(57)【要約】  サイネージを含む様々な用途に有用な発光性布地は、織られるか、編まれるかまたは鉤針編みされて布地にされるか、そうではなくとも布地に組み込まれる、少なくとも１本の光拡散性光ファイバを有する。光拡散性光ファイバは少なくとも１つの、レーザまたは発光ダイオードなどの、光源に結合される。少なくとも１つのコーティングが光ファイバの長さに沿う光ファイバの外表面の少なくとも一区画に重ねて施される。コーティングは、光源からエネルギーを吸収してより長い異なる波長で発光する少なくとも１つの発光団を含む。注意を喚起する様々な視覚効果を与えるため、１つ以上の発光団、１つ以上の顔料及び／または１つ以上の染料を含む複数のコーティングを用いることができる。
2016536644.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光性布地において、
光拡散性光ファイバであるファイバを少なくとも１本含む、布地に組み込まれたファイバ、
前記光拡散性ファイバに結合された少なくとも１つの光源、及び
前記布地に直接に、または前記布地に施された下地コーティングに重ねて、施され、前記光拡散性ファイバの少なくとも一区画の上にまたは重ねて配された、少なくとも１つの発光団コーティング、
を有することを特徴とする布地。
【請求項２】
前記布地から複数の異なる色の光を与えるため、複数の異なる発光団コーティングが前記布地の異なる区画に施され、前記光拡散性ファイバの異なる区画上に配されることを特徴とする請求項１に記載の布地。
【請求項３】
複数本の平行光拡散性光ファイバが前記布地に組み込まれ、該複数本の平行光拡散性光ファイバのそれぞれが光源に結合されることを特徴とする請求項１または２に記載の布地。
【請求項４】
異なる波長で光を放射する少なくとも２つの異なる光源が前記光拡散性光ファイバに結合されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の布地。
【請求項５】
前記布地の少なくとも１区画に施された少なくとも１つの顔料含有コーティングをさらに有することを特徴とする請求項１に記載の布地。
【請求項６】
前記布地の少なくとも１区画に施された少なくとも１つの染料コーティングをさらに有することを特徴とする請求項１に記載の布地。
【請求項７】
前記布地の少なくとも１区画と前記発光団コーティングの間に配された下地コーティングをさらに有することを特徴とする請求項１に記載の布地
【請求項８】
請求項１に記載の発光性布地を有するサイネージにおいて、前記発光性布地が２つの透明層の間の層として配されることを特徴とするサイネージ。
【請求項９】
装飾用の発光性壁パネル、テーブルトップまたはデスクトップにおいて、基板層と少なくとも一部が透明である層の間に配された請求項１に記載の発光性布地を有することを特徴とする壁パネル、テーブルトップまたはデスクトップ。
【請求項１０】
前記光拡散性ファイバが複数の光源に結合され、色効果の変更を容易にするため、前記複数の光源のそれぞれの強度が個別に制御可能であることを特徴とする請求項１に記載の布地。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本出願は２０１３年８月２７日に出願された米国特許第１４／０１０８９５号の優先権の恩典を主張する。本明細書は上記特許出願の内容に依存し、上記特許出願の内容はその全体が本明細書に参照として含められる。
【技術分野】
【０００２】
本開示は照明構造に関し、さらに詳しくは、光拡散性ファイバからなる照明構造に関する。
【背景技術】
【０００３】
光拡散性光ファイバは、ファイバの軸に沿って光を伝搬させるだけでなく、ファイバの長さに沿って表面から光を放射する光ファイバである。遠距離光通信に普通に用いられる光ファイバと同様に、光拡散性光ファイバはコア領域及び、コア領域の材料より低い屈折率を有する材料でつくられた、クラッド層領域を有することができる。さらに、光拡散性光ファイバは誘導光をコアから散乱させ、クラッド領域の外表面を通して放出する。コアからクラッド領域の外表面を通しての光の散乱放出は、ガラスコア内またはコア−クラッド層境界にナノサイズ（例えば、１０ｎｍ〜１０００ｎｍ）の構造を配することで達成することができる。ナノサイズ構造は空孔とすることができる。光拡散性光ファイバの特性及び特徴並びに光拡散性光ファイバを作成するためのプロセスは特許文献１に説明されている。特許文献１の全内容は本明細書に参照として含められる。
【０００４】
光拡散性光ファイバに関する特許文献には、そのようなファイバの応用に、バイオリアクタ、サイネージ、（例えば、装飾的アクセントを与えるための）特殊照明、センサ及び測定用途、自動車用途、及び民生エレクトロニクスがあることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１３／００９０４０２Ａ１号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示は、光拡散性光ファイバである少なくとも１本のファイバ、光拡散性ファイバに結合された少なくとも１つの光源、及び光拡散性ファイバの少なくとも一区画に重ねて施された少なくとも１つの発光団コーティングを有する発光性布地に関する。
【０００７】
発光性布地は、少なくとも１本の繊維が少なくとも１つの光源に結合された光拡散性光ファイバであり、光拡散性光ファイバの外表面の少なくとも１つの区画の上に発光団コーティングが存在する、交絡繊維、織られているか、編まれているかまたは鉤針編みにされた布地、及び不織布を含む、布材とすることができる。
【０００８】
光拡散性光ファイバに結合される光源はレーザまたは発光ダイオードとすることができる。
【０００９】
発光団コーティングは、少なくとも１つの発蛍光化合物、少なくとも１つの発蛍光団化合物、または少なくとも１つの蛍光体と少なくとも１つの発色団の組合せを含むことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は光拡散性光ファイバの一実施形態例の一区画の簡略な側面図である。
【図２】図２は、図１の光ファイバの方向II−IIに沿って見たときの、簡略な断面図である。
【図３Ａ】図３Ａは光拡散性ファイバの一実施形態例についての相対屈折率対ファイバ半径のプロットの略図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは光拡散性ファイバの別の実施形態例についての相対屈折率対ファイバ半径のプロットの略図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは光拡散性ファイバの別の実施形態例を示す。
【図４Ａ】図４Ａはファイバ減衰（損失）（ｄＢ/ｍ）対波長（ｎｍ）を示す。
【図４Ｂ】図４Ｂはファイバ減衰（損失）（ｄＢ/ｍ）対波長（ｎｍ）を示す。
【図５】図５は単ファイバ内の２本の光路を利用するファイバ配置を示す。
【図６Ａ】図６Ａはファイバが一様張力（例ａ）及び変動張力（例ｂ）によって作製された場合のファイバに沿う強度分布を示す。
【図６Ｂ】図６Ｂは白色インクの有無にともなう散乱分布関数を示す。
【図７】図７は散乱を、（反射鏡がファイバの後端に結合されている）図５に示されるファイバについて、またそのコーティングに白色インクを用いているファイバについても、示す。
【図８】図８は、光拡散性光ファイバを組み込んでいる、スクリーン印刷された布地のディスプレイまたはサインを示す。
【図９】図９は、布地を保護及び支持することができる２つの外層の間に配された光拡散性光ファイバを組み込んでいるスクリーン印刷された布地を含み、外層の少なくとも一方は展示されるべき布地からの光の放射を可能にするために透明である、ラミネート型または層構造型のサインまたはディスプレイを示す。
【図１０】図１０は、透明であってもなくても差し支えない、別の材料層上に支持された光拡散性光ファイバを組み込んでいるスクリーン印刷された布地を含む、ラミネート型または層構造型のサインまたはディスプレイを示す。
【図１１】図１１は２つの異なる発光団及び２つの光源を用い、光源のそれぞれは２つの発光団の一方だけを励起して発光を誘起する、スクリーン印刷された布地のディスプレイを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
それらの例が添付図面に示されている現在好ましい実施形態をここで詳細に参照する。可能であれば必ず、全図面を通して同じ参照数字が同じかまたは同様の要素を指して用いられる。
【００１２】
以下の例には特許請求の範囲内で様々な改変及び変形がなされ得るし、様々な例の態様はまた別の例を達成するために異なる仕方で組み合わされ得る。したがって、真の特許請求の範囲は、本開示に説明される実施形態を考慮して、ただしこれらには限定されずに、本開示の全体から理解されるべきである。
【００１３】
術語「光拡散性可撓導波路」は、照明を提供するために導波路のコアから導波路の外表面を通して光が誘導されて放出されるように、ファイバの側面から光を散乱または拡散して外に出すために利用されるナノサイズ構造を用いている可撓性の光導波路（例えば光ファイバ）を指す。特許請求される主題の根本原理に関係する概念は米国特許出願第１２／９５００４５号（米国特許出願公開第２０１１／０１２２６４６Ａ１号）の明細書に開示されている。この明細書の内容はその全体が本明細書に参照として含められる。
【００１４】
術語「光源」はレーザ、発光ダイオードあるいは、可視光波長範囲にあるかまたは発光団と相互作用して可視光波長範囲にある光を放出することができる波長の、電磁波を放出することができる他のコンポーネントを指す。
【００１５】
術語「発光団」は発光を示す原子または化合物を指し、様々な蛍光体及びリン光体を含む。
【００１６】
以下の語句はナノサイズ構造を有する光拡散性ファイバに関連して用いられる。
【００１７】
「屈折率プロファイル」は屈折率または相対屈折率と導波路（ファイバ）半径の間の関係である。
【００１８】
「相対屈折率％」は：
Δ(ｒ)％＝１００×[ｎ(ｒ)２−ｎＲＥＦ２]/２ｎ(ｒ)２
と定義される。ここで、ｎ(ｒ)は、別途に指定されない限り、半径ｒにおける屈折率である。相対屈折率％は、別途に指定されない限り、８５０ｎｍにおいて定められる。一態様において、基準屈折率ｎＲＥＦは８５０ｎｍにおける屈折率が１.４５２４９８であるシリカガラスであり、別の態様においては８５０ｎｍにおけるクラッド層ガラスの最大屈折率である。本明細書に用いられるように、相対屈折率はΔで表され、別途に指定されない限り、その値は「％」単位で与えられる。ある領域の屈折率が基準屈折率ｎＲＥＦより小さい場合、相対屈折率％は負であり、陥没領域または陥没屈折率を有すると称され、最小相対屈折率は、別途に指定されない限り、相対屈折率が最も負である点において計算される。ある領域の屈折率が基準屈折率ｎＲＥＦより大きい場合、相対屈折率％は正であり、その領域は隆起しているかまたは正屈折率を有すると称され得る。
【００１９】
「上げドーパント」は本明細書においてアンドープ純ＳｉＯ２に対して屈折率を高める性質を有するドーパントと見なされる。「下げドーパント」は本明細書においてアンドープ純ＳｉＯ２に対して屈折率を低める性質を有するドーパントと見なされる。上げドーパントは、上げドーパントではない１つ以上の他のドーパントがともなう場合、光ファイバの負の相対屈折率を有する領域に存在し得る。同様に、光ファイバの正の相対屈折率を有する領域に上げドーパントではない１つ以上の他のドーパントが存在し得る。下げドーパントは、下げドーパントではない１つ以上の他のドーパントがともなう場合、光ファイバの正の相対屈折率を有する領域に存在し得る。
【００２０】
同様に、光ファイバの負の相対屈折率を有する領域に下げドーパントではない１つ以上の他のドーパントが存在し得る。
【００２１】
術語「α−プロファイル」または「アルファプロファイル」はｒを半径として式：
Δ(ｒ)＝Δ(ｒ０)(１−[|ｒ−ｒ０|/(ｒ１−ｒ０)]α)
にしたがう、単位が「％」の、Δ(ｒ)で表される相対屈折率プロファイルを指す。ここで、ｒ０はΔ(ｒ)が最大である点であり、ｒ１はΔ(ｒ)％がゼロである点であり、ｒはｒ１≦ｒ≦ｒｆの範囲にあって、Δは上で定められ、ｒ１はα−プロファイルの始点であり、ｒｆはα−プロファイルの終点であり、αは実数の指数である。
【００２２】
したがって、本明細書に用いられるように、術語「放物型」はコア内の１つ以上の点において２.０のα値から若干変わり得る実質的に放物形状の屈折率プロファイルを含み、小さな変動及び／または中心線ディップがあるプロファイルも含む。いくつかの実施形態例において、αは、８５０ｎｍで測定して、１.５より大きくて２.５より小さく、さらに好ましくは１.７より大きくて２.３より小さく、さらに一層好ましくは１.８と２.３の間である。別の実施形態において、屈折率プロファイルの１つ以上のセグメントは、α値が、８５０ｎｍで測定して、８より大きく、さらに好ましくは１０より大きく、さらに一層好ましくは２０より大きい、実質的にステップインデックス型の形状を有する。
【００２３】
術語「ナノ構造ファイバ領域」は多数の（５０より多い）ガス充填空孔またはその他のナノサイズ構造、例えば、ファイバの断面において５０より多いか、１００より多いかまたは２００より多い空孔をもつ領域または区域を有するファイバを表す。ガス充填空孔は、例えば、ＳＯ２、Ｋｒ、Ａｒ、ＣＯ２、Ｎ２、Ｏ２またはこれらの混合気を含むことができる。本明細書に説明されるようなナノサイズ構造（例えば空孔）の断面寸法（例えば直径）は１０ｎｍから１μｍ（例えば５０ｎｍ〜５００ｎｍ）まで変わり得るし、長さは１ｍｍから５０ｍまで（例えば２ｍｍから５ｍまたは５ｍｍから１ｍの範囲で）変わり得る。
【００２４】
標準の単一モード光ファイバまたは多モード光ファイバにおいて、１３００ｎｍより短い波長における損失はレイリー散乱に支配される。このレイリー散乱損失ＬＳは材料の特性によって決定され、可視波長（４００〜７００ｎｍ）に対しては一般に約２０ｄＢ/ｋｍである。レイリー散乱損失は強い波長依存性を有し（すなわち、ＬＳ∝１/λ４、図４Ｂの対照ファイバＡを参照されたい）、これは入力光の９５％より多くを散逸させるには少なくとも約１ｋｍから２ｋｍのファイバが必要であることを意味する。そのようなファイバの長さが短くなるほど照明効率は益々低下するであろうが、長い（１ｋｍから２ｋｍ、ないしそれ以上の）ファイバを用いると、費用が高くなり得るし、管理が困難になり得る。バイオリアクタまたはその他の照明システムに用いられる場合、長尺ファイバは布設が面倒になり得る。
【００２５】
照明用途のいくつかの構成においては、より短い、例えば１〜１００ｍのファイバの使用が望ましい。これには、ファイバからの散乱損失を高め、同時に、良好な角度散乱特性（ファイバの軸からの一様な光放出散逸）及びファイバ曲部における輝点を避けるための良好な曲げ性能を維持できることが必要である。本明細書に説明される実施形態の少なくともいくつかの望ましい属性はファイバ照明器の長さに沿って一様で高い照度である。光ファイバは可撓であるから、広範な照明形状の配置が可能になる。ファイバによって与えられる照明が３０％より大きくは変化しないように、好ましくは変化が２０％より小さく、さらに好ましくは変化が１０％より小さいように、ファイバの曲点における（高められた曲げ損失による）輝点がないことが好ましい。例えば、少なくともいくつかの実施形態において、ファイバの平均散乱損失は５０ｄＢ/ｋｍより大きく、散乱損失は０.２ｍ長の与えられたいずれのファイバセグメントにかけても３０％より大きくは変化しない。少なくともいくつかの実施形態によれば、ファイバの平均散乱損失は５０ｄＢ/ｋｍより大きく、散乱損失は０.０５ｍ長未満のファイバセグメントにかけて３０％より大きくは変化しない。少なくともいくつかの実施形態によれば、ファイバの平均散乱損失は５０ｄＢ/ｋｍより大きく、散乱損失は０.０１ｍ長のファイバセグメントにかけて３０％（すなわち、±３０％）より大きくは変化しない。少なくともいくつかの実施形態によれば、ファイバの平均散乱損失は５０ｄＢ/ｋｍより大きく、散乱損失は０.０１ｍ長のファイバセグメントにかけて２０％（すなわち、±２０％）より大きくは、好ましくは１０％（すなわち、±１０％）より大きくは、変化しない。
【００２６】
少なくともいくつかの実施形態において、照明波長においてファイバの側面を通り抜ける総合（拡散）光強度の強度変化は、例えば、０.０２〜１００ｍ長とすることができる、目標ファイバ長に対して３０％より小さい。特定の照明波長においてファイバの側面を通る総合光強度はクラッド層またはコーティングに組み込まれている蛍光材料によって変わり得ることに注意されたい。蛍光材料により散乱する光の波長はファイバ内を伝搬する光の波長と異なる。
【００２７】
以下の実施形態例のいくつかにおいて、発明者等はファイバのコア領域に、またはコアの極めて近くに、配されたナノ構造ファイバ領域（ナノサイズ構造を含む領域）をもつファイバ構造を説明する。ファイバ実施形態のいくつかは、５０ｄＢ/ｋｍをこえる（例えば、１００ｄＢ/ｋｍより大きい、２００ｄＢ/ｋｍより大きい、５００ｄＢ/ｋｍより大きい、１０００ｄＢ/ｋｍより大きい、３０００ｄＢ/ｋｍより大きい、５０００ｄＢ/ｋｍより大きい）散乱損失を有し、散乱損失（したがって照明、すなわちこれらのファイバによって放射される光）は角度空間において一様である。
【００２８】
ファイバにおける曲点としての輝点を低減するためまたは排除するためには、曲げ直径が５０ｍｍより小さい場合のファイバの９０°曲げにおける減衰の増大が５ｄＢ/ターンより小さい（例えば、３ｄＢ/ターンより小さい、２ｄＢ/ターンより小さい、１ｄＢ/ターンより小さい）ことが望ましい。実施形態例において、このような低曲げ損失は、例えば、２０ｍｍより小さい、１０ｍｍより小さい、さらには５ｍｍより小さい、さらに小さい曲げ直径においても達成される。総減衰増は５ｍｍの曲げ半径において９０°ターン当たり１ｄＢより小さいことが好ましい。
【００２９】
いくつかの実施形態によれば、曲げ損失は直ファイバのコアからの真性散乱損失以下であることが好ましい。真性散乱は主にナノサイズ構造からの散乱による。したがって、光ファイバの少なくとも曲げ不感実施形態によれば、そのファイバに対して曲げ損失は真性散乱をこえない。しかし、散乱レベルは曲げ直径の関数であるから、ファイバの曲げ配置はその散乱レベルに依存する。例えば、実施形態のいくつかにおいて、ファイバは３ｄＢ/ターンより小さい、好ましくは２ｄＢ/ターンより小さい、曲げ損失を有し、ファイバは輝点を形成せずに５ｍｍもの小さい半径の孤に曲げることができる。
【００３０】
図１は、中心軸（中心線）１６を有する光拡散性光ファイバ（以降「ファイバ」）１２のコア内に複数の空孔を含む、光拡散性ファイバの一実施形態例の一区画の簡略な側面図である。図２は、図１の方向II−IIに沿って見たときの、光拡散性光ファイバ１２の簡略な断面図である。光拡散性ファイバ１２は、例えば、周期的または非周期的なナノサイズ構造３２（例えば空孔）を有するナノサイズ構造ファイバ領域を含む、様々なタイプの光ファイバのいずれか１つとすることができる。一実施形態例において、ファイバ１２は３つの区画または領域に分けられたコア２０を有する。これらのコア領域は、中実中央部２２、ナノ構造リング部（内環コア領域）２６及び内環コア領域２６を囲む、外環中実部２８である。クラッド領域（クラッド層）４０が環状コア２６を囲み、外表面を有する。クラッド層４０は、大きな開口数（ＮＡ）を与えるため、低い屈折率を有し得る。クラッド層４０は、例えば、ＵＶ硬化性または熱硬化性のフルオロアクリレートまたはシリコーンなどの低屈折率ポリマーとすることができる。
【００３１】
随意のコーティング４４がクラッド層４０を囲む。コーティング４４は、低弾性率の一次コーティング層及び高弾性率の二次コーティング層を含むことができる。少なくともいくつかの実施形態において、コーティング層４４はアクリレートベースまたはシリコーンベースのポリマーなどのポリマーコーティングを含む。少なくともいくつかの実施形態において、コーティングはファイバの長さに沿って一定の直径を有する。
【００３２】
以下に説明される別の実施形態例において、コーティング４４はコア２０からクラッド層４０を通過する「放射光」の分布及び／または性質を強化するように構成される。クラッド層４０の外表面または随意のコーティング４４の外表面は、本明細書に説明されるように、ファイバ内を進行している光が散乱によりそれを通して外に出される、ファイバ１２の「側面」４８を表す。
【００３３】
必要に応じて保護カバーまたは外被（図示せず）でクラッド層４０を覆うことができる。ファイバ１２はフッ素化クラッド層４０を有することができるが、漏洩損失が照明特性を低下させない短尺用途にファイバが用いられることになっていれば、フッ素化クラッド層は必要ではない。
【００３４】
いくつかの実施形態例において、光拡散性ファイバ１２のコア領域２６は図２の拡大挿入図に詳細に示される空孔の例のような複数の非周期的に配されたナノサイズ構造（例えば空孔）３２がその中に配されている母材ガラス（ガラス）３１を含む。別の実施形態例において、空孔３２は、フォトニック結晶光ファイバのように、周期的に配することができ、空孔は一般に約１×１０−６ｍと１×１０−５ｍの間の直径を有する。空孔３２は非周期的にまたは無秩序に配することもできる。いくつかの実施形態例において、領域２６のガラス３１はフッ素ドープシリカであるが、別の実施形態においてガラスはアンドープ純シリカである。空孔の直径は少なくとも１０ｎｍであることが好ましい。
【００３５】
ナノサイズ構造３２は光を散乱させてコア２０からファイバの外表面に向ける。散乱光は次いで、所望の照明を与えるため、ファイバ１２の外表面を通して「拡散」される。すなわち、光のほとんどは、ファイバ長に沿い、ファイバ１２の側面を通して（散乱により）拡散される。好ましくは、ファイバはその長さにかけて実質的に一様な光を放射し、ファイバは放射光の波長（照明波長）において５０ｄＢ/ｋｍより大きい散乱誘起減衰を有する。この波長に対する散乱誘起減衰は１００ｄＢ/ｋｍより大きいことが好ましい。いくつかの実施形態において、この波長に対する散乱誘起減衰は５００ｄＢ/ｋｍより大きく、いくつかの実施形態においては、１０００ｄＢ/ｋｍより大きく、２０００ｄＢ/ｋｍより大きく、あるいは５０００ｄＢ/ｋｍより大きい。これらの高散乱損失は標準の単一モードファイバ及び多モードファイバにおけるレイリー散乱損失よりも約２.５倍から２５０倍高い。
【００３６】
コア領域２２及び２８のガラスは、Ｇｅ、Ａｌ及び／またはＰなどの、上げドーパントを含むことができる。「非周期的に配される」または「非周期的分布」は、光ファイバの断面を（図２に示されるように）とると、空孔３２がファイバのある領域にわたって無秩序にまたは非周期的に分布していることを意味する。ファイバの長さに沿う異なる点でとられた同様の断面は異なる断面空孔パターンを見せるであろう。すなわち、様々な断面は、空孔の分布及び空孔のサイズが一致しない、異なる空孔パターンを有するであろう。すなわち、空孔は非周期的である。すなわち、空孔はファイバ構造内で周期的には配されていない。これらの空孔は光ファイバの長さに沿って（すなわち、軸線に平行に）引き伸ばされる（細長くされる）が、一般的な伝送ファイバ長に対し、ファイバ全体の全長にわたることはない。理論にはこだわらずに、空孔のファイバの長さに沿う伸びは１０ｍより短く、多くの場合は１ｍより短いと考えられる。
【００３７】
本明細書で以下に論じられる照明システムに用いられるような光拡散性ファイバ１２は、かなりの量のガスが固結ガラスブランクに閉じ込められ、よって固結ガラス光ファイバプリフォームに空孔が形成されることになる、プリフォーム固結条件を用いる方法によって作製することができる。これらの空孔を除去する工程をとるのではなく、得られたプリフォームはその中に空孔、すなわちナノサイズ構造、を含む光ファイバを形成するために用いられる。得られたファイバのナノサイズ構造または空孔は、ファイバ長に沿い、ファイバの側面を通して光をファイバから外部に散乱または誘導するために用いられる。すなわち、光は、所望の照明を与えるため、コア２０からファイバの外表面を通して外部に誘導される。
【００３８】
本明細書に用いられるように、空孔のようなナノサイズ構造の直径は、ファイバの軸線を横切る直交断面で光ファイバを見たときに端点がナノサイズ構造の境界にある、ナノサイズ構造内に収まる最長線分である。ナノサイズ空孔を含む光ファイバを作製する方法は、例えば、米国特許出願第１１／５８３０９８号（米国特許出願公開第２００７／０１０４４３７Ａ１号）の明細書に説明されている。上記明細書は本明細書に参照として含められる。
【００３９】
上述したように、ファイバ１２のいくつかの実施形態において、コア区画２２及び２８はゲルマニウムがドープされたシリカ、すなわち酸化ゲルマニウムドープシリカを含む。所望の屈折率及び密度を得るため、光ファイバのコア内、特に中心線１６にまたはその近傍に、ゲルマニウム以外のドーパントを単独でまたは組み合わせて用いることができる。少なくともいくつかの実施形態において、本明細書に開示される光ファイバの相対屈折率プロファイルは区画２２及び２８において非負である。これらのドーパントは、例えば、Ａｌ、Ｔｉ、Ｐ、Ｇｅまたはこれらの組合せとすることができる。少なくともいくつかの実施形態において、光ファイバはコアに屈折率下げドーパントを含んでいない。いくつかの実施形態において、本明細書に開示される光ファイバの相対屈折率プロファイルは区画２２、２６及び２８において非負である。
【００４０】
本明細書に用いられるようなファイバ１２のいくつかの例において、コア２０は純シリカを含む。一実施形態において、ファイバの好ましい属性は生体材料が感応する所望のスペクトル範囲において（光を拡散するために）ファイバから光を散乱させて放出できる能力である。別の実施形態において、散乱光は装飾アクセント及び白色光用途に用いることができる。散乱による損失の量は、ファイバのガラスの特性、ナノ構造領域２６の幅並びにナノサイズ構造の寸法及び密度を変えることで大きくすることができる。
【００４１】
本明細書に用いられるようなファイバ１２のいくつかの例において、コア２０は分布屈折率コアであり、コアの屈折率プロファイルが放物型の（または実質的に放物型の）形状を有することが好ましく、例えば、一実施形態において、コア２０の屈折率プロファイルはα値が、８５０ｎｍで測定して、約２の、好ましくは１.８と２.３の間の、α形状を有する。別の実施形態において、屈折率プロファイルの１つ以上のセグメントはα値が、８５０ｎｍで測定して、８より大きく、さらに好ましくは１０より大きく、さらに一層好ましくは２０より大きい、実質的にステップ屈折率型の形状を有する。いくつかの実施形態において、コアの屈折率は中心線ディップを有することができ、コアの最大屈折率及び光ファイバ全体の最大屈折率は中心線１６から少し離れたところにあるが、別の実施形態において、コアの屈折率は中心線ディップを有さず、コアの最大屈折率及び光ファイバ全体の最大屈折率は中心線にある。
【００４２】
一実施形態例において、ファイバ１２はシリカベースコア２０及び（シリカに対する）陥没屈折率ポリマークラッド層４０を有する。低屈折率ポリマークラッド層４０は、好ましくは負の、さらに好ましくは−０.５％より低く、さらに好ましくは−１％より低い、相対屈折率を有する。いくつかの実施形態例において、クラッド層４０は２０μｍ以上の厚さを有する。いくつかの実施形態例において、クラッド層４０はコアより低い屈折率及び１０μｍ以上（例えば２０μｍ以上）の厚さを有する。いくつかの実施形態例において、クラッド層はＲＭＡＸの２倍、例えば約１２５μｍ（例えば、１２０μｍ〜１３０μｍまたは１２３μｍ〜１２８μｍ）、の外径を有する。別の実施形態において、クラッド層は１２０μｍより小さい、例えば６０μｍまたは８０μｍの、直径を有する。別の実施形態において、クラッド層の外径は２００μｍより大きく、３００μｍより大きく、または５００μｍより大きい。いくつかの実施形態において、クラッド層の外径はファイバ１２の長さに沿って一定の直径を有する。いくつかの実施形態において、ファイバ１２の屈折率は放射相称である。コア２０の外径２Ｒ３はファイバの長さに沿って一定であることが好ましい。コア区画２２、２６、２８の外径もファイバの長さに沿って一定であることが好ましい。一定であるとは、平均値に対する直径の変動が１０％より小さく、好ましくは５％より小さく、さらに好ましくは２％より小さいことを意味する。図３Ａは、図２に示される一例のファイバ１２に対する相対屈折率Δ対ファイバ半径の例のプロット（実線）である。コア２０は、例えば１.８と２.３の間（例えば１.８〜２.１）のα値を有するα−プロファイルをもつ、分布屈折率コアプロファイルを有することもできる。
【００４３】
図３Ａは、図２に示される一例のファイバ１２に対する相対屈折率Δ対ファイバ半径の例のプロット（実線）である。コア２０は、例えば１.７と２.３の間（例えば１.８〜２.３）のα値を特徴とする、α−プロファイルをもつ、分布屈折率コアプロファイルを有することもできる。別の例の屈折率プロファイルが破線で示される。コア領域２２は中心線からその外径Ｒ１まで半径方向に外側に広がり、最大屈折率ｎ１（及び相対屈折率％Δ１ＭＡＸ）に対応する相対屈折率プロファイルΔ１(ｒ)を有する。この実施形態において、基準屈折率ｎＲＥＦはクラッド層における屈折率である。第２のコア領域（ナノ構造領域）２６は最小屈折率ｎ２、相対屈折率プロファイルΔ２(ｒ)、最大相対屈折率Δ２ＭＡＸ及び最小相対屈折率Δ２ＭＩＮを有し、いくつかの実施形態においてΔ２ＭＡＸ＝Δ２ＭＩＮである。第３のコア領域２８は最大屈折率ｎ３及び最大相対屈折率がΔ３ＭＡＸで最小相対屈折率がΔ３ＭＩＮの相対屈折率プロファイルΔ３(ｒ)を有し、いくつかの実施形態においてΔ３ＭＡＸ＝Δ３ＭＩＮである。この実施形態において、環状クラッド層４０は屈折率ｎ４及び最大相対屈折率がΔ４ＭＡＸで最小相対屈折率がΔ４ＭＩＮの相対屈折率プロファイルΔ４(ｒ)を有する。いくつかの実施形態においてΔ４ＭＡＸ＝Δ４ＭＩＮである。いくつかの実施形態においてΔ１ＭＡＸ＞Δ４ＭＡＸ及びΔ３ＭＡＸ＞Δ４ＭＡＸである。いくつかの実施形態においてΔ２ＭＩＮ＞Δ４ＭＡＸである。図２及び３Ａに示される実施形態において、Δ１ＭＡＸ＞Δ３ＭＡＸ＞Δ２ＭＡＸ＞Δ４ＭＡＸである。この実施形態において、それぞれの領域の屈折率は以下のｎ１＞ｎ３＞ｎ２＞ｎ４の関係を有する。
【００４４】
いくつかの実施形態において、コア領域２２、２８は、Δ１(ｒ)及びΔ３(ｒ)が一定の図３Ａに示されるように、実質的に一定の屈折率プロファイルを有する。これらの実施形態のいくつかにおいて、Δ２(ｒ)はやや正（０＜Δ２(ｒ)＜０.１％）であるか、やや負（−０.１％＜Δ２(ｒ)＜０）であるかまたは０％である。いくつかの実施形態において、Δ２(ｒ)の絶対値は０.１％より小さく、好ましくは０.０５％より小さい。いくつかの実施形態において、外側のクラッド層領域４０は、Δ４(ｒ)が一定の図３Ａに示されるように、実質的に一定の屈折率プロファイルを有する。これらの実施形態のいくつかにおいてはΔ４(ｒ)＝０％である。コア区画２２はΔ１(ｒ)＞０％となる屈折率を有する。いくつかの実施形態において、空孔充満領域２６は、絶対値が０.０５％より小さい負の相対屈折率を有する相対屈折率プロファイルΔ２(ｒ)を有し、コア領域２８のΔ３(ｒ)は、例えば、正またはゼロである。少なくともいくつかの実施形態において、ｎ１＞ｎ２及びｎ３＞ｎ４である。
【００４５】
いくつかの実施形態において、クラッド層４０は−０.０５％＜Δ４(ｒ)＜０.０５％となる屈折率を有する。別の実施形態において、クラッド層４０とコア領域２２、２６及び２８は純（アンドープ）シリカを含む。
【００４６】
いくつかの実施形態において、クラッド層４０は純シリカまたはＦドープシリカを含む。いくつかの実施形態において、クラッド層４０は低屈折率純ポリマーを含む。いくつかの実施形態において、ナノ構造領域２６は複数の空孔３２を含む純シリカを含む。ナノ構造領域２６の、いかなる空孔の存在も考慮した、最小相対屈折率及び平均実効相対屈折率はいずれも−０.１％より小さい。空孔３２は、アルゴン、窒素、酸素、クリプトンまたはＳＯ２などの、１つ以上のガスを含むことができ、あるいは実質的にいかなるガスもない真空を含むことができる。しかし、いかなるガスの存在または不在にもかかわらず、ナノ構造領域２６の平均屈折率は空孔３２の存在によって下げられる。空孔３２はナノ構造領域３２内に無秩序にまたは非周期的に配することができ、別の実施形態において、空孔は周期的に配される。
【００４７】
いくつかの実施形態において、複数の空孔３２は複数の非周期的に配された空孔及び複数の周期的に際された空孔を含む。
【００４８】
実施形態例において、コア区画２２は酸化ゲルマニウムドープシリカを含み、外環コア領域２８は純シリカを含み、環状クラッド層領域４０はガラスまたは低屈折率ポリマーを含む。これらの実施形態のいくつかにおいてナノ構造領域２６は純シリカ内に複数の空孔３２を含み、これらの実施形態のまた別のいくつかにおいてナノ構造領域２６はフッ素ドープシリカ内に複数の空孔３２を含む。
【００４９】
いくつかの実施形態において、コアの外半径Ｒｃは、１０μｍより大きく、６００μｍより小さい。いくつかの実施形態において、コアの外半径ＲＣは３０μｍより大きく、及び／または４００μｍより小さい。例えば、ＲＣは１２５μｍから３００μｍとすることができる。別の実施形態において、コア２０の外半径ＲＣ（図３Ａに示される実施形態においてはＲＣ＝Ｒ３であることに注意されたい）は５０μｍより大きく２５０μｍより小さい。コア２０の中心部２２は０.１ＲＣ≦Ｒ１≦０.９ＲＣ、好ましくは０.５ＲＣ≦Ｒ１≦０.９ＲＣの範囲にある半径を有する。ナノ構造環領域２６の幅Ｗ２は、好ましくは０.０５ＲＣ≦Ｗ２≦０.９ＲＣ、さらに好ましくは０.１ＲＣ≦Ｗ２≦０.９ＲＣであり、いくつかの実施形態においては０.５ＲＣ≦Ｗ２≦０.９ＲＣである（ナノ構造領域な幅が広くなるほど、同じナノサイズ構造密度に対して、散乱誘起損失は高くなる）。中実ガラスコア領域２８は、０.１ＲＣ＜Ｗ３＜０.９ＲＣであるような、幅ＷＳ＝Ｗ３を有する。コア２０のそれぞれの区画はシリカベースガラスを含む。ナノ構造領域２６の径方向幅Ｗ２は１μｍより大きいことが好ましい。例えば、Ｗ２は５μｍから３００μｍ、好ましくは２００μｍ以下とすることができる。いくつかの実施形態において、Ｗ２は２μｍより大きく１００μｍより小さい。別の実施形態において、Ｗ２は２μｍより大きく５０μｍより小さい。別の実施形態において、Ｗ２は２μｍより大きく２０μｍより小さい。いくつかの実施形態において、Ｗ２は少なくとも７μｍである。別の実施形態において、Ｗ２は２μｍより大きく１２μｍより小さい。コア領域２８の幅Ｗ３は(Ｒ３−Ｒ２)であり、その中点Ｒ３ＭＩＤは(Ｒ３＋Ｒ２)/２である。いくつかの実施形態において、Ｗ３は１μｍより大きく１００μｍより小さい。
【００５０】
ファイバ１２の開口数（ＮＡ）は光をファイバに向けている光源のＮＡ以上であることが好ましい。ファイバ１２の開口数（ＮＡ）は０.２より大きいことが好ましく、いくつかの実施形態においては０.３より大きく、０.４より大きいことがさらに一層好ましい。
【００５１】
いくつかの実施形態において、第１のコア領域２２のコア外半径Ｒ１は、２４μｍより小さくはなく、５０μｍより大きくはない、すなわち、コア直径は約４８μｍと１００μｍの間であることが好ましい。別の実施形態においてはＲ１＞２４μｍであり、さらに別の実施形態においてはＲ１＞３０μｍであり、また別の実施形態においてはＲ１＞４０μｍである。
【００５２】
いくつかの実施形態において、内環領域２６の径方向幅の５０％より多くに対して|Δ２(ｒ)|＜０.０２５％であり、別の実施形態においては領域２６の径方向幅の５０％より多くに対して|Δ２(ｒ)|＜０.０１％である。陥没屈折率環状領域２６はクラッド層の相対屈折率が初めに−０.０５％より小さい値に達する点から始まり、中心線から径方向に外向きに広がる。いくつかの実施形態において、クラッド層４０は最大絶対値が０.１％より小さい相対屈折率プロファイルΔ４(ｒ)を有し、この実施形態においてはΔ４ＭＡＸ＜０.０５％及びΔ４ＭＩＮ＞−０.０５％であって、陥没屈折率環状領域２６は最外空孔が見られる点において終わる。
【００５３】
クラッド層構造４０は、光ファイバの最外周でもある、半径Ｒ４まで広がる。いくつかの実施形態において、クラッド層の幅(Ｒ４−Ｒ３)は２０μｍより大きく、別の実施形態において(Ｒ４−Ｒ３)は少なくとも５０μｍであり、いくつかの実施形態において(Ｒ４−Ｒ３)は少なくとも７０μｍである。
【００５４】
別の実施形態においては、コア２０の全体がナノ構造化され（例えば空孔で満たされ）、コア２０はクラッド層４０で囲まれる。コア２０は「ステップ」型屈折率Δを有することができ、あるいは、α値が例えば１.８と２.３の間のα−プロファイルをもつ、分布屈折率コアプロファイルを有することができる。
【００５５】
図３Ｃ、４Ａ及び６〜８に示される例のための光学プリフォーム及びファイバは以下のようにして作製した。この実施形態例では、４７０ｇのＳｉＯ２スート（密度：０.５ｇ/ｃｍ３）を完全に固結させた１ｍ長で２０ｍｍ径の純シリカ無孔コアケーン上に外付け（ＯＶＤ）法によって堆積させて、スートシリカ領域で囲まれた固結無孔シリカコア領域を含む（時に、プリフォームまたは光学プリフォームと称される）プリフォームアセンブリを得た。このプリフォームアセンブリのスートクラッド層を次いで以下のようにして焼結した。プリフォームアセンブリを、初め、炉の上部ゾーンでヘリウムと３％塩素（ガスの％は全て体積％である）を含む雰囲気において１１００℃で２時間乾燥させ、続いて、１００体積％のＳＯ２焼結雰囲気にあるほぼ１５００℃に設定された高温ゾーンを通して２００ｍｍ/分で降下させた（これは降下過程中のスートプリフォームの外面に対してほぼ１００℃/分の温度上昇に相当する）。次いでプリフォームアセンブリを、高温ゾーンを通して１００ｍｍ/分でまた（すなわち、再度）降下させた（これは降下過程中のスートプリフォームの外面に対してほぼ５０℃/分の温度上昇に相当する）。次いでプリフォームアセンブリを、高温ゾーンを通して５０ｍｍ/分でまた（すなわち、三度）降下させた（これは降下過程中のスートプリフォームの外面に対してほぼ２５℃/分の温度上昇に相当する）。次いでプリフォームアセンブリを、高温ゾーンを通して２５ｍｍ/分でまた（すなわち、四度）降下させ（これは降下過程中のスートプリフォームの外面に対してほぼ１２.５℃/分の温度上昇に相当する）、次いでスートを焼結してＳＯ２植付けシリカオーバークラッドプリフォームにするため、最後に６ｍｍ/分（ほぼ３℃/分の温度上昇率）で焼結した。それぞれの降下工程後、プリフォームアセンブリを（１１００℃に設定されたままの）炉の上部ゾーンに２００ｍｍ/分で上昇させた。第１シリーズの高速降下速度は光ファイバプリフォームの外面をグレージングするために用いられ、これはプリフォームへのガスの閉じ込めを容易にする。次いで、プリフォーム内に残るいかなるヘリウムも脱気するため、プリフォームを１１００℃に設定したアルゴンパージ保持オーブン内に２４時間おいた。次いで、このプリフォームをほぼ１７００℃に設定した通常の黒鉛線引き炉においてアルゴン雰囲気内で再線引きして、直径が１０ｍｍで長さが１ｍの無孔ＳｉＯ２コア／ＳＯ２植付け（すなわち、非周期的に配された、ＳＯ２ガスが入っている空孔を含む）シリカオーバークラッドケーンにした。
【００５６】
１０ｍｍケーンの内の１本を旋盤にもどして取り付け、ＯＶＤ法によって約１９０ｇのＳｉＯ２スート（密度：０.５２ｇ/ｃｍ３）をさらに堆積させた。次いでこのアセンブリのための、（オーバークラッド層と呼ばれることがある）このクラッド層のスートを以下のようにして焼結した。このアセンブリを初めにヘリウム及び３％塩素を含む雰囲気において１１００℃で２時間乾燥させ、続いて、このスートを焼結して酸化ゲルマニウム含有無孔シリカコア／ＳＯ２植付けシリカリング（すなわち、ＳＯ２を入れている空孔を含むシリカ）／無孔オーバークラッドプリフォームにするため、１００（体積）％ヘリウム雰囲気において１５００℃に設定した高温ゾーンを通して５ｍｍ/分で降下させた。プリフォームからいかなる残留ヘリウムも脱気するため、プリフォームを１０００℃に設定したアルゴンパージ保持オーブン内に２４時間おいた。光ファイバプリフォームを黒鉛抵抗加熱炉においてほぼ１９００℃〜２０００℃のヘリウム雰囲気内で線引きして、１２５μｍ径／３ｋｍ長の光ファイバにした。光学プリフォームの温度は光ファイバの張力をモニタして制御することで制御した。この実施形態において、ファイバ張力は、ファイバ線引き作業（例えば３ｋｍ長の線引き）のそれぞれの部分の間、３０ｇと６００ｇの間の１つの値に保持した。線引きプロセス中にファイバを低屈折率シリコーンベースコーティングで被覆した。
【００５７】
上述した１０ｍｍ無孔シリカコア／ＳＯ２植付けシリカオーバークラッドケーンの別の１本（すなわち、第２のケーン）を用いて、図４Ｂに示される例のための光学プリフォーム及び光ファイバを作製した。さらに詳しくは、第２の１０ｍｍ無孔シリカコア／ＳＯ２植付けシリカ／オーバークラッドケーンを旋盤にもどして取り付け、ＯＶＤ法によって約３７５０ｇのＳｉＯ２スート（密度：０.６７ｇ/ｃｍ３）をさらに堆積させた。次いで（このアセンブリのためのオーバークラッド層と呼ばれることがある）このクラッド層のスートを以下のようにして焼結した。アセンブリを初めにヘリウム及び３％塩素を含む雰囲気において１１００℃で２時間乾燥させ、続いて、このスートを焼結して酸化ゲルマニウム含有無孔シリカコア／ＳＯ２植付けシリカリング（すなわち、ＳＯ２を入れている空孔を含むシリカ）／無孔オーバークラッドを備えたプリフォームを生成するため、１００（体積）％ヘリウム雰囲気において１５００℃に設定した高温ゾーンを通して５ｍｍ/分で降下させた。得られた光ファイバプリフォームを、プリフォームからいかなる残留ヘリウムも脱気するため、１０００℃に設定したアルゴンパージ保持オーブン内に２４時間おいた。最後に、上述したように、光ファイバプリフォームを線引きして１２５μｍ径／５ｋｍ長の光ファイバにし、低屈折率ポリマーで被覆した。
【００５８】
図３Ｂは光拡散性ファイバ１２のまた別の実施形態例を簡略に示す。図３Ｂのファイバは、相対屈折率Δ１を有するコア２０及び、コア２０を覆って配されてコア２０を囲む、ナノ構造領域２６’を有する。コア２０は「ステップ」型屈折率プロファイルまたは、α値が例えば１.８と２.３の間のα−プロファイルを有する、分布屈折率コアプロファイルを有することができる。
【００５９】
この実施形態例（図３Ｂ参照）において、ナノ構造領域２６’は複数の空孔３２を含む環状リングである。この実施形態において、領域２６’の幅は１〜２μｍほどに小さくすることができ、領域２６’は負の平均相対屈折率Δ２を有することができる。クラッド層４０がナノ構造領域２６’を囲む。クラッド層４０の（径方向）幅は１μｍほどに小さくすることができ、クラッド層は（純シリカに対して）負、正または０％の相対屈折率を有することができる。図３Ａと３Ｂの例の間の主要な違いは、図３Ａに示されるナノ構造領域が光拡散性ファイバ１２のコア２０内に配されており、図３Ｂではナノ構造領域がコア／クラッド層界面に配されていることである。陥没屈折率環状領域２６’は、コア２０の相対屈折率が初めに−０.０５％より小さい値に達する点に始まり、中心線から径方向に外向きに広がる。図３Ｂの実施形態において、クラッド層４０は０.１％より小さい最大絶対値を有する相対屈折率プロファイルΔ３(ｒ)を有し、この実施形態においては、Δ３ＭＡＸ＜０.０５％及びΔ３ＭＩＮ＞−０.０５％であり、陥没屈折率環状領域２６’は空孔充満領域において最外空孔が表れる点に終わる。
【００６０】
図３Ｂに示される実施形態において、コア２０の屈折率ｎ１は環状領域２６’の屈折率ｎ２より大きく、クラッド層４０の屈折率ｎ３も屈折率ｎ２より大きい。
【００６１】
図３Ｃは作製された光ファイバ１２の一実施形態のコア２０を示す。このファイバは、外半径Ｒ１が約３３.４μｍの第１コア領域２２、外半径Ｒ２＝４２.８μｍのナノ構造領域、外半径Ｒ３＝６２.５μｍの第３コア領域２８及び外半径Ｒ４が８２.５μｍのポリマークラッド層（図示せず）を有する。この実施形態において、コアの材料は純シリカ（アンドープシリカ）であり、クラッド層のための材料は低屈折率ポリマー（例えば、米国ミシガン州ミッドランド(Midland)のダウコーニング(Dow-Corning)社からＱ３−６６９６の商品名で入手できる、屈折率が１.４１３のＵＶ硬化性シリコーン）であって、これはガラスコアとともに０.３のファイバＮＡをもたらす。光ファイバ１２は、例えばＳＭＦ−２８ｅ（登録商標）などの、標準の単一モード伝送ファイバに比較して、比較的フラットな（弱い）波長依存性を有していた（図４Ｂ）。（ＳＭＦ−２８（登録商標）などの）標準の単一モード光ファイバまたは多モード光ファイバにおいて、１３００ｎｍより短い波長における損失はレイリー散乱に支配される。これらのレイリー散乱損失は材料の特性によって決定され、一般に可視波長（４００〜７００ｎｍ）に対して約２０ｄＢ/ｋｍである。レイリー散乱損失の波長依存性はλ−ｐに比例し、ｐ〜４である。少なくとも１つのナノ構造領域を有するファイバにおける波長依存性の指数は４００ｎｍ〜１１００ｎｍの波長範囲の少なくとも８０％（例えば９０％より広い範囲）にわたって、２より小さく、好ましくは１より小さい。４００ｎｍ〜１１００ｎｍでの平均スペクトル減衰は、ファイバが４０ｇの張力で線引きされた場合は約０.４ｄＢ/ｍであり、ファイバ１２が９０ｇの張力で線引きされた場合は約０.１ｄＢ/ｍであった。この実施形態において、ナノサイズ構造にはＳＯ２ガスが入っている。出願人等は、ナノ構造リング内のＳＯ２充填空孔が散乱に大きく寄与することを見いだした。さらに、ナノ構造の形成にＳＯ２ガスを用いた場合、このガスにより熱可逆性損失が得られる、すなわち、６００℃より低温ではナノ構造ファイバは光を散乱するが、６００℃より高温では同じファイバが光を誘導するであろう、ことを可能にすることが分かった。ＳＯ２が与えるこの独特な挙動は、同じファイバを６００℃より低温に冷却すると、ファイバ１２が光拡散性ファイバとしてはたらき、観測可能な散乱効果を再び生じるであろうという点においても可逆的である。
【００６２】
好ましい実施形態において、ファイバ長に沿う照明の一様性は、線引きプロセス中にファイバ張力を制御することによるかまたは（例えば、３０ｇと１００ｇの間、または４０ｇと９０ｇの間の）適切な線引き張力を選ぶことによって、最小散乱照明強度が最大散乱照明強度の０.７より小さくならないように制御される。
【００６３】
したがって、いくつかの実施形態によれば、最小散乱照明強度が最大散乱照明強度の０.７より小さくならないようにファイバ長に沿う照明の一様性を制御するための光拡散性ファイバの作製方法は、線引きプロセス中にファイバ張力を制御する工程を含む。
【００６４】
光拡散性ファイバ１２内のナノサイズ構造の存在によって光散乱による損失が生じ、ファイバの外表面を通る散乱光は照明目的のために用いることができる。図４Ａは図３Ｃのファイバ（ＳＯ２ガス充填空孔を含むファイバ）についての減衰（損失）（ｄＢ/ｍ）対波長（ｎｍ）のグラフである。図４Ａは、（ｉ）光拡散性ファイバ１２が可視波長範囲において非常に大きな散乱損失を達成できる（したがって高照明強度を提供できる）ことを示す。光ファイバ１２の散乱損失は、可視波長範囲において約０.０２ｄＢ/ｍであり、５００ｎｍの波長において約２０ｄＢ/ｍであって、１/λ４の比較的強い波長依存性をもつ、レイリー散乱損失を有する正規の１２５μｍ分布屈折率コア多モード比較ファイバＡ（ファイバＡはナノ構造領域をもたないステップ屈折率多モードファイバである）に比較して、波長依存性も弱い（ＬＳは１/λｐに比例し、ｐは２より小さく、好ましくは１より小さく、一層好ましくは０.５より小さい）。ファイバ１２に対する張力の効果も図４Ａ〜４Ｂに示される。さらに詳しくは、図４Ａ〜４Ｂは、ファイバ線引き張力が高くなると散乱損失が低くなり、ファイバ線引き張力が低くなると散乱損失が高くなる、すなわち照明が強くなる、ファイバ区画が得られることを示す。図４Ａは９０ｇと４００ｇの異なるファイバ張力において線引きされた（コアに空孔を含む）光拡散ファイバ１２についての減衰を波長の関数として示す。図４Ｂは、９０ｇと４００ｇの異なるファイバ張力において線引きされた、異なる（コアに空孔を含む）光拡散ファイバ１２、損失が規格化されている対照多モードファイバ（ファイバＡ）、及び１/λ損失依存性をもつ理論ファイバについての減衰を波長の関数として示す（図４のグラフは損失の波長依存性を表していることに注意されたい。この例においては、光ファイバ１２とファイバＡについての散乱の勾配を比較するため、低損失ファイバ（ファイバＡ）の損失は２０倍されており、よって２本のプロットを同じ図上で容易に比較することができる）。いかなる特定の理論にもこだわらずに、線引き張力を、例えば９０ｇから４０ｇに、低めたときの散乱損失の増大はナノ構造の平均直径の増大によると考えられる。したがって、ファイバ張力のこの効果は、線引きプロセス中にファイバ張力を変えることによりファイバの長さに沿って一定の減衰（照明強度）を生じさせるために用いることができるであろう。例えば、高張力Ｔ１で線引きされた、損失がα１ｄＢ/ｍで長さがＬ１の第１のファイバセグメントは、光パワーを入力レベルＰ０からＰ０ｅｘｐ(−α１・L１/４.３４３)まで減衰させるであろう。第１のファイバセグメントに光学的に結合された、低張力Ｔ２で線引きされた、損失がα２ｄＢ/ｍで長さがＬ２の第２のファイバセグメントは、光パワーＰ０ｅｘｐ(−α１・Ｌ１/４.３４３)をさらに、Ｐ０ｅｘｐ(−α１・Ｌ１/４.３４３)ｅｘｐ(−α２・Ｌ２/４.３４３)まで減衰させるであろう。第１及び第２のファイバセグメントの長さ及び減衰は、連結されたファイバの長さに沿って一様な強度を提供するため、調節することができる。
【００６５】
光拡散性ファイバ１２の利点の１つは、光拡散性ファイバの長さに沿って一様な照明を提供できる能力である。図５は、ファイバの長さに沿う一様な照明が得られる、１本の光拡散性ファイバ１２内の２本の光路を利用するファイバ１２の構成を示す。この構成においては、光拡散性ファイバ１２の末端にミラーＭが配置される。光源１５０から光拡散性ファイバ１２に供給された光は光拡散性ファイバ１２の軸に沿って伝搬し、残留光がミラーで反射され、ファイバ１２の軸に沿って伝搬して、入力に向かって戻る。ファイバ１２の減衰及び長さが適切に選ばれれば、光源にもどされる光出力パワーは元の光パワーの２％〜５％より少ない。散乱損失分布が一定のファイバ（図４Ａ参照）についての散乱損失強度を、ファイバの始点において高くし、ファイバの終点において弱くすることができる。しかし、散乱損失を、強度が高い、ファイバの始点において低くなり、強度が低い、ファイバの終点において高くなるように、張力を周期的に変えて（張力値は、１８００℃から２１００℃まで変わり得る、炉温に関係する）光拡散性ファイバ１２を線引きすれば、得られる散乱強度の変化をより小さくするかまたは（例えば、図６Ａに示される例Ｃのように）一定にすることができる。ファイバ線引き張力は、例えば４０ｇと４００ｇの間で制御し、変えることができ、よって広い範囲の（例えば６倍までの）散乱誘起減衰を提供することができる。図５のミラーＭは、より一様な照明を生じさせるだけでなく、ファイバによって散乱される光の品質を高めるためにも、第１の光源のパワー出力密度と同様の（１/２〜２倍の、すなわち５０％〜２００％の範囲にある）パワー出力密度をもつ第２の光源で置き換えることもできる。
【００６６】
本明細書に用いられる光拡散性光ファイバの一実施形態例の一態様は、散乱光強度の角度分布が角度空間において一様またはほぼ一様であることである。ファイバの表面から軸方向に散乱される光は、５０％より小さく、好ましくは３０％より小さく、さらに好ましくは２０％より小さく、さらに一層好ましくは１０％より小さい、平均散乱強度に対する変動を有する。ナノサイズ構造を含んでいない通常のシリカベース光ファイバにおいて支配的な散乱機構はレイリー散乱であり、これは広い角度分布を有する。ナノ構造リング内の空孔による追加の散乱損失があるファイバ１２は、図６Ａ（実施形態ａ及びｂ）及び図６Ｂ（実施形態ａ'）に示されるように、強い前方成分を有し得る。しかし、この分布は光拡散性ファイバ１２のコーティングの上に散乱性材料を配することによって補正することができる。ＴｉＯ２ベース白色インク（図６Ｂの実施形態ｂ'参照）を含むコーティングをもって作製された光拡散性ファイバは、前方偏りがかなり小さい、散乱光の角度分布を与える。厚い（例えば１〜５μｍの）ＴｉＯ２インク層を追加することで、前方散乱成分をさらに低減し、よって角度強度分布の一様性を高めることが可能である。しかし、図７に示されるように、後方反射ミラーまたは追加の光源（図５参照）に光結合されたファイバについての散乱は比較的平坦（すなわち非常に一様）である。いくつかの実施形態において、ファイバの長さに沿う、制御されたインクコーティングの変動（インクコーティングの厚さまたはコーティング内のインク濃度の変動）は、（１５°より大きい）大角度においてファイバから散乱される光の強度変動をより一様にする別の方法を提供するであろう。
【００６７】
いくつかの実施形態において、発光団インクが散乱光をより長波長の光に変換する蛍光材料になり得る。いくつかの実施形態において、そのようなコーティングをもつ光拡散性ファイバ１２をＵＶ光源、例えば４０５ｎｍまたは４４５ｎｍのダイオードレーザに結合することで、白色光をファイバ１２によって放射する（外表面から拡散させる）ことができる。実施形態例における蛍光白色光の角度分布は実質的に一様である（例えば、角度空間において、２５％〜４００％、好ましくは５０％〜２００％、さらに一層好ましくは５０％〜１５０％、あるいは７０％〜１３０％または８０％〜１２０％である）。
【００６８】
発光ダイオード（ＬＥＤ）などの低価格光源への効率的結合には、ファイバが大きなＮＡ及び大きなコア径を有することが必要である。図２に示される構造と同様の構造により、多モードコア２０の寸法を最大化することができ、多モードコア２０は５００μｍまでの半径を有し得る。クラッド層の厚さはかなり小さく、例えば約１５〜３０μｍ（例えば約２０μｍ）にすることができる。例えば、一実施形態にしたがえば、複数本の光拡散性ファイバ１２を支持構造に巻きつけることができ、それぞれの光拡散性ファイバを１つまたは複数の光源に光結合することができる。複数本の光拡散性光ファイバ１２は結束して、リボン、リボンスタックまたは丸束の内の少なくとも１つにすることができる。ファイバ束またはリボン（すなわち複数本のファイバの集合体）は、結合効率を高めるため、光源の形状に合わせて配置することもできる。一般的な束／リボン構造は、例えば２〜３６本の、拡散ファイバ１２を含むことができ、あるいは数１００本のファイバ１２を含むことができる。複数本のファイバのアセンブリであるケーブル構造は周知であり、リボン、複数のリボンの集合体、またはチューブ内に集められたファイバを含めることができるであろう。そのようなファイバは１本以上の光拡散性ファイバ１２を含むことができる。
【００６９】
サインまたはディスプレイ照明のような様々な用途に、光拡散性ファイバに結合された高輝度連続光源を利用することができる。コア径が１２５〜３００μｍのファイバ１２を照明システムが１本用いる場合には、ファイバ１２内に光を供給するために多モードレーザダイオードを光源として用い得るであろう。
【００７０】
いくつかの実施形態にしたがえば、光拡散性ファイバ１２は、光を散乱させるためにナノ構造で少なくとも部分的に充満されたコア、コアを囲むクラッド層及びクラッド層を囲む少なくとも１つのコーティングを有する。例えば、コア及びクラッド層は一次及び二次のコーティング層で、及び／またはインク層で、囲むことができる。いくつかの実施形態において、インク層はさらなる吸収を与えるため及びファイバで散乱された光のスペクトルを改変するため（例えば、拡散光に別の色を与えるため）に顔料を含む。別の実施形態において、被覆層の１つ以上はファイバコアを通って伝搬している光の波長を、ファイバ被覆から放射される光（ファイバで拡散される光）が異なる波長にあるように変換する分子を含む。いくつかの実施形態において、インク層及び／またはコーティング層はコアからの散乱光を異なる波長の光に変換するため、蛍光体を含むことができる。いくつかの実施形態において、蛍光体及び／または顔料は一次コーティング内に分散される。いくつかの実施形態において顔料は二次コーティング内に分散され、いくつかの実施形態において顔料は一次及び二次のコーティング内に分散される。いくつかの実施形態において、蛍光体及び／または顔料はポリマークラッド層内に分散される。ナノ構造はＳＯ２充填空孔であることが好ましい。
【００７１】
いくつかの実施形態にしたがえば、光ファイバ１２は、一次コーティング、一次コーティングを囲む随意の二次コーティング及び／または（例えば、クラッド層上に直接に、またはコーティングの１つの上に、配された）インク層を有する。一次コーティング及び／または二次コーティングは、顔料、蛍光体、蛍光材料、ＵＶ吸収材料、親水性材料、光改変材料またはこれらの組合せの内の少なくとも１つを含むことができる。
【００７２】
いくつかの実施形態にしたがえば、光拡散性光ファイバは、（１）ガラスコア、クラッド層及びコア内またはコア−クラッド層境界に配された複数のナノサイズ構造−光ファイバはさらに外表面を有し、（ｉ）ナノサイズ構造によって誘導光を散乱してコアから外表面を通して放出するように及び（ii）照明波長において５０ｄＢ/ｋｍより大きい散乱誘起減衰を有するように構成される、及び（２）１つ以上のコーティング、を有し、クラッド層または少なくとも１つのコーティングが蛍光体または顔料を含むようにする。いくつかの実施形態にしたがえば、これらの顔料は、ファイバの外表面によって与えられる照明（拡散光）がファイバコアを通って伝搬している光の波長とは異なる波長の照明であるように、光の波長を変えることができるであろう。ナノ構造はＳＯ２充填空孔であることが好ましい。
【００７３】
いくつかの実施形態にしたがえば、光拡散性光ファイバは、ガラスコア、クラッド層及びコア内またはコア−クラッド層境界に配された複数のナノサイズ構造を有する。光ファイバはさらに外表面を有し、（ｉ）ナノサイズ構造によって誘導光を散乱してコアから外表面を通して放出するように及び（ii）照明波長において５０ｄＢ/ｋｍより大きい散乱誘起減衰を有するように構成され、コア全体がナノサイズ構造を含む。そのようなファイバは必要に応じて少なくとも１つのコーティングを有し、クラッド層または少なくとも１つのコーティングは蛍光体または顔料を含む。いくつかの実施形態にしたがえば、ナノ構造はＳＯ２充填空孔である。
【００７４】
いくつかの実施形態にしたがえば、光拡散性光ファイバは、ガラスコア及び、コア全体がナノ構造を含むように、コア内に配された複数のナノサイズ構造を有する。光ファイバはさらに外表面を有し、（ｉ）ナノサイズ構造によって誘導光を散乱してコアから外表面を通して放出するように及び（ii）照明波長において５０ｄＢ/ｋｍより大きい散乱誘起減衰を有するように構成され、ファイバはクラッド層を有していない。いくつかの実施形態にしたがえば、ナノ構造はＳＯ２充填空孔である。ナノ構造領域内のＳＯ２充填空孔は散乱に大きく寄与する（散乱を強める）。
【００７５】
いくつかの実施形態にしたがえば、光拡散性光ファイバは、ガラスコア及び、コア全体がナノ構造を含むように、コア内に配された複数のナノサイズ構造を有する。光ファイバはさらに外表面を有し、（ｉ）ナノサイズ構造によって誘導光を散乱してコアから外表面を通して放出するように及び（ii）照明波長において５０ｄＢ/ｋｍより大きい散乱誘起減衰を有するように構成され、ファイバはクラッド層を有していない。いくつかの実施形態にしたがえば、ファイバは少なくとも１つのコーティングを有し、クラッド層または少なくとも１つのコーティングは蛍光体または顔料を含む。いくつかの実施形態にしたがえば、ナノ構造はＳＯ２充填空孔である。上述したようにナノ構造領域内のＳＯ２充填空孔は散乱に大きく寄与する（散乱を強める）。
【００７６】
光拡散性光ファイバは布地に、それだけで、あるいは、ジャコウウシの毛、ヤクの毛、ウサギの毛、（ラムウール、カシミアウール、モヘアウール、アルパカウール、ビキューナウール、グアナコ、リャマウール及びアンゴラウールを含む）ウール、ラクダの毛、シルク、足糸、チェンゴロ(chiengoro)、マニラ麻、ココア椰子、綿、亜麻、ジュート、カポック、ケナフ、ラフィア椰子、竹、大麻、モダール、ピーニャ、カラムシ及びサイザル麻などの天然繊維、レーヨン（ビスコース）、アセテート、テンセル、ポリエステル、アラミド、アクリル、イネゴ(inego)、ルミネックス(luminex)、ルレックス、リヨセル、ナイロン、スパンデックス（ライクラ）、オレフィン及びポリラクチドなどの合成繊維、及び／または、ガラスまたは金属（例えば、金または銀）などの鉱物系繊維を含む、通常の紡織繊維と組み合わせて、用いることができる。
【００７７】
織布において、光拡散性光ファイバは縦糸または横糸に、あるいは縦糸及び横糸のいずれにも、なることができる。光拡散性光ファイバは、織布、編布、鉤針編布またはその他の布地に用いることができる撚り糸をつくるために、合わせて束にしてねじることができる。
【００７８】
不織布において、光拡散性光ファイバは、交絡及び／または、化学的または熱的に誘起された接合によって保持し合わされた繊維ウエブ構造内に埋め込むことができる。例えば、光拡散性光ファイバは、水流交絡プロセスまたはニードルパンチングプロセス中に、あるいは接合工程中に、不織材料内に埋め込むことができる。光拡散性ファイバは無秩序にあるいはあらかじめ定められたパターンで埋め込むことができる。
【００７９】
開示される発光性布地の作製には従来の紡織装置及び紡織プロセスを用いることができる。
【００８０】
布地または布地内のそれぞれの光拡散性光ファイバはその一端または両端を１つの光源または複数の異なる光源に結合することができる。光拡散性光ファイバに施された１つ以上の発光団コーティング内の異なる発光団の発光を刺激する、異なる波長において光を放射する異なる光源は、光源への電力を制御することで選択的に表示することができる、多数の着色光パターンを形成するために用いることができる。
【００８１】
個々の光拡散性ファイバに１つ以上のコーティングを、これらのファイバを布地に組み込む前に、施すことができる。さらにまたはあるいは、布地がファイバからつくられた後に、布地に１つ以上のコーティングを、それぞれ所望のパターンで、施すことができる。布地に組み込まれる前のファイバに、またはファイバからつくられた後の布地に、施される様々なコーティングは、様々な色、パターン及び視覚効果を与えるため、１つ以上の発光団（例えば、発蛍光団または蛍光体）、１つ以上の顔料及び／または１つ以上の染料を含むことができる。パターンは、従来のスクリーン印刷法、ステンシル、インクジェットプリンタ、等を用いて布地に施すことができる。顔料は光を拡散するために選ばれ得る。例えば、ファイバから光を拡散するための基層として白色インクを用いる（布地に組み込まれる前のファイバに施すかまたは完成した布地に施す）ことができ、次いで発光団コーティングを白色インクコーティング層またはその一部にかけて施すことができる。
【００８２】
図８は、言葉がスクリーン印刷され、それぞれの語が異なる発色団を含むコーティングを用いて印刷されている、布地１００を示す。布地は、それぞれがレーザ光源１０４に結合された、複数本の平行光拡散性ファイバ１０２を有する。例えば、第１の語‘ＬＩＧＨＴ’を（例えば赤色発光するため）ある第１の波長で発光する第１の発光団を含む発光団コーティングで印刷することができ、他の語に対する発色団を（例えば緑色発光及び青色発光するため）第２及び第３の波長で発光するように選ぶことができる。
【００８３】
図９は、（図８に示されるファイバと同様の）光拡散性光ファイバからなる布地２０４上に蝶パターン２０２が印刷されている、サインまたはディスプレイ２００を示す。布地２０４は基層２０６と上層２０８の間にラミネートされている。層２０６及び２０８は、層２０６及び２０８の少なくとも一方が、あるいはいずれもが、可視光に（少なくとも、表示されるパターン２０２を構成する波長において）透明であれば、様々な材料（例えば、プラスチック、ガラス、金属、木）のいずれからもなることができる。あるいは、図１０に示されるように、印刷パターン２０２を有する布地２０４を、上層を含まずに、透明であってもなくても差し支えない基層２０６にラミネートすることができる。
【００８４】
図１１は、（例えば緑色発光するように）第１の光源３０２によって刺激されると第１の波長で発光する第１の発光団を用いて語句‘Ｆｒｅｅ Ｐｉｚｚａ’がその上にスクリーン印刷されている布地３００を示す。語句‘Ｆｒｅｅ Ｐｉｚｚａ’の下側に、（例えば赤色発光するように）第２の光源３０４によって刺激されると第２の波長で発光する第２の発光団を用いて語‘Ｔｏｎｉｇｈｔ’が印刷されている。光源３０２と３０４への電力を切り換えるかまたは制御することによって、語句‘Ｆｒｅｅ Ｐｉｚｚａ’と語‘Ｔｏｎｉｇｈｔ’を異なる回数照明することが可能である。
【００８５】
上述の説明がいくつかの実施形態の例示であり、特許請求の範囲の本質及び特質を理解するための概要の提供が目的とされていることは当然である。図面は特許請求の範囲のさらに深い理解を提供するために含められ、本明細書に組み入れられて、本明細書の一部をなす。図面は実施形態の様々な特徴を示し、記述とともに、特許請求される主題の原理及び動作の説明に役立つ。
【００８６】
請求項の精神及び範囲を逸脱することなく様々な改変及び変形がなされ得ることが当業者には明らかであろう。
【符号の説明】
【００８７】
１２，１０２    光拡散性光ファイバ
１６    中心軸（中心線）
２０    コア
２２    コアの中実中央部
２６    コアのナノ構造リング部（内環コア領域）
２８    コアの外環中実部
３１    母材ガラス
３２    ナノサイズ構造（空孔）
４０    クラッド領域（クラッド層）
４４    コーティング
４８    ファイバの側面
１００，２０４，３００    布地
１０４    レーザ光源
１５０，３０２，３０４    光源
２００    サインまたはディスプレイ
２０２    印刷パターン
２０６    基層
２０８    上層
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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