JP2011090272A - 光吸収能力を調整する機能を備えた光学部品 - Google Patents

Abstract

【課題】調整可能な光吸収特性を有する光吸収層を組み込んだ光伝送用光学部品を提供する。
【解決手段】光伝送用光学部品１０は、対向する入射面２２ｆおよび出射面２４ｆと、これらの入射面２２ｆと出射面２４ｆとの間に延びる側面２６と、を有する導光素子２０を含んでおり、入射面２２ｆから入射した光がこれらの入射面２２ｆおよび出射面２４ｆの間で内部反射によって伝搬する。光導素子２０の側面２６を通して出る「迷光」を選択的に吸収するように構成された光吸収層６０が、導光素子２０の側面の少なくとも一部に配置されている。光吸収層６０は、（ｉ）この光吸収層６０の少なくとも一部を通して印加される電流、および（ｉｉ）この光吸収層６０内の異なる箇所の間に印加される電位差、の少なくとも一つの強度の変化に応じて選択的に調整可能な不透明度を発揮するエレクトロクトミック材料により形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、概して、画像転送アレイ（例えば光ファイバーのフェースプレートや光ファイバー画像装置・光伝送装置）に関し、より詳細には、係る装置における一体化されたコントラスト増強体（ｃｏｎｔｒａｓｔ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ）に関する。

複数の可撓性の光伝導素子または互いに隣接して融着された光伝導素子光（すなわち光ファイバー）からなるバンドルを通して光および画像を伝送する技術分野が確立されている。インバータ、テーパー（ｔａｐｅｒ）および「ストレートスルー（ｓｔｒａｉｇｈｔ−ｔｈｒｏｕｇｈ）」といった画像導管は光ファイバー技術の当業者にはよく知られている。融着された光ファイバー画像導管には、暗視ゴーグル、ライフルスコープ、Ｘ線検出器および医用画像装置などの部品として幅広い用途がある（これらに限定されない）。

クロストークを抑制し、コントラストを強化し、開口数を制御するために、光吸収物質を融着された光学部品（例えば光ファイバーのフェースプレート、ストレートスルー、テーパー）に組み込むことは光ファイバー産業では広く知られている。これらの光吸収物資（あるいは状況に応じて、ＥＭＡ（Ｅｘｔｒａ−Ｍｕｒａｌ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）材料、媒体、ガラス、ファイバー、フィラメントおよびロッドと呼ばれる）は、典型的には３つの一般的な方法のうちの１つまたは複数に従って組み込まれる。

第１の方法では、吸収コーティング（またはスリーブもしくはチューブ）が各導波管（ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）の外側に設けられ、「外周型ＥＭＡ（ｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌ ＥＭＡ）」として呼ばれるものを生成する。外周型ＥＭＡ材料を備えるファイバーを有する例示的なファイバーバンドルの断面図が図１Ａに示されている。

図１Ｂを参照すると、第２の方法が示されており、吸収ファイバーを備えるバンドル内の選択された光伝送素子（例えばファイバー）に取って代わるものを示しており、この置換型ファイバーは、「交換」または「スタティスティカル」ＥＭＡファイバーとしても呼ばれる。

第３の一般的な方法では、吸収ファイバーは、ファイバーアレイ内の間隙内に挿入される。係るファイバー（「間隙型ＥＭＡファイバー」として知られる）を含むバンドルの例は図１Ｃ、１Ｄおよび１Ｅに示されている。外周型ＥＭＡ、間隙型ＥＭＡ、および置換型ＥＭＡ媒体は、不必要な光の反射および伝搬によるクロストークの抑制に関して様々なレベルの成功を収めてきたが、ブラックガラス管および／またはＥＭＡファイバーが必要なため、様々な構成において、その製造が複雑かつ高価になり、更には転送される画像に異常をもたらし得る。

更に、アレイにおいて異なるガラス組成物を導入することによって、相容れないガラス間において相互に悪影響を及ぼす可能性が増す。画像用または照射用バンドル内にガラスを主成分とするＥＭＡ素子の更なる制約は、製造工程の早い段階でそれらが組み込まれなくてはならず、それらの光吸収能力は一旦組み込まれると調整することができないことである。従って、（ｉ）ガラスを主成分とせず、かつ（ｉｉ）調整可能な光吸収特性を有する、光吸収材（ＥＭＡ材料）を組み込む光伝送用光学部品が必要とされる。

第１の例示的な実施形態において、光伝送用光学部品は、対向する入射面および放射面と、これらの入射面と放射面との間に延びる側面と、を有する導光素子を含んでいる。この導光素子の側面の少なくとも一部の上に光吸収層が延びている。この光吸収層は、エレクトロクロミック材料を含んでおり、この材料の不透明度（電磁波波長の所定の組合せに相対する）は、（ｉ）この層の少なくとも一部を通して印加される電流、ならびに（ｉｉ）この層に沿う異なる箇所の間に印加される電位差、の少なくとも一つの強度の変化に対応して可変である。

様々な態様において、この導光素子は、入射面に入射する光が入射面と出射面との間の内部反射によって伝播することができるように、第１の屈折率を有する第１の材料から形成されるコアと、このコアの周りに融着されて配置されており、第１の屈折率よりも強度が低い第２の屈折率を有するクラッドと、を含んでいる。更に、エレクトロクロミック光吸収層は、非ガラス系高分子材料から形成されてもよく、ガラスを主成分とする材料から形成されてもよい。

第２の例示的な実施形態は、対向する第１のプレート面および第２のプレート面と、複数の導光素子を固定された相対位置に保持するマトリックス材料と、を含むバンドル構造体（例えばプレート）を含む、光学部品組立体である。より詳細には、各導光素子は対向する入射面および出射面ならびにこれらの入射面と出射面との間に延びる導光素子側面を有している。これらの複数の入射面および出射面は、それぞれ第１のバンドル面と第２のバンドル面を画成している。

第２の実施形態において、マトリックス材料は、各導光素子を互いに接触させるための光吸収層である。従って、上記記載の光吸収層のように、マトリックス材は、エレクトロクロミックであって、（ｉ）このマトリックスの少なくとも一部を通して印加される電流、および（ｉｉ）このマトリックス内の異なる箇所の間に印加される電位差、の少なくとも一つの強度の変化に応じて選択的に調整可能な不透明度を発揮するエレクトロクロミック材料を含んでいる。

プレート構造体のいくつかの態様において、例えば、エレクトロクロミックのマトリックス全体の不透明度を変更することができ、他の態様では、エレクトロクロミックのマトリックスの不透明度を第１のプレート面および第２のプレート面のいずれかまたは両方において調整可能である。係る態様において、マトリックスの中央部は固定した不透明度を有する。

「ロッド」および「ロッド状」といった用語は導光素子ならびに他の部品の記載で用いられる限り、広義で用いられ、例えば、様々な断面を有する部品や全長よりも直径が大きい部品も含まれる。更に、「直径」という用語は、狭義には円形を画定する曲面内にある最長の弦であると考えられることが多いが、より広義の解釈が本明細書および添付の特許請求の範囲に適用される。例えば、正方形、矩形、六角形、更には不規則な形状における弦もまた直径である。よって、上記記載、詳細な説明、添付の特許請求の範囲または図面の記載は「直径」の意味を一般的に使用される意味よりも狭く解釈されるべきではない。代表的な実施形態は下記の詳細な説明および添付の特許請求の範囲においてより完全に記載されている。

光ファイバーバンドルの断面図を示す図であって、光伝導性素子は光吸収材料（ＥＭＡ材料）を周り（例えば外周）に配置している。 「置換型」光吸収ファイバー（ＥＭＡファイバー）を組み込む光学ファイバーバンドルの断面図である。 別の光ファイバーバンドルの断面図を示しており、光伝導性素子（例えば光ファイバー）の間の間隙に配置された光吸収材料を含むものである。 導光素子を含む光伝送用光学部品を示しており、この導光素子上には、エレクトロクロミック材料から形成された光吸収層が配置されており、その不透明度はこの層への電流の印加に応じて調節可能であって、この図においてこの層は不活性状態である。 図２の平面ＩＩＡ方向に見た図２の光学部品の断面図である。 光吸収層が部分的に活性状態にある図２の光学部品を示している。 光吸収層が完全に活性化された状態（最も不透明である）にある図２および図２Ｂの光学部品を示している。 エレクトロクロミック材料のマトリックス（基盤）で支持される複数のロッド状の導光素子を含む画像伝送用フェースプレートを示しており、その透明度は層への電流の印加に応じて調整され、この図においてこの層は不活性状態である。 マトリックスが活性状態（図３よりも透明ではない（すなわちより不透明な）状態）にある図３のフェースプレートを示す。

以下に、選択的に調整可能な不透明度を有する光吸収材料を含む光学部品および光学部品組立体の実施例を記載するが、これらはあくまでも例示であって、本願発明をこれらに限定するものではない。発明の概要および実施例において記載される様々な実施形態および態様は、添付の特許請求の範囲に入るものを示す限定的な例ではなく、よって特許請求の範囲の最も広い外縁を決定するものではない。

図２を参照すると、第１の光学部品１０は、入射面２２ｆを備える入射端２２と入射面２２ｆに長手方向に対向する出射面２４ｆを備える出射端２４とを有する長形の導光素子２０を含んでいる。更に、導光素子の側面２６が入射面２２ｆと出射面２４ｆの間に延びている。図２の態様において、入射面２２ｆに入光する光が内部反射によってコア３０を通して伝播し、出射面２４ｆから出ることができるように、導光素子２０は、第１の屈折率ｎ１を有する光伝送コア３０と、このコア３０の周りに融着されて配置されており、第１の屈折率ｎ１よりも強度が低い第２の屈折率ｎ２を有するクラッド３２と、を含んでいる。入射端２２および入射面２２ｆならびに出射端２３および出射面２４ｆの表記は説明のために任意になされており、実際の形態においては、入射面２２ｆは、これを通して光が導光素子２０内に導入される面であり、出射２４ｆは、対向する面であって、これを通して光が導光素子２０から出る面である。更に、図２に記載された導光素子２０は円筒状の側面２６によって画定されており、発明の概要において説明したように、他の構成の導光部品２０を含む光学部品１０も本発明の技術的範囲に入る。

続けて図２を参照すると、導光素子の側面２６の周囲に光学層５０が配置されている。この光学層５０は、第１の光学層端部５２および第２の光学層端部５４ならびにこれらの第１の光学層端部５２と第２の光学層端部５４との間に延びる光学層外面５６を有する。図２の態様においては、光学層５０が、導光素子２０の全長に亘り、かつ素子の長手方向の軸Ａ_ＬＥ（図２Ａ）と直交する平面ＩＩＡ方向に見て側面２６によって画定される全外縁の周囲に配置されているが、この光学層５０は導光素子２０の全長よりも短くてもよく、導光素子の側面２６の全外縁よりも少なくてもよく、なお本発明の範囲内である。

光学層５０は、光吸収層６０（ＥＭＡ層）であって、光導素子２０の入射面２２ｆに入射して出射面２４ｆではなくて側面２６を通して出る「迷光」を選択的に吸収するように構成されている。光吸収層６０は、少なくとも部分的にエレクトロクロミック材料であるＭ_ＥＣから生成されている。エレクトロクロミック材料であるＭ_ＥＣは、（ｉ）光学層５０の少なくとも一部を流れる電流ＩＥ、および（ｉｉ）光学層５０に沿って異なる箇所の間に印加される電位差（電圧Ｖ）の少なくとも一つの強度の変化に応じて選択的に調整可能な不透明度を発揮する。

実際の形態においては、調整可能な不透明度の範囲は、完全に透明および完全に不透明（すなわち「黒」）な極端なものを除いて、様々な程度の透明度を含むが、例示目的のため、図２、図２Ｂおよび図２Ｃは、光学層５０が（ｉ）完全に透明（図２）、（ｉｉ）中間の透明度、すなわち「グレー」（図２Ｂ）、および（ｉｉｉ）完全に不透明（図２Ｃ）な同一の光学部品を示す。いかなる実施形態においても、エレクトロクロミック材料Ｍ_ＥＣは、（ｉ）印加される電流Ｉ_Ｅの強度が増加するにつれて透明度が減少（すなわち不透明度が増加）するか、または（ｉｉ）印加される電流Ｉ_Ｅの強度が増加するにつれて透明度が増加するように、選択される。

エレクトロクロミック光学層５０に沿って異なる箇所の間で電位差Ｖ（すなわち電圧）を設定することによって電流Ｉ_Ｅが印加されることが理解されよう。図２〜図２Ｃに記載された態様において、単純な電気回路８０が略図で示されている。回路８０は、電源８１と、第１の光学層端部５２に電気的に接続された第１の導線８２と、第２の光学層端部５４に電気的に接続された第２の導線８４と、第１の導線８２と第２の導線８４との間の電位差Ｖの強度を変化させるための電圧制御装置（例えばポテンシオメータ）と、を含む。

図２〜２Ｃの例示的な光学部品は、外周上に（より一般的には外縁上に）ＥＭＡ材料を配置した単体の内部反射性導光素子２０を示している。しかしながら、本発明の範囲には、長形の画像バンドル（ｉｍａｇｅ ｂｕｎｄｌｅ）および画像伝送フェースプレートといった部品（これらに限定されない）を構成するために様々に配列された複数の導光素子２０が含まれる。いかなる組立体においても、エレクトロクロミック材料Ｍ_ＥＣが、複数の導光素子間の間隙に配置されているか、選択された個々の導光素子の外周に配置されているか、置換型で配置されているかに関わらず、係る各組立体は、エレクトロクロミック材料Ｍ_ＥＣの光吸収層を少なくとも一部に配置した側面を備える少なくとも一つの導光素子を含む。

上記のように、エレクトロクロミック材料Ｍ_ＥＣを含むことで特に有利となる部品は、例えば光ファイバーフェースプレートを含む画像伝送バンドルである。よって、図３には、対向する第１のプレート面１１２および第２のプレート面１１４を含む画像伝送フェースプレート１００を示している。複数のロッド状の導光素子２０がエレクトロクロミック材料Ｍ_ＥＣのマトリックス１５０内に保持されている。図示された実施形態において、各導光素子２０は、図２〜２Ｃに記載の光学素子２０と同様の構成であって、フェースプレート１００の導光素子２０が図２〜２Ｃの導光素子２０に対応する構成要素を含む限りにおいて、同じ符号は係る構成要素を示すのに用いられている。

続けて図３を参照すると、各導光素子２０には、第１のプレートフェース１１２および第２のプレートフェース１１４とそれぞれ重複してその一部を形成する、対向する入射面２２ｆおよび出射面２４ｆが含まれる。従って、図３の態様において、各導光素子２０の長手方向軸Ａ_ＬＥが、第１のプレート面１１２およびこれに並行する第２のプレート面１１４に直交するようになされている。各導光素子２０の長さＬ_ＧＥはプレートの厚みＴ_Ｐに対応している。図３に記載の実施形態とは異なり、プレートが均一の厚みを有さなくても、また、導光素子２０が相互に並行していなくても、なお本発明の範囲に含まれる。

図２〜２Ｃのエレクトロクロミック光学層５０の相対的な透明度をエレクトロクロミック光学層５０に沿って異なる箇所の間に電圧を選択的に印加することによって「調整」することができるのと同様に、図３のフェースプレート１００といった光学部品組立体におけるマトリックス１５０の不透明度は選択的に調節される。図３において、第１の導線８２および第２の導線８４が、マトリックス１５０に対して電位差Ｖを選択的に印加するために、マトリックス１５０に沿って第１の位置１５２およびこれと異なる第２の位置１５４と電気的に接続されている。図３において、マトリックス１５０は、例えば、電流Ｉ_Ｅがマトリックス１５０を通して印加されていないとき、「非活性状態」にある。この非活性状態において、マトリックス１５０は少なくとも部分的に透明である。

図３Ａは図３に示されたものと同じフェースプレート１００を示している。しかし、図３Ａにおいてマトリックス１５０は図３のものよりも不透明であり、電流Ｉ_Ｅがマトリックス１５０を通して印加された状態にある活性状態に対応している。図３および図３Ａにおいて、記載されていない電気回路の一部を構成する導線８２および８４のみが示されており、更なる回路の記載は、図２〜図２Ｃの実施形態において記載された例示的な回路８０に鑑み、不要であると思われる。

図２〜２Ｃならびに図３および３Ａの実施形態は、電流の印加が強くなるにつれてより不透明になるエレクトロクロミック材料Ｍ_ＥＣを組み込むように記載されているが、電流を印加するとエレクトロクロミック材料Ｍ_ＥＣの不透明度が減少する態様も本明細書および添付の特許請求の範囲に記載の発明の範疇に入ると理解されよう。従って、添付の特許請求の範囲に記載の発明は、特に明記されていない場合、印加される電流に応じて不透明度が増加するエレクトロクロミック材料Ｍ_ＥＣを組み込む構成に限定されない。更に、エレクトロクロミック材料Ｍ_ＥＣが（ｉ）ガラスを主成分とする材料および（ｉｉ）非ガラス系高分子材料の少なくとも一つである態様も本発明の範囲に入る。

上記記載は本発明の原理を説明するものであると解されるべきである。更に、当業者であるならば、本発明の範囲および精神から外れることなく様々な変更を想到すると思われ、添付の特許請求の範囲に記載の発明が本明細書および図面に記載された通りの構成、形態、態様に限定されないことが理解されよう。

Claims (16)

1. 対向する入射面および出射面ならびにこれらの入射面と出射面との間に延びる側面を有する導光素子と、
   前記導光素子の少なくとも一部の上に延びる光吸収層であって、（ｉ）前記層の少なくとも一部を通して印加される電流、および（ｉｉ）前記層に沿って異なる箇所の間に印加される電位差、の少なくとも一つの強度の変化に応じて不透明度が可変であるエレクトロクロミック材料を含む光吸収層と、
   を含む光伝送用光学部品。
2. 前記導光素子は、前記入射面に入射する光が前記入射面と前記出射面との間の内部反射によって伝播することができるように、第１の屈折率を有する第１の材料から形成されるコア材と、前記コア材の周りに融着されて配置されており、前記第１の屈折率よりも屈折率が低い第２の屈折率を有するクラッド材と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の光学部品。
3. 前記導光素子層は、非ガラス系高分子材料から形成されることを特徴とする請求項２に記載の光学部品。
4. 前記導光素子層は、ガラスを主成分とする材料から形成されることを特徴とする請求項２に記載の光学部品。
5. 前記光吸収層は、非ガラス系高分子材料から形成されることを特徴とする請求項１に記載の光学部品。
6. 前記光吸収層は、ガラスを主成分とする材料から形成されることを特徴とする請求項１に記載の光学部品。
7. 長手方向に対向する入射面および出射面ならびに前記入射面と前記出射面との間に延びる側面を有する長形の導光素子と、
   前記導光素子の全長の少なくとも一部に延びており、かつ前記導光素子の長手方向軸に直交する平面方向に見て前記側面の外縁の少なくとも一部に配置された、光学層と、
   を含んでおり、
   前記光学層は、前記光学層に沿って異なる箇所の間に印加される電位差に応じて選択的に（ｉ）活性可能および（ｉｉ）非活性可能のいずれかとなる不透明度を有するエレクトロクロミック材料を含む光吸収層であることを特徴とする光伝送用光学部品。
8. 前記導光素子は、前記入射面に入射する光が前記入射面と前記出射面との間の内部反射によって伝播することができるように、
   第１の屈折率を有する第１の材料から形成されるコア材と、
   前記コアの周りに融着されて配置されており、前記第１の屈折率よりも屈折率が低い第２の屈折率を有するクラッド材と、
   を含むことを特徴とする請求項７に記載の光学部品。
9. 前記光学層は、非ガラス系高分子材料から形成されることを特徴とする請求項８に記載の光学部品。
10. 前記光学層は、ガラスを主成分とする材料から形成されることを特徴とする請求項８に記載の光学部品。
11. 対向する第１のプレート面および第２のプレート面と、
    複数の導光素子を固定された相対位置に保持するマトリックス材料と、
    を含むプレート構造体を含んでおり、各導光素子は対向する入射面および出射面ならびにこれらの入射面と出射面との間に延びる導光素子側面を有しており、
    （ａ）前記入射面は前記第１のプレート面を部分的に画成しており、前記出射面は前記第２のプレート面を部分的に画成しており、
    （ｂ）前記マトリックス材料はエレクトロクロミック材料であって、（ｉ）このマトリックスの少なくとも一部を通して印加される電流、および（ｉｉ）このマトリックス内の異なる箇所の間に印加される電位差、の少なくとも一つの強度の変化に応じて選択的に調整可能な不透明度を発揮することを特徴とする光学部品組立体。
12. 各導光素子は、前記入射面に入光する光が前記入射面と前記出射面との間の内部反射によって伝播することができるように、
    第１の屈折率を有する第１の材料から形成されるコア材と、
    前記コアの周りに融着されて配置されており、前記第１の屈折率よりも強度が低い第２の屈折率を有するクラッド材と、
    を含むことを特徴とする請求項１１に記載の光学部品組立体。
13. 前記マトリックスは、非ガラス系高分子材料から形成されることを特徴とする請求項１２に記載の光学部品組立体。
14. 前記光学層は、ガラスを主成分とする材料から形成されることを特徴とする請求項１２に記載の光学部品組立体。
15. 前記エレクトロクロミック材料の不透明度は、印加される電流の強度が増加するにつれて増加することを特徴とする請求項１２に記載の光学部品組立体。
16. 前記エレクトロクロミック材料の不透明度は、印加される電流の強度が減少するにつれて増加することを特徴とする請求項１２に記載の光学部品組立体。