JP3532215B2 - マイクロプリズムのアレイを用いる照明系 - Google Patents

マイクロプリズムのアレイを用いる照明系

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JP3532215B2
JP3532215B2 JP52104796A JP52104796A JP3532215B2 JP 3532215 B2 JP3532215 B2 JP 3532215B2 JP 52104796 A JP52104796 A JP 52104796A JP 52104796 A JP52104796 A JP 52104796A JP 3532215 B2 JP3532215 B2 JP 3532215B2
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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Description

【発明の詳細な説明】 関連出願との相互関係 本出願は1994年５月13日に出願された、“マイクロプ
リズムのアレイを使用する照明系”と題される米国特許
第08/242,525号の一部継続出願であり、またこの後者の
出願は1993年11月５日に出願された、“マイクロプリズ
ムのアレイを使用するバック照明装置”と題される米国
特許第08/149,219号の一部継続出願である。
発明の背景 本発明は、一般的には、比較的大きい透光率を有する
平行光線用の光学照明系に関する。さらに詳しくは、本
発明は非平行光源から出た光の方向を変えるための多数
の光学マイクロプリズムおよびマイクロレンズを有し、
そして非拡散性の、即ち実質的に平行な光源出力を別々
にまたは組み合せのいずれかで提供する照明系に関す
る。
多くの光学用および照明用用途では、発光効率の良い
非拡散性の、即ち平行な光源を製造する必要がある。平
行光源で遭遇する典型的な問題点は、１）不均一な光分
布、２）制御された方向での光の出力不足、３）非平行
光の入力量に対する平行光の出力量に関する非効率性、
および４）コンパクトな設計の、若しくは断面の狭い
（narrow profile）効率的な平行光源の不足である。
従って、光学および照明の技術分野においては、狭い
断面を保持しつつエネルギー効率の高い光源を提供する
照明集合組立装置を提供する必要性が存在する。
本発明の要約 本発明は、エネルギー効率の高い非拡散性の、即ち実
質的に平行な光源［以後、限定空間指向光源（spatiall
y directed light source）と呼ぶ］を個別にまたは組
み合せのいずれかで提供する光学照明系に関する。さら
に、本発明は断面の狭い限定空間指向光源を必要とする
任意の照明用途に向けられる。
この光学照明系は、光透過装置に極く近接した拡散入
力光源とその光透過装置からの光を離して方向を変える
ための反射装置を含んでなり、その反射装置はその光透
過装置に接して作動するように置かれている。反射装置
はマイクロプリズムのアレイ（array）、若しくはマイ
クロレンズのアレイと光学的に協同して作動するマイク
ロプリズムのアレイを組み合せて含んでなり、そのマイ
クロプリズムはその光透過装置とそのマイクロレンズの
間で作動するように置かれている。本発明の反射装置
は、断面の狭い集合組立装置に装備されるエネルギー効
率の良い分布の限定空間指向光線を提供する。
一つの好ましい態様では、単一の入力光源が光透過装
置の受光面に隣接して置かれている。光透過装置は、光
導体（light pipe）、光学くさび（light wedge）、光
導波路、またはこの技術分野の習熟者に知られている任
意の他の構造物のような反射しながら光を透過させる任
意の構造物である。好ましくは、光透過装置は入力光源
によって発生せしめられた光を受光し、その光を全内部
反射（TIR）により輸送する導波路を含んでなる。その
導波路の一つの面にマイクロプリズムのアレイが取付け
られる。マイクロプリズムはその導波路と接した光入力
面と光出力面とを含む。マイクロプリズムはさらに四つ
の側壁を含んでなる。この四つの側壁は、その導波路を
通って進んだ光が捕捉され、そしてマイクロプリズムで
方向が変えられ、TIRによりそのマイクロプリズムによ
って反射され、そして限定空間指向光源としてそのマイ
クロプリズムから出てくるような角度で傾斜している。
限定空間指向光源とは、光出力面に対して実質的に垂直
な方向に実質的に平行な光源、若しくは光出力面の法線
に対して或る角度で指向している光源を含むことを意味
する。この態様の一つの改良点は、導波路と各マイクロ
プリズムの光入力面の間に低屈折率の層が配置され、含
まれていることである。
もう一つ別の態様では、マイクロレンズのアレイがマ
イクロプリズムの光出力面に隣接して作動するように置
かれている。各マイクロプリズムの四つの側壁は、導波
路を通って進んだ単一光源からの光がマイクロプリズで
捕捉され、TIRによりそのマイクロプリズムで反射さ
れ、そして限定空間指向光源としてそのマイクロプリズ
ムから出てくるような角度で傾斜している。これらのマ
イクロレンズは適切な曲率で作られており、そして各マ
イクロプリズムから出てくる光が対応するマイクロレン
ズに向かうように置かれている。この光はそれらのマイ
クロレンズを通って進み、実質的に平行な光源として出
てくる。
もう一つの好ましい態様では、二つの入力光源若しく
は一つの光源および反射装置が、光透過装置の向い合っ
て位置する受光面に隣接して置かれている。マイクロプ
リズムは導波路と光出力面に接する光入力面を含んでな
る。マイクロプリズムは、さらに、相対する方向から導
波路の中を進んで来た光が捕捉され、そしてそのマイク
ロプリズムで方向が変えられ、TIRによりそのマイクロ
プリズムによって反射され、そして限定空間指向光源と
してそのマイクロプリズムから出てくるような角度で傾
斜している四っの側壁を含んでいる。この態様の１つの
改良点は、導波路と各マイクロプリズムの光入力面の間
に低屈折率の層が配置され、含まれていることである。
さらにもう一つ別の態様では、マイクロレンズのアレ
イがマイクロプリズムの光出力面に隣接して作動するよ
うに置かれている。各マイクロプリズムの四つの側壁
は、導波路を通って進んだ両光源からの光がマイクロプ
リズで捕捉され、TIRによりそのマイクロプリズムで反
射され、そして限定空間指向光源としてそのマイクロプ
リズムから出てくるような角度で傾斜している。これら
のマイクロレンズは適切な曲率で作られており、そして
各マイクロプリズムから出てくる光が対応する一つのマ
イクロレンズ若しくは複数のマイクロレンズに向かうよ
うに置かれている。光はこれらのマイクロレンズを通っ
て進み、実質的に平行な光源として出てくる。
このように配列されたマイクロプリズムとマイクロレ
ンズを用いているこのような照明系を利用できる照明用
途は、多数存在する。このような用途は自動車工業、航
空宇宙工業および広告用および住居用市場に存在する。
幾つかの自動車用用途で、単に例として、限定すること
を意図しないで挙げれば、考えられる用途は、自動車用
の断面の小さいヘッドライトおよびテールライト；読書
用ライトおよびマップ・ライトのような断面の小さい車
内ライト；ダッシュボード・ディスプレイ用光源；フラ
ットパネル・ナビゲーション表示盤、フラットパネル・
自動車TVスクリーンおよびフラットパネル電子機器ディ
スプレイ用のバックライト；交通信号灯；および道路標
識用バックライトである。航空宇宙工業における代表的
な例は、フラットパネル・コックピット・ディスプレイ
用バックライトおよび航空機の乗客区画のフラットパネ
ル・TVスクリーン；断面の小さい読取りライトと航空機
の着陸灯；および滑走路灯である。住居用および広告用
用途には、断面の小さい室内および室外用スポットライ
トおよび平行化の程度の小さい室内照明；フラットパネ
ル・TVスクリーン用バックライト、コンピュータなどの
LCDディスプレイ、ゲーム機ディスプレイ、電機器具デ
ィスプレイ、機械ディスプレイおよび映像電話用の各バ
ックライトがある。
本発明のさらなる目的、利点および新規な特徴は、一
部は以下の説明により示され、また一部は、以下の説明
を検討することによりこの技術分野の習熟者に明らかに
なるであろうし、或いは本発明を実施することにより習
得することができるであろう。本発明の目的と利点は、
付記した請求の範囲中に特に示した手段およびそれらの
組み合せにより実現され、達成されるであろう。
図面の簡単な説明 本発明の上記のおよびその他の目的と利点は、添付し
た図面と組み合せて、以下の詳細な説明を参考にすれば
明らかになるであろう。これらの添付図面において、同
様の参照番号は全体にわたって同様の部品を指示してい
る。添付図面において、 図１は単一入力光源と組み合せた本発明の一つの態様
の立面図であり； 図1Aは図１の態様の分解図であり； 図1Bは図１の態様のもう一つ別の分解図であり； 図1Cは単一入力光源と組み合せた本発明の推奨される
態様の立面図であり； 図1Dは低い角度の光を規定する説明図であり； 図２はマイクロレンズのアレイを含む図１の態様の立
面図であり； 図2Aはマイクロレンズに対応する図２の態様のもう一
つ別の立面図であり； 図３は単一のマイクロレンズの断面図であり； 図3Aは単一つのマイクロレンズの一つの態様の平面図
であり； 図４は二つの入力光源と組み合せた本発明のもう一つ
の態様の立面図であり； 図4Aは図４の態様の分解図であり； 図4Bは一つの入力光源および反射装置と組み合せた本
発明のもう一つ別の態様の立面図であり； 図５はマイクロレンズのアレイを含む図４の態様の立
面図であり； 図６は図５の態様の分解図であり；そして 図７は図５の態様のもう一つ別の分解図である。
推奨される態様の詳細な説明 本発明の推奨される態様は、上記の図面を参照するこ
とによりこの技術分野の習熟者により良く理解されるで
あろう。これらの図面に例示される本発明の好ましい態
様は、全てを網羅的に示すことを意図するものでも、或
いはその開示された正確な形に本発明を限定することを
意図するものでもない。これらの図面は本発明の原理お
よびその応用と実用を記述するか、若しくは最も良く説
明し、それによりこの技術分野の習熟者に本発明を最も
良く利用できるように選ばれているものである。
本発明の一つの好ましい態様が図１、1A、1Bおよび1C
に示されている。番号２で代表される照明系は、光発生
装置14、受光面17を有する導波路16、および導波路16と
光学的に対になっているマイクロプリズム28のアレイを
含んでなる。有用な光発生装置14の代表例はレーザー、
蛍光管、発光ダイオード、白熱電球、太陽光およびこれ
らに類する手段である。導波路16はガラス若しくは重合
体のような任意の透明な材料から作られ、そしてそれは
図1Cに示したように楔型であるのが好ましい。
導波路16とマイクロプリズム28のアレイの間には低屈
折率の層27が配置されている。光はTIRにより反射され
ながら導波路16を通り、そして光入力面30を通って各マ
イクロプリズム28に入り、側壁33、35および37で反射し
て、光出力面32を通って、限定空間指向光源としてマイ
クロプリズム28を出てくる。層27は、（導波路の面に対
して）低角度の光がマイクロプリズム28に入るのを妨げ
る。低角度光は、図1Dに示されるように、その導波路の
面に対し角度αを有する光と定義されるもので、その定
義は次のとおりである： α≦90゜−β臨界＝90゜−sin-1（n2/n1） ここで、β臨界はスネルの法則で定義される臨界角であ
り、n2は層27の屈折率であり、n1は導波路16の屈折率で
あり、そしてn2＜n1である。光線がプリズム28に入るこ
とができる角度範囲を制限することにより、マイクロプ
リズム28の出力はより効率的となり、より平行化した光
線が与えられる。導波路16の中で利用可能な光を全て利
用するために、図1Cの光線31を例として代表される低角
度光線は導波路16と層27の界面で反射されて高角度光線
に変換され、層27に入るために導波路をさらに下がり、
そしてマイクロプリズム28で取り出される。低角度光線
の高角度光線へのこの変換は、導波路16が楔形であれば
起きるであろう。
導波路16は約400nmから約700nmの波長範囲の光に対し
て透明である。導波路16の屈折率は約1.40から約1.65の
範囲であることができる。最も好ましい屈折率は約1.45
から約1.60である。導波路16は任意の透明な固体材料か
ら作ることができる。好ましい材料は透明な重合体、ガ
ラスおよび溶融シリカである。これらの材料に希望され
る性質は、当該デバイスの通常の使用温度で機械的およ
び光学的に安定なことである。典型的な材料は、ガラ
ス、ポリメタクリル酸メチル、ポリカーボネート、ポリ
エステル、ポリ（４−メチルペンテン）、ポリスチレ
ン、アリルジグリコールカーボネート、スチレン／アク
リロニトリル共重合体およびスチレン／メタクリル酸メ
チル共重合体である。
好ましくは、マイクロプリズム28は約1.40から約1.65
の間の屈折率を有する材料から造られ、これら材料には
ポリメタクリル酸メチル、ポリカーボネート、ポリエス
テル、ポリ（４−メチルペンテン）、ポリスチレン、ア
リルジグリコールカーボネート、スチレン／アクリロニ
トリル共重合体、スチレン／メタクリル酸メチル共重合
体、およびアクリレート単量体の光重合により生成する
重合体がある。より好ましい材料は約1.45から約1.60の
間の屈折率を有するもので、これはウレタン−アクリレ
ートおよび−メタクリレート、アクリル酸およびメタク
リル酸エステル、エポキシ−アクリレートおよび−メタ
クリレート、（ポリ）エチレングリコール−アクリレー
トおよび−メタクリレート、並びにビニル基含有有機単
量体から成るアクリレート系単量体混合物の光重合によ
って合成される重合体であることができる。有用な単量
体は、メチルメタクリレート、ｎ−ブチルアクリレー
ト、２−エチルヘキシルアクリレート、イソデシルアク
リレート、２−ヒドロキシエチルアクリレート、２−ヒ
ドロキシプロピルアクリレート、シクロヘキシルアクリ
レート、1,4−ブタンジオールジアクリレート、エトキ
シ化ビスフェノールＡ・ジアクリレート、ネオペンチル
グリコールジアクリレート、ジエチレングリコールジア
クリレート、ジエチレングリコールジメタクリレート、
1,6−ヘキサンジオールジアクリレート、トリメチロー
ルプロパントリアクリレート、ペンタエリトリトールト
リアクリレートおよびペンタエリトリトールテトラアク
リレートである。特に有用なものは、少くとも一つの単
量体がアクリレート若しくはトリアクリレートのような
多官能性単量体である混合物であり、これら単量体は、
その反応したフォトポリマー中で架橋網目を生じるから
である。光リソグラフィーで調製されるマイクロプリズ
ム28用の最も好ましい材料は、エトキシ化ビスフェノー
ルＡ・ジアクリレートとトリメチロールプロパン・トリ
アクリレートの混合物を光重合して調製した架橋重合体
である。この最も好ましい材料の屈折率は約1.53から約
1.56の範囲である。
マイクロプリズム28は隙間領域36で隔てられている。
隙間領域36の屈折率はマイクロプリズム28の屈折率より
小さくなければならない。隙間領域に好ましい材料は、
屈折率1.00の空気および約1.16から約1.40の範囲の屈折
率を有するフルオロポリマー材料である。最も好ましい
材料は空気である。
この好ましい態様では、層27は導波路16とマイクロプ
リズム28のアレイの間で接着促進層としても機能する。
この態様では、層27は光透過性で、マイクロプリズム2
8、特に、例えば光架橋アクリレート単量体材料のよう
な重合体から調製されたマイクロプリズムを導波路16に
強く接着させる有機材料である。このような接着材料は
この技術分野の習熟者には良く知られている。
さらにまた、低屈折率の層27は、その屈折率が導波路
16より小さい限り、導波路16およびマイクロプリズム28
と同じ材料で造ることができる。層27の屈折率は導波路
16の屈折率より約0.01から約0.20小さいことが好まし
い。層27の屈折率は導波路16の屈折率より約0.04から約
0.15小さいことが最も好ましい。
マイクロプリズムは正方形、長方形または六角形のよ
うな任意のパターンで導波路16の上に配列することがで
きる。これらのマイクロプリズムは、受光面17に垂直な
方向に繰返間隔38（図１）を、そして受光面17に平行な
方向に繰返間隔40（図1B）を有する。繰返間隔38と40は
等しい場合も等しくない場合もあり、当該ディスプレイ
の解像力と寸法に応じて広い範囲で変えることができ
る。さらに、これら繰返間隔38と40は、光発生装置14か
らの距離が増すにつれての導波路16内部での光の強さの
低下を相殺するために、導波路16の表面に沿って変える
ことができる。光の強さのこの低下は、そのアレイの他
のマイクロプリズムにより光が除去されることに因る。
マイクロプリズム28は、光入力面30と光出力面32を有
する６つの側面を有する幾何学的形状を形成するように
作られており、その光出力面32の表面積は光入力面30に
等しいか、それより大きい。マイクロプリズム28は、さ
らに、二対の向い合っている側壁33、34および35、37を
含んでいる。側壁33、35および37は導波路16を通って伝
播する光を反射し、方向を変えるのに有効である。側壁
33と、導波路16若しくはその上の層27との交差線は、光
の平均方向に垂直な線を形成するのが好ましい。例え
ば、図１に示されているように、側壁33と接着層27との
交差線は受光面17に平行な面を形成し、従って導波路16
を通って進む光の平均方向に垂直である。側壁34は側壁
33に平行であるように示されているが、側壁34の方向は
重要ではない。
図1Aに示されているように、各マイクロプリズム28
は、側壁33が導波路16の表面の法線に対して角度φで傾
斜するように作られている。傾斜角φの望ましい値は約
15度から約50度の範囲である。傾斜角φのより好ましい
値は約20度から約40度の範囲である。この技術分野の習
熟者には自明であろうように、傾斜角φは、限定空間指
向光が出てくる光出力面の法線に対する角度で決まる。
図1Bを参照して説明すると、側壁35および37も導波路
16の表面の法線に対して角度θで傾斜している。傾斜角
θの望ましい値は約０度から約25度の範囲である。傾斜
角θのより好ましい値は約２度から約20度の範囲であ
る。側壁35と37に対する傾斜角θは等しい方が好ましい
が、必ずしも等しい必要はない。
マイクロプリズム28の高さは、図1Aに示されているよ
うに、寸法50である。高さ50は当該ディスプレイの寸法
と解像度に応じて広い範囲で変えることができる。即
ち、ラップトップ・コンピュータディスプレイやアビオ
ニクスディスプレイのような小さいディスプレーは、大
型スクリーンやフラット−パネルテレビションのような
より大きいディスプレーに比べ、非常に小さい寸法を有
するであろう。
マイクロプリズム28の長さの寸法は52と53である。長
さ52は光入力面30に対応し、長さ53は光出力面32に対応
する。長さ53は長さ52に等しくてもよいし、或いはそれ
より長くてもよい。長さ52と53は当該ディスプレイの寸
法と解像度に応じて広い範囲で変えることができる。さ
らに、長さ52は、光発生装置14からの距離が増すにつれ
ての導波路16内部での光の強さの低下を相殺するため
に、その光透過装置16の表面を横切って変えることがで
きる。即ち、光発生装置14により近いマイクロプリズム
28は光発生装置14から離れたマイクロプリズムに比べて
寸法52がより小さい。光の強さのこの低下は、このアレ
イの他のマイクロプリズムによる光の除去に因る。長さ
52および53の最大値は図１の繰返間隔38より小さい。
マイクロプリズム28の幅の寸法は54および55（図1B）
であり、幅54は光入力面30に対応し、幅55は光出力面32
に対応する。幅54と55は当該ディスプレイの寸法と解像
度に応じて広い範囲で変えることができ、そしてそれは
傾斜角θと高さ50の関数である。さらに、幅54は光発光
装置14からの距離が増すにつれての導波路16内部での光
の強さの低下を相殺するために、その光透過装置16の表
面を横切って変えることができる。幅55の最大値は繰返
間隔40に等しい。長さの寸法52は幅の寸法54より大きい
ことが望ましい。長さ52と幅54の比は1.2:1から5:1の範
囲であるのが好ましい。この比は1.5:1から3:1の範囲で
あるのがより好ましい。
もう一つの態様では、図２および2Aに示されているよ
うに、マイクロレンズ80のアレイはマイクロプリズム28
に極く近接して置かれる。このマイクロレンズ80が光重
合で製造される場合、それらはマイクロプリズム28用に
前に示した単量体と同じ単量体から作られ、そのマイク
ロプリズム28の屈折率に等しいか、または実質的に等し
い屈折率を有することが好ましい。しかし、例えば前に
説明した材料のような任意の透明な材料を用いてもよ
い。これらマイクロレンズの間の中心間距離はマイクロ
レンズ28の繰返間隔38と40に直接相関している。即ち、
全部のマイクロプリズム28について、各マイクロプリズ
ム28の出力面32と芯合せして配列された対応するマイク
ロレンズ80が存在する。
スペーサ82がマイクロレンズ80とマイクロプリズム28
を隔てている。スペーサ82の厚みは、マイクロプリズム
28からの光をマイクロレンズ80で平行にするのに最も適
するように決められる。スペーサ82は任意の透明な材料
から作ることができる。好ましい材料は透明な重合体、
ガラスおよび溶融シリカである。スペーサ82はマイクロ
プリズム28およびマイクロレンズ80の屈折率に等しい
か、または実質的に等しい屈折率を有するのが好まし
い。これらの材料の望ましい特性は、当該デバイスの通
常の使用温度での機械的および光学適安定性である。推
奨される材料の例は、ガラス、ポリメタクリル酸メチ
ル、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリ（４−メチ
ルペンテン）、ポリスチレン、アリルジグリコールカー
ボネート、スチレン／アクリロニトリル共重合体および
スチレン／メタクリル酸メチル共重合体である。
マイクロプリズム28のアレイ、スペーサ82およびマイ
クロレンズ80のアレイを製造する好ましい方法は、この
技術分野の習熟者に知られている射出成形によるもので
あって、それによればマイクロプリズム、スペーサおよ
びマイクロレンズは単一の一体化ユニットとして製造さ
れる。この方法の利点は、これらアレイが別々に造られ
て、上に説明したような相互関係で取り付けられるとし
た場合に起きる可能性のあるマイクロレンズとマイクロ
プリズムのアレイとの間の芯合せの誤差が排除されるこ
とである。マイクロプリズム28および90とマイクロレン
ズ80のアレイは、圧縮成形、熱ローラー加圧注型を含め
て注型法、金型内での光重合および金型を使用しない光
重合法のような幾つかの方法で製造することができる。
単一のマイクロレンズ80が図３に示されている。この
マイクロレンズは、球面レンズ若しくは非球面レンズま
たは非点収差レンズのいずれかであることができる。マ
イクロレンズ80の足部の形は必ずしも円形ではなく、図
3Aに示されているように、夫々繰返間隔38と40に長さが
等しい長さ86と幅87を有する長方形の形状でも良い。
マイクロレンズ80が球面レンズの場合、そのレンズは
曲率半径84の湾曲面を有しているであろう。この曲率半
径は対応するマイクロプリズムアレイの繰返間隔38と40
に依存して広い範囲で変えることができる。マイクロレ
ンズ80が導波路16からマイクロプリズム28により方向付
けられて出てくる光を実質的に全て捕集するためには、
マイクロレンズ80のｆ数は比較的小さい値であるのがよ
い。マイクロレンズ80のｆ数の値は約0.5から約4.0の範
囲であることができる。ｆ数のより好ましい値は約0.6
から約3.0の範囲である。
本発明のもう一つ別の態様が図４および4Aに示されて
いる。二つの光発生装置14と14Aが、導波路16の二つの
向い合って位置する受光面17および17Aに隣接して置か
れている。マイクロプリズム90のアレイと導波路16との
間に、上に説明したのと同様に低屈折率層27が挟まれて
いる。層27は接着層としても役立つことが好ましい。光
線31aで例示説明されているように、光発生装置14と14A
は、また、低角度光線を導波路16を通してより高い角度
で再利用する反射装置として機能するような反射特性を
有しているのが好ましい。光発生装置14と14Aが十分な
反射特性を示さない場合には、追加の反射装置が用いら
れることになろう。別法として、単一の光発生装置14を
一つの受光面で用い、そして、図4Bに示したように、低
角度光線を高角度光線として再利用するために、光反射
装置14Bを向かい合って位置する導波路16の表面に配置
することができる。
マイクロプリズム90は光入力面92と光出力面94を含ん
でなり、この場合光出力面94は光入力面92より表面積が
大きくなっている。マイクロプリズム90も二対の向い合
って位置する傾斜した側壁96と98および97と99を含んで
いる。
側壁96と98は夫々導波路16の表面の法線に対して角度
φで傾斜している。側壁96と98に対する傾斜角φは等し
い角度であることが好ましいが、必ずしも等しい角度で
ある必要はない。夫々傾斜した側壁96と98の導波路16若
しくはその上の接着層27との交差線は、向い合って位置
する受光面17と17Aに平行であり、従って導波路16を通
って進む光の平均方向に垂直である。
図4Aを参照して説明すると、側壁97および99は夫々導
波路16の表面の法線に対して角度θを形成している。側
壁97と99に対する傾斜角θは等しい角度であることが好
ましいが、必ずしも等しい角度である必要はない。傾斜
した各側壁97と99の導波路16若しくはその上の接着層27
との交差線は、向い合って位置する受光面17と17Aに垂
直であり、従って導波路16を通って進む光の平均方向に
平行である。
マイクロプリズム90の高さは寸法110であって、マイ
クロプリズム28の高さ50に似ている。マイクロプリズム
導波路90の長さは寸法120および122を有し、この場合寸
法122は寸法120より小さい。120と122の両方の長さは傾
斜角φと高さ110との関数である。長さ120と122は当該
ディスプレイの寸法と解像力に依存して広い範囲で変え
ることができる。さらに、長さ120と122は、光発生装置
14および14Aからの距離が増すにつれての導波路16内部
での光の強さの低下を相殺するために、この光透過装置
16の表面を横切って変えることができる。長さ120の最
大値は繰返間隔138に等しい。
マイクロプリズム28の幅の寸法は、図4Aに示されてい
るように、130および132である。寸法132は寸法130より
小さいか、または等しい。幅130と132の両方は傾斜角θ
と高さ110との関数である。幅130と132は長さ120と122
について上で説明した因子に依存して広い範囲で変える
ことができる。幅130の最大値は繰返間隔140に等しい。
長さの寸法122は幅の寸法132より大きいことが望まし
い。長さ122と幅132の比は1.2:1から5:1の範囲であるこ
とが好ましい。この比は1.5:1から3:1の範囲であること
がより好ましい。
図５から７に示される本発明の更にもう一つの態様
は、マイクロプリズム90に極く近接して置かれたマイク
ロレンズ80のアレイを含んでなる。前に示したように、
スペーサ82がマイクロレンズ80をマイクロプリズム90か
ら隔てている。光は限定空間指向光源として各マイクロ
プリズム90から出て、一つまたはそれ以上のマイクロレ
ンズに入る。一つのマイクロプリズム90からの光が二つ
のマイクロレンズ80に向かうのが好ましい。このマイク
ロプリズム90から出た限界空間指向光源は、実質的に平
行な光パターンを提供するためにマイクロレンズ80によ
り平行にされる。マイクロレンズ間の中心間距離はマイ
クロプリズム90の繰返区間138と140に直接相関性を持
つ。各マイクロレンズ80の長さ86（図3A）はマイクロプ
リズムアレイに対し一直線に並んでおり、そのため、図
５と６に示されているように、等しい距離が隣接のマイ
クロプリズムに重なり合っている。各マイクロレンズの
幅87は、図７に示されるように、単一のマイクロプリズ
ムに対して中心線が合っている。
以上説明した特定の態様は本発明の原理を単に例示説
明するものであり、この技術分野の習熟者であれば、以
下の特許請求の範囲によってのみ限定される本発明の範
囲と精神から逸脱することなしに、様々な修正をなし得
ることは理解されるであろう。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 スタイナー，アービン・バーナード アメリカ合衆国ニュージャージー州 07450，リッジウッド，バークシャー・ ロード 456 (72)発明者 ジマーマン，スコット・ムーア アメリカ合衆国ニュージャージー州 07920，バスキング・リッジ，スプリン グハウス・レイン 40 (56)参考文献 特開 平６−273718（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F21V 8/00

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】次の： （ａ）第１受光面を第１拡散光源に近接して有する、該
    第１拡散光源から出る光を輸送する光透過装置； （ｂ）各マイクロプリズムが （ｉ）該光透過装置に光学的に連結された光入力面； （ii）向い合って位置する第１側壁対にして、その少く
    とも一つが該光透過装置の表面の法線に対して第１傾斜
    角を形成している該第１側壁対；および （iii）向い合って位置する傾斜した第２側壁対にし
    て、その少くとも一つが該光透過装置の表面の法線に対
    して第２傾斜角を形成している該第２側壁対； を含んでなるマイクロプリズムのアレイ；および （ｃ）該光透過装置と該光入力面との間に位置する低屈
    折率の層； を含んでなる、該光透過装置を通って反射する光の第１
    部分が該光入力面を通って該マイクロプリズムのアレイ
    に入り、該側壁で方向が変えられ、そして該マイクロプ
    リズムから限定空間指向光源として出光し、また該光透
    過装置を通って反射する光の第２部分が該低屈折率層に
    よって該光入力面に入るのが抑えられるようになってい
    る、限定空間指向光源を提供するための照明用集合組立
    装置。
  2. 【請求項２】光透過装置が楔形の導波路であり、そして
    光の第２部分の少くとも一部が該導波路内で再循環さ
    れ、そしてその光入力面を通ってマイクロプリズムのア
    レイに入り、側壁で方向が変えられ、そして該マイクロ
    プリズムから限定空間指向光源として出て来る、請求の
    範囲第１項に記載の照明用集合組立装置。
  3. 【請求項３】各マイクロプリズムの出力が少くとも一つ
    の対応するマイクロレンズに向いており、そして該マイ
    クロレンズを通って透過した光が実質的に平行な光源と
    して出て来る、マイクロレンズのアレイをさらに含んで
    いる、請求の範囲第１項に記載の照明用集合組立装置。
  4. 【請求項４】第１傾斜角が光透過装置の表面の法線に対
    して15から50度である、請求の範囲第１項に記載の照明
    用集合組立装置。
  5. 【請求項５】第２傾斜角が光透過装置の表面の法線に対
    して０から25度である、請求の範囲第１項に記載の照明
    用集合組立装置。
  6. 【請求項６】マイクロプリズム、マイクロレンズおよび
    光透過装置が約1.45から約1.65の屈折率を有する、請求
    の範囲第３項に記載の照明用集合組立装置。
  7. 【請求項７】低屈折率層が光透過装置の屈折率より小さ
    い屈折率を有する、請求の範囲第１項に記載の照明用集
    合組立装置。
  8. 【請求項８】次の： （ａ）第１受光面を第１拡散光源に近接して、そして第
    ２受光面を該第１拡散光源によって発生せしめられる光
    を反射するための反射装置に近接して有する、該第１拡
    散光源から出る光を輸送する光透過装置； （ｂ）各マイクロプリズムが （ｉ）該光透過装置に光学的に連結された光入力面； （ii）該光入力面の表面積より大きい表面積を有する光
    出力面； （iii）向い合って位置する第１側壁対にして、その各
    々が該光透過装置の表面の法線に対して第１傾斜角を形
    成している該第１側壁対；および （iv）向き合って位置する傾斜した第２側壁対にして、
    その各々が該光透過装置の表面の法線に対して第２傾斜
    角を形成している該第２側壁対； を含んでなるマイクロプリズムのアレイ、および （ｃ）該光透過装置と該光入力面との間に位置する低屈
    折率の層； を含んでなる、該光透過装置を通って反射する光の第１
    部分が該光入力面を通って該マイクロプリズムのアレイ
    に入り、該側壁で方向が変えられ、そして該マイクロプ
    リズムから限定空間指向光源として出光し、また該光透
    過装置を通って反射する光の第２部分が該低屈折率層に
    よって該光入力面に入るのが抑えられ、そして該反射装
    置によって誘導波路内で再循環され、そして該光入力面
    を通って該マイクロプリズムのアレイに入り、該側壁で
    方向が変えられ、そして該マイクロプリズムから限定空
    間指向光源として出て来るようになっている、限定空間
    指向光源を提供するための照明用集合組立装置。
  9. 【請求項９】各マイクロプリズムの光出力が少くとも一
    つの対応するマイクロレンズに向いており、そして該マ
    イクロレンズを通って透過した光が実質的に平行な光源
    として出て来る、マイクロレンズのアレイをさらに含ん
    でいる、請求の範囲第８項に記載の照明用集合組立装
    置。
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