JP2016526002A - 基材製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、屈折率の部分変更を有するパターンを含む透明基材を製造するための方法に関する。この方法によれば、透明基材に少なくとも一本のレーザー線の形態をとって当該基材に集束させたレーザー光線を照射し、その際に基材が少なくとも部分的に当該レーザー光線を吸収し、基材と基材に集束させたレーザー線とをレーザー線の長手方向（Ｙ）を横切る方向（Ｘ）に相対移動させ、そしてこの相対移動の過程で、相対移動の速度と相対移動の方向（Ｘ）におけるパターンの寸法とに応じてレーザー線の出力を時間的に変更させる。

Description

本発明は、部分変更された光学特性を有する透明基材を得るための方法に関する。本発明はまた、部分変更された光学特性を与えるため透明基材を処理するための装置、及び光学特性を部分変更した透明基材にも関する。

基材の光学的及び／又は美的特性を、その表面に組織又はパターンを作ることにより部分変更することは公知である。表面組織を作るには、従来技術として特に彫刻、サンドブラスティング、又は酸エッチングが挙げられる。パターンを形成するには、従来技術として特に、スクリーン印刷、又はリソグラフィーが挙げられる。しかしながら、これらの技術は、局所的な技術であり大きい基材で実施するのが困難であって生産速度が比較的低いか、又は、全体を処理する技術であっても最適解を有していないかのいずれかである。これらの技術のうち一部のもの、特に酸エッチング及びリソグラフィーは、使用される化学物質による危険性もあり、工業的規模でのそれらの使用を煩雑なものにしている。

特別な光学的及び／又は美的特性を備えた基材を提供することを目的として、基材の屈折率を空間的に部分変更することも公知である。特に、そうした屈折率の部分変更を通じて、基材の光散乱特性を、特に光取り出しの目的で、例えばＯＬＥＤ（有機発光ダイオード）向けに、又は集光目的で、例えばソーラーモジュール向けに、調整することが可能である。基材の屈折率を部分変更することにより、その光回折特性を、特に光の出力先を変更する目的のために、調整することも可能である。自然光を用いて照明を行うという用途において、自然光をよりうまく分配し視覚的快適さを向上させることを目的に、光の出力先を変更することが特に求められている。基材の表面又は本体中に部分変更した屈折率パターンを作ることによって、基材の外観を美的目的のために変更することも可能となる。

無機ガラス基材に部分変更した屈折率パターンを作ることが可能な一つの従来技術は、イオン交換である。この技術を用いて、ガラスに含有される少なくとも１種の元素とガラスに接触させた媒体により提供される少なくとも１種の元素とのイオン交換により、基材のガラスマトリクスの組成が局所的に変更される。ガラスに含有されるナトリウム原子は特に、ガラスに接触させた銀塩により提供される銀原子と交換させることができる。電場下でのマイグレーションにより行われるこのイオン交換は、領域により屈折率が変化する制御された形状で交互になった領域をガラスの厚さ内に、ガラス表面の当初の凹凸模様は変更することなく、作り出すのを可能にする。しかしながら、イオン交換には、複数の工程を必要とする低速で費用のかかる方法であるという欠点がある。加えて、基材内部にイオンが到達することが可能な深さには限界がある。

光学特性を部分変更した透明基材を得る方法を提供することにより本発明が特に改善しようとするのが、これらの欠点であり、

本発明の方法は、経済的でもあり、単純かつ高速でもあって、高い生産速度を得ることを可能にし、基材の光学特性を部分変更するための高い解像度レベルを保証するものであり、この方法は、大きい基材にさえも適用可能で、さらには、所定の基材について又は基材ごとに光学的特性の空間的構造を製造ライン上で急速に変更することを可能にするように、特に順応性のあるものである。

この目的のために、本発明の一つの対象は、部分変更した光学特性を有しており、屈折率の部分変更パターンを含む透明基材を得るための方法であって、透明基材に少なくとも一本のレーザー線の形態をとって当該基材に集束させたレーザー光線を照射し、その際に基材が少なくとも部分的に当該レーザー光線を吸収すること、基材と基材に集束させたレーザー線とをレーザー線の長手方向を横切る方向に相対移動させること、及びこの相対移動の過程で、相対移動の速度に応じかつ相対移動の方向におけるパターンの寸法に応じてレーザー線の出力を時間的に変更することを特徴とする、透明基材を得るための方法である。

本発明の文脈において、「レーザー線」は、長手方向の寸法がそれを横切る方向の寸法よりも大きい線の形態をとって集束させたレーザービームであり、一つ又は複数のレーザー光源により発生させたものであって、レーザー線の長手方向における全ての点が当該レーザー光源により同時に照射されるものである。このように、レーザー線は、レーザー光源により線の全面の照射を同時に行うことにより得られる。

本発明の文脈において、一つの方向は、別の方向とゼロでない角度をなす場合に、この別の方向を横切る。加えて、本発明の文脈においは、基材は、それが光を少なくとも部分的に通過させる場合には透明である。

本発明による方法が適用される基材は、レーザー光線の波長において少なくとも部分的に吸収性である必要があり、特にこの波長で少なくとも１％／ｍｍの、好ましくは少なくとも１０％／ｍｍの吸収率を有する必要がある。

本発明の文脈において、方法が適用される基材は、むき出しの基材でよいが、コーティングされた基材、すなわちその面のうちの少なくとも一つにコーティングを含む基材であってもよい。もちろん、コーティングされた基材の場合であっても、本発明の方法を使用して作られる屈折率の部分変更パターンは、基材それ自体の屈折率の部分変更パターンである。しかしながら、コーティングがレーザー処理の影響を受けてもよいことは排除されないが、しかしこの場合には必然的に基材に加えてのものとなる。レーザー光線で基材のコーティングのみを処理し、基材自体は処理しない場合は、本発明の範囲に含まれない。基材がコーティングされている場合には、コーティングはレーザー光線に基材を通過させねばならず、従ってレーザー光線の波長において反射性又は吸収性でありすぎてはならない。

本発明者らは、透明基材にレーザービームを照射すると、基材の構造が局所的に熱に由来する永久的な変更を受け、無機ガラス基材の場合にはこれが熱強化の効果に類似したものであり、それにより基材の屈折率が局所的に変化することを観測した。本発明者らは、この効果を利用して、基材の表面又はその内部に屈折率の部分変更パターンを形成させた。実際のところ、このパターンは、焦点面内に好適な強度を有する少なくとも一本のレーザー線を基材に集束させ、そして基材とこのレーザー線とを互いに相対的に移動させつつレーザー線の出力を時間的に変更させることにより得られる。レーザー線の出力が時間とともに変化すると、基材の屈折率が相対移動の間に空間的に部分変更される。

本発明による方法は、基材とレーザー線との相対移動の速度に応じかつ所望のパターンの空間的構造に応じてレーザー線の出力の時間的変更を調整することにより、透明基材中に任意のタイプの屈折率の部分変更パターンを作り出すのを可能にする。有利なことに、この方法は、大きい寸法の基材を含め、任意の大きさの基材に適用可能であり、その理由は、レーザー線の長さを所望のパターンの大きさに対応するよう簡単に調整できるからである。レーザー線の出力の時間的な変更は特に応答が素早くてよく、これにより高い解像度レベルと高い生産速度の両方を達成することが可能になる。本発明により、大サイズの基材についてさえも、屈折率の部分変更パターンを速やかに得ることが可能となるが、ポイントレーザービームを用いて走査する場合にはこうはならない。さらに、レーザー線の出力を受動的に変更することが可能であるので、本発明による方法は、所定の基材に対してであれ製造ライン上の基材ごとに対してであれ、屈折率の空間的な部分変更構造を製造ライン上で素早く変えるのを可能にする。

基材は、無機ガラス製の基材でよく、特に、酸化物ガラス、ハロゲン化物ガラス、硫化物ガラス、カルコゲン化物ガラスから選択されたガラス製の基材でよい。酸化物ガラスは、ケイ酸塩、ホウ酸塩、硫酸塩、リン酸塩、フルオロリン酸塩、又はビスマス酸塩であることができる。ハロゲン化物ガラスは、ＢｅＦ₂、ＺｒＦ₄、ＩｎＦ₃又はＣｄ−Ｚｎ−Ｃｌタイプのものでよい。硫化物ガラスは、Ｇａ−Ｌａ−Ｓでよい。カルコゲン化物ガラスは、Ｓｅ−Ａｓでよい。変形例として、基材は、有機ポリマー製の基材でよく、特に、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、又はフルオロポリマー、例えばエチレンテトラフルオロエチレン（ＥＴＦＥ）から選択されたポリマー製の基材でよい。基材は、平坦であっても湾曲していてもよく、さらに可撓性であってもよい。それはまた、色付きであっても無着色であってもよい。

基材は、有利には、少なくとも一つの寸法が０．５ｍ以上、特に１ｍ、又は２ｍ、又はさらには３ｍ以上である。好ましくは、基材の主面の表面積は１ｍ²以上、より好ましくは１．４ｍ²以上である。有利な実施形態では、処理する基材は平行六面体であって、その長さは１．３ｍ、そして幅は１．１ｍである。ガラスで作製された基材の場合には、基材の厚さは一般に０．５ｍｍと１９ｍｍの間、好ましくは０．７ｍｍと９ｍｍの間、特に２ｍｍと８ｍｍと間、さらには４ｍｍと６ｍｍの間である。有機高分子で作製された基材は、はるかに小さい厚さでよく、例えば２５μｍと１００μｍの間に含まる厚さでよい。

好ましくは、レーザー線は、一つ又は複数のレーザー光源と、整形光学部品と、出力先変更光学部品とを含むモジュールにより発生させる。

レーザー光源は通常、レーザーダイオード、又はファイバーレーザー、又はディスクレーザーである。レーザーダイオードは、供給電力に比較して高出力密度を得ることが可能であり、そしてその体積が小さい。ファイバーレーザーはもっと小型であり、得られる単位長さ当たりの出力をさらに高くできるが、しかしコストはさらにかかる。

「ファイバー化されたレーザー」という用語は、レーザー光の発生する位置が、レーザー光を供給する位置に対して空間的にずれているレーザーであって、レーザー光が少なくとも一本の光ファイバーにより供給されるものを意味する。

ディスクレーザーの場合には、レーザー光は共振空洞内で発生し、この共振空洞内にディスクの形をした、例えばＹｂ：ＹＡＧの薄い（厚さ約０．１ｍｍ）ディスクの形をした、発光媒体が位置している。こうして発生した光は、処理の場所に導かれる一本以上の光ファイバーに導入される。

レーザー線の放射線ビームの波長は、有利には１００ｎｍ〜２０００ｎｍ、特に１００〜３５０ｎｍ、又は８００〜１０００ｎｍの範囲に含まれる。処理されるコーティングの吸収スペクトルに応じて、８０８ｎｍ、８８０ｎｍ、９１５ｎｍ、９４０ｎｍ又は９８０ｎｍから選択される波長で放射するパワーダイオードレーザー、あるいは、紫外領域である、１００ｎｍと３５０ｎｍの間、特に２４０ｎｍと３００ｎｍの間の放射線ビームを放射するエキシマレーザーを使用するのが適切であろう。それとは別に、レーザー線の放射線ビーム波長は５μｍ〜１５μｍの範囲内に含まれるものであってもよく、そのような放射線を吸収するコーティングに対してＣＯ₂レーザーを使用して得ることができる。ディスクレーザーの場合には、波長は例えば１０３０ｎｍ（Ｙｂ：ＹＡＧレーザーの放射波長）である。ファイバーレーザーの場合は、波長は例えば１０７０ｎｍである。

ファイバー化されていないレーザー光源の場合には、整形光学部品及び出力先変更光学部品は好ましくはレンズとミラーを含み、そして放射線の位置合わせ、均一化、及び集束の手段として使用される。位置合わせ手段は、レーザー光源により放出された放射線ビームを線の形にそろえる機能を有する。それらは、好ましくはミラーを含んでいる。均一化手段は、線全体に沿って単位長さ当たりに一様な出力を得るため、レーザー光源の空間プロファイルを重ね合せる機能を有する。均一化手段は好ましくは、入射ビームを二次ビームに分離し、そして前記二次ビームを再結合させて均一な線にするのを可能にするレンズを含んでいる。放射線を収束させるための集束手段は、処理しようとする基材に、所望の長さと幅の線の形態で放射線を集束させることを可能にする。集束手段は、好ましくは収束レンズを含んでいる。

ファイバー化されたレーザー光源の場合には、整形光学部品は好ましくは、光ファイバーの出力位置に配置された光学ヘッドの形態をとって一つにまとめられる。前記光学ヘッドの形態の整形光学部品は好ましくはレンズ、ミラー、及びプリズムを含み、放射線を変換、均一化、及び集束する手段として使用される。変換手段は、ミラー及び／又はプリズムを含み、光ファイバーの出力位置において得られた円形ビームを線の形をした異方性の非円形ビームに変換するのに使用される。この目的のために、変換手段は、ビームの品質をその軸線のうちの一つ（高速軸、又はレーザー線の幅方向軸）において増進させ、そして他方（低速軸、又はレーザー線の長さ方向軸）においてビームの品質を低下させる。均一化手段は、線に沿って最後まで単位長さ当たりの一様な出力を得る目的で、レーザー光源の空間プロファイルを重ね合せる。均一化手段は好ましくは、入射ビームを二次ビームに分離し、そして当該二次ビームを均一な線に再結合させるのを可能にするレンズを含む。最後に、放射線を集束させるための集束手段は、作業平面において、すなわち処理しようとする基材の表面又は本体中で、放射線を所望の幅と長さの線の形で集束させるのを可能にする。集束手段は、好ましくは集束ミラー又は収束レンズを含んでいる。

整形光学部品及び出力先変更光学部品、特に位置合わせ手段は、手動で調整してもよく、あるいはそれらの位置を遠隔操作で設定するのを可能にするアクチュエーターを使用して調整してもよい。これらのアクチュエーターは、一般には動力装置又は圧電変換器であり、手動で制御してもよく、及び／又は自動式に調節してもよい。後者の場合、アクチュエーターは検出器に、及びフィードバックループに接続されるのが好ましい。

レーザーモジュールの少なくとも一部、さらにそれらの全ては、それらの熱安定性を保証するため、シールされ有利には冷却される、とりわけ空冷されるハウジング内に配置されるのが好ましい。

本発明の文脈では、レーザー線の「長さ」は、レーザー線の最大寸法、すなわちその長手方向に沿ったレーザー線の寸法であると理解され、そしてレーザー線の「幅」は、その長手方向に対して直角な方向のレーザー線の寸法であると理解される。レーザーの分野で慣例であるように、レーザー線の幅ｗは、この直角な方向における、放射線ビームの強度が最大となるビームの軸線と、放射線ビームの強度が最大強度の１／ｅ²倍に等しい箇所との間の距離に相当している。レーザー線の長手方向の軸線をｘとすれば、ｗ（ｘ）で表される幅分布をこの軸線に沿った規定することができる。

一つの特徴によれば、レーザー線の平均幅は１０μｍと１０００μｍの間、好ましくは３０μｍと２００μｍの間に含まれる。本書の全体を通して、「平均」という用語は算術平均を意味する。レーザー線の全長さにわたって、基材において屈折率の部分変更パターンを作る際にレーザー線に沿った均一な処理を確実に行うため、幅分布は狭くなっている。このようにして、最大幅と最少幅との差は、平均幅の値の好ましくは１０％以下、より好ましくは５％以下、さらには３％以下である。

レーザー線の長さは好ましくは、少なくとも１０ｃｍであり、好ましくは２０ｃｍ又は３０ｃｍから３ｍまでの範囲内に含まれる。基材の幅の全体又は一部分を照射するのに、単一のレーザー線を使用するのが好ましい。しかしながら、長手方向に互いに平行に配置された、任意選択的に分離していてもよい、複数のレーザー線を使用することも可能である。

一つの特徴によれば、レーザー線は、レーザー線の平均幅に対するレーザー線の長さの比が１０以上、好ましくは３０以上である。好ましい実施形態では、レーザー線の平均幅に対するレーザー線の長さの比は３０と３０００００の間である。

一実施形態では、レーザー線を基材の表面に集束させる。この場合、本発明による方法は、基材の表面に屈折率の部分変更パターンを得るのを可能にする。

別の実施形態では、レーザー線を基材の本体中に集束させる。この場合、本発明による方法は、基材の厚さ内に屈折率の部分変更パターンを得るのを可能にする。

一つの有利な特徴によれば、レーザー線の長手方向は、基材とレーザー線との相対移動の方向に対して実質的に直角である。しかしながら、相対移動の方向に対してレーザー線がその他の向きをとることもまた可能であり、一般には、レーザー線の長手方向は相対移動の方向に対してゼロでない角度を形成することができる。

一実施形態では、レーザー線を固定したままにして、基材をレーザー線の長手方向を横切る方向に並進的に移動させる。有利には、基材をレーザー線に面した実質的に水平の平面内で移動させる。

その他の実施形態も可能である。例えば、基材を固定したままにし、その一方でレーザー線を、特に可動式のガントリーを使用して、基材に面して移動させてもよい。変形例として、基材とレーザー線の両方を移動させてもよい。基材とレーザー線との相対移動は、並進運動以外の運動、例えば回転運動、又は並進運動と回転運動の組み合わせであってもよい。基材は、水平でない平面、例えば垂直平面で移動させてもよく、又はその他の任意の向きで移動させてもよい。

基材を移動させる、特に並進移動させる場合には、任意の機械的な搬送手段を用いて、例えばベルト、ローラー、並進トレイ、エアクッションを用いて、それを移動させることができる。この搬送装置は、移動の速度を管理し調整をするのを可能にする。搬送手段は、剛性シャーシ及び複数のローラーを含むのが好ましい。基材が可撓性有機ポリマー製である場合には、基材の移動は一連のローラーの形態をとるフィルム搬送装置を用いて行ってもよい。この場合には、基材の厚さ、よってその柔軟性と、たわみの発生に対して熱処理が及ぼす可能性のある何らかの影響とを考慮に入れてローラー間の距離を適切に選択することにより、平面性を保証することができる。

レーザーを、基材に対する距離を調節するように動かしてもよく、これは、特に基材が湾曲している場合に有用なことがあるが、しかし有用なのはこの場合だけではない。具体的には、レーザー線について、レーザー線の焦点面と処理しようとする基材との距離の絶対値が１ｍｍ以下、特に０．５ｍｍ、又は０．３ｍｍ、そしてさらには０．１ｍｍ以下であることが好ましい。基材又はレーザーを移動させるための装置が焦点面と基材との距離に関し充分正確でない場合には、レーザーと基材との距離を調整できることが好ましい。この調整は自動式でよく、特に、レーザー処理の上流で行われる距離測定により制御してもよい。

基材の表面又は本体を好適に照射できるのであれば、基材とレーザー線を形成するレーザー光源との相対位置はどんなものも可能である。基材を水平に配置する場合には、レーザー光源は一般に、基材の上面及び／又は底面を照射するように配置される。基材のそれぞれの側に位置する複数のレーザー光源を使用することも可能であって、基材は水平の位置にあることも、垂直の位置にあることも、あるいは任意の傾斜した位置にあることも可能である。これらのレーザー光源は同一であっても異なっていてもよい。

基材とそれぞれのレーザー線との相対移動の速度は、有利には少なくとも３ｍ／分、特に４ｍ／分、もしくは５ｍ／分、さらには６ｍ／分、もしくは７ｍ／分、あるいは８ｍ／分、さらには９ｍ／分、もしくは１０ｍ／分である。基材中に屈折率の部分変更パターンを作るときのレーザー線に対する基材の位置の不確かさを制限するため、処理中における基材とそれぞれのレーザー線との相対移動の速度の変動は、その公称値に対して最大１０％、特に２％、そしてさらには１％である。

一つ有利な特徴によれば、レーザー線の出力の時間的な変更は、レーザー線を形成する１以上のレーザー光源の入力電気信号を時間的に変更させることにより得られる。本発明の文脈において、「レーザー光源の入力電気信号」という表現は、レーザー光源への供給電流又はレーザー光源への供給電力のいずれかを意味するものと理解される。

レーザー線を形成する１以上のレーザー光源の入力電気信号の時間的変更から出発して、レーザー線出力の時間的変更を得るための応答時間は、程度の差はあるが長く、そしてレーザー光源の投入及び停止時間に依存する。したがって、本発明による方法を用いて得ることができる解像度、すなわち相対移動の方向で得ることができる最小のパターン寸法は、レーザー光源の投入及び停止時間により、基材とレーザー線との相対移動の速度により、そしてレーザー線の幅により決まる。レーザー光源の投入及び停止時間は、光源により放出される出力の公称値の、パルスレーザー光源の場合には出力の包絡線の、１０％から９０％（又はその逆）を通過するのに要する時間として定義される。よって、投入及び停止時間が約１００μｓ程度であるレーザー光源では、相対移動の方向における寸法が約５０μｍのパターンを得ることが可能である。投入及び停止時間が約２ｍｓのレーザー光源では、相対移動の方向における寸法が約１ｍｍのパターンを得ることが可能である。投入及び停止時間が約２０ｍｓのレーザー光源では、相対移動の方向における寸法が約１ｃｍのパターンを得ることが可能である。レーザー光源の投入及び停止時間の影響を、光源により放出された出力を変更することにより、それらの光源を完全に止めることなく制限することが可能である。

本発明の一実施形態では、空間的な周期性を有する屈折率の部分変更パターンが、基材とレーザー線との相対移動の速度のパターンの周期に対する比に等しい周期でレーザー光源の入力電気信号を時間的に変更することにより得られる。

本発明の別の実施形態では、空間的周期性のない部分変更パターンが、基材とレーザー線との相対移動の際のレーザー光源の入力電気信号の時間的変更を変化させることにより得られる。

有利には、レーザー線を複数の独立したレーザー光源を用いて形成する場合、入力電気信号の時間的変更は、レーザー線を形成するレーザー光源どうしの間で互いに異なっていてもよい。このようにして、レーザー線に沿って出力を局所的に調節することが可能であり、これによりレーザー線の長手方向でも屈折率の部分変更が可能となる。これにより、基材の屈折率の空間的部分変更の柔軟性をさらに増大させることが可能になる。

一つの特徴によれば、焦点面内のレーザー線の単位面積あたりの平均出力は１０³Ｗ／ｃｍ²以上である。この出力は、連続波（ＣＷ）又は準連続波（ＱＣＷ）モードで動作する、単位長さ当たりに高い出力、特に１０Ｗ／ｍｍより高い出力を提供するレーザー光源により、又はより低い平均出力の、特に１００ｍＷ／ｍｍ未満の出力のパルスレーザー光源により、供給することができる。パルスレーザー光源の場合には、熱拡散が起こるための時間がないので、基材を処理するための処理はさらに効率的である。焦点面内のレーザー線の出力は、この熱拡散の影響を考慮に入れるよう調整しなければならない。好ましくは、焦点面内でのレーザー線の単位面積当たりの平均出力は、パルスレーザー光源を使用して発生させる場合には１０³Ｗ／ｃｍ²以上であり、連続波又は準連続波モードで動作するレーザー光源を使用して発生させる場合には１０⁴Ｗ／ｃｍ²以上である。

基材が処理中にさらされる温度は、無機ガラス製の基材の場合には４００℃程度であり、有機ポリマー製の基材の場合には１００℃程度である。

一実施形態では、レーザー線を形成するレーザー光源は連続波又は準連続波のレーザー光源である。

別の実施形態では、レーザー線を形成するレーザー光源はパルス光源である。この場合には、放出されるパルスの出力が時間的に変更される。放射線をパルス化する場合、部分変更及び使用する移動速度に適合するように、反復周波数は少なくとも１０ｋＨｚ、特に１５ｋＨｚ、さらには２０ｋＨｚであるのが有利である。

一実施形態では、レーザー線が固定したままにされ、そして基材が互いに対して横切る方向の少なくとも一つの第１の寸法と一つの第２の寸法とを有し、そして方法は、少なくとも一つの第１の工程と一つの第２の工程とを含み、
・第１の工程では、基材をその第１の寸法と平行に、かつレーザー線の長手方向を横切る方向に並進的に移動させ、そしてレーザー線の出力を時間的に変更するようにし、
・第２の工程では、基材をその第２の寸法と平行に、かつレーザー線の長手方向を横切る方向に並進的に移動させ、そしてレーザー線の出力を時間的に変更するようにする。

この実施形態では、基材は少なくとも二つの処理工程に連続して付され、すなわち一つの方向における第１の工程とこの第１の処理工程の方向を横切る方向における第２の工程に付される。こうして、本発明による方法は、基材の屈折率に格子状の構造を与えることを可能にし、この格子は少なくとも二つの格子方向で作り出される。

本発明の別の対象は、透明基材を、それに部分変更した光学特性を提供するため、基材中に屈折率の部分変更パターンを作り出すことにより処理するための装置であって、
・一つ以上のレーザー光源と、少なくとも一本のレーザー線を生じさせることが可能な整形光学部品及び出力先変更光学部品、
・動作中に、基材とレーザー線との相対移動を、レーザー線を基材に集束させつつレーザー線の長手方向を横切る方向に生じさせることが可能な変位手段、
・レーザー線の出力を、相対移動の速度に応じ、かつ相対移動の方向におけるパターンの寸法に応じて時間的に変更するための手段、
を含む装置である。

本発明の別の対象は、一連の並列した線又は線の部分から構成された屈折率の部分変更パターンを含み、先に説明した方法により得ることができる、非強化無機ガラス又は有機ポリマー製の、光学特性が部分変更されている透明基材であって、基材の屈折率の値が線どうしで変化しており、そして線の長手方向を横切る方向に測定して、基材の屈折率の値の変化の特徴的な寸法が、１０μｍと１０００μｍの間、好ましくは１０μｍと２００μｍの間に含まれる公称寸法の倍数になっている透明基材である。

一つの特徴によれば、基材、又は基材のうちの屈折率の部分変更パターンを実際に有する部分は、その少なくとも一つの寸法が０．５ｍ以上、特に１ｍ、又は２ｍ、又はさらには３ｍ以上である。好ましくは、基材の主面の、又は基材のうちの屈折率の部分変更パターンを実際に有する部分の表面積は、１ｍ²以上、より好ましくは１．４ｍ²以上である。有利な実施形態では、処理される基材は長さが１．３ｍ、幅が１．１ｍの平行六面体である。本発明の利点は、大サイズの基材についてさえ、屈折率の部分変更パターンを速やかに、高レベルの解像度で得ることができるということである。

一実施形態では、基材の屈折率の値は線どうしの間で連続的に変化する。この場合、基材の屈折率の部分変更パターンは、パターンの並列した線又は線の一部分の長手方向と直角に屈折率が連続的に変動しているパターンである。屈折率のそのような連続的な変動は、例えば、正弦波又は三角形タイプの信号の作用によってレーザー線の出力を時間的に変更することにより得ることができる。

本発明によれば、屈折率の部分変更パターンは、基材の表面のみに存在してもよく、その表面の一つ以上に存在してもよく、又は基材の本体中に存在してもよい。

本発明の特徴及び利点は、本発明による方法及び基材のいくつかの例の以下の説明から明らかとなり、この説明は添付図面を参照して、単なる例として提示するものである。

本発明の第１の実施形態による光学特性を部分変更した基材の上面図であって、この基材は本発明の方法により得られたものであり、図１の下部はレーザー光源への入力として印加される矩形波タイプの電力を示している（例１及び２）。 本発明の第２の実施形態による光学特性を部分変更した基材の上面図であって、この基材は本発明の方法によって得られたものであり、図２の下部はレーザー光源への入力として印加される正弦波タイプの電力を示している（例３）。 本発明の第３の実施形態による光学特性を部分変更した基材の上面図であって、この基材は、グリッドを作り出すように、互いに対して直角な二つの方向における二つの連続した処理工程を含む本発明の方法により得られたものであり、図３の下部は、各処理工程におけるレーザー光源への入力として印加される矩形波型の電力を示している（例４）。

〔例１〕
本発明による方法を、フロート法により得てその後長さＬ＝６ｍ、幅ｌ＝３．３ｍの矩形に切断した、サン−ゴバン・グラス社によりＳＧＧ ＰＬＡＮＩＬＵＸの名称で市販される透明なソーダ石灰シリカガラス製の基材に適用する。

この方法を実施するのに使用するレーザー線は、９００ｎｍと１０００ｎｍの間に含まれる波長で放射する準連続波光源であるＩｎＧａＡｓレーザーダイオードのレーザー光源により形成される。このレーザー線は、長さが３．３ｍ、すなわち基材の幅ｌに等しい長さであり、そして５０μｍの平均幅を有する。このレーザー線の幅は、最大幅と最小幅との差が平均値、すなわち１．５μｍの３％であるように、線に沿って全体に均一である。

基材をローラーコンベヤー上に、その長さと平行な方向Ｘに走行するように載せる。レーザー線を固定したままにして基材の上面の上方に配置し、その長手方向Ｙは基材の走行方向Ｘと直角に、すなわち基材の幅を横切って延在し、基材の幅の全体を横切って延在する。

レーザー線の焦点面の位置を、基材がコンベヤー上に位置しているときに基材の厚さの中心にあるように調整し、焦点面でのレーザー線の単位面積当たりの平均出力は１０⁵Ｗ／ｃｍ²である。

基材を１０ｍ／分の速度でレーザー線の下を走行させ、この速度の変動は１％以下である。レーザー線の下を基材が移動している最中に、図１の下部に見ることができるように矩形波タイプの電力Ｐ_elecをレーザーダイオードへの入力として印加し、この図はＰ_elecの変動を時間ｔの関数として示している。矩形波信号Ｐ_elec（ｔ）の周期は１．２ｓであり、パルスの長さは３００ｍｓである。

こうして、図１に示すとおり、基材の長さに平行な５ｃｍに等しい幅の処理されたストリップが基材の長さに平行な１５ｃｍに等しい幅の未処理のストリップと交互になっている屈折率の部分変更パターンを含む基材が得られる。処理されたストリップは、未処理のストリップの屈折率ｎ１と比べて約０．０１増加した屈折率ｎ２を有する。

〔例２〕
例１のように、フロート法により得てその後長さＬ＝６ｍ、幅ｌ＝３．３ｍの矩形に切断した、サン−ゴバン・グラス社によりＳＧＧ ＰＬＡＮＩＬＵＸの名称で市販される透明なソーダ石灰シリカガラス製の基材に、本発明による方法を適用する。

例２については、その方法を実行するのに使用するレーザー線を、コア径が３００μｍの光ファイバーに結合され、１０３０ｎｍの波長で放射するＹｂ：ＹＡＧディスクレーザーであるレーザー光源により形成する。このレーザー線は、長さが３．３ｍで、すなわち基材の幅ｌに等しく、平均幅が５０μｍである。レーザー線の幅は、最大幅と最少幅の差が平均値、すなわち１．５μｍの３％であるように、線に沿って全体に均一である。

基材をローラーコンベヤー上に、その長さに平行な方向Ｘに走行するように載せる。レーザー線を固定したままにして基材の上面の上方に配置し、その長手方向Ｙは基材の走行方向Ｘと直角に、すなわち基材の幅を横切って延在し、基材の幅の全体を横切って延在する。

レーザー線の焦点面の位置を、基材がコンベヤー上に位置しているときに基材の厚さの中心にあるように調節し、焦点面におけるレーザー線の単位面積当たりの平均出力は１０⁵Ｗ／ｃｍ²である。

基材を１０ｍ／分の速度でレーザー線の下を走行させ、この速度の変動は１％以下である。レーザー線の下で基材が移動している最中に、出力Ｐ_eiecの変動を時間ｔの関数として示す図１の下部に見ることができるよう、矩形波タイプのＰ_elecの制御電圧をレーザー光源への入力として印加する。例１におけるように、矩形波信号Ｐ_elec（ｔ）の周期は１．２ｓであり、パルスの長さは３００ｍｓである。

このようにして、基材の長さに平行な５ｃｍに等しい幅の処理されたストリップが基材の長さに平行な１５ｃｍに等しい幅の未処理のストリップと交互になっている、図１に示したような屈折率の部分変更パターンを含む基材が得られる。処理されたストリップは、未処理のストリップの屈折率ｎ１と比べて約０．０１増加した屈折率ｎ２を有する。

〔例３〕
例１及び２のように、フロート法により得てその後長さＬ＝６ｍ、幅ｌ＝３．３ｍの矩形に切断した、サン−ゴバン・グラス社によりＳＧＧ ＰＬＡＮＩＬＵＸの名称で市販される透明なソーダ石灰シリカガラス製の基材に、本発明による方法を適用する。

例３については、この方法を実施するのに使用するレーザー線を、パルス長さ４００ｆｓ、反復速度５００ｋＨｚでパルス化され、１０４０ｎｍの波長で放射するパルスレーザー光源により形成する。このレーザー線は、長さが３．３ｍで、すなわち基材の幅ｌに等しく、平均幅が５０μｍである。レーザー線の幅は、最大幅と最少幅の差が平均値、すなわち１．５μｍの３％であるように、線に沿って全体に均一である。

基材をローラーコンベヤー上に、その長さに平行な方向Ｘに走行するように載せる。レーザー線を固定したままにして基材の上面の上方に配置し、その長手方向Ｙは基材の走行方向Ｘと直角に、すなわち基材の幅を横切って延在し、基材の幅の全体を横切って延在する。

レーザー線の焦点面の位置を、基材がコンベヤー上に位置しているときに基材の厚さの中心にあるように調節し、焦点面におけるレーザー線の単位面積当たりの平均出力は１０³Ｗ／ｃｍ²である。

基材を１０ｍ／分の速度でレーザー線の下を走行させ、この速度の変動は１％以下である。レーザー線の下で基材が移動している最中に、電力Ｐ_elecの変動を時間ｔの関数として示す図２の下部に見ることができるように、正弦波の電力Ｐ_elecをレーザーダイオードへの入力として印加する。正弦波信号Ｐ_elec（ｔ）の周期は１．２ｓであり、これにより、図２に模式的に示すようにレーザー光源のパルスの出力を時間的に変更することが可能になり、この図には正弦波信号の包絡線でもって数パルスのみが示されている。

こうして、図２に示すとおり、１５ｃｍの空間的周期性を有する屈折率の部分変更パターンを含む基材が得られ、基材の長さ方向に屈折率勾配が交互に増加及び減少している。

〔例４〕
上記のように、フロート法により得てその後今回は一辺の長さ３．３ｍの正方形に切断した、サン−ゴバン・グラス社によりＳＧＧ ＰＬＡＮＩＬＵＸの名称で市販される透明なソーダ石灰シリカガラス製の基材に、本発明による方法を適用する。

この実施形態では、方法は、基材を処理する連続した二つ工程を含み、第１の工程は第１の実施形態において基材に適用した処理と同一であり、基材は、その辺のうちの一つＣ１と平行に走行し、そして第２の工程も第１の実施形態において基材に適用した処理と同一であるが、基材は今度は辺Ｃ１に対して直角なもう一つの辺Ｃ２と平行に走行する。この第２の工程は図３で説明される。

このようにして、図３に示すとおり、グリッドの形態をとる屈折率の部分変更パターンを含む基材が得られ、グリッドの線は、それらの間に一辺の長さ１５ｃｍの正方形の未処理の領域を画定している５ｃｍに等しい幅の処理されたストリップである。処理されたストリップは、正方形の未処理領域の屈折率ｎ１と比べ約０．０１だけ増加した屈折率ｎ２を有する。

Claims (23)

1. 部分変更した光学特性を有しており、屈折率の部分変更パターンを含む透明基材を得るための方法であって、透明基材に少なくとも一本のレーザー線の形態をとって当該基材に集束させたレーザー光線を照射し、その際に当該基材が少なくとも部分的に当該レーザー光線を吸収すること、基材と基材に集束させたレーザー線とをレーザー線の長手方向（Ｙ）を横切る方向（Ｘ）に相対移動させること、及びこの相対移動の過程で、相対移動の速度に応じかつ相対移動の方向（Ｘ）におけるパターンの寸法に応じてレーザー線の出力を時間的に変更することを特徴とする、透明基材を得るための方法。
2. 前記レーザー線を前記基材の表面に集束させることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記レーザー線を前記基材の本体内に集束させることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 前記レーザー線の長手方向（Ｙ）が前記相対移動の方向（Ｘ）に対して実質的に直角であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記レーザー線を固定したままにし、そして前記基材を当該レーザー線の長手方向（Ｙ）を横切る方向（Ｘ）に並進移動させることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記レーザー線の出力を、当該レーザー線を形成するレーザー光源の入力電気信号を時間的に変更することにより時間的に変更させることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記屈折率の部分変更パターンが空間的な周期性を有し、前記レーザー光源の入力電気信号の時間的変更の周期数が前記基材と前記レーザー線との相対移動の速度の前記パターンの周期に対する比に等しいことを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. 前記レーザー光源の入力電気信号の時間的変更が前記基材と前記レーザー線との相対移動の途中で変動することを特徴とする、請求項６又は７に記載の方法。
9. 前記レーザー線を複数の独立したレーザー光源を用いて形成し、前記入力電気信号の時間的変更が前記レーザー線を形成するレーザー光源どうしで異なることを特徴とする、請求項６〜８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記レーザー線が１０μｍと１０００μｍの間、好ましくは３０μｍと２００μｍの間に含まれる平均幅を有することを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記焦点面での前記レーザー線の単位面積当たりの平均出力が１０³Ｗ／ｃｍ²以上であることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記レーザー線を形成するレーザー光源が連続波レーザー光源又は準連続波レーザー光源であることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記レーザー線を形成するレーザー源がパルス光源であり、そして放射パルスの出力を時間的に変更させることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
14. レーザー線の放射波長が１００ｎｍ〜２０００ｎｍの範囲、又は５μｍ〜１５μｍの範囲に含まれることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
15. レーザー線を固定したままにし、そして前記基材が互いに対して横切る方向の少なくとも一つの第１の寸法（Ｌ、Ｃ１）と一つの第２の寸法（ｌ、Ｃ２）とを有し、当該方法が少なくとも一つの第１の工程と一つの第２の工程とを含み、
    ・第１の工程では、基材をその第１の寸法（Ｌ、Ｃ１）と平行に、かつ前記レーザー線の長手方向（Ｙ）を横切る方向に並進的に移動させ、そして前記レーザー線の出力を時間的に変更するようにし、
    ・第２の工程では、基材をその第２の寸法（ｌ、Ｃ２）と平行に、かつ前記レーザー線の長手方向（Ｙ）を横切る方向に並進的に移動させ、そして前記レーザー線の出力を時間的に変更するようにする、
    ことを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 前記基材の少なくとも一つの寸法が１ｍより大きく、特に３ｍより大きいことを特徴とする、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の方法。
17. 前記相対移動の速度が少なくとも３ｍ／分であることを特徴とする、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の方法。
18. 透明基材を、それに部分変更した光学特性を提供するため、当該基材中に屈折率の部分変更パターンを作り出すことにより処理するための装置であって、
    ・一つ以上のレーザー光源と、少なくとも一本のレーザー線を生じさせることが可能な整形光学部品及び出力先変更光学部品、
    ・動作中に、基材とレーザー線との相対移動を、レーザー線を基材に集束させつつレーザー線の長手方向（Ｙ）を横切る方向（Ｘ）に生じさせることが可能な変位手段、
    ・レーザー線の出力を、前記相対移動の速度（ｖ）に応じ、かつ当該相対移動の方向（Ｘ）におけるパターンの寸法に応じて時間的に変更するための手段、
    を含む、透明基材を処理するための装置。
19. 請求項１〜１７のいずれか一項に記載の方法により得ることができる、非強化無機ガラス又は有機ポリマー製の、光学特性が部分変更されている透明基材であって、一連の並列した線又は線の部分から構成された屈折率の部分変更パターンを含み、基材の屈折率の値が線どうしで変化していること、そして線の長手方向を横切る方向に、基材の屈折率の値の変化の特徴的な寸法が、１０μｍと１０００μｍの間、好ましくは１０μｍと２００μｍの間に含まれる公称寸法の倍数になっていることを特徴とする透明基材。
20. 当該基材の主面の表面積、又は当該基材のうちの屈折率の部分変更パターンを実際に有する部分の表面積が１ｍ²以上、好ましくは１．４ｍ²以上であることを特徴とする、請求項１９に記載の透明基材。
21. 当該基材の屈折率の値が一本の線から別のものへと連続的に変化していることを特徴とする、請求項１９又は２０に記載の透明基材。
22. 前記屈折率の部分変更パターンが当該基材の表面に存在していることを特徴とする、請求項１９〜２１のいずれか一項に記載の透明基材。
23. 前記屈折率の部分変更パターンが当該基材の本体中に存在することを特徴とする請求項１９〜２１のいずれか一項に記載の透明基材。

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