JP7362658B2 - 光トンネル及びその製造方法 - Google Patents

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１８年５月１日に出願された米国仮特許出願第６２／６６５，１５２号に対する優先権を主張するものであり、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

以下は、光学デバイス技術、フォトニクス技術、光トンネルデバイス技術、及びそれらの用途、例えば、光混合、光プロジェクタシステム、投影テレビなどに関する。

光トンネルは、反射内面を有するチューブを備える。光トンネルが光源を下流の光学部品に接続する光学設計では、光トンネルは、光を均一化するための光学インテグレータロッド（optical integrator rod）として機能する。例えば、投影表示装置において、プロジェクタランプは、光トンネルの入力開口に焦点を合わせてもよく、これによって、光トンネルの出力開口を出る光は、出力開口の領域にわたってより均一にされる。光トンネルは、主に、エテンデュ保存（etendue-preserving）であり、したがって、出口開口における光出力の発散特性は、光トンネル内の適切なテーパによって設計することができる。光トンネルは、高温の白熱ランプを感熱性の下流の光学系に接続するための密閉された光学経路を提供するなど、追加又は他の利点を提供することができる。光トンネルを使用して、光を成形することもできる。例えば、画素化された表示装置のためのプロジェクタシステムにおいて、矩形断面を有する光トンネルは、出力開口において矩形の光源を備え、矩形のデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）、画素化されたＬＣＤ表示装置等に適合するように設計することができる。

光トンネルは、光と光トンネルの反射内面（reflective inside surfaces）との間の強い相互作用に依存して、光学インテグレータ（光混合）効果を提供する。幾何学的光線モデリングでは、これは、光トンネルを通過する光線の多重反射（平均して）に相当する。したがって、高い光学効率のためには、光トンネルの内部表面は、非常に高い反射率を有するべきである。（平均して）Ｎ回の反射があり、表面が反射率ｒを有する場合、出力はｒ^Ｎであり、損失は（１－ｒ^Ｎ）である。例えば、ｒ＝９５％で平均してＮ＝４の反射がある場合、光損失は（１－０．９５^４）＝１８％の損失である。反射率をｒ＝９７％まで増加させると、これは１１％の損失に減少し、ｒ＝９８％では損失は７．８％に減少する。高い光学効率を有する矩形断面の光トンネルを製造するための一つの手法では、高反射率コーティングを有する４枚のガラスプレートが、各プレートが隣接するプレートに対して９０°の向きで、光トンネルの内面を形成する高反射率コーティングで、端から端に配置される。マンドレルを使用して、４つのガラスプレートを一時的に保持し、それらの隣接する端部を接着又は他の方法で固定することができる。

ここでは、いくつかの改良点を開示する。

本明細書に開示されるいくつかの例示的な態様において、第１反射平面を有する第１要素と、第２反射平面を有する第２要素と、それぞれが反射側壁を有する２つの平坦なスペーサプレートとを備える光学デバイスが開示される。２つの平坦なスペーサプレートは、２つの平坦なスペーサプレートの反射側壁が互いに対向し、２つの対向する反射側壁の間にギャップを有した状態で、単一プレーンに配置される。第１反射平面は、２つの平坦なスペーサプレートを含む単一プレーンと平行に配置され、２つの平坦なスペーサプレートと接触する。第２反射平面は、２つの平坦なスペーサプレートを含む単一プレーンと平行に配置され、２つの平坦なスペーサプレートと接触する。第１反射平面と第２反射平面は、単一プレーンの両側に配置されている。

本明細書に開示されているいくつかの例示的な態様において、光学デバイスは、第１反射平面を有する第１要素と、第１反射平面に対向する第２反射平面を有する第２要素と、対向する反射スペーサプレート側壁（reflective spacer plate sidewalls）を有する単一プレーンに配置された厚さＨの２つの平坦なスペーサプレートと、を含む。２つの平坦なスペーサプレートは、対向する第１反射平面と第２反射平面の間に配置され、対向する第１反射平面と第２反射平面を厚さＨだけ離して配置する。

本明細書に開示されるいくつかの例示的な態様において、光学デバイスは、それぞれが反射平面を有する２つの平坦なプレートと、それぞれが反射側壁を有する厚さＨの２つの平坦なスペーサプレートと、を含む。２つの平坦なプレートと２つの平坦なスペーサプレートは、互いに対向する２つの平坦なプレートの反射平面を有するプレートと、単一プレーンに配置された２つの平坦なスペーサプレートとのスタック（積み重ね）として配置され、互いに対向する反射側壁を有し、２つの平坦なスペーサプレートの２つの反射側壁の間にギャップを有した状態で、２つの平坦なプレートの間に配置されている。２つの平坦なプレートの対向する反射平面と、２つの平坦なスペーサプレートの対向する反射側壁は、単一プレーンに対して横断方向に寸法Ｈを有する光トンネル通路を規定する。

本明細書に開示されているいくつかの例示的な態様において、光トンネルを製造する方法が開示される。２つの平面は、２つの反射平面を規定するために、反射コーティングでコーティングされる。２つの平坦なスペーサプレートのそれぞれの少なくとも１つの側壁は、反射コーティングでコーティングされて、それぞれが反射側壁を有するスペーサプレートを規定する。２つの平面及び２つのスペーサプレートは、互いに対向する２つの平面、及び２つの対向する平面の間の単一プレーンに配置された２つの平坦なスペーサプレートと、互いに対向する反射側壁と共に固定される。このようにして、光トンネル通路は、２つの対向する平面と、２つの対向する反射側壁とによって規定される。

図１は、光トンネルの端面図を概略的に示す。 図２は、図１に示された断面Ｓ－Ｓを概略的に示す。 図３は、図１及び図２に示される光トンネルを製造するための製造プロセスを概略的に示す。 図４は、Ｓ－Ｓ断面分解図によって、代替のテーパ状の光トンネルを示す。 図５は、Ｓ－Ｓ断面図によって、代替のテーパ状の光トンネルを示す。

４つのガラスプレートを配置し、内側に向けて配置されたガラスプレートの高反射率面を有する長方形を形成し、光トンネルの内面を形成する矩形の光トンネルの製造方法は、例えば、約１平方センチメートルから数平方センチメートル以上の開口面積を有する、典型的な光トンネルのサイズに対して有効である。しかし、この方法では、構成要素であるガラスプレートの取り扱い、位置決め、組み立てが面倒であるため、サブミリメートルから数平方ミリメートルのオーダーの断面積を有する、より小さな光トンネルを製造することは困難であることがわかってきた。本明細書に開示される実施形態は、改良された取り扱い、より容易な部品の位置決め及び組み立てにより、改良された製造可能性を提供する。本明細書に開示される実施形態は、また、高処理量の製造のために拡張可能である。さらに、本明細書に開示される実施形態は、テーパ状の光トンネルに容易に用いられる。

図１を参照すると、光トンネル８の端面図が示されている。図２は、図１に示す断面Ｓ－Ｓを示している。光トンネル８は、第１要素１０と第２要素１２とを含む。第１要素１０は、第１反射平面１４を有し、第２要素１２は、第２反射平面１６を有する。好適な実施形態では、２つの要素１０，１２は、平坦なプレート、例えば、平坦なガラスプレートである。光トンネル８は、さらに、２つの平坦なスペーサプレート２０，２２を含む。平坦なスペーサプレート２０は、反射側壁２４を有し、平坦なスペーサプレート２２は、反射側壁２６を有する。好適な実施形態では、２つの平坦なスペーサプレート１０，１２は、平坦なガラスプレートである。

反射面１２，１４及び反射側壁２４，２６は、好ましくは、高い反射率、例えば、反射率ｒ＞９０％、より好ましくは、ｒ＞９５％、さらに好ましくは、ｒ＞９８％を有する。例えば、反射面１４，１６及び反射側壁２４，２６のそれぞれは、設計基準スペクトル波長又は波長域に対して、所望の高反射率を提供するために、従来の干渉フィルタ設計方法を用いて設計された反射多層光干渉フィルタコーティング（reflective multi-layer optical interference filter コーティング）を含んでもよい。非限定的な例として、反射面１４，１６及び側壁２４，２６は、シリコン（ａ－Ｓｉ：Ｈ）の交代層と、ＳｉＯ_２、酸窒化シリコン（ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ）、五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）、五酸化ニオブ（Ｎｂ_２Ｏ_５）、又は二酸化チタン（Ｔｉ０_２）などの、より低い屈折率の誘電体と、からなる干渉フィルタコーティングを有してもよい。干渉フィルタの代わりに、反射面１４，１６及び反射側壁２４，２６は、銀（Ａｇ、波長に応じて最大ｒ＝９８％）、アルミニウム（Ａｌ、波長に応じて最大ｒ＝９５％）等のような反射性金属を含んでもよく、また、場合により表面不活性化又は他の表面処理／被覆層によって提供される更に高い反射率を有してもよい。いくつかの実施形態では、反射面１４，１６及び反射側壁２４，２６の反射コーティングは、４００～７００ナノメートルを含む波長範囲にわたって、少なくとも０．９５の反射率を有する。より一般的には、反射面１４，１６及び反射側壁２４，２６は、設計波長又は波長域に対して０．９以上（すなわち、９０％以上）の反射率を有することが好ましく、設計波長又は波長域に対して０．９５以上（すなわち、９５％以上）の反射率を有することがより好ましい。

図１に最もよく示されているように、光トンネル８では、２つの平坦なスペーサプレート２０，２２は、２つの平坦なスペーサプレート２０，２２の反射側壁２４，２６が互いに対向し、２つの対向する反射側壁２４，２６の間にギャップＷ（図２に示す断面Ｓ－Ｓに示される）がある状態で、単一プレーン（例えば、図示の断面Ｓ－Ｓのプレーン）に配置されている。このギャップＷは、光トンネル８の幅Ｗを規定する。図面は、概略図であることに留意されたい。概して、反射面１４，１６及び反射側壁２４，２６を形成するために適用される反射コーティングは、ミクロン程度のオーダーで、無視できる厚さを有すると想定される。コーティングの厚さが無視できない場合、各反射面１４，１６及び各反射側壁２４，２６の位置は、反射コーティングの上部露出反射面として規定される。

さらに、光トンネル８内では、第１反射平面１４は、２つの平坦なスペーサプレート２０，２２を収容する単一プレーンと平行（すなわち、図１に示す断面Ｓ－Ｓの断面プレーンと平行）に配置されている。さらに、２つの反射平面１４，１６は、単一プレーン（即ち、例示的な断面プレーンＳ－Ｓ）の両側に互いに対向して配置され、２つの平坦なスペーサプレート２０，２２と接触している。この配置により、光トンネル８は、前述の幅Ｗを有し、２つの平坦なスペーサプレート２０，２２の厚さに等しい高さＨ（設計公差内で同じ厚さを有すると想定される）を有する矩形断面を有する。一般に、高さＨと幅Ｗが等しい必要はないが、これらの寸法は、特定の光トンネルの設計に適切であれば等しくすることができる。光トンネル８は、（１）厚さＨを有する第１要素１０及び第２要素１２のそれぞれの２つの対向する反射面１４，１６、及び（２）２つの平坦なスペーサプレート２０，２２の２つの対向する反射側壁２４，２６によって規定された寸法Ｈ×Ｗの矩形通路３０を有する。例示的な側壁２４，２６は、真っ直ぐであって、反射面１４，１６に対して直交しているが、これは、厳密には必要ではないが、真っ直ぐな直交側壁プロファイル（straight orthogonal sidewall profile）及び向きからのいかなる逸脱は、光損失への影響に関して、分析されるべきであることに留意されたい。一方、いくらかの凸曲率又は凹曲率を有する反射側壁２４，２６を有することは、光混合において有利に支援することができる。

図２のＳ－Ｓ断面図では、２つの平坦なスペーサプレート２０，２２が不透明として描かれているので、２つの平坦なスペーサプレート２０，２２の反射面２４，２６の間のギャップＷを除いて、下にある第１要素１０の反射面１４は、見えないことに留意されたい。当然のことながら、２つの平坦なスペーサプレート２０，２２がガラスのような透明な材料で作られていれば、Ｓ－Ｓ断面図は、実際には、透明な平坦なスペーサプレート２０，２２を通して見える反射面１４を有することになる。しかしながら、２つの対向する反射面１４，１６及び２つの対向する反射側壁２４，２６は、一緒に、寸法Ｈ×Ｗの矩形通路３０の連続的な周縁（perimeter）を形成する。そのため、平坦なスペーサプレート２０，２２の透明度又は不透明度、或いは、さらに言えば、要素１０，１２の透明度又は不透明度は、光学光トンネルである矩形通路３０の光学的特性に影響を及ぼさない。

次に、図３を参照して、図１及び図２の光トンネル８を製造するための製造プロセスを説明する。第１要素１０及び第２要素１２は、この例示的な例では、ガラスプレート４０（例えば、ガラス顕微鏡スライド、非限定的な例示的な例として）から、ガラスプレート４０の２つの平面を反射コーティングでコーティングして、２つの反射平面１４，１６を規定することにより、製造される。いくつかの実施形態では、これは、より大きなガラスプレートの単一面をコーティングすることによって行うことができ、次に、それを切断（すなわち、さいの目に切る）して、反射コーティング１４，１６を有する個々のガラスプレート１０，１２を形成する。当然のことながら、大規模の工業規模のコーティング機が単一のバッチプロセスで多くのそのような要素をコーティングできるので、拡張性が容易に達成される。

並行して、２つの平坦なスペーサプレート２０，２２が、場合により大規模のバッチプロセスの個々の部品として形成される。図３に概略的に示されるように、それぞれ厚さＨの２つの構成要素であるガラスプレート４２が、他の代替可能なガラスプレート４２と共に組み立てられて、プレートスタック４４を形成する。このスタックにおいて、スタック４４の片側の全ての側壁は、平行であり、同じ方向を向いている。したがって、これらの全ての側壁は、単一のバッチコーティングプロセスでコーティングすることができ、コーティングされた側壁を有するコーティングされたスタック４６を製造することができる。さらに、ガラスプレート４２のより薄い厚さＨにすることで、より多くのそのようなプレートをスタック４４内で組み立てることを可能にする。その結果、厚さＨの減少（したがって、結果として生じる光トンネル通路３０の寸法Ｈの減少）とともに、拡張性が実質的に増加する。次いで、コーティングされたスタック４６の個々のプレートを分解し、それぞれがコーティングされた側壁２４，２６を有する２つの平坦なスペーサプレート２０，２２として、代替可能なプレートのスタック４６の、任意の２つの構成要素であるコーティングされたプレートを選択する。

最後に、図３に示すように、４つの構成要素である片１０，１２，２０，２２は、互いに対向する２つの平面１４，１６、２つの対向する平面１４，１６の間で単一プレーンに配置される２つの平坦なスペーサプレート２０，２２、並びに互いに対向する反射側壁２４，２６と共に固定され、それによって、光トンネル通路３０は、２つの対向する平面１４，１６と、２つの対向する反射側壁２４，２６とによって規定される。

引き続き図３を参照すると、括弧付きとして示される変形実施形態において、スタック４４は、２つの対向する側面上にコーティングされて、コーティングされたスタック４７を生成する。この手法の利点は、取り扱いを改善し、組立エラーの可能性を低減することである。

光トンネル通路３０は、寸法Ｈ×Ｗの矩形断面を有し、寸法Ｈは、単一プレーンに横断方向（すなわち、例示的な図１及び図２における断面Ｓ－Ｓの断面プレーン）に一定であり、寸法Ｗは、単一プレーンに平行方向に一定である。２つの対向する側壁２４，２６が互いに平行である場合、寸法Ｈ及び寸法Ｗは、光トンネルの全長に沿って一定である。寸法Ｈは、２つのスペーサプレート２０，２２の厚さによって決まる（面１４，１６をスペーサプレート２０，２２に接合するために、任意に塗布することができるのり又は他の接着剤の厚さを無視する。いくつかの実施形態では、接着剤は使用されず、代わりに、アセンブリは一緒にクランプされる）。この寸法Ｈは、プレート４２が切断される又は得られるストックガラスプレート（stock glass plate）又はプレートの実際の厚さと同じくらい小さくすることができる。例えば、意図されたいくつかの実施形態では、Ｈは４ミリメートル以下であるが、Ｈについてはより大きな値も考えられる。同様に、対向する反射側壁２４，２６の間のギャップＷは、ほぼ任意に小さくすることができる。例えば、マンドレル（又はスペーサ）をアセンブリ中に挿入して、規定のギャップＷを設け、次いで、これをアセンブリの後に取り外すことができる。したがって、ギャップＷは、いくつかの実施形態では、同様に、４ミリメートル以下であってもよいが、ギャップＷのより大きな値もまた考えられる。いくつかの実施形態では、開口Ｈ×Ｗの寸法は、サブミリメートルの開口を規定するように考えられる。すなわち、Ｈ及び／又はＷは、１ミリメートル未満であってもよい。

図４及び図５を参照すると、変形例の実施形態が、断面Ｓ－Ｓに沿った分解断面図（図４）及び断面Ｓ－Ｓに沿った組立断面図（図５）によって示される。この実施形態では、２つの矩形のスペーサプレート２０，２２は、くさび形のスペーサプレート１２０，１２２に置き換えられる。その結果、２つの平坦なスペーサプレート１２０，１２２は、対向する反射側壁１２４，１２６が互いに角度をなして配置された状態で、単一プレーン（例えば、断面Ｓ－Ｓ）に配置される。（或いは、変形例では図示していないが、矩形プレート２４，２６を使用して、プレートを互いに対して傾けて、角度を規定することができる。）このようにして、図５に最もよく示されているように、対向する第１反射平面及び第２反射平面（図１及び図２の実施形態と同じ）の間に、テーパ状の光トンネル通路が規定される。対向する反射側壁１２４，１２６は、互いに角度をなして配置される。テーパ状の光トンネル通路は、単一プレーンに対して横断方向に一定の寸法Ｈを有する。寸法Ｈ、図１及び図２の実施形態と同様に、平坦なスペーサプレート１２０，１２２の厚さによって規定される。しかしながら、図４及び図５の実施形態では、図１及び図２の実施形態の一定の寸法Ｗ（対向する側壁２４，２６が互いに平行であることから生じる）は、対向する反射側壁１２４，１２６の角度のために、光トンネル通路の長さに沿って直線的に変化する非一定の寸法に置き換えられる。さらに一般的には、例えば、ダイヤモンド鋸又は他の精密ガラス切断機を用いて切断される放物線又は他の曲率の対向する反射側壁を有することによって、非線形テーパを達成することができる。

例示的な実施形態では、プレート１０，１２，２０，２２は、ガラスプレートであるが、他の任意の材料のプレート、例えば金属プレートを使用することができる。十分に高い反射率を有する金属（例えば、アルミニウム）からなる金属プレートの場合は、個別の反射コーティングを省略することができる。

上記の開示される種々のもの並びに他の特徴及び機能又はその代替は、望ましくは、多くの他の異なるシステム又は用途に組み合わせてもよいことを理解されたい。種々の現在予期しない又は予想外の代替、修正、変形、若しくは改良も、当業者によって後に行われる可能性があり、これもまた、以下の請求項によって包含されることが意図されることを理解されたい。

Claims (10)

1. 第１反射平面を有する第１要素と、
   第２反射平面を有する第２要素と、
   それぞれが反射側壁を有する２つの平坦なスペーサプレートと、
   を備える光学デバイスであって、
   前記２つの平坦なスペーサプレートは、前記反射側壁が互いに対向し、当該対向する反射側壁の間にギャップを有した状態で、単一プレーンに配置され、
   前記２つの平坦なスペーサプレートは、厚さＨをそれぞれ有し、
   対向する前記反射側壁は互いに対して所定の角度をなして配置され、
   前記第１反射平面は、前記２つの平坦なスペーサプレートを含む前記単一プレーンと平行に配置され、２つの平坦なスペーサプレートと接触し、
   前記第２反射平面は、前記２つの平坦なスペーサプレートを含む前記単一プレーンと平行に配置され、２つの平坦なスペーサプレートと接触し、
   前記第１反射平面と前記第２反射平面は、前記単一プレーンの両側に配置され、
   前記第１要素、前記第２要素及び前記２つの平坦なスペーサプレートは、共に１つの矩形の光トンネルを形成し、
   前記光トンネルは、前記対向する第１反射平面及び第２反射平面と、前記対向する反射側壁との間に画定されたテーパ状の光トンネル通路を有し、
   前記テーパ状の光トンネル通路は、前記単一プレーンに対して横断方向に、前記厚さＨに等しい一定の寸法を有する
   ことを特徴とする光学デバイス。
2. 前記第１要素は、前記単一プレーンと平行に配置された第１平坦プレートを備え、
   前記第２要素は、前記単一プレーンと平行に配置された第２平坦プレートを備える
   ことを特徴とする、請求項１に記載の光学デバイス。
3. 前記第１平坦プレート、前記第２平坦プレート、及び前記２つの平坦なスペーサプレートは、それぞれガラスプレートである
   ことを特徴とする、請求項２に記載の光学デバイス。
4. 前記２つの平坦なスペーサプレートは、前記対向する反射側壁が互いに角度をなして配置されたくさび形のプレートであり、
   前記対向する反射側壁は、前記２つの平坦なスペーサプレートの内側側壁であり、前記２つの平坦なスペーサプレートは、前記反射側壁の反対側に位置する外側側壁を有し、当該外側側壁は、互いに平行であり、
   前記テーパ状の光トンネル通路の幅Ｗは、前記単一プレーンに沿って、前記２つの平坦なスペーサプレートの前記対向する前記反射側壁の間で測定され、前記テーパ状の光トンネル通路の長さに沿って変動し、
   前記テーパ状の光トンネル通路は、寸法Ｈ×Ｗの矩形断面を有する
   ことを特徴とする、請求項１～３の何れか一項に記載の光学デバイス。
5. 前記厚さＨが４ミリメートル以下である
   ことを特徴とする、請求項１～４の何れか一項に記載の光学デバイス。
6. 前記第１反射平面及び第２反射平面と、前記２つの平坦なスペーサプレートの前記対向する反射側壁は、それぞれ、４００～７００ナノメートルを含む波長範囲にわたって、少なくとも０．９の反射率を有する反射コーティングでコーティングされる
   ことを特徴とする、請求項１～５の何れか一項に記載の光学デバイス。
7. 前記第１反射平面及び第２反射平面と、前記２つの平坦なスペーサプレートの前記対向する反射側壁とは、それぞれ、４００～７００ナノメートルを含む波長範囲にわたって、少なくとも０．９５の反射率を有する反射コーティングでコーティングされる
   ことを特徴とする、請求項１～５の何れか一項に記載の光学デバイス。
8. 前記対向する反射側壁は、前記テーパ状の光トンネル通路の長さに沿った、前記テーパ状の光トンネル通路の前記幅Ｗの変化が非線形となるような曲率をそれぞれ有する
   ことを特徴とする、請求項４に記載の光学デバイス。
9. 前記第１反射平面及び前記第２反射平面と、前記２つの平坦なスペーサプレートとの間には接着剤が設けられていない
   ことを特徴とする、請求項１～８の何れか一項に記載の光学デバイス。
10. 前記２つの平坦なスペーサプレート並びに前記第１反射平面及び前記第２反射平面は、スタックとして配置されている
    ことを特徴とする、請求項１～９の何れか一項に記載の光学デバイス。