(57)【要約】長さと長さを横断する最大寸法約５００μｍ〜１０ｃｍの断面とを有し、少なくとも断面の中心部分、好ましくは断面全体にわたり不規則に分布する空気充填線、空隙、あるいはガス充填線を有し、入射した光を、長さを横断する方向に閉じ込め、長さに沿って伝搬させる光透過体を備えたロッド。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
長さと該長さを横断する最大寸法５００μｍ〜１０ｃｍの断面とを有し、少なくとも前記断面の中心部分にわたり不規則に分布すると共に前記長さの全長に沿って集合的に延びる空気充填線、空隙、あるいはガス充填線または空隙を有し、前記中心部分に入射した光を、前記長さを横断する方向に閉じ込め、前記長さに沿って伝搬させる光透過体を備えたことを特徴とするロッド。
【請求項２】
前記光透過体が前記断面全体にわたり不規則に分布する空気充填線、空隙、あるいはガス充填線を有し、前記光透過体に入射した光を、前記長さを横断する方向に閉じ込め、前記長さに沿って伝搬させることを特徴とする請求項１記載のロッド。
【請求項３】
前記光透過体がガラスから構成されることを特徴とする請求項１又は２記載のロッド。
【請求項４】
前記光透過体の断面形状が実質的に円形若しくは楕円形であることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載のロッド。
【請求項５】
前記空気充填線、空隙、あるいはガス充填線が、約２０ナノメートル〜１０マイクロメートルの直径を有するあることを特徴とする請求項１〜４いずれか１項記載のロッド。
【請求項６】
長さと該長さを横断する最大寸法５００μｍ〜１０ｃｍの断面とを有し、少なくとも前記断面の中心部分にわたり不規則に分布すると共に前記長さの全長に沿って集合的に延びる空気充填線、空隙、あるいはガス充填線または空隙を有する光透過体を備えたロッドを形成する方法であって、
各々がそれぞれの断面領域に不規則に分布する空気充填線、空隙、あるいはガス充填線または空隙を有する複数のロッド若しくはファイバーを形成するステップと、
前記複数のロッド若しくはファイバーを融合して最大寸法５００μｍ〜１０ｃｍの断面を有する１つの光透過体を形成するステップと、
を備えたことを特徴とする方法。
【請求項７】
画像を送信する方法であって、
長さと該長さを横断する最大寸法５００μｍ〜１０ｃｍの断面とを有し、少なくとも前記断面の中心部分にわたり不規則に分布すると共に前記長さの全長に沿って集合的に延びる空気充填線、空隙、あるいはガス充填線または空隙を有する光透過体であって、前記長さの方向に第１及び第２端部を有し、前記第２端部が画像受信位置となる光透過体を配置するステップと、
前記第１端部に画像を供給するステップと、
を備えたことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本出願は、２０１３年５月１日出願の米国仮特許出願第６１／８１８,４４９号の米国特許法第１１９条に基づく優先権を主張するものであって、その記載内容に依拠し、参照することにより、全内容を本明細書に援用するものである。
【技術分野】
【０００２】
本開示の実施の形態は光透過体を有するロッドの分野に関するものであり、特に画像をある場所から別の場所に送信することができる光透過体を有するロッドに関するものである。
【背景技術】
【０００３】
媒体を通した波動の搬送は、ランダムな不純物による干渉及び多重散乱によって厳しく抑制され、停止することもあり、それによって強い（若しくは「アンダーソン」）局在が生じる可能性がある。この過程の背後にある理論は当初（不規則な原子結晶中の電子の）物質波に関連して展開されたものであるが、電磁波や光のみならず、マイクロ波、音響波、そしてボーズ・アインシュタイン凝縮体の物質波にも直接拡張することができる。
【０００４】
光の場合、ランダム散乱媒体及び不規則格子が局在の概念を試験するための有望なモデル系としてかなりの実験的関心を集めている。多重散乱を生じさせる１つの提案技術は、フォトニック結晶にわずかな不規則性を誘発することである。理想的なフォトニック結晶中における光の伝搬はブロッホ・モードによって説明される。このような構造の対称性を破ることによって光の多重散乱が生じる。多重散乱光の干渉によって、フォトニック結晶のバンドギャップに近い限定された周波数範囲において、アンダーソン局在モードが生じる可能性がある。
【０００５】
横アンダーソン局在は、ランダムな横方向屈折率プロファイルを有する光ファイバーの導波機構としても使用されてきた。横局在により一般的な屈折率導波型光ファイバーと同等の有効伝搬ビーム径が得られることが実験及び数値シミュレーションを通した研究によって明らかにされている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の実施の形態は、長さと長さを横断する最大寸法５００μｍ〜１０ｃｍの断面とを有し、少なくとも断面の中心部分、好ましくは断面全体にわたり不規則に分布する空気充填線、空隙、あるいはガス充填線を有し、入射した光を、長さを横断する方向に閉じ込め、長さに沿って伝搬させる光透過体を備えたロッドを含んでいる。光透過体はガラスで構成されることが好ましく、また断面が実質的に円形若しくは楕円形であることが好ましいが、別の形状も有することができる。光透過体の断面の最大寸法は５００μｍ〜１０ｃｍであることが好ましく、様々な空気充填線、空隙、あるいはガス充填線の直径が約２０ナノメートルから１０マイクロメートルであることが好ましい。
【０００７】
特定の理論に拘束されるものではないが、本明細書に開示の撮像素子はアンダーソン局在若しくは強局在を利用できるものであって、内部全反射には依存していないと考えられている。
【０００８】
前記概要説明及び以下の詳細な説明は、具体的な実施の形態について説明するものであって、請求項の本質及び特徴を理解するための要旨若しくは枠組みを提供することを意図したものである。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】ランダムな空気充填線、ランダムな空隙、あるいはランダムなガス充填線を有するロッドの概略断面図。
【図２】製造されたランダム空気線フォトニック結晶ガラス・ロッドのデジタル断面画像。
【図３】図２の断面の拡大デジタル画像。
【図４Ａ】標準のガラス・ロッドについて計算で求めた光伝搬経路の概略図。
【図４Ｂ】製造されたランダム空気線フォトニック結晶ガラス・ロッドにおいて実験的に検出された光伝搬経路の概略図。
【図５】本開示によるロッドの実施の形態の基本的な撮像機能試験の概略図。
【図６Ａ】図５の試験によって得られた画像を示す図。
【図６Ｂ】図５の試験によって得られた画像を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本開示の様々なロッドの実施の形態は、断面において不規則に散在する構造を伴う機構に依存して光をロッドの領域に閉じ込め、ロッドの長さに沿って伝搬させることができるものである。
【００１１】
ランダムな空気線（又はランダムな空隙若しくはランダムなガス充填線）２０を有する（ガラスから成ることが好ましい）ロッド１０の概略断面を図１に示す。図示のように、ロッド１０は、そのガラス断面全体にわたりランダムに分布する空気線（又は空隙若しくはガス充填線）２０を含んでいる。これが現時点における好ましい実施の形態であるが、別の実施の形態においては、ロッドの中心部のみがランダムに分布する空気線（又は空隙若しくはガス充填線）２０を含むことができる。各種のランダムな充填線（若しくは空隙）２０の直径は、予想される製造のばらつきによっていくつかの外れ値が生じる可能性があるが、数十ナノメートル〜数マイクロメートルの範囲、例えば、約２０ナノメートル〜１０マイクロメートルであることが好ましい。空気線（又は空隙若しくはガス充填線）２０は細長い形状を有しているため「線」２０と呼ぶことにする。これ等の線はロッド１０に沿ってもランダムに分布している。各々の線２０の長さは数マイクロメートル〜数ミリメートルの範囲であるが、集合的にはロッドの全長に沿って延びている。線２０には空気やＮ２、Ｏ２、ＣＯ２、Ｋｒ２、ＳＯ２等の別のガスを充填することができる。ロッドにおける線の充填率は０．５〜５０％、好ましくは０．２〜２０％である。ランダムな線構造を製造する方法は本開示の態様ではなく、米国法において、参照により明示的に本明細書に援用されると解釈される、米国特許第７４５０８０６号明細書、米国特許第７９２１６７５号明細書、及び米国特許第８０２０４１０号明細書に記載のように実施されることが好ましい。ロッド１０の直径は５００μｍ〜数ｃｍ、例えば１０ｃｍ、とすることができる。ロッド１０の長さは、用途に応じて数ミリメートル〜数センチメートル若しくはそれより長くすることができる。前記参照した特許文献に開示されている方法によって、このロッドを単一品として形成することができるが、特に直径の大きいロッドについては、そのような方法によって形成されたロッドに多数のファイバー若しくはロッドを融合することによって形成することができる。
【００１２】
ランダム構造による波動の閉じ込めは“Ａｂｓｅｎｃｅ  ｏｆ  ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  ｉｎ  ｃｅｒｔａｉｎ  ｒａｎｄｏｍ  ｌａｔｔｉｃｅ”フィジカル・レビュー、１０９、１４９２−１５０５（１９５８）により、アンダーソンによって開示されている。アンダーソンは、ランダムに散乱する電子の量子力学的な干渉によって、不規則材料において電子の局在化が生じる可能性があることを示唆している。如何なる特定の理論にも拘束されるものではないが、本開示の様々な実施の形態は、不規則材料における電子の局在化に関与する機構に似た機構によって光を閉じ込め、不規則性が高い（空間周波数の不規則が高い）方向（ロッドの断面方向）への伝搬を防止すると共に不規則が低い若しくはより低い（空間周波数の不規則が低い）方向（ロッド１０の長さに沿った方向若しくは線２０の方向）への伝搬を可能にしているものと考えられている。
【００１３】
図２は製造された直径４．６６ｍｍのランダム空気線ガラス・ロッドを２．５倍の対物レンズで撮影したデジタル断面画像を示す図である。図に示す一部のロッド断面から分かるように、図中黒丸で示す空気線がロッド断面全体にわたりランダムに分布している。図３は４０倍の対物レンズで撮影した図２の断面の一部を示す図である。この場合の空気線の平均直径は１．２０±０．５３μｍである。
【００１４】
図４Ａ及び４Ｂは、標準のガラス・ロッド１００について計算で求めた光伝搬経路（図４Ａ）と製造されたランダム空気線フォトニック結晶ガラス・ロッド１０において実験的に検出された光伝搬経路（図４Ｂ）とを比較した概略図である。図４Ｂについて、開口数０．１４のシングルモード・ファイバー３０を使用してロッド１０の一端にレーザー・ビームを入射させた。ロッド１０の他端（全長１４．１ｍｍ）において近視野像を撮影し、モードフィールド径を測定したところ、半値全幅（ＦＷＨＭ）で３９１μｍであった。これに対し、図４Ａでは、ファイバー３０から長さ１４．１ｍｍの標準のガラス・ロッド１００を通して伝搬するビームを仮定し、光線追跡ソフトウェアを使用してロッド１００の出射側のビーム径を算出した。算出されたロッド１００の出射側のビーム幅は２．６ｍｍ、またはランダム空気線ロッド１０のビーム幅の約７倍大きかった（図は正確な縮尺ではない）。これはロッド１０内における光子に基づくアンダーソン局在効果をよく示している。
【００１５】
また、ロッド断面の異なる位置に入射した光はそれぞれ独立して伝搬できることも実験により明らかになった。従って、このロッドを撮像レンズとして使用することを提案する。小型であるため、小型の内視鏡の撮影用途に特に適していると思われる。従来のマイクロ光学レンズ若しくは屈折率分布型レンズに基づく撮像システムは、光学的に正確な部品の製造（屈折率分布型レンズにおける正確なピッチ長や従来の凸及び凹レンズの曲率など）若しくは正確な位置合わせが必要である。しかし、本開示のランダムな空気線を有するロッドにつては、これは問題にはならない。ロッドのピッチや長さについて特別な要件を必要とせずに、ロッドによって一端面からの光が他端面に局在化される。ロッドの両表面が平坦であるため製造が簡単である。
【００１６】
ロッドの基本的な撮像機能を試験するために、図５に概略的に示す基本的な設定に基づいて実験を行った。ランダムな空気線を有する長さ約１４ｍｍのガラス・ロッド１０に接触しているステンシル目標物５０に対し非干渉性白色光源４０から光を照射した。顕微鏡の対物レンズ７０を備えたＣＣＤカメラ６０を使用して、ステンシル目標物５０から離間したロッド１０の反対側の端面に集光される近視野像を撮像した。この試験によって取得された画像を図６Ａ（参照符号なし）及び図６Ｂ（参照符号あり）に示す。図６Ａ及び６Ｂに示すように、ロッド１０の端部において、ステンシル目標物の３線のパターンが再現されている一方、ステンシルの隣接する３線のパターン８０はロッド１０の端部の平面に再現されておらず、そのため焦点が大きく外れ、画像においてほとんど識別できない。従って、ロッド１０は、別に光学部品を必要とせず、画像を光学的に送信若しくは転送するのに有効であることが分かる。
【００１７】
これまでの説明は、クレームの本質及び特徴を理解するための例示的な実施の形態を提供するものである。添付のクレームの精神及び範囲から逸脱せずに、これ等の実施の形態に対し各種改良が可能であることは当業者にとって明らかであると思われる。
【符号の説明】
【００１８】
１０    ロッド
２０    空気（空隙、ガス充填）線
３０    シングルモード・ファイバー
４０    非干渉性白色光源
５０    ステンシル目標物
６０    ＣＣＤカメラ
７０    顕微鏡の対物レンズ
１００    ガラス・ロッド
【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【国際調査報告】
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