JP6611699B2 - 光拡散素子 - Google Patents

Description

優先権

本願は、米国特許法第１２０条項に基づき、２０１３年３月１３日に出願された米国特許出願第１３／８００，１８４号明細書の優先権を主張するものであり、本願が依拠し、その全文は参照により本明細書に組み込まれている。

本開示は、概して光を伝送し拡散するための光学材料及び光学系に関する。より詳細には、本開示は、光を散乱させかつ拡散させるための低屈折率空孔を含有するガラスに関する。最も詳細には、本開示は、ＬＥＤ照明源に対する結合効率が高い空孔含有ガラスコアに関する。

多数の光学系は、光を遠隔光源から標的送信先に送達するために光ファイバーを利用している。典型的な光学系では、光源がファイバーと結合し、光源よりもたらされる光はファイバーによって標的送信先に案内される。光ファイバーは、光信号の形態にコード化された情報を送達するために、遠距離通信において広く使用されている。遠距離通信リンクは、電気信号を光信号に変換する送信機を含む。光信号は、ファイバー内に送出されて受信機に送信され、そこでリンクの送信先端部で更に処理するために光信号は再変換されて電気信号に戻される。光ファイバーは、点照明源としても使用されている。これらの用途では、光源からの光はファイバーの受信端部に結合され、照明ビームとしてファイバーの送信先端部から出現する。

光ファイバーの使用を広域照明への適用に拡大することへの興味が高まっている。これらの光学系では、ファイバー長の少なくとも一部分に沿った光の制御放出を達成することが目的である。光を封じ込めて光源からの光を、減損を最小限にとどめて伝送し、ファイバー軸方向に配置された標的に点照明をもたらすためにファイバーを使用するのではなく、ファイバーの半径方向に作用する照明の広域な光源としてファイバーの外側面を使用することが目的になっている。

光拡散ファイバーは、広域照明源として使用可能な種類のファイバーである。光拡散ファイバーは、ファイバー軸に沿って半径方向に伝搬する光を散乱させるように設計されている。半径方向の散乱は、ファイバーのコア及び／又はクラッド領域内又は全体に、ナノ構造の空孔を組み込むことで達成される。空孔の屈折率は低く、典型的にはガスで満たされており、ファイバーを通って伝搬する光の波長とほぼ同程度の寸法を有している。空孔間で屈折率は対比を成し、周囲の高密度ガラスマトリックスが光の散乱を生じさせる。散乱効率、従って、散乱光の強度は、寸法、空間的配置及び空孔の数密度を管理することによって制御可能である。広域照明に加えて、光拡散ファイバーは、ディスプレイにおいて、そして光化学用途での光源として使用可能である。光拡散ファイバー及び代表的な適用に関するより詳細な情報は、特許文献１及び特許文献２に見つけることができ、その開示内容は参照により本明細書に組み入れられている。

光拡散ファイバーは多用途な広域放射照明の小規模な光源であり、湾曲されても機能性を維持するという更なる長所がある。これにより光拡散ファイバーを、照明源として狭い空間や従来の光源では配置不可能な領域に配置することが可能になる。限られた空間や湾曲構成において機能を達成するには、ファイバーの直径を小さくする必要がある。ファイバーの中心のガラス部分（コア＋クラッド領域）は、通常、湾曲時の破損を回避するために約１２５μｍ以下とする必要がある。

米国特許第７，４５０，８０６号明細書 米国特許出願公開第２０１１／０１２２６４６号明細書

光拡散フィルターの直径を小さくすることによる欠点の１つは、ＬＥＤ（発光ダイオード）光源との結合効率が低下する点である。従来の白熱光源が衰退してゆく傾向にともない、ＬＥＤは益々重要になるものと期待されている。ＬＥＤ光源との効率的な結合が可能な拡散光素子を有することが望ましいであろう。

本開示は、ＬＥＤ光源に効率的に結合する広域照明に用いるための光拡散素子を提供するものである。光拡散素子は、内部空孔を含み得るガラスから構成されることができる。内部空孔は、素子の中心軸の方向に伝搬する光を半径方向、横断方向、軸外方向に再配向させる散乱中心として機能するナノ構造又はマイクロ構造の領域であってもよい。散乱光は、素子の外側面を出て広域照明をもたらすことができる。

内部空孔は、素子の横断面方向全体に分布されてもよいし、或いはその特定の領域に局在されてもよい。内部空孔は、特定の厚みを有し素子内の半径方向の特定の位置に存在する環状に構成されることができる。

内部空孔は、光の一つ以上の波長を２００ｎｍから２０００ｎｍの範囲で散乱させるように構成することができる。

光拡散素子は、その長さに沿って均一に光を散乱させることができる。光拡散素子の長さに沿った照明波長での散乱効率は、最大値の５０％未満、又は最大値の３０％未満、又は最大値の２０％未満だけ変化することができる。外表面を通って散乱する光の強度は、素子長に沿った照明波長における場合の最大値の５０％未満だけ、又は素子長に沿った照明波長における場合の最大値の３０％未満だけ、又は素子長に沿った照明波長における場合の最大値の２０％未満だけ、変化させることができる。

光拡散素子の形状は、線形状、湾曲状、コイル状であってもよい。光拡散素子は剛性かつ非可撓性であってもよく、形状は永久的なものであってもよい。様々な形状により、固有の形状と照明のパターンを有する照明器具を提供することが可能である。

光拡散ロッドは、表面コーティングを含んでもよい。表面コーティングは、ロッドから散乱した光の波長を変化させる燐光性又は蛍光性の成分を含んでもよい。被覆は散乱光を吸収し、異なる波長で再発光させることができる。表面コーティングはまた、より均一に角度分布させるために散乱中心を含んでもよい。表面コーティングは、内部空孔のあらゆる優先的傾向を補償して、前後方向又は軸外方向に光を散乱させることができる。

光拡散素子は、直接的に光源と結合してもよいし又は介在素子を通って光源と結合してもよい。光源は、ランプ、レーザー、レーザーダイオード又はＬＥＤであってもよい。介在素子は、光学部品、透明なガラスロッド又は光透過性ポリマーであってもよい。

追加の特徴及び利点は、以下の詳細な記載に述べられており、一部はその記載から当業者にとって容易に明白になり、或いは後述の詳細な記載、請求項並びに添付の図面を含む本明細書の記載の通りに実施形態を実行することで認識されるであろう。

前述の概要及び以下の詳細な記載は、いずれも単に例示的なものにすぎず、請求項の性質及び特徴を理解するための概要又は構成を提供することを意図していることを理解すべきである。添付の図面は、更なる理解を得るために含まれており、本明細書に組み込まれてその一部を構成している。図面は、１つ以上の実施形態を例示しており、その説明と共に様々な実施形態の原理及び作用を説明する役割を果たしている。

添付の図面は、更なる理解を得るために含まれており、本明細書に組み込まれてその一部を構成している。図面は、１つ以上の実施形態を例示しており、その説明と共に様々な実施形態の原理及び作用を説明する役割を果たしている。

内部空孔が全体に分布した光拡散素子の横断面の概略図である。 内部空孔が環状領域に局在した光拡散素子の横断面の概略図である。 湾曲構成を有する光拡散素子を描写している。 光拡散素子を組み込んでいる照明系を描写している。 光拡散素子の切片の２種類の拡大倍率での横断面の画像である。

本開示は、ＬＥＤを含む様々な光源に効率的に結合する光拡散素子を提供している。光拡散素子は、ガラスで構成することができ、内部空孔を含むことができる。内部空孔は、ナノ構造又はマイクロ構造であってもよく、素子に散乱光を通過させるように作用することができる。素子を通過する光は、素子内で軸方向又は長手方向に伝搬することができ、内部空孔は、光を軸外又は横断方向に散乱させることができる。散乱光は、素子の外側面に配向されて、外側面を通過して、例えば、照明効果をもたらすことができる。照明効果は、例えば、素子長の全体又は一部分に沿った照明によってもたらされる広域照明であってもよい。

光拡散素子は、光源を含む光学系に組み込まれてもよい。光源は、ランプ、ダイオード、レーザー、レーザーダイオード、ＬＥＤ（発光ダイオード）又は他の光源であってもよい。光源は、２００ｎｍから２０００ｎｍのスペクトル範囲の全域又は一部に亘って作用することができる。

光拡散素子は、１つの横断面寸法と１つの長さ寸法を有してもよい。長さ寸法は、光が素子を通って伝搬する方向の寸法であってもよく、横断面寸法は、光伝搬方向を横断する方向であってもよい。光拡散素子がロッド構成状を有する場合、長さ寸法は、軸寸法であってもよく、横断面は円形状であってもよく、横断面の寸法は直径であってもよい。しかしながら、光拡散素子の横断面は任意の形状であってもよく、曲面状又は平形状の側面を含んでもよいことが理解される。横断面の形状は、円形状、楕円状、正方形、矩形及び多角形、並びに曲面状の側面と平形状の側面の組合せを含む形状を有してもよい。本明細書で使用されるように、横断面寸法は、横断面の外周（例えば円周、周辺部）の２点をつなぐ最長の直線距離を指す。

光拡散素子は、寸法が少なくとも０．５ｍｍ、又は少なくとも０．７ｍｍ、又は少なくとも１ｍｍ、又は少なくとも２ｍｍ、又は少なくとも３ｍｍの横断面を有してもよい。光拡散素子の横断面寸法は、０．５ｍｍと２０ｍｍとの間、又は０．７ｍｍと１０ｍｍとの間、又は０．７ｍｍと５ｍｍとの間、又は１ｍｍと２０ｍｍとの間、又は１ｍｍと１０ｍｍとの間、又は１ｍｍと４ｍｍとの間、又は２ｍｍと５ｍｍとの間であってもよい。光拡散素子の長さは、少なくとも１ｃｍ、又は少なくとも５ｃｍ、又は少なくとも２０ｃｍ、又は少なくとも５０ｃｍ、又は少なくとも１００ｃｍ、又は少なくとも５００ｃｍであってもよい。光拡散素子の長さは、１ｃｍと５００ｃｍとの間、又は１ｃｍと１００ｃｍとの間、１ｃｍと５０ｃｍとの間、又は１ｃｍと２０ｃｍとの間、又は５ｃｍと１００ｃｍとの間、又は５ｃｍと５０ｃｍとの間、又は５ｃｍと２０ｃｍとの間であってもよい。

光拡散素子の横断面寸法は、光ファイバーのコアとクラッド領域を組み合せた場合、約１２５μｍまでの典型的な横断面寸法を大幅に上回っている。導波路の光捕獲効率は、Ｇ＝Ｓ（ＮＡ）^２で規定されるそのエタンデュに比例しており、式中Ｓは横断面積であり、ＮＡは導波路の開口数である。光拡散素子の断面寸法が大きくなるほど、光ファイバーに対するエタンデュが増加し、この開口数の増加により、ＬＥＤ光源との結合効率が向上する。典型的なＬＥＤ光源は、横断面積が１ｍｍ^２以上であり、開口数（ＮＡ）は約０．９までであるが、典型的な光ファイバーは、横断面積は約０．２ｍｍ^２までであり、開口数は約０．５以下である。本発明の光拡散素子は、少なくとも０．３８ｍｍ^２、又は少なくとも０．７８ｍｍ^２、又は少なくとも３．１４ｍｍ^２、又は少なくとも７．０６ｍｍ^２の横断面積を有し、少なくとも０．７、又は少なくとも０．８、又は少なくとも０．９の開口数を有することができ、ＬＥＤ光源により効率的に結合する。

内部空孔は、数百ナノメートルから数マイクロメートル、例えば、１００ｎｍと２０μｍとの間、又は５００ｎｍと１０μｍとの間、又は５００ｎｍと５μｍとの間の範囲の寸法を有する横断面を有することができる。内部空孔は、数ミクロンから数ミリメートル、例えば、１μｍと５ｍｍとの間、又は３μｍと２ｍｍとの間、又は５μｍと１ｍｍとの間の範囲の長さを有することができる。素子内の内部空孔は、断面寸法及び長さが分布していてもよい。内部空孔は、無作為又は非周期的な配置に構成されてもよい。

内部空孔は、素子の０．５％と２０％との間、又は素子の１％と１５％との間、又は素子の２％と１０％との間の占有率を占めていてもよい。本明細書で使用する場合、占有率とは、内部空孔で占有される横断面積の分率を指す。適切に近似すると、占有率は、内部空孔の体積分率に対応する。素子の中の空孔の体積分率は、０．５％と２０％との間、又は１％と１５％との間、又は２％から１０％であってもよい。

内部空孔は、素子の横断面全体に分布されていても、或いはその１つ以上の離散領域内に局在されていてもよい。図１Ａ及び図１Ｂは、素子内の内部空孔の多数の空間分布の内の２つを例示している。図１Ａは、本開示に係る光拡散素子の横断面を示している。横断面１０は、内部空孔４０を例示する領域２０の拡大図３０を含んでいる。図１Ａでは、内部空孔４０は横断面１０全体に分布している。例示の目的として、内部空孔４０は、均一な横断面寸法と横断面形状を有するものとして示されている。実際に、内部空孔の寸法及び形状は分布している。図１Ｂは、本開示に係る別の光拡散素子の横断面を示している。横断面６０は、空孔のない内側領域７０、内部空孔を有する環状領域８０、及び内部空孔のない外側環状領域９０を含んでいる。内側領域７０及び外側環状領域９０は、固体ガラス領域であってもよい。環状領域８０の幅は、光拡散素子の横断面寸法の５％から９０％、又は光拡散素子の横断面寸法の１０％から９０％、又は光拡散素子の横断面寸法の３０％から９０％の範囲であってもよい。

内部空孔の横断面分布は、光拡散素子の長さに沿った異なる位置で変化してもよい。前述のように、内部空孔の長さ及び横断面特性（例えば、形状及び寸法）は、変化してもよい。この変化は素子の軸方向又は長さ方向に生じてもよい。内部空孔の長さが素子の全長に延出しなくてもよいので、特定の内部空孔は、幾つかの断面に存在し、他の断面には存在しなくてもよい。

内部空孔は、ガスで満たされていてもよい。適切なガスは、ＳＯ_２、希ガス、ＣＯ_２、Ｎ_２、Ｏ_２、空気又はそれらの混合物を含んでいる。

光拡散素子は、内部空孔の配置を制御することで、その長さの全体又は一部に沿って光を散乱させるように構成されることができる。内部空孔を含む素子の領域は、光を効率的に散乱させて照明効果を発揮し得るが、内部空孔のない素子の領域は、照明効果をもたらさない場合がある。以下でより詳細に記載するように、処理条件は、素子の特定の領域に内部空孔を形成するか否かを、そして形をなす内部空孔の空間的及び寸法上の特性を制御するために使用されることができる。光拡散素子は、内部空孔を含む横断面又は延出長さと共にほとんど光を散乱しない又は全く光を散乱しない固体ガラスの横断面又は延出長さを含んでいてもよい。空孔を有する領域又は横断面と空孔を有しない領域又は横断面とは、素子長に沿って点在されてもよいし又は交互になっていてもよい。

照明源としての光拡散素子の輝度は、素子の外面を通過する散乱光の強度に依存する可能性がある。散乱光の強度は、照明源からの光が素子を通って伝搬する際の散乱損失に依存し得る。散乱損失が増大するほど、一般的には光拡散素子の輝度は高くなる。幾つかの用途では、十分な輝度を達成するには、散乱損失は、少なくとも０．１／ｄＢ／ｍ、又は少なくとも１ｄＢ／ｍ、又は少なくとも５ｄＢ／ｍ、又は少なくとも１００ｄＢ／ｍであり得る。

幾つかの用途では、光拡散素子又はその選択された領域の長さに沿って、照明強度の均一性を達成することが望ましい場合がある。素子の外表面を通過する散乱光の強度が、最大値を呈し得る。素子の外表面を通過する散乱光の強度の変動は、素子又はその選択部分の長さに沿って照明波長の最大値の５０％未満、又は素子又はその選択部分の長さに沿って照明波長の最大値の３０％未満、又は素子又はその選択部分の長さに沿って照明波長の最大値の２０％未満だけ変化し得る。

散乱効率は、光拡散素子の長さに沿って変化し得る。光拡散素子又はその選択部分の長さに沿って照明波長の散乱の変化の度合いを制御することは、より均一な照明効果を達成するうえで望ましい場合がある。散乱効率は、素子の送出端部近傍と素子の光源端部近傍とで異なる場合がある。散乱効率は、素子の光源端部から離れるほど、素子に沿って強くなる場合がある。素子に沿った散乱効率が、最大値を呈し得る。光拡散素子又はその選択部分の長さに沿った照明波長の散乱効率は、最大値の５０％未満、最大値の３０％未満、又は最大値の２０％未満だけ変化し得る。散乱効率、散乱光強度、及び／又は記述の散乱損失において述べる変化は、光拡散素子において同時に実現することができる。

光拡散素子は、任意ではあるが、表面コーティングを含んでもよい。表面コーティングは、光拡散素子の外表面と直接接触してもよく、光拡散素子は、クラッド領域が欠如していてもよい。表面コーティングは、内部空孔によって散乱する光の角度分布を制御又は変更し得る散乱層を含んでもよい。散乱層を利用することで、散乱光の分布及び／又は性質を増強させることができる。散乱層は、内部空孔によって散乱する光の角度分布をより均一にし得る散乱中心を含んでもよい。一部の例では、例えば、内部空孔による散乱は、光伝搬（前方散乱）の方向により優先的に発生する場合があり、光伝搬（後方散乱）と反対方向又は軸外方向の散乱は、あまり優先的には発生しない場合がある。表面散乱層は、優先的な角度散乱を補償することで、散乱光をより均一に分布させることができる。

散乱材料は、約２００ｎｍから１０μｍの平均径を有するナノ粒子又はマイクロ粒子を含んでもよい。散乱粒子の平均径は、約２００ｎｍ、又は約３００ｎｍ、又は約４００ｎｍ、又は約５００ｎｍ、又は約６００ｎｍ、又は約７００ｎｍ、又は約８００ｎｍ、又は約９００ｎｍ、又は約１μｍ、又は約２μｍ、又は約３μｍ、又は約４μｍ、又は約５μｍ、又は約６μｍ、又は約７μｍ、又は約８μｍ、又は約９μｍ、又は約１０μｍでもよい。散乱粒子の密度は、素子の長さに沿って変化しても、あるいは一定でもよく、全体的な減衰を抑制しつつ光を均一に散乱させるのに十分な重量百分率で存在してもよい。散乱層における散乱粒子の重量百分率は、約１％、又は約２％、又は約３％、又は約４％、又は約５％、又は約６％、又は約７％、又は約８％、又は約９％、又は約１０％、又は約１１％、又は約１２％、又は約１３％、又は約１４％、又は約１５％、又は約１６％、又は約１７％、又は約１８％、又は約１９％、又は約２０％、又は約２５％、又は約３０％、又は約３５％、又は約４０％、又は約４５％、又は約５０％であってもよい。散乱層は、ＴｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｎＯ、ＳｉＯ_２又はＺｒ等の金属酸化物あるいは他の高屈折率材料を含み得る散乱物質の微細粒子又はコロイドを含んでもよい。散乱物質はまた、気泡等のマイクロサイズ又はナノサイズの低屈折率の粒子又は空孔を含んでもよい。散乱層の幅は、約１μｍ、又は約２μｍ、又は約３μｍ、又は約４μｍ、又は約５μｍ、又は約６μｍ、又は約７μｍ、又は約８μｍ、又は約９μｍ、又は約１０μｍ、又は約２０μｍ、又は約３０μｍ、又は約４０μｍ、又は約５０μｍ、又は約６０μｍ、又は約７０μｍ、又は約８０μｍ、又は約９０μｍ、又は約１００μｍより大きくてもよい。

散乱材料は、光拡散素子の内部空孔から散乱する光を、実質的に角度非依存的に配向するホワイトインク等のＴｉＯ_２系の微粒子を含有していてもよい。散乱粒子は、散乱層内に下層を含んでもよい。微粒子の下層は、約１μｍから約５μｍの厚みを有してもよい。微粒子層の厚み及び／又は散乱層における微粒子の密度は、素子の長さに沿って変化させることで、大きい角度（例えば、約１５度より大きい角度）において、光拡散素子から散乱する光の強度をより均一に変化させることができる。

表面コーティングは、内部空孔によって散乱される光を吸収し、変更した波長で再発光させることが可能な燐光体又は蛍光体を含む発光層を含んでもよい。光を発する表層は、光拡散素子と直接接触していてもよく、或いは散乱層を取り囲んで直接接触する追加の表層として適用してもよい。発光層における蛍光性又は燐光性の材料は、任意の有機又は無機の蛍光性或いは燐光性の物質を含んでもよい。発光層は、遷移金属酸化物、希土類元素酸化物、量子ドット、ナノ粒子、有機蛍光体の金属増強蛍光体、有機染料、等を含んでもよい。発光金属の中心は、Ｃｒ^３＋、Ｃｅ^３＋、Ｎｄ^３＋、Ｔｂ^３＋、Ｅｕ^３＋及びＰｒ^３＋を含む。発光金属の中心は、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２又はＡｌ_２Ｏ_３等の酸化物を含む無機の母体格子においてドーパントとして組み入れることができる。量子ドットは、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＺｎＴｅ又は関連の材料等の発光性半導体材料を含んでもよい。

発光層は、ポリマーコーティングを備えることができる。ポリマーコーティングは、その中に蛍光性又は燐光性の中心を付与してもよく、それらの配合物を液体として素子に適用し、次いで素子に適用後固体に変換し得る任意の液体ポリマー又はプレポリマー材料を含んでもよい。例えば、発光層は、素子から散乱される光を異なる波長の光に変換する蛍光性又は燐光性の物質を組み込んだアクリレート系又はシリコーン系のポリマー等のポリマーコーティングを含んでもよい。発光波長は、散乱波長より長い波長でもよい。蛍光性又は燐光性の物質を、紫外線硬化性のアクリレート系コーティングに配合し、配合物を素子に直接又は希釈形態で適用して発光被膜を得てもよい。

白色光は、光拡散素子を蛍光性又は燐光性の物質を含有する発光層で被覆し、それを紫外線又は近紫外光源に結合させることで発光させることができる。光源から散乱されて吸収されることなく発光層を通過する紫外線又は近紫外光と散乱された紫外線又は近紫外光を吸収する際に発光層で生成される波長シフトした光との複合効果により、白色照明を形成することができる。光源の光波長は、約３００から５５０ｎｍ、又は約３００ｎｍ、又は約３５０ｎｍ、又は約４００ｎｍ、又は約４５０ｎｍ、又は約５００ｎｍ、又は約５５０ｎｍであってもよい。

前述のように、光拡散素子の出力は、散乱された入射紫外線又は近紫外光と、発光層から散乱された蛍光又は燐光との組合せを含んでもよく、この場合に複合光は白色を呈する。幾つかの実施形態において、複合光は、ＣＩＥ １９３１ ｘ、ｙ色度空間のｘ軸及びｙ軸上で測定する場合、ｘ座標は約０．１５から約０．２５であり、ｙ座標は約０．２０から約０．３０であり、（Ｔ． Ｓｍｉｔｈ、Ｊ． Ｇｕｉｌｄ共著， Ｔｈｅ Ｃ．Ｉ．Ｅ． Ｃｏｌｏｒｉｍｅｔｒｉｃ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ ａｎｄ Ｔｈｅｉｒ Ｕｓｅ（Ｃ．Ｉ．Ｅ比色標準及びその用法）、第３３巻、ＴＲＡＮＳ．ＯＰ．ＳＯＣ．、７３頁から１３４頁（１９３１年）、その開示内容は参照により本明細書に組み込まれている。）複合光は、ＣＩＥ １９３１ ｘ、ｙ色度空間において、ｘ座標が約０．１８から約０．２３、又は約０．１５、又は約０．１６、又は約０．１７、又は約０．１８、又は約０．１９、又は約０．２０、又は約０．２１、又は約０．２２、又は約０．２３、又は約０．２４、又は約０．２５であってもよい。複合光は、ＣＩＥ １９３１ ｘ、ｙ色度空間において、ｙ座標が約０．２３から約０．２７、又は約０．２０、又は約０．２１、又は約０．２２、又は約０．２３、又は約０．２４、又は約０．２５、又は約０．２６、又は約０．２７、又は約０．２８、又は約０．２９、又は約０．３０であってもよい。

光拡散素子は、素子の表面と直接には接触しない保護ポリマージャケットを有してもよい。光拡散素子と保護ポリマージャケットとの間に空隙が存在してもよい。ジャケットは、光拡散素子面の表面屈折率より高い屈折率を有する材料で形成してもよい。空隙が存在する場合、保護ポリマージャケットは、光拡散素子における光強度の分布を変えなくてもよい。ポリマージャケットは、素子からの光強度の角度分布をより均一にするために、充填材として内部に、或いはジャケットの外面に適用される形（例えば、白色拡散塗料）で、散乱材料又は散乱成分を含んでもよい。ポリマージャケットは、その表面で光を部分的に反射又は拡散させる材料を含んで、素子から放射される光強度の分布を所定の方向に導くようにしてもよい。

ポリマージャケットは、散乱層及び／又は発光層を有する包囲層として組み込まれてもよい。散乱層が光拡散性素子を取り囲んでもよく、ポリマージャケットが散乱層を取り囲んでもよい。散乱層は、ポリマージャケットと直接接触してもよく、及び／又は光拡散素子の外表面と直接接触してもよい。発光層は、光拡散素子及び／又は散乱層の外表面とポリマージャケットとの間に位置されてもよい。

光拡散素子は、当該分野で既知の化学蒸着（ＣＶＤ）又は他の技法により、スート含有光ファイバープレフォームを形成することにより製造されてもよい。スートのプレフォームは、プレフォームを取り囲む気体雰囲気下で稠密化されてもよい。気体雰囲気の存在下で稠密化することにより、稠密化中に気体雰囲気の一部分がプレフォームに捕捉されるため、稠密化プレフォームに空孔が形成されることになる。空孔は、稠密化プレフォームに非周期的に分布されてもよく、各空孔が、稠密化ガラスプレフォーム内に捕捉された少なくとも１つの稠密化ガスの領域に対応していてもよい。次いで、空孔を有する稠密化プレフォームを引き抜かれ、本開示に係る光拡散素子を作製する。稠密化中に、プレフォームに形成された空孔の少なくとも一部は、引き抜かれた素子に残る。１本又は複数の光拡散ファイバーが、ファイバープレフォームの代わりに利用されてもよい。

稠密化が起こる条件を操作することにより、空孔の寸法、形状、長さ、占有率及び空間分布を制御してもよい。空孔特性の方向も（例えば、軸方向対横断方向に沿って）制御することができる。稠密化条件は、大量のガスを稠密化ガラスの空包に効率的に捕捉し、稠密化ガラスプレフォームに形成される空孔を非周期的に分布させるものであってもよい。得られたプレフォームを使用して、内部に空孔を有する光拡散素子を形成する。ガスの比較的低い浸透性を及び／又は比較的高い焼結速度を利用することによって、凝結処理中に稠密化ガラスに孔が取り込まれることが可能である。スートを稠密化する工程中に、スートは、高熱への曝露を介した高密度化処理を経て開放気孔（例えば、高密度化ガラスに取り囲まれていないスート間の孔）を除去し、高密度化ガラスを残す。本開示との関連で、稠密化処理において存在する大量の周囲ガスの捕捉は、ガラスの完全な高密度化を防ぎ、稠密化後のガラス内に空孔を残す。スートの稠密化は、スート稠密化炉で実行されることができる。焼結速度は、焼結温度を上昇させること及び／又は稠密化炉の焼成ゾーンを通るスートプレフォームのダウンフィード速度を上昇させることで増加されることができる。特定の焼結条件下では、捕捉ガスの領域分率がプレフォームの全ての領域又は体積の分率の大部分をなすガラスを得ることが可能である。

スートプレフォームは、回転且つ並進するマンドレル又は給餌棒の外表面上にシリカ含有スートを蒸着させることで形成することができる。本処理は、ＯＶＤ即ち外部蒸着処理として知られている。マンドレルは、好ましくはテーパー状になっており、スートは、ガス状のガラス前駆体を、それを酸化させるバーナーの炎に供給することで形成される。メタン（ＣＨ_４）等の燃料と酸素等の燃焼ガスがバーナーに供給され、着火されて炎を形成する。ガラス形成剤の化合物は、炎で酸化され、全体として円筒形のスート領域を形成する。ドーパント化合物が含まれていてもよい。

スートプレフォームは、稠密化炉で稠密化されて稠密化ブランクを形成してもよい。稠密化に先立って、マンドレルが除去されて、中空円筒状のスートブランクのプレフォームを形成する。稠密化処理中に、スートプレフォームは、例えば、保持機構を用いて稠密化炉の純粋石英の炉芯管内に懸架される。好ましくは、稠密化工程の前に、プレフォームを乾燥雰囲気に曝露される。例えば、適切な乾燥雰囲気は、約９５０℃と１２５０℃との間の温度で、約９５％から９９％のヘリウム及び１％から５％の塩素ガスを含んでもよく、適切な乾燥時間は、約０．５時間から４．０時間の範囲である。

稠密化工程中に、好ましくはスート乾燥工程の後に、炉温が上昇されて、プレフォームが、例えば約１３９０℃と１５３５℃との間の適切な温度で稠密化されて、稠密化プレフォームを形成する。

勾配焼結が用いられることで、スートプレフォームが、約１２２５℃から１５５０℃あるいは約１３９０℃と１５３５℃との間の温度に維持された炉の高温ゾーンを通って、下方に送給されてもよい。例えば、プレフォームは、所望の乾燥温度（９５０℃から１２５０℃）に維持された等温ゾーンに保持されることができ、その後、スートプレフォームは、所望の稠密化温度（例えば、１２２５℃と１５５０℃との間、又は１３９０℃と１５３５℃との間）に維持されたゾーンを、プレフォーム温度を１℃／分を越える速さで上昇させるのに十分な速度で、通過させられる。炉の上側のゾーンは、乾燥及び不純物除去の工程を促進する低温に維持されることが可能である。下側のゾーンは、稠密化に望ましい高温に維持されることが可能である。スートを含有するプレフォームは、第１のダウンフィード速度で稠密化高温ゾーンを通してダウンフィードさせられた後、そのプレフォームを、第１のダウンフィード速度より遅い第２のダウンフィード速度で、第２の高温ゾーンを通してダウンフィードさせてもよい。このような稠密化技法により、プレフォームの他の部分が焼結する前に、スートプレフォームの外側部分が焼結するため、ガスの捕捉が促され、得られる稠密化ガラスにおける空孔の形成及び保持が容易になる。

例えば、プレフォームは、その温度上昇を１５℃／分より速く、より好ましくは１７℃／分より速くさせるのに十分な第１の速度でこのような適切な稠密化温度（例えば約１３９０℃超）に曝露させることが可能であり、次いで、プレフォームの温度上昇を少なくとも約１２℃／分より速く、より好ましくは１４℃／分より速くさせるのに十分な少なくとも第２のダウンフィード速度／稠密化温度の組み合せが続く。好ましくは、第１の稠密化速度は、第２の稠密化速度の加熱速度よりプレフォームの外側の温度上昇速度は、１分間に２℃より速く、又は１分間に１０℃より速く、又は１分間に２０℃より速く、及び最も好ましくは１分間に５０℃より速くなる。所望により、第３の稠密化工程又は更なる稠密化工程を用いて、より遅い速度（例えば、１０℃／分未満）で加熱することが可能である。代替的には、スートプレフォームは、更に速い速度で焼結させらせ、炉の高温ゾーンにスートプレフォームを通すことで、より多くの空孔を形成することが可能であり、その炉の高温ゾーンでは、温度は１５５０℃より高く、１７００℃より高く、よりさらに好ましくは１９００℃より高い。代替的に、スートプレフォームは、直火又はスートと接触したプラズマトーチを用いることで、炉の外部においてよりさらに速い速度で焼結されることが可能である。

稠密化工程で使用し得る好ましい焼成ガス（例えば、焼結工程中にプレフォームを取り囲む空孔生成ガス）には、Ｎ_２、Ａｒ、Ｋｒ、ＣＯ_２、Ｏ_２、空気、ＳＯ_２、Ｃｌ_２、ＣＦ_４の内の１種類以上、又はそれらの混合物がある。空孔生成成ガスは、直接、又は、稀釈ガスの存在下で使用されることができる。空孔生成ガスの各々は、稠密化温度以下ではシリカガラスでの浸透性が比較的低く、そのことが、本開示の方法に従って空孔を形成するのに適している。好ましくは、これらの空孔生成ガスは、体積の５％と１００％との間、又は約２０％と１００％との間、又は約４０％と１００％との間の量で、単独であるいは組合せで用いられる。焼結ガス雰囲気の残りの部分は、ヘリウム、水素、重水素又はそれらの混合物等の適切な希釈ガス又はキャリアガスで構成される。一般的に、焼結ガスに用いられる空孔生成ガスの割合が高いほど、空孔がより大きくなり、より多くの空孔が得られた稠密化ガラスに存在する。

空孔生成の稠密化処理の後、得られたガラスプレフォーム又はガラス棒に、ＯＶＤにより追加のスートを蒸着させることが望まれる場合は、１０％未満のＯ_２、又は５％未満のＯ_２、又はＯ_２を含まない焼結ガスを使用することで、ＯＶＤ処理で生成された水素への曝露に際して、種晶の損失を回避することができる。空孔生成ガスは、Ｎ_２とＡｒの組み合せでもよく、その場合、Ｎ_２とＡｒの組合せは、焼結雰囲気下で１０体積％より多い、又は３０体積％より多い、又は５０体積％より多い量で使用される。一般的に、焼結ガスに使用される空孔生成ガスの体積割合が高いほど、得られる稠密化ガラスにおける空孔は、より大きく、より多くなる。

本明細書に記載の焼結ガスを使用する場合、プレフォームのダウンフィードを含む稠密化処理を、稠密化ガスの内の少なくとも幾つかが意図的に捕捉されるのに十分な速度及び温度で、用いることが望ましい。これは、例えば、約１０℃／分より速く、より好ましくは約１２℃／分より速く、なお更に好ましくは約１４℃／分より速く、スートプレフォームの少なくとも一部分を加熱することによって、起こり得る。本発明で使用する焼結温度は、好ましくは１１００℃より高く、又は１３００℃より高く、又は１４００℃より高く、又は１４５０℃より高い。

稠密化処理中に使用される気体雰囲気、稠密化炉内の温度、及びプレフォームの稠密化速度は、スートの稠密化処理中に、ガスがプレフォーム内に意図的に捕捉され、稠密化ガラスに穴を形成するように選択される。これらのガスを含有する空孔は、好ましくは、素子の引抜処理の前及び／又は中に、完全に脱気されず、素子の引抜後に空孔が素子内に残るようにする。様々な処理パラメータを制御することで、空孔の寸法を変化及び制御することが可能である。例えば、稠密化の時間又は温度上昇させると、温度上昇によって空孔内に捕捉されたガスが膨張するため、空孔の寸法を増大させることが可能になる。同様に、空孔の寸法及び面積率は、引抜条件によって影響を受ける可能性がある。例えば、引抜炉の高温ゾーンを長くすると及び／又は引抜速度を速くすると、空孔の寸法ならびに面積率は増加する傾向がある。稠密化温度でガラスへの浸透性がより高いガスを選択すると、空孔はより小さくなる。

また、焼結速度は、空孔の寸法及び密度に有意な影響をもたらし得る。焼結速度が速いほど、より多くかつより大きな空孔が形成されることになる。しかしながら、焼結速度が遅すぎると、ガスがガラスを通って逃げ出す時間が生じるため、空孔が形成されなくなる。従って、採用されるプレフォームのダウンフィード速度及び／又は稠密化温度は、プレフォームの少なくとも一部分を、約１０℃／分より速く、より好ましくは約１２℃／分より速く、より更に好ましくは約１４℃／分より速く加熱するのに十分であるように高いことが好ましい。一般的に、プレフォームのスート密度を低下させると、より多くの空孔が形成されることになる。しかしながら、所望により、特定のプレフォームに蒸着するスートの密度が変化し、より多くの空孔を配置することが可能である（空孔の面積率がより高くなる）。例えば、第１の高密度スート領域が、稠密化ガラス（例えば、純シリカ）の芯茎に直接に配置され、それに続いて、第１の領域より低密度の第２のスート領域が配置されてもよい。これにより、コア近傍で（即ち、高密度スート領域において）空孔の面積率が上昇することが判った。シリカ含有スートは、好ましくは嵩密度が約０．１０ｇ／ｃｃと１．７ｇ／ｃｃとの間、より好ましくは約０．３０ｇ／ｃｃと１．０ｇ／ｃｃとの間である。この効果は、低又は非空孔含有領域とより高い空孔含有領域との間で交互に繰り返すプレフォーム含有稠密化空孔を形成するために使用されることができ、この場合に、初期のスート密度の半径方向の変化は、少なくとも１００μｍの距離で３％より大きい。素子の製造及び加工に関する追加の情報は、米国特許第７，４５０，８０６号明細書に見つけることができ、その開示内容は参照により本明細書に組み込まれる。

初期の処理の後、製造された素子は、円筒状又はロッド構成を有してもよい。光拡散素子の形状を変更するために、製造後処理が採用されることができる。従来の軟化、曲げ加工及び／又は鋳造の技法を用いることで、例えば、本開示に係る空孔を有する湾曲形状又は任意の形状の光拡散素子を作製することができる。図２は、湾曲構成を有する光拡散素子を含む照明器具を示している。照明器具１００は、光拡散素子１１０、及び光拡散素子１１０を光源と結合するために使用し得る光学部品１１５を含む。

図３は、光拡散素子を組み込んだ照明系を例示している。照明系１２０は、光源１２５及び光拡散素子１３０を含む。光源１２５は、光源光１３５を光拡散素子１３０に放出する。光拡散素子１３０の中の内部空孔は、光源光１３５を散乱させて、光拡散素子１３０の外表面を通って放出する照明光１４０を生成する。光源１２５は、光拡散素子１３０と直接接触（例えば「突合せ結合」）してもよく、或いは空隙が存在してもよい。照明光１４０は、例示の都合上、平行光線として描写しているが、照明光１４０は、無作為な方向に配向される光線を含み得ることを理解しておくべきである。

照明系１５０は、光源１５５、光学部品１６０、及び光拡散素子１６５を含む。光源１５５は、光源光１７０を、光源光１７０を処理することができる光学部品１６０に放出して、光拡散素子１６５に光源光１７２を供給する。光拡散素子１６５内の内部空孔は、光源光１７２を散乱させて、光拡散素子１６５の外表面を通って放出する照明光１７５を生成する。照明光１７５は、例示の都合上、平行光線として描写しているが、照明光１４０は、無作為な方向に配向される光線を含み得ることを理解しておくべきである。

照明系に組み込まれ得る光源には、ランプ、レーザー、ダイオード、レーザーダイオード、及び発光ダイオードがある。図３に示す光学部品１６０等の介在光学部品は、光源と光拡散素子の結合を容易にし得る照明系の素子である。光学部品は、光源から供給される光を収集、視準、集束、及び／又は他の様式で処理することができる。光学部品は、固体ガラス素子、固体ポリマー又はプラスチック素子、ガラス又はポリマーの光ファイバー、レンズ又は他の結合素子でもよい。

本開示に係る光拡散素子は、光源（例えば、光化学反応、冷却空間、暖房空間、又は環境制御された閉鎖空間用）として、そして照明器具として、照明系に配置することができる。光拡散素子は、機能的及び装飾的な照明用途に適している。

本開示に係る代表的な光拡散素子を作製した。光拡散素子は、本明細書に記載されるように、内部空孔を有するガラスロッドとして製造した。シリカスートブランクは、稠密化炉において１１２５℃で１時間乾燥した塩素であった。ブランクは、１４９０℃のピーク温度で、Ｎ_２（１００％）の存在下にて５時間に亘り６ｍｍ／分の速度で焼結ゾーンを通して下流へ移動させて稠密化した。稠密化後、ロッド形状の光拡散素子の中にブランクを作り直した。直径が１ｍｍから６ｍｍの光拡散素子を製造した。図４は、光拡散素子の１つの代表的な横断面の顕微鏡写真である。描かれている素子の直径は、４．７ｍｍであった。左側の画像は、２．５倍に拡大した断面を表しており、右側の画像は、４０倍に拡大した断面を表している。内部空孔は、画像上では黒い斑点とし現れ、横断面全体に無作為に分布していた。更に高倍率で映し出すと、内部空孔は、平均径が１．２０±０．５３μｍの概して円形の横断面を有していた。
他の実施態様
１．光拡散素子において、
内部空孔を含む固体ガラスモノリスであって、該ガラスモノリスは、１ｍｍと２０ｍｍとの間の寸法の横断面及び少なくとも０．７の開口数を有し、前記内部空孔は、１００ｎｍと２０μｍとの間の横断面を有し、該内部空孔は、前記ガラスモノリスの前記横断面の０．５％と２０％との間を占めるものであるガラスモノリス、
を備えることを特徴とする光拡散素子。
２．前記ガラスモノリスが、少なくとも３ｍｍの寸法の横断面を有することを特徴とする実施態様１に記載の光拡散素子。
３．前記ガラスモノリスが、少なくとも５ｃｍの長さを有することを特徴とする実施形態１に記載の光拡散素子。
４．前記ガラスモノリスが、少なくとも２０ｃｍの長さを有することを特徴とする実施形態１に記載の光拡散素子。
５．前記ガラスモノリスが、１ｃｍと１００ｃｍとの間の長さを有することを特徴とする実施形態１に記載の光拡散素子。
６．前記ガラスモノリスが、少なくとも０．８の開口数を有することを特徴とする実施形態１に記載の光拡散素子。
７．前記内部空孔が、５００ｎｍと１０μｍとの間の横断面を有することを特徴とする実施形態１に記載の光拡散素子。
８．前記内部空孔が、１μｍと５ｍｍとの間の長さを有することを特徴とする実施形態１に記載の光拡散素子。
９．前記内部空孔の体積分率が、０．５％と２０％との間であることを特徴とする実施形態１に記載の光拡散素子。
１０．前記内部空孔が、前記ガラスモノリスの前記横断面の第１の領域に局在化しており、該第１の領域が前記ガラスモノリスの前記横断面の５％から９０％の間の幅を有していることを特徴とする実施形態１に記載の光拡散素子。
１１．前記第１の領域が、環状の形状を有することを特徴とする実施形態１０に記載の光拡散素子。
１２．前記内部空孔が、Ａｒ、Ｋｒ、ＳＯ _２ 、Ｎ _２ 、ＣＯ _２ 、Ｏ _２ 、空気、Ｃｌ _２ 、及びＣＦ _４ からなる群から選択される気体で満たされていることを特徴とする実施形態１に記載の光拡散素子。
１３．前記素子が、ロッドとして構成されていることを特徴とする実施形態１に記載の光拡散素子。
１４．前記素子が、湾曲されていることを特徴とする実施形態１に記載の光拡散素子。
１５．内部の光を更に含み、前記空孔が該光を拡散し、該拡散の効率が、前記光拡散素子の長さに沿って、最大拡散効率の５０％より小さく変動することを特徴とする実施形態１に記載の光拡散素子。
１６．前記内部の光の拡散損失が、少なくとも１００ｄＢ／ｋｍであることを特徴とする実施形態１５に記載の光拡散素子。
１７．表面コーティングを更に有し、該表面コーティングは、燐光性、蛍光性、又は、拡散性の物質を含むことを特徴とする実施形態１に記載の光拡散素子。
１８．ポリマージャケットを更に有し、該ポリマージャケットは、前記光拡散素子を取り囲むことを特徴とする実施形態１に記載の光拡散素子。
１９．拡散層を更に有し、該拡散層は、前記光拡散素子を取り囲み、前記ポリマージャケットは、前記拡散層を取り囲むことを特徴とする実施形態１８に記載の光拡散素子。
２０．実施形態１に記載の光拡散素子、および、発光ダイオードを含み、該発光ダイオードが前記光拡散素子に結合されている、ことを特徴とする照明システム。
２１．前記発光ダイオードが、１ｍｍ ^２ の横断面積を有し、少なくとも０．６の開口数を有する、実施形態２０に記載の照明システム。
２２．ガラスまたはポリマーの光学部品を更に有し、該光学部品が、前記発光ダイオードから光を受けて、該光学部品が該光を前記光拡散素子に送達することを特徴とする実施形態２０に記載の照明システム。

１０、６０ 横断面
２０ 領域
３０ 拡大図
４０ 内部空孔
７０ 内側領域
８０ 環状領域
９０ 外側環状領域
１００ 照明器具
１１０、１３０、１６５ 光拡散素子
１１５、１６０ 光学部品
１２０、１５０ 照明系
１２５、１５５ 光源
１３５、１７０、１７２ 光源光
１４０、１７５ 照明光

Claims (7)

1. 光拡散素子において、
   内部空孔を含む固体ガラスモノリスであって、該ガラスモノリスは、１ｍｍと２０ｍｍとの間の寸法の横断面、少なくとも１ｃｍの長さ、及び少なくとも０．７の開口数を有し、前記内部空孔は、１００ｎｍと２０μｍとの間の寸法の横断面を有し、該内部空孔は、前記ガラスモノリスの前記横断面の０．５％と２０％との間を占めるものであるガラスモノリス、
   を備えることを特徴とする光拡散素子。
2. 前記ガラスモノリスが、少なくとも２０ｃｍの長さを有することを特徴とする請求項１記載の光拡散素子。
3. 前記内部空孔が、１μｍと５ｍｍとの間の長さを有することを特徴とする請求項１記載の光拡散素子。
4. ポリマージャケット及び散乱層を更に備え、前記散乱層が前記光拡散素子を取り囲み、前記ポリマージャケットが前記散乱層を取り囲んでいることを特徴とする請求項１記載の光拡散素子。
5. 請求項１の光拡散素子及び発光ダイオードを備えた照明系であって、前記発光ダイオードが前記光拡散素子に結合しており、前記発光ダイオードは、１ｍｍ^２ 以上の横断面積と少なくとも０．６の開口数を有することを特徴とする照明系。
6. 前記内部空孔が、前記ガラスモノリスの前記横断面の２％と１０％との間を占めるものであることを特徴とする請求項１記載の光拡散素子。
7. 前記ガラスモノリスが、１ｃｍと５００ｃｍとの間の長さを有することを特徴とする請求項１記載の光拡散素子。

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