JP2011507015A - マクロスケール機構上に回折機構を有する微細複製フィルム - Google Patents
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Abstract
基板及びその基板の主表面上に微細複製機構を有する光学フィルム。機構は、微細複製マクロスケール機構及びそのマクロスケール機構上に1つ以上の微細複製回折機構を含む。フィルムは、回折機構を有する工具先端で機械加工された加工物から作製できる。工具先端は、加工物を機械加工する間マクロスケール機構及び回折機構の両方を形成する。次に、コーティングプロセスを使用して、機械加工された加工物から光学フィルムを作製することができる。
Description
機械加工技術を用いて、微細複製工具などの種々の加工物を作製することができる。微細複製工具は、微細複製構造を作製するための押出成形プロセス、射出成形プロセス、エンボス加工プロセス、キャスティングプロセスなどで広く用いられている。微細複製構造には、光学フィルム、研磨フィルム、接着フィルム、自己噛合輪郭を備える機械的締結具、又は比較的小さい寸法、例えば約1000マイクロメートル未満の寸法の微細複製構造を有するいずれかの成形又は押出し部品などを含んでもよい。
ミクロ構造は、他の様々な方法によっても作製することができる。例えば、マスター工具から、キャスト及び硬化プロセスによって、マスター工具の構造を高分子材料のベルト又はウェブのような他の媒体に転写して生産用工具を形成することが可能であり、更にこの生産用工具を使用して微細複製構造が作製される。電鋳法のような他の方法を使用して、マスター工具を複写することができる。光配向フィルムを作製する他の代替的な方法は、透明材料を直接切削又は機械加工して適切な構造を形成するというものである。他の技術には、化学的エッチング、ビードブラスト、又は他の確率的表面修正技術が挙げられる。
本発明と一致する光学フィルムは、基板及び基板の主表面上の微細複製機構を備える。微細複製機構は、マクロスケール機構及びマクロスケール機構上の1つ以上の回折機構を備える。フィルムは、回折機構を有する工具先端で機械加工された加工物から作製できる。工具先端は、加工物を機械加工する間にマクロスケール機構及び回折機構の両方を形成する。次に、コーティングプロセスを使用して、機械加工された加工物から光学フィルムを作製することができる。
添付図面は本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成するものであって、この明細書の記載とともに本発明の利点と原理を説明する。図面中、
加工物内にミクロ構造を作製する切削工具システムの図。
切削工具における座標系を示す図。
切削工具に使用する例示的なPZTスタックの図。
工具先端キャリアの斜視図。
工具先端を保持する工具先端キャリアの正面図。
工具先端キャリアの側面図。
工具先端キャリアの平面図。
工具先端の斜視図。
工具先端の正面図。
工具先端の底面図。
工具先端の側面図。
FTS作動装置の平面断面図。
作動装置におけるPZTスタックの配置を示す正面断面図。
作動装置の正面図。
作動装置の背面図。
作動装置の平面図。
作動装置の側面図。
作動装置の側面図。
作動装置の斜視図。
加工物に入るテーパーイン角度及び加工物から出るテーパーアウト角度が、実質的に等しい断続切削を示す図。
加工物に入るテーパーイン角度が、加工物から出るテーパーアウト角度より小さい断続切削を示す図。
加工物に入るテーパーイン角度が、加工物から出るテーパーアウト角度より大きい断続切削を示す図。
断続切削FTS作動装置を有する切削工具システムを使用して作製できるミクロ構造を概念的に示す図。
機械加工された工具先端の斜視図。
機械加工された工具先端の正面図。
機械加工された工具先端の底面図。
機械加工された工具先端の側面図。
機械加工された及び機械加工されていない工具先端を有する複数先端工具の側面図。
複数の機械加工された工具先端を有する複数先端工具の側面図。
それぞれ、少なくとも1つの機械加工された工具先端を備えるFTS作動装置を有する切削工具システムを使用して作製できるミクロ構造を概念的に示す側面図及び斜視図。
それぞれ、少なくとも1つの機械加工された工具先端を備えるFTS作動装置を有する切削工具システムを使用して作製できるミクロ構造を概念的に示す側面図及び斜視図。
それぞれ、少なくとも1つの機械加工された工具先端を備える断続切削FTS作動装置を有する切削工具システムを使用して作製できるミクロ構造を概念的に示す側面図及び斜視図。
それぞれ、少なくとも1つの機械加工された工具先端を備える断続切削FTS作動装置を有する切削工具システムを使用して作製できるミクロ構造を概念的に示す側面図及び斜視図。
両方の切子面に回折機構を備える工具先端の側面図。
両方の切子面に回折機構を備える工具先端の側面図。
一方の切子面に回折機構を備える工具先端の側面図。
ステップ高度変動を使用する回折機構を備える工具先端の側面図。
ステップ高度変動を使用する回折機構を備えるもう一方の工具先端の側面図。
90°の切子面側に沿って回折機構を備える工具先端の側面図。
平坦な先端に沿って回折機構を備える工具先端の側面図。
湾曲した先端に沿って回折機構を備える工具先端の側面図。
ステップ状に形成された回折機構を備える工具先端の側面図。
レンズ形状を有する回折機構を備える工具先端の側面図。
湾曲した切子面に沿って回折機構を備える工具先端の側面図。
複数の線状の切子面に沿って回折機構を備える工具先端の側面図。
イオンミリング前の工具先端の側面図。
イオンミリングを使用して先端上の同一平面に回折機構を形成した後の図23Aの工具先端の側面図。
イオンミリング前の工具先端の側面図。
イオンミリングを使用して、先端上の異なる平面内に回折機構を形成した後の図24Aの工具先端の側面図。
非FTSツールポストの最初の斜視図。
非FTSツールポストの2番目の斜視図。
非FTSツールポストの平面図。
非FTSツールポスト上の工具先端を保持するための軸部の斜視図。
工具先端を保持する軸部の正面図。
工具先端を保持する軸部の底面図。
工具先端を保持する軸部の側面図。
図13Aに示される工具先端と一致する工具先端で機械加工された加工物から作製された、フィルムの代表的な一部分を示す斜視図。
図13Bに示される工具先端と一致する工具先端で機械加工された加工物から作製された、フィルムの代表的な一部分を示す斜視図。
図14に示される工具先端と一致する工具先端で機械加工された加工物から作製された、フィルムの代表的な一部分を示す斜視図。
図15Aに示される工具先端と一致する工具先端で機械加工された加工物から作製された、フィルムの代表的な一部分を示す斜視図。
図15Bに示される工具先端と一致する工具先端で機械加工された加工物から作製された、フィルムの代表的な一部分を示す斜視図。
図16に示される工具先端と一致する工具先端で機械加工された加工物から作製された、フィルムの代表的な一部分を示す斜視図。
図17に示される工具先端と一致する工具先端で機械加工された加工物から作製された、フィルムの代表的な一部分を示す斜視図。
図18に示される工具先端と一致する工具先端で機械加工された加工物から作製された、フィルムの代表的な一部分を示す斜視図。
図19に示される工具先端と一致する工具先端で機械加工された加工物から作製された、フィルムの代表的な一部分を示す斜視図。
図20に示される工具先端と一致する工具先端で機械加工された加工物から作製された、フィルムの代表的な一部分を示す斜視図。
図21に示される工具先端と一致する工具先端で機械加工された加工物から作製された、フィルムの代表的な一部分を示す斜視図。
図22に示される工具先端と一致する工具先端で機械加工された加工物から作製された、フィルムの代表的な一部分を示す斜視図。
切削工具システム
一般のダイヤモンド旋盤技術は、参照することにより全体が記載されているかのように本明細書に組み込まれるPCT国際公開特許出願WO 00/48037号に記載されている。種々の方法に使用される装置、及び光学フィルム又は他のフィルムを作製するための装置は、高速サーボ工具を備えることができる。PCT国際公開特許出願WO 00/48037号に開示されているように、高速工具サーボ(FTS)は、ソリッドステート圧電(PZT)デバイスであって、PZTスタックと称され、PZTスタックに取り付けられる切削工具の位置を迅速に調節する。FTSは、更に以下に記載されるように、座標系内の方向に切削工具を非常に正確かつ高速で移動することを可能とする。
一般のダイヤモンド旋盤技術は、参照することにより全体が記載されているかのように本明細書に組み込まれるPCT国際公開特許出願WO 00/48037号に記載されている。種々の方法に使用される装置、及び光学フィルム又は他のフィルムを作製するための装置は、高速サーボ工具を備えることができる。PCT国際公開特許出願WO 00/48037号に開示されているように、高速工具サーボ(FTS)は、ソリッドステート圧電(PZT)デバイスであって、PZTスタックと称され、PZTスタックに取り付けられる切削工具の位置を迅速に調節する。FTSは、更に以下に記載されるように、座標系内の方向に切削工具を非常に正確かつ高速で移動することを可能とする。
図1は、加工物内にミクロ構造を作製する切削工具システム10の図である。ミクロ構造は、物品の表面上、表面内、又は表面から突き出ている構造のいかなる種類、形状、及び寸法をも含むことができる。例えば、本明細書に記載の作動装置及びシステムを使用して形成される微細構造は、1000マイクロメートルピッチ、100マイクロメートルピッチ、1マイクロメートルピッチ、又は更には200ナノメートル付近のサブ光波長ピッチを有することができる。あるいは、他の実施形態において、ミクロ構造におけるピッチは、切削方法に関わらず1000マイクロメートルを超えることができる。これらの寸法は例示することだけを目的とし、本明細書に記載の作動装置及びシステムを使用して作製されるミクロ構造は、システムを使用して加工可能な範囲内でいずれかの寸法を有することができる。
システム10は、コンピュータ12によって制御される。コンピュータ12は、例えば構成要素として、1つ以上のアプリケーション16を記憶するメモリ14、情報の不揮発性記憶を提供する二次記憶装置18、情報又はコマンドを受信するための入力装置20、メモリ14又は二次記憶装置18内に記憶されるか、他の供給源から受信されるアプリケーションを実行するためのプロセッサ22、情報の視覚的表示を出力するための表示装置24、及び聴覚情報のためのスピーカー、又は情報のハードコピーのためのプリンタのように他の形態で情報を出力するための出力装置26を有する。
加工物54の切削は、工具先端44によって実行される。作動装置38は、コンピュータ12によって制御される電動モータのような駆動装置及びエンコーダ56によって、加工物54が回転する際の工具先端44の移動を制御する。本実施例においては、加工物54はロール状で示されるが、平面状で実行することも可能である。いずれかの機械加工可能な材料を使用することができ、例えば加工物は、アルミニウム、ニッケル、銅、黄銅、鋼、又はプラスチック(例えば、アクリル)で実施することが可能である。使用される特定の材料は、例えば、機械加工された加工物を使用して作製される様々なフィルムのような特定の望ましい用途に応じて決めることができる。作動装置38、及び以下に記載される作動装置は、例えばステンレス鋼、又は他の材料で実施することができる。
作動装置38は、ツールポスト36に取り外し可能に連結され、更にツールポスト36はトラック32上に配置される。ツールポスト36及び作動装置38は、トラック32上を矢印40及び42が示すx方向及びz方向の両方に移動するように構成される。コンピュータ12は、1つ以上の増幅器30を介してツールポスト36及び作動装置38と電気的に接続される。制御装置として機能する場合、コンピュータ12は加工物54を機械加工するために、作動装置38を介して、トラック32に沿ったツールポスト36の移動及び工具先端44の移動を制御する。作動装置は、複数のPZTスタックを有する場合、個別の増幅器を使用して、スタックに取り付けられる工具先端の移動を独立して制御するのに使用される各PZTスタックを、独立して制御することができる。コンピュータ12は、以下で更に説明するように、加工物54中に様々なミクロ構造を機械加工するために、作動装置38に波形を提供する関数発生器28を使用することができる。
加工物54の機械加工は、様々な構成要素の移動を調整することで達成される。特に、コンピュータ12の制御下において、システムは、ツールポスト36の移動により、c方向53での加工物の移動、並びにx方向、y方向、及びz方向(これらの座標は以下で説明される)のうちの1つ以上での工具先端44の移動に伴った作動装置38の移動を調整及び制御することができる。システムは、典型的に、ツールポスト36をz方向に定速で移動させるが、変速を使用してもよい。ツールポスト36及び工具先端44の移動は、典型的にc方向での加工物54の移動(線53で表されるような回転運動)と同期化されている。これらの全移動は、例えば、コンピュータ12内のソフトウェア、ファームウェア、又は組み合わせで実行される数値制御技術又は数値制御装置(NC)を使用して制御できる。
加工物の切削は、連続的及び不連続的な切削運動を包含することができる。ロール状の加工物において、ヘリックス型切削(ねじ切りと称されることもある)又はロール周り若しくはロール付近で独立した軌道を切削に包含することができる。平面状の加工物において、らせん型切削又は加工物上若しくは加工物に対して独立した軌道を切削に含めることができる。X−切削も使用することが可能であり、この場合は切削形式はほぼ直線であり、ダイヤモンド工具先端は加工物の内外を行き来できるが、ツールポストの総体的運動は直線状である。切削には、これらの種類の運動の組み合わせを含めることができる。
機械加工後の加工物54は、様々な用途での使用に応じたミクロ構造を有するフィルムを作製するのに使用できる。これらのフィルムの例としては、光学フィルム、摩擦抑制フィルム、及びミクロ締結具又は他の機械的ミクロ構造化構成要素が挙げられる。フィルムは、典型的には、粘稠な状態のポリマー材料を加工物に塗布するコーティング工程を使用して作製され、少なくとも部分的に硬化させた後に取り除かれる。硬化されたポリマー材料は、典型的には、加工物の構造と実質的に反対の構造を有する実質的に透明なフィルム用基板を形成する。例えば、加工物にくぼみがあれば、生じるフィルムには突出が生じる。機械加工後の加工物54は、工具が有する構造に対応する別個の要素又はミクロ構造を有する他の物品の作製にも使用することができる。微細複製工具又は加工物からフィルムを作製する1つの特定のプロセスは、以下の特許で説明されている連続キャスト及び硬化(3C)として参照されており、それら全ては参照することにより全体が記載されているかのように本明細書に組み込まれる:米国特許第4,374,077号、同第4,576,850号、同第5,175,030号、同第5,271,968号、同第5,558,740号、及び同第5,995,690号。
冷却流体46は、線48及び50を介してツールポスト36及び作動装置38の温度を制御するのに使用される。温度制御装置52は、ツールポスト36及び作動装置38を循環する冷却流体の温度を実質的に一定に維持することができる。温度制御装置52は、流体の温度制御を提供するため、いずれかのデバイスで実施することができる。冷却流体は、例えば低粘度油のような油製品で実施することができる。温度制御装置52及び冷却流体46のリザーバは、ツールポスト36及び作動装置38中に流体を循環させるポンプを備え、典型的には、実質的に定温で維持するために流体からの熱を取り除く冷房システムも備える。流体を循環させ、温度制御を提供する冷却及びポンプシステムは、当該技術分野において既知である。特定の実施形態において、加工物の機械加工される材料の表面温度を実質的に一定に維持するために、冷却流体を加工物54に適用することも可能である。
図2は、システム10のような切削工具における座標系を示す図である。座標系は、加工物64に対する工具先端62の移動として示される。工具先端62は工具先端44と一致してもよく、典型的には作動装置に取り付けられるキャリア60に取り付けられる。この例示的な実施形態において、座標系は、x方向66、y方向68、及びz方向70を包含する。x方向66は、加工物64に対して実質的に垂直な方向への移動を指す。y方向68は、加工物64の回転軸に対して実質的に垂直な方向のような、加工物64を横切る方向での移動を指す。z方向70は、加工物64の回転軸に対して実質的に平行な方向のような、加工物64の横に沿った方向への運動を指す。加工物の回転は、図1及び2に示される矢印53で表わされるようにc方向と呼ばれる。加工物が平面状に実施される場合、ロール状とは対照的にy方向及びz方向は、x方向に対して実質的に垂直な方向で加工物を横切って互いに直交する方向での運動を指す。平面状の加工物には、例えば、回転ディスク又はいずれかの平面材料の他の構成が挙げられる。
システム10は、高精度かつ高速の機械加工に使用することができる。この種類の機械加工では、構成要素と加工物材料の協調速度のような様々なパラメーターを考慮すべきである。典型的には、例えば、加工物材料の熱安定性及び特性とともに、機械加工すべき金属の所定体積の比エネルギーを考慮すべきである。機械加工に関連する切削パラメーターは以下の参照に記載されており、それら全ては参照することにより全体が記載されされているかのように本明細書に組み込まれる。Machining Data Handbook,Library of Congress Catalog Card No.66−60051,Second Edition(1972);Edward Trent and Paul Wright,Metal Cutting,Fourth Edition,Butterworth−Heinemann,ISBN 0−7506−7069−X(2000);Zhang Jin−Hua,Theory and Technique of Precision Cutting,Pergamon Press,ISBN 0−08−035891−8(1991);and M.K.Krueger et al.,New Technology in Metalworking Fluids and Grinding Wheels Achieves Tenfold Improvement in Grinding Performance,Coolant/Lubricants for Metal Cutting and Grinding Conference,Chicago,Illinois,U.S.A.,June 7,2000。
PZTスタック、工具先端キャリア、及び工具先端
図3は、切削工具に使用する例示的なPZTスタック72の図である。PZTスタックは、それと連結される工具先端を移動させるのに使用され、当該技術分野において既知であるPZT効果に従って作動する。PZT効果によると、特定の種類の材料に適用される電界によって、その材料は1つの軸に沿って膨張し、他の軸に沿って収縮する。PZTスタックは、典型的に、ケーシング84に内包され、ベースプレート86上に装着される複数の材料74、76、及び78を備える。この例示的な実施形態において、材料は、PZT効果の対象となるセラミック材料で実施される。例示のみを目的として、3つのディスク74、76、及び78が示されるが、例えば特定の実施形態における要件に基づいて、いずれかの数のディスク又は他の材料、及びいずれかの種類の形状を使用することができる。ポスト88はディスクに付着し、ケーシング84から突出している。ディスクは、例えば、チタン酸バリウム、ジルコン酸鉛、又はチタン酸鉛材料を混合、圧縮、主材料とし、焼結したようないずれかのPZT材料で実施することができる。ディスクは、例えば、磁歪材料で実施することもできる。
図3は、切削工具に使用する例示的なPZTスタック72の図である。PZTスタックは、それと連結される工具先端を移動させるのに使用され、当該技術分野において既知であるPZT効果に従って作動する。PZT効果によると、特定の種類の材料に適用される電界によって、その材料は1つの軸に沿って膨張し、他の軸に沿って収縮する。PZTスタックは、典型的に、ケーシング84に内包され、ベースプレート86上に装着される複数の材料74、76、及び78を備える。この例示的な実施形態において、材料は、PZT効果の対象となるセラミック材料で実施される。例示のみを目的として、3つのディスク74、76、及び78が示されるが、例えば特定の実施形態における要件に基づいて、いずれかの数のディスク又は他の材料、及びいずれかの種類の形状を使用することができる。ポスト88はディスクに付着し、ケーシング84から突出している。ディスクは、例えば、チタン酸バリウム、ジルコン酸鉛、又はチタン酸鉛材料を混合、圧縮、主材料とし、焼結したようないずれかのPZT材料で実施することができる。ディスクは、例えば、磁歪材料で実施することもできる。
線80及び82で表されるように、ディスク74、76、及び78への電気的接続によって、ポスト88が移動するための電場をそれらへ提供する。PZT効果によって及び適用される電場の種類に基づいて、数マイクロメートル以内の移動のようにポスト88の正確かつ僅かな移動を達成できる。また、ポスト88を有するPZTスタック72の末端部は、PZTスタックを予め搭載できる1つ以上のベルビルワッシャに装着することが可能である。ベルビルワッシャは、ポスト88及びそれに取り付けられる工具先端を移動させるために若干の可撓性を有する。
図4A〜4Dは、例示的な工具先端キャリア90の図であり、これは以下で説明するように、作動装置による制御のためにPZTスタックのポスト88に装着され得る。図4Aは、工具先端キャリア90の斜視図である。図4Bは、工具先端キャリア90の正面図である。図4Cは、工具先端キャリア90の側面図である。図4Dは、工具先端キャリア90の平面図である。
図4A〜4Dに示されるように、工具先端キャリア90は、平面裏面92、テーパー状前面94、及び角度が付けられるか又はテーパー化された側面を有する隆起表面98を包含する。開口部96は、工具先端キャリア90をPZTスタックのポスト上に装着するのに対応する。テーパー状表面98は、加工物の機械加工において工具先端の装着に使用され得る。この例示的な実施形態において、工具先端キャリア90は、PZTスタックに装着される際により多くの表面積が接触することで装着の安定性を向上する平面を備え、質量を削減するためにテーパー状前面を備える。工具先端キャリア90は、接着剤、ろう付け、はんだ付け、ボルトのような締結具を使用して、又は他の方法によってPZTスタックのポスト88に装着され得る。
例えば、特定の実施形態における必要性に応じて、工具先端キャリアの他の構成が可能である。「先端工具キャリア」という用語は、加工物を機械加工するために工具先端を保持するのに使われる、いかなる種類の構造をも含むことを意図している。工具先端キャリア90は、例えば、以下の材料、焼結炭化物、窒化ケイ素、炭化ケイ素、鋼、チタン、ダイヤモンド、又は合成ダイヤモンド材料、の1つ以上で実施することができる。工具先端キャリア90における材料は、好ましくは剛性があり低質量である。
図5A〜5Dは例示的な工具先端100の図であり、これは、接着剤、ろう付け、はんだ付けなどを使用して、又は他の方法で工具先端キャリア90の表面98に固定され得る。図5Aは、工具先端100の斜視図である。図5Bは、工具先端100の正面図である。図5Cは、工具先端100の底面図である。図5Dは、工具先端100の側面図である。図5A〜5Dに示されるように、工具先端100は側面104、テーパー状かつ角度が付けられた前面106、及び工具先端キャリア90の表面98に固定するための底面102を備える。工具先端100の前側部分105は、作動装置の制御下で加工物を機械加工するのに使用される。工具先端100は、例えばダイヤモンドスラブで実施され得る。
断続切削FTS作動装置
断続切削FTS作動装置は、切削中に工具チップが工作物と不連続に接触し、近接しないミクロ構造を作製するため、小型マイクロ構造の作製に使用することができる。これらの機構は、導光フィルム、ミクロ流体構造、セグメント化接着剤、研磨材物品、光学ディフューザー、高コントラスト光学スクリーン、光リダイレクトフィルム、抗反射構造、光混合構造、及び装飾フィルムを作製するのに使用することができる。
断続切削FTS作動装置は、切削中に工具チップが工作物と不連続に接触し、近接しないミクロ構造を作製するため、小型マイクロ構造の作製に使用することができる。これらの機構は、導光フィルム、ミクロ流体構造、セグメント化接着剤、研磨材物品、光学ディフューザー、高コントラスト光学スクリーン、光リダイレクトフィルム、抗反射構造、光混合構造、及び装飾フィルムを作製するのに使用することができる。
作動装置は他の利点を提供できる。例えば、前述の機構は、肉眼で見えないほど小さく作製することが可能である。この種類の機構により、例えば、液晶ディスプレイにおいて光抽出機構を非表示とする拡散シートの必要性が低くなる。他の利点は、抽出機構を線状又は円状にできることである。線状の場合、それらを例えば従来の冷陰極蛍光ランプ(CCFL)光源で使用することが可能である。円状の場合、機構は、通常はLEDが配置されるであろう場所に配置される点を中心とする円弧上に作製することができる。更に別の利点は、全ての機構が、連続的な溝の場合のように単線に沿って配置する必要がない、プログラミング及び構造レイアウトに関連する。光抽出機構の面密度は、機構に沿った間隔、機構に直交する間隔、及び深さを配置することによって、確定的に調整することが可能である。更には、光抽出角は、切削面の角度及び半角度を選択することで選択的とすることができる。
機構の深さは、0〜35マイクロメートル、例えば、より典型的には0〜15マイクロメートルの範囲であり得る。ロール状の加工物において、いずれかの個々の機構の長さは、c軸に沿って回転する加工物の毎分回転数(RPM)、並びにFTSの応答時間及びFTSに入力される波形によって制御される。機構の長さは、例えば、1〜200マイクロメートルに制御することができる。ヘリックス型切削において、溝(ピッチ)に対して直交する空隙も1〜1000マイクロメートルにプログラムすることができる。次に示すように、機構を作製する工具先端は、材料にテーパーイン及び材料からテーパーアウトし、それによって構造が作り出され、その形状はRPM、FTSの応答時間及びFTSに入力される波形、スピンドルエンコーダの分解能、並びにダイヤモンド工具先端の逃げ角(例えば、最大で45℃)によって制御される。逃げ角は、工具先端のすくい角度を包含できる。この機構は、種々の三次元形状、例えば対称形状、非対称形状、実質的に半球形状、プリズム形状、及び半楕円形状などを有することができる。
図6A〜6Hは、断続切削微細複製システム及びプロセスを実行するのに使用する、例示的な作動装置110の図である。「作動装置」という用語は、加工物を機械加工するのに使用する工具先端をX方向に大幅に動かすことのできる、いかなる種類の作動装置又は他のデバイスを指す。図6Aは、作動装置110の上部断面図である。図6Bは、作動装置110におけるPZTスタックの配置を示す正面断面図である。図6Cは、作動装置110の正面図である。図6Dは、作動装置110の背面図である。図6Eは、作動装置110の平面図である。図6F及び6Gは、作動装置110の側面図である。図6Hは、作動装置110の斜視図である。図6C〜6Hにおける作動装置110の細部の一部は、明確にするために取り除かれている。
図6A〜6Hに示されるように、作動装置110は、x方向のPZTスタック118を保持することのできる本体112を包含する。PZTスタック118は、矢印138により示されるようにx方向に工具先端を移動させるのに使用する、工具先端135を有する工具先端キャリア136に取り付けられる。PZTスタック118は、図3に示されるように、例示的なPZTスタック72で実施することができる。キャリア136上の工具先端135は、図4A〜4Dに示される工具先端キャリア及び図5A〜5Dに示される工具先端で実施することができる。本体112は、コンピュータ12の制御下で加工物54を機械加工するために、ボルトなどによりツールポスト36に取り外し可能に装着するのに使用する、2つの開口部114及び115も備える。
PZTスタック118は、正確に制御された工具先端135の移動に必要とされる安定性のために、本体112内にしっかりと装着される。本実施例における工具先端135上のダイヤモンドは、垂直面に対して45度オフセットのダイヤモンドであるが、他の種類のダイヤモンドを使用してもよい。例えば、工具先端はV型(対称又は非対称)、円頭型、平型、又は曲面型の工具であってもよい。不連続(非隣接)な機構は、ダイヤモンド旋盤で切削して線状又は円状にすることができる。更に、機構は連続していないため、単一の線又は円に沿って配置される必要がない。機構は疑似ランダムに組み込まれることができる。
PZTスタック118は、レール120及び122のようなレールによって本体112に固定される。PZTスタック118は、好ましくはレールに沿ってスライドさせることで本体112から取り外され、ボルト又は他の締結具によって本体112内の所定の場所に固定することが可能である。PZTスタック118は、コンピュータ12から信号を受信する電気的接続130を備える。PZTスタック118のエンドキャップは、それの温度制御を維持するためにリザーバ46からの油のような冷却流体を受け入れ、PZTスタック周囲に循環させ、ポート132を介して油をリザーバ46に戻すためのポート128を備える。本体112は、冷却流体をPZTスタック118の周囲に向ける適切なチャネルを包含し、冷却流体はポンプ又は他のデバイスによって温度制御装置52内を循環することができる。
図6Bは、PZTスタック118のエンドキャップ(図示せず)を包含する本体112中のPZTスタック118の配置を示す正面断面図である。本体112は、所定の位置での固定を保持するために、PZTスタックにおける各開口部に複数のレールを備えることができる。例えば、PZTスタック118は、本体112中に装着される際、所定の場所での固定を保持するために、レール120、122、142及び144に囲まれている。PZTスタック118に取り付けられるエンドキャップは、レール120、122、142及び144のうちの1つ以上にPZTスタックを固定するボルト又は他の締結具に適合することが可能であり、エンドキャップは、冷却流体を周囲に循環させるのに使用する本体112内にPZTスタック118を封入することもできる。PZTスタック118は、スタックと工具先端キャリア136を予め搭載するためにその間に配置する1つ以上のベルビルワッシャを包含することができる。
図7A〜7Cは、上述の例示的な作動装置及びシステムを使用する加工物の断続切削機械加工を示す。特に、図7A〜7Cは、工具先端のテーパーイン及びテーパーアウトの可変角度の使用を示しているが、それらの角度は、例えば上述のパラメーターを使用してコントロールすることができる。図7A〜7Cの各々は、テーパーイン及びテーパーアウトの可変角度で切断される前及び後の加工物の例を示している。テーパーイン角度はλINとして言及され、テーパーアウト角度はλOUTとして言及される。用語「テーパーイン角度」、「テーパーアウト角度」はそれぞれ、機械加工中に工具先端が加工物に挿入され、加工物から離れる角度を意味する。テーパーイン角度及びテーパーアウト角度は、加工物内を移動する時の工具先端の角度に必ずしも対応せず、むしろ工具先端が加工物に接触し、離れる角度を指す。図7A〜7Cにおいて、工具先端及び加工物は、例えば上述のシステム及び構成要素で実施することができる。
図7Aは、加工物153に入るテーパーイン角度及び加工物153から出るテーパーアウト角度が、実質的に等しい断続切削150を示す図である。図7Aに示されるように、加工物153に入る工具先端151のテーパーイン角度152は、実質的にテーパーアウト角度154(λIN≒λOUT)に等しい。加工物153内に工具先端151が留まる時間によって、生じるミクロ構造の長さL(156)が決まる。実質的に等しいテーパーイン角度及びテーパーアウト角度を使用し、工具先端によって加工物から材料を取り除くことで実質的に対称なミクロ構造158が作製される。このプロセスは、距離D(162)によって隔てられるミクロ構造160のような付加的なミクロ構造を作製するために繰り返すことができる。
図7Bは、加工物167に入るテーパーイン角度が、加工物167から出るテーパーアウト角度より小さい断続切削を示す図である。図7Bに示されるように、加工物167に入る工具先端165のテーパーイン角度166は、テーパーアウト角度168(λIN<λOUT)より小さい。加工物167内に工具先端165が留まる時間によって、生じるミクロ構造の長さ170が決まる。テーパーアウト角度より小さいテーパーイン角度を使用し、工具先端によって加工物から材料を取り除くことで、例えばミクロ構造172のような非対称のミクロ構造が作製される。このプロセスは、距離176によって隔てられるミクロ構造174のような付加的なミクロ構造を作製するために繰り返すことができる。
図7Cは、加工物181に入るテーパーイン角度が加工物181から出るテーパーアウト角度より大きい断続切削を示す図である。図7Cに示されるように、加工物181に入る工具先端179のテーパーイン角度180は、テーパーアウト角度182(λIN>λOUT)よりも大きい。加工物181内に工具先端179が留まる時間によって、生じるミクロ構造の長さ184が決まる。テーパーアウト角度より大きいテーパーイン角度を使用し、工具先端によって加工物から材料を取り除くことで、例えばミクロ構造186のように非対称のミクロ構造が作製される。このプロセスは、距離190によって隔てられるミクロ構造188のような付加的なミクロ構造を作製するために繰り返すことができる。
図7A〜7Cにおいて、テーパーイン角度及びテーパーアウト角度に対する破線(152、154、166、168、180、182)は、工具先端が加工物を出入りする角度の例を概念的に示すことを意図している。加工物を切削する間、工具先端は、例えば、線形経路、湾曲経路、線形及び湾曲運動の組み合わせを含む経路、又は特別な機能によって確定される経路等のいずれかの決まった種類の経路を移動することができる。工具先端の経路は、加工物の切削を完了するための総時間などの切削パラメーターを最適化するように選択され得る。
図8は、機械加工された加工物を作製するための断続切削FTS作動装置を有し、この加工物を使用して構造化フィルムを作製する切削工具システムを使用して作製できるフィルム内のミクロ構造を概念的に示す図である。図8に示されるように、物品200は、上面202及び下面204を包含する。上面202は、構造206、208、及び210のような断続切削隆起ミクロ構造を含み、これらのミクロ構造は、加工物を機械加工するために上述の作動装置及びシステムを使用して作製することが可能であり、更にコーティング技術を使用してこの加工物からフィルム又は物品を作製するのに使用される。本実施例において、各ミクロ構造は長さLを有し、連続切削ミクロ構造は距離Dによって隔てられ、隣接したミクロ構造はピッチPによって隔てられる。これらのパラメーターの実行における実施例は、上述したとおりである。
機械加工された工具先端
図9A〜9Dは、例示的な機械加工された工具先端220の図であるが、接着剤、ろう付け、はんだ付けなどを使用して、又は他の方法で、工具先端キャリア90の表面98に固定される。図9Aは、工具先端220の斜視図である。図9Bは、工具先端220の正面図である。図9Cは、工具先端220の底面図である。図9Dは、工具先端220の側面図である。図9A〜9Dに示されるように、工具先端220は、側面224、テーパー状かつ角度が付けられた前面226、及び工具先端キャリア90の表面98に固定するための底面222を包含する。工具先端220の前側部分225は、例えば上述のシステムを使用して、作動装置の制御下で加工物を機械加工するために使用される。工具先端220は、前側部分225にミクロ構造(例えば、溝)221及び223も有するように機械加工され、ミクロ構造221及び223はまた加工物の機械加工に使用される。機械加工された工具先端のミクロ構造は、上記に特定される例示的な形状及び寸法の1つ以上を有し得る。
図9A〜9Dは、例示的な機械加工された工具先端220の図であるが、接着剤、ろう付け、はんだ付けなどを使用して、又は他の方法で、工具先端キャリア90の表面98に固定される。図9Aは、工具先端220の斜視図である。図9Bは、工具先端220の正面図である。図9Cは、工具先端220の底面図である。図9Dは、工具先端220の側面図である。図9A〜9Dに示されるように、工具先端220は、側面224、テーパー状かつ角度が付けられた前面226、及び工具先端キャリア90の表面98に固定するための底面222を包含する。工具先端220の前側部分225は、例えば上述のシステムを使用して、作動装置の制御下で加工物を機械加工するために使用される。工具先端220は、前側部分225にミクロ構造(例えば、溝)221及び223も有するように機械加工され、ミクロ構造221及び223はまた加工物の機械加工に使用される。機械加工された工具先端のミクロ構造は、上記に特定される例示的な形状及び寸法の1つ以上を有し得る。
工具先端220は、例えばダイヤモンドスラブで実施することができる。ミクロ構造221及び223、並びに機械加工された工具先端の他のミクロ構造は、好ましくはイオンミリングによって作製され得る。工具先端上にミクロ構造又は回折構造を作製する他の技術は、ミクロ放電機械加工、研削、ラッピング、切断、レーザーミリング、エッチングを伴うフォトリソグラフィ、又は工具先端に擦り傷又は機構をを付与するための他の方法が挙げられる。工具先端にミクロ構造又は回折構造を作製する別の技術は、ダイヤモンドよりもより容易に機械加工可能な金型内の意図された構造の逆を機械加工し、それからプラズマ蒸着物、又は固体物を形成するために金型内で高圧下で微粉を使用することのいずれかで、金型を充填することによって硬い機械加工工具を形成することを含む。
あるいは、ダイヤモンドを従来のやり方で研磨し一緒に正確に固着させて、ミクロ構造機構を有するマクロ工具アセンブリを作製することができる。例示することだけを目的として工具先端の各側面にミクロ構造が1つだけ示されるが、工具先端は、任意の数のミクロ構造、並びに任意の形状、寸法及び配置のミクロ構造を有することができる。くぼみミクロ構造の代替として、機械加工された工具先端は、突起したミクロ構造、又は圧痕と突起のミクロ構造の組み合わせを有することができる。
加工物を機械加工するために、キャリア90のような工具先端キャリアに1つを超える工具先端を装着することが可能である。それらの実施形態において、複数の工具先端は、加工物を加工して、平行のミクロ構造の溝又は他の機構のようなミクロ構造を本質的に同時に加工物に作製する。図10Aは、機械加工された及び機械加工されていない工具先端を有する例示的な複数先端工具230の側面図である。「機械加工されていない」工具先端という用語は、一度機械加工を通して作製され、先端工具内にミクロ構造を作製するために使われるであろう、更なる機械加工を受けない工具先端を指す。複数先端工具230は、機械加工されていない工具先端234、及びミクロ構造238を有する機械加工された工具先端236を有する。工具先端234及び236は、工具先端キャリア90の表面98などの基部232に装着され、これらは例えば接着剤、ろう付け、はんだ付けの使用により、又は他の方法で装着され得る。工具先端234と236との間の距離240は、複数先端工具230で機械加工された対応するミクロ構造のピッチを決定し、工具先端236に対応するミクロ構造は、その中に機械加工された追加のミクロ構造を有する。
図10〜24において、「側面図」という用語は便宜上使われている。側面図として呼ばれているものの、これらの図は、機械加工プロセス中に工具先端を見下ろす時は工具先端の上部として見られるであろうことを示す。
図10Bは、複数の機械加工された工具先端を有する複数先端工具242の側面図である。複数先端工具242は、ミクロ構造248を有する機械加工された工具先端246、及びミクロ構造252を有する別の機械加工された工具先端250を有する。工具先端246及び250は、工具先端キャリア90の表面98などの基部244に装着され、これらは例えば接着剤、ろう付け、はんだ付けの使用により、又は他の方法で装着され得る。工具先端246と250との間の距離254は、複数先端工具242で機械加工された対応するミクロ構造のピッチを決定し、工具先端246及び250に対応するミクロ構造はそれぞれ、ミクロ構造248及び252にそれぞれ対応する工具先端246及び250内に機械加工された追加のミクロ構造を有する。
図10A及び10Bには、例示することだけを目的として2つの工具先端のみが示されるが、複数先端工具は、任意の数の工具先端を有することができる。機械加工された時、複数の工具先端は、同一の又は異なるミクロ構造を有することができ、それら個々のミクロ構造は、上記に特定される例示的な形状及び寸法の1つ以上を有することができる。複数先端工具の工具先端間の距離(ピッチ240及び254)は、1000マイクロメートルピッチ、100マイクロメートルピッチ、1マイクロメートルピッチ、又は更に200nm付近のサブ光波長ピッチを包含することができる。あるいは、他の実施形態において、複数先端工具の工具先端間のピッチは、1000マイクロメートルを超えることが可能である。2つを超える工具先端を有する複数先端工具において、隣接した工具先端間のピッチは、同じでも異なってもよい。これらの寸法は例示することだけを目的とし、本明細書に記載の作動装置及びシステムを使用して作製されるミクロ構造は、システムを使用して加工可能な範囲内でいずれかの寸法を有することができる。
加工物54は、機械加工された任意の工具先端又は複数先端工具を使用して機械加工されることができ、機械加工された加工物を上述のようにフィルムを作製するために使用することができる。加工物は、例えば上述のシステム及びプロセスを使用して連続切削又は断続切削で機械加工することができる。図11A及び11Bはそれぞれ、少なくとも1つの機械加工された工具先端を有するFTS作動装置を有する切削工具システムを使用して作製できるミクロ構造を概念的に示す、側面図及び斜視図である。図11A及び11Bに示されるように、加工物260は、対応する機械加工された工具先端のミクロ構造によって生じる、機械加工されたミクロ構造263及び264(例えば、隆起部)をその中に有する、連続的に機械加工されたミクロ構造262(例えば、溝)を有する。
図12A及び12Bはそれぞれ、少なくとも1つの機械加工された工具先端を有する断続切削FTS作動装置を有する切削工具システムを使用して作製できるミクロ構造を概念的に示す、側面図及び斜視図である。図12A及び12Bに示されるように、加工物270は、対応する機械加工された工具先端のミクロ構造によって生じる、機械加工されたミクロ構造273及び274(例えば、隆起部)をその中に有する、不連続的に(断続切削)機械加工されたミクロ構造272(例えば、別の機械加工された機構と接触していない機構)を有する。上述のように、また図7A〜7Cに示されるように、1つ以上の機械加工された工具先端を使用する断続切削は、加工物に入る工具先端のテーパーイン角度及び加工物から出る工具先端のテーパーアウト角度を変化させることができる。
加工物260及び270を次に、上述のようにコーティング技術で使用して、加工物260及び270のミクロ構造に対応する反対のミクロ構造を有するフィルム又は他の物品を作製することができる。
回折機構を有する機械加工された工具先端
図13A、13B、14、15A、15B、及び16〜22は、回折機構を有する機械加工された工具先端の例示的な図であるが、これらの工具先端は、接着剤、硬ろう付け、はんだ付けなど、又はその他の方法を使用することによって工具先端キャリア90の表面98に取り付けられるであろう。図23A、23B、24A、及び24Bは、それらの中に回折機構を形成するために工具先端を製作する方法を示す図である。図13A、13B、14、15A、15B、及び16〜22における工具先端上に示される機構は、縮尺とおりに示されてはいない。正しくは、図13A、13B、14、15A、15B、及び16〜22に示される工具先端は、回折を提供する機構の形状及び構成の例を示すものであり、その機構は例えば機構から望まれる回折の量によっていかなる寸法及び間隔をも有することができる。回折機構とは別に、図13A、13B、14、15A、15B、及び16〜22に示される工具先端は、例えばオプションとしてテーパー形状の正面部分105を備えた正面表面106である2つの切子面を有する工具先端100と同じ全体的な形状及び構成を有することができる。
図13A、13B、14、15A、15B、及び16〜22は、回折機構を有する機械加工された工具先端の例示的な図であるが、これらの工具先端は、接着剤、硬ろう付け、はんだ付けなど、又はその他の方法を使用することによって工具先端キャリア90の表面98に取り付けられるであろう。図23A、23B、24A、及び24Bは、それらの中に回折機構を形成するために工具先端を製作する方法を示す図である。図13A、13B、14、15A、15B、及び16〜22における工具先端上に示される機構は、縮尺とおりに示されてはいない。正しくは、図13A、13B、14、15A、15B、及び16〜22に示される工具先端は、回折を提供する機構の形状及び構成の例を示すものであり、その機構は例えば機構から望まれる回折の量によっていかなる寸法及び間隔をも有することができる。回折機構とは別に、図13A、13B、14、15A、15B、及び16〜22に示される工具先端は、例えばオプションとしてテーパー形状の正面部分105を備えた正面表面106である2つの切子面を有する工具先端100と同じ全体的な形状及び構成を有することができる。
いくつかの実施形態において、回折機構は、光の回折を引き起こすフィルム又は物品の機構、あるいはフィルム又は物品を作製するのに使用される時にフィルム又は物品の回折機構を生じる工具の機構を指す。上記のように、回折機構を有するフィルム又は物品は、対応する回折機構を有する機械加工された工具から作製される。回折機構は、機械加工された工具から作製されるフィルム又は物品において、所望の量の回折を得るべく調整することができる。具体的には、回折機構の寸法及び形状は、回折機構間の間隔とともに、特定用途に所望される光の回折の量又は程度に関して設計することが可能である。例えば、機構間の間隔が減少するにつれて、機構は、光の回折を増大させる。それ故に、より遠く離れて離間した機構はより少ない回折を生じ、互いにより密接に離間した機構はより多くの回折を生じる。特定の実施形態において、例えば、溝などの回折機構は、10マイクロメートル、5マイクロメートル、1マイクロメートルの範囲内で、あるいは光の特定の波長付近の距離の範囲内で離間することができる。一実施形態において、回折機構は、実質的に三角形の断面形状及びそれらの間に650nmの間隔を有する複数の機構を備える。例えば、一実施形態において、それぞれがおよそ650nm離間した28個のかかる機構を包含する。いくつかの実施形態においては、回折機構はナノスケール機構を参照する。例えば、回折機構はおよそ100nmのサイズ、又は10nmの小さなサイズまでもを有することができる。工具先端の回折機構のサイズは、以下に示されるように回折工具先端で機械加工された加工物から作製されるフィルム内の回折機構と実質的には同じサイズに帰する。
他の実施形態において、回折機構は、光学用途に関して記載の範囲内又は近似の寸法、及び疎水性、マイクロ流体毛管現象、摩擦抑制フィルム、ミクロ締結具のような非光学用途用のフィルム若しくは物品、又は他の機械的ミクロ構造化構成要素に使用される寸法を有する機構を指す。
特定の実施形態において、本明細書に記載されるように機械加工された工具から作製されるフィルムは、かかる工具から作製されたものであることを示す特定のサイン(signature)を有する。具体的には、いくつかの実施形態において、複数先端工具(例えば工具230及び242)は、工具(加工物54)周囲の1つ以上のパスの連続切削に使用される。工具の先端により作製される回折機構又は溝間の距離(例えば、距離240及び254)は、工具基部(例えば基部232及び244)により先端が一定距離を隔てて保持されているため、実質的に一定である。工具は、リニアモーターによりz方向にほぼ定速で加工物の面に沿って移動する。しかしながら、その速度は正確に一定ではなく、それは、リニアモーターが、サーボシステム内のノイズの故に公称速度を僅かに超える速度で工具を前後に僅かに移動させることがあるためである。こうした速度のばらつきは、溝間の距離のばらつきを生じることがある。ある特定用途における典型的なばらつきは、およそプラスマイナス0.2マイクロメートルであった。先に切削された機構に隣接する一定距離に工具先端を繰り返し位置合わせすることは困難であり得、多くの用途に必要とされるものではない。したがって、この方法で切削された工具から作製されるフィルムは、複数先端工具上の先端間の距離(例えば距離240及び254)と一致する実質的に一定距離で繰り返す一連の回折機構又は溝を有するとともに、z方向における工具の速度の僅かなばらつきから生じる一連の回折機構又は溝間のランダムに繰り返す可変距離を有する。
図13A、13B、14、15A、15B、及び16〜22,23A、23B、24A、及び24Bに示される工具は、例えばダイヤモンドで実施できる。工具先端上の回折機構は、好ましくはイオンミリングにより作製することができる。工具先端に回折機構を作製するための他の技術には、微細放電加工、研削、研磨、切除、又は工具先端にスクラッチ若しくは機構を付与するその他の方法が挙げられる。あるいは、ダイヤモンドを従来のやり方で研磨し、一緒に正確に固着させて、回折機構を有するマクロ工具アセンブリを作製してもよい。くぼみ回折機構の代替として、機械加工された工具先端は、突起した回折機構、又は圧痕と突起の回折機構の組み合わせを有することができる。
加工物54は、図13A,13B、14、15A、15B、及び16〜22、23B及び24Bに示される例示的な工具先端のいずれをも使用して機械加工でき、並びに機械加工された加工物は上述のフィルムを作製するのに使用することができる。加工物は、例えば、加工物内に回折機構を機械加工するために、上述したシステム及びプロセスを使用して連続切削又は断続切削において機械加工され得る。次に、機械加工された加工物又は工具は、上記のように、対応する回折機構を有するフィルムを作製するために使用することができる。これらのフィルムは、特有の回折及び屈折光学パワーを有するように作製することができる。向上フィルムにおけるこれら特有の回折及び屈折光学形態の例示的な目的は、単に工具の先端上に半径を設けるよりも更に多くの用途で中央視域から光を移動させるために、より多くの選択肢を提供することである。
マスター工具は、上記のように、プランジ研削、又はイオンミリングされたダイヤモンドを用いたねじ切りを通して実現することができる。プランジ研削及びねじ切りは米国特許第7,140,812号及び同第6,707,611号に説明されており、それらは参照することにより全体が記載されているかのように本明細書に組み込まれる。これらの工具先端を用いて機械加工されたマスター工具から作製されたフィルムにおいて、フィルムの全ての溝に機構が存在する必要はない。例えば、多条ねじ又はプランジ研削は、従来のダイヤモンド及びイオンミリングされたダイヤモンドの両方を用いて切削された溝を交互配置するのに使用できる。イオンミリングされた回折機構は、例えば90°の典型的な対称プリズム角度を持つ2つの切子面上の1つのみに配置することができる。この種類の工具先端は、輝度プロファイルをより微細に光チューニングすることを可能にする。イオンミリングされた回折機構は、BEFのような光学フィルムにおいて、より滑らかなカットオフ又は輝度プロファイルを容易にする。イオンミリングされた機構は、複数の工具先端が使用される時、光学フィルムに関する切削時間の低減を容易にすることもできる。
図13Aは、両方の切子面上の回折機構302及び304を備える工具先端300の側面図である。回折機構302及び304は、この例においてV字溝又はノッチとして示される。回折機構間の格子間隔303は、一定又は多様であり得、価値又は重要性のある異なる特性を生み出す。例えば、格子間隔を変化させることにより、一定の格子間隔と比較して、対応する光学フィルムにおける発散プロファイルを平滑化することができる。この間隔は、波長依存性に役立ち、色彩効果を改善することもできる。イオンミリングされた格子の形状は、V字形である必要はないが、通常は負の抜き勾配(negative draft angle)を避けるべきである。格子溝又はノッチの幅及び深さは、一般に1マイクロメートル未満であるが、1マイクロメートルを超えることができる。ノッチ又は溝を生み出すために利用できる形状は非常に多く存在する。可視光線用途の場合、格子溝の間の距離303は、一般に0.5マイクロメートル〜10マイクロメートル間隔の範囲であるが、設計目標を達成するため他の範囲が使用されてもよい。
それぞれが溝の横方向の幅1マイクロメートルを有する5マイクロメートル離間(距離303)した回折機構302及び304を有するこの設計を使用して、ダイヤモンド工具を製造した。この場合、回折溝は、フィルム試料において約31°でカットオフする最高点を通る、屈折区域から離れた光の散乱を制御することが示された。ゴニオメーターによる光度測定を使用して、このフィルムの回折機構が、輝度プロファイルを円滑に拡大することが示された。輝度プロファイルは、格子間隔をより大きくすること、及び溝又は機構の数を減らすことにより調整することができる。あるいは、プロファイルを微調整するために、格子間隔を小さくすること、及び溝又は機構の数を増やすこともできる。
図13Bは、両方の切子面上の回折機構305及び307の側面図である。工具先端301は、回折機構305及び307が平坦部分よりも湾曲部分によって分離される工具先端300の構成の変化である。
図14〜22に関して後述するイオンミリングされたダイヤモンド形の例は、輝度プロファイルを調整するための他の実施形態を示す。
図14は、一方の切子面に回折機構308を有し、他方の切子面310に機構を有さない工具先端306の側面図である。回折機構308は、V字溝又はノッチを含み、一定の又は可変的な格子間隔を有してもよい。
図15Aは、機構によって不変又は可変となる可能性があるステップ高度変動313を使用する回折機構314を備えた工具先端312の側面図である。
図15Bは、機構によって不変又は可変となる可能性があるステップ高度変動315を使用する回折機構311を備えた工具先端309の側面図である。工具先端309は、回折機構311が回折機構の両側面上のステップ高度変動よりもむしろ単一の角度のステップ高度変動を有する工具先端312の構成の1つの変化である。
図16は、90°(318)の切子面317及び319に沿って回折機構320及び322を有する工具先端316の側面図である。回折機構320及び322は、設計の必要に応じて又は所望に応じて、先端付近又は(先端から離れた)谷部付近であり得る。また、回折機構320及び322は、90°の切子面壁面に沿って適宜に位置付けることができる。
図17は、平坦な先端325に沿って回折機構324を有する工具先端323の側面図である。一実施例において、工具先端上の回折機構のこの種類の配置は、1マイクロメートル離間した11個のV字溝(324)を有する幅10マイクロメートル(325)を有するダイヤモンドから作製された。
図18は、湾曲した先端327に沿って回折機構328を備える工具先端326の側面図である。
図19は、例えば90°の切子面に沿って高さ333を有するステップ状に形成された回折機構332を有する工具先端330の側面図である。
図20は、工具先端の実質的に平坦な部分に沿ってレンズ形状を有する回折機構336を有する工具先端334の側面図である。
図21は、切子面に沿って隣接した凹部分及び凸部分から形成される湾曲した切子面340に沿って回折機構を有する工具先端338の側面図である。
図22は、切子面に沿って隣接した角度を成す平坦部分から形成される複数の線状切子面344に沿って回折機構を有する工具先端342の側面図である。
図23A及び23Bは、回折機構を作製するために工具先端をイオンミリングする方法を示す。図23Aは、イオンミリング前の工具先端350の側面図である。工具先端350は、例えば、ダイヤモンドスラブで実施することができ、切子面352及び354、並びに平坦な先端356を有する。図23Bは、イオンミリングを使用して先端上の同一平面に回折機構を形成した後の工具先端350の側面図である。具体的には、平坦な先端356の中心点におけるイオンミリングは、実質的に同一平面364に存する点を有する2つの回折機構360及び362を作製するために、谷部358を生み出す。
図24A及び24Bは、回折機構を作製するために、工具先端をイオンミリングする別の方法を示す。図24Aは、イオンミリング前の工具先端370の側面図である。工具先端370は、例えば、ダイヤモンドスラブで実施することができ、切子面372及び374、並びに平坦な先端376を有する。図24Bは、イオンミリングを使用して先端上の異なる平面に回折機構を形成した後の図24Aの工具先端の側面図である。具体的には、平坦な先端376の中心から外れた点におけるイオンミリングは、平面386に存する点を有する第1回折機構380と、平面386とは異なる平面384に存する点を有する第2回折機構382とを作製するために、谷部378を生み出す。図23B及び24Bに示される回折機構を作製するプロセスを繰り返して工具先端上にいくつかの回折機構を作製することができ、図23B及び24Bに示される機構は、一定の縮尺で示されるわけではなく、むしろ工具先端上の回折機構の作製プロセスを示すことを意図するものである。
フィルムなどの微細複製物品を作製するために上述のような回折機構を有する工具先端を使用することにより、多くの有利な又は望ましい機構を提供することができる。例えば、それらは、光の方向付け(light direction)、カットオフ角軟化(softening cutoff angles)、光ガイドに関する光の抽出(extraction of light for light guides)、又は断続切削小型レンズ上のレインボー効果など、既存の機構上の装飾効果に対する光管理用途に使用することができる。更に、より大きなミクロ構造上の回折機構は、光を向け直すための追加の自由度を提供する。
上述した工具先端は、マクロスケール(1マイクロメートル以上の寸法)及びナノスケール(1マイクロメートル未満の寸法)で機構を作製するのに使用でき、機構は、連続又は断続切削方式で1つ以上の工具先端を使用して作製することができる。加えて、工具先端を使用した切削は、工具に入るx方向、y方向、又はz方向、又はこれら方向の組み合わせにおいて達成することができる。例えば、機構は、複数の作動装置を有する工具先端を使用して切削することができる。工具を切削するために複数の作動装置を使用するシステムは米国特許出願第11/274723号、同第11/273875号、同第11/273981号、及び同第11/273884号に記載されており、これら全ては2005年11月15日に出願されているが、これら全ては参照することにより全体が記載されているかのように本明細書に組み込まれる。あるいは、回折機構は、作動装置を使用せずに工具に切削することができ、これには、例えば、低周波サーボを使用して工具の表面において実質的に一定深さ又は非一定深さで保持される工具先端(1つ又は複数)を用いた連続切削が伴ってもよい。
回折工具先端を備える非FTS機械加工
FTS作動装置を使用する機械加工の代替として、工具先端を実質的に一定の深さにおいて加工物の中に保持し、実質的にらせん状のパターンに機構を機械加工するために加工物に沿って動かされる、非FTS工具ポストを使用して加工物を機械加工することができる。この実施形態においては、工具先端は1つ以上の回折機構を有し、少なくともそれらの機構の1つは加工物を機械加工する間は加工物と接触している。上述のように、この機械加工によって回折機構を有するマクロスケールの機構を作製することができる。機械加工された加工物は次に、対応する機構を有する光学フィルムのようなフィルムを作製するの使用することができる。
FTS作動装置を使用する機械加工の代替として、工具先端を実質的に一定の深さにおいて加工物の中に保持し、実質的にらせん状のパターンに機構を機械加工するために加工物に沿って動かされる、非FTS工具ポストを使用して加工物を機械加工することができる。この実施形態においては、工具先端は1つ以上の回折機構を有し、少なくともそれらの機構の1つは加工物を機械加工する間は加工物と接触している。上述のように、この機械加工によって回折機構を有するマクロスケールの機構を作製することができる。機械加工された加工物は次に、対応する機構を有する光学フィルムのようなフィルムを作製するの使用することができる。
図25A〜25Cは、非FTS工具ポスト400の例示的な図である。図25A及び25Bは、工具ポスト400の斜視図である。図25Cは、工具ポスト400の平面図である。図25A〜25Cに示されるように、工具ポスト400は、ベース402、ベース402に取り付けられた縦の部分404、及び縦の部分404のベース402とは反対の端に取り付けられたトップ410を備える。トップ410は、それをボルト又は他の締結具で縦の部分404に固定するための開口416及び418を備える。ブロック412は、トップ410の上に位置するが、それをボルト又は他の締結具でトップ410に固定するための開口420及び422を備える。軸部414は、加工物54を機械加工するため工具先端を保持し、ブロック412とトップ410との間の摩擦でトップ410に固定されている。ブロック412を取り外し、再度固定することにより、加工物54にx‐方向に入る軸部414の位置は、矢印424(図25C参照)で示されるように調節できる。ベース402は、ボルト又は他の締結具で工具ポスト400をトラック32に固定するために開口406及び408のような開口を備える。別の方法として、1つ以上の他のポスト又は機構を、工具ポスト400のトラック32とベース402との間に取り付けることができる。機械加工の間は、工具ポスト400は、工具先端が加工物54内に保持されている時は、加工物54がベース402に接触しないような構成及び位置となる。工具ポスト400は、それがトラック32に取り付けられている時は、軸部414上の工具先端を加工物54内に保持することができ、加工物54が駆動ユニット及びエンコーダ56の制御下で回転する時に、工具ポスト400をコンピュータ12の制御下でトラック32に沿ってz−方向に動かすことにより、その工具先端を加工物54に沿って動かすことができる。工具ポスト400の構成要素は、例えばステンレススチール、又は他の材料で作製できる。
図26A〜26Dは、軸部414の例示的な図である。図26Aは、軸部414の斜視図である。図26Bは、軸部414の正面図である。図26Cは、軸部414の底面図である。図26Dは、軸部414の側面図である。図26A〜26Dに示されるように、軸部414は側面部430、前方部434上のテーパー形状かつ角を成す前面部432、底面部438、及び工具先端を取り付けるため及び角を成した又はテーパー形状をした側面を有するための突き出た表面436を含む。工具先端は、接着剤、硬ろう付け、はんだ付け、又は他の方法を用いて、軸部414の表面436に取り付けられるであろう。軸部414に固定された工具先端は、好ましくは、加工物54内に回折機構を機械加工するのに使用される図13〜22に示され、上述の例示的な工具先端材料で実施される工具先端のような、回折機構を備える工具先端を含む。軸部414は、例えば以下の1つ以上の材料で実施することができる。焼結炭化物、窒化ケイ素、炭化ケイ素、スチール、チタニウム、ダイヤモンド、又は人工ダイヤモンド材料。
回折機構を備える光学フィルム
微細複製マスター工具又は加工物は、上述の機械加工プロセスにおいて回折機構を備える工具先端を使用して加工することができる。これらの工具先端は、例えば、図13A、13B、14、15A、15B、及び16〜22に示される工具先端を含む。この工具能力と上述の3Cのような微細複製プロセスを組み合わせることにより、フィルム基板の主表面上で、微細複製マクロスケール機構及びそのマクロスケール機構上で1つ以上の微細複製回折機構を有する光学フィルムを形成することができる。「マクロスケール機構」及び「回折機構」という用語は、上記に定義されている。
微細複製マスター工具又は加工物は、上述の機械加工プロセスにおいて回折機構を備える工具先端を使用して加工することができる。これらの工具先端は、例えば、図13A、13B、14、15A、15B、及び16〜22に示される工具先端を含む。この工具能力と上述の3Cのような微細複製プロセスを組み合わせることにより、フィルム基板の主表面上で、微細複製マクロスケール機構及びそのマクロスケール機構上で1つ以上の微細複製回折機構を有する光学フィルムを形成することができる。「マクロスケール機構」及び「回折機構」という用語は、上記に定義されている。
基板は典型的には、例えば、3Cプロセスにおけるマクロスケール機構と一体で又は一体物として形成されるか、又は熱可塑性複製を使用して形成される。別の方法として、基板は機構と一体で形成された層の1つを備える複数の層を有することができる。フィルムは硬化された時、柔らかくても硬くてもよい。
回折機構は、フィルムの光学性能においてより大きな多様性を提供する。例えば、回折機構が液晶ディスプレイ(LCD)装置又は他のバックライト付き装置の輝度増進フィルム及び拡散器の両方として機能する一枚のフィルムを提供するために光を拡散できるのに対して、マクロスケール機構は光をリサイクルすることができる。更にこれらのフィルムは、バックライトシステム内の抽出機能を隠すのに使用することができる。故に、マクロスケール及び回折機構の組み合わせは、光学フィルムのより大きな照明管理を提供する。
図27A、27B、28、29A、29B、及び30〜36は、図13A、13B、14、15A、15B、及び16〜22にそれぞれ示される工具先端と一致する工具先端で機械加工された加工物から作製されたフィルムの代表的な部分を示す。これらのフィルムの部分は、マクロスケール及び回折機構の全体的な形状及び構成を示すことを意図しているが、これらのフィルムは、そのフィルム全体にわたり繰り返される、いかなる数の、実質的に同じ微細複製マクロスケール及び回折機能をも有することができる。これらのフィルムの寸法、主表面の長さ及び幅は、例えばこれらフィルムの意図された使用に基づくことができる。マクロスケール機構間のピッチは不変又は可変でもよく、マクロスケール機構間の深さもまた不変又は可変でもよい。参照することにより全体が記載されているかのように本明細書に組み込まれる米国特許第7,293,487号で開示されるX−Z作動装置を使用して機械加工することにより、マクロスケール機構間の変化するピッチ及び深さ、又はもう一方が一定に保持されたままで変化する1つのパラメーターを実現することができる。更に、マクロスケール機構は、ランダム、疑似ランダム、又は非ランダムの構成を有することができる。
図27A、27B、28、29A、29B、及び30〜36に示されるフィルムの各々は、2つのフィルムのマクロスケール機構が互いに角度を持つ、好ましくは互いに直交する、2つのフィルムを構成するために、同じ又は他のフィルムと組み合わせることができる。積み重ねられた構成の他のフィルムの1つは、マクロスケール及び回折機構を備える別のフィルムでもよく、あるいは、他の種類の構造を備えるフィルムでもよい。例えば、反モアレ、反水浸プリズムフィルムは、米国特許仮出願第60/974245号(2007年9月21日出願)に記載されているが、参照することにより全体が記載されているかのように本明細書に組み込まれる。例えば、ディスプレー装置で2つのフィルムを使用すると照明管理のより大きな多様性を提供できる。
フィルムを作製するために使われる加工物は、上述のようにFTS作動装置又は非FTSを使用して回折工具先端で機械加工することができる。フィルムは、フィルム内に連続的マクロスケール機構をもたらす連続的な切削プロセスか、又はフィルム内に不連続的マクロスケール機構をもたらす中断切削によって、回折工具先端で機械加工された加工物から作製することができる。連続的及び不連続的切削機械加工は上述されている。不連続的切削を使用して加工物を機械加工する場合、図27A、27B、28、29A、29B、及び30〜36に示されるフィルムは、マクロスケールレンズレットの回折機構の追加とともに、図8に示されるレンズレットとして形成される対応するマクロスケール機構を有するであろう。
回折工具先端で機械加工された加工物から作製されたフィルムは、実質的に光学的に透過できる、好ましくは実質的に可視光線に透過できる材料で、作製されるのが望ましい。フィルムを作製するための材料の例として以下が含まれる。ポリカーボネート、アクリル、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリサルフォン、2,6−ポリエチレンナフタレート(PEN)、又はエチレングレコル由来のコ−ポリマー、ナフタレンジカルボン酸、及びテレフタル酸エステル(co−PEN)のような他のいくつかの酸、及び他の適した材料。フィルムを作製するための他の材料は、アクリレート、エポキシ、又はウレタンベースの材料、及び好ましくはアクリレートベースの材料を含むがこれらに限定されない、可塑性のある状態に硬化される、実用的なオリゴマーの樹脂組成物を含む。本明細書で使われている「アクリレート」という用語は、メタクリレートを含む。
図27Aは、図13Aに示される工具先端300と一致する工具先端で機械加工された加工物から作製されるフィルム450の代表的な部分を示す斜視図である。フィルム450は、マクロスケール機構452上に回折機構454を有する。フィルム450では、マクロスケール機構452はプリズムを含み、回折機構454はそのプリズムの切子面上の両方に1つ以上の三角形のノッチを含む。
フィルムは、フィルム450の部分451によって示される、マクロスケール機構のベースを提供する、基板を含む。基板451は、距離456によって示されるいかなる特定の高さをも有することができ、マクロスケール機構はまた、距離458によって示されるようないかなる特定の高さをも有することができる。距離462によって示されるマクロスケール機構間のピッチは、いかなる特定の数値をも有することができ、距離460によって示される回折機構間のピッチはまた、いかなる特定の数値をも有することができる。以下に記載されるフィルムは、同様にいかなる特定の寸法の基板及び機構、並びにいかなる特定の数値のマクロスケール機構間のピッチ及び回折機構間のピッチを有することができる。
更に、マクロスケール及び回折機構は、マクロスケール機構上に回折機構を有するフィルムの例を示すことを意図した、図27A、27B、28、29A、29B、及び30〜36に示されるものとは異なることができる。例えば、回折機構は、マクロスケール機構の切子面に沿って同一である必要はなく、切子面も左右対称である必要はない。各々のマクロスケール及び回折機構は、形状及び寸法において固有であることができる。更に、マクロスケール機構の1つ又は両方の切子面はあるいは、回折機構を備えている又は備えていない全体的に湾曲した形状を有することができる。
図27Bは、図13Bに示される工具先端301と一致する工具先端で機械加工された加工物から作製されるフィルム463の代表的な部分を示す斜視図である。フィルム463は、マクロスケール機構464上に回折機構466を有する。フィルム463では、マクロスケール機構464はプリズムを含み、回折機構466はプリズムの切子面上の両方に一連の隣接したレンズレットを含む。
図28は、図14に示される工具先端306と一致する工具先端で機械加工された加工物から作製されるフィルム467の代表的な部分を示す斜視図である。フィルム468は、マクロスケール機構468上に回折機構470を有する。フィルム467では、マクロスケール機構468はプリズムを含み、回折機構470は、プリズムの切子面上の1つのみに1つ以上の三角形のノッチを含む。
図29Aは、図15Aに示される工具先端312と一致する工具先端で機械加工された加工物から作製されるフィルム472の代表的な部分を示す斜視図である。フィルム472は、マクロスケール機構474上に回折機構476を有する。フィルム472では、マクロスケール機構474はプリズムを含み、回折機構476はプリズムの切子面上の両方に一連の隆起した部分のある回折格子を含む。
図29Bは、図15Bに示される工具先端309と一致する工具先端で機械加工された加工物から作製されるフィルム478の代表的な部分を示す斜視図である。フィルム478は、マクロスケール機構480上に回折機構482を有する。フィルム478では、マクロスケール機構480はプリズムを含み、回折機構482はプリズムの切子面上の両方に一連の角を成した部分のある回折格子を含む。
図30は、図16に示される工具先端316と一致する工具先端で機械加工された加工物から作製されるフィルム484の代表的な部分を示す斜視図である。フィルム484は、マクロスケール機構486上に回折機構488を有する。フィルム484では、マクロスケール機構486はプリズムを含み、回折機構488は、ノッチとプリズムの頂点との間の平坦な部分に沿って、プリズムの切子面上の両方に1つ以上の三角形のノッチを含む。
図31は、図17に示される工具先端323と一致する工具先端で機械加工された加工物から作製されるフィルム490の代表的な部分を示す斜視図である。フィルム490は、マクロスケール機構492上に回折機構494を有する。フィルム490では、マクロスケール機構492はプリズムを含み、回折機構494は、プリズムの平坦な頂点上に1つ以上の三角形のノッチを含む。
図32は、図18に示される工具先端326と一致する工具先端で機械加工された加工物から作製されるフィルム496の代表的な部分を示す斜視図である。フィルム496は、マクロスケール機構498上に回折機構500を有する。フィルム496では、マクロスケール機構498はプリズムを含み、回折機構500は、プリズムの湾曲した頂点上に1つ以上の三角形のノッチを含む。
図33は、図19に示される工具先端330と一致する工具先端で機械加工された加工物から作製されるフィルム502の代表的な部分を示す斜視図である。フィルム502は、マクロスケール機構504上に回折機構506を有する。フィルム502では、マクロスケール機構504はプリズムを含み、回折機構506は、プリズムの切子面上の両方に一連の隣接したステップを含む。
図34は、図20に示される工具先端334と一致する工具先端で機械加工された加工物から作製されるフィルム508の代表的な部分を示す斜視図である。フィルム508は、マクロスケール機構510上に回折機構512を有する。フィルム508では、マクロスケール機構510はプリズムを含み、回折機構512は、プリズムの平坦な頂点上に一連の隣接したレンズレットを含む。
図35は、図21に示される工具先端338と一致する工具先端で機械加工された加工物から作製されるフィルム514の代表的な部分を示す斜視図である。フィルム514は、マクロスケール機構516上に回折機構518を有する。フィルム514では、マクロスケール機構516はプリズムを含み、回折機構518は、プリズムの切子面上の両方に一連の隣接した湾曲した部分を含む。
図36は、図22に示される工具先端342と一致する工具先端で機械加工された加工物から作製されるフィルム520の代表的な部分を示す斜視図である。フィルム520は、マクロスケール機構522上に回折機構524を有する。フィルム520では、マクロスケール機構522はプリズムを含み、回折機構524は、プリズムの切子面上の両方に一連の隣接した角を成した平坦な部分を含む。
例示的な実施形態と関連させながら本発明を説明してきたが、多くの修正が当業者には容易に明白となり、本出願がいかなる適合物又は変形物をも対象とすることが意図されることが分かるであろう。例えば、フィルム用の様々な種類の材料、マクロスケール及び回折機構の寸法、並びにマクロスケール及び回折機構の構成と形状は、本発明の範囲から逸脱することなく使用され得る。本発明は、特許請求の範囲及びその等価物にのみ限定される。
Claims (20)
- 光学フィルムであって、
基板と、
基板の主表面上に形成される複数個の微細複製マクロスケール機構と、
前記マクロスケール機構上に形成される1つ以上の微細複製回折機構と、を含み、
前記基板及び前記マクロスケール機構が、実質的に光透過性の材料で形成される、光学フィルム。 - 前記マクロスケール機構が、対立する切子面及び頂点を有するプリズムを備える、請求項1に記載の光学フィルム。
- 前記回折機構が、前記プリズムの前記切子面上の少なくとも1つに三角形のノッチを備える、請求項2に記載の光学フィルム。
- 前記回折機構が、前記プリズムの前記切子面上の1つのみに三角形のノッチを備える、請求項2に記載の光学フィルム。
- 前記回折機構が、前記プリズムの前記切子面上の少なくとも1つに一連の隣接するレンズレットを備える、請求項2に記載の光学フィルム。
- 前記回折機構が、前記プリズムの前記切子面上の少なくとも1つに一連の隆起した部分のある回折格子を備える、請求項2に記載の光学フィルム。
- 前記回折機構が、前記プリズムの前記切子面上の少なくとも1つに一連の角を成した部分のある回折格子を備える、請求項2に記載の光学フィルム。
- 前記回折機構が、前記ノッチと、前記プリズムの前記頂点との間の平坦な部分に沿って、前記プリズムの前記切子面上の少なくとも1つに、1つ以上の三角形のノッチを備える、請求項2に記載の光学フィルム。
- 前記回折機構が、前記プリズムの前記頂点上に三角形のノッチを備え、前記頂点が平坦である、請求項2に記載の光学フィルム。
- 前記回折機構が、前記プリズムの前記頂点上に三角形のノッチを備え、前記頂点が湾曲している、請求項2に記載の光学フィルム。
- 前記回折機構が、前記プリズムの前記切子面上の少なくとも1つに一連の隣接するステップを備える、請求項2に記載の光学フィルム。
- 前記回折機構が、前記プリズムの前記頂点上に一連の隣接するレンズレットを備え、前記頂点が平坦である、請求項2に記載の光学フィルム。
- 前記回折機構が、前記プリズムの前記切子面上の少なくとも1つに一連の隣接した湾曲部分を備える、請求項2に記載の光学フィルム。
- 前記回折機構が、前記プリズムの前記切子面上少なくとも1つに一連の隣接した角を成した平坦な部分を備える、請求項2に記載の光学フィルム。
- 前記マクロスケール機構が連続的である、請求項1に記載の光学フィルム。
- 前記マクロスケール機構が不連続的である、請求項1に記載の光学フィルム。
- 前記マクロスケール機構が、1つの不変ピッチを有する、請求項1に記載の光学フィルム。
- 前記マクロスケール機構が、1つの可変ピッチを有する、請求項1に記載の光学フィルム。
- 光学フィルムであって、
基板と、
前記フィルムがバックライトに設置された時、微細複製マクロスケール機構が可視光線をリサイクルするよう機能する、前記基板の主表面上に形成される複数個の前記マクロスケール機構と、
前記フィルムがバックライトに設置された時、微細複製回折機構が可視光線を拡散するよう機能する、前記マクロスケール機構上に形成される1つ以上の前記回折機構と、を含み、
前記基板及び前記マクロスケール機構が、実質的に光透過性の物質で形成される、光学フィルム。 - 前記マクロスケール機構が、対立する切子面及び頂点を有するプリズムを備え、前記回折機構が前記プリズムの前記切子面上の少なくとも1つに三角形のノッチを備える、請求項19に記載の光学フィルム。
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