(57)【要約】  好ましくは一体状に形成されたスラブ導波路（３６）と光導波路（３３）を有する平板状レンズ（３０）であって、スラブ導波路が光導波路内へ又は外へ合焦させる湾曲した端面（３７）を有し、少なくとも１つの追加のレンズ（３２）がスラブ導波路内に設けられている、平板状レンズ。追加のレンズは、発散レンズか収束レンズかのいずれかである。追加のレンズは、光導波路の受光角をスラブ導波路の湾曲端面にマッチさせるのが良い。変形例として、追加のレンズは、設計又は組立て誤差及び（又は）温度変動に対する許容度を向上させても良い。好ましくは、平板状レンズは、光パターン化可能なポリマーで構成され、追加のレンズは、空気で構成される。
2008518251.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平板状レンズ及び光導波路を有する光学素子であって、前記平板状レンズは、第１の屈折率の第１の媒体で作られたスラブ導波路を有し、前記光導波路は、前記スラブ導波路の第１の端部に連結され、前記スラブ導波路の第２の端部は、湾曲面で形成され、前記スラブ導波路は、前記第１の屈折率とは異なる第２の屈折率の第２の媒体で作られた発散レンズを収納している、光学素子。
【請求項２】
前記平板状レンズと前記光導波路は、一体形本体として形成されている、請求項１記載の光学素子。
【請求項３】
前記平板状レンズは、収束レンズである、請求項１又は２記載の光学素子。
【請求項４】
前記第１の媒体は、光学的に透明なガラス又はポリマー材料である、請求項１〜３のうちいずれか一に記載の光学素子。
【請求項５】
前記第２の屈折率は、前記第１の屈折率よりも小さい、請求項１〜４のうちいずれか一に記載の光学素子。
【請求項６】
前記第２の媒体は、空気である、請求項１〜５のうちいずれか一に記載の光学素子。
【請求項７】
前記発散レンズは、形状が両凸、平凸又はメニスカス凸である、請求項１〜６のうちいずれか一に記載の光学素子。
【請求項８】
前記第２の屈折率は、前記第１の屈折率よりも大きい、請求項１〜４のうちいずれか一に記載の光学素子。
【請求項９】
前記発散レンズは、形状が両凹、平凹又はメニスカス凹である、請求項８記載の光学素子。
【請求項１０】
複数個の送出し光学素子及び複数個の受入れ光学素子を含む光タッチスクリーンセンサであって、各送出し光学素子及び各受入れ光学素子は、平板状レンズ及び光導波路を有し、前記平板状レンズは、第１の屈折率の第１の媒体で作られたスラブ導波路を有し、前記光導波路は、前記スラブ導波路の第１の端部に連結され、前記スラブ導波路の第２の端部は、湾曲面で形成され、前記スラブ導波路は、前記第１の屈折率とは異なる第２の屈折率の第２の媒体で作られた発散レンズを収納している、光タッチスクリーンセンサ。
【請求項１１】
前記平板状レンズと前記光導波路は、一体形本体として形成されている、請求項１０記載の光タッチスクリーンセンサ。
【請求項１２】
前記平板状レンズは、収束レンズである、請求項１０又は１１記載の光タッチスクリーンセンサ。
【請求項１３】
前記第１の媒体は、光学的に透明なガラス又はポリマー材料である、請求項１０〜１２のうちいずれか一に記載の光タッチスクリーンセンサ。
【請求項１４】
前記第２の屈折率は、前記第１の屈折率よりも小さい、請求項１０〜１３のうちいずれか一に記載の光タッチスクリーンセンサ。
【請求項１５】
前記第２の媒体は、空気である、請求項１０〜１４のうちいずれか一に記載の光タッチスクリーンセンサ。
【請求項１６】
前記発散レンズは、形状が両凸、平凸又はメニスカス凸である、請求項１０〜１５のうちいずれか一に記載の光タッチスクリーンセンサ。
【請求項１７】
前記第２の屈折率は、前記第１の屈折率よりも大きい、請求項１０〜１３のうちいずれか一に記載の光タッチスクリーンセンサ。
【請求項１８】
前記発散レンズは、形状が両凹、平凹又はメニスカス凹である、請求項１７記載の光タッチスクリーンセンサ。
【請求項１９】
平板状レンズ及び光導波路を有する光学素子であって、前記平板状レンズは、第１の屈折率の第１の媒体で作られたスラブ導波路を有し、前記光導波路は、前記スラブ導波路の第１の端部に連結され、前記スラブ導波路の第２の端部は、湾曲面で形成され、前記スラブ導波路は、前記第１の屈折率とは異なる第２の屈折率の第２の媒体で作られた少なくとも１つの収束レンズを収納している、光学素子。
【請求項２０】
前記平板状レンズと前記光導波路は、一体形本体として形成されている、請求項１９記載の光学素子。
【請求項２１】
前記平板状レンズは、収束レンズである、請求項１９又は２０記載の光学素子。
【請求項２２】
前記第１の媒体は、光学的に透明なガラス又はポリマー材料である、請求項１９〜２１のうちいずれか一に記載の光学素子。
【請求項２３】
前記第２の屈折率は、前記第１の屈折率よりも小さい、請求項１９〜２２のうちいずれか一に記載の光学素子。
【請求項２４】
前記第２の媒体は、空気である、請求項１９〜２３のうちいずれか一に記載の光学素子。
【請求項２５】
前記収束レンズは、形状が両凹、平凹又はメニスカス凹である、請求項１９〜２４のうちいずれか一に記載の光学素子。
【請求項２６】
前記第２の屈折率は、前記第１の屈折率よりも大きい、請求項１９〜２２のうちいずれか一に記載の光学素子。
【請求項２７】
前記収束レンズは、形状が両凸、平凸又はメニスカス凸である、請求項２６記載の光学素子。
【請求項２８】
複数個の送出し光学素子及び複数個の受入れ光学素子を含む光タッチスクリーンセンサであって、各送出し光学素子及び各受入れ光学素子は、平板状レンズ及び光導波路を有し、前記平板状レンズは、第１の屈折率の第１の媒体で作られたスラブ導波路を有し、前記光導波路は、前記スラブ導波路の第１の端部に連結され、前記スラブ導波路の第２の端部は、湾曲面で形成され、前記スラブ導波路は、前記第１の屈折率とは異なる第２の屈折率の第２の媒体で作られた少なくとも１つの収束レンズを収納している、光タッチスクリーンセンサ。
【請求項２９】
前記平板状レンズと前記光導波路は、一体形本体として形成されている、請求項２８記載の光タッチスクリーンセンサ。
【請求項３０】
前記平板状レンズは、収束レンズである、請求項２８又は２９記載の光タッチスクリーンセンサ。
【請求項３１】
前記第１の媒体は、光学的に透明なガラス又はポリマー材料である、請求項２８〜３０のうちいずれか一に記載の光タッチスクリーンセンサ。
【請求項３２】
前記第２の屈折率は、前記第１の屈折率よりも小さい、請求項２８〜３１のうちいずれか一に記載の光タッチスクリーンセンサ。
【請求項３３】
前記第２の媒体は、空気である、請求項２８〜３２のうちいずれか一に記載の光タッチスクリーンセンサ。
【請求項３４】
前記収束レンズは、形状が両凹、平凹又はメニスカス凹である、請求項２８〜３３のうちいずれか一に記載の光タッチスクリーンセンサ。
【請求項３５】
前記第２の屈折率は、前記第１の屈折率よりも大きい、請求項２８〜３１のうちいずれか一に記載の光タッチスクリーンセンサ。
【請求項３６】
前記収束レンズは、形状が両凸、平凸又はメニスカス凸である、請求項３５記載の光タッチスクリーンセンサ。
【請求項３７】
添付の図面に記載された本発明の実施形態及び（又は）実施例のうちの任意の１つを参照して実質的に本明細書において説明した光学素子。
【請求項３８】
添付の図面に記載された本発明の実施形態及び（又は）実施例のうちの任意の１つを参照して実質的に本明細書において説明した光タッチスクリーンセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光のビームを集積光導波路に送り又はこれから送る複合レンズに関する。本発明は、光タッチスクリーンセンサを横切る光ビームの送受に特に利用される。
【背景技術】
【０００２】
本明細書中の先行技術の説明は、かかる先行技術が広く知られており又は当該技術分野における通常の知識の一部をなしているということを許容するものと決して考えられるべきではない。
【０００３】
米国特許第５，９１４，７０９号明細書、同第６，１８１，８４２号明細書及び同第６，３５１，２６０号明細書は、集積光導波路がスクリーンを横切って光ビームのアレイを放出し、次にこれらをスクリーンの他方の側で集め、そしてこれらを位置敏感型検出器に導くために用いられている光タッチスクリーンセンサを記載している。「送出し側」に関する設計では、アレイ状に配置された導波路が、列状に配置されたレンズ素子（レンズエレメント）内に入り、これらレンズ素子は、案内された光ビームを水平面内で拡大させ、次に、これら光ビームがスクリーンフェースを横切って放出されているときに水平面内にコリメートする。鉛直面内でのコリメーション（視準）は、外部レンズ（例えば、円柱レンズ）で達成されるが、この鉛直のコリメーションは、本発明の目的にとって特に重要であるわけではない。
【０００４】
理想的には、水平面内における各コリメートされた（視準された）ビームは、一様なパワー分布状態でレンズを「満たす」べきであり、それにより、レンズ内ギャップに対応した恣意的に幅の狭い低強度ストライプを有する本質的にシート状の光が生じる。導波路は、マルチモードであるように設計されており、レンズは、最も高い次数の案内モードの発散角θがレンズを満たすのに十分であるように設計されているだけである（発散角は、モードの次数につれて増大することに注目されたい）。この「理想的な」状況は、図１に示されており、この図１は、「送出し側」レンズ素子１０及び関連の導波路１１のアレイを示している。各レンズ素子１０は、一端に湾曲面１２を備えると共に他方の端部に関連の導波路１１を備えた誘電体の平板状スラブである。好ましくは、レンズ素子１０と関連の導波路１１は、同一材料で構成され、互いに一体に作製されている。説明を簡単にするために、導波路１１は、好ましくは、レンズ素子１０に関し対称に配置され、即ち、レンズ素子１０の対称軸１３と一致している。理想的には、導波路１１からの光線１４は、点１５のところでレンズ素子１０に入って角度θの扇形の範囲内で発散し、それにより湾曲面１２を「満たし」、ここで、これら光線は、反射されてコリメートされた出力ビーム１６を形成する。レンズ素子１０は、屈折が生じる湾曲面１２に加えて、２つの傾斜した側壁１７及び対称軸１３に平行な２つの側壁１８を有している。レンズ素子１０内で発散する案内モードが側壁に当たらない限り、これらの形態は、大体において不適切である。
【０００５】
導波路の構造の点からみると、レンズ素子１０は、本質的にスラブ導波路であり、このスラブ導波路では、光は、面外の方向においては閉じ込められるが、面内においては自由に発散することができる。スラブ導波路の一端部は、光路で導波路１１に光結合され、湾曲面１２は、他端部を形成している。
【０００６】
逆のプロセスが、「受入れ側」で生じ、この受入れ側は、「送出し側」レンズ素子１０の鏡像をなすレンズ素子を有する。
【０００７】
図２を参照すると、先行技術の設計で提起されている１つの問題は、コリメートされたビームが事実上、レンズ素子１０の湾曲面１２を「満たす」ことはなく、これとは異なり、相当に暗い領域２１により互いに分離された別々のビーム２０を形成するということである。これは、各レンズ素子１０内における光の実際の発散角（φ）が期待される発散角（θ）よりも非常に小さいために生じる場合がある。例えば、一形態では、θが約３４°の場合、φは、典型的には、１０°〜１６°である。特定の理論で束縛することを願うものではないが、導波路は、これらが支持できるモードの数よりも少ない数のモードを送っているものと考えられる。最も高い次数のモードが導波路中へ放出されないか、最も高い次数のモードが途中で失われるかのいずれかである。原因が何であるにせよ、不十分な発散度により、タッチスクリーンの製造と性能の両方において問題が生じる。製造上の問題は、送られた光が別々のビームの形態をしているとき、受入れ側レンズアレイを送出し側レンズアレイに的確に整列させる（水平面内において）必要があり、したがって、各受入れ側レンズが別々のビームを集めるようになっているために生じる。他方、送られた光が本質的に連続したシート状である場合、受入れ側レンズアレイの水平位置決めは、重要ではない。性能上の問題は、１つには、空間分解能の減少である。タッチスクリーンセンサの検出アルゴリズムは、グレースケールを分解することができ、したがって、個々のビームの部分遮断であっても、これを検出して位置情報に変換することができるようになっている。しかしながら、送られた光が別々のビームの形態をしている場合、相当に「暗い」領域が存在し、これら暗い領域からは、遮断を検出することができず、したがって、グレースケールアルゴリズムによる補間を行うことは非常に困難である。加うるに、タッチスクリーンは、光が送られない「暗い」領域中ではタッチ事象を検出することができない。また、別々のビームではなく連続シート状（又は、「薄層状」）の光を提供した場合の利点は、米国特許出願公開第２００４／０２０１５７９号明細書に記載されている。
【０００８】
分かりきった一解決策は、各レンズ素子１０の長さを増大させて実際の発散角φが各湾曲面１２を満たすのに十分であるようにすることである。しかしながら、光タッチスクリーンの関係では、これは、送出しアレイ及び受入れアレイの幅に関する物理的制約により望ましくない場合が多い（というのは、導波路は、直角に向きを変え、レンズ長さは、結果的にそのままアレイ幅になり、導波路アレイをスクリーンベゼル内に嵌めることが必要だからである）。発散角を３４°から１０°に減少させると、レンズの長さは、約３．５倍になり、したがって、レンズ幅が０．８５ｍｍの場合、その長さは、１．４ｍｍから４．９ｍｍに増大し、この長さは、多くのディスプレイのベゼル領域にスペース上の制約があると仮定すると、光タッチスクリーン用途については非実用的である場合がある。
【０００９】
図１に示す先行技術のレンズ設計に関する別の問題は、これが高倍率系であること、即ち、像距離が物距離よりも非常に大きいという問題である。かかるシステムは、当該技術分野においては、レイアウトの誤差及び特に物距離（この場合、点１５と湾曲面１２との間の距離）及びレンズの屈折力（これは、この場合、湾曲面１２の曲率半径及びレンズ素子１０の構成材料の屈折率で決まる）の誤差に対して非常に感度が高いものとして周知である。当業者であれば理解されるように、レンズの倍率は、これが作る像が正立であるか倒立であるかに応じて正又は負である場合がある。本発明の目的に関し、「高倍率」、「低倍率」等の表現は、倍率の大きさに関するものとして解釈されるべきである。
【００１０】
したがって、本発明の目的は、先行技術の欠点のうちの少なくとも１つを解決し又は軽減し、或いは、有用な代替策を提供することにある。本発明は、「送出し側」レンズの観点で説明するが、「受入れ側」レンズは、一般に、「送出し側」レンズの鏡像をなすので、「送出し側」レンズの設計に対する本発明の改良は、「受入れ側」レンズに同じように当てはまることは理解されよう。
【００１１】
【特許文献１】米国特許第５，９１４，７０９号明細書
【特許文献２】米国特許第６，１８１，８４２号明細書
【特許文献３】米国特許第６，３５１，２６０号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２００４／０２０１５７９号明細書
【発明の開示】
【００１２】
この目的のため、本発明の一特徴は、平板状レンズ及び光導波路を有する光学素子であって、平板状レンズは、第１の屈折率の第１の媒体で作られたスラブ導波路を有し、光導波路は、スラブ導波路の第１の端部に連結され、スラブ導波路の第２の端部は、湾曲面で形成され、スラブ導波路は、第１の屈折率とは異なる第２の屈折率の第２の媒体で作られた発散レンズを収納していることを特徴とする光学素子を提供する。
【００１３】
有利には、本発明のこの特徴により、案内された光が光学素子を通過して大きな角度で拡大（発散）することができ、それにより、一層一様なパワー分布が得られる。
【００１４】
好ましくは、平板状レンズと光導波路は、一体形本体として形成される。
【００１５】
好ましくは、平板状レンズは、収束レンズである。
【００１６】
好ましくは、第１の媒体は、光学的に透明なガラス又はポリマー材料である。
【００１７】
第１の実施形態では、第２の屈折率は、第１の屈折率よりも小さい。より好ましくは、第２の媒体は、空気である。より好ましくは、発散レンズは、形状が両凸、平凸又はメニスカス凸である。
【００１８】
第２の実施形態では、第２の屈折率は、第１の屈折率よりも大きい。より好ましくは、発散レンズは、形状が両凹、平凹又はメニスカス凹である。
【００１９】
本発明の第２の特徴は、平板状レンズ及び光導波路を有する光学素子であって、平板状レンズは、第１の屈折率の第１の媒体で作られたスラブ導波路を有し、光導波路は、スラブ導波路の第１の端部に連結され、スラブ導波路の第２の端部は、湾曲面で形成され、スラブ導波路は、第１の屈折率とは異なる第２の屈折率の第２の媒体で作られた少なくとも１つの収束レンズを収納していることを特徴とする光学素子を提供する。
【００２０】
有利には、本発明のこの特徴により、設計誤差及び（又は）組立誤差並びに周囲温度の変動に対する平板状レンズを組み込んだ光学素子の許容度が向上する。
【００２１】
好ましくは、平板状レンズと光導波路は、一体形本体として形成される。
【００２２】
好ましくは、平板状レンズは、収束レンズである。
【００２３】
好ましくは、第１の媒体は、光学的に透明なガラス又はポリマー材料である。
【００２４】
第１の実施形態では、第２の屈折率は、第１の屈折率よりも小さい。より好ましくは、第２の媒体は、空気である。より好ましくは、収束レンズは、形状が両凹、平凹又はメニスカス凹である。
【００２５】
第２の実施形態では、第２の屈折率は、第１の屈折率よりも大きい。より好ましくは、収束レンズは、形状が両凸、平凸又はメニスカス凸である。
【００２６】
本発明の第３の特徴は、複数個の送出し光学素子及び複数個の受入れ光学素子を含む光タッチスクリーンセンサであって、各送出し光学素子及び各受入れ光学素子は、平板状レンズ及び光導波路を有し、平板状レンズは、第１の屈折率の第１の媒体で作られたスラブ導波路を有し、光導波路は、スラブ導波路の第１の端部に連結され、スラブ導波路の第２の端部は、湾曲面で形成され、スラブ導波路は、第１の屈折率とは異なる第２の屈折率の第２の媒体で作られた発散レンズを収納していることを特徴とする光タッチスクリーンセンサを提供する。
【００２７】
好ましくは、平板状レンズと光導波路は、一体形本体として形成される。
【００２８】
好ましくは、平板状レンズは、収束レンズである。
【００２９】
好ましくは、第１の媒体は、光学的に透明なガラス又はポリマー材料である。
【００３０】
第１の実施形態では、第２の屈折率は、第１の屈折率よりも小さい。より好ましくは、第２の媒体は、空気である。より好ましくは、発散レンズは、形状が両凸、平凸又はメニスカス凸である。
【００３１】
第２の実施形態では、第２の屈折率は、第１の屈折率よりも大きい。より好ましくは、発散レンズは、形状が両凹、平凹又はメニスカス凹である。
【００３２】
本発明の第４の特徴は、複数個の送出し光学素子及び複数個の受入れ光学素子を含む光タッチスクリーンセンサであって、各送出し光学素子及び各受入れ光学素子は、平板状レンズ及び光導波路を有し、平板状レンズは、第１の屈折率の第１の媒体で作られたスラブ導波路を有し、光導波路は、スラブ導波路の第１の端部に連結され、スラブ導波路の第２の端部は、湾曲面で形成され、スラブ導波路は、第１の屈折率とは異なる第２の屈折率の第２の媒体で作られた少なくとも１つの収束レンズを収納していることを特徴とする光タッチスクリーンセンサを提供する。
【００３３】
好ましくは、平板状レンズと光導波路は、一体形本体として形成される。
【００３４】
好ましくは、平板状レンズは、収束レンズである。
【００３５】
好ましくは、第１の媒体は、光学的に透明なガラス又はポリマー材料である。
【００３６】
第１の実施形態では、第２の屈折率は、第１の屈折率よりも小さい。より好ましくは、第２の媒体は、空気である。より好ましくは、収束レンズは、形状が両凹、平凹又はメニスカス凹である。
【００３７】
第２の実施形態では、第２の屈折率は、第１の屈折率よりも大きい。より好ましくは、収束レンズは、形状が両凸、平凸又はメニスカス凸である。
【００３８】
説明上別段の明示の必要がある場合を除き、原文明細書及び特許請求の範囲全体を通じ、“comprise”、“comprising”等の用語（翻訳文では、「〜を有する」、「〜を油している」と訳してある場合が多い）は、排他的又は排除的な意味ではなく、包括的な意味に、即ち、“including, but not limited to”（〜を含むが、〜には限られない）の意味で解釈されるべきである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
次に、添付の図面を参照して本発明を説明するが、これは例示に過ぎない。
【００４０】
図１に示すような先行技術の設計に関する１つの問題は、コリメートされたビーム１６が事実上、レンズ素子１０の湾曲面１２を「満たす」ことはなく、これとは異なり、図２に示すように相当に暗い領域２１により互いに分離された別々のビーム２０を形成するということにある。先行技術のレンズ設計に関する別の問題は、これが、レイアウトの誤差及び特に物距離（この場合、点１５と湾曲面１２との間の距離）及びレンズの屈折力（これは、湾曲面１２の曲率半径及びレンズ素子１０の構成材料の屈折率で決まる）の誤差に対して非常に感度が高いということにある。これら問題は両方とも、１つ又は２つ以上の追加のレンズをレンズ素子１０の本体内に挿入し、それにより複合レンズを形成することにより個々に取り組み可能である。作製を容易にするため、これら追加のレンズは、好ましくは、空気で構成される。ただし、これら追加のレンズは、レンズ素子１０の構成材料の屈折率とは異なる屈折率を備えた任意他の材料で構成してもよい。
【００４１】
レンズ素子１０は、本質的にスラブ導波路なので、本発明の複合レンズは、スラブ導波路内に設けられた平板状レンズを有する。空気又は他の何らかの材料で構成され、スラブ導波路内に収納された平板状レンズを備えた光デバイスは、実際に、当該技術分野において知られている。一例を挙げると、日本国特開昭５６−７８８１４号公報は、ポリマースラブ導波路内に納められていて、光をスラブ導波路に結合されている光ファイバ内へ結合し又は光ファイバから外へ結合する収束空気レンズと発散空気レンズの両方を開示している。別の例を挙げると、米国特許第５，２５３，３１９号明細書は、空気又は他の何らかの材料から成る収束レンズを収納していて、光パワーを複数本の入力光ファイバと複数本の出力光ファイバとの間で分布させるスラブ導波路を開示している。さらに別の例を挙げると、チャン等（Chang et al.）（「アイイーイーイー・フォトニクス・テクノロジー・レターズ（IEEE Photonics Technology Letters）」，第１５巻，２００３年，ｐ．１３７８〜１３８０）は、直列状態にある１つの発散レンズと１つの収束レンズを備えたスラブ導波路を有する平板状ビームエキスパンダ（ビーム拡大器）を開示している。しかしながら、先行技術のこれらの場合の全てにおいて、スラブ導波路それ自体が、レンズを構成するわけではない。例えば、日本国特開昭５６−７８８１４号公報では、光ファイバから見て遠くに位置するスラブ導波路の端面は、平らであって、湾曲状態ではない。これは、本発明の複合レンズとは対照的であり、本発明の複合レンズでは、光導波路１１から見て遠くに位置するスラブ導波路の端面１２は、徹頭徹尾湾曲しており、したがって、スラブ導波路それ自体がレンズを構成するようになっている。
【００４２】
第１の問題と関連した本発明の第１の特徴によれば、発散レンズ（当該技術分野では「負の」レンズとも呼ばれている）が、先行技術のレンズ素子の本体内に挿入されている。図３を参照すると、本発明の第１の特徴に従って発散レンズ３２を備え、次に収束レンズ３１を備えた長さＬの複合レンズ３０が示されている。集積光導波路３３が、光のビームを矢印３４の方向に送り、この集積光導波路は、点３５のところで複合レンズ３０の本体３６に結合されている。複合レンズ３０の本体３６は、屈折率が１よりも大きな媒体で作られ、この本体は、収束レンズ３１を形成する湾曲面３７で終端している。複合レンズ３０の本体３６内には、発散レンズ３２を形成する屈折率の異なる領域が設けられ、この領域は、点３５から伝搬する光の発散角φを包囲するよう配置され、発散角を値βに増大させて光が今や湾曲面３７を満たすようにするのに役立つ。湾曲面３７は、この光を水平面内でコリメートしてビーム３８を生じさせる。図示の実施形態では、湾曲面３７は、円の一部分から成り、したがって、収束レンズ３１は、平板状球面レンズである。しかしながら、湾曲面３７は、所要のコリメートされたビームを生じさせるのに適した任意の形状を有してよい。例えば、円の一部から成るのではなく、この湾曲面は、長円、放物線若しくは双曲線又は多角形若しくは任意他の方程式により得られる任意の曲線の１つ又は２つ以上の部分から成っていてもよい。湾曲面は又、１つ又は２つ以上の湾曲部分に近似する複数個の真っ直ぐなセグメントから成っていてもよい。実際には、収束レンズ３１をパターン化するために必要なマスクを作製する場合に一般に利用される計数化の意味することは、湾曲面３７が複数個の真っ直ぐなセグメントで構成されるということである。発散レンズ３２は、形状が両凸として示されており、この場合、低屈折率媒体で作られている。当業者であれば理解されるように、平凸又はメニスカス凸レンズも使用できる。変形例として、発散レンズ３２は、屈折率の高い媒体から成っていてもよく、この場合、その形状は、両凹、平凹又はメニスカス凹である。発散レンズ３２について選択されるレンズがどのようなものであれ、その湾曲面は、湾曲面３７に関して上述したような形態のうちの任意のものを取るのがよい。理解されるように、湾曲面３７と発散レンズ３２の両方は、より複雑な形状のものであってよい。例えば、湾曲面３７は、各々が発散レンズの凸部分又は凹部分に対応した２つ又は３つ以上の凸部分から成っていてもよい。
【００４３】
湾曲面３７の「フィルファクタ（fill factor）」が一定であるとすると、発散レンズの追加により、複合レンズの長さが減少することは理解されよう。導波路を利用した光タッチスクリーンの特定の用途に関し、この長さの減少は、有利には、導波路及びレンズが収納されるスクリーンベゼルの幅を減少させる。
【００４４】
本発明の第１の特徴の好ましい具体化例では、複合レンズ３０の本体は、光学的に透明なガラス又はポリマーで作られ、発散レンズ３２は、空気（空気は、本質的に１に等しい屈折率を有する）で構成されている。空気レンズは、作製を容易にするのに特に好ましい。というのは、空気レンズは、複合レンズ３０の本体３６と比較して高い屈折率のコントラストを提供するからである。しかしながら、注目されるべきこととして、発散レンズ３２を、これと本体３６との間に屈折率の十分なコントラストがある限り、空気以外に他の何らかの材料で構成してもよい。当業者であれば理解されるように、発散レンズの設計の詳細は、所与の発散角の場合、２つの媒体の屈折率で決まる。
【００４５】
発散レンズ３２が空気で構成されている場合、この発散レンズを横切る光線は、鉛直（面外）方向には案内されず、したがって面外発散により光が幾分か失われることになろう。したがって、この面外損失が過剰にならないように発散レンズ中の経路長を制限することが重要である。面外発散損失は、最も長い空隙を横切る光線について最悪であり、この最も長い空隙は、発散（したがって、凸）空気レンズの場合、中央領域に位置するであろう。この場合、損失は、実際には有利な場合がある。というのは、この損失は、中央領域の強度を減少させる傾向があり、それにより、レンズ構造全体にわたって一層一様な強度分布が得られるからである。米国特許出願公開第２００４／０２０１５７９号明細書に開示されているように、光タッチスクリーンセンサの特定の用途については、一様な強度分布が好ましい。発散レンズ３２が複合レンズ３０の本体３６の屈折率よりも大きな屈折率の材料で作られている場合、発散レンズを横切るレンズの面外損失は生じないようになることは理解されよう。
【００４６】
次に、幾何光学的に見て、本発明の複合レンズにより取り組み可能な第２の問題について説明する（これについては、例えば、イー・ヘクト（E. Hecht）著論文、「オプティクス（Optics）」，アディソン−ウェズレー（Addison-Wesley），第２版，第５章，１９８７年参照）。図１においては、光タッチスクリーンセンサの「送出し側」レンズ素子１０が、コリメートされたビーム１６を放出した状態で示されている。これは、実際には、理想化された場合である。というのは、回折が、放出されたビームを広げる傾向があり、完全なコリメーションが阻止されるからである。一層現実的な絵画図では、送出し側レンズは、放出された各ビームがディスプレイ領域中の或る点のところでビームウエストに合焦されるように設計されるべきである。図４ａに示すように、ビームウエスト４０は、好ましくは、送出しレンズを素子４０と受入れレンズ素子４２との間の中間のところに配置され、したがって、２つのレンズ素子は、同一の長さのものであるようになっている。幾何光学の絵画図が、図４ｂに示されており、この場合、点４４のところでの送出し導波路４３から出射した光が、サイズｈo（送出し導波路４３の幅４００に等しい）の物体として役立ち、この物体は、湾曲面４５によって反射されてディスプレイスクリーン領域４７の端から端の中間のところにサイズｈiの像４６を作る。このシステムでは、倍率（横方向倍率）は、Ｍ＝ｈi／ｈoによって与えられる。この倍率は又、Ｍ＝−ｓi／ｓoによって与えられ、この式において、ｓoは、物距離４８であり、ｓiは、像距離４９である。実像を生じさせる簡単な収束レンズに関する通常の符号の取り決めにおいて、ｓo、ｓi及びｈoは、全て正であり、これに対し、ｈi（及びかくしてＭ）は、負であり、即ち、像は、倒立像である。
【００４７】
代表的な導波路利用型光タッチスクリーンの場合、レンズ素子の長さ（即ち、ｓo）は、２ｍｍオーダのものであり、ディスプレイ領域の幅又は高さ（即ち、２・ｓi）は、６０ｍｍオーダのものであり、したがって、倍率Ｍは、−１５オーダのものであろう。これは、単一レンズ形にとっては高い倍率であり、当該技術分野においては、かかる高い倍率のシステムは、レイアウトの誤差に対して非常に敏感であることは周知である。この種の問題は、１つ又は２つ以上のレンズ及び他の光学コンポーネントを高度の空間精度で組み合わせる必要のある微小光学の分野においてしばしば出くわす。図４ｂの送出し素子に類似した微小光学の一例として、図５は、光ファイバ５３のコア５２から出射した光５１を検出器５４上に合焦させるレンズ５０を示しており、この場合、レンズ５０は、検出器５４よりも光ファイバ５３の方に非常に近接するよう拘束されている。物距離５５は、像距離５６よりも非常に短いので、これは、高倍率系を表し、微小光学の当業者であれば理解されるように、レンズ５０の配置場所又はその設計（例えば、その表面の曲率半径）の僅かな誤差であっても、像のサイズ及び位置に大きな誤差が生じるようになる。さらに、レンズ５０が大きな熱光学係数（即ち、温度に対する屈折率の変化率）を備えた材料で構成されている場合、温度変化も又、その結像力に大きな影響を及ぼすことになる。特に、ポリマーは、例えばシリケートガラス（＋１×１０-5／℃）よりも非常に高い熱光学係数（代表的には−１〜−４×１０-4／℃）を有することが知られている。
【００４８】
図４ｂに示す送出し素子の場合、像距離ｓi（及びこれと等価には、像サイズｈi）は、送出しレンズ素子４１の長さ（即ち、物距離ｓo）及び送出しレンズ素子４１の屈折力（これは、湾曲面４５の曲率半径及びレンズ素子４１の構成材料の屈折率で決まる）の誤差に対して非常に敏感である。像が不正確な位置（即ち、ディスプレイスクリーン領域４７の中点のところではない位置）に結ばれた場合、光は、受入れレンズ素子４２によって正確には集められず、場合によっては、隣のレンズ素子によって集められ、それにより疑似信号が生じる。
【００４９】
第２の問題に関する本発明の第２の特徴によれば、収束レンズが、レンズ素子１０の本体内に導入される。図６を参照すると、本発明の第２の特徴に従って第１の収束レンズ６１及び第２の収束レンズ６２を有する複合レンズ素子６０が示されている。図４ｂに示す単純レンズ素子４１と比較して、倍率Ｍの単一レンズ（即ち、湾曲面４５）に代えて、２つの倍率の低い収束レンズが用いられている。微小光学の分野では周知であるように、かかる形態は、設計及び（又は）組立て上の誤差に対するレンズ形の感受性を減少させる。第１の収束レンズ６１が倍率Ｍ1を有し且つ第２の収束レンズ６２が倍率Ｍ2を有していて、Ｍ1・Ｍ2＝Ｍである場合、複合レンズ素子６０及び単純レンズ素子４１は、同一の結像性能（像距離ｓi及び像高さｈiにより測定して）を有することになる。しかしながら、当業者であれば理解されるように、複合素子レンズ６０は、同一の倍率を備えようとする場合、単純レンズ素子４１よりも長く作製される必要がある。
【００５０】
複合レンズ素子６０の幾何光学的に見て、複合レンズ素子６０の導波路６３と本体６４との間の接合部は、第１の収束レンズ６１の物体６５としての役目を果たし、サイズｈo1は、導波路６３の幅６９に等しい。第１の収束レンズ６１は、本体６４の背後に虚像６６を作るよう物体６５を投影するよう設計され、第２の収束レンズ６２は、好ましくはディスプレイ領域の端から端の真ん中に位置する実像６７を作るよう虚像６６を投影するよう設計されている。複合レンズ６０を通過する光の実際の経路は、光線６８によって指示されている。本発明の第１の特徴の場合と同様、第１の収束レンズ６１は、導波路６３から本体６４内に伝搬する光の発散角φを包囲するよう設計されなければならない。この形態では、第１の収束レンズの倍率は、正であり（これにより、正立虚像が生じる）、第２の収束レンズの倍率は、負である（これにより、倒立実像が生じる）。
【００５１】
また、２つの収束レンズ６１，６２について同様な構成にすることが可能であり、この場合、第１の収束レンズ６１が、ディスプレイ領域の中点を超えて実像を作り、この像が次に、第２の収束レンズ６２にとって仮想物体として働き、この第２の収束レンズは、ディスプレイ領域の端から端の中間のところに位置する実像６７を作ることに注目されたい。しかしながら、この構成は、有利ではない。というのは、第１の収束レンズ６１は、単純レンズ素子４１よりも高い倍率を備えることが必要であり、したがって、設計及び（又は）組立て上の誤差に対し更に一層敏感になるからである。
【００５２】
本発明の第２の特徴の好ましい具体化例では、複合レンズ６０の本体６４は、光学的に透明なガラス又はポリマーで作られ、第１の収束レンズ６１は、空気（空気は、本質的に１に等しい屈折率を有する）で構成されている。空気レンズは、作製を容易にするのに特に好ましい。というのは、空気レンズは、複合レンズ６０の本体６４と比較して高い屈折率のコントラストを提供するからである。しかしながら、注目されるべきこととして、収束レンズ６１を、これと本体６４との間に屈折率の十分なコントラストがある限り、空気以外に他の何らかの材料で構成してもよい。本発明の第１の特徴の場合と同様、第１の収束レンズ中の経路長を制限してこれを横切る光の面外発散損失が過剰にならないようにすることが重要である。
【００５３】
本発明の複合レンズ構造体は、有利には、フォトリソグラフィー／湿式現像法を用いて光パターン化可能なポリマーから作製されるのがよい。光パターン化可能なポリマーは、これらをパターンすることができる条件（例えば、ＵＶ暴露に続き、溶剤現像の実施）が容易であり且つ甘いので特に好ましい。
【００５４】
材料の特に適した１つのクラスは、例えば、米国特許第６，８１８，７２１号明細書又は米国特許第６，８００，７２４号明細書に開示されているように、縮合反応により合成されるＵＶ硬化性シロキサンポリマーである。シロキサンポリマーは、シリコン、ガラス及びプラスチックを含む種々の基板材料に対して優れた付着性を備えている。硬化速度を増大させるために光開始剤又は熱開始剤を添加するのがよい。市販の光開始剤の例としては、１−ヒドロキシ−シクロヘキシル−フェニル−ケトン（Irgacure 184）、２−メチル−１［４−メチルチオ）フェニル］−２−モルフォリノプロパン−１−オン（Irgacure 907）、２，２−ジメトキシ−１，２−ジフェニルエタン−１−オン（Irgacure 651）、２−ベンジル−２−ジメチルアミノ−１−（４−モルフォリノフェニル）−ブタノン−１（Irgacure 369）、４−（ジメチルアミノ）ベンゾフェノン、２−ヒドロキシ−２−メチル−１−フェニル−プロパン−１−オン（Darocur 1173）、ベンゾフェノン（Darocur BP）、１−［４−（２−ヒドロキシエトキシ）−フェニル］−２−ヒドロキシ−２−メチル−１−プロパン−１−オン（Irgacure 2959）、４，４′−ビス（ジエチルアミノ）ベンゾフェノン（DEAB）、２−クロロチオキサントン、２−メチルチオキサントン、２−イソプロピルチオキサントン、ベンゾイン、及び４，４′−ジメトキシベンゾインが挙げられる。可視光で硬化するためには、開始剤は、例えば、カムフォルキノン（Camphorquinone）であるのがよい。２種類又は３種類以上の光開始剤の混合物も又使用できる。例えば、Irgacure 1000は、８０％のDarocur 1173と２０％のIrgacure 184の混合物である。熱硬化のため、開始剤として、過酸化物（例えば、過酸化ジベンゾイル）、ペルオキシジカーボネート、ペルエステル（ｔ−ブチルペルベンゾエート）、ペルケタル、ヒドロペルオキシド並びにＡＩＢＮ（アゾビスイソブチロニトリル）の形態の有機過酸化物を使用するのがよい。
【００５５】
必要ならば、ポリマーの性質を高めるため、他の添加剤、例えば安定剤、可塑剤、コントラスト増強剤、染料又は充填材を添加してもよい。
【００５６】
図３を参照して、本発明の第１の特徴による複合レンズ構造の作製法を以下の２つの非限定的な実施例によって説明する。
【００５７】
実施例１
米国特許第６，８１８，７２１号明細書に開示された手順に続き、低屈折率ポリマーＡを２５００ｃＰの粘度（２０℃）及び１．４８３の屈折率（２０℃で室内灯の下でアッベ屈折計で測定して）に調製した。高屈折率ポリマーＢを２２００ｃＰの粘度（２０℃）及び１．５０９の屈折率（２０℃）に調製した。適当な光開始剤をポリマーＡとポリマーＢの両方に添加した。
【００５８】
ポリマーＡをシリコンウェーハ上にスピンコーティングし、水銀灯からのＵＶ光で硬化させて厚さ２０μｍ、屈折率１．４９２（２０℃及び８５０ｎｍにおいて）の下側被覆層２０を形成した。ポリマーＢを下側被覆層上にスピンコーティングして厚さ１１ｎｍのコア層を形成すると共にマスクを介してＵＶ光でパターン化し、次に、非露出状態のポリマーＢ材料をイソプロパノール中に溶解させて導波路３３及び空気で構成された発散レンズ３２及び次に収束レンズ３１を備えた複合レンズ３０を形成した。露出状態のポリマーＢ材料の屈折率は、１．５１９（２０℃及び８５０ｎｍにおいて）であった。最後に、保護上側被覆層をスピンコーティングにより被着させ、ポリマーＡの第２の層をＵＶ硬化させるのがよいが、このようにするかどうかは任意である。この被覆層をポリマーＢ層に関する仕方と同一の仕方でパターン化することが必要であることに注目されたい。その理由は、収束レンズ３１の湾曲した合焦面３７を覆って妨害するのを回避する（米国特許出願公開第２００５／００８９２９８号明細書に開示されているように）だけでなく、発散空気レンズを硬化したポリマーＡ材料で充填するのを回避することにある。発散空気レンズは、未硬化ポリマーＡで一時的に満たされるが、この材料は、次のイソプロパノール現像ステップで除去される。パターン化された頂部被覆が終端する点は、発散空気レンズが非被覆状態のままである限り、特に重要ではない。例えば、頂部被覆は、点３５のところ又はその近くで終端するようパターン化されるのがよく、実際に複合レンズ３０よりも二桁ほど長い導波路３３が機械的に保護されたままであるようにする。
【００５９】
発散レンズ３２が空気で構成されている場合、これを追加のプロセスステップを行わないで既存の収束レンズ３１に追加できることは理解されよう。これには、マスク設計の改造の他には何も必要とせず、したがって、このようにすることが、作製を容易にするために好ましい。しかしながら、追加のプロセスステップを実施して、上側被覆層（オプション）を被着させてパターン化する前又は後のいずれかにおいて、発散レンズ領域を屈折率がポリマーＢとは著しく異なる他の或る硬化性ポリマーＣで満たすことが可能である。当然のことながら、発散レンズを上側被覆ポリマーＡで満たすことができるが、その屈折率は通常、ポリマーＢの屈折率よりもほんの僅か小さいので（導波目的で）、発散レンズの屈折力は、厳しく制限される。
【００６０】
実施例２
図７ａ及び図７ｂを参照して、実施例１で説明した手順により作製し、発散レンズ３２を有し、次に収束レンズ３１を有する本発明の第１の特徴による例示の複合レンズ３０の寸法形状について説明する。図７ａを参照すると、点３５のところで複合レンズ３０に入る導波路３３の幅７０は、８μｍである。収束レンズ３１は、長さ３００μｍの末広がり部分７１、長さ１１６０μｍの真っ直ぐな部分７２、７５０μｍの幅７３を有し、曲率半径が５７０μｍの円弧である湾曲面７４で終端している。図７ｂを参照すると、発散空気レンズ３２は、８０μｍの幅７５及び１６μｍの長さ７６を備えた両凸構造体であり、曲率半径が１００μｍの２つの円弧７７で構成され、点３５から１３０μｍの距離７８のところに位置決めされている。幾何光学絵画図では、発散レンズ３２は、それ自体と点３５との間に虚像を作り、この虚像は、湾曲面７４を有する収束レンズ３１のための物体として働く。屈折率が１．５１９の媒体中でシングルモード（即ち、ガウスＴＥＭ００）ビームの波長が８５０ｎｍであるとすれば、図７ｂの発散空気レンズ３２は、複合レンズ３０内の光の発散角度をほぼ２倍にする。この計算の結果は、上述の寸法形状の発散空気レンズを組み込んだレンズ構造体及びこれを組み込んでいないレンズ構造体中へ光ファイバ（コーニング（Corning）社製のＳＭＦ２８）から光を放出することにより実験的に確認された。これらレンズ構造体内での２つの波長、即ち、６３３ｎｍ及び８１９ｎｍでの光の発散度を図８に示すようにＣＣＤカメラで画像化した。写真の示すところによれば、組み込んだ発散レンズは、発散角度を１５°から３２°にほぼ２倍にしている。
【００６１】
次に、以下の３つの非限定的な実施例において本発明の第２の特徴としての或る特定の有利な複合レンズ並びに先行技術の単純レンズ素子の欠点を説明する。
【００６２】
反例１
低屈折率ポリマーＡ及び高屈折率ポリマーＢを実施例１の場合と同様に調製した。図４ｂに示されている先行技術の単純送出しレンズ素子４１を作製するため、ポリマーＡをシリコンウェーハ上にスピンコーティングし、水銀灯からのＵＶ光で硬化させて厚さ２０μｍ、屈折率１．４９２（２０℃及び８５０ｎｍにおいて）の下側被覆層２０を形成した。ポリマーＢを下側被覆層上にスピンコーティングして厚さ１１ｎｍのコア層を形成すると共にマスクを介してＵＶ光でパターン化し、次に、非露出状態のポリマーＢ材料をイソプロパノール中に溶解させて幅４４０が８μｍの導波路４３及び幅４１０が０．７５ｍｍ、長さ４８が２．０ｍｍのレンズ素子４１を形成した。露出状態のポリマーＢ材料の屈折率は、１．５１９（２０℃及び８５０ｎｍにおいて）であった。レンズ素子４１は、曲率が０．６５５ｍｍの円弧である湾曲面４５で終端する。湾曲面４５（単純な球面インターフェイス）のところでの屈折率は、次の方程式により定められる。
【００６３】
【数１】
2008518251.tif 000003
上式において、ｎ1は、第１の媒体の屈折率（硬化ポリマーＢ、１．５１９であると見なされる）であり、ｎ2は、第２の媒体の屈折率（空気、１であると見なされる）、Ｒは、湾曲面４５の曲率半径（−０．６５５ｍｍ、通常の符号の取り決めでは負）、ｓoは、物距離（長さ４８に等しく、２．０ｍｍ）であり、ｓiは、像距離４９である。方程式（１）の簡単な整理により、ｓi＝３０ｍｍとなり、したがって、倍率（Ｍ＝−ｓi／ｓoで与えられる）は、−１５である。導波路４３の幅４００は、８μｍ（物体のサイズｈoであると見なされる）なので、像サイズｈiは、−１２０μｍであろう（負である理由は、像は、倒立しているからである）。
【００６４】
方程式（１）から、像距離ｓiは、ｓo、Ｒ及びｎ1の変化による影響を受けることが分かる（ｎ2、即ち、空気の屈折率は、確実に一定であると見なすことができる）。先ず最初に、幾何学的パラメータｓo及びＲについて考察すると、表１及び表２は、ｓo及びＲの僅かな変化（±５μｍ、±１０μｍ及び±１５μｍ）のｓiに対する影響を示しており、他の全てのパラメータは、一定に保たれる。ｓiは、レンズ素子４１の設計の僅かなばらつき、特に、Ｒの誤差に非常に敏感であることが理解できる。
【００６５】
【表１】
2008518251.tif 000004
【００６６】
【表２】
2008518251.tif 000005
【００６７】
レンズ素子４１は大きな熱光学係数（ポリマーＢについてはｄｎ1／ｄＴ＝−２．８×１０-4）を備えた材料で構成されているので、これまた、表３に示すように２０℃の設計温度を中心としたばらつきに敏感である。
【００６８】
【表３】
2008518251.tif 000006
【００６９】
レンズ素子４１がマスクを利用したリソグラフィー法で形成されているこの場合、レンズ素子４１の幾何学的形状（本質的にｓo及びＲ）を高い精度（代表的には、数ｎｍ）で定めることができ、したがって、所与の温度の場合、像距離ｓiは、本質的に一定であろう。しかしながら、光タッチスクリーンを組み込んだ消費者用エレクトロニクスデバイスの場合、デバイス温度を制御することは一般に経済的ではなく、したがって、表３において実証された温度感受性は大きな問題となる場合がある。
【００７０】
実施例３
低屈折率ポリマーＡ及び高屈折率ポリマーＢを実施例１の場合と同様に調製した。図６に示されている本発明の第２の特徴の複合送出しレンズ素子６０を作製するため、ポリマーＡをシリコンウェーハ上にスピンコーティングし、水銀灯からのＵＶ光で硬化させて厚さ２０μｍ、屈折率１．４９２（２０℃及び８５０ｎｍにおいて）の下側被覆層２０を形成した。ポリマーＢを下側被覆層上にスピンコーティングして厚さ１１ｎｍのコア層を形成すると共にマスクを介してＵＶ光でパターン化し、次に、非露出状態のポリマーＢ材料をイソプロパノール中に溶解させて幅６９が８μｍの導波路６３及び幅６００が０．７５ｍｍ、長さ６０２が２．５ｍｍの複合レンズ素子６０を形成した。露出状態のポリマーＢ材料の屈折率は、１．５１９（２０℃及び８５０ｎｍにおいて）であった。複合レンズの本体６４は、空気で構成された第１の収束レンズ６１を収納し、湾曲面６０２で終端しており、この湾曲面は第２の収束レンズ６２を形成している。この実施例では、第１の収束レンズ６１は、曲率半径が互いに等しい（Ｒ1）２つの表面を備えた対称両凹レンズである。第１の収束レンズ６１のところの屈折は、以下の薄いレンズに関する方程式により定められる。
【００７１】
【数２】
2008518251.tif 000007
上式において、上式において、ｎ1は、第１の媒体の屈折率（硬化ポリマーＢ、１．５１９であると見なされる）であり、ｎ2は、第２の媒体の屈折率（空気、１であると見なされる）、ｓo1は、物距離であり、ｓi1は、像距離である。第２の収束レンズ６２のところの屈折は、以下の方程式により定められる。
【００７２】
【数３】
2008518251.tif 000008
上式において、ｎ1＝１．５１９、ｎ2＝１、Ｒ2は、湾曲面６０２の曲率半径、ｓo2は、物距離、ｓi2は、像距離である。
【００７３】
この実施例では、複合レンズ６０は、反例１の単純レンズ素子４１と同一の全体的倍率（Ｍ＝−１５）を有するよう設計され、第１の収束レンズ６１の倍率Ｍ1＝＋√（１５）〜３．８７３（正である理由は、その像が虚像且つ正立であるからである）であり、第２の収束レンズ６２の倍率Ｍ2＝−√（１５）〜−３．８７３である。この特定の構成を“５０／５０複合レンズ”と呼ぶ。さらに、複合レンズ６０は、反例１の単純レンズ素子４１と同一の像距離６３を有するよう設計され、即ち、ｓi2＝３０ｍｍであり、したがって、像６７は、同一距離のところで同一サイズ（１２０μｍ）で作られる。この制約は、２．５ｍｍという全体的レンズ長さ６０１相俟って、複合レンズ６０の形態を定めるのに十分であり、即ち、第１の収束レンズ６１は、点６５から距離１．８２６ｍｍを置いたところに配置され（したがって、ｓo1＝１．８２６ｍｍであり）、この第１の収束レンズは、Ｒ1＝−１．６８２ｍｍの曲率半径を有し、湾曲面６０２は、Ｒ2＝−２．２６２ｍｍの曲率半径を有する。
【００７４】
この複合レンズの設計上の許容度を考慮すると、今、周囲温度により屈折率ｎ1と共に変化する場合のある４つの幾何学的パラメータ（ｓo1、全長６０１、Ｒ1及びＲ2）がある。５０／５０複合レンズにおいてこれらパラメータに対するｓi2の感受性は、表４〜表８に記載されている。
【００７５】
【表４】
2008518251.tif 000009
【００７６】
【表５】
2008518251.tif 000010
【００７７】
【表６】
2008518251.tif 000011
【００７８】
【表７】
2008518251.tif 000012
【００７９】
【表８】
2008518251.tif 000013
【００８０】
表４及び表５とレンズ位置の僅かな誤差の影響を示す反例１の表１を比較すると、余分なレンズを導入すると、許容度には僅かな改善しか見られないということが理解できる。他方、表６及び表７とレンズ表面の曲率の僅かな誤差の影響を示す反例１の表２を比較すると、余分なレンズを導入すると、許容度に大幅な改善が見られ、先行技術の単純送出しレンズ素子と比べて５０／５０複合送出しレンズ素子の顕著な利点を表していることが分かる。最後に、表８と温度変動の効果を示す反例１の表３を比較すると、余分なレンズを導入すると、許容度に僅かな改善が見られたことが理解できる。
【００８１】
本発明の複合送出しレンズ素子を条件Ｍ1・Ｍ2＝−１５であることを条件として、５０／５０に加えて第１のレンズと第２のレンズとの間における他の何らかの「倍率分割」を行って設計して全体的なレンズ性能を保持することができるようにしてもよいことは理解されよう。種々の倍率分割が行われた複合レンズは、幾何学的な誤差及び温度変動に対して種々の許容度を有することになる。例えば、第２のレンズが正確に作製し又は位置決めするのが困難な場合、第１のレンズが第２のレンズよりも高い倍率を有するよう複合レンズを設計するのが有利である。
【００８２】
実施例４
上述のように、周囲温度の変化は、ポリマーで構成され、高精度フォトリソグラフィーにより作製された光タッチスクリーンレンズ素子の性能に影響を及ぼす重要な変数である。この実施例は、全体的な結像性能（即ち、倍率及び像距離）を保持した上で、先行技術の単純送出しレンズ素子と比較して著しく減少した温度感受性を備える本発明の複合送出しレンズ素子をどのように設計すればよいかを示している。
【００８３】
実施例３の場合と同様、低屈折率ポリマーＡ及び高屈折率ポリマーＢを用いて幅６９が８μｍの導波路６３及び幅６００が０．７５ｍｍであり、今度は長さ６０１が４ｍｍの複合レンズ素子６０を形成した。互いに異なるＸ／Ｙ倍率分割を行った数個の複合送出しレンズ素子に関する周囲温度に対する感受性ｓi2が、図９に示されている。これら送出しレンズ素子に関する設計パラメータが、表９に記載されている。各場合において、複合レンズは、像距離ｓi2が３０ｍｍであり、全体的倍率が−１５であるように設計され、第１及び第２のレンズの個々の倍率は、Ｍ1＝＋√（Ｘ・１５／Ｙ）及びＭ2＝−√（Ｙ・１５／Ｘ）によって与えられる。比較のため、図９は又、先行技術の等価な長さ２ｍｍの単純送出しレンズの温度感受性を示している。温度感受性は、レンズ素子を長くするという犠牲を払って比較的低い倍率の余分の収束レンズを導入することにより著しく減少させることができるということが理解できる。先行技術の長さ４ｍｍの単純送出しレンズ素子も又、減少した温度感受性を有するが、この倍率は、−７．５に過ぎないことは注目されたい。複合レンズを用いた場合の利点は、結像力を損なわないで温度感受性を減少させることができるということである。複合レンズ形態では、送出しレンズの温度感受性は、レンズの長さを長くすることにより更に一段と減少させることができるが、明らかなこととして、これは、光タッチスクリーンシステムの他の設計上の制約、特にベゼル幅によって制限される。
【００８４】
【表９】
2008518251.tif 000014
【００８５】
本発明を特定の実施例に関して説明したが、当業者であれば、本発明は、他の多くの形態で具体化できることは理解されよう。
【００８６】
有利には、本発明の第１の特徴は、面内レンズが大きな発散角度を有することが必要とされる状況に適用でき、本発明の第２の特徴は、面内レンズが設計又は組立て上の誤差及び（又は）周囲温度の変動に対して向上した許容度を有することが必要とされる状況に適用できる。本発明の特定の一用途は、米国特許第５，９１４，７０９号明細書、同第６，１８８，８４２号明細書及び同第６，３５１，２６０号明細書に記載された形式の光タッチスクリーンセンサである。特に、本発明は、光ビームが拡大されて自由空間中へ放出される光タッチスクリーンセンサの送出し側光学系について説明した。しかしながら、かかる説明は、スクリーンの他方の側に設けられ、シート状の光の部分を集め、これらを導波路アレイ中に注ぎ込む受入れ側光学系に同様に当てはまる。具体的に説明すると、本発明の第１の特徴では、受入れ側レンズの湾曲前面は、シート状の光の一部分を受入れ、そしてこれをレンズの本体内で収束させ、組み込み発散レンズは、収束角度を調整して導波路の受入れ角度にマッチさせる。発散レンズが設けられていない場合、光の大部分は、導波路中には結合されない。これとは逆に、本発明の第２の特徴による受入れ側レンズ素子は、設計上の誤差又は周囲温度の変化に対して向上した許容度を有する。
【００８７】
本発明の第２の特徴を追加の収束レンズが、単一の収束レンズを有する先行技術の送出しレンズ素子の本体内に挿入された複合送出しレンズ素子について説明した。この実施形態では、複合送出しレンズ素子の２つの収束レンズは、組合せ状態で、設計又は組立て上の誤差及び（又は）周囲温度の変化に対する許容度を向上させる仕方で、先行技術の送出し素子の単一収束レンズに取って代わる。先行技術の送出しレンズ素子の本体内への２つ又は３つ以上の収束レンズの追加により許容度を更に一段と向上させることができることは理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】レンズのアレイ（集積光導波路の対応のアレイから光を受け取っている）から送り出されている光のビームの「理想的な」状況を示す概略平面図であり、コリメートされた光のビームが、各レンズの幅全体から送り出されている状態を示す図である。
【図２】レンズのアレイ（集積光導波路の対応のアレイから光を受け取っている）から送り出されている光のビームが各レンズを満たすには不十分な発散度を有している状況を示す概略平面図である。
【図３】本発明の第１の特徴による複合レンズの概略平面図である。
【図４ａ】ガウス光学モデルを用いた１対の送出しレンズと受入れレンズとの間の光のビームを示す図である。
【図４ｂ】幾何光学モデルを用いた１対の送出しレンズと受入れレンズとの間の光のビームを示す図である。
【図５】高倍率レンズを含む微小光学（マイクロオプティクス）組立体を示す図である。
【図６】本発明の第２の特徴による複合レンズの概略平面図である。
【図７ａ】本発明の第１の特徴による複合レンズの寸法形状を示す図である。
【図７ｂ】本発明の第１の特徴による複合レンズを形成する発散空気レンズの寸法形状並びに収束レンズ内におけるその位置決め状態を示す図である。
【図８】本発明の第１の特徴による複合レンズの性能を先行技術のレンズの性能と比較して示す図である。
【図９】本発明の第２の特徴による種々の複合レンズの温度感受性を先行技術のレンズの温度感受性と比較して示すグラフ図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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