JP2022003407A - ファイバスキャナのための微細構造光ファイバ発振器および導波管 - Google Patents

Abstract

【課題】好適なファイバスキャナのための微細構造光ファイバ発振器および導波管を提供すること。【解決手段】光ファイバ、および光ファイバを備える走査ファイバディスプレイが、説明される。開示される光ファイバは、ガス充填領域等の複数の質量調節領域を含み、前記複数の質量調節領域は、複数の質量調節領域が欠けている光ファイバと比較して、光ファイバの質量を低減させるために、中心導波要素と外周との間に位置付けられている。【選択図】なし

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、２０１６年１２月２３日に出願された米国仮出願第６２／４３８，８９８号および２０１７年２月２７日に出願された米国仮出願第６２／４６４，２９８号の利益およびこれらに対する優先権を主張するものであり、これらの全体は、参照により本明細書中に援用される。

光ファイバが、通信、センサ、および結像を含む、種々の用途に採用されている。種々の構造の光ファイバが、存在し、概して、中心コアから作製される導波管等の導波管構造と、囲繞するクラッディング層とを含み、付加的な緩衝層および外皮層が、随意に、取扱または環境条件への暴露中に保護を提供するように含まれる。付加的光ファイバ設計および最適化は、光ファイバが採用される、または採用され得る、用途の多様性を向上および拡張するために必要とされる。

本願は、光導波管に関する。より具体的には、限定ではないが、本願は、走査ファイバディスプレイに使用されるような光ファイバおよび光ファイバ発振器に関し、光ファイバは、導波要素と、導波要素と光ファイバの外周との間に位置付けられる１つ以上の質量低減要素を伴う機械的領域とを含む。質量低減要素の包含は、有利なこととして、従来の光ファイバ発振器の使用と比較したとき等に、視野の改良を伴って光ファイバを組み込む走査ファイバディスプレイを提供する。

走査デバイスは、概して、周波数のために走査範囲を妥協する。例えば、一般に、周波数が増加すると、走査範囲が減少する。同様に、走査範囲が増加すると、周波数が減少する。しかしながら、走査光学プロジェクタ等の多くの用途では、より大きい動作周波数および広い範囲を有することが望ましい。周波数は、分解能およびリフレッシュレートの両方にとって重要であり得る。例えば、走査ファイバディスプレイでは、ファイバの反復発振が、出力視野が変更され得る頻度を決定付け得るため、周波数は、リフレッシュレートに直接影響を及ぼし得る。

しかしながら、範囲は、所与のプロジェクタ設計のための視野にとって重要であり得る。例えば、発振ファイバの最大振幅または範囲は、ファイバによって生成され得る出力画像の広さの限界を提供し得る。発振範囲が増加されると、より広い視野が提供され得る。

走査デバイスはまた、それらの小さい形状因子および有用な分解能および視野に起因して、ディスプレイデバイスとして有用であり得る。しかしながら、高走査範囲を伴う高周波数走査デバイスを取得するために、本分野内の革新が要求される。現在説明されている光ファイバは、小さい形状因子を維持しながら、改良された視野プロジェクタを可能にする。実施例として、開示される光ファイバを走査ファイバディスプレイプロジェクタに組み込むことによって、プロジェクタの視野は、従来の走査ファイバディスプレイデバイスに対して増加され得る。

第１の側面では、光ファイバが、提供される。開示される光ファイバはまた、本明細書では微細構造光ファイバとも称され得る。例示的光ファイバは、軸に沿って延在する導波要素と、導波要素と外周との間に位置付けられ、第１の密度を有する第１の材料を含む、機械的領域等の導波要素を囲繞する機械的領域と、第１の密度未満の第２の密度を有する第２の材料を含む、複数の質量調節領域等の機械的領域内に位置付けられる複数の質量調節領域とを備えるものを含む。そのような質量調節領域は、随意に、空気を含んでもよい、または材料が機械的領域から除去される、または別様に不在である、領域に対応してもよい。第１および第２の材料はまた、異なる屈折率等の異なる光学的性質を有し得ることを理解されたい。

別の実施例として、開示される光ファイバは、軸に沿って延在する導波要素と、導波要素と外周との間に位置付けられ、第１の材料を含む、機械的領域等の導波要素を囲繞する機械的領域と、同じ光ファイバの対応する機械的領域が、対応する導波要素と同じ光ファイバの対応する外周との間に位置付けられる断面二次モーメント調節領域を含まないことを除いて同じ光ファイバと比較して、機械的領域の全体的断面二次モーメントを修正する役割を果たす複数の断面二次モーメント調節領域等の機械的領域内に位置付けられる複数の断面二次モーメント調節領域とを備える、光ファイバを含む。実施例として、断面二次モーメント調節領域は、第１の材料のものと異なる単位断面積あたりの質量を呈し、機械的領域の全体的断面二次モーメントの修正をもたらし得る。さらなる実施例として、断面二次モーメント調節領域は、第１の材料のものと異なる密度を呈し、機械的領域の全体的断面二次モーメントの修正をもたらし得る。用語「断面二次モーメント」は、機械工学の分野で公知であるような面積または物体の幾何学的性質を指し、面積慣性モーメント、二次面積モーメント、および平面積の慣性モーメントを含む、他の用語も、断面二次モーメントに同義的に使用され得ることを理解されたい。

種々の導波要素が、本明細書に説明される光ファイバとともに有用である。導波要素は、中心コア領域と、中心コア領域を囲繞するクラッディング層とを備えてもよい。随意に、中心コア領域は、約５μｍ〜約２５μｍの直径を有する。随意に、クラッディング層は、約５μｍ〜約２００μｍの直径を有する。随意に、クラッディング層は、第１の材料を含む。随意に、中心コア領域は、第３の材料を含む。随意に、中心コア領域は、第２の材料を含む。随意に、クラッディング層は、第３の材料を含む。随意に、クラッディング層および機械的領域は、単一体を備える。例えば、質量調節領域は、随意に、クラッディング層内に、またはその一部として位置付けられてもよい。

随意に、導波要素は、単一モード導波要素またはマルチモード導波要素に対応する。他の有用な導波要素は、複数のコア領域と、複数のコア領域を囲繞するクラッディング層とを備えるものを含む。随意に、複数のコア領域はそれぞれ、同一または異なる材料であってもよい。ガス充填コア領域等の中空（すなわち、真空）またはガスまたは空気充填領域を備えるものを含む、他の導波要素も考慮される。中空またはガスまたは空気充填コアは、ガスまたは空気が、ガラスまたは別の中実材料よりも少ないエネルギーを吸収し得るため、高電力用途において有用であり得ることを理解されたい。随意に、真空領域（すなわち、真空充填領域）もまた、利用されてもよい。また、コアおよびクラッディング領域は、異なる屈折率等の異なる光学的性質を呈し得ることも理解されたい。

種々の質量調節領域が、本明細書に説明される光ファイバとともに採用されてもよい。例えば、質量調節領域は、限定されないが、１つ以上のガスまたは空気充填領域、１つ以上のポリマー充填領域、１つ以上のガラス充填領域、１つ以上の真空領域、またはこれらの任意の組み合わせを含んでもよい。実施例として、機械的領域は、第１のガラスを含んでもよく、質量調節領域は、第１のガラスと異なる第２のガラスを含んでもよい。随意に、複数の質量調節領域は、複数の列の質量調節要素を備える。例えば、複数の列が、中心導波要素の周囲に同心円状に配列されてもよい。随意に、複数の質量調節領域は、軸の周囲に対称構成で配列される。随意に、複数の質量調節領域はそれぞれ、円形断面形状、卵形断面形状、または多角形断面形状を有する。断面形状の組み合わせもまた、利用されてもよい。随意に、各質量調節領域は、約１μｍ〜約２５μｍの側方寸法または直径を伴う断面形状を有する。随意に、複数の質量調節領域は、各質量調節領域がその独自の縦軸を有する場所等の光ファイバの長さを横断する。随意に、各縦軸は、光ファイバの軸と平行な軸を伴って配列される。質量低減材料の個々のセルまたは領域が光ファイバの区分の中に含まれる場合を含む、他の構成も可能である。質量調節領域は、随意に、光ファイバの全長またはファイバの一部のみに延設してもよい。代替として、質量調節領域は、機械的領域の全体を通してランダムまたは均等に分散される、または光軸または導波管軸と垂直に、またはそこから角度を付けて延設する。随意に、複数の質量低減領域の間のピッチは、約１μｍ〜約２５μｍである。随意に、複数の質量調節領域は、機械的領域の体積の約３０％〜約９０％を占有する。そのような割合または百分率体積は、本明細書では質量低減割合または質量低減充填割合と称され得る。空気またはガスを含む質量低減領域の場合、そのような割合または百分率体積は、空気充填割合またはガス充填割合と称され得る。

随意に、光ファイバは、複数の異なる断面構成を有する、複合光ファイバを備える。例えば、光ファイバは、第１の断面構成を備える第１の区画と、第２の断面構成を備える第２の区画とを備えてもよい。このように、光ファイバは、微細構造化されている区画と、微細構造化されていない区画とを備えてもよい。区画化された光ファイバは、変動する断面構成を伴う単一のファイバとして製造されてもよい。区画化された光ファイバはまた、異なる断面構成の光ファイバを接合することによって構築されてもよい。

質量低減領域の包含は、光ファイバの機械的性質の選択、同調、または別様に修正を可能にし得ることを理解されたい。例えば、光ファイバの外径は、光ファイバの指向角に比例し得る。随意に、機械的領域の質量調節充填割合は、光ファイバの指向角に比例する。随意に、質量調節充填割合は、質量調節領域の間のピッチに対する質量調節領域の直径の比によって表される。

複数の質量調節領域は、同等の光ファイバと比較して、単位長あたりの光ファイバの質量を低減させ得、該同等の光ファイバは、対応する導波要素と、対応する機械的領域とを備え、該対応する導波要素は、該導波要素と同じであり、該対応する機械的領域は、該対応する機械的領域が、該対応する導波要素と該同等の光ファイバの対応する外周との間に位置付けられる質量調節領域を含まないことを除いて、該機械的領域と同じであるということを理解されたい。

光ファイバは、有効カンチレバー長を呈してもよい。随意に、複数の質量調節領域は、同等の光ファイバと比較して、光ファイバの共鳴発振周波数を増加させ、該同等の光ファイバは、有効カンチレバー長を有し、対応する導波要素と、対応する機械的領域とを備え、該対応する導波要素は、該導波要素と同じであり、該対応する機械的領域は、該対応する機械的領域が、該対応する導波要素と該同等の光ファイバの対応する外周との間に位置付けられる質量調節領域を含まないことを除いて、該機械的領域と同じである。随意に、複数の質量調節領域は、同等の光ファイバと比較して、所与の動作または共振周波数のために光ファイバの有効カンチレバー長を増加させ、該同等の光ファイバは、対応する導波要素と、対応する機械的領域とを備え、該対応する導波要素は、該導波要素と同じであり、該対応する機械的領域は、該対応する機械的領域が、該対応する導波要素と該同等の光ファイバの対応する外周との間に位置付けられる質量調節領域を含まないことを除いて、該機械的領域と同じである。

有効カンチレバー長を有するもの等の光ファイバは、共振周波数を有してもよい。随意に、複数の質量調節領域は、同等の光ファイバと比較して、光ファイバの有効カンチレバー長を増加させ、該同等の光ファイバは、共振周波数を有し、対応する導波要素と、対応する機械的領域とを備え、該対応する導波要素は、該導波要素と同じであり、該対応する機械的領域は、該対応する機械的領域が、該対応する導波要素と該同等の光ファイバの対応する外周との間に位置付けられる質量調節領域を含まないことを除いて、該機械的領域と同じである。

別の側面では、走査ファイバディスプレイが、提供される。例えば、走査ファイバディスプレイは、随意に、上記に説明される光ファイバのうちのいずれかと、光ファイバと機械的に接触するアクチュエータであって、光ファイバの発振を誘発するためのアクチュエータとを備えてもよい。実施例として、走査ファイバディスプレイ内の光ファイバは、随意に、軸に沿って延在する導波要素と、導波要素と外周との間に位置付けられ、第１の密度を有する第１の材料を含む、機械的領域等の導波要素を囲繞する機械的領域と、第２の密度未満の第２の密度を有する第２の材料を含む、複数の質量調節領域等の機械的領域内に位置付けられる複数の質量調節領域とを備えてもよい。

種々のアクチュエータおよびアクチュエータ構成が、本明細書に説明される走査ファイバディスプレイとともに有用である。例えば、アクチュエータは、随意に、圧電変換器、電磁ボイスコイル、または熱アクチュエータを備える。随意に、アクチュエータは、２次元で光ファイバの端部の運動を制御するための２次元アクチュエータを備える。有用なアクチュエータは、制御可能な周波数において発振し、光ファイバの自然周波数または共振周波数において、またはそれを中心として動作するように構成され得るものを含む。

開示される走査ファイバディスプレイは、随意に、光ファイバの導波要素と光連通する可視光源をさらに備えてもよい。例えば、光ファイバの導波要素と光連通する多色切替可能光源が、使用されてもよい。このように、カラー画像が、光ファイバの位置の関数として、色または強度を調節することによって等、導波要素に入力される光を制御することによって、走査ファイバディスプレイによって出力されてもよい。

前述は、他の特徴および実施形態とともに、以下の説明、請求項、および付随する図面を参照することに応じて、より明白となるであろう。上記の側面の光ファイバおよび走査ファイバディスプレイは、随意に、下記の説明に説明される特徴および側面を含み得ることを理解されたい。
本発明は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
光ファイバであって、
軸に沿って延在する導波要素と、
前記導波要素を囲繞する機械的領域であって、前記機械的領域は、前記導波要素と外周との間に位置付けられ、前記機械的領域は、第１の密度を有する第１の材料を含む、機械的領域と、
前記機械的領域内に位置付けられる複数の質量調節領域であって、前記複数の質量調節領域は、前記第１の密度未満の第２の密度を有する第２の材料を含む、複数の質量調節領域と
を備える、光ファイバ。
（項目２）
前記導波要素は、中心コア領域と、前記中心コア領域を囲繞するクラッディング層とを備える、項目１に記載の光ファイバ。
（項目３）
前記クラッディング層は、前記第１の材料を含み、前記中心コア領域は、第３の材料を含む、項目２に記載の光ファイバ。
（項目４）
前記クラッディング層および前記機械的領域は、単一体を備える、項目２に記載の光ファイバ。
（項目５）
前記導波要素は、複数のコア領域と、前記複数のコア領域を囲繞するクラッディング層とを備える、項目１に記載の光ファイバ。
（項目６）
前記複数の質量調節領域は、１つ以上のガス充填領域、空気充填領域、１つ以上のポリマー充填領域、１つ以上のガラス充填領域、１つ以上の真空領域、またはこれらの任意の組み合わせを備える、項目１に記載の光ファイバ。
（項目７）
前記複数の質量調節領域は、複数の列の質量調節要素を備え、前記複数の列は、前記導波要素の周囲に同心円状に配列される、項目１に記載の光ファイバ。
（項目８）
前記複数の質量調節領域は、前記軸の周囲に対称構成で配列される、項目１に記載の光ファイバ。
（項目９）
前記複数の質量調節領域は、前記軸と平行な軸を伴って配列される、項目１に記載の光ファイバ。
（項目１０）
前記複数の質量調節領域は、前記機械的領域の体積の約３０％〜約９０％を占有する、項目１に記載の光ファイバ。
（項目１１）
前記複数の質量調節領域は、同等の光ファイバと比較して、単位長あたりの前記光ファイバの質量を低減させ、前記同等の光ファイバは、対応する導波要素と、対応する機械的領域とを備え、前記対応する導波要素は、前記導波要素と同じであり、前記対応する機械的領域は、前記対応する機械的領域が、前記対応する導波要素と前記同等の光ファイバの対応する外周との間に位置付けられる質量調節領域を含まないことを除いて、前記機械的領域と同じである、項目１に記載の光ファイバ。
（項目１２）
前記光ファイバは、有効カンチレバー長を有し、前記複数の質量調節領域は、同等の光ファイバと比較して、前記光ファイバの共鳴発振周波数を増加させ、前記同等の光ファイバは、前記有効カンチレバー長を有し、対応する導波要素と、対応する機械的領域とを備え、前記対応する導波要素は、前記導波要素と同じであり、前記対応する機械的領域は、前記対応する機械的領域が、前記対応する導波要素と前記同等の光ファイバの対応する外周との間に位置付けられる質量調節領域を含まないことを除いて、前記機械的領域と同じである、項目１に記載の光ファイバ。
（項目１３）
前記複数の質量調節領域は、同等の光ファイバと比較して、所与の動作周波数のために前記光ファイバの有効カンチレバー長を増加させ、前記同等の光ファイバは、対応する導波要素と、対応する機械的領域とを備え、前記対応する導波要素は、前記導波要素と同じであり、前記対応する機械的領域は、前記対応する機械的領域が、前記対応する導波要素と前記同等の光ファイバの対応する外周との間に位置付けられる質量調節領域を含まないことを除いて、前記機械的領域と同じである、項目１に記載の光ファイバ。
（項目１４）
前記光ファイバは、共振周波数を有し、前記複数の質量調節領域は、同等の光ファイバと比較して、前記光ファイバの有効カンチレバー長を増加させ、前記同等の光ファイバは、前記共振周波数を有し、対応する導波要素と、対応する機械的領域とを備え、前記対応する導波要素は、前記導波要素と同じであり、前記対応する機械的領域は、前記対応する機械的領域が、前記対応する導波要素と前記同等の光ファイバの対応する外周との間に位置付けられる質量調節領域を含まないことを除いて、前記機械的領域と同じである、項目１に記載の光ファイバ。
（項目１５）
走査ファイバディスプレイであって、
光ファイバであって、前記光ファイバは、
軸に沿って延在する導波要素と、
前記導波要素を囲繞する機械的領域であって、前記機械的領域は、前記導波要素と外周との間に位置付けられ、前記機械的領域は、第１の密度を有する第１の材料を含む、機械的領域と、
前記機械的領域内に位置付けられる複数の質量調節領域であって、前記複数の質量調節領域は、前記第１の密度未満の第２の密度を有する第２の材料を含む、複数の質量調節領域と
を含む、光ファイバと、
前記光ファイバと機械的に接触するアクチュエータであって、前記アクチュエータは、前記光ファイバの発振を誘発するためのものである、アクチュエータと
を備える、走査ファイバディスプレイ。
（項目１６）
前記アクチュエータは、圧電変換器、電磁ボイスコイル、または熱アクチュエータを備える、項目１５に記載の走査ファイバディスプレイ。
（項目１７）
前記アクチュエータは、２次元における前記光ファイバの端部の運動を制御するための２次元アクチュエータを備える、項目１５に記載の走査ファイバディスプレイ。
（項目１８）
前記光ファイバの導波要素と光連通する可視光源をさらに備える、項目１５に記載の走査ファイバディスプレイ。
（項目１９）
前記光ファイバの導波要素と光連通する多色切替可能光源をさらに備える、項目１５に記載の走査ファイバディスプレイ。
（項目２０）
光ファイバであって、
軸に沿って延在する導波要素と、
前記導波要素を囲繞する機械的領域であって、前記機械的領域は、前記導波要素と外周との間に位置付けられ、前記機械的領域は、第１の材料を含む、機械的領域と、
前記機械的領域内に位置付けられる複数の断面二次モーメント調節領域であって、前記複数の断面二次モーメント調節領域は、同等の光ファイバと異なる前記機械的領域の断面二次モーメントを生成するための第２の材料を含み、前記同等の光ファイバは、対応する機械的領域を備え、前記対応する機械的領域は、前記対応する機械的領域が、前記対応する導波要素と前記同等の光ファイバの対応する外周との間に位置付けられる前記複数の断面二次モーメント調節領域を含まないことを除いて、前記機械的領域と同じである、複数の断面二次モーメント調節領域と
を備える、光ファイバ。

図１Ａおよび図１Ｂは、いくつかの実施形態による、例示的光ファイバシステムの概略図を提供する。

図２Ａは、例示的な従来の光ファイバの断面の概略図を提供する。図２Ｂは、例示的微細構造光ファイバの断面の概略図を提供する。

図３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、および３Ｄは、微細構造光ファイバの異なる断面の概略図を提供する。

図４Ａおよび図４Ｂは、従来の光ファイバの使用と微細構造光ファイバとの間の比較を示す、例示的光ファイバシステムの概略図を提供する。

図５Ａは、従来の光ファイバを使用する走査ファイバディスプレイによって達成される、螺旋出力パターンの概略図を提供する。図５Ｂは、微細構造光ファイバを使用する走査ファイバディスプレイによって達成される、螺旋出力パターンの概略図を提供する。

図６は、質量低減領域のピッチに対する直径の比の関数として、そして質量低減領域の直径の関数として、光ファイバの指向角の利得を示すプロットを提供する。

本明細書では、光ファイバ、光ファイバ発振器、および走査ファイバディスプレイの実施形態が説明される。開示される光ファイバは、有利なこととして、同一の固定発振周波数または共振周波数を有するが、従来の光ファイバを利用する、光ファイバ発振器と比較したとき等に、固定発振周波数または共振周波数のための発振振幅または指向角の改良を提供する。

開示される光ファイバは、それらの構造および材料性質に起因して、従来のファイバものと異なる機械的特性を保有する。例えば、従来の光ファイバは、導波要素を定義するように、コア領域と、クラッディング領域とを含んでもよい。これらの領域は、光ファイバの軸を下って光ビームの全内部反射および導波を達成するように、異なる屈折率を保有する光学材料の中実本体であってもよい。

微細構造光ファイバとも称される、本明細書に開示される光ファイバは、随意に、例えば、異なる屈折率を有する材料の類似導波要素を利用してもよいが、それらはまた、主に、光ビームを導波するために使用されないが、代わりに、所望の機械的性質を達成するため等に、光ファイバの機械的性質を同調、選択、または別様に修正するために使用される機械的領域等の導波要素を囲繞する機械的領域を含んでもよい。実施例として、１つ以上の断面二次モーメント調節領域を含まないことを除いて同じである光ファイバと比較して、光ファイバの断面二次モーメントを修正する役割を果たし得る、１つ以上の断面二次モーメント調節領域が、機械的領域の中に含まれてもよい。具体的実施例では、断面二次モーメントは、機械的領域の質量を修正することによって調節されてもよい。例えば、１つ以上の質量低減領域を含まないことを除いて同じである光ファイバと比較して、質量または光ファイバの単位長あたりの質量を低減させる役割を果たし得る、１つ以上の質量調節領域が、機械的領域の中に含まれてもよい。例示的質量調節領域は、空気充填領域（または他のガス充填領域）、または導波要素または機械的領域に使用される材料のもの未満の密度を有する、他の材料を含む領域を含む。例えば、導波要素または機械的領域で使用される材料未満の密度を有する、プラスチック、ポリマー、またはガラスが、採用されてもよい。本質量の低減は、例えば、所望の機械的性質の光ファイバが作成および使用されることを可能にし得る。加えて、質量の低減は、機械的領域の面積のモーメントの修正に対応し得る。

同じ光ファイバは、同じ幾何学形状、材料、および／または構造を有する、２つの光ファイバを指し得、同じ光ファイバの間の例外の言及は、例外が、微細構造化されている１つの光ファイバおよび微細構造化されていない１つの光ファイバ等の他方のファイバと異なる一方のファイバの１つの特性であることを示し得ることを理解されたい。例えば、光ファイバは、第１の断面寸法（直径等）を有し、第１の光学材料から作製されるコア等のコアと、第２の断面寸法（外径等）を有し、第２の光学材料から作製されるクラッディング等のコアを囲繞するクラッディングとを含んでもよい。空気またはガス充填領域等の１つ以上の質量調節領域を含むことを除いて同じである光ファイバは、第１の断面寸法を有し、第１の光学材料から作製されるコア等のコアと、第２の断面寸法を有し、第２の光学材料から作製されるクラッディング等のコアを囲繞するクラッディングと、クラッディングの中に位置する１つ以上の質量調節領域とを含む、微細構造光ファイバを指し得る。同じ光ファイバは、単位長あたりの異なる質量、または固定発振ファイバ長のための異なる共振周波数、または固定共振周波数のための異なる発振ファイバ長等の質量低減領域の存在に起因して生じる、質量低減領域以外の他の特徴的な差異を有し得ることを理解されたい。

さらに、同じ光ファイバは、特定の属性が同じ光ファイバの間で同一であるかどうかに応じて、わずかに異なる特性を有し得ることを理解されたい。例えば、微細構造機械的領域の包含を除いて同一であり、同一の発振長を有する、２つの光ファイバは、微細構造光ファイバがより高い共振周波数を有する場合等に、異なる共振周波数を有するであろう。別の実施例として、微細構造機械的領域の包含を除いて同一であり、同一の共振周波数を有する、２つの光ファイバは、微細構造光ファイバがより長い発振長を有する場合等に、異なる発振長を有するであろう。

有利なこととして、開示される光ファイバは、所与の走査周波数のための走査ファイバディスプレイの改良された視野を提供し得る。例えば、１つ以上の質量低減領域を含む、機械的領域を含む、微細構造光ファイバを使用する走査ファイバディスプレイは、１つ以上の質量低減領域を含まないこと（すなわち、非微細構造光ファイバ）を除いて同じである同一の共振周波数を伴う光ファイバを使用する走査ファイバディスプレイの視野と比較して、視野の増加を有し得る。視野が、拡張現実デバイスの消費者容認において限定因子であり得るため、視野を増加させることは、消費者採用を増加させるために有益であり得る。いくつかの走査ファイバディスプレイ実施形態では、視野は、所与の動作周波数のために発振ファイバの長さを増加させることが、発振ファイバの最大指向角の増加をもたらすであろうため、これによって増加され得ることを理解されたい。

図１Ａは、例示的光ファイバシステム１００の概略図を提供する。例示的光ファイバシステムは、光源１０５と、結合光学系１１０と、光ファイバ１１５とを含む。光源１０５は、例えば、発光ダイオード、レーザ、または他の可視光源を含んでもよい。光源１０５は、随意に、異なる波長の電磁放射線を出力する光源等の複数のサブ光源または多色光源を含んでもよい。実施形態では、光源１０５は、時間の関数として、光源１０５の出力または強度に対する制御を可能にするため等に切替可能であり得る。

結合光学系１１０は、光源１０５からの光が導波のために光ファイバ１１５のコア１２０の中へ好適に指向されることを可能にするための構成で配列される、レンズ、ミラー、反射体等の１つ以上の光学要素を含んでもよい。したがって、光源１０５は、光ファイバ１１５の導波要素と光連通して位置付けられてもよい。光源１０５からの光を効率的に結合するために必要とされる結合光学系は、光源１０５、および光ファイバ１１５の幾何学形状、材料、および／または開口数に依存し得ることを理解されたい。

図示されるように、光ファイバ１１５は、コア１２０と、クラッディング１２５とを含み、例えば、光軸または導波軸に対応し得る、軸１３０を有する。コア１２０の中へ結合され、光ファイバ１１５の長さに沿って導波される、光源１０５からの光は、光ファイバ１１５の反対端において出力されてもよい。光ファイバ１１５から出力される光のスポット形状および方向は、光ファイバ１１５の幾何学形状、材料、および／または開口数に依存し得ることを理解されたい。典型的には、光ファイバからの出力は、円錐形１３５を呈し、円錐１３５の角度は、再度、光ファイバ１１５の幾何学形状、材料、および／または開口数によって定義される。視野の観点から、非発振構成時の光ファイバ１１５は、円錐１３５の角度を超える視野１４０の増加を呈さない。偏向角の観点から、非発振構成時の光ファイバ１１５は、ゼロの偏向角を呈する。

図１Ｂは、走査ファイバディスプレイシステムに存在し得るような光ファイバシステム１５０の概略図を提供する。走査ファイバディスプレイシステムの一般的詳細は、例えば、２０１４年１月１５日に出願され、公開第ＵＳ２０１５／０２６８４１５号の下で公開された、米国特許出願第１４／１５６，３６６号で見出され得る（参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる）。

図１Ｂは、他の詳細を妨害しないように、光ファイバシステム１５０からいかなる光源または結合要素の描写も省略する。光ファイバシステム１５０は、光ファイバ１１５に対応し得る、光ファイバ１５５と、アクチュエータ１６０とを含む。アクチュエータ１６０は、光ファイバ１５５の中へ発振運動を付与するために使用されてもよい。光ファイバ１５５の発振は、固定端および遊離端を伴うカンチレバー状に保持された発振器としてモデル化される、またはそれに対応し得る。アクチュエータ１６０は、例えば、圧電アクチュエータ、電磁ボイスコイル、または熱アクチュエータであってもよい、または、それを含んでもよい。アクチュエータ１６０は、２次元で光ファイバ１５５の発振運動に対する制御を可能にし得、２つ以上の独立した作動可能な軸を含んでもよい。光ファイバ１５５の発振運動の程度は、図１Ｂに鎖線で描写される。発振運動に起因して、光ファイバ１５５は、光ファイバ１５５の出力円錐を超える視野の増加を呈する。視野の観点から、光ファイバシステム１５０は、光ファイバ１５５の出力円錐を上回る視野１６５を呈する。

図２Ａは、光ファイバ２００の概略断面図を提供する。光ファイバ２００は、従来の光ファイバに対応し得、コア２０５と、コア２０５を囲繞するクラッディング２１０とを含む。コア２０５は、コア直径２１５を有するものとして図示され、クラッディング２１０は、外径２２０を有するものとして図示される。コア直径２１５および外径２２０は、特定の光ファイバ実施形態に特徴的であり得、したがって、任意の好適な値をとり得ることを理解されたい。

別様に示されない限り、付随する図面に図示される特徴の寸法は、一定の縮尺ではない場合があるが、図または異なる図の特定の側面が、異なる構成または要素の間の寸法の差異を図示するために描写されることを理解されたい。また、緩衝、外皮、または他のコーティングされたまたは保護材料等の付加的材料が、クラッディングまたは機械的領域の外側に構築され得るが、付随する図面に示されない場合があることも理解されたい。

図２Ｂは、微細構造光ファイバ２３０の実施形態の概略断面図を提供する。微細構造光ファイバ２３０は、導波要素２３５と、導波要素を囲繞する機械的領域２４０とを含む。例証目的のために、鎖線が、導波要素２３５と機械的領域２４０との間の遷移をより良好に識別するように、図２Ｂに示される。図２Ｂでは、導波要素２３５は、コア２４５と、コア２４５を囲繞するクラッディング２５０とを含む。コア２４５は、コア直径２５５を有するものとして描写され、導波要素２３５は、クラッディング直径２６０を有するものとして描写され、光ファイバ２３０は、外径２６５を有するものとして描写される。

機械的領域２４０は、中実領域２７０と、導波要素２３５と機械的領域２４０および微細構造光ファイバ２３０の外周との間に位置付けられる質量低減領域２７５とを含むものとして、図２Ｂに描写される。例示的質量調節領域は、限定されないが、流体充填領域、ガスまたは空気充填領域、ポリマー充填領域、ガラス充填領域、および／または真空領域（例えば、真空充填）を含み、流体、ガスまたは空気、ポリマー、ガラス充填、または真空領域は、中実領域２７０、クラッディング２５０、コア２４５、またはこれらの任意の組み合わせのもの未満の密度を有する。随意に、中実領域２７０は、クラッディング２５０と同一の材料を含む、および／または類似または同じ光学的および／または機械的性質を有する。随意に、中実領域２７０およびクラッディング２５０は、異なる材料を含む、および／または異なる光学的および／または機械的性質を有する。緩衝、外皮、または他のコーティングされたまたは保護材料等の付加的材料は、機械的領域２４０の外周の外側に構築され得るが、ここでは図示されていないことを理解されたい。

質量低減領域２７５は、機械的領域２４０の全体を通して均一および／または規則的に分布されてもよく、任意の好適または望ましい幾何学形状および分布が、微細構造光ファイバ２３０のための特定の着目機械的性質を取得するために使用されてもよい。質量低減領域２７５は、相互と平行な軸に沿っておよび／または導波軸または光軸等の光ファイバの軸と平行な軸に沿って、配列され得ることを理解されたい。随意に、質量低減領域２７５は、交差軸に沿って、光軸と垂直に、または光軸に対して角度を付けて等、他の方向に沿って配列されてもよいが、しかしながら、機械的領域２４０の少なくとも一部は、質量低減領域を含む。質量低減領域２７５はまた、機械的領域２４０の全体を通して、ランダムに、均一に、または不均一に（随意に、いかなる特定の軸にも沿わずに）分布されてもよい。図２Ｂに図示されるように、質量低減領域２７５は、円形として示され、直径２８０を有する、均一な断面を呈する。ピッチ２８５は、隣接する質量低減領域２７５の間の中心間の間隔に対応する。質量低減領域２７５は、導波軸または光軸等の微細構造光ファイバ２３０の軸を中心として、円筒対称性等の対称性を呈してもよい。光ファイバ２３０は、随意に、回転対称性を呈してもよい。

限定ではないが、微細構造光ファイバ２３０は、好適な直径、壁厚、材料、形状等の中実管および／または中空管を使用することによって等、微細構造光ファイバ２３０を生成するために標的化される全体的プリフォーム構造を形成するように、数本の適切なサイズの材料を積み重ねることによって、構築されてもよい。いくつかの実施形態では、ガラス材料が、使用される。例示的ガラスは、限定されないが、石英ガラス、フッ化物ガラス、リン酸塩ガラス、カルコゲナイドガラスを含んでもよい。いくつかの実施形態では、ポリメチルメタクリレート、ポリスチレン、フッ素重合体、またはポリシロキサン等のプラスチックまたはポリマーが、使用されてもよい。加工方法および材料に応じて、プリフォームは、プリフォームの異なる構成要素を加熱および融合するように炉の中に設置されてもよく、加熱されたプリフォームは、光ファイバのストランドに延伸されてもよい。随意に、押出方法が、ポリマーまたはプラスチック材料を含むファイバのため等に使用されてもよい。種々の技法、材料、および方法が、光ファイバを製造するために使用され得、いくつかの商業的ファイバ製造業者が存在し、規定パラメータに基づいて光ファイバを製造するためのサービスを提供し得ることを理解されたい。

比較の例証的目的のために、光ファイバ２００のコア２０５のコア直径２１５は、随意に、微細構造光ファイバ２３０のコア２４５のコア直径２５５と同一であり得る。光ファイバ２００の外径２２０は、随意に、微細構造光ファイバ２３０の外径２６５と同一であり得る。コア２０５およびコア２５５は、随意に、同一の材料から成ってもよい。クラッディング２１０およびクラッディング２５０および機械的領域２４０の中実領域２７０（非質量低減領域）は、随意に、同一の材料から成ってもよい。この点に関して、光ファイバ２００は、微細構造光ファイバ２３０が、質量低減領域２７５を含む一方で、光ファイバ２００が、質量低減領域を含まない中実クラッディング２１０を含むことを除いて、微細構造光ファイバ２３０と同じと見なされてもよい。

微細構造光ファイバ２３０の異なる構成要素は、任意の好適な寸法をとってもよく、特定の寸法が、光学的性質および機械的性質等の特定の性質を提供するように選択されてもよい。例えば、コア２４５は、限定されないが、約５μｍ〜約２５μｍの直径を有してもよい。本明細書で使用されるような用語「約」は、規定値を中心とする変動、例えば、値がわずかにより小さいかまたはわずかにより大きい場合に、動作上の効果を改変しないであろう変動等を含むことを意図していることを理解されたい。いくつかの実施形態では、用語「約」は、値の精度または公差に関連し得る。いくつかの実施形態では、用語「約」は、±１％またはそれ未満の変動、±５％またはそれ未満の変動、または±１０％またはそれ未満の変動に対応し得る。

別の実施例として、導波要素２３５は、限定されないが、約５μｍ〜約１２５μｍ等の約５μｍ〜約２００μｍの直径を有してもよい。いくつかの実施形態では、クラッディング２５０は、限定されないが、約５μｍ〜約１２５μｍ等の約５μｍ〜約２００μｍの直径または厚さを有してもよく、随意に、機械的領域２４０を包含すると見なされてもよく、またはそれと一体的である、またはそれと単一体であってもよく、したがって、外径２６５に対応する直径または厚さを有してもよい。外径２６５はまた、約１０μｍ〜約２００μｍ等の任意の好適な値をとってもよく、従来の光ファイバ２００の外径２２０に合致してもよい。例示的外径は、約４０μｍ、約５０μｍ、約８０μｍ、約１００μｍ、約１２５μｍ、約１５０μｍ、約１７５μｍ、および約２００μｍを含んでもよい。

質量低減領域２７５はそれぞれ、任意の好適な寸法または形状をとってもよく、例えば、限定されないが、約１μｍ〜約２５μｍ、約１μｍ〜約５μｍ、約５μｍ〜約１０μｍ、約１０μｍ〜約１５μｍ、約１５μｍ〜約２０μｍ、または約２０μｍ〜約２５μｍの直径、半径、辺長、または軸長等の断面寸法を有してもよい。質量低減領域２７５の間のピッチ２８０もまた、任意の好適な寸法をとってもよく、質量低減領域２７５の断面寸法によって限定されてもよい。例えば、ピッチ２８０は、質量低減領域２７５の直径を上回り得る。ピッチ２８０は、限定されないが、約１μｍ〜約２５μｍ、約１μｍ〜約５μｍ、約５μｍ〜約１０μｍ、約１０μｍ〜約１５μｍ、約１５μｍ〜約２０μｍ、または約２０μｍ〜約２５μｍの長さを有してもよい。光ファイバ２３０および／または機械的領域２４０の質量低減割合は、質量低減領域のサイズ、数、間隔、および配列に基づいて、任意の好適な値をとってもよい。実施形態では、複数の質量低減領域は、光ファイバ２３０の体積または機械的領域２４０の体積の約１％〜９０％を占有する。随意に、複数の質量低減領域は、光ファイバ２３０の体積または機械的領域２４０の体積の約３０％〜約９０％、約３０％以上、約４０％以上、約５０％以上、約６０％以上、約７０％以上、約８０％以上、または約９０％を占有する。

特定の構成に応じて、いくつかの実施形態では、質量低減領域は、微細構造光ファイバの軸を中心とした、円筒対称性、回転対称性、または放射対称性等の４回または６回または他の対称性を呈してもよい。加えて、質量低減領域のための他の断面形状が、利用されてもよい。例えば、質量低減領域の断面は、三角形、正方形、長方形、六角形等の多角形、真円、円形、または卵形、または任意の他の好適な形状を呈してもよい。いくつかの実施形態では、質量低減領域の断面は、円、卵形、楕円形、多角形等の規則的対称性を伴う形状を有してもよい。実施形態では、異なる断面形状の質量低減領域の組み合わせが、利用されてもよい。実施形態では、隣接する質量低減領域の間の間隔は、均一または非均一であり得る。実施形態では、異なる質量低減領域の直径、半径、軸長、辺長等の断面寸法は、均一または非均一であり得る。

図３Ａ−３Ｄは、種々の実施形態による、機械的領域によって囲繞される導波要素を呈する、異なる微細構造光ファイバの概略断面図を描写する。図３Ａの微細構造光ファイバ３００Ａは、中心導波要素の周囲に同心円状に配列される複数の列の質量低減領域を含む。図３Ｂの微細構造光ファイバ３００Ｂは、６回対称構成に配列される円形の質量低減領域を含む。図３Ｃの微細構造光ファイバ３００Ｃは、４回対称構成に配列される正方形の質量低減領域を含む。図３Ｄの微細構造光ファイバ３００Ｄは、卵形の質量低減領域の同心円状リングを含む。

上記に説明される微細構造光ファイバの導波要素は、従来のコア／クラッディング設計に対応するが、他の導波要素構成が可能であり、考慮される。例えば、いくつかの実施形態では、複数のコア領域が、単一のクラッディング層または領域によって囲繞されてもよい。加えて、複数の光ファイバが、走査ファイバディスプレイ（ファイバ走査型ディスプレイとも称される）のための付加視野を提供するように、並んだまたは２次元アレイ構成で配列されてもよい。米国特許出願第１４／１５６，３６６号は、六角形に配列された構成で７個または１９個のコアならびにファイバ走査型ディスプレイ用の発振ファイバのアレイを含むもの等の六角形に充塞されたマルチコアファイバを説明する。実施形態では、コアとクラッディングとの間またはガラスと空気との間等の材料の間の屈折率の変化は、全内部反射のプロセスによって等、導波効果を提供し得ることを理解されたい。したがって、材料の間の遷移が、導波を達成するために必要とされるものの全てであってもよく、したがって、従来の光ファイバの大型クラッディングは、依然として、導波を提供する、より高い屈折率材料のコアを囲繞する中実中心部分を留保しながら、質量低減領域を含むように修正されてもよい。単一モード構成およびマルチモード構成を含む、種々のファイバ構成が可能である。光学ディスプレイを生成する目的のために、光ファイバが、可視電磁領域内で高い透明度／低い損失を有することが有益である。

図４Ａおよび図４Ｂは、比較目的のために、光ファイバシステム４００および４５０の概略図を提供する。光ファイバシステム４００および４５０は、例えば、走査ファイバディスプレイシステムで使用されてもよい。図４Ａおよび４Ｂは、他の詳細を妨害しないように、光ファイバシステム４００および４５０からいかなる光源または結合要素の描写も省略する。図４Ａでは、光ファイバシステム４００は、光ファイバ４０５と、アクチュエータ４１０とを含む。光ファイバ４０５の断面４１５もまた、光ファイバ４０５が、コアと、クラッディング層とを含む、従来の光ファイバであることを図示する、図４Ａに示される。アクチュエータ４１０は、光ファイバ４０５の中へ発振運動を付与するために使用されてもよい。光ファイバ４０５の発振運動の程度は、図４Ａに鎖線で描写される。視野の観点から、光ファイバシステム４００は、視野４２０を呈する。光ファイバ４０５のカンチレバー状に保持された部分は、長さ４２５を有する。

図４Ｂでは、光ファイバシステム４５０は、微細構造光ファイバ４５５と、アクチュエータ４６０とを含む。微細構造光ファイバ４５５の断面４６５もまた、微細構造光ファイバ４６５が、導波要素と、複数の質量低減領域を含む、導波要素を囲繞する微細構造機械的領域とを含むことを図示する、図４Ａに示される。アクチュエータ４６０は、微細構造光ファイバ４５５の中へ発振運動を付与するために使用されてもよい。アクチュエータ４６０は、微細構造光ファイバ４５５の自然周波数の５％以内、または微細構造光ファイバ４５５の共振周波数の１％以内等の微細構造光ファイバ４５５の共振周波数において、またはほぼ共振周波数において発振してもよい。実施形態では、共振周波数は、固有周波数または自然周波数に対応してもよい。実施形態では、アクチュエータ４６０は、微細構造光ファイバ４５５の指向角または偏向の利得を提供する周波数において動作する。微細構造光ファイバ４５５の発振運動の程度は、図４Ｂに鎖線で描写される。視野の観点から、微細構造光ファイバシステム４５０は、視野４７０を呈する。微細構造光ファイバ４５５のカンチレバー状に保持された部分は、長さ４７５を有する。

カンチレバー状に保持された光ファイバの共振周波数は、概して、カンチレバーの長さの二乗に比例し得ることを理解されたい。例えば、光ファイバ４０５の長さ４２５が倍にされた場合、光ファイバ４０５の共振周波数の４倍の増加が、予期されるであろう。同様に、微細構造光ファイバ４５５の長さ４７５が半分にされた場合、微細構造光ファイバ４７５の共振周波数の４倍の減少が、予期されるであろう。

また、カンチレバー状に保持された光ファイバの質量の分布も共振周波数に影響を及ぼし得ることを理解されたい。例えば、微細構造光ファイバ４５５の質量低減領域を除いて、光ファイバ４０５および微細構造光ファイバ４５５が同じ（直径、材料等）であると仮定して、質量低減領域の包含は、光ファイバ４０５と比較して、微細構造光ファイバ４５５の単位長あたりの質量を低減させ得る。したがって、光ファイバ４０５および微細構造光ファイバ４５５の共振周波数が同一であるために、光ファイバ４０５および微細構造光ファイバ４５５は、異なる長さを呈し、長さ４２５は、長さ４７５よりも小さい。有利なこととして、本長さの差は、視野４７０および／または微細構造光ファイバ４５５の指向角が、視野４２０および／または光ファイバ４０５の指向角を上回ることを可能にするであろう。

光ファイバの他の特性が、光ファイバの共振周波数および／または最大指向角等の指向角に影響を及ぼし得ることを理解されたい。周波数または指向角に影響を及ぼし得る例示的特性は、ファイバ外径、導波要素の直径、質量低減割合、質量低減領域の数量、分布、および断面寸法（例えば、直径）、隣接する質量低減領域の間のピッチ、質量低減領域材料密度、導波要素設計、コア材料、クラッディング材料、機械的領域の中実材料、および同等物を含む。

いくつかの実施形態では、走査ファイバディスプレイは、カンチレバー状に保持された光ファイバの発振運動を利用し、光ファイバを使用して画像を投影する。例えば、カンチレバー状に保持された光ファイバの発振運動は、アクチュエータを適切に駆動することによって等、螺旋パターンを生成するように２次元で制御されてもよい。いくつかの実施形態では、入力光は、発振光ファイバの出力が螺旋パターン内で所望の画像を生成し得るように、制御されタイミングを取られてもよく、反復発振運動およびタイミングを取られた光学出力が、一連の画像を生成するために使用される。米国特許出願第１４／１５６，３６６号は、カンチレバー状に保持されたファイバが投影画像または一連の画像を生成するために使用され得る方法を説明する。しかしながら、本明細書に説明される実施形態は、有利なこととして、走査ファイバディスプレイの視野、指向角、および投影出力画像サイズおよび／または分解能が、微細構造光ファイバを使用することによって増加されることを可能にする。

例えば、図５Ａは、図４Ａの光ファイバシステム４００に類似するような、コアおよびクラッディングを伴い、クラッディング材料内に質量低減領域を伴わない、従来の光ファイバを組み込む従来の走査ファイバディスプレイのための螺旋パターン５００を描写する。螺旋パターンの直径５０５は、使用される走査ファイバディスプレイの最大指向角によって限定される。

対照的に、図５Ｂは、図４Ｂの光ファイバシステム４５０に類似するような、導波要素と、複数の質量低減領域を含む、導波要素を囲繞する微細構造機械的領域とを含む、同等の微細構造光ファイバを組み込む、走査ファイバディスプレイのための同等の螺旋パターン５５０を描写する。螺旋パターン５５０は、使用される走査ファイバディスプレイの最大指向角によって限定される直径５５５を呈する。

（カンチレバー長の増加を含意する）同一の共振周波数において動作する同じ従来の光ファイバおよび微細構造光ファイバ（すなわち、微細構造光ファイバ内の質量低減領域の包含を除いて同じである）に関して、螺旋パターン５５０の直径５５５は、微細構造光ファイバの使用によって達成される視野および／または最大指向角の増加に対応して、螺旋パターン５００の直径５０５よりも大きいであろう。限定ではないが、微細構造光ファイバの使用は、有利なこととして、視野および／または指向角を最大約３０％増加させ得る。ある場合には、最大約５０％または最大約７０％の視野および／または指向角の増加が、達成され得る。いくつかの実施形態では、約３０％〜約４０％の視野および／または指向角の増加が、達成され得る。

種々の微細構造光ファイバは、異なる光学的および機械的性質を有してもよい。いくつかの実施形態では、微細構造光ファイバは、以下の光学的仕様のうちの１つ以上のもの、すなわち、約４３５ｎｍ〜約６４５ｎｍの光透過範囲、約±０．１５μｍの公差を伴う、約１．４μｍの赤色、緑色、および／または青色光の出力モード視野直径、約０．２５の赤色、緑色、および／または青色光の開口数、約４３５〜６４５ｎｍのいずれかまたは全ての波長に関する約３０ｄＢ／ｋｍまたはそれ未満の光透過損失、および単一モード（ф１．２μｍ、ＮＡ）への低いスプライシング損失を有してもよい。

いくつかの実施形態では、微細構造光ファイバは、以下の機械的仕様のうちの１つ以上のもの、すなわち、約８０μｍ〜約１２５μｍまたは約４０μｍ〜約２００μｍの外径、約４０μｍ〜外径の機械的領域の直径、約７０％以上の機械的領域内の質量低減割合（例えば、ガスまたは空気充填割合）、約５００ｎｍまたはそれ未満の同心性コア／外径、微細構造光ファイバがｘ軸およびｙ軸で略対称である（ｚがファイバ長軸である）ことを示す、約０．４％またはそれ未満の垂直慣性モーメントの間のパーセント差、および約１％またはそれ未満の空気充填領域内の集水に起因する重量変化を有してもよい。

回転対称性が、本明細書に開示される光ファイバのために有用であり得、いくつかの実施形態のために有利であり得、したがって、微細構造光ファイバが、随意に、回転対称性を保有し得ることを理解されたい。回転対称性は、全ての半径方向（θ）において同一である光ファイバの剛性（Ｋ_ｒ）を指し得る（方向参照に関しては図２Ａを参照）。別の言い方をすれば、θによって定義される任意の半径方向に沿って作用する力に関して、光ファイバは、純粋に半径方向に平行移動するであろう。静的な場合において、フックの法則は、Ｆ_ｒ＝Ｋ_ｒ・δ_ｒをもたらす。回転対称性があると、半径方向に直交する平行移動がないことに留意されたい。これはまた、光ファイバの主方向が一意ではないと記述することによって特徴付けられることもできる。

採用されている用語および表現は、限定ではなく説明の用語として使用され、そのような用語および表現の使用には、示され、説明される特徴またはその部分のいかなる均等物も除外する意図はないが、種々の修正が、請求される発明の範囲内で可能であることが認識される。したがって、本発明は、好ましい実施形態および随意の特徴によって具体的に開示されているが、本明細書に開示される概念の修正および変形例が、当業者によって用いられ得、そのような修正および変形例は、添付の請求項によって定義されるような本発明の範囲内と見なされることを理解されたい。

本発明の例示的実施形態の上記の説明は、例証および説明の目的のために提示されている。包括的であること、または本発明を説明される精密な形態に限定することは意図されず、多くの修正および変形例が、上記の教示を踏まえて可能である。実施形態は、発明の原理およびその実用的用途を解説し、それによって、他の当業者が、考慮される特定の用途に適するように、種々の実施形態で、かつ種々の修正を伴って、本発明を利用することを可能にするために、選定および説明された。

置換物の群が本明細書に開示されるとき、これらの群の全ての個々の構成要素、および置換物を使用して形成され得る全ての下位群および部類が、別個に開示されることを理解されたい。マーカッシュ群または他のグループ化が本明細書で使用されるとき、群の全ての個々の構成要素、および群の可能性として考えられる全ての組み合わせおよび副次的組み合わせは、本開示の中に個別に含まれることを意図している。本明細書で使用されるように、「および／または」は、「および／または」によって分離されるリストの中の項目のうちの１つ、全て、または任意の組み合わせが、リストの中に含まれることを意味する。例えば、「１、２、および／または３」は、「「１」または「２」または「３」、または「１および２」または「１および３」または「２および３」または「１、２、および３」」と同等である。

説明または例示される構成要素の全ての調合または組み合わせが、別様に記述されない限り、本発明を実践するために使用されることができる。材料の具体的名称は、当業者が同一の材料を異なるように命名し得ることが公知であるため、例示的であることを意図している。当業者は、具体的に例示されるもの以外の方法、デバイス要素、出発物質、および合成法が、必要以上の実験を用いることなく、本発明の実践で採用され得ることを理解するであろう。任意のそのような方法、デバイス要素、出発物質、および合成法の全ての当技術分野で公知の機能的均等物は、本発明の中に含まれることを意図している。範囲、例えば、温度範囲、時間範囲、または組成範囲が、本明細書の中で挙げられるときはいつも、全ての中間範囲および部分範囲、および挙げられる範囲の中に含まれる全ての個々の値は、本開示の中に含まれることを意図している。特定の実施形態の具体的詳細は、本発明の実施形態の精神および範囲から逸脱することなく、任意の好適な様式で組み合わせられ得る。しかしながら、本発明の実施形態は、各個々の側面、またはこれらの個々の側面の具体的組み合わせに関する、具体的実施形態を対象とし得る。

本発明は、以下の非限定的実施例を参照することによって、さらに理解され得る。
（実施例）

（機械的メリット関数の説明：カンチレバー状に保持された光ファイバ発振器）
本実施例は、発振器の自然周波数を一定に保ちながら、光ファイバの端部において、指向角を最大限にし、したがって、視野を増加させる方法を説明する。いくつかの実施形態では、これは、断面二次モーメントを最大限にしながら、カンチレバー状に保持された発振器の質量を最小限にすることによって、遂行されることができる。本実施例は、所与のサイズのファイバに関して、光学的性能（所与の動作周波数に関する最大偏向）が薄壁チューブファイバに関して達成される方法を導出する。有利なこととして、本技術を組み込む微細構造光ファイバは、同じ従来的ファイバと比較して、約３０％またはそれよりも良好なメリット関数増加（すなわち、指向角の増加）を呈することができる。

メリット関数を決定するために、光ファイバの区分の断面二次モーメントが必要とされる。以下の定義が、断面二次モーメントの計算で使用される。
Ｉ_Ｔ，ＭＳ：断面の断面二次モーメント（Ｔ＝標準ファイバ、ＭＳ＝微細構造ファイバ）Ａ_Ｔ，ＭＳ：断面の面積
Ａ_Ｈ＿ｉ：微細構造内の孔（空気充填領域）の面積
ｒ_ｉ：面積区分の孔から中立軸までの垂直距離
_Ｔ：中実ファイバを示す下付き文字
_ＭＳ：微細構造ファイバを示す下付き文字
ｊ：自然周波数モード／調和次数
β（ｊ）：第ｊモードのモード定数
ｄ：ロッド直径

中実ロッドに関して、Ｉ_Ｔ＝ｄ^４／６４である。制約として、自然周波数ｆ_ｎは、中実および微細構造設計の直接比較のために同一であるように固定される。カンチレバー状に保持されたビームに関して、自然周波数は、オイラー方程式から取得される。

ディスプレイの高いリフレッシュレートに関して、走査ファイバの動作周波数が高いことが有用である。同時に、発振器の大きい偏向が視野および分解能に比例するため、これを達成することが望ましい。

走査ファイバプロジェクタが共振デバイスであるため、動作周波数は、自然周波数にほぼ等しい（１％以内）。これは、上記の方程式によって推定されるようなシステム自然周波数が高いままであるように、システムパラメータを選定しなければならないことを意味する。

微細構造ファイバの視点から、上記の方程式は、発振器の自然周波数および関連付けられる長さへの断面二次モーメントＩおよび孔の面積を差し引いた中実ファイバの中実断面積Ａの影響への直接洞察をもたらす。

本方程式の調査によって、Ｉ対Ａの比を増加させることは、自然周波数を増加させる。本性質は、中立軸の近傍に孔を挿入することによって中立軸の近傍の質量を除去すること（Ｉに対する小さい影響）により、微細構造ファイバにおいて活用されることができる。なぜなら、中立軸からの距離の二乗の関数であり、外径または周囲の近傍の質量を保つことに起因して、これがＩに対する小さい影響を有するからである。これはさらに、以下の方程式に由来し、断面二次モーメントへの区分（孔）の寄与が、中立軸からの距離の二乗の関数であることが示される。

平行軸定理から、微細構造ファイバの断面二次モーメントは、以下である。

したがって、自然周波数を増大させる、または、所与の自然周波数に関して発振器長Ｌを増加させるように、区分が中立軸から最も遠くで削除されることができる（すなわち、孔または低減質量領域が挿入される）。孔を挿入することは、発振器自然周波数を増大させること、または所与の自然周波数に関して発振器長（Ｌ）を増加させることを可能にする。全ての孔が、それらの位置にかかわらず、面積（Ａ）に同一の影響を及ぼす一方で、中立軸の最近傍の孔は、中立軸からより遠く離れている孔よりも自然周波数を増大させることに留意されたい。

下記のメリット関数分析は、偏向角の観点から微細構造ファイバが中実ファイバに匹敵する程度を説明する。本分析では、周波数は、一定に保持され、ビーム区分の断面二次モーメントおよび面積は、変動される。メリット関数は、偏向角の利得を定量化する。上記の式を自然周波数に使用して、

定数であるように周波数を制約するＬの値を求めると、以下を生じる。

周波数（ｆ_ｎ）、密度（ρ）、モード定数（βＬ（ｎ_ｉ））（第１のモードを第１のモードと、第２のモードを第２のモードと比較する等）、および係数（Ｅ）定数を固定すると、上記の式は、以下のようになる。

周波数応答関数から、共振時の応答は、静的偏向とともにスケーリングするものとして識別される。したがって、点荷重および分散荷重の下でのビームの静的偏向が、考慮される。各場合において、中実光ファイバカンチレバーの偏向角に対する構造化デバイスの偏向の比が、決定される。微細構造のパターンは、最大偏向のために最適化され得るが、これはまた、単一のモードを用いた可視光の透過のために同調されなければならないことに留意されたい。

末端に集中荷重を伴うビームの傾斜を算出すると、

式中、αは、偏向角であり、Ｅは、ヤング係数であり、Ｉは、断面二次モーメントであり、Ｌは、カンチレバー長であり、Ｆは、力である。分散荷重を伴うビームの傾斜を算出すると、

式中、Ｗは、単位長あたりの荷重である。

一定周波数発振器の角偏向利得の式は、以下のように導出される。集中力モデルに関して、Ｅ_ＭＳ＝Ｅ_Ｔと仮定すると、

これは、区分の面積および断面二次モーメントを使用して計算を可能にする、利得関係を表す。

分散力モデルに関して、

これは、区分の面積および断面二次モーメントを使用して計算を可能にする、利得関係を表す。

相対応力計算のための分散荷重のものとして、動的モード形状を概算すると、

ｚおよびρが一定であると仮定して、

これは、同一の発振周波数に関して、低減質量ファイバが、より長いカンチレバー長を有することを示す。

図６は、上記の方程式に基づく１２５μｍのファイバ外径に基づいて、中実または従来の光ファイバと比べて微細構造光ファイバの指向角の利得を示す、メリット関数のプロットを提供する。本実施例は、空気充填領域の観点から質量低減を説明するが、他の質量低減材料も類似分析下で使用され得ることを理解されたい。プロットは、空気充填領域の直径対ピッチの比の関数として、かつ空気充填領域の直径の関数として、光ファイバの指向角の最大利得を示す表面を提供し、ファイバの効果を示す。可能な限り最大の利得が望ましいが、特定の機械的考察が考慮されなければならないことを理解されたい。例えば、ファイバは、破損することなく、発振することができなければならない。したがって、微細構造エリアの直径は、ファイバが機械的完全性を有するために、ファイバの外径未満となるはずである。加えて、空気充填領域のピッチに対する空気充填領域の直径の比は、１未満となるはずであり、そうでなければ、空気充填領域は、重複し、ファイバの使用不可能な量を占有するであろう。図６に図示されるように、０．８７３の直径／ピッチを伴う、１０２．９μｍの微細構造（空気充填）領域の直径は、指向角の７２．５％増加に対応する、１．７２５の利得を提供することが予想される。

（微細構造ファイバ性能分析）
機械的システムの自然周波数を最大限にするための要件は、単純である。減衰を含まない単一自由度ばねに接続される質量等の集中パラメータシステムに関して、自然周波数ｆ_ｎ（Ｈｚ）は、モード剛性

およびモード質量ｍ（ｋｇ）の関数である。自然周波数は、以下である。

この場合、問題への所与の制約に関して、２つだけのパラメータがあり、自然周波数を増大させるように、剛性が増加されるか、または質量が減少されるかのいずれかであり得る。（係数Ｅ、密度ρ、断面積Ａ、および断面二次モーメントＩを有する）図１Ｂに図示されるファイバスキャナのカンチレバー状に保持されたビームのような実際の連続システムに関して、質量分布、材料性質、境界条件（ファイバのための保持方法）およびビーム寸法の間の関係、およびディスプレイの動作パラメータ（視野、リフレッシュレート、分解能）も、考慮されるべきである。また、ビームの長さの幾何学機能を変更することも可能である。これは、テーパ状ビームの場合、古典的に行われるが、ここでは考慮されない。むしろ、微細構造また光バンドギャップ型ファイバが、それらの潜在的利益に関して検討される。発振器の簡潔な背景が、最初に提供される。

オイラー・ベルヌーイビームの側方運動の自然周波数方程式は、以下であり、

式中、
α：カンチレバー状に保持されたファイバの指向角および端部
Ｉ，Ｉ_Ｔ，ＭＳ：断面の断面二次モーメント
_Ｔ：標準的な直線円筒形ファイバに関する下付き文字
_ＭＳ：微細構造ファイバに関する下付き文字
Ａ，Ａ_Ｔ，ＭＳ：カンチレバーの断面の面積（長さにわたって一定である、すなわち、テーパ状ファイバではない）
Ａ_Ｈ＿ｉ：微細構造内の孔の面積（ある設計では一定ではない）
ｒ_ｉ：孔から中立軸までの垂直距離
_Ｔ：中実の従来的ファイバを示す下付き文字
_ＭＳ：微細構造ファイバを示す下付き文字
ｉ：振動モード数（例えば、振動および自然周波数の第１、第２、第３のモード）
β（ｉ）：第ｉのモードのモード定数、境界条件（カンチレバー状の保持、遊離、単純支持）に依存する
Ｄ：発振器（ファイバ）外径
ｄ：管の発振器（ファイバ）内径
δ：側方ビーム偏向
Ｌ：カンチレバーの長さ
Ｅ：ヤング係数
ρ：密度
ｆ_ｎ：ビームの自然周波数、第１のモードのみを考慮する

ξ：発振器の減衰比
上記の回転半径は、以下として上記で定義される。

方程式２を調査することによって、ビーム自然周波数への独立変数の影響は、以下のように認識されることができる。
・ヤング係数（Ｅ）を増加させることは、自然周波数を増加させる
・断面二次モーメント（Ｉ）を増加させることは、自然周波数を増加させる
・密度を増加させることは、自然周波数を減少させる
・断面の面積（Ａ）を増加させることは、自然周波数を減少させる
・長さ（Ｌ）を増加させることは、自然周波数を減少させる
・自然周波数は、モード定数（β）とともに線形的に変動する。本定数は、境界条件の関数である。
以下のうちのいずれか１つ以上のものが、自然周波数を増大させるために実施されてもよい。

境界条件を修正する。
導波管保持方法を変更して、定数βＬ（ｉ）を増加させる。保持方法は、安定性要件、駆動エネルギー結合、および加工技法によって限定される。

材料性質を修正する。
ヤング係数（Ｅ）を増加させる。これは、光導波管材料が限定されるため、困難である。密度（ρ）を低減させる。これもまた、特に、大量生産との関連で、光導波管材料が限定されるため、困難である。これらの目的は、

として定義される比係数または比剛性の概念を導入することによって組み合わせられる。したがって、比剛性を最大限にすることが望ましくあり得るが、これは、市販材料によって限定される。これは、材料性質の変化の平衡を保ち、直接材料比較を可能にする。

質量分布を修正する。
カンチレバー長（Ｌ）を短縮する。これは、可能であるが、そのような変化は、側方偏向を低減させ得る（印加される端部荷重に関する静的偏向がＬ^３に比例する）。断面の面積（Ａ）を縮小する。これは、質量を低減させるが、断面二次モーメント（Ｉ）、対応して、剛性も低減させる。断面二次モーメント（Ｉ）を増加させる。これは、断面二次モーメントの増加が面積の増加を上回る程度まで、自然周波数を増加させる。断面積、したがって、質量を増加させ、自然周波数を低減させる。したがって、Ｉ対Ａの比は、ここでは重要な因子である

。したがって、（Ａ）に対して断面二次モーメント（Ｉ）を正規化することが有利である。方程式３から、これが回転半径の定義であることを思い出されたい。これは、微細構造発振器を設計する際の有用なアプローチである。方程式１４を参照されたい。したがって、材料性質と同様に、自然周波数への質量分布効果を正規化することが有用である。有利なこととして、これは、中心軸を中心とした面積の分布を説明するために使用される、回転半径の性質によって行われる。

方程式２から、発振器設計トレード空間を定義する比例関係（関係から外された要素は一定である）が、使用されてもよい。比例関係は、異なる発振器タイプの間の相対的性能が着目されるため、使用される。方程式２に基づいて、
ビームの自然周波数ｆ_ｎの観点から、

固定周波数に関して、カンチレバー長（Ｌ）は、以下である。

異なる発振器の間の周波数利得は、比係数の平方根、回転半径（Ｉ／Ａの平方根）、境界定数

に比例し、カンチレバー長の平方根に反比例する。

ファイバスキャナ用途では、自然周波数（ｆ_ｎ）および側方偏向（δ）を同時に最大限にすることが望ましい。最大の達成可能な偏向が、方程式１１で識別され、一般に、自然周波数の増加は、側方偏向の低減に対応する。したがって、長さの変化は、常に、他の変化を伴わずに全体的システム性能を増加させる際に有用であるとは限らない。

準静的分析に関して、単位長あたりの分散荷重（ｗ）を伴うカンチレバー状に保持されたビームの偏向は、以下であることを思い出されたい。

しかしながら、分散荷重は、カンチレバー長（Ｌ^１）に比例し、したがって、偏向（δ）およびカンチレバー長は、以下のように関連する。

したがって、メリット関数は、方程式８からの回転半径（Ｒ_ｇ）の観点から、以下のように書かれることができる。

同一の自然周波数を伴う２つの発振器（下付き文字１、２）を比較するために、偏向利得は、以下であり、

指向角利得は、以下である。

これらのメリット関数は、従来的な非テーパ状光ファイバ発振器と比較して予期される相対的利得を追究するように、微細構造ファイバに適用される。

外径（Ｄ）および内径（ｄ）を伴う中空ファイバの回転半径は、以下である。

したがって、微細構造ファイバに関して、回転半径の最高値が、薄壁管に関して達成される。

中実ファイバの回転半径は、以下である。

発振器の自然周波数が回転半径に比例するため、本パラメータは、規定ファイバ直径に関して最大限にされることができる。
断面二次モーメントは、以下である。

断面ファイバ面積は、以下である。

微細構造ファイバによって達成される利得を図示するために、いくつかの共通ファイバサイズおよび薄壁管に基づく微細構造区分（限界）の実施例が、考慮される。１２５μｍ直径の中実ファイバ、および１０μｍ壁厚（内径１０５μｍ）を伴う１２５μｍ直径の微細構造ファイバの簡略化されたモデルが、考慮される。
中実ファイバの断面二次モーメントは、以下である。

中実ファイバの断面積は、以下である。

微細構造ファイバの断面二次モーメントは、以下である。

微細構造ファイバの断面積は、以下である。

回転半径比は、以下である。

方程式１４からの相対的偏向利得を使用し、方程式２３からの結果を代入して、１０μｍ壁厚を伴う１２５μｍ外径ファイバ（中空）に関して最良の場合の利得を得ると、中実ファイバと比較した微細構造ファイバの偏向利得は、以下である。

故に、本変化は、所与の自然周波数および材料に関して偏向の約５０％増加をもたらす。

ここで、２つの設計のための全てのパラメータが、検証するために決定される。カンチレバー長に関して方程式２を解くと、

中実ファイバのカンチレバー長を計算すると、

微細構造ファイバのカンチレバー長を計算すると、

メリット関数を検証すると、これらの結果は、方程式８を使用して比較される。

最終的に、結果をチェックするために、予期される偏向は、方程式２４からのメリット関数として準静的分析を使用して、一定荷重に関して比較される。

最終的に、方程式２３からの回転半径比に直接基づいて、方程式１４を適用することは、偏向利得を提供する。

ここで説明される約１．５倍利得は、１２５μｍの外径を伴うファイバの理想的な１０μｍ壁厚に基づくことに留意されたい。実践では、同一の寸法を伴う実際のファイバに関する結果は、若干少ない。

方程式２は、以下のように長さに関して解かれ得る。

これから、

方程式３１から、面積に対する断面二次モーメントの比が最大限にされるときに、長さが最大限にされることが明白である。

別の実施例として、８０μｍの外径および約６０ｋＨｚの自然周波数を伴う中実光ファイバが、考慮され、指向角の増加を決定するように、約４３．７％の全体的空気充填割合（１０μｍ壁厚を伴う８０μｍファイバを用いて上記のようにモデル化される）および約６０ｋＨｚの自然周波数を有する、微細構造光ファイバと比較される。

微細構造ファイバの断面二次モーメントは、以下である。

微細構造ファイバの断面積は、以下である。

微細構造ファイバの長さは、以下である。

中実ファイバの断面二次モーメントは、以下である。

中実ファイバの断面積は、以下である。

中実ファイバの長さは、以下である。

微細構造ファイバ対中実ファイバの長さの比ＬＭＳ／ＬＴは、１．１２である。方程式１６を使用して、指向角の相対的増加は、以下である。

したがって、８０μｍファイバを微細構造化することによって、指向角は、２５％増加されることができる。

（走査ファイバディスプレイ用の例示的光ファイバ）
本実施例は、複数の質量低減領域と、走査ファイバディスプレイ内の光ファイバの使用とを含む、微細構造光ファイバ実施形態を説明する。微細構造光ファイバは、数本の光石英管を積み重ねて、全体的プリフォーム構造を形成することによって、作製される。光学材料の単一の中実管が、プリフォームの中心に位置付けられ、最終形成された光ファイバの導波領域のコアに対応するために使用される。一連の中実石英管が、プリフォームの中の中実管の周囲に位置付けられ、最終形成された光ファイバの導波領域のクラッディング層に対応するために使用される。中空石英管が、プリフォームの中の一連の中実石英管の周囲に位置付けられ、最終形成された光ファイバの機械的領域の質量調節領域に対応するために使用される。最終的に、リング状の中実石英管が、中空石英管の外側に位置付けられ、最終形成された光ファイバの機械的領域の外側中実縁または周囲に対応するために使用される。組み立てられたプリフォームは、構成要素を相互に融合するように加熱され、次いで、公知の光ファイバ延伸技法に従って、光ファイバに延伸される。

結果として生じた光ファイバは、微細構造光ファイバに対応する。結果として生じた光ファイバは、約５μｍ直径のコアを有するもの等のコア領域と、約２５μｍの外径を有するもの等のクラッディング領域と、約８０μｍ直径を有する機械的領域とを有する。微細構造光ファイバは、例えば、約４４％の全体的空気充填割合を呈する。微細構造光ファイバは、同等の非微細構造光ファイバと比較して、機械的領域内で対応する質量の低減を呈する。

走査ファイバディスプレイは、微細構造光ファイバの長さが遊離している（すなわち、支持されていない）ように、機械的アクチュエータに対してカンチレバー状に保持された構成で微細構造光ファイバを位置付けることによって作成される。微細構造光ファイバの支持されていない部分の長さは、約１．１５９ｍｍである。１．１５９ｍｍのカンチレバー状に保持された微細構造光ファイバは、約６０ｋＨｚの共振周波数を呈する。共振周波数において発振するときの微細構造光ファイバの最大指向角は、約１２．５度である。

比較として、約６０ｋＨｚ共振周波数（すなわち、上記で説明された微細構造光ファイバと同一の共振周波数）を有する、カンチレバー状に保持された構成時の同等の非微細構造（すなわち、中実）光ファイバは、長さが約１．０３７ｍｍであり、約１０度の最大指向角を有する。

Claims (1)

1. 本明細書に記載の発明。

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