JP5178523B2 - 薄く且つ高効率の光視準デバイス - Google Patents
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Description
このため、当該技術分野においては、高効率視準(即ち、小さな角度的広がり)と小さな構造を組み合わせることができる視準光学系が要望されている。
本発明は、第1の特徴では、第1の表面と、複数個の互いに平行な本質的に平面状部分及び各々が互いに平行な平面状部分に対して非直角をなして形成され、これら互いに平行な平面状部分を互いに連結する複数個のフェーセットを備えたフェーセット付き第2の表面と、光を受け入れる少なくとも1つの表面とを備えた導波板を有する光視準デバイスを提供する。
導波板は、第1の表面及び第2の表面を有し、第2の表面は、複数個の傾斜した表面(フェーセット)により互いに連結された互いに平行な部分の階段状構造から成る。
このデバイスは、複数個の視準屈折素子を備え、別々の視準屈折素子は各々、対応関係にあるフェーセットで反射され、導波板から取り出される光の少なくとも大部分が対応関係にある視準屈折素子によって受け入れられて視準されるような仕方で別々のフェーセットの各々にそれぞれ対応している。
これにより、本発明の光視準デバイスにより高度の視準が生じる。
本発明の光視準デバイスは、比較的薄手の構造体であるのが良い。
さらに、導波板中に受け入れられた本質的に全ての光は、視準屈折素子に向かって反射されてこれによって視準されるので、高い光利用度が得られる。
良好な視準を得るためには、代表的には、視準屈折素子を対応関係にあるフェーセット上又は少なくとも対応のフェーセットの近くに合焦させることが望ましい。
フェーセットでの全反射を利用するために、フェーセットを表面で反射されるべき光に対するフェーセット表面の角度及び導波板の屈折率と周囲の物質の屈折率との間の関係は、スネルの法則に従って全反射の基準を満たさなければならない。反射膜をフェーセット表面上に設けることにより、スネルの法則を顧慮せずに反射が得られ、例えば導波板材料及びフェーセットの角度に関する選択の自由度が増大する。
多くの用途、例えば、十分に規定された領域が照明される場合、小さな視準角度が望ましい。
本発明の或る特定の実施形態では、導波板は、対称軸線に関して回転対称であるのが良い。
本発明の光視準デバイスの対称型実施形態は、このデバイスの第1及び(又は)第2の表面に平行な平面の寸法方向の両方において受け取った光を視準することができるのが良い。
本発明の実施形態では、折り畳み式鏡が、光源と光を受け入れる表面との間に配置されるのが良い。
光視準デバイスは、前面101と、複数個の互いに平行な本質的に平面状の部分103及び各々がこれら互いに平行な平面状部分103に対して角度βをなして形成されていて、これら互いに平行な平面状部分を互いに連結する複数個のフェーセット104を有するフェーセット付き後面102とを備えた導波板又は板状導波路100を有している。更に、光視準デバイスは、光を受け入れる少なくとも1つの表面105を有する。光源107が、光を受け入れる表面105上に放出するよう配置されている。光源は、任意形式のものであって良く、かかる形式としては、白熱電球、蛍光管、ガス放電ランプ、無機系LED及び有機系LED、例えばOLED及びポリLEDの両方を含む発光ダイオード(LED)が挙げられるが、これらには限定されない。
図1aに示すデバイスでは、βは、<90°であり、第1の表面は、前面である。図1bに示すデバイスでは、βは、>90°であり、第2の表面は、前面である。
変形例として、レンズ106の強度は、それに応じて増大するのが良い(即ち、レンズの焦点距離が減少する)。
本明細書で用いる「視準角」という用語は、光強度の98%が含まれる角度範囲を意味している。
−dは、レンズの光中心から導波板の後面までの距離であり、
−wは、後面部分103に平行な方向に取ったフェーセット104の幅であり、
−Pは、レンズの幅であり、
−Rは、レンズの半径である。
この実施形態の視準デバイスは、光を受け入れる表面305を介して対称軸線307に関して回転対称である。
本発明の光視準デバイスをコンピュータシミュレーション(光線追跡)によって研究してデバイスの特性を試験した。
(i)互いに異なる観察角の場合における光の強度を示す強度プロット。光の強度は、互いに異なるグレースケール色調として示され、グレースケール色調が明るい場合には強度が高い。強度の値は、恣意的である。x軸上の値及びy軸上の値は、観察角の正弦値(−1から+1まで)を表している。
(ii)x方向及びy方向におけるそれぞれの強度プロットの中心を通る標準化された強度(0から1まで)を示す線図。
(i)互いに異なる座標に関する光の強度を示す強度プロット。光の強度は、互いに異なるグレースケール色調として示され、グレースケール色調が明るい場合には強度が高い。強度の値は、恣意的である。x軸上の値及びy軸上の値は、基準点からの距離(単位:ミリメートル)で与えられる。(ii)x方向及びy方向におけるそれぞれの強度プロットの中心を通る標準化された強度(0から1まで)を示す線図。
ここでは、図3に示す構造体を利用した視準器の設計を説明するが、出射光の所望の角度的広がりは、1.2°に制限されている。視準器の前面の半径は、147mmであり、光源は、1×1mmの正方形LEDとしてモデル化されており、この光源は、光を半球の状態で一様に放出する。
P 4.0mm
R 3.6mm
w 0.250mm
D 8.4mm
Rin 12.3mm
Rcpc 6.8mm
Lcpc 38mm
Rled 1.4mm(1×√(2))
nwaveguide 1.5
β 45°
導波板中の角度的広がりαは、上述したように18°の理論的上限を十分に下回る12°に選択した。
実験例2a:一寸法方向における視準
11×180mmの前面面積に関して図4に示すような矩形視準器の特性を評価した。上述の実験例1と同じ材料及びLEDを用いた。このデバイスに関するパラメータは、表2に示されている。
D 11mm
W 0.370mm
R 4.4mm
P 2.6mm
β 45°
二方向における視準を得るため、実験例2aで上述したように用いた構造体を上述すると共に図4bに示された第2の1次元視準器と組み合わせた。この結果、第1の視準器は、光をy方向に視準し、第2の視準器にはy方向に視準された光が与えられ、この第2の視準器は、この光をx方向に視準する。この第2の視準器に関して用いられたパラメータの値が、表3に記載されている。
D 6.5mm
W 0.500mm
R 5.23mm
P 3.5mm
β 45°
このシミュレーションにおける光効率は、64%であった。上述したように導波板とレンズとの間に高屈折率を有する接着剤を用いることにより、効率は、74%に増大した。
Claims (19)
- 第1の表面と、前記第1の表面と反対側に位置する階段状のフェーセット付きの第2の表面と、光を受け入れる少なくとも1つの表面とを備えた導波板を有する光視準デバイスであって、前記第2の表面が、複数個の互いに平行な本質的に平面状の部分及び前記互いに平行な平面状部分を互いに連結する複数個のフェーセットを有する、光視準デバイスにおいて、
各前記フェーセットは、前記互いに平行な平面状部分に対して非直角の角度をなして形成され、
前記光視準デバイスは、複数個の視準屈折素子を更に有し、各前記視準屈折素子は、複数個のフェーセットのうちの別々のものにそれぞれ対応し、各前記視準屈折素子は、対応の前記フェーセットで反射されて導波板から取り出されている少なくとも光の主要部分のビーム経路中に配置され、
前記視準屈折素子が、前記導波板より低い屈折率を有する材料から作られている、
ことを特徴とする光視準デバイス。 - 前記フェーセットが前記第2の表面の前記互いに平行な平面状部分に対してなす前記角度は、15°〜75°であり、前記レンズは、前記光視準デバイスの第1の表面側に設けられている、
請求項1記載の光視準デバイス。 - 前記フェーセットが前記第2の表面の前記互いに平行な平面状部分に対してなす前記角度は、105°〜165°であり、前記レンズは、前記光視準デバイスの第2の表面側に設けられている、
請求項1記載の光視準デバイス。 - 前記視準屈折素子は、1つのレンズ、複数個のレンズ、1つのフレネルレンズ、複数個のフレネルレンズ、1つのホログラフィー素子、及び複数個のホログラフィー素子から成る群から選択される、
請求項1ないし3のいずれか1項に記載の光視準デバイス。 - 屈折素子の焦点距離と前記屈折素子の光学中心から対応関係にある前記フェーセットまでの距離の比は、1.2:1〜1:1.2である、
請求項1ないし4のいずれか1項に記載の光視準デバイス。 - 屈折素子の焦点面は、前記対応のフェーセットと交差する、
請求項1ないし5のいずれか1項に記載の光視準デバイス。 - 前記導波板は、各々が第1の表面及びこれと反対側の第2の表面を備えた複数個の互いに重なり合った層を有し、各前記層の前記第2の表面は、少なくとも1つの平面状部分及び前記平面状部分に対して非直角の角度をなして形成された少なくとも1つのフェーセットを有する、
請求項1ないし6のいずれか1項に記載の光視準デバイス。 - 前記フェーセットは、反射膜を備えている、
請求項1ないし7のいずれか1項に記載の光視準デバイス。 - 光を受け入れる前記表面と前記導波板の前記フェーセットとの間で光路中に配置された光視準部分を有する、
請求項1ないし8のいずれか1項に記載の光視準デバイス。 - 前記複数個の屈折素子を介して前記視準デバイスから出る光の視準角度は、少なくとも一寸法方向に5°未満、好ましくは3°未満、より好ましくは1.5°未満であり、前記光は、光を受け入れる前記表面を介して受け入れられる、
請求項1ないし9のいずれか1項に記載の光視準デバイス。 - 前記導波板は、前記導波板の前記平板状部分に本質的に垂直な対称軸線を有する、
請求項1ないし10のいずれか1項に記載の光視準デバイス。 - 光を受け入れる前記表面は、前記対称軸線に関して対称である、
請求項11に記載の光視準デバイス。 - 前記導波板は、前記対称軸線に関して回転対称である、
請求項11又は12に記載の光視準デバイス。 - 前記屈折素子は、前記導波板の屈折率よりも小さな屈折率を有する材料によって前記導波板上に配置されている、
請求項1ないし13のいずれか1項に記載の光視準デバイス。 - 光を受け入れる前記表面及び(又は)前記屈折素子の前記表面は、反射防止膜を備えている、
請求項1ないし14のいずれか1項に記載の光視準デバイス。 - 請求項1ないし15のいずれか1項に記載の第1及び第2の光視準デバイスから成る光視準デバイスであって、前記第2の光視準デバイス中の光を受け入れる前記表面は、前記第1の光視準デバイスの前記屈折素子を介して前記第1の光視準デバイスから出た光を受け入れるよう配置されている、光視準デバイス。
- 光源と、前記光源により放出された光を受け入れるよう配置された請求項1ないし16のいずれか1項に記載の光視準デバイスとを有する光放出デバイス。
- 折り畳み式鏡が、前記光源と光を受け入れる前記表面との間に配置されている、
請求項17記載の光放出デバイス。 - 請求項1ないし16のいずれか1項に記載の少なくとも1つの光視準デバイス又は請求項17又は請求項18記載の少なくとも1つの光放出デバイスを有するディスプレイ装置。
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