JP6302982B2 - 光拡散性光ファイバを採用した光結合型光学システムおよび方法 - Google Patents

Description

関連出願の説明

本出願は、その内容が引用されその全体が参照することにより本書に組み込まれる、２０１１年４月２６日に出願された米国特許出願第１３／０９４，２２１号および２０１１年１０月１０日に出願された米国特許出願第１３／２６９，７３３号の優先権の利益を主張するものである。

本開示は一般に、光結合型光学システムに関し、特に、光拡散性光ファイバを採用した光結合型光学システムおよび方法に関する。

フラットスクリーンディスプレイを利用した電子ベースの装置の多様性がますます増加している。こういった装置のサイズは、最大でフラットスクリーンテレビから、最小の携帯電話などのハンドヘルド装置にまで及ぶ。

特定の種類のフラットスクリーンディスプレイでは、ディスプレイを見るために必要な光を内部光源が提供する。例えば、ある種類の液晶ディスプレイでは、アドレス指定可能な液晶ディスプレイ構造を裏から内部光源で照らし、かつ直交する偏光板がこの構造の両側に採用されている。他の種類のフラットスクリーンディスプレイは、バックライトまたは他の内部光源を備えずに代わりに室内光など外部光源からの周辺光を使用して動作する、反射型ディスプレイ（例えば、反射型液晶ディスプレイ）である。

周辺光を利用する反射型ディスプレイは特定の用途（例えば、いわゆる電子書籍用途）では魅力的であるが、このようなディスプレイは暗い環境では実用的でなく内部光源が必要になる。しかしながらこの内部光源は、ディスプレイを読取り可能にするのに十分な均一性および強度の照明を提供すると同時に、ディスプレイのコンパクト性および平面的な性質を維持するように構成されるべきである。

本開示の一実地の形態は、光結合型光学システムである。この光結合型光学システムは、実質的に平行な対向する上方表面および下方表面を備え、かつ第１屈折率を有している、透明シートを含んでいる。屈折率整合層が透明シートの下方表面に接触して配置され、かつこの屈折率整合層は第１屈折率と実質的に同一の第２屈折率を有している。この光結合型光学システムは、ガラスコアと、このガラスコアを包囲しているクラッドと、さらに長さとを有した、少なくとも１つの光拡散性光ファイバを備えている。このガラスコアは、光拡散性光ファイバの長さの少なくとも一部に沿ってガラスコアからクラッド外へと出てさらに透明シートに入る実質的に空間的に連続した光放射を提供するよう構成された、不規則に配列された空洞を有している。この少なくとも１つの光拡散性光ファイバは、屈折率整合層内に少なくとも部分的に配置されている。光結合型光学システムは、少なくとも１つの光拡散性光ファイバに光学的に接続されかつ少なくとも１つの光拡散性光ファイバ内へと光を放射する、少なくとも１つの光源を備え、この光は、光拡散性光ファイバから散乱光として散乱する導波光として、光拡散性光ファイバ内を移動する。少なくとも１つの光拡散性光ファイバは、散乱光が透明シートと屈折率整合層との内部を全反射で移動しかつ散乱光が透明シートの少なくとも１つの散乱フィーチャによって透明シートの上方表面から外へと散乱されるように、配置されている。

別の実施形態は、上方表面と下方表面とを有している透明シートの実質的に平面的な表面から照明を提供する方法である。この方法は、少なくとも１つの光拡散性光ファイバの少なくとも一部を、透明シートの下方表面に直接隣接している屈折率整合層内に配置するステップを含む。少なくとも１つの光拡散性光ファイバは、ガラスコアと、クラッドと、そして長さとを有している。ガラスコアの少なくとも一部が、光拡散性光ファイバの前記少なくとも一部に沿ってコアからクラッド外へと出て行く実質的に連続した光放射を提供するよう構成された、不規則に配列された空洞を備えている。この方法は、導波光が前記光放射をもたらすように少なくとも１つの光拡散性光ファイバのガラスコアに沿って光を送るステップであって、この放射された光が、透明シートと屈折率整合層との内部を全反射で移動するステップをさらに含む。この方法はさらに、透明シートと屈折率整合層との内部を移動している光の少なくとも一部を、透明シートの上方表面から外へと散乱させるステップを含む。

別の実施形態は光結合型光学システムであり、この光結合型光学システムは、実質的に平行な対向する上方表面および下方表面を備えかつ第１屈折率を有している、透明シートを含んでいる。屈折率整合層が透明シートの下方表面に接触して配置され、かつこの屈折率整合層は第１屈折率と実質的に同一の第２屈折率を有している。光を放射する光源が、屈折率整合層内に少なくとも部分的に配置された光拡散性光ファイバに光学的に結合されている。光拡散性光ファイバは、この光を導波光として運ぶ。この光拡散性光ファイバは、導波光を光拡散性光ファイバの外表面から散乱させることによって実質的に空間的に連続した光放射を提供するように構成された、不規則に配列された空洞を有している。この光拡散性光ファイバは、散乱された光が透明シートと屈折率整合層との内部を全反射で移動しかつ散乱された光が透明シートの少なくとも１つの散乱フィーチャによって透明シートの上方表面から外へと散乱されるように、配置されている。

別の実施形態は光結合型光学システムであり、この光結合型光学システムは、上方表面および下方表面を備えかつ第１屈折率を有している、透明シートを含んでいる。屈折率整合層が透明シートの下方表面に接触して配置され、かつこの屈折率整合層は第１屈折率と実質的に同一の第２屈折率を有している。光結合型光学システムは、光を放射する光源を含んでいる。光拡散性光ファイバが、屈折率整合層内に少なくとも部分的に配置され、かつ光源に光学的に結合されて光を導波光として運ぶ。この光拡散性光ファイバは、導波光を光拡散性光ファイバの外表面から散乱させることによって実質的に空間的に連続した光放射を提供するように構成された、不規則に配列された空洞を有している。この光拡散性光ファイバは、散乱された光が透明シートと屈折率整合層との内部を全反射で移動しかつ散乱された光が透明シートの少なくとも１つの散乱フィーチャによって透明シートの上方表面から外へと散乱されるように、配置されている。

さらなる特徴および利点は以下の詳細な説明の中に明記され、ある程度は、その説明から当業者には容易に明らかになるであろうし、あるいは、以下の詳細な説明、請求項、さらに添付の図面を含め、本書において説明されたようにこれを実施することにより認識されるであろう。

前述の一般的な説明および以下の詳細な説明は、請求項の本質および特徴を理解するための概要または構成を提供するよう意図されている実施形態を示していることを理解されたい。添付の図面は、本開示のさらなる理解を提供するために含まれ、本明細書に組み込まれかつその一部を構成する。請求項は、本明細書に組み込まれかつその一部を構成する。図面は種々の実施形態を示し、そしてその説明とともに、その原理および動作の説明に役立つ。

本開示による一例の光結合型光学システムの上面図 図１の光結合型光学システムの斜視図 一例の光拡散性光ファイバの断面図であって、中心コア部の詳細な断面図を含んでいる図 あるコアおよびクラッドの形状を有する光拡散性光ファイバの例の断面写真 異なるコアおよびクラッドの形状を有する光拡散性光ファイバの例の断面写真 図３Ａに類似した、光散乱材料から成る外側層を含んだ光拡散性光ファイバの別の実施形態例を示した図 一例の光拡散性光ファイバの長さに沿った結合端部から終端部までの距離ｚの関数としてコア部の光強度Ｉ_C（ｚ）を概略的にプロットした図であって、散乱損失によるコア部内の光強度の降下を示している図 光拡散性光ファイバからの理想的な散乱光の強度Ｉ_S（ｚ）を概略的にプロットした図であって、散乱光の望ましい一定の強度Ｉ_CONSTを距離ｚの関数として示している図 透明シートの縁部部分と透明シートの縁部に隣接して動作可能に配置された光拡散性光ファイバとの拡大断面図（Ｘ−Ｙ平面） 図５Ａに類似し、さらに反射部材を含んだ図であって、透明シートの縁部に結合されないはずであった散乱光の少なくとも一部を透明シートに結合させるように、反射部材を光拡散性光ファイバに対して動作可能に配置した図 図５Ａに類似し、さらに屈折率整合材料を含んだ図であって、散乱光が屈折率整合材料を通って移動するように、屈折率整合材料が光拡散性光ファイバと透明シートとの間に配置されている図 図５Ｂに類似した図であって、屈折率整合材料を使用して光拡散性光ファイバと反射部材とを支持している実施形態例を示した図 図５Ｃに類似した図であって、クラッドの一部が光拡散性光ファイバの長さの少なくとも一部に沿ってこの光拡散性光ファイバから除去されてクラッド間隙を画成し、このクラッド間隙が屈折率整合材料で満たされている実施形態例を示した図 図５Ｄに類似した図であって、光拡散性光ファイバが、屈折率整合材料で満たされたクラッド間隙を含んでいる実施形態例を示した図 図５Ａに類似した図であって、屈折率整合材料が、透明シートの縁部に貼り付けられた接着ストリップの形態である実施形態例を示した図 図５Ｇに類似し、クラッドの一部に接して動作可能に配置された反射部材をさらに含んでいる図 図５Ｇに類似した図であって、光拡散性光ファイバを透明シートに対して支持するよう構成された支持部材を含んでいる実施形態例を示した図 図５Ｇに類似した図であって、光拡散性光ファイバを透明シートに対して支持するよう構成された支持部材を含んでいる実施形態例を示した図 屈折率整合接着ストリップと光拡散性光ファイバとが透明シートの上方表面に隣接して存在している点を除いて、図５Ｇに類似している図 図５Ｋに類似し、屈折率整合材料が光拡散性光ファイバと、動作可能に配置された反射部材とを支持している図 図５Ｋに類似した図であって、透明シートの上方表面に接着された多数の光拡散性光ファイバを示している図 反射部材が存在せずかつ光拡散性光ファイバがクラッド間隙を有している点を除いて、図５Ｌに類似している図 図５Ｋに類似した図であって、透明シートの上方表面に接着された、図５Ｍで構成されているような多数の光拡散性光ファイバを示している図 図１に類似した図であって、屈折率整合材料が、光拡散性光ファイバの長さに沿った距離ｚの関数として変動する屈折率ｎ₂₀₀を有している実施形態例を示した図 光拡散性光ファイバの長さに沿った距離ｚに対する、屈折率整合材料の屈折率ｎ₂₀₀のプロファイルの例を示した図 図６Ａに類似した図であって、屈折率整合材料の厚さが光ファイバの長さに沿った距離ｚに伴って変動する実施形態例を示した図 図６Ａに類似した図であって、屈折率整合材料の厚さが光ファイバの長さに沿った距離ｚに伴って変動する実施形態例を示した図 図６Ａに類似した図であって、光拡散性光ファイバが２つの光源に光学的に結合されている実施形態例を示した図 図６Ａに類似した図であって、屈折率整合材料（見易いように斜線で図示されている）が連続的ではなく、光ファイバと透明シートとの間の光拡散性光ファイバの長さに沿った離散的位置に離散部分として提供されている実施形態例を示した図 図６Ａに類似した図であって、透明シートの２つの縁部に隣接して光ファイバを存在させることができる曲げ部を光拡散性光ファイバが含んでいる実施形態を示した図 図７Ａに類似した図であって、透明シートの異なる縁部に沿って、複数の光拡散性光ファイバを採用した実施形態例を示した図 図７Ｂに類似した図であって、非光拡散性光ファイバの端部を１つに纏めてファイバ束を形成した実施形態例を示した図 ３つの光拡散性光ファイバと１つの非光拡散性光ファイバが纏ってファイバ束を形成し、かつ３つの光拡散性光ファイバが透明シートの全ての４つの縁部をカバーできるように構成されている、図７Ｃに類似した実施形態を示している図 本開示の光結合型光学システムを含んでいる一例のフラットスクリーン装置を示した分解斜視図 本開示による一例の光結合型光学システムの上面図 本開示による一例の光結合型光学システムの底面図 図９Ａの光結合型光学システムの側面斜視図 図１０の光結合型光学システムのＹ−Ｚ平面で取った断面図 図９Ａの光結合型光学システムの光学アセンブリの実施形態をＸ−Ｚ平面で取った断面図であって、光学アセンブリが屈折率整合層を挟んでいる上方透明シートと下方透明シートとを有していることを示した図 図１２Ａに類似した図であって、光学アセンブリが上方シートと屈折率整合層と含みかつ下方シートを含んでいない実施形態例を示した図 反射部材がＵ字状でありかつ外周、上方シート、および屈折率整合層と接触して配置されている実施形態例を示している、光学アセンブリの端部部分の拡大断面図 図１２Ｃに類似した図であって、反射部材が、外周、上方シート、および屈折率整合層から、エアギャップにより間を空けて離れている実施形態例を示した図 光拡散性光ファイバの一部が外周から延在していることを除いて、図１２Ｄに類似している図 光拡散性光ファイバが屈折率整合層外に、その外周に隣接して存在していることを除いて、図１２Ｅに類似している図 図１２Ｃに類似した図であって、反射部材が傾斜部分を有している実施形態例を示した図 光学アセンブリの拡大断面図であって、光拡散性光ファイバ内を移動している導波光が、どのように光拡散性光ファイバの側面から放射され、また上方透明シートを通って移動するかを示している図 光拡散性光ファイバがＸ−Ｙ平面において蛇行した形状を有している、光結合型光学システムの実施形態例の上面図 図１４の光結合型光学システムの実施形態例の線ＣＳ１に沿った断面図であって、光拡散性光ファイバからの上方透明シートを通過する散乱光を示している図 図１５Ａに類似した図であって、光結合型光学システムが反射下方シートや側面反射体を含んでいる実施形態例を示した図 図１２Ｂに類似した断面図であって、上方シートと屈折率整合層とを挟んでいる低屈折率層をさらに含み、かつ下方シートが拡散反射体を含んでいる、光学アセンブリの別の実施形態例を示した図 図１６Ａに類似した図であって、光拡散性光ファイバが屈折率整合層外に、これに隣接して存在している例を示した図 図１６Ａの光学アセンブリを含んだディスプレイスクリーン装置の実施形態例の断面図 光源が、光拡散性光ファイバに多重化装置を介して光学的に結合されている赤色、緑色、および青色の光放射体を含んでいる、一例の光源アセンブリの拡大図 ３つの異なる光拡散性光ファイバが夫々赤色、緑色、および青色の光放射体に直接光学的に結合されていることを除いて、図１８Ａに類似している図

ここで本開示の好ましい実施形態を詳細に参照し、その例を添付の図面に示す。可能な限り、同様の構成要素または部分の参照に同じ参照番号を使用する。デカルト座標を、参照のためにいくつかの図に示す。

図１は、本開示による一例の光結合型光学システム６の上面図である。図２は、図１の光結合型光学システム６の斜視図である。システム６は概して、透明シート２０と、透明シートに隣接して動作可能に配置された光拡散性光ファイバ５０と、さらに光拡散性光ファイバに光学的に結合された光源１００とを備えている。一例において光源１００は、少なくとも１つの発光ダイオード（ＬＥＤ）または少なくとも１つのダイオードレーザを含む。光源１００が放射する光１０２は、一例において３５０ｎｍから１，０００ｎｍまでの波長範囲内のものであり、一方別の例では、公称３８０ｎｍ（紫）から７５０ｎｍ（赤）までなどの可視波長範囲内のものである。

透明シート２０は、厚さＴＨ２２を画成する本体２２と、対向する実質的に平面的かつ実質的に平行な上方および下方（すなわち、上下）表面２４と、さらに長方形の透明シートでは４つの縁部２６など、１以上の縁部２６とを有している。透明シート２０は、例えば、ガラス、プラスチック、コーニングのＥＡＧＬＥ ＸＧ（登録商標）、ＥＡＧＬＥ（登録商標）、Ｇｏｒｉｌｌａ（登録商標）などのディスプレイガラス、およびパイレックス（登録商標）ガラスの他、溶融シリカ、ＰＰＭＡのようなプラスチック材料、または任意の他の透明材料から形成することができる。ここで「透明」という用語は、一般に、透明シートが少なくとも可視波長範囲の光１０２を透過し、さらに透明シート本体２２の所与の厚さＴＨ２２において、吸収される光よりも透過する光の方が多いことを意味する。

一例において、透明シート本体２２の厚さＴＨ２２は０．３ｍｍ以上であり、さらに別の例では０．７ｍｍ以上である。一例において、透明シート本体２２の屈折率は、５５０ｎｍで約１．５以上である。また一例において、上方および下方表面２４のうちの１以上は、光１０２を散乱させるように設計された粗い部分を有する粗面でもよい。

システム６は、少なくとも１つの光拡散性光ファイバ５０を含んでいる。この用語「光拡散」は、光の散乱が光拡散性光ファイバ５０の長さの少なくとも一部に沿って実質的に空間的に連続であること、すなわち離散的（例えば、点）散乱に関連するような実質的な飛びまたは不連続性が存在しないことを意味する。すなわち、本開示において明記される実質的に連続な光放射または実質的に連続な光の散乱の概念は、空間的な連続性を言うものである。

一例において、光拡散性光ファイバ５０は、結合端部５２および終端部５４を含んでいる。結合端部５２および終端部５４は、光拡散性光ファイバ５０の長さＬを画成する。結合端部５２は、光源からの光１０２が導波光１０２Ｇとして光拡散性光ファイバ５０内で移動するように、光源１００に光学的に結合されている。光拡散性光ファイバ５０は、透明シート縁部２６および透明シート表面２４のうちの少なくとも１つに隣接して配置されている。一例において、終端光学部材５６が光拡散性光ファイバ５０の終端部５４に隣接して動作可能に配置されている。一例において、終端光学部材５６は光１０２を吸収する光吸収体であり、一方別の例において終端光学部材５６は、反射された導波光が光ファイバ５０に沿って反対方向に、すなわち光源１００に向かって移動するよう光１０２（例えば、導波光１０２Ｇ）を反射する、光反射体である。この例では、光アイソレータ（図示なし）を（例えば、光源１００に隣接させて）採用し、光１０２が光源１００に戻らないようにしてもよい。

図３Ａは、中心コア部（「コア」）６０ＣＳと外側クラッド６６とを有している、一例の光拡散性光ファイバ５０の断面図であり、コアの構造例を詳細に示したものである。光拡散性光ファイバ５０は、直径Ｄ６０を有する中心（すなわち内側）コア領域６０と、この中心コア領域を少なくとも部分的に包囲している、外側コア領域６２とを含んでいる。中心コア領域６０は、図３Ａの下方差込み図に示したように不規則に配列された不規則なサイズの空洞６４を含む環状の空洞領域６０Ｖに包囲された、中心透明（固体）領域６０Ｃを含んでいる。光拡散性光ファイバ５０は、コア６０ＣＳを包囲しているクラッド領域６６をさらに含んでいる。一例において、クラッド領域６６は低屈折率ポリマーから作られ、一方コア６０ＣＳはシリカを含む。

不規則に配列された不規則なサイズの空洞６４（「不規則な空気ライン（air lines）」または「ナノ構造体（nanostructures）」または「ナノサイズ構造体（nano-sized structures）」とも称される）を有する光拡散性光ファイバの例は、米国特許第７，４５０，８０６号明細書および米国特許出願第１２／９５０，０４５号明細書に記載されており、この特許および特許出願は参照することにより本書に組み込まれる。

一例において、中心透明領域６０Ｃの公称屈折率は、波長５５０ｎｍで約１．４６である。また一例において、コアの直径ＤＣＳは、約１２５μｍから３００μｍまでの範囲内である。さらに一例において、光拡散性光ファイバ５０の直径Ｄ５０は、０．２ｍｍ（２００μｍ）から０．２５ｍｍ（２５０μｍ）までの範囲内である。

図３Ｂおよび図３Ｃは実際の光ファイバコア６０ＣＳの断面写真であり、光ファイバの中心コア領域６０および外側コア領域６２の、２つの異なる構造を示している。異なる領域間の違いを強調するために、点線の円が写真に加えられている。図３Ｂの光ファイバコア６０ＣＳは、比較的小さい空洞６４を含んだ比較的大きい環状空洞領域６０Ｖを有し、その損失は約１．２ｄＢ／ｍである。図３Ｃの光ファイバコア６０ＣＳは、比較的大きい空洞６４を含んだ比較的小さい環状空洞領域６０Ｖを有し、その損失は約０．４ｄＢ／ｍである。図３Ｂおよび図３Ｃに示した両方のコア６０ＣＳにおいて、中心コア領域６０および外側コア領域６２はシリカであり、またクラッド６６は低屈折率ポリマーである。これにより、ＬＥＤおよびレーザダイオードなどの光源との光結合に適した比較的高ＮＡの光拡散性光ファイバ５０が提供される。

光拡散性光ファイバ５０の、散乱に起因する損失は、中心コア領域６０および外側コア領域６２の特定の構造に依存して０．２から６０ｄＢ／ｍまで変動し得る。しかしながら、以下でより詳細に説明するが、本開示の実施形態は例えば最大約３００ｄＢ／ｍまでのより大きな損失が得られるように光拡散性光ファイバ５０を変更したものを含む。すなわち一例において、光拡散性光ファイバ５０の損失は約０．２ｄＢ／ｍから約３００ｄＢ／ｍまでの範囲内とすることができ、この損失は、２５０ｎｍから２，０００ｎｍまでの波長範囲において実質的にスペクトル的に均一であり、また別の例では、可視波長すなわち「白色光」スペクトル範囲（例えば、公称３８０ｎｍから７５０ｎｍ）に亘って実質的にスペクトル的に均一である。

図３Ｄは図３Ａに類似した、光拡散性光ファイバ５０の実施形態例を示したものである。図３Ｄの光拡散性光ファイバ５０は、透明部６０Ｃおよび空洞部６０Ｖを有している中心コア領域６０と、外側コア領域６２とを含んでいる。クラッド６６が外側コア領域６２を包囲している。コア６０ＣＳはシリカを含み、一方クラッド６６は低屈折率ポリマーから成る。

光拡散性光ファイバ５０は、クラッド６６を包囲する、アクリレートポリマー材料などの被覆層７０をさらに含む。光拡散性光ファイバ５０は、被覆層７０を包囲している光散乱層７２をさらに含む。光散乱層７２は、任意の固体粒子、液滴、または気泡、あるいはこれらを組み合わせたものなど、光を散乱するための大きさを有する光散乱材料を含む。光散乱材料の具体的な例としては、リン、ＴｉＯ₂粒子、および効果的な角度間隔での散乱（すなわち、均一な角度の散乱）のためのアクリレート白インクなど、ドープポリマーが挙げられる。

再び図１および図２と、さらに図５Ａの断面図を参照すると、一例において光拡散性光ファイバ５０は、透明シート２０の縁部２６に隣接して動作可能に配置され、かつ縁部と接触させてもよいし、あるいは縁部から間を空けて間隙３６を画成してもよい。一例において、間隙３６の幅Ｗ３６は、０ｍｍ（すなわち、光拡散性光ファイバ５０は縁部２６と接触している）から最大５ｍｍまでの範囲内とし得る。

図１および図２のシステム１０の一般的な動作中、光源１００が光１０２を生成し、この光１０２が結合端部５２で光拡散性光ファイバ５０に結合され、それにより、終端部５４に向かって光拡散性光ファイバに沿って移動する導波光１０２Ｇが形成される。しかしながら、導波光１０２Ｇが光拡散性光ファイバ５０に沿って移動するとき、コア６０を離れかつ（一実施の形態では）クラッド６６から出て行く拡散光すなわち散乱光１０２Ｓが光ファイバの光拡散特性により生成され、それにより実質的に連続な散乱光１０２Ｓの光放射が光ファイバの長さの少なくとも一部に沿って提供される。一例において、光拡散性光ファイバ５０の長さの上記部分は、透明シート２０の対応する縁部２６の長さにより画成される。

図４Ａは、コア６０内を移動している導波光１０２Ｇの強度Ｉ_c（ｚ）を、光拡散性光ファイバ５０に沿った距離ｚに対して概略的にプロットしたものである。強度Ｉ_c（ｚ）は、光拡散性光ファイバ５０の結合端部５２での最大値Ｉ_MAXから終端部５４での最小値Ｉ_MINまで単調に減少している。コア６０からの散乱光１０２Ｓの強度Ｉ_S（ｚ）は、光の散乱が光拡散性光ファイバ５０の長さに亘って均一であるとき、類似した形を有する。図４Ａのプロットの形状は、個々の光拡散性光ファイバ５０の損失特性により決定される。

図４Ｂは、散乱光１０２Ｓの理想的な強度Ｉ_S（ｚ）を概略的にプロットしたものであり、距離ｚの関数として、すなわち光拡散性光ファイバ５０の長さに沿って、一定の強度Ｉ_CONSTの望ましい散乱光を示している。一例においてＩ_CONSTは、公差範囲内、すなわち上限Ｉ_Uおよび下限Ｉ_Lの狭い強度範囲内で変動し得る。図４Ｂのプロットは、透明シート２０に結合される散乱光１０２Ｓの量でもあり得、したがって、光拡散性光ファイバ５０からの散乱光が不均一な強度プロファイルを有していたとしても、技術を用いて、散乱光が透明シート２０に入る前にこの散乱光を調整してもよい。光拡散性光ファイバ５０に沿った距離に伴って散乱光の強度Ｉ_Sと導波光１０２Ｇの強度Ｉ_Cとが低下するのを少なくとも部分的に補償する方法の例を以下で説明する。

一例において、光の散乱は等方性であるため、散乱光１０２Ｓの一部が透明シート縁部２６の方に導かれてシート縁部で透明シート本体２２に結合され、一方残りの部分は透明シート縁部から外れ、すなわち透明シート本体に結合されない。図面では説明を簡単にするため、透明シート本体２２に結合される散乱光１０２Ｓの部分のみを図示している。透明シート本体２２に結合された散乱光１０２Ｓの部分は、以下でより詳細に説明するような、フラットスクリーンディスプレイを含む様々な用途で照明光としての役目を果たし得る。

図５Ｂは図５Ａに類似した図であり、反射表面１４２を有する反射部材１４０をさらに含んだものである。反射部材１４０は、透明シート２０とは反対側で光拡散性光ファイバ５０に隣接して配置されている。反射部材１４０は、透明シート２０から外れることになるはずであった散乱光１０２Ｓを受け取り、さらにこの散乱光の少なくとも一部を、散乱かつ反射された光１０２ＳＲとして透明シートの縁部２６に向けて導く（反射する）よう（例えば、反射表面１４２の形状により）構成されている。すなわち、反射部材１４０は、光拡散性光ファイバ５０内部での散乱プロセスの等方性の本質に起因して失われるはずであった散乱光（反射光）１０２ＳＲの量を増加させるよう働く。

図５Ｃは図５Ａに類似した図であり、散乱光１０２Ｓが屈折率整合材料を通って移動するように、光拡散性光ファイバ５０と透明シート２０との間に配置された屈折率整合材料２００をさらに含んだものである（すなわち、屈折率整合材料は光路内に配置されている）。一例において、屈折率整合材料２００の屈折率ｎ₂₀₀は、光拡散性光ファイバ５０のコア６０の屈折率（ｎ₆₀）と透明シート２０の屈折率（ｎ₂₀）の間であり、例えば、（０．９９）ｎ₆₀＜ｎ₂₀₀＜ｎ₂₀である。

一例において、屈折率整合材料２００は、さらに光拡散性光ファイバ５０を透明シート２０に対して支持するように働く。一例において、屈折率整合材料２００は接着特性を有している。ｎ₆₀の一例の値は、波長５５０ｎｍで１．４６であり、またｎ₂₀₀の一例の値は、波長５５０ｎｍで１．４５から１．５５までの範囲内である。屈折率整合材料の例としては、ポリマーベース接着剤、光硬化性ポリマー、およびエポキシ接着剤が挙げられる。

図５Ｄは図５Ｂに類似した図であり、屈折率整合材料２００を使用して光拡散性光ファイバ５０および反射部材１４０を支持している実施形態例を示している。一例では、反射部材１４０を、屈折率整合材料２００の外面２０１上で支持してもよい。

図５Ｅは図５Ｃに類似した図であり、コア６０ＣＳが露出されるように、またはクラッドの厚さが大幅に薄くなるように、クラッド６６の一部がその長さの少なくとも一部に沿って光拡散性光ファイバ５０から除去された実施形態例を示している。クラッド６６の除去された部分は、屈折率整合材料２００で満たされているように図示されている、間隙６８を形成する。コア６０ＣＳが露出している例では、コアの露出部分にシランを塗布してコアの表面を保護してもよい。

図５Ｅに示されている構造によれば、光拡散性光ファイバ５０のコア６０ＣＳから放射される散乱光１０２Ｓの量が増加し、この増加した散乱光は、コアから外側へ実質的に放射状に間隙６８内へと導かれる。この構造で光拡散性光ファイバ５０の散乱損失を、例えば最大で上記の３００ｄＢ／ｍなど、比較的高くなるようにすることができる。

図５Ｆは図５Ｄに類似した図であり、光拡散性光ファイバ５０が屈折率整合材料２００で満たされた間隙６８を含んでいる実施形態例を示している。光の散乱は既に等方性ではなくなっているが、散乱されかつ反射された光１０２ＳＲのように、反射部材１４０が散乱光の少なくとも一部を透明シート２０内へと逆方向に反射する利点が依然得られることに留意されたい。

図５Ｇは図５Ａに類似した図であり、屈折率整合材料２００が、透明シート２０の縁部２６に貼り付けられた接着ストリップの形態である実施形態例を示している。屈折率整合接着ストリップ２００は、光拡散性光ファイバ５０を縁部２６に対して支持するように働き、さらに縁部２６を通じた透明シート本体２２内への散乱光１０２Ｓの結合を強化する上述の屈折率整合機能を果たす。

図５Ｈは図５Ｇに類似した図であり、透明シート２０とは反対側でクラッド６６の一部に、または一部に隣接して、動作可能に配置された、反射部材１４０をさらに含んでいる。一例において反射部材１４０は、反射テープ、またはクラッドのその部分に直接堆積された反射膜を含む。

図５Ｉは図５Ｇに類似した図であり、光拡散性光ファイバ５０を透明シート２０に対して支持するように構成された支持部材１５０を含んだ実施形態例を示している。支持部材１５０は、前方端部１５２と、前方端部１５２で開口している内部キャビティ１５４とを有している。一例において、キャビティ１５４は反射後面１４２を含み、この反射後面１４２は、図示のように湾曲したものでもよいし、あるいは平面でもよい。一例において、支持部材１５０は鋳造で形成された一体構造のものである。一例において、支持部材１５０は、光拡散性光ファイバ５０を据え付けることが可能な、支持マウントまたは支持ステム１５６を含んでいる。さらに一例において、支持部材１５０は、多数の光拡散性光ファイバ５０を支持するように構成することができる。

一例において支持部材１５０の前方端部１５２は、透明シート２０の厚さＴＨ２０に合わせたサイズの開口１５８を画成し、その結果、支持部材１５０は上方および下方表面２４を握持して透明シートの一部の縁部２６に摺動的にしっかりと係合することができる。一例において、前方端部１５２は透明シート２０の上方および下方表面２４を握持するのを助けるよう柔軟である。図５Ｊは図５Ｉに類似した図であり、例えば反射テープを使用して形成された一例の支持部材１５０を示している。一例では、内部キャビティ１５４を随意的に屈折率整合材料２００で満たして、光拡散性光ファイバ５０を内部キャビティ内で動作可能に支持してもよい。

図５Ｋは、屈折率整合接着ストリップ２００および光拡散性光ファイバ５０が透明シート２０の上方表面２４に隣接して存在していることを除いて、図５Ｇに類似した図である。図５Ｌは、屈折率整合材料２００が光拡散性光ファイバ５０と反射部材１４０との両方を支持するために使用されていることを除いて、図５Ｋに類似した図である。

図５Ｍは図５Ｋに類似した図であり、透明シートの上方表面２４に夫々屈折率整合接着ストリップ２００を介して接着された、多数の光拡散性光ファイバ５０を示している。別の例では、単一の屈折率整合接着ストリップ２００をこれに採用してもよい。この構造は、散乱光１０２Ｓを透明シート本体２２に上方表面２４を介して結合させる多数の位置を提供する。一例では、この上方表面の構造に加えて、またはこれの代わりに、この同じ構造を下方表面２４に形成してもよい。

図５Ｎは、反射部材１４０が存在していないこと、そしてクラッド６６の一部が除去されて上記のクラッド間隙６８が形成されていることを除いて、図５Ｌに類似した図である。この構造によれば、散乱光１０２Ｓはクラッド間隙６８の位置から光拡散性光ファイバ５０を出て、透明シート本体２２に上方表面２４から入ることができる。

図５Ｏは図５Ｋおよび図５Ｍに類似した図であり、透明シートの上方表面２４に夫々屈折率整合材料部分２００を介して接着された、多数の光拡散性光ファイバ５０を示している。別の例では、単一の屈折率整合層２００をこれに採用してもよい。この構造は、散乱光１０２Ｓを透明シート本体２２に上方および下方表面２４の一方または両方を介して結合させる多数の位置を提供する、別の方法を与える（上方表面２４が実例として図示されている）。

図６Ａは図１に類似した図であり、屈折率整合材料２００が距離ｚ（すなわち、光拡散性光ファイバ５０に沿った距離）の関数として変動する屈折率ｎ₂₀₀を有することで、光拡散性光ファイバ５０からの散乱光１０２Ｓの強度Ｉ_Sが光ファイバに沿った距離に伴って低下するのを少なくとも部分的に補償する実施形態例を示している。図６Ｂは距離ｚに対する屈折率ｎ₂₀₀のプロファイルの一例を示したものである。屈折率整合材料２００の厚さＴＨ２００は約１０μｍである。コア６０の（有効）屈折率は、グラフに水平な実線で示したようにｎ₆₀＝１．４６である。透明シート２０は、屈折率ｎ₂₀＝１．５のガラスから作られている。光拡散性光ファイバ５０の結合端部５２の位置またはその付近での屈折率整合材料２００に関する変動する屈折率のプロファイルｎ₂₀₀（ｚ）の値は、コアの屈折率ｎ₆₀の１．４６０を僅かに下回った１．４５５であり、さらに終端部５４に向かって１．４９まで増加する。屈折率整合材料２００の屈折率ｎ₂₀₀が増加すると、コア６０から散乱される光の量が増加する。これは、光拡散性光ファイバ５０固有の距離に伴う光散乱量の減少を、少なくとも部分的に和らげるように働く。

図６Ｃおよび図６Ｄは図６Ａに類似した図であり、屈折率整合材料２００の厚さＴＨ２００が距離（ｚ）に伴って変動する、すなわちＴＨ２００＝ＴＨ２００（ｚ）の実施形態例を示している。厚さＴＨ２００が大きくなると、対応して散乱光１０２Ｓの減衰の量が大きくなる。すなわち、厚さＴＨ２００（ｚ）は光拡散性光ファイバ５０の結合端部５２の位置またはその付近で最も厚く、かつ終端部５４の位置またはその付近の最小厚さまで単調に減少する。図６Ｃは、一例の直線的に変動している厚さプロファイルＴＨ２００（ｚ）を示し、一方図６Ｄは一例の湾曲している厚さプロファイルＴＨ２００（ｚ）を示している。具体的な厚さプロファイルＴＨ２００（ｚ）は、光拡散性光ファイバ５０の損失特性により決定される。

一実施形態例において、厚さプロファイルＴＨ２００（ｚ）は、光拡散性光ファイバ５０の少なくとも一部に沿った距離に伴う散乱光１０２Ｓの強度Ｉ_Sの変動を実質的に補償するように構成され、その結果、散乱光の強度Ｉ_Sは光拡散性光ファイバの長さのその部分に沿って実質的に均一になる。

別の実施形態例において、光拡散性光ファイバ５０は、光拡散性光ファイバに沿った距離の関数としての散乱光の強度Ｉ_Sが実質的に一定になるように構成される。これは例えば、コアの空洞領域６０Ｖに含まれる空洞６４のサイズを変化させるように働く、光ファイバの延伸プロセス中の温度の変更によって達成することができる。空洞６４が小さくなると、光ファイバ５０の損失は大きくなる。すなわち、一実施形態例において光拡散性光ファイバ５０は、その長さの少なくとも一部に亘って実質的に一定の強度Ｉ_Sで散乱光１０２Ｓを放射するように構成される。この光拡散性光ファイバ５０を形成する方法の例は、米国特許出願第１２／９５０，０４５号明細書に開示されており、この明細書は参照することにより本書に組み込まれる。不規則に配列された空洞を有する光ファイバを形成する方法の例は米国特許第７，４５０，８０６号明細書に開示されており、この特許は参照することにより本書に組み込まれる。

図６Ｅは図６Ａに類似した図であり、光拡散性光ファイバ５０が２つの光源１００に各端部５２および５４で光学的に結合されている実施形態例を示している。光アイソレータ５８が各光源１００に隣接して随意的に採用されて、一方の光源１００からの光が他方の光源に入らないようにする。この２光源構造の対称性により、散乱光１０２Ｓの実質的に均一な強度Ｉ_Sが得られる。

図６Ｆは図６Ａに類似した図であり、屈折率整合材料２００（ここでは見易いように斜線で図示されている）が連続的でなく、いくつかの離散的位置ＤＬのいくつかの屈折率整合材料２００の部分２００Ｐを使用して光拡散性光ファイバ５０が透明シート２０に（例えば、図示のように縁部２６で）光学的に結合された（一例では取り付けられた）実施形態例を示している。一例では、屈折率整合材料部分２００Ｐが存在している離散的位置ＤＬの密度は、入力端部５２から光拡散性光ファイバ５０の長さに沿って変化し、結合端部５２に向かって比較的低密度になりかつ終端部５４に向かって比較的高密度になる。説明を簡単にするために、各離散的位置ＤＬの屈折率整合材料２００の部分２００Ｐは、一実施の形態において本質的に同一のものとして図示されている。しかしながら、異なるサイズの屈折率整合材料２００の部分２００Ｐを、異なる離散的位置ＤＬで使用してもよい。一例において、屈折率整合材料部分２００Ｐおよび離散的位置ＤＬの具体的構造は、光拡散性光ファイバ５０の長さの対応する部分に沿って実質的に均一の量（すなわち、強度Ｉ_S）の散乱光１０２Ｓが透明シート本体２２に入ることを可能にするように選択される。

図７Ａは図６Ａに類似した図であり、光ファイバを図示のように透明シート２０の２つの縁部２６に隣接して存在させることができる曲げ部５１を光拡散性光ファイバ５０が含んでいる、システム６の実施形態を示している。これにより、散乱光１０２Ｓは両縁部２６から透明シート２０に入ることができ、より多くの光を透明シート２０に結合させることができる。一般に、単一の光拡散性光ファイバ５０に１以上の曲げ部５１を採用してもよく、その結果、光ファイバのその部分を透明シート２０の対応する２以上の縁部２６に隣接して存在させることができる。

図７Ｂは図７Ａに類似した図であり、透明シート２０の異なる縁部２６に沿って、複数の光拡散性光ファイバ５０を採用したシステム６の実施形態例を示している。図７Ｂのシステム６は、３つの部分の非光拡散性光ファイバ２５０を採用している。光ファイバ２５０の第１部分は、光源１００を１×２結合器２８０に光学的に接続する。光ファイバ２５０の第２部分および第３部分は、透明シート２０の対向する縁部２６に動作可能に配置された第１および第２の光拡散性光ファイバ５０に、光結合器２８０を光学的に接続する。一例において、光ファイバ２５０の第２部分および第３部分は、機械的コネクタなどの接合部材５９を介して各光拡散性光ファイバ５０に光学的に接続される。

図７Ｃに示した別の実施形態では、単一の非光拡散性光ファイバ２５０とサーキュレータ２８０とを使用するのではなく、２つの非光拡散性光ファイバ２５０を１つに纏めて光源１００で光ファイバ束ＦＢを形成する。次いで、光１０２を２つの光ファイバ端部２５２に直接結合させる。さらに別の実施形態では、複数の光源１００を使用して、光ファイバ束ＦＢの各非光拡散性光ファイバ２５０に対して１つずつ用いてもよい。

一般的に言うと、光ファイバ束ＦＢは、非光拡散性光ファイバ２５０、光拡散性光ファイバ５０、あるいはこれらを組み合わせたものを含み得、２以上の光拡散性光ファイバ５０の少なくともいくつかの部分が透明シート２０の対応する各縁部２６および／または表面２４に隣接して動作可能に配置される。図７Ｄは、２つの光拡散性光ファイバ５０と１つの非光拡散性光ファイバ２５０が纏ってファイバ束ＦＢを形成している、図７Ｃに類似した実施形態を示している。この２つの光拡散性光ファイバ５０は、長方形状透明シート２０の全ての４つの縁部２６をカバーできるように構成されている。非光拡散性光ファイバ２５０のある部分が、曲げ部５１を含んだ光拡散性光ファイバ５０に（例えば接合部５９を介して）光学的に接続され、それによりこの特定の光ファイバを透明シート２０の２つの縁部２６に隣接して動作可能に存在させることができる。

図８は、本開示のシステム６を含んでいる一例のフラットスクリーン装置３００の分解斜視図である。フラットスクリーン装置３００は、上方表面３１２および下方表面３１４を有した光変調ディスプレイアセンブリ３１０を含んでいる。光変調ディスプレイアセンブリ３１０は、光変調機器３１５に電気的に接続されている。透明シート２０は、光変調ディスプレイアセンブリ３１０の上方表面３１２上に、またはこれに隣接して存在している。一例において、光変調ディスプレイアセンブリ３１０は、透明な電気接続部３１８を介して光変調機器３１５でアドレス指定可能な複数の画素３１６を含んでいる。透明な電気接続部３１８は典型的には格子状構造（例えば、ソースバスラインおよびゲートバスラインの）を有し、図を簡単にするため選択された電気接続部のみが示されている。一例の光変調ディスプレイアセンブリ３１０は、交差偏光子で挟まれた液晶セル（画素）のアレイを画成する液晶マトリクスを含む、液晶ディスプレイアセンブリである。一例の反射型液晶ディスプレイアセンブリは、参照することにより本書に組み込まれる、米国特許第６，４０４，４７１号明細書に開示されている。

フラットスクリーン装置３００は、反射表面３３２を含んだ反射部材３３０をさらに備えている。反射部材３３０は、光変調アセンブリの下方表面３１４に隣接して存在している。

フラットスクリーン装置３００の動作中、散乱光１０２Ｓは、上述したような形で例えば縁部２６の位置で透明シート２０に結合される。他の例において、散乱光１０２Ｓは、上述した任意の他の実施形態例を用いて透明シート２０に結合される。この散乱光１０２Ｓの少なくとも一部が、その後、透明シート２０で例えば上方の粗面２４から散乱するなどして再び導かれ、光変調ディスプレイアセンブリ３１０へと移動する。この散乱光１０２Ｓは、光変調ディスプレイアセンブリ３１０を通って移動して、反射部材３３０の反射表面３３２で反射されて光変調ディスプレイアセンブリへと戻ってこれを通過し、さらに透明シート２０から出ることで観察者４００に見えるようになる。すなわち散乱光１０２Ｓは、光変調ディスプレイアセンブリ３１０を２回通過することで、光変調機器３１５の動作で決められたように変調される。その結果が、観察者４００に見えるディスプレイの画像である。

屈折率整合層を備えた光結合型光学システム
図９Ａは本開示による光結合型光学システム（「システム」）６の別の実施形態例の上面図であり、図９Ｂはその底面図である。図１０は、図９Ａの光結合型光学システム６の斜視図である。図１１はシステム６のＹ−Ｚ平面で取った断面図であり、また図１２ＡはこのシステムのＸ−Ｚ平面で取った断面図である。

システム６は図１および図２に示したものに類似し、少なくとも上方透明シート（“上方シート”）２０Ｕを有しかつ随意的に下方シート２０Ｌを含む、光学アセンブリ１０を含んでいる。下方シート２０Ｌは同じく透明でもよいが、不透明、半不透明、部分反射、または実質的に反射するものでもよい。シート２０Ｕおよび２０Ｌは、互いに間を空けかつ実質的に平行に配置される。

光学アセンブリ１０は、上方シート２０Ｕと下方シート２０Ｌとの間に挟まれた、屈折率整合層１２を含んでいる。システム６が下方シート２０Ｌを備えていない実施形態例では、図１２Ｂの断面図に示されているように、屈折率整合層１２は上方シート２０Ｕに直接隣接して存在している。屈折率整合層１２は、上方シート２０Ｕと実質的に一致した屈折率を有するように構成される。屈折率整合層１２の一例の材料は紫外線（ＵＶ）硬化性ポリマーである。一例において屈折率整合層１２は粘着性のものであり、例えば接着性ポリマーを含む。一例では、屈折率整合層１２は光を散乱するように構成され、例えば光散乱基板を含む（図１５Ｂ参照）。すなわち、屈折率整合層の材料の例としては、ポリマー、ドープポリマー、接着特性を有するポリマー、４００ｎｍから７００ｎｍの間の波長範囲で低吸収のポリマー、熱硬化性ポリマー、光硬化性ポリマー、またはこれらを組み合わせたものが挙げられる。

上方シート２０Ｕおよび下方シート２０Ｌを含んでいる光学アセンブリ１０の実施形態に関して、上方シートは、厚さＴＨＵを画成する本体２２Ｕ（図１１参照）と、対向する実質的に平面的かつ実質的に平行な上方および下方（すなわち、上下）表面２４Ｕおよび２４Ｕ’（図１１参照）と、さらに長方形の透明シートでは４つの縁部２６Ｕなど、１以上の縁部２６Ｕとを有している。同様に、下方シート２０Ｌは、厚さＴＨＬを画成する本体２２Ｌ（図１１参照）と、対向する実質的に平面的かつ実質的に平行な上方および下方（すなわち、上下）表面２４Ｌおよび２４Ｌ’と、さらに長方形の透明シートでは４つの縁部２６Ｌなど、１以上の縁部２６Ｌとを有している。

上方透明シート２０Ｕおよび下方透明シート２０Ｌは、例えば、ガラス、プラスチック、コーニングの「ＥＡＧＬＥ ＸＧ」、「ＥＡＧＬＥ」、および「Ｇｏｒｉｌｌａ」などのディスプレイガラス、および「パイレックス」ガラスの他、溶融シリカ、ＰＰＭＡのようなプラスチック材料、ポリマー、または任意の他の透明材料から形成することができる。一例において上方シート２０Ｕは、ポリマー層で被覆されたガラスのシートなど、複数のシートから形成してもよい。ここで「透明」という用語は、一般に、透明シートが少なくとも可視波長範囲の光を透過し、さらに所与の厚さＴＨＵまたはＴＨＬにおいて、吸収される光よりも透過する光の方が多いことを意味する。

一例において、上方シート２０Ｕの本体２２Ｕの厚さＴＨＵと下方透明シート２０Ｌの本体２２Ｌの厚さＴＨＬとのうちの少なくとも一方は、０．３ｍｍ以上であり、別の例では０．７ｍｍ以上である。一例において、上方シート本体２２Ｕと下方シート本体２２Ｌとのうちの少なくとも一方の屈折率は、５５０ｎｍで約１．５以上である。一例では、上方シート２０Ｕは約１００μｍほどの薄いガラス層を含み、かつ屈折率整合層１２は、ポリマーを含みかつその厚さＴＨ１２は２００μｍほどである。

システム６の光学アセンブリ１０は少なくとも１つの光拡散性光ファイバ５０をさらに含み、この光拡散性光ファイバ５０は、少なくとも１つの光拡散性光ファイバの少なくとも一部が少なくとも部分的に屈折率整合層１２内に埋め込まれるように、動作可能に配置されている。いくつかの例において、少なくとも１つの光拡散性光ファイバ５０は、上方透明シート２０Ｕに直接隣接しているか、あるいは上方透明シート２０Ｕから若干間を空けて屈折率整合層の一部をその間に挟んだ状態で存在している。一例において、少なくとも１つの光拡散性光ファイバ５０の少なくとも一部は、屈折率整合層１２内に完全に埋め込まれている。

一例において、光拡散性光ファイバ５０は上記の結合端部５２と終端部５４とを含んでいる。結合端部５２および終端部５４は、光拡散性光ファイバ５０の長さＬ（図１１参照）を画成する。システム６は、光学アセンブリ１０に、特に光拡散性光ファイバ５０の結合端部５２に光学的に結合された、上記の光源１００をさらに含んでいる。光源１００は、図１３の拡大断面図に示したような導波光１０２Ｇとして光拡散性光ファイバ５０内を上述したように移動する、光１０２を放射する。光拡散性光ファイバ５０は、上述したように、導波光１０２Ｇから散乱光１０２Ｓを生成するように構成されている。

一例においてシステム６は、光拡散性光ファイバ５０の終端部５４に隣接して動作可能に配置された、上記の終端光学部材５６を含んでいる。一例において、終端光学部材５６は光１０２を吸収する光吸収体であり、一方別の例において終端光学部材５６は、反射された導波光が反対方向に、すなわち光源１００に向かって移動するよう光１０２を反射する（例えば、導波光１０２Ｇを反射する）、光反射体である。この例では、光アイソレータ（図示なし）を（例えば、光源１００に隣接させて）採用して、光１０２が光源１００に戻らないようにしてもよい。

一実施形態例において、光学アセンブリ１０は曲がり易く構成され、すなわち曲げて大きな湾曲を有するようにすることができる。別の実施形態例において、光学アセンブリ１０は曲がり難く構成され、すなわちそのため大きな湾曲を有するように曲げることはできない。

図１２Ａおよび１２Ｂを参照すると、一実施形態例において光学アセンブリ１０は、上方シート２０Ｕの側面２６Ｕを含みまた下方シート２０Ｌの側面２６Ｌを含み得る、外周１１を含んでいる。一実施形態例において光学アセンブリは、外周１１の少なくとも一部に隣接して配置された、少なくとも１つの反射部材１４０を含んでいる。反射部材１４０の反射表面１４２は、光を鏡面反射するように、あるいは光を拡散的に反射するように、構成することができる。

上方シート２０Ｕとこれを包囲している媒体（後述するが、空気または低屈折率層など）との夫々の屈折率により画成される臨界角の範囲内にある光拡散性光ファイバ５０からの散乱光１０２Ｓの部分は、全反射によって光学アセンブリ１０内に閉じ込められる。一例では、上方シート２０Ｕの上方表面２４Ｕの光散乱フィーチャ２３Ｕが、光学アセンブリ１０内に閉じ込められた散乱光１０２Ｓをさらに散乱するように働く。これにより、上方シート２０Ｕの上方表面２４Ｕを見たときに、観察者４００には散乱光１０２Ｓが見える。

一例において光散乱フィーチャ２３Ｕは局所的であり、一方別の例では上方表面２４Ｕの実質的に全体をカバーする。一例において、光散乱フィーチャ２３Ｕは粗いフィーチャを含む。一例において光散乱フィーチャ２３Ｕは、例えばレーザを用いて（レーザエッチングなどにより）上方シート２０Ｕの上方表面２４Ｕをエッチングしたものである。一例において光散乱フィーチャ２３Ｕは、上方シートの上方表面２４Ｕに一体的に形成されたものではなく、光散乱要素として上方シート２０Ｕに加えられたものである。

図１２Ｃは光学アセンブリ１０の端部部分の拡大断面図であり、反射部材１４０が、Ｕ字状でありかつ外周１１、上方シート２０Ｕ、および屈折率整合層１２と接触して配置されている実施形態例を示している。光拡散性光ファイバ５０からの散乱光１０２Ｓの一部は、図１２Ｂに関連して上述したものと同様に、反射部材１４０に入射しかつこれから反射する。この散乱光１０２Ｓも全反射によって光学アセンブリ１０内を移動する。

図１２Ｄは図１２Ｃに類似した図であり、反射部材１４０が、外周１１、上方シート２０Ｕ、および屈折率整合層１２から、反射部材により画成される内部キャビティ１５４に伴うエアギャップ１５５によって、間を空けて離れている実施形態例を示している。

図１２Ｅは、光拡散性光ファイバ５０の一部が外周１１で屈折率整合層１２から延在していることを除いて、図１２Ｄに類似した図である。図１２Ｆは、光拡散性光ファイバ５０が完全に屈折率整合層１２外に存在しかつ外周１１に隣接していることを除いて、図１２Ｅに類似した図である。図１２Ｇは図１２Ｃに類似した図であり、反射部材１４０が、Ｘ方向に対する角度αで画成された傾斜部分１４１を有している実施形態例を示している。傾斜部分１４１を使用すると、同じ形状の光学アセンブリ１０でＵ字状の反射部材１４０を使用した場合に比べて損失量を減少させることができる。反射部材１４０の上部は、寸法（長さ）ｄのベゼル１４３を画成し得る。

一例において、図１２Ｃから１２Ｆまでに示した反射部材１４０の寸法ｄは、０≦ｄ≦４ｍｍの範囲内とすることができる。別の例において反射部材１４０は、長さｄによって損失を２０％以下にできるように構成される。ここでの損失は、光学アセンブリ１０に結合されない光の割合として定義される。

一例において光学アセンブリ１０の厚さＴＨ１０は、ＴＨ１０≦０．８ｍｍであり、好適には０．２ｍｍ≦ＴＨ１０≦０．２５ｍｍである。光学アセンブリ１０の厚さＴＨ１０がこのように小さい値であるため、フラットスクリーン装置３００（図１７に示した、以下でより詳細に紹介および議論するものなど）を極薄くすることができ、かつその形状係数を小さくすることができる。また、光拡散性光ファイバ５０の直径が小さいため、極狭いベゼル１４３が可能になる。

一例において、光拡散性光ファイバ５０から光学アセンブリ１０内への内部反射（導波）光としての散乱光１０２Ｓの結合効率εは、ε≧７０％である。この結合効率は、ＬＥＤなど従来の光源の光を利用している従来のフラットパネルディスプレイ装置における典型的な光結合効率よりも大きい。

図１５Ａに示した別の例では（以下でより詳細に紹介および議論する）、光吸収フィーチャ２５Ｕが上方シート２０Ｕの上方表面２４Ｕ上に形成され得る。散乱光が上方表面２４Ｕから出る実施形態では、光吸収フィーチャ２５Ｕを使用して散乱光１０２Ｓを吸収することができる。この事例では、光吸収フィーチャ２５Ｕは散乱光１０２Ｓを実質的に吸収するように働き、そのため観察者４００には光吸収フィーチャに対応した暗いフィーチャが見える。光吸収フィーチャ２５Ｕを使用して、例えばしるし、文字、記号などを形成することができる。

図１４は、光拡散性光ファイバ５０がＸ−Ｙ平面において蛇行した形状を有しているシステム６の実施形態例を示した上面図である。図１５Ａは図１４の線ＣＳ１に沿った、光学アセンブリ１０の断面図である。図１４および図１５Ａのシステム６の実施形態例は、光拡散性光ファイバ５０が散乱光１０２Ｓを上方シート２０Ｕの広い面積に対して提供できるように光拡散性光ファイバ５０を分布させる。

図１５Ｂは図１５Ａに類似した図であり、反射下方シート２０Ｌや側面反射体１４０を含んだ図１４の光学アセンブリ１０の実施形態例を示している。反射下方シート２０Ｌは、散乱光１０２Ｓを上方シート２０Ｕへと逆方向に上に反射するよう働く。反射下方シート２０Ｌは、鏡面反射するものでもよいし、あるいは拡散的に反射するものでもよい。散乱光１０２Ｓのいくらかは上方シート２０Ｕを通過して移動するが、この散乱光のいくらかは臨界角内に入って全反射により上方シートおよび屈折率整合層１２の中に閉じ込められ得ることに留意されたい。また、図１５Ｂは図の最も左側で、屈折率整合層が微粒子を含有するなどして光を散乱するように構成されているとき、散乱光１０２Ｓがどのように屈折率整合層１２内で再散乱し得るかを示している。

図１６Ａは図１２Ｂに類似した断面図であり、光学アセンブリ１０の別の実施形態例を示している。図１６Ａの光学アセンブリ１０は、上方シート２０Ｕの上方表面２４Ｕに直接隣接している第１低屈折率層５１０（低屈折率ポリマーなど）と、さらに屈折率整合層１２および下方シート２０Ｌの間に第２低屈折率層５１０とを含んでいる。屈折率整合層１２は、光拡散性光ファイバ５０からの散乱光１０２Ｓを散乱して２回散乱された光１０２Ｓ’を形成するように構成されている。

一例において、屈折率整合層１２はドープポリマーを含む。一例において、屈折率整合層１２の厚さはＴＨ１２＝０．３ｍｍ厚であり、一方上方シート２０Ｕはガラスから作製されかつその厚さはＴＨＵ＝０．７ｍｍ厚である。一実施形態例において、下方シート２０Ｌは散乱光１０２Ｓを拡散的に反射する拡散反射体として構成されている。一例において、反射部材１４０はベゼルの役目を果たし、外縁１１の位置で光拡散性光ファイバ５０をカバーする。一例において、外縁１１に最も近い光拡散性光ファイバ５０の縁部は、外縁から約２ｍｍ離れている。

図１６Ｂは図１６Ａに類似した図であり、光拡散性光ファイバ５０が屈折率整合層１２外に隣接している実施形態例を示している。光拡散性光ファイバ５０の直径は比較的小さい（２５０μｍなど）ため、大きなベゼルは必要なく、あるいはいかなるベゼルも必要としないことに留意されたい。

図１６Ａおよび１６Ｂを参照すると、光学アセンブリ１０は被覆膜５２０をさらに含んでいる。一例において被覆膜５２０は、垂直入射に比較的近い角度で光学アセンブリを観察している観察者４００に対する輝度を増加させる、いわゆる「輝度増強膜」（ＢＥＦ）として構成される。一例において、被覆膜５２０は光を偏光するように構成され、これは液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）にとって必要である。図１６Ａおよび１６Ｂの光学アセンブリ１０は、フラットパネルディスプレイで使用可能な背面照明ユニットを構成する。図１７は、図１６Ａおよび１６Ｂに関連して上述したような光学アセンブリ１０を含むシステム６を採用した、フラットスクリーン装置３００の概略図である。フラットスクリーン装置３００は、光学アセンブリ１０と共に動作可能に配置された、光変調ディスプレイアセンブリ３１０を含んでいる。

図１８Ａを参照すると、一実施形態例において光源１５０は光源アセンブリ１４９の一部であり、レーザダイオードなどの赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、および青色（Ｂ）の光放射体１５１、すなわち夫々１５１Ｒ、１５１Ｇ、および１５１Ｂを備えて構成されている。光放射体１５１Ｒ、１５１Ｇ、および１５１Ｂは、一例では光拡散性光ファイバではなく低損失光ファイバの光ファイバ部ＦＲ、ＦＧ、およびＦＢを夫々介して、多重化装置１６７の夫々のポートに光学的に接続されている。光放射体１５１Ｒ、１５１Ｇ、および１５１Ｂは、光１５２Ｒ、１５２Ｇ、および１５２Ｂを夫々放射する。

光拡散性光ファイバ５０も多重化装置に接続されている。一例において光源１５０は、光放射体１５１Ｒ、１５１Ｇ、および１５１Ｂを逐次駆動させることを含め、光源１５０の動作を制御するよう構成された制御機器１５３を含んでいる。別の例では、制御機器１５３は光源１５０から分離されて、光源１５０に動作可能に接続されている。

光源１５０は、制御機器１５３を介して光放射体１５１Ｒ、１５１Ｇ、および１５１Ｂを時分割多重化し、赤色光１５２Ｒ、緑色光１５２Ｇ、および青色光１５２Ｂを夫々生成するように構成されている。この光は各光ファイバ部ＦＲ、ＦＧ、およびＦＢに沿って多重化装置１６７まで移動し、多重化装置１６７が、上述したように屈折率整合層１２内にまたはこれに隣接して存在している、光拡散性光ファイバ５０上に光を多重化する。

この光源アセンブリ１４９の配置を使用して、フラットスクリーン装置３００の一部の光学アセンブリ１０にフィールドシーケンシャルカラーを生成することができる。このような構成によれば、白色光ＬＥＤと共に使用されるカラーフィルタの必要性がなくなり、さらに光放射体１５１としてＬＥＤではなくレーザを使用することが可能になることに留意されたい。これにより、従来のＬＣＤフラットスクリーン装置に比べて色域が改善される。一例において、色域は最大で約１．９倍に改善される。さらに、エネルギー効率を例えば最大で約３倍まで改善（すなわち、約３倍のエネルギー削減）することが可能になる。

図１８Ｂは図１８Ａに類似した図であるが、各光放射体１５１Ｒ、１５１Ｇ、および１５１Ｂに夫々光学的に直接接続された３つの光拡散性光ファイバ５０Ｒ、５０Ｇ、および５０Ｂを、光源アセンブリ１４９が含んでいる例を示している。３つの光拡散性光ファイバ５０の夫々の一部は、単一の屈折率整合光ファイバを例として用いて説明した種々の実施形態に関連付けて上述したものと同様に、屈折率整合層１２内にまたはこれに隣接して存在している。この構成を使用して、フラットパネルディスプレイ３００にフィールドシーケンシャルカラーを形成することもできる。

本開示を、実施形態とその具体的な例とを参照して本書において図示および説明してきたが、他の実施形態および例が、同様の機能を果たし得る、および／または同様の結果を達成し得ることは、通常の当業者には容易に分かるであろう。全てのこの同等の実施形態および例は、本開示の精神および範囲の範囲内であり、さらに添付の請求項によって保護されると意図されている。その精神および範囲から逸脱することなく、本開示の種々の改変および変形が作製可能であることも、当業者には明らかであろう。すなわち、本開示の改変および変形が添付の請求項およびその同等物の範囲内であるならば、本開示はこの改変および変形を含むと意図されている。

６ システム
１０ 光学アセンブリ
１１ 外周
１２ 屈折率整合層
２０ 透明シート
２０Ｕ 上方透明シート
２０Ｌ 下方シート
２２、２２Ｕ、２２Ｌ シート本体
２３Ｕ 散乱フィーチャ
２４Ｕ、２４Ｌ 上方表面
２４Ｕ’、２４Ｌ’ 下方表面
２６、２６Ｕ、２６Ｌ 縁部
５０ 光拡散性光ファイバ
５２ 結合端部
５４ 終端部
５６ 終端光学部材
６０ 中心コア領域
６０Ｃ 中心透明領域
６０ＣＳ コア
６０Ｖ 空洞領域
６２ 外側コア領域
６４ 空洞
６６ 外側クラッド
７０ 被覆層
７２ 光散乱層
１００ 光源
１０２ 光
１０２Ｇ 導波光
１０２Ｓ 散乱光
１４０ 反射部材
１５１ 光放射体
１５２ 光
１５３ 制御機器
１６７ 多重化装置
３１０ 光変調ディスプレイアセンブリ
５１０ 低屈折率層
５２０ 被覆膜

Claims (3)

1. 光結合型光学システムであって、
   上方表面および下方表面を備え、かつ第１屈折率を有している、透明シート、
   前記透明シートの前記下方表面に接触して配置され、かつ前記第１屈折率と実質的に同一の第２屈折率を有している、屈折率整合層、
   光を放射する光源、および
   前記屈折率整合層内に少なくとも部分的に配置され、かつ前記光源に光学的に結合されて前記光を導波光として運ぶ、光拡散性光ファイバであって、コア内に位置する不規則に配列された空洞と、前記コアを包囲しているクラッドとを有し、前記コアならびに前記クラッドが、前記導波光を、前記コアならびに前記クラッドの外へ該光拡散性光ファイバの外表面を介して散乱させることによって、実質的に空間的に連続した光放射を提供するように構成されている、光拡散性光ファイバ、を備え、
   前記散乱された光が前記透明シートと前記屈折率整合層との内部を全反射で移動しかつ該散乱された光が前記透明シートの少なくとも１つの散乱フィーチャによって前記透明シートの前記上方表面から外へと散乱されるように、前記光拡散性光ファイバが配置されていることを特徴とするシステム。
2. 前記光拡散性光ファイバが、前記透明シートの中央部分の下には配置されていないことを特徴とする請求項１記載のシステム。
3. 前記透明シートの前記散乱フィーチャが、前記透明シートの前記上方表面に形成されていることを特徴とする請求項１または２記載のシステム。

Images