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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-12-20
(45)【発行日】2025-01-06
(54)【発明の名称】横方向ライトパイプ
(51)【国際特許分類】
G02B 27/02 20060101AFI20241223BHJP
G02B 5/00 20060101ALI20241223BHJP
【ＦＩ】
G02B27/02 Z
G02B5/00 Z
【請求項の数】
17
(21)【出願番号】P 2022510224
(86)(22)【出願日】2020-09-14
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2022-11-10
(86)【国際出願番号】 IL2020051005
(87)【国際公開番号】W WO2021048864
(87)【国際公開日】2021-03-18
【審査請求日】2023-09-08
(31)【優先権主張番号】62/900,552
(32)【優先日】2019-09-15
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】518010049
【氏名又は名称】ルムス エルティーディー．
【氏名又は名称原語表記】Ｌｕｍｕｓ Ｌｔｄ．
【住所又は居所原語表記】８ Ｐｉｎｃｈａｓ Ｓａｐｉｒ Ｓｔｒｅｅｔ， ７４０３６３１ Ｎｅｓｓ Ｚｉｏｎａ， Ｉｓｒａｅｌ
(74)【代理人】
【識別番号】110003797
【氏名又は名称】弁理士法人清原国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】アイゼンフェルド，シオン
(72)【発明者】
【氏名】ゲルバーグ，ジョナサン
【審査官】近藤 幸浩
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第２０１７／０２４２２４９（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開平１１－０７２６３２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１０－１７６１５０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－０６７８８９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－１３２７６５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１０－１２２５８１（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１７／００４５６６４（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０２Ｂ ２７／０２
Ｇ０２Ｂ ２７／０１
Ｇ０２Ｂ ５／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
装置であって、ライトパイプ（６００）を含み、当該ライトパイプ（６００）は、少なくとも、
（ｉ）第１の屈折率（η１）、前記ライトパイプ（６００）の近位端における入力面（Ｓ０１）であって光源からの光が前記ライトパイプ（６００）に入力される入力面（Ｓ０１）、および第２の面（Ｓ１２）を有する第１の光学構造（Ｐ１）、ならびに
（ｉｉ）前記第１の屈折率に等しくない第２の屈折率（η２）、第３の面（Ｓ２１）、および前記ライトパイプ（６００）の遠位端における出力面（Ｓ２３）であって前記ライトパイプ（６００）から光が出力される出力面（Ｓ２３）、を有する第２の光学構造（Ｐ２）、を含み、
前記ライトパイプ（６００）は更に、
前記入力面（Ｓ０１）と前記第２の面（Ｓ１２）との間の方向に、前記第１の光学構造（Ｐ１）の長寸法（６０６）に平行な長手方向軸（Ｒ１）を有し、
前記長手方向軸（Ｒ１）に平行に投入された前記入力面（Ｓ０１）への入力光線（Ｌ０）が、前記入力光線（Ｌ０）に平行でない出力光線（Ｌ３）として前記出力面（Ｓ２３）から出力されるように、前記ライトパイプ（６００）の前記長手方向軸（Ｒ１）に対して斜めである、前記第２の面（Ｓ１２）と前記第３の面（Ｓ２１）との間の界面（６２０）を備え、
前記ライトパイプ（６００）は、ユーザの頭部に装置を支持する機械体のフレームに結合され、前記ライトパイプ（６００）は、前記ライトパイプ（６００）の前記長手方向軸（Ｒ１）が前記フレームの伸長方向と平行になるように前記フレームと整列される、装置。
【請求項2】
前記入力光線（Ｌ０）と前記出力光線（Ｌ３）との間の角度が、前記ライトパイプ（６００）の光学偏差角であり、前記光学偏差角がゼロ度（０°）以外である、請求項１に記載の装置。
【請求項3】
前記長手方向軸（Ｒ１）と出力面法線（Ｒ２３）との間の角度が、前記ライトパイプ（６００）の機械的な偏差角であり、前記機械的な偏差角が、ゼロ度（０°）以外であり、前記出力面法線（Ｒ２３）が、前記第２の光学構造（Ｐ２）の前記出力面（Ｓ２３）に垂直である、請求項１に記載の装置。
【請求項4】
少なくとも前記第１（Ｐ１）および第２（Ｐ２）の光学構造が、前記ライトパイプ（６００）を通る光の光路を画定し、前記光路が、（ａ）前記入力面（Ｓ０１）を介してカップリングインし、
（ｂ）前記第１の光学構造（Ｐ１）を横断し、
（ｃ）前記第１（Ｐ１）から前記第２（Ｐ２）の光学構造へ、前記第２の（Ｓ１２）から前記第３の（Ｓ２１）面への前記界面（６２０）を介して屈折させ、
（ｄ）前記第２の光学構造（Ｐ２）を横断し、かつ
（ｅ）前記出力面（Ｓ２３）を介して前記第２の光学構造（Ｐ２）からカップリングアウトする前記光によって、少なくとも部分的に画定される、請求項１に記載の装置。
【請求項5】
前記第１（Ｐ１）および前記第２（Ｐ２）の光学構造の少なくとも１つの外側側壁（Ｓ１４、Ｓ１５、Ｓ２４、Ｓ２５）が、反射コーティングでコーティングされ、前記反射コーティングが、前記光路を前記ライトパイプ（６００）内に拘束する、請求項４に記載の装置。
【請求項6】
反射防止コーティングが、前記少なくとも第１（Ｐ１）および前記第２（Ｐ２）の光学構造の少なくとも１つの面（Ｓ０１、Ｓ１２、Ｓ２１、Ｓ２３）に追加される、請求項１に記載の装置。
【請求項7】
前記第２の面（Ｓ１２）が、前記第３の面（Ｓ２１）に隣接する、請求項１に記載の装置。
【請求項8】
前記第２の面（Ｓ１２）が、前記第３の面（Ｓ２１）から間隙（６６０、６７０）によって分離される、請求項１に記載の装置。
【請求項9】
前記間隙が、（ａ）空気、
（ｂ）光学接着剤、および
（ｃ）光学ゲルからなる群から選択された材料で充填されている、請求項８に記載の装置。
【請求項10】
前記第３の面（Ｓ２１）が、前記第２の面（Ｓ１２）に対して間隙角（１０００）で構成されている、請求項８に記載の装置。
【請求項11】
前記第１の光学構造（Ｐ１）が、第１の幅（Ｗ１）を有し、前記第２の光学構造（Ｐ２）が、第５の幅（Ｗ２３）を有し、前記第５の幅（Ｗ２３）が前記第１の幅（Ｗ１）よりも大きい、請求項８に記載の装置。
【請求項12】
前記第１の光学構造（Ｐ１）の第３の幅（Ｗ１１）および／または前記第２の光学構造（Ｐ２）の第４の幅（Ｗ２２）が、前記ライトパイプ（６００）の前記長手方向軸（Ｒ１）に沿って変化する、請求項１に記載の装置。
【請求項13】
前記出力面（Ｓ２３）が、第８の角度（γ、「ガンマ」）にあり、かつ／または前記入力面（Ｓ０１）が、前記ライトパイプ（６００）の前記長手方向軸（Ｒ１）に対して第１１の角度（φ、「サイ」）にある、請求項１に記載の装置。
【請求項14】
前記ライトパイプ（６００）の前記入力面（Ｓ０１）に入力光（Ｌ０、Ｌ７）を提供する光源（６１０）をさらに含む、請求項１に記載の装置。
【請求項15】
投影光学系（６１２）をさらに含み、前記ライトパイプ（６００）が、前記投影光学系（６１２）への入力として前記出力光線（Ｌ３）を提供するように構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項16】
前記ライトパイプ（６００）の前記長寸法（６０６）が、前記ライトパイプ（６００）の幅（Ｗ１、Ｗ１１、Ｗ２、Ｗ２２）よりも少なくとも１桁大きい、請求項１に記載の装置。
【請求項17】
装置であって、ライトパイプ（６００）を含み、当該ライトパイプ（６００）は、少なくとも、
（ｉ）第１の屈折率（η１）、前記ライトパイプ（６００）の近位端における入力面（Ｓ０１）であって光源からの光が前記ライトパイプ（６００）に入力される入力面（Ｓ０１）、および第２の面（Ｓ１２）を有する第１の光学構造（Ｐ１）、ならびに
（ｉｉ）前記第１の屈折率（η１）、第３の面（Ｓ２１）、および前記ライトパイプ（６００）の遠位端における出力面（Ｓ２３）であって前記ライトパイプ（６００）から光が出力される出力面（Ｓ２３）を有する第２の光学構造（Ｐ２）、を含み、
前記ライトパイプ（６００）は更に、
前記入力面（Ｓ０１）と前記第２の面（Ｓ１２）との間の方向に、前記第１の光学構造（Ｐ１）の長寸法（６０６）に平行な長手方向軸（Ｒ１）を有し、
前記長手方向軸（Ｒ１）に平行に投入された前記入力面（Ｓ０１）への入力光線（Ｌ０）が、前記入力光線（Ｌ０）に平行でない出力光線（Ｌ３）として前記出力面（Ｓ２３）から出力されるように、前記ライトパイプ（６００）の前記長手方向軸（Ｒ１）に対して斜めである、前記第２の面（Ｓ１２）と前記第３の面（Ｓ２１）との間の界面（６２０）を備え、
前記第２の面（Ｓ１２）は、前記第３の面（Ｓ２１）から間隙（６６０、６７０）によって分離され、
前記ライトパイプ（６００）は、ユーザの頭部に装置を支持する機械体のフレームに結合され、前記ライトパイプ（６００）は、前記ライトパイプ（６００）の前記長手方向軸（Ｒ１）が前記フレームの伸長方向と平行になるように前記フレームと整列される、装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、概して、光学ライトパイプに関し、具体的には、関連付けられたシステム構成要素に対して任意の所望の折り曲げ角で折り曲げることができる光軸（光路）を有する、電子ディスプレイソース（ニアアイディスプレイの光導波路内に画像を投入するために使用されるシリコン上液晶（ＬＣＯＳ）マイクロディスプレイなど）を照射するために使用することができるライトパイプに関する。
【背景技術】
【0002】
拡張現実システムでは、特に異なる光（例えば、ＬＥＤ）源の色を混合することが必要な場合、審美的な着用可能フレームに光学系の形状および形態因子を適合させることが課題である。異なる光源チャネルを混在させる方法の１つは、照明の生成にライトパイプを使用することである。審美的な理由から、ライトパイプを眼鏡のフレームに整列させることが望ましい。しかしながら、ライトパイプは比較的長い要素であるため、所望の光学エンジンエンベロープから突出することが多い。したがって、審美的な形状を達成するためには、ライトパイプを任意の所望の方向に折り曲げることが重要である。
【0003】
比較的長い要素であることに加えて、ライトパイプはまた、典型的には比較的真っ直ぐである。所望の光学エンジンエンベロープ内にライトパイプをなんとか維持するために、ライトパイプをバンド付き光ファイバとして実装する湾曲したライトパイプの設計が提案されている。しかしながら、バンド付き光ファイバの実装は、湾曲したバンド付き光ファイバ内を伝播する光線が、伝播軸に沿った全内部反射によって伝播することができないという事実に起因して、低い効率をもたらす。ライトパイプが、反射コーティング（すなわち、鏡面コーティング）を有する直角プリズム（すなわち、９０度プリズム）を使用して折り曲げられる代替の折り曲げソリューションが提案されている。このようなソリューションは、より高い効率をもたらすが、これらのソリューションは、特定の折り曲げ角に著しく限定される。
【発明の概要】
【0004】
本実施形態の教示によれば、装置であって、ライトパイプであって、少なくとも、（ｉ）第１の屈折率、ライトパイプの近位端における入力面、および第２の面を有する第１の光学構造、ならびに（ｉｉ）第１の屈折率に等しくない第２の屈折率、第３の面、およびライトパイプの遠位端における出力面を有する第２の光学構造、を含み、ライトパイプが、入力面と第２の面との間の方向に、第１の光学構造の長寸法に平行な長手方向軸を有する、ライトパイプと、長手方向軸に平行に投入された入力面への入力光線が、入力光線に平行でない出力光線として出力面から出力されるように、ライトパイプの長手方向軸に対して斜めである、第２の面と第３の面との間の界面と、を含む装置が提供される。
【0005】
任意選択の実施形態では、入力光線と出力光線との間の角度は、ライトパイプの光学偏差角であり、光学偏差角はゼロ度以外である。別の任意の実施形態では、長手方向軸と出力面法線との間の角度は、ライトパイプの機械的な偏差角であり、機械的な偏差角は、ゼロ度以外であり、出力面法線は、第２の光学構造の出力面に垂直である。
【0006】
別の任意の実施形態では、少なくとも第１および第２の光学構造は、ライトパイプを通る光の光路を画定し、光路は、入力面を介してカップリングインし、第１の光学構造を横断し、第１から第２の光学構造へ、第２から第３の面への界面を介して屈折させ、第２の光学構造を横断し、かつ出力面を介して第２の光学構造からカップリングアウトする光によって、少なくとも部分的に画定される。別の任意の実施形態では、第１および第２の光学構造の少なくとも１つの外側側壁は、反射コーティングでコーティングされ、反射コーティングは、光路をライトパイプ内に拘束する。
【0007】
別の任意の実施形態では、反射防止コーティングは、少なくとも第１および第２の光学構造の少なくとも１つの面に追加される。別の任意の実施形態において、第２の面は、第３の面に隣接する。別の任意の実施形態において、第２の面は、第３の面から間隙によって分離される。別の任意の実施形態において、間隙は、空気、光学接着剤、および光学ゲルからなる群から選択された材料で充填されている。別の任意の実施形態において、第３の面は、第２の面に対して間隙角で構成されている。
【0008】
別の任意の実施形態では、第１の光学構造は、第１の幅を有し、第２の光学構造は、第５の幅を有し、第５の幅は第１の幅よりも大きい。別の任意の実施形態では、第１の光学構造の第３の幅および／または第２の光学構造の第４の幅は、ライトパイプの長手方向軸に沿って変化する。別の任意の実施形態では、出力面は、第８の角度にあり、かつ／または入力面は、ライトパイプの長手方向軸に対して第１１の角度にある。
【0009】
別の任意の実施形態では、ライトパイプの入力面に入力光を提供する光源をさらに含む。別の任意の実施形態では、投影光学系をさらに含み、ライトパイプは、投影光学系への入力として出力光線を提供するように構成されている。
【0010】
別の任意の実施形態では、ライトパイプの長寸法は、ライトパイプの幅よりも少なくとも１桁大きい。
【0011】
本実施形態の教示によれば、装置であって、ライトパイプであって、少なくとも、第１の屈折率、ライトパイプの近位端における入力面、および第２の面を有する第１の光学構造、ならびに第１の屈折率、第３の面、およびライトパイプの遠位端における出力面を有する第２の光学構造、を含み、ライトパイプが、入力面と第２の面との間の方向に、第１の光学構造の長寸法に平行な長手方向軸を有する、ライトパイプと、長手方向軸に平行に投入された入力面への入力光線が、入力光線に平行でない出力光線として出力面から出力されるように、ライトパイプの長手方向軸に対して斜めである、第２の面と第３の面との間の界面と、を含み、第２の面が、第３の面から間隙によって分離される、装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【0012】
本発明のいくつかの実施形態は、単なる例として、添付の図面を参照して本明細書に記載される。図面を詳細に、具体的に参照すると、示された詳細は、例示であり、かつ本発明の実施形態の例示的な考察の目的のためであることが強調される。これに関して、図面を伴う説明は、本発明の実施形態がどのように実施され得るかを当業者に明らかにするものである。
ここで、図面に注目すると、同様の参照番号または文字は、対応するまたは同様の構成要素を示す。図面は以下のとおりである。
ここで、図面に注目すると、同様の参照番号または文字は、対応するまたは同様の構成要素を示す。図面は以下のとおりである。
【0013】
【図1】例示的な通常の使用法の略図である。
【図2A】光路の屈折の表現である。
【図9】外側側壁が先細りになっているライトパイプの略図である。
【図10】空隙によって分離された構造を有するライトパイプの略図である。
【図11】外側側壁の間の距離が一定であるライトパイプである。
【図12】外側側壁の間の距離が増加するライトパイプである。
【図13A】単一ベース光学構造から構築されたライトパイプの略図である。
【図14A】ライトパイプの代替的な実装の略図である。
【図16A】反射コーティングを使用する、従来の折り曲げライトパイプの略図である。
【図16B】改良型ライトパイプの略図である。
【0014】
【0015】
別途定義されない限り、本明細書で使用されるすべての技術用語および／または科学用語は、本発明が関連する技術分野の当業者に一般に理解されるのと同じ意味を有する。本明細書に記載されるものと同様または同等の方法および材料は、本発明の実施形態の実施または試験において使用され得るが、例示的な方法および／または材料は、以下に記載される。矛盾する場合、定義を含む本特許明細書が優先される。本発明の実施形態の実施または試験において、例示的な方法および／または材料は、以下に記載される。矛盾する場合、定義を含む本特許明細書が優先される。さらに、材料、方法、および実施例は単に例示であり、必ずしも限定することを意図しない。
【0016】
本発明の少なくとも１つの実施形態を詳細に説明する前に、本発明は、その適用において、以下の説明で規定される、かつ／または図面および／もしくは実施例に例示される構成要素および／または方法の構成の詳細および配置に必ずしも限定されないことを理解されたい。本発明は、他の実施形態が可能であるか、または様々な方法で実施もしくは実行されることが可能である。
【0017】
図面の簡略化のために、概して、１つの光線のみが描かれていることに留意されたい。光線は、「光」または「ビーム」と呼ぶこともできる。当業者は、描写される光（光線）が、通常、わずかに異なる角度で複数のビームによって形成される実際の光のサンプルビームであることに気付くであろう。光の極限（エッジ）と特に言及されている場合を除き、例示されている光線は、通常、光のセントロイドである。光が画像に対応し、中心光線が画像の中心または画像の中心画素からの中心光線である場合。光が光源から来る場合、中心光線は、通常、光源から伝播する照明の円錐の中心（および最大強度）である。
【0018】
本発明の実施形態による照明ライトパイプは、少なくとも２つ（すなわち、２つ以上）の光学構造（例えば、プリズム）、すなわち、第１の光学構造および第２の光学構造の組み合わせから形成される。第１の光学構造は、第１の屈折率を有する材料から形成され、第２の光学構造は、第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有する材料から形成される。光は、スネルの法則に従って、（少なくとも）２つの光学構造間のライトパイプ内で屈折する。したがって、ライトパイプの光路は、光が光学構造を出る前に曲げられ、それによって（以下で画定される）折り曲げ角の選択のためのより高い自由度を許容する。ライトパイプの様々なパラメータを最適化することによって、所望の光学エンジンエンベロープに適した所望の出力光軸角度（すなわち、折り曲げ角）を達成することができる。最適化可能なパラメータは、例えば、光学構造の屈折率、内部光学接合部の角度、光学構造の外面の配向角度、ならびに光学構造の入射および出射面の配向角度を含む。
【0019】
以下の段落は、本発明のライトパイプの異なる実施形態を説明する。以下の実施形態は例示的なものに過ぎず、本発明は、本明細書に記載の特定の実施形態に限定されるべきではない。ライトパイプの他の実施形態も企図される。
【0020】
ここで図１を参照すると、本発明のライトパイプ６００の実施形態の例示的な典型的使用法の略図である。審美的な理由から、ライトパイプ６００は、好ましくは眼鏡のフレーム（フレーム）に整列（平行）しており、本図では、ライトパイプ６００の長手方向軸Ｒ１がフレームに平行であるように示されている。光源６１０からの光源ビームは、入力光を、ライトパイプ６００、この場合、入力面法線Ｒ０１に沿って入力面（図示せず）に提供する。ライトパイプは、光軸を転換し、それにより、出力面法線Ｒ２３に沿った出力光線が入力面法線Ｒ０１に沿った入力光線と非平行になるように、ライトパイプ６００を通る光路の方向が変化する。この場合、ライトパイプ６００の照明出力は、ユーザの目で見るために画像拡張モジュールに画像を供給する投影光学系６１２に向けられる。本書の文脈では、ライトパイプが光軸を転換することは、光軸の「折り曲げ」と呼ばれることがある。
【0021】
図２Ａを参照すると、２つの光学構造が使用される本発明の実施形態による、ライトパイプの光路の屈折の表現である。明確にするために、ライトパイプの外側は示されていない。ライトパイプ６００Ａは、ベース屈折率η０を有する第１のベース媒体Ｐ０（例えば、空気）に配備された入力端部６０２を有する。図において、概して、ライトパイプを要素６００と呼び、特定の実施形態を要素６００ｘと呼び、ここで「ｘ」は文字である。特定の実施形態６００ｘの一部の説明が、一般的なライトパイプ６００および他の特定の実施形態６００ｘに適用可能であることは、当業者には明らかであろう。第１の光学構造Ｐ１（例えば、プリズムなどの構成要素または要素）は、η１の第１の屈折率を有し、第２の光学構造Ｐ２（構成要素、要素）は、η２の第２の屈折率を有する。ライトパイプ６００の出力端部６０４における媒体は、ライトパイプ６００の入力端部６０２における媒体と概して同じである。この実装は、限定的ではなく、出力端部６０４は、第１のベース媒体Ｐ０以外の第２の媒体Ｐ３内にあり得る。この説明を明確にするために、ライトパイプ１００の出力端部６０４における媒体は、概して、第２の媒体Ｐ３として示される。第２の媒体Ｐ３が第１の媒体のＰ０ベース屈折率η０と異なる屈折率を有する場合、第２の媒体Ｐ３の屈折率を第３の屈折率η３と呼ぶ。本実施例では、第２の媒体Ｐ３は、ベース屈折率η０を有しており、これはベース媒体Ｐ０と同じ屈折率、同じ媒体である。本実施例では、第１のＰ１および第２のＰ２光学構造の屈折率は異なる。この実装は、限定的なものではなく、以下に記載されるように、代替の構成において、光学構造の屈折率は実質的に等しくすることができる。
【0022】
光源６１０は、ライトパイプ６００Ａに光を提供する。光源は、当技術分野で既知であり、例えば、各ＬＥＤが１つの色の光を放射する複数のＬＥＤの群であり、色の組み合わせは光源によって提供される光である。通常の例示的な光源は、３つのＬＥＤからの色の組み合わせを提供し、１つのＬＥＤは赤色光を生成し、１つのＬＥＤは緑色光を生成し、１つのＬＥＤは青色光を生成する。光源６１０は、入力光線Ｌ０（「ビーム」または「入力ビーム」とも呼ばれる）として表される光を提供する。光源チャネルとしても知られる色の組み合わせは、ライトパイプによって混合され、照明出力、通常は実質的に白色の光を生成する。
【0023】
ベース媒体Ｐ０と第１の光学構造Ｐ１は屈折率が異なるため、入力光線Ｌ０は外部入力面Ｓ０１において屈折して、第１の光学構造Ｐ１の内部の光線Ｌ１（第１の光学構造Ｐ１の光線Ｌ１）になる。ライトパイプ６００Ａの第１の光学構造Ｐ１の外部入力面Ｓ０１は、ベース媒体Ｐ０の方向に破線の入力面法線Ｒ０１として示される法線を有する。これに対応して、入力面法線Ｒ０１は、入力面Ｓ０１の内側の第１の光学構造Ｐ１に対しても垂直であり、内側とは、入力面Ｓ０１の外側と反対側である。第１の角度、外部入力角θ０１は、入力光線Ｌ０と入力面法線Ｒ０１との間に画定される。同様に、第２の角度は、光線Ｌ１と入力面法線Ｒ０１との間に画定される内部入力角θ１０である。
【0024】
光線Ｌ１は、第１の光学構造Ｐ１を介して外部入力面Ｓ０１から第２の面Ｓ１２に伝播する。この場合、第２の面Ｓ１２は、第２の光学構造Ｐ２の方向における第１の光学構造Ｐ１の出力面である。第２の面Ｓ１２は、第２の光学構造Ｐ２への入力面である第３の面Ｓ２１に隣接する。通常、第２の面Ｓ１２および第３の面Ｓ２１は、隣接して互いに接触して構成されており、それにより、第１の光学構造Ｐ１と第２の光学構造Ｐ２との間に単一の界面６２０が効果的に実装される。本説明では、便宜上、第２の面Ｓ１２および第３の面Ｓ２１の界面６２０は、概して、単に「第２の面Ｓ１２」と呼ばれる。なお、本図では、第２の面Ｓ１２と第３の面Ｓ２１は、それぞれ、分かりやすくするために、（本実施例の実用的な実装である単一の線を使用するのではなく）図面上では若干分離した線で表現されている。この実装は、限定的なものではなく、以下に、光学構造の表面が隣接していない実装を説明する。
【0025】
第１の光学構造Ｐ１と第２の光学構造Ｐ２は屈折率が異なるため、光線Ｌ１は第２の面Ｓ１２において屈折し、第２の光学構造Ｐ２の内部の光線Ｌ２（第２の光学構造Ｐ２の光線Ｌ２）になる。第１の光学構造Ｐ１の第２の面Ｓ１２は、第１の光学構造Ｐ１の方向に破線である第２の面の法線Ｒ１２として示される法線を有する。これに対応して、第２の面の法線Ｒ１２は、第３の面Ｓ２１の内側の第２の光学構造Ｐ２に対しても垂直である。第３の角度である第２の面の出力角θ１２は、光線Ｌ１と第２の面の法線Ｒ１２との間に画定される。同様に、第４の角度は第３の面の入力角θ２１であり、光線Ｌ２と第２の面の法線Ｒ１２との間に画定される。
【0026】
光線Ｌ２は、第２の光学構造Ｐ２を介して第３の面Ｓ２１から出力面Ｓ２３に伝播する。この場合、出力面Ｓ２３は、第２の媒体Ｐ３の方向における第２の光学構造Ｐ２の第４の面である。第２の光学構造Ｐ２と第２の媒体Ｐ３は屈折率が異なるため、光線Ｌ２は出力面Ｓ２３において屈折し、第２の媒体Ｐ３の内部の光線Ｌ３（第２の媒体Ｐ３の光線Ｌ３）になる。光線Ｌ３は、ライトパイプ６００の出力光である。第２の光学構造Ｐ２の出力面Ｓ２３は、第２の光学構造Ｐ２の方向に破線である出力面法線Ｒ２３として示される出力法線（本書の文脈では第４の面の法線とも呼ばれる）を有する。これに対応して、出力面法線Ｒ２３は、出力面Ｓ２３の外側で第２の媒体Ｐ３に対しても垂直である。第５の角度である第４の面の出力角θ２３は、光線Ｌ２と出力面法線Ｒ２３との間に画定される。同様に、第６の角度は、光線Ｌ３と出力面法線Ｒ２３との間に画定される第４の面の出力角θ３２である。
【0027】
本図では、２つの作図線が使用されている。第２の基準線Ｓ２と第３の基準線Ｓ３は、いずれも入力面Ｓ０１と平行である。第２の基準線Ｓ２は、第２の面Ｓ１２と交差する。第２の基準線Ｓ２と第２の面Ｓ１２（この場合、第３の面Ｓ２１も）との間には、第７の角度（δ、「デルタ」）が画定される。第７の角度（δ）は、第１の光学構造Ｐ１と第２の光学構造Ｐ２との間の表面の向きを画定するのを助けるために使用される。同様に、第３の基準線Ｓ３は出力面Ｓ２３と交差する。第３の基準線Ｓ３と出力面Ｓ２３との間には、第８の角度（γ、「ガンマ」）が画定される。第８の角度（γ）は、第２の光学構造Ｐ２と第２の媒体Ｐ３との間の表面の向きを画定するのを助けるために使用される。
【0028】
入力光軸は、前述のように入力光の中心光線である入力光線Ｌ０と一致するように画定される。光線、この場合、光線Ｌ１と光線Ｌ２は、ライトパイプ６００を通る（第１のＰ１と第２のＰ２の光学構造を通る）伝播の光軸、または光路を形成する。出力光軸は、出力光の中心光線である出力光線Ｌ３と一致するように画定される。「光路」、例えば、ライトパイプ６００を通る伝播、および光路の屈曲への言及はまた、「光軸」、例えば、ライトパイプ６００を通って伝播する光の光軸、および光軸の屈曲への言及でもあり得る。当業者であれば、軸外の（入力面Ｓ０１に対して非垂直、入力面法線Ｒ０１に対して非平行）入力光線は、通常、ライトパイプ６００の壁面上で数回反射されることを理解するであろう。例示的な軸外光路Ｌ９を本図に示す。
【0029】
本実施形態において、光路は（光軸は）、少なくとも３回屈折される。まず、光路の入力光軸（光線Ｌ０）を、屈折率η０を有する第１の媒体Ｐ０から屈折率η１を有する第１の光学構造Ｐ１に屈折させる。次に、光路を、屈折率η１を有する第１の光学構造Ｐ１から屈折率η２を有する第２の光学構造Ｐ２へ屈折させる。次に、光路を、屈折率η２を有する第２の光学構造Ｐ２から屈折率η０を有する第２の媒体Ｐ３に屈折させる。
【0030】
入射角と屈折角は以下の通りである。
η０＊ｓｉｎ（θ０１）＝η１＊ ｓｉｎ（θ１０）
η１＊ｓｉｎ（θ１２）＝η２＊ ｓｉｎ（θ２１）
η２＊ｓｉｎ（θ２３）＝η０＊ ｓｉｎ（θ３２）
θ１２＝θ１０－δ
θ２３＝θ２１－（δ－γ）
η０＊ｓｉｎ（θ０１）＝η１＊ ｓｉｎ（θ１０）
η１＊ｓｉｎ（θ１２）＝η２＊ ｓｉｎ（θ２１）
η２＊ｓｉｎ（θ２３）＝η０＊ ｓｉｎ（θ３２）
θ１２＝θ１０－δ
θ２３＝θ２１－（δ－γ）
【0031】
また、２つの屈折率η１～η２はどちらも、ベース媒体η０の屈折率よりも大きい。第１の屈折率η１と第２の屈折率η２は、それぞれベース屈折率η０よりも大きい。このように、η１≧η２≧η０、またはη２≧η１≧η０のいずれかである。
【0032】
上記の考察を考慮し、例示的な本実施形態を使用して、ここで、ライトパイプ６００の折り曲げ角の定義を考察することができる。本書の文脈において、「偏差角」（または「折り曲げ角」）という用語は、光に対して、すなわち「光の視点」から（「光学偏差角」または「光折り曲げ角」）、または入力光軸（光入力光線Ｌ０）および出力光軸（光出力光線Ｌ３）（「機械的偏差角」または「機械的折り曲げ角」）の方向に対して定義することができる。光学的または機械的なものを特定せずに「偏差角」または「折り曲げ角」という用語が使用されている場合、当業者であれば、参照には光学的および機械的なものの両方が含まれると理解するであろう。この場合、ライトパイプ６００の光折り曲げ角は、入力光線Ｌ０と出力光線Ｌ３との間に画定される角度である。上で考察されたように、ライトパイプ６００の様々なパラメータを選択、構成、および最適化することによって、所望の光学エンジンエンベロープに合った所望の折り曲げ角を達成することができる。パラメータの例としては、光学構造（Ｐ０、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３）の屈折率（η０、η１、η２、η３）、内部光学接合部の角度（δ）、光学構造の外面の配向角（α、β）、光学構造の入射面および出射面の配向角（ψ、γ）が挙げられる。前文で未記載の要素表記については、後述することに留意されたい。
【0033】
本説明に基づいて、出力光線Ｌ３の所望の方向が与えられると、折り曲げ角が決定され得、ライトパイプ６００は、０度（０゜）と９０゜を含む任意の折り曲げ角、特に０度（０゜）と９０°以外任意の折り曲げ角に対して、すなわち、出力光軸が入力光軸に対して直線および垂直以外になるように設計される。
【0034】
図２Ｂは、図２Ａに例示される実施形態の変形例を示す。任意選択で、外側側壁（本書の文脈では「外壁」とも呼ばれる）は、反射コーティング層でコーティングすることができる。本実施形態では、ライトパイプ６００Ｂの第１の外側側壁Ｓ２４は、光路（この場合、光線Ｌ２）が、ライトパイプ６００Ｂ内で第１の外側側壁Ｓ２４によって特定の角度（第９の角度、α、「アルファ」）でさらに反射され光線Ｌ２１になるように、反射コーティング層でコーティングすることができる。代替的または追加的に、ライトパイプ６００は、外側側壁（この場合は第１の外側側壁Ｓ２４）が全内部反射（ＴＩＲ）を使用して光路の１つ以上の部分を反射するように構成され得る。第４の基準線Ｓ４は、入力面Ｓ０１に鉛直な作図線である。第４の基準線Ｓ４は、第１の外側側壁Ｓ２４と交差する。第９の角度（α）は、第４の基準線Ｓ４と第１の外側側壁Ｓ２４との間に画定される。第９の角度（α）は、ライトパイプ６００の他の表面に対する第１の外側側壁Ｓ２４の向きを画定するのに役立つように使用される。本実施形態では、ベース媒体に戻る前の光線Ｌ２１の入射角θ２３は、式θ２３＝θ２１－（δ－γ）－２αで与えられる。
【0035】
図３は、図２Ｂに対応するライトパイプ６００Ｃの略図であり、それにより、光路（Ｌ０、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ２１、Ｌ３）は、２つの光学構造（Ｐ１、Ｐ２）の屈折率の変化によって少なくとも部分的に屈折され、ライトパイプ６００の外側側壁（第１の外側側壁Ｓ２４）のうちの１つによって反射される。なお、本図では、入力光線Ｌ０は外部入力面Ｓ０１に対して垂直であり、入力光線Ｌ０は入力面法線Ｒ０１に対して平行であり、外部入力角θ０１は９０°であり、内部入力角θ１０は９０°である。出力光線Ｌ３は出力面Ｓ２３に対して垂直であり、出力光線Ｌ３は出力面法線Ｒ２３に対して平行であり、第４の面の出力角θ２３は９０°であり、外部出力角θ３２は９０°であることも留意されたい。
【0036】
上記の説明では、折り曲げ角は、光に関して、すなわち、「光の視点」から、または光入力光線Ｌ０および光出力光線Ｌ３の方向に対して画定された。あるいは、折り曲げ角は、ライトパイプ６００の要素の機械的構成に関して説明することができる。長手方向軸Ｒ１は、第１の光学構造Ｐ１の長寸法６０６に平行に画定される。長手方向軸Ｒ１は、入力面Ｓ０１に対して垂直であることにも、入力光線Ｌ０に対して平行であることにも制限されないことに留意されたい。本実施例では、長手方向軸Ｒ１は入力面Ｓ０１に対して垂直であり、入力光線Ｌ０に対して平行である。図２Ａおよび図２Ｂの例では、長手方向軸Ｒ１は入力面Ｓ０１に対して垂直であってもなくてもよく、入力光線Ｌ０に対して平行でなくてもよい。長手方向軸Ｒ１は、折り曲げ角の入力基準となる。出力面法線Ｒ２３は、折り曲げ角の出力基準となる。次いで、機械的折り曲げ角は、長手方向軸Ｒ１と出力面法線Ｒ２３との間の角度によって画定される。
【0037】
図において、入力面Ｓ０１は、概して、第１の光学構造Ｐ１の長手方向軸Ｒ１に対して鉛直に描かれるが、この実装は限定的ではなく、他の箇所で説明したように、入力面Ｓ０１は、第１の光学構造Ｐ１の長手方向軸Ｒ１に対して非鉛直（９０°以外の角度で傾斜、または斜め）であってよい。
【0038】
第２の光学構造Ｐ２は、通常、第１の光学構造Ｐ１に一致しているため、第２の光学構造Ｐ２の第２の長手方向軸Ｒ２は、通常、第１の光学構造Ｐ１の第１の長手方向軸Ｒ１と同じ、平行、または実質的に同じ方向である。この実装は、限定的なものではなく、当業者は、第２の光学構造Ｐ２の第２の長手方向軸Ｒ２が、第１の長手方向軸Ｒ１の方向以外の方向にあってもよいことを理解するであろう。本説明では、ライトパイプ６００の全体的な効果を明確に定義するのを助けるために、第２の光学構造Ｐ２の出力は、第１の光学構造Ｐ１（および第１の長手方向軸Ｒ１）に対して画定される。図中では、簡略化のために、光学構造面（例えば、入力面Ｓ０１、第１の外側側壁Ｓ２４、および出力面Ｓ２３）は、概して、平坦な面（直線）として描かれるが、この実装は限定的ではなく、光学構造の表面は、曲面などの他の形状であり得る。例えば、入力面Ｓ０１、第２の面Ｓ１２、および／または出力面Ｓ２３は湾曲させてもよく、ライトパイプのそれぞれの入出力においてレンズを実装することができる。
【0039】
出力面Ｓ２３は、様々な形状にすることができるが、製造および後続デバイスへの機械的な取り付けを楽にするために、ライトパイプ６００の側面にも鉛直である直線面が好ましいことが多い。
【0040】
図において、第１の光学構造Ｐ１の第１の幅Ｗ１は、概して、第２の光学構造Ｐ２の第２の幅Ｗ２に実質的に等しいように描かれている。以下に詳述するいくつかの例のように、光学構造の幅は必ずしも等しいとは限らない。光学構造の幅は、概して、ライトパイプ６００の長軸（長手方向軸Ｒ１など）と比較して、ライトパイプ６００の短軸に沿っており、換言すれば、通常、長手方向軸Ｒ１に鉛直である。
【0041】
図４は、図３のライトパイプ６００Ｃと同様のライトパイプ６００Ｄの略図である。本図では、光路である光線Ｌ１は、第２の面Ｓ１２において第１の光学構造Ｐ１の内部でフレネル反射による追加の反射６４０を受け、それにより、光線Ｌ１２をライトパイプ６００Ｄの第４の外側側壁Ｓ１５に向けて反射する。第４の外側側壁Ｓ１５における第２の追加の反射６４２（全内部反射によって）は、第２の面Ｓ１２に向かって光線Ｌ１３を反射する。光線Ｌ１３は、第１の光学部品Ｐ１から第２の光学部品Ｐ２へと屈折し、上述したように光路に沿って進み続ける。
【0042】
図５は、図４のライトパイプ６００Ｄと同様に、別の実施形態によるライトパイプ６００Ｅの略図である。本実施形態において、光学構造は、同じ材料から構築され、間隙６５０、この場合は空隙によって分離された２つのプリズムとして実装されている。この場合、界面６２０は、第２の面Ｓ１２、第３の面Ｓ２１、および間隙６５０の領域を含む。第１のプリズムは、第１の屈折率η１を有する第１の光学構造Ｐ１であり、第２のプリズムＰ１１は、第１の屈折率η１を有する他の光学構造である。上述したように、この例示的な実装は限定的なものではなく、２つ以上の光学構造を使用することができる。光学構造のうちの２つ以上は、異なる屈折率を有することができ、または光学構造のうちの２つ以上は、同じ屈折率を有することができる。外側側壁は、第２の光学構造Ｐ２については、第１の外側側壁Ｓ２４、第２の外側側壁Ｓ２５と指定され、第１の光学構造Ｐ１については、第３の外側側壁Ｓ１４、第４の外側側壁Ｓ１５と指定されている。プリズム（Ｐ１、Ｐ１１）の外側側壁（Ｓ１４、Ｓ１５、Ｓ２４、Ｓ２５）に対する（空気）間隙６５０の角度および間隔、ならびに光学構造面の角度（例えば、第２の面Ｓ１２および第３の面Ｓ２１は、互いに平行または非平行にすることができる）は、（光線６５２の間で）ライトパイプ内を伝播する全範囲の有用光線が、全内部反射により空隙において反射し、次に（全内部反射により）第４の外側側壁Ｓ１５から反射し、再び空隙において臨界角より小さい角度で入射し、それによって第１のプリズムＰ１から空隙６５０を介して第２のプリズムＰ１１へ伝達されるように、決定される。その結果、（光線６５２の間の）ビームが狭められ（ビーム６５４の間の範囲）、転換される。なお、第１のプリズムＰ１の上部第４の外側側壁Ｓ１５からの反射に続く空隙６５０における反射が、空隙６５０における透過を防止する臨界角以下で入射する場合には、反射が生じる上部第４の外側側壁Ｓ１５の領域にミラー（例えば、反射コーティングまたは反射面）を適用してもよい。
【0043】
図６は、主光線（光路Ｌ０、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ２１、Ｌ２２、Ｌ３）の２つの内部反射がある、図７に示される追加の構成要素を有する図２Ｂに例示される実施形態の変形例を示す。本実施形態では、第２の光学構造Ｐ２において、ライトパイプ６００Ｆの第１の外側側壁Ｓ２４は、光路（この場合、光線Ｌ２）が、ライトパイプ６００Ｆ内で第１の外側側壁Ｓ２４によって特定の角度（第９の角度、α、「アルファ」）でさらに反射されて光線Ｌ２１になるように、反射コーティング層でコーティングすることができる。同様に、ライトパイプ６００Ｆの第２の外側側壁Ｓ２５は、光路（この場合、光線Ｌ２１）が、第２の外側側壁Ｓ２５によってライトパイプ６００Ｆ内で特定の角度（第１０の角度、β）でさらに反射されて光線Ｌ２２になるように、反射コーティング層でコーティングすることができる。代替的または追加的に、ライトパイプ６００は、外側側壁（この場合は第１の外側側壁Ｓ２４および第２の外側側壁Ｓ２５）が全内部反射（ＴＩＲ）を使用して光路の１つ以上の部分を反射するように構成され得る。
【0044】
第５の基準線Ｓ５は、入力面Ｓ０１に鉛直な作図線である。第５の基準線Ｓ５は、第２の外側側壁Ｓ２５と交差する。第１０の角度（β）は、第５の基準線Ｓ５と第２の外側側壁Ｓ２５との間に画定される。第１０の角度（β）は、ライトパイプ６００の他の表面に対する第２の外側側壁Ｓ２５の向きを画定するのに役立つように使用される。この実施形態では、第２の媒体Ｐ３に戻る前の光軸の入射角θ２３は、式θ２３＝θ２１－（δ－γ）－２＊α－２＊βで与えられる。
【0045】
図７は、図６の実施形態による、ライトパイプ６００Ｆの略図である。明確にするために、図６のすべての要素を示しているわけではない。本図では、第２の光学構造Ｐ２の側壁（Ｓ２４、Ｓ２５）は、互いに平行であり、入力面Ｓ０１に鉛直である。したがって、第４の基準線Ｓ４は平行であり、そのため、第１の外側側壁Ｓ２４と一致し、第９の角度（α）はゼロ（０°）である。同様に、第５の基準線Ｓ５は平行であり、そのため、第２の外側側壁Ｓ２５と一致し、第１０の角度（β）はゼロ（０°）である。
【0046】
図８は、入力面Ｓ０１が角度付けされていることをさらに含む、図９に示される実施形態の変形例の表現を示す。上述の実施形態のいずれかと組み合わせて、ライトパイプ６００は、入射面である外部入力面Ｓ０１（すなわち、ベース媒体Ｐ０と第１の光学構造Ｐ１との間の界面）が特定の角度（第１１の角度Ψ、「サイ」）で傾斜するように角度を付けることができる。図８に示す表現は、追加の傾斜角Ψを有する図６に示す表現であることに留意されたい。傾斜角はまた、図２Ｂなどの他の表現にも適用することができる。上記の説明と同様に、第６の基準線Ｓ６は、入力面Ｓ０１が傾いたので、入力面Ｓ０１の代わりに基準として使用される作図線である。第６の基準線Ｓ６は、入力面Ｓ０１と交差する。第１１の角度（Ψ）は、第６の基準線Ｓ６と入力面Ｓ０１との間で画定される。第１１の角度（Ψ）は、ライトパイプ６００Ｇの他の表面に対する入力面Ｓ０１の向きを画定するのに役立つように使用される。
【0047】
図９は、ライトパイプの外側側壁（すなわち、２つの光学構造の外側側壁）が先細りであり、結果として、先細りの側壁を有するライトパイプが得られる、本発明の別の実施形態によるライトパイプ６００Ｇの略図である。第１の光学構造Ｐ１は、入力端６０２において第１の幅Ｗ１を有し、これは本図では入力面Ｓ０１の幅でもある。第１の光学構造Ｐ１は、光路（光線Ｌ１）方向の長手方向軸Ｒ１に沿って幅が大きくなり、第２の面Ｓ１２付近で第３の幅Ｗ１１となる。第２の光学構造Ｐ２は、第３の面Ｓ２１付近で第４の幅Ｗ２２を有する。第２の光学構造Ｐ２は、第２の面Ｓ１２から出力面Ｓ２３に向かって、光路（Ｌ２、Ｌ２１、Ｌ２２）の方向の長手方向軸Ｒ１に沿って幅が減少し、出力面Ｓ２３付近で第２の幅Ｗ２となる。あるいは、（本図には示されていない）第１の光学構造Ｐ１は、長手方向軸Ｒ１に沿って、幅が減少するかまたは一定のままであり得、第２の光学構造Ｐ２は、幅が増加するかまたは一定のままであり得る。
【0048】
本図では、第１の外側側壁Ｓ２４の第９の角度（α）および第４の基準線Ｓ４、ならびに第２の外側側壁Ｓ２５の第１０の角度（β）および第５の基準線Ｓ５が示されている。対応する基準線および角度は、第３の外側側壁Ｓ１４および第４の外側側壁Ｓ１５については示されていない。この説明に基づいて、当業者は、これらの要素を適切に取り扱うことができるであろう。
【0049】
図１０は、等しい接合面角度を有するライトパイプの異なる構造（部分）が空隙６６０によって分離されたライトパイプ６００Ｉの略図である。例示的な本図において、光学構造は、同じまたは異なる屈折率を有することができる２つの構造（Ｐ１、Ｐ２）である。本図は、図５に類似している。例示的な本図において、第２の面Ｓ１２と第３の面Ｓ２１は、第２の面Ｓ１２と第３の面Ｓ２１が互いに平行である図５の例示的な実施形態と比較して、互いに間隙角１０００にある。この場合、界面６２０は、第２の面Ｓ１２、第３の面Ｓ２１、および間隙６６０の領域を含む。第２の面Ｓ１２は、長手方向軸Ｒ１に対して鉛直（かつ入力面Ｓ０１に対して平行）であるが、第３の面Ｓ２１は、長手方向軸Ｒ１に対して斜めであるため、界面６２０は、ライトパイプ６００の長手方向軸Ｒ１に対して斜めであると見なされる。
【0050】
図１１および図１２は、異なる光学構造（Ｐ１、Ｐ２）が、対応する間隙屈折率η４を有する光学媒体６７２で任意選択的に充填された間隙６７０によって分離されるライトパイプ（６００Ｊ、６００Ｋ）の略図である。この場合、界面６２０は、第２の面Ｓ１２、第３の面Ｓ２１、間隙６７０、および光学媒体６７２の領域を含む。光学媒体としては、例えば、光学接着剤および光学ゲルが挙げられる。光路が長手方向軸Ｒ１に沿って屈折するように、３つの構造［第１の光学構造Ｐ１（η１）、第２の光学構造Ｐ２（η２）、間隙６７０（η４）］に対して少なくとも２つの異なる屈折率が使用されなければならない。本図は、間隙６７０が平行な面、この場合、第２の面Ｓ１２と第３の面Ｓ２１との間にある状態で描かれているが、この実装は限定的ではなく、間隙６７０は、図１０を参照して説明したように、間隙角１０００を含むことができる。分離が光学媒体によって行われる実装では、効率を向上させるために、２つの異なる屈折率の界面６２０の後のライトパイプの区間において、ライトパイプの外側側壁間の距離（幅）を大きくする（すなわち、ライトパイプを広くする）ことが可能である。この場合、第２の光学構造Ｐ２を広げる。任意選択で、１つ以上の反射防止コーティングが、例えば、第１のＰ１から第２のＰ２光学構成要素への光透過の効率を改善するために、異なる光学構造の間に追加され得る。
【0051】
図１１は、外側側壁間の距離が一定のままであるライトパイプ６００Ｊを示し、この場合、光損失、すなわち、効率の低下がもたらされる。本図において、第１の光学構造Ｐ１の第１の幅Ｗ１は、第２の光学構造Ｐ２の第２の幅Ｗ２に実質的に等しい。出力光線Ｌ３３の一部は、残りのビーム（出力光線Ｌ３）とともにライトパイプ６００Ｊから出ず、上面（第１の外側側壁Ｓ２４）からの反射が加わり、システムに失われる（出力面Ｓ２３からの出力角の使用可能範囲内に出力されない）バンドＷ３３内にある。
【0052】
図１２は、ライトパイプ６００Ｋを示しており、界面６２０の後の区間（間隙６７０の後、第２の光学構造Ｐ２）における外側側壁（第１の外側側壁Ｓ２４と第２の外側側壁Ｓ２５）間の距離が、第２の幅Ｗ２から第５の幅Ｗ２３に増加し、それによって、出力光線Ｌ３１のすべてが出力面Ｓ２３から出力されていることから分かるように効率が維持される。この場合、第５の幅Ｗ２３は、第２の幅Ｗ２よりも大きい。結果として、ライトパイプ６００Ｋは、第１の区間（第１の光学構造Ｐ１、すなわち、プリズムに対応する）よりも広い第２の区間（第２の光学構造Ｐ２、すなわち、プリズムに対応する）を有する。
【0053】
図１３Ａは、傾斜した入口１３０２および出口１３０４の面を有するスラブ型構造として形成された単一ベース光学構造１３１０から構成されたライトパイプ１３００Ａの略図である。光学構造１３１０は、長方形のスラブを取り、スラブの端部において対応する斜め切りを行うことによって形成され得る。その結果、ライトパイプ１３００Ａは、紙面上の断面が台形状となる。等脚台形として実装される場合、入射面１３０２を通ってライトパイプ１３００Ａに入射する入力光Ｌ０の入射角、および出射面１３０４を通ってライトパイプ１３００ＡのＬ４からカップリングアウトされる光の角度は等しい。
【0054】
図１３Ｂは、図１３Ａのライトパイ１３００Ａの略図であり、入力光Ｌ０は、入射面１３０２に対して異なる角度にある。図１３Ａに示されるライトパイプ１３００Ａは、単一の構造（ベース１３１０）から形成されるという利点を有するが、ライトパイプ１３００Ａは、出力光Ｌ５がライトパイプ１３００Ａの外壁からカップリングアウトし、出力面１３０４からカップリングアウトしないことによって示されるカップリングアウト光損失、すなわち効率の低下を被り得る。
【0055】
図１３Ｃは、図１３Ａおよび図１３Ｂに示される実施形態の変形例を含むライトパイプ１３００Ｂの略図である。本実施形態のライトパイプ１３００Ｂは、カップリングアウト光Ｌ５の損失を回避し、それによって効率を維持する。この実施形態では、カップリングアウトウェッジ（例えば、プリズム）の形態の追加の光学構造１３１２が、単一ベース光学構造１３１０に取り付けられる。この場合、単一光学構造の以前の出射面１３０４は、紙面上の断面において右台形をもたらす単一ベース光学構造１３１０の右端（シート上に描かれているような非限定的な方向基準）において垂直切りを行うことによって、単一ベース光学構造１３１０の出射面１３０６を形成することによって置き換えられ得る。２つの光学構造（１３１０、１３１２）は、異なる屈折率を有してもよく、または、２つの光学構造（１３１０、１３１２）の間の接合面（すなわち、界面６２０）における望ましくない反射／屈折を防止するために、同じ屈折率を有してもよい。ライトパイプ１３００Ｂは、ここでは、追加の光学構造１３１２からの新しい出力面１３０８を有する。
【0056】
図１３Ｄは、カップリングイン損失を示す図１３Ｃのライトパイプ１３００Ｂの略図である。本ライトパイプ１３００Ｂは、カップリングアウト光損失Ｌ５を回避するが、ライトパイプ１３００Ｂは、単一ベース光学構造１３１０が形成される材料の屈折率に少なくとも部分的に起因して、カップリングイン光損失Ｌ６を被り得る。本図に見られるように、単一ベース光学構造１３１０の屈折率が十分に高くない場合、入射面１３０２を通って単一ベース光学構造１３１０に入射する光線Ｌ０の一部は、屈折光線が単一ベース光学構造１３１０の底面に当たったときに、単一ベース光学構造１３１０内で屈折光線が全内部反射されないように、急角度で屈折されてもよい。したがって、２つの光学構造（１３１０、１３１２）が形成される材料は、好ましくは、入射面１３０２を通して単一ベース光学構造１３１０に入射する光線Ｌ０が、単一ベース光学構造１３１０の底面に当たったときに全内部反射（ＴＩＲ）を受けるように十分な浅い角度で屈折するように、十分に高い屈折率（好ましくは、１．６０以上）のものである。
【0057】
図１３Ｅは、図１３Ｃおよび図１３Ｄのライトパイプ１３００Ｂの略図であり、単一ベース光学構造１３１０は、入力光Ｌ０が入力面１３０２で十分に高い角度で屈折し、単一ベース光学構造１３１０の底面に当たったときにＴＩＲをもたらすように、十分に高い屈折率の材料から作られる。
【0058】
図１３Ｆは、図１３Ｃのライトパイプ１３００Ｂの変形例であるライトパイプ１３００Ｃの略図である。本図において、入力面１３０２Ａは、入力面１３０２からシート上で垂直に「反転」させ、それにより、先に説明したライトパイプ１３００Ｂの入力面１３０２から９０゜回転した入力面１３０２Ａを有する単一ベース光学構造１３１０が提供される。両方のライトパイプ（１３００Ｂ、１３００Ｃ）の機能が維持される。
【0059】
図１３Ｇは、図１３Ｃに示す実施形態の変形例の略図である。ライトパイプ１３００Ｂは、単一ベース光学構造１３１０（すなわち、台形構造）の入射面１３０２において、またはその付近にコリメーティングレンズ１３２０が配備される光学装置の一部である。コリメーティングレンズを使用すると、光源ビームＬ７の角度範囲が狭くなり、ライトパイプ６００への入力光線Ｌ０のカップリングイン損失が減少する。コリメーティングレンズ１３２０は、光学接着剤を介して入射面１３０２に取り付けられてもよいし、コリメーティングレンズ１３２０と入射面１３０２との間に空隙を維持して入射面１３０２付近に配備されてもよい。空隙が維持される実施形態では、コリメーティングレンズ１３２０は、機械的配置を介して所定の位置に保持され得る。光源６１０は、提供された光をコリメートするコリメーティングレンズ１３２０に光を提供し、光のコリメートされたビームＬ０１を入射面１３０２に出力する。本構成は、コリメートされた出力ビームＬ３１をもたらす。
【0060】
図１３Ｈは、図１３Ｇに示す実施形態の変形例の略図である。本実施形態では、コリメーティングレンズ１３２０の代わりに、フレネルレンズ１３３０が使用される。フレネルレンズ１３３０の使用は、コリメーティングレンズ１３２０の使用と比較して、より広い範囲の角度をカバーする光線Ｌ０１を単一ベース光学構造１３１０の入射面に提供するという利点を有する。フレネルレンズ１３３０を使用する別の利点は機械的なもので、コリメーティングレンズ１３２０と比較して同じ体積でより小さな焦点距離を提供することである。フレネルレンズ１３３０は、上述したコリメーティングレンズ１３２０の配備と同様に、単一ベース光学構造１３１０を有する光学装置において、例えば、光学接着剤または空隙を用いて構成することが可能である。
【0061】
図１３Ｉは、図１３Ａおよび図１３Ｇに示す実施形態の変形例の略図である。本実施形態では、コリメーティングレンズ１３２０の代わりに、（例えば、ガラスまたはプラスチック製の）錐体１３４０が使用される。錐体１３４０を使用することには、屈折の代わりに反射を使用するという利点がある。錐体１３４０は、１つには、光源６１０（例えば、ＬＥＤ）を錐体１３４０の入口に接触させることができるので、コリメーティングレンズ１３２０よりも光源ビームＬ７をよく集める。典型的には、コリメーティングレンズ１３２０などの通常のレンズを使用する場合、光源６１０とレンズ表面との間の距離を維持する必要がある。例えば、レンズの焦点面に光源がないと正常に動作しない場合がある。その結果、光源ビームＬ７から高角度の光線が失われる。錐体１３４０を使用して、比較的高角度の光線を光源ビームＬ７から集めることができる。代替の実施形態では、錐体１３４０を使用する代わりに、湾曲した（直線でない）側壁を有する反射レンズを使用することができる。錐体１３４０は、上述したコリメーティングレンズ１３２０の配備と同様に、単一ベース光学構造１３１０を有する光学装置１３００Ｄにおいて、例えば、光学接着剤または空隙を用いて構成することが可能である。
【0062】
本図において、単一ベース光学構造１３１０の出力は、図１３Ａを参照して上述したように、出射面１３０４である。本実施形態では、ディフューザ１３５０が、出射面１３０４に隣接して構成されている。ディフューザを使用する例示的な１つの利点として、混色を良くすることが挙げられる。ライトパイプの出力における、かつ光学装置の構成要素としてのディフューザの使用は、任意選択の実施形態である。
【0063】
特定の実施形態によれば、ライトパイプを形成する光学構造は、入射面／開口部Ｓ０１（すなわち、ベース媒体Ｐ０と第１の光学構造Ｐ１との間の界面）における光軸Ｒ０１が出射面／開口部Ｓ２３（すなわち、第２の光学構造Ｐ２とベース媒体Ｐ３との間の界面）における光軸Ｒ２３に直交するように配置され得る。
【0064】
特定の実施形態によれば、反射防止コーティングは、ライトパイプを形成する２つの光学構造の間の接合面（すなわち、２つの面が隣接している界面６２０、または空隙に隣接する表面上）に適用され得る。
【0065】
特定の実施形態によれば、反射コーティングは、ライトパイプの外面（外側側壁）の一部またはすべてに適用することができる。
【0066】
特定の実施形態によれば、屈折率整合された光学接着剤または光学ゲルは、ライトパイプを形成する２つの光学構造の間に配備することができる。光学接着剤または光学ゲルの屈折率は、光学構造が構築される並置材料の１つに一致させることができる。
【0067】
特定の実施形態によれば、ライトパイプを形成する２つの光学構造の間に、意図的に屈折率を整合させていない光学接着剤または光学ゲルを配備することができる。
【0068】
当業者は、一般的なライトパイプ動作の典型的な寸法および要件を理解するであろう。例えば、ライトパイプ（６００）の長寸法（６０６）は、通常、ライトパイプ６００の長さと呼ばれ、ライトパイプの短寸法（幅）よりも著しく長い（例えば、１桁大きい）。ライトパイプ６００の断面は、通常、矩形であるが、これは限定的ではなく、他の断面は、例えば、円形を使用することができる。ライトパイプ６００の通常の厚さは、１～５ｍｍである。ライトパイプ６００の通常の長さは、１０～６０ｍｍである。
【0069】
ライトパイプ６００は、好ましくは無視できるほどの照度損失で、入力面Ｓ０１から出力面Ｓ２３に光（入力光線Ｌ０）を伝達する。本発明の実施形態は、入射光の向きを変え、光は所与の開口でライトパイプ６００に入り、実質的に同様の開口でライトパイプ６００から出る。光の光路は、方向転換され、ライトパイプ６００を通る光路の逸脱となる。
【0070】
入力光の角度の範囲は様々であり得る。例えば、入力光Ｌ０の外部入力角θ０１は０°～＋－６０°（簡略化のため単に＋－６０゜と呼ばれる）であってもよい。Ｌ０は、光源６１０を起点とし、外部入力面Ｓ０１にぶつかる光錐の光線のいずれであってもよい。別の非限定的な例として、入力光Ｌ０は、入力面法線Ｒ０１の周りで非対称であり得、例えば、－３０°～＋４０°の角度である。現在使用されているＬＥＤ光源には、可能な＋－９０°の入力が含まれる。同様に、出力光Ｌ３は、０°～＋－６０°（簡略化のため単に＋－６０°と呼ばれる）の出力角θ３２であってもよい。別の非限定的な例では、出力光Ｌ３は、例えば、－２０°～＋３０°の角度で、出力面法線Ｒ２３の周りで非対称であり得る。１つの好ましい実装は、＋－４０°の出力範囲である。図９のライトパイプ６００Ｇは、出力光Ｌ３の角度範囲を変更するために使用され得る。例えば、第２の光学構造Ｐ２を先細りにすることは、出力角の範囲を減少させるため、かつ／または伝播する光線を目的の角度に集中させるために使用することができる。同様に、入力角の範囲が出力における所望の範囲よりも広い（大きい）場合、第２の光学構造Ｐ２は、出力の角度範囲を縮小するために先細りにすることができる。同様に、入力角の範囲が出力における所望の範囲よりも狭い（小さい）場合、第２の光学構造Ｐ２は、出力の角度範囲を大きくするために幅を広げる（Ｗ２２からＷ２）ことができる。
【0071】
図１４Ａは、ライトパイプの代替的な実装の略図である。これまでに説明した実施形態は、互いに異なる屈折率を有する２つの主光学構造（例えば、プリズム、例えば、第１の光学構造Ｐ１および第２の光学構造Ｐ２）から構築されるライトパイプに係るものであったが、例えば、ブロックの出力面Ｓ１２に配備されたマイクロプリズムのアレイ１３６０と組み合わせて単一の主要光学構造（すなわちブロック、本図では第１の光学構造Ｐ１）が使用されている他の実施形態も可能である。本図は、ライトパイプが単一の主要ブロック（Ｐ１）に残り、ブロック出力の放射光Ｌ３１の方向がブロック出力においてマイクロプリズムのアレイ１３６０を介して調整できるような実施形態を示している。マイクロプリズムのアレイ１３６０は、放射光Ｌ３１の方向を面Ｓ１２に対して非垂直になるように変更するために使用することができる。代替的に、ブロック出力Ｓ１２において市販の方向転換フィルム（ＤＴＦ）を配備することによって、同じまたは類似の機能を達成することができる。
【0072】
図１４Ｂは、図１４Ａに示す実施形態の変形例の略図である。本図では、ディフューザ１３６０は、マイクロプリズムのアレイ１３６０の出力に配備される。ディフューザ１３５０は、マイクロプリズムアレイが出力する光をさらに拡散する効果を有し、より広い範囲の角度Ｌ３２をカバーし、かつ／または混色を改善する。ディフューザ１３５０は、角度Ｌ３２として示される、（出力光線Ｌ３１の）中心光線の周りの角度の範囲を達成するために使用され得る。
【0073】
【0074】
図１５Ａは、図１３Ｃ～図１３Ｉのライトパイプの側面図１５００および上面図１５０２の略図である。本図は、少なくとも部分的に、新しい出力面１３０８から出力される、単一ベース光学構造１３１０からの光の損失を回避するために、アウトカップリングウェッジ（追加の光学構造１３１２）の寸法を画定している。「Ｙ」は、（単一ベース光学構造から出力面までの縁に沿った）アウトカップリングウェッジの最小長さ、「ｈ」は、単一ベース光学構造１３１０の高さ、「Ｚ」は、入力面から出力面までのライトパイプの長さ、「ａ」は、入射光線がライトパイプの側面から反射して、ウェッジの延長部がライトパイプの他の面と交差する角度、「Ｈ」は、（ウェッジ／追加の光学構造１３１２の縁から出力面までの）アウトカップリングされた光線の高さ、「Ｖ」は、ライトパイプのベース光学構造１３１０を越えたウェッジの高さ、「θ」は、出力面とベース光学構造１３１０の面との間のウェッジの角度である。
【0075】
「Ｙ＝ｈ ｔａｎ ａ Ｚ」は、ＴＩＲによるライトパイプ１５００内の伝播光線の損失を回避するための、アウトカップリングウェッジ（追加の光学構造１３１２）の最小長さである。
【0076】
「Ｈ＝ｈ＋［Ｖ／［１＋［ｔａｎθ／ｔａｎ ａ］］］」であって、「Ｈ」は、アウトカップリングウェッジ（追加の光学構造１３１２）の最小高さである。
【0077】
十分な混色を許容するための通常の比率は、「５＜［Ｚ／ｈ］＜１０」である。
【0078】
図１６Ａは、反射コーティング１６０６（すなわち、ミラーコーティング）を使用して、入力光１６０２の光路を出力光１６０３に方向転換する、従来の折り曲げライトパイプ１６００の略図である。本構成では、少なくとも２つの光線配置を介してライトパイプ１６００を通る伝播中に光が損失することがあり、例えば、入力光１６０４は、損失した出力光１６０５としてカップリングアウトし、入力光１６０８は、損失した出力光１６０９としてカップリングアウトする（エスケープする）。
【0079】
本図および次の図では、明確にするために、光路の屈折は示されていない。
【0080】
図１６Ｂは、改良型ライトパイプ１６１０の略図である。本実施形態では、界面１６２０は、第１の光学構造Ｐ１と第４の光学構造Ｐ４との間に構成され、第４の光学構造Ｐ４と第２の光学構造Ｐ２との間にも構成されている。第４の光学構造Ｐ４は、第１のＰ１および第２のＰ２光学に隣接する側面以外の第４の光学構造Ｐ４の側面上に構成されている鏡内面１６０６を有する。
【0081】
図１６Ｂは、改良型ライトパイプ１６１０の略図である。本実施形態では、界面１６２０は、第１の光学構造Ｐ１と第４の光学構造Ｐ４との間に構成され、第４の光学構造Ｐ４と第２の光学構造Ｐ２との間にも構成されている。
【0082】
第４の光学構造Ｐ４は、第１のＰ１および第２のＰ２光学構造に隣接する側面以外の第４の光学構造Ｐ４の側面上に構成されている鏡内面１６０６を有する。通常の界面１６２０は、低屈折率光学接着剤を使用している。この低屈折率界面１６２０は、伝播する光線の（表面の法線に対しての）低角度が界面１６２０を通過することを許容し、伝播する光線の高角度は、ＴＩＲによって反射される。
【0083】
界面１６２０（例示的な界面１６２０Ａおよび１６２０Ｂとして示される各界面）は、少なくとも部分的に、ＴＩＲ１６１６（それぞれの例示的なＴＩＲ１６１６Ａおよび１６１６Ｂとして示される）を生成し、光損失を回避する。本図において、界面１６２０は、領域１６１６においてＴＩＲをもたらす。伝播入力光１６０４は、界面１６２０ＢでＴＩＲ１６１６Ｂを受けて、光は第２の光学構造Ｐ２を通って進み続け、出力光１６１５としてライトパイプ１６１０の出力面を出る。伝播入力光１６０８は、界面１６２０ＡでＴＩＲ１６１６Ａを受けて、光は、第２の光学構造Ｐ２を通って進み続け、出力光１６１９としてライトパイプ１６１０の出力面を出る。したがって、従来の実装（入力光線１６０４および１６０８）で失われた２つの光線配置（図１６Ａ、１６０５、１６０９）は、追加の低屈折率界面１６２０の本実施形態を使用して維持される（１６１５、１６１９）。
【0084】
代替の実施形態では、界面１６２０は、空隙を用いて実装され得る。本図において、非限定的な実装では、入力面Ｓ０１および出力面Ｓ２３は、ミラー１６０６の傾斜に対して反対方向（例えば、直交）に傾斜している。上述したように、入力面Ｓ０１の傾斜は第１１の角度（Ψ）を使用して説明することができ、出力面Ｓ２３の傾斜は第８の角度（γ）を使用して説明することができる。
【0085】
図１６Ｃは、図１６Ｂの改良されたライトパイプ１６１０の略図であるが、三次元（３Ｄ）、かつ入力および出力面の代替的な傾斜および回転を有するものとして示されている。ライトパイプ１６３０の本実施形態では、入力面Ｓ０１および出力面Ｓ２３は、ミラー１６０６の傾斜に対して同じ方向（例えば、平行）に傾斜している。上述したように、入力面Ｓ０１および出力面Ｓ２３は、ライトパイプ６００の軸に対して任意の角度で傾斜せることができる。好ましくは、入力面Ｓ０１および出力面Ｓ２３は、０°（ゼロ）～４５°で傾斜し、最も好ましくは４５°で傾斜する。入力面はまた、例えば、図２Ａのライトパイプ６００Ａおよび図３のライトパイプ６００Ｃを参照して上述したように、傾斜を欠く、すなわち、直線であることも可能である。
【0086】
また、本実施形態では、入力面Ｓ０１、出力面Ｓ２３を回転させる。入力面Ｓ０１は、矢印１６０１に示されるように、第１の光学構造Ｐ１の（第１の）長手方向軸Ｒ１に対して回転させられる。同様に、出力面Ｓ２３は、矢印１６２３によって示されるように、第２の光学構造Ｐ２の第２の長手方向軸Ｒ２に対して回転させられる。入力面Ｓ０１および出力面Ｓ２３は、ライトパイプ６００軸に対して任意の角度で回転させることができる。好ましくは、入力面Ｓ０１および出力面Ｓ２３は、９０°刻み（０°、９０°、１８０°、２７０°）で回転させられる。
【0087】
本説明に基づいて、当業者は、ＴＩＲによって光線が後方（入力面に向かって）反射されるのを避けるために光学構造（Ｐ１、Ｐ２）の屈折率に十分に近いが、ライトパイプ６００の側面から光が逃げないように十分なＴＩＲを実装するために光学構造（Ｐ１、Ｐ２）の屈折率とは十分に異なる（十分に遠い）界面１６２０の屈折率を選択し、設計できるようになる（例えば、適切な屈折率を有する光学接着剤を選択する）。
【0088】
本図のライトパイプ１６３０を参照して説明した回転は、上述したライトパイプ６００のすべてに適用できることに留意されたい。
【0089】
上述した例、使用した数値、および例示的な計算は、本実施形態の説明を補助するためのものであることに留意されたい。不注意による誤植、数学的な誤り、および／または簡略化された計算の使用は、本発明の有用性および基本的な利点を損なうものではない。
【0090】
添付の請求項が複数の従属性なしで起草されている限り、これは、そのような複数の従属性を許容しない権限における正式な要件に対応するためだけに行われたことである。請求項を多重従属にすることで暗示される特徴のすべての可能な組み合わせは、明示的に想定されており、本発明の一部とみなされるべきであることに留意されたい。
【0091】
本開示の様々な実施形態の説明は、例示の目的のために提示されてきたが、網羅的であることを意図しないか、または開示された実施形態に限定されない。多くの修正および変形は、記載された実施形態の範囲および趣旨から逸脱することなく、当業者には明らかであろう。本明細書で使用される用語は、実施形態の原理、市場で見出される技術に対する実用化もしくは技術改善をもっともよく説明するために、または当業者が本明細書に開示された実施形態を理解することを可能にするために選択された。
【0092】
本明細書で使用される場合、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈が明示的に別様に示さない限り、複数への言及を含む。
【0093】
「例示的な」という用語は、本明細書において、「例、実例、または例示としての役割」を意味するように使用される。「例示的な」として説明される任意の実施形態は、必ずしも他の実施形態よりも好ましい、もしくは有利であると解釈されるべきではなく、および／または他の実施形態からの特徴の組み込みを除外するべきではない。
【0094】
明確にするために、別々の実施形態の文脈で説明される本発明の特定の特徴も、単一の実施形態において組み合わせて提供され得ることが理解される。逆に、簡潔にするために、単一の実施形態の文脈で説明されている本発明の様々な特徴はまた、別々に、もしくは任意の適切な部分的組み合わせで、または本発明の任意の他の説明された実施形態において好適であるとして提供され得る。様々な実施形態の文脈において説明される特定の特徴は、実施形態がそれらの要素なしでは動作不能である場合を除き、それらの実施形態の本質的な特徴と見なされるべきではない。
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13A】
【図13B】
【図13C】
【図13D】
【図13E】
【図13F】
【図13G】
【図13H】
【図13I】
【図14A】
【図14B】
【図14C】
【図15A】
【図15B】
【図16A】
【図16B】
【図16C】
