JP6907201B2 - ３ｄ印刷による光学構成要素の製造方法、光学構成要素、及び照明デバイス - Google Patents
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Description
本発明は、３Ｄ印刷による、光操作のための光学構成要素の製造方法に関する。本発明はまた、３Ｄ印刷された光学構成要素、及び、３Ｄ印刷された光学構成要素を備える照明デバイスにも関する。
ＬＥＤ照明器具用の、ビーム成形光学部品及び色混合光学部品は、典型的には、押出成形若しくは射出成形された構成要素、及び微細構造化フィルムからなる。フィルムの一例、すなわちレンチキュラーフィルムが、米国特許第８７０５１７５（Ｂ１）号で開示されている。このレンチキュラーフィルムは、エンボス加工されたレンチキュラーパターンを有し、かつ一体に積層されている、２つのフィルムによって形成されている。
これらの光学構成要素は、製造するために、多大な時間及び金額（特に、金型費）の投資を必要とするものであり、それゆえ、より良好な適用性能のためのカスタマイズは滅多に実現可能な選択肢とならない。従来の製造技術はまた、特定のタイプの複雑な光学構成要素を製造するためには、その能力において、いくつかの制限を有する。例えば、従来の製造方法を使用して、複数の材料を単一の光学構成要素内に組み込むことは、困難である。
特開２００７−００８００４号は、光学構成要素の製造方法を開示している。当該方法は、投影領域を単位として設定しながら露光を繰り返すことによって、光硬化性樹脂液に選択的に光を適用して硬化樹脂層を形成するステップと、硬化樹脂層を連続的に積層して３次元形状を形成するステップとを含む。
上記に鑑みて、本発明の第１の態様によれば、熱溶解積層法を使用して、少なくとも２つの層のスタックを３Ｄ印刷するステップを含む、光透過性光学構成要素の製造方法が提供される。各層は、スタックのスタック方向に対して垂直な光軸を有する、両凸円柱レンズである。
スタックは、熱溶解積層法を使用して３Ｄ印刷される。熱溶解フィラメント製法と称される場合もある、熱溶解積層法は、光学構成要素を製造するためにとりわけ好適な３Ｄ印刷技術である。「両凸円柱レンズ」とは、反対を向いた２つの凸面を有するレンズを意味する。それらの面の双方とも、円柱のセクションである。
熱溶解積層法を使用して３Ｄ印刷される物体は、通常、波形表面を有し、これは多くの場合、不要なアーチファクトであると見なされる。本発明は、これらの波形が、照明器具及び他のタイプの照明デバイス用の、特定のタイプの光学構成要素を作り出すために、実際に利用され得るという認識に基づくものであるが、これは、波形が、色の混合、光の拡散、光の収束、及び光の発散のためなどの、多種多様なやり方で光を操作するために使用され得る両凸円柱レンズの層を、極めて単純なやり方で形成することを可能にするからである。３Ｄ印刷の使用は、新たな設備に投資することを必要とせずに用途特有の要件を満たすための、光学構成要素の広範囲にわたるカスタマイズを可能にするので、典型的には、光学構成要素が微細構造化フィルムである場合に、又は、先行技術と同様に射出成形又は押出成形される場合に必要である。更には、従来の技術を使用して製造された光学構成要素では、達成することが困難であるか又は更に不可能であるやり方で、光を操作することが可能な、光学構成要素を製造することも可能である。例えば、異なる光学特性を有するいくつかの材料が、同じ光学構成要素内に組み込まれることがあり、異なる層は、所与の異なる幾何学的形状であり得る。
例として、透明な部分から、激しく散乱させる部分までの、全ての種類の組み合わせを有する光学構成要素が、印刷材料の適切な選択によって製造され得る。更には、印刷処理条件（印刷速度及びポリマー流など）を適切に選択することによって、例えば、印刷速度を一定に保ちながら流量を増大又は減少させることによって、層ごとに個別に、あるいは単一の層内で、光学特性が調整され得る。実際に、このやり方で、光学構成要素の光出力面上のあらゆる箇所で微調整されている光学特性を有する、光学構成要素を製造することが可能である。そのような光学構成要素は、例えば、光ビームを極めて正確なやり方で成形するように適合され得る。
３Ｄ印刷の使用はまた、多種多様の異なる形状、更には自由形態の形状及び閉鎖形状を有する光学構成要素を製造することも、簡単なものにさせる。それゆえ、この技術は、顕著な設計柔軟性を可能にし、用途特有の要件を完全に満たす光学構成要素を提供することがより容易になる。
手短に言えば、本発明の第１の態様による方法は、多用途性と費用対効果とを兼ね備え、新たな適用可能性を切り開くものである。
本発明の第１の態様の一実施形態によれば、スタックは、スタックがスタック方向に湾曲しているように、３Ｄ印刷される。このことは、いくつかの用途に関して望ましいものであり、３Ｄ印刷は、そのようなスタックを製造することを簡単なものにさせる。
本発明の第１の態様の一実施形態によれば、本方法は、少なくとも１つの層が所望のアスペクト比を有するように、少なくとも２つの層が異なるアスペクト比を有するように、及び／又は、少なくとも１つの両凸円柱レンズが所望の曲率半径を有するように、印刷処理条件を選択するステップを含む。このやり方で、光学構成要素のビーム成形特性は、意図された用途に正確に適合され得る。光学構成要素は、例えば、歪みのない光、又は大きい角拡散を有する光を透過するように、適合され得る。
本発明の第１の態様の一実施形態によれば、少なくとも２つの層は、異なる屈折率を有する材料で作製される。異なる屈折率を有する材料で作製された層を備える光学構成要素は、強い視野角依存性を呈するように作製され得るので、装飾目的に関して好適である場合が多い。
本発明の第１の態様の一実施形態によれば、少なくとも１つの層は、光散乱材料、光吸収材料、及び蛍光材料のうちの少なくとも１つを含む。交互に構成された透明層と散乱層又は拡散層とを備える光学構成要素は、強い入射角効果を呈し、様々な照明システムにおいて、グレアを低減することができる。光吸収材料を有する光学構成要素は、それらの光強度プロファイルにおいて急峻なカットオフを有する照明デバイスを設計するために使用され得る。そのような照明デバイスは、グレアを殆ど呈し得ないため、例えば、照明デバイスを博物館内のスポットライトとして好適なものにさせる。蛍光材料は、青色発光ダイオードなどの単色光源からの光を波長変換し、目には白色に見える光を得るために使用され得る。
本発明の第２の態様によれば、熱溶解積層法を使用して３Ｄ印刷された、光透過性光学構成要素が提供される。光学構成要素は、２つ以上の層のスタックを含む。各層は、スタックのスタック方向に対して垂直な光軸を有する、両凸円柱レンズである。本発明の第２の態様の効果及び特徴は、本発明の第１の態様の効果及び特徴に類似しており、逆もまた同様である。
本発明の第２の態様の一実施形態によれば、スタックは、スタック方向で湾曲している。
本発明の第２の態様の一実施形態によれば、少なくとも２つの層は、異なるアスペクト比を有する。
本発明の第２の態様の一実施形態によれば、少なくとも２つの層は、異なる屈折率を有する。
本発明の第２の態様の一実施形態によれば、少なくとも１つの層は、光散乱材料、光吸収材料、及び蛍光材料のうちの少なくとも１つを含む。
本発明の第２の態様の実施形態の効果及び特徴は、本発明の第１の態様の実施形態の効果及び特徴に類似しており、逆もまた同様である。
本発明の第３の態様によれば、上述した少なくとも１つの光学構成要素と、少なくとも１つの光源とを備える、照明デバイスが提供される。少なくとも１つの光学構成要素は、少なくとも１つの光源によって放射された光を受光するように構成されている。本発明の第３の態様の効果及び特徴は、本発明の第１の態様並びに第２の態様の効果及び特徴に類似しており、逆もまた同様である。
本発明は、請求項に記載されている特徴の、全ての可能な組合せに関するものである点に留意されたい。
図１及び図２は、層２のスタック１を含む、３Ｄ印刷された光学構成要素１０を示す。スタック１は、代替的には、層のアレイ、又は層のシーケンスと称される場合もある。５つの層２が、図１に示されているが、別の実施例では、当然ながら、異なる数の層２が存在し得る。層２は、光透過性材料、典型的には、ＰＭＭＡ（poly（methyl methacrylate）；ポリ（メチルメタクリレート））、ＰＣ（polycarbonate；ポリカーボネート）、又はＰＥＴ（polyethylene terepthalate；ポリエチレンテレフタレート）などのポリマーによって形成されている。材料の屈折率は、通常１〜２、例えば、１．３〜１．７、又は１．５〜１．６である。層２の全てが、この実施例では、同じ材料によって形成されているため、層２の全ては、同じ屈折率を有する。層２は、スタック方向Ｓ（図１では、垂直方向）で、順に重なり合って構成されている。層２は、スタック２がスタック方向Ｓに真っ直ぐなるように、位置合わせされている。各層２は、両凸円柱レンズを形成しており、その光軸ＯＡは、スタック方向Ｓに対して垂直である。層２の光軸ＯＡは、それに沿って層２を通って光が伝搬する軸であり、この実施例では、異なる層２の光軸ＯＡは平行である。光は、スタック１の光入力面１ａを通って、層２に進入することができ、スタックの光出力面１ｂを通って、出て行くことができる。光入力面１ａ及び光出力面１ｂは、それらの面を外向きに膨らませる、層２の３Ｄ印刷の結果として、波形である。スタック２は、光入力面１ａ及び光出力面１ｂの双方が波形であるという意味で、「両面」と称される場合がある。光入力面１ａ及び光出力面１ｂはまた、レンチキュラー表面と称される場合もある。
この実施例では、層２の全てが、同じ形状及び同じサイズを有する。層２の長さは、スタック方向Ｓに対して垂直な方向で見た場合、ｌによって示されている。厚さｄは、スタック方向Ｓに対して平行であり、幅ｗは、スタック方向Ｓ及び長さ方向に対して垂直である。幅ｗは、典型的には、０．０５ｍｍ〜２ｍｍの範囲である。厚さｄは、典型的には、０．０５ｍｍ〜２ｍｍの範囲である。長さｌは、用途によって著しく異なり得る。殆どの用途に関しては、長さｌは、１ｍｍ〜２ｍの範囲内のいずれかにある。
有用な設計パラメータは、ｗ／ｄ、すなわち、幅ｗを厚さｄで除算したものとして定義される、層２のアスペクト比である。アスペクト比は、１〜５、例えば１〜４、又は１〜３とすることができる。しかしながら、アスペクト比は、５よりも大きく、例えば、１０よりも大きくすることもできる。別の有用な設計パラメータは、層２の曲率半径Ｒ、すなわち、層２と周囲空気との境界面での曲率である。曲率半径Ｒは、Ｒ＝ｘ／（１−ｃｏｓ α）の関係式を満たすものであり、距離ｘ及び角度αは、図２で定義されている。距離ｘは、例えば、０．０５ｍｍ〜２ｍｍの範囲とすることができる。角度αの典型的な値は、１０度〜９０度の範囲、例えば、３０度〜８０度、又は５０度〜７０度の範囲にある。角度αは、例えば、約６０度とすることができる。
図３は、スタック２１がスタック方向Ｓに湾曲していることを除いて、図１及び図２の光学構成要素１０に類似している光学構成要素２０を示している。これは、層２２が、光軸ＯＡに沿って、互いに対して変位されていることの結果である。それゆえ、光入力面２１ａは、全体的に凹状であり、光出力面２１ｂは、全体的に凸状である。光学構成要素２０は、図３で例示されているもの以外の、多くの他のタイプの自由形態の形状を有し得る点に留意されたい。
図４は、スタック３１の層３２が異なる幅ｗを有することを除いて、図１及び図２の光学構成要素に類似している光学構成要素３０を示している。スタック方向Ｓで見た場合、光入力面３１ａは真っ直ぐであり、光出力面３１ｂは湾曲している。変動する幅ｗは、結果として、異なるアスペクト比ｗ／ｄを有する異なる層３２をもたらす。層３２は、この実施例では、同じ厚さｄを有する。異なる層３２の間でアスペクト比ｗ／ｄを変動させる別のやり方は、幅ｗを一定に保ちながら厚さｄを変動させることによるもの、あるいは、幅ｗ及び厚さｄの双方を変動させることによるものである。
図５は、光学構成要素４０のスタック４１は、２つのタイプの層４２、４２'を有することを除いて、図１及び図２の光学構成要素１に類似している光学構成要素４０を示している。２つのタイプの層４２、４２'は、同じ形状及び同じサイズを有するものであるが、異なる材料で作製されている。２つの材料は、異なる屈折率を有する。すなわち、層４２のうちの１つは、屈折率ｎ１を有し、他の層４２'は、ｎ１とは異なる屈折率ｎ２を有する。層４２、４２'は、この実施例では、交互に構成されているが、別の実施例では、何らかの他のやり方で構成され得る。他の実施例では、異なる屈折率を有する材料で作製された、３つ以上のタイプの層が存在し得る。また、等しい幅の層を備える真っ直ぐなスタックである代わりに、スタック４１は、当然ながら、例えば、図３のスタック２１及び図４のスタック３１と同様に、湾曲していてもよく、及び／又は、異なるアスペクト比の層を有していてもよい。
図６は、図１及び図２の光学構成要素１０に類似している、光学構成要素５０を示している。しかしながら、図６の光学構成要素５０は、２つのタイプの層５２、５２'を備えるスタック５１を有し、一方の層５２は透明層であり、他方の層５２'は散乱層である。散乱層５２'は、小さいＴｉＯ２粒子を有するＰＭＭＡ層などの、光散乱粒子を含むポリマー層とすることができる。層５２、５２'は、各散乱層５２'の間に３つの透明層５２が存在するように構成されているが、当然ながら、層５２、５２'を異なるように構成することも可能である。別の実施例では、光散乱層５２'は、何らかの他のタイプの層、例えば、光変換染料、光変換顔料、フォトクロミック顔料、又はサーモクロミック顔料を含有する層によって、置き換えられ得る点に留意されたい。また、等しい幅の層を備える真っ直ぐなスタックである代わりに、スタック５１は、当然ながら、例えば、図３のスタック２１及び図４のスタック３１と同様に、湾曲していてもよく、及び／又は、異なるアスペクト比の層を有していてもよい。
図７は、図１〜図６を参照して上述されたもののような光学構成要素６０の製造方法を概略的に示している。当該方法は、３Ｄ印刷を使用して、互いに重なり合う層６２のスタック６１を作り出す。各層６２は、両凸円柱レンズを形成する。最初に、基板６３にわたる真っ直ぐな又は湾曲している経路で、プリンタノズル６４を移動させることによって、第１の層が、基板６３上に印刷される。次いで、第１の層の上に、第２の層が印刷され、ノズルを前後に移動させ続けることによって、更なる層が印刷され得る。このプロセスは、所望の数の層６２が得られるまで継続する。印刷材料、並びに／あるいは印刷処理条件、例えば、ノズルの速度、及び、ノズル６４を通る印刷材料の流れＦの速度が、層６２の光学特性及び幾何学的特性を決定する。
図８は、照明デバイス７１内に組み込まれている、光学構成要素７０を示している。照明デバイス７１はまた、光学構成要素７０に光を放射するように構成されている、光源７２も含む。光学構成要素７０は、図１〜図７を参照して上述された光学構成要素のうちのいずれかに類似し得る。光源７２及び光学構成要素７０は、ハウジング７３内に構成されている。光源７２は、固体光源、例えば、半導体発光ダイオード、有機発光ダイオード、ポリマー発光ダイオード、又はレーザダイオードとすることができる。図示の照明デバイス７１は、１つのみの光源７２を有するが、当然ながら、別の実施例では、いくつかの光源７２が存在し得る。照明デバイス７１は、事実上あらゆるタイプの、屋内若しくは屋外での家庭利用又は産業利用を対象とし得る。可能な用途の例としては、電球、並びに、ダウンライト及びスポットライトなどの照明器具が挙げられる。使用時には、光源７２は、光入力面７０ａを通って光学構成要素７０に進入し、光出力面７０ｂを通って光学構成要素から出て行く、光を放射する。光学構成要素７０は、照明デバイス７１から出て行く光が、意図された用途に適合するように、何らかの用途特有のやり方で、放射された光に影響を及ぼすように適合されている。
照明デバイスの他の実施例では、光学構成要素７０は、図８に示されているもの以外の何らかの他のやり方で、光源７２に対して構成され得る点に留意されたい。例えば、光学構成要素７０のスタックは、光学構成要素７０が、光源７２を部分的に又は完全に取り囲むように、湾曲し得る。
当業者は、本発明が、上述の実施例に決して限定されるものではないことを、理解するものである。むしろ、添付の請求項の範囲内において、多くの修正形態及び変形形態が可能である。例えば、真っ直ぐである代わりに、層は、それらの長さ方向で湾曲している、又は全体的に自由形態の形状を有し得る。また、光学構成要素は、人工光源を有さない用途、例えば、発光型太陽光集光器、及び、昼光調節窓などの建築用途でも使用され得る。
更には、図面、本開示、及び添付の請求項を検討することにより、開示される実施例に対する他の変形形態が、当業者によって理解され、特許請求される発明を実施する際に遂行され得る。請求項では、単語「含む（comprising）」は、他の要素又はステップを排除するものではなく、不定冠詞「１つの（a）」又は「１つの（an）」は、複数を排除するものでない。特定の手段が、互いに異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが、有利には使用され得ないことを示すものではない。
Claims (11)
- 光透過性光学構成要素の製造方法であって、前記方法が、少なくとも２つの層のスタックを３Ｄ印刷するステップを含み、前記少なくとも２つの層が異なる屈折率を有する材料で作製され、各層が、前記スタックのスタック方向に対して垂直な光軸を有する、両凸円柱レンズであり、前記スタックが、熱溶解積層法を使用して３Ｄ印刷される、方法。
- 前記スタックが、前記スタック方向で前記スタックが湾曲しているように３Ｄ印刷される、請求項１に記載の方法。
- 前記方法が、少なくとも１つの層が所望のアスペクト比を有するように、印刷処理条件を選択するステップを含む、請求項１又は２のいずれか一項に記載の方法。
- 前記方法が、少なくとも２つの層が異なるアスペクト比を有するように、印刷処理条件を選択するステップを含む、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法。
- 前記方法が、少なくとも１つの両凸円柱レンズが所望の曲率半径を有するように、印刷処理条件を選択するステップを含む、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法。
- 少なくとも１つの層が、光散乱材料、光吸収材料、及び蛍光材料のうちの少なくとも１つを含む、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の方法。
- 光透過性光学構成要素であって、前記光学構成要素が、２つ以上の層のスタックを備え、前記少なくとも２つの層が異なる屈折率を有する材料で作製され、各層が、前記スタックのスタック方向に対して垂直な光軸を有する、両凸円柱レンズである、光透過性光学構成要素。
- 前記スタックが、前記スタック方向で湾曲している、請求項７に記載の光学構成要素。
- 少なくとも２つの層が、異なるアスペクト比を有する、請求項７又は８に記載の光学構成要素。
- 少なくとも１つの層が、光散乱材料、光吸収材料、及び蛍光材料のうちの少なくとも１つを含む、請求項７乃至９のいずれか一項に記載の光学構成要素。
- 照明デバイスであって、
少なくとも１つの光源と、
請求項７乃至１０のいずれか一項に記載の、少なくとも１つの光学構成要素と、を備え、前記少なくとも１つの光学構成要素が、前記少なくとも１つの光源によって放射された光を受光するように構成されている、照明デバイス。
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