JP3694024B2 - テーパ付多層照明装置 - Google Patents

Description

本発明は選ばれた態様の光照明を提供するための照明装置に関し、更に詳細には、液晶表示層から出力された光を出力後に選択的に拡散させ、偏光特性を変化させ、選択された偏光特性によりフィルターすることによって照明強度と画像出力を高めるためのバックライト用ウェッジ（くさび）形又はディスク形のテーパ付照明装置に関する。
照明装置には液晶表示装置といった種々の用途がある。フラットパネル形液晶表示装置では、コンパクトな照明源を保持するとともに適正にバックライトすることが肝要である。一般的に照明を目的とする場合にはウェッジ形光装置を用いることが周知である。この装置の大きい方の端部に光が入力され、次に反射インターフェースの臨界角に達するまで光は内部にてウェッジ面から反射され、この後、光はウェッジ装置から出力される。しかし、一般的にこの種の装置はコリメートされていない照明出力の透過のみに使用され、空間及び角度上の出力分布が不適切な場合が多い。例えば、この装置の中にはコリメートされていない出力光を発生させるのに拡散リフレクタとして白塗り層を用いるものがある。
従って、本発明の目的は、改良した光学装置及びその製造方法を提供することにある。
本発明の別の目的は、新規の３次元式照明装置を提供することにある。
本発明の更に別の目的は、偏光を制御して利用するといった光学的な目的のための改良多層テーパ付照明装置を提供することにある。
本発明の更に別の目的は、光の透過又は強度を調節するための新規のテーパ付照明装置を提供することにある。
本発明の更に別の目的は、上記照明装置からコリメートされた偏光を得るための新規の光学装置を提供することにある。
本発明の更に別の目的は、偏光フィルター層を有する改良テーパ付照明装置を提供することにある。
本発明の更に別の目的は、照明の出力を強めるため偏光の変換を可能にする新規の照明装置を提供することにある。
本発明の更に別の目的は、偏光フィルタ層及び光進行方向変更層の組み合わせを用いて、ビューア（観察者）への出力光の制御された角度範囲にわたって改良された光照明を提供する改良照明システムを提供することにある。
本発明の更に別の目的は、偏光フィルタ、偏光変換層及び後LCD拡散体層の組み合わせを用いて、光学装置から出力された光照明を高める新規の照明光学装置を提供することにある。
本発明の更に別の目的は、LCD層を後LCD拡散体層の上方に隣接して配置し、光出力または画質を犠牲にせずに、ビューアに対して広い角度にわたって、光分布を制御する改良された照明光学装置を提供することにある。
本発明の他の目的、特徴及び効果については以下の実施形態及び添付図面から容易に明らかである。
【図面の簡単な説明】
図１は、先行技術のウェッジ形装置を示す。
図２Ａは、本発明に基づいて構成された多層テーパ付照明装置を示す。図２Ｂは、ウェッジ層、第１の層及び第２のファセット層の接合部の拡大部分図である。図２００、Ｃは大きく拡大された第２のファセット層を示す図２Ａを強調した形態である。図２Ｄは、輝度を確定するための幾何学的形状を示す三層の接合部の部分図である。図２Ｅは、光の進行方向を変更して内部にて透過させる層を底部において有する多層ウェッジ装置である。図２Ｆは、底面の透光層を有するウェッジ装置を示す。図２Ｇは、底面の屈折ファセット層を有するウェッジ層を示す。図２Ｈは、底面の屈折層及びこれに接する湾曲ファセットを有するウェッジ層を示す。図２Ｉは、可変ファセット角を有するファセットの屈折層を有するウェッジ層を示す。図２Ｊは、ウェッジ層に結合された一つの屈折プリズムを示す。図２Ｋは、ウェッジ層に結合されるとともに一体型レンズを有する一つの屈折プリズムを示す。図２Ｌは、ウェッジ装置に結合された反射ファセット層を示す。図２Ｍは、湾曲ファセット角を有するとともにウェッジ装置に結合された反射ファセット層を示す。図２Ｎは、ウェッジ層に接するフラット形反射ファセットを示し、図２０は、ウェッジ層に接する湾曲形反射ファセットを示す。
図３Ａは、第２の層の周囲側に湾曲ファセットを有する多層ウェッジ装置を示し、図３Ｂは、装置に色々な層の接合部の拡大部分図を示す。
図４Ａは、照明の非対称的角度範囲の角度に対する輝度性能を計算して示す。図４Ｂは、より対称的な角度範囲の角度に対する輝度分布性能を計算して示す。図４Ｃは、図４Ｂの対称的角度に対する輝度性能を計算して示し、外部拡散器エレメントを付加している。図４Ｄは、フラット形反射ファセットを使用し、かつ並列拡散器を使用せずに出力を示し、全幅半値（ＦＷＨＭ）輝度は７度である。図４Ｅは、ほぼ対称的な出力分布の例を示し、並列レンズ形拡散器とともにフラットファセットを使用して測定し、ＦＷＨＭは３４度である。図４Ｆは、非対称的な出力分布の例を示し、湾曲ファセットを使用して測定し、ＦＷＨＭは３２度である。図４Ｇは、非対称の出力分布の例を示し、湾曲ファセットを使用して測定し、ＦＷＨＭは２６度である。図４Ｈは、ニ方式出力分布の例を示し、一つのファセット反射層及び一つのファセット屈折層を使用して測定した。図４Ｉは、大きい「テール」を有する出力分布の例を示し、拡散反射用底部光進行方向変更層及び屈折／内部反射用上部光進行方向変更層を使用して測定した。
図５Ａは、ディスク形光ガイドの平面を示し、図５Ｂは、図５Ａの５Ｂ−５Ｂに沿った断面を示す。
図６Ａは、エアギャップ層を有する多層テーパ付照明装置の断面を示す。図６Ｂは、複合放物線光源／集信装置を有する別のテーパ付照明装置の断面を示す。図６Ｃは、可変パラメトリックプロファイル形光源及びレンズ形拡散器を有する別のテーパ付照明装置の断面を示す。図６Ｄは、非均一的な厚さのウェッジ層を有する別のテーパ付照明装置の断面を示す。
図７は、光源の周囲に同心配置された反射エレメントを示す。
図８は、リフレクタの湾曲中心部と光源の中心部との間に最大変位が生じる光源の周囲に配置された反射エレメントを示す。
図９Ａは、ほぼ同様の角度分布が装置の全部分から放射するように、光進行方向変更層を使用する様子を示す。図９Ｂは、装置の異なる部分から放射する角度分布を変化させ、即ち種々の角度分布を集束させ、選択目標距離においてその重なりを促進するように、光進行方向変更層を使用する様子を示す。
図１０は、照明装置の一対のレンズ形アレイの一形態を示す。
図１１は、照明装置のレンズ形拡散器アレイ及び湾曲ファセット層を示す。
図１２Ａは、一対の回折格子又はホログラム層を有するウェッジ形照明装置を示す。図１２Ｂは、一対の屈折ファセット及び拡散器を有するウェッジ形照明装置を示す。図１２Ｃは、一対のファセット層を有するウェッジ形照明装置を示す。図１２Ｄは、二つの屈折単一ファセット層を有するウェッジ形照明装置を示す。図１２Ｅは、屈折単一ファセット層及び底面の光進行方向変更層を有するウェッジ形照明装置を示す。図１２Ｆは、上面の屈折ファセット層の光進行方向変更層及び底面の屈折／内部反射層を有する照明装置を示す。図１２Ｇは、上面の屈折／内部反射ファセット層及び底面の屈折／内部反射層を有する照明装置を示す。図１２Ｈは、上面の屈折ファセット層及び底面の屈折／内部反射層を有する照明装置を示す。図１２Ｉは、底面の鏡面リフレクタ並びに最上層の透過回折格子又は透過ホログラムを有する照明装置を示す。図１２Ｊは、底面の鏡面リフレクタ並びに上面の屈折ファセット層及び拡散器を有する照明装置を示す。図１２Ｋは、最下層の鏡面リフレクタ及び最上層の屈折／内部反射ファセット層を有する照明装置を示す。図１２Ｌは、底部の鏡面リフレクタ及び最上層の屈折／内部反射ファセット層を有する照明装置を示す。図１２Ｍは、一体型レンズ形拡散器を備えた初期リフレクタ部分を有する照明装置を示す。図１２Ｎは、層の凹凸初期リフレクタ部分を有する照明装置を示す、図１２Ｏは、偏心光結合器を有し、ウェッジ形部分に収束する照明装置を示す。図１２Ｐは、偏心光結合器、拡散器並びに凹凸形又はレンズ形リフレクタを有する照明装置を示す。図１２Ｑは、底部の鏡面性又は拡散性の反射層並びに上部の屈折層を有する照明装置を示し、図１２Ｒは、「コウモリの翼形」光学的出力を生じさせるための照明装置を示す。
図１３は、一体式に形成されるとともに二つの光源を用いた二つのウェッジ形部分の組合せを示す。
図１４は、ファセット光進行方向変更層を有するテーパ付ディスク形照明装置を示す。
図１５は、コリメートされた光学的出力分布を与えるように動作する照明装置を示す。
図１６Ａは、先行技術の周囲モードＬＣＤを示し、図１６Ｂは先行技術の透過反射性（transflective）ＬＣＤユニットを示す。
図１７は、ファセット光進行方向変更層及びレンズ形拡散器を有し、周囲及び能動モードにて動作する照明装置を示す。
図１８Ａは、拡散バックライトにわたって配置されたファセット面のマイクロプリズムのアレイ及び両側に等しい角度を有するマイクロプリズムを有するが、表面にわたってファセット角度を変換するマイクロプリズムを有しない光を示す。図１８Ｂは、図１８Ａのマイクロプリズムの配列を示し、このマイクロプリズムは、ファセット面で再度別の角度に変化させる各マイクロプリズムの側に設けられる。
図１９Ａは、偏光フィルタ層を有する照明を示す。図１９Ｂは、偏光フィルタ層を含む複数の層を有する光を示す。図１９Ｃは図１９Ｂの変形を示し、照明装置の一方の側で光の二つの偏光を出力することができる層屈折率を有する。
図２０Ａは、図１９Ｂと類似の照明装置であるが、更に反射層を含む。図２０Ｂは、図２０Ａに示された照明装置を示すが、光進行方向変更層が基層及び偏光フィルタと同じ側に配置されている。図２０Ｃは、図２０Ｂの変形で、追加光進行方向変更層及び再配置されたn2／フィルタ／光進行方向変更層を有する。
図２１Ａは、偏光変換層及び偏光フィルタ層を有する照明装置である。図２１Ｂは、図２１Ａの変形で、基層と同じ側に偏光フィルタ層及び偏光変換層を有する。
図２２Ａは、基層の一方の側に偏光フィルタ層及び他方の側に偏光変換層を有する照明装置である。図２２Ｂは図２２Ａの変形で、基層と同じ側に互いに隣接するフィルタ及び変換層を有する。更に図２２Ｃは、図２２Ａ及び図２２Ｂの変形で、反射層が加えられている。更に図２２Ｄは図２２Ｃの変形で、基層の他方の側に移動された変換層を有する。図２２Ｅは図２２Ｄの変形である。
図２３Ａは、偏光フィルタ層、変換層、光進行方向変更層、LCD層を含む複数の層を有する照明装置である。図２３Ｂは、図２３Ａの変形であり、図２３Ｃは、図２３Ａのさらに別の変形である。
図２４Ａは、二つの偏光状態のための二つの偏光フィルタ層を有する従来の照明装置である。図２４Ｂは、図２４Ａの変形であり、光進行方向変更層が追加されている。更に図２４Ｃは、図２４Ｂの変形であり、整合層、第２の光進行方向変更層及びLCD層を有する。更に図２４Ｄは、図２４Ｂ及び図２４Ｃの変形である。図２４Ｅは、図２４Ｄの変形であり、変換層、二つの偏光変換層及び二つの光進行方向変更層を有する。更に図２４Ｆは、図２４Ｅの変形で、基層の両側にＬＣＤ層を有する。
図２５Ａは、二つの偏光フィルタ層及び一つの偏光変換層を用いる一般的な構成である。図２５Ｂは、図２５Ａの変形で、光進行方向変更層が追加される。
図２６Ａは、光角度変換に結合された光源を有し、装置から出力された光の空間的均一性を制御する多層照明装置である。図２６Ｂは、図２６Ａの変形である。
図２７Ａは、ファセット光進行方向変更層、光偏光及び偏光変換層を有する照明装置である。図２７Ｂは、図２７Ａの変形で、光進行方向変更層が好適な観視域に光を収束するための湾曲ファセットを有する反射層を含む。
図２８Ａは、偏光フィルタ層、偏光変換層、ファセット光進行方向変更層及び拡散層を含む照明装置を示す。図２８Ｂは、図２８Ａの変形を示し、二つの偏光フィルタ層及び二つのファセット光進行方向変更層を有する。図２８Ｃは、照明装置に結合された光を示し、図２８Ａの変形である。図２８Ｄは、図２８Ｃの変形である。図２８Ｅは、図２８Ｃのもう一つの変形である。
図２９Ａは、LCD層に組み合わされた偏光出力を有する照明装置である。図２９Ｂは、図２９Ａの変形である。
図３０Ａは、従来のLCD表示システムを示す。図３０Ｂは、偏光フィルタ層を示す。図３０Ｃは、偏光フィルタ層の多層薄膜の形状を示す。図３０Ｄは、偏光フィルタのブルースタ−スタックを示す。図３０Ｅは、複屈折プレート及び作用する偏光を示す。図３０Ｆは、オイラー角及び光ベクトルを示す。図３０Ｇは、xz平面においてコリメートされた光を提供するバックライトを示す。図３０Ｈは、図３０Ｇの詳細な拡大図である。
図３１Ａは、複屈折層に結合された照明装置を示す。図３１Ｂは、照明装置、複屈折層及び光進行方向変更層を示す。図３１Ｃは、図３１Ｂと類似の照明装置を示し、偏光変換層が追加されている。図３１Ｄは、図３１Ｃに類似しているが、変換層が複屈折層と同じ基層の側に配置されている。図３１Ｅは、図３１Ｃの変形で、基層に結合された変換層を有する。図３１Ｆは、図３１Ｄと類似しているが、光進行方向変更層はファセット層から構成されている。図３１Ｇは、図３１Ｆに基づいているが、整合層、LCD層及び拡散層を含む。図３１Ｈは、図３１Ｇの変形である。
図３２Ａは、LCD層、後LCD拡散体層を含み、非偏光を処理し、図３２Ｂは、図３２Ａの変形である。図３２Ｃは、図３２Ｂの変形である。
好ましい実施の形態の詳細な説明
本発明の一形態に基づいて構成された多層照明装置を図２に示し、概略的に符号１０で示す。図１に先行技術のウェッジ１１を概略的に示す。このウェッジ１１において、ウェッジ１１の内部の光線は入射角が臨界角（sin-¹１／n）を下回るまで面から反射する。ここで、ｎはウェッジ１１の屈折率である。光はグレージング角にて発散すると同時に、ウェッジ１１の上面及び底面の双方から均一に発散することが可能である。
図２Ａに示す多層照明装置１０（以下、「装置１０」と称する）は、特徴的な光学屈折率ｎ1を有するベースまたはウェッジ層１２を備えている。「ウェッジ層」という用語は、ウェッジ形断面を有し、かつ上面及び底面が収束するあらゆる幾何学的形状を包含するように用いることにする。図２Ａ及び図２Ｃにｘ軸、ｙ軸及びｚ軸が示され、「ｙ」軸は図面に対して垂直である。通常、ウェッジ層１２に有用な材料は透明材であればほぼ如何なる材料でもよく、例えばガラス、ポリメチル・メタクリレート、ポリスチレン、ポリカーボネート、塩化ポリビニール、メチル・メタクリレート／スチレン共重合体（ＮＡＳ）及びスチレン／アクリロニトリルがある。図２Ａにおけるウェッジ層１２は上面１４、底面１６、側面１８、エッジ２６及び同上面、底面及び側面に跨がる厚さｔ₀の背面２０を更に有している。管状蛍光２２のような光源は背面２０を介してウェッジ層１２に光２４を入射する。光２４は種々のウェッジ層面から内部にて反射され、ウェッジ層１２に沿ってエッジ２６方向に指向される。他の光源を使用することも考えられ、以下に説明する。一般的に、従来の光源は実質的に非コヒーレントなコリメートされていない光線を供給するが、本発明によりコヒーレントなコリメートされた光線も処理可能である。
面１４及び面１６が平面である場合、上面１４及び底面１６により線形ウェッジの一つの傾斜角φが画定される。非線形ウェッジの場合、連続角φを画定可能であり、光学的出力又は光密度を適切に調節するように非線形ウェッジを設計することが可能である。この種の非線形ウェッジについては更に詳細に後述する。
図２Ａの実施の形態では、エアギャップが介在することなく、第１の層２８がウェッジ層１２に結合され、この第１の層２８は光学屈折率ｎ₂を有し、底面１６に光結合されている。第１の層２８の厚さは僅かな光波長から遥に長い波長に及び、第１の層２８は所望の機能性を果たすことが可能である。この結果生じるウェッジ層１２と第１の層２８との間の誘電インターフェースは、ウェッジ層１２と周囲との間のインターフェースより臨界角が大きい。以後明らかになるように、この特徴により装置１０からの光２４の選択的な角度出力を得て、コリメートすることが可能になる。
第１の層２８に結合されているのは光学的屈折率ｎ₃を有する第２の層３０である。この屈折率ｎ₃はｎ₂より大きく、実施の形態によってはｎ₁より大きいのが好ましい。この構成により光２４が第１の層２８を離脱し、第２の層３０に入射することが可能になる。図２Ａの実施の形態では、第１の層２８と第２の層３０との間に介在するエアギャップは殆ど存在しない。図２Ａに示す本発明の好ましい一形態では、ｎ₁は約１．５であり、ｎ₂＜１．５、ｎ₃≧ｎ₁である。最も好ましいのはｎ₁が１．５であり、ｎ₂＜１．５（約１となるように）、ｎ₃≧ｎ₂である。
このような図２に示す装置１０の多層形状では、ウェッジ層１２により、上面１４からの反射の各サイクルタイムに対する入射角が傾斜角２φだけ（底面１６の平面に対する垂線に対して）縮小する。底面１６に対する入射角がウェッジ層１２と第１の層２８との間のインターフェースの特徴を示す臨界角を下回る時、光２４は第１の層２８に結合される。従って、第１の層２８及びこれに連動する光インターフェース特性は、θ＜θ_c＝sin^-1（n₂/n₁）という条件を満たす時、光２４の通過を許容する角度フィルタを形成する。即ち、説明した臨界角は空気とウェッジ層１２との間のインターフェースの場合より大きい。従って、二つの臨界角が６φを上回るほどに異なれば、ほぼ全ての光２４は上面１４を介してウェッジ層１２から発散する前に、ウェッジ層１２と第１の層２８との間のインターフェースに横切るように入射する。この結果、二つの臨界角がφを下回るほどに異なれば、上面１４から発散可能な光は半分以下である。二つの角度がφを上回るとともに６φを下回るほどに異なれば、光の全てではないもののほぼ半分以上は上面１４を貫通してウェッジ層１２から発散する前に、ウェッジ層１２及び第１の層２８に横切るように入射する。従って、装置１０はまず底面１６に対して条件θ＜θ_cが満たされるように構成され得る。次に、離脱光２４（層２８に入射した光）は、例えばn₃＞n₂であれば第２の層３０に入射する。次に、光２４は第２の層３０において、ウェッジ層１２に結合されるとともに屈折率間の適正な関係を有する第１の層２８により供給されたコリメート光２５になる。
装置１０から光２４を出力するために、第２の層３０は図２Ｅに示す塗層３３或いは図２Ｂ及び図２Ｃの双方に示すファセット面３４のような光拡散手段を有している。塗層３３は像又は他の視覚情報を選択的に投射するのに使用可能である。塗層３３は、例えば特徴的な屈折率を有する粒子の可変分布を備えている。
適正に選択することにより、光の進行方向を変更してウェッジ層１２を貫通させて周囲に戻し（図２Ａ及び図２Ｃ中の光２９を参照されたい。）、或いは第２の層３０から直接周囲に出力することも可能である（図２Ｆ中の光２９′を参照されたい。）。
本発明の他の形態では、関連「ｎ」値を有する更なる複数の層を設けることが可能である。本発明の好ましい実施の一形態では、最低指数層の指数は開口数及び出力角に対して等式中のｎ₂と置換え可能である（後述する）。このような更なる層は、例えばウェッジ層１２と第１の層２８との間に介在し、第１の層２８と第２の層３０との間に介在し、或いはウェッジ層１２又は第２の層３０の上部層とすることが可能である。
実施の形態の中には、好ましい幾何学的形状によりウェッジ層１２を貫通して反射して戻されることなく、光が周囲に出力される場合がある。例えば、図２Ｆでは、装置１０は透光層３７を有し得る。図２Ｇに示すこの実施の形態の別の形態にて屈折層３８を示す。屈折層３８はコリメートされた出力を供給するためのフラットファセット３９を有し得る。図２Ｇにおいて、横向きレンズ形拡散器８３も極細線にて示すが、これについては以下に詳述する。拡散層８３は本発明のいずれの幾何学的形状に対しても使用可能であり、図６Ａに示すように、上方にウェッジ層１２を有している。
図２Ｈに示す更に別の例では、屈折層３８は所望の角度分布にわたって滑りかに拡散した出力を供給するための湾曲ファセット４１を有し得る。図２Ｉに示す更なる例では、屈折層３８は可変角ファセット４２を有している。これらファセット４２は出力光を適切に集束させるように、ファセットアレイにわたって位置によって異なるファセットの角度及び／又は曲率を有している。湾曲形ファセットにより、視野スクリーン全体が照明されるような低集束度の領域を生成することが可能になる。コンピュータスクリーンの照明に適用した例を以下に説明する。図２Ｊ及び図２Ｋに、出力光を集束させるための一つの屈折プリズムエレメント４３及び一体式レンズ４４を有するプリズムエレメント４３をそれぞれ示す。図２Ｌ及び図２Ｍは光の出力分布を調節するようにファセットが角配置されたファセット面３４を示す。図２Ｋ及び図２Ｌでは光は焦点「Ｆ」に出力され、図２Ｍにおいては出力は近似視野領域４５上である。図２Ｎ及び図２Ｏはコリメート光又は集束された光学的出力を供給するためのフラット形反射ファセット４８及び湾曲形反射ファセット４９をそれぞれ示す。
図２Ａ及び図２Ｃに示すように、ファセット面３４は第２の層３０、第１の層２８を貫通させ、次にウェッジ層１２を貫通させて周囲に光２９を光学的に反射し、かつその進行方向を変更する。各ファセットは一部分のみ照明され、ある程度小規模にて観視した時、出力は明・暗状態を交互に呈する。通常、このパターンは望ましくないため、図２Ｂに示す好ましい実施の形態において、各ファセット面３４の間隔サイクルは回折効果を回避するほどに大きく、かつ個々のファセットが使用観視手段により検出されないほどに小さいことが好ましい。この間隔は、液晶表示装置又はＣＣＤ（荷電結合素子）アレイのような照明される装置の特徴により、モアレ干渉パターンが生成されるのを回避するようにも選択される。間隔上のある程度の不規則性により不要な回折モアレ効果を軽減できる。通常のバックライト表示においては、約０．００１〜０．００３インチ（０．０２５〜０．０７６ｍｍ）の間隔周期により所望の目的を達することが可能である。
図２Ｂ及び図２Ｃにおけるファセット面３４は、例えば進行方向を変更される光２９が装置１０から出力される角度領域を調節するように大体調整可能である。層３０における出力角の最小分布は、
Δθ＝２φ〔（ｎ₁ ²−ｎ₂ ²）／（ｎ₃ ²−ｎ₂ ²）〕^1/2
にほぼ等しい幅を有している。
従って、φは相当小さくなり得るため、装置１０は極めて効果的なコリメータとなり得る。従って、線形ファセット面３４では、離脱して方向変更される光２９は空中にて約
Δθ_air＝ｎ₃Δθ＝２φ（ｎ₁ ²−ｎ₂ ²）／〔１−（ｎ₂／ｎ₃）²〕^1/2
だけの最小角度幅を有している。
前記のように、かつ図２Ｈ，２Ｉ，２Ｋ，２Ｌ，２Ｍ及び図３に示すように、ファセットの幾何学形状は最小角を越える角出力を調節するとともに、出力光の方向を集束させ、かつ調節するのに用いることが可能である。
種々のインターフェースからのフレネル反射も上記値を越える出力角を拡大し得るが、図２Ｂに示すように、一つ又は複数の内部インターフェースに反射防止膜３１をあてがうことにより、この効果を低減できる。
図示した実施の形態での輝度（brightness ratio：ＢＲ）はエタンデュマッチ（etendue match）により、かつ図２Ｄを参照することにより確定可能であり、ＢＲは、
ＢＲ＝出力輝度／光源輝度
或いは、ＢＲ＝照明領域／全領域
ＢＲ＝〔１−（ｎ₂／ｎ₃）²〕^1/2＝０．４〜０．６５（大部分の透明誘電体において）
と表すことができる。
例えば、ウェッジ層１２はアクリルであり（ｎ₁＝１．４９）、第１の層２８はフルオロポリマー（ｎ₂＝１．２８〜１．４３）、ゾル−ゲル（ｎ₂＝１．０５〜１．３５）、フッ化物塩（ｎ₂＝１．３８〜１．４３）或いはシリコーンベースのポリマー又は接着剤（ｎ₂＝１．４〜１．４５）であり、第２の層３０はポリカーボネート（ｎ₃＝１．５９）、ポリスチレン（ｎ₃＝１．５９）、エポキシ（ｎ₃＝１．５〜１．５５）又はアクリル（ｎ₃＝１．４９）のようなエアーインターフェースにおいて金属化されたファセットリフレクタである。
例えば図２Ｂ及び図２Ｃに示すフラット形又は線形ファセット面３４は、光学的出力の方向を変更するとともに、角度フィルタリング効果（例えば、図４Ｄを参照されたい。）により第２の層３０に結合される光Δθの角度分布を実質的に保つように、入射光２４の進行方向を変更可能である。例えば、図２Ｌに示す好ましい実施の形態では、ファセット面３４は出力光を集束させるように、位置により異なるフラットファセット角により光を反射する。図２Ｍでは、ファセット面３４は全スクリーンが照明される様相を呈する低集束度の視野領域４５を生成するように、位置によって異なる湾曲ファセット角を有している（例えば、図４Ｆ及び図４Ｇも参照されたい。）。同図２Ｍにおいて極細線にて示すのは、本発明とともに使用可能な液晶表示装置４７の例である。図３Ａ及び図３Ｂに更に示すように、湾曲ファセット３６も入力光２４の進行方向を変更するが、ファセットの湾曲により、方向変更される光２９の角出力の生成範囲が拡大する（図２Ｄにおけるフラットファセットと比較対照されたい。）。例えば、凹状トラフは実像を生成でき、凸状トラウは虚像を生成可能であることは周知である（例えば、図３Ｂを参照されたい。）。いずれの場合でも、像は所望の角度出力範囲にわたり均等に光を放射する電源電圧と等価である。この結果、この種のトラウ形ファセット３６のアレイは第１の層２８からのコリメート光２５の入射形態を変更することが可能であり（図２Ｃを参照されたい。）、複数の電源電圧像が進路変更された光２９を生成する。湾曲ファセット３６の間隔を人間の眼の解像度以下に設けることにより、生成される電源電圧のアレイは観察者には非常に均一に映る。前記のように、１インチ当たり約３００〜５００本の線又はファセットの間隔サイクルを０．００２〜０．００３インチ（０．０５１〜０．０７６ｍｍ）に選択することにより、この結果が得られる。一般的なＬＣＤでは、従来、表示視野距離は約２０インチ（５１ｃｍ）或いはそれ以上である。
別の効果的なファセット形状の例には、放物線状（Parabolic）、楕円状（Elliptical）、双曲状（Hyperbolic）、円形状（Circular）、指数状（Exponential）、多項式状（Polynominal）、多角形状（Polygonal）及びこれらの組合せが含まれる。従って、使用者はファセットの異なるデザインを使用することによって照明の平均輝度に関する任意の分布を形成できる。例えば、多角形ファセットは複数のピークを備えた出力角度分布を形成すべく使用可能である。
湾曲ファセットを備えたリフレクタを使用した各種の角出力に対する輝度分布の例を図４Ａ〜図４Ｃ、図４Ｆ及び図４Ｇに示す。図４Ｃ及び図４Ｅは直線状ファセット及びディフューザ・エレメント４０を有するリフレクタを使用した場合の輝度分布を示す（図２Ｃにおいて破線で示す）。予測性能出力を各種の角度範囲（図４Ａ〜図４Ｃ参照）について示すとともに、同予測性能出力を例えば“ウェッジ・ライト”（ディスプレイ・エンジニアリング社の商標）等の市販光源（「ウェッジ」と表示）における光線の実測角出力と比較した。好ましい角度範囲は以前にφ、ｎ₁，ｎ₂及びｎ₃を使用した式において詳述した最低角度Δθ（空気）まであらゆる特定の視界及び視準条件に適応すべく変更可能である。この変更は前記したように湾曲ファセッット３６の曲率を図２Ｍに示すように連続的に変更することによって実現される。前記した垂直視認範囲（vertical viewing angular range）の制御に加え、水平視認範囲（horizontal viewing range）の変更は湾曲ファセット３６の形状の適切な変更により実現し得る。図４Ａ〜図４Ｉに示す前記の角度分布は装置１０を使用して光線２４を開口率ＮＡ＝（ｎ₁ ²・ｎ₂ ²）^1/2の範囲内において処理する場合に対応している。光線がこの範囲外である場合、角出力範囲の制御を補助すべく別の技術を使用できる。
更に、図９Ａ及び図９Ｂは高密度で多重フォーカスされた照明出力（tightly overlapping focused illumination output）及び更に低い密度で多重フォーカスされた照明出力（less overlapping focused illumination output）をそれぞれ提供する光進行方向変更手段の使用をさらに示している。一般的なポータブル・コンピュータ・スクリーン８７における通常の視距離“Ｄ”が５００ｍｍである一方で、同コンピュータ・スクリーン８７の垂直長さ“Ｖ”が約１５０ｍｍであることを考慮した場合、これらの概念の実用が可能である。コンピュータ・スクリーン８７の垂直中心から延びる垂線上の距離“Ｄ”に位置する観察者はスクリーン８７の頂部において計測された−８．５度から、スクリーン８７の底部において計測された＋８．５度まで複数の角度においてスクリーン８７の異なる範囲を視ることになる。しかし、この視角の変化は、前記のスクリーン照明を備えたシステムを使用する際に望ましくない影響を及ぼす。スクリーン８７の限定された照明角度は観察者が完全な照明の施されたスクリーン８７を視認し得る位置の範囲を制限する（図９Ａ参照）。スクリーン８７の中心から角度及び距離によって観察者の位置を限定した場合、有効角度範囲は実質的に公称照明角度（nominal illumination angle）以下に低減される。例えば、公称照明範囲が各ファセットにおける測定において±２０度であった場合、有効視角は図９Ａに示す一般的なフラット・パネル・イルミネータにおいて±１２度まで低減される。スクリーン８７の中心の両側における１２〜２０度の範囲の照明は観察者にとって不均一である。
本発明はファセット面３４の配向を制御することにより前記の不均一性を解消すべく使用できる。例えば、図２Ｍに示すように、装置１０の複数層をそれぞれ形成する平面の端縁に対してフラット・ファセット面（flat facet surfaces）が３５．６〜３３．３度の範囲で変化するか、または同端縁に対して平行となるようにファセットの両面が連続的に回動される。スクリーン８９（図９Ｂ参照）の頂部から底部までの規則正しい変化により、前記の光進行方向を変更した出力が生じる。ファセット面３４は制御可能な可変照明出力分布を形成すべくディフューザ８３等との組合せが更に可能である。更に、フラット・ファセット面１６８はディフューザ１７０との組合せが可能である。従って、図９Ｂに示すように、スクリーン８９上の異なる位置において光線の角度分布を回動させる能力は、位置とともに視角の変化の補償を可能にする。ファセット面３４における規則正しい変化には、ファセットの一つ以上の角度の変化、ファセット３８の間隔の変化、並びに各ファセット３８の深度及び幅の変化のうちのいずれか一つが更に含まれ得る。別の実施例において、ファセットを備えた全ての光進行方向変更層からの出力をフォーカスすべく同一の原理を使用できる。この例は図２Ｉ及び図２Ｌに示す。
照明の不均一性を解消する別の例において、ファセット面３４としてマイクロ・プリズムのアレイ（array of micro-prisms）を従来の拡散バックライト１０１上に配置可能である（図１８Ａ参照）。このファセット面３４では、層を通過した光線が限定された角度範囲内で環境へ出力されるように屈折及び全内反射の組合せが用いられている。この角度範囲はファセット角度に依存している。アクリル・フィルム（ｎ＝１．４９）の場合、一般的に最大輝度は９０〜１００度の夾角を備えたプリズムの使用により実現される。そして、これにより約±３５度の視角が得られる。このジオメトリを使用したバックライトはシャープなカーテン効果（“curtaining”effect）を示す。同カーテン効果は多くの観察者を混乱させる。この効果はフォーカシング効果を実現すべくファセット３８をスクリーンの頂部から底部まで回動させることによって改善される（図１８Ｂ参照）。簡単な光線追跡により、１００〜１１０度の夾角に対して、角度Θだけ回動されたファセットは約Θ／２だけ回動された角度分布を形成することが確認されている。図１８に示す実施例では、ファセット面の角度の連続的な変化はファセット３４に沿った位置ｘとして変化し得るものであり、その例として以下の式が挙げられる。
Ψ₁＝３５°−（０．１３３°／ｍｍ）・ｘ
Ψ₂＝３５°＋（０．１３３°／ｍｍ）・ｘ
この連続的なファセット角度の変化は角度分布を形成し、同角度分布はスクリーン８９を横切って約１０度変化するとともに、前記の一般的な制約を満たす。
ファセット面３４（図２Ｄ参照）は成形または他のフライス加工等の従来のプロセスによって形成されることが好ましい。製造の詳細を以下に示す。
非線形ウェッジ
本発明の別の形態において、一次光ガイドであるウェッジ層１２を前記した直線形状以外の形状としてもよい。これらの形状は各種の選択された光分布の実現を可能にする。他の形状は図２Ｂ及び図２Ｃに示すウェッジ軸“ｚ”（小さいか又は鋭利な端縁２６に向かって光入射端縁から延びる座標軸）の関数としてのウェッジ層１２の厚さによって更に一般的に説明できる。直線状ウェッジでは以下の式が成立する。
Ａ（ｚ）＝Ａ₀−Ｃ・ｚ （１）
Ａ₀＝最大ウェッジ厚（図２Ａ参照）
Ｃ＝コンスタント＝tanφ
所望の空間分布及び角度分布の大きな範囲を光出力（第２の層３０に入力された出力）について実現できる。従って、この光出力は適切なファセット面３４若しくは３６、または拡散リフレクタ３３（図２Ｅ参照）等を介して環境に出力し得る光線である。
例えば、Ｌ及びＭがそれぞれｘ軸及びｙ軸に沿った方向余弦である場合、Ｌ₀及びＭ₀はそれぞれ厚い端縁（ｚ＝０）におけるＬ及びＭの値である。この初期分布は明確に限定された角度範囲内におけるランベルト分布であり、同範囲の外側には僅かな光が存在するかまたは全く光が存在しない。理想的な非結像光学エレメントは限定されたランベルト出力分布（Lambertian output distributions）を備えていることから、この分布は特に重要である。重要な関係としては断熱不変量であるＡ（ｚ）ｃｏｓ（θ_c）が挙げられ、同断熱不変量はＡ₀Ｌ₀とほぼ同一であって、かつ脱出位置（ｚ）を潜在的に示す。この概念を示すために、例えば均一な照射を望んだとする。この場合、ｄＰ／ｄｚ＝コンスタントとなる。初期位相空間が以下の式によって示される楕円を均一に満たしたとする。
Ｌ₀ ²／σ²＋Ｍ₀ ²／τ²＝１ （２）
ここで、τはＭ軸に沿った楕円の寸法であり、σはＬ軸に沿った楕円の寸法である。
この場合、ｄＰ／ｄＬ＝コンスタント・〔１−Ｌ²／σ²〕^1/2となる。しかし、ｄＡ／ｄｚ＝〔Ａ₀／Ｌ_c〕ｄＬ₀／ｄＺとなる。ここで、Ｌ_c＝ｃｏｓθｃである。従って、〔１−（Ｌ_cＡ）²／Ａ₀σ）²〕^1/2ｄＡ＝コンスタントにｄｚを乗じた値となる。好ましい実施例においてσ＝Ｌｃであったとする。この結果はＡ／Ａ₀＝ｓｉｎ（ｕ）の代入により解釈され得る。従って、Ａ＝Ａ₀ｓｉｎ（ｕ）及びｕ＋１／２ｓｉｎ（２ｕ）＝（π／２）（１−ｚ／Ｄ）であり、Ｄはウェッジ層１２の長さを示す。
単位長さ当たりの所望の出力がｄＰ／ｄｚである場合、ウェッジ層１２の所望の形状は以下の微分方程式によって決定される。

ここに示す全ての場合において、出力分布はフレネル反射（Fresnel reflections）によって変更されている。このため、出力分布はほぼ所望の形状を有する。ウェッジ装置１０が湾曲している場合であっても、同湾曲の曲率が大き過ぎなければ、これはシステムを質的に特徴づける平均角度φを形成するのに効果的である。
本発明の別の態様において、前記の例のジオメトリはそれぞれ屈折率ｎ₁，ｎ₂を有する二つの屈折媒体の間に一つのｘ，ｙインターフェースを含む。成分ｎＭ，ｎＮはｘ，ｙインターフェースを横切って維持されている。従って、ｎ₁Ｍ₁＝ｎ₂Ｍ₂，ｎ₁Ｎ₁＝ｎ₂Ｍ₂となる。ｘ，ｚ面への入射角度はｓｉｎθ_eff＝Ｎ／（Ｌ²−Ｎ²）^1/2によって与えられる。次いで、前記の関係からｓｉｎθ_2eff／ｓｉｎθ_1eff＝（ｎ₁／ｎ₂）〔１−Ｍ₁ ²〕^1/2／〔１−（ｎ₁／ｎ₂）²Ｍ₁ ²〕^1/2＝（ｎ₁／ｎ₂）_effとなる。例えば、ｎ₁＝１．４９、ｎ₂＝１．３５及びＭ₁＝０．５の場合、有効屈折率比は１．０３５（ｎ₁／ｎ₂）となり、同屈折率比は実際の屈折率比より僅かに大きいだけである。
空間パラメータに対する屈折率の変化
テーパ付ライトガイドの一般的なケースでは、ウェッジ層１２の長さはｚ軸に沿って延びており、同ウェッジ層１２の厚さはｘ軸に沿って延びている（図２Ａ参照）。Ｌ、Ｍ、Ｎがそれぞれｘ、ｙ、ｚに沿った幾何学的方向余弦であり、ｎが空間位置とともに変化する屈折率である光学的方向余弦（ｎＬ、ｎＭ、ｎＭ）を導入したとする。ウェッジ層１２内に位置する誘導光線の場合、ｘに沿った移動はほぼ周期的であり、一つの周期における量φｎＬｄｘは光線がｚに沿って伝搬される際にほぼ一定である。この特性は断熱不変性と称され、さらには光ガイド特性の分布における効果的な枠組みを提供する。
第１の例において、図２Ａに示すウェッジ装置１０はウェッジ層１２に均一な屈折率を有し、かつ幅Ａ（ｚ）＝Ａ０−Ｃ・ｚとともにｚに沿って直線状に延びるテーパを備えている。Ｌ（ｚ）Ａ（ｚ）は断熱不変性に基づいてほぼ一定の値をジグザグ状光路に沿って示す。光線がＬ＝Ｌ₀をともなってｚ＝０から出発した場合、（Ａ₀−Ｃ・ｚ）Ｌ（ｚ）はＬ₀Ａ₀とほぼ同一となる。光線はＬ＝ｃｏｓθ_cである場合にウェッジ層１２から出射し、前記の式においてθ_cは臨界角＝〔１−（ｎ₂／ｎ₁）²〕^1/2である。この結果、ウェッジ層１２から出射するための条件はＡ₀−Ｃ・ｚ＝Ｌ₀Ａ₀／ｃｏｓθ_cとなる。これはｚ＝（Ａ₀／Ｃ）（１−Ｌ₀／ｃｏｓθ_c）において生じる。従って、ｚに現れる光線の密度は初期方向余弦Ｌ0における光線の密度に比例する。例えば、Ｌ₀における初期分布が均一である場合、光線の密度は均一になる。
第２の例では、屈折率プロフィールは均一ではなく、寧ろｘ及びｚにおいて減少する。ｚにおける減少速度がｘにおける減少速度より遅い場合、光路は依然として周期的であり、かつ前記の断熱不変性が適用される。次いで、光線２４がｚに沿って伝搬された場合、ｘ，ｎＬ空間内の光路はほぼ周期的となる。従って、Ｌ（ｚ）の最大値は増大し、ｚの或る値において脱出するための臨界値に達し得る。脱出のためのｚ値は屈折率（ｎ）プロフィールの詳細に依存している。このプロフィールが特定された場合、分析は前記の第１の例と同様に進行する。従って、放物線屈折率プロフィール（Paraboloc index profile）の場合、屈折率プロフィールは−ρ＜ｘρにおいてｎ²（ｘ）＝ｎ² ₀〔１−２Δ（ｘ／ρ）²〕のフォームを備え、かつ｜ｘ｜＞ρにおいて＝ｎ₁ ²＝ｎ² ₀〔１−２Δ〕を備える。そして、ｘ＝０における臨界角度は依然としてｓｉｎ²θ_c＝２Δ＝１−（ｎ₁／ｎ₀）²によって与えられている。ｚのゆっくりと減少する関数であるｎ₀を有する場合、θ_cが減少する一方で、ｘ＝０における勾配θはφｎＬｄｘの断熱不変性により徐々に増加する。この結果、光線は脱出する。光線分布の詳細は屈折率（ｎ）がｚとともにいかに変化するかに依存している。
非ウェッジ・テーパ状ジオメトリー
最も一般的なケースにおいて、光線をあやゆる形状の層（例：平行六面体、円筒または非均一ウェッジ）に入射され得る。そして、ここに示す原理を同様に適用できる。これに加えて、光線を環境に対して出射させる手段との組合せにおいて、屈折率は適切な結果を実現すべく（ｘ，ｙ，ｚ）において望み通りに変化させ得る。
例として、図５に示す半径方向ｒにテーパーが形成されたディスク形ライドガイド４６に基づいて詳述する。円筒状極座標（Cylindrical polar coordinates）における方向余弦はｋ_r，ｋ_θ，ｋ_zである。ガイド４６内を伝搬される光線４８は以下の関係を満たす。
φｎｋ_zｄｚ〜コンスタント（断熱不変性） （４）
ｎｒｋ_θ＝コンスタント（角度運動量保存） （５）
断熱不変性条件はウェッジ装置１０の場合と同一である。この結果、ウェッジ装置１０に関する前記の事項は光ガイド４６に対しても適応される。角度運動量保存条件は、半径の増加とともに光線が光源４７から外側へ向けて伝搬されるのにともなって、ｋ_θ値が減少することを必要とする。従って、光線は半径が大きくなった場合に平行となる。これは基本的にウェッジ装置１０と同一の特性を形成する。そして、光線４８は選択された角度で面５１上に入射した際に光線５２としてｚ方向に沿って平行に出射する。
例示する意味において、ガイド材料が一定の屈折率ｎを有するものとする。このようなジオメトリにおいて、光線４８は５Ｂ−５Ｂ線に沿った２次元の縦断面に沿って前記のウェッジ装置１０の場合と同様に伝搬される。同様に、別の層５４，５６及び他の手段は所望の光線取扱い特性を実現すべく使用可能である。例えば、ディスク形ライドガイド４６において、好ましいファセット・アレイ５６はディスク４６と同心をなす一連の複数の環である。従って、ファセット５６の断面が直線状である場合、光線５２は前記した装置１０の場合と同様に２φに屈折率の関数を乗じた全角度（full angle）内において平行に出射する。
低い屈折率を備えた二つの層を有するテーパー状照明装置
図６Ａに示す本発明の別の形態において、装置１０は光学的屈折率ｎ1を備えた第１の層６１を有している。第１の層６１は少なくとも一つの入射角度φを形成すべく互いに集束する頂面６２及び底面６４を有している。更に、第１の層６１は頂層または第１層６２及び底層はたは第２層６４を結ぶ背面６５を備えている。
第１層６１に隣接して底部透明層手段などの層手段が存在する。底部透明層手段の例としては、底層６４に隣接するか、または同底層６４の真下に位置する屈折率ｎ2を備えた第１の中間層６６が挙げられる。これに加えて、層手段は頂部透明層手段を含むことができ、同頂部透明層手段は屈折率ｎ2の第２の中間層８１を頂面６２に隣接して有している。層６６，８１のうちの少なくとも一つは空隙、空気以外のガスが充填されたギャップまたは透明誘導性ギャップ（transparent dielectric gap）であり得る。
空隙は従来の手段を用いて形成できる。例えば、層を張力によって支持するような外部サポート（図示略）を使用するか、またはスペーサ６８を第１の層６１及び隣接する光進行方向変更層７０の間に配置するなどして空隙を形成できる。同様に、スペーサ６８を第１の層６１及び第２の光進行方向変更層８２の間に配置できる。これに代えて、層６１，８１を形成すべく固形材料を透明誘電体として使用できる。固形材料は構造的完全性、構造的強度及び組立易さを改善し得る。固形材料の例には、ゾル−ゲル（ｎ₂＝１．０５〜１．３５）、フッ素重合体（ｎ₂＝１．２８〜１．４３）、フッ化物塩（ｎ₂＝１．３８〜１．４３）、並びにシリコンをベースとしたポリマー及び接着剤（ｎ₂＝１．４０〜１．４５）のうちのいすれか一つが含まれる。透明誘電体に使用する前記の固形材料は自身を支持するために別の手段を必要としない。しかし、同固形材料は自身の屈折率が空隙の屈折率より高いことに起因して更に低い開口率許容値を形成し得る。
層６６，８１は第１の層６１から入射した光線の伝搬を許容する。この実施例において、光線の一部は頂面６２に対して最初にθ_cを形成する。そして、光線は光進行方向変更層８２による更なる処理を実施すべく層８１内に入射する。従って、残りの光線は底面６４に対して最初にθ_cを形成し、次いで光進行方向変更層７０による更なる処理を実施すべく層６６内に入射する。
本発明のある好ましい態様（図６Ａ参照）では、層６６，８１の両方が存在する。層６６，８１は互いに類似するが、しかし大きく異なる屈折率ｎ_2a，ｎ_2bをそれぞれ有し得る。これらの屈折率は同屈折率がインターフェース６２，６４において臨界角を形成した際に互いに類似すると考えられ、前記の臨界角の大きさはウェッジ角度φに類似しており、例えば以下の式で表される。
｜ａｒｃｓｉｎ（ｎ_2a／ｎ₁−ａｒｃｓｉｎ（ｎ_2b／ｎ₁）｜＜６φ （６）
この場合、光線の大量、かつ不均一なフラクションが光進行方向変更層７０，８２における更なる処理を実施すべく層６６，８１のそれぞれに入射する。大きい方のフラクションは二つの屈折率ｎ_2a，ｎ_2bのうちの高い方を有する層内に入射する。光進行方向変更層７０は層６６内に入射するフラクションのみを処理する。従って、光線の出力角分布に対して光進行方向変更層７０が及ぼす影響は、屈折率ｎ_2a及び屈折率ｎ_2bの間の関係を変化させることにより変更できる。
本発明の別の好ましい態様では、層６６，８１は屈折率ｎ₂＜ｎ₁を備えた同一の透明材料であり得る。一般的に、ｎ₂で表された低い方の値は、光入射面６５における開口率を増加させることにより装置１０の効率を高める。従って、層６６，８１が空気または他のガス（ｎ₂＝１〜１．０１を備えたガス）によって充填されたギャップである場合に捕集率（collection efficiency）を最大にできる。
層６６，８１の厚さは装置１０の出力空間分布を制御するか、または視覚的均一性を高めるべく選択的な変更が可能である。例えば、層１８の厚さを０．００２〜０．００３インチ（約０．０５〜０．０８ｍｍ）増加させることにより、装置１０の厚い方の端縁に発生し易い不均一性を鋭く減少できる。層６６，８１の厚さは、出力された光線の所望の空間分布を制御すべく位置とともに円滑に変化させ得る（図１２Ｌ参照）。
図６Ａに示す本発明の好ましい態様において、光進行方向変更層７０は反射層７１を有している。反射層７１は光線を層６６及び第１の層６１を介して反射する。次いで、光線は頂面６２を介して第１の層６１内へ入射する。そして、光線は更なる処理を受けるべく光進行方向変更層８２内に入射する。例えば、反射層７１は平坦な正反射リフレクタ（planar specular reflector）、部分的若しくは完全な拡散リフレクタ（partially or completely diffuse reflector）、及びファセット・リフレクタ（faceted reflector）のうちのいずれか一つであり得る。
平坦な正反射リフレクタ層８１内において最も狭い角度分布の形成を招来する。従って、リフレクタにおける所望の出力角度分布が単峰形である場合に、光進行方向変更層８２のデザインを簡略化できる。拡散リフレクタまたはファセット・リフレクタは広範な角度分布（図４Ｈ及び図４Ｉ参照）を実現するか、または均一性（図４Ｎ参照）を高めるべく層７１に使用できる。所望の角度分布が大きな“尾（Tails）”（図４Ｉ参照）を有する場合、拡散リフレクタの使用が好ましい。ファセット・リフレクタは層８１内において２頂形をなす角度分布を形成できる（図４Ｈ参照）。従って、所望の出力角度分布が２頂形である場合、ファセット・リフレクタの使用が好ましい。例えば、眩しさを低減することから、室内照明では照明装置からコウモリの翼の形のような２頂形をなす分布を得ることが好ましい。
一般的に、層７１の各ファセットは光進行方向変更層８２による更なる処理を実施するために、層６６及び第１の層６１を通って反射して戻ってきた光線の角度分布を制御する形状を備え得る。装置１０内における角度分布は光進行方向変更層８２から環境へ出力される光線の角度分布に影響を及ぼす。例えば、湾曲ファセットは角度分布を円滑に広げるとともに、均一性を高める拡散効果を提供すべく使用できる。反射層７１は出力空間分布及び角度分布に対して影響を及ぼし得る。所望の出力分布を実現すべく反射層７１の反射性、正反射性（specularity）またはジオメトリを位置とともに変更できる。例えば、上記のように、位置の関数としての反射層７１の各エレメントの勾配（図１２Ｌ参照）における小さな変化は、光出力分布を大きく変化させる
光進行方向変更層８２は、屈折率ｎ₂より大きな屈折率ｎ₃を有するとともに、非常に透明であるか又は半透明である。低屈折層８１における光は層８２に入射すると、外部へ進行方向が変更される。また、透過的な光進行方向返送層８２は、光進行方向変更層７１の反射により処理された光の進行方向を変更し、その光は低屈折層６６及び第１の層６１を通過して逆反射させる。層８２の透明度又はジオメトリーは装置１０の出力の空間的分布にさらに影響を与えるために、その位置が様々に変更される。図６Ａに示すように、本発明の好ましい一実施形態にいて、光進行方向変更層８２は低屈折層８１との境界にファセット面を有している。層８２に入射する光は、ファセット面８５における第１のファセット８４によって屈折される。そして、その光はファセット面８５における第２のファセット８６によって、全体的に内部から反射される。本発明の一形態において、光進行方向変更層８２は３Ｍ社の商標である“透明右角フィルム”（以下、ＴＲＡＦとする）であってもよく、この製品は３Ｍ社から商業的に購入できる。このＴＲＡＦは屈折作用を有し、全ての内部反射をほぼ９０度屈折させ、一般的なＬＣＤの後部ライト装置に適している。従来のＴＲＡＦの受入れ角はおよそ２１度であり、その角度は低屈折層８１に入射する光７５の反射角を大きくするには充分な角度である。本発明のさらに望ましい実施の形態において、ファセット角は、上述した屈折機構及び全内部屈折によって、低屈折層８１に入射したさらに多くの光７５の進行方向を変更する。一つ又は両方のファセット８４，８６の表面は、反射角分布を調節するために、形成される。例えば、湾曲ファセットの使用は滑らかに分布を広くするとともに、均一性を改善する光拡散効果を提供する。
本発明のさらに望ましい実施の形態において、光進行方向変更層８２のファセット角の表面は、一般的な観測距離から観測されたとき、位置に基づく観測角度による変化を補償するために、次第に変化される。そのような補償効果は上記の図２Ｍに示す実施の形態において、反射ファセット層の形状を参照して詳述されている。同様の原理は、屈折層や内部屈折層を含むいかなるファセット光進行方向変更層の形状に応用できる。そのように、例えば漸進的に変化するファセット層を利用できる実施の形態は、図１２Ｅ（層１４０）、図１２Ｇ（層１５２）、図１２Ｈ（層１６６）、図１２Ｋ（層１８６）、図１２Ｎ（層２１０）、図１２Ｏ（層２２８）、図１２Ｐ（層２４６）に示されている。
本発明の別の形態において、層６６及び層８１は、それぞれわずかに異なる屈折率ｎ₁及びｎ₂を有している。第１の層及び二つの層６６，８１の間の境界面と係わる臨界角が第１の層のコンバージェンス角φ以上にならなければ、装置１０の主要効果は非常に似ている。
｜arcsin（n'₂/n₁）-arcsin（n₂/n₁）｜＜φ （７）
従って、この場合、各光進行方向変更層７０，８２によりさらに処理をするため、ほぼ同量の光が層６６，８１に入射する。
本発明の全ての実施形態は、さらに図２Ｃにて鎖線で示す出力拡散層４０、或いは図６Ａに示す透過な又は半透明な拡散層８３を含んでいる。一般的に、この拡散層４０は面ディフューザ、立体ディフューザ、又は少なくとも一つの円筒部（“レンズ型列”として知られる）を有する少なくとも一つのマイクロレンズ列である。これらの層４０，８３は光の均一性を向上させ、外部への角度分布を広くすることができる。レンズ型列は、表面分散体又は体積分散体と比較して後方分散が低いとともに、コリメート光によって照射される際、より鋭角な出力角カットオフを有しているため、レンズ型列は有効である。また、好ましくはレンズ型列は、各円筒マイクロレンズの主軸方向の延びる上記の特徴を有する光のみを拡散する。
図１０に示すある好ましい実施形態において、光進行方向変更層１０は出力光を非常に平行にする平ファセット１１１を使用している。望ましい出力角分布は、ｙ軸とほぼ平行の延びる円筒のマイクロレンズ及び適切な焦点比を有するレンズ型ディフューザ１１２を備えることにより、さらに調節される。また、レンズ型ディフューザ１１２はｙ軸の主軸方向に延ぶる非均一な光を拡散する。この実施の形態において、第２のレンズ型ディフューザはｚ軸の主軸方向に延びる非均一な光を拡散するために備えられる。この第２のレンズ型ディフューザマイクロレンズはｚ軸とほぼ平行に延びている（図１２Ｈ及び図１２Ｎ参照）。なお、ディフューザ１１２，１１３の配置順序は光学的効果を損失することなく交換してもよい。同様に、レンズ型ディフューザ１２２，１１３は逆に配置されてもよく、図１０に示すように、ディフューザ１２２，１１３は凸状の外形に代えて、凹状の外形に変更してもよい。このような変更は効果に若干の影響を及ぼすが、拡散層１１２，１１３が上記の基本的な効果を奏する。
図１１に示すように、別の望ましい実施形態において、平ファセット光進行方向変更層８２層１１０及び図１０にて示す平行なレンズ型ディフューザ１１２の作用は、ともに湾曲ファセット（例えば、図２Ｈ、図２Ｍ、図３Ａを参照）を有する光進行方向変更層１１４によって奏される。これらのファセット曲率は光の進行方向を変え、適切な曲率面を有することにより出力角を制御するとともに、ｙ軸の主軸方向に延びる非均一な光のためのディフューザとして作用する。一つの層に、上記の作用を結合することにより、多くの部品を減らし、厚さ、製造コスト、生産性を改善している。この形態において、一つのレンズ型ディフューザ１１５は、ｚ軸の主軸方向の延びるとともに、残存する非均一な光を拡散するために備えられる。この種のレンズ型ディフューザマイクロレンズはｚ軸とほぼ平行に延びている。なお、レンズ型ディフューザ１１５を逆に配置したり、図１０に示す凸状の外形を凹状の外形に変更したりすることもできる。上述したように、このような変更は効果に若干の影響を及ぼすが、層１１４，１１５が意図したような効果を奏する。
複数のマイクロ構造層を有する全ての形態において、上述したこれらの層におけるファセットやレンズレット（lenslet）空間は望ましくないモアレ縞を避け、不合理比率を有するために選択される。同様に、各層における特徴空間は、液晶表示装置（ＬＣＤ）又は電荷結合素子（ＣＣＤ）列のように照射される装置において、不合理比率を有するために設計される。各レンズ型拡散層１１２，１１３，１１５は、液晶表示装置や、各層の間におけるモアレ相互作用を減少させるために、図に示す配置から約２０度まで傾けることができる。
同様に、レンズ型ディフューザは、仮にそのフューザの断面がほぼ図１０及び図１１に示すような断面であれば、ウェッジ形の切断面を有する非ウェッジ形ジオメトリーを同様の効果とともに使用される。その一例は図５に示すような先細の円板である。この場合、図１０に示す層１１２と相似であるレンズ型ディフューザはマイクロレンズを有し、そのマイクロレンズの軸は円板の回転軸と同心上に延びている。図１０にて示す層１１３及び図１１にて示す層１１５と相似であるディフューザはマイクロレンズを有し、そのマイクロレンズの軸は円板の中心軸から放射状に光を発生する。
光源及び連結器
図２Ａ及び図２Ｂに示すように、本発明のより好ましい別の実施形態において、ファセット層３０は光の進行方向を光学的に変えるために備えられている。ファセット３４は層３０又は離間したファセット層に必ず必要なものである。そのようなファセット層の作用については、上記に詳述されている。さらに、図６Ａに示すように、入力ファセット層７４は光源７６と第１の層６１との間に配置される。ファセット層７４は角柱のファセット列であり、そのファセットは、外部へ出力光をより明るく、より均一にするためにコリメーティング効果を奏する。ｙ軸と平行な直線状の角柱は、入力開口数をより近くに合わせるため、入力角分布を調節することにより均一性を改善する。ｘ軸と平行な直線状の角柱は横出力角分布を制御するとともに、蛍光灯の光源に使用される際、出力光の明るさを改善する。本発明の他の実施形態において、入力光の拡散は、ディフューザ７９が光の均一性を改善し、光を広げて光分布を拡散するために使用して行われるのが望ましい。ディフューザ７９は好ましくは、ｙ軸と平行な円筒型レンズレットを伴うレンズ型列である。また、そのディフューザ７９は標準の面ディフューザ、立体ディフューザまたは離散形フィルムであるとともに、或いはウェッジ形層６１に必ず接続される。複数の角柱状フィルムまたはディフューザが結合して使用される。そのようなディフューザ７９のフィルム形状とファセットフィルム７４とは、効果を変化させるために配置が交換される。
本発明の別の実施形態において、内部に全反射するＣＰＣ（複数の放射状捕集器）１００の絶縁部は、光源７６と第１の層６１との間に挿入される（図２Ｌ、図１２Ｏ及び図１２Ｐを参照）。ＣＰＣ部１００は、入力光をさらに開口数に近く合わせるために調節する。好ましくはＣＰＣ部１００は、必ず第１の層とともに形成されることが好ましい。
図７及び図８に示すように、各反射部９２，９４は、光源７６から光管開口への光の通過量を最大にするために、形成されるとともに配置される。これは、光源７６への光の逆反射を最小にすることと同じであり、光源はいくらかの反射光を部分的に吸収する。一般的に、光源７６は円筒型であるとともに、透明なガラス膜によって覆われ、それぞれが図７及び図８に示すような円形断面である。そのような光源の典型的な例は、蛍光管及び長いフィラメントの白熱ランプである。光源７６の外径はガラス膜９３の直径と同じか、それ未満である。図７に示すように、従来技術のＵ字形反射部９２は光源７６の周囲を鏡面反射高分子フィルムで包み、そのフィルムの両端にウェッジ形層１２を接触させることにより形成される。反射部９２は一般的に、ウェッジ形層１２と対向して光源７６の側面において、ほぼ円弧状に形成され、そのウェッジ形層１２における円弧の各端部に直線部が結合されている。この反射部９２をウェッジ形層に結合する方法は、反射部の断面が鋭角でなければ最も容易に行われる。一般的に、光源７６は、ランプ効率を下げる熱的及び電気的結合を最小にするため、ウェッジ形層１２又は反射フィルムのいずれにも接触してはならない。
図８に示すように、本発明の一実施形態において、光源７６への光逆屈折量を最小にすべく反射部９４は効果的に設計され、光源７６は効果的に配置されているため、効率が向上している。本発明の好ましい実施形態において、少なくとも反射部９４は、その反射部９４の表面の各点に対して描かれる法線が、光源７６の断面に対して接線となるように形成される。その結果、反射部の形状は光源７６のインボリュートとなる。
インボリュートが最大の効果を奏する時、一般的に他の形状は容易に製造される。
高分子フィルムは、上記したように予め滑らかな、ほぼ半円弧を含む曲線に折り曲げられる。それは光源７６の断面と半円弧状の反射部９２とが図７に示すように同心状である時、見られる。そして、反射部９２の半円部がすべての入射光線を光源７６に逆反射させるため、効率が悪くなる。そのような効率の悪さは、自己吸収する円状の光源と同心状の半円反射部との固有性質である。この固有性質は簡単な光線追跡またはスキュー不変性の原理から分かる。反射部９２が完全に円状でなくとも、光源７６の断面が反射部の曲率の中心付近であっても、その反射部９２の各部は光を光源７６に逆屈折させる傾向がある。
別の好ましい実施の形態において、図８にて示す反射部９４の断面は一以上のほぼ半円弧を含み、反射部９４の曲率の中心から光源７６の中心をずらすことにより効率が向上する。光線追跡及び実験は、そのような好ましい実施の形態が、以下の設計規則を用いて行われたことを表している。
１．反射部９４の断面は、ｘ次元において、最大範囲すなわち、ウェッジ形層１２（又は光管）の最大厚さを有する。
２．反射部９４の断面は光学的に鋭い角を有していない。
３．反射部９４の曲率半径は可能な限り大きい。
４．光源７６はウェッジ形層１２から可能な限り遠いが、最悪の製造状態において接触を避けるために充分なだけ反射部９４から離れている。
図８に示すように、上記の設計規則を満足する結合器の一例は、内径は２ｍｍ、外径は３ｍｍ、ウェッジ形層１２（又は光管）の厚さは５ｍｍ、反射部９４とガラス層９３との間の製造誤差範囲は０．２５ｍｍである。この例のさらに好ましい実施形態は反射部９４の曲率半径は２．５ｍｍであり、光源７６の中心はウェッジ形層１２の開口から０．７５ｍｍずらされている。この設計に基づいて構成される結合器は、図７に示す従来の同心状結合器と比較して、１０〜１５％程明るいことが判明した。
先に説明した内巻きの反射部材９２及びＵ字状の反射部材９４は、ウェッジ層１２の孔に向けて、孔の表面放線に関してほぼ±９０度の角度で光を出力するように設計されている。
他の好ましい発明の実施の形態では、反射部材９４は、装置１０の開口数に近い角分布の光を出力するよう形成されている。
図６Ｂ、６Ｃに示すように、反射部材９４としての形状には、複合放物光源反射器８６、非像照明光源反射器８８といった他の幾何学的構造物も含まれる。光源反射器８８の例は、出願と同時に譲受人に譲渡された同時係属中の出願番号０７／７３２、９８２号の出願において詳述されており、この出願は引用することにより本明細書の一部をなすものとする。
図６Ｄ、１２Ｌ、１２Ｎ、１２Ｏには、本願に係る他の発明の実施の形態が示されている。ウェッジ層９０は、ウェッジ状断面のいたるところにおいて非単調に変化する断面厚さを有している。この断面を制御することにより、出力される光の分布を制御できることが分かっている。さらに、光学境界効果や固有の光源の効果が組合わさって好ましくない異常を持った出力光の分布が生じうることが分かっている。その結果、たとえば、通常、入射光を受光する厚端部の近くのウェッジ層９０の実際の寸法として、非直線的に変化するウェッジ断面を与えることで、これら偏差に対する補正を行う。
これらの寸法を調整することにより、光分布を制御するために他の自由度を持たせることができ、そして、あらゆる境界効果あるいは光源の影響を補償するように実際的にどのような設計を採用することもできる。さらにまた、光分布を改善し、光入力の異常を補償して、所望の光分布出力を得るため、前述の方法により、ウェッジ層９０内の屈折率を変更することができる。
照明装置の製造
本願の一発明の実施の形態では、装置１０の製造は、選択された接着剤及び積層プロセスを注意深く使用することにより達成される。たとえば、屈折率ｎ1のウェッジ層１２は、屈折率ｎ2の第１層２８と接着により接合され得る。接着層６０（図３Ｂ参照）は、第１層２８の上側表面に液状のまま塗布され得る。そして、第１層２８は、ウェッジ層１２の底面１６と接着される。一般的に、各層の接着の順序は、どのような順序であっても良い。
層１２を層２８及び他の層に接触させる際に、製造プロセスは、実質的に平滑な界面の表面である内側層界面の構成を好適に適応させる。もし、適切に準備されていない場合には、異なる屈折率を有する層の間の各界面が、特有の臨界角を備えた反射面として機能するので、そのような内側層は性能に不利な影響を及ぼすおそれがある。もし界面の表面が実質的に平滑であるならば、平坦でない表面の不利な交換は無視し得る。その結果、装置１０の様々な層の積層化を実現する際には、方法論は、上記した平滑な界面層を与える接着剤及び接合技術を用いるべきである。積層プロセスの例は、付加的な接着層を用いないで制限的に接合し、一の層に薄膜を接触させ、接着層を伴う第２層を薄膜に接着し、二つの接着層を伴うフィルム層を接触させる（各層表面は、他の層と接合されている）。
好ましい発明の実施の形態では、積層化は、ポテンシャル界面のばらつきが光分布を歪ませるであろう、いかなる付加的な内側層をも用いることなく行われる。装置１０に関する幾何学的配置の例は、ウェッジ層１２と第２層３０との間の層が液層であり得る。この方法は、第１層（たとえば、液層）が接着剤として作用する場合に、最もよく機能する。接着剤の養生は、装置１０の各層の一部、あるいは全部が互いに接合される前、あるいは後のいずれかを選択することができる。光学界面は、ウェッジ層１２の下側表面と第２層３０の上側表面とによって区画される。
他の発明の実施の形態では、被膜は接着層と共に用いられ、第１層２８は、第２層３０に塗布された被膜となり得る。そして、被膜されたフィルムは、被膜されたフィルムとウェッジ層１２との間に接着剤を塗布することにより第２ステップにおいてウェッジ層１２に対して積層され得る。連続フィルムロールの形で供給されることが一般的であるから、低屈折率皮膜は、直接ウェッジ層１２に塗布するよりも、第２層３０に塗布することが好ましい。実際の製造時には、このような連続フィルムロールによって覆うことは、個別片のフィルムによって覆うよりもコスト面でより効果的である。この方法論によれば、塗布されることにより形成される低屈折率層の厚さを簡易に調整することができる。
他の発明の実施の形態では、第２層３０が追加の接着剤を用いることなく直接、第１層２８と接着する方法によって形成されている。たとえば、第２層３０は、高分子材料を第１層２８に塗布し、それから、所望の幾何学的配置を得るためにこの材料を除去することにより形成される。他の例では、第１層２８は、第２層３０にエンボス加工が施されている間に搬送フィルムとして供給され得る。適切な温度によってエンボス加工を実行している間に、第２層３０は、第１層２８に熱融着する。このような熱融着は、従来のＦＥＰを第１層フィルムとして用いた場合には、約５００Ｆ°以上でエンボス加工を行うことにより実現することができる。
さらに１枚のフィルムと二つの接着層を用いる他の発明の実施の形態では、第１層２８は、押出成形され、あるいは、２種類の界面間に接着層を用いることにより、ウェッジ層１２、または、ウェッジ層１２と第２層３０間に積層されたフィルムを除去することにより形成される。前述した光散乱による不都合を最小限にするために、接着層は平らで、平滑であるべきである。フィルムは、高くない形で、工業的に得られる低屈折材料として得られる。付加的な接着層は、各層の間に接着剤を有する多層構造の効果によって、強度を増すことができる。
一般的に接着剤を使用する際には、ウェッジ層と第１層の間の接着剤の屈折率が第１層２８の屈折率に可能な限り近似している時に装置１０の性能は最適化される。ウェッジ接着層の界面における臨界角が可能な限り低い場合には、光は装置１０をでていく前に低級フィルム界面において反射した最小の影響を受ける。加えて、第１層フィルムの表面における屈折率の変化は、フィルム表面の粗さ効果を減少させることにより最小化される。
切子面（ファセット）のある表面の製造は、原型として用いる精密機械加工によって得られるモールドによって達成される。機械加工は、適切に形成されたダイヤモンド工具を用いて設定に基づいて実行される。原型は、電解法、または、鋳造といった公知の技術によって複製することができる。それぞれの複製のステップは、所望の表面形状と反対の表面形状を生み出す。モールドまたはモールドの複製の結果は、第２層３０における所望形状のエンボスの形成にも用いられる。直接、綿織綿を用いることもできるが、上記したエンボス形成の方法が好ましい。公知のフライスプロセスは、化学エッチング技術、イオンビームエッチング、レーザービームフライスを含む。
他の機械製造方法では、ファセット表面３４（たとえば、図２Ｂ、２Ｍ参照）は、エンボス、鋳造、所望のファセット表面３４のプロフィールと逆の表面を有する硬工具を用いた溶接プロセスによって製造される。この結果、製造上の問題は、適切な型による機械加工によって減少する。一般的に、機械加工により得られた型は、鋳造、エンボスプロセスにおいて用いられる型を形成するためのテンプレートとして用いられる。型は通常、電解法によって複製される。電解法は表面プロフィールを逆にするので、また電解法は他の電解法により形成されるので、いくつもの逆型が得られ、また、直接機械加工されたマスタは、ファセット表面３Ａまたはその逆表面の形状を有する。
ファセット表面３４のための型作りは、切削工具とワークとの間の距離が所望のプロフィールに沿って変更されるシングルポイントダイヤモンド加工によって製造することができる。ダイヤモンド切削工具は、非常に鋭利である必要があるが、潜在的に所望のプロフィールを形成し得る必要がある。与えられた形態は、切削工具の０でない半径に適合させるために詳細な調整が要求される。もし湾曲ファセット表面が必要な場合には、円形アークが製作を簡単にする上で好ましい。切削工具は、切削された基盤を介して移動させられ、また、ほぼ工具の形を有する溝を切削する。すべての片が単一のダイヤモンド工具によって加工されることが好ましい。この方法が焦点型のファセット表面の形成に用いられる際には、可変溝プロフィールは、種々の溝プロフォールが同一の工具によって加工され得るように形成されるべきである。必要な形態のバリエーションは、ツールの角度、溝の配置、溝の深さを変更することによって得られる。要求された形のありエーションは、工具の角度を変更することにより、及び溝の配置及び深さを変更することにより実現できる。
ファセット表面３４の形態はいくつかの一般的な制約を満足させることが好ましい。
１．照射角度分布の中央において位置の関数としてほぼ線形の変化。一般的なコンピュータ画面の上辺から下辺までの１１度の角度変化（±５．５°）が効果的。
２．出力された光の可変角度分布の幅は、見る者に対してほぼ均一の照度を与えるために、局所的な照度がほぼ均一であるべきである。以下に示す例は、空間分布がほぼ均一なので、角度コーンがほぼ均一の幅を有している。
３．各ファセット３８の溝間隔は、回折効果をさけるため十分大きく、あるいは、十分不規則であるべきである。また、ＬＣＤパネルとともに用いられる際にモアレをさけることができるよう選択されるべきである。現実には、これら制約が空間的バリエーションの許容範囲を制限する。
たとえば、装置１０の製造の際には、視角は各ファセット３８の傾き、屈曲に依存している。焦点あわせは、位置の関数としてのファセット構造の回転によって実行される。５００ｍｍ離れたところから１５０ｍｍスクリーンを見る例では、照射コーンは上辺から下辺まで１７度（±８．５度）だけ変化させられる。一般的な材料としては、アクリル、ＦＥＰがスクリーン８９（図９Ｂ参照）の上辺から下限まで５．７度だけ回転するファセット構造であることが必要となる。
デザイン上の制約は、単一の工具による可変湾曲溝加工の必要性と上記の制約（１）〜（３）が結合したときに得られる。たとえば、一定の切削深さにおける一定角度幅の維持（制約（１））のためには、溝の間隔あるいは溝の深さにおける補償的な変更が必要となる。溝を工具によって切削したときには、各湾曲ファセット（図２Ｍ参照）の一部は、近接するファセットの上側エッジの陰に覆われるので、特に、溝間隔の線形変化は、照度のばらつきを無視できる程度まで低減することができる。この間隔の変化は、制約３を満足させるよう充分小さくなる。
さらに製造方法は、第１層２８の蒸着、スパッタリング、イオンビーム打ち込みを含む。この層は、前述したように極めて薄いので、同様に、第２層３０は、図２Ｂに示すファセット層３０（マスキングと層析出による）を形成するように調整可能である。
簡易コリメータ装置としてのウェッジ光パイプ
最も一般的な発明の実施の形態では、ウェッジ層１２は、単純なコリメート用光学素子として組合せの中で機能する。実質的に透明なウェッジ層１２は、光学屈折率ｎ1を有しており、また、徐々に集まって少なくとも一つの傾斜角φに収束するよう設置された上側表面１４と下側表面１６を有している。ウェッジ層１２は、また、上側表面１４と下側表面１６とにわたる裏側表面２０を有している。ウェッジ層１２は、空気ギャップを含み屈折率ｎ₂の透明な第１層２８に隣接している。第１層２８は、第２層３０のファセット表面３４のような正反射層に隣接している。
実質的にコリメートされていない光は、裏側表面２０を通って光源２２に導かれる。光は、ウェッジ層１２内に伝達され、各光線は、入射角が臨界角θ_c以下となるまでその上側表面１４及び下側表面１６に関する入射角を減少する。一旦、入射角がθ_c以下となると、光線は外部環境に現れる。下側表面１６を介して現れた光線は、反射によって再びウェッジ層１２に戻されれ、そして外部環境に現れる。上述した角濾過効果の効果により、出力光はコーンの角度幅と平行にされる。

照射範囲９９は、ウェッジ層１２の端部を越えて、また、実質的に上記規定された幅Δθのコーンの内部に位置している。
他の好ましい発明の実施の形態では、光進行方向変更手段は、ウェッジ層１２の端部を越えて、また、実質的に上記規定された幅Δθのコーンの内部に位置し得る。光進行方向変更手段は、レンズ、平面反射器、湾曲反射器であってもよい。光進行方向変更手段は、光を照射範囲に向けて反射、あるいは、屈折される。さらなる詳細及び光進行方向変更手段、レンズ状拡散器の使い方をいかに述べる。
二つのエアギャップ、もしくは透明な誘電層を有する図６の各実施の形態においては、光の進行方向変更層は独立している。従って、違う種類の層を有する装置を構成することができる。例えば、光が装置１０の両側から放射される場合、もしくは最高視準が望まれる場合には二つの透過光進行方向変更層を使用することが望まれる。二つの光進行方向変更層に関する全ての発明において、光進行方向変更層８２は図１２にある次の例を含むことができる。（ａ）図１２Ａにあるように、回折格子１２０、もしくはホログラム１２２。（ｂ）図１２Ｂにあるように、ディフューザー１２６を有する二つの屈折ファセット層。（ｃ）ウェッジ層１２からの光出力を屈折するとともに内部反射するように形成されたファセット１３０を有する二つのファセット層１２８。このようなファセット１３０は屈折のみの場合と比較して光の出力をより大きな角度で曲げることができる。（ｄ）二つの屈折単独ファセット層１３２（プリズム）。（ｅ）焦点合わせ用の湾曲出力面１３６を有する屈折単独ファセット層１３４を備えたウェッジ層１２の最上面光進行方向変更層。下面１３８は、ファセット層１４０を使用して、光を屈折及び内部反射するための光進行方向変更層を含む。出力光１４２をＦにて焦点合わせするためにファセット角度は位置に変えられる。（ｆ）屈折ファセット層１４６及び光を狭い角度で出力する屈折／内部反射層１４８からなる最下部光進行方向変更層を含む最上面光進行方向変更層１４４とディフューザー層１５０を加えることにより光出力角度配分の広がりを円滑にすることができる。（ｇ）出力角度配分を拡散するために凸状に湾曲された屈折面１５４を有する屈折／内部反射ファセット層１５２の最上面光進行方向変更層。ファセット角度は位置により変更することができるため、有限の距離がある位置において好ましい視認区域を形成するために、選択的に光出力の円錐の進行方向を導くことができる。この配置は更に湾曲されたファセット層１５２にとり取り除かれない不均一性を拡散するための横向きレンズ形ディフューザー１５６を含むことができる。最下部光進行方向変更層は、制御された状態にて光出力角度の配向を拡散するために凹状に湾曲された反射面１６０を有する屈折／内部反射ファセット層１５８を含む。（ｈ）出力角度配分を制御された状態にて広げるとともに、不均一性を向上させるための湾曲されたファセット１６４を有する屈折ファセット層１６２を含む最上光進行方向変更層。狭角出力のための平なファセット１６８を有する屈折／内部反射ファセット層１６６を含む最下部光進行方向変更層。ファセットの幾何学的配置は、有限な距離のある位置において出力光を焦点合わせるために位置により変更される。平行なレンズ形ディフューザー１７０は、制御された状態にて出力角度を円滑に広げ、不均一性を向上させるために使用することができる。仮想線の透明なイメージはレンズ形ディフューザーにプリントもしくは粘着されている。横向きレンズ形１７２は平行はレンズ形ディフューザー１７０にて取り除かれない不均一性を拡散するために使用される。焦点が合わされた平らなファセット層１６６とディフューザー１７０の組合せにより、焦点の合わせられた湾曲ファセットと同様に、有限な距離のある位置において好ましい視認区域が形成される。また、図に示されたＬＣＤ要素１７３（仮想線）は、照明を目的としたこの装置１０やこの装置のその他のあらゆる形態に利用することができる。
他の構成として、一つの透過光進行方向変更層及び一つの反射光進行方向変更層を利用することができる。これらは、上述した多種の透過光進行方向変更層と反射光進行方向変更層との組み合わせである。反射光進行方向変更層は正透過、部分拡散、拡散、ファセット状、或いはこれらの何れかの組み合わせであってもよい。これらの構成は片側からのみの光の出力が好ましい場合、もしくはコストを最小限にすることが重要である場合に使用される。このような構成の例として次のものがある。（ｉ）最上層透過回折格子、もしくは透過ホログラム１７６最下面正透過反射材１７４との組み合わせ。（ｊ）ディフューザー１８２（図１２Ｊにおける仮想線で示されている）及びその中に介在するイメージ形成層１７１を有する最上面屈折ファセット層１８０と最下面正透過反射材１７８との組み合わせ。（ｋ）最上層屈折／内部反射ファセット層１８６を有する最下部層正透過反射材１８４。ここでは、ファセットの幾何学的配置は、有限な距離にて出力光を焦点合わせするため、位置により変更される。ディフューザー１８８は仮想線にて示されている。（ｌ）最上層屈折／内部反射ファセット層１９２を有する最下部層正透過反射材１９０。ここでは、制御された状態にて光の出力角度を円滑に広げ、不均一性を向上させるために湾曲されたファセット１９４が使用される。光の出力空間分配を影響させるために、ウェッジ層１２及び最上面と最下面との低屈折率層１９６（即ち、エアギャップ）の厚さは変更される。（ｍ）最下部反射材１９８は不均一性を向上させるために部分的に正透過であり、部分的に拡散されている。内部レンズ形ディフューザー２００を加えることにより制御可能となる初期反射区域が図１２Ｍに示されている。ディフューザー２００は厚い方の端の近くで、ほぼｙ軸の方向に沿って現れる不均一性を選択的に減少させるために形成されている。屈折／内部反射するとともに湾曲された反射面を有する最上光進行方向変更層２０２も含まれている。（ｎ）不均一性を向上させるために部分的に正透過であり、部分的に拡散された最下部反射層２０４。図１２Ｎに示すように、正透過性を減少させるために初期反射区域は若干荒くされている。このことにより、厚い方の端２０８の近くに不均一性が現れるのを回避している。平らなファセット層２１２により屈折／内部反射する最上光進行方向変更層２１０が使用される。有限な距離のある位置の共通焦点へ光を各ファセットから進行方向を変更するためにファセットの幾何学的配置は変更される。横向きレンズ形ディフューザー２１３は仮想線にて示されている。平行なレンズ形ディフューザー２１４は制御された状態にて出力角度配分を円滑に広げるために使用され、平らなファセット層２１２の焦点区域をより広い好ましい視認区域に変更する。レンズ形ディフューザー２１３を不均一性をも向上させる。ＬＣＤ表示装置２１６またはその他の透明なイメージは仮想線にて示されている。（ｏ）好ましい実施の形態では偏芯カップラ２１８は、図１２Ｏの仮想線に示される不均一性を向上させるレンズ形ディフューザー２２０を利用する。収束テーパ部２２２、つまりＣＰＣ（ウェッジ層と一体）は出力角度配分をウェッジ層１２の入力ＮＡに更に近づけさせて一致させるため出力角度配分を変換させる。ウェッジ層１２の厚さは出力空間配分を影響させて不均一性を向上させるため円滑に変更される。最下部最配向層２２４は正透過、もしくは部分的に拡散された反射材である。最上光進行方向変更層２２６は、制御可能な状態にて出力角度を円滑に広げる凸状の湾曲された反射面２３０を有する屈折／内部反射のファセット層２２８である。ファセットの幾何学的配置は、有限距離のある位置において、好ましい視認区域２３２を形成するため、各ファセットから選択的に光の円錐の進行方向を導くために位置により変更される。横向きレンズ形ディフューザー２３４は仮想線に示されている｜Ｄ表示装置２３６或いはその他の透明なイメージも仮想線に示されている。進行方向変更層及び低屈折率層はより収束された区域の上方に重られる必要がないため、より収束されたＮＡ一致区域はファセット光進行方向変更層との組み合わせにおいて有利である。従って、装置１０の入力開口（つまり効率）は装置全体の厚さの増加を最小にして増加される。（ｐ）ＬＣＤ背面照明の別の好ましい実施の形態としては、図１２Ｐの仮想線に示される不均一性を向上させるディフューザーを有する偏芯カプラを利用する。収束半テーパ部２４０、もしくは半ＣＰＣ（ウェッジ層と一体）は、ウェッジ層１２の入力ＮＡをより一致させるためカプラ出力角度配分を変換させる。ディフューザー２３９（仮想線）は光源２１７とウェッジ層１２との間に介在させることができる。効率的に円錐状に形成された半ＣＰＣ２４０は単なるテーパ部である。部分的に正透過であり、部分的に拡散された最下部反射材２４２は不均一性を向上させるために利用される。図１２Ｐは、正透過性を減少させるために若干荒くされたか、或いは、平行な反射溝が形成された初期反射図２４４を示す。これにより厚い方の端の近くに現れる不均一性が選択的に減少される。最上光進行方向変更層２４６は屈折／内部反射ファセット層２４８であり、制御可能な状態にて出力角度を円滑に広げるため凸状に湾曲された屈折面２５０を有する。ファセットの幾何学的配置は、有限距離のある位置において、好ましい視認区域を形成するため、各ファセットから選択的に光の円錐を導くために位置により変更される。横向きレンズ形ディフューザー２５２は仮想線に示されている。仮想線に示されているＬＣＤ表示装置２５４、或いはその他の透明なイメージも含まれている。
進行方向変更層及び低屈折率層はより収束された区域に上方に重なる必要がないため、より収束されたＮＡ一致区域（例えば半テーパ部２４０）はファセット光進行方向変更層との組み合わせにおいて有利である。従って、装置１０の受光開口は全体の厚さを増さないで増加される。この利点は図１２０に示された完全テーパ部２２２にも享受されている。しかしながら、図１２Ｐの半テーパ部２４０と比較すると、等しいＮＡ一致効果のためにテーパ方向においてより長くなるものの、厚さがより大きく減少される。不均一性を向上させるために最上面底屈折層をより厚く形成することが可能なことにより、図のように、片側に厚さの減少を集中させることができる。コーナーに反射フィルムを折り曲げることなく、最下部反射層をカプラ反射空間と一体にすることができるため、この形状はより簡単に製造することができる。（ｑ）更に別の形態（図１２Ｑ参照）で最下部正透過、または、拡散反射層２５６を単一ファセット屈折の最上層２５８と組み合わせることができる。（ｒ）内部照明として使用する場合、２方向の「こうもりの翼」の角度のある光配分２６０が好ましい。図１２Ｒでは、ファセット２６４を有する最上屈折層２６２が示されており、出力角度を広くして不均一性を向上させるための湾曲前面２６６を備え、出力光が基本的に前の象限に配向される。下部反射層２６８は基本的に最上光進行方向変更層の後面を通して光を反射し、出力は後ろの象限へ実質的に配向される。
この発明から明らかなように、各図に示された種々の要素はテーパ付の照明装置の要素と組み合わせて使用することができる。このような組み合わせの構造の二つの例が図１３及び図１４に示され、これら各図はそれぞれの構造に含まれる構造を示す。図１３に示すように、二つのウェッジ２７６を組み合わせて一体的に形成することができる。この組み合わせは二つの光源から同じ箇所に光が供給されるのを許容するため、同じ大きさを有する単独のウェッジより明るい光度を提供することができる。この装置において、光度が高くなるものの、二つの光源は一つの光源の倍の力を必要とするため、効率は同じである。図に示すように、ファセット２７４を有する光進行方向変更フィルム２７２は、両側から光を受けられるよう、単一で対称的な形状であってもよい。逆に、光進行方向変更フィルム２７２は蝶のそれぞれの羽根として異なった形状であってもよい。
図１４は、図５と同様にテーパ付のディスク２７０を立体的に示していて、種々の層の形状を示している。ファセット光進行方向変更層２８０はテーパ状の光パイプ部分２８４の上方に重ねられた同心の円形ファセット２８２を含む。光源２８８のすぐ上において、光パイプ部２８４における空間の上方に重なるように光進行方向変更層２８０はレンズ状（例としてフレネルレンズ２８０が示されている）に形成される。光源２８８のすぐ下に反射材２９０が位置決めされ、光が漏れるのを防止するとともに、光をパイプ部２８４もしくはレンズを通して進行方向を変更する。少なくとも一つの開口が反射材に備えられ、ワイヤや光パイプのような要素の通過を許容する。
イメージ或いは色彩層の使用
本発明の実施の形態は全て、イメージを形成するため可変透過を有するか、角度のある出力の少なくとも一部に色彩を伝達する一つもしくは複数の層を利用することができる。イメージ形成層は従来の透明な表示装置のような静電イメージ、もしくは液晶表示装置のように選択的に制御されたイメージを含むことができる。イメージ形成層、もしくは色彩伝達層は、光進行方向変更層の上方に重ねることができる。或いは、低屈折率層とそれに対応する光進行方向変更層もしくは光進行方向変更層の内部要素の間に中間層を含むことができる。例えば、上方に重ねられたイメージ形成層１２９は図１２Ｃ及び図１２Ｇの仮想線示されている。内部イメージ形成層１７１の例は図１２Ｈ及び図１２Ｊに示されている。
一つの実施形態において、イメージ形成層（例えば１２９と１７０）は分散ポリマー液晶（ＰＤＬＣ）層である。層の適当な配置により、出力角度配分の選択された部分内において装置からイメージもしくは色彩は投影が可能である。イメージもしくは選択色彩は出力角度配分の残りの部分から実質的に欠如していてもよい。
ＬＣＤパネル照明用の２方式反射ウェッジ
用途によっては外部の光もしくは動的な背面照明により選択的に単独のＬＣＤパネルを照明することが望ましい。これらの用途において表示装置による電力消費を最小限に抑えるため、明るい環境では外部照明が選択される。適当な表示装置の質を供給するのに環境照明が不足している場合には動的背面照明が選択される。この選択的な２方式操作モードは動的モードにてＬＣＤを十分背面照明することができるとともに、もう一方の外部モードにて外部の光を十分に反射することのできる背面照明ユニットを必要とする。
最も広く普及している二方式液晶表示装置としては、図１６Ｂに示す「透過反射装置」１０１がある。この装置では従来の背面照明１０２及び部分的に透過性、部分的に反射性のある中間層１０４を有する透過性ＬＣＤパネル１０３を使用している。適当な外部モード性能を発揮するには、特に中間層１０４が８０％から９０％の反射性を有することが必要である。その結果、透過性が低くなる透光反射装置１０１は動的モードにおいて、その性能を十分に発揮できなくなる。
図１７においては、別の実施形態が示されている。この実施の形態は従来の透過反射装置と比較して、動的モードにおいて優れた性能を発揮し、外部モードにおいてほぼ同様の性能を発揮する。この実施形態においては最下部面１６を有するウェッジ層１２（屈折率＝ｎ₁）は屈折率がｎ₂＜ｎ₁の透明層２８に連結される。透明層はエアギャップであってもよい。ｎ₂層は部分拡散反射層１０５に連結される。この反射層１０５は好ましくは、例えば、図１６Ａに示す外部モードのみに使用される従来のＬＣＤパネルに使用される。ｙ軸とほぼ平行なマイクロレンズを有するレンズ形ディフューザーのようなファセット光進行方向変更層１０６がウェッジ層最上面１４の上方に重ねられている。液層表示装置パネル１０７はファセット光進行方向変更層１０６の上方に重られている。ウェッジ層１２の後面２０は光源２２に連結されている。
外部モードにおいて、装置１０は従来の外部モードのみの表示装置とほぼ同様な状態で機能するように、レンズ形光進行方向変更層１０６とウェッジ層１２は入射及び反射光に対してほぼ透明である。動的モードが選択されると、光源２２は点灯されるとともに、前述のように層の屈折率と収束角度との関係により複数の層は装置１０においてほぼ均一に光を拡散させる。その結果として起きる均一な照明はウェッジ層１２の最上面１４から放射される。好ましい実施形態においては、外部モード性能を最高にするため反射層１０５はほぼ正透過である。この好ましい実施形態では、最上面から放射される光は、グレージング角で多くが放射され、ＬＣＤ表示パネル１０７による透過に適しない。前述のように、光進行方向変更層１０６は、屈折及び全内部反射の組み合わせによりこの光の一部の進行方向を変更させる。光進行方向変更層１０６は、光の１０％から２０％がＬＣＤ法線に対し３０度以下の角度に進行方向が変更される。その理由は、この角度範囲においてＬＣＤ透過が最も高いからである。従来の透過反射表示装置は、能動モードにおいて非効率的であるため、背面照明の一部のみを適当な角度に導けば十分である。
偏光の処理
本発明の別の一側面によれば、光学装置１０によって処理される光は、固有の偏光状態（例えば、直線偏光、円偏光、楕円偏光）を有し、偏光を用いることに依存する液晶表示（「ＬＣＤ」）システムまたはその他の出力装置の照明を改良することに役立つ。ＬＣＤを用いるシステムにおいて、一つのタイプの偏光３０８を除去し、もう一方のタイプの偏光のみをＬＣＤ層に透過させる必要がある。例えば、図３０において、従来の偏光層３１２は、光源３０６からの入力光のおよそ１／２に達する一つの偏光状態の光を優先的に吸収し、好適な偏光状態の光がＬＣＤ層３１６に伝送される。適当な偏光状態にある光は、液晶及び偏光子３１４によって所望の方法で処理され、望まれる表示特性を提供する。このような従来のシステムにおいて、光源の光のおよそ１／２は「望まれない」。このため、光のおよそ１／２は、求められるＬＣＤ出力を提供する目的のために失われる。結果的に、（望まれない偏光状態の光を除去しないで）二つのタイプの偏光を用いる手段が見つかれば、液晶表示の効率性及び輝度を高めることができる。本発明は、ある一面で、この目的を達成するものであり、以下の実施形態は、この目的を達成するための好適な構造及び手段である。
偏光フィルタのもっとも一般的な説明において、図３０Ｂによれば、偏光フィルタ層３０７は、二つのタイプの偏光状態１及び２から構成される入力光３０８を受け入れ、偏光状態３及び４から構成される透過光３０９と、偏光状態５及び６から構成される反射光３１１を発生させる。これは、以下に「第１の」及び「第２の」状態として示す。つまり、「状態」１、３及び５は、「第１の偏光２１８」として示され、「状態」２、４及び６は、「第２の偏光２２０」として示される。このため、変更状態１にある入射光の一部によって伝送及び反射される光を状態３及び５のみで特定できるように状態３及び５の態様を選択し、状態４及び６が偏光状態２に関連するものと仮定する。しかしながら、これらの偏光状態の態様はより限定的な仕方で関連づける必要はない。あるスペクトル波長の範囲にわたって、ある入射角範囲及び入力偏光状態のある特定の選定に対して、偏光フィルタ層３０７は入力光３０８を処理し、ある特定のトータルパワーの関係をもって、処理光３０９を発生させる。各偏光状態のパワー（Ｐ_i）を定義する場合（ここで、ｉ＝１，２，３，４，５、６）、その条件は、

定義により、適当な角度及びスペクトルの範囲にわたって、前記の特徴を示すいかなる層も、偏光フィルタ層３０７の一形態であるものとする。一般的に、考えられる偏光状態は、線形、円形または楕円形のような任意のタイプになりうる。後述のとおり、偏光の程度（Ｐ_T）によって偏光フィルタ層３０７のパフォーマンスを定量的に算出するが、Ｐ_Tは、以下の数式で定義される。

ここで、

層が無損失であるなら、透過率は以下の数式によって反射率Ｒに関連する。
Ｔ₃₁＝１−Ｒ₅₁，Ｔ₄₂＝１−Ｒ₆₂
ここで、
Ｒ₅₁＝Ｒ₅／Ｒ₁，Ｒ₆₂＝Ｒ₆／Ｒ₂
偏光フィルタ層３０７の前記の特性を有する層の媒質には種々の例がある。これは、以下に示すタイプの層を一つ以上含む例を含むが、以下のタイプのみに限定されるわけではない。そのタイプとは、次のようなものである。（１）被覆、押し出し、または他のプロセスによって生成され、複屈折または非複屈折であり光干渉被覆として動作するために設計された薄膜層。（２）所望のスペクトル帯域内のどこかにおいて１／４波長以上の光学厚さを有し、スタッキング、被覆、押し出し、積層またはその他のプロセスによって生成され、角度または屈折率がブルースター角の条件にぴったり合致しないときでさえ、ブルースタースタックとして動作するよう設計された「厚」膜層。（３）薄膜及び厚膜を用いる方法の組み合わせ。（４）偏光依存拡散を生み出す、エッチング、エンボス加工、マイクロマシニングまたはその他の方法によって生成された面の粗さまたはプロフィール。なお、この粗さまたはプロフィールには、相関関係があるもの、部分的に相関しているもの、または全く相関関係に無いものがある。（５）二色性の素を利用した層。一般的に、２以上の前記の層のタイプによって形成された集合層が偏光フィルタ層の一般的な機能を満足させるものであれば、この集合層は偏光フィルタ層３０７の適当な形態の一つである。
偏光フィルタ層３０７の実施例は、薄膜または厚膜の複屈折層または非複屈折層から構成することができる。複屈折層の特殊な例及び説明は、以下に分類して示す。
偏光フィルタ層３０７の薄膜の実施形態の例は、図３０Ｃに示されるように、特定の設計中心波長（λ_o）及び特定の設計動作角度（θ_inc）に基づき、そして等方性平面層に基づく。この設計例における層３１３は、二つのタイプの層が交互に重なって構成されている。つまり、光学的屈折率ｎ_H及びｎ_Lの高屈折（Ｈ）層３１４及び低屈折（Ｌ）層３１５をそれぞれ交互に重ねている。スネルの法則から、入射角が分かれば、光３１７が層（ｎ_inc、ｎ_L、ｎ_H）の屈折率によって層３１３のいずれかに伝送する部分の面法線（θ_L、θ_H）の角度が分かる。これは、以下の数式に示される。
ｎ_incｓｉｎθ_inc=ｎ_Lｓｉｎθ_L
ｎ_incｓｉｎθ_inc=ｎ_Hｓｉｎθ_H
二つの光学的に等方性の領域間の界面上に入射する光３１７のｐ偏光状態に対して、いわゆるブルースター角があって、そこでは、界面の反射率は０である。面法線（θ_H/L、θ_L/H）で計測される角度は、以下の数式に示す。

ブルースター角におけるｓ偏光の界面における反射は大きくなり得る。優先的にｐ偏光状態を伝送する層３１３は、１／４波長の光学的厚さだけ界面の間隔をあけることによって設計される。このような１／４波長の光学的厚さ（ｔ_L、ｔ_H）は、以下の数式で求められる。

Ｈ及びＬの屈折率は、以下の設計式に関係していることを示すことができる。

一例として、以下のように特定した場合を考えてみる。
ｎ_H＝１．５，ｎ_inc＝１．０，θ_inc＝８０°，λ_o＝５００ｎｍ
これは、低屈折率層の設計屈折率及び低屈折層３１４と高屈折層３１５の物理的な厚さがそれぞれｎ_L＝１．３１，ｔ_L＝１４５ｎｍ，ｔ_H＝１１０ｎｍであることを示す。これはスパッターガラス及び真空析出リチウムクロライドを用いることによって達成され、それぞれｎ_H＝１．５，ｎ_L＝１．３１になる。その設計が図３０Ｃに示すように整合性のある設計であり、層３１３が屈折率１．５によって囲まれていると仮定するなら、反射率は公知のRouardの方法で簡単に算出できる。外面が常に反射防止膜で覆われているとき、この仮定は極めて一般的である。層３１３の基層数の変化に対する反射率は、以下の表１に示される。

同様の代替設計は多数ある。１以上の屈折率は、層３１３の薄膜層構造の一部として用いられる。周囲層は空気である必要はなく、低屈折層及び高屈折層の正確な数は変化する。その搬送波または基板は、他の屈折率の値を有する。層３１３を、設計角度及び波長における１／４波長の厚さから変化させ、スペクトル及び角度帯域幅を改良することができる。実際、層３１３の動作は非常に広帯域で、ブルースター角の設計に精密な屈折率及び角度は必要ない。例えば、屈折率を変化させることによってｓ反射率とｐ反射率をやりとりするようにして変化させることができる。システムの機能を変化させずに、全システムをフリップさせることができる。
実施形態の変形は、異なる屈折率を有する少なくとも二つの層を含む。このような配置はｎ_H及びｎ_Lを有するので、高い偏光を選択するために必要な層の数を最小限にするためにｎＨ／ｎＬ＞１．１５とする。更に、屈折率ｎ及び厚さｔを有する少なくとも一つの層を用いてパフォーマンスを高めるため、光干渉を用いることが最適である。この場合、５０ｎｍ／（ｎ²−１）^1/2＜ｔ＜３５０ｎｍ／（ｎ²−１）^1/2になる。この関係は、ｔ_L及びｔ_Hに関する前記の等式から求められる。波長は４００ｎｍから７００ｎｍの範囲内の可視光であり、入射光は臨界角に近いので、

及び光干渉効果は、光波長の１／８から１／２までの光学的厚さを有する層によって促進される。このような層を製造するための材料及び方法は、多層誘導体被覆の技術分野において公知である。
ブルースタースタックによる方法は、前記の薄膜を用いる方法に類似していたが、その層は多数の波長分の厚さを有し、光干渉被覆で生じる干渉効果よりむしろ光波の非干渉的な付加の原理に基づいて主に機能する傾向がある。偏光フィルタ層３０７のこの態様の設計は、前記薄膜偏光子の設計と同様である。ただし、層の厚さが少なくとも数波長分の光学的厚さである限り、層の厚さは重要ではない。光学的厚さの影響の欠乏は、ブルースタースタックによる例のパフォーマンスが一般的にスペクトル波長及び角度の変化に敏感ではないことを示す。図３０Ｄのジオメトリにおいて、数対のＮ層の組み合わせのｓ偏光及びｐ偏光（Ｔ_S，Ｔ_P）の伝送の点から形成された伝送比は、近似公式を用いて概算される。

この公式を層の対の数が変化するジオメトリにあてはめた結果を、以下の表２に示す。

一般的に言えば、このタイプの偏光フィルタ層３０７は同様の反射率を得るため、屈折率のより大きな差及びより多くの層が必要である。薄膜の設計及びブルースタースタックを用いる方法を明確に区別する線はない。厚さが増加するにつれて干渉効果はゆっくり減少し、光信号のスペクトル帯域幅に依存する地点を超えると、干渉効果は非干渉効果に比較して小さい。前記の例は、干渉状態及び非干渉状態の極端な場合にすぎない。
図１９では、偏光照明システム２０４の一つの形状の変形を示す。特に、図１９Ｂにおいて、ウェッジ（くさび）形の基層２０６を有する偏光照明システム２０４は光学的屈折率ｎ₁を有する断面面積、傾斜角Φの少なくとも一つの角度を形成するために収束する第１の表面２０８、第２の表面２１０から構成される。更に、その基層２０６は、第１の表面２０８及び第２の表面２１０に至る背面２１１から構成される。背面２１１を介して光源（図示略）によって入射される光２１２は第１及び第２の表面から反射し、角度が基層２０６及び第１の層手段（例えば、層２１４）間の界面の特性である臨界角θ_cを下回るまで、光２１２が表面２０８及び２１０からそれぞれ反射する第１及び第２の表面に対する垂直入射角を小さくすると、光２１２は基層２０６を出る。この層２１４は、ｎ₁より小さい屈折率ｎ₂を有する少なくとも一つの層部分から構成され、基層２０６に至る第２の表面２１０の上方に設けられている。基層２０６に入射する光２１２は、基層２０６と第１の層２１４の屈折率ｎ₂を有する層部分との間の界面の特性である臨界角θ_cを下回る入射角に達するとき、第１の層２１４によって、光２１２が基層２０６から出力された後、第１の層２１４に入ることができる。
偏光照明システム２０４は、偏光フィルタ層２１６（前記の偏光フィルタ層３０７を参照）のように、他の状態に至るある状態の偏光を優先的に処理する層手段を含む。偏光フィルタ層３０７の記載された実例に加えて、偏光フィルタ層２１６のもう一つの例は複屈折部材であり、これは以下の特定の実施例において細分して示される。図１９において、入力光２１２は、第１の偏光状態の光２１８及び第２の偏光状態の光２２０を含む。偏光フィルタ層２１６は光２１２と相互作用し、第２の偏光状態の光２２０と比較して第１の偏光状態の光２１８を優先的に出力する。この偏光フィルタ層２１６は少なくとも、基層２０６に至る第２の表面２１０の上方に設けられ、偏光フィルタ層２１６は、光２２０の一部で反射できる。この反射光２２０は、第１の層２１４及び基層２０６を介して反射率ｎ₃を有する媒質２０７（例えば、空気）に伝わる。一方、この光２１８は、偏光フィルタ層２１６を有する基層２０６側で偏光照明システム２０４から出力される。図１９Ｂにおいて、光２１８が屈折率ｎ₄を有する媒質２２１に出力されることが示されている。図１９Ｂの実施形態において、各屈折率間の関係は、以下の数式で示される。
n₄≧n₂及び
arcsin（n₂/n₁）-2Φ<arcsin（n₃/n₁）<arcsin（n₂/n₁）+2Φ （９）
この実施形態において、ｎ₂及びｎ₃は、「n」がおよそ１の値を示す空気層になりうる。
これと同様の屈折率の関係は、図１９Ｂの変形である図１９Ａに示される。しかし、屈折率ｎ₂の第１の層２１４は、偏光フィルタ層２１６より上に設けられている。図１９Ｂの実施形態では、第１の層２１４は偏光フィルタ層２１６より基層２０６に接近している。
更に、図１９Ｃの実施形態では、屈折率は以下の等式（１０）に示され、この結果、第２の偏光状態の光２２０は、図１９Ａ及び図１９Ｂに示されるように第１の表面２０８を介して外部に放射するよりむしろ内部反射をし続ける。偏光フィルタ層２１６に対する入射角は、各々反復反射をして小さくなる。この様に、屈折率ｎ₃は十分に小さくなるので、光２２０は範囲の上方でその角度を小さくし、そこで、偏光フィルタ層２１６は光２２０の好適の反射率を供給することができる。結果的に、光２２０の少なくとも一部は第２の表面２１０を通過するが、第１の偏光状態の光２１８に対する出力角度内で分離される。図１９Ｃの実施形態において、各屈折率は以下の関係を有する。
n₄≧n₂及び
arcsin（n₃/n₁）<arcsin（n₂/n₁）<arcsin（n₂/n₁）-4Φ （１０）
入射角が以下の等式で示す値より大きいとき、偏光フィルタ層２１６が光２１８を出力し、光２２０を反射させることが最も望ましい。
θ_p=arcsin[1-4φ（（n₁/n₂）²-1）^1/2] （１１）
したがって、光がθ_Pを下回る角度で入射した場合、偏光フィルタ層２１６が第１の偏光状態及び第２の偏光状態における光（すなわち、光２１８及び光２２０）に対してほぼ透明になる。
例えば、図２０Ａ〜Ｃに示される本発明の実施形態において、偏光照明システム２０４は、図２０Ａの光反射層２２２のような光進行方向変更手段、またはより一般的には、図２０Ｂ及びＣに示される光進行方向変更手段２２４を含む。一般的に、装置１０（図２０における偏光照明システム２０４）の発明に対して、光線が光進行方向変更手段２２４に入射したり光進行方向変更手段２２４から出るときの光の伝播方向の点から光進行方向変更手段を定義する。屈折率ｎ_iを有する光媒質の単位ベクトルｒ_iに対して平行に伝播する光線の場合を考えてみる。ｕが光線入射点で光進行方向変更手段２２４に対して垂直で、光進行方向変更手段２２４から離れ、入射光線が発生する側の方向に向かっている単位ベクトルであるなら、入射光線は光進行方向変更手段２２４と相互作用するので、相互作用領域から離れる光線を生成する。離脱光線が屈折率ｎ_cを有する光媒質における各単位ベクトルｒ_cのある分布に平行して伝播する場合、光進行方向変更手段は入射光線を処理するいかなる層も含むので、機能する角度の範囲内で入射光線に関する以下の特性の一つを有する。
（１）離脱光線の少なくとも２５％において、
n_c（r_c x u）とn_i（r_i x u）は等しくない。 （１２）
（２）離脱光線の少なくとも９０％において、
r_c=r_i-2（u・r_i）u （１３）
光進行方向変更層２２４は、等式（１２）の条件（１）によって光の変更を変換することができ、その条件とは、（ａ）光が粗い光学的と相互作用する場合、（ｂ）光が入射面から異なる傾斜を有する光学的と相互作用する場合、（ｃ）光進行方向変更層２２４が光を適当な角度に回折する場合である。例えば、条件（１）によれば、光進行方向変更手段は、透過層または反射層、拡散層または非拡散層及びプリズム層または集合組織層のいずれかの組み合わせである。更に、光進行方向変更手段は、回折格子、ホログラム、またはバイナリーの光学層でもよい。
等式（１３）の条件（２）によれば、光の方向を変更する光進行方向変更手段は、正反射を行う。このような正反射の例は、金属被覆（例えば、図２０Aの光反射層２２２は、金属被覆でもよい）、多層誘電体被覆または金属被覆と多層誘電体被覆の組み合わせでもよい。それぞれの場合、その内面または外面は滑らかで、相互に平行であることが望ましい。
図２０Ａの実施形態において、光２２０を反射する光反射層２２２の形で光反射、光進行方向変更手段から構成される。光反射層２２２は、基層２０６の第１の表面２０８の上方またはその下方に配置され、金属被覆のような平坦な正反射器あることが好ましい。基層２０６と光反射層２２２との間に配置された屈折率ｎ₃の介在層２２３も示されている。この介在層２２３は、基層２０６の一部または分離層とみなされ、基層２０６及び介在層２２３間の機能的相互作用に依存している。介在層２２３の屈折率ｎ₃は、光が介在層２２３に入射した後、光２１２の空間分布及び角度分布を制御するために調整される。
例えば、図２０Ｂ及び図２０Ｃに示されるように、光進行方向変更層２２４は異なる位置に配置され、各光進行方向変更層２２４は様々な用途の必要に応じて、異なる光出力特性を達成できる種々の特性を有する。更に、特定の実施形態と同様に、光進行方向変更手段及び使用の例は他の図面に示され、詳細は以下に示される。
更に、偏光照明システム２０４の他の実施形態において、光変換手段は、例えば図２１及び２２の偏光変換層２２６として構成され、図示されている。この様に図示された実施形態において、屈折率はｎ₄＞ｎ₂を有し、等式（９）の条件が一般的にあてはまる。この実施形態において、光変換手段は、ある偏光状態（例えば、光２２０）の少なくとも一部を他の偏光状態（例えば、光２１８または第１の偏光状態及び第２の偏光状態の組み合わせである第３の偏光状態の光２２７）に変化させる層から構成される。
偏光変換層２２６は、例えば、偏光を９０度（π／２）回転させることによって、偏光状態を他の偏光状態に変化させる機能を有する。更に、このような変換は、斜め入射で行われることが最も好ましい。一例として、一軸複屈折部材をこの様に変換させる特質について記載する。ここで、光軸に対して垂直な屈折率は光の方向とは無関係である。伸縮性蛍光重合体膜のようなタイプの多くの部材が好適である。屈折率が全方向によって異なるより一般的な複屈折部材は、以下に記載された一般的な手段も使われる。偏光変換のプロセスを理解するために、まず垂直入射の場合を説明する。
図３０Ｅに示すように、複屈折部材のプレート２２９は、ベクトルＫに沿って垂直軸、ベクトルＩに沿って光軸を有する（図３０Ｆのベクトルを参照）。伸縮性複屈折膜の伸縮の方向は、ベクトルＩに沿っている。ベクトルＩ、Ｊ、Ｋは、ｘ、ｙ、ｚ軸に沿った３組の直交した単位ベクトルである。垂直入射の光波法線はベクトルＫに沿っている。電磁波の偏光状態を変位ベクトルＤによって説明する。Ｄ'で常光線の偏光状態を示し、Ｄ''で異常光線の偏光状態を示す。ｎ'で常光線の屈折率を示し、ｎ''で異常光線の屈折率を示す。複屈折プレート２２９を入射偏光ベクトルＤ₀に対して４５度（π／４）の角度になるように複屈折プレート２２９の光軸の方向を決めることができる。このベクトルは、二つの成分、すなわち、Ｄ_0x＝（１／√２）Ｄ₀ｃｏｓωｔ及びＤ_0y＝（１／√２）Ｄ₀ｃｏｓωｔから成る。複屈折プレート２２９から出るとき、Ｄベクトルは、Ｄ_0x＝（１／√２）Ｄ₀ｃｏｓ（ωｔ−δ''）及びＤ₀ｙ＝（１／√２）Ｄ₀ｃｏｓ（ωｔ−δ'）を有する。ここで、δ'＝（２π／λ）ｎ'ｈ、及びδ''＝（２π／λ）ｎ''ｈで、ｈはプレートの厚さを示す。したがって、導入された位相差は、δ'−δ''＝｜（２π／λ）（ｎ''−ｎ'）｜ｈである。特に、出現光が偏光ベクトルＤ'に対して直角の偏光ベクトルＤを有する場合、δ'−δ''＝π（または、より一般的には、δ'−δ''＝２ｍ＋１）π、ここでｍは整数である）が必要である。これは、厚さｈがｈ＝｜（２ｍ＋１）／（ｎ''−ｎ'）｜λ／２として選択されなければならないことを意味する。
つまり、以上の関係にしたがって厚さｈを選択し、入射角に対して４５度になる光軸の方向を決定する。図２６Ｂのような本発明の形態では、光は偏光変換層２２６と複屈折プレート２２９を二度横断するので、実際の厚さは前記の厚さの１／２になる。言い換えれば、厚さは公知のλ／４のプレートである。金属鏡２３１からの反射はおよそπの位相を追加的に二つの成分に移動し、その結果は変わらない。
光が偏光変換層２２６によって斜め入射される実施形態において（図２６Ｂを参照）、まず入射ビームを二つのビーム（公知の複屈折効果）に分割（スプリット）することが困難でないことを示す必要がある。これが問題でないことの理由は、二つのビームは最初の方向に平行に出現するが、相互に若干変位するからである。その二つのビームは、相互に干渉し、その変位は＜λである。角度分割は

である。ここで、θcは臨界角で、Δｎ＝（ｎ''−ｎ'），ｎ＝（ｎ''＋ｎ'）／２である。この変位は、

である。しかし、

を選択するので、自動的に変位は＜λになり、二つの光線は一つの光線として扱われる。
複屈折プレート２２９の一軸状の斜め入射の組織構造は幾分複雑なので、方法を簡略化するため、図３０Ｆに示されるオイラー角を導入する。３組の（i,j,k）ベクトルと３組の（I,J,K）ベクトルの間の関係は、表３に示す。

空気／プレートの界面に対する法線をK、入射波の法線をk、複屈折プレート２２９の光軸でIを示す。入射偏光D₀を９０度回転させたい。入射偏光D₀は界面平面内にあるので、D₀をi₀に沿わせることによってψ₀=π/2になる。常光線の偏光D'は、I及びkの両方に対して垂直である。従って、D'をi'に沿わせる。ここで、i'_x=0である。表３からtanψ'=cosφcosθが求められる。異常光線の偏光D''は、D'及びkの両方である。したがって、ω"=ψ'±π/2になる。ψ"=ψ'-π/2を選択し、それからψ"=tanφ/cosθを選択する。所望の出力を達成するため、複屈折プレート２２９の方向を適当に変える。垂直入射の場合のように、ψ₀をD'及びD"の方向に対して４５度にする。したがって、ψ'=π/2を選択し、その後tanφ=cosθを選択する。典型的な場合において、ここでθは

である。実際には、入射角と波長の範囲において、上記の公式を出発点と案内として用いて、試験的にφを容易に調整し、最も完全な偏光変換を行う。次に、複屈折プレート２２９の厚さhを決定する。垂直入射の場合のように、条件はh=｜（2m+1）/（n''-n'）｜λ/2である。しかしながら、異常光線の屈折率n"は入射角θに依存して、以下の等式で示される屈折率楕円が読み取られる。楕円は、（1/n"）²＝（1/n₀）²sin²θ+（1/n_e）²cos²θで示される。ここで、n₀は常光線の屈折率を示し、n_eは、異常光線の屈折率を示す。n'=n₀である。典型的に、屈折率の差は小さく<0.1で、およそ

である。更に、斜め入射の光路長は、垂直入射の光路長より大きい。斜め入射の長さhは、複屈折プレート２２９の厚さより1/cosθだけ大きい。したがって、実効屈折率の差は、cos²θだけ減少するが、光路長は1/cosθ倍ずつ増加するので、斜め照射に必要な厚さは、垂直入射の厚さより、1/cosθ倍だけ大きい。実際には、入射角及び波長の範囲にわたってｈを試験的に調整して最も完全な偏光の変換を求めることが出来る。実際には、入射角と波長の範囲において、上記の式を出発点とガイドとして用いて、試験的にφを調整し、最も完全な偏光変換を行う。
更に、別の実施形態において、一方の偏光状態の光を他方の偏光状態の光に変換する作業は、以下の三つの段階から成ると考えられる。
（１）偏光照明システム２０４上のすべての位置において実質的に別個のビームへと異なる偏光状態を分離する。
（２）所望の偏光状態に影響を与えることなく偏光変換を行う。
（３）光出力の偏光強度を減少させることなく光を適当な角度分布に拡散させる。
ここに記載するように、偏光照明システム２０４において異なる偏光状態を分割する種々の方法が用いられる。例えば、低屈折率層２１４は、図３１Ａ〜３１Ｃに示されるように複屈折である。例えば、低屈折率層２１４は方向付けされた蛍光重合体変換層であり、そこで偏光照明システム２０４に沿ったすべての位置から出現する直交偏光の光ビーム２１８及び２２０を発生させる。これは、二つの条件が満たされる場合に用いられる。第１の条件では、二つの偏光２１８及び２２０がほぼ重複することができるために低屈折率層２１４の複屈折が十分に大きくなければならない。この条件は、等式（１５）〜（１７）によって概算され、Ｃは少なくとも１の値を示し、４より大きい値が好ましい。第２の条件は、低屈折率層２１４の複屈折の方向（伸長方向）がy軸に対してほぼ平行であることである。
φ=1〜1.5度では、等式（１５）〜（１７）を満足させるために、複屈折は少なくとも0.03〜0.05でなければならない。種々の工業用蛍光重合体膜の複屈折率の計測によって、以下のデータが生じる（平均屈折率、複屈折率）。
テフゼル（Tefzel）250zh：（1.3961，0.054）
テフゼル（Tefzel）150zm：（1.3979，0.046）
テフロンPFA 200pm：（1.347，0.030）
ウェッジ（くさび）層２０６は分離されただけの偏光ビームを生成した250zhの部材で成層され、そこではフレネル反射された部分でさえ重ならなかった。
他の実施形態において、光複屈折部材から構成されファセットを有する光進行方向変更層を用いることによって偏光の角度を大きく分割することができる。
偏光状態を分割する第３の方法は、図３０Ｇ及びＨに示される複屈折／透過層４２７の代替構造から構成される重合体ビームスプリッターを用いる。このような複屈折／透過層４２７の配列は、コリメートされたバックライト４２８の頂部に存在し、すべての内部反射を選択することによって偏光させる。光入射面に平行な重合体層４２９の膜の屈折率は、透過層４３０の屈折率より低く、光入射面に垂直な屈折率は、透過層４３０にほぼ合致しているので、バックライト４２８（ビームスプリッター層４２７に対して傾斜している）からのコリメートされた入射光ビーム４３１は分割される。すなわち、コリメートされた偏光ビーム４３１はすべて内部で反射するが、垂直成分は伝送される。
この構成の一例は、マイラー（Mylar）／レクサン（Lexan）層である。マイラーの各種屈折率は、（1.62752，1.6398，1.486）である。レクサンの各種屈折率は、1.586である。臨海角の補数が２０度なので、（レクサン層において）入射角の補数が２０度以下である限り、ビームスプリッター層４２７は機能する。しかしながら、斜めの角度でフレネル反射は偏光の程度を減少させる。例えば、１３度の場合、フレネル反射した垂直成分は９％である。
ビームスプリッター層４２７の構成のもう一つの例は、一軸のナイロン／レクサン層である。ナイロンの各種屈折率は、（1.568，1.529，1.498）である。この場合、二つの臨界角があり、その補数はそれぞれ垂直成分に対して９度、平行成分に対して１９度である。したがって、この角度の範囲内において内部に傾斜し、偏光させることができる。マイラー（１３度）の場合と同様フレネル反射の場合では、各屈折率がより好適に整合しているので、フレネル反射した垂直成分はわずか５％である。
両方の例において、すべてのコリメートされた入射光ビーム４３１が膜／レクサン界面が正確に相互作用するために、各ビームスプリッター層４２７は適当な面の比率を有することが必要である。
一実施形態において、一旦異なる偏光状態の光がバックライト４２８に沿ったすべての位置で二つの直交偏光に分割されると、図３１Ｃの偏光変換層３４６及び図３０Ｇの偏光変換層４２９のような所望されていない偏光を所望されている偏光に変換する手段がなければならない。
偏光変換をする方法の一つは、レンズまたはレンズアレイに結合された交互の波長板によって行われる。一つのレンズを用いた方法において、焦点面にある直交偏光の二つの重なり合ってないストリップに集束させたレンズ上に、ビーム２１８及び２２０が落下する。この交互波長板は、ビーム（２２０）の一つだけを９０度回転させるために作用し、射出光は光２１８に完全に変換される。これは、一つの偏光の光２２０のみを得るために配置された半波長リターダーがあれば行える。これは、大きなレンズ、プラスチックのリターダー板及びポラロイドフィルタ（ポラロイドは、Polaroid社の登録商標である）によって視覚的に示されてきた。
レンズアレイを用いた第２の方法において、薄いレンズ及び（レンズの周波数と同じ周波数を有する）交互波長板構造を用いる。ここで、リターデーションは、各レンズ毎に１８０度変化する。厚さ1mmのレンズアレイのために、各画像は１インチのほぼ１／５０００程度の大きさになり、波長板を有するレンズ配列の重ね合わせは、１インチの１／１０００以下の積層エラーしか生じないように十分正確でなければならない。
偏光変換を行う他の方法は、図３１Ｃの層３４６及び図３０Ｇの層４２７のような変換層（DFR）の他の実施形態である二重フレネル菱形を用いることによって行われる。DFRを用いれば、位置の代わりに角度によって選択的にリターデーションすることによって重ねあわせの問題は解決される。このようなDFRによって、第１の偏光状態の光が4 x 45°=180°の移相に対応して内部全反射が引き起こされる。一方、他の偏光状態の光は伝送されるだけなので、出力光はある平面で第１の偏光状態にある光に完全に偏光される。例えば、DFRは、それぞれ４５度のプリズムでエンボス加工されすべて枝分かれしている四つのアクリルまたはレクサン膜を有することによって構成される。DFRによってリターデーションが行われ、二つの直交面で（１／４波長板によって）ビームL及びRを偏光させる。ビームLがDFRによって伝送されると、ビームRはDFRによってビームLに変換される。結果的に、ビームLは、別の１／４波長板によって偏光された平面に変換され、この１／４波長板が最終的な偏光面を決定する。
図２１Ａに示されたある好適実施形態において、偏光変換層２２６は偏光フィルタ層２１６に至る基層２０６の反対側に配置されている。図２１Ｂの実施形態において、偏光変換層２２６は偏光フィルタ層２１６と同じ側に配置されている。図２１ＡとＢに示されるように、偏光変換層２２６は光２１８及び光２２０を他の第３の偏光状態の光２２７に変換することができる。例えば、この光２２７は、第３の偏光状態または前記の第１及び第２の偏光状態の変形または組み合わせである。その光の偏光状態は、偏光変換層２２６に応じた特性に依存している。したがって、偏光変換層２２６は、所望の偏光状態の出力光を生成するための必要に応じて設計されている。すなわち、偏光変換層２２６の適当な位置の組み合わせにおいて、必要な偏光特性を有する所望の方向に光を出力することができる。
図２２Ａ〜Ｅに示された本発明の他の形態において、偏光変換層２２６は他の光学的目的のために用いられる。図２２、２３、２４Ｅ〜２４Ｆ、２５〜２７、２８Ａ、２８Ｃ及び２９はすべて第２の偏光状態の光２２０を第１の偏光状態の光２１８に変化させる偏光変換層２２６の応用を示している。更に、処理される光が偏光変換層２２６を少なくとも１回透過した後、１以上の偏光フィルタ層２１６を透過またはそれに出会うように、偏光照明システム２０４の要素が構成されている。例えば、光２２０を処理する場合、その要素構成によって、光２２０が偏光変換層２２６を透過した後に偏光フィルタ層２１６を透過するように戻ることを可能にする。幾つかの例において、光２２０は、第１の偏光状態の光２１８として出力される前に偏光フィルタ層２１６に２度以上ぶつかる。図２２Ａ〜２２Ｅは所望の出力を達成するための種々の構成の例を示す。図２２Ａにおいて、光２１２が偏光フィルタ層２１６につきあたった後、反射層２２０は偏光変換層２２６を透過し、光２１８に変換される。その光は、内部反射を介して偏光フィルタ層２１６に反射される。更に、図２２Ｂにおいて、光２２０は偏光変換層２２６を透過し、光２１８に変換され、内部反射した後、再度偏光フィルタ層２１６に反射される。これらの場合、反射率n₃の値が十分低いので、等式（１０）で求められた屈折率n1、n₂及びn₃の関係は満たされる。
図２２Ｃ〜Ｅの実施形態において、光反射層２２２の光進行方向変更手段は偏光フィルタ層２１６に加えられ、光２２０を反射させる。前記のように図２０Ａにおいて、介在層２２３は屈折率n₃を有し、この屈折率n₃は光進行方向変更層２２４にぶつかる光の空間及び角度の分布を行うために調整される。図２２Ｃ〜２２Ｅに示される本発明の好適な実施形態において、屈折率n₂及びn₃はエアギャップを含み、本発明の最適な形態において屈折率n2の層はエアギャップである。
図２４Ａ〜Ｆは、図２４Ａの偏光フィルタ層２１６の一つを用いて処理を開始し、偏光照明システム２０４のより複雑な形状の構成に及ぶ一連の構成を示す。図２４Ｃ〜２４Ｆにおいて、１以上の光進行方向変更層２２４、少なくとも一つの液晶表示（「LCD」）層２３０及び整合層（例えば、整合層２３２）が追加される。目的装置または追加層（例えば、LCD層２３０）に好適な特定の偏光状態に他の層を組み立てることによって光を出力するため、整合手段は動作する。この様に、整合層２３２は偏光変換層２２６の特例である。
図２３Ａ〜２３Ｃにおいて、LCD層２３０に結合された偏光照明システム２０４の他の形態が示されている。図２３Ａの一般的な実施形態には、層２３４が含まれる。例えば図２３Ｃに示されるように、本発明のより特殊な形態において、好適な屈折率の値n2はおよそ１である（例えば、図２３Ａ及び２３Ｃを参照）。図２３Ａの幾つかの形態において、n₂＞１の値でも用いられる。代わりに、屈折率の関係の選択が等式（９）及び（１０）に示されるのが望ましい。
実施形態のその他の例が図２６Ａ及び２６Ｂに示され、図２６Ａに冷陰極蛍光チューブ（「CCFT」）光源２３６が含まれる。更に、この実施形態は角度変換層２３８を含み、光の角度分布を変化させるために動作する。例えば、この角度変換層２３８はxz平面の分布を変化させ、装置１０から出力された光の空間均一性を制御する。この実施形態において、出力光２５０の分布は、出力面の少なくとも９０％にわたって空間分布においてほぼ均等である。更に、xz平面の光２１２の角度分布は背面２１１に対する法線に関しておよそ±θ_maxである。ここで、数式（１４）及び背面２１１は第１の表面２０８及び第２の表面２１０の少なくとも一つに対してほぼ垂直である。

角度変換層２３８は、先細軽パイプ部、複合放物面集信機（「CPC」）、マイクロプリズム膜（図２８Ｃ）粗面層またはホログラムでもよい。角度変換層２３８が介在エアギャップのない基層２０６に光学的に結合されているのが最も好ましい。角度変換層２３８はyz平面の光分布を変化させる、好ましいのは光分布を狭めることによって、輝度、LCDの画質、及びビューア（観察者）のプライバシーを改良することができる。更に、図２６Ａにおいて、出力拡散２４８はLCD層２３０の前に追加され、角度分布を拡大しLCD層２３０に提供された出力光２４２の均一性を高める。
図２６Ｂのさらに別の好適実施形態において、CPC２３９は光源２４４に結合され、xz平面の適当な角度分布の範囲内で出力光２５０を維持する。更に、光進行方向変更手段（例えば、層２４６のようなプリズム方向変換層）及び平坦プリズムファセット（例えば、ファセット２４７）を用いることによって、角度出力の範囲を制御することができる。例えば、図２８Ｃ、Ｄ、Ｅ、２９Ａ及びにおけるこのタイプの層及びプリズムファセットを参照し、詳細な説明は以下に示す。図２８Ｅの実施形態においてプリズム層２５１及びファセット２５３が示され、この実施形態はLCD層３０２の後に特定の平面で光り拡散を広げる光拡散層３０４も加える。例えば、図２８Ｅに示される最適な実施形態において、xz平面の狭い角度範囲内でLCD層３０２を透過するために、出力光２４２が方向付けられる。したがって、画像形成特性が最大限に利用される角度でLCD層３０２を介して出力光２４２の透過を助けるため、偏光照明システム２０４の要素が構成される。基層２０６に至るLCD層３０２の一方の側に配置された光拡散層３０４を用いれば、光拡散層３０４は、xy平面の出力光２５０を拡散することなくビューアの出力光２５０の角度分布を拡大することができる。例えば、光拡散層３０４は「平行な」拡散層であり、ホログラフィー拡散またはy軸にほぼ平行な溝を有するレンズ拡散の形態をとる。広範囲の角度のビューアは、出力光２４２の最適角度の特性を有する画像を見ることができ、LCD層３０２を介して続いて伝送され、出力光２５０を形成する。この様に、一般的な構成を用いる構成は、図２８Ｄ、２８Ｅ、２９Ａ及びＢに示される。更に、図２８Ｄ、Ｅ及び２９Ａは直交拡散層２５２を示し、この直交拡散層２５２は、xy平面上のみでLCD層３０２に提供された出力光２４２を拡散させ、xz平面の出力光２４２の分布を広げることなく均一性を改良することができる。例えば、直交拡散層２５２はホログラフィー拡散またはz軸にほぼ平行な溝を有するレンズ拡散でもよい。更に詳細な説明は以下に示す。
図２７Ａ及び２７Ｂの実施形態において、屈折率n₂の第１の層手段は空気でない方が最も好ましい。この実施形態は、光進行方向変更層２２４の別の例を示す。更に、図２７Ａにおいて、屈折率n₃を有する媒質２５４が空気である必要はないが、偏光照明システム２０４の種々の屈折率は等式（１０）を満たし、示された内部反射を達成することができる。図２７Ｂにおいて、媒質２５４は空気であり、光進行方向変更層２２４は湾曲ファセット２５６を有し、層２５４は好適な視野領域２５８内に集束される。
図２８及び２９の好ましい実施形態は、第１の層手段としてエアギャップ層２６０を用いる。光２１２が基層２０６及びエアギャップ層２６０間の界面の臨界角θ_cより小さい入射角になった後、エアギャップ層２６０によって、光がエアギャップ層２６０に入ることができる。図２８Ｂの実施形態は、基層２０６と拡散層２６４間にある第１の光進行方向変更層２６２及び基層２０６の片側にある第２の光進行方向変更層２６５を含む。この第１の光進行方向変更層２６２は、屈折／内部反射プリズム２６６を含み、一方、第２の光進行方向変更層２６５は反射プリズム２６８を含む。偏光フィルタ層２１６の二つは基層２０６の両側に配置され、偏光フィルタ層２１６のそれぞれは適当な光２１８または２２０を伝送し、関連した光進行方向変更層２６２及び２６５を透過する。図２８Ｃの実施形態において、光進行方向変更層２４６は相対的に小さいプリズム２４７を有する反射／内部反射層から構成される。各プリズム２４７の表面角は、前記の方法で光進行方向変更層２４６の示された寸法の範囲にわたって変化する。この角度の変化はプリズム２４７から入る光の異なるコーンを視野領域２５８に集束させる（図２７Ｂを参照）。光反射層２２２は前記のように金属被覆でもよい。
光反射層２２２は、従来の真空蒸着技術または他の適当な方法によって偏光変換層２２６に加えられる。光進行方向変更層２４６のような他の層は、透明重合体を直接に整合層２３２に鋳造することによって形成される（図２４Ｃ〜Ｆ、２８Ｃ及びＤ）。偏光フィルタ層２１６は、従来の方法、例えば、複数の薄膜層を直接基層２０６上に堆積する方法によって同様に生成される。背面２１１に結合された角度変換層２７４も含まれる（図２８Ｃを参照）。角度変換層２７４は、入力光２１２の角度分布を基層２０６に拡大するプリズム２７６を含み、より空間的に均等な形状の出力光２１８をLCD層２３０に提供することができる。角度変換層２７４の他の形態は、粗面層及び介在エアギャップのない背面２１１（または他の入力面）に結合されたホログラム（図示略）でもよい。
図２８Ｄの実施形態において、第１のプリズム光進行方向変更層２４９は、基層２０６及び偏光フィルタ層２１６間に配置されている。この第１のプリズム光進行方向変更層２４９は、偏光フィルタ層２１６に入射する光２８０の入射角を小さくする。第２のプリズム光進行方向変更層２８２は、後拡散体層３０４を用いて偏光フィルタ層２１６からLCD層３０２に出力された光２８４の方向を変え、前記のとおり平行拡散として動作する。更にこの実施形態は、反射器２９０を有するCCFT光源２３６を含み、CCFT光源２３６の内径のインボリュートの小なくとも一部に至る位置を有する。背面２１１と正反対の反射器２９０の他の部分は、凸状に湾曲している。
図２８Ｅの実施形態において、光進行方向変更層２５１は反射マイクロプリズム２５３から構成される。偏光フィルタ層２９６は変換層２９８に隣接して配置され、直交拡散層２５２は光進行方向変更層２５１及びLCD層３０２に配置されている。平行拡散層３０４は、好適な角度でLCD層３０２を通過する光２４２を有するLCD層３０２の光出力側に配置され、LCD層３０２で高画質（コントラスト、色彩調整及び応答時間）を形成するために出力光３０１を最大限に利用する。
図２９Ａ及びＢの実施形態は、図３０Ａに示される従来のLCD偏光システム３０４の範囲の本発明の平均的な幾つかの形態を示す。図３０Ａにおいて、先行技術のバックライト３０６は、ほぼ等しい割合で両方の偏光状態にある光３０８を放射する。典型的な先行技術LCD層構成３１０は、第１の偏光フィルタ３１２及び第２の偏光フィルタ３１４及び偏光フィルタ３１２との間に挟まれた液晶層３１６を含む。LCD層構成３１０において、第１の偏光フィルタ３１２は高偏光比を提供しなければならない。すなわち、液晶層３１６に光を入力するとき不必要な第２の偏光状態の光の伝送を極力低くして、LCD層構成３１０が適当なLCDコントラストを提供しなければならない。実際、第１の偏光フィルタ３１２は、第１の偏光状態と同様に所望の光の高い光学濃度を有する。したがって、この光の損失はLCD光の伝送及び画像出力を劣化させる。先行技術のLCD層構成３１０と対比して、本発明は液晶層３１６にとって好適な光をより多く提供し、それにより、不必要な第２の偏光状態にある光の大部分を用い、第１の偏光状態の所望の光の損失を最少にする。
図２８Ａの実施形態において、液晶層３１６の光２１８及び光２２０の好適な処理は、偏光変換層２２６を基層２０６に隣接して配置させることによって行われる。
偏光フィルタ層２１６は、偏光変換層２２６に隣接して配置させる。光進行方向変更層２２４は湾曲したマイクロプリズムファセット３１８を含み、xz平面の光分布角度を拡大し、偏光照明システム２０４から出力された光分布の均一性を改良する。好ましくは、直交拡散３２０は光進行方向変更層２２４に積層され、一つの重合体層（図示略）の反対側に形成される。偏光フィルタ層２１６は、偏光変換層２２６に積層されるかまたは直接配置され、次に第１の表面２０８に積層されるかまたは直接に配置される。
図２９Ａの実施形態において、液晶層３０２の光２１８及び光２２０の好適な処理は、第１の偏光フィルタ層３２４及び第２の偏光フィルタ層３２２を用いることによって行われる。しかしながら、第１の偏光フィルタ層３２４は、先行技術の偏光フィルタ３１２と比較して相対的に低い偏光比を有することができる。例えば、第１の偏光フィルタ層３２４は、先行技術の偏光フィルタ３１２より低いダイ濃度を有することができる。この違いによって、より高度なLCD光の伝送及び前記の改良された画像形成特性の実現を可能にする。この実施形態は、LCDシステム３３０（第１の偏光フィルタ層３２４、液晶層３０２及び第２の偏光フィルタ層３２２の組み合わせ）に結合された後拡散体層３２８を用いる。好ましくは、後拡散体層３２８は第２の偏光フィルタ層３２２に積層されているかまたは第２の偏光フィルタ層３２２に一体化して形成されている。
図２９Ｂの実施形態において、好適な処理は一つの偏光フィルタ層２４８のみを用いて行われ、偏光照明システム２０４のコストを削減し、光伝送を増加させることができる。この実施形態において、整合層２３２を介して出力された光は、好適なLCD偏光状態の光２１８の少なくとも９０％から構成されていることが好ましい。背面２１１に結合された結合角度変換器３３４は、yz平面の光分布の角度幅を減少させ、更にこの減少された角度分布は、偏光照明システム２０４からのLCD画像を構成する出力光２５０の質を改良する。
照明システム２０４における複屈折層
複屈折部材は、前記の偏光照明システム２０４において用いられる。図３１Ａに示される実施形態において、第１の層２１４は、二つの異なる偏光状態「ａ」及び「ｂ」の光２１２のための異なる光学的屈折率n_2α及びn_2β（両方の屈折率は１より小さい）を有する屈折率n₂の複屈折部材になりうる。光２１２は、以下の等式で示される二つの偏光状態のそれぞれの臨界角に近い第１の層２１４にぶつかる。
θ_cα=arcsin（n_2α/n1） （１５）
θ_cβ=arcsin（n_2β/n1） （１６）
等式（１０）の条件は、n_2α及びn_2βそれぞれに等しいn₂を満たさなければならない。前記のとおり、第１の表面２０８及び第２の表面２１０から反復反射するために、二つの偏光状態の光２１２は入射角を角度2Φだけ小さくする。この実施形態においてn_2α>n_2βとなり、したがってθ_cα>θ_cβとなる。二つの偏光状態の入射角が小さくなるにつれて、二つの偏光状態の光２１２は、第１の臨界角θ_cαより小さいが第２の臨界角θ_cβより大きい入射角を有する光を有する第１の複屈折層２１４との界面にぶつかることができる。したがって、第１の偏光状態の光２１８は第１の複屈折層２１４を介して少なくとも一部分透過され、一方、第２の偏光状態の光２２０は内部反射によって反射されるのが好ましい。この第２の偏光状態の反射光２２０及び第１の偏光状態の残存光２１８は、連続して反射することによって入射角を小さくし続ける。第１の偏光状態の光２１８は、第１の複屈折層２１４及び基層２０６間の界面に連続してぶつかるごとに伝送される。光の入射角が第２の臨界角θ_cβより小さくなるまで、第２の偏光状態の光２２０は、この界面で内部全反射を行い続ける。光の入射角が第２の臨界角θ_cβより小さくなる位置では、第２の偏光状態の光２２０の少なくとも一部分が第１の複屈折層２１４を介して透過される。
メカニズム及び屈折率n_2α及びn_2βの差によって、第１の複屈折層２１４に放射する光は二つの偏光状態「ａ」及び「ｂ」のために別々の角度分布を有する。
一般的に複屈折部材は、異方性屈折率を有する結晶材を含むことができる。好適な部材は、伸縮蛍光膜のような伸縮重合体膜である。伸縮は膜の方向に行われ、屈折率を方向に沿って別にする。他の場合において、0.030〜0.054の範囲のΔnを有する伸縮蛍光重合体膜の複屈折の値を与える。他の膜はPVA（ポリ塩化アルコール）である。ポリプロピレン、ポリオレフィンまたはポリエステル（マイラー膜）でもよい。実際、マイラー膜は二軸であるが、偏光を回転させるためにも用いられる。より一般的な一軸複屈折部材は方解石または石英である。これらの部材は伸縮膜ほど実用的ではない。実際、二つの屈折率が完全に異なる場合にのみ、二つの偏光状態は十分に分離される。この条件は以下の数式に示されるとおりである。
θ_cα≧θ_cβ+sΦ （１７）
ここで、sは少なくとも１でなければないが、４より大きいほうが好ましい。この条件は、例えば複屈折層の一軸方向蛍光重合体材、基層２０６のアクリル重合体及びΦの適当な値（ノート型コンピュータのLCDのバックライトでは、１度と1.5度の間の値）を用いることによって達成される。
図３１Ｂは図３１Ａに類似しているが、光進行方向変更層２２４が加えられてき、実施形態は屈折率n3を有する層２０７のために空気を用いる。光２１８及び２２０は、異なる角度で偏光照明システム２０４から出力される。
図３１ＣはＡ及びＢの他の変形を示すが、光進行方向変更層２２４は平坦ファセット反射層３４０から構成される。光２１８の偏光状態をほとんど変えずに、光２１８及び２２０は光２１８を伝送する変換層３４６に放射されたが、しかしながら、変換層３４６は光２２０を所望の偏光状態の光２１８に変換させる。図３１Ｃに示される変換層３４６は、光２２０によって占められる角度の範囲内においてのみ光の偏光状態を変換させるために動作する構成を有する。この様に、変換層３４６は、図示したように光２１８及び２２０の角度を分割し、光２１８を光２２０に変換することなく光２２０を光２１８に変換することができる。
図３１Ｄ及びＥの実施形態において、反射光２２０は基層２０６と第１の複屈折層２１４の界面で屈折する。これは、光２２０が内部反射するとともに変換層３４６を少なくとも２回透過することによって行われる。その結果、光２２０の少なくとも一部分は第１の偏光状態の光２１８に変換される。光２１８は第１の臨界角θ_cαより小さい入射角を有するので、光２１８は基層２０６及び第１の複屈折層２１４間の界面を透過する。この光２１８は、光進行方向変更層２２４の特性に依存して、光進行方向変更層２２４によって反射または伝送される。伝送光または反射光の代替が図３１Ｄ及びＥに点線で示される。更に、図３１Ｄの実施形態において、変換層３４６は、基層２０６の第１の複屈折層２１４と同じ側に配置されている。つまり、変換層３４６は、基層２０６と第１の複屈折層２１４の間に配置されている。図３１Ｅの実施形態は図３１Ｄの他の変形を示し、偏光変換層２２６及び第１の複屈折層は、基層２０６の反対側に配置されている。
図３１Ｆの実施形態において、偏光照明システム２０４は図３１Ｄの実施形態と同様であるが、光進行方向変更層２２４はファセット層３１１から構成される。図３１Ｇの実施形態において、更に偏光照明システム２０４は、LCD層３０２、整合層２３２、及び拡散層３０４を含み、光２１８がLCD層３０２を透過した後の空間的位置に拡散層３０４が配置されている。光進行方向変更層２２４は、光の反射率が高まるよう、平坦面及び金属被覆３４２を有するマイクロプリズム層２５１から構成される。偏光照明システム２０４から出力された光２５３の空間分布を制御する角度変換層２３８も示されている。図３１Ｅの実施形態は、図３１Ｇの実施形態に類似しているが、偏光照明システム２０４は、異なる空間位置で調整されたファセット角度で光進行方向変更層２２４のために湾曲ファセット３４５を用い、出力光２５０を好適な視野領域上に集中させる。角度変換層２３８はCPCとして示される。
LCD処理後の光拡散体
図１２Ｎ及び図１２Ｏに示される実施形態において、LCD表示２１６または２３６は出力光をビューア（観察者）に提供する。更に改良された実施形態において、後拡散体層３５０は、LCD層３０２から出力された光の光路上に配置されている（図３２Ａ及びを参照）。以上の図に示される実施形態において、一般的な処理は、図２６Ｂ、２８Ｄ、Ｅ、２９Ａ、Ｂ及び３１Ｇに示されている実施形態と類似しているが、偏光フィルタ層２１６は全て除く。前記のように、コリメートされたある角度範囲において、好ましくは、出力された画像を最大限利用するために、LCD層３０２に対してほぼ垂直な角度の範囲内で、光をLCD層３０２に入射させることが有益である。後拡散体層３５０を用いることによって、出力光２５３は広範囲に角度にわたってビューアに画像を提供することができ、光のコントラスト及び色彩の忠実性を劣化させることはない。
後拡散体層３５０を含むシステムにおいて制御する実施形態において好ましいのは、xz平面上のLCD層３０２を介する角度分布の幅を制御することである。好ましい出力角度配分は、以下の等式（１８）で求められる値より小さい全幅を有する。

全幅は等式（１８）の値の１／２より小さい値がより好ましい。この等式において、Δθ_pdの単位はラジアン（rad）で、n_LCDはLCD層３０２内の平均屈折率を示し、lはz方向の表示画素列の反復周期を示し、dはLCD層３０２の厚さを示す。ノート型コンピュータに用いられる典型的なLCDにおいて、n_LCDはおよそ1.5、l=0.3mm、d=3mmである。この例において、Δθ_pdは１８度より小さい値が好ましく、９度以下の全幅がより好適である。比較すると、等式（８）は平坦ファセット光進行方向変更層を用いて本発明の出力角度の幅を算出するために用いられる。これは図３２Ａ（層３５９）または図２８Ｂ（層２６２）に示される。典型的なノート型コンピュータのバックライトシステムにおいて、Φ=1.3度、n=1.49の値である。この例において、等式（８）から１８度の出力角度配分が求められる。
図３２ＡはLCD層３０２の上に平行に配置された後拡散体層３５０を有する偏光照明システム２０４の構成を示す。背面２１１に配置されたホログラフィー角度変換器３６４も含まれる。
図３２Ｂの実施形態において、屈折／内部反射層３６０は、湾曲ファセット３６２を含み、xz平面でのLCD層３０２に放射された光の角度分布を狭め、それによって、後拡散体層３５０での視差（parallax）を下げることによって画質を改良することができる。この実施形態は湾曲反射ファセット３６２を有するが、図３２Ｃと同様に、平坦な反射ファセットは所望の機能を達成することができる。両方の場合において、湾曲ファセット３６２は各湾曲ファセット３６２間の反復周期より短い焦点距離を有するのが望ましい。xz平面の角度分布は式（８）で求められた幅以下に狭められるのが好適であり、上記式で求められる幅以下に狭められることが最適である。更に、光進行方向変更層２２４のファセット角は、偏光照明システム２０４の種々の部分から出力された光を好適な視野領域に集中させるために構成されている。図３２Ｂはマイクロプリズムの角度変換層２７４も示す。
図３２Ｃには、図３２Ｂの実施形態の変形が示される。偏光照明システム２０４において、LCD層構成３７０は図３０に示される先行技術のLCD層構成３１０とは異なる。特に、平行光拡散体層３７２（例えば、ホログラフィー拡散）はLCD層３０２（図３０の液晶層３１６）及び第２の偏光フィルタ層３２２（図３０の第２の偏光フィルタ３１４）間に配置される。この構成によって、第２の偏光フィルタ層３２２は拡散体層３７２によって反射された周囲光によって生じる眩しさを低下させることができる。更に、図３２Ｃは湾曲反射ファセット３７６を有する光進行方向変更層３７４を示し、図３２Ｂに示される湾曲反射ファセット３６２と同様に角度を狭める機能を有する。
本発明の実施形態を図示し記載してきたが、本発明のより広い範囲内において種々の変形及び応用は当業者にとって明らかである。

Claims (8)

1. 光源からの光を処理して光をビューアに対して選択的に出力するための光学装置において、
   光学的屈折率ｎ₁を有する基層であって、該基層の少なくとも一部が一つの傾斜角ψを規定するよう互いに収束するようになっている第１表面及び第２表面とを有し、前記基層が第１表面と第２表面にわたる背面をさらに含み、その中で反射される前記光は、前記第１表面及び前記第２表面の少なくとも一つに対する法線に対する角度を小さくし、前記法線に関する臨界角θ_cより小さい入射角に達すると、前記光が前記基層を出るような基層と、
   前記基層に関して前記第２表面を越えて配置され、光学的屈折率ｎ₁より小さい屈折率ｎ₂を有する層を含む第１層手段であって、前記基層における光が基層と屈折率ｎ₂を有する前記層との間の界面の特性である臨界角θ_cより小さい入射角に達すると、該第１層手段に面している前記第２表面を通って前記基層から優先的に出力した後に、光が前記第１層手段に入るようにするための第１層手段と、
   第２偏光状態より第１偏光状態の選好的に出力する第２層手段であって、前記基層に関して前記第２表面を越えて配置され、前記第２偏光状態を有する光の少なくとも一部分を反射させることがさらに可能な第２層手段と、
   少なくとも一部の前記第２偏光の光を前記第１偏光の光に変化させるための複屈折層を含む光変換層手段と
   を含んでなることを特徴とする光学装置。
2. 前記光学装置から出力される光の角度範囲を制御するための光進行方向変更手段をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
3. 前記第１偏光の光を選好的に通過するように光をフィルタリングするための偏光フィルタ層をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
4. 前記第２層手段は、前記変換手段に関して前記基層の反対側に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
5. 前記第２層手段から出力される光を拡散するための光拡散手段をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
6. 前記第１偏光状態の光を受け取り、前記光を前記ビューアに出力するように配置される液晶表示層をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
7. 少なくとも１つの選択された面において、狭い角度分散で前記光を広げることによって、視野角の範囲にわたってビューアに光を出力する、前記第２層手段及び前記液晶表示層から出力される光を拡散するための光拡散手段をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
8. 前記基層から受けられる前記第２偏光状態の光を反射するために、前記基層に関連する前記第２表面の他に反射層をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の光学装置。

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