JP2009157404A - 一体形成表面ディフューザを有する光学要素 - Google Patents

Abstract

【課題】収差の補正された光学要素を提供すること。
【解決手段】モノリシック光学要素（５０）は、基体（５２）と、基体に一体形成され、収差による影響を受けるマクロ光学的特徴（５４）と、複数の微小構造（５６）とを備える。微小構造（５６）は、マクロ光学的特徴（５４）を介してモノリシック光学要素（５０）を出射する光を拡散によって均質化するとともに、モノリシック光学要素（５０）の光出力のほぼ全体によって、その強度が滑らかに連続的に変化する所定の光分布パターンが形成されるように方向付けるよう適合されている。基体（５２）、マクロ光学的特徴（５４）及び微小構造（５６）は協働して、所定の光分布パターンを与える光出力をモノリシック光学要素に発生せしめ、収差を補正する。
【選択図】 図３ｂ

Description

１．発明の分野
本発明は光学の分野に一般的に関し、より詳細には、一体形成表面ディフューザをその一部として有する各種の光学要素に関するものである。

２．関連技術の説明
現在及び将来的に非常に多くの用途において有用な多くの種類の光学要素が知られている。これらの光学要素は光線または光路上に置かれて光学要素を通過する光の特性を変化させる。こうした光学要素には、シリンドリカルレンズのように単純なものもあり、その場合レンズに入射する光線は、その幅は変化しないが、シリンドリカルレンズの外形によって幅に垂直な方向に拡がる。光学要素の別の一例として、一方の側面が平面として、他方の側面がレンズを通過する光の特性を変化させる凹面または凸面として形成された透明な媒体が挙げられる。こうしたレンズは眼鏡、拡大鏡、フィルム投射器などに一般的に使用されている。

他の種類の光学要素も知られ、フレネル構造、回折格子構造、フィルター、全反射（ＴＩＲ）構造、ＧＲＩＮレンズなどの非線形光学要素、プリズム様構造、偏光子、枕状光学機構、光ファイバ、及び他の光学的導波管などがある。これらの光学的構造体のすべては、光源からの光入力を受光し、構造体もしくは要素を透過もしくはこれにより反射された光は何らかの変化した状態で構造体もしくは要素から出射する。これらの光学要素はすべて、光が構造体もしくは要素を出射する時点で光の特定の波長を、透過、反射、回折、屈折、または濾光している。

これらの光学要素のそれぞれは、光源の性質によって与えられる特性を有する光源からの光を受光し、光学要素を通じて伝播する光を変化させるものである。しかし、これらの光学要素は、光源内の高強度のスポット及び低強度のスポットを除くことによって光を均質化または平滑化することにより光の光学的性質を向上させるものではない。光学要素内またはこれを通って伝播する光を均一に拡散させることにより出力が滑らかかつ非不連続となる。更に、これらの光学要素の内、光の散乱を低減もしくは防止し、光子の実質上すべてもしくは大半を所望の特定の方向、パターン、またはエンベロープに方向付けるようなものはない。これらの公知の光学要素の事実上すべてのものは、光が光学要素を通過もしくは光学要素によって反射される際に特定の光学的機能を行うのみに過ぎない。

例として、光ファイバケーブルは、一端において光エネルギーを取り込み、所定の屈折率を有するファイバ材料（コアとクラッド）によって、ファイバを通過する光を連続的に内部反射させるように構成されているため、基本的にすべての光は受光されたのとほぼ同じ状態で光ファイバケーブルを出射する（モード変化は無視する）。眼鏡や投射器のレンズ（複数のレンズを使用）に使用される凸レンズでは、光がレンズの一方の側から入射する際に、レンズの曲率または形状、及びレンズの製造に使用される材料に基いて光を若干曲折させる。フレネルレンズではレンズの表面に複数のフレネル構造が設けられ、これにより光を曲折もしくは屈折させてレンズを通過する光を平行化または集束させる。光に対して特定の光学的機能を行う多くの他の光学要素が知られている。これらの光学要素は光学要素を出射する光の強度変化を平滑化すなわち「均質化」するものではなく、実質上すべての光を特定の方向、特定の形状、エンベロープ、もしくはパターンへと方向付けるものではない。したがって従来技術に基く光学要素では光のかなりの量が無駄に損失している。

光学要素に光拡散性及び光方向付け性を与えるためにディフューザが別個の層として光学要素に適用される。こうした構成では、例えばフレネルレンズなどの光学要素の表面にディフューザ材料のシートまたは層を施したり接着するなどして積層構造を形成する。こうした構成の難点の１つは、シート材料はそれほど耐久性が高くないため、使用に際して破損したり、引っ掻き傷を生じたり変形しやすい点である。別の難点としては、ディフューザ金属箔が時間の経過につれ、また、特定の条件下において、光学要素から剥離してしまう点がある。こうした積層構造の更に重大な問題点は、積層構造の２つの部分間の接合面が光学要素に入射する光の一部を屈折または反射させる界面を形成することである。フレネル反射では、各接合面において入射光の少なくとも４％が失われるが、この光はディフューザ及び光学要素を通過しないか、あるいは望ましくないかたちで変化させられる。こうした構成の更なる難点は、積層体の２つの部分を接着するために屈折率の一致した光学グレードのエポキシすなわち接着剤を使用しなければならない点である。光学グレードのエポキシはそれ自体光を透過するものであるが、ディフューザ層とエポキシとの間、及び光学要素とエポキシとの間の各接触面において更なる層または屈折面を形成し、更なるフレネル損失を生ずる。エポキシ層によって更に積層構造の製造工程が複雑となるばかりでなくコストも増大する。エポキシの別の難点は、エポキシが積層体の１つの表面と完全に接触せずに、エポキシと積層体層の１つとの間、あるいはエポキシ自体の内部に気泡を生じる点である。こうした不規則性によって積層光学要素内を光が通過する際に更なる問題（散乱）を生ずる。これらの問題点はすべて積層光学要素の性能及び好ましさを大幅に低下させるものである。

本発明の譲受人は各種の材料において多数の表面微小構造を形成することによりこうした材料上に表面ディフューザを形成する方法を幾つか発明した。これらの方法は、以下に列記する既に発行された特許ならびに同時係属中の特許出願に述べられている。これらの方法の多くでは、フォトレジスト材料を光源に曝すことによってマスターディフューザを形成し、このマスターディフューザをより耐久性の高い１以上のサブマスターに複製する。マスターの光学特性を有するマスターディフューザの複製を製造する他の方法も知られている。こうした方法の中には、最初にマスターディフューザを光学的に形成するものがあり、またマスターディフューザを機械的に形成する方法もある。サブマスターは、マスターディフューザの表面をサブマスター表面に複製する多くの方法を用いてマスターディフューザから形成される。これらの他の方法については、以下に参照する本発明の譲受人に譲渡された１以上の係属中の米国特許出願に述べられている。

共通の譲受人に譲渡された他の米国特許及び係属中の出願には、光学製品を製造、製品に記録し、大量生産を行うためにこれらの製品を複製するための関連の方法が開示されている。例として、すべて本発明の譲受人の所有となる、発明の名称が「体積ホログラフィック材料に基いたＧＲＩＮ型ディフューザ」（Ｇｒｉｎ Ｔｙｐｅ Ｄｉｆｆｕｓｅｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｖｏｌｕｍｅ Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌ）である米国特許第５，３６５，３５４号、発明の名称が「コヒーレントな光及びホログラフィックディフューザを用いて形成されたホモジェナイザ」（Ｈｏｍｏｇｅｎｉｚｅｒ Ｆｏｒｍｅｄ Ｕｓｉｎｇ Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｌｉｇｈｔ ａｎｄ ａ Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ｄｉｆｆｕｓｅｒ）である米国特許第５，５３４，３８６号、及び、発明の名称が「コヒーレントな光を使用して形成されたビューイングスクリーン」（Ｖｉｅｗｉｎｇ Ｓｃｒｅｅｎ Ｆｏｒｍｅｄ Ｕｓｉｎｇ Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｌｉｇｈｔ）である米国特許第５，６０９,\~９３９号は、光学製品に記録し、これを複製するための方法に関す
るものである。これらの米国特許のそれぞれを、これらに限定されるものではないが、本発明の背景を示し、当該技術分野の現在の水準を説明する目的でここに援用するものである。

関連する米国特許第特許出願として以下のものが挙げられる。発明の名称が「ＬＣＤバックライティングのための装置」である米国特許出願第０８／７８２，９６２号、発明の名称が「マスターを保存しつつ複製を製造するための方法」である同第０９／０５２，５８６号、発明の名称が「光源をデストラクチャリング及び形成するデバイスを有するＬＣＤ」（ＬＣＤ Ｗｉｔｈ Ｌｉｇｈｔ Ｓｏｕｒｃｅ Ｄｅｓｔｒｕｃｔｕｒｉｎｇ ａｎｄ Ｓｈａｐｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅ）である同第０８／５９５，３０７号、発明の名称が「平行化されたバックライティング及び非ランベルト拡散を有する液晶ディスプレイシステム（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ Ｃｏｌｌｉｍａｔｅｄ Ｂａｃｋｌｉｇｈｔｉｎｇ ａｎｄ Ｎｏｎ−Ｌａｍｂｅｒｔｉａｎ Ｄｉｆｆｕｓｉｎｇ）」である同第０８／６０１，１３３号、発明の名称が「液晶ディスプレイシステムを形成する方法」（Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｍａｋｉｎｇ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｓｙｓｔｅｍ）」である同第０８／６１８，５３９号、発明の名称が「複製を生成する方法及び該方法において使用するための組成物（Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｍａｋｉｎｇ Ｒｅｐｌｉｃａｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ ｆｏｒ Ｕｓｅ Ｔｈｅｒｅｗｉｔｈ）」である同第０８／８００，８７２号、及び、発明の名称が「不可干渉光を用いた光学マスターを製造する方法及び装置（Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｍａｋｉｎｇ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍａｓｔｅｒｓ Ｕｓｉｎｇ Ｉｎｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｌｉｇｈｔ）」である同第０９／０７５，０２３号、１９９８年８月２０日出願の「非ランベルトガラスディフューザー及び製造方法（Ｎｏｎ−Ｌａｍｂｅｒｔｉａｎ Ｇｌａｓｓ Ｄｉｆｆｕｓｅｒ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｍａｋｉｎｇ）」、１９９８年８月２０日出願の「ディフューザーマスター及び製造方法（Ｄｉｆｆｕｓｅｒ Ｍａｓｔｅｒ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ）」、１９９８年８月２５日出願の「高効率モノリシックガラス光形成ディフューザー及び製造方法（Ｈｉｇｈ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ Ｇｌａｓｓ Ｌｉｇｈｔ Ｓｈａｐｉｎｇ Ｄｉｆｆｕｓｅｒ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｍａｋｉｎｇ）」、１９９８年８月２５日出願の「一体形成面ディフューザーを有する光学素子（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｈａｖｉｎｇ ａｎ Ｉｎｔｅｇｒａｌ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｄｉｆｆｕｓｅｒ）」、１９９８年８月２５日出願の「ディフューザ表面構造を有する車両用ライトアセンブリ」（Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｌｉｇｈｔ Ａｓｓｅｍｂｌｙ Ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ａ Ｄｉｆｆｕｅｒ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）、１９９８年８月２５日出願の「光源及びゾルゲルモノリシックディフューザーを有する装置（Ａｐｐａｒａｔｕｓ Ｈａｖｉｎｇ ａ Ｌｉｇｈｔ Ｓｏｕｒｃｅ ａｎｄ ａ ＳｏｌＧｅｌ Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ Ｄｉｆｆｕｓｅｒ）」、１９９８年８月２５日出願の「受動マトリクス液晶ディスプレイ（Ｐａｓｓｉｖｅ Ｍａｔｒｉｘ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）」、及び１９９８年８月２５日出願の「ディフューザを有する光学要素を備えた装置」（Ｄｅｖｉｃｅ Ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ａｎ
Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｗｉｔｈ ａ Ｄｉｆｆｕｓｅｒ）。上記出願のすべては本譲受人の所有になるものであり、これらに限られるものではないが本発明の背景を示し、現在の技術水準を説明する目的のためにここに援用するものである。

（発明の概要）
本発明に基いて構成されたモノリシック光学要素は、該光学要素の第１の部分に少なくとも１つのマクロ光学的特徴が一体形成された基体を有する。このモノリシック光学要素は更に、光学要素の一部に一体形成された複数の微小構造であって、光学要素を通過する光を均質化して、光学要素から出射する光の滑らかに変化する非不連続な所定の分布を与える微小構造を備える。

本発明の目的は、少なくとも１つのマクロ光学的特徴、及び光学要素の一部に一体形成
された表面微小構造によって与えられる光拡散及び形成表面構造を有する光学要素を提供することにある。本発明の更なる目的は、積層体構造としてではなく、材料の単一体として形成されたモノリシック光学要素を提供することにある。本発明の更なる目的は、積層体の２つの部分間の損失を生ずる反射接合面をなくしたことにより、従来技術と比較して透過効率が大幅に向上したモノリシック光学要素を提供することにある。こうした積層体では各面において４％の望ましからざるフレネル損失が生ずる。本発明の更なる目的は、ディフューザ面の表面微小構造が光学要素の残りの部分と同じ材料から一体形成されていることにより、より耐久性が高くかつ有用な、製造コストが低減された光学要素を提供することにある。

一実施形態において、光学要素の基体はフレネルレンズである。フレネルレンズでは上記の少なくとも１つのマクロ光学的特徴は複数のフレネル光学要素である。別の一実施形態においては、基体は長尺の光ファイバケーブルまたは光学的導波管であり、前記の少なくとも１つのマクロ光学的特徴はケーブルの屈折率である。本発明の他の実施形態では、モノリシック光学要素は、凹レンズまたは凸レンズ、非球面レンズ、偏光子、プリズム様構造、フィルタ、回折格子構造、または全反射レンズくさび（ライトパイプ）、あるいは逆反射体などの任意の種類の光学レンズである。モノリシック光学要素の更なる別の一実施形態では、モノリシック光学要素はラップトップ型コンピュータのディスプレイにおいて使用されるライトパイプである。これらの実施形態のすべてにおいて、特定のレンズ特性すなわち構造は基体の一部として一体に形成され、拡散及び光形成特性を与える微小構造もやはり基体の一部に一体に形成されている。一実施形態においては、微小構造はマクロ光学的特徴とは別の基体部分に一体に形成される。別の実施形態においては、微小構造は光学要素のマクロ光学的特徴と同じ表面に一体に形成される。

フレネルレンズ光学要素を示す立面斜視図。 図１ａのフレネルレンズの１ｂ−１ｂ線に沿った断面図。 シリンドリカルレンズ光学要素を示す立面斜視図。 図２ａの２ｂ−２ｂ線に沿ったシリンドリカルレンズを示す断面図。 別のシリンドリカルレンズ光学要素の断面図。 別のシリンドリカルレンズ光学要素の断面図。 パラボラ凸レンズを示す立面斜視図。 図３ａの凸レンズの３ｂ−３ｂ線に沿った断面図。 光ファイバケーブル光学要素を示す立面斜視図。 図４ａの光ファイバケーブルの４ｂ−４ｂ線に沿った断面図。 プリズム様光学要素を示す立面斜視図。 図５ａのプリズム様光学要素の５ｂ−５ｂ線に沿った断面図。 偏光子光学要素を示す立面斜視図。 図６ａの偏光子光学要素の６ｂ−６ｂ線に沿った断面図。 導波管フィルタ回折格子光学要素を示す立面斜視図。 図７ａの７ｂ−７ｂ線に沿った導波管フィルタ回折格子の断面図。 パラボラ凹レンズ光学要素を示す立面斜視図。 図８ａの凹レンズの８ｂ−８ｂ線に沿った断面図。 全反射光学要素を示す概略図。 本発明の光学要素の別の実施形態の断面図。 本発明の光学要素の別の実施形態の断面図。 本発明の別の実施形態であるライトパイプを示す概略図。

本発明のこれら及び他の態様ならびに目的は、以下の説明文及び付属の図面とともに考えることによってよりよく認識、理解されるであろう。以下の説明文は、本発明の好ましい実施形態を示すものであるが、あくまで説明を目的としたものであって発明を限定するものではないことは理解されるべきである。本発明の精神を逸脱することなく本発明の範囲内において多くの変更及び改変を行うことが可能であり、本発明はそうした改変例のすべてを包含するものである。

（発明の詳細な説明）
本発明の譲受人に譲渡された上記の特許ならびに同時係属中の特許出願に基けば、同譲受人によって、ランダムな性質を有するとともに滑らかな整合性及び連続性を有する強度の光出力を与える微小彫刻面構造すなわち微小構造を光学的または機械的に基体に形成するための方法が開発されてきた。これらの微小構造は、光出力を所望の分布パターンまたはエンベロープに形成するように光源からの光出力の方向を制御することによって形成することも可能である。これらの既に発行された特許は、様々な手段によりフォトレジスト材料にこれらの表面構造を形成し、これらの構造をサブマスターに複製することに関するものである。これらのサブマスターを使用して微小構造を材料のシートに更に複製し、これを対象物にラミネートもしくは適用することにより光均質化、光形成、光方向付け特性を付与することが可能である。同時係属中の特許出願では、エポキシや柔軟性プラスチックシート以外の材料にこれらの微小構造を形成するために更に開発された新規な技術が開示されている。

本発明は、任意の特定の材料にこれらの微小構造を形成することに限定されるものではなく、したがってここに述べられる光学要素は、ゾル−ゲルガラス、石英ガラス、ポリカーボネート、アクリル樹脂、エポキシ及び他の任意の適当な合成樹脂材料、ガラスまたは他の型成型可能な材料などの材料から形成することが可能である。本発明は、特定の光学要素に付随するマクロ光学的特徴と光学要素を伝播する光の特性を向上させるディフューザ微小構造の両方を有するモノリシック構造を与える一体形成された微小構造を有する光学要素を提供するものであり、これにより望ましからざるフレネル反射損失が低減して透過効率が向上し、更に製造コストが低減するものである。

ここで図面を参照すると、向上かつ規定された光伝播特性を有するモノリシック構造を与えるために微小構造が一体形成された特定の光学要素の多くの可能な実施形態が示されている。示された実施形態は、可能な光学要素のすべてを網羅することを目的とするものではなく、可能な実施形態のいくつかを示したものに過ぎない。図１ａ及び１ｂは、フレネルレンズ２０としての光学要素を示したものである。フレネルレンズは、光源から光を受け、この光をフレネルレンズの構造的特徴に基いて拡散、平行化、もしくは集束するために多くの用途において一般的に利用されている。例として、フレネルレンズは、車内ドーム灯、簡単なトレーラ灯、及び車両用の各種テールランプ構造などの多くの簡単な自動車用途に一般的に用いられている。

本発明に基いて構成されたフレネルレンズ２０は、任意の種類の材料にて形成することが可能であるが、多くの用途においてプラスチック材料から成型される基体２２を有する。更に、基体２２は、本発明の範囲から逸脱することなく任意の形状、配置、外形に形成することが可能であるが、レンズ２０は平面状構造として単に示されている。従来のフレネルレンズ２０は、その一方の表面において複数のフレネル光学要素２４を有する。これらの構造は通常、基体２２の表面に中心軸から径方向外側に向けて配された複数の円形または楕円形の連続または不連続の隆起として形成される。特定のフレネルレンズ２０のマクロ光学的特性は、フレネル光学要素の特定のサイズ、断面形状、及び外形、ならびに、連続的環状構造の径、曲率、及び頻度によって決定されるが、本発明に基いて構成されたフレネルレンズ２０は更に、上記に触れた係属中の出願に開示される幾つかの方法の内の
１つに基いて基体２２の反対側の側面に成型された複数の表面微小構造２６を有する。これらの微小構造２６はマスター基体からフレネルレンズ２０を形成する際に基体２２に直接成型または押型することが可能である。マスター基体は、多工程の光学的記録プロセスにて形成するか、上記に援用した特許ならびに特許出願の１以上に記載されるように、ブラッシング、食刻、またはショットブラストなどの新規な機械的手法の内の１つを基体に行うことによって形成することが可能である。この結果、基体の一表面においてマクロ光学的特性を与えるフレネル光学要素２４を有し、基体の別の表面において微小構造２６を有するモノリシック体２２が得られる。

図２ａ及び２ｂはシリンドリカルレンズ３０としての光学要素を示したものである。シリンドリカルレンズ３０は、一側面がレンズのマクロ光学的特徴を与える長尺の円筒面３４をなす基体３２を含む。基体３２の反対側の側面には、複数の微小構造３６が形成されている。微小構造３６は、上記の同時係属中の米国特許ならびに特許出願に開示される幾つかの方法によって形成されるディフューザ表面を与える。図２ｃ及び２ｄはシリンドリカルレンズ構造３７及び４１の別の実施形態を示したものである。図２ｃには、一方の側面において複数のシリンドリカルレンズ４０を有し、他方の側面において複数の微小構造３６が形成された基体３８が示されている。図２ｄには、複数の反転または逆転シリンドリカルレンズ４４が形成された別の基体４２が示されている。基体４２の反対側の面には微小構造３６が形成されている。

図２ａ〜２ｄに示された実施形態のそれぞれでは、シリンドリカルレンズ表面３４，４０及び４４の曲率及び外形によってレンズ３０または別例のレンズ３７及び４１のマクロ光学的特徴が与えられる。微小構造３６は新規な拡散特性を与えるものであり、ここでもやはり特定の実施形態のそれぞれのマイクロ光学的特徴とともに基体３２，３８及び４２の表面に成型すなわち一体形成される。したがってレンズ３０、３７または４１のそれぞれはやはりモノリシック構造である。重要な点として、光学要素がモノリシックであることにより従来の積層構造に見られるようなフレネル損失のない、非常に望ましい光拡散及び形成特性が与えられる。事実、予期されなかったことであるが、本発明のモノリシック光学要素では、光の透過率が実際に高くなっている。

図３ａ及び３ｂはパラボラ凸面レンズ５０としての光学要素を示したものである。レンズ５０は基体５２の一方の側面において曲線状すなわちパラボラ凸レンズ面５４を有し、反対側の側面において複数の微小構造５６が形成されている。パラボラ凸レンズ面５４はレンズ５０のマクロ光学的特性を与え、微小構造５６は本発明に基く拡散特性を与えるものである。ここでもやはり、パラボラ凸面５４及び微小構造５６が基体材料の一部として一体形成されるというモノリシック構造としてレンズ５０が形成されていることにより、積層構造全体にわたって透過効率が実際に高くなっている。

特定のレンズ収差を低減するためにレンズ５０上の微小構造５６を不均一とすることも可能である。例として、図３の矢印によって示されるように、光の分布が狭くなるようにレンズの辺縁部の微小構造５６を構成する一方で、中央部の微小構造５６は広い光の分布パターンを与えるように構成することが可能である。図４ａ及び４ｂは、光ファイバケーブルとしての光学要素を拡大して示したものである。ケーブル６０は、長手方向の基体６２、コア６２、およびコアを包囲する外側のクラッド６４を有する。光ファイバ要素すなわちケーブル６０はケーブルが終端する末端６６を更に有する。光ファイバケーブルのマクロ光学的な光伝播特性はケーブルの屈折率によって部分的に決定される。

この実施形態においては、複数の微小構造６８がケーブルを形成する際にケーブル６０の端部６６に一体形成される。例えば従来の光ファイバケーブルの製造においては、ケーブル基材６２を連続的な長さの部分として形成し、これを所定のサイズに切断する。端部
は切断時に既に加熱されているか、さもなくば連続ケーブルから分離した後に加熱して、光ファイバケーブル６０の端部６６に微小構造６８を成型、押型、もしくは複製することが可能である。この実施形態では、コア６２及びクラッド６４の材料温度がコア６２の材料内に微小構造６８を複製するうえで充分な温度に上昇するだけの時間にわたって任意の適当な手段により光ファイバケーブルの端部を加熱することが可能である。これにより微小構造６８及びコア６２を含むモノリシック構造が形成される。

図５ａ及び５ｂは、プリズム様構造７０としての光学要素を示したものである。構造７０は基体７２及び一方の側面に設けられた複数のプリズム構造７４を有する。プリズム構造７４は個々のプリズム様構造、複数のプリズム配列、または単に基体７２に形成された複数の長尺プリズム構造のような任意の構成、構造であってよい。基体７２の反対側の面には複数の微小構造７６が形成されている。基体７２、マクロ光学的微小光学プリズム構造７４、及びディフューザ微小構造７６はモノリシックプリズム様構造７０にすべて一体に形成されている。

図６ａ及び６ｂは、偏光子８０としての光学要素を示したものである。この場合のマクロ光学的な特徴は光学要素のフィルタ性または偏光性であり、偏光子は基体８２に埋め込まれている。基体８２は基体の一表面上において微小構造８４を有する。この実施形態では、基体８２の偏光能力がモノリシック体自体に内在することにより、基体の反対側の表面はほぼ平面である。偏光子８０としての光学要素は一表面において複数の光拡散または均質化微小構造が形成され、これにより光学要素の透過率及び拡散能が高くなる。

図７ａ及び７ｂは、光学フィルタ回折格子構造９０としての光学要素を示したものである。格子構造９０は基体９２及び多くの公知の手法の１つによって形成された複数の回折格子９４を有する。格子構造は基体材料９２に間隔をおいて周期的に形成された線条であり、これにより光源からの特定の波長が格子構造９０を通過もしくは格子構造によって反射される際に濾光される。基体９２の格子構造９０の表面には、格子構造を形成する際に複数の微小構造９６が形成される。この光学要素は、マクロ光学的回折格子９４及び微小構造９６が基体９２の材料に一体に形成されるというモノリシック構造を有する。

図８ａ及び図８ｂは、凹面レンズ１００としての光学要素を示したものである。凹面レンズ１００は、一方の面が凹面１０４をなし、他方の面に複数の微小構造１０６が設けられた基体１０２を有する。面１０４の曲率、及び屈折率によりレンズ１００のマクロ光学的特徴が決定され、微小構造１０６によりレンズ１００の拡散または均質化特性が与えられる。曲面１０４及び微小構造１０６はそれぞれ基体１０２の材料のそれぞれの面に一体に形成される。

図９は、全反射すなわちＴＩＲレンズアセンブリ１１０としての別の種類の光学要素を概略図にて示したものである。レンズアセンブリ１１０の一方の面は、レンズ１１２に入射する光を、光が進入してきた方向に所定の角度にて反射するための反射面となっている。この実施形態では、ＴＩＲレンズ１１２は更に入射曲面１１６を有する。面１１６はレンズへの入射光を最初は透過するが、図９に示されるように光が一旦レンズ内部に入ると光をレンズの内部に向けて反射する。面１１６の曲率はレンズ１１２への光の入射角ならびにレンズ１１２が形成される材料及び反射面１１４の特性によって決定される。光源１１８が光をレンズ１１２に向けるためにレンズの付近に置かれる。

図９に示された実施形態では、光源は光をほぼ全方向に放射する標準的なフィラメント型の白熱電球であり、図９に示されるように光の一部をレンズ１１２に向けて反射するための背面リフレクタ１２０を必要とする。光路を線１２２にて示してある。レンズ１１２の一部はレンズの内部から光を出射させるように構成されている。例示的な本実施形態に
おいては、光はレンズ１１２の両端１２４から出射する。面１２４には微小構造１２６が形成され、光はここからＴＩＲレンズ１１２を出射して微小構造１２６の設計特性に基いて拡散、方向付けされる。こうしたＴＩＲレンズは任意の構成、構造を有することが可能であり、多くの異なる用途に用いられる。したがってレンズの出射面は図９に示された概略図とは大幅に異なり得るが、拡散微小構造１２６は出射面のそれぞれにおいてＴＩＲレンズ１１２の材料と一体に形成されている。

こうしたＴＩＲレンズアセンブリ１１０は多くの用途において見られる。そうした用途としては、テールライトアセンブリなどの自動車用照明システム、全地球位置把握システム（ＧＰＳ）のバックライトシステム、電話機の表示装置のバックライトシステム、ポケットベル、腕時計、マップライト、街灯、信号機、特殊効果及び建築用照明、ライトパイプ、及び光源がＬＥＤ、レーザ、光ファイバまたは導波管あるいはフィラメント型照明であるような他の多くの用途が含まれる。これらの用途のそれぞれにおいて、フレネル損失及び他の反射損失を低減することによって光量を最大とすることが重要である。これらの装置において光学要素を通過する光の透過量を最大とすることによってより小型の光源の使用が可能となり、装置の性能の向上を図ることが可能である。

図１０ａ及び１０ｂは、やはり本発明の範囲に含まれるところの別例を示したものである。図１０ａはフレネルレンズ２０を説明するためにフレネル光学要素２４の一部を拡大図にて示したものである。レンズ２０の反対側の側面に微小構造２６を形成する代りに図１０ａに示されるようにフレネル光学要素２４自体の表面に微小構造２６を直接形成することが可能である。同様に図１０ｂには凹面パラボラレンズ１００の一部が示されているが、微小構造１０６は曲面であるマクロ光学的凹面１０４を有する面と同じ面上に直接形成されている。これらの例示的説明によれば、上述の実施形態の多くにおいて、光学要素のマイクロ光学的な光均質化及び／または光方向付け特性を与える微小構造を光学要素のマクロ光学的特性を与える面と同じ面上に設けることが可能であることは明らかであろう。実施形態によっては、例えば光ファイバケーブル６０などのマクロ光学的特徴のためにこうした構成は可能でない場合がある。

図１１は本発明の範囲内である別例を示したものである。図１１はＣＣＦＬ光源１３２を有するライトパイプ１３０を示したものである。ライトパイプ１３０はその下面において全反射またはハーフミラーとして構成された溝または切子面構造１３４が一体形成されている。ライトパイプ１３０の上面には微小構造１３６が一体形成され、ライトパイプ１３０から出射する光を均質化、形成、及びユーザの方向に向ける。こうしたライトパイプをラップトップコンピュータや他の電子装置などの装置において使用することが可能である。

上記に引用した、既に発行された特許ならびに同時係属中の特許出願の多くにおいて述べられるように、光学的用途において使用することが可能な多くの異なる材料の表面に微小表面構造を形成することが可能である。したがって、本発明は特定の材料から任意の特定の光学要素の主基体を製造することに限定されるものではない。光学要素は、それぞれが１以上の特定のマクロ光学的特徴を有する任意の数の構成及び構造を取り得るものである。したがってこれらの光学的要素を製造するための材料も大幅に異なり得る。

以上、発明を特定の実施形態に基いて説明してきたが、発明の精神及び範囲から逸脱することなく、記載された発明に多くの他の変更及び改変を行うことが可能である。これらの変更の範囲及び精神は特許請求の範囲から明らかとなろう。したがって本発明の範囲は特許請求の範囲によってのみ限定されるべきものである。

Claims (2)

1. 光が通過することが可能なモノリシック光学要素であって、
   光が通過することが可能な基体と、
   前記基体に一体形成され、収差による影響を受けるマクロ光学的特徴と、
   光が通過することが可能な複数の微小構造とを備え、該微小構造は性質においてランダムであるとともに前記マクロ光学的特徴に一体に形成されており、前記マクロ光学的特徴を介してモノリシック光学要素を出射する光を拡散によって均質化するとともに、モノリシック光学要素の光出力のほぼ全体によって、その強度が滑らかに連続的に変化する所定の光分布パターンが形成されるように方向付けるよう適合されており、前記基体、前記マクロ光学的特徴、及び前記複数の微小構造は、前記所定の光分布パターンを与える前記光出力をモノリシック光学要素に発生せしめ、前記収差を補正するように協働することを特徴とする、モノリシック光学要素。
2. 光が通過することが可能なモノリシック光学要素であって、
   光が通過することが可能な基体と、
   前記基体に一体形成され、収差による影響を受けるマクロ光学的特徴と、
   光が通過することが可能な複数の微小構造とを備え、該微小構造は性質においてランダムであるとともに前記基体に一体に形成されており、前記マクロ光学的特徴を介してモノリシック光学要素を出射する光を拡散によって均質化するとともに、モノリシック光学要素の光出力のほぼ全体によって、その強度が滑らかに連続的に変化する所定の光分布パターンが形成されるように方向付けるよう適合されており、前記基体、前記マクロ光学的特徴、及び前記複数の微小構造は、前記所定の光分布パターンを与える前記光出力をモノリシック光学要素に発生せしめ、前記収差を補正するように協働することを特徴とし、前記基体は両凸レンズであり、前記マクロ光学的特徴は前記基体の一表面における曲面であり、前記微小構造は前記基体の前記位置表面に対向する面に形成されており、前記所定の光分布パターンにおける光の分布はレンズの辺縁部に向かってレンズの中央部よりも狭くなる、モノリシック光学要素。

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