JP7317800B2

JP7317800B2 - 光学デバイス

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Publication number: JP7317800B2
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Authority: JP
Inventors: リンコ，カリ
Original assignee: Nitto Denko Corp
Current assignee: Nitto Denko Corp
Priority date: 2018-03-22
Filing date: 2019-03-22
Publication date: 2023-07-31
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Description

本発明は、光学デバイスに関し、特に、ライトガイドを有する光学デバイスに関する。

現在、約０．５～１ｍ^２（平方メートル）以上の大型のライトガイドと、それに関連する配光構造のための生産ツールの製造コストは高く、マスター作製ツールアイテム（約１ｍ^２の表面カバレッジ）１個あたりの費用は、許容レベルを超えている。さらに、モールディング等によるライトガイドの全表面へのパターンの形成と大量生産を考慮すると、プロセスの難易度が高い。この理由から、より高い光パワー、消費電力の低減、及び性能の向上を実現する高効率で高度な光学ソリューションは、実現されていない。

光がライトガイドにインカップリングするときに起こる基本的な問題のひとつとして、入射角が媒体の臨界角未満のとき、すなわち全反射しない角度（アウトカップリングの角度）で入射するときの光損失がある。ライトガイドと１以上の接着剤層の間の界面に臨界角未満の角度で入射する光は、ライトガイドに設けられている光学的な制御構造によって制御されない。この場合、ライトガイドにインカップリングした光の５～１５％が接着層を通過するが、このような光漏れは望ましくない。

ライトガイドの適用例として、透明な照明デバイスへの適用がある。透明な照明デバイスは、一般照明、ウィンドウ／ファサードの照明、反射型／透過型ディスプレイの照明、街頭の看板、交通標識など、多様な製品で重要なソリューションとなりつつある。透明ソリューションを実現するための主要な課題は、（１）表面レリーフ光学パターンのオープン構造、（２）配光の管理、（３）迷光の制御、及び、（４）高い透明度、である。このうち、（１）の表面光学パターンを露出するオープン構造は、汚れ、物理的な欠陥等が生じるというリスクがあるので、産業への実際のアプリケーションとしては現実的ではない。（２）について、光学的な要請と仕様に応じて、明度強化フィルム等の追加の光学シートを使わずに配光を制御することが求められる。透明デバイスでは、余分なシートの挿入により透明性が損なわれるおそれがあるので、効率的な光抽出構成が望まれる。

（３）について、看板（サイネージ）、ビジュアルパフォーマンスを伴うディスプレイなどに用いられる表面照明では、コントラストの低下を避けるために、視線方向への迷光を最小限にしなければならない。しかし、光学パターン自体が光漏れとフレネル反射による迷光の原因となる。ノンラミネート型のデバイスも、外面でフレネル迷光が生じる。

（４）について、光学透明度は常に光学パターンの形状と特性、及び周囲光の有無による視界に依存する。光学パターンが大きいほど見えやすいが、小さなパターンでもデバイスが照明されたときは視認可能になる。特に、パターン密度が小さいときは、視野角で迷光を生じさせる明るいスポットが形成される。

上記の４つの課題の一部は、保護カバーの外面に反射防止（ＡＲ）膜を設けることによって解決され得るが、すべてが解決されるわけではなく、アプリケーションによっては確実なソリューションとはならない。透明照明のためのキャビティ光学素子も提案されているが、最終的な品質と性能を確保するための光漏れ（または迷光）対策については考慮されていない。

光源からの光をライトガイドの入射端面に結合するために、ライトガイドのエッジにリフレクタともに、個別の光学部品を配置する構成が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

特開２０１３-１６１６３９号公報

ライトガイドへの従来の光インカップリング構造は複雑であり、配置、組み立て等が難しい。また、個別のインカップリング構造を用いるため、ライトガイドの最終的な光取り出し効率が低下する。

本発明は、簡単な構成でライトガイドへのインカップリング機能を備えた光学デバイスを提供することを目的とする。

本発明のひとつの態様では、光学デバイスは、
導光層と、
前記導光層と一体的に設けられ、光源からの光を前記導光層の入射エッジに結合するインカップリング光学系と、
を有し、
前記インカップリング光学系は、前記入射エッジに向かって凸の光学素子と、前記光学素子と前記入射エッジの間に設けられるエアキャビティとを有する。

簡単な構成で、ライトガイドへのインカップリング機能を備えた光学デバイスが実現する。

実施形態の光学デバイスの基本概念を示す図である。実施形態の光学デバイスの基本概念を示す図である。第１実施形態の光学デバイスの構成例を示す図である。第１実施形態の光学デバイスの別の構成例を示す図である。第１実施形態の光学デバイスの別の構成例を示す図である。第１実施形態の光学デバイスの効果を示す図である。第１実施形態の光学デバイスの適用例を示す図である。図２Ｅの適用例のための光学デバイスの構成例を示す図である。第２実施形態で解決すべき課題を説明する図である。第２実施形態の光学デバイスの構成例を示す図である。第２実施形態の光学デバイスの別の構成例を示す図である。ライトガイド表面への低屈折率パターンの形成方法の一例を示す図である。ライトガイド表面への低屈折率パターンの形成方法の一例を示す図である。レーザアブレーションにより低屈折率クラッドを除去した光学デバイスの画像である。レーザアブレーションにより低屈折率クラッドを除去した光学デバイスの画像である。光分布フィルタ（Light Directing（Distributing） Filter；ＬＤＦ）を用いたライトガイド構造のコンセプトと、光分布フィルタによる光制御の主要機能を示す図である。光分布フィルタを用いたライトガイド構造の構成例を示す図である。光分布フィルタを用いたライトガイド構造の構成例を示す図である。２方向の光制御のためのハイブリッドパターンを示す図である。２方向の光制御のためのハイブリッドパターンを示す図である。２方向光制御のための光学パターンを示す図である。ライトガイドにおけるパターンの例として、ハイブリッドパターンとリニアパターンを示す図である。光分布フィルタフィルムのシミュレーション結果を示す図である。指センサ、指紋センサ等のセンサ用の信号ライトガイドのコンセプトを示す図である。指センサ、指紋センサ等のセンサ用の信号ライトガイドのコンセプトを示す図である。９点での指紋シミュレーション結果を示す図である。９点での指紋シミュレーション結果を示す図である。異なるセットアップでのシミュレーション結果を示す図である。第３実施形態で解決すべき課題を説明する図である。第３実施形態のインカップリング素子を有する光学デバイスの構成例を示す。第３実施形態のインカップリング素子を有する光学デバイスの別の構成例を示す図である。第３実施形態のインカップリング素子一体型ライトガイドの内部強度分布を示す図である。比較例の光学デバイスの内部強度分布を示す図である。別の比較例の光学デバイスの内部強度分布を示す図である。従来構成と、比較例、及び第３実施形態の光学デバイスの特性を比較する図である。第３実施形態のインカップリング光学系を用いたときの横方向の輝度の均一性を示す図である。インカップリングキャビティを組み込んだ構成例を示す図である。マスター製作プロセスの一例を示す図である。マスター製作プロセスの一例を示す図である。マスター製作プロセスの一例を示す図である。マスター製作プロセスの一例を示す図である。マスター製作プロセスの一例を示す図である。キャビティ光学系の透明度改善のためのソリューションの一例を示す図である。キャビティ光学系の透明度改善のためのソリューションの一例を示す図である。空洞ラミネーションの一例を示す図である。空洞ラミネーションの一例を示す図である。迷光抑制のためのエアキャビティの構成例である。迷光抑制のためのエアキャビティの構成例である。迷光抑制のためのエアキャビティの構成例である。迷光抑制のためのエアキャビティの構成例である。迷光抑制のためのエアキャビティの構成例である。迷光抑制のためのエアキャビティの構成例である。迷光抑制のためのエアキャビティの構成例である。迷光抑制のためのエアキャビティの構成例である。迷光抑制のためのエアキャビティの構成例である。迷光抑制のためのエアキャビティの構成例である。反射防止膜による迷光抑制効果を説明する図である。光学接着剤による迷光抑制効果を説明する図である。エアキャビティによる迷光低減効果を示す図である。従来構成における迷光の影響を示す図である。反射防止膜付きのウィンドウ照明のコンセプトを示す図である。反射防止膜付きのウィンドウ照明のコンセプトを示す図である。着脱可能な光学デバイスの構成例を示す図である。着脱可能な光学デバイスの構成例を示す図である。

実施形態では、低コストかつ簡単な構成で、コントラストまたは視認性を高めた光学デバイスを提供する。この光学デバイスは、フロントライト、バックライト、ウィンドウ／ファサードの照明、サイネージ、信号点灯、ソーラーアプリケーション、装飾イルミネーション、ライトシールド、ライトマスク、ルーフライティング等の公共／一般照明等に適用可能である。

以下の説明で、「光学フィルタ」という用語は、その上に入射する電磁放射線のスペクトル強度分布又は偏波状態を変化させるために使用されるデバイス又は材料を指す。フィルタは、透過、反射、吸収、屈折、干渉、回折、散乱及び偏光から選択される多様な光学機能を果たすことに関与し得る。

「いくつかの」という表現は、１から始まる任意の正整数を指し、「複数の」という表現は２から始まる任意の正整数を指す。

「第１の」及び「第２の」という用語は、何らかの順序、数量、又は重要性を表すことを意図するものではなく、むしろ、単に１つの要素を他の要素から区別するために使用される。

「光学」及び「光」という用語は、明示的に特段の断りがない限り、大概は同義語として使用され、好ましくは可視光である電磁スペクトルの特定の部分内の電磁放射線を指すが、これに限定されない。

「担持基板」又は「担持エレメント」という用語は、概して層状構造を構成する基板材料からなる平坦な平面状部材を指す。
る。

ひとつの態様において、光学機能層を用いた光学デバイスが提供される。光学機能層は光を導光層の端部まで行き渡らせるとともに、視線の方向へ効率的に光を取り出す。以下の説明では、光学機能層は適用される場面に応じて、「光分布フィルタ（light distribution filter；ＬＤＦ）」、「光学フィルタ層」、「配向素子」等と呼ばれる場合もある。光学機能層の光学機能は、反射、透過、偏光、及び屈折の少なくとも一つを含む。

光学機能層は、導光層の内部に効率的に光をインカップリングするために用いられ、低屈折率層、エアキャビティ、反射防止膜、マイクロレンズ等、様々な形態で実現される。

導光層、すなわちライトガイドは、光学ポリマー、ガラス等で形成される。光学機能層は、ライトガイドの少なくとも片面又はその両面に形成され、透明な低屈折率（Ｒｉ）フィルタ、内部全反射（Total internal reflection；ＴＩＲ）フィルタ等であってもよい。これらの光学フィルタは、ａ）平坦な表面上に直接的に設けられてもよいし、ｂ）接着剤層によってラミネートされてもよいし、ｃ）例えばＶＵＶ（真空ＵＶ）、大気プラズマ処理又はマイクロ波ボンディングなどの化学的な表面処理によって接合されてもよい。

光学フィルタの厚さ（ｈ）は典型的に、使用波長よりも大きく（ｈ＞λ）、たとえば１μ－１０μｍである。一つの構成例では、光学フィルタ層は、導光層を構成する材料の屈折率（ｎ１）よりも低い屈折率（ｎ２）を持つ材料で形成される。低屈折率（ｎ２）値の範囲は、１．０５以上１．４５以下、１．１４と１．４１との間、１．２以下、など、適用に応じて適宜選択される。光学フィルタは、メソポーラス膜内にナノシリカ材料を含有していてもよい。その場合、低Ｒｉクラッドの屈折率値を維持するために、低ガス化（低脱ガス）材料でフェーズ間をカバー、ラミネート、又は接合してもよい。

光学フィルタは、ＴｉＯ_２、ＢａＳＯ_４、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ａｌ、Ａｇ、誘電体、高反射（ＨＲ）コーティング材料などの入手可能な材料を用いて、内部全反射（ＴＩＲ）ソリューションとして実現され得る。

実施形態の光学機能層（または光学フィルタ）を用いた光学デバイスは、ポスター、反射型ディスプレイ、電子ペーパー、ウィンドウガラス等を含む光学媒体に固定的に取り付けられてもよいし（固定型）、取り外し可能に取り付けられてサイネージ、装飾ディスプレイ等を構成することもできる（非固定型）。

＜基本概念＞
図１Ａと図１Ｂは、実施形態の光学デバイスの基本概念を示す断面模式図である。この基本概念は、以下で詳細に述べる全ての実施形態に適用され得る。図１Ａの光学デバイス１００Ａは、光学媒体層１１、光学接着層１９、光学的な開口が設けられた低屈折率層１３、ライトガイド１４、全面の低屈折率層１５、光学接着層１６、及びカバー１７が、この順に積層されている。この例では、開口付きの低屈折率層１３と、全面の低屈折率層１５が光学機能層に該当する。

光学媒体層１１は、この例では、ポスター、反射型ディスプレイ、電子ペーパー等の画像表示物、あるいは透明窓または透明壁等である。

ライトガイド１４は導光層であり、光学デバイス１００Ａの端面に位置するＬＥＤ等の光源２１から出力される光は、ライトガイド１４を通って伝搬する。実施形態では、光学機能層１３と光学機能層１５の少なくとも一方により、光学デバイス１００Ａの光源２１と反対側の端面まで、導光する。ライトガイド１４は、たとえば、ＰＭＭＡ、ＰＣＲで形成され、この場合の屈折率は１．４９前後である。

開口付きの低屈折率層１３と、全面の低屈折率層１５の材料は同じであっても、異なっていてもよいが、これらの層の屈折率ｎ２は、ライトガイド１４の屈折率ｎ１よりも小さい。低屈折率層１３及び１５の屈折率ｎ２は、１．３０以下であり、好ましくは１．２０以下である。

光学接着層１９，１６、及びカバー１７の屈折率はライトガイド１４と同程度であるのが望ましいが、多少異なっていてもよい。

図１Ａの構成で、観察者は、カバー１７の方向から光学デバイス１００Ａを見る。したがって、カバー１７から観察者の方向に取出される光が多いほど好ましい。ライトガイド１４を伝搬する光は、低屈折率層１３の開口１３１または１３２を通って、光学媒体層１１で反射され、開口１３１または１３２、あるいは低屈折率層１３を透過して、カバー１７から観察者の方向へ出射される。

ライトガイド１４を伝搬する光のうち、低屈折率層１５への入射角が臨界角よりも大きいときに（浅い角度で入射するときに）、全反射条件が満たされ、光学媒体層１１に向かって反射される。ここで、臨界角θｃはライトガイド１４の屈折率ｎ１と、低屈折率層１３及び１５の屈折率ｎ２を用いて、
θｃ＝θｉ＝ａｒｃｓｉｎ（ｎ２／ｎ１）
で表される。θｉは入射角（法線からの角度）である。

光学媒体層１１で反射された光は、低屈折率層１３、ライトガイド１４、及び低屈折率層１５を透過して、カバー１７から出射される。低屈折率層１３の開口１３１または１３２のパターンは、低屈折率層１５で全反射された光を効率良く光学媒体層１１へ導き、光学媒体層１１からの反射光を、効率的にカバー１７側に取り出すように設計されている。

開口１３１は、たとえば、低屈折率層１３１の一部をクラッド除去法で除去することで形成される。開口１３２は、たとえば、低屈折率層１３１の除去された部分に別の光学材料層を埋めた高密度パターンで形成される。開口１３２を埋める材料は、ライトガイド１４、及び光学接着層１９の屈折率と同じまたは近似する屈折率を有する。

ライトガイド１４の光取り出し側の面（この例では積層方向の上面）に低屈折率層１５がない場合、光源２１から出力されて直接カバー１７側に向かう光は、そのまま光学接着層１６及びカバー１７を透過し、光損失が生じる。図１Ａの構成とすることで、導光途中の光損失を最小にして、ライトガイド１４の端部まで効率的に導光し、かつ光学媒体層１１で反射された光を効率的にカバー１７から出射させる。これにより、観察者の側に十分な量と強さの光が出力され、コントラストと視認性が維持される。

開口を有する低屈折率層１３と、べた膜の低屈折率層１５（全面を低屈折率材料で均一な面を形成する低屈折率層）は、ライトガイド１４を伝搬する光の進路を制御する光学フィルタとして機能する。後述するように、屈折率以外に、反射防止構成、光学密度、光学定数などを調整することで、多様な機能を持たせることができる。

低屈折率層１３の開口１３１または１３２によって実現される光の分布は、均一、不均一、又は離散的のいずれであってもよい。これにより、均一、不均一又は離散的な像又は信号を形成することができる。開口１３１または１３２の主要な機能は、光をアウトカップリングさせずに（すなわち、全反射条件を利用して）、ライトガイド１４から光学媒体層１１の方向へ伝搬する入射光の量を制御することである。

開口１３１、１３２は、その寸法、形状等を調整することで、散乱、屈折、反射、これらに類するものなどの他の機能を発揮するように作製され得る。開口１３１または１３２の一部は、光をアウトカップリングさせるように、すなわち、光学媒体層１１で反射された光をカバー１７側へ透過させるように形成され得る。開口１３１または１３２は、円形、楕円形、多角形、矩形等に形成することができ、そのサイズ又は径は、例えば、１μｍ～１００μｍであり、好ましくは１μｍ～３０μｍの範囲内で調整される。

図１Ｂは、光学デバイス１００Ｂの断面模式図である。光学デバイス１００Ｂの基本原理は図１Ａと同じである。光学デバイス１００Ｂでは、ライトガイド１４の全面を覆う低屈折率層として、空気層を利用している。空気は、ライトガイド１４の屈折率ｎ１よりも小さく、光源２１から出力されてライトガイド１４と空気層の界面に入射した光は、全反射条件を満たしてライトガイド１４内に反射され、低屈折率層１３の開口を通って、光学媒体層１１で反射される。光学媒体層１１の情報を載せた光は、ライトガイド１４の表面から出射される。

図１Ｂの構成によっても、光を無駄なくライトガイド１４の光源２１と反対側の端部まで光を伝搬させ、かつ、光を効率良く光学媒体層１１に進行させて反射光を効率的に取り出すことができる。

図１Ａは、レイヤ間にライトガイド１４が配置（たとえばラミネート）されるフロントライトソリューションを提供する。図１Ｂは、ライトガイド１４がトップ層となるフロントライトソリューションを提供する。ライトガイド１４の外面の汚染又は欠陥による光リークを防止するために、ライトガイド１４の最表面に、低屈折率値のハードコーティングを施してもよい。

図１Ａ及び図１Ｂのライトガイド１４は、光アウトカップリングパターンなどの光学パターンを有していない。この新規な非パターンのライトガイド１４は、光学機能層との界面／表面ラミネーションによって、表示面などのターゲット上に照明を提供する。界面ラミネーションは照明又は光表示の目的で、光を表示面などのターゲット面に当てることができる。また、光の通過とその方向を制御するために、両側の界面をラミネートして屈折率マッチングにより制御することができる。

表１は、光学的な開口１３１又は１３２が設けられたライトガイド構造の光取り出し効率の改善結果を示す。

表１の上段は、取り出された光の光束（ルーメンス）、下段は照度（ルクス）を示す。アクリルでラミネートされた低屈折率開口付きのＰＭＭＡライトガイドと、シリコーンでラミネートされた表面パターン化されたＰＭＭＡライトガイドを比較すると、ライトガイド１４に開口付き低屈折率層１３をラミネートすることで、フロントライトソリューションで２３．５％も光取り出し効率が改善されている。

光取り出し効率は、ライトガイド１４の屈折率と、接合、ラミネートされる層、クラッド、コーティング材の屈折率等に依存する。実施形態フロントライトソリューションは、ライトガイドの表面に光学パターンが形成されていないので、迷光を最小にし、かつ透明度を高めてコントラスト及び光取り出し効率を向上する。

＜第１実施形態＞
図２Ａ～図２Ｆは、第１実施形態の光学デバイスとその適用例を示す。第１実施形態では、図１Ａ及び図１Ｂの構成と性能を基礎にしつつ、必要に応じてキャビティ光学素子を利用して、透明度を向上する。特に、照明がオン／オフモードのときのライトガイドの透明度を向上し、迷光を抑制して所望の角度で光を出射（またはアウトカップリング）させる。カバー表面に指紋、埃等の汚が付着しているときでも、ライトガイドの透明度の向上と、迷光の抑制の少なくとも一方を実現することで、観察者の方向に十分な光を取り出して視認性を良くすることができる。

図２Ａは、第１実施形態の光学デバイス１０Ａの断面模式図である。光学デバイス１０Ａは、光学媒体層１１と、エアキャビティ１３４を有する光学機能層１３Ａと、ライトガイド１４と、全面に設けられる低屈折率層１５と、光学接着層１６と、カバー１７がこの順に積層されている。

カバー１７は、光学デバイス１０Ａを保護するためのものであり、透明性が高いほうが好ましい。ガラス、プラスチック等で形成され、ＵＶ吸収効果を持ってもよい。保護層としての観点からは強度が高い方がよいが、薄くフレキシブルな層にしてもよい。

全面の低屈折率層１５と、エアキャビティ１３４を有する光学機能層１３Ａは、図１Ａ及び図１Ｂを参照して説明した光学機能層１３の別の例である。低屈折率層１５は、光源２１から出射されライトガイド１４の端面からライトガイド１４の内部に入射する光を、光源２１と反対型の端面まで十分に導光させる。

光学機能層１３Ａは、低屈折率層１５で全反射された光、または光源２１から直接入射する光を、効率的に光学媒体層１１の方向へ導き、光学媒体層１１で反射された光を、カバー１７側へアウトカップリングさせる。

光学機能層１３Ａは、たとえば、マイクロレンズ型、レンティキュラーレンズ型、三角柱または山形のレンズ等の光学的な凸部を有する。パターン（ａ）では、光学機能層１３Ａ₁は、積層方向でみたときに、ライトガイド１４の下面に設けられており、光学媒体層１１に向かって凸のマイクロレンズ型の光学突起１３３を有する。光学突起１３３と光学媒体層１１の間は、エアキャビティ１３４である。

パターン（ｂ）では、光学機能層１３Ａ₂は、積層方向でみたときに、ライトガイド１４の下面に設けられており、光学媒体層１１に向かって突き出た三角柱または山形の光学突起１３５を有する。光学突起１３５と光学媒体層１１の間は、エアキャビティ１３４である。

光学突起１３３及び１３５の屈折率は、ライトガイド１４の屈折率ｎ１と同じか近接している。エアキャビティ１３４の屈折率ｎ２は空気の屈折率であり、屈折率ｎ１よりも小さい（ｎ２＜ｎ１）。

凸型レンズに替えて、溝、ドット等の凹型のパターンが形成された光学層をライトガイドの底面に接合してもよい。この場合は溝または窪みによるエアキャビティが低屈折率パターンとなり、凸型レンズにする場合と同様に、入射光を効率的に光学媒体層１１の方向へ屈折させる。

エアキャビティ１３４を有する光学機能層１３Ａは、例えば、アクリル系の平板の第１部分に所望の形状が形成された金型を用い、真空プレスにて形状を転写する。平板の第２部分に低屈折率の液を塗布し、転写されたパターンで加工することで形成される。

光学機能層１３Ａを、ライトガイド１４と屈折率が同じまたは近接する光学接着剤と用いてライトガイド１４の底面に接着してもよい。

低屈折率層１５は、上述した光学デバイス１００Ａと同様に、光源２１から直接入射する光を、光学層１３の方向へと屈折させる。低屈折率層１５で反射された光、または光源２１から直接入射する光は、光学突起１３３または１３５とエアキャビティの界面で屈折されて、光学媒体層１１へと導かれる。光学媒体層１１の表面で、光はカバー１７の方向に反射される。この反射光は、低屈折率層１５との界面で全反射条件を満たさず、そのままカバー１７から出射される。

この構成により、光源２１から出射された光は、ライトガイド１４の反対側の端面まで十分に伝搬し、かつ、光学媒体層１１で反射された光を十分に取り出して出力することができる。

スマートフォン等の携帯端末では、表示画面の特に外周領域に指紋、汗等の汚れが付着しやすい。低屈折率層１５が無い場合に、光源２１からカバー１７方向に出射された光は汚れで散乱し、光損失が大きくなる。低屈折率層１５と、エアキャビティ１３４を有する光学機能層１３Ａを組み合わせることで、導光途中の光損失を抑制し、かつ光学デバイス１０Ａから効率的に光を取り出すことができる。

図２Ｂは、第１実施形態の別の光学デバイス１０Ｂの断面模式図である。光学デバイス１０Ｂは、光学媒体層１１と、光学接着層１９と、低屈折率層１３Ｂと、ライトガイド１４Ｂと、低屈折率層１４と、光学接着層１６と、カバー１７がこの順に積層されている。

低屈折率層１３Ｂは、この例ではべた膜（全面を低屈折率材料で均一な面を形成する低屈折率層）である。低屈折率層１３Ｂと低屈折率層１５ｎ屈折率ｎ２は、ライトガイド１４の屈折率ｎ１よりも低い。低屈折率層１３Ｂは、低屈折率層１５とともに、光源２１から出射され光学デバイス１０Ｂの端面から入射された光をライトガイド１４の反対側の端面まで十分に伝搬させる。

ライトガイド１４Ｂは、内部に光学キャビティを有する。光学キャビティの内部は空気等の気体で満たされていてもよい。光学キャビティの形状は、ライトガイド１４Ｂを伝搬する光を効率的に光学媒体層１１の方向へ向ける形状を有する。また、光学キャビティの界面での屈折によって迷光または漏れ光が生じないように設計されている。

光学キャビティは、迷光または漏れ光を抑制できる限り、断面形状が矩形型の光学キャビティ１４１ａ、三角型の光学キャビティ１４１ｂなど、適切な形状に設計される。光学キャビティの具体的な形状については、図２２Ａ～図２２Ｊを参照して、後述する。

図２Ｂの構成では、低屈折率層１３Ｂ，ライトガイド１４Ｂ、及び低屈折率層１５が光学機能層として、光学フィルタが形成される。この光学フィルタにより、光をライトガイド１４Ｂの端部まで十分に導光させつつ、必要な量の光を光学媒体層１１の方向に導き、光学媒体層１１からの反射光をカバー１７の外側に効率的に取り出すことができる。

図２Ｃは、第１実施形態の別の光学デバイス１０Ｃの断面模式図である。光学デバイス１０Ｃは、図１Ａと同様の構成を有し、ライトガイド１４の光取り出し側の面（積層方向で上面）にべた膜の低屈折率層１５（全面を低屈折率材料で均一な面を形成する低屈折率層）を有し、ライトガイド１４の底面に、光学的な開口パターンを有する低屈折率層１３Ｃを有する。低屈折率層１３Ｃ及び低屈折率層１５は、光学機能層となる。

低屈折率層１３Ｃの開口パターンは、ライトガイド１４の光伝搬方向にいくにつれて、開口率が大きくなるように形成されている。

ライトガイド１４のうち、光源２１の近傍の領域では、光量が多く、開口率を小さくしても、十分な量の光を光学媒体層１１に導くことができる。ライトガイド１４中を伝搬するにつれて光量は減少するが、光源２１の近傍と同程度の光を光学媒体層１１に供給して光学媒体層１１からの反射光の強度を均一にする。

光学デバイス１０Ａ及び１０Ｂと同様に、低屈折率層１５によりライトガイド１４の端部まで十分に光を行き渡らせるとともに、開口パターンによって効率的に光を光学媒体層１１に入射させて反射光を取り出す。図２Ｃの構成では、光学デバイス１０Ｃからの光取り出しが効率的かつ均一になり、視認性がさらに向上する。

図２Ａ～図２Ｃの構成の少なくとも一部を、相互に組み合わせてもよい。たとえば、図２Ｂのライトガイド１４Ｂに、図２Ａのエアキャビティ付きの光学層１３、または図２Ｃの開口付きの低屈折率層１３Ｃを組み合わせてもよい。

図２Ｄは、ライトガイド１４の光取り出し側の面に低屈折率層１５を設けることの効果を説明する図である。比較例として、ライトガイド１４の光取り出し側の面に低屈折率層１５を設けない構成を（ｂ）に示す。

図２Ｄの（ｂ）のように、ライトガイド１４の光取り出し側に低屈折率層１５がない場合、カバー１７の表面に指紋、汗、埃等の汚れが付着していると、光源２１からライトガイド１４に入射した光のうち、直接カバー１７側に向かう光は、光学媒体層１１に導かれずに散乱し、光損失が生じる。

これに対し、図２Ｄの（ａ）のように、ライトガイド１４の光取り出し側に低屈折率層１５を配置することで、光が光学媒体層１１に入射せずに散乱することを防止することができる。さらに、低屈折率層１５の内部全反射を利用して、光をライトガイド１４の端部まで伝搬させながら、エアキャビティ１３４またはその他の低屈折部材によって光を光学媒体層１１に入射させる。光学媒体層１１からの反射光を効率的に取り出すことで、高いコントラストと視認性を実現できる。

図２Ｅは、光学デバイス１０Ａ～１０Ｃのサイネージ１９０への適用例を示す。標識、看板、ファサード照明、マーケティング照明、表示照明等で、二次元平面を効率的に照明するために、上述した開口パターンとエアキャビティの少なくとも一方を用いて、ライトガイド内を導光させて、十分な量の光を取り出す。

公共、標識、マーケティング用ディスプレイ等は、ディスプレイやポスターのタイプに応じて、パッシブ型又はアクティブ型とし得る。一般的には、バックライトソリューションが利用されるが、近年は、フロントライトを利用すること、及び反射型ディスプレイを必要時にのみ照明することが、トレンドとなっている。

図２Ｅの例では、サイネージ１９０は、片面又は両面に上述した光学デバイス１０を適用することができる。サイネージ１９０を両面ソリューションとする場合は、両面タイプの光学デバイス１０Ｄを用いてもよい。

図２Ｆは、光学デバイス１０Ｄの断面模式図である。光学デバイス１０Ｄは、一対の光学デバイス１０－１と１０－２を、光学媒体層１１の側で背中合わせに貼り合わせたものである。この例では図２Ｃの光学デバイス１０Ｃを貼り合わせているが、光学デバイス１０Ａまたは光学デバイス１０Ｂを貼り合わせてもよい。十分に光を導光させ光学媒体層１１から光を十分に取り出すことができるなら、両面で必ずしも同一構成の光学デバイス１０を用いなくてもよい。

光学デバイス１０－１と１０－２のそれぞれの端面に、光源２１－１と光源２１－２が配置され、端面からライトガイドに光が入射して、導光する。開口パターンまたはエアキャビティの光学機能によって、光は光学媒体層１１に導かれて両面から出射する。

広告スタンド、特に、ポスター等を差し替える場合に、光学デバイス１０から光学媒体層１１を取り外し可能に構成することが好ましい。これについては、図２９と図３０を参照して後述する。

固体ディスプレイの場合、恒久的なラミネーションが適切である。好ましくは、剛性又は弾性を有する光学材料によって、ライトガイド１４と光学媒体層１１（ディスプレイ／標識／ポスター等）との間の光学コンタクトを確保してもよい。

固定型でも取り替え可能型でも、迷光を最小化し、高いコントラスト比を保つために、照明される表面との（光学的）接触を確実にすることが重要である。

ライトガイド１４または１４Ｂが照明以外の目的で使用されるときは、パッシブモードにあり、デバイス全体を通して視覚的に透明性が要求される。太陽光などの自然光の下では、反射ディスプレイは照明が不要であるが、フロントライト型のように、ディスプレイの最上層にライトガイドがある場合、十分な透明度を確保してディスプレイのビジュアル特性を低下させないようにする。

アクティブモードでは、透明ライトガイドは、一方または両方の面から照明光が出射される。照明光の用途に応じて、ディスプレイ用の照明の場合は特に、視野角の範囲で適切な配光がなされ、迷光を最小にする。
（Ａ）パッシブモード（照明以外の目的）のときのクリテリアは、ａ）曇りの最小化、及び散乱と色ずれの抑制、ｂ）フレネル反射の最小化、ｃ）光学パターン／造作の不可視化、及びｄ）パターン密度の変化の不可視化、である。
（Ｂ）アクティブモードのときのクリテリアは、ａ）パターンによる迷光、ｂ）界面（外部反射）によるフレネル反射、ｃ）パターン自体によるフレネル反射、及びｄ）散乱が抑制された光取り出しの質、である。

実施形態の光学デバイスは、製品と用途に応じていずれのモードにも対応可能にする。特に、表面での光漏れと内部フレネル反射による迷光は、内部キャビティと反射防止の少なくとも一方によって対処可能である。

図２２Ａ～図２２Ｊは、光学パターンの構成例を示す。光学パターンは、屈折率ｎ１の媒質の中に、低屈折率ｎ２の材料（ｎ２＜ｎ１）で形成されるパターンである。屈折率ｎ２の材料が空気のときは、エアキャビティとなる。

図２２Ａでは、矢印の入射光は、光学パターンの界面で全反射（ＴＩＡ）されて、光が外部に取り出される。

図２２Ｂでは、光は光学パターンを透過し、フレネル反射による迷光Ｌ_strayは、光学パターンの出射側の第２の面で反射され、入射側の第１の面で再度反射されて、光学パターンを透過する。

図２２Ｃでは、光は光学パターンを透過し、第２の面でのフレネル反射の方向制御により、迷光Ｌ_strayは最小化される。

図２２Ｄでは、光学パターンの第１の面にＡＲ膜１４５が設けられている。光は光学パターンを透過し、第１の面に設けたＡＲ膜１４５により、迷光Ｌ_strayは最小化される。

図２２Ｅでは、光は光学パターンの第２の面での屈折により、迷光Ｌ_strayとともに光学パターンを透過する。

図２２Ｆでは、光学パターンの第１の面への入射角を制限することで、迷光Ｌ_strayを最小にして光学パターンを透過する。

図２２Ｇでは、光学パターンは凸レンズ型の断面形状を周する。光は光学パターンの表面で全反射（ＴＩＲ）されて外部に取出される。

図２２Ｈでは、光は光学パターンの第１の面から入射して第２の面を透過する。迷光Ｌ_strayは、第２の面と第１の面で反射され、その後第２の面を透過する。

図２２Ｉでは、光学パターンの第２の面にＡＲ膜１４５が形成されている。光は、第１の面から入射し、第２の面を透過する。破線の矢印で示す迷光は、ＡＲ膜により最小化される。

図２２Ｊでは、光学パターンはライトガイド１４に設けられている。光学パターンは、パターンが形成されたライトガイドに光学材料を貼り合わせることで（貼り合わせの界面Ｉ／Ｆは点線で示されている）形成される。界面Ｉ／ＦにＡＲ膜を設けることで、光学パターンの底面にＡＲ膜が設けられる。

図２３は、反射防止膜による迷光抑制効果を説明する図である。領域Ａのように、片面照射の場合、ライトガイド１４の光取り出し面にＡＲ膜１４５を設ける。ライトガイド１４を伝搬する光は、ライトガイド１４よりも屈折率の低い光学キャビティ１４１により、光取り出し面の側に屈折される。

領域Ｂでは、光学キャビティ１４１で屈折された光の一部は光取り出し面で反射され、迷光Ｌ_strayとなってライトガイド１４の反対側の面から出射する。両面照射の場合はＡＲ膜１４５を設けずに、迷光Ｌ_strayを利用してもよい。

図２４は、光学接着剤１９１による迷光抑制効果を説明する図である。タブレット端末のように、ディスプレイ１１０をバックライトで照らす場合、ライトガイド１４とディスプレイユニット（ディスプレイ１１０と光学接着層１９が一体化されている）の間に光学接着剤１９１を充填することで、迷光Ｌ_strayを抑制することができる（領域Ａ）。領域Ｂのように、界面に空気層が存在すると、光学キャビティ１４１でディスプレイ１１０側に屈折された光の一部が空気層で反射され、迷光Ｌ_strayとなって外部に漏れ出る。界面に光学接着剤１９１を充填することで、迷光Ｌ_strayを抑制することができる。

上述したいずれの光学手段（開口、エアキャビティ等の光学パターン、ＡＲ膜、光学接着剤など）も、迷光を抑制するように設計されている。特に、以下で述べる特徴のうちの２つ以上を組み合わせることで、最適なソリューションが得られる。
１）光学キャビティパターンを用いて、内部全反射（ＴＩＲ）または屈折により、ほぼすべての光を光学デバイスの表面から取り出し（アウトカップリングし）、キャビティ内部へ散乱させないことで（図２２Ａ、及び図２２Ｇ参照）、迷光とフレネル反射を最小にする。光源、もしくは少なくとも垂直方向への光インカップリングコリメーションにより、ライトガイドへの入射角を制限してもよい。
２）光学キャビティパターンの第１の面でほとんどの光を光取り出し面にアウトカップリングし、一部透過した光をキャビティの界面からキャビティ内部へリダイレクトして、第２の面に導くことで、漏れ光または迷光を抑制する（図２２Ｅ、図２２Ｆを参照）。この構成は、複合的なソリューションであり、パターンプロファイルの第１の面を、限られた入射角（漏れ光または迷光を回避できる臨界角）に設計する。入射角は光学コリメーション素子を用いて（角度が大きいときは光吸収層を用いて）制限可能である。
３）非対称の光学キャビティパターンを用いるときは、第１の面を光取り出し／アウトカップリング面とし、第２の面をアウトカップリングさせずに透過またはリダイレクトのための面とする。これにより、ライトガイドから好ましくないフレネル反射が直接外部にアウトカップリングすることを防止する。周期的なパターンが用いられる場合は、第２の面は、次のパターン面と協働して、光の方向付け、光取り出し／アウトカップリング性能等を向上する。
４）対象形の光学キャビティパターンを用いるときは、第１の面を光取り出し／アウトカップリング面とし、第２の面をアウトカップリングさせずに透過またはリダイレクトさせて、望ましくない方向へのフレネル反射を最小にする（図２２Ｃ参照）。
５）光学キャビティパターンを用いるときは、第１の面、及び／又は第２の面に、反射防止コーティングまたは反射防止構成を適用しる。フレネル反射を最小にするために、ＡＲパターンまたは多層コーティング、または低屈折率コーティングを用いて広帯域ＡＲを設けてもよい（図２２Ｄ、図２２Ｉ参照）。光学キャビティパターンとＡＲ構造／コーティングで多機能ハイブリッド構成としてもよい。
６）光学キャビティパターンのプロファイルを形成するときは、フラットな表面をもつ第２の面に、ＡＲコーティングまたはＡＲパターンを設けてもよい。このような光学キャビティは、一方の表面にキャビティ形状を形成した第１のフィルムと、一方の面にＡＲコーティングを施した第２のフィルムを貼り合わせることで形成できる。光学キャビティに貼り合わせの界面は存在せず、能動的なＡＲ面が得られる。
７）片面照射でライトガイドに光学キャビティパターンを形成する場合、光取り出し面にＡＲ層（ＡＲコーティングまたはＡＲパターン）を設けることで、望ましくないフレネル反射を最小にすることができる。両面光取り出しの場合、ＡＲ層はなくてもよい（図２３参照）。
８）一方の面が表示面への光取り出し面となるライトガイドに光学キャビティパターンを形成する場合、表示ユニットとの接触面に光学接着剤を注入して望ましくないフレネル反射を最小にする（図２４参照）。
９）光学パターンを形成せずに片面を光フィルタリング面とする場合、光学的な開口で光を通過させ、光学接合により表示面に所望の照明光を与える。光フィルタリング面は光透過面を有する低屈折率クラッドで実現されてもよい（図１Ａ、図１Ｂ、図２Ｃ参照）。

透明ライトガイドと透明キャビティ光学系には多様な用途があり、光学パターン自体は用途、適用形態等に応じて適宜設計され最適化される。たとえば、光学機能層に設けられる少なくとも１つの光学パターンは、溝、凹部、ドット、ピクセル等から選択されるレリーフとして形成されてもよい。レリーフは、たとえば、局所的な（膜厚方向の）凹面または凸面を有するパターンであり、バイナリ、ブレーズ、傾斜、プリズム、台形、半球などの形状から選択されてもよい。あるいは、レリーフは、直線、曲線、波状、正弦波などの長い形状であってもよい。

透明照明の場合、光学機能層のために色ずれと散乱の少ない高性能な光学材料を用いるのが望ましい。特に、ライトガイド、ＯＣＡ（光学透明接着剤）、低屈折率層において、良好な光学材料を用いるのが望ましい。光学開口を持つ低屈折率層は、散乱と迷光が抑制されていることが望ましい。他の屈折率材料とともにラミネートされた積層内に物理的な開口があると光散乱、曇り、コントラスト比の低下の原因となるので、図１Ａ，図１Ｂ、図２Ｃのように、局所的な屈折率の変化による光学的開口を有する低屈折率層は一つの有効な構成である。光学開口を有する低屈折率層は、インクジェット印刷、反転オフセット印刷、レーザ、電子ビーム処理などにより形成され得る。

図１Ａ及び図２Ａ～図２Ｃの構成は、フロントライトソリューションとして効果的である。ライトガイドの少なくとも光取り出し面に低屈折率層１５が設けられ、光源２１と反対側の端部まで導光させることができる。図１Ｂのように、ライトガイド１４の光取り出しめんが最上層となるフロントライトソリューションも有効であるが、最表面の汚れまたは欠陥による光漏れを防ぐために、好ましくは低屈折率値の硬質コーティングを堆積してもよい。

光学機能層が光学パターンを有する場合、光学パターン密度は一定であってもよいし、図２Ｃのようにパターン密度に勾配を持たせてもよい。光学パターンを有する光学機能層は、透明バックライト、フロントライト、照明パネル等の用途に応じて設計され得る。光取り出しのパターンとして、狭い範囲での光分布、広範囲の光分布、楕円形、対称、非対称などの光分布に設計することができる。光取り出し効率は、連続的な周期的プロファイル、またはピクセルなどの局所的プロファイルによって最大化できる。透明ソリューションの場合、曇り度及び迷光を最小化することで、光取り出し効率を最大にできる。連続的で効率的な３Ｄ光学パターンを設けてもよい。この場合、複数のアプリケーションに利用可能であり、マスター製作と製品コストが削減され、製品サイズを大型化できる。

光学機能層に設けられる基本的な光学プロファイルとして、表面レリーフパターンまたはキャビティ光学パターンのいずれを用いてもよい。キャビティ光学パターンの場合、光学キャビティ内に気体、流体または固体材料、好ましくは空気を充填して、光学面に内部全反射効果を与えてもよい。光学パターンに、回折または屈折光学系に基づいて、バイナリ、傾斜、ブレーズ、プリズム、マイクロレンズなどの異なるプロファイルを与えることができる。

ライトガイドは、塗布層、基材上のフィルム、導光体等を用いて形成される。パターンのない基材のフラットな表面に、光フィルタリング開口を有する光分配／取り出しフィルムを適用してもよい。機能性フィルムを用いることで、ＰＭＭＡ、ガラス等のように異なる材料を用いて、ライトガイドを薄くも厚くも設計できる。すべての光学機能が、「オールインワン」フィルム上に一体化されてもよい。主要な光学機能として、フィルタ開口による均一性の制御、光学キャビティパターンで決まる光分布でのアウトカップリングである。これら２つの主要機能は、２つの異なるフェーズとして個別に実現されてもよい。ディフューザなどの追加の機能層を組み込んでもしてもよい。

低屈折率層による光学フィルタを基材の表面に直接適用して開口を形成し、光学フィルタの上に、光取り出し用の光学パターンを有する機能性フィルムを適用してもよい。この構成は、積層または組み立ての工程数を減らすことができる。光学フィルタと機能性フィルムの積層構造は、ライトガイドの片面または両面に適用することができる。

光の分配と取り出しは、少なくとも１つの光学パターン層、表面レリーフ、キャビティパターン等といったフィルムのコンセプトに基づいている。複数の光学パターンを適用して単一のフィルムを形成することができ、その中に少なくとも１つのキャビティ光学層が一体化されていてもよい。エアキャビティなどのキャビティ光学素子を利用することによって、複数の層を互いに接合することができる。凹凸パターン等の表面レリーフを用いない場合は、フィルムは完全に一体化され、界面同士が接着され得る。一体化された光フィルタクラッディングを、光学パターンを有する単一のフィルム内に集積してもよい。

光学パターンは、様々な形態で光学機能層に形成され得る。例えば、層内に埋め込まれたエアキャビティオプティクス（層内に光学的空洞を有する光学機能層）でもよいし、透明ラミネート層、反射ラミネート層、着色ラミネート層等との界面に配置される光学体とキャビティの交互パターンとして形成されてもよい。

開口を用いずに、図２Ｂのように、内部に光屈折／取り出し用の光学パターン（例えばエアキャビティ）を有するライトガイド１４Ｂを光フィルタとしてもよい。ライトガイド１４Ｂの両面に均一な低屈折率材料の連続膜が設けられる。光学パターンはライトガイド１４Ｂの内部に一体化されている。光学パターンとして、マイクロレンズ、ブレーズ、傾斜、離散パターン、ピクセルパター等を周期的あるいは回折格子状に配置してもよい。両面に均一な低屈折率層が形成されたライトガイドを、光学透明接着剤（ＯＣＡ）で他の層と接着してもよい。ＯＣＡは、低屈折率層よりも高い屈折率を有し、好ましくはライトガイドと同じ屈折率を有する。

光学機能パターンが母体層に埋め込まれたキャビティとして形成される場合、母体と機能性キャビティが交互に配置される。この場合、光学機能は光学機能キャビティの寸法、形状、周期、断面配置の少なくとも１つによって設定される。上述のように、キャビティは空気で満たされていてもよいし、他の気体、流体、液体または固体で充填してもよい。

実施形態のライトガイドを、ワイヤグリッド偏光子等の一般的な偏光子と組み合わせてもよい。偏光子は、光学機能層の平坦面上に直接接着または積層することができる。光学機能層に設けられた光学パターンがワイヤグリッド偏光子と機能的に協働するように構成されている場合、輝度を高めることができる。

実施形態の光学デバイスは、上述のとおり、サイネージ、看板、ファサード、マーケティングおよび表示灯等に適用され得る。この用途の場合、開口あるいはキャビティパターンの有無にかかわらず、低屈折率層を利用して、全領域、離散的な領域、任意の二次元形状等を照らすことができる。一例として、カップリングパターンの有無にかかわらず、カラーフィルムまたはフィギュアフィルムに開口層を一体化して、積層膜とすることができる。この積層膜を所望の形状に切断して、導光シート上にラミネートすることで、図２Ａ～図２Ｃの構成が得られる。光学機能層とライトガイドを含む積層体は、ポスター、ディスプレイ等の光学媒体層１１に対して、固定（永久）的、または取り外し可能に接着することができる。

図２Ａのように、光学媒体層１１との接触面に凸状の光学パターンを有するときは、弾性を有する透明な光学材料で光学パターンを形成してもよい。特に、取り外し可能に光学媒体層１１と接着されるときは、弾性パターンであるのが好ましい。光学媒体層１１が交換可能なポスター等の場合、光学パターンは、複数回の取り外しと再接着に耐え得るだけの耐久性と信頼性を有する弾性材料で形成されるのが望ましい。

第１実施形態では、ライトガイド１４の光取り出し側の表面に、開口のない均一な低屈折率膜１５を設け、ライトガイド１４の光取り出し面と反対側の面に、光学パターンを有する光学機能層１３を配置する。光学パターンは、ライトガイド１４からの入射光を負の角度にアウトカップリングし、光学媒体層１１からの反射光を正の角度にアウトカップリングするように設計されてもよい。光学パターンは、臨界角よりも小さい角度で光が入射するように設計されている。これにより、低屈折率層１５で全反射された光をライトガイド１４の端部まで分配しながら、光を底部リフレクタとなる光学媒体層１１の方向に効率的に導いて（カップリングして）、効率的に光を取り出す（アウトカップリングする）ことができる。

＜第２実施形態＞
図３Ａは、第２実施形態で解決すべき課題を説明する図、図３Ｂと図３Ｃは、第２実施形態の光学デバイスの断面模式図である。構成例を示す図である。

ライトガイド１４の少なくとも一方の面に低屈折率層が設けられている場合でも、光源２１の近傍では、破線の矢印で示すように、臨界角未満の入射角で低屈折率層２３また１５に入射する光線（破線で示す）が存在する。臨界角に達せずに全反射されない光線は、開口パターン等の光学機能によっては制御されず、そのまま低屈折率層２３または１５を透過して光損失となる。

また、ＬＥＤ等の光源２１に対して正しくアラインされていない場合も、出射光のすべてをライトガイド１４に結合させることができず、光学接着層１６または１９、あるいはその他の層の内部に不要な光を透過させる。界面に対して臨界角未満の角度で入射する光を回避すべきである。

図３Ｂは、上記の光漏れを解決する光学デバイス３０Ａの構成例を示す。光学デバイス３０Ａは、ライトガイド１４を有し、ライトガイド１４の両面に、光学機能層としての低屈折率層１５及び２３が設けられている。

光学デバイス３０は、その光源２１側の端部領域に、光吸収層３１及び光吸収層３２を有する。光吸収層３１及び３２は、例えば、ブラックテープ等の光吸収性の薄い層である。光吸収層３１及び３２は、光源２１側の端部領域の表面に直接接着されてもよいし、化学的表面処理によって接着されてもよい。

図３Ｂのライトガイド１４の光取り出し側で例示するように、端部の最表面に光学接着層１８等の別の層がある場合、その別の層（光学接着層１８）の表面にテープ等の層形態で光吸収層３１を設けてもよい。または、ライトガイド１４の底面側で例示するように、低屈折率層２３等の光学機能層が光吸収機能を有して一体化されていてもよい。

低屈折率層１５及び２３への入射光が全反射の臨界角よりも小さい入射角を有するときに（破線の矢印で示す）、低屈折率層１５及び２３によって制御されない光は、光吸収層３１及び３２によって吸収される。

図３Ｃは、光損失防止の別の構成例である。光学デバイス３０Ｂは、光吸収層３１及び３２に替えて、リダイレクト層３３及び３４を用いる。リダイレクト層３３及び３４として、例えば、光指向性のフィルム又はテープを利用することができる。リダイレクト層３３及び３４は、光源２１から出力された光の入射角を、臨界角を超えて全反射条件を満たすように変化させて、光をライトガイド１４の内部に保つ。

図３Ｃのライトガイド１４の光取り出し側で例示するように、端部の最表面に光学接着層１８等の別の層がある場合、その別の層（光学接着層１８）の表面にテープ等の層形態でリダイレクト層３３を設けてもよい。または、ライトガイド１４の底面側で例示するように、低屈折率層２３等の光学機能層がリダイレクト機能を有して一体化されていてもよい。

リダイレクト層３３及び３４は、埋め込み型の開口またはキャビティ光学素子で実現されてもよく、それぞれ低屈折率層１５及び２３と協働して光に指向性を与える。埋め込み型の開口またはキャビティ光学素子を有するリダイレクト層は、たとえば開口またはキャビティのパターンが形成された透明な第１フィルムに、第２フィルムをラミネートすることで作製可能である。第２フィルムは、透明でも非透明でもよく、ランバート反射、鏡面反射、異なる二色間（白黒など）の反射特性を有していてもよい。

導光方向への光源２１のアライメントずれは、上部（光取り出し側）の光学接着層１８がライトガイド１４の端部まで覆っていない場合は、それほど問題にならない。光学接着層１８は、ライトガイド１４のエッジからいくらか離れて設けられてもよく、リダイレクト層３３でライトガイド１４内への光の伝搬をサポートする。通常は、低屈折率層１５及び２３は非常に薄く、ライトガイド１４での光の結合と伝播に、曇り、カラーシフト等の問題を生じさせずに、ほぼすべての光線は高屈折率側（ライトガイド側）に反射される。

第２実施形態の構成で、光源２１側の端部での光損失を抑制し、ライトガイドの反対側の端部まで導光させつつ、光取り出し面から十分な量の光を取り出すことができる。

＜第３実施形態＞
図１７Ａは、第３実施形態で解決すべき課題を説明する図、図１７Ｂ及び図１７Ｃは、課題を解決するための構成例を示す。

図１７Ａにおいて、光源２１により、対応するライトガイド１００１の光入射側の端面に光を入射するときに、入射側端面に何も処理が施されていないと、入射光が光の線となって視認されてしまう。通常は、入射端面にギザギザを形成するなどの加工が施されているが、光の方向性を十分に制御できず、好ましくない方向への散乱、アライメントずれ等により、輝度が低下する。そこで、光源２１とライトガイド１００１の入射端面の間に、反射シート１００３を有するリフレクタ１００２を配置して、光をライトガイド１００１の端面にコリメートすることが考えられる。

しかし、部品数が増え、組み立てコストと時間がかかる。低コストで組み立てが容易、かつライトガイドへのインカップリング効率が高い新しい構成が望まれる。

図１７Ｂは、一つの解決策を示す。光学デバイス４０Ａは、ライトガイド１７４の入射側の端面１７５に設けられるインカップリング光学系１７０を有する。図１７Ｂは、ライトガイド１７４の導光方向をｙ、厚さ方向をｚ、幅方向をｘとしたときのｘｙ面内の形状を示している。

インカップリング光学系１７０は、半球形、プリズム型、ロッド型等の形状を有する光学素子１７１、及び光学素子１７１とライトガイド１７４の端面１７５との間に形成されるエアキャビティ１７３を含む。光学素子１７１は、光源２１から出射された光を効率的にライトガイド１７４の端面１７５に向けて出力する。エアキャビティ１７３は、光学素子１７１から出力されて光を、ライトガイド１７４の端面１７５に効率良く入力するインカップリング素子として機能する。光学素子１７１とエアキャビティ１７３によって、光源２１からの光をコリメートし、かつ効率的にライトガイド１７４の端面１７５に結合させる。

図１７Ｂの例では、光源２１と同じ数の光学素子１７１が横方向（ｘ方向）に配列されたインカップリング光学系１７０が、光学接着層１７６によってライトガイド１７４の端面１７５（導光層１７４の一様な平面となっている入射エッジ面１７５）に接着されている。複数の凸状の光学素子１７１の頂点は、一様な平面となっているライトガイド１７４のエッジまたは反面１７５に接触して配置される。これらの凸状の光学素子１７１は、その頂点が、一様な平面となっているライトガイド１７４の端面１７５に接触する形で端面１７５とアライメントして、エアキャビティ１７３のパターン（光学キャビティパターン）を形成している。各光学素子１７１とエアキャビティ１７３は光源２１から出力された光を、対応するライトガイド領域に結合させる。

好ましい構成例として、図示はしないが、複数の光学素子１７１が一列に配置された光学シートを用いてもよい。光学素子１７１の形状は半球形に限定されず、エアキャビティ１７３が形成され得る限り、レンティキュラ型、ロッド型等であってもよい。光学シートにおいて、各光学素子１７１の底面に、あらかじめＬＥＤ等の光源２１が固定されていてもよい。光学シートは、押出し成形、打ち抜き、成形インサート等により、低コストで簡単に作ることができる。この構成によると、光学シートをライトガイド１７４の平坦な端面１７５に貼りつけるだけで、光源２１と対応するライトガイド領域の端面１７５が、セルフアラインされる。

光学シートを貼り付けた後は、光学素子１７１とエアキャビティ１７３の界面で光が屈折して、ライトガイド１７４の端面１７５に効率的に光結合する。光源２１からの出射光のほぼすべてが利用される。

図１７Ｃは、他の構成例の光学デバイス４０Ｂを示す。光学デバイス４０Ｂでは、光学接着層１７６を用いる替わりに、インカップリング光学系１７０とライトガイド１７４を一体的に形成する。一体型の光学デバイス４０Ｂは、モールディング、ダイカット法等によって、容易に作製できる。

図１７Ｂと図１７Ｃにおいて、光学素子１７１は、たとえば、横方向（ｘ軸方向）に±１０°の角度で光をコリメートする平坦なボールレンズとして成形されてもよい。この構成は、ＬＥＤストリップのように複数の光源２１を使用する場合に適している。光学素子１７１を含む光学系の設計は、ライトガイド１７４の内部でｘ方向（横方向）の光分布の均一性を７０％以上にして、「点光源」の影響を正規化するように最適化されている。

図１７Ｂと図１７Ｃにおいて、複数の光源２１は、光学素子１７１の非凸部側（光学素子の凸部と反対側）の連続的な平面に配置されている。光学素子１７１の凸部と反対側の平面側に光源２１を配置することで、複数の凸部に対応した複数の光源のアライメントが容易である。

図１７Ｄは、横方向にコリメートされている第３実施形態のライトガイド１７４の内部の光強度分布を示す。図１７Ｄのモデルでは、コリメート機能を持つインカップリング光学系１７０と、リニアブレーズの型グレーティング３５の組み合わせにより、入射端面（図の底面）で均一な光分布が得られている。グレーティング３５は、突起をライトガイド側に向けて配置されている。インカップリング光学系１７０により横方向の光束が正規化されているので、ライトガイドでのグレーティング３５の充填率の最適化が容易になっている。このモデルの縦方向の輝度分布のＦＷＨＭは３０°、横方向の輝度分布のＦＷＨＭは５０°である。よくコリメートされていることが示されている。

図１７Ｅは、比較例１の強度分布を示す。比較例１は、図１７Ｄと同じ光源２１、同じサイズのライトガイド１７４を用い、インカップリング光学系１７０を用いない構成である。アウトカップリングには、図１７Ｄと同様に、リニアブレーズ型のグレーティング３６を用いるが、突起が光源２１側に向けて配置されている。ライトガイドの入射端に光源からの多数の光縞が観察され、ライトガイド底部での光分布の均一性が良くない。縦方向の輝度分布のＦＷＨＭは３０°であるが、横方向へのコリメートが不十分で、横方向の輝度分布のＦＷＨＭは８２°と広い。

図１７Ｆは、比較例２の強度分布を示す。比較例２では、図１７Ｄと同じ光源２１、同じサイズのライトガイド１７４を用い、湾曲形状のクレーティング３７を用いる。インカップリング光学系１７０は設けられていない。ライトガイドの底面での光分布はほぼ均一である。縦方向の輝度分布のＦＷＨＭは２９°であるが、横方向へのコリメートが不十分で、横方向の輝度分布のＦＷＨＭは７８°と広い。

図１７Ｇは、図１７Ｄ～図１７Ｆのモデルと従来モデルを比較する表である。従来モデルは、輝度強化フィルム（Brightness Enhancement Film）付きのマイクロレンズ型バックライトユニット（ＢＬＵ）である。比較例１は、図１７Ｅのリニアグレーティング構成のエアキャビティ型ＢＬＵである。比較例２は、図１７Ｆの湾曲グレーティン構成のエアキャビティ型ＢＬＵである。比較例１と比較例２では、インカップリング光学系１７０が用いられていない。実施形態の構成は、図１７Ｄのモデルに基づき、インカップリング光学系１７０と、リニアグレーティング構成を用い、かつ、クレーティングの突起をライトガイド側に向けている。

比較のパラメータは、輝度（ルミナンス）、従来構成の輝度を１００％としたときの相対値、ＦＷＨＭ、入射端面（底面）の強度分布の均一性、インカップリングの有無である。

実施形態のモデルは、インカップリング光学系とリニアグレーティングを用いて、従来のライトガイド構成と比較して、９０％を超える効率向上が達成されている。底面の強度分布の均一性、輝度分布などの他のすべての性能も向上している。上記の性能パラメータの全ては調整可能であり、最終的なターゲット値を最適化することができる。たとえば、インカップリング光学系をアウトカップリング光学系とともに最適化することで、光分布角を狭くも広くもできる。

インカップリング光学系１７０によって横方向にコリメートされた光の場合、リニア構造のグレーティング３５を、アウトカップリングパターンとして利用することができる。リニアグレーティング３５のマスターおよび製造ツールは、ドラム切断法や、その他の直接ツール法によって製造できるため、全構造の製造とマスターの作製が安価かつ容易になる。

薄膜の場合、インカップリング光学系１７０のエアキャビティ１７３または光学素子１７１は、ダイ切断法、特に加熱ブレード法等により作製可能である。インカップリング光学系１７０の形状は、ライトガイドを大型のベースフィルムから切り取るのと同じプロセスで形成され、プロセスが安価かつ容易になる。インカップリング光学系１７０の光学素子１７１またはエアキャビティ１７３を拡散反射、鏡面反射等のリフレクタフィルム、またはリダイレクトフィルムで覆って、全光を利用する構成にしてもよい。インカップリング光学系１７０のキャビティの両面にリフレクタフィルムを設けてもよい。この場合、リフレクタフィルムをライトガイドの表面に透明な低屈折率接着剤で直接接着してもよい。ライトガイドの表面に低屈折率値の透明コーティングがなされている場合は、そのような表面層にリフレクタを接着してもよい。

厚いシートの場合、レーザ切断により、フラットボールレンズ型のキャビティを形成することができる。あるいは、図１７Ｂの（ｂ）に示したように、ライトガイドのエッジに接触点を有する光学素子１７１を有する光学シート１７８またはストリップを用いてもよい。光学シート１７８と透明な光学接着剤で、比較的厚い（たとえば１～５ｍｍ）ライトガイドのエッジにラミネートすることができる。これは簡単な方法であり、ライトガイドの厚さが厚さので、アライメントが容易である。この場合も、エアキャビティ１７３または光学キャビティを片面または両面でリフレクタ、ディフューザ、リダイレクトフィルム等で覆って、効率を最大化してもよい。

垂直方向のコリメーションの場合、ライトガイドの一体化に、ラウンドエッジ又はボールレンズを利用することができる。インカップリング光学系１７０は、図１７Ｃのように一体化されていてもよい。なお、インカップリング光学系１７０でのエアキャビティ１７３または光学素子１７１の形状は、上記の例示に限定されず、光源２１からの光をライトガイド１７４の入射側エッジに効率的に結合できる任意の形状に設計される。

この構成により、ライトガイドへの光入射効率と輝度を高め、強度分布を均一にすることができる。

図１７Ｈは、第３実施形態のインカップリング光学系１７０を用いたときの横方向の輝度の均一性を示す図である。インカップリング光学系１７０と３つのＬＥＤを用いたモデルでシミュレーションしている。上述のように、インカップリング光学系１７０は横方向へのコリメート機能を有し、ライトガイド内での横方向での輝度分布の均一性が８０％に達している。最終的な所望の照明性能、特に光源側のエッジ近傍で均一な照度を達成するために、横方向への輝度または光束は、ライトガイドのアウトカップリング設計を考えるうえで重要な要素である。第３実施形態の構成により、横方向への均一な輝度分布が実現される。

図１７Ｉは、ライトガイドの入射端にインカップリングキャビティを組み込んだ構成例を示す。構成（ａ）は、表面レリーフパターンを有する一般的なライトガイド構成に、インカップリング光学系１７０として、一体化されたインカップリングキャビティを組み込んだ例である。この場合、ＬＥＤからの光がインカップリングキャビティによって効率的にライトガイドに結合されたとしても、レリーフパターンの斜面に臨界角未満の角度で入射する光によって光が屈折し、ライトガイドの反対側の端面まで十分に導光することができない。

構成（ｂ）は、図２Ｂのような埋め込み型のキャビティ１７２を有するライトガイド１７４ｂに、インカップリングキャビティを組み込んだだ例である。この構成では、ライトガイドの底面に向かう光は全反射条件を満たし、ライトガイド１７４ｂの反対側まで十分に伝搬するとともに、キャビティ１７２によって、光取り出し側に反射される。

構成（ｃ）は、パターンのないライトガイド１７４の光取り出し側に、開口を有する低屈折率層１３が設けられ、低屈折率層１３の上に、埋め込みキャビティ１７９を有するパターン層１７７が配置されている。この構成では、インカップリング光学系１７０によって効率的にライトガイド１７４に結合した光は、ライトガイド１７４の底面と、低屈折率層１３の間を全反射しながら伝搬し、かつ、開口を透過した光が、埋め込みキャビティ１７９によって光取り出し側に屈折される。これにより、均一な輝度分布で、光取り出し効率を向上することができる。
＜その他の実施形態＞
以下で述べる実施形態は、基本概念（図１Ａ、及び図１Ｂ）、第１実施形態、第２実施形態、及び第３実施形態のいずれにも適用可能である。また、基本概念、第１実施形態、第２実施形態、及び第３実施形態は、互いに組み合わせ可能である。

実施形態の光学パターン（光学開口、エアキャビティ等を含む）は、多様な方法によって製造される。たとえば、レーザパターニング、ダイレクトレーザイメージング、レーザドリル、マスクによる、またはマスクレスのレーザ又は電子ビーム照射が用いられる。印刷、インクジェット印刷、スクリーン印刷等によって個別の特性を付与して、光学材料や屈折率値を変更してもよい。マイクロ／ナノディスペンス、ドージング、ダイレクト「書込み」、離散的レーザ焼結、マイクロ放電加工（マイクロＥＤＭ）、マイクロマシニング、マイクロ成形、インプリンティング、エンボス加工、及びこれらに類するものによっても製造できる。低屈折率層又は内部全反射（ＴＩＲ）層を直接貼り合わせる直接コンタクト法で光学開口の形成を完了してもよい。

開口の形成は、例えばレーザアブレーションにより、キャリア基板、ライトガイド等の媒体を介して処理するなど、間接的コンタクトで完了してもよい。アブレーションによってクラッドが除去されることで、直接コンタクトと同じように、所望のサイズ、形状の開口が形成される。好ましくは、レーザビームスポットプロファイルは、平坦なシルクハットのように整形される。このスポットプロファイルは過剰な熱を生成せず、キャリア基板やライトガイドを損傷しない。レーザ波長は、クラッド吸収カーブ、ホールエッジ品質、ビーム整形光学系、厚さ／高さ、処理コスト、またはこれらに類する観点から、適宜選定される。

図４及び図５は、開口２８１の作製にレーザ１４０を利用する例を示す。図４で、ロール・ツー・ロール法により、低屈折率コーティング２８が形成された基材４１が、ロールＲ１からロールＲ２に巻き取られる。このとき、低屈折率コーティング２８は、レーザ１４０によって１ｍ～２０ｍ／分の速さでアブレート／除去され、約５～２０μｍのサイズの開口２８１が連続して形成される。基材４１は、光学プラスチックまたは光学ガラスのフィルムであり、シート法にも適用可能である。開口２８１が形成された後に、ロールＲ３によってＯＣＡ４２が供給され、基材４１、開口２８１付きの低屈折率コーティング２８、及びＯＣＡ４２の積層が形成される。この手法は、連続式又はストップ・アンド・リピート式のロール・ツー・ロール法又はロール・ツー・シート法として実行され得る。また、フィルム・バイ・シート法又はシート・バイ・シート法を用いて、不連続のフィルムも製造可能である。図５のように、複数の走査ヘッドを使用することで、１．５ｍまでの幅を持つ幅広のウェブを製造することができる。

図５は、複数のスキャナ／レーザ２４１～２４３を有するマルチヘッド２４０を用いた開口形成を示す。この例では、１．０ｍ～１．５ｍのライン幅を実現することができる。ライトガイドでの均一な光分布のために、基材４１上の低屈折率コーティング２８に開口２８１が形成される。徐々に変化する開口、または一定の開口を形成することで、あらゆる種類のサイズに対して均一なライトガイド設計を可能にする。したがって、製品ごとにカスタマイズした３Ｄ製造プロセスが不要になる。開口２８１の形成の終了後に、積層体フィルムを特定サイズのシートに切断することができる。

図６Ａと図６Ｂは、レーザアブレーションにより形成された開口の画像である。図６Ａでは、シルクハット型プロファイルのレーザビームが用いられ、図６Ｂでは、ガウシアン型プロファイルのレーザビームが用いられている。

大型のライトガイドは非常に高価であり、成形により表面全体にパターン形成することが難しく、大量生産が困難である。上述した各実施形態の光学デバイスは、フィルムラミネーションを基本としており、様々なサイズで、特に、大型のライトガイドを生産するためのフレキシブルでコスト効率の良い構成である。実施形態の構成とコンセプトは、ロール・ツー・ロール法、ロール・ツー・シート法、又はシート・ツー・シート法による大量生産への適用を可能にする。最終的な生産速度は、選択された製造方法に依存するが、０．５ｍ～３０ｍ／分の間で、適宜設定することができる。また、連続式、又はストップ・アンド・リピート式のいずれにも適用可能である。光学デバイスの製造は薄膜プロセスに基づく。ライトガイドとなる薄膜に形成された膜に開口が形成される。あるいは、薄膜が光学パターンを持たないソリッドなライトガイドを形成するように、ライトガイド上に開口光学パターン膜を直接ラミネート又は接合してもよい。後者のタイプは、生産をフレキシブルかつコスト効率的なものとする。基礎となるクラッドフィルム又はコーティングフィルムを大量に生産してロールの状態で保管できる。その後に、反復的及び連続的な方法で開口を製造して、最終的に、再度ロールにて保管してもよいし、シートに切断することもできる。

上述の光学デバイスに好適な光源は、単一又は複数のＬＥＤ（発光ダイオード）、１つ以上のレーザダイオード、１つ以上のＬＥＤバー、１つ以上の有機ＬＥＤストリップ、１つ以上のマイクロチップＬＥＤストリップ、１つ以上の冷陰極管、及びこれらに類するものとして構成され得る。透明ライトガイドソリューションの場合、光源による光分布の制御が重要である。典型的に、ＬＥＤ光はガウシアン分布を持つ。低屈折率クラッドの場合、ライトガイド内で全反射が起きる臨界角をスネルの法則によって規定する。界面への入射角が臨界角よりも大きい光は、低屈折率クラッドに形成された開口の寸法及び形状によりその屈折の方向が制御される。臨界角よりも小さい入射角の光については、第２実施形態で説明したように、低屈折率クラッドを透過することを防止する対策が必要である。図３Ｂ及び図３Ｃを参照して説明したように、ＬＥＤ側のエッジ近傍で、ライトガイドのクラッドの上に、望ましくない入射範囲の光を吸収する例えばテープ（特に、黒色テープ）などの薄いアブソーバを配置するのが望ましい。アブソーバに替えて、光学パターンテープなど、開口パターンを有する光屈折層を用いて、望ましくない入射範囲内の光を、臨界角よりも大きい角度が得られる方向へリダイレクトし、さらにリダイレクトした光を有用な光入射範囲に戻す構成としてもよい。

図３Ｂ及び図３Ｃで例示されるように、低屈折率膜がライトガイドの両面に設けられている場合は、両面でアブソーバまたはリダイレクト法により臨界角未満の光入射に対処しなければならない。

さらに、上述した第３実施形態のように、インカップリング光学系を用いて、光入射を高臨界角と低臨界角の間に制限してもよい。これにより、光源から放射された全ての光を効率的に利用できる。インカップリング光学系は、ライトガイドと一体形成されていてもよいし（図１７Ｃ）、ライトガイドとは別個の素子として形成された後にライトガイドに接着されてもよい（図１７Ｂ）。後者の構成として、光源の放射開口の直径に等しい直径を持つ光学ロッドを用いることができる。プラスチック又はガラスのロッドが、２次元での光コリメーションを提供し得る。同様の光制御が、ボールレンズ、バレルレンズ、半球型またはプリズム型のレンズ等によるエッジプロファイルによって達成され得る。

一体化された開口を持つライトガイドは、独立したエレメントとして使用することができる。あるいは、片面又は両面で基板にラミネートされてもよい。フロントライトエレメントの場合、一般に両面でラミネートされる。バックライトコンセプトでは、ラミネートされた２つ以上のライトガイドを用いる。バックライト型でもフロントライト型でも、開口を有する複数の層が各層又は各媒体内の光を制御する。

光学的に透明なクラッド、コーティング又はフィルムの場合、実施形態のライトガイド構成は、フロントライト、バックライト、窓やファサードの照明、サイネージ及び信号のライティング、ソーラーアプリケーション、装飾照明、ライトシールド、マスキング、屋ルーフライティングなどの公共または一般の照明などに利用される。

他の実施形態において、光分配エレメント／ライトガイドエレメントは、少なくとも光アウトカップリング機能を持つ、少なくとも１つの光学機能パターンを有する光学機能層を備える。ライトガイドは、光学フィルタ開口と、例えばアウトカップリングパターンなどの光学パターンを備えて実装される。このようなライトガイドは、インカップリングされた光の伝搬のための基本媒体と、均一性が制御された開口の光学フィルタソリューションと、光アウトカップリング及びその分布制御のための光学パターン層とを有していてもよい。光学パターン層は、光学プロファイルを持つ薄い媒体であり、その機能性は、媒体内で臨界角以上（≧θ_Ｃ）となる入射角に基づく。光学パターンは、好ましくは均一であり、一定の密度で形成されてもよいし、全領域または離散的に形成されてもよい。光学パターンは、所望の照明又は信号表示の目的で、配置密度が変化するように設計されてもよい。光学パターン層は、光学フィルタ及び開口に応じて、ライトガイドのアウトカップリング面の片面又は両面に適用され得る。光学パターン層は、典型的には、全体又は部分的な表面領域で平坦面上に設けられる。また、光学パターン層が複数の層を含んで、各層が拡散、光カップリング、偏光（ワイヤグリッド）、信号表示などの異なる光学機能を形成してもよい。

光学パターンを持つ光学機能層は、アプリケーション固有の設計がなされてもよい。たとえば、不透明バックライト、高充填率（一般には一定の充填率）と最大カップリング効率を持つ照明及びインジケータパネル、より低い充填率と最適化された効率を持つ透明なバックライト、フロントライト及び照明パネル等である。光分布は、狭分布、広分布、楕円形、対称、非対称等、様々に設計され得る。最大効率は、連続的な周期的プロファイルによって達成され得る。透明ソリューションでは、透明さ、曇り、及び迷光に関して、最大充填率を最適化することができる。複数の用途に利用可能な、連続的で効率的な３次元の光学パターンを備えることは、大きな利益である。そのような３次元光学パターンは、マスター製作コストと製品コストを低減し、大型サイズの素子を生産することを可能にする。

２方向への光制御のために、ハイブリッドパターンを用いてもよい。この場合、光分布／ライトガイド素子に、複数の離散的または連続的なプロファイルを有するハイブリッドパターンとして構成される光学機能パターンが設けられる。

ハイブリッドパターンは、２方向配光制御のための３次元光学形状をもち、多様な照明目的に適用可能である。ハイブリッドパターンは、離散的なピクセル、プロファイル、連続的または部分的に連続的なプロファイルに基づく。パターンプロファイルは、少なくとも部分的にリニアな配置、カーブもしくは正弦波状の配置、ジグザグ配置、ランダムまたは準ランダムな配置、などによって形成される。高さの変化を含め、異なるプロファイルの組み合わせてもよい。パターン壁の角度プロファイルは、領域全体で一定角度、あるいは角度変化を持つ対称又は非対称な角度で形成される。正弦波の配向を有するハイブリッドパターンは、パターン壁の最適化された角度及び周期、振幅及び周波数によって、ｘ－ｙ軸の光分布に影響を及ぼす。

パターンプロファイルは様々に設計され、例えば縦方向の光分布制御のために異なるブレーズプロファイル角度にするなど、様々な形状やプロファイルを有することができる。パターンプロファイルは、異なる目的及び狙いに合わせて最適化され、故に、複合パターンは、数多くの異なるパターンバリエーションに基づくことができる。

フィルムとして実現されるハイブリッドソリューションは、リニアパターンが通常生じさせる光ストレークを回避することによって、均一性能を向上させる。また、非リニアパターンソリューションによって、モアレ効果も回避することができる。また、高い充填率により、ライトガイド上の光学的な欠陥を覆うことができる。

単一フィルムでのハイブリッドパターンは、従来の２枚の輝度強化プリズムフィルム、さらには２枚のラミネートされたプリズムシートに置き換わることができる。ここで提供されるハイブリッドフィルムは、ラミネーションのための平坦な表面をトップ面と底面に有しながら、エアキャビティパターンを有していてもよい。

ハイブリッドパターンフィルムの機能は、典型的に、媒体の臨界角よりも大きい入射光角度での全反射に基づく。これは、媒体の臨界角よりも小さい入射光でアウトカップリングされた光に基づく従来のプリズムシートとは異なる。

ハイブリッドパターンは、リソグラフィ法、微細加工、又はこれらの組み合わせを含む多様な方法によって製造される。マスターツールは、典型的には、大量生産用のロール・ツー・ロール生産で使用されるドラムツールである。

光学機能層に設けられる少なくとも１つの光学パターンは、溝、リセス、ドット、ピクセル等から選択される凹凸によって形成されてもよい。これらの凹凸は、矩形波、ブレーズド回折格子、傾斜、プリズム、台形、半球、及びこれらに類するものから選択される断面凹凸プロファイルを有する。長さ方向の形状としては、直線、曲線、波状、正弦波、及びこれらに類するものから選択される。

図７は、光分布フィルタ（Light Directing（Distributing） Filter；ＬＤＦ）を用いたライトガイドスタック（Ａ）と、開口１３１を有する低屈折率層（Ｂ）と、光学キャビティ１４１のパターン（Ｃ）を示す。ライトガイドスタック（Ａ）では、ライトガイド１４に光学キャビティ１４１が形成されている。ライトガイド１４の光取り出し面に低屈折率層１５が設けられ、反対側の面に、開口パターンを有する低屈折率層１３Ｃが設けられている。これはハイブリッド構成の一例である。

図８Ａは、光分布フィルタを用いたライトガイド構造の構成例を示す図である。図８Ａの（ａ）は、内部にエアキャビティ８３が形成されたハイブリッドプリズムを用いたときの強度分布を示し、図８Ａの（ｂ）は、表面パターンを有するハイブリッドプリズムを用いたときの強度分布である。

構成（ａ）では、パターンが形成されていないライトガイド１４の裏面にリフレクタ８１が設けられている。ライトガイド１４の光取り出し側には、分布密度に勾配を有する低屈折率８８と、均一なエアキャビティパターンを有するハイブリッドプリズムフィルム８５と、ディフューザ８２が、この順で積層されている。ハイブリッドプリズムフィルム８５の内部に形成されたエアキャビティ８３によってＸ－Ｙ面内の光分布が制御される。

構成（ｂ）では、パターンが形成されていないライトガイド１４の裏面にリフレクタ８１が設けられている。ライトガイド１４の光取り出し側には、分布密度に勾配を有する低屈折率８８と、均一なパターンのハイブリッドプリズムフィルム８６と、ディフューザ８２がこの順で積層されている。ハイブリッドプリズムフィルム８６のパターンは、Ｘ－Ｙ面内の光分布を制御する。

図８Ｂは、光分布フィルタを用いたライトガイド構造の構成例を示す図である。図８Ｂの（ａ）は、内部にエアキャビティを有するハイブリッドプリズムを最上層に用いたときの強度分布を示し、図８Ａの（ｂ）は、表面にパターンを有するハイブリッドプリズムを最上層に用いたときの強度分布である。

構成（ａ）では、ライトガイドの底面側に光学機能層１３Ａとリフレクタ８１が設けられ、上面に光学機能層１５、ディフューザ８２、キャビティ付きのハイブリッドプリズムフィルム８５がこの順で設けられている。光学機能層１３Ａは、第１実施形態で説明したように、図面の下側に凸の光学素子によって形成されるエアキャビティを有する。ハイブリッドプリズムフィルム８５の内部に形成されたエアキャビティ８３によって、Ｘ－Ｙ面内の光分布が制御される。

構成（ｂ）では、ライトガイドの底面側に光学機能層１３Ａとリフレクタ８１が設けられ、上面に光学機能層１５、ディフューザ８２、表面パターンを有するハイブリッドプリズムフィルム８６がこの順で設けられている。光学機能層１３Ａは、第１実施形態で説明したように、図面の下側に凸の光学素子によって形成されるエアキャビティを有する。ハイブリッドプリズムフィルム８６の表面に形成された光学パターンによって、Ｘ－Ｙ面内の光分布が制御される。

図９Ａは、２方向の光制御のためのハイブリッドパターン９０Ａを示す。ハイブリッドパターン９０Ａは、個々のハイブリッドパターンピクセル９１Ａが連続的につながったハイブリッドパターンプロファイルを有する。

図９Ｂは、２方向の光制御のためのハイブリッドパターン９０Ｂを示す。ハイブリッドパターン９０Ｂは、連続ハイブリッドパターンフィルムで形成され、個々のハイブリッドパターン９１Ｂのグレーティングは、図９Ａよりも密である。

図１０は、２方向光制御のための光学パターンの別の例を示す。図１０の（Ａ）は、ハイブリッドパターン９０の３Ｄ形状の一般式を示す。図１０の（Ｂ）は、ハイブリッドパターン９０の断面プロファイルである。図１０の（Ｃ）は、ハイブリッドパターン９０の断面形状と寸法を示す。図１０の（Ｄ）は、ハイブリッドパターン９０の周期を示す側面図である。

図１１は、ライトガイドにおけるパターンの例として、ハイブリッドパターンとリニアパターンを示す。リニアパターン（Ｂ）では光の筋が観察されるが、ハイブリッドパターン（Ａ）では光の筋は観察されない。

図１２は、光分布フィルタフィルムのシミュレーション結果を示す。いずれも、２方向の光制御のためのハイブリッドパターンのコンセプト内で、２０個のＬＥＤとディフューザを用いた小型のＰＭＭＡライトガイドと、低屈折率開口を有するバックライトモデルを用いている。ただし、異なるプリズムを用いるて、エアキャビティパターンプロファイルを変えている。

図１３は、指センサまたは指紋センサ用の信号ライトガイドのコンセプトを示す図である。上述した光学パターンを持たないＬＤＦ構成は、センサ用の単一のライトガイドとして用いることができる。指、指紋等からのセンサ信号を処理する際に、狭い信号分布角度を実現することができる。信号分布角度は、屈折率値の異なる低屈折率層の組み合わせによってトップガラス上でチューニング可能である。たとえば、ライトガイドの上部クラッドの屈折率（Ｒｉ：１．１８）と下部クラッドの屈折率（Ｒｉ：１．２５）を異ならせることで、干渉縞などの模様がライトガイド上で視認または観察されない。光散乱が抑制され、コントラストが高く維持される
図１４は、信号ライトガイドの構成例を示す。屈折率（Ｒｉ）が１．１８から１．２５の範囲で組み合わされているが、この例に限定されず、他の組み合わせも可能である。この構成は、シングルＬＥＤ構成にもマルチＬＥＤ構成にも適用可能である。厚いガラスプレート（Ｇ）を用いた場合でも、多方向クロストークは低い。ガラスの屈折率を１．５１としたときに、全ＬＥＤ光のうち２．７％だけがトップガラスに入り込む。

図１５Ａと図１５Ｂは、９点での指紋シミュレーション結果を示す。図１５Ａで、一般に、ライトガイドからの光取り出しにより、光パワーは、ライトガイドパスに沿って徐々に減少する。図１５Ｂのように、多方向クロストークがない場合、ゴースト像は形成されず、鮮明で空間的に正確な信号を取得できる。

図１６は、異なる指紋とＬＥＤを用いた別のセットアップでのシミュレーション結果を示す。図１６の（Ａ）は、３つのＬＥＤを用い、中心から離れたコーナーに指紋がついたモデルで計算している。信号の強さは２０Ｎｉｔｓ以下である。ビームがわずかにスキューしている。

図１６の（Ｂ）は、３つのＬＥＤを用い、サイドエッジに指紋がついたモデルで計算している。信号の強さは４０Ｎｉｔｓ以下である。非常にわずかではあるが、ゴーストが観察される。これは光線トレースの影響とも考えられる。

図１６の（Ｃ）は、１つのＬＥＤを用い、中心に指紋がついたモデルで計算している。信号の強さは３０Ｎｉｔｓ以下である。鮮明な信号が観察される。

図１５と同様に、図１６でも、多方向クロストークがなく、実質的なゴースト像は形成されていない。

指その他のアイテムで反射されずにセンサ又はディスプレイ上に入射する光がほぼゼロ（０）％となるように、信号の指向性が正確に制御される。信号分布を狭くすることで、厚いガラスプレートであっても多方向クロストークは小さい。また、ゴーストの発生は最小限である。信号源は、単一のＬＥＤ、複数のＬＥＤ、又はレーザコンポーネントを用いてもよい。

光学パターンの場合、必要に応じて、信号を２方向（Ｘ－Ｙ）にコリメートすることができる。必要に応じて９０％を超える均一性を達成することができる。

上述の信号ライトガイドは、５００ｍｍ～１０００ｍのサイズに設計可能であり、一般にロール・ツー・ロールの生産ラインでサイズ調整される。この場合、均一で連続した構造体を、それぞれ必要なサイズに切断することができる。

＜マスターの製作＞
光学マスターの製作は、特に大きいサイズでは、コストが高く難しい。高度なライトガイド光学系のマスター及びルールの製作は、そのサイズの大小を問わず極めて難しく、費用がかかる。

そこで、本発明は、ダイアモンド切断又はリソグラフィ法によって大型のマスターロールを製造し、ロール・ツー・ロール法によって基本パターンフィルムを大量生産することを提案する。基本パターンフィルムは、パターン上にレジストを塗布し、マスクリソグラフィ露光と現像により作製することができる。形成された開口内に電気めっきで金属膜を形成することで、マスクパターンが複製される。たとえばニッケルシムを、光学フィルム及びシートを製造するツールとして使用することができる。

図１８Ａ～図１８Ｅは、マスター製作プロセスの一例を示す。図８Ａで、ダイアモンドシャイパによるカッティングで表面パターンが形状されたサブマスター１８９を用い、インプリント法によりベースプラスチック基板１８１にパターンを転写する。サブマスター１８９の幅は１ｍ以上のサイズに大型化可能である。

図８Ｂで、転写パターン１８２を有するベースプラスチック基板１８１にフォトレジスト１８５を塗布する。図８Ｃで、マスクを介した露光または直接露光を行い、現像することで、フォトレジスト１８５の所望の箇所が除去されて、部分的に転写パターン１８２が露出する。

図８Ｄで、たとえばニッケルめっきを行い、ベースプラスチック基板１８１を取り外すことで、図８Ｅのように、ライトガイド複製用のニッケルスタンパ１８０が得られる。このニッケルスタンパ１８０は、一例として、周期的なブレーズプロファイルのためのランダムなドットパターンを有している。

図１９は、実施形態の構造体のウィンドウ照明への適用例を示す。窓２００に、光学機能層２０２を含む積層体２０１Ａを貼り付ける（ラミネートする）することで、太陽光、照明光を入射側と反対側（たとえば室内）に効果的に取り込むことができる。積層体２０１Ａは、エアキャビティ２０３Ａを有する光学機能層２０２と、透明な光学接着層２０４を有する。光学機能層２０２は、ポリマー、ガラスフィルム等で形成可能である。光学機能層２０２を、光学接着層２０４で窓２００のいずれかの面に貼ることで、光の取り込み量を増大することができる。

図２０は、異なるパターンのエアキャビティ２０３Ｂを有する光学機能層２０２を含む積層体２０１Ｂを示す。このようなキャビティパターンも有効に使用できる。

図２１Ａは、図１９の光学機能層２０２の作製方法を示す。図２１は、接着剤フリーのラミネーション法である。パターンのない第１フィルム２１１と、表面に所望のパターン２１４が形成された第２フィルムと２１２を、接着剤フリーで（たとえばマイクロ波表面処理により）貼り合わせる。第１フィルム２１１と第２フィルムは、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）などで形成される。貼り合わせにより、エアキャビティ２１３が形成される。

図２１Ｂは、図１９の光学機能層２０１Ａの別の作製方法を示す。図２２では２つのフィルムを接着層２１６で接着する。接着層の厚さは１～３μｍ程度である。第２フィルム２１２と接着層２１６により、エアキャビティ２１３が形成される。貼り合わせの際に、プレキュアされた接着剤がキャビティパターン内に入らないようにする。

貼り合わせ法は、エアギャビティの形状に影響しないどのような方法を用いてもよい。たとえば、ラミネート表面に、ＶＵＶ光（真空紫外線）源又はＡＰＰ（大気プラズマ）による前処理を施し、その後、一定圧力の下でラミネートすることで、化学的な結合が得られる。この方法は、良好な機械的強度を達成できる。

図２５は、光学キャビティ１４１ａが形成された実施形態のライトガイド１４を用いることによる迷光抑制効果を示す図である。モデルとして、マイクロレンズ型の光学キャビティ１４１ａを内部に有するライトガイド１４を含む第１部分２５１と、マイクロレンズ型の光学キャビティ１４１ｂを内部に有するライトガイド１４を含む第２部分２５２を用いる。光学キャビティ１４１ａと光学キャビティ１４１ｂの凸部は、同じ光取り出し方向（紙面の上側）を向いている。光学キャビティ１４１ａと光学キャビティ１４１ｂの底面側が、迷光を逃がす側である。

第１部分２５１の底面に、光学接着剤２５３で低屈折率の光吸収層２５４を接着し、第２部分２５２の上面に、光学接着剤２５３で低屈折率の光吸収層２５４を接着する。光球種層２５４同士を向い合せて、第１部分２５１の上面からの光取り出し強度と、第２部分２５２の底面からの迷光の強度を計算する。

迷光の強度に対する取り出し光の強度（Ｉ_ext／Ｉ_stray）の比をコントラストとすると、コントラスト比は４４と非常に高い。

図２６は、比較例として、表面にパターンが形成された従来のライトガイド３４０を用いたときのコントラスト比のシミュレーション結果である。図２５と同様に、それぞれの部分に光学接着剤２５３で低屈折率の光吸収層２５４が接着されているが、光吸収層２５４を最外層として、２つの光吸収層２５４の間に目的光と迷光が出射する。

この構成でコントラスト比は３であり、図２５の構成と比較して視認性が非常に悪い。実施形態で、内部にエアキャビティが形成されたライトガイドを用いることで、コントラストまたは視認性を大きく向上できることがわかる。

図２７と図２８は、反射防止膜付きのウィンドウ照明のコンセプトを示す。いずれの図でも、光取り出し面に、ＡＲ膜１４５が設けられている。図２７では、ポリマーで形成されたライトガイド２７１の光取り出し面にＡＲ膜１４５が設けられ、反対側の面に、光学接着層２７２によって光学機能層２７３が設けられている。光学機能層２７３は、光源２１から出力され、ライトガイド２７１のエッジから入射する光を、効率的にＡＲ膜１４５の方向へリダイレクトする。迷光はＡＲ膜で抑制され、一方、目的の光は矢印の方向に十分に取り出される。光学機能層２７３が持つ光学パターンは、コンスタントなパターンであってもよいし、密度または占有率に勾配を有するパターンであってもよい。

図２８では、図２７のライトガイド２７１の光取り出し面側に、ガラスのカバー１７が積層され、カバー１７の表面にＡＲ膜１４５が設けられている。この構成でも、光学機能層２７３がライトガイド２７１への入射光を、効率的にＡＲ膜１４５の方向にリダイレクトする。図２７と図２８のいずれの構成も、両面照明に拡張可能である。

図２９と図３０は、着脱可能な光学デバイスの構成例を示す。図２９では、図２７の構成の積層体を、剥離可能な光学接着層２７６で、ディスプレイ等の光学媒体層１１に取り外し可能に接着する。ライトガイド２７１と光学接着層２７６の間に、低屈折率層２７５が挿入される。

図３０では、図２８の構成の積層体を、剥離可能な剥離可能な光学接着層２７６で、ディスプレイ等の光学媒体層１１に取り外し可能に接着する。図２９と図３０の構成は、ポスター、広告等、交換が想定されている表示物の表示に最適である。

以上、特定の構成例に基づいて実施形態を説明してきたが、多様な変形例、適用例が可能である。埋め込み型キャビティを有するライトガイドを用いた透明ソリューションは、サイネージ、透明な携帯電端末またはタブレット、透明なＶＲディスプレイ、マーケティングウィンドウなど、さまざまなアプリケーションがある。

実施形態の光学デバイスで、第１の表面で光を取り出し／アウトカップリングし、第２の表面は、アウトカップリングなしに光を伝搬または指向させて、望ましくないフレネル反射または迷光をライトガイドから漏らさない。光学機能層に周期的パターンが使用される場合、子の光学機能層と第２の表面は、互いに協働して光のリダイレクトと取り出し（アウトカップリング）を改善する。

あるいは、第１つの表面から光を取り出し／アウトカップリングし、第２の表面は、アウトカップリングなしに光を伝搬または指向させ、望ましくない方向へのフレネル反射を最小にする。

第１の表面と第２の表面の少なくとも一方に、フレネル反射を最小化するために、ＡＲパターン、多層コーティング、低屈折率コーティングによる広帯域反射防止効果を有するＡＲコーティング、又は反射防止構造が設けられてもよい。

光学パターンのプロファイルまたはパターン形状は、矩形波、ブレーズド回折格子、傾斜、マイクロレンズ、台形など、適切に設計される。光学パターンをエアキャビティとする場合に、エアキャビティの界面にＡＲコーティング、ＡＲパターン等を設けてもよい。エアキャビティを２つのフィルムのラミネーションで形成する場合は、パターンのない方のフィルムにあらかじめＡＲコーティング又はＡＲパターンを形成しておいてもよい。

光学パターンのサイズは、人間の眼で視認されない程度に小さい（たとえば積層方向へのサイズが２０μｍ以下）ことが望ましい。これよりも大きいサイズにするときは、ＡＲコーティング又はＡＲパターンと併用して、視認されないようにしてもよい。

この出願は、２０１８年３月２２日に米国特許商標庁に出願された米国仮出願第６２／６４６４６１号の全内容を含むものである。

１０、１０Ａ～１０Ｄ、３０Ａ、３０Ｂ、４０Ａ、４０Ｂ、１００Ａ、１００Ｂ光学デバイス
１１光学媒体層
１３、２３低屈折率層（第２光学機能層）
１３１、１３２開口
１３Ａ光学層（第２光学機能層）
１３３、１３５光学突起
１３４エアキャビティ
１４、１７４、２７４ライトガイド
１４１光学キャビティ
１５低屈折率層（第１光学機能層）
２１光源
３１、３２光吸収層
３３、３４リダイレクト層
１７０インカップリング光学系
１７１光学素子
１７３エアキャビティ

Claims

パターンのない導光層と、
前記導光層と一体的に設けられ、光源からの光を前記導光層の入射エッジに結合するインカップリング光学系であって、前記入射エッジに向かって凸の光学素子と、前記光学素子と前記入射エッジの間に設けられるエアキャビティとを有するインカップリング光学系と、
前記導光層の光取り出し側に設けられたパターン層であって、キャビティが埋め込まれたパターン層と、
を有する、
光学デバイス。
前記インカップリング光学系は、前記入射エッジに沿って並ぶ複数の前記光学素子を有し、前記光学素子の凸部の頂点は、一様な平面となっている前記入射エッジと接触している、請求項１に記載の光学デバイス。
複数の前記光学素子の前記凸部と反対側の面は連続的な平面である、請求項２に記載の光学デバイス。
前記インカップリング光学系は、光学接着剤で前記入射エッジに接着されているか、または前記導光層と一体形成されている、請求項１～３のいずれか１項に記載の光学デバイス。
前記光学素子の屈折率は、前記導光層の屈折率が同じか近接している、請求項１～４のいずれか１項に記載の光学デバイス。
前記導光層を伝搬する光を外部に取り出すアウトカップリング光学系、
をさらに有する、請求項１～５のいずれか１項に記載の光学デバイス。
前記アウトカップリング光学系は、離散的または少なくとも部分的に連続した光学パターンを有する、請求項６に記載の光学デバイス。
パターンのないライトガイドと一体化される光インカップリング光学系であって、
少なくとも一つの光学キャビティパターン、
を有し、前記光学キャビティパターンは、前記ライトガイドに入射する光を２次元面内の横方向と縦方向の少なくとも一方にコリメートし、前記横方向の光束の均一性は、前記ライトガイドのアウトカップリング構造に応じて調整され、
前記アウトカップリング構造は、前記ライトガイドの光取り出し側に設けられたパターン層であって、キャビティが埋め込まれたパターン層を含むことを特徴とする光インカップリング光学系。
前記光学キャビティパターンは、フラットボールレンズ型、丸みを帯びたエッジ型、または丸みを帯びたボールレンズ型の断面形状を有する、請求項８に記載の光インカップリング光学系。
前記光学キャビティパターンは前記ライトガイドと一体形成されているか、または接着されていることを特徴とする請求項８または９に記載の光インカップリング光学系。