JP2001503158A

JP2001503158A - 集積ビーム形成器及びその製造方法

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Publication number: JP2001503158A
Application number: JP10519713A
Authority: JP
Inventors: アレキサンダーリッキン
Original assignee: Physical Optics Corp
Current assignee: Physical Optics Corp
Priority date: 1996-10-21
Filing date: 1997-10-20
Publication date: 2001-03-06
Also published as: EP0934488A4; EP0934488A1; WO1998017943A1

Abstract

(57)【要約】ｉ）ノンイメージ基端と、ii）ノンイメージ先端とを有する固体ノンイメージ光学手段（４０）と、屈折先端を含む、上記ノンイメージ先端に密に対接された固定屈折光学手段（５０）と、及び上記屈折先端上に密に形成されたホログラフ面拡散体とより成る固体集積ビーム形成器。この固体集積ビーム形成器はコンパクトで廉価であり正確な光分布が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】集積ビーム形成器及びその製造方法発明の背景１．発明の分野本発明は一般に照明の分野に関するものである。より詳細には、本発明は遠隔光源用のビーム形成器に関するものである。特に、本発明の好ましい実施例は面拡散体を有する固体集積ビーム形成器に関するものである。このように本発明は集積タイプのビーム形成器に関するものである。２．関連技術の検討本発明の明細書中には、いくつかの公報をカッコ内のアラビア数字によって示す。これら及びその他の刊行物の開示事項は請求の範囲の直前における明細書の最後に示す。これら全ての刊行物の開示は本発明の背景と従来技術の説明するために援用する。１８８０年にWilliam Wheelerは、反射膜を有する並んでいるパイプを通して、多数の位置に中心光源から配分“パイピング”する光の機構に関する特許を取得した（１）。然しながら、１９７０年迄は遠隔照明のための、人毛の厚みほどの直径を有する低損失のガラス光ファイバーが実施された。遠隔光源（ＲＳＬ）照明システムが、最近種々の研究員及び製造業者の注意をひき始めているが彼らの主努力は３つのＲＳＬサブシステム、照明器具及び光ファイバーのうちの２つにのみを開発することに集中している。第３のサブシステムである先端装置は、従来の複数素子屈折レンズ装置に限定されてきた。ノンイメージ光学手段（ＮＩＯ）は、最初に１９６０年代における高エネルギー物理実験でのCerenkov放射検出のために開発された（２〜４）。それ以来言われている主要問題は、広範囲の１ｍ²に亘り放射される光を数ｃｍ²の範囲にある光電子増倍管上に結合することである。それ以来のノンイメージ光学手段の発展の主要な目的は加熱と光起電力変換のための太陽エネルギーの集中にあった（５ −６）。ノンイメージ光学手段の他の用途は赤外線通信受信機、ファイバー光連結及び集積装置のための光集中器を包含する（７〜９）。ノンイメージ光学手段は、また光ファイバーセンサー用のテーパー状光ファイバーをも含んでいる（１０〜１３）。ｉ）十分な光源を開発すること及びii）光ファイバーを製造することにおける最近の進歩は一つ以上の遠方に位置する点に送るために用いる一つ以上の光ファイバーを用いるＲＳＬシステムの組立てを実現している。各光ファイバーの先端は所定の用途に要求される光分布を実現させるために直接照明するか、又は屈折レンズを用いることができる。典型的にプラスチック光ファイバーの溝付開口端はファイバーの芯及び材料により５０°から８０°固体角を持つ光コーンを形成する。別の屈折レンズはこのような端近くに位置させることができる。然しながら、端からの光を形成するのにレンズを使用することは光損失問題を引き起こし、レンズデザインを複雑にする。従って、今までのＲＳＬシステムは高精密照明分布が要求されない最終使用に限られている。これまで、上記の問題はナビゲーション光、妨害光、信号光及び空港進入灯のごとき適用からＲＳＬを外すことを意味する。精密光分布が要求される用途（即ち、高画質（ＨＤ）照明）のためには精密に規定された要求内で高能率の照明を作らねばならない。これらの要求は光パターンにおける光度分布、光パターン形状、水平及び垂直方向における光の角度分布及び光色に及ぶ。これまでＲＬＳシステムはこれらの要求を満たすことができなかった。従って、精密な光分布（即ち、高画質）を備える先端を有するＲＳＬシステムが必要とされている。下記に引用する米国特許及び特許出願は上記の目的を満足させる実施例を開示している。下記に引用する米国特許及び特許出願全ての開示は本発明の背景を指示し、技術を表示することを含める目的で本出願に関連する。米国特許第４，３０９，０９３号は、拡散板の複製方法を開示する。米国特許第４，３３６，９７８号は拡散板の光学的製造方法を開示する。米国特許第４，８９８，４５０号は拡大ビームノンイメージファイバー光コネクターを開示する。米国特許出願第０８／６３６，７９８号は万能遠隔照明システムを開示する。米国特許第５，３６５，３５４号は体積ホログラム材料をベースにするグレイテッド屈折率型拡散体の製造方法を開示する。米国特許第５，５３４，３８６号は干渉光と、ホログラム拡散体を使用して製造される均質器を開示する。発明の要約及び目的要約すれば、本発明はノンイメージ光学手段、屈折光学手段及び光形成のための面拡散体を組み合わせる固体集積ビーム形成器に関する。本発明は集積ビーム形成器の製造方法に関する。本発明の目的は単一装置における拡散体、屈折光学手段、及びノンイメージ光学手段を結合することによって、組立体の複雑性と寸法及び重量を減らすことである。本発明の利点は寸法及び／又は重量の減少及び価格の減少が計れ、部品の数が少ないことである。これらの利点は軍事及び商業の照明の両方に向いている。例えば、本発明による船舶航行誘導光システムの利点は別の拡散体取付けブラケットとケースの寸法と大きさを減少し、上部重量とモーメントを減少できることである。更に、本発明によるＲＳＬシステムはメンテナンスの費用が少なくなり、寿命が長い。本発明の主要目的は、単一装置にノンイメージ光学手段、屈折光学手段、及び面拡散体を一体とした装置を備えることである。本発明の他の目的は廉価な装置を備えることである。本発明の更に他の目的は信頼でき、時間と作業費用を減らすことができる装置を備えることである。更に本発明の目的は少ない部品を用いて比較的簡単に製造組立てできる、一つ以上の特徴を有する装置を備えることである。本発明の第一の目的はｉ）ノンイメージ基端及びii）ノンイメージ先端を有する固体ノンイメージ光学手段、上記ノンイメージ先端に密に接合する屈折先端を有する固体屈折光学手段及び屈折先端上に作られた表面拡散体を有する固体集積ビーム形成器を備えることによって達成される。本発明はまた、個体集積ビーム形成器を組み込んだ装置を包含する。本発明の他の目的は、集積ビーム形成器製造に使用できる方法を得るにある。本発明の他の目的は、再生産でき作業費用を減らすことができる方法を得るにある。本発明の更に他の目的は比較的簡単に設備ができ、熟練していない作業者によっても作業できる上述した一つ以上の特徴を有する方法を得るにある。本発明の他の目的は、光学ブランクにノンイメージ光学手段と屈折先端面を有する屈折光学手段を形成する工程と、面拡散体マスターを形成する工程と、上記屈折先端を上記拡散体マスターに接触せしめる工程と、及び上記拡散体マスターを上記屈折先端面から除去し、上記而拡散体マスターを複製する工程とより成る方法によって達成できる。本発明は、屈折先端面上に面拡散体を複製するか、または、面拡散体をモールドまたは鋳造して面拡散体を一体に形成する方法を実施するための装置を含む。本発明の他の目的及び特徴は、以下添付図面の説明と共に明らかならしめる。然しながら、本発明は明細書の実施例に限定されることなく、本発明の精神の範囲内において種々増減変更できることは勿論である。図面の簡単な説明図１は、ビームの形成器の説明図。図２（ａ）は、本発明の固体ビーム形成器の斜視図。図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す固体ビーム形成器の球面に形成したサブミクロン均質拡散面レリーフの顕微鏡写真。図３（ａ）は幾つかの共通ファイバーの直径のための開度の関数としての本発明の光変換直径の説明図。図３（ｂ）は幾つかの共通ファイバー直径のための開角の関数としての本発明の光変換長さの説明図。図４（ａ）は２つの共通ファイバー開口数のための開角の関数としての光ファイバーによる光の相対伝達強度の説明図。図４（ｂ）は２つの共通ファイバー開口数のための開角の関数としての光ファイバーによる光伝達の全強度の説明図。図５は、本発明のコンパウンドパラボラコンセントレータの表面形状の説明図。図６は、本発明のコンパウンドパラボラコンセントレータのための反射の説明図。図７は、本発明のコンパウンドパラボラコンセントレータのパラボラカーブを計算するために用いるポーラーコーディネートシステムの説明図。図８は、本発明の式（７）を得るために用いる幾何学構造の説明図。図９は、本発明のノンイメージ光学／レンズ組合せのための一般的表面形状の説明図。図１０（ａ）は、本発明の楕円ノンランバーテン均質面拡散体の３次元形状図。図１０（ｂ）は、図１０（ａ）に示す実行データを発生するために用いる拡散体からの光パターンの説明図。図１１（ａ）は、本発明の円形ノンランバーテン均質面拡散体からの均質面レリーフの顕微鏡写真。図１１（ｂ）は、本発明の楕円ノンランバーテン均質面拡散体の均質面レリーフの顕微鏡写真。図１２は、本発明の矩形拡散孔を用いたノンランバーテン均質面拡散体の斜視図。図１３は、本発明のノンランバーテン均質拡散体による散乱ビームのための形状説明図。図１４（ａ）〜１４（ｇ）は本発明のノンランバーテン均質面拡散体のサブミクロン面レリーフ複製のためのニッケル電鋳技術の説明図。図１５は、本発明のノンイメージ光学／均質面拡散体の組合せのための自動散乱光装置の説明図である。好ましい実施例の説明本発明のさまざまな特徴及びその有利な詳細を、下記記述に詳細に述べられている限定されない実施例に関連してさらに詳しく説明する。既知の部品及び加工技術の記述は省略するが、本発明の詳細を不明瞭にすることはない。１．システムの全体上述の要求は別体の拡散体と屈折要素及びノンイメージ光学手段の組立体では同時に満足させることができない。ノンイメージ光学手段（ＮＩＯ）、屈折体光学手段（ＲＯ）及び光形成拡散体（ＬＳＤ）が全てに単一装置に結合する本発明による固体集積ビーム形成器を採用することにより、ある範囲までこれらの要求を同時に満足させることが可能である。２．好ましい実施例の詳細ビーム形成器を改良し、製造費を著しく軽減するために本発明は表面で複製されたホログラフマイクロ構造を有する固体集積ビーム形成器を作るいくつかの方法を包含する。図面に示すように、本発明は、屈折光学手段上に作られた表面拡散体である。図面の寸法は特に必要でないことに注意されたい。図１において、高画質遠隔光源（ＨＤＲＳＬ）を備えるための非集積先端装置は３つの別々の部品からなる。これら３つの光学部品は、光ファイバーから放出される光の拡散角を減らすためのノンイメージ光変換器、装置の物理的寸法を減少するための球形凸レンズ及び希望するパターンに光を形成するためのノンランバーテンフォログラフ拡散体を包含する。ビーム形成組立体は、光学的コネクター、ケース及び支持ハードウェアの３つの主要な要素よりなる。ホログラフ記録条件によれば、拡散体は両軸に沿って角度分布（１°〜１００°）の広範囲で放出光を円形、楕円、直線、又は矩形パターンに形成できる。更に、図１において光ファイバー２０にそって移動する光１０はオプチカルコネクター３０を通過する。ノンイメージ光変換器４０は、光オプチカルコネクター３０内の光ファイバー２０に連結する。光は２つの構成要素間の面越しに光ファイバー２０からノンイメージ光変換器４０に移動する。円形凸レンズ５０はノンイメージ光変換器４０に連結する。ノンランバーテン均質拡散体６０は円形凸レンズ５０の下流に位置する。ノンランバーテン均質拡散体６０、円形凸レンズ５０及び、ノンイメージ光変換器４０の大部分はケース７０内で組立てられる。然しながら、多数の欠点がこの非集積構成要素のデザインにより生ずる。第１に、フレーネル反射による損失は多数の表面のために１６％と高い。第２に、機械切削による光変換器製造は光変換器装置の形を比較的単純な表面形に制限するので、必要以上に高い光損失を起こす。第３に、完成したビーム形成器の全費用は別々の構成要素に必要な組立労働力により高騰する。従って、NIO／レンズ／拡散体構成要素の全集積を通してのファイバーオプチック／NIO／レンズ／拡散体の組合せが必要である。本発明はこの目的に向けられているのでビーム形成器の流線型デザインと、より価格的に有効な製造とともにオプチカルシステムの最高の効率が許される。これらの利点がＨＤＲＳＬシステムを一般化するであろう。別々の構成要素と比較して、固体集積ビーム形成器は効率と製造費において２０％改善した。本発明によって代表される目的は３つの前もって分かれているビーム形成器、構成要素（光変換器、レンズ、拡散体）を固体集積ビーム形成器（ＳＩＢ）オプチカル要素に一体にすることができることにある。この結果を得るために曲面上のサブミクロンの面複製のための幾つかの技術を下記に示す。図２（ａ）に固体集積ビーム形成器８０を示す。固体集積ビーム形成器（ＳＩＢ）は、モールド体１００内の凸レンズ９０と集積ノンイメージ光変換器のための放物線と双曲線面の組合せを包含する。図２（ｂ）に示すようにサブミクロンフォログラフ拡散体表面レリーフ（1000倍で示す）はレンズの円形表面に複製される。然しながら、レンズ表面は他の表面形が相応して変形するので円形にすることができない。上述の集積の結果、高画質、遠隔光源照明（ＨＤＲＳＬ）システム（即ち、先端）の主要要素の製造がスムーズに行なわれるようになる。完成した先端オプチカル装置（即ち、より高度な効能をもつ固体集積ビーム形成器）は非常に低価格で大量生産をすることができる。このようなビーム形成器は高画質照明用の遠隔源照明を作ることができる。この遠隔源照明は多数の利点を有する。即ち、簡単で低額な取り扱い、メンテナンス及び手軽なところにある光源の修理、電力消費の減少、ライフサイクル費減少、高信頼と、高品質、減少したEMI/EMP脆弱性及び光点からの熱除去を達成できる。本発明によれば、ビーム形成器の効率向上とその製造コストの著しい減少という予期せぬ結果をもたらす。集積構成と固体集積ビーム形成器構成要素の各々にとっての伝達特徴は下記に開示する装置を使用した不必要な実験なしに計算及び／又は測定できるものである。光損失もまた、不必要な実験なしに材料間の屈折率の変換によっておこる損失を含めて計算及び／又は測定できる。理論的なアプローチから出発して光変換器の面輪郭の単純化及び限定が低コストで技術的に実施できる。技術の種々な組合せ（例えば、鋳造、加熱成形、注入モールド、打ちぬき）が固体集積ビーム形成器を作り出すことに用いられる。材料限定と同様、ビーム形成器の形及び表面精度は不必要な実験なしにできる。ａ．ノンイメージ光変換器光変換器（ＬＴ）の操作原理はオプチカル“etendu”による。即ち、開角のサインの２乗と面積の積は下式によって示される。クローズド非吸収オプチカルシステム（１、２）における定数（リウビィル不変数として知られている）である。Ａsin²θ₁＝ａsin²θ₂， (1) ここでＡとａ光ビームの面積であり、θ１とθ２は伝播路にそった２点におけるビームの開角である。実例においては開角の特別な変化を得るのに要求されるＬＴの長さも考慮しなければならない。一般的にパッケージングは寸法と重量を考えるので、長さを短くするのが効果的である。リウビィル不変数を有するＬＴの長さは幾何学的関係によって下式のように与えられる。Ｌ＝0.5(Ｄ＋d)cot(θ) (2) ここでＤとｄは両端におけるＬＴの直径であり、θは大径端における光変換器の受入れ角である。幾つかの共通光ファイバー直径用開角の関数としての要求される直径と長さは図３（ａ）と図３（ｂ）に示され、図中ファイバー開口数（ＮＡ）は０．２２である。他の重要な考慮は光ファイバーによって伝達される光の角度分布である。この分布は均一でないが、光軸の近くにある光の強度でガウス分布に従う。この分布は開口数（ＮＡｓ）０．２２（１３°）と０．０３５（２°）であり、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示す。ＮＡは光強度の９５％を包含する角度として規定される。０．２２ＮＡはマルチモードの融解シリカファイバーの典型である。０．２２ＮＡはいろいろと論議されると思うが、０．５（３０°の半分に該当する）に近いＮＡｓを有するホウケイ酸塩及びプラスチックファイバーを含む。図４（ａ）と図４（ｂ）から０．０３５（２°）のＮＡにとってさえも、光の６０％以上は最初の０．５°内に集中することが分かるであろう。ｂ．一般的な大きさの考慮ＬＴ／光ファイバー連結システム用の実際的デザインのためにはＬＴ出口孔、ＬＴの長さ、及び照明区域に投射されるスポットサイズを考慮する必要がある。スポットサイズＳは、下式により与えられる。Ｓ＝２(1)tanθ₂＋Ｄ， (3) ここで１は照明区域への距離である。式（１）と（２）で計算された０．５° 、１°、２°及び５°の開角用の１００、２００、４００、６００及び１０００ μｍの直径のコア用ＮＩＯｓ開口と長さを表１（ａ）と表１（ｂ）に示す。ＬＴの長さは開角が狭くなる程、劇的に長くなることは重要である。孔の直径と長さはファイバーコア直径と直線的に比例する。表１（ａ）０．２２のファイバーＮＡとして選択した開角とコアサイズ用光変換器の孔の直径（ｍｍ）表１（ｂ）０．２２のファイバーＮＡとして選択した開角とコアサイズ用光変換器の孔の長さ（ｍｍ）ノンイメージ光学手段に用いられる基本的な表面輪郭はパラボラである（１）。然しながら、狭い開角が非常に長い光変換器のために必要な場合にはレンズと修正した（双曲線／パラボラ）表面輪郭の組合せがＬＴの長さを短くするのに使用し得る。ある形状用には単純な円錐面が集光効率の低下を最小とするため双曲線／パラボラ輪郭と代替できる。中空ＬＴの為の基本的表面輪郭は複合パラボラ集光器である。図５において、複合パラボラ集光器（ＣＰＣ）及び光変換器（ＬＴ）の表面輪郭を示す。光ファイバー１２０は円錐形オプチカルエレメント１４５に連結する。円錐形オプチカルエレメント１４５は、ノンイメージ光学手段１４０の一部を構成する。２次元において、ＣＰＣは真っ直ぐな側のコーンにつながるパラボラを形成するためオプチカルエレメントの対象軸の周囲を回るパラボラセクションと直線セクションよりなる。パラボラ軸は対象軸とは並ばないがデザインの最大受け入れ角ｑ１と並ぶ。０．２２の開口数を有するファイバーにとって１３°以上の角度でファイバー表面に達する光はファイバーの案内モードに連結しない。このために円錐形オプチカルエレメントはＬＴのファイバー端に導入される。円錐形オプチカルエレメントはＮＩＯ集積部となし得る。１次元断面において、このコーンは１３°でファイバー面に入る最大受け入れ角度における入射光を戻す平面鏡として機能する。１°のＬＴ入力受け入れ角度のためのコーン半角は６°である。真っ直ぐな側のセクションの長さは反射形状から直接決定できる。図６にＣＰＣ円錐形オプチカルエレメントセクションの反射形状を示す。直線セクションの長さｌは下式によって得られる。ｌ＝d/(tan(13°)-tan(φ))， (4) ここでｄはファイバー直径であり、φは、直線セクションで作られるコーンの半角である。１°の受け入れ角と０．２２の開口数を有する４００μｍ直径のコアファイバーの為にθは６°、ｌは３．１８ｍｍでこの点におけるＬＴ直径は、１．０６ｍｍである。パラボラ輪郭の決定には、基礎的パラボラ方程式の前進回動と変換が要求される。この変換は図７に示した極座標が用いられれば単純化する。図７にＣＰＣパラボラ曲線を計算するのに用いる極座標を示す。この座標システムを下式に示す。ｒ＝2f sin(φ-θ_max)/(1-cosφ)-a; (5) ｚ＝2f cos(φ-θ_max)/(1-cosφ)， (6) ここでｆはパラボラの焦点距離で下式によって得られる。ｆ＝a(1＋sinθ_max)． (7) 式７は、決められた点から同間隔の点の集まりと線から成るパラボラの基本的形態から引き出される。図８に式（７）を導き出すのに用いる構造を示す。式（５）と式（６）は図７と図８に規定された形態と座標に直接関連する。然しながら、これらの式はパラボラＬＴ用統一開口数を推定する。減少した光ファイバー開口数（例えば０．２２）の場合には開口数に比例するファクターによって上記結果を小さくする必要がある。この比例ファクターは下式のように（７）を再規定することによって得ることができる。ｆ＝ａ(1＋sinθ_max)(NA)． (8) 式（４）、（５）及び（８）を用いて、パラボラセクションの輪郭が計算できる。ｃ．狭視野における縮小された長さ用ＬＴレンズ組合せ以上論じたように、大きなコアファイバーと狭視野のための簡単な複合パラボラ集光器は実際的使用のため長いＬＴとなる。４００μｍコアファイバーと１° （半角）の視野にとって要求される長さは約６インチである。代替的にはハイブリッドＬＴレンズの組合せを使用でき、この場合には長さを著しく軽減できる。図９に示された、より洗練されたデザインは光変換器と組み合わされた凸平面レンズを含む。あるＬＴ／レンズ組合せではＬＴ表面輪郭は簡単なコーンに非常に近い。このような装置はファイバー端に直接融合した固体ＬＴ／レンズ組合せを製造するために、容易に組立てることができる。ＬＴ／レンズ組合せの一般的表面輪郭は双曲線、パラボラ及び円形レンズの組合せである。図９にＮＩＯ／レンズ組合せのための一般的表面輪郭を示す。光ファイバー２２０はノンイメージ光学手段２４０につながる。屈折光学手段２５０はノンイメージ光学手段２４０につながる。非ランバーテンフォログラフ表面拡散体（図示せず）とともにノンイメージ光学手段２４０と屈折光学手段２５０は固体集積ビーム形成器を構成する。最大デザイン開角においてレンズ焦点、パラボラ及び双曲線の最初の焦点は一致する。ＬＴの双曲線セクションに達する光は双曲線の第２の焦点に至る。ＬＴ／レンズデザインを改良するため典型的なＭＡＴＨＣＡＤソウフトウエアパッケージを用いる不必要な実験なしにアルゴリズムを発展することができる。ｄ．ホログラフ拡散体本発明の好ましい実施例においては、ホログラフ表面拡散体を使用する。この光−ビーム形成方法では、ばらばらで規則的でない表面極小構造でホログラフ的に記録された拡散体を用いる。この記録と加工の技術は製造されるホログラフ的非ランバーテン拡散体に広範囲に適用される。これら拡散体は、光強度の空間分布を正確に管理することによってビームを成形する。水平軸と垂直軸からなる座標軸にそって１００°から１°或いは、それ以下の光分布の様々な光パターン、例えば、円形、楕円、直線、正方形、矩形を作ることができる。図１０（ａ）と図１０（ｂ）に楕円非ランバーテンホログラフ拡散体を示す。図１０（ａ）は、コンピュータで得た出力図形、図１０（ｂ）は模様を示す。形状、材料パラメータ、露光、処理条件及び時間を記録することによって面レリーフ微細構造を光重合体上にホログラフ的に形成できる。得られたホログラフ光重合体は種々の形状、深度、サイズを有する。図１１（ａ）と図１１（ｂ）に本発明の２つの拡散体のホログラフ面レリーフの顕微鏡写真を示す。図１１（ａ）は円形ホログラフ拡散体の面レリーフを示す。図１１（ｂ）は楕円ホログラフ拡散体の面レリーフを示す。ｅ．非ランバーテンホログラフ拡散体の理論モデル以下非ランバーテンホログラフ拡散体の理論モデルを説明する。コヒーレント（レーザ）ビームの記録によって作られた非ランバーテン拡散体により放散された光ビームの角度スペクトルの強度は、数値的に計算できる。放射、記録形状と投射ビームの関数として計算できる。オリジナル拡散体の矩形孔に対して記録孔は下式で示される。ここで矩形レクタス関数は下式で示される。ｆ．記録形状図１２に示す記録形状は、座標（Ｕ，Ｖ）を有する。記録単色平面波３０の波長はλ_Rである。一次非ランバーテン拡散体３２０の矩形記録孔３１０を非ランバーテン拡散体記録板３３０（ｘ，ｙ）から物理的距離ｈで加えた。孔のサイズは（Ｌ，Ｗ）で示される。単色平面波レスポンス直角に入射した記録波長λの単色平面波に対する単色平面波レスポンスは下式のようになる。比例常数、∧(...)は座標(-s'_xo,O),(+s'_xo，O)，及び（０，１）によって定められた三角関数である。図１３に示すように入射光ビーム４００が非ランバーテン拡散体４１０に達する。方向のコサインのカットオフ値は下式となる。一般システムレスポンスリニアシステム理論を用いることによってシステムインパルスレスポンスの形における一般システムレスポンスは下式となる。ここでＩ₀は、下式で示す入射光ビーム強度の３次元角／スペクトル分布である。であり、システムインパルスレスポンスｈは下式の通りである。ここで、記録孔関数Ｐ（ｕ，ｖ）は、式９で示すように矩形またはガウスとする。一般に集積は、下式の５−Ｄ空間で示される。（u,v;S_ox,S_oy；λ） (16) ｆ．面レリーフ複製本発明の面拡散体の製造方法には鋳造、型押し及び注入モールドの少くとも３つの主たる方法がある。すべての方法において“サブマスター”、ニッケル電鋳、または光重合体上にホログラフ的に記録した面レリーフからの硬化エポキシ複製を用いる。平面拡散体複製のための一つの技術を図１４（ａ）〜図１４（ｇ）に示す。図１４（ａ）〜図１４（ｇ）に示すように、サブミクロン面レリーフ複製のためのニッケル電鋳技術によれば低コストで複製が可能となる。図１４（ａ）は、基層５１０に隣接する光重合体層５００を含むマスターホログラムのホログラフ的記録工程を示す。図１４（ｂ）に示すように、銀被覆５３０を光重合体５００上に設ける。図１４（ｃ）は、ニッケル“銀マスター”形成工程を示し、銀被覆マスターホログラムにニッケル銀マスター５４０を電着する。図１４（ｄ）は、ニッケル“銀マスター”分離工程を示し、ニッケル銀マスター５４０は、銀被覆マスターホログラムから分離されている状態である。図１４（ｅ）は、サブマスター形成、分離工程を示し、ニッケルサブマスター５５０は、ニッケル銀マスター５４０に隣接して形成される。図１４（ｆ）は、シム（挿入）工程を示し、ニッケルサブマスター５５０が分離されニッケルシム５６０を複製するためのベースが形成される。図１４（ｇ）は、複製工程を示し、ニッケルシム５６０がプラスチック層５７０の複製のためのベースを形成する。図１４（ａ）〜図１４（ｇ）には、平面複製工具を示したが、同様にして球形または非球形工具も作り得る。代表的な面ピッチを０．３ミクロンとすれば、高さのアスペクト比として略４ミクロンの平均面高さが得られる。ピッチに対する曲率の比が略１０００以上であれば、平面型押し工具を湾曲し、初めの平面工具から湾曲型のものを複製できるようになる。３．製造方法固体集積ビーム形成器の製造に対しては、光学的品質と大きさを制御することが望まれる。製造に際しては、加熱形成、鋳造及び注入モールドの３つの主な基本技術が用いられる。加熱形成においては、光学的グレードのプラスチック（アクリル）の鋳造ロッドを加熱された工具を用いて加熱されたモールド内に押し込み、拡散パターンを有するレンズを形成する。球形レンズを作るため、面拡散体レリーフパターンのサブマスターを含む凹而モールドを使用する。鋳造においては、凹レンズ工具面とＮＩＯ工具面を有するモールドを用いる。モールドに工学的グレードのプラスチックモノマーを満たし、モノマーを重合して拡散体レリーフパターンを含むレンズ部分を有するＮＩＯ部分を形成する。次いで、重合されたワークピースをモールドから取り出す。この工程を迅速に行なうためイニシエーションを加え、モールドを加熱する。注入モールドにおいては、レンズ工具面とＮＩＯ工具面を有するモールド内に溶融プラスチックを押し込む。レンズ工具面は、拡散体レリーフパターンを有する。溶融プラスチックを冷却後モールドから最終ワークピースを取り出す。総べての例において、モールドとプラスチックの温度、熱、冷却速さを制御する。寸法公差を維持するためプラスチックとモールドの熱膨張率を考慮する。ハイブリッドオプチカルエレメントの品質を維持するため、単一のモールドに対し加熱成形または高圧冷間成形を適用する。代表的な加熱成形方法においては、光学ブランクに屈折先端を形成し、面拡散マスターを作り、上記屈折先端に上記拡散体マスターを接触し、この拡散体マスターを上記屈折先端から除去する。鋳造は、単純な形の、特に光学的グレードのアクリルのロッドや管を作るための通常の技術である。然しながら、重合工程中の寸法変化を考慮する必要がある。代表的な鋳造方法は、ｉ）空所を区画し、ii）面拡散体マスターを含むモールドを作る工程と、上記モールドをモールド材により充填し、これにより上記空所を満たし、上記モールド材を上記面拡散体マスターに接触せしめる工程と、上記モールド材を重合せしめる工程と、及び上記モールドから上記固体集積ビーム形成器を除去する工程とより成る。アクリルまたは他のプラスチックモノマーを使用するときは、蒸気を含む処理技術に注意し、火災の危険、環境に対する影響を考慮する必要がある。注入モールド装置と工具は高価であり、製造量と許応再生時間を考慮する必要がある。代表的な注入モールド方法は、ｉ）空所を区画し、ii）面拡散体マスターを含むモールドを作る工程と、上記モールドにモールド材を注入し、これにより上記空所を満たし、上記モールド材を上記面拡散体マスターに接触せしめる工程と、上記モールドから上記固体集積ビーム形成器を冷却除去する工程とより成る。注入モールド技術を用いれば、高い製造速度が得られる。拡散体は、従来のオプチカルエレメントに比べ、より光学的非均一度を許応できるが、品質を維持するためにはプロセス制御が必要である。固体集積ビーム形成器の他の製造方法においては、面拡散体を屈折先端に積層する。代表的な積層工程においては、光学的ブランクに屈折先端を形成し、面拡散体層を作り、この面拡散体層を上記屈折先端に設ける。然しながら、特別な製造工程は説明した変換をなし得る限り、本発明においては絶対的なものではない。最終製品に対する要求と製造工程全体に対する要求から工具とエネルギを基本として製造工程を選択することは設計上の問題である。ビーム変換器のために用いる特別な材料は製造工程に適し、最終使用者の条件に合うものとする。本発明のビーム形成器は透明な熱可塑性材料で作ることができる。この材料としては可視スペクトルで透明であることが好ましい。製造工程においては、アクリルまたはポリカーボネート材料を用い得る。然しながら、所望の機能を果たす限り選択された特別な材料は本発明においては本質的なことではない。最終製品に対する要求と製造工程全体に対する要求から経済とコストを基本として製造工程を選択することは設計上の問題である。本発明の好ましい実施例においては、高い鮮明度の存在を一度にテストできるようにする。この高い鮮明度の存在のためのテストは、単純な従来の光放射実験によってなし得る。このような光放射実験は図15に示す自動放射装置を用いてなし得る。図１５に示すように、面拡散体６００を（単独でまたはファイバーＮＩＯ／ＲＯと共に）スタンド６１０に取り付け、これにＨｅＮｅレーザー６３０から平行ビーム６２０を照射せしめる。前方に放射された光の分布を、回動アーム６５０に取り付けたシリコンホトダイオード６４０を用いて測定する。全体の装置は、全自動で操作され、放射光は、自動的に測定される。弧６６０に沿って回動アーム６５０を回動することによってデータが得られる。また、白色光とファイバー／ＮＩＯを用い実験を繰り返し、以上の２つの放射光の結果を比較する。例本発明の特別な実施例を以下説明するが本発明はこれに限定されるものではない。式（４），（５）と（８）を用いてパラポラ区域の輪郭を計算できる。４００ μｍコアファイバーを用いた開角１°の例では、輪郭は表２のようになる。表２式（４），（５）と（８）から計算したノンイメージ光学的輪郭光ファイバーの直径が０．４ｍｍ、ＮＡが０．２２、ＮＩＯ開角が１° 遠隔光源による利益は、高効率、電力消費の少なさ、ライフサイクルコストの低下、使用の便利さ、修理と維持費の低下、高い信頼性にある。遠隔光源のこの利益は空港用灯、弾薬貯蔵庫、有毒物タンク、接近不可能区域、信号灯及び警告灯等に適す。これらの利益は永久水密設備にも好ましい。安全とメンテナンスの便利さが特に重要となる用途には遠隔照明の使用が特に好ましい。固体ビーム形成器は低コストで量産可能のため遠隔照明装置は広い範囲で使用できる。本発明は、空港照明、障害物照明、業務照明及び海洋照明に特に適用される。更に、ここに示した総べての実施例は、船舶、航空機及びボートのマスト灯等の用途、手術室内の無影灯、港湾照明、海域照明、精油所区域照明、アンダーウォータ照明等に適用できる。同様にして遠隔照明は、安全のための照明に使用される。特殊な用途としては、爆発物の存在する総べての場所における耐蒸気、防爆灯がある。発光灯の交換を必要とする場合には、室から発炎物を除去し、蒸気で爆発粒子を清掃する必要がある。遠隔照明の場合には室外に証明源があり、かかるコストを生じない。更に、照明灯交換のための時間とコストも低くできる。本発明は同様にして耐蒸気室であるペイント室にも適用できる。照明源を室の外部に設ければ高価な室を必要としないうようになる。交通や道路標識灯の場合には、照明灯は一般に高い、離れた場所にあり、照明灯の交換のコストは極めて高くなる。遠隔照明によれば、照明源を地上の便利な場所に設置でき、その交換のコストを低下できる。本発明においては、ＮＩＯの形をより複雑とすることによりその特性を向上できる。同様にして固体集積ビーム形成器としてアクリルやポリカーボネートが好ましいが他の材料をも用い得る。

Claims

【特許請求の範囲】１．ｉ）ノンイメージ基端と、ii）ノンイメージ先端とを有する固体ノンイメージ光学手段と、屈折先端を含む、上記ノンイメージ先端に密に対接された固定屈折光学手段と、及び上記屈折先端上に密に形成されたノンランバーテン均質面拡散体とより成る固体集積ビーム形成器。 2. ｉ）空所を区画し、ii）面拡散体マスターを含むモールドを作る工程と、上記モールドをモールド材により充填し、これにより上記空所を満たし、上記モールド材を上記面拡散体マスターに接触せしめる工程と、上記モールド材を重合せしめる工程と、及び上記モールドから上記固体集積ビーム形成器を除去する工程とより成り、上記充填及び除去工程により上記ノンランバーテン均質面拡散体が形成される固体集積ビーム形成器の製造方法。 3. 光学ブランクに屈折先端を形成する工程と、面拡散体マスターを形成する工程と、上記屈折先端を上記拡散体マスターに接触せしめる工程と、及び上記拡散体マスターを上記屈折先端から除去する工程とより成り、上記接触及び除去工程により上記ノンランバーテン均質面拡散体を複製する固体集積ビーム形成器の製造方法。 4. 光学ブランクに屈折先端を形成する工程と、面拡散体層を形成する工程と、上記屈折先端を上記面拡散体層に接触せしめる工程と、及び上記面拡散体層を上記屈折先端に接触せしめる工程とより成り、上記形成及び接触する工程により上記ノンランバーテン均質面拡散体を積層する固体集積ビーム形成器の製造方法。 5. 請求項１記載の上記固体集積ビーム形成器が少くとも２つである装置。 6. 請求項１記載の固体集積ビーム形成器を用いる方法。 7. 固体集積ビーム形成器を有し、この固体集積ビーム形成器がノンイメージ光学手段と、このノンイメージ光学手段に密に接触せしめた屈折光学手段と、及び上記屈折光学手段に密に接触せしめたノンランバーテン均質面拡散体とを有する装置。 8. 上記ノンイメージ光学手段がコンパウンドパラボラコンセントレータを有し、上記屈折光学手段が屈折先端を含み、上記ノンランバーテン均質面拡散体が上記屈折先端上に形成される請求項７記載の装置。 9. 上記ノンイメージ光学手段が円錐光学素子を有する請求項８記載の装置。 10．上記ノンイメージ光学手段が円錐光学素子を有する請求項７記載の装置。 11．ｉ）空所を区画し、ii）面拡散体マスターを含むモールドを作る工程と、上記モールドをモールド材により充填し、これにより上記空所を満たし、上記モールド材を上記面拡散体マスターに接触せしめる工程と、及び上記モールドから上記固体集積ビーム形成器を除去する工程とより成り、上記充填及び除去工程により上記ノンランバーテン均質面拡散体が形成される請求項７の装置の製造方法。 12．光学ブランクに屈折光学手段を形成する工程と、面拡散体マスターを形成する工程と、上記屈折光学手段を上記拡散体マスターに接触せしめる工程と、及び上記拡散体マスターを上記屈折光学手段から除去する工程とより成り、上記接触及び除去工程により上記ノンランバーテン均質面拡散体を複製する請求項７の装置の製造方法。 13．光学ブランクに屈折光学手段を形成する工程と、面拡散体層を形成する工程と、及び上記屈折光学手段を上記面拡散体層に接触せしめる工程とより成り、上記形成及び接触する工程により上記ノンランバーテン均質面拡散体を積層する請求項７の装置の製造方法。 14．請求項７記載の装置が少くとも２つである装置。 15．請求項７の装置を用いる方法。 16．ｉ）空所を区画し、ii）面拡散体マスターを含むモールドを作る工程と、上記モールドをモールド材により充填し、これにより上記空所を満たし、上記モールド材を上記面拡散体マスターに接触せしめる工程と、及び上記モールドから上記固体集積ビーム形成器を除去する工程とより成る方法。 17．請求項１６の方法を実施する装置。 18．請求項１６の方法によって作られた製品。 19．光学ブランクにノンイメージ光学手段と屈折先端を有する屈折光学手段を形成する工程と、面拡散体マスターを形成する工程と、上記屈折先端を上記拡散体マスターに接触せしめる工程と、及び上記拡散体マスターを上記屈折先端から除去し、上記面拡散体マスターを上記屈折先端に複製する工程とより成る方法。 20．請求項１９の方法を実施するための装置。 21．請求項１９の方法によって作られた製品。 22．光学ブランクにノンイメージ光学手段と屈折先端を有する屈折光学手段を形成する工程と、面拡散体層を形成する工程と、及び上記屈折先端を上記拡散体層に接触せしめる工程とより成り、上記形成及び接触工程により上記屈折先端に上記面拡散体層を積層する方法。 23．請求項２２の方法を実施するための装置。 24．請求項２２の方法により作製した製品。