(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
前面と該前面に対して実質的に平行な背面とを有する不透明結合材層と、
前記不透明結合材層内に単層の配列の形で支持されている複数の光透過性ビーズであって、このビーズは、光を受けるために前記背面に突出しており、前記不透明結合材層を経て光を透過させるために前記前面に接触している、複数の光透過性ビーズと、
前記不透明結合材層の前面に取りつけられ、ビーズの拡大を回避しつつ前記不透明結合材の層を透過する光をさらにフィルタするために、ビーズの焦点の十分前方に焦点を有する光透過性材料の第１層、を具備する光フィルタであって、
前記光透過性材料の第１の層は、選択された方向に沿って広い観察の角度にわたり光を分散させるための複数の実質的に互いに平行な円柱形凸レンズを含んでいる光フィルタ。
【請求項２】
前記不透明結合材層の背面に取りつけられた第２の光透過性材料層をさらに有し、前記複数の光透過性ビーズは、それにより該複数の光透過性ビーズの突出部分が曲線状となる、請求項１に記載の光フィルタ。
【請求項３】
前記第２の光透過性材料層は、前記ビーズの拡大を回避するため、該ビーズの焦点より十分後方に焦点を有する、請求項２に記載の光フィルタ。
【請求項４】
前面と該前面に対して実質的に平行な背面とを有する不透明結合材層と、
前記不透明結合材層内に単層の配列の形で支持されている複数の光透過性ビーズであって、各ビーズは実質的に等しい半径Ｒを有し、該ビーズは背面に突出し、前記前面に接触している複数の光透過性ビーズと、
前記ビーズに対して垂直方向に測定された０．５Ｒから１．０Ｒの実質的に均一の厚さを有し、前記不透明結合材層の背面及び前記ビーズの突出部分に取りつけられ、それによりビーズの突出部分の形状に実質的に適合する形状である光透過性材料の適合層、
を有する光フィルタであって、
該光透過性材料の適合層の背面は光を受け取り、該光を集束して前記ビーズに送り込み、前記ビーズは目視のために前記光を前記不透明結合材層を通して屈折させる、
光フィルタ。
【請求項５】
前記ビーズの各々は、前記ビーズの中への光の透過を増大させるために、前記光透過材料の適合層の屈折率の１００％−１３０％の範囲内の実質的に等しい屈折率を有する、請求項４に記載の光フィルタ。
【請求項６】
前記ビーズと前記光透過性材料の適合層の背面は、各々曲率中心を有し、前記光透過性材料の適合層の背面の曲率中心は、前記ビーズの中への光の集束を増大させるために、前記ビーズの曲率中心の後方である、請求項４に記載の光フィルタ。
【請求項７】
前記ビーズと前記適合層の背面は、各々曲率中心を有し、前記適合層の背面の曲率中心は、前記ビーズの中への光の集束を増大させるために、前記ビーズの曲率中心とほぼ等しい、請求項４に記載の光フィルタ。
【請求項８】
前記光フィルタの頑丈さを増大させるために、前記不透明結合材層の前面に取りつけられている実質的に平らな光透過性支持材料層をさらに含む、請求項４に記載の光フィルタ。
【請求項９】
粘性の固まっていない状態と実質的に剛性の固まった状態とを有する不透明結合材と、各々が実質的に選択された半径Ｒである光透過性ビーズと、前面と背面とを有する変形可能な半粘性の固まっていない状態と実質的に剛性の固まった状態とを有する光透過性材料の層とで光フィルタを製造する方法であって、該方法は取り外し可能な支持表面を使用し、該方法は、
前記ビーズのサイズよりも小さい選択された厚さであり粘性の固まっていない状態にある前記不透明結合材の層を前記取り外し可能な支持表面に付着させる段階と、
前記不透明結合材層上に配列の形に複数の前記光透過性ビーズを配置する段階と、
前記複数の光透過性ビーズを前記不透明結合材層の中に該ビーズが前記支持表面に達するまで埋め込む段階と、
前記光透過性ビーズを所定の位置に支持するために、前記不透明結合材を実質的に剛性の固まった状態にする段階と、
実質的に剛性の固まった状態にある光透過性材料層の前面をビーズの突出背面上に配置する段階と、
前記光透過性材料層を変形可能な半粘性の状態にする段階と、
前記ビーズの前記突出背面に前記光透過性材料層を積層し、前記ビーズの前記突出背面の形状に類似した形状に該光透過性材料層の前記背面の形状を一致させ、該光透過性材料層がビーズの突出背面に対して垂直方向に測定された０．５Ｒから１．０Ｒの実質的に均一の厚さを持つように、該光透過性材料層の前記背面に圧力を加える段階と、
前記ビーズに前記光透過性材料層を結合するために、前記光透過性材料層を前記固まった状態にする段階と、を具備する方法。
【請求項１０】
前記ビーズの前記突出背面上に前記固まった状態の前記光透過性材料層を配置する段階の前に、前記ビーズ各々の前記突出背面上の中央に一定の量の第２の光透過性材料を配置する段階をさらに具備する、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
各々が半径Ｒの光透過性ビーズが突出している背面を有する屈折光フィルタと、粘性の固まっていない状態と実質的に剛性の固まった状態とを有する、前面と背面とを有する光透過性材料層とを使用する光フィルタを製造する方法であって、該方法は、
前記ビーズの突出背面上に前記固まった状態の前記光透過性材料層の前記前面を配置する段階と、
前記光透過性材料層を前記固まっていない状態にする段階と、
前記ビーズに前記光透過性材料層を積層し、前記ビーズの前記突出背面の形状に類似した形状に前記光透過性材料層の前記背面の形状を一致させ、該光透過性材料層がビーズの突出背面に対して垂直方向に測定された０．５Ｒから１．０Ｒの実質的に均一の厚さを持つように、前記光透過性材料層の前記背面に圧力を加える段階と、
前記ビーズに前記光透過性材料層を結合させるために、前記光透過性材料層を前記固まった状態にする段階と、
を具備する方法。
【請求項１２】
前記ビーズの前記突出背面上に前記固まった状態の前記光透過性材料層を配置する前記段階の前に、前記ビーズ各々の前記突出背面上の中央に一定の量の第２の光透過性材料を配置する段階をさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
光フィルタであって、
前面と該前面に対して実質的に平行な背面とを有する不透明結合材層と、
前記不透明結合材層内に配列の形で支持されている複数の第１の光透過性ビーズであって、これらのビーズは、光を受けるために前記背面に突出しており、前記不透明結合材層を通して前記光を透過させるために前記前面に接触し、前記ビーズの相互間の複数の間隙を形成するように不規則的な間隔を置いて互いに隔てられている複数の第１の光透過性ビーズと、
前記複数の第１の光透過性ビーズよりも各々が小さくかつ前記不透明結合材層内の前記間隙の１つの中に各々が支持されている複数の第２の光透過性ビーズであって、これらの複数の第２の光透過性ビーズは、光を受けるために前記背面に突出しており、前記間隙の前方での前記光フィルタの透過率を増大させるために前記不透明結合材層を経て前記光を透過させるように前記前面に接触している複数の第２の光透過性ビーズと、
を具備する光フィルタ。
【請求項１４】
前記介在する間隙は実質的にランダムな間隔をもって隔てられ、前記第２の複数のビーズは該間隙のこのような離隔により生ずる粒子の粗い外観を覆い隠す、請求項１３に記載の光フィルタ。
【請求項１５】
前記間隙が、準周期的に見える間隔を置いて互いに隔てられている、請求項１３に記載の光フィルタ。
【請求項１６】
前記複数の第１の光透過性ビーズの各々は第１のサイズを有し、前記複数の第２の光透過性ビーズの各々は第２のサイズを有し、該第２のサイズは第１のサイズの約２／３を有する、請求項１３に記載の光フィルタ。
【請求項１７】
前記複数の第１の光透過性ビーズの各々は、実質的に互いに等しい半径Ｒを有し、
前記複数の第２の光透過性ビーズの各々は、約２／３Ｒの実質的に互いに等しい半径を有する、請求項１３に記載の光フィルタ。
【請求項１８】
前記複数の第２の光透過性ビーズの中の少なくとも１つのビーズが、前記不透明結合材層の前記背面に凹凸を形成することによって、前記不透明結合材層の前記背面に突出する、請求項１３に記載の光フィルタ。
【請求項１９】
粘性の固まっていない状態と実質的に剛性の固まった状態とを有する不透明結合材と、第１のサイズを有する光透過性ビーズと、前記第１のサイズよりも小さい第２のサイズを有する光透過性ビーズとで光フィルタを製造する方法であって、該方法は取り外し可能な支持表面を使用し、
選択された厚さの前記不透明結合材の層を前記固まっていない状態で前記取り外し可能な支持表面上に付着させる段階と、
前記不透明結合材層上に僅かに不規則的な間隔で互いに隔てられている配列の形に、前記第１のサイズを有する複数の光透過性ビーズを配置する段階と、
前記第１のサイズを有する複数の光透過性ビーズを前記不透明結合材層の中に前記支持表面に達するまで埋め込む段階と、
前記ビーズが僅かに不規則的な間隔で互いに隔てられていることの結果として、前記不透明結合材層の中に間隙を配置する段階と、
前記間隙の中に前記第２のサイズを有する複数の光透過性ビーズを配置する段階と、
前記第２のサイズを有する複数の光透過性ビーズを前記不透明結合材層の中に前記支持表面に達するまで埋め込む段階と、
前記第１のサイズの光透過性ビーズと前記第２のサイズの光透過性ビーズとを所定の位置に支持するために、前記不透明結合材を前記固まった状態にする段階と、
を具備する方法。
【請求項２０】
前記第２のサイズを有する複数の光透過性ビーズを前記不透明結合材層の中に前記支持表面に達するまで埋め込む前記段階は、画像光を受け取るために前記ビーズが突出する凹凸を前記ビーズと共に前記不透明結合層の中に形成する段階をさらに具備する、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
粘性の固まっていない状態と実質的に剛性の固まった状態とを有する不透明結合材と、第１のサイズを有する光透過性ビーズと、前記第１のサイズよりも小さい第２のサイズを有する光透過性ビーズとで光フィルタを製造する方法であって、取り外し可能な支持表面を使用し、該方法は、
選択された厚さの前記不透明結合材の層を前記固まっていない状態で前記取り外し可能な支持表面上に付着させる段階と、
前記第１のサイズを有する複数の光透過性ビーズを前記第２のサイズを有する複数の光透過性ビーズと混合する段階と、
結果として得られた前記第１のサイズを有する光透過性ビーズと前記第２のサイズを有する光透過性ビーズとの混合物を前記不透明結合材層の上に付着させる段階と、
前記第１のサイズを有する複数の光透過性ビーズと前記第２のサイズを有する複数の光透過性ビーズの両方を前記支持表面に到達するまで前記不透明結合材層の中に埋め込む段階と、
前記第１のサイズを有する光透過性ビーズと前記第２のサイズを有する光透過性ビーズとを所定の位置に支持するために前記不透明結合材を前記固まった状態にする段階と、
を具備する方法。
【請求項２２】
前記第１のサイズを有する複数の光透過性ビーズと前記第２のサイズを有する複数の光透過性ビーズの両方を埋め込む前記段階は、画像光を受け取るために前記複数の第２のビーズが突出する凹凸を前記複数の第２のビーズと共に前記不透明結合層に形成する段階をさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
関連の事例
これは、Ｄｅｎｎｉｓ  Ｗ．Ｖａｎｃｅによって１９９６年１０月７日に出願された標題「低い反射率を有する光透過および分散フィルタ」の係属中の出願番号０８／７２９，８０３の一部継続出願であり、この出願の主題は１９９６年１０月８日に交付された特許第５，５６３，７３８号の主題に関連しており、この主題を本明細書に引例として組み入れている。
【０００２】
発明の分野
本発明は光フィルタに関し、特に、背面映写スクリーン、ディスプレイのエンハンスメント、および分散光制御を必要とする他の光学的途用の光フィルタに関する。
【０００３】
発明の背景
背面映写スクリーンと散光器は、一方の側にある画像源（画像光）からの光をその反対側にいる目視者に透過するための光学的拡散媒体を提供する光フィルタである。従来の単層屈折光フィルタが米国特許第２，３７８，２５２号に記述されており、この光フィルタはその主要構成要素として屈折レンズシステムを含む。この屈折レンズシステムは、不透明な結合材層中に埋め込まれている球形のガラスまたは樹脂のビーズ（ｂｅａｄｓ）の配列を含み、透明な支持材料の上に取り付けられている。一般的には、この光フィルタはビーズ層と共に画像源に向けられており、透明支持材料は目視者に向けられている。米国特許第３，５５２，８２２号が、画像源とは反対側に向けられている反射防止コーティングとビーズ層の両方をさらに含む光フィルタを開示している。
【０００４】
不透明結合材層は、支持材料にビーズを固定することと、光フィルタの反射率を低下させることと、レンズシステムのビーズ相互間の間隙を通って透過させられる光の量を減少させることとを含む幾つかの目的を満たす。画像源からの光がビーズによって屈折させられ、ビーズの複数の透過区域を通過して目視者に対して分散させられる。こうした透過区域の各々は、ビーズの１つと支持材料との間の接触点と、不透明結合剤層が薄すぎて屈折光を殆ど吸収できないこの接触点の周囲の区域とを含む。「分散」は、本明細書で使用する場合に、光の波長に無関係な一定の範囲内の角度にわたって光の強さを拡散させることを意味するのであって、光の周波数または波長の関数としての光の強さの可変的拡散には限定されていない。
【０００５】
背面映写スクリーンと散光器は、これらのゲイン、コントラスト、解像度、透過率、分散、および、周囲光の排除によって特徴付けられている。これらの特性は、部分的には構成要素材料の構造と組成とによって決定される。例えば、目視角度の関数としての透過光の強さの測度である利得は、主として球形ビーズの屈折率と周囲媒質の屈折率との間の差によって決定される。同様に、周囲光の排除とコントラストは、主として不透明結合剤層の不透明度によって決定され、解像度は、主としてレンズシステムで使用されるビーズのサイズによって決定される。
【０００６】
これらの光学的特性の相互依存性と、構成要素材料の特性に対するこれらの光学的特性の依存性とのせいで、従来の単層光フィルタでは、これらの光学的特性の各々を同時に最適化することが困難である。例えば、光フィルタの周囲光排除特性を向上させるために不透明結合材層の不透明度を増大させようとすると、ビーズの透過区域を通過する屈折画像光の透過が低減させられることになる。あるいは、従来の単層光フィルタの場合には、本発明の光フィルタの場合よりも大きな割合の画像光がビーズの背面で反射されて戻され、損失が生じることになる。利用可能な材料の屈折率の範囲も、単層光フィルタの性能を制限する。
【０００７】
多層屈折光フィルタが米国特許第５，５６３，７３８号に開示されている。この光フィルタは、その主要な構成要素として屈折レンズシステムを含み、さらに、光フィルタの光学特性を変化させるのための、および、画像透過と周囲光排除とコントラストとゲインとの改良された同時制御を実現するための、１つまたは複数の追加の光学層を含む。
【０００８】
一般的に、光透過ビーズの配列を含む単層光フィルタと多層光フィルタは、さらに、ビーズ配列内のビーズの間隔の不規則性を有する。こうした不規則性は、製造プロセスの不完全性の結果として、さらには構成要素材料の許容誤差の結果として、製造中に生じさせられる。一般的に、この不規則性は、擬似的に周期的であるように見える可能性もある幾分かランダムな形で出現し、肌理の粗い外観を光フィルタに与える可能性がある。こうした光フィルタは、この不規則性のために生じたビーズ相互間の間隙の前方において、透過率の低下を呈する可能性がある。
【０００９】
発明の概要
本発明は、画像光の分散の選択によって、高い透過率と、高い周囲光排除特性と、高いコントラストと、高い解像度と、向上した利得の制御とを実現する、単層および多層の光フィルタを含む。本発明は、さらに、こうした光フィルタを作るためのプロセスを含む。このプロセスは、さらに、光透過性ビーズと１つまたは複数の不透明結合材層とを含む様々なタイプの光フィルタの構造と光学的特性とを改善するためにも有効に使用されることが可能である。
【００１０】
本発明の光フィルタの幾つかの実施様態が、目視者に対する画像光の分散に対する追加の制御を実現するために、少なくとも２つのビーズよりも大きい区域全を覆っている湾曲した表面を有する１つまたは複数の光透過性材料層を含む。好ましい一実施様態では、この表面は、選択された方向に沿って広い目視視角を提供するように、実質的に互いに平行な複数の円柱形レンズを含む。
【００１１】
本発明の光フィルタの別の一実施様態が、ビーズの背面上と最後部の不透明結合材層の背面上とに配置されている光透過性材料の適合の層（ｃｏｎｆｏｒｍａｌ  ｌａｙｅｒ）を含む。この適合の層は複数の湾曲レンズを画定し、これらのレンズの各々は対応するビーズの背面上に配置されている。これらのレンズは、画像光の分散に対する付加的な制御を実現すると同時に、光フィルタの透過率も増大させる。これらのレンズの各々は、実質的に均一な厚さと、対応するビーズの曲率中心と概ね同じ曲率中心とを有することが可能である。本発明のこの実施様態は５０％の透過率を有することを示しており、６５％までの理想透過率を有すると考えられている。本発明の別の一実施様態では、このレンズの各々は、対応するビーズの曲率中心の後方に曲率中心を有する。この後者の特性を有する本発明の光フィルタが８０％までの理想透過率を有すると考えられている。
【００１２】
本発明のさらに別の実施様態が、光フィルタ内に含まれているビーズ配列の不規則性によって引き起こされる粒子の粗い外観という問題を低減させる。本発明のこの実施様態は、配列の形に配置されておりかつ１つまたは複数の不透明結合材層によって一体状に保持されている、複数のより大きい第１のビーズを含む。こうした不規則性によって生じさせられた間隙内に配置されている複数のより小さい第２のビーズを使用することによって、ビーズ配列の各ビーズの間の不規則な間隔が覆い隠される。この小さい方のビーズは不規則性の光学的効果を覆い隠し、このことによって、こうした光フィルタが肌理の細かい構造の外観を保つ。これら２種類の複数のビーズを別々に付着させることが可能であり、あるいは、いっしょに混合した後でその結果得た混合物を同時に付着させることが可能である。
【００１３】
本発明は、透過率、ゲイン、画像光の分散、解像度、コントラスト、および、周囲光の排除を含む、光フィルタの様々な光学的特性を別々にかつ同時に変化させるための手段を提供する。構成要素であるビーズの選択された屈折率に対して相対的に選択された範囲内で構成要素材料の屈折率を選択することによって、追加の光学的制御を実現する。さらに、様々な光学的特性の各々を実質的に別々に制御することを可能にする追加の手段として、追加の不透明結合材層と光透過性材料層とを本発明の光フィルタ内に含むことが可能であり、例えば不透明結合材層の背面上またはビーズの背面上に含むことが可能である。
【００１４】
本発明の光フィルタを、例えば、後方投射のスクリーンとしてまたは接触の光拡散装置として、使用することが可能である。前者の場合には、光フィルタから十分に離れている画像源からほぼ平行化された光が光フィルタに入射する。後者の場合には、光フィルタは、一般的に、通常平行化された光で後方から照明される平坦なパネルのディスプレイのような画像源の上に直接置かれる後置の光拡散装置として配置される。
【００１５】
詳細な説明
以下では、添付図面の図解を参照しながら様々な光フィルタを説明する。大きさ上の制限のために、これらの図は、幾つかのまたはそれ以上の個数の光透過性ビーズを含む、これらの光フィルタの代表的な一部分を示している。目視スクリーンおよび光拡散装置等として使用するためのこうした光フィルタの物理的な実現形態が、より多くの個数の光透過性ビーズを含むことが可能であり、一般的な物理的実現形態は、こうしたビーズを何千個も含む。
【００１６】
次に、図１Ａを参照すると、この図は、画像光を分散させるための複数のガラスまたは樹脂の光透過性ビーズ１４を有する従来の単層光フィルタ１０の図を示している。次に図１Ｂと図１Ｃも参照すると、これらの図は、図１Ａに示されている位置における光フィルタ１０の断面を示している。光フィルタ１０は、フィルタ表面１８と支持表面１３とを有する透明支持材料１２と、複数のビーズ１４と、ビーズ１４が部分的に中に埋め込まれておりかつビーズ１４を支持表面１３に結合する不透明結合材層１６とを含む。
【００１７】
画像源（図示していない）からの光が、ビーズ１４の背面３６と不透明結合材層１６の背面１９とにおいて光フィルタ１０に入射する。これらの背面３６、１９は共に、光フィルタ１０の後側すなわち画像側を画定する。ビーズ１４の背面３６に入射する光が屈折させられ、不透明結合材層１６を通して透過され、フィルタ表面１８を通して目視者に対して分散させられる。フィルタ１８は光フィルタ１０の前側を画定し、この光フィルタ１０の前側を通して目視者は光を観察することが可能である。不透明結合材層１６の背面１９上に入射する光２１が、ビーズ１４の相互間の複数の間隙２０を通過して目視者に到達するかも知れない。不透明結合材層１６の役割の１つが、こうした光２１が間隙を通過することを低減させることである。フィルタ表面１８に入射する周囲光が再分散させられて再び目視者に対して戻されるかも知れない。こうした再分散光５３は画像品質を著しく低下させる可能性がある。
【００１８】
次に図２を参照すると、この図には、光学軸３０から様々な距離においてビーズ１４の背面３６に入射する光線２２、２４、２６、２８の軌跡を示す、従来の単層光フィルタ１０の断面が示してある。光学軸３０は、ビーズ１４の中心３２から延びかつ光フィルタ１０のフィルタ表面１８に対して実質的に垂直であるように画定されている。光線２２、２４、２６、２８は、ビーズ１４の背面３６に衝突する前に、光学軸３０に対して平行化される。光線２２、２４、２６、２８の各々は、ビーズ１４によって光学軸３０に向かって角度σだけ屈折させられ、この角度σは、ビーズ１４の背面３６に対する入射点３１と光学軸３０との間の距離に応じて増大し、さらに、ビーズ１４の屈折率に応じて増大する。屈折させられた光線２２、２４、２６、２８は、ビーズ１４と透明支持材料１２の支持表面１３との間の接触点と、介在する不透明結合材層１６が薄すぎて屈折光線２２、２４、２６、２８を大きく減衰させることが不可能である周囲区域とを含む、透過区域３４を通過するように方向付けられる。図２は、さらに、ビーズ１４の背面３６に衝突する光学軸３０に対して平行化されていない光線２９が、ビーズ１４によって屈折させられて、透過区域３４の外側の不透明結合材層１６の中に進み、その次にこの層１６の中に吸収されることを示している。
【００１９】
屈折光線２２、２４、２６、２８は、フィルタ表面１８に対する垂線１１に対して一定の範囲の角度φにわたってこれらの光線を分岐させるビーズ１４の透過区域３４を通過した後に分岐する。光フィルタ１０内では、ビーズ１４は、全体として透過光を垂線１１に対して様々な角度に分岐させる。垂線１１に対する角度に応じたこうした光の相対的な強さが光フィルタ１０の利得特性を規定する。ゼロ度に等しい角度φで高い利得を有する光フィルタ１０が、一般的に、垂線１１の周囲の狭い角度分布内で画像光を透過させ、一方、ゼロ度に等しい角度φで低い利得を有する光フィルタ１０が、一般的に、垂線１１の周囲の広い角度分布で画像光を透過させる。一般的に、光フィルタ１０の最適の利得は、意図されている光フィルタ１０の用途に応じて決定され、部分的には、適切な屈折率を有する構成要素ビーズ１４を選択することによって選択される場合が多い。
【００２０】
さらに図３を参照すると、この図は、約１．５、約１．７、約１．９の屈折率を各々に有するビーズ１４を含む３つの従来の単層光フィルタ１０を特徴付ける利得特性４０、４２、４４を示している。低い屈折率を有するビーズ１４では、約ゼロ度に等しいφの場合に利得が最大であり、ビーズ１４の屈折率の増大に応じて減少する。高屈折率のビーズ１４のより高い屈折力が、低屈折率ビーズ１４の場合よりも鋭い角度で透過光２２、２４、２６、２８を屈折させる。その次に、これらの光線２２、２４、２６、２８は、より広い範囲の角度にわたって垂線１１から分岐し、垂線１１に沿って集中する度合いがより低い。
【００２１】
従来の単層光フィルタ１０によって得られる利得制御の度合いは制限されている。例えば、垂線１１の周囲でのゲインを増大させるためにビーズ１４の屈折率を減少させることは、必然的にビーズ１４の屈折力を低下させることになる。その結果として、透過区域３４内に集束された後にフィルタ表面１８に透過させられる光の量が減少し、したがって、透過される画像光の総合的な強さが減少する。さらに、本発明の光フィルタと比較した場合に、単層光フィルタ１０では、より大きい割合の画像光が反射によってビーズ１４の背面３６に戻され、それによって損失が生じることになる。
【００２２】
光フィルタは、さらに、その解像度と周囲光排除とによっても特徴付けられ、解像度と周囲光排除とが高いことが一般的に好ましい。従来の単層光フィルタ１０の解像度は、ビーズ１４のサイズと、支持表面１３上のビーズ１４の充填密度とによって決定され、これらは共に、支持表面１３上の透過区域３４の密度を決定する。この特性は、一般的に、使用可能な最小直径のビーズ１４を使用してこうした光フィルタ１０を構成することによって最大化することが可能である。選択するビーズ１４のサイズは、使用可能なビーズ１４の品質と許容誤差とに応じて決定してよい。
【００２３】
周囲光排除は、再分散させられて目視者に対して戻される光の量に対して、光フィルタの前面に入射する周囲光がどれだけ多く吸収されるかまたは透過させられるかを示す測度である。こうした再分散光の発生源が、ａ）光フィルタ１０の前面の空気と光フィルタ１０のフィルタ表面１８との間の界面と、ｂ）不透明結合材層１６と支持表面１３との間の界面と、ｃ）ビーズ１４と不透明結合材層１６との間の界面と、ｄ）ビーズ１４とビーズ１４の背面３６の空気との間の界面における反射を含む。再分散光は画像品質を大きく劣化させる可能性がある。例えば、再分散光は画像コントラストを低下させる可能性がある。
【００２４】
他の光学特性を損なうことなしに、従来の単層光フィルタ１０における周囲光排除を最大にすることは困難である。透明支持材料１２の屈折率を不透明結合材層１６の屈折率と整合させることと、不透明結合材層１６の不透明度を高めることとが、周囲光の再分散の低減を促進する。しかし、不透明結合材層１６の不透明度を増大させることは、透過区域３４を透過させられる画像光の量も減少させ、したがって、従来の光フィルタ１０の総合的な透過率を低減させる。
【００２５】
従来の光フィルタ１０の中には、不透明結合材層１６の背面３６上に投射された画像光の一部分が、ビーズ１４の相互間の間隙２０を通して透過させられた後に、フィルタ表面１８から光フィルタ１０を出ていくものがある。こうした間隙透過光は一般的にビーズ１４によって分散させられず、したがって、適正に分散された光線に干渉する。結合材層１６の不透明度を増大させることによって、この間隙透過光を低減させることが可能であるが、残念なことに、この不透明度の増大は同時にこうした光フィルタ１０の透過率も低下させる。
【００２６】
本発明は、従来の単層光フィルタ10に相対して光学特性を高めるために補助構造を追加した単層光フィルタと多層光フィルタからなる。本発明を説明する目的のため、透過エリア34は、ビーズ（ｂｅａｄ）14の直前にあって、いかなる不透明材料も、ビーズ14によって屈折させられた像光をほとんど吸収するには薄すぎるエリアと定義する。
【００２７】
さて、図４について説明すると、ここには、成分ビーズ14の屈折率によってもたらされる利得制御を越える追加的な利得制御をもたらす本発明の多層光フィルタ50の一実施態様が示してある。光フィルタ50は、支持表面13とフィルタ表面18を有する透明支持媒質12と、選択された屈折率を有するビーズ14が埋め込まれた不透明結合材層16からなる。加えて、透明樹脂の侵入型層62が、不透明結合材層16の背面19から突出するビーズ14の背面36によって作られた多数の窪み64の中に沈積している。侵入型層62の屈折率は、光フィルタ50の望みの利得に応じてビーズ14のそれより大きい場合も、小さい場合も、また、それとほぼ同等の場合もある。
【００２８】
侵入型層62は、ビーズ14の背面36の有効曲率半径を増大させ、そうして、その屈折力を減少させる。比較のため、未処理ビーズ14' にとっての屈折光線28' を図４の先頭に示す。ビーズ14の実際の屈折力は、窪み64が満たされる度合いとともに変化することになる。この関係が、ビーズ14の屈折率を変えるのに加えて、光フィルタ50の利得を調節することを可能にする。これはまた、ビーズ14の背面36からの光の反射を減少させることによってビーズ14の光透過効率を高めるのにも役立つ。
【００２９】
窪み64の中の侵入型層62の深さが増すにつれて、ビーズ14の背面36の有効曲率半径は無限大、すなわち平面に近づく。限界に達すると、ビーズ14は侵入型層62の中に完全に浸漬される。侵入型層62とビーズ14が異なる屈折指数を有する場合は、ビーズ14の背面36で屈折が生じ、これが、光フィルタ50の後方において空気または他の媒質に相対してビーズ14の屈折率を変える上に多層光フィルタ50の利得を制御できるようにもする。
【００３０】
さて、図５について説明すると、ここには、ビーズ14の屈折率によってもたらされる利得制御に加えて利得制御をもたらす本発明の多層光フィルタ60の択一的な一実施態様が示してある。光フィルタ60は、支持材12に貼り付けられた不透明結合材層16に埋め込まれた1 列のビーズ14を有する。加えて、ビーズ14と異なる屈折率を有する透明樹脂の浸漬層72が、ビーズ14の背面36と不透明結合材層16の背面19とに追加される。光フィルタ50の侵入型層62と異なり、浸漬層72はビーズ14の裏面36を完全に浸漬し、入射像光に対して平面74を提供する。
【００３１】
像光源( 図示せず) からの光線28は、平面74に対して垂直に入射するので、ここでは屈折させられない。ところが、浸漬層72とビーズ14の間の界面35では、光線28は、かかる媒質の屈折率の比によって決められた分だけ屈折させられる。こうして、界面35における屈折が、従ってまた、光フィルタ60の利得が、浸漬層72の屈折指数とビーズ14のそれを変えることによって調節できることになる。光線28は、不透明結合材層16と支持材12がほぼ同等の屈折率を有し、これがビーズ14のそれよりやや小さいケースについて描かれている。不透明結合材層16の屈折率と支持材12の屈折率を互いに関係なく調節することで、光フィルタ60全体に追加的な利得制御がもたらされる。
【００３２】
さて、図６について説明すると、ここには、各々、約1.9 の屈折率を有するビーズ14を含んだ従来の単層光フィルタ10および多層光フィルタ60に関するそれぞれの利得プロフィル76、78が示してある。光フィルタ60の浸漬層72は、約1.5 の屈折率を有する。光フィルタ60におけるビーズ14の背面36と浸漬層72の間の界面35の方が屈折力が弱いため、像光は垂線11により近く平行に透過させられ、これで、光フィルタ60には、光フィルタ10より高い利得(78)が与えられることになる。光フィルタ60の浸漬層72と光フィルタ50の侵入型層62は、それぞれ、光フィルタ50、60における利得を、従来の単層光フィルタ10で可能とされるより完璧に制御できるようにする。なぜなら、光フィルタ50、60の利得は、ビーズ14の裏面36の有効曲率半径、ビーズ14の屈折率および２次層材62、72の屈折率を調節することによって制御できるからである。さらに、この追加制御が達成される上に、従来の単層光フィルタ10に相対して透過率も高められる。他の多層光フィルタは、不透明結合材層16の不透明度によってもたらされるコントラストと周囲光排除を強める光学層を含んでいる。
【００３３】
さて、図７について説明すると、ここには、不透明結合材層16の背面19の上に沈積し、隙間20を通しての光の透過を減じるように選択された不透明度を有するした第2 の不透明層82を含んだ、本発明の多層光フィルタ80の別の択一的な実施態様が示してある。不透明結合材層16の不透明度は、透過エリア34を通しての像光の透過を大幅に減じることなく反射光23を減じるように別個に選択されている。第2 の不透明層82の不透明度は、隙間20を通しての光の透過が無くなる程度まで増大させることができる。なぜなら、第2 の不透明層82が増大しても、透過エリア34を通しての光の透過がそれによってほとんど損なわれないからである。
【００３４】
第2 の不透明層82を作るひとつの方法は、カーボンブラックまたは他のゼログラフィ用トナー等の粉末顔料を不透明結合材層16の上に沈積さえ、トナーが熱可塑性の不透明結合材層16の中に拡散し終わるまで、光フィルタ80を加熱することである。これで、不透明結合材層16の背面19に、該不透明結合材層16より大きい不透明度を有する薄い層82が作られる。この第2 の不透明層82の不透明度は、隙間20を通しての光の透過が受入れ可能なレベルにまで減じられるように選択する。
【００３５】
さて、図８A 、図８B について説明すると、ここには、本発明の光フィルタ110 の別の択一的な実施態様の横断面図および斜視図がそれぞれ示してある。光フィルタ110 は、構造的に不透明結合材層16で支持された球形光透過ビーズ14の1 列の単層からなり、該不透明結合材層16の背面19を通して、ビーズ14は像光源( 図示なし) からの光220 、222 、224 、226 、228 を受け取るように突出し、また、ほぼ平坦な正面17と接触し、これで、光220 、222 、224 、226 、228 がビーズ14の多数の透過エリア34の中まで透過できるようになっている。光フィルタ110 はさらに、透過エリア34からの光220 、222 、224 、226 、228 を受け取るために不透明結合材層16の前面17に貼り付けられた接触面118 と、複数のビーズ14を覆うエリア全体にわたって湾曲した露出面116 を有する光透過性材料の層117 からなる。光220 、222 、224 、226 、228 を透過させる光透過性材料の層117 は、その際、多数のレンズとして作用し、そこで光220 、222 、224 、226 、228 の分散を制御する働きをする。
【００３６】
光線220 、222 は、ビーズ14の背面36に衝突する前に互いにきわめて接近する形で示してある。ビーズ14と光透過性材料117 の層によって屈折させられる結果、かかる光線220 、222 は、層117 の内部でビーズ14の焦点250 において交差する。かかる光線は、その先さらに層117 の露出面116 で屈折させられ、光フィルタ110 の前面で再び互いに交差するか斜行するかする。光フィルタ110 の総合分散効果は、結果的に光を追加的に分散させることになるこのような屈折を巻き込んだものである。光線224 、226 も同じく互いにきわめて接近する形で示してあり、層117 の内部でビーズ14の焦点250 において交差し、光フィルタ110 の前面で再び互いに交差するか斜行するかする。
【００３７】
ビーズ14の屈折率は、望ましくは、不透明結合材層16および光透過性材料の層117 の屈折率に対する比が約1 ：1 から約1.3 ：1 までの範囲内で選択する。この比によって、光220 、222 、224 、226 、228 の分散が、不透明結合材層16の前面17に対する垂線11に相対して約10度から約50度までの角度範囲内で調節されることになる。
【００３８】
光透過性材料の層117 は、該層117 が十分に薄い場合、ビーズ14を見掛け上大きくしてしまう。この特性は、成分材料のさまざまな焦点250 、251 の相対位置に左右される。特に、ビーズ14は各々、不透明結合材層16の正面に焦点250 を有し、ここに光線220 、222 、224 、226 、228 等の像光が集中させられる。光透過性材料の層117 の露出面116 も同じく焦点251 を有し、ここに、ビーズ14の光軸30と平行にされて光フィルタ110 の正面から露出面116 の上に投射された光が集中させられることになる。ビーズ14の焦点250 がこの光透過性材料の層117 の焦点251 の付近または前面にあると、ビーズ14は典型的に見掛け上大きくされることになる。
【００３９】
本発明のほとんどの用途にとって、ビーズ14を見掛け上大きくすることは望ましくない。そのような用途にとって、光透過性材料の層117 は、該光透過性材料117 の層の焦点251 が十分ビーズ14の焦点250 の前面にあるように十分厚いのが望ましい。そのような厚さであれば、ビーズ14がかかる層117 によって見掛け上大きくされることは避けられ、これで、光フィルタ110 における微粒構造の外見は保たれることになる。半径約25ミクロンの球形ビーズ14が光フィルタ110 に含まれている場合、光透過性材料の層117 は、全体深さD1が約3000ミクロンであるのが望ましく、その露出面116 によって限定された各湾曲部分119 は、幅W が約500 ミクロン、深さD2が約250 ミクロンで、ビーズ14をほぼ10個分覆うのが望ましい。
【００４０】
図８A 、図８B に描かれた露出面116 は各々、横断面を円形に描かれたその外側形状で円柱形のレンズを限定しているが、横断面は別の形状であってもよい。光透過性材料の層117 は、露出面116 が描かれたより平らになるように成形することも、膨らんだように成形することも可能である。もっと平らな露出面116 であれば、像光をより多く該露出面116 の頂点115 に向けて集中させる傾向があり、もっと膨らんだ露出面116 の場合は、光をより多く該露出面116 の頂点115 から遠ざかる方向に分散させる傾向がある。
【００４１】
補助の光透過性材料の層117 は、光が典型的に垂直方向より水平方向に大きく分散することが要求されるテレビジョン、ホームシアターディスプレイ等の画面を眺める時に特に有用である。例えば、第８図A に描かれた補助の光透過性材料の層117 は、互いに平行に、かつ、不透明結合材層16の前面17に平行に配置された多数の円柱形の凸面レンズを含んでおり、光を垂直方向より水平方向に幅広く分散させることができる。
【００４２】
さて、図８C について説明すると、ここには、本発明の光フィルタ112 の別の択一的な実施態様の断面図が示してあり、ここでは、光透過性材料の層117 が、例えば透明接着剤106 を使って、不透明結合材層16の背面19とビーズ14の背面36に貼り付けられている。このような層117 は、光フィルタ( 図示せず) の前面と背面の両方に貼り付けることもできる。光フィルタ50、60、80におけると同様、補助の機能性を得るために光透過性材料および不透明結合材の補助層を図８A 、図８B 、図８C の光フィルタ110 、112 に追加することができる。光透過性材料の層117 は、像光源( 図示せず) からの光220 の分散を、例えば水平方向または垂直方向の分散を拡大するような形で追加制御できるようにする。
【００４３】
光フィルタ110 の場合と同様、光フィルタ112 の光透過性材料の層117 は、該層117 が十分に薄い場合、ビーズ14を見掛け上大きくしてしまう。この特性は、成分材料のさまざまな焦点252 、253 の相対位置に左右される。特に、ビーズ14は各々、不透明結合材層16の後方に焦点252 を有し、ここに、ビーズ14の光軸30と平行にされて光フィルタ110 の前面からビーズ14の上に投射された光が集中させられることになる。光透過性材料の層117 も同じく焦点253 を有し、ここに、光線220 のような像光が集中させられる。ビーズ14の焦点252 がこの光透過性材料の層117 の焦点253 の付近または後方にあると、ビーズ14は典型的に見掛け上大きくされることになる。
【００４４】
再び、本発明のほとんどの用途にとって、ビーズ14を見掛け上大きくすることは望ましくない。そのような用途にとって、光透過性材料の層117 は、該光透過性材料117 の層の焦点253 が十分ビーズ14の焦点252 の後方にあるように十分厚いのが望ましい。そのような厚さであれば、ビーズ14がかかる層117 によって見掛け上大きくされることは避けられ、これで、光フィルタ110 における微粒構造の外見は保たれることになる。光フィルタ110 の場合と同様、半径約25ミクロンの球形ビーズ14が光フィルタ112 に含まれている場合、光透過性材料の層117 は、全体深さD1が約3000ミクロンであるのが望ましく、その露出面116 によって限定された各湾曲部分119 は、幅W が約500 ミクロン、深さD2が約250 ミクロンで、ビーズ14をほぼ10個分覆うのが望ましい。
【００４５】
本発明の光フィルタ110 、112 を作る1 つのプロセスは、望みのレンズパターンを含んだ光透過性材料のシート117 を不透明結合材層16の前面17に、または不透明結合材層16の背面19とビーズ14の背面36に、またはその両方に、透明の感圧性の接着材を使って貼り付けることである。シート117 は、ポリカーボネートフィルムの平らな層を適当な型で打ち出すことによって作ることができる。このようなシートも、同じ仕方で光フィルタ10、50、60、80に貼り付けることができる。
【００４６】
さて、図９A ついて説明すると、ここには、本発明の光フィルタ120 の別の択一的な実施態様が示してある。光フィルタ120 は、構造的に不透明結合材層16で支持された光透過ビーズ14の1 列の単層からなり、該不透明結合材層16の背面19を通して、ビーズ14は像光源( 図示せず) からの光220 を受け取るように突出し、また、ほぼ平坦な正面17と接触し、これで、光220 がビーズ14の前面の多数の透過エリア34を通して透過できるようになっている。ビーズ14は各々、選択された値R にほぼ等しい半径を有する。光フィルタ120 は、光フィルタ10におけると同様、光フィルタ120 の堅牢性を高めるために透明支持材12を含んでいてよく、その支持面13が不透明結合材層16の正面17に貼り付けてあってよく、また、フィルタ表面18が見る者( 図示せず) の方に向けてあってよい。光フィルタ120 はまた、ビーズ14の背面36の上に約0.5Rから1.0Rまでの間でほぼ均一の厚さになるように施された光透過性材料の追加の適合の層128 も含んでいる。ここに言う厚さは、ビーズ14の裏面36に対して垂直の方向で測定した厚さである。この適合の層128 は、不透明結合材層16の裏面19も覆うことができる。
【００４７】
適合の層128 は、光の分散を制御し、光フィルタ120 の透過率を高めるための複数のレンズ131 を規定している。かかるレンズ131 は各々、対応するビーズ14の1 つの裏面36の上に配置してあり、ビーズ14の約1.5 〜2 倍の曲率半径を有するほぼ球状の裏面129 を有する。
【００４８】
適合の層128 は、像光源( 図示せず) からの光220 がビーズ14の中まで入り込むその集束の第1 段階を形作る。これにより、この光は、従来の単層光フィルタ10におけるより大きい部分がビーズ14の中まで入り込むことができる。さらに、こうして集束した光220 は、そのより大きい部分をビーズ14に入り込ませ、該ビーズ14の透過エリア34の中まで伝搬させることのできる角度で該ビーズ14の背面36に入射する。ビーズ14の背面36上の所与のどの点においても、かかる点に衝突する光がビーズ14によって屈折させられて該ビーズ14の透過エリア34の中心に達するようになる角度を理想の角度と定義することができる。
【００４９】
本発明のこうした特性により、ビーズ14の背面36に衝突する光220 は、従来の単層光フィルタ10で典型的に実現可能とされるより大きい部分がフィルタ表面18を通して透過できることになる。こうした特性が、光フィルタ120 の透過率を大幅に高める。述べたような本発明の実施態様は、50％の透過率を示すことが明らかとされたが、最大65％の理想の透過率を有するものと考えられる。従来の単層光フィルタ10では、そのような像光のかなりの部分が、a)ビーズ14相互間の隙間20に衝突し、b)ビーズ14の背面36の、約0.8Rより大きい部分によって光軸30から屈折させられ、c)ビーズ14によって像光源( 図示せず) に向けて逆反射され、d)透過エリア34を通してそのエッジ付近で透過させられ、その結果、光の減衰が生じさせられることになろう。
【００５０】
適合の層128 はまた、ビーズ14の屈折率n beads 対ビード14後方の媒質の屈折率n mediumの比(nbeads /nmedium) を減少させもする。従来の単層光フィルタ10では、かかる媒質は典型的に、使用される光フィルタ10を包む周囲空気からなる。従って、従来の単層光フィルタ10の場合、かかる比(nbeads /nmedium) は(nbeads /nair ) に等しい。ここに、n air は空気の屈折率で、ほぼ1 に等しい。よって、比(nbeads /nair ) は、成分ビーズ14の屈折率n beads にほぼ等しい。ところが、光フィルタ120 では、ビーズ14後方の媒質は適合の層128 の光透過性材料からなり、その屈折率n conformal layer は典型的に約1.5 である。光フィルタ120 の場合、かかる比(nbeads /nmedium) は(nbeads /nconformal layer ) に等しく、これは典型的にn beads より相当に小さく、したがってビーズ14の背面36からの光220 の反射は減少させられ、光フィルタ120 の透過率は高められる。光フィルタ120 の利得は、さらに適合の層128 の背面129 の湾曲の度合いによって制御することができる。
【００５１】
本発明のこうした特性により、有益にも、従来の単層光フィルタ10での反射によって生じた像光の強さの過大な損失が避けられる。フィルタ表面18に下ろした垂線11に相対するさまざまな角度Φを通して光の分散を調節することも、適合の層128 の光透過性材料の屈折率を適宜変えることによって可能である。光フィルタ120 の動作性を向上させるために適合の層128 の背面129 を望みの形状にするのに熱や圧力を加えることができる。例えば、次に述べる通り、適合の層128 の背面129 の曲率半径を小さくすることによって光フィルタ120 の透過率を高めることができる。
【００５２】
図9Bによると、本発明に係わる光フィルタ122 の別の実施例は、不透明な固着剤層16に構造的に支持された光透過ビーズ14の単層アレイで構成される。ビーズ14は、不透明結合材層16の背面19から突出して画像源( 図示せず）から光320 と322 を受信する。また、ビーズ14は、不透明結合材層16の略平坦な前面17に接触して、複数のビーズの透過領域34を通して光320 と322 を透過させる。この光が観察される。光フィルタ122 は、ビーズ14の背面36と不透明結合材層16の背面19とに蒸着された光透過材の追加の適合の層128 を備えている。追加の適合の層128 は、各ビーズ14の背後にレンズ131 を画定する。レンズ131 は、曲率中心342 がビーズ14の曲率中心340 の背後にある。また、層128 は、ビーズ14の背面36に対して垂直に測定すると、厚さが不均一である。更に、光フィルタ122 の層128 の背面129 は、曲率半径が光フィルタ120 のよりも小さい。また、ビーズ14の曲率半径に対しては、それより大きいか、それと同じか、あるいは、それより小さい。
【００５３】
適合の層128 は、ビーズ14へ光320 と322 を収束する第一段階である。この収束段階により光フィルタ120 の優位性が発揮される。更に、層128 の背面129 の曲率中心340 をビーズ14の曲率中心340 の背後に設置すると、光320 と322 のビーズ14への集束が増大し、ビーズ14の前面の透過領域34を介して光320 と322 が屈折する場合の理想的な屈折角に近い角度で光がビーズ14へ集束する。同様に、層128 の背面129 の曲率半径を減少させると、集束が増大し上記の理想的な角度に近い角度で光が集束する。これらの特性によって、最高80％という理想的な透過率を示す光フィルタが提供される。
【００５４】
光フィルタ122 は、光フィルタ120 の頑丈性を向上させるための透明な支持材12を備えている。図示のように、支持面13は、不透明結合材層16の前面17に付着され、フィルタ面18は、観察者（図示せず）の方に向けられる。支持材12は、頑強さが要求されないときは省略される。同様に、光フィルタ120 と122 には、不透明結合材層を複数個設けてもよい。また、光フィルタ110 と112 の場合と同様に光透過材117 の層を設けてもよい。
【００５５】
光フィルタ120 と122 の物質の選択は、光フィルタ10、60、110 および112 の場合と同様である。ビーズ14の屈折率は、ビーズ14への画像光の透過率を増加させるために、好適には、不透明結合材層16と適合の層128 との屈折率に対しておよそ1:1 〜およそ1.3:1 の範囲から選択される。適合の層128 に適した物質は、ポリビニルブタノール(PVB) や熱可塑性ポリウレタン(TPU) などである。例えば、屈折率がおよそ1.5 の適合の層128 は、これら２種類の物質のどちらかから製造される。また、選択されたビーズ14の共通の屈折率は、およそ1.5 〜2.3 である。適合の層128 は、ビーズ14の背面36に接しているので、光220 、320 および322 に対する屈折率の上昇を低下させる。従って、ビーズ14の透過率を上昇させることになる。利得制御は、例えば上記のように適合の層128 の背面129 の形状を決めることによって実現される。
【００５６】
ビーズ14の背面36と不透明結合材層の最後部の背面とに適合の層128 を形成することによって、複数の不透明結合材層と透過率が不均一な不透明結合材層とを光フィルタ120 に設けてもよい。光フィルタ110 の光透過材117 の層は、フィルタ表面18に付着されるか、あるいは、透明な支持材12を省略する場合には不透明結合材層16の前面17に付着される。
【００５７】
本発明に係わる光フィルタ120 を作成するための第一の方法では、カーボンブラックなどの着色剤が均一に混合された熱可塑性樹脂などの不透明な結合材と、半径R の光透過ビーズ14複数個と、およそ0.8R〜1.5Rまでの均一な厚みの透明なTPU 層と、除去可能な支持面とが用いられる。不透明結合材は、粘着性のある固まっていない状態と略固まった状態とを示すようなものが選択される。この方法は、厚さがおよそ0.3 〜0.8Rになるように除去可能支持面に不透明結合材層を固まっていない状態に蒸着する段階と、不透明結合材層の上に複数の光透過ビーズ14を単層アレイ状に配置する段階と、複数の光透過ビーズ14を支持面の不透明結合材層に貫通させる段階と、不透明結合材を固まった状態にして光透過ビーズ14を適所で支持する段階と、ビーズ14の突出した背面36上に光透過材層を設置して固まった状態に蒸着する段階と、光透過材層を変形可能で半粘着性のある固まっていない状態にする段階と、光透過材層に圧力をかけて当該層の形状をビーズ14の突出部分の形状に合致させ当該層をビーズ14と不透明結合材とに積層させる段階と、光透過材層を従来のように固まった状態にしてビーズ14に当該層を固着させる段階とで構成される。不透明結合材を前記の厚みになるように蒸着することによって、ビーズ14の背面36の一部が、確実に、不透明結合材の背後から適宜突出するようにする。TPU を変形可能な半粘着性の状態にすることによって、TPU 層の形状をビーズ14の突出部分の形状に合致させ、各ビーズの直後の厚みを略均一にさせることができる。
【００５８】
本発明に係わる光フィルタ122 作成方法は、光フィルタ120 を作成するための前述の第１の方法の段階から成り、更に、TPU 層に熱および／または圧力を加えて背面の形状を選択的に決定する段階で構成される。背面の形状は、ビーズ14の曲率中心の背後に曲率中心が合致したレンズ131 が形成されるような形状とする。同様に、レンズ131 の曲率半径が調節される。この方法によれば、ビーズ14の背面36に対して垂直に測定したときに、層128 の厚みが不均一になる。本発明に係わる別の光フィルタ122 作成方法は、前述の光フィルタ120 を作成するための第一の方法の段階から成り、更に、ビーズ14の突出した背面36上に光透過材層を固まった状態に蒸着する前に、ビーズの背面36の中心に光透過材を小量蒸着する段階で構成される。
【００５９】
本発明に係わる光フィルタ120 を作成するための第２の方法では、およそ0.8R〜1.5Rの均一な厚みの透明なTPU 層と、最後部の結合材層からビーズ14を突出させた本発明に係わる光フィルタ10か80あるいは光フィルタ110 とが用いられる。この方法は、光フィルタ10、80、110 あるいは112 のビーズ14の背面36上にTPU 層を蒸着する段階と、光フィルタ10、80、110 あるいは112 とTPU 層とを加熱してTPU 層を変形可能な半粘着性の固まっていない状態にする段階と、TPU 層に圧力を加えて当該層の形状をビーズ14の突出部分の形状に合致させ当該層をビーズ14と不透明結合材とに積層する段階と、従来のやり方で冷却してTPU 層を略固まった状態に硬化させる段階とで構成される。
【００６０】
上記の光フィルタ120 を作成するための第２の方法については、本発明に従って光フィルタ122 を作成するための方法へと変更させることができる。例えば、TPU 層に上記のように熱と圧力とを加えて、背面の形状を選択的に決定する。あるいは、ビーズ14の背面36上にTPU 層を蒸着する前に、ビーズ14の背面36の中心に光透過材を小量蒸着する。
【００６１】
図10は、本発明に係わる別の実施例の光フィルタ130 を示す。光フィルタ130 は、不透明結合材層16に不規則な間隔を置いたアレイ状に支持された第１の複数の光透過ビーズ14で構成される。ビーズ14は、不透明結合材層16の背面19から突出して画像光を受光する。また、ビーズ14は、不透明結合材層16の前面に接触して画像光を不透明結合材層16に透過させる。これによって、画像光が観察される。
【００６２】
光フィルタ130 は、更に、不規則な間隔を置いたアレイ中のビーズ14間の間隙520 に配置された第２の複数の小ビーズ114 で構成される。間隙520 は、アレイ状のビーズ14の間に不規則な間隔を置いたために出来たビーズ14間のビーズ間の広い間隙20である。小ビーズ114 は、適所で不透明固着材層16に支持され、好適には、当該層16の背面19から突出して画像光を受光する。また、小ビーズ114 は、不透明結合材層16の前面に接触して、受光画像光を当該層16に透過させる。こうして、画像光は観察される。小ビーズ114 は、好適には、屈折率が他方のビーズ14と概ね同じであり、形状も概ね同じである。しかし、好適には、大きさは他方のビーズ14のおよそ３分の２である。このように、半径がR で略等しい球形のビーズ14が設けられる。ビーズ114 は、好適には、半径がおよそR の３分の２の球形である。相対的な大きさをこのように設定することによって、小ビーズ114 の不透明結合材層16の背面19からの突出の度合いが増加する。更に、不透明結合材層16は、好適には、小ビーズ114 の周囲の小さな環状領域では薄く構成される。これによって、背面19からの小ビーズ114 の突出度が増加する。このように小ビーズ114 の周囲の薄い環状領域が、例えば、小ビーズ114 と不透明結合材層16との間のメニスカスとして形成される。
【００６３】
間隙520 は、光フィルタの製造過程で生じる不完全さや公差により、また、同様に、構成要素としてのビーズ14の大きさの不均一性など構成要素物質の不完全さや公差により、屈折型光フィルタの物理的な実施例のどれにでも存在する。普通、間隙520 は、やや無作為に発生するがある意味で周期的に発生する。間隙520 によって、間隙520 の形状が不均一なために光フィルタの外見が粒状になることがある。これは、間隙520 がある意味で周期的に発生し、間隙520 の直前で透過率が低下するからである。
【００６４】
小ビーズ114 によって光フィルタ130 における上記の問題点がかなり緩和される。小ビーズ114 で間隙520 は部分的に埋められる。このため、間隙の存在も形状も不明瞭になる。更に、小ビーズ114 は、間隙520 直前における光フィルタ130 の透過率を増加させる。これによって、間隙520 が目視されにくくなる。
【００６５】
本発明に係わる光フィルタ130 の作成方法は、不透明結合材層を固まっていない状態に形成し、光透過ビーズ14のアレイを不透明結合材層へ選択された深さに固まっていない状態に埋め込むというものである。ビーズ14は、不透明結合材層の前面に接触し背面から突出する。複数の小ビーズ114 は、不透明結合材層の露出部分に蒸着させる。熱と圧力とを加えて、小ビーズ114 を間隙520 の方へ移動させる。更に圧力を加えて、小ビーズ114 を不透明結合材層へ埋め込む。この場合、好適には、不透明結合材の背面に形成されたメニスカス（凹凸）を崩壊しないようにする。メニスカスは、背面からの小ビーズ114 の突出度を増加させ易くするからである。次に、不透明結合材は従来通りのやり方で固まった状態され、不透明結合材層16が形成される。
【００６６】
また、本発明によれば、複数のビーズ14と複数の小ビーズ114 とを混合し、この混合物を固まっていない不透明な結合材層に埋め込み、不透明結合材を従来の通りのやり方で固まった状態にする。不透明結合材層を形成して当該層を固まった状態と固まっていない状態とにする様々方法について光フィルタ120 と122 に関連付けて述べた。
【００６７】
本発明に係わる光フィルタ110 、112 、120 、122 および130 は、光透過ビーズ14と不透明結合材層16と支持材12などの構成要素から成る。光透過ビーズ14と不透明結合材層16と支持材12とは、光フィルタ10、50、60および80のどれか一つ以上にも設けられている。光透過ビーズ14は、好適には、およそ20〜35ミクロンの半径R の球形である。支持材12の層が設けられる場合、それは、通常、深さがおよそ3000ミクロンでビーズ14を適切に支持する。ただし、支持材12の深さは、およそ250 ミクロン〜12,000ミクロンの範囲である。次に、これらの構成要素の様々な実施例と構成要素の光学的特性と機械的特性とについて詳細に考察する。
【００６８】
支持材12は、様々な面から光フィルタ110 、112 、120 、122 および130 の特性に貢献する。支持材12の屈折率は、内部偏光に影響を与え、ひいては光の角度分散とコントラストとに影響を及ぼす。光吸収性物質を支持材12に加えて、後方反射率と左右内部反射率とを低下させる。例えば、支持材に光互変ガラスを使用すると、周囲の光が明るい状態では支持材12の吸収性が増加し反射率が低下する。一方、支持材12に電気的に活性化された光学物質を使用すると、光学特性が動的に変動させることができる。支持材12の機械的特性は、光フィルタ110 、112 、120 、122 および130 の目的の用途に従って適宜選択される。例えば、プラスチック製の支持材12にすれば重量が減少する。また、プラスチック膜などの柔軟性のある物質を用いて柔軟性のある光フィルタ110 、112 、120 、122 および130 を製造してもよい。
【００６９】
不透明結合材層16は、様々な結合材物質から作成可能である。例えば、ブチルメタクリレート重合体ならば、着色剤と容易に混合する。また、熱可塑性の特性によりビーズ14を埋め込み易い。紫外線や熱で硬化された樹脂や化学的に硬化された樹脂を用いて不透明結合材層16を製造するのが一般的である。
【００７０】
ビーズ14は、ガラスや樹脂材料など様々な物質から選択される。ビーズ14の最適な物質と大きさとは、光フィルタ110 、112 、120 、122 および130 の目的の用途によって異なる。透明なガラスや樹脂材料は、屈折率がおよそ1.4 〜2.3 のものが入手可能である。物質を組合せて用いれば利得制御を実現できる。例えば、電気光学的に活性化された物質をガラスか樹脂かに包んで形成したビーズ14ならば、電界を印可することによってビーズ14の光学的特性を調節することができる。ビーズ14を光互変性の物質で構成し、光学的特性を入射光の強度の変化に応答させることができる。あるいは、有色ビーズ14を用いて色彩の効果を発揮させてもよい。
【００７１】
ビーズ14は、好適には、光フィルタ110 、112 、120 、122 および130 の用途に合わせて球形で透明に形成される。大抵の用途で、ビーズ14は全部同じ大きさで同じ形状である。こうすれば、小さすぎるビーズや大きすぎるビーズや湾曲したビーズが繰返し出現することによって生じる画像光の粒状性を低下できる。楕円体や丸い棒状などの非球形ビーズ14が好ましい場合もある。例えば、非球形ビーズを一列に配置すれば、光が垂直に分散する角度よりも更に多くの角度で水平にがを分散する。
【００７２】
ビーズの大きさは、一般的には、規定の公差の範囲内に設定される。ビーズは、球形で半径がR であると説明してきたが、公差内であれば、幾分非球形でもよく半径がR より小さくても大きくてもよい。ふるい分け方法を用いて公差を決めることが多い。上記のビーズは、第一のふるい分け網に適合して通過するが隣接の小さい網には適合せず通過しない。
【００７３】
ビーズ14の物質を注意深く選択することは、損傷したビーズや湾曲したビーズや不透明なビーズや白くなったビーズを除去できるので好ましい。損傷したビーズ14特に破砕して切子面が形成されたビーズは、光の一様でない屈折の原因となる。曳いては、閃光としいう明るいスポットの原因となる。不透明なビーズや白くなったビーズは、観察画像の暗いスポットの原因となる。ビーズ14の一次分類は、微細な板ふるいか網を用いて行われる。変色したビーズ14は強磁性を帯びることがある。その場合、磁界中で他のビーズ14から分離させることが出来る。丸くないビーズ14は、振動板上で転がすか、振動柱を通過させて安定させるかすることによって分離させることができる。丸いビーズは素早く通過するからである。空気を含んだビーズ14は、それを浮揚させる液体溶液中で他のビーズ14から分離させることができる。その後、ビーズ14の最上層を取除いて空気を含んだビーズ14を除去する。
【００７４】
様々な特性と様々なビーズ作成方法とは、特定の光フィルタ130 以外の光フィルタ130 の小ビーズ114 にも適用される。小ビーズ114 は、他方のビーズ14より小さい。着色ビーズ14を光フィルタ130 に用いるとき、小ビーズ114 も好適には着色して画像光に均一な色フィルタ処理を施すことが出来るようにする。
【００７５】
従って、本発明に係わる改良型光フィルタは、追加の光透過材層を用いて光フィルタの光学的特性を改良された方法で制御するものである。追加層の厚みと光学的特性とを調節することによって、利得制御と周囲光排除と透過率とコントラストとが同時に最適化された高性能光フィルタ110 、112 、120 、122 および130 を製造することができる。光フィルタ110 、112 、120 、122 および130 を製造する本発明の種々のプロセスもまた提供されている。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】  球形ビーズを有する従来の単層光フィルタの図である。
【図１Ｂ】  光フィルタの１つの位置における断面図である。
【図１Ｃ】  光フィルタの１つの位置における断面図である。
【図２】  従来の単層光フィルタ内の球形ビーズによる光線の屈折を示す図である。
【図３】  各々に約１．５、約１．７、約１．９の屈折率を有するガラスビーズを有する３つの単層光フィルタに関する利得特性のグラフである。
【図４】  光フィルタのゲインを制御するために不透明結合材層の背面におけるビーズ相互間の間隙が透明な樹脂で部分的に充填されている、本発明の多層光フィルタの一実施形態の図である。
【図５】  光フィルタのゲインを制御するための、ビーズの屈折率とは異なった屈折率を有する透明樹脂の浸漬層を含む、本発明の多層光フィルタの別の一実施形態の図である。
【図６】  従来の単層光フィルタの場合と図５に示す多層光フィルタの場合とにおける、利得特性対目視表面に対する垂線からの角度のグラフ図である。
【図７】  画像光の間隙透過を制御するための、不透明結合材層の背面上に配置された第２の不透明層を有する、本発明の多層光フィルタのさらに別の実施形態の図である。
【図８Ａ】  画像光の分散を制御するために、互いに平行に配置された複数の円柱形レンズを有する光透過性材料の追加の層が不透明結合材層の前面に取り付けられている、本発明の光フィルタのさらに他の実施形態の断面図である。
【図８Ｂ】  図８Ａの光フィルタの斜視図である。
【図８Ｃ】  画像光の分散を制御するために、互いに平行に配置された複数の円柱形レンズを有する光透過性材料の追加の層が不透明結合材層の背面に取り付けられている、本発明の光フィルタのさらに別の実施形態の断面図である。
【図９Ａ】  光透過性材料の共形層が、実質的に均一の厚さになるように光透過性ビーズの背面上に配置されており、かつ、この共形層は、画像光の分散を制御して光フィルタの透過率を増大させるための複数のレンズを画定する、本発明の光フィルタのさらに別の実施形態の図である。
【図９Ｂ】  光透過性材料の適合の層が、複数の光透過性ビーズの背面と不透明結合材層の背面との両方の上に配置されており、この共形層は各ビーズの背後にレンズを画定し、これらのレンズは、画像光の分散を制御して光フィルタの透過率を増大させるようにビーズの曲率中心の背後に曲率中心を有する、本発明の光フィルタのさらに別の実施形態の図である。
【図１０】  不規則的に間隔が空いた配列の形に配置されている複数の第１の光透過性ビーズと、不規則的に間隔が空いたビーズ配列の各ビーズの間の間隙内に位置した複数のより小さいの第２のビーズとを含む、本発明の光フィルタのさらに別の実施形態の図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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