DE69830796T2

DE69830796T2 - Optisches regelverfahren und gerät

Info

Publication number: DE69830796T2
Application number: DE69830796T
Authority: DE
Inventors: Takashi Tsukuba-shi HIRAGA; Tetsuo Tsukuba-shi MORIYA; Norio Tanaka; Hiromitsu Yanagimoto; Ichiro Yokohama-shi UENO; Koji Yokohama-shi TSUJITA
Original assignee: Hiraga Takashi Tsukuba; Moriya Tetsuo Tsukuba; Dainichiseika Color and Chemicals Mfg Co Ltd; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Moriya Tetsuo
Current assignee: Hiraga Takashi Tsukuba; Moriya Tetsuo Tsukuba; Dainichiseika Color and Chemicals Mfg Co Ltd; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Moriya Tetsuo
Priority date: 1997-08-08
Filing date: 1998-08-07
Publication date: 2006-04-27
Anticipated expiration: 2018-08-08
Also published as: EP1011007A4; US6452710B1; DE69830796D1; WO1999008149A1; EP1011007B1; EP1011007A1

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft ein Lichtsteuerverfahren und eine Lichtsteuervorrichtung.
Auf dem Gebiet der Optikelektronik und Photonik wird viel über Licht- und optische Steuerverfahren geforscht, wobei versucht wird, die Intensität (Amplitude) oder Frequenz (Wellenlänge) von Licht ohne den Einsatz von elektronischen Schaltkreisen durch Nutzung des Durchlass- oder Brechungsindexes mittels Bestrahlung eines optischen Elementes, das durch die Herstellung eines optischen Materials oder eines optischen Komposites gefertigt wird, zu modulieren.
Wenn die Eigenschaften des Lichtes genutzt werden, sind parallele optische und Logikrechner Bildverarbeitung und "räumliche Lichtmoderatoren" zur Ausführung von bestimmten Arten von Modulation – wie die Veränderung der optischen Intensitätsverteilung des Strahlenquerschnittes – von großer Bedeutung, und es wird erwartet, dass optische Steuertechniken auch ihre Anwendung in diesem Bereich finden.
Phänomene, von denen erwartet wird, dass dort Licht- und optische Steuerverfahren eingesetzt werden, sind saturierte Absorption, nichtlineare Brechung, nichtlineare optische Effekte wie der Fotobrechungseffekt und fotochromatische Phänomene, die derzeit viel Aufmerksamkeit auf sich ziehen.
Es ist ein Phänomen bekannt, bei dem Licht in einem ersten Wellenlängenbereich die Absorption von Licht in einem zweiten Wellenlängenbereich anregt, der unterschiedlich zum ersten Wellenlängenbereich ist, ohne dabei eine begleitende Veränderung der molekularen Strukturen zu bedingen.
Dieses Phänomen wird als "Anregungsabsorption", „induzierte Absorption" oder „Übergangsabsorption" bezeichnet.
In einem Beispiel eines Versuches eine Anregungsabsorption herzustellen, wird in der veröffentlichten japanischen Patentschrift Nr. Sho 53-137884 über eine optische Umwandlungstechnik berichtet, bei der eine Flüssigkeit oder ein Feststoff, welcher ein Porphyrin-Komposite und einen Elektronenempfänger enthält, mit mindestens zwei Arten von Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen bestrahlt wird, und die Information, die im Licht einer Wellenlänge enthalten ist, auf das Licht der anderen Wellenlänge übertragen wird. In der veröffentlichten japanischen Patentschrift Nr. Sho 55-108603 wird ein Übertragungslicht entsprechend der zeitabhängigen Veränderung von anregendem Licht ausgewählt, wobei der Unterschied im Farbfotometerspektrum zwischen dem Grundzustand und dem angeregten Zustand eines organischen Komposites wie eines Porphyrinderivates genutzt wird.
In der veröffentlichten japanischen Patentschrift Nr. Sho 1-129621 ist ein Strahlungsenergie-Sendesteuer-Verfahren veröffentlicht, welches einen Schritt enthält, bei dem ein erster Photonenfluss in eine Barium-Kronenglasfaser, das mit Uranoxid dotiert ist, ungedämpft einfällt; der erste Photonenfluss wird durch das Einbringen eines zweiten Photonenflusses gedämpft; der Energielevel 2 der Faser breitet sich aus; Teile des ersten Photonenflusses werden absorbiert, um einen Energielevel 3 auszubreiten, und Teile des Energielevel 3 kehren dann zum Energielevel 2 zurück, um den ersten Photonenfluss weiter zu dämpfen.
Die japanische veröffentlichte Patentschrift Nr. Sho 63-89805 veröffentlicht eine optische Kunststofffaser, die ein organisches Komposite wie ein Porphyrin-Dielektrikum in seinem Kern enthält, das eine Absorption entsprechend einem Übergang zu einem Triplet-Status, der höher ist als der Triplet-Status des anregenden Lichtes ist, aufweist. Die veröffentlichte japanische Patentschrift Nr. Sho 63-236013 veröffentlicht eine funktionierende optische Vorrichtung, die einen Schaltvorgang ausführt, wobei Kristalle eines Cyanid-Farbstoffes wie Cryptocyanid mit Licht einer ersten Welle bestrahlt wird, um die Moleküle anzuregen, [wobei außerdem] die Moleküle mit Licht einer von der ersten Wellenlänge unterschiedlichen Wellenlänge bestrahlt werden; dabei wird Licht der zweiten Wellenlänge entsprechend dem optischen Anregungsstatus, der durch die erste Wellenlänge bedingt ist, entweder ausgesendet oder reflektiert. In der veröffentlichten japanischen Patentschrift Nr. Sho 64-73326 wird ein Lichtsignalmodulationsmedium veröffentlicht, das ein fotoinduziertes Elektronenumlagerungsmaterial wie ein Prophyrin-Dielektrikum in einem Matrixmaterial enthält, welches mit Licht einer ersten und einer zweiten Wellenlänge bestrahlt wird und eine optische Modulation ausgeführt wird, bei der die Differenz des Absorptionsspektrums der angeregten und der Grundzustände der Moleküle genutzt wird.
Als optische Vorrichtung, die nach dem Stand der Technik in der japanischen veröffentlichten Patentschrift Nr. Sho 55-100503, der veröffentlichten japanischen Patent Schrift Nr. Sho 55-108603 und der veröffentlichten japanischen Patent Schrift Nr. Sho 63-89805 veröffentlicht ist, wird ein Vorrichtungsaufbau beschrieben, bei dem eine optische Lichtleiterfaser um eine anregende Lichtquelle gewickelt ist (z.B. eine Blitzlichtlampe). In der veröffentlichten japanischen Patentschrift Nr. Sho 53-137884 und in der japanischen veröffentlichten Patentschrift Nr. Sho 64-73326 wird eine Vorrichtung veröffentlicht, bei der die Gesamtheit des Leitungsanteils, das einem Signallicht in einem lichtreaktiven optischen Element entspricht, mit einem Kontrolllicht, welches nicht konvergiert, bestrahlt wird, und tatsächlich mit Mitteln wie eine Projektionslinse divergiert.
Andere Verfahren nach dem Stand der Technik führen die Modulation des Lichtes durch Nutzung der Brechungsindexverteilung bedingt durch einen optischen Effekt aus. Nach dem vorausgehend genannten Stand der Technik wurden auch Studien über Lichtmodulationsverfahren durchgeführt, die durch thermische Effekte bedingte Brechungsindexveränderungen vollführen.
In der japanischen veröffentlichten Patentschrift Nr. Sho 59-68723 wird ein optischer Modulator veröffentlicht, bei dem ein elektrisches Signal einen wärmeabstrahlenden Widerstand passiert und die Wellenfront eines Lichtflusses bedingt durch eine Brechungsindexänderung in einem flüssigen Medium moduliert wird, bei dem eine Brechungsindexveränderung durch Wärme von den Wärmeausstrahlenden Mitteln erzeugt wird. Es wird beschrieben, dass ein Zyklus in der Größenordnung von kHz oder msec von der Formierung bis zum Zusammenbrechen der Brechungsindexveränderung ausgeführt wird. Weiterhin ist in der japanischen veröffentlichten Patentschrift Nr. Sho 60-130723 ein Verfahren zur Umwandlung eines Nah-Infrarot-Steuerlichtes in Wärmeenergie in einer Wärmeabsoptionsschicht, Übertragung dieser Wärme über eine Nah-Infrarot-Lichtreflexionsschicht und eine Reflexionsschicht für sichtbares Licht zu einem Wärmeeffektmedium und die Umwandlung der Wellenfront eines Lichtflusses, der auf die Reflexionsschicht für sichtbares Licht fällt, wobei die Brechungsindexveränderung, die in dem Thermoeffektmedium erzeugt wird, genutzt wird, beschrieben.
Bei diesen Verfahren zur Modulation von Licht, das eine Brechungsindexveränderung bedingt durch den vorausangehend beschriebenen, thermischen Effekte nutzt, gibt es einen langen die Wärme leitenden Pfad bis ein thermischer Effekt produziert ist, und während sich die Wärme, während der Oberflächenbereich eines erhöhten Temperaturanteils relativ zu dem Oberflächenbereich des Steuerstahls vergrößert wird, ausbreitet, wird das Volumen und die Wärmekapazität des Ausbreitungspfades erhöht, ist die Nutzungseffizienz der Energie, die vom Steuerstrahl geliefert wird, gering, und es kann keine Hochgeschwindigkeitsantwort erwartet werden.
In allen diesen Techniken des Standes der Technik sind hochintensive optische Leistungen erforderlich, um eine Veränderung des Durchlass- oder Brechungsindexes, der für praktische Anwendungen ausreicht, zu bewirken. Die Antwort auf optische Bestrahlung ist langsam, eine feine Abstimmung des optischen Systems ist notwendig, und es gibt große Abweichungen in der Steuerlichtausgangsleistung, wenn es eine kleine Veränderung in dem optischen System gibt. Aus diesem Grunde wurde bisher kein praktisch verwendbares System entwickelt.
Um die obigen Probleme des Standes der Technik zu lösen, wurden zwei Erfindungen bezüglich optischer Steuerverfahren und optischer Steuervorrichtungen mit dem Ziel veröffentlicht, eine optische Antwort von ausreichender Größe und Geschwindigkeit eines fotoreaktiven optischen Elementes, das so wenig Energie wie möglich benötigt, bereitzustellen. Die japanische veröffentliche Patentschrift Nr. Hei 8-286220 beschreibt eine optische Steuertechnik, bei der optisches Steuerlicht auf ein optisches Element fällt, das Folgendes umfasst: ein fotoreaktives Komposite und eine Intensitätsmodulation und/oder Lichtflussdichtemodulation eines Signallichtes, welches das optische Elemente passiert, [und] durch eine umkehrbare Veränderung der Durchlässigkeit und/oder des Brechungsindexes des Signallichtes in einem Wellenlängenbereich ausgeführt wird, der zu dem des Steuerlichtes unterschiedlich ist. Das Steuerlicht und das Signallicht sind jeweils konvergiert und bestrahlen das optische Element, und der optische Weg des Steuerlichtes und des Signallichtes sind derart eingerichtet, dass die Regionen überlappen, in denen die Photonendichte im Umfeld der Brennpunkte des Steuerlichtes und des Signallichtes am höchsten sind.
In der japanischen veröffentlichten Patentschrift Nr. Hei 8-151133 und der japanischen veröffentlichten Patentschrift Nr. Hei 8-286220 wird ein Verfahren veröffentlicht, bei dem in einem divergierenden Signallichtfluss, der durch ein optisches Element gesendet oder von ihm reflektiert wurde, Anteile des Flusses in einer Region, die stark durch eine Intensitätsmodulation und/oder Lichtflussdichtemodulation beeinflusst wird, separat extrahiert wird. Es ist [auch] ein anderes Verfahren veröffentlicht, bei dem in einem divergierenden Signallichtfluss, der durch ein optisches Element gesendet oder von ihm reflektiert wurde, Anteile des Flusses in einer Region, die statt durch eine Intensitätsmodulation und/oder Lichtflussdichtemodulation beeinflusst wird, separat durch die Ausführung einer Extraktion innerhalb eines Winkelbereiches (Blendenwinkel), der kleiner als der des Flusses ist, extrahiert wird. Obwohl dieses alles sehr gute Verfahren sind, ist es nicht einfach, ein optisches System zu justieren, um die notwendigen Bedingungen zu erfüllen, dass "das Steuerlicht und das Signallicht jeweils konvergiert sind und auf ein optisches Element gestrahlt werden", und dass der optische Pfad des Kontrolllichtes und des Signallichtes derart gestaltet sind, dass die Regionen, in denen die Photonendichte am höchsten ist, im Bereich der Brennpunkte des Steuerlichtes und des Signallichtes überlappen; und das Ergebnis wird leicht durch Änderungen bei den Komponentenelementen der Vorrichtungen beeinflusst.
Es ist deshalb ein Ziel dieser Erfindung, die obigen Probleme zu lösen, und ein optisches Steuerverfahren und eine Vorrichtung verfügbar zu machen, die eine genügend starke und schnelle optische Antwort eines fotoreaktiven optischen Elementes durch Nutzung einer optischen Leistung bereitstellen, die so gering wie möglichen ist. Es ist ein weiteres Ziel dieser Erfindung, ein optisches Steuerverfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, die ein einfaches Justieren eines optischen Systems, das eine gewisse Toleranz erlaubt, zur Verfügung zu stellen.
Als Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung von Kunststoffmikrolinsen, einem Verfahren zur Herstellung von Brechungsindexverteilungs-Planlinsen aus einem organischen Polymer-Material (Kunststoff) durch Osmose und Diffusion eines Monomers, ist in „M. Oikawa, K. Iga, T.Sanada: Jpn. J.Appl. Phys., 20(1), L51-L54 (19812)" Veröffentlicht. In diesem Verfahren wird eine Brechungsindexverteilungslinse monolithisch auf einem flachen Substrat durch eine Monomeraustauschtechnik geformt. Zum Beispiel wird Methyl-Methacrylat (n = 1,494) als ein niedrig brechender Kunststoff in ein flaches Kunststoffsubstrat aus Polydiacrylisophthalat (n = 1,570) diffundiert, das einen hohen Brechungsindex einer runden Scheibenmaske mit einem Φ von 3,6 mm hat.
Bei der Herstellung einer flachen Mikrolinse durch diese Methode, die eine vorbestimmte Brechungsindexverteilung hat, ist das Setzen der Herstellungsbedingungen, wie die Auswahl der Granulatzusammensetzung mit unterschiedlichen Brechungsindizes, die durch das Monomer-Austauschverfahren verarbeitet werden kann, die Auswahl der Größe und der oben genannten Kreisscheibe und die Auswahl der richtigen Temperatur für den Monomer-Austausch, eine komplexe Angelegenheit.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffmikrolinsenfeldes durch das Ausstanzen der Seitenoberfläche eines thermoplastischen Polymerverbundstoffes ist in P. Pantelis, D. J. McCarty: PureAppl.Opt., 3(2), 103-108 (1994) beschriebenen. Es wird berichtet, dass ein Linsenfeld, welches eine Mehrzahl von Linsen mit einem Durchmesser von ungefähr ein bis zwei Millimetern enthält, durch eine Hochtemperaturtechnik hergestellt werden kann, die zum Beispiel auf ein Polykarbonatblatt angewendet wird. Im Falle dieses Verfahrens gibt es viel Raum zur Verbesserung bezüglich der Herstellung der Originalplatte, die geprägt werden soll.
Weiterhin wird in Y.Koike, A.Kenamitsu, Y.Shioda, E.Nihei, Y.Otsuka: Appl.Opt., 33(16), 3394-3400 (1994) berichtet, dass eine Art Kugellinse vom Typ Brechungsindexverteilungslinse (Φ 0,5-1,1 mm), mit einer linearen, sphärischen Brechungsindexverteilung zweiter Ordnung und einer kleinen, sphärischen Anomalie durch eine Auf schlämm-Polymerisation von Acrylgranulat hergestellt wurde. Es ist leicht zu verstehen, dass entsprechend diesem Verfahren viele Limitationen in der Herstellung einer Mikrolinse entsprechend Designspezifikationen bei gleichzeitiger Kontrolle der Größe und der Brechungsindexverteilung bestehen.
Ein Lichtkontrollverfahren entsprechend der Erfindung ist im Anspruch 1 definiert. Eine entsprechende Lichtsteuervorrichtung nach der Erfindung ist in Anspruch 5 definiert.
Hierbei fallen das Signallicht und das Kontrolllicht im wesentlichen senkrecht auf das optische Element, um Verluste bedingt durch Reflexionen zu vermeiden.
Die konfokale Längenentfernung ist hier die Entfernung über ein Intervall, über die der Lichtfluss durch Konvergenzmittel konvergiert; [dabei] kann eine konvexe Linse, die im wesentlichen parallel in der Umgebung der Strahlentaille (Fokus) ist, berücksichtigt werden. Wenn die Amplitudenverteilung des elektrischen Feldes des voranschreitenden Strahlenquerschnitts – zum Beispiel die Energieverteilung des Lichtflusses – ein Gauß'scher Strahl ist, der eine Gauss-Verteilung hat, wird die konfokale Längendistanz Zc durch die Gleichung (1) gegeben, wobei die Kreiskonstante π, ein Strahlbachradius ω₀ und eine Wellenlänge λ genutzt werden. Zc = πω0 2/λ (1)
Bezüglich der unteren Grenze der Dicke des Lichtabsorptionsfilms ist es zu bevorzugen, dass dieser unter der Voraussetzung, dass eine optische Antwort detektiert werden kann, so dünn wie möglich ist.
Kurze Beschreibung der Abbildungen
1 ist ein schematisches Diagramm, das eine typische Konstruktion einer Vorrichtung, die in der Erfindung genutzt wird, darstellt.
2 ist ein Übertragungsspektrum eines optischen Elementes.
3 ist ein schematisches Diagramm, das eine Situation in der Nähe des Brennpunktes eines Gauß'schen Strahles durch eine Sammellinse oder dergleichen darstellt.
4, ist eine Figur, die schematisch das Verhältnis zwischen einem Signallicht und ein Steuerlicht in einem optischen Element darstellt.
5 ist eine Figur, die eine zeitliche Veränderung der Fotosignalintensität des Steuerlichtes und des Signallichtes darstellt, wenn eine minimal konvergierte Strahldurchmesserposition nahe einer Sammellinse eines optischen Elementes angeordnet wird.
6 ist ein Diagramm, das die zeitliche Veränderung einer Fotosignalintensität des Steuerlichtes und des Steuerlichtes darstellt, wenn eine minimal konvergierte Strahldurchmesserposition nahe einer Empfangslinse eines optischen Elementes angeordnet wird.
7 ist ein Diagramm, das ein Verhältnis einer Blende und eines optischen Strahles, der für die Fotosignalintensitätsverteilungsmessung genutzt wird, darstellt.
8 ist ein Diagramm, das die Fotointensitätssignalverteilung einer Strahlensektion des Signallichtes darstellt.
9 ist ein Diagramm, das die Fotosignalintensitätsverteilung einer Strahlensektion des Signallichtes darstellt.
10 ist ein Diagramm, das die Fotosignalintensitätsverteilung einer Strahlsektion des Signallichtes darstellt.
11 ist ein Diagramm, das einen Schritt im Herstellungsprozess eines optischen Elementes entsprechend diese Erfindung darstellt. (a) ist eine Schnittsansicht, (b) ist eine Flächenansicht.
12 ist ein Diagramm, das einen Schritt in dem Herstellungsprozesses eines optischen Elementes entsprechend dieser Erfindung darstellt. (a) ist eine Schnittansicht, (b) ist eine Flächenansicht.
13 ist ein Diagramm, das einen Schritt in dem Herstellungsprozess eines optischen Elementes entsprechend dieser Erfindung darstellt. (a) und (b) sind Schnittansichten.
14 ist ein Diagramm, das einen Schritt in dem Herstellungsprozess eines optischen Elementes entsprechend dieser Erfindung in einer Schnittansicht darstellt.
15 zeigt ein Diagramm in einer Querschnittansicht, das ein Beispiel von vielen plankonvexen Linsen darstellt, die auf einem Substrat in einem Schritt des Herstellungsprozesses für die optischen Elemente entsprechen dieser Erfindung hergestellt worden.
16 ist eine Schnittansicht, die eine typische Konstruktion eines optischen Elementes, das in einer Licht Kontrollvorrichtung entsprechend dieser Erfindung eingesetzt werden kann.
17 ist eine Querschnittansicht, die eine typische Konstruktionen des optischen Elementes entsprechend diese Erfindung darstellt.
18 ist ein schematisches Diagramm, das einen typischen Aufbau einer Vorrichtung zur Implementierung dieser Erfindung nutzt.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung
Nachfolgend werden bestimmte Ausführungsbeispiele dieser Erfindung beschrieben.
Strukturen von optischen Elementen
Das optische Element, das in eine Lichtsteuervorrichtung eingebaut werden kann, hat eine Struktur einer einzelnen Schicht oder eines laminierten Films. Die folgende sind typische Beispiele für eine Struktur dieser Art:

(1) Lichtabsorptionsfilm allein
(2) Lichtabsorptionsfilm/Wärmeisolationsfilm
(3) Wärmeisolationsfilm/Lichtabsorptionsfilm/Wärmeisolationsfilm
(4) Lichtabsorptionsfilm/Wärmeübertragungsfilm
(5) Wärmeübertragungsfilm/Lichtabsorptionsfilm/Wärmeübertragungsfilm
(6) Lichtabsorptionsfilm/Wärmeisolationsfilm/Wärmeübertragungsfilm
(7) Wärmeübertragungsfilm/Lichtabsorptionsfilm/Wärmeisolationsfilm
(8) Wärmeübertragungsfilm/Lichtabsorptionsfilm/Wärmeisolationsfilm/Wärmeübertragungsfilm
(9) Wärmeübertragungsfilm/Wärmeisolationsfilm/Lichtabsorptionsfilm/Wärmeisolationsfilm
(10) Wärmeübertragungsfilm/Wärmeisolationsfilm/Lichtabsorptionsfilm/Wärmeisolationsfilm/Wärmeübertragungsfilm
(11) konvexe Linse/Lichtübertragungsfilm/optisches Element entsprechend irgendeines von (1) bis (10).

Wenn der Aufbau des flächigen Filmes asymmetrisch ist, zum Beispiel in dem obigen Fall (2) „Lichtabsorptionsfilm/Wärmeisolationsfilm", kann das Steuerlicht derart angeordnet sein, dass es von der Lichtabsorptionsfilmseite oder von der Wärmeisolationsfilmseite einfällt, Deshalb ist der Aufbau einer komplexen Linse/Lichtübertragungsschicht zum Beispiel wie folgt:

(12) konvexe Linse/lichtdurchlässige Schicht/Wärmeisolationsschicht
(13) konvexe Linse/lichtdurchlässig Schicht/Wärmeisolationsschicht/Lichtabsorptionsschicht.

Nachfolgend werden „Schicht" und „Film" häufig als Synonyme genutzt. Wenn eine lichtreflektierende Oberfläche eine genügend große Oberfläche zum Durchlassen des konvergierten, ausgestrahlten Steuerlichtes und Signallichtes auf der Steuerlicht einfallenden Seite der lichtabsorbierenden Schicht aufweist, wird eine lichtbrechende Schicht auf die wärmeisolierende Schicht und/oder den wärmeleitenden Film laminiert, wenn der wärmeisolierende Film und/oder ein wärmeleitender Film vorhanden ist/sind. Der Aufbau ist in diesem Falle wie folgt:

(14) Lichtreflektierende Schicht/optisches Element entsprechend einem von (1) bis (10)
(15) konvexe Linse/lichtdurchlässige Schicht/lichtreflektierende Schicht/optisches Element entsprechend irgendeinem von (1) bis (10).

Zusätzlich kann – falls notwendig – eine Antireflexionsschicht auf der Licht einfallenden Oberfläche und ausstrahlenden Oberfläche vorgesehen sein.
Eine Schnittansicht, die die Struktur eines optischen Elementes dieser Erfindung, welches in eine Lichtsteuervorrichtung integriert werden kann, ist in 16 dargestellt. Wie in 16 erkennbar, ist das optische Element von der einfallenden Seite eines Steuerlichtes S1 und eines Signallichtes S2 in folgender Reihenfolge laminiert:
konvexe Linse 87/lichtdurchlässige Schicht 86/reflektierende Schicht 84 mit Lochblende 83/wärmeisolierende Schicht 81/lichtabsorbierende Schicht 80 /wärmeisolierende Schicht 81/wärmeleitende Schicht 82.
Die Materialien, die Herstellungstechnik, die Dicke des lichtabsorbierenden Films, der Wärmeisolationsfilm, der wärmeleitende Film und der lichtreflektierende Film und die Größe der Lichtdurchlässe in dem reflektierenden Film werden jetzt in dieser Reihenfolge beschrieben.
Materialien des lichtabsorbierenden Films
Verschiedene Materialien, die nach dem Stand der Technik bekannt sind, können für das Material der Lichtabsorbierenden Schicht in dem optischen Element benutzt werden.
Wenn das optische Element eine Einlagenstruktur hat, die nur einen Lichtabsorbierenden Film enthält, muss die lichtabsorbierende Schicht aus selbsttragendem Material sein. Hier bedeutet selbsttragendes Material, dass es seine Form (dicke Schicht) als optisches Element ohne Hilfsmittel erhalten kann. Wenn es sich zum Beispiel um ein anorganisches Glasmaterial handelt, kann ein optisches Element von mehreren μm Dicke und mehreren mm Kantenlänge als "selbsttragend" angesehen werden. Auf der anderen Seite werden bestimmte Hilfsmittel erforderlich, wenn der lichtabsorbierende Film mit einer Dicke von mehreren μm aus Materialien wie Polymethylmethacrylat, die Farbstoffe enthalten, besteht. In einem solchen Fall muss ein wärmeübertragender Film, der zum Beispiel ein anorganisches Glasmaterial enthält, im diesem Zusammenhang benutzt werden, um als Stützmaterial – das später beschrieben wird – zu dienen.
Auch wenn das optische Element von der Art einer Schichtstruktur ist, gibt es größere Freiheit im Design der Struktur des optischen Elementes, vorausgesetzt, dass das lichtabsorbierende Material selbsttragende Eigenschaften hat. Auf der anderen Seite gibt es keine Notwendigkeit dafür, dass der lichtabsorbierende Film in den Fällen selbsttragend ist, in denen die wärmeisolierende Schicht und/oder wärmeleitende Schicht, die später beschrieben werden, selbsttragend ist.
Spezifische Beispiele von Materialien, die die optischen Absorptionseigenschaften haben, die für den lichtabsorbierenden Film in einem optischen Element dieser Erfindung genutzt werden können, sind Einkristalle und Verbundhalbleiter wie zum Beispiel GaAs, GaAsP, GaAlAs, InP, InSb, PbTe, InGaAsP oder ZnSe, Verteilungen von Mikropartikeln in den oben genannten Verbundhalbleitern in einem Matrixmaterial, mit verschiedenen Metallionen dotierte Einkristalle von Metallhalogenen (zum Beispiel Kaliumbromid oder Natriumchlorid), Verteilung von Mikropartikel von Metallhalogenen (z.B. Kupferbromid, Kupferchlorid oder Kobaltchlorid) in einem Matrixmaterial, Einkristalle von Cadmiumverbindungen wie CdS, CdSe, CdSeS oder CdSeT, die mit verschiedenen Metallionen wie Kupfer, Verteilung von Mikropartikel von diesen Cadmiumverbindungen in einem Matrixmaterial dotiert sind, einkristalline dünne Schichten, polykristalline, dünne Schichten oder poröse, dünne Schichten von Halbleitern wie Silizium, Germanium, Selen oder Tellur, Verteilungen von Halbleitermikropartikeln wie Silizium, Germanium, Selen oder Tellur in einer Matrixstruktur, Einkristalle von seltenen Erden, die mit Metallionen („Laserkristalle") wie Rubin, Alexandrite, Granat, Nd:YAG, Saphir, Ti:Saphir und Nd:YLF dotiert sind, mit Metallionen dotiertes (z.B. Eisenionen) Lithiumnoibat (LiNbO₃), ferroelektrische Kristalle wie LiB₃O₃, LiB₃O₅, LiTaO₃, KTiOPO₄, KH₂PO₄, KNbO₃ und BaB₂O₂, Quarzgläser dotiert mit Metallionen (zum Beispiel Neodymionen, Erbiumionen), Natronglas, Borosilikatglas oder andere Gläser und Lösungen von Farben oder Dispersion von Pigmenten in einem Matrixmaterial.
Andere Lösungen einer Farbe oder Dispersionen eines Pigmentes in einem Matrixmaterial sind besonders brauchbar für den Zweck dieser Erfindung, weil eine große Anzahl von Matrixmaterialen und Farben oder Pigmenten verfügbar ist, und sie eine leichte Herstellung der optischen Elemente erlauben.
Beispiele von Farben und Pigmenten, die für diese Erfindung benutzt werden können, sind Xanthenfarben wie Rhodamin B, Rhodamin 6G und PhloxinB; Acridinfarbstoffe wie Acridinorange und Acridinrot, Azofarbstoffe wie Ethylrot und Methylrot; Pophyrin-Farbstoffe; Phthalocyaninpigmente; Cyaninfarbstoffe wie 3,3'-Diethylthiacarbonbocyanin-Iodide und Triarylmethanfarbstoffe wie Ethylviolet und Viktroriablau R.
In dieser Erfindung können die Farbstoffe und Pigmente allein genutzt werden, oder zwei oder mehrerer Arten können gemischt und gleichzeitig genutzt werden.
Matrixmaterial, das in dieser Erfindung verwendet werden kann, kann jedes Matrixmaterial sein, das die folgenden Eigenschaften bereitstellt:

(1) hohe Durchlässigkeit für einen Wellenlängenbereich des Lichtes, welches in dem optischen Kontrollverfahren dieser Erfindung genutzt wird,
(2) Fähigkeit der stabilen Auflösung oder Dispersion von Pigmenten oder verschiedener Mikropartikel, die in dieser Erfindung genutzt werden,
(3) selbsttragender Eigenschaften, soweit erforderlich.

Anorganische Matrizen, die benutzt werden können, beinhalten zum Beispiel:
Einkristalle von Metallhalogen, Einkristalle von Metalloxiden, Einkristalle von Kalkogeniden, geschmolzener Quarz, Glasborosilikate und langsam schmelzende Punktglasmaterialien, die in einem Sol-Gel-Verfahren hergestellt werden.
Organischen Matrizen, die beispielsweise genutzt werden können, sind verschiedene organische Polymermaterialen.
Um Pigmente in diesem Matrixmaterialen aufzulösen oder zu verteilen, können bekannte Methoden angewandt werden. Diese beinhalten beispielsweise ein Verfahren, bei dem nach der Auflösung der Pigmente und des Matrixmaterials in einem gemeinsamen Lösungsmittel das Lösungsmittel durch Verdampfen entfernt wird; ein Verfahren, bei dem das Matrixmaterial nach dem Lösen oder Neuverteilung der Pigmente in einer anorganischen Matrixmaterialstarterlösung gebildet wird, die die Sol-Gel-Technik vorbereitet; ein Verfahren, bei dem das Matrixmaterial durch Lösen und Verteilen der Pigmente in einem Monomer in einem Matrixmaterial der Art anorganisches Polymer gebildet wird, wobei optional ein Lösungsmittel verwendet wird und Polymerisation oder Polykondensation des Monomers, um das Matrixmaterial zu bilden, sowie ein Verfahren, bei dem die Pigmente und ein thermoplastisches, organisches Polymermatrixmaterial in ein unlösliches Lösungsmittel getaucht werden, der Niederschlag gefiltert und getrocknet wird und die Wärme-/Verschmelzungs-Verarbeitung ausgeführt wird. Es ist bekannt, dass Pigmentmoleküle durch geeignete Kombinationen und Verarbeitung der Pigmente und Matrixmaterialen aggregieren, um spezielle Verbindungen zu bilden, die als "H-Aggregate" und „J-Aggregate" bekannt sind, und die Pigmentmoleküle in dem Matrixmaterial können unter den Bedingungen genutzt werden, in denen sich die Aggregate ausbilden oder Verbindungen formen.
Bekannte Methoden zur Verteilung von verschiedenen Typen von Mikropartikel in diesen Matrixmaterialien können auch genutzt werden. Diese beinhalten beispielsweise Verfahren, bei dem Mikropartikel ohne Lösung eines Zwischenproduktes des Matrixmaterials in einer Lösung des Matrixmaterials verteilt werden und das Lösungsmittel entfernt wird; ein Verfahren bei dem die Mikro Partikel in einem Monomer eines Matrixmaterials der Art „organisches Polymer" zusammen mit einem optionalen Lösungsmittel verteilt werden und das Polymer polymerisiert oder polykondensiert wird, um das Matrixmaterial zu bilden; ein Verfahren, bei dem Mikropartikel von Cadmiumsulfid, das durch Lösen oder Verteilen von Metallsalz wie beispielsweise Cadmiumperchlorat oder Goldchlorid in einem organischen Polymermatrixmaterial und behandeln mit Schwefelwasserstoffgas erzeugt wird, oder Mikropartikel aus Gold, die durch Wärmebehandlung in einem Matrixmaterial gelagert werden; chemische Gasphasenablagerungen; und Sputtering.
Zusätzlich kann das lichtabsorbierende, in dieser Erfindung verwendete Material Antioxidantien, UV-absobierende Agenten, Einzelsauerstoff-Vernichter oder Lösungsagenten als Additive in dem Maß enthalten, dass sie nicht mit. seinen Funktionen interferieren, um die Bearbeitbarkeit, die Stabilität und Dauerhaftigkeit bei der Benutzung als optisches Element zu erhöhen.
Material der wärmeisolierenden Schicht
Gase, Flüssigkeiten oder Feststoffe können als Material für die Wärmeisolierende Schicht benutzt werden. Wenn die Schicht nicht selbsttragend ist – wie in dem Fall, bei dem das Material der Wärmeisolierende Schicht ein Gas oder eine Flüssigkeit ist – kann der Wärmeisolierende Film aus selbsttragendem Material hergestellt werden, ein Raum, entsprechend der Dicke des wärmeisolierenden Films kann vorgesehen sein, und der wärmeisolierende Film kann durch Injektionen des Gases oder eine Flüssigkeit in den Zwischenraum hergestellt werden. Wenn die wärmeisolierende Schicht ein Feststoff ist, kann sie auf den lichtabsorbierenden Film laminiert werden.
Die Dicke der wärmeisolierenden Schicht hängt auch von der Art des Materials ab, aber sie kann in einem Bereich von mehreren nm bis zu mehreren Hundert μm und vorteilhafterweise in einem Bereich von mehreren zehn nm bis mehrere zehn μm liegen.
Wenn Gas als wärmeisolierende Schicht genutzt wird, können neben der Luft Inertgase wie Stickstoff, Neon, Helium und Argon in geeigneter Weise genutzt werden.
Wenn eine Flüssigkeit als wärmeisolierende Schicht benutzt wird, kann jede gewünschte Flüssigkeit benutzt werden, vorausgesetzt, dass sie einen Wärmeleitungskoeffizienten gleich oder größer dem des optischen Absorptionsfilms hat, vorausgesetzt, es überträgt das Steuerlicht und das Signallicht und vorausgesetzt, dass es nicht die Materialien der lichtabsorbierenden Schicht auflöst oder korrodiert. Wenn beispielsweise der lichtabsorbierende Film aus einen Cyanin-haltigem Farbstoff besteht, der Polymethlymethacrylat enthält, kann Paraffin benutzt werden.
Wenn ein Feststoff als wärmeisolierende Schicht benutzt wird, kann jeder gewünschte Feststoff genutzt werden, vorausgesetzt, dass es ein Material ist, welches einen Wärmeübertragungskoeffizienten gleich wird größer von dem der lichtabsorbierenden Schicht hat, [weiter] vorausgesetzt das es für das Steuerlicht und das Signallicht durchlässig ist, und vorausgesetzt, dass es nicht mit dem Material der lichtabsorbierenden Schicht oder der Wärmeisolationsschicht reagiert. Wenn zum Beispiel die lichtabsorbierenden Schicht aus einen Polymethlymethacrylat enthaltenden Cyanin-haltigem Farbstoff besteht, das kein Pigmente enthält, kann eine „Wärmeübertragungsrate von 0,15 Wm^–1K^–1 bei 300K" als Wärmeisolationsschicht genutzt werden.
Material der wärmeleitenden Schicht Der wärmeübertragende Film hat vorteilhafterweise einen Wärmeübertragungskoeffizienten der größer ist als der des lichtabsorbierenden Films, und jedes gewünschte Material kann genutzt werden, vorausgesetzt, dass es das Steuerlicht und das Signallicht überträgt und nicht mit dem lichtabsorbierenden Film oder dem Wärmeisolationsfilm reagiert. Brauchbare Materialien, welche als Wärmeübertragungsschicht genutzt werden [und] welche einem hohen Wärmeübertragungskoeffizienten und eine niedrige optische Absorption in dem Wellenlängenband des sichtbaren Lichtes haben, sind beispielsweise Diamant (Wärmeübertragungskoeffizient 900 Wm^–1K^–1 bei 300K), Saphir (Wärmeübertragungskoeffizient 46 Wm^–1K^–1 bei 300K) Quarzeinkristalle (Wärmeübertragungskoeffizient 10,4 Wm^–1K^–1 bei 300K), geschmolzener Quarz (Wärmeübertragungskoeffizient 1,38 Wm^–1K^–1 bei 300K) und hartes Glas (Wärmeübertragungskoeffizient 1,1 Wm^–1K^–1 bei 300K).
Material der lichtreflektierenden Schicht
Jedes gewünschte Material kann als lichtreflektierende Schicht genutzt werden, vorausgesetzt, dass es für das Steuerlicht und das Signallicht durchlässig ist und nicht mit dem Material der lichtabsorbierenden Schicht, der Wärmeisolationsschicht oder der wärmeleitenden Schicht reagiert. Aluminium- oder Goldmetallfolie oder ein dielektrischer Multilagenfilm, der abwechselnd laminierte Schichten aus Titanoxid oder Siliziumoxid enthält, ist brauchbar.
Material der konvexen Linse
In einer Form des optischen Elementes ist eine konvexe Linse auf die einfallende Seite des Steuerlichtes auf die lichtdurchlässige Schicht als Mittel zur Konvergenz des Steuerlichtes laminiert. Als Material für diese konvexe Linse kann jedes nach dem Stand der Technik bekannte Material genutzt werden. Zum Beispiel sind Kunststoffe wie Harze vom Typ Polymethylmethacrylat und optisches Glas brauchbar.
Materialien der lichtdurchlässigen Schicht
In einer Form des optischen Elementes ist eine konvexe Linse auf die einfallende Seite des Steuerlichtes auf die lichtdurchlässige Schicht als Mittel zur Konvergenz des Steuerlichtes laminiert. Die Materialien der lichtdurchlässigen Schicht können identisch zu dem Material der soliden [Feststoff], wärmeisolierenden Schicht und/oder wärmeleitenden Schicht sein.
Verfahren zur Herstellung des optischen Elementes
Das Verfahren zur Herstellung des optischen Elementes wird entsprechend der Konstruktion und der Art des Materials, welches für das optische Element eingesetzt wird, ausgewählt; und jedes nach dem Stand der Technik bekannte Verfahren kann genutzt werden.
Beispielsweise kann die lichtabsorbierende Schicht durch Schneiden/Polieren eines Einkristalls hergestellt werden, wenn das Material der in dem optischen Element lichtabsorbierenden Schicht einen wie oben erwähnten Einkristall enthält.
Wenn ein optisches Element mittels eines Schichtaufbaus des Typs "lichtabsorbierende Schicht/wärmeleitende Schicht" vorbereitet wird, bei dem die lichtabsorbierende Schicht aus einem Matrixmaterial, welches ein Pigment enthält, gebildet wird, und die wärmeübertragende Schicht aus optischem Glas ausgebildet wird, kann die lichtabsorbierenden Schicht durch die folgenden Verfahren hergestellt werden.
Es können Beschichtungstechniken wie Coating, Rakelstreichverfahren, Walzlackieren, Aufschleudern, Eintauchen, Spritzbeschichten oder eine Lösung, die ein Pigment und ein Matrixmaterial auf einem Glassubstrat, das als wärmeleitende Schicht genutzt wird, eingesetzt werden. Drucktechniken basierend auf Blechen, Buckelblechen, Briefdruck, Lochplatten, Schirmdruck und Transferdruck [können eingesetzt werden].
In diesem Fall kann auch ein Verfahren zur Herstellung eines anorganischen Matrixmaterials durch eine Sol-Gel-Technik zur Bildung einer lichtabsorbierenden Schicht eingesetzt werden.
Elektrochemische Schichtbildungstechniken wie Elektroabscheidung, die elektrolytische Polymerisation und Mikrozellen-Elektrolyse (japanische veröffentlichte Patentschrift Nr. SHO 63-243298) können eingesetzt werden.
Die Langmuir-Blodgett-Technik, die einen monomolekularen Film auf Wasser ersetzt, kann auch eingesetzt werden.
Wenn das organische Polymerband-Matrixmaterial, das eine lichtabsorbierende Schicht bildet, thermoplastisch ist, kann ein optisches Element, das eine Struktur aus „wärmeleitende Schicht/lichtabsorbierende Schicht/wärmeleitende Schicht" enthält, durch ein Heißpressverfahren (japanische veröffentlichte Patentschrift Nr. Hei 4-99609) durch Hinzunehmen einer Glasplatte als wärmeleitenden Film hergestellt werden.
Wenn das Monomer beispielsweise eine Flüssigkeit ist, [können] Verfahren, die eine Polymerisation- oder Polykondensations-Reaktion eines Startmonomermaterials inklusive der Gusstechnik, reaktivem Einspritzschmelzen, Plasma-Polymerisation oder Photopolymerisation [eingesetzt werden].
Ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Verbunddünnschichtfilms (japanische Nr. Patent Nr. 2599569) kann genutzt werden, bei dem ein organisches, optisches Material aus zwei oder mehr Komponenten als Lösung oder Dispersion in einem Hochvakuumbehälter aus einer Spraydüse für jede Komponente, die auf einem Substrat deponiert wird, gespritzt wird, und Gegenstand einer Wärmebehandlung sein.
Das oben beschriebene Verfahren der Herstellung einer festen lichtabsorbierenden Schicht kann beispielsweise zweckmäßig als Wärmeisolationsfilm, welcher aus einem festen organischen Polymermaterial besteht, eingesetzt werden.
Verfahren zur Herstellung von Blenden in lichtreflektierenden Schichten
Eines der Ausführungsbeispiele des optischen Elementes ist dadurch gekennzeichnet, dass es eine lichtreflektierende Schicht enthält, welche Lochblenden von ausreichender Größe haben, damit das oben erwähnte, konvergierte, ausgestrahlte Steuerlicht und das Signallicht passieren kann, und jedes nach dem Stand der Technik bekannte Verfahren zur Herstellung dieser Blenden in dem lichtreflektierenden Film eingesetzt werden kann. Beispielsweise können diese Blenden durch Auftragen eines Fotolackes auf einen lichtreflektierenden Film, der aus einer Metallablagerungsschicht auf einem aus Glas bestehenden wärmeübertragenen Film besteht, hergestellt werden; und die Lochblenden werden durch die Technik des Fotoätzens entsprechend dem normalen Verfahren hergestellt. Die Form und die Größe der Blenden wird später beschrieben.
Berechnung des Strahlentaillendurchmessers
Nachfolgend wird der Fall beschrieben, bei dem ein Gauß'scher Strahl mit einer Amplitudenverteilung des elektrischen Feldes des voranschreitenden Strahlenquerschnittes – zum Beispiel die Energieverteilung oder der Lichtfluss – eine Gauß'sche Verteilung hat. Darüber hinaus wird in der folgenden Beschreibung der Fall beschrieben, bei dem eine Kondensorlinse (konvexe Linse) als ein Mittel zur Strahlkonvergenz genutzt wird; aber die Situation ist [auch] die gleiche, wenn das Konvergenzmittel ein konkaver Spiegel oder eine Brechungsindexverteilungslinse ist.
3 stellt den Lichtfluss und die Wellenfront 30 in der Umgebung des Fokus Fc dar, wenn ein Gauß'scher Strahl durch eine Kondensorlinse auf einen Divergenzwinkel von 2Φ konvergiert wird. Hierbei wird die Position, bei dem der Durchmesser 2ω eines Strahl ist, und die Wellenlänge λ ein Minimum erreicht, Strahltaille genannt. In nachfolgendem wird der Stahltaillendurchmesser durch 2ω₀ dargestellt. Durch die Beugung ist 2ω₀ niemals Null und hat einen bestimmten Wert. Die Strahlendurchmesser ω und ω₀ sind definierte Entfernungen vom Zentrum des Strahls, bei dem die Energie basierend auf der Energie im Zentrum eines Gauß'schen Strahls 1/e² wird (e ist die Basis des natürlich Logarithmus). Die erreicht Photonendichte hat natürlich ein Maximum im Zentrum der Strahlentaille.
Im Falle eines Gauß'schen Stahls steht der Strahlungsdivergenzwinkel Φ in einem genügenden Abstand von der Strahlentaille durch die folgende Gleichung (2) in Bezug zur Wellenlänge λ und dem Strahlentaillendurchmesser ω₀ in Beziehung. π·Φ·ω0 = λ (2)
Hierbei ist π die Kreiskonstante.
Wenn man diese Gleichung unter der Bedingung "genügend weit entfernt von der Strahlentaille" kann der Strahlentaillendurchmesser ω₀, der durch die Kondensorlinse gebündelt wurde, aus dem Strahlenradius ω, welcher auf die Kondensorlinse einfällt, und der numerischen Apertur und der Brennweite der Kondensorlinse berechnet werden.
Weiterhin kann, wenn ein paralleler Gauß'scher Strahl (Wellenlänge) λ, der einen Strahlendurchmesser ω hat, mit einer Kondensorlinse mit einem effektiven Aperturradius a und einer numerischen Apertur NA gebündelt wird, der Strahlendtaillendurchmesser ω₀ durch die folgende Gleichung (3) ausgedrückt werden. 2ω0 = K·λ/NA (3)
Da der Koeffizient K nicht algebraisch bestimmt werden kann, kann er hier durch die Durchführung einer numerischen Analyseberechnung der Fotosignalintensitätsverteilung auf der Linsenabbildungsoberfläche ermittelt werden.
Wenn das Verhältnis des Strahlenradius ω, der auf die Kondensorlinse einfällt, und dem effektiven Aperturradius a der Kondensorlinse verändert wird, und eine numerische Analyseberechnung durchgeführt wird, erhält man den Koeffizienten K aus Gleichung (3) wie folgt.
Wenn a/ω = 1 K = 0,92
Wenn a/ω = 2 K = 1,3
Wenn a/ω = 3 K = 1,92
Wenn a/ω = 4 K = 3
Mit anderen Worten bedeutet das, dass je schmaler der Strahlenradius ω im Vergleich zum effektiven Aperturradius A der Kondensorlinse wird, desto mehr steigt der Strahlentaillendurchmesser ω₀.
Wenn beispielsweise eine Linsenbrennweite von 6,2 mm, einer numerische Apertur von 0,62 und einem effektiven Aperturradius von ungefähr 4 mm als Kondensorlinse genutzt wird, um ein Signallicht einer Wellenlänge von 694 nm zu bündeln, ist a/ω ungefähr 1, wenn der Strahlendurchmesser ω, der auf die Kondensorlinse fällt 4 mm beträgt und der Strahlentaillenradius ω₀ 0,49 μm beträgt. Wenn ω 1 mm ist, beträgt a/ω ungefähr 4 und ω₀ ist dann 1,6 μm. Gleichermaßen ist a/ω ungefähr 1 und der Strahlentaillenradius ω₀ beträgt 0,45 μm, wenn das Steuerlicht einer Wellenlänge von 633 nm gebündelt wird, wenn der Strahlentaillenradius ω 4 mm beträgt.
Wie man von diesen Beispielberechnungen erkennt, sollte der Strahlendurchmesser bis zu seinem Maximum vergrößert werden, bis zu der die Kondensorlinse lichtempfangen kann (Strahlaufweitung), um den Querschnittsbereich des Strahls in der Region, in denen die Photonendichte in der Umgebung des Fokus der Kondensorlinse am größten – das heißt die Strahlentaille – ist, minimiert werden. Man erkennt auch, dass für den gleichen Strahldurchmesser, welcher auf die Kondensorlinse einfällt, der Strahlentaillendurchmesser um so kleiner ist, je kleiner die Wellenlänge des Lichtes ist.
Um die optische Antwort in dem Lichtsteuerverfahren dieser Erfindung zu erhöhen, ist es wünschenswert, die Form und die Größe des Strahlenquerschnitts des Signallichtes und des Steuerlichtes so zu setzen, dass der Strahlenquerschnittsbereich des Signallichtes in der Region, in der die Photonendichte in der Nähe des Fokus am höchsten ist, nicht den Strahlenquerschnittsbereich des Steuerlichtes in der Region, in der die Photonendichte in der Nähe des Fokus am höchsten ist, überschreitet. Wenn Gauß'sche Strahlen als Signallicht und als Steuerlicht entsprechend der obigen Beschreibung unter obigen Gleichungen genutzt werden, kann verhindert werden, dass der Strahlenquerschnittsbereich des Signallichtes in der Region, in der die Photonendichte in der Nähe des Fokus am höchsten ist, den Strahlenquerschnittsbereich des Steuerlichtes in der Region, in denen die Photonendichte in der Nähe des Fokus am größten ist, überschreitet, dadurch, dass der Strahlendurchschnitt des Steuerlichtes und des Steuerlichtes entsprechend der Wellenlänge passend justiert wird, [und außerdem] dadurch, dass – falls erforderlich – eine Strahlaufweitung dadurch durchgeführt wird, dass vor der Bündelung durch Kondensormittel wie eine Kondensorlinse ein paralleler Strahl genutzt wird. Strahlaufweitung kann durch Mittel, die nach dem Stand der Technik bekannt sind, wie ein optisches Kepplersystem, welches beispielsweise zwei konvexe Linsen enthält, durchgeführt werden.
Berechnung der konfokalen Länge Zc
Wie vorher festgestellt kann im Falle eines Gauß'schen Strahls in der Nähe der Strahlentaille, der durch Kondensormittel – wie einer konvexen Linse – konvergierten ist, das heißt innerhalb eines Intervall der konfokale Längendistanz Zc, der den Fokus umfasst, der konvergierte Strahl als ein im wesentlich paralleler Lichtstrahl angenommen werden, und die konfokale Längendistanz Zc kann durch die Gleichung (1) ausgedrückt werden, bei der die Kreiskonstante π, der Strahlentaillenradius ω₀ und die Wellenlänge λ verwendet werden. Zc = π·ω0 2/λ (1)
Das Einsetzen von ω₀ von Gleichung (1) in Gleichung (3) ergibt die Gleichung (4). Zc = π·/K/NA)2·λ/4 (4)
Die numerische Apertur NA, der effektive Aperturradius a und der Brennpunkt r kann aus Gleichung (5) erhalten werden. NA = a/r (5)
Wenn beispielsweise eine Linse mit einem Brennpunkt von 6,2 mm, einer numerischen Apertur von 0,65 und einem effektiven Aperturradius von ungefähr 4 mm als Kondensorlinse zum konvergieren eines Signallichtes mit der Wellenlänge 694 nm genutzt wird, und wenn der Strahlenradius ω, welcher auf die Kondensorlinse fällt, 4 mm ist, ist a/ω ungefähr 1, der Strahlentailleradius ω₀ ist 0,49 Mikrometer und die konfokale Längenentfernung Zc ist 1,09 μm. Wenn ω 1 mm beträgt, ist a/ω ungefähr 4, ω₀ ist 1,6 μm und die konfokale Längendistanz Zc ist 11,6 μm. Entsprechend gilt, wenn ein Steuerlicht einer Wellenlänge von 633 nm konvergiert wird, wenn der Strahlenradius ω 4 mm beträgt, a/ω ungefähr 1 ist, ist der Strahlentaillenradius ω₀ 0,45 μm und die konfokale Längendistanz Zc ist 0,996 μm. Wenn ω 1 ist, beträgt a/ω ungefähr 4, ω₀ ist 1,5 μm und die konfokale Längendistanz Zc ist 10,6 μm.
Optimale Schichtdicke der lichtabsorbierenden Schicht
Es wurde eine Probe durch die Anpassung der Pigmentdichte und Schichtdicke hergestellt, so dass das Produkt aus Schichtdicke und Pigmentdichte konstant war, um so eine konstante optische Dichte der lichtabsorbierenden Schicht zu erhalten. Als Ergebnis von verschiedenen Experimenten wurde herausgefunden, dass eine genügend schnelle, optische Antwort des Lichtsteuerverfahrens dieser Erfindung dadurch erhalten werden konnte, wenn die zweifache, wie oben beschriebene konfokale Längendistanz als obere Grenze der Schichtdicke der lichtabsorbierenden Schicht gesetzt wird. Für die untere Grenze der Schichtdicke der lichtabsorbierenden Schicht gilt, vorausgesetzt das eine optische Reaktion detektiert werden kann, je dünner die Schicht ist, desto besser ist es.
Schichtdicke der wärmeisolierenden Schicht
Es gibt optimale Werte (einem Minimumwert und einen Maximumwert) der Schichtdicke der Wärmeisolierenden Schicht, welche die Höhe und/oder Geschwindigkeit der optischen Antwort der Wärmeisolierenden Schicht erhöht. Die Werte können experimentell entsprechend dem Aufbau des optischen Elementes, dem Material und der Dicke der lichtabsorbierenden Schicht dem Material der Wärmeisolierenden Schicht und den Materialien und der Dicke der wärmeleitenden Schicht ermittelt werden.
Schichtdicke der wärmeleitenden Schicht
Es gibt auch einen optimalen Wert (in diesem Falle einen Minimalwert) der Schichtdicke der wärmeleitenden Schicht, welcher den Betrag und/oder die Schnelligkeit der optischen Antwort der wärmeleitenden Schicht erhöht. Der Wert kann experimentell entsprechend dem Aufbau des optischen Elementes, den Materialien und der Dicke der lichtabsorbierenden Schicht, den Materialien und der Dicke der Wärmeisolationsschicht und dem Material der wärmeleitenden Schicht ermittelt werden.
Funktion, Form und Größe von Lochblenden in lichtreflektierenden Schichten
Wenn eine Wärmeisolationsschicht und/oder eine wärmeleitende Schicht in dem optischen Element vorhanden sind, wird das Justieren der optischen Konvergenzachse des konvergierten, ausgestrahlten Steuerlichtes und Signallichtes dadurch vereinfacht, dass Lochblenden, die groß genug sind, dass das Steuerlicht und das Signallicht passieren können, an der lichtreflektierenden Schicht auf der Steuerlicht einfallenden Seite der lichtabsorbierenden Schicht bereitgestellt werden; dies kann mittels der Wärmeisolationsschicht und/oder wärmeleitenden Schicht erfolgen. Die Positionen der optischen Achsen des Signallichtes und des Steuerlichtes werden durch einfaches Justieren der optischen Achsen des Signallichtes und des Steuerlichtes optimiert, so dass der Anteil des Signallichtes und des Steuerlichtes, welche die Apertur passieren, in jedem Fall maximiert ist.
In dem Maße in dem die Lochblenden ihre Funktion erfüllen, sollte die Form und die Größe der Lochblenden so gestaltet sein, um den Lichtfluss des Signallichtes und des Steuerlichtes effektiv durchzulassen. Wenn das Signallicht und das Steuerlicht Gauß'sche Strahlen sind, ist der Lichtflussquerschnitt kreisförmig, und es ist deshalb wünschenswert, dass die Lochblenden auch kreisförmig sind. Für den Radius der kreisförmigen Lochblenden ist wünschenswert, dass sie dem Strahlenradius des Signallichtes und des Steuerlichtes, welche die Lochblenden passieren, entsprechen. Es muss darauf hingewiesen werden, dass, wenn der Radius der Lochblenden zu gering ist, Lichtinterferenzen auffällig werden. Als besondere Richtlinien ist es wünschenswert, dass der Durchmesser der Lochblenden nicht kleiner als 100-Mal der Wellenlänge des Signallichtes und des Kontrolllichtes ist. Normalerweise kann die Größe der Lochblenden durch ein Justieren der Position der lichtreflektierenden Schicht gegenüber den Lochblenden größer gemacht werden als der vorangehende beschriebenen Wert, weil das Signallicht und das Steuerlicht mit einen Durchmesser in der Größenordnung von Millimetern durch die Lochblenden gehen, nachdem sie "konvergiert" wurden.
Verfahren zur Herstellung der konvexen Linse
Eine Ausführungsform des optischen Elementes ist dadurch gekennzeichnet, dass eine konvexe Linse auf die Steuerlicht-einfallenden Seite auf die lichtdurchlässige Schicht als Mittel zum Konvergieren des Steuerlichtes laminiert ist. Die konvexe Linse wird durch irgendeinem nach dem Stand der Technik bekannte Verfahren hergestellt.
Beispielsweise kann eine konvexe Linse vom Typ Brechungsindexverteilung aus einem Material vom Typ anorganisches Glas durch ein anorganisches Ionen-Diffusions-Phänomenen hergestellt werden (M.Oikaka, K. Iga: Appl. Opt., 21(6), 1052-1056 (1982)). Eine Maske ist an einem Glassubstrat befestigt, ein kreisförmiges Fenster mit einem Durchmesser von ungefähr 100 μm wird fotolithographisch hergestellt, die Anordnung wird in eine Salzschmelze eingetaucht und eine Brechungsindexverteilung wird durch Ionenaustausch ausgeformt. Der Ionenaustausch wird durch Anlegen eines elektrischen Feldes über mehrere Stunden gefördert, wobei dadurch eine Linse mit einem Durchmesser von 0,9 mm, einer Brennweite von 2 mm und einer numerischen Apertur NA = 0,23 gebildet wird.
In Verfahren dieser Art, kann die "Maske" zur Ausbildung der konvexen Linse in dem Substrat im Zusammenhang mit der "lichtreflektierenden Schicht mit genügend großen Lochblenden, damit konvergiertes, ausgestrahltes Steuerlicht und Signallicht passieren können" einen optischen Element genutzt werden.
Materialien der Mikrolinsen
Als Material für die Mikrolinsen kann ein thermoplastischer Polymerverbund genutzt werden, der nach dem Stand der Technik für seine Anwendung bei Mikrolinsen bekannt ist.
Material der Originalplatte
Als Material für die Originalplatte kann ein Material, das für die Technik der Fotolithographie geeignet ist, genutzt werden. Zum Beispiel sind Titan, Chrom und deren Legierungen brauchbar.
Optische Funktionen
In einem Ausführungsbeispiel des optischen Elementes ist eine konvexe Linse auf einem Substrat ausgebildet, ein optischer Funktionsteil ist im Fokus der konvexen Linse angeordnet, unterschiedliche Arten von Licht, welches auf die optischen Funktionsteile einfällt, wird durch die konvexe Linse konvergiert und es wird eine Lichtflussdichte erhöht, wodurch der Lichtfluss, der eine erhöhte Dichte hat, vom optischen Funktionsteil abgestrahlt wird. "Optische Funktion" meint, jede nach dem Stand der Technik bekannte optische Funktion, welche entweder allein oder im Zusammenhang mit anderen optischen Funktionen genutzt werden. Beispiele von lichtemittierenden Phänomenen, die genutzt werden können, sind Fluoreszenz, Fotofluoreszenz und Wärme stimulierte Emission (gespeichertes Licht), Änderungen im Absorptionsspektrums wie Fotochromismus und Licht-stimulierter Thermochomismus, (reversible) fotochemische Reaktionen wie Fotoisomerie und Phänomene wie fotoangeregte Ausrichtungänderungen von Flüssigkeitskristallen, Phasenübergänge, fotoleitende Phänomene, fotoelektrische Bewegungskräfte, thermische Linseneffekte, Absorptionssättigung, fotobrechende Phänomene und optische Kerr-Effekte.
Diese Phänomene können als optische Sensoren verwendet werden. In diesem Fall kann ein Sensorausgang entsprechend jeder konvexen Linse extrahiert werden, und in dem das einfallende Licht durch die konvexe Linse konvergiert wird, um den optischen Funktionsteil zu beleuchten, kann hochempfindliche Abtastung mit einem guten Signal/Rausch-Verhältnis durchgeführt werden.
Nachfolgend werden spezifische Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnungen im Detail beschrieben.
Ausführungsbeispiel 1
Eine schematische Ansicht einer optischen Steuervorrichtung entsprechend diesem Ausführungsbeispiel ist in 1 dargestellt.
Die optische Steuervorrichtung dieser Erfindung, welche übersichtsartig in 1 dargestellt ist, umfasst eine Steuerlichtquelle 1, eine Signallichtquelle 2, einen ND-Filter 3 (ND = natural density/natürliche Dichte), einen Shutter 4, einen halbdurchlässigen Spiegel 5, ein Lichtmischinstrument 6, eine Kondensorlinse 7, ein optisches Element 8, lichtempfangende Linse 9, einen Wellenlängenauswahldurchlassfilter 20, eine Blende 19, Fotodetektoren 11 und 22 und ein Oszilloskop 100. Von diesen optischen Elementen oder optischen Teilen sind die Steuerlichtquelle 1, Signallichtquelle 2, Lichtmischinstrument 6, Kondensorlinse 7, optisches Element 8, lichtempfangende Linse 9, der Wellenlängenauswahldurchlassfilter 20 unverzichtbare Komponenten zur Implementierung des optischen Kontrollverfahrens diese Erfindung durch den in 1 dargestellten Aufbau. Der ND-Filter 3, die Blende 4 und der halbdurchlässige Spiegel 5 sind zusätzlich eingefügt, und obwohl die Fotodetektoren 11, 22 und das Oszilloskop 100 nicht erforderlich sind, um das Steuerverfahren der Erfindung zu implementieren, werden sie als notwendige elektronische Vorrichtungen zum Nachweis eines optischen Steuervorgangs genutzt.
Als nächstes werden alle Eigenschaften und Betriebsfunktionen jeder Teilkomponente beschrieben.
Eine Laservorrichtung wird als Steuerlichtquelle 1 genutzt. Die Schwingungswellenlänge und Ausgangsleistung wird passend zur Wellenlänge des Signallichtes, welches der Gegenstand des optischen Steuerverfahrens dieser Erfindung ist, und entsprechend den optischen Absorptionseigenschaften des genutzten lichtabsorbierenden Films ausgewählt. Es gibt keine besonderen Restriktionen für das Verfahren der Laser-Oszillationen, und jedes Verfahren abhängig von dem Schwingungswellenlängenband, der Ausgangsleistung und wirtschaftlichen Effizienz usw. kann genutzt werden. Das Licht der Laser-Lichtquelle kann auch nach einer Wellenlängentransformation durch ein nichtlineares, optisches Element genutzt werden. Insbesondere können Gas-Laser wie Argon-Ionen-Laser (Schwingungswellenlänge 457,9 bis 514,5 nm) oder Helium-Neon-Laser (633 nm), ein Festkörper-Laser wie ein Rubin-Laser oder Nd:YAG-Laser, ein Farbstoff-Laser oder ein Halbleiter-Laser genutzt werden.
Als Signallichtquelle 2 kann nicht nur koherentes Licht von einer Laserlichtquelle sondern auch nichtkoherentes Licht eingesetzt werden. Darüber hinaus können in Ergänzung zu Lichtquellen, welche monochromatisches Licht wie eine Laser-Vorrichtung abgibt, Licht emittierende Dioden, das kontinuierliche Spektrum von z.B. einer Wolframfadenlampe, einer Metallhalogenlampen oder einer Xenon-Entladungsröhre, das mit einem optischen Filter oder Monochromator monochrom begrenzt werden kann, genutzt werden.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel beschrieben, bei dem Licht von einem Halbleiterlaser als Signallichtquelle 2 ausgestrahlt wird (Oszillationenswellenlänge 694 nm, Dauerschwingungsleistung 3 mW) Strahlen-geformt wird, um einen parallelen Gauß'schen Strahl mit einem Durchmesser von ungefähr 8 mm zu bilden. Ein Helium-Neon-Laser (Schwingungswellenlänge 633 nm mit einem parallelen Strahl und Strahlendurchmesser von ungefähr 2 mm, bei dem die Strahlenquerschnittsenergieverteilung eine Gauß'sche Verteilung ist) wird als Steuerlichtquelle 1 genutzt.
Der ND-Filter 3 ist nicht unverzichtbar, aber es ist hilfreich, auf Laser-Licht mit höherer Ausgangsleistung als erforderlich zu verzichten, das auf die optischen Teile oder optischen Elemente, die die Vorrichtung bilden, fällt; und es ist hilfreich, die Fotosignalintensität des Steuerlichtes durch die Durchführung von Tests bezüglich der optischen Antwort des optischen Elementes dieser Erfindung zu justieren. In diesem Ausführungsbeispiel wurden verschiedene Arten von ND-Filtern austauschbar für das letztgenannte Ziel eingesetzt.
Der Shutter 4 wird benutzt, um zu bewirken, dass das kontinuierlich schwingende als Steuerlicht verwendete Laserlicht in einer impulsartigen Weise blinkt, aber er ist nicht unverzichtbar zur Implementierung des optischen Steuerverfahrens dieser Erfindung. Wenn die Steuerlichtquelle 1 ein Laser ist, welcher gepulste Schwingungen abgibt, und eine Lichtquelle eines Typs, bei dem die Pulsbreite und Oszillationsintervalle gesteuert werden können, oder wenn ein Laserlicht, welches ursprünglich impulsmoduliert war, als Lichtquelle 1 genutzt wird, muss der Shutter 4 nicht bereitgestellt werden.
Wenn der Shutter 4 benutzt wird, kann jede Art von Shutter wie ein optischer Shutter, ein mechanischer Shutter, ein Flüssigkeitskristall-Shutter, ein optischer Kerr-Effekt-Shutter, Pocket-Zellen oder opto-akustische Elemente in geeigneter Weise unter dem Gesichtspunkt der Betriebsgeschwindigkeit des Shutters selbst ausgewählt werden.
Entsprechend diesem Ausführungsbeispiel wird der halbdurchlässige Spiegel 5 genutzt, um die Fotosignalintensität des Steuerlichtes in diesem Ausführungsbeispiel permanent zu überwachen, wenn der Betrieb des Steuerverfahrens und diese Erfindung getestet wird, und sein Lichtaufspaltungsverhältnis wie gewünscht festgesetzt wird.
Die Fotodetektoren 11, 22 werden genutzt, um elektrisch zu messen, wie sich die Fotosignalintensität entsprechend der optischen Steuerung dieser Erfindung verändert, um sie zu verifizieren, und um die Funktion des optischen Elementes zu überwachen. Die Form der Fotodetektoren 11, 22 ist beliebig und kann in geeigneter Weise unter dem Gesichtspunkt der Reaktionsgeschwindigkeit der Detektoren selbst ausgewählt werden. Zum Beispiel kann eine Photomultiplier-Röhre, eine Fotodiode oder ein Fototransistor benutzt werden.
Das Lichtsignal, welches von den Fotodetektoren 11 und 22 empfangen wird, kann durch das Oszilloskop 100 oder durch eine Kombination (nicht dargestellt) eines A-D-Wandlers und eines Computers überwacht werden.
Das Lichtmischinstrument 6 wird benutzt, um den optischen Weg des Steuerlichtes und des Signallichtes, welches sich innerhalb des optischen Elementes ausbreitet, zu justieren, und es ist eine wichtige Komponente für die Implementierung des optischen Steuerverfahrens und der optischen Steuervorrichtung dieser Erfindung. Es kann ein polarisierter Strahlaufteiler (Splitter) ein unpolarisierter Strahlaufteiler oder ein zweifarbiger Spiegel genutzt, und das Lichtaufteilungsverhältnis kann wie gewünscht festgesetzt werden.
Die Kondensorlinse 7, welche ein allgemeines Konvergenzmittel für das Signallicht und das Steuerlicht ist, wird für die Konvergenz des Signallichtes und des Steuerlichtes eingesetzt, die so justiert wurden, dass ihre optischen Pfade identisch sind und das Signallicht und das Steuerlicht auf das optische Element fallen. Sie ist eine unverzichtbare Komponente zur Implementierung des optischen Steuerverfahrens und der optischen Steuervorrichtungen diese Erfindung. Die Linsenspezifikation, das heißt die Brennweite, die numerische Apertur, der F-Wert, der Linsenaufbau und die Linsenoberflächenbeschichtung der Kondensorlinse kann wie erforderlich ausgewählt werden.
In diesem Ausführungsbeispiel wird der Fall beschrieben, bei dem eine Mikroskopobjektivlinse eine Brennweite von 6,2 mm, einer numerischen Apertur von 0,65 und einem effektiven Aperturradius von 4,03 mm als Kondensorlinse 7 genutzt wird.
Der Lichtstrahlradius ω₀ist 1,5 μm in der Region, wo die Photonendichte in der Nähe des Brennpunktes dieser Kondensorlinse am höchsten ist, das heißt in der Strahlentaille, und die konfokale Längendistanz Zc ist 10,6 μm für ein Steuerlicht einer Wellenlänge von 633 nm und einem Strahlendurchmesser von 2 mm für den Fall der typischen Berechnung unter Benutzung der oben gezeigten Gleichung (2) und Gleichung (4).
Ebenso ist ω₀in der Strahlentaille 0,49 μm für ein Signallicht der Wellenlänge 694 nm und ein Strahlendurchmesser von 8 mm. Mit anderen Worten ist das Verhältnis des Betrages des Steuerlicht- und des Signallichtstrahls in der Strahlentaille ungefähr 3:1 bezüglich des Strahlendurchmessers und ungefähr 10:1 in Bezug auf den Strahlenquerschnittsbereich, d.h. das Steuerlicht überwiegt.
Die Beziehung des Steuerlichtes S1 und des Signallichtes S2 innerhalb des optischen Elementes ist schematisch in 4 dargestellt.
Somit kann durch eine Erhöhung der Strahlengröße des Steuerlichtes im Vergleich zum Signallicht in der Strahlentaille das optische System leicht justiert werden, so dass die Regionen, in der die Energiedichte des konvergierten Steuerlichtstrahls in der Nähe des Brennpunktes der Kondensorlinse am höchsten ist, mit der Region, in welcher die Energiedichte des konvergierten Signallichtstrahls am höchsten ist, überlappen, und dass das System weniger anfällig gegen den Effekt von Modifikationen des optischen Systems ist. Insbesondere ist es für das Zentrum der optischen Achsen des Kontrolllichtes und des Steuerlichtes erforderlich, dass sie exakt miteinander übereinstimmen, und dass das System so justiert werden kann, dass die Regionen, in der die Energiedichte des konvergierten Signallichtstrahls am höchsten ist, auch dann nicht von der Region, in der die Energiedichte des konvergierten Steuerlichtstrahl am höchsten ist, abweicht, wenn die Positionen des Steuerlichtes und des Signallichtes schwanken oder zu einem gewissen Maß abdriften.
Die lichtempfangende Linse 9 ist ein Mittel, das Signallicht und das Steuerlicht, welche konvergiert wurden, das optische Element 8 bestrahlt haben und durch es hindurch gegangen sind, zu parallelen und/oder konvergierenden Strahlen wiederherzustellen, und um ein Signallicht von ausreichendem Stärke mit guter Reproduzierbarkeit zu erhalten, wird eine Linse mit einer kleineren Apertur als die Apertur der Kondensorlinse 7 benutzt. In diesem Ausführungsbeispiel wurde eine Mikroskoplinse mit einer numerischen Apertur von 0,4 als lichtempfangende Linse 9 genutzt. Dadurch, dass die Apertur der lichtempfangenden Linse 9 kleiner ist als die der Kondensorlinse 7, kann der Teil des Signallichtflusses in einer Region, welche stark durch Fotosignalintensitätsmodulation und/oder Lichtflussdichtemodulation beeinflusst wird, separat extrahiert werden, so dass ein Signallicht von ausreichender Stärke mit guter Reproduzierbarkeit festgestellt werden kann. Auch wenn die Linsenapertur groß ist, kann die Apertur effektiv durch das Einführen der Blende 19 reduziert werden, so dass bewirkt wird, dass nur der zentrale Teil des Lichtflusses auf den Fotodetektor fällt; aber es ist wirtschaftlich, eine lichtempfangende Linse mit einer kleiner Apertur zu benutzen. Ein konkaver Spiegel kann auch an Stelle der Kondensor- und lichtempfangenden Linse benutzt werden.
Der Wellenlängenauswahldurchlassfilter 20 ist eine unverzichtbare Komponente zur Implementierung des optischen Steuerverfahrens dieser Erfindung, wie sie in 1 dargestellt ist, und er wird als Mittel zu Extraktion nur des Signallichtes aus den Signal- und Steuerlicht, welche sich über den gleichen optischen Pfad in dem optischen Element ausgebreitet haben, eingesetzt.
Als Mittel zur Trennung des Signallichtes vom Steuerlicht, welche unterschiedliche Wellenlänge haben, kann auch ein Prisma, ein Beugungsgitter oder ein Zweifarbenspiegel eingesetzt werden.
Als Wellenlängenauswahldurchlassfilter 20, welcher in der Vorrichtung von 1 genutzt wird, kann jeder nach dem Stand der Technik bekannte Wellenlängenauswahldurchlassfilter eingesetzt werden, vorausgesetzt, dass er Licht in dem Wellenlängenband des Steuerlichtes komplett blockiert und effektiv das Licht im Wellenlängenband des Signallichtes durchlässt. Z.B. kann Kunststoff oder Glas mit Pigmenten oder Glas, bei dem die Oberfläche mit einer dielektrischen Mehrlagenschicht bedeckt ist, eingesetzt werden.
Als eine Ausgestaltung des optischen Elementes wurde ein optisches Element 8 vom Typ wärmeleitende Schicht/lichtabsorbierende Schicht/wärmeleitende Schicht beispielsweise durch das folgende Verfahren präpariert. 57,4 mg Cyaninefarbstoff, 3,3'-Diethyloxa-dicarbocyanine-Jodid (allgemeinen Name DODCI, Exciton Co.) und 1942,6 mg Poly(2-hydoxypropylmethacryalat) wurden in 200 ml Aceton aufgelöst, die resultierende Lösung wurde in 600 ml n-Hexan eingerührt, der Niederschlag (Farbstoff und Polymermischung), der separiert wurde, wurde gefiltert, in n-Hexan gewaschen und unter reduziertem Druck bei 100°C getrocknet, und das Produkt wurde gemahlen. Die erhaltene Farbstoff- und Polymerpulvermischung wurde für zwei Tage in einem Ultrahochvakuum von weniger als 10^–5 Pa erhitzt, flüchtige die Komponenten, wie Restlösungsmittel wurden komplett entfernt, und es wurde so ein Pulver einer Farbstoff/Polymermischung erhalten. 20 mg dieses Pulvers wurde zwischen einem Objektträger (25 mm × 76 mm × Dicke 1,150 mm), welcher als Wärmetransportschicht genutzt wurde, und einem identischen Abdeckglas (18 mm × 18 mm × Dicke 0,150 mm) eingefüllt und unter Vakuum auf 160°C erhitzt. Eine lichtabsorbierende Schicht von 20 μm Dicke wurde so als Farbstoff/Polymerschicht zwischen einem Objektträger/Abdeckglas durch Zusammenklemmen der beiden Glasplatten unter Druck (Vakuum-Heißpressverfahren) hergestellt. Die konfokale Längendistanz des Steuerlichtes (Wellenlänge 633 nm, Strahldurchmesser 2 mm) welches konvergiert wurde und auf diese lichtabsorbierende Schicht gestrahlt wurde, wurde mit 10,6 μm – wie oben beschrieben – berechnet. Mit anderen Worten überschreitet die Dicke der oben erwähnten lichtabsorbierenden Schicht nicht das Doppelte der konfokalen Länge des Steuerlichtes.
Die Farbstoffdichte in der Farbstoff/Polymerschicht war 6,26 × 10^–5 mol/l, vorausgesetzt die Dichte der Farbstoff/Polymermischung ist 1,06. Das Durchlassspektrum des wie oben beschrieben hergestellten, optischen Elementes ist in 2 dargestellt. Die Durchlässigkeit dieser Schicht war 38,3% für Wellenlänge (633 nm) des Steuerlichtes und 90,3% für die Wellenlänge (694 nm) des Signallicht.
In der optischen Apparatur von 1, welche die obigen Komponenten enthält, geht der optische Strahl des von einer optischen Quelle 1 emittierten Steuerlichtes durch den ND-Filter 3 zum Justieren der durchgelassenen Lichtintensität durch Anpassung der Durchlässigkeit, durch den Shutter 4, um das Steuerlicht impulsartig blinken zu lassen, und wird durch den halbdurchlässigen Spiegel 5 aufgesplittet.
Ein Anteil des durch den halbdurchlässigen Spiegel 5 gesplitteten Steuerlichtes wird von dem Fotodetektor 11 empfangen. Wenn das Verhältnis zwischen der Fotosignalintensität der Lichtstrahlabstrahlposition zum optischen Element 8 und der Fotosignalintensität des Fotodetektors 11 hier vorher in dem Status gemessen wird, bei dem die optische Quelle 2 aus ist, die optische Quelle 1 an ist und der Shutter 4 offen ist, und eine Kalibrierungskurve erstellt wird, kann die Fotosignalintensität des Steuerlichtes welches auf das optische Element 8 fällt, immer von der Fotosignalstärke am Fotodetektor 11 abgeschätzt werden. In diesem Ausführungsbeispiel wurde die Leistung des Steuerlichtes, welches auf das optische Element 8 fällt, durch den ND-Filter 3 so justiert, dass sie zwischen 0,5 mW und 25 mW lag.
Das Steuerlicht, welches abgesplittet war und von dem halbdurchlässigen Spiegel 5 reflektiert wurde, geht durch das Lichtmischinstrument 6 und die Kondensorlinse 7 und wird konvergiert und auf das optische Element 8 gestrahlt. Das Steuerlicht, dass durch das optische Element 8 gegangen ist, geht durch die lichtempfangende Linse 9, und wird von dem Wellenlängenauswahldurchlassfilter 20 blockiert.
Das von der optischen Quelle 2 emittiert Signallicht wird durch das Lichtmischinstrument 6 so gemischt, dass es dem gleichen optischen Pfad wie das Steuerlicht folgt, durch die Kondensorlinse 7 geht, wodurch es konvergiert wird und auf das optische Element 8 fällt. Nachdem das Licht durch das optische Element, durch die lichtempfangende Linse 9 und den Wellenlängendurchlassfilter 20 gegangen ist, wird es von dem Fotodetektor 22 empfangen.
Der Signallichtstrahl, der von der optischen Quelle 2 emittiert worden ist, wird durch das Lichtmischinstrument 6 so gemischt, dass es dem gleichen optischen Pfad wie das Steuerlicht folgt, die Kondensorlinse 7 passiert und dabei konvergiert wird und auf das optische Element 8 fällt. Nachdem das Licht durch das Element hindurch gegangen ist, die lichtempfangende Linse 9 und den Wellenlängenauswahldurchlassfiltern passiert hat, wird es von dem Fotodetektor 22 empfangen.
Der Test der optischen Steuerung wurde mit Hilfe der optischen Vorrichtung nach 1 durchgeführt, und die Fotosignalintensitätsveränderungen der 5 oder 6 wurden beobachtet. 111 ist das vom Fotodetektor 11 empfangene Lichtsignal, und 222 und 223 sind die empfangenen Lichtsignale des Fotodetektors 22 in den 5 und/oder 6. Der Unterschied zwischen den von dem Fotodetektor 22 empfangenen Lichtsignalen 222 und 223 sind wie folgt.
In der Vorrichtung von 1 werden das Steuerlicht und das Signallicht konvergiert und so angeordnet, dass Sie auf das optische Element 8 fallen. Wenn das Minimum der konvergierten Strahldurchmesserposition, das heißt die Strahlentaille, (Fokus), auf eine Position nahe der Kondensorlinse 7 des optischen Elementes 8 (Licht einfallende Seite) positioniert ist, wird die optische Antwort 222 in einer Richtung erhalten, in welcher das durch das optische Element hindurchgegangene Signallicht abgeschwächt wird. Wird umgekehrt die Strahlentaille auf eine Position nahe der lichtempfangenden Linse 9 des optischen Elementes (Licht emittierende Seite) positioniert, wird die optische Antwort 223 in einer Richtung erhalten, in welcher das durch das optische Element hindurchgegangene Signallicht verstärkt wird.
Es wird angenommen, dass der Mechanismus, wodurch so eine optische Antwort erzeugt wird, wie folgt ist.
Wenn das aus der Wellenlängenregion ausgewählte Steuerlicht, welches die oben genannte lichtabsorbierende Schicht absorbiert, konvergiert wird und auf das optische Element fällt, welches die lichtabsorbierende Schicht an der Kondensorlinse 7 umfasst, wird das Steuerlicht durch die lichtabsorbierenden Schicht absorbiert, ein Teil der absorbierten, optischen Energie wird in Wärmeenergie umgewandelt, die Temperatur des Steuerlicht bestrahlten Teils der lichtabsorbierenden Schicht steigt und die Temperatur der umgebenden Regionen, welches anschließend das Steuerlicht durch Wärmeleitung absorbiert, steigt auch. Wenn ein Gauß'scher Strahl als Steuerlicht genutzt wird, wird erwartet, dass die Verteilung der Temperatur ähnlich einer Gauß'schen Verteilung ist, welche im Zentrum des Strahls stärker wird und fortschreitend zu der Außenseite hin abnimmt. Wegen dieses Temperaturanstiegs und – verteilung kommt es zu einer Wärmeausdehnung in dem oben genannten Steuerlicht bestrahlten Teil der lichtabsorbierenden Schicht, und im Ergebnis steigt eine Dichte- und Brechungsindexverteilung mit dieser Verteilung. Der auf dieser Brechungsindexverteilung beruhende optische Effekt kann als eine "thermische Linse" bezeichnet werden. Wenn die Bestrahlung des Steuerlichtes, welches die thermische Linse bedingt, gestoppt wird, wird auch der durch die Lichtabsorption bedingte Temperaturanstieg beendet, die Dichteveränderung und die Brechungsindexverteilung verschwinden und die thermische Linse wird zerstört. Mit anderen Worten wird die thermische Linse reversibel erzeugt und entsprechend der Unterbrechung des Steuerlichtes vernichtet.
Betrachten wir nun die durch Wärmeabsorption gebildete, thermische Linse, wenn das Steuerlicht, das nicht konvergiert ist (Gauß'scher Strahl), durch eine relativ dünne lichtabsorbierende Schicht fällt, dann ist der Temperaturanstieg größer, die thermische Ausdehnung ist größer, und der Dichteabfall ist nahe dem Strahlenzentrum größer. Im Ergebnis wird eine Verteilung gebildet, bei der der Brechungsindex kleiner in der Nähe des Zentrums ist, und es kann angenommen werden, dass der optische Effekt äquivalent zu dem einer konkaven Linse ist. Es kann bezüglich des optischen Effektes der thermischen Linse, die gebildet wird, wenn konvergiertes Steuerlicht durch eine vergleichsweise dicke lichtabsorbierende Schicht fällt vermutet werden, dass die Energieverteilung des Strahlenquerschnittes von einer Gauß'schen Verteilung – bedingt durch den lichtabsorbierenden Effekt – abweichen wird, und eine einfache, konkave Linse nicht notwendigerweise gebildet wird.
Im Hinblick hierauf wurde die Fotosignalintensitätsverteilung des Querschnittes des Signallichtstrahls, der durch das optische Element fällt, und seine Veränderung gemessen. Um die Position der Strahlentaille (Fokus Fc) eines konvergierten Strahls innerhalb des optischen Elementes 8 zu verändern, wurde in den folgenden Messungen das optische Element 8 verschoben, während das Intervall (d₇₈+ d₈₉) zwischen der Kondensorlinse 7 und der lichtempfangenden Linse 9 fixiert war. Mit anderen Worten wurde die Entfernung zwischen dem optischen Element 8 und der Kondensorlinse 7 variiert, während der Abstand zwischen der Kondensorlinse 7 und der lichtempfangenden Linse 9 fixiert war, und das Positionsverhältnis zwischen den Brennpunkten des konvergierenden Steuerlichtes und Signallichtes auf dem gleichen optischen Pfad und dem optischen Element 8 variiert wurden.
In der Vorrichtung nach 1 wurde die lichtempfangende Linse hin zu einer größeren numerischen Apertur (z.B. 0,75) als die der Kondensorlinse 7 (0,65 für den Fall dieses Ausführungsbeispiels) verändert. Anstelle des Fotodetektors 22 wurde ein Fotointensitätsverteilungsmessgerät, welches mit einer Blende wie in 7 dargestellt, ausgerüstet ist, installiert, der gesamte durch das optische Element 8 hindurchgehende Lichtfluss wurde empfangen und durch die lichtempfangende Linse 9 konvergiert und so angeordnet, dass er auf den lichtempfangenden Teil 31 (effektiver Durchmesser 4 mm) des Fotosignalintensitätsverteilungsmessgerätes fällt, und die Fotosignalintensitätsverteilung eines Signallichtbündelquerschnittes gemessen wurde. Die Messergebnisse sind in den 8 bis 10 dargestellt. Wie in 7 dargestellt ist das Fotosignalintensitätsverteilungsmessgerät ein Gerät, das mit einer ersten Blende 32 mit einer Weite von 1 mm und einer zweiten Blende 33 mit einer Weite von 25 μm ausgerüstet ist, welche sich in der Längenrichtung der ersten Blende mit einer konstanten Geschwindigkeit relativ zum lichtempfangenden Teil 31 (effektive Durchmesser 4) – zum Beispiel von Punkt X an einem Punkt Y in 7 – verschiebt, das Fotosignalintensität des Lichtes, welches durch ein rechteckiges Fenster von 1 mm × 25 μm fällt, welches durch die beiden Blenden entsprechend der Verschiebung des Fensters gebildet wird, misst. Um die Fotosignalintensität entsprechend der Position des Fensters zu messen, kann der Ausgang des Detektors, welcher das durch das Fenster fallende Licht empfängt, zum Beispiel durch ein Speicheroszilloskop synchron mit der Verschiebegeschwindigkeit der zweiten Blende 33 aufgezeichnet werden. 8 bis 10 stellen die Fotosignalintensitätsverteilung eines optischen Strahlenquerschnittes eines Signallichtes dar, welches durch das Speicheroszilloskop – wie oben beschrieben – aufgezeichnet wurde. Die horizontale Achse (Position des Strahlenquerschnitts) entspricht einer Position in einer Richtung vom Punkt X zum Punkt Y in 7, und die vertikale Achse stellt die Fotosignalintensität dar.
8 ist die Fotosignalintensitätsverteilung, wenn das Steuerlicht nicht einfällt, und nur das Signallicht auf das optische Element 8 fällt. Die Fotosignalintensitätsverteilung ist in diesem Fall eine Verteilung, bei dem die Intensität im Zentrumsanteil hoch ist und graduell in Richtung Peripherie abfällt (Gauß'sche Verteilung).
9 ist die Fotosignalintensitätsverteilung des Signallichtquerschnittes, wenn das Steuerlicht unter der Bedingung einfällt, unter der die Strahlentaillenposition (Fokus Fc) des Steuerlichtes und des Signallichtes an eine Position nahe der Kondensorlinse 7 des optischen Elementes 8 (Licht einfallende Seite) gesetzt wird, und die optische Antwort 222 in einer Richtung, in welche die erscheinende Lichtsignalintensität abfällt, wenn das Steuerlicht einfällt, gemessen wird.
In diesem Fall ist die Fotosignalintensitätsverteilung im Zentrum schwächer und wächst an der Peripherie an. Die Fotosignalintensität im Zentrum des Signallichtstrahlquerschnitts fällt abhängig von der Steuerlichtintensität und dem Positionsverhältnis des optischen Elementes 8 und der Brennpunkte ab und erreicht 0, wenn die Steuerlichtintensität anwächst. Es könnte scheinen, als ob der Brechungsindex kleiner wird, je näher das Zentrum bedingt durch die Bestrahlung durch das Steuerlicht und das Licht in diesem Bereich in die Peripherierichtung des Strahls abgelenkt wird. Deshalb kann in diesem Fall die optische Antwort 222 in der Richtung, in der die Intensität des Signallichtes entsprechend der Unterbrechung des Steuerlichtes abfällt, mit einer ausreichenden Stärke durch Extrahieren nur des zentralen Anteils des Steuerlichtstrahls und Messung der erscheinenden Signallichtintensität extrahiert werden.
10 ist die Fotosignalintensitätsverteilung des Signalstrahlquerschnitts, wenn das Steuerlicht unter den Bedingungen einfällt, bei denen die Strahlentaillenposition (Fokus Fc) des Steuerlichtes und des Signallichtes auf eine Position in der Nähe der lichtempfangenden Linse 9 des optischen Elementes 8 (Licht emittierende Seite) festgesetzt wird, und die optische Antwort 223 in einer Richtung beobachtet wird, in welche die sichtbare Signallichtintensität anwächst, wenn das Steuerlicht einfällt. In diesem Fall ist die Fotosignalintensität im Zentrum stärker als die Fotosignalintensität im Zentrum, wenn das Steuerlicht nicht einfällt (8). Hier hängt die Fotosignalintensität im Zentrumsanteil des Signallichtstrahlquerschnitts von der Steuerlichtintensität und dem Verhältnis des optischen Elementes zur Position des Fokus ab, und es erscheint mehrfach die Intensität, wenn das Steuerlicht nicht einfällt. Das kann daran liegen, dass in dieser Anordnung der optische Effekt der thermischen Linse, welche durch das konvergierende, einfallende Steuerlicht gebildet wird, den Konvergenzpunkt des Signallichtes, welches konvergiert und auf dem gleichen Weg eingestrahlt wurde, außerhalb des optischen Elementes 8 projiziert (er kann ihn – abhängig von den Bedingungen – in die Unkenntlichkeit projizieren). Deshalb kann in diesem Fall die optische Antwort 223 in der Richtung, in der die Intensität des Signallichtes entsprechend der Unterbrechung des Steuerlichtes ansteigt, durch Extraktion nur des Zentralanteils des Signallichtstrahls und Messung der sichtbaren Signallichtintensität mit ausreichender Stärke extrahiert werden.
Wenn die numerische Apertur der lichtempfangenden Linse 9 größer gemacht wird als die der Kondensorlinse 7, und das gesamte Signallicht, welches durch die optische Element-Linse fällt, empfangen wurde, ist die optische Antwort auch dann klein oder effektiv Null, wenn das Signallicht, welches die obige Intensitätsverteilung hat, so angeordnet ist, dass es auf den Fotodetektor 22 fällt. Mit anderen Worten ist die optische Antwort klein oder effektiv Null, wenn das Steuerlicht und das Signallicht konvergiert werden und so angeordnet sind, dass sie auf die Kondensorlinse des optischen Elementes 8 fällt, oder wenn das Steuerlicht und das Signallicht konvergiert werden und so angeordnet werden, das es auf die lichtempfangende Linsenseite des optischen Elementes 8 fällt. Dies legt nahe, dass die Absorption in dem angeregten Zustand des Farbstoffes in dem optischen Element tatsächlich nicht passiert.
Wenn auf der anderen Seite die numerische Apertur der lichtempfangenden Linse 9 kleiner gemacht wird als die der Kondensorlinse 7 – wie in 1 dieses Ausführungsbeispiels dargestellt – wird der äußere umgebende Anteil des auf dem Fotodetektor 22 einfallenden Lichtes abgeschnitten. Wenn das Steuerlicht und das Signallicht konvergiert werden und so angeordnet sind, um auf der Kondensorlinsenseite (einfallenden Seite) des optischen Elementes 8 einzufallen, nimmt das auf den Fotodetektor 22 einfallende Licht ab, und wenn das Steuerlicht und das Signallicht konvergiert werden und so angeordnet werden, dass es auf die lichtempfangende Linsenseite (emittierende Seite) einfällt, nimmt das auf den Fotodetektor 22 einfallende Licht zu, und es wird eine große, optische Antwort erreicht.
Ein Test des Steuerlichtes wurde unter Nutzung der. optischen Vorrichtung von 1 durchgeführt, und die in den 5 und 6 dargestellten Fotosignalintensitätsveränderungen wurden gemessen. Die Einzelheiten sind wie folgt.
Zuerst wurde der optischen Pfad von jeder Lichtquelle, das Lichtmischinstrument 6 und der Kondensorlinse 7 so justiert, dass der optische Strahl des Steuerlichtes und der optische Strahl des Signallichtes auf einen Fokus Fc in demselben Bereich innerhalb des optischen Elementes gebracht wurden. Das Signallicht und das Steuerlicht wurden so angeordnet, dass es von der Abdeckglasseite des optischen Elementes 8 einfällt, und das optische Element wurde so angeordnet, dass es von der Objektträgerglassubstratseite abstrahlt. Als nächstes wurde die Funktion des Wellenlängenauswahlfilters 20 überprüft. Insbesondere wurde die Lichtquelle 2 ausgeschaltet, die Lichtquelle 1 wurde eingeschaltet, und es wurde sichergestellt, dass es überhaupt keine Antwort am Fotodetektor 22 gab, wenn der Shutter 4 geöffnet oder geschlossen wurde.
Bezugnehmend auf 5 wird der Fall beschrieben, bei dem der Fokus Fc auf der Kondensorlinsenseite (einfallenden Seite) des optischen Elementes 8 angeordnet ist.
Wenn die Steuerlichtquelle 1 bei geschlossenem Shutter 4 eingeschaltet war, und die Signallichtquelle 2 zu einer Zeit t₁ eingeschaltet war, um das optische Element 8 zu bestrahlen, wuchs die Signalintensität des Fotodetektors 22 vom Niveau C zu Niveau A an.
Wenn der Shutter 4 zu einer Zeit t₃ geschlossen war, und die Einstrahlung des Steuerlichtes auf das optische Element unterbrochen wurde, kehrte die Signalintensität des Fotodetektors 22 von Niveau B zu Niveau A zurück. Die Antwortzeit dieser Änderung war kleiner als 3 μs.
Wenn der Shutter 4 zur Zeit t₄ geöffnet und nachfolgend zu einem Zeitpunkt t₅ geschlossen wurde, fiel die Signalstärke des Fotodetektors 22 vom Niveau A zu Niveau B und kehrte nachfolgend auf Niveau A zurück.
Wenn die Quelle 2 zum Zeitpunkt t₆ ausgeschaltet wurde, ging der Ausgang des Fotodetektors ab und kehrte zum Niveau C zurück.
Als Nächstes wird mit Bezug auf 6 der Fall beschrieben, bei dem der Fokus Fc auf der empfangenden Linsenseite (emittierende Seite) des optischen Elementes 8 angeordnet ist.
Wenn die Steuerlichtquelle 1 bei geschlossenem Shutter 4 eingeschaltet und die Signallichtquelle 2 zum Zeitpunkt t₁ eingeschaltet wurde, um das optische Element zu bestrahlen, erhöhte sich die Signalintensität des Fotodetektors 22 von Niveau C auf Niveau A.
Wenn der Shutter 4 zum Zeitpunkt t₂ geöffnet wurde und das Steuerlicht konvergiert und auf dem gleichen optischen Pfad wie das Signallicht innerhalb des optischen Elementes 8 strahlte, erhöhte sich die Signalintensität des Fotodetektors 22 vom Niveau A auf Niveau D. Die Antwortzeit bei diesen Wechsel war weniger als 2 μs.
Wenn der Shutter 4 zum Zeitpunkt t₃ geöffnet wurde und die Einstrahlung des Steuerlichtes auf das optische Element unterbrochen wurde, kehrte die Signalintensität am Fotodetektor 22 von Niveau D auf Niveau A zurück. Die Antwortzeit auf diesen Wechsel war weniger als 3 μs.
Wenn der Shutter 4 zum Zeitpunkt t₄ geöffnet wurde und nachfolgend zum Zeitpunkt t₅ geschlossen wurde, erhöhte sich die Signalstärke am Fotodetektor 22 von Niveau A auf Niveau D und kehrte nachfolgend zum Niveau A zurück.
Wenn die Quelle 2 zum Zeitpunkt t₆ ausgeschaltet wurde, ging der Ausgang des Fotodetektors 22 zurück und erreichte das Niveau C.
Wenn man das obige zusammenfasst, kann man sagen, dass, wenn das Steuerlicht eine zeitliche Veränderung der Fotosignalintensität, wie sie durch die in 5 dargestellte Wellenform repräsentiert, auf das optische Element einstrahlt, verändert sich die Ausgangswellenform des Fotodetektors 22, welcher die Fotosignalintensität des Signallichtes überwacht, reversibel entsprechend der zeitlichen Veränderung der Fotosignalintensität des Steuerlichtes, wie es durch 222 oder 223 in den 5 oder 6 dargestellt ist. Mit anderen Worten wurde bestätigt, dass die Durchlässigkeit des Signallichtes durch Erhöhen und Absenken oder durch Einschalten und Ausschalten der Steuerlichtfotosignalintensität gesteuert werden kann, oder dass Licht durch Licht gesteuert werden konnte (Licht/Steuerlicht), und dass Licht durch Licht moduliert werden konnte (Licht/Modulationslicht).
Das Ausmaß der Veränderung der Fotosignalintensität des Signallichtes entsprechend der Unterbrechung des Steuerlichtes kann quantitativ durch einen Wert ΔT [Einheit der unten durch die Nutzung der Ausgangsniveaus A, B, %], und C des Fotodetektors 22 oder eines Wertes ΔT' [Einheit %], welcher durch A, C und D definierte ist, verglichen werden. ΔT = 100[(A – B)/(A – C)] ΔT' = 100 [(D – A)/(A – C)]
A ist das Ausgangsniveau des Fotodetektors 22, wenn die Signallichtquelle 2 eingeschaltet ist und das Steuerlicht ausgeschaltet ist. B und D sind die Ausgangsniveaus des Fotodetektors 22, wenn das Signallicht und das Steuerlicht kontinuierlich strahlen. C ist das Ausgangsniveau des Fotodetektors 22, wenn die Signallichtquelle 2 ausgeschaltet ist.
In dem obigen Beispiel wurde die Einfallenergie des Steuerlichtes auf 20 mW festgesetzt, und die Richtung und die Höhe der optischen Antwort des Signallichtes wurden untersucht, wenn die Position des optischen Elementes verschoben wurde. Der maximale Wert von ΔT der Antwort in der Richtung, in welcher die Signallichtintensität abnimmt war 80 Prozent, und der maximale Wert von ΔT' der Antwort in der Richtung, in welche die sichtbare Signallichtintensität abnimmt, war 40%.
Ausführungsbeispiel 2
Als nächstes wurde die optische Dichte der lichtabsorbierenden Schicht fixiert, und ein Experiment wurde durchgeführt, bei dem die Farbstoffdichte und Schichtdicke der lichtabsorbierenden Schicht variiert wurde.
Zunächst waren, wenn die Farbstoffdichte der lichtabsorbierenden Schicht aus Ausführungsbeispiel 1 verdoppelt wurde und die lichtabsorbierende Schicht auf 10 μm festgesetzt wurde, was der Hälfte des Falles vom Ausführungsbeispiel 1 war, die Beträge ΔT und ΔT' der optischen Antworten fast die gleichen wie diejenigen aus dem Ausführungsbeispiel 1.
Vergleichendes Beispiel 1
Es wurde ein optisches Element hergestellt, bei dem die Farbstoffdichte der lichtabsorbierenden Schicht in dem optischen Element von Ausführungsbeispiel 1 halbiert wurde, und die Schichtdicke der lichtabsorbierenden Schicht auf 40 μm festgesetzt wurde, das heißt dem Zweifachen der originalen Schichtdicke. Wenn ein optischer Antworttest durchgeführt wurde, war das Maximum von ΔT 68% und das Maximum von ΔT' 25%. Verglichen mit dem Fall des Ausführungsbeispiels 1 hat der Betrag der optischen Antwort klar abgenommen. Es kann vermutet werden, dass dies daran liegt, dass die Dicke der lichtabsorbierenden Schicht das Zweifache der konfokale Längendistanz des Steuerlichtes übersteigt und der Farbstoff im Vergleich zum Fall von Ausführungsbeispiel 1 verdünnt ist, so dass die Bildung der thermischen Linse bedingt durch die Absorption des Steuerlichtes mehr behindert wird als im Fall des Ausführungsbeispiels 1.
Vergleichendes Beispiel 2
Es wurde ein optisches Element hergestellt ohne die Farbstoffdichte und in der lichtabsorbierenden Schicht des optischen Elementes des Ausführungsbeispiels 1 zu verändern; es wurde nur die Dicke der lichtabsorbierenden Schicht auf 40 μm verändert, das heißt dem doppelten der originalen Dicke. Wenn ein optischer Antworttest durchgeführt wurde, waren die maximalen Werte von ΔT und ΔT' nicht schlechter als im Falle des Ausführungsbeispiels 1, aber die absoluten Werte der Signallichtdurchlässigkeit waren merkbar verkleinert, und das Signal-/Rauschverhältnis wurde für eine Hochgeschwindigkeitsantwort verschlechtert.
Ausführungsbeispiel 3
Unter Verwendung des Herstellungsverfahrens einer optischen Dünnschichtverbundstruktur, welches im japanischen Patent Nr. 2599569 beschrieben ist, wurde

(i) eine Wärmeschutzschicht nur bestehend aus Poly(2-Hydoypropylmethacrylat),
(ii) eine lichtabsorbierenden Schicht bestehend aus DODCI als Farbstoff und Poly(2-Hydoypropylmethacrylat) als Matrixharz, bei dem die Farbstoffdichte auf 1,25 × 10^–1 mol/l eingestellt wurde und
(iii) eine wärmeisolierende Schicht nur bestehend aus Poly(2-Hydoypropylmethacrylat) (Schichtdicke 10 μm) laminiert oder auf einem Objektträger (25 mm × 76 mm × 1,150 Dicke) als eine Wärmetransportschicht deponiert; ein Abdeckglas (18 mm × 18 mm × 0,150 Dicke) wurde als Wärmetransportschicht aufgesetzt, und die Anordnung wurde Wärme und Druck unter Vakuum (Vakuumheißdruck) ausgesetzt, um eine "Wärmeleitschicht/Wärmeisolationsschicht/Lichtabsorptionsschicht/Wärmeisolationsschicht/Wärmeleitschicht" als eine Form des optischen Elementes zu bilden.

Die schichtbildenden Bedingungen wurden so justiert, dass die Dicke der beiden Wärmetransportschichten (Glasplatten) wie oben beschrieben waren, und die Dicke der beiden Wärmeisolationsschichten 10 μm nach dem Vakuumheißdruck und die Dicke der lichtabsorbierenden Schicht 10 μm nach dem Vakuumheißdruck war.
Das Absorptionsspektrums des optischem Elementes des Ausführungsbeispiels 3, welches wie oben beschrieben hergestellt wurde, war das gleiche wie das des optischen Elementes des Ausführungsbeispiels 1 (2).
Die Richtung und der Betrag der optischen Antwort des Signallichtes wurde unter Nutzung dieses optische Element untersucht, wenn die einstrahlende Leistung wie im Ausführungsbeispiel 1 20 mW betrug. Der maximale Wert von ΔT der Antwort in Richtung, in welcher die Signallichtintensität abnahm, war 88%, und der maximale Wert von ΔT' der Antwort in der Richtung, in welcher die sichtbare Lichtintensität zunahm, war 46%. Mit anderen Worten war die optische Antwort größer als in dem Fall des Ausführungsbeispiels 2. Es sollte berücksichtigt werden, dass die Bildung der thermischen Linse sanft – bedingt durch die Wärmeisolationsschichten, welche die lichtabsorbierende Schicht Sandwich-artig umgeben – abläuft.
Auf der anderen Seite ist im Falle des Ausführungsbeispiels 2 die Farbstoffdichte in der lichtabsorbierenden Schicht und die Dicke der lichtabsorbierenden Schicht äquivalent zu dem des Ausführungsbeispiels 3, aber die optische Antwort ist gering. Es wird angenommen, dass, weil keine Wärmeisolationsschicht vorhanden ist, die Energie des Steuerlichtes, welche in der lichtabsorbierenden Schicht absorbiert wird, schnell von der Wärmetransportschicht aufgenommen wird, und das Ausbilden einer thermischen Linse verhindert wird.
Vergleichendes Beispiel 3
Es wurde ein optisches Element ohne eine Veränderung der Farbdichte in der lichtabsorbierenden Schicht des optischen Elementes des Ausführungsbeispiels 1 hergestellt, und es wurde nur die Dicke der lichtabsorbierenden Schicht um 0,01 Mal auf 0,2 μm verändert. Wenn der optische Antworttest durchgeführt wurde, konnte eine optische Antwort nicht ermittelt werden. Es wird angenommen, dass, weil der Farbstoffanteil der lichtabsorbierende Schicht gering ist, die durch die Absorption des Steuerlichtes abgestrahlte Wärme gering ist, und die durch die Absorption der Steuerlichtes bedingte Wärme schnell durch die Wärmetransportschicht, welche die Ausbildung einer thermischen Linse stört, abgeführt wird.
Ausführungsbeispiel 4
Es wurde eine konvexe Linse vom Typ einer Brechungsindexverteilungslinse aus einem anorganischen, glasartigen Material durch ein anorganisches Ionen-Diffusionsphänomen entsprechend dem Verfahren, welches in [M.Oikawa, K. Iga: Appl.Opt., 21(6), 1052-1056 (1982)] beschrieben ist, hergestellt. Eine Goldabscheidungsschicht wurde auf eine Masken-reflektierende Schicht auf einem Glassubstrat vorgesehen und ein rundes Fenster mit einem Durchmesser von 400 μm wurde durch Fotolithographie hergestellt. Als nächstes wurde die Anordnung in eine Salzschmelze getaucht und eine Brechungsindexverteilung wurde dadurch ausgebildet. Dieser Ionenaustausch wurde durch das Anlegen eines elektrischen Feldes über mehrere Stunden gefördert, und eine Linse mit einem Durchmesser von 0,9 mm, einer Brennweite von 2 mm und einer numerischen Apertur von NA = 0,23 wurde so ausgebildet.
Eine lichtdurchlässige Wärmeisolationsschicht einer Dicke von 2 mm bestehend aus Methyl-Polymethacrylate wurde durch das Spritzgussverfahren auf der reflektierenden Schichtseite auf diesem Glassubstrat aufgebracht.
Unter Verwendung des Herstellungsverfahrens einer optischen Dünnschichtverbundstruktur, welches im japanischen Patent Nr. 2599569 beschrieben ist, wurde

(i) eine lichtabsorbierende Schicht aus DODCI als Farbstoff und aus Poly(2-Hydoypropylmethacrylat) als Matrixharz, bei welchen die Farbstoffdichte der Farbstoff-/Polymerschicht auf 1,25 × 10^–1mol/l eingestellt wurde, auf ein lichtdurchlässige und ein Lage Wärmeisolationsschicht laminiert
(ii) eine Wärmeisolationsschicht bestehend Poly(2-Hydoypropylmethacrylat) (Schichtdicke 10 μm) wurde laminiert oder abgeschieden auf einer lichtabsorbierenden Schicht, ein Glas (18 mm × 18 mm × 0,1590 Dicke) wurde als Wärmeleitschicht aufgesetzt und die Anordnung wurde Wärme und Druck unter Vakuum (Vakuumheißdruck) ausgesetzt, um eine "konvexe Linse/lichtdurchlässige Wärmeisolationsschicht/Lichtabsorptionsschicht/Wärmeisolationsschicht/Wärmeleitungsschicht" als eine Form des optischen Elementes zu bilden. Die schichtbildenden Bedingungen wurden so eingestellt, dass die Dicke der Wärmeleitungsschicht und der Lichtabsorptionsschicht, die nach dem Vakuumheißdruck aus 10 μm Poly(2-Hydoypropylmethacrylat) bestand.

Das optische Element des Ausführungsbeispiels 4, welches wie oben beschrieben hergestellt wurde, wurde in eine optische Vorrichtung, welche identisch zu der des Ausführungsbeispiels 1 war, eingepasst, mit der Ausnahme, dass die Kondensorlinse entfernt wurde, und die numerische Apertur der lichtempfangenden Linse 0,1 war. Signallicht und Steuerlicht waren auf die Lochblenden, welche in der Reflexionsschicht des optischen Elementes des Ausführungsbeispiels 4 verfügbar sind, sind so angeordnet, dass sie senkrecht zum Einfall auf der Oberfläche des optischen Elementes durch eine konvexe Linse vom Typ Brechungsindexverteilungslinse, welche in dem Glassubstrat anstelle der Kondensorlinse 7 von Ausführungsbeispiel 1 ausgebildet ist, angeordnet sind. Als Signallicht wurde das Licht eines Halbleiterlasers, welcher eine kontinuierliche Schwingungsausgangsleistung von 3 mW bei einer Schwingungswellenlänge von 694 nm abgibt, Strahlen-geformt, um einen parallelen Gauß'schen Strahl mit einem Durchmesser von ungefähr 0,9 mm zu bilden. Für das Steuerlicht wurde das Licht, welches von einem Helium-Neon-Laser einer Schwingungswellenlänge von 633 nm ausgestrahlt wird, Strahlen-geformt, um einen parallelen Gauß'schen Strahl mit einem Durchmesser von ungefähr 0,9 mm zu bilden. Unter Einsatz der Gleichungen (2) und (4) war sowohl für das Signallicht als auch das Steuerlicht a/ω 1 und K war ungefähr 0,92. Der Strahlentailleradius ω₀ des Signal-lichtes war ungefähr 1,4 μm, und die konfokale Längendistanz Zc war etwa 8,7 μm. Der Strahlentaillenradius ω₀ des Steuerlichtes war ungefähr 1,3 μm, und die konfokale Längen in Distanz Zc war ungefähr 8,0 μm. Wie oben festgestellt war die Dicke der lichtabsorbierenden Schicht 10, und sie überschritt deshalb nicht das Doppelte der Brennweite des Steuerlichtes (ungefähr 16 μm).
Das Ausrichten der optischen Achse des Signallichtes und des Steuerlichtes wurde sehr einfach wie folgt durchgeführt. Zuerst fiel nur das Signallicht ein, und die optische Achse des Signallichtes (insbesondere die Installationsposition der Lichtquelle) wurde so ausgerichtet, dass der Betrag des Signallichtes, welches die Lochblenden in der reflektierenden Schicht durchdrangen, minimiert waren. Als nächstes wurde das Steuerlicht so ausgerichtet, dass es einfällt, und die optische Achse des Steuerlichtes (insbesondere die Installationsposition der Lichtquelle) wurde so ausgerichtet, dass der Betrag des Steuerlichtes, das durch die Lochblenden in der reflektierenden Schicht ging, ein Maximum war. Zum Ausrichten wurde der Wellenlängenauswahldurchlassfilter 20 zeitweise entfernt, und die Intensität des Steuerlichtes wurde mit dem Fotodetektor 22 gemessen.
Danach wurde die optische Antwort des optischen Elementes in der gleichen Weise wie im Fall des Ausführungsbeispiels 1 gemessen. Es wurde die gleiche Geschwindigkeit und die gleiche Stärke wie im Fall des Ausführungsbeispiels 1 gemessen.
Ausführungsbeispiel 5
Beispielsweise wurde eine Titanplatte 210 von 5 mm Dicke und 100 mm im Quadrat zur Herstellung einer Presseplatte 201 verarbeitet. Es wird ein Beispiel beschrieben, wie diese zur Herstellung eines Mikrolinsen enthaltenden optischen Elementes mit Bezug auf die 11 bis 15 genutzt wurden. 11 und 12(a) sind Schnittansichten der Platte und/oder des optischen Elementes in denen Lochblenden entlang der Linien A-A' und B-B' ausgebildet werden, und (b) ist ein Aufriss.
Wie in 11 dargestellt wurde eine Oberfläche der Titanplatte 210 poliert, um eine Spiegeloberfläche zu bilden, eine Fotolackschicht 202 mit einer Dicke von ungefähr 1 μm wurde darauf unter Nutzung eines Schleuderbeschichters mittels einer Beschichtungsmethode aufgebracht und runde Lochblenden 230 mit einem jeweiligen Durchmesser von 25 μm wurden als Gitterpunkte mit einem Raster von 0,1 mm durch Nutzung eines Reduktionsprojektionverfahrens gestaltet. Als nächstes wurde wie in 12 dargestellt eine Ätzbehandlung mit einem Hochfrequenz-Plasma-Ätz-Verfahren unter Einsatz von Carbon-Tartafloirid-Gas (CF₄) vorgenommen, welches eine gute bekannte Technik im Halbleiterherstellungsprozess ist. Der Druck während der Redaktion war 6,5 × 10^–4 Pa, und die Hochfrequenzleistung war 400W. Zur gleichen Zeit, in der der Ätzprozess in die Tiefenrichtung des Titans, welches die Metallplatte ist, voranschreitet, wurde auch die Peripherie der kreisförmigen Lochblenden 230 des Fotolackes – auch bedingt durch eine Kollision von in dem Hochfrequenzplasma beschleunigten Ionen oder Elektronen – geätzt. Die Ätzzeit wurde so eingestellt, dass der Durchmesser, der zu Beginn des Ätzens 25 μm war, schließlich 45 μm erreichte. Indem der Durchmesser der kreisförmigen Lochblenden des Fotolackes anwächst schreitet das Ätzen nicht nur in der Tiefenrichtung voran, sondern auch in einer Richtung, die sich mit dieser senkrecht schneidet, so dass der Querschnitt der Lochblenden 203 einen Kreisbogen bildet. Im Falle von Hochfrequenzplasmaätzen, werden isotropisches, chemisches Ätzen und anisotropisches, physikalisches Ätzen generell gemischt, und Bedingungen wie die Art des Gases, der Druck und die Hochfrequenzleistung können das Verhältnis von Isotropie und Anisotropie ändern. Durch Justieren der Ätzbedingungen (Art des Gases, des Druckes und der Hochfrequenzleistung) zur Verstärkung des isotropischen Ätzens war es beispielsweise möglich, die Steuerung derart durchzuführen, dass der Kurvenradius des kreisförmigen Querschnitts der erhaltenen Lochblenden einen vergleichsweise hohen Wert von 102 μm hatte. Auf der anderen Seite wurde anisotropisches Ätzen verstärkt, wenn zum Beispiel der Druck im Vergleich zu den vorherigen Ätzbedingungen reduziert wurde, und die Hochfrequenzleistung auf 450 W erhöht wurde, und so wurde der Kurvenradius des Bogenquerschnittes der erhaltenen Lochblenden auf 43 μm reduziert.
Die gleiche Steuerung wie diese kann auch durch die Auswahl des Fotolackes erreicht werden. Insbesondere wurde bei der Durchführung des Härtens bei hohen Temperaturen, so dass die Härte nach dem Nachhärten anstieg, und wenn ein Fotolack, der besonders hart gegenüber Ätzgas ist, verwendet wurde, der Kurvenradius des Bogenquerschnitts der erhaltenen Lochblenden kleiner. Somit ist es möglich, durch die Kontrolle der Ätzbedingungen den Kurvenradius des Querschnittes der Lochblenden 203 der Andruckplatte 201 zu kontrollieren, und die Andruckplatte 201 kann mit jeder gewünschten Querschnittsform hergestellt werden. Nach dem Ätzprozess und nachfolgend auf die Entfernung des Fotolackes (Waschen) wurde die Originalandruckplatte 201 durch chemisches Polieren zu einer Spiegeloberfläche poliert, um so die Oberflächenrauhigkeit zu reduzieren.
Ein Polymethlymethacrylatpulver 204, das durch Mehrfachfällung gereinigt und einem Vakuum zur Entfernung von flüchtigen Komponenten ausgesetzt wurde, wurde auf die Oberfläche dieser Druckplatte 201, die wie oben beschrieben hergestellt wurde, aufgetragen (13(a)). Ein Glassubstrat 205 einer Dicke von ungefähr 2 mm wurde darauf platziert (13(b)) und Polymethlymethacrylat wurde zwischen das Glassubstrat 205 und die Andruckplatte 201 durch das Vakuumheißpressverfahren eingefüllt (japanisches Patent 1882011), um so ein Linsenfeld 206 auszubilden (14).
Nach dem Abkühlen wurde die Andruckplatte 201 abgelöst, um das Polymethlymethacrylat-Linsenfeld 206 auf dem Glassubstrat 205, wie in 15 dargestellt, zurückzulassen.
Ausführungsbeispiel 6
Die Form der konkaven Oberfläche 3 wurde durch die Kontrolle der Herstellungsbedingungen der Linsenplatte 1, durch das Verfahren, welches im Ausführungsbeispiel 1 beschrieben wurde und in 17 dargestellt ist, gesteuert. Eine konvexe Linse 7 mit einem effektiven Aperturradius von 250 μm, einer Brennweite von 1,00 mm und einer numerischen Apertur NA von 0,25 wurde auf dem Glassubstrat 186 (Dicke 1,150 mm) gebildet, und eine konvexe Linse 89 mit einem effektiven Aperturradius von 130 μm, einer Brennweite von 1,00 mm und einer numerischen Apertur NA von 0,13 wurde auf einem Glassubstrat 182 (Dicke 1,500 mm) unter Nutzung von Polymethlymethacrylat (Brechungsindex 1,49) ausgeformt. Die Linsenplatte wurde im letzten Schritt des Herstellungsprozesses des optischen Elementes entfernt, um die konvexen Linsen 87 und 89 zu schützen. Die Glassubstrat 182, 186 fungieren beide als lichtdurchlässige/wärmeleitende Schicht.
Die obige "Brennweite" ist ein Wert, der erhalten wird, wenn die konvexen Linsen 87, 89 als plankonvexe Linsen fungieren, die flachen Oberflächen, welche an einem Glassubstrat anliegen (Brechungsindex 1,51), haben, paralleles Licht von der Glassubstratseite einstrahlt und das Licht zu einem Fokus in der Luft (Brechungsindex 1) gebracht wird. Wenn paralleles Licht in der anderen Richtung einstrahlt, das heißt von der Luftseite, muss die Position des Brennpunktes unter Berücksichtigung der Wellenlänge des Lichtes und des Brechungsindexes des Mediums, durch welche das Licht hindurchgeht bis es seinen Brennpunkt erreicht, berechnet werden. Beispielsweise wird es – wie in 17 dargestellt – durch die konvexe Linse 87 konvergiert, geht durch Glas mit einem Brechungsindex von 1,51 und einem Brechungsindex von 1,510 mm und geht durch die lichtabsorbierende Schicht 80 mit einem Brechungsindex von 1,51. Wenn es innerhalb dieser Distanz auf einem Brennpunkt gebracht wird, wird die "Brennpunktlänge r" zu etwa 1,51 +– (konfokale Längendistanz Zc)/2 berechnet. Wenn auf der anderen Seite Licht von diesem Fokus imitiert, durch die lichtabsorbierende Schicht 80 geht, durch das Medium mit einem Brechungsindex von 1,51 geht, durch Glas der Dicke 1,50 mm geht und zu einem parallelen Strahl durch die konvexe Linse 89 zurück gebildet wird, wird die „Brennweite r" auch zu ungefähr 1,51 +– (konfokale Längendistanz Zc)/2 berechnet. Mit anderen Worten kann ein Signallicht S2, welches als paralleler Strahl einfällt generell als paralleler Strahl entnommen werden, wenn die Dicke der lichtabsorbierenden Schicht 80 in dem optischen Element, welches einen in 17 dargestellten Aufbau aufweist, so hergerichtet ist, dass sie kleiner als 100 μm ist.
Um das optische Element 80 herzustellen, wurden 23,0 mg 3,3'Diethyloxadicarbicyanin-Jodid (allgemeinen Name DODCI) und 1977,0 mg Polymethylmethacrylat in 200 ml Aceton aufgelöst, die resultierende Lösung wurde in 1300 ml n-Hexan eingerührt, der Ausfall (Farbstoff und Polymermischung), der sich abschied, wurde gefiltert, mit n-Hexan gewaschen und unter reduziertem Druck getrocknet, und das Produkt wurde pulverisiert. Die erhaltene Farbstoff- und Polymerpulvermischung wurde zwei Tage auf 100 °C in einem Ultrahochvakuum von weniger als 10^–5 Pa erhitzt, flüchtige Komponenten wie Restlösungsmittel wurden komplett entfernt, und es wurde so ein Pulver einer Farbstoff-/Polymermischung erhalten. 35 mg dieses Pulvers wurden zwischen das Glassubstrat 186 und das Glassubstrat 182 eingefüllt, unter Vakuum auf 150 °C erhitzt, und das Pulver wurde zwischen die Glasplatten. (Vakuumheißpressverfahren) gepresst. Auf diese Weise wurde die lichtabsorbierende, Farbstoff/Polymer enthaltende Schicht 80 (Dicke 50μm) sandwich-artig zwischen die Glassubstrate eingebracht. Die Positionen der Glasplatten 186, 182 wurden schließlich so justiert, dass die optischen Achsen der konvexen Linsen 87, 89 übereinander lagen. Insbesondere wurden Referenzlinsen zuerst zur Positionierung einer Linsenplatte die zwischen den Glasplatten 186, 182 ein gepresst waren, markiert, die Positionen der Lochblenden 203 wurde und auf der Basis dieser Linien festgestellt, zwei Linsenplatten entsprechend den konvexen Linse in 87, 89 wurden vorbereitet und die Positionen wurden so justiert, dass die optischen Achsen der beiden Linsen basierend auf diesen beiden Referenzlinien aufeinander fiel.
Es wurde die Dichte der Farbstoff/Harzmischung mit 1,06 und die Farbstoffkonzentrationen in der lichtabsorbierenden Schicht mit 2,5 × 10^–2 mol/l berechnet. Die Durchlässigkeit der Schicht war bei einer Wellenlänge (633 nm) des Steuerlichtes S1 28,3% und bei einer Wellenlänge (694 nm) des Signallichtes S2 90,2%.
Als letzten Schritt des Herstellungsprozesses wurde das einem Vakuumheißpressen ausgesetzten optischen Element auf Zimmertemperatur abgekühlt und der Atmosphäre ausgesetzt, und die Linsenplatte wurde entfernt.
In dem obigen Ablauf wurde die lichtabsorbierende Schicht 80 nach der Ausbildung der konvexen Linsen auf dem Glassubstrat hergestellt; der Ablauf kann auch umgedreht werden, das heißt, dass die konvexen Linsen 87, 89 auf der Oberfläche der Glassubstrate 182, 186 ausgebildet werden können, während man sich nach der Herstellung der lichtabsorbierenden Schicht 80 darum kümmern kann, die optischen Achsen der beiden konvexen Linsen auszurichten.
Die lichtabsorbierende Schicht 80 kann auch zur gleichen Zeit wie die beiden konvexen Linsen 87, 89 ausgebildet werden.
In diesem Fall ist es wichtig, die Herstellbedingungen sorgfältig zu kontrollieren, so dass die Dicke der lichtabsorbierenden Schicht 80 über dem Planwert liegt, so dass die optischen Achsen der beiden konvexen Linsen übereinstimmen.
Um die optische Antwort des wie oben beschriebenen hergestellten optischen Elementes zu untersuchen, wurde das optische Element in der Messapparatur, welcher einen Aufbau wie in 18 dargestellt hatte, eingebaut.
In der in 18 dargestellten Vorrichtung sind die Kondensorlinse 7, das schichtartige, optische Element 8 und die lichtempfangende Linse 9 der in 1 dargestellten Vorrichtung durch die konvexen Linsen 87, 89, die Glassubstrate 186, 182 und das die lichtabsorbierende Schicht 80 enthaltende optische Element ersetzt.
Als Quelle 101 für das Steuerlicht S1 wurde ein Helium-Neon-Laser (Schwingungswellenlänge 633 nm, paralleler Strahl mit einem Durchmesser von ungefähr 120 μm, Gauß'sche Energieverteilung des Strahlenquerschnittes) eingesetzt.
Auf der anderen Seite wurde als Quelle 102 des Signallichtes S2 die Strahlung eines Halbleiterlasers (Schwingungswellenlänge 694 nm, kontinuierliche Schwingungsausgangsleistung 3 mW) Strahlen-geformt, um einen parallelen Gauß'schen Strahl mit einem Durchmesser von ungefähr 0,5 mm zu bilden.
Als ein ND-Filter 103 wurde der gleiche Filter wie der ND-Filter 3 des Ausführungsbeispiels 1 eingesetzt.
Ein Shutter 104 wurde genutzt, um zu bewerkstelligen, dass der kontinuierlich strahlende als Steuerlicht eingesetzte Laser in einer impulsartigen Weise blinkt. Der mechanische Shutter wurde in Verbindung mit einem opto-akustischen Element eingesetzt.
Der halbdurchlässige Spiegel 150 wurde eingesetzt, um permanent die Fotosignalintensität des Steuerlichtes S1 zu überwachen.
Als Fotodetektoren 11 und 22 wurden Fototransistoren verwendet. Das empfangene Lichtsignal der Fotodetektoren 11, 22 wurde mit einem Oszilloskop überwacht (nicht dargestellt).
Als Lichtmischinstrument 106 wurde ein zweifarbiger Spiegel genutzt und so justiert, dass die optische Achse des Steuerlichtes S1 und des Signallichtes S2 zusammenfielen.
Weil der effektive Aperturradius a auf der einstrahlenden Seite der konvexen Linse 87 250 μm beträgt, und die numerische Apertur NA 0,25 beträgt, ist K ungefähr 3 für ein Steuerlicht der Wellenlänge von 633 nm und einem Strahlendurchmesser von 120 μm; und deshalb ist der Strahlenradius wo des Lichtstrahls in der Region, in der die Photonendichte in der Umgebung des Brennpunktes der konvexen Linse 87 auf der einfallenden Seite am höchsten ist, das heißt der Strahlentaille, ungefähr 4 μm, und die konfokale Länge Zc beträgt 72 μm.
Entsprechend ist K ungefähr 0,92 für eine Signallichtwellenlänge von 694 μm und einen Strahlendurchmesser von 0,5 mm, und der Strahlenradius ω₀ des Lichtstrahls in der Strahlentaille ist ungefähr 2,5 μm, und die konfokale Länge Zc beträgt 27 μm. Mit anderen Worten beträgt für dieses optische Element das Verhältnis des Betrages des Steuerlichtstrahls zu dem des Signallichtstrahls ungefähr 8:5 in Bezug auf den Strahlendurchmesser und ungefähr 5:2 in Bezug auf den Strahlenquerschnitt, das heißt, dass das Steuerlicht intensiver ist. Auch war die Schichtdicke der lichtabsorbierenden Schicht 80 50 μm und überschritt nicht das Doppelte der konfokale in Länge Zc des Steuerlichtes (72 μm).
Die konvexe Linse 89 der lichtempfangenden Seite ist ein Mittel zur Wiederherstellung des Signallichtes und Steuerlichtes in einem parallelen Strahl, welches durch die konvexe Linse 87 auf der einstrahlenden Seite konvergiert wurde, auf die lichtabsorbierende Schicht 80 fiel und durch das Glassubstrat 182 über die lichtabsorbierende Schicht von dem Glassubstrat 186 fiel. Um ein Signallicht von ausreichender Größe mit guter Reproduzierbarkeit zu erhalten, ist es wünschenswert, eine Linse mit einer kleineren Apertur als diejenige der konvexen Linse 87 auf der einfallenden Seite zu benutzen. Entsprechend diesem Ausführungsbeispiel wurde eine Linse mit einer numerischer Apertur von 0,13 als konvexe Linse 89 auf der Licht einfallenden Seite eingesetzt, das heißt, dass die numerische Apertur der konvexen Linse 89 an der lichtempfangenden Linse kleiner gemacht wurde als die numerische Apertur von 0,25 der konvexen Linse 87 auf der einfallenden Seite.
Als Wellenlängenauswahldurchlassfilter 120 wurde der gleiche Filter wie der Filter 20 in Ausführungsbeispiel 1 eingesetzt.
In der optischen Apparatur der 18 mit vorangegangenem besprochenen Aufbau fällt der durch die Lichtquelle 101 emittierte Steuerlichtstrahl durch den ND-Filter 103 zum Abgleich durch Erhöhung oder Absenken der Durchlässigkeit der durchgehenden Lichtintensität, passiert den Shutter 104, der bewirkt, dass das Steuerlicht in einer impulsartigen Weise blinkt, und wird durch den halbdurchlässigen Spiegel 150 aufgesplittet.
Im Fall des Ausführungsbeispiels 1 ist die Leistung des Steuerlichtes, welches auf das optische Element fällt, von 0,5 mW bis 25 mW am ND-Filter 103 eingestellt.
Der Steuerlichtes wird aufgesplittet und durch den halbdurchlässigen Spiegel 105 reflektiert, passiert das Lichtmischgerät 106 und die konvexe Linse 87 auf der einfallenden Seite und wird konvergiert und in Richtung der lichtabsorbierenden Schicht 80 in dem optischen Element abgestrahlt. Nachdem der Steuerlichtstrahl, der durch das optische Element hindurch geht, durch die konvexe Linse 89 auf der lichtempfangenden Seite geht, wird er durch den Wellenlängenauswahldurchlassfilter 120 blockiert.
Der Signallichtstrahl S2, der von der Quelle 102 ausgeht, wird mit Hilfe des Lichtmischgerätes 106 gemischt, so dass er sich entlang derselben optischen Achse wie das Steuerlicht S1 ausbreitet, durch die konvexe Linse 87 auf der lichteinfallenden Seite fällt und konvergiert und auf das optische Element eingestrahlt wird. Das Licht, welches durch das optische Element hindurchgegangen ist, fällt durch die konvexe Linse 89 auf der lichtempfangenden Seite und den Wellenlängenauswahldurchlassfilter 120, und wird von dem Fotodetektor 22 empfangen.
Ein Lichtkontrollversuch wurde unter Nutzung der optischen Vorrichtung von 18 ausgeführt, und die in den 5 oder 6 dargestellten Fotosignalintensitätsveränderungen wurden wie im Falle des Ausführungsbeispiels 1 beobachtet. In 5 und/oder 6 ist 111 das empfangene Lichtsignal an dem Fotodetektor 11, und 222 und 223 sind die empfangenen Lichtsignale am Fotodetektor 22. Die Differenzen der erhaltenen, von dem Fotodetektors 22 empfangenen Lichtsignale 222, 223 sind wie folgt.
In dem Aufbau der 18 werden das Steuerlicht S1 und das Signallicht S2 konvergiert und so angeordnet, dass sie auf die lichtabsorbierende Schicht 80 in dem optischen Element einfällt. Wenn die konvexe Linse 87 in der Herstellung fein justiert ist, so dass die Positionen des minimal konvergierten Strahlendurchmessers, das heißt, dass der Brennpunkt Fc in der Nähe der konvexen Linse 87, auf der einstrahlenden Seite der lichtabsorbierenden Schicht 80 (Licht einfallenden Seite) ist, nimmt die optische Antwort 222, welche in der Richtung erhalten wird, in welcher das Signallicht S2, welches durch das optische Element hindurch geht, ab.
Auf der anderen Seite nimmt die optische Antwort 223, welche in der Richtung erhalten wird, in welcher die erscheinende Intensität des Signallichtes S2, welches das optische Elemente passiert, zu, wenn die konvexe Linse 87 in de Herstellung fein justiert wurde, so dass der Fokus Fc nahe an der konvexen Linse 89 auf der empfangenden Seite der lichtabsorbierenden Schicht 80 (licht emittierende Seite) liegt.
Dieses Phänomen kann durch einen thermischen Linseneffekt, der in der Region 85 in der lichtabsorbierenden Schicht 80 wie im Fall des Ausführungsbeispiels 1 gebildet wird, erklärt werden.
Industrielle Anwendung
Wie oben beschrieben kann ein Signallicht im nahen Infrarotbereich mit dem optischen Steuerverfahren und der Steuervorrichtung dieser Erfindung beispielsweise mit einem Laserlicht im sichtbaren Bereich mit geringer Energie als Steuerlicht mit guter Genauigkeit durch einen sehr einfachen optischen Aufbau ohne Nutzung irgendwelcher elektronischer Schaltkreise und mit einer ausreichend schnellen Antwort für praktische Anwendungen moduliert werden. Darüber hinaus ist die Ausrichtung der optischen Achsen des Steuerlichtes und des Signallichtes einfach zu bewerkstelligen, und eine kompakte optische Steuervorrichtung kann bereitgestellt werden.

Claims

Lichtsteuerverfahren zur Intensitätsmodulation und/oder Lichtflussdichte-Modulation, mit Konvergieren eines Steuerlichtes (S1) und eines Signallichtes (S2) mit unterschiedlichen Wellenlängen; Ausstrahlen des Steuerlichtes (S1) und des Signallichtes (S2) auf einen Lichtabsorptionsfilm (80), um eine thermische Linse basierend auf einer reversiblen Brechungsindexverteilung herzustellen; wobei mindestens genanntes Steuerlicht (S1) auf einen Fokus (Fc) auf genannten Lichtabsorptionsfilm (80) gebracht wird, um so einen Temperaturanstieg in der Region (85) des genannten Lichtabsorptionsfilm (80), welcher genanntes Steuerlicht (S1) absorbiert, und der umgebenden Region zu erhalten; und die Wellenlänge des genannten Steuerlichtes (S1) aus dem Absorptionsband des genannten Lichtabsorptionsfilms (80) ausgewählt ist; und die Dicke des genannten Lichtabsorptionsfilms (80) nicht das Doppelte der konfokalen Länge (Zc) des konvergierenden Steuerlichtes (S1) überschreitet, wobei die konfokale Länge der Abstand eines Intervalls ist, über das der Lichtfluss als im wesentlichen parallel in der Umgebung der Strahlentaille angesehen werden kann, und ein lichtdurchlässiger Wärmeisolationsfilm, den genanntes Steuerlicht (S1) und genanntes Signallicht (S2) passiert, und ein Wärmeübertragungsfilm, den genanntes Steuerlicht (S1) und genanntes Signallicht (S2) passiert, auf genanntem Lichtabsorptionsfilm in der Zusammensetzung Lichtabsorptionsfilm/Wärmeisolationsfilm/Wärmeübertragungsfilm vorhanden sind.
Lichtsteuerverfahren nach Anspruch 1, bei dem der lichtdurchlässige Wärmeisolationsfilm und Wärmeübertragungsfilm am genannten Lichtabsorptionsfilm (80) in einer der folgenden Zusammensetzungen, die aus den Kombinationen (a) und (b) ausgewählt sind, vorhanden sind: (a) Wärmeübertragsfilm/Lichtabsorptionsfilm (80)/Wärmeisolationsfilm/Wärmeübertragungsfilm (b) Wärmeübertragungsfilm/Wärmeisolationsfilm Lichtabsorptionsfilm (80)/Wärmeisolationsfilm/Wärmeübertragungsfilm.
Lichtsteuerverfahren nach Anspruch 1 oder 2, mit Laminierung eines lichtdurchlässigen Films auf genanntem Lichtabsorptionsfilm (80), Wärmeisolationsfilm oder lichtreflektierenden Film, und Laminierung einer konvexen Linse (87), die als Konvergenzmittel für genanntes Steuerlicht (S1) auf der Einfallseite genannten Steuerlichtes auf genanntem lichtdurchlässigen Film wirkt.
Lichtsteuerverfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der Signallicht(S2)-fluss in der Region, die stark durch eine Intensitätsmodulation und/oder Lichtflussdichte-Modulation beeinflusst wird, getrennt extrahiert wird durch die Extraktion eines Signallicht(S2)-flusses, welcher divergiert, nachdem er durch genanntes optisches Element (8) innerhalb eines Winkelbereiches, der kleiner als der Divergenzwinkel von genanntem Signallicht(S2)-fluss ist, gegangen ist.
Lichtsteuervorrichtung, die eine Intensitätsmodulation und/oder Lichtflussdichte-Modulation ausführt, mit einer Steuerlichtquelle (1), die ein Steuersignal (S1) aussendet; einer Signallichtquelle (2), die ein Signallicht (S2) aussendet, das eine zum Steuerlicht unterschiedliche Wellenlänge hat; einem Lichtabsorptionsfilm (80); Konvergenzmitteln zur jeweiligen Konvergenz eines Steuerlichtes (S1) und eines Signallichtes (S2) und zur Anordnung des optischen Weges von genanntem Steuerlicht (S1) und Signallicht (S2), so dass die Regionen, in welcher die Photonendichte am höchsten ist, in der Umgebung der Foki von genanntem Steuerlicht (S1) und Signallicht (S2) überlappen; und wobei genannter Lichtabsorptionsfilm (80) in einer Position angeordnet ist, bei der die Regionen, in denen die Photonendichten in der Umgebung der Foki von genanntem Steuerlicht (S1) und Signallicht (S2) am höchsten sind, überlappen, so dass ein Temperaturanstieg in der Region (85) von genanntem Lichtabsorptionsfilm (80), welcher genanntes Steuerlicht (S1) absorbiert, und der umgebenden Region erzeugt wird, um eine thermische Linse basierend auf einer reversiblen Brechungsindexverteilung zu erhalten; die Wellenlänge von genanntem Steuerlicht (S1) aus dem Absorptionsband von genanntem Lichtabsorptionsfilm (80) ausgewählt ist; und die Dicke des genannten Lichtabsorptionsfilm (80) nicht das Doppelte der konfokalen Länge (Zc) des konvergierenden Steuerlichtes (S1) überschreitet, wobei die konfokale Länge der Abstand eines Intervalls ist, über das der Lichtfluss als im wesentlichen parallel in der Umgebung der Strahlentaille angesehen werden kann, und wobei ein lichtdurchlässiger Wärmeisolationsfilm, den genanntes Steuerlicht (S1) und genanntes Signallicht (S2) passiert, und ein Wärmeübertragungsfilm, den genanntes Steuerlicht (S1) und genanntes Signallicht (S2) passiert, auf genanntem Lichtabsorptionsfilm (80) in der Zusammensetzung aus Lichtabsorptionsfilm (80)/Wärmeisolationsfilm/Wärmeübertragungsfilm vorhanden ist.
Lichtsteuervorrichtung nach Anspruch 5, bei dem der lichtdurchlässige Wärmeisolationsfilm und Wärmeübertragungsfilm am genannten Lichtabsorptionsfilm (80) in einer der Zusammensetzungen, die aus den folgenden Kombinationen (a) und (b) ausgewählt sind, vorhanden sind: (a) Wärmeübertragsfilm/Lichtabsorptionsfilm (80)/Wärmeisolationsfilm/Wärmeübertragungsfilm (b) Wärmeübertragungsfilm/Wärmeisolationsfilm/Lichtabsorptionsfilm (80)/Wärmeisolationsfilm/Wärmübertragungsfilm.
Lichtsteuervorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, bei der ein lichtdurchlässiger Film auf genanntem Lichtabsorptionsfilm (80), Wärmeisolationsfilm oder lichtreflektierenden Film laminiert ist, und eine konvexen Linse (87), die als ein Konvergenzmittel für genanntes Steuerlicht (S1) dient, auf der Einfallseite des genannten Steuerlichtes (S1) auf genanntem lichtdurchlässigen Film laminiert ist.
Lichtsteuervorrichtung nach Anspruch 5, 6, oder 7, mit Mitteln, welche separat den Signallicht(S2)-fluss in einer Region extrahiert, die stark durch eine Intensitätsmodulation und/oder Lichtflussdichte-Modulation beeinflusst wird, durch die Extraktion von genanntem Signallicht(S2)-fluss, welcher divergiert, nachdem er durch genanntes optisches Element (8) innerhalb eines Winkelbereiches, der kleiner als der Divergenzwinkel von genanntem Signallicht(S2)-fluss ist.