JP6129297B2 - ポリマー光学系を有する光学モジュールを製造する方法、光学モジュール及びその使用 - Google Patents

Description

本発明は、開放式の注型用の型内で基板の第１の表面をポリマー注型材料で被覆する工程を備える光学モジュールの製造方法に関する。さらに本発明は、第１の表面を有する基板と、第１の表面に被着されるポリマー注型材料からなる層と、を備え、ポリマー注型材料からなる層内に光学素子が開放式の注型方法により形成されている光学モジュールに関する。

国際公開第２０１２／０３１７０３号パンフレットには、チップ・オン・ボード（Ｃｈｉｐ−Ｏｎ−Ｂｏａｒｄ：ＣＯＢ）・モジュールの製造方法が記載されている。このチップ・オン・ボード・モジュールでは、基板が、複数のＬＥＤを有するプレート状の担体を有し、基板の表面には、開放式の注型用の型内で、光学系を形成する層が被覆され、設けられている。

本発明の課題は、広範な使用可能性を有する、光学モジュールを製造する方法を提供することである。

この課題は、
ａ）光透過性の担体として形成される第１の表面を有する基板を用意する工程と、
ｂ）内部に少なくとも１つの光学素子の成形部が形成されている開放式の注型用の型を用意する工程と、
ｃ）表面を開放式の注型用の型内でポリマー注型材料により被覆し、ポリマー注型材料からなる光学素子を形成する工程と、
ｄ）型内でポリマー注型材料を硬化し、光透過性の担体とポリマー注型材料とが全体として１つの光学系を形成する工程と、
を備える、光学モジュールを製造する方法により解決される。

本発明に係る光学系は、簡単に、その都度の要求に適合された材料から製造可能である。このような光学系の場合、担体は、原則、被着される層と同じ材料からか、又は異なる材料からなっていてよい。好ましくは、担体は、例えばガラスからなる。これは、特にＵＶ透過性のガラス、例えば石英ガラスであってよい。

本発明の意味でのポリマー注型材料は、所望の波長領域に関して透明なあらゆる好適なポリマー、例えばシリコーン、ＰＭＭＡ、ポリカーボネート等であってよい。

本発明の意味での光学素子とは、光の所定の通過を可能にする、層内に設けられたあらゆる成形部と解すべきである。光は、要求次第ではＵＶ領域及び／又はＩＲ領域の光であってもよい。好ましい態様において、光学素子は、特にレンズ、例えば収束レンズ、拡散レンズ、円筒レンズ、フレネルレンズ等である。しかし、別の態様において、光学素子は、光の散乱、プリズムによる分割等に関するものであってもよい。光を単純に通過させる面平行の面の形成も、本発明の意味での光学系に含まれる。内部に光学素子が成形されるポリマー層は、直接基板に配置される光学系を形成している。

型内での基板の被覆は、様々な方法で実施可能である。１つの方法としては、注型材料をまず型内に注入し、その後、基板を注型材料内に浸漬する。択一的には、まず基板を少なくとも部分的に空の型内に挿入し、その後、注型材料を制御しつつ充填する。いずれにしても、型は、好ましくは、基板を載せて位置決めするランド（Ｓｔｅｇ）、ノーズ（Ｎａｓｅ）等の構造を有している。

好ましい態様において、注型材料は、定着剤を添加物として含まない。これにより、型からの容易な解離が達成可能である。好適な場合、分離シートの使用も省略可能である。加えて、幾つかの注型材料、例えばシリコーンでは、とりわけ特に良好なＵＶ透過性が達成可能である。

好ましくは、注型材料は、硬化プロセスを導入する触媒を含んでいてもよい。触媒は、例えば白金等のごく微量の添加物であってよい。硬化が触媒により引き起こされることで、注型材料の高い純度が達成可能である。特に好ましくは、注型材料の硬化は、本態様ではＵＶ光により行われない。これは、多くの場合、ＵＶ光のまさに高い透過性が所望されているからである。

さらに好ましくは、本発明に係る方法は、硬化を導入及び／又は加速するために注型材料を型内で所定の温度に加熱する工程を備える。例えば、触媒により引き起こされる硬化は、加熱により加速され得る。このことは、方法をより効率的なものにし、必要な触媒量をさらに低減する。しかし、昇温によってのみ実施される硬化も可能である。典型的な所定温度は、注型材料の脆化又はその他の変性が予期される範囲の下にある。例えば注型材料がシリコーンである場合、温度範囲の例は、約１００℃、好ましくは１４０℃未満である。所定温度は、とりわけ、どの程度の温度が基板と両立するかにも左右される。

本発明の好ましい態様において、ポリマー注型材料による被覆前に第１の表面に定着剤（Ｈａｆｔｖｅｒｍｉｔｔｌｅｒ）をコーティングする工程が設けられている。基板のコーティングすべき表面に定着剤を被着することにより、型内の注型材料への助剤の添加を回避又は軽減することができる。加えて、幅広い等級の注型材料をコーティングのために使用することができる。別の有利な効果は、硬化した注型材料の、型からの良好な解離である。特に本発明では、型のコーティングや、分離シートを備えた型の設計は省略可能である。

基板からシリコーンへの移行部の領域における不都合な効果を最小化するために、好ましくは、定着剤を１００ｎｍ未満の平均層厚さで表面に被着する。この場合、光学的特性に関して、定着剤の層厚さが、光学素子を通過する光の波長の半分未満であることが、特に望ましい。さらに好ましくは、層厚さは、１０ｎｍ未満であり、特に１０層以下の単分子層である。定着剤の機能に基づいて、単一の単分子層の被着が理想的であり、所望されている。

基板への定着剤の塗布は、好適な方法、例えば浸漬、蒸着、滴下、吹き付け又はスピンコートにより実施可能である。特に好ましくは、塗布後、塗布した層の、例えば余分な定着剤の吹き飛ばしによる薄膜化が実施される。

定着剤は、好ましくはそれ自体ＵＶ安定性である。ＵＶ光による定着剤の変性は、少なくとも、層が十分に薄ければ、許容可能である。注型材料用の定着剤は、一般に公知であり、その都度使用したい基板次第である。しばしば、定着剤は、基板と結合する第１の末端基と、注型材料と結合する第２の末端基とを有する分子を有している。好ましいのは、注型材料と化学結合を介して結合する定着剤である。基板に定着剤は、状況に応じて化学的かつ／又は物理的に、例えば界面接着力又はファン・デル・ワールス力を介して結合可能である。注型材料が例えばシリコーンである場合、典型的な定着剤は、例えば反応性シロキサンとケイ素樹脂とからなる混合物からなる。特に末端基は、基板に応じて最適化することが可能である。

開放式の注型方法を最適化するために、注型材料は、硬化前、１０００ｍＰａ・ｓ未満の粘度を有する。好ましくは、粘度は、１００ｍＰａ・ｓ未満、特に好ましくは５０ｍＰａ・ｓ未満である。この低い粘度は、型の無気泡の迅速な充填、特に基板の無気泡の被覆を可能にする。その際、例えば浸漬された基板によって押しのけられた余分な注型材料は、容易に溢流部において流出可能である。

一般に好ましくは、硬化した注型材料は、１０〜９０の範囲のショアＡ硬度を有する。特に好ましくは、ショアＡ硬度は、５０〜７５の範囲にある。これにより、要求度の高い光学系の正確な形状付与を保証するのに十分な機械的安定性が提供されている。同時にコーティングは、その高い弾性により、衝突、振動又は熱に起因する機械的歪み等の機械的作用に対する極めて良好な保護を提供する。

一般に好ましい態様において、注型材料からなる光学素子は、４００ｎｍ未満の波長領域で１Ｗ／ｃｍ^２より高い放射強度に対して持続的な耐ＵＶ性を有する。特に好ましくは、１０Ｗ／ｃｍ^２より高い放射強度に対する耐性もある。特に高純度のシリコーンが、ＵＶ光を伴う使用のために極めて良好な材料であることが判っている。ここで、持続的な耐性とは、少なくとも数ヶ月の長期にわたって照射を受けても、シリコーンの目立った変性又は変色若しくは黄変がないことと、解すべきである。これにより、本発明に係るモジュールの好ましい耐ＵＶ性は、約０．１５Ｗ／ｃｍ^２と推定可能な、太陽光に対する材料の一般的な耐ＵＶ性を大幅に上回る。

本発明の一般に好ましい態様において、ポリマー注型材料は、少なくとも大部分シリコーンからなる。シリコーンは、例えば粘度、反応性、界面接着力等に関して、開放式の型内での効率的な処理の良好な前提を必然的に伴う。

好ましい態様において、シリコーンを、型内に供給する直前に、少なくとも２つのシリコーンの混合物として形成する。このような２成分又は多成分の系は、市販されている。特に高純度の２つのシリコーンを混合することにより、他方、混合によって硬化プロセスあるいは架橋が開始される高純度のシリコーンが得られる。したがって、例えば両シリコーンの一方は、このシリコーンだけでは架橋しない、混合物を硬化するための触媒を含んでいるように設計可能である。

一般に好ましくは、シリコーンは、高純度であり、含まれる異物は、１００ｐｐｍ未満である。特に好ましくは、異物の含有量は、１０ｐｐｍ未満である。ここで異物とは、架橋され、硬化されるシリコーン系にそれ自体は属しない、触媒を除くすべての有機又はその他の添加物と解すべきである。望ましくない異物の例は、添加された定着剤である。一般に、炭素鎖結合を有する成分も、望ましくない異物と見なされる。このような結合は、一般にＵＶ安定性に欠ける。それゆえ、本発明において所望されるシリコーンは、少なくとも硬化後、精々１つの炭素原子を幾分、例えばメチル残基の形態の精々１つの炭素原子を幾分有しているだけである。シリコーンの高い純度により、特に、格段に高い耐ＵＶ性が達成可能である。このことは、シリコーンの機械的耐性のみならず、光学的耐性にも関する。それというのも、不純物が僅かに存在するだけで、ＵＶ照射を受けるシリコーンの早期の黄変が発生してしまうからである。

本発明に係る光学モジュールは、設計次第で、特にＵＶ領域又はＩＲ領域の高い放射強度を透過させることができる。光学モジュールは、好ましくは、高い放射照度を所定の構造内に収束させる照明を製造するために使用可能である。特に好ましい使用は、コーティングを乾燥させる装置の製造である。このような装置は、例えば印刷法、特にオフセット印刷法における塗料の乾燥に使用可能である。

別の好ましい態様において、工程ｄ）の後、第２の表面をコーティングし、第２の表面のコーティングも、工程ａ）〜ｄ）を有する。こうして、例えば中央の担体、例えばガラスプレート上に、同じに又は異なって成形された２つの層面を有する光学系が製造可能である。

この場合、第２の表面は、例えば第１のコーティングとは反対側の基板面をコーティングする場合の、基板の第２の表面であっても、他の表面であってもよい。他の表面は、特に第１のコーティングの外側の表面であり、この外側の表面上に、方法を再適用して第２のコーティングが被着される。要求次第では、第２の層は、第１の層に直接被着可能である。これに対して択一的に、第２の表面は、例えばまず第１のコーティング上に被着される中間層、例えば反射防止膜等のコーティングや、金属蒸着などに属するものであってもよい。

加えて本発明の課題は、第１の表面を有する基板と、第１の表面に被着されるポリマー注型材料からなる層と、を備え、ポリマー注型材料からなる層内に光学素子が開放式の注型方法により形成されている光学モジュールであって、基板は、光透過性の担体として形成されており、光透過性の担体は、層と相俟って全体として１つの光学系を形成する光学モジュールにより解決される。

加えて、本発明に係る光学モジュールは、好ましくは、請求項１から１３までのいずれか１項記載の単数又は複数の特徴を備える。この場合、特に好ましくは、ポリマー注型材料は、シリコーン、特に前述の有利な特徴を有するシリコーンからなっている。特に光学モジュールは、本発明に係る方法にしたがって製造可能である。しかし、原則的には、これとは異なる方法にしたがって製造されていてもよい。

加えて本発明の課題は、本発明に係る光学モジュールを備える照明により解決される。

本発明において、このような照明は、層を乾燥させるために使用される。その際、好ましい使用は、印刷法における使用である。

本発明のその他の利点及び特徴は、以下に説明する実施の形態及び従属請求項から看取可能である。

以下に、本発明の複数の好ましい実施の形態を図示し、これらについて添付図面を参照しながら詳述する。

本発明に係る光学モジュールの３つの態様の断面図である。 両図は、それぞれ、光学モジュールの本発明に係る製造方法の経過中における開放式の注型用の型と基板とを示す図である。 図２に示した型の変化態様を示す図である。 図１に示したモジュールの第１の変化態様を示す図である。 図１に示したモジュールの第２の変化態様を示す図である。 図１に示したモジュールの使用の一例を示す図である。 本発明の異なる実施の形態を組み合わせた使用の一例を示す図である。

図１に示した光学モジュールは、基板１を有する。基板１上には、定着剤２からなる層が被着されている。定着剤２上には、ポリマー注型材料からなる成形された層３が被着されている。層３は、例えば収束レンズの形態の複数の光学素子４を有する。以下で説明する実施の形態のそれぞれの注型材料は、シリコーンである。しかし、概してその他のポリマー注型材料も好適である。

本発明では、基板は、光透過性の担体１、本実施の形態ではガラスプレートからなっている。担体１は、最初の実施の形態と同様に被着され、内部に光学素子４，４′が形成された単数又は複数のシリコーン層３，３′（図４及び図５も参照）と相俟って、１つの光学系１０を形成している。本実施の形態では、基板あるいは光透過性の担体１は、それぞれ面平行の表面を有するプレートをなしている。しかし、要求次第では、担体が例えばレンズ等の光学素子を含んでいてもよい。

図１上図に示した実施の形態では、光学素子４は、収束レンズとして形成されている。

図１中図に示した実施の形態では、光学素子４は、フレネルレンズとして形成されている。

図１下図に示した実施の形態では、光学素子４は、光を屈折させる構造あるいは成形部の実質的にランダムな集合体として形成されており、これにより拡散効果が得られる。

層３，３′は、それぞれ、約６５のショアＡ硬度を有する高純度シリコーンからなっている。シリコーンは、無色透明である。シリコーンは、約３００ｎｍ〜約１０００ｎｍの波長領域で高透過性である。シリコーンは、４００ｎｍ未満の波長及び１０Ｗ／ｃｍ^２より高いエネルギ密度を有する持続的な照射に対して耐ＵＶ性である。

前述の光学モジュールの製造は、それぞれ以下の方法で実施される。

まず、口の開いた開放式の注型用の型６（図２参照）を用意する。型６は、とりわけ光学要素４の成形部のネガ形状を有している。さらに、型６内には、基板１を位置決めして載置するためのランド又はノーズの形態の受け６ａが設けられている。

次に、基板１のコーティングすべき表面５に、場合によってはクリーニング工程後、定着剤２をコーティングする。コーティングは、例えば滴下と、余分な物質の吹き飛ばしとにより実施され、これにより同時に、残存する定着剤の乾燥がなされる。理想的には、塗布した定着剤の厚さは、単一の単分子層であり、いずれにしても好ましくは１００ｎｍ未満である。

こうして基板を準備した後、直ちに、２成分からシリコーン混合物を形成し、開放式の型内に注入する。その際、一方の成分は、触媒を含み、他方の成分は、架橋剤を含む。この混合物は、本実施の形態では５０ｍＰａ・ｓ未満の粘度を有している。これらの成分の混合により、原則、硬化プロセスが開始する。しかし、硬化プロセスは、低温、例えば室温付近では極めてゆっくりと進行する。

次に、基板を制御しつつ、コーティングした表面５を下に向けて型内に挿入し、シリコーン混合物内に浸漬させる（図２左図参照）。

その際、図３に略示するように、特に溢流部（オーバフロー部）７を型に設けておいてもよい。溢流部７は、シリコーンの粘度が低いことと関連して、基板の浸漬深さが良好に規定されるとともに、特に基板により押しのけられたシリコーンが流出可能であるようになっている。こうして、例えば必要なとき、基板の表面５の他、基板の端面も、層３の、周囲を取り巻くように延びる縁部８により覆われるが、基板の背面９は、コーティングされないことが、保証され得る。しかし、別の実施の形態では、基板の完全な包囲が所望される場合もある。

縁部８は、一方では、担体基板１の縁部を保持する際又はこれらの光学系を突き合わせてモジュラ配列する際の、担体基板１のための保護機能を果たし、基板の直接的であって間隙のない透明な配列を可能にし、これにより２つの担体基板間の光学的な界面における光の変向の最小化を可能にする。

基板を受け６ａ上に位置決めした後、必要であれば、表面５の濡れが完全に、特に気泡なしになされているかをチェックする。本発明の可能な実施の形態では、基板の浸漬を、気泡の問題を軽減するために、真空で行ってもよい。しかし、一般的には、粘度が低いことに基づいて、真空でなくても気泡なしのコーティングが達成可能である。

位置決め後、シリコーンの硬化あるいは架橋が実施される。このことは、有利には昇温により大幅に加速される。約１００℃の温度であれば、硬化は、典型的には半時程度で実施可能であり、１５０℃の範囲の温度であれば、硬化は、典型的には数分で実施可能である。この熱硬化温度を選択する際には、それぞれの基板の特性も考慮すべきである。

シリコーンが硬化すると直ちに、図２右図に看取可能であるように、今やコーティングされた基板を、再利用可能な型から離型することができる。

本実施の形態では、シリコーン内の定着剤の添加なしの高純度のシリコーンが使用されるので、型６からシリコーン３を分離する別の手段を必要としない。特に分離シート等を有する型の設計は、省略される。これにより製造は、簡単となり、型の構造の極めて正確な模造が可能となる。

前述の方法は、必要とあれば、複数回続けて同じ対象物に対して適用することも可能である。図４及び図５は、それぞれ、図１に示した実施の形態のこのような変化態様としての本発明の別の実施の形態を示している。両実施の形態では、それぞれ、光学素子４を有する第１の層３の形成後、光学素子４′を有する第２の層３′を形成している。

図４に示した実施の形態では、第２の層３′を、本実際の形態では平板として形成されている基板１の背面あるいは反対面に被着している。これには、基板の未コーティングの面９に定着剤２を施し、次に、対応する型６内に挿入するだけでよい。その後の工程は、前述の通り実施される。

図４に示した実施の形態では、例示を目的として、基板１の第１の表面５あるいは前面が複数の収束レンズ４によりコーティングされている。基板１の第２の表面９あるいは背面には、フレネルレンズ４′がコーティングされている。フレネルレンズ４′は、それぞれ、収束レンズ４と位置合わせされている。

図５に示した実施の形態では、まず、層３、本実施の形態ではフレネルレンズを有する層３を基板の第１の表面５あるいは前面に被着している。次に、この層３上に定着剤２を被着し、収束レンズ４′を有する第２の層３′を第１の層３上に被着している。このとき、被着した第１の層３は、本発明の意味での基板であって、その外側の表面は、第２の表面９である。

原則、このような積層体の層数及び構成に制約はない。

これらの層は、注型材料の種々異なる組成、特に種々異なる注型材料及び／又はこれらの注型材料への種々異なる添加物を有していてもよい。これにより、様々な特性を互いに組み合わせたり、多層の被着時に光学的な特性に対して略段階的に、例えば使用する注型材料の屈折率の微妙な変更により影響を及ぼしたりすることができる。同様に、次の層の被着前に、目下最終の境界層に対して、影響を及ぼし、変更を加えること、例えばスパッタ、噴霧、湿潤又はその他の慣用の表面コーティング法による誘電体若しくは金属コーティング又はシリコーン境界層のシラン処理（Ｓｉｌａｎｉｓｉｅｒｕｎｇ）により、影響を及ぼし、変更を加えることができる。

前述のように、特に臨界的な波長領域における材料の高い耐性と高い透過率とを最適化するために、特に純粋なシリコーンの使用が、有利である。しかし、原則、別の光学的機能、例えば燐光物質及び蛍光物質、一例として希土類の供給により光の波長を変換する機能を形成するために、又は散乱物質、例えば透明性若しくは透光性の粒子（例えばガラス又はセラミック）又は金属粒子の供給により光学系の不透明度に影響を及ぼすために、注型材料に光学機能性の材料を充填してもよい。

図６は、面光源との関連での前述の光学系１０の好ましい使用を示している。光源は、本実施の形態では、パターン状あるいはアレイ状に配置された複数のＬＥＤを有するＬＥＤモジュール１１として形成されている。光学系は、光源の前方に間隔を置いて配置されており、所望の形式で個々のＬＥＤの光を、本実施の形態ではそれぞれ１つのＬＥＤに配設された収束レンズにより屈折させる。

図７は、ＬＥＤモジュール１１が、図１に示した本発明に係るモジュールと組み合わされている別の好ましい使用を示している。この場合、ＬＥＤモジュール１１は、一次光学系１２を有して形成されている。第１の光学モジュールの前方には、光学系１０として形成される本発明に係る光学モジュールが配置されている。本実施の形態では、両モジュールは、それぞれ複数の、ＬＥＤと相関関係に置かれた収束レンズを有し、これらの収束レンズは、協働して全体として１つの大きなＬＥＤの開き角を達成する。

一次光学系１２を有するＬＥＤモジュール１１は、例えば国際公開第２０１２／０３１７０３号パンフレットの思想にしたがって製造されていてもよい。

Claims (8)

1. 光学モジュールを製造する方法であって、
   ａ）ＵＶ透過性の担体として形成される、第１の表面（５）を有する基板（１）を用意する工程と、
   ｂ）内部に少なくとも１つの光学素子（４，４′）の成形部が形成されている開放式の注型用の型（６）を用意する工程と、
   ｃ）前記第１の表面（５）に定着剤（２）をコーティングする工程と、
   ｄ）前記第１の表面（５）を前記開放式の注型用の型（６）内でポリマー注型材料（３）により被覆し、該ポリマー注型材料（３）からなる光学素子（４，４′）を形成する工程と、
   ｅ）前記型（６）内で前記ポリマー注型材料（３）を、ＵＶ光を用いずに熱硬化により硬化し、前記基板（１）と前記ポリマー注型材料（３）とが全体として１つの光学系（１０）を形成する工程と、を備え、
   前記ポリマー注型材料（３）は、主にシリコーンからなり、且つ前記硬化を促す触媒を含み、
   前記定着剤（２）は、反応性シロキサンとケイ素樹脂とからなる混合物であり、
   前記シリコーンは、含まれる異物は、１００ｐｐｍ未満であり、当該異物は、前記触媒を除く、すべての有機またはその他の添加物からなることを特徴とする、光学モジュールを製造する方法。
2. 前記ポリマー注型材料（３）は、定着剤（２）を添加物として含まない、請求項１記載の方法。
3. 前記定着剤（２）を１００ｎｍ未満の平均層厚さで前記第１の表面（５）に被着する、請求項１又は２記載の方法。
4. 前記ポリマー注型材料（３）は、硬化前、１０００ｍＰａ・ｓ未満の粘度を有する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 硬化した前記ポリマー注型材料（３）は、１０〜９０の範囲のショアＡ硬度を有する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 前記ポリマー注型材料（３）からなる光学素子（３）は、４００ｎｍ未満の波長領域で１Ｗ／ｃｍ^２より高い放射強度に対して持続的な耐ＵＶ性を有する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 前記シリコーン（３）を、前記型（６）内に供給する直前に、少なくとも２つのシリコーンの混合物として形成する、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 前記工程ｄ）の後、第２の表面（９）をコーティングする工程を備え、該第２の表面（９）のコーティングも、前記工程ａ）〜ｄ）を有する、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。

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