JP2007519029A - 光ガイドアレイ - Google Patents

Abstract

【課題】選択された横断面の、均一な強度をもち、選択された発光開口数に発光する光線を生成できる比較的コンパクトな、軽量の、効率的な、費用効果の高い照明系統を提供すること。
【解決手段】均一性とコリメーションとが改善された光を放出するための光ガイドアレイ３０は、支持材３５と、この支持材内に形成された複数の光ガイド３２とを含む。各光ガイド３２は、光を受け入れるための入口開口と、光を放出するための出口開口とを備える。光ガイド３２は中実管、あるいは支持材３５を貫通する中空トンネルでもよい。支持材３５は、アルミニウム、金、ニッケルといった金属、珪素、ポリシリコン、炭化珪素、砒化ガリウムといった半導体、あるいは光学的に透明な材料でもよい。このアレイを構築するために半導体加工技術を用いてもよい。性能を向上させるため、このアレイを光学投影系１２５に組み込んでもよい。
【選択図】図２Ｂ

Description

本発明は主に、光源からの非均一光を実質的に均一でコリメートされた照明に変換する光学系に関する。さらに詳細には、本発明は、実質的に均一でコリメートされた光を光弁エリア等のエリアに供給するためのコンパクトな光ガイドアレイを含む光学系に関する。

液晶ディスプレイ技術やＭＥＭＳ（微小電子機械系統）技術に基づく光弁はさまざまな系統や適用例で用いられており、これには、プロジェクタ、投影テレビ、カムコーダ、デジタルスチルカメラ、インターネット装置、携帯電話、ヘッドセット等があり、またこれらに限定されない。光弁適用例は多くの場合、費用が安く、コンパクト、軽量な照明系統であることが望ましい。さらに、こういった適用例では均一で明るく安定した画像が重要な要求事項である。

図１Ａおよび１Ｂは、さまざまな既知の照明系統において光の均一性を向上させる従来例の直線状１０およびテーパ状２０光ガイド積算器の例をそれぞれ示している。

直線状光ガイド１０は、研磨面をもつ中実ガラスロッド、または、それに代わり、反射面をもつ中空トンネルであってもよい。光は入口開口１に入り、中空光トンネルの場合は複数反射の後で、あるいは中実光ロッドの場合は複数全内面反射の後で出口開口２から現れる。出口開口２における光の均一性は、光ガイド１０、２０の長さＬが大きくなるほど向上する。

図１Ａで示されるとおり、直線状光ガイド１０の入り口１および出口２開口は等しいＷ_１×Ｗ_２の横断面積をもつ。

図１Ｂのテーパ状光ガイド２０は、図１Ａの直線状光ガイドと比べてさらに均一なコリメートされた光をもたらす。テーパ状光ガイド２０は、通常、入り口開口３および出口４で異なる横断面積Ａ１、Ａ２をもつ。入口３および出口４開口は、大きさが異なり、正方形、長方形、円形といった同様の開口形状でもよく、さらに、大きさが異なり、開口形状も異なっていてもよい。このような光ガイドは、マガリルに対する米国特許６，３３２，６８８、リーバイスに対する米国特許５，８２９，８５８、ヘンクスに対する米国特許４，７６５，７１８で説明されている。

既知の光統合技術は、光結合が無効であったり、コンパクトさが欠けていたりすることに起因して不具合な点がある。したがって、光弁のアクティブエリアといった所定エリアにわたって均一でコリメートされた光をもたらすため、コンパクトで、軽量で、効率的で、費用効果の高い照明系統が必要とされる。

本発明の有利な点は、選択された横断面の、均一な強度をもち、選択された発光開口数に発光する光線を生成できる比較的コンパクトな、軽量の、効率的な、費用効果の高い照明系統を提供することである。さらに、この照明系統は、広範な大きさや形状をもつ光源からの光を、さまざまな形状や大きさをもつ光弁に対して効率的に結合できる。

本発明の特性は、開口数を設定して好みの均一性をもたらすことのできる微小ガイドアレイに光線を集束させることである。選択された形状や大きさのアレイを形成するため、選択された形状や大きさをもつ微小トンネル（中空微小光ガイド）や微小管（中実微小光ガイド）を用いてもよい。

本発明の１つの実施例では、好みのテーパ角（開口数）個体数をもつあるエリアにわたって均一な光分布をもたらす微小光ガイドアレイを形成するため、直線状およびテーパ状、もしくは直線状またはテーパ状微小トンネルを用いる。

他の実施例では、同一の機能をもたらすため、微小トンネルの代わりに直線状およびテーパ状、もしくは直線状またはテーパ状微小管のあるアレイを用いる。

本発明のさらに他の実施例では、ここで開示説明されたような微小ガイドを用いる投影系統を提供する。

本発明のさらなる実施例では、そのような微小ガイドアレイの加工方法を提供する。

本発明の他の実施例、特性、利点については、以下の図および詳細な説明を考査すれば当業者にとって明らかになるであろう。これらの追加の特性、実施例、利点の全ては、この説明内に含まれ、本発明の適用範囲内にあり、添付の請求項で保護されることが意図されている。

図面は説明目的のためだけのものであり、本発明の限界を定めるものではないということを理解すべきである。さらに、図面は必ずしも縮尺で描かれているものではなく、他に別途記載がない場合、単にここで説明された構造や方法を概念的に図示することを意図したものであるということを理解すべきである。

ここで説明されるものは、微小トンネルおよび微小管アレイ、それらの加工方法、これらのアレイを用いる光学系統である。

図２Ａ〜２Ｊは、本発明のさまざまな実施例による、直線状およびテーパ状微小トンネルアレイを示す。図２Ａは、二次元（ｘおよびｙ）に配置された微小トンネル３２で構成され、あるエリアに渡って比較的均一な分布の光を放出する二次元微小トンネルアレイ系統３０の平面図を示す。本発明ではこれに限定されることはないが、微小トンネルアレイ３０は、数個から数百万個にわたる微小トンネル３２を持ってもよく、各微小トンネルは横断面において大きさと形状が異なっていてもよい。図示を簡略化するため、アレイ３０は、３行４列に配置された１２個の微小トンネル３２をもつものとして示される。各微小トンネル３２はｗ_１×ｗ_２の横断面積をもち、アレイ３０はＷ_１×Ｗ_２の横断面積をもつ。

本発明はｗ_１、ｗ_２、Ｗ_１、Ｗ_２に対して特定の値に限定するものではない。しかし、ｗ_１およびｗ_２は数ミクロンから数ミリメートルの範囲であり、Ｗ_１およびＷ_２は数ミリメートルから数センチメートルの範囲である。これらの寸法は、通常、利用可能な加工技術により制限を受け、アレイの特定応用例に基づいて選択してもよい。

図２Ｂは、ラインＡに沿って求めた図２Ａの横断面図を示す。図２Ｂの微小トンネル３２は（図２Ｃで与えられる例で示されるものと同様の）直線状タイプであるが、テーパ状タイプ（図２Ｆおよび２Ｈで示される例）であってもよい。図２Ｂで示されるとおり、微小トンネル３２の長さおよびフレーム３５の厚さｔは等しい。支持フレーム３５材としては、ガラス、アルミニウム、金、ニッケル、珪素、ポリシリコン、炭化珪素または砒化ガリウム、もしくはいずれかの組み合わせが可能であり、これらに限定されない。フレーム３５は、全アレイ３０を支持する上で十分な厚さをもつ支持材であることが好ましい。アレイ３０の入口開口に対する光入射３３は、微小トンネル３２を通って部分的に伝達される３４。光の残りはフレーム面３１ａで反射および吸収される、もしくは反射または吸収される。微小トンネル３２に入る光は、微小トンネル１の長さと、各微小トンネル３２の入口開口での光線３３の入射角とに応じて、若干反射されるか、あるいはまったく反射されない。

図２Ｃは、横断面積ｗ_１×ｗ_２で長さｌの直線状微小トンネル３２において、図２Ａのアレイ３０に含まれる例の斜視図３６を示す。各微小トンネル３２の内面は反射性であるか、あるいは、アルミニウム、銀または誘電体鏡もしくはいずれかの組み合わせ（すなわち、ＳｉＯ_２やＴｉＯ_２といった低指数および高指数誘電体材料の交互層）でコーティングされる。この内面反射コーティングは、コールドミラーコーティングであり、これにより、光線内の可視光を減少させうる透過型熱フィルタを用いることなく入射光線３３からの赤外線（ＩＲ）の一部または全ての除去を行うものであってもよい。スパッタリング、熱あるいは電子ビーム蒸着、めっき及び／または電気めっきといった蒸着技術を用いて微小トンネル３２内面および反射層をもつフレーム外面３１ａおよび３１ｂ、もしくは微小トンネル３２内面または反射層をもつフレーム外面３１ａおよび３１ｂのコーティングを行うことも可能である。

アレイ３０中の各微小トンネル３２の横断面（すなわち入口開口）は、アレイ３０中の他の微小トンネル３２とは別の大きさと形状であってもよい。一般に、微小トンネルの入口開口の形状に制限はない。アレイ３０内において、正方形、三角形、長方形、円形、楕円形といった形状およびさまざまな形状の組み合わせが本発明で予期されている。さらに、全アレイ３０の横断面（すなわち、入口開口）は、微小トンネル入口開口の個々の大きさや形状とは別のさまざまな大きさや形状をもってよい。

微小トンネルアレイ８０は、図２Iで示されるとおり一次元であってもよい。微小トンネル８２はｙ軸に沿って一次元で配置される。この場合、このアレイ８０は、ｘ軸に沿った光の均一性に影響することなくｙ軸に沿ってさらに均一な光分布をもたらす。

図２Ｊは、ｘ軸およびｙ軸に沿って均一な光を供給することのできる、半径ｒに沿って配置された微小トンネル９２のリングをもつアレイ９０を示す。

アレイの全面積に対する微小トンネルの全横断面積の比率によりアレイの微小トンネル密度が決まる。例えば、図２Ａのアレイ３０の微小トンネル密度は（１２×ｗ_１×ｗ_２）／（Ｗ_１×Ｗ_２）である。この比率は、ｋ_１およびｋ_２、もしくはｋ_１またはｋ_２、すなわち微小トンネル３２の周囲のフレーム３１面積を減少させることにより増加させることができる。

透過光３４に対する入射光３３の比率により、微小トンネルアレイ３０の透過率が決まる。微小トンネル密度が大きくなると透過率も大きくなり、受け入れられた光３３および微小トンネル３２、もしくは受け入れられた光３３または微小トンネル３２がアレイ面積Ｗ_１×Ｗ_２にわたって均一に分布されると両者は等しくなる。

直線状微小トンネル３２の長さｌ（好ましくは、数ミクロンから数百ミクロン）は、図２Ｄで示されるとおり、フレーム３５厚さｔ（好ましくは、数百ミクロンから数ミリメートル）より小さくてよい。この場合、フレーム３５の一部は、全微小トンネルアレイ３０に対する追加支持をもたらすよう十分な厚さをもつように作製してもよい。この直線状微小トンネルの斜視図は、フレーム３５厚さｔよりも短い微小トンネル長ｌを除き、図２Ｃで示されるものと同様である。

アレイ３０の微小トンネル３２は、図２Ｅおよび２Ｇで示されるとおり、直線状ではなくテーパ状であってもよい。図２Ｆのテーパ状微小トンネル３２の入口開口ａ_１は出口開口ａ_２よりも小さい。図２Ｅにおいて、微小トンネル長ｌはｔよりも小さくなるよう示されているが、フレーム３５の全厚さｔまで延伸させてもよい。

テーパ状微小トンネル３２は、図２Ｇおよび２Ｈで示されるとおり、テーパ状微小トンネル３２の入口開口ｂ_１が出口開口ｂ_２よりも大きく、微小トンネルの長さｌがｔ以下になるようにしてもよい。このタイプの微小トンネルアレイは、受け入れられた光よりもコリメートされていない光をもたらす。

図２Ｋ〜２Ｎで示される本発明の他の実施例において、光の均質化とコリメーションは、微小トンネルアレイではなく微小管アレイ１３０を用いて実施される。アレイ１３０は、光学的に滑らかな前後面をもつ光学的に透過な材料でできた中実微小管１３２で構成される。微小管１３２内において全内面反射（すなわち、２つの媒体間の境界において全入射光量の反射）をもたらすため、微小管１３２の屈折率そのものは、微小管１３２の周りの材料１３５の屈折率よりも大きく、光の入射角は臨界角よりも大きくなければならない。微小管１３２および周辺材料１３５の両方とも光学的に透過であり、これにより、フレネル反射、すなわち異なる屈折率をもつ２つの媒体間の別個の境界における入射光の一部の反射を除いて、受け入れられた光３３はアレイ１３０を通して、光３４として完全に透過させることができる。

微小管１３２の入口開口に対する光入射３３は、全内面反射によって微小管１３２内に導かれる。微小管１３２入口開口外の光入射は全内面反射されることなく透過される。

アレイ１３０の微小管１３２は長さｌがｔ以下の直線状（図２Ｌ）およびテーパ状（図２Ｍ〜２Ｎ）、もしくは直線状またはテーパ状であってもよい。原則として、微小管アレイ１３０全体の形状および大きさ、あるいはアレイ１３０内の微小管１３２の形状および大きさに対して限度はない。図２Ａ〜２Ｊのアレイはまた、微小管アレイと組み合わされた微小トンネルアレイを用いて実施してもよい。

本発明のさらなる実施例により、図３Ａ〜３Ｂで示されるとおり、照明系統１００および２００は、光線１０３および２０３を受け入れ、図２Ｅおよび２Ｇの微小トンネルアレイをそれぞれ用いる。その他の場合、本実施例の系統１００、２００を実施するため、図２Ｅおよび２Ｇの微小トンネルアレイそれぞれの代わりに図２Ｍ〜２Ｎの微小管アレイを用いてもよい。

図３Ａは、均一で、図３Ｂの照明系統２００と比べてさらにコリメートされた光線をもたらす照明系統１００を示す。図３Ａにおいて、円錐角θの代表的光線１０３は、楕円鏡１０１に設置された光源１０２から微小トンネルアレイ１０５で受け入れられる。微小トンネルアレイ１０５は、受け入れられた光線１０３を均質化してコリメートし、角αより大きい円錐角θの均一光線１０４をもたらす。

図３Ｂの照明系統２００は円錐角θの光線２０３を受け入れ、角αより小さい円錐角θの均一でコリメートの少ない光線２０４をもたらす。

図３Ｃは、透過型ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）パネル１３１を用いる投射系統１２５を示す。反射型ＬＣＯＳ（珪素上液晶）やＤＭＤ（デジタル微小鏡）といった他のパネルタイプを用いてもよい。投射系統１２５は、楕円鏡１０１に設けられた光源１０２と、受け入れられた光線１０３を均質化してコリメートする微小トンネルアレイ１０５とを含む。

図３Ｃで示されるとおり、光は微小トンネルアレイ１０５を出て、集光レンズ１２７といったリレー光学素子によって透過される。集光レンズ１２７は、光ガイドアレイから光弁（ＬＣＤパネル）１３１の画像ゲート（入口面）に放出された光を重畳的に照明し集束させる。光弁１３１を透過した光線は、投射レンズ１３２の開口に対して視野レンズ１２８により集束される。光弁１３１上に表示された画像はスクリーン１３３上に投射される。

直線状微小トンネルアレイ３０による光線の均質化は、代表的な受け入れられた光線３３及び供給された光線３４とともに、図２ＡのラインＡに沿った横断面図を示す図４Ａ〜４Ｂで図示される。図４Ａ〜４Ｂで示されるとおり、直線状微小トンネルアレイ３０は、非均質光源から受け入れられた光線３３を、アレイ３０の微小トンネル３２の数に等しい多数のサブビームＡ〜Ｃに分ける。記述を簡略化するため、光線３３は１０個の光線１〜１０をもち、それぞれが均一な入射角θをもつものとして図示される。さらに、代表的なアレイ３０は３列の微小トンネル３２だけをもつ。アレイ３０は、任意の適切数の管あるいはトンネルを含め、数十万あるいは数百万個までの微小トンネル３２あるいは管をもつようにしてもよい。

透過光３４は、図４Ａ〜４Ｂで示されるとおり、対応する微小トンネル３２から現れるサブビームＡ、Ｂ、Ｃを含む。サブビームＡは光線２および３で構成され、サブビームＢは光線５および６で構成され、サブビームＣは光線８および９で構成される。光線１、４、７、１０はフレーム面３１ａで反射および吸収される、もしくは反射または吸収される。各サブビームは、微小トンネル長３２および光線の入射角θ／２に応じて、対応する微小トンネル内で多数回反射される。サブビームＡ、Ｂ、Ｃは、ある円錐角で微小トンネル３２を出て光弁エリア上（図示せず）で広がり、これにより高度に均一化された光分布が得られる。この場合、光線３４の円錐角αは、受け入れられた光線３３の角度θと等しい。図２Ｃ〜２Ｄの直線状微小トンネルに代わり、図２Ｅ〜２Ｆのテーパ状微小トンネルを用いて、円錐角αを小さくする（すなわち、結果的にさらにコリメートされた光を生じる）ことも可能である。

微小管アレイ１３０の場合、上の説明は、光線が反射されることよりもむしろ微小管内で全内面反射されるということを考慮して適用される。

ここ（図２Ａ〜２Ｎ）で開示された微小トンネル３０および微小管１３０アレイは既知の光ガイド１０および２０よりも少なくとも４つの利点がある。第１に、微小トンネル３０および微小管１３０アレイにより高度なコンパクトさと軽量化が得られる。これらのアレイ３０および１３０の長さ（ｌ≦ｔ）は既知の光ガイド１０および２０よりも、１桁から３桁も短くなるため、非常にコンパクトで軽量な系統が得られる。第２に、微小トンネル３０および微小管１３０アレイにより、これらのアレイ３０および１３０で形成される多数の仮想光源により高度な光均一性が得られる。これらの仮想光源の映像はお互いの上に重畳され、光弁エリアといった特定のエリア上で極めて均一な光分布をもたらす。第３に、微小トンネル３０および微小管１３０により光源と光弁との間に高い結合効率が得られるため、光弁によりさらに効率的に光を用いることができる。この場合、微小トンネル３０および微小管１３０アレイにより、光弁に供給される光線の円錐角群が低下するため、結合効率が向上する。第４に、微小トンネル３０および微小管１３０アレイは、集積回路（ＩＣ）等の工程で大量生産できるため、良好な費用効果が得られる。

ここで開示された微小トンネルおよび微小管アレイは、標準的なフォトリトグラフィ、珪素表面微細機械加工、珪素バルク微細機械加工、ＬＩＧＡ、ＨＥＸＳＩＬ、高アスペクト比構造の電子形成、ナノテクノロジー技術、さらにこれらのうちの２つ以上を組み合わせたものを含むさまざまな工程を用いて作製され、これらに限定されない。

微小トンネルアレイ３０を加工する代表的な方法が図５Ａ〜５Ｅで示されている。図２ＡのラインＢに沿って示されるアレイを形成するための構成の横断面図が図５Ａ〜５Ｅで示されている。

図５Ａは第１層５１、絶縁層５２、光学基板５５を示す。層５１は、アルミニウム、金、ニッケルといった金属で作製してもよいが、珪素、炭化珪素、ゲルマニウム、砒化ガリウム、リン化インジウム、ダイヤモンド、といった単結晶、多結晶、あるいは非晶質半導体及び／又は絶縁材料もしくはそれらを組み合わせたもので作製してもよい。層５２は熱的に成長させた酸化珪素が好ましいが、基板５５のエッチング中にエッチングストップとして機能できる他の絶縁材料（例えば、窒化珪素）で作製してもよい。基板層５５は珪素であってもよいが、以下の材料：単結晶珪素、多結晶珪素、非晶質珪素、単結晶炭化珪素、多結晶炭化珪素、単結晶珪素ゲルマニウム、多結晶珪素ゲルマニウム、単結晶ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド、ガラス、セラミック、金属（例えば、金、アルミニウム、ニッケル）、窒化珪素、酸化珪素の１つ以上を組み合わせたものであってもよく、それらに限定されない。

図５Ａで示される構成は、好ましくは、絶縁体上珪素（ＳＯＩ）構造である。このようなＳＯＩ構造に対して、加工工程で、フォトリトグラフィ、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、深ＲＩＥ、ドーピング、拡散、アニーリング、イオン打込み、金属付着、さらに酸化珪素、窒化珪素等の成長や析出といった標準的な集積回路（ＩＣ）加工ツールや手順を用いてもよい。

図５Ｂは、微小トンネルアレイを規定するパターン化された層５３の横断面図である。層５３は層５１上に析出され、図５Ｂで示されるようにパターン化される。このパターン化された層５３は、層５１のエッチング工程中にマスク層として機能する。このマスク層５３は、酸化珪素、窒化珪素、フォトレジスト、あるいは他の適切な材料であってもよい。

図５Ｃは、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）あるいは深反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）を用いて、マスキング防護のないエリアにおいて層５１のエッチングを行った後の微小トンネルアレイ５７の横断面図を示す。光学基板層５５およびマスク層５３の一部は、図５Ｄで示されるとおり、ＫＯＨといった湿式エッチング技術あるいはＤＲＩＥといった乾式エッチング技術を用いて除去される。絶縁層５２は、続いて図５Ｄに示されるとおり、微小トンネル出口開口５８をクリアにするため、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）あるいは時限式湿式エッチングといった適切なエッチング技術を用いて除去される。この時点で、反射層５４は微小トンネル内側壁およびアレイの前側面に析出される。さらに、アレイの後面は図５Ｅに示すとおり反射層でコーティングされてもよい。反射層５４はアルミニウム、金、銀、誘電体鏡、あるいは金属層と誘電体層との組み合わせでもよい。析出技術には、蒸着、スパッタリング、めっき、化学蒸着があり、これらに限定されない。

上述の加工ステップの順番は変更してもよく、この工程では、さらに加工工程の最後の時点で望みの構造が得られる。例えば、光学基板層５５の一部を除去することから加工工程を開始して、続いて、湿式エッチングまたは乾式エッチング技術を用いて後面のエッチングされたエリアから絶縁層５２を除去してもよい。この段階における構造の横断面を図５Ｆに示す。マスク層５３はその後、図５Ｇで示すとおり、蒸着されパターン化される。層５１はその後エッチングされ、マスク層５３が除去され、反射層５４はその後、図５Ｈで示すとおり蒸着される。

微小トンネルアレイは、図６Ａおよび６Ｂで示されるとおり、他の出発原料を用いて加工してもよい。図６Ａは、ｐ型基板６５の上に成長させたｎ型層６１を示す。図６Ｂは、ｎ型層７１、高ドーピングｐ型珪素層７２、ｎ型またはｐ型基板７５を示す。層７２は、基板７５の後面エッチング中のエッチングストップとして機能する。

図６Ａの基板に対して、電気化学ＫＨＯといった湿式エッチング法を用いて光学基板層６５の一部をエッチングすることから加工工程を開始することが好ましい。電気化学ＫＨＯエッチング工程において、１つの層６１には、第２層６５のエッチング工程中に前記層を防護するためにバイアスをかける。この場合、図６Ｃで示すとおり、エッチング工程により層６５の一部を除去し、この工程はｎ型珪素層６１で停止する。高ドーピング層ｐ型層７２（図６Ｂ）がある場合、電気化学ＫＨＯエッチングは必要なく、図６Ｄで示すとおり、通常のＫＨＯエッチングが層７２で停止する。

さらに、あるいはその他の場合、出発原料は、図６Ｅで示されるとおり、ｐ型またはｎ型珪素といった単層８１で構成してもよい。この場合、微小トンネルの長さは基板厚さと等しく、基板の後面から原料を除去する必要がない。

その他の場合、図６Ｆで示されているとおり、基板の一部は時限式湿式あるいは乾式エッチング技術を用いて除去し、基板厚さｔよりも小さい長さｌの微小トンネル作製が可能になる。時限式エッチングによりエッチングストップ層が必要なくなる。この段階において、図５Ｇ〜５Ｈで記述された加工ステップを用いて、図６Ｃ〜６Ｆで示される構造の加工工程を完了させてもよい。

微小管アレイ１３０の加工段階が図７Ａ〜７Ｄで示されている。図７Ａは、図２ＫのラインＢに沿って求めた光学的に透明な基板１５０の横断面図を示す。基板の最上面および底面は、フレネル反射を低下させ、光の透過効率を向上させるため反射防止層でコーティングしてもよい。

酸化珪素、窒化珪素、あるいはフォトレジストといった層１５１は、図７Ｂで示されるとおり、基板１５０上に蒸着させ、パターン化させる。このようにパターン化された層１５１は微小管アレイ１３０を規定する。イオン打込みおよび拡散ステップ、もしくはイオン打ち込みまたは拡散ステップがその後実施され、層１５１で覆われていないエリアの基板１５０表面を基板１５０の厚さｔよりも小さい深さｌまでイオンを透過させる。層１５１は、打込みあるいは拡散工程中に層１５１より下にある基板１５０のエリアにイオンが透過することを防ぐための打込みあるいは拡散ストップとして機能する。層１５１はその後除去され、その結果、図７Ｄで示されるとおり、微小管アレイ１３０が得られる。これらの打込み領域１５５の屈折率は、基板１５０の非打込み領域と比べて低下（あるいは増加）する。

リン、ホウ素、窒素といった広範な元素を基板１５０の非マスク領域に打込みあるいは拡散させてもよい。例えば、基板表面の下部のある深さにおいて希望の材料で基板に打込むため、まず室温でイオンを打込み、その後、打込まれた材料をさらに深いところまで拡散させるように、基板を高温（例えば、７００〜１２００℃）に加熱することも可能である。その他の場合、基板を、アルミニウムやニッケルといったある材料でコーティングしてパターン化し、その後、コーティング／パターン化された材料を基板中に拡散させるために高温に加熱し、マスキング／ストップ層を不要にしてもよい。

ここで開示された微小トンネルおよび微小管アレイは適用の幅が広く、それには、投影型テレビ、デジタルテレビ、ホームシアターおよびモニタといった投影型ディスプレイ；ゲーム用コンソール、カムコーダ、カメラ、携帯電話、インターネット装置、ヘッドセット；リトグラフィやフォトマスク生成機器；レーザ熱処理；顕微鏡；ファイバ光学照明；医療器具や携帯式患者モニタリング；ＧＰＳ／ナビゲーションユニット；車のダッシュボード上のインジケータ；バーコードスキャナや試験測定機器等が含まれ、これらに限定されない。

本発明の特定の実施例が示され説明されたが、開示された発明はさまざまな方式で改造され、上で特定して設定され説明された実施例とは別の多数の実施例が仮定されるということは当業者にとって明らかであろう。したがって、本発明の適用範囲は添付の請求項で示され、趣旨内にあり等価な範囲内にあるあらゆる変更は、本発明に含まれるものと意図される。

従来例の直線状光ガイドの斜視図。 従来例のテーパ状光ガイドの斜視図。 本発明の１つの実施例による二次元長方形微小トンネルアレイの上視図。 図２ＡのラインＡに沿った直線状微小トンネルアレイの横断面図。 図２Ｂのアレイに含めることのできる直線状微小トンネルの斜視図。 図２ＡのラインＡに沿った直線状微小トンネルアレイの横断面図であり、ここで、微小トンネル長ｌはフレーム厚さｔよりも小さい。 図２ＡのラインＡに沿ったテーパ状微小トンネルアレイの横断面図であり、ここで、入口開口は出口開口よりも小さく、微小トンネル長ｌはフレーム厚さｔよりも小さい。 図２Ｅのテーパ状微小トンネルの斜視図であり、ここで、入口および出口開口の寸法はそれぞれａ_１およびａ_２である。 図２ＡのラインＡに沿ったテーパ状微小トンネルアレイの横断面図であり、ここで、入口開口は出口開口よりも大きく、微小トンネル長ｌはフレーム厚さｔよりも小さい。 図２Ｇのテーパ状微小トンネルの斜視図であり、ここで、入口および出口開口の寸法はそれぞれｂ_１およびｂ_２である。 一次元長方形微小トンネルアレイの上面図。 微小トンネルのリングをもつアレイの上面図。 本発明の他の実施例による二次元長方形微小管アレイの上面図。 図２ＫのラインＡに沿った直線状微小管アレイの横断面図。 図２ＫのラインＡに沿ったテーパ状微小管アレイの横断面図であり、ここで、入口開口は出口開口よりも小さく、微小管長ｌは基板厚さｔよりも小さい。 図２ＫのラインＡに沿ったテーパ状微小管アレイの横断面図であり、ここで、入口開口は出口開口よりも大きく、微小管長ｌは基板厚さｔよりも小さい。 本発明の１つの実施例による、光線を均一化しコリメートする第１の照明系統の横断面図。 本発明の１つの実施例による、光線を均一化しコリメーションを縮小する第２の照明系統の横断面図。 本発明の１つの実施例による、投影器系統の横断面図。 図２Ｂの直線状微小トンネルアレイの横断面図であり、光線をサブビームに分割する機能を図示する。入射光線は均一な入射角をもつ。 図２Ｂの直線状微小トンネルアレイの横断面図であり、光線をサブビームに分割する機能を図示する。微小トンネルアレイの第１の半分は＋θ／２の入射角の光線の一部を受け入れ、第２の半分は−θ／２の入射角の光線の次の部分を受け入れる。 本発明の１つの実施例によるＳＯＩウェーハを用いる微小トンネルアレイの加工ステップ。 本発明の１つの実施例によるさまざまなタイプの出発原料を用いる微小トンネルアレイの他の加工ステップ。 本発明の１つの実施例による微小管アレイの加工ステップ。

Claims (27)

1. 光ガイドアレイであって、この光ガイドアレイが：
   支持材と；
   支持材中に形成された複数の光ガイドであって、各光ガイドが、光を受け入れるための入口開口と、光を放出するための出口開口とを備える光ガイドと
   を備えることを特徴とする光ガイドアレイ。
2. 請求項１に記載の光ガイドアレイであって、光ガイドの少なくとも１つが中実光管であることを特徴とする光ガイドアレイ。
3. 請求項２に記載の光ガイドアレイであって、中実管が直線状であることを特徴とする光ガイドアレイ。
4. 請求項２に記載の光ガイドアレイであって、中実管がテーパ状であることを特徴とする光ガイドアレイ。
5. 請求項４に記載の光ガイドアレイであって、中実管の入口開口が、中実管の出口開口よりも小さいことを特徴とする光ガイドアレイ。
6. 請求項４に記載の光ガイドアレイであって、中実管の入口開口が、中実管の出口開口よりも大きいことを特徴とする光ガイドアレイ。
7. 請求項１に記載の光ガイドアレイであって、光ガイドの少なくとも１つが、支持材を貫通する中空トンネルであることを特徴とする光ガイドアレイ。
8. 請求項７に記載の光ガイドアレイであって、中空トンネルが直線状であることを特徴とする光ガイドアレイ。
9. 請求項７に記載の光ガイドアレイであって、中空トンネルがテーパ状であることを特徴とする光ガイドアレイ。
10. 請求項９に記載の光ガイドアレイであって、中空トンネルの入口開口が、中空トンネルの出口開口よりも小さいことを特徴とする光ガイドアレイ。
11. 請求項９に記載の光ガイドアレイであって、中空トンネルの入口開口が、中空トンネルの出口開口よりも大きいことを特徴とする光ガイドアレイ。
12. 請求項７に記載の光ガイドアレイであって、中空トンネルの内面が反射材でコーティングされることを特徴とする光ガイドアレイ。
13. 請求項７に記載の光ガイドアレイであって、中空トンネルの内面がコールドミラーコーティングされることを特徴とする光ガイドアレイ。
14. 請求項１に記載の光ガイドアレイであって、支持材が、アルミニウム、金、ニッケル、珪素、ポリシリコン、炭化珪素、砒化ガリウム、光学的に透明な材料からなる群から選択されることを特徴とする光ガイドアレイ。
15. 光学系であって、この光学系が：
    光源と；
    光源からの光を反射するための楕円鏡と；
    反射された光を受け入れるための光ガイドアレイであって、この光ガイドアレイが、支持材と、この支持材内に形成された複数の光ガイドとを含み、各光ガイドが、光を受け入れるための入口開口と、光を放出するための出口開口とを備える光ガイドアレイと
    を備えることを特徴とする光学系。
16. 請求項１５に記載の光学系であって、この光学系がさらに：
    光ガイドアレイから放出された光を受け入れる光弁を備える光学系。
17. 請求項１６に記載の光学系であって、この光学系がさらに：
    光ガイドアレイから放出された光を光弁に向けるためのリレー光学素子を備える光学系。
18. 請求項１６に記載の光学系であって、この光学系がさらに：
    光弁から放出される光を受け入れる投影レンズと；
    投影レンズから放出される光を受け入れるスクリーンと
    を備える光学系。
19. 光ガイドアレイの加工方法であって、この方法が：
    支持材層を準備するステップと；
    複数の光ガイドトンネルを規定する支持材に、パターン化されたマスキング層を形成するステップと；
    光ガイドトンネルを形成するため、マスキング層で覆われていない支持材層をエッチングするステップと；
    光ガイドトンネルの内面に反射材料を蒸着させるステップと
    を含むことを特徴とする加工方法。
20. 光ガイドアレイの加工方法であって、この方法が：
    基板を準備するステップと；
    複数の光ガイド管を規定する基板に、パターン化されたマスキング層を形成するステップと；
    複数の打ち込み領域を形成するよう基板の非マスキング部にイオンを打ち込むステップであって、各打ち込み領域が基板と異なる屈折率をもつステップと
    を含むことを特徴とする加工方法。
21. 対象物に照明するための系統であって、この系統が：
    光源と；
    光源から放射される光エネルギーを受け入れるための複数の光ガイドを含む第１の光学手段と；
    第１の光学手段から放出される光エネルギーを対象物に向けるための第２の光学手段と
    を備えることを特徴とする系統。
22. 請求項２１に記載の系統であって、光ガイドが、光管、光トンネル、およびこれらを任意に組み合わせたものからなる群から選択されるマイクロガイドを含むことを特徴とする系統。
23. 請求項２１に記載の系統であって、第２の光学手段が、第１の光学手段からの光エネルギーを対象物に重畳することを特徴とする系統。
24. 請求項２１に記載の系統であって、この系統がさらに、光源からの光エネルギーを第１の光学手段に向けるための反射体を備えることを特徴とする系統。
25. 請求項２４に記載の系統であって、反射体が光源からの光エネルギーを第１の光学手段に集めることを特徴とする系統。
26. 請求項２１に記載の系統であって、第１の光学手段が光ガイドアレイを含むことを特徴とする系統。
27. 請求項２１に記載の系統であって、この系統が均一に対象物を照明することを特徴とする系統。

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