ライトガイドとは何ですか？

ここで、nは屈折率、c は真空中での光速、vは材料中での光の位相速度です。真空は厳密には材料ではありませんが、屈折率は1です。水は1.3333です。ライトガイドに一般的に使用されるガラスやプラスチックは、可視光に対して約1.45から1.6の屈折率を持ちます。

光が異なる屈折率を持つ2つの材料間の境界に遭遇すると、その境界を透過する光は曲げられ、光の方向が変わります。このプロセスは屈折と呼ばれ、スネルの法則によって支配されます。

スネルの法則とは？

スネルの法則によれば、光が出射する角度は、光が境界に当たる角度と材料の屈折率の差の両方に依存します。屈折率の差が大きいほど、また入射角が大きいほど、曲がりは大きくなります。屈折を支配するスネルの法則では、nは屈折率、θは材料1または材料2における光の入射角です。

スネルの法則を解くと、光の出射角は次のようになります。

2つの屈折率のうち高い方の材料内部から光が始まる特殊なケースでは、方程式が解けなくなる角度θ1が存在します。これは、角括弧内の式が1より大きくなる場合に発生します。角括弧内の式がちょうど1になるθ1の値は臨界角と呼ばれ、次の方程式で与えられます。

例として、空気中（屈折率1）にある屈折率1.5の材料の場合、臨界角は41.81°となります。この臨界角よりも大きい角度で表面に当たる光は屈折せず、光の100%が材料内部に反射され、全反射を引き起こします。

全反射は、ガラスやプラスチックなどの材料内部にある光が、臨界角よりも大きい角度で、より低い屈折率の材料（通常は空気）との境界に遭遇したときに発生します。

長方形のプレートやパイプ、円筒、球体などの特定の形状では、光がガイドの端や終端に到達するまで内部に閉じ込められることがあります。これにより、光は元の光源からガイドに沿って反対側の端まで、最小限の損失で伝送されます。

ライトガイドの目的が、ガイドの長さに沿って光を取り出すことである場合、設計者はガイドの長さに沿って光取り出し機能を使用できます。これらの機能にはさまざまな形式がありますが、より一般的なものとしては、ペイントドットや、ガイドに切り込まれた小さなプリズム状の構造（テクスチャと呼ばれることが多い）があり、図6に示されています。

ライトガイドは長くまっすぐである必要はありません。湾曲した形状にすることもできます。必要に応じてテーパーを付けたり、フレアを付けたり、断面形状を変更したりできます。自動車のインストルメントパネル、自動車の外装照明アプリケーション、ハンドヘルドデバイスのキーパッドなどを照らすためによく使用される、非常に複雑な形状をとることもできます。

最も重要なライトガイドの中には、テレビ、モニター、時計などのフラットパネルディスプレイを照らすために使用される薄いシート状のものがあります。これらのタイプのライトガイドは、片面に光取り出し機能が成形された薄くて平らなシート状の材料です。光は、通常LEDを使用して、1つまたは複数の端からライトガイドに注入されます。通常は均一である望ましい出力パターンは、光取り出し機能を慎重に配置することで実現されます。システムの複雑さのため、望ましい光分布を達成するためにテクスチャの配置を最適化するには、照明設計ソフトウェアが必要です。

ライトガイドは光ファイバーの形をとることもできます。光ファイバーは、高屈折率の中心コアと低屈折率のクラッドで構成された、非常に細く柔軟なガラスの「ワイヤー」です。光ファイバーは長距離にわたって光を伝送するのに非常に有用であり、電気通信、医療画像処理、レーザー手術などの多様なアプリケーションで広く使用されています。

光ガイドは曲げたり、より複雑な形状にしたりできますが、光の漏れが多く発生するのはこれらの曲がり部分です。曲がり部分では、TIRによって閉じ込められた光の一部が臨界角未満でガイド境界に到達し、光ガイドから漏れ出す可能性があります。これは、ソフトウェアでの設計とシミュレーションを通じて慎重に管理する必要があります。

光ガイドをテーパー加工することでも漏れが発生する可能性があります。一般的に、光源から離れるにつれて断面積を大きくしても問題は発生しませんが、断面積を小さくすると、通常、漏れによって、またはガイド内の光が逆転して光源に戻されることによって損失が生じます。これは、光ガイドに挿入される光が広い角度範囲をカバーする場合に特に顕著です。

光ガイドの一般的な用途は、広い領域に光を均一に分配することです。そのアプリケーションは、情報表示から制御照明、アクセント照明まで多岐にわたります。光を分配する能力により、照明エンジニアは少数の高出力光源を利用でき、システムを簡素化し、コストを削減できます。また、省エネLEDと連携するため、光ガイドは多くの照明シナリオで効率的でコスト削減に貢献するソリューションを提供できます。

光ガイドは比較的単純な受動デバイスですが、光との相互作用は複雑です。適切に機能し、望ましい点灯外観を持つ光ガイドを設計するには、慎重なエンジニアリングが必要です。LightToolsやLucidShapeなどの照明シミュレーションツールは、照明エンジニアに、プロトタイプを製作する時間、費用、労力を費やす前に、光ガイド/光源の組み合わせの性能を設計、最適化、分析するための適切なツールセットを提供します。ソフトウェアでのモデルの性能に満足したら、エンジニアはプロトタイプを実装し、シミュレーション結果を実際の測定値と照合できます。

抽出型光ガイドの設計はさらに複雑です。エンジニアは、光ガイドから望ましい出力を得るために、テクスチャを適切に配置する必要があります。また、抽出された光が進む方向も検証する必要があり、これは点灯した光ガイドの明るさと外観に影響を与えます。これらを実行し、多くの光ガイドに求められる複雑な形状を管理するには、LightToolsやLucidShapeのような専門ツールが必要です。