JP3715649B2 - 二つまたはそれ以上の屈折率を有する光導波路およびその製造方法 - Google Patents

Description

発明の背景
ａ．発明の分野
本発明は、光伝送用光導波路、さらに詳しくは高い光透過率、大きいコントラストおよび広い視角を達成するために、通過する光の分布を変換するアレイに使用する光導波路に関する。このような光導波路は、照明系および情報表示系におけるような用途での利用が広がっている。
ｂ．関連技術の説明
一緒になってグループを形成する数個の光学素子から成る光学アレイ（optical array）を提供するのに有用な様々なタイプの光学素子が存在する。このような光学アレイはそれを透過する光の分布を変換して、照明、結像、情報表示、画像記録などの用途に、より有用な分布を提供することができる。
図１ａに示したようなテーパーの付いた光導波路が本発明と同じ譲受人に譲渡された米国特許出願第０８／０８６，４１４号明細書に説明されている。この米国特許出願を本明細書で引用し、参照するものとする。これらのテーパー付き導波路は、屈折率の大きい導波路と屈折率の小さい張合わせ材料（cladding material）の間の境界面でＴＩＲにより光を伝送する。これら導波路を通り抜けた光の角出力分布は、そのテーパー付き光導波路の高さ、側壁の角度およびその出力面と入力面との相対面積などの幾何学的形状によって制御される。これらのパラメーターを変えることにより、導波路の側壁で一回またはそれ以上の回数ＴＩＲ反射する光線の相対比を調節することが可能となり、これがまたその素子若しくはそのような素子のアレイからの光の角出力特性を制御することになる。かくして、光分布は、導波路の境界における屈折率の差が同じであっても、幾何学的形状を異にするテーパー付き光導波路間では異なることになる。このようなテーパー付き光導波路素子による光の方向変換が図１ｂに示されている。この例では、平行光線がテーパー付き光導波路４０の入力面４２に入って来ることを示している。その光線の一部は、そのようなテーパー付き光導波路の側壁４４で一回または複数回反射して、或る程度角度が開いて出力面４６を出る。光学素子の幾何学的形状を調節することにより、そのような影響を受ける光線の数を調節することが可能であり、かくして出力角分布特性を変えることが可能となる。
米国特許出願第０８／０８６，４１４号明細書には、液晶表示（ＬＣＤ）装置の光学的視野特性を改善するための視野スクリーンとして利用した場合の、そのようなテーパー付き光導波路素子よりなるアレイの有用性が教示されている。共にミラー（Miller）に付与された米国特許第３，２１８，９２４号および同第３，２７９，３１４号明細書も、同様に、テーパー付き光学素子アレイの利用が背面映写表示用の視野スクリーンとして役立つことを教示している。幾つかの例で、ミラーは、テーパー付き素子に金属をコートすると、米国特許出願第０８／０８６，４１４号明細書におけるようなＴＩＲを使用するのではなく、光を封じ込める（contain）鏡として役立てることができることを教示している。
本発明と同じ譲受人に譲渡された本明細書で引用し、参照するものとされる米国特許出願第０８／１４８，７９４号明細書は、さらに、リソグラフ法によるテーパー付き光導波路を製造する便利な方法を教示している。この方法は、低製造コストを維持しながら解像度の大きいアレイ用に有用な極めて多数の小さい光導波路を提供できる正確で低コストのリソグラフィー製造技術に負うものである。テーパー付き光導波路のアレイの１つの重要な特徴は、個々の導波路の出力表面から構成される出力表面の割合が小さいことである。この理由から、周囲光を抑制し、そしてコントラストの良好な視野を得るために、隣接導波路間の空隙領域を吸光性の材料で充填することが可能で、且つ便利である。
テーパー付き光導波路のアレイは、レンズ、グリン（ＧＲＩＮ）レンズおよび光ファイバーのような多くの光学用途用の光学素子のアレイよりも明確な利点をを提供する一方で、その素子またはそのような素子から構成されるアレイの光学的実用性能を制約する幾つかの光学的特性も依然として持っている。テーパー付き光導波路のアレイで、二つの重大な問題が残っている。第１は、光線の一定部分が導波路側壁から如何なるＴＩＲ反射も受けることなしにこのような素子からのアレイの一つの素子を通り抜けることである。これは図１ｂを観れば分かる。このような素子のアレイが視野スクリーンのような光学的用途に使用されると、影響を受けなかった光線のこの部分は、望ましくない特性である所謂“シースルー（see-through：透き通る）”若しくは“ブリードスルー（bleed-through：滲み通る）”することがあり、その場合視ている人の眼の焦点はスクリーンの背後の一点に結ばれ、その結果表示装置の中の内部素子に起因する不均一像を視ることになる。視ている人の眼の焦点は視野スクリーン自体の上にだけ結ばれること、即ちその視野スクリーンがこのような用途における画像面を画成することが極めて望ましいのである。第２は、平行光若しくは平行に近い光がテーパー付き光導波路を通り抜ける用途では、出て来る出力光は、導波路側壁による様々な光線の反射数に関連する不連続な角度の回りにクラスター（cluster）を形成する傾向がある。かくして、光線のクラスターは、０、１、２或いはそれ以上の回数の反射に関連する角度或いはその角度の近くに存在することになる。平行光の方が好ましい用途に用いられる視野スクリーンおよびその他の光学アレイも、同じタイプの挙動を示すであろう。即ち、特定の光分布角に光線が集まり、他の分布角には集まらない。この効果は、米国特許出願第０８／０８６，４１４号明細書の実施例中に見られ、また米国特許第３，２７９，３１４号明細書にも説明されている。この性質は、それが視野面内に、高い輝度、所謂“ホットスポット（hot spot）”の領域と低輝度でコントラストの低下した領域とをもたらすので、そのアレイの視野特性にとって有害なことを米国特許第３，２７９，３１４号明細書は教示している。ミラーは、個々のテーパー付き素子のチップを粗面化すると追加の散乱が起こって、この問題が軽減されることを示唆している。しかし、そのような素子若しくは素子のアレイに散乱を導入すると、望ましくない追加の光損失が生じ、周囲光の後方散乱（backscatter）が増し、かくして視ている人には見掛けの画像コントラストの減少となる。これらの理由により、粗面化されたチップを有するテーパー付き光導波路は、光学素子の技術分野でのアレイの応用にとって十分な改善とはならないと考えられる。
かくして、従来技術の光学素子に関連した問題点と実用性能上の欠点を克服する、アレイ用途で使用する改善された光学素子に対する需要が残っていることは明らかである。特に、平行光源を使用した時、“シースルー”の問題と“ホットスポット”および輝度の不十分な領域という問題を克服した、解像度の大きい大型アレイを低コストで製造できる、出力光角度特性の可変制御を可能にする新しいタイプの光学素子が必要である。アレイ表面の直視を要求する用途で特に必要なのは、上に列挙した問題点を克服し、しかも伝送面積を有意に減少させることなく、そのアレイ表面への大面積の吸光材料を追加する能力を提供する改善された光学素子である。
発明の要約
光学アレイで使用する新しいタイプの光導波路が説明される。この技術分野で、光伝送性デバイスまたは導光器としても知られている導波路は、例えば投影ディスプレイ装置、オフ−スクリーン表示装置および直視ディスプレイのようなディスプレイ装置中で用いられている。例えばミラーに付与された米国特許第３，２１８，９２４号および同第３，２７９，３１４号明細書、並びにブラッドレー，ジュニア（Bradley, Jr.）等に付与された米国特許第４，７６７，１８６号明細書を参照されない。かかるディスプレイは、電算機の端末、航空機のコックピットディスプレイ、自動車の装置パネル、テレビジョン、およびテキスト、グラフィックス或いはビデオ情報を提供する他のデバイスを含めて広範囲の用途に用いられている。この新しいタイプの光導波路は、少くとも一つの封入構造（inclusive structure）を含むテーパー付き光導波路から成る複合構造体（compound structure）である。この封入体は、そのテーパー付き光導波路の本体の中で屈折率変境界面を有することもできるし、或いはそのテーパー付き光導波路内での屈折率が次第に変化する領域から成っていることもできる。この新しい素子には、屈折率封入テーパー付き光導波路（ＩＩＴＯＷ）（index inclusion tapered optical waveguide）という名称が与えられる。
具体的に述べると、本発明の光導波路は、それがテーパー付き光導波路の側壁での全内部反射によって光線を伝播するが、その導波路本体の屈折率が一定でない点で従来技術の導波路と異なっている。どちらかと言えば、この光導波路は性質が複合されている屈折率を有する。この複合屈折率体はその導波路の残りの部分の屈折率とは異なる屈折率を有し、そのテーパー付き光導波路の体積より小さい体積の封入体を含んでなることができるか、若しくはそのテーパー付き光導波路内に屈折率が次第に変化する領域を含んでなることができる。
【図面の簡単な説明】
図１ａは、従来技術のテーパー付き導波路である。
図１ｂは、導波路を通り抜ける光線を説明する図１ａの態様の立面図である。
図２は、封入体（inclusion）を含んでなる本発明のテーパー付き導波路である。
図３は、本発明のもう一つ別の態様である。
図３ａおよび図３ｂは、導波路内で起こり得る屈折率の変動をグラフで表したものである。
図４は、多重封入体を示す本発明のもう一つの態様である。
図５は、本発明を実施する際に有用な基材である。
図６は、従来技術のフォトマスクである。
図６ａは、従来技術のフォトマスクの平面図である。
図７は、図５の基材と図６のフォトマスクを組み合せたものである。
図８は、図７を本発明の実施に有用な光重合性材料と組み合せたものである。
図９は、図８をカバープレートと組み合せたものを示す。
図１０は、実質的に平行な光への図９の露光を例示したものである。
図１１は、フォトマスクとカバープレートを除去した後の図１０を説明したものである。
図１２は、図１１の組み合せ物からの未露光の重合性材料の除去を説明したものである。
図１３は、図１２の除去処理で得られる組み合せ物を説明したものである。
図１３ａは、従来技術の方法のもう一つの態様で得られる組み合せ物を説明したものである。
図１４は、図１３の組み合せ物の大光量露光（flood exposure）を説明したものである。
図１５ａから１５ｌは、本発明の実施に有用な代表的なフォトマスクである。
図１６は、本発明のもう一つ別の態様である。
図１７ａは、従来法の導波路を屈折して通り抜ける光線を説明しているものである。
図１７ｂは、本発明の導波路を屈折して通り抜ける光線を説明しているものである。
図１８ａは、従来法の導波路のアレイを屈折して通り抜ける光線を説明しているものである。
図１８ｂは、本発明の導波路のアレイを屈折して通り抜ける光線を説明しているものである。
図１９は、従来法の導波路の光出力分布である。
図２０は、屈折率が導波路より大きい封入体を有する本発明の導波路の光出力分布である。
図２１は、屈折率が導波路より小さい封入体を有する本発明の導波路の光出力分布である。
図２２は、従来法の導波路の光出力分布のもう一つの例である。
図２３は、屈折率が導波路より大きい封入体を有する本発明の導波路のもう一つ光出力分布である。
図２４は、屈折率が導波路より小さい封入体を有する本発明の導波路のもう一つ光出力分布である。
発明の推奨される態様の詳細な説明
本発明の推奨される態様は、上記の図面を参照することにより、この技術分野の習熟者により良く理解されるであろう。これらの図面に例示説明される本発明の好ましい態様は全てを網羅しようとするものでも、或いはその開示された正確な形に本発明を限定しようとするものでもない。これらの図面は、本発明の原理およびその応用と実用を記述若しくは最も良く説明し、それによってこの技術分野の習熟者に本発明を最も良く利用できるように選ばれたものである。
図２は、光入力面５２と光出力面５４を有する光導波路５０を例示説明するものであって、その光入力面の面積は光出力面の面積より大きい。光導波路５０はまた屈折率ｎ₁を有すると特徴付けられる。このテーパー付き光導波路が全内部反射（ＴＩＲ）により光を伝送するためには、導波路５０の側壁５６はより小さい屈折率ｎ₀の媒体によって取り囲まれていなければならない。光導波路５０は、屈折率ｎ₂を有すると特徴付けられる固体の封入体５８をさらに含んでいる。封入体５８と光導波路５０の両方は光学的に透明な材料から成るが、その二つの領域の屈折率は等しくない。ｎ₂はｎ₁より小さいか、それより大きいかのいずれかである。ｎ₁とｎ₂との差は０．００１より大、好ましくは０．００５より大、そして最も好ましくは０．０１より大であるのがよい。
光導波路５０と封入体５８はガラス、石英、ポリ（メタクリル酸メチル）、ポリ（スチレン）、ポリ（カーボネート）およびポリ（エチレンテレフタレート）など（但しこれらに限定されない）の透明なプラスチック材料を含めて任意の光学的に透明な材料から、または反応性単量体または反応性単量体の混合物の重合によって形成される重合体から作ることができる。有用な単量体に、本出願人と同じ譲受人に譲渡され、この明細書で引用、参照するものとされる米国特許出願番号［ここに、物質出願番号を挿入］中に教示される単量体のようなアクリル酸エステル類およびメタクリル酸エステル類、さらにまたスチレンおよび置換スチレン、反応性エポキシ単量体等の単量体がある。反応性単量体または反応性単量体の混合物のこのような重合は、熱或いは光による開始若しくは電子ビーム或いはＸ−線による開始のような任意のタイプの開始法で行うことができる。
図３は本発明のもう一つの態様を例示説明するもので、この場合テーパー付き光導波路６０は、小さい方の点線の層（formation）を取り囲む点線の層で示されている、次第に変化する屈折率のような不均一な屈折率を有する封入体６８を含んでいる。このような不均一な屈折率は、図３のＸ軸に沿っての値で図３にグラフにして示されている。封入体６８の屈折率の分布は、図３ａに示されているように、側壁から導波路の光学軸に向かって増大するものであってもよいし、或いは図３ｂに示されているように側壁から導波路の光学軸に向かって減少するものであってよい。この屈折率の分布の正確な形状は決定的に重要なものではないが、導波路の側壁から導波路の軸に向かっての屈折率の変化は、光導波路がアレイ中で使用される時に、その光導波路の利点が十分発揮されるようでなければならない。屈折率のこの変化は０．００５より大、好ましくは０．０１より大、そして最も好ましくは０．０２より大であるのがよい。一般に、封入体６８内での屈折率のこの変化は、それがアレイ内で用いられる場合に、同等の光学的利点を達成するには、個体として独立した封入体５８での屈折率の変化より大きくなければならない。これは、個体として独立した封入体５８がその導波路の内部で内部表面を形成し、その導波路を通り抜ける光線の一部に対して追加の屈折効果を誘起するという事実に因る。
図４は、単一のテーパー付き光導波路７０の中に複数の封入体７８ａ〜７８ｄが存在する本発明のもう一つの態様を例示説明するものである。本発明の実施では、任意の数のそのような封入体が有用であるが、その数は、その封入体の大きさが屈折或いは散乱現象が重大になる程小さくなると、光の望ましくない損失や周囲光の散乱が増加するので、その大きさがそうならないように限定しなければならないことが分かっている。普通１から１００個のそのような封入体、より好ましくは１から３０個のそのような封入体が有用であり、そして１から１６個の封入体を含む屈折率封入テーパー付き光導波路が最も好ましい。さらに、この多重封入体は、個体として独立した複数の封入体の組み合わせであってもよいし、屈折率勾配を有する複数の封入体であってもよい。
本発明の導波路の光導波路を作るのに推奨される方法は、米国特許出願第０８／１４８，７９４号の方法の改良法である。この米国特許出願第０８／１４８，７９４号明細書には、開示されている方法を実施するに際して有用な図５に例示説明されている導波路基材２が教示されている。導波路基材２は基材４と、場合により用いられる接着促進層６を含んでいる。最低でも、基材４は波長が約４００から約７００ｎｍの範囲内の光に透明である。何故なら、この可視光波長領域は製造される光導波路が作動する最も望ましい領域であるからである。この基材４は、また、約２５０から約４００ｎｍの領域の紫外線も透過することがさらに好ましい。何故なら、これは多くの有用な光開始剤が光を吸収する領域であるからである。さらに、約７００ｎｍから約２０００ｎｍの近赤外領域でそのテーパー付き導波路アレイを使用することを望むならば、その領域でも同様に透明である基材４を使用することが推奨されるであろう。基材４の屈折率は約１．４５から約１．６５の範囲であることができる。その最も好ましい屈折率は約１．５０から約１．６０の範囲である。基材４は、任意の透明な固体材料から作ることができる。推奨される材料は市場から入手可能であって、透明な重合体材料、ガラスおよび溶融シリカがある。有用な透明な重合体に、ポリエステル、ポリアクリレートおよびポリメタクリレート、ポリスチレンおよびポリカーボネートがある。これら材料に期待される特性はディスプレイ装置の通常の操作温度における機械的安定性と光学的安定性である。ガラスと較べて、透明な重合体は、追加の利点となる構造的可撓性を有し、このことが製品を大きいシートに成形し、次いで裁断し、必要なら積層することができるようにする。基材４用に推奨される材料はガラスとポリエチレンテレフタレートのようなポリエステルである。基材４の厚みは広い範囲で変えることができる。好ましくは、基材４の厚みは約１ミル（０．００１インチ、即ち２５ミクロン）から１０ミル（０．０１インチ、即ち２５０ミクロン）である。
好ましくは、接着促進層６は光透過性で、その上に形成される導波路、特に、例えば光架橋したアクリレート単量体材料のような重合体から形成される導波路を基材４に強く接着させる有機材料である。このような材料はこの分野の習熟者には良く知られており、市場から入手可能であり、従ってこの明細書では詳細には説明しないことにする。例えば、若し基材４がガラスで、導波路がアクリレート単量体材料から作られるなら、適した接着促進層６はそのガラス表面を３−（トリメトキシシリル）プロピルメタクリレート、３−アクリルオキシプロピルトリクロロシラン、およびトリメチルシリルプロピルメタクリレートを含めて特定のタイプのシラン化合物と反応させることにより生成させることができる。若し、基材４がポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）で、導波路が、例えばアクリレート単量体材料から作られるなら、接着促進層６はホスタファン（Hostaphan）４５００［ヘキスト−セラニーズ社（Hoechst-Celanese）］のような、接着剤処理したＰＥＴフィルムを用いることにより提供することができる。若し基材４がエマルジョン塗装され、導波路がアクリレート単量体材料から作られるなら、例えば接着促進層６は３−アクリルオキシプロピルトリクロロシラン［ヒュルス アメリカ社

のＡ０３９６から作られる。接着促進層６の厚みは広い範囲で変えることができる。通常、接着促進層６の厚みは、常用の直視平板表示装置のような最終用途に使用されるような厚みである。好ましくは、接着促進層６の厚みは約１ミクロン以下である。若し裸の基材４に対する導波路の接着が十分であることが確認されれば、接着促進層６は省いてもよい。
図６に例示されているフォトマスク８は紫外線の空間分布、即ち光重合性材料の層の何処に紫外線が当たるかを制御する。フォトマスク８は、一つの表面上に透明な領域１４の境界を画成する不透明な領域１２を有する透明な基材１０から構成され、フォトマスク８に向けられた放射線が光重合性材料の希望の領域にのみ当たるようにするのを可能にする。図６ａに示されているように、フォトマスク８は、テーパー付き導波路のアレイの希望のパターンを構成する不透明な領域１２と透明な領域１４よりなる１つのパターンを有している。図６ａ中のパターンは多くの有用なパターンの一つであり、単に例示することを意図したものである。透明および不透明の領域の他の多くのパターンが本発明の範囲内で有用である。市場から入手できるフォトマスクが本発明で使用できる。
米国特許出願第０８／１４８，７９４号明細書に記載されている第１工程では、フォトマスク８は、図７に例示されているように、導波路基材２と実質的に接触させて置かれる。本明細書で用いられる“実質的な接触”という用語は、そのフォトマスク８と導波路基材２が本発明の方法の残りの工程の間は分離しないことを意味する。二つの基材間に実質的な接触を維持するための任意の既知の方法が本発明で用いることができる。例えば、イソプロパノール、メタノール若しくは水のような液体をフォトマスク８と導波路基材２の間に塗り、次いでゴムローラーを用いてフォトマスク８と導波路基材２を一緒に押し付けることができる。二つの基材間に実質的な接触を維持するための他の既知の方法に、機械的固定法、真空接触法、静的接触法および非接触若しくは近接印刷法、ソフトコンタクト印刷法、および走査を可能にするその他の方法がある。
第２工程では、実質的に均一な厚みの光重合性混合物が、その導波路基材が光重合性混合物とフォトマスクの間に位置するように導波路基材上に置かれる。ここで、その光重合性混合物は反応性単量体或いはそのような単量体の混合物および光開始剤或いはそのような光開始剤の混合物を含んでなり、そして光開始剤は、次に続く工程中に、その光重合性混合物の厚み方向に、実質的に平行光である紫外線の勾配を形成させるのに十分な量で存在する。基材の上に実質的に均一な厚みの光重合性材料を乗せるための任意の既知の方法が本発明の方法で用いることができる。本明細書で用いられる“実質的に均一な厚み”という用語は、その混合物の面積全体に亘って、厚みの変動が約１０パーセント以下、そしてより好ましくは厚みの変動が約５パーセント以下であることを意味する。後により詳細に説明されるように、この光重合性混合物の厚みは導波路の入力面からの最小横断距離によっても確認される、光重合したテーパー付き導波路の希望される最終の長さである。好ましくは、光重合したテーパー付き導波路の長さ、或いは光重合性混合物の厚みは約１から約４０００ミクロン、より好ましくは約１５から約１６００ミクロン、最も好ましくは約５０から約４００ミクロンである。
実質的に均一な厚みの光重合性材料を載せる方法に、スピン塗装、ローラー塗装、ドクターナイフによる塗装、スロットを用いるパッチ塗装（patch coating）、押出塗装等の方法がある。図８および９はもう一つの方法を例示説明するものである。スペーサ１６が導波路基材２の上に置かれる。このスペーサ１６の高さは光重合したテーパー付き導波路の希望の最終長さである。次いで、光重合性混合物１８が、導波路基材２が光重合性混合物１８とフォトマスク８の間に位置するように導波路基材２の上に載せられる。
光重合性材料１８は二つの基本構成成分を含んでなる。第１の基本構成成分は光重合性単量体、特に透明で固体の重合体材料を与えるエチレン系不飽和単量体である。好ましい固体重合体材料は約１．４５から約１．６５の間の屈折率を有するもので、これには市場から入手できるポリメタクリル酸メチル、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリスチレンおよびアクリレート或いはメタクリレート系単量体の光重合によって作られた重合体がある。さらに好ましい材料は約１．５０から約１．６０の間の屈折率を有するもので、これにはウレタンアクリレート類およびメタクリレート類、アクリル酸およびメタクリル酸のエステル類、エポキシアクリレート類およびメタクリレート類、（ポリ）エチレングリコールアクリレート類およびメタクリレート類、並びにビニル基含有有機単量体から構成されたアクリレート単量体混合物の光重合で形成された重合体がある。橋架け密度、粘度、接着性、硬化速度および屈折率などのようなこの組成物の性質を微調整するために、そしてこの組成物から製造される光高分子の変色性、亀裂発生性および剥離性を減らすために、その光重合性混合物に単量体の混合物を利用するのが有用である。
有用なより好ましい単量体の例に、メチルメタクリレート、ｎ−ブチルアクリレート（ＢＡ）、２−エチルヘキシルアクリレート（ＥＨＡ）、イソデシルアクリレート、２−ヒドロキシエチルアクリレート、２−ヒドロキシプロピルアクリレート、シクロヘキシルアクリレート（ＣＨＡ）、１，４−ブタンジオール・ジアクリレート、エトキシル化ビスフェノールＡ・ジアクリレート、ネオペンチルグリコール・ジアクリレート（ＮＰＧＤＡ）、ジエチレングリコール・ジアクリレート（ＤＥＧＤＡ）、ジエチレングリコール・ジメタクリレート（ＰＥＧＤＭＡ）、１，６−ヘキサンジオール・ジアクリレート（ＨＤＤＡ）、トリメチロールプロパン・トリアクリレート（ＴＭＰＴＡ）、ペンタエリトリトール・トリアクリレート（ＰＥＴＡ）、ペンタエリトリトール・テトラアクリレート（ＰＥＴＴＡ）、フェノキシエチルアクリレート（ＰＥＡ）、β−カルボキシエチルアクリレート（β−ＣＥＡ）、イソボルニルアクリレート（ＩＢＯＡ）、テトラヒドロフルフリルアクリレート（ＴＨＦＦＡ）、プロピレングリコール・モノアクリレート（ＭＰＰＧＡ）、２−（２−エトキシエトキシ）エチルアクリレート（ＥＯＥＯＥＡ）、Ｎ−ビニルピロリドン（ＮＶＰ）、１，６−ヘキサンジオール・ジメタクリレート（ＨＤＤＭＡ）、トリエチレングリコール・ジアクリレート（ＴＥＧＤＡ）或いは同ジメタクリレート（ＴＥＧＤＭＡ）、テトラエチレングリコール・ジアクリレート（ＴＴＥＧＤＡ）或いは同ジメタクリレート（ＴＴＥＧＤＭＡ）、ポリエチレングリコール・ジアクリレート（ＰＥＧＤＡ）或いは同ジメタクリレート（ＰＥＧＤＭＡ）、ジプロピレングリコール・ジアクリレート（ＤＰＧＤＡ）、ジプロピレングリコール・ジアクリレート（ＤＰＧＤＡ）、トリプロピレングリコール・ジアクリレート（ＴＰＧＤＡ）、エトキシル化ネオペンチルグリコール・ジアクリレート（ＮＰＥＯＧＤＡ）、プロポキシル化ネオペンチルグリコール・ジアクリレート（ＮＰＰＯＧＤＡ）、脂肪族ジアクリレート（ＡＤＡ）、アルコキシル化脂肪族ジアクリレート（ＡＡＤＡ）、脂肪族カーボネート・ジアクリレート（ＡＣＤＡ）、トリメチロールプロパン・トリメタクリレート（ＴＭＰＴＭＡ）、エトキシル化トリメチロールプロパン・トリアクリレート（ＴＭＰＥＯＴＡ）、プロポキシル化トリメチロールプロパン・トリアクリレート（ＴＭＰＰＯＴＡ）、グリセリルプロポキシル化・トリアクリレート（ＧＰＴＡ）、トリス（２−ヒドロキシエチル）イソシアヌレート・トリアクリレート（ＴＨＥＩＣＴＡ）、ジペンタエリトリトール・ペンタアクリレート（ＤＰＥＰＡ）、ジトリメチロールプロパン・テトラアクリレート（ＤＴＭＰＴＴＡ）およびアルコキシル化テトラアクリレート（ＡＴＴＡ）である。
特に有用なものは、その単量体の少くとも一つがジアクリレート或いはトリアクリレートのような多官能性単量体であり、これらは反応したフォトポリマーの内部で架橋網目を生じさせるからである。本発明の方法で使用するのに最も推奨される材料は、エトキシル化ビスフェノール−Ａジアクリレートおよびトリメチロールプロパン・トリアクリレートの光重合性混合物によって作られた橋架け重合体である。この最も好ましい材料の屈折率は約１．５３から約１．５６の範囲である。この透明な固体材料の屈折率は、導波路素子全体に亘って均一であることを不可欠なこととはしない。光条若しくは散乱粒子またはドメインのような屈折率に不均質性を存在せしめることは、これらの不均質性が導波路アレイの出口からの光の発散をさらに増加させる可能性があるので、利点となり得るものである。
この光重合性材料中の単量体の量は広い範囲で変えることができる。その単量体の量或いは単量体混合物の総量は、通常、光重合性材料の約６０から約９９．８重量パーセントであり、好ましくは光重合性材料の約８０から約９９重量パーセントであり、そしてより好ましくは光重合性材料の約８５から約９９重量パーセントである。
この重合性材料１８は、もう一つの基本成分として化学線照射で活性化されて、その単量体を光重合させる活性化された種を生成する光開始剤を含んでいる。この光開始剤系は光開始剤と、好ましくは、例えば近紫外領域、およびレーザーが励起し、そして多くの通常の光学材料が透過性である可視スペクトル領域も利用できる領域にまでスペクトル応答を拡げる常用の増感剤を含んでいる。通常、この光開始剤は、化学線で活性化され、室温および室温以下（例えば、約２０から約２５℃）では、望ましくは熱的に不活性である遊離ラジカル生成付加重合性の開始剤である。
かかる開始剤の実例は米国特許第４，９４３，１１２号明細書およびその中で引用されている文献に記載されている開始剤である。好ましい遊離ラジカル開始剤は、１−ヒドロキシ−シクロヘキシル−フェニルケトン［イルガキュア（Irgacure）１８４］、ベンゾイン、ベンゾインエチルエーテル、ベンゾイン・イソプロピルエーテル、ベンゾフェノン、ベンジジメチル・ケタール（イルガキュア６５１）、α、α−ジエチルオキシ・アセトフェノン、α，α−ジメチルオキシ−α−ヒドロキシアセトフェノン［ダロキュア（Darocur）１１７３］、１−［４−（２−ヒドロキシエトキシ）フェニル］−２−ヒドロキシ−２−メチル−プロパン−１−オン（ダロキュア２９５９）、２−メチル−１−［４−（メチルチオ）フェニル］−２−モルホリノ−プロパン−１−オン（イルガキュア９０７）、２−ベンジル−２−ジメチルアミノ−１−（４−モルホリノフェニル）−ブタン−１−オン（イルガキュア３６９）、ポリ｛１−［４−（１−メチルビニル）フェニル］−２−ヒドロキシ−２−メチル−プロパン−１−オン｝［エサキュア（Esacure）ＫＩＰ］、［４−（４−メチルフェニルチオ）−フェニル］フェニルメタノン［クヮンタキュア（Quantacure）ＢＭＳ］、ジ−カンファーキノン、および５０％１−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトンと５０％ベンゾフェノン（イルガキュア５００）である。
より好ましい光開始剤に、ベンジジメチル・ケタール（イルガキュア６５１）、α、α−ジエチルオキシ・アセトフェノン、α、α−ジメチルオキシ−α−ヒドロキシアセトフェノン（ダロキュア１１７３）、１−ヒドロキシ−シクロヘキシル−フェニルケトン（イルガキュア１８４）、１−［４−（２−ヒドロキシエトキシ）フェニル］−２−ヒドロキシ−２−メチル−プロパン−１−オン（ダロキュアー２９５９）、２−メチル−１−［４−（メチルチオ）フェニル］−２−モルホリノ−プロパン−１−オン（イルガキュア９０７）、２−ベンジル−２−ジメチルアミノ−１−（４−モルホリノフェニル）−ブタン−１−オン（イルガキュア３６９）、および５０％１−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトンと５０％ベンゾフェノン（イルガキュア５００）がある。最も好ましい光開始剤は、光を照射した時黄変する傾向がなく、しかしてその組成物の着色がＡＳＴＭ Ｄ１５４４−８０に従って求めた、１９０℃の温度に２４時間露光した時のガードナー・スケールの値で８点以上にならない開始剤である。このような光開始剤に、ベンジジメチル・ケタール（イルガキュア６５１）、α、α−ジメチルオキシ−α−ヒドロキシアセトフェノン（ダロキュア１１７３）、１−ヒドロキシ−シクロヘキシル−フェニルケトン（イルガキュア１８４］、１−［４−（２−ヒドロキシエトキシ）フェニル］−２−ヒドロキシ−２−メチル−プロパン−１−オン（ダロキュアー２９５９）、および５０％１−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトンと５０％ベンゾフェノン（イルガキュア５００）がある。
引き続く工程の間に光重合性混合物１８の厚みを通して実質的に平行な紫外線の勾配を形成させるために存在しなければならない光開始剤の量は、その光重合性材料の総重量基準で約０．１から約１２重量パーセントである。光開始剤の量は、好ましくは光重合性材料の総重量基準で約０．５から約１２重量パーセント、より好ましくは同基準で０．５から約８重量パーセントである。望まれる勾配は、その開始剤の濃度によってだけでなく、露光光源中に存在する照射波長をどう選択するかにも依存することが分かっているが、これらはこの技術分野の習熟者によって調節され得るものである。
これら基本構成成分に加えて、光重合性材料は安定剤、禁止剤、可塑剤、光学的光沢剤、離型剤、連鎖移動剤、他の光重合性単量体等のような各種の追加成分を含んでいてもよい。
光重合性材料は、ＡＳＴＭ Ｄ４５３８−９０Ａで決められている、空気中、１９０℃で２４時間加熱劣化させた後のひび割れと剥離、そしてそのような熱劣化後の黄変（ＡＳＴＭ Ｄ１５４４−８０に従って求めたガードナー・カラー・スケールで８以上の着色）のような性質の劣化をもたらす分解を防ぐか、若しくは減らすための安定剤を含んでいるのが好ましい。かかる安定剤に紫外線吸収剤、光安定剤および酸化防止剤がある。
紫外線吸収剤に、２−［２−ヒドロキシ−３，５−ジ（１，１−ジメチルベンジル）フェニル］−２−Ｈ−ベンゾトリアゾール［チヌビン（Ｔｉｎｕｖｉｎ）９００］、ポリ（オキシ−１，２−エタンジイール）、α−（３−（３−（２Ｈ−ベンゾトリアゾール−２−イール）−５−（１，１−ジメチルエチル）−４−ヒドロキシフェニル）−１−オキシプロピル）−ω−ヒドロキシ（チヌビン１１３０）および２−［２−ヒドロキシ−３，５−ジ（１，１−ジメチルプロピル）フェニル］−２−Ｈ−ベンゾトリアゾール（チヌビン２３８）のようなヒドロキシフェニルベンゾトリアゾール、および４−メトキシ−２−ヒドロキシベンゾフェノンや４−ｎ−オクトキシ−２−ヒドロキシベンゾフェノンのようなヒドロキシベンゾフェノン類がある。光安定剤には、４−ヒドロキシ−２，２，６，６−テトラメチルピペリジン、４−ヒドロキシ−１，２，２，６，６−ペンタメチルピペリジン、４−ベンゾイルオキシ−２，２，６，６−テトラメチルピペリジン、ビス（２，２，６，６−テトラメチル−４−ピペリジニル）セバケート（チヌビン７７０）、ビス（１，２，２，６，６−ペンタメチル−４−ピペリジニル）セバケート（チヌビン２９２）、ビス（１，２，２，６，６−ペンタメチル−４−ピペリジニル）−２−ｎ−ブチル−２−（３，５−ジ−ｔ−ブチル−４−ヒドロキシベンジル）マロネート（チヌビン１４４）、およびコハク酸とＮ−β−ヒドロキシ−エチル−２，２，６，６−テトラメチル−４−ヒドロキシ−ピペリジニンとからのポリエステル（チヌビン６２２）のようなヒンダードアミン類である。酸化防止剤には、１，３，５−トリメチル−２，４，６−トリス（３，５−ジ−ｔ−ブチル）−４−ヒドロキシベンジル）ベンゼン、１，１，３−トリス−（２−メチル−４−ヒドロキシ−５−ｔ−ブチルフェニル）ブタン、４，４′−ブチリデン−ビス−（６−ｔ−ブチル−３−メチル）フェノール、４，４′−チオビス−（６−ｔ−ブチル−３−メチル）フェノール、トリス−（３，５−ジ−ｔ−ブチル−４−ヒドロキシベンジル）イソシアヌレート、セチル−３，５−ジ−ｔ−ブチル−４−ヒドロキシベンゼン［シアソーブ（Cyasorb）ＵＶ２９０８］、３，５−ジ−ｔ−ブチル−４−ヒドロキシ安息香酸、１，３，５−トリス−（ｔ−ブチル−３−ヒドロキシ−２，６−ジメチルベンジル）（シアソーブ１７９０）、ステアリル−３−（３，５−ジ−ｔ−ブチル−４−ヒドロキシフェニル）プロピオネート［イルガノックス（Irganox）１０７６］、ペンタエリトリトール・テトラキス−（３，５−ジ−ｔ−ブチル−４−ヒドロキシフェニル）（イルガノックス１０１０）およびチオジエチレン−ビス−（３，５−ジ−ｔ−ブチル−４−ヒドロキシ）ヒドロシンナメート（イルガノックス１０３５）のような置換フェノール類がある。
本発明で用いられる好ましい安定剤は酸化防止剤である。好ましい酸化防止剤は、１，３，５−トリメチル−２，４，６−トリス（３，５−ジ−ｔ−ブチル）−４−ヒドロキシベンジル）ベンゼン、１，１，３−トリス−（２−メチル−４−ヒドロキシ−５−ｔ−ブチルフェニル）ブタン、４，４'−ブチリデン−ビス−（６−ｔ−ブチル−３−メチル）フェノール、４，４'−チオビス−（６−ｔ−ブチル−３−メチル）フェノール、トリス−（３，５−ジ−ｔ−ブチル−４−ヒドロキシベンジル）イソシアヌレート、セチル−３，５−ジ−ｔ−ブチル−４−ヒドロキシベンゼン（シアソーブＵＶ２９０８）、３，５−ジ−ｔ−ブチル−４−ヒドロキシ安息香酸、１，３，５−トリス−（ｔ−ブチル−３−ヒドロキシ−２，６−ジメチルベンジル）（シアソーブ１７９０）、ステアリル−３−（３，５−ジ−ｔ−ブチル−４−ヒドロキシフェニル）プロピオネート（イルガノックス１０７６）、ペンタエリトリトール・テトラキス−（３，５−ジ−ｔ−ブチル−４−ヒドロキシフェニル）（イルガノックス１０１０）およびチオジエチレン−ビス−（３，５−ジ−ｔ−ブチル−４−ヒドロキシ）ヒドロシンナメート（イルガノックス１０３５）のような置換フェノール類から選ばれる。最も好ましい安定剤に、ペンタエリトリトール・テトラキス−（３，５−ジ−ｔ−ブチル−４−ヒドロキシフェニル）（イルガノックス１０１０）、チオジエチレン−ビス−（３，５−ジ−ｔ−ブチル−４−ヒドロキシ）ヒドロシンナメート（イルガノックス１０３５）およびステアリル−３−（３，５−ジ−ｔ−ブチル−４−ヒドロキシフェニル）プロピオネート（イルガノックス１０７６）がある。
組成物中の安定剤の量は広い範囲で変えることができるが、通常は光重合性材料の約０．１から約１０重量パーセントである。安定剤の量は、好ましくは光重合性材料の約０．１から約５重量パーセント、そしてより好ましくは光重合性材料の約０．２から約３重量パーセントである。
次いで、図９に例示されるように、カバープレート２０を光重合性混合物１８の上に置き、それがスペーサ１６と接触するまで押し下げられる。カバープレート２０はカバー基材２２と離型層２４から構成される。カバー基材２２はガラス、石英、溶融シリカ、重合体シート或いは金属シートのような任意の材料から作ることができる。離型層２４はテフロンＡＦ^▲Ｒ▼のようなフッ素化重合体、ポリシシロキサン、若しくはポリエチレンテレフタレートなどの未処理の重合体フィルムであることができる。
本発明の方法のもう一つの態様では、導波路基材２が用いられず、光重合性材料１８がフォトマスク８（示されていない）の上に直接置かれる。
本発明の両態様の次の工程では、光重合性混合物を実質的に平行光である紫外線に対して実質的に動かないように保持しながら、その光重合性混合物を、フォトマスクの透明な領域を通して、実質的に平行光である紫外線に、テーパー付き光重合導波路のアレイを形成させるのに十分な時間露光させる。この場合、（ｉ）その導波路の各々の細くなった端は基材若しくはフォトマスクから外側に延びており、（ｉｉ）その導波路の各々は基材若しくはフォトマスクに接した光入力面と、その光入力面から遠位に光出力面を有し、そして（ｉｉｉ）その導波路の各々の光入力面の面積はその光出力面の面積より大きくなっている。図９のアセンブリーは、次いで、図１０に例示されるように、実質的に平行光である化学線２６に露光される。本明細書で用いられる“実質的に平行光である”という用語は光源を出る光が露光される系の光学軸から１０度以上逸れないことを意味する。
光重合性材料は所要の波長と強さの化学線に所要時間露光される。本明細書で用いられる“化学線（actinic radiation）”とは、可視、紫外若しくは赤外スペクトル領域の光と、さらには電子ビーム、イオンまたは中性子ビーム若しくはＸ線と定義されるものである。化学線は非コヒーレント光であっても、或いは例えばレーザからの光のようなコヒーレント光であってもよい。
化学線の光源並びに露光方法、時間、波長および強さは、希望の重合度、フォトポリマーの屈折率、およびこの技術分野の普通の習熟者に知られている他のファクターに依存して広い範囲で変えることができる。このような常用の光重合法および操作パラメーターはこの技術分野で良く知られている。例えば、以下の文献を参照されたい：Ｓ．Ｐ．パーパス（S.P. Pappas）編・“放射線硬化：科学と技術（Radiation Curing : Science and Technology）”、プレナム プレス社（Plenum Press）、ニューヨーク（New York），ニューヨーク州（NY）；Ｄ．Ｒ．ランデル（D.R. Randell）編・“重合体の放射線硬化（Radiation Curing of Polymers）II”、ロイヤル・ソサイアティー オブ ケミストリー（Royal Society of Chemistry）、ケンブリッジ（Cambridge）、マサチューセッツ州（Mass）；およびＣ．Ｅ．ホイル（C.E. Hoyle）およびＪ．Ｆ．クリストル（J.F. Kristle）編・“高分子材料の放射線硬化（Radiation Curing of Polymeric Materials）”、米国化学会（American Chemical Society）。従って、本明細書では重合法と操作を詳しくは説明しない。
化学線源とその化学線の波長は広い範囲で変えることができ、そして任意、常用の波長と光源が用い得る。その光化学的励起は、加工される前に、普通に出会う放射線（例えば、室内光）の露光では、その重合性材料が早期に重合しないように比較的短い波長（または高いエネルギー）で行われるのが好ましい。かくして、紫外線（波長３００〜４００ｎｍ）への露光、および深紫外線（波長１９０〜３００ｎｍ）による露光が推奨される。便利な光源は、加工に望ましい波長を選別するのに適した光学フィルターを取り付けた高圧キセノンまたは水銀−キセノン・アークランプである。また、短波長のコヒーレント放射線も本発明の実施に有用である。３５０ｎｍ近傍の幾つかの波長で“ＵＶ”モードで操作されるアルゴンイオン・レーザも望ましい。また、波長２５７ｎｍ近傍の出力を有する周波数二倍化アルゴンイオン・レーザも望ましい。電子ビーム若しくはイオンビームによる励起も用いることができる。最も好ましい化学線は水銀、キセノン若しくは水銀−キセノン・ランプによって発生させられるような３５０−４００ｎｍ領域の紫外線である。
実質的に平行光である化学線２６はフォトマスク８の透明な領域１４を通り抜けて、図１０に例示されるように、フォトマスク８の透明な領域１４と同一線上に並んでいる、光重合性混合物１８の露光された領域２８で光重合を誘起する。フォトマスク８の不透明な領域１２によって、実質的に平行光である化学線２６から遮蔽されている光重合性混合物１８の領域では、光反応が起きないか、場合によっては、極く限られた光反応しか起きない。
露光された領域２８が適切な先細の形状を有するためには、光重合性混合物１８の、紫外線のその波長における吸光度が、化学線照射中にそのフィルムに化学線強度の勾配が確立されるのに十分な程大きくなければならない。即ち、光反応の開始を誘起するのに光重合性混合物１８中で利用できる化学線の量は、光重合性混合物１８の吸光度が有限であるために、フォトマスク８側からカバープレート２０側に向かって減少する。この化学線の勾配が、光重合性混合物１８の厚みを横断して起きる光重合反応の量に勾配を生じさせ、その結果現像で発現する導波路はユニークなテーパー付き幾何学的形状の構造になり、その幾何学的形状は本発明の方法で容易に得られる。
光重合性混合物１８の厚みを横断して起きる光重合反応の量におけるこの勾配は、さらに、その光重合性混合物１８中に溶けた酸素ガスの存在によって影響されることもある。このような酸素は、光重合過程で生成する遊離ラジカルによって全ての酸素が消費された領域中を除いて、光重合反応を抑えたり停止させたりする作用をする。光重合反応の進行中における溶存酸素ガスのこのような作用は、この技術分野の習熟者にはよく知られているものである。さらにまた、このフォトポリマー構造体に必要な幾何学的形状は、自己−集光過程によりさらに影響を受けることもあり得る。即ち、フォトマスク８に最も近い光重合性混合物１８の表面に当たった光は、その表面で光重合を開始させ、そしてその固体化した重合体材料の屈折率はその液状単量体の屈折率より大きいので、その重合体材料はその中を通る光を屈折させる作用をする。このようにして、その層のカバープレート側により近い光重合性混合物に当たる光による架空画像（aerial image）は、そのフォトマスクにより近く位置している既に重合した材料によって引き起こされる屈折によって変えられる。この効果は、得られる重合構造体が、それに結像光（imaging light）が向かって行くフォトマスク側からカバープレート２０側に向かって細くなる原因になる。
本発明の方法の両態様の最終工程で、その露光工程中に、実質的に平行光である放射線に露光されなかった光重合性混合物が除去される。フォトマスク８、スペーサ１６、および離型層２４を持つカバープレート２０は図１１に例示されるように除去される。未反応の単量体は、図１２に例示したように、容器３２の中でアセトン、メタノール或いはイソプロパノールのような適した溶剤で洗い流され、導波路基材２の上に光重合した領域２８のパターンを残す。洗滌の方法はこの技術分野の習熟者にはよく知られており、それには溶媒の浴への浸漬法、溶媒カーテン法、スプレー・ジェット法、インジェクター・ジェット法、その他の既知の方法がある。選ばれた単量体によっては、水系の溶媒を使用することも可能である。本発明の第１の態様における、その残った最終構造物は、図１３に例示されるように、導波路基材２上の光重合した領域２８から成る。開示された方法の他の態様では、図１３ａに例示されるように、フォトマスク８上に光重合した領域２８のパターンが残る。テーパーの付いた光重合した導波路２８のアレイを含むこの最終構造物は、場合によっては、そのフォトポリマー材料を更に硬化させるために、図１４に例示したように紫外線３４で、現像後大量露光させることもできる。
工業的なバッチ式製造ラインでは、フォトマスクと基材（若し用いるなら）とはそれらを第１ステーションで接触させてることができる。次いで、このアセンブリーは平行紫外線光源が置かれている第２ステーションに進められる。光重合性混合物は基材若しくはフォトマスクの上に置かれ、そしてフォトマスクの透明領域を通して実質的に平行光である化学線に露光される。その露光されたアセンブリは、次いで、第３ステーションに進められ、そこでフォトマスクと未露光の光重合性混合物が除去される。
工業的な連続式製造ラインでは、光重合性混合物は可撓性基材と可撓性カバープレート（示されていない）との間に押し出すことができる。このアセンブリーは、次いで、二つのローラー間を進むが、その内の一方のローラーは不透明な領域と透明な領域とを有するフォトマスクと、そのローラー内に入れられた化学線源を含んでいる。次いで、その光重合性混合物はフォトマスクの透明な領域を通して実質的に平行光である化学線に露光される。次いで、カバープレートがその露光されたアセンブリーから外され、そしてこの露光されたアセンブリーはもう一つのローラーの回りを進みながら溶媒の浴の中を通って未露光混合物が除去される。
本発明の方法は、米国特許出願第０８／１４８，７９４号明細書に示されるような方法を含んでなるが、光重合反応によりテーパー付き導波路素子を作るために用いられるフォトマスクに追加の構造を含んでいる。このような構造は、テーパーの付いた光導波路の入力面に対応するフォトマスクの透過性領域内の追加の不透明な領域によって代表される。これらの追加の不透明な構造の数は１から約１００で、面積は全部で、そのフォトマスクの各透過性領域の面積の２０パーセント未満である。追加の不透明な構造の形状は広い範囲で変えることができ、これには正方形、長方形、円形、楕円形、十字形およびダイヤモンド形がある。各透過性領域に一つより多い追加の不透明な構造が追加される場合、このような構造が全部同じ面積で同じ形状であってもよいし、また同じ面積の構造が異なる形状を持っていてもよいし、或いは異なる面積の構造が全て同じ形状を有していてもよいし、或いはまた各構造が同じ透過性領域内の全ての他の構造と面積と形状が共に異なっていてもよい。本発明の様々な態様に対応している本発明の方法で有用な異なるタイプのフォトマスクのパターンの幾つかが図１５に示されている。各場合、そのフォトマスクのパターンは米国特許出願第０８／１４８，７９４号明細書に示されるような、個々の透過性領域１１４を隔てる不透明な実線１１２から構成される。本発明の方法では、各透過性領域内に少くとも一つの不透明な構造１１６が追加されている。図１５ａから１５ｌは、本発明の方法の範囲で有用な不透明な構造の数、大きさおよび形状の変形の幾つかを示している。この例は、本発明の範囲内にある多様なデザインの全てを包括していることを意味するものではなく、有用であるデザインの多様性を示すのに役立てるためのものである。この技術を実施している人々には、不透明な領域の他の多くのデザインは自明であろう。
本発明の方法における不透明な構造１１６の機能は、不透明な構造１１６の陰になる反応性単量体混合物のその部分の重合を遅延させることである。紫外線（ＵＶ）は、反応性単量体混合物の層が着いている薄い透明な基材に接しているそのようなフォトマスクを透過する時、その紫外線が光開始剤分子により吸収される領域内の単量体中で急速な光重合反応を開始させる。そのフォトマスク上の不透明な領域の陰の中にある単量体層の領域は殆ど紫外線を受けず、非常にゆっくり重合する。これらの領域は、結局は、これら領域に屈折して来た光により、そして液の拡散によりこれら領域に移動して来る成長している遊離ラジカル鎖によって重合する。しかし、不透明な構造１１６の領域における光重合の遅延は、照射領域と非照射領域との間で単量体が拡散する過程を可能にし、両領域が固体の重合体に変換されると、この二つの領域に屈折率の差が生じることになる。そのようにして生成する屈折率の差の大きさは、主として、単量体混合物の構成とその中の単量体の相対的屈折率と拡散速度に依存する。得られる屈折率の差は、成分単量体の屈折率が異なる単量体の混合物の場合に最も大きくなる。一つの推奨される単量体混合物は、二つの単量体の可視光領域での屈折率が実質的に異なるような一種の脂肪族アクリレートおよび一種の芳香族アクリレートと少くとも一種の光開始剤とのブレンドから成る。特に推奨されるものは、トリメチロールプロパン・トリアクリレートおよびエトキシル化ビスフェノールＡジアクリレートと、紫外線を照射した時に光重合を開始する能力のある少くとも一種の光開始剤との混合物である。単量体混合物を構成する成分、それら単量体の官能性によって決まる光重合の速度、存在する光開始剤の量およびＵＶ光源の強さ、さらにまたフォトマスク上の不透明領域の大きさ、数および形状が全て組み合わされて、不透明領域の陰になっている領域中にもたらされる屈折率の変化の段差度（abruptness）が決められる。得られるこの屈折率の差は、封入体が図２におけるように不連続な境界を有する実態として現れる場合には明瞭に境界が見られるが、封入体が図３におけるようにそのテーパー付き光導波路の断面における屈折率の勾配から構成されている場合では、屈折率の差は非常に漸進的である。どちらの場合も、この屈折率封入テーパー付き光導波路は、それらを集めて一つのアレイにした時、それらがＴＩＲによる光の伝播のために必要な側壁を所有し、そしてその光学アレイの直視を要求する光学的用途に使用するために個々の導波路間に吸光性材料を添加するのに十分な空隙容積が確保できるように、個別の実体を保持していることが基本的に重要である。かくして、そのようなアレイが本発明の推奨される方法で作られる場合、そのような封入体を隣接導波路間の間隙領域、即ちフォトマスク上の直線の下に当たる領域が重合されるようになる前に生成できるようにするためには、それら封入体は総面積で限定されなければならない。この理由から、本発明の推奨される方法を用いる場合、そのような不透明領域は、全部で、フォトマスク上の各透明な領域の面積の２０パーセント未満の面積をカバーする。しかし、フォトマスク上の不透明な性質の領域に対するこの制限は、光導波路内の封入体の体積に対する制限を意味しない。その単量体系の拡散性に因り、この封入体により占有される体積はそのテーパー付き光導波路の体積の１００パーセント以下であることができる。例えば図３で、その封入体により占有される体積は導波路の体積の大体半分である。
図１６は、入力面９２に平行な面内での光導波路９０の断面の形状が、その入力面９２から出力面９４まで光学軸に沿って一定となってはいない本発明のもう一つの態様を示すものである。光導波路９０の断面はその入力面９２の近くでは長方形であるが、その出力面９４では８−点星状（eight-pointed star）になっている。断面形状のこのような予想外の変化は、本発明の好ましい方法によるこのようなテーパー付き光導波路９０の生成時における封入体構造９８の存在に起因する。即ち、光導波路の入力面に対応するフォトマスクの透過性領域に追加の不透明構造１１６が追加されると、それらはそのテーパー付き光導波路素子の重合中に屈折率封入体を生成させる。この屈折率封入体は光重合が始まると直ぐに生成し始めるから、そのテーパー付き光導波路が生成している途中でさえもその中を通る光線を屈折し、得られる光導波路の断面形状を変えることができるのである。光学軸に沿って得られる導波路の断面形状を変える本発明の好ましい方法のこの能力は予想外のものであり、同時に予測することが困難なものである。断面形状におけるこのような変化は、屈折率封入テーパー付き光導波路を創る時にフォトマスク上で用いた不透明構造１１６の形状、大きさおよび数に依存して異なる。
図１６は、また、封入体９８が入力面９２と出力面９４が一致する連続構造をしている本発明のさらなる態様を示すものである。
本発明の屈折率封入テーパー付き光導波路が、本発明の好ましい方法によってそのような導波路のアレイに成形される時、得られるアレイは米国特許出願第０８／０８６，４１４号明細書に記載されているアレイに比べて、二つの重要な改善点を示す。第１は、米国特許出願第０８／０８６，４１４号明細書に記載されているような殆ど平行な光を出す光源からの光が用いられる場合、そのアレイの角光出力は分布がより一層均一なことである。即ち、その角分布は、光線が内部屈折率封入構造を通り抜ける時に追加して屈折若しくは曲げられるので、テーパー付き導波路の側壁での光の反射によって得られる不連続な角分布から平らな分布にされる。かくして、本発明の光導波路の入力面に同じ角度で入り、そしてその導波路の側壁で同じ回数反射される二つの光線は、依然として、各光線が封入体を通る時の経路が異なることに因り、等しくない出光角でその導波路の出力面を（視野に向かって）出ることができる。このような光線の関係は、図１７ａに示されており、ここでは封入体を含まないテーパー付き導波路４０を通る光線の経路は同じ角度で出て行き、一方図１７ｂは封入体５８を含むテーパー付き導波路５０を通る光線の経路を示している。米国特許第３，２７９，３１４号明細書でミラーは、高度に平行化された光源と“先細のラグ”（tapered lugs）のアレイとの相互作用で得られるそのような不連続な角出力は、“ホットスポット”と呼ばれる高輝度の領域と低輝度の領域および視野面内でのコントラストの減少をもたらすので、そのアレイの視覚特性に有害であると教示している。ミラーは、この個々の先細素子のチップを粗面化すると追加の散乱が起こり、この問題が軽減されることを示唆していた。しかし、このような素子或いは複数の素子のアレイに散乱を導入すると、望ましいくない光の損失が追加され、室内光の後方散乱が増し、しかして視る者には見掛けの画像のコントラストが減少する。対照的に、本発明の方法と光導波路は、視野スクリーン用アレイとして用いた場合、散乱損失を生じることなしに、または室内光中での視野のコントラストを下げることなしに、そのような不均一度を除去することが十分可能である。
屈折率封入テーパー付き光導波路のアレイによって発揮される第２の重要な改善点は、そのアレイを含んでなる視野スクリーンでの、視る者のための画像面（若しくは焦点面）の鮮鋭度（definition）が増加することである。このようなディスプレイの視野スクリーンは視る者の眼のための画像面であることが極めて望ましい。即ち、視る者の眼が焦点を結ぶ場所は、そのデスプレイの内部の素子上ではなく、そのデスプレイの前面である。屈折率封入体がテーパー付き光導波路内に存在しないと、そのデスプレイを通って出て来る光線の一定部分がその導波路の側壁で如何なる反射もされない。その光のその部分に対しては、眼は、バックライト構造のようなデスプレイの内部構造の上に焦点を当てるので、視ている像に望ましくない不均一性をもたらす。テーパー付き光導波路が屈折率封入体を含んでいる場合、反射若しくは屈折されずに通り抜ける光線の数は非常に減少し、これらの望ましくない不均一さが減るか、或いは無くなる。この理由で、屈折率封入体テーパー付き光導波路のアレイは、そのデスプレイの画像面を画成する能力が非常に優れている。さもなければテーパー付き導波路の側壁で反射されないであろう光線の光路が図１８ａに示されている。図１８ａにおいて、封入体を有しないテーパー付き導波路４０は、側壁に接触しない光線の経路を認められる程には変えない。図１８ｂにおいては、内部屈折率封入体はそのような光線を屈折したり、曲げることができる。さもなければ、側壁と接触することなくその導波路を通り抜ける一部の光が、そのような側壁反射を受けるように屈折されることに留意されたい。その光線は封入体により屈折されるから、屈折率封入テーパー付き光導波路を含んでなる視野スクリーンは、視る者の眼が視野スクリーンを通してそのデスプレイの内部の他の素子に焦点を合わすのを防ぐ。さらに、その光線は散乱されるのではなく、屈折されるから、その光は、依然として、多量の散乱が加わることに関連する室内光の損失或いは有害な後方散乱なしに、その視野スクリーンを通して効率よく伝送される。
実施例
テーパー付き導波路の非−結像性光学的性質は、非−連続光線追跡計算機プログラムを用いてシミュレーションできる。図１９〜２１に、様々なテーパー付き導波路について、その導波路の入力面全体にランダムに分布し、その入力角が−１０〜＋１０度の範囲でランダムに分布している１００，０００の光線が入力すると仮定した場合の出力分布を示している。図１９は、図１に示したような封入体を含まない、屈折率が１．５５のテーパー付き導波路での光線の出力分布を示している。図２０は、図１６に示したものと同様の、屈折率が１．５５で、そして屈折率が１．５８の封入体構造を含むテーパー付き導波路での光線の出力分布を示している。図２１は、同様に、図１６に例示したものと同様の、屈折率が１．５５で、そして屈折率が１．５３の封入体を含むテーパー付き導波路での光線の出力分布を示している。
図２２〜２４に、様々なテーパー付き導波路について、その導波路の入力面全体にランダムに分布し、そしてその入力角が−２０〜＋２０度の範囲でランダムに分布している１００，０００の光線が入力すると仮定した場合の出力分布が示される。図２２は、図１に示したような封入体を含まないで、屈折率が１．５５のテーパー付き導波路での光線の出力分布を示している。図２３は、図１６に示したものと同様の、屈折率が１．５５で、そして屈折率が１．５８の封入体構造を含むテーパー付き導波路での光線の出力分布を示している。図２４は、同様に、図１６に示したものと同様の、屈折率が１．５５で、そして屈折率が１．５３の封入体を含むテーパー付き導波路での光線の出力分布を示している。

Claims (8)

1. 屈折率ｎ₁を有する材料を含んでなり、かつ屈折率ｎ₀（ｎ₀＜ｎ₁）を有する媒体によって取り囲まれている光伝送用光導波路であって、該光導波路がさらに、
   ａ）光の分布（light distribution）を受ける入力面；
   ｂ）該入力面から遠位にある出力面；および
   ｃ）それぞれ屈折率ｎ₂を有する複数の封入体（ｎ₂はｎ₁と等しくなく、かつ該封入体は該光導波路によって実質的に取り囲まれている）；
   を含んでなり、
   該入力面の面積が該出力面の面積より大きく、そのため該出力面から出る光の角分布が該入力面に入る光の角分布より大きくなり、
   該封入体が該導波路を通じて光の伝送を向けなおすよう働く、
   該光導波路。
2. ｎ₁＞ｎ₂である、請求の範囲第１項に記載の光導波路。
3. ｎ₁＜ｎ₂である、請求の範囲第１項に記載の光導波路。
4. 光導波路が屈折率ｎ₀を有する間隙領域により隔てられており、そしてｎ₀＜ｎ₁である、請求の範囲第１項に記載の光導波路のアレイ。
5. 間隙領域の全部若しくは一部が光学的に吸収性の材料を含んでいる、請求の範囲第４項に記載のアレイ。
6. 少くとも一つの封入体が均一でない屈折率を有する、請求の範囲第１項に記載の光導波路。
7. 封入体が入力面から出力面まで連続している、請求の範囲第１項に記載の光導波路。
8. 素子の形状が、完全であってもよいし、或いは先端部が切られていてもよい直円錐、直楕円錐、直正角錐および直長角錐より成る群から選ばれる、請求の範囲第１項に記載の光導波路。

Images