材料選択による全反射多層光学の最適化
光学素子は、全反射により光子の方向を変えて伝播させる方向変換部を構成する第１の多層領域を備える。各多層領域は、第１の実屈折率ｎ1及び第１の吸収係数β1を有する高屈折率材料層と、第２の実屈折率ｎ2及び第２の吸収係数β2を有する低屈折率材料層と、上記高屈折率材料層と上記低屈折率材料層との間に配設され、第３の実屈折率ｎ3及び第３の吸収係数β3をｎ1＞ｎ3＞ｎ2の関係で有するグレーディング層を備えたグレーディング領域とを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示の主題は、概して光学に関し、特に多層光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｘ線放射等の光子放射を利用した多くの撮像応用技術では、必要なフラックスレベルがますます高くなっている。Ｘ線フラックスは、例えばＸ線源からのＸ線放射をフォーカスさせることによって増やすことができる。Ｘ線は、図１に示すように、界面１２からの入射Ｘ線ビーム１０を全反射させることによってフォーカス可能である。界面１２は、通常は空気である第１の物質媒体１４と通常は固体である第２の物質媒体１６との間に形成可能である。図１では、第１物質媒体１４の屈折率の実部がｎ14であり、第２物質媒体１６の屈折率の実部がｎ16である。全反射は、ｎ16＜ｎ14の場合であって、入射Ｘ線１０が界面１２と成す角度が全反射の臨界角θCRより小さい場合に実現可能である。
【０００３】
臨界角θCRは、物質媒体１４、１６の屈折率及び入射Ｘ線ビーム１０中の光子のエネルギーによって決まる。一般的に、Ｘ線エネルギーにおける物質の屈折率ｎは、ｎ＝１−δ＋ｉβと表すことができる。ここで、（１−δ）の項は屈折率の実部であり、パラメータβは対応する材料の吸収係数に関連する。Ｘ線エネルギーの場合、屈折率の実部は極めて１に近いため、通常は１からの減少量δとして表される。この際、δは通常、１０-6以下のオーダーである。可視波長の場合、屈折率の実部の差異（ｎ14−ｎ16）又は（δ16−δ14）が所与の光子エネルギーに対して最大となる時、臨界角θCRも最大となる。
【０００４】
例えば、アルミニウムミラーに入射する１２．４ｋｅＶのＸ線放射の臨界角θCRは、２．７ｍｒａｄ（およそ０．１５°）未満である。従って、例えばビーム幅ｗが５ｍｍの入射Ｘ線ビーム１０の方向を変えるには、図１に示すように、界面２２の長さＬが少なくとも１８５ｃｍのコーティングされていない平面状アルミニウムミラーが必要となる。屈折率のみに基づいて材料を選択する従来の方法では、反射率がわずかに高くなるに過ぎない。
【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２００３／１７４９７８号
【発明の概要】
【０００６】
本発明では、紫外線、Ｘ線、ガンマ線エネルギー、更には、これまでに実現されているものよりも高いガンマ線エネルギーに対して、大きな臨界角で光子の反射を可能とし、これまでに実現されているものよりも大きな線源立体角に対して放射の収集を可能とする反射性多層構成に対するニーズがあることを認識している。
【０００７】
本発明の一態様に係る光学素子は、全反射により光子の方向を変えて伝播させる方向変換部を構成する少なくとも１つの第１の多層領域を備える。各多層領域は、第１の実屈折率ｎ1及び第１の吸収係数β1を有する高屈折率材料層と、第２の実屈折率ｎ2及び第２の吸収係数β2を有する低屈折率材料層と、上記高屈折率材料層と上記低屈折率材料層との間に配設され、第３の実屈折率ｎ3及び第３の吸収係数β3をｎ1＞ｎ3＞ｎ2の関係で有するグレーディング層を備えたグレーディング領域とを含む。
【０００８】
本発明の別の態様に係る光学素子は、全反射により光子の方向を変えて伝播させる第１の方向変換部を構成する１つ又は複数の多層領域を備える。各多層領域は、第１の実屈折率ｎ1及び第１の吸収係数β1を有する高屈折率材料及び第２の実屈折率ｎ2及び第２の吸収係数β2を有する低屈折率材料のいずれかにより構成されたコアと、上記コアに被着され、第３の実屈折率ｎ3及び第３の吸収係数β3をｎ1＞ｎ3＞ｎ2の関係で有するグレーディング層を備えたグレーディング領域と、上記グレーディング領域に被着され、上記高屈折率材料及び上記低屈折率材料の他方により構成された外層とを含む。
【０００９】
本発明の更に別の態様に係る光学素子の製造方法は、第１の実屈折率ｎ1及び第１の吸収係数β1を有する高屈折率材料層を形成する工程と、上記第１実屈折率ｎ1より小さな第２の実屈折率ｎ2及び上記第１吸収係数β1より大きな第２の吸収係数β2を有する低屈折率材料層を形成する工程と、第３の実屈折率ｎ3及び第３の吸収係数β3を有するグレーディング材料を含むグレーディング領域を、ｎ1＞ｎ3＞ｎ2の関係が成り立つとともに、上記高屈折率材料層及び上記低屈折率材料層が全反射により光子の方向を変えて伝播させるように、両屈折率材料層間に形成する工程と、を含む。
【００１０】
実施形態に係るその他のシステム及び／又は方法については、添付図面及び以下の詳細な説明を参照すれば、当業者には明らかであろう。なお、このような付加的なシステム及び方法は全て、本発明の範囲内であって、添付の請求の範囲によって保護されるものとする。
【００１１】
本発明は、紫外（ＵＶ）線、Ｘ線、又はガンマ線放射の方向を変えるのに適した多層光学素子を開示する。この光学素子の多層部分は、材料の屈折率の実部が素子内で高い値から低い値へと大略段階的となるように、屈折率に従って配置されている。また、反射率を改善するため、光子吸収の差異は、隣接多層材料間で大略最小化されている。このような開示を行うため、第１及び第２の層と異なる実屈折率又は吸収係数を有する材料が両層間に存在しない場合は、第１層が第２層に隣接するものと考える。
【００１２】
本明細書に開示する方法及び素子においては、最低３つの異なる材料を多層スタックに用いることにより、連続層中で減少する実屈折率の層間の差異を最大化することによる現行方式よりも高い全反射率を得る。更に高い全反射率を提供する実施形態においては、実屈折率の最大化と同時に連続層間の光子吸収の変化が最小化される。また、各連続層が高い光子吸収特性を有する一方、実屈折率は層間で単調に減少する。これらの基準により、実屈折率及び光子吸収特性は、現行の反射性Ｘ線光学材料よりも緩やかに変化する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】従来技術に係る、界面で全反射された入射Ｘ線ビームを示す図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る、全反射により入射紫外線、Ｘ線、又はガンマ線ビームの方向を変えるのに適した多層材料スタックの一実施例を示す概略断面図である。
【図３】図２の多層材料スタックにおける第１及び第２の多層領域であって、それぞれが高屈折率材料層に被着されたグレーディング領域を有する多層領域の詳細な断面図である。
【図４】図３の多層領域の製造処理工程を示すフローチャートである。
【図５】図３の多層領域の概略等角図である。
【図６】図５の多層領域の別の実施形態であって、グレーディング領域の被着に低屈折率材料層を用いた場合の図である。
【図７】図６の多層領域の詳細な断面図である。
【図８】図７の多層領域の製造処理工程を示すフローチャートである。
【図９】高屈折率材料層、当該高屈折率材料層上のグレーディング領域、及び当該グレーディング領域上の低屈折率材料層を備え、方向変換部及び伝播部を含むように構成された単一の多層領域の別の実施例を示す詳細な断面図である。
【図１０】一端に曲面を有する平面状コア層の概略等角図である。
【図１１】両端に曲面を有する平面状コア層の概略等角図である。
【図１２】楔形状の平面状コア層の概略等角図である。
【図１３】発散型紫外線、Ｘ線、又はガンマ線源の出力をコリメートな紫外線、Ｘ線、又はガンマ線ファンビームに成形する際に使用する複数の材料層を備えた平面状光学素子の詳細な概略等角図である。
【図１４】別の多層領域を備えた図１３の平面状光学素子の詳細な概略等角図である。
【図１５】一端に凸曲面を有する平面状コア層の概略等角図である。
【図１６】図１５の平面状コアから作製した平面状光学素子の一実施例を示す詳細な概略等角図である。
【図１７】アーチ形状の入力面を有する平面状コア層の概略等角図である。
【図１８】アーチ形状の入力面よりも厚いアーチ形状の出力面を有する図１７のコア層の別の実施形態を示す図である。
【図１９】図１８のコア層上に作製された平面状光学素子の別の実施例を示す詳細な概略等角図である。
【図２０】鞍状面を構成する複数の隣接部分を有する図１９の平面状光学素子の別の実施例を示す図である。
【図２１】一般的な断面形状を有するコアの概略等角図である。
【図２２】実質的に一様な厚さのコンフォーマル層を被着した図２１のコアの概略等角図である。
【図２３】様々な厚さの層を被着して円形断面を構成した図２１のコアの概略等角図である。
【図２４】入力面に凹面を有する光学素子の一部切り欠き概略等角図である。
【図２５】入力面近傍に鞍状面を有するコアの概略等角図である。
【図２６】発散型紫外線、Ｘ線、又はガンマ線源の出力をそれぞれコリメートな紫外線、Ｘ線、又はガンマ線ビームに成形する際に使用する複数の材料層を備えた円形断面の光学素子の詳細な概略等角図である。
【図２７】別の複数の多層領域を備えた図２６の光学素子の別の実施形態を示す図である。
【図２８】高屈折率コア層が六角形の断面形状を有する図２６の光学素子の別の実施例を示す図である。
【図２９】高屈折率コア層の一部だけがグレーディング層に覆われた図２８の光学素子の別の実施例を示す図である。
【図３０】入射収束型紫外線、Ｘ線、又はガンマ線ビームを入力するように構成された図２７の光学素子の別の実施例を示す図である。
【図３１】歪曲入力面を備えた図３０の光学素子の別の実施例を示す図である。
【図３２】発散型紫外線、Ｘ線、又はガンマ線ビーム入力から実質的に発散型の紫外線、Ｘ線、又はガンマ線ビーム出力を生成するように構成された単一の多層領域の別の実施例を示す詳細な断面図である。
【図３３】平行又はコリメートな紫外線、Ｘ線、又はガンマ線ビーム入力から実質的に収束型の紫外線、Ｘ線、又はガンマ線ビーム出力を生成するように構成された単一の多層領域の別の実施例を示す詳細な断面図である。
【図３４】発散型紫外線、Ｘ線、又はガンマ線ビーム入力から実質的に収束型の紫外線、Ｘ線、又はガンマ線ビーム出力を生成するように構成された単一の多層領域の別の実施例を示す詳細な断面図である。
【図３５】収束型紫外線、Ｘ線、又はガンマ線ビーム入力から実質的に発散型の紫外線、Ｘ線、又はガンマ線ビーム出力を生成するように構成された単一の多層領域の別の実施例を示す詳細な断面図である。
【図３６】収束型紫外線、Ｘ線、又はガンマ線ビーム入力から実質的に平行又はコリメートな紫外線、Ｘ線、又はガンマ線ビーム出力を生成するように構成された単一の多層領域の別の実施例を示す詳細な断面図である。
【図３７】平行又はコリメートな紫外線、Ｘ線、又はガンマ線ビーム入力から実質的に発散型の紫外線、Ｘ線、又はガンマ線ビーム出力を生成するように構成された単一の多層領域の別の実施例を示す詳細な断面図である。
【図３８】収束型紫外線、Ｘ線、又はガンマ線ビーム入力から実質的に収束型の紫外線、Ｘ線、又はガンマ線ビーム出力を生成するように構成された単一の多層領域の別の実施例を示す詳細な断面図である。
【図３９】図３８の単一の多層領域よりも焦点距離が短い図３８の単一の多層領域の別の実施例を示す図である。
【図４０】高屈折率層、低屈折率層、及び複数のグレーディング層を備えた多層領域を有し、当該高屈折率層又は異なる高屈折率層が各グレーディング層対の間に設けられた図３の多層材料スタックの別の実施例を示す詳細な断面図である。
【図４１】各多層領域が１又は複数の複合グレーディング層を有し、各複合グレーディング層が離散グレーディング副層を備え、各グレーディング副層が２つの構成材料を含み、各構成材料が異なる実屈折率を有する図３の多層材料スタックの別の実施例を示す詳細な断面図である。
【図４２】グレーディング副層の２つの構成材料の分布が離散的ではない図４１の多層材料スタックの別の実施例を示す詳細な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図２は、例えば全反射により入射光子ビーム４０の方向を変えて反射光子ビーム４２とするのに適した多層材料スタック３０（正確な縮尺で図示したものではない）を示す概略断面図である。この入射光子ビーム４０には、ＵＶビーム、Ｘ線ビーム、又はガンマ線ビームが含まれていてもよい。以下に詳述するように、反射光子ビーム４２は、実質的に発散型、コリメート、又は収束型の入力光子ビームから実質的にコリメート、発散型、又は収束型の光子ビームを形成したものであってもよい。多層材料スタック３０は、図中、第１の多層領域３２−１から第Ｎの多層領域３２−Ｎで表される複数の多層領域を備えている。
【００１５】
当然のことながら、多層材料スタック３０を構成する多層領域の数には一切の制限がなく、多層材料スタック３０の対象となる特定の用途によって決まる。多層材料スタック３０は、何百又は何千という多層領域を備え得る。各多層領域３２−１〜３２−Ｎは、高屈折率層３４、低屈折率層３８、及びグレーディング領域３６を備え、高屈折率層３４と低屈折率層３８との間には１又は複数のグレーディング層が設けられている。各多層領域を構成する材料層は、本明細書に記載の方法に従って選択及び配置される。また、多層材料スタック３０は、第Ｎ多層領域３２−Ｎからの光子放出を防止するため、その外面に光子不透過クラッド層４４を備えていてもよい。
【００１６】
当然のことながら、入射光子ビーム４０の幅は、第１多層領域３２−１の厚さより小さくても大きくてもよい。大きい場合は、入射光子ビーム４０の異なる部分が通過して、他の多層領域３２−２〜３２−Ｎの一部又は全部により全反射されるため、反射光子ビーム４２の対応する部分として多層材料スタック３０から出射する。入射光子ビーム４０の幅が第１多層領域３２−１の厚さより小さい場合は、多層材料スタック３０から得られるフラックスが減少する可能性があるものの、有用な方向変換機能を提供可能である。
【００１７】
入射光子ビーム４０は、明瞭化のため、第１多層領域３２−１に入射して反射された部分だけを図示している。以下に詳述するように、上記様々な材料層として選択された材料は、各多層領域３２−２〜３２−Ｎに対して光子の全反射率が最大化されるような反射特性を有している。更に、本開示の構成によれば、ＵＶ線、Ｘ線、及びガンマ線に対する全反射の臨界角が従来技術よりも大きくなる。
【００１８】
次に図３を参照する。図３には、第１及び第２の多層領域３２−１、３２−２のみを示している。各多層領域は複数の材料層を備え、各材料層は固有の実屈折率ｎ、反射係数β、及び厚さｔを有している。図示の例では、各多層領域３２−１、３２−２が（ｉ）実屈折率ｎ1、吸収係数β1、及び厚さｔ1を有する高屈折率層３４、（ｉｉ）図中、グレーディング層３６−１〜３６−３で表される複数のグレーディング層を備えたグレーディング領域３６、及び（ｉｉｉ）実屈折率ｎ2、吸収係数β2、及び厚さｔ2を有し、グレーディング領域３６上に配設された低屈折率層３８を備える。
【００１９】
第１のグレーディング層３６−１を構成する材料は、実屈折率ｎ3、吸収係数β3、及び厚さｔ3を有し、高屈折率層３４上に配設されている。第２のグレーディング層３６−２を構成する材料は、実屈折率ｎ4、吸収係数β4、及び厚さｔ4を有し、第１グレーディング層３６−１上に配設されている。そして、第３のグレーディング層３６−３を構成する材料は、実屈折率ｎ5、吸収係数β5、及び厚さｔ5を有し、第２グレーディング層３６−２上に配設されている。高屈折率層３４及び低屈折率層３８の厚さは通常、出力ビームの所望の発散度に応じて、ナノメートルからミクロンのオーダーであってもよい。また、各グレーディング層３６−１〜３６−３の厚さについても通常、ナノメートルからミクロンのオーダーであってもよい。
【００２０】
第２多層領域３２−２の構成は、連続する各多層領域から第Ｎ多層領域３２−Ｎに至るまで繰り返されていてもよい（不図示）。別の実施例においては、連続する多層領域中の一部又は全部の材料層の厚さが、第２多層領域３２−２中の対応する材料層の厚さと異なっていてもよい。例えば、第１多層領域３２−１中の高屈折率層３４の厚さは、１００ミクロンのオーダーであってもよい。一方、第２多層領域においては、数十ナノメートルのオーダーであってもよい。また、別の実施例においては、連続する多層領域中の一部又は全部の材料層の材料組成が、第２多層領域３２−２中の対応する材料層の材料組成と異なっていてもよい。
【００２１】
多層部分の材料選択は、特定の光子エネルギー応用技術に関する第１の基準を少なくとも満足する。この第１の基準によれば、多層領域中の５つの材料層を例に挙げると、各多層領域中の５つの材料層の実屈折率ｎiは、隣接する２層間の屈折率の実部の差異（即ち、ｎi−ｎi±j）が入射光子エネルギーの特定の範囲に対して可能な限り大きくなるように規定される。この第１の基準に準拠すれば、ある材料層から隣接材料層への電子密度の急変を回避できるため、２つの材料を用いるシステムよりも材料層界面における反射率を高くすることができる。即ち、図示の例の場合は、然るべき材料選択により、特定のエネルギー範囲に対して値（ｎ1−ｎ3）、（ｎ3−ｎ4）、（ｎ4−ｎ5）、及び（ｎ5−ｎ2）が最大化される。
【００２２】
第２の基準を満足すれば、多層スタックからの最適な反射が得られる。この第２の基準によれば、隣接する材料層間の吸収係数の差異は可能な限り最小化される。即ち、特定のエネルギー範囲に対して値（β3−β1）、（β4−β3）、（β5−β4）、及び（β2−β5）が最小化される。この第２の基準に準拠すれば、ある材料層から隣接材料層への質量密度の急変を回避でき、第１の基準と組み合わせれば、多層スタック全体からの反射率が改善される。従って、図示した特定の例の場合は、両基準を満足することによりｎ1＞ｎ3＞ｎ4＞ｎ5＞ｎ2及びβ2＞β5＞β4＞β3＞β1の関係が成り立って、反射率が高くなる。
【００２３】
低屈折率層３８の材料は、対応する多層領域３２−Ｎが方向を変えるとともに遮断する必要のある最大光子エネルギーにより決定してもよい。また、この最大光子エネルギーの値は、多層材料スタック３０の用途により決定してもよい。隣接層間の光子吸収の差異を最小化しつつ実屈折率の差異を最大化すれば、多層領域３２−２等の多層領域全体からの全反射率が大きく改善される。当然のことながら、この反射率は、例えば（ｉ）低屈折率層３８が相対的に薄いと入射光子の一部が低屈折率層３８を通過して次の多層領域に入射する、（ｉｉ）隣接材料層間の光子吸収特性に不整合がある、ことにより１００％未満となる場合がある。
【００２４】
この現象は、図３の概略断面図に見られる。図中、入射光子ビーム４０の大部分は第２多層領域３２−２で反射されているが、スプリアスビームレット４２−６が次の多層領域（不図示）に入射する場合がある。なお、図３は正確な縮尺で図示したものではなく、材料層の厚さと入射光子ビーム４０の入射角及び反射角は、明瞭化のため誇張表示している。入射光子ビーム４０の第１の部分は、高屈折率層３４と第１グレーディング層３６−１との間に形成された第１の界面５０で全反射され、第１のビームレット４２−１として多層材料スタック３０から出射する。
【００２５】
入射光子ビーム４０の第２の部分は、第２の界面５２で反射され、第２のビームレット４２−２として多層材料スタック３０から出射する。一実施例においては、第２のビームレット４２−２の強度が第１のビームレット４２−１とは異なり、通常は低い強度である。例えば、強度が更に低い入射光子ビーム４０の第３の部分は、第３の界面５４で反射され、場合によっては強度が更に低い第３のビームレット４２−３として多層材料スタック３０から出射してもよい。同様に、強度が更に低い入射光子ビーム４０の第４の部分は、第４の界面５６で反射され、強度がより一層低い第４のビームレット４２−４として出射してもよい。そして、図３では、強度がより一層低い入射光子ビーム４０の第５の部分が第５の界面５８で反射され、強度が更に低いビームレット４２−５として出射してもよい。入射ビーム４０の無視できるほど僅かな部分は、強度が非常に低いスプリアスビームレット４２−６として次の多層領域（不図示）に入射する。
【００２６】
２つの連続層間の吸収の差異を最小化しつつ実屈折率の差異を最大化する設計基準を使用する開示の方法によれば、各多層材料スタックからの全反射を実現するための臨界角が最大となって、多層スタック全体からの全反射条件（入射角＜Θcritical）を満足する光子の割合も最大となり、更には、全反射に成功する光子の数、即ち、反射に際して吸収も伝播もされない光子の数も最大となる。連続層間の光子吸収の差異が上記基準に従って最小化されていない場合は、全反射される光子の割合が大幅に低下する可能性がある。
【００２７】
図４のフローチャート７０及び図５の光学素子９０を更に参照して、本明細書に開示の実施例の設計属性を用いて光学素子を製造するプロセスを詳細に説明することができる。円筒状光学素子（後述）の場合は、例えばおよそ１０ｋｅＶのＸ線エネルギーの用途に対して、ベリリウム又はホウ素等の高屈折率材料を選択して高屈折率層を形成してもよい（ステップ７２）。平面状光学素子９０をおよそ２００ｋｅＶ以上の高いエネルギーで使用する場合は、高屈折率コア材料を例えばシリコンとして最初の滑らかな平坦面を設け、その上に次の多層領域を形成することができる。
【００２８】
この高屈折率材料の屈折率の実部（ｎ1）は相対的に高い値とするのが好ましく、光子吸収係数（β1）は相対的に低い値とするのが好ましい。次に、イリジウム又は劣化ウラン等の低屈折率材料を選択して、低屈折率層を形成してもよい（ステップ７４）。この低屈折率材料の屈折率の実部（ｎ2）は相対的に低い値（即ち、ｎ2＜＜ｎ1）とするのが好ましく、光子吸収係数（β2）は相対的に高い値（即ち、β2＞＞β1）とするのが好ましい。
【００２９】
次に、１〜Ｎ個の異なるグレーディング材料又は材料組成を選択して、各グレーディング層を形成してもよい（ステップ７６）。Ｎ個の各グレーディング材料の屈折率の実部は、ｎ2とｎ1の間の実屈折率値となるように選択してもよい。図示の実施形態では、Ｎ個の各グレーディング材料の光子吸収係数が低い光子吸収係数β1と高い光子吸収係数β2の間の値であれば都合が良い。次に、高屈折率材料を被着又はメッキさせて、高屈折率「コア」又は「初期」層を形成してもよい（ステップ７８）。別の実施例においては、基板シートを予め形成又は作製しておき、フローチャート７０の製造プロセスの開始点として提供するようにしてもよい。この場合は、基板シートを後で取り除くことによって、得られる光学素子の一部とならないようにしてもよい。
【００３０】
最適な反射率の多層スタックを生成するため、以下の基準を満足する「スタッキング」シーケンスにより、実屈折率ｎ3〜ｎN+2の３〜（Ｎ＋２）個のグレーディング材料を高屈折率層又はコアに被着させてもよい（ステップ８０）。
【００３１】
ｎ1＞ｎ3＞ｎ4＞・・・＞ｎN+1＞ｎN+2＞ｎ2 （１）
β1＜β3＜β4＜・・・＜βN+1＜βN+2＜β2 （２）
グレーディング材料に関して（ｎi−ｎi+1）を最大化（３＜ｉ＜Ｎ＋１） （３）
グレーディング材料と高屈折率材料及び低屈折率材料との間の遷移に関して（ｎ1−ｎ3）及び（ｎN+2−ｎ2）を最大化 （４）
グレーディング材料に関して（βi+1−βi）を最小化（３＜ｉ＜Ｎ＋１） （５）
グレーディング材料と高屈折率材料及び低屈折率材料との間の遷移に関して（β3−β1）及び（β2−βN+2）を最小化 （６）
ステップ８０で実行するプロセスにより、図３のグレーディング層３６と類似する一連のグレーディング層が形成される。そして、最も外側のグレーディング層に低屈折率材料を被着又はメッキさせて、図３の第１多層領域３２−１又は図５の多層領域９２等の多層領域の製造を完了してもよい（ステップ８２）。判定ステップ（ステップ８４）では、更に多層領域を追加するか否かについての判定を行ってもよい。例えば、光学素子９０（図５）では、最初の多層領域９２に多層領域３２−２を追加している。このように１又は複数の多層領域を追加する場合は、ステップ７８に戻って、現在の最も外側の低屈折率材料層上に別の高屈折率材料層を被着又はメッキさせてもよい。この構成により、図示した通り、例えばグレーディング層３６−１を通過してグレーディング層３６−２に入射する入射角度で、入射光子ビーム４０を多層領域３２−１、３２−２中で反射させるようにしてもよい。
【００３２】
プロセスのステップ７８〜８２は、繰り返し実行して必要な数の多層領域を生成するようにしてもよい。判定ステップ８４の応答がＮＯの場合は、図２の光子吸収層４４等の光子不透過層を最も外側の低屈折率材料層上に任意で追加してもよい。ＹＥＳの場合は、光子吸収層を設けずに製造プロセスを終了してもよい。
【００３３】
このように、光学素子９０は、従来技術よりも大きな線源立体角Ωに対してＵＶ線、Ｘ線、及びガンマ線放射の収集及び方向変換が可能である。この素子を医療用撮像システムに適用すると、曝露時間及び患者線量を低減可能となり、画像解析が容易になるとともに、コンピュータトモグラフィ（ＣＴ）等の画像診断法の診断精度が改善される可能性がある。更に、Ｘ線用途の場合は、Ｘ線源を例えば２〜１０倍低い出力で動作させることが可能となるため、Ｘ線源の寿命がより一層長くなる。
【００３４】
図６に示す別の実施例において、光学素子１００は、第１の多層領域１０２−２及び類似する第２の多層領域１０２−４を備えている。各多層領域１０２−２、１０２−４は、例えば図７に示す低屈折率材料を含む初期層１０４から作製してもよい。この光学素子１００の低屈折率層１０４の材料は、図５の光学素子９０と類似の基準を用いて、図８のフローチャート１２０のステップ１２２のように選択してもよい。次に、高屈折率層１０６の高屈折率材料を選択し（ステップ１２４）、グレーディング領域１０８の材料を選択してもよい（ステップ１２６）。
【００３５】
次に、低屈折率材料を被着又は形成して、低屈折率層又はコア１０４を形成してもよい（ステップ１２８）。グレーディング層１０８−１、１０８−２、１０８−３は、高屈折率層１０６に隣接して最大の屈折率（ｎ3）を有する材料及び低屈折率層１０４に隣接して最小の屈折率（ｎ5）を有する材料により形成してもよい（ステップ１３０）。即ち、以下の基準が満たされる場合は、多層スタック全体からの反射率が最適となる。
【００３６】
ｎ2＜ｎN+2＜ｎN+1＜・・・＜ｎ4＜ｎ3＜ｎ1 （７）
β2＞βN+2＞βN+1＞・・・＞β4＞β3＞β1 （８）
グレーディング材料に関して（ｎi−ｎi+1）を最大化（３＜ｉ＜Ｎ＋１） （９）
グレーディング材料と高屈折率材料及び低屈折率材料との間の遷移に関して（ｎ1−ｎ3）及び（ｎN+2−ｎ2）を最大化 （１０）
グレーディング材料に関して（βi+1−βi）を最小化（３＜ｉ＜Ｎ＋１） （１１）
グレーディング材料と高屈折率材料及び低屈折率材料との間の遷移に関して（β3−β1）及び（β2−βN+2）を最小化 （１２）
高屈折率材料を被着させて高屈折率層１０６を形成した後（ステップ１３２）、判定ステップ（ステップ１３４）では、更に多層領域を形成するか否かについての判定を行う。ＹＥＳの場合は、必要に応じてステップ１２８〜１３２を繰り返し、所望の場合は光子不透過クラッド層を追加する（ステップ１３６）。この構成により、図示した通り、例えばグレーディング層１０８−３を通過してグレーディング層１０８−２に入射する入射角度で、入射光子ビーム６０を多層領域１０２−１、１０２−２中で反射させるようにしてもよい。
【００３７】
図９は、高屈折率層１４２、低屈折率層１４４、及び高屈折率層１４２と低屈折率層１４４との間に配設された複数のグレーディング層１５２、１５４、１５６を有するグレーディング領域１５８を備えた単一の多層領域１４０の一実施例を示す概略断面図である。前述の通り、各材料層の厚さは、明瞭化のため誇張表示している。高屈折率層１４２と第１のグレーディング層１５２との間には、第１の反射界面１６２が形成されている。同様に、第１グレーディング層１５２と第２のグレーディング層１５４との間には第２の反射界面１６４が形成され、第２グレーディング層１５４と第３のグレーディング層１５６との間には第３の反射界面１６６が形成され、第３グレーディング層１５６と低屈折率層１４４との間には第４の反射界面１６８が形成されている。
【００３８】
光子源１７０から発散型光子ビーム１７２を供給して、多層領域１４０の入力面１４６を照射するようにしてもよい。図中、光子ビーム１７２は、発散する５本の光子ビームレット１７２−０〜１７２−４として示しているが、当然のことながら、物理的には特定の放射立体角にわたって分布する連続ビームであって、本明細書の種々実施例の提示を容易化するために離散ビームレットとして表示しているに過ぎない。一実施例において、多層領域１４０は、大略図示の通りに構成された方向変換部１７４及び伝播部１７６を含むように構成されている。方向変換部１７４は、発散型光子ビーム１７２を実質的にコリメーションし、伝播部１７６を介して、実質的にコリメートなビーム１７８として所望の空間領域へと方向を変えるように機能する。
【００３９】
第１反射界面１６２は、図９の断面図中の実質的に真っ直ぐな部分と連続する曲線部分を有するように表されている。当然のことながら、第１反射界面１６２は、物理的には光子ビームレット１７２−１を反射する表面を形成しており、以下に詳述するように、例えば平面、円筒面、円錐面、又はこれらの組み合わせを含んでいてもよい。反射界面１６４、１６６、１６８の断面についても同様に、方向変換部１７４では曲線として、伝播部１７６では直線として示されている。反射界面１６４、１６６、１６８の曲線部分は、以下に詳述するように、例えば発散型光子ビーム１７２をコリメート又は方向変換するための円筒面等の正曲率の物理面を表している。同様に、反射界面１６４、１６６、１６８の直線部分は、平面状、円筒状、又は平面と円筒面とを組み合わせた物理面を表している。
【００４０】
光子ビーム１７２のコリメーションは、光子ビームレット１７２−０〜１７２−４の伝播経路を追跡することによって最もよく理解可能である。図示の通り、光子源１７０の中心は、高屈折率層１４２の中央を通る軸と大略一致する。第０の光子ビームレット１７２−０は、高屈折率層１４２を通過し、反射を受けずに第０のコリメートな光子ビームレット１７８−０として出射してもよい。これに対して、第１の光子ビームレット１７２−１は、最初の反射点１８２ａ及び最後の反射点１８２ｂで示すように、１又は複数回の全反射を受けつつ高屈折率層１４２を通過し、第１のコリメートな光子ビームレット１７８−１として出射してもよい。第２の光子ビームレット１７２−２は、第２反射界面１６４に対して臨界角未満で最初の反射点１８４ａに衝突すると、第２反射界面１６４の曲線部分に沿って複数回の全反射を受けた後、第２のコリメートな光子ビームレット１７８−２として第１グレーディング層１５２から出射する。図中、これら複数回の全反射は、最初の反射点１８４ａ及び最後の反射点１８４ｂで表されている。これら最初の反射点１８４ａと最後の反射点１８４ｂとの間で起こる中間の複数回の全反射については、明瞭化のため図示していない。
【００４１】
一実施例において、最初の反射点１８４ａと最後の反射点１８４ｂとの間の第２反射界面１６４の曲線部分の曲率は、反射界面１６４の両反射点間における第２光子ビームレット１７２−２の後続の全ての反射が臨界角未満で起こって全反射となるように規定される。
【００４２】
同様に、第３の光子ビームレット１７２−３は、最初の反射点１８６ａと最後の反射点１８６ｂとの間で複数回の全反射を受けてもよい。また、第４の光子ビームレット１７２−４は、最初の反射点１８８ａと最後の反射点１８８ｂとの間で複数回の全反射を受けてもよい。第３及び第４の反射界面１６６、１６８の曲線部分の曲率は、複数回の全反射が方向変換部１７４中の反射界面１６６、１６８の部分に沿って起こるように規定される。一実施例においては、光子ビームレットが方向変換部１７４の対応する曲面に沿って何百回又は何千回と反射した後、多層領域１４０から出射するようにしてもよい。当業者には当然のことながら、コリメートな光子ビームレット１７８−１〜１７８−４の所望の軌道は、反射ビームレットが方向変換部１７４から伝播部１７６に入射する時、即ち、各層の曲線部分の接線がその後の直線部分と実質的に平行となる時に実現される。伝播部１７６は、概して任意の物理的長さを有していてもよく、単一の多層領域１４０の取り扱い又は一体化のための従来の物理サイズを提供するように規定することができる。
【００４３】
高屈折率層１４２は、図１０に示すように、一端に曲面又は円筒面１４８を有する大略平面状のコア又は基板として形成し、これによって、図９の多層領域１４０の方向変換部１７４における曲線界面を生成するようにしてもよい。また、図１１に示すように、一端に第１の曲面１９４を有し、他端に第２の曲面１９６を有するコア層１９２等、その他のコア構成も考えられる。特定の光学素子のスタックには、図１２のようなテーパー状コア１９８を使用してもよい。フローチャート７０、１２０の方法に対しては、テーパー形状と１つ又は２つの曲面の両者を有する構成（不図示）等、その他のコア層構成を使用して、前述の通り、相対的に大きな光源立体角に対して相対的に高いエネルギーの入力放射を収集する光学素子を構成することもできる。
【００４４】
図１３は、光学素子２００の概略等角図であって、入射面２０４を照射する発散型光子源１７０の出力とともに示している。光学素子２００は、長手方向の対称面と平行な一連の面内を実質的に伝播するファン形状のコリメートな光子ビーム出力２０８を形成するのに使用してもよい。図９を参照して、図１３の光学素子２００は、高屈折率層２０６の両面にグレーディング領域１５８を被着させた後、各グレーディング領域１５８上に低屈折率層１４４を被着させて製造してもよい。当然のことながら、光学素子２００は、本質的には多層領域１４０とそのミラー像とを１つずつ組み合わせたものである。
【００４５】
光学素子２００の高屈折率層２０６の両面への多層被着を繰り返すことによって、図１４のような大型の光学素子２１０を形成してもよい。このように形成した光学素子２１０は、中心となる高屈折率層２０６を備え、その上に複数の多層領域２１２−１〜２１２−Ｎを繰り返し被着させることによって、大略図示の通り、何百、何千、又は何百万もの多層領域を平面状にスタックしている。多層領域２１２−１〜２１２−Ｎの一部は円筒面を含み、発散型入射光子ビームのコリメーションを行うように機能する方向変換部２１４を形成している。
【００４６】
図１５に示す別の実施例おいて、コア層２２０は、コア表面２２２の第２端よりも第１端が厚い実質的に平面状の層を備えていてもよい。図示の構成では、コア層２２０が凹状円筒部２２４を含んでおり、図１６に示す光学素子２３０の製造が可能であるとともに、収束型放射ビームを受けるのに適した後述するその他光学素子の製造が可能である。光学素子２３０においては、コア表面２２２及びコア層２２０の両縁部２２６、２２８上にグレーディング層２３２、２３４、２３６、及び外側の低屈折率層２３８が形成されている。フローチャート７０に従って、光学素子２３０に別の多層領域（不図示）を追加してもよい。
【００４７】
図１７には、アーチ形状の入力面２４２を有するコア層２４０の別の実施例を示している。コア層２４０は、実質的に一様な厚さを有することによって、その後に被着されるグレーディング層を収容する円筒形状面を提供するようにしてもよい。図１８に示す別の実施例において、コア層２５０は、アーチ形状の入力面２４２よりも厚いアーチ形状の出力面２４６を有していてもよい。これにより、コア層２５０は、その後に被着されるグレーディング層に対して、縦軸２５２に沿って正曲率を有し、横軸２５４に沿って負曲率を有する鞍状面２４８を提供する。
【００４８】
図１９には、コア層２４４を備えた光学素子２６０を示している。コア層２４４の両面には、複数の平面状多層領域２６２−１〜２６２−Ｎを繰り返し被着させることによって、図１４の光学素子２１０と同様に、何百、何千、又は何百万もの多層領域を平面状にスタックしている。多層領域２６２−１〜２６２−Ｎには、鞍状面２４８のような鞍状面を含んでいてもよい。図２０に示す別の実施例において、光学素子２７０は、全体として鞍状面２４８と類似の鞍状面を近似するように成形された複数の隣接部分２７４を含む上側分割面２７２を有していてもよい。当業者には当然のことながら、分割面２７２は、鞍状面２４８よりも簡単に作製可能であってもよい。
【００４９】
上記光学素子構成の別の実施例として、コア層３４（図３）、コア層１０４（図７）、及びコア層１４２（図９）のいずれも、平面状ではなく棒状であってもよい。図２１に示す棒状コア３００は、図中、部分的に連続する複数の曲線部分及び直線部分を含む一般断面形状３０２で表される曲線断面形状又は多角形断面形状を含んでいてもよい。この棒状コアは、２次元閉領域を形成する任意の断面を有するように構成してもよい。閉領域の周囲は、連続であってもよいし、部分的に連続であってもよい。また、直線又は曲線を含んでいてもよい。この閉領域は、３次元方向に突き出して、これにより棒状コア自体を規定するようにしてもよい。棒状コア３００上へのグレーディング層の作製は、図２２に示すように、棒状コア３００上に第１の一様なグレーディング層３０４を被着させる等、略一様な層を被着させることによって達成してもよい。あるいは、被覆グレーディング層は、図２３に例示する棒状コア３００上に被着させた第１の非一様グレーディング層３０６のように、１又は複数の非一様層として被着させることにより、外面を「均す」とともに略円形断面の光学素子を生成するようにしてもよい。
【００５０】
本明細書に記載の光学素子は、平坦面、歪曲面、凸面、及び／又は凹面の部分を有する入力面及び／又は出力面を備えていてもよい。図２４に示す光学素子３１０は、例えば縦軸に沿って変化する実質的に円形の断面形状を有し、その断面サイズは、長手方向中心近傍で最大となる。このように、光学素子３１０は、以下に詳述するように、発散型放射入力ビームを受けるように構成されていてもよい。一実施例において、光学素子３１０は、曲率がより明確となるように一部を切り欠いた図示の通り、凹状入力面３１６を含んでいる。この曲率３１４は、例えば円筒状、球状、楕円状、放物線状、又は双曲線状であってもよい。図に示してはいないが、出力面についても曲線状であってもよく、この場合は、その曲率が出力ビームの発散度に影響を及ぼす。
【００５１】
光学素子３１０は、所望の最終形状をより簡単に実現できるよう、それに類似する形状の棒状コア（不図示）上に作製してもよい。即ち、棒状コアは、縦軸に沿って変化する実質的に円形の断面形状を有し、その断面サイズが棒状コアの長手方向中心近傍で最大となるにように構成してもよい。
【００５２】
別の実施例において、図２５に示す棒状コア３２０は、縦軸３１８に沿って変化する実質的に円形の断面形状を有するが、その断面サイズは、長手方向中心近傍で最小である。従って、棒状コア３２０は、入力面近傍で鞍状面３２８を形成していてもよい。当業者には当然のことながら、棒状コア３２０上に多層領域を被着させて製造した光学素子（不図示）は、断面サイズが素子の長手方向中心近傍で最小となる類似の円形断面形状を有していてもよい。
【００５３】
図２６は、発散型光子源１７０の出力を実質的にコリメートな光子ビーム３２２に成形する際に使用する光学素子３３０の概略等角図である。光子源１７０から出射した発散型光子ビーム１７２は、放射立体角Ωを有し、光学素子３３０の入力面３３４を照射している。図９も参照して、光学素子３３０は、単一の多層領域１４０を高屈折率層１４２周りに回転させたものと見なしてもよい。この構成では、高屈折率層が円形又は楕円形の断面を有する高屈折率円筒状コア３３２を構成していてもよい。グレーディング層１５２、１５４、１５６によって構成されたグレーディング領域は、高屈折率円筒状コア３３２を物理的に囲っている。なお、各層の厚さは、明瞭化のため誇張表示している。
【００５４】
光学素子３３０の方向変換部１７４は、発散型光子ビーム１７２を実質的にコリメーションし、伝播部１７６を介して、光学素子３３０の縦軸に沿って所望の対象へと方向を変えるように機能する。外側の低屈折率層１４４の方向変換部１７４を構成する部分には、光学素子３３０の縦軸側に湾曲した凸面３３６が含まれる。これに対して、伝播部１７６は、光学素子３３０の縦軸と実質的に平行な軸の円筒面３３８を有する。
【００５５】
光学素子３３０は、ベリリウム又はホウ素等の高屈折率材料を成形した円筒状繊維を高屈折率層コア３３２として製造を開始してもよい。そして、第１グレーディング層１５２、同心又は同一平面上のグレーディング層１５４、１５６等の後続する全ての素子層、及び外側の低屈折率層１４４は、気相堆積、サーマル又は超音速ジェット噴霧堆積、化学メッキプロセス、又は従来既知の類似プロセスの１又は複数の組み合わせによって、高屈折率層コア３３２に被着させてもよい。当然のことながら、被着又はメッキのプロセスは、必要に応じて継続することにより、実質的に複数の多層領域３４２−１〜３４２−Ｎを備えた図２７の光学素子３４０を得ることができる。これにより、大きな放射立体角Ωからの放射の収集が可能になるとともに、大きな出力ビーム３２４が得られるようになる。
【００５６】
図２８は、図２６の光学素子３３０の別の実施例である光学素子３６０の概略等角図である。図示の構成では、高屈折率コア３６２が六角形断面の棒状である。そして、実質的に円筒状のグレーディング層３５２、３５４、３５６が高屈折率コア３６２を物理的に囲い、外側の低屈折率層３５８がグレーディング層３５２〜３５６を囲っている。高屈折率コア３６２の断面形状は、光学素子３６０製造用の例えばベリリウム又はホウ素を含む高屈折率繊維の特定形状により決定してもよい。また、光学素子３６０の機能性に影響を及ぼさなければ、曲線又は多角形等の別の断面形状であってもよい。外側の低屈折率層３５８の入力面３６４に近い部分には、光学素子３６０の縦軸に対する凸面３６６が含まれる。また、光学素子３６０の出力ビーム３２６に近い部分には、正円筒面３６８が含まれる。
【００５７】
光学素子３６０の別の実施例として、図２９に示す変形光学素子３７０は、高屈折率コア３６２の一部にだけ被着を施している。外側の低屈折率層３５８及びグレーディング層３５２〜３５６は、六角形断面の高屈折率コア３６２の２つの上面及び２つの下面に被着されている。光学素子３７０の出力ビームには、上記光学素子３６０の出力ビーム３２６よりも多くのファンビームが含まれる。
【００５８】
図３０に示す光学素子３８０は、図２７の光学素子３４０と類似する積層構造の中心多層領域コア３８２−０を備えている。これに続いて、入力面３８４で最もよく確認できる同心状の多層領域３８２−１〜３８２−Ｎを被着させることにより、何百、何千、又は何百万もの同心状多層領域を構成している。当業者には当然のことながら、光学素子の入力面３８４に近い部分には「鞍状」面３８６が含まれており、これによって、入力面３８４の直径は光学素子３８０の伝播部３８８よりも大きくなっている。この特殊な構成によって、以下に詳述するように、収束型入力ビーム（不図示）を実質的にコリメートな出力ビームへと変換できる可能性がある。図３１に示す別の実施例において、光学素子３９０は、歪曲した入力面３９４、即ち、縦軸３９６に対して９０°未満の入力面を備えていてもよい。入力面は、凹面、凸面（不図示）、又は複雑な曲面（不図示）において平面状又は曲線状３０８（図２４）であってもよいし、これら形状の任意の組み合わせであってもよい。
【００５９】
図３２に示す本発明の別の態様において、光学素子４００は、光子源１７０から出射した発散型入力光子ビーム１７２の方向を変えて第２の発散型光子ビーム１７４を生成するように構成されている。この光学素子４００は、上記の高屈折率コア１４２又は高屈折率コア３１０等の高屈折率層を含む多層領域を備えている。また、高屈折率コア１４２、３１０上に配設された複数のグレーディング層４０２及びグレーディング層４０２上に配設された低屈折率層４０４を備えている。そして、複数の層間には曲線界面を備えている。光学素子４００が光学素子３３０（図２６）若しくは光学素子３４０（図２７）に類似する棒状素子又は光学素子２００（図１３）若しくは光学素子２１０（図１４）に類似する平面状素子を構成するように、低屈折率層４０４は、光学素子４００の縦軸側に湾曲した凸面を形成している。
【００６０】
図３２に示すように、曲線状の反射界面４１４、４１６、４１８については、対応する光学素子の出力面におけるそれぞれの接線が素子光学軸と平行にはなっていないことが分かる。このことは、図９に示した類似構成の多層領域１４０において匹敵する反射界面１６４、１６６、１６８の曲線部分とは異なる。従って、図３２の入力光子ビームレット１７２−１、１７２−２、１７２−３は、光学素子４００内部で十分に方向変換されてコリメートビームを形成するようにはなっておらず、出力光子ビーム１７４は、入力光子ビーム１７２より発散度は低くなってはいるものの、依然として発散型のままである。これに対して、図９の発散型光子ビーム１７２は、光学素子の出力面における曲線状反射面の接線が素子光学軸と平行になる方向変換部１７４及び伝播部１７６の直線状反射面を通ることによって、実質的にコリメーションされる。
【００６１】
図３３は、実質的にコリメートな入力光子ビーム４３０の方向を変えて実質的に収束型の出力光子ビーム４３２を生成するように構成された光学素子４２０の一実施例を示している。明瞭化のため、光学素子４２０の複数のグレーディング領域層４２２を通過して対応する出力光子ビームレット４３２−１、４３２−２、４３２−３として出射する光子ビームレット４３０−１、４３０−２、４３０−３のみを図示している。入力光子ビームレット４３０−１、４３０−２、４３０−３の軌道は、光学素子４２０の方向変換部４２４で複数回の全反射を受けることによって方向が変わり、収束していることが分かる。当業者には当然のことながら、光学素子４２０の構成は、図９の多層領域１４０と同様であってもよいが、光子ビームレットが伝播部１７６に入射して方向変換部１７４から出射する点は異なる。
【００６２】
図３４に示す本発明の別の態様において、光学素子４５０は、発散型光子ビーム１７２の方向を変えて実質的に収束型の出力光子ビーム４５８を生成するように構成されている。この光学素子４５０は、第１の方向変換部４５２及び第２の方向変換部４５６を備え、更にはこれらに囲われた伝播部４５４を備えていてもよいし、備えていなくてもよい。方向変換部４５２、４５６の低屈折率層４６２及びグレーディング層４６４、４６６、４６８は、光学素子４５０の高屈折率層４６０側に湾曲した反射面を有する。当然のことながら、光学素子４５０が棒状の場合はコア３１０を備えていてもよく、平面状の場合はコア層１９２を備えていてもよい。
【００６３】
図３５に示す本発明の別の態様において、光学素子４８０は、収束型光子ビーム４７０の方向を変えて発散型の出力光子ビーム４７２を生成するように構成されている。この光学素子４８０は、第１の方向変換部４７４及び第２の方向変換部４７８を備え、更には中間伝播部４７６を任意で備えている。光学素子４８０の低屈折率コア４８２は、コア層２２０（図１６）又は棒状コア３２０（図２５）と類似の形状を有し、素子出力側に鞍状の方向変換領域を追加したものである。図示の構成では、低屈折率コア４８２上にグレーディング領域４８６を配設してもよく、光学素子４８０の最上部又は外側に高屈折率層４８４を有する。
【００６４】
方向変換部４７４、４７６の低屈折率コア４８２及びグレーディング領域４８６は、高屈折率層４８４側である上側又は外側に湾曲した反射面を有する。即ち、光学素子４８０が棒状素子を構成するように、高屈折率層４８４の下面は、光学素子４８０の縦軸から離れる方向に湾曲した凹面を構成している。また、光学素子４８０が平面状素子を構成するように、高屈折率層４８４は、縦軸から離れる方向に湾曲した円筒面を構成していてもよい。
【００６５】
図３６に示す本発明の更に別の態様において、光学素子５００は、収束型光子ビーム４７０の方向を変えてコリメートな出力光子ビーム４９２を生成するように構成されている。この光学素子５００は方向変換部５０２を備え、そのコア５０４には低屈折率材料を含む。この低屈折率材料は、コア層２２０又は棒状コア３２０のような形状であってもよい。また、最上層即ち外側層５０６には、高屈折率材料が含まれる。
【００６６】
図３７に示す本発明の更に別の態様において、光学素子５１０は、本質的にコリメートな光子ビーム４９４の方向を変えて発散型の出力光子ビーム４９６を生成するように構成されている。この光学素子５１０は方向変換部５１８を備え、そのコア５１２が低屈折率層を構成し、最上層即ち外側層が高屈折率層５１４を構成している。方向変換部５１８の低屈折率層５１２及び中間のグレーディング層は、光学素子５１０の高屈折率層５１４側である上側に湾曲した反射面を有する。
【００６７】
図３８に示す本発明の更に別の態様において、光学素子５２０は、収束型光子ビーム４７０の方向を変えて焦点５３４を有する別の収束型出力光子ビーム５３２を生成するように構成されている。この光学素子５２０は、高屈折率層５２２及び最上部即ち外側の低屈折率層５２４を備えている。低屈折率層５２４及び中間のグレーディング層５２６は、高屈折率層５２２側である下側に湾曲した反射面５２６−１、５２６−２、５２６−３を構成している。この光学素子５２０は、例えば焦点５３４の位置調節に使用可能である。また、焦点５３４のサイズ調節にも使用可能である。
【００６８】
光学素子５２０の別の態様において、図３９に示す光学素子５４０は、収束型光子ビーム４７０の方向を変えて、焦点５３４よりも素子からの距離が短い焦点５３８を有する更に収束型の出力光子ビーム５３６を生成するように構成されている。この光学素子５４０は、高屈折率層５４２と、光学素子５２０の中間グレーディング領域５２６よりも曲率が大きな反射面を有する中間のグレーディング領域５４４を囲う低屈折率層５４６とを備えている。あるいは、当業者には当然のことながら、光学素子５４０は、反射面５２６−１、５２６−２、５２６−３よりも曲率が大きな反射面５４４−１、５４４−２、５４４−３を備えることによって、焦点５３８の焦点距離が相対的に短くなるようにしてもよい。
【００６９】
ここで、図４０には、更に別の多層材料スタック５７０の一実施例を示しており、図中、多層領域５７２−１、５７２−２で表される複数の多層領域を備えている。これら多層領域のうちの１又は複数においては、高い実屈折率ｎ1の材料で作製された高屈折率層５７４と低い実屈折率ｎ2の材料で作製された低屈折率層５７６との間に配設された高反射性グレーディング領域５８０をそれぞれ備えていてもよい。この高反射性グレーディング領域５８０は、実屈折率ｎ3及び吸収係数β3を有する第１のグレーディング層５８２と、実屈折率ｎ4及び吸収係数β4を有する第２のグレーディング層５８４と、実屈折率ｎ5及び吸収係数β5を有する第３のグレーディング層５８６とを備えている。一実施形態においては、ｎ1＞ｎ3＞ｎ4＞ｎ5＞ｎ2及びβ1＜β3＜β4＜β5＜β2の関係が成り立つ。また、高反射性グレーディング領域５８０は、第１グレーディング層５８２と第２グレーディング層５８４との間に配設され、高い実屈折率ｎ6の材料を含む第１の高屈折率グレーディング層５９２と、第２グレーディング層５８４と第３グレーディング層５８６との間に配設され、高い実屈折率ｎ7の材料を含む第２の高屈折率グレーディング層５９４とを備え、ｎ6＞ｎ3及びｎ7＞ｎ4の関係が成り立っている。一実施形態においては、最適な全反射を可能とするため、β3＞β6及びβ4＞β7の関係が成り立つ。
【００７０】
当然のことながら、第１高屈折率グレーディング層５９２及び第２高屈折率グレーディング層５９４を構成する高屈折率材料は、高屈折率層５７４と同じ材料を含んでいてもよいし、異なる高屈折率材料であってもよい。この多層材料スタック５７０の構成によれば、高い実屈折率の材料層（即ち、光子吸収が相対的に低い領域）が高反射性グレーディング領域５８０内に配設されているため、全反射率が高くなる。この構成は、例えば図２、図３、図７、図９、及び図３２〜図３９に示した断面を有する実施形態に適用して、１つおきのグレーディング層を効果的に伝播層とすることにより、各光学素子の開口領域を大きくすることができる。
【００７１】
次に、図４１には、別の多層材料スタック６００の一実施例を示しており、多層領域６０２−１、６０２−２で例示される複数の多層領域を備えている。これら多層領域のうちの１又は複数においては、グレーディング層６０４−１、６０４−３、及び複合グレーディング層６０４−２を含むグレーディング領域６０４を備えている。グレーディング層６０４−１は、固有の実屈折率ｎ3及び吸収係数β3を有する第１の構成材料Ｍ1を含み、グレーディング層６０４−３は、固有の実屈折率ｎ5及び吸収係数β5を有する第２の構成材料Ｍ2を含む。図示の実施例では、右側の詳細図に示すように、複合グレーディング層６０４−２が４つのグレーディング副層６１２〜６１８を備えている。
【００７２】
図示の実施例の場合、４つの各グレーディング副層６１２〜６１８は、グレーディング層６０４−１とグレーディング層６０４−３との間で光学特性が単調な段階的遷移となるように、第１構成材料Ｍ1及び第２構成材料Ｍ2の両者が異なる組成物を含む。例えば、グレーディング副層６１２は、体積比およそ０．８の第１構成材料Ｍ1及び体積比およそ０．２の第２構成材料Ｍ2の混合物を含んでいてもよい。即ち、グレーディング副層６１２における第１構成材料Ｍ1の第２構成材料Ｍ2に対する割合は、体積比でおよそ４：１である。同様に、グレーディング副層６１４は、およそ０．６の第１構成材料Ｍ1及びおよそ０．４の第２構成材料Ｍ2を含んでいてもよい。また、グレーディング副層６１６は、およそ０．４の第１構成材料Ｍ1及びおよそ０．６の第２構成材料Ｍ2を含んでいてもよい。更に、グレーディング副層６１８は、およそ０．２の第１構成材料Ｍ1及びおよそ０．８の第２構成材料Ｍ2を含んでいてもよい。
【００７３】
当然のことながら、各多層領域６０２−１、６０２−２は、２つ以上の複合グレーディング層を備えていてもよい。また、当然のことながら、１つの複合グレーディング層に２つ以上のグレーディング副層が含まれていてもよいし、各グレーディング副層における２つのグレーディング層構成材料の混合比は、上記例と異なる割合であってもよい。更に、当然のことながら、このような組成の段階的な変化は、高屈折率層及び低屈折率層に適用してもよいし、グレーディング層に限定される必要はない。一般的に、構成材料ＭAを含む層Ａ及び構成材料ＭBを含む層Ｂを所与とすると、複合層Ｃは、層Ａと層Ｂ間に作製するとともに、複数の副層Ｃ1、Ｃ2、・・・ＣNを含んでいてもよい。各副層Ｃ1、Ｃ2、・・・ＣNにおける層構成材料ＭAの割合は、層Ａと層Ｂ間の連続する副層Ｃ1、Ｃ2、・・・ＣNにおいて減少するのが好ましい。また、層構成材料ＭBの割合は、層Ａと層Ｂ間の連続する副層Ｃ1、Ｃ2、・・・ＣNにおいて増加するのが好ましい。
【００７４】
図４２には、多層材料スタック６００の別の実施例である多層材料スタック６２０を示している。多層材料スタック６２０は、多層領域６２２−１及び多層領域６２２−２から第Ｎの多層領域（不図示）を含む複数の多層領域を備えている。これら多層領域のうちの１又は複数においては、複合グレーディング層６２４−２を含むグレーディング領域６２４を備えていてもよい。複合グレーディング層６２４−２は、第１の構成材料Ｍ1及び第２の構成材料Ｍ2の混合物を含む。第１構成材料Ｍ1及び第２構成材料Ｍ2は、複合グレーディング層６２４−２において異なるレベルで被着されているが、その割合は、低屈折率層６２６又は高屈折率層（不図示）からの距離ｚの関数として規定してもよい。例えば、複合グレーディング層６２４−２の任意の点における構成材料Ｍ1、Ｍ2の相対的な割合を、以下のようにパラメータｚの関数として表すことができる。
【００７５】
複合材料＝ｆ（ｚ）Ｍ1＋［１−ｆ（ｚ）］Ｍ2 （１３）
ここで、ｆ（ｚ）は、構成材料Ｍ1、Ｍ2の構成比を指定する例えば線形関数、多項式関数、又は対数単調関数であってもよい。単調関数であれば、隣接する２つのグレーディング層６２４−１、６２４−３間における構成材料Ｍ1、Ｍ2の相対的な割合の組成変化が滑らかになる。
【００７６】
当業者には当然のことながら、上記光学素子２００、２１０、２３０、２６０、２７０、３３０、３４０、３６０、３７０、３８０、３９０のいずれも、上記多層領域構成の１又は複数を備えていてもよい。更に、各光学素子の中心層即ちコア層が高屈折率材料又は低屈折率材料のいずれかを含み、光学素子の外層が低屈折率材料又は高屈折率材料のいずれかを含んでいてもよい。更に、当然のことながら、本明細書に開示の様々なコア構成及び光学素子の実施形態においては、円形状断面又は平面状断面を有していたが、本発明の要旨を逸脱することなく、任意のコア形状及び光学素子構成を用いて、ＵＶ線、Ｘ線、又はガンマ線ビーム放射の方向変換を行うようにしてもよい。
【００７７】
実施例を参照しながら本発明を記述したが、当業者には明らかなように、本発明の範囲から逸脱することなく、実施例に様々な改変を加えたり実施例の要素を等価物で置換したりできる。また、本発明の範囲から逸脱することなく、個々の状況に合わせて、本発明の教示に多くの修正を加えることができる。従って、本発明は、開示した発明を実施するための形態に限定されることなく、対象となる請求項の範囲内にあるあらゆる実施形態を包含する。更に、「第１」「第２」等の用語の使用は、重要度の順序を示すものではなく、或る要素を他の要素と区別するために用いられている。また、「少なくとも１つ」という表現の使用は、或る要素群のうちの１つ又は複数であることを意味する。
【００７８】
本明細書では、例を用いて本発明を記述しているが、これによって当業者は、任意の装置又はシステムの作製、並びに任意の付随の方法の実施を含め、本発明を実施することができる。本発明の特許請求の範囲は、請求項に定義されているが、当業者に想到可能なその他の例も包含し得る。こうしたその他の例は、請求項の文言と相違ない構成要素を有する場合、或いは請求項の文言と実質的に相違ない等価の構成要素を含む場合、特許請求の範囲に含まれるものとする。
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示の主題は、概して光学に関し、特に多層光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｘ線放射等の光子放射を利用した多くの撮像応用技術では、必要なフラックスレベルがますます高くなっている。Ｘ線フラックスは、例えばＸ線源からのＸ線放射をフォーカスさせることによって増やすことができる。Ｘ線は、図１に示すように、界面１２からの入射Ｘ線ビーム１０を全反射させることによってフォーカス可能である。界面１２は、通常は空気である第１の物質媒体１４と通常は固体である第２の物質媒体１６との間に形成可能である。図１では、第１物質媒体１４の屈折率の実部がｎ14であり、第２物質媒体１６の屈折率の実部がｎ16である。全反射は、ｎ16＜ｎ14の場合であって、入射Ｘ線１０が界面１２と成す角度が全反射の臨界角θCRより小さい場合に実現可能である。
【０００３】
臨界角θCRは、物質媒体１４、１６の屈折率及び入射Ｘ線ビーム１０中の光子のエネルギーによって決まる。一般的に、Ｘ線エネルギーにおける物質の屈折率ｎは、ｎ＝１−δ＋ｉβと表すことができる。ここで、（１−δ）の項は屈折率の実部であり、パラメータβは対応する材料の吸収係数に関連する。Ｘ線エネルギーの場合、屈折率の実部は極めて１に近いため、通常は１からの減少量δとして表される。この際、δは通常、１０-6以下のオーダーである。可視波長の場合、屈折率の実部の差異（ｎ14−ｎ16）又は（δ16−δ14）が所与の光子エネルギーに対して最大となる時、臨界角θCRも最大となる。
【０００４】
例えば、アルミニウムミラーに入射する１２．４ｋｅＶのＸ線放射の臨界角θCRは、２．７ｍｒａｄ（およそ０．１５°）未満である。従って、例えばビーム幅ｗが５ｍｍの入射Ｘ線ビーム１０の方向を変えるには、図１に示すように、界面２２の長さＬが少なくとも１８５ｃｍのコーティングされていない平面状アルミニウムミラーが必要となる。屈折率のみに基づいて材料を選択する従来の方法では、反射率がわずかに高くなるに過ぎない。
【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２００３／１７４９７８号
【発明の概要】
【０００６】
本発明では、紫外線、Ｘ線、ガンマ線エネルギー、更には、これまでに実現されているものよりも高いガンマ線エネルギーに対して、大きな臨界角で光子の反射を可能とし、これまでに実現されているものよりも大きな線源立体角に対して放射の収集を可能とする反射性多層構成に対するニーズがあることを認識している。
【０００７】
本発明の一態様に係る光学素子は、全反射により光子の方向を変えて伝播させる方向変換部を構成する少なくとも１つの第１の多層領域を備える。各多層領域は、第１の実屈折率ｎ1及び第１の吸収係数β1を有する高屈折率材料層と、第２の実屈折率ｎ2及び第２の吸収係数β2を有する低屈折率材料層と、上記高屈折率材料層と上記低屈折率材料層との間に配設され、第３の実屈折率ｎ3及び第３の吸収係数β3をｎ1＞ｎ3＞ｎ2の関係で有するグレーディング層を備えたグレーディング領域とを含む。
【０００８】
本発明の別の態様に係る光学素子は、全反射により光子の方向を変えて伝播させる第１の方向変換部を構成する１つ又は複数の多層領域を備える。各多層領域は、第１の実屈折率ｎ1及び第１の吸収係数β1を有する高屈折率材料及び第２の実屈折率ｎ2及び第２の吸収係数β2を有する低屈折率材料のいずれかにより構成されたコアと、上記コアに被着され、第３の実屈折率ｎ3及び第３の吸収係数β3をｎ1＞ｎ3＞ｎ2の関係で有するグレーディング層を備えたグレーディング領域と、上記グレーディング領域に被着され、上記高屈折率材料及び上記低屈折率材料の他方により構成された外層とを含む。
【０００９】
本発明の更に別の態様に係る光学素子の製造方法は、第１の実屈折率ｎ1及び第１の吸収係数β1を有する高屈折率材料層を形成する工程と、上記第１実屈折率ｎ1より小さな第２の実屈折率ｎ2及び上記第１吸収係数β1より大きな第２の吸収係数β2を有する低屈折率材料層を形成する工程と、第３の実屈折率ｎ3及び第３の吸収係数β3を有するグレーディング材料を含むグレーディング領域を、ｎ1＞ｎ3＞ｎ2の関係が成り立つとともに、上記高屈折率材料層及び上記低屈折率材料層が全反射により光子の方向を変えて伝播させるように、両屈折率材料層間に形成する工程と、を含む。
【００１０】
実施形態に係るその他のシステム及び／又は方法については、添付図面及び以下の詳細な説明を参照すれば、当業者には明らかであろう。なお、このような付加的なシステム及び方法は全て、本発明の範囲内であって、添付の請求の範囲によって保護されるものとする。
【００１１】
本発明は、紫外（ＵＶ）線、Ｘ線、又はガンマ線放射の方向を変えるのに適した多層光学素子を開示する。この光学素子の多層部分は、材料の屈折率の実部が素子内で高い値から低い値へと大略段階的となるように、屈折率に従って配置されている。また、反射率を改善するため、光子吸収の差異は、隣接多層材料間で大略最小化されている。このような開示を行うため、第１及び第２の層と異なる実屈折率又は吸収係数を有する材料が両層間に存在しない場合は、第１層が第２層に隣接するものと考える。
【００１２】
本明細書に開示する方法及び素子においては、最低３つの異なる材料を多層スタックに用いることにより、連続層中で減少する実屈折率の層間の差異を最大化することによる現行方式よりも高い全反射率を得る。更に高い全反射率を提供する実施形態においては、実屈折率の最大化と同時に連続層間の光子吸収の変化が最小化される。また、各連続層が高い光子吸収特性を有する一方、実屈折率は層間で単調に減少する。これらの基準により、実屈折率及び光子吸収特性は、現行の反射性Ｘ線光学材料よりも緩やかに変化する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】従来技術に係る、界面で全反射された入射Ｘ線ビームを示す図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る、全反射により入射紫外線、Ｘ線、又はガンマ線ビームの方向を変えるのに適した多層材料スタックの一実施例を示す概略断面図である。
【図３】図２の多層材料スタックにおける第１及び第２の多層領域であって、それぞれが高屈折率材料層に被着されたグレーディング領域を有する多層領域の詳細な断面図である。
【図４】図３の多層領域の製造処理工程を示すフローチャートである。
【図５】図３の多層領域の概略等角図である。
【図６】図５の多層領域の別の実施形態であって、グレーディング領域の被着に低屈折率材料層を用いた場合の図である。
【図７】図６の多層領域の詳細な断面図である。
【図８】図７の多層領域の製造処理工程を示すフローチャートである。
【図９】高屈折率材料層、当該高屈折率材料層上のグレーディング領域、及び当該グレーディング領域上の低屈折率材料層を備え、方向変換部及び伝播部を含むように構成された単一の多層領域の別の実施例を示す詳細な断面図である。
【図１０】一端に曲面を有する平面状コア層の概略等角図である。
【図１１】両端に曲面を有する平面状コア層の概略等角図である。
【図１２】楔形状の平面状コア層の概略等角図である。
【図１３】発散型紫外線、Ｘ線、又はガンマ線源の出力をコリメートな紫外線、Ｘ線、又はガンマ線ファンビームに成形する際に使用する複数の材料層を備えた平面状光学素子の詳細な概略等角図である。
【図１４】別の多層領域を備えた図１３の平面状光学素子の詳細な概略等角図である。
【図１５】一端に凸曲面を有する平面状コア層の概略等角図である。
【図１６】図１５の平面状コアから作製した平面状光学素子の一実施例を示す詳細な概略等角図である。
【図１７】アーチ形状の入力面を有する平面状コア層の概略等角図である。
【図１８】アーチ形状の入力面よりも厚いアーチ形状の出力面を有する図１７のコア層の別の実施形態を示す図である。
【図１９】図１８のコア層上に作製された平面状光学素子の別の実施例を示す詳細な概略等角図である。
【図２０】鞍状面を構成する複数の隣接部分を有する図１９の平面状光学素子の別の実施例を示す図である。
【図２１】一般的な断面形状を有するコアの概略等角図である。
【図２２】実質的に一様な厚さのコンフォーマル層を被着した図２１のコアの概略等角図である。
【図２３】様々な厚さの層を被着して円形断面を構成した図２１のコアの概略等角図である。
【図２４】入力面に凹面を有する光学素子の一部切り欠き概略等角図である。
【図２５】入力面近傍に鞍状面を有するコアの概略等角図である。
【図２６】発散型紫外線、Ｘ線、又はガンマ線源の出力をそれぞれコリメートな紫外線、Ｘ線、又はガンマ線ビームに成形する際に使用する複数の材料層を備えた円形断面の光学素子の詳細な概略等角図である。
【図２７】別の複数の多層領域を備えた図２６の光学素子の別の実施形態を示す図である。
【図２８】高屈折率コア層が六角形の断面形状を有する図２６の光学素子の別の実施例を示す図である。
【図２９】高屈折率コア層の一部だけがグレーディング層に覆われた図２８の光学素子の別の実施例を示す図である。
【図３０】入射収束型紫外線、Ｘ線、又はガンマ線ビームを入力するように構成された図２７の光学素子の別の実施例を示す図である。
【図３１】歪曲入力面を備えた図３０の光学素子の別の実施例を示す図である。
【図３２】発散型紫外線、Ｘ線、又はガンマ線ビーム入力から実質的に発散型の紫外線、Ｘ線、又はガンマ線ビーム出力を生成するように構成された単一の多層領域の別の実施例を示す詳細な断面図である。
【図３３】平行又はコリメートな紫外線、Ｘ線、又はガンマ線ビーム入力から実質的に収束型の紫外線、Ｘ線、又はガンマ線ビーム出力を生成するように構成された単一の多層領域の別の実施例を示す詳細な断面図である。
【図３４】発散型紫外線、Ｘ線、又はガンマ線ビーム入力から実質的に収束型の紫外線、Ｘ線、又はガンマ線ビーム出力を生成するように構成された単一の多層領域の別の実施例を示す詳細な断面図である。
【図３５】収束型紫外線、Ｘ線、又はガンマ線ビーム入力から実質的に発散型の紫外線、Ｘ線、又はガンマ線ビーム出力を生成するように構成された単一の多層領域の別の実施例を示す詳細な断面図である。
【図３６】収束型紫外線、Ｘ線、又はガンマ線ビーム入力から実質的に平行又はコリメートな紫外線、Ｘ線、又はガンマ線ビーム出力を生成するように構成された単一の多層領域の別の実施例を示す詳細な断面図である。
【図３７】平行又はコリメートな紫外線、Ｘ線、又はガンマ線ビーム入力から実質的に発散型の紫外線、Ｘ線、又はガンマ線ビーム出力を生成するように構成された単一の多層領域の別の実施例を示す詳細な断面図である。
【図３８】収束型紫外線、Ｘ線、又はガンマ線ビーム入力から実質的に収束型の紫外線、Ｘ線、又はガンマ線ビーム出力を生成するように構成された単一の多層領域の別の実施例を示す詳細な断面図である。
【図３９】図３８の単一の多層領域よりも焦点距離が短い図３８の単一の多層領域の別の実施例を示す図である。
【図４０】高屈折率層、低屈折率層、及び複数のグレーディング層を備えた多層領域を有し、当該高屈折率層又は異なる高屈折率層が各グレーディング層対の間に設けられた図３の多層材料スタックの別の実施例を示す詳細な断面図である。
【図４１】各多層領域が１又は複数の複合グレーディング層を有し、各複合グレーディング層が離散グレーディング副層を備え、各グレーディング副層が２つの構成材料を含み、各構成材料が異なる実屈折率を有する図３の多層材料スタックの別の実施例を示す詳細な断面図である。
【図４２】グレーディング副層の２つの構成材料の分布が離散的ではない図４１の多層材料スタックの別の実施例を示す詳細な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図２は、例えば全反射により入射光子ビーム４０の方向を変えて反射光子ビーム４２とするのに適した多層材料スタック３０（正確な縮尺で図示したものではない）を示す概略断面図である。この入射光子ビーム４０には、ＵＶビーム、Ｘ線ビーム、又はガンマ線ビームが含まれていてもよい。以下に詳述するように、反射光子ビーム４２は、実質的に発散型、コリメート、又は収束型の入力光子ビームから実質的にコリメート、発散型、又は収束型の光子ビームを形成したものであってもよい。多層材料スタック３０は、図中、第１の多層領域３２−１から第Ｎの多層領域３２−Ｎで表される複数の多層領域を備えている。
【００１５】
当然のことながら、多層材料スタック３０を構成する多層領域の数には一切の制限がなく、多層材料スタック３０の対象となる特定の用途によって決まる。多層材料スタック３０は、何百又は何千という多層領域を備え得る。各多層領域３２−１〜３２−Ｎは、高屈折率層３４、低屈折率層３８、及びグレーディング領域３６を備え、高屈折率層３４と低屈折率層３８との間には１又は複数のグレーディング層が設けられている。各多層領域を構成する材料層は、本明細書に記載の方法に従って選択及び配置される。また、多層材料スタック３０は、第Ｎ多層領域３２−Ｎからの光子放出を防止するため、その外面に光子不透過クラッド層４４を備えていてもよい。
【００１６】
当然のことながら、入射光子ビーム４０の幅は、第１多層領域３２−１の厚さより小さくても大きくてもよい。大きい場合は、入射光子ビーム４０の異なる部分が通過して、他の多層領域３２−２〜３２−Ｎの一部又は全部により全反射されるため、反射光子ビーム４２の対応する部分として多層材料スタック３０から出射する。入射光子ビーム４０の幅が第１多層領域３２−１の厚さより小さい場合は、多層材料スタック３０から得られるフラックスが減少する可能性があるものの、有用な方向変換機能を提供可能である。
【００１７】
入射光子ビーム４０は、明瞭化のため、第１多層領域３２−１に入射して反射された部分だけを図示している。以下に詳述するように、上記様々な材料層として選択された材料は、各多層領域３２−２〜３２−Ｎに対して光子の全反射率が最大化されるような反射特性を有している。更に、本開示の構成によれば、ＵＶ線、Ｘ線、及びガンマ線に対する全反射の臨界角が従来技術よりも大きくなる。
【００１８】
次に図３を参照する。図３には、第１及び第２の多層領域３２−１、３２−２のみを示している。各多層領域は複数の材料層を備え、各材料層は固有の実屈折率ｎ、反射係数β、及び厚さｔを有している。図示の例では、各多層領域３２−１、３２−２が（ｉ）実屈折率ｎ1、吸収係数β1、及び厚さｔ1を有する高屈折率層３４、（ｉｉ）図中、グレーディング層３６−１〜３６−３で表される複数のグレーディング層を備えたグレーディング領域３６、及び（ｉｉｉ）実屈折率ｎ2、吸収係数β2、及び厚さｔ2を有し、グレーディング領域３６上に配設された低屈折率層３８を備える。
【００１９】
第１のグレーディング層３６−１を構成する材料は、実屈折率ｎ3、吸収係数β3、及び厚さｔ3を有し、高屈折率層３４上に配設されている。第２のグレーディング層３６−２を構成する材料は、実屈折率ｎ4、吸収係数β4、及び厚さｔ4を有し、第１グレーディング層３６−１上に配設されている。そして、第３のグレーディング層３６−３を構成する材料は、実屈折率ｎ5、吸収係数β5、及び厚さｔ5を有し、第２グレーディング層３６−２上に配設されている。高屈折率層３４及び低屈折率層３８の厚さは通常、出力ビームの所望の発散度に応じて、ナノメートルからミクロンのオーダーであってもよい。また、各グレーディング層３６−１〜３６−３の厚さについても通常、ナノメートルからミクロンのオーダーであってもよい。
【００２０】
第２多層領域３２−２の構成は、連続する各多層領域から第Ｎ多層領域３２−Ｎに至るまで繰り返されていてもよい（不図示）。別の実施例においては、連続する多層領域中の一部又は全部の材料層の厚さが、第２多層領域３２−２中の対応する材料層の厚さと異なっていてもよい。例えば、第１多層領域３２−１中の高屈折率層３４の厚さは、１００ミクロンのオーダーであってもよい。一方、第２多層領域においては、数十ナノメートルのオーダーであってもよい。また、別の実施例においては、連続する多層領域中の一部又は全部の材料層の材料組成が、第２多層領域３２−２中の対応する材料層の材料組成と異なっていてもよい。
【００２１】
多層部分の材料選択は、特定の光子エネルギー応用技術に関する第１の基準を少なくとも満足する。この第１の基準によれば、多層領域中の５つの材料層を例に挙げると、各多層領域中の５つの材料層の実屈折率ｎiは、隣接する２層間の屈折率の実部の差異（即ち、ｎi−ｎi±j）が入射光子エネルギーの特定の範囲に対して可能な限り大きくなるように規定される。この第１の基準に準拠すれば、ある材料層から隣接材料層への電子密度の急変を回避できるため、２つの材料を用いるシステムよりも材料層界面における反射率を高くすることができる。即ち、図示の例の場合は、然るべき材料選択により、特定のエネルギー範囲に対して値（ｎ1−ｎ3）、（ｎ3−ｎ4）、（ｎ4−ｎ5）、及び（ｎ5−ｎ2）が最大化される。
【００２２】
第２の基準を満足すれば、多層スタックからの最適な反射が得られる。この第２の基準によれば、隣接する材料層間の吸収係数の差異は可能な限り最小化される。即ち、特定のエネルギー範囲に対して値（β3−β1）、（β4−β3）、（β5−β4）、及び（β2−β5）が最小化される。この第２の基準に準拠すれば、ある材料層から隣接材料層への質量密度の急変を回避でき、第１の基準と組み合わせれば、多層スタック全体からの反射率が改善される。従って、図示した特定の例の場合は、両基準を満足することによりｎ1＞ｎ3＞ｎ4＞ｎ5＞ｎ2及びβ2＞β5＞β4＞β3＞β1の関係が成り立って、反射率が高くなる。
【００２３】
低屈折率層３８の材料は、対応する多層領域３２−Ｎが方向を変えるとともに遮断する必要のある最大光子エネルギーにより決定してもよい。また、この最大光子エネルギーの値は、多層材料スタック３０の用途により決定してもよい。隣接層間の光子吸収の差異を最小化しつつ実屈折率の差異を最大化すれば、多層領域３２−２等の多層領域全体からの全反射率が大きく改善される。当然のことながら、この反射率は、例えば（ｉ）低屈折率層３８が相対的に薄いと入射光子の一部が低屈折率層３８を通過して次の多層領域に入射する、（ｉｉ）隣接材料層間の光子吸収特性に不整合がある、ことにより１００％未満となる場合がある。
【００２４】
この現象は、図３の概略断面図に見られる。図中、入射光子ビーム４０の大部分は第２多層領域３２−２で反射されているが、スプリアスビームレット４２−６が次の多層領域（不図示）に入射する場合がある。なお、図３は正確な縮尺で図示したものではなく、材料層の厚さと入射光子ビーム４０の入射角及び反射角は、明瞭化のため誇張表示している。入射光子ビーム４０の第１の部分は、高屈折率層３４と第１グレーディング層３６−１との間に形成された第１の界面５０で全反射され、第１のビームレット４２−１として多層材料スタック３０から出射する。
【００２５】
入射光子ビーム４０の第２の部分は、第２の界面５２で反射され、第２のビームレット４２−２として多層材料スタック３０から出射する。一実施例においては、第２のビームレット４２−２の強度が第１のビームレット４２−１とは異なり、通常は低い強度である。例えば、強度が更に低い入射光子ビーム４０の第３の部分は、第３の界面５４で反射され、場合によっては強度が更に低い第３のビームレット４２−３として多層材料スタック３０から出射してもよい。同様に、強度が更に低い入射光子ビーム４０の第４の部分は、第４の界面５６で反射され、強度がより一層低い第４のビームレット４２−４として出射してもよい。そして、図３では、強度がより一層低い入射光子ビーム４０の第５の部分が第５の界面５８で反射され、強度が更に低いビームレット４２−５として出射してもよい。入射ビーム４０の無視できるほど僅かな部分は、強度が非常に低いスプリアスビームレット４２−６として次の多層領域（不図示）に入射する。
【００２６】
２つの連続層間の吸収の差異を最小化しつつ実屈折率の差異を最大化する設計基準を使用する開示の方法によれば、各多層材料スタックからの全反射を実現するための臨界角が最大となって、多層スタック全体からの全反射条件（入射角＜Θcritical）を満足する光子の割合も最大となり、更には、全反射に成功する光子の数、即ち、反射に際して吸収も伝播もされない光子の数も最大となる。連続層間の光子吸収の差異が上記基準に従って最小化されていない場合は、全反射される光子の割合が大幅に低下する可能性がある。
【００２７】
図４のフローチャート７０及び図５の光学素子９０を更に参照して、本明細書に開示の実施例の設計属性を用いて光学素子を製造するプロセスを詳細に説明することができる。円筒状光学素子（後述）の場合は、例えばおよそ１０ｋｅＶのＸ線エネルギーの用途に対して、ベリリウム又はホウ素等の高屈折率材料を選択して高屈折率層を形成してもよい（ステップ７２）。平面状光学素子９０をおよそ２００ｋｅＶ以上の高いエネルギーで使用する場合は、高屈折率コア材料を例えばシリコンとして最初の滑らかな平坦面を設け、その上に次の多層領域を形成することができる。
【００２８】
この高屈折率材料の屈折率の実部（ｎ1）は相対的に高い値とするのが好ましく、光子吸収係数（β1）は相対的に低い値とするのが好ましい。次に、イリジウム又は劣化ウラン等の低屈折率材料を選択して、低屈折率層を形成してもよい（ステップ７４）。この低屈折率材料の屈折率の実部（ｎ2）は相対的に低い値（即ち、ｎ2＜＜ｎ1）とするのが好ましく、光子吸収係数（β2）は相対的に高い値（即ち、β2＞＞β1）とするのが好ましい。
【００２９】
次に、１〜Ｎ個の異なるグレーディング材料又は材料組成を選択して、各グレーディング層を形成してもよい（ステップ７６）。Ｎ個の各グレーディング材料の屈折率の実部は、ｎ2とｎ1の間の実屈折率値となるように選択してもよい。図示の実施形態では、Ｎ個の各グレーディング材料の光子吸収係数が低い光子吸収係数β1と高い光子吸収係数β2の間の値であれば都合が良い。次に、高屈折率材料を被着又はメッキさせて、高屈折率「コア」又は「初期」層を形成してもよい（ステップ７８）。別の実施例においては、基板シートを予め形成又は作製しておき、フローチャート７０の製造プロセスの開始点として提供するようにしてもよい。この場合は、基板シートを後で取り除くことによって、得られる光学素子の一部とならないようにしてもよい。
【００３０】
最適な反射率の多層スタックを生成するため、以下の基準を満足する「スタッキング」シーケンスにより、実屈折率ｎ3〜ｎN+2の３〜（Ｎ＋２）個のグレーディング材料を高屈折率層又はコアに被着させてもよい（ステップ８０）。
【００３１】
ｎ1＞ｎ3＞ｎ4＞・・・＞ｎN+1＞ｎN+2＞ｎ2 （１）
β1＜β3＜β4＜・・・＜βN+1＜βN+2＜β2 （２）
グレーディング材料に関して（ｎi−ｎi+1）を最大化（３＜ｉ＜Ｎ＋１） （３）
グレーディング材料と高屈折率材料及び低屈折率材料との間の遷移に関して（ｎ1−ｎ3）及び（ｎN+2−ｎ2）を最大化 （４）
グレーディング材料に関して（βi+1−βi）を最小化（３＜ｉ＜Ｎ＋１） （５）
グレーディング材料と高屈折率材料及び低屈折率材料との間の遷移に関して（β3−β1）及び（β2−βN+2）を最小化 （６）
ステップ８０で実行するプロセスにより、図３のグレーディング層３６と類似する一連のグレーディング層が形成される。そして、最も外側のグレーディング層に低屈折率材料を被着又はメッキさせて、図３の第１多層領域３２−１又は図５の多層領域９２等の多層領域の製造を完了してもよい（ステップ８２）。判定ステップ（ステップ８４）では、更に多層領域を追加するか否かについての判定を行ってもよい。例えば、光学素子９０（図５）では、最初の多層領域９２に多層領域３２−２を追加している。このように１又は複数の多層領域を追加する場合は、ステップ７８に戻って、現在の最も外側の低屈折率材料層上に別の高屈折率材料層を被着又はメッキさせてもよい。この構成により、図示した通り、例えばグレーディング層３６−１を通過してグレーディング層３６−２に入射する入射角度で、入射光子ビーム４０を多層領域３２−１、３２−２中で反射させるようにしてもよい。
【００３２】
プロセスのステップ７８〜８２は、繰り返し実行して必要な数の多層領域を生成するようにしてもよい。判定ステップ８４の応答がＮＯの場合は、図２の光子吸収層４４等の光子不透過層を最も外側の低屈折率材料層上に任意で追加してもよい。ＹＥＳの場合は、光子吸収層を設けずに製造プロセスを終了してもよい。
【００３３】
このように、光学素子９０は、従来技術よりも大きな線源立体角Ωに対してＵＶ線、Ｘ線、及びガンマ線放射の収集及び方向変換が可能である。この素子を医療用撮像システムに適用すると、曝露時間及び患者線量を低減可能となり、画像解析が容易になるとともに、コンピュータトモグラフィ（ＣＴ）等の画像診断法の診断精度が改善される可能性がある。更に、Ｘ線用途の場合は、Ｘ線源を例えば２〜１０倍低い出力で動作させることが可能となるため、Ｘ線源の寿命がより一層長くなる。
【００３４】
図６に示す別の実施例において、光学素子１００は、第１の多層領域１０２−２及び類似する第２の多層領域１０２−４を備えている。各多層領域１０２−２、１０２−４は、例えば図７に示す低屈折率材料を含む初期層１０４から作製してもよい。この光学素子１００の低屈折率層１０４の材料は、図５の光学素子９０と類似の基準を用いて、図８のフローチャート１２０のステップ１２２のように選択してもよい。次に、高屈折率層１０６の高屈折率材料を選択し（ステップ１２４）、グレーディング領域１０８の材料を選択してもよい（ステップ１２６）。
【００３５】
次に、低屈折率材料を被着又は形成して、低屈折率層又はコア１０４を形成してもよい（ステップ１２８）。グレーディング層１０８−１、１０８−２、１０８−３は、高屈折率層１０６に隣接して最大の屈折率（ｎ3）を有する材料及び低屈折率層１０４に隣接して最小の屈折率（ｎ5）を有する材料により形成してもよい（ステップ１３０）。即ち、以下の基準が満たされる場合は、多層スタック全体からの反射率が最適となる。
【００３６】
ｎ2＜ｎN+2＜ｎN+1＜・・・＜ｎ4＜ｎ3＜ｎ1 （７）
β2＞βN+2＞βN+1＞・・・＞β4＞β3＞β1 （８）
グレーディング材料に関して（ｎi−ｎi+1）を最大化（３＜ｉ＜Ｎ＋１） （９）
グレーディング材料と高屈折率材料及び低屈折率材料との間の遷移に関して（ｎ1−ｎ3）及び（ｎN+2−ｎ2）を最大化 （１０）
グレーディング材料に関して（βi+1−βi）を最小化（３＜ｉ＜Ｎ＋１） （１１）
グレーディング材料と高屈折率材料及び低屈折率材料との間の遷移に関して（β3−β1）及び（β2−βN+2）を最小化 （１２）
高屈折率材料を被着させて高屈折率層１０６を形成した後（ステップ１３２）、判定ステップ（ステップ１３４）では、更に多層領域を形成するか否かについての判定を行う。ＹＥＳの場合は、必要に応じてステップ１２８〜１３２を繰り返し、所望の場合は光子不透過クラッド層を追加する（ステップ１３６）。この構成により、図示した通り、例えばグレーディング層１０８−３を通過してグレーディング層１０８−２に入射する入射角度で、入射光子ビーム６０を多層領域１０２−１、１０２−２中で反射させるようにしてもよい。
【００３７】
図９は、高屈折率層１４２、低屈折率層１４４、及び高屈折率層１４２と低屈折率層１４４との間に配設された複数のグレーディング層１５２、１５４、１５６を有するグレーディング領域１５８を備えた単一の多層領域１４０の一実施例を示す概略断面図である。前述の通り、各材料層の厚さは、明瞭化のため誇張表示している。高屈折率層１４２と第１のグレーディング層１５２との間には、第１の反射界面１６２が形成されている。同様に、第１グレーディング層１５２と第２のグレーディング層１５４との間には第２の反射界面１６４が形成され、第２グレーディング層１５４と第３のグレーディング層１５６との間には第３の反射界面１６６が形成され、第３グレーディング層１５６と低屈折率層１４４との間には第４の反射界面１６８が形成されている。
【００３８】
光子源１７０から発散型光子ビーム１７２を供給して、多層領域１４０の入力面１４６を照射するようにしてもよい。図中、光子ビーム１７２は、発散する５本の光子ビームレット１７２−０〜１７２−４として示しているが、当然のことながら、物理的には特定の放射立体角にわたって分布する連続ビームであって、本明細書の種々実施例の提示を容易化するために離散ビームレットとして表示しているに過ぎない。一実施例において、多層領域１４０は、大略図示の通りに構成された方向変換部１７４及び伝播部１７６を含むように構成されている。方向変換部１７４は、発散型光子ビーム１７２を実質的にコリメーションし、伝播部１７６を介して、実質的にコリメートなビーム１７８として所望の空間領域へと方向を変えるように機能する。
【００３９】
第１反射界面１６２は、図９の断面図中の実質的に真っ直ぐな部分と連続する曲線部分を有するように表されている。当然のことながら、第１反射界面１６２は、物理的には光子ビームレット１７２−１を反射する表面を形成しており、以下に詳述するように、例えば平面、円筒面、円錐面、又はこれらの組み合わせを含んでいてもよい。反射界面１６４、１６６、１６８の断面についても同様に、方向変換部１７４では曲線として、伝播部１７６では直線として示されている。反射界面１６４、１６６、１６８の曲線部分は、以下に詳述するように、例えば発散型光子ビーム１７２をコリメート又は方向変換するための円筒面等の正曲率の物理面を表している。同様に、反射界面１６４、１６６、１６８の直線部分は、平面状、円筒状、又は平面と円筒面とを組み合わせた物理面を表している。
【００４０】
光子ビーム１７２のコリメーションは、光子ビームレット１７２−０〜１７２−４の伝播経路を追跡することによって最もよく理解可能である。図示の通り、光子源１７０の中心は、高屈折率層１４２の中央を通る軸と大略一致する。第０の光子ビームレット１７２−０は、高屈折率層１４２を通過し、反射を受けずに第０のコリメートな光子ビームレット１７８−０として出射してもよい。これに対して、第１の光子ビームレット１７２−１は、最初の反射点１８２ａ及び最後の反射点１８２ｂで示すように、１又は複数回の全反射を受けつつ高屈折率層１４２を通過し、第１のコリメートな光子ビームレット１７８−１として出射してもよい。第２の光子ビームレット１７２−２は、第２反射界面１６４に対して臨界角未満で最初の反射点１８４ａに衝突すると、第２反射界面１６４の曲線部分に沿って複数回の全反射を受けた後、第２のコリメートな光子ビームレット１７８−２として第１グレーディング層１５２から出射する。図中、これら複数回の全反射は、最初の反射点１８４ａ及び最後の反射点１８４ｂで表されている。これら最初の反射点１８４ａと最後の反射点１８４ｂとの間で起こる中間の複数回の全反射については、明瞭化のため図示していない。
【００４１】
一実施例において、最初の反射点１８４ａと最後の反射点１８４ｂとの間の第２反射界面１６４の曲線部分の曲率は、反射界面１６４の両反射点間における第２光子ビームレット１７２−２の後続の全ての反射が臨界角未満で起こって全反射となるように規定される。
【００４２】
同様に、第３の光子ビームレット１７２−３は、最初の反射点１８６ａと最後の反射点１８６ｂとの間で複数回の全反射を受けてもよい。また、第４の光子ビームレット１７２−４は、最初の反射点１８８ａと最後の反射点１８８ｂとの間で複数回の全反射を受けてもよい。第３及び第４の反射界面１６６、１６８の曲線部分の曲率は、複数回の全反射が方向変換部１７４中の反射界面１６６、１６８の部分に沿って起こるように規定される。一実施例においては、光子ビームレットが方向変換部１７４の対応する曲面に沿って何百回又は何千回と反射した後、多層領域１４０から出射するようにしてもよい。当業者には当然のことながら、コリメートな光子ビームレット１７８−１〜１７８−４の所望の軌道は、反射ビームレットが方向変換部１７４から伝播部１７６に入射する時、即ち、各層の曲線部分の接線がその後の直線部分と実質的に平行となる時に実現される。伝播部１７６は、概して任意の物理的長さを有していてもよく、単一の多層領域１４０の取り扱い又は一体化のための従来の物理サイズを提供するように規定することができる。
【００４３】
高屈折率層１４２は、図１０に示すように、一端に曲面又は円筒面１４８を有する大略平面状のコア又は基板として形成し、これによって、図９の多層領域１４０の方向変換部１７４における曲線界面を生成するようにしてもよい。また、図１１に示すように、一端に第１の曲面１９４を有し、他端に第２の曲面１９６を有するコア層１９２等、その他のコア構成も考えられる。特定の光学素子のスタックには、図１２のようなテーパー状コア１９８を使用してもよい。フローチャート７０、１２０の方法に対しては、テーパー形状と１つ又は２つの曲面の両者を有する構成（不図示）等、その他のコア層構成を使用して、前述の通り、相対的に大きな光源立体角に対して相対的に高いエネルギーの入力放射を収集する光学素子を構成することもできる。
【００４４】
図１３は、光学素子２００の概略等角図であって、入射面２０４を照射する発散型光子源１７０の出力とともに示している。光学素子２００は、長手方向の対称面と平行な一連の面内を実質的に伝播するファン形状のコリメートな光子ビーム出力２０８を形成するのに使用してもよい。図９を参照して、図１３の光学素子２００は、高屈折率層２０６の両面にグレーディング領域１５８を被着させた後、各グレーディング領域１５８上に低屈折率層１４４を被着させて製造してもよい。当然のことながら、光学素子２００は、本質的には多層領域１４０とそのミラー像とを１つずつ組み合わせたものである。
【００４５】
光学素子２００の高屈折率層２０６の両面への多層被着を繰り返すことによって、図１４のような大型の光学素子２１０を形成してもよい。このように形成した光学素子２１０は、中心となる高屈折率層２０６を備え、その上に複数の多層領域２１２−１〜２１２−Ｎを繰り返し被着させることによって、大略図示の通り、何百、何千、又は何百万もの多層領域を平面状にスタックしている。多層領域２１２−１〜２１２−Ｎの一部は円筒面を含み、発散型入射光子ビームのコリメーションを行うように機能する方向変換部２１４を形成している。
【００４６】
図１５に示す別の実施例おいて、コア層２２０は、コア表面２２２の第２端よりも第１端が厚い実質的に平面状の層を備えていてもよい。図示の構成では、コア層２２０が凹状円筒部２２４を含んでおり、図１６に示す光学素子２３０の製造が可能であるとともに、収束型放射ビームを受けるのに適した後述するその他光学素子の製造が可能である。光学素子２３０においては、コア表面２２２及びコア層２２０の両縁部２２６、２２８上にグレーディング層２３２、２３４、２３６、及び外側の低屈折率層２３８が形成されている。フローチャート７０に従って、光学素子２３０に別の多層領域（不図示）を追加してもよい。
【００４７】
図１７には、アーチ形状の入力面２４２を有するコア層２４０の別の実施例を示している。コア層２４０は、実質的に一様な厚さを有することによって、その後に被着されるグレーディング層を収容する円筒形状面を提供するようにしてもよい。図１８に示す別の実施例において、コア層２５０は、アーチ形状の入力面２４２よりも厚いアーチ形状の出力面２４６を有していてもよい。これにより、コア層２５０は、その後に被着されるグレーディング層に対して、縦軸２５２に沿って正曲率を有し、横軸２５４に沿って負曲率を有する鞍状面２４８を提供する。
【００４８】
図１９には、コア層２４４を備えた光学素子２６０を示している。コア層２４４の両面には、複数の平面状多層領域２６２−１〜２６２−Ｎを繰り返し被着させることによって、図１４の光学素子２１０と同様に、何百、何千、又は何百万もの多層領域を平面状にスタックしている。多層領域２６２−１〜２６２−Ｎには、鞍状面２４８のような鞍状面を含んでいてもよい。図２０に示す別の実施例において、光学素子２７０は、全体として鞍状面２４８と類似の鞍状面を近似するように成形された複数の隣接部分２７４を含む上側分割面２７２を有していてもよい。当業者には当然のことながら、分割面２７２は、鞍状面２４８よりも簡単に作製可能であってもよい。
【００４９】
上記光学素子構成の別の実施例として、コア層３４（図３）、コア層１０４（図７）、及びコア層１４２（図９）のいずれも、平面状ではなく棒状であってもよい。図２１に示す棒状コア３００は、図中、部分的に連続する複数の曲線部分及び直線部分を含む一般断面形状３０２で表される曲線断面形状又は多角形断面形状を含んでいてもよい。この棒状コアは、２次元閉領域を形成する任意の断面を有するように構成してもよい。閉領域の周囲は、連続であってもよいし、部分的に連続であってもよい。また、直線又は曲線を含んでいてもよい。この閉領域は、３次元方向に突き出して、これにより棒状コア自体を規定するようにしてもよい。棒状コア３００上へのグレーディング層の作製は、図２２に示すように、棒状コア３００上に第１の一様なグレーディング層３０４を被着させる等、略一様な層を被着させることによって達成してもよい。あるいは、被覆グレーディング層は、図２３に例示する棒状コア３００上に被着させた第１の非一様グレーディング層３０６のように、１又は複数の非一様層として被着させることにより、外面を「均す」とともに略円形断面の光学素子を生成するようにしてもよい。
【００５０】
本明細書に記載の光学素子は、平坦面、歪曲面、凸面、及び／又は凹面の部分を有する入力面及び／又は出力面を備えていてもよい。図２４に示す光学素子３１０は、例えば縦軸に沿って変化する実質的に円形の断面形状を有し、その断面サイズは、長手方向中心近傍で最大となる。このように、光学素子３１０は、以下に詳述するように、発散型放射入力ビームを受けるように構成されていてもよい。一実施例において、光学素子３１０は、曲率がより明確となるように一部を切り欠いた図示の通り、凹状入力面３１６を含んでいる。この曲率３１４は、例えば円筒状、球状、楕円状、放物線状、又は双曲線状であってもよい。図に示してはいないが、出力面についても曲線状であってもよく、この場合は、その曲率が出力ビームの発散度に影響を及ぼす。
【００５１】
光学素子３１０は、所望の最終形状をより簡単に実現できるよう、それに類似する形状の棒状コア（不図示）上に作製してもよい。即ち、棒状コアは、縦軸に沿って変化する実質的に円形の断面形状を有し、その断面サイズが棒状コアの長手方向中心近傍で最大となるにように構成してもよい。
【００５２】
別の実施例において、図２５に示す棒状コア３２０は、縦軸３１８に沿って変化する実質的に円形の断面形状を有するが、その断面サイズは、長手方向中心近傍で最小である。従って、棒状コア３２０は、入力面近傍で鞍状面３２８を形成していてもよい。当業者には当然のことながら、棒状コア３２０上に多層領域を被着させて製造した光学素子（不図示）は、断面サイズが素子の長手方向中心近傍で最小となる類似の円形断面形状を有していてもよい。
【００５３】
図２６は、発散型光子源１７０の出力を実質的にコリメートな光子ビーム３２２に成形する際に使用する光学素子３３０の概略等角図である。光子源１７０から出射した発散型光子ビーム１７２は、放射立体角Ωを有し、光学素子３３０の入力面３３４を照射している。図９も参照して、光学素子３３０は、単一の多層領域１４０を高屈折率層１４２周りに回転させたものと見なしてもよい。この構成では、高屈折率層が円形又は楕円形の断面を有する高屈折率円筒状コア３３２を構成していてもよい。グレーディング層１５２、１５４、１５６によって構成されたグレーディング領域は、高屈折率円筒状コア３３２を物理的に囲っている。なお、各層の厚さは、明瞭化のため誇張表示している。
【００５４】
光学素子３３０の方向変換部１７４は、発散型光子ビーム１７２を実質的にコリメーションし、伝播部１７６を介して、光学素子３３０の縦軸に沿って所望の対象へと方向を変えるように機能する。外側の低屈折率層１４４の方向変換部１７４を構成する部分には、光学素子３３０の縦軸側に湾曲した凸面３３６が含まれる。これに対して、伝播部１７６は、光学素子３３０の縦軸と実質的に平行な軸の円筒面３３８を有する。
【００５５】
光学素子３３０は、ベリリウム又はホウ素等の高屈折率材料を成形した円筒状繊維を高屈折率層コア３３２として製造を開始してもよい。そして、第１グレーディング層１５２、同心又は同一平面上のグレーディング層１５４、１５６等の後続する全ての素子層、及び外側の低屈折率層１４４は、気相堆積、サーマル又は超音速ジェット噴霧堆積、化学メッキプロセス、又は従来既知の類似プロセスの１又は複数の組み合わせによって、高屈折率層コア３３２に被着させてもよい。当然のことながら、被着又はメッキのプロセスは、必要に応じて継続することにより、実質的に複数の多層領域３４２−１〜３４２−Ｎを備えた図２７の光学素子３４０を得ることができる。これにより、大きな放射立体角Ωからの放射の収集が可能になるとともに、大きな出力ビーム３２４が得られるようになる。
【００５６】
図２８は、図２６の光学素子３３０の別の実施例である光学素子３６０の概略等角図である。図示の構成では、高屈折率コア３６２が六角形断面の棒状である。そして、実質的に円筒状のグレーディング層３５２、３５４、３５６が高屈折率コア３６２を物理的に囲い、外側の低屈折率層３５８がグレーディング層３５２〜３５６を囲っている。高屈折率コア３６２の断面形状は、光学素子３６０製造用の例えばベリリウム又はホウ素を含む高屈折率繊維の特定形状により決定してもよい。また、光学素子３６０の機能性に影響を及ぼさなければ、曲線又は多角形等の別の断面形状であってもよい。外側の低屈折率層３５８の入力面３６４に近い部分には、光学素子３６０の縦軸に対する凸面３６６が含まれる。また、光学素子３６０の出力ビーム３２６に近い部分には、正円筒面３６８が含まれる。
【００５７】
光学素子３６０の別の実施例として、図２９に示す変形光学素子３７０は、高屈折率コア３６２の一部にだけ被着を施している。外側の低屈折率層３５８及びグレーディング層３５２〜３５６は、六角形断面の高屈折率コア３６２の２つの上面及び２つの下面に被着されている。光学素子３７０の出力ビームには、上記光学素子３６０の出力ビーム３２６よりも多くのファンビームが含まれる。
【００５８】
図３０に示す光学素子３８０は、図２７の光学素子３４０と類似する積層構造の中心多層領域コア３８２−０を備えている。これに続いて、入力面３８４で最もよく確認できる同心状の多層領域３８２−１〜３８２−Ｎを被着させることにより、何百、何千、又は何百万もの同心状多層領域を構成している。当業者には当然のことながら、光学素子の入力面３８４に近い部分には「鞍状」面３８６が含まれており、これによって、入力面３８４の直径は光学素子３８０の伝播部３８８よりも大きくなっている。この特殊な構成によって、以下に詳述するように、収束型入力ビーム（不図示）を実質的にコリメートな出力ビームへと変換できる可能性がある。図３１に示す別の実施例において、光学素子３９０は、歪曲した入力面３９４、即ち、縦軸３９６に対して９０°未満の入力面を備えていてもよい。入力面は、凹面、凸面（不図示）、又は複雑な曲面（不図示）において平面状又は曲線状３０８（図２４）であってもよいし、これら形状の任意の組み合わせであってもよい。
【００５９】
図３２に示す本発明の別の態様において、光学素子４００は、光子源１７０から出射した発散型入力光子ビーム１７２の方向を変えて第２の発散型光子ビーム１７４を生成するように構成されている。この光学素子４００は、上記の高屈折率コア１４２又は高屈折率コア３１０等の高屈折率層を含む多層領域を備えている。また、高屈折率コア１４２、３１０上に配設された複数のグレーディング層４０２及びグレーディング層４０２上に配設された低屈折率層４０４を備えている。そして、複数の層間には曲線界面を備えている。光学素子４００が光学素子３３０（図２６）若しくは光学素子３４０（図２７）に類似する棒状素子又は光学素子２００（図１３）若しくは光学素子２１０（図１４）に類似する平面状素子を構成するように、低屈折率層４０４は、光学素子４００の縦軸側に湾曲した凸面を形成している。
【００６０】
図３２に示すように、曲線状の反射界面４１４、４１６、４１８については、対応する光学素子の出力面におけるそれぞれの接線が素子光学軸と平行にはなっていないことが分かる。このことは、図９に示した類似構成の多層領域１４０において匹敵する反射界面１６４、１６６、１６８の曲線部分とは異なる。従って、図３２の入力光子ビームレット１７２−１、１７２−２、１７２−３は、光学素子４００内部で十分に方向変換されてコリメートビームを形成するようにはなっておらず、出力光子ビーム１７４は、入力光子ビーム１７２より発散度は低くなってはいるものの、依然として発散型のままである。これに対して、図９の発散型光子ビーム１７２は、光学素子の出力面における曲線状反射面の接線が素子光学軸と平行になる方向変換部１７４及び伝播部１７６の直線状反射面を通ることによって、実質的にコリメーションされる。
【００６１】
図３３は、実質的にコリメートな入力光子ビーム４３０の方向を変えて実質的に収束型の出力光子ビーム４３２を生成するように構成された光学素子４２０の一実施例を示している。明瞭化のため、光学素子４２０の複数のグレーディング領域層４２２を通過して対応する出力光子ビームレット４３２−１、４３２−２、４３２−３として出射する光子ビームレット４３０−１、４３０−２、４３０−３のみを図示している。入力光子ビームレット４３０−１、４３０−２、４３０−３の軌道は、光学素子４２０の方向変換部４２４で複数回の全反射を受けることによって方向が変わり、収束していることが分かる。当業者には当然のことながら、光学素子４２０の構成は、図９の多層領域１４０と同様であってもよいが、光子ビームレットが伝播部１７６に入射して方向変換部１７４から出射する点は異なる。
【００６２】
図３４に示す本発明の別の態様において、光学素子４５０は、発散型光子ビーム１７２の方向を変えて実質的に収束型の出力光子ビーム４５８を生成するように構成されている。この光学素子４５０は、第１の方向変換部４５２及び第２の方向変換部４５６を備え、更にはこれらに囲われた伝播部４５４を備えていてもよいし、備えていなくてもよい。方向変換部４５２、４５６の低屈折率層４６２及びグレーディング層４６４、４６６、４６８は、光学素子４５０の高屈折率層４６０側に湾曲した反射面を有する。当然のことながら、光学素子４５０が棒状の場合はコア３１０を備えていてもよく、平面状の場合はコア層１９２を備えていてもよい。
【００６３】
図３５に示す本発明の別の態様において、光学素子４８０は、収束型光子ビーム４７０の方向を変えて発散型の出力光子ビーム４７２を生成するように構成されている。この光学素子４８０は、第１の方向変換部４７４及び第２の方向変換部４７８を備え、更には中間伝播部４７６を任意で備えている。光学素子４８０の低屈折率コア４８２は、コア層２２０（図１６）又は棒状コア３２０（図２５）と類似の形状を有し、素子出力側に鞍状の方向変換領域を追加したものである。図示の構成では、低屈折率コア４８２上にグレーディング領域４８６を配設してもよく、光学素子４８０の最上部又は外側に高屈折率層４８４を有する。
【００６４】
方向変換部４７４、４７６の低屈折率コア４８２及びグレーディング領域４８６は、高屈折率層４８４側である上側又は外側に湾曲した反射面を有する。即ち、光学素子４８０が棒状素子を構成するように、高屈折率層４８４の下面は、光学素子４８０の縦軸から離れる方向に湾曲した凹面を構成している。また、光学素子４８０が平面状素子を構成するように、高屈折率層４８４は、縦軸から離れる方向に湾曲した円筒面を構成していてもよい。
【００６５】
図３６に示す本発明の更に別の態様において、光学素子５００は、収束型光子ビーム４７０の方向を変えてコリメートな出力光子ビーム４９２を生成するように構成されている。この光学素子５００は方向変換部５０２を備え、そのコア５０４には低屈折率材料を含む。この低屈折率材料は、コア層２２０又は棒状コア３２０のような形状であってもよい。また、最上層即ち外側層５０６には、高屈折率材料が含まれる。
【００６６】
図３７に示す本発明の更に別の態様において、光学素子５１０は、本質的にコリメートな光子ビーム４９４の方向を変えて発散型の出力光子ビーム４９６を生成するように構成されている。この光学素子５１０は方向変換部５１８を備え、そのコア５１２が低屈折率層を構成し、最上層即ち外側層が高屈折率層５１４を構成している。方向変換部５１８の低屈折率層５１２及び中間のグレーディング層は、光学素子５１０の高屈折率層５１４側である上側に湾曲した反射面を有する。
【００６７】
図３８に示す本発明の更に別の態様において、光学素子５２０は、収束型光子ビーム４７０の方向を変えて焦点５３４を有する別の収束型出力光子ビーム５３２を生成するように構成されている。この光学素子５２０は、高屈折率層５２２及び最上部即ち外側の低屈折率層５２４を備えている。低屈折率層５２４及び中間のグレーディング層５２６は、高屈折率層５２２側である下側に湾曲した反射面５２６−１、５２６−２、５２６−３を構成している。この光学素子５２０は、例えば焦点５３４の位置調節に使用可能である。また、焦点５３４のサイズ調節にも使用可能である。
【００６８】
光学素子５２０の別の態様において、図３９に示す光学素子５４０は、収束型光子ビーム４７０の方向を変えて、焦点５３４よりも素子からの距離が短い焦点５３８を有する更に収束型の出力光子ビーム５３６を生成するように構成されている。この光学素子５４０は、高屈折率層５４２と、光学素子５２０の中間グレーディング領域５２６よりも曲率が大きな反射面を有する中間のグレーディング領域５４４を囲う低屈折率層５４６とを備えている。あるいは、当業者には当然のことながら、光学素子５４０は、反射面５２６−１、５２６−２、５２６−３よりも曲率が大きな反射面５４４−１、５４４−２、５４４−３を備えることによって、焦点５３８の焦点距離が相対的に短くなるようにしてもよい。
【００６９】
ここで、図４０には、更に別の多層材料スタック５７０の一実施例を示しており、図中、多層領域５７２−１、５７２−２で表される複数の多層領域を備えている。これら多層領域のうちの１又は複数においては、高い実屈折率ｎ1の材料で作製された高屈折率層５７４と低い実屈折率ｎ2の材料で作製された低屈折率層５７６との間に配設された高反射性グレーディング領域５８０をそれぞれ備えていてもよい。この高反射性グレーディング領域５８０は、実屈折率ｎ3及び吸収係数β3を有する第１のグレーディング層５８２と、実屈折率ｎ4及び吸収係数β4を有する第２のグレーディング層５８４と、実屈折率ｎ5及び吸収係数β5を有する第３のグレーディング層５８６とを備えている。一実施形態においては、ｎ1＞ｎ3＞ｎ4＞ｎ5＞ｎ2及びβ1＜β3＜β4＜β5＜β2の関係が成り立つ。また、高反射性グレーディング領域５８０は、第１グレーディング層５８２と第２グレーディング層５８４との間に配設され、高い実屈折率ｎ6の材料を含む第１の高屈折率グレーディング層５９２と、第２グレーディング層５８４と第３グレーディング層５８６との間に配設され、高い実屈折率ｎ7の材料を含む第２の高屈折率グレーディング層５９４とを備え、ｎ6＞ｎ3及びｎ7＞ｎ4の関係が成り立っている。一実施形態においては、最適な全反射を可能とするため、β3＞β6及びβ4＞β7の関係が成り立つ。
【００７０】
当然のことながら、第１高屈折率グレーディング層５９２及び第２高屈折率グレーディング層５９４を構成する高屈折率材料は、高屈折率層５７４と同じ材料を含んでいてもよいし、異なる高屈折率材料であってもよい。この多層材料スタック５７０の構成によれば、高い実屈折率の材料層（即ち、光子吸収が相対的に低い領域）が高反射性グレーディング領域５８０内に配設されているため、全反射率が高くなる。この構成は、例えば図２、図３、図７、図９、及び図３２〜図３９に示した断面を有する実施形態に適用して、１つおきのグレーディング層を効果的に伝播層とすることにより、各光学素子の開口領域を大きくすることができる。
【００７１】
次に、図４１には、別の多層材料スタック６００の一実施例を示しており、多層領域６０２−１、６０２−２で例示される複数の多層領域を備えている。これら多層領域のうちの１又は複数においては、グレーディング層６０４−１、６０４−３、及び複合グレーディング層６０４−２を含むグレーディング領域６０４を備えている。グレーディング層６０４−１は、固有の実屈折率ｎ3及び吸収係数β3を有する第１の構成材料Ｍ1を含み、グレーディング層６０４−３は、固有の実屈折率ｎ5及び吸収係数β5を有する第２の構成材料Ｍ2を含む。図示の実施例では、右側の詳細図に示すように、複合グレーディング層６０４−２が４つのグレーディング副層６１２〜６１８を備えている。
【００７２】
図示の実施例の場合、４つの各グレーディング副層６１２〜６１８は、グレーディング層６０４−１とグレーディング層６０４−３との間で光学特性が単調な段階的遷移となるように、第１構成材料Ｍ1及び第２構成材料Ｍ2の両者が異なる組成物を含む。例えば、グレーディング副層６１２は、体積比およそ０．８の第１構成材料Ｍ1及び体積比およそ０．２の第２構成材料Ｍ2の混合物を含んでいてもよい。即ち、グレーディング副層６１２における第１構成材料Ｍ1の第２構成材料Ｍ2に対する割合は、体積比でおよそ４：１である。同様に、グレーディング副層６１４は、およそ０．６の第１構成材料Ｍ1及びおよそ０．４の第２構成材料Ｍ2を含んでいてもよい。また、グレーディング副層６１６は、およそ０．４の第１構成材料Ｍ1及びおよそ０．６の第２構成材料Ｍ2を含んでいてもよい。更に、グレーディング副層６１８は、およそ０．２の第１構成材料Ｍ1及びおよそ０．８の第２構成材料Ｍ2を含んでいてもよい。
【００７３】
当然のことながら、各多層領域６０２−１、６０２−２は、２つ以上の複合グレーディング層を備えていてもよい。また、当然のことながら、１つの複合グレーディング層に２つ以上のグレーディング副層が含まれていてもよいし、各グレーディング副層における２つのグレーディング層構成材料の混合比は、上記例と異なる割合であってもよい。更に、当然のことながら、このような組成の段階的な変化は、高屈折率層及び低屈折率層に適用してもよいし、グレーディング層に限定される必要はない。一般的に、構成材料ＭAを含む層Ａ及び構成材料ＭBを含む層Ｂを所与とすると、複合層Ｃは、層Ａと層Ｂ間に作製するとともに、複数の副層Ｃ1、Ｃ2、・・・ＣNを含んでいてもよい。各副層Ｃ1、Ｃ2、・・・ＣNにおける層構成材料ＭAの割合は、層Ａと層Ｂ間の連続する副層Ｃ1、Ｃ2、・・・ＣNにおいて減少するのが好ましい。また、層構成材料ＭBの割合は、層Ａと層Ｂ間の連続する副層Ｃ1、Ｃ2、・・・ＣNにおいて増加するのが好ましい。
【００７４】
図４２には、多層材料スタック６００の別の実施例である多層材料スタック６２０を示している。多層材料スタック６２０は、多層領域６２２−１及び多層領域６２２−２から第Ｎの多層領域（不図示）を含む複数の多層領域を備えている。これら多層領域のうちの１又は複数においては、複合グレーディング層６２４−２を含むグレーディング領域６２４を備えていてもよい。複合グレーディング層６２４−２は、第１の構成材料Ｍ1及び第２の構成材料Ｍ2の混合物を含む。第１構成材料Ｍ1及び第２構成材料Ｍ2は、複合グレーディング層６２４−２において異なるレベルで被着されているが、その割合は、低屈折率層６２６又は高屈折率層（不図示）からの距離ｚの関数として規定してもよい。例えば、複合グレーディング層６２４−２の任意の点における構成材料Ｍ1、Ｍ2の相対的な割合を、以下のようにパラメータｚの関数として表すことができる。
【００７５】
複合材料＝ｆ（ｚ）Ｍ1＋［１−ｆ（ｚ）］Ｍ2 （１３）
ここで、ｆ（ｚ）は、構成材料Ｍ1、Ｍ2の構成比を指定する例えば線形関数、多項式関数、又は対数単調関数であってもよい。単調関数であれば、隣接する２つのグレーディング層６２４−１、６２４−３間における構成材料Ｍ1、Ｍ2の相対的な割合の組成変化が滑らかになる。
【００７６】
当業者には当然のことながら、上記光学素子２００、２１０、２３０、２６０、２７０、３３０、３４０、３６０、３７０、３８０、３９０のいずれも、上記多層領域構成の１又は複数を備えていてもよい。更に、各光学素子の中心層即ちコア層が高屈折率材料又は低屈折率材料のいずれかを含み、光学素子の外層が低屈折率材料又は高屈折率材料のいずれかを含んでいてもよい。更に、当然のことながら、本明細書に開示の様々なコア構成及び光学素子の実施形態においては、円形状断面又は平面状断面を有していたが、本発明の要旨を逸脱することなく、任意のコア形状及び光学素子構成を用いて、ＵＶ線、Ｘ線、又はガンマ線ビーム放射の方向変換を行うようにしてもよい。
【００７７】
実施例を参照しながら本発明を記述したが、当業者には明らかなように、本発明の範囲から逸脱することなく、実施例に様々な改変を加えたり実施例の要素を等価物で置換したりできる。また、本発明の範囲から逸脱することなく、個々の状況に合わせて、本発明の教示に多くの修正を加えることができる。従って、本発明は、開示した発明を実施するための形態に限定されることなく、対象となる請求項の範囲内にあるあらゆる実施形態を包含する。更に、「第１」「第２」等の用語の使用は、重要度の順序を示すものではなく、或る要素を他の要素と区別するために用いられている。また、「少なくとも１つ」という表現の使用は、或る要素群のうちの１つ又は複数であることを意味する。
【００７８】
本明細書では、例を用いて本発明を記述しているが、これによって当業者は、任意の装置又はシステムの作製、並びに任意の付随の方法の実施を含め、本発明を実施することができる。本発明の特許請求の範囲は、請求項に定義されているが、当業者に想到可能なその他の例も包含し得る。こうしたその他の例は、請求項の文言と相違ない構成要素を有する場合、或いは請求項の文言と実質的に相違ない等価の構成要素を含む場合、特許請求の範囲に含まれるものとする。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
全反射により光子の方向を変えて伝播させる第１の多層領域であって、
第１の実屈折率ｎ1及び第１の吸収係数β1を有する高屈折率材料層と、
第２の実屈折率ｎ2及び第２の吸収係数β2を有する低屈折率材料層と、
前記高屈折率材料層と前記低屈折率材料層との間に配設され、第３の実屈折率ｎ3及び第３の吸収係数β3をｎ1＞ｎ3＞ｎ2の関係で有するグレーディング層を備えたグレーディング領域と、
を含む第１多層領域を備えたことを特徴とする光学素子。
【請求項２】
値（ｎ1−ｎ2）、（ｎ1−ｎ3）、及び（ｎ3−ｎ2）の少なくとも１つが最大であることを特徴とする、請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
β2＞β3＞β1の関係が成り立つことを特徴とする、請求項２に記載の光学素子。
【請求項４】
値（β2−β1）、（β2−β3）、及び（β3−β1）の少なくとも１つが最小であることを特徴とする、請求項３に記載の光学素子。
【請求項５】
前記光子が１０ｅＶ超のエネルギーを有することを特徴とする、請求項１に記載の光学素子。
【請求項６】
前記グレーディング領域が、第４の実屈折率ｎ4を有する材料により構成された第２のグレーディング層と、第５の実屈折率ｎ5を有する材料により構成された第３のグレーディング層とを更に備え、ｎ5＞ｎ3及びｎ5＞ｎ4の関係が成り立つとともに、当該第３グレーディング層が前記第１グレーディング層と当該第２グレーディング層との間に配設されたことを特徴とする、請求項１に記載の光学素子。
【請求項７】
前記第２グレーディング層が第４の吸収係数β4を有し、前記第３グレーディング層が第５の吸収係数β5を有し、β3＞β5及びβ4＞β5の関係が成り立つことを特徴とする、請求項６に記載の光学素子。
【請求項８】
前記高屈折率材料層がコアを備え、当該コアが曲線断面及び多角形断面のいずれかを有する円筒部を含み、前記グレーディング領域が当該高屈折率材料層の少なくとも一部を覆うように構成され、前記低屈折率材料層が当該グレーディング領域の少なくとも一部を覆うように構成されたことを特徴とする、請求項１に記載の光学素子。
【請求項９】
前記第１多層領域の少なくとも一部を囲うように構成された第２多層領域を更に備えたことを特徴とする、請求項８に記載の光学素子。
【請求項１０】
前記低屈折率材料層の少なくとも一部が、凸面、凹面、及び鞍状面の少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項８に記載の光学素子。
【請求項１１】
前記低屈折率材料層が曲線断面及び多角形断面のいずれかを有する円筒コアを備え、前記グレーディング領域が当該低屈折率材料層の少なくとも一部を囲うように構成され、前記高屈折率材料層が当該グレーディング領域の少なくとも一部を囲うように構成されたことを特徴とする、請求項１に記載の光学素子。
【請求項１２】
前記高屈折率材料層が平面形状を含み、前記グレーディング領域が当該高屈折率材料層の第１の表面に被着され、前記低屈折率材料層が当該グレーディング領域に被着されたことを特徴とする、請求項１に記載の光学素子。
【請求項１３】
光子を受ける入力面及び光子を伝播させる出力面を更に備え、当該入力面及び出力面のいずれかの少なくとも一部がアーチ形状であることを特徴とする、請求項１２に記載の光学素子。
【請求項１４】
前記グレーディング領域が前記平面形状の少なくとも一表面にも被着されたことを特徴とする、請求項１２に記載の光学素子。
【請求項１５】
前記高屈折率材料層、前記グレーディング領域、及び前記低屈折率材料層のいずれかの少なくとも一部が円筒面を含むことを特徴とする、請求項１４に記載の光学素子。
【請求項１６】
前記円筒面が、光学素子の縦軸に沿って凸状の曲率及び凹状の曲率のいずれかを有することを特徴とする、請求項１５に記載の光学素子。
【請求項１７】
入力を受ける入力面を更に備え、当該入力面の少なくとも一部が平面、歪曲面、凸面、凹面、及び複雑曲面のいずれかを有することを特徴とする、請求項１に記載の光学素子。
【請求項１８】
前記低屈折率材料層が平面形状を含み、前記グレーディング領域が当該平面形状の少なくとも１つの表面に被着され、前記高屈折率材料層が当該グレーディング領域の少なくとも一部に被着されたことを特徴とする、請求項１に記載の光学素子。
【請求項１９】
前記グレーディング領域が複数のグレーディング副層を有する第２のグレーディング層を更に備え、当該各グレーディング副層が第１の構成材料及び第２の構成材料を含み、当該第１構成材料が第４の実屈折率ｎ4及び第４の吸収係数β4を有し、当該第２構成材料が第５の実屈折率ｎ5及び第５の吸収係数β5を有することを特徴とする、請求項１に記載の光学素子。
【請求項２０】
前記第４実屈折率ｎ4が前記第５実屈折率ｎ5以上であり、前記第５吸収係数β5が前記第４吸収係数β4以上であることを特徴とする、請求項１９に記載の光学素子。
【請求項２１】
前記各屈折率材料層又はグレーディング副層が、隣接する屈折率材料層又はグレーディング副層における前記第１構成材料及び前記第２構成材料の体積組成比と異なる体積組成比で当該第１構成材料及び当該第２構成材料の組成物を含むことを特徴とする、請求項１９に記載の光学素子。
【請求項２２】
前記グレーディング領域が、体積比ｆ（ｚ）の第１の構成材料Ｍ1及び体積比［１−ｆ（ｚ）］の第２の構成材料Ｍ2の組成物を含む第２のグレーディング層を更に備え、当該第１構成材料Ｍ1が第４の実屈折率ｎ4及び第４の吸収係数β4を有し、当該第２構成材料Ｍ2が第５の実屈折率ｎ5及び第５の吸収係数β5を有し、当該組成物がｆ（ｚ）Ｍ1＋［１−ｆ（ｚ）］Ｍ2で与えられることを特徴とする、請求項１に記載の光学素子。
【請求項２３】
前記関数ｆ（ｚ）が線形関数、多項式関数、又は対数単調関数を含むことを特徴とする、請求項２２に記載の光学素子。
【請求項２４】
全反射により光子の方向を変えて伝播させる第１の方向変換部を構成する１又は複数の多層領域であって、
第１の実屈折率ｎ1及び第１の吸収係数β1を有する高屈折率材料と第２の実屈折率ｎ2及び第２の吸収係数β2を有する低屈折率材料のいずれかにより構成されたコアと、
前記コアに被着され、第３の実屈折率ｎ3及び第３の吸収係数β3をｎ1＞ｎ3＞ｎ2の関係で有するグレーディング層を備えたグレーディング領域と、
前記グレーディング領域に被着され、前記高屈折率材料及び前記低屈折率材料の他方により構成された外層と、
を含む各多層領域を備えたことを特徴とする光学素子。
【請求項２５】
前記多層領域のいずれかの少なくとも一部が、平面、円筒面、凸面、凹面、及び鞍状面のいずれかを含むことを特徴とする、請求項２４に記載の光学素子。
【請求項２６】
値（ｎ1−ｎ2）、（ｎ1−ｎ3）、及び（ｎ3−ｎ2）の少なくとも１つが最大であることを特徴とする、請求項２４に記載の光学素子。
【請求項２７】
β2＞β3＞β1の関係が成り立つことを特徴とする、請求項２６に記載の光学素子。
【請求項２８】
値（β2−β1）、（β2−β3）、及び（β3−β1）の少なくとも１つが最小であることを特徴とする、請求項２７に記載の光学素子。
【請求項２９】
前記第１方向変換部を形成した伝播部を更に備え、当該第１方向変換部の入力面に入射した光子ビームが当該伝播部から出力されることを特徴とする、請求項２４に記載の光学素子。
【請求項３０】
前記伝播部が円筒形状及び平面形状のいずれかを含むことを特徴とする、請求項２９に記載の光学素子。
【請求項３１】
前記伝播部を形成した第２の方向変換部を更に備え、前記第１方向変換部の入力面に入射した光子ビームが当該第２方向変換部から出力されることを特徴とする、請求項２４に記載の光学素子。
【請求項３２】
前記第２方向変換部の一部が円筒面、凸面、凹面、複数の平面部分から成る組、及び鞍状面のいずれかを含むことを特徴とする、請求項３１に記載の光学素子。
【請求項３３】
第１の実屈折率ｎ1及び第１の吸収係数β1を有する高屈折率材料層を形成する工程と、
前記第１実屈折率ｎ1より小さな第２の実屈折率ｎ2及び前記第１吸収係数β1より大きな第２の吸収係数β2を有する低屈折率材料層を形成する工程と、
第３の実屈折率ｎ3及び第３の吸収係数β3を有するグレーディング材料を含むグレーディング領域を、ｎ1＞ｎ3＞ｎ2の関係が成り立つとともに、前記高屈折率材料層及び前記低屈折率材料層が全反射により光子の方向を変えて伝播させるように、両屈折率材料層間に形成する工程と、
を含む光学素子の製造方法。
【請求項３４】
隣接層間の実屈折率の差異が最大化されていることを特徴とする、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
β2＞β3＞β1の関係が成り立つことを特徴とする、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
隣接層間の吸収係数の差異が最小化されていることを特徴とする、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記グレーディング領域が複数のグレーディング副層を備え、当該副層の少なくとも１つが、ｎ1＞ｎ4＞ｎ2の関係を満たす第４の実屈折率ｎ4及びβ2＞β4＞β1の関係を満たす第４の吸収係数β4を有する第１の構成グレーディング材料と、ｎ1＞ｎ5＞ｎ2の関係を満たす第５の実屈折率ｎ5及び第５の吸収係数β5を有する第２の構成グレーディング材料との比例混合物により構成されたことを特徴とする、請求項３３に記載の方法。
【請求項３８】
第１のグレーディング副層における前記第１構成グレーディング材料と前記第２構成グレーディング材料との比例混合物が、別のグレーディング副層における当該第１構成グレーディング材料と当該第２構成グレーディング材料との比例混合物とは異なることを特徴とする、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記グレーディング領域を形成する工程が、前記高屈折率材料層と前記低屈折率材料層との間にグレーディング層を被着させる工程を更に含み、当該グレーディング層が、隣接する如何なるグレーディング層よりも大きな屈折率及び隣接する如何なるグレーディング層よりも小さな吸収係数を有する材料により構成されたことを特徴とする、請求項３３に記載の方法。
【請求項４０】
前記形成工程が、気相堆積、サーマルジェット噴霧堆積、超音波ジェット噴霧堆積、及び化学メッキの少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項３３に記載の方法。
【請求項１】
全反射により光子の方向を変えて伝播させる第１の多層領域であって、
第１の実屈折率ｎ1及び第１の吸収係数β1を有する高屈折率材料層と、
第２の実屈折率ｎ2及び第２の吸収係数β2を有する低屈折率材料層と、
前記高屈折率材料層と前記低屈折率材料層との間に配設され、第３の実屈折率ｎ3及び第３の吸収係数β3をｎ1＞ｎ3＞ｎ2の関係で有するグレーディング層を備えたグレーディング領域と、
を含む第１多層領域を備えたことを特徴とする光学素子。
【請求項２】
値（ｎ1−ｎ2）、（ｎ1−ｎ3）、及び（ｎ3−ｎ2）の少なくとも１つが最大であることを特徴とする、請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
β2＞β3＞β1の関係が成り立つことを特徴とする、請求項２に記載の光学素子。
【請求項４】
値（β2−β1）、（β2−β3）、及び（β3−β1）の少なくとも１つが最小であることを特徴とする、請求項３に記載の光学素子。
【請求項５】
前記光子が１０ｅＶ超のエネルギーを有することを特徴とする、請求項１に記載の光学素子。
【請求項６】
前記グレーディング領域が、第４の実屈折率ｎ4を有する材料により構成された第２のグレーディング層と、第５の実屈折率ｎ5を有する材料により構成された第３のグレーディング層とを更に備え、ｎ5＞ｎ3及びｎ5＞ｎ4の関係が成り立つとともに、当該第３グレーディング層が前記第１グレーディング層と当該第２グレーディング層との間に配設されたことを特徴とする、請求項１に記載の光学素子。
【請求項７】
前記第２グレーディング層が第４の吸収係数β4を有し、前記第３グレーディング層が第５の吸収係数β5を有し、β3＞β5及びβ4＞β5の関係が成り立つことを特徴とする、請求項６に記載の光学素子。
【請求項８】
前記高屈折率材料層がコアを備え、当該コアが曲線断面及び多角形断面のいずれかを有する円筒部を含み、前記グレーディング領域が当該高屈折率材料層の少なくとも一部を覆うように構成され、前記低屈折率材料層が当該グレーディング領域の少なくとも一部を覆うように構成されたことを特徴とする、請求項１に記載の光学素子。
【請求項９】
前記第１多層領域の少なくとも一部を囲うように構成された第２多層領域を更に備えたことを特徴とする、請求項８に記載の光学素子。
【請求項１０】
前記低屈折率材料層の少なくとも一部が、凸面、凹面、及び鞍状面の少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項８に記載の光学素子。
【請求項１１】
前記低屈折率材料層が曲線断面及び多角形断面のいずれかを有する円筒コアを備え、前記グレーディング領域が当該低屈折率材料層の少なくとも一部を囲うように構成され、前記高屈折率材料層が当該グレーディング領域の少なくとも一部を囲うように構成されたことを特徴とする、請求項１に記載の光学素子。
【請求項１２】
前記高屈折率材料層が平面形状を含み、前記グレーディング領域が当該高屈折率材料層の第１の表面に被着され、前記低屈折率材料層が当該グレーディング領域に被着されたことを特徴とする、請求項１に記載の光学素子。
【請求項１３】
光子を受ける入力面及び光子を伝播させる出力面を更に備え、当該入力面及び出力面のいずれかの少なくとも一部がアーチ形状であることを特徴とする、請求項１２に記載の光学素子。
【請求項１４】
前記グレーディング領域が前記平面形状の少なくとも一表面にも被着されたことを特徴とする、請求項１２に記載の光学素子。
【請求項１５】
前記高屈折率材料層、前記グレーディング領域、及び前記低屈折率材料層のいずれかの少なくとも一部が円筒面を含むことを特徴とする、請求項１４に記載の光学素子。
【請求項１６】
前記円筒面が、光学素子の縦軸に沿って凸状の曲率及び凹状の曲率のいずれかを有することを特徴とする、請求項１５に記載の光学素子。
【請求項１７】
入力を受ける入力面を更に備え、当該入力面の少なくとも一部が平面、歪曲面、凸面、凹面、及び複雑曲面のいずれかを有することを特徴とする、請求項１に記載の光学素子。
【請求項１８】
前記低屈折率材料層が平面形状を含み、前記グレーディング領域が当該平面形状の少なくとも１つの表面に被着され、前記高屈折率材料層が当該グレーディング領域の少なくとも一部に被着されたことを特徴とする、請求項１に記載の光学素子。
【請求項１９】
前記グレーディング領域が複数のグレーディング副層を有する第２のグレーディング層を更に備え、当該各グレーディング副層が第１の構成材料及び第２の構成材料を含み、当該第１構成材料が第４の実屈折率ｎ4及び第４の吸収係数β4を有し、当該第２構成材料が第５の実屈折率ｎ5及び第５の吸収係数β5を有することを特徴とする、請求項１に記載の光学素子。
【請求項２０】
前記第４実屈折率ｎ4が前記第５実屈折率ｎ5以上であり、前記第５吸収係数β5が前記第４吸収係数β4以上であることを特徴とする、請求項１９に記載の光学素子。
【請求項２１】
前記各屈折率材料層又はグレーディング副層が、隣接する屈折率材料層又はグレーディング副層における前記第１構成材料及び前記第２構成材料の体積組成比と異なる体積組成比で当該第１構成材料及び当該第２構成材料の組成物を含むことを特徴とする、請求項１９に記載の光学素子。
【請求項２２】
前記グレーディング領域が、体積比ｆ（ｚ）の第１の構成材料Ｍ1及び体積比［１−ｆ（ｚ）］の第２の構成材料Ｍ2の組成物を含む第２のグレーディング層を更に備え、当該第１構成材料Ｍ1が第４の実屈折率ｎ4及び第４の吸収係数β4を有し、当該第２構成材料Ｍ2が第５の実屈折率ｎ5及び第５の吸収係数β5を有し、当該組成物がｆ（ｚ）Ｍ1＋［１−ｆ（ｚ）］Ｍ2で与えられることを特徴とする、請求項１に記載の光学素子。
【請求項２３】
前記関数ｆ（ｚ）が線形関数、多項式関数、又は対数単調関数を含むことを特徴とする、請求項２２に記載の光学素子。
【請求項２４】
全反射により光子の方向を変えて伝播させる第１の方向変換部を構成する１又は複数の多層領域であって、
第１の実屈折率ｎ1及び第１の吸収係数β1を有する高屈折率材料と第２の実屈折率ｎ2及び第２の吸収係数β2を有する低屈折率材料のいずれかにより構成されたコアと、
前記コアに被着され、第３の実屈折率ｎ3及び第３の吸収係数β3をｎ1＞ｎ3＞ｎ2の関係で有するグレーディング層を備えたグレーディング領域と、
前記グレーディング領域に被着され、前記高屈折率材料及び前記低屈折率材料の他方により構成された外層と、
を含む各多層領域を備えたことを特徴とする光学素子。
【請求項２５】
前記多層領域のいずれかの少なくとも一部が、平面、円筒面、凸面、凹面、及び鞍状面のいずれかを含むことを特徴とする、請求項２４に記載の光学素子。
【請求項２６】
値（ｎ1−ｎ2）、（ｎ1−ｎ3）、及び（ｎ3−ｎ2）の少なくとも１つが最大であることを特徴とする、請求項２４に記載の光学素子。
【請求項２７】
β2＞β3＞β1の関係が成り立つことを特徴とする、請求項２６に記載の光学素子。
【請求項２８】
値（β2−β1）、（β2−β3）、及び（β3−β1）の少なくとも１つが最小であることを特徴とする、請求項２７に記載の光学素子。
【請求項２９】
前記第１方向変換部を形成した伝播部を更に備え、当該第１方向変換部の入力面に入射した光子ビームが当該伝播部から出力されることを特徴とする、請求項２４に記載の光学素子。
【請求項３０】
前記伝播部が円筒形状及び平面形状のいずれかを含むことを特徴とする、請求項２９に記載の光学素子。
【請求項３１】
前記伝播部を形成した第２の方向変換部を更に備え、前記第１方向変換部の入力面に入射した光子ビームが当該第２方向変換部から出力されることを特徴とする、請求項２４に記載の光学素子。
【請求項３２】
前記第２方向変換部の一部が円筒面、凸面、凹面、複数の平面部分から成る組、及び鞍状面のいずれかを含むことを特徴とする、請求項３１に記載の光学素子。
【請求項３３】
第１の実屈折率ｎ1及び第１の吸収係数β1を有する高屈折率材料層を形成する工程と、
前記第１実屈折率ｎ1より小さな第２の実屈折率ｎ2及び前記第１吸収係数β1より大きな第２の吸収係数β2を有する低屈折率材料層を形成する工程と、
第３の実屈折率ｎ3及び第３の吸収係数β3を有するグレーディング材料を含むグレーディング領域を、ｎ1＞ｎ3＞ｎ2の関係が成り立つとともに、前記高屈折率材料層及び前記低屈折率材料層が全反射により光子の方向を変えて伝播させるように、両屈折率材料層間に形成する工程と、
を含む光学素子の製造方法。
【請求項３４】
隣接層間の実屈折率の差異が最大化されていることを特徴とする、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
β2＞β3＞β1の関係が成り立つことを特徴とする、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
隣接層間の吸収係数の差異が最小化されていることを特徴とする、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記グレーディング領域が複数のグレーディング副層を備え、当該副層の少なくとも１つが、ｎ1＞ｎ4＞ｎ2の関係を満たす第４の実屈折率ｎ4及びβ2＞β4＞β1の関係を満たす第４の吸収係数β4を有する第１の構成グレーディング材料と、ｎ1＞ｎ5＞ｎ2の関係を満たす第５の実屈折率ｎ5及び第５の吸収係数β5を有する第２の構成グレーディング材料との比例混合物により構成されたことを特徴とする、請求項３３に記載の方法。
【請求項３８】
第１のグレーディング副層における前記第１構成グレーディング材料と前記第２構成グレーディング材料との比例混合物が、別のグレーディング副層における当該第１構成グレーディング材料と当該第２構成グレーディング材料との比例混合物とは異なることを特徴とする、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記グレーディング領域を形成する工程が、前記高屈折率材料層と前記低屈折率材料層との間にグレーディング層を被着させる工程を更に含み、当該グレーディング層が、隣接する如何なるグレーディング層よりも大きな屈折率及び隣接する如何なるグレーディング層よりも小さな吸収係数を有する材料により構成されたことを特徴とする、請求項３３に記載の方法。
【請求項４０】
前記形成工程が、気相堆積、サーマルジェット噴霧堆積、超音波ジェット噴霧堆積、及び化学メッキの少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項３３に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２】
【公表番号】特表２０１２−５２７６４９（Ｐ２０１２−５２７６４９Ａ）
【公表日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５１１８３１（Ｐ２０１２−５１１８３１）
【出願日】平成２２年３月２５日（２０１０．３．２５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０２８５７５
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／１３５０２４
【国際公開日】平成２２年１１月２５日（２０１０．１１．２５）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月２５日（２０１０．３．２５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０２８５７５
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／１３５０２４
【国際公開日】平成２２年１１月２５日（２０１０．１１．２５）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【Ｆターム（参考）】
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