JPH11119038A - 光プレート - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 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。 【解決手段】 本発明の光プレートは、円柱構造にエッ
チングされた光感受性ガラスの合成物からつくられる。
円柱構造にエッチングされたエリアは、低融点ガラスま
たはプラスティックで充填されコアエリア６４となる。
また、その周囲はコアエリア６４より屈折率の小さいク
ラッデイングエリア６６となっている。従って光プレー
トは屈折率の異なる複数の隣接エリアを含んでいる。

Description

【発明の詳細な説明】

【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（ＦＯＦ
Ｐ）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５,４４
２,４６７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、Ｆ
ＯＦＰ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、Ｌ
Ｃ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）Ｆ
ＯＦＰ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θ_maxIN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θ_maxOUT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θ_maxOUT、および、ＦＯ
ＦＰの入口面の光入射許容角度θ_maxIN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θ_maxで定義された受光コーン２０内で光ファイバ１
０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θ_max、で光ファイバ１０を出る。
角度θ_max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１
０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１
４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θ_max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θ
_max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θ_maxで入口面３
０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３
０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θ_max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θ_maxで入
射しており、中空出口コーン２２のソリッド角度は２θ
_max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（Air
y）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１
４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１
２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】ｑ_diffr＝１．２２[(λ)（１８０）] ／
[（Ｄ）(π)] ここで、ｑ_diffr＝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（ＳＴ
Ｎ）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ＦＯＦ
Ｐ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、ＬＣ
Ｄ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、ＦＯＦ
Ｐ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（Fotofor
m）ガラス（ともに、日本国東京のホヤ（Hoya Corporat
ion）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（ｎ_core）が、クラッディングエリア６６の屈折率
（ｎ_clad）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４
０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Ｕ
Ｖ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
り、コアエリア６４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４
０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６
４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（ｎ_core）が、クラッデ
ィングエリア６６ａの屈折率（ｎ_clad）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６
４ａ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Ｐ
ＥＧ−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８４
ａ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４
０ａのエッチング面に対向するように光ブロック材８６
ａ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４０
ａ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１．６８
３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 _c
lad]^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)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 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少な
   くとも１つの実質的な円柱構造であって、光が、前記光
   入口面において少なくとも１つの前記円柱構造に入射
   し、前記少なくとも１つの円柱構造を伝播し且つ前記光
   出口面から出射し、前記少なくとも１つの円柱構造がコ
   ア屈折率を有するような少なくとも１つの実質的な円柱
   構造と、 ｃ．前記少なくとも１つの円柱構造をほぼ取り囲んでい
   る少なくとも１つの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少なくとも１つのクラッ
   ディング構造と、 ｄ．光感受性ガラスを備えている、前記少なくとも１つ
   の実質的な円柱構造の少なくとも一部、および、前記少
   なくとも１つのクラッディング構造の少なくとも一部と
   を備えている光プレート。
2. 【請求項２】 前記少なくとも１つのクラッディング構
   造が、カーボンブラックの粒子が埋め込まれたプラスチ
   ックを少なくとも部分的に備えていることを特徴とする
   請求項１の光プレート。
3. 【請求項３】 前記光プレートが、前記少なくとも１つ
   のクラッディング構造に液体を保持するための手段をさ
   らに備えており、前記クラッディング構造が少なくとも
   部分的に液体を備えていることを特徴とする請求項１の
   光プレート。