JP6087914B2 - 目標要素への光の集光 - Google Patents

Description

本発明は、目標要素の方へ光を集光するように構成された光学装置、光起電力装置、陽電子放出断層撮影用の検出装置、及び目標要素の方へ光を集光するように構成された光学装置を製造する方法に関する。

光学装置は、目標領域又は目標領域に位置する目標要素の方へ光を集光するために使用可能である。光学装置によって案内され、目標要素に入射する高光量を達成することが、一般に望ましい。

以下において、一般性を失うことなく、光起電力技術の技術分野において使用可能なルミネッセンス光学装置に対して言及がなされる。

かかるルミネッセンス光学装置は、光学装置の広がりに沿った日光を収集するように、且つ収集された日光を、通常は小さな寸法を有する光起電力素子に案内するように構成されてもよい。このように、光が入射する光起電力素子の必要な面積は、光起電力素子の製造コストを低減するために、小さく保たれる必要があり得る。

国際公開第２０１１／０１２５４５Ａ１号は、太陽電池システムで使用するルミネッセンス光学装置を説明する。ルミネッセンス光学装置は、略平面の導波路素子の上面に装着されたレンズ構造を含む。レンズ構造は、導波路素子上に並んで配置された複数のレンズと、導波路素子に面する第１の波長選択ミラー層と、を含む。ルミネッセンス領域を含むルミネッセンス構造が、略平面の導波路の平坦な下面に設けられる。第２の波長選択ミラー層が、平坦な下面及びルミネッセンス領域に設けられ、ルミネッセンス領域は、導波路と第２の波長選択ミラー層との間に配置される。ルミネッセンス光学装置の動作においては、日光は、ルミネッセンス光学装置に入射し、且つルミネッセンス領域によって別の波長の光に変換される。変換された光は、導波路素子によって太陽電池システムの光電池の方へ案内され、且つ第１及び第２の波長選択ミラーで反射される。

本発明の目的は、目標要素の方へ光を集光するように構成された、高効率及び低製造コストを有する光学装置を提供することである。更に、本発明の目的は、光起電力装置、及びかかる光学装置を含む陽電子放出断層撮影のための検出装置を提供することである。更に、本発明の目的は、かかる光学装置を製造するための容易に実行可能で安価な方法を提供することである。

上記で定義された目的は、独立請求項による目標要素の方へ光を集光するように構成された光学装置、光起電力装置、陽電子放出断層撮影用の検出装置、及び目標要素の方へ光を集光するように構成された光学装置を製造するための方法によって解決される。

本発明の例示的態様に従うと、目標要素の方へ光を集光するように構成された光学装置が提供される。光学装置は、目標要素の方へ光を案内するように構成された導波路素子、及び第１の波長の入射光を第２の波長の出射光に変換するように構成された波長変換素子を含む。波長変換素子は、導波路素子に隣接して延びる。導波路素子と波長変換素子との間の境界面は、表面粗さを有する。

本発明の別の例示的態様に従うと、光起電力装置が提供される。光起電力装置は、上記で説明されたような光学装置、及び光学装置の導波路素子に接続された光起電力素子を含む。

本発明の別の例示的態様に従うと、陽電子放出断層撮影（ＰＥＴ：positron emission tomography）用の検出装置が提供される。検出装置は、上記で説明されたような光学装置、及び光学装置の導波路素子に接続された検出ユニットを含む。

本発明の別の例示的態様に従うと、目標要素の方へ光を集光するように構成された光学装置を製造する方法が提供される。方法は、目標要素の方へ光を案内するように構成された導波路素子を設けることと、第１の波長の入射光を第２の波長の出射光に変換するように構成された波長変換素子を設けることと、波長変換素子が導波路素子に隣接して延びるように、波長変換素子及び導波路素子を互いに対して配置することと、を含む。導波路素子と波長変換素子との間の境界面は、表面粗さを有する。

本出願のコンテキスト内で、用語「第１の波長の入射光を第２の波長の出射光に変換する」は、単一の第１の波長又は一連の第１の波長の入射光が、単一の第２の波長又は一連の第２の波長を含む出射光に変換され得ることを特に示してもよい。ここで、光の波長は、ナノメートル単位で測定されてもよい。

用語「第１の素子と第２の素子との間の境界面」は、第１及び第２の素子間の接触領域を特に示してもよい。特に、境界面は、互いに物理的に接触している第１及び第２の素子の表面によって、又は第１及び第２の素子のそれぞれの表面間における三次元領域によって形成されてもよい。領域は、更なる間隔層、接着剤、結合層等によって形成されてもよい。

用語「境界面は表面粗さ有する」は、境界面の一部を形成する１つ又は複数の素子における１つ又は複数の表面の（特に平均）表面粗さを特に示してもよい。特に、表面粗さは、ナノメートル単位又はマイクロメートル単位で測定されてもよい。

本発明の例示的態様に従うと、光学装置は、光学装置の導波路素子が、目標要素の方へ光を案内するように構成され得るという点で、目標要素の方へ光を集光するように構成されてもよい。更に、光学装置は、光学装置の波長変換素子に入射するか、又はそれを通過する光の波長変換に備えてもよい。変換された光は、導波路素子によって、目標要素の方へ案内されてもよい。導波路素子と波長変換素子との間の境界面の表面粗さは、導波路素子を伝播する光の平均経路長さを低減するように、且つ導波路素子における光の吸収を回避するように働き得る。何故なら、光は、導波路素子と波長変換素子との間の境界面の粗面におけるスポットの形状及び／又は向きに従って（不規則に）反射され得るからである。用語「光の平均経路長さ」は、導波路素子を目標要素の方へ出る前に、導波路素子内を伝播する光の実際の経路長さの平均を特に示してもよい。特に、光の平均経路長さは、吸着される前の光の伝播する長さと関連付けられ得る「光の自由経路長さ」とは異なってもよい。特に、導波路素子における光の無限平均経路長さは、目標要素の方へ導波路素子を出ることなく、光学装置の導波路素子の表面における複数の反射イベントによって導波路素子においてトラップされる光に対応してもよい。特に、長期の平均経路長さは、導波路素子における光の吸収の可能性を増加させ得る。

従って、光学装置は、目標要素の方へ案内される光に関して高効率を有し得る。何故なら、導波路素子の外面における複数の反射イベントによる、導波路素子における光の無限のトラッピングが防止され得るからである。従って、光が目標要素に合焦され得るので、光は、目標要素の方へ集光され得る。

特に、導波路素子を伝播する光に関連付けられる時間は、低くなり得る。何故なら、粗面における乱反射が、導波路素子内の光伝播時間を低減させ得るからである。後者は、短い光伝播時間がデータ取得の短い時間に対応し得るので、ＰＥＴ用途用に光学装置を使用する場合に望ましくなり得る。光起電力装置用に光学装置を使用する場合に、短い伝播時間は、光起電力装置の適切な動作に対する重大な問題にはならないこともある。

特に、光学装置は、コスト効率の良い方法で製造され得る。何故なら、光学装置が、さらに安価になり得る少数コンポーネントだけを含み得るからである。

次に、目標要素の方へ光を集光するように構成された光学装置の更なる例示的実施形態が説明される。しかしながら、これらの実施形態はまた、光起電力装置、陽電子放出断層撮影用の検出装置、及び目標要素の方へ光を集光するように構成された光学装置を製造する方法に当てはまる。

特に、第１の波長は、第２の波長より短くてもよい。特に、波長変換素子は、紫外線及び／又は可視光を赤外光に変換するように構成されてもよい。

境界面は、波長変換素子と導波路素子との互いの（物理的）接触によって形成されてもよく、導波路素子の表面及び／又は波長変換素子の表面は、粗くてもよい。従って、導波路素子及び波長変換素子は、光学装置の製造が促進されるように、互いに直接接触してもよい。更に、導波路素子及び／又は波長変換素子に粗面を設けることは、特にその組み立てに先立って簡単な方法で実行され得る。更に、導波路素子及び波長変換素子の両方に粗面を設けることは、目標要素の方へ案内される光量に関して光学装置の効率を向上させ得る。何故なら、目標要素の方への光の乱反射イベントの可能性の増加がもたらされるからである。

特に、導波路素子又は波長変換素子だけが、表面粗さを含んでもよい。特に、境界面は、導波路素子及び／又は波長変換素子に隣接して位置する表面であって、表面粗さを有する表面を含み得る間隔要素を含んでもよい。

光学装置は、入射光を反射するように構成された第１の反射素子を更に含んでもよく、波長変換素子は、特に導波路素子及び／又は第１の反射素子の全外延に沿って、導波路素子と第１の反射素子との間に延びてもよい。特に、波長変換素子は、導波路素子と第１の反射素子との間に挟まれてもよい。特に、第１の反射素子は、目標要素に面する導波路素子の表面を除いて、第１の導波路素子の全ての表面に隣接して延びてもよい。従って、光学装置の効率は、波長変換素子を通過する光が、目標要素の方へ案内されるように、波長変換素子及び導波路素子の方へ逆に、第１の反射素子によって反射され得るので、波長変換素子を通る光の透過が低減又は除去さえされ得るという点で、更に向上される。更に、光に波長変換素子を２回通過させることは、目標要素の方へ案内される変換された光量を増加させ得る。

特に、波長変換素子の厚さは、第１の反射素子が光学装置に存在し得る場合には薄くてもよい。何故なら、第１の反射素子を設けることによって、変換効率が向上され得るからである。

光学装置は、（特に第２の波長の）入射光を反射するように構成された第２の反射素子を更に含んでもよく、導波路素子は、波長変換素子と第２の反射素子との間に延びてもよい。特に、導波路素子は、波長変換素子と第２の反射素子との間に挟まれてもよい。特に、第２の反射素子は、導波路素子の全外延に隣接し、且つそれに沿って延びてもよい。特に、第２の反射素子は、導波路素子と波長変換素子との間の境界面の一部を形成する導波路素子の表面の反対側である導波路素子の表面に沿って延びてもよい。特に、第２の反射素子は、境界面の一部を形成する導波路素子の表面及び目標要素の方へ面する導波路素子の表面を除いて、導波路素子の全ての表面に隣接して延びてもよい。従って、光学装置は、目標要素の方へ案内される光量に関して更に向上された効率を有し得る。何故なら、第２の反射素子が、導波路素子から結局は散乱されることになる光を、次に目標要素の方へ案内されるように、導波路素子の方へ逆に向けるために働き得るからである。

導波路素子と第２の反射素子との間の別の境界面が、表面粗さを含み、それによって、目標要素の方へ案内される光量に関して光学装置の効率を更に向上させてもよい。特に、別の境界面は、目標要素の方への光の不規則な光反射イベントの可能性を増加させることによって、導波路素子にトラップされる光の平均経路長さを低減するための更なる手段を提供してもよい。更に、上記で詳述されたように、導波路素子における光の伝播時間は、更に低減され得る。従って、目標要素の方への更に向上された光の集光が、達成され得る。

別の境界面は、導波路素子と第２の反射素子との互いの（物理的）接触によって形成されてもよく、導波路素子の表面及び／又は第２の反射素子の表面は、粗くてもよい。上記で詳述されたように、光学装置の製造は、導波路素子及び第２の反射素子を互いに直接接続することによって促進され得る。更に、導波路素子における粗面の存在及び／又は第２の反射素子における粗面の存在は、目標要素の方へ案内される光量に関して、効率を向上させ得る。何故なら、目標要素の方への光の不規則な散乱又は反射イベントの可能性が増加され得、導波路素子を伝播する光の平均経路長さが低減され得るからである。表面粗さを備えた導波路素子の表面及び第２の反射素子の表面の両方の設計は、後で説明された効果を著しく向上させ得る。

光学装置は、層状構造を含んでもよい。特に、導波路素子、波長変換素子、第１の反射素子及び第２の反射素子からなる群から選択される少なくとも１つの要素は、層として構成されてもよい。特に、導波路素子は、（バルク）部材として構成されてもよく、且つ／又はガラス若しくはシンチレータ結晶材料で製造されてもよく、波長変換素子、第１の反射素子及び第２の反射素子のそれぞれは、層又は層スタックとして構成されてもよい。従って、光学装置の製造は、従来の技術、例えばリソグラフィ、フィルム材料の堆積、溶解プロセス及び／又は融合プロセスが利用され得るという点で、促進され得る。特に、かかる光学装置は、小さくてコンパクト設計を含んでもよく、従って、異なる用途用に構成された様々な装置に統合可能にし、それによって、光学装置を多方面に使用できるように変えてもよい。更に、光学装置は、層状構造の層を形成するために必要な材料の量が少なくなり得るという点で、コスト効率の良い方法で製造され得る。

第１の反射素子及び／又は第２の反射素子は、入射光を拡散反射するように、且つ／又は入射光を鏡面反射するように構成されてもよい。用語「光の拡散反射」は、スネリウスの法則に従って特に定義され得る優先方向の代わりに、反射光が全ての方向に散乱される光の反射入射を特に示してもよい。用語「光の鏡面反射」は、反射光が、特にスネリウスの法則に従って、鏡状に反射される光の反射入射を示してもよい。特に、入射光を拡散反射するように第１の反射素子及び／又は第２の反射素子を構成することは、導波路素子にトラップされる光の平均経路長さを低減することを可能にする。特に、入射光を鏡面反射するように第１の反射素子及び／又は第２の反射素子を構成することは、光学装置の光学効率を調整するための手段を表し得る。何故なら、反射光の定義された向きのための手段が提供され得るからである。従って、目標要素の方へ案内される光量に関する光学装置の効率は、向上され得る。

特に、第１の反射素子及び第２の反射素子の両方とも、入射光を拡散反射するように、又は入射光を鏡面反射するように構成されてもよい。特に、第１の反射素子又は第２の反射素子は、入射光を拡散反射するように構成されてもよく、もう一方の反射素子は、入射光を鏡面反射するように構成されてもよく、それによって、上記で詳述された両方の技術的効果を１つの光学装置内で組み合わせる。特に、第１の反射素子及び／又は第２の反射素子は、これらの素子の材料が、導波路素子に隣接して測定されるこれらの反射素子の外延に沿って変化してもよいという点で、光を拡散又は鏡面反射するように構成されてもよい。

特に、第１及び第２の反射素子は、同一材料を含んでもよい。

第１の反射素子及び／又は第２の反射素子は、粉末粒子を含むラッカー材料を含んでもよい。特に、粉末粒子は、酸化チタン（Ｔｉ−Ｏ）分子、例えば二酸化チタン（ＴｉＯ２）、又は任意の他の白色粉末粒子、例えば酸化アルミニウム若しくは硫酸バリウムを含んでもよい。従って、第１の反射素子及び／又は第２の反射素子は、入射光を拡散反射するように構成されてもよい。従って、特に、ラッカー層の種類に依存して、第１の反射素子及び／又は第２の反射素子は、特定の波長領域における入射光の高反射率を有してもよいが、この波長領域において低い固有の吸収及び低透過を示してもよい。

第１の反射素子及び／又は第２の反射素子は、ポリマーをベースとする材料を含むことにより、これらの素子の低製造コストをもたらしてもよい。

特に、ポリマーをベースとする材料は、多孔質プラスチック材料を含んでも、多孔質プラスチック材料として構成されてもよい。特に、多孔質プラスチック材料は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）及びポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）からなる群から選択される少なくとも１つのプラスチック材料を含んでもよい。特に、多孔質プラスチック材料は、ポリマー繊維、若しくはポリマーフィラメントで作製された繊維を含んでもよく、又はこれらの繊維として構成されてもよい。特に、多孔質プラスチック材料の反射率は高くなり得る。何故なら、多孔性材料における増加された外面及び／又は多孔性材料内に満たされたか若しくはトラップされた空気が、反射イベント数の増加に帰着し得るからである。従って、第１の反射素子及び／又は第２の反射素子は、入射光を拡散反射するように構成されてもよい。特に、かかる第１の反射素子及び／又は第２の反射素子は、使用される材料に依存して、特定の波長領域における反射率の増加を含んでもよいが、この波長領域における（略）ゼロの光吸収及び低透過を示してもよい。

特に、ポリマーをベースとする材料は、ポリマーをベースとするフィルム又は薄層のスタックを含んでもよい。特に、層スタックは、キャリア層又はフィルム上に配置されてもよい。特に、層スタックにおける層の屈折率は、互いにわずかに異なってもよい。特に、光は、ポリマーをベースとするフィルム材料の反射率が高いように、異なる層の表面で反射してもよい。特に、かかる第１の反射素子及び／又は第２の反射素子は、使用される材料に依存して、特定の波長領域における反射率の増加を含んでもよいが、この波長領域におけるゼロの光吸収及び低透過を示してもよい。

第１の反射素子及び／又は第２の反射素子の厚さは、少なくとも約≧１マイクロメートル、特に、少なくとも約≧５マイクロメートル、更に特に、少なくとも約≧１０マイクロメートルであってもよく、且つ／又は第１の反射素子及び／又は第２の反射素子の厚さは、最大でも約≦２０００マイクロメートル、特に、最大でも約≦５００マイクロメートル、更に特に、最大でも約≦２００マイクロメートルであってもよい。特に、目標要素の方へ案内される光量に関する光学装置の効率は、厚さ範囲を、最後に言及された約１０マイクロメートル〜約２００マイクロメートルの厚さ範囲に適合させることで、著しく向上され得る。

特に、第１及び第２の反射素子は、同一の厚さを含んでもよい。

特に、ラッカーをベースとする第１及び／又は第２の反射素子は、少なくとも約≧２マイクロメートル〜最大でも約≦２００マイクロメートルの厚さを含んでもよい。ここで、白色粉末粒子を含むラッカー層は、第１及び／又は第２の反射素子の薄い厚さが十分であるような優れた反射素子を表し得る。特に、多孔質プラスチック材料をベースとする第１及び／又は第２の反射素子は、少なくとも約≧５マイクロメートル〜最大でも約≦５００マイクロメートルの厚さを含んでもよい。ここで、多孔質プラスチック材料の屈折率は、ラッカー層に埋め込まれた白色粉末の屈折率より低く、上記で詳述されたラッカー層と比較して第１及び／又は第２の要素の厚さの増加をもたらしてもよい。特に、ポリマーフィルム材料をベースとする第１及び／又は第２の反射素子は、少なくとも約≧１０マイクロメートル〜最大でも約≦６５マイクロメートル、特に、最大でも約≦５０マイクロメートルの厚さを含んでもよい。ここで、ポリマーフィルム材料は、理想的な反射素子を表し、それによって、第１及び／又は第２の反射素子の薄い厚さをもたらし得る。更に、ポリマーフィルム材料の最小厚さは、ポリマーフィルム材料のキャリアフィルムによってもたらされ得る。

特に、波長変換素子は、蛍光体をベースとする材料、例えば蛍光化合物（例えばリン化合物）を含む材料、又は蛍光化合物を含むプラスチック材料を含んでもよい。従って、波長変換素子は、紫外線及び／又は可視光を赤外光に変換するように構成されてもよい。特に、光学装置の製造コストは、波長変換素子用の市販の材料が使用され得るという点で、低減され得る。従って、光学装置は、波長変換素子によりルミネッセンス光を放射することによって、ルミネッセンス光学装置として構成されてもよい。

特に、光学装置は、目標要素を含んでもよい。

特に、目標要素は、光起電力素子又は陽電子放出断層撮影用の検出装置の検出ユニットとして構成されてもよい。特に、検出ユニットは、光電子増倍管、フォトダイオード、アバランシェダイオード若しくはシリコン光電子増倍管を含んでもよく、又はそれらとして構成されてもよい。特に、目標要素は、導波路素子の外側面及び／又は波長変換素子の外側面に、例えば接着によって直接接続されてもよい。

次に、目標要素の方へ光を集光するように構成された光学装置を製造する方法の更なる例示的実施形態が説明される。しかしながら、これらの実施形態はまた、光学装置、光起電力装置、及び陽電子放出断層撮影用の検出装置に当てはまる。

光学装置における導波路素子と波長変換素子との間の境界面の表面粗さ、及び導波路素子と第２の反射素子との間の別の境界面の表面粗さは、波長変換素子の表面及び／又は（特に配置前の）導波路素子の表面、並びに導波路素子の表面及び／又は第２の反射素子の表面を擦過することによって、それぞれ達成されてもよい。ここで、基準面は、互いに物理的に接触するそれぞれの素子の表面に対応してもよい。従って、境界面及び／又は別の境界面の一部を形成する表面を処理するための、従来的に使用されてコスト効率の良い技術が使用され、それによって、方法を促進し、且つ方法を実行するために必要なコストを低減してもよい。

本発明のこれらや他の態様は、以下で説明される実施形態から明らかになり、それらに関連して解明されよう。

本発明の例示的実施形態による光起電力装置の断面図である。 図１の光起電力装置の光学装置における、異なる多孔質プラスチック材料を含む第１の反射素子の波長依存性を示す図である。 図１の光起電力装置の光学装置における、異なるポリマーフィルムをベースとする材料を含む第１の反射素子の反射率の波長依存性を示す図である。 図１の光起電力装置の光学装置における、異なるポリマーフィルムをベースとする材料を含む第１の反射素子の透過の波長依存性を示す図である。 本発明の例示的実施形態による陽電子放出断層撮影用の検出装置の断面図である。 図５の検出装置の光学装置の導波路素子における平均経路長さの長さ分布を示す図である。 図５の検出装置の光学装置によって出力される光量の結晶長さ依存性を示す図である。

図１を参照すると、本発明の例示的実施形態による光起電力装置１００が説明されている。光起電力装置１００は、光学装置１０２に接続された光起電力装置１００の光起電力素子１０４の方へ光を集光するように構成された光学装置１０２を含む。

光学装置１０２は、光起電力素子１０４の方へ光を案内するように構成された導波路素子１０６と、入射紫外線可視光を出射赤外光に変換するように構成された波長変換素子１０８と、入射光を反射するように構成された第１の反射素子１１０と、入射光を反射するように構成された第２の反射素子１１２と、を含む。波長変換素子１０８は、導波路素子１０６に隣接して延び、且つ導波路素子１０６と第１の反射素子１１０との間に挟まれる。第１の反射素子１１０は、波長変換素子１０８に隣接して延び、第２の反射素子１１２は、波長変換素子１０８と反対側で導波路素子１０６に隣接して延びる。

光学装置１０２は、層状構造を含む。導波路素子１０６は、バルクガラス部材として構成され、且つ波長変換素子１０８、第１の反射素子１１０及び第２の反射素子１１２のそれぞれは、それぞれの隣接する素子の表面全体に沿って延びる層として構成される。

第１の境界面１１４が、導波路素子１０６の表面１１６と波長変換素子１０８の表面１１８との間に形成され、表面１１６、１１８は、互いに接触し、従って隣接する。導波路素子１０６の表面１１６は、擦過されており、従って例えば少なくとも約≧５ナノメートル〜最大でも約≦１５ナノメートルの平均表面粗さを有する。波長変換素子１０８の表面１１８もまた粗い。何故なら、層状波長変換素子１０８の表面１１８が、光学装置１０２の製造プロセスにおける堆積ステップ中に、導波路素子１０６の表面１１６に適合されたからである。

第２の境界面１２０が、導波路素子１０６の表面１２２と第２の反射素子１１２の表面１２４との間に形成される。導波路素子１０６の表面１２２は、導波路素子１０６の表面１１６の反対側であり、導波路素子の表面１２２及び第２の反射素子１１２の表面１２４は、互いに接触する。更に、導波路素子１０６の表面１２２は、導波路素子１０６の表面１２２もまた擦過されるので、表面１１６と比較して同様の表面の粗さを有する。従って、第２の反射素子１１２の表面１２２もまた粗い。何故なら、層状の第２の反射素子１１２の表面が、光学装置１０２の製造プロセスにおける別の堆積ステップ中に、導波路素子１０６の表面１２２に適合されたからである。

波長変換素子１０８は、リン化合物から作製された蛍光体層として構成される。従って、波長変換素子１０８は、赤外線波長領域における低い固有の光自己吸収を示すが、入射紫外線及び可視日光を出射赤外光に変換する場合に高効率を有する。波長変換素子１０８の厚さは、１０マイクロメートルである。代替として、波長変換素子１０８は、埋め込まれたリン化合物を含むプラスチック又はラッカー層として構成されてもよい。従って、波長変換素子１０８の厚さは、第１の反射素子１１０が含まれないが、例えば少なくとも１８マイクロメートルの厚さを有する波長変換素子１０８を含む光学装置１０２と比較して、低減される。

第１の反射素子１１０は、入射光を拡散反射するように構成された拡散反射素子として構成される。第１の反射素子１１０は、キャリア剤にルチル分子を含むラッカー層として製造される。ルチルは、周知の二酸化チタンをベースとする白色粉末材料であり、二酸化チタン（ＴｉＯ２）の２つの当然利用可能な改質における１つの改質を表す。ルチルは、約４００ナノメートルの吸収端を有する。第１の反射素子１１０は、青色又は紫外線波長領域において低い固有の自己吸収を示し、紫外線波長領域ではほとんど反射を示さず、且つ可視光及び赤外光用の反射素子として使用可能である。代替として、ラッカー層は、ＴｉＯ２の２つの当然利用可能な改質における別の改質を表すアナターゼを含んでもよい。アナターゼは、ルチルと比較して、より低い屈折率を有し、青色及び紫外線波長領域において吸収を示さない。代替として、第１の反射素子１１０は、キャリア剤に埋め込まれた酸化アルミニウム及び硫酸バリウムなどの別の白色粉末粒子を含むラッカー層として製造され、且つ使用される材料に基づいて、紫外線、可視、及び／又は赤外線波長領域において高い反射率を有する。

代替として、拡散反射する第１の反射素子１１０は、１つ又は複数の薄い多孔質プラスチック層、例えばＰＴＦＥ繊維をベースとする層又はＰＶＤＦをベースとする層を含んでもよく、これらのそれぞれは、少なくとも１０マイクロメートル〜最大でも２０００マイクロメートルの厚さを含む。

第１の反射素子１１０はまた、3Mの６５μｍ厚のVM2000強化鏡面反射体（ＥＳＲ：Enhanced Specular Reflector）フィルムで作製された鏡面反射素子として構成されてもよい。VM2000ＥＳＲフィルムは、キャリア層に配置された複数の光学活性層のスタックを含む。層スタックにおける層のそれぞれは、他の層と比較して、異なる屈折率を有する。このポリマーフィルム材料は、可視波長領域において吸収を示さず、且つ第１の反射素子１１０に入射する光の入射角にかかわらず、可視波長領域において約９８．５％の反射率を示す。更に、この材料は、赤外線波長領域において高い反射率を示す。第１の反射素子１１０は、多層光学フィルム技術を用いて製造される。

鏡面反射の第１の反射素子１１０用に使用可能な別のポリマーをベースとする非吸収フィルム材料は、第１の反射素子１１０に入射する光の垂直入射角に対し、４００ナノメートル〜５００ナノメートルの波長領域で１００％の反射率を示す3MのVikuiti（商標）強化鏡面反射体（ＥＳＲ）フィルムであってもよい。更に、第１の反射素子１１０用に使用可能な別の非吸収ポリマー材料は、要請に応じて入手可能な3Mの「青色強化」Vikuiti（商標）材料であってもよい。使用される材料は、３５０ナノメートル〜７５０ナノメートルの波長領域において強化された反射率を示す。Vikuiti（商標）ＥＳＲフィルム及び「青色強化」Vikuiti（商標）フィルムは、VM2000ＥＳＲフィルムと比較して、同様に設計されている。

第２の反射素子１１２は、第１の反射素子１１０に匹敵する類似の鏡面反射フィルム、及び特に紫外線でも可視光領域でもなく赤外線における高反射率のために最適化された６５マイクロメートル厚のVikuiti（商標）ＥＳＲフィルムを含む。従って、第２の反射素子１１２は、赤外光を鏡面反射するように構成される。

光起電力装置１００の動作において、矢印１３０によって示された日光は、光学装置１０２に入射する。日光は、紫外線波長、可視波長及び赤外線波長を含む。矢印１３２によって示されているように、日光は、第２の反射素子１１２及び導波路素子１０６を通過して、波長変換素子１０８のリン化合物において散乱及び／又は吸収される。第２の反射素子１１２が、赤外線波長の光に対して鏡面反射するように構成されるので、日光における赤外光のほんの一部だけが、第２の反射素子１１２を通過する。リン化合物は、赤外線波長の光を放射することによって、吸収された光を赤外線波長の光に変換する。散乱及び吸収される光は、矢印１３２によって示され、変換された光は、矢印１３４によって示されている。第２の反射素子１１２を透過する日光の赤外光におけるほんの一部は、波長変換素子１０８を通過し、且つ波長変換素子１０８の表面１１８で、及び波長変換素子１０８内で最終的に散乱されてもよい。変換された光、及び日光の赤外光のほんの一部は、第１の反射素子１１０の表面１３６によって、波長変換素子１０８及び導波路素子１０６に逆に反射される。反射光は、矢印１３８によって示されている。更に、変換された光、及び第２の反射素子１１２に入射する日光の赤外光におけるほんの一部は、第２の反射素子１１２の表面１２４において、光起電力素子１０４の方へ反射される。第２の反射素子１１２によって反射される光は、矢印１４０によって示され、反射光は、矢印１４２によって示されている。

日光の赤外光及び変換された光におけるほんの一部は、導波路素子１０６の表面１１６、１２２における全反射によって、且つ第１の反射素子１１０の表面１１８及び第２の反射素子１１２の表面１２４における反射によって、光起電力素子１０４に導かれる。更に、導波路素子１０６の粗面１１６、１２２、第１の反射素子１１０の粗面１１８、及び第２の反射素子１１２の粗面１２４は、異なる向きの反射光を伴う反射イベントが提供されるという点で、光起電力素子１０４の方へ光が素早く案内されるようにする。従って、導波路素子１０６における光のトラッピング、及びトラップされた光に起因する、導波路素子１０６における光の吸収は、回避され得る。日光の波長変換の効率もまた、第１の反射素子１１０が波長変換素子１０８に光を２回通過させるという点で向上される。

電流は、光起電力素子１０４に入射する赤外光の量に基づいて、光起電力素子１０４によって発生される。

以下において、本発明の例示的実施形態に従って光学装置１０２を製造する方法が説明される。第１のステップにおいて、導波路素子１０６が、ガラス部材の形で設けられる。次に、導波路素子１０６の外側対向面１１６、１２２が擦過される。代替として、導波路素子１０６の表面１１６、１２２は、摩砕されるか、化学的にエッチングされるか、又はサンドブラストで磨かれる。次のステップにおいて、波長変換素子１０８が、堆積技術を用いて、導波路素子１０６の表面１１６に沿って積層される。その後すぐに、第１の反射素子１１０が、蒸着によって波長変換素子１０８の外面１３６に沿って積層され、第２の反射素子１１２が、導波路素子１０６の外面１２０に付着される。更に、第２の反射素子１１２は、光起電力装置１００の組み立てられた状態において光起電力素子１０４に面する導波路素子１０６の外側面１４４を除いて、導波路素子１０６の全ての他の露光面に沿って積層される。光学装置１０２はこのように製造される。次のステップにおいて、光起電力素子１０４が、導波路素子１０６の外側面１４４及び波長変換素子１０８の外側面１４６に接着される。それに応じて光起電力装置１００が製造される。

図２を参照すると、異なる多孔質プラスチック材料によって製造された第１の反射素子１１０における反射率の波長依存性が説明されている。対応するダイアグラム２５０は、（ナノメートルで測定された）波長を示す横座標２５２、及び（パーセンテージ％で測定された）反射率を示す縦座標を含む。１００％を超える図示された反射率値が、測定機器及び特に青色光用に使用された基準反射素子の不十分な較正によって引き起こされることに留意されたい。曲線２５６ａは、０．５ミリメートルの厚さを備えたGORE（登録商標）のＰＴＦＥ繊維における反射率の波長依存性を示す。図示された反射率は、青色光波長領域及び近紫外線波長領域において１００％を有し、７５０ナノメートルあたりで約９６．５％に低下する。曲線２５６ｂ〜ｄは、Milliporeの仕様ＩＳＥＱ、ＩＰＶＨ及びＩＰＦＬの０．２０マイクロメートル厚のＰＶＤＦ薄膜層における反射率の波長依存性を示す。曲線２５６ｂ〜ｄは、３５０ナノメートルの波長において９５％〜１００％の反射率値を示し、これらの値は、約７５０ナノメートルの波長で９０％〜９７％の値に低下する。曲線２５６ｅ〜ｇは、曲線２５６ｂ〜ｄのそれぞれの材料と同一であるが、しかしながら略半分の０．１１マイクロメートルの厚さを備えた材料を含む第１の反射素子１１０における反射率の波長依存性を示す。曲線２５６ｅ〜ｇは、３５０ナノメートルの波長で９３％〜９８％の値を有する全体的に低下された反射率を示し、その値は、７５０ナノメートルの波長で約９０％の反射率値に低下する。従って、多孔質プラスチック材料によって製造される第１の反射素子１１０の厚さの増加は、紫外線、可視及び赤外光の全波長領域における反射率の増加に帰着する。後者の結果は、第１の反射素子１１０における上記で詳述された別の材料にも同様に当てはまる。更に、第１の反射素子１１０は、光吸収を示さず、従って、可視、紫外線及び赤外線波長領域用の反射素子として理想的に適している。

図３を参照すると、図１に関連して上記で詳述された非吸収ポリマー材料によって製造された鏡面反射の第１の反射素子１１０における反射率の波長依存性が説明されている。ダイアグラム３６０は、（ナノメートルで測定された）波長に対応する横座標３６２、及び（パーセンテージ％で測定された）反射率に対応する縦座標を含む。曲線３６６ａは、単一で６５マイクロメートル厚の１００％ポリマーVikuiti（商標）ＥＳＲフィルムを含む第１の反射素子１１０における反射率の波長依存性を示し、且つフィルムにおける光全反射に関連付けられた角度より大きな入射角用の、全可視波長領域における１００％反射率を示す。曲線３６６ｂは、６５マイクロメートル厚のVM2000フィルムを含む第１の反射素子１１０における反射率の波長依存性を示し、且つフィルムにおける光の垂直入射角用の、４００ナノメートル〜５００ナノメートルの波長領域における約９８．５％の反射率を示す。これらのフィルムは、可視波長領域では、どんな吸収も示さない。

図４を参照すると、別の異なる鏡面反射材料によって製造された第１の反射素子１１０における透過の波長依存性が説明されている。ダイアグラム４６０は、（ナノメートルで測定された）波長に対応する横座標４６２、及び（パーセンテージ％で測定された）透過に対応する図４６０の縦座標を含む。曲線４６６ａは、６５マイクロメートルの厚さを備えた、上記で詳述されたVikuiti（商標）ＥＳＲフィルムを含む第１の反射素子１１０の透過に対応する。曲線４６６ｂは、（上記で詳述された「青色強化」Vikuiti（商標）フィルムと類似の）仕様ＸＢ１２００及び６５マイクロメートル厚の別の「青色強化」Vikuiti（商標）フィルムを含む第１の反射素子１１０の透過を示す。曲線４６６ａ、ｂは、４００ナノメートル〜６００ナノメートルの波長領域において０．５％未満の透過を示し、これらの第１の反射素子１１０の材料を紫外線及び可視光反射素子用に理想的に適したものにする。更に、赤外線領域におけるこれらの第１の反射素子１１０の透過値が２％未満なので、用いられる材料は、変換された赤外光を反射するのに適している。

図５を参照すると、本発明の例示的実施形態による陽電子放出断層撮影用の検出装置５００が説明されている。検出装置５００は、光学装置５０２の導波路素子５０６の外側面５４４、及び光学装置５０２の波長変換素子５０８の外側面５４６を介して、検出ユニット５０４に装着された光学装置５０２を含む。検出ユニット５０４は、光電子増倍管として構成される。代替として、検出ユニット５０４は、フォトダイオード、アバランシェダイオード又はシリコン光電子増倍管として構成される。光学装置５０２は、光学装置１０２と比較して、同様に設計される。しかしながら、導波路素子５０６は、ルテチウムイットリウムオキシオルトシリケート（ＬＹＳＯ）シンチレータ結晶として構成され、且つ入射ガンマ（γ）量子を出射紫外線光に変換するように構成される。更に、導波路素子５０６の全ての表面は、第１の反射素子５１０に面して擦過される導波路素子５０６の側面５１６を除いて、研磨される。代替として、導波路素子５０６の表面５１６、５２２が擦過される。

検出装置５００の動作は、光起電力装置１００の動作と同一であるが、しかしながら日光の代わりに、５１１キロ電子ボルトのエネルギを有する、且つ患者の身体内の電子陽電子消滅によって発生されるγ量子が、光学装置５０２に入射する。導波路素子５０２は、γ粒子を紫外光に変換し、次に、紫外光が、波長変換素子５０８に入射するか、且つ／又は波長変換素子５０８を通過する。

検出装置５００を製造する方法は、光起電力装置１００を製造する方法と同様である。しかしながら、導波路素子５０６は、バルク結晶として設けられ、表面５１６を除いた全ての表面５２２が研磨される。導波路素子５０６の表面５１６は擦過される。更に、光起電力素子１０４の代わりに、検出ユニット５０４が、導波路素子５０６の外側面５４４及び波長変換素子５０８の外側面５４６に接着される。

図６を参照すると、２２ミリメートル×４ミリメートル×４ミリメートルの寸法の立方形状をした結晶導波路素子５０６を含む光学装置５０２において伝播する光の平均経路長さの分布が示されている。この例において、結晶の全ての表面が研磨される。ダイアグラム６６０は、（ミリメートルで測定された）平均経路長さを示す横座標６６２、及び（カウントで測定された）縦座標６６４を有する。ダイアグラム６６０は、結晶長さの数倍に対応する１５０ミリメートルまでの経路長さを示す。この長い経路長さは、研磨された面を有する結晶における光のトラッピングによってもたらされる。導波路素子５０６のデシメートル長さを仮定すると、メートル程度の光の平均経路長さに帰着し得る。

図７を参照すると、光学装置５０２のＬＹＳＯ結晶をベースとする導波路素子５０６の異なる長さ用の出力光量が示されている。出力光は、導波路素子５０６の外側面５４４で出力される光に対応する。ダイアグラム７６０は、（ミリメートルで測定された）導波路素子５０６の結晶長さを示す横座標７６２、及び（任意単位ａ．ｕ．で提示される）測定された光ピークのピーク位置で決定された出力光量を示す縦座標７６４を含む。出力光は、導波路素子５０６の外側面５４４で出力される光に対応する。曲線７６６ａ〜ｃは、少数の値及び１つの値をそれぞれ含み、且つ第１及び第２の反射素子５１０、５１２を含まない光学装置５０２用に、導波路素子５０６の外側面５４４を除いて導波路素子５０６の全ての表面（従って、立方形状結晶の５つの表面）に配置された同一設計の第１及び第２の反射素子５１０、５１２を含む光学装置５０２用に、並びに結晶をベースとする導波路素子５０６の擦過された表面５１６及び他の研磨された面５２２、５４４と共に、導波路素子５０６の外側面５４４を除いた導波路素子５０６の全ての表面５１６、５２２に配置された同一設計の第１及び第２の反射素子５１０、５１２を含む光学装置５０２用に、出力光量を示す。曲線７６６ａ、ｂを通るラインは、目へと案内される。曲線５６６ａ、ｂによって示されているように、出力光量は、結晶長さの増加と共に低下する。後者の結果は、導波路素子５０６の結晶材料内における長くされた平均経路長さに起因する。何故なら、より多くの吸収イベントが、導波路素子５０６において発生し得るからである。更に、同一の結晶長さに対して、出力光量は、１つの外側面５４４を除いた全ての表面５１６、５２２において同一の第１及び第２の反射素子５１０、５１２を含む光学装置５０２ではより高い。何故なら、光が、反射素子５１０、５１２によって導波路素子５０６に逆に集光され、導波路素子１１０からの光の散乱が回避されるからである。更に、曲線７６６ａ〜ｃによって示されているように、１２ミリメートルの結晶長さで評価されると、出力光量は、曲線７６６ｂと比較して、擦過された表面５１６を含む光学装置５０２では２０％増加される。何故なら、導波路素子５０６にトラップされた光が、導波路素子５０６の表面５１６で不規則に反射され、且つ検出ユニット５０４の方へ素早く集光されるからである。最大２５％の増加が達成され得る。

図面及び前述の説明において本発明が図解され詳細に説明されたが、かかる図解及び説明は、限定ではなく実例又は例示として考えられるべきである。本発明は、開示された実施形態に限定されない。開示された実施形態に対する他の変形形態が、図面、本開示及び添付の特許請求の範囲の研究から、請求される発明を実施する際に当業者によって理解され達成され得る。特許請求の範囲において、単語「含む」は、他の要素又はステップを排除せず、不定冠詞「a」又は「an」は、複数を排除しない。ある手段が、相互に異なる従属請求項で列挙されるという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利には利用され得ないことを意味しない。特許請求の範囲における何れの参照符号も、範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

Claims (14)

1. 目標要素の方へ光を集光する光学装置であって、
   − 前記目標要素の方へ光を案内する導波路素子と、
   − 第１の波長の入射光を第２の波長の出射光に変換する波長変換素子であって、前記導波路素子に隣接して延びる波長変換素子と、
   を含み、
   前記波長変換素子に隣接する前記導波路素子が、粗面におけるスポットの形状及び／又は向きに従って伝播光を不規則に反射させることにより、前記導波路素子内を伝播する光の平均経路長さを低減させるための前記粗面を前記導波路素子と前記波長変換素子との間に有する、光学装置。
2. 境界面が、前記波長変換素子と前記導波路素子との互いの接触によって形成され、前記導波路素子の表面及び前記波長変換素子の表面が粗い、請求項１に記載の光学装置。
3. 前記光学装置が、入射光を反射する第１の反射素子を更に含み、前記波長変換素子が、前記導波路素子と前記第１の反射素子との間に延びる、請求項１又は２に記載の光学装置。
4. 前記光学装置が、入射光を反射する第２の反射素子を更に含み、前記導波路素子が、前記波長変換素子と前記第２の反射素子との間に延びる、請求項１乃至３の何れか一項に記載の光学装置。
5. 前記第２の反射素子に隣接する前記導波路素子の別の境界面が表面粗さを有する、請求項４に記載の光学装置。
6. 前記別の境界面が、前記導波路素子と前記第２の反射素子との互いの接触によって形成され、前記導波路素子の表面及び前記第２の反射素子の表面が粗い、請求項５に記載の光学装置。
7. 前記光学装置が層状構造を含む、請求項１乃至６の何れか一項に記載の光学装置。
8. 前記第１の反射素子及び／又は前記第２の反射素子が、前記入射光を拡散反射し、且つ／又は前記入射光を鏡面反射する、請求項１乃至７の何れか一項に記載の光学装置。
9. 前記第１の反射素子及び／又は前記第２の反射素子が、粉末粒子を含むラッカー材料を含む、請求項１乃至８の何れか一項に記載の光学装置。
10. 前記第１の反射素子及び／又は前記第２の反射素子が、ポリマーをベースとする材料を含む、請求項１乃至９の何れか一項に記載の光学装置。
11. 前記第１の反射素子及び／又は前記第２の反射素子の厚さが、少なくとも１マイクロメートルであり、且つ／又は前記第１の反射素子及び／又は前記第２の反射素子の前記厚さが、最大で２０００マイクロメートルである、請求項１乃至１０の何れか一項に記載の光学装置。
12. 光起電力装置であって、
    − 請求項１乃至１１の何れか一項に記載の光学装置と、
    − 前記光学装置の導波路素子に接続された光起電力素子と、
    を含む光起電力装置。
13. 陽電子放出断層撮影用の検出装置であって
    − 請求項１乃至１１の何れか一項に記載の光学装置と、
    − 前記光学装置の導波路素子に接続された検出ユニットと、
    を含む検出装置。
14. 目標要素の方へ光を集光する光学装置を製造する方法であって、
    − 前記目標要素の方へ光を案内する導波路素子を設けることと、
    − 第１の波長の入射光を第２の波長の出射光に変換する波長変換素子を設けることと、
    − 前記波長変換素子が前記導波路素子に隣接して延びるように、前記波長変換素子及び前記導波路素子を互いに対して配置することと、
    を含み、
    前記波長変換素子に隣接する前記導波路素子が、粗面におけるスポットの形状及び／又は向きに従って伝播光を不規則に反射させることにより、前記導波路素子内を伝播する光の平均経路長さを低減させるための前記粗面を前記導波路素子と前記波長変換素子との間に有する方法。