JP2015507763A - 高効率一様ｕｖ光拡散性ファイバ - Google Patents
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Abstract
紫外光照明用途に用いるための、角度に依存しない一様なカラーグラデーションを有する、光拡散性光ファイバ（１００）が、そのようなファイバを作製するための方法とともに明細書に開示される。光拡散性ファイバ（１００）は散乱層（１３０）を含む多くの層で被覆されたシリカ系ガラスコア（１１０）からなる。
Description
本出願は２０１１年１２月１９日に出願された米国仮特許出願第６１/５７７１５９号の米国特許法第１１９条の下の優先権の恩典を主張する。本明細書は上記仮特許出願の明細書の内容に依存し、上記仮特許出願の明細書の内容はその全体が本明細書に参照として含められる。
本明細書は全般には照明用途に用いるための光拡散性光ファイバに関し、さらに詳しくは、角度に依存しない一様なカラーグラデーションを有し、紫外スペクトルにおける高効率光拡散に用いることができる、光拡散性光ファイバに関する。本明細書にはそのようなファイバを作製するための方法も開示される。
ファイバの長さに沿い、光を径方向に外向きに伝搬させ、よってファイバを照明することを可能にする光ファイバは、特殊照明及び光化学のような多くの用途に対し、また電子デバイス及びディスプレイデバイスにおける使用に対して、特に有用であることがわかっている。しかし、光拡散性ファイバ（ＬＤＦ）の現行構造には多くの問題がある。現行構造にともなう問題の１つは、白色ＬＥＤのような、光源からの青色光がダウンコンバート発光体と混合される高ｌｍ/Ｗの場合には特に、ファイバからの異なる光色の角度分布が視角に依存して変わり得ることである。光拡散性ファイバにともなう別の問題は、ファイバのコアは透明であるが、（ガラス系ファイバには必須要件である）被覆が強い吸収を有する、紫外波長領域におけるファイバの使用にともなう困難さである。被覆におけるＵＶ光トラッピングは光拡散性ファイバからの光取出し効率が低いことを意味し、さらに、高強度ＵＶ露光により被覆が劣化し得るであろう。
したがって、これらの欠点を直す別の光拡散性ファイバ構造が必要とされている。
第１の実施形態は、散乱欠陥を有するシリカ系ガラスを含むコア、コアと直に接しているクラッド層、及びクラッド層に直に接している散乱層を有し、放射紫外光の強度が、光拡散性光ファイバの方向に対して約１０°〜約１７０°の全視角に対し、約３０％より大きくは変化しない、光拡散性ファイバを含む。いくつかの実施形態において、光拡散性光ファイバはファイバに沿って約２０％より大きくは変化しない強度を有する光を放射する。いくつかの実施形態において、散乱誘起減衰損失は約３００ｎｍ〜約４５０ｎｍの波長において約０.１ｄＢ/ｍ〜約５０ｄＢ/ｍである。
いくつかの実施形態において、コアは複数の不規則に分布された細孔を含む。いくつかの実施形態において、クラッド層はポリマーを含む。いくつかの実施形態において、クラッド層はＣＰＣ６を含む。いくつかの実施形態において、散乱層はポリマーを含む。いくつかの実施形態において、散乱層はＣＰＣ６を含む。いくつかの実施形態において、散乱層は、マイクロ径またはナノ径の細孔、あるいは散乱材料のマイクロ粒子またはナノ粒子を含む。いくつかの実施形態において、マイクロ粒子またはナノ粒子はＳｉＯ２またはＺｒを含む。
いくつかの実施形態において、光拡散性ファイバは、波長が約３００ｎｍ〜約４５０ｎｍの光を光拡散性ファイバのコア内に放射する発光素子をさらに有する。いくつかの実施形態において、光拡散性ファイバはクラッド層と散乱層の間に二次層をさらに有する。
別の実施形態は、プリフォームコアを含む光ファイバプリフォームを形成する工程、光ファイバプリフォームを光ファイバに線引きする工程、光ファイバを少なくとも１つの散乱層で被覆する工程を含む、光拡散性ファイバを作製する方法を含む。
本開示は教示を可能とするとして提供され、以下の説明、図面、実施例及び特許請求の範囲を参照することで一層容易に理解され得る。この目的に対し、当業者であれば、本明細書に説明される実施形態の様々な態様に多くの変更がなされ得るが、それでも有益な結果が得られることを認識し、理解するであろう。本実施形態の所望の利点のいくつかが特徴のいくつかを選択することで、他の特徴は用いずに、得られることも理解されるであろう。したがって、当業者であれば、多くの改変及び適合が可能であり、いくつかの状況においては望ましくさえあって、本開示の一部であることを認めるであろう。したがって、本開示が、別途に指定されない限り、開示される特定の組成、物品、デバイス及び方法に限定されないことは当然である。本明細書に用いられる用語が、特定の態様を説明する目的のためだけに過ぎず、限定は目的とされていないことも当然である。
開示される方法及び組成物に、用いることができる、それらとともに用いることができる、それらの作製に用いることができる、またはそれらの実施形態である、材料、化合物、組成物及びコンポーネントが開示される。これらの及びその他の材料が本明細書に開示され、それらの材料の組合せ、サブセット、相互作用、グループ、等が開示される場合、それらの化合物の様々な個々の及び集合的な組合せ及び置換のそれぞれの特定の言及が明示的に開示されないかもしれないが、それぞれが特定的に考慮され、本明細書に開示されていることは当然である。すなわち、置換要素Ａ，Ｂ及び／またはＣからなる類が開示され、置換要素Ｄ，Ｅ及び／またはＦからなる類並びに組合せ実施形態Ａ-Ｄの例もともに開示されていれば、それぞれは個別的及び総括的に考えられている。すなわち、この例においては、組合せＡ-Ｅ，Ａ-Ｆ，Ｂ-Ｄ，Ｂ-Ｅ，Ｂ-Ｆ，Ｃ-Ｄ，Ｃ-Ｅ及びＣ-Ｆのそれぞれも特定的に考えられており、Ａ，Ｂ及び／またはＣと、Ｄ，Ｅ及び／またはＦ並びに組合せ例Ａ-Ｄの開示により開示されていると見なされるべきである。同様に、これらのいかなるサブセットまたは組合せも特定的に考えられ、開示されている。すなわち、例えば、Ａ-Ｅ，Ｂ-Ｆ及びＣ-Ｅからなるサブグループが特定的に考えられ、Ａ，Ｂ及び／またはＣと、Ｄ，Ｅ及び／またはＦ並びに組合せ例Ａ-Ｄの開示により開示されていると見なされるべきである。この概念は、開示される組成物の作製及び使用の方法における、いかなる、組成物の成分及び工程も含むがこれらには限定されない、本開示の全ての実施形態に適用される。すなわち、実施することができる様々な付加工程があれば、そのような付加工程のそれぞれが開示される方法の実施形態のいずれか特定の実施形態または組合せとともに実施することができ、そのような組合せのそれぞれが特定的に考えられ、開示されていると見なされるべきであると理解される。
本明細書においては、また以下の特許請求の範囲においては、以下の意味を有すると定義されることになる、多くの用語が言及される。
「含む」または同様の用語は包含を意味するがこれには限定されない。すなわち包括的であるがが排他的ではない。
用語「約」は、別途に言明されない限り、その範囲にある全ての語にかかる。すなわち、約１，２または３は約１，約２または約３と等価であり、さらに、約１〜３，約１〜２及び約２〜３を含む。組成物、成分、配合剤、添加剤及び同様の態様について開示される特定の及び好ましい値並びにそれらの範囲は、説明のために過ぎず、他の定められた値または他の定められた範囲内の他の値を排除するものではない。本開示の組成物及び方法は、本明細書に開示される、いかなる値または値、特定の値、さらに詳細な値及び好ましい値のいかなる組合せも有する、組成物及び方法を含む。
本明細書に用いられるような、単数形は、別途に指定されない限り、少なくとも１つまたは１つ以上を意味する。
白色光ファイバ
光拡散性ファイバにおいて、散乱の主要成分は、５°〜１０°に近い、小角度にある（図１Ｂの角度１７０または図２Ｂの角度２７０を参照のこと）。したがって、（一般には被覆内の）発光体からの黄色光が入射青色光と混合される場合、得られる色は視角に依存する。これは、発光体の発光による黄色光は（角度１７０に依存せず）角度空間においてほとんど一様であるが、青色光は（散乱後でさえ）強い小角度成分を有するためである。これらの２つの事実の結果、小視角では青色が支配的であって、９０°より大きい角度ではほとんどが黄色である、色の非対称性が生じる。実施形態は、光拡散性ファイバにおける散乱光を一様化して視角の関数としての色が一様な光を提供することにより、これらの問題を解決する。
光拡散性ファイバにおいて、散乱の主要成分は、５°〜１０°に近い、小角度にある（図１Ｂの角度１７０または図２Ｂの角度２７０を参照のこと）。したがって、（一般には被覆内の）発光体からの黄色光が入射青色光と混合される場合、得られる色は視角に依存する。これは、発光体の発光による黄色光は（角度１７０に依存せず）角度空間においてほとんど一様であるが、青色光は（散乱後でさえ）強い小角度成分を有するためである。これらの２つの事実の結果、小視角では青色が支配的であって、９０°より大きい角度ではほとんどが黄色である、色の非対称性が生じる。実施形態は、光拡散性ファイバにおける散乱光を一様化して視角の関数としての色が一様な光を提供することにより、これらの問題を解決する。
第１の態様は、視角の関数として一様な色出力を得るための散乱粒子層を有する光散乱性ファイバを含む。目標は光散乱性ファイバから一様な白色光出力を得ることである。そのようなファイバはＬＣＤバックライトユニットに用いられるＣＣＦＬの代替として用いられ得るであろうが、一層薄くなり、したがって一層薄い照明基板とともに用いられ得るであろうというさらなる利点を有する。
ここで図１Ａ及び１Ｂを参照すれば、一実施形態の光拡散性光ファイバ１００が簡略に示されている。光拡散性光ファイバは一般にコア１１０を有し、コア１１０はさらに散乱領域を有する。散乱領域は、米国特許出願第１２／９５００４５号、第１３／０９７２０８号及び第１３／２６９０５５号の各明細書に示されているような、ガス封入細孔を含むことができる。これらの特許出願明細書は本明細書に参照として含められる。あるいは、散乱領域はファイバコア内に混入されたセラミック材料のマイクロ粒子またはナノ粒子のような粒子を含むことができる。
ガス封入細孔は、コア全体にわたって存在することができ、コアとクラッド層１２０の界面近傍に存在することができ、あるいはコア内の環状リングとして存在することができる。ガス封入細孔は不規則であるかまたは組織化されたパターンで配置することができ、ファイバの長さに平行に並ぶことができ、または螺旋配置される（すなわち、ファイバの長軸に沿って回る）ことができる。散乱領域は多数の、例えばファイバの断面において、５０より多く、１００より多く、または２００より多くの、ガス封入細孔を有することができる。ガス封入細孔は、例えば、ＳＯ２，Ｋｒ，Ａｒ，ＣＯ２，Ｎ２，Ｏ２、またはこれらの混合気を容れることができる。細孔の断面寸法（例えば直径）は約１０ｎｍ〜約１０μｍとすることができ、長さは約１μｍから約５０ｍまで変わることができる。いくつかの実施形態において、細孔の断面寸法は、約１０ｎｍ、２０ｎｍ、３０ｎｍ、４０ｎｍ、５０ｎｍ、６０ｎｍ、７０ｎｍ、８０ｎｍ、９０ｎｍ、１００ｎｍ、１２０ｎｍ、１４０ｎｍ、１６０ｎｍ、１８０ｎｍ、２００ｎｍ、２５０ｎｍ、３００ｎｍ、４００ｎｍ、５００ｎｍ、６００ｎｍ、７００ｎｍ、８００ｎｍ、１μｍ、２μｍ、３μｍ、４μｍ、５μｍ、６μｍ、７μｍ、８μｍ、９μｍまたは１０μｍである。いくつかの実施形態において、細孔の長さは、約１μｍ、２μｍ、３μｍ、４μｍ、５μｍ、６μｍ、７μｍ、８μｍ、９μｍ、１０μｍ、２０μｍ、３０μｍ、４０μｍ、５０μｍ、６０μｍ、７０μｍ、８０μｍ、９０μｍ、１００μｍ、２００μｍ、３００μｍ、４００μｍ、５００μｍ、６００μｍ、７００μｍ、８００μｍ、９００μｍ、１０００μｍ、５ｍｍ、１０ｍｍ、５０ｍｍ、１００ｍｍ、５００ｍｍ、１ｍ、５ｍ、１０ｍ、２０ｍまたは５０ｍである。
図１Ａ及び１Ｂに示される実施形態において、コア領域１１０はシリカ系ガラスを含み、屈折率ｎを有する。いくつかの実施形態において、コアについての屈折率は約１.４５８である。コア領域１１０は約１０μｍ〜約６００μｍの半径を有することができる。いくつかの実施形態において、コアの半径は約３０μｍ〜約４００μｍである。他の実施形態において、コアの半径は約１２５μｍ〜約３００μｍである。また他の実施形態において、コアの半径は、約５０μｍ、６０μｍ、７０μｍ、８０μｍ、９０μｍ、１００μｍ、１２０μｍ、１４０μｍ、１６０μｍ、１８０μｍ、２００μｍ、２２０μｍ、２４０μｍまたは２５０μｍである。
コア１１０内の細孔は光拡散性光ファイバ１００のコア内を伝搬している光を、光がコア領域１１０から径方向に外向きに導かれ、よって光拡散性光ファイバ及び光拡散性光ファイバの周囲の空間を照明するように、散乱させるために利用される。散乱誘起減衰は細孔の濃度を高めるか、または細孔をファイバ全体にわたって配置することによって、強めることができ、あるいは、細孔が環状リングに限定されている場合には、細孔を含む環の幅を大きくすることも、同じ細孔密度に対して、散乱誘起減衰を強めるであろう。さらに、細孔が螺旋配置されている構成において、散乱誘起減衰は、ファイバの長さにわたる螺旋配置細孔のピッチを変えることによって強めることもできる。詳しくは、ピッチを小さくした螺旋配置細孔はピッチを大きくした螺旋配置細孔より多くの光を散乱することがわかっている。したがって、軸長に沿うファイバの照明の強度は軸長に沿う螺旋配置細孔のピッチを変えることによって制御する（すなわち、あらかじめ定める）ことができる。螺旋配置細孔のピッチは、本明細書に用いられるように、単位長当たりに螺旋配置細孔がファイバの長軸を巡って巻かれるかまたは回される回数の逆数を指す。
図１Ａ及び１Ｂをまだ参照すれば、光拡散性光ファイバ１００はコア領域１１０を囲んでコア領域１１０に直に接しているクラッド層１２０をさらに有することができる。クラッド層１２０は、光拡散性光ファイバ１００の開口数（ＮＡ）を大きくするため、低屈折率を有する材料で形成することができる。いくつかの実施形態において、（コアに比較して）クラッド層は約１.４１５より低い屈折率を有する。例えば、ファイバの開口数は０.３より大きくすることができ、いくつかの実施形態においては０.４より大きい。一実施形態において、クラッド層１２０は、韓国京畿道安山市木内洞４０３−２のＳＳＣＰ社(SSCP Co. Ltd.)から入手できるＰＣ４５２のような、ＵＶ硬化性または熱硬化性のフルオロアクリレート、またはシリコーンのような低屈折率ポリマー材料を含む。別の実施形態において、クラッド層は、米国イリノイ州エルジン(Elgin)のＤＳＭ Ｄｅｓｏｔｅｃｈ社で製造されている、ＣＰＣ６のような、ウレタンアクリレートを含む。また別の実施形態において、クラッド層１２０は、例えばフッ素のような、下げドーパントで下げドープされたシリカガラスを含む。いくつかの実施形態において、クラッド層は高弾性率被覆を含む。クラッド層１２０は一般にコア領域１１０の屈折率より低い屈折率を有する。いくつかの実施形態において、クラッド層１２０は、シリカガラスに対する相対屈折率が負の、低屈折率ポリマークラッド層である。例えば、クラッド層の相対屈折率は約−０.５％より小さくすることができ、いくつかの実施形態においては−１％より小さい。
クラッド層１２０は一般にコア領域１１０の外半径から広がる。本明細書に説明されるいくつかの実施形態において、クラッド層の径方向幅は約１０μｍより大きく、約２０μｍより大きく、約５０μｍより大きく、または約７０μｍより大きい。いくつかの実施形態において、クラッド層は、約１０μｍ、２０μｍ、３０μｍ、４０μｍ、５０μｍ、６０μｍ、７０μｍ、８０μｍ、９０μｍまたは１００μｍの厚さを有する。
光拡散性ファイバは、機械的取扱いのために全ての光ファイバに一般的な、透明二次被覆層も有することができる。散乱層は二次被覆の上にあるであろう。いくつかの実施形態において、二次被覆層及び散乱層は、ファイバがどのように製造されるかに依存して、組み合わされ得る。例えば、散乱層がファイバの初めの線引き後に施される場合は、取扱い問題のため、散乱層及び発光体の被覆に向けられる第２の工程により透明二次被覆を施すことが必要になり得る。このプロセスは光ファイバに対する線引き後インク塗布と同様である。しかし、このプロセスは線引きにおいて一工程にまとめることができ、この場合、二次被覆は必要ではなく、散乱層をクラッド層の上に直接施すことができる。
図１Ａ及び１Ｂを再度参照すれば、光散乱性光ファイバ１００はクラッド層１２０を囲んでクラッド層１２０に直に接している散乱層１３０をさらに有する。散乱層はポリマー被覆を含むことができる。ポリマー被覆は、散乱材を中に添加することができ、ブレンドを液体としてファイバに塗布し、次いでファイバへの塗布後、固体に転換させることができるであろう、いずれの液体のポリマー材料またはプレポリマー材料も含むことができる。いくつかの実施形態において、散乱層１３０は、米国イリノイ州エルジンのＤＳＭ Ｄｅｓｏｔｅｃｈ社で製造されている、ＣＰＣ６のような、アクリレート系ポリマー、あるいは散乱材料をさらに含むシリコーン系ポリマーのような、ポリマー被覆を含む。別の実施形態において、クラッド層１２０は、韓国京畿道安山市木内洞４０３−２のＳＳＣＰ社から入手できるＰＣ４５２のような、ＵＶ硬化性または熱硬化性のフルオロアクリレートのような低屈折率ポリマー材料を含む。いくつかの実施形態において、クラッド層は高弾性率被覆を含む。いくつかの実施形態において、コーニング(Corning)社の標準ＣＰＣ６二次光ファイバ被覆のような、標準ＵＶ硬化性アクリレート系光ファイバ被覆に散乱材を混入することが最も効率的であった。散乱材のブレンドを作製するため、初めに重量で３０％の散乱材をＤＳＭ ９５０-１１１二次ＣＰＣ６光ファイバ被覆に混合し、次いで混合物を３ロールミルにかけることで、コンセントレートを作製した。コンセントレートを次いで被覆として塗布するか、または所望の散乱効果を得るため、ＤＳＭ ９５０-１１１でさらに希釈した。少なくともいくつかの実施形態において、コア領域１１０は光拡散性光ファイバの長さに沿って一定の直径を有する。
いくつかの実施形態において、散乱層１３０はコア領域１１０から径方向に放射されてクラッド層１２０を通過した光の分布及び／または性質を強化するために利用することができる。散乱材料は平均直径が約２００ｎｍ〜約１０μｍのナノ粒子またはマイクロ粒子を含むことができる。いくつかの実施形態において、粒子の平均直径は、約２００ｎｍ、３００ｎｍ、４００ｎｍ、５００ｎｍ、６００ｎｍ、７００ｎｍ、８００ｎｍ、９００ｎｍ、１μｍ、２μｍ、３μｍ、４μｍ、５μｍ、６μｍ、７μｍ、８μｍ、９μｍまたは１０μｍである。散乱粒子の濃度はファイバの長さに沿って変わることができ、あるいは一定とすることができ、光の均等な散乱を与えるには十分であるが、総減衰は制限する、重量％とすることができる。いくつかの実施形態において、散乱層内の散乱粒子の重量％には、約１％、２％、３％、４％、５％、６％、７％、８％、９％、１０％、１１％、１２％、１３％、１４％、１５％、１６％、１７％、１８％、１９％、２０％、２５％、３０％、３５％、４０％、４５％または５０％を含めることができる。いくつかの実施形態において、散乱層は、ＴｉＯ２，ＺｎＯ，ＳｉＯ２またはＺｒのような、金属酸化物またはその他の光屈折材料を含む、散乱材料の小粒子を含む。散乱材料は、マイクロ径粒子またはナノ径粒子、あるいは、気泡のような、低屈折率の細孔を含むこともできる。散乱層は一般にクラッド層１２０の外径から広がる。本明細書に説明されるいくつかの実施形態において、散乱層の径方向幅は、約１μｍ、２μｍ、３μｍ、４μｍ、５μｍ、６μｍ、７μｍ、８μｍ、９μｍ、１０μｍ、２０μｍ、３０μｍ、４０μｍ、５０μｍ、６０μｍ、７０μｍ、８０μｍ、９０μｍまたは１００μｍより大きい。
いくつかの実施形態において、散乱材料は、光拡散性光ファイバ１００のコア領域１１０から散乱された光の角度無依存分布を与える、白色インクのような、ＴｉＯ２系粒子を含有することができる。いくつかの実施形態において、散乱粒子は散乱層内のサブレイヤーを含む。例えば、いくつかの実施形態において、粒子サブレイヤーは約１μｍ〜約５μｍの厚さを有することができる。別の実施形態において、散乱層内の粒子層の厚さ及び／または粒子の濃度は、大角度（すなわち、約１５°より大きな角度）において、光拡散性光ファイバ１００から散乱される光の強度の一層一様な変化を与えるように、ファイバの軸長に沿って変えることができる。
図１Ａ及び１Ｂをまた参照すれば、光拡散性光ファイバ１００は、散乱層１３０を囲んで散乱層１３０に直に接している、発光体層１４０をさらに有する。発光体層内の蛍光材料または燐光材料はいずれの有機または無機の蛍光材料または燐光材料も含むことができるが、いくつかの実施形態においては無機材料とすることができる。例えば、蛍光体層は、ＣｅＹＡＧ、ＮｄＹＡＧ、量子ドット、ナノ粒子、金属強化有機蛍光色素分子蛍光体、等を含むことができる。
発光体層はポリマー被覆を含むことができる。ポリマー被覆は、蛍光材料または燐光材料を中に添加することができ、ブレンドを液体としてファイバに塗布し、次いでファイバへの塗布後に固体に転換させることができる、いずれかの液体のポリマー材料またはプレポリマー材料とすることができる。例えば、一実施形態において、発光体層１４０は、コア領域１１０から散乱された光を波長がより長い光に変換する蛍光材料または燐光材料をさらに含む、アクリレート系またはシリコーン系のポリマーのようなポリマー被覆（例えばＣＰＣ６二次被覆）を含む。いくつかの実施形態において、コーニング社の標準ＣＰＣ６二次光ファイバ被覆のような、標準ＵＶ硬化性アクリレート系光ファイバ被覆に蛍光材料または燐光材料を混入することが最も効率的であった。蛍光材料または燐光材料のブレンドを作製するため、初めに重量で３０％の蛍光材料または燐光材料をＤＳＭ ９５０-１１１二次ＣＰＣ６光ファイバ被覆に混合し、次いで混合物を３ロールミルにかけることで、コンセントレートを作製した。コンセントレートを次いで被覆として直接塗布するか、または所望の蛍光効果または燐光効果を得るため、ＤＳＭ ９５０-１１１でさらに希釈した。
いくつかの実施形態において、発光体層１４０に蛍光材料または燐光材料を有する光拡散性光ファイバ１００を、４０５ｎｍまたは４４５ｎｍにおいて発光するＵＶ光源または近ＵＶ光源のような、高エネルギー（短波長）光源と結合させることによって、光拡散性光ファイバから白色光を放射することができる。そのような実施形態において、光源はダイオードレーザである。コア領域１１０から散乱された、光源からのＵＶ光は発光体層内の材料に蛍光または燐光を発光させ、よってＵＶ光と発光波長の組合せが光拡散性光ファイバ１００からの白色光放射を生じさせる。いくつかの実施形態において、光源からの光の波長は約３００〜５００ｎｍ、あるいは約３００，３５０，４００，４５０，５００または５５０ｎｍである。
図１Ｂを参照すれば、図示される実施形態において、非散乱光は矢印１５０で示される方向に光源から光拡散性ファイバ１００内を伝搬していく。ファイバの方向と散乱光が光拡散性ファイバ１００を出るときの散乱光の方向の間の角度差を表す角度１７０にある矢印１６０にしたがって光拡散性ファイバを出る散乱光が示されている。いくつかの実施形態において、光拡散性ファイバ１００のＵＶ-可視スペクトルは角度１７０に依存しない。いくつかの実施形態において、角度１７０が１５°及び１５０°であるときのスペクトル強度は、ピーク波長で測定して、±３０％内にある。いくつかの実施形態において、角度１７０が１５°及び１５０°であるときのスペクトル強度は、ピーク波長で測定して、±２０％、±１５％、±１０％または±５％内にある。
いくつかの実施形態において、光拡散性ファイバの出力は散乱された入射ＵＶ光と、白く見える光特性を有する複合光を生じるように発光材料から散乱された蛍光または燐光の組合せを含む。いくつかの実施形態において、複合光はＣＩＥ１９３１ｘ,ｙ色度空間（ティー・スミス(T. Smith)及びジェイ・ギルド(J. Guild)，「Ｃ.Ｉ.Ｅ比色標準及びその用法(The C.I.E. Colorimetric Standard and Their Use)」，１９３１年，Trans. Op. Soc.，第３３巻，ｐ.７３〜１３４：この論文は本明細書に参照として含められる）（図７を見よ）のｘ軸及びｙ軸に関して測定したときに、約０.１５〜約０.２５のｘ座標及び約０.２０〜約０.３０のｙ座標を有する。いくつかの実施形態において、複合光はＣＩＥ１９３１ｘ,ｙ色度空間において約０.１８〜約０.２３，あるいは約０.１５，０.１６，０.１７，０.１８，０.１９，０.２０，０.２１，０.２２，０.２３，０.２４または０.２５のｘ座標を有する。いくつかの実施形態において、複合光はＣＩＥ１９３１ｘ,ｙ色度空間において約０.２３〜約０.２７，あるいは約０.２０，０.２１，０.２２，０.２３，０.２４，０.２５，０.２６，０.２７，０.２８，０.２９または０.３０のｙ座標を有する。
いくつかの実施形態において、ＣＩＥ１９３１ｘ,ｙ色度空間のｘ座標及びｙ座標は、角度１７０が約１０°〜１７０°である場合に、角度１７０に関して±３０％より大きくは変化しない。いくつかの実施形態において、１５°及び１５０°の角度１７０におけるＣＩＥ１９３１ｘ,ｙ色度空間のｘ座標及びｙ座標の値はそれぞれ、±３０％、±２５％、±２０％、±１５％、±１０％または±５％内にある。
本明細書に説明されるいくつかの実施形態において、光拡散性光ファイバは一般に、約１００ｍ〜約０.１５ｍの長さを有するであろう。いくつかの実施形態において、光拡散性光ファイバは一般に、約１００ｍ、７５ｍ、５０ｍ、４０ｍ、３０ｍ、２０ｍ、１０ｍ、９ｍ、８ｍ、７ｍ、６ｍ、５ｍ、４ｍ、３ｍ、２ｍ、１ｍ、０.７５ｍ、０.５ｍ、０.２５ｍ、０.１５ｍまたは０.１ｍの長さを有するであろう。
さらに、本明細書に説明される光拡散性光ファイバは５５０ｎｍの波長において約０.２ｄＢ/ｍより大きい散乱誘起減衰損失を有する。例えば、いくつかの実施形態において、５５０ｎｍにおける散乱誘起減衰損失は、約０.５ｄＢ/ｍ、０.６ｄＢ/ｍ、０.７ｄＢ/ｍ、０.８ｄＢ/ｍ、０.９ｄＢ/ｍ、１ｄＢ/ｍ、１.２ｄＢ/ｍ、１.４ｄＢ/ｍ、１.６ｄＢ/ｍ、１.８ｄＢ/ｍ、２.０ｄＢ/ｍ、２.５ｄＢ/ｍ、３.０ｄＢ/ｍ、３.５ｄＢ/ｍ、４ｄＢ/ｍ、５ｄＢ/ｍ、６ｄＢ/ｍ、７ｄＢ/ｍ、８ｄＢ/ｍ、９ｄＢ/ｍ、１０ｄＢ/ｍ、２０ｄＢ/ｍ、３０ｄＢ/ｍ、４０ｄＢ/ｍまたは５０ｄＢ/ｍより大きくすることができる。
本明細書に説明されるように、光拡散形ファイバはファイバの全長に沿って一様照明を生じるか、またはファイバの全長より短いファイバセグメントに沿って一様照明を生じるように構成することができる。語句「一様照明」は、本明細書に用いられるように、光拡散性ファイバから放射される光の強度が指定された長さにわたって２５％より大きくは変化しないことを意味する。
本明細書に説明されるファイバは様々な技法を用いて形成することができる。例えば、コア１１０はガラスファイバ内に細孔または粒子を導入する多くの方法のいずれかによって作製することができる。例えば、細孔を含む光ファイバプリフォームを形成するための方法は、例えば米国特許出願第１１／５８３０９８号の明細書に説明されている。この特許出願明細書は本明細書に参照として含められる。細孔を形成する別の方法は、例えば、米国特許出願第１２／９５００４５号、第１３／０９７２０８号及び第１３／２６９０５５号の各明細書に見ることができる。これらの特許出願明細書は本明細書に参照として含められる。一般に、光ファイバはファイバ巻取システムによって光ファイバプリフォームから線引きされ、実質的に垂直な経路に沿って線引き炉から出てくる。いくつかの実施形態において、ファイバの長軸に沿う螺旋配置細孔を形成するため、ファイバは線引きされながら回転させられる。光ファイバが線引き炉から出てくると、光ファイバの製造中に生じていることがあり得る損傷及び／またはきずについて光ファイバを検査するために、非接触きず検出器を用いることができる。その後、非接触センサを用いて光ファイバの直径を測定することができる。光ファイバが垂直経路に沿って線引きされている間、必要に応じて、光ファイバに被覆が施される前に光ファイバを冷却する冷却システムを通して光ファイバを線引きすることができる。
光ファイバが線引き炉を、または必要に応じて冷却システムを、出てきた後、光ファイバは、１つ以上のポリマー層（すなわち、ポリマークラッド層材料、散乱層及び／または発光体層）が光ファイバに施される、少なくとも１つの被覆形成システムに入る。光ファイバが被覆形成システムを出てくると、非接触センサを用いて光ファイバの直径を測定することができる。その後、光ファイバの製造中に生じていることがあり得る被覆の損傷及び／またはきずについて光ファイバを検査するために、非接触きず検出器を用いることができる。
ＵＶファイバ
別の態様は、４５０ｎｍより短波長のような、ファイバクラッド層が強い吸収を有する波長において光取出し効率が高い光拡散性ファイバを含む。ＵＶ波長へのＬＤＦの使用は、光反応器、水／空気純化、アクリレート重合及び関連分野に対する応用の範囲を拡大するに役立つ。光反応に用いられる（すなわち、約４００ｎｍより短い）波長が一般に望まれ、一般的なＵＶ硬化性ポリマーは光開始剤に必要であることからこの波長において強い吸収を有する。本明細書の実施形態は、通常は高屈折率二次被覆に止められる、ＬＤＦからの光の取出し効率を向上させる。この波長におけるＬＤＦの注目に値する用法の１つは、ＵＶ材料を硬化させるためのアクセスが、離れていて、狭く、困難である場所に光を入れることができることであろう。
別の態様は、４５０ｎｍより短波長のような、ファイバクラッド層が強い吸収を有する波長において光取出し効率が高い光拡散性ファイバを含む。ＵＶ波長へのＬＤＦの使用は、光反応器、水／空気純化、アクリレート重合及び関連分野に対する応用の範囲を拡大するに役立つ。光反応に用いられる（すなわち、約４００ｎｍより短い）波長が一般に望まれ、一般的なＵＶ硬化性ポリマーは光開始剤に必要であることからこの波長において強い吸収を有する。本明細書の実施形態は、通常は高屈折率二次被覆に止められる、ＬＤＦからの光の取出し効率を向上させる。この波長におけるＬＤＦの注目に値する用法の１つは、ＵＶ材料を硬化させるためのアクセスが、離れていて、狭く、困難である場所に光を入れることができることであろう。
第１の態様において、光が有意な伝搬を示さずに散乱性被覆から散乱されるように、小シリカ粒子のような、（約４００ｎｍより短い波長において透明な）散乱中心が散乱層としてファイバに添加される。これにより、被覆が光を吸収する波長においてさえも効率が良いＬＤＦが可能になる。いくつかの実施形態においては、低屈折率ガラスクラッド層を低屈折率Ｆ／Ｂ共ドープガラスクラッド層で置き換えることができる。このタイプのクラッド層では、低屈折率ポリマーがクラッド層として用いられた場合ほど高くはないが、広範な用途には十分に高い、ＮＡが得られる。
図２Ａ及び２Ｂを次に参照すれば、一実施形態の光拡散性光ファイバ２００が簡略に示されている。光拡散性光ファイバ２００は一般に、散乱領域をさらに含む、コア２１０を有する。散乱領域は、米国特許出願第１２／９５００４５号、第１３／０９７２０８号及び第１３／２６９０５５号の各明細書に示されるような、ガス封入細孔を含むことができる。これらの特許出願明細書は本明細書に参照として含められる。あるいは、ファイバコア内に混入された、マイクロ粒子またはナノ粒子のような、粒子を含むことができる。
ガス封入細孔は、コア全体にわたって存在することができ、コアとクラッド層２２０の界面近傍に存在することができ、あるいはコア内の環状リングとして存在することができる。ガス封入細孔は不規則であるかまたは組織化されたパターンで配置することができ、ファイバの長さに平行に並ぶことができ、または螺旋を描く（すなわち、ファイバの長軸に沿って回る）ことができる。散乱領域は多数の、例えばファイバの断面において、５０より多く、１００より多く、または２００より多くの、ガス封入細孔を有することができる。ガス封入細孔は、例えば、ＳＯ２，Ｋｒ，Ａｒ，ＣＯ２，Ｎ２，Ｏ２またはこれらの混合気を容れることができる。細孔の断面寸法（例えば直径）は約１０ｎｍ〜約１０μｍとすることができ、長さは約１μｍから約５０ｍまで変わることができる。いくつかの実施形態において、細孔の断面寸法は、約１０ｎｍ、２０ｎｍ、３０ｎｍ、４０ｎｍ、５０ｎｍ、６０ｎｍ、７０ｎｍ、８０ｎｍ、９０ｎｍ、１００ｎｍ、１２０ｎｍ、１４０ｎｍ、１６０ｎｍ、１８０ｎｍ、２００ｎｍ、２５０ｎｍ、３００ｎｍ、４００ｎｍ、５００ｎｍ、６００ｎｍ、７００ｎｍ、８００ｎｍ、１μｍ、２μｍ、３μｍ、４μｍ、５μｍ、６μｍ、７μｍ、８μｍ、９μｍまたは１０μｍである。いくつかの実施形態において、細孔の長さは、約１μｍ、２μｍ、３μｍ、４μｍ、５μｍ、６μｍ、７μｍ、８μｍ、９μｍ、１０μｍ、２０μｍ、３０μｍ、４０μｍ、５０μｍ、６０μｍ、７０μｍ、８０μｍ、９０μｍ、１００μｍ、２００μｍ、３００μｍ、４００μｍ、５００μｍ、６００μｍ、７００μｍ、８００μｍ、９００μｍ、１０００μｍ、５ｍｍ、１０ｍｍ、５０ｍｍ、１００ｍｍ、５００ｍｍ、１ｍ、５ｍ、１０ｍ、２０ｍまたは５０ｍである。
図２Ａ及び２Ｂに示される実施形態において、コア領域２１０はシリカ系ガラスを含み、屈折率ｎを有する。いくつかの実施形態において、コアについての屈折率は約１.４５８である。コア領域２１０は約１０μｍ〜約６００μｍの半径を有することができる。いくつかの実施形態において、コアの半径は約３０μｍ〜約４００μｍである。別の実施形態において、コアの半径は約１２５μｍ〜約３００μｍである。また別の実施形態において、コアの半径は、約５０μｍ、６０μｍ、７０μｍ、８０μｍ、９０μｍ、１００μｍ、１２０μｍ、１４０μｍ、１６０μｍ、１８０μｍ、２００μｍ、２２０μｍ、２４０μｍまたは２５０μｍである。
コア２１０内の細孔は光拡散性光ファイバ２００のコア内を伝搬している光を、光がコア領域２１０から径方向に外向きに導かれ、よって光拡散性光ファイバ及び光拡散性光ファイバの周囲の空間を照明するように、散乱させるために利用される。散乱誘起減衰は、細孔の濃度を高めるかまたは細孔をファイバ全体にわたって配置することによって強めることができ、あるいは、細孔が環状リングに限定されている場合には、環の幅を大きくすることも、同じ細孔密度に対して、散乱誘起減衰を強めるであろう。さらに、細孔が螺旋配置されている構成において、散乱誘起減衰は、ファイバの長さにわたる螺旋配置細孔のピッチを変えることによって強めることもできる。詳しくは、ピッチを小さくした螺旋配置細孔はピッチを大きくした螺旋配置細孔より多くの光を散乱することがわかっている。したがって、軸長に沿うファイバの照明の強度は軸長に沿う螺旋配置細孔のピッチを変えることによって制御する（すなわち、あらかじめ定める）ことができる。螺旋配置細孔のピッチは、本明細書に用いられるように、単位長当たりに螺旋配置細孔がファイバの長軸を巡って巻かれるかまたは回される回数の逆数を指す。
図２Ａ及び２Ｂをまだ参照すれば、光拡散性光ファイバ２００はコア領域２１０を囲んでコア領域２１０に直に接しているクラッド層２２０をさらに有することができる。いくつかの実施形態において、クラッド層はフッ素及びホウ素が共ドープされたガラスを含む。いくつかの実施形態においてクラッド層はポリマーを含む。クラッド層２２０は、光拡散性光ファイバ２００の開口数（ＮＡ）を大きくするため、低屈折率を有する材料で形成することができる。いくつかの実施形態において、（コアに比較して）クラッド層は約１.４１５より低い屈折率を有する。例えば、ファイバの開口数は０.３より大きくすることができ、いくつかの実施形態においては０.４より大きい。一実施形態において、クラッド層２２０は、韓国京畿道安山市木内洞４０３−２のＳＳＣＰ社(SSCP Co. Ltd.)から入手できるＰＣ４５２のような、ＵＶ硬化性または熱硬化性のフルオロアクリレート、またはシリコーンのような低屈折率ポリマー材料を含む。別の実施形態において、クラッド層は、米国イリノイ州エルジンのＤＳＭ Ｄｅｓｏｔｅｃｈ社で製造されている、ＣＰＣ６のような、ウレタンアクリレートを含む。別の実施形態において、クラッド層１２０は、例えばフッ素及びホウ素のような、下げドーパントで下げドープされたシリカガラスで形成することができる。クラッド層２２０は一般にコア領域２１０の屈折率より低い屈折率を有する。いくつかの実施形態において、クラッド層２２０は、シリカガラスに対する相対屈折率が負の、低屈折率ポリマークラッド層である。例えば、クラッド層の相対屈折率は約−０.５％より小さくすることができ、いくつかの実施形態においては−１％より小さい。
クラッド層２２０は一般にコア領域２１０の外半径から広がる。本明細書に説明されるいくつかの実施形態において、クラッド層の径方向幅は約１０μｍより大きく、約２０μｍより大きく、約５０μｍより大きく、または約７０μｍより大きい。いくつかの実施形態において、クラッド層は、約１０μｍ、２０μｍ、３０μｍ、４０μｍ、５０μｍ、６０μｍ、７０μｍ、８０μｍ、９０μｍまたは１００μｍの厚さを有する。
光拡散性ファイバは、機械的取扱いのために一般的な、透明二次被覆層も有することができる。ＵＣ散乱性ファイバの場合、ＵＶ光を吸収し得るいかなる二次被服の厚さも最小限に抑えることが可能である。散乱層は二次被覆の上にあるであろう。いくつかの実施形態において、二次被覆層及び散乱層は、ファイバがどのように製造されるかに依存して、組み合わされ得る。例えば、散乱層がファイバの初めの線引き後に施される場合は、取扱い問題のため、散乱層及び発光体の被覆に向けられる第２の工程により透明二次被覆を施すことが必要になり得る。このプロセスは光ファイバに対する線引き後インク塗布と同様である。しかし、このプロセスは線引きにおいて一工程にまとめることができ、この場合、二次被覆は必要ではなく、散乱層をクラッド層の上に直接施すことができる。
図２Ａ及び２Ｂを再度参照すれば、光散乱性光ファイバ２００はクラッド層２２０を囲んでクラッド層２２０に直に接している散乱層２３０をさらに有する。例えば、一実施形態において、散乱層２３０は、散乱材料をさらに含むアクリレート系またはシリコーン系のポリマーのような、ポリマー被覆を含む。少なくともいくつかの実施形態において、コア領域２１０は光拡散性光ファイバの長さに沿って一定の直径を有する。
いくつかの実施形態において、散乱層２３０はコア領域２１０から径方向に放射されてクラッド層２２０を通過した光の分布及び／または性質を強化するために利用することができる。散乱層はポリマー被覆を含むことができる。ポリマー被覆は、散乱材を中に添加することができ、ブレンドを液体としてファイバに塗布し、次いでファイバへの塗布後、固体に転換させることができるであろう、いずれかの、液体のポリマー材料またはプレポリマー材料も含むことができる。いくつかの実施形態において、散乱層２３０は、米国イリノイ州エルジンのＤＳＭ Ｄｅｓｏｔｅｃｈ社で製造されている、ＣＰＣ６のような、アクリレート系ポリマー、あるいは散乱材料をさらに含むシリコーン系ポリマーのような、ポリマー被覆を含む。別の実施形態において、クラッド層２２０は、韓国京畿道安山市木内洞４０３−２のＳＳＣＰ社から入手できるＰＣ４５２のような、ＵＶ硬化性または熱硬化性のフルオロアクリレートのような低屈折率ポリマー材料を含む。いくつかの実施形態において、クラッド層は高弾性率被覆を含む。いくつかの実施形態において、コーニング社の標準ＣＰＣ６二次光ファイバ被覆のような、標準ＵＶ硬化性アクリレート系光ファイバ被覆に散乱材を混入することが最も効率的であった。散乱材のブレンドを作製するため、初めに重量で３０％の散乱材をＤＳＭ ９５０-１１１二次ＣＰＣ６光ファイバ被覆に混合し、次いで混合物を３ロールミルにかけることで、コンセントレートを作製した。コンセントレートを次いで被覆として直接塗布するか、または所望の散乱効果を得るため、ＤＳＭ ９５０-１１１でさらに希釈した。
いくつかの実施形態において、散乱層２３０はコア領域２１０から径方向に放射されてクラッド層２２０を通過した光の分布及び／または性質を強化するために利用することができる。散乱材料は平均直径が約２００ｎｍ〜約１０μｍのナノ粒子またはマイクロ粒子を含むことができる。いくつかの実施形態において、粒子の平均直径は、約２００ｎｍ、３００ｎｍ、４００ｎｍ、５００ｎｍ、６００ｎｍ、７００ｎｍ、８００ｎｍ、９００ｎｍ、１μｍ、２μｍ、３μｍ、４μｍ、５μｍ、６μｍ、７μｍ、８μｍ、９μｍまたは１０μｍである。散乱粒子の濃度はファイバの長さに沿って変わることができ、あるいは一定とすることができ、光の均等な散乱を与えるには十分であるが、総減衰は制限する、重量％とすることができる。いくつかの実施形態において、散乱粒子の重量％には、約１％、２％、３％、４％、５％、６％、７％、８％、９％、１０％、１１％、１２％、１３％、１４％、１５％、１６％、１７％、１８％、１９％、２０％、２５％、３０％、３５％、４０％、４５％または５０％を含めることができる。いくつかの実施形態において、散乱層は入射ビームのＵＶ領域における有意な吸収体ではない散乱材料を含む。いくつかの実施形態において、散乱材料は、約３５０ｎｍ〜約４２０ｎｍの領域において低吸収を示す、ＳｉＯ２またはＺｒのような、金属酸化物またはその他の低屈折材料を含み、あるいは、酸素、窒素または貴ガスのような、ガスを有する、ナノ径またはマイクロ径の細孔を含むことができる。散乱層は一般にクラッド層２２０の外径から広がる。本明細書に説明されるいくつかの実施形態において、散乱層の径方向幅は、約１０μｍ、２０μｍ、３０μｍ、４０μｍ、５０μｍ、６０μｍ、７０μｍ、８０μｍ、９０μｍまたは１００μｍより大きい。
いくつかの実施形態において、散乱材料は、光拡散性光ファイバ２００のコア領域２１０から散乱された光の角度無依存分布を与える、ＳｉＯ２系粒子を含むことができる。いくつかの実施形態において、散乱粒子は散乱層内の層をなす。例えば、いくつかの実施形態において、粒子層は約１μｍ〜約５μｍの厚さを有することができる。別の実施形態において、散乱層の厚さは、大角度（すなわち、約１５°より大きな角度）において、光拡散性光ファイバ２００から散乱される光の強度の一層一様な変化を与えるように、ファイバの軸長に沿って変えることができる。
図２Ｂを参照すれば、図示される実施形態において、非散乱光は矢印２５０で示される方向に光源から光拡散性ファイバ２００内を伝搬していく。ファイバの方向と散乱光が光拡散性ファイバ２００を出るときの散乱光の方向の間の角度差を表す角度２７０にある矢印３６０にしたがって光拡散性ファイバを出る散乱光が示されている。いくつかの実施形態において、光拡散性ファイバ２００のＵＶ-可視スペクトルは角度２７０に依存しない。いくつかの実施形態において、角度２７０が１５°及び１５０°であるときのスペクトル強度は、ピーク波長で測定して、±３０％内にある。いくつかの実施形態において、角度２７０が１５°及び１５０°であるときのスペクトル強度は、ピーク波長で測定して、±２０％、±１５％、±１０％または±５％内にある。
本明細書に説明されるいくつかの実施形態において、光拡散性光ファイバは一般に約１００ｍ〜約０.１５ｍの長さを有するであろう。いくつかの実施形態において、光拡散性光ファイバは一般に、約１００ｍ、７５ｍ、５０ｍ、４０ｍ、３０ｍ、２０ｍ、１０ｍ、９ｍ、８ｍ、７ｍ、６ｍ、５ｍ、４ｍ、３ｍ、２ｍ、１ｍ、０.７５ｍ、０.５ｍ、０.２５ｍ、０.１５ｍまたは０.１ｍの長さを有するであろう。
さらに、本明細書に説明される光拡散性光ファイバは、３００ｎｍ、３２５ｎｍ、３５０ｎｍ、３７５ｎｍ、４００ｎｍ、４２５ｎｍまたは４５０ｎｍの波長において、約０.２ｄＢ/ｍより大きい散乱誘起減衰損失を有する。例えば、いくつかの実施形態において、３００ｎｍ、３２５ｎｍ、３５０ｎｍ、３７５ｎｍ、４００ｎｍ、４２５ｎｍまたは４５０ｎｍにおける散乱誘起減衰損失は、約０.５ｄＢ/ｍ、０.６ｄＢ/ｍ、０.７ｄＢ/ｍ、０.８ｄＢ/ｍ、０.９ｄＢ/ｍ、１ｄＢ/ｍ、１.２ｄＢ/ｍ、１.４ｄＢ/ｍ、１.６ｄＢ/ｍ、１.８ｄＢ/ｍ、２.０ｄＢ/ｍ、２.５ｄＢ/ｍ、３.０ｄＢ/ｍ、３.５ｄＢ/ｍ、４ｄＢ/ｍ、５ｄＢ/ｍ、６ｄＢ/ｍ、７ｄＢ/ｍ、８ｄＢ/ｍ、９ｄＢ/ｍ、１０ｄＢ/ｍ、２０ｄＢ/ｍ、３０ｄＢ/ｍ、４０ｄＢ/ｍまたは５０ｄＢ/ｍより大きくすることができる。
本明細書に説明されるように、光拡散形ファイバはファイバの全長に沿って一様照明を生じるか、またはファイバの全長より短いファイバセグメントに沿って一様照明を生じるように構成することができる。語句「一様照明」は、本明細書に用いられるように、光拡散性ファイバから放射される光の強度が、指定された長さにわたって２５％より大きくは変化しないことを意味する。
本明細書に説明されるファイバは様々な技法を用いて形成することができる。例えば、コア２１０はガラスファイバ内に細孔または粒子を導入する多くの方法のいずれかによって作製することができる。例えば、細孔を含む光ファイバプリフォームを形成するための方法は、例えば米国特許出願第１１／５８３０９８号の明細書に説明されている。この特許出願明細書は本明細書に参照として含められる。細孔を形成する別の方法は、例えば、米国特許出願第１２／９５００４５号、第１３／０９７２０８号及び第１３／２６９０５５号の各明細書に見ることができる。これらの特許出願明細書は本明細書に参照として含められる。一般に、光ファイバはファイバ巻取システムによって光ファイバプリフォームから線引きされ、実質的に垂直な経路に沿って線引き炉から出てくる。いくつかの実施形態において、ファイバの長軸に沿う螺旋配置細孔を形成するため、ファイバは線引きされながら回転させられる。光ファイバが線引き炉から出てくると、光ファイバの製造中に生じていることがあり得る損傷及び／またはきずについて光ファイバを検査するために、非接触きず検出器を用いることができる。その後、非接触センサを用いて光ファイバの直径を測定することができる。光ファイバが垂直経路に沿って線引きされている間、必要に応じて、光ファイバに被覆が施される前に、光ファイバを冷却する冷却システムを通して線引きすることができる。
光ファイバが線引き炉を、または必要に応じて冷却システムを、出てきた後、光ファイバは、１つ以上のポリマー層（すなわち、ポリマークラッド層材料及び／または散乱層）が光ファイバに施される、少なくとも１つの被覆形成システムに入る。光ファイバが被覆形成システムを出てくると、非接触センサを用いて光ファイバの直径を測定することができる。その後、光ファイバの製造中に生じていることがあり得る被覆の損傷及び／またはきずについて光ファイバを検査するために、非接触きず検出器を用いることができる。
サンプルを効率的に作製するため、小型リコートタワーを組み立てた。この小型タワーは、いかなる既存のファイバにもオフラインでＵＶ硬化性被覆層を上塗りすることができるという利点を有する。２００ＷのＨｇランプ及び０.１ｍ/秒の引張り速度を用いて硬化を達成した。ファイバからの散乱光の一様角度分布を得るため、３つの選択肢を試験した。
選択肢１−シリカコア、ポリマークラッド層、散乱層及び発光体層を有するファイバ。散乱層にはポリマー内にシリカ粒子を含め、発光体層にはポリマー内にＣｅＹＡＧを含めた。ポリマークラッド層の屈折率は１.５５、シリカの屈折率は〜１.４６であり、屈折率不整合がかなり大きく、シリカ粒子の粒径が小さい（〜１μｍ）ことにより、入射角に対する角度の関数として一様な散乱ダイアグラムを得ることが可能であり得ると想定された。
選択肢２−シリカコア、ポリマークラッド層及び発光体層及び散乱媒体のいずれも含む単層を有するファイバ。ＣｅＹＡＧ粒子は約１.８の屈折率を有し、したがってポリマークラッド層（屈折率〜１.５５）とかなりの不整合を有する。しかし用いたＣｅＹＡＧ粒子は粒径が大きく（〜３〜４μｍ）、有意な散乱は生じないであろうと想定された。
選択肢３−シリカコア、ポリマークラッド層、散乱層及び発光体層を有するファイバ。散乱層は、白色インクのような、高効率散乱体を用いる（ＴｉＯ２系充填ポリマー）。ＴｉＯ２は高い屈折率（〜２.５）を有し、したがってＳｉＯ２粒子より効率が高い散乱体になり得る。しかし、ＴｉＯ２は＜４００ｎｍの波長にある光を吸収し、ＵＶ光用途にはそれほど適していない。
それぞれの場合において、最適なスペクトル及び角度依存性を得るため、それぞれの層の厚さ及びドーパントの濃度を調整した。図１Ａ及び１Ｂには散乱層及び発光体粒子がドープされた層が示される。この構造は白色光ファイバに用いた。図２Ａ及び２Ｂには、一様角度分布のために散乱粒子がドープされた二次被覆を有する、ＵＶ光放射のためのファイバ構造が示される。
様々なファイバの散乱放射スペクトルが図３Ａ〜３Ｄに示される。入射光の波長は４４５ｎｍであり、用いたシリカファイバは不規則分布空気封入線入りファイバであった。図３Ａ〜３Ｃに見られるように、散乱材料を含んでいない３５重量％のＣｅＹＡＧの１６０μｍ厚単層（図３Ａ）、散乱材料を含んでいない３５重量％のＣｅＹＡＧの８００μｍ厚単層（図３Ｂ）及び散乱材料を含んでいない２０重量％のＣｅＹＡＧの１６０μｍ厚単層（図３Ｃ）は全て、光色、すなわち図１の角度１７０が０°に近づくにつれて一層青く見える放射光の色、の角度依存性を打破するに十分な散乱を提供できなかった。さらに、発光体層内のＣｅＹＡＧの直径及び量の変更は、散乱光のスペクトルが視角及びＣｅＹＡＧの存在量の関数として極めて強く変化することを示すことがわかった。
図３Ｄは、ＴｉＯ２粒子を含む散乱層（４μｍ厚層）と３５重量％のＣｅＹＡＧの１６０μｍ厚層を有するファイバから生じる多くのスペクトルを書きどの関数として示す。スペクトルからわかるように、散乱層と発光体層の組合せは、視角に依存しない、ファイバからの光放射を与える。
図４は、（シリカコア、ポリマークラッド層、散乱層（ＴｉＯ２の４μｍ厚層）及び発光体層（３５重量％のＣｅＹＡＧの１６０μｍ厚層）を有する）実施形態を（白色光を得るために４６０ｎｍ青色ＬＥＤと組み合わせてＣｅＹＡＧも用いる）白色ＬＥＤ及びＣＣＦＬと比較する、ＣＩＲ１９３１ｘ,ｙ色度空間値を用いる色座標比較を示す。光拡散性ファイバの色座標は白色光と見なされる領域（図７を見よ）の十分内側に色出力を入れる。さらに、図からわかるように、色は視角に依存しない。
ファイバ輝度の理論的予測（図５）は、非常に低い価格で市販されている、１.５Ｗレーザダイオードを２つ用いる液晶ディスプレイ用ＣＣＦＬと同じ輝度に達することが可能であろうことを示す。
十分な未吸収４４５ｎｍ光が白色光をつくるに必要な青色を与えることができる、４４５ｎｍ光の散乱と吸収の正しい組合せを得るため、様々な量の散乱粒子及びＣｅＹＡＧ粒子を用いた。最善の結果は重量で約３５％のＣｅＹＡＧ及び約１６０μｍの厚さを用いて得られた。さらに、この量は二次被覆に妥当な粘度を与え、よって、線引きタワーにおいてファイバに通常の手法で塗布することができる。ＬＤＦの両端から光を入れることにより、角度的にも、またファイバの長さに沿っても、より一層一様な照明を得ることが可能であることもわかった（図１１）。
ＵＶ用途に対しては、シリカの微小球を二次被覆内に入れた。結果は角度分布が有意に変わり得ることを示す（図８及び９）。図８は不規則分布空気封入線入りコア及び標準ポリマークラッド層を有する光拡散性ファイバを示す。スペクトルからわかるように、光の大半はファイバの端部から放射され、散乱されているＵＶ光は極めて僅かでしかない。図９は本発明の光拡散性ファイバの一実施形態のスペクトルを示す。図９のファイバは、不規則分布空気封入線入りシリカコア、ポリマークラッド層及びＳｉＯ２粒子を含む散乱層を有し、散乱損失が〜３ｄＢ/ｍである。図９に見られるように、光は広く散乱され、ファイバの端部から送り出されている光はほとんどない。図９に示される広い角度分布は、光化学反応がおきる用途におけるファイバの表面からの最大到達距離にとって重要である。図８及び９のいずれについても、測定はファイバコアに屈折率を整合させた媒質内で行った。これは、屈折率が小さい媒質、例えば空気内では、図８からの光の多くが高屈折率二次被覆内にトラップされることを意味する。しかし散乱層が存在すれば、空気中であっても光のほとんどは、非常に効率よく、二次被覆から抜け出すであろう。したがって、二次被覆へのシリカ粒子ドーピングは、（１）光を二次被覆から散乱し、また（２）二次被覆の屈折率を低め、よってトラッピングの効率を低めるにも役立つ。
１００，２００ 光拡散性光ファイバ
１１０，２１０ コア領域
１２０，２２０ クラッド層
１３０，２３０ 散乱層
１４０ 発光体層
１１０，２１０ コア領域
１２０，２２０ クラッド層
１３０，２３０ 散乱層
１４０ 発光体層
Claims (8)
- 紫外光を放射するための光拡散性ファイバにおいて、
ａ．散乱欠陥を有するシリカ系ガラスを含むコア、
ｂ．前記コアと直に接しているクラッド層、及び
ｃ．前記クラッド層に直に接している散乱層、
を有し、
前記放射紫外光の強度が前記光拡散性光ファイバの方向に対して約１０°から約１７０°の全ての視角に対して約３０％より大きくは変化しない、
ことを特徴とする光拡散性ファイバ。 - 散乱誘起減衰損失が約３００ｎｍから約４５０ｎｍの波長において約０.１ｄＢ/ｍから約５０ｄＢ/ｍの範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の光拡散性ファイバ。
- 前記コアが複数の不規則に分布させた細孔を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の光拡散性ファイバ。
- 前記クラッド層がポリマーを含むことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光拡散ファイバ。
- 前記散乱層がポリマーを含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光拡散ファイバ。
- 前記散乱層がナノ径からマイクロ径の細孔あるいは散乱材料のマイクロ粒子またはナノ粒子を含むことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の光拡散性ファイバ。
- 前記クラッド層と前記散乱層の間に二次層をさらに有することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の光拡散性ファイバ。
- 請求項１から７のいずれか１項に記載の光拡散性ファイバを作製する方法において、
ａ．プリフォームコアを含む光ファイバプリフォームを形成する工程、
ｂ．前記光ファイバプリフォームを光ファイバに線引きする工程、
ｃ．前記光ファイバに少なくとも１つのクラッド層を被覆する工程、及び
ｄ．前記光ファイバに少なくとも１つの散乱層を被覆する工程、
を含むことを特徴とする光拡散性ファイバを作製する方法。
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