JP4410862B2 - 光プレート - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバフェイスプレート一般に関し、より詳細にはフォトフォームグラスがエッチングされそしてエッチングされた部分が溶融低屈折率ガラス、プラスティックまたは有色マトリックス材で充填されて光ファイバフェイスプレート均等物が製造される方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバフェイスプレート（ＦＯＦＰ）は、シルバーシュタイン（Silverstein）らによる１９９４年３月２１日に出願された米国特許第５,４４２,４６７号に開示されているような液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）を製造するために有益である。米国特許第５,４４２,４６７号は、バックライトソースと、後方拡散層と、後方偏光子と、アドレス指定素子およびインジウムすず酸化物（ＩＴＯ）透明画素電極を備えた後方ガラス層、上下面を有するＬＣ層、並びに、ＬＣ（液晶）層の上面と直接接触する位置に配置されたＬＣセルの前方含有素子としての前方ＦＯＦＰを含むＬＣセルと、ＦＯＦＰの前面に積層されるかまたは別体であるが隣接した基板上に配置されたカラー吸収フィルタのモザイクアレイと、前方偏光子またはアナライザとを備えた直視型後方照射ＬＣＤ装置を開示している。代替的には、前方偏光子またはアナライザは、薄膜材から構成されて、ＬＣ層の上面または光出射面とＦＯＦＰの下面または光入射面との間に配置されてよい。
【０００３】
ＦＯＦＰは光ファイバのアレイを備えており、これら光ファイバは間隙クラッディング材とともに溶融されてその後所望の厚みに切断および研磨されてプレートを形成する。光学的特性の異なるＦＯＦＰを生成することは、周知の技術である。光ファイバは、設計された入力または許容角度で入射した全内部反射光を透過するとともに、それよりも大きい角度で入射した光を拒絶または吸収するように設計されている。ＦＯＦＰの入口面からファイバに入射した光は、高開口数（ＮＡ）ＦＯＦＰおよび／または低屈折率（例えば空気）の境界との結合を用いて、大きな許容角度θmaxINにわたって収集される。ＦＯＦＰの出口面の光ファイバから出射する光は、再度高ＮＡおよび／または低屈折率境界との最後の結合を用いて、比較的大きな角度θmaxOUTにわたって拡散または出射するようにされる。低ＮＡおよび／または比較的高屈折率材（例えば、プラスティック、ポリイミドまたは光学ガラス）との結合を備えたＦＯＦＰは、ＦＯＦＰの出口面の光出射角度θmaxOUT、および、ＦＯＦＰの入口面の光入射許容角度θmaxINをそれぞれ制限する。
【０００４】
これらの関係が一般的な光ファイバ１０について図１に示されている。基準線Ｎから測定された角度θmaxで定義された受光コーン２０内で光ファイバ１０に入った光ビーム１６は、光ファイバ１０のコア１２内において全内部反射されて、本質的に損失を生じることなく光ファイバ１０の伸延方向に伝播していく。基準線Ｎは、光ファイバ１０の入口面３０および出口面３２に垂直である。もし、入口面３０および出口面３２の表面（Ｎ0）における光ファイバ１０を取りまく材料の相対屈折率が同じであれば、光ビーム１６は入射したのと同じ角度、ここではθmax、で光ファイバ１０を出る。角度θmaxで定義された受光コーン２０の外側から光ファイバ１０に入った光ビーム１８は、光ファイバ１０の伸延方向に沿って完全にはガイドされず、光ファイバ１０から隣接するクラッディング材１４内にリークする。つまり、光ビーム１６はガイドされた光ビームであるのに対して、光ビーム１８は非ガイド光ビームである。非ガイドまたは部分ガイド光ビームはクラッディング材１４を通過して光ファイバ束または溶融フェイスプレート内の他のファイバに入ることがある。しかしながら、非ガイドまたは部分ガイド光ビームは通常これらのファイバからもリークしてファイバ束またはフェイスプレートを横切り続ける。
【０００５】
図２および３は、光ファイバ１０の開口数を変更することによる効果を示している。図２は、小さな開口数およびこれに応じた小さな受光コーン２０を有する光ファイバ１０を示している。図３は、大きな開口数およびこれに応じた大きな受光コーン２０を有する光ファイバ１０を示している。つまり、ファイバ１０の開口数が大きくなればなるほど、入口面３０および出口面３２でのθmaxが大きくなる。
【０００６】
通常、光ファイバ１０に入った光は、図４に示すように、光ファイバ１０の伸延方向に沿って伝播するにつれて光ファイバ１０の中心軸のまわりを回転する。この例では、光ファイバ１０の中心軸は、角度θmaxを測定するために用いられる基準線Ｎとたまたま一致している。従って、基準線Ｎから所定の角度でファイバの入射面に入った光は、同じ角度で光ファイバ１０を出射するが、方位位置は回転している。この回転は、光ファイバ１０内での反射回数およびファイバの内側面に依存している。斜めの光線は通常子午光線よりも大きな回転を被る。ＦＯＦＰをＬＣＤに適用するについては、ファイバに入射する光の大部分は斜めの光線である。
【０００７】
図４において、光線２４および光線２６は、基準線Ｎに対して測定された角度θmaxで入口面３０から光ファイバ１０に入射しているように見える。光線２４は光線２６と平行であり、これら光線は入口面３０の別のポイントから光ファイバに入る。各光線２４、２６が光ファイバ１０の出口面３２に来たときには、各光線２４、２６は角度θmaxであるが、光ファイバ１０の中心軸のまわりの角度φの方位回転を被っている。
【０００８】
上述したように、溶融光ファイバ束およびフェイスプレートにおいては、ガイドおよび非ガイド光線はともに方位回転を被る。図４に示されているように、この回転の結果、光ファイバ１０は、所定の傾き角度で入射するすべての入射光の方位位置を、平均で、出力が入射角度の２倍のソリッド角度をもつ中空出口コーン２２からなるようにする。図４において、図示された入射光線２４、２６は光ファイバ１０に角度θmaxで入射しており、中空出口コーン２２のソリッド角度は２θmaxである。中空出口コーン２２として出てくる光は方位位置について平均されているので、送信される光の強度はすべての方位角度において等しい。方位平均のこの性質により、輝度およびコントラストにおいて固有異方性をもつＬＣＤと結合されたときに、ＦＯＦＰは広い角度にわたる対称視覚特性を生成することができる。
【０００９】
図５（ａ），（ｂ）は、間隙クラッディング材とともに溶融されてその後所望の厚みに切断および研磨されてプレートを形成する、個々の光ファイバのアレイからなるＦＯＦＰ２８を示している。コア１２およびクラッディング材１４をＦＯＦＰ２８の表面上に見ることができる。
【００１０】
それゆえ、全内部反射させ、入口面および出口面での開口数（ＮＡ）が制御可能であり、回転方位の平均化およびプレートの背面からプレートの前面への目的面の移動ができる、ほぼ光の伝播方向に柱状構造をもつすべてのプレートは、ＦＯＦＰの光学的な等価物である。
【００１１】
回折は、光波が何らかの障害物または境界を超えて進むときに発生する、直線伝播からの屈折である。障害物は、ナイフエッジまたはピンホールの場合などは不透明であることがあり、或いは、屈折率の異なる２つの透明材の境界であることもある。光は境界や障害物にぶつかると反射、屈折または回折して直線経路からずれるので、回折を受ける光点の強度分布は、境界からいくらか離れた面に投射されたとき、拡がり関数または回折パターンによって特徴付けられる。開口を通して送信される光については、回折の程度または光路の角屈折は、開口の大きさおよび形状並びに光源からの光の波長によって決定される。開口からいくぶん離れた位置での回折パターンは、補足的には、開口から観察平面までの距離の関数である。遠隔または遠い地点での回折パターンは、通常フラウンフォーファー（Fraunhoffer）回折パターンといわれる。一般にレンズ、絞りおよび瞳孔からなる円形開口が拘束された光学システムでは、フラウンフォーファー回折パターンはしばしばエアリー（Airy）ディスクといわれる。円形開口を通過する光から生じるエアリーディスクは、強度が急激に減少するぼやけた一連の円環によって中心の明るい領域が取り囲まれており、１次ベッセル関数によって良好に記述される。回折点源からの光の強度の約８４％は、エアリーディスクの第１暗円環内に含まれる。よって、エアリーディスクは、回折に限定された光学システムによって生成されたぼやけた円環を特徴付ける。
【００１２】
図６に示されているように、ＦＯＦＰは、コア１２および間隙クラッディング１４からなる光ファイバの溶融プレートからなっており、これら光ファイバは非常に小さな開口の２つの異なる分布を構成している。コア１２の入口面３０および出口面３２は、ともに小さな円形開口と考えることができる。入口および出口面３０、３２でのクラッディング１４は、形状および大きさが幾分不規則である。しかしながら、議論のために、クラッディング１４は、すべてのクラッディング１４の平均直径から見積もられた直径をもつ円形開口であるとして以下記述する。ＦＯＦＰに入射するガイド光線１６は、光路の角度分布にしたがって回折される。回折の程度すなわち光路の角度分布の幅は、開口の直径に反比例している。よって、開口が小さくなると、ＦＯＦＰを通る光伝播が回折される角度が大きくなる。コア１２よりも極めて小さいクラッディング１４は、入射光を大きな角度に回折する。また、図６は、ＦＯＦＰからどこか固定された位置にいる観察者３４の網膜上でのコア１２およびクラッディング１４の回折角度分布の投射から生じる、相対的フラウンフォーファー回折パターンまたはエアリーディスク３８を示している。回折によって生じる角度の広がりは、以下の等式から見積もることができる。
【００１３】
ｑdiffr＝１．２２[(λ)（１８０）] ／ [（Ｄ）(π)]
ここで、ｑdiffr＝エアリーパターンの第１暗円環に相当する半角（°）
Ｄ＝円形開口の直径
λ＝光の波長
である。
【００１４】
上述の等式を参照し、名目上のコア１２およびクラッディング１４の直径をそれぞれ７μｍおよび０．５μｍと仮定すると、５５０ｎｍの入射光については、エアリーディスク３８の第１暗円環に相当する回折角度が、コア１２の開口で約５．４９°でありクラッディング１４の開口で約７６．９°であることが見込まれる。結合されたＦＯＦＰをもつＬＣＤの軸上照度および軸上視覚については、ＦＯＦＰでの回折効果は主にディスプレイ輝度のわずかな減少として現れる。この大部分は、眼および多くの測光測定機器の受光コーンが小さいことの結果である。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
ＦＯＦＰ回折は、これと結合されたＬＣＤの軸上コントラストの不規則な減少の原因となっている。この因果関係を確かめることにより、こういった軸上ＬＣＤコントラストの観測された減少を削減するための有効な手段を発展させることができる。この問題を記述するために、上述の通常のねじれネマティック（ＴＮ）または超ねじれネマティック（ＳＴＮ）ＬＣＤの角度依存コントラストパフォーマンスを考える。かかるディスプレイのコントラスト比は、軸上（オンアクシス）で観察されると非常に高いが、軸外れ（オフアクシス）観測および光伝播角度では次第に低下していく。このように観測された徐々なるコントラスト低下は、上述した理由のために等方的ではない。ある極端な角度では、ディスプレイのコントラストは実際に逆になってネガ画像を生じる。こういった軸外れコントラスト低下は、眼または多くの測光測定機器の受光コーンが小さいことによって、ディスプレイの高い軸上コントラストパフォーマンスには影響しない。しかしながら、このようなＬＣＤにＦＯＦＰが結合されると、ＦＯＦＰ結合ディスプレイの軸上コントラストパフォーマンスは、ＦＯＦＰがないときに達成されるレベル以下に実質的に低下する。従って、ＦＯＦＰ結合ＬＣＤの軸上コントラストパフォーマンスの改良は、多大な効果をもたらす。
【００１６】
軸外れ角度で伝播する光がＦＯＦＰをもつＬＣＤの軸上コントラストパフォーマンスを劣化するので、この光の幾分かが眼または測定機器の小さな受光コーン内に結合されるように角度方向は変更されなければならない。図７は、基準線Ｎから軸外れしている角度でソース（すなわち、バックライト）から発生したＦＯＦＰ入力面へのガイド光線１６を示している。出口面３２では、光は光伝播方向についての角度分布でコア１２の開口およびクラッディング１４の開口によって回折される。コア１２の開口は大きいので、回折角度は比較的小さく、観察者３４または機器の受光コーン内に多くの光を回折しない。しかしながら、クラッディング１４の開口は小さいので、回折された軸外れ光の角度分布は非常に大きく、多量の軸外れ光が観察者３４または測定機器の小さい受光コーン内に回折される。このように、ＬＣＤからの軸外れ光（および対応するコントラスト低下）は、ＦＯＦＰクラッディング１４の開口によって観察者３４または機器の小さい受光コーン内に回折され、そのためＦＯＦＰ結合型ＬＣＤの軸上コントラストパフォーマンスが大幅に低下する結果となる。
【００１７】
ＦＯＦＰ結合型ＬＣＤの軸上コントラストパフォーマンスは、図８に示されているように、ＦＯＦＰのクラッディング１４の開口をマスクすることによって劇的に改善され得る。この図面は、マスクされたクラッディング３６をもつＦＯＦＰとともに、クラッディング１４の開口が軸外れ光を観察者の視覚コーン内に回折するのをこのようなマスクがどのようにして防止するかを示している。マスクされたクラッディング３６をもつＦＯＦＰが結合されたＬＣＤの評価は、この改善による効果で確証されるものであり、その結果、ＦＯＦＰ結合型ＬＣＤの軸上コントラストパフォーマンスが劇的に改善した。
【００１８】
これらの本質的光学特性は材料の限界内で実現することができるので、ＦＯＦＰの光学的均等物が生成される。本出願は、光感受性ガラスを用いて異なる屈折率をもつ隣接エリアを生成することにより、その境界が屈折率の不連続性で規定される複数の円柱構造を含む基板を生じさせ、この円柱構造内の屈折率が円柱構造の境界および外部の屈折率よりも大きいような方法を議論するものである。別の実施の形態では、その境界が光ブロック材で規定される複数の円柱構造を含む基板が得られる。
【００１９】
従って、本発明の主たる目的は、円柱構造内の屈折率が円柱構造の境界での屈折率よりも大きく、その境界が屈折率の不連続性で規定される複数の円柱構造を含む光プレートを生成することである。
【００２０】
本発明のさらなる利点は、以下の説明から明らかになるであろう。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
簡単にそして本発明にしたがって述べると、全内部反射させ、入口面および出口面での開口数（ＮＡ）が制御可能であり、回転方位の平均化およびプレートの背面からプレートの前面への目的面の移動ができ、そしてＦＯＦＰの光学的な等価物であるほぼ光の伝播方向に柱状構造をもつ光学的プレートを製造する方法が説明される。これらのプレートは、円柱構造または包囲構造のいずれかの構造にエッチングされた光感受性ガラスの合成物からつくられる。もし包囲構造にエッチングされると、エッチングされたエリアは、低融点ガラス、エポキシ若しくはプラスティック、液体、または、黒色合成材料のような光ブロック材のいずれかで充填される。もし円柱構造にエッチングされると、エッチングされたエリアは、低融点ガラス、エポキシ、液体またはプラスティックで充填される。その結果物としてのプレートは屈折率の異なる複数の隣接エリアを含んでおり、これによって、円柱構造内の屈折率が円柱構造の境界および外部の屈折率よりも大きい、その境界が屈折率の不連続性で規定される複数の円柱構造を含む基板が得られる。
【００２２】
以下本発明が好適な実施の形態およびその使用方法とともに説明されるが、本発明がこの実施の形態または手順に限定されることが意図されていないことは理解されるであろう。逆に、すべての代替物、変形物および均等物は、特許請求の範囲で定義された本発明の趣旨および範囲内に含まれるであろう限り包含することが意図されている。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図９を参照すると、光感受性（光反応性）ガラス基板４０が示されている。光感受性ガラスの重要な特性は、ＵＶ光に露光された部分のガラスのエッチング速度のようなガラスの特性を変化させる光に対して感受性があることである。かかるガラスの一例は、Ｐｅｇ−３ガラスまたはフォトフォーム（Fotoform）ガラス（ともに、日本国東京のホヤ（Hoya Corporation）から入手可能である）であり、これに光線をあてると、非結晶またはアモルファス構造が結晶構造に変化する。結晶ガラスのエッチング速度は、アモルファスガラスの約５０倍である。
【００２４】
ガラス基板４０は、コアエリア６４およびクラッディングエリア６６の２種類のエリアに分けられている。ガラス基板４０がＦＯＦＰとして機能するためには、コアエリア６４は、そこに入射したすべての光を全内部反射させることが必要である。全内部反射がコアエリア６４内で起こるためには、コアエリア６４の屈折率（ｎcore）が、クラッディングエリア６６の屈折率（ｎclad）よりも大きくなくてはならない。コアエリア６４とクラッディングエリア６６との屈折率の差は、２つの屈折率の２乗の差の平方根である開口数（ＮＡ）で表され、以下の等式で記述される。
【００２５】
ＮＡ＝[ｎ2 core−ｎ2 clad]1/2
約０．４から１．０の範囲の開口数を持つ光ファイバフェイスプレートは、液晶ディスプレイの種々の用途に用いるのに適している。
【００２６】
コアエリア６４およびクラッディングエリア６６の屈折率に差を生じさせるために、ガラス基板４０にはマスク６０を介して平行ＵＶ放射６２が照射される。マスク６０の平面図が図１０に示されている。マスク６０は、不透明なコア非照射エリア６８と透明なクラッディング照射エリア７０とに分けられている。平行ＵＶ放射６２は、マスク６０のコア非照射エリア６８を通過せず、そのためコアエリア６４ではガラス基板４０には当たらない。従って、コアエリア６４はアモルファスガラスのまま維持される。
【００２７】
しかしながら、平行ＵＶ放射６２は、マスク６０のクラッディング照射エリア７０を通過し、クラッディングエリア６６内の基板４０に当たり、クラッディングエリア６６の特性を変化させる。本例では、クラッディングエリア６６は、コアエリア６４内のアモルファスガラスよりもエッチング速度が大きい結晶ガラスになる。
【００２８】
そして、ガラス基板はエッチング槽に入れられ、その結果が図１１に示されている。最も大きい公知のエッチング速度差は、５％フッ化水素酸溶液（５％ＨＦ）を用いて得られ、これにより、結晶ガラスであるクラッディングエリア６６とアモルファスガラスであるコアエリア６４とのエッチング速度差は５０：１となる。ガラス基板４０は、図１１に示されているように、クラッディングエリア６６の残存部分７２およびクラッディングエリア６６のエッチング部分７４が生じるようにクラッディングエリア６６を部分的にエッチングして除去するのに十分な時間だけエッチングの腐食液槽に浸漬される。クラッディングエリア６６は、クラッディングエリア６６の残存部分７２が構造的な支持部となり得るように完全にはエッチング除去されない。
【００２９】
クラッディングエリア６６の部分的なエッチングが行われると、ガラス基板４０は、ガラス基板４０内のクラッディングエリア６６のエッチング部分７４のエッジを円滑にするためにアニールされてよい。アニール工程の詳細は、用いられるガラス基板４０の種類によって変わる。しかしながら、もしホヤ（Hoya）から入手できるＰＥＧ−３ガラスが用いられるならば、好適なアニーリング工程は４段階で行われるべきである。
【００３０】
第１段階では、ガラス基板４０を、室温から約３５０±５０℃まで、１時間あたり約１５０±５０℃の割合で加熱する。第２段階では、ガラス基板４０を、３５０℃から少なくとも５９０℃まで、１時間あたり約６０±２０℃の割合で加熱する。昇温率が異なるのは、ガラスの急速加熱に起因する内部応力による問題を回避するためである。
【００３１】
ガラス基板４０が約５９０℃まで加熱されると、アニーリング工程の第３段階では、アニーリングが起こるように少なくとも４５分間温度が一定に保持される。ガラス基板４０がアニールされた後、次の工程において１時間あたり約１５０±５０℃の割合で室温にまで冷却されてよい。
【００３２】
アニーリングおよび冷却を行った後、ガラス基板４０のエッチング部分７４は、図１２に示すように、溶融低屈折率ガラス、プラスティック、または、光ブロック材７６で充填される。プラスティック、エポキシ、または、低融点ガラスのような様々な材料を用いることができる。もし黒色材料が所望であれば、カーボンブラックの粒子を埋め込んだプラスチックを用いることができる。
【００３３】
図１３に示されているように、別の実施の形態では、エッチング部分７４は適当な低屈折率液体で充填されてよい。しかしながら、この場合には、液体を保持するために、ガラス基板のエッチング表面上にガラス基板４０と接触する薄いガラスまたはプラスチックの液体保持プレート８４を追加する必要がある。もし不透明なクラッディング開口が所望であれば、液体保持プレートは、クラッディングエリア６６上において光ブロック材８６の薄い層で被覆されてよく、これによって本技術分野で公知であるように不透明のクラッディング開口が提供される。液体保持プレート８４の一表面に適用された光ブロック材８６を備えた液体保持プレート８４の斜視図が、図１４に示されている。コアエリア６４は光ブロック材８６によって被覆されていない。図１３に示されているように、液体保持プレート８４がガラス基板４０のエッチング表面上に組み立てられているとき、図１３に示されているように、光ブロック材８６は組み立て体の外側面にあってガラス基板４０のエッチング面に対向していないことが好ましい。もし光ブロック材８６がガラス基板４０のエッチング面に対向するように光ブロック材８６を備えた液体保持プレート８４が組み立てられても装置は機能するであろうが、光ブロック材８６は外側面にあることが好ましい。
【００３４】
最も重要なことは、コアエリア６４内で全内部反射が起こるように、クラッディングエリア６６内の液体、ガラス、プラスチックまたは光ブロック材７６が、コアエリア６４よりも小さい屈折率を有していることである。もしクラッディングエリア６６内の液体、ガラス、プラスチックまたは光ブロック材７６が、黒色マトリックス材のような光ブロック材であれば、ＦＯＦＰ結合型ＬＣＤの軸上コントラストパフォーマンスの改善という付加的な利益をも得ることができる。この利益を得るためにはクラッディングエリア６６のエッチング部分７４すべてが光ブロック材で充填される必要はなく、エッチング部分７４のわずかな部分だけが充填されていれば足り、それは好ましくは完成した装置の光出射面となる個所に最も近い部分である。
【００３５】
図１５（ａ），（ｂ）または図１６（ａ），（ｂ）に、結果としての製品が示されている。図１５（ａ），（ｂ）は、コアエリア６４を形成する円柱構造と、クラッディングエリア６６を形成する包囲材とに分けられたガラス基板４０を示している。コアエリア６４を形成する円柱構造は、実質的に、光入口面３０から光出口面３２まで伸延している。使用時には、光は通常光入口面３０からコアエリアに入り、コアエリア６４内を伝播し、通常光出口面３２から出ていく。コアエリア６４およびクラッディングエリア６６は、コアエリア６４に入った光を内部反射させるのに十分なだけコアエリア６４がクラッディングエリア６６よりも大きい屈折率を有するような屈折率を有している。また、クラッディングエリア６６が２つの部分を有していることは注意すべきである。すなわち、構造的な支持部となるエッチングされなかった元材料の残存部分７２と、エッチングされた部分７４を充填するために用いられた低屈折率ガラスまたはプラスチック７６である。
【００３６】
図１６（ａ）、（ｂ）は、コアエリア６４を形成する円柱構造と、クラッディングエリア６６を形成する包囲材とに分けられたガラス基板４０を示している。コアエリア６４を形成する円柱構造は、実質的に、光入口面３０から光出口面３２まで伸延している。使用時には、光は通常光入口面３０からコアエリアに入り、コアエリア６４内を伝播し、通常光出口面３２から出ていく。コアエリア６４およびクラッディングエリア６６は、コアエリア６４に入った光を内部反射させるのに十分なだけコアエリア６４がクラッディングエリア６６よりも大きい屈折率を有するような屈折率を有している。クラッディングエリア６６は少なくともその一部が光ブロック材であり、この光ブロック材は軸外れ光が回折して観察者の視覚コーン内に入るのを回避するために好ましくは出口面３２にあり、これにより、ＦＯＦＰ結合型ＬＣＤの軸上コントラストパフォーマンスが改善される。また、クラッディングエリア６６が２つの部分を有していることは注意すべきである。すなわち、構造的な支持部となるエッチングされなかった元材料の残存部分７２と、エッチングされた部分７４を充填するために用いられた低屈折率ガラスまたはプラスチック７６である。
【００３７】
上に挙げた材料を用いて上述のように構成された構造は、コアエリア６４の屈折率がもしガラスが用いられた場合に約１．５であり、クラッディングエリア６６の屈折率がもしトリフルオロイソプロピルメタクリル酸エステルが用いられた場合に約１．４２である。これら屈折率から、開口数ＮＡ＝[ｎ2 core−ｎ2 clad]1/2＝[１．５2-１．４２2]1/2＝０．４８となる。これらの例は説明のためだけのものであって、約１．４５から約１．１２の間の屈折率をもつすべてのガラスまたはプラスチックが、適当な開口数を得るようにしてフォトフォームガラスとともに用いられてもよい。
【００３８】
もし図１３に示すように流体および液体保持プレート８４が用いられるのであれば、適当な液体は水である。もし屈折率が１．３３である水が用いられると、開口数ＮＡ＝[ｎ2 core−ｎ2 clad]1/2＝[１．５2-１．３３2]1/2＝０．６９となる。繰り返すが、水は説明目的だけに用いられるものであり、約１．４５から約１．１２の間の屈折率をもつすべての流体がフォトフォームガラスとともに用いられてもよい。かかる流体には、クラッディングエリア６６への光ブロッキング特性をもつ暗色または不透明流体が含まれる。
【００３９】
図１７〜２２に示すように、クラッディングエリア６６ではなくコアエリア６４をエッチングすることにより同じ処理を実行し、同様の結果を得ることも可能である。図１７〜２２では同じ参照符号が示されており、等価な構造を示すのに参照符号には”ａ”という拡張符号が付記されている。
【００４０】
図１７を参照すると、光感受性ガラス基板４０ａが示されている。ガラス基板４０ａは、コアエリア６４ａおよびクラッディングエリア６６ａの２種類のエリアに分けられている。ガラス基板４０ａがＦＯＦＰとして機能するためには、コアエリア６４ａは、そこに入射したすべての光を全内部反射させることが必要である。全内部反射がコアエリア６４ａ内で起こるためには、コアエリア６４ａの屈折率（ｎcore）が、クラッディングエリア６６ａの屈折率（ｎclad）よりも大きくなくてはならない。
【００４１】
コアエリア６４ａおよびクラッディングエリア６６ａの屈折率に差を生じさせるために、ガラス基板４０にはマスク６０ａを介して平行ＵＶ放射６２ａが照射される。マスク６０ａの平面図が図１８に示されている。マスク６０ａは、透明なコア照射エリア７８と不透明なクラッディング非照射エリア８０とに分けられている。平行ＵＶ放射６２ａは、マスク６０ａのクラッディング非照射エリア８０を通過せず、そのためクラッディングエリア６６ａではガラス基板４０ａには当たらない。従って、クラッディングエリア６６ａはアモルファスガラスのまま維持される。
【００４２】
しかしながら、平行ＵＶ放射６２ａは、マスク６０ａのコア照射エリア７８を通過し、コアエリア６４ａ内の基板４０ａに当たり、コアエリア６４ａの特性を変化させる。本例では、コアエリア６４ａは、クラッディングエリア６４ａ内のアモルファスガラスよりもエッチング速度が大きい結晶ガラスになる。
【００４３】
そして、ガラス基板はエッチング槽に入れられ、その結果が図１９に示されている。最も大きい公知のエッチング速度差は、５％フッ化水素酸溶液（５％ＨＦ）を用いて得られ、これにより、アモルファスガラスであるクラッディングエリア６６ａと結晶ガラスであり、コアエリア６４ａのエッチング速度差は５０：１となる。
【００４４】
グラス基板４０ａは、図１９に示されているように、コアエリア６４ａの残存部分７２ａおよびコアエリア６４ａのエッチング部分７４ａが生じるようにコアエリア６４ａを部分的にエッチングして除去するのに十分な時間だけ腐食液槽に浸漬される。コアエリア６４ａは、コアエリア６４ａの残存部分７２ａが構造的な支持部となり得るように完全にはエッチング除去されない。
【００４５】
コアエリア６４ａの部分的なエッチングが行われると、ガラス基板４０ａは、ガラス基板４０ａ内のコアエリア６４ａのエッチング部分７４ａのエッジを円滑にするためにアニールされる。アニール工程の詳細は、用いられるガラス基板４０ａの種類によって変わる。しかしながら、もしホヤ（Hoya）から入手できるＰＥＧ−３ガラスが用いられるならば、好適なアニーリング工程は上述した４段階で行われるべきである。
【００４６】
アニーリングおよび冷却を行った後、ガラス基板４０ａのコアエリア６４ａのエッチング部分７４は、図２０に示すように、溶融低屈折率ガラス、エポキシまたはプラスティック８２で充填される。ナフタルメタクリル酸エステル、または、ビニルカルバゾールのような様々な材料を用いることができる。
【００４７】
代替的には、図２１に示されているように、エッチング部分７４ａはカシア油または二硫化炭素のような適当な高屈折率流体で充填されてよい。しかしながら、この場合には、液体を保持するために、ガラス基板のエッチング表面上にガラス基板４０ａと接触する薄いガラスまたはプラスチックの液体保持プレート８４ａを追加する必要がある。もし不透明なクラッディング開口が所望であれば、液体保持プレートは、クラッディングエリア６６ａ上において光ブロック材の薄い層で被覆されてよく、これによって本技術分野で公知であるように不透明のクラッディング開口が提供される。液体保持プレート８４ａは図１３に示されたものと同一である。コアエリア６４ａは光ブロック材８６ａによって被覆されていない。図２１に示されているように、液体保持プレート８４ａがガラス基板４０ａのエッチング表面上に組み立てられているとき、図２１に示されているように、光ブロック材８６ａは組み立て体の外側面にあってガラス基板４０ａのエッチング面に対向していないことが好ましい。もし光ブロック材８６ａがガラス基板４０ａのエッチング面に対向するように光ブロック材８６ａを備えた液体保持プレート８４ａが組み立てられても装置は機能するであろうが、光ブロック材８６ａは外側面にあることが好ましい。
【００４８】
最も重要なことは、コアエリア６４ａ内で全内部反射が起こるように、コアエリア６４ａ内のガラスまたはプラスチックが、クラッディングエリア６６ａよりも大きい屈折率を有していることである。
【００４９】
図２２（ａ），（ｂ）に、結果としての製品が示されている。図２２（ａ），（ｂ）は、コアエリア６４ａを形成する円柱構造と、クラッディングエリア６６ａを形成する包囲材とに分けられたガラス基板４０ａを示している。コアエリア６４ａを形成する円柱構造は、実質的に、光入口面３０から光出口面３２まで伸延している。使用時には、光は通常光入口面３０からコアエリアに入り、コアエリア６４ａ内を伝播し、通常光出口面３２から出ていく。コアエリア６４ａおよびクラッディングエリア６６ａは、コアエリア６４ａに入った光を内部反射させるのに十分なだけコアエリア６４ａがクラッディングエリア６６ａよりも大きい屈折率を有するような屈折率を有している。また、コアエリア６４ａが２つの部分を有していることは注意すべきである。すなわち、構造的な支持部となるエッチングされなかった元材料の残存部分７２ａと、エッチングされた部分７４ａを充填するために用いられた高屈折率ガラス、エポキシまたはプラスチック８２である。
【００５０】
上に挙げた材料を用いて上述のように構成された構造は、コアエリア６４ａの屈折率がもしナフタルメタクリル酸エステルが用いられた場合に約１．６８３であり、クラッディングエリア６６ａの屈折率がもしフォトフォームガラスが用いられた場合に約１．５である。これら屈折率から、開口数ＮＡ＝[ｎ2 core−ｎ2 clad]1/2＝[１．６４2-１．５2]1/2＝０．６６となる。しかしながら、これらの例は説明のためだけのものであって、約１．５５から約１．８０の間の屈折率をもついずれかの適当な透明ガラスまたはプラスチックが、適当な開口数を得るようにしてフォトフォームガラスとともに用いられてもよい。
【００５１】
もし、図２１に示されるように、流体及び液体保持プレートが用いられるのであれば、適当な液体はカシア油である。もし、屈折率が１．７のカシア油が用いられると、開口数ＮＡ＝ｎ2 core−ｎ2 clad]1/2＝[１．７2-１．５2]1/2＝０．８となる。ここで、カシア油は説明目的だけに用いられるものであり、約１．５５〜１．８０の間の屈折率を持ついずれかの流体がフォトフォームガラスと共に用いられてもよい。これにより、適当な開口数を得ることができる。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、円柱構造内の屈折率が円柱構造の境界での屈折率よりも大きい、その境界が屈折率の不連続性で規定される複数の円柱構造を含む基板を生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 光ファイバに入射する光の許容コーンを描いた光ファイバ並びにガイド光線および非ガイド光線の側面図である。
【図２】 狭い許容コーンを描いた光ファイバの側面図である。
【図３】 広い許容コーンを描いた光ファイバの側面図である。
【図４】 方位平均を描いた光ファイバの側面図である。
【図５】 従来のＦＯＦＰの平面図である。
【図６】 軸外れ光入射についての光ファイバフェイスプレートにおける光の回折を示す図である。
【図７】 透明クラッディング開口を有する光ファイバフェイスプレートでの回折に関するコントラスト低下を示す図である。
【図８】 不透明クラッディングを有する光ファイバフェイスプレートでの回折に関するコントラスト低下の減少を示す図である。
【図９】 本発明による、ＦＯＦＰの光学的均等物をつくるための第１の製造工程における光感受性ガラスのプレートの側面図である。
【図１０】 図９に示された製造工程で用いられるマスクの平面図である。
【図１１】 本発明による、ＦＯＦＰの光学的均等物をつくるための第２の製造工程における光感受性ガラスのプレートの側面図である。
【図１２】 本発明による、ＦＯＦＰの光学的均等物をつくるための第３の製造工程における光感受性ガラスのプレートの側面図である。
【図１３】 本発明による、ＦＯＦＰの光学的均等物をつくるための光学的第４の製造工程における光感受性ガラスのプレートの側面図である。
【図１４】 液体保持プレートの斜視図である。
【図１５】 図９〜１４のいずれかで説明した製造工程を用いてつくられたＦＯＦＰの斜視図である。
【図１６】 図９〜１４で説明した製造工程を用いてつくられた別のＦＯＦＰの斜視図である。
【図１７】 本発明による、ＦＯＦＰの光学的均等物をつくるための別の第１の製造工程における光感受性ガラスのプレートの側面図である。
【図１８】 図１７に示された製造工程で用いられるマスクの平面図である。
【図１９】 本発明による、ＦＯＦＰの光学的均等物をつくるための別の第２の製造工程における光感受性ガラスのプレートの側面図である。
【図２０】 本発明による、ＦＯＦＰの光学的均等物をつくるための別の第３の製造工程における光感受性ガラスのプレートの側面図である。
【図２１】 本発明による、ＦＯＦＰの光学的均等物をつくるための光学的第４の製造工程における光感受性ガラスのプレートの側面図である。
【図２２】 図１７〜２１のいずれかで説明した製造工程を用いてつくられたＦＯＦＰの斜視図である。
【符号の説明】
４０ 光感受性ガラス基板、６０ マスク、６２ 平行ＵＶ放射、６４ コアエリア、６６ クラッディングエリア、６８ コア非照射エリア、７０ クラッディング照射エリア、７２ 残存部分、７４ エッチング部分、８４ 液体保持プレート、８６ 光ブロック材。
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバフェイスプレート一般に関し、より詳細にはフォトフォームグラスがエッチングされそしてエッチングされた部分が溶融低屈折率ガラス、プラスティックまたは有色マトリックス材で充填されて光ファイバフェイスプレート均等物が製造される方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバフェイスプレート（ＦＯＦＰ）は、シルバーシュタイン（Silverstein）らによる１９９４年３月２１日に出願された米国特許第５,４４２,４６７号に開示されているような液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）を製造するために有益である。米国特許第５,４４２,４６７号は、バックライトソースと、後方拡散層と、後方偏光子と、アドレス指定素子およびインジウムすず酸化物（ＩＴＯ）透明画素電極を備えた後方ガラス層、上下面を有するＬＣ層、並びに、ＬＣ（液晶）層の上面と直接接触する位置に配置されたＬＣセルの前方含有素子としての前方ＦＯＦＰを含むＬＣセルと、ＦＯＦＰの前面に積層されるかまたは別体であるが隣接した基板上に配置されたカラー吸収フィルタのモザイクアレイと、前方偏光子またはアナライザとを備えた直視型後方照射ＬＣＤ装置を開示している。代替的には、前方偏光子またはアナライザは、薄膜材から構成されて、ＬＣ層の上面または光出射面とＦＯＦＰの下面または光入射面との間に配置されてよい。
【０００３】
ＦＯＦＰは光ファイバのアレイを備えており、これら光ファイバは間隙クラッディング材とともに溶融されてその後所望の厚みに切断および研磨されてプレートを形成する。光学的特性の異なるＦＯＦＰを生成することは、周知の技術である。光ファイバは、設計された入力または許容角度で入射した全内部反射光を透過するとともに、それよりも大きい角度で入射した光を拒絶または吸収するように設計されている。ＦＯＦＰの入口面からファイバに入射した光は、高開口数（ＮＡ）ＦＯＦＰおよび／または低屈折率（例えば空気）の境界との結合を用いて、大きな許容角度θmaxINにわたって収集される。ＦＯＦＰの出口面の光ファイバから出射する光は、再度高ＮＡおよび／または低屈折率境界との最後の結合を用いて、比較的大きな角度θmaxOUTにわたって拡散または出射するようにされる。低ＮＡおよび／または比較的高屈折率材（例えば、プラスティック、ポリイミドまたは光学ガラス）との結合を備えたＦＯＦＰは、ＦＯＦＰの出口面の光出射角度θmaxOUT、および、ＦＯＦＰの入口面の光入射許容角度θmaxINをそれぞれ制限する。
【０００４】
これらの関係が一般的な光ファイバ１０について図１に示されている。基準線Ｎから測定された角度θmaxで定義された受光コーン２０内で光ファイバ１０に入った光ビーム１６は、光ファイバ１０のコア１２内において全内部反射されて、本質的に損失を生じることなく光ファイバ１０の伸延方向に伝播していく。基準線Ｎは、光ファイバ１０の入口面３０および出口面３２に垂直である。もし、入口面３０および出口面３２の表面（Ｎ0）における光ファイバ１０を取りまく材料の相対屈折率が同じであれば、光ビーム１６は入射したのと同じ角度、ここではθmax、で光ファイバ１０を出る。角度θmaxで定義された受光コーン２０の外側から光ファイバ１０に入った光ビーム１８は、光ファイバ１０の伸延方向に沿って完全にはガイドされず、光ファイバ１０から隣接するクラッディング材１４内にリークする。つまり、光ビーム１６はガイドされた光ビームであるのに対して、光ビーム１８は非ガイド光ビームである。非ガイドまたは部分ガイド光ビームはクラッディング材１４を通過して光ファイバ束または溶融フェイスプレート内の他のファイバに入ることがある。しかしながら、非ガイドまたは部分ガイド光ビームは通常これらのファイバからもリークしてファイバ束またはフェイスプレートを横切り続ける。
【０００５】
図２および３は、光ファイバ１０の開口数を変更することによる効果を示している。図２は、小さな開口数およびこれに応じた小さな受光コーン２０を有する光ファイバ１０を示している。図３は、大きな開口数およびこれに応じた大きな受光コーン２０を有する光ファイバ１０を示している。つまり、ファイバ１０の開口数が大きくなればなるほど、入口面３０および出口面３２でのθmaxが大きくなる。
【０００６】
通常、光ファイバ１０に入った光は、図４に示すように、光ファイバ１０の伸延方向に沿って伝播するにつれて光ファイバ１０の中心軸のまわりを回転する。この例では、光ファイバ１０の中心軸は、角度θmaxを測定するために用いられる基準線Ｎとたまたま一致している。従って、基準線Ｎから所定の角度でファイバの入射面に入った光は、同じ角度で光ファイバ１０を出射するが、方位位置は回転している。この回転は、光ファイバ１０内での反射回数およびファイバの内側面に依存している。斜めの光線は通常子午光線よりも大きな回転を被る。ＦＯＦＰをＬＣＤに適用するについては、ファイバに入射する光の大部分は斜めの光線である。
【０００７】
図４において、光線２４および光線２６は、基準線Ｎに対して測定された角度θmaxで入口面３０から光ファイバ１０に入射しているように見える。光線２４は光線２６と平行であり、これら光線は入口面３０の別のポイントから光ファイバに入る。各光線２４、２６が光ファイバ１０の出口面３２に来たときには、各光線２４、２６は角度θmaxであるが、光ファイバ１０の中心軸のまわりの角度φの方位回転を被っている。
【０００８】
上述したように、溶融光ファイバ束およびフェイスプレートにおいては、ガイドおよび非ガイド光線はともに方位回転を被る。図４に示されているように、この回転の結果、光ファイバ１０は、所定の傾き角度で入射するすべての入射光の方位位置を、平均で、出力が入射角度の２倍のソリッド角度をもつ中空出口コーン２２からなるようにする。図４において、図示された入射光線２４、２６は光ファイバ１０に角度θmaxで入射しており、中空出口コーン２２のソリッド角度は２θmaxである。中空出口コーン２２として出てくる光は方位位置について平均されているので、送信される光の強度はすべての方位角度において等しい。方位平均のこの性質により、輝度およびコントラストにおいて固有異方性をもつＬＣＤと結合されたときに、ＦＯＦＰは広い角度にわたる対称視覚特性を生成することができる。
【０００９】
図５（ａ），（ｂ）は、間隙クラッディング材とともに溶融されてその後所望の厚みに切断および研磨されてプレートを形成する、個々の光ファイバのアレイからなるＦＯＦＰ２８を示している。コア１２およびクラッディング材１４をＦＯＦＰ２８の表面上に見ることができる。
【００１０】
それゆえ、全内部反射させ、入口面および出口面での開口数（ＮＡ）が制御可能であり、回転方位の平均化およびプレートの背面からプレートの前面への目的面の移動ができる、ほぼ光の伝播方向に柱状構造をもつすべてのプレートは、ＦＯＦＰの光学的な等価物である。
【００１１】
回折は、光波が何らかの障害物または境界を超えて進むときに発生する、直線伝播からの屈折である。障害物は、ナイフエッジまたはピンホールの場合などは不透明であることがあり、或いは、屈折率の異なる２つの透明材の境界であることもある。光は境界や障害物にぶつかると反射、屈折または回折して直線経路からずれるので、回折を受ける光点の強度分布は、境界からいくらか離れた面に投射されたとき、拡がり関数または回折パターンによって特徴付けられる。開口を通して送信される光については、回折の程度または光路の角屈折は、開口の大きさおよび形状並びに光源からの光の波長によって決定される。開口からいくぶん離れた位置での回折パターンは、補足的には、開口から観察平面までの距離の関数である。遠隔または遠い地点での回折パターンは、通常フラウンフォーファー（Fraunhoffer）回折パターンといわれる。一般にレンズ、絞りおよび瞳孔からなる円形開口が拘束された光学システムでは、フラウンフォーファー回折パターンはしばしばエアリー（Airy）ディスクといわれる。円形開口を通過する光から生じるエアリーディスクは、強度が急激に減少するぼやけた一連の円環によって中心の明るい領域が取り囲まれており、１次ベッセル関数によって良好に記述される。回折点源からの光の強度の約８４％は、エアリーディスクの第１暗円環内に含まれる。よって、エアリーディスクは、回折に限定された光学システムによって生成されたぼやけた円環を特徴付ける。
【００１２】
図６に示されているように、ＦＯＦＰは、コア１２および間隙クラッディング１４からなる光ファイバの溶融プレートからなっており、これら光ファイバは非常に小さな開口の２つの異なる分布を構成している。コア１２の入口面３０および出口面３２は、ともに小さな円形開口と考えることができる。入口および出口面３０、３２でのクラッディング１４は、形状および大きさが幾分不規則である。しかしながら、議論のために、クラッディング１４は、すべてのクラッディング１４の平均直径から見積もられた直径をもつ円形開口であるとして以下記述する。ＦＯＦＰに入射するガイド光線１６は、光路の角度分布にしたがって回折される。回折の程度すなわち光路の角度分布の幅は、開口の直径に反比例している。よって、開口が小さくなると、ＦＯＦＰを通る光伝播が回折される角度が大きくなる。コア１２よりも極めて小さいクラッディング１４は、入射光を大きな角度に回折する。また、図６は、ＦＯＦＰからどこか固定された位置にいる観察者３４の網膜上でのコア１２およびクラッディング１４の回折角度分布の投射から生じる、相対的フラウンフォーファー回折パターンまたはエアリーディスク３８を示している。回折によって生じる角度の広がりは、以下の等式から見積もることができる。
【００１３】
ｑdiffr＝１．２２[(λ)（１８０）] ／ [（Ｄ）(π)]
ここで、ｑdiffr＝エアリーパターンの第１暗円環に相当する半角（°）
Ｄ＝円形開口の直径
λ＝光の波長
である。
【００１４】
上述の等式を参照し、名目上のコア１２およびクラッディング１４の直径をそれぞれ７μｍおよび０．５μｍと仮定すると、５５０ｎｍの入射光については、エアリーディスク３８の第１暗円環に相当する回折角度が、コア１２の開口で約５．４９°でありクラッディング１４の開口で約７６．９°であることが見込まれる。結合されたＦＯＦＰをもつＬＣＤの軸上照度および軸上視覚については、ＦＯＦＰでの回折効果は主にディスプレイ輝度のわずかな減少として現れる。この大部分は、眼および多くの測光測定機器の受光コーンが小さいことの結果である。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
ＦＯＦＰ回折は、これと結合されたＬＣＤの軸上コントラストの不規則な減少の原因となっている。この因果関係を確かめることにより、こういった軸上ＬＣＤコントラストの観測された減少を削減するための有効な手段を発展させることができる。この問題を記述するために、上述の通常のねじれネマティック（ＴＮ）または超ねじれネマティック（ＳＴＮ）ＬＣＤの角度依存コントラストパフォーマンスを考える。かかるディスプレイのコントラスト比は、軸上（オンアクシス）で観察されると非常に高いが、軸外れ（オフアクシス）観測および光伝播角度では次第に低下していく。このように観測された徐々なるコントラスト低下は、上述した理由のために等方的ではない。ある極端な角度では、ディスプレイのコントラストは実際に逆になってネガ画像を生じる。こういった軸外れコントラスト低下は、眼または多くの測光測定機器の受光コーンが小さいことによって、ディスプレイの高い軸上コントラストパフォーマンスには影響しない。しかしながら、このようなＬＣＤにＦＯＦＰが結合されると、ＦＯＦＰ結合ディスプレイの軸上コントラストパフォーマンスは、ＦＯＦＰがないときに達成されるレベル以下に実質的に低下する。従って、ＦＯＦＰ結合ＬＣＤの軸上コントラストパフォーマンスの改良は、多大な効果をもたらす。
【００１６】
軸外れ角度で伝播する光がＦＯＦＰをもつＬＣＤの軸上コントラストパフォーマンスを劣化するので、この光の幾分かが眼または測定機器の小さな受光コーン内に結合されるように角度方向は変更されなければならない。図７は、基準線Ｎから軸外れしている角度でソース（すなわち、バックライト）から発生したＦＯＦＰ入力面へのガイド光線１６を示している。出口面３２では、光は光伝播方向についての角度分布でコア１２の開口およびクラッディング１４の開口によって回折される。コア１２の開口は大きいので、回折角度は比較的小さく、観察者３４または機器の受光コーン内に多くの光を回折しない。しかしながら、クラッディング１４の開口は小さいので、回折された軸外れ光の角度分布は非常に大きく、多量の軸外れ光が観察者３４または測定機器の小さい受光コーン内に回折される。このように、ＬＣＤからの軸外れ光（および対応するコントラスト低下）は、ＦＯＦＰクラッディング１４の開口によって観察者３４または機器の小さい受光コーン内に回折され、そのためＦＯＦＰ結合型ＬＣＤの軸上コントラストパフォーマンスが大幅に低下する結果となる。
【００１７】
ＦＯＦＰ結合型ＬＣＤの軸上コントラストパフォーマンスは、図８に示されているように、ＦＯＦＰのクラッディング１４の開口をマスクすることによって劇的に改善され得る。この図面は、マスクされたクラッディング３６をもつＦＯＦＰとともに、クラッディング１４の開口が軸外れ光を観察者の視覚コーン内に回折するのをこのようなマスクがどのようにして防止するかを示している。マスクされたクラッディング３６をもつＦＯＦＰが結合されたＬＣＤの評価は、この改善による効果で確証されるものであり、その結果、ＦＯＦＰ結合型ＬＣＤの軸上コントラストパフォーマンスが劇的に改善した。
【００１８】
これらの本質的光学特性は材料の限界内で実現することができるので、ＦＯＦＰの光学的均等物が生成される。本出願は、光感受性ガラスを用いて異なる屈折率をもつ隣接エリアを生成することにより、その境界が屈折率の不連続性で規定される複数の円柱構造を含む基板を生じさせ、この円柱構造内の屈折率が円柱構造の境界および外部の屈折率よりも大きいような方法を議論するものである。別の実施の形態では、その境界が光ブロック材で規定される複数の円柱構造を含む基板が得られる。
【００１９】
従って、本発明の主たる目的は、円柱構造内の屈折率が円柱構造の境界での屈折率よりも大きく、その境界が屈折率の不連続性で規定される複数の円柱構造を含む光プレートを生成することである。
【００２０】
本発明のさらなる利点は、以下の説明から明らかになるであろう。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
簡単にそして本発明にしたがって述べると、全内部反射させ、入口面および出口面での開口数（ＮＡ）が制御可能であり、回転方位の平均化およびプレートの背面からプレートの前面への目的面の移動ができ、そしてＦＯＦＰの光学的な等価物であるほぼ光の伝播方向に柱状構造をもつ光学的プレートを製造する方法が説明される。これらのプレートは、円柱構造または包囲構造のいずれかの構造にエッチングされた光感受性ガラスの合成物からつくられる。もし包囲構造にエッチングされると、エッチングされたエリアは、低融点ガラス、エポキシ若しくはプラスティック、液体、または、黒色合成材料のような光ブロック材のいずれかで充填される。もし円柱構造にエッチングされると、エッチングされたエリアは、低融点ガラス、エポキシ、液体またはプラスティックで充填される。その結果物としてのプレートは屈折率の異なる複数の隣接エリアを含んでおり、これによって、円柱構造内の屈折率が円柱構造の境界および外部の屈折率よりも大きい、その境界が屈折率の不連続性で規定される複数の円柱構造を含む基板が得られる。
【００２２】
以下本発明が好適な実施の形態およびその使用方法とともに説明されるが、本発明がこの実施の形態または手順に限定されることが意図されていないことは理解されるであろう。逆に、すべての代替物、変形物および均等物は、特許請求の範囲で定義された本発明の趣旨および範囲内に含まれるであろう限り包含することが意図されている。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図９を参照すると、光感受性（光反応性）ガラス基板４０が示されている。光感受性ガラスの重要な特性は、ＵＶ光に露光された部分のガラスのエッチング速度のようなガラスの特性を変化させる光に対して感受性があることである。かかるガラスの一例は、Ｐｅｇ−３ガラスまたはフォトフォーム（Fotoform）ガラス（ともに、日本国東京のホヤ（Hoya Corporation）から入手可能である）であり、これに光線をあてると、非結晶またはアモルファス構造が結晶構造に変化する。結晶ガラスのエッチング速度は、アモルファスガラスの約５０倍である。
【００２４】
ガラス基板４０は、コアエリア６４およびクラッディングエリア６６の２種類のエリアに分けられている。ガラス基板４０がＦＯＦＰとして機能するためには、コアエリア６４は、そこに入射したすべての光を全内部反射させることが必要である。全内部反射がコアエリア６４内で起こるためには、コアエリア６４の屈折率（ｎcore）が、クラッディングエリア６６の屈折率（ｎclad）よりも大きくなくてはならない。コアエリア６４とクラッディングエリア６６との屈折率の差は、２つの屈折率の２乗の差の平方根である開口数（ＮＡ）で表され、以下の等式で記述される。
【００２５】
ＮＡ＝[ｎ2 core−ｎ2 clad]1/2
約０．４から１．０の範囲の開口数を持つ光ファイバフェイスプレートは、液晶ディスプレイの種々の用途に用いるのに適している。
【００２６】
コアエリア６４およびクラッディングエリア６６の屈折率に差を生じさせるために、ガラス基板４０にはマスク６０を介して平行ＵＶ放射６２が照射される。マスク６０の平面図が図１０に示されている。マスク６０は、不透明なコア非照射エリア６８と透明なクラッディング照射エリア７０とに分けられている。平行ＵＶ放射６２は、マスク６０のコア非照射エリア６８を通過せず、そのためコアエリア６４ではガラス基板４０には当たらない。従って、コアエリア６４はアモルファスガラスのまま維持される。
【００２７】
しかしながら、平行ＵＶ放射６２は、マスク６０のクラッディング照射エリア７０を通過し、クラッディングエリア６６内の基板４０に当たり、クラッディングエリア６６の特性を変化させる。本例では、クラッディングエリア６６は、コアエリア６４内のアモルファスガラスよりもエッチング速度が大きい結晶ガラスになる。
【００２８】
そして、ガラス基板はエッチング槽に入れられ、その結果が図１１に示されている。最も大きい公知のエッチング速度差は、５％フッ化水素酸溶液（５％ＨＦ）を用いて得られ、これにより、結晶ガラスであるクラッディングエリア６６とアモルファスガラスであるコアエリア６４とのエッチング速度差は５０：１となる。ガラス基板４０は、図１１に示されているように、クラッディングエリア６６の残存部分７２およびクラッディングエリア６６のエッチング部分７４が生じるようにクラッディングエリア６６を部分的にエッチングして除去するのに十分な時間だけエッチングの腐食液槽に浸漬される。クラッディングエリア６６は、クラッディングエリア６６の残存部分７２が構造的な支持部となり得るように完全にはエッチング除去されない。
【００２９】
クラッディングエリア６６の部分的なエッチングが行われると、ガラス基板４０は、ガラス基板４０内のクラッディングエリア６６のエッチング部分７４のエッジを円滑にするためにアニールされてよい。アニール工程の詳細は、用いられるガラス基板４０の種類によって変わる。しかしながら、もしホヤ（Hoya）から入手できるＰＥＧ−３ガラスが用いられるならば、好適なアニーリング工程は４段階で行われるべきである。
【００３０】
第１段階では、ガラス基板４０を、室温から約３５０±５０℃まで、１時間あたり約１５０±５０℃の割合で加熱する。第２段階では、ガラス基板４０を、３５０℃から少なくとも５９０℃まで、１時間あたり約６０±２０℃の割合で加熱する。昇温率が異なるのは、ガラスの急速加熱に起因する内部応力による問題を回避するためである。
【００３１】
ガラス基板４０が約５９０℃まで加熱されると、アニーリング工程の第３段階では、アニーリングが起こるように少なくとも４５分間温度が一定に保持される。ガラス基板４０がアニールされた後、次の工程において１時間あたり約１５０±５０℃の割合で室温にまで冷却されてよい。
【００３２】
アニーリングおよび冷却を行った後、ガラス基板４０のエッチング部分７４は、図１２に示すように、溶融低屈折率ガラス、プラスティック、または、光ブロック材７６で充填される。プラスティック、エポキシ、または、低融点ガラスのような様々な材料を用いることができる。もし黒色材料が所望であれば、カーボンブラックの粒子を埋め込んだプラスチックを用いることができる。
【００３３】
図１３に示されているように、別の実施の形態では、エッチング部分７４は適当な低屈折率液体で充填されてよい。しかしながら、この場合には、液体を保持するために、ガラス基板のエッチング表面上にガラス基板４０と接触する薄いガラスまたはプラスチックの液体保持プレート８４を追加する必要がある。もし不透明なクラッディング開口が所望であれば、液体保持プレートは、クラッディングエリア６６上において光ブロック材８６の薄い層で被覆されてよく、これによって本技術分野で公知であるように不透明のクラッディング開口が提供される。液体保持プレート８４の一表面に適用された光ブロック材８６を備えた液体保持プレート８４の斜視図が、図１４に示されている。コアエリア６４は光ブロック材８６によって被覆されていない。図１３に示されているように、液体保持プレート８４がガラス基板４０のエッチング表面上に組み立てられているとき、図１３に示されているように、光ブロック材８６は組み立て体の外側面にあってガラス基板４０のエッチング面に対向していないことが好ましい。もし光ブロック材８６がガラス基板４０のエッチング面に対向するように光ブロック材８６を備えた液体保持プレート８４が組み立てられても装置は機能するであろうが、光ブロック材８６は外側面にあることが好ましい。
【００３４】
最も重要なことは、コアエリア６４内で全内部反射が起こるように、クラッディングエリア６６内の液体、ガラス、プラスチックまたは光ブロック材７６が、コアエリア６４よりも小さい屈折率を有していることである。もしクラッディングエリア６６内の液体、ガラス、プラスチックまたは光ブロック材７６が、黒色マトリックス材のような光ブロック材であれば、ＦＯＦＰ結合型ＬＣＤの軸上コントラストパフォーマンスの改善という付加的な利益をも得ることができる。この利益を得るためにはクラッディングエリア６６のエッチング部分７４すべてが光ブロック材で充填される必要はなく、エッチング部分７４のわずかな部分だけが充填されていれば足り、それは好ましくは完成した装置の光出射面となる個所に最も近い部分である。
【００３５】
図１５（ａ），（ｂ）または図１６（ａ），（ｂ）に、結果としての製品が示されている。図１５（ａ），（ｂ）は、コアエリア６４を形成する円柱構造と、クラッディングエリア６６を形成する包囲材とに分けられたガラス基板４０を示している。コアエリア６４を形成する円柱構造は、実質的に、光入口面３０から光出口面３２まで伸延している。使用時には、光は通常光入口面３０からコアエリアに入り、コアエリア６４内を伝播し、通常光出口面３２から出ていく。コアエリア６４およびクラッディングエリア６６は、コアエリア６４に入った光を内部反射させるのに十分なだけコアエリア６４がクラッディングエリア６６よりも大きい屈折率を有するような屈折率を有している。また、クラッディングエリア６６が２つの部分を有していることは注意すべきである。すなわち、構造的な支持部となるエッチングされなかった元材料の残存部分７２と、エッチングされた部分７４を充填するために用いられた低屈折率ガラスまたはプラスチック７６である。
【００３６】
図１６（ａ）、（ｂ）は、コアエリア６４を形成する円柱構造と、クラッディングエリア６６を形成する包囲材とに分けられたガラス基板４０を示している。コアエリア６４を形成する円柱構造は、実質的に、光入口面３０から光出口面３２まで伸延している。使用時には、光は通常光入口面３０からコアエリアに入り、コアエリア６４内を伝播し、通常光出口面３２から出ていく。コアエリア６４およびクラッディングエリア６６は、コアエリア６４に入った光を内部反射させるのに十分なだけコアエリア６４がクラッディングエリア６６よりも大きい屈折率を有するような屈折率を有している。クラッディングエリア６６は少なくともその一部が光ブロック材であり、この光ブロック材は軸外れ光が回折して観察者の視覚コーン内に入るのを回避するために好ましくは出口面３２にあり、これにより、ＦＯＦＰ結合型ＬＣＤの軸上コントラストパフォーマンスが改善される。また、クラッディングエリア６６が２つの部分を有していることは注意すべきである。すなわち、構造的な支持部となるエッチングされなかった元材料の残存部分７２と、エッチングされた部分７４を充填するために用いられた低屈折率ガラスまたはプラスチック７６である。
【００３７】
上に挙げた材料を用いて上述のように構成された構造は、コアエリア６４の屈折率がもしガラスが用いられた場合に約１．５であり、クラッディングエリア６６の屈折率がもしトリフルオロイソプロピルメタクリル酸エステルが用いられた場合に約１．４２である。これら屈折率から、開口数ＮＡ＝[ｎ2 core−ｎ2 clad]1/2＝[１．５2-１．４２2]1/2＝０．４８となる。これらの例は説明のためだけのものであって、約１．４５から約１．１２の間の屈折率をもつすべてのガラスまたはプラスチックが、適当な開口数を得るようにしてフォトフォームガラスとともに用いられてもよい。
【００３８】
もし図１３に示すように流体および液体保持プレート８４が用いられるのであれば、適当な液体は水である。もし屈折率が１．３３である水が用いられると、開口数ＮＡ＝[ｎ2 core−ｎ2 clad]1/2＝[１．５2-１．３３2]1/2＝０．６９となる。繰り返すが、水は説明目的だけに用いられるものであり、約１．４５から約１．１２の間の屈折率をもつすべての流体がフォトフォームガラスとともに用いられてもよい。かかる流体には、クラッディングエリア６６への光ブロッキング特性をもつ暗色または不透明流体が含まれる。
【００３９】
図１７〜２２に示すように、クラッディングエリア６６ではなくコアエリア６４をエッチングすることにより同じ処理を実行し、同様の結果を得ることも可能である。図１７〜２２では同じ参照符号が示されており、等価な構造を示すのに参照符号には”ａ”という拡張符号が付記されている。
【００４０】
図１７を参照すると、光感受性ガラス基板４０ａが示されている。ガラス基板４０ａは、コアエリア６４ａおよびクラッディングエリア６６ａの２種類のエリアに分けられている。ガラス基板４０ａがＦＯＦＰとして機能するためには、コアエリア６４ａは、そこに入射したすべての光を全内部反射させることが必要である。全内部反射がコアエリア６４ａ内で起こるためには、コアエリア６４ａの屈折率（ｎcore）が、クラッディングエリア６６ａの屈折率（ｎclad）よりも大きくなくてはならない。
【００４１】
コアエリア６４ａおよびクラッディングエリア６６ａの屈折率に差を生じさせるために、ガラス基板４０にはマスク６０ａを介して平行ＵＶ放射６２ａが照射される。マスク６０ａの平面図が図１８に示されている。マスク６０ａは、透明なコア照射エリア７８と不透明なクラッディング非照射エリア８０とに分けられている。平行ＵＶ放射６２ａは、マスク６０ａのクラッディング非照射エリア８０を通過せず、そのためクラッディングエリア６６ａではガラス基板４０ａには当たらない。従って、クラッディングエリア６６ａはアモルファスガラスのまま維持される。
【００４２】
しかしながら、平行ＵＶ放射６２ａは、マスク６０ａのコア照射エリア７８を通過し、コアエリア６４ａ内の基板４０ａに当たり、コアエリア６４ａの特性を変化させる。本例では、コアエリア６４ａは、クラッディングエリア６４ａ内のアモルファスガラスよりもエッチング速度が大きい結晶ガラスになる。
【００４３】
そして、ガラス基板はエッチング槽に入れられ、その結果が図１９に示されている。最も大きい公知のエッチング速度差は、５％フッ化水素酸溶液（５％ＨＦ）を用いて得られ、これにより、アモルファスガラスであるクラッディングエリア６６ａと結晶ガラスであり、コアエリア６４ａのエッチング速度差は５０：１となる。
【００４４】
グラス基板４０ａは、図１９に示されているように、コアエリア６４ａの残存部分７２ａおよびコアエリア６４ａのエッチング部分７４ａが生じるようにコアエリア６４ａを部分的にエッチングして除去するのに十分な時間だけ腐食液槽に浸漬される。コアエリア６４ａは、コアエリア６４ａの残存部分７２ａが構造的な支持部となり得るように完全にはエッチング除去されない。
【００４５】
コアエリア６４ａの部分的なエッチングが行われると、ガラス基板４０ａは、ガラス基板４０ａ内のコアエリア６４ａのエッチング部分７４ａのエッジを円滑にするためにアニールされる。アニール工程の詳細は、用いられるガラス基板４０ａの種類によって変わる。しかしながら、もしホヤ（Hoya）から入手できるＰＥＧ−３ガラスが用いられるならば、好適なアニーリング工程は上述した４段階で行われるべきである。
【００４６】
アニーリングおよび冷却を行った後、ガラス基板４０ａのコアエリア６４ａのエッチング部分７４は、図２０に示すように、溶融低屈折率ガラス、エポキシまたはプラスティック８２で充填される。ナフタルメタクリル酸エステル、または、ビニルカルバゾールのような様々な材料を用いることができる。
【００４７】
代替的には、図２１に示されているように、エッチング部分７４ａはカシア油または二硫化炭素のような適当な高屈折率流体で充填されてよい。しかしながら、この場合には、液体を保持するために、ガラス基板のエッチング表面上にガラス基板４０ａと接触する薄いガラスまたはプラスチックの液体保持プレート８４ａを追加する必要がある。もし不透明なクラッディング開口が所望であれば、液体保持プレートは、クラッディングエリア６６ａ上において光ブロック材の薄い層で被覆されてよく、これによって本技術分野で公知であるように不透明のクラッディング開口が提供される。液体保持プレート８４ａは図１３に示されたものと同一である。コアエリア６４ａは光ブロック材８６ａによって被覆されていない。図２１に示されているように、液体保持プレート８４ａがガラス基板４０ａのエッチング表面上に組み立てられているとき、図２１に示されているように、光ブロック材８６ａは組み立て体の外側面にあってガラス基板４０ａのエッチング面に対向していないことが好ましい。もし光ブロック材８６ａがガラス基板４０ａのエッチング面に対向するように光ブロック材８６ａを備えた液体保持プレート８４ａが組み立てられても装置は機能するであろうが、光ブロック材８６ａは外側面にあることが好ましい。
【００４８】
最も重要なことは、コアエリア６４ａ内で全内部反射が起こるように、コアエリア６４ａ内のガラスまたはプラスチックが、クラッディングエリア６６ａよりも大きい屈折率を有していることである。
【００４９】
図２２（ａ），（ｂ）に、結果としての製品が示されている。図２２（ａ），（ｂ）は、コアエリア６４ａを形成する円柱構造と、クラッディングエリア６６ａを形成する包囲材とに分けられたガラス基板４０ａを示している。コアエリア６４ａを形成する円柱構造は、実質的に、光入口面３０から光出口面３２まで伸延している。使用時には、光は通常光入口面３０からコアエリアに入り、コアエリア６４ａ内を伝播し、通常光出口面３２から出ていく。コアエリア６４ａおよびクラッディングエリア６６ａは、コアエリア６４ａに入った光を内部反射させるのに十分なだけコアエリア６４ａがクラッディングエリア６６ａよりも大きい屈折率を有するような屈折率を有している。また、コアエリア６４ａが２つの部分を有していることは注意すべきである。すなわち、構造的な支持部となるエッチングされなかった元材料の残存部分７２ａと、エッチングされた部分７４ａを充填するために用いられた高屈折率ガラス、エポキシまたはプラスチック８２である。
【００５０】
上に挙げた材料を用いて上述のように構成された構造は、コアエリア６４ａの屈折率がもしナフタルメタクリル酸エステルが用いられた場合に約１．６８３であり、クラッディングエリア６６ａの屈折率がもしフォトフォームガラスが用いられた場合に約１．５である。これら屈折率から、開口数ＮＡ＝[ｎ2 core−ｎ2 clad]1/2＝[１．６４2-１．５2]1/2＝０．６６となる。しかしながら、これらの例は説明のためだけのものであって、約１．５５から約１．８０の間の屈折率をもついずれかの適当な透明ガラスまたはプラスチックが、適当な開口数を得るようにしてフォトフォームガラスとともに用いられてもよい。
【００５１】
もし、図２１に示されるように、流体及び液体保持プレートが用いられるのであれば、適当な液体はカシア油である。もし、屈折率が１．７のカシア油が用いられると、開口数ＮＡ＝ｎ2 core−ｎ2 clad]1/2＝[１．７2-１．５2]1/2＝０．８となる。ここで、カシア油は説明目的だけに用いられるものであり、約１．５５〜１．８０の間の屈折率を持ついずれかの流体がフォトフォームガラスと共に用いられてもよい。これにより、適当な開口数を得ることができる。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、円柱構造内の屈折率が円柱構造の境界での屈折率よりも大きい、その境界が屈折率の不連続性で規定される複数の円柱構造を含む基板を生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 光ファイバに入射する光の許容コーンを描いた光ファイバ並びにガイド光線および非ガイド光線の側面図である。
【図２】 狭い許容コーンを描いた光ファイバの側面図である。
【図３】 広い許容コーンを描いた光ファイバの側面図である。
【図４】 方位平均を描いた光ファイバの側面図である。
【図５】 従来のＦＯＦＰの平面図である。
【図６】 軸外れ光入射についての光ファイバフェイスプレートにおける光の回折を示す図である。
【図７】 透明クラッディング開口を有する光ファイバフェイスプレートでの回折に関するコントラスト低下を示す図である。
【図８】 不透明クラッディングを有する光ファイバフェイスプレートでの回折に関するコントラスト低下の減少を示す図である。
【図９】 本発明による、ＦＯＦＰの光学的均等物をつくるための第１の製造工程における光感受性ガラスのプレートの側面図である。
【図１０】 図９に示された製造工程で用いられるマスクの平面図である。
【図１１】 本発明による、ＦＯＦＰの光学的均等物をつくるための第２の製造工程における光感受性ガラスのプレートの側面図である。
【図１２】 本発明による、ＦＯＦＰの光学的均等物をつくるための第３の製造工程における光感受性ガラスのプレートの側面図である。
【図１３】 本発明による、ＦＯＦＰの光学的均等物をつくるための光学的第４の製造工程における光感受性ガラスのプレートの側面図である。
【図１４】 液体保持プレートの斜視図である。
【図１５】 図９〜１４のいずれかで説明した製造工程を用いてつくられたＦＯＦＰの斜視図である。
【図１６】 図９〜１４で説明した製造工程を用いてつくられた別のＦＯＦＰの斜視図である。
【図１７】 本発明による、ＦＯＦＰの光学的均等物をつくるための別の第１の製造工程における光感受性ガラスのプレートの側面図である。
【図１８】 図１７に示された製造工程で用いられるマスクの平面図である。
【図１９】 本発明による、ＦＯＦＰの光学的均等物をつくるための別の第２の製造工程における光感受性ガラスのプレートの側面図である。
【図２０】 本発明による、ＦＯＦＰの光学的均等物をつくるための別の第３の製造工程における光感受性ガラスのプレートの側面図である。
【図２１】 本発明による、ＦＯＦＰの光学的均等物をつくるための光学的第４の製造工程における光感受性ガラスのプレートの側面図である。
【図２２】 図１７〜２１のいずれかで説明した製造工程を用いてつくられたＦＯＦＰの斜視図である。
【符号の説明】
４０ 光感受性ガラス基板、６０ マスク、６２ 平行ＵＶ放射、６４ コアエリア、６６ クラッディングエリア、６８ コア非照射エリア、７０ クラッディング照射エリア、７２ 残存部分、７４ エッチング部分、８４ 液体保持プレート、８６ 光ブロック材。
Claims (3)
- ａ．光入口面および光出口面と、
ｂ．前記光入口面から前記光出口面にほぼ伸延する複数の実質的な円柱構造であって、光が、前記光入口面において前記円柱構造に入射し、前記円柱構造を伝播し且つ前記光出口面から出射し、前記円柱構造がコア屈折率を有するような実質的な円柱構造と、
ｃ．前記円柱構造をほぼ取り囲んでいるクラッディング構造であって、前記クラッディング構造が前記コア屈折率よりも小さなクラッディング屈折率を有しているクラッディング構造と、を備える光プレートであって、
前記光プレートは、露光部分のエッチング特性が変化する光感受性ガラスから形成され、前記クラッディング構造が、マスクを介して露光した後に光感受性ガラスをエッチング除去した部分に充填された前記クラッディング屈折率を有する材料と、エッチング除去されずに残存して光プレートの構造的な支持部をなす光感受性ガラスからなる部分とで構成されるか、または、前記実質的な円柱構造が、マスクを介して露光した後に光感受性ガラスをエッチング除去した部分に充填された前記コア屈折率を有する材料と、エッチング除去されずに残存して光プレートの構造的な支持部をなす光感受性ガラスからなる部分とで構成される、光プレート。 - 前記クラッディング屈折率を有する材料がカーボンブラックの粒子を含むプラスチックからなることを特徴とする請求項１の光プレート。
- 前記クラッディング屈折率を有する材料が液体であり、前記光プレートが、前記液体を保持するための手段をさらに備えていることを特徴とする請求項１の光プレート。
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