertian light source, but a typical luminance surface is non-Lambertian because its angular characteristic is narrower than that of a Lambertian light source.

【0175】 この結果、これらの空間コヒーレンスラジアスは通常λより高い。共役分散係数 (ρ及びΔρ)のためのハイゼンベルグの不確定性原理はこれをρ×Δρ〜λと して示す。As a result, their spatial coherence radius is usually higher than λ. Heisenberg's uncertainty principle for conjugate dispersion coefficients (ρ and Δρ) indicates this as ρ × Δρρλ.

【0176】 ここで、ρは空間コヒーレンスラジアスである。Δρ=1(非コヒーレンスの場 合)であれば、ρ〜λが得られる。即ち、空間コヒーレンスラジアスは波長に等 しい。一般により狭い光、即ちΔρ=1/ε;ε≧1を考える。Here, ρ is the spatial coherence radius. If Δρ = 1 (in the case of non-coherence), ρ to λ are obtained. That is, the spatial coherence radius is equal to the wavelength. Consider generally narrower light, ie, Δρ = 1 / ε; ε ≧ 1.

【0177】 数39によりρ=ελが得られる。即ち、狭い光は高い空間コヒーレンスを有し 、ρ>λである。Ρ = ελ is obtained from Expression 39. That is, narrow light has high spatial coherence and ρ> λ.

【0178】 プロトタイプの急速作成のためには、作られる照明装置内に現れるコンピュータ モデル化によって望ましくないアーチファクトを消去することが重要である。コ ンピュータモデル化が完了したときデザインプロセスが完成されるべきである。 このデザインプロセスには、単一のプロトタイプを作るプロセスは時間を費やし 、高価($50,000のオーダー)となるため製造プロセスに組み込むべきではない 。製造工程は顧客に販売すべき照明装置の製造工程のみとすべきである。図18 及び図19は望ましくないアーチファクトの例を示す。図18は、面C−D−E −F−C’−D’−E’−F’によって物理的に結合した背景照明装置を示す。 背景装置(スクリーン)の出力面は面E−F−E’−F’によって定める。面C −D−C’−D’に配置したマイクロプリズム構造(図示せず)は、約40,000 c d/m2の輝度を有する筒状光源より成る光エンジンLEからの光線を反射する。こ の光線は、例えばラップトップコンピュータのスクリーンに協同して用いる出力 面E−F−E’−F’に向かう。マイクロプリズム構造は光源が面A−B−A’ −B’に延びるような光学的錯覚を作り、その結果面A−B−C−D−A’−B ’−C’−D’によって区画された仮想空間を作る。For rapid prototyping, it is important to eliminate unwanted artifacts by computer modeling that appears in the lighting device being created. The design process should be completed when computer modeling is complete. This design process should not be integrated into the manufacturing process because the process of making a single prototype is time consuming and expensive (on the order of $ 50,000). The manufacturing process should be only the manufacturing process of the lighting device to be sold to the customer. 18 and 19 show examples of undesirable artifacts. FIG. 18 shows a background lighting device physically coupled by the plane CDE-FC-D'-E'-F '. The output surface of the background device (screen) is defined by surfaces EFE'-F '. Surface C -D-C'-D placed 'microprism structure (not shown) reflects light rays from the light engine LE consisting tubular light source having a luminance of about 40,000 cd / m 2. This light beam is directed to an output surface EFE'-F 'which is used, for example, in conjunction with a laptop computer screen. The microprism structure creates an optical illusion such that the light source extends in the plane ABA'-B ', and is consequently partitioned by the plane ABCDA-B'-C'-D'. Create a virtual space.

【0179】 出力面E−F−E’−F’を通してユーザーが見ることができる可視傾斜面B− D−B−Dが仮想空間に形成される。この焦面は好ましくない像アーチファクト である。このアーチファクトは、マイクロプリズムが面C−D−C’−D’の右 側上より左側上により接近するため傾斜する。図19は図18に示す照明装置の 任意の断面K−y−K’−y’を示す。(マイクロプリズム構造の多重反射効果 による)一連の仮想光源は点Kから点Hに延びる。この仮想光源は焦線を作り、 これは焦面、即ち、像アーチファクトを作るため他の焦線に組み合わされる。濃 くした面B−D−B’−D’上のセグメントとなる光源LS上の黒リングをマー クすることによって実験的に像アーチファクトを示すことができる。A visible inclined plane BDBD that can be seen by the user through the output plane EF-E'-F 'is formed in the virtual space. This focal plane is an undesirable image artifact. This artifact is tilted because the microprism is closer on the left side than on the right side of plane CD-C'-D '. FIG. 19 shows an arbitrary cross section Ky-K'-y 'of the lighting device shown in FIG. A series of virtual light sources (from the multiple reflection effect of the microprism structure) extend from point K to point H. This virtual light source creates a focal line, which is combined with another focal line to create a focal plane, ie, an image artifact. Image artifacts can be shown experimentally by marking the black ring on the light source LS, which is a segment on the darkened surface BD-B'-D '.

【0180】 図18と図19に示すようなアーチファクトを検出することは照明構造を三次元 的に見ることなしには困難である。然しながら、上述の理由でプロトタイプの急 速作成のためにはこのアプローチは受け入れられない。照明装置をコンピュータ でモデル化することによってかかるアーチファクトを検出することは好ましい。 即ち、かかるアーチファクトを示す照明構造を三次元的に示すためにコンピュー タを用いることは好ましい。It is difficult to detect artifacts as shown in FIGS. 18 and 19 without looking at the illumination structure three-dimensionally. However, this approach is not acceptable for rapid prototype creation for the reasons mentioned above. It is preferable to detect such artifacts by modeling the lighting device with a computer. That is, it is preferable to use a computer to three-dimensionally show a lighting structure exhibiting such artifacts.

【0181】 自動コンピュータ工具を用いて三次元表示を行うため三次元内での測光光トレー スを行なう。このプロセスの間、光トレースを用い得る焦点、焦線、及び焦面が 検出される。これらは像アーチファクトの境界となる。In order to perform three-dimensional display using an automatic computer tool, photometric light tracing in three dimensions is performed. During this process, focal points, focal lines, and focal planes that can use the optical trace are detected. These are the boundaries of the image artifacts.

【0182】 然しながら、上述の測光光トレースは所定の二次元(x,y)面を通過する光の 断面をベースとする。従って、三次元可視像を作るため複数の二次元断面を作る 必要がある。However, the photometric light trace described above is based on a cross section of light passing through a predetermined two-dimensional (x, y) plane. Therefore, it is necessary to make a plurality of two-dimensional cross sections to make a three-dimensional visible image.

【0183】 複数の二次元断面を作るため測光光トレースに協同して複数のZ面を選択する必 要がある。パラメータ(x,y;kx,ky)は所定のZ面を通過する光のセット を特徴づけ、従ってこれらパラメータは選択されたZ面に依存する。然しながら 、像アーチファクトは通常斜めの制限された範囲でのみ見られ、予め好ましくな い像アーチファクトを作るため選択されるZ面を知ることは不可能である。In order to create a plurality of two-dimensional cross sections, it is necessary to select a plurality of Z planes in cooperation with the photometric trace. Parameters (x, y; k x, k y) characterizes the set of light passing through the predetermined Z plane, thus these parameters depend on the Z plane is selected. However, image artifacts are usually only seen in a limited range of oblique angles, and it is not possible to know in advance which Z-plane will be chosen to create objectionable image artifacts.

【0184】 以下のアプローチはこの困難さを除去するためになされる。第1に、仮想空間を 立方体に分割する。次いでこの立方体を平行にスライスし、測光光トレースを各 スライスに対し行なう。これらの工程を夫々Z軸によって定められた方向で異な る総べての観察点に繰り返す。一般に、照明構造は制限された視野範囲、例えば ±30°からのみ見られる。従って、これら工程を360°全体に亘り行なう必要は 無く、制限された視野範囲、例えば60°に対しのみ行なう。次に、個々のモノス コープ的オリエンテーションを対に再編成しステレオスコープ的視野(ステレオ スコープ法により組織されたモノスコープ的オリエンテーションの対)を作る。 従って、高い輝度のこれらステレオスコープ的視野のみを光学ノイズ消去のため 選択する。これは、しきい値、レベルを用いてなされ、例えば3ニット(ニット =cd/m2)以下の輝度値を有する総べての視野を捨てる。The following approach is made to eliminate this difficulty. First, the virtual space is divided into cubes. The cube is then sliced in parallel and photometric traces are made for each slice. These steps are repeated for all different observation points in the direction defined by the Z axis. In general, the lighting structure is only visible from a limited viewing range, for example ± 30 °. Therefore, these steps need not be performed over the entire 360 °, but only over a limited viewing range, eg, 60 °. Next, the individual monoscopic orientations are rearranged into pairs to create a stereoscopic view (pairs of monoscopic orientations organized by the stereoscopic method). Therefore, only these high-brightness stereoscopic views are selected for optical noise cancellation. This is done using thresholds, levels, and discards all fields of view having a brightness value of, for example, 3 nits (nit = cd / m 2 ) or less.

【0185】 (ここでは任意のアーチファクトが3ニット以上の輝度値を有するものと想定す る)。これら総べての工程はコンピュータによって自動的に行なうことができる 。(Here, it is assumed that an arbitrary artifact has a luminance value of 3 nits or more). All of these steps can be performed automatically by a computer.

【0186】 三次元可視像を作るため測光光トレースを適用する上記直接法は断層撮影法によ って置換できる。このアプローチは焦面(または焦点面)の幾つかの存在を予め 仮定し、この予めの情報を可視光断面の幾何学的位置に結合することをベースと する。The above direct method of applying photometric traces to create a three-dimensional visible image can be replaced by tomography. This approach presupposes the existence of some focal plane (or focal plane) and is based on combining this preliminary information into the geometric location of the visible light cross section.

【0187】 データが集計されたとき照明装置の個々のデザインが示される。これらのデータ は照明装置のステレオスコープ的視野、即ち、三次元の形であるのが好ましい。 従って、このデータは人間が容易に認識できるフォーマットを与える。光の通る 全ての航路の空間及び方向的座標に関する生のデータとの個々の比較により提案 されたフォーマットは(特定の視野からのみの照明構造を取り出しているため) 一般的ではなく、多くの情報を有しない。然しながら、より容易に判断でき、従 ってより有用なフォーマットで情報を提供できる。このフォーマットは、実際の 照明構造を同一手段で見る、即ち、一度に一つの角度を見るというデータを作る 。When the data has been aggregated, the individual designs of the lighting device are shown. These data are preferably in the stereoscopic view of the illuminator, ie in three-dimensional form. Thus, this data provides a format that is easily recognizable by humans. The proposed format by individual comparison with raw data on the spatial and directional coordinates of all the light-carrying routes is not general (because the lighting structure is taken out only from a specific field of view) and has a lot of information Does not have. However, it can be more easily determined and thus provide information in a more useful format. This format produces data that looks at the actual lighting structure in the same way, ie one angle at a time.

【0188】 三次元フォーマットでデータを示す従来のコンピュータグラフ技術には種々のも のがある。この直接のアプローチによれば各立方体は局部的面の局部的部分を定 める。マーチングキューブ法のような連結操作が採用される。この結果、連結操 作の終了後、照明装置の適するデザインによって消去されるべき望まれない可視 アーチファクトを示す焦面が得られる。他の従来の体積表現方法も使用できる。There are a variety of conventional computer graphing techniques for presenting data in a three-dimensional format. According to this direct approach, each cube defines a local part of a local surface. A coupling operation such as a marching cube method is employed. This results in a focal plane showing unwanted visible artifacts that must be eliminated by the appropriate design of the lighting device after the end of the coupling operation. Other conventional volume representation methods can also be used.

【0189】 図20は計数時間を更に短縮するため本考案で用いる反転光トレースを示す。考 えられる限りでは上述の光トレースのデータは光源からの光をトレースして集め 、照明装置の出力面における出力パワーを結合したものを定めて得たものである 。然しながら、代わりに、光を人間の目の一つから照明構造にトレースし、光源 に返す(反転光トレース)ようにしても良い。FIG. 20 shows an inverted light trace used in the present invention to further reduce the counting time. As far as conceivable, the above optical trace data was obtained by tracing and collecting light from a light source and determining the combined output power at the output surface of the lighting device. However, alternatively, light may be traced from one of the human eyes to the lighting structure and returned to the light source (inverted light trace).

【0190】 反転光トレースはコンピュータ効率が良く、従って計数時間を短縮し、プロトタ イプ作成を速める。この反転光トレースによれば、人間は光構造を所定の斜めか ら見るものと想定される。光は人間の一つの目から照明構造にトレースされ、光 源に変える。得られたデータは、他の目のため同様のプロセスを繰り返して得た データと結合し、三次元像を得る。人間が照明構造から見るものと仮定すればト レースされる光の極めて高い割合のものが有用な情報を作るため、コンピュータ 効率をより高める。光パイプの目的は光源からの光を指向せしめることにある。 従って、光パイプで目を見たとき目から放射された光が光源に当る確率は極めて 高い。Inverted light traces are computationally efficient, thus reducing counting time and speeding up prototype production. According to this inverted light trace, it is assumed that a human sees the optical structure from a predetermined angle. Light is traced from one eye to the lighting structure and turned into a light source. The obtained data is combined with data obtained by repeating the same process for other eyes to obtain a three-dimensional image. Assuming that humans see through the lighting structure, a very high percentage of the light being traced produces useful information, thus increasing computer efficiency. The purpose of the light pipe is to direct the light from the light source. Therefore, the probability that the light emitted from the eyes hits the light source when the eyes are viewed through the light pipe is extremely high.

【0191】 これに対し、トレースを光源で始めれば、光の大部分が人間の目に達しないよう になる。従って、反転光トレースを用いないときは、人間の目に達しない光のト レースのための計数時間は無駄なものとなる。On the other hand, if the trace is started with a light source, most of the light will not reach the human eye. Therefore, when the inverted light trace is not used, the counting time for the light trace that does not reach the human eye is wasted.

【0192】 反転光トレースを行うための第1のステップは、光源が目の焦点にあるかのよう に目から出た光のセットをトレースすることである。目の視野は光パイプにより 制限される。光は目の視野を通り、光が光パイプの面に当ったとき光パイプから 始まる光のトレースを制御する同一光トレース法則/式によって光が制御される 。光トレースを制御する式は、光トレースが前方または後方になされるか否かに かかわらず当てはまる。従って上述の位相空間技術は反転の場合にも同様にして 適用できる。The first step in performing an inverted light trace is to trace the set of light emerging from the eye as if the light source were at the focus of the eye. The eye's field of view is limited by the light pipe. Light passes through the field of view of the eye and is controlled by the same light tracing rules / formulas that control the tracing of light starting from the light pipe when the light hits the surface of the light pipe. The formula for controlling the optical trace applies whether the optical trace is made forward or backward. Therefore, the above-mentioned phase space technique can be similarly applied to the case of inversion.

【0193】 目からの光は光パイプを介して反対にトレースされる。光が光源に当った時、こ れは有効な光と考えられる。従って、各反射において反射された光のパーセント を定め、光のパワーを定めることができる。図21は目から光源の面にトレース された光を示す。図21に示すように光は目から光源の面にトレースされる。光 は次いでルミナイアに向かう間に数回反射する。ルミナイアは光エンジンLEの モデルである。(光エンジンLEは複雑な構造であるため、インターフェースを 光パイプでモデル化する。このモデルはルミナイアであり、光エンジンLEから の光を定める空間及び方向的情報のセットによって形成される)。更に、各光が 反射する毎に失うパワー量は既知である。従って、ルミナイアは始め光にパワー を与え、次いで光構造の出力面における光のパワーを、各反射で失なう分を考慮 してルミナイアから後方のワーキングによって定めることができる。従って、目 に当る光の輝度は既知である。これは光構造の像を形成するため他の光の情報と 結合できる。Light from the eye is traced back through the light pipe. When light hits the light source, it is considered valid light. Thus, the percentage of light reflected at each reflection can be determined and the power of the light determined. FIG. 21 shows the light traced from the eye to the surface of the light source. Light is traced from the eye to the face of the light source as shown in FIG. The light then reflects several times while traveling to Luminaire. Luminaire is a model of the light engine LE. (Because the light engine LE is a complex structure, the interface is modeled by a light pipe. This model is luminaire and is formed by a set of spatial and directional information that defines the light from the light engine LE). In addition, the amount of power lost as each light is reflected is known. Thus, the luminaire can initially power the light, and then determine the power of the light at the output surface of the optical structure by working backward from the luminaire, taking into account the losses that are lost at each reflection. Thus, the brightness of the light falling on the eye is known. This can be combined with other light information to form an image of the light structure.

【0194】 上記のアプローチを用いて照明装置の三次元表示のシーケンスを比較的短い計数 時間で得ることができる。例えば、平面ではない表面を見るため(1mm3のオー ダーの)小さい立方体サイズを選択する。仮想の像空間は例えば10cm×10cm×10 cmとし、1mm立方の立方体を用いればそこには106の立方体がある。視野範囲が30 °であればこの内に1,000のオリエンテーションを取り得る。スライス当り100の 光を用いる。この結果、オリエンテーション毎の立方体毎に1,000ポイントあり 、三次元表示のため1012のデータ点を定める必要がある。(1秒当り1010のオー ダーの操作を処理できる)高速コンピュータを用いれば、計数時間は秒のオーダ ーとなる。従って、30°の範囲のステレオスコープ的視野の全範囲を本考案によ れば分単位で作り得る。Using the above approach, a sequence of three-dimensional representations of a lighting device can be obtained with a relatively short counting time. For example, choose a small cube size (of the order of 1 mm 3 ) to see a non-planar surface. Image space of virtual is, for example, 10cm × 10cm × 10 cm, is there by using the 1mm cubic cube has a cube of 10 6. If the viewing range is 30 °, 1,000 orientations can be taken within this range. Use 100 lights per slice. As a result, there are 1,000 points per cube per orientation, and 10 12 data points need to be defined for three-dimensional display. Using a high-speed computer (which can handle operations on the order of 10 10 per second), the counting time is on the order of seconds. Thus, the entire stereoscopic field of view of 30 ° can be made in minutes according to the invention.

【0195】 従って好ましい三次元可視プロセスはプロトタイプを急速作成し、隠されたアー チファクトの検出と消去をコンピュータ的効率で実現できる。Thus, a preferred three-dimensional visualization process can rapidly prototype and detect and eliminate hidden artifacts with computational efficiency.

【0196】 照明装置をコンピュータモデル化するために望まれる時間を以下述べるコンピュ ータ構造を用いて減少できる。一般的に照明装置のモデル化プロセスは同質の課 題であるが異なるセットより成るコンピュータ負荷を含む。同質の課題は、例え ばB(x,y;kx,ky)データ点に達するため照明装置を通る個々の光のトレ ースの課題である。ここには(千から1億のオーダーの)多数の課題がある。然 しながらこれらの課題は1つの光の光路は他の光の光路に影響しないという点で 互いに独立である。The time required to computer model a lighting device can be reduced using the computer structure described below. In general, the lighting device modeling process involves a homogeneous task but a different set of computer loads. Homogeneous problems, For example B; is an object of the individual light traces through a lighting device to reach the (x, y k x, k y) data points. There are a number of issues here (on the order of a thousand to 100 million). However, these issues are independent of each other in that the optical path of one light does not affect the optical path of the other light.

【0197】 図22〜図25は拡大したマイクロプリズム列MPAを含む光パイプLPを有す る背景照明装置を示す。上述したようにラップトップコンピュータのような種々 のものの背景照明となる背景照明装置は既知である。FIGS. 22 to 25 show a background lighting device having a light pipe LP including an enlarged microprism array MPA. Background lighting devices that provide background lighting for various things, such as laptop computers, as described above, are known.

【0198】 この背景照明装置は、光源LSと、光パイプLPと出力面とより成る。光パイプ LPはマイクロプリズム列MPAを含む。マイクロプリズムは光パイプLPの出 力面に光源LSからの光を反射せしめる。マイクロプリズムMPMは、幾つかの 光線が常に上方に向かい、一方、幾つかの光線が光パイプLPを介して伝達され るように配置される。The background lighting device includes a light source LS, a light pipe LP, and an output surface. The light pipe LP includes a micro prism array MPA. The microprism reflects the light from the light source LS to the output surface of the light pipe LP. The microprisms MPM are arranged such that some light rays always point upwards, while some light rays are transmitted through the light pipe LP.

【0199】 上方に向う光の輝度は均一であることが理想的である。マイクロプリズムMPM は光パイプPの近くの端部では粗に配置し(従って上方に再指向される多くの光 量の割合を少なくし)、光パイプの遠い端部に向かって密に配列する(従って上 方に再指向される少ない光量の割合を大きくし)。光パイプLPの遠い端部では マイクロプリズムの負荷サイクルは100%に達する。何れにしても、各反射にお いて光は光パイプLPの出力面に向かうか、または、光パイプLPの遠い端部に 進む。It is ideal that the brightness of the light directed upward is uniform. The microprisms MPM are coarsely arranged at the end near the light pipe P (thus reducing the proportion of the large amount of light redirected upwards) and densely arranged towards the far end of the light pipe ( Therefore, the proportion of the small amount of light that is redirected upward is increased). At the far end of the light pipe LP, the duty cycle of the microprism reaches 100%. Either way, at each reflection, the light goes to the output surface of the light pipe LP or to the far end of the light pipe LP.

【0200】 従来、光パイプとしてはメタライズされたものと、されないものの2種類があっ た。メタライズされない光パイプでは、光パイプの底面に金属がない。その結果 光は全て内部反射する利益がある。この全内部反射は、ロスがなく吸収もないた め好ましい。従ってメタライズされない光パイプを光が通ったときは、総べての 光が反射し、(反射面に対する入射角を臨界角以下と仮定する)、反射面で吸収 される光はない。[0200] Conventionally, there are two types of light pipes, those that are metallized and those that are not. In non-metallized light pipes, there is no metal on the bottom of the light pipe. As a result, all light has the benefit of internal reflection. This total internal reflection is preferable because there is no loss and no absorption. Thus, when light passes through a non-metallized light pipe, all of the light is reflected (assuming the angle of incidence to the reflecting surface below the critical angle) and no light is absorbed by the reflecting surface.

【0201】 底面がメタライズされない光パイプの欠点はそれがマイクロプリズム構造の形状 を制限することである。即ち、光を垂直上方に反射せしめるためにはβ=45°− α/2(ここでβとαは図22及び図23に示す)とし、α+β≦IT(ここで ITは全内部反射のための臨界角)とする必要がある。βがこの範囲でなければ 、マイクロプリズム構造の面に入射される光が反射ではなく伝達されるようにな る。A disadvantage of light pipes whose base is not metallized is that it limits the shape of the microprism structure. That is, to reflect light vertically upward, β = 45 ° −α / 2 (where β and α are shown in FIGS. 22 and 23), and α + β ≦ IT (where IT is total internal reflection). Critical angle). If β is outside this range, light incident on the surface of the microprism structure will be transmitted instead of reflected.

【0202】 メタライズした光パイプの例では、マイクロプリズム列の底面がメタライズされ る。この例では、マイクロプリズム列の面における光の伝達が阻止される。この 結果βを任意と値にでき、光の伝達はない。[0202] In the example of a metalized light pipe, the bottom surface of the microprism row is metallized. In this example, light transmission on the surface of the microprism row is blocked. As a result, β can be set to any value, and there is no light transmission.

【0203】 然しながら、メタライズされた光パイプは、メタライズ部分が光を吸収し、従っ て全内部反射とはならない欠点を有する。金属による光の吸収は約15%である。 従って、光パイプの遠い端部方向に光が伝達されたとき光が反射する毎に或る程 度のパワー損失を生ずる。メタライズによる吸収ロスは各反射毎に15〜20%のオ ーダーである。従って、ロスが15%であり、光が、出射する迄に光が、3回反射 したとすれば、出射する光は光パイプの初めのパワーの略60%となる。光の吸収 量を減少せしめるため金属の厚さを減少するのが望ましい。然しながら、この例 では、伝達が増加し、金属の厚さ減少はこの問題の満足する解決とはならない。[0203] However, metallized light pipes have the disadvantage that the metallized portion absorbs light and therefore does not result in total internal reflection. The absorption of light by metal is about 15%. Thus, when light is transmitted toward the far end of the light pipe, there is some power loss each time the light is reflected. The absorption loss due to metallization is on the order of 15-20% for each reflection. Therefore, if the loss is 15% and the light is reflected three times before the light exits, the emitted light will be approximately 60% of the initial power of the light pipe. It is desirable to reduce the metal thickness to reduce the amount of light absorption. However, in this example, increased transmission and reduced metal thickness are not a satisfactory solution to this problem.

【0204】 これらの問題を解決するため、本考案における光パイプは伝達される光を全反射 によって制御し、マイクロプリズムMPMによる光の反射をメタライズによって 制御せしめる。図24〜図26に示すように、光パイプLPはメタライズされた マイクロプリズムのみを有し、マイクロプリズム列間のスペーサはメタライズし ない。マイクロプリズム列間のスペーサは、光パイプLPの遠い端部方向に光を 伝達せしめる。光は光パイプLPの遠い端部に達する前に面に多数回突き当たる 。然しながら、これらの面はメタライズされていないため全内部反射がロスなし になされる。マイクロプリズムMPMはメタライズされているため、光は、出射 する前にマイクロプリズム面から反射するのみである。マイクロプリズムの面か らの反射に関連して或る量のロスはあるが、この反射の型のみが生じ、従って、 このロスは受け入れられる。従って、本考案の光パイプLPはメタライズされた 及びメタライズされない光パイプのよりよい特性と結合するのが好ましい。To solve these problems, the light pipe in the present invention controls the transmitted light by total internal reflection, and controls the light reflection by the microprism MPM by metallization. As shown in FIGS. 24 to 26, the light pipe LP has only metallized microprisms, and the spacers between the microprism rows are not metallized. The spacers between the rows of microprisms transmit light toward the far end of the light pipe LP. The light hits the surface many times before reaching the far end of the light pipe LP. However, since these surfaces are not metallized, total internal reflection is achieved without loss. Since the microprism MPM is metallized, light only reflects off the microprism surface before exiting. Although there is some loss associated with the reflection from the surface of the microprism, only this type of reflection occurs and therefore this loss is acceptable. Therefore, the light pipe LP of the present invention is preferably combined with the better properties of metallized and non-metallized light pipes.

【0205】 部分的にメタライズした構造を作るには少なくとも3つの手段がある。第1に、 溝間のスペーサをカバーし、メタライズするための溝を開いたまま残すためのマ スクを用いることである。これは写真石版技術を用いて行なうことができる。即 ち、ホトレジストを全底面に蒸着する。次いで、主マスクを介してスペーサのみ を露光するようホトレジストを露光する。次いで、ホトレジストを現像すれば溝 間のホトレジストが残る。ホトレジストを含む構造全体をメタライズする。この 結果、金属はホトレジストと溝をカバーするようになる。残存するホトレジスト を金属部分と共に除去すれば溝間の表面は非メタライズ状態となる。There are at least three ways to create a partially metallized structure. First, use a mask to cover the spacers between the grooves and leave the grooves for metallization open. This can be done using photolithographic techniques. Immediately, a photoresist is deposited on the entire bottom surface. Next, the photoresist is exposed to expose only the spacer through the main mask. Next, if the photoresist is developed, the photoresist between the grooves remains. Metalize the entire structure, including the photoresist. This results in the metal covering the photoresist and trench. If the remaining photoresist is removed together with the metal parts, the surface between the grooves becomes non-metallized.

【0206】 第2に、溝間のスペーサをカバーし、メタライズのためしばしば溝を開いたまま とするためのカバーを用いる。このための第2の手段は第1のそれと同一である 。然しながらこの例では、溝間のスペーサをカバーし、溝を開いたままとする金 属箔マスクを作る。このマスクは溝溝造に適用し、メタライズを行なう。光パイ プLPの面を加熱すれば金属が浸透しメタライズされる。Second, a cover is used to cover the spacers between the grooves and often keep the grooves open for metallization. The second means for this is the same as the first. However, in this example, a metal foil mask is made that covers the spacers between the grooves and keeps the grooves open. This mask is applied to groove formation and metallized. If the surface of the optical pipe LP is heated, the metal penetrates and is metallized.

【0207】 方向的蒸着、またはより好ましくは斜め方向蒸着を用い、溝によってもたらされ るシャドー効果を利用する。このアプローチによれば金属蒸気源が一方の側から 溝に指向される。金属が角度をなして指向されるため、溝は影を作る。溝間の面 である影内の面は、金属蒸気が光パイプLPの面に衝突したときこれによってカ バーされない。Directional deposition, or more preferably oblique deposition, is used to take advantage of the shadow effect provided by the grooves. According to this approach, a metal vapor source is directed into the groove from one side. The grooves create shadows because the metal is directed at an angle. The surface in the shadow, which is the surface between the grooves, is not covered by the metal vapor when it hits the surface of the light pipe LP.

【0208】 図27〜図29は、図24〜図26に示す光パイプの出力面上xとy位置範囲に 亘る出力パワーを示すグラフである。これらのグラフは一般的方法で作ったもの である。FIGS. 27 to 29 are graphs showing the output power over the range of x and y positions on the output surface of the light pipe shown in FIGS. These graphs were created in a general way.

【0209】 図27は、x軸に沿った種々の点における出力パワーを示す。図28は、y軸に 沿った種々の点における出力パワーを示す。図29は、異なる配置のエレメンタ リセルを用いることを除いて図28と同様である。図28では、y軸のため10 個のエレメンタリセルのみを用い、一方、図29では、40個のエレメンタリセ ルを用いたものである。このため、図29はより大きい密度のデータ点を含み、 従ってよりでこぼこしている。FIG. 27 shows the output power at various points along the x-axis. FIG. 28 shows the output power at various points along the y-axis. FIG. 29 is similar to FIG. 28 except that differently arranged elementary cells are used. In FIG. 28, only 10 elementary cells are used for the y-axis, while in FIG. 29, 40 elementary cells are used. Because of this, FIG. 29 contains a higher density of data points and is therefore more bumpy.

【0210】 本考案はその精神の範囲内で種々変更でき、上記実施例に限定されることはない 。The present invention can be variously modified within the spirit of the present invention, and is not limited to the above embodiments.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】二次元平面と光線の交点の説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram of an intersection between a two-dimensional plane and a light ray.

【図2】二次元平面と複数の光線との交点の説明図であ
る。
FIG. 2 is an explanatory diagram of an intersection between a two-dimensional plane and a plurality of light rays.

【図3】線と複数の光線との交点の説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram of an intersection between a line and a plurality of light rays.

【図4】図3に示す光の二次元図形を示す。FIG. 4 shows a two-dimensional figure of the light shown in FIG.

【図5】位相空間における光線の位相説明図である。FIG. 5 is an explanatory diagram of a phase of a light ray in a phase space.

【図6A】種々の型の光源のための位相空間の輝度特性
説明図である。
FIG. 6A is an explanatory diagram of luminance characteristics in a phase space for various types of light sources.

【図6B】種々の型の光源のための位相空間の輝度特性
説明図である。
FIG. 6B is a diagram illustrating luminance characteristics of a phase space for various types of light sources.

【図6C】種々の型の光源のための位相空間の輝度特性
説明図である。
FIG. 6C is an explanatory diagram of luminance characteristics of a phase space for various types of light sources.

【図6D】種々の型の光源のための位相空間の輝度特性
説明図である。
FIG. 6D is an explanatory diagram of luminance characteristics in a phase space for various types of light sources.

【図7】二次元位相空間におけるランバーテン光源直線
セグメントにおける均一輝度分布の説明図である。
FIG. 7 is an explanatory diagram of a uniform luminance distribution in a linear segment of a Lambertian light source in a two-dimensional phase space.

【図8A】測光光トレースを用いた均一点光源とランバ
ーテン点光源の比較図である。
FIG. 8A is a comparison diagram of a uniform point light source using a photometric light trace and a Lambertian point light source.

【図8B】測光光トレースを用いた均一点光源とランバ
ーテン点光源の比較図である。
FIG. 8B is a comparison diagram of a uniform point light source using a photometric light trace and a Lambertian point light source.

【図9】測光光トレースを用いたランバーテン筒状光源
の説明図である。
FIG. 9 is an explanatory diagram of a Lambertian cylindrical light source using photometric light traces.

【図10】二次元位相空間内の光と種々の方向コサイン
の光のセットの説明図である。
FIG. 10 is an explanatory diagram of a set of light in a two-dimensional phase space and light of various direction cosine.

【図11】ランバーテン光源、非イメージオプティク
ス、マイクロプリズム列及び出力を有する背景照明装置
の説明図である。
FIG. 11 is an illustration of a background illumination device having a Lambertian light source, non-image optics, microprism array and output.

【図12】空間座標装置の説明図である。FIG. 12 is an explanatory diagram of a spatial coordinate device.

【図13】図12の空間座標装置のセルの1つに関連す
る方向座標装置の説明図である。
FIG. 13 is an illustration of a directional coordinate device associated with one of the cells of the spatial coordinate device of FIG.

【図14A】出力面を有する背景照明装置の説明図であ
る。
FIG. 14A is an explanatory diagram of a background lighting device having an output surface.

【図14B】図14Aに示す背景装置の所定のセルのた
めの方向座標空間の説明図である。
14B is an explanatory diagram of a directional coordinate space for a predetermined cell of the background device shown in FIG. 14A.

【図15】方向座標の1つが変化し、他が一定に保持さ
れる、図14Bのセルのための輝度値の説明用グラフで
ある。
FIG. 15 is an explanatory graph of luminance values for the cell of FIG. 14B, where one of the directional coordinates changes and the other is held constant.

【図16】コスト関数を用いて最小にできるパラメータ
を有する光パイプのマイクロプリズムの説明図である。
FIG. 16 is an illustration of a microprism of a light pipe having parameters that can be minimized using a cost function.

【図17】ランバーテン拡散体の角度特性の説明図であ
る。
FIG. 17 is an explanatory diagram of the angle characteristics of the Lambertian diffuser.

【図18】望まない人工物の例の説明図である。FIG. 18 is an explanatory diagram of an example of an unwanted artifact.

【図19】望まない人工物の例の説明図である。FIG. 19 is an explanatory diagram of an example of an unwanted artifact.

【図20】眼から光源にトレースされる反対光トレース
の説明図である。
FIG. 20 is an explanatory diagram of an opposite light trace traced from the eye to the light source.

【図21】光パイプの反対光トレースの説明図である。FIG. 21 is an explanatory diagram of an opposite light trace of a light pipe.

【図22】拡大されたマイクロプリズム列を有する光パ
イプを有する背景照明装置の詳細説明図である。
FIG. 22 is a detailed illustration of a background illumination device having a light pipe with an enlarged array of microprisms.

【図23】拡大されたマイクロプリズム列を有する光パ
イプを有する背景照明装置の詳細説明図である。
FIG. 23 is a detailed illustration of a background lighting device having a light pipe with an enlarged array of microprisms.

【図24】拡大されたマイクロプリズム列を有する光パ
イプを有する背景照明装置の詳細説明図である。
FIG. 24 is a detailed illustration of a background illumination device having a light pipe with an enlarged array of microprisms.

【図25】拡大されたマイクロプリズム列を有する光パ
イプを有する背景照明装置の詳細説明図である。
FIG. 25 is a detailed illustration of a background lighting device having a light pipe with an enlarged array of microprisms.

【図26】光パイプの出力面上の位置範囲と出力のグラ
フである。
FIG. 26 is a graph of a position range and an output on an output surface of a light pipe.

【図27】光パイプの出力面上の位置範囲と出力のグラ
フである。
FIG. 27 is a graph of a position range and an output on an output surface of a light pipe.

【図28】光パイプの出力面上の位置範囲と出力のグラ
フである。
FIG. 28 is a graph of a position range and an output on the output surface of the light pipe.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

LE 光エンジン LP 光パイプ Ω0 位相空間エレメンタリセル I0 光学的強度 ω 角周波数 c 光速LE light engine LP light pipe Ω 0 phase space elementary cell I 0 optical intensity ω angular frequency c speed of light

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)考案者 クーピック ステフェン エイ. アメリカ合衆国 カリフォルニア州 90503トーランス ガーネット 202番 3725 (72)考案者 コスターゼウスキ アンドリュー アメリカ合衆国 カリフォルニア州 92641ガーデン グロウブ グラウス コ ート 9816 (72)考案者 ラド マイク アメリカ合衆国 カリフォルニア州 91304シャーマン オークス マグノリア ボールバード 305番 15222 (72)考案者 テンガラ インドラ アメリカ合衆国 カリフォルニア州 91765ダイアモンド バー イースト バ ーカー ドライブ 24207 (72)考案者 バシィリエフ アナトリー アメリカ合衆国 カリフォルニア州 90505トーランス オーシャン アベニュ 203番 23939 (72)考案者 キム ジェングダル アメリカ合衆国 カリフォルニア州 90036ロスアンジェルス バーンサイド アベニュ 359 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continued on front page (72) Inventor Coupick Stephen A. United States 90503 Torrance Garnet 202 No. 3725 (72) Inventor Costerouski Andrew United States of America 92641 Garden Groove Grouse Coat 9816 (72) Inventor Rad Mike United States of America 91304 Sherman Oaks Magnolia Ballbird 305 No. 15222 (72) Inventor Tengala Indra United States of America 91765 Diamond Bar East Barker Drive 24207 (72) Inventor Basiliyev Anatoly United States of America 90505 Torrance Ocean Avenue 203 No. 23939 (72) 72) Device Kim Jengdal United States of America California 90036 Los Angeles Burnside Avenue 359

Claims (5)

【実用新案登録請求の範囲】[Utility model registration claims] 【請求項1】 ランバーテン筒状面からの光を受け取る
光パイプであって、 入力面と、 出力面と、 メタライズされている複数のマイクロプリズムと、 メタライズされていない複数のスペーサとより成り、上
記複数のスペーサが上記複数のマイクロプリズム間に配
置され、上記複数のスペーサと上記複数のマイクロプリ
ズムが交互に並ぶようにされ、上記光パイプを通る光の
伝達が全内部反射によって成され、上記出力面からの光
の反射が上記複数のメタライズされたマイクロプリズム
によって成される光パイプ。
1. A light pipe for receiving light from a Lambertian cylindrical surface, comprising: an input surface, an output surface, a plurality of metallized microprisms, and a plurality of non-metallized spacers. The plurality of spacers are disposed between the plurality of microprisms, and the plurality of spacers and the plurality of microprisms are alternately arranged.Transmission of light through the light pipe is performed by total internal reflection, A light pipe in which reflection of light from an output surface is provided by the plurality of metallized microprisms.
【請求項2】 上記マイクロプリズムが写真石版技術で
上記複数のマイクロプリズムに付したマスクを用いてメ
タライズされ、上記マスクが(1)上記複数のスペーサ
と、(2)上記複数のマイクロプリズムの1つをカバー
し、(1)上記複数のスペーサと(2)上記複数のマイ
クロプリズムの残りをカバーしない請求項1記載の光パ
イプ。
2. The microprism is metallized by a photolithographic technique using a mask attached to the plurality of microprisms, wherein the mask comprises (1) the plurality of spacers, and (2) one of the plurality of microprisms. 2. The light pipe of claim 1, wherein the light pipe covers one of the plurality of spacers and (2) the rest of the plurality of microprisms.
【請求項3】 上記マイクロプリズムがメタル箔マスク
を用いてメタライズされ、上記マスクが(1)上記複数
のスペーサと、(2)上記複数のマイクロプリズムの1
つをカバーし、(1)上記複数のスペーサと(2)上記
複数のマイクロプリズムの残りをカバーせず、上記メタ
ル箔マスクが上記光パイプの表面に、この表面が加熱さ
れたとき、貫通する請求項1記載の光パイプ。
3. The micro-prism is metallized using a metal foil mask, wherein the mask includes (1) the plurality of spacers and (2) one of the plurality of micro-prisms.
And (2) not covering the rest of the plurality of spacers and the plurality of microprisms, and the metal foil mask penetrates the surface of the light pipe when the surface is heated. The light pipe according to claim 1.
【請求項4】 上記マイクロプリズムが方向的蒸着プロ
セスを用いてメタライズされる請求項1記載の光パイ
プ。
4. The light pipe of claim 1, wherein said microprisms are metallized using a directional deposition process.
【請求項5】 上記マイクロプリズムが複数のスペーサ
によって分離されている請求項1記載の光パイプ。
5. The light pipe according to claim 1, wherein said microprisms are separated by a plurality of spacers.
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